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KR20110027457A - Method for treating wastewater using nitrification reaction in sequencing batch reactor - Google Patents

Method for treating wastewater using nitrification reaction in sequencing batch reactor Download PDF

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KR20110027457A
KR20110027457A KR20090085558A KR20090085558A KR20110027457A KR 20110027457 A KR20110027457 A KR 20110027457A KR 20090085558 A KR20090085558 A KR 20090085558A KR 20090085558 A KR20090085558 A KR 20090085558A KR 20110027457 A KR20110027457 A KR 20110027457A
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KR
South Korea
Prior art keywords
nitrite
ammonia
free
nitrification
batch reactor
Prior art date
Application number
KR20090085558A
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Korean (ko)
Inventor
이수철
김동진
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주식회사 에코비젼
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: A wastewater treatment method using the wastewater nitrification method inside a continuous batch reactor is provided to reduce the carbon source cost and required energy for nitrifying ammonia into nitric acid. CONSTITUTION: A wastewater treatment method using the wastewater nitrification method inside a continuous batch reactor comprises the following steps: oxidizing ammonia nitrogen inside waste water using an inhibition action of a nitrite oxidizer; and controlling the pH inside the continuous batch reactor into 7~8, until the reaction metaphase of a nitrification process, to induce the inhibition of the nitrite oxidizer by free ammonia.

Description

연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법 {Method for Treating Wastewater Using Nitrification Reaction in Sequencing Batch Reactor}Method for Treating Wastewater Using Nitrification Reaction in Sequencing Batch Reactor

본 발명은 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응에서, 상기 암모니아의 산화에 의해 생성되는 아질산이 최종적으로 질산으로 산화되지 않고 아질산의 상태로 탈질될 수 있도록, pH를 조절하여 암모니아 또는 아질산에 의해 아질산산화균의 활성을 저해함으로써, 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는, 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a wastewater treatment method using wastewater nitrification in a continuous batch reactor. More particularly, in the wastewater nitrification in a continuous batch reactor, nitrous acid produced by oxidation of the ammonia is not finally oxidized to nitric acid. In order to be denitrified in the state of nitrous acid, by adjusting the pH to inhibit the activity of the nitrite oxidizing bacteria by ammonia or nitrous acid, the waste water nitrification reaction in a continuous batch reactor, characterized in that oxidizing ammonia nitrogen to nitrite only It relates to a wastewater treatment method.

폐수의 효율적인 질소 제거를 위한 많은 연구와 기술 개발이 시도되고 있다. 이러한 연구 및 기술 개발의 배경에는 단순히 질소성분이 수계에 미치는 여러 가지 나쁜 환경 영향 외에도 질소 성분이 지구 순환에 끼치는 영향 등이 전제되어 있다. 이러한 순환을 위한 기존의 질산화 및 탈질 과정에서 상당한 양의 에너지와 유기화합물이 필요한데, 지구전체를 기준으로 물질수지를 취해보면 총괄적으로 1 kg의 질소순환에 3.73 kg의 CO2가 발생되기 때문에 계속적으로 지구온난화 기체인 CO2의 축적이 불가피하게 된다. 따라서, 이러한 기존의 질소제거 방법의 대안으로 좀 더 친환경적이거나 지속 가능한 질소 제거 방법에 대해 관심과 연구가 현재 집중되고 있다. Much research and technology development has been attempted for efficient nitrogen removal of waste water. The background of such research and technology development is the premise that the effect of nitrogen on the global circulation, in addition to the bad environmental effects of nitrogen on the water system. Existing nitrification and denitrification processes for this circulation require a considerable amount of energy and organic compounds. Taking the balance of materials as a whole, globally, 3.73 kg of CO 2 is generated in 1 kg of nitrogen cycle. Accumulation of global warming gases, CO 2 , is inevitable. Therefore, attention and research are currently focused on more environmentally friendly or sustainable nitrogen removal method as an alternative to the conventional nitrogen removal method.

구체적으로, 질산화 과정에서 포기에 필요한 에너지 절감과 탈질 과정에서 필요한 유기물의 양을 줄일 수 있는 새로운 미생물 대사(metabolism)나 공정개발이 바로 이것이며, 특히 미생물에 의한 새로운 질소 전환을 통한 질소 제거 공정과 함께 새로운 반응조의 개발과 배치, 조합 측면에 연구의 초점이 맞춰져 있다. Specifically, this is a new microbial metabolism or process development that can reduce the energy required to give up in nitrification and reduce the amount of organic matter required in the denitrification process, in particular the nitrogen removal process through the new nitrogen conversion by microorganisms and Together, the research focuses on the development, deployment and combination of new reactors.

폐수에서 질소 성분은 대부분 암모니아(NH3) 형태로 존재하며 이를 제거하기 위해서는 질산화와 탈질의 연속 공정이 요구된다. Most of the nitrogen in the waste water is in the form of ammonia (NH 3 ), which requires a continuous process of nitrification and denitrification.

