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문제 정의
- 본 연구에서는 순환여과 양식 시설에 있어 소규모 양어가의 경제적인 부담을 최소화하며 양어장 순환수를 효과적으로 처리할 수 있는 장치를 연구하기 위해 사육수 배출수 및 합성시료를 원수로 사용하여 처리성 실험을 수행하였으며, 질소 및 인의 제거효율을 평가하여 본 SBR 시스템의 질산화와 탈질산화 및 처리능을 평가하였다.
제안 방법
- SBR의 운전은 초기 50일 까지는 1 cycle을 24시간으로 하였으며, 글루코스를 첨가하여 양식장 배출수의 COD 농도에 비해 높게 TCODcr가 150-220 mg/L, SCODcr가 100-130 mg/L 정도로 하였다. Summerefelt (1993)에 의하면 용존 유기물은 타가 영양성(heterotroph)미생물의 성장을 촉진시키며, 순환여과 시스템의 전체 산소요규량을 증가시키고 여과조에 질산화작 용을 방해하며 또한, 일부 타가 영양 미생물은 어류에게 유해성 질병을 유발시키기도 한다고 보고하였다.
- SBRe 50일 이후부터는 1 cycle을 12시간으로 하여 운전하였다. SRT를 15일로 설정하여 약 120여일 동안 운전하였다. Fig.
- 실험에 사용한 SBRe 원통형으로 total volume이 75 L이고, working volume0] 35 L로서 아크릴로 제작하였다. 각각의 SBR내에 baffle을 설치하여 혼합을 원활하게 하였고, 반응조 하부에 산기관을 설치하여 공기를 주입해 주었고, 폐수의 배출 을 위해 유입전자밸브를 사용하였으며, sludge retention time (SRTX 조절하기 위하여 폐슬러지를 배출하게끔 해주었다 (Fig. 1).
- 5시간 무산소 조건인 간헐폭기방식으로 16시간을 운 영하였다. 다음은 처리능력을 높이기 위하여 반응시간을 10 시간으로 줄이고, 1시간 호기, 1시간 무산소 조건인 간헐폭 기 방식으로 1일 2 cycle 운전하였다 (서인석, 1995). 기타
- (1994)은 1992년 미세 고형물 제거를 위해 포말분리기, 포기와 용존산소 공급을 위해 산기석을 충진한 하향류 접촉조, 이산화탄소를 제거하기 위하여 산기석 충전층 접촉기를 설치하고 순환여과식 양어장의 가장 큰 문제중의 하나인 고형물과 암모니아성 질소의 제거를 위한 여러장치를 설치한 양식시스템을 개발하였다. 연구에 사용된 systeme 고형물 제거를 위해 침전조, 여과망 여과기 (screen filter)오｝ 입상매체 여과기 (granular media filter)를 사용하였으며 암모 니아를 제거하는 질산화 반응기로 회전원판 접촉기 (rotating biological contactor, RBC)와 충전층 반응기, 유동층 반응기를 사용하였다. Losordo et al.
- 인근 도시하수처리장에서 Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS)가 2,000 mg/L인 활성슬러지를 채취하여 SBR에 식 종하였고, 폐수의 처리효율과 처리량을 관찰하였다. 초기 SBR 운영방법은 1일 1 cycle로 하였으며, 반응시간은 1.
- 인근 도시하수처리장에서 Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS)가 2,000 mg/L인 활성슬러지를 채취하여 SBR에 식 종하였고, 폐수의 처리효율과 처리량을 관찰하였다. 초기 SBR 운영방법은 1일 1 cycle로 하였으며, 반응시간은 1.5시간 호기, 0.5시간 무산소 조건인 간헐폭기방식으로 16시간을 운 영하였다. 다음은 처리능력을 높이기 위하여 반응시간을 10 시간으로 줄이고, 1시간 호기, 1시간 무산소 조건인 간헐폭 기 방식으로 1일 2 cycle 운전하였다 (서인석, 1995).
