KR101267541B1 - Bio-electrochemical wastewater treating apparatus for a simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter and wastewater treatment method using the apparatus - Google Patents

Bio-electrochemical wastewater treating apparatus for a simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter and wastewater treatment method using the apparatus Download PDF

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임승주
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한국원자력연구원
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Abstract

PURPOSE: A bioelectrochemical wastewater treating apparatus is provided to improve velocity of moving ammonia and to enable excessive nitrate in aerobic zone to move to a denitrification zone. CONSTITUTION: A bioelectrochemical wastewater treating apparatus comprises an anaerobic tank receiving waste water; an aerobic tank connected to the anaerobic tank; a cation exchange membrane; an anion exchange membrane; and a water transfer pipe. The cation exchange membrane connects the anaerobic tank and aerobic tank to each other. The anion exchange membrane connects the aerobic tank and a denitrification tank. The anaerobic tank decomposes organic material in the waste water by using a reduction electrode and microorganism. The aerobic tank forms nitrate from ammonia which flows from the anaerobic tank through the cation exchange film, by using an oxidation electrode and microorganism. [Reference numerals] (AA) Inflow water transfer pipe; (BB) Power source; (CC) Cation exchange film; (DD) Anion exchange film; (EE) Anaerobic tank; (FF) Reduction electrode; (GG) Aerobic tank; (HH) Denitrification tank; (II) Oxidation electrode; (JJ) Inflow water; (KK) Air diffuser; (LL) Aeration

Description

유기성 질소 및 유기물의 동시제거를 위한 생물전기화학적 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법{Bio-electrochemical wastewater treating apparatus for a simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter and wastewater treatment method using the apparatus}Bio-electrochemical wastewater treating apparatus for a simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter and wastewater treatment method using the apparatus}

본 발명은 유기성 질소 및 유기물의 동시제거를 위한 생물전기화학적 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a bioelectrochemical wastewater treatment apparatus for simultaneous removal of organic nitrogen and organic matter and a wastewater treatment method using the same.

유가공폐수 및 축산폐수와 같은 고농도 유기성 폐수인 경우 고농도의 유기물과 질소가 함유되어 있으므로 일반적으로 혐기성 소화조를 거쳐 호기성 폭기조에서 잔류유기물 제거 및 질산화를 유도하고 반송 등을 통해 탈질을 유도하여 처리한다.
High concentration organic wastewater, such as dairy waste and livestock waste, contains high concentrations of organic matter and nitrogen, so it is generally treated through anaerobic digestion tanks to remove residual organic matter and induce nitrification and induce denitrification through return.

하지만, 혐기성 소화를 통해 완벽히 유기물을 제거할 수 없기 때문에 일반적으로 혐기성 소화조 후단에 호기조를 설치하여 폭기하거나 산화공정을 설치하여 잔류유기물을 제거한 후 방류하고 있는 실정이다.
However, since it is not possible to completely remove organic matter through anaerobic digestion, the aeration tank is generally installed at the rear end of the anaerobic digestion tank to aeration or an oxidation process is installed to remove residual organic matter.

질소 제거의 경우 유기물이 제거된 후 질산화를 유도할 수 있기 때문에 호기조에서의 체류시간 또한 길어지게 된다. 또한, 질산화 공정 이후에는 내부반송을 통해 탈질하거나 외부 탄소원을 투입하여 탈질시킴으로써 추가적인 탈질조를 설치하고 이후 다시 호기조를 설치하여야 하기 때문에 처리 공정이 복잡해지게 된다.
In the case of nitrogen removal, the residence time in the aerobic tank also becomes longer because nitrification may be induced after the organic matter is removed. In addition, after the nitrification process, the denitrification tank may be denitrated through an internal transport or an external carbon source may be denitrified to install an additional denitrification tank, and then an aerobic tank must be installed again.

따라서, 유기물의 제거가 전제 되어야 하고 긴 체류시간을 요구하며, 전체 공정이 복잡하다는 것이 기존 기술의 취약점이다.
Therefore, the disadvantage of the existing technology is that the removal of organic matter is required, long residence time is required, and the whole process is complicated.

한국의 경우 활성슬러지법을 이용하여 대부분의 하수처리 및 축산폐수 처리를 실시하고 있다. 활성슬러지법에 의한 처리는 대부분의 현탁 고형물질과 유기물을 제거할 수 있으나, 질소나 인과 같은 영양염류의 제거효율은 20-40%에 불과하다.
In Korea, most of the sewage treatment and livestock wastewater treatment is carried out using activated sludge method. Activated sludge treatment can remove most suspended solids and organic matter, but the removal efficiency of nutrients such as nitrogen and phosphorus is only 20-40%.

질소, 인과 같은 영양염류를 처리하기 위한 공정으로는 물리적, 화학적 및 생물학적인 처리방법이 있다.
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 physicochemical methods have disadvantages such as being sensitive to temperature and costly, and are difficult to operate due to the limited chemical cost and operation environment, and are unstable in effluent water, Reluctant to use.

상기 생물학적 처리 방법에서 질소의 경우는 용존상태에 있는 암모니아성 질소와 유기 질소를 호기성 조건에서 질산화균(예를 들어, Nitrosomonas 및 Nitrobacter)에 의해 질산화(암모니아를 질산염형태로 변형)시키고, 질산염을 탈질산화균(예를 들어, 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 (eg, ammonia is transformed into nitrate form) by nitrifying bacteria (for example, Nitrosomonas and Nitrobacter) under aerobic conditions in ammonia nitrogen and organic nitrogen in the dissolved state, and denitrification Oxidized bacteria (eg, Pseudomonas, Paracoccus denitrifiers) are used as electron acceptors instead of oxygen under anoxic conditions, converted to nitrogen gas and released into the atmosphere (denitrification) and removed.

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.
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.

즉, DEPHANOX 공정은 탈질과 질산화가 별개의 슬러지 및 반응조에서 이루어지며 후속된 제 2 호기성 반응조에서 미생물에 의해 인을 과잉 섭취하도록 하는 공정이다.
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, 상기 DEPHANOX 공정의 이러한 장점에도 불구하고 질산화 반응조에서 후속되는 처리 과정 중 분리조로부터 탈질조로 유입되는 유기 질소 및 암모니아성 질소가 충분히 분해 또는 질산화되지 못하고 방류되며 질산화 반응조에 후속되는 단일 탈질 반응조에서만 탈질이 이루어지기 때문에, 높은 질소 제거효율을 기대할 수 없는 단점이 있다.
However, despite these advantages of the DEPHANOX process, the 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, but are discharged and are only in a single denitrification reactor subsequent to the nitrification tank. Because denitrification is made, there is a disadvantage that high nitrogen removal efficiency cannot be expected.

이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 선행기술로써 양이온교환과 생물학적 반응을 이용한 암모니아와 유기물 동시 탈질 공정으로 CESON(cation exchange simultaneous organics and nitrogen removal) 공정이 개발되었다.
In order to solve this problem, CESON (cation exchange simultaneous organics and nitrogen removal) process was developed as a prior art denitrification process using cation exchange and biological reaction.

그러나, CESON 공정은 외부전위가 없이 양이온교환막에 의해 암모니아가 이동하고, 호기조에서 혐기조로의 질산염의 이동이 제한되기 때문에, 암모니아의 부하가 증가할 경우 호기조 내부에 질산염이 축적되는 현상이 발생된다.
However, in the CESON process, ammonia is moved by the cation exchange membrane without an external potential, and nitrate migration from the aerobic tank to the anaerobic tank is limited, so that when the load of ammonia increases, nitrate accumulates inside the aerobic tank.

이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 또한 선행기술로써 발명자들은 혐기조-호기조-탈질조로 이루어지는 M-IEBR(modified-ion exchange biological reactor) 공정을 개발하였었다.
In order to solve this problem, the inventors also developed a modified-ion exchange biological reactor (M-IEBR) process consisting of an anaerobic tank, an aerobic tank, and a denitrification tank.

M-IEBR 공정은 CESON 공정에 음이온 교환부가 추가되고 호기조에서 암모니아의 산화로 인해 생성되는 질산염을 분리하여 탈질조로 공급하며 호기조에서의 질산염 축적 문제를 해소하고, 외부전위를 도입함으로써 공정의 처리용량 개선의 결과를 얻을 수 있었다.
The M-IEBR process adds an anion exchanger to the CESON process, separates the nitrates produced by the oxidation of ammonia in the aerobic tank, supplies them to the denitrification tank, solves the nitrate accumulation problem in the aerobic tank, and improves the processing capacity by introducing external potentials. Could get the result.

하지만, 호기조에서 두 개의 환원전극을 사용하고 2개의 외부전원을 사용하기 때문에 실제 하폐수처리시설에서 사용되기에는 경제적으로 한계를 갖고 있었다.
However, because of the use of two cathodes and two external power sources in the aerobic tank, it was economically limited to be used in actual sewage treatment facilities.

축산폐수의 경우 1,500 mg N/L 이상의 암모니아가 함유되어 있고 유기물 또한 CODCr으로 10,000 mg/L 이상을 함유하고 있다. M-IEBR 공정에서는 유기물 제거를 위한 반응으로 생물학적 탈질 반응을 유도하기 때문에 많은 양의 질산염을 경제적이고, 안정적이며, 향상된 속도로 공급하는 것이 중요한데, 실제 축산폐수를 M-IEBR 공정으로 처리함에 있어서 공정의 운전비용이 많이 든다는 단점이 있다.
Livestock wastewater contains more than 1,500 mg N / L of ammonia, and organic matter contains more than 10,000 mg / L of COD Cr . In the M-IEBR process, it is important to supply a large amount of nitrates economically, stably and at an improved rate because it induces biological denitrification as a reaction for removing organic matter. There is a disadvantage in that the operation cost of a lot.

