KR20060043557A - 질소제거 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

암모니아(NH4)와 아질산(NO2)의 비율조정, 혐기성 암모니아 산화법에 있어서의 BOD 성분에 의한 저해 및 혐기성 암모니아 산화법에 의한 처리수 중에 잔류하는 질산이라는 과제를 동시에 해결할 수 있는 동시에 혐기성 암모니아 산화법의 성능을 향상시킬 수 있으며, 더욱이 장치를 대형화하는 일도 없다.
BOD 성분을 함유한 암모니아성 폐수를 분배기(12)로 소정의 분배비로 2개로 분배하고 분배된 한쪽의 폐수중의 암모니아를 질산조(14)에 있어서 아질산으로 질화하여 제1처리수를 형성한다. 한편, 분배된 다른쪽 폐수를 탈질조(16)에 있어서 탈질세균으로 탈질처리하여 제2처리수를 형성한다. 그리고 제1처리수에 제2처리수를 합류시켜서 혐기성 암모니아 산화조(18)에 송수하는 동시에 혐기성 암모니아 산화조(18)에서 처리된 제3처리수를 탈질조(16)에 순환한다.
질소제거, 암모니아성 폐수

Description

질소제거 방법 및 장치{Method and apparatus for removing nitrogen}
도 1은 본 발명의 질소제거장치의 전체구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 질소제거장치의 분배기와 질화조를 접속한 제1배관의 도중에 BOD 산화조를 설치한 개념도이다.
도 3은 도 2의 질소제거장치의 제3배관과 제4배관의 합류위치에 혼합수단을 설치한 개념도이다.
도 4는 도 1의 질소제거장치에 제3의 처리수를 혐기성 암모니아 산화조의 입구로 되돌리는 복귀라인을 설치한 개념도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 질소제거장치 12 분배기
14 질화조 16 탈질조
18 혐기성 암모니아 산화조 20 원수배관
22 원수펌프 24 제1배관
26 제2배관 28 제3배관
30 제4배관 32 처리수배관
34 분류기 36 제5배관
38 순환펌프 40 BOD산화조
42 혼합수단 44 복귀배관
46 복귀펌프
본 발명은 질소제거방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 폐수 중에 BOD 성분이 함유된 암모니아성 폐수로부터 암모니아성 질소를 혐기성 암모니아 산화법에 의하여 제거하는 질소제거방법 및 장치에 관한 것이다.
하수나 산업폐수에 함유된 질소성분은 호소(湖沼)의 부영양화의 원인이 되는 것, 하천의 용존산소의 저하원인이 되는 것 등의 이유에서 질소성분을 제거할 필요가 있다. 하수나 산업폐수에 함유된 질소성분은 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 유기성 질소가 주된 질소 성분이다.
종래 이 종류의 폐수는 질소 농도가 저농도이면 이온교환법으로의 제거나 염소 오존에 의한 산화도 사용되고 있으나 중고농도의 경우에는 생물처리가 채용되고 있으며, 일반적으로는 다음 조건으로 운전되고 있다.
생물처리에서는 호기질화와 혐기탈질에 의한 질화·탈질처리가 이루어지고 있으며, 호기질화에서는 암모니아 세균(Nitrosomona, Nitroococcus, Nitroopira, Nitrosolobus 등)과 아질산산화세균(Nitrobactor, Nitrospin, Nitrococcus, Nitropira 등)에 의한 암모니아 질소나 아질산성 질소의 산화가 이루어지는 한편 혐기탈질에서는 종속영양세균(Pseudomonas denitrificans 등)에 의한 탈질이 이루어진다.
또한, 호기질화를 실시하는 질화조는 부하 0.2 ~ 0.3㎏-N/m3/day의 범위에서 운전되며, 혐기탈질의 탈질조는 부하 0.2 ~ 0.4㎏-N/m3/day의 범위에서 운전된다. 하수의 총질소농도 30 ~ 40㎎/L을 처리하는 데는 질화조에서 6 ~ 8시간의 체류시간, 탈질조에서 5 ~ 8시간이 필요하며 대규모의 처리조가 필요했었다. 또한, 무기질만을 함유한 산업폐수에서는 질화조나 탈질조는 앞과 같은 부하로 설계되지만 탈질에 유기물이 필요하며, 질소농도의 3 ~ 4배 농도의 메탄올을 첨가하고 있었다. 이로 인하여 이니셜코스트뿐만이 아니라 다대한 러닝 코스트를 필요로 하는 문제도 있다.
이에 대하여, 최근 혐기성 암모니아 산화법에 의한 질소제거방법이 주목되고 있다.(예를 들면, 특허문헌 1) 이 혐기성 암모니아 산화법은 암모니아를 수소공여체로하고 아질산을 수소수용체로 하여 혐기성 암모니아 산화세균에 의하여 암모니아와 아질산을 다음 반응식에 의하여 동시 탈질하는 방법이다.
(화학식 1)
1.0NH4 + 1.32NO2 + 0.066HCO3 + 0.13H+→1.02N2+0.26NO3+0.066CH2 00.5 N0.15 +2.03H2.O
이 방법에 의하면 암모니아를 수소공여체로 하기 위하여 탈질에서 사용하는 메탄올 등의 사용량을 대폭적으로 삭감할 수 있는 것 또는 오니의 발생량을 삭감할 수 있는 등의 메리트가 있으며 앞으로의 질소제거방법으로서 유효한 방법이라고 생각된다.
[특허문헌1]일본특허공개 제2001-37467호 공보
그러나, 혐기성 암모니아 산화법을 이용한 질소제거장치를 실제 장치로 하여 실현화하기 위하여는 다음과 같은 해결해야 할 과제가 있다.
