KR102099380B1 - 기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(anammox)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법 - Google Patents

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(anammox)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법 Download PDF

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Abstract

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 오·폐수 내 영양염류를 제거하는 장치에 있어서, 오·폐수 중 일부가 유입되며, 유입된 일부의 오·폐수 내 용존하는 인을 용출하는 혐기조와 제1 미생물을 이용하여 상기 혐기조에서 용출된 인의 흡수를 유도하며, 유입된 일부의 오·폐수 내 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 호기조와 오·폐수 중 나머지가 유입되며, 유입된 나머지의 오·폐수를 이용하여 상기 호기조에서 산화된 질산성 질소를 탈질시키는 무산소조와 상기 무산소조를 거친 오·폐수 내에서 인을 흡수한 미생물을 분리하는 고액분리부와 상기 고액분리부를 거친 오·폐수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화시키는 부분 아질산화조 및 제2 미생물을 이용하여 상기 부분 아질산화조에서 산화된 아질산성 질소와 상기 부분 아질산화조에서 산화되지 않은 암모니아성 질소를 탈질시키는 혐기성암모늄 산화조를 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치를 제공한다.

Description

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(ANAMMOX)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법{The Method to Remove Nitrogen and Phosphorus from Wastewater by Changing of Reactor and Recycle Method of Conventional Nutrient Removal Process and by Combining Anaerobic Ammonium Oxidation(ANAMMOX) Process}
본 발명은 아나목스 미생물 및 기존 생물학적 공정의 미생물을 효율적으로 조합하여 오·폐수 내 포함된 영양염류, 특히, 질소와 인을 제거하는 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 국가별 발생된 오·폐수에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 오·폐수 내에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율은 지역의 기후 및 사회 문화적인 특성에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 유기물은 입자성 물질(X)과 용존성 물질(S)로 분류되며, 다시, 생물학적으로 분해 가능한 물질(s)과 생물학적으로 분해 불가능한 물질(I)로 구분될 수 있다. 즉, 유기물은 용존성이면서 생물학적으로 분해 가능한 물질(SS), 용존성이면서 생물학적으로 분해 불가능한 물질(SI), 입자성이면서 생물학적으로 분해 가능한 물질(XS) 및 입자성이면서 생물학적으로 분해 불가능한 물질(XI)로 구분될 수 있다.
국가별 발생된 오·폐수 내에 포함되어 있는 유기물 중에서도 세 개의 국가 모두 입자성이면서 분해 가능한 물질(Xs)의 농도가 가장 높은데, 이러한 입자성 유기물(X)을 제거하기 위한 공정에 대해서는 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 2는 오·폐수 내 유기물을 제거하기 위한 유기물 제거장치를 도시한 도면이다.
오·폐수 내에 포함되어 있는 입자성 유기물(X)은 유기물 제거장치(200)에 의해 제거될 수 있는데, 1차 침전부(210)는 오·폐수 내에 포함되어 있는 유기물을 1차로 침전시켜 이를 2차 처리부(220)로 유입시키고, 2차 처리부(220)는 처리수 내에 잔류하는 유기물을 제거한다.
2차 처리부(220)는 별도의 공기 공급장치(미도시)로부터 공기를 제공받아, 미생물을 이용하여 유기물을 산화한다. 이에 의해, 유기물은 이산화탄소로 전환되는 생물학적 처리과정을 거친다.
고액분리부(230)는 처리수와 미생물을 침전 및 분리하여, 이를 방류한다.
오·폐수 내에는 유기물뿐만 아니라 질소 및 인과 같은 영양염류가 함유되어 있다. 이를 적절히 처리하지 않을 경우, 방류수계의 수질이 심각하게 저하되므로, 영양염류를 효율적으로 제거해야 한다. 이러한 영양염류를 생물학적으로 제거하기 위해서는, 오·폐수 내의 유기물 및 영양염류의 농도 비(C/N)를 일정한 값 이상으로 유지시키는 것이 매우 중요하다.
도 3은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치를 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이, 오·폐수 내에는 질소가 포함되어 있으며, 질소는 질소 제거장치(300)에 의해 제거될 수 있다.
