KR20130111919A

KR20130111919A - 인 및 질소의 동시적 무산소 생물학적 제거

Info

Publication number: KR20130111919A
Application number: KR20127016694A
Authority: KR
Inventors: 유제니오 기랄도; 얀진 리우; 스와르나 무투크리쉬난
Original assignee: 아메리칸 워터 웍스 컴퍼니, 인크.
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-10-11
Also published as: SG181062A1; EG27126A; CN102753487B; MX345406B; IL220033A0; JP5961169B2; WO2012039814A1; CA2788817C; EP2496531A4; CL2012001408A1; EP2496530A4; MX2013001876A; CA2784929C; JP2013537107A; CA2784929A1; WO2012039931A1; JP2013537109A; US20120067816A1; CA2788817A1; JP5826850B2

Abstract

질소, 탄소 및 인을 동시에 제거하는 폐수 처리 방법 및 시스템이 제공된다. 본 방법은, 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 포함하여, 적어도 2개의 스트림을 수용하는 무산소 탱크를 포함한다. 이들 스트림은 무산소 탱크에서 혼합되어 인 방출 및 미립자 및 용존 유기 물질의 발효를 촉진한다. 혼합액을 낮은 용존 산소 농도를 갖는 통기 탱크로 옮겨 인-방출 박테리아의 성장을 촉진하며, 이를 결국 반환 활성화된 슬러지에 의해 무산소 탱크로 재순환시킨다. 통기 탱크에서 질화, 탈질화 및 인 방출이 동시에 일어난다. 막 탱크는 처리된 배출물을 막 탱크 안의 활성화된 슬러지로부터 분리한다.

Description

인 및 질소의 동시적 무산소 생물학적 제거 {SIMULTANEOUS ANOXIC BIOLOGICAL PHOSPHORUS AND NITROGEN REMOVAL}

폐수로부터 질소, 탄소 및 인과 같은 각종 성분을 제거하는 것은, 경우에 따라 폐수 처리 공정에 탄소원의 첨가를 필요로 하기도 하는 어렵고 고비용의 방법일 수 있다. 뿐만 아니라, 다수의 폐수 처리 방법에 사용되는 높은 용존 산소의 농도는 실질적으로 폐수 처리 플랜트의 에너지 사용 비용을 초래한다. 메탄올과 같은 탄소원이 예를 들어 질화 및 탈질화를 돕기 위해 무산소 탱크에서의 방법에 첨가될 수 있다. 또한, 통기 탱크는 생물학적 산소 요구량 (BOD) 및 암모니아의 산화를 촉진하기 위해 고농도의 용존 산소를 필요로 하기도 한다. 그러나 탄소원의 첨가 및 고농도의 용존 산소의 필요는 고비용이어서 폐수 처리 비용에 실질적으로 부담을 준다.

발명의 요약

본 발명의 실시양태는 본 요약이 아니라 이하의 청구항에 의해 정의된다. 본 발명의 다양한 측면의 수준-높은 개요를 그러한 이유에서, 본 개시의 개요를 제공하기 위해, 그리고 이하의 상세한 설명 부분에 상세히 기재되는 개념의 선택을 도입하기 위해, 본원에 제공한다. 본 요약은 청구된 주제의 주요 특성 또는 근본 특성을 정의하고자 하는 것도, 청구된 주제의 범위를 결정하기 위해 별도의 조력 수단으로 사용하고자 하는 것도 아니다.

제1 측면에서는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하는 폐수 처리 방법이 제공된다. 상기 방법은 무산소 조건 하에 작동하는 제1 탱크에 2개 이상의 스트림을 제공하는 것을 포함하며, 상기 2개 이상의 스트림은 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 포함한다. 상기 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 제1 탱크에서 혼합하여 혼합액을 형성함으로써, 인 방출 및 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질의 발효를 개시한다. 그 후 상기 혼합액을 미호기성 조건 하에 작동하는 제2 탱크로 옮긴다. 제2 탱크에서 용존 산소의 농도는 1.0 mg/l 미만이어서, 질화, 탈질화, 인 방출 및 인 흡수를 동시에 촉진한다. 또한, 상기 혼합액을, 처리된 배출물을 미생물을 함유하는 활성화된 슬러지로부터 분리하는 제3 탱크로 옮긴다. 활성화된 슬러지의 제1 분율은 반환 활성화된 슬러지로서 상기 제1 탱크로 반환된다.

제2 측면에서는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하는 폐수 처리 방법이 제공된다. 상기 방법은 플랜트 유입 폐수를 무산소 탱크에서 반환 활성화된 슬러지와 접촉시켜 혼합액을 형성하는 것을 포함한다. 상기 반환 활성화된 슬러지는 무산소 탱크에서 인 방출을 개시할 수 있는 박테리아를 함유한다. 상기 혼합액은 낮은 용존 산소 농도를 갖는 통기 탱크로 유동하여, 미립자 유기 물질과 용존 유기 물질의 발효를 가능하게 하며, 인-제거 박테리아의 성장에 유리한 조건을 제공한다. 상기 혼합액은 그 후 막 탱크로 유동하여, 활성화된 슬러지로부터 플랜트 배출물을 분리한다. 또한, 활성화된 슬러지의 일부는 반환 활성화된 슬러지로서 무산소 탱크로 재순환된다.

