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문제 정의
- 본 연구는 질산화/탈질공정을 거친 하수에 잔류하는 질산성 질소를 제거하기 위하여 황- 이용 탈질을 적용할 때 알칼리도 공급원으로 석회석의 이용가능성올 파악하기 위하여 수행하였다. 이를 위하여 황/석회석 혼합비를 달리하여 각 반웅조에 적용 가능한 최대 질소 부하량을 산정하였다.
가설 설정
- 유입수의 DO가 소모될 때 단위 6당 발생되는 浏-의 양온 ZgSQf/gq이다 이는 8 mg/L 의 DO가 소모되었올 때 16 mg/L의 SQ2가 생성됨 올 의미한다. 따라서 양론식보다 다소 높은 S。:생성량은 황의 산화에 의한 것임을 알 수 있다.
- 유입수 NO3--N 농도는 하수처리장에 유입하는 TN이약 40 mg/L이고, 이를 질산화/탈질 공정으로 처리할 경우 잔류 NO-N가 최대 20 mg/L이라고 가정하여 KN%을 첨가하여 20±5 mg/L로유지하였다. R-0%은 NaHC03로 알칼리도를 공급하여 유입 알칼리도를 200 mg/L(6-9 L/day에 는 250 mg/L) 로 조절하였다.
제안 방법
- -N, NO2-N, SO42을측정하였다. Port별 분석 역시 동일한 분석항목에 대해 실시하였다, Port 사이의 유효 공극의 부피는 226 mL로 작으므로 시료률 너무 많이 취할 경우 상하혼합이 될 염려가 있어 용량 60 mL의 COD bottle올 사용하여 난류가 발생하지 않도록 주의하면서 시료를 채취했다. 각실험의 분석방법은 Standard Methods10)와 수질오염 공정시험법11)에 따랐다.
- R-0%은 NaHC03로 알칼리도를 공급하여 유입 알칼리도를 200 mg/L(6-9 L/day에 는 250 mg/L) 로 조절하였다. R- 12.5% 및 R-25% 유입수에는 알칼리도를 별도로 첨가하지 않았으나 실험실 규모 질산화/탈질조 유출수를 수돗물로 회석한 경우 NaHCO3 롤 첨가하여 알칼리도를 100 mg/L로 조절하였다. 유량 40 L/day부터 실험실 규모의 질산화 /탈질조 유출수가 부족하여 이를 수돗물로 회석한 후 KGS를 첨가하여 NOj-N농도를 조절하였다.
- 운전하였다. 각 반웅조는 4 L/day의 유량으로 순응시켰으며 6 L/day부터 유출수의 NOf-N 농도가 일정하게 유지되면 부하 증가에 의한 충격을 적게 받도록 약 1.5배씩 유량을 증가시키면서 실험하였다. 각 부하에서 최소 1주일 정도 경과후 수질 변화가 크지 않을 때를 준 정상상태로 간주하여 port분석올 2-3회 실시하고 유량을 증가시켰다.
- 5배씩 유량을 증가시키면서 실험하였다. 각 부하에서 최소 1주일 정도 경과후 수질 변화가 크지 않을 때를 준 정상상태로 간주하여 port분석올 2-3회 실시하고 유량을 증가시켰다. 유량 18 L/day부터는 막힘현상이 발생하여 반응조내 수위가 짧은 시간에 상승하였으므로 막힘이 발생하는 시간을 관찰한 후 처리 수를 역주입하여 이를 해결하였다.
- Port-5에는 산기관을 설치하여 막힘 현상이 발생할 경우에 역세척을 할 수 있도록 대비하였다. 또한 막힘현상을 방지하기 위하여유출관에 솔레노이드 밸브 (solenoid val.,e) 와 timer가 달린 control box를 설치 하여 시간에 따라서 처리수가 자동으로 역주입이 되도록 했다. 황 충전충의 하부에는 비등석 2.
- 이를 위하여 황/석회석 혼합비를 달리하여 각 반웅조에 적용 가능한 최대 질소 부하량을 산정하였다. 또한 황-이용 탈질 반 옹 조의 운전 시 막힘현상의 발생 정도와 그 대처 방안을 제시하였다.
- 반옹기 R-0%온 황만으로 충전하였고, R- 12.5%는 황/석희석 부피비를 7:1, R-25%는부피비 3:1로 충전하였다. 반옹조 내부에는 Koenig와 LiiP)가 효율적이라고 제시한 직경 2.
- 88 L이었다. 반응기의 측면에는 시료 채취구(Port)를 11.5 cm 간격으로 설치하여 반웅조 깊이에 따른 분석을 수행하였다. Port 명칭은 상부에서부터 하부 유출관까지 Port-1(황 입자충 표면)에서 Port-5로 명명하였다.
