KR101063828B1 - Method of wastewater treatment using an anaerobic reactor having a biological nitrification process connected a cation exchange membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조 및 이를 이용한 폐수처리 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조에 관한 것이다. The present invention relates to an anaerobic tank having a nitrification tank connected by a cation exchange membrane and a wastewater treatment method using the same, and more particularly, to an anaerobic tank having a nitrification tank connected to a cation exchange membrane.

본 발명에 따르면, 고농도 유기물 및 암모니아를 함유하는 폐수는 이온교환막을 통해 암모니아는 질산화조로, 생성된 질산염은 혐기조로 이동함으로써 탈질도 동시에 일어날 수 있을 뿐 만 아니라, 발생되는 암모니아를 지속적인 생물학적 산화로 인해 이온교환막이 재생되는 효과까지 있어, 상기 폐수 처리에 있어 공정을 단순화하고, 처리시간을 감소시켜 수질개선에 유용하게 사용할 수 있다.According to the present invention, wastewater containing a high concentration of organic matter and ammonia is transferred to the nitrification tank via a ion exchange membrane, and nitrates are transferred to the anaerobic tank, so that denitrification can occur simultaneously. Since the ion exchange membrane is regenerated, it is possible to simplify the process in the wastewater treatment and to reduce the treatment time, thereby making it useful for improving water quality.

혐기조, 암모니아성 폐수, 양이온교환막 Anaerobic Tank, Ammonia Wastewater, Cation Exchange Membrane

Description

양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조 및 이를 이용한 폐수처리 방법{Method of wastewater treatment using an anaerobic reactor having a biological nitrification process connected a cation exchange membrane}Method of wastewater treatment using an anaerobic reactor having a biological nitrification process connected a cation exchange membrane}

본 발명은 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조 및 이를 이용한 폐수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an anaerobic tank having a nitrification tank connected by a cation exchange membrane and a wastewater treatment method using the same.

일반적으로 혐기성 미생물을 이용한 분해과정은 산소가 존재하지 않는 환경에서 미생물에 의해 오염물질의 유기물이 이산화탄소와 메탄으로 전환되는 공정을 의미한다.In general, the decomposition process using anaerobic microorganisms refers to a process in which organic matters of contaminants are converted to carbon dioxide and methane by microorganisms in an oxygen-free environment.

일반적으로, 폐수에 포함되어 있는 영양염류 자체는 무기성 원소이나, 이들이 하천이나, 연안바다, 호소(호수 및 저수지) 등으로 유입될 경우 조류의 성장을 촉진시켜 부영양화 현상을 발생시킨다. 이와 같은 조류의 이상증식에 따른 적조현상은 심할 경우, 수저부에서 부패에 의한 악취가 발생하여 수질오염을 촉진시키는원인이 된다. 따라서 이러한 영향을 미치는 영양염류는 하천이나 호소로 유입되기 전에 제거되어야한다.In general, the nutrients contained in the waste water are inorganic elements, but when they enter rivers, coastal seas, lakes (lakes and reservoirs), algae grow and cause eutrophication. In the case of severe red tide due to abnormal growth of the algae, a bad smell caused by corruption occurs in the spoon, causing water pollution. Therefore, these nutrients must be removed before they enter a river or lake.

축산폐수와 같이 유기물과 암모니아를 고농도로 함유한 폐수는 일반적으로 혐기성 소화조를 거쳐 호기성 폭기조에서 잔류유기물 제거 및 질산화를 유도하고 반송 등을 통해 탈질을 유도하여 처리한다. 하지만, 혐기성 소화를 통해 유기물을 100% 제거하는 것은 불가능하므로 혐기성 소화조 후단에 반드시 호기성 폭기조를 설치하여 잔존 유기물을 산화시켜야 한다. 유기물이 제거된 후 질산화를 유도할 수 있기 때문에 호기조에서의 체류시간 또한 길어지게 된다. 그리고 질산화가 이루어진 후에는 내부반송을 통해 탈질을 유도하여야 하기 때문에 처리 공정이 복잡해지게 된다. 즉, 유기물의 제거가 전제 되어야 하고 긴 체류시간을 요구하며, 전체 공정이 복잡하다는 것이 기존 기술의 취약점이다. Wastewater containing high concentrations of organic matter and ammonia, such as livestock wastewater, is generally treated through anaerobic digestion tanks to induce residual organic matter removal and nitrification in aerobic aeration tanks, and to induce denitrification by returning. However, it is impossible to remove 100% of organic matter through anaerobic digestion, so an aerobic aeration tank must be installed at the rear of the anaerobic digester to oxidize the remaining organic matter. The residence time in the aerobic tank also increases because organic matter can be induced after nitrification. After nitrification, the treatment process becomes complicated because denitrification must be induced through internal transport. That is, the weakness of the existing technology is that the removal of organic matter is required, long residence time is required, and the entire process is complicated.

우리나라의 경우 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리 방법은 활성슬러지법에 의존하고 있다. 활성슬러지법에 의한 처리는 대부분의 현탁 고형물질과 유기물을 제거할 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류 물질의 처리는 20-40%에 불과하다. 질소, 인과 같은 영양염류를 처리하기 위한 공정으로는 물리적, 화학적 및 생물학적인 처리방법이 있다.In Korea, most sewage treatment and livestock wastewater treatment methods rely on activated sludge method. Treatment with activated sludge can remove most suspended solids and organics, but only 20-40% of nutrients such as nitrogen and phosphorus. Processes for treating nutrients such as nitrogen and phosphorus include physical, chemical and biological treatments.

