KR101288495B1 - 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법 - Google Patents

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Abstract

하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법이 개시된다. 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법은, 암모니아성 질소가 함유된 처리대상 원수(하수, 폐수, 폐액 등)를 아질산화조에 유입하여, 원수의 암모니아성 질소를 아질산화처리에 의해 아질산성 질소로 전환시키는 공정; 상기 아질산화조의 처리수를 아나목스조에 유입하여, 아나목스균에 의해 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 변환시키는 공정; 상기 아나목스조의 처리수를 황산화탈질조에 유입하여, 잔류하는 아질산성 질소와 아나목스반응에 의해 생성된 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 변환시키는 공정;을 포함하여 이루어진다.
이에 따르면, 처리대상 원수 내에 함유되어 있는 질소성분의 거의 대부분을 질소가스로 전환시켜 배출토록 함으로써 질소제거율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법{Biological sewage and wastewater nitrogen treatment method}
본 발명은 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 처리대상 원수(하수, 폐수, 폐액 등)에 함유되어 있는, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 그리고 질산성 질소를 질소 가스로 전환시켜 배출함으로써 질소성분을 제거할 수 있도록 한 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 관한 것이다.
현재, 하수 및 폐수 처리 시스템의 보급에 의하여 공공 수역에 배출되는 하수 및 폐수의 수질은 해마다 개선되고 있으나, 아직도 질소나 인과 같은 영양염류의 농도는 상승하는 경향을 보이고 있다.
이로 인해 적조 및 부영양화가 발생되고 사회적인 문제가 되고 있다. 이에 지금까지 수처리에서 중심이 되어오던 유기물의 처리뿐만 아니라, 질소나 인과 같은 영양염류의 처리도 주목받고 있으며, 좀 더 효율적이고 경제적인 고도의 수처리기술이 요구되고 있다.
하수 및 폐수의 생물학적인 질소처리방법은, 미생물에게 질소성분을 영양원으로서 섭취시킴에 의해 질소성분을 제거하는 방법과 특정 미생물의 질산화와 탈질반응에 의한 질소순환을 이용하는 방법이 대표적이다.
상기 방법들은 반응조 내에서 미생물을 증식시킴에 의해 폐수중의 질소성분을 미생물에 동화시키는 방법으로, 처리가 진행됨에 따라 반응조 내의 미생물량을 지속적으로 증가시키기 위해서는, 수시로 일정량의 미생물을 제거할 필요가 있어, 새로운 폐기물이 다량으로 발생되는 등의 문제가 있다.
질소제거에는, 독립영양미생물을 이용한 질산화와 종속영양미생물을 이용한 탈질을 결합한 생물학적 처리법이 주종을 이루고 있다.
이 경우, 질산화는 암모니아성 질소(NH4-N)가 독립영양미생물에 의해 아질산성 질소(NO2-N) 또는 질산성 질소(NO3-N)로 전환하는 과정으로, 암모니아에서 아질산으로 산화될 때는 Nitrosomonas , Nitrosococcus , Nitrosobacillus등의 암모니아산화미생물이 관여하며, 아질산에서 질산으로 산화될 때는 Nitrobacter , Nitrosocystis등의 아질산산화미생물이 관여한다.
질산화반응은 산소가 필요하며, 고효율의 질산화반응을 달성시키기 위해서는 다량의 질산화미생물을 반응조 내에 확보ㆍ유지시키지 않으면 안된다.
또한 다량의 알칼리도도 필요하므로 저하되는 pH를 조절하기 위해서는 알칼리제나 완충제가 요구된다. 그 외에 온도, BOD/N비, 암모니아농도 등도 질산화반응에 영향을 준다.
탈질은 용존산소(DO)가 존재하지 않고 질산성질소 또는 아질산성질소가 존재하는 무산소(Anoxic)상태에서 Pseudomonas , Bacillus , Micrococcus등의 종속영양미생물에 의해 질산이나 아질산이 질소가스(N2)로 전환되는 과정을 말한다.
