초록 ▼

1.생물학적 탈질 공정의 개발
가. 고효율 미생물 반응기의 구성 및 개발
고농도 질산성 질소를 효율적으로 처리하기 위해서는 미생물 담체를 이용한 고효율의 반응기 구성이 무엇보다도 중요하다. 가장 운전비가 적게 소요되는 고정상식 미생물 반응기는 처리속도 및 효율은 상당히 좋은 편이지만 폐수에 함유된 공존이온의 영향으로 쉽게 폐색되는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 고효율의 처리를 수행하기 위한 대안으로서 moving - bed 반응시스템을 적용하여 반응기의 성능 테스트를 수행하였다. moving - bed 반응기

1.생물학적 탈질 공정의 개발
가. 고효율 미생물 반응기의 구성 및 개발
고농도 질산성 질소를 효율적으로 처리하기 위해서는 미생물 담체를 이용한 고효율의 반응기 구성이 무엇보다도 중요하다. 가장 운전비가 적게 소요되는 고정상식 미생물 반응기는 처리속도 및 효율은 상당히 좋은 편이지만 폐수에 함유된 공존이온의 영향으로 쉽게 폐색되는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 고효율의 처리를 수행하기 위한 대안으로서 moving - bed 반응시스템을 적용하여 반응기의 성능 테스트를 수행하였다. moving - bed 반응기의 장점으로는 고농도 미생물의 담지할 수 있고 생물막의 최대단점인 clogging과 같은 막힘 현상이 없으며 또한 기존의 설비를 그대로 사용하면서 처리효율을 증대시킬 수 있고 SBR(sequencing batch reactor)에 적용할 수 있는 등 타 생물막 반응시스템에 비교하여 폭넓은 장점 및 활용분야를 가지고 있다. Moving - bed 반응기에 사용되는 담체는 이미 상용화된 Kaldnes (폴리에틸렌 재질)가 대표적으로 본 연구에서도 이 담체와 실험실에서 자체 제조한 발포성 폴리우레탄- 활성탄 담체와의 처리효율을 비교하였다. 합성폐수를 대상으로 한 실험에서는 두 담체 모두 500mg/L의 질산성 질소를 4시간만에 약 85% 이상 처리하는 것으로 나타나 유사한 처리효율을 나타내었다. 최대 탈질효율은 200mg/L의 질산성 질소를 4시간 만에 평균 97%(처리수 6mg/L) 처리할 수 있는 우수한 성능을 나타내었다. 반면 750mg/L 이상의 질산성 질소는 71% 수준으로 나타나 500mg/L 이상의 유입수는 처리시간을 6시간으로 증가시켜주어야 하는 것으로 나타났다. 스테인레스의 폐수의 특징인 고농도 칼슘(200mg/L 이상) 이 첨가된 폐수 조건에서는 처리 효율이 폴리우레탄- 활성탄의 담체가 Kaldnes 담체에서보다 15% 이상 잘 처리되는 것으로 나타났다. 특히 칼슘농도가 400mg/L 이상에서 폴리우레탄 - 활성탄 담체의 처리효율은 98% 수준을 유지하는 등 칼슘이 없는 합성폐수보다 15- 20% 수준의 향상을 나타내었다. 이러한 차이는 칼슘이 폴리우레탄 담체에서 보다 미생물의 흡착성을 증가시키는 것으로 판단되며 대장균의 부착 실험에서도 이를 확인할 수 있었다. 폴리우레탄- 활성탄(PU- AC) 담체를 사용한 moving - bed 반응기를 이용하여 실폐수(질산성질소 340mg/L, 칼슘농도 약 500mg/L) 에 적용한 결과 처리수의 총질소는 약 19mg/L 로서 처리효율은 약 95% 수준이었다. MLVSS/MLSS 는 한달 후 30% 이하로 감소되었으나 처리효율에는 영햐을 미치지 않았다.
나 . 담체의 탈질효율 평가
폴리우레탄 담체의 보조성분을 활성탄이외에 제올라이트, 양이온교환수지, 그리고 점토성분을 첨가하여 제조한 후 탈질효율을 측정한 결과 폴리우레탄- 활성탄(PU- AC)의 경우가 가장 탈질 효율이 높게 나타났으며 폐타이어- 활성탄 담체보다 미생물 부착도가 2배나 높은 값을 나타내었다.
