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수질오염방지시설

질소ㆍ인 처리공정

생물학적 질소 전환 및 제거

폐수 중의 질소는 주로 단백질 및 요소 형태의 유기성 질소와 암모니아성 질소, 아질산성 질소 및 질산성 질소 형태의 무기성 질소로 대변 될 수 있다. 이들 질소화합물들이 환경 중에 노출되었을 때 조건에 따라 각각 다른 형태의 화합물로 전환된다. 호기성 환경에서는, 세균이 암모니아성 질소를 아질산염과 질산염으로 산화시킨다. 그러나 질산염 상태의 질소는 조류 및 기타 수생 식물이 섭취하여 조류의 급성장으로 수계에 수화현상(Algal blooms)을 발생시키기도 한다. 질산화된 아질산성 질소 및 질산성 질소는 탈질화 미생물에 의하여 질소가스로 되어 다시 대기중으로 환원 배출된다.

  • ◈ 질산화(Nitrification)
  • 질산화는 암모니아성 질소가 두 단계를 거쳐 질산화 박테리아에 의해 산화되는데, 암모늄염이 일차로 아질산염으로, 이차로 질산염의 형태로 생물학적으로 산화되는 반응을 말한다. 이때 작용하는 세균은 무기질소 화합물을 산화하여 성장에 필요한 에너지를 얻는 생리적 특성을 가지고 있다.
    • ① 에너지 합성단계
    • Nitrosomonas에 의한 암모니아성질소의 산화에 대한 이론적인 반응식
      NH4 + 0.5O2 → 2H+ + H2O + NO2- + 58-84Kcal
    • 아질산염이 Nitrobacter에 의해 질산염으로 반응하는 반응식
      NO2- + 0.5O2 → NO3- + 15.4-20.9Kcal
    • Nitrosomonas는 Nitrobacter 보다 1mole의 질소를 산화하는데 더 많은 에너지를 얻게 되며 단위 에너지당 합성하는 세포가 일정하다고 가정하면 Nitrosomonas와 Nitrobacter에 의한 전체 산화반응은 다음과 같다.
      NH4+ + 2O2 → NO3- + 2H+ + H2O

    • ②질산화에 영향을 미치는 인자
    • 질산화 과정에서 용존산소 소모량은 암모니아성질소 1mg당 4.47mg이 소요된다. 그리고 질산화를 이루기 위한 용존산소의 농도는 2mg/L 이상이며, 최적 pH는 8.4~9.0이며 pH6.6이하에서는 질산화에 큰 영향을 미치므로 충분히 알카리도를 공급해 주어야 한다. Nitrobacter의 최적 pH는 7.3~8.4로 알려져 있으며 암모늄이온의 존재 하에서 pH9.5이상이면 생장이 억제되며, 이런 알카리상태의 존재하에서는 독성이 있는 아질산염의 축적이 일어나게 된다. 질산화는 온도에 의해서도 영향을 받으며, 질산화반응의 최적온도는 40℃이며, 5℃이하의 낮은 온도나 40℃이상의 높은 온도에서는 활성이 없다.

생물학적 질소 및 인의 동시 제거공정

생물학적 처리법에 의한 질소와 인을 동시에 제거하고자하는 시도는 1970년대 후반에 남아프리카에 있어서 일련의 실제장치가 가동됨에 따라 세계의 주목을 받은 이후 많은 변법이 개발되어 왔는데, 인에 관해서는 제거기구가 규명되어 있지 않기 때문에 경험적으로 운전조작 인자를 최적화하고 있는 것이 현실적이고, 제거가 불충분한 경우의 대책이나 처리의 한계치 등 명확하게 되어 있지 않는 부분도 많다. 생물학적 질소ㆍ인 동시제거법으로서는 Bardenpho Process와 A2O Process, DBR, UCT 등이 있다.

  • 1) Bardenpho Process
  • 1차 침전지를 거친 유입하수가 반송슬러지와 함께 혼합되어 ①로 유입된다. 이 반송 슬러지는 유기물, 질산화 박테리아, 탈질 박테리아 등을 포함하며 특히 인을 많이 포함하고 있다. 이 반응조에서의 주요사항은 조내의 미생물이 인을 최대한 방출하여 후속하는 호기성상태(반응조③,⑤)에서 하수내의 인(원폐수 인, 방출된 인)을 최대한 흡수하도록 하는 것이다.

    이 공법에서 인의 배출농도는 유입수의 BOD, P, N의 상대적인 양에 따라서 1mg/L이하로 될 수 있으나, BOD가 낮고 고농도의 인을 함유한 유입수는 alum이나 철염 등의 약품처리에 의해 1mg/L까지 낮추는 경우도 있다.

  • 2) A2O Process
  • 혐기성조와 호기성조 사이에 anoxic조를 두어서 질소와 인을 동시에 처리하는 방법이다. 호기성조에서 질산화된 하수를 anoxic조로 반송하여 탈질소화를 도모하고 혐기성조에서 인의 방출에 질산성질소가 미치는 영향을 저감시킨다.

  • 3) UCT Process
  • 반송슬러지를 호기성지역 대신 anoxic지역으로 재순환시키며, 내부순환이 anoxic 단계에서 혐기성 단계로 된다. 이 방법은 A2O Process에 비해 질소, 인 제거율이 우수하난 슬러지의 침전성이나 농축이 A2O Process에 비해 떨어지는 것으로 알려져 있다.

연속회분식반응조 (SBR)

설계와 운전을 어떻게 하느냐에 따라 2차처리와 고도처리를 동시에 수행할 수 있는 경제적인 공법이며, 운전상의 유연성이 크기 때문에 응용범위가 광범위한 특성을 가지고 있다.

SBR은 다섯가지 공정(유입공정, 반응공정, 침전공정, 방류공정, 휴지기)이 한 Cycle을 이룬다.

SBR의 장점은 처리수의 배출이 간헐적이어서 처리수의 수질이 목표수질에 도달하지 못한 경우 오랫동안 가두어서 처리수의 수질향상을 도모할 수 있다. 슬러지 반송을 위한 펌프가 필요 없이 배관과 동력에 따르는 비용이 절감된다. 유입수가 채워지는 동안 산소농도가 zero에 가까워져 산소의 전달율이 높아질 수 있다. SBR 운전방식이 회분식이므로 사상성 미생물의 성장을 억제하여 슬러지 팽화현상을 초래하지 않는다. 혐기호기 상태가 교차됨에 따라 질산화, 탈질반응이 진행되며 생물학적 인 방출과 섭취가 가능하여 질소, 인의 효율적인 제거로 인해 고도처리의 효과를 얻을 수 있다.

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