특허문헌 1에서는 전기에너지를 환원력으로 이용하여 하폐수의 유기물과 질소 등의 영양염류를 제거할 수 있도록 하는 전기에너지의 환원력을 이용한 하폐수의 생물학적 탈질방법 및 그 장치에 관하여 개시하고 있다.
Patent Literature 1 discloses a biological denitrification method and apparatus for wastewater using reduction power of electrical energy to remove nutrients such as organic matter and nitrogen from wastewater using electrical energy as reducing power.

특허문헌 2에서는 이온교환막을 이용한 질소함유 폐수처리 시스템에 관하여 개시하고 있다. 구체적으로, 전기분해장치의 내부에 전자만 통과하면서 물은 통과하지 못하는 이온교환막을 설치하여 +극에는 전해질 용액을 넣은 상태에서 산화반응이 일어나도록 하면서 -극에는 오폐수를 넣은 상태에서 환원반응만 계속 일어나도록 하여 -극에서 직접 질소가스와 수소가스의 제거가 행하여지도록 한다.
Patent Literature 2 discloses a nitrogen-containing wastewater treatment system using an ion exchange membrane. Specifically, an ion exchange membrane is installed inside the electrolysis device that passes only electrons but does not pass water so that the oxidation reaction occurs while the electrolyte is added to the + pole, while the reduction reaction is continued while the waste water is added to the pole. The nitrogen gas and hydrogen gas are removed directly from the pole.

특허문헌 3에서는 부착생물막을 이용한 축산폐수처리시 고농도의 유기물질, 질소, 인의 동시제거와 발생오니의 저감화 방법에 관하여 개시하고 있다.
Patent Document 3 discloses a method for simultaneously removing high concentrations of organic substances, nitrogen and phosphorus and reducing sludge generated during livestock wastewater treatment using adherent biofilms.

특허문헌 4에서는 양이온교환막으로 연결된 질산화조를 구비하고 혐기조 및 이를 이용한 폐수처리방법에 관하여 개시하고 있다.
Patent Document 4 discloses an anaerobic tank and a wastewater treatment method including the nitrification tank connected by a cation exchange membrane.

특허문헌 5에서는 하이브리드형 하폐수 고도처리 시스템 및 이를 이용한 하폐수 처리방법에 관하여 개시하고 있다.
Patent Document 5 discloses a hybrid type sewage treatment system and a method for treating wastewater using the same.

이에, 본 발명자들은 보다 경제적이고 효율적으로 이온교환을 통해 암모니아를 혐기조에서 호기조로 이동시키고 질산염의 탈질 및 탈질조로의 이동 속도를 향상시켜 폐수처리 용량 및 속도를 향상시키는 방법을 연구하던 중, 혐기조-호기조-탈질조로 이루어지는 반응조에 혐기조에 환원전극을 설치하고 호기조에 산화전극을 설치하여 전기장을 형성시킴으로써 탈질반응과 직접적으로 관계되는 암모니아의 이동 속도가 향상될 뿐만 아니라, 탈질반응을 위한 질산염이 호기조에 과다하게 존재할 경우 탈질조로 이동시켜 유기물을 산화시키며 탈질반응을 도와 폐수처리 용량 및 속도를 획기적으로 향상시키는 폐수처리 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the present inventors are studying the method of improving the wastewater treatment capacity and speed by moving the ammonia from the anaerobic tank to the aerobic tank through ion exchange more economically and efficiently and improving the rate of nitrate denitrification and denitrification tank. By installing a reduction electrode in the anaerobic tank and an anode in the aerobic tank in the reaction tank consisting of an aerobic tank and a denitrification tank, an electric field is formed to improve the moving speed of ammonia, which is directly related to the denitrification reaction, and the nitrate for the denitrification reaction is added to the aerobic tank. If present in excess of the present invention to move to a denitrification tank to oxidize the organic matter and to help the denitrification reaction wastewater treatment method to significantly improve the capacity and speed of wastewater treatment and completed the present invention.

특허문헌 1: 특허출원 KR 10-1999-0018704Patent Document 1: Patent Application KR 10-1999-0018704 특허문헌 2: 특허출원 KR 10-2002-0001792Patent Document 2: Patent Application KR 10-2002-0001792 특허문헌 3: 특허출원 KR 10-2002-0023856Patent Document 3: Patent Application KR 10-2002-0023856 특허문헌 4: 특허출원 KR 10-2009-0009570Patent Document 4: Patent Application KR 10-2009-0009570 특허문헌 5: 특허출원 KR 10-2008-0029907Patent Document 5: Patent Application KR 10-2008-0029907

본 발명의 목적은 하폐수에 포함된 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 생물전기화학적 폐수처리 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a bioelectrochemical wastewater treatment apparatus capable of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen contained in sewage water.

본 발명의 다른 목적은 하폐수에 포함된 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 생물전기화학적 폐수처리 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a bioelectrochemical wastewater treatment method capable of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen contained in sewage water.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 장치를 이용하여 폐수 중 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 방법을 제공하는 것이다.
Still another object of the present invention is to provide a method for simultaneously removing organic matter and organic nitrogen in wastewater using the apparatus.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하폐수가 유입되는 혐기조와;In order to achieve the above object, the present invention provides an anaerobic tank into which wastewater is introduced;

상기 혐기조와 연통되는 호기조와;An aerobic tank communicating with the anaerobic tank;

상기 호기조와 연통되는 탈질조와;A denitrification tank communicating with the expiratory tank;

상기 혐기조와 호기조를 연통하는 양이온교환막과;A cation exchange membrane communicating the anaerobic tank and the aerobic tank;

상기 호기조와 탈질조를 연통하는 음이온교환막과;An anion exchange membrane in communication with the aerobic tank and the denitrification tank;

상기 혐기조에 구비되는 환원전극과 호기조에 구비되는 산화전극으로 구성되는 전위장치와;A potential device comprising a reduction electrode provided in the anaerobic tank and an anode provided in the aerobic tank;

상기 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 생물전기화학적 폐수처리 장치를 제공한다.
Provided is a bioelectrochemical wastewater treatment apparatus capable of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen, including an influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank.

또한, 본 발명은 유기물 및 유기성 질소를 함유한 폐수를 혐기조에 유입시키는 단계(단계 1);In addition, the present invention comprises the step of introducing the wastewater containing organic matter and organic nitrogen into the anaerobic tank (step 1);

전위장치에 전원을 공급하여, 혐기조에 구비되는 환원전극에 형성된 미생물층의 표면에서 폐수 중에 포함된 유기물을 분해하고, 상기 미생물층의 내부에서 질산염의 탈질을 유도하며, 폐수 중에 포함된 암모니아를 혐기조와 호기조를 연통시키는 양이온교환막을 통해 호기조로 이동시키는 단계(단계 2);Supplying power to the potential device, decomposes the organic matter contained in the wastewater on the surface of the microbial layer formed on the cathode electrode provided in the anaerobic tank, induces denitrification of nitrate inside the microbial layer, and ammonia contained in the wastewater Moving to the aerobic tank through a cation exchange membrane communicating with the aerobic tank (step 2);

전위장치에 전원을 공급하여, 호기조에 부유하는 미생물 또는 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에서 유기물의 분해 및 상기 단계 2에서 호기조로 이동한 암모니아를 질산염으로 생성시키는 단계(단계 3);Supplying power to the potential device, decomposing organic matter on the surface of the microorganism layer formed on the microorganism suspended in the aerobic tank or the anode electrode provided in the aerobic tank, and generating ammonia, which has moved to the aerobic tank, in step 2 as nitrate (step 3) ;

전원장치에 전원을 공급하여, 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에서 상기 단계 3에서 생성된 질산염을 탈질하는 단계(단계 4); 및Supplying power to the power supply device to denitrate the nitrate produced in step 3 in the microbial layer formed on the anode provided in the aerobic tank (step 4); And

상기 단계 4에서 탈질되지 못하고 남은 질산염을 농도구배에 의해서 호기조와 탈질조를 연통시키는 음이온교환막을 통해 탈질조로 이동시키고, 상기 질산염을 혐기조와 탈질조를 연통시키는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응시켜 유기물을 산화시키며, 탈질반응을 수행하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 폐수처리 방법을 제공한다.
In the step 4, the remaining nitrate, which cannot be denitrated, is transferred to the denitrification tank through an anion exchange membrane communicating the aerobic tank and the denitrification tank by the concentration gradient, and the nitrate is organic matter in the wastewater introduced through the influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank. The present invention provides a wastewater treatment method capable of simultaneously removing an organic material and organic nitrogen, which comprises reacting with oxidized organic material and performing a denitrification reaction (step 5).

나아가, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 폐수 중 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 방법에 있어서,Furthermore, the present invention provides a method for simultaneously removing organic matter and organic nitrogen in wastewater using the apparatus,

혐기조에 폐수를 유입시키는 단계(단계 1); 및Introducing wastewater into the anaerobic tank (step 1); And

전위장치에 전원을 공급하는 단계(단계 2)를 포함하는 폐수 중 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 방법을 제공한다.
Provided is a method for simultaneously removing organic matter and organic nitrogen from wastewater comprising the step of supplying power to a potential device.

