KR101830902B1 - 암모늄 산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조 및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치 - Google Patents

암모늄 산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조 및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회분식 부분 아질산화((Partial Nitritation Sequencing Batch Reactor, SBR) 반응조, 암모늄 산화 박테리아(Ammonium Oxidation Bacteria, AOB) 그래뉼(granule) 및 혐기성 암모늄 산화(ANAMMOX, ANaerobic AMMonium OXidation) 공정을 이용하여 고농도 질소 오폐수를 처리하는 장치에 관한 것으로, SBR 반응조와 AOB 그래뉼 생성조의 상호 슬러지 교환을 통해 AOB 그래뉼을 효율적으로 형성한다.
또한, SBR 반응조로 AOB 그래뉼을 재 유입시켜 부분 아질산화를 수행하며, 동시에 ANAMMOX 공정을 이용하여 외부 탄소원의 공급 없이 빠르게 질소를 제거하고, 기존의 방법보다 산소 및 유기물이 절감되고 슬러지 생산량이 감소되는 발명이다.

Description

암모늄 산화 박테리아 그래뉼 생성조를 연계한 회분식 부분 아질산화 반응조 및 혐기성 암모늄 산화를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치{Apparatus of high nitrogen wastewater treatment using partial nitritation sequencing batch reactor supplied with ammonium oxidation bacteria(AOB) granule from the connected AOB granule reactor and using anaerobic ammonium oxidation}
본 발명은 회분식 부분 아질산화 반응조(Partial Nitritation Sequencing Batch Reactor 이하, ‘SBR 반응조’라 함), 암모늄 산화 박테리아(Ammonium Oxidation Bacteria 이하, ‘AOB’라 함) 그래뉼(granule)(이하, ‘AOB 그래뉼’이라 함) 및 혐기성 암모늄 산화(ANAMMOX, ANaerobic AMMonium OXidation) 공정(이하, ‘ANAMMOX 공정’이라 함)을 이용하여 고농도 질소 오폐수를 처리하는 장치에 관한 것이다.
보다 상세하게는, SBR 반응조와 AOB 그래뉼 생성조의 상호 슬러지 교환을 통하여 AOB 그래뉼을 효율적으로 형성하고, 형성된 AOB 그래뉼을 SBR 반응조로 재 유입시켜 부분 아질산화를 수행함과 동시에 ANAMMOX 공정을 이용하여 외부 탄소원의 공급 없이 경제적이면서 빠르게 질소를 제거하기 위한 고농도 질소 오폐수 처리장치에 관한 것이다.
가축분뇨 및 음식물 폐수와 같은 고농도 유기성 오폐수는 고농도의 고형물, 유기물 및 질소를 함유하고 있다. 이러한 오폐수 내에 존재하는 유기물을 활용하여 유용한 에너지원인 메탄을 생산하기 위한 노력이 이루어지고 있다.
많은 양의 메탄을 회수하기 위해 오폐수 내에 존재하는 유기물을 최대한 혐기성 공정으로 유입시켜 혐기성 상태에서 산 발효 및 메탄발효 미생물을 이용하여 메탄 생산량을 극대화 하고 있으나, 유출되는 폐수는 유기물이 대부분 제거되고 고농도의 질소는 그대로 잔존하므로 매우 낮은 탄질비(炭窒比)(C/N비 이하, ‘C/N비’라 함)를 가지게 된다.
가축분뇨의 경우 생화학적 산소 요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand 이하, ‘BOD’라 함) 농도가 30,000~50,000mg/L로 높기 때문에 일반적으로 혐기성 소화조를 이용하여 처리를 수행한다. 혐기성 처리 이후에 고농도의 질소가 함유된 폐수가 발생하는데 암모니아성 질소의 농도가 1,500~3,000mg/L로 매우 높다.
또한, 가축분뇨는 혐기성 처리 후 농지에 살포되어 비료로 사용되고 있으며, 지속적인 농지주입으로 인하여 지하수를 오염시키거나 강우 시 유출되어 부영양화를 발생시켜 수계의 수질을 악화시키는 주요 오염물질이다.
종래 행하여지고 있는 질소 오폐수 처리는 생물학적 방법이 이용되고 있는데, 질산화 공정과 탈질 공정을 조합시킨 처리방법이 주로 이용되고 있으나, 낮은 C/N비를 가지는 오폐수를 처리하기 위해서는 많은 양의 산소가 공급되어야 한다.
또한, 탈질을 위해 외부 탄소원을 요구하게 되므로, 자원회수에 대한 많은 경제적인 장점이 감소되는 요인이 되고 있다.
위와 같은 생물학적으로 오폐수 내에 있는 질소를 제거하기 위해서는 여러 단계의 생화학적 반응을 거쳐야 한다.
우선 다음 <반응식 1>에서와 같이 환원 상태의 암모니아성 질소를 공기를 공급하여 산화된 형태의 질소로 산화시켜야 한다.
<반응식 1>
NH4 + + 1.5O2 → NO2 - + 2H+ + H2O
NO2 - + 0.5O2 → NO3 -
NH4 + + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O
상기 반응식에서 알 수 있듯이 1mg의 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화하는데 3.43mg의 산소가 필요하며 1mg의 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화하는데 1.14mg의 산소가 추가적으로 소모되어, 1mg의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화하는데 4.57mg의 산소가 필요하다.
산화된 질산성 질소는 다음 <반응식 2>과 같은 반응을 통하여 대기 중으로 질소 가스로 배출됨으로써 최종적으로 질소가 제거된다.
<반응식 2>
NO3 - + 1.08CH3OH + 0.24H2CO3 → 0.06C5H7O2N + 0.47N2 + 1.68H2O + HCO3 -
상기 <반응식 2>에서 알 수 있듯이 1mg의 질산성 질소가 탈질 되기 위해서 약 4~5mg의 화학적 산소요구량(COD, Chemical Oxygen Demand 이하, ‘COD’라 함)이 필요하게 되는데 정상적인 탈질이 이루어지기 위해서는 COD/NO3-N비가 4.0~5.0 이상이 되어야 함을 의미한다.