종속영양 탈질반응에는 전자공여체로서 유기탄소원을 필요로 하므로, 유기탄소원이 낮은 경우에는 메탄올과 같은 유기탄소원을 외부로부터 첨가해 주어야 한다.
그러나 메탄올 첨가의 경우에는 적절한 첨가량의 제어가 곤란하고 메탄올 자체의 독성 때문에 처리수에 메탄올이 잔존하면 2차 오염의 원인이 된다.
이론적인 메탄올 필요량은 처리해야할 질소량의 3배 이상이 필요하다고 되어 있으나, 실제 현장운전을 한 결과에서 보면 3~10배로 평균 6.5배 정도가 필요한 것으로 알려져 있다.
특히, 질소농도가 높은 폐수의 대부분은 암모니아성 질소가 다량 함유되어 있어, 질산화과정과 탈질과정이 있어야 하는데, 암모니아성 질소가 고농도로 존재하면 질산화가 잘 이루어지지 않으므로 질산화에 매우 긴시간과 동력(폭기)을 필요로 하며, 탈질에서는 유기탄소원을 필요로 하므로 부족할 경우 유기탄소원(메탄올 등)을 첨가해 주어야 한다.
이러한 질소처리의 문제점을 해결할 수 있는 최신 기술로서 아나목스(ANAMMOX)기술이 제안된 바 있다.
상기 아나목스(ANAMMOX)기술은 혐기상태에서 암모니아(ＮＨ4 +)와 아질산(ＮＯ2 －)을 기질로 이용하고, 무기탄소로부터 균체를 합성하는 독립영양균인 아나목스균에 의해 수행되는 반응으로, 혐기성 암모니아 산화(ANaerobic　AMMonium　OXidation)의 약칭이다.
아나목스는, 혐기상태에서 ＮＨ4 +가 전자공여체, ＮＯ2 －가 전자수용체로서 반응하여 질소가스를 생성하는 독립영양반응이므로, 질산화를 위한 산소와, 탈질을 위한 유기탄소원의 공급이 필요 없어 대폭적인 처리비용 저감이 가능하다.
1.0NH4 + ＋ 1.32NO2 - ＋ 0.066HCO3 - ＋ 0.13H+
→ 1.02N2 ＋ 0.26NO3 - ＋ 0.066CH2O0.5N0.15(biomass) ＋ 2.03H2O （ANAMMOX균） [식 1]
아나목스반응에 의해 질소성분을 제거하기 위해서는, 처리대상 원수에 암모니아성 질소(NH4-N)와 아질산성 질소(NO2-N)가 거의 동일한 몰비로 존재하여야만 한다.
그러나, 대부분의 처리대상 원수에는 암모니아성 질소(NH4-N) 형태로 존재하므로, 약 50%를 아질산성 질소(NO2-N) 형태로 변환시켜야 한다.
이를 위해 필요한 기술이 부분아질산화기술이며, 이 부분아질산화기술은, 기존의 질산화-탈질 공정에서의 질산화과정에서 아질산성 질소가 질산성 질소로 전환되는 반응을 제어함에 의해 달성 가능하다.
2NH4+ + 1.5O2 → NH4 + + NO2 - + H2O + 2H+ [식 2]
또한, [식 1]에서 보면, 아나목스반응 후에 유입 질소량의 약 10%의 질산성 질소(NO３-N)가 생성되며, 반응 후 잔류하는 아질산성 질소(NO2-N)가 처리수에 함유되게 된다.
그러나 아질산화반응을 수행하는 암모니아산화균(Nitrosomonas)과 아나목스반응을 수행하는 아나목스균의 경우, 생육이 매우 늦고, 반응조 내에서 아나목스균을 우점화시키기 쉽지 않으며, 독립영양균이므로 증식속도가 늦어 고농도의 미생물량을 확보하기 어려워, 실제 하·폐수처리장에 적용하는데 큰 걸림돌이 되고 있다.
아질산화와 아나목스반응을 이용한 질소제거기술을 상용화하기 위해서는, 암모니아산화균(아질산균)과 아나목스균이 반응조 내에서 안정적으로 일정량이 유지될 수 있도록 하는 것이 가장 중요하다.