본 발명에 따른 하폐수처리 방법은 생물전기화학적 반응을 통해 유기물과 유기성 질소를 동시에 제거하는 과정에 있어서, 혐기조-호기조-탈질조로 이루어지는 반응조에 혐기조에 환원전극을 설치하고 호기조에 산화전극을 설치하여 전기장을 형성시킴으로써 탈질반응과 직접적으로 관계되는 암모니아의 이동 속도가 향상될 뿐만 아니라, 탈질반응을 위한 질산염이 호기조에 과다하게 존재할 경우 탈질조로 이동시켜 유기물을 산화시키며 탈질반응을 도와 폐수처리 용량 및 속도를 획기적으로 향상시키므로, 수질개선용 폐수처리 장치 또는 방법에 유용하게 사용될 수 있다.
In the wastewater treatment method according to the present invention, in the process of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen through a bioelectrochemical reaction, a reduction electrode is installed in an anaerobic tank and an anode is installed in an aerobic tank in an anaerobic tank-aerobic tank-denitrification tank. In addition to improving the transport speed of ammonia, which is directly related to the denitrification reaction, if excessive nitrate is present in the aerobic tank, it moves to the denitrification tank to oxidize organic matter and helps the denitrification reaction to improve the wastewater treatment capacity and speed. Significantly improved, it can be usefully used in wastewater treatment apparatus or method for water quality improvement.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 M-IEBR2 폐수처리 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정으로 축산폐수 중 총질소를 제거하는 효과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정으로 축산폐수 중 암모니아를 제거하는 효과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정으로 축산폐수 중 유기물을 제거하는 효과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic view of the M-IEBR2 wastewater treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the effect of removing the total nitrogen in the livestock wastewater M-IEBR2 process according to the present invention.
3 is a graph showing the effect of removing ammonia in the livestock wastewater by the M-IEBR2 process according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing the effect of removing the organic matter in the livestock wastewater by the M-IEBR2 process according to the present invention.

본 발명을 상세히 설명하기에 앞서 선행기술과 간략히 비교해보고 용어 'M-IEBR2 공정'을 정의한다. 본 발명은 전기화학적 이온교환, 호기조에서의 질산화 그리고 생물학적 탈질 반응의 복합적 메카니즘을 가진 공정으로 M-IEBR2 (modified-ion exchange biological reactor2) 공정으로 명명하였다.Prior to describing the invention in detail, a brief comparison with the prior art is made and the term 'M-IEBR2 process' is defined. The present invention is named M-IEBR2 (modified-ion exchange biological reactor 2) process with a complex mechanism of electrochemical ion exchange, nitrification in aerobic tank and biological denitrification reaction.

본 발명의 궁극적인 목적은 선행기술인 M-IEBR(modified-ion exchange biological reactor) 공정의 폐수처리효율을 개선하기 위한 것이다. The ultimate object of the present invention is to improve the wastewater treatment efficiency of the prior art modified-ion exchange biological reactor (M-IEBR) process.

선행기술인 M-IEBR 공정과 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정의 장치에서 개선된 점으로는, M-IEBR 공정 장치는 혐기조에 설치된 제1산화전극과 호기조의 2개의 환원전극 및 탈질조의 제2산화전극 그리고 2개의 전원으로 구성되어 전력 소비량이 많은 반면에, 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정 장치는 혐기조에 1개의 환원전극을 설치하고 호기조에 1개의 산화전극을 설치하여 1개의 전원으로 구성되어 전력 소비량을 현저히 감소시킨 것이다.In the improvement of the prior art M-IEBR process and the apparatus of the M-IEBR2 process according to the present invention, the M-IEBR process apparatus is the first oxidation electrode installed in the anaerobic tank and the two reduction electrodes of the aerobic tank and the second oxidation of the denitrification tank On the other hand, the M-IEBR2 process apparatus according to the present invention is composed of one power source by installing one reducing electrode in an anaerobic tank and one anode in an aerobic tank. This is a significant reduction in consumption.

선행기술인 M-IEBR 공정에서는 암모니아 및 질산염의 이동은 2개의 산화전극과 2개의 환원전극에서 유발된 전기장에 의해 이온교환막을 사이에 둔 양쪽 반응기 간의 이온의 농도구배가 주요한 기전력으로 작용하였다. In the M-IEBR process of the prior art, the concentration gradient of ions between the two reactors between the ion exchange membranes acted as the main electromotive force in the transfer of ammonia and nitrates by the electric field induced by the two anode and the cathode.

본 발명에 따른 M-IEBR2 공정에서는 혐기조 및 호기조에 각각 1개의 환원전극과 1개의 산화전극을 설치하여 전기장을 적용함으로써 이온의 이동을 원활히 하고, 또한 환원전극에서 유기물의 분해를 보조하는 역할까지 함으로써 축산폐수에 함유된 난분해성 유기물의 분해 또한 기대할 수 있다.
In the M-IEBR2 process according to the present invention, by installing one cathode and one anode in each of the anaerobic tank and the aerobic tank, an electric field is applied to facilitate the movement of ions, and also to assist the decomposition of organic matter in the cathode. Degradation of hardly degradable organics contained in livestock wastewater can also be expected.

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

본 발명은 하기의 구성을 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 생물전기화학적 폐수처리 장치를 제공한다:The present invention provides a bioelectrochemical wastewater treatment apparatus capable of simultaneous removal of organic matter and organic nitrogen comprising the following configuration:

하폐수가 유입되는 혐기조와;An anaerobic tank into which wastewater is introduced;

상기 혐기조와 연통되는 호기조와;An aerobic tank communicating with the anaerobic tank;

상기 호기조와 연통되는 탈질조와;A denitrification tank communicating with the expiratory tank;

상기 혐기조와 호기조를 연통하는 양이온교환막과;A cation exchange membrane communicating the anaerobic tank and the aerobic tank;

상기 호기조와 탈질조를 연통하는 음이온교환막과;An anion exchange membrane in communication with the aerobic tank and the denitrification tank;

상기 혐기조에 구비되는 환원전극과 호기조에 구비되는 산화전극으로 구성되는 전위장치와;A potential device comprising a reduction electrode provided in the anaerobic tank and an anode provided in the aerobic tank;

상기 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관.
Influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank.

이하, 본 발명에 따른 폐수처리 장치를 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, the wastewater treatment apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 형태에 따른 상기 폐수처리 장치는 호기조를 중심으로 혐기조와 탈질조가 혐기조→호기조→탈질조의 순서로 연통부를 통해 연결되는 구조를 갖는다. 상기 혐기조와 호기조 사이의 연통부에는 양이온교환막이 구비되고, 호기조와 탈질조 사이의 연통부에는 음이온교환막이 구비된다. 또한, 상기 혐기조에 구비되는 환원전극과 호기조에 구비되는 산화전극으로 구성되는 전위장치 및 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 포함한다.
1, the wastewater treatment apparatus according to an embodiment of the present invention has a structure in which the anaerobic tank and the denitrification tank are connected to the anaerobic tank through the communication unit in the order of anaerobic tank → aerobic tank → denitrification tank. The communication portion between the anaerobic tank and the aerobic tank is provided with a cation exchange membrane, and the communication portion between the aerobic tank and the denitrification tank is provided with an anion exchange membrane. In addition, the apparatus includes a potential device including a reduction electrode provided in the anaerobic tank and an anode provided in the aerobic tank, and an influent feed pipe communicating with the anaerobic tank and the denitrification tank.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 혐기조의 하부에는 유입수 공급부가 연결된다. 상기 유입수 공급부를 통해 유기물 및 질소를 포함하는 폐수가 유입되고, 기존의 혐기성 발효 반응을 도입하여 폐수 내에 함유된 난분해성 유기물의 1차적인 분해가 일어나게 된다. 또한, 상기 혐기조의 상부에는 하기에서 설명되는 양이온교환막을 통과하지 못한 유기물을 주로 포함하는 유입수를 탈질조 하부로 이송시킬 수 있는 유입수이송관이 구비된다.In the wastewater treatment apparatus according to the invention, the inlet water supply is connected to the lower portion of the anaerobic tank. Wastewater containing organic matter and nitrogen is introduced through the inflow water supply unit, and a primary decomposition of the hardly decomposable organic matter contained in the wastewater occurs by introducing an existing anaerobic fermentation reaction. In addition, the upper part of the anaerobic tank is provided with an influent feed pipe that can be transferred to the lower part of the denitrification tank mainly containing the organic material that did not pass through the cation exchange membrane described below.

구체적으로, 상기 혐기조에서는 고농도의 유기물을 함유한 하폐수가 유입되면 가수분해, 유기산 생성, 메탄 발효 등의 과정을 통해 유기물 분해가 이루어진다. 또한, 부유되어 있는 미생물 및 환원전극에 형성된 미생물층의 표면에 위치하는 미생물을 이용하여 폐수에 포함된 유기물의 환원이 이루어지고, 폐수에 포함된 질산염은 환원전극에 형성된 미생물층의 내부에 위치하는 미생물로 확산되어 탈질반응을 거쳐 질소 가스로 배출된다.
Specifically, in the anaerobic tank, when wastewater containing a high concentration of organic matter is introduced, organic matter is decomposed through hydrolysis, organic acid generation, methane fermentation, and the like. In addition, the organic matter contained in the wastewater is reduced by using the microorganisms floating on the surface of the microbial layer formed on the cathode and the cathode, and the nitrates contained in the wastewater are located inside the microbial layer formed on the cathode. Diffused into microorganisms, denitrified and released as nitrogen gas.

혐기조의 환원전극에서 일어날 수 있는 반응은 하기와 같다.
The reaction that can occur in the anaerobic reduction electrode is as follows.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

8H2O + 8e- → 4H2 + 8OH- E' = -420 mV 8H 2 O + 8e - → 4H 2 + 8OH - E '= -420 mV

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

2NO3 - + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O
2NO 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O

상기와 같은 유기물의 생물전기화학적 분해과정은 미생물의 종류에 따라 달라지나, 일반적으로 환원전극을 설치할 경우 반응식 1 및 2와 같이 수소가스의 발생 및 질산염의 탈질이 가능하다. The bioelectrochemical decomposition process of the organic material as described above depends on the type of microorganism, but in general, when a cathode is installed, hydrogen gas generation and nitrate denitrification are possible as shown in Schemes 1 and 2.

