KR20000074452A - 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질소 폐수처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 질산성 질소이온을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 폐수중의 고농도 질산성 질소이온을 보다 높은 효율로, 그리고 보다 경제적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 고농도 질산성 질소 폐수를 처리하는 방법에 있어서,

고농도 질산성 질소 폐수폐수에 탄소원을 공급하는 단계; 및

내부에 폴링(pall ring)형 담체가 구비되고 이 담체에 미생물이 부착되어 있는 고착식 미생물 반응기내로 탄소원이 공급된 폐수를 통과시켜 폐수중의 질산성 질소 이온을 제거하는 단계를 포함하여 구성되는 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법을 그 요지로 한다.

Description

미생물막 반응기를 이용한 고농도 질소 폐수처리방법{A METHOD FOR DENITRIFYING HIGH NITRATE WASTEWATER USING BIOFILM REACTOR}

본 발명은 고농도 질산성 질소이온을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물막 반응기를 이용하여 질산성 질소이온을 함유하는 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.

폐수중의 질산성 질소 이온을 제거하는 방법으로서는 크게 물리/화학적인 방법을 응용한 방법 및 미생물 탈질 반응기를 이용하는 방법 등을 들수 있다.

상기 물리/화학적인 방법을 응용한 질산성 질소 이온의 제거방법에는 역삼투법 및 이온 교환법 등이 알려져 있다. 그러나, 상기한 방법들의 경우에는 장치 구성에 필요한 비용이 높을 뿐만 아니라 전처리 과정에 추가적인 장비의 설치가 요구된다.

더우기, 상기 방법들의 경우에는 프로세스 운용측면에서 유지관리에 많은 비용과 프로세스의 복잡성으로 인한 숙련된 운영요원의 운전이 요구되고 있다.(Wastewater Engineering-treatment, disposal, reuse, 1991).

따라서, 폐수중의 질산성 질소이온을 제거하기 위하여 상기한 방법들은 거의 이용되고 있지 않고 있으며, 미생물 탈질 반응기를 통해 질산성 질소 오염원을 대기중의 질소가스로 변환 배출시키는 방법이 경제성등을 고려하여 널리 사용되고 있다.

상기 미생물 탈질 반응기를 이용한 방법으로는 부유식 활성슬러지 법과 고정식 활성슬러지법을 들 수 있는데, 상기 부유식 활성 슬러지 법은 일반 하수처리장 및 기타 산업폐수처리시설에서 주로 이용하고 있다.

그러나, 상기 부유식 활성슬러지법은 주로 유입 질소농도가 50mg-N/L이하의 저농도의 하수를 처리하도록 구성되어 있다.

따라서, 상기 부유식 활성슬러지법은 고농도의 질소(200mg-N/L이상)를 함유하는 고농도 질산성 폐수를 처리하는데 적용하기 곤란한 문제점이 있다.

즉, 부유식 활성슬러지법(액상부식방법에 있어서 고농도 유기 오수의 질소제거방법: 한국특허공개 제97-020992호; 고농도 유기오수의 질소제거방법: 한국특허공개 제94-002175호)은 미생물의 고농축에 한계가 있으므로 고농도 질소처리에는 적합하지 않다.

이에 반하여, 상기 고정식 활성슬러지법은 미생물 농축정도에 있어서 부유식 보다 뛰어난 면을 보여주고 있다.(Biological Wastewater Treatment. Grady, C.P. L.,Daigger, G. T. and Lim, H.C., Mercel DECKER, 1999)

그러나, 상기 고정식 활성슬러지법의 경우에도 부유식 활성슬러지법과 같이 저농도 질산성 질소 폐수를 처리하는데 적용되었을 뿐 고농도 질소 폐수처리에는 적용된 바가 없다.

이에, 본 발명자들은 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법에 대하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 폐수중의 고농도 질산성 질소이온을 보다 높은 효율로, 그리고 보다 경제적으로 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 장치의 일례를 개략적으로 나타내는 개략도

도 2는 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 장치의 다른례를 개략적으로 나타내는 개략도

도 3은 도 2의 미생물막 반응조의 상세도

도 4는 도 2와 같은 복층구조의 미생물막 반응조를 이용하여 질소이온함유폐수를 처리한 경우에 있어서 처리일수(days)에 따른 질소이온농도변화를 나타내는 그래프

도 5는 1 단의 미생물막 반응조를 이용하여 질소이온함유폐수를 처리한 경우에 있어서 처리일수(days)에 따른 질소이온농도변화를 나타내는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1... 조정조 2... 질산성 이온 측정 및 탄소원 공급 장치 4... pH중화조