특히 가축분뇨 및 음식물 폐수와 같은 고농도 유기성 폐수의 혐기성소화조에서 발생하는 폐수의 경우 C/N비가 1이하로 매우 낮기 때문에 메탄올이나 초산과 같은 외부탄소원의 투입이 반드시 필요하기 때문에 운영비의 상승이 초래된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 방법이 암모니아성 질소의 일부만을 아질산성(NO2 -) 단계까지만 산화한 후, 잔류하는 암모니아성 질소를 전자공여체로 활용하여 탈질을 통하여 질소를 제거하는 단축질소제거 공정이 이용된다.
이 방법을 사용할 경우 기존의 방법보다 산소는 60%, 유기물은 100%를 절감할 수 있는 장점이 있다.
단축질소 제거공정은 ANAMMOX에 의해 이루어지는데, 혐기적 조건 하에서 전자수용체로 아질산성 질소를 이용하여 암모니아성 질소를 질소가스로 변환하는 ANAMMOX 미생물을 이용한 방법이며, 질소 가스로 변환하는 방법은 <반응식 3>과 같다.
<반응식 3>
1.0NH4 + + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 1.02N2 + 0.26NO3 - + 0.066CH2O0 . 5N0 .15 + 2.03H2O
상기 <반응식 3>에 나타낸 바와 같이, ANAMMOX에 의한 처리는 전자수용체(Electron Acceptor)로서 아질산성 질소가 필요하다. 그래서 오폐수 중의 암모니아성 질소의 일부(약 56.5%)를 아질산성 질소로 산화하여 변환하는 부분 아질산화 공정이 전단(前段)에 조합되어 있어야 한다.
단축질소제거 공정을 도입하기 위해서 가장 중요한 것은 안정적인 부분 아질산화를 이룩하는 것이다.
가축분뇨 및 음식물 폐수와 같은 고농도 유기성 오폐수 공정을 위해서 혐기성 소화조에서 발생하는 오폐수는 암모니아성 질소의 농도가 1,500~3,000mg/L로 높고, 온도가 25℃ 이상으로 높아 아질산화를 용이하게 달성할 수 있다.
그러나 아질산성 질소는 아질산 산화 미생물(Nitrite Oxidation Bacteria, 이하 ‘NOB’라 함)에 의해 빠르게 질산성 질소로 전환되기 때문에 안정적인 아질산화를 달성하기 위해서는 AOB의 우점화가 필요하다.
AOB를 NOB보다 우점화하기 위해서는 여러 가지 방법이 사용되고 있으나 고형물 체류시간(Solid Retention Time, 이하 ‘SRT’라 함)을 1일 이하로 유지하는 방법을 사용하는데, 이는 NOB의 배가시간(doubling time)이 1일 이상 요구되기 때문에 SRT를 1일 이하로 운영하여, AOB는 시스템 내에 유지시키고 NOB는 워시 아웃(wash out)시켜 AOB의 우점화가 가능하기 때문이다.
또한, 상기 ANAMMOX 공정은 공지의 미생물에 의해 수행된다.
단축질소제거 반응을 수행하는 ANAMMOX 미생물은 증식속도가 매우 느려 배가시간이 11일 정도로 매우 길기 때문에 안정적인 미생물을 확보하기 위해서는 미생물이 워시 아웃되지 않는 반응조를 적용하는 것이 매우 중요하다.
따라서 AOB 미생물과 ANAMMOX 미생물을 한 반응조에서 동시에 성장시켜 오폐수를 처리하는 단일 반응조(Single Reactor)의 경우 상이한 SRT를 유지하는 것이 용이하지 않다.
따라서 AOB 반응조 및 ANAMMOX 반응조를 분리하여 설치하는 방법을 사용하는데, 이럴 경우 각 미생물에 적합한 최적 운전조건을 조성할 수 있지만 반응조의 숫자가 증가하고 미생물과 처리수를 분리하기 위한 별도의 침전 시설까지 추가하게 되어 단위 공정의 숫자가 증가하고 이에 따라 소요부지가 증가되어 운영관리 요소가 증가하는 단점이 있다.
이를 해소하기 위해 반응속도가 높고 침전성이 우수한 그래뉼을 이용하는 방법이 있으나, 그래뉼을 형성하기 위한 조건과 오염물을 처리하기 위한 조건이 서로 달라 AOB 및 ANAMMOX 반응조 내에서 안정적인 처리를 유지하면서 침전성이 우수한 그래뉼을 형성하는 목적을 동시에 달성하는 것이 기술적으로 어려운 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 별도의 반응조를 이용하여 미생물 및 그래뉼을 외부에서 생성하여 반응조로 공급하는 방법들이 사용되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2002-0072360호(2002. 9. 14., 이하 ‘선행문헌 1’)는 부분 아질산화 및 혐기성 암모니아 산화를 이용한 고농도질소폐수 처리장치와 처리방법에 관한 것으로, 니트로소모나스속(Nitrosomonas sp.) 세균 및 암모니아 산화 균을 이용하여 고농도 질소폐수를 처리하는 방법에 관하여 개시하고 있다.
그러나 상기 선행문헌 1 발명은 니트로소모나스속 세균만으로 우점화가 되기 어려우며, 오폐수 유입 또는 배출 시 세균이 유출되어 반응이 느려질 뿐만 아니라, SBR 반응조로 연속 유입되기 위해서 공정을 복수로 설치해야하므로 운영비가 상승되어 경제적 부담이 증가된다.
미국 공개특허공보 제2015-0336827호(2015. 11. 26., 이하 ‘선행문헌 2’)는 생물막 담체, 처리 시스템 및 폐수 처리 방법에 관한 것으로, 이동 가능한 생물막을 사용하여 오염된 물을 처리하는 방법에 관하여 개시하고 있다.
그러나 상기 선행문헌 2 발명은 생물막에 손상이 발생할 경우 정상 상태로 회복되는 시간이 오래 걸리며, 미생물이 과다하게 성장할 경우 폐수 처리 효율이 저하된다.
일본 특허공보 제4691938호(2011. 6. 1., 이하 ‘선행문헌 3’)는 질소 함유액의 처리 방법 및 장치에 관한 것으로, 암모니아 산화 세균을 이용하여 아질산화 반응을 하고, ANAMMOX 세균을 이용하여 탈질 반응을 통해 질소 함유액을 처리하는 방법에 관하여 개시하고 있다.