호기조(320, 또는 '질산화조')에서는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 산화시키는 질산화(Nitrification) 반응을 수행한다. 호기조(320)에 의해 산화된 질산성 질소(NO3 --N)는 무산소조(310)로 내부반송되며, 무산소조(310)에서는 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 환원시킨다.
이때, 무산소조(310)는 오·폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 환원시키는 탈질(Denitrification) 반응을 수행한다. 무산소조(310)에서 환원된 질소 가스(N2)는 대기중으로 방출되어 제거된다.
고액분리부(330)는 호기조(320)로부터 유입된 처리수를 침전 및 분리한다. 고액분리부(330)에서 발생된 슬러지는 반송되어 무산소조(310)로 유입되며, 마찬가지로, 무산소조(310)에서는 유입된 슬러지 내의 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다.
질소 제거장치(300)가 오·폐수 내의 질소를 제거하는 공정에 있어서, 무산소조(310)로 반송되는 처리수의 반송량이 매우 중요한데, 이는, 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율을 결정하기 때문이다. 여기서, 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율(N)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
N(%)=R/(1+R)×100
여기서, R은 내부 반송률과 슬러지 반송률의 합을 의미하고, 내부 반송률은 내부 반송유량/유입유량을 의미하며, 슬러지 반송률은 슬러지 반송량/유입유량을 의미한다.
반송된 질소가 100% 제거되려면, 호기조(320)는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 100%의 비율로 질산화하고, 무산소조(310)는 호기조(320)로부터 반송된 질산성 질소(NO3 --N)를 전량(100%) 탈질시켜야 한다. 즉, 호기조(320)는 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 100% 산화시킬 수 있도록 설계되며, 이에 따라, 방류수 내에 잔류하는 무기성 질소 중 대부분이 질산성 질소(NO3 --N)로 구성되고 나머지는 제거되지 않은 일부 유기성질소가 존재한다.
호기조(320)에서 산화되는 암모니아성 질소(NH4 +-N)의 질산화 효율이 100% 미만일 경우, 질소 제거효율(N)도 마찬가지로 감소한다. 이때, 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율(N)은 다음과 같다.
N(%)=R/(1+R)×100×(질산화효율(%))/100
호기조(320)가 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 산화시키는 질산화 효율이 감소할 경우, 무산소조(310)로 반송하는 처리수의 반송량을 증가시킴으로써, 질소 제거효율(N)을 증가시킬 수 있다. 이때, 반송량이 유입유량의 4배를 초과할 경우에는 후탈질(Post Denitrification) 공정을 수행하는 것이 경제적으로 유리하다. 이는, 무산소조(310)로 반송되는 반송량이 증가할 경우, 무산소조(310)로 유입되는 산소량이 동시에 증가하여, 탈질 반응에 필요한 유기물까지 산소를 제거하는데 사용될 수 있기 때문이다. 결과적으로, 이는, 전체적인 질소 제거효율(N)의 저하를 야기할 뿐만 아니라 운영비의 상승을 초래한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 질소 제거장치(300)는 후탈질 공정을 수행할 수 있는 반응조를 구비할 수 있다.
도 4는 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 질소 제거장치(400)는 제2 무산소조(430) 및 재포기조(440)를 더 포함한다.
제2 무산소조(430)는 호기조(420)의 후단에 배치되며, 외부로부터 별도의 유기물(또는, '외부탄소원')을 공급받아, 이를 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다. 여기서, 탈질 반응을 수행하는 외부탄소원의 공급량이 증가할수록, 공정에 투입되는 비용이 동시에 상승하는 문제가 있다.
질소 제거장치(400)는 방류수 내의 질소농도를 3.0mg/L이하로 유지시킬 수 있지만, 호기조(420) 내의 용존산소가 전량 제2 무산소조(430)로 유입됨에 따라, 반응에 필요한 체류시간이 증가하고 이를 제거하기 위한 추가적인 탄소원을 주입시켜야 하기 때문에 운영비가 증가하는 문제가 있다.
즉, 유입하수의 C/N(Carbon/Nitrogen, 또는, '탄소/질소')비가 높더라도, 질소 제거효율(N)을 증가시키기 위해서, 질소 제거장치(400)는 내부 반송 및 슬러지 반송을 수행해야 하며, 동시에, 별도의 탄소원을 공급받아야 한다. 그 뿐만 아니라, 질소 제거장치(400)는 질소를 100% 산화하는데 필요한 많은 양의 산소를 공급받는다. 이에 따라, 전력 소모가 증가하게 되며, 이는, 경제적 비효율성을 초래한다.
