KR20000066396A

KR20000066396A - 고농도 질소 산업 폐수를 처리하기 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20000066396A
Application number: KR1019990013479A
Authority: KR
Inventors: 오재일; 박종문
Original assignee: 정명식; 학교법인 포항공과대학교
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2000-11-15

Abstract

본 발명은 고농도의 질산성 질소 및 아질산성 질소 오염원을 함유한 산업 폐수를 처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 폐수를 조정조에 넣고 pH를 7.5 내지 8.0으로 조절하는 단계; 폐수를 일정 유량으로 연속회분식 반응조에 유입시키면서 탄소원을 추가하는 단계; 및 연속회분식 반응조내에서 미생물 농도(MLVSS)를 6,000 내지 8,000 mg/ℓ로, pH를 7.5 내지 8.0으로 유지시키면서 아질산의 미생물에 대한 독성을 최소화하면서 탈질 반응을 통해 질소를 제거하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명의 장치는 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 유입 폐수의 유량을 일정하게 유지하기 위한 조정조; 조정조내의 pH 측정 및 조절 장치(약품 저장 및 공급 장치 포함); 미생물 탈질 반응에 필요한 탄소원 저장 및 공급 장치; 미생물 탈질 반응을 통한 질소 제거 역할을 하는 연속회분식 반응조; 및 연속회분식 반응조내의 pH 측정 및 조절 장치(pH 조절용 산 저장 및 공급 장치 포함)를 포함한다.

Description

고농도 질소 산업 폐수를 처리하기 위한 방법 및 장치{Process and Equipments for the Treatment of Industrial Wastewater Containing Concentrated Nitrogen}

본 발명은 산업 폐수 중에 포함된 고농도 질소 이온(질산성 질소 및 아질산성 질소 이온)을 연속회분식 반응조내에서 탈질 미생물을 사용하여 질소 가스로 최종 분해하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 폐수를 조정조에 넣고 pH를 7.5 내지 8.0으로 조절하는 단계; 폐수를 일정 유량으로 연속회분식 반응조에 유입시키면서 탄소원을 추가하는 단계; 및 연속회분식 반응조내에서 미생물 농도(MLVSS)를 6,000 내지 8,000 mg/ℓ로, pH를 7.5 내지 8.0으로 유지시키면서 아질산의 미생물에 대한 독성을 최소화하면서 탈질 반응을 통해 질소를 제거하는 단계를 포함한다.

현재 하수 및 오수 처리 분야에서 응용되고 있는 미생물을 이용한 질소 처리 과정은 크게 두 가지 단계를 거친다. 먼저 원폐수에 포함되어 있는 암모니아성 질소를 질산화 반응을 거쳐 질산성 질소로 변환시킨 다음, 이를 다시 탈질 미생물을 이용하여 기체 상태의 질소 가스로 변환시키는 것이다. 이러한 기술로는 "액상부식 방법에 있어서 고농도 유기 오수의 질소 제거 방법"(한국특허공개 제97-020992호), "고농도 유기오수의 질소제거 방법"(한국특허공개 제94-002175호), "생물학적 교대반응에 의한 오, 폐수 처리방법" (한국특허공개 제96-037584호), 및 "생물학적 질소와 인의 제거법 및 그 처리 장치"(한국특허공개 제90-011673호) 등이 있다.

그러나 질산과 아질산을 이용하는 제철 및 금속 가공 산업, 비료 생산 산업, 무기 제조 산업 등의 많은 산업체에서 질소 오염원은 암모니아가 아닌 질산성 질소 및 아질산성 질소 자체이므로 위에서 언급한 질산화 과정이 필요 없고 탈질 공정만이 필요하다. 또한, 질산화 공정과 탈질 공정을 순차적으로 배열하여 이용하였을 경우에는 pH의 변화가 일반적인 하수의 pH 변화 적응능력을 크게 벗어나지 않아 그리 문제가 되지 않는다. 하지만 미생물 탈질 반응만을 이용하여 산업 폐수 중에 포함된 고농도의 질산성 질소 및 아질산성 질소를 처리하는 경우에는 질소 농도에 따라 pH가 크게 증가하므로, pH 조절은 최적의 탈질 반응 및 탈질 미생물의 안정적 유지를 위해서도 필수적이다.