또한, 기존의 부분아질산화와 아나목스반응을 이용한 질소처리공정의 경우, 최종방류수에 잔류하는 아질산성 질소와 질산성 질소가 잔류하는 문제가 있었다.
따라서 처리수에 함유된 질산성 질소와 아질산성 질소를 메탄올과 같은 유기탄소원을 사용하지 않고 질소가스로 탈질하여 제거한다면, 질소제거율을 보다 높일 수 있다.
한편 종래 아질산화의 아질산화반응을 제어하는 방법으로는, 일본 공개특허 평4-122498호의 「용존산소농도를 제어하는 방법」(선행기술 1이라 함), EP 0826639A1의「암모니아산화균과 아질산산화균의 증식속도차를 이용하는 방법」(선행기술 2라 함), 일본 공개특허 2000-61494호의「암모니아성 질소의 제어에 의한 방법」(선행기술 3이라 함)등이 알려져 있다.
선행기술 1의 용존산소 제어방법은, 호기성균인 암모니아산화균의 기질로서 작용하는 산소농도를 저하시키므로, 미생물의 처리활성이 저하되는 문제가 있으며, 이로 인해 고부하의 처리가 곤란하다는 단점이 있다.
선행기술 2의 암모니아산화균과 아질산산화균의 증식속도차를 이용하는 방법은, 증식속도차를 이용하기 위해 SRT 및 생육조건을 매우 까다롭게 유지해야하므로 고농도의 미생물 배양이 어렵다.
선행기술 3의 암모니아성 질소의 제어에 의한 방법은, 프리 암모니아(FA : Free Ammonia)농도를 제어하는 방법이라고도 볼 수 있는데, 이 방법은, 유입 원수의 암모니아성 질소 농도를 높게 하고, pH를 높게 유지하면 FA농도가 높아지면서 아질산산화균의 활성을 억제하므로, 암모니아산화균이 우점화할 수 있는 조건이 형성된다.
그러나 이 방법은, 원수의 암모니아성 질소가 매우 고농도에서만 가능하고, 반응조 내에서의 아질산화에 의한 pH저하를 막기 위해서 알칼리성물질을 연속적으로 투입해 주어야만 한다.
상술한 선행기술들은, 모두 아질산산화균의 활성을 억제하고, 암모니아 산화균만이 활성을 유지할 수 있는 조건을 형성시켜줌에 의해 아질산성 질소가 반응조 내에 축적되도록 한 것으로, 아질산화반응이 수행되도록 할 수 있으나, 아질산화율을 자유롭게 조절할 수는 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 하수, 폐수, 폐액 등에 함유된 암모니아성 질소, 질산성 질소, 아질산성 질소와 같은 질소성분을 종합적으로 제거하는 질소처리공정을 구축함으로써 상기한 문제점을 해결할 수 있고, 고효율 이며 경제적으로 하수 및 폐수로부터 질소를 제거하도록 하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 암모니아성 질소가 함유된 처리대상 원수를 처리하는 방법에 있어서, 상기 원수를 아질산화조에 유입하여, 원수의 암모니아성 질소를 아질산화처리에 의해 아질산성 질소로 전환시키는 제1공정; 상기 아질산화조의 처리수를 아나목스조에 유입하여, 아나목스균에 의해 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 변환시키는 제2공정; 상기 아나목스조의 처리수를 황산화탈질조에 유입하여, 잔류하는 아질산성 질소와 아나목스반응에 의해 생성된 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 변환시키는 제3공정;을 포함하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 의해 달성될 수 있다.
상기 제1공정은, 원수를 아질산화조에 전량(100%) 유입 시에는 원수의 암모니아성 질소의 50~60%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시키고, 원수를 아질산화조에 50%의 양만을 유입 시에는, 원수의 암모니아성 질소의 100%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1공정은, 상기 아질산화조의 초기 미생물량(MLSS)를 2,000~5,000 mg/L로 조절하고, pH의 조건을 6.5~7.8, 용존산소의 조건을 1~5 mg/L, 온도를 30~35℃로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1공정은, 알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 조절한 후, 12~24 hr 동안 공기를 유입하여 순환시킴에 의해 슬러지를 고정유영상 담체에 부착시키도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 제1공정은, 알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 유지하면서 수리학적 체류시간(HRT)을 1~24 hr으로 하고, 질소부하량은 0.1~5.0kg-N/m3/d의 범위에서 운전하는 것을 특징으로 한다.
