KR20180012519A - 생물전기화학 시스템을 이용한 질소 제거 장치 및 이를 이용한 질소의 제거 방법 - Google Patents

생물전기화학 시스템을 이용한 질소 제거 장치 및 이를 이용한 질소의 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생물전기화학 시스템을 이용한 고농도의 질소를 제거 방법 및 시스템에 관한 것으로, 전기화학적 촉매 작용에 의하여 ANAMMOX(Anaerobic Ammonium-Oxidizing) 반응을 관여하는 미생물의 활성화를 유도하여 반응 속도와 효율을 극대화 시킴과 동시에 전기화학적인 제거도 수행하여 효율적이고 안정적인 질소 제거를 달성한다.

Description

생물전기화학 시스템을 이용한 질소 제거 장치 및 이를 이용한 질소의 제거 방법{METHOD FOR REMOVING NITROGEN THROUGH BIOELECTROCHEMICAL SYSTEM AND THE DEVICE FOR THE SYSTEM}
본 발명은 생물전기화학 시스템을 이용하여 폐기물 내의 고농도의 질소를 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
공공하수처리시설 확충에 따라 슬러지 발생량은 지속적으로 증가하고 있는 가운데 특히 '12년에 시행된 총인 규제 강화 이후 발생량은 더 급격한 상승추세를 나타내고 있다.
하수처리장에서 발생하는 하수슬러지는 하수중의 오염물질을 처리하는 과정에서 필연적으로 발생하는 부산물로서, 약 80% 정도 고함수율과 유기물을 다량함유하고 있다.
국내에서는 대부분의 하수슬러지를 포함한 유기성슬러지를 직매립 또는 해양투기에 의해 처리하여 왔으나, 최근 환경문제가 국민적 관심을 보이는 가운데 매립지 설치부지의 확보가 어려워지고, 유기성슬러지의 안정적 처리를 위한 폐기물 관리법의 개정으로 유기성슬러지의 재활용 및 감량을 위한 혐기성 자원화 시설들이 급속으로 증설되고 있는 실정이다.
유기성슬러지와 같은 고농도 유기성 폐기물은 슬러지 감량화 과정을 포함한 일련의 처리과정을 거침에도 불구하고 고농도의 질소성분을 포함하고 있어 기존의 생물학적 고도처리로 직접 수행하기에는 큰 어려움이 있다. 또한, 기존의 전통적인 생물학적 질소 제거는 암모니아성 질소(NH4 +-N) 산화를 위한 높은 에너지가 요구되고, 아질산성 질소(NO2 --N) 및 질산성 질소(NO3 --N)의 환원을 위한 별도의 외부 탄소원 공급이 요구되며, 공정 구성(질산화공정, 탈질공정)의 복잡성으로 운전 조작이 어려우며, 외부 충격(C/N비, 중금속, 온도, pH)에 민감한 등 단점들이 있다.
국내특허공개번호 제10-2015-0075446호, 2015년07월06일 공개, 고농도 질소함유 가축분뇨 처리용 질소제거장치 국내특허등록번호 제10-1603540호, 2016년03월15일 공고, 인터배리어 및 유동상 담체를 구비한 고농도의 질소 제거 및 슬러지 저감형 하수처리 시스템
본 발명의 목적은 생물전기화학기술(Bio-Electrochemical technology)을 ANAMMOX 질소 제거공정에 접목하고 반응조를 효율적으로 디자인하여 우수한 효율성을 갖는 고농도 질소 제거 시스템 및 그 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질소 제거 장치를 이용한 질소의 제거방법은, 경사판 침전조가 배치된 반응조 본체 내부로 암모니아성 질소를 포함하는 유입수가 유입되어 체류수를 형성하고, 상기 체류수는 i) 상기 반응조 본체 바닥과 상기 경사판 침전조 사이에 배치되고 상하 관통된 형태를 가진 전극모듈에 전압을 인가하여 활성화된 미생물에 의하여 암모니아성 질소가 제거되는 아나목스(ANAMMOX) 반응과정과, ii) 전기화학적으로 암모니아성 질소가 아질산(질산)성 질소로 변화하는 산화반응과 상기 아질산(질산)성 질소가 질소가스로 변화하는 환원반응을 촉진하는 전기화학적 반응과정,을 포함하여, 상기 체류수 내의 질소가 제거되고 처리수가 생성되는 질소 제거 단계; 및 상기 경사판 침전조 하단의 유입구로 상기 처리수를 포함하는 침전조유입수가 상향식으로 유입되어 상기 처리수와 상기 미생물을 분리하여 반응조 본체 외부로 배출하는 분리 단계;를 포함한다.