(1) 암모니아(NH4)와 아질산(NO2)의 비율조정(이하, 제1과제라 함)
혐기성 암모니아 산화법은 폐수중의 암모니아의 일부를 아질산으로 산화하고 암모니아와 아질산을 혐기성 산화세균에 의하여 동시 탈질하는 방법이다. 따라서 효율적인 혐기성 암모니아 산화를 하기 위하여는 상기 반응식에서 알 수 있는 바와 같이 암모니아와 아질산을 1:1.32에 가까워지도록 조정할 필요가 있으나 이 비율에 정밀도 높게 제어하는 것이 어렵다. 예를 들면, 폐수전량을 처리할 때의 질화율을 제어함으로서 암모니아와 아질산의 비율을 조정하는 방법도 제안되고 있으나, 폐수의 농도 변동 등에 의하여 질화율이 크게 변동할 가능성이 있어서 어렵다.
(2) 혐기성 암모니아 산화법에 의한 BOD 성분에 의한 저해(이하, 제2과제라 함)
혐기성 암모니아 산화법은 BOD 성분에 의한 저해에 의하여 효율이 저하되는 것이 알려져 있다. 즉, BOD 성분의 존재는 혐기성 암모니아 산화반응이 아니고, 통상의 탈질반응을 발생시켜 버리는 동시에 혐기성 암모니아 산화를 담당할 혐기성 암모니아 산화세균의 증식을 저해한다는 문제가 있다.
(3) 혐기성 암모니아 산화법에 의한 처리수 중에 잔류하는 질산(이하, 제3과제라 함) 상기 반응식에서 알 수 있는 바와 같이 혐기성 암모니아 산화법에서는 암모니아 1몰에 대하여 0.26몰의 질산(NO3)이 생성되고 이 질산이 처리수에 잔류한다. 따라서, 혐기성 암모니아 산화조의 후단에 질산을 제거하는 후처리장치가 필요하지만 그것을 위한 장치를 별도로 설치하면 질소제거장치 전체가 대형화되어 버리는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 상기 제1의 과제부 터 제3의 과제를 동시에 해결할 수 있는 동시에 혐기성 암모니아 산화법의 성능을 향상시킬 수가 있으며, 또한, 장치를 대형화하는 일도 없는 질소제거방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 청구항 1은 상기 목적을 달성하기 위하여 BOD 성분을 함유한 암모니아성 폐수에서 암모니아성 질소를 혐기성 암모니아 산화법에 의하여 제거하는 질소제거방법에 있어서 상기 폐수를 소정의 분배비로 둘로 분배하여 분배된 한쪽의 폐수 중의 암모니아를 질화조에서 암모니아 세균에 의하여 아질산으로 질화한 제1처리수에 상기 분배된 다른쪽 폐수를 탈질조에서 탈질세균에 의하여 탈질처리한 제2처리수를 합류하고 이 합류수를 혐기성 암모니아 산화조에 송수하여 혐기성 암모니아 세균에 의하여 암모니아와 아질산을 동시에 탈질하는 동시에 이 혐기성 암모니아 산화조에서 처리된 제3의 처리수를 상기 탈질조에 순환하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 청구항 2는 상기 목적을 달성하기 위하여 BOD 성분이 함유된 암모니아성 폐수에서 암모니아 질소를 혐기성 암모니아 산화법에 의하여 제거하는 질소제거장치에 있어서 상기 폐수를 둘로 분배하는 분배기와 상기 분배된 한쪽의 폐수 중의 암모니아를 암모니아 세균으로 아질산으로 질화처리하는 아질산형의 질화조와 상기 분배된 다른쪽의 폐수를 탈질세균으로 탈질처리하는 탈질조와 상기 질화조로부터의 제1처리수와 상기 탈질조로부터의 제2처리수를 합류시켜서 이 합류수를 혐기성 암모니아 세균에 의하여 혐기성 암모니아 산화를 실시하는 혐기성 암모니아 산화조와 상기 혐기성 암모니아 산화조에서 처리된 제3처리수를 상기 탈질조에 순환하는 순환라인을 구비한 것을 특징으로 한다.
여기서, 암모니아 폐수란, 질소 성분으로서 암모니아를 주성분으로 하는 폐수를 말하며, 이하 마찬가지이다.
본 발명에 의하면 BOD 성분을 함유하는 암모니아 폐수를 분배기로 소정의 분배비로 둘로 분배하여 분배된 한쪽의 폐수중의 암모니아의 거의 전량을 아질산형 질화조에 있어서 아질산에 질화하여 제1처리수를 형성한다. 한편, 분배된 다른쪽 폐수를 탈질조에 있어서 탈질세균으로 탈질처리하여 제2처리수를 형성한다. 그리고 제1처리수에 제2처리수를 합류시켜서 혐기성 암모니아 산화조에 송수하도록 하였다. 이와 같이 폐수의 분배비를 제어함으로써 간단하게 합류수의 암모니아와 아질산과의 비를 조정할 수 있으므로 종래와 같이 질화조에서의 질화율을 제어하지 않아도 혐기성 암모니아 산화법에 적합한 암모니아와 아질산의 비율조정을 정밀도 높게 실시할 수 있다. 따라서, 미리 혐기성 암모니아 산화법에 적합한 암모니아와 아질산의 비율이 되도록 분배기에 있어서 소정의 분배비를 설정하면 된다.
또한, 탈질조에는 분배기에서 분배된 다른쪽 폐수에 함유된 BOD 성분이 유입 하는 한편, 혐기성 암모니아 산화조에서 순환라인을 통하여 제3처리수에 함유하는 질산이 유입된다. 따라서, 탈질조 내에서는 탈질세균에 의하여 BOD 성분을 수소공여체로 한 탈질반응이 일어남으로 혐기성 암모니아 산화조에 유입하는 제2처리수 중의 BOD 성분의 저감과 제3처리수에 함유되는 질산의 저감을 동시에 실시할 수 있다. 또한, 질화조에서는 호기산화되어 BOD 성분도 제거됨으로 제1처리수중의 BOD 성분은 저감되어 있다.
