ANAMMOX(혐기성 암모니아 산화) 공정은 1990년 네덜란드 델프트 공과대학의 Kluyver 생명공학 연구소에서 개발되었습니다. 이 과정은 전통적인 생물학적 질소 제거 과정의 기본 이론적 개념을 깨뜨립니다. 혐기성 조건에서 암모니아는 암모니아를 전자 공여체로 사용하고 질산염 또는 아질산염을 전자 수용체로 사용하여 질소 가스로 산화됩니다. 이는 완전 질산화(암모니아가 질산염으로 산화되는 과정)에 비해 산소 공급량을 60% 이상 절약합니다. 암모니아를 전자 공여체로 사용하면 전통적인 생물학적 질소 제거 공정에 필요한 탄소원도 절약됩니다.
ANAMMOX 공정은 높은 질소 제거 효율, 낮은 운영 비용, 작은 설치 공간 등의 장점을 갖고 있으며 폐수 처리 분야에서 발전 가능성이 높습니다. 현재 이 공정은 도시 슬러지 처리에 있어 점점 더 성숙해지고 있습니다. 네덜란드 로테르담의 Dokhaven 폐수 처리장에 위치한 세계 최초의 생산 규모 ANAMMOX 장치는 체적 질소 제거율(NRR)이 9.5kg N/(m3·d)에 달합니다. 또한, ANAMMOX 공정은 발효 산업 폐수, 매립 침출수 및 양식 폐수와 같은 고-암모니아 질소 폐수 처리에 점점 더 많이 채택되고 있으며 엔지니어링 응용이 전 세계적으로 빠르게 확산되고 있습니다.
혐기성 암모니아 산화의 원리
Anammox는 혐기성 조건에서 암모니아를 전자 공여체로 사용하고 아질산염을 전자 수용체로 사용하여 질소와 질산염을 생성하는 생물학적 반응입니다. Anammox에는 두 가지 과정이 포함됩니다. 첫째, 암모니아가 전자 공여체로 작용하고 아질산염이 전자 수용체로 작용하여 1:1 비율로 반응하여 질소 가스를 생성하고 에너지를 ATP로 저장하는 분해(에너지 생산) 대사입니다. 둘째, 동화작용(anabolism)은 아질산염이 전자수용체로 작용하여 환원력을 제공하고, 분해대사에서 생성된 이산화탄소와 ATP를 활용하여 세포물질을 합성하고 그 과정에서 질산염을 생성하는 것이다. 혐기성 암모니아 산화 박테리아(AnAOB)는 혐기성 암모니아 산화의 구현자입니다.
NH4++ NO2-= N2+ 2H2O, ΔG=-358kg/mol
혐기성 암모늄 산화(ANAO) 공정은 주로 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계는 부분 질산화로, 암모니아 질소의 약 55%만 아질산염 질소로 전환하면 됩니다. 두 번째 단계는 혐기성 암모늄 산화(ANAO)로, 혐기성 조건에서 암모니아성 질소가 전자 수용체인 아질산성 질소에 의해 질소 가스로 산화됩니다. 따라서 이를 PN/A 프로세스라고도 합니다.
이 과정에서 무기질소의 약 89%가 질소가스로 전환되고, 나머지 11%는 질산성 질소로 전환된다. 전통적인 질산화-탈질화 공정과 비교하여 ANAO는 상당한 기술적 이점을 가지고 있습니다. 폭기 에너지 소비는 기존 공정의 55-60%에 불과합니다. 이 과정에는 탄소원이 거의 필요하지 않습니다. 질산염 생성물을 제거하기 위해 ANAO 중에 탄소원을 추가해야 하는 경우 추가되는 양도 기존 공정보다 훨씬 적습니다. 복용량은 90% 감소합니다. Anammox 공정은 알칼리도 소비를 45%까지 줄일 수 있습니다. 동시에 아나목스 공정의 슬러지 생산량은 기존 탈질 공정보다 훨씬 낮으므로 잉여 슬러지의 처리 및 폐기 비용이 크게 절감됩니다.
