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문제 정의
- 아질산이 인체에 매우 유독하여 유출수에 포함되면 안된다는 측면에서는 단점이지만 아질산을 이용한 탈질을 할 경우 필요한 유기물을 줄 일 수 있는 장점이 될 수 도 있다. 따라서 폭기/비폭기 주기 결정시 마지막 폭기 시간을 4시간으로 해주어 폭기/비폭기에서는 아질산염 축적 및 탈질을 유도하였고, 마지막 폭기에서 완전한 질산화(complete nitrification)를 유도하고자 하였다.
- 본 연구에서는 소규모 축산폐수처리시설을 대상으로 처리시설을 간략화 시키기 위한 공정을 고안하였다. 축산폐수를 우선 탈수한 후 고형물은 퇴비화 공정을 이용하여 처리하고 액상 부분은 SBR공정을 사용하여 처리·방류하는 시스템은 간략하지만 효과적으로 축산폐수를 처리할 수 있을 것으로 예상된다.
- SBR의 경우 아직 실험실 규모의 실험을 통하여 적정 운전인자를 찾아내고 있는 단계이다(권오상, 2000). 본 연구에서는 탈수된 축산폐수를 SBR을 이용하여 처리 시 질소제거에 초점을 맞추어 안정적으로 반응조를 운전하기 위한 Fill ratio, SRT, feeding type등 최적 SBR 운전 방식을 모색하였다.
- 일부 대규모 축산단지에서는 축산폐기물을 혐기성 소화시켜 메탄가스를 얻기도 한다. 영양염류에 대한 규제가 시작되기 전까지, 축산폐수처리는 유기물의 저감에 그 목적을 두었다. 국내 축산폐수처리에는 일반적으로 호기성 생물학적 처리법(ActivatedSludge Process)을 많이 사용하고 있지만, 축산폐수는 그 발생원, 수거방법 등에 따라서 성상이 달라질 뿐만 아니라 고농도 폐수이기 때문에 그 처리방법을 선정하는데 있어서도 어려움이 있다.
제안 방법
- 0mg/L 이상 유지하도록 공기를 공급하였다. On/Off timer를 이용하여 산소공급장치를 제어로서 폭기/비폭기 시간을 조절하였다. 100rpm의 교반 강도를 유지하여 완전혼합을 유도하였고 1.
- SBR을 이용하여 질소를 제거하기 위한 운전모드를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. K시 공공축산폐수처리장의 원심분리기에서 나온 유출수를 사용한 실험에서 질소를 제거하기 위한 적정 fill ratio는 1/12, SRT는 15일, 폭기/비폭기 주기는 2시간/1시간이었다.
- SRT에 대한 영향을 평가하기 위하여 5, 10, 15일에 대하여 운전을 실시하였다. SRT 조절을 위하여 원수 주입 전 완전혼합을 시킨 후 해당하는 부피의 MLSS를 채취하였다.
- SRT에 대한 영향을 평가하기 위하여 5, 10, 15일에 대하여 운전을 실시하였다. SRT 조절을 위하여 원수 주입 전 완전혼합을 시킨 후 해당하는 부피의 MLSS를 채취하였다.
- 축산폐수 원심분리수의 TKN농도는 약 1,400mg/L로 각각의 fill ratio의 경우 유입되면 350, 200, 110mgN/L로 희석된다. 고농도의 질소를 제거하여야 하기 때문에 탈질을 위한 탄소원 및 알칼리도의 부족을 고려하여 간헐폭기 방식으로 운전하였다. HRT는 24시간으로 고정하였으며, 폭기/비폭기시간(Ox/An)은 1시간/1시간을 이용하였으며 외부탄소원은 추가로 넣어주지 않았다.
- 앞 실험의 결과를 바탕으로 fill ratio를 1/12로 고정시킨후 폭기/비폭기 시간의 변화에 따른 반응조의 운전효율을 조사하였다. 고농도의 질소제거시 탈질을 통한 알칼리도의 보충과 아질산염을 이용한 탈질을 유도하기 위하여 간헐폭기방식을 사용하여 SBR을 운전하였다. 이때 사용한 폭기/비폭기 주기는 1/1, 1.
- 원수중의 유기물을 최대한 이용하기위하여 첫 anoxic 조건에서는 외부탄소원을 주입하지 않았다. 그 후 탈질에 필요한 이론적 외부탄소원의 1.5배의 기질을 3번에 나누어 주입하였다.
- 이때 원수의 생분해도를 측정하기 위하여 OUR(Oxygen uptake rate)실험을 실시 하였다. 그리고 축산폐수내의 유기물과 질소성분을 안정적으로 제거하기 위한 최적 SBR 운전방식을 도출하고자 운전의 주요인자인 fill ratio, 폭기/비폭기 주기, SRT 그리고 외부탄소원 주입 방식에 대하여 평가하였다.