상기 알칼리도는 유입 암모니아성 질소농도 중에서 제어하고자 하는 아질산화율을 곱한 값의 7.14배에 10%를 더한 농도를 원수에 첨가해줌에 의해 원하는 아질산화율로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1공정은, 아질산화처리 후의 처리수의 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 몰비가 1.0 : 1.0 ~ 1.0 : 1.3이 되도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 제2공정은, 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1 : 1몰로 반응시켜 최종적으로 질소가스로 변환되도록 함에 의해, 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 아질산화조 처리수(=아나목스조 유입수)의 암모니아성 질소와 아질산성 질소농도 대비 70~90%를 제거하도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 아나목스조의 수리학적 체류시간(HRT)은 질소부하량에 따라 1.5~24 hr으로 운영하며, 질소부하량은 0.1~8.0 kg-N/m3/d의 범위에서 운전되는 것을 특징으로 한다.
상기 질소부하량이 1.0 kg-N/m3/d 이상에서는, 유입수를 탈기하지 않고 아나목스반응을 안정적으로 유지토록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3공정은, 원수 총질소(T-N)농도의 5~15%(특정값으로 한정하지 않고 범위를 주었음)의 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 전환시킴에 의해 질소성분을 제거하여, 최종적으로는 원수의 총질소(T-N)농도의 80~95%를 제거하도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 처리대상 원수 내에 함유되어 있는 질소성분의 거의 대부분을 질소가스로 전환시켜 배출토록 함으로써 질소제거율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한 하수처리장에 있어서는 반류수의 처리, 혐기소화탈리액(폐액, 폐수)의 처리, 축산폐수 및 축산분뇨 처리, 발전소 폐수 처리, 제철소 폐수 처리, 매립지 침출수의 처리, 반도체생산공정의 폐수의 처리, 전자제품 생산공정의 폐수 처리 등에서의 질소처리 수단으로서 넓게 이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법을 나타낸 공정 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 의한 유입 질소부하량, 질소제거량, 수리학적 체류시간의 경시변화를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 의한 총질소와 질소제거율의 경시변화를 나타낸 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도면 중에서, 도 1은 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법을 나타낸 공정 흐름도, 도 2는 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 의한 유입 질소부하량, 질소제거량, 수리학적 체류시간의 경시변화를 나타낸 그래프, 도 3은 본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법에 의한 총질소와 질소제거율의 경시변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법은, 암모니아성 질소가 함유된 처리대상 원수(하수, 폐수, 폐액 등)를 아질산화조에 유입하여, 원수의 암모니아성 질소를 아질산화처리에 의해 아질산성 질소로 전환시키는 제1공정(S1); 상기 아질산화조의 처리수를 아나목스조에 유입하여, 아나목스균에 의해 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 변환시키는 제2공정(S2); 상기 아나목스조의 처리수를 황산화탈질조에 유입하여, 잔류하는 아질산성 질소와 아나목스반응에 의해 생성된 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 변환시키는 제3공정(S3);을 포함하여 구성된다.
각 공정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제1공정( S1 )
암모니아성 질소가 함유된 처리대상 원수(하수, 폐수, 폐액 등)를 아질산화조에 유입하여, 원수의 암모니아성 질소를 아질산화처리에 의해 아질산성 질소로 전환시키는 공정이다.
상기 아질산화조는 내부에 미생물 고정유영상 담체가 설치된다.
고정유영상 담체는, 폴리에틸렌이나 아크릴계의 섬유로 제조된 것으로 아질산화조의 용량의 20~40%를 차지하도록 설치된다.
따라서 아질산화조에 유입되는 원수와 공기는 상부에서 하부로 이동되면서 미생물 고정유영상 담체에 부착된 슬러지와 접촉하게 된다.
