[생물학적 질소제거]

[생물학적 질소제거]

​

​

개요

1) 질소제거의 필요성 : 부영양화 방지, 청색증 방지 등

2) 하수 중의 질소형태 : NH4^-N, 유기성질소 > TKN형태

3) 생물학적 질소 원리 : NH4^+ > 질산화 > NO3, NO2 > N2

 

2. 생물학적 질소제거 원리

 

1) 질산화

(1) 1g NH4^+-N 산화시 4.6g의 산소 및 7.2g 알칼리도 소모, 0.15g 세포합성

(2) 질산화 미생물 특징

-독립영양미생물 : 질산화과정에서 에너지 획득

-무기탄소원(CO2, HCO3^-, CO3^2-)로부터 유기물 합성

-비증식속도가 느림 : SRT 길게 유지 필요

-저수온 영향 큼 : 10도 이하에서 질산화 속도 1/2 저하

(3) 일반 적으로 활성슬러지의 경우 pH5～5.5일 때 질산화는 더 이상 이루어지지 않으며, 질산화의 최적 pH는 8.4 정도이 며 이보다 높거나 낮을 때에는 질산화율이 감소한다.

​

*

NH4 + + 1.5O2 → NO2 - + H2O + 2H+ + 240～350KJ

NO2 - + 0.5O2 → NO3 - + 65～90KJ

 

 

2) 탈질화

(1) 수소공여체 : 유입하수의 유기물(CHNOP),미생물 체내기질,외부탄소원,자체생산

(2) 통성혐기성 미생물 : DO 0.5mg/L 이하에서 탈질

(3) NO3-N, NO2-N의 결합산소를 이용하여 에너지 획득

(4) 1g의 NO3-N 탈질시 3.6g의 알칼리도 생성

(5) 1g의 NO3^- 탈질시 3.7mg의 COD 소모 (as 메탄올 : 2.47g)

(6) 1g의 NO3^- 탈질시 0.45g의 세포합성

(7) 탈질반응에서 최적 pH는 7.0～7.5 으로 알려져 있으며, pH가 6.0 이하거나 8.0 이상인 경우는 탈질이 저해를 받는다. 탈질반응은 미 생물에 의한 생물학적 반응이기 때문에 온도의 영향을 받게 된다. 12℃까지는 크게 영향이 없지만 10℃ 이하에 서는 탈질효율이 현저히 감소하는 것으로 밝혀졌다.

​

탈질 능력을 가지고 있는 미생물로는 Pseudomonas, Micrococus, Archromobactor, Thiobacillus 등이 있다. 이들은 리덕타제(Reductase)라는 효소를 가지고 있어 질산성 질소를 가스상의 질소로 환원시킬 수 있다.

아울러 이들은 최종 전자 수용체로서 질산성 질소(NO3 - )나 산소를 이용할 수 있어 이들을 통성 호기성 박테리아(Facultative heterotrophic bacteria)라고 부른다.

​

질산화 탈질 영향인자

구분	질산화	탈질
DO(mg/L)	2.0	0.5
유기물	불필요	필요(C/N비 4이상)
pH	8.5	7.5
수온	35~42도	35~50

 

​

MLE 공법

1) 순환식질산화탈질법

(1) 개요

순환식질산화탈질법은 [그림 4.7.5]에서 볼 수 있듯이 반응조를 무산소(탈질)반응조, 호기(질산화) 반응조의 순서로 배열하여 유입수 및 반송슬러지를 무산소반응조에 유입시키고 한편으로는 연속되는 호기반응조의 질산화 혼합액의 일부를 무산소반응조에 순환시켜 처리하는 방식이다.

호기반응조에서는 유입된 암모니아성질소가 아질산성질소로, 그리고 다시 질산성질소로 산화되며, 무산소반응조에서는 질산성질소가 유입수중의 유기물의 산화반응에 의해서 질소가스로 환원된다.

