KR20170009155A

KR20170009155A - 고농도 질소 함유 반류수의 질소제거 시스템

Info

Publication number: KR20170009155A
Application number: KR1020150100688A
Authority: KR
Inventors: 김동욱
Original assignee: 공주대학교 산학협력단; 주식회사 두현이엔씨
Priority date: 2015-07-15
Filing date: 2015-07-15
Publication date: 2017-01-25

Abstract

본 발명은 저류조에 저장된 반류수를 유입받아 반류수내 함유된 암모니아성 질소를 산화시켜 부분아질산화를 수행하는 아질산화반응조; 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율을 조절하는 혼합질소조정조; 및 상기 혼합질소조정조로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 혐기조건하에 혐기성 탈질을 수행하여 처리수내 질소를 제거하는 혐기성탈질조를 포함하는 반류수의 질소제거시스템을 제공한다.

Description

고농도 질소 함유 반류수의 질소제거 시스템{NITROGEN REMOVING SYSTEM OF SIDE STREAM COMPRISING HIGH CONCENTRATED NITROGEN}

본 발명은반류수의 질소제거 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반류수내 총질소 제거율 내지 반류수 내 질소제거효율, 슬러지 저감효과 내지 산소요구량을 기존대비 현저히 절감할 수 있어 반류수 내 질소제거효과가 우수하면서도 장치 소형화 및 비용절감효과를 통해 경제적으로 고농도의 질소 함유 반류수내 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 고농도 질소 함유 반류수의 질소제거 시스템에 관한 것이다.

국내에 혐기성 소화조가 설치된 하수처리장은 57개소가 있다. 대부분의 하수처리장은 일 처리용량이 20만톤의 중형하수처리장으로 소화반류수에 의한 질소부하가 설계 질소부하의 86%정도로 안정적인 질소제거를 위해서는 별도의 반류수 처리가 필요한 것으로 알려져 있다.

비록 하수처리장 슬러지 처리계통에서 발생하는 반류수의 양은 유입유량의 1% 미만이지만 질소부하는 유입부하의 15-40%이며, 인의 경우에는 50%에 달한다. 이에 따라 에너지 자립화 및 슬러지 감량화 사업의 지속 추진으로 하수처리시설 소화조 개선, 증설, 신설이 증가하는 추세로, 특히 소화슬러지 탈리액에 의한 오염물 유입부하 증가에 대응하기 위한 기술 개발 및 실증의 필요성 증가하고 있다.

이러한 고농도의 반류수는 별도의 처리 없이 유입부로 반송되어 급격한 부하변동을 발생시켜 하수처리장 운영을 어렵게 하고 방류수질의 악화를 초래하고 있다. 특히 수온이 저하되는 동절기에 수질악화 현상이 두드러지는 것으로 알려져 있다.

나아가 음식물 쓰레기 종량제에 따른 고액분리 후 배출, 주방용 오물분쇄기 허용 및 확대로 하수처리시설로 유입되는 음식물폐수 오염물 부하가 증가할 것으로 예상되며, 이에 더해 동절기 수온저하에 따른 질소제거효율의 저하가 발생하는데 이때 반류수에 의한 질소부하의 영향은 가중되어 큰 문제가 되고 있지만, 아직까지 국내에서 이에 대한 제반 문제를 일소에 해결할 수 있는 시스템이 개발되고 있지는 않은 상황이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 반류수내 총질소 제거율 내지 반류수 내 질소제거효율, 슬러지 저감효과 내지 산소요구량을 기존대비 현저히 절감할 수 있어 반류수 내 질소제거효과가 우수하면서도 장치 소형화 및 비용절감효과를 통해 경제적으로 고농도의 질소 함유 반류수내 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 고농도 질소 함유 반류수의 질소제거 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.

(1) 저류조에 저장된 반류수를 유입받아 반류수내 함유된 암모니아성 질소를 산화시켜 부분아질산화를 수행하는 아질산화반응조; 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율을 조절하는 혼합질소조정조; 및 상기 혼합질소조정조로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 혐기조건하에 혐기성 탈질을 수행하여 처리수내 질소를 제거하는 혐기성탈질조를 포함하는 반류수의 질소제거시스템.