바람직하게는 원수를 아질산화조에 전량(100%) 유입 시에는 원수의 암모니아성 질소의 50~60%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시킨다.
또는 원수를 아질산화조에 50%의 양만을 유입시에는, 원수의 암모니아성 질소의 100%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시킨다.
또한 상기 아질산화조의 초기 미생물량(MLSS)를 2,000~5,000 mg/L로 조절하고, pH의 조건을 6.5~7.8, 용존산소의 조건을 1~5 mg/L, 온도를 30~35℃로 유지한다.
그리고 아질산화조의 알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 조절한 후, 12~24 hr 동안 공기를 유입하여 순환시킴에 의해 슬러지를 고정유영상 담체에 부착시키도록 한다.
또한 아질산화조의 알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 유지하면서 수리학적 체류시간(HRT)을 1~24 hr으로 하고, 질소부하량은 0.1~5.0kg-N/m3/d의 범위에서 운전한다.
또한, 아질산화조에서 아질산화함에 있어서, 유입원수(하수, 폐수, 폐액 등)의 알칼리도를 제어함에 의해 아질산화율을 제어하며, 아질산화처리 후의 처리수의 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 몰비가 1.0 : 1.0 ~ 1.0 : 1.3이 되도록 한다.
그리고 아질산화조에서의 아질산화율을 안정적으로 유지하기 위해서, 슬러지 반송량을 1Q로 운영한다.
또한 아질산화조는 알칼리도를 유입 암모니아성 질소농도 중에서 제어하고자 하는 아질산화율을 곱한 값의 7.14배에 10%를 더한 농도를 원수에 첨가해줌에 의해 원하는 아질산화율로 제어한다.
즉 암모니아산화균이 암모니아성 질소를 아질산화하는데 알칼리도를 필요로 하며, 알칼리도가 부족하면 아질산화가 일어나지 않는 원리에 기초한 것으로, 아질산화율에 맞추어 알칼리도를 조절해줌에 의해 원하는 비율만큼만 아질산화할 수 있다.
이에 의해 아질산화율을 제어하면, 아질산화조의 처리수에는 원수의 알칼리도의 4~10%가 잔존하게 된다.
이는, 알칼리도의 일부가 아질산화균의 세포형성에 사용됨을 의미한다.
상술한 바와 같이, 아질산화율을 자유롭게 제어할 수 있음에 의해, 유입되는 하수 및 폐수의 100%의 유량을 아질산화조에 유입시켜 그 중 50~60%만 아질산화시킨 후, 아나목스조로 유입시킬 수 있다.
또는, 유입되는 하·폐수의 50%의 유량을 아질산화조에 유입시켜 100% 아질산화시킨 후, 남은 50%의 유입수와 함께 아나목스조로 유입시킬 수도 있다.
제2공정(S2)
아질산화조의 처리수를 아나목스조에 유입하여, 아나목스균에 의해 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 변환시키는 공정이다.
아나목스조는, 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1 : 1몰로 반응시켜 최종적으로 질소가스로 변환되도록 함에 의해, 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 아질산화조 처리수(=아나목스조 유입수)의 암모니아성 질소와 아질산성 질소농도 대비 70~90%를 제거하도록 한다.
아나목스조는 반응조 높이에 따라 30%의 하부와 70%의 상부로 나눠져 있으며, 각기 다른 방식에 의해 아나목스균이 유지된다.
아나목스조 하부의 유입구와 연결된 유입분배관은 아나목스조에 원수, 즉 아질산화조에서 처리된 처리수가 유입될 때, 균등하게 분배되고, 아나목스조 내부의 슬러지(아나목스균)와의 접촉을 완벽하고 원활하게 수행하여 아나목스반응에 의한 질소제거율을 증가시키고, 아나목스균의 그래뉼화를 촉진시키며, 그래뉼의 크기와 형태가 균일하게 생성될 수 있도록 한다.
즉, 유입분배관은 짝수의 직열 배관으로 설치하며, 각각의 배관에는 일정한 간격으로 분기관을 부착한다. 분기관의 수량, 부착위치 및 간격은 난류와 층류를 계산하는 공식인 [레이놀드수]에 의해 계산된다.