제3 측면에서는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하기 위한 폐수 처리용 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 수용하고, 무산소 조건 하에 작동하여 탈질화, 인 방출 및 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질의 발효를 촉진하는 제1 탱크를 포함한다. 제2 탱크는 상기 제1 탱크로부터의 혼합액을 수용한다. 제2 탱크는 1.0 mg/l 미만의 용존 산소 농도를 가져서, 제1 탱크 내에 수용되는 반환 활성화된 슬러지에 존재하는 인-방출 박테리아의 성장을 유효하게 촉진한다. 상기 반환 활성화된 슬러지에서 인-방출 박테리아는 제1 탱크 내 인 방출 및 미립자 유기 물질의 발효를 가능하게 한다. 활성화된 슬러지로부터 플랜트 배출물을 분리하는 제3 탱크가 구비되며, 그 활성화된 슬러지의 일부는 반환 활성화된 슬러지로서 제1 탱크로 재순환된다.

본 발명의 예시적 실시양태를 이하에 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하며, 여기에서:
도 1은 본 발명의 실시양태에 따르는 폐수 처리 방법의 개략도를 나타내고;
도 2는 본 발명의 실시양태에 따르는 별법의 폐수 처리 방법의 개략도를 나타내며;
도 3은 본 발명의 실시양태의 실시 결과로서 폐수 처리 플랜트에서 에너지 사용의 감소를 보여주고;
도 4는 본 발명의 실시양태가 폐수 처리 플랜트에서 실시될 경우 암모니아 및 인산염 둘 다의 감소를 보여주며;
도 5는 각 탱크에서 인, 용존 산소 및 질산염의 농도를 보여주는 막대 그래프를 나타낸다.

본 발명의 실시양태의 주제를 법정 요건에 부합하도록 여기에 구체적으로 기재한다. 그러나 본 설명 자체는 청구항의 범주를 반드시 제한하고자 의도되는 것은 아니다. 오히려, 청구된 주제는 본 문서에 기재된 단계들과 상이한 단계들 또는 유사한 단계들의 조합을, 다른 현재 또는 미래의 기술과 함께 포함하도록 구현될 수 있을 것이다. 용어는 개별 단계의 순서가 분명하게 기재되지 않는 한, 그리고 분명하게 기재된 경우 외에는, 본원에 개시된 다양한 단계들 중 임의의 특정 순서를 의미하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 폐수 처리 방법 (10)의 개략도를 보여준다. 더욱 구체적으로, 폐수 처리 방법은 플랜트 유입 폐수로부터 질소, 인 및 유기 물질을 동시에 제거하기 위한 에너지 및 비용 효율적 방법을 제공한다. 다수의 시스템이 외부의 탄소원 및 높은 수준의 용존 산소를 필요로 하지만, 본 발명의 실시양태는 그것들 중 하나를 필요로 하지 않으며, 사실상 폐수 처리 시스템에 전형적으로 사용되는 양에 비하여 매우 적은 양의 용존 산소 및 탄소를 필요로 한다. 예를 들어, 다수의 시스템은 인 제거 및 질소 제거를 위해 외부 탄소원을 필요로 하지만, 본 발명의 실시양태에서, 질소 제거는 거의 암모니아를 사용하기 때문에, 단지 최소량의 탄소만을 필요로 한다. 더 나아가서, 인 제거는, 단지 용존 탄소 또는 외부 탄소원을 이용하는 대신, 폐수에 존재하는 용존 및 미립자 탄소 (예, 미립자 유기 물질)를 이용한다. 도 1의 실시양태에서, 플랜트 유입 폐수 (12)로부터 질소, 인 및 유기 물질을 동시에 제거하기 위해 3개의 별도 탱크가 사용된다. 여기에서 사용되는 바, 플랜트 유입 폐수 (12)는 아직 처리되지 않은, 따라서 본원에 기재된 폐수 처리 시스템과 같은 폐수 처리 시스템으로 아직 진입하지 않은 원료 폐수이다.

도 1에 나타낸 제1 탱크는 플랜트 유입 폐수 (12) 및 반환 활성화된 슬러지 (14)를 포함하는, 적어도 2개의 스트림을 수용하는 무산소 탱크 (16)이다. 본원에서 더 논하는 바와 같이, 반환 활성화된 슬러지 (14)는 제3 탱크 또는 막 탱크 (20)로부터, 무산소 탱크 (16)와 같은 하나 이상의 다른 탱크로 재순환되는 활성화된 슬러지의 일부이다. 본원에서 사용되는, 활성화된 슬러지는 플랜트 배출물로부터 분리된 스트림이다. 상기 활성화된 슬러지 스트림은 질산염 및 용존 산소 외에, 미생물 매스를 함유한다. 상기 미생물 매스는 박테리아, 진균, 원생동물, 윤충 등을 포함하는 각종의 생물학적 성분을 포함한다. 유기영양 및 자가영양의 박테리아가 모두 활성화된 슬러지에 서식할 수 있지만, 유기영양 박테리아가 전형적으로 우세하다. 유기영양 박테리아는 새로운 세포의 합성을 위해 플랜트 유입 폐수 중 탄소질 유기 물질로부터 에너지를 얻는다. 이들 박테리아는 그 후 유기 물질을 이산화탄소 및 물과 같은 화합물로 전환시킴으로써 에너지를 방출한다. 활성화된 슬러지 중 자가영양 박테리아는 일반적으로, 세포 성장을 위해 이산화탄소와 같은 산화된 탄소 화합물을 감소시킨다. 이들 박테리아는, 질화로 알려진 바, 암모니아를 질산염으로 산화시킴으로써 에너지를 수득하며, 이는 본원에서 더 설명된다.

