WO2021002693A1 - 기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(anammox)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법 - Google Patents

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(anammox)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법 Download PDF

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WO2021002693A1 PCT/KR2020/008639 KR2020008639W WO2021002693A1 WO 2021002693 A1 WO2021002693 A1 WO 2021002693A1 KR 2020008639 W KR2020008639 W KR 2020008639W WO 2021002693 A1 WO2021002693 A1 WO 2021002693A1
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tank
phosphorus
wastewater
nitrite
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PCT/KR2020/008639
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유대환
박영현
정민기
리베르존조나단
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주식회사 부강테크
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for removing nutrients, particularly nitrogen and phosphorus, contained in wastewater by efficiently combining the Anamox microorganisms and microorganisms of existing biological processes.
  • 1 is a diagram showing the concentration and composition ratio of organic matter contained in wastewater generated by country.
  • the concentration and composition ratio of organic matter contained in wastewater may vary depending on the climate and social and cultural characteristics of the region.
  • the organic material is classified into a particulate material (X) and a dissolved material (S), and again, it may be divided into a biologically degradable material (s) and a biologically non-degradable material (I).
  • organic substances are soluble and biologically degradable substances (S S ), soluble and biologically degradable substances (S I ), particulate and biologically degradable substances (X S ), and particulate and biologically degradable substances. It can be classified as a substance (X I ).
  • FIG. 2 is a view showing an organic material removal device for removing organic matter in wastewater.
  • the particulate organic matter (X) contained in the wastewater may be removed by the organic matter removal device 200.
  • the primary sedimentation unit 210 first precipitates organic matter contained in the wastewater and introduces the wastewater excluding the sediment into the secondary treatment unit 220.
  • the secondary treatment unit 220 removes organic matter remaining in the treated water.
  • the secondary processing unit 220 receives air from a separate air supply device (not shown) and oxidizes organic matter using microorganisms. Accordingly, organic matter undergoes a biological treatment process that is converted into carbon dioxide.
  • the solid-liquid separation unit 230 precipitates and separates treated water and microorganisms, and discharges them.
  • FIG. 3 is a view showing a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater. As described above, nitrogen is contained in the wastewater, and nitrogen may be removed by the nitrogen removal device 300.
  • the aerobic tank 320 (or'nitrification tank') performs a nitrification reaction in which ammonia nitrogen (NH 4 + -N) in the introduced wastewater is oxidized to nitrate nitrogen (NO 3 -- N).
  • the nitrate nitrogen (NO 3 -- N) oxidized by the aerobic tank 320 is internally returned to the anoxic tank 310, and the oxygen free tank 310 converts nitrate nitrogen (NO 3 -- N) into nitrogen gas (N 2 ) Reduced to
  • the anoxic tank 310 is five, nitrate nitrogen to be used an organic substance as an electron donor in the wastewater - performs a denitrification of reducing (NO 3 -N) to a nitrogen gas (N 2) (Denitrification) reaction.
  • the nitrogen gas (N 2 ) reduced in the oxygen-free tank 310 is discharged into the atmosphere and removed.
  • the solid-liquid separation unit 330 precipitates and separates the treated water introduced from the aerobic tank 320.
  • the sludge in the solid-liquid separation unit 330 is conveyed and introduced into the anoxic tank 310, Similarly, the anoxic tank 310, the nitrate nitrogen in the incoming sludge - thereby the NO x removal (NO 3 -N).
  • the nitrogen removal efficiency (N) of the nitrogen removal device 300 can be expressed as follows.
  • R means the sum of the internal conveyance rate and the sludge conveyance rate
  • the internal conveyance rate means the internal conveyance flow rate/inflow flow rate
  • the sludge conveyance rate means the sludge conveyance quantity/inflow flow rate
  • the aerobic tank 320 nitrifies ammonia nitrogen (NH 4 + -N) in the introduced wastewater at a rate of 100%, and the oxygen-free tank 310 is returned from the aerobic tank 320.
  • the total amount (100%) of nitrate nitrogen (NO 3 -- N) should be denitrified. That is, the aerobic tank 320 is designed to oxidize 100% of ammonia nitrogen (NH 4 + -N), and accordingly, most of the inorganic nitrogen remaining in the effluent is nitrate nitrogen (NO 3 -- N) There is some organic nitrogen that is composed of and the rest is not removed.
  • the nitrogen removal efficiency (N) of the nitrogen removal device 300 is as follows.
  • N(%) R/(1+R) ⁇ 100 ⁇ (Nitrification efficiency(%))/100
  • the amount of the treated water returned to the oxygen-free tank 310 may be increased in order to increase the nitrogen removal efficiency N.
  • the conveyance amount exceeds 4 times the inflow flow rate, it is economically advantageous to perform a post denitrification process. This is because, when the amount of transport conveyed to the oxygen-free tank 310 increases, the amount of oxygen introduced into the oxygen-free tank 310 increases at the same time, so that it can be used to remove oxygen to organic substances required for the denitrification reaction. As a result, this not only leads to a decrease in the overall nitrogen removal efficiency (N), but also leads to an increase in operating costs.
  • the nitrogen removal device 300 may include a reaction tank capable of performing a post denitrification process.
  • FIG. 4 is a view showing another embodiment of a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater.
  • the nitrogen removal device 400 further includes a second anoxic tank 430 and a re-aeration tank 440 in the configuration of the nitrogen removal device 300.
  • the second anoxic tank 430 is disposed at the rear end of the aerobic tank 420.
  • the second oxygen-free tank 430 receives a separate organic material (or'external carbon source') from the outside and uses it as an electron donor to denitrify nitrate nitrogen (NO 3 -- N).
  • a separate organic material or'external carbon source'
  • NO 3 -- N denitrify nitrate nitrogen
  • the nitrogen removal device 400 may maintain the nitrogen concentration in the effluent at 3.0 mg/L or less. However, as the total amount of dissolved oxygen in the aerobic tank 420 flows into the second anoxic tank 430, the residence time required for the reaction increases. In addition, since an additional carbon source for removing oxygen must be injected into the aerobic tank 420, there is a problem of increasing the operating cost.
  • the nitrogen removal device 400 even if the C/N (Carbon/Nitrogen, or'carbon/nitrogen') ratio of the inflow sewage is high, in order to increase the nitrogen removal efficiency (N), the nitrogen removal device 400 must perform internal and sludge transfer. At the same time, a separate carbon source must be supplied. In addition, the nitrogen removal device 400 receives a large amount of oxygen required to oxidize nitrogen by 100%. Accordingly, power consumption increases, which leads to economic inefficiency.
  • C/N Carbon/Nitrogen, or'carbon/nitrogen'
  • the wastewater contains not only nitrogen but also nutrients such as phosphorus.
  • FIG. 5 is a view showing a conventional nitrogen and phosphorus removal device
  • Figure 6 is a graph showing the concentration change of nitrogen and phosphorus in the reaction tank by the conventional nitrogen and phosphorus removal device.
  • the nitrogen and phosphorus removal apparatus 500 biologically removes nitrogen and phosphorus by nitrifying and denitrifying nitrogen in wastewater and eluting and accumulating phosphorus.
  • Anaerobic tank 510 of nitrate - receive inflow to the sludge containing the (NO 3 -N) from the solid-liquid separation unit 540.
  • the concentration of nitrate nitrogen in the sludge flowing into the anaerobic tank 510 is the same as that of the aerobic tank 530 (NO 3 -- N).