각각의 직렬배관의 전단부에는 ON/OFF 밸브가 부착되어 있으며, 이 밸브의 제어에 의해 원수가 교차 유입되도록 한다.
이렇게 원수의 교차 유입에 의해, 일정한 힘이 원수에 왕복운동으로 그래뉼에 전달되면서, 그래뉼을 일정한 크기로 유지시켜주고 일정한 크기 이상이 되면 왕복운동에 의한 전단력에 의해 2개로 분리되며, 다시 일정한 크기로 커지게 된다.
상기 유입분배관에 의한 원수의 교차 유입은, 아나목스조 내에서 아나목스반응에 의해 생성되는 질소가스가 용이하게 탈기하도록 해 주는 역할도 하게 된다.
한편 아나목스조의 하부는 그래뉼이 원활하게 유동할 수 있도록 담체를 설치하지 않은 빈 공간으로 운영되고, 상부에는 미생물 고정상 담체로 Non Woven 담체를 설치한다.
따라서 원수(아질산화조 처리수)가 유입되면, 하부에서 받는 부하량이 가장 높으며, 이로 인해 하부와 상부에 설치된 Non Woven 담체의 아랫부분에서의 아나목스균의 증식이 빨라진다.
이에, 아나목스조의 중간부분의 고정상 담체가 설치된 부분의 하부에 유입구를 두어 아질산화조 처리수를 분급하여 유입시킨다.
Non Woven 담체에 부착되어 증식된 아나목스균의 양이 증가하면, 아나목스균의 특성에 의해 자연적으로 플럭(Floc)이 형성된다.
이렇게 형성된 플럭은 점점 작고 단단하게 입상화되는 특징을 지니고 있다.
입상화된 플럭((그래뉼 ; Granule)은 어느 정도 크기가 되면 자연적으로 담체로부터 탈리되는데, 탈리된 그래뉼은 아나목스조의 하부에 침전되며, 교차 유입에 의해 작은 것은 상부로 상승하고, 큰 것은 그래뉼이 단단해지면서 크기와 형태가 일정하게 된다.
또한, 크기가 작은 것들은 상승하면서 반응조 내부 표면 및 Non Woven 담체에 부착됨에 의해 유출수와 함께 아나목스균이 반응조 밖으로 유출되는 것이 최소화된다.
한편 상기 아나목스조의 수리학적 체류시간(HRT)은 질소부하량에 따라 1.5~24 hr으로 운영하며, 질소부하량은 0.1~8.0 kg-N/m3/d의 범위에서 운전된다.
또한 상기 질소부하량이 1.0 kg-N/m3/d 이상에서는, 유입수를 탈기하지 않고 아나목스반응을 안정적으로 유지되도록 한다.
제3공정( S3 )
상기 아나목스조의 처리수를 황산화탈질조에 유입하여, 잔류하는 아질산성 질소와 아나목스반응에 의해 생성된 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 변환시켜 배출시킨다.
또한 제3공정은 원수 총질소(T-N)농도의 5~15%의 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 전환시킴에 의해 질소성분을 제거하여, 최종적으로는 원수의 총질소(T-N)농도의 80~95%를 제거한다.
황산화탈질조에는, 본 발명의 선행 특허기술인 SOD공법(특허 제 0503134 호)의 JSC 필렛(상표등록 제 4007227720000 호 ; 황과 알칼리성물질을 용융 혼합한 일체형 담체)를 충진하여 사용한다.
따라서 일반적인 황탈질법에서 발생되는 pH저하, 폐색현상, 악취발생, 탈질성능의 불안정성 등의 문제가 발생되지 않으며, 황산화탈질조에서의 질산성질소 및 아질산성질소의 제거당량은 200~500 mg-NOX/kg-Pellet·d 이다.
황산화탈질균은 무산소(Anoxic)환경에서 생육되며, 독립영양균이므로 유기탄소원을 필요로 하지 않으며, 슬러지 발생량이 기존 종속영양탈질균에 비해 1/5∼1/10로 매우 낮다.
