KR20190119344A

KR20190119344A - 생물학적 질소 처리방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190119344A
Application number: KR1020180042671A
Authority: KR
Inventors: 진양오; 김성주; 조환철
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-10-22
Also published as: DE102019108410A1; US20190315643A1; DE102019108410B4

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 유입원수를 유입하는 단계; 암모니아성 질소를 호기조에서 질산성 질소로 변환하는 단계; 유입원수에 포함된 유기물을 이용하여 제1무산소조에서 질산성 질소를 부분 탈질하여 아질산성 질소로 변환하는 단계; 아나목스 미생물에 의해 제2무산소조에서 아질산성 질소와 암모니아를 질소 가스로 변환하는 단계;를 포함하는 생물학적 질소 처리방법을 제공한다.

Description

생물학적 질소 처리방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REMOVING BIOLOGICAL NITROGEN}

본 발명은 오폐수 등에 포함된 질소를 제거하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 생물학적 방법에 의한 질소 처리방법 및 장치에 관한 것이다.

하수 및 폐수 처리 시스템의 보급에 의하여 공공 수역에 배출되는 하수 및 폐수의 수질은 해마다 개선되고 있으나, 아직도 질소나 인과 같은 영양염류의 농도는 상승하는 경향을 보이고 있다.

이로 인해 적조 및 부영양화가 발생하고 있으며, 이에 지금까지 수처리에서 중심이 되어오던 유기물의 처리 뿐만 아니라, 질소나 인과 같은 영양염류의 처리도 주목받고 있으며, 좀 더 효율적이고 경제적인 고도의 수처리기술이 요구되고 있다.

하수 및 폐수의 생물학적인 질소처리방법은, 미생물에게 질소성분을 영양원으로서 섭취 시킴에 의해 질소성분을 제거하는 방법과 특정 미생물 군집의 질산화와 탈질반응에 의한 질소순환을 이용하는 방법이 대표적이다.

이러한 방법들은 반응조 내에서 미생물을 증식시킴에 의해 폐수 중의 질소성분을 미생물에 동화시키는 방법으로, 처리가 진행됨에 따라 반응조 내의 미생물량을 지속적으로 증가시키기 위해서는, 수시로 일정량의 미생물을 제거할 필요가 있어, 새로운 폐기물이 다량으로 발생되는 등의 문제가 있다.

질소 제거에는, 독립영양미생물을 이용한 질산화와 종속영양미생물을 이용한 탈질을 결합한 생물학적 처리법이 주종을 이루고 있다.

이 경우, 질산화는 암모니아성 질소(NH₄)가 독립영양미생물에 의해 아질산성 질소(NO₂) 또는 질산성 질소(NO₃)로 변환하는 과정으로, 암모니아에서 아질산으로 산화될 때는 Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosobacillus 등의 암모니아 산화미생물이 관여하며, 아질산에서 질산으로 산화될 때는 Nitrobacter, Nitrosocystis 등의 아질산 산화미생물이 관여한다.

질산화반응은 산소가 필요하며, 고효율의 질산화반응을 달성하기 위해서는 다량의 질산화미생물을 반응조 내에 확보 및 유지시키지 않으면 안된다.

또한 다량의 알칼리도도 필요하므로 저하되는 pH를 조절하기 위해서는 알칼리제나 완충제가 요구된다. 그 외에 온도, BOD/N비, 암모니아농도 등도 질산화반응에 영향을 준다.

탈질은 용존산소(DO)가 존재하지 않고 질산성질소 또는 아질산성질소가 존재하는 무산소(Anoxic) 상태에서 Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus등의 종속영양미생물에 의해 질산이나 아질산이 질소가스(N₂)로 변환되는 과정을 말한다.

종속영양 탈질반응에는 전자공여체로서 유기탄소원을 필요로 하므로, 유기탄소원이 낮은 경우에는 메탄올과 같은 유기탄소원을 외부로부터 첨가해 주어야 한다.

그러나 메탄올 첨가의 경우에는 적절한 첨가량의 제어가 곤란하고 메탄올 자체의 독성 때문에 처리수에 메탄올이 잔존하면 2차 오염의 원인이 된다.

이론적인 메탄올 필요량은 처리해야할 질소량의 3배 이상이 필요하다고 되어 있으나, 실제 현장운전을 한 결과에서 보면 3~10배로 평균 6.5배 정도가 필요한 것으로 알려져 있다.