그러므로, 외부전위를 적용함에 따라 혐기조로부터 호기조로 이송된 암모니아가 호기조에서 질산염으로 전환된 후에 고농도의 질산염이 농도구배에 의해 양이온교환막을 거쳐 다시 혐기조로 이동하는 경우가 발생하더라도 안정적인 탈질 반응이 가능하다. Therefore, according to the external potential, stable denitrification can be achieved even if the ammonia transferred from the anaerobic tank to the aerobic tank is converted from the aerobic tank to the nitrate, even if a high concentration of nitrate moves through the cation exchange membrane to the anaerobic tank by the concentration gradient. .

또한, 축산폐수 등 염도가 높은 폐수의 경우 혐기조에 설치된 환원전극에 의해 이온성분이 환원되거나 양이온 및 음이온이 결합되어 폐수 중의 염분을 낮추는 효과를 얻을 수 있다.
In addition, in the case of high salinity wastewater, such as livestock wastewater, the ionic component is reduced or a cation and anion are combined by a reduction electrode installed in the anaerobic tank to reduce the salinity in the wastewater.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 양이온교환막은 상기 혐기조에 유입되는 유기물을 함유하는 폐수로부터 발생되거나 이에 포함된 암모니아를 선택적으로 호기조로 통과시키는 역할을 한다. 본 발명의 일실시예에서 사용하는 양이온교환막으로는 일가 양이온에 대해 선택성을 가지는 양이온교환막으로, 일본 Astom사의 NEOSRPTA membrane 중 CMX를 사용하였으며, 이온교환막의 선택에 있어서 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the cation exchange membrane serves to selectively pass ammonia generated from or contained in the wastewater containing organic matter introduced into the anaerobic tank to an aerobic tank. The cation exchange membrane used in the embodiment of the present invention is a cation exchange membrane having a selectivity to monovalent cations, and CMX was used in NEOSRPTA membrane of Astom, Japan, and there is no particular limitation in the selection of the ion exchange membrane.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 호기조에서는 양이온교환막을 통과하여 유입되는 암모니아를 호기조 내에 부유되어 있는 미생물 및 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에 위치하는 미생물을 이용하여 질산염으로 전환하고, 상기 질산염은 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에 위치하는 미생물로 확산되어 탈질반응을 거쳐 질소 가스로 배출된다.
In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the aerobic tank converts ammonia introduced through the cation exchange membrane into nitrate using microorganisms suspended in the aerobic tank and microorganisms located on the surface of the microbial layer formed on the anode. Nitrate is diffused to the microorganisms located inside the microbial layer formed on the anode and discharged to nitrogen gas through the denitrification reaction.

구체적으로, 양이온교환막을 통해 선택적으로 유입된 암모니아를 호기조 내에 부유되어 있는 미생물 및 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에 위치하는 미생물을 통해 하기 반응식 3 내지 7과 같은 반응을 통해 질산화를 유도하여 암모니아를 다음 공정에 필요한 질산염으로 생성시키는 역할을 한다.
Specifically, the ammonia selectively introduced through the cation exchange membrane through the microorganisms suspended in the aerobic tank and the microorganisms located on the surface of the microbial layer formed on the anode electrode induces nitrification through a reaction as shown in the following reaction schemes 3 to 7 It serves to produce nitrate for the next process.

<반응식 3><Reaction Scheme 3>

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

<반응식 4><Reaction Scheme 4>

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

<반응식 5>Scheme 5

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

<반응식 6><Reaction Scheme 6>

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

<반응식 7><Reaction Scheme 7>

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

상기 반응식 3-7의 반응은 상기 호기조 내에 존재하는 다양한 질산 생성균을 통해 수행된다. The reaction of Scheme 3-7 is carried out through various nitric acid producing bacteria present in the aerobic tank.

반응식 3과 4는 질산화 반응에 있어서 용존 산소량(DO, dissolved oxygen) 농도가 충분히 유지가 될 때 일어나는 반응이다. 즉, 유기물이 존재하지 않고 암모니아의 농도가 낮을 경우 용존 산소량 결핍 상태가 일어나지 않고 원활히 암모니아의 산화가 일어난다. Schemes 3 and 4 are reactions that occur when the dissolved oxygen (DO) concentration is sufficiently maintained in the nitrification reaction. That is, when no organic matter is present and the concentration of ammonia is low, the dissolved oxygen amount deficiency does not occur and oxidation of ammonia occurs smoothly.

반응식 5-7은 산소의 공급이 원활하지 않은 상태에서 일어나는 암모니아의 산화 반응이다. 축산폐수 등과 같은 폐수가 유입되는 경우에는 암모니아의 농도가 수천 ppm에 이르기 때문에 산소의 공급이 원활하지 않아서 상기 5-7 반응들이 일어날 수 있다.
Scheme 5-7 is an oxidation reaction of ammonia that occurs when oxygen supply is not smooth. When wastewater such as livestock wastewater flows in, the concentration of ammonia reaches thousands of ppm, so that oxygen is not supplied smoothly, so the 5-7 reactions may occur.

호기조의 산화전극에서 일어날 수 있는 반응은 다음과 같다.
The reactions that can occur at the aerobic electrode are as follows.

<반응식 8><Reaction Scheme 8>

4Fe --> 4Fe2 + + 8e- E' = 700 mV4Fe-> 4Fe 2 + + 8e - E '= 700 mV

<반응식 9><Reaction Scheme 9>

4Fe2 + + 10H2O + O2 --> 4Fe(OH)2 + 8H+
4Fe 2 + + 10H 2 O + O 2- > 4Fe (OH) 2 + 8H +

한편, 전환된 질산염의 일부는 산화전극의 0가 철의 산화에 의해 암모니아로 다시 환원된다. 그러나, 0가 철에 의해 환원된 암모니아는 호기조 내에 부유되어 있는 미생물 및 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에 위치하는 미생물에 의해 질산염으로 다시 산화되고, 상기 질산염은 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에 위치하는 미생물로 확산(diffusion)되어 탈질되는 과정을 거쳐 질소 가스로 배출된다.On the other hand, some of the converted nitrate is reduced back to ammonia by oxidation of the zero valent iron of the anode. However, ammonia reduced by zero-valent iron is oxidized back to nitrate by microorganisms suspended in the aerobic tank and microorganisms located on the surface of the microbial layer formed on the anode, and the nitrate is formed inside the microbial layer formed on the anode. Diffusion to the microorganisms that are located is discharged to nitrogen gas through the process of denitrification.

구체적으로, 호기조에서는 상기 혐기조에서 양이온교환막을 통해 선택적으로 유입된 암모니아가 반응식 3 및 4에 의해 질산염으로 전환된 후 일부 질산염은 하기 반응식 10에 따라 호기조에 설치된 산화전극의 0가 철에 의해 다시 암모니아로 전환된다.
Specifically, in the aerobic tank, after the ammonia selectively introduced through the cation exchange membrane in the anaerobic tank is converted to nitrate by the reaction schemes 3 and 4, some nitrates are again ammonia by the zero-valent iron of the anode installed in the aerobic tank according to Scheme 10 below. Is switched to.

<반응식 10><Reaction formula 10>

4Fe + NO3 - + 10H+ --> 4Fe2 + + NH4 + + 10H2O
4Fe + NO 3 - + 10H + -> 4Fe 2 + + NH 4 + + 10H 2 O

또한, 본 발명에 따른 장치의 호기조에는 질산화 반응이 원활하게 수행되도록 산기관이 구비된 폭기를 더 포함할 수 있다. 상기 산기관이 구비된 폭기는 호기조의 하부에 구비되어 산소 공급 및 액체의 유동성을 제공할 수 있다. 또한, 추가적으로 호기조 내 액체의 유동성을 더 부여하기 위해 프로펠러를 더 포함할 수 있다.
In addition, the aerobic tank of the apparatus according to the present invention may further include an aeration provided with an acid pipe so that nitrification is performed smoothly. The aeration unit provided with the diffuser may be provided at the bottom of the aeration tank to provide oxygen supply and fluidity of the liquid. In addition, it may further include a propeller to further impart the fluidity of the liquid in the aerobic tank.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 전위장치는 혐기조에 환원전극이 구비되고 호기조에 산화전극이 구비되어 전압을 가할 경우 발생하는 전기장에 의해, 혐기조의 암모니아가 양이온교환막을 통해 호기조로 통과하는 속도를 향상시키고, 혐기조의 환원전극에서 유기물의 분해를 보조하는 역할을 한다. 이때, 상기 전위장치에 가하는 전압의 크기를 조절함으로써, 암모니아가 양이온교환막을 통과하여 호기조로 전달되는 속도를 제어할 수 있다.
In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the potential device is provided with a reduction electrode in the anaerobic tank and the anode is provided in the aerobic tank, the ammonia of the anaerobic tank is passed through the cation exchange membrane to the aerobic tank by the electric field generated by applying a voltage. It improves the speed and assists the decomposition of organic matter in the anaerobic cathode of the electrode. At this time, by controlling the magnitude of the voltage applied to the potential device, it is possible to control the rate at which the ammonia is passed through the cation exchange membrane to the aerobic tank.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 음이온교환막은 호기조에서 생성된 질산염을 선택적으로 탈질조로 통과시키는 역할을 한다. 본 발명의 일실시예에서 사용하는 음이온교환막으로는 일가 음이온에 대해 선택성을 가지는 음이온교환막으로, 일본 Astom사의 NEOSRPTA membrane 중 AMX를 사용하였으며, 이온교환막의 선택에 있어서 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the anion exchange membrane serves to selectively pass the nitrate generated in the aerobic tank to the denitrification tank. As an anion exchange membrane used in one embodiment of the present invention as an anion exchange membrane having a selectivity to monovalent anions, AMX was used in NEOSRPTA membrane of Astom, Japan, and there is no particular limitation in the selection of the ion exchange membrane.