상술한 바와 같이, 오·폐수 내에는 질소뿐만 아니라 인과 같은 영양염류를 포함하고 있다.
도 5는 종래의 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이고, 도 6은 종래의 질소 및 인 제거장치에 의한 반응조 내의 질소 및 인의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 질소 및 인 제거장치(500)는 생물학적으로 질소 및 인을 제거하기 위해서, 오·폐수 내의 질소를 질산화하고 탈질시킴과 동시에, 인을 용출하고 축적시켜 제거한다.
혐기조(510)는 호기조(530)의 질산성 질소(NO3 --N)와 동일한 농도를 갖는 질산성 질소(NO3 --N)가 포함된 슬러지를 고액분리부(540)로부터 유입받는다. 유입된 질산성 질소(NO3 --N)는 탈질 반응에 의해 우선적으로 제거된다. 이와 동시에, 혐기조(510) 내의 미생물은 탈질 후 잔류하는 생물학적으로 분해가능한 용존성 유기물(SS)을 세포 내로 축적하기 위한 에너지를 얻기 위하여 인을 용출한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 혐기조(510) 내의 인(PO4 3-)의 농도가 급격하게 증가한다.
다시 도 5를 참조하면, 무산소조(520)는 오·폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 탈질시킨다.
무산소조(520)는 호기조(530)에서 반송된 질산성 질소(NO3 --N)를 오·폐수 내에 잔류하는 유기물을 전자공여체로 이용하여 질소가스(N2)로 탈질시켜 제거한다. 이때, 무산소조(520)로 반송되는 반송량에 의해 질소 제거효율(N)이 결정되며, 탈질에 필요한 유기물 및 체류시간이 확보됨에 따라, 내부 반송에 의해 반송된 질산성 질소는 전량 탈질된다.
호기조(530)는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 전환시키는 질산화 공정을 수행하며, 산화된 질소는 무산소조(520)로 반송된다.
상술한 바와 같이, 혐기조(510) 내의 미생물은 세포내에 축적한 유기물을 산화시켜 획득한 에너지를 이용하여, 세포 내로 인을 과잉 축적시키는데, 고액분리조(540)는 인을 축적한 미생물을 유입시켜 폐슬러지 형태로 배출함으로써 인을 제거한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 질소 및 인 제거장치(500)에 의해 각각의 반응조 내의 질소 및 인의 농도는 변화한다.
혐기조(510) 내의 미생물은 생물분해 가능한 용존성 유기물(SS)을 세포 내로 축적하기 위해 인(PO4 3-)을 용출하며, 이에 따라, 인(PO4 3-)의 농도는 혐기조(510)에서 급격하게 증가한다.
암모니아성 질소(NH4 +-N)는 호기조(530) 내의 잔류 유기물이 산화되고, 암모니아성 질소가 질산성 질소(NO3 --N)로 산화되는 질산화가 발생함에 따라, 농도는 0에 가까워진다. 이에 따라, 고액분리조(540)로 부터 방류되는 방류수 내의 무기성 질소는 대부분 질산성 질소(NO3 --N)로 구성된다.
다시, 도 5를 참조하면, 질소 및 인 제거장치(500)는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화하는 질산화 효율이 100%를 달성할 수 있도록 공정을 수행한다. 이는, 질산화율이 100% 이하로 되면, 질소 제거효율(N)도 감소되기 때문이다. 즉, 질산화율이 100% 이하일 경우, 질소 및 인 제거장치(500)는 펌프 용량을 증가시킴으로서 반송량을 증가시켜 질소 제거효율(N)을 유지시켜야 하는데, 이는 곧, 경제적 비효율을 야기한다.