특히, 질소농도가 높은 폐수의 대부분은 암모니아성 질소가 다량 함유되어 있으므로 질산화과정과 탈질 과정이 필요한데, 암모니아성 질소가 고농도로 존재하면 질산화가 잘 이루어지지 않으므로 질산화에 매우 긴 시간과 동력(포기)을 필요로 하며, 탈질에서는 유기탄소원을 필요로 하므로 부족할 경우 유기탄소원(메탄올 등)을 첨가해 주어야 한다.

따라서, 질소 제거에 소요되는 에너지 및 외부 탄소원의 소비를 줄이려는 많은 연구들이 요구되고 있다.

한국공개특허 10-2013-0111921

본 발명은 에너지 및 외부 탄소원의 소비를 최소화할 수 있는 생물학적 질소 제거 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 호기조, 제1 무산소조, 및 제2 무산소조를 포함하는 생물학적 질소 처리장치의 생물학적 질소 처리방법은, 유입원수를 유입하는 단계; 암모니아성 질소를 상기 호기조에서 질산성 질소로 변환하는 단계; 상기 유입원수에 포함된 유기물을 이용하여 상기 제1 무산소조에서 질산성 질소를 부분 탈질하여 아질산성 질소로 변환하는 단계; 아나목스 미생물에 의해 상기 제2 무산소조에서 아질산성 질소와 암모니아를 질소 가스로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 유입원수를 유입하는 단계는, 유입원수를 상기 호기조와 상기 제1 무산소조로 분할 유입하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 유입원수를 상기 호기조와 상기 제1 무산소조로 분할 유입하는 단계는, 상기 유입원수의 유량 중 40% 내지 60%를 상기 호기조로 투입하고, 나머지를 상기 제1 무산소조로 투입하는 단계를 포함하고 또는 상기 호기조의 암모니아 농도 및/또는 상기 제1 무산소조의 질산과 아질산의 농도를 바탕으로 유입원수의 유량 중 상기 호기조로 투입되는 비율 및 상기 제1 무산소조로 투입되는 비율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 암모니아성 질소를 상기 호기조에서 질산성 질소로 변환하는 단계는, 상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계는, 상기 호기조에 설치된 암모니아(NH₄) 센서를 이용하여 암모니아의 농도를 측정하는 단계 및 상기 암모니아 농도를 바탕으로 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

또다른 본 발명의 실시예에서, 상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계는, 상기 호기조의 시작 지점의 포기강도와 상기 제1무산소조 직전의 위치에서의 포기 강도는 서로 차이가 나도록 결정하는 단계를 포함하거나 또는 시간의 증가에 따라 상기 호기조에서의 포기강도 및/또는 포기량을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 유입원수에 포함된 유기물을 이용하여 상기 제1 무산소조에서 질산성 질소를 부분 탈질하여 아질산성 질소로 변환하는 단계는 상기 제1 무산소조의 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 무산소조의 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계는 아질산성 질소가 질소 가스로 변환되는 비율을 최소화하기 위하여 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 1시간 이내로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 아나목스 미생물에 의해 상기 제2 무산소조에서 아질산성 질소와 암모니아를 질소 가스로 변환하는 단계는 상기 제2 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 제1 무산소조의 반응 시간과 상기 제2 무산소조의 반응 시간은 상기 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 서로 차이가 나도록 결정할 수 있다.

본 발명ㅇ의 실시예에서, 상기 제2 무산소조에서의 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1:1 내지 1:3몰로 반응시켜 최종적으로 질소가스로 변환시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 생물학적 질소 처리장치는, 유입원수의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환하는 호기조; 질산성 질소를 아질산성 질소로 변환하는 제1 무산소조; 아질산성 질소를 아나목스 미생물에 의해 질소 가스로 변환하는 제2 무산소조를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 호기조에는 암모니아(NH₄) 센서가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 무산소조에는 질산(NO3) 센서 및 아질산(NO₂) 센서가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 호기조 및 상기 제1 무산소조로 분기되도록 설치되는 원수 유입라인을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 무산소조에는 탄소원을 공급하는 외부 탄소원 공급라인이 설치될 수 있으며 상기 외부 탄소원은 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 아세트산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2 무산소조는 유동상 또는 고정상 생물막 반응조를 적용할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2 무산소조와 상기 호기조는 반송라인으로 연결되며, 암모니아성 질소 또는 아질산성 질소는 상기 반송라인을 통해 상기 제2 무산소조에서 상기 호기조로 반송될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 질산화 반응과 탈질반응이 일어나는 조건이 상이한 점을 고려하여 외부 탄소원을 별도로 주입하지 않고 폐수에 포함된 탄소원을 이용하여 폐수 내 질소를 제거할 수 있으므로, 에너지 및 외부 탄소원의 소비를 최소화할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법의 원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법을 수행할 수 있는 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법의 적용예를 도시한 개략도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 본 발명의 본질과 관계없는 부분은 그에 대한 상세한 설명을 생략할 수 있으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여할 수 있다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하도록 의도되지 않으며, 본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 의해 이해되는 개념으로 해석될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법의 원리를 설명하기 위한 개략도이다.

