초록 ▼

개발 목적 및 필요성
낮은 C/N비를 갖는 폐수에서의 고농도 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 기술개발이 필요하다. 해외의 경우 반류수 처리를 위한 적용사례가 증가하고 있으며, 국내에서도 반류수 처리공정의 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 하수처리장 소화슬러지 탈리액에 존재하는 고농도의 질소를 처리하기 위하여 미생물 그래뉼을 이용한 고효율 질소제거 공정을 개발하고자 하였으며, 실증화 연구를 통해 사업화에 필요한 설계/운영인자 도출을 하고자 하였다. 국내실정 및 운영여건을 고려한 독자적인 기술개발 및 운영 노하우를 축적하여

개발 목적 및 필요성
낮은 C/N비를 갖는 폐수에서의 고농도 질소를 효율적으로 제거할 수 있는 기술개발이 필요하다. 해외의 경우 반류수 처리를 위한 적용사례가 증가하고 있으며, 국내에서도 반류수 처리공정의 개발이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 하수처리장 소화슬러지 탈리액에 존재하는 고농도의 질소를 처리하기 위하여 미생물 그래뉼을 이용한 고효율 질소제거 공정을 개발하고자 하였으며, 실증화 연구를 통해 사업화에 필요한 설계/운영인자 도출을 하고자 하였다. 국내실정 및 운영여건을 고려한 독자적인 기술개발 및 운영 노하우를 축적하여 환경기술의 해외 종속화를 방지하고 사업화를 진행하고자 하였다.

연구개발 결과
그래뉼 슬러지에 고농도로 농축배양한 아질산화 미생물을 주입 후 연속회분식 반응기를 통해 그래뉼 슬러지 표면에 아질산화 미생물들이 부착하는 방법을 확보하였고, 대량생산 설비를 이용하여 실증시설에 아질산 및 아탈질을 위한 그래뉼 슬러지를 각각 40톤씩 투입하였다.

아질산조 HRT 1일과 아탈질조 HRT 0.5일의 조건에서 아질산 및 아탈질 반응조 각각의 질소제거율은 1.07kgN/m³/d, 1.82kgN/m³/d를 나타내었으며, 제거효율은 평균 99.58±0.289%로 나타났고, 실증시설의 설계인자를 도출하였다.

실증시설은 유입수의 부족한 알칼리를 이용하여 운전한 조건과 알칼리제를 외부에서 투입한 운전조건의 유입량은 각각 평균 103.5m³/d, 102.2m³/d로 운전되었으며, T-N 제거효율이 각각 92.9% 및 93.5%를 달성하여 총질소 제거효율 90% 이상을 만족할 수 있었다. 특히 처리수 순환조건 및 알칼리제 투입조건은 동절기(15년 11월∼16년 4월)에 평가되어 동절기에도 90% 이상의 안정적인 제거효율을 달성하였다. 알칼리제를 투입한 조건에서는 아질산 및 아탈질조 각각의 질소제거율은 0.67kgN/m³/d, 1.23kgN/m³/d를 확보하였다.

실증시설 운영결과 기존 질산화 알칼리도 소요량에 비해 약 6%를 절감하였고, 아탈질에 소모된 유기물은 약 34%를 절감하는 것으로 나타났다. 추가적으로 송풍량을 절감하여 운전한 결과 최종적으로 3.45±0.14kgO₂/kgNH₄-N의 산소 소비율이 도출되었으며, 이는 아질산화 이론적 산소소비량과 유사하여, 기존 질소처리공정 대비 산소소비율을 25% 절감할 수 있는 것으로 평가되었다.

기존 질산화-탈질공정 대비전력량 43%, 외부탄소원 34% 및 알칼리제 6%의 절감에 따라 본 개발기술을 반류수 처리에 적용할 경우 질산화-탈질 기술에 대비하여 총 유지관리비를 최대 28% 절감할 수 있으며, 부지면적도 55%정도 절감하여 초기 투자비를 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.