한편, 고액분리부(540)로부터 슬러지가 반송됨에 따라, 슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조(510)로 유입된다. 혐기조(510)는 오·폐수 내의 생물분해 가능한 용존성 유기물(SS)을 소모하여 탈질 반응을 수행하는데, 오·폐수 내의 유기물 농도가 낮을 경우 경우, 탈질에 유기물이 우선적으로 제거되어 버리기 때문에 인 제거효율이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
도 7은 종래의 일반적인 하수내의 유기물 농도분포를 도시한 그래프이다. 이를 이용하여 유기물과 질소와 인의 제거 관계를 설명한다. 생물학적으로 질소를 제거하기 위해서는 일정량의 유기물이 필요하다. SRT에 따라 소모되는 유기물의 농도는 상이하지만, 일반적으로, 1mg의 질산성 질소(NO3 --N)를 제거하기 위해서는 4~5mg의 생물학적으로 분해가능한 유기물(BDCOD)이 필요한 것으로 알려져 있다.
인을 제거하는 경우에도 질소 및 인 제거장치(500)의 운전조건에 따라 소모되는 유기물의 농도는 상이한 값을 나타내지만, 생물학적으로 1mg의 인을 제거하기 위해서는 10~20mg 유기물이 필요한 것으로 알려져 있다.
따라서, 일반적으로, 오·폐수 내에 포함된 질소는 40~50mg/L, 인은 4~8mg/L 정도이므로, 이를 제거하기 위해서는 생분해 가능한 유기물(Xs, Ss)은 최소 200mg/L, 최대 410mg/L 정도가 필요하다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 질소 및 인을 제거하기 위해, 용존성이면서 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Ss)은 125mg/L, 입자성이면서 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)은 375mg/L를 공급할 수 있기 때문에 필요한 유기물의 공급이 가능하다.
그러나 질소 및 인 제거장치(500)는 별도의 침전조(미도시)에서 오·폐수를 1차 침전시킴으로써, 입자성이며 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)을 약 50% 정도 제거하기 때문에, 입자성이며 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)은 약 50% 정도만 사용이 가능하다. 또한, 유입된 유기물(Xs)의 40%정도는 호기조에서 산화되어 버리기 때문에 약 60%정도만 사용이 가능하다. 이에 따라, 사용 가능한 유기물은 200mg/L로 질소 및 인 제거장치(500)에 사용되는 유기물이 추가적으로 요구되며, 이는, 유지관리비용의 상승을 초래한다.
한편, 생분해 불가능한 유기물(XI, SI)은 생물학적 반응에 관여하지 않는다. 이에 따라, 유입수 내의 생분해 가능한 유기물(Xs, Ss)과 질소비(C/N비) 및 P비(Carbon/Phosphorus, C/P비)는 질소 및 인을 제거하는데 있어서 중요한 인자로 작용하며, C/N 비 및 C/P 비가 높을수록 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있다.
최근 들어, 하수 처리장의 에너지 사용량을 줄이고 신재생 에너지의 회수율을 높이기 위한 방안으로, 오·폐수 내의 유기물을 활용하여 메탄가스의 생산을 극대화하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이를 위해 1차 처리시설(미도시)에서 제거되는 고형물의 양을 증가시키기 위한 기술이 개발 및 적용되고 있는데, 유입수 내의 고형물형태의 유기물은 약 80%까지 제거할 수 있다.
이는, 도 7에 도시된 바와 같이, 입자성 유기물(XS, XI)이 80% 제거됨을 의미한다. 즉, 1차 처리시설(미도시)에 의해 1차 처리된 처리수 내에는 용존성이면서 생분해 가능한 유기물(Ss) 125mg/L와 Xs 50mg/L 정도만이 잔류함을 의미하기 때문에, 후속되는 생물학적 공정에서 필요로 하는 유기물을 충당하기 어려운 문제가 있다.
도 8은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 9는 질소 제거장치가 질소를 제거하는 공정에 따른 산소 소모량을 비교한 그래프이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근 들어, 혐기성암모늄산화(또는, '아나목스') 공정을 이용한 질소 제거장치(800)의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
질소 제거장치(800)는 부분 아질산화 및 아나목스조(830)를 포함하며, 다음과 같이, 부분아질산화 및 아나목스조(830)는 질소를 제거하는데 별도의 유기물을 소모하지 않는다.
NH4+ + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 1.02N2 + 0.26NO3 - + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O
따라서, 질소 제거장치(800)는 낮은 농도의 유기물을 포함하는 오·폐수도 처리할 수 있으며, 1차 처리시설(미도시)에서 고형물 제거에 따른 유기물의 손실에도 영향을 받지 않는다.