도 1을 참고하면, 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법은 유입 원수에 포함된 50%의 암모니아(NH₄)를 질산화(NO₃)시키고, 질산(NO₃)을 유입 원수에 포함된 COD 성분을 이용하여 부분 탈질을 하여 아질산(NO₂)으로 변환시키며, 최종적으로 아나목스 미생물을 이용한 아나목스 과정을 거쳐 아질산(NO₂)과 암모니아(NH₄)를 질소(N₂) 가스 형태로 제거한다.

즉, 아나목스 과정에서는 아질산(NO₂)을 산화제로 이용하고 암모늄이온(NH₄ ⁺)을 환원제로 이용하여 질소 가스로 변환시킬 수 있다.

오폐수 내 질소를 제거하기 위한 보편적인 과정은 호기 조건에서의 질산화 반응과 무산소 조건에서의 탈질 반응으로서 유지 비용이 많이 소요된다. 이에 비해 아나목스 공정은 혐기성 암모니아 산화반응을 일으키는 아나목스 미생물을 이용해 기존 폐수의 질소분리 공정에 필요한 산소주입과 외부 탄소원 공급 등의 단계를 줄일 수 있다.

이에 따라 질소 제거 시간이 짧고, 처리 부지가 집약적이며, 별도의 외부 탄소원과 산소가 필요 없고, 유지 비용이 저렴한 효과를 얻을 수 있다.

일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법을 수행하기 위한 탈질 장치가 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참고하면, 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 장치는 호기조(10), 제1무산소조(20), 제2무산소조(30)를 포함한다.

유입원수는 호기조(10) 및 제1무산소조(20)로 각각 분할 유입될 수 있다. 즉, 원수 유입라인(L1)은 호기조(10) 및 제1무산소조(20)로 분기되도록 설치될 수 있다.

호기조(10)에는 암모니아(NH₄) 센서가 설치되고, 제1무산소조(20)에는 질산(NO3) 센서 및 아질산(NO₂) 센서가 설치되어 유입 원수의 공급 비율 및 포기(Aeration) 강도를 조절할 수 있다. 제1무산소조(20)에는 외부 탄소원 공급라인(L2)이 설치될 수 있다. 외부 탄소원 공급라인을 통해 제1무산소조에 공급되는 외부 탄소원은 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 아세트산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제2무산소조(30)에서는 아나목스 반응을 진행할 수 있다. 제2무산소조(30)를 유동상 반응조로 사용할 경우, 디스크 필터(Disk Filter), 스크린 필터(Screen Filter), 카트리지 필터(Cartrige Filter) 중 적어도 하나를 이용하여 Anammox 균주를 분리 회수하여 SRT를 40일 이상 유지할 필요가 있다.

따라서, 제2무산소조(30)는 고정상 생물막 반응조를 적용하여 탈질(Denitrification) 효율을 극대화 하는 것이 바람직하다.

제2무산소조(30)와 호기조(10)는 반송라인(L3)으로 연결될 수 있다. 이에 따라 잔존하는 암모니아성 질소 혹은 아질산성 질소는 반송라인(L3)을 통해 제2무산소조(30)에서 호기조(10)로 반송되도록 함으로써 질소 제거 효율을 증가시킬 수 있다.

