KR20160099067A

KR20160099067A - 내부반송라인을 포함하는 생물전기화학 반응과 간헐폭기공법이 융합된 유기물 및 영양염류 처리 시스템

Info

Publication number: KR20160099067A
Application number: KR1020160099994A
Authority: KR
Inventors: 임승주; 김탁현
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2016-08-19

Abstract

본 발명은 혐기성 미생물을 포함하고, 유입수 내 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 고온 반응조; 혐기성 미생물을 포함하고, 상기 고온 반응조에서 분해되지 않은 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 중온 반응조; 상기 중온 반응조에서 유입수가 유입되고, 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인이 제거되는 제1 챔버; 상기 제1 챔버와 연결되고, 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 제1 챔버에서 유입수 내 암모니아가 이온 교환막을 통해 이동하여 질산화되는 제2 챔버; 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버와 연결되고, 상기 제2 챔버와는 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 상기 제1 챔버에서 유입되는 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 제2 챔버에서 이온 교환막을 통해 유입되는 질산화된 질소가 간헐폭기를 통해 제거되는 제3 챔버; 및 상기 제3 챔버에서 나오는 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조; 및 상기 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조로 내부반송시키기 위한 내부반송라인;을 포함하고, 상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고, 상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며, 상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원과 연결된 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 제공한다.

Description

내부반송라인을 포함하는 생물전기화학 반응과 간헐폭기공법이 융합된 유기물 및 영양염류 처리 시스템{System for treating organic matter and nutrient fused bio-electrochemical reaction and intermittent aeration method comprising internal recycle line}

본 발명은 내부반송라인을 포함하는 생물전기화학 반응과 간헐폭기공법이 융합된 유기물 및 영양염류 처리 시스템에 관한 것이다.

유기성 폐기물 중 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등과 같이 고농도의 난분해성 유기물을 함유하고 있는 유기성 폐기물, 특히 암모니아를 포함하는 유기성 폐기물을 처리하기 위해서는, 일반적으로 혐기성소화 공정 이후, 고도처리 기술로써 이온 흡착 등의 물리적 처리, 응집 등의 화학적 처리 및 미생물을 이용하는 생물학적 처리를 고려할 수 있다.

그러나, 이러한 일반적으로 물리ㆍ화학적 처리를 이용하여 질소를 제거하는 경우, 공기 탈기법(air stripping)을 주로 이용하고 있으며, 이온흡착, 레진(resin) 또는 활성탄 이용시 주기적인 재생이 필요하다. 응집제를 사용하는 화학적 처리의 경우에는 매우 낮은 질소 제거 효율을 기대할 수 있다.

그러므로, 혐기성소화 공정에서 고농도의 난분해성 유기물이 분해된 이 후 대부분의 경우 미생물을 이용한 생물학적 처리를 이용하여 암모니아의 질산화와 탈질이 이루어지도록 설계, 운전된다. 이 경우, 질산화균의 생장속도가 일반 미생물 생장속도에 비해 매우 느리기 때문에, 수중에 잔존되어 있는 유기물을 먼저 처리해야 하므로 유기부하에 따라 폭기조의 부피가 증대되고 체류시간이 매우 길어지는 단점이 있다.

또한, 질산화 이 후 탈질하거나, 전탈질을 실시할 경우 메탄올, 아세테이트 등의 외부 탄소원을 주입하거나 유입부분에 무산소조를 설치하여 질산화된 질소를 반송함으로써 최종적으로 탈질할 필요가 있기 때문에 이로 인한 추가적인 시설비, 전력비, 부품비, 약품비, 인건비 등이 소요되는 단점이 있다.

이러한 유기물 및 암모니아를 처리하는 공법으로 Bardenpho, VIP, UCT, Sequencing Batch Reactor (SBR) 등 많은 공법이 제시되었고, 멤브레인(membrane)과 결합하여 MBR(Membrane bioreactor)로 처리하는 공법도 개발되었다. 그러나, 이러한 공법들은 대부분 저농도의 유기물을 포함하는 하수에 적합한 공법이며, 고농도 질소가 유입될 경우 질소부하 한계로 인해 폐수 처리에 부적합한 공법이다.

또한, 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등과 같은 고농도의 유기물 및 영양염류를 함유하는 폐수는 일반적으로 유입수 내 유기물 부하, 질소 부하, 인 부하가 매우 높기 때문에 기존에 개발된 공법을 이용하여 상기와 같은 고농도의 유기물 및 영양염류를 함유한 폐수를 처리하고 유출수를 하천에 방류하는 경우, 처리된 이후의 유출수 대부분이 폐수 처리 방류기준을 만족하지 못하기 때문에, 방류되는 하천의 오염부하를 증가시키고 생태계를 오염시켜 수계는 물론 토양 및 지하수까지 오염시키는 결과를 초래하게 된다.

그러므로 이를 방지하기 위해 저농도 처리에만 국한되어 있는 일반적인 활성슬러지 또는 활성슬러지 변법이 아닌 고농도 유기물 및 영양염류를 함유하는 폐수의 처리가 가능한 처리 시스템 개발이 시급한 상황이다. 현재, 고농도 유기물 처리를 위하여 대부분의 폐수처리장에서는 침전, 원심분리 등의 다양한 물리ㆍ화학적 전처리를 거치거나, 직접적으로 혐기소화 생물학적 공법을 이용한 시스템이 개발되어 운전되고 있다.

그러나 유입수 내 고농도의 질소 및 인이 함유되어 있는 경우 실질적으로 폐수 처리장 방류기준 이하로 처리할 수 있는 공법이 없는 상태이기 때문에, 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등과 같은 고농도의 유기물 및 영양염류를 함유하는 폐수는 생물학적 혐기소화 이 후 대부분 하수 처리장에서 병합처리되는 것이 일반적이다.

폐수 처리장에서 혐기소화 이 후 하수 처리장을 통한 폐수의 병합처리의 경우, 이미 설계되어 운영되고 있는 기존 하수 처리장에서 하수 처리량 및 하수 오염부하량 이상으로 고농도의 폐수 유입시 하수 처리장에서 심각한 문제가 발생될 수 있기 때문에, 지자체에서 운영하는 고농도 폐수 처리장의 중간 처리수를 하수 처리장에서 합병처리 하는 것을 일부 허용하고 있는 실정이다.

따라서, 고농도 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 유기물 및 영양염류를 함유하는 폐수에 대한 처리 시스템 구축이 매우 시급한 실정이며, 특히 음식물 침출수는 해양투기가 금지되고 전면 육상 처리화 되면서 이에 대한 처리 방안이 매우 시급한 실정이다.

