Nutrient Recovery from Sludge Fermentation Effluent in Upflow Phosphate Crystallization Process

The nutrient recovery in phosphate crystallization process was investigated by using laboratory scale uptlow reactors, adopting sequencing batch type configuration. The industrial waste lime was used as potential cation source with magnesium salt($MgCl_2$) as control. The research was focused on its successful application in a novel integrated sludge treatment process, which is comprised of a high performance fermenter followed by a crystallization reactor. In the struvite precipitation test using synthetic wastewater first, which has the similar characteristics with the real fermentation effluent, the considerable nutrient removal(about 60%) in both ammonia and phosphate was observed within $0.5{\sim}1$ hr of retention time. The results also revealed that a minor amount(<5%) of ammonia stripping naturally occurred due to the alkaline(pH 9) characteristic in feed substrate. Stripping of $CO_2$ by air did not increase the struvite precipitation rate but it led to increased ammonia removal. In the second experiment using the fermentation effluent, the optimal dosage of magnesium salt for struvite precipitation was 0.86 g Mg $g^{-1}$ P, similar to the mass ratio of the struvite. The optimal dosage of waste lime was 0.3 g $L^{-1}$, resulting in 80% of $NH_4-N$ and 41% of $PO_4-P$ removal, at about 3 hrs of retention time. In the microscopic analysis, amorphous crystals were mainly observed in the settled solids with waste lime but prism-like crystals were observed with magnesium salt. Based on mass balance analysis for an integrated sludge treatment process(fermenter followed by crystallization reactor) for full-scale application(treatment capacity Q=158,880 $m^3\;d^{-1}$), nutrient recycle loading from the crystallization reactor effluent to the main liquid stream would be significantly reduced(0.13 g N and 0.19 g P per $m^3$ of wastewater, respectively). The results of the experiment reveal therefore that the reuse of waste lime, already an industrial waste, in a nutrient recovery system has various advantages such as higher economical benefits and sustainable treatment of the industrial waste.

상향류 인 결정화공정을 이용한 슬러지 발효 유출수로 부터의 영양소 회수

연속 회분식 방식의 실험실 규모 상향류 반응조를 사용하여 인 결정화공정을 이용한 영양물질 회수에 대한 연구를 수행하였다. 양이온 공급원으로서 산업폐기물인 폐석회와 마그네슘염을 이용하여 그 운전특성을 비교하였다. 이 연구는 고성능 발효조와 인 결정화 반응조로 구성된 새로운 통합 슬러지 처리 공정에 있어서 인 결정화공정의 성공적인 적용성 평가에 초점을 두고 있다. 발효조 유출수와 유사한 특성으로 제조된 합성폐수를 이용한 첫 번째 struvite 결정화 실험에서 반응은 $0.5{\sim}1$ hrs 사이의 반응시간에서 빠르게 진행되었는데, 그 동안 상당량(약 60% 이상)의 암모니아와 인이 제거되었다. 알칼리성 조건이라는 기질의 고유특성으로 인하여 암모니아 탈기 현상이 다소 발생하였으나 그 정도는 미미한 것(<5%)으로 나타났다. 또한 공기주입에 의한 이산화탄소 탈기조건을 추가적으로 제공하였을 때 struvite 형성속도의 향상은 일어나지 않았다. 실폐수로서 발효조 유출수를 사용한 두 번째 실험에서 stuvite 결정화를 위한 마그네슘염의 최적주입량은 struvite형성질량비와 유사한 0.86 g Mg $g^{-1}$ P이었다. 반면에 폐석회의 최적주입량은 0.3 g $L^{-1}$으로 다소 높게 나타났으며, 약 3시간의 반응시간 조건에서 $NH_4$-N과 $PO_4$-P의 제거효율은 각각 80%와 41%로 나타났다. 각 실험에서 침전물을 현미경으로 분석한 결과 마네슘염을 사용한 경우 프리즘과 같은 결정체가 관찰된 반면 폐석회를 사용한 경우는 비결정질의 결정체가 주로 관찰되었다. 하수처리용량 158,880 $m^3\;d^{-1}$의 실규모 처리시설의 경우를 대상으로 한 통합 슬러지처리시스템의 물질수지 분석결과 결정화 반응조 유출수로 부터의 반송되는 영양물질의 재순환 부하(각각 하수 1 $m^3$ 당 0.13 g N와 0.19 g P)는 매우 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 그러므로 이미 산업폐기물 형태로 존재하는 폐석회를 본 연구에서와 같이 통합 슬러지 처리시스템의 영양물질 회수 공정에서 재이용하는 것은 높은 환경적 및 경제적 이익과 동시에 산업폐기물의 지속발전적 처리/처분이라는 다양한 장점을 가질 것이다.