한편, 경우에 따라서는 제1무산소조(20)와 제2무산소조(30)를 하나의 반응조로 하여 부분 탈질과 아나목스(Anammox) 반응을 동시에 구현할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법을 도시한 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법의 적용예를 도시한 개략도이다. 이때, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 의한 탈질 방법에서, 포기강도와 포기시간 간의 상관관계가 도시되어 있다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 일 실시예에 의한 생물학적 탈질 방법은 유입원수를 호기조와 제1무산소조로 분할 유입하는 단계(S1), 호기조에서 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환하는 단계(S2), 제1무산소조에서 질산성 질소(NO₃)를 아질산성 질소(NO₂)로 변환하는 단계(S3), 제2무산소조에서 아질산성 질소(NO₂)를 질소 가스(N₂)로 변환하는 단계(S4, S5)를 포함한다.

호기조에서는 유입된 암모니아성 질소(NH₄)를 질산화(NO₃)하며, 이때 포기강도, 포기시간, 포기량 등은 호기조로 유입되는 암모니아의 농도에 의해 결정될 수 있다.

즉, 포기 방법에서 처음 투입되는 지점의 포기강도와 제1무산소조 직전의 위치에서의 포기 강도는 도 4에 도시된 것과 같이 서로 차이를 둘 수 있다. 예컨대, 호기조에서 시간이 증가할수록 포기강도는 단계별로 하강할 수 있다.

예컨대, 하수에서 유입원수의 암모니아성 질소 농도는 40mg/L 전후이며 그 변화는 크지 않다. 이때, 암모니아성 질소의 농도가 높아지면 상대적으로 포기강도/포기량을 비례적으로 늘려주는 방법을 취해야 호기조에서 유입된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 모두 변환할 수 있으며, 위치적으로 강도를 조절하는 예는 Plug and Flow reactor 형태의 경우 최초 투입되는 지점에서 제1무산소조에 근접할수록 암모니아성 질소의 농도가 낮아지기 때문에 그에 따라서 포기량 혹은 포기강도를 낮추어 주는 것이 바람직하다.

제1무산소조에서는 변환된 질산성 질소(NO₃)를 유입되는 유기물(COD) 성분을 이용하여 아질산성 질소(NO₂)로 변환시킨다. 즉, 제1무산소조에서는 호기조에서 생산된 질산성 질소(NO₃)를 유입원수에 포함된 유기물(COD)을 이용하여 부분 탈질시켜서 아질산성 질소(NO₂)로 변환시키게 된다. 이때 HRT는 기존 탈질공정의 HRT 대비 짧게 예컨대, 1시간 이내로 유지하여 아질산성 질소(NO₂)가 질소 가스(N₂)로 변환되는 비율을 최소화 하여야 하며, 암모니아성 질소는 그대로 유지된다.

제2무산소조에서는 아질산성 질소(NO₂)와 암모니아성 질소(NH₄)를 아나목스 미생물로 질소 가스(N₂) 형태로 변환시켜 제거할 수 있다.

아나목스(ANAMMOX) 기술은 혐기상태에서 암모니아(NH₄ ⁺)와 아질산(NO₂ ^－)을 기질로 이용하고, 무기탄소로부터 균체를 합성하는 독립영양균인 아나목스균에 의해 수행되는 반응으로, 혐기성 암모니아 산화(ANaerobic　AMMonium　OXidation)의 약칭이다.

아나목스 반응은, 혐기상태에서 NH₄ ⁺가 전자공여체, NO₂ ^－가 전자수용체로서 반응하여 질소가스를 생성하는 독립영양반응이므로, 질산화를 위한 산소와, 탈질을 위한 유기탄소원의 공급을 최소화할 수 있어 대폭적인 처리비용 저감이 가능하다.

아나목스 반응에 의해 질소성분을 제거하기 위해서는, 처리대상 원수에 암모니아성 질소(NH₄)와 아질산성 질소(NO₂)가 1:1~1:3의 몰비로 존재해야만 한다.

그러나 대부분의 처리대상 유입원수에는 암모니아성 질소(NH₄) 형태로 존재하므로, 약 50%를 아질산성 질소(NO₂) 형태로 변환시켜야 한다.

이를 위해 필요한 기술이 부분탈질 기술이며, 이 부분탈질 기술은 기존의 질산화-탈질 공정에서의 질산화과정에서 아질산성 질소가 질산성 질소로 변환되는 반응을 제어함에 의해 달성 가능하다.

아나목스 반응 후에 유입 질소량의 약 10%의 질산성 질소(NO₃)가 생성되며, 반응 후 잔류하는 아질산성 질소(NO₂)가 처리수에 함유되게 된다.