더욱 구체적으로 설명하면, 호기조(810)는 유입된 오·폐수를 체류시켜 유기물을 신속하게 제거하고, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)는 암모늄 산화 미생물과 아나목스 미생물을 이용하여 질소를 제거한다.
그러나 호기조(810)는 별도의 산소 공급장치(미도시)로부터 산소를 공급받아 유기물을 산화하는데, 이때, 질소 제거에 사용되는 용존성 유기물(S)이 산소에 의해 단순 산화되는 문제가 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 호기조(810)가 유기물을 단순산화한 후, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)가 질소를 제거하는 경우보다 오·폐수 내에 존재하는 용존성 유기물(S)을 이용하여 질소를 제거한 후, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)가 오·폐수 내에 잔류하는 질소를 제거하는 것이 산소를 더 적게 소모한다. 이는, 곧, 질소 제거장치(800)의 경제성이 떨어진다는 것을 알 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 질소 제거장치(800)는 인을 제거할 수 있는 반응조(미도시)를 구비하고 있지 않기 때문에, 약품을 사용하여 인을 제거해야 하므로, 약품 투입에 따른 추가 비용이 발생한다. 또한, 인을 제거하기 위한 장치가 별도로 구비되어야 하므로, 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
한편, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)는 종래의 질소 제거장치(300, 400)에 적용될 수도 있으나, 종래의 질소 제거장치(300, 400)는 호기조(320, 420)를 이용하여 질소를 질산성 질소로 산화시키기 때문에, 암모니아성 질소가 요구되는 혐기성암모늄산화(또는, '아나목스') 공정을 적용하는 것이 실제로 불가능하다.
본 발명의 일 실시예는, 종래의 질소 및 인 제거장치에 혐기성암모늄산화 공정을 접목시켜, 유기물을 별도로 주입하지 않아도, 질소 및 인을 경제적이고 효과적으로 제거할 수 있는 질소 및 인 제거장치를 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 혐기성암모늄산화조가 탈질 반응을 수행할 수 있는 조건을 형성하기 위하여, 질소 및 인 제거 장치로 유입되는 유입수, 반응조 간에 반송되는 처리수의 반송량 및 반송되는 슬러지량을 제어하는 질소 및 인 제거장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 오·폐수 내 영양염류를 제거하는 장치에 있어서, 오·폐수가 유입되며, 제1 미생물을 이용하여 유입된 오·폐수 내 용존하는 인을 용출하는 혐기조와 유입되는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 호기조와 상기 혐기조 및 상기 호기조의 유출수가 유입되며, 질산성 질소를 상기 혐기조 내 잔류하는 유기물을 이용하여 탈질시키고, 상기 혐기조에서 용출된 인을 섭취하는 무산소조와 기체를 이용해 재포기를 수행하는 재포기조와 상기 무산소조를 거친 오·폐수 내에서 인을 흡수한 미생물을 분리하는 고액분리부와 상기 고액분리부를 거친 오·폐수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화시키는 부분 아질산화조 및 제2 미생물을 이용하여 상기 부분 아질산화조에서 산화된 아질산성 질소와 상기 부분 아질산화조에서 산화되지 않은 암모니아성 질소를 탈질시키는 혐기성암모늄 산화조를 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 미생물은 용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 호기조는 암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 호기조는 상기 암모니아 산화 미생물을 이용하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키고, 상기 아질산 산화 미생물을 이용하여 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 무산소조는 유입된 나머지의 오·폐수 내 포함된 유기물과 상기 호기조에서 산화된 질산성 질소를 결합시켜 탈질시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 미생물은 혐기성암모늄산화균(ANAMMOX bacteria)인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 종래의 질소 및 인 제거장치에 혐기성암모늄산화 공정을 접목시켜, 오·폐수 내에 포함된 질소 및 인의 농도가 낮더라도, 유기물을 별도로 주입하지 않고 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 혐기성암모늄산화조가 탈질 반응을 수행할 수 있는 조건을 형성하기 위하여, 질소 및 인 제거 장치로 유입되는 유입수량, 반응조 간에 반송되는 반송유량 및 반송되는 슬러지유량을 제어하여 최적조건을 형성함으로써, 반응조내의 질소 농도를 측정하여 제어하지 않기 때문에 계측기의 오류에 따른 문제가 없고 신뢰성이 높은 유량을 제어함으로써 운전의 편리성이 높은 장점이 있다.
