KR20210085153A

KR20210085153A - 부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법

Info

Publication number: KR20210085153A
Application number: KR1020190177892A
Authority: KR
Inventors: 주동진; 정진영; 김극태
Original assignee: (주) 삼진정밀
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-08

Abstract

본 발명은 부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3), 및 배출 단계(S4)를 포함하는 일련의 단계들이 하나의 단일 반응조 내에서 수행되는 연속회분식반응조(SBR, Sequencing Batch Reactor)를 이용한 하폐수처리방법에서, 상기 생물학적 반응 단계(S2)는, 탈질 및 암모니아성 질소를 산화시키는 무산소 단계(S-1), 및 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 호기 단계(S-2)를 포함하되, 상기 호기 단계(S-2)에서 블루파장을 조사하여 아질산성 질소가 축적되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법에 관한 것이다.

Description

부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법{Wastewater Treatment Method Using Partial Nitritation Process}

본 발명은 부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도시하수나 오수 내에 포함되어 있는 질소성분을 효율적으로 제거할 수 있도록 아질산성질소의 축적을 향상시킬 수 있는 수단이 구비된 부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법에 관한에 관한 것이다.

질소가 수계내로 다량 유입되게 되면, 수생태 환경에 독성을 미치고 수계 내의 잔류 DO를 감소시키거나 부영양화를 발생시킬 수 있다. 또한 물리화학적 공법 중 염소소독 과정에서 유입되게 되면 소독 부산물을 생성하므로 2차적인 피해를 미치기 때문에 수계 내 질소 농도를 낮은 농도로 유지할 필요가 있다.

이러한 질소 제거와 관련하여 일반적인 하수처리방법을 분류하면 크게 침전조를 배치하는 연속류식방법(continuous flow)과 침전조를 별도로 설치하지 않고 반응조 내에서 침전시간을 할당하는 연속회분식방법(SBR)이 있다.

연속흐름방법(continuous flow)은 폐수처리에 필요한 혐기, 무산소, 호기, 침전의 조건을 만들기 위해 각각의 반응조, 즉 혐기, 무산소조, 호기조 및 침전조를 각각 별도로 설치하는 것으로, 주로 10,000 ㎥/일 규모 이상의 중대형 처리장에 사용되고 있으며, 설치 예를 많이 찾아볼 수 있다.

그러나 연속흐름방법은 처리하고자 하는 유입수의 유량과 수질에 맞추어 설계되므로, 유량이 증가하거나 수질 변동이 있을 때 대처능력이 떨어진다는 단점이 있다.

이에 반해 연속회분식반응조(SBR)은 침전조가 필요 없는 단일 반응조로 구성되어 있으며, 단일 반응조 내에서 혐기, 무산소, 호기 및 침전의 조건을 부여하여 유입단계, 반응단계, 침전단계 및 유출단계로 나누어 처리가 이루어지는 방법이다.

특히 연속회분식반응조(SBR)에서는 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용하는데, 혐기성 암모늄 산화미생물은 혐기조건 하에서 암모늄(NH₄ ⁺)과 아질산(NO₂ ^-)을 기질로 사용하여 질소(N₂)를 생성하는 독립영양미생물이다. 혐기성 암모늄 산화미생물은 암모늄(NH₄ ⁺)을 전자공여체, 아질산(NO₂ ^-)을 전자수용체로 사용함에 따라 종래의 생물학적 공정과는 달리 유기탄소원의 첨가가 요구되지 않으며, 암모니아성 질소의 부분질산화에 소요되는 산소량도 종래의 생물학적 공정에 대비하여 약 60% 가량 절약되므로 폭기 비용 및 탄소원 공급비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

게다가 혐기성 암모늄 산화미생물을 이용한 질소제거공정은 최대 질소제거효율이 26～42 kg-N/m³-day로 0.3 kg-N/m³-day을 넘지 못하는 일반적인 생물학적 공정에 비해 탈질 효율이 매우 우수하다.

