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문제 정의
- 기존의 부유성 활성슬러지를 이용하는 SBR 운전방식에 고정식 생물막을 적용시킨 SBBR의 오수처리에 대한 적용가능성을 조사하기 위하여 기존의 SBR과 새로운 SBBR 내에서 유기물 및 질소 . 인에 대한 비교 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 기존 하수처리장의 활성슬러지를 이용하여, SBR 운전방식을 고정 생물막에 적용시킨 연구를 수행하였다. 고정 생물막 반응기의 경우 지지매체에 생물막이 형성되므로 부유성 활성슬러지 공 정과는 달리 슬러지 팽화현상으로 인한 슬러지 부상이 없으며, 단위체적당 미생물 농도를 높게 유지할 수 있고, 슬러지 자기 산화가 촉진되기 때문에 슬러지 발생량이 적은 장점이 있다.
- 인의 제거효율을 향상시키기 위한 연속회분식 반응기(sequencing batch reactor, SBR)를 활용하려는 연구도 진행되고 있다.즈 오 수의 유입과 배출(0U-and-draw)형식에서 출발한 SBR에 대한 연구는 외국에서 1960년대에 산발적으로 진행되었으나, 운전상의 번거로움으로 인해 관심을 끌지 못하다가, 1970년대에 이르러 유압밸브, 솔레노이드 밸브 (solenoid val.,e), 수위센서 (level sensor), 유량계 (flow meter), 마이크로 프로세서 (microprocessor)와 같은 주변 기기 장치의 개발로 인하여 운전이 점차 용이해지자 본 격적으로 연구가 이루어지기 시작하였다. Arora 등2은 미국, 캐나다, 호주에서 설치 .
제안 방법
- 0, Switzerland)# 사용하여 측정하였다. DO, ORP, pH는 실시간 자동 측정기 (Inolab Multi-Parameter Level 3) 를 사용하여 분석하였다.
- 2와 같이 운전하였다. SBR과 SBBR에서 운전조건은 동일하게 유지하였고, SBR에는 생물막은 도입시키지 않은 부유 미생물 상태로 운전하였고, SBBR에는 여재를 충진하여 생물막을 형성한 상태에서 운전하여 비교실험을 하였다.
- 반응조 는 2개를 설치하여 운전하였는데, 크게 부유상 미생물 을 이용하는 SBR공정과 생물막을 도입한 SBBR로 대별할 수 있다. 각 반응조는 5 mm 두께의 투명아크릴 로 16X21X25 cm로 제작하여 유입 후 최대 유효 용 적을 6 Z, 유출 후 최소 유효 용적을 3 Z로 하였으며, 1주기를 12시간으로 하여 1일 2주기로 반복 운전하였다. 정량펌프를 사용하여 합성폐수를 초기 30분간 반응 기 상부로 주입하고, 포기시 공기펌프를 이용하여 반응기 하부에 설치된 공기 분산기를 통하여 공기를 주입시켰다.
- 비포기시 반응기의 혼합을 위해 패들식 교반기를 반응기 상부에 설치하여 약 200~250 rpm으로 교반시켰다. 기질공급, 처리수 배출, 포기 및 혼합 등의 조작은 timer를 이용하여 시간 대에 따른 제어가 가능하도록 하였으며, 온도는 온도조 절기를 반응기 상부에 설치하여 20土 rc로 일정하게 유지하였다. 슬러지의 식종은 G시 하수처리장의 반송 슬러지를 채취하여 체를 이용하여 협잡물을 제거하고, 2~3일 정도 포기시키면서 슬러지 상부에 발생되는 스 컴(scum)을 완전히 제거한 다음 각 반응기에 M亿SS가 3000 mg/Z가 되도록 동일하게 주입시켰다.