상기 침전조의 유입구는 침전조의 바닥에 형성된 것일 수 있다.
상기 질소의 제거방법은, 상기 경사판 침전조에서 상기 처리수(또는 상기 체류수)와 상기 미생물을 함께 분리 배출하는 과정을 통해 상기 반응조 본체 내 아나목스(ANAMMOX) 관여 미생물 군집의 개체수를 조절하는 미생물 군집 조절단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 미생물 군집 조절단계는 폭기속도를 조절하는 방법, 유입수의 양을 조절하는 방법 또는 별도의 교반수단을 이용하는 방법 등이 적용될 수 있다.
상기 질소의 제거방법은, 상기 반응조 본체 내의 용존산소 농도를 1.0 mg/L 이하로, 구체적으로 0.001 내지 1.0 mg/L로 유지하며 진행될 수 있다. 특히 질소 제거 단계가 상기 용존산소 농도 조건을 만족하면서 진행되는 것이 좋다.
상기 질소의 제거방법은 상기 전극모듈에 2 V 이하의 전압을 인가하는 과정을 포함할 수 있다. 상기 전압의 인가는 상기 질소 제거 단계 수행 시에 인가되는 것이 좋고, 상기 전압은 0.01 내지 2 V로 인가되는 것이 좋다.
상기 유입수가 상기 반응조 본체 내에 머무는 수리학적 체류 시간은 5 내지 24 시간일 수 있고, 이 경우 유입수 내의 질소가 효과적으로 제거될 수 있다.
상기 질소의 제거방법은, 상기 반응조 본체와 연결된 산기장치에서 공급되는 공기를 유입하여 상기 반응조 본체 내에 위치하는 체류수를 혼류하는 혼류단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질소 제거 장치는, 암모니아성 질소를 포함한 유입수가 내부에 수용되어 형성되는 체류수의 탈질 처리가 진행되고 처리수를 생성하는 반응조 본체; 상기 처리수와 미생물을 분리하는 경사판 침전조; 및 상기 반응조 본체의 저면과 상기 경사판 침전조 사이에 배치되어 있고, 상하 관통된 형태를 갖는 전극모듈;을 포함한다.
상기 경사판 침전조는, 상기 처리수와 상기 미생물 분리를 돕는 경사판, 및 상기 침전조를 월류한 처리수를 수용하는 월류관을 포함하고, 상기 월류관은 상기 처리수가 상기 반응조 본체로부터 배출되는 배출관과 연결되며, 상기 월류관의 외벽은 상기 반응조 본체 내의 수면보다 높게 위치하여 상기 경사판 침전조를 통과하지 않은 체류수가 월류되는 것을 방지하는 것일 수 있다.
상기 전극모듈은, 산화전극; 상기 산화전극과 이격되게 위치하는 환원전극; 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격 유지를 위한 고정부를 포함할 수 있다.
상기 전극모듈은, 상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 닫힌 회로를 이루는 것일 수 있다.
본 발명의 생물전기화학 시스템을 적용한 질소 제거 장치를 이용하여 고농도 질소를 제거하는 방법은, 고농도 질소를 효율적이면서 동시에 저비용으로 제거하는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 전기화학적 촉매 작용에 의하여 ANAMMOX(Anaerobic Ammonium-Oxidizing) 반응을 관여하는 미생물의 활성화를 유도하여 ANAMMOX 반응 관여 미생물의 성장동역학 향상과 ANAMMOX 반응 속도의 극대화; 및 이와 동시에 전기화학적인 제거도 수행하여 효율적이고 안정적인 질소 제거를 달성한다.
도 1은 기존의 생물학적 질소 제거 시스템을 설명하는 개념도.
도 2는 본 발명의 생물전기화학 시스템을 이용한 고농도 질소 제거 장치 처리계통도.