Anammox에 영향을 미치는 요인
아나목스 및 AOB 박테리아(암모니아 질소를 아질산염으로 변환하는 암모니아 질소화 박테리아)의 농축과 NOB 박테리아(아질산염을 질산염으로 변환하는 아질산염 산화 박테리아)의 억제를 포함하여 주류 폐수 처리 시스템에서 아나목스 박테리아에 적합한 생존 조건을 만드는 것이 현재의 과제입니다.
1. 온도
미생물의 대사활동은 온도의 영향을 크게 받습니다. 이전 연구 결과에 따르면 35도가 아나목스의 최적 온도인 것으로 나타났습니다. Anammox의 최적 온도는 생물학적 대사가 가장 빠르고 생식주기가 가장 짧은 온도입니다. 그러나 대부분의 실제 도시 폐수 온도는 낮습니다(10~25도). 특히 폐수 온도가 종종 10도 미만인 우리나라 북부와 같은 일부 고위도 지역에서는 더욱 그렇습니다. 이러한 분야에서 Anammox의 효과와 안정성은 중요한 과제를 제시합니다.
도시 폐수의 주류 온도는 일반적으로 AnAOB의 최적 성장 온도(25-40도)보다 낮은 약 10-20도이며, 이는 Anammox. 2. 암모니아 및 아질산염 농도의 성장에 영향을 미칩니다.
혐기성 암모늄 산화(ANAMO)의 기질은 암모니아와 아질산염입니다. 그러나 이 두 물질의 농도가 지나치게 높으면 프로세스가 방해될 수 있습니다. 연구에 따르면 암모니아에 대한 억제 농도는 38.0~98.5nmol/L이고 아질산염에 대한 억제 농도는 5.4~12.0nmol/L입니다. Jettenet al. 20 nmol/L 이상의 아질산염 농도에서 ANAMMOX 공정이 크게 억제된다는 사실을 발견했습니다. 높은 아질산염 농도에 장기간 노출(2시간)되면 ANAMMOX 활성이 완전히 파괴될 수 있지만, 낮은 아질산염 농도(약 10nmol/L)에서는 활성이 상대적으로 높게 유지됩니다.
3. pH 값
암모니아와 아질산염은 수용액에서 해리되기 때문에 pH 값은 ANAMMOX에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 ANAMMOX 공정은 pH 6.7~8.3 범위에서 잘 작동하며 최적 pH는 약 8인 것으로 나타났습니다.
4. 유기물의 영향
폐수 속 COD 함량... 종속 영양 탈질균의 성장을 촉진하고 Anammox 공정을 억제합니다. Anammox 공정은 COD가 전자에 의해 낮은 수준으로 소비되는 경우에만 지배적일 수 있습니다. 이 문제는 고강도 도시 폐수 처리에서 특히 두드러집니다.- Winkler 등의 연구에 따르면 25도에서 원수의 C/N 비율이 0.5 미만인 경우 Anammox와 종속 영양 탈질이 질소 제거 효율을 저하시키지 않고 조화롭게 공존할 수 있는 것으로 나타났습니다.
5. 단기-질산화 안정성 Anammox 공정을 적용할 때 아질산염 축적을 허용하고 질산화 시스템을 단기-질산화 상태로 유지하려면 주류 조건에서 NOB 활동을 최대한 최소화해야 합니다. 이는 Anammox의 안정성을 보장하는 데 중요합니다. 프로세스의 정상적인 작동은 기본적이며 처리 효과와 직접적인 관련이 있습니다. 앞서 언급한 목표는 유리 암모니아를 제어함으로써 달성할 수 있습니다. 따라서 Anammox가 고-암모니아 질소 폐수에 주로 적용되는 이유는 고-암모니아 질소 폐수에 포함된 유리 암모니아가 NOB를 억제하여 적절한 제어 조건 하에서 시스템을 단기-질산화 상태로 유지할 수 있기 때문입니다. 그러나 생활폐수에서는 단기-질산화의 안정성이 온도와 암모니아성 질소의 영향을 받아 안정적인 운영이 불가능합니다! PN/A 공정에서는 AOB의 활성이 저온에서 억제되어 암모니아 질소 전환율이 감소하기 때문에 단기-질산화 단계도 온도의 영향을 받습니다. 또한, AOB의 활성화 에너지는 NOB의 활성화 에너지보다 높기 때문에 NO2- 축적이 충분하지 않아 Anammox 반응에 충분한 기질을 제공할 수 없습니다.