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 탈질조는 호기조에서 탈질되지 못한 질산염이 농도구배에 의해서 음이온교환막을 통해 선택적으로 이송되고, 상기 이송된 질산염은 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응하여 유기물을 산화를 보조하고, 탈질반응하여 질소를 발생시키는 역할을 한다.In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the denitrification tank is selectively transported through an anion exchange membrane by nitrate that is not denitrified in an aerobic tank, and the transferred nitrate is transported through an influent feed pipe communicating an anaerobic tank and a denitrification tank. Reacts with the organics in the incoming wastewater to assist the oxidation of the organics and denitrification to generate nitrogen.

구체적으로, M-IEBR과는 달리 탈질조에는 제2전위장치가 없기 때문에 별도의 전원 및 산화전극이 필요없이 탈질반응이 수행될 수 있다.
Specifically, unlike the M-IEBR, since there is no second potential device in the denitrification tank, the denitrification reaction may be performed without the need for a separate power supply and an anode.

상기 탈질조에서 수행되는 탈질반응은 하기 반응식 11과 같다.
The denitrification reaction carried out in the denitrification tank is shown in Scheme 11 below.

<반응식 11><Reaction Scheme 11>

2NO3 - + 6H2 ----> N2 + 2OH- + 4H2O
2NO 3 - + 6H 2 ----> N 2 + 2OH - + 4H 2 O

본 발명에 따른 폐수처리 장치에 있어서, 상기 전위장치는 혐기조에 환원전극이 구비되고 호기조에 산화전극이 구비되어 전압을 가할 경우 발생하는 전기장에 의해, 혐기조의 암모니아가 양이온교환막을 통해 호기조로 통과하는 속도를 향상시키고, 혐기조의 환원전극에서 유기물의 분해를 보조하는 역할을 한다. 이때, 상기 전위장치에 가하는 전압의 크기를 조절함으로써, 암모니아가 양이온교환막을 통과하여 호기조로 전달되는 속도를 제어할 수 있다.
In the wastewater treatment apparatus according to the present invention, the potential device is provided with a reduction electrode in the anaerobic tank and the anode is provided in the aerobic tank, the ammonia of the anaerobic tank is passed through the cation exchange membrane to the aerobic tank by the electric field generated by applying a voltage. It improves the speed and assists the decomposition of organic matter in the anaerobic cathode of the electrode. At this time, by controlling the magnitude of the voltage applied to the potential device, it is possible to control the rate at which the ammonia is passed through the cation exchange membrane to the aerobic tank.

또한, 본 발명은 유기물 및 유기성 질소를 함유한 폐수를 혐기조에 유입시키는 단계(단계 1);In addition, the present invention comprises the step of introducing the wastewater containing organic matter and organic nitrogen into the anaerobic tank (step 1);

전위장치에 전원을 공급하여, 혐기조에 구비되는 환원전극에 형성된 미생물층의 표면에서 폐수 중에 포함된 유기물을 분해하고, 상기 미생물층의 내부에서 질산염의 탈질을 유도하며, 폐수 중에 포함된 암모니아를 혐기조와 호기조를 연통시키는 양이온교환막을 통해 호기조로 이동시키는 단계(단계 2);Supplying power to the potential device, decomposes the organic matter contained in the wastewater on the surface of the microbial layer formed on the cathode electrode provided in the anaerobic tank, induces denitrification of nitrate inside the microbial layer, and ammonia contained in the wastewater Moving to the aerobic tank through a cation exchange membrane communicating with the aerobic tank (step 2);

전위장치에 전원을 공급하여, 호기조에 부유하는 미생물 또는 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에서 유기물의 분해 및 상기 단계 2에서 호기조로 이동한 암모니아를 질산염으로 생성시키는 단계(단계 3);Supplying power to the potential device, decomposing organic matter on the surface of the microorganism layer formed on the microorganism suspended in the aerobic tank or the anode electrode provided in the aerobic tank, and generating ammonia, which has moved to the aerobic tank, in step 2 as nitrate (step 3) ;

전원장치에 전원을 공급하여, 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에서 상기 단계 3에서 생성된 질산염을 탈질하는 단계(단계 4); 및Supplying power to the power supply device to denitrate the nitrate produced in step 3 in the microbial layer formed on the anode provided in the aerobic tank (step 4); And

상기 단계 4에서 탈질되지 못하고 남은 질산염을 농도구배에 의해서 호기조와 탈질조를 연통시키는 음이온교환막을 통해 탈질조로 이동시키고, 상기 질산염을 혐기조와 탈질조를 연통시키는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응시켜 유기물을 산화시키며, 탈질반응을 수행하는 단계(단계 5)를 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 폐수처리 방법을 제공한다.
In the step 4, the remaining nitrate, which cannot be denitrated, is transferred to the denitrification tank through an anion exchange membrane communicating the aerobic tank and the denitrification tank by the concentration gradient, and the nitrate is organic matter in the wastewater introduced through the influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank. The present invention provides a wastewater treatment method capable of simultaneously removing an organic material and organic nitrogen, which comprises reacting with oxidized organic material and performing a denitrification reaction (step 5).

이하, 본 발명에 따른 폐수처리 방법을 단계별로 더욱 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the wastewater treatment method according to the present invention will be described in more detail step by step.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 1은 유기물과 암모니아를 함유한 폐수를 혐기조에 유입시키고, 기존의 혐기성 발효 반응을 도입하여 폐수 내에 함유된 난분해성 유기물의 1차적인 분해를 유도하는 단계이다.In the wastewater treatment method according to the present invention, the step 1 is to introduce the wastewater containing organic matter and ammonia into the anaerobic tank, and introduce a conventional anaerobic fermentation reaction to induce the primary decomposition of the hardly decomposable organic matter contained in the wastewater. Step.

상기 단계 1에서 혐기조에 유입되는 폐수의 암모니아 부하는 0.5 ㎏ N/㎥d 이상인 것이 바람직하다. 암모니아 부하가 0.5 kg N/㎥d 미만인 경우에는 M-IEBR 공정 장치를 이용하여 보다 단순한 공정을 수행함으로써 유기물 및 유기성 질소를 제거할 수 있다.The ammonia load of the wastewater flowing into the anaerobic tank in step 1 is preferably 0.5 kg N / m 3 d or more. If the ammonia load is less than 0.5 kg N / m 3d, the organic matter and organic nitrogen can be removed by performing a simpler process using the M-IEBR process apparatus.

그러나, M-IEBR 공정장치를 이용한 공정에서는 암모니아 부하가 높아지면 호기조 내에 질산염이 축적되므로, 효율적으로 공정이 운영될 수 없는 문제가 있다. 이는, 암모니아의 산화에 비해 확산에 의한 질산염의 제거 속도가 현저히 낮아 질산염이 축적되기 때문으로 사료된다. However, in the process using the M-IEBR process apparatus, since the nitrate accumulates in the aerobic tank when the ammonia load increases, there is a problem that the process cannot be operated efficiently. This is considered to be due to the fact that the removal rate of nitrate by diffusion is significantly lower than that of oxidation of ammonia and nitrate accumulates.

질산염의 축적은 잠재적으로 질산화를 저해할 수 있는 원인이 될 수 있다. 따라서, 암모니아 부하가 0.05 kg N/㎥d 이상인 경우에는 호기조에서의 질산염의 생성과 제거의 균형을 조절하기 위해 호기조 내에서 질소가 제거될 수 있는 본 발명에 따른 폐수처리 장치를 이용하여 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 것이 바람직하다.
Accumulation of nitrates can potentially cause nitrification. Therefore, when the ammonia load is 0.05 kg N / m 3d or more, organic matter and organic matter using the wastewater treatment apparatus according to the present invention, which can remove nitrogen in the aerobic tank, in order to balance the production and removal of nitrate in the aerobic tank. It is desirable to remove nitrogen at the same time.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 2는 전위장치에 전원을 공급하여, 환원전극에 형성된 미생물층의 표면에서 폐수 중에 포함된 유기물을 분해하고, 상기 미생물층의 내부에서 질산염의 탈질을 유도하며, 폐수 중에 포함된 암모니아를 양이온교환막을 통해 호기조로 이동시키는 단계이다. In the wastewater treatment method according to the present invention, step 2 supplies power to a potential device to decompose organic matter contained in the wastewater on the surface of the microbial layer formed on the cathode, and denitrification of nitrate inside the microbial layer. It is a step of inducing and transferring the ammonia contained in the wastewater to the aerobic tank through the cation exchange membrane.

이때, 상기 암모니아는 양이온교환막을 통해 선택적으로 호기조 내부로 유입시킬 수 있고, 전위장치에 공급되는 전압의 크기가 클수록 암모니아가 양이온교환막을 통과하는 속도가 향상된다.At this time, the ammonia can be selectively introduced into the aerobic tank through the cation exchange membrane, the speed of the ammonia passes through the cation exchange membrane is increased as the magnitude of the voltage supplied to the potential device.

상기 호기조로 유입된 암모니아는 상술한 반응식 3-4에 따라 질산화 반응을 통해 질산염으로 전환될 수 있다.
The ammonia introduced into the aerobic tank may be converted to nitrate through nitrification according to the above Reaction Formula 3-4.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 3은 전위장치에 전원을 공급하여, 호기조에 부유하는 미생물 또는 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에서 유기물의 산화 및 상기 단계 2에서 호기조로 이동한 암모니아를 질산염으로 생성시키는 단계이다. In the wastewater treatment method according to the present invention, the step 3 is to supply power to the potential device, the oxidation of organic matter on the surface of the microorganism layer formed on the microorganism floating in the aerobic tank or the anode and the ammonia moved to the aerobic tank in the step 2 Is a step of producing nitrate.