위에 언급한 바와 같이, 반환 활성화된 슬러지 (14)는 처리 공정의 마지막에 분리 단계 (예, 막 탱크 또는 막 생물반응기)에 의해 생성되는 활성화된 슬러지의 일부이다. 반환 활성화된 슬러지 (14)는 무산소 탱크 (16) 내로 재순환되고 그 탱크에 미생물 매스, 잔류 산소, 질산염 및 아질산염을 제공한다. 인 방출은 전형적으로, 질산염 및 용존 산소를 갖는 반환 활성화된 슬러지가 있는 무산소 탱크에서 일어나지 않지만, 본 발명의 실시양태에서, 인 방출은 무산소 탱크 (16)에서 일어난다는 점에 주목해야 한다. 인을 소비하도록 사용되는 박테리아가 상기 반환 활성화된 슬러지 (14)에도 존재하기 때문에 인 방출이 일어난다. 뿐만 아니라, 인 방출은 유입 폐수 중 존재하는 미립자 유기 물질의 활발한 가수분해 및 발효 조건으로 인하여 발생한다. 본원에서 사용되는 바, 가수분해는 박테리아 작용에 의해 중합체성 유기 물질이 단량체로 분해되는 것이다. 한 실시양태에서, 가수분해는, 그 도중에 화학 메카니즘의 과정에서 물의 분자가 수소 양이온과 수산화 음이온으로 분해되는 화학 반응을 의미한다. 이러한 반응 유형은 특정의 중합체를 분해하는 데 사용된다. 이와 같이, 인을 제거하기 위해 탄소원으로 단순히 용존 유기 물질을 사용하는 대신, 본 발명의 실시양태는 인 제거를 위한 탄소원으로 용존 및 미립자 유기 물질의 둘 다가 사용될 수 있게 한다. 통상적으로 미립자 유기 물질은 사용될 수 없지만, 본원에서 이는 발효되므로, 탄소원으로 사용될 수 있고, 따라서 외부 탄소원의 필요를 없앤다.

폐수에서, 유기 물질은 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질로 나타난다. 3 가지 주요 시험이 폐수 중 유기 물질을 측정하기 위해 사용된다. 이들은 생물학적 산소 요구량 (BOD), 총 유기 탄소 (TOC), 및 화학적 산소 요구량 (COD)을 포함한다. 용존 유기 물질과 달리, 미립자 유기 물질은 폐수에서 발견되는 현탁된 고체의 형태를 취한다. 본원에서 더 논하는 바와 같이, 미립자 유기 물질은 가수분해의 과정을 진행하여 미립자를 용해성 고체로 전환시키고, 따라서 본 발명의 실시양태를 사용할 경우 더 높은 인 제거율을 가능하게 한다.

인 방출 및 인 흡수는 인 축적 유기체 (PAO)가 세포내 과립 중에 에너지 비축물로서 폴리인산염을 저장하는 과정을 의미한다. 혐기성 조건에서, PAO는 오르토인산염을 방출하며, 간단한 유기물을 축적하고 그들을 폴리히드록시알카노에이트 (PHA)로 저장하는 데 에너지를 사용한다. 호기성 조건에서, 또는 적어도 약간의 산소가 존재하는 조건에서, PAO는 저장된 유기 물질 위에서 성장하며, 오르토인산염을 흡수하고 그를 폴리인산염로 저장하는 데 일부의 에너지를 사용한다. 이와 같이, PAO가 장차 성장하기 위해 탄소를 저장할 경우, PAO는 또한, 때로는 동시에, 인을 방출시킨다. PAO가 저장된 탄소를 사용할 경우, 이들은 인을 흡수한다. 본원에서 더 설명하는 바와 같이, 통기 탱크는 낮은 수준의 용존 산소를 갖지만 PAO는 여전히 인을 흡수한다. 산소가 존재할 경우, PAO는 탄소로부터 에너지를 얻을 수 있다. 그러므로 탄소가 풍부할 경우, PAO는 그들의 세포 내에 이를 저장하고, 산소가 존재하여 탄소를 성장 및 인 흡수에 사용할 수 있도록 하는 조건이 될 때까지 기다린다. 인산염은 그 후 활성화된 폐슬러지 (26)에서 제거되는데, 이는 일반적으로 무산소 탱크 (16)로 재순환되지 않는 활성화된 슬러지이다. PAO 개체군의 성장은 본원에서 더 논할 것이다. 무산소 탱크 (16)는 용존 산소가 거의 또는 전혀 존재하지 않지만, 질산염 (예, NO₂ 및 NO₃)이 존재하도록, 무산소 조건 하에 작동한다. 계속적인 산소 부족이 무산소 탱크 내에서 유지된다.