도 1은 국가별 발생된 오·폐수에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율을 도시한 도면이다.
도 2는 오·폐수 내 유기물을 제거하기 위한 유기물 제거장치를 도시한 도면이다.
도 3은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치를 도시한 도면이다.
도 4는 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 질소 및 인 제거장치에 의한 반응조 내의 질소 및 인의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 하수내에 존재하는 유기물의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 질소 제거장치가 질소를 제거하는 공정에 따른 산소 소모량을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치 내 각 구성에서의 질소 및 인의 농도변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의 상 영양염류를 질소와 인으로 특정하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 질소나 인과 유사한 성질을 갖는 영양염류는 모두 해당될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 질소 및 인 제거장치(1000)는 1차 침전조(미도시), 혐기조(1010), 호기조(1020), 무산소조(1030), 재포기조(1040), 고액분리부(1050), 부분 아질산화조(1060) 및 혐기성암모늄 산화조(1070)를 포함한다.
1차 침전조(미도시)는 유입수를 침전시켜 고형물을 분리하고, 고형물이 분리된 1차 처리수가 질소 및 인 제거장치(1000)에서 처리될 원수로 유입된다. 이때, 고형물을 효과적으로 제거하기 위해, 1차 침전조(미도시)에는 약품이 투입될 수 있다.
1차 처리수는 혐기조(1010)로 유입되어 반송슬러지와 혼합되고, 혐기조(1010)는 유입수 내 용존하는 유기물을 이용하여 1차 처리수로부터 인을 용출한다. 혐기조(1010) 내에는 용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)가 존재한다. 이에 따라, 혐기조(1010) 내에서는 인이 용출되며, 유입수 내 유기물이 PAB세포내로 축적된다.
호기조(1020)는 내부반송을 통하여 재포기조(1040)로부터 유입된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시킨다. 호기조(1020) 내에는 암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)이 포함되어 있다. 먼저, 암모니아 산화 미생물은 유입수 내 존재하는 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 아질산성 질소(NO2 --N)로 산화시키고, 아질산 산화 미생물은 아질산성 질소(NO2 --N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 산화시킨다. 호기조로 유입되는 내부반송량은 유입수의 C/N에 따라 달라지는데 C/N비에 따른 적정 내부반송이 아래 표 1에 제시되어 있다. 이는 C/N에 따른 탈질 가능한 질산성 질소와 관련이 있는데, 내부반송을 통하여 호기조로 유입된 암모니아성 질소(NH4 +-N)의 양이 무산소조(1030)에서 탈질되는 질산성질소의 양과 같도록 조정하기 위함이다.
Figure 112019068450221-pat00001
호기조에서는 내부반송을 통하여 유입된 암모니아성 질소(NH4 +-N)가 질산성 질소(NO3 --N)로 100% 산화된다. 100%산화가 되지 않는 경우 내부반송량이 증가되어야 하기 때문에 100%산화가 발생하도록 반응조 체류시간과 공기공급량이 조절된다. 산화를 위해 일정량의 산소가 공급되는데, 1g의 암모니아성 질소를 산화시키기 위해 4.57g의 산소가 필요하다. 산소공급은 일반적으로 공기를 공급하여 이루어지는데 순산소를 공급하기도 한다. 호기조(1020)에서 산화된 질소는 혐기조(1010)의 유출수와 혼합되어 무산소조(1030)로 유입된다. 이때, 혐기조(1010)의 유출수가 호기조(1020)로 유입되면 안되기 때문에, 혐기조와 호기조는 격벽을 설치하여 분리되며, 혐기반응과 호기반응이 각각 완료된 후에 무산소조에서 혼합이 되도록 한다. 이는 호기조에서 유기물이 산화되어 무산소조에서 탈질에 필요한 유기물이 부족하게 되기 때문이다.