또는 질화조에서 호기산화를 하기 위한 산소(또는 공기)의 폭기에 의하여 제1처리수에는 용존산소(이하, DO라 함)가 존재하고 있으나, 탈질조로부터의 DO가 없는 제2처리수를 합류시킴으로써 DO가 희석된다. 이로써 혐기성 암모니아 산화조에 저 DO 및 저 BOD 성분의 합류수를 송수할 수 있으므로 혐기성 암모니아 산화조에서의 처리성능을 향상시킬 수가 있다.
이로써, 본 발명은 상기 제1의 과제로부터 제3의 과제를 동시에 해결할 수 있는 동시에 혐기성 암모니아 산화법의 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한, 장치구성을 시스테믹하게 구성하였으므로 장치가 대형화 하는 일도 없다. 본 발명은 특히 폐수중의 BOD 성분 농도가 40㎎/L 이상 있는 경우에 유효하다.
청구항 3은 청구항 2에 있어서 상기 분배기와 상기 질화조와의 사이에 BOD 산화조를 설치한 것을 특징으로 한다. 이로써 질화조에 대한 BOD 저해에 의하여 질 화성능이 저하하는 것을 예방한다. 또한, 제1처리수 중의 BOD 성분이 한층 적어짐으로 혐기성 암모니아 산화조에 유입하는 BOD 성분을 더욱 저감시킬 수 있다. 특히, 폐수중의 BOD 성분 농도가 100㎎/L 이상인 경우에 유효하다.
청구항 4는 청구항 2 또는 3에 있어서 상기 제1의 처리수와 상기 제2의 처리수를 혼합하는 혼합수단을 상기 혐기성 암모니아 산화조의 전단에 설치한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 혐기성 암모니아 산화조의 전단에 제1처리수와 제2처리수를 혼합하는 혼합수단을 설치함으로써 고농도의 아질산이 혐기성 암모니아 산화조에 유입하는 것을 방지한다. 이것은 혐기성 암모니아 세균은 아질산성 질소농도가 200㎎/L을 초과하면 활성이 저해되고 질소 제거성능이 저하되기 때문이다. 따라서 합류수중의 아질산성 질소농도는 200㎎/L이하가 바람직하다. 청구항 5는 청구항 2 내지 4의 어느 한 항에 있어서 상기 제3의 처리수를 상기 혐기성 암모니아 산화조의 입구로 되돌리는 복귀라인을 설치한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 혐기성 암모니아 산화조에서 처리되어 아질산성 질소농도가 저감된 제3의 처리수를 혐기성 암모니아 산화조의 입구로 복귀시킴으로써 합류수의 아질산성 질소농도를 희석시킬 수 있다. 이로서 합류수의 아질산성 질소농도가 과도하게 높아지지 않도록 할 수가 있다.
이하, 첨부도면을 따라 본 발명에 관한 본 발명의 질소제거방법 및 장치에 있어서의 바람직한 실시형태에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 질소 제거장치 의 전체구성을 설명하는 개념도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 질소제거장치(10)는 주로 분배기(12)와 아질산형 질화조(14)와 탈질조(16)와 혐기성 암모니아 산화조(18)를 장치(10)가 대형화하지 않도록 시스테믹하게 배관으로 접속함으로써 구성된다.
원수배관(20)을 흐르는 암모니아 폐수는 원수 펌프(22)에 의하여 분배기(12)에 송수되어 분배기(12)에서 소정의 분배비로 둘로 분배된다(굳이 원수 펌프(22)는 필요로 하지 않는다). 분배된 한쪽의 폐수는 제1배관(24)를 통하여 아질산형 질화조(14)에 송수되고 분배된 다른쪽 폐수는 제2배관(26)을 통하여 탈질조(16)로 송수된다. 질화조(14)에서 처리된 제1처리수는 제3배관(28)을 통하여 혐기성 암모니아 산화조(18)에 송수되는 동시에 탈질조(16)에서 처리된 제2처리수는 제4배관(30)을 통하여 제3배관(28)의 도중에 합류한다. 혐기성 암모니아 산화조(18)에서 처리된 제3처리수의 일부는 처리수 배관(32)을 통하여 계외로 배출되는 동시에 제3처리수의 나머지는 처리수 배관(32)의 도중에 설치된 분류기(34)에 의하여 분류되어 제5배관(36)을 통하여 탈질조로 순환된다. 제5배관(36)에는 순환펌프(38)가 설치되고 처리수배관(32), 분류기(34), 제5배관(36) 및 순환펌프(38)에 의하여 순환라인이 형성된다.
분배기(12)에 의한 소정의 분배비는 혐기성 암모니아 산화조(18)의 입구의 암모니아와 아질산과의 몰비를 1:1.3 부근으로 조정하는 것이 바람직하다. 분배하는 비율로서는 제1배관(24)의 수량을 A로하고, 제2배관(26)의 수량을 B로 하였을 때에 A/(A+B)가 50% ~ 75%의 범위가 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 55% ~ 70%의 범위이다.