그러나 상기 선행문헌 3 발명은 부분 아질산화 공정에 알칼리를 주입하여, pH를 조정해야 하므로 부분 아질산화 반응이 일정하기 힘들다.
대한민국 등록특허공보 제10-0586535호(2006. 6. 8., 이하 ‘선행문헌 4’)는 질산화세균 그래뉼화 반응기를 이용한 하폐수의 고도처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 질산화세균 그래뉼을 간헐적으로 유입시켜 하폐수가 탈질화 되는 방법에 관하여 개시하고 있다.
그러나 상기 선행문헌 4 발명은 질산화 균을 주반응조로 공급하여 아질산화 및 질산화는 증진시킬 수 있으나, 공정의 구성상 오폐수가 유입되어 호기성 상태를 먼저 거치기 때문에 유기물이 제거되어 탈질조로 유입되는 유기물이 없어 탈질을 위해서는 외부 탄소원의 주입이 반드시 필요하다.
또한, 메탄올 및 초산 등을 외부 탄소원으로 사용하기 위해서는 구매를 해야 하므로 경제적으로 불리한 문제점이 있다.
또한, 탈질 미생물이 비롯한 유기물을 제거하는 종속영양미생물의 성장 속도가 AOB 미생물의 성장보다 수배 빠르기 때문에 이러한 미생물이 다량으로 함유되어 있는 슬러지를 이용하여 AOB가 우점화 되도록 하는 것이 현실적으로 불가능하다.
즉 종속영양미생물이 이미 우점화 되어 있는 슬러지를 그래뉼 반응조로 유입시켜 그래뉼을 생성할 경우 아질산화 및 질산화 미생물이 우점화 된 그래뉼을 생성하기 위한 시간이 길게 소요되는 문제점이 있었다.
이에 본 출원인은 고농도 질소 오폐수를 처리함에 있어 부분 아질산화를 위한 SBR 반응조를 3구간으로 구분하여 선택적으로 슬러지만 AOB 그래뉼 생성조에 유입시키고, 순도 높은 AOB 그래뉼을 생성하기 위한 AOB 생성조 및 저장조로 구성된 AOB 그래뉼 생성부 및 AOB의 유출방지 및 방류수의 부유물질 농도를 확보하는 ANAMMOX 반응조가 포함된, AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 및 ANAMMOX를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치를 안출하게 되었다.
또한, ANAMMOX 반응조에 별도의 ANAMMOX 그래뉼 생성조를 포함하여, 빠르게 탈질 되는데 목적이 있다.
<선행기술문헌>
(선행문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0072360호(2002. 9. 14.)
(선행문헌 2) 미국 공개특허공보 제2015-0336827호(2015. 11. 26.)
(선행문헌 3) 일본 특허공보 제4691938호(2011. 6. 1.)
(선행문헌 4) 대한민국 등록특허공보 제10-0586535호(2006. 6. 8.)
본 발명은 종래 기술의 문제점을 인식하여, 그래뉼 형성이 용이하고 슬러지를 선택적 선별이 용이한 SBR 반응조(110); AOB 그래뉼 생성조(121); 및 AOB 그래뉼 저장조(122);가 포함된 AOB 그래뉼 생성부(120); 및 ANAMMOX 반응조(130)가 포함된, AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 및 ANAMMOX를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
또한, AOB가 우점화 된 슬러지를 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시켜 AOB 그래뉼을 생성하고, 생성된 AOB 그래뉼을 SBR 반응조(110)로 유입시켜 부분 아질산화를 안정적으로 이룩하는 데에 목적이 있다.
또한, SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)에서 부분 아질산화 된 처리수를 후단의 ANAMMOX 반응조(130)로 유입시켜 유기물 소모 없이 질소가 제거되는 데에 목적이 있다.
또한, ANAMMOX 반응조(130)에 포함된 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)를 통해 탈질 과정을 안정적으로 이룩하는 데에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 부분 아질산화를 위한 SBR 반응조(110); AOB 그래뉼 생성조(121) 및 AOB 그래뉼 저장조(122);가 포함된 AOB 그래뉼 생성부(120); 및 ANAMMOX 반응조(130); 등이 포함되는 것을 기술적 특징으로 하는, AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 및 ANAMMOX를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치이다.
본 발명의 상기 SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성부(120)는 회분 식으로 운영되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 SBR 반응조(110)는 3구간으로 구분되어 중간 부분의 슬러지만 선택적으로 배출되며, AOB 그래뉼 유지가 유리한 에어 리프트(air lift) 방식의 공기공급 장치가 포함되는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 ANAMMOX 반응조(130)는 완전혼합형 유동상 부착식 공정을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)가 ANAMMOX 반응조(130)에 별도로 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 및 ANAMMOX를 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치는 부분 아질산화 및 ANAMMOX 공정이 결합되어 부분 아질산화가 안정적으로 달성되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 암모니아성 질소의 절반만 NO2 -까지만 산화되어 탈질을 통해 질소가 제거되어 기존의 방법보다 산소 및 유기물이 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 AOB로 우점화 된 슬러지를 선택적으로 AOB 그래뉼 생성조(121)에 유입하여, 고순도의 AOB 그래뉼을 생성하며, NOB보다 빠르게 우점화 되어 고농도 질소 오폐수를 빠르게 처리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 SBR 반응조(110) 내에서 에어 리프트 방식의 공기공급 장치가 포함되어, 그래뉼이 해체되거나, 침전성이 저하된 부분을 선택적으로 AOB 그래뉼 생성조(121)에 유입시켜, 양호한 AOB 그래뉼로 재생함으로써 AOB 그래뉼 생성조(121)의 부피를 절감하고, 효율적이며 선택적인 그래뉼 생성이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 ANAMMOX 반응조(130)의 반응이 저조할 때, ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)에서 생성된 ANAMMOX 그래뉼을 공급하여, 탈질 반응을 일정하게 해주는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 질소 오폐수 처리장치에 대한 단축질소제거 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 SBR 반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 운영방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 SBR반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 시간에 따른 순차적 운영방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 공정에 ANAMMOX 그래뉼 형성조가 추가된 단축질소제거 공정을 나타낸 것이다.
도 5는 AOB 그래뉼 생성조의 운전에 따른 AOB 그래뉼의 크기변화를 시기별로 비교하여 나타낸 것이다.
