질소(N), 인(P) 제거공정

질소(N), 인(P) 제거공정

고도처리 목적

 

① 고도(3차) 처리란 폐․하수의 2차 처리후 잔존하는 부유물질 등의 제거에 추가적인 처리로 이러한 물질에는 무기성이온, 영양염류(N,P), 중금속

   (유해금속) 및 합성유기물 등이 포함한다.

② 고도처리의 궁극적인 목적은 호소 부영양화 해역의 적조현상 및 생태계의 악영향 방지에 있다.

③ 고도(3차)처리의 방법 선택은 처리된 유출수의 용도, 폐수의 특성, 처리방법의 적합성 및 경제성 등에 의해 좌우된다. 

 

2. 영양염류처리

물리적, 화학적 그리고 생물학적 반응을 이용하여 배출되는 영양염류의 양과 형태를 제한하거나 조절한다. 

 

① 질소(N)제거 공정

    폐하수로 유입되는 질소(N)는 암모니아와 같은 무기물 형태와 요소, 단백질 등과 같은 유기물의 형태로 존재, 기존 질소 제거방법으로는 물리

    화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있다.  

 

                                         질소(N) 제거공정

구 분	처 리 공 정	공 정 개 요
물리 화학적 처리	파괴점 염소주입	- 암모니아성 질소가 염소와의 화학반응으로 질소가스로 제거    되나, 유기성 질소나 질산성 질소가 포함될 경우 제거효과는    적은편이다. - 운전비용 과다와 탈염소화단계가 필요한 단점이 있다.
	암모니아 Stripping	- pH를 10～11 이상으로 높이고 수중 암모늄 이온(NH4+)을   암모니아(NH3)로 변형 Air Stripping로 공기와 접촉 제거
	이 온 교 환 법	- 암모늄염을 선택적으로 치환하는 특성이 강한 Clioptilolite    Column을 통과시킴으로써 암모늄 이온을 제거하는 방법
	기 타 방 법	- 전기투석법과 역삼투법이 있다.
생물학적 처리	Single Sludge Process	- 침전조가 1개이며, 질화균과 탈질화균들이 공존하므로 탈질   반응에 필요한 탄소원(Methanol)으로 미생물이 분해될 때 생성   되는 탄소원을 이용한다.
	Triple Sludge Process	- 유기물, 암모니아, 질소산화물을 각각의 반응조에서 제거하는    공정
	Oxidation Ditch Process	- 산화조(Oxidation dithch)는 한 반응조에서 질산화와 탈질소   화를 진행시키는 Loop형태의 반응조로서 폐수가 Anoxic 지역   과 Aerobic 지역을 통과하면서 유기물과 질소원이 제거

 

② 인(P) 제거공정

인 또한 질소와 같이 부영양화 유발물질로 생활하수, 농업배수, 비료공장 등의 폐하수로부터 발생되며 인 제거방법 역시 물리․화학적 및 생물학적 방법이 있다.  

 

                                                            인(P) 제거공정

구 분	처 리 공 정	공 정 개 요
물리․화학적 처리	금속염에 의한 응집침전법	- 알루미늄염과 철염을 첨가하여 불용성 인산염을 형성   시켜 제거하는 방법
생물학적 처리	A/O Process	- 유입수와 반송슬러지가 먼저 혐기성조로 유입되면 인   섭취 미생물들이 발효 생성물을 섭취함과 동시에 인을   방출한 후 호기성조에서 인을 과잉 섭취한다.
	Phostrip Process	- 생물학적 방법과 화학적 방법을 조합한 공정으로   포기조에서 인을 과잉 섭취한 미생물을 8～12시간   혐기 상태에서 두어 인을 분리후 포기조로 다시 반송   시키고 일부는 석회를 투입 침전폐기하는 것

 

③ 질소(N), 인(P) 동시제거 공정

질소․인 동시 제거를 위하여 혐기성, 무산소 그리고 호기반응조를 적절히 혼합 배치한 생물학적 공정이 개발되었으며 그 대표적인 것으로는 A2/O Process 등이 있다. 

 

                                            질소, 인 동시제거 공정

구 분	처리공정	공 정 개 요
생물학적 처리	A2/O Process	- 기존의 A/O 공정의 혐기성조와 호기성조 사이에 Anoxic   조를 첨가하여 질소산화물과 인을 동시에 제거하는 공정   으로 인 제거는 A/O 공정보다 못하나 질소는 40～70%가량   제거된다.

