Simultaneous Removal of High-Strength Organics and Nitrogen by Phase Separation of Nitrification and Denitrification : 질산화 및 탈질 상 분리에 의한 고농도 유기물 및 질소 동시제거 시스템 개발원문보기
김선집
(Graduate school of Konkuk University
Department of Environmental Engineering
국내박사)
지금까지 개발된 질소제거 시스템들은 대부분 하수와 같은 저농도 질소함유 폐수를 대상으로 하였으므로 이들 시스템들의 고농도 질소함유 폐수에의 적용에는 한계가 있다. 고농도 유기폐수의 전처리를 위하여 일반적으로 채택되는 혐기성처리공정의 높은 유기물제거효율 및 낮은 질소제거효율의 특징으로 인하여 후속 호기성공정에 의한 질소제거시 낮은 C/N비가 제한인자로 작용한다. 따라서 높은 질소제거효율을 달성하기 위해서 경제적이며, 효과적인 외부탄소원의 공급이 불가피한 실정이다. 혐기성 ...
지금까지 개발된 질소제거 시스템들은 대부분 하수와 같은 저농도 질소함유 폐수를 대상으로 하였으므로 이들 시스템들의 고농도 질소함유 폐수에의 적용에는 한계가 있다. 고농도 유기폐수의 전처리를 위하여 일반적으로 채택되는 혐기성처리공정의 높은 유기물제거효율 및 낮은 질소제거효율의 특징으로 인하여 후속 호기성공정에 의한 질소제거시 낮은 C/N비가 제한인자로 작용한다. 따라서 높은 질소제거효율을 달성하기 위해서 경제적이며, 효과적인 외부탄소원의 공급이 불가피한 실정이다. 혐기성 전처리 공정을 거친 고농도 질소 함유폐수는 호기성공정에 의한 질소제거시 긴 미생물체류시간 및 수리학적 체류시간이 필요하게 된다. 이와 같이 긴 미생물 체류시간은 미생물의 활성을 저하시키며, 활성이 저하된 미생물은 성장환경에 민감한 반응을 보이게 된다. 기존의 질소제거 시스템은 성장환경이 서로 다른 질산균 및 탈질균을 혼합 성장시키므로 질산균 및 탈질균은 선호하지 않는 환경조건에 자주 노출되어 활성이 저하된 상태에서 운전되는 것이 일반적인 현상이다. 따라서 보다 높은 질소제거효율을 얻기 위하여 질산균 및 탈질균이 각각 고유의 최적환경조건에서 성장할 수 있도록 시스템을 구성할 필요가 있다. 본 연구에서는 유기물 및 질소가 고농도로 함유되어 있는 주정폐수의 혐기성 유출수를 대상으로 질산균 및 후탈질균의 성장환경을 분리시킨 HNR (High-Strength Nitrogen Removal) 시스템 및 Bardenpho 시스템을 동일조건에서 비교운전하였으며, 시스템의 정확한 평가를 위하여 respirometer를 이용한 질산화속도, 탈질속도 및 질산균함량 측정방법의 적용가능성을 알아보았다. Respirometer를 이용한 효율적인 질산화속도 및 탈질속도 측정법이 확립되었다. 측정시 분산계수는 각각 1.5~2.6%, 5.7%로 우수하였으며, 직접분석결과와 비교시 거의 유사하였다. 질산화속도 측정시 슬러지 시료의 세척 및 발생되는 이산화탄소를 흡수하여야하며, 초기 기질/미생물의 비가 11.3이상을 유지하여야 한다. 또한 respirometer를 이용한 질산균함량 측정결과는 신뢰성이 있었으며, 분석이 신속, 용이하였다. 슬러지 시료를 세척하지 않았을 경우 heterotrophs와 autotrophs의 경쟁 및 용존 유기물질에 의한 질산균함량 측정치엔 미치는 영향이 관찰되었다. 현장에서 공급 가능한 주정폐수의 원심분리수 (CDE) 및 불순알콜을 탈질용 외부탄소원으로 충분히 활용가능함이 밝혀졌고, 그 비탈질속도는 외부탄소원을 주입하지 않았을 경우에 비하여 약 7.0 및 8.3 배 높았다. 시스템 구성을 다양하게 하여 비교운전한 후 최적시스템은 "Anoxic - Oxic - Settle - Anoxic - Oxic - Settle"로 결정되었으며, 질산화수 반송은 유입수의 3배, 슬러지반송의 경우 유입수의 2배를 유지하였다. 