5... pH측정 및 완충액 공급장치 7... 공기 주입구 11, 12... 미생물막 반응기

본 발명은 고농도 질산성 질소 폐수를 처리하는 방법에 있어서,

고농도 질산성 질소 폐수폐수에 탄소원을 공급하는 단계; 및

내부에 폴링(pall ring)형 담체가 구비되고 이 담체에 미생물이 부착되어 있는 고착식 미생물 반응기내로 탄소원이 공급된 폐수를 통과시켜 폐수중의 질산성 질소 이온을 제거하는 단계를 포함하여 구성되는 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 고농도 질소 함유페수처리를 위한 방법으로서 기존의 프로세스를 대체할 새로운 방법의 필요성이 요구되어 이에 대하여 연구 및 실험을 행하였는 바, 고농도 질소 함유페수처리를 위해서는 미생물 집적면에서 뛰어난 효율을 나타내는 고정식 활성슬러지법이 보다 타당하다는 것을 인식하고, 이에 대하여 연구및 실험을 진행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 완성하게 이른 것입니다.

본 발명을 구현하기 위한 고농도 질산성 질소 폐수처리장치의 바람직한 예가 도 1 ∼도 3에 나타나 있는데, 이를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 나타난 바와 같이, 산업 폐수는 먼저 조정조(1)에 저장되며, 전처리공정의 조업조건에 따라 배출되는 다양한 pH조건을 미생물 성장에 적합한 pH환경으로 pH측정및 완충액 공급장치(5)로써 조절하며, 이때 pH는 7.0-7.5로 선정하는 것이 바람직하다.

다음에, 질산성 이온 측정 및 탄소원공급장치(2)에 의해 상기와 같이 pH가 조절된 폐수중의 질산성 이온의 농도를 측정하고, 질산성 이온의 농도에 상응하게 탄소원을 공급한다.

즉, 조정조(1)로 부터 공급되는 폐수의 질산성 질소이온 농도를 측정하여 이에 비례하는 탄소원의 공급이 미생물막 반응기전단계에서 이루어지며, 이 때 탄소원으로는 메탄올을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 탄소공급원으로서 메탄올을 사용하는 경우에는 질산성 질소 이온 농도에 따라 2.5-3.0 g 메탄올(metanol)/ g 질산성 질소 이온(nitate nitrogen)의 비율로서 공급하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 탄소원이 공급된 폐수는 미생물 농도가 0.2∼0.5g/ring으로 유지된 1차 미생물막 반응기(11)내를 통과하면서 페수중의 질소이온이 제거된 다음, 미생물 농도가 0.2∼0.5g/ring으로 유지된 2차 미생물막 반응기(12)내를 통과하면서 페수중의 질소이온이 추가적으로 제거된다.

처리하고자하는 폐수중의 질소 이온 농도가 200ppm이상인 경우에는 상기 1차 및 2차 미생물막 반응기(12)내의 미생물 농도는 0.2∼0.5g/ring으로 유지하는 것이 바람직하고, 폐수중의 질소 이온 농도가 1000ppm이상인 경우에는 상기 1차 및 2차 미생물막 반응기(11)내의 미생물 농도는 0.4∼0.5g/ring으로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 미생물 농도가 상기 범위를 초과하는 경우에는 클로깅(clogging)이나 채널링(channeling)이 생길 우려가 있고, 상기 범위 보다 적은 경우에는 처리효율이 떨어질 우려가 있기 때문이다.

상기와 같이 미생물의 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 미생물의 농도가 상기 농도값를 초과하지 않도록 적절한 간격으로 역세처리를 행하여야한다.

역세 과정은 미생물막 반응기의 하단에 설치된 공기주입구(7)를 통해 압축공기를 공급함으로써 실시되며, 이때에 반응기내의 플라스틱 담체는 혼합되면서 미생물을 담체에서 이탈시키게 한다.

상기 1차 미생물막 반응기(11)와 2차 미생물막 반응기(12)사이에 pH측정 및 완충액 공급장치(5)를 설치하여, 2차 미생물막 반응기(11)의 시작 pH를 1차 미생물막 반응기(11)와 같은 조건으로 유지시켜 주는 것이 바람직하다.

또한, 2차 미생물막 반응기(12)의 배출구에는 내부 순환관(6)을 초기 조정조(1)와 연결시킴으로써 다양한 운전조건에 대비 내부 순환율을 조절하면서 운전하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 2차 미생물막 반응기(12)를 거친 폐수는 최종 배출수 pH조건을 맞추기 위하여 pH 중화조(4)를 거쳐 배출하게 된다.