본법은 하수중의 유기물 의 일부가 탈질 반응시 수소공여체로 이용되기 때문에 질산화촉진형 활성슬러지법에 비해 BOD제거에 필요한 산소공급량이 적어지게 된다

​

또한, 질소제거율 향상을 목적으로 [그림 4.7.6]에 나타나 있는 것처럼 2단순환방식이 있다.

이 방 식에서는 무산소반응조 및 호기반응조를 2단 직렬로 조합시켜 유입수를 각단의 무산소반응조에 단계유 입시킴으로써 높은 MLSS 농도와 긴 SRT를 가능하게 한다.

이와 같은 조작에 의해 전단의 질산화반 응조로부터의 유출수를 후단의 무산소반응조로 유입시키는 것이 가능하여 높은 질소 제거율을 얻을 수 있다(Bardenpho공법은 이 방식에서 (1)의 step 유입 및 (2)의 질산화액 순환이 없는 방식임)

​

 

호기조

-유기물 제거, 질산화

-질산화위해 긴 HRT, SRT 필요

-pH저하 : 질산화시 7.2g알칼리도 소모 > 알칼리제 주입 필요

 

무산소조

-호기조로부터 유입된 NO3-N 탈질

-탈질 시 수소공여체 : 미생물 체내기질사용 (부족시 외부탄소원 사용)

-외부 탄소원 종류 : 메탄올, 에탄올, 글루코스

 

재폭기조

-처리수의 DO 농도 확보 (2차침전지 재탈질에 의한 부상 방지)

 

메탄올 주입식(경험식)

Cm = 2.47(NO3-N) + 1.53(NO2-N) + 0.87DO(호기조 > 무산소조 넘어가는DO)

*Cm : 메탄올 농도

 

​

(2) 처리 특성

일반 도시하수의 경우 유입수(일차침전지 유출수)에 대하여 총질소(T-N)제거율은 연 평균 60～ 70%를 기대할 수 있으며, 동시에 표준활성슬러지법과 비교해서 BOD, SS에 대해서도 제거율이 높은 편이다.

​

(3) 설계 및 유지 관리상의 유의점

본법의 질소제거 성능은 유입수의 수온, 유입수의 질소 및 유기물농도, 호기반응조의 고형물체류시 간(ASRT), 순환비, MLSS농도, 호기반응조 용존산소농도, pH 등에 의해 지배된다.

그러므로 설계목 표수질을 정하는 경우에는 이러한 사항을 충분히 고려할 필요가 있다.

다단식의 순환법을 채용하는 경 우 총질소제거율은 단단식에 비해 10% 정도 향상되지만, 질소제거성능은 전술한 인자들뿐만 아니라 각 단에의 단계유입비, 전단과 후단의 반응조 용량비 등에 의하여 크게 좌우되기 때문에 운전관리는 그리 쉽지 않다.

​

본법(단단)의 설계 및 유지관리상의 유의점은 다음과 같다.

① 질소제거율의 목표치를 60～70%로 설정한 경우 반응조의 용량을 표준활성슬러지법의 반응조의 용량에 비하여 크게 한다.

② 무산소 반응조는 무산소상태가 항상 유지될 수 있는 구조로 하여야 한다.

③ 질산화액을 순환시키기 위해 펌프 등이 필요하다. 질산화액의 순환방법으로는 순환펌프를 사용하 면서 호기반응조의 포기와 동반한 에어리프트효과에 의한 순환류를 이용하는 방법이 있다. 단, 이 경우는 순환수량의 파악이 어렵기 때문에 반송수유입게이트의 형상 등에 대하여 검토를 요 한다.

④ 강우시와 사용개시시점의 대책으로 무산소반응조에 필요한 유기물을 확보하기 위해서 유입수가 일차침전지를 우회하는 bypass 수로를 설치한다.

⑤ 반응조의 MLSS농도는 활성슬러지법에 비해 높은 2,000～3,500mg/L 를 유지하여야 한다. 따 라서 이차침전지에의 유입고형물부하가 크게 되므로 수면적부하를 작게 하고 유효수심을 크게 할 필요가 있다.