운전조건을 변경하여 부분아질산화를 진행한 결과, 체류시간 0.69일의 조건 및 질소 유입부하율 1kgN/m³/d의 조건에서 부분아질산화의 암모니아 산화율 목표인 55%(평가결과 54%)를 달성하였으며, 산화된 암모니아의 94%가 아질산성 질소로 전환되어 처리수 NO₂/NH₄ 비율 1.1을 달성하여 후단의 혐기성 암모늄산화 공정에 필요한 유입비율을 확보하였다. 제거된 단위 암모니아량당 소요된 산소량은 1.97±0.12kgO₂/kgNH₄-N으로 질산화 대비 약 57%를 절감하고, 아질산화 대비 43%를 절감하는 것으로 평가되었다.

추가적으로 연구를 수행한 혐기성암모늄산화 미생물의 경우 국내 가축분뇨 슬러지에서 혐기성암모늄산화 미생물의 우점화를 수행하였으며, 최종적으로 질소제거율로서 1.2kgN/m³/d의 속도를 도출하였다. 또한 미생물 분석 결과 Candidatus Brocadia sinica가 절대적인 우점도가 높은 것으로 분석되었으며, 고부하로 운전되는 조건에서는 상기 미생물의 적용이 유리할 것으로 판단되었다.

혐기성암모늄산화 미생물의 배양조(20L)를 운전한 결과, NLR 1.4kgN/m³/d 및 NRR 1.2kgN/m³/d을 나타내었으며, 이때 질소제거효율 85.7%를 나타내었다. 배양조의 운전기간 동안 제거된 암모니아성 질소 대비 제거된 아질산성 질소의 평균비율(NH₄-N : NO₂-N)은 1 : 1.21로 나타났으며 문헌에 보고된 소모비율(1:1.26)과 유사한 범위 내에서 진행되었으며 이를 통해 적절한 혐기성암모늄 산화반응이 일어나고 있음을 확인할 수 있었다.

반응조 내 아질산성 질소의 농도가 50mgL를 초과하여 계속 증가될 경우 혐기성암모늄산화 미생물의 활성이 저하되어 제거효율이 60%로 나타남을 확인할 수 있었다. 따라서 유입 총질소를 고농도로 상승시킬 시 반응조 내 잔류하는 NO₂-N 농도를 고려하여 운전을 해야만 할 것으로 판단되었고 미생물 배양 및 운전에 필요한 인자 및 노하우를 확보할 수있었다.

성능사양 및 기술개발 수준
총 질소제거효율 90%이상을 달성함과 동시에 기존 질산화-탈질공정 대비 전력량 43% 및 외부탄소원 35% 절감에 따라 총 유지관리비를 최대 40% 절감하고, 부지면적도 55%정도 절감하여 초기 투자비를 절감할 수 있는 고효율의 질소처리 기술로 반류수 관련사업 경쟁력 확보

활용계획
고농도 반류수 처리 기술로 국내의 하수슬러지 감량화 사업수주를 통해 사업화를 달성하였고, 이를 바탕으로 본 과제에서 개발된 차별화된 순수 국산기술의 사업화 모델을 바탕으로 국외의 소화슬러지 폐액 처리 기술에도 본 사업화 모델을 적용하여 국내 환경기술의 해외시장을 진출을 계획

(출처 : 요약서 2p)

Abstract ▼

Ⅳ. Results
First, in this study, the cultivation of nitritation-denitritation grannule sludge were performed to treat of digester sludge supernatant contained by high-concentration nitrogen. The method to cultivate for granule sludge were constructed using aerobic granule sludge air-lift reactor.

Ⅳ. Results
First, in this study, the cultivation of nitritation-denitritation grannule sludge were performed to treat of digester sludge supernatant contained by high-concentration nitrogen. The method to cultivate for granule sludge were constructed using aerobic granule sludge air-lift reactor. Using these methods, a mount of 40m³ nitritation-denitritation granule sludge were inoculated in nitritation-denitritation reactors for the treatment of the sludge supernatant.