한편, 도 2및 도 3에는 상기 1차 및 2차 미생물막 반응기(11)및(12)를 상하로 배치하는 복층구조의 미생물막 반응기의 일례가 나타나 있다.

상기 미생물막 반응기(12)는 도 1에는 두개가 병렬로 배열되어 있고, 도 2및 도 3에는 두개가 상하로 배열되어 있으나, 본 발명에서는 이에 한정되는 것은 아니고, 미생물막 반응기가 한개인 경우는 물론 3개이상이 병렬 또는 상하로 배열될 수도 있다.

공간이 충분하지 않는 경우에는 복층구조의 미생물막 반응기를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 활성 슬러지의 고농도 질소 환경에의 적응방법에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

일반적인 생물학적 폐수처리 방법에 사용되는 미생물은 주로 활성슬러지 (mixed culture, undefined microorganism)형태로 이용한다. 이 미생물(biomass)안에는 다양한 종류의 미생물들이 군집(community)을 이루면서 존재하며 주변 환경 여건에 따라 탄력적으로 변화하면서 우리가 원하는 오염원 (BOD, N, P)들을 제거한다. 하지만 이러한 활성슬러지를 다른 여러 응용상태(고농도 조건, 특정독성 물질 처리, 등등)에서 활용하려면 짧게는 수 주일에서 길게는 수년간의 적응기간 (Adaptation period)이 필요한 것으로 알려져 있다. 즉 일반 가정 하수가 아닌 산업체 폐수를 처리하기 위해 사용되는 미생물들은 이러한 적응 기간을 충분히 거치고 검증되어야 만이 제기능을 발휘할 수가 있는 것이다. 이러한 관점에서 본 발명에 있어서도 고농도 질소(평균 1000 mg-N/L)처리에 사용할 수 있는 미생물들을 일반 하수 처리장에서 취득한 활성슬러지로부터 적응 배양시키는 것이 요구된다.

우선, 고농도 질소를 처리하기 위한 반응기의 필요조건을 살펴보면, 처리 효율의 극대화를 위해서는 단위 부피당 고농축의 미생물 집적이 가능해야 하며, 고농도 조건으로 인한 충격부하에 강한 반응기이어야 한다. 바람직하게는 좁은 공간에서의 설치 및 유지관리의 간편성을 들 수가 있는데, 이러한 조건을 충족할 수 있는 최적의 반응기 형태는 도 2및 도3에 나타나 있는 상향류 충진형 반응기인 복층구조의 미생물막 반응기를 들수 있다.

본 발명애 있어서는 미생물막 반응기 안의 담체(media; pall ring)에 부착 성장하는 고농도 환경에 적응된 탈질미생물들이 고농도 질소 산업폐수 처리 공정에 가장 중요한 역할을 수행하게 되는데, 이러한 미생물들을 취득하기 위한 방법의 바람직한 일례에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반 하수처리장에서 사용되는 활성슬러지가 접할수 있는 가장 높은 농도의 질소 조건은 일반적으로 50 ppm 정도로 알려져 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 상태를 고농도 환경에 적응시키기 위한 초기 질소 농도 조건으로 삼았고 이 과정에서 탈질 미생물들이 담체에 부착 성장할 수 있는 충분한 기간을 확보하고 공급되는 탄소원에 대한 적응을 하게 된다.

즉, 50ppm 에서 일정한 양만큼씩 질소농도를 높이고, 각 농도에서 일정시간 유지시키므로써, 상대적으로 낮은 전이 농도에 대한 적응 뿐만 아니라 반응기안에 필요한 탈질 미생물을 고농도로 농축하게 된다.

이때, 클로깅(clogging)이나 채널링(channeling)이 생기지 않는 조건에서 최대 미생물 농도를 유지시키도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은 바람직한 일 실시예에서 폐수중의 질소 농도를 50 ppm 에서 150 ppm을 거쳐 300ppm 까지 높이고, 각 농도별로 2주 정도의 기간을 유지하여 클로깅(clogging)이나 채널링(channeling)이 생기지 않는 조건에서의 최대 미생물 농도는 0.4-0.5 g/ring임을 확인하였다.

본 발명은 상기와 같이 클로깅(clogging)이나 채널링(channeling)이 생기지 않는 조건에서의 최대 미생물 농도를 구하고, 가능하다면, 이 최대 미생물 농도가 미생물막 반응기내에서 유지되는 상태에서 폐수중의 질소 이온을 처리하도록 하는 것이다.

상기와 같이 미생물의 농도를 일정하게 유지하기 위해서는 미생물의 농도가 상기 농도값를 초과하지 않도록 적절한 간격으로 역세처리를 행하여야한다.

