KR20100012887A - 인 그리고/또는 질소를 제거하기 위한 스트루바이트 결정화 방법 - Google Patents
인 그리고/또는 질소를 제거하기 위한 스트루바이트 결정화 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 인 그리고/또는 질소를 제거하기 위한 스트루바이트 결정화 방법에 관한 것으로 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수로부터 인 그리고/또는 질소를 선별적으로 혹은 동시에 제거하는 경제적이고 효율적인 스트루바이트 결정화 방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스트루바이트 결정화 방법은 (a) 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수를 혐기성 반응조에 유입시켜 혐기성 미생물로 유기물을 바이오가스화하고 다량의 이산화탄소가 용존된 상태의 처리수가 유출되는 혐기성 폐수 처리 단계와, (b) 위치 에너지를 이용한 자유낙하가 가능한 이산화탄소 탈기설비에 (a) 단계 처리수를 투입하여 스트루바이트를 형성시키는 스트루바이트 형성 단계와, (c) 상기 (b) 단계 처리수에 존재하는 스트루바이트를 고형물 분리 설비를 사용하여 스트루바이트는 분리 회수하고 처리수는 유출시키는 스트루바이트 분리 단계와, (d) 상기 (c) 단계 처리수를 추가로 처리하거나 액비로 사용하기 위해 저장하는 처리수 저장 단계를 포함한다.
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Description
본 발명은 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수로부터 인 그리고/또는 질소를 선별적으로 혹은 동시에 제거하는 경제적이고 효율적인 스트루바이트 결정화 방법에 관한 것이다.
인과 질소를 제거하는 공법으로는 여러 가지의 생물학적 방법과 물리화학적 방법들이 있지만 모든 공법들이 제거 효율의 유지가 어려우면서도 많은 경비가 소요된다.
최근에는 질소/인의 동시 제거가 가능한 MAP(Magnesium Ammonium Phosphate) 제조를 통한 질소/인 동시 제거 기술의 연구가 활발히 행해지고 있다. 순수한 MAP은 마그네슘이온, 암모니아성 질소, 인산염 인이 1:1:1의 몰 비로 구성되지만 기존의 연구 결과에 의하면 많은 부반응의 존재로 인하여 최대 질소제거율을 보이는 몰 비는 3:1:1.5 등 여러 가지 수치가 보고되고 있으며, 그 반응식은 다음과 같다.
Mg2 + + NH4 + + PO4 3 - + 6H2O → MgNH4PO46H2O
또한, 스트루바이트 형성과정에서 마그네슘이온 대신 칼슘이온이 대치된 Calcium Ammonium Phosphate와 같은 스트루바이트 동족체(Analog)도 생성된다. 실제로 인 그리고/또는 질소가 스트루바이트 뿐만 아니라 스트루바이트의 동족체 형태로도 제거되지만 많은 스트루바이트 관련 연구에는 동족체에 대한 인식이 결여되어 있다. 본 발명에서 스트루바이트의 범주는 스트루바이트와 그 동족체를 포함하는 결정을 의미한다.
폐수에 존재하는 인과 질소를 스트루바이트와 그 동족체 형태로 제거하는 방법은 인과 질소를 효율적으로 동시에 제거할 수 있으며 생성된 스트루바이트는 우수한 지효성 비료(Slow-Release Fertilizer)로써 재이용 가치가 높은 장점이 있다.
지효성 비료란 식물에 독성이 없으며 한번 시용으로 오랫동안 산화하지 않고 지속적으로 효과를 내는 비료를 지칭한다.
