KR101736066B1 - 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생물막반응기 및 막증류 공정을 통해 폐수를 처리함과 함께, 암모니아성 질소(NH4-N)의 부분질산화 반응 및 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합반응을 유도하여 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치는 암모니아성 질소의 질산화 반응 공간을 제공하는 생물반응조; 상기 생물반응조 내에 구비되어 원수 내에 포함되어 있는 암모니아성 질소(NH4-N)의 일부를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화하는 질산화미생물 겔비드; 정삼투 공정을 통해 상기 생물반응조의 원수에 포함되어 있는 수분을 추출하는 정삼투막 장치; 및 상기 생물반응조의 처리수를 공급받아 막증류 공정을 통해 생물반응조 처리수의 수분을 제거하는 막증류 장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법{Apparatus and method for wastewater treatment capable of generating ammonium nitrate}
본 발명은 질산암모늄생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생물막반응기 및 막증류 공정을 통해 폐수를 처리함과 함께, 암모니아성 질소(NH4-N)의 부분질산화 반응 및 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합반응을 유도하여 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법에 관한 것이다.
전세계적으로 물 부족 현상이 현저하게 발생함에 따라, 폐수처리 및 재이용수의 생산에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 발맞춰 국내 하수처리수 재이용률도 점진적으로 증가하고 있는 추세에 있으며, 재이용처리공정은 용도에 따라 처리방법이 구분된다. 특히, 분리막을 이용한 생물막반응기는 분리막 가격의 하락과 함께 공정의 안정성이 향상되면서 경제성을 가진 고순도의 재이용수를 생산하는 기술로서 각광받고 있다(비특허문헌 1 참조).
생물막반응기를 이용한 수처리는 부지면적의 최소화, 높은 바이오매스(biomass) 농도 유지를 통한 슬러지 저감효과, 부유물질 제거 및 안정적인 공정 운영 등이 가능하지만 심각한 막오염 현상으로 인한 투과유량 감소, 빈번한 막세척 주기 및 교체를 유발하며, 고순도의 재이용수 생산을 위해서는 생물막반응기 후단에 RO(reverse osmosis), NF(nanofiltration) 공정이 필요한 단점이 있다.
삼투압 막분리형 생물막반응기는 정삼투(FO, forward osmosis) 공정과 생물막반응기를 응용한 것으로 미생물을 이용하여 하수 내의 유기물 및 질소 등을 제거하고 반투과막을 중심으로 삼투압을 유발시키는 유도용액과 처리하고자 하는 수원의 삼투압 차이를 구동력으로 하여 순수를 생산하는 것을 목적으로 한다. 정삼투 공정을 적용한 삼투압 막분리형 생물막반응기는 수리학적 압력을 구동력으로 하는 역삼투(RO, reverse osmosis) 공정에 비해 에너지 효율적이고 막오염 정도가 낮으며 높은 염제거율을 확보할 수 있으나, 생산수와 유도용액의 분리 및 회수가 어렵고 유도용액이 생물막반응기 내로 역확산이 일어나는 단점이 있다.
한편, 종래의 대표적인 하폐수처리 방법은 생물학적 방법을 이용한 활성슬러지법으로 하폐수를 호기성 상태에서 안정화시키는 활성슬러지의 대사활동과 관련된 처리방법이다. 특히, 현탁 성장 공정 내에서 유기물 제거나 질소 제거에 관여하는 질화세균은 온도나 pH 등의 인자에 민감하여 증식속도가 느리다는 점과 공정 진행 중 반응조 외부로의 유출되는 문제점이 있고 급작스러운 부하량에 안정적인 유기물 및 질소 제거를 기대하기 어려워 질화세균을 반응조 내에 고농도로 유지하는 것이 관건이다. 반응조 내에 고농도의 활성슬러지를 유지하는 방법으로는 플라스틱이나 세라믹과 같은 불활성 고체의 표면에 미생물을 부착시키는 부착형과, 고분자 물질에 미생물을 고정화시키는 포괄고정화형이 있다. 미생물 포괄고정화형은 부착형에 비해 미생물을 고정화하는 안정성이 뛰어나며 단기간 내에 미생물을 고정화할 수 있다는 장점이 있다.
