KR102042971B1 - 질소 화합물 제거를 위한 수처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 질산염을 포함한 질소 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치는 질산염(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제1유입구와 탄소원을 포함하는 피처리수가 유입되는 제2유입구를 구비하는 혐기조; 및 암모늄 이온(NH4 +)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구와 처리수 배출구를 구비하고, 내부에 아나목스 미생물을 수용하는 아나목스 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

질소 화합물 제거를 위한 수처리 장치{WATER TREATMENT APPARATUS FOR REMOVING NITROGEN COMPOUNDS}
본 발명은 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 질산염을 포함한 질소 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것이다.
수질 오염의 원인으로는 유기물과 질소 및 인과 같은 무기물 등이 있다. 질소는 영양염류의 하나로 부영향화와 적조를 일으켜 유해 부유생물의 발생을 촉진하고 화학적 산소요구량의 증가 원인이 되며, 유기물은 수계의 용존산소량 등을 감소시키기 때문에, 제거되어야 한다.
이러한 각종 오염물질을 함유하는 폐수를 처리하는 방법으로는, 수중미생물의 신진 대사 작용을 이용하고 있다.
일반적인 폐수 처리방법은 반응조에서 폐수 중의 유기물을 호기성 미생물을 이용하여 분해하여 처리하는 형태가 대부분이다. 그러나, 상기와 같은 일반적인 폐수 처리 방법은 반응조 내에 공기를 공급하기 위한 산기관이나 블로워의 운전에 필요한 소비 전력량이 많다고 하는 단점이 있다. 우리나라의 경우 하수처리장 전체 전력 소비량의 약 40% 정도를 블로워 운전에 소모하고 있다고 알려져 있다. 또한 폐수 중의 질소는 일반적으로 질산화/탈질(종속영양탈질) 공정(예: MLE, A2O 공정 등)으로 제거하고 있다.
그러나 일반적인 질산화/탈질 공정으로 질소를 제거할 경우에는 암모니아를 질산염으로 질산화시키기 위해 많은 양의 공기를 공급해야 하며, 탈질시 유기물이 필요하기에 추가적으로 유기물을 첨가해야 하고, 동시에 다량의 슬러지가 발생하여 비용이 증가하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여 제시된 질소 제거 공정이 아나목스(anammox) 공정이다. 이는 암모니아와 아질산염을 반응시켜 질소 가스를 생성시킴으로써 질소를 제거하는 것으로, 암모니아 산화에 필요한 전력 소모를 줄일 수 있으며, 유기물 첨가가 필요하지 않고, 일반적인 질산화/탈질 공정에 비해 슬러지 발생량의 감소를 도모할 수 있어 매우 경제적이다.
그러나 일반적인 아나목스 공정의 경우, 암모니아(또는 암모늄 이온)가 아질산염으로 전환된 후, 과폭기 되어 아질산염이 다시 질산염으로 전환되어 질소 제거효율이 떨어질 수 밖에 없다는 단점이 있다.
한편, 역삼투 공정에 의한 수처리 장치의 경우, 역삼투 공정에 의해 투입되는 피처리수의 약 30%가 농축수로 배출되게 되는데(도 1 참조), 배출되는 농축수에 다량의 질산염이 함유되어 있어 이를 제거하기 위한 필요성이 대두되고 있다.
이에, 수처리 장치에서 질산염을 포함한 질소 화합물을 효율적으로 제거하기 위한 기술에 대한 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0085886호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 질산염을 포함한 질소 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 수처리 장치 및 수처리 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 질산염(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제1유입구와 탄소원을 포함하는 피처리수가 유입되는 제2유입구를 구비하는 혐기조; 및 암모늄 이온(NH4 +)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구와 처리수 배출구를 구비하고, 내부에 아나목스 미생물을 수용하는 아나목스 반응조;를 포함하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치에 의해 달성될 수 있다.
이때, 혐기조 및 아나목스 반응조 사이에 개폐부;가 구비될 수 있고, 개폐부를 통해 혐기조에서 처리된 피처리수가 아나목스 반응조로 이동할 수 있다.
혐기조에서는, 질산염이 탄소원과 반응하여 아질산염(Nitrite, NO2 -)으로 전환될 수 있고, 아나목스 반응조에서는, 아질산염과 암모늄 이온이 반응하여 질소 기체(N2)가 발생할 수 있다.
이때, 탄소원은, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있고, 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 혐기조 및/또는 아나목스 반응조는 내부로 유입되는 피처리수를 혼합하는 교반기를 포함할 수 있다.
또한, 아나목스 반응조에 구비된 제3유입구는, 스케일 유발 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터;를 구비할 수 있다.