도 3은 본 발명의 생물전기화학 시스템을 이용한 고농도 질소 제거 장치 측면도.
도 4는 본 발명의 생물전기화학 시스템을 이용한 고농도 질소 제거 장치 상부 단면도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
질소는 부영양화의 주 원인 중 하나로, 폐수 처리나 유기성슬러지 처리에 있어서 그 제거가 중요시되는 인자이다. 기존의 생물학적 질소 제거 시스템에 대해 설명하는 도 1을 참고하면, 생물학적인 방법으로 질소를 제거하기 위하여, (1) 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 호기성 조건에서 아질산성 질소(NO2 --N) 및 질산성 질소(NO3 --N) 순으로 단계별 산화시키는 질산화 과정, 즉 Nitroso-bacteria의 생물학적 반응(2NH4 + + 3O2 → 2NO2 - + 4H+ + 2H2O) 및/또는 Nitro-bacteria의 생물학적 반응(2NO2 - + O2 → 2NO3 -)을 이용하여, 전체 산화반응(NH4 + + 2O2 → NO3 - + 2H+ + H2O)으로 암모니아성 질소를 아질산성 질소 또는 질산성 질소로 전환시키고, 다시 (2) 무산소 조건에서 유기물을 이용하여 아질산성 질소(NO2 --N) 및 질산성 질소(NO3 --N)를 N2로 환원시키는 탈질화 과정 즉, 질산성 질소에 대하여 0.2NO3 - + 1.2H+ + e- → 0.1N2 + 0.6H2O의 생물학적 반응, 그리고 아질산성 질소에 대하여, 0.33NO2 - + 1.33H+ + e- → 0.67H2O + 0.17N2의 생물학적 반응을 유도하여 아질산성 질소 및 질산성 질소를 N2로 환원시키는 방법을 적용한다.
이러한 방법은, 암모니아성 질소(NH4 +-N) 산화를 위한 높은 에너지가 요구되고, 아질산성 질소(NO2 --N) 및 질산성 질소(NO3 --N)의 환원을 위한 별도의 외부 탄소원 공급이 요구되며, 공정 구성(질산화 공정, 탈질 공정)의 복잡성으로 운전 조작에 어려움이 있고, 외부 충격(C/N비, 중금속, 온도, pH)에 민감하다는 문제점이 있었다,
본 발명의 발명자들은, 동력에너지 사용을 최소화하고, 별도의 외부탄소원 주입이 없으며, 부지 사용 최소화를 위한 간단한 방식의 질소 제거 공정과 상기 공정에 적용하는 반응조 시스템에 대한 연구를 거듭한 결과, 혐기성 암모늄 산화(Anaerobic Ammonium Oxidation: ANAMMOX; 아나목스) 공정을 적용하되, 아나목스 공정의 단점인 유효 미생물(Planctomycetales 등, 이하 ANAMMOX 반응 관여 미생물이라 칭함)의 느린 성장속도의 문제, 적절한 아질산성 질소과 암모니아성 질소의 비율이 요구된다는 점, 그리고 상대적으로 긴 체류시간을 요구한다는 점을 해결하기 위하여, 반응조의 구조적인 설계와 함께 민감성이 높은 ANAMMOX 반응 관여 미생물의 원활한 성장을 위한 최적의 환경조건이 제공될 수 있도록 생물전기화학 기술(Bio-Electrochemical technology)을 접목하여 설계한 생물전기화학 ANAMMOX 반응조를 포함하는 전기화학 시스템을 이용한 고농도 질소 제거 장치와 전기화학 시스템을 이용한 질소 제거 방법 및 질소 제거 장치에 대한 발명을 완성하였다(도 2의 개념도 참조).
본 발명의 일 실시예에 따른 질소 제거 장치에 대하여, 도 2 내지 도 4를 참고하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 생물전기화학 시스템을 이용한 고농도 질소 제거 장치 처리계통도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 질소 제거 장치 측면도이고, 도 4는 도 3의 상부 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 질소 제거 장치(100)는 반응조 본체(110), 산기장치(120), 경사판 침전조(130) 및 전극모듈(140)을 포함하며 아나목스 미생물의 성장동역학을 가속화시켜 고농도 질소를 효율적으로 제거한다.