다. Pilot test
일 처리규모 2톤의 질산성 질소를 처리할 수 있는 pilot tester를 제작하여 2개월간 운전한 결과 체류시간 4 - 6시간범위에서 처리수의 질산성질소 농도는 10 mg/L 이하로 안정되게 유지되었으며 처리효율은 95% 이상이었다. 유입되는 원수에 포함되어있는 총질소는 350 - 650 mg/L 수준이었으며 pH는 5.5- 6.5 범위였다.
PU- AC 담체의 충진률은 20% 로 하였으며 MLSS는 1000 - 3000 사이로 유지하였다. 그러나 실제로는 축적된 칼슘의 영향으로 대부분의 슬러지는 칼슘이 대부분을 차지하고 있어 MLVSS는 17- 20% 사이를 나타내었다. 테스트 결과를 바탕으로하여 반응조, 침전조, 유량조정조, 운전자동화에 대한 설계 및 운전기술을 확보할 수 있었다.
2. 분리막을 이용한 질산성 질소와 불소의 제거
가. 분리막의 선택 및 탈질 변수 최적화
질산성 질소의 제거율에는 분리막의 재질과 pH, 공존이온이 영향을 주는 것으로 나타났다. NT R729HF분리막의 경우 pH가 증가함에 따라 질산성 질소의 제거율은 증가하였고 공존이온 첨가 시 질산성 질소의 제거율은 급격하게 감소하였다. CPA2, ESPA1, LFC1 분리막에서 pH가 질산성 질소에 미치는 영향은 미미하였으며 세 분리막에서 질산성 질소의 제거율은 95%이상을 보였다. 칼슘이온이 800mg/L 첨가 되었을 경우 LFC1 분리막에서 질산성 질소의 제거율이 15%정도 감소하였다. 그러나 저압 분리막(ESPA1)경우 Ca이온이 질산성 질소의 제거율에 미치는 영향은 나타나지 않았다. 따라서 ESPA1 분리막을 적용하는 것이 칼슘의 영향을 받지 않고 질산성 질소를 안정하게 처리할 수 있었다.
나. 저압분리막의 실폐수 적용
파일럿 규모의 실폐수 적용을 위한 저압 분리막(ESPA1)을 장기간 적용시 분리막의 운전조건은 질산성 질소의 제거율 및 분리막오염에 영향을 미쳤으며 유입수를 교환하여 반응조에서 질산성 질소의 농도 및 배경이온으로 존재하는 칼슘이온을 일정하게 유지하여 scale 물질인 gypsum형성을 억제하였으며 투과수에서 질산성 질소의 농도를 15mg/L이하로 유지할 수 있었다.
다. 생물학적 공정과 분리막의 혼성공정의 제거효율 평가
생물학적 공정과 분리막의 혼성공정 중 생물학적 처리의 후단공정으로 분리막 공정의 적용가능성에 대해서 연구한 결과 생물학적 처리수에 포함된 폴리머성분으로 인하여 flux가 급격히 감소하였다. 따라서 혼성공정은 생물학적 처리 전단으로 구성되거나 별도의 기술로 구성되어야한다. 이를 위하여 불소에 대한 분리막의 특성을 연구한 결과 ESPA1 등 3 분리막 모두 고효율의 처리를 나타내었다.
라. 경제성 평가
분리막의 경제성 평가는 hydranautics 사의 RO Design 프로그램을 사용하였다. 처리 수질 기준으로 투과수에서 질산성 질소의 농도를 20 ppm 이하로 하였으며 장치 용량은 처리 용량 5000m3/day로 하였다. 계산결과 처리비용은 최저일 경우 330원/톤 수준으로서 비교적 상당한 경쟁력을 갖추고 있었다,
마. 영가철을 이용한 질산성 질소처리기술개발
기초연구로서 수행한 영가철을 이용한 질산성 질소의 제거 연구에 있어서는 초기 질산성 질소의 농도를 50, 100, 200 mg/L 로 맞추고, 각 농도별로 200mL의 nitr ate solution 당 5.0g의 산처리한 영가철을 투입하여 반응을 진행시킨 결과 100 mg $NO_3-N/L$ 이하의 농도는 반응 1시간 정도에서 완전한 제거율을 보였다.