외부탄소원인 CDE를 공급하여 전탈질조 C/N(BOD_(5)/TKN) 비를 0.7로부터 2.7로 증가시켰고, 잔존 산화성질소를 완전 제거하기 위하여 후탈질조에 불순알콜을 주입하였다. HNR 및 Bardenpho 시스템의 BOD_(5)제거효율은 모두 99%이상으로 높게 유지되었으나, 질소제거 호율은 HNR 시스템의 경우 93.1%, Bardenpho 시스템의 경우 86.2%로 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 우수하였으며, 유입수중 약 40~60mg/L의 용존 유기성 질소가 제거되지 않음을 알 수 있었다. 질산화효율의 경우 HNR 및 Bardenpho 시스템에서 모두 92%이상으로 높게 유지 되었으며, 질산화율은 각각 171.7gN/㎥/d 및 164.0gN/㎥/d이었다. 탈질효율은 HNR 시스템의 경우 97.5%였던 반면 Bardenpho 시스템의 경우 90.1%로 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 월등히 우수하였으며, 특히 후탈질조에서의 탈질효율이 명백히 차이가 났다. HNR 및 Bardenpho 시스템의 탈질율은 각각 259.1gN/㎥/d 및 227.4gN/㎥/d였다. HNR 및 Bardenpho 시스템에서 Nitrosomonas 및 Nitrobacter 함량 거동을 respirometer를 이용하여 알아보았다. HNR 시스템의 Nitrosomonas의 함량은 시스템내의 산화-환원 상태에 따라 큰 변화를 보였던 반면 Bardenpho 시스템에서는 거의 변화가 없었다. Nitrobacter 함량의 경우 두 시스템에서 거의 비슷한 변화 양상을 보였다. Nitrosomonas 함량변화 측면에서 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 갖는 두드러진 특징은 균 분리 시스템인 HNR 시스템을 고농도 질소함유폐수에 적용할 경우 질산화의 율속단계인 암모니아성질소의 아질산성질소로의 산화물을 보다 높게 유지할 수 있음을 알 수 있다. HNR 시스템의 호기조 Nitrosomonas 함량은 7.26% 였으며, 이는 Bardenpho 시스템 호기조에서의 함량인 4.91% 보다 높았다. 두 시스템의 호기조에서 Nitrobacter 함량은 거의 유사하였다. Nitrifiers 및 Nitrobacter에 의한 비질산화속도 측정결과 32.9~46.6gN/kg/d 및 75.4~10.6gN/kg/d로 HNR 및 Bardenpho 시스템의 호기조에서 거의 유사하였다. HNR 시스템 전탈질조 및 후탈질조의 비탈질속도는 387.7gN/kg/d 및 187.5gN/kg/d였던 반면, Bardenpho 시스템의 경우 각각 166.8g/kg/d 및 123.3g/kg/d로 HNR 시스템이 높았는데 이는 HNR 시스템의 탈질균이 호기성 환경에 보다 적게 노출되어 탈질조에서 탈질시 지체기간을 줄일 수 있었기 때문으로 추정된다. HNR 시스템의 인 제거효율은 57.2%로 Bardenpho 시스템의 제거효율 6.8%에 비하여 약 8.4배 높았다. 이는 HNR 시스템의 경우 인을 과잉 섭취한 슬러지를 중간침전지에서 폐기하는 반면 Bardenpho 시스템의 경우 과잉 섭취된 인이 재차 후탈질조에서 방출되어 폐기슬러지에 인 함유량이 적었기 때문으로 판단된다. HNR 시스템의 최종침전지에서의 SVI는 7.5mL/g으로 매우 작았는데, 이는 HNR 시스템의 후단공정 (후탈질조 및 탈기조)은 내생성장단계로 운전되기 때문으로 판단되며, HNR 시스템 중간침전조 및 Bardenpho 시스템 최종침전조에서의 SVI는 25.5~27.3mL/g으로 거의 유사하였다. 본 연구에서 측정한 비질산화속도 및 비탈질속도를 이용하여 HNR 시스템으로 설계할 경우 소요 반응조 용적을 Bardenpho 시스템에 비하여 약 20%의 반응조 용적을 절감할 수 있었다.