하수처리수 재이용 현황 및 향후과제, 2009, 환경보전협회
본 발명은 고농도의 암모니아를 포함하는 폐수를 처리함에 있어서, 생물막반응기 및 막증류 공정을 통해 폐수를 처리함과 함께, 암모니아성 질소(NH4-N)의 부분질산화 반응 및 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합반응을 유도하여 질산암모늄(NH4NO3)의 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 질산암모늄(NH4NO3)을 생성함에 있어서, 정삼투막이 적용된 생물막반응기 공정과 막증류 공정을 순차적으로 적용함으로써 수분 제거에 소요되는 열원을 최소화할 수 있는 하폐수처리장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
이와 함께, 본 발명은 질산화미생물이 고정화된 질산화미생물 겔비드를 생물막반응기에 적용함으로써 질산화미생물의 유실을 방지하고 암모니아성 질소(NH4-N)의 부분질산화 반응 속도를 향상시킴과 함께 생물막반응기 내의 정삼투막의 오염을 최소화할 수 있는 하폐수처리장치 및 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
나아가, 본 발명은 생물막반응기 내 폐수의 성상을 제어하여 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 1:1 몰비의 결합반응이 가능하도록 하는 하폐수처리장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치는 암모니아성 질소의 질산화 반응 공간을 제공하는 생물반응조; 상기 생물반응조 내에 구비되어 원수 내에 포함되어 있는 암모니아성 질소(NH4-N)의 일부를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화하는 질산화미생물 겔비드; 정삼투 공정을 통해 상기 생물반응조의 원수에 포함되어 있는 수분을 추출하는 정삼투막 장치; 및 상기 생물반응조의 처리수를 공급받아 막증류 공정을 통해 생물반응조 처리수의 수분을 제거하는 막증류 장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 생물반응조 내의 원수는, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지된다. 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되기 위해, 암모니아성 질소와 OH-의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 Na2CO3의 몰비가 1:0.5로 제어될 수 있다.
상기 정삼투막 장치는 상기 생물반응조 내에 침지되어 구비되거나, 생물반응조의 외부에 구비될 수 있다. 또한, 상기 막증류 장치의 후단에 증발장치가 더 구비되며, 상기 증발장치는 상기 막증류 장치의 처리수에 잔존하는 수분을 제거하여, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합 및 결정화를 유도하여 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3)을 생성할 수 있다.
상기 질산화미생물 겔비드는 질산화미생물이 겔비드 내에 포괄고정된 것이다. 상기 질산화미생물 겔비드는, 질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PVA(poly vinyl alcohol)와 혼합하는 과정과, 활성슬러지와 PVA의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PVA의 혼합용액에 포화붕산(H3BO3) 용액을 적정하여 혼합용액을 비드화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것일 수 있다.
상기 질산화미생물 겔비드는, 질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PEG(poly ethylene glycol)와 혼합하는 과정과, 활성슬러지와 PEG의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PEG의 혼합용액을 촉진제(promotor), 개시제(initiator)를 이용하여 겔화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것일 수 있다. 또한, 상기 촉진제는 0.3∼0.7vol%의 N,N,N',N'-tetramethylenediamine이며, 상기 개시제는 0.1∼0.3vol%의 과황산칼륨(K2SO4)일 수 있다.
