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암모니아 폐수의 부분아질산화에서 최적 운전 pH의 변동
Variation of Optimum Operational pH in Partial Nitritation 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.5, 2016년, pp.228 - 235  

배우근 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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아질산화 반응을 통한 nitrite 축적은 단축질소제거 혹은 anammox 공정 수립을 위해 필수적이고 이 반응의 속도가 전체 질소제거공정의 효율에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 연구는 부유 미생물 연속류 반응기에서 pH 농도가 암모니아 폐수(2,000 mgN/L) 처리에 주는 복잡하고 다양한 영향 들을 modeling과 실험을 통해 종합적으로 분석하였다. modeling 연구 결과 반응의 안정성(stability)은 pH에 의해 지대한 영향을 받으며, free ammonia 저해가 심해지는 알칼리성 환경일수록 안정적 운전 영역(stable region)은 축소되었다. 기질과 pH의 좌표 상에서 stable region과 unstable region을 가르는 경계(stability ridge) 근처에서 안정적인 최대반응속도를 얻을 수 있고, 이 운전조건에서 아질산 축적 가능성도 최대가 되었다. stability ridge 근처의 조건에서 반응기를 운전한 결과 아질산화속도는 안정적으로 약 $6kgN/m^3-d$까지 얻을 수 있었고, 아질산축적율은 약 99% 이었다. 그러나 unstable region에서는 부하증가를 통한 반복된 교란 결과 유출수 암모니아 농도가 회복 불가능한 상태로 상승하였다. Modeling 결과 고유(intrinsic) 최적 pH 값을 고정하여도 실험에서 관찰되는 최적 운전 pH는 사용 기질의 농도가 높을수록 낮아지는 것으로 나타났으며, 이는 문헌에서 보고된 경향과 일치 하였다. 본 연구의 modeling 조건에서 95% 아질산화(5%는 암모니아로 잔존)를 위한 최적 운전 pH는 ~8.0인 것으로 예측되었으나, anammox 유입수 생산을 위해 55% 아질산화하려 할 때의 최적 운전 pH는 ~7.2로 낮아 졌다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Nitrite accumulation is essential for constructing an anammox process. As the pH in the reactor exerts a complicated and strong influence on the reaction rate, we investigated its effects upon treatment of an ammonic wastewater (2,000 mgN/L) through modeling and experiment. The modeling results indi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 12℃로 다소 높게 나타난 것은 35℃에 적응된 미생물을 써서 단기간의 batch test로 얻은 결과이어서 미처 저온에 적응하지 못한 때문인 것으로 추정된다. 다만 AOB에 대한 고유 최적 pH(pHopt) 값은 가정치를 썼으며, 이의 적정성에 대해서는 실험결과를 이용하여 검토하려 한다. q*AOB값은 TAN 1% 변동(즉, 20 mgN/L)마다, 그리고 pH 0.
  • 1(a)의 q* 값은 오직 기질(FA)농도에 의해서만 변하는 것으로 가정하고 있다. 따라서 등가선 상에서는 FA 농도가 동일하므로 이 그림은 반응기 내 FA농도가 TAN, pH에 의해 어떻게 변해 가는지 그 방향성을 알게 해 준다. 즉, pH 상승에 따라 q* 값이 빠르게 증가하는 것은 기질(FA) 농도가 pH 한 단위 증가 시 마다 거의 10배 증가하기 때문이다.
  • 본 연구는 부유 미생물 연속류반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR)를 이용한 고농도 암모니아 폐수(2,000 mgN/L)의 부분아질산화에서 pH의 복잡다단한 영향을 modeling과 실험을 통해 살펴보고자 하였다. 이를 통해 반응의 안정성을 유지하면서 아질산화 속도를 극대화하는 pH 조건을 여러 암모니아 제거율에 대해 정량적으로 도출하고자 하였다.
  • 본 연구는 부유 미생물 연속류반응기(continuous stirred tank reactor, CSTR)를 이용한 고농도 암모니아 폐수(2,000 mgN/L)의 부분아질산화에서 pH의 복잡다단한 영향을 modeling과 실험을 통해 살펴보고자 하였다. 이를 통해 반응의 안정성을 유지하면서 아질산화 속도를 극대화하는 pH 조건을 여러 암모니아 제거율에 대해 정량적으로 도출하고자 하였다. Modeling의 기본이 되는 암모니아 산화 kinetic equation의 선정과 그 배경, 특히 AOB의 직접기질 선택에 대한 검토가 함께 이루어졌다.

가설 설정

  • 따라서, Fig. 1(d)의 실선은 stability ridge13)로 부를 수 있고, stability ridge의 우상 측은 unstable region이 된다. CSTR에서 안정된 반응을 유지하기 위해서는 운전 조건이 stability ridge 좌하 측 stable region에 머물러야 한다.
  • 1(d)는 마지막으로 FNA inhibition까지 고려한 그림이다. 본 연구는 연속류반응기에서 산화된 암모니아가 전량 아질산으로 축적되는 것을 가정하고 있으므로 유출 TAN 농도가 낮을수록 반응기내 아질산의 농도가 높아진다. FNA 분율은 낮은 pH에서 커지므로 그림에 서 왼쪽 아래로 갈수록 FNA inhibition 효과가 커지는 것을 볼 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아질산화에 대한 불완전한 지식이 이 반응의 활용에 장애가 될 소지가 클 것이라 예상되는 것은 무엇 때문인가? 12,13) 아질산화에 대한 불완전한 지식은 이 반응의 활용에 장애가 될 소지가 크다. 본래 아질산화 반응은 느린 편인데, 이를 달성하기 위해 흔히 쓰는 DO를 낮춘다든지 하는 등의 억제적(suppressive) 운전방식은 아질산화 반응속도를 더욱 낮추기 때문이다. 문헌들을 보면 완전질산화(complete nitrification) 반응기의 단위용적당 암모니아 제거능력은 ~5 kgN/m3 -d 정도14)인데 비해 아질산화의 경우는 약 1~3 kgN/m3 -d 정도13,15,16)로 상당히 낮다.
아질산 화란 무엇인가? 2,5,6) 그 후 anammox7,8) 반응이 발견되고 획기적인 질소제거 방법으로 인정받으면서 아질산화 공정은 필수불가결한 전단 공정으로 자리 잡게 되었다. 아질산 화는 nitrification의 두 번째 단계인 NO2 - (아질산)의 산화를 억제하여 아질산을 반응기내에 축적하는 반응을 일컫는다. 그러나 이 반응의 중요성에 비해 아질산화 혹은 부분아질산화(partial nitritation, 암모니아의 일부만을 아질산으로 전환) 를 달성하기 위한 설계/운전 인자에 관한 종합적 연구는 미흡하다.
아질산화(nitritation) 영향 인자에 대한 연구가 많이 이루어지게 된 배경은 무엇인가? 단축질소제거1~3) 혹은 SHARON (Single reactor system for High activity Ammonium Removal Over Nitrite)4) 공정이 소개되면서 아질산화(nitritation) 영향 인자에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 2,5,6) 그 후 anammox7,8) 반응이 발견되고 획기적인 질소제거 방법으로 인정받으면서 아질산화 공정은 필수불가결한 전단 공정으로 자리 잡게 되었다.
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참고문헌 (30)

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