Biological aerated filter reactor를 이용한 폐수의

생물학적 질산화 탈질

윤호준, 김동진

한림대학교 환경학과

Simultaneous nitrification and denitrification of wastewater

in a biological aerated filter reactor

Ho-Joon Yun, Dong-Jin Kim

Department of Environmental Science, Hallym University,

서론

폐수중에 함유된 영양염류 중 하나인 질소는 하천의 자정작용에 악영향을 미치고 수계에 배출될 때 조류의 증식에 의해 부영양화를 일으키거나 용존산소의 소비, 수생생물의 독성을 나타내므로 처리공정의 연구가 필요하고 활발히 진행중이다. 이러한 질소처리 공정 중 하나인 생물학적 질소제거 공정은 호기성상태의 질산화와 무산소상태에서의 탈질 공정을 거치게 된다. 또 질산화 공정은 두가지로 구분할 수 있는데 암모니아성 질소가 아질산성 질소로 산화되는 nitritation과 아질산성 질소가 질산성 질소로 산화되는 nitratation으로 구성된다. 이러한 공정에서는 폭기에 필요한 에너지 및 탈질에 필요한 유기물 비용으로 인하여 처리비용이 많이 소요되어 경제적으로 많은 부담이 되고 있다. 이의 해결책으로 암모니아성 질소를 아질산성 질소로 부분 질산화 한 후 이를 탈질시키는 질소제거공정 기술이 연구되고 있다.  암모니아성 질소가 아질산성 질소로 산화된 후 탈질 될 경우 약 25%의 산소요구량과 40%의 유기물 요구량을 감소시킬 수 있고 이 경우 탈질 속도도 1.5-2배정도 빨라진다[1]. 이러한 부분질산화 방법은 용존산소에 의한 방법과 pH의 조절에 의한 방법이 있다. 먼저 전자에 의한 방법으로 아질산성 질소 산화균이 암모니아성 질소 산화균에 비하여 산소에 대한 친화도가 낮다는 것을 이용하면 아질산성 질소 산화균의 성장을 선택적으로 제한할 수 있다[2]. 후자에 의한 방법으로 free ammonia 농도가 1에서 5 mg-N/L에서는 아질산 산화균는 저해를 받지만  암모니아 산화균은 저해를 받지 않는 농도이기 때문에 아질산성 질소가 축적되는 것을 관찰하였다[3]. 하지만 이러한 pH에 의한 nitratation의 선택적인 저해는 일정 시간의 경과후 미생물의 적응으로 인해 장기적으로 이용할 수 없다.

본 연구에서는 aerobic reactor와 anoxic reactor로 구성되어 있는 biological aerated filter reactor(BAF reactor)를 이용하여 질소제거 공정중 탈질공정의 수행에 앞서 부분질산화를 통한 질소제거를 위하여 aerobic reactor에서 성장 속도가 느린 질산화 미생물의 성장 및 아질산성 질소의 축척을 위한 실험을 수행하였다.

재료 및 방법

본 연구에서 사용된 생물막 반응기(fig. 1.)는 아크릴 소재 원형관으로 직경 5 cm, 높이 35 cm, 유효부피 0.58 L인 anoxic reactor와 직경 5 cm, 높이 70cm, 유효부피인 1.18 L의 aerobic reactor로 구성되어 있다. Anoxic reactor 내부에는 직경이 4∼6 mm인 다공성의 세라믹 담체를 고정상으로 약 70% 충진하였다. aerobic reactor에 사용한 media는 expanded polypropylene으로써 화학적 내성이 강하고 여재의 비중은 약 0.07, 비표면적은 1000~1350 m2/m3으로 크기는 2~3 mm로써 물리적 여과기능 보유하였다. 미생물의 접종은 이미 질산화와 탈질화 공정을 수행중인 BAF reactor에서의 슬러지를 이용하였다. 폐수는 암모니아성 질소원으로 (NH4)2SO4를 500 mg N/l, 정량펌프에 의해 상향류로 반응기에 유입하였다. 미량원소로 MgSO4·H2O 5 mg/l,  KCl 7 mg/l, NaHPO4·12H2O 29 mg/l, CaCl2·2H2O 7 mg/l, KH2PO4 11 mg/l, FeCl3·6H2O 1 mg/l, NaHCO3 (CaCO3 기준) 7.14 g/g NH4+-N을 주입하였으며 이때 반응기의 pH는 7.3에서 7.5  범위에서 유지되었다. 공기는 소형 blower에 의해 공급되고 공기 유량은 control valve를 이용하여 조절하였다. 폐수는 Standard Method에 따라 분석하였다.