한편, 전환된 질산염의 일부는 산화전극의 0가 철의 산화에 의해 암모니아로 다시 환원된다. 질산염이 암모니아로 환원되는 양은 0가 철이 산화되는 양에 의해 정해지며, 상술한 반응식 10과 같은 반응을 통해 수행될 수 있다.On the other hand, some of the converted nitrate is reduced back to ammonia by oxidation of the zero valent iron of the anode. The amount of nitrates reduced to ammonia is determined by the amount of oxidized zero iron, and can be carried out through a reaction as in Scheme 10 described above.

그러나, 0가 철에 의해 환원된 암모니아는 호기조 내에 부유되어 있는 미생물 및 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에 위치하는 미생물에 의해 질산염으로 다시 산화된다.
However, ammonia reduced by zero-valent iron is oxidized back to nitrate by microorganisms suspended in an aerobic tank and microorganisms located on the surface of the microbial layer formed on the anode.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 4는 전원장치에 전원을 공급하여, 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에서 상기 단계 3에서 생성된 질산염을 탈질반응시켜 질소 가스를 배출하는 단계이다.
In the wastewater treatment method according to the present invention, step 4 is a step of supplying power to the power supply device, and denitrifying the nitrate produced in step 3 to discharge nitrogen gas inside the microbial layer formed on the anode.

본 발명에 따른 폐수처리 방법에 있어서, 상기 단계 5는 상기 단계 4에서 탈질되지 못하고 남은 질산염을 농도구배에 의해서 음이온교환막을 통해 탈질조로 이동시키고, 상기 질산염을 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응시켜 유기물을 산화시키며, 탈질반응을 수행하는 단계이다.In the wastewater treatment method according to the present invention, the step 5 is to move the nitrate remaining in the denitrification in step 4 to the denitrification tank through an anion exchange membrane by the concentration gradient, the nitrate in the influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank The organic matter is oxidized by reacting with the organic matter in the wastewater introduced through the denitrification reaction.

이때, 상기 질산염은 농도구배에 의해 음이온교환막을 통해 선택적으로 탈질조 내부로 유입되는데, 전위장치에 공급되는 전압의 크기가 클수록 양이온교환막을 통한 혐기조로부터 호기조로 암모니아가 통과하는 속도가 향상되어 질산염의 농도가 증가하게 됨에 따라, 질산염의 농도가 증가하여 음이온교환막을 통해 탈질조로 질산염이 이송되는 속도가 증가하게 된다.At this time, the nitrate is selectively introduced into the denitrification tank through the anion exchange membrane by the concentration gradient, the greater the magnitude of the voltage supplied to the potential device, the faster the ammonia passes from the anaerobic tank through the cation exchange membrane to the aerobic tank to improve the As the concentration increases, the concentration of nitrate increases, which increases the rate at which the nitrate is transferred to the denitrification tank through the anion exchange membrane.

상기 단계 5의 탈질반응은 상술한 반응식 11과 같은 반응을 통해 수행될 수 있다.
The denitrification of step 5 may be carried out through the same reaction as in Scheme 11 described above.

상기 단계 2, 4 및 5의 질소제거반응 및 상기 단계 2, 3 및 5의 유기물 제거반응에 의해 본 발명에 따른 폐수처리 방법은 질소 및 유기물을 동시에 제거하는 것이 가능하다.
By the nitrogen removal reaction of the steps 2, 4 and 5 and the organic material removal reaction of the steps 2, 3 and 5 in the wastewater treatment method according to the present invention it is possible to remove nitrogen and organics at the same time.

본 발명에 따른 M-IEBR2 공정은 종래의 M-IEBR 공정장치에 비해 전극 배치를 달리하고 전극 및 전원을 수를 줄임으로써 보다 경제적이며 효율적으로 유기물과 질소를 제거할 수 있는 공정이다. M-IEBR2 process according to the present invention is a process that can remove the organic matter and nitrogen more economically and efficiently by changing the electrode arrangement and reducing the number of electrodes and power than the conventional M-IEBR process apparatus.

혐기조에서 암모니아가 양이온교환막을 통해 호기조로 통과하는 속도가 증가되고, 호기조에서 일부 질산염이 탈질이 되며, 호기조에서 탈질되지 못한 질산염이 음이온교환막을 통해 탈질조로 이동함으로써 유기물의 산화를 돕고 탈질되는 생물전기화학적 반응을 기대할 수 있어, 폐수처리 용량 및 속도를 향상시킬 수 있다.
In the anaerobic tank, the rate of ammonia passing through the cation exchange membrane to the aerobic tank is increased, and some nitrates are denitrated in the aerobic tank, and nitrates, which are not denitrated in the aerobic tank, are transferred to the denitrification tank through the anion exchange membrane to assist the oxidation of organic matter and denitrification. Chemical reactions can be expected to improve wastewater treatment capacity and speed.

상기 호기조에는 산화전극이 존재하며 혐기조에 구비된 환원전극에서 발생되는 전자를 최종적으로 수용하여 화학물질의 환원에 필요한 전자를 받는 역할을 할 수 있다. In the exhalation tank, an anode is present and finally receives electrons generated from the cathode provided in the anaerobic tank to serve to receive electrons required for the reduction of chemicals.

미생물 중에는 Shewanella sp.처럼 전극으로 직접 전자를 전달할 수 있는 종도 있고, 화학물질을 이용한 산화환원 반응을 통해 전극으로 전자를 공급할 수 있는 종도 있다. 또한 이들은 유기물을 분해할 때 산화전극과 환원전극간의 전위차를 기전력으로 이용하여 유기물 분해를 위한 기전력으로 활용할 수 있다. 상기의 반응식 1과 반응식 8에서 혐기조와 호기조 사이에서의 전위차는 0.28V이다.
Some microorganisms, such as Shewanella sp., Are capable of delivering electrons directly to the electrode, while others can supply electrons to the electrode through redox reactions using chemicals. In addition, they can be utilized as an electromotive force for organic matter decomposition by using the potential difference between the anode and the cathode as an electromotive force when decomposing the organic matter. In Scheme 1 and Scheme 8, the potential difference between the anaerobic tank and the aerobic tank is 0.28V.

또한, 외부전위를 공급할 경우 환원전극에서는 생물전기화학적 유기물의 분해반응이 일어나고 이때 발생되는 전자는 수소발생 또는 탈질에 이용된다. 따라서, 환원전극에서는 이때 발생된 전자를 이용하여 질산염의 환원반응이 일어날 수 있다. 이때, 질산염은 용존성 이온으로 존재하기 때문에 전극과의 반응성이 뛰어나기 때문에 쉽게 환원될 수 있다.
In addition, when the external potential is supplied, decomposition reactions of bioelectrochemical organics occur at the cathode and electrons generated at this time are used for hydrogen generation or denitrification. Therefore, in the cathode, the reduction reaction of nitrate may occur using the generated electrons. At this time, since the nitrate is present as dissolved ions, the nitrate can be easily reduced because of its excellent reactivity with the electrode.

나아가, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 폐수 중 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 방법에 있어서,Furthermore, the present invention provides a method for simultaneously removing organic matter and organic nitrogen in wastewater using the apparatus,

혐기조에 폐수를 유입시키는 단계(단계 1); 및Introducing wastewater into the anaerobic tank (step 1); And

전위장치에 전원을 공급하는 단계(단계 2)를 포함하는 폐수 중 유기물 및 유기성 질소를 동시에 제거하는 방법을 제공한다.
Provided is a method for simultaneously removing organic matter and organic nitrogen from wastewater comprising the step of supplying power to a potential device.

본 발명에 따른 M-IEBR2 공정에서 일어나는 반응을 요약하면, In summary, the reaction taking place in the M-IEBR2 process according to the present invention,

혐기조에서 유기물의 혐기성 분해, Anaerobic decomposition of organics in anaerobic tanks,

양이온교환막을 통한 암모니아의 이동, Transfer of ammonia through the cation exchange membrane,

음이온교환막을 통한 질산염의 이동, Transfer of nitrates through anion exchange membrane,

호기조에서 암모니아의 질산염으로의 전환, Conversion of ammonia to nitrates in aerobic tanks,

호기조에서의 산화전극의 0가 철로 인한 질산염의 환원으로 다시 암모니아로의 전환, Conversion of the anode back to ammonia with the reduction of nitrates by zero-electrode in the aerobic tank,

호기조에 부유하는 미생물 또는 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에서 암모니아의 질산염으로의 전환,Conversion of ammonia to nitrate on the surface of the microorganisms suspended in the aerobic tank or on the microbial layer formed on the anode,

산화전극에 형성된 미생물층의 내부에서 질산염의 탈질반응으로 질소가스 배출,Nitrogen gas emission by the denitrification of nitrate inside the microbial layer formed on the anode,

탈질조에서 질산염과 유기물이 반응하여 유기물의 산화 및 질산염의 탈질이며,In the denitrification tank, the nitrate reacts with the organics to oxidize the organics and denitrate the nitrates.