암모니아 산화
(Ammonia oxidizing bacteria)
Ammonia oxidation
(Ammonia oxidizing bacteria)
NH4 + + 0.5O2 → NH2OH + H+ (1)
NH2OH + O2 → NO2 - + H2O + H+ + 240

Figure 112009055849813-PAT00001
350 kJ(2)NH 4 + + 0.5 O 2 → NH 2 OH + H + (1)
NH 2 OH + O 2 → NO 2 - + H 2 O + H + + 240
Figure 112009055849813-PAT00001
350 kJ (2) 아질산 산화
(Nitrite oxidizing bacteria)
Nitrite oxidation
(Nitrite oxidizing bacteria)
NO2 - + 0.5O2 → NO3 - + 65
Figure 112009055849813-PAT00002
90 kJ(3)
NO 2 - + 0.5O 2 → NO 3 - + 65
Figure 112009055849813-PAT00002
90 kJ (3)
총괄 질산화Overall Nitrification NH4 + + 2O2 → NO3 - + H2O + 2H+ (4) NH 4 + + 2O 2 → NO 3 - + H 2 O + 2H + (4)

상기 표 1의 질산화 반응식을 보면 1 mol의 암모니아(NH3)가 산화되는데 2 mol의 산소(O2)가 소모되면서 2 mol의 수소이온(H+)이 생성됨을 알 수 있다. 이것을 질량으로 환산하면 1 g 암모니아성 질소를 산화하는데 4.57 g의 산소가 필요하다는 것을 알 수 있다. 암모니아(NH3)를 아질산(nitrous acid)까지만 산화시키는 경우에는 1 mol의 암모니아(NH3) 당 1.5 mol의 산소가 필요하여 질산염(nitrate)까지 산화되는 것에 비해 필요한 산소(O2)가 약 25% 줄어든다. 반면, 탈질의 경우에는 전자공여체가 필요한데 이는 하기 표 2와 같다.The nitrification reaction of Table 1 shows that 1 mol of ammonia (NH 3 ) is oxidized and 2 mol of oxygen (O 2 ) is consumed to produce 2 mol of hydrogen ions (H + ). In terms of mass, it can be seen that 4.57 g of oxygen is required to oxidize 1 g of ammoniacal nitrogen. When oxidizing ammonia (NH 3 ) to nitrous acid only, 1.5 mol of oxygen per 1 mol of ammonia (NH 3 ) is required, and oxygen required (O 2 ) is about 25 compared to oxidizing to nitrate. Decrease by% On the other hand, in case of denitrification, an electron donor is required, which is shown in Table 2 below.

아질산 탈질Nitrite denitrification 6NO2 - + 3CH3OH →3N2 + 3CO2 + 3H2O + 6OH- (5) 6NO 2 - + 3CH 3 OH → 3N 2 + 3CO 2 + 3H 2 O + 6OH - (5) 질산 탈질Nitrate denitrification 6NO3 - + 5CH3OH →3N2 + 5CO2 + 7H2O + 6OH- (6) 6NO 3 - + 5CH 3 OH → 3N2 + 5CO 2 + 7H 2 O + 6OH - (6)

상기 탈질 반응을 보면 6 mol의 질산성 질소가 질소(N2) 가스로 환원되는데 총 5 mol의 CH3OH이 필요한 반면에 6 mol의 아질산성 질소가 질소(N2) 가스로 환원되기 위해서는 오직 3 mol의 CH3OH이 필요한 것을 알 수 있다. 즉, 암모니아성 질소를 아질산성 질소까지만 질산화시켜 탈질시키는 것은 2 mol의 CH3OH(총량의 40%)을 절감할 수 있는 것이다.In the denitrification reaction, 6 mol of nitrate nitrogen is reduced to nitrogen (N 2 ) gas, and a total of 5 mol of CH 3 OH is required, while 6 mol of nitrite nitrogen is reduced to nitrogen (N 2 ) gas only. It can be seen that 3 mol of CH 3 OH is required. In other words, nitrifying and denitrifying only ammonia nitrogen to nitrite nitrogen can reduce 2 mol of CH 3 OH (40% of the total amount).

한편, 도 1과 같이 아질산 경로로 질소를 제거하는 것을 Sharon(single reactor system for high-rate ammonium removal over nitrite) 공정이라 하는데, 이 Sharon 공정은 암모니아성 질소를 아질산성 질소까지만 산화시키고 바로 탈질하는 기술을 일컫는 말로써 질소제거에 필요한 산소와 유기탄소를 줄일 수 있는 장점이 있다 (EP 826,639). 이를 구현하기 위해서는 반응기의 온도를 25~40℃로 높여 침전지에 의한 슬러지 반송 없이 연속적으로 운전하여 높은 온도에서 비성장속도가 낮은 아질산 산화균을 반응기에서 배제(dilution out)하는 방법을 이용하고 있다. 이 경우, 아질산 산화균 없이 암모니아 산화균만이 반응기에 분포하게 되어 자연스럽게 아질산이 축적되게 된다. 즉, 상기 Sharon 공정은 아질산 산화균이 높은 온도에서 비성장속도가 낮은 점에 이용하여, 연속반응기 내의 온도조절을 통해 아질산 산화균을 반응기에서 배제함으로써, 암모니아성 질소를 아질산성 질소로만 산화시켜 탈질하는 기술이다.Meanwhile, as shown in FIG. 1, the removal of nitrogen through the nitrite pathway is referred to as a Sharon (single reactor system for high-rate ammonium removal over nitrite) process, which is a technique for oxidizing ammonia nitrogen to nitrite nitrogen and immediately denitrifying it. This term has the advantage of reducing oxygen and organic carbon required for nitrogen removal (EP 826,639). In order to achieve this, a method of increasing the temperature of the reactor to 25 to 40 ° C. and continuously operating it without sludge conveyance by the sedimentation basin is used to remove nitrite oxidizing bacteria having low specific growth rate from the reactor at high temperature. In this case, only ammonia oxides are distributed in the reactor without nitrite oxides, so that nitrous acid accumulates naturally. That is, the Sharon process uses nitrite oxidizing bacteria at a low specific growth rate at a high temperature, and excludes nitrite oxidizing bacteria from the reactor through temperature control in a continuous reactor, thereby oxidizing ammonia nitrogen to nitrite nitrogen to denitrification. It is a technique to do.