일반적으로 낮은 pH 범위(pH 7.0 미만)에서는 아질산(HNO₂)의 독성으로 인해 탈질 반응이 저해되고 높은 pH 범위(pH 9.0 초과)에서는 최적의 탈질 반응을 기대하기 힘들다(C. Glass, J. Silverstein and J. Oh, Inhibition of denitrification in activated sludge by nitrite, Water Environment Research,, 69(6), 1086-1093, 1997). 또한 일반 하수 처리 시설과는 달리 산업 폐수는 그 유량이 많지 않고 조업 조건에 따라 질소 농도가 크게 달라지므로 기존의 하수처리 공법에서 응용하는 공법보다도 연속회분식 반응조와 같이 간단한 타이머 조절로 운영 주기를 조절할 수 있는 방법이 필요하다 (Manual-Nitrogen Control, 277-282, EPA, 1993).

따라서, 본 발명의 목적은 고농도 질소 산업 폐수를 간단하고 효과적으로 처리하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 폐수 처리 방법에 적합한 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 폐수 처리 방법의 각 공정에 사용되는 장치 및 이들의 배열을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 폐수처리 장치를 이용하여 고농도 질소 함유 폐수를 처리한 결과를 나타낸 것이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 조정조 2 : pH 측정 및 조절 장치

3 : pH 조절용 약품 탱크 4 : 탄소원

5 : 연속회분식 반응조 6 : 산 탱크

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 폐수를 조정조에 넣고 pH를 7.5 내지 8.0으로 조절하는 단계; 폐수를 일정 유량으로 연속회분식 반응조에 유입시키면서 탄소원을 추가하는 단계; 및 연속회분식 반응조내에서 미생물 농도(MLVSS)를 6,000 내지 8,000 mg/ℓ로, pH를 7.5 내지 8.0으로 유지시키면서 아질산의 미생물에 대한 독성을 최소화하면서 탈질 반응을 통해 질소를 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 장치는 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 유입 폐수의 유량을 일정하게 유지하기 위한 조정조; 조정조내의 pH 측정 및 조절 장치 (약품 저장 및 공급 장치 포함); 미생물 탈질 반응에 필요한 탄소원 저장 및 공급 장치; 미생물 탈질 반응을 통한 질소 제거 역할을 하는 연속회분식 반응조; 및 연속회분식 반응조내의 pH 측정 및 조절 장치 (pH 조절용 산 저장 및 공급 장치 포함)를 포함한다. 본 발명의 폐수 처리 장치의 구조 및 배열은 도 1에 개략적으로 도시되어 있다.

산업 폐수 중에 포함된 질소 오염원을 제거하기 위해서는 탈질 미생물을 이용한 생물학적 공정이 가장 경제적인 것으로 알려져 왔으나, 폐수의 조건이 미생물의 성장 및 처리 반응에 꼭 적합한 것은 아니므로 이를 최적의 상태로 조절하는 것이 필요하다.

산업 폐수는 제품의 종류 및 공정에 따라 배출 유량이 변하므로 공정 맨 앞에 조정조를 설치하여 폐수가 일정한 유량으로 반응조(생물 반응기)에 공급되도록 조절한다. 또한 질소 오염원은 주로 질산 및 아질산의 사용에 기인한 경우가 많으므로 반응조로 유입되기 전의 pH는 조정조의 pH 측정/조절 장치 및 약품 저장/공급 장치를 통해 탈질 미생물의 성장에 적합한 초기 pH 값, 즉 pH 7.5 내지 8.0으로 조절한다. 이때, pH 조절을 위한 약품으로서는 수산화나트륨, 탄산수소나트륨, 및 수산화칼륨 등을 사용할 수 있고, 수산화나트륨이 바람직하다.