본 발명에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하페수처리방법은 생물반응조와 막증류 장치를 이용한 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법에 있어서, 생물반응조에 원수가 공급되는 단계; 질산화미생물을 이용하여 원수 내의 암모니아성 질소(NH4-N)의 일부를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화하는 단계; 상기 생물반응조의 처리수를 공급받아 막증류 공정을 통해 생물반응조 처리수의 수분을 제거하는 단계; 및 상기 막증류 장치의 처리수에 잔존하는 수분을 제거하여, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합 및 결정화를 유도하여 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3)을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
고농도의 암모니아를 포함하는 원수에 대한 생물학적 처리가 가능하다. 또한, 암모니아성 질소의 일부를 부분질산화하여 질산암모늄을 생성함에 있어서, 원수 내의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되도록 제어함으로써 질산암모늄 생성수율을 향상시킬 수 있다. 이와 함께, 정삼투 공정 및 막증류 공정을 통해 원수의 수분을 순차적으로 제거함으로써, 질산암모늄 생성을 위한 수분 제거에 요구되는 열원의 사용을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치의 구성도.
도 2는 침지형 정삼투막 장치를 나타낸 개략도.
도 3은 분리형 정삼투막 장치를 나타낸 개략도.
도 4는 PVA 기반 비드에 활성슬러지가 포괄고정된 것을 나타낸 사진.
도 5는 부유상태의 질산화미생물을 사용한 경우와 질산화미생물 겔비드를 사용한 경우에서의 정삼투막 수투과도를 나타낸 참고도.
도 6은 암모늄 공급량 및 질산화에 의한 암모늄 제거량을 나타낸 참고도.
본 발명은 축산폐수와 같은 고농도의 암모니아를 포함하는 폐수를 생물학적으로 처리함과 함께, 폐수 내의 암모니아성 질소를 부분질산화하고 암모늄 이온(NH4 +)과 부분질산화에 의해 생성된 질산염(NO3 -)의 결합반응을 유도하여 비료로 사용될 수 있는 질산암모늄(NH4NO3)을 생성시킬 수 있는 기술을 제시한다.
질산암모늄(NH4NO3)의 수율을 높이기 위해서는 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1에 가까워야 하며, 본 발명은 이를 위해 암모니아성 질소의 부분질산화 반응이 일어나는 생물막반응기의 폐수 성상을 암모니아성 질소와 OH-의 몰비를 1:1로 유지하거나 또는 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비를 1:1로 유지하거나 암모니아성 질소와 Na2CO3의 몰비를 1:0.5로 유지되도록 제어하는 기술을 제시한다.
질산암모늄(NH4NO3)은 폐수 내의 수분 함량이 감소 또는 제거되는 과정에서 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 결합되어 생성되는 바, 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3) 생산 효율을 향상시키기 위해서는 수분 제거효율을 향상시켜야 하며, 본 발명은 정삼투 공정 및 막증류 공정을 순차적으로 적용함으로써 수분 제거에 소요되는 열원을 최소화할 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치는 생물막반응기 및 막증류 장치(150)를 구비한다.
상기 생물막반응기는 질산화미생물을 이용하여 원수 내에 포함되어 있는 암모니아성 질소(NH4-N)를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화함과 함께 정삼투 공정을 통해 재이용수를 생산하는 역할을 한다.
상기 생물막반응기는 세부적으로, 생물반응조(110) 및 정삼투막 장치(130)를 포함하여 구성된다. 상기 생물반응조(110)는 암모니아성 질소의 부분질산화 반응 공간을 제공함과 함께 상기 정삼투막 장치(130)의 장착 공간을 제공하며, 암모니아성 질소의 부분질산화를 위해 상기 생물반응조(110)는 호기 조건으로 운전된다.