(2) 상기 (1)에 있어서,

상기 아질산화반응조는 간헐적으로 초미세기포를 발생시켜 30~40℃, 2~4mg/L의 용존산소농도, 6.5~8.5의 pH, 0.5~2일의 체류시간에서 부분아질산화를 수행하고,

상기 혼합질소조정조는 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율이 1.3:1이 되도록 농도를 조절하며,

상기 혐기성 탈질조는 외부탄소원이 없이 혼합질소조정조로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 1~2일의 체류시간에서 혐기조건하에 혐기성탈질을 수행하는 것을 특징으로 하는 반류수의 질소제거시스템.

(3) 상기 (1)에 있어서,

상기 아질산화반응조 및 혐기성 탈질조는 그래뉼화된 미생물을 사용하는 것을 특징으로 하는 반류수의 질소제거시스템.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 반류수내 총질소 제거율 내지 반류수 내 질소제거효율, 슬러지 저감효과 내지 산소요구량을 기존대비 현저히 절감할 수 있어 반류수 내 질소제거효과가 우수하면서도 장치 소형화 및 비용절감효과를 통해 경제적으로 고농도의 질소 함유 반류수내 질소를 효율적으로 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반류수의 질소제거시스템의 구성도.
도 2a, 2b는 본 발명의 반류수의 질소제거시스템을 구성하는 아질산화반응조의 구성도.

본 발명에 따른 반류수의 질소제거시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 저류조(10)에 저장된 반류수를 유입받아 반류수내 함유된 암모니아성 질소를 산화시켜 부분아질산화를 수행하는 아질산화반응조(20); 상기 아질산화반응조(10)에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율을 조절하는 혼합질소조정조(30); 및 상기 혼합질소조정조(30)로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 혐기조건하에 혐기성탈질을 수행하여 처리수내 질소를 제거하는 혐기성탈질조(40)를 포함한다. 부호 50은 필요에 따라 추가적으로 설치가능한 일반적인 종래의 탈질기이다.

상기 저류조(10)는 도시하고 있지는 않지만, 전단의 하수 슬러지의 처리과정에서 발생되는 각종 반류수를 저장하고, 후속하는 아질산화반응조(20)에 반류수를 공급한다.

상기 아질산화반응조(20)는 바람직하게는 용존산소의 농도를 일정 수준으로 유지하고, 폐수와 미생물이 잘 혼합되도록 하기 위해 미세기포를 공급하되, 물과 공기를 공급하여 공기를 물에 부딪쳐 발생하는 초미세기포를 반응조내 공급하는 초미세기포발생기가 일측에 장착된다.

이를 위해 본 발명의 아질산화반응조(20)는 도 2a 및 2b에 도시한 바와 같이, 아질산화반응조(20) 하부에 미세기포가 공급되는 기포유입부(21), 상기 유입된 미세기포에 의해 교반되는 반류수가 산화되는 수직형 실린더로 이루어진 반응부(22)를 포함한다.

기포유입부(21)는 미세기포공급기(60)로부터 미세기포를 공급받아 반응부(22) 내부의 처리공간으로 투입시키는 부위로써, 이를 위해 말단은 분산노즐 혹은 디퓨저의 형태를 취할 수 있다. 상기와 같이 반응부(22) 내부에 투입된 미세기포는 처리수내 투입되어 처리수 전체를 골고루 교반하는 기능을 수행함과 더불어 적절한 용존산소량을 유지시켜 부분아질산화 반응이 효율적으로 일어나게 한다. 본 발명에서 미세기포공급기(60)는 바람직하게는 공기를 이용한다.

미세기포공급기(60)는 도 2a에 도시한 바와 같이 통상적인 공기압축기(또는 컴프레셔)만으로 구성할 수도 있고, 또는 도 2b에 도시한 바와 같이 미세기포공급기(60)는 보다 바람직하게는 처리수펌프(미도시)와 상기 공기압축기(미도시)를 포함하고, 상기 처리수펌프가 공급하는 처리수와 상기 공기압축기가 공급하는 공기를 혼합실(미도시)에서 충돌시켜 발생하는 초미세기포(수 nm~ 수 mm)를 함유한 처리수를 제공하는 형태의 것도 본 발명의 실시예를 구성한다. 전자의 경우 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 1~3 kg/㎠의 고압의 공기가 사용될 수 있으며, 후자의 경우 미세기포공급기(60)는 처리수펌프, 공기압축기, 혼합실, 및 상기 혼합실에서 생성된 수 nm~ 수 mm 정도의 초미세기포를 함유한 처리수를 기포유입구(21)에 공급하는 공급펌프를 포함하는 것으로 구현할 수 있다. 이 경우 공급펌프의 압력은 3~5 kg/㎠로 하는 것이 바람직하다. 상기 본 발명에 따른 미세기포공급기(60)는 바람직하게는 간헐적으로 운전되어지도록 한다.