pH 및 유량이 조절된 폐수가 조정조로부터 반응조로 이동하는 과정에서 유입 질소의 농도에 따라 비례적으로 탄소원을 폐수에 공급한다. 이때, 탄소원으로는 초산 나트륨, 초산 칼륨 등을 사용할 수 있고, 탄소원의 첨가량은 유입질소 1 mg당 1.5 mg 내지 2.0 mg이 바람직하다. 질소원과 탄소원이 연속회분식 반응조 안으로 유입됨으로써 반응조내에서 탈질 미생물에 의한 질소 제거 반응을 기대할 수 있으며, 그 반응 메커니즘은 다음과 같다.

NO₃ ^-+ 0.83CH₃COO^-→0.071C₅H₇O₂N + 0.46N₂+ 0.46CO₂+ OH^-+ 0.08H₂O + 0.83HCO₃ ^-

본 발명에서는 연속회분식 반응조를 탈질반응이 일어나는 생물반응기로서 사용하며, 연속회분식 반응조는 미생물 농도를 높게 유지할 수 있고 운영주기를 유입 질소 농도에 따라 타이머로써 간단히 조절할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 방법에서는 반응조내의 미생물들을 3주간의 고농도 질소 조건 (1000 ppm, pH: 7.5-8.0)에 적응시키며 농도(MLSS)를 6,000 내지 8,000 mg/ℓ로 높게 유지시킴으로써 질산성 질소 및 아질산성 질소로 인한 독성을 극복하는 잇점이 있다. 본 발명에서는 다수의 연속회분식 반응조를 병렬로 설치하여 사용할 수 있으며, 2개의 연속회분식 반응조를 사용할 경우 이들은 교대로 작동하여 반연속식으로 유입 폐수를 처리하게 된다.

일반적인 하수 처리장의 질소 농도(50 ppm 미만)에서는 탈질반응으로 인한 pH 증가는 하수 중에 포함된 탄산(HCO₃ ^-) 완충 이온으로 인해 그리 크지 않으나, 질소 농도가 200 ppm 이상인 산업 폐수의 경우에는 탈질반응 도중 pH가 9.5 이상으로 증가하여 미생물의 성장 및 활성이 저해되므로 미생물 탈질 반응이 현격히 저하되어 질소 제거 효율이 크게 감소한다. 그러므로 고농도 질소 제거를 위한 최적의 탈질 반응을 유지하기 위해서는 pH를 미생물의 성장에 적정한 수준으로 조절해야 하며, 이 방법을 통해 가장 경제적이고 합리적으로 원하는 탈질 미생물 농도를 유지하면서 질소오염원을 처리하게 된다. 연속회분식 반응조 안에 설치된 pH 측정/조절 장치 및 산 저장/공급 장치는 이러한 역할을 하고 또한 최종 처리수의 pH를 규제치에 적합한 pH로 조절하는 기능도 하게 된다.

연속회분식 반응조의 작동 순서는 질소원/탄소원 유입 단계, 교반 및 탈질 반응 단계, 침전 단계, 처리수 배출 단계를 기본 단계로 하여 타이머를 이용하여 쉽게 조절된다. 반응조안의 미생물 농도는 주기적으로 슬러지를 배출시킴으로써 유지할 수 있으며 처리수의 배출양은 전체 반응 부피의 절반정도를 유지한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