하지만 혐기성 암모늄 산화균을 이용한 질소 제거 운전 시, 아질산 농도를 높게 유지해야 하는 것이 쉽지 않다는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2002-0072360호 한국등록특허공보 제1040518호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 혐기성 암모늄 산화미생물에 의한 질소 제거효과를 극대화할 수 있도록 호기조 내의 아질산성 질소가 충분히 축적될 수 있는 수단이 구비된 부분질산화공정을 이용한 하폐수처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3), 및 배출 단계(S4)를 포함하는 일련의 단계들이 하나의 단일 반응조 내에서 수행되는 연속회분식반응조(SBR, Sequencing Batch Reactor)를 이용한 하폐수처리방법에서, 상기 생물학적 반응 단계(S2)는, 탈질 및 암모니아성 질소를 산화시키는 무산소 단계(S-1), 및 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 호기 단계(S-2)를 포함하되, 상기 호기 단계(S-2)에서 블루파장을 조사하여 아질산성 질소가 축적되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법에서, 상기 배출 단계(S4) 이후에 소정 시간의 정치 단계(S5)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법에서, 상기 호기 단계(S-2)에서도 원수를 주입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법에 의하면, 호기 단계 시 블루 라이트 조사, 호기 단계에서 원수 주입 및 정치 단계의 추가 수행 중 어느 하나 이상의 추가 조작을 통해 아질산성질소를 축적시키는 것이 가능하여 전체적인 질소 제거효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법의 흐름도이다.
도 2는 다양한 조건에 따른 아질산성질소의 축적량 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 명세서에서는 암모늄을 아질산염으로 산화시키는 산화균을 AOB(ammonia oxidizing bacteria) 그리고, 부분 아질산화 반응을 위해 아질산염을 질산염으로 산화시키는 산화균을 NOB (nitrite oxidizingbacteria)라 정의하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법의 흐름도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명은 원수 유입, 생물학적 반응, 침전 및 배출 단계가 하나의 단일 반응조 내에서 수행되는 연속회분식반응조(SBR, Sequencing Batch Reactor)에서 이루어지며, 질소 등 각종 유기물이 포함된 하폐수처리방법에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3) 및 배출 단계(S4)를 포함하며, 필요에 따라서는 배출 단계(S4) 이후에 소정 시간 아무런 조작이 수행되지 않는 정치 단계(S5)를 더 포함할 수 있다.

원수 유입 단계(S1)는 암모니아성 질소 및 각종 유기물을 포함하고 있는 하수 등을 연속회분식반응조로 공급하는 단계이다. 원수 유입, 생물학적 반응, 침전 및 배출단계로 이루어진 연속회분식반응조 운전 시, 배출단계에는 통상 반응조 유효 용적의 30~50%정도 배출시키는 것이 일반적이므로, 원수 유입 단계에서는 배출한 부피와 동일한 부피를 공급하다.

생물학적 반응 단계(S2)는 탈질 및 암모니아성 질소를 산화시키는 무산소 단계(S2-1)와 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 호기 단계(S2-2)로 구성된다.

탈질 및 암모니아성 질소를 산화시키는 무산소 단계(S2-1)에서는 종속영양 탈질균의 존재 하에서, 식 1 및 식 2와 같은 탈질과 암모니아 산화가 이루어진다.

(식-1)

(식-2)

(식-3)

종속영양 탈질반응에서 산화된 질산염을 질소가스로 제거 시에는 유기탄소원을 필요로 하며, 이 유기탄소원은 폐수 내에 존재하는 유기물을 이용하기 때문에 별도의 외부탄소원 주입 없이도 원활한 탈질화반응이 일어나고, 또 알칼리도가 생성되어 연속적으로 일어나는 질산화반응시 알칼리도 부족현상도 방지할 수 있다.

