[논문]Mainstream ANAMMOX 공정 적용시 암모니아성 질소 대비 아질산성 질소 비율 도출 연구

이다원; 이지원; 길경익

doi:10.17663/jwr.2021.23.1.60

[국내논문] Mainstream ANAMMOX 공정 적용시 암모니아성 질소 대비 아질산성 질소 비율 도출 연구
Determination optimal ratio of ammonium to nitrite in application of the ANAMMOX process in the mainstream 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.23 no.1, 2021년, pp.60 - 66

이다원 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) , 이지원 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과) , 길경익 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과)

초록
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도시화와 산업화로 인해 하수처리장으로 유입되는 하수 내 질소 농도가 증가함에 따라 부영양화 발생, 수생태계에 독성을 미치는 등의 악영향의 정도 또한 증가하고 있다. 고농도의 질소가 포함된 하수를 처리하기 위해 생물학적 질소 제거 공정에 대한 연구가 다방면으로 진행되고 있다. 기존의 생물학적 질소 제거 공정에 있어 산소공급과 외부탄소원 보충에 따른 상당한 비용이 요구된다. 이러한 측면에서 경제적인 개선이 이루어진 고도의 질소 제거 공정이 요구됨에 따라 최근 기존의 질산화·탈질 공정 보다 효율적이고 경제적인 혐기성 암모늄 산화 공정(ANaerobic AMMonium OXidation, ANAMMOX)이 제안되었다. 본 연구에서는 수처리공정에서의 ANAMMOX 공정의 안정성을 확인하고, Mainstream ANAMMOX 공정구현을 위한 암모니아성 질소(NH4+) 대비 아질산성 질소(NO2-) 비율을 도출하는데 목적이 있다. 선행연구에서 제시된 기질비율을 바탕으로 산정한 비율을 적용해 실험실 규모의 Mainstream ANAMMOX 반응조를 운전하였다. Initial 구간에서 NH4+ 제거효율은 58~86%, 평균 제거효율은 70%였다. Advanced 구간에서 NH4+ 제거효율은 94~99%, 평균 제거효율은 95%였다. 연구 결과 NH4+/NO2- 비율이 증가함에 따라, Mainstream ANAMMOX 공정의 안정성이 확보되어 NH4+ 제거효율 및 총질소(TN) 제거효율이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 결과적으로, 본 연구결과는 이후 수처리공정에서의 ANAMMOX 공정 적용과 공정 안정성 확보에 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the concentration of nitrogen in the sewage flowing into the sewage treatment plant increases due to urbanization and industrialization, the degree of adverse effects such as eutrophication and toxicity to the aquatic ecosystem is also increasing. In order to treat sewage containing high concentration of nitrogen, various studies on the biological nitrogen removal process are being conducted. Existing biological nitrogen removal processes require significant costs for supplying oxygen and supplementing external carbon sources. In this respect, as a high-level nitrogen removal process with economic improvement is required, an anaerobic ammonium oxidation process (ANAMMOX), which is more efficient and economical than the existing nitrification and denitrification processes, has been proposed. The purpose of this study is to confirm the stability of the ANAMMOX process in the water treatment process and to derive the ratio of ammonia nitrogen (NH4+) to nitrite nitrogen (NO2-) for the implementation of the mainstream ANAMMOX process. A laboratory-scale Mainstream ANAMMOX reactor was operated by applying the ratio calculated based on the substrate ratio suggested in the previous study. In the initial range, the removal efficiency of NH4+ was 58~86%, and the average removal efficiency was 70%. In the advanced range, the removal efficiency of NH4+ was 94~99%, and the average removal efficiency was 95%. As a result of the study, as the NH4+/NO2- ratio increased, the stability of the mainstream ANAMMOX process was secured, and it was confirmed that the NH4+ removal efficiency and the total nitrogen (TN) removal efficiency increased. As a result, the results of this study are expected to be used as basic data in the application of the ANAMMOX process in the mainstream.