도 6은 AOB 그래뉼 생성조의 유입 질소 부하조건에서 암모니아 제거량 당 AOB 그래뉼의 생성량을 그래프로 나타낸 것이다.
도 7은 SBR 반응조 내의 AOB 그래뉼을 크기별로 분류하여 현미경으로 확인한 것이다.
<부호의 설명>
110 : SBR 반응조
111 : 에어 리프트 방식의 공기 공급 장치
120 : AOB 그래뉼 생성부
121 : AOB 그래뉼 생성조
122 : AOB 그래뉼 저장조
130 : ANAMMOX 반응조
140 : ANAMMOX 그래뉼 생성조
S211 : 반응되는 단계
S212 : 침전되는 단계
S213 : 상징액이 배출되는 단계
S214 : 슬러지가 배출되는 단계
S221 : 상징액이 방류되는 단계
S222 : 슬러지가 배출되는 단계
S223 : SBR 반응조가 휴지되는 단계
S224 : 오폐수가 유입되는 단계
S225, S226, S227 : 부분 아질산화 및 AOB 그래뉼 형성되는 단계
S228 : AOB 그래뉼 생성조에서 침전되는 단계
S229 : SBR 반응조에서 침전되는 단계
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물이 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에서 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다. 따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<실시예 1. 고농도 질소 오폐수 처리장치>
도 1은 본 발명에 따른 고농도 질소 오폐수 처리장치에 대한 단축질소제거 공정을 나타낸 것이다.
고농도 질소 오폐수 처리장치에는 SBR 반응조(110), AOB 그래뉼 생성부(120), ANAMMOX 반응조(130)가 포함되며, 이에 한정되지 않는다.
상기 SBR 반응조(110)를 통해 오폐수가 부분 아질산화가 수행된다.
또한, SBR 반응조(110)에는 고농도의 암모니아를 함유한 오폐수를 주입하는 펌프, 상징액 배출을 위한 배출장치, 침전성이 불량한 슬러지 및 AOB 그래뉼 배출을 위한 각각의 전동밸브, 공기 공급을 위한 송풍기 및 에어 리프트 방식의 공기공급 장치(111) 및 자동운전 제어반이 포함되며, 이에 한정되지 않는다.
또한, SBR 반응조(110)는 직경 35cm 및 유효수심 65cm로 유효부피 60L의 원통형으로 제작되었으며, 부피비로 침전 후 상징액 배출량 30%, 침전성 불량 슬러지 배출량 30%, 잔류량 40%로 4순환(cycle)/일의 연속회분식 형태로 운전될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 1순환은 총 6시간으로 AOB 그래뉼 생성조(121)에서 그래뉼 유입 10분, 폐수 유입 10분, 반응 300분, 침전 20분, 상징액 배출 10분, 슬러지 배출 10분 운전되는 것을 의미한다.
나아가, SBR 반응조(110)는 3구간으로 구분할 수 있으며, 중간 부분의 슬러지만을 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시킬 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 AOB 그래뉼 생성부(120)는 AOB 그래뉼 생성조(121), AOB 그래뉼 저장조(122) 등이 포함될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 AOB 그래뉼 생성조(121)는 직경 20cm 및 유효수심 65cm로 유효부피 20L의 원통형 에어 리프트 방식 반응기로 되어 있으며, 침전 후 처리수를 배출하기 위한 전동밸브는 생성조 중간 높이에 설치되며, 그래뉼을 배출하기 위한 전동 밸브는 생성조 바닥에 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, AOB 그래뉼 생성조(121)는 유입되는 오폐수에 대하여 부분 아질산화를 수행하며, 동시에 AOB 그래뉼을 생산된다.
나아가, 생산된 AOB 그래뉼을 회수하여 AOB 그래뉼 저장조(122)에 보관할 수 있으며, AOB 그래뉼 저장조(122)에 보관된 AOB 그래뉼은 SBR 반응조(110)의 효율이 저하되면 공급될 수 있다.
또한, AOB가 포함된 잉여슬러지를 AOB 그래뉼 생성조(121)에 접종하고, 암모니아성 질소가 함유된 오폐수를 SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)에 주입하면서 운전할 수 있다.
AOB 그래뉼 생성조(121)의 운전 순서는 암모니아 오폐수 주입 단계, 아질산화 및 AOB 그래뉼 형성 단계, 침전 단계, 침강성이 불량한 미생물 및 처리수의 배출 단계의 순으로 반복하여 진행될 수 있다.
또한, SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)에 유입되는 오폐수는 하수처리장 혐기성 소화조 상징액을 사용하였으며, 유입 오폐수의 암모니아성 질소 농도는 500~1,000mg/L일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
오폐수 유입, 포기, 침전 및 배출 단계에 소요되는 시간은 유입 암모니아성 질소의 농도에 따라 변경하여 운전 될 수 있으며, 1순환에 3~24시간이 소요될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
SBR 반응조(110)의 침전시간을 짧게 유지하여 침전이 양호한 AOB 그래뉼은 하부에 위치하게 하고, 침전성이 불량한 슬러지는 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시켜 순도 높은 AOB 그래뉼로 재생산되었으며, 침전성이 매우 불량한 슬러지는 처리수와 함께 배출시켜 SRT를 조절할 수 있다.
상기 AOB 그래뉼 생성조(121)의 침전시간도 짧게 유지하여 침강성이 양호한 AOB 그래뉼은 생성조 하단부에 침강하도록 하였으며, 그래뉼을 형성하지 못하거나 침강 속도가 낮은 부유 미생물들은 배출 단계에서 워시 아웃되게 하였다.
이러한 조작을 반복할 경우 침강성이 우수한 AOB 그래뉼이 형성되고, NOB를 워시 아웃(wash out)시켜 AOB가 우점종이 가능하도록 선택적으로 작용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 ANAMMOX 반응조(130)는 완전혼합형 유동상 부착식을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 유동상 부착식 공정에는 비중이 0.94~0.96이고, 비표면적을 500~800m2/m3을 가지는 유동상 담체를 ANAMMOX 반응조(130)의 40~50부피% 투입할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 완전혼합형 유동상 부착식 공정에는 유동상 담체의 원활한 유동을 위해 교반기 및 담체와 균의 유출방지를 위한 배출장치가 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
<실시예 2. SBR 반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 운영방법>
도 2는 본 발명에 따른 SBR 반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 운영방법을 나타낸 것이다.
SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)는 회분 식으로 운영될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
1) 반응되는 단계(S211)
SBR 반응조(110)에서는 AOB 그래뉼을 이용하여, 부분 아질산화 반응이 일어나며, AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 SBR 반응조에서 유입되는 침전성이 불량한 슬러지를 이용하여, AOB 그래뉼 생성반응이 일어난다.
또한, SBR 반응조(110)에서 부분 아질산화를 위해 산소를 공급하며, 그래뉼 유지에 도움이 되는 에어 리프트 방식의 공기공급 장치(111)를 이용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2) 침전되는 단계(S212)
반응이 완료된 SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 침전이 시작된다.
상기 SBR 반응조(110)는 침전을 통해 상징액과 슬러지를 분리하며, 이때 침전성이 양호한 그래뉼을 SBR 반응조(110) 하부에 위치하게 되고, 침전성이 불리한 슬러지는 상부에 위치하게 되는데, 이는 고형물의 침전 속도가 고형물 크기의 제공에 비례하기 때문에 크기가 큰 그래뉼이 하부에 위치하게 되는 원리가 적용되었다.
상기 AOB 그래뉼 생성조(121)는 침전을 통해 상징액과 그래뉼로 분리된다.
3) 상징액이 배출되는 단계(S213)
침전이 완료된 SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(120)에서는 상징액이 배출된다.
상기 SBR 반응조(110)는 침전이 완료된 처리수인 상징액을 처리수조로 배출하고, AOB 그래뉼 생성조(121)의 상징액은 처리수조로 배출되며, AOB 그래뉼은 AOB 그래뉼 저장조(122)로 배출되어 보관된다.
4) 슬러지가 배출되는 단계(S214)
상징액이 배출된 SBR 반응조(110)에서 그래뉼 상부에 위치하는 슬러지를 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시킨다.
슬러지가 유입된 AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 <실시예 2>의 1) 반응되는 단계(S211)와 같이 AOB 그래뉼 생성반응이 일어나, 반복적으로 운영된다.
<실시예 3. SBR 반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 시간에 따른 순차적 운영방법>
도 3은 본 발명에 따른 SBR반응조 및 AOB 그래뉼 생성조의 시간에 따른 순차적 운영방법을 나타낸 것이다.
1) 상징액이 방류되는 단계(S221)
SBR 반응조(110)에서는 상징액을 방류하고, AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 그래뉼을 AOB 그래뉼 저장조(122)로 배출되어 보관된다.
2) 슬러지가 배출되는 단계(S222)
SBR 반응조(110)에서 침전성이 불량한 슬러지를 AOB 그래뉼 생성조(121)로 배출된다.
3) SBR 반응조가 휴지되는 단계(S223)
슬러지가 유입된 AOB 그래뉼 생성조(121)에 암모니아성 질소가 함유된 오폐수(원수)를 유입시킨다. 이때 SBR 반응조(110)는 휴지된다.
4) 오폐수가 유입되는 단계(S224)
SBR 반응조(110)에 오폐수 및 AOB 그래뉼 저장조(122)에 보관되어 있던 AOB 그래뉼을 유입시킨다.
AOB 그래뉼 저장조(122)의 그래뉼이 SBR 반응조(110)로 배출된다.
5) 부분 아질산화 및 AOB 그래뉼 형성되는 단계(S225, S226, S227)
SBR 반응조(110)에서는 유입된 오폐수 및 AOB 그래뉼로 인하여 부분 아질산화 반응이 진행된다.
또한, AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 유입된 오폐수의 부분 아질산화 반응이 진행됨과 동시에 SBR 반응조(110)에서 유입된 침전성이 불량한 슬러지를 이용하여, AOB 그래뉼을 생성된다.
나아가, 오폐수 및 슬러지의 양에 따라 여러 번 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
7) AOB 그래뉼 생성조에서 침전되는 단계(S228)
생성 반응이 완료된 AOB 그래뉼 생성조(121)에서는 고액분리를 위한 침전이 진행되며, 상부에는 상징액, 하부에는 그래뉼로 나뉜다.
또한, SBR 반응조(110)에서는 계속해서 부분 아질산화 반응이 진행된다.
8) SBR 반응조에서 침전되는 단계(S229)
부분 아질산화 반응이 완료된 SBR 반응조(110)에서는 고액분리를 위한 침전이 진행되며, 상부에는 상징액, 중부에는 슬러지, 하부에는 그래뉼로 나뉜다.
또한, AOB 그래뉼 생성조(121)는 그래뉼을 제외한 상징액 부분을 배출한다.
이때 NOB 및 활성이 저하되거나, 그래뉼을 형성하지 못하거나, 침강 속도가 낮은 부유 미생물들은 워시 아웃에 의해 배출되도록 한다.
또한, 반응조 내 높은 유리암모니아(FA, Free Ammonia)의 영향으로 인해 NOB는 활성이 저하되어 반응기에서 대부분 워시 아웃으로 배출되고, 성장속도는 느리지만 상대적으로 강하고 견고한 구조의 큰 밀도를 가지는 AOB는 그래뉼을 형성하여 빠른 침전시간에도 반응기에서 침전되어 유지되기 때문이다.
다시 처음 단계인 상징액이 방류되는 단계(S221)로 돌아가 순차적으로 진행된다.
<실시예 4. ANAMMOX 그래뉼 생성조가 추가된 고농도 질소 오폐수 처리장치>
도 4는 본 발명에 따른 공정에 ANAMMOX 그래뉼 형성조가 추가된 단축질소제거 공정을 나타낸 것이다.
SBR반응조(110), AOB그래뉼 생성부(120), ANAMMOX 반응조(130)가 포함된 <실시예 1>의 고농도 질소 오폐수 처리장치에 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)가 포함되며, 이에 한정되지 않는다.
상기 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)는 ANAMMOX 반응조(130)에서 성장되는 미세한 균을 회수하여 그래뉼 형태로 재생산할 수 있으며, ANAMMOX 반응조(130)에 별도로 구비될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)는 워터 리프트(water lift) 방식을 사용하여, ANAMMOX 그래뉼을 생성할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
나아가, 재생산되는 ANAMMOX 그래뉼을 ANAMMOX 반응조(130)의 효율이 저하되면 공급될 수 있다.