  • the introduced nitrate nitrogen (NO 3 -- N) is preferentially removed by a denitrification reaction.
  • the microorganism in the anaerobic tank 510 elutes phosphorus in order to obtain energy for accumulating the biologically degradable dissolved organic matter (SS) remaining after denitrification into the cell. Accordingly, as shown in Fig. 6, the concentration of phosphorus (PO 4 3- ) in the anaerobic tank 510 increases rapidly.
  • the anoxic tank 520 is nitrate quality by using an organic substance as an electron donor in the wastewater - thereby the NO x removal (NO 3 -N) to a nitrogen gas (N 2).
  • the oxygen-free tank 520 uses nitrate nitrogen (NO 3 -- N) returned from the aerobic tank 530 to remove organic matter remaining in the wastewater by denitration with nitrogen gas (N2) using the electron donor.
  • N2 nitrogen gas
  • the nitrogen removal efficiency (N) is determined by the amount of transport returned to the oxygen-free tank 520, and as organic matter and residence time required for denitrification are secured, the entire amount of nitrate nitrogen transported by the internal transport is denitrified.
  • the aerobic tank 530 performs a nitrification process of converting ammonia nitrogen (NH 4 + -N) in the introduced wastewater into nitrate nitrogen (NO 3 -- N), and the oxidized nitrogen is transferred to an oxygen-free tank 520 Is returned.
  • NH 4 + -N ammonia nitrogen
  • NO 3 -- N nitrate nitrogen
  • the solid-liquid separation tank 540 removes phosphorus by introducing microorganisms that have accumulated phosphorus and discharging them in the form of waste sludge.
  • the concentration of nitrogen and phosphorus in each reaction tank is changed by the nitrogen and phosphorus removal device 500.
  • Microorganisms in the anaerobic tank 510 elute phosphorus (PO 4 3- ) to accumulate biodegradable dissolved organic matter (S S ) into the cells, and accordingly, the concentration of phosphorus (PO 4 3- ) is the anaerobic tank 510 ) Rapidly increases.
  • ammonia nitrogen (NH 4 + -N)
  • residual organic matter in the aerobic tank 530 is oxidized, and nitrification in which ammonia nitrogen is oxidized to nitrate nitrogen (NO 3 -- N) occurs, the concentration of ammonia nitrogen Approaches zero.
  • the inorganic nitrogen in the effluent discharged from the solid-liquid separation tank 540 is mostly composed of nitrate nitrogen (NO 3 -- N).
  • the nitrogen and phosphorus removal apparatus 500 performs a process so that the nitrification efficiency of nitrifying ammonia nitrogen into nitrate nitrogen can achieve 100%. This is because when the nitrification rate is less than 100%, the nitrogen removal efficiency (N) is also reduced. That is, when the nitrification rate is 100% or less, the nitrogen and phosphorus removal device 500 must increase the conveyance to maintain the nitrogen removal efficiency N, which in turn causes economic inefficiency.
  • the anaerobic tank 510 performs a denitrification reaction by consuming biodegradable dissolved organic matter (S S ) in the wastewater, but when the concentration of organic matter in the wastewater is low, the organic matter is preferentially removed for denitrification. There may be a phenomenon that the removal efficiency is lowered.
  • FIG. 7 is a graph showing the concentration distribution of organic matter in conventional general sewage. Using this, the relationship between organic matter and nitrogen and phosphorus removal is explained. A certain amount of organic matter is required to biologically remove nitrogen. Although the concentration of organic matter consumed varies depending on the SRT (Solid Retention Time), in general, 4-5 mg of biologically degradable organic matter (BDCOD) is required to remove 1 mg of nitrate nitrogen (NO 3 -- N). It is known.
  • SRT Solid Retention Time
  • biodegradable organic matter (Xs, Ss) is at least 200mg/L and maximum is 410mg/L. You need about L.
  • the soluble and biologically degradable organic matter (Ss) is 125 mg/L
  • the particulate and biologically decomposable organic matter (Xs) is Since it can supply 375mg/L, it is possible to supply the necessary organic matter.
  • the nitrogen and phosphorus removal device 500 removes about 50% of particulate and biologically degradable organic matter (Xs) by first precipitating wastewater in a separate sedimentation tank (not shown). Only about 50% of biologically degradable organic matter (Xs) can be used. In addition, about 40% of the introduced organic matter (Xs) is oxidized in the aerobic tank, so only about 60% can be used. Accordingly, the usable organic material is 200 mg/L, and the organic material used in the nitrogen and phosphorus removal device 500 is additionally required, which causes an increase in maintenance cost.
  • non-biodegradable organic matter X I , S I
  • biodegradable organic matter Xs, Ss
  • nitrogen ratio C/N ratio
  • P ratio Carbon/Phosphorus, C/P ratio
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater
  • FIG. 9 is a graph comparing oxygen consumption according to a process of removing nitrogen by the nitrogen removal device.
  • the nitrogen removal apparatus 800 includes a partial nitrite oxidation and anamox bath 830, and the partial nitrite oxidation and anamox bath 830 does not consume a separate organic material to remove nitrogen.
  • the nitrogen removal device 800 can also treat wastewater containing low concentration of organic matter, and is not affected by loss of organic matter due to solid matter removal in a primary treatment facility (not shown).
  • the aerobic tank 810 retains the introduced sewage and wastewater to quickly remove organic matter, and the partial nitrite oxidation and anamox tank 830 removes nitrogen using ammonium oxidizing microorganisms and anamox microorganisms. do.
  • the aerobic tank 810 receives oxygen from a separate oxygen supply device (not shown) to oxidize organic matter.
  • a separate oxygen supply device not shown
  • the dissolved organic material S used for nitrogen removal is simply oxidized by oxygen.
  • the nitrogen removal device 800 does not have a reaction tank (not shown) capable of removing phosphorus, it is necessary to remove phosphorus using a chemical, resulting in an additional cost according to the injection of the chemical. do.
  • a device for removing phosphorus must be separately provided, there is a disadvantage that the process becomes complicated.
  • the partial nitrite and anamox tank 830 may be applied to the conventional nitrogen removal devices 300 and 400, but the conventional nitrogen removal devices 300 and 400 use the aerobic tanks 320 and 420 to remove nitrogen. Since it is oxidized with nitrate nitrogen, it is practically impossible to apply an anaerobic ammonium oxidation (or'anamox') process that requires ammonia nitrogen.
  • An embodiment of the present invention provides a nitrogen and phosphorus removal device that can economically and effectively remove nitrogen and phosphorus without separately injecting organic matter by incorporating an anaerobic ammonium oxidation process with a conventional nitrogen and phosphorus removal device. It has a purpose.
  • one embodiment of the present invention in order to form a condition for the anaerobic ammonium oxidation tank to perform the denitrification reaction, the influent water introduced into the nitrogen and phosphorus removal device, the amount of water to be treated and the sludge to be returned.
  • One object is to provide a nitrogen and phosphorus removal device to control the amount.
  • an apparatus for removing nutrients in wastewater sewage and wastewater are introduced, and an anaerobic tank that elutes phosphorus dissolved in the introduced sewage and wastewater using a first microorganism.
  • An aerobic tank for oxidizing ammonia nitrogen to nitrate nitrogen and an effluent water from the anaerobic tank and the aerobic tank flow in, and an anoxic tank for denitrifying nitrate nitrogen using organic matter remaining in the anaerobic tank, and ingesting phosphorus eluted from the anaerobic tank.