이에, 본 발명자들은 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 폐수 내 고농도 유기물 및 영양염류를 처리하는 시스템에 대하여 연구하던 중, 고농도 유기물 및 영양염류를 함유하는 폐수를 효율적으로 처리하기 위하여 우선적으로 고농도의 유기물을 처리할 수 있는 이상소화 등의 혐기성소화공정을 수행하고, 이후, 유기물, 질소 및 인을 처리할 수 있는 공정으로 암모니아를 생물전기화학 반응으로 질산성 질소로 산화 및 질소 가스로 탈질시키되, 생물전기화학 시스템 내 간헐폭기공법을 적용하여 질소 제거 효율을 상승시킴과 더불어 인 제거를 도모하고, 혐기성소화 공정 이 후 잔류된 유기물을 최종적으로 처리할 뿐만 아니라, 최종 유출수가 폐수 처리 방류기준에 부적합할 경우 내부반송라인을 통해 내부반송시켜 유기물, 질소 및 인의 처리 효율을 증가시킨 시스템을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 내부반송라인을 포함하는 생물전기화학 반응과 간헐폭기공법이 융합된 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

혐기성 미생물을 포함하고, 유입수 내 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 고온 반응조;

혐기성 미생물을 포함하고, 상기 고온 반응조에서 분해되지 않은 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 중온 반응조;

상기 중온 반응조에서 유입수가 유입되고, 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인이 제거되는 제1 챔버;

상기 제1 챔버와 연결되고, 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 제1 챔버에서 유입수 내 암모니아가 이온 교환막을 통해 이동하여 질산화되는 제2 챔버; 및

상기 제1 챔버 및 제2 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인;을 포함하고,

상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고,

상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며,

상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원과 연결된 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은

상기 제1 챔버와 연결되고, 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 제1 챔버에서 유입수 내 암모니아가 이온 교환막을 통해 이동하여 질산화되는 제2 챔버;

상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버와 연결되고, 상기 제2 챔버와는 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 상기 제1 챔버에서 유입되는 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 제2 챔버에서 이온 교환막을 통해 유입되는 질산화된 질소가 제거되는 제3 챔버; 및

상기 제3 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인;을 포함하고,

상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고,

상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며,

나아가, 본 발명은

상기의 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 고온 반응조에 고농도 난분해성 유기물을 포함하는 유입수를 유입시켜 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 단계(단계 1);

상기 단계 1이 수행된 유입수를 중온 반응조에 유입시켜 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 단계(단계 2);

상기 단계 2가 수행된 유입수를 제1 챔버에 유입시켜 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고, 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 유입시키는 단계(단계 3);

상기 단계 3에서 제2 챔버로 유입된 암모니아를 질산화시키는 단계(단계 4); 및

상기 단계 1 내지 단계 4가 수행된 유입수를 응집제 처리를 수행한 후, 내부반송라인을 통해 내부반송시키는 단계(단계 5);를 포함하는 유기물 및 영양염류 처리 방법을 제공한다.

더욱 나아가, 본 발명은

상기 단계 2가 수행된 유입수를 제1 챔버에 유입시켜 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고, 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 유입시키며, 유입수 내 처리되지 못한 유기물 및 영양염류를 제3 챔버로 유입시키는 단계(단계 3);

상기 단계 3에서 제2 챔버로 유입된 암모니아를 질산화시키며, 질산화된 질소를 제3 챔버로 유입시키는 단계(단계 4);

상기 단계 3에서 유입된 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 상기 단계 4에서 유입된 질산화된 질소를 간헐폭기를 통해 제거하는 단계(단계 5); 및

상기 단계 1 내지 단계 5가 수행된 유입수를 응집제 처리를 수행한 후, 내부반송라인을 통해 내부반송시키는 단계(단계 6);를 포함하는 유기물 및 영양염류 처리 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템은 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 폐수 내 고농도 유기물, 질소 및 인을 보다 효율적으로 처리할 수 있으며, 낮은 정전압으로 생물화학 반응과 전기화학 반응이 동시에 일어나는 생물전기화학 반응의 장점과 유기물, 질소 및 인의 제거를 기대할 수 있는 간헐폭기공법의 장점을 각각 취하여 현재 개발되어 운영되고 있는 물리ㆍ화학적 또는 생물학적 고도처리 공정의 문제점을 보완하고, 다량의 질산화균의 집적과 인 제거에 대한 럭셔리 업테이크(luxury uptake)를 동시에 실시함으로써 더욱 안정적이고 효율적인 유기물 및 영양염류 처리 시스템이다. 또한, 내부반송라인을 통해 보다 효율적인 폐수처리를 도모할 수 있다.

도 1 내지 4는 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 나타낸 모식도이다.

본 발명은

상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고,

상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며,

이때, 도 1 및 도 2의 도면을 통해 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 일례를 나타내었으며,

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 고온 반응조(10); 상기 고온 반응조와 연결되고, 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 중온 반응조(20); 상기 중온 반응조와 연결되고, 양극(12)이 위치하는 제1 챔버(30); 상기 제1 챔버와 연결되며, 음극(21)이 위치하는 제2 챔버(20); 및 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인(92);를 포함하고, 상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원(80)과 연결되고, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버는 이온 교환막(60)으로 분리될 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)에 있어서, 상기 고온 반응조(10)는 혐기성 미생물을 포함하고, 유입수 내 고농도 난분해성 유기물을 분해할 수 있다.

상기 고온 반응조(10)는 혐기성 미생물을 포함하여 혐기소화공정을 수행할 수 있으며, 상기 혐기성 미생물은 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균을 모두 포함할 수 있다. 상기 혐기성 미생물의 일례로써, 가수분해균은 클로스트리듐(Clostridium), 바실러스(Bacillus), 마이크로코쿠스(Micrococcus) 및 스트레필로코쿠스(Straphylococcus) 등을 사용할 수 있으며, 산생성균은 락토바실러스(Lactobacillus), 수도모나스(Pesudomonas), 살시나(Sarcina) 및 디설포박터(Desulfobacter) 등을 사용할 수 있고, 메탄발효균은 메타노트릭스(Methanothrix), 메타노살시나(Methanosarcina), 메타노박테리움(Methanobacterium) 및 메타노플라너스(Methanoplanus) 등일 수 있으나, 난분해성 유기물을 분해하여 각각 가수분해, 산생성, 메탄발효를 수행할 수 있는 미생물이면 이에 제한되지 않는다.

상기와 같이, 상기 고온 반응조(10)에서 혐기성 미생물인 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균을 모두 포함함으로써, 고온 반응조에서 가수분해, 산발효 및 메탄발효를 동시에 나타나게 하여 산패가 되지 않도록 할 수 있다.

또한, 상기 고온 반응조(10)의 온도는 50 ℃ 내지 60 ℃인 것이 바람직하며, 55 ℃의 온도인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 고온 반응조의 pH는 5.5 내지 7.5로 유지되는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 상기 고온 반응조의 온도 및 pH 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 혐기성 미생물의 활성이 감소하여 고농도 난분해성 유기물을 처리하지 못하는 문제가 있다.

나아가, 상기 고온 반응조(10)의 알칼리도는 10,000 mg CaCO₃/L 내지 30,000 mg CaCO₃/L일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 만약, 상기 고온 반응조의 알칼리도가 10,000 mg CaCO₃/L 미만일 경우에는 유기산 생성에 따라 버퍼(buffer)가 모두 고갈되어 pH가 급격하게 저하될 수 있는 문제가 있으며, 30,000 mg CaCO₃/L를 초과하는 경우에는 폐수 내 암모늄 이온이 암모니아로 전환되어 미생물 활성에 저해를 일으키는 문제가 나타날 수 있다.

상기 유입수는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 고농도 폐수일 수 있다. 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 폐수 내 고농도 유기물, 질소 및 인을 보다 효율적으로 처리할 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)에 있어서, 상기 중온 반응조(20)는 혐기성 미생물을 포함하고, 상기 고온 반응조(10)에서 처리되지 않은 잔류 난분해성 유기물을 처리할 수 있다.