이에, 본 발명자들은 아질산 산화균을 반응기에서 조절하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소로만 산화시켜 탈질시키는 다른 공정을 개발하고자 예의 노력한 결과, 자유 암모니아 또는 자유 아질산이 아질산 산화균에 대해서만 선택적으로 저해 활성을 나타낸다는 점에 착안하여, 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응 과정에서, 기질인 자유 암모니아 또는 생성물인 자유 아질산의 농도에 따라 pH를 조절하여 아질산산화균의 저해를 유도함으로써, 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시켜 탈질시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the present inventors have made diligent efforts to develop nitrite oxidizing bacteria in the reactor to oxidize ammonia nitrogen to nitrite nitrite and denitrify only. As a result, free ammonia or free nitrite selectively inhibits only nitrite oxidizing bacteria. In view of the above, in the process of wastewater nitrification in a continuous batch reactor, ammonia nitrogen is converted into nitrous acid only by inducing the inhibition of nitrous oxide by adjusting the pH according to the concentration of free ammonia as a substrate or free nitrite as a product. It was confirmed that it could be oxidized and denitrified, and the present invention was completed.

본 발명의 목적은, 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응 과정에서 자유 암모니아를 자유 아질산으로만 산화시켜 탈질하는, 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a wastewater treatment method using wastewater nitrification in a continuous batch reactor in which free ammonia is oxidized and denitrated only in the process of wastewater nitrification in a continuous batch reactor.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법으로서, 자유 암모니아 또는 자유 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해작용을 이용하여, 폐수 내에 함유되어 있는 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a wastewater treatment method using the wastewater nitrification reaction in a continuous batch reactor, using ammonia nitrogen contained in the wastewater by inhibiting nitrite oxidizing bacteria by free ammonia or free nitrite Provided is a wastewater treatment method comprising oxidizing only with nitrous acid.

본 발명에 따른 폐수처리방법은 암모니아를 질산으로 질산화시켜 폐수를 처리하는 공정에 비해 요구되는 에너지 및 탄소원 비용을 절감할 수 있고, pH 조절시 복잡한 공정이나 별도의 장치가 필요하지 않아 공정을 간소화할 수 있다.Wastewater treatment method according to the present invention can reduce the energy and carbon source costs required compared to the process of nitrifying ammonia to nitric acid to treat the wastewater, simplifying the process does not require a complicated process or a separate device when adjusting the pH Can be.

본 발명은 일 관점에서, 본 발명은 연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법으로서, 자유 암모니아 또는 자유 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해작용을 이용하여, 폐수 내에 함유되어 있는 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법에 관한 것이다. 이때, 상기 암모니아성 질소는 암모니아 및 암모늄을 포함하는 개념이다.In one aspect, the present invention is a wastewater treatment method using the wastewater nitrification reaction in a continuous batch reactor, using ammonia nitrogen contained in the wastewater by inhibiting nitrite oxidizing bacteria by free ammonia or free nitrite The present invention relates to a wastewater treatment method characterized by oxidizing only with nitrous acid. At this time, the ammonia nitrogen is a concept including ammonia and ammonium.

본 발명은 자유 암모니아와 자유 아질산의 아질산 산화균 저해특성 및 기질과 생성물의 농도가 시간에 따라 변하는 연속회분식반응기의 특성을 이용한 것이다. The present invention utilizes the properties of nitrous oxide inhibiting bacteria of free ammonia and free nitrite and the characteristics of a continuous batch reactor in which the concentrations of substrate and product change over time.

즉, 연속회분식반응기 내의 폐수의 질산화 반응에 있어서, 기질인 자유 암모니아의 농도는 시간이 경과함에 따라 감소하는 반면, 생성물인 자유 아질산의 농도는 시간이 경과함에 따라 증가하게 된다. 따라서, 상기 질산화 반응에 소요되는 전체 반응 시간 중 1/2에 해당하는 시점을 반응 중기라고 했을 때, 질산화 반응 시작 후 반응 중기까지의 자유 암모니아 농도는 반응 중기 이후 반응 종료까지의 자유 암모니아의 농도에 비해 상대적으로 높다. 또한, 상기 질산화 반응 시작 후 반응 중기까지의 자유 아질산 농도는 반응 중기 이후 반응 종료까지의 자유 아질산의 농도에 비해 상대적으로 낮다. 상기 자유 암모니아의 농도가 질산화 반응 과정 중에 상대적으로 높인 상태인 반응 시작 후 중기까지는 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균 저해특성을 극대화하기 위해, 자유 암모니아가 높은 농도로 유지되도록 pH를 조절한다. 상기 반응 과정 중에, 자유 아질산의 농도가 질산화 반응 과정 중에 상대적으로 높인 상태인 반응 중기부터 반응 종료까지는 자유 아질산에 의한 아질산 산화균 저해특성을 극대화하기 위해, 자유 아질산이 높은 농도로 유지되도록 폐수의 pH를 조절한다.In other words, in the nitrification of wastewater in a continuous batch reactor, the concentration of free ammonia as a substrate decreases with time, while the concentration of free nitrous acid as a product increases with time. Therefore, when the time corresponding to 1/2 of the total reaction time required for the nitrification reaction is referred to as the reaction medium, the free ammonia concentration from the start of the nitrification reaction to the reaction medium is determined by the concentration of free ammonia from the reaction medium to the end of the reaction. Relatively high. In addition, the free nitrite concentration from the start of the nitrification reaction to the middle stage of the reaction is relatively low compared to the concentration of free nitrite from the middle stage of the reaction to the end of the reaction. In order to maximize the nitrite oxidative inhibitory properties by the free ammonia from the start of the reaction in which the concentration of the free ammonia is relatively high during the nitrification process, the pH is adjusted to maintain the free ammonia at a high concentration. During the reaction, the pH of the wastewater is maintained so that the free nitrite is maintained at a high concentration in order to maximize the nitrite oxidative inhibitory properties by the free nitrite from the middle of the reaction to the end of the reaction, the concentration of free nitrite is relatively high during the nitrification process Adjust