상기 물리화학적인 처리 방법으로는 암모니아 탈기법, 선택적 흡착 방법을 이용하는 이온교환법, 소석회 및 응집제를 사용하여 인을 침전시키는 방법 및 질소와 인을 동시에 침전시키는 스트루바이트(struvite) 형성의 침전법등이 사용되고 있다.The physicochemical treatment methods include ammonia degassing, ion exchange using selective adsorption, precipitation of phosphorus using slaked lime and flocculant, and precipitation of struvite formation that simultaneously precipitates nitrogen and phosphorus. It is used.

그러나 상기한 물리화학적 방법들은 온도에 민감하고 비용이 많이 소요되는 등의 단점이 있고, 약품비 및 운전상에 요구되는 환경이 한정적이어서 그 운영에 어려움이 있으며, 유출수가 불안정하여 세계적으로도 현장에서 사용을 꺼리고 있다.However, the above-mentioned physical and chemical methods are disadvantageous in that they are sensitive to temperature and costly, and are difficult to operate due to the limited chemical and operating environment requirements. Is reluctant.

상기 생물학적 처리 방법에서 질소의 경우는 용존상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(ie., Nitrosomonas & Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(ie., Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers)에 의해 무산소 조건에서 산소 대신 전자수용체로서 이용하게 하여 질소 기체로 변환하여 대기중으로 방출(탈질산화)시켜 제거하고 있다.In the biological treatment method, in the case of nitrogen, nitrification (ie, ammonia is transformed into nitrate form) by nitrifying bacteria (ie, Nitrosomonas & Nitrobacter) under aerobic conditions, and ammonia nitrogen and organic nitrogen in the dissolved state are denitrified. Bacteria (ie, Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers) are used as electron acceptors instead of oxygen in anoxic conditions, converted to nitrogen gas and released into the atmosphere (denitrification).

상기와 같은 폐수 처리 문제를 극복하기 위한 방법으로는 이탈리아에서 개발된 DEPHANOX 공정을 들 수 있다. 이 공정에서는, 혐기 접촉조 및 분리조를 이용하여 혐기 접촉조에서 미생물이 유기물을 흡착시키고, 인의 방출을 유도하며, 분리조에서 흡착된 유기물과 미생물을 분리하여 후속된 탈질조로 유입시키고 흡착되지 않은 질소 화합물을 별개의 반응조에서 질산화시켜 후속된 탈질조로 보내 유기물을 흡착한 미생물에 의해 탈질시킨다. 즉, DEPHANOX 공정은 탈질과 질산화가 별개의 슬러지 및 반응조에서 이루어지며 후속된 제 2 호기성 반응조에서 미생물에 의해 인을 과잉 섭취하도록 하는 공정이다.As a method for overcoming the wastewater treatment problem as described above may include the DEPHANOX process developed in Italy. In this process, anaerobic contacting tanks and separation tanks are used to adsorb organic matter in the anaerobic contacting tank, induce the release of phosphorus, separate organic matter and microorganisms adsorbed in the separation tank and enter the subsequent denitrification tank, Nitrogen compounds are nitrified in separate reactors and sent to subsequent denitrification tanks for denitrification by microorganisms that adsorb organic matter. That is, the DEPHANOX process is a process in which denitrification and nitrification are carried out in separate sludges and reactors, and the phosphorus is excessively ingested by microorganisms in a subsequent aerobic reactor.

그러나 DEPHANOX 공정의 이러한 장점에도 불구하고 질산화반응조에서 후속되는 처리 과정 중 분리조로부터 탈질조로 유입되는 유기 질소 및 암모니아성 질소가 충분히 분해 또는 질산화되지 못하고 방류되며 질산화반응조에 후속되는 단일 탈질 반응조에서만 탈질이 이루어지기 때문에, 높은 질소 제거효율을 기대할 수 없는 단점이 있다.However, despite these advantages of the DEPHANOX process, organic nitrogen and ammonia nitrogen flowing into the denitrification tank from the separation tank during the subsequent treatment in the nitrification tank are not sufficiently decomposed or nitrified and discharged, and only the single denitrification reactor following the nitrification tank is denitrified. Because it is made, there is a disadvantage that can not expect high nitrogen removal efficiency.

이에, 본 발명자들은 축산폐수와 같은 고농도의 유기물과 암모니아를 함유한 폐수의 효율적인 질산화를 위해, 양이온교환막을 이용하여 폐수로부터 암모니아를 분리하여 생물학적 질산화조에 공급함으로써 유기물에 의한 질산화 효율저하를 최소화하고 암모니아 부하를 양이온교환막으로 1차적으로 감소시킴으로써 질산화를 안정적으로 수행할 수 있도록 한 공정을 개발하고, 이를 이용한 암모니아 제거율이 99%이상임을 확인하고 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors minimize the reduction of nitrification efficiency by organic matter by separating ammonia from wastewater using a cation exchange membrane and supplying it to a biological nitrification tank for efficient nitrification of high concentration organic matter such as livestock wastewater and ammonia-containing wastewater. By developing a process to stably carry out nitrification by reducing the load primarily with a cation exchange membrane, it was confirmed that the ammonia removal rate using the same was 99% or more, and completed the present invention.

본 발명의 목적은 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조를 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide an anaerobic tank having a nitrification tank connected by a cation exchange membrane.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 혐기조를 이용한 폐수처리 방법을 제공하는데 있다. In addition, another object of the present invention to provide a wastewater treatment method using the anaerobic tank.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기물의 잔존으로 인해 질산화가 저해를 받지 않도록 하고, 혐기조를 거친 후가 아닌 혐기조에 유입되는 폐수에서 암모니아를 분리하여 질산화시킴으로써 혐기성 소화를 통한 유기물 제거와 질산화를 동시에 유도할 수 있는 혐기조를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is to prevent the nitrification is not inhibited due to the remaining of the organic matter, and to remove the organic matter through the anaerobic digestion and nitrification by separating and nitrifying the ammonia from the wastewater flowing into the anaerobic tank rather than after the anaerobic tank At the same time provide an inducible anaerobic tank.