해외에서 진행된 스트루바이트 결정화 연구는 S. Regy 등의 교반 반응장치에서의 스트루바이트 침전에 의한 회수(2001년), Ueno와 Fujii의 실규모 하수처리장에서 회수된 스트루바이트의 가동 및 판매에 대한 3년간의 경험(2001년), E.V. Munch 등의 폐기물을 금으로 바꾸는 폐수처리를 위한 스트루바이트 결정화 사업(2001년), S.A. Parsons 등의 하수 처리작업에서의 스트루바이트 회수를 위한 잠재성 평가(2001년), Trentelman의 미국특허 제 4,389,317호, Tsunekawa 등의 일본특허 제 11-267665호 등이 있으며 인 그리고/또는 질소를 스트루바이트 형태로 제거하기 위한 여러 가지 방법을 시도했으나 대부분 pH의 상승을 위하여 알칼리제 투입이 필요함을 언급하고 있다.
또한, 국내의 스트루바이트 결정화 연구로는 한국공개특허 10-2002-0005521에 스트루바이트 침전용 응집원 및 알칼리 혼합조, 스트루바이트 결정반응, 침전조 등 모든 반응조를 하나의 장치로 팩키지화하여 연속적인 스트루바이트 침전을 이용한 고농도 인을 함유하는 축산분뇨 또는 산업폐수의 질소폐수 처리장치가, 한국공개특허 10-2000-0019613에는 인산염과 마그네슘을 주입하고 pH를 10.7로 조절하여 스트루바이트를 형성시키고 한외여과막에서 여과하는 고농도 질소함유 하폐수의 정화법이, 한국공개특허 10-2004-0070408에는 고액분리조, 유기물 흡착조, 마그네슘을 주입하고 pH 8~12 상태에서 스트루바이트 결정을 생성하는 결정화 반응조, 결정화 저장조, 여과막으로 구성된 질소와 인 등을 함유한 폐수의 처리법이, 한국공개특허 10-2003-0076548에는 유동성 담체로 유기물을 제거하는 유기물 흡착단계, pH 조절제와 마그네슘을 주입하여 스트루바이트를 생성시키는 스트루바이트 결정화단계, 탈질화 단계로 구성된 고농도 영양염류 함유 폐수의 정화방법이, 한국공개특허 10-2003-0034299에는 공기와 원수, Mg, PO4, 알칼리제를 공급하는 주입부, 질소 및 인의 스트루바이트 결정화부, 유체 원심력을 유도하는 프로펠러, 수압형 고액분리기, 응집핵으로 작용하는 스트루바이트 결정 유입부, 슬러지 호퍼, 유출수 및 에어 유출구로 구성된 질소와 인이 고농도로 함유된 폐수의 스트루바이트 결정화 장치가, 한국공개특허 10-2004-0028273에는 고형물을 분리하는 고액분리과정, 알칼리 조건에서 질소 및 인을 제거하는 스트루바이트 결정화 과정, 질산화 및 탈질 산화시키는 간헐폭기과정으로 구성된 고농도 질소/인 함유 폐수의 처리방법이, 한국공개특허 10-2006-0118291에는 처리대상 폐수, 마그네슘계 화합물, 인산계 화합물 및 알칼리제를 공급하는 유입부, 스트루바이트 결정화 반응조, 제1침전조, 칼슘 공급반응조, 제2침전조, 유출부로 구성된 폐수처리장치가, 한국공개특허 10-2006-0129452에는 알칼리제를 첨가하여 pH 7.4~8.5로 제어하는 pH 제어 시스템, 폐수로부터 인과 질소를 스트루바이트 펠렛으로 제거하기 위한 복수의 섹션들로 구성된 유동층 반응장치가, 한국공개특허 10-2006-0099009에는 pH 조정에 대한 언급이 없지만 유량조정조, 스트루바이트 결정화 반응조, 1차침전조, 응집조, 2차침전조로 구성된 질소제거효율을 향상시키는 스트루바이트 결정화 방법이 개시되어 있다.
많은 연구자들이 MAP 형성을 위한 적정 pH는 8~10 정도이며 최적의 pH는 9.0~9.2 정도인 것으로 보고하고 있다. 하지만 현재까지 개발된 대부분의 MAP 제조 기술은 pH를 상승시키기 위해 알칼리제를 사용하며 NaOH의 값을 감당하기 어려워 pH를 9 이상으로 올리지 못하며, 생성된 결정의 크기를 키우기 위해 유동층 반응조를 사용하고 공기를 불어 넣어서 고형물을 부유시켜야 한다.