이러한 반응의 속도를 종합적으로 제어하는 것이 외부에서 공급되는 전위이다.
The overall control of the rate of this reaction is an externally supplied potential.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 하폐수처리 방법은 생물전기화학적 반응을 통해 유기물과 유기성 질소를 동시에 제거하는 과정에 있어서, 혐기조-호기조-탈질조로 이루어지는 반응조에 혐기조에 환원전극을 설치하고 호기조에 산화전극을 설치하여 전기장을 형성시킴으로써 탈질반응과 직접적으로 관계되는 암모니아의 이동 속도가 향상될 뿐만 아니라, 탈질반응을 위한 질산염이 호기조에 과다하게 존재할 경우 탈질조로 이동시켜 유기물을 산화시키며 탈질반응을 도와 폐수처리 용량 및 속도를 획기적으로 향상시키므로, 수질개선용 폐수처리 장치 또는 방법에 유용하게 사용될 수 있다.
As described above, in the wastewater treatment method according to the present invention, in the process of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen through a bioelectrochemical reaction, a reduction electrode is installed in an anaerobic tank in a reaction tank consisting of an anaerobic tank, an aerobic tank and a denitrification tank and oxidized in an aerobic tank. By installing an electrode to form an electric field, not only does the transfer rate of ammonia, which is directly related to the denitrification reaction, improve, but also when there is an excessive amount of nitrate in the aerobic tank, it moves to the denitrification tank to oxidize organic matter and help the denitrification reaction. Significantly improving the treatment capacity and speed, it can be usefully used in wastewater treatment apparatus or method for water quality improvement.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 암모니아 및 유기물의 동시제거 공정 수행Example 1 Simultaneous Removal of Ammonia and Organics

도 1에 나타낸 바와 같이, 반응기를 구성하여(이하 M-IEBR2, modified-ion exchange biological reactor2 공정이라 한다.) 공정을 운전하였다. 혐기조와 호기조 사이의 양이온교환막은 ASTOM사(일본, 도쿄)의 CMX를 사용하였고, 호기조와 탈질조 사이의 음이온교환막은 동일 회사의 AMX를 사용하였다.As shown in FIG. 1, a reactor was constructed (hereinafter referred to as M-IEBR2, modified-ion exchange biological reactor 2 process) to operate the process. As the cation exchange membrane between the anaerobic tank and the aerobic tank, CMX of ASTOM (Tokyo, Japan) was used, and the anion exchange membrane between the aerobic tank and the denitrification tank was used by AMX of the same company.

유입수는 1,992 mg N/L의 암모니아, 질산염 0.0 mg N/L, 유기물 13,038 mg COD/L 및 아질산성질소 0.0 mg N/L를 함유하며 pH 8.3이었고, 수리학적 체류시간(HRT)은 5일이었으며, 반응기의 용량은 2.0 L이었고, 운전온도는 24-27 ℃이었다. 폭기는 호기조에서만 진행되었고 용존산소(이하 DO, dissolved oxygen)는 4-8 ppm으로 유지하였다. 혐기조 반응기 내부에 장착된 전극의 재질은 흑연(graphite)이였고, 호기조 반응기 내부에 장착된 전극의 재질은 철이었다. 전원(power supply)을 이용해 혐기조-호기조에 대해 각각 3000 mV 전위를 적용하였으며, 이때 혐기조의 전극은 환원전극이고 호기조의 전극은 산화전극으로 사용되었다. 상기 조건으로 운전하여 유기물 및 유기성 질소의 분리를 유도하였다.
The influent contained 1,992 mg N / L of ammonia, 0.0 mg N / L of nitrate, 13,038 mg COD / L of organics and 0.0 mg N / L of nitrous nitrogen, pH 8.3, hydraulic retention time (HRT) of 5 days. The reactor had a capacity of 2.0 L and an operating temperature of 24-27 ° C. Aeration was carried out only in the aerobic tank and dissolved oxygen (DO) was maintained at 4-8 ppm. The material of the electrode mounted inside the anaerobic reactor was graphite, and the material of the electrode mounted inside the aerobic reactor was iron. 3000 mV potential was applied to the anaerobic tank and the aerobic tank using a power supply, where the electrode of the anaerobic tank was the reducing electrode and the electrode of the aerobic tank was used as the anode. Operation under these conditions led to the separation of organics and organic nitrogen.

<실험예 1> M-IEBR2 공정의 총질소 및 암모니아 제거 평가Experimental Example 1 Evaluation of Total Nitrogen and Ammonia Removal in M-IEBR2 Process

본 발명에 따른 M-IEBR2 공정장치가 폐수를 처리하였을 경우 질소제거 효과를 알아보기 위하여 다음과 같이 실험을 수행하였다. In order to determine the effect of nitrogen removal when the M-IEBR2 process apparatus according to the present invention treated wastewater, the following experiment was performed.

구체적으로, 상기 실시예 1과 같이 각 전극에 3000 mV의 전위를 가하여 M-IEBR2 공정을 수행하였으며, 유입수 대비 총 질소 제거효율 결과를 도 2에 나타내었고, 암모니아의 제거효율 결과를 도 3에 나타내었다.
Specifically, the M-IEBR2 process was performed by applying a potential of 3000 mV to each electrode as in Example 1, and the results of total nitrogen removal efficiency compared to the influent are shown in FIG. 2, and the results of the removal efficiency of ammonia are shown in FIG. It was.

도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, M-IEBR2 공정 수행 결과, 유입수 대비 총질소 제거효율은 최대 82.8% 정도로 나타났고, 이때 전류밀도는 8.72 A/m2로, M-IEBR2에서의 총 질소 제거는 외부전위의 차에 비례하는 특성을 보였다. 또한, 암모니아 제거효율도 외부전위가 증가함에 따라 향상되는 경향을 보였으며, 전류밀도 8.72 A/m2에서 최대 83.4%의 제거효율을 나타냈다. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, as a result of performing the M-IEBR2 process, the total nitrogen removal efficiency compared to the influent was about 82.8%, and the current density was 8.72 A / m 2 , and the total nitrogen removal in the M-IEBR2 was shown. Is proportional to the difference of external potential. In addition, the ammonia removal efficiency also showed a tendency to increase as the external potential increased, showing a maximum removal efficiency of 83.4% at a current density of 8.72 A / m 2 .

이는 53% 및 64%의 암모니아 제거효율을 나타낸 종래의 M-IEBR 공정과 비교할 때 탁월한 질소 제거효율을 보이는 것이며, 1개의 환원전극과 산화전극을 적용하여도 이온교환 속도에 지장을 받지 않았음을 보여주는 것이다. This shows superior nitrogen removal efficiency compared to the conventional M-IEBR process, which showed 53% and 64% ammonia removal efficiencies, and it was not affected by the ion exchange rate even with one cathode and anode. To show.

고무적으로 이온교환 속도의 향상으로 호기조에 대한 암모니아 부하는 증가하였으며 일부 질산염은 호기조에서 탈질되고 대부분의 질산염은 농도구배에 따라 탈질조로 음이온교환막을 통해 이동되었다. 결국 암모니아의 제거효율이 향상된 만큼 탈질을 통한 질산염의 제거효율 또한 향상되었음을 의미한다.Encouragingly, the rate of ion exchange increased the ammonia load on the aerobic tank. Some nitrates were denitrated in the aerobic tank and most of the nitrates were transported through the anion exchange membrane to the denitrification tank according to the concentration gradient. As a result, as the removal efficiency of ammonia is improved, the removal efficiency of nitrate through denitrification is also improved.

결론적으로, 공정 전체에 대해 율속단계로 작용하는 것은 암모니아의 이온교환 속도라 할 수 있으며, 전위를 적용하여 암모니아의 이온교환 속도를 향상시킴으로써 암모니아 및 질산염의 제거 효율은 더욱 향상될 수 있다. 또한, 호기조에서의 동시탈질 및 질산염의 농도구배에 따른 탈질조로의 이동은 불필요한 전극과 전원의 사용을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
In conclusion, the rate-changing step for the whole process can be referred to as the ion exchange rate of ammonia, and the removal efficiency of ammonia and nitrate can be further improved by applying an electric potential to increase the ion exchange rate of ammonia. In addition, the movement to the denitrification tank according to the simultaneous denitrification and nitrate concentration gradient in the aerobic tank was able to obtain the effect of preventing the use of unnecessary electrodes and power.

따라서, 기존의 M-IEBR 공정에 대해 전극의 위치를 바꾸고 전극의 수와 전원의 수를 줄인, 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정은 최대 1.5배의 향상된 암모니아 제거효율을 얻을 수 있으며, 공정장치의 암모니아 및 질산염 제거효율은 외부에서 적용되는 전위의 크기에 따라 제어할 수 있으므로, 폐수에서 암모니아 제거에 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the M-IEBR2 process according to the present invention, which changes the position of the electrode and reduces the number of electrodes and the number of power sources with respect to the existing M-IEBR process, can obtain an improved ammonia removal efficiency of up to 1.5 times. Since the ammonia and nitrate removal efficiency can be controlled according to the magnitude of the potential applied from the outside, it can be usefully used to remove ammonia from the wastewater.

<실험예 2> M-IEBR2 공정의 유기물 제거 평가Experimental Example 2 Evaluation of Organic Matter Removal in M-IEBR2 Process

본 발명에 따른 M-IEBR2 공정장치가 폐수를 처리하였을 경우 유기물을 제거하는 효과를 알아보기 위하여 다음과 같이 실험을 수행하였다.M-IEBR2 process apparatus according to the present invention was carried out as follows to see the effect of removing the organic matter when the waste water treatment.

구체적인 실험방법은 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 수행하였고, 유기물의 제거 결과를 도 4에 나타내었다.
Specific experimental method was carried out in the same manner as in Experimental Example 1, the results of removing the organics are shown in FIG.

도 4에 나타난 바와 같이, 운전 시작 후 M-IEBR2 공정 수행 결과, 유기물제거 효율은 63.3-77.6% 정도로 유출수에 2,500 mg COD/L 이상의 유기물이 함유되어 있었다. 이는 탈질조에 질산염의 부하가 낮아 유기물을 탈질을 통해 제거하기에 충분하지 않았고, 또한 폐수에 함유되어 있는 난분해성 유기물로 인한 결과인 것으로 사료된다. As shown in FIG. 4, as a result of performing the M-IEBR2 process after the start of operation, the organic matter removal efficiency was about 63.3-77.6%, and the organic matter contained more than 2,500 mg COD / L. This is due to the low load of nitrate in the denitrification tank, which was not sufficient to remove organic matter through denitrification, and is also a result of the hardly degradable organic matter contained in the waste water.