그러나 아질산화반응을 수행하는 암모니아산화균(Nitrosomonas)과 아나목스반응을 수행하는 아나목스균의 경우, 생육이 매우 늦고, 반응조 내에서 아나목스균을 우점화시키기 쉽지 않으며, 독립영양균이므로 증식속도가 늦어 고농도의 미생물량을 확보하기 어려워, 실제 오폐수 처리장에 적용하는데 큰 걸림돌이 되고 있다.

아질산화와 아나목스반응을 이용한 질소제거기술을 상용화하기 위해서는, 암모니아산화균(아질산균)과 아나목스균이 반응조 내에서 안정적으로 일정량이 유지될 수 있도록 하는 것이 가장 중요하다.

또한, 기존의 부분 아질산화와 아나목스반응을 이용한 질소처리공정의 경우, 최종방류수에 잔류하는 아질산성 질소와 질산성 질소가 잔류하는 문제가 있었다.

따라서 처리수에 함유된 질산성 질소와 아질산성 질소를 메탄올과 같은 유기탄소원을 사용하지 않고 질소가스로 탈질하여 제거한다면, 질소제거율을 보다 높일 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 호기반응 량을 줄임으로써 에너지 절감이 가능하고, 부분탈질에 유입원수의 유기물을 활용하므로 추가적인 외부 탄소원 예컨대, 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 아세트산 등의 공급량 및 비용을 줄일 수 있다.

또한, 호기조에서의 반응 시간 후에 무산소조(부분탈질 + Anammox)에서의 반응을 2회 이상 실시 한다면 질소 제거율을 극대화 할 수 있다.

초기 유입 원수 중 호기조로 투입되는 유입원수의 양을 40%~60%로 운전하고, 무산소조로 투입되는 유입원수의 양은 전체적으로 60%~40%를 유지한다.

무산소조로 투입되는 유입원수는 “부분탈질(NO₃

NO₂) + 아나목스”로 이어지는 조건을 2회 이상 연속적/반복적으로 운전하여 질소 제거율을 극대화 시킨다. 이때 각각 “제1무산소조 + 제2무산소조”의 반응 시간은 차등을 둔다.

제1무산소조는 질산성질소(NO₃)를 아질산성질소(NO₂)로 변환하는 공정이기에 HRT를 길게 가져가면 아질산성질소(NO₂)에서 질소가스(N₂)로의 변환이 발생하게 되기에 가능한 짧은 HRT를 유지시킬 필요가 있다. 상대적으로 제2무산소조는 변환된 아질산성질소(NO₂)와 암모니아성질소(NH₄)를 아나목스 반응을 통하여 질소가스(N₂)로 변환하는 공정이기에 HRT가 길게 유지되어야 한다. 이는 각 반응조의 미생물 농도 및 각각의 형태의 질소농도에 따라서 달라질 수 있다. 이때 그 운전 제어를 NO₂/NO₃ 센서를 통하여 구현할 수 있다.

제1무산소조에서 유입원수의 유기물(COD)를 사용하여 부분탈질을 할 때 질산성 질소(NO₃)를 100% 아질산성 질소(NO₂)까지만 보내는 것은 어렵기에 질산성 질소(NO₃)에서 아질산성 질소(NO₂)로 가장 효과적으로 변환되는 시점, 예컨대 30분~60분까지 1차로 운전한다. 이때, 필요에 따라서는 제1무산소조에 글리세롤이 공급될 수 있다.

그 후 호기조 반응에서 잔존하는 질산성 질소(NO₃)를 아질산성 질소(NO₂)로 변환시키고 남은 암모니아성 질소(NH₄)와 함께 아나목스(Anammox) 반응으로 탈암모니아화(Deammonification) 시키는 방법이다.

이 방법의 가장 큰 장점은 아질산성 질소(NO₂)에서 질소 가스(N₂)로 변환하는 질소 제거 단계에 소요되는 유기물의 소모를 절감 가능하고, 질소 제거율을 극대화 할 수 있다는 점이다.

