총질소 배출 규제를 2003년 1월부터 전 수계에 확대 적용함에 따라 산업체에서 발생하는 고농도 질소폐수를 효율적으로 처리할수 있는 기술의 개발이 시급히 요청되었으며 향후 규제기준이 현재 60mg/ℓ보다 엄격한 20mg/ℓ의 차세대 기술개발을 목표로 하였다. 특히 본기술은 500mg/ℓ이상의 고농도 질산성 질소를 배출하는 금속표면처리, 도금 및 스테인레스 업계의 질소폐수처리를 대상으로 하고 있다.

고농도 질산성 질소를 생물막을 이용한 생물학적인 방법으로 처리하기 위해서는 미생물 담체를 이용한 고효율의 반응기 구성이 무엇보다도 중요하다.

본 연구에서는 발포형 폴리우레탄에 활성탄을 첨가한 PU-AC(Poly Urethane-activated Carbon) 담체를 사용하였고, 반응기시스템은 Moving-bed 채택하였다. Moving-bed 반응기의 장점으로는 고농도 미생물을 담지할 수 있고 생물막의 최대 단점인 폐색 현상이 없으며 또한 기존의 설비를 그대로 사용하면서 처리효율을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.

특히 스테인레스의 폐수에는 300～1000mg/ℓ 수준의 고농도 질산성 질소 외에 400～1500mg/ℓ 수준의 고농도 칼슘이 포함되어 있어 생물막 담체를 적용하는데 상당한 방해요소로 작용하고 있다.

이런 특징을 고려하여 반응시스템을 구성한 결과 500mg/ℓ 수준의 질산성 질소를 4시간 만에 20mg/ℓ 이하로 처리하는데 성공하였다. 특히, 기존에 상용화된 Moving-bed 반응시스템의 대표적인 담체인 Kaldnes(polyethylene) 에서보다 15% 이상 처리 효율이 증대하였다.

특히 칼슘농도가 400mg/ℓ 이상에서 폴리우레탄-활성탄 담체의 처리효율은 98% 수준을 유지하는 등 칼슘이 없는 합성폐수에서보다 15～20% 수준의 향상을 나타내었다.

 

이런 차이는 칼슘이 폴리우레탄 담체에서 보다 미생물의 흡착성을 증가시키는 것으로 판단되며 대장균의 부착실험에서도 이를 확인할 수 있었다. 또한 발포형 폴리우레탄에 보조성분을 활성탄 대신 제올라이트, 양이온교환수지, 점토성분을 첨가하여 제조한 후 탈질효율을 비교측정한 결과 폴리우레탄-활성탄(PU-AC)의 경우가 가장 탈질효율이 높게 나타났으며 폐타이어-활성탄 담체보다 미생물 부착도가 2배나 높은 값을 나타냈다.

이러한 Bench Scale 결과를 바탕으로 처리규모 2톤/일의 질소를 처리할 수 있는 Pilot Tester를 제작하여 3개월간 운전한 결과 체류시간 4～6시간범위에서 처리수의 질산성질소 농도는 10mg/ℓ 이하로 안정되게 유지되었고, 처리효율은 95% 이상이었다.

유입되는 원수에 포함되어 있는 총질소는 350～650mg/ℓ 수준이였고 이를 토대로 반응조, 침전조, 유량조정조, 운전자동화에 대한 설계 및 운전기술을 확보할 수 있었다.