상기 중온 반응조(10)의 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃인 것이 바람직하며, 35 ℃의 온도인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 중온 반응조의 pH는 5.5 내지 7.5로 유지되는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 상기 중온 반응조의 온도 및 pH 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 잔류유기물의 최종 메탄전환에 있어 미생물 활성 저하에 의한 처리효율 저하의 문제가 발생될 수 있다.

또한, 상기 중온 반응조의 알칼리도는 5,000 mg CaCO₃/L 내지 15,000 mg CaCO₃/L일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 만약, 상기 중온 반응조의 알칼리도가 5,000 mg CaCO₃/L 미만일 경우에는 유기산 생성에 따라 버퍼(buffer)가 모두 고갈되어 pH가 급격하게 저하되어 메탄전환에 부적합한 pH로 될 수 있는 문제가 있으며, 15,000 mg CaCO₃/L를 초과하는 경우에는 폐수 내 암모늄 이온이 암모니아로 전환되어 미생물 활성에 저해를 일으키는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)에 있어서, 상기 제1 챔버(30)는 상기 중온 반응조(20)에서 유입수가 유입되고, 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인이 제거될 수 있다.

상기 제1 챔버(30)는 상기 중온 반응조(20)로부터 유입수가 유입되는 유입구(31), 생물전기화학 반응 및 암모니아를 이동시키기 위한 양극(32), 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 제거되는 질소 또는 인을 배출하기 위한 제1 가스 배출구(34), 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고난 후의 유출수를 배출하는 제1 유출구(35); 및 제1 챔버로 유입되는 유입수를 균일하게 반응시키기 위한 교반기(33)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 챔버(30)에는 혐기성소화 공정 이후 안정화된 유출수가 상기 유입구(31)를 통해 유입되고, 이를 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 유기물, 질소 및 인을 제거할 수 있으며, 유입수 내 암모니아는 이온 교환막(60)을 통해 제1 챔버(30)에서 제2 챔버(40)로 이동하게 된다.

구체적으로, 상기 제1 챔버(30) 내에 위치한 양극(32)은 제1 챔버에 위치함으로써 상기 제1 챔버 내에 유입되는 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 용이하게 이동시킬 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)에 있어서, 상기 제2 챔버(40)는 상기 제1 챔버(30)와 연결되고, 이온 교환막(60)으로 분리되어 있으며, 제1 챔버에서 유입수 내 암모니아가 이온 교환막을 통해 이동하여 질산화될 수 있다.

상기 제2 챔버(40)는 생물전기화학 반응을 수행하기 위한 음극(41) 및 질산화균을 포함할 수 있으며, 상기 음극 및 질산화균을 통해 제1 챔버(30)에서 유입되는 유입수 내 암모니아를 효율적으로 질산화시킬 수 있다. 이에 따라, 추후 질소 기체로의 제거가 용이하여 탈질 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 제2 챔버(40)에서는 이온 교환막(60, 70)으로 인해 물이 통과하지 못하기 때문에 질산화균이 다른 챔버로 이동할 수 없다. 이로 인해, 질산화균이 성장함에 따라 갇힌 제2 챔버에서 그 양이 무한대로 증식되어 암모니아의 질산화를 용이하게 수행할 수 있다. 이후, 발생하는 질산화된 질소는 농도 구배 및 이온 교환막(60)에 의해 제2 유출구(42)를 통하여 배출될 수 있다.

구체적으로, 상기 질산화균은 니트로소코커스(nitrosococcus), 니트로소모나스(nitrosomonas) 및 니트로박터(nitrobacter) 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 양극(32) 및 음극(41)과 연결되어 있는 외부 직류 전원(80)에 가하는 전압의 세기는 1 내지 10 V일 수 있으며, 이에 따라 상기 제2 챔버(40) 내에서 생물화학 반응 및 전기화학 반응이 동시에 일어나는 생물전기화학 반응으로 암모니아의 질산화 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)의 연결부에 위치한 이온 교환막은 양이온 교환막(60)인 것이 바람직하다. 상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 연결부는 양이온을 나타내는 암모니아의 유입이 용이하도록 양이온 교환막을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 챔버(40)는 제2 유출구(42)가 형성되어 있으며, 상기 제2 유출구에는 질산화된 질소의 유출이 용이하도록 음이온 교환막(70)이 형성된 것이 바람직하다.

나아가, 상기 제2 챔버(40)는 챔버 내에 공기를 유입시키기 위한 관을 형성하거나, 공기를 유입시키기 위해 챔버 상부를 열어두거나, 챔버 내에 산기석을 포함할 수 있다.

또한, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)가 반복하여 복수개 연결될 수 있다. 구체적인 일례로써, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버를 반복하여 연결하되, 상기 제2 챔버의 제2 유출구를 또 다른 제1 챔버의 유입구와 연결하고 또 다른 제2 챔버는 상기 제1 챔버와 연결하여 제1 챔버/제2 챔버/또 다른 제1 챔버/또 다른 제2 챔버로 반복하여 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)을 반복적으로 구성하여 유기물 및 영양염류를 처리함으로써 더욱 우수한 제거 효율을 나타낼 수 있다.

이와 같이, 상기 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 고농도 폐수를 혐기성소화 공정으로 처리된 유출수를 탄소원으로 이용하여 고농도의 질소와 인을 생물전기화학 반응과 더불어 간헐폭기 공법을 적용하여 보다 효율적으로 제거할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 각각의 독립된 2 개의 챔버(제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40))를 포함하며, 상기 2 개의 챔버는 이온 교환막(60)으로 구분될 수 있다.

제1 챔버(30)에는 양극(32)이 설치되어 있고, 제2 챔버(40)에는 음극(41)이 설치되어 있으며, 상기 양극 및 음극은 외부 직류 전원(80)으로 연결되어 암모니아와 같은 양이온을 제1 챔버에서 제2 챔버로 유용하게 이동시킬 수 있다. 이후, 제2 챔버에 존재하는 질산화균의 집적 및 생물학적 반응을 통해 질산화시킬 수 있으며, 제2 챔버에서 고형물 체류 시간(solid retention time, SRT)을 무한대로 두어 질산화 효율을 극대화시킬 수 있다. 대부분의 암모니아는 외부 직류 전원에 비례하여 제1 챔버에서 제2 챔버로 이동한 후 질산화되며, 제2 챔버의 제2 유출구(42)를 통해 배출될 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 상기 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)를 통해 질산화균의 생물학적 반응을 수행함과 동시에 미생물이 동반된 전기화학적인 산화-환원이 이루어진다. 또한, 혐기성소화 공정 이후 발생하는 유출수 내 잔류 유기물의 제거와 보다 효율적인 질소 제거 및 인 제거를 위해 제1 챔버(30)에서 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건을 반복적으로 수행하여 폐수 내 고농도의 유기물, 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있다.

그러나, 이러한 공정을 통해서도 하수 방류 기준을 만족하지 못할 경우를 대비하여 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 상기 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송 라인(92)을 포함한다.

구체적으로, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 도 1에 나타낸 바와 같이, 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조(91);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 응집조에서 처리된 유출수를 내부반송시킬 수 있으며, 내부반송되는 위치는 제한되지는 않으나 중온 반응조(20)로 내부반송시키는 것이 바람직하다.