본 발명의 목적은 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수로부터 인 그리고/또는 질소를 선별적으로 혹은 동시에 제거하는 경제적이고 효율적인 스트루바이트 결정화 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 폐수 처리방법은,
(a) 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수를 혐기성 반응조에 유입시켜 혐기성 미생물로 유기물을 바이오가스화하고 다량의 이산화탄소가 용존된 상태의 처리수가 유출되는 혐기성 폐수 처리 단계와,
(b) 위치 에너지를 이용한 자유낙하가 가능한 이산화탄소 탈기설비에 상기 (a) 단계 처리수를 투입하여 스트루바이트를 형성시키는 스트루바이트 형성 단계와,
(c) 상기 (b) 단계 처리수에 존재하는 스트루바이트를 고형물 분리 설비를 사용하여 스트루바이트는 분리 회수하고 처리수는 유출시키는 스트루바이트 분리 단계와,
(d) 상기 (c) 단계 처리수를 추가로 처리하거나 액비로 사용하기 위해 저장하는 처리수 저장 단계로 구성된다.
본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
우선, (a) 혐기성 폐수 처리 단계에서는 인 그리고/또는 질소 함유 폐수를 혐기성 반응조로 유입시킨다. 유입폐수에 존재하는 유기물은 혐기성 미생물에 의해 분해되어 메탄가스와 이산화탄소로 구성된 바이오가스로 전환되며, 유기물 분해과정에서 상당량의 유기 질소가 암모니아성 질소로 전환된다.
상기 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수는 하수, 축산폐수, 산업폐수, 음식물쓰레기, 음식물쓰레기 탈리액, 하수슬러지 등 인 그리고/또는 질소를 함유하는 모든 폐수를 지칭한다.
혐기성 반응조는 소화조(digester), 혐기성 접촉조(anaerobic contact process), 유동 미생물을 사용하는 유동층 반응조(fluidized bed reactor), 담체에 부착된 미생물을 사용하는 여상조(anaerobic filter), 부착 및 부유 미생물을 함께 사용하는 혼합형 반응조(hybrid anaerobic reactor)와 미생물로 형성된 그래뉼(granule)을 사용하는 UASB(upflow anaerobic sludge blanket), EGSB(extended granule sludge bed), IC(internal circulation)와 같은 UASB 계열의 반응조 등 현재 운전되고 있는 모든 혐기성 반응조의 사용이 가능하다.
혐기성 반응조 내에서 생성된 바이오가스의 이산화탄소 분압은 0.4 기압 정도로 유지되므로 혐기성 처리수에는 0.4 기압의 이산화탄소 분압과 평형을 이루며 용해된 이산화탄소가 다량 존재하며 pH가 6.4~7.8로 유지된다.
(b) 스트루바이트 형성 단계는 (a) 단계 유출수를 이산화탄소 탈기설비에 투입하여 적어도 2번 이상 완전 분산되도록 위치 에너지를 이용, 자유낙하시켜서 (a) 단계 유출수에 용존된 이산화탄소를 최대한 탈기시키는 단계이다. 유출수의 용존 이산화탄소가 탈기되면서 자연적으로 pH가 8.4~9.2까지 상승하므로 알칼리제의 주입없이 효율적으로 스트루바이트를 형성하며 또한, 암모니아가 탈기되는 단계이다.
이는 기존의 MAP 제조 기술과 가장 차이를 보이는 것으로 알칼리제를 전혀 주입하지 않고 pH를 상승시킴으로써 경제적으로 MAP 형성을 통해 질소와 인을 동시에 제거하고, 암모니아 탈기를 통해 추가로 질소를 제거하는 것으로, 본 발명의 가장 중요한 특징부를 구성한다. 즉, 기존의 어떠한 MAP 제조 기술 보다도 경제적으로 질소와 인을 제거하는 기술이다.