⑥ 무산소반응조에서 스컴의 발생이 많은 것으로 보고되므로 스컴파쇄장치의 설치가 바람직하다.

⑦ 반응조의 수리학적체류시간, 호기조고형물체류시간(ASRT), 필요공기량, 알칼리제 및 추가유기물 원 주입설비, 일차침전지, 이차침전지 등에 대한 사항은 1) 혐기무산소호기조합법을 참조한다

​

​

​

​

2) 질산화내생탈질법

​

(1) 개요

질산화내생탈질법은 [그림 4.7.7]의 처리계통에 나타나 있는 것처럼, 질산화공정 이후에 탈질공정을 배치하여 탈질반응에 필요한 수소공여체로서 활성슬러지에 흡착되어 세포내에 축적된 유기물을 이용하 게 된다.

따라서 탈질반응에 필요한 유기물을 외부로부터 첨가하지 않으며 질산화액의 순환도 행하지 않는다.

 

본법에서는 전단의 호기반응조에서 질산화된 질소의 전량을 후단의 무산소반응조에서 탈질하는 것이 가능하기 때문에 높은 질소제거율이 가능하다.

반면, 탈질반응의 수소공여체로서 활성슬러지에 흡착되 어 세포내에 축적된 유기물을 이용하게 되기 때문에 탈질속도가 느리고 큰 무산소반응조가 필요하게 된다.

일반적인 도시하수인 경우에는 탈질을 위해 메탄올 등의 첨가가 필요하지 않으나, 유입수의 수질에 따라서는 질산화에 의한 알칼리도의 저하를 보충하기 위하여 수산화나트륨의 첨가를 필요로 하는 경우 도 있다.

후단의 재포기반응조는 무산소반응조로부터 유출하는 혼합액을 이차침전지에서의 탈질에 의 한 슬러지 부상을 방지하고, 방류수의 용존산소농도를 확보하기 위해서 설치한다.

​

유입되는 유기물 사용으로 탈질 진행 (탄소원 불필요)

 

호기조

-유기물 제거, 질산화, 긴 HRT, SRT 필요

 

무산소조

-내부반송으로 유입된 NO3-N 탈질

-탈질 시 수요공여체 ; 유입하수 유기물, C/N비 4이상 필요

-무산소조를 앞에 배치하는 이유 : 유입하수의 유기물을 이용하기 위함

-호기조 유기물 유입시 질산화 영향(유기물 제거되야 질산화 반응 일어남)

질산화는 CO2와 화학에너지를 이용하는 독립영양 미생물

탈질은 유기물과 화학에너지를 이용하는 종속영양 미생물

​

​

(2) 처리 특성

일반적인 도시하수의 경우 일차침전지를 설치하지 않은 하수처리시설에 있어서 T-N제거율은 70～ 90% 정도가 가능하며, 처리수의 총질소농도는 5mg/L 이하까지 되는 것이 가능하다

​

​

(3) 설계 및 유지 관리상의 유의점

본법은 질소제거율의 목표치가 높은 경우, 또는 장기포기법과 같은 정도의 시설을 설치할 여유가 있 는 경우에 유력한 처리공정이다.

또한, 기존의 장기포기법의 처리시설에 질소제거의 기능을 부가하는 방법으로 본법을 충분히 활용할 수 있다.

그러나 본법의 질소제거율은, 유입수의 총질소 및 유기물 농 도, 호기반응조(질산화 반응조 및 재포기반응조) 및 무산소반응조에 있어서의 HRT, 수온, pH, MLSS 농도, SRT, DO농도 등에 의하여 지배 받는다.

본법과 순환식질산화탈질법(순환법)과의 중요한 차이점은 다음과 같다.

① 순환법의 질소제거율 목표치가 60～70%인데 비하여 본법에서는 그 목표치를 70～90%의 범위 로 높게 설정할 수 있다.

② 질산화반응조 이후에 무산소반응조가 설치되기 때문에, 생물반응조 말단에 재포기반응조를 설치 할 필요가 있다.