한 실시양태에서, 무산소 탱크 (16)는 플랜트 유입 폐수 (12)와 반환 활성화된 슬러지 (14)를 혼합하여 혼합액을 형성하는 혼합기를 갖는다. 본원에서 사용되는 혼합액이란, 단순히 플랜트 유입 폐수 (12)와 반환 활성화된 슬러지 (14)의 혼합물을 의미한다. 반환 활성화된 슬러지 (14)의 유량을 조절하는 것과 더불어, 혼합의 속도를 조절하여 무산소 탱크 (16) 내 인 방출을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시양태를 수행하는 데 추가의 탄소원이 필요하지 않도록, 메탄올과 같은 외부 탄소원의 첨가는 본 발명의 실시양태에서 배제됨에 주목해야 한다. 인 방출과 더불어 탈질화가 또한 상기 무산소 탱크 (16)에서 일어난다. 탈질화는 아질산염 또는 질산염이 붕괴되어 질소 기체를 방출하는 것이며, 미생물이 아질산염 또는 질산염으로부터 산소를 소모하면서 일어난다. 더욱 구체적으로, 탈질화는 궁극적으로 분자상 질소 (N2)를 생성하는, 미생물에 의해 촉진되는 질산염의 이화 환원 과정이며, 상기 질소는 대기로 되돌아간다. 질산염과 아질산염은 탈질화 과정에 의해 질소 기체로 전환된다. 탈질화는 일반적으로 전자 공여체, 예컨대 여기에서는 반환 활성화된 슬러지 (14)에 존재하는 유기 물질의 산화에 대응하여 질소의 산화된 형태를 환원시킨다. 상기 과정은 주로 산소가 부족한 환경에서, 또는 산소 소모가 산소 공급 속도를 초과하는 환경에서, 예컨대 무산소 탱크 (16) 및 통기 탱크 (18)에서 유기영양 박테리아에 의해 수행된다. 본 발명의 실시양태를 이용하여, 탈질화 과정은 무산소 탱크 (16) 및 통기 탱크 (18) 중 낮은 용존 산소의 조건 하에 자가영양 질화미생물에 의해서도 수행된다. 하기 반응들은 예시적인 레독스 반응을 포함하는, 탈질화 과정을 나타낸다.

<반응식 1>

NO₃ ^- → NO₂ ^- → NO + N₂O → N₂ (g)

<반응식 2>

2 NO₃ ^- + 10 e^- + 12 H⁺ → N₂ + 6 H₂O

플랜트 유입 폐수 (12)로부터의 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질이 무산소 탱크에서 발효된다. 본 발명의 실시양태에서 무산소 탱크 내 조건은 미립자 유기 물질의 높은 속도의 가수분해 및 발효를 유도하고, 이는 탈질화 반응을 위해 필요한 것보다 과잉의 발효된 유기 물질을 제공하여, 인 방출 및 PHA의 형성을 동시에 가능하게 한다. 미립자 유기 물질의 발효는 인 제거를 위해 추가의 탄소가 사용될 수 있게 한다. 유입 폐수 흐름의 평균 체류 시간은 1시간부터 10시간까지 변할 수 있다. 한 실시양태에서, 무산소 탱크 내 용존 산소 농도는 0.3 mg/L 미만이다. 추가의 실시양태에서, 무산소 탱크 내 용존 산소 농도는 0.2 mg/L 미만이다. 또 다른 추가의 실시양태에서, 무산소 탱크 내 용존 산소 농도는 0.1 mg/L 이하이다. 또한, 반환 활성화된 슬러지의 재순환율은 유입 유량의 0.3 내지 6배 사이에서 변할 수 있다.

무산소 혼합액을 통기 탱크 (18)로 옮긴다. 도 1에는 하나의 통기 탱크 (18)가 도시되었지만, 다수의 통기 탱크가 사용될 수 있으며, 병렬 또는 직렬로 배열될 수 있다. 별법으로, 하나의 통기 탱크가 사용될 수 있지만, 통기 탱크는 그를 통해 혼합액이 유동하는 1개를 초과하는 구획을 가질 수 있다. 1개를 초과하는 구획을 갖는 목적은 전체 방법의 동력학적 조건을 개선하여 탱크 부피를 최소화하기 위한 것이다. 임의로, 활성화된 슬러지의 일부를 통기 탱크 내로 옮겨, 미립자 및 용존 유기 물질을 발효시키는 데 필요한 추가의 박테리아 개체군을 제공하고, 인 방출을 촉진한다. 이는 막 탱크 내 질산염 농도가 과도하게 높은 경우에 유리하다. 다수의 통기 탱크와 달리, 본 발명의 실시양태에서 구비되는 통기 탱크 (18)는, 인 방출 및 흡수에 사용되는 박테리아 개체군 (예, 인산염 축적 유기체 (PAO))의 성장을 촉진하는, 미호기성 조건과 같은 매우 낮은 용존 산소 농도 하에 작동된다. 일반적으로, 상기 박테리아 개체군은 예컨대 폴리인산염의 형태로 인을 저장할 수 있고, 이를 에너지 생산 및 세포 합성을 위해 대사하여, 활성화된 슬러지를 통해 시스템으로부터 인을 제거하는 결과를 가져온다. 이러한 특정 박테리아 개체군은 높은 농도의 용존 산소가 존재하는 곳에서는 성장할 수가 없다. 이러한 특정 박테리아 개체군은 통기 탱크 (18)에서 성장할 수 있으므로, 이는 무산소 탱크 (16)로 재순환되는 반환 활성화된 슬러지 (14)에도 존재하며, 따라서 무산소 탱크 (16)에서 인 방출을 가능하게 한다. 인 흡수는 통기 탱크 (18)에서 인 방출과 동시에 일어날 수 있다.

인 방출 및 인 흡수와 더불어, 질화 및 탈질화가 또한 통기 탱크 (18)에서 일어난다. 한 실시양태에서, 질화, 탈질화, 및 인 방출은 통기 탱크 (18)에서 동시에 일어난다. 전술한 바와 같이, 탈질화는 질소의 산화된 형태를 환원시킴으로써 질소 기체를 궁극적으로 생성하는, 미생물에 의해 촉진되는 질산염의 이화 환원 과정이다. 다른 한편, 질화는 암모니아가 질산염과 물로 분해되는 것이다. 더욱 특별하게는, 질화는 암모니아가 산소에 의해 아질산염으로, 이어서 아질산염이 질산염으로 산화되는 생물학적 산화이다. 두 군의 유기체가 일반적으로 암모니아의 아질산염으로의 산화의 역할을 맡는다. 이들 두 군은 암모니아-산화 박테리아 (AOB) 및 암모니아-산화 고세균 (AOA)이다. 하기 반응식들이 질화 과정을 나타낸다.