또한, 상승한 pH 범위에서 중탄산이온이 탄산이온으로 전환되고 칼슘 등의 경도 유발물질과 결합하여 탄산칼슘과 같은 불용성 고형물을 형성하면서 유기 질소와 암모니아성 질소가 일부 결정화될 수 있다.
또한, 스트루바이트 및 그 동족체가 여재에 쉽게 부착되는 특징을 이용하여, 유입수의 완전 분산을 위해 존재하는 단(stage)들 위에 적절한 여재를 설치하여 생성된 스트루바이트를 여재에 부착시키고 간헐적으로 여재를 꺼내어 작은 자갈 형태의 스트루바이트를 회수함으로써 후속 스트루바이트 회수 설비에서 회수해야 하는 스트루바이트의 양을 생성량의 40~70%로 감소시켜서 스트루바이트 회수 설비의 규모 및 운전비를 절감한다.
이는 형성된 스트루바이트의 100%를 부유된 상태로 배출하는 기존의 스트루바이트 결정화 방법과는 달리 형성된 결정의 30~60%를 부유된 상태로 배출시키는 것으로, 본 발명의 또 다른 특징부를 구성한다.
위치 에너지를 이용한 자유낙하로 혐기성 유출수의 용존 이산화탄소를 탈기시켜 pH가 자연적으로 증가되도록 하는 탈기설비는 여러 가지가 있을 수 있다. 이를테면, (a) 단계 유출수를 도 2에 도시된 바와 같은 스크러버(scrubber), 증류탑(distillation tower) 등과 같이 액체와 기체를 접촉시키도록 설계된 설비를 그대로 혹은 조금 개조하여 사용하는 방법과 (a) 단계 유출수를 계단식 캐스케이드(cascade)로 흘려 보내면서 탈기시키는 방법 등이 사용 가능하다.
이산화탄소 탈기설비에 사용하는 여재는 단순한 부착용 여재와 응집원 공급이 가능한 여재로 구분할 수 있으며 단순한 부착용 여재는 자연 여재(모래, 자갈, 활성탄 등), 인공 여재(세라믹, PE, PVC 등) 등이 있고 응집원 공급이 가능한 여재는 마그네슘이온이나 칼슘이온을 공급하면서 스트루바이트를 부착시키는 것이 가능한 마그네사이트, 석회석 등이 있다. 또한, 하나 이상의 여재를 혼용하여 사용할 수도 있다.
스트루바이트의 제조를 위한 마그네슘, 암모니아성 질소, 인산염의 이론적인 몰비는 Mg : NH4 : PO4 = 1 : 1 : 1이지만 (a) 단계 유출수를 (b) 단계에서 자유낙하시키면 실제적으로 스트루바이트 뿐만 아니라 탄산칼슘 등 다른 염도 생성되므로 실제로 필요한 몰비는 3:1:1.5 등으로 이론치와는 다르다. 따라서, 마그네슘 함유 화합물, 인산염 함유 화합물, 그리고/또는 암모니아성 질소 함유 화합물의 투입이 가능하며 부반응을 최소화하기 위하여 폐수에 따라 필요 약품 및 주입량을 결정하여 각각의 필요 약품을 (b) 단계의 상부, 중간, 혹은 하단에 공급할 수 있다.
또한, 스트루바이트 동족체를 형성하기 위하여 칼슘 함유 화합물의 투입이 가능하며, 폐수에 따라 주입량을 정하여 (b) 단계의 상부, 중간, 혹은 하단에 공급할 수 있다.
(c) 스트루바이트 분리 단계는 (b) 단계에서 형성되어 여재에 부착되지 않고 부유 상태로 유출된 스트루바이트, 스트루바이트 동족체(analog), 칼슘 화합물, 인 화합물 등의 고형물을 분리 회수하고 스트루바이트 등 고형물이 제거된 처리수는 유출시키는 단계이다.
스트루바이트 분리를 위한 고형물 분리 설비는 침전조, 부상조, 하이드로싸이클론, 디켄터, 스크린, 막분리 등 고형물을 분리하기 위한 모든 설비가 사용가능하다.