- 이는 폭기 시간의 부족으로 인하여 완벽한 질산화(complete nitrification)가 발생하지 않은 것으로 추정된다. 따라서 폭기/비폭기 주기는 아질산염이 검출되지 않았던 1.5/1, 2/1 주기중 안정성을 고려하여 2시간 폭기/1시간 비폭기로 결정하였다.
- 운전기간동안 실온이 20℃이하로 떨어지지 않도록 유지하였다. 반응조내의 산소공급은 산기석을 이용하였고 폭기 기간동안 DO농도가 4.0mg/L 이상 유지하도록 공기를 공급하였다. On/Off timer를 이용하여 산소공급장치를 제어로서 폭기/비폭기 시간을 조절하였다.
- 반응조의 SRT에 따른 질소제거 효율을 평가하였다. 이 경우, 높은 유기물 부하와 인의 제거를 고려하여 낮은 SRT 범위인 5일, 10일, 15일에 대하여 운전효율을 평가하였다.
- 반응조의 운전 상태를 평가하기 위하여 COD, 질소, 고형물질, pH등을 측정하였다. COD는 dichromate reflux method를 사용하였고, 질산염은 Ion Chromatography(Dionex DX-120)를 이용하여 측정하였다.
- 앞 실험의 결과를 바탕으로 fill ratio를 1/12로 고정시킨후 폭기/비폭기 시간의 변화에 따른 반응조의 운전효율을 조사하였다. 고농도의 질소제거시 탈질을 통한 알칼리도의 보충과 아질산염을 이용한 탈질을 유도하기 위하여 간헐폭기방식을 사용하여 SBR을 운전하였다.
- 반응기의 개략도는 그림 1과 같다. 유입수는 정량펌프를 이용하여 주입하였고, 외부탄소원의 경우 주입시간에 맞추어 수동으로 주입하였다. 운전기간동안 실온이 20℃이하로 떨어지지 않도록 유지하였다.
- 반응조의 SRT에 따른 질소제거 효율을 평가하였다. 이 경우, 높은 유기물 부하와 인의 제거를 고려하여 낮은 SRT 범위인 5일, 10일, 15일에 대하여 운전효율을 평가하였다. 이 경우 사용된 fill ratio, 운전주기, 외부탄소원 주입방식은 앞선 실험에서 결정된 1/12, 2/1, single feeding이었다.
- 탈수된 축산폐수의 특성을 살펴보기 위하여 원수를 분석하였다. 이때 원수의 생분해도를 측정하기 위하여 OUR(Oxygen uptake rate)실험을 실시 하였다. 그리고 축산폐수내의 유기물과 질소성분을 안정적으로 제거하기 위한 최적 SBR 운전방식을 도출하고자 운전의 주요인자인 fill ratio, 폭기/비폭기 주기, SRT 그리고 외부탄소원 주입 방식에 대하여 평가하였다.
- 실험을 위하여 사용된 폐수는 K시 공공 축산폐수처리장에서 채취되었다. 전술한 바와 같이 탈수된 축산폐수를 처리하기 위하여 원심분리기를 사용하여 탈수한 폐수를 채취하여 실험하였다.
- 탈수된 축산폐수의 특성을 살펴보기 위하여 원수를 분석하였다. 이때 원수의 생분해도를 측정하기 위하여 OUR(Oxygen uptake rate)실험을 실시 하였다.
- K시 공공축산폐수처리장의 원심분리기에서 나온 유출수를 사용한 실험에서 질소를 제거하기 위한 적정 fill ratio는 1/12, SRT는 15일, 폭기/비폭기 주기는 2시간/1시간이었다. 탈질을 위하여 주입한 외부탄소원으로는 메탄올을 사용하였고 single feeding방법과 step feeding 방법을 사용하였다. 이 결과 step feeding 방법을 사용시 더 효과적으로 유기물을 사용할 수 있었다.
- 폭기/비폭기 주기 실험은 폭기/비폭기 시간을 1시간/1시간, 1.5시간/1시간, 2시간/1시간의 시간비에 대하여 평가하였다. 탈질을 유도하기 위하여 외부탄소원으로 메탄올(CH3OH)을 사용하였고 원수와 같이 주입하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 회분식 반응기는 아크릴을 이용하여 3개조로 제작하였으며 Working volume은 3L, total volume은 3.5L로 구성하였다. 반응기의 개략도는 그림 1과 같다.
- 실험을 위하여 사용된 폐수는 K시 공공 축산폐수처리장에서 채취되었다. 전술한 바와 같이 탈수된 축산폐수를 처리하기 위하여 원심분리기를 사용하여 탈수한 폐수를 채취하여 실험하였다.