황산화탈질조에는 크기가 다양하고 부정형의 담체인 JSC 필렛(JSC Pellet)을 충진하여 사용한다.
JSC 필렛은 황과 알칼리성물질을 용융 혼합한 후, 냉각하고 파쇄하여 제조된 것으로, JSC 필렛내에 존재하는 많은 기공과 부정형의 형태는, 황산화탈질균을 부착 보유할 수 있는 조건을 만들어 준다.
또한, 표면이 친수성이므로 미생물의 부착이 용이하고 황성분이 함유되어 있어 황산화탈질균이외의 미생물은 쉽게 부착되지 않아, 결과적으로 반응조 내에 황산화탈질균을 우점화시키는데 매우 유리하다.
그리고 황산화탈질균은 생육속도가 종속영양균들에 비해 늦기 때문에 반응조 내에서 우점화하는 것이 쉽지 않으나, 본 발명에서 사용한 JSC 필렛은 이러한 문제를 해결해 준다.
한편, 황산화탈질반응에 의해 탈질이 되면, 수소이온의 발생에 의해 pH가 저하되며, 저하된 pH가 5.5 이하가 되면 황산화탈질 반응속도가 급격히 저하되는 문제가 발생된다.
그렇지만 본 발명에서 사용되는 JSC 필렛은 황성분과 알칼리성성분이 동시에 용출되면서 탈질반응이 일어나므로, 저하되는 pH를 중성으로 완충시켜줌에 의해 황산화탈질성능이 안정적으로 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법을 적용하여 실시한 실시예는 다음과 같다.
본 발명의 질소처리시스템 중에서 아나목스조와 황산화탈질조를 연계하여 수행한 실험의 결과는 다음과 같다.
실험은 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 각각 50%씩 함유한 합성폐수를 조제하여 사용하였으며, 아나목스조에는 고정상 담체인 Non Woven 담체를 아나목스조 용량의 40%를 충진하였고, 황산화탈질조에는황산화탈질용 담체인 JSC Pellet를 반응조 용량의 60%를 충진하였다.
초기에 아나목스조에 식종한 아나목스슬러지는, 이전 실험에서 배양된 아나목스슬러지를 사용하였으며, 황산화탈질조에는 하수처리장의 활성슬러지를 채수하여 식종하였다.
질소부하량을 높여가면서 294일간 연속 운전하였으며, 운전조건으로 pH는 6.5~8.5, 용존산소는 0.5 mg/L이하, 온도는 30~39 ℃로 조절하였고, 질소부하량이 1.0 kg-N/m3/d이상으로 유입하면서부터는 용존산소를 제어하지 않았다.
유입된 총질소(T-N)을 70% 이상 제거 시 농도와 수리학적 체류시간(HRT)을 조절하여 질소부하량을 단계적으로 증가시켰다.
황산화탈질조는 아나목스조의 운영현황에 맞춰 동일한 수리학적 체류시간(HRT)으로 운전하였다.
294일간 운전한 아나목스조의 운전결과는 [표 1]과 같다.
Start-up (NLR 1kg-N/m3/d 까지) 연속운전 Test (NLR 1kg-N/m3/d 이후)
운전기간 (일) 19 275
NLR (kg-N/m3/d) [평균] 0.52~1.41 [1.09] 1.31~9.12 [4.91]
NLR (kg-N/m3/d) [평균] 0.42~1.14 [0.83] 0.96~6.48 [3.70]
T-N 유입농도 (mg/ℓ)
[평균] 		163~220 [184] 200~570 [328]
T-N 제거율 (%) [평균] 71.78~80.91 [76.27] 58.21~91.13 [76.59]
한편 아나목스조와 황산화탈질조를 연계한 실험 결과는 도 2와 도 3에 나타내었다.
도 2는 유입된 질소부하량(NLR), 아나목스조에서의 질소제거량(ANAMMOX NRR), 황산화탈질조에서의 질소제거량(Final NRR), 그리고 아나목스조에서의 수리학적 체류시간(HRT)를 나타내었다.