이때, 세라믹 필터는, 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조될 수 있는데, 세라믹 분말 100 중량부에 대해서 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조된 것이 바람직하고, 바인더는, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 아나목스 반응조에 구비된 제3유입구는, 소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터; 및 2개의 세라믹 필터 사이에 스케일 형성 방지제;를 구비할 수도 있다.
이때, 스케일 형성 방지제는, 소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목적은, 혐기조건에서 질산염(Nitrate, NO3 -)과 탄소원을 반응시켜 아질산염(Nitrite, NO2 -)으로 전환시키는 제1단계; 및 혐기조건에서 아나목스 미생물을 이용하여 제1단계에서 생성된 아질산염과 암모늄 이온(NH4 +)을 반응시켜 질소를 발생시키는 제2단계;를 포함하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법에 의해 달성될 수 있다.
이때, 제1단계의 탄소원은, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있고, 제2단계의 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태로 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치를 들 수 있는데, 질산염(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제1유입구와 탄소원을 포함하는 피처리수가 유입되는 제2유입구를 구비하는 혐기조; 및 암모늄 이온(NH4 +)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구와 처리수 배출구를 구비하고, 내부에 아나목스 미생물을 수용하는 아나목스 반응조;를 포함하고, 상기 제3유입구에는, 스케일 유발 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터;를 더 구비되되, 상기 세라믹 필터는, 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 수처리 장치의 혐기조 및 아나목스 반응조 사이에 개폐부;가 구비되고, 개폐부를 통해 혐기조에서 처리된 피처리수가 아나목스 반응조로 이동하게 된다.
상기 혐기조에서는, 질산염이 탄소원과 반응하여 아질산염(Nitrite, NO2 -)으로 전환되고, 아나목스 반응조에서는, 아질산염과 암모늄 이온이 반응하여 질소 기체(N2)가 발생하게된다.
탄소원으로는, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있고, 아나목스 미생물로는, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 혐기조 및/또는 아나목스 반응조는 내부로 유입되는 피처리수를 혼합하는 교반기를 포함할 수 있으며, 세라믹 필터는 세라믹 분말 100 중량부에 대해서 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조된 것이 바람직하고, 바인더로는 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 제3유입구는, 소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터; 및 2개의 세라믹 필터 사이에 스케일 형성 방지제;를 구비하되, 스케일 형성 방지제는 소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태로, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법을 들 수 있는데, 혐기조건에서 질산염(Nitrate, NO3 -)과 탄소원을 반응시켜 아질산염(Nitrite, NO2-)으로 전환시키는 제1단계; 및 혐기조건에서 아나목스 미생물을 이용하여 제1단계에서 생성된 아질산염과 암모늄 이온(NH4 +)을 반응시켜 질소를 발생시키는 제2단계;를 포함하고, 상기 제1단계와 제2단계 사이에는, 스케일 유발 물질을 세라믹 필터를 사용하여 제거하는 필터링 단계를 추가로 더 포함하며, 상기 세라믹 필터는, 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조되는 것이 바람직하다.
상기 제1단계의 탄소원은, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있고, 상기 제2단계의 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 세라믹 필터는, 세라믹 분말 100 중량부에 대해서 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조될 수 있고, 상기 바인더는, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
상기 필터링 단계는, 소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터에 의해 수행될 수 있는데, 상기 2개의 세라믹 필터 사이에는 스케일 형성 방지제가 구비되는 것이 바람직하며, 상기 스케일 형성 방지제로는 소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)이 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수처리 장치에서 발생하는 질산염, 암모니아 등의 질소 화합물을 효과적으로 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 유입구에 필터 등을 구비함으로써 스케일 유발 물질을 제거할 수 있는 효과도 갖는다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 역삼투 공정에 따른 피처리수의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일반적인 아나목스 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 필터가 구비된 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 필터 및 스케일 형성 방지제가 구비된 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치(100)는 질산염(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제1유입구(11)와 탄소원을 포함하는 피처리수가 유입되는 제2유입구(12)를 구비하는 혐기조(10); 및 암모늄 이온(NH4 +)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구(21)와 처리수 배출구(22)를 구비하고, 내부에 아나목스 미생물을 수용하는 아나목스 반응조(20);를 포함한다.
아나목스(anammox)는 ANaerobic AMMonium OXidation(혐기성 암모늄 산화)의 약자로서, 질소를 이용하여 대사하는 미생물 종 혹은 이를 이용한 공정을 말한다. 질소 화합물을 질소 기체로 최종적으로 환원시켜 방출하는 기술로서, 최근 하수처리분야에서 각광받고 있다. 일반적인 아나목스 공정은 하기 화학식 1과 같이, 먼저 암모니아 산화 박테리아가 암모늄 이온 중 절반을 산화시켜 아질산 이온(아질산염)을 생성한다.