<반응식 3>

NH₃ + CO₂ + 1.5 O₂ + 니트로조모나스 (Nitrosomonas) → NO₂ ^-+ H₂O + H⁺

<반응식 4>

NO₂ ^- + CO₂ + 0.5 O₂ + 질화균 (Nitrobacter) → NO₃ ^-

<반응식 5>

NH₃ + O₂ → NO₂ ^- + 3H⁺ + 2e^-

<반응식 6>

NO₂ ^- + H₂O → NO₃ ^- + 2H⁺ + 2e^-

그러나 본 발명의 실시양태에서, 반응식 (4)와 (6)으로 나타낸 반응들은 최소한으로 일어나고, 따라서 산소 요구량을 감소시키고 에너지 사용을 상당히 절약하게 된다. 일부 실시양태에서, 반응 (4)와 (6)은 전체 공정의 적은 백분율이어서 상기 반응식 (1)에서 질소 기체로 전환되는 것이 질산염보다는 주로 아질산염이므로, 상기 혼합액에서 질산염은 거의 또는 전혀 발견되지 않는다. 이와 같이, 반응식 (2)에서는, 아질산염을 질소 기체로 전환시키는 데 10개 미만의 전자가 필요하다. 본 발명의 실시양태에서, 이들 전자는, 메탄올 또는 다른 외부 탄소원으로부터 오기보다는, 암모니아로부터 온다. 이를 이하에 더 상세히 논할 것이다. 상기 반응식 (3)과 (5)에 의해 나타나듯이, 암모니아가 아질산염을 질소 기체로 전환시키는 데 사용된다. 외부 탄소원이 필요하지 않으므로, 암모니아의 일부가 반응 (3)과 (5)를 위해 사용되지만, 암모니아의 일부는 탈질화를 위한 전자의 환원하는 공급원으로도 사용된다. 이것이 낮은 산소 농도를 갖는 시스템에서 외부 탄소원 없이 질화 및 탈질화가 일어날 수 있는 방법이다.

또한, 미호기성 조건은 통기 탱크 (18)에서 미립자 및 용존 유기 물질의 발효를 가능하게 하는데, 이는 전형적으로 더 높은 용존 산소 농도에서는 일어나지 않을 것이다.

위에 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따르면 질화 및 탈질화는 무산소 및 통기 탱크의 둘 다에서 일어난다. 종래의 질화-탈질화는 하기 반응 (7), (8) 및 (9)로 표시된다. 반응 (9)는 반응 (7)과 (8)을 합한 것이다. 빈번히, 반응의 상기 순서는 고농도의 용존 산소 및 외부 탄소원을 필요로 한다. 여기에서, 1 그램의 N-NH₃ 당 약 4.57 그램의 O₂가 반응 (7)을 위해 필요하며, 1 그램의 N-NO₃ 당 약 2.86 그램의 COD-O₂가 반응 (8)을 위해 필요하다. 반응식은 다음과 같다.

<반응식 7>

1NH ₃ + 2O ₂ → 1HNO ₃ + H ₂ O

<반응식 8>

1HNO ₃ + 유기 물질 → 1/2 N ₂ + H ₂ O

하기 반응식 (9)와 (10)은 초기 반응 또는 반응 (10)이 오직 아질산염을 향하여 진행되는 질화의 첩경이라 불리는 공정을 나타내며, 이는 산소 요구량 및 유기 물질 둘 다의 필요를 절약하는 결과를 가져온다. 1 그램의 N-NH₃ 당 약 3.43 그램의 O₂가 반응 (9)를 위해 필요하며, 1 그램의 N-NH₃ 당 약 1.71 그램의 COD-O₂가 반응 (10)을 위해 필요하다. 하나의 예에서, 상기 첫 번째 일련의 반응들 (반응식 7~8)을 하기 두 번째 일련의 반응들 (반응식 9~10)과 비교할 때, 산소 요구량은 약 25%만큼 감소하고 (4.57 g O₂ / g N-NH₃ - 3.43 g O₂ / g N-NH₃ = 1.15 g O₂ / g N-NH₃), 유기 물질의 필요량은 약 40% 만큼 감소한다 (2.86 g O₂ / g N-NO₃ - 1.71 g O₂ / g N-NH₃ = 1.15 g COD / g N-NH₃).

<반응식 9>

1NH ₃ + 3/2 O ₂ → 1HNO ₂ + 1H ₂ O

<반응식 10>

1HNO ₂ + 유기 물질 → 1/2 N ₂ + H ₂ O

반응식 (11) 및 (12)로 표시된 하기 일련의 반응들은 무산소 탱크 및 통기 탱크에서 일어난다. 일부 경우에, 이러한 일련의 반응들을 질화미생물-탈질화 방법이라 한다. 반응식 (11)에 나타나듯이, 암모니아와 산소가 질소 기체, 아질산 및 물로 전환된다. 유기 물질은 그 후 상기 아질산을 질소 기체, 물 및 이산화탄소로 전환시키기 위해 사용된다. 1 그램의 N-NH₃ 당 약 2.28 그램의 O₂가 반응 (11)에 필요하고, 1 그램의 N-NH₃ 당 약 0.57 그램의 COD가 반응 (12)에 필요하다. 세 부류의 반응을 비교할 때, 이와 같은 세 번째 일련의 반응들 (반응식 13~15)이 가장 적은 양의 산소를 필요로 한다. 유기 물질의 절약은 하기 세 번째 일련의 반응들을 위해 필요한 유기 물질의 양을 첫 번째 일련의 반응들 (반응식 7~8)과 비교할 때 약 80%이다 (2.86 g O₂ / g N-NO₃ - 0.57 g COD /g N-NH₃ = 2.29 g O₂ / g N). 또한 첫 번째 및 세 번째 일련의 반응식들 사이에 요구되는 산소의 절약은 약 50%이다 (4.57 g O₂ / g N-NH₃ - 2.28 g O₂/ g N-NH₃ = 2.28 g O₂ / g N).