여기서 상기 반응식 1의 탈질반응을 효율적으로 유지할 수 있는 종속 영양 탈질균은 Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Hypomicrobium, Agrobacterium, Acinetobacter, Propionobacterium, Rhizobium, Cornebacterium, CytopHata, Thiobacillus, and Alcaligenes, PseuDOmonas fluorescens, P. Aeruginosa, P. denitrificans and Alcaligenes sp. Curvibacter delicatus, Acidovorax defluvii, Dokdonella koreensis, Dokdonella koreensis, Flavobacterium limicola, Terrimonas ferruginea, Terrimonas lutea 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또, 반응식 2의 혐기성 암모니아 산화 반응은 아나목스(ANAMMOX, anaerobic ammonium oxidation)균 즉, 혐기성 암모니아 산화균으로는 Candidatus Brocadia anammoxidans, Candidatus Kuenenia stuttgartiensis, Candidatus Scalindua wagneri, Candidatus Anammoxoglobus propionicus, Planctomycete KSU-1으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상이 선택될 수 있다.

한편, 상기 무산소 단계(S2-1)는 아질산성 질소가 모두 소모될 때까지 수행되는 것이 바람직한데, 이는 무산소 구간에서의 주된 암모니아 산화 기작은 아나목스 미생물에 의해 수행되며, 암모니아 산화는 전자 수용체로써 아질산염이 이용된다. 따라서 호기 단계에서 생성된 아질산염의 농도가 무산소 단계에서 모두 소모된 시점에서 아나목스 반응이 완료될 수 있기 때문이다.

암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 호기 단계(S2-2)에서는 산소 공급 하에 Nitrosomonas europaea, Nitrosococcus mobilis, Nitrosomonas nitrosa, Nitrosomonas cryotolerans 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상선택된 아질산화균에 의해 암모니아성 질소가 아질산성 질소로 산화된다.

상기 호기 단계(S2-2)에서는 공급된 원수에 포함된 암모니아성 질소의 45~55%, 보다 바람직하게는 48~52%가 소모될 때까지 수행되는 것이 바람직한데, 이는 무산소 구간에서 아나목스 미생물을 위한 암모니아와 아질산염의 기질비를 충족시키기 위함이다.

한편, 본 발명에서는 아질산염이 질산염으로 산화되는 반응보다 암모늄이 아질산염으로 산화되는 반응이 상대적으로 더 많이 이루어질 수 있도록, NOB(nitrite oxidizing bacteria)의 활성은 억제시키면서 암모늄 산화미생물 즉 AOB(ammonia oxidizing bacteria)의 활성을 높게 유지하는 수단이 생물학적 반응 단계(S2)에서 추가적으로 수행될 수 있다.

일예로, 호기 단계(S2-2) 수행 시, 블루 라이트(Blue light)를 조사할 수 있으며, 블루 라이트(Blue light)를 조사하면 충격을 받아 AOB와 NOB 모두 활성도가 떨어지지만, AOB는 세포내 또 다른 메타볼릭 패스웨이가 생성되어 회복이 가능한 반면 NOB는 새로운 메타볼릭 패스웨이 미생성으로 인해 활성도가 회복되지 않고, 결과적으로 아질산염이 상대적으로 많이 축적될 수 있다.

또 다른 예시로서, 호기 단계(S2-2) 수행 시, 또는 수행 중에 원수를 추가로 공급할 수 있다. 연속회분식반응조를 통한 하폐수처리시, 일반적으로 무산소 단계(S2-1)가 수행되기 전에 원수를 공급하지만 본 발명에서는 무산소 단계(S2-1)가 종료된 이후 호기 단계(S2-2) 수행 전 또는 수행 중에 원수를 추가로 공급할 수 있다.

호기 단계(S2-2) 시 유기물이 포함된 원수가 추가로 공급되면 1차적으로는 호기성 박테리아의 경쟁력이 증가하고, 2차적으로 AOB와 NOB의 경쟁력 유도를 통해 아질산염이 축적되는 것을 유도할 수 있기 때문이다.

계속해서, 침전 단계(S3)는 무산소 단계 및 호기 단계를 거친 반응수를 소정 시간 정체시켜 슬러지와 깨끗한 상등수로 고액분리하는 단계이다.