무산소조(1030)는 혐기반응 후 잔류하는 유입수 내의 유기물을 이용하여 호기조(1010)에서 유입되는 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다. 무산소조(1030) 내에서 탈질은 별도의 탄소원 유입없이 유입수 내 포함된 유기물을 이용하기 때문에, 질소 및 인 제거장치(1000)는 탈질을 위해 탄소원을 유입받을 필요가 없는 장점을 갖는다. 무산소조(1030)로 유입되는 질산성 질소의 양은 호기조(1010)로 반송되는 내부반송량에 따라 결정되는데, 표 1에서 제시된 내부 반송율만큼 반송되도록 조절된다. 무산소조에서는 DPAB(Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria)에 의해 탈질과 인의 섭취가 동시에 발생하게 된다.
재포기조(1040)는 공기를 공급해 재포기를 수행한다. 재포기의 목적은 슬러지의 침전특성을 개선하여 고액분리부(1050)에서 원활한 고액분리가 일어날 수 있도록 하기 위함이며, 미 섭취된 인을 추가적으로 섭취하여 방류수내의 인의 농도를 낮게 유지하기 위함이다. 재포기조(1040)는 10~30분의 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic Retention Time) 동안 공기를 공급하여, 제2 무산소조(1030)에서 탈질을 통하여 발생된 질소가스를 탈기시켜 슬러지의 침전성을 개선시킨다.
고액분리부(1050)에서는 인을 재섭취한 PAB를 분리시켜 폐기함으로써 인제거를 완료한다. 분리된 슬리지의 일부는 혐기조(1010)로 반송한다. 슬러지 반송량은 고액분리부(1050)의 고형물 계면의 높이에 따라 조절될 수 있으며, 계면의 높이가 전체 고액분리 깊이의 30%가 넘지 않도록 조절될 수 있다. 슬러지반송량은 하수 유입량을 기준으로 30~50%범위가 적당하나, 고액분리가 불량할 경우 슬러지반송량이 증가할 수 있다.
또한, 고액분리부(1050)에 의해 슬러지 반송되는 질소는 산화된 질소가 아닌 암모니아성 질소이므로, 혐기조(1010)의 혐기 환경을 훼손하지 않기 때문에 혐기조(1010)에서 인의 용출이 원활하게 발생하는 장점이 있다.
부분 아질산화조(1060)는 고액분리부(1050)로부터 유입된 유입수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화한다. 고액분리부(1050)로부터 유입된 유입수 내에는 순수하게 암모니아성 질소만이 포함되어 있다. 부분 아질산화조(1060)는 암모니아 산화 미생물을 포함하여, 유입수 내 일부 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시킨다. 부분 아질산화조(1060)에서는 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 비가 1:1.32가 될 때까지, 암모니아성 질소의 산화가 진행된다. 또는, 유량을 분리하여 부분 아질산화(1060)조로 전체유량의 57%를 유입시켜 아질산화를 수행하고, 나머지 유량은 by-pass시켜 혐기성암모늄 산화조(1070)으로 유입시킬 수 있다.
혐기성암모늄 산화조(1070)는 아나목스(ANNAMOX) 미생물을 이용하여 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 탈질시킨다. 혐기성암모늄 산화조(1070)는 아나목스 미생물을 포함하며, 1:1.32 비율의 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 질소 가스로 탈질시킨다.
질소 및 인 제거장치(1000)는 외부로부터 탄소원의 유입을 받지 않으면서도, 혐기성암모늄 산화공정과 기존 처리공정에서 유기물을 적절히 이용하여 질소를 경제적/효율적으로 제거할 수 있는 장점을 갖는다. 따라서, 종래의 장치들과 같이 많은 양의 탄소원이나 유기물을 요구하지 않으면서, 많은 양의 질소 성분의 반송을 필요로 하지도 않는 장점을 갖는다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치 내 각 구성에서의 질소 및 인의 농도변화를 도시한 그래프이다.
혐기조(1010)에서 슬러지와 유입수가 유입되어 암모니아성 질소가 일정농도로 유지되며, PAB에 의해 인의 용출이 발생하여 용액중의 인의 농도가 증가한다.
