[AMX]주공정에서 아질산화-혐기성 암모늄 산화법에 의한 단축질소제거공정 연구동향(Main-stream Partial Nitritation - Anammox(PN/A) Processes for Energy-efficient Short-cut Nitrogen Removal)
저자명 : 박홍근 & 유대환
발행정보 : 한국물환경학회지, Vol. 34 Issue 1, [2018], 96-108
❏ 실험목적
- 주공정 PN/A에서 주요 메커니즘 및 상호작용 확인
- 제어 매개변수와 주공정 PN/A 공정 개발의 주요 과제에 대해 논의
❏ 결과 및 토의
○ 생물학적 질소제거
- 일반적인 질산화-탈질 공정은 산소와 외부 탄소원이 필수적으로 소모되는 과정으로 높은 에너지(kg 질소 제거당 5kWh)와 외부 탄소원 주입에 의한 높은 운전비용(kg 질소 제거당 2.9$)이 소요되는 것으로 알려져 있음.
○ 혐기성 암모늄 산화 (Anammox)
- 암모니아와 아질산성 질소를 전자공여체와 전자 수용체로 사용하여 최종산물인 질소 가스로 변환시킴.
○아나목스균
형태학적 특징
- 1μm 미만의 평균 직경을 갖는 형태학적으로 구균(coccus)
- anammoxosome이라는 독특한 세포 내 세포 구획을 형성하고 있으며 대부분의 아나목스 에너지 대사 과정을 수행함
생태학적 특징
- 부유균 문에 위치하고 있으며 Candidatus "Brocadia", Candidatus "Kuenenia", Candidatus "Scalindua", Candidatus "Jettenia". Candidatus "Anammoxoglobus" 등 총 다섯 개의 속이 현재까지 발견됨
생리학적 특징
- 최대 성장을 위한 최적 온도는 30~40℃
- pH 운전범위는 6.7~8.3으로 알려져 있으며 pH 8에서 최적 운전이 가능함
- 1% 이하의 산소 포화도 상태에서 조차 가역성 저해가 발생함
- 아질산성 질소는 기질인 동시에 저해 인자로 보고됨
○아나목스균을 이용한 단축질소공정(PN/A)
- 아나목스균을 하수처리에 적용시 기존의 질산화-탈질 공정에 비하여 60%의 에너지 절감 효과와 90%의 온실감스 절감효과를 야기하며 슬러지 생산을 90%까지 저감할 수 있음.
- 호기성 암모니아 산화균(AOB)는 유입수 내의 절반 정도의 암모니아를 아질산성 질소로 변환시키며(부분아질산화, PN), 변환된 절반의 아질산성 질소와 절반의 암모니아가 아나목스균에 의하여 질소 가스로 변환(혐기성 암모늄 산화, Anammox)
- PN/A 공정의 안정적인 적용은 AOB와 아나목스균의 균형적인 성장과 밀접한 관계가 있음
(유입수내 기질에 대한 경쟁 관계에 있는 아질산성 질소 산화균(NOB)과 종속영양균에 대한 외부로의 배제가 절대적으로 필요)
○주공정 PN/A
- 도시하수의 낮은 온도(10~15℃) 및 계절에 따른 온도변화, 낮은 암모니아 농도로 인하여 PN/A 공정의 적용시 아나목스균의 낮은 비활성도와 비성장장률을 나타낼 가능성이 매우 높음
- 주공정 PN/A의 핵심 인자COD/N비 : 주공정의 높은 C/N비(7~12g-COD/g-N)는 종속영양균의 성장을 유도 발현
COD/N비 : 주공정의 높은 C/N비(7~12g-COD/g-N)는 종속영양균의 성장을 유도 발현
암모니아 농도 : 주공정은 낮은 암모니아 농도로 효과적인 NOB 제어가 불가
온도 : 유입수 수온은 낮고 편차가 심해 아나목스균의 비성장률을 감소시킴
아나목스균의 체류 : 아나목스균은 세포수율이 낮아 안정적인 보전이 중요
- 저온조건에서 NOB의 경쟁우위는 다량의 질산성 질소를 축적시켜 결과적으로 전체 시스템을 완전 질산화로 변환시키므로 단축질소공정의 붕괴를 야기함. 따라서, PN/A에서는 NOB의 배제는 필수적임. (주공정 PN/A에서는 저온, 저농도 조건으로 인하여 NOB의 선택적 배제가 쉽지 않음)
- 주공정 PN/A에서 NOB의 선택적 배제는 다음과 같은 제어인자들을 이용 가능함
1) 포기 제어를 통한 슬러지체류시간의 제어
2) 유출수 내의 암모니아 농도 조절
3) 간헐 포기 방식의 포기 제어
4) 프리아질산(FNA) 저해
❏ 결론
- 주공정 PN/A의 성공적인 적용을 위해서는 다음과 같은 지속적인 연구가 필요함
1) 저온에서의 순응된 AOB와 아나목스균의 안정적인 농후배양
2) 유입수 내 유기물의 효과적인 회수
3) NOB의 선택적 배제를 위한 최적 인자 도출