만약, 고온 반응조(10)로 내부반송시키는 경우에는 최종 유출수의 온도가 대략 15 ℃ 정도로 낮기 때문에 고온 반응조의 온도(약 55 ℃)와의 온도 차로 고온 반응조의 활성을 낮출 수 있으며(에너지손실 및 미생물활성 저하), 대부분의 유기물 분해가 고온 반응조에서 이루어지기 때문에 잔류 유기물이 분해되는 중온 반응조에서 탈질을 유도하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 도 2에 나타낸 바와 같이, 최종 유출수를 응집하기 위한 제1 응집조(91a) 및 제2 응집조(91b);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 제1 응집조에서 처리된 유출수를 제1 챔버(30)로 내부반송시키기 위한 제1 내부반송라인(92a); 및 상기 제2 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조(20)로 내부반송시키기 위한 제2 내부반송라인(92b)을 포함할 수 있다.

만약, 상기 최종 유출수를 1 차적으로 응집제 처리를 통해 제1 응집조(91a)에서 응집하고 난 후에도 폐수 방류 기준에 부적합한 인의 함량을 포함하고 있으면 처리되지 않은 인을 포함하는 유출수를 제1 챔버(30)로 내부반송시키는 제1 내부반송라인(92a)을 통해 내부반송시켜 간헐폭기를 통해 인을 제거하는 것이 바람직하며, 이후, 2 차적으로 응집제 처리를 통해 제2 응집조(91b)에서 응집하고 난 후에는 인이 거의 다 제거되기 때문에 잔존 질소를 처리하기 위하여 유출수를 중온 반응조(20)로 내부반송시키는 제2 내부반송라인(92b)을 통해 내부반송시켜 질소를 제거하는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 1 차 및 2 차 내부반송을 통하여 최종 유출수에 잔류하는 유기물, 질소, 인을 더욱 효과적으로 처리할 수 있으며, 반송유량은 잔류하는 유기물 및 영양염류의 농도와 부하에 따라 달라질 수 있다.

또한, 본 발명은

상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고,

상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며,

상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원과 연결된 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.

이때, 도 3 및 도 4의 도면을 통해 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 일례를 나타내었으며,

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 고온 반응조(10); 상기 고온 반응조와 연결되고, 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 중온 반응조(20); 상기 중온 반응조와 연결되고, 양극(12)이 위치하는 제1 챔버(30); 상기 제1 챔버와 연결되며, 음극(21)이 위치하는 제2 챔버(20); 상기 제2 챔버와 연결되는 제3 챔버(30); 및 상기 제3 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인(92);를 포함하고, 상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원(80)과 연결되고, 상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버는 이온 교환막(60, 70)으로 분리될 수 있다.

상기 제1 챔버(30)는 상기 중온 반응조(20)로부터 유입수가 유입되는 유입구(31), 생물전기화학 반응 및 암모니아를 이동시키기 위한 양극(32), 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 제거되는 질소 또는 인을 배출하기 위한 제1 가스 배출구(34), 및 제1 챔버로 유입되는 유입수를 균일하게 반응시키기 위한 교반기(33)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 챔버(30)에는 혐기성소화 공정 이후 안정화된 유출수가 상기 유입구(31)를 통해 유입되고, 이를 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 유기물, 질소 및 인을 제거할 수 있으며, 연속적으로 제3 챔버(30)로 이동함과 동시에, 유입수 내 암모니아가 이온 교환막(60)을 통해 제1 챔버(30)에서 제2 챔버(40)로 이동하게 된다.

구체적으로, 상기 제1 챔버(30) 내에 위치한 양극(32)은 제1 챔버에 위치함으로써 상기 제1 챔버 내에 유입되는 유입수 내 암모니아를 제2 챔버(40)로 용이하게 이동시킬 수 있다.

상기 제2 챔버(40)는 생물전기화학 반응을 수행하기 위한 음극(41) 및 질산화균을 포함할 수 있으며, 상기 음극 및 질산화균을 통해 제1 챔버(30)에서 유입되는 유입수 내 암모니아를 효율적으로 질산화시킬 수 있다. 이에 따라, 추후 질소 기체로의 제거가 용이하여 탈질 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 제2 챔버(40)에서는 이온 교환막(60, 70)으로 인해 물이 통과하지 못하기 때문에 질산화균이 다른 챔버로 이동할 수 없다. 이로 인해, 질산화균이 성장함에 따라 갇힌 제2 챔버에서 그 양이 무한대로 증식되어 암모니아의 질산화를 용이하게 수행할 수 있다. 이후, 발생하는 질산화된 질소는 농도 구배 및 이온 교환막(70)에 의해 제3 챔버(50)로 이동할 수 있다.

또한, 상기 제2 챔버(40)는 챔버 내에 공기를 유입시키기 위한 관을 형성하거나, 공기를 유입시키기 위해 챔버 상부를 열어두거나, 챔버 내에 산기석을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)에 있어서, 상기 제3 챔버(50)는 상기 제1 챔버(30) 및 상기 제2 챔버(40)와 연결되고, 상기 제2 챔버와는 이온 교환막(70)으로 분리되어 있으며, 상기 제1 챔버에서 유입되는 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 제2 챔버에서 이온 교환막을 통해 유입되는 질산화된 질소를 간헐폭기를 통해 제거할 수 있다.

상기 제3 챔버(50)는 유기물, 질소 및 인과, 제2 챔버(40)에서 이온 교환막(70)을 통해 유입되는 질산화된 질소를 제거하고난 후의 유입수를 배출하기 위한 배출구(51), 탈질 반응에 의해 형성되는 질소 기체를 배출하기 위한 제2 가스 배출구(52) 및 제3 챔버로 유입되는 유입수를 균일하게 반응시키기 위한 교반기(53)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 챔버(40) 및 제3 챔버(50)의 연결부에 위치한 이온 교환막은 음이온 교환막(70)인 것이 바람직하다. 상기 제2 챔버 및 제3 챔버의 연결부는 음이온을 나타내는 질산화된 질소의 유입이 용이하도록 음이온 교환막을 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 챔버(30) 및 제3 챔버(50)는 이동관(90)으로 연결되어 유입수를 이동시킬 수 있다. 상기 제1 챔버에 유입된 유입수 내 제거되지 못한 유기물, 질소 및 인은 상기 이동관을 통해 제3 챔버로 이동시켜 유기물, 질소 및 인의 제거 효율을 극대화시킬 수 있다.

또한, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 제1 챔버(30), 제2 챔버(40) 및 제3 챔버(50) 또는 제1 챔버 및 제2 챔버 또는 제2 챔버 및 제3 챔버가 반복하여 복수개 연결될 수 있다. 구체적인 일례로써, 상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버를 반복하여 연결하되, 상기 제3 챔버의 배출구(51)를 또 다른 제1 챔버의 유입구(41)와 연결하여 제1 챔버/제2 챔버/제3 챔버/또 다른 제1 챔버/또 다른 제2 챔버/또 다른 제3 챔버로 반복하여 구성할 수 있다.

다른 일례로써, 상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버와 상기 제3 챔버의 배출구를 또 다른 제1 챔버의 유입구와 연결하여 제1 챔버/제2 챔버/제3 챔버/또 다른 제1 챔버/또 다른 제2 챔버로 반복하여 구성할 수 있으며,

또 다른 일례로써, 상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버와 상기 제3 챔버의 배출구를 또 다른 제2 챔버의 이온교환막이 형성되어 있는 연결부와 연결하여 제1 챔버/제2 챔버/제3 챔버/또 다른 제2 챔버/또 다른 제3 챔버로 반복하여 구성할 수 있다.