- 분석은 실험이 90일 정도 경과되어 충분한 질소 . 인 의 제거를 확인한 다음 이루어졌고, 각 반응기내의 시료 채취는 30분 간격으로 하였으며, 시료 채취 후 즉시 0.2 呻 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. NH, +- N와 ML3S는 Standard Methods”에 따라 분석하였으며, 유기물의 농도는 TOC를 지표로 하여 TOC Analyzer(Schimadzu, TOC-5000A, Japan)를 이용하여 분석하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 유기물과 질소 . 인의 제거특성을 효과적으로 조사하기 위해 부유 방식의 SBR과 생물막 방식의 SBBR(sequencing batch biofilm reactor)의 2가지 운전 방식으로 실험하였고, 면서 유기물 제거, 질산화 및 탈 질, 인의 방출 및 섭취에 대한 비교 연구를 수행하여 SBBR의 오수처리에 대한 적용 가능성을 평가하였다.
- 각 반응조는 5 mm 두께의 투명아크릴 로 16X21X25 cm로 제작하여 유입 후 최대 유효 용 적을 6 Z, 유출 후 최소 유효 용적을 3 Z로 하였으며, 1주기를 12시간으로 하여 1일 2주기로 반복 운전하였다. 정량펌프를 사용하여 합성폐수를 초기 30분간 반응 기 상부로 주입하고, 포기시 공기펌프를 이용하여 반응기 하부에 설치된 공기 분산기를 통하여 공기를 주입시켰다. 이때 rotameter# 설치하여 공기량을 0.
- 5 mg/Z로 유지시켰다. 처리수는 30분간의 침전시간이 지난 다음 소규모 오수처리시설에 응용이 적합한 air-Hft 방식으로 유출시켰다. 비포기시 반응기의 혼합을 위해 패들식 교반기를 반응기 상부에 설치하여 약 200~250 rpm으로 교반시켰다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 메디아는 비표면적이 89-223m2/ n?인 polyvinylchloride 재질의 그물상 여재로 5X18 X20 cm의 크기로 잘라서 겉보기 용적으로 반응기 용 적의 약 20%가 되도록 충진시켰다.
- 전체적인 반응기의 SRT는 20~30일 정도 유지되도록 일정 양의 슬러지를 매일 침전시간에 제거하였다. 본 실험에 사용된 합성폐수는 Table 1에 나타난 것과 같이 bacto-peptone 과 glucose를 탄소원으로 사용하였으며, 주요 질소와 인 은 각각 (NHOzSQ과 UHPQ에 의해 구성되었으며, 기타 각종 미량원소로 구성되어졌다.
- 본 실험에 사용된 메디아는 비표면적이 89-223m2/ n?인 polyvinylchloride 재질의 그물상 여재로 5X18 X20 cm의 크기로 잘라서 겉보기 용적으로 반응기 용 적의 약 20%가 되도록 충진시켰다.
이론/모형
- 2 呻 membrane filter로 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. NH, +- N와 ML3S는 Standard Methods”에 따라 분석하였으며, 유기물의 농도는 TOC를 지표로 하여 TOC Analyzer(Schimadzu, TOC-5000A, Japan)를 이용하여 분석하였다. NO2--N, NQ「-N, POf-P의 농도는 Ion chromatography(Metrohm, Ion analysis version 2.
성능/효과
- 전 주기동안에 SBR과 SBBR 모두 NO「-N의 축적은 발견되지 않았다. 전체적인 NH?-N의 제거효율은 SBR과 SBBR 모두 95% 이상의 높은 제거효율을 나타냈으나, 탈질화 반응은 SBBR이 SBR에 비해 높게 나타났다. SBRe 유기탄소원의 부족에 의해 탈질화 반응이 제대로 발생 하지 못하여 최종 유줄수의 NO「N의 농도가 7 mg NO「-N/L로 나타났으나, NH;-N와 NO「-N는 거의 검출되지 않았다.
- 2. SBBR의 경우 부족한 유기물 조건에서도 원활한 탈질화 반응이 일어난 것을 볼 때, 유기물 농도가 낮은 우리나라의 하수에 적합한 공정으로 생각된다.