ANAMMOX 프로세스 및 파생 프로세스
실제 엔지니어링 응용 분야에 사용되는 Anammox 기술은 부유 슬러지, 입상 슬러지 및 생물막 공정으로 나눌 수 있습니다.
1. 부유슬러지 공정
AOB 및 AAOB 느린-성장과 긴 생성 주기로 인해 기존 부유 슬러지 시스템에서는 미생물이 쉽게 손실됩니다. 따라서 부유 슬러지 공정에서는 미생물을 유지하기 위해 연속 배치 반응기(SBR)를 사용하는 경우가 많습니다.
모든 SBR Anammox 기술 중 80%는 DEMON 공정입니다. 이 공정은 오스트리아의 Strass 폐수 처리장에 처음 적용되었습니다. 핵심 원리는 pH 변화를 모니터링하여 폭기 시간을 조정함으로써 단기-질산화와 아나목스 간의 균형을 조정하는 것입니다. 또한 이 공정에서는 하이드로사이클론을 활용하여 AAOB 및 AOB의 슬러지 연령을 조절합니다. 원심력에 의해 미생물은 두 부분으로 분리됩니다. 가벼운 AOB는 위에서 흘러넘치고, 무거운 AAOB는 바닥에 쌓여 반응기로 다시 흘러갑니다. Strass 폐수처리장은 85% 이상의 독립 영양 질소 제거 효율을 달성했습니다.
2. 입상슬러지 공정
입상 슬러지 시스템의 전형적인 예는 Parker가 로테르담에 건설한 Anammox 반응기입니다. 초기 흐름-별-흐름 공정은 2단계 시스템을 사용하는 경향이 있었기 때문에 실제 작동에서는 Anammox 반응기가 이전에 구축된 질산화 반응기와 통합되었습니다... SHARON 반응기가 결합되어 Sharon-Anammox 반응기 시스템을 형성했는데, 이 반응기는 시동에 3.5년이 걸렸습니다. 이후 Parker Biomedical은 통합 Anammox 반응기를 개발했습니다. 아나목스 반응기와 2{9}}단계 시스템의 통합 반응기는 모두 슬러지 입자 보유를 달성하기 위해 내부 경사판 침전 탱크를 사용하여 상향류 연속 방식으로 작동합니다.
3. 생물막 공정
생물막 기술을 활용한 Anammox 공정에는 주로 DeAmmon과 ANITATMMox가 포함됩니다. DeAmmon 공정은 3개의 MBBR 반응기와 1개의 탈기 탱크로 구성됩니다. 3개의 반응기는 필요에 따라 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있으며 MBBR 충전율은 40%~50%입니다. ANITATMMox는 주로 측면-흐름 시스템에 통합된 MBBR 반응기를 사용합니다. ANITATMMox는 순수한 MBBR 생물막 또는 슬러지-필름 하이브리드 IFAS(Integrated Fat Film Assay)를 사용할 수 있습니다. 순수 생물막 공정에서 AAOB 박테리아는 포장재의 가장 안쪽 층에 있고 AOB는 가장 바깥층에 있습니다. IFAS 공정에서 AAOB는 주로 포장재에 있고, AOB는... 부유 슬러지에 있습니다.
세계 최초 혐기성 암모니아 산화(ANAO) 프로젝트!
2002년에 Parker Systems는 SharonAnammox 시스템을 사용하여 슬러지 탈수액을 처리하는 로테르담의 Dokhaven 폐수 처리장에 세계 최초의 생산적인 ANAO 반응기를 건설했습니다. 이후 네덜란드, 독일, 일본, 호주, 스위스, 영국에서 100개 이상의 원자로가 건설되었습니다. 다수의 혐기성암모니아산화폐수처리장에서는 슬러지 소화액 외에 매립침출수, 축산농장폐수, 음식물폐수 등의 폐수를 처리합니다.