Figure 1. Schematic representation of the biological aerated filter reactor

결과 및 토론

Fig. 2는 실험기간 동안의 암모니아성 질소부하, 암모니아성 질소 제거율, nitrite ratio (NO2--N/[NO2--N+NO3--N]), 아질산성 질소와 질산성 질소의 농도를 보여준다. 실험을 수행하는 전 기간 동안 유입수에서의 암모니아성 질소의 농도는 500 mg/L로 일정하게 공급하였고 유기탄소원은 주입하지 않았다.

기간 A에서는 질산화 미생물의 적응기간으로 평균 암모니아성 질소 load가 0.37 kg/m3/d로 낮게 유지시켰고, air flow는 0.5 L/min로 유출수에서의 용존산소의 농도가 7.77 mg/L로 충분한 DO로 유지되었다. 이기간 동안 암모니아성 질소와 아질산성 질소의 농도는 낮게 유지되었으나 담체에 미생물의 부착을 위하여 장기간 유지 시켜 주었다. 기간 B에서는 유량을 A기간의 두배로 증가시켜 load가 0.76 kg/m3/d로 증가하였다. 이때 역시 질산화가 모두 이루어졌으나 아질산성 질소의 축척은 거의 이루어지지 않았다. 이후 C와 D에서는 유입 암모니아성 질소의 load를 평균 1.41 kg/m3/d로 B기간에 두배로 유지하여 주었다. 기간 C에서 air flow rate을 0.5 L/min으로 유지시켜 주었을 때 용존산소의 농도는 평균 6.9 mg/L로 질산화 효율은 평균 96%로 높게 유지되었다. 그러나 nitrite ratio가 일정하게 유지되지 않았다. 이기간 동안에 질산화 효율이 감소하는 시점이 질산화 반응기의 역세척과 관련이 있다. D기간에서는 air flow rate를 0.3 L/min으로 줄여 용존산소의 양이 5.76 mg/L로 감소하였다. 이후 질산화 효율이 88%로 감소하였으나 nitrite ratio가 79%로 높게 유지되었다. 이러한 아질산성 질소 축척은 감소한 DO에 의한 것으로 판단된다.

Figure 2. Time courses of simultaneous nitrification in the biological aerated filter reactor.

(○: NH4+-N; ■: NO2--N; △: NO3--N; ▽: applied NH4+-N load;

○: nitrification efficiency; ◆: nitrite ratio)

Fig. 3은 BAF 반응기에서 아질산성 질소가 축척되는 상태의 질산화 미생물을 이용하여 실험한 것이다. pH control이 되도록 sodium bicarbonate를 7.14 g-CaCO3/g-N로 주입한 후  초기 pH를 7.0 으로 조정해주었다. 초기 질소원의 농도는 (A)는 NH4+-N 50 ppm과 NH4+-N 100 ppm이고 (B)는 각각 NH4+-N 100 ppm·NO2--N 100 ppm과 NO2--N 100 ppm이었다. pH는 실험종료 시까지 nitrification의 적정 pH인 6.5~8.5 사이에서 조정되었다. (A)를 살펴보면 암모니아성 질소의 초기농도가 다른 두 가지의 경우에서 모두 질산성 질소의 생성이 암모니아성 질소의 산화가 거의 완료된 후 시작되었다. 그리고 초기 암모니아성 질소의 농도가 질산성질소의 초기 생성속도에도 영향을 미침을 알 수 있었다. (B)를 살펴보면 초기에 아질산성 질소가 모두 약 100 ppm이 존재하고 있으나 초기 암모니아성 질소가 존재하는 반응기와 그렇지 않은 반응기에서 nitrate의 생성속도가 차이를 나타냄을 알 수 있다. 반응기 내에 존재하는 free ammonia의 농도가 1 ppm 이하로 충분히 감소한 후에 질산성 질소가 생성된 것으로 봐서 free ammonia에 의한 nitratation에 의해 일어난 것임을 판단할 수 있다.

Figure 3. Batch kinetic analysis of BAF reactor (Initial condition: pH control, DO unlimited)

(□: NH4+-N; □:NO2--N; □N03--N; (A) close NH4+-N 50 ppm, open NH4+-N 100 ppm,                    (B)  close NO2--N 100 ppm, open NH4+-N·NO2--N 100 ppm)

참고문헌

1. Garrido, J. M., W. A. J. van Benthum, M. C. M. van Loosdrecht, and J. J. Heihnen, Influence of Dissolved Oxygen Concentration on Nitrite Accumulation in a Biofilm Airlift Suspension Reactor, Biotechnology and Bioengineering. 53 168-178(1997).

2. Turk, O. and D.S. Mavinic, “Maintaining nitrite build-up in a system acclimated to free ammonia”, Wat. Res. 23, 1383-1388, 1989b.

3. Villaverde, S., F. Fdz-Polanco, and P. A. Garcia-Encina, “Influence of pH over nitrifying biofilm activity in sumerged biofilters”, Wat. Res. 31, 1180-1186, 1997.