<실시예 5. AOB 그래뉼 생산 방법>
본 발명에서 사용된 AOB 그래뉼 생성 반응기는 공지된 기술을 사용하였다.
상기 AOB 그래뉼 생성 반응기는 내부의 수리학적 전단력으로 구형의 그래뉼을 형성하기 위해서 내부 원형 관을 포함하는 스테인리스 소재의 원형 관으로 이루어진 반응기, 암모니아를 함유한 오폐수를 주입하는 펌프, 처리수의 배출을 위한 전동밸브, 그래뉼의 배출을 위한 전동밸브, 공기 공급을 위한 송풍기, 약품 펌프 및 자동운전 제어반으로 구성된 연속 회분식 반응기를 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
AOB 그래뉼 생성 반응기는 직경 0.86m, 유효수심 3.45m로 유효부피 2m3로 되어 있고, 침전 후 처리수를 배출하기 위한 전동밸브는 반응기의 중간 높이 및 그래뉼을 배출하기 위한 전동밸브는 반응기의 바닥에 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
공기량은 조절밸브를 이용하여 0.01∼0.2m/s 범위에서 조절하여 운전을 수행될 수 있으며, 바람직하게는 0.05∼0.15m/s 범위에서 조절하여 운전을 수행할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 반응기의 내부 원형 관과 외부 원형 관 공기의 유속이 동일하도록 면적을 설정하며, 그래뉼 생성을 위한 수리학적 전단력이 발생하는 반응조 상부는 공기의 유속을 1/4로 감소시키도록 면적을 설정하였다.
또한, 반응기의 직경대비 유효수심의 높이는 최소 1:3~4가 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
AOB가 포함된 잉여슬러지를 반응기에 접종하고 고농도의 암모니아가 함유된 오폐수를 반응기에 주입하면서 운전을 시작하였다.
반응기의 운전 순서는 암모니아 폐수 주입단계, 아질산화 및 그래뉼 형성단계, 침전단계, 침강성이 불량한 미생물 및 처리수의 배출단계의 순으로 반복하여 진행하였다.
유입 오폐수는 하수처리장 1차 침전 슬러지 및 2차 침전 슬러지의 혐기소화 탈리액을 이용하였으며, 이때 유입폐수의 암모니아 농도는 100∼2,500mg/L까지 운전 할 수 있으며, 바람직하게는 500∼2,000mg/L까지 운전 할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
폐수유입, 포기, 침전 및 배출 단계에 소요되는 시간은 유입 암모니아성 질소의 농도에 따라 변경하여 운전될 수 있으며, 한 사이클에 3∼24시간이 소요될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 AOB 그래뉼화 반응기의 운전 시 침전단계의 시간을 짧게 유지하면 침강성이 양호한 AOB 그래뉼은 반응기 하단부에 충분히 침강하지만 AOB 그래뉼을 형성하지 못하거나 침강 속도가 낮은 부유 미생물들은 배출단계에서 워시 아웃되게 된다. 이러한 조작을 반복할 경우 침강성이 우수한 AOB 그래뉼이 형성되어 우점종이 가능하도록 선택적으로 압력이 작용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서는 연속회분 반응기의 침강속도를 10~60m/h로 유지하면서 AOB 그래뉼이 선택적으로 축적되도록 운전될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
<실험예 1. AOB 그래뉼 생산기의 AOB 그래뉼 생성 특성 확인>
상기 <실시예 5>의 AOB 그래뉼 생성 반응기를 이용하여 반류수에서의 AOB 그래뉼 생성 및 부분 아질산화 실험을 수행하였다.
실험에 사용된 1차 슬러지 혐기소화 탈리액의 암모니아성 질소는 평균 500mg/L이고, 반응기의 pH와 온도는 각각 7.3∼7.5와 28±2℃로 유지하였다.
또한, 부분 아질산화에 필요한 산소는 공기를 반응조 내부의 산기관에 의해 주입하도록 하였으며, 용존 산소는 약 2mg/L 이하를 유지하도록 하였다.
상기 반응기에 유입수를 5분간 유입하고, 포기 및 부분 아질산화를 140~155분 수행하였으며, 15~30분 침전하여 5분간 처리수를 배출하면 1순환이 된다.
또한, 1순환은 3시간 주기로 하여, 하루에 8순환으로 운전되었다.
상기 처리수는 전체 반응기 부피의 1/2인 1m3을 배출하여 전체적인 체류 시간은 6시간으로 유지되었으며, AOB 그래뉼의 형성 및 침전 정도에 따라 침전 시간은 단계적으로 단축하고 포기 시간을 증가시켜 운전을 수행하였다.
도 5는 AOB 그래뉼 생성조의 운전에 따른 AOB 그래뉼의 크기 변화를 시기별로 비교하여 나타낸 것이다.
도 5를 토대로 살펴보면, 반응기 내 시기별로 그래뉼의 크기를 현미경으로 관찰하였다.
활성 슬러지의 미생물들의 크기는 10∼50㎛정도의 크기이나, 운전 20일 이후부터 100㎛정도의 그래뉼이 형성되었으며, 운전 60일에 800∼1,200㎛까지 그래뉼이 성장된 것을 알 수 있다.
또한, <실시예 5>의 반응기에서 60일 후의 그래뉼이 구형 및 타원형의 모양으로 형성되는 것을 알 수 있다.
도 6은 AOB 그래뉼 생성조의 유입 질소 부하조건에서 암모니아 제거량 당 AOB 그래뉼의 생성량을 그래프로 나타낸 것이다.
도 6을 토대로 살펴보면, 유기 물질이 대부분 혐기 소화조에서 제거되어 미생물들이 이용할 수 있는 기질이 대부분 암모니아성 질소로 이루어져있다.
결국 독립영양 미생물들이 주로 분포 및 성장함으로써 AOB 그래뉼 생산량은 유입 암모니아성 질소 1Kg당 0.13~0.18Kg 생산되며, 평균 0.16Kg 수준으로 생산되는 것을 알 수 있다.