호기조(1020)에서 내부반송을 통하여 반송되는 슬러지와 암모니아성 질소가 산화를 통하여 질산성 질소로 산화되므로, 호기조(1020) 내 암모니아성 질소 농도는 0에 가깝게 감소하는 반면, 질산성 질소 농도는 상승한다
무산소조(1030)로 호기조(1020)로부터 질산성질소가 유입되고, 혐기조에서 유기물이 유입되어 탈질을 통하여 질산성질소가 제거된다. 무산소조로 유입되는 암모니아성 질소는 C/N에 따라 무산소조에서 탈질 가능한 양만큼만 유입되기 때문에, 무산소조에서 전량 탈질을 통하여 제거가 된다. 암모니아성 질소의 농도는 호기조(1020) 유출수의 유입에 의해 일정량 희석을 통하여 농도의 저하가 발생하지만, 무산소 반응조내에서는 변화 없이 유지된다. 인의 경우에는 DAPB에 의해 질산성질소를 이용하여 세포 내로 섭취가 발생하여 농도가 저하되지만, DPAB는 낮은 농도까지 인을 섭취할 수 없기 때문에 일정 농도까지만 저하된다.
재포기조(1040)에서는 무산소조(1030)에서 미 섭취된 인의 추가적인 섭취가 발생하며, 무산소조(1030)에서 탈질을 통하여 발생된 질소가스를 탈기시켜 슬러지의 침전성을 향상시킨다. 재포기조(1040)는 탈기에 필요한 소량의 공기가 유입되기 때문에 별도의 질산화는 발생하지 않으며, 유출되는 질소는 전량 암모니아성 질소이며 농도는 무산소조(1030)와 같은 수준으로 유지된다.
부분 아질산화조(1060)를 거치며, 암모니아성 질소의 농도는 낮아지고, 아질산성 질소의 농도는 상승하게 되며, 혐기성암모늄 산화조(1070)에서 암모니아성 질소와 아질산성 질소는 아나목스 반응에 의해 모두 제거된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
210: 1차 침전부
220: 2차 처리부
230, 330, 450, 540, 820, 840, 1050: 고액 분리부
310, 520, 1030: 무산소조
320, 420, 530, 810, 1020: 호기조
410: 제1 무산소조
430: 제2 무산소조
440, 1040: 재포기조
510, 1010: 혐기조
830: 부분 아질산화 및 아나목스조
1060: 부분 아질산화조
1070: 혐기성암모늄 산화조

Claims (6)

  1. 오·폐수 내 영양염류를 제거하는 장치에 있어서,
    오·폐수가 유입되며, 제1 미생물을 이용하여 유입된 오·폐수 내 용존하는 인을 용출하는 혐기조;
    유입되는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 호기조;
    상기 혐기조 및 상기 호기조의 유출수가 유입되며, 질산성 질소를 상기 혐기조 내 잔류하는 유기물을 이용하여 탈질시키고, 상기 혐기조에서 용출된 인을 섭취하는 무산소조;
    기체를 이용해 재포기를 수행하는 재포기조;
    상기 무산소조를 거친 오·폐수 내에서 인을 흡수한 미생물을 분리하는 고액분리부;
    상기 고액분리부를 거친 오·폐수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화시키는 부분 아질산화조; 및
    제2 미생물을 이용하여 상기 부분 아질산화조에서 산화된 아질산성 질소와 상기 부분 아질산화조에서 산화되지 않은 암모니아성 질소를 탈질시키는 혐기성암모늄 산화조를 포함하며,
    격벽이 설치되어 상기 혐기조와 상기 호기조가 서로 분리됨으로써, 상기 혐기조의 유출수가 상기 호기조로 유입되지 않고 상기 무산소조로 유입되고,
    상기 호기조로는 내부반송을 거쳐 상기 재포기조로부터 암모니아성 질소가 유입되며,
    상기 호기조로 유입되는 암모니아성 질소의 양이 상기 무산소조로부터 탈질되는 질산성 질소의 양과 동일한 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 미생물은,
    용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)인 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호기조는,
    암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 호기조는,
    상기 암모니아 산화 미생물을 이용하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키고, 상기 아질산 산화 미생물을 이용하여 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무산소조는,
    유입된 나머지의 오·폐수 내 포함된 유기물과 상기 호기조에서 산화된 질산성 질소를 결합시켜 탈질시키는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 미생물은,
    혐기성암모늄산화균(ANAMMOX bacteria)인 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.

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