【상하수도공학】 2020 국가공무원 5급(기술) 제3문

2020 국가공무원 5급(기술) 제3문^]

 

추천글 : 【상하수도공학】 상하수도공학 목차 

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a. 화학의 기초

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감사합니다 님 지적사항 수정 (23.04.11)

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Q. 하수처리시설에서 생물학적 질산화와 탈질에 의해 하수에 포함된 암모니아성 질소를 제거하고 있다. 하수처리용량이 50,000 ㎥/day이며, 유입 하수에 포함된 암모니아성 질소(20 mg NH₄-N/L)가 전부 질산화-탈질에 의해 제거된다고 할 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 산소의 기액전달효율은 10%이고, 공기중 산소의 부피는 21%, 공기의 분자량은 29 g/mol이다. 그리고 질산화 및 탈질반응에서 세포 생성은 무시한다)

 

Q1. 위의 하수처리시설에서 질산화에 필요한 공기공급량(kg/day)을 화학반응식을 포함하여 구하시오. 

  

A1.

○ 산화종 : NH₄-N → NO₃^- (질소의 산화수 변화 : -3 → +5) ··· ⒜

○ 환원종 : 0.5O₂ → (1/3)NO₃^- or H₂O (산소의 산화수 변화 : 0 → -2) ··· ⒝

○ ⒜가 일어나는 빈도 : ⒝가 일어나는 빈도 = 1 : 4 (∵ 전자 균형)

○ 하루만에 하수에 유입된 암모니아성 질소의 양 = 20 mg / L × 50,000 ㎥ / day × 1000 L / ㎥ = 1,000,000 g / day

○ 질산화에 필요한 공기공급량 (kg/day) × 1 mol / 29 g × 0.21 × 0.10 × 2  = 1,000,000 g NH₄-N / day × 1 mol / 14 g × 4

○ 2 : 산소 기체는 O가 아니라 O₂이므로 

○ 4 : 위 전자 균형식 참고 

○ 하루에 질산화에 필요한 공기공급량 = 197278.9 kg/day

 

Q2. 질산화로 생성된 질산(NO₃^-)의 탈질을 위해 메탄올(CH₃OH)을 사용할 경우 필요한 메탄올 양(kg/day)을 화학반응식을 포함해 구하시오. 

 

A2. 

○ 탈질반응 : NO₃^- + 5e^- + 6H⁺ → 0.5N₂ + 3H₂O ∙∙∙ ⒞

○ 메탄올 산화반응 : CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6e^- + 6H⁺ ∙∙∙ ⒟

○ ⒞가 일어나는 빈도 : ⒟가 일어나는 빈도 = 6 : 5 (∵ 전자 균형)

○ 하루만에 하수에 유입된 암모니아성 질소의 양 = 1,000,000 g / day

○ 하루에 필요한 메탄올 양 (kg/day) × 1 mol / 32 g = 1,000,000 g NH₄-N / day × 1 mol / 14 g × 5 / 6 

○ 하루에 필요한 메탄올 양 = 1904.762 kg/day

 

Q3. 만약 위의 생물학적 질산화-탈질이 아질산(NO₂^-) 경로를 통한 부분 질산화-탈질(partial nitrification and denitrification)로 진행된다면 이때 질소 제거에 필요한 공기공급량(kg/day)과 메탄올 양(kg/day)을 화학반응식을 포함하여 각각 구하시오.

 

A3. 

○ 산화종 : NH₄-N → NO₂^- (질소의 산화수 변화 : -3 → +3) ∙∙∙ ⒠

○ 환원종 : 0.5O₂ → (1/3)NO₃^- or H₂O (산소의 산화수 변화 : 0 → -2) ∙∙∙ ⒡

○ ⒠가 일어나는 빈도 : ⒡가 일어나는 빈도 = 1 : 3 (∵ 전자 균형)

○ 하루만에 하수에 유입된 암모니아성 질소의 양 = 20 mg / L × 50,000 ㎥ / day × 1000 L / ㎥ = 1,000,000 g / day

○ 질산화에 필요한 공기공급량 (kg/day) × 1 mol / 29 g × 0.21 × 0.10 × 2 = 1,000,000 g NH₄-N / day × 1 mol / 14 g × 3

○ 하루에 질산화에 필요한 공기공급량 = 147959.2 kg/day

 

○ 탈질반응 : NO₂^- → 0.5N₂ (산화수 변화 : +3 → 0) ∙∙∙ ⒢

○ 메탄올 산화반응 : CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6e^- + 6H⁺ ∙∙∙ ⒣

○ ⒢가 일어나는 빈도 : ⒣가 일어나는 빈도 = 2 : 1 (∵ 전자 균형)

○ 하루만에 하수에 유입된 암모니아성 질소의 양 = 1,000,000 g / day

○ 하루에 필요한 메탄올 양 (kg/day) × 1 mol / 32 g = 1,000,000 g NH₄-N / day × 1 mol / 14 g × 1 / 2

○ 하루에 필요한 메탄올 양 = 1142.857 kg/day

 

Q4. 생물학적 질산화-탈질의 단점을 개선하기 위해 최근 아나목스(anaerobic ammonium oxidation, Annamox) 공정이 개발되어 적용되고 있다. 아나목스의 원리(화학양론식, 장점 및 단점 포함)에 대해서 설명하시오.

 

A4. 

○ 화학양론식 : NH₄⁺ + NO₂^- → N₂ + 2H₂O

○ 장점

○ reduced oxygen demand 

○ less sludge production 

○ cost reduction

○ lower CO₂ emission

○ 단점

○ slow doubling time

○ need for adjustment of pH 

 

입력: 2023.04.01 10:54