상기 연속회분식반응기 내의 폐수의 질산화 반응에 있어서, 상기 연속회분식 반응기 내의 질산화 반응 시작 후 반응 중기까지는 pH를 7.0~8.0으로 조절하여, 상기 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균의 저해를 유도하여 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시킬 수 있다. 이 경우, 상기 pH가 7.0~8.0일 때, 자유 암모니아가 높은 농도인 상태를 유지할 수 있어, 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균 저해효과를 극대화할 수 있다. 또한, 질산화 반응이 진행되면서, 자유 아질산이 시간 경과에 따라 생성되기 시작하므로 자유 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해작용도 병행이된다. 그러나, pH 7.0~8.0에서 자유 암모니아가 전체 질산화 반응 공정 중 상대적으로 높은 농도로 유지되는 상태이므로, 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균 저해가 자유 아질산에 의한 아질산 산화균 저해에 비해 우월하게 나타난다. In the nitrification of the wastewater in the continuous batch reactor, the pH is adjusted from 7.0 to 8.0 after the start of the nitrification reaction in the continuous batch reactor to induce inhibition of nitrite oxidizing bacteria by the free ammonia to thereby ammonia nitrogen. It can only be oxidized to nitrous acid. In this case, when the pH is 7.0 to 8.0, it is possible to maintain a high concentration of free ammonia, it is possible to maximize the nitrite oxidizing bacteria inhibitory effect by the free ammonia. In addition, as the nitrification reaction proceeds, free nitrous acid starts to be produced over time, so the inhibitory action of the nitrite oxidizing bacteria by the free nitrite also becomes parallel. However, since free ammonia is maintained at a relatively high concentration in the entire nitrification process at pH 7.0-8.0, nitrite oxidative bacterium inhibition by free ammonia is superior to inhibition of nitrite oxidative bacteria by free nitrite.

상기 연속회분식반응기 내의 폐수의 질산화 반응에 있어서, 상기 연속회분식 반응기 내의 질산화 반응 중기 이후 반응 종료까지는 pH를 6.0~7.0으로 조절하여, 상기 자유 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해를 유도하여 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시킬 수 있다. 이 경우, 상기 pH가 6.0~7.0일 때, 자유 아질산이 높은 농도인 상태를 유지할 수 있어, 자유 아질산에 의한 아질산 산화균 저해효과를 극대화할 수 있다. 또한, 질산화 반응이 진행되면서, 자유 암모니아가 감소하기는 하나 완전히 제거되기 전에는 일부 잔여하므로, 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균의 저해작용도 병행이된다. 그러나, pH 6.0~7.0에서 자유 아질산이 전체 질산화 반응 공정 중 상대적으로 높은 농도로 유지되는 상태이므로, 자유 아질산에 의한 아질산 산화균 저해가 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균 저해에 비해 우월 하게 나타난다. In nitrification of the wastewater in the continuous batch reactor, the pH is adjusted to 6.0-7.0 after the middle stage of the nitrification reaction in the continuous batch reactor to induce the inhibition of nitrite oxidizing bacteria by the free nitrous acid to ammonia nitrogen It can only be oxidized to nitrous acid. In this case, when the pH is 6.0 ~ 7.0, it is possible to maintain a high concentration of free nitrous acid, it is possible to maximize the nitrite oxidizing bacteria inhibitory effect by the free nitrous acid. In addition, as the nitrification progresses, free ammonia decreases but remains partially before being completely removed, so that the inhibition effect of nitrite oxidizing bacteria by free ammonia is also parallel. However, since free nitrite is maintained at a relatively high concentration during the entire nitrification process at pH 6.0-7.0, nitrite oxidative bacteria inhibition by free nitrite is superior to inhibition of nitrite oxidative bacteria by free ammonia.

본 발명에 따른 연속회분식 반응기를 이용한 폐수의 질산화 방법은 종래기술의 Sharon 공정과는 다른 기작으로, 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)을 이용한다는 점에서 차이가 있다. 상기와 같은 기술은 주로 암모니아성 질소 농도가 높은 시스템에 적용되고 있는데 이는 우선 암모니아성 질소 농도가 높아야 아질산성 질소의 축적이 쉽고 질소 농도가 높아야 질산화와 탈질에 필요한 산소와 유기탄소원 비용의 절감이 극대화되기 때문이다. 여기서 암모니아(NH3) 산화균의 활성은 그대로 둔 채 아질산(HNO2) 산화균의 활성만을 저하시키는 방법으로 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)에 초기 유입되는 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)에 의한 것과 반응의 후반부에 형성되는 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)에 의한 것이 각각 그 역할을 수행하게 된다. Nitrification of wastewater using a continuous batch reactor according to the present invention is different from the prior art Sharon process in that it uses free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (Free nitrous acid, HNO 2 ). There is a difference. The above technique is mainly applied to a system with high ammonia nitrogen concentration. First of all, the high ammonia nitrogen concentration makes it easy to accumulate nitrite nitrogen and the high nitrogen concentration maximizes the reduction of oxygen and organic carbon source cost required for nitrification and denitrification. Because it becomes. Here, the ammonia (NH 3 ) oxidizing bacterium is left intact, but only the nitrite (HNO 2 ) oxidizing bacterium is deactivated. The free ammonia (NH 3 ) is introduced into the sequencing batch reactor (SBR). ) And free nitrous acid (HNO 2 ) formed later in the reaction.