  • the aeration tank that performs reaeration using gas, a solid-liquid separation section that separates microorganisms that have absorbed phosphorus in the wastewater and wastewater that has passed through the anoxic tank, and a part of the ammonia nitrogen in the wastewater that has passed through the solid-liquid separation section are nitrite nitrogen Nutrients, characterized in that it comprises a partial nitrite oxidizing tank and an anaerobic ammonium oxidizing tank that denitrifies nitrite nitrogen oxidized in the partial nitrite tank using a second microorganism and ammonia nitrogen not oxidized in the partial nitrite oxidation tank. It provides a salt removal device.
  • the first microorganism is a Phosphorus Accumulating Bacteria (PAB) that elutes phosphorus using a dissolved organic substance.
  • PAB Phosphorus Accumulating Bacteria
  • the aerobic tank is characterized in that it comprises ammonia oxidizing microorganism (AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria) and nitrite oxidizing microorganism (NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria).
  • AOB Ammonia Oxidizing Bacteria
  • NOB Nitrite Oxidizing Bacteria
  • the aerobic tank is characterized in that the ammonia oxidizing microorganism is used to oxidize ammonia nitrogen to nitrite nitrogen, and the nitrite oxidizing microorganism is used to oxidize nitrite nitrogen to nitrate nitrogen. .
  • the oxygen-free tank is characterized in that denitrification is performed by combining organic matter contained in the remaining wastewater and nitrate nitrogen oxidized in the aerobic tank.
  • the second microorganism is characterized in that the anaerobic ammonium oxidizing bacteria (ANAMMOX bacteria).
  • ANAMMOX bacteria anaerobic ammonium oxidizing bacteria
  • the amount of inflow water introduced into the nitrogen and phosphorus removal device, the return flow rate returned between the reaction tanks, and the returned sludge flow rate are Since the nitrogen concentration in the reaction tank is not measured and controlled by controlling to form the optimum conditions, there is no problem due to an error of the measuring instrument, and the operation convenience is high by controlling the flow rate with high reliability.
  • 1 is a diagram showing the concentration and composition ratio of organic matter contained in wastewater generated by country.
  • FIG. 2 is a view showing an organic material removal device for removing organic matter in wastewater.
  • FIG. 3 is a view showing a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater.
  • FIG. 4 is a view showing another embodiment of a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater.
  • FIG. 5 is a view showing a conventional nitrogen and phosphorus removal apparatus.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in concentration of nitrogen and phosphorus in a reaction tank by a conventional nitrogen and phosphorus removal device.
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of a nitrogen removal device for removing nitrogen in wastewater.
  • FIG. 9 is a graph comparing oxygen consumption according to a process of removing nitrogen by a nitrogen removal device.
  • FIG. 10 is a view showing a nitrogen and phosphorus removal apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in concentration of nitrogen and phosphorus in each component in the nitrogen and phosphorus removal apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • nutrients are specified as nitrogen and phosphorus, but are not limited thereto, and all nutrients having properties similar to nitrogen or phosphorus may be applicable.
  • FIG. 10 is a view showing a nitrogen and phosphorus removal apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the nitrogen and phosphorus removal device 1000 includes a primary precipitation tank (not shown), an anaerobic tank 1010, an aerobic tank 1020, an oxygen-free tank 1030, a re-aeration tank 1040, and a solid-liquid separation unit ( 1050), a partial nitrite oxidation tank 1060 and an anaerobic ammonium oxidation tank 1070.
  • the primary sedimentation tank (not shown) precipitates the influent and separates solids.
  • the primary treated water from which the solids are separated by the primary sedimentation tank (not shown) is introduced into the raw water to be treated in the nitrogen and phosphorus removal device 1000.
  • a chemical may be added to the first settling tank (not shown).
  • the primary treated water is introduced into the anaerobic tank 1010 and mixed with the returned sludge, and the anaerobic tank 1010 elutes phosphorus from the primary treated water using organic matters dissolved in the influent water.
  • the anaerobic tank 1010 there is a Phosphorus Accumulating Bacteria (PAB) that elutes phosphorus using dissolved organic matter. Accordingly, phosphorus is eluted in the anaerobic tank 1010, and organic matter in the influent is accumulated into the PAB cells.
  • PAB Phosphorus Accumulating Bacteria
  • the aeration tank 1020 oxidizes the ammonia nitrogen introduced from the reaeration tank 1040 into nitrate nitrogen by internal transfer.
  • an ammonia oxidizing microorganism (AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria) and a nitrite oxidizing microorganism (NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria) are included.
  • AOB Ammonia Oxidizing Bacteria
  • NOB Nitrite Oxidizing Bacteria
  • the ammonia oxidizing microorganism oxidizes ammonia nitrogen (NH 4 + -N) present in the influent water to nitrite nitrogen (NO 2 -- N), and the nitrite oxidizing microorganism oxidizes nitrite nitrogen (NO 2 -- N).
  • nitrate nitrogen (NO 3 -- N).
  • the amount of internal transport flowing into the aerobic tank varies according to the C/N of the influent water, and the appropriate internal transport rate according to the C/N ratio is shown in Table 1 below. This is related to nitrate nitrogen which can be denitrified according to C/N, and the amount of ammonia nitrogen (NH 4 + -N) introduced into the aerobic tank 1020 by internal transfer is the amount of nitrate nitrogen denitrified in the anoxic tank 1030. It is to adjust to be the same.
  • the anaerobic tank and the aerobic tank are separated by a partition wall.
  • the effluent of the anaerobic tank 1010 is mixed with the nitrogen oxidized in the aerobic tank 1020 in the anoxic tank. This is because organic matter is oxidized in the aerobic tank, and the organic matter required for denitrification in the anoxic tank becomes insufficient.
  • the anoxic tank 1030 denitrifies nitrate nitrogen (NO 3 -- N) introduced from the aerobic tank 1010 using organic matter in the influent water remaining after the anaerobic reaction. Since the denitrification in the oxygen-free tank 1030 uses organic matter contained in the influent water without introducing a separate carbon source, the nitrogen and phosphorus removal device 1000 has an advantage that it is not necessary to receive a carbon source for denitrification.
  • the amount of nitrate nitrogen introduced into the anoxic tank 1030 is determined according to the amount of internal transfer returned to the aerobic tank 1010, and is controlled to be transferred by the internal transfer rate shown in Table 1. In the anoxic tank, denitrification and phosphorus intake occur simultaneously by DPAB (Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria).
  • the reaeration tank 1040 supplies air to perform reaeration.
  • the purpose of the re-aeration is to improve the sedimentation characteristics of the sludge so that smooth solid-liquid separation can occur in the solid-liquid separation unit 1050, and to maintain a low concentration of phosphorus in the effluent by additionally ingesting uningested phosphorus.
  • the re-aeration tank 1040 supplies air for a hydraulic retention time (HRT) of 10 to 30 minutes to degas the nitrogen gas generated by denitrification in the second anoxic tank 1030, thereby sedimentation of sludge. Improves.
  • HRT hydraulic retention time
  • the solid-liquid separating unit 1050 separates and discards the PAB from which phosphorus has been retaken to complete phosphorus removal. Part of the separated sludge is returned to the anaerobic tank 1010.
  • the amount of sludge conveyed may be adjusted according to the height of the solids interface of the solid-liquid separation unit 1050, and may be adjusted so that the height of the interface does not exceed 30% of the total solid-liquid separation depth.