③ 질산화액의 반송을 위해 순환펌프가 필요하지 않다.

④ 본법의 생물반응조 용량은 통상, 순환법의 용량에 1.2～1.3배가 필요하다.

⑤ 내생탈질용의 유기탄소원을 확보하기 위해 일차침전지를 생략한다.

⑥ 본법에서는, 질산화반응조의 용존산소농도를 0.5mg/L 정도에서 유지하여 호기조건하에서의 탈 질반응도 기대할 수 있다. 이 경우 반응조의 용량은 순환법의 용량과 동일한 정도이며 고율의 질 소제거율을 얻는 것도 가능하다.

⑦ 순환법에서는 탈질공정이 선행되기 때문에 이 공정에서 알칼리도의 생성이 있고, 후속 질산화공 정에서 소비되는 알칼리도의 일부를 보충할 수 있다. 본법에서는 통상 70～100% 정도의 높은 슬러지반송률에 의해 탈질공정에서 생성하는 알칼리도를 질산화공정에서 이용할 수 있다.

그러 나, 유입수의 알칼리도, 총질소 농도에 따라서는 전단에 질산화공정이 설치되어 있기 때문에 알 칼리도 소비에 의한 pH 저하대책을 확실히 세워야 할 필요가 있다.

알칼리도의 보충이 필요한 경우 통상 수산화나트륨 첨가 설비를 설치한다.

⑧ 반응조의 수리학적체류시간, 호기조고형물체류시간(ASRT), 필요공기량, 알칼리제 및 추가유기물 원 주입설비, 일차침전지, 이차침전지 등에 대한 사항은 1) 혐기무산소호기조합법을 참조한다

​

​

3) 외부탄소원탈질법

1)순환식 질산화탈질법과 2)질산화내생탈질법의 경우에 있어서도 탈질에 필요한 수소공여체가 절대 적으로 부족할 경우에는 외부로부터 메탄올 등의 탄소원의 주입이 필요하게 된다.

그러나 본법은 분리 단계 질산화공정의 경우처럼 C-BOD 제거와 질산화-탈질이 분리된 반응조에서는 탈질을 유도하기 위 하여 외부탄소원을 사용하게 되는 경우를 의미하는데 필요이상의 외부탄소원이 유입될 경우에는 유출 수의 수질악화를 초래하게 되므로 설계 및 운전시에 주의가 필요하다.

메탄올을 탄소원으로 사용할 경우 탈질의 화학 양론은 다음 식(4.7.12～4.7.15)와

​

​

질산화내생탈질법, 순환식탈질법 비교

구분	순환식 탈질법	질산화 내생 탈질법
공정 배치	전탈질	후탈질
수소공여체	유입하수 중의 유기물	미생물 체내 유기물
1차 침전지	설치	생략
재폭기조	미설치	설치
내부순환	필요	불필요
질소제거율	60~70%	70~90%
반응조 용량	활성슬러지보다 큼	MLE 대비 1.2배

​

​

 

7. 비질산화율 (SNR)

1)호기조 설계인자

-단위 미생물량이 하루 동안 질산화할 수 있는 질소량

-호기성 상태에서 NH4^+의 제거율로도 나타냄

-F/M비, BOD 용적부하로부터 산출한 호기조 용적과 비교하여 큰 값 적용

 

​

 

8. 비탈질율(SDNR)

1)무산소조 설계인자

-단위 미생물량이 하루동안 탈질할수 있는 질소량

-무산소 상태에서 NO3^-의 제거율로도 나타냄

​

​

만일 모든 질소가 질산염의 형태로 존재한다면 총메탄올 요구량은 식(4.7.14)를 이용하여 구할 수 있다.

그러나 생물학적으로 탈질을 해야 할 유입수에는 약간의 아질산염과 용존산소가 있을 수 있다.

따라서 질산염, 아질산염 그리고 용존산소가 존재한다면 메탄올 요구량은 다음의 경험식에 의하여 계산할 수 있다

​

​

출처 : 하수처리 시설기준