이는 다른 연속 반응기에서는 얻을 수 없는 것으로 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)의 회분식 반응의 특성을 이용한 것이다. 연속흐름 반응기(PFR, Plug Flow Reactor)와는 달리 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)는 회분반응기의 특성을 가지고 있기 때문에 기질이나 생성물의 농도가 시간에 따라 변하게 되고, 반응 초기에는 기질의 농도가 높고 반응 후기에는 생성물의 농도가 높아진다. This is not available in other continuous reactors and uses the characteristics of the batch reaction of the Sequencing Bach Reactor (SBR). Unlike the Plug Flow Reactor (PFR), SBR (Sequencing Bach Reactor) has the characteristics of a batch reactor, so the concentration of substrate or product changes over time. High and at the end of the reaction the product concentration is high.

본 발명에서는 이와 같은 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질 산(Free nitrous acid, HNO2)의 아질산 산화균 저해특성과 그 효과를 최대화하기 위해 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)의 특성을 이용, 암모니아(NH3)를 질산 이온까지 산화되지 않고 아질산 이온으로만 산화된 후 바로 탈질하는 방법을 이용하는 것이다. In the present invention, to inhibit the nitrite oxidizing bacteria of the free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) and to maximize the effect of the Sequencing Bach Reactor (SBR) By using this property, ammonia (NH 3 ) is oxidized to nitrite ions without being oxidized to nitrate ions.

자유 암모니아(Free ammonia, NH3)나 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)은 모두 질산화 미생물에 독성을 나타내는데, 특히 아질산 산화균이 민감한 것으로 보고되었다. Nitrosomonas는 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)의 농도 10∼150 mg N/L에서, Nitrobacter는 0.1∼1.0 mg N/L 사이의 저농도에서 저해를 받는 것으로 보고된 바 있다 (Anthonisen et al., J. WPCF., 48: 835-852, 1976). 또한, Nitrobacter는 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 농도가 0.22∼2.8 mg N/L일 때 저해를 받는다고 보고되었고, 자유 암모니아(Free ammonia, NH3) 농도가 1∼5 mg N/L 일 때 Nitrobacter에 저해를 주며 Nitrosomonas에는 저해를 주지 않아 아질산성 질소가 축적된다고 보고된 바 있다 (Villaverde et al. Wat. Res., 34(2): 602-610, 2000). 이처럼 약간의 pH 변화에도 평형관계의 변화에 따라 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 농도를 변화시키는 것이 가능하다. 암모니아(NH3) 또는 아질산(HNO2)의 평형관계 반응식, 자유 암모니아(Free ammonia, NH3) 또는 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 수학식은 하기와 같다.Both free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) are toxic to nitrifying microorganisms, particularly nitrite oxidizing bacteria. Nitrosomonas is at a concentration 10~150 mg N / L of free ammonia (Free ammonia, NH 3), Nitrobacter has been reported to receive inhibition at low concentrations of between 0.1~1.0 mg N / L (Anthonisen et al., J WPCF., 48: 835-852, 1976 ) . In addition, Nitrobacter was reported to be inhibited when the concentration of free nitrous acid (HNO 2 ) was 0.22 to 2.8 mg N / L, and the concentration of free ammonia (NH 3 ) was 1 to 5 mg N / L. L has been reported to inhibit Nitrobacter and not Nitrosomonas to accumulate nitrite nitrogen (Villaverde et al . Wat. Res., 34 (2): 602-610, 2000). It is possible to change the concentration of free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) according to the change of equilibrium even with slight pH change. Equation of equilibrium relationship of ammonia (NH 3 ) or nitrous acid (HNO 2 ), Free ammonia (NH 3 ) or free nitrous acid (HNO 2 ) is as follows.

H+ + OH- ↔ NH3 + H2O......암모니아 평형(ammonia equilibrium) H + + OH - ↔ NH 3 + H 2 O ...... ammonia equilibrium

H+ + NO2 - ↔ HNO2 ......아질산 평형(nitrous acid equilibrium) H + + NO 2 - ↔ HNO 2 ... nitrous acid equilibrium

NH3-N (㎎/ℓ) = NH4 +-N (㎎/ℓ) × 10pH / (Ka/Kw + 10pH )NH 3 -N (mg / L) = NH 4 + -N (mg / L) × 10 pH / (K a / K w + 10 pH )

HNO2-N (㎎/ℓ) = NO2 --N (㎎/ℓ) / (Kb/Kw × 10pH ) HNO 2 -N (㎎ / ℓ) = NO 2 - -N (㎎ / ℓ) / (K b / K w × 10 pH)

Ka, Kb = 암모니아와 아질산 평형의 이온화 상수(The ionization constant of the ammonia and nitrous acid equilibrium equation)K a , K b = The ionization constant of the ammonia and nitrous acid equilibrium equation