  • the amount of sludge conveyed is appropriate in the range of 30-50% based on the amount of sewage inflow, but if solid-liquid separation is poor, the amount of sludge conveyed may increase.
  • the nitrogen returned to the sludge by the solid-liquid separation unit 1050 is ammonia nitrogen, not oxidized nitrogen, the anaerobic environment of the anaerobic tank 1010 is not damaged. Thus, it may not impede the smooth citation in the anaerobic tank (1010).
  • the partial nitrite oxidation tank 1060 oxidizes a part of ammonia nitrogen in the influent water introduced from the solid-liquid separation unit 1050 into nitrite nitrogen. Only pure ammonia nitrogen is contained in the influent water introduced from the solid-liquid separation unit 1050.
  • the partial nitrite oxidation tank 1060 oxidizes some ammonia nitrogen in the influent water to nitrite nitrogen, including ammonia oxidizing microorganisms. In the partial nitrite oxidation tank 1060, oxidation of ammonia nitrogen proceeds until the ratio of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen becomes 1:1.32.
  • the flow rate is separated so that only 57% of the total flow rate is introduced into the partial nitrite oxidation tank 1060 to be nitrated, and the remaining flow rate is by-passed to flow into the anaerobic ammonium oxidation tank 1070.
  • the anaerobic ammonium oxidation tank 1070 denitrifies ammonia nitrogen and nitrite nitrogen using an ANNAMOX microorganism.
  • the anaerobic ammonium oxidation tank 1070 contains the Anamox microorganism, and denitrifies ammonia nitrogen and nitrite nitrogen in a ratio of 1:1.32 to nitrogen gas.
  • the nitrogen and phosphorus removal device 1000 can economically/efficiently remove nitrogen by appropriately using organic matter in the anaerobic ammonium oxidation process and the existing treatment process, without receiving an inflow of a carbon source from the outside. Accordingly, the nitrogen and phosphorus removal device 1000 has an advantage that it does not require a large amount of carbon sources or organic substances, and does not require transport of a large amount of nitrogen components, as in conventional devices.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in concentration of nitrogen and phosphorus in each configuration in the nitrogen and phosphorus removal apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • Ammonia nitrogen is maintained at a constant concentration by inflow of sludge and influent water from the anaerobic tank 1010, and phosphorus is eluted by PAB, thereby increasing the concentration of phosphorus in the solution.
  • the sludge and ammonia nitrogen returned from the aerobic tank 1020 to internal transfer are oxidized to nitrate nitrogen, the ammonia nitrogen concentration in the aerobic tank 1020 decreases close to zero, while the nitrate nitrogen concentration rises.
  • Nitric acid nitrogen is introduced from the aerobic tank 1020 into the anoxic tank 1030, and organic matter is introduced into the anaerobic tank 1010, whereby the nitrate nitrogen is denitrified in the anaerobic tank 1010. Since nitrate nitrogen flowing into the anoxic tank 1030 flows only as much as can be denied in the anoxic tank according to C/N, the entire amount is denitrified in the anoxic tank.
  • the concentration of ammonia nitrogen is diluted by the analogous water flowing from the aerobic tank 1020, and the concentration decreases, but remains unchanged in the oxygen-free reactor. In the case of phosphorus, the concentration of phosphorus is lowered by ingestion into cells by using nitrate nitrogen by DAPB, but DPAB is only reduced to a certain concentration because phosphorus cannot be ingested to a low concentration.
  • re-aeration tank 1040 In the re-aeration tank 1040, additional intake of phosphorus not ingested in the anoxic tank 1030 occurs, and nitrogen gas generated by denitrification in the anoxic tank 1030 is degassed to improve the sedimentation of sludge. Since only a small amount of air required for degassing is introduced into the re-aeration tank 1040, separate nitrification does not occur, and the concentration of ammonia nitrogen is maintained at the same level as in the anoxic tank 1030.

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Abstract

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 혐기성암모늄산화조가 탈질 반응을 수행할 수 있는 조건을 형성하기 위하여, 질소 및 인 제거 장치로 유입되는 유입수, 반응조 간에 반송되는 처리수의 반송량 및 반송되는 슬러지량을 제어하는 질소 및 인 제거장치를 제공한다.

Description

기존 생물학적 질소·인 제거공정의 반응조 모양 및 반송방법 개량과 혐기성암모늄산화공정(ANAMMOX)과의 조합을 통한 오·폐수내의 질·소인 제거방법
본 발명은 아나목스 미생물 및 기존 생물학적 공정의 미생물을 효율적으로 조합하여 오·폐수 내 포함된 영양염류, 특히, 질소와 인을 제거하는 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
도 1은 국가별 발생된 오·폐수에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 오·폐수 내에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율은 지역의 기후 및 사회 문화적인 특성에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 유기물은 입자성 물질(X)과 용존성 물질(S)로 분류되며, 다시, 생물학적으로 분해 가능한 물질(s)과 생물학적으로 분해 불가능한 물질(I)로 구분될 수 있다. 즉, 유기물은 용존성이면서 생물학적으로 분해 가능한 물질(SS), 용존성이면서 생물학적으로 분해 불가능한 물질(SI), 입자성이면서 생물학적으로 분해 가능한 물질(XS) 및 입자성이면서 생물학적으로 분해 불가능한 물질(XI)로 구분될 수 있다.
각 국가 모두, 각국에서 발생한 오·폐수 내에 입자성이면서 분해 가능한 물질(Xs)이 가장 많이 포함되어 있다. 이러한 입자성 유기물(X)을 제거하기 위해 종래에는 도 2와 같은 장치를 이용하여 왔다.
도 2는 오·폐수 내 유기물을 제거하기 위한 유기물 제거장치를 도시한 도면이다.
오·폐수 내에 포함되어 있는 입자성 유기물(X)은 유기물 제거장치(200)에 의해 제거될 수 있다. 1차 침전부(210)는 오·폐수 내에 포함되어 있는 유기물을 1차로 침전시켜, 침전물을 제외한 오·폐수를 2차 처리부(220)로 유입시킨다. 2차 처리부(220)는 처리수 내에 잔류하는 유기물을 제거한다.
2차 처리부(220)는 별도의 공기 공급장치(미도시)로부터 공기를 제공받아, 미생물을 이용하여 유기물을 산화시킨다. 이에 의해, 유기물은 이산화탄소로 전환되는 생물학적 처리과정을 거친다.
고액분리부(230)는 처리수와 미생물을 침전 및 분리하여, 이를 방류한다.
오·폐수 내에는 유기물뿐만 아니라 질소 및 인과 같은 영양염류가 함유되어 있다. 이러한 물질들이 적절히 처리되지 않을 경우 방류수계의 수질이 심각하게 저하되므로, 영양염류도 오·폐수 내에서 효율적으로 제거되어야 한다. 이러한 영양염류를 생물학적으로 제거하기 위해서는, 오·폐수 내의 유기물 및 영양염류의 농도 비(C/N)를 일정한 값 이상으로 유지시키는 것이 매우 중요하다.
도 3은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치를 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이, 오·폐수 내에는 질소가 포함되어 있으며, 질소는 질소 제거장치(300)에 의해 제거될 수 있다.
호기조(320, 또는 '질산화조')는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 산화시키는 질산화(Nitrification) 반응을 수행한다. 호기조(320)에 의해 산화된 질산성 질소(NO3 --N)는 무산소조(310)로 내부반송되며, 무산소조(310)는 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 환원시킨다.