암모니아성 질소의 부분질산화는 질산화미생물에 의해 이루어지며, 질산화미생물은 겔비드 내에 고정된 형태를 구비된다. 즉, 상기 생물반응조(110) 내에 질산화미생물이 고정화된 질산화미생물 겔비드(120)가 구비되며, 질산화미생물 겔비드(120) 내에 고정화된 질산화미생물에 의해 암모니아성 질소의 부분질산화가 진행된다. 상기 질산화미생물 겔비드(120)는, 질산화미생물이 배양된 용액 또는 질산화미생물이 포함되어 있는 활성슬러지를 비드(bead)화 또는 겔(gel)화하여 제조할 수 있는데, 질산화미생물 겔비드(120)의 제조과정에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
질산화미생물이 겔비드에 포괄고정된 상태로 구비됨에 따라, 질산화미생물의 유실을 방지할 수 있고 질산화미생물이 후술하는 정삼투막 표면에 흡착되는 문제를 피할 수 있다. 또한, 질산화미생물의 유동(기계적 교반에 의한 유동 또는 폭기에 의한 유동)을 통해 정삼투막 표면의 오염물질을 탈리하는 효과를 부수적으로 얻을 수 있다. 도 5는 부유상태의 질산화미생물을 사용한 경우와 질산화미생물 겔비드(120)를 사용한 경우에서의 정삼투막 수투과도를 나타낸 것으로서, 질산화미생물 겔비드(120)를 사용한 경우에서의 수투과도 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
상기 정삼투막 장치(130)는 상기 생물반응조(110) 내에 구비되어 원수와 유도용액 사이의 삼투압을 이용하여 원수의 수분을 추출하는 장치로서, 정삼투막을 구비하며 정삼투막 내측에는 유도용액의 이동 공간이 구비된다. 정삼투막을 사이에 두고 원수와 유도용액이 접촉하면, 삼투압에 의해 원수의 수분은 정삼투막을 투과하여 유도용액쪽으로 이동된다(도 2 참조). 원수의 수분이 포함된 유도용액의 처리를 위해, 상기 정삼투막 장치(130)의 후단에는 NF(nanofiltration)막 등의 여과막(140)이 구비된다. 상기 여과막(140)은 상기 정삼투막 장치(130)로부터 원수의 수분이 포함된 유도용액을 공급받아 유도용액과 재이용수로 분리하는 역할을 하며, 분리된 유도용액은 상기 정삼투막 장치(130)로 재공급된다. 상기 정삼투막 장치(130)를 이용한 정삼투 공정을 진행함에 있어서, 질산화미생물의 활성을 위해 원수의 NaCl 농도가 40∼50g/L를 넘지 않도록 정삼투막 장치(130)의 회수율을 제어할 필요가 있다. 또한, 상기 유도용액으로는 MgCl2 용액 또는 CaCl2 용액을 사용할 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 본 발명의 주요 특징 중 하나는, 고농도의 암모니아가 포함되어 있는 원수를 부분질산화하고 이를 통해 질산암모늄(NH4NO3)을 생성하는 것이다. 질산암모늄(NH4NO3)을 생성하기 위해서는 원수 내에 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 존재해야 하며, 질산암모늄(NH4NO3) 생성 수율을 극대화하기 위해서는 즉, 미반응 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 양을 최소화하기 위해서는 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1에 가까워야 한다.
원수 내의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비를 1:1로 유지시키기 위해, 원수 내에 OH-, NaHCO3, Na2CO3 중 어느 하나를 투입하여 원수의 성상을 제어할 수 있다. 구체적으로, 암모니아성 질소와 OH-의 몰비를 1:1로 제어하거나 또는 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비를 1:1로 제어하거나 또는 암모니아성 질소와 Na2CO3의 몰비를 1:0.5로 제어하는 방법을 통해 원수 내의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비를 1:1로 유지시킬 수 있다.
이와 함께, 상기 생물반응조(110)의 전단과 후단에 각각 중력 침전을 유도하는 제 1 침전조(170), 제 2 침전조(180)가 더 구비될 수 있으며, 제 1 침전조(170) 및 제 2 침전조(180)의 상등수가 각각 다음 공정의 장치로 이동되도록 할 수 있다. 즉, 제 1 침전조(170)의 상등수가 상기 생물반응조(110)로 공급되고, 제 2 침전조(180)의 상등수가 막증류 장치(150)로 공급되도록 할 수 있다.