(d) 처리수 저장 단계는 (c) 단계 처리수를 추가로 처리하거나 액비로 사용하기 위해 저장하는 단계이다. 저장된 처리수에 존재하는 오염물질 및 그 농도에 따라 생물학적 처리공정, 화학처리공정, 또는 여러 가지 공정을 혼합하여 처리 후 방류할 수 있으며 액비로 사용할 수도 있다. 또한, (c) 단계 처리수의 전량 또는 일부를 (a) 단계의 혐기성 반응조로 반송하여 유입 폐수에 존재하는 독성발현 물질인 암모니아성 질소 등의 농도를 낮추어 혐기성 반응조에서의 유기물 제거효율 증가와 바이오가스 발생량 증가를 도모할 수 있다.
인 그리고/또는 질소 함유 폐수에 고형물이 많을 경우, (a) 단계 전이나 (a) 단계와 (b) 단계의 사이에서 고형물 제거 설비를 추가하여 고형물 분리 후 폐기하거나 미생물을 포함한 고형물은 반송할 수 있다. 고형물이 미생물을 포함하고 있는 경우, 미생물을 포함한 고형물을 (a) 단계로 반송하면 (a) 단계의 혐기성 반응조에 미생물이 추가되고 분해가능한 유기물이 증가하여 바이오가스의 발생이 증가하게 된다.
또한, 스트루바이트의 결정화율을 증가시키기 위해 (b) 단계의 초기나 중간 혹은 마지막 부분에 수산화나트륨 등 알칼리제를 투입하여 pH를 더욱 상승시킬 수도 있다.
또한, 운전의 용이성 및 편이성을 위하여 (b) 단계에 여재를 투입하지 않고 (b) 단계에서 생성된 결정의 100%를 (c) 단계에서 제거할 수도 있다.
회수된 스트루바이트 결정은 질소와 인의 공급원으로써 비료 가치가 높은 지효성 비료(Slow-Release Fertilizer)이다.
본 발명에 의하면, 인 그리고/또는 질소를 함유하는 폐수로부터 인 그리고/또는 질소를 선별적으로 혹은 동시에 제거하기 위한 스트루바이트 결정화 방법에서 pH를 높이기 위한 알칼리제 주입이 불필요하고 스트루바이트가 부유 고형물의 형태 뿐만 아니라 부착 고형물의 형태로도 생성되며 높은 pH에서 암모니아 탈기로 질소를 제거할 수 있으므로 경제적이고 효율적으로 인 그리고/또는 질소를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구성을 도시한 흐름도이다.
도 2는 위치 에너지를 이용한 자유낙하로 이산화탄소를 탈기시키는 이산화탄소 탈기설비의 일실시예이다.
도 2는 위치 에너지를 이용한 자유낙하로 이산화탄소를 탈기시키는 이산화탄소 탈기설비의 일실시예이다.
이하, 후술하는 실시예에 의하여 본 발명의 구성이 더욱 명확해지고, 그 효과가 입증될 것이다.
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실시예
1>
총 유효용량이 1m3이고, 높이가 3m인 상향류식 혐기성 반응조를 사용하였으며 고형물 분리 장치로 협잡물을 제거한 축산폐수를 150 L/d로 유입시키는 상태에서 스트루바이트 형성 실험을 시작하였다. 이산화탄소 탈기설비는 가로 10 cm, 세로 10 cm, 높이 245 cm이며 4번의 완전혼합과 분산이 가능한 4단 구조의 스트리핑 타워를 사용하고 필요 시 알칼리제 및 기타 약품의 주입이 가능하도록 약품 공급라인을 설치하였다.
스트루바이트의 부착을 위하여 외경이 5 mm인 폴리에틸렌 재질의 호스를 잘라서 제작한 여재를 각 단에 높이 4~6 cm 쌓았으며 혐기성 반응조 유출수를 스트리핑 타워 상부로 유입, 자유낙하시켜 이산화탄소의 탈기를 유도하였다.