이때, 무산소조(310)는 오·폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 환원시키는 탈질(Denitrification) 반응을 수행한다. 무산소조(310)에서 환원된 질소 가스(N2)는 대기중으로 방출되어 제거된다.
고액분리부(330)는 호기조(320)로부터 유입된 처리수를 침전 및 분리한다. 고액분리부(330)에서 발생된 슬러지는 반송되어 무산소조(310)로 유입되며, 마찬가지로, 무산소조(310)에서는 유입된 슬러지 내의 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다.
질소 제거장치(300)가 오·폐수 내의 질소를 제거하는 공정에 있어서, 무산소조(310)로 반송되는 처리수의 반송량이 매우 중요하다. 반송량은 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율을 결정하기 때문이다. 여기서, 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율(N)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
N(%)=R/(1+R)×100
여기서, R은 내부 반송률과 슬러지 반송률의 합을 의미하고, 내부 반송률은 내부 반송유량/유입유량을 의미하며, 슬러지 반송률은 슬러지 반송량/유입유량을 의미한다.
반송된 질소가 100% 제거되려면, 호기조(320)는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 100%의 비율로 질산화하고, 무산소조(310)는 호기조(320)로부터 반송된 질산성 질소(NO3 --N)를 전량(100%) 탈질시켜야 한다. 즉, 호기조(320)는 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 100% 산화시킬 수 있도록 설계되며, 이에 따라, 방류수 내에 잔류하는 무기성 질소 중 대부분이 질산성 질소(NO3 --N)로 구성되고 나머지는 제거되지 않은 일부 유기성질소가 존재한다.
호기조(320)에서 산화되는 암모니아성 질소(NH4 +-N)의 질산화 효율이 100% 미만일 경우, 질소 제거효율(N)도 마찬가지로 감소한다. 이때, 질소 제거장치(300)의 질소 제거효율(N)은 다음과 같다.
N(%)=R/(1+R)×100×(질산화효율(%))/100
호기조(320)의 질산화 효율이 감소할 경우, 질소 제거효율(N)의 증가를 위해 무산소조(310)로 반송하는 처리수의 반송량을 증가시킬 수 있다. 이때, 반송량이 유입유량의 4배를 초과할 경우에는 후탈질(Post Denitrification) 공정을 수행하는 것이 경제적으로 유리하다. 이는, 무산소조(310)로 반송되는 반송량이 증가할 경우, 무산소조(310)로 유입되는 산소량이 동시에 증가하여, 탈질 반응에 필요한 유기물까지 산소를 제거하는데 사용될 수 있기 때문이다. 결과적으로, 이는, 전체적인 질소 제거효율(N)의 저하를 야기할 뿐만 아니라 운영비의 상승을 초래한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 질소 제거장치(300)는 후탈질 공정을 수행할 수 있는 반응조를 구비할 수 있다.
도 4는 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 질소 제거장치(400)는 질소 제거장치(300)의 구성에서 제2 무산소조(430) 및 재포기조(440)를 더 포함한다.
제2 무산소조(430)는 호기조(420)의 후단에 배치된다. 제2 무산소조(430)는 외부로부터 별도의 유기물(또는, '외부탄소원')을 공급받아, 이를 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다. 여기서, 탈질 반응을 수행하는 외부탄소원의 공급량이 증가할수록, 공정에 투입되는 비용이 동시에 상승하는 문제가 있다.
질소 제거장치(400)는 방류수 내의 질소농도를 3.0mg/L이하로 유지시킬 수 있다. 하지만, 호기조(420) 내의 용존산소가 전량 제2 무산소조(430)로 유입됨에 따라, 반응에 필요한 체류시간이 증가하게 된다. 또한, 호기조(420) 내로 산소를 제거하기 위한 추가적인 탄소원이 주입되어야 하기 때문에, 운영비가 증가하는 문제가 있다.
즉, 유입하수의 C/N(Carbon/Nitrogen, 또는, '탄소/질소')비가 높더라도 질소 제거효율(N)을 증가시키기 위해서, 질소 제거장치(400)는 내부 반송 및 슬러지 반송을 수행해야 하며, 동시에, 별도의 탄소원을 공급받아야 한다. 그 뿐만 아니라, 질소 제거장치(400)는 질소를 100% 산화하는데 필요한 많은 양의 산소를 공급받는다. 이에 따라, 전력 소모가 증가하게 되며, 이는, 경제적 비효율성을 초래한다.
상술한 바와 같이, 오·폐수 내에는 질소뿐만 아니라 인과 같은 영양염류를 포함하고 있다.
도 5는 종래의 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이고, 도 6은 종래의 질소 및 인 제거장치에 의한 반응조 내의 질소 및 인의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 질소 및 인 제거장치(500)는 생물학적으로 질소 및 인을 제거하기 위해서, 오·폐수 내의 질소를 질산화하고 탈질시킴과 동시에, 인을 용출하고 축적시켜 제거한다.
혐기조(510)는 질산성 질소(NO3 --N)가 포함된 슬러지를 고액분리부(540)로부터 유입받는다. 혐기조(510)로 유입되는 슬러지의 질산성 질소의 농도는 호기조(530)의 질산성 질소(NO3 --N)와 동일하다. 유입된 질산성 질소(NO3 --N)는 탈질 반응에 의해 우선적으로 제거된다. 이와 동시에, 혐기조(510) 내의 미생물은 탈질 후 잔류하는, 생물학적으로 분해가능한 용존성 유기물(SS)을 세포 내로 축적하기 위한 에너지를 얻기 위하여 인을 용출한다. 이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 혐기조(510) 내의 인(PO4 3-)의 농도가 급격하게 증가한다.
다시 도 5를 참조하면, 무산소조(520)는 오·폐수 내의 유기물을 전자공여체로 이용하여 질산성 질소(NO3 --N)를 질소가스(N2)로 탈질시킨다.
무산소조(520)는 호기조(530)에서 반송된 질산성 질소(NO3 --N)를 오·폐수 내에 잔류하는 유기물을 전자공여체로 이용하여 질소가스(N2)로 탈질시켜 제거한다. 이때, 무산소조(520)로 반송되는 반송량에 의해 질소 제거효율(N)이 결정되며, 탈질에 필요한 유기물 및 체류시간이 확보됨에 따라, 내부 반송에 의해 반송된 질산성 질소는 전량 탈질된다.
호기조(530)는 유입된 오·폐수 내의 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 전환시키는 질산화 공정을 수행하며, 산화된 질소는 무산소조(520)로 반송된다.
상술한 바와 같이, 혐기조(510) 내의 미생물은 세포 내에 축적한 유기물을 산화시켜 획득한 에너지를 이용하여, 세포 내로 인을 과잉 축적시킨다. 고액분리조(540)는 인을 축적한 미생물을 유입시켜 폐슬러지 형태로 배출함으로써 인을 제거한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 질소 및 인 제거장치(500)에 의해 각각의 반응조 내의 질소 및 인의 농도는 변화한다.
혐기조(510) 내의 미생물은 생물분해 가능한 용존성 유기물(SS)을 세포 내로 축적하기 위해 인(PO4 3-)을 용출하며, 이에 따라, 인(PO4 3-)의 농도는 혐기조(510)에서 급격하게 증가한다.
암모니아성 질소(NH4 +-N)는 호기조(530) 내의 잔류 유기물이 산화되고, 암모니아성 질소가 질산성 질소(NO3 --N)로 산화되는 질산화가 발생함에 따라, 암모니아성 질소의 농도는 0에 가까워진다. 이에 따라, 고액분리조(540)로 부터 방류되는 방류수 내의 무기성 질소는 대부분 질산성 질소(NO3 --N)로 구성된다.