이와 같이, 상기 제1 챔버(30), 제2 챔버(40) 및 제3 챔버(50)는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 고농도 폐수를 혐기성소화 공정으로 처리된 유출수를 탄소원으로 이용하여 고농도의 질소와 인을 생물전기화학 반응과 더불어 간헐폭기 공법을 적용하여 보다 효율적으로 제거할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 각각의 독립된 3 개의 챔버(제1 챔버(30), 제2 챔버(40) 및 제3 챔버(50))를 포함하며, 상기 3 개의 챔버는 이온 교환막(60, 70)으로 구분될 수 있다.

제1 챔버(30)에는 양극(32)이 설치되어 있고, 제2 챔버(40)에는 음극(41)이 설치되어 있으며, 상기 양극 및 음극은 외부 직류 전원(80)으로 연결되어 암모니아와 같은 양이온을 제1 챔버에서 제2 챔버로 유용하게 이동시킬 수 있다. 이후, 제2 챔버에 존재하는 질산화균의 집적 및 생물학적 반응을 통해 질산화시킬 수 있으며, 제2 챔버에서 고형물 체류 시간(solid retention time, SRT)을 무한대로 두어 질산화 효율을 극대화시킬 수 있다. 대부분의 암모니아는 외부 직류 전원에 비례하여 제1 챔버에서 제2 챔버로 이동한 후 질산화되며, 제3 챔버(50)에서 최종 탈질된다.

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 상기 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)를 통해 질산화균의 생물학적 반응을 수행함과 동시에 미생물이 동반된 전기화학적인 산화-환원이 이루어진다. 또한, 혐기성소화 공정 이후 발생하는 유출수 내 잔류 유기물의 제거와 보다 효율적인 질소 제거 및 인 제거를 위해 제1 챔버(30) 및 제3 챔버(50)에서 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건을 반복적으로 수행하여 폐수 내 고농도의 유기물, 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있다.

그러나, 이러한 공정을 통해서도 하수 방류 기준을 만족하지 못할 경우를 대비하여 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 상기 제3 챔버(50)에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송 라인(92)을 포함한다.

구체적으로, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 도 3에 나타낸 바와 같이, 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조(91);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 응집조에서 처리된 유출수를 내부반송시킬 수 있으며, 내부반송되는 위치는 제한되지는 않으나 중온 반응조(20)로 내부반송시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 최종 유출수를 응집하기 위한 제1 응집조(91a) 및 제2 응집조(91b);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 제1 응집조에서 처리된 유출수를 제1 챔버(30)로 내부반송시키기 위한 제1 내부반송라인(92a); 및 상기 제2 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조(20)로 내부반송시키기 위한 제2 내부반송라인(92b)을 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명은

이하, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 1은 상기의 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 고온 반응조에 고농도 난분해성 유기물을 포함하는 유입수를 유입시켜 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 단계이다.

상기 단계 1에서는 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 고온 반응조에 고농도 난분해성 유기물을 포함하는 유입수를 유입시켜 고농도 난분해성 유기물을 분해하며, 이에 따라 유기산 및 메탄을 생성시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 고온 반응조(10); 상기 고온 반응조와 연결되고, 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 중온 반응조(20); 상기 중온 반응조와 연결되고, 양극(12)이 위치하는 제1 챔버(30); 상기 제1 챔버와 연결되며, 음극(21)이 위치하는 제2 챔버(20); 및 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인(92);를 포함하고, 상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원(80)과 연결되고, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버는 이온 교환막(60)으로 분리될 수 있다.

이때, 상기 단계 1의 유입수는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수 등의 고농도 폐수일 수 있다.

또한, 상기 단계 1의 혐기성 미생물은 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균을 모두 포함할 수 있다. 상기 혐기성 미생물의 일례로써, 가수분해균은 클로스트리듐(Clostridium), 바실러스(Bacillus), 마이크로코쿠스(Micrococcus) 및 스트레필로코쿠스(Straphylococcus) 등을 사용할 수 있으며, 산생성균은 락토바실러스(Lactobacillus), 수도모나스(Pesudomonas), 살시나(Sarcina) 및 디설포박터(Desulfobacter) 등을 사용할 수 있고, 메탄발효균은 메타노트릭스(Methanothrix), 메타노살시나(Methanosarcina), 메타노박테리움(Methanobacterium) 및 메타노플라너스(Methanoplanus) 등을 사용할 수 있으나, 난분해성 유기물을 분해하여 각각 가수분해, 산생성, 메탄발효를 수행할 수 있는 미생물이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.

이와 같이, 상기 단계 1의 고온 반응조에서 혐기성 미생물인 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균을 모두 포함함으로써, 고온 반응조에서 가수분해, 산발효 및 메탄발효를 동시에 나타나게 하여 산패가 되지 않도록 할 수 있다.

또한, 상기 단계 1의 고온 반응조에서 수리학적 체류시간을 1 일 이상 또는 4 일 이상으로 길게 유지시킴으로써 가수분해균이 활동할 수 있는 시간을 충분히 확보할 수 있고, 이에 따라 율속 단계인 가수분해 단계를 극복하여 비용존성 난분해성 유기물을 용존화하고, 가수분해된 유기물을 산생성균이 이용하여 유기산으로 전환시킨 후 대부분의 유기산을 메탄으로 전환시킬 수 있다. 이와 같이, 고온 반응조에서 유기산의 대부분이 메탄으로 전환되기 때문에 고온 반응조 내에서 메탄발효균과 산생성균이 균형을 이룰 수 있다.

이에 따라 고온 반응조 내에서 인산염 또는 탄산염 등의 버퍼(buffer)가 유지되어 안정적인 pH를 유지할 수 있기 때문에 고농도 난분해성 유기물에 대해서도 처리가 가능하다. 나아가, 처리되지 않은 잔류 유기산에 대해서는 단계 2의 중온 반응조에서 메탄발효균에 의해 최종적으로 메탄으로 전환시킴으로써 고농도 난분해성 유기물을 처리할 수 있다.

이때, 수리학적 체류시간(HRT)이란, 일정한 조에 일정 유량의 유체가 체류할 수 있는 시간을 의미하며, 상기 단계 1의 수리학적 체류시간(HRT)은 1 일 이상일 수 있으며, 4 일 내지 15 일일 수 있고, 6 일 내지 12 일일 수 있으며, 8 일 내지 10 일일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 만약, 상기 단계 1의 수리학적 체류시간이 1 일 미만일 경우에는 짧은 수리학적 체류시간으로 인해 고농도 난분해성 유기물의 분해가 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 15 일을 초과하는 경우에는 긴 수리학적 체류시간으로 인해 가수분해균, 산생성균 및 메탄발효균의 균형이 이루어지지 않아 혐기성 미생물들이 죽을 수 있으며, 긴 수리학적 체류시간을 설정하기 위해 반응조의 크기가 불필요하게 커져 경제적이지 못한 문제가 발생할 수 있다.

일반적으로 이용되고 있는 이상 혐기소화 공정을 적용하여 고농도의 난분해성 유기물을 혐기소화하는 경우, 약 10 시간의 짧은 수리학적 체류시간에서 고농도의 난분해성 비용존성 유기물을 처리하여 유기산의 농도가 비이상적으로 높아지고 유기산을 최종적으로 메탄으로 전환하지 못하기 때문에 첫 번째 산생성조에서 pH가 저하됨에 따라 산패되는 경우가 대부분이다.