- 호기성 기간에는 DO의 농도가 최고 4 mg/L 이상, 무산소 기간에는 농도가 0.1 mg/L 이하가 되도록 조정하여 COD는 물론 질산화와 탈질이 효과적으로 진행되도록 하였다. 1시간 호기, 1시간 무산소 조건으로 운전하였을 때 SBR의 DO농도의 변화는 Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용된 원수는 C연구소 내 양어장 사육수 배출수와 외부 기질이 자연스럽게 혼합된 합성시료이다. 시료는 매일 오전 10시에 채취하여 6시간 침전시킨 후 상등액을 이용하였다.
- 실험에 사용한 SBRe 원통형으로 total volume이 75 L이고, working volume0] 35 L로서 아크릴로 제작하였다. 각각의 SBR내에 baffle을 설치하여 혼합을 원활하게 하였고, 반응조 하부에 산기관을 설치하여 공기를 주입해 주었고, 폐수의 배출 을 위해 유입전자밸브를 사용하였으며, sludge retention time (SRTX 조절하기 위하여 폐슬러지를 배출하게끔 해주었다 (Fig.
이론/모형
- 시료는 매일 오전 10시에 채취하여 6시간 침전시킨 후 상등액을 이용하였다. 유입원수중 외부기질은 Zhu and Chen (1999)이 실험한 방법 (Table 1)을 따랐으며, COD 조정을 위해 글루코스를 첨가하였고 기타의 다른 성분은 조정하지 않고 원래의 배출수 를 그대로 사용하였다. 본 연구에서 유입수로 이용한 하수의 특성을 Table 2에 나타내었다.
- 유입은 3。분, 침전은 60분, 배출은 30분으로 설정하고 운전 하였다. 측정항목으로는 Total suspended solids (TSS), Total chemical oxygen demand (TCODcr), Soluble chemical oxygen demand (SCODcr), Total Kjeldahl nitrogen (TKN), Ammonia nitrogen (NH4 *-), Total phosphorus (T-P), Ortho phosphate (PO43-P) 등이 있으며, 측정방법은 Standard Methods (APHA et al., 1989)에 준하여 분석하였다. Table 3에는 시료 분석에 사용한 실험방법을 나타내었다.
성능/효과
- Sludge Volume Index (SVI)는 평균 50 정도를 유지하여 침전성이 매우 양호하였다. SBR에서의 SS제거율은 매우 높았으나 유출수내 색도성분은 제거되지 않고 대부분 잔류하는 것으로 나타났다. SBR의 특성 상 침전기간중 반응조내에 유체의 흐름이 전혀 없기 침전효율 이 높고, SBR 자체가 활성슬러지의 팽화현상을 효과적으로 제어할 수 있다는 것을 입증해 주고 있다.
- SBR의 운영기간중 유출수에서의 COD 농도는 안정적으로 나타났다. 본 시스템에서 50일 이후의 비교적 안정된 기간중의 TCODcr 평균 제거효율은 평균 94% 이었으며, SCODcr의 제거 효율도 93%로 비교적 높게 나타났다(Table 4).
- 간폭시간 주기를 호기 L5시간, 무산소 0.5시간으로 했다가 각각 1시간으로 했을 때 유출수의 NOj-N 농도변화는 유사한 것으로 나타났으나 후자일 때 NQ「N peak 값이 낮아 최종적으 로 유출되는 NOj-N 농도는 약간 낮은 것으로 나타났다. 질산화 및 탈질화는 어느정도 이상의 반응시간이 확보되면 총 반응시간보다는 호기/무산소시간 및 그 조합에 따라 더 영향을 받는 것으로 생각된다.
