A study to enhance nitrogen removal of high concentration wastewater was performed using MAP precipitation and SBR process. MAP was used for removing ammonia and phosphorus simultaneous as well as increase C/N ratio of wastewater. Following SBR process was designed to remove COD and residual ammonia for maintaining the effluent quality.
By MAP precipitation, 83% of ammonia and 97% phosphorus were removed. Operating pH should be 9.5 or higher and the best pH was 10.5 for MAP precipitation. Reaction time should be longer than 10 minutes and 20 minutes of reaction time was preferred. However, more than 30 minutes was undesirable. Magnesium loading for MAP precipitation should be 1.0 to 2.0 mole/L for efficient MAP formation. Even though theoretical value was 1.0 mole/L, 1.5 mole/L was reasonable in practical use.
Bittern, seawater, and $MgCl_2$ were studied for magnesium sources to compare the efficiency of magnesium sources with commercial magnesium sources. When bittern, sea water, and $MgCl_2$ were used as coagulants, 72%, 62%, and 83% of ammonia were removed and 99%, 95% and 97% of phosphorus were removed, respectively. Especially, bittern was proved a proper alternative instead of expensive $MgCl_2$ and it could also reduce transportation costs because the bittern contained a high magnesium concentration. Morphological study of MAP precipitate showed that the MAP crystal had a shape of hexagonal plate with white powder having good settling. MAP process had advantage of less sensitive to temperature change and of being as a fertilizer.
Combined MAP precipitation and SBR process was tested for coke wastewater containing high ammonia. By MAP process, 22.1% of TCOD of coke wastewater was removed precipitation following 85% of residual TCOD was removed in SBR. In MAP process, the ammonium nitrogen was removed by 75% and then 61% of residual ammonia was removed again by SBR. The G value of raw coke wastewater was 197 and the G value of MAP treated coke wastewater was 21. It meant that MAP treatment could reduce the toxicity almost ten folds.
Enhanced denitrification was performed using modified SBR operations. Controlling the fill volume, fill time, and changing feeding methods of SBR could enhance denitrification efficiency and reduced effluent nitrate concentration without external carbon addition.
Nitrification efficiencies of 40% and 60% fill volumes modification showed similar, however the nitrification efficiency of 20% fill volume reduced to almost half of 40 and 60% fill volume. In summary, nitrate concentration were decreased as to decreasing of fill volume. The step-feed could enhance denitrification efficiency and maintained low concentration of nitrate concentration which was reduced from 14 to 2 mg/L.
COD removal of anaerobic fill time was 98% when fill lasted one hr, and 93% of COD removals were showed when the fill lasted two to three hrs. When the fill lasted in three hrs in aerobic condition, the nitrification rate was slow because of the residual COD. Thus, long fill time impaired the efficiency than short fill time. Sludge property of anaerobic fill showed good settling however, the sludge of three hrs anaerobic fill showed little worse settling. It could be concluded that the shorter fill time was good for settling.
Pilot-scale study was also verified about modified SBR operations that were conventional SBR, IASBR, and step-feed SBR. Nitrogen removal was the best in step-feed followed by IASBR, and conventional SBR. The denitrification rate of step-feed, IASBR, and conventional SBR were 95%, 61%, and 19%, respectively.
호소내의 부영양화 방지를 위한 질소 및 인제거에 대한 연구가 다각적으로 수행되어 왔으나 대부분의 연구가 저농도 질소 범위인 40 mg/L 부근의 오폐수 처리에 대한 연구로 집중되어 왔으며, 고농도 질소 함유 폐수 에 대한 연구는 매우 미진하였다. 일반적으로 고농도 질소 함유폐수를 생물학적 질소제거 공정으로 처리시 생물학적 처리능력을 넘는 고부하 및 낮은 C/N비로 인한 탈질율의 저하와 같은 문제점들이 부각된다. 결국 고농도 질소 함유 폐수의 처리는 포기조의 확장이나 수리학적 체류시간을 연장하는 수밖에 없으며 또한 탈질율의 저하는 부가적인 탄소원을 공급하여 주지 않는 이상 효율을 개선할 수 없다.