아질산형 질화조(14)에는 제1배관(24)에 의하여 분배기(12)에서 분배된 한쪽의 폐수가 유입하고 이 한쪽의 폐수 중에 함유된 암모니아의 전부가 암모니아 세균에 의하여 아질산으로 산화된다. 산화조에는 암모니아 세균을 고정화한 고정화 담체 또는 접촉여과제를 충전하는 것이 바람직하다. 고정화한 암모니아 세균은 활성오니(汚泥) 등의 미생물에서 분리한 것이라도, 암모니아 세균을 우선 번식한 미생물군을 함유한 활성오니(汚泥)라도 좋다. 이 경우, 고정화 담체는 암모니아 세균을 담체내부에 포괄고정화한 포괄고정화담체 또는 담체표면에 부착고정한 부착고정화담체 중 어떤 것이라도 좋다.
고정화담체의 고정화 재료로는 폴리비닐알콜과 알긴산, 폴리에틸렌글리콜계의 겔과 셀룰로오스, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 염화비닐 등 플라스틱 담체 등을 사용하는 것이 가능하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 고정화담체의 형상에 대해서는 구형, 원통형, 입방형, 다공상(狀), 허니컴상(狀), 스폰지상(狀) 등의 성형을 수행한 것을 바람직하게 사용할 수 있다. 접촉재에 대해서는 염화비닐제의 것과 폴리에틸렌제의 것을 바람직하게 사용할 수 있다. 또, 미생물의 자체조립(造粒) 을 이용한 그래뉼에도 본 발명을 적용할 수 있다.
예를 들면, 아질산형의 포괄고정화 담체를 제조함에는 암모니아 세균과 아질산산화세균 등을 포함하는 복합미생물오니(汚泥)를 포괄고정화한 포괄고정화 담체를 가열처리하여, 복합미생물오니(汚泥) 중의 아질산산화세균의 활성을 잃게 하는 방법이 있다. 이 경우 가열처리온도는 50℃ ~ 90℃가 바람직하고, 보다 바람직하게는 60℃ ~ 80℃의 범위이다. 또, 가열처리시간은 20분 ~ 1주간이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20분 ~ 24시간이다. 그 외, 질화조(14)내의 고정화담체와 활성오니(汚泥)의 아질산산화활성을 억제하는 방법으로는 질화조(14)내의 용존산소(DO)를 2.0mg/L이하로 제어하는 방법과 질화조(14)내의 암모니아 부하(負荷)를 1.0kg-N/m3 /day 이상과 같은 고부하로 하는 방법 등이 있지만, 이들에 한정되지는 않는다.
질화조(14)에의 고정화담체의 충진율로는 용적%로 5% ~ 40%가 바람직하고, 보다 바람직한 충진율은 8%에서 20%이다. 한편, 질화조(14)의 접촉재의 충진율에 대해서는 외관용적으로 30% ~ 80%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 40% ~ 70%이다. 그래뉼의 충진율은 용적%로 20% ~ 80%가 바람직하고, 30% ~ 60%가 보다 바람직하다.
탈질조(16)에는 제2배관(26)으로부터 암모니아와 BOD성분을 함유한 폐수가 유입하는 것과 함께, 혐기성 암모니아 산화조(18)로부터 순환라인을 통하여 질산을 함유한 제3의 처리수가 유입된다. 이들 폐수 및 제3처리수가 탈질조(16)내에서 혼합되는 것에 의해 탈질조(16)내의 탈질균은 BOD성분을 수소공여체로 질산을 질소가스로 탈질한 탈질반응을 수행한다. 이것에 의해 탈질조(16)에 있어서 폐수중 BOD성분과 혐기성 암모니아산화조(18)의 처리에서 잔존한 질산, 양쪽을 동시에 제거하는 것이 가능하게 된다. 필요에 따라 탈질조(16)에 메탄올 등의 유기성 수소공여체를 첨가하여도 좋지만, 탈질조(16)에서는 폐수중의 BOD성분을 저감하는 것을 우선하며, 탈질조(16)로부터의 제2처리수 중의 BOD성분농도가 60mg/L이하, 바람직하게는 40mg/L이하로 하는 것이 바람직하다.
이 탈질조(16)내에도 앞서 기재한 질화조(14)의 경우와 같이 고정화담체 또는 접촉재를 충진하는 것이 바람직하다. 단, 탈질조(16)의 경우는 탈질세균을 고정화한 고정화담체 또는 접촉재이며, 고정화담체는 포괄고정화담체라도 부착고정화담체라도 좋다. 고정화한 탈질세균은 활성오니(汚泥) 등의 미생물에서 분리한 것이라도, 탈질세균을 우선 번식한 미생물군을 함유한 활성오니(汚泥)라도 좋다. 또한, 고정화담체의 재료와 형상, 접촉재의 재료 및 고정화담체 또는 접촉재의 탈질조(16)에의 충진율은 질화조(14)에서 설명한 것과 같으므로 생략한다. 또 이 탈질조(16)의 경우 아질산성질소(NO2-N)과 질산성질소(NO3-N)의 총화(總和)(NOX-N)을 기인(起因)으로 하는 질소부하는 특별히 한정은 하지 않지만, 바람직하게는 0.1 ~ 0.8kg-N/m3/day의 범위이고, 보다 바람직하게는 0.2 ~ 0.6kg-N/m3/day의 범위이다.
혐기성 암모니아 산화조(18)에는 질화조(14)에서의 제1처리수와 탈질조(16)에서의 제2처리수가 합류한 합류수가 유입된다. 그리고 혐기성 암모니아 산화조(18)내의 혐기성 암모니아 세균에 의해 합류수 중에 포함되는 암모니아와 아질산이 동시에 탈질된다. 이 경우 상기의 질산이 암모니아 1몰에 대해 0.26몰 생성된다. 본 발명에서는 제1처리수와 제2처리수를 합류한 합류수를 혐기성 암모니아 산화조(18)에 유입시키는 것이 중요하고, 제1처리수를 탈질조(16)에 유입시켜서는 안 된다. 그 이유는 제1처리수를 탈질조(16)에 유입시키면, 질화조(14)에 있어서 생성한 아질산이 폐수중에 포함된 BOD성분에 의해 탈질되고, 후단의 혐기성 암모니아 산화조(18)에 공급되는 아질산이 감소하여 혐기성 암모니아 산화조(18)의 반응에 필요한 아질산이 부족하게 되기 때문이다. 그 결과 혐기성 암모니아 산화조(18)에서의 제3처리수 중의 암모니아성 질소 농도가 증가하고 질소제거효율이 현저히 저하한다.