반응조 본체(110)의 내부에는 처리대상 유입수를 수용할 수 있는 빈 공간이 위치하고 반응조 본체는 상부가 개방되어 있거나 뚜껑에 의해 폐쇄되어 있을 수 있다.
상기 유입수는 유입수저장조(160)에 저장된 후 이송펌프(미도시)에 의하여 유입수 유입관(150)을 통해서 반응조 본체(110)에 유입될 수 있고, 이때 반응조 본체(110)의 하단부로 유입수가 유입되는 것이 효율적인 탈질 반응 진행에 유리하다. 반응조 본체(110) 내부로 처리 대상인 고농도 질소 함유 유입수가 유입되는 유입구와 상기 유입구와 연결되는 유입관, 그리고 질소 제거 처리가 완료된 처리액 배출관(133)이 반응조 본체(110)에 설치될 수 있다. 또한, 유입수의 암모니아성 질소의 함유량을 모니터링하는 장치가 유입수저장조(160), 유입수저장조에서 배출되어 이송되는 배관, 또는 유입수유입관(150)에서 측정될 수 있고, 이때, 유입수의 pH도 함께 모니터링될 수 있다. 이러한 모니터링의 결과는 반응조 본체(110) 내의 질소제거환경의 제어에 필요한 자료로 활용될 수 있다.
또한, 반응조 본체(110)에는 반응조 본체 내부의 용존 산소 농도를 모니터링하는 장치(미도시)가 더 구비될 수 있는데, 이러한 모니터링 결과를 활용해서 반응조 본체 내부의 용존산소의 농도를 제어할 있다.
구체적으로, 산기장치(120)는 반응조 본체(110) 내부에 설치되어 공기를 주입함으로써 반응조 본체(110) 내 용존 산소 농도가 1.0 mg/L 이하가 되도록 유지하게 한다. 상기 산기장치(120)는 상기 반응조 본체(110)와 연결되어 이하 설명하는 경사판 침전조(130) 아래에 배치될 수 있고, 반응조 본체(110)의 바닥에 배치될 수 있다.
반응조 본체(110) 내부 바닥에는 공기가 배출되는 복수의 구멍이 형성된 산기장치(120)의 산기관의 형태로 배치되어 있을 수 있고 상기 산기관이 반응조 본체 외부에 위치하는 송풍기와 연결된 형태 배치되어 있을 수 있다. 산기장치(120)의 세부 구조는 널리 공지된 산기장치의 구성이 적용될 수 있는바, 이하 상세한 구조에 대한 설명은 생략한다.
경사판 침전조(130)는 반응조 본체(110) 내부에 배치되어 있으며 경사판 침전조에는 경사판 침전조 유입구(미도시)를 갖는 침전조 본체(134)와, 경사판(131), 및 월류관(132)이 배치되며, 상기 월류관(132)는 배출관(133)과 연결된다. 또한, 상기 경사판 침전조 본체(134) 내부에는 침전조 산기장치(135) 더 구비될 수 있다.
상기 경사판 침전조는, 경사판을 포함하여 효과적으로 미생물의 유실을 방지하고 미생물과 처리수가 효율적으로 분리되도록 하는 기능을 한다. 경사판 침전조(130)의 외부 둘레와 반응조 본체(110) 내부 둘레는 떨어져 있을 수 있다. 경사판 침전조(130)의 바닥면은 반응조 본체(110)의 내부 바닥과 떨어져 있고, 경사판 침전조(130) 바닥은 가장자리에서 중앙으로 갈수록 반응조 본체(110) 바닥을 향해 돌출되어 있는 경사면을 포함하도록 구성될 수 있다.
경사판 침전조(130) 내부는 경사판(131)으로 채워져 있으며 상부는 개방된 공간을 갖는다. 경사판 침전조(130) 내부는 바닥에 형성된 입구는 반응조 본체(110) 내부와 관통되어 있다. 반응조 본체(110)의 처리수와 ANAMMOX 관여 미생물은 경사판 침전조 바닥에 형성된 입구를 통해 경사판 침전조(130) 내부로 유입될 수 있다. 경사판 침전조 본체(134) 내에 위치하는 복수개로 설치되는 경사판(131)은 미생물 등이 경사판에 부착되고 침전되어 처리수와 미생물이 효율적으로 분리되도록 하는 기능을 하며, 내부의 침전조 산기장치(135)는 외부의 송풍기(미도시)와 연결되어 미생물의 제거, 경사판 침전조 내부에 혼류 필요성이 있을 경우, 또는 경사판 침전조 유입구에 스케일이 발생하였을 경우 등 필요시에 활용될 수 있다.