- 3. 질산화 속도에 있어서는 유기물과 용존산소의 접촉기회에 있어 유리한 조건을 가진 SBR이 더 크게 나타났다. 그러나 탈질화 반응에 있어서는 SBBR이 더 높은 것으로 나타났는데, 이는 생물막 내부에 존재하는 미생물들이 유기물과 용존산소가 부족한 상태에서 세포분해에 따른 세포 내 유기물의 용출 현상으로 발생하는 유기물을 탈질화 반응과 인 섭취에 이용하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 전체적인 NH?-N의 제거효율은 SBR과 SBBR 모두 95% 이상의 높은 제거효율을 나타냈으나, 탈질화 반응은 SBBR이 SBR에 비해 높게 나타났다. SBRe 유기탄소원의 부족에 의해 탈질화 반응이 제대로 발생 하지 못하여 최종 유줄수의 NO「N의 농도가 7 mg NO「-N/L로 나타났으나, NH;-N와 NO「-N는 거의 검출되지 않았다. 그러나 SBBR의 내생호흡에 의한 유기 탄소원 공급으로 인해 탈질화 반응이 적절하게 발생되어 유출수의 NO「-N의 농도는 3 mg NOJ-N/L로 SBR에 비해 낮게 나타났고, NH/-N와 NOe-N는 SBR과 마찬가지로 거의 검출되지 않았다.
- SBR과 SBBR을 비교해 볼 때, SBBR의 경우 2차 비포기 기간과 2차 포기 기간을 거친 후 마지막 침전 기간에 약간의 NO「-N 감소가 일어나는 것으로 보아 탈질화 반응이 진행되고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 이처럼 부족한 유기물의 조건에서도 탈질화 반응이 일어난 것은 생물막에서만 볼 수 있는 특이한 현상이라고 할 수 있다.
- 전체적으로 TOC의 농도는 SBBR이 SBR에 비해 높게 유지되 었으나 비포기 기간동안 제거된 TOC의 양은 그다지 큰 차이가 없었다. 그러므로 이 기간동안의 NO「-N 변화가 단순히 외부 유기탄소원 농도의 차이에 기인하는 것은 아니라는 것을 판단할 수 있었다. 특히, SBBR의 경우에는 2차 비포기 후반에서 NO「-N의 변화가 많이 일어나 탈질화가 원활히 이루어졌다.
- SBR 공정의 전형적인 운전형태는 유입-반응-침전-배 출 및 휴지의 5가지 공정이 1주기로 반복되는 공정으로 하나의 반응기에서 운전이 가능하기 때문에 반응기 용적을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 구조가 단순하여 설비비 및 유지관리비가 적게 소요되는 장점이 있다. 또한 충격부하에 대한 적응력이 좋고, 슬러지 팽화현상이 없으며, 고농도의 MLSS 유지가 가능하다. 무엇보다 모든 단위공정 및 조작을 하나의 반응조에서 시간적으로 배열한 공정으로 포기 또는 교반의 시간 배분을 처리 수량 및 목적에 따라 변화시킬 수 있는 융통성을 가지는 장점이 있다.
- 또한, 이 결과로부터 비포기 상태에서 유기물의 제거가 많이 발생하지 못하고 포기 상태에서 유기물의 제거가 활발하게 일어나는 것으로 보아 90일 정도의 적응기간으로는 일부 질소와 인을 제거하는 미생물의 출현을 간접적으로 인식할 수는'있었으나 여전히 호기성 종속 영양 미생물들이 우점종을 차지하고 있어, 질소와 인을 제거하는 미생물들의 활동이 활발하지 못하였고 보다 긴 적응기간이 필요한 것으로 판단되었다.
- 마지막 포기기간에는 유기물의 제거속도가 SBR공정 에서 5 mg TOC/h, SBBR 공정에서 10 mg TOC/h로 1 단계의 포기기간의 유기물 제거속도와 비교해 보았을 때 매우 낮게 나타났다. 이는 전단계의 포기기간과 비 포기 기간을 거치면서 미생물들에 의해 소모되기 쉬운 유기물 형태는 거의 모두 탈질화나 인 섭취에 이용되거나 종속영양 미생물에 의해 소모되고, 섭취하기 어려운 유기물 형태가 남아 미생물들에 의한 제거가 거의 일어나지 않은 것으로 생각된다.