혐기성 암모니아 산화세균은 그 상세한 것은 불명이지만, 플랑크토마이세트(Planctomycete)를 대표로하는 균 무리라고 말하여진다. 그리고 이 혐기성 암모니아 산화세균은 증식속도가 0.001 h-1이라는 상당히 늦다고 보고되어 있어 (예를 들면, Strous, M et al. :Nature 400, 446(1999) 참조), 혐기성 암모니아 산화세균을 고정화한 고정화담체와 접촉재를 혐기성암모니아 산화조(18)내에 충진하는 것이 바람직하다. 또한, 고정화한 혐기성 암모니아 산화세균은 활성오니(汚泥) 등의 미생물에서 집체배양한 것이라도, 혐기성 암모니아 산화세균을 함유한 활성오니(汚泥)라도 좋다. 고정화담체의 재료와 형상은 질화조(14)에서 설명한 것과 같아서 설명은 생략한다. 또, 고정화방법으로는 특별히 한정하지 않지만, 부직포와 플라스틱 등의 부착고정화재료에 부착고정하는 방법, 겔 재료내에 포괄고정하는 방법, 플라스틱 담체에 생물막을 형성시켜 고정화하는 방법과 그래뉼로 사용하는 방법이 있다. 고정화담체의 충진율로는 용적%로 10% ~ 40%가 바람직하고, 보다 바람직한 충진율은 15%에서 30%이다. 부직포의 충진율에 대해서는 외관충진율로 40% ~ 90%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 50% ~ 80%이다. 접촉재의 충진율로는 외관충진율로 30% ~ 80%가 바람직하고, 보다 바람직하게는 40% ~ 70%이다. 그래뉼 충진율은 용적%로 20% ~ 80%가 바람직하고, 30% ~ 60%가 보다 바람직하다.
도 2의 질소제거장치(10)는 도 1에 나타낸 질소제거장치(10)의 분배기(12)와 질화조(14)를 접속하는 제1배관(24)의 도중에 BOD 산화조(40)을 설치한 경우이다. 또한, 도 1과 같은 장치, 부재는 같은 부호를 부가하여 설명하는 동시에 동일한 설명은 생략한다.
이와 같이 분배기(12)와 질화조(14)를 접속하는 제1배관(24)의 도중에 BOD 산화조(40)을 설치한 것에 의해 질화조(14)에 BOD 성분이 유입하는 것에 의한 암모 니아 세균의 활성저하를 방지한다. 이에 의해 암모니아에서 아질산으로의 변환효율을 높일 수 있는 것이 가능하므로, 분배기(12)로 분배된 한 쪽의 폐수중에 함유된 암모니아의 거의 전체를 아질산으로 산화한다. 단, BOD 산화조(40)은 분배기(12)의 뒤에 설치하는 것이 바람직하다. 이는 BOD 성분의 산화와 동시에 암모니아의 일부가 질화되어 아질산과 질산이 생성되는 것이 있고, 이 경우에는 폐수중의 암모니아, 아질산, 질산의 질소성분 비율이 변화되어 버려, 분배기(12)에서 암모니아와 아질산의 비율조정을 잘 제어하는 것이 어렵게 되기 때문이다. 이 BOD 산화조(40)에는 혐기성 암모니아 산화조(18)과 같은 미생물을 부착고정화하는 수단을 설치해 놓는 것이 바람직하다. 고정화 방법으로는 특별히 한정은 하지 않으나, 부직포와 플라스틱 등의 부착고정화 재료에 고정화하는 방법, 겔 재료 내에 포괄고정하는 방법, 플라스틱 담체에 생물막을 형성시켜 고정화하는 방법을 호적으로 사용할 수 있다. 또한, 고정화담체, 부직포, 접촉재 각각의 충진율에 대해서는 앞서 설명한 혐기성 암모니아 산화조(18)의 경우와 같다.
도 3의 질소제거장치(10)는 도 2의 질소제거장치(10)의 제3배관(28)과 제4배관(30)의 합류위치에 혼합수단(42)을 설치한 경우이다. 또한 도 1 및 도 2와 같은 장치, 부재는 같은 부호를 붙여 설명하는 것과 동시에 동일한 설명은 생략한다.
혼합수단(42)으로는 예를 들면, 교반기를 갖춘 혼합조와 라인믹서를 호적으로 사용할 수 있다. 또, 혼합수단(42)에는 혼합시에 산소(공기)의 용해를 방지할 필요가 있어, 밀폐용기내에서 수행하는 것 또는 산소농도가 낮은 가스 등을 폭기하면서 교반하는 것이 바람직하다. 이와 같은 제3배관(28)과 제4배관(30)의 합류위치에 혼합수단(42)를 설치한 것에 의해 아질산을 함유하는 제1처리수와 암모니아를 함유하는 제2처리수가 혼합되어 아질산농도가 균일화되므로, 고농도의 아질산이 혐기성 암모니아산화조(18)에 유입하는 것을 방지할 수 있다. 이는 고농도 아질산이 직접 혐기성암모니아산화조(18)에 유입하면, 혐기성 암모니아 산화조(18)내에서 국소적으로 아질산성 질소농도가 높게 되어, 혐기성 암모니아산화 반응을 담당하는 혐기성 암모니아 세균의 활성이 저하되거나, 잃는 경우가 있기 때문이다. 특히 질화조(14)부터의 제1처리수 중의 아질산성 질소농도가 310mg/L를 넘는 경우에는 혼합수단(42)이 필요하고, 200mg/L를 넘는 경우에는 혼합수단(42)을 설치하는 것이 바람직하다.