그러나, 도 4에서 보는 바와 같이 전류밀도에 상관없이 M-IEBR 공정 수행 결과, 높은 유기물 제거효율을 얻을 수 있었다. 이는 전류밀도가 작은 경우 혐기조에서 혐기성 소화가 활발히 일어나는 반면, 전류밀도가 높은 경우 이온교환 속도가 증가되어 암모니아의 분리 및 산화 속도가 증가하였고, 호기조에서 증가한 질산염은 농도구배에 의해 음이온교환막을 통해 이동하기 때문에 질산염의 부하가 증가하여 원활한 유기물과 암모니아의 동시제거가 일어났기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 전극에서의 생물전기화학적 반응으로 인한 유기물의 분해반응도 작용한 것으로 사료된다.
However, as shown in FIG. 4, as a result of performing the M-IEBR process regardless of the current density, high organic matter removal efficiency was obtained. In the case of low current density, anaerobic digestion is actively performed in the anaerobic tank, whereas in the case of high current density, the ion exchange rate is increased, and the rate of separation and oxidation of ammonia is increased, and the nitrate in the aerobic tank is moved through the anion exchange membrane by the concentration gradient. Therefore, it is believed that the simultaneous removal of organic matter and ammonia occurred due to the increased load of nitrates. In addition, it is thought that the decomposition reaction of organic matter due to bioelectrochemical reaction at the electrode also acted.

따라서, 종래의 M-IEBR 공정에 비해 M-IEBR2 공정은 보다 안정적으로 유기물을 제거할 수 있으며, 외부에서 적용되는 전위의 크기에 상관없이 공정을 제어할 수 있는 이점이 있다.
Therefore, compared with the conventional M-IEBR process, the M-IEBR2 process can remove organic materials more stably, and has an advantage of controlling the process regardless of the magnitude of the potential applied from the outside.

결론적으로, 상기 실험예 1과 실험예 2의 결과를 종합하여 보면, 본 발명에 따른 M-IEBR2 공정은 외부에서 적용되는 전위를 적용하여 보다 향상된 유기물 및 질소의 제거효과를 얻을 수 있으며, 외부에서 적용되는 전위의 크기를 조절하여 폐수에서 유기물 및 질소의 제거효율을 제어할 수 있으므로, 폐수에서 유기물 및 질소의 동시 제거에 유용하게 사용될 수 있다.In conclusion, when combining the results of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, the M-IEBR2 process according to the present invention can obtain an improved organic and nitrogen removal effect by applying a potential applied from the outside, from the outside It is possible to control the removal efficiency of organic matter and nitrogen from the wastewater by adjusting the magnitude of the potential applied, it can be useful for simultaneous removal of organic matter and nitrogen from the wastewater.

Claims (9)

하폐수가 유입되는 혐기조와;
상기 혐기조와 연통되는 호기조와;
상기 호기조와 연통되는 탈질조와;
상기 혐기조와 호기조를 연통하는 양이온교환막과;
상기 호기조와 탈질조를 연통하는 음이온교환막과;
상기 혐기조에 구비되는 환원전극과 호기조에 구비되는 산화전극으로 구성되는 전위장치와;
상기 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 생물전기화학적 폐수처리 장치.
An anaerobic tank into which wastewater is introduced;
An aerobic tank communicating with the anaerobic tank;
A denitrification tank communicating with the expiratory tank;
A cation exchange membrane communicating the anaerobic tank and the aerobic tank;
An anion exchange membrane in communication with the aerobic tank and the denitrification tank;
A potential device comprising a reduction electrode provided in the anaerobic tank and an anode provided in the aerobic tank;
A bioelectrochemical wastewater treatment apparatus capable of simultaneously removing organic matter and organic nitrogen, including an influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank.
제1항에 있어서,
혐기조에 설치된 환원전극과 호기조에 설치된 산화전극에서 발생되는 전위차에 의해,
폐수로부터 발생하거나 이에 포함된 암모니아가 양이온교환막을 통해 혐기조에서 호기조로 통과하는 속도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
By the potential difference generated in the reduction electrode installed in the anaerobic tank and the anode installed in the aerobic tank,
Bioelectrochemical wastewater treatment apparatus, characterized in that for improving the rate of passage of the ammonia from or contained in the waste water to the aerobic tank through the cation exchange membrane.
제1항에 있어서,
상기 혐기조는 혐기조에 설치된 환원전극과 미생물을 이용하여,
유입되는 폐수에 포함된 유기물을 분해하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
The anaerobic tank uses a cathode and microorganisms installed in the anaerobic tank,
Bioelectrochemical wastewater treatment apparatus characterized by decomposing organic matter contained in the incoming wastewater.
제1항에 있어서,
상기 호기조는 호기조에 설치된 산화전극과 미생물을 이용하여,
양이온교환막을 통해 혐기조로부터 유입되는 암모니아를 질산염으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
The aerobic tank uses an anode and microorganisms installed in the aerobic tank,
Bioelectrochemical wastewater treatment apparatus, characterized in that the ammonia flowing from the anaerobic tank through the cation exchange membrane to form nitrate.
제1항에 있어서,
상기 호기조는 호기조에 설치된 산화전극과 미생물을 이용하여,
양이온교환막을 통해 혐기조로부터 유입되는 암모니아를 질산염으로 형성시킨 다음, 상기 질산염을 탈질하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
The aerobic tank uses an anode and microorganisms installed in the aerobic tank,
A bioelectrochemical wastewater treatment apparatus characterized by forming ammonia introduced from an anaerobic tank through a cation exchange membrane into nitrate, and then denitrifying the nitrate.
제1항에 있어서,
상기 탈질조는 음이온교환막을 통해 호기조로부터 유입되는 질산염과 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물을 반응시켜, 유기물을 산화시키고 질산염을 탈질하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
The denitrification tank reacts the nitrates introduced from the aerobic tank through the anion exchange membrane with the organics in the wastewater introduced through the inlet transport pipe communicating with the anaerobic tank and the denitrification tank to oxidize the organics and denitrate the nitrates. Processing unit.
제1항에 있어서,
상기 호기조에서 양이온교환막을 통해 혐기조로부터 유입되는 암모니아를 질산염으로 형성시킨 후 탈질 반응을 수행하고 남은 질산염의 농도가 포화될 경우,
농도구배에 의해서 음이온교환막을 통해 질산염이 탈질조로 이동하고, 상기 질산염은 혐기조와 탈질조를 연통하는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응하여 유기물을 산화시키고, 탈질하는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
When the ammonia flowing from the anaerobic tank through the cation exchange membrane in the aerobic tank to form a nitrate and then perform a denitrification reaction and the concentration of the remaining nitrate is saturated,
The nitrate is moved to the denitrification tank through the anion exchange membrane by the concentration gradient, and the nitrate reacts with the organic matter in the wastewater introduced through the influent feed pipe communicating with the anaerobic tank and the denitrification tank to oxidize and denitrate the organic matter. Electrochemical wastewater treatment device.
제1항에 있어서,
상기 환원전극은 철(iron)로 형성되는 것을 특징으로 하는 생물전기화학적 폐수처리 장치.
The method of claim 1,
The cathode is a bioelectrochemical wastewater treatment device, characterized in that formed of iron (iron).
유기물 및 유기성 질소를 함유한 폐수를 혐기조에 유입시키는 단계;
전위장치에 전원을 공급하여, 혐기조에 구비되는 환원전극에 형성된 미생물층의 표면에서 폐수 중에 포함된 유기물을 분해하고, 상기 미생물층의 내부에서 질산염의 탈질을 유도하며, 폐수 중에 포함된 암모니아를 혐기조와 호기조를 연통시키는 양이온교환막을 통해 호기조로 이동시키는 단계;
전위장치에 전원을 공급하여, 호기조에 부유하는 미생물 또는 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 표면에서 유기물의 분해 및 상기 단계에서 호기조로 이동한 암모니아를 질산염으로 생성시키는 단계;
전원장치에 전원을 공급하여, 호기조에 구비되는 산화전극에 형성된 미생물층의 내부에서 상기 단계에서 생성된 질산염을 탈질하는 단계; 및
상기 단계에서 탈질되지 못하고 남은 질산염을 농도구배에 의해서 호기조와 탈질조를 연통시키는 음이온교환막을 통해 탈질조로 이동시키고, 상기 질산염을 혐기조와 탈질조를 연통시키는 유입수 이송관을 통해 유입되는 폐수 중의 유기물과 반응시켜 유기물을 산화시키며, 탈질반응을 수행하는 단계를 포함하는 유기물 및 유기성 질소의 동시 제거가 가능한 폐수처리 방법.
Introducing wastewater containing organic matter and organic nitrogen into the anaerobic tank;
Supplying power to the potential device, decomposes the organic matter contained in the wastewater on the surface of the microbial layer formed on the cathode electrode provided in the anaerobic tank, induces denitrification of nitrate inside the microbial layer, and ammonia contained in the wastewater Moving to the aerobic tank through a cation exchange membrane communicating with the aerobic tank;
Supplying power to the potential device, decomposing organic matter on the surface of the microorganism layer formed on the microorganism suspended in the aerobic tank or the anode electrode provided in the aerobic tank, and generating ammonia, which is moved to the aerobic tank, in the step as nitrate;
Supplying power to the power supply device to denitrate the nitrate produced in the step inside the microbial layer formed on the anode provided in the aerobic tank; And
In this step, the remaining nitrate, which cannot be denitrated, is transferred to the denitrification tank through an anion exchange membrane communicating the aerobic tank and the denitrification tank by the concentration gradient, and the nitrate is transferred to the organic matter in the wastewater introduced through the influent feed pipe communicating the anaerobic tank and the denitrification tank. A method of treating wastewater at the same time, wherein the organic matter and organic nitrogen can be removed by oxidizing the organic material by reacting the same.
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