- 5시간/1시간, 2시간/1시간의 시간비에 대하여 평가하였다. 탈질을 유도하기 위하여 외부탄소원으로 메탄올(CH3OH)을 사용하였고 원수와 같이 주입하였다.
이론/모형
- 반응조의 운전 상태를 평가하기 위하여 COD, 질소, 고형물질, pH등을 측정하였다. COD는 dichromate reflux method를 사용하였고, 질산염은 Ion Chromatography(Dionex DX-120)를 이용하여 측정하였다. 그 외의 방법은 Standard Method(APHA, 1992)에 준하여 실험을 수행하였다.
- COD는 dichromate reflux method를 사용하였고, 질산염은 Ion Chromatography(Dionex DX-120)를 이용하여 측정하였다. 그 외의 방법은 Standard Method(APHA, 1992)에 준하여 실험을 수행하였다.
- 5배를 주입함에도 불구하고 호기성 상태에서의 유기물 사용에 의하여 많은 양의 질산화물을 탈질시키지 못하였다. 따라서 탈질을 위하여 유기물을 효과적으로 사용하기 위하여 외부 탄소원을 step feeding의 방법으로 주입하였다(그림 5). 원수중의 유기물을 최대한 이용하기위하여 첫 anoxic 조건에서는 외부탄소원을 주입하지 않았다.
- 탈질에 필요한 외부탄소원을 효율적으로 사용하기 위하여 step feeding 방법을 사용하여 질소제거효율을 평가하였다.
성능/효과
- 따라서 탈질을 위하여 추가적인 유기물이 필요하였다. 그러나 표 1에 표시된 바와 같이 COD와 BOD의 값은 탈수시 사용된 응집침전제의 영향으로 매우 큰 폭의 변화를 보임을 알 수 있었다.
- 특히 그 중 대부분은 질산염질소가 감소되었음을 알 수 있는데 이는 외부탄소원 주입방법의 변화로 인하여 적절한 탈질이 발생하였음을 알 수 있다. 따라서 외부탄소원 주입시 single feeding 방법보다는 step feeding을 이용하는 것이 더 효과적임을 알 수 있었다.
- SRT에 따라 미생물의 농도인 MLSS(MLVSS)는 각각 1413(1260), 2887(2448), 3070(2440)mg/L으로 점차 증가하였으나 10일과 15일에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 SRT의 증가에 따라 질산화율이 증가함을 알 수 있었다. 방류수 수질기준 TN농도 60mg/L 이하로 유지하기 위해서는 SRT 15일 이상, HRT 24시간 이상 운전 되어야 하며, 탈질을 원할히 하기 위하여 외부탄소원의 양을 늘이거나 주입방식을 step feeding으로 전환해야 할것으로 판단된다.
- 또한 질산화시 아질산염의 발생도 관찰할 수 있었다. 발생된 아질산염을 탈질에 이용시 필요한 외부탄소원의 양을 줄일 수 있으므로 메탄올의 양을 줄여도 충분히 탈질이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 탈질을 위하여 주입한 외부탄소원으로는 메탄올을 사용하였고 single feeding방법과 step feeding 방법을 사용하였다. 이 결과 step feeding 방법을 사용시 더 효과적으로 유기물을 사용할 수 있었다.
- 질소의 경우 TKN이 1420mgN/L, 암모니아 89.4%로 암모니아성 질소가 대부분이었고 유기성 질소는 약 10.5%정도였다. 또한 질산염과 아질산염은 검출되지 않았다.
- 그림 6은 외부탄소원을 step feeding의 방법으로 주입시 유기물과 질소의 거동을 나타낸 것이다. 첫 anoxic 조건에서는 유입수의 유기물질을 이용하여 탈질이 발생하고 폭기조건에서 유기물의 제거와 질산화가 동시에 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 질산화시 아질산염의 발생도 관찰할 수 있었다.
- 탈수된 축산폐수의 생분해가능한 유기물을 측정하기 위하여 호기성회분식 실험인 OUR을 측정한 결과는 그림 2와 같다. 측정 결과 생분해가능한 유기물의 양이 전체 COD중에 7.5%로 매우 낮은 상태였다. 따라서 탈질을 위하여 추가적인 유기물이 필요하였다.
- 그림 4는 폭기시간을 2시간으로 늘인 경우의 유기물과 질소의 거동을 나타낸것이다. 폭기/비폭기 주기가 1.5/1과 2/1인 경우 모두 아질산염이 사용가능한 유기물이 모두 소모된 후 검출되는 것을 관찰할 수 있었다. 즉 아질산염을 이용한 탈질이 발생하고 있다.
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