또한, 본 발명은 상기 혐기조를 이용한 폐수처리 방법을 제공한다. The present invention also provides a wastewater treatment method using the anaerobic tank.

본 발명에 따르면, 고농도 유기물 및 암모니아를 함유하는 폐수는 이온교환막을 통해 암모니아는 질산화조로, 생성된 질산염은 혐기조로 이동함으로써 탈질도 동시에 일어날 수 있을 뿐 만 아니라, 발생되는 암모니아를 지속적인 생물학적 산화로 인해 이온교환막이 재생되는 효과까지 있어, 상기 폐수 처리에 있어 공정을 단순화하고, 처리시간을 감소시켜 수질개선에 유용하게 사용할 수 있다. According to the present invention, wastewater containing a high concentration of organic matter and ammonia is transferred to the nitrification tank via a ion exchange membrane, and nitrates are transferred to the anaerobic tank, so that denitrification can occur simultaneously. Since the ion exchange membrane is regenerated, it is possible to simplify the process in the wastewater treatment and to reduce the treatment time, thereby making it useful for improving water quality.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 양이온교환막(1)으로 연결된 질산화조(5)를 구비하는 혐기조(2)를 제공한다. The present invention provides an anaerobic tank (2) having a nitrification tank (5) connected by a cation exchange membrane (1).

본 발명에 따른 혐기조(2)의 모식도를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 혐기조(2)에서는 유기물을 함유한 폐수가 유입되면 가수분해, 유기산 생성, 메탄 발효의 과정을 거쳐 유기물의 제거가 이루어지고, 상기 양이온교환막은 상기 혐기조(2)에 유입되는 유기물을 함유하는 폐수로부터 발생 또는 이에 포함된 암모니아를 선택적으로 질산화조(5)로 통과시켜 혐기조(2) 내 유기물과 독립적으로 분리되어 배지가 포함되어 있는 질산화 반응조에서 생물학적 질산화가 이루어진다.The schematic diagram of the anaerobic tank 2 which concerns on this invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in the anaerobic tank 2 according to the present invention, when wastewater containing organic matter is introduced, organic matter is removed through hydrolysis, organic acid formation, and methane fermentation, and the cation exchange membrane is the anaerobic tank ( 2) Biological nitrification occurs in the nitrification tank containing the medium by separating ammonia generated from or contained in the wastewater containing the organic matter flowing into the nitrification tank (5) independently of the organic matter in the anaerobic tank (2). Is done.

상기 질산화조는 양이온교환막(1)을 통과하여 유입되는 암모니아를 생물학적 질산화를 통해 제거하여 아질산염 또는 질산염이 생성될 수 있다. 구체적으로, 질산화조(5)에서 일어나는 생물학적 질산화 반응은 하기 반응식 1로 나타낼 수 있다.The nitrification tank may remove ammonia introduced through the cation exchange membrane 1 through biological nitrification to generate nitrite or nitrate. Specifically, the biological nitrification reaction occurring in the nitrification tank 5 may be represented by the following Scheme 1.

NH4+ + 1.5O2 ----> NO2- + H2O + 2H+ (Nitrosomonas) (A)NH 4+ + 1.5O 2 ----> NO 2- + H 2 O + 2H + ( Nitrosomonas ) (A)

NO2- + 0.5O2 ----> NO3- (Nitrobacter) (B)NO 2- + 0.5 O 2 ----> NO 3- ( Nitrobacter ) (B)

NH4+ + NO2- ----> N2 + 2H2O (Anammox bacteria) (C)NH 4+ + NO 2- ----> N 2 + 2H 2 O (Anammox bacteria) (C)

NH4 + + 2H2O + 6Fe3+ ---> NO2 - + 6Fe2+ + 8H+ (Iron reducing bacteria) (D)NH 4 + + 2H 2 O + 6Fe 3+ ---> NO 2+ 6Fe 2+ + 8H + (Iron reducing bacteria) (D)

NO2 - + 2Fe3+ + H2O ---> NO3 - + 2Fe2+ + 2H+ (Iron reducing bacteria) (E) NO 2+ 2Fe 3+ + H 2 O ---> NO 3+ 2Fe 2+ + 2H + (Iron reducing bacteria) (E)

상기 반응식 (A)와 (B)는 질산화 반응에 있어서 용존산소(DO, dissolved oxygen) 농도가 충분히 유지가 될 때 일어나는 반응이다. 즉, 유기물이 존재하지 않고 암모니아의 농도가 낮을 경우 DO 결핍 상태가 일어나지 않고 원활히 암모니아의 산화가 일어난다. 반응식 (C), (D), (E)는 산소의 공급이 원활하지 않은 상태에서 일어나는 암모니아의 산화 반응을 나타내고 있다. 일반적인 축산폐수의 경우, 암모니아의 농도가 수천 ppm으로 높아 그 결과 폐수 내 산소의 공급이 원활하지 않고, 이에 혐기성 반응인 반응식 (C) 내지 (E)에 해당하는 반응이 주로 일어난다. The reaction schemes (A) and (B) are reactions occurring when dissolved oxygen (DO) concentration is sufficiently maintained in the nitrification reaction. That is, when there is no organic substance and the concentration of ammonia is low, DO deficiency does not occur and oxidation of ammonia occurs smoothly. Reaction formula (C), (D), (E) has shown the oxidation reaction of ammonia which arises in the state in which oxygen supply is not smooth. In the case of general livestock wastewater, the concentration of ammonia is several thousand ppm, and as a result, the supply of oxygen into the wastewater is not smooth, and the reactions corresponding to the reactions (C) to (E), which are anaerobic reactions, mainly occur.