지금까지 개발된 질소제거 시스템들은 대부분 하수와 같은 저농도 질소함유 폐수를 대상으로 하였으므로 이들 시스템들의 고농도 질소함유 폐수에의 적용에는 한계가 있다. 고농도 유기폐수의 전처리를 위하여 일반적으로 채택되는 혐기성처리공정의 높은 유기물제거효율 및 낮은 질소제거효율의 특징으로 인하여 후속 호기성공정에 의한 질소제거시 낮은 C/N비가 제한인자로 작용한다. 따라서 높은 질소제거효율을 달성하기 위해서 경제적이며, 효과적인 외부탄소원의 공급이 불가피한 실정이다. 혐기성 전처리 공정을 거친 고농도 질소 함유폐수는 호기성공정에 의한 질소제거시 긴 미생물체류시간 및 수리학적 체류시간이 필요하게 된다. 이와 같이 긴 미생물 체류시간은 미생물의 활성을 저하시키며, 활성이 저하된 미생물은 성장환경에 민감한 반응을 보이게 된다. 기존의 질소제거 시스템은 성장환경이 서로 다른 질산균 및 탈질균을 혼합 성장시키므로 질산균 및 탈질균은 선호하지 않는 환경조건에 자주 노출되어 활성이 저하된 상태에서 운전되는 것이 일반적인 현상이다. 따라서 보다 높은 질소제거효율을 얻기 위하여 질산균 및 탈질균이 각각 고유의 최적환경조건에서 성장할 수 있도록 시스템을 구성할 필요가 있다. 본 연구에서는 유기물 및 질소가 고농도로 함유되어 있는 주정폐수의 혐기성 유출수를 대상으로 질산균 및 후탈질균의 성장환경을 분리시킨 HNR (High-Strength Nitrogen Removal) 시스템 및 Bardenpho 시스템을 동일조건에서 비교운전하였으며, 시스템의 정확한 평가를 위하여 respirometer를 이용한 질산화속도, 탈질속도 및 질산균함량 측정방법의 적용가능성을 알아보았다. Respirometer를 이용한 효율적인 질산화속도 및 탈질속도 측정법이 확립되었다. 측정시 분산계수는 각각 1.5~2.6%, 5.7%로 우수하였으며, 직접분석결과와 비교시 거의 유사하였다. 질산화속도 측정시 슬러지 시료의 세척 및 발생되는 이산화탄소를 흡수하여야하며, 초기 기질/미생물의 비가 11.3이상을 유지하여야 한다. 또한 respirometer를 이용한 질산균함량 측정결과는 신뢰성이 있었으며, 분석이 신속, 용이하였다. 슬러지 시료를 세척하지 않았을 경우 heterotrophs와 autotrophs의 경쟁 및 용존 유기물질에 의한 질산균함량 측정치엔 미치는 영향이 관찰되었다. 현장에서 공급 가능한 주정폐수의 원심분리수 (CDE) 및 불순알콜을 탈질용 외부탄소원으로 충분히 활용가능함이 밝혀졌고, 그 비탈질속도는 외부탄소원을 주입하지 않았을 경우에 비하여 약 7.0 및 8.3 배 높았다. 시스템 구성을 다양하게 하여 비교운전한 후 최적시스템은 "Anoxic - Oxic - Settle - Anoxic - Oxic - Settle"로 결정되었으며, 질산화수 반송은 유입수의 3배, 슬러지반송의 경우 유입수의 2배를 유지하였다. 외부탄소원인 CDE를 공급하여 전탈질조 C/N(BOD_(5)/TKN) 비를 0.7로부터 2.7로 증가시켰고, 잔존 산화성질소를 완전 제거하기 위하여 후탈질조에 불순알콜을 주입하였다. HNR 및 Bardenpho 시스템의 BOD_(5)제거효율은 모두 99%이상으로 높게 유지되었으나, 질소제거 호율은 HNR 시스템의 경우 93.1%, Bardenpho 시스템의 경우 86.2%로 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 우수하였으며, 유입수중 약 40~60mg/L의 용존 유기성 질소가 제거되지 않음을 알 수 있었다. 질산화효율의 경우 HNR 및 Bardenpho 시스템에서 모두 92%이상으로 높게 유지 되었으며, 질산화율은 각각 171.7gN/㎥/d 및 164.0gN/㎥/d이었다. 탈질효율은 HNR 시스템의 경우 97.5%였던 반면 Bardenpho 시스템의 경우 90.1%로 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 월등히 우수하였으며, 특히 후탈질조에서의 탈질효율이 명백히 차이가 났다. HNR 및 Bardenpho 시스템의 탈질율은 각각 259.1gN/㎥/d 및 227.4gN/㎥/d였다. HNR 및 Bardenpho 시스템에서 Nitrosomonas 및 Nitrobacter 함량 거동을 respirometer를 이용하여 알아보았다. HNR 시스템의 Nitrosomonas의 함량은 시스템내의 산화-환원 상태에 따라 큰 변화를 보였던 반면 Bardenpho 시스템에서는 거의 변화가 없었다. Nitrobacter 함량의 경우 두 시스템에서 거의 비슷한 변화 양상을 보였다. Nitrosomonas 함량변화 측면에서 HNR 시스템이 Bardenpho 시스템에 비하여 갖는 두드러진 특징은 균 분리 시스템인 HNR 시스템을 고농도 질소함유폐수에 적용할 경우 질산화의 율속단계인 암모니아성질소의 아질산성질소로의 산화물을 보다 높게 유지할 수 있음을 알 수 있다. HNR 시스템의 호기조 Nitrosomonas 함량은 7.26% 였으며, 이는 Bardenpho 시스템 호기조에서의 함량인 4.91% 보다 높았다. 두 시스템의 호기조에서 Nitrobacter 함량은 거의 유사하였다. Nitrifiers 및 Nitrobacter에 의한 비질산화속도 측정결과 32.9~46.6gN/kg/d 및 75.4~10.6gN/kg/d로 HNR 및 Bardenpho 시스템의 호기조에서 거의 유사하였다. HNR 시스템 전탈질조 및 후탈질조의 비탈질속도는 387.7gN/kg/d 및 187.5gN/kg/d였던 반면, Bardenpho 시스템의 경우 각각 166.8g/kg/d 및 123.3g/kg/d로 HNR 시스템이 높았는데 이는 HNR 시스템의 탈질균이 호기성 환경에 보다 적게 노출되어 탈질조에서 탈질시 지체기간을 줄일 수 있었기 때문으로 추정된다. HNR 시스템의 인 제거효율은 57.2%로 Bardenpho 시스템의 제거효율 6.8%에 비하여 약 8.4배 높았다. 이는 HNR 시스템의 경우 인을 과잉 섭취한 슬러지를 중간침전지에서 폐기하는 반면 Bardenpho 시스템의 경우 과잉 섭취된 인이 재차 후탈질조에서 방출되어 폐기슬러지에 인 함유량이 적었기 때문으로 판단된다. HNR 시스템의 최종침전지에서의 SVI는 7.5mL/g으로 매우 작았는데, 이는 HNR 시스템의 후단공정 (후탈질조 및 탈기조)은 내생성장단계로 운전되기 때문으로 판단되며, HNR 시스템 중간침전조 및 Bardenpho 시스템 최종침전조에서의 SVI는 25.5~27.3mL/g으로 거의 유사하였다. 본 연구에서 측정한 비질산화속도 및 비탈질속도를 이용하여 HNR 시스템으로 설계할 경우 소요 반응조 용적을 Bardenpho 시스템에 비하여 약 20%의 반응조 용적을 절감할 수 있었다.