The nitrogen loading rate(NLR) were 0.67±0.043kgN/m³/d when the hydraulic retention time(HRT) of nitritation reactor was 1 day and HRT of denitritation reactor was 0.5 day. And the nitrogen removal rate(NRR) were 1.07kgN/m³/d and 1.82kgN/m³/d in the nitritation and denitritation reactors, respectively. Using these results, design of pilot plant for treatment of digester sludge supernatant was performed.

The average flow rate in the pilot plant were 103.5m³/d and 102.2m³/d in the sufficient alkalinity(alkalinity injection) and insufficient alkalinity conditions. And the T-N removal rate was satisfied with 92.9% and 93.5%, respectively. Especially, T-N removal rate in the winter season(15.11 ~ 16.04) was satisfied with 90%. The NRR of the nitritation and denitritation reactors in the sufficient alkalinity condition were 0.67kgN/m³/d, 1.23kgN/m³/d, respectively.

The consumption ratio of alkalinity for the nitritation process was 6.73±0.32kgCacO₃/kgNH₄-N, and shown to save about 6% rather than the conventional nitrification process. In the denitritation process, the consumption ratio of carbon source(2.45kgSCOD/kgNOx-N) was shown to save about 34% rather than the conventional denitrification process(3.7kgSCOD/kgNOx-N).

Additionally, oxygen demand ratio for nitrification process was presented about 3.45±0.14kgO₂/kgNH₄-N which was to save about 25% rather than the conventional nitrification process. Therefore, the nitritation-denitritation process is expected to save for chemical demands(additional alkalinity and carbon source) and energy consumption compared to conventional nitrification-denitrification process.

The granule sludges that were related to nitritation process directly were analyzed to dominate about 10% of granule sludges in the nitritation reactor that has size of 0.1~0.2mm. It was shown that AOB fractions in the granule sludges of our study had double times of AOB fractions compared to the conventional activated sludge.

The granule sludges that were related to denitritation process directly were analyzed to dominate about 29.48% and 3.21% of granule sludges in the denitritation reactor, and that has size of 0.2~0.4mm because of external carbon source effects.

As economic analysis results for comparing with nitritation-denitritation process and conventional nitrification-denitrification process, when nitritation-denitritation process that is a new business model for anaerobic digestor supernatant is applied to treat a anaerobic digestor supernatant, it can save the 40% of the cost for operation and management because of the reduction of the 43% of electric consumption and 35% of carbon source compared to conventional nitrification denitrification process. Additionally, it is expected to save for 55% the required site area that conventional process.

Secondly, the partial nitritation process was assessed to reduce a HRT condition that performed in nitritation process. As a result to change a operation condition to perform partial nitritation process, the condition that presented to 0.69 day of HRT in the partial nitritation process was shown to the result that the half ammonia in the influent supernatant was converted to nitrous in the 1kgN/m³/d of NLR. As a result, we performed that the partial nitritation process(the ratio of NO₂/NH₄ is 1.1) was shown as the influent of anaerobic ammonium oxidation process.

The oxygen demand ratio for the partial nitrification process was presented about 1.97±0.12 kgO₂/kgNH₄-N which was to save about 43% rather than the nitritation process that was the previous performed study.

Lastly, the cultivation of anaerobic ammonium oxidation in the domestic livestock sludge(Sacheon livestock treatment plant) was performed for 200 days. The NRR was 1.2 kgN/m³/d and it had that the specific nitritation rate(SNR) of cultivated anaerobic ammonium oxidation biomass in the domestic livestock sludge was double times compared to other previous studies. It was shown that the possibility of cultivation in the domestic livestock sludge. We noticed that the anaerobic ammonium oxidation bacterium "Candidatus Brocadia sinica" have been dominated in the conditions contained by high-concentration nitrogen compared to other anaerobic ammonium oxidation bacterium. Therefore, we make a decision that "Candidatus Brocadia sinica" apply to the conditions of the digester sludge supernatant contained by high-concentration nitrogen.