도 3은 총질소(T-N)와 질소제거율의 시간 경과에 따른 변화를 나타내었다.
수리학적 체류시간(HRT)는, 초기에는 9.4 hr이었으나, 4.7 hr, 3.0 hr으로 점차 줄여가면서 질소부하량을 증가시켰으며, 최종적으로는 1.5 hr으로 운영하였다.
이와 동시에 질소의 유입농도도 점차 증가시켜 최대 570 mg/L를 유입하였다.
최대 유입 질소부하량은 9.12 kg-N/m3/d이었으며, 아나목스조에서의 최대 질소제거량은 6.48 kg-N/m3/d이었고, 황산화탈질조를 포함한 최대 질소제거량은 7.95 kg-N/m3/d이었다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
S1 : 제1공정 S2 : 제2공정
S3 : 제3공정

Claims (11)

  1. 암모니아성 질소가 함유된 처리대상 원수를 처리하는 방법에 있어서,
    상기 원수를 아질산화조에 유입하여, 원수의 암모니아성 질소를 아질산화처리에 의해 아질산성 질소로 전환시키는 제1공정;
    상기 아질산화조의 처리수를 아나목스조에 유입하여, 아나목스균에 의해 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 반응시켜 질소가스로 변환시키는 제2공정;
    상기 아나목스조의 처리수를 황산화탈질조에 유입하여, 잔류하는 아질산성 질소와 아나목스반응에 의해 생성된 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 변환시키는 제3공정;을 포함하고,
    상기 제1공정은,
    원수를 아질산화조에 전량(100%) 유입 시에는 원수의 암모니아성 질소의 50~60%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시키고,
    원수를 아질산화조에 50%의 양만을 유입시에는, 원수의 암모니아성 질소의 100%를 아질산화처리시켜 아질산성 질소로 전환시키는 것이며,
    상기 제1공정은,
    상기 아질산화조의 초기 미생물량(MLSS)를 2,000~5,000 mg/L로 조절하고, pH의 조건을 6.5~7.8, 용존산소의 조건을 1~5 mg/L, 온도를 30~35℃로 하는 것이고,
    상기 제1공정은,
    알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 유지하면서 수리학적 체류시간(HRT)을 1~24 hr으로 하고,
    질소부하량은 0.1~5.0kg-N/m3/d의 범위에서 운전하는 것이며,
    상기 제2공정은,
    암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1 : 1몰로 반응시켜 최종적으로 질소가스로 변환되도록 함에 의해, 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 아질산화조 처리수(=아나목스조 유입수)의 암모니아성 질소와 아질산성 질소농도 대비 70~90%를 제거하도록 한 것이고,
    상기 제3공정은,
    원수 총질소(T-N)농도의 5~15%의 질산성 질소를 황산화탈질균에 의해 질소가스로 전환시킴에 의해 질소성분을 제거하여, 최종적으로는 원수의 총질소(T-N)농도의 80~95%를 제거하도록 한 것이며,
    상기 아나목스조의 수리학적 체류시간(HRT)은 질소부하량에 따라 1.5~24 hr으로 운영하며,
    질소부하량은 0.1~8.0 kg-N/m3/d의 범위에서 운전되는 것이고,
    상기 질소부하량이 1.0 kg-N/m3/d 이상에서는, 유입수를 탈기하지 않고 아나목스반응을 안정적으로 유지토록 하는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1공정은, 알칼리도를 유입 암모니아성 질소 농도대비 아질산화율에 맞춰 조절한 후, 12~24 hr 동안 공기를 유입하여 순환시킴에 의해 슬러지를 고정유영상 담체에 부착시키도록 한 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 알칼리도는 유입 암모니아성 질소농도 중에서 제어하고자 하는 아질산화율을 곱한 값의 7.14배에 10%를 더한 농도를 원수에 첨가해줌에 의해 원하는 아질산화율로 제어하는 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1공정은,
    아질산화처리 후의 처리수의 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 몰비가 1.0 : 1.0 ~ 1.0 : 1.3이 되도록 한 것을 특징으로 하는 하수 및 폐수의 생물학적 질소처리방법.
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