상기 아질산화반응조(20)에 투입되는 미생물은 반류수내 함유된 암모니아성 질소를 산화시켜 아질산을 생성하는 미생물(암모늄산화성균으로, 예로 Proteobacteria 속균)인 한 그 종류에 있어서 특별히 한정되는 것은 아니며, 바람직하게는 이러한 미생물은 그래뉼화된 것을 이용함으로써, 부하변동에 강하고 반응조의 크기를 최소화하는 것이 좋다. 미생물의 그래뉼화를 위해서는 시판되는 것을 그대로 구입하여 이용하여도 좋고, 등록특허 제10-0446576호에 개시된 방법을 이용하여 직접 제작하여 이용하여도 좋다.

본 발명에서는 부분아질산화의 정도가 반류수내 함유된 암모니아성 질소의 50% 정도만 아질산성 질소로 축적이 되도록 하기 위해, 반응조 내 온도는 30~40℃, 용존산소의 농도는 2~4mg/L, pH는 6.5~8.5, 체류시간 0.5~2일이 되도록 유지하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 조건하에서는 암모니아 산화균의 성장이 아질산 산화균의 성장속도보다 높아 아질산성 질소가 축적진다.

상기와 같은 조건하에 아질산화 반응이 수행된 처리수는 혼합질소조정조(30)에서 이후 최적의 탈질이 일어날 수 있도록 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율을 조절하도록 한다. 따라서, 암모니아성 질소의 농도가 낮을 경우에는 저류조(10)에서 배출되는 반류수를 혼합조정라인(31)을 통해 혼합질소조정조(30)로 유입시켜 농도를 조절하게 되고, 암모니아성 질소의 농도가 높을 경우에는 회수라인(32)을 통해 저류조(10)로 회수하여 환원과정을 통해 아질산성 질소로의 전환을 유도하여 줄 필요가 있다. 또, 혼합질소조정조(30)에서는 질산성 질소의 농도가 높은 경우에도 마찬가지로 회수라인을 통해 저류조(10)로 회수하여 환원과정을 통해 아질산성 질소로의 전환을 유도하여 줄 필요가 있다. 후속하는 독립영양방식의 혐기성 탈질(또는 혐기성 암모늄산화)을 수행하기 위해, 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율이 1.2:1~1.4:1, 바람직하게는 1.3:1이 되도록 농도를 조절한다.

혐기성 탈질조(40)는 상기 혼합질소조정조(30)로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 혐기조건하에 혐기성 탈질을 수행하여 처리수내 질소를 제거한다. 이때, 본 발명에 따른 처리시스템은 외부탄소원이 필요없이 상기 혼합질소조정조(30)로부터 유입된 처리수내 잔류 유기물만을 이용하여, 탈질과정을 수행하는 것이 가능하다. 이를 위해 바람직하게는 반응온도 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 1~2일의 체류시간이 요구되어지며, 반응식은 아래 반응식 1에 나타낸 바와 같다.

[반응식]

