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문제 정의
- RCS15의 현장 적용에서는 동일 조건의 대조군은 설정할 수 없다. 따라서 2003년 1월~2월의 현장 운전 자료와 비교를 통해, 공정의 성능 개선 또는 현상 유지 여부, 비용 절감 효과 확인을 통해 현장 적용 평가를 실시하고자 하였다. Table 5에 RCS15 현장 적용 평가 기간의 운전 조건과 대조군의 운전 조건을 정리했다.
가설 설정
- 파일럿 플랜트의 외 부탄소원 주입량을 산정하기 위해 기존 운전 데이터를 바탕으로 다음과 같은가 정을 하였다. 유입 수중 탈질에 이용 가능한 평균 COD는 유입수 COD 평균과 유출수 COD 평균의 차를 고려 42mg/L로, 유입수 T-N 20.7mg/L를 가정하였다. 외 부탄소원에 의해 공급되어야 할 COD 요구량은 McCarty81 가 제시한 식(1)으로 계산된 메탄올 요구 농도에 COD로의 환산계수 1.
제안 방법
- 두 번째 개발 방향은 대체 탄소 원의 일반기준을 만족하는 산업부산물을 가공. 정제 재활용하는 것을 검토할 수 있다.
- 또한 본 연구 수행 중 RCS15 제조 과정에서 이상적인 양질의 알카리원인 탄산나트륨(NazCQj)이 석출 되어지는 것을 파악하고, 이를 제거하지 않고 현탁 부유 시켜 RSC15의 자체 알카리도를 향상시키도록 하였다. 현탁 부유 전 평균 2, 100(g Aik.
- 메탄올, RCS15, RCS5, 무탄소원의 4가지 조건에 대한 파일럿 플랜트 운전 결과와 가성소다 절감효과를 고려하여 RCS15를 대체 탄소 원으로 현장 적용 평가를 실시하였다. Fig.
- 비용 절감 효과에 대한 평가는 탄 소원 대체효과와 알카리원 보충 효과 두 가지를 고려하였다.
- 외 부탄소원을 완전 대체하기 이전-2003년 12월 18일에서 2003년 12월 31일-에는 외 부탄소원 변경에 따른 슬러지 순응을 위해 메탄올과 RCS15를 혼합 주입하였고, 현장 적용 평가 기간에는 RCS15 원액만을 무산 소조에 투입하였다. 현장 적용 평가는 2004년 1월 1일에서 2004년 2월 28일까지 이뤄졌다.
- 5를 곱하여 구한다. 이때 유입 T-N이 모두 N03 -N으로 전환될 것으로 예상하고 반송 흐름의 DO 회송을 고려한 Do는 호기조 평균 DO 농도 2.7mg/L에 유입 및 전체반 송량에 대한 내부 반송량 비를 곱하여 2.7x(2/3.5) = 1.5mgO2/L로 정하였다.
- as CaCC)3)/m3로 유지되었다. 이를 위해 가성소다(NaOH 50%)를 유입수 대비 30.1(g as NaOH50%)/m3S 호기 조에 주입하여 독립영양 미생물에 의한 질산화를 원활하게 하였다. 그런데 하루 유입 수량 35,000m3/d에 RCS15 주입량 6.
- 정제 재활용하는 것을 검토할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 정밀화학 공정의 부산물을 정제 가공하여 상품화한 RCSs (recovered carbon sources)를 물질 평가, 적합성 판단, 파일롯 모형실험을 거쳐 현장 적용하였다. 그 결과 RCS의 경제성과 안정성을 입증하였고 폐자원 재활용을 통한 폐기물 발생 저감 및 자원 절약의 사 례를 제시하였다.
- 테스트를 위한 반응조는 녹산 하수 처리 장의 modified Ludzack-Ettinger(MLE) 공정을 죽소, 스테인레스로 제작하였다. 총 4개의 계열로 탈질 탄소 원을 각각 달리하였는데 1 계열-메탄올, 2계 열-RCS15, 3 계열-RCS5, 4 계열-유입수 외 탄 소원 투 입 없음으로 설치하였다. 각 계열은 무산 소조 (W15cm X L36cm x H25cm, water level 16cm), 호기조 (W15cm x L54cm x H25cm, water level 15cm)로 제작되었다.