- 4 (B-2)). 이 기간동안 DCO의 증가경향이 다른 것은 SBR 에서는 유기물을 소모하는 종속영양 미생물의 활동과 질산화 미생물의 활동에 의해 용존 산소의 소모가 많 아 DO의 증가가 SBBR에 비해 완만한 것으로 판단되었다.
- 2차 포기 기간동안에는 잔류된 NHf-N의 질산화반응 이 일어났다. 이 기간에 일어나는 질산화 속도는 SBR 과 SBBR 각각 1.2, 6.9 mg NIV-N/h로 1차 포기기 간의 질산화속도 19.8, 9.9 mg NHZ-N/h보다 매우 낮게 나타났고 전체적으로 SBBR의 질산화 속도가 SBR 에 비해 높은 것으로 나타났는데, 이는 1차 포기 기간에 비해 2차 포기 기간 중 반응기내에 잔존하는 전체 NH/-N의 농도가 낮고, SBBR의 경우 SBR보다 상대적으로 N1V-N의 농도가 높기 때문에 SBR보다 높은 질산화속도를 보인 것으로 판단된다.
- 5 mg/Z로 높게 나타났다. 이러한 현상으로 봤을 때, 질산화 속도가 증가함에 따라 DO도 동시에 증가하는 것으로 보이며, 이는 SBR과 SBBR 모두에서 공통적으로 나타났다. 그러나 SBR과 SBBR에서 DO의 최대값이 다르게 나타나는 것은 rotameter나 공기분산기의 상태에 따른 실험적인 오차인 것으로 생각된다.
- SBR의 경우 비포기 기간동안 잔존하는 TOC의 농도 범위는 12~ 17 mg TOC/L로서 약 3 mg TOC/L의 TOC 감소가 발생하였고 SBR의 경우에는 15-20 mg TOC/L로서 약 5 mg TOC/L의 TOC 감소가 발생하였다. 전체적으로 TOC의 농도는 SBBR이 SBR에 비해 높게 유지되 었으나 비포기 기간동안 제거된 TOC의 양은 그다지 큰 차이가 없었다. 그러므로 이 기간동안의 NO「-N 변화가 단순히 외부 유기탄소원 농도의 차이에 기인하는 것은 아니라는 것을 판단할 수 있었다.
- 이는 전단계의 포기기간과 비 포기 기간을 거치면서 미생물들에 의해 소모되기 쉬운 유기물 형태는 거의 모두 탈질화나 인 섭취에 이용되거나 종속영양 미생물에 의해 소모되고, 섭취하기 어려운 유기물 형태가 남아 미생물들에 의한 제거가 거의 일어나지 않은 것으로 생각된다. 전체적인 유기물 제거 효율은 SBR과 SBBR 모두 약 83%로 나타났다.
- 포기 기간동안 SBR과 SBBR 모두 원활한 질산화 반응을 보였는데, 포기가 시작되면서 NO2--N7> 증가되 기 시작하여 1시간만에 최대 지점(0.7~0.8 mg NO2-- N/L)에 도달한 다음 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 SBR과 SBBR의 NO「N로의 전환(생성)속도를 비교해 볼 때, SBR의 질산화 속도 19.
후속연구
- 1. 대부분의 유기물은 포기기간에 소비되었는데, 이는 일반 종속영양 미생물에 의한 유기물의 소비에 의한 것으로 생각되며, 종속영양미생물의 활동을 억제하여 이 유기물을 탈질화 미생물과 인 제거 미생물이 이용할 수 있는 방안을 연구할 필요성을 인식하게 되었다.
- 그러나 유기물의 부족과 NO「의 저해작용으로 2차 비포기 기간과 2차 포기기간 에서는 인 방출과 섭취가 발생하지 않았다. 그러므로 인의 방출과 섭취를 증진시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
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