As a operation result of the anaerobic ammonium oxidation process, the NLR and NRR was 1.4kgN/m³/d and 1.2kgN/m³/d, respectively that has 85.7% of nitrogen removal rate. Through the cultivation of the anaerobic ammonium oxidation process for 5 months, it could check the anaerobic ammonium oxidation biomass was increased to be treated up to capacity of 2m³/d(the concentration of T-N was 500 mgN/L) from 20L of anaerobic ammonium oxidation biomass.

The stoichiometric ratio of the consumed NO₂-N to the consumed NH₄-N (Δ NO₂-N / ΔNH₄-N) was 1.21. This stoichiometric ratio are close to theoretical value of 1.32 for ΔNO₂-N / ΔNH₄-N, indicating anaerobic ammonium oxidation process was reponsible for nitrogen removal in the reactor. The nitrogen removal rate was decreased to 60% when the residual NO₂-N concentration was increased to 50mg/L. This is probably due to the toxicity of the residual nitrite concentration in the reactor. Therefore, the residual NO₂-N concentration in the reactor is important when the anaerobic ammonium oxidation process was operated.

(출처 : SUMMARY 12p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 서 ... 2
• 요 약 문 ... 6
• SUMMARY ... 11
• 목차 ... 16
• 표목차 ... 19
• 그림목차 ... 21
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 24
• 1-1. 연구개발 목적 ... 24
• 1-2. 연구개발의 필요성 ... 26
• 1-3. 연구개발 범위 ... 28
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 29
• 2-1. 해외 기술개발 동향 ... 29
• 가. 아질산/아탈질 기술개발 및 실증화 설치 ... 29
• 나. 혐기성암모늄산화 공정의 기술개발 및 실증화 설치 ... 31
• 2-2. 국내 기술개발 동향 ... 33
• 3. 연구수행내용 및 결과 ... 36
• 3-1. 연구개발내용(범위) 및 최종목표 ... 36
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 36
• 나. 연도별 연구개발의 목표 및 내용 ... 36
• 3-2. 연구개발 결과 및 토의 ... 38
• 가. 아질산-아탈질 미생물 그래뉼을 이용한 고농도 질소제거 시스템 개발 ... 38
• 나. 부분 아질산화 효율 평가 ... 104
• 다. 혐기성암모늄산화 공정 개발 ... 110
• 3-3. 연구개발 결과 요약 ... 139
• 가. 아질산-아탈질 미생물 그래뉼을 이용한 고농도 질소제거 시스템 개발 ... 139
• 나. 부분 아질산화 효율 평가 ... 142
• 다. 혐기성암모늄산화 공정 개발 ... 142
• 4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 144
• 4-1. 목표달성도 ... 144
• 가. 연구개발목표 달성도 ... 144
• 나. 성과목표 달성도 ... 146
• 4-2. 관련분야 기여도 ... 148
• 가. 기술적 측면 ... 148
• 나. 환경적 측면 ... 148
• 다. 경제적·산업적 측면 ... 149
• 라. 일자리 창출 측면 ... 149
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 151
• 5-1. 국내 사업화 매출 확대 방안 ... 151
• 5-2. 해외 사업화 전략 ... 151
• 5-3. 과학기술적 성과(SCI, 특허등록, 신기술 인·검증) 창출 계획 ... 152
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술 정보 ... 153
• 7. 연구개발결과의 보안등급 ... 154
• 8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 155
• 9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 156
• 10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 157
• 11. 기타사항 ... 158
• 12. 참고문헌 ... 159
• 부록 ... 162
• 가. 운전매뉴얼 ... 162
• 나. 유지관리지침서 ... 184
• 끝페이지 ... 196