도 4의 질소제거장치(10)는 도 1의 질소제거장치(10)에 제3처리수를 혐기성 암모니아산화조(18)의 입구로 되돌리는 복귀배관(44)을 설치하는 한편, 복귀배관(44)에 복귀펌프(46)을 설치한 경우이다. 이 복귀배관(44)와 복귀펌프(46)로 복귀라인이 형성된다. 또한, 도 1, 도 2 및 도 3과 같은 장치, 부재는 같은 부호를 붙여 설명하는 동시에, 동일한 설명은 생략한다.
이와 같이 제3처리수를 혐기성 암모니아 산화조(18)의 입구로 되돌리는 복귀라인을 설치하는 것에 의해 혐기성 암모니아 산화조(18)에서 처리된 아질산성 질화 농도가 저감한 제3처리수를 혐기성 암모니아 산화조(18)의 입구에 되돌리는 것이 되므로 합류수의 아질산성 질소농도를 희석하는 것이 가능하다. 특히, 제1처리수 중의 아질산성 질소농도가 200mg/L를 넘는 경우에는 이 복귀라인을 설치하는 것이 바람직하고, 아질산성 질소농도가 310mg/L를 넘는 경우에는 앞서 기재한 혼합기(42)와 복귀라인은 병용하는 것이 바람직하다.
더욱이, 도 1 ~ 도 4에서는 분배기(12), 질화조(14), 탈질조(16), 혐기성 암모니아산화조(18), 순환라인을 기본구성(도 1)로 하여, 이 기본 구성에 BOD 산화조(40)을 설치한 경우(도 2), BOD 산화조(40)과 혼합수단(42)를 설치한 경우(도 3) 및 복귀라인을 설치한 경우(도 4)로 설명하였으나, 기본구성에 BOD 산화조(40), 혼합수단(42) 및 복귀라인 전체를 갖춘 것과 같이 하여도 좋다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명을 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1에 나타낸 본 발명의 질소제거장치(10)을 이용하여 폐수처리시험을 하였다.
(공식폐수)
시험에 사용된 폐수는 하수오니(汚泥)의 소화탈리액(消化脫離液)의 희석 폐수를 사용하고, 암모니아성 질소 농도(NH4-N)가 300mg/L로 되도록 NH4-N 원료로서 유산 암모니아를 첨가하여, 암모니아성 질소농도를 조정했다. 또한, 조정한 폐수의 BOD성분 농도는 18mg/L 이며, 아질산(NO2)농도 및 질산(NO3)농도는 5mg/L이하 이었다.
(처리조건)
ㆍ분배기(12)의 분배비율은 제1배관(24) : 제2배관(26) = 65 : 35로 하였다.
ㆍ각 조(14, 16, 18)의 용적부하에 대해서는 폐수농도(NH4-N) = 300mg/L로 부터 결정하고, 질화조(14)의 용적부하는 0.6kg-N/m3/day로 하였다. 또, 질화조(14)에는 포괄고정화담체를 60℃에서 1시간 가열처리한 것을 충진율 15용적%가 되도록 충진했다.
ㆍ탈질조(16)의 경우 아질산성 질소(NO2-N)와 질산성 질소(NO3-N)의 총화(總和)(NOX-N)에 기인하는 질소부하는 0.3kg-N/m3/day로 하였다. 또한, 탈질조(16)에는 염화비닐제의 접촉재를 외관충진율로 60%가 되도록 충진하였다. 이 접촉재의 공극율은 98%이상이다.
ㆍ혐기성 암모니아 산화조(18)의 질소부하는 3.0kg-N/m3/day로 하였다. 또한 혐기성 암모니아 산화조(18)에는 혐기성 암모니아 세균이 부착된 부직포를 외형충진율로 80%가 되도록 충진했다. 이 부직포는 개(開)구경 510μm의 것을 국화모양으로 자른 것이며, 공극율을 99%이상이다.
ㆍ제3처리수를 탈질조(16)에 순환한 순환수량은 원수(原水)배관(20)에서의 폐수(원수) 유속에 대해서 등량순환하였다.
ㆍ운전은 약 2개월의 순양기간을 하여 처리수배관(32)에서 배출된 최종처리수의 수질이 안정된 후, 본 운전을 2개월간 하여 시험 데이터로 하였다.
비교예 1
실시예 1의 질소제거장치에 탈질조(16)을 설치하지 않은 이외는 실시예 1과 같은 운전조건으로 수행하였다.
실시예 1과 비교예 1과의 최종처리수의 수질을 표 1에 나타내었다. ( )내는 평균치이다.
NH4-N(mg/L) NO3-N(mg/L) NO2-N(mg/L)
실시예 1 20 ~ 26 (24) 31 ~ 38 (35) 5이하
비교예 1 41 ~ 58 (48) 57 ~ 67 (61) 5이하
표 1에서 알 수 있는 것과 같이, 실시예 1은 비교예 1에 비해 최종처리수에 잔존하는 암모니아성 질소농도는 약 절반이어서 혐기성 암모니아 산화조(18)에서의 질소제거효율을 향상시킨 것이 가능하였다. 실시예 1과 비교예 1에서는 혐기성 암모니아 산화조(18)의 전단의 질화조(14)에서의 조건이 같음에도 불구하고 혐기성 암모니아 산화조(18)에서의 반응속도가 저하한 것으로부터 탈질조(16)의 유무에 의해 혐기성 암모니아 산화조(18)에 유입하는 BOD성분 농도가 혐기성 암모니아 산화조(18)의 반응 속도에 영향을 미친 것으로 생각된다.