반응조 본체(110) 체류액의 직접적인 유입을 방지하기 위해 경사판 침전조(130)의 월류관(132) 외벽은 경사판 침전조(130)의 수면보다 더 높은 곳에 위치할 수 있다.
월류관(132)은 경사판 침전조(130) 내부 상부 측에 위치하여 경사판 침전조(110) 둘레를 따라 배치되어 있다. 월류관(132)의 상부도 개방되어 있고 외벽은 내벽보다 높은 곳에 위치할 수 있다.
월류관(132)의 내벽은 수면보다 낮은 곳에 위치한다. 이에 경사판 침전조(130)의 상등액은 월류관(132)으로 유입될 수 있다. 월류관(132)의 외벽은 수면보다 높으므로 반응조 본체(110) 내 유입수와 체류수는 경사판 침전조(130) 월류관(132)에 직접 월류하지 않는다.
배출관(133)은 월류관(132)과 연결되어 반응조 본체(110)를 관통한다. 상기 월류관(132)은 상기 질소 제거 장치(100)와 연결되며, 상기 월류관(132)에 수용된 상등액은 반응조 본체(110) 외부로 배출하는 배출관(133)를 통해 최종 방류될 수 있다. 구체적으로, 월류관(132)으로 월류된 처리수인 월유액이 배출관(133)을 통해 배출될 수 있다.
전극모듈(140)은 적어도 하나 이상이 반응조 본체(110) 내부에 배치되어 외부의 전원(미도시)에 의하여 전압이 인가되면 반응조 본체(110) 내에 전류가 흐르도록 유도하며, 전기화학적 산화 반응(Electrochemical Anode reaction)과 전기화학적 환원 반응(Electrochemical Cathode reaction)을 동시에 진행할 수 있다.
전극모듈(140)은 반응조 본체(110) 내부 둘레와 경사판 침전조(130) 외부 둘레 사이에 배치될 수 있다. 산화전극(141), 환원전극(142) 및 고정부(143)를 포함하며, 산화전극(141)과 환원전극(142)은 경사판 침전조(130)의 둘레를 따라 교번적으로 복수 배치될 수 있다. 산화전극(141)과 환원전극(142)은 경사판 침전조(130) 외부 둘레와 반응조 본체(110) 내부 둘레와 간격을 두고 배치될 수 있다.
산화전극(141)은 스테인레스와 같은 비활성 전극 재질 등으로 만들어질 수 있고 환원전극(142)은 금속, 비금속, 도전 가능 재질 등으로 다양하게 만들어질 수 있으나, 좋게는 상기 산화전극(141)과 환원전극(142)은 스테인레스와 같은 비활성 소재를 포함하여 제조된 것일 수 있다.
고정부(143)는 산화전극(141)과 환원전극(142) 사이에 배치되어 있다. 고정부(143)는 산화전극(141)과 환원전극(142)의 떨어진 간격을 유지하도록 한다. 간격은 10 내지 100mm 범위의 간격을 유지될 수 있으며, 이러한 구조를 갖는 전극모듈을 적용할 경우 질소 제거 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상기 산화전극(141)과 상기 환원전극(142)은 평평한 면을 갖는 것으로, 교번적으로 복수 배치되어 닫힌 회로를 이루는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 전극모듈(140)은, 상기 산화전극(141), 상기 환원전극(142) 및 상기 산화전극(141)과 상기 환원전극(142) 사이에 일정한 간격을 유지하며 고정하는 고정부(143);를 포함할 수 있다.