다시, 도 5를 참조하면, 질소 및 인 제거장치(500)는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 질산화하는 질산화 효율이 100%를 달성할 수 있도록 공정을 수행한다. 이는, 질산화율이 100% 이하로 되면, 질소 제거효율(N)도 감소되기 때문이다. 즉, 질산화율이 100% 이하일 경우, 질소 및 인 제거장치(500)는 반송량을 증가시켜 질소 제거효율(N)을 유지시켜야 하는데, 이는 곧, 경제적 비효율을 야기한다.
한편, 고액분리부(540)로부터 슬러지가 반송됨에 따라, 슬러지 내의 질산성 질소가 혐기조(510)로 유입된다. 혐기조(510)는 오·폐수 내의 생물분해 가능한 용존성 유기물(SS)을 소모하여 탈질 반응을 수행하는데, 오·폐수 내의 유기물 농도가 낮을 경우 경우, 탈질에 유기물이 우선적으로 제거되어 버리기 때문에 인 제거효율이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
도 7은 종래의 일반적인 하수 내의 유기물 농도분포를 도시한 그래프이다. 이를 이용하여 유기물과 질소와 인의 제거 관계를 설명한다. 생물학적으로 질소를 제거하기 위해서는 일정량의 유기물이 필요하다. SRT(Solid Retention Time)에 따라 소모되는 유기물의 농도는 상이하지만, 일반적으로, 1mg의 질산성 질소(NO3 --N)를 제거하기 위해서는 4~5mg의 생물학적으로 분해가능한 유기물(BDCOD)이 필요한 것으로 알려져 있다.
인을 제거하는 경우에도 질소 및 인 제거장치(500)의 운전조건에 따라 소모되는 유기물의 농도는 상이한 값을 나타내지만, 생물학적으로 1mg의 인을 제거하기 위해서는 10~20mg 유기물이 필요한 것으로 알려져 있다.
따라서, 일반적으로, 오·폐수 내에 포함된 질소는 40~50mg/L, 인은 4~8mg/L 정도이므로, 이를 제거하기 위해서는 생분해 가능한 유기물(Xs, Ss)은 최소 200mg/L, 최대 410mg/L 정도가 필요하다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 질소 및 인을 제거하기 위해, 용존성이면서 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Ss)은 125mg/L, 입자성이면서 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)은 375mg/L를 공급할 수 있기 때문에 필요한 유기물의 공급이 가능하다.
그러나 질소 및 인 제거장치(500)는 별도의 침전조(미도시)에서 오·폐수를 1차 침전시킴으로써, 입자성이며 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)을 약 50% 정도 제거하기 때문에, 입자성이며 생물학적으로 분해 가능한 유기물(Xs)은 약 50% 정도만 사용이 가능하다. 또한, 유입된 유기물(Xs)의 40%정도는 호기조에서 산화되어 버리기 때문에 약 60%정도만 사용이 가능하다. 이에 따라, 사용 가능한 유기물은 200mg/L로 질소 및 인 제거장치(500)에 사용되는 유기물이 추가적으로 요구되며, 이는, 유지관리비용의 상승을 초래한다.
한편, 생분해 불가능한 유기물(XI, SI)은 생물학적 반응에 관여하지 않는다. 이에 따라, 유입수 내의 생분해 가능한 유기물(Xs, Ss)과 질소비(C/N비) 및 P비(Carbon/Phosphorus, C/P비)는 질소 및 인을 제거하는데 있어서 중요한 인자로 작용하며, C/N 비 및 C/P 비가 높을수록 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있다.
최근 들어, 하수 처리장의 에너지 사용량을 줄이고 신재생 에너지의 회수율을 높이기 위한 방안으로, 오·폐수 내의 유기물을 활용하여 메탄가스의 생산을 극대화하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이를 위해 1차 처리시설(미도시)에서 제거되는 고형물의 양을 증가시키기 위한 기술이 개발 및 적용되고 있는데, 유입수 내의 고형물 형태의 유기물은 약 80%까지 제거될 수 있다.
이는, 도 7에 도시된 바와 같이, 입자성 유기물(XS, XI)이 80% 제거됨을 의미한다. 즉, 1차 처리시설(미도시)에 의해 1차 처리된 처리수 내에는 용존성이면서 생분해 가능한 유기물(Ss) 125mg/L와 Xs 50mg/L 정도만이 잔류함을 의미하기 때문에, 후속되는 생물학적 공정에서 필요로 하는 유기물을 충당하기 어려운 문제가 있다.
도 8은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이고, 도 9는 질소 제거장치가 질소를 제거하는 공정에 따른 산소 소모량을 비교한 그래프이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 최근 들어, 혐기성암모늄산화(또는, '아나목스') 공정을 이용한 질소 제거장치(800)의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
질소 제거장치(800)는 부분 아질산화 및 아나목스조(830)를 포함하며, 다음과 같이, 부분아질산화 및 아나목스조(830)는 질소를 제거하는데 별도의 유기물을 소모하지 않는다.
NH4+ + 1.32NO2 - + 0.066HCO3 - + 0.13H+
→ 1.02N2 + 0.26NO3 - + 0.066CH2O0.5N0.15 + 2.03H2O
따라서, 질소 제거장치(800)는 낮은 농도의 유기물을 포함하는 오·폐수도 처리할 수 있으며, 1차 처리시설(미도시)에서 고형물 제거에 따른 유기물의 손실에도 영향을 받지 않는다.
더욱 구체적으로 설명하면, 호기조(810)는 유입된 오·폐수를 체류시켜 유기물을 신속하게 제거하고, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)는 암모늄 산화 미생물과 아나목스 미생물을 이용하여 질소를 제거한다.
그러나 호기조(810)는 별도의 산소 공급장치(미도시)로부터 산소를 공급받아 유기물을 산화하는데, 이때, 질소 제거에 사용되는 용존성 유기물(S)이 산소에 의해 단순 산화되는 문제가 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 호기조(810)가 유기물을 단순산화한 후, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)가 질소를 제거하는 경우보다 오·폐수 내에 존재하는 용존성 유기물(S)을 이용하여 질소를 제거한 후, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)가 오·폐수 내에 잔류하는 질소를 제거하는 것이 산소를 더 적게 소모한다. 이는, 곧, 질소 제거장치(800)의 경제성이 떨어진다는 것을 알 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 질소 제거장치(800)는 인을 제거할 수 있는 반응조(미도시)를 구비하고 있지 않기 때문에, 약품을 사용하여 인을 제거해야 하므로, 약품 투입에 따른 추가 비용이 발생한다. 또한, 인을 제거하기 위한 장치가 별도로 구비되어야 하므로, 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
한편, 부분 아질산화 및 아나목스조(830)는 종래의 질소 제거장치(300, 400)에 적용될 수도 있으나, 종래의 질소 제거장치(300, 400)는 호기조(320, 420)를 이용하여 질소를 질산성 질소로 산화시키기 때문에, 암모니아성 질소가 요구되는 혐기성암모늄산화(또는, '아나목스') 공정을 적용하는 것이 실제로 불가능하다.