본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10; 호기조
20; 제1무산소조
30; 제2무산소조
L1; 원수 유입라인
L2; 외부 탄소원 공급라인
L3; 반송라인

Claims

호기조, 제1 무산소조, 및 제2 무산소조를 포함하는 생물학적 질소 처리장치의 생물학적 질소 처리방법으로서,
유입원수를 유입하는 단계;
암모니아성 질소를 상기 호기조에서 질산성 질소로 변환하는 단계;
상기 유입원수에 포함된 유기물을 이용하여 상기 제1 무산소조에서 질산성 질소를 부분 탈질하여 아질산성 질소로 변환하는 단계;
아나목스 미생물에 의해 상기 제2 무산소조에서 아질산성 질소와 암모니아를 질소 가스로 변환하는 단계; 를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제1항에 있어서,
유입원수를 유입하는 단계는,
유입원수를 상기 호기조와 상기 제1 무산소조로 분할 유입하는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 유입원수를 상기 호기조와 상기 제1 무산소조로 분할 유입하는 단계는,
상기 유입원수의 유량 중 40% 내지 60%를 상기 호기조로 투입하고, 나머지를 상기 제1 무산소조로 투입하는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 유입원수를 상기 호기조와 상기 제1 무산소조로 분할 유입하는 단계는,
상기 호기조의 암모니아 농도 및/또는 상기 제1 무산소조의 질산과 아질산의 농도를 바탕으로 유입원수의 유량 중 상기 호기조로 투입되는 비율 및 상기 제1 무산소조로 투입되는 비율을 조절하는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 암모니아성 질소를 상기 호기조에서 질산성 질소로 변환하는 단계는,
상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계;를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제5항에 있어서,
상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계는,
상기 호기조에 설치된 암모니아(NH₄) 센서를 이용하여 암모니아의 농도를 측정하는 단계; 및
상기 암모니아 농도를 바탕으로 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계;를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제5항에 있어서,
상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계는,
상기 호기조의 시작 지점의 포기강도와 상기 제1무산소조 직전의 위치에서의 포기 강도는 서로 차이가 나도록 결정하는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제5항에 있어서,
상기 호기조의 암모니아의 농도에 따라 포기강도, 포기시간, 및/또는 포기량을 결정하는 단계는,
시간의 증가에 따라 상기 호기조에서의 포기강도 및/또는 포기량을 감소시키는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 유입원수에 포함된 유기물을 이용하여 상기 제1 무산소조에서 질산성 질소를 부분 탈질하여 아질산성 질소로 변환하는 단계는,
상기 제1 무산소조의 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 무산소조의 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계는,
아질산성 질소가 질소 가스로 변환되는 비율을 최소화하기 위하여 상기 제1 무산소조의 반응 시간을 1시간 이내로 결정하는 단계;를 포함하는,
생물학적 질소 처리방법.
제9항에 있어서,
상기 아나목스 미생물에 의해 상기 제2 무산소조에서 아질산성 질소와 암모니아를 질소 가스로 변환하는 단계는,
상기 제2 무산소조의 반응 시간을 결정하는 단계를 포함하고,
상기 제1 무산소조의 반응 시간과 상기 제2 무산소조의 반응 시간은 상기 질산 농도 및 아질산 농도를 바탕으로 서로 차이가 나도록 결정하는,
생물학적 질소 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 무산소조에서의 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 1:1 내지 1:3몰로 반응시켜 최종적으로 질소가스로 변환시키는 생물학적 질소 처리방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 생물학적 질소 처리방법을 수행하는 생물학적 질소 처리장치로서,
유입원수의 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변환하는 호기조;
질산성 질소를 아질산성 질소로 변환하는 제1 무산소조;
아질산성 질소를 아나목스 미생물에 의해 질소 가스로 변환하는 제2 무산소조;
를 포함하는 생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 호기조에는 암모니아(NH₄) 센서가 설치되는,
생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 제1 무산소조에는 질산(NO3) 센서 및 아질산(NO₂) 센서가 설치되는,
생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 호기조 및 상기 제1 무산소조로 분기되도록 설치되는 원수 유입라인을 더 포함하는,
생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 제1 무산소조에는 탄소원을 공급하는 외부 탄소원 공급라인이 설치되는,
생물학적 질소 처리장치.
제17항에 있어서,
상기 외부 탄소원은 글리세롤, 메탄올, 에탄올, 아세트산 중 적어도 하나를 포함하는,
생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 제2 무산소조는 유동상 또는 고정상 생물막 반응조를 적용하는,
생물학적 질소 처리장치.
제13항에 있어서,
상기 제2 무산소조와 상기 호기조는 반송라인으로 연결되며, 암모니아성 질소 또는 아질산성 질소는 상기 반송라인을 통해 상기 제 2무산소조에서 상기 호기조로 반송되는,
생물학적 질소 처리장치.