<반응식 11>

1NH ₃ + 1O ₂ → 1/3 N ₂ + 1/3 HNO ₂ + 4/3 H ₂ O

<반응식 12>

1/3 HNO ₂ + 유기 물질 → 1/6 N ₂ + H ₂ O + CO ₂

도 1로 되돌아가서, 상기 혼합액을 이제 통기 탱크 (18)로부터, 여기에서 막 탱크 (20)로 나타낸 제3의 탱크로, 고체-액체 분리 단계를 위해 옮기며, 여기에서 미생물은 처리된 물로부터 분리된다. 본원에 기재된 것들과 같은 활성화된 슬러지 방법에서, 용존 유기 오염물은 물, 이산화탄소 및 바이오매스로 변형되고, 이는 슬러지의 과도한 생성을 초래한다. 막 탱크 (20)는 상기 슬러지를 처리된 플랜트 배출물 (22)로부터 분리한다. 한 실시양태에서, 막 탱크는 막 공정 (예, 마이크로여과, 한외여과, 중공 섬유, 평면 시트, 관형)과 현탁된 성장 생물반응기의 조합인 막 생물반응기이다. 생물반응기는 생물학적으로 활성인 환경을 지원하는 장치를 의미한다. 생물반응기는 바이오매스 및 정제된 액체를 회수하기 위한 분리 장치와 결합되어야 하기 때문에, 그리고 분리 장치의 비효율성 및 불편함 때문에, 같거나 더 나은 결과를 제공하도록 막 생물반응기가 사용되지만, 이는 하나의 장치로 사용된다. 이와 같이, 막 생물반응기는 생물학적 반응기와 교차-유동 여과의 결합이다. 일례로, 막 탱크 (20)는 매몰된 막 필터를 닦기 위해 물의 교란을 제공하도록 통기된다. 한 실시양태에서, 막 필터는 마이크로여과를 이용하지만, 다른 실시양태에서는, 한외여과가 사용된다.

막 탱크 (20)에서 나타나는 막 여과의 결과는, 처리된 플랜트 배출물 (22) 및 활성화된 슬러지 (24)를 포함하는, 적어도 2개의 출구 스트림이며, 그 일부는 무산소 탱크 (16)로 재순환되고, 일부 실시양태에서는 통기 탱크 (18)로 재순환된다. 본원에서 사용되는 바, 처리된 플랜트 배출물 (22)은 탄소, 질소, 인, 및 기타 원치 않는 성분의 제거를 위해 처리된 제3 탱크를 빠져나오는 스트림이다. 과잉의 활성화된 슬러지를 활성화된 슬러지 (26)로 나타낸다. 무산소 탱크 (16)로 재순환되는 활성화된 슬러지 (24)의 양은 변하지만, 일부 실시양태에서는 무산소 탱크 (16)로 들어가는 플랜트 유입 폐수 (12)의 양의 50% 내지 600%의 어느 범위이다. 이와 같이, 플랜트 유입 폐수 (12) 1 갤런마다, 0.5 내지 6 갤런의 반환 활성화된 슬러지 (14)가 무산소 탱크 (16)에 첨가될 수 있다. 별법의 실시양태에서, 도 1의 실시양태에서의 제3의 탱크는, 막 탱크 (20)로 도시되어 있지만, 청징기이다. 청징기는 활성화된 슬러지를 분리, 증점 및 재순환시키기 위해 사용되는 탱크이다. 전형적으로, 청징기는 막 생물반응기보다 훨씬 더 큰 족적을 남긴다.

이제 도 2를 참조하여, 별법의 폐수 처리 방법의 개략도를 나타낸다. 무산소 탱크 (16a), 통기 탱크 (18a) 및 막 탱크 (20a)가 도 2의 실시양태에 도시되어 있으며, 도 1에 기재된 것들과 유사하게 작동한다. 여기에서, 혐기 탱크 (28)는 통기 탱크 (18a)의 하류에, 또는 무산소 탱크 (16a) 후이며 통기 탱크 (18a)의 상류에, 또는 통기 탱크 (18a) 이전에 부가된다. 일반적으로, 혐기 탱크 (28)는 혐기성 조건 하에, 또는 산소의 부재 하에 작동한다. 혐기 탱크 (28)는 비-통기성 탱크여서, 첨가되는 산소가 없고, 질산염이 존재하지 않는다. 혼합기가 존재 하여 내용물이 혐기 탱크 (28)에서 혼합된다. 도 2의 실시양태는, 또는 구체적으로 시스템에 혐기 탱크 (28)가 부가되는 경우는, 유입 폐수 스트림에 존재하는 유기 물질의 특성이, 미립자 유기 물질의 가수분해 및 발효의 둘 다에 추가의 체류 시간이 필요하도록 하는 조건에서 사용된다. 한 실시양태에서, 인 방출이 상기 혐기 탱크 (28)에서 추가로 발생한다. 도 1에 기재된 것과 유사하게, 플랜트 유입 폐수 (12a)는 무산소 탱크 (16a)에서 반환 활성화된 슬러지 (14a)와 혼합된다. 혼합액은 먼저 혐기 탱크 (28)로 옮겨진 후, 통기 탱크 (18a)로, 마지막으로 막 탱크 (20a)로 옮겨진다. 막 탱크 (20a)로부터 나오는 것은 처리된 플랜트 배출물 (22a) 및 활성화된 슬러지 (24a)이다. 활성화된 슬러지 (24a)의 일부는 반환 활성화된 슬러지 (14a)로서 무산소 탱크 (16a)로 재순환되고, 임의로, 일부는 또한 혐기 탱크 (18a)로 재순환된다. 활성화된 폐슬러지 (26a)는, 한 실시양태에서, 폐기된다.

