에서 지방 및 산업 폐수 처리장(WWTP)질산화 실패는 종종 용존 산소 부족, 슬러지 연령 부족, 독성 충격 등으로 지목됩니다. 하지만 많은 경우, 진짜 근본 원인은 훨씬 더 근본적입니다: 알칼리도 고갈과 완충 고장.
알칼리도가 충분하지 않으면 pH가 하락하기 시작합니다. 완충 용량이 붕괴되면 질산화 박테리아는 빠르게 활동을 잃고 암모니아 돌파구가 뒤따릅니다.
알칼리도 대 pH: 버퍼 용량이 즉각적인 측정값보다 더 중요한 이유
많은 식물들이 pH를 지속적으로 모니터링하지만, 같은 규율로 알칼리도를 추적하는 경우는 드뭅니다.
- pH 현재 수소 이온 농도를 반영합니다.
- 알칼리성 이는 시스템이 pH 변화에 저항하는 능력, 즉 산 중화 능력을 반영합니다.
알칼리도는 pH 4.5로 적정하여 CaCO₃ 형태로 mg/L 측정합니다. 지방 하수에서 알칼리도는 일반적으로 다음과 같이 구성됩니다:
- 중탄산염(HCO₃⁻) — 우성 분획
- 탄산염(CO₃²⁻)
- 하이드록사이드 (OH⁻)
질산화가 산성을 생성하기 때문에, 알칼리성이 생물학적 시스템 불안정성에 대한 주요 방어 기제로 작용합니다.
핵심 원칙:
pH는 증상 지표입니다. 알칼리도는 안정성 지표입니다.
질화의 화학양론: 붕괴가 예상보다 빠르게 일어나는 이유
질화는 고정된 반응 화학 성분에 따라 알칼리도를 소비합니다:
- 1 mg NH₄⁺-N 산화는 ~7.14 mg 알칼리도(CaCO₃)를 소비합니다.
- 1g BOD₅ 제거 시 ~0.3g 알칼리도를 소모합니다
암모니아 영향이 많은 조건에서는 이러한 수요가 상당합니다. 예를 들어:
만약 NH₄⁺-N = 40 mg/L
→ 알칼리도 섭취량 ≈ 286 mg/L
많은 지방 유입구는 200–300 mg/L의 알칼리도를 포함하고 있습니다. 보충제가 없으면 이 시스템은 필연적으로 산성화됩니다.
위험 요인은 다음과 같습니다:
- 고SRT 완전질화시스템
- 습기 희석으로 유류 알칼리도 감소
- 완충 용량이 낮은 산업 폐수
- 동시 화학적 인 제거
잔류 알칼리도가 임계 수준 이하로 떨어지면 pH 감소가 급격히 가속화됩니다.
안정적인 활성 슬러지 질질화를 위한 핵심 통제 목표
전체 규모의 공장 성능 데이터를 기반으로 합니다:
최적의 질화 pH 범위: 6.8–8.2
경고 기준:
- pH < 6.5 → 질화율 감소
- 질산화가 거의 멈춘 → pH ≈ 6.0
권장 알칼리도 조절 목표:
- 이론적 질화 수요≥ 1.5× 유류 알칼리도
- 잔류 알칼리도 50–150 mg/L 유지(최소 기준)
- 민감한 영양소 제거 시스템: 200–300 mg/L 잔류
알칼리성이 한계가 되면 연산자는 다음과 같은 관찰을 할 수 있습니다:
- 증가하는 폐수 암모니아
- 아질산염 축적
- SVI 증가 (>150 mL/g)
- 섬유 과잉 성장
- 낮은 아침 pH 값
- DO는 적당하지만 암모니아 제거가 부족합니다
이것은 산소 문제가 아니라 완충 문제입니다.
실용적인 알칼리도 보충 전략
자연 유입 알칼리도가 부족할 때는 화학적 보충이 필요합니다.
일반적인 알칼리성 원천
| 화학적 | 강점 | 운영 노트 |
|---|---|---|
| 수산화나트륨 (NaOH) | 강력하고 빠른 대응 | 비용이 더 많이 들고 pH가 급격히 변화할 위험이 있습니다 |
| 탄산나트륨(Na₂CO₃) | 중도 | 더 안전한 완충 작업 |
| 석회(Ca(OH)₂) | 경제성 | 슬러리 취급 및 스케일링 위험 |
| 수산화마그네슘 | 서방 버퍼링 | 과급 위험 감소 |
모범 사례:
pH 설정값 조절만이 아니라 암모니아 부하에 따라 용량을 정하세요.
최적 주입 위치
- 리턴 활성화 슬러지(RAS) 라인
- 산소 공급 전 인플루잉 채널
- 평등화 분지
산소 탱크에서 국소적인 고pH 충격을 피하세요.
제어 철학
반응성 조절(낮은 pH 알람을 기다리는 것)은 종종 너무 늦습니다.
선제적인 전략에는 다음이 포함됩니다:
- 정기 알칼리도 검사 (주 ≥회 3회)
- NH₄⁺ 부하에 기반한 피드포워드 도징
- 잔류 알칼리도 설정값 (예: 최소 100 mg/L 기준)
- SCADA 통합 알칼리-암모니아 제어 루프
통합 영양분 제거 고려사항
BNR 시스템에서는 알칼리도 관리가 더 복잡해집니다.
EBPR에 미친 영향
- pH < 7은 PAO 경쟁력을 감소시킵니다
- GAO가 더 지배적으로 변함
- 생물학적 인 제거 효율 저하
화학적 인 제거
철과 알루미늄 염은 추가적인 알칼리도를 소비하여 완충 수요를 더욱 증가시킵니다.
따라서 질화 안정성, 인 제거, 알칼리도 조절은 독립 변수가 아니라 상호 연관되어 있습니다.
공학 및 운영 권고사항
질화가 장기적으로 붕괴되는 것을 방지하기 위해:
- 영향 있는 알칼리도 설계≥ 200 mg/L (지방 자치단체 기준선)
- 며칠간 알칼리도 저장 용량을 확보하세요
- 피크 암모니아 부하를 위한 크기 도징 시스템
- 현물 값뿐만 아니라 알칼리도 추세를 모니터링하세요
- 계절 조정 전략을 준비하세요
기억하세요:
- pH는 현재 상태를 알려줍니다
- 알칼리성은 미래의 안정성을 예측합니다
대부분의 질화 붕괴는 갑작스러운 사건이 아니라 점진적인 알칼리성 고갈의 최종 단계입니다.
안정적인 질산화는 산소 증가만으로는 달성되지 않습니다. 이는 생물학적 시스템의 완충 능력을 보호함으로써 유지됩니다.