실시예 2
도 2에 나타낸 본 발명의 질소제거장치(10)를 이용하여 폐수처리시험을 하였다.
(공식폐수)
시험에 사용된 폐수는 하수오니(汚泥)의 소화탈리액(消化脫離液)의 희석폐수를 사용하고, 암모니아성 질소농도(NH4-N)가 300mg/L, BOD 성분농도가 200mg/L로 되도록 NH4-N 원료로서 유산 암모니아를 첨가하고, BOD 성분 원료로 메탄올을 첨가하여 암모니아성 질소농도 및 BOD 성분농도를 조정했다. 또한 조정한 폐수의 아질산(NO2)농도 및 질산(NO3)농도는 5mg/L이하이었다.
(처리조건)
ㆍ분배기(12)의 분배비율은 제1배관(24) : 제2배관(26) = 65 : 35로 하였다.
ㆍ각 조(14, 16, 18)의 용적부하에 대해서는 폐수농도(NH4-N) = 300mg/L으로부터 결정하고, 질화조(14)의 용적부하는 0.6kg-N/m3/day로 하였다. 또, 질화조(14)에는 포괄고정화담체를 60℃에서 1시간 가열처리한 것을 충진율 15용적%가 되도록 충진했다.
ㆍ탈질조(16)의 경우 아질산성 질소(NO2-N)와 질산성 질소(NO3-N)의 총화(NOX-N)에 기인하는 질소부하는 0.3kg-N/m3/day로 하였다. 또한, 탈질조(16)에는 폴리프로필렌제의 부착고정화담체를 외관충진율로 10%가 되도록 충진하였다. 이 접촉재의 공극율은 98%이상이다.
ㆍ혐기성 암모니아 산화조(18)의 질소부하는 3.0kg-N/m3/day로 하였다. 또한 혐기성 암모니아 산화조(18)에는 혐기성 암모니아 세균이 부착된 부직포를 외형충진율로 80%가 되도록 충진했다. 이 부직포는 개구경 510μm의 것을 국화모양으로 자른 것이며, 공극율을 99%이상이다.
ㆍ제3처리수를 탈질조(16)에 순환한 순환수량은 원수배관(20)에서의 폐수(원수) 유속에 대해서 등량순환하였다.
ㆍ운전은 약 3개월의 순양기간을 하여 처리수배관(32)에서 배출된 최종처리수의 수질이 안정된 후, 본 운전을 2개월간 하여 시험 데이터로 하였다.
비교예 2
실시예 2의 질소제거장치에 탈질조(16) 및 BOD 산화조(40)을 설치하지 않은 이외는 실시예 2와 같은 운전조건으로 수행하였다.
실시예 2과 비교예 2과의 최종처리수의 수질을 표 2에 나타내었다. 괄호안은 평균치이다.
NH4-N(mg/L) NO3-N(mg/L) NO2-N(mg/L)
실시예 2 24 ~ 31 (27) 18 ~ 23 (35) 5이하
비교예 2 질소제거정도의 급격한 저하에 의해 운전정지
표 2에서 알 수 있는 것과 같이, 실시예 2의 폐수는 BOD 성분농도가 제1실시예의 폐수의 10배이상임에도 불구하고, 최종처리수에 잔존하는 암모니아성 질소농도를 실시예 1의 레벨까지 저감(低減)하는 것이 가능하였다. 또한 최종처리수 중에 잔존하는 질산농도는 실시예 1의 경우보다도 저감되었다. 이것은 BOD 성분농도가 높은 폐수에 있어서는 실시예 2의 질소제거장치(10)의 구성을 택하는 것에 의해, 최종처리수의 질소의 잔류를 저감할 수 있는 것과 함께, 혐기성 암모니아 산화조(18)에 있어서의 BOD 성분저해를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다. 혐기성 암모니아 산화조(18)에의 질소제거속도는 약 2.7kg-N/m3/day이었다.
한편, 비교예 2의 경우에는 혐기성 암모니아 산화조(18)의 질소제거성능이 저하하고, 운전개시로부터 2주후에는 혐기성 암모니아 산화조(18)의 질소제거 속도는 0.2kg-N/m3/day까지 저하되었으므로 운전을 중지하였다. 이는 혐기성 암모니아 산화조(18)에 BOD성분이 유입하여서 혐기성 암모니아 산화반응의 저해를 일으켰기 때문으로 생각된다.
실시예 3
도 4에 나타낸 본 발명의 질소제거장치(10)를 사용하여 폐수처리시험을 하였다.
(공식폐수)
실시예 1과 같은 폐수를 사용하였다.
(처리조건)
분배기(12)의 분배비율은 제1배관(24) : 제2배관(26) = 65 : 35로 하였다.
ㆍ각 조(14, 16, 18)의 용적부하에 대해서는 폐수농도(NH4-N) = 300mg/L으로 부터 결정하고, 질화조(14)의 용적부하는 0.6kg-N/m3/day로 하였다. 또, 질화조(14)에는 포괄고정화담체를 60℃에서 1시간 가열처리한 것을 충진율 15용적%가 되도록 충진했다.
ㆍ탈질조(16)의 경우 아질산성 질소(NO2-N)과 질산성 질소(NO3-N)의 총화(NOX-N)에 기인하는 질소부하는 0.2kg-N/m3/day로 하였다. 또한, 탈질조(16)에는 염화비닐제의 접촉재를 외관충진율로 55%가 되도록 충진하였다.