도 3은 본 발명의 실시양태의 실시 결과 폐수 처리 플랜트에서 에너지 사용의 감소를 보여주는 꺾은선 그래프 (300)를 도시한다. 언급된 바와 같이, 용존 산소의 첨가 비용이 폐수 처리 플랜트를 위한 총 에너지 비용의 50% 이하를 차지할 수 있기 때문에, 용존 산소 농도가 통기 탱크에서 최소로 유지될 때, 에너지 사용 비용은 상당히 감소한다. "실험 시작"으로 표시된 때, 본원에 기재된 기술이 시험되었고, 적어도 부분적으로는 통기 탱크에 요구되는 적은 양의 용존 산소로 인하여, 에너지 비용이 상당히 감소한다. 나타난 바와 같이, 실험 이전, 가장 높은 에너지 사용은 약 64,000 kWh/월인 한편, 실험 후 가장 높은 에너지 사용은, 그 수준이 이전 달의 경우보다 훨씬 낮은 양에 도달했지만, 약 54,000 kWh/월이다.

이제 도 4로 돌아와서, 본 발명의 실시양태가 폐수 처리 플랜트에서 실행되는 경우 암모니아와 인산염 둘 다의 감소를 보이는 막대 그래프 (400)를 나타낸다. 여기에 나타나듯이, 암모니아의 유입 농도는 대략 72 mg/l였지만, 플랜트 유입 폐수를 본원에 기재된 처리 방법을 사용하여 처리한 후에는 대략 1 mg/l까지 강하하였다. 더욱이, 인산염의 유입 농도는 대략 74 mg/l으로부터, 플랜트 유입 폐수를 본원에 기재된 처리 방법을 사용하여 처리한 후 대략 4 mg/l까지 강하하였다.

실시예

하기 실시예는 제1 트레인 (트레인 A) 및 제2 트레인 (트레인 B)을 포함하는 2개의 평행 트레인을 갖는 플랜트를 보여준다. 각 트레인의 탱크는 동일하고 같은 위치에 있다. 그러나 탱크 내의 조건은 상이하다. 트레인 A는 본 발명의 실시양태를 사용하지 않고 일어나는 전형적인 공정을 나타내는 한편, 트레인 B는 본 발명의 실시양태, 예컨대 전술한 것과 같이 통기 탱크 내 낮은 용존 산소 농도를 사용하는 방법을 나타낸다. 예를 들어, 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 트레인 A의 통기 탱크 내 용존 산소 농도는 1.3 mg/l인 한편, 트레인 B의 통기 탱크 내 용존 산소 농도는 0.1 mg/l이다. 인과 질산염/아질산염 제거의 수준에 의해 나타나듯이, 트레인 A의 것들에 비하여 트레인 B에서, 통기 탱크 내 용존 산소의 보다 낮은 수준은 상기 통기 탱크 내 인-제거 박테리아의 성장을 가능하게 한다. 상기 인-제거 박테리아는 그 후, 막 탱크로부터 무산소 탱크로 되돌아가는 반환 활성화된 슬러지 (도시되지 않음)에 존재한다. 인 방출은 트레인 B의 무산소 탱크에서 관찰되지만, 트레인 A의 무산소 탱크에서는 관찰되지 않는다. 총 인 흡수가 트레인 B의 통기 탱크에서 일어나지만, 트레인 A의 통기 탱크에서는 일어나지 않는다. 그러므로, 본 방법에서는 높은 수준의 인 흡수 및 제거가 일어난다. 그 결과, 막 탱크 또는 플랜트 배출물 중 인의 수준은 트레인 B의 경우 3.65 mg/l이며, 이는 7.41 mg/l인 트레인 A의 경우 막 탱크에서의 수준보다 훨씬 더 낮다. 유사하게, 트레인 B의 통기 탱크에서는 질화-탈질화가 동시에 일어나는 한편, 질산염 농도의 상당히 더 높은 차이에 의해 반영되듯이, 트레인 A의 통기 탱크에서는 질화만이 일어난다. 트레인 B의 경우 막 탱크 내 질산염/아질산염 수준은 7.15 mg/l이며, 이는 트레인 A의 막 탱크 내 8.31 mg/l 수준보다 낮다.

전술하고 하기 표 1에 나타낸 실시예를 계속하면, 도 5는 각 탱크에서 인, 용존 산소 및 질산염의 농도를 나타내는 막대 그래프 (500)를 나타낸다. 예를 들어, 인의 수준을 비교함에 있어서, 그 수준은 트레인 A의 경우보다 트레인 B의 경우 막 탱크에서 훨씬 낮음을 알 수 있는데, 이는 부분적으로 통기 탱크에서 낮은 용존 산소 농도에 기인한다.