[화학식 1]
Figure 112019064191296-pat00001
이어서 하기 화학식 2와 같이, 아나목스 박테리아(아나목스 미생물)가 암모늄 이온과 아질산 이온을 반응시켜 질소를 발생시킴으로써 질소 화합물을 제거한다. 이때, 암모늄 이온과 아질산염은 약 1:1의 몰 비로 반응한다.
[화학식 2]
Figure 112019064191296-pat00002
그러나, 도 3과 같이(박스 부분 참조), 일반적인 아나목스 공정의 경우 암모늄 이온이 아질산염으로 전환된 후, 과폭기가 일어나서 아질산염이 질산염으로 전환되는 과정이 수반된다. 따라서, 별도의 탄소원을 이용하여 질산염을 다시 아질산염으로 전환시키는 과정이 동반되어야 하고, 이로 인해 질소 화합물 제거 효율이 떨어지게 된다.
이에 본 발명은 아질산염이 질산염으로 전환되는 과정을 배제하고, 수처리 공정에서 발생되는 다량의 질산염을 함유하는 피처리수(예를 들어, 역삼투 공정에서 생성된 농축수, 도 1 참조)를 이용하여 질소 화합물의 제거 효율을 향상시켰다. 구체적으로, 하기 화학식 3과 같이, 혐기조(10)에서 다량의 질산염을 함유하는 피처리수와 탄소원을 포함하는 피처리수를 혼합하여 질산염을 아질산염으로 전환시킨다. 이때, 탄소원을 포함하는 피처리수는 역삼투 공정에 투입되기 전의 피처리수의 일부를 활용할 수 있고, 필요한 경우, 다양한 탄소원을 공급할 수 있다. 예를 들어, 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 3]
Figure 112019064191296-pat00003
혐기조(10)에서 생성된 아질산염을 포함하는 피처리수는 아나목스 반응조(20)로 공급된다. 아나목스 반응조(20)는 내부에 아나목스 미생물을 수용하고, 암모늄 이온을 함유하는 피처리수가 유입된다. 이때, 아나목스 미생물은 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 사용할 수 있다. 또한, 암모늄 이온을 함유하는 피처리수는 수처리 공정에 유입되는 피처리수의 일부를 활용할 수 있다. 예를 들어, 역삼투 공정에 투입되기 전의 피처리수의 일부를 활용할 수 있다(도 1 참조). 아나목스 반응조(20)에서는 하기 화학식 4와 같이, 암모늄 이온과 아질산염이 반응하여 질소 기체를 발생시킨다.
[화학식 4]
Figure 112019064191296-pat00004
즉, 본 발명은 암모늄 이온이 아질산염으로 전환되는 과정을 배제(화학식 1 과정)하여 아질산염이 질산염으로 전환되는 과정(화학식 2 과정) 또한 배제할 수 있고, 이를 통해 보다 적은 탄소원을 활용하여 질소 화합물을 효과적으로 제거(질소 기체 발생)할 수 있는 효과를 가진다.
일 실시예에 있어서, 혐기조(10)와 아나목스 반응조(20)는 상하로 배치될 수 있고, 혐기조(10)와 아나목스 반응조(20) 사이에는 피처리수가 이동 또는 차단될 수 있도록 개폐부(30)가 구비될 수 있다. 개폐부(30)는 특별히 제한되는 것은 아니고, 다양한 형태로 구성될 수 있다. 일 예로, 원형의 홀(31)이 도어(32)에 의해 개폐되는 형태일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 혐기조(10) 및/또는 아나목스 반응조(20)는 내부에 수용된 피처리수를 효율적으로 교반하기 위하여 교반기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 교반기는 공지의 다양한 형태의 교반기를 사용할 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에 있어서, 아나목스 반응조(20)에 구비된 제3유입구(21)는 스케일 유발 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터(22)를 구비할 수 있다. 스케일이란, 물에 잔류하는 금속 성분(칼슘, 마그네슘 등)이 뭉쳐서 관로상에 부착된 물질로서, 피처리수의 흐름을 방지하는 것을 의미하고, 스케일 유발 물질은 칼슘, 마그네슘과 같은 금속 성분을 주로 의미한다. 스케일의 한 종류인 스트루바이트(struvite)는 마그네슘, 암모늄 이온, 인이 약 1:1:1로 결합된 형태로서, 암모늄 이온을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구(21)에는 스트루바이트와 같은 스케일 형성을 방지할 필요가 있고, 이를 위해, 스케일 유발 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터(22)를 구비하는 것이 바람직하다.