상기 질소 제거 장치는 생물전기화학기술(Bio-Electrochemical technology)을 아나목스(ANAMMOX, Anaerobic Ammonium-Oxidizing) 처리에 적용하여, 미생물의 활성화를 유도해 고농도 질소를 함유한 폐수에서 생물학적 한계를 극복하여 고농도 질소의 효율적인 제거 동시에 기존의 과다한 폭기 에너지 소모에 따른 동력비를 절감할 수 있는 생물전기화학 ANAMMOX 시스템을 제공하며, 제한된 공간 안에서 효율적인 고농도 질소 제거가 가능하도록 한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 질소 제거 장치를 이용한 질소의 제거방법은, 암모니아성 질소를 포함하는 유입수가 반응조 본체 내부로 유입되어 체류수를 형성하고, 이하 설명하는 질소제거단계를 거쳐 처리수로 바뀌며, 이 처리수가 미생물과 함께 상기 반응조 본체(110)에 배치되어 있는 경사판 침전조(130)로 상향식으로 유입되어 상기 처리수와 상기 미생물을 분리하는 분리단계; 및 상기 반응조 본체(110)와 상기 경사판 침전조(130) 사이에 배치되어 있는 상하 관통된 전극모듈(140)에 전압을 인가하여 i) 활성화된 미생물에 의한 아나목스 반응 극대화와, ii) 전기화학적 암모니아성 질소의 아질산(질산)성 질소로 환원반응과 아질산(질산)성 질소의 질소가스로의 환원반응을 촉진하는 전기화학적 질소 제거 단계;를 포함하며, 위의 각 단계가 순차로 또는 동시에 진행될 수 있다.
상기 질소의 제거방법은, 혐기성 암모니아성 질소 산화과정인 아나목스 반응을 포함한다. 이때 적용되는 아나목스 미생물은 Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis , Candidatus Scalindua sorokinii, Nitrosomonas eutropha 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 질소 제거 장치의 전극모듈(140)에 전압이 인가되면, 산화환원 전극으로부터 전자 이동이 활발해 지면서 아나목스 반응을 관여하는 미생물을 활성화시키고, 질소 제거 효율을 향상시킨다.
또한, 상기 질소의 제거방법은, 암모니아성 질소의 아질산(질산)성 질소로 환원반응과 아질산(질산)성 질소의 질소가스로의 환원반응을 촉진하는 전기화학적 질소 제거 과정을 포함한다. 이때, 전기화학적 NH4 +-N의 산화(Anode: NH4 + + O2 →NO2 -/NO3 -) 및 아질산(질산)성 질소의 환원(Cathode: NO2 -/NO3 - → N2)이 진행된다.
구체적으로, 유입수 유입관(150)을 통해서 반응조 본체(110)의 하단으로 유입되는 유입수는 반응조 본체(110) 내의 체류수와 합쳐저 체류수를 이룬다. 체류수는 반응조 본체 내의 아나목스 미생물들과 섞여서 반응하게 되며, 반응조 본체의 하단부에서 상단부로 올라갈수록 각각 암모니아성 질소의 산화 반응과 아질산(질산)성 질소의 환원반응이 우세하게 진행될 수 있다.
상기 반응조 본체(110) 내의 용존 산소 농도를 1.0 mg/L 이하로 유지하는 과정을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 용존 산소의 농도는 0.5 내지 1.0 mg/L일 수 있고, 0.8 내지 1.0 mg/L일 수 있다. 이러한 농도로 용존 산소의 농도를 유지하는 경우, 암모니아성 질소의 아질산성 질소로의 부분 산화를 더욱 촉진할 수 있다. 구체적인 용존 산소의 농도를 유지하는 수단으로 산기장치(120)에 의한 폭기 등의 방법이 적용될 수 있다.
상기 질소 제거 단계는, 상기 전극모듈(140)에 2 V 이하의 전압을 인가하는 과정을 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 전압은 0.2 내지 2 V일 수 있다. 이러한 미세한 전압을 인가하는 경우 위의 아나목스 공정에 생물전기화학기술이 효율적으로 적용되도록 할 수 있으며, 효율적인 고농도 암모니아성 질소 제거를 가능하게 할 수 있다.
상기 유입수는 체류수가 되어 질소제거 반응이 진행되며, 상기 경사판 침전조(130)를 통과하여 질소가 제거되고 미생물과 분리된 처리수로써 배출관(133)을 통해 반응조 본체(110) 외부로 배출된다.