본 발명의 일 실시예는, 종래의 질소 및 인 제거장치에 혐기성암모늄산화 공정을 접목시켜, 유기물을 별도로 주입하지 않아도, 질소 및 인을 경제적이고 효과적으로 제거할 수 있는 질소 및 인 제거장치를 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 혐기성암모늄산화조가 탈질 반응을 수행할 수 있는 조건을 형성하기 위하여, 질소 및 인 제거 장치로 유입되는 유입수, 반응조 간에 반송되는 처리수의 반송량 및 반송되는 슬러지량을 제어하는 질소 및 인 제거장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 오·폐수 내 영양염류를 제거하는 장치에 있어서, 오·폐수가 유입되며, 제1 미생물을 이용하여 유입된 오·폐수 내 용존하는 인을 용출하는 혐기조와 유입되는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 호기조와 상기 혐기조 및 상기 호기조의 유출수가 유입되며, 질산성 질소를 상기 혐기조 내 잔류하는 유기물을 이용하여 탈질시키고, 상기 혐기조에서 용출된 인을 섭취하는 무산소조와 기체를 이용해 재포기를 수행하는 재포기조와 상기 무산소조를 거친 오·폐수 내에서 인을 흡수한 미생물을 분리하는 고액분리부와 상기 고액분리부를 거친 오·폐수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화시키는 부분 아질산화조 및 제2 미생물을 이용하여 상기 부분 아질산화조에서 산화된 아질산성 질소와 상기 부분 아질산화조에서 산화되지 않은 암모니아성 질소를 탈질시키는 혐기성암모늄 산화조를 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 미생물은 용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 호기조는 암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 호기조는 상기 암모니아 산화 미생물을 이용하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키고, 상기 아질산 산화 미생물을 이용하여 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 무산소조는 유입된 나머지의 오·폐수 내 포함된 유기물과 상기 호기조에서 산화된 질산성 질소를 결합시켜 탈질시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 미생물은 혐기성암모늄산화균(ANAMMOX bacteria)인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 종래의 질소 및 인 제거장치에 혐기성암모늄산화 공정을 접목시켜, 오·폐수 내에 포함된 질소 및 인의 농도가 낮더라도 유기물을 별도로 주입하지 않고 질소 및 인을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 혐기성암모늄산화조가 탈질 반응을 수행할 수 있는 조건을 형성하기 위하여, 질소 및 인 제거 장치로 유입되는 유입수량, 반응조 간에 반송되는 반송유량 및 반송되는 슬러지유량을 제어하여 최적조건을 형성함으로써, 반응조내의 질소 농도를 측정하여 제어하지 않기 때문에 계측기의 오류에 따른 문제가 없고 신뢰성이 높은 유량을 제어함으로써 운전의 편리성이 높은 장점이 있다.
도 1은 국가별 발생된 오·폐수에 포함되어 있는 유기물의 농도 및 구성비율을 도시한 도면이다.
도 2는 오·폐수 내 유기물을 제거하기 위한 유기물 제거장치를 도시한 도면이다.
도 3은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치를 도시한 도면이다.
도 4는 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 종래의 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 6은 종래의 질소 및 인 제거장치에 의한 반응조 내의 질소 및 인의 농도 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 하수내에 존재하는 유기물의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 오·폐수 내 질소를 제거하기 위한 질소 제거장치의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 질소 제거장치가 질소를 제거하는 공정에 따른 산소 소모량을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치 내 각 구성에서의 질소 및 인의 농도변화를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서는 설명의 편의 상 영양염류를 질소와 인으로 특정하여 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 질소나 인과 유사한 성질을 갖는 영양염류는 모두 해당될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치를 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 질소 및 인 제거장치(1000)는 1차 침전조(미도시), 혐기조(1010), 호기조(1020), 무산소조(1030), 재포기조(1040), 고액분리부(1050), 부분 아질산화조(1060) 및 혐기성암모늄 산화조(1070)를 포함한다.
1차 침전조(미도시)는 유입수를 침전시켜 고형물을 분리한다. 1차 침전조(미도시)에 의해 고형물이 분리된 1차 처리수가 질소 및 인 제거장치(1000)에서 처리될 원수로 유입된다. 이때, 고형물을 효과적으로 제거하기 위해, 1차 침전조(미도시)에는 약품이 투입될 수 있다.
1차 처리수는 혐기조(1010)로 유입되어 반송슬러지와 혼합되고, 혐기조(1010)는 유입수 내 용존하는 유기물을 이용하여 1차 처리수로부터 인을 용출한다. 혐기조(1010) 내에는 용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)가 존재한다. 이에 따라, 혐기조(1010) 내에서는 인이 용출되며, 유입수 내 유기물이 PAB세포 내로 축적된다.
호기조(1020)는 내부반송으로 재포기조(1040)로부터 유입된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시킨다. 호기조(1020) 내에는 암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)이 포함되어 있다. 먼저, 암모니아 산화 미생물은 유입수 내 존재하는 암모니아성 질소(NH4 +-N)를 아질산성 질소(NO2 --N)로 산화시키고, 아질산 산화 미생물은 아질산성 질소(NO2 --N)를 질산성 질소(NO3 --N)로 산화시킨다. 호기조로 유입되는 내부반송량은 유입수의 C/N에 따라 달라지는데, C/N비에 따른 적정 내부반송율이 아래 표 1에 제시되어 있다. 이는 C/N에 따른 탈질 가능한 질산성 질소와 관련이 있는데, 내부반송으로 호기조(1020)로 유입된 암모니아성 질소(NH4 +-N)의 양이 무산소조(1030)에서 탈질되는 질산성질소의 양과 같도록 조정하기 위함이다.
C/N비 내부 반송율
0.5 11%
1.0 25%
1.5 43%
2.0 67%
2.5 100%
3.0 150%
호기조에서는 내부반송으로 유입된 암모니아성 질소(NH4 +-N)가 질산성 질소(NO3 --N)로 100% 산화된다. 100% 산화가 되지 않는 경우 내부반송량이 증가되어야 하기 때문에, 100% 산화가 발생하도록 반응조 체류시간과 공기공급량이 조절된다. 산화를 위해 일정량의 산소가 공급되는데, 1g의 암모니아성 질소를 산화시키기 위해 4.57g의 산소가 필요하다. 산소공급은 일반적으로 공기를 공급하여 이루어지는데, 순산소가 공급되기도 한다. 호기조(1020)에서 산화된 질소는 혐기조(1010)의 유출수와 혼합되어 무산소조(1030)로 유입된다. 이때, 혐기조(1010)의 유출수가 호기조(1020)로 유입되면 안되기 때문에, 혐기조와 호기조는 격벽에 의해 분리된다. 혐기반응과 호기반응이 각각 완료된 후에 혐기조(1010)의 유출수는 무산소조에서 호기조(1020)에서 산화된 질소와 혼합된다. 이는 호기조에서 유기물이 산화되어 무산소조에서 탈질에 필요한 유기물이 부족하게 되기 때문이다.
무산소조(1030)는 혐기반응 후 잔류하는 유입수 내의 유기물을 이용하여 호기조(1010)에서 유입되는 질산성 질소(NO3 --N)를 탈질시킨다. 무산소조(1030) 내에서 탈질은 별도의 탄소원 유입없이 유입수 내 포함된 유기물을 이용하기 때문에, 질소 및 인 제거장치(1000)는 탈질을 위해 탄소원을 유입받을 필요가 없는 장점을 갖는다. 무산소조(1030)로 유입되는 질산성 질소의 양은 호기조(1010)로 반송되는 내부반송량에 따라 결정되는데, 표 1에서 제시된 내부 반송율만큼 반송되도록 조절된다. 무산소조에서는 DPAB(Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria)에 의해 탈질과 인의 섭취가 동시에 발생하게 된다.