1. 네덜란드 로테르담 DOKHAVEN 폐수처리장에서 슬러지의 혐기성 암모니아 산화 처리
에너지 운반체인 유기 슬러지는 그 안의 유기물을 에너지 가스-메탄으로 전환시키는 것으로 먼저 고려됩니다. 이를 바탕으로 그림과 같은 슬러지 처리 공정이 형성된다. 폐수 처리 공정에서 발생하는 과잉 슬러지는 슬러지 소화조(5)에 들어가기 전에 두 가지 다른 농축 방법을 거칩니다. A-섹션 폭기조에서 나온 잉여 슬러지 및 슬러지는 미세한 스크린(1)을 통해 여과된 후 농축된 후 두 개의 중력 농축조(2)에 병렬로 유입됩니다. 침전된 슬러지의 수분 함량은 94%입니다. 분리된 상청액은 추가 처리를 위해 폐수 처리 공정으로 되돌아갑니다.
슬러지 소화액에는 상대적으로 높은 농도의 암모니아 질소(최대 1500mg N/L)가 포함되어 있으며 수온은 28도입니다. 도 . 폐수 처리 공정에 유입되는 높은 질소 부하량은 질소 제거 부담을 증가시킵니다. 따라서 슬러지 소화액의 별도 탈질 처리를 위한 최신 SHARON 및 ANAMMOX 기술의 채택은 최근 몇 년간 DOKHAVEN 폐수 처리장의 최신 업그레이드 조치입니다. 세계 최초의 생산적인 SHARON 원자로(11)가 1998년 10월 이곳에서 운전을 시작했고, 세계 최초의 ANAMMOX 원자로(12)가 2002년 6월에 운전에 투입되었습니다.
2. 공정 변수
1) 미세 스크린 1세트, 유량 510m³/h, 스크린 간격 3mm.
2) 중력 농축기 2세트, Ф23.6 m, H=3 m, 건조 고형물 부하 36 kg/(m²·d), 슬러지 부피 530 m³/d(수분 함량 94%).
3) 벨트 농축기 처리 용량은 90m³/h 또는 700kg 건조 고형물/h입니다.
4) 과잉 슬러지 균등화 탱크 900m³.
5) 6) 2개의 슬러지 소화조, Ф22m, H=23m, 체류 시간은 33도에서 28일이며, 소화 후 슬러지 부피는 600m³/d(수분 함량 96%)입니다. 슬러지 균등화 탱크의 용량은 900m³입니다.
7) 처리 용량이 40m³/h인 원심분리기 2개.
8) 탈수 슬러지 저장 탱크 2개, 각각 용량 150m3; 보유 기간 2.5일; H=14m.
9) SHARON 반응기 1개; Ф19.5 m, H=5.75 m, 유속 550 m³/d, 수압 유지 시간 3일, 호기성 유지 시간 24 h, 온도 35도, pH 7~7.2, 용존 산소 농도 1.5 mg/L.
10) ANAMMOX 반응기 1개; Ф2.2 m, H=18 m (V=70 m³), 유량 550 m³/d. 반응기는 m3/d 용량, 수리학적 체류 시간 3시간, 설계 하중 800kgN/d, 온도 35도, pH 7.5로 작동합니다.
SHARON 반응기는 암모니아 질소의 절반을 아질산염 질소로 산화시킵니다(pH 제어 없음). 나머지 절반의 암모니아 질소와 변환된 아질산염 질소(유입수 내 총 암모니아 질소의 절반)는 ANAMMOX에 필요한 몰비(1:1)를 형성하여 암모니아 질소와 아질산염 질소가 독립 영양 변환을 통해 직접 질소 가스로 변환될 수 있습니다. 전통적인 질산화/탈질화 공정에 비해 SHARON/ANAMMOX 공정은 운영 비용을 90%, CO2 배출량을 88% 절감하고, 유해한 N2O 가스를 생성하지 않으며, 유기물이 필요하지 않고, 과도한 슬러지를 생성하지 않으며, 토지 면적을 50% 절약하여 상당한 지속 가능성과 경제적 이점을 입증합니다.