또한, 형성된 스트루바이트를 분리하기 위하여 250 L의 침전조를 설치하여 스트루바이트 결정을 분리하였다.
한 달간 연속식으로 운전하면서 10여 차례 분석한 성상의 평균값을 아래 표에 정리했으며 협잡물을 제거한 축산폐수의 성상을 혐기처리 전으로, 혐기성 폐수 처리 단계의 유출수를 혐기처리 후, 그리고 스트루바이트 분리 단계의 유출수를 결정분리 후로 표현하였다.
마그네슘 함유 화합물 등 기타 약품은 전혀 주입하지 않았으며 알칼리제 주입 없이 이산화탄소 탈기에 의해 결정화조의 상부 pH는 8.8~9.2로 결정화조의 하부 pH는 8.0~8.2로 유지됨을 확인하였다. 결정화조의 상부 및 하부 pH가 차이 나는 이유는 결정이 형성되면서 탄산이온이 사용되었기 때문이라 사료된다.
| 항목 | 혐기처리 전 [mg/L] | 혐기처리 후 [mg/L] | 결정 분리 후 [mg/L] |
| CODcr | 31,000 | 11,000 | 9,800 |
| T-N | 3,800 | 2,150 | 1,648 |
| NH4-N | 1,250 | 1,480 | 1,342 |
| T-P | 870 | 520 | 130 |
혐기처리 후의 수치와 비교할 때 스트루바이트 분리 단계에서 T-P는 75%, 암모니아성 질소는 9.3% 제거되었다. 이는 스트루바이트의 형성을 위한 마그네슘이온, 암모늄이온, 인산염 이온의 이론적 몰비인 1:1:1 과 비교하여 암모니아성 질소가 0.78배 정도 제거된 것이다.
상기 실험을 완료한 후 수산화나트륨을 첨가하여 결정화조의 하부 pH를 9.4까지 상승시켰으나 T-P는 76%, 암모니아성 질소는 9.4% 제거되어 pH 1.4 상승에 따른 T-P와 암모니아성 질소의 제거율 향상 효과는 미미하였다.
<
실시예
2>
실시예 1과 동일한 원수와 설비로 거의 동일한 조건에서 실험을 실시하였으며 단지 마그네슘 함유 화합물을 공급하여 Mg 이온의 농도를 200 mg/L(8.3 mmole/L) 증가시켜서 한 달간 연속식으로 실험하였고 여러 유출수의 분석 결과 평균을 아래 표에 나타내었다. 알칼리제 주입 없이 이산화탄소 탈기에 의해 결정화조의 상부 pH는 8.8~9.2로, 하부 pH는 8.0~8.2로 유지됨을 확인하여 알칼리제의 주입이 불필요함을 다시 한번 확인하였다.
| 항목 | 혐기처리 전 [mg/L] | 혐기처리 후 [mg/L] | 결정 분리 후 [mg/L] |
| CODcr | 31,000 | 11,000 | 9,250 |
| T-N | 3,800 | 2,150 | 1,462 |
| NH4-N | 1,250 | 1,480 | 1,300 |
| T-P | 870 | 520 | 12 |
8.3 mmole/L의 Mg 이온을 공급하여 T-P는 97.7%, 암모니아성 질소는 12.2% 제거됨을 확인하였으며 Mg 이온 투입량의 1.54배인 12.9 mmole/L의 암모니아성 질소를 제거하였다. 이는 암모니아성 질소가 다른 메카니즘을 통해 제거된 것으로 사료된다.
상기 실험을 완료한 후 수산화나트륨을 첨가하여 9.6까지 상승시키는 실험을 실시하였으나 T-P는 97.8%, 암모니아성 질소는 12.2% 제거되어 pH 1.6 상승에 따른 T-P와 암모니아성 질소의 제거율 향상 효과는 미미함을 다시 한번 확인하였다.