실시예

제철소 산세공정에서 입수한 고농도 질산성 질소 폐수 1000ℓ를 저장탱크에 저장한 뒤 100ℓ 규모의 조정조에 50ℓ 유량을 유지시키면서 수산화나트륨을 가하여 pH를 7.5로 조절하였다. 매 주기 15 ℓ의 폐수 (질소 폐수 + 탄산나트륨)를 연속회분식 반응조로 공급하였고, 반응초기 질산성 질소 및 탄소 농도가 각각 1,450 mg-N/ℓ와 2,175 mg-C/ℓ를 나타내었다. 탈질 반응을 위한 미생물로는 일반 하수처리장에서 구한 활성 슬러지를 사용하였으며 고농도 질소 조건에 적응시키기 위해 3주간 운영 기간동안 pH 조건을 7.5-8.0 이내에서 유지시켰다. 이보다 낮은 pH 조건으로 운영하였을 경우 탈질 반응의 중간단계인 아질산성 이온 (NO₂ ^-)이 아질산 (HNO₂)으로 화학적인 변환이 되며 이의 독성으로 인해 탈질 미생물의 성장 및 탈질 효율이 급격히 저하되어 고농도 질소 조건에 적합한 탈질 미생물의 취득이 불가능하였다. 또한 적응된 탈질 미생물이 반응조안에 최대한의 농도로 유지되어야 짧은 반응주기를 유지할 수 있으나 매 주기마다 처리수의 50%의 양을 배출하여야 하므로 이때 반응조 안에 가라앉은 슬러지 양은 총 반응조 부피의 50%를 넘을 수가 없다. 본 실시예에서는 반응조안의 미생물 농도(MLVSS)를 평균 6,200 mg/ℓ 정도로 유지하였고 과다 생성된 미생물은 처리수 배출 및 교반 맨 마지막 과정에 적절히 배출하였다. 또한, 반응조안의 pH 센서와 조절장치로써 3 N 염산을 반응조에 공급함으로써 탈질반응 동안 pH를 7.5 정도로 유지하였다. 연속회분식 반응조의 운영주기는 표와 같은 방법으로 운영하였으며 총 24시간을 주기로 하여 조작하였다. 연속회분식 반응조의 운영주기는 유입질소의 농도에 따라 다양하게 조절할 수 있다.

유입 고농도 질소는 7시간 정도의 반응 시간 안에 모두 처리되었으며 이 결과는 도 2에 나타나 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 산업 폐수에 포함되어 있는 고농도의 질소 오염원을 규제치 이하의 농도로 처리하여 배출할 수 있고, 더불어 유출수의 pH 값을 중성 정도로 조절하여 배출할 수 있는 장점이 있다. 또한 유입 질소 농도의 변화에 따라 연속회분식 반응조의 운전주기를 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 폐수 유량의 변화에 따라 병렬 구조의 연속회분식 반응조를 쉽게 증가시켜 효율적으로 폐수를 처리할 수 있는 장점도 있다.

Claims

고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 폐수를 조정조에 넣고 pH를 7.5 내지 8.0으로 조절하는 단계; 폐수를 일정 유량으로 연속회분식 반응조에 유입시키면서 탄소원을 추가하는 단계; 및 연속회분식 반응조내에서 미생물 농도(MLVSS)를 6,000 내지 8,000 mg/ℓ로, pH를 7.5 내지 8.0으로 유지시키면서 아질산의 미생물에 대한 독성을 최소화하면서 탈질 반응을 통해 질소를 제거하는 단계를 포함하는, 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 함유한 폐수를 처리하는 방법.
고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 포함한 유입 폐수의 유량을 일정하게 유지하기 위한 조정조; 약품 저장 및 공급 장치가 구비된, 조정조내의 pH 측정 및 조절 장치; 미생물 탈질 반응에 필요한 탄소원 저장 및 공급 장치; 미생물 탈질 반응을 통한 질소 제거 역할을 하는 연속회분식 반응조; 및, 산 저장 및 공급 장치가 구비된, 연속회분식 반응조내의 pH 측정 및 조절 장치를 포함하는, 고농도의 질산성 또는 아질산성 질소를 함유한 폐수를 처리하기 위한 장치.
제2항에 있어서,

상기 연속회분식 반응조가 2개 이상 병렬로 배치된 것임을 특징으로 하는 장치.