자연 수계에 존재하는 환경과 인간에 해로운 질소 오염원들은 통상 유기성 질소, 암모니아성 질소, 아질산성 질소 및 질산성 질소로 나누어지며 이들은 일상적인 인간활동, 화학산업, 금속산업, 광산업 그리고 농업 등의 다양한 경로를 통해 수계로 배출된다.

 

이들 수중 질소는 과도한 미생물 활성, 식물 및 조류 성장 및 유기 오염물 침전 등을 유발하고 그 결과로 건강한 수계를 섞어가는 늪지로 바꾸고 호수, 강, 만 그리고 바다의 부영화를 일으킨다. 자연 수계의 질소 오염은 표층수뿐만 아니라 지하수를 오염시키고 지하 생태계를 교란시킨다.

음용수의 질산성 질소 오염은 혈중 산소 공급을 떨어뜨리는 독소로 작용하고 특히 유아나 수유중인 산모에 유해하다. 유아들에게 가장 흔하게 발생기 때문에, 소위, 유아 청색증후군이라고 불리는 청색증(Methemoglobinemia)을 유발한다. 그래서 대부분의 선진국들은 하․폐수 방류수 중의 질산성 질소 함량을 규제하고 있다.

 

미국에서는 주정부와 지방정부가 방류수의 질산성 질소 함량을 규제하고있으며 방류수의 질산성 질소 배출 허용 기준치는 10mg/L이다. 한국정부도 방류수 수중 질소 배출을 강화하고 있으며 질산성 질소 기준이 아니라 총질소 개념을 도입하여 청정지역 30mg/L 그리고 기타지역 60mg/L 배출 허용 기준치를 2003년 1월 1일부터 전국적으로 확대실시하고 있다.

질산성 질소는 안정하고 매우 수용성인 물질이다. 그래서 공침 혹은 흡착같은 전형적인 수처리 공법 적용에 의해서는 제거하기가 매우 어렵다. 현제까지 질산성 질소 제거에 상업적으로 검증된 유일한 방법은 생물학적 영양염류 제거 공법(Biological Nutrient Removal: BNR)으로 알려진 생물학적 분해이다.

 

느린 반응속도 및 고농도의 질산성 질소 농도에서 적용되기 어렵다는 단점이 있다. 열분해가 아니고 생물학적 공법이 아니면서 질산성 질소를 무해한 질소가스로 전환하는 화학적 탈질(ChemDenTM)이 개발되었다. 이 방법은 질산이온을 질소가스로 전환하여 대기중으로 방출하기위해 전이금속들과 설파믹산을 이용하는 전기화학적 환원을 토대로한다.

 

다양한 농도 범위에서 효과적으로 작동하는 것으로 증명되었으며 회분식 혹은 연속식으로 운전되어질 수 있으며 10mg/L 질산성 질소를 포함하는 매우 고농도의 질산성 질소를 수 mg/L(Parts Per Million)까지 환원시킬 수 있다.

ChemDenTM 공법은 질산성 질소가 아니라 총질소(Total Nitrogen; TN) 함량 기준인 한국의 수중 질소 방류수 배출 허용기준치를 만족시키기 위해 Chemical Redox Denitrification(CRD) 공법으로 개발되었다. ChemDenTM 공법이 질산성 질소를 질소가스로 전환시킬때 제거되어지는 질산성 질소의 일정 부분이 부반응에 의해 암모니아성 질소로 전환되고, 또한 매우 안정하여 제거하기 어려운 미반응 설파믹산이 방류수에 존재하게 되며 이들은 방류수 배출 허용기준치 만족을 어렵게한다.

 

ChemDenTM 공법에서, 질산성 질소의 암모니아로의 전환율은 설파믹산 투입량과 전해조 구조에 현저하게 영향을 받는다. 암모니아 전환율을 현저히 줄이기 위해서는 설파믹산과 질산성 질소의 비율이 3:1 이상이 되어야하므로 과잉의 설파믹산이 사용되어야하고, 이런 조건하에서는 질산성 질소 제거 반응이 끝난후에 과잉의 미반응 설파믹산이 처리수에 잔류하기때문에 TN 규제 관점에서 보면 심각한 문제가 된다.

 
CRD 공법은 질산성 질소 환원과 암모니아성 질소 및 설파믹산 산화를 이용하는 산화환원반응과 금속이온과 인산염 침전을 조합한 물리화학적 탈질 공법이다. 고농도의 무기성 수중 질소를 포함하는 산업폐수로부터 수중 질소와 또다른 방류수 수질 규제 항목인 인산염 제거에 매우 효과적이다. 본 연구에서 인공폐수와 실제 산업폐수를 대상으로 벤치 및 파일럿 규모로 많은 탈질 실험들이 행해졌다.

 

[출처 = 한국환경산업기술원(www.keiti.re.kr)]