배출 단계(S4)는 고액분리된 깨끗한 상등수를 소정 부피, 보다 상세하게는 반응조 유효 용적의 30~50%정도에 해당되는 상등수를 배출시킨 후, 다시 원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3) 및 배출 단계(S4)로 이어지는 일련의 과정들이 반복된다.

여기서, 배출 단계(S4)와 원수 유입 단계(S1) 사이에 소정 시간의 정치 단계(S5)를 더 수행하는 것이 바람직하다.

이는 내생호흡을 통한 호기성 박테리아의 셀 용해를 유도하여 생성된 유기카본소스를 통해 질산성질소와 아질산성질소의 탈질을 유도함으로써, AOB 대비 호기성 박테리아의 과다성장을 방지함과 동시에 빈부하 유입수 유기물농도에서도 후단 아질산 반응조에 안정적인 유기물 충격부하를 유도하기 위한 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

국내 K 소재의 하수처리장으로 유입되는 원수를 대상으로 하였으며, 대표적인 수질특성은 표 1과 같이, BOD₅130±41㎎/ℓ, TN 61±10㎎/ℓ, TP 5.7±0.9㎎/ℓ범위이다.

BOD₅	CODcr	SS	TN	NH₄ ⁺-N	TP	Alk.	BOD/N	BOD/P	N/P
130±41	263±59	156±25	61±10	38±8	5.7±0.9	234±32	4.0±0.6	33±5	8.6±1.2

표 1과 같은 수질을 갖는 원수를 연속회분식반응조로 공급하였으며, 원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3), 및 배출 단계(S4)순으로 이루어진 일련의 과정을 반복적으로 수행하였다.

이때, 제1 구간에서는 생물학적 반응 단계(S2) 중 호기 단계(S2-2)에서도 원수를 주입하였고, 제2 구간에서는 호기 단계(S2-2)에서의 원수 주입과 함께 블루 라이트를 조사하였다.

또 제3 구간에서는 원수 주입, 블루 라이트 조사와 함께 배출 단계(S4) 이후에 정치 단계(S5)를 추가적으로 수행하였다.

이들 각 조건에 따른 아질산성질소의 축적량 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에 도시한 바와 같이, 생물학적 반응 단계(S2) 중 호기 단계(S2-2)에서 원수를 주입한 제1 구간에서는 총 질산염 중에서 아질산성질소가 차지하는 비율이 0~30% 정도인 반면, 호기 단계(S2-2)에서 원수 주입과 함께 블루 라이트를 조사한 제2 구간에는 40~80%로 증가한 것을 알 수 있다.

특히, 원수 주입, 블루 라이트 조사 및 정치 단계(S5)를 동시에 수행한 제3 구간에서는 아질산성질소의 비율이 70~90%로 크게 향상되었을 뿐만 아니라 매우 안정적으로 생산되고 있음을 확인할 수 있다.

이상의 결과로부터 블루 라이트 조사, 호기 단계에서 원수 주입 및 정치 단계의 추가 수행을 통해 아질산성질소를 축적시키는 것이 가능하고, 특히 이들 모두를 동시에 수행할 경우 매우 효과적인 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

Claims

원수 유입 단계(S1), 생물학적 반응 단계(S2), 침전 단계(S3), 및 배출 단계(S4)를 포함하는 일련의 단계들이 하나의 단일 반응조 내에서 수행되는 연속회분식반응조(SBR, Sequencing Batch Reactor)를 이용한 하폐수처리방법에서,
상기 생물학적 반응 단계(S2)는, 탈질 및 암모니아성 질소를 산화시키는 무산소 단계(S-1), 및 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키는 호기 단계(S-2)를 포함하되,
상기 호기 단계(S-2)에서 블루파장을 조사하여 아질산성 질소가 축적되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법.
제1항에 있어서,
상기 배출 단계(S4) 이후에 소정 시간의 정치 단계(S5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법.
제2항에 있어서,
상기 호기 단계(S-2)에서도 원수를 주입하는 것을 특징으로 하는 연속회분식반응조를 이용한 하폐수처리방법.