이러한 고농도의 난분해성 비용존성 유기물을 처리하기 위해서는 산생조에서 수리학적 체류시간을 길게 하여 혐기소화 공정의 율속 단계(rate-limiting step)인 가수분해 효율을 증가시키고, 비용존성 난분해성 유기물의 용존화를 증대함으로써 유기산의 수율 증대와 함께 최종적인 메탄 전환율을 향상시킬 필요가 있다.

이때, 상기 단계 1에서 고농도 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 포함하는 연속식 교반 탱크 반응기인 고온 반응조에서 고농도 난분해성 유기물이 유입되어 반응하는 수리학적 체류시간을 1 일 이상으로 유지시켜 유기산 및 메탄을 동시에 형성시킬 수 있다.

한편, 상기 단계 1의 고온 반응조의 온도는 50 ℃ 내지 60 ℃인 것이 바람직하며, 55 ℃의 온도인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 단계 1의 고온 반응조의 pH는 5.5 내지 7.5로 유지되는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 상기 단계 1의 고온 반응조의 온도 및 pH 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 혐기성 미생물의 활성이 감소하여 고농도 난분해성 유기물을 처리하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

나아가, 상기 단계 1의 고온 반응조의 알칼리도는 10,000 mg CaCO₃/L 내지 30,000 mg CaCO₃/L인 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 만약, 상기 단계 1의 고온 반응조의 알칼리도가 10,000 mg CaCO₃/L 미만일 경우에는 유기산 생성에 따라 버퍼(buffer)가 모두 고갈되어 pH가 급격하게 저하될 수 있는 문제가 있으며, 30,000 mg CaCO₃/L를 초과하는 경우에는 폐수 내 암모늄 이온이 암모니아로 전환되어 미생물 활성에 저해를 일으키는 문제가 나타날 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1이 수행된 유입수를 중온 반응조에 유입시켜 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 단계이다.

구체적으로, 상기 단계 2에서는 상기 단계 1의 고온 반응조(10)에서 고농도 난분해성 유기물을 처리하고 난 후, 남은 잔류 유기산 및 잔류 난분해성 유기물을 혐기성 미생물을 포함하는 연속식 교반 탱크 반응기인 중온 반응조(20)에 유입시켜 처리할 수 있다.

이때, 상기 단계 2의 중온 반응조의 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃인 것이 바람직하며, 35 ℃의 온도인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 단계 2의 중온 반응조의 pH는 5.5 내지 7.5로 유지되는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 상기 단계 2의 중온 반응조의 온도 및 pH 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 잔류유기물의 최종 메탄전환에 있어 미생물 활성 저하에 의한 처리효율 저하의 문제가 발생될 수 있다.

또한, 상기 단계 2가 수행되는 수리학적 체류시간(HRT)은 1 일 이상일 수 있으며, 4 일 내지 15 일일 수 있으나, 상기 단계 1을 수행하고난 후, 고농도 난분해성 유기물을 처리하고 남은 잔류 유기산 및 잔류 난분해성 유기물을 처리할 수 있는 수리학적 체류시간 동안 수행할 수 있다. 바람직하게, 상기 단계 2가 수행되는 수리학적 체류시간(HRT)은 8 일 내지 10 일일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

나아가, 상기 단계 2의 중온 반응조의 알칼리도는 5,000 mg CaCO₃/L 내지 15,000 mg CaCO₃/L인 것이 바람직하나 이에 제한되지 않는다. 만약, 상기 단계 3의 중온 반응조의 알칼리도가 5,000 mg CaCO₃/L 미만일 경우에는 유기산 생성에 따라 버퍼(buffer)가 모두 고갈되어 pH가 급격하게 저하되어 메탄전환에 부적합한 pH로 될 수 있는 문제가 있으며, 15,000 mg CaCO₃/L를 초과하는 경우에는 폐수 내 암모늄 이온이 암모니아로 전환되어 미생물 활성에 저해를 일으키는 문제가 발생할 수 있다.

이와 같이, 고온 반응조에서 유기산 발생과 메탄 생성을 최적화하고, 중온 반응조에서 잔류 난분해성 유기물 및 잔류 유기산을 처리하여 현재 통상적으로 이용되는 일반적인 이상 혐기소화 공정에서 발생되는 유기산 축적에 의한 산생성균 및 메탄발효균 저해에 의한 혐기소화 공정의 운전 실패를 예방할 수 있으며, 고농도 난분해성 유기물 중 단백질 및 지질 성분을 고온 반응조에서 보다 효율적으로 분해하고 후속 공정인 중온 반응조에서 잔류 유기산 및 잔류 난분해성 유기물을 처리함으로써 고농도 난분해성 유기물을 안정적이고 효율적으로 처리할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2가 수행된 유입수를 제1 챔버에 유입시켜 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고, 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 유입시키는 단계이다.

구체적으로, 상기 제1 챔버(30)는 상기 중온 반응조(20)로부터 유입수가 유입되는 유입구(31), 생물전기화학 반응 및 암모니아를 이동시키기 위한 양극(32), 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 제거되는 질소 또는 인을 배출하기 위한 제1 가스 배출구(34), 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고난 후의 유출수를 배출하는 제1 유출구(35); 및 제1 챔버로 유입되는 유입수를 균일하게 반응시키기 위한 교반기(33)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 단계 3에서는 상기 단계 2까지 수행된 유입수를 제1 챔버(30)에 유입수를 유입시켜 유기물 처리를 진행하며, 유입된 유입수에 대하여 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거할 수 있다. 또한, 유입수 내 포함되어 있는 암모니아를 제2 챔버(40)로 유입시킨다.

상기 제1 챔버(10) 내에 위치한 양극(12)은 제1 챔버에 위치함으로써 상기 제1 챔버 내에 유입되는 유입수 내 암모니아를 제2 챔버(20)로 용이하게 이동시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 제2 챔버로 유입된 암모니아를 질산화시키는 단계이다.

구체적으로, 상기 단계 4에서 제2 챔버(40)는 생물전기화학 반응을 수행하기 위한 음극(41) 및 질산화균을 포함할 수 있으며, 상기 음극 및 질산화균을 통해 제1 챔버(30)에서 유입되는 유입수 내 암모니아를 효율적으로 질산화시킬 수 있다. 이에 따라, 추후 질소 기체로의 제거가 용이하여 탈질 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 챔버에서는 이온 교환막(60, 70)으로 인해 물이 통과하지 못하기 때문에 질산화균이 다른 챔버로 이동할 수 없다. 이로 인해, 질산화균이 성장함에 따라 갇힌 제2 챔버에서 그 양이 무한대로 증식되어 암모니아의 질산화를 용이하게 수행할 수 있다. 이후, 발생하는 질산화된 질소는 제2 유출구(42)를 통해 배출될 수 있다.

이때, 상기 질산화균은 니트로소코커스(nitrosococcus), 니트로소모나스(nitrosomonas) 및 니트로박터(nitrobacter) 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 양극(32) 및 음극(41)과 연결되어 있는 외부 직류 전원(80)에 가하는 전압의 세기는 1 내지 10 V일 수 있으며, 이에 따라 상기 단계 2의 제2 챔버(40) 내에서 생물화학 반응 및 전기화학 반응이 동시에 일어나는 생물전기화학 반응으로 유기물, 질소 및 인의 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 1 내지 단계 4가 수행된 유입수를 응집제 처리를 수행한 후, 내부반송라인을 통해 내부반송시키는 단계이다.

