고농도 암모늄 폐수에 대한 연속적 질산화 탈질산화 공정의 최적화와 반응기 내 미생물 군집 분석

Abstract

현대 사회의 발전과 함께 생태계는 오염되고 오염 물질의 배출량은 증가하고 있다. 이 중 공장 및 생활하수, 축산 폐수 등에서 발생하는 질소화합물은 환경뿐 아니라 사람에게도 유해한 영향을 끼치게 되며, 이를 처리하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다. 폐수 처리 공정에서는 두 단계의 생물학적 질소 제거 공정을 통해 질소 화합물을 제거한다. 이 두 단계는 산소를 공급하여 암모늄을 질산염으로 전환하는 질산화 과정과 혐기적인 조건에서 질산염을 질소로 전환하는 탈질화과정이다. 하지만 이러한 폐수 처리 공정은 많은 에너지와 운전비용을 필요로 하기 때문에 공정의 단순화와 최적화를 통해 소요 비용을 줄이고자 하는 노력이 지속되고 있다. 이러한 생물학적 질소 제거 통합 과정의 하나로서 본 연구에서는 하나의 회분식 반응기에서의 연속적 질산화와 탈질산화 공정을 실험하였다. 반응기 상부를 밀폐하여, 초기에는 합성폐수 상부의 여유공간에 존재하는 공기에 함유된 산소를 이용해 호기적 조건에서의 질산화가 이루어지게 하도록 하였다. 여유공간 내 공기의 산소가 모두 소모되면 혐기적 조건이 만들어져 탈질화가 진행될 수 있는 환경이 되도록 하였다. 이러한 방법은 하나의 단계에서 질소화합물의 제거를 이룰 수 있기 때문에 반응기와 운영비용 등의 절감이 가능하다. 또한 생물학적 처리공정에 사용되는 슬러지는 다양한 미생물의 군집으로 구성되어 있다. 탈질산화 반응에는 유기 탄소와 같은 전자 공여체를 필요로 하는데, 적은 비용으로 사용할 수 있는 전자 공여체를 선정하고 사용되는 전자 공여체의 종류에 따라 탈질산화에 필요한 투입량의 조절을 통하여 탈질산화 공정의 최적화를 이룰 수 있다. 본 논문은 폐수 내의 고농도 질소화합물을 제거하기 위해 acetate와 butyrate를 전자공여체로 사용하여 연속적인 질산화와 탈질산화 공정의 진행하였고 각 조건에서 반응기 내에 존재하는 미생물 군집을 분석함으로써 생물학적 질산화, 탈질산화에 미치는 전자공여체의 영향을 분석하였다. 본 논문에서는 암모늄을 1,000 mg/L 질산염을 1,000 mg/L 공급한 고농도 폐수에, 탈질산화의 수행을 위하여 전자공여체로서 acetate와 butyrate의 COD/N 비를 다르게 하여 질소화합물의 완전 제거를 위해 필요한 최소의 주입 유기 탄소량을 찾고자 하였다. Acetate는 COD/N 3~4, butyrate는 COD/N 1~2 사이에 최소 주입량이 있음을 실험 결과로서 얻었다.