상기 반응조 본체(110)에 머무는 유입수의 수리학적 체류 시간은 5 내지 24 시간일 수 있다. 이러한 수리학적 체류 시간을 적용하는 경우 유입수 내의 암모니아성 질소를 효과적으로 제거하면서 질소 제거 장치 운전 전체의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상기 반응조 본체(110)와 연결된 산기장치(120)에서 공급되는 공기의 폭기에 의하여 상기 반응조 본체(110) 내에 위치하는 체류수를 혼류하는 혼류단계;를 더 포함할 수 있으며, 이러한 혼류단계는, 반응조 내에 분포하는 미생물이 암모니아성 질소 제거에 적절한 수준과 조건으로 유지하기 위하여 필요할 경우 적용할 수 있다.
또한, 상기 질소의 제거방법은, 상기 경사판 침전조(130)를 ANAMMOX 관여 미생물 군집 개체수를 조절하는 미생물 개체수 조절단계;를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 산기장치(120) 및/또는 침전조 산기장치(135)를 이용하여 반응조 본체(110) 내부 및/또는 침전조 본체(134) 내부의 폭기를 촉진하고 반응조 내부의 혼류 정도를 조절하여 원활한 ANAMMOX 반응을 유도할 수 있다.
본 발명인 질소의 제거방법에서 적용하는 ANAMMOX 질소제거 공정, 즉, 혐기성 암모늄 산화공정은 유기물이 필요 없는 소위 자가영양형 질소 제거 공정으로서, 구체적으로 전자수용체로 아질산염을 사용하여 하이드록실아민(NH2OH)으로 환원하고, 전자공여체로 암모니아성 질소로부터 중간생성물인 하이드라진(N2H4)를 생성하며, 이와 같이 생성된 하이드라진은 전자전달계(electron transport system)에서 산화되면서 아질산염을 환원하기 위한 전자를 생산하고 최종적으로 N2가스로 환원하는 공정이다.
따라서, ANAMMOX는 단일 반응기에서 암모니아성 질소(NH4 +-N)와 아질산성 질소(NO2 --N)를 동시에 제거 가능하며, ANAMMOX 반응은 독립영양 반응으로 탈질 과정에서 별도의 유기물이 필요하지 않고, 슬러지 발생량이 적으며, 고농도 질소(4.8 kg NTotal/m3d 이상) 제거가 가능하다는 장점을 갖는다.
다만, ANAMMOX 공정에 관여하는 유효한 미생물(Planctomycetales 등)의 성장동역학이 매우 느리고, 적절한 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 비율이 필요로 하며, 처리를 위한 체류시간이 긴 단점들이 있고. 민감성이 높은 ANAMMOX 관여 미생물의 원활한 성장을 위한 최적의 환경조건이 구현하기 위하여 효율적인 방법을 연구하던 중 위에서 설명하는 생물전기화학적인 방법을 함께 적용하였다.
본 발명인 질소의 제거방법은, 단일 반응조에서 생물학적 고농도 질소 제거 가능하여 소요 부지 적고, 독립영양 미생물에 의한 탈질로 별도의 외부 탄소원이 필요하지 않아 경제성 높으며, 아질산성 질소 산화 반응까지 진행되어 기존 질산화에 비해 에너지 소요가 절감될 수 있고, 고부하 질소 제거가 가능하다는 장점을 갖는다. 또한, 생물전기화학적 시스템을 동시에 적용하여 미생물의 활성화를 유도할 뿐만 아니라, 미생물에 의한 질산화 및 탈질 반응이 이루어지는 동시에 Anode에서 암모니아성 질소의 산화가 이루어지며, cathode에서는 미세한 전류에 의해 NO3/NO2가 직접 N2 가스로 탈질 되어 제거되어 더욱 질소 제거 효율을 높일 수 있고, 산소요구량 및 탄소원 주입량을 절감시키고, 처리 후 발생하는 슬러지의 발생량을 감축시킨다는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 질소 제거 장치는 상향식의 유입 구조적 설계를 적용하여 소위 삼상분리에 유리하고, 생물전해전지(MEC:Microbial Electrolysis Cells)에 의한 질소 제거 가속화와 전기화학 촉매에 의한 ANAMMOX 반응의 활성화를 유도하여 유입폐수 내 암모니아성 질소 제거 효율을 극대화 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 질소 제거 장치 110: 반응조 본체