ㆍ혐기성 암모니아 산화조(18)에는 혐기성 암모니아 세균을 부착시킨 폴리프로필렌제의 길이 3mm의 중공상의 담체(擔體)를 외형충진율로 20%가 되도록 충진했다. 또한, 용적부하는 3.0kg-N/m3/day로 하였다.
ㆍ제3처리수를 탈질조(16)에 순환한 순환수량은 원수배관(20)에서의 폐수(원수) 유속에 대해서 등량순환하였다.
ㆍ복귀펌프(46)은 원수유량에 대해 1.5배의 유량이 되도록 하였다.
ㆍ복귀펌프(46)를 가동한 경우(실시예 3)와 복귀펌프(46)를 가동하지 않은 경우(비교예 3)에 처리수배관(32)에서 배출된 최종처리수의 수질을 표 3에 나타내었다. 괄호안은 평균치이다.
NH4-N(mg/L) NO3-N(mg/L) NO2-N(mg/L)
실시예 3 21 ~ 28 (24) 30 ~ 37 (35) 5이하
비교예 3 36 ~ 44 (40) 26 ~ 34 (31) 17 ~ 22 (18)
이 결과로부터 복귀펌프(46)을 가동하지 않은 비교예 3은 성능이 악화한 것을 확인하였다. 이는 혐기성 암모니아 산화조(18)에 투입한 담체가 혐기성 암모니아 세균의 부착성능이 충분하지 않아 처리수배관(32)를 흐르는 액체 중에 아질산이 12mg/L 정도 잔류 확인된 것에 기인한다. 즉, 처리수배관(32)에 있어서 확인된 아질산을 순환펌프(38)로 탈질조(16)에 이송하여 버렸기 때문에 여기서 탈질 반응이 일어나 버리고, 결과로서 혐기성 암모니아 산화조(18)에 있어서 암모니아와 아질산의 비가 적절한 비율에서 벗어나버려(NO2양이 부족) 처리수 중의 암모니아 농도가 상승해 버린 것으로 생각된다.
이에 대해 복귀펌프(46)을 가동시킨 경우, 배관(36)을 흐르는 액체 중에 NO2는 검출되지 않고, 처리수배관(32)에 있어서 확인된 아질산은 전부 혐기성 암모니아 산화조(18)의 입구로 돌아가므로, 혐기성 암모니아 산화조(18)의 입구에 NO2량이 부족한 것에 기인하는, 암모니아와 아질산의 비가 적절한 비율에서 벗어나는 경우가 없다. 이로서 실시예 3에는 양호한 처리수를 얻는 것이 가능하였다.
이와 같이 복귀펌프(46)을 가동시킨 경우, 암모니아와 아질산의 적당한 비율을 유지하는 것이 가능하므로, 혐기성 암모니아 산화조(18)의 조 내부의 반응효율이 상승하고, 혐기성 암모니아 산화조(18) 및 시스템 전체의 처리수질이 향상하는 것이 확인된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 질소제거방법 및 장치에 의하면 암모니아(NH4)와 아질산(NO2)의 비율조정, 혐기성 암모니아 산화법에 있어서의 BOD 성분저해 및 혐기성 암모니아 산화법에 의한 처리수 중에 잔류하는 질산이라는 과제를 동시에 해결할 수 있는 동시에 혐기성 암모니아 산화법의 성능을 향상시킬 수 있으며 또한, 장치를 대형화하는 일도 없다.

Claims (5)

  1. BOD 성분을 함유하는 암모니아성 폐수로부터 암모니아성 질소를 혐기성 암모니아 산화법에 의해 제거하는 질소제거방법에 있어서,
    상기 폐수를 소정의 분배비로 둘로 분배하고,
    분배된 일방의 폐수 중의 암모니아를 질화조에서 암모니아 세균에 의해 아질산으로 질화한 제1처리수에, 상기 분배된 타방의 폐수를 탈질조에서 탈질세균에 의해 탈질처리한 제2처리수를 합류하여,
    이 합류수를 혐기성 암모니아 산화조에 송수하여 혐기성 암모니아 세균에 의해 암모니아와 아질산을 동시 탈질하는 것과 함께, 이 혐기성 암모니아 산화조에서 처리된 제3처리수를 상기 탈질조에 순환하는 것을 특징으로 하는 질소제거방법
  2. BOD 성분이 함유된 암모니아성 폐수에서 암모니아성 질소를 혐기성 암모니아 산화법에 의해 제거하는 질소제거방법에 있어서,
    상기 폐수를 둘로 분배하는 분배기,
    상기 분배된 일방의 폐수중의 암모니아를 암모니아 세균에 의해 아질산으로 질화처리하는 아질산형의 질화조,
    상기 분배된 타방의 폐수를 탈질세균에 의해 탈질처리하는 탈질조,
    상기 질화조에서의 제1처리수와 상기 탈질조에서의 제2처리수를 합류시켜, 이 합류수를 혐기성 암모니아 세균에 의해 혐기성 암모니아 산화를 하는 혐기성 암모니아 산화조,
    상기 혐기성 암모니아 산화조에서 처리된 제3처리수를 상기 탈질조에 순환하는 순환라인
    을 갖춘 것을 특징으로 하는 질소제거장치
  3. 제 2항에 있어서 상기 분배기와 상기 질화조와의 사이에 BOD산화조를 설치한 것을 특징으로 하는 질소제거장치
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 제1처리수와 상기 제2처리수를 혼합하는 혼합수단을 상기 혐기성 암모니아산화조의 전단에 설치한 것을 특징으로 하는 질소제거장치
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3처리수를 상기 혐기성 암모니아 산화조의 입구에 되돌리는 복귀라인을 설치한 것을 특징으로 하는 질소제거장치
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