본 발명에 따른 혐기조(2)에 있어서, 상기 양이온교환막(1)은 상기 혐기조(2)로부터 선택적으로 암모니아를 질산화조(5)에 유입시킬 뿐만 아니라, 상기 반응식 (3) 내지 (5)를 통해 발생되는 아질산염 또는 질산염을 선택적으로 혐기조(2) 로 통과시켜 혐기조(2)에서 탈질반응을 통해 제거 될 수 있도록 한다. In the anaerobic tank 2 according to the present invention, the cation exchange membrane 1 not only selectively introduces ammonia from the anaerobic tank 2 into the nitrification tank 5, but also through the reaction schemes (3) to (5). The generated nitrite or nitrate is selectively passed through the anaerobic tank (2) to be removed by the denitrification reaction in the anaerobic tank (2).

이때, 상기 양이온교환막(1)은 암모니아와 같은 1가 양이온의 투과에 유리하고 유기물의 이동이 제한적인 분리막이면 특별한 제한없이 사용할 수 있다.In this case, the cation exchange membrane 1 may be used without particular limitation as long as it is advantageous for the permeation of monovalent cations such as ammonia and the separation of organic substances is limited.

나아가, 본 발명에 따른 혐기조(2) 및 이와 연결된 질산화조(5)에서 탈질 및 암모니아 제거가 동시에 수행될 수 있다. 본 발명에 구비되어 있는 양이온교환막이 암모니아가 혐기조(2)에서 질산화조(5)로 이동할 때 전기적인 중성이 유지되어야 하므로 그에 상응하는 만큼의 음이온이 혐기조(2)로 이동하며, 질산화조(5)에서 가장 많이 분포하고 있는 질산염 또한 농도구배에 의해 혐기조(2)로 이동한다. 즉, 질산화조(5)에서 생성된 질산염은 양이온교환막을 통해 혐기조(2)로 이동하여 제거될 수 있기 때문에 탈질 및 암모니아 제거가 동시에 수행될 수 있다. Furthermore, denitrification and ammonia removal can be carried out simultaneously in the anaerobic tank 2 and the nitrification tank 5 connected thereto according to the present invention. As the cation exchange membrane provided in the present invention should maintain electrical neutrality when ammonia moves from the anaerobic tank (2) to the nitrification tank (5), the corresponding anions move to the anaerobic tank (2), and the nitrification tank (5). Nitrate, which is most widely distributed in), is also transferred to the anaerobic tank by concentration gradient. That is, since the nitrate generated in the nitrification tank 5 can be removed by moving to the anaerobic tank 2 through the cation exchange membrane, denitrification and ammonia removal can be performed simultaneously.

또한, 본 발명은 고농도 유기물과 암모니아 물질을 함유한 폐수를 혐기조(2)에 유입시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 고농도 유기물에 포함된 암모니아 또는 이로부터 발생하는 암모니아를 양이온교환막을 통해 질산화조(5)로 이동시킴과 동시에 질산화조(5)에서 생성되는 아질산염 또는 질산염을 혐기조(2)로 이동시키는 단계(단계 2); 및 상기 혐기조(2)로 유입된 아질산염 또는 질산염의 탈질 반응과 질산화조(5)로 유입된 암모니아의 제거반응이 동시에 수행되는 단계(단계 3);를 포함하는 상기 혐기조(2)를 이용한 폐수처리 방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of introducing a wastewater containing a high concentration of organic matter and ammonia material into the anaerobic tank (step 1); Ammonia included in the high concentration organic material of step 1 or ammonia generated therefrom is transferred to the nitrification tank 5 through a cation exchange membrane and at the same time, the nitrite or nitrate generated in the nitrification tank 5 is transferred to the anaerobic tank 2. Step (step 2); And a denitrification reaction of nitrite or nitrate introduced into the anaerobic tank (2) and a removal reaction of ammonia introduced into the nitrification tank (5) are carried out simultaneously (step 3); wastewater treatment using the anaerobic tank (2) comprising Provide a method.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 1은 고농도 유기물과 암모니아 물질을 함유한 폐수를 혐기조(2)에 유입시키는 단계다. In the wastewater treatment method according to the present invention, step 1 is a step of introducing wastewater containing a high concentration of organic matter and ammonia into the anaerobic tank (2).

상기 폐수는 혐기조(2)의 하부로 주입되는 것이 바람직하다.The waste water is preferably injected into the lower portion of the anaerobic tank (2).

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 고농도 유기물에 포함된 암모니아 또는 이로부터 발생하는 암모니아를 양이온교환막을 통해 질산화조(5)로 이동시킴과 동시에 질산화조(5)에서 생성되는 아질산염 또는 질산염을 혐기조(2)로 이동시키는 단계이다.In the wastewater treatment method according to the present invention, step 2 moves ammonia or ammonia generated from the high concentration organic matter of step 1 to the nitrification tank 5 through a cation exchange membrane and at the same time in the nitrification tank 5. The resulting nitrite or nitrate is transferred to the anaerobic tank (2).