다음으로, 상기 막증류 장치(150)는 상기 생물막반응기의 처리수를 대상으로 막증류 공정을 진행하여 처리수를 막증류 응결수와 막증류 처리수로 분리하는 역할을 한다. 상기 생물막반응기의 처리수는 질산화미생물에 의해 부분질산화되어 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1을 이루며, 이와 함께 정삼투 공정에 의해 수분이 일정 부분 제거된 상태로 상기 막증류 장치(150)로 공급된다.
상기 막증류 장치(150)는 다양한 형태로 구성할 수 있으며, 일 실시예로 내부에 냉각수유로가 구비된 분리막 모듈을 이용할 수 있다. 이 경우, 냉각수유로에 냉각수를 공급함과 함께 분리막의 표면을 생물막반응기 처리수와 접촉시키면 냉각수와 생물막반응기 처리수 사이의 온도차에 의해 생물막반응기 처리수의 수분은 증발되어 분리막을 투과하여 냉각수유로로 이동된다. 이 때, 냉각수는 20℃ 정도의 상온으로 유지하고, 생물막반응기 처리수의 온도는 40∼70℃로 설정하는 것이 바람직하다. 생물막반응기 처리수의 온도를 40∼70℃로 설정하는 것은 처리수 내의 암모니아 성분이 휘발되는 것을 방지하기 위함이며, 암모니아 휘발 방지를 위해 생물막반응기 처리수의 pH를 7 이하로 유지시킬 필요도 있다.
상기 막증류 장치(150)에 의해 생물막반응기 처리수는 막증류 응결수와 막증류 처리수로 분리되며, 상기 막증류 응결수는 상술한 바와 같이 냉각수에 포함되어 회수된다. 또한, 상기 막증류 처리수는 수분이 제거됨에 따라 고농도의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)을 포함하며, 더 정확히는 고농도의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 1:1의 몰비를 이루는 고농축 처리수라 할 수 있다.
이후, 고농도의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 1:1의 몰비를 이루는 막증류 처리수에 대해 증발공정을 적용하면, 잔존하는 수분이 제거됨과 함께 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 결합, 결정화되어 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3)이 생성된다. 상기 증발 공정은 소정의 증발장치(160)를 통해 진행될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치에 대해 설명하였다. 본 발명에 따른 하폐수처리장치를 질산암모늄(NH4NO3)의 생성 측면에서 보면, 질산암모늄(NH4NO3) 생성수율의 극대화 및 질산암모늄 생성에 요구되는 열원의 최소화가 가능함을 알 수 있다. 원수 내의 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)이 1:1의 몰비를 이루도록 제어함에 따라 질산암모늄(NH4NO3) 생성수율의 극대화가 가능하고, 정삼투 공정 및 막증류 공정을 순차적으로 적용하고 이를 통해 수분을 제거함으로써 질산암모늄 생성에 요구되는 열원의 최소화가 가능하다.
한편, 상기 생물막반응기 내에 구비되어 암모니아성 질소를 부분질산화하는 질산화미생물 겔비드의 제조과정에 대해 설명하면 다음과 같다. 질산화미생물 겔비드는 두 가지 방법을 통해 제조 가능하다. 첫 번째 방법은 비드(bead) 내에 질산화미생물을 포괄고정하는 방법이고, 두 번째 방법은 겔(gel) 내에 질산화미생물을 포괄고정하는 방법이다.
첫 번째 방법은 다음과 같다. 먼저, 질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PVA(poly vinyl alcohol)와 혼합한다. 그런 다음, 활성슬러지(또는 질산화미생물)와 PVA의 혼합용액에 포화붕산(H3BO3) 용액을 적정하여 혼합용액을 비드화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조한다. 도 4는 PVA 기반 비드에 활성슬러지가 포괄고정된 것을 나타낸 사진이며, 겔비드는 3∼4mm로 성형되었다.