세라믹 필터(22)는 도 4와 같이 제3유입구(21)의 소정의 위치에 형성될 수 있다. 세라믹 필터(22)는 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조할 수 있고, 스케일 유발 물질의 제거 효율을 높이기 위하여, 세라믹 분말 100 중량부에 대해서, 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.
세라믹 분말은 세라믹 필터(22)를 구성하는 주성분으로, 고령토 또는 맥반석으로 이루어지거나, 고령토 또는 맥반석 100 중량부에 대하여 제올라이트 분말 10 내지 50 중량부가 더 혼합되어 이루어진다. 세라믹 분말은 후술할 헥사인산나트륨의 용출량을 적절하게 조절하는 기능을 가지고 있어 스케일 형성 방지 효과를 향상시킬 수 있다.
바인더는 세라믹 분말과 헥사인산나트륨을 결속시키는 역할을 하는 것으로, 폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다. 이때, 초고분자 폴리에틸렌은 분자량이 400만 이상인 것이 바람직하다. 바인더는 세라믹 분말 100 중량부에 대해 10 내지 50 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 바인더가 10 중량부 미만일 경우, 세라믹 분말과 헥사인산나트륨의 결속력이 저하될 수 있고, 바인더가 50 중량부를 초과할 경우, 제조되는 세라믹 필터(22)의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
헥사인산나트륨은 피처리수에 함유된 스케일 유발 물질이 세라믹 필터(22)의 표면에 달라붙는 것을 억제하는 기능을 수행한다. 헥사인산나트륨은 침식이 되지 않아 우수한 스케일 생성방지 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 무독성이라는 장점을 가진다. 헥사인산나트륨은 세라믹 분말 100 중량부에 대해서 20 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직한데, 헥사인산나트륨이 20 중량부 미만일 경우, 스케일 생성방지 효율이 저하되고, 스케일 생성방지 효과가 유지되는 기간이 단축될 수 있으며, 헥사인산나트륨이 40 중량부를 초과할 경우, 오히려 기계적 물성이 저하되고, 제조 비용이 증가한다는 단점을 가진다.
일 실시예에 있어서, 제3유입구(21)는 도 5와 같이, 소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터(22)를 구비하고, 세라믹 필터(22) 사이에 스케일 형성 방지제(23)를 구비할 수도 있다. 스케일 형성 방지제(23)는 피처리수에 함유된 마그네슘, 칼슘과 같은 스케일 유발 물질을 제거하는 역할을 할 수 있다. 스케일 형성 방지제(23)는 특별히 제한되는 것은 아니나, 칼슘, 마그네슘을 효과적으로 제거할 수 있는 소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)을 사용하는 것이 바람직하다. 아나목스 공정을 통해 질소 화합물을 제거하는 수처리 장치의 경우, 아나목스 공정으로 유입되는 피처리수에는 암모늄 이온과 함께 마그네슘과 같은 금속 물질이나 인 성분들이 많이 함유되어 있다. 이 경우, 피처리수가 이동하는 관로 등에는 마그네슘, 암모늄 이온, 인이 약 1:1:1로 결합된 스트루바이트(struvite)와 같은 스케일이 형성될 수 있다. 따라서, 스트루바이트의 형성을 막기 위해서는 마그네슘을 효과적으로 제거하는 것이 중요하다. 스케일 형성 방지제(23)로 소듐 폴리포스페이트 볼을 사용하면, 하기 화학식 5 및 6과 같이, 마그네슘, 칼슘 등을 효과적으로 제거할 수 있고, 따라서, 스트루바이트와 같은 스케일의 형성을 방지할 수 있다.
[화학식 5]
Ca2+ + Na2[Na4(PO3)6] → 2Na+ + Na2[Na2Ca(PO3)6](soluble complex)
[화학식 6]
Mg2+ + Na2[Na4(PO3)6] → 2Na+ + Na2[Na2Mg(PO3)6](soluble complex)
다음으로, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법에 대해 설명한다. 이를 설명하는데 있어 상술하여 중복된 부분에 대해서는 그 설명은 생략하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법은 혐기 조건에서 질산염(Nitrate, NO3 -)과 탄소원을 반응시켜 아질산염(Nitrite, NO2 -)으로 전환시키는 제1단계; 및 혐기 조건에서 아나목스 미생물을 이용하여 제1단계에서 생성된 아질산염과 암모늄 이온(NH4 +)을 반응시켜 질소를 발생시키는 제2단계;를 포함한다.