재포기조(1040)는 공기를 공급해 재포기를 수행한다. 재포기의 목적은 슬러지의 침전특성을 개선하여 고액분리부(1050)에서 원활한 고액분리가 일어날 수 있도록 하기 위함이며, 미 섭취된 인을 추가적으로 섭취하여 방류수 내의 인의 농도를 낮게 유지하기 위함이다. 재포기조(1040)는 10~30분의 수리학적 체류시간(HRT, Hydraulic Retention Time) 동안 공기를 공급하여, 제2 무산소조(1030)에서의 탈질에 의해 발생된 질소가스를 탈기시켜 슬러지의 침전성을 개선시킨다.
고액분리부(1050)는 인을 재섭취한 PAB를 분리시켜 폐기함으로써 인 제거를 완료한다. 분리된 슬리지의 일부는 혐기조(1010)로 반송된다. 슬러지 반송량은 고액분리부(1050)의 고형물 계면의 높이에 따라 조절될 수 있으며, 계면의 높이가 전체 고액분리 깊이의 30%가 넘지 않도록 조절될 수 있다. 슬러지 반송량은 하수 유입량을 기준으로 30~50%범위가 적당하나, 고액분리가 불량할 경우 슬러지 반송량이 증가할 수 있다.
또한, 고액분리부(1050)에 의해 슬러지 반송되는 질소는 산화된 질소가 아닌 암모니아성 질소이므로, 혐기조(1010)의 혐기 환경을 훼손하지 않는다. 이에, 혐기조(1010)에서의 원활한 인 용츨을 저해하지 않을 수 있다.
부분 아질산화조(1060)는 고액분리부(1050)로부터 유입된 유입수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화한다. 고액분리부(1050)로부터 유입된 유입수 내에는 순수하게 암모니아성 질소만이 포함되어 있다. 부분 아질산화조(1060)는 암모니아 산화 미생물을 포함하여, 유입수 내 일부 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시킨다. 부분 아질산화조(1060)에서는 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 비가 1:1.32가 될 때까지, 암모니아성 질소의 산화가 진행된다. 또는, 유량이 분리되어 부분 아질산화(1060)조로는 전체유량의 57%만이 유입되어 아질산화되며, 나머지 유량은 by-pass시켜 혐기성암모늄 산화조(1070)으로 유입될 수 있다.
혐기성암모늄 산화조(1070)는 아나목스(ANNAMOX) 미생물을 이용하여 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 탈질시킨다. 혐기성암모늄 산화조(1070)는 아나목스 미생물을 포함하며, 1:1.32 비율의 암모니아성 질소와 아질산성 질소를 질소 가스로 탈질시킨다.
질소 및 인 제거장치(1000)는 외부로부터 탄소원의 유입을 받지 않으면서도, 혐기성암모늄 산화공정과 기존 처리공정에서 유기물을 적절히 이용하여 질소를 경제적/효율적으로 제거할 수 있다. 따라서, 질소 및 인 제거장치(1000)는 종래의 장치들과 같이 많은 양의 탄소원이나 유기물을 요구하지 않으면서, 많은 양의 질소 성분의 반송을 필요로 하지도 않는 장점을 갖는다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 질소 및 인 제거장치 내 각 구성에서의 질소 및 인의 농도변화를 도시한 그래프이다.
혐기조(1010)에서 슬러지와 유입수가 유입되어 암모니아성 질소가 일정농도로 유지되며, PAB에 의해 인의 용출이 발생하여 용액중의 인의 농도가 증가한다.
호기조(1020)에서 내부반송으로 반송되는 슬러지와 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화되므로, 호기조(1020) 내 암모니아성 질소 농도는 0에 가깝게 감소하는 반면, 질산성 질소 농도는 상승한다
호기조(1020)로부터 질산성질소가 무산소조(1030)로 유입되고, 혐기조(1010)로 유기물이 유입되어 질산성질소가 혐기조(1010)에서 탈질된다. 무산소조(1030)로 유입되는 질산성 질소는 C/N에 따라 무산소조에서 탈질 가능한 양만큼만 유입되기 때문에, 무산소조에서 전량 탈질된다. 암모니아성 질소의 농도는 호기조(1020)에서 유입되는 유추ㅜㄹ수에 의해 희석되며 농도의 저하가 발생하지만, 무산소 반응조내에서는 변화 없이 유지된다. 인의 경우에는 DAPB에 의해 질산성질소를 이용하여 세포 내로 섭취가 발생하여 농도가 저하되지만, DPAB는 낮은 농도까지 인을 섭취할 수 없기 때문에 일정 농도까지만 저하된다.
재포기조(1040)에서는 무산소조(1030)에서 미 섭취된 인의 추가적인 섭취가 발생하며, 무산소조(1030)에서의 탈질에 의해 발생한 질소가스를 탈기시켜 슬러지의 침전성을 향상시킨다. 재포기조(1040)는 탈기에 필요한 소량의 공기만이 유입되기 때문에 별도의 질산화는 발생하지 않아, 암모니아성 질소 농도는 무산소조(1030)와 같은 수준으로 유지된다.
부분 아질산화조(1060)를 거치며, 암모니아성 질소의 농도는 낮아지고, 아질산성 질소의 농도는 상승하게 되며, 혐기성암모늄 산화조(1070)에서 암모니아성 질소와 아질산성 질소는 아나목스 반응에 의해 모두 제거된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
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*본 특허출원은 2019년 07월 03일 한국에 출원한 특허출원번호 제 10-2019-0080389호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하면, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하면 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (6)

  1. 오·폐수 내 영양염류를 제거하는 장치에 있어서,
    오·폐수가 유입되며, 제1 미생물을 이용하여 유입된 오·폐수 내 용존하는 인을 용출하는 혐기조;
    유입되는 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 호기조;
    상기 혐기조 및 상기 호기조의 유출수가 유입되며, 질산성 질소를 상기 혐기조 내 잔류하는 유기물을 이용하여 탈질시키고, 상기 혐기조에서 용출된 인을 섭취하는 무산소조;
    기체를 이용해 재포기를 수행하는 재포기조;
    상기 무산소조를 거친 오·폐수 내에서 인을 흡수한 미생물을 분리하는 고액분리부;
    상기 고액분리부를 거친 오·폐수 내 암모니아성 질소의 일부를 아질산성 질소로 산화시키는 부분 아질산화조; 및
    제2 미생물을 이용하여 상기 부분 아질산화조에서 산화된 아질산성 질소와 상기 부분 아질산화조에서 산화되지 않은 암모니아성 질소를 탈질시키는 혐기성암모늄 산화조
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 미생물은,
    용존성 유기물을 이용하여 인을 용출하는 PAB(Phosphorus Accumulating Bacteria)인 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호기조는,
    암모니아 산화 미생물(AOB: Ammonia Oxidizing Bacteria)과 아질산 산화 미생물(NOB: Nitrite Oxidizing Bacteria)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 호기조는,
    상기 암모니아 산화 미생물을 이용하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 산화시키고, 상기 아질산 산화 미생물을 이용하여 아질산성 질소를 질산성 질소로 산화시키는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무산소조는,
    유입된 나머지의 오·폐수 내 포함된 유기물과 상기 호기조에서 산화된 질산성 질소를 결합시켜 탈질시키는 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 미생물은,
    혐기성암모늄산화균(ANAMMOX bacteria)인 것을 특징으로 하는 영양염류 제거장치.
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