두 번째 방법은 다음과 같다. 질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PEG(poly ethylene glycol)와 혼합한다. 그런 다음, 활성슬러지(또는 질산화미생물)와 PEG의 혼합용액을 촉진제(promotor), 개시제(initiator)를 이용하여 겔화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조한다. 상기 촉진제로는 0.3∼0.7vol%의 N,N,N',N'-tetramethylenediamine을 이용할 수 있고, 상기 개시제로는 0.1∼0.3vol%의 과황산칼륨(K2SO4)을 이용할 수 있다.
상술한 첫 번째 방법 및 두 번째 방법을 통해 질산화미생물 겔비드를 제조함에 있어서, 활성슬러지를 사용하는 경우, 비드화 또는 겔화를 진행시키기 전에 활성슬러지를 PVA 또는 PEG에 가고정시킨 상태에서 선택배양 배지를 이용하여 질산화미생물의 활성을 증강시킬 수도 있다. 선택배양 배지 내에는 질산화미생물의 고염도 환경에의 적응을 위해 Na, K, P가 추가될 필요가 있으며, 일 실시예로 아래 표 1과 같이 선택배양 배지의 성분을 조성할 수 있다. 선택배양 배지를 이용하여 질산화미생물의 활성을 높인 질산화미생물 겔비드를 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비가 1:1로 유지되는 원수에 질산화미생물 겔비드를 투입한 결과, 도 6에 도시한 바와 같이 암모니아성 질소의 부분질산화를 50%로 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
선택배양 배지의 성분 및 농도
성분 농도
NH4Cl 300-2500(N-mg/L)
KH2PO4 208 (P-mg/L)
NaHCO3 150-1250(C-mg/L)
K2SO4 778 (S-mg/L)
NaCl 122 (Na-mg/L)
KCl 516 (K-mg/L)
CaCl2-2H2O 16 (Ca-mg/L)
MgCl2-6H2O 5 (Mg-mg/L)
이와 함께, 상술한 설명에 있어서 정삼투막 장치가 생물반응조 내에 구비되는 형태에 대해 설명하였는데, 이와 같은 침지형 이외에 정삼투막이 생물반응조 외부에 구비되는 분리형도 구성 가능하다. 정삼투막 장치를 생물반응조 외부에 구비시키는 이유는, 정삼투막의 세척을 용이하게 하기 위함이다.
분리형의 경우, 정삼투막 장치와 생물반응조는 독립적으로 구비되며, 정삼투 공정시 정삼투막을 기준으로 제1측에는 유도용액이 공급되고 제2측에는 생물반응조의 원수가 공급되어 유도용액과 원수의 삼투압에 의해 원수 내의 수분이 유도용액으로 순방향 이동된다(도 3 참조). 한편, 정삼투막의 세척공정시에는 제1측에 순수가 공급되고, 제2측에는 유도용액이 공급되며, 제1측의 순수가 제2측의 유도용액쪽으로 이동되어 순수에 의한 정삼투막 세척이 진행된다. 이 때, 정삼투막의 세척공정시 유도용액으로는 NaCl, MgCl2, CaCl2 용액 등이 사용될 수 있고, 세척력 강화를 위해 산화제 또는 계면활성제가 추가될 수도 있다.