- 역주입 주기는 32 L/day인 경우 4 hr에서 40 60 L/day인 경우 1시간으로 조절하였다. 역주입은 약 200 ml의처리수를 1-2분 사이에 반웅조 하단으로부터상향류로 주입하여 반웅조 하단에 축적된 가스를 배출하는 방식으로 수행하였다. 역주입시주입시간이 짧은 경우 황 충이 다소 유동되었으며, 그 결과 더 많은 가스를 제거할 수 있었다.
- 각 부하에서 최소 1주일 정도 경과후 수질 변화가 크지 않을 때를 준 정상상태로 간주하여 port분석올 2-3회 실시하고 유량을 증가시켰다. 유량 18 L/day부터는 막힘현상이 발생하여 반응조내 수위가 짧은 시간에 상승하였으므로 막힘이 발생하는 시간을 관찰한 후 처리 수를 역주입하여 이를 해결하였다. 역주입은 timer를 이용하여 설정된 시간에 역주입 펌프로부터 Port-5를 통해 주입되었다.
- 5% 및 R-25% 유입수에는 알칼리도를 별도로 첨가하지 않았으나 실험실 규모 질산화/탈질조 유출수를 수돗물로 회석한 경우 NaHCO3 롤 첨가하여 알칼리도를 100 mg/L로 조절하였다. 유량 40 L/day부터 실험실 규모의 질산화 /탈질조 유출수가 부족하여 이를 수돗물로 회석한 후 KGS를 첨가하여 NOj-N농도를 조절하였다.
- 이론적으로 소모되어야 할 알칼리도는 R-0% 에서 1 mgNOj-N 제거당 소모되는 알칼리도 (3.1-4.4, 평균 4.0) 를 구한 후 R-12.5% 및 R-25%에서 제거된 NQf-N의 양을 곱하여 구하였다. Fig.
- 이를 위하여 황/석회석 혼합비를 달리하여 각 반웅조에 적용 가능한 최대 질소 부하량을 산정하였다. 또한 황-이용 탈질 반 옹 조의 운전 시 막힘현상의 발생 정도와 그 대처 방안을 제시하였다.
- hr, 유량 60 L/day일 때는 1 hr주기로 나타났다. 이를 해결하기 위하여 주기적으로 처리수를 역주입하였다. 역주입 주기는 32 L/day인 경우 4 hr에서 40 60 L/day인 경우 1시간으로 조절하였다.
- ,e) 와 timer가 달린 control box를 설치 하여 시간에 따라서 처리수가 자동으로 역주입이 되도록 했다. 황 충전충의 하부에는 비등석 2.5 cm, 굵은 모래 (2.00~3.66 mm) 3.5 cm, 가는 모래 (1.41- 2.00 mm) 6 cm를 순서로 충전하여 균등한 집수가 되도록 하였다. 반옹조내 수위는 황충으로부터 3 cm로 유지하였다.
이론/모형
- Port별 분석 역시 동일한 분석항목에 대해 실시하였다, Port 사이의 유효 공극의 부피는 226 mL로 작으므로 시료률 너무 많이 취할 경우 상하혼합이 될 염려가 있어 용량 60 mL의 COD bottle올 사용하여 난류가 발생하지 않도록 주의하면서 시료를 채취했다. 각실험의 분석방법은 Standard Methods10)와 수질오염 공정시험법11)에 따랐다.
성능/효과
- 황-이용 탈질은 최근 Koenig와 Liu에 의해 침출수에 적용되었다.1,2)Kim과 Bae는 고농도 NOj-N율포함한 침출수에 적용한 결과 100% 처리 가능한 NO3--N 농도는 약 700 mg/L, 최대 용적부하는 2.2 kg N0/-N/m3 . day로 보고하였다.
- 1. 황-이용 탈질을 이용하여 질산화/탈질 된 하수를 처리한 결과 유입 NO3-N 농도 20 mg/L에서 95% 이상이 제거되어 하수의 총질소 농도를 1 mg/L 이하로 처리할 수 있었다.
- 2. 황-이용 탈질시 알칼리도 공급원으로 NaHC03를 이용하는 경우가 반옹조 내부에 충전된 석회석을 이용하는 경우보다 고부 하에서 처리효율이 다소 높았다. NaHC03룔 이용하는 경우 용적 부하 354.
- 3. 석회석은 알칼리도 공급원으로 유용하게사용될 수 있으며 이때 황/석회석의 충전비 3:1보다는 7:1에서 안정적인 처리효율을 얻올수 있었다.
- 5. 황반응조의 막힘 현상은 주기적인 처리수의 역주입을 통해서 해결할 수 있었다.