도시된 각종 성분, 뿐만 아니라 나타내지 않은 성분들의 다양한 조절이 이하의 청구항의 범위를 벗어나지 않고 가능하다. 기술의 실시양태는 제한적이기보다는 예시적인 의도로 기재되었다. 별법의 실시양태는 본 개시의 독자들에게 분명해질 것이다. 또한, 상기 언급된 것을 실행하는 별법의 수단은 이하의 청구항의 범위를 벗어나지 않고 완성될 수 있다. 특정의 성질 및 부분조합이 사용되며, 다른 성질 및 부분조합을 참조하지 않고 사용될 수 있으며, 이는 청구항의 범위 내인 것으로 간주된다.

Claims

무산소 조건 하에 작동하는 제1 탱크에 2개 이상의 스트림을 제공하고, 여기서 2개 이상의 스트림은 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 포함하고; 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 제1 탱크에서 혼합하여 혼합액을 형성함으로써 인 방출 및 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질의 발효를 개시하고; 혼합액을 미호기성 조건 하에 작동하는 제2 탱크로 옮기고, 여기서 제2 탱크 내 용존 산소의 농도는 1.0 mg/l 미만이고, 이는 질화, 탈질화, 인 방출 및 인 흡수를 동시에 촉진하기에 유효하고; 혼합액을, 미생물을 함유하는 활성화된 슬러지로부터 처리된 배출물을 분리하는 제3 탱크로 옮기고, 여기서 활성화된 슬러지의 제1 부분은 반환 활성화된 슬러지로서 제1 탱크로 반환되는 것을 포함하는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하기 위한 폐수 처리 방법.
제1항에 있어서, 제3 탱크가 막 생물반응기인 방법.
제1항에 있어서, 제3 탱크가 청징기인 방법.
제1항에 있어서, 제1 탱크에서 발생하는 인 방출 양이 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지의 혼합 속도, 또는 반환 활성화된 슬러지의 제1 탱크 내로의 유량 중 하나 이상에 근거하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 활성화된 슬러지의 제2 분율을 제2 탱크 내로 첨가하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 제2 탱크 내 미호기성 조건이 혼합액 중 미립자 유기 물질의 발효를 촉진하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 제2 탱크 내 미호기성 조건이 인 제거를 위해 사용되는 미생물 개체군의 성장을 가능하게 하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 제1 탱크에 제공되는 반환 활성화된 슬러지가 잔류 산소, 질산염 및 아질산염을 포함하는 것인 방법.
제1항에 있어서, 제1 탱크 내 무산소 조건이 인 흡수를 일어나게 하는 것인 방법.
플랜트 유입 폐수를 무산소 탱크에서 반환 활성화된 슬러지와 접촉시켜 혼합액을 형성하고, 여기서 반환 활성화된 슬러지는 무산소 탱크에서 인 방출을 개시할 수 있는 박테리아를 함유하고; 혼합액을 낮은 용존 산소 농도를 갖는 통기 탱크로 유동시켜, 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질의 발효를 가능하게 하고, 인-제거 박테리아의 성장에 유리한 조건을 제공하고; 혼합액을 막 탱크로 유동시켜 활성화된 슬러지로부터 플랜트 배출 폐수를 분리하고; 활성화된 슬러지의 일부를 반환 활성화된 슬러지로서 무산소 탱크로 재순환시키고; 플랜트 배출 폐수를 이후의 공정을 위해 옮기는 것을 포함하는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하기 위한 폐수 처리 방법.
제10항에 있어서, 플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 무산소 탱크 내 혼합기에 의해 혼합하는 방법.
제10항에 있어서, 인 방출이 무산소 탱크에서 일어나는 것인 방법.
제10항에 있어서, 질화, 탈질화, 인 방출 및 인 흡수가 통기 탱크에서 동시에 일어나는 것인 방법.
제10항에 있어서, 통기 탱크 내 용존 산소의 농도가 1.0 mg/l 미만인 방법.
플랜트 유입 폐수 및 반환 활성화된 슬러지를 수용하며, 무산소 조건 하에 작동하여 탈질화, 인 방출 및 미립자 유기 물질 및 용존 유기 물질의 발효를 촉진하는 제1 탱크; 제1 탱크로부터의 혼합액을 수용하는 제2 탱크이며, 여기서 제2 탱크 내 용존 산소의 농도가 1.0 mg/l 미만이어서, 제1 탱크 내에 수용되는 반환 활성화된 슬러지에 존재하는 인-방출 박테리아의 성장을 유효하게 촉진하고, 반환 활성화된 슬러지 중 인-방출 박테리아가 제1 탱크에서 인 방출 및 미립자 유기 물질의 발효를 가능하게 하는 것인 제2 탱크; 및 플랜트 배출 폐수를 활성화된 슬러지로부터 분리하는 제3 탱크이며, 여기서 활성화된 슬러지의 일부가 반환 활성화된 슬러지로서 제1 탱크로 재순환되는 것인 제3 탱크를 포함하는, 유기 물질, 질소 및 인을 동시에 제거하기 위한 폐수 처리용 시스템.
제15항에 있어서, 제1 탱크가 무산소 탱크이고, 제2 탱크가 통기 탱크이며, 제3 탱크가 막 탱크인 시스템.
제15항에 있어서, 제2 탱크가 미호기성 조건 하에 작동하는 것인 시스템.
제17항에 있어서, 질화, 탈질화, 인 방출 및 인 흡수가 제2 탱크에서 동시에 일어나는 것인 시스템.
제15항에 있어서, 제1 탱크의 하류 및 제3 탱크의 상류에 위치하는 제4 탱크를 추가로 포함하며, 여기서 제4 탱크는 혐기성 조건 하에 작동하는 것인 시스템.
제15항에 있어서, 제2 탱크 내 용존 산소의 농도가 0.3 mg/l 미만인 시스템.