Kw = 물의 이온화 상수(The ionization constant of water)K w = The ionization constant of water

Ka/Kw = e(6334/273+℃), Kb/Kw = e(-2300/273+℃) K a / K w = e (6334/273 + ° C) , K b / K w = e (-2300 / 273 + ° C)

따라서, 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2) 농도가 암모늄 이온과 아질산 이온 외에 pH에 특히 민감하게 반응하므로 반응 초기에는 pH를 약간 높여 자유 암모니아(Free ammonia, NH3) 농도를 높게, 반응 후반부에는 질산화에 의해 pH가 감소하는 것을 방치하여 낮은 pH 영역에서 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2) 농도를 높게 유지시키는 방법을 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)에 적용, 지속적으로 아질산 산화균을 저해하여 이들이 반응기로부터 배제(dilution out)되도록 한다. Therefore, the concentrations of free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) are particularly sensitive to pH in addition to ammonium and nitrite ions. Sequencing Bach Reactor (SBR) is used to maintain high concentration of free nitrous acid (HNO 2 ) in the low pH range by increasing the concentration of NH 3 ) and preventing the decrease of pH due to nitrification in the latter part of the reaction. ) Continually inhibit nitrite oxidizing bacteria so that they are dilution out from the reactor.

본 발명에 있어서, 상기 pH는 중탄산염 또는 알카리제(가성소다 또는 석회)에 의하여 조절되는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the pH may be controlled by bicarbonate or alkaline (caustic soda or lime), but is not limited thereto.

본 발명에서 연속회분식 반응기 내의 폐수의 pH는 pH 센서 등에 의해 감지될 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.In the present invention, the pH of the wastewater in the continuous batch reactor may be detected by a pH sensor or the like, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 폐수는 무산소 조건 또는 호기 조건 하에서 상기 연속회분식 반응기로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 반응기 내에서 탈질과 질산화과 동시에 이루어지는 경우, 상기 폐수는 무산소 조건으로 유입될 수 있고, 상기 반응기 내에서 질산화가 주로 이루어지는 경우, 상기 폐수는 호기 조건으로 유입될 수 있다.In the present invention, the waste water may be characterized in that it is introduced into the continuous batch reactor under anoxic conditions or aerobic conditions. When simultaneously with denitrification and nitrification in the reactor, the wastewater may be introduced into anoxic conditions, and when nitrification is mainly performed in the reactor, the wastewater may be introduced into aerobic conditions.

본 발명에 따른 폐수처리방법은 기존의 암모니아를 질산으로 산화시켜 제거하는 방법에 비해 질산화에 필요한 공기량의 25%, 탈질에 필요한 전자공여체인 탄소원의 40%를 절감할 수 있으므로 질소가 함유된 폐수의 처리에 있어 매우 경제적이다. 또한, pH 조절시 별도의 장치나 복잡한 공정이 필요치 않아 공정을 간소화할 수 있다.The wastewater treatment method according to the present invention can save 25% of the amount of air required for nitrification and 40% of the carbon source, an electron donor required for denitrification, compared to the conventional method of oxidizing and removing ammonia with nitric acid. Very economical in processing. In addition, pH control does not require a separate device or complicated process can simplify the process.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as being limited by these examples.

실시예 1. 연속회분식 반응기를 이용한 폐수의 질산화Example 1 Nitrification of Wastewater Using a Continuous Batch Reactor

암모니아(NH3)를 함유한 폐수를 연속회분식 반응기(SBR, Sequencing Bach Reactor)에 유입시켜 아질산이 축적되도록 질산화하였다 (도 2). 연속회분식 반응기 운전 조건은 하기 표 3과 같았고 실험에 사용한 폐수의 조성은 하기 표 4와 같았다. 질산화 미생물은 춘천시 소재의 하수처리장 농축조 슬러지에서 채취하여 접종하였다. Wastewater containing ammonia (NH 3 ) was introduced into a sequencing Bach Reactor (SBR) and nitrified to accumulate nitrous acid (FIG. 2). Continuous batch reactor operating conditions were as shown in Table 3 and the composition of the wastewater used in the experiment was as shown in Table 4. Nitrifying microorganisms were collected and inoculated from sludge sludge collection tanks in Chuncheon-si.

연속회분식 반응기 조작순서Continuous Batch Reactor Operation Procedure 운전조건
Operating conditions
조작Operation 시간time Fill
Aeration
Setting
Draw
Total
Fill
Aeration
Setting
Draw
Total
2 min
180~300 min
4 min
5 min
180 min
2 min
180 ~ 300 min
4 min
5 min
180 min
DO > 1.8 ㎎/ℓ
MLSS 2500~300 ㎎/ℓ
Air Flow > 3ℓ/ min
pH 7.0 ~ 7.6
DO> 1.8 mg / l
MLSS 2500-300 mg / l
Air Flow> 3ℓ / min
pH 7.0 to 7.6

성분ingredient 농도 (㎎/ℓ)Concentration (mg / l) (NH4)2SO4 (NH 4 ) 2 SO 4 200 ~ 1,000
200 to 1,000
MgSO4·7H2OMgSO 4 7 H 2 O 3030 KClKCl 3535 NaHPO4·12H2ONaHPO 4 · 12H 2 O 2929 CaCl2·2H2OCaCl 2 · 2H 2 O 1616 KH2PO4 KH 2 PO 4 4545 FeCl3·6H2OFeCl 3 · 6H 2 O 1010