- 이는 cycle이 반복될수록 SBR내 오염물질이 정화되어 산소의 소비 량이 점차 감소하기 때문이라 생각되며, 마지막 cycle이 끝나는 호기반응 후에 는 DO농도가 6 mg/L까지 상승하는 것으로 관측 되었다. 반응조내의 pH는 7.7-8.0의 범위로 거의 변화가 없는 것으로 나타났으나, 반응초기에는 호기성 조건에서 약간 증가 하며, 무산소 조건에서 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 호기성 조건에서 질산화가 일어나 수소이온농도가 높아졌다 가 무산소 조건에서는 탈질이 일어나 수소이온농도가 감소한 것으로 사료된다.
- 이때에 유입수의 평균 TKN 및 NH;-N의 농도는 운전초기를 제외하고는 각각 40-50 및 25-30mg/L 로 거의 일정하게 유지해 주었다. 반응후 유출수의 NHJ-N 농도는 0.7mg/L 이하 이었고, NO「N 농도는 L4mg/L 정도로 나타나 질산화는 거의 완벽하게 진행되었고, 많은 양의 질산기가 탈질된 것으로 나타났다. 유출수내 TKNe 주로 SS성분에 의한 유기질소 성분인것으로 추정되며, 암모니아성 질소만의 제거효율을 보면 약 98% 로 높게 나타났다.
- SBR의 운영기간중 유출수에서의 COD 농도는 안정적으로 나타났다. 본 시스템에서 50일 이후의 비교적 안정된 기간중의 TCODcr 평균 제거효율은 평균 94% 이었으며, SCODcr의 제거 효율도 93%로 비교적 높게 나타났다(Table 4).
- Summerefelt (1993)에 의하면 용존 유기물은 타가 영양성(heterotroph)미생물의 성장을 촉진시키며, 순환여과 시스템의 전체 산소요규량을 증가시키고 여과조에 질산화작 용을 방해하며 또한, 일부 타가 영양 미생물은 어류에게 유해성 질병을 유발시키기도 한다고 보고하였다. 본 연구에서 적용한 SBR시스템을 운영한 결과 COD 제거가 90% 이상 제거 되므로 COD 증가에 따른 어병 발생에 대한 문제점은 경미한 것으로 사료된다. SBRe 50일 이후부터는 1 cycle을 12시간으로 하여 운전하였다.
- 호기성 조건에 서는 질산화가 일어나므로 NOJ-N가 증가하다가, 무산소조건 에서는 탈질화로 인하여 NO/N가 감소하였다. 아질산성 질소 는 질산화 단계의 중간생성물로 SBR시스템의 효율에 따라 처리수의 농도가 다소 변화하는 것을 알 수 있었다. 처리수의 아질산성 질소 농도는 0.
- 7mg/L 이하 이었고, NO「N 농도는 L4mg/L 정도로 나타나 질산화는 거의 완벽하게 진행되었고, 많은 양의 질산기가 탈질된 것으로 나타났다. 유출수내 TKNe 주로 SS성분에 의한 유기질소 성분인것으로 추정되며, 암모니아성 질소만의 제거효율을 보면 약 98% 로 높게 나타났다.
- 유출수내 TKN의 농도는 평균 2.6 mg/L 로 제거효율은 94% 이 었고, NHJ-N는 0.7 mg/L로 제 거효율이 98%로 질산화 반응 이 잘 일어남을 알 수 있다. 유출수에서의 NO「N 의 농도는 평균 3.
- 한 cycle을 24시간으로 했던 전반기에는 유입수 COD를 조절하는 과정에서 농도의 변화가 있었으나, 한 cycle 을 12시간으로 운영하였던 후반기에는 대체로 일정한 COD 농도를 유지할 수 있었다. 유출수의 TCODcr농도는 유입수의 농도변화나 운전조건의 변화와 무관하게 12mg/L로 대체로 일정한 것으로 나타났으나, 한 cycle을 12시간으로 운전할 경우 24시간에 비하여 약간 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 유입수 TCODcr의 증가와 cycle 시간의 감소로 인한 것으로 사료되나 결론적으로 볼 때, 하루 2 cycle을 운전해도 폐수의 유기물질을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 유출수의 TCODcr농도는 유입수의 농도변화나 운전조건의 변화와 무관하게 12mg/L로 대체로 일정한 것으로 나타났으나, 한 cycle을 12시간으로 운전할 경우 24시간에 비하여 약간 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 유입수 TCODcr의 증가와 cycle 시간의 감소로 인한 것으로 사료되나 결론적으로 볼 때, 하루 2 cycle을 운전해도 폐수의 유기물질을 효과적으로 제거할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 유출수내 색도 등은 효과적으로 제거되지 않은 것으로 보아 유출수에 남아 있는 유기물질은 주로 색도를 띤 난분해성인 것으로 생각된다.