상기 단계 2는 본 발명에 구비되어 있는 양이온교환막이 암모니아가 혐기조(2)에서 질산화조(5)로 이동할 때 전기적인 중성이 유지되어야 하므로 그에 상응하는 만큼의 음이온이 혐기조(2)로 이동하며, 질산화조(5)에서 가장 많이 분포하고 있는 질산염 또한 농도구배에 의해 혐기조(2)로 이동한다. 즉, 질산화조(5)에서 생성된 질산염은 양이온교환막을 통해 혐기조(2)로 이동하여 제거될 수 있기 때문에 고농도 유기물에 포함된 암모니아 또는 이로부터 발생하는 암모니아를 양이온교환막을 통해 질산화조(5)로 이동시킴과 동시에 질산화조(5)에서 생성되는 아질산염 또는 질산염을 혐기조(2)로 이동시킬 수 있다.In step 2, the cation exchange membrane provided in the present invention should maintain electrical neutrality when ammonia moves from the anaerobic tank (2) to the nitrification tank (5), so that the corresponding anions move to the anaerobic tank (2), Nitrate, which is most distributed in the nitrification tank (5), also moves to the anaerobic tank (2) by the concentration gradient. That is, since the nitrate generated in the nitrification tank 5 can be removed by moving to the anaerobic tank 2 through the cation exchange membrane, the ammonia contained in the high concentration organic matter or the ammonia generated therefrom is transferred to the nitrification tank 5 through the cation exchange membrane. At the same time, the nitrite or nitrate produced in the nitrification tank (5) can be moved to the anaerobic tank (2).

이때, 상기 단계 2의 질산화조(5)는 pH저하로 인한 물질교환 저하를 막기위해 pH를 6.5 ~ 8 로 조절시키는 것이 바람직하다.At this time, the nitrification tank 5 of step 2 is preferably adjusted to a pH of 6.5 to 8 in order to prevent the material exchange lowered due to the pH decrease.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 단계 3은 상기 혐기조(2)로 유입된 아질산염 또는 질산염의 탈질 반응과 질산화조(5)로 유입된 암모니아의 제거반응이 동시에 수행되는 단계이다. In the wastewater treatment method according to the present invention, step 3 is a step in which the denitrification reaction of nitrite or nitrate introduced into the anaerobic tank 2 and the removal reaction of ammonia introduced into the nitrification tank 5 are performed simultaneously.

상기 단계 3은 상기 단계 2에 의해서 이동되는 아질산염 또는 질산염을 산화시켜 질소가스로 변환시키는 탈질 반응과 상기 반응식 1에 의한 암모니아 제거반응을 동시에 수행할 수 있다. In step 3, the denitrification reaction for oxidizing the nitrite or nitrate transferred by step 2 to nitrogen gas and the ammonia removal reaction according to Scheme 1 may be simultaneously performed.

이때, 질산화조(5)에서의 아질산염 또는 질산염은 아질산 박테리아 또는 질산염 박테리아에 의한 생물학적 질산화에 의해 생성될 수 있다.At this time, the nitrite or nitrate in the nitrification tank 5 may be produced by biological nitrification by nitrite bacteria or nitrate bacteria.

나아가 본 발명에 따른 폐수처리는 회분식 공정 또는 연속식 공정으로 수행될 수 있다. Furthermore, the wastewater treatment according to the invention can be carried out in a batch process or in a continuous process.

상기 따른 폐수처리는 암모니아가 혐기조(2)에서 질산화조(5)로 이동할 때 전기적인 중성이 유지되어야 하므로 그에 상응하는 만큼의 음이온이 혐기조(2)로 이동하며, 질산화조(5)에서 생성된 질산염은 양이온교환막을 통해 혐기조(2)로 이동하여 탈질반응을 통해 제거될 수 있기 때문에 별도의 내부 반송 장치가 없어도 폐수처리가 가능할뿐 만아니라, 양이온교환막(1) 표면을 점유한 암모니아가 생물학적 질산화를 통해 지속적으로 제거될 수 있어 별도의 양이온교환막(1)의 교체 공정이 없이 회분식 또는 연속식 공정이 수행될 수 있다. The wastewater treatment according to the above should be maintained in the electrical neutrality when the ammonia is moved from the anaerobic tank (2) to the nitrification tank (5), so that the corresponding anion is moved to the anaerobic tank (2), generated in the nitrification tank (5) Since the nitrate can be removed by denitrification by moving to the anaerobic tank 2 through the cation exchange membrane, wastewater treatment is possible without a separate internal conveying device, and the ammonia occupying the surface of the cation exchange membrane 1 is biologically nitrified. Can be continuously removed through a batch or continuous process can be performed without a separate cation exchange membrane (1) replacement process.

이때, 상기 연속식 공정은 질산화조(5)의 슬러지를 침강시킨 후, 상등액을 제거하고, 신선한 배지(Fresh medium)를 주입하는 방식으로 운전될 수 있으며, 사용되는 배지는 암모니아 물질을 제외한 영양염류, 미네랄, 탄산수소 나트륨 또는 이의 혼합물이고, pH는 7 ~ 8인 것이 바람직하다. In this case, the continuous process may be operated by sedimenting the sludge of the nitrification tank 5, removing the supernatant and injecting fresh medium, and the medium used is nutrients other than ammonia. , Minerals, sodium bicarbonate or mixtures thereof, and the pH is preferably 7-8.

이하, 이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

<비교예> 양이온교환막을 통한 암모니아 농도 구배 Comparative Example Ammonia Concentration Gradient Through Cation Exchange Membrane

암모니아 이온의 양이온교환막을 통한 이온양을 알아보기 위해, 혐기조에는 증류수에 NH4Cl을 녹여 암모니아 농도를 1400 mg N/L로 맞추고, 질산화조에는 증류수만을 채워 시간에 따른 암모니아의 이동 경향을 관찰하여 도 2에 나타내었다. In order to determine the amount of ions through the cation exchange membrane of ammonia ions, NH 4 Cl was dissolved in distilled water in an anaerobic tank to adjust the ammonia concentration to 1400 mg N / L. 2 is shown.