NH₄ ⁺+1.3NO₂ ^-+0.042CO₂ → 0.042(미생물세포)+N₂+0.22NO₃ ^-+0.08OH^-+1.87H₂O

상기 혐기성 탈질조(40)에 사용되는 탈질균은 기존의 혐기성 암모늄산화균(예로, 상품명 ANAMMOX 등)인 한 특별한 제한은 없으며, 바람직하게는 그래뉼화된 미생물을 이용하여 부하변화에 강하고 반응조 크기를 최소화하면서 반응을 빠른 시간에 수행하도록 하는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예 및 비교예로써 더욱 상세히 설명하고자 한다. 하지만 이는 본 발명의 보다 쉬운 이해를 돕기 위한 것이지, 이들을 통하여 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 1에 도시된 시스템을 이용하여, 처리용량 처리용량 50L/d를 기준으로 반류수를 암모늄산화균(AOB)이 그래뉼 상태로 투입된 아질산화반응조에 투입하고, 초미세기포발생기를 이용하여 반응조내에 간헐적으로 초미세기포를 발생시켜 35℃, 용존산소농도 2mg/L, pH 7.0, 2일의 체류시간이 되도록 반응시켜 반류수 중 함유된 암모니아성 질소가 50%가 되도록 하였다. 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수에 저류조의 폐수를 혼합조정라인을 통해 투입받아 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율이 1.3:1이 되도록 농도를 조절하였고, 이때 혼합질소조정조내 온도는 35℃, pH는 7.0이었다. 혼합질소조정조에서 혼합조정된 처리수를 혐기성 암모늄산화균이 그래뉼상으로 투입된 혐기성 탈질조내에 투입하되, 별도의 외부탄소원을 투입함이 없이 유입된 처리수내 잔류 유기물만을 이용하여, 35℃, pH 7.0 조건하에, 2일의 체류시간으로 혐기조건하에 탈질을 진행시켰다.

실험결과, 공지된 수질공정시험방법에 따라 산소요구량 절감율, 반류수 질소제거효율, 총질소 제거율, 슬러지 저감율을 측정한 결과는 하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 반류수 처리용량 50L/d를 기준으로 기존 질소처리공정(기존의 아질산-아탈질 공정) 대비 32%의 산소요구량이 절감(송풍에너지 기준)되었고, 반류수 질소제거효율은 0.95 kg-N/m³·day으로, 반류수 총질소 제거율이 93%인 것으로 나타났으며, 슬러지 저감율은 20 %로 나타났다.

항목	효과
총질소 제거율	93%
반류수 질소제거효율	0.95kg-N/m³·day
슬러지 저감율	18.5%
산소요구량 절감율	32%

상기와 같이 본 발명에 따른 고농도 질소 함유 반류수의 질소제거시스템 및 방법에 의하면, 반류수내 총질소 제거율 내지 반류수 내 질소제거효율, 슬러지 저감효과 내지 산소요구량을 기존대비 현저히 절감할 수 있어 반류수 내 질소제거효과가 우수하면서도 장치 소형화 및 비용절감효과를 통해 경제적으로 고농도의 질소 함유 반류수를 효율적으로 처리할 수 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 저류조
20: 아질산화반응조
21: 기포유입부
22: 반응부
30: 혼합질소조정조
40: 혐기성 탈질기
50: 추가 탈질기
60: 미세기포공급기

Claims

저류조에 저장된 반류수를 유입받아 반류수내 함유된 암모니아성 질소를 산화시켜 부분아질산화를 수행하는 아질산화반응조; 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율을 조절하는 혼합질소조정조; 및 상기 혼합질소조정조로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 혐기조건하에 혐기성 탈질을 수행하여 처리수내 질소를 제거하는 혐기성탈질조를 포함하는 반류수의 질소제거시스템.
상기 아질산화반응조는 간헐적으로 초미세기포를 발생시켜 30~40℃, 2~4mg/L의 용존산소농도, 6.5~8.5의 pH, 0.5~2일의 체류시간에서 부분아질산화를 수행하고,
상기 혼합질소조정조는 상기 아질산화반응조에서 부분아질산화 반응이 일어난 처리수를 공급받아 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 아질산성 질소와 암모니아성 질소의 혼합비율이 1.3:1이 되도록 농도를 조절하며,
상기 혐기성 탈질조는 외부탄소원이 없이 혼합질소조정조로부터 유입된 폐수내 잔류 유기물을 이용하여, 30~40℃, 6.5~8.5의 pH 조건하에, 1~2일의 체류시간에서 혐기조건하에 혐기성탈질을 수행하는 것을 특징으로 하는 반류수의 질소제거시스템.
제 1항에 있어서,
상기 아질산화반응조 및 혐기성 탈질조는 그래뉼화된 미생물을 사용하는 것을 특징으로 하는 반류수의 질소제거시스템.