Abstract ▼

As an introduction of total nitrogen regulation (<60mg/ L) in effluent water from 2003.1 in Korea, it is necessary to develop a denitrification process with high effciency and lowcost. Especially for stainless steel company, high content of nitrate is included ranging from 200 - 1000 mg/L as nitroge

As an introduction of total nitrogen regulation (<60mg/ L) in effluent water from 2003.1 in Korea, it is necessary to develop a denitrification process with high effciency and lowcost. Especially for stainless steel company, high content of nitrate is included ranging from 200 - 1000 mg/L as nitrogen basis. The development of denitrification process in this project is subdivided into two parts ; on is for development of biological process and the other is for one of memb ane process.
Biological denitrification was performed using polyurethane-activated carbon (PU-AC) media and moving - bed bioreactor. This system showed high efficiency in treating nitrate above 500 $NO_3-N$ mg/ L to below 10mg/L within 4- 6 hrs. Also, PU-AC media has more advantages over PE media such as Kaldnes media in high calcium content more than 300 mg/L. Kaldnes is famous and commercialized for moving - bed Treatment efficiency was shown 95% with PU- AC and 82% with PE media. PU- AC media also showed high denitrification potential compared with other media such as PU, PU-zeolite, PU-amberlit e. As compared with Bio-Sac which was made from waste tire and activated carbon, PU-AC media has more microorg anism on the surface of media. Pilot test was performed for 2 months instainless steel making company. Below 10mg/L level of nitrate nitrogen was kept during the test periods with the fluctuation of influent nitrogen ranging from 300 - 650 mg/L. From the experience of pilot test, various design and oper ational factors have been established. Application of RO membrane for the removal of nitrates from stainless steel wastewater (STS WW) containing high concentration levels of $NO_3-N$ (500 ∼ 1000 mg/L) is discussed.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 요약문...3
• SUMMARY...9
• CONTENTS...11
• 목차...12
• 제1장 서론...15
• 제1절 연구개발의 필요성...15
• 제2절 생물학적 탈질반응의 특성...16
• 1. 동력학적 특성...17
• 2. 탈질화반응의 영향인자...21
• 가. 온도...21
• 나. pH와 알칼리도...21
• 다. 용존산소...22
• 라. COD/N 비...23
• 마. 탄소원...23
• 제3절 소석회를 사용한 불소 제거...23
• 제4절 분리막을 이용한 여과기술...28
• 1. 막의 정의...29
• 2. 막의 분류...29
• 3. 막분리의 이용 분야...31
• 4. 정밀여과법 (Microfiltration)...32
• 5. 한외여과법 (Ultrafiltration)...33
• 6. 나노여과 (Nanofiltration)...33
• 7. 역삼투법 (Reverse osmosis )...34
• 8. 막분리 공정의 특징...35
• 9. 막의 여과 방식...35
• 10. 분리 추진력...37
• 11. 막오염 (membrane fouling)...42
• 12. 여과모델...44
• 13. 막오염의 구분...49
• 14. 막오염의 원인...51
• 15. 막오염의 제어...54
• 16. 멤브레인 재료...60
• 17. 멤브레인 공정의 장단점...64
• 제2장 국내외기술개발현황...66
• 제1절 일본 스테인레스업계의 동향...66
• 1. 법규의 강화...66
• 2. 일본 스테인레스 업계의 처리 현황...66
• 가. 나고야 금속공업의 의보제조소...66
• 나. 신일본 제철 광제철소...68
• 다. 일신제강...68
• 제2절 독일(Thyssen)의 현황...69
• 제3장 연구개발수행내용 및 결과...70
• 제1절 재료 및 방법...70
• 1. 생물학적 탈질 반응 시스템...70
• 가. 탈질 실험장치...70
• 나. 분석 방법...71
• 2. 폴리우레탄 담체의 제조방법...73
• 3. 분리막을 이용한 질소처리공정...75
• 가. 막분리 장치의 제작...75
• 나. 막분리 장치의 운전 및 실험 방법...75
• 제2절 결과 및 고찰...78
• 1. 생물학적 탈질공정의 개발...78
• 가. 담체의 특성...78
• 나. 탈질반응에서의 최적 pH...83
• 다. Moving-bed reactor를 이용한 탈질 반응...83
• 라. Moving-bed 반응기의 구성 및 탈질성능 평가...100
• 마. 실폐수의 적용 테스트...116
• 바. PU 담체별 특성연구...120
• 사. 파일럿 테스트...142
• 아. 슬러지의 특성 및 SBR 적용성...153
• 2. 물리화학적방법을 이용한 고농도 질산성 질소처리...162
• 가. 분리막 선택을 위한 연구...163
• 나. 분리막별 투과유량...164
• 다. pH의 영향...174
• 라. 질산성 질소 농도의 영향...176
• 마. 공존이온의 영향...179
• 바. 전처리 공정의 영향...182
• 사. 역삼투막을 이용한 실페수의 처리...187
• 아. 파일럿 규모의 실폐수 적용을 위한 연구...191
• 자. 생물학적/ 분리막 혼성공정에 의한 질산성 질소 처리 연구...202
• 차. 경제성 평가...209
• 카. 불소의 제거실험...222
• 3. 영가철을 이용한 질산성 질소의 처리...226
• 가. 산세척(acid-washing) 영가철의 준비...226
• 나. 질산성 질소의 제거 실험...227
• 4. 결론...232
• 가. 생물학적 탈질 공정의 개발...232
• 나. 분리막을 이용한 질산성 질소와 불소의 제거...234
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...237
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...239
• 제6장 참고문헌...240