하기 <표 1>은 AOB 그래뉼 반응기의 운전 기간 동안 파이로시퀀싱(Pyrosequencing) 분석법을 이용하여 미생물의 염기서열 및 양 분석을 통해 AOB 그래뉼 내 미생물의 종류 및 분포를 나타낸 것이다.
<표 1>
Figure 112017018921520-pat00001
<표 1>을 토대로 살펴보면, AOB에 속하는 Nitrosomonas SPP.는 운전 초기 약 1%에서 운전 60일 후 약 23%까지 증가하였으며, Nitrosospira SPP.는 운전 초기 약 0.2%에서 운전 60일 후 약 4%까지 증가하였다.
반면에, NOB에 속하는 Nitrobacter SPP.는 운전 초기 약 3%에서 운전 60일 후 약 0.5%로 감소하였다.
이와 같은 결과는 AOB 그래뉼 반응기 내 높은 유리 암모니아(FA, Free Ammonia)의 영향으로 인해 NOB는 활성이 저하되어 반응기에서 대부분 워시 아웃으로 배출된다.
그러나 상대적으로 성장 속도는 느리지만, 강하고 견고한 구조의 큰 밀도를 가지는 AOB는 그래뉼을 형성하여 빠른 침전 시간에도 반응기 내에서 워시 아웃되지 않고, 침전되기 때문에 AOB 그래뉼이 유지 되는 것이다.
<실험예 2. AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 내 AOB 그래뉼 특성 확인>
상기 <실시예 1>의 AOB 그래뉼 생성조(121) 및 SBR 반응조(110)를 이용하여 <실시예 2>와 <실시예 3>의 방법으로 AOB 그래뉼 생성 실험을 수행하였다.
또한, SBR 반응조(110)에는 <실험예 1>에서 생산된 AOB 그래뉼을 식종하여 운전하였다.
실험에 사용된 고농도 질소 오폐수는 가축분뇨와 음식물 병합 혐기소화 탈리액이며, 오폐수 내 암모니아성 질소는 평균 1,500mg/L이었다.
상기 SBR 반응조(110)는 AOB 그래뉼 생성조(121)에서 AOB 그래뉼을 10분간 유입하고, 유입수를 10분간 유입하였으며, 포기 및 부분 아질산화를 300분 수행하였다. 그 후 침전은 20분, 처리수는 10분 및 슬러지를 AOB 그래뉼 생성조(121)로 10분간 배출하여 1순환이 되도록 하였다.
상기 AOB 그래뉼 생성조(121)는 SBR 반응조(110)로부터 슬러지를 10분간 유입하고, 유입수를 10분간 유입하였으며, 포기 및 부분 아질산화를 300분 수행하였다. 그 후 침전은 20분, 처리수는 10분 및 AOB 그래뉼을 SBR 반응조(110)로 10분간 배출하여 1순환이 되도록 하였다.
또한, SBR 반응조(110) 및 AOB 그래뉼 생성조(121)의 1순환은 6시간 주기로 하루에 4순환으로 운전되었으며, 각 반응조의 유효부피의 1/2를 배출하여 전체적인 체류시간은 12시간으로 유지하여 운전을 수행하였다.
도 7은 SBR 반응조 내의 AOB 그래뉼을 크기별로 분류하여 현미경으로 확인한 것이다.
또한, 하기 <표 2>는 AOB 그래뉼 크기별 분포를 나타내었다.
<표 2>
Figure 112017018921520-pat00002
도 7 및 표 2를 토대로 살펴보면, SBR 반응조(110) 내 AOB 그래뉼은 AOB 그래뉼 생성조(121)에서 침전이 불량한 그래뉼과 함께 재생되어 <실험예 1>의 생성된 AOB 그래뉼에 비해 좀 더 단단한 형태의 구형으로 존재하고 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 대부분의 AOB 그래뉼은 200~400㎛ 정도의 크기로 반응조 내에서 유지되고 있음을 알 수 있다.
하기 <표 3>은 SBR 반응조(110)의 운전 기간 동안 파이로시퀀싱 분석법을 이용하여 미생물의 염기서열 및 양 분석을 통해 AOB 그래뉼 내 미생물의 종류 및 분포를 나타낸 것이다.
<표 3>
Figure 112017018921520-pat00003
<표 3>을 토대로 살펴보면, AOB 그래뉼 생성조(121)에서 침전성이 불량한 그래뉼을 재생하고, 활성이 저하된 NOB 및 종속영양 미생물을 워시 아웃으로 배출을 수행하여 <표 1>과 비교하였을 때, AOB에 속하는 Nitrosomonas SPP.는 약 2배 이상 상승된 것을 알 수 있었다.
또한, 기존 활성슬러시 공법의 질산화조 내 AOB의 분포가 전체 미생물 중 2~5% 정도인 반면에 본 발명에 의한 AOB의 농도는 기존 활성슬러지에 비해 10배 이상 더 많이 존재하게 되며, 기존 그래뉼 생성방법에 비해 2배 더 많이 존재하게 된다. AOB생성 시간도 기존의 그래뉼 생성방법에 비해 3배 이상 빠르게 나타났다.
<실험예 3. AOB 그래뉼 기반 SBR 반응조 및 ANAMMOX 공정을 이용한 처리효율 평가>
상기 <실시예 1>의 ABO 그래뉼 생성 반응기와 SBR 반응조(110) 및 ANAMMOX 반응조(130)를 이용하여 고농도 질소 오폐수에 대한 처리효율을 평가하였다.
상기 SBR 반응조(110)는 직경 35cm 및 유효수심 65cm로 유효부피 60L의 원통형으로 제작되었으며, 침전 후 상징액 배출량 30%, 침전성 불량 슬러지 배출량 30%, 잔류량 40%로 4순환/일의 연속회분식 형태로 운전되었다.
1순환은 총 6시간으로 AOB 그래뉼 생성조(121)에서 AOB 그래뉼 유입 10분, 폐수 유입 10분, 반응 300분, 침전 20분, 상징액 배출 10분 및 슬러지 배출 10분으로 운전되는 것을 의미한다.
상기 AOB 그래뉼 생성조(121)는 직경 20cm 및 유효수심 65cm로 유효부피 20L의 원통형 에어 리프트 방식 반응기로 되어 있으며, SBR 반응조(110)와 연계하여, 4순환/일의 연속회분식 형태로 운전되었다.