The unique system for simultaneous removal of high-strength organics and nitrogen removal by phase separation of nitrification and denitrification was developed. Distillery wastewater, primarily treated with anaerobic process followed by chemical floatation process, was selected as a feed. Reliable,...
The unique system for simultaneous removal of high-strength organics and nitrogen removal by phase separation of nitrification and denitrification was developed. Distillery wastewater, primarily treated with anaerobic process followed by chemical floatation process, was selected as a feed. Reliable, rapid, and simple methods for measuring of nitrification and denitrification rates were evaluated by respirometry. In situ mass estimation technique by respirometry was also reliable and prominent as an evaluation tool for biological nitrogen removal system. The impurity alcohol and centrifugal decanter effluent (CDE) that was influent of anaerobic process were excellent as external carbon sources able to supply in site of distillery plants. The optimized system named as HNR system for simultaneous removal of high-strength organics and nitrogen in distillery wastewater was configured as "anoxic-oxic-settle-anoxic-oxic-settle" with recirculation of oxidized-nitrogen and dosing of in situ external carbon sources. The BOD_(5) removal efficiencies were similarly above 99% in HNR and Bardenpho systems. After adjusted the C/N (BOD_(5)/TKN) ratio from 0.7 to 2.7 at pre-anoxic chambers with centrifugal decanter effluent and dosed the impurity alcohol at the post-anoxic chambers to sweep away the residual oxidized nitrogen, total nitrogen removal efficiency of 93.1% was achieved in HNR system while 86.2% was shown in Bardenpho system. The similar nitrification efficiencies above 92% were observed in HNR and Bardenpho systems with the average nitrification rates of 171.7 gTKN removed/㎥/d and 164.0 gTKN removed/㎥/n each system. The higher denitrification efficiency of 97.5% in HNR system was shown while the efficiency was 90.1% in Bardenpho system. The average denitrification rates were 259.1 g oxidized-nitrogen removed/㎥/d and 227.4 g oxidized-nitrogen removed/㎥/d in HNR and Bardenpho systems. The phase separation technique is necessary to control the rate-limiting step in view of the active Nitrosomonas and Nitrobacter content behaviors in the systems. The active nitrifier contents were fluctuated according to the oxidation-reduction states in HNR system, although the content was relatively stable in Bardenpho system. The quite different specific nitrification rates could not be observed in HNR and Bardenpho systems. The specific denitrification rates in pre- and post-anoxic chambers of HNR system were 2.3 and 1.5 times higher than Bardenpho system. The less exposure of the denitrifiers to the oxic-anoxic fluctuating environment seemed to reduce the lag period for recurrence of denitrification and increase the denitrification efficiencies in HNR system. The wasting of the sludge containing the phosphorus luxury uptaken led to higher total phosphorus removal efficiency in HNR system. The settling characteristics were also superior in HNR system than Bardenpho system. The technique of phase separation between nitrification and denitrification was effective especially for the treatment of the wastewater containing high-strength organics and nitrogen in aspects of pollutant removal efficiency and economy.