110 : 생물반응조 120 : 질산화미생물 겔비드
130 : 정삼투막 장치 140 : 여과막
150 : 막증류 장치 160 : 증발장치
170 : 제 1 침전조 180 : 제 2 침전조

Claims (17)

  1. 암모니아성 질소의 질산화 반응 공간을 제공하는 생물반응조;
    상기 생물반응조 내에 구비되어 원수 내에 포함되어 있는 암모니아성 질소(NH4-N)의 일부를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화하는 질산화미생물 겔비드;
    정삼투 공정을 통해 상기 생물반응조의 원수에 포함되어 있는 수분을 추출하는 정삼투막 장치; 및
    상기 생물반응조의 처리수를 공급받아 막증류 공정을 통해 생물반응조 처리수의 수분을 제거하는 막증류 장치를 포함하여 이루어지며,
    상기 막증류 장치의 후단에 증발장치가 더 구비되며,
    상기 증발장치는 상기 막증류 장치의 처리수에 잔존하는 수분을 제거하여, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합 및 결정화를 유도하여 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3)을 생성하는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 생물반응조 내의 원수는, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되며,
    암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되기 위해,
    암모니아성 질소와 OH-의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 Na2CO3의 몰비가 1:0.5로 제어되는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 정삼투막 장치는 상기 생물반응조 내에 침지되어 구비되거나, 생물반응조의 외부에 구비되는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 질산화미생물 겔비드는 질산화미생물이 겔비드 내에 포괄고정된 것인 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 질산화미생물 겔비드는,
    질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PVA(poly vinyl alcohol)와 혼합하는 과정과,
    활성슬러지와 PVA의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PVA의 혼합용액에 포화붕산(H3BO3) 용액을 적정하여 혼합용액을 비드화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 질산화미생물 겔비드는,
    질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PEG(poly ethylene glycol)와 혼합하는 과정과,
    활성슬러지와 PEG의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PEG의 혼합용액을 촉진제(promotor), 개시제(initiator)를 이용하여 겔화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 촉진제는 0.3∼0.7vol%의 N,N,N',N'-tetramethylenediamine이며, 상기 개시제는 0.1∼0.3vol%의 과황산칼륨(K2SO4)인 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리장치.
  10. 생물반응조와 막증류 장치를 이용한 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법에 있어서,
    생물반응조에 원수가 공급되는 단계;
    질산화미생물을 이용하여 원수 내의 암모니아성 질소(NH4-N)의 일부를 질산성 질소(NO3-N)로 부분질산화하는 단계;
    상기 생물반응조의 처리수를 공급받아 막증류 공정을 통해 생물반응조 처리수의 수분을 제거하는 단계; 및
    상기 막증류 장치의 처리수에 잔존하는 수분을 제거하여, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 결합 및 결정화를 유도하여 건조 상태의 질산암모늄(NH4NO3)을 생성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 생물반응조 내에 정삼투막 장치가 더 구비되며,
    상기 질산화미생물에 의한 부분질산화와 함께, 상기 정삼투막 장치에 의한 정삼투 공정이 진행되어 원수 내의 수분이 정삼투 공정에 의해 추출되는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 생물반응조 내의 원수는, 암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되며,
    암모늄 이온(NH4 +)과 질산염(NO3 -)의 몰비가 1:1로 유지되기 위해,
    암모니아성 질소와 OH-의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 NaHCO3의 몰비가 1:1로 제어되거나 또는 암모니아성 질소와 Na2CO3의 몰비가 1:0.5로 제어되는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  13. 삭제
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 질산화미생물은 질산화미생물 겔비드의 형태로 상기 생물반응조 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 질산화미생물 겔비드는,
    질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PVA(poly vinyl alcohol)와 혼합하는 과정과,
    활성슬러지와 PVA의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PVA의 혼합용액에 포화붕산(H3BO3) 용액을 적정하여 혼합용액을 비드화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 질산화미생물 겔비드는,
    질산화미생물이 배양되어 있는 질산화미생물 용액 또는 질산화미생물을 포함하는 활성슬러지를 PEG(poly ethylene glycol)와 혼합하는 과정과,
    활성슬러지와 PEG의 혼합용액 또는 질산화미생물과 PEG의 혼합용액을 촉진제(promotor), 개시제(initiator)를 이용하여 겔화시켜 질산화미생물 겔비드를 제조하는 과정을 포함하는 제조과정을 통해 제조된 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 원수의 NaCl 농도가 40∼50g/L를 넘지 않도록 정삼투막 장치의 회수율을 제어하는 것을 특징으로 하는 질산암모늄 생성이 가능한 하폐수처리방법.
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