이후에 Mg 공급을 중지하고 Ca 이온 333 mg/L (8.3 mmole/L)을 공급하였더니 NH4-N 제거율이 11.2%로, Mg 이온 공급시 보다 1% 정도 감소되었고 T-P의 제거율은 Mg 이온 공급시와 유사한 97.5%로 확인되어 Mg 대신 Ca을 공급했을 경우에도 상당한 효과가 있음을 확인하였다.
<
실시예
3>
실시예 1 및 실시예 2와 동일한 원수와 설비에서 실험을 실시하며 암모니아성 질소 1,300 mg/L(92.8 mmole/L)를 제거하기 위해 Mg 이온과 인산염 이온을 각각 2,400 mg/L(100 mmole/L)와 3,100 mg/L(100 mmole/L) 공급하여 스트루바이트의 이론적 몰비를 형성하여 한 달간 연속식으로 실험하였고 여러 차례의 분석 결과 평균을 아래 표에 나타내었다. 알칼리제 주입 없이 이산화탄소 탈기에 의해 결정화조의 상부 pH는 8.9~9.2로 결정화조의 하부 pH는 7.8~8.2로 유지됨을 확인하였다.
| 항목 | 혐기처리 전 [mg/L] | 혐기처리 후 [mg/L] | 결정 분리 후 [mg/L] |
| CODcr | 31,000 | 11,000 | 7,400 |
| T-N | 3,800 | 2,150 | 212 |
| NH4-N | 1,250 | 1,480 | 30 |
| T-P | 870 | 530 + 3,100 | 1< |
유출수의 T-P는 1 mg/L(99.8%) 이하, 암모니아성 질소는 30 mg/L (98.0%)로 유지됨과 유기물도 상당량 추가적으로 제거됨을 확인하였으므로 알칼리제를 투입하는 pH 상승 실험은 생략하였다.
또한, 약 4개월의 운전 후 스트루바이트 결정을 조사하니 부유 성장한 결정의 직경은 1~6 mm로, 부착 성장한 결정의 직경은 9~31 mm로 존재함을 확인하였다.
<
실시예
4>
실시예 1, 실시예 2, 그리고 실시예 3과 동일한 원수와 설비에서 실험을 실시하였으나 혐기 처리수의 탈기 가능성을 높이기 위하여 망 형태의 구조물을 4단 구조 스트리핑 타워의 각 단을 대신하여 사용하였고 망 형태의 구조물 내부에 스트리핑 타워 내부에 설치한 것과 동일한 여재를 각각의 망 구조물에 높이 4~6cm로 쌓아서 이산화탄소의 효율적인 탈기를 유도하였다.
실시예 2와 동일하게 마그네슘 함유 화합물, Mg 이온의 농도를 200 mg/L(8.3 mmole/L)로 공급하여 한 달간 연속식으로 실험하였고 여러 유출수의 분석 결과 평균치를 아래 표에 나타내었다. 알칼리제 주입 없이 이산화탄소 탈기에 의해 결정화조의 상부 pH는 8.9~9.3으로 하부 pH는 8.3~8.4로 유지되었으며 이는 실시예 2 보다 pH가 약간 증가한 것이다.
| 항목 | 혐기처리 후 [mg/L] | 결정 분리 후-실시예 2 [mg/L] | 결정 분리 후-실시예 4 [mg/L] |
| CODcr | 11,000 | 9,250 | 8,990 |
| T-N | 2,150 | 1,462 | 1,112 |
| NH4-N | 1,480 | 1,300 | 1,025 |
| T-P | 520 | 12 | 8 |
실험결과 8.3mmole/L의 Mg 이온을 공급하여 제거효율이 T-P는 98.5%로 약간 더 제거되었으나 암모니아성 질소는 30.7%로 실시예 2 보다 275mg/L가 더 제거되어 총 455mg/L가 제거 되었으며 제거율로는 18.5%가 상승하였다. 이는 망 구조물을 사용하여 탈기 효율이 향상되면서 암모니아 탈기가 촉진되어 질소 제거량이 증가된 것으로 판단된다.