반응기 운전 후 약 70 일 경과한 다음의 수질분석 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 160 분의 암모니아(NH3) 산화 과정 동안 암모니아(NH3)는 전부 산화되었고 질산성 질소는 검출되지 않았으며, 추가 20 분의 호기성 조건에서도 질산성 질소는 검출되지 않았다. 대신 아질산 이온이 증가되어 산화된 암모니아(NH3)가 거의 대부분 아질산(HNO2)으로 전환되었음을 확인할 수 있다. 따라서, 암모니아(NH3)는 100% 제거되었으며, 전체 산화된 암모니아(NH3)의 99% 가량이 아질산(HNO2)으로 전환되었음을 확인할 수 있었다. 종래 기술에 의하면 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 저해는 암모니아(NH3) 산화균보다 아질산 산화균이 더 민감하게 작용한다고 보고되었다. As a result of water analysis after about 70 days after the operation of the reactor, as shown in FIG. 3, during 160 minutes of ammonia (NH 3 ) oxidation, ammonia (NH 3 ) was completely oxidized and no nitrate nitrogen was detected. Nitrate nitrogen was not detected even under aerobic conditions of 20 minutes. Instead, nitrite ions were increased to confirm that the oxidized ammonia (NH 3 ) was almost converted to nitrite (HNO 2 ). Therefore, 100% of ammonia (NH 3 ) was removed, and about 99% of the totally oxidized ammonia (NH 3 ) was confirmed to be converted to nitrous acid (HNO 2 ). According to the prior art, inhibition of free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) is reported to be more sensitive to nitrite oxidizing bacteria than ammonia (NH 3 ) oxidizing bacteria.

본 실험에서는 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 저해효과를 극대화하고자 알카리도(alkalinity) 유지를 위해 투입하는 중탄산염(bicarbonate)의 양을 조절, 반응 초기 pH를 7.0~8.0의 범위로 반응 중기 이후 pH를 6.5~7.5의 범위로 유지시켰다. 이렇게 함으로써 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)의 농도가 높아지게 화학평형을 유지시킬 수 있었고 저해효과가 커짐을 확인할 수 있었다. In this experiment, in order to maximize the inhibitory effect of free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ), the amount of bicarbonate added to maintain alkalinity was adjusted. PH was maintained in the range of 6.5 to 7.5 after the reaction medium in the range of 7.0 ~ 8.0. In this way, the chemical equilibrium was maintained to increase the concentration of free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ), and the inhibitory effect was increased.

지속적으로 아질산 산화균이 저해되는 조건으로 반응기를 운영한 결과, 초기에는 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)가 아질산 산화균을 저해하고 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)의 저해가 끝난 후에는 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)이 아질산 산화균을 저해한 것으로 확인되었다. 상기와 같이 지속적인 아질산 산화균의 저해로 인해 아질산 산화균은 쇠퇴하여 수세(washout)된 것으로 확인되었다.As a result of operating the reactor under the condition that the nitrite oxidizing bacteria were continuously inhibited, free ammonia (NH 3 ) initially inhibited the nitrite oxidizing bacteria, and after the inhibition of free ammonia (NH 3 ) was completed, Free nitrous acid (HNO 2 ) was found to inhibit nitrite oxidizing bacteria. As described above, due to the continuous inhibition of nitrite oxidizing bacteria, the nitrite oxidizing bacteria was found to be washed out.

실험예 1. 질산화 미생물의 분포확인Experimental Example 1. Confirmation of distribution of nitrifying microorganisms

상기 실시예 1의 질산화 과정이 완료된 연속회분식 반응기에서 미생물을 채취하여 FISH(Fluorescent in situ Hybridization)를 수행하고 CLSM(Confocal Laser Scanning Microscopy)로 관찰하여 질산화 미생물의 분포를 확인하였다. 암모니아 산화균의 대표적인 미생물로 Nitrosomonas spp.Nitrosospira spp., 아질산 산화균의 대표적인 미생물로 Nitrobacter spp.genus Nitrospira의 분포를 알아보았다. 미생물의 정량분석은 이미지 분석장치(image analyzer)로 각 10장 이상의 FISH image를 정량분석하여 나온 데이터를 데이터통계분석 프로그램인 SPSS V12 로 최소값, 최대값, 평균, 평균의 표준오차, 평균의 95% 신뢰범위를 구하여 각 미생물에 대한 정량 %를 구하였다. The microorganisms were collected from the continuous batch reactor in which the nitrification process of Example 1 was completed, and subjected to Fluorescent in situ Hybridization (FISH), and observed by Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) to confirm the distribution of nitrifying microorganisms. Representative microorganisms of ammonia oxidizing bacteria are Nitrosomonas spp. And Nitrosospira spp. , Nitrobacter spp. And genus Nitrospira were analyzed. The quantitative analysis of microorganisms is an image analyzer. The data obtained by quantitatively analyzing 10 or more FISH images is analyzed using SPSS V12, a data statistics analysis program, with the minimum, maximum, average, and standard error of the mean and 95% of the mean. The confidence range was obtained to determine the quantitative% for each microorganism.