도 2에 나타낸 바와 같이, 혐기조에 약 950 mg N/L의 암모니아가 존재함에도 불구하고 질산화조에서는 73 mg N/L정도의 농도로 유지됨을 알 수 되어 생물학적인 반응이 없는 상태에서 농도구배만으로는 암모니아가 이동하는 것은 한계가 있음을 확인하였다. 이는, 양이온교환막의 표면이 암모니아 이온에 의해 점유되어 이온교환능이 저해를 받기 때문에 단순한 농도구배에 의한 암모니아의 이동은 양이온교환막에 의해서 발생되는 물리화학적 저항에 의해 제한되었기 때문이다. As shown in Figure 2, despite the presence of about 950 mg N / L of ammonia in the anaerobic tank it can be seen that in the nitrification tank is maintained at a concentration of about 73 mg N / L, ammonia by concentration gradient alone in the absence of a biological reaction It is confirmed that there is a limit to moving. This is because the surface of the cation exchange membrane is occupied by ammonia ions and the ion exchange ability is inhibited, so that the movement of ammonia by a simple concentration gradient is limited by the physicochemical resistance generated by the cation exchange membrane.

<실시예 1> 회분식을 통한 폐수처리Example 1 Wastewater Treatment by Batch Process

폐수를 혐기조에 유입시키고, 양이온교환막으로는 일본 Astom사의 NEOSEPTA membrane 중 CMX를 사용하고, 질산화조에 배지를 투입시킨 후, 운전을 수행하여, 운전시간에 따른 혐기조 및 질산화조의 암모니아 농도를 측정하여 도 3에, 질산화조에서의 질산염 또는 아질산염 농도를 측정하여 도 4와 도 5에 각각 나타내었다.Wastewater was introduced into an anaerobic tank, and CMX was used in NEOSEPTA membrane of Astom of Japan as a cation exchange membrane, the medium was added to the nitrification tank, and the operation was performed to measure the ammonia concentrations of the anaerobic tank and the nitrification tank according to the operation time. The nitrate or nitrite concentrations in the nitrification baths were measured and shown in FIGS. 4 and 5, respectively.

도 3에 나타난 바와 같이 생물학적 질산화 반응에 의해 질산화조에서 암모니아의 계속적인 제거가 이루어지는 경우에는 혐기조에서 암모니아의 농도가 0 mg N/L까지 근접하고 있음을 알 수 있다. 즉, 질산화조에서의 계속적인 암모니아의 제거가 이루어질 경우 음이온이 발생되어 암모니아의 이동에 유리한 조건이 형성되고 암모니아의 농도 또한 낮게 유지됨으로써, 효율적으로 암모니아를 분리하여 질산화 할 수 있는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 3, when the ammonia is continuously removed from the nitrification tank by the biological nitrification reaction, it can be seen that the concentration of ammonia in the anaerobic tank is close to 0 mg N / L. That is, when continuous removal of ammonia is made in the nitrification tank, anion is generated to form a favorable condition for the movement of ammonia and the concentration of ammonia is kept low, thereby confirming that nitrification can be efficiently separated and ammonia.

도 4 또는 도 5에 나타낸 바와 같이, 생물학적 질산화는 질산화조에서 검출된 아질산염과 질산염이 검출됨으로써 알 수 있다. 하지만 암모니아의 초기 농도가 700 mg N/L인데 반해 아질산염과 질산염의 농도는 그보다 높게 나타났다. 이는 초기 질산화조에 식종한 슬러지 내에 함유되어 있던 유기물이 분해됨에 따라 발생된 암모니아의 영향인 것으로 사료된다. 또한, 혐기조에서 아질산염과 질산염이 검출되어 양이온교환막을 통해 암모니아가 이동하고 질산화조에서 음이온인 아질산염과 질산염이 생성됨에 따라 이 두 주요 음이온이 혐기조로 이동하는 것을 확인하였다. 이는 질산화조에서 발생된 아질산염과 질산염이 별도의 반송 없이 이온 교환에 의해 혐기조로 이동하여 탈질과정을 거쳐 제거될 수 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 4 or 5, biological nitrification can be seen by the detection of nitrite and nitrate detected in the nitrification tank. However, the initial concentration of ammonia was 700 mg N / L, whereas the concentrations of nitrite and nitrate were higher. This may be due to the ammonia produced by the decomposition of organic matter contained in the sludge planted in the initial nitrification tank. In addition, as nitrite and nitrate were detected in the anaerobic tank, ammonia was moved through the cation exchange membrane, and nitrite and nitrate, which are anions in the nitrification tank, were confirmed to move to the anaerobic tank. It can be seen that the nitrite and nitrate generated in the nitrification tank can be removed through the denitrification process by moving to the anaerobic tank by ion exchange without separate transport.