즉, 미생물 과다 성장으로 인한 반응기 막힘 현상을 방지하기 위하여 주기적인 역세과정을 통해 과다 미생물을 털어주며, 바닥의 배출구를 통해 누적된 미생물을 주기적으로 반응기 밖으로 내 보낸다.

역세 과정은 압축공기로써 반응기 바닥으로 부터 공기를 공급함으로써 실시되며, 이때에 반응기내의 플라스틱 담체는 혼합되면서 미생물을 담체에서 이탈시키게 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

1000mg-N/L의 고농도 질소 폐수를 도 2에 나타난 복층구조의 미생물막 반응기를 이용하여 다음과 같이 처리하였다.

우선, 본 실시예에서 사용된 미생물막 반응기는 원통형으로 복층구조를 하고 있으며, 직경대비 높이의 비율(H/D)은 약 4.0으로 유입수가 미생물막 반응기안에서 2시간동안 체류를 하게 설계되어 있다.

상기 미생물막 반응기에 사용된 플라스틱 담체는 폴리프로피렌으로 만들어졌으며, 5/8인치의 직경의 폴링으로서 공극율은 0.9kg/m³을 가지고 있다.

먼저, 상기 고농도 질소 폐수의 pH를 미생물 성장에 적절한 pH 범위인 7.4로 유지하고 탈질반응으로 인한 급격한 pH증가를 완충하기 위해 상기 유입 폐수에 탄산 수소나트륨과 염산을 투입하여 폐수중의 각각의 농도가 5g/L 와 170 mg/L로 유지되도록 하였다.

다음에, 고농도 질소폐수를 효율적으로 처리하기 위하여 고농도 질소폐수에 메탄올을 C/N=3.1비율로 공급하였다.

다음에, 상기와 같이 메탄올이 공급된 고농도 질소폐수를 상기 복층구조의 미생물막 반응기에 도입시켜 2시간동안 체류시킨 다음, 배출되도록 하였다.

상기 복식구조의 미생물막 반응기내의 미생물 농도는 0.4∼0.5g/ring으로 유지하였다. 과다 성장한 미생물의 탈착방법은 20psi의 압축공기를 10-20초 간격으로 상단부터 부여하여 먼저 탈착시킨 후, 하단을 탈착시키는 방식으로 미생물막 반응기내의 미생물 농도를 유지시켰다.

상기 미생물막 충진 반응기를 거친 처리수는 최종 pH가 9.2이하가 되도록 하였다.

상기와 같이 처리된 폐수중의 질소이온농도를 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 질소이온 함유 폐수를 처리하는 경우 질소 처리 효율은 유입수 농도 대비 약 80%정도 됨을 알 수 있으며, 특히, 주기적인 공기 탈착 방법(미생물 탈착방법)으로 인하여 지속적인 처리효과를 나타내고 있슴을 알 수 있다.

실시예 2

처리되는 폐수중의 질소이온농도가 750mg-N/L이고, 미생물막 반응기가 1단의 미생물막 반응기이고, 그 직경 대비 높이의 비율이 약 3.6인 원통형 반응기인점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 폐수를 처리하였다.

상기와 같이 처리된 폐수중의 질소이온의 농도를 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5에 나타난 바와 같이, 유입 질소 농도 대비 처리수의 농도를 비교하면, 본 발명에 따라 질소이온 함유 폐수를 처리하는 경우, 약 90%의 제거효율이 얻어지고, 또한 지속적인 효과를 나타내고 있슴을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 폐수중의 고농도 질산성 질소이온을 보다 높은 효율로, 그리고 보다 경제적으로 처리할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 고농도 질산성 질소 폐수를 처리하는 방법에 있어서,

   고농도 질산성 질소 폐수폐수에 탄소원을 공급하는 단계; 및

   내부에 폴링(pall ring)형 담체가 구비되고 이 담체에 미생물이 부착되어 있는 고착식 미생물막 반응기내로 탄소원이 공급된 폐수를 통과시켜 폐수중의 질산성 질소 이온을 제거하는 단계를 포함하여 구성되는 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법
2. 제1항에 있어서, 미생물막 반응기내의 미생물 농도가 0.2∼0.5g/ring으로 유지되는 것을 특징으로 하는 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법
3. 제2항에 있어서, 처리하고자하는 폐수중의 질소 이온 농도가 1000ppm이상이고, 그리고 미생물막 반응기내의 미생물 농도가 0.4∼0.5g/ring으로 유지되는 것을 특징으로 하는 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법
4. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 미생물막 반응기가 다수의 미생물막 반응기가 상하로 배열되어 있는 복층구조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 미생물막 반응기를 이용한 고농도 질산성 질소 폐수의 처리방법