 

3. 탈질소 공정의 고려사항 

 (1) 용존산소 : 생물학적 탈질화를 위한 환경조건 중에서 용존산소의 농도는 결정적인 변수이다. 발표된 논문에 의하면 용존산소의 농도가 0.2mg/L 이상에서는 탈질반응에 방해를 받으며 0.13mg/L의 DO농도에서 탈질반응이 중지된 보고도 있다.

용존산소의 존재는 탈질화를 위한 효소체제를 억제하기 때문에 산소농도는 0에 가까운 것이 좋다. 

(2) pH : 질산염에서 질소가스로 전환되는 가운데 알칼리도가 생성되며 그 결과 pH가 증가하게 된다. pH는 반응에 민감한데 pH 6.5에서 7.5사이에서 최적의 탈질화가 진행된다고 보고되고 있다. 또한 탈질화에 관여하는 미생물의 종류에 따라 다르지만 많은 연구가들은 pH7에서 최적 조건을 나타낼 수 있다고 보고하였다. 반응조 내의 pH 6 이하 또는 pH 8 이상에서는 70%의 효율저하를 나타낸다는 발표도 있다. 

(3)온도 : 질화반응에서의 온도의 영향은 다른 생물학적 공정과 비슷하며 0도에서 50도 범위에서 반응이 가능하다. 폐수처리시 일반적으로 5~30도의 범위에서 탈질공정이 이루어지며 최적반응 온도는 35 ~ 50도이다. 5 ~ 10도의 범위에서 반응율은 1.5 ~ 2.0/10℃ 정도를 나타내고 3도 정도의 수온에서는 탈질화 반응이 정지되는 것으로 보고되었다.

4. 탈인 공정의 고려사항 

 인 제거 처리 공정에서 영향을 미치는 인자로는 유입폐수 특성, 처리공정 설계인자 그리고 운영방법 등이 관계된다. 이들 영향인자를 세분류하면 DO농도와 온도, 그리고 pH등과 같은 환경적인 요소, 고형물체류시간(SRT) 및 혐기, 호기성조 체류시간등의 설계변수, 유입폐수내의 성상과 질산성 질소농도 등이 있다. 이들의 영향을 살펴보면 다음과 같다. 

 1) DO : 인제거에 관한 영향을 미치는 DO농도에 관한 연구는 미생물들이 인을 충분히 섭취할 수 있는 최소한의 농도인 2mg/L이상을 호기성조에서 유지시켜주고, 인의 방출단계인 혐기성조에서는 DO농도가 존재하지 않는 조건을 조성해 주어야 한다. 

 2) 온도 : 생물학적 인 제거시 온도 영향에 관한 연구결과에 의하면 5℃에서 제거된 인의 총량은 15℃에서 제거된 것보다 40% 많다고 보고하였다. 이는 호냉성 박테리아들이 저온에서 더 많은 세포를 생산하므로서 인의 제거 기전에 관여하기 때문이다. 이는 Viconneau(1985)등의 Pilot연구에서도 같은 결과가 보고된 바 있다. 이외에도 Shapiro(1967)등도 온도를 10℃에서 30℃까지 증가시키면서 실험한 활성슬러지의 인제거 효율이 저온에서 더 효율적이라는 보고를 한 바 있다. 

 3) pH : pH의 효과에 대한 연구결과에서는 pH가 7.5에서 8.0 사이일 때 인 제거 효율이 가장 높았다. Groenestijn 과 Deineman(1985)에 의한 Acinetobacter의 순수배양 연구에서 최대 성장율이 pH 7.0과 pH 8.5을 비교하였을 때 pH 8,5에서의 최대 성장율이 pH 7.0에 비해 42%정도 증가하는 것으로 타나났다. 또한 Tracy와 Flammino(1985)는 호기성 상태에서 인의 섭취에 관한 pH의 효과를 연구했는데 pH 6.5이하에서는 인의 섭취가 꾸준하게 감소하고 pH 5.2 아래로 떨어지면 미생물의 인섭취 활성도가 상실된다고 하였다. 

4) SRT : 생물학적 인 제거 공정의 중요한 설계 인자는 SRT, 혐기성 체류시간 그리고 호기성 체류시간이다. 인 제거를 위한 SRT는 짧을수록 잉여슬러지를 통한 인의 제거 효율을 증진시킬 수 있다. 그러나 인 제거 이외에 유기물 제거, 질산화와 탈질소화를 고려할 때 적절한 SRT가 요구된다.