<실시예 2> 연속식을 통한 폐수처리 1<Example 2> Wastewater treatment 1 through the continuous

암모니아 농도를 10 mM (140 mg N/L)로 조절한 인공폐수를 조제하여 혐기조에 수리학적 체류시간 (hydraulic retention time, HRT)를 5일로 하여 혐기조에 대한 체적부하를 0.03 kg N/m3/d로 조절하여 운전하였다. 질산화조의 경우는 질산화만을 유도하였기 때문에 별도의 내부반송이나 유입, 유출 없이 5일마다 슬러지를 1시간 동안 침강시킨 후 상등액을 제거하고 새로운 배지(fresh medium)로 교체하는 방식으로 연속식 운전하였다. 이때, 질산화 미생물의 성장에 필요한 암모니아를 제외한 영양염류와 미네랄 성분과 1 g/L의 NaHCO3가 포함되어있었고 pH는 phosphate를 이용하여 7.4 부근으로 조절하여 주입하였다. 혐기조 유입수의 pH는 7.0 부근으로 조절하여 주입하였고, 질산화조는 질산화에 따른 pH 저하로 인해 1.0 N NaOH 용액을 이용하여 pH 7.4 부근으로 조절하여 운전하였다. 용존산소 (dissolved oxygen, DO)는 약 1.4 mg/L로 유지되었다. 상기 운전중 유입수, 혐기조 및 질산화조 내 암모니아 농도 변화를 측정하여 도 6에, 혐기조 및 질산화조의 질산염 농도를 측정하여 도 7에, 유입수, 혐기조 및 질산화조 내 pH를 측정하여 도 8에 나타내었다. Artificial wastewater with an ammonia concentration of 10 mM (140 mg N / L) was prepared, and the hydrodynamic retention time (HRT) was set to 5 days in the anaerobic tank so that the volume load of the anaerobic tank was 0.03 kg N / m 3 /. Operation was adjusted to d. Since nitrification induced only nitrification, the sludge was settled every 5 days for 1 hour without additional internal transport, inflow and outflow, and then the supernatant was removed and replaced with fresh medium. At this time, nutrients and minerals except ammonia needed for the growth of nitrifying microorganisms and 1 g / L of NaHCO 3 were included and the pH was adjusted to 7.4 using phosphate. The pH of the anaerobic influent was adjusted to around 7.0, and the nitrification tank was operated to adjust to around pH 7.4 using 1.0 N NaOH solution due to the decrease in pH due to nitrification. Dissolved oxygen (DO) was maintained at about 1.4 mg / L. The ammonia concentration change in the influent, anaerobic tank and nitrification tank during the operation was measured in FIG. 6, the nitrate concentrations in the anaerobic tank and nitrification tank were measured in FIG. 7, and the pH in the influent, anaerobic tank and nitrification tank was measured and shown in FIG. 8.

도 6에 나타낸 바와 같이, 유입수의 암모니아 농도는 약 130 mgN/L 으로, 혐기조에 암모니아가 계속적으로 유입되나, 혐기조 내 암모니아 농도는 3일내 0 mgN/L으로 감소하고, 이를 계속적으로 유지한다. 또한 질산화조 내 암모니아 농도는 1일내 0 mgN/L으로 감소하여 암모니아의 질산화율이 99%이상이고, As shown in Figure 6, the ammonia concentration of the influent is about 130 mgN / L, while ammonia is continuously introduced into the anaerobic tank, the ammonia concentration in the anaerobic tank is reduced to 0 mgN / L in 3 days, and continuously maintained. In addition, the ammonia concentration in the nitrification tank was reduced to 0 mgN / L in one day so that the nitrification rate of ammonia was more than 99%,

도 7에 나타낸 바와 같이, 질산화조 및 혐기조에 아질산성 질소의 축적은 발견되지 않았다. 질산염의 경우는 질산화조의 medium을 교체함에 따라 5일 주기로 감소하고 다시 상승하는 추이를 보이고 있다. 회분식 실험에서와 마찬가지로 혐기조로 유입된 암모니아는 99%이상 질산화조로 이동하여 산화됨을 알 수 있었고, 질산염의 발생과 이온교환막을 통한 혐기조로의 이동으로 상당량의 질산염이 존재함을 볼 수 있었다. 슬러지 침강 후 새로운 배지를 주입하였을 때 혼합액부유고형물농도(MLSS, mixed liquor suspended solid)는 750 ~ 770 mg/L로 나타났다.As shown in Fig. 7, no accumulation of nitrite nitrogen was found in the nitrification tank and the anaerobic tank. In the case of nitrates, the medium decreases and then rises again every five days as the medium of nitric oxide is replaced. As in the batch experiment, the ammonia introduced into the anaerobic tank was found to be oxidized by migrating more than 99% to the nitrification tank. When fresh media were injected after sludge settling, the mixed liquor suspended solids (MLSS) ranged from 750 to 770 mg / L.

도 8에 나타낸 바와 같이, 질산화조의 pH를 7.4부근으로 유지하기 위해 1.0 N NaOH 용액은 1 mL/L로 소모되었다. 질산염 및 아질산염이 혐기조로 이동하기 때문에 향후 혐기조에서 축산폐수내에 존재하는 유기물을 이용하여 탈질을 유도할 경우, 종속영양 탈질과정에서 발생되는 알칼리도에 의해 질산화조에서 필요로 하는 염기의 양은 감소될 것으로 사료된다. As shown in FIG. 8, 1.0 N NaOH solution was consumed at 1 mL / L to maintain the pH of the nitrification tank at around 7.4. Since nitrates and nitrites are transferred to anaerobic tanks, induction of denitrification using organic materials in livestock wastewater in anaerobic tanks will reduce the amount of base required in nitrification tanks due to the alkalinity generated during heterotrophic denitrification. do.

<실시예 3> 연속식을 통한 폐수처리 2<Example 3> Wastewater treatment 2 through the continuous

암모니아의 부하(0.06 kg N/m3/d)를 2배로 증가시켜 상기 실시예 2와 동일하게 운전한 후, 운전시간에 따른 유입수 혐기조 질산화 조의 암모니아 농도 변화를 도 9에, pH의 변화를 도 10에 나타내었다.The load of ammonia (0.06 kg N / m 3 / d) was doubled and operated in the same manner as in Example 2, and then the ammonia concentration change of the influent anaerobic tank nitrification tank according to the operating time is shown in Fig. 9. 10 is shown.