- 또, 다른 문제점으로는 Ca2♦과 황산염생성에 따른 석고(CaSQ)의 생성 및 이에 따른 공극의 막힘 가능성이다. 그러나 CaSQ의용해도적 (Ksp) 은 2.6 10-5이며, 본 실험에 사용한 반응조에서 측정한 최대 CQ와 SQ2-의농도적 은 3.375 10 6로 Ksp보다 낮아 석 고의생성 가능성은 매우 낮았다.
- 반응조 내의 공극율은 약 39%이므로 반웅조 하단 10 cm 깊이에 약 190cc의 가스가 잔류하면 하단공극 전체가 가스로 차게되어 유체의 호룜올방해한다. 둘째, 탈질이 진행되면 전자 공여체인 황이 용해되며 소모되므로 입경이 감소하며, 이에 따른 압밀 현상에 의하여 유효 공극이 감소한다. 실제로, 운전기간중 황 충 높이가 1-2 cm 낮아진 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
- 석회석으로부터 공급된 알칼리도는유량 12 L/day(EBCT 4.5 hr) 까지 R-12.5% 및 R-25%에서 큰 차이를 나타내지 않고 lOO- aS mgasCaCCZ/L이었으며, 그 이상의 유량에서는 R-12.5%에서는 60-20 mg as CaCO3/ L, R-25%에서 는 75-30 mg as CaCC/L로 황 /석회석 충전비가 3:1인 R-25%에서 다소 많은 알칼리도가 공급되었음을 알 수 있다. 이같은 결과는 유량 12 L/day(EBCT4.
- 석회석의 용해에 의해 공급되는 알칼리도 농도는 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 석회석으로부터 공급된 알칼리도는유량 12 L/day(EBCT 4.
- 실제로, 운전기간중 황 충 높이가 1-2 cm 낮아진 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 셋째, 황 표면에 미생물이 증식하며 유효공극이 감소하게 된다.
- 5% R-25%의 순이였으며, R-0%와 나머지 두 반웅조의 차이는 부하가 높을수록 크게 나타났다. 용적부하에 따른 NO3'-N 제거 효율은 284 g NO3- N/m3 day (유량 32 L/day) 까지는 모든 반웅조에서 94% 이상이었으나, 355g NO3 -N/m3 day(유량 40 L/day)에서는 R-0%은 95% 이상, R-12.5%와 R-25%는 각각 87%, 83%로 저하되었으며, 532 g NO3 -N/m3 day(유량 60L/day) 에서 는 R-0%은 71%, R-12.5%는 60%, 그리고 R-25%는 63%로 모든 반옹조에서크게 저하되었다. 질산염 제거효율이 95% 이상인 용적부하는 알칼리도가 충분한 R-0%의 경우355 g NO3--N/m3 day 이 고 이때 EBCT는 1.
- 검출되지 않았다. 유입 유량 24 L/day (EBCT 2.3 hr) 까지 NOj-Ne 모든 반 옹 조에서 1 mg/L 이하로 유지되었으며, 유입 유량이 32 L/day(EBCTL7hr)로 증가한 직후에만 유출수의 수질은 일시적으로 악화되었으나 R-0% 및 R-25%은 2일 후에, R-12.5%는 1주일 후에 안정화되었다. 이후부터는 유량이중가함에 따라 유출수 NQf-N이 서서히 중가하는 경향을 나타내었다.
- 0 13)각 반옹조별 유출수 pH는 유입유량에 따라 다르게 나타났다. 유입유량 18 L/day(EBCT3.0hr) 까지는 유출수 pH가 R-25% > R-12.5% > R-0%의 순서였으나, 이후 유량이 증가하며 반 옹 조간 유출수의 pH의 차이가 감소하여 유량 24L/day (EBCT 2.3 hr) 부터는 R-0%과 R-25%유출수의 pH가 같은 수준으로 유지되었으며 R-12.5%만이 다소 낮았다. 이 같은 유출수 pH 변화는 알칼리도 변화와 비숫한 경향을 보이고 있다, R-0%의 경우 유출수 알칼리도는110-150 mg as CaCQ/L (평균 125 mg asCaCOg/L) 로 거의 일정한 값을 보이고 있다.
- 4 g NO3*- N/m증 ・day라고 보고하였다. 이상의 결과를 종합하면 황/석회석 혼합 충전상 반웅기는 고농도보다는 저농도의 질산화된 폐수에 적합하고, 짧은 HRT에서도 안정적인 처리틀 얻을 수 있옴을 알 수 있었다.
후속연구
- 이 같은 역주입올통해 반옹조의 막힘 현상은 해결할 수 있었다. 그러나 미생물의 성장 및 황 입경 감소에 따른막힘현상을 해결하기 위해서는 역세척이 필요하며, 이는 추후에 연구할 예정이다.
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