상기 ANAMMOX 반응조(130)는 직경 25cm 및 유효수심 50cm로 유효부피 25L의 원통형으로 제작되었으며, 반응조에 유동상 담체 및 완전혼합을 위해 교반기를 설치하였고, 체류시간을 12시간으로 유지하여 연속류식으로 운전이 되었다.
처리효율 평가에 사용된 오폐수는 Y시 가축분뇨공공처리시설에 유입되는 가축분뇨와 음식물을 병합하여 혐기소화를 통해 메탄회수를 수행한 자원회수 공정의 유출수를 사용하였다.
또한, 병합 혐기소화 공정의 유출수의 pH는 8.0, TCODMn은 2,000mg/L, T-N은 2,000mg/L 및 NH4-N은 1,700mg/L이었다. 오폐수 내 COD 성분은 대부분 난분해성 성분으로 일반적인 질산화/탈질 공정으로는 외부 탄소원 없이 처리가 어렵다.
상기 평가 과정에서 SBR 반응조(110), ANAMMOX 반응조(130)를 각각 거친 유출수에 대하여 평가하였다.
하기 <표 4>는 실험기간 중 안정상태의 평균치를 나타낸 것이다.
<표 4>
Figure 112017018921520-pat00004
<표 4>를 토대로 하여 살펴보면, SBR 반응조 유출수에서 총 질소 대비 약 44.4%가 아질산성 질소로 전환되었으며, 약 3%가 질산성 질소로 전환되었다.
또한, 부분 아질산화를 통해 암모니아성 질소 및 아질산성 질소의 몰 비율은 1:1.05임을 알 수 있다.
ANAMMOX 반응조 유출수에서 암모니아성 질소 및 아질산성 질소의 소모 비율은 1:1.2임을 알 수 있으며, 약 10%의 질산성 질소가 부가적으로 생산되었다.
또한, 전체적으로 AOB 그래뉼을 이용한 SBR 반응조(110) 및 ANAMMOX 반응조(130)를 연계하여 처리효율을 평가한 결과 외부 탄소원 없이 총 질소의 78.1%가 제거된 것을 알 수 있다.
나아가, 고농도 질소 오폐수에 대하여 부분 아질산화를 충분히 완성하면, 기존 질산화-탈질 공정에 대비하여 산소소모율을 60%까지 절감할 수 있으며, 탈질에 필요한 유기물을 100% 절감 가능한 결과를 도출할 수 있다.
본 발명은 AOB 그래뉼 생성조를 연계한 SBR 반응조 및 ANAMMOX 공정을 이용한 고농도 질소 오폐수 처리장치에 관한 것으로 암모니아성 질소의 일부만을 아질산성 단계까지 산화하여, 탈질을 통하여 질소를 제거한 단축질소제거 공정을 통해 기존의 방법보다 산소 및 유기물이 절감되고 슬러지 생산량이 감소되어 산업상 이용가능한 발명이다.

Claims (8)

  1. 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 몰 비율이 1:1.05인 부분 아질산화를 위해 부피비로 침전 후 상징액 배출량 30%, 침전성 불량 슬러지 배출량 30%, 잔류량 40%로 4순환(cycle)/일의 연속회분식 형태로 운전되며, 에어 리프트(Air Lift) 방식의 공기 공급 장치가 포함되어 침전시간을 짧게 유지하여 침전이 양호한 AOB 그래뉼은 하부에 위치하고, 침전성이 불량한 슬러지는 처리수와 함께 배출되어 그래뉼 유지가 유리한 회분식 부분 아질산화 반응조(partial nitritation Sequencing Batch Reactor)(110),
    Nitrosomonas SPP. 또는 Nitrosospira SPP. 중 어느 하나 이상이 포함된 암모늄 산화 박테리아(AOB, Ammonium Oxidation Bacteria) 그래뉼(granule)이 구형으로 존재하며, 크기가 200 내지 400㎛로 생성되는 AOB 그래뉼 생성조(121) 및
    AOB 그래뉼 생성조에서 생산된 AOB 그래뉼을 저장하고, SBR 반응조의 효율이 저하되면 저장된 AOB 그래뉼을 공급하는 그래뉼 저장조(122)가 포함된 AOB 그래뉼 생성부(120),
    혐기성 암모늄 산화 미생물이 부착된 유동상 담체의 원활한 유동을 위해 교반기가 포함되며; 담체와 균의 유출방지를 위한 배출장치가 포함된 완전혼합형 유동상 부착식 공정을 특징으로 하는 혐기성 암모늄 산화(ANAMMOX, anaerobic ammonium oxidation) 반응조(130)를 포함하는 오폐수 처리장치에 있어서,
    상기 회분식 부분 아질산화 반응조(110)는 아질산화만을 이루어지도록 운전하여 AOB 미생물이 우점화 되도록 하고, 반응이 완료된 후 침전을 통하여 AOB 그래뉼과 슬러지를 분리한 후 슬러지만을 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시켜 양호한 그래뉼을 생성하여 SBR 반응조(110)로 재 유입시켜 안정적인 부분 아질산화를 이룩한 후, ANAMMOX 반응조(130)를 이용한 단축질소제거 반응을 통하여 질소를 제거하는 것을 특징으로 하는, 고농도 질소 오폐수 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 SBR 반응조(110)는 상부에는 상징액, 중부에는 슬러지, 하부에는 그래뉼로 3구간으로 구분되어, 중간 부분의 슬러지만을 AOB 그래뉼 생성조(121)로 유입시키는 것을 특징으로 하는, 고농도 질소 오폐수 처리장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동상 부착식 공정에는 비중이 0.94 내지 0.96이고, 비표면적을 500 내지 800m2/m3을 가지는 유동상 담체를 반응조의 40 내지 50부피%가 투입되는 것을 특징으로 하는, 고농도 질소 오폐수 처리장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고농도 질소 오폐수 처리장치에는 ANAMMOX 그래뉼 생성조(140)가 더 포함되며, 그래뉼 생산에 필요한 혼합을 워터 리프트(water lift)방식을 사용하여, ANAMMOX 반응조(130)의 효율이 저하되면 생산된 ANAMMOX 그래뉼이 공급되는 것을 특징으로 하는, 고농도 질소 오폐수 처리장치.
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