도 9에 나타낸 바와 같이, 암모니아 농도가 증가함에 따라 용존산소의 농도는 0.6 mg/L 정도로 낮게 유지되었으나, 실시예 2와 동일하게 99% 이상의 질산화율을 나타내는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 9, as the ammonia concentration was increased, the dissolved oxygen concentration was maintained at a low level of about 0.6 mg / L, but it was confirmed that the nitrification rate was 99% or higher as in Example 2.

도 10에 나타낸 바와 같이, 부하가 증가한 만큼 질산화되는 암모니아의 양도 증가하여 질산화조의 pH저하가 보다 극심하였다. 따라서, 1.0 N NaOH의 주입량은 평균 2.5 mL/L이었고, MLSS는 755 ~ 768 mg/L 정도로 유지되어 증가된 값을 보이지 않았다. 이는 폭기량을 고정하였고, NaHCO3의 양도 동일하여 탄소원의 농도에 의해 미생물의 증식이 제한되었기 때문인 것으로 사료된다. As shown in FIG. 10, as the load increased, the amount of ammonia nitrified also increased, and the pH lowering of the nitrification tank was more severe. Therefore, the injection amount of 1.0 N NaOH averaged 2.5 mL / L, and MLSS was maintained at about 755 ~ 768 mg / L did not show an increased value. This is because the amount of aeration was fixed and the amount of NaHCO 3 was also the same, which is because the growth of the microorganism was limited by the concentration of the carbon source.

도 1은 본 발명에 따른 일실시형태의 공정 모식도이고;1 is a process schematic diagram of an embodiment according to the present invention;

도 2는 비교예 1에 따른 암모니아 이동 경향을 나타낸 그래프이고;2 is a graph showing ammonia migration tendency according to Comparative Example 1;

도 3은 본 발명에 따른 일실시형태의 암모니아 농도 경향을 나타낸 그래프이고;3 is a graph showing the ammonia concentration tendency of one embodiment according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 일실시형태의 질산염 농도 경향을 나타낸 그래프이고;4 is a graph showing the nitrate concentration trend of one embodiment according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 일실시형태의 아질산염 농도 경향을 나타낸 그래프이고;5 is a graph showing the nitrite concentration trend of one embodiment according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 일실시형태의 암모니아 농도 경향을 나타낸 그래프이고;6 is a graph showing the ammonia concentration tendency of one embodiment according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 일실시형태의 질산염 농도 경향을 나타낸 그래프이고;7 is a graph showing the nitrate concentration trend of one embodiment according to the present invention;

도 8은 본 발명에 따른 일실시형태의 pH 경향을 나타낸 그래프이고;8 is a graph showing the pH trend of one embodiment according to the present invention;

도 9는 본 발명에 따른 일실시형태의 암모니아 농도 경향을 나타낸 그래프이고; 및9 is a graph showing the ammonia concentration tendency of one embodiment according to the present invention; And

도 10은 본 발명에 따른 일실시형태의 pH 경향을 나타낸 그래프이다.Figure 10 is a graph showing the pH trend of one embodiment according to the present invention.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS

1:양이온교환막 2:혐기조1: cation exchange membrane 2: anaerobic tank

3:산기관 4:폭기3: acid engine 4: aeration

5:질산화조5: nitrification tank

Claims (5)

양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하는 혐기조에 있어서, 상기 양이온교환막은 상기 혐기조에 유입되는 유기물을 함유하는 폐수로부터 발생 또는 이에 포함된 암모니아를 선택적으로 질산화조로 통과시키는 것을 특징으로 하는 혐기조.An anaerobic tank having a nitrification tank connected to a cation exchange membrane, wherein the cation exchange membrane selectively passes ammonia generated from or contained in the wastewater containing organic matter introduced into the anaerobic tank to the nitrification tank. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 양이온교환막은 상기 질산화조에서 발생하는 아질산염 또는 질산염을 선택적으로 상기 혐기조로 통과시키는 것을 특징으로 하는 혐기조.The anaerobic tank according to claim 1, wherein the cation exchange membrane selectively passes nitrite or nitrate generated in the nitrification tank to the anaerobic tank. 제1항에 있어서, 상기 혐기조에서는 양이온교환막을 통과하여 유입되는 아질산염 또는 질산염의 탈질반응이 수행되고, 상기 질산화조에서는 암모니아 제거반응이 수행되되, 상기 탈질반응 및 암모니아 제거 반응을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 혐기조.The denitrification reaction of nitrite or nitrate flowing through the cation exchange membrane is performed in the anaerobic tank, and the ammonia removal reaction is performed in the nitrification tank, wherein the denitrification reaction and the ammonia removal reaction are simultaneously performed. Anaerobic tank. 고농도 유기물과 암모니아를 함유한 폐수를 혐기조에 유입시키는 단계(단계 1);Introducing wastewater containing a high concentration of organic matter and ammonia into the anaerobic tank (step 1); 상기 단계 1의 고농도 유기물에 포함된 암모니아 또는 이로부터 발생하는 암모니아를 양이온교환막을 통해 질산화조로 이동시킴과 동시에 질산화조에서 생성되는 아질산염 또는 질산염을 혐기조로 이동시키는 단계(단계 2); 및 Moving ammonia or ammonia generated from the high concentration organic material of step 1 to the nitrification tank through a cation exchange membrane and simultaneously transferring nitrite or nitrate generated in the nitrification tank to an anaerobic tank (step 2); And 상기 혐기조로 유입된 아질산염 또는 질산염의 탈질반응과 질산화조로 유입된 암모니아의 제거반응이 동시에 수행되는 단계(단계 3)를 포함하는 제1항의 혐기조를 이용한 폐수처리 방법.The denitrification reaction of nitrite or nitrate introduced into the anaerobic tank and the removal reaction of ammonia introduced into the nitrification tank are simultaneously performed (step 3).
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