상기 단계 5에서는 상기 단계 1 내지 단계 4를 수행하고난 후의 유입수를 응집제 처리를 수행한 최종 유출수가 하수 방류 기준을 만족하지 못할 경우, 이를 내부반송시키기 위한 내부반송 라인(92)을 통해 내부반송시킨다.

구체적으로, 상기 단계 5에서 상기 단계 1 내지 단계 4가 수행된 유입수에 대하여 단일 응집조를 통해 1 차 응집제 처리만 수행하는 경우, 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조(91);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 응집조에서 처리된 유출수를 내부반송시키며, 내부반송되는 위치는 제한되지는 않으나 중온 반응조(20)로 내부반송시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 5에서 기 단계 1 내지 단계 4가 수행된 유입수에 대하여 2 개의 응집조를 통해 1 차 및 2 차 응집제 처리를 수행하는 경우, 최종 유출수를 응집하기 위한 제1 응집조(91a) 및 제2 응집조(91b);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 제1 응집조에서 처리된 유출수를 제1 챔버(30)로 내부반송시키기 위한 제1 내부반송라인(92a); 및 상기 제2 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조(20)로 내부반송시키기 위한 제2 내부반송라인(92b)을 포함할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법은 1 차 및 2 차 내부반송을 통하여 최종 유출수에 잔류하는 유기물, 질소, 인을 더욱 효과적으로 처리할 수 있으며, 반송유량은 잔류하는 유기물 및 영양염류의 농도와 부하에 따라 달라질 수 있다.

또한, 본 발명은

구체적으로, 상기 유기물 및 영양염류 처리 시스템(100)은 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 고온 반응조(10); 상기 고온 반응조와 연결되고, 혐기소화공정을 수행하기 위한 혐기성 미생물을 포함하는 중온 반응조(20); 상기 중온 반응조와 연결되고, 양극(12)이 위치하는 제1 챔버(30); 상기 제1 챔버와 연결되며, 음극(21)이 위치하는 제2 챔버(20); 상기 제2 챔버와 연결되는 제3 챔버(30); 및 상기 제3 챔버에서 나오는 최종 유출수를 내부반송시키기 위한 내부반송라인(92);를 포함하고, 상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원(80)과 연결되고, 상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버는 이온 교환막(60, 70)으로 분리될 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2가 수행된 유입수를 제1 챔버에 유입시켜 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고, 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 유입시키며, 유입수 내 처리되지 못한 유기물 및 영양염류를 제3 챔버로 유입시키는 단계이다.

구체적으로, 상기 제1 챔버(30)는 상기 중온 반응조(20)로부터 유입수가 유입되는 유입구(31), 생물전기화학 반응 및 암모니아를 이동시키기 위한 양극(32), 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 제거되는 질소 또는 인을 배출하기 위한 제1 가스 배출구(34), 및 제1 챔버로 유입되는 유입수를 균일하게 반응시키기 위한 교반기(33)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 단계 3에서는 상기 단계 2까지 수행된 유입수를 제1 챔버(30)에 유입수를 유입시켜 유기물 처리를 진행하며, 유입된 유입수에 대하여 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거할 수 있다. 또한, 연속적으로 제3 챔버(50)로 이동함과 동시에 유입수 내 포함되어 있는 암모니아를 제2 챔버(40)로 유입시킨다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 제2 챔버로 유입된 암모니아를 질산화시키며, 질산화된 질소를 제3 챔버로 유입시키는 단계이다.

구체적으로, 상기 단계 4에서 제2 챔버(40)는 생물전기화학 반응을 수행하기 위한 음극(41) 및 질산화균을 포함할 수 있으며, 상기 음극 및 질산화균을 통해 제1 챔버(30)에서 유입되는 유입수 내 암모니아를 효율적으로 질산화시킬 수 있다. 이에 따라, 추후 질소 기체로의 제거가 용이하여 탈질 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 제2 챔버에서는 이온 교환막(60, 70)으로 인해 물이 통과하지 못하기 때문에 질산화균이 다른 챔버로 이동할 수 없다. 이로 인해, 질산화균이 성장함에 따라 갇힌 제2 챔버에서 그 양이 무한대로 증식되어 암모니아의 질산화를 용이하게 수행할 수 있다. 이후, 발생하는 질산화된 질소는 농도 구배 및 이온 교환막(70)에 의해 제3 챔버(50)로 이동할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 3에서 유입된 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 상기 단계 4에서 유입된 질산화된 질소를 간헐폭기를 통해 제거하는 단계이다.

구체적으로, 상기 단계 5는 제3 챔버(30) 내에서 이루어지며, 제3 챔버는 제1 챔버(30) 및 제2 챔버(40)와 연결되어 제1 챔버 및 제2 챔버에서 유입되는 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 질산화된 질소를 간헐폭기를 통해 혐기-무산소-호기 조건이 반복적으로 수행되어 제거할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 방법에 있어서, 단계 6은 상기 단계 1 내지 단계 5가 수행된 유입수를 응집제 처리를 수행한 후, 내부반송라인을 통해 내부반송시키는 단계이다.

상기 단계 6에서는 상기 단계 1 내지 단계 5를 수행하고난 후의 유입수를 응집제 처리를 수행한 최종 유출수가 하수 방류 기준을 만족하지 못할 경우, 이를 내부반송시키기 위한 내부반송 라인(92)을 통해 내부반송시킨다.

구체적으로, 상기 단계 6에서 상기 단계 1 내지 단계 5가 수행된 유입수에 대하여 단일 응집조를 통해 1 차 응집제 처리만 수행하는 경우, 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조(91);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 응집조에서 처리된 유출수를 내부반송시키며, 내부반송되는 위치는 제한되지는 않으나 중온 반응조(20)로 내부반송시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 6에서 기 단계 1 내지 단계 5가 수행된 유입수에 대하여 2 개의 응집조를 통해 1 차 및 2 차 응집제 처리를 수행하는 경우, 최종 유출수를 응집하기 위한 제1 응집조(91a) 및 제2 응집조(91b);를 포함하고, 상기 내부반송라인(92)은 상기 제1 응집조에서 처리된 유출수를 제1 챔버(30)로 내부반송시키기 위한 제1 내부반송라인(92a); 및 상기 제2 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조(20)로 내부반송시키기 위한 제2 내부반송라인(92b)을 포함할 수 있다.

이하, 하기 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실험예 1> 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 통한 유기물 처리

본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 유기물 처리 효율을 확인하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행하였다.

먼저, 폐수 성상이 pH 약 7.9, 알칼리도 약 6,100 mg/L, 화학적 산소 요구량(COD) 약 146,000 ppm, 단백질 약 4,300 ppm, 지질 약 3,800 ppm인 고농도 난분해성 유기물을 55 ℃의 온도로 설정된 연속식 교반 탱크 반응기(CSTR)인 고온 반응조에 유입시켜 약 5.8 일의 수리학적 체류시간(HRT)을 유지시켰다.

다음으로, 35 ℃의 온도로 설정된 연속식 교반 탱크 반응기(CSTR)인 중온 반응조에 상기 고온 반응조에서의 처리를 수행하고 난 후의 잔류 난분해성 유기물 및 잔류 유기산을 유입시켜 약 5.8 일의 수리학적 체류시간을 유지시켜 고농도 난분해성 유기물을 처리하였다.