- 아질산성 질소 는 질산화 단계의 중간생성물로 SBR시스템의 효율에 따라 처리수의 농도가 다소 변화하는 것을 알 수 있었다. 처리수의 아질산성 질소 농도는 0.1 mg/L 이하로 안정하게 유지되는 것으로 나타났다. Nijhof and Bonverdeur(1990)에 의하면 해수 에서 질산화는 담수에서 질산화보다 질산화율이 느리지만, 해수에서 질산화도 담수와 같이 완변하게 일어난다고 보고하였다.
- 5와 같다. 한 cycle을 24시간으로 했던 전반기에는 유입수 COD를 조절하는 과정에서 농도의 변화가 있었으나, 한 cycle 을 12시간으로 운영하였던 후반기에는 대체로 일정한 COD 농도를 유지할 수 있었다. 유출수의 TCODcr농도는 유입수의 농도변화나 운전조건의 변화와 무관하게 12mg/L로 대체로 일정한 것으로 나타났으나, 한 cycle을 12시간으로 운전할 경우 24시간에 비하여 약간 증가하는 경향을 보이고 있다.
후속연구
- 이는 본 연구목적상 인을 제거하기 위한 운전조건을 고려하지 않았기 때문이며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각한다. SBR 시스템을 이용하여 양어장 배출수 및 순환수를 처리할 경우 물을 효과적으로 재이용할 수 있으며, 또한 부영양화의 원인이 되는 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있어 환경보전에도 좋은 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
- 유출수내 색도 등은 효과적으로 제거되지 않은 것으로 보아 유출수에 남아 있는 유기물질은 주로 색도를 띤 난분해성인 것으로 생각된다. 이것은 어류에게 공급되는 사료에 항생제를 경구투여 하였거나, 어류질병발생시 어류약욕에 의해 배출된 것으로 사료되며, 유출수의 COD농도를 추가적으로 낮추기 위해서는 물리화학적인 처리공정을 도입해야 할 것으로 사료 된다.
- T-P나 Ortho-P의 제거효율은 각각 20%와 17%로 낮게 나타났다. 이는 본 연구목적상 인을 제거하기 위한 운전조건을 고려하지 않았기 때문이며, 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각한다. SBR 시스템을 이용하여 양어장 배출수 및 순환수를 처리할 경우 물을 효과적으로 재이용할 수 있으며, 또한 부영양화의 원인이 되는 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있어 환경보전에도 좋은 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
- (1970)에 의하면 Sequencing Batch Reactor (SBR) 시스템은 한 조내에서 운전조건을 용이하게 변화시킬 수 있어 질소 및 인을 제거하는데 효과적인 것으로 알려져 있다. 이외도 SBRe 침전조가 필요 없고, 균등조 역할을 하며, 반응시간을 조절하여 임의로 처리수 수질을 일정한 수준으로 유지할 수 있다는 장점 등이 있으므로 수처리에 폭넓게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 질산화 및 탈질화는 어느정도 이상의 반응시간이 확보되면 총 반응시간보다는 호기/무산소시간 및 그 조합에 따라 더 영향을 받는 것으로 생각된다. 효과적인 탈질화를 위해서는 SBR내의 ORP와 NOJ-N농도 및 SCOD농도를 측정하여 간헐폭기 주기 를 결정해 주어야 할 것으로 사료되며, 이 분야에 대한 보다 구체적인 이론연구가 요구된다.
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