120: 산기장치 130: 경사판 침전조
131: 경사판 132: 월류관
133: 배출관 134: 경사판 침전조 본체
135: 침전조 산기장치 140: 전극모듈
141: 산화전극 142: 환원전극
143: 고정부 150: 유입수 유입관
160: 유입구저장조

Claims (10)

  1. 경사판 침전조가 배치된 반응조 본체 내부로 암모니아성 질소를 포함하는 유입수가 유입되어 체류수를 형성하고, 상기 체류수는 i) 상기 반응조 본체 바닥과 상기 경사판 침전조 사이에 배치되고 상하 관통된 형태를 가진 전극모듈에 전압을 인가하여 활성화된 미생물에 의하여 암모니아성 질소가 제거되는 아나목스(ANAMMOX) 반응과정과, ii) 전기화학적으로 암모니아성 질소가 아질산(질산)성 질소로 변화하는 산화반응과 상기 아질산(질산)성 질소가 질소가스로 변화하는 환원반응을 촉진하는 전기화학적 반응과정,을 포함하여, 상기 체류수 내의 질소가 제거되고 처리수가 생성되는 질소 제거 단계; 및
    상기 경사판 침전조 하단의 유입구로 상기 처리수를 포함하는 침전조유입수가 상향식으로 유입되어 상기 처리수와 상기 미생물을 분리하여 반응조 본체 외부로 배출하는 분리 단계;를 포함하는, 질소의 제거방법.
  2. 제1항에서, 상기 질소의 제거방법은,
    상기 경사판 침전조에서 상기 처리수와 상기 미생물을 함께 분리 배출하는 과정을 통해 상기 반응조 본체 내 아나목스(ANAMMOX) 관여 미생물 군집의 개체수를 조절하는 미생물 군집 조절단계;를 더 포함하는, 질소의 제거방법.
  3. 제1항에서, 상기 질소의 제거방법은,
    상기 반응조 본체 내의 용존산소 농도를 1.0 mg/L 이하로 유지하며 진행되는, 질소의 제거방법.
  4. 제1항에서, 상기 질소의 제거방법은
    상기 전극모듈에 2 V 이하의 전압을 인가하는 과정을 포함하는, 질소의 제거방법.
  5. 제1항에서,
    상기 유입수가 상기 반응조 본체 내에 머무는 수리학적 체류 시간은 5 내지 24 시간인, 질소의 제거방법.
  6. 제1항에서, 상기 질소의 제거방법은,
    상기 반응조 본체와 연결된 산기장치에서 공급되는 공기를 유입하여 상기 반응조 본체 내에 위치하는 체류수를 혼류하는 혼류단계;를 더 포함하는, 질소의 제거방법.
  7. 암모니아성 질소를 포함한 유입수가 내부에 수용되어 형성되는 체류수의 탈질 처리가 진행되고 처리수를 생성하는 반응조 본체; 상기 처리수와 미생물을 분리하는 경사판 침전조; 및 상기 반응조 본체의 저면과 상기 경사판 침전조 사이에 배치되어 있고, 상하 관통된 형태를 갖는 전극모듈;을 포함하는 질소 제거 장치.
  8. 제7항에서, 상기 경사판 침전조는,
    상기 처리수와 상기 미생물 분리를 돕는 경사판, 및 상기 침전조를 월류한 처리수를 수용하는 월류관을 포함하고, 상기 월류관은 상기 처리수가 상기 반응조 본체로부터 배출되는 배출관과 연결되며, 상기 월류관의 외벽은 상기 반응조 본체 내의 수면보다 높게 위치하여 상기 경사판 침전조를 통과하지 않은 체류수가 월류되는 것을 방지하는, 질소 제거 장치.
  9. 제7항에서, 상기 전극모듈은,
    산화전극; 상기 산화전극과 이격되게 위치하는 환원전극; 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 일정한 간격 유지를 위한 고정부를 포함하는, 질소 제거 장치.
  10. 제7항에서, 상기 전극모듈은,
    상기 산화전극과 상기 환원전극은 교번적으로 복수 배치되어 닫힌 회로를 이루는 것인, 질소 제거 장치.
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