상기에서 혐기소화하여 안정화된 유출수(pH 약 7.4, 화학적 산소 요구량(COD) 약 15,000 ppm, 질소 약 3,200 ppm 및 인 약 420 ppm)를 제1 챔버로 유입시키고, 외부 직류 전압으로 3 V를 가하였으며, 제1 챔버에서의 간헐폭기 시간은 폭기-비폭기 시간을 3 시간으로 수행하여 상기 유출수 내 잔류 유기물, 질소 및 인을 제거하였다.

다음으로, 상기 제1 챔버에서 간헐폭기를 수행하고 난 후의 유출수는 제3 챔버로 연결된 연결관을 통해 이동하며, 상기 제1 챔버에 유입된 유입수 내 암모니아는 농도 구배 및 외부 직류 전압으로 인해 양이온 교환막을 통하여 제2 챔버로 이동하여 질산화균에 의해 질산화되었다. 질산화된 질소는 농도 구배에 의하여 제2 챔버와 제3 챔버의 연결부에 위치한 음이온 교환막을 지나 제3 챔버로 이동하게된다.

다음으로, 상기 제3 챔버로 이동된 유출수 및 질산화된 질소는 간헐폭기 시간을 폭기-비폭기 시간을 3 시간으로 수행하여 상기 유입수 내 잔류 유기물, 질소 및 인을 제거하였다.

이때, 제거 효율을 살펴보면, 화학적 산소 요구량(COD)은 300 ppm(90.6 %)까지 제거되었으며, 질소는 288 ppm(91.0 %)까지 제거되었고, 인은 30 ppm(89.3 %)까지 제거되었다.

이후, 본 발명에 따른 내부반송라인을 적용하기 위해, 1 차적으로 응집제 처리가 수행된 유출수를 제1 내부반송라인을 통하여 제1 챔버로 내부반송시켜 상기와 같은 과정을 거쳤으며, 2 차적으로 응집제 처리가 수행된 유출수를 제2 내부반송라인을 통하여 중온 소화조로 내부반송시켜 상기와 같은 과정을 거쳐 상기 유입수 내 잔류 유기물, 질소 및 인을 제거하였다.

이때, 제거 효율을 살펴보면, 화학적 산소 요구량(COD)은 약 60 ppm(80 %)까지 제거되었으며, 질소는 약 17 ppm(94 %)까지 제거되었고, 인은 약 0.3 ppm(99 %)까지 제거되었다.

이와 같이, 본 발명에 따른 유기물 및 영양염류 처리 시스템을 통하여 하수 방류 기준을 충분히 만족할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

100 : 유기물 및 영양염류 처리 시스템
10 : 고온 반응조 20 : 중온 반응조
30 : 제1 챔버 31 : 유입구
32 : 양극 33 : 교반기
34 : 제1 가스 배출구 35 : 제1 유출구
40 : 제2 챔버 41 : 음극
42 : 제2 유출구 50 : 제3 챔버
51 : 배출구 52 : 제2 가스 배출구
53 : 교반기 60 : 양이온 교환막
70 : 음이온 교환막 80 : 외부 직류 전원
90 : 이동관 91 : 응집조
91a : 제1 응집조 91b : 제2 응집조
92 : 내부반송라인 92a : 제1 내부반송라인
92b : 제2 내부반송라인

Claims

혐기성 미생물을 포함하고, 유입수 내 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 고온 반응조;
혐기성 미생물을 포함하고, 상기 고온 반응조에서 분해되지 않은 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 중온 반응조;
상기 중온 반응조에서 유입수가 유입되고, 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인이 제거되는 제1 챔버;
상기 제1 챔버와 연결되고, 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 제1 챔버에서 유입수 내 암모니아가 이온 교환막을 통해 이동하여 질산화되는 제2 챔버;
상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버와 연결되고, 상기 제2 챔버와는 이온 교환막으로 분리되어 있으며, 상기 제1 챔버에서 유입되는 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 제2 챔버에서 이온 교환막을 통해 유입되는 질산화된 질소가 간헐폭기를 통해 제거되는 제3 챔버; 및
상기 제3 챔버에서 나오는 최종 유출수를 응집하기 위한 응집조; 및
상기 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조로 내부반송시키기 위한 내부반송라인;을 포함하고,
상기 제1 챔버 내에는 양극이 위치하고,
상기 제2 챔버 내에는 음극이 위치하며,
상기 음극 및 양극은 외부 직류 전원과 연결된 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유입수는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고농도 폐수인 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 챔버, 제2 챔버 및 제3 챔버; 또는 제1 챔버 및 제2 챔버; 또는 제2 챔버 및 제3 챔버;가 반복하여 복수개 연결된 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 연결부에 위치한 이온 교환막은 양이온 교환막인 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 챔버 및 제3 챔버의 연결부에 위치한 이온 교환막은 음이온 교환막인 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 챔버 및 제3 챔버는 이동관으로 연결되어 유입수를 이동시키는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 질산화는 질산화균 및 음극을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 외부 직류 전원에 가하는 전압의 세기는 1 내지 10 V인 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 응집조는,
제1 응집조 및 제2 응집조를 포함하고,
상기 내부반송라인은,
상기 제1 응집조에서 처리된 유출수를 제1 챔버로 내부반송시키기 위한 제1 내부반송라인; 및
상기 제2 응집조에서 처리된 유출수를 중온 반응조로 내부반송시키기 위한 제2 내부반송라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 시스템.
제1항의 유기물 및 영양염류 처리 시스템의 고온 반응조에 고농도 난분해성 유기물을 포함하는 유입수를 유입시켜 고농도 난분해성 유기물을 분해하는 단계(단계 1);
상기 단계 1이 수행된 유입수를 중온 반응조에 유입시켜 잔류 난분해성 유기물을 처리하는 단계(단계 2);
상기 단계 2가 수행된 유입수를 제1 챔버에 유입시켜 간헐폭기를 통해 유입수 내 유기물, 질소 및 인을 제거하고, 유입수 내 암모니아를 제2 챔버로 유입시키며, 유입수 내 처리되지 못한 유기물 및 영양염류를 제3 챔버로 유입시키는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 제2 챔버로 유입된 암모니아를 질산화시키며, 질산화된 질소를 제3 챔버로 유입시키는 단계(단계 4);
상기 단계 3에서 유입된 유입수 내 유기물, 질소 및 인과, 상기 단계 4에서 유입된 질산화된 질소를 간헐폭기를 통해 제거하는 단계(단계 5); 및
상기 단계 1 내지 단계 5가 수행된 유입수를 응집조에서 응집제 처리를 수행한 후, 상기 응집제 처리가 수행된 유출수를 내부반송라인을 통해 중온 반응조로 내부반송시키는 단계(단계 6);를 포함하는 유기물 및 영양염류 처리 방법.
제10항에 있어서,
상기 응집조는 제1 응집조 및 제2 응집조를 포함하고,
상기 제1 응집조에서 응집제 처리가 수행된 유출수는 제1 내부반송라인을 통해 제1 챔버로 내부반송시키며,
상기 제2 응집조에서 응집제 처리가 수행된 유출수는 제2 내부반송라인을 통해 중온 반응조로 내부반송시키는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 1의 유입수는 축산폐수, 침출수, 주정폐수, 분뇨폐수, 음용수폐수, 음식물폐수 및 우유가공폐수로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 고농도 폐수인 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 3의 유입수 내 암모니아는 농도 구배 및 외부 직류 전원에 의해 제2 챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 방법.
제10항에 있어서,
상기 단계 4의 질산화된 질소는 농도 구배에 의해 제3 챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 유기물 및 영양염류 처리 방법.