The unique system for simultaneous removal of high-strength organics and nitrogen removal by phase separation of nitrification and denitrification was developed. Distillery wastewater, primarily treated with anaerobic process followed by chemical floatation process, was selected as a feed. Reliable, rapid, and simple methods for measuring of nitrification and denitrification rates were evaluated by respirometry. In situ mass estimation technique by respirometry was also reliable and prominent as an evaluation tool for biological nitrogen removal system. The impurity alcohol and centrifugal decanter effluent (CDE) that was influent of anaerobic process were excellent as external carbon sources able to supply in site of distillery plants. The optimized system named as HNR system for simultaneous removal of high-strength organics and nitrogen in distillery wastewater was configured as "anoxic-oxic-settle-anoxic-oxic-settle" with recirculation of oxidized-nitrogen and dosing of in situ external carbon sources. The BOD_(5) removal efficiencies were similarly above 99% in HNR and Bardenpho systems. After adjusted the C/N (BOD_(5)/TKN) ratio from 0.7 to 2.7 at pre-anoxic chambers with centrifugal decanter effluent and dosed the impurity alcohol at the post-anoxic chambers to sweep away the residual oxidized nitrogen, total nitrogen removal efficiency of 93.1% was achieved in HNR system while 86.2% was shown in Bardenpho system. The similar nitrification efficiencies above 92% were observed in HNR and Bardenpho systems with the average nitrification rates of 171.7 gTKN removed/㎥/d and 164.0 gTKN removed/㎥/n each system. The higher denitrification efficiency of 97.5% in HNR system was shown while the efficiency was 90.1% in Bardenpho system. The average denitrification rates were 259.1 g oxidized-nitrogen removed/㎥/d and 227.4 g oxidized-nitrogen removed/㎥/d in HNR and Bardenpho systems. The phase separation technique is necessary to control the rate-limiting step in view of the active Nitrosomonas and Nitrobacter content behaviors in the systems. The active nitrifier contents were fluctuated according to the oxidation-reduction states in HNR system, although the content was relatively stable in Bardenpho system. The quite different specific nitrification rates could not be observed in HNR and Bardenpho systems. The specific denitrification rates in pre- and post-anoxic chambers of HNR system were 2.3 and 1.5 times higher than Bardenpho system. The less exposure of the denitrifiers to the oxic-anoxic fluctuating environment seemed to reduce the lag period for recurrence of denitrification and increase the denitrification efficiencies in HNR system. The wasting of the sludge containing the phosphorus luxury uptaken led to higher total phosphorus removal efficiency in HNR system. The settling characteristics were also superior in HNR system than Bardenpho system. The technique of phase separation between nitrification and denitrification was effective especially for the treatment of the wastewater containing high-strength organics and nitrogen in aspects of pollutant removal efficiency and economy.
주제어
#유기물 제거 Nitrification 질소 제거 탈질 속도 Organics Nitrogen Simultaneous Removal 질산화 속도 Denitrification
학위논문 정보
저자
김선집
학위수여기관
Graduate school of Konkuk University
학위구분
국내박사
학과
Department of Environmental Engineering
발행연도
1999
총페이지
xxii, 321p.
키워드
유기물 제거 Nitrification 질소 제거 탈질 속도 Organics Nitrogen Simultaneous Removal 질산화 속도 Denitrification
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