Keyword

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of laboratory scale Mainstream ANAMMOX reactor.
표 Table 1. NH₄⁺/NO₂^- ratio reported in literatures
표 Table 2. Influent concentration of ammonium and nitrite by range
그림 Fig. 2. Operation result of laboratory scale ANAMMOX reactor.
그림 Fig. 3. Reduction efficiency by range
표 Table 3. Influent concentration of ammonium and nitrite by advanced range

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 저농도 질소 폐수에 ANAMMOX 공정을 적용해 얻은 반응조 운전 결과를 바탕으로 진행되었다. 기존의 ANAMMOX 연구는 대부분 고농도 질소 폐수를 대상으로 이뤄지고 있으며, 공정의 안정성 또한 다수 확인되었다.
기존의 ANAMMOX 연구는 대부분 고농도 질소 폐수를 대상으로 이뤄지고 있으며, 공정의 안정성 또한 다수 확인되었다. 그에 비해 저농도 질소 폐수를 대상으로 한 연구는 아직 시작단계에 머물러 있다는 점에서, 본 연구는 저농도 질소 폐수에서의 ANAMMOX 공정의 안정성을 확인하고 나아가 ANAMMOX 공정의 성능개선을 도모할 수 있는 연구방향을 제시할 수 있다는 의의를 가진다.
1.00에서 1.30의 비율을 적용한 ANAMMOX 반응조 운전 결과를 바탕으로 질소 제거효율이 높은 암모니아성 질소(NH₄ ⁺) : 아질산성 질소(NO₂^-) 비율을 도출하여 Mainstream ANAMMOX 공정 구현과 ANAMMOX 공정의 성능개선에 기여하고자 하였다.
저농도 질소 폐수를 대상으로 ANAMMOX 공정의 안정성 확보와 동시에 연구를 통해 확인하고자 하는 것을 보다 정확하게 실현하기 위해 본 연구에서는 합성폐수를 이용하여 실험실 규모 반응조를 운전하였다.
본 연구에서는 질소 제거효율이 높고 안정적인 암모니아성 질소(NH₄ ⁺) : 아질산성 질소(NO₂^-) 비율을 도출하고자 Mainstream ANAMMOX 반응조를 운전하였으며, 결과는 다음과 같다.

제안 방법

구간별 적용할 암모니아성 질소(NH₄⁺)와 아질산성 질소 (NO₂ ^-)의 비율 선정은 선행연구에서 제시된 비율을 참고하여 진행하였다. ANAMMOX 반응의 화학양론식은 식(2.
총 2개의 구간으로 각각 Initial range(I.R.)와 Advanced range(A.R.)이며, 구간의 목적에 맞게 1.00부터 1.30의 비율 또한 1.00부터 1.14, 1.15부터 1.30으로 나누어 적용하였다.
저농도 질소 폐수를 대상으로 하기 때문에 유입 NH₄⁺농도를 34~50mg/L 사이로 설정하였다. 구간별로 설정한 NH₄⁺/NO₂^- 비율과 앞서 설정한 NH₄⁺농도를 기반으로 유입 NO₂^-농도를 조절하였다. 각 구간의 평균 유입 NH₄⁺농도는 39.
ANAMMOX 공정을 구현하기 위해 삼각플라스크와 원통형 아크릴 반응조를 이용하였다. ANAMMOX 반응조는 열선을 이용해 30~35℃의 일정한 온도를 유지하도록 하였다.
아크릴 반응조를 이용하였다. ANAMMOX 반응조는 열선을 이용해 30~35℃의 일정한 온도를 유지하도록 하였다. 2 차 침전지를 제외한 모든 반응조에 교반기를 함께 배치해 완전 혼합 상태를 확보하고, 균일한 수질을 유지하였다.
제거효율이 높고 안정적인 NH₄⁺/NO₂^- 비율 도출을 위해 Advanced 구간에 적용한 비율을 다시 한 번 세부적으로 구분하였다. 총 4개 구간이며, Advanced range 1(A.
3) NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-의 유출농도 뿐만 아니라 총질소에 있어서도 Initial 구간보다 Advanced 구간에서의 농도가 낮게 확인되어, Advanced 구간에 적용한 비율을 토대로 적절한 NH₄⁺/NO₂^- 비율 도출을 시도하였다. 그 결과 총질소 제거효율 비교 결과에서는 4구간 모두에서 비슷한 제거효율이 보였으나, NH₄⁺제거효율 비교 결과에서는 A.