본 발명은 암모늄 이온을 아질산염으로 전환시킨 후, 암모늄 이온과 아질산염을 반응시켜 질소 기체를 발생시키는 일반적인 아나목스 공정과 달리, 질산염이 다량으로 함유되어 피처리수로부터 공급된 질산염을 아질산염으로 전환시킨 후, 암모늄 이온과 아질산염을 반응시켜 질소 기체를 발생시킨다. 즉, 암모늄 이온이 아질산염으로 전환되는 공정을 배제하여 아질산염이 질산염으로 전환되는 공정을 배제할 수 있고, 이를 통해, 질소 화합물을 효율적으로 제거할 수 있는 효과를 가진다.
이때, 제1단계에서 탄소원은 메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 제2단계의 아나목스 미생물은, 칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100 : 수처리 장치 10 : 혐기조
11 : 제1유입구 12 : 제2유입구
20 : 아나목스 반응조 21 : 제3유입구
22 : 처리수 배출구 22 : 세라믹 필터
23 : 스케일 형성 방지제 30 : 개폐부
31 : 홀 32 : 도어

Claims (20)

  1. 질산염(Nitrate, NO3 -)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제1유입구와 탄소원을 포함하는 피처리수가 유입되는 제2유입구를 구비하는 혐기조; 및
    암모늄 이온(NH4 +)을 포함하는 피처리수가 유입되는 제3유입구와 처리수 배출구를 구비하고, 내부에 아나목스 미생물을 수용하는 아나목스 반응조;를 포함하고,
    상기 제3유입구에는, 스케일 유발 물질을 제거하기 위한 세라믹 필터;를 더 구비하되,
    상기 세라믹 필터는, 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 혐기조에서는,
    질산염이 탄소원과 반응하여 아질산염(Nitrite, NO2 -)으로 전환되는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  4. 제1항에 있어서, 아나목스 반응조에서는,
    아질산염과 암모늄 이온이 반응하여 질소 기체(N2)가 발생하는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 탄소원은,
    메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 아나목스 미생물은,
    칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 혐기조는,
    내부로 유입되는 피처리수를 혼합하는 교반기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  8. 제1항에 있어서, 아나목스 반응조는,
    내부로 유입되는 피처리수를 혼합하는 교반기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 세라믹 필터는,
    세라믹 분말 100 중량부에 대해서 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 바인더는,
    폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 제3유입구는,
    소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터; 및
    2개의 세라믹 필터 사이에 스케일 형성 방지제;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  12. 제11항에 있어서, 스케일 형성 방지제는,
    소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 장치.
  13. 혐기조건에서 질산염(Nitrate, NO3 -)과 탄소원을 반응시켜 아질산염(Nitrite, NO2-)으로 전환시키는 제1단계; 및
    혐기조건에서 아나목스 미생물을 이용하여 제1단계에서 생성된 아질산염과 암모늄 이온(NH4 +)을 반응시켜 질소를 발생시키는 제2단계;를 포함하고,
    상기 제1단계와 제2단계 사이에는, 스케일 유발 물질을 세라믹 필터를 사용하여 제거하는 필터링 단계를 추가로 더 포함하며,
    상기 세라믹 필터는, 세라믹 분말, 바인더 및 헥사인산나트륨을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1단계의 탄소원은,
    메탄올(CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 메탄(CH4), 아세트산(CH3COOH), 2-옥탄아미도아세트산(2-Octanamidoacetic Acid) 및 글리세롤(Glycerol)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수 처리 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2단계의 아나목스 미생물은,
    칸디다투스 쿠에네니아(Candidatus Kuenenia), 칸디다투스 브로카디아(Candidatus Brocadia), 칸디다투스 아나목소글로버스(Candidatus Anammoxoglobus), 칸디다투스 제테니아(Candidatus Jettenia) 및 칸디다투스 스칼리두아(Candidatus Scalindua)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 세라믹 필터는,
    세라믹 분말 100 중량부에 대해서 바인더는 10 내지 50 중량부, 헥사인산나트륨은 20 내지 40 중량부로 혼합하여 제조된 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 바인더는,
    폴리프로필렌, 폴리우레탄 및 초고분자 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 필터링 단계는,
    소정의 간격으로 이격된 2개의 세라믹 필터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 2개의 세라믹 필터 사이에는 스케일 형성 방지제가 구비되는 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 스케일 형성 방지제는,
    소듐 폴리포스페이트(sodium polyphosphate, (NaPO3)x, x는 양수)로 형성된 볼(ball)인 것을 특징으로 하는, 질소 화합물을 제거할 수 있는 수처리 방법.
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