즉, MAP 제조를 위한 이산화탄소 탈기 방법의 개선으로 Mg 이온과 PO4-P의 추가 투입없이 상당량의 암모니아가 탈기됨을 알 수 있었다.
또한, 암모니아 탈기가 발생함으로써 스트루바이트 생성에 필요한 마그네슘, 암모니아성 질소, 인산염의 몰비가 0.254:1:0.504로 원수의 종류에 따라 마그네슘 그리고/또는 인의 공급이 최소화되며 질소와 인 제거의 경제성을 높일 수 있음을 알 수 있었다. 아래 표에는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4에서 제거된 질소 1몰 당 제거된 마그네슘과 인의 몰을 정리하여 나타내었다.
| 항목 | Mg | 질소 | 인 |
| 실시예 1 | 1.352 | 1 | 1.276 |
| 실시예 2 | 1.685 | 1 | 1.275 |
| 실시예 3 | 1.094 | 1 | 1.131 |
| 실시예 4 | 0.254 | 1 | 0.504 |
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
10: 혐기성 폐수 처리 단계
20: 스트루바이트 형성 단계 30: 스트루바이트 분리 단계
40: 처리수 저장 단계 100: 여재 층
200: 처리수 저장조 300: 스트루바이트 저장조
10: 혐기성 폐수 처리 단계
20: 스트루바이트 형성 단계 30: 스트루바이트 분리 단계
40: 처리수 저장 단계 100: 여재 층
200: 처리수 저장조 300: 스트루바이트 저장조
Claims (6)
- (a) 인 및 질소를 함유하는 폐수를 혐기성 반응조에 유입시켜 혐기성 미생물로 유기물을 바이오가스화하고 다량의 이산화탄소가 용존된 처리수가 유출되는 혐기성 폐수 처리 단계,
(b) 상기 (a) 단계에서 형성된 유출수를 이산화탄소 탈기설비에 투입하여 자유낙하시켜, 이산화탄소 및 암모니아를 탈기함으로써 pH를 8.4 내지 9.2로 조절하는 단계 및
(c) 상기 (b) 단계에서 탈기된 유출수에 마그네슘 함유 화합물, 칼슘 함유 화합물, 암모니아성 질소 함유 화합물 및 인산염 함유 화합물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 공급하여 스트루바이트를 형성하는 스트루바이트 형성 단계를 포함하는, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법. - 제1항에 있어서, (d) 상기 (c) 단계에서 형성된 스트루바이트를 여재에 부착시켜 형성된 스트루바이트를 제거하는 단계 및 (e) 상기 (d) 단계에서 여재에 부착되지 않고 부유 상태로 유출된 스트루바이트를 고형물 분리 설비를 사용하여 스크루바이트를 분리 및 회수하고 처리수는 유출시키는 단계를 추가적으로 포함하는, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법.
- 제2항에 있어서, (f) 상기 (e) 단계에서 유출된 처리수를 전부 또는 일부를 (a) 단계의 혐기성 반응조로 반송하는, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 고형물이 분리된 처리수 전부 또는 일부를 (a) 단계의 혐기성 반응조로 반송하여 혐기성 반응조 내 암모니아성 질소 농도를 2,000 mg/L 이하로 조절하는, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혐기성 반응조는 혐기성 소화조(anaerobic digester), 혐기성 접촉조(anaerobic contact process), 유동상 반응조(fluidized bed reactor), UASB(up-flow anaerobic sludge blanket) 또는 그의 변형인 EGSB(extended granule sludge bed)나 IC(internal circulation), 담체를 이용하여 미생물을 부착시켜 운전하는 공정(AF: anaerobic filter), 부착 및 부유 미생물을 함께 사용하는 혼합형 반응조(hybrid anaerobic reactor)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이산화탄소 탈기설비는 스크러버, 증류탑, 계단식 폭기설비, 또는 이들을 변형한 기액 접촉 설비인, 폐수에 함유된 인 및 질소를 제거하는 방법.
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