성능/효과

결과적으로, 본 연구에서 아질산성 질소(NO₂^-)와 암모니아성 질소(NH₄⁺)의 비율에 따른 ANAMMOX 공정의 안정성을 확인하였다. 1.
Table 1은 앞선 선행연구에서 제시된 NH₄⁺/NO₂^- 비율을 나타낸다. 이를 바탕으로, 양론적으로 제시된 비율과 선행연구에서 제시된 비율에 대한 ANAMMOX 반응을 확인하고, Mainstream ANAMMOX 공정 적용에 있어 가장 적절한 비율을 파악하기 위해, ANAMMOX 반응조 운전에 있어 전체적으로 1.00에서 1.30의 비율을 적용하였다.
Initial 구간(I.R.) 후반부터 Advanced 구간(A.R.)까지의 운전 결과를 통해 NH₄⁺/NO₂^- 비율이 커질수록 안정적으로 질소가 제거되는 것이 확인되었다.
55mg/L였으며, 안정적으로 질소가 제거되는 것을 확인하였다. Initial 구간보다 NH₄⁺의 유출농도가 낮게 나타나 Advanced 구간에 적용한 비율에서 제거효율이 안정적이고 높아, 공정의 안정성을 확보할 수 있는 NH₄⁺/NO₂^- 비율이 도출될 가능성을 확인하였다.
25mg/L였다. NH₄⁺, NO₂^-, NO₃^-의 유출농도를 통해 확인된 것과 마찬가지로, Advanced 구간은 안정적으로 질소가 제거되어 저농도 질소 폐수에 대해 ANAMMOX 공정의 안정성이 확보되었음을 알 수 있었다.
전체적으로 Initial 구간보다 Advanced 구간에서의 농도가 낮게 확인되어, Advanced 구간에 적용한 비율을 토대로 제거효율이 안정적이고 높은 NH₄⁺/NO₂^- 비율 도출을 시도해야 한다고 판단했다.
1 구간의 경우, NH₄⁺제거효율은 89~99%였으며, 평균 93%의 제거효율을 보였다. Initial 구간보다 향상된 제거효율을 보였으나, 세부적으로 구분한 Advanced 구간 중 가장 낮은 제거효율을 나타냈다. A.
4 구간의 경우, NH₄⁺제거효율은 92~97%로 가장 안정적인 제거효율을 보였다. 또한, 평균 95%의 높은 제거효율이 확인되었다. 총질소 제거효율 비교 결과, 평균 제거효율이 전 구간에 대해 94%, 95%, 95%, 95%로 모든 비율에서 비슷한 제거효율을 보였다.
또한, 평균 95%의 높은 제거효율이 확인되었다. 총질소 제거효율 비교 결과, 평균 제거효율이 전 구간에 대해 94%, 95%, 95%, 95%로 모든 비율에서 비슷한 제거효율을 보였다.
이를 통해, NH₄⁺와 총질소 제거효율 비교를 바탕으로 ANAMMOX 공정 구현과 공정의 안정성 확보가 가능한 NH₄⁺/NO₂^- 비율은 안정적이고 높은 제거효율을 보인 비율 1.25~1.30인 것을 알 수 있었다.
1) 선행연구에서 제시된 비율을 바탕으로 선정한 비율로 운전한 두 구간에 대한 반응조 운전 결과 NH₄⁺/NO₂^- 비율이 커질수록 안정적으로 질소가 제거되는 것이 확인되었다.
2) 1.00~1.30의 비율에서 1.15부터 1.30 사이의 비율을 적용한 Advanced 구간에서 안정적으로 질소가 제거되는 것을 확인함으로써 저농도 질소 폐수를 대상으로 하는 수처리 공정에 대해 ANAMMOX 공정의 안정성이 확보되었음을 알 수 있었다.
비율 도출을 시도하였다. 그 결과 총질소 제거효율 비교 결과에서는 4구간 모두에서 비슷한 제거효율이 보였으나, NH₄⁺제거효율 비교 결과에서는 A.R.4 구간이 평균 95%의 높은 제거효율과 92~97%의 안정적인 제거효율을 보였다.
4) Mainstream ANAMMOX 공정 운전에 있어 ANAMMOX 공정 구현과 공정의 안정성 확보를 위한 가장 적절한 비율은 A.R.4 구간에 해당하는 비율 1.25~1.30으로 판단된다.

후속연구

5) 결과적으로 본 연구결과는 이후 수처리공정에서의 ANAMMOX 공정 적용을 위한 Mainstream ANAMMOX 공정 구현과 안정성 확보를 통한 ANAMMOX 공정의 성능개선에 있어 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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