국내 폐수 처리장 운영상활을 살펴보면 처리장 부지가 제한적인 경우가 대부분이며 신속한 처리를 요구하는 경우가 많은데 일반적인 생물학적 질소제거 공정(BNR) 단독으로는 이러한 요구에 적절하게 대처하는데 한계가 있다. 따라서 효율적인 질소폐수처리를 목적으로 전처리로서 MAP(Magnesium ammonium phosphate)침전 공정과 후처리로서 질소 및 유기물 제거능력이 탁월한 SBR 공정을 조합함으로써 고농도 질소함유폐수를 효율적이고 경제적으로 처리하고자 한다. 이를 위해 먼저 마그네슘을 이용한 질소 및 인의 제거기술에 대해 연구하였고, modified SBR을 이용하여 탈질 효율향상 방안에 대해 연구하였으며, 마지막으로 MAP와 SBR의 조합공정을 이용하여 coke wastewater의 처리 및 독성감소 효과에 대해 연구하였다.
먼저 마그네슘을 이용한 질소 및 인제거를 살펴보면 83%의 암모니아와 97%의 인제거율을 보여주었고, MAP 침전반응을 최적으로 발생시키기 위한 최적 pH는 10.5이고 최적 반응시간은 10분에서 20분 사이이며 30분 이상의 반응시간은 오히려 효율을 감소시켰다. MAP 침전에서 응집제 역할을 하는 마그네슘의 적정주입량은 1.0실 - 2.0 mol/L 이며 이론적인 최적 주입량은 1.0 mol/L 이지만 실제적으로는 1.5 mol/L 에서 최적 효율이 나타났다. MAP 침전법의 단점으로 작용하는 고가의 약품비용을 절감하기 위한 방법으로 $MgCl_2$ 외에 바닷물과 간수를 동일한 조건에 적용하여 실험한 결과 암모니아는 간수를 이용한 경우 72%, 바닷물의 겨우 62%, $MgCl_2$의 경우 83%의 제거율을 나타내었다. 또한 인의 경우는 간수, 바닷물, $MgCl_2$의 경우가 각각 99%, 95%, 97%의 제거율을 나타내었다. 특히 간수의 경우는 마그네슘 농도가 31390 mg/L로서 바닷물의 1136 mg/L 보다 27배나 높은 농도 존재하므로 적은 용량으로도 동일한 처리 효율을 기대할 수 있어 천연 응집제로 활용시 운송비 절감효과도 기대할 수 있다. 또한 MAP 침전법은 온도의 저하에 의해 효율감소가 발생하지 않으며 오히려 약간 상승하는 경향을 나타내 일반적인 물리화학적 처리법의 단점인 겨울철 효율 감소 현상을 극복할 수 있다.
SBR을 이용한 질소제거 및 탈질효율향상 방안 연구는 SBR의 운전인자중 Fill volume (혹은 Decanting volume) 의 변화가 질소 및 유기물 제거효율에 미치는 영향, step-feed에 따른 탈질 효율 향상, fill time의 길이 및 fill time의 환경이 혐기성인가 호기성인가에 따른 유기물 및 질소 제거율에 미치는 영향을 살펴보았다. Fill volume이 탈질 및 유출수내에 질산염 농도에 미치는 영향은 fill volume이 적을수록 유출수내 낮은 질산염 농도와 높은 탈질율을 나타내었다. 그러나, 탈질율이 가장 우수한 공정은 step-feed SBR을 적용한 것이었으며 conventional SBR경우 유출수내 질산염 농도가 14 mg/L인 반면 step-feed을 적용한 경우 유출수내의 질산염 농도가 2.1 mg/L로 감소 하였다.
Fill time이 SBR에 미치는 영향은 COD의 경우는 fill time이 짧을수록 안정된 수질을 유지 하였으며, 질산화는 fill time이 길어질수록 감소하였다. 탈질율 역시 짧은 fill time에서 가장 효율이 좋았다. 또한 fill time은 질소제거외에 슬러지 침강성 및 플록의 형태에도 영향을 미치는데 fill time이 짧을수록 floc의 밀도가 증가하는 경향을 나타났다.
Modified SBR 운전은 2톤/일 규모의 pilot-scale SBR의 운전을 통해 검증하였으며 실험결과 탈질 효율 향상은 step-feed SBR, IASBR (Intermittent aeration SBR), Conventional SBR의 순으로 나타났다.