하기 표 5는 연속회분식 반응기의 미생물의 군집분포를 정량화하기 위해 FISH/CLSM으로 관찰된 FISH 이미지 각 10개를 image analyzer로 정량분석한 데이터를 수치해석 통계프로그램인 SPSS V12를 이용, 각 미생물의 평균 및 평균의 표준오차, 95% 신뢰범위를 구하여 나타낸 것이다. 미생물의 정량화 데이터는 95%의 신뢰구간 안에 평균이 표준오차 범위 안에 속하였다. 아질산 산화균을 지속적으로 저해시켜 수세(washout)시킨 결과, 암모니아 산화균이 99%를 차지하였으며, 아질산 산화균은 거의 검출되지 않았다.Table 5 shows the average of each microorganism using SPSS V12, which is a numerical program for analyzing the data of 10 FISH images observed by FISH / CLSM with an image analyzer to quantify the cluster distribution of microorganisms in a continuous batch reactor. And the standard error of the mean, 95% confidence range. The quantification data of the microorganisms were within the standard error range with an average within the 95% confidence interval. As a result of continuously inhibiting nitrite oxidizing bacteria and washing out, ammonia oxidizing bacteria accounted for 99%, and nitrite oxidizing bacteria were hardly detected.

Sample#
Sample #
암모니아 산화균Ammonia Oxidizing Bacteria 아질산 산화균Nitrite oxidizing bacteria
Nitrosomonas spp.Nitrosomonas spp. Nitrosospira spp.Nitrosospira spp. Nitrobacter spp.Nitrobacter spp. genus Nitrospiragenus Nitrospira 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
One
2
3
4
5
6
7
8
9
10
34.78
29.98
31.15
30.94
32.31
34.12
34.18
35.01
29.83
35.41
34.78
29.98
31.15
30.94
32.31
34.12
34.18
35.01
29.83
35.41
5.54
5.21
5.31
4.56
5.80
5.43
5.32
5.18
5.60
5.67
5.54
5.21
5.31
4.56
5.80
5.43
5.32
5.18
5.60
5.67
0.44
0.39
0.45
0.49
0.52
0.46
0.52
0.49
0.47
0.39
0.44
0.39
0.45
0.49
0.52
0.46
0.52
0.49
0.47
0.39
N.D*
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
ND *
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
ND
최소값
최대값
Minimum value
Value
29.83
35.41
29.83
35.41
4.56
5.80
4.56
5.80
0.39
0.52
0.39
0.52
-
-
-
-
평균Average 32.832.8 5.45.4 0.460.46 -- 평균의 95%
신뢰구간
95% of average
Confidence interval
31.22 ~ 34.3231.22-34.32 5.11 ~ 5.615.11 ~ 5.61 0.42 ~ 0.500.42-0.50 --
평균의 표준오차Standard error of the mean 0.680.68 0.110.11 0.010.01 --

* N.D. not detected* N.D. not detected

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

도 1은 본 발명에 따른 아질산(nitrite)에 의한 선택적 질산화 탈질의 전체적인 개략도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows an overall schematic of selective nitrification and denitrification by nitrite according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 질소제거에 이용된 연속회분식 반응기를 나타낸 도이다.2 is a view showing a continuous batch reactor used for nitrogen removal according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 연속회분식 반응기에서 질산화단계에서의 질소 성분 농도 변화와 자유 암모니아(Free ammonia, NH3)와 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)에 의한 아질산 산화균 저해 구간을 나타낸 그래프이다 {●: NH4 +-N, ○: NO2 --N, ▼: NO3 --N, ◆: Total-N, ■: 자유 암모니아(Free ammonia, NH3), ▲: 자유 아질산(Free nitrous acid, HNO2)}.3 is a graph showing the nitrous oxide inhibiting section by the nitrogen component concentration change and free ammonia (NH 3 ) and free nitrous acid (HNO 2 ) in the nitrification step in the continuous batch reactor according to the present invention {●: NH 4 + -N, ○: NO 2 -- N, ▼: NO 3 -- N, ◆: Total-N, ■: Free ammonia (NH 3 ), ▲: Free nitrous acid (Free nitrous acid, HNO 2 )}.

Claims (4)

연속회분식 반응기 내의 폐수 질산화 반응을 이용한 폐수처리방법에 있어서,In the wastewater treatment method using wastewater nitrification in a continuous batch reactor, 자유 암모니아 또는 자유 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해작용을 이용하여, 폐수 내에 함유되어 있는 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.A wastewater treatment method comprising oxidizing ammonia nitrogen contained in wastewater to nitrous acid only by using the inhibitory effect of nitrite oxidizing bacteria by free ammonia or free nitrite. 제1항에 있어서, 상기 연속회분식 반응기 내의 질산화 반응 시작 후 반응 중기까지는 pH를 7.0~8.0으로 조절하여, 상기 자유 암모니아에 의한 아질산 산화균의 저해를 유도하여 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.The method of claim 1, wherein from the start of nitrification in the continuous batch reactor, the pH is adjusted to 7.0 to 8.0 to induce inhibition of nitrite oxidizing bacteria by the free ammonia to oxidize only ammonia nitrogen to nitrite. Wastewater treatment method characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 연속회분식 반응기 내의 질산화 반응 중기 이후 반응 종료까지는 pH를 6.0~7.0으로 조절하여, 상기 아질산에 의한 아질산 산화균의 저해를 유도하여 암모니아성 질소를 아질산으로만 산화시키는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.The method according to claim 1, wherein the pH is adjusted to 6.0 to 7.0 after the intermediate nitrification reaction in the continuous batch reactor to induce inhibition of nitrite oxidizing bacteria by nitrous acid to oxidize ammonia nitrogen to nitrite only. Wastewater treatment method. 제1항에 있어서, 상기 pH는 중탄산염 또는 알카리제에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the pH is controlled by bicarbonate or an alkaline agent.
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