대상 데이터
- RCSs를 대체 탄소 원으로 적용하기 위한 파일럿 플랜트 평가는 2003년 10월 10일에서 2003년 11월21일까지 녹산하수처리장에서 실시되었다. 유입원수는 녹산하수처리장의 세목스크린을 지난 유입수를 사용하였다.
- 총 4개의 계열로 탈질 탄소 원을 각각 달리하였는데 1 계열-메탄올, 2계 열-RCS15, 3 계열-RCS5, 4 계열-유입수 외 탄 소원 투 입 없음으로 설치하였다. 각 계열은 무산 소조 (W15cm X L36cm x H25cm, water level 16cm), 호기조 (W15cm x L54cm x H25cm, water level 15cm)로 제작되었다. 파일럿 반응기의 운전 조건은 유입수 유량 60L/d, HRT 8hr, SRT는 10일로 설정되었으며, 반응조 MLSS농도는 평균 2500mg/L로 유지하였으며, 무산소 조의 교반 강도는 약 lOOrpm으로 혼합이 원활히 될 수 있도록 하였고, 무산 소조에 히터를 설치하여 온도 컨트롤러를 통해 25~28℃의 수온을 유지하였다(Table 3).
- 본 연구에서는 최은희$ 등의 선행연구를 통해 대 체 탄소 원으로써 가능성 및 경제적으로 우수한 것으로 보고된 정밀화학 공정 부산물 두 가지를 정제 가공하여 RBCOD 함량 99% 이상의 대체 탄 소원 후보 물질로 하였다. 두 물질은 RCS15와 RCS5로 Fig.
- 우선, 처리 의무가 있는 물질의 재활용을 검토하는 것으로 대상 물질은 하수 슬러지, 분뇨, 음식물 쓰레기 등이다. Jowitt" 등은 고온 호기성 소화(Thermophilic Aerated Digestion, TAD) 상징액에 축적된 VFAs을 탈질과 인 방출을 위한 탄소 원으로 주입한 실험실 규모의 실험을 수행하였으며, Nam2) 등은 유기물 농도가 낮은 하수처리에 분뇨 산 발효 상징액을 외 부탄소원으로 적용할 수 있는 가능성에 대해 시험하여 외 부탄소원으로 이용 가능성을 밝혔다.
- RCSs를 대체 탄소 원으로 적용하기 위한 파일럿 플랜트 평가는 2003년 10월 10일에서 2003년 11월21일까지 녹산하수처리장에서 실시되었다. 유입원수는 녹산하수처리장의 세목스크린을 지난 유입수를 사용하였다. 테스트를 위한 반응조는 녹산 하수 처리 장의 modified Ludzack-Ettinger(MLE) 공정을 죽소, 스테인레스로 제작하였다.
- 유입원수는 녹산하수처리장의 세목스크린을 지난 유입수를 사용하였다. 테스트를 위한 반응조는 녹산 하수 처리 장의 modified Ludzack-Ettinger(MLE) 공정을 죽소, 스테인레스로 제작하였다. 총 4개의 계열로 탈질 탄소 원을 각각 달리하였는데 1 계열-메탄올, 2계 열-RCS15, 3 계열-RCS5, 4 계열-유입수 외 탄 소원 투 입 없음으로 설치하였다.
- 외 부탄소원을 완전 대체하기 이전-2003년 12월 18일에서 2003년 12월 31일-에는 외 부탄소원 변경에 따른 슬러지 순응을 위해 메탄올과 RCS15를 혼합 주입하였고, 현장 적용 평가 기간에는 RCS15 원액만을 무산 소조에 투입하였다. 현장 적용 평가는 2004년 1월 1일에서 2004년 2월 28일까지 이뤄졌다. RCS15 투입량은 2003년 9월~L1 월 메탄올 투입량 평균 0.
성능/효과
- 1) 대체 탄 소원 RCS15는 메탄올(998%)과의 비교 파 일럿 플랜트 평가 및 현장 적용 실험 결과 동등한 탈질 성능을 나타내었다.
- 2) RCS15는 현장 적용 평가 결과에서 이론적 최대 T-N 제거효율에 도달하였으며 기존 외 부탄소원 인 메탄올을 전량 대체 가능한 것으로 확인되었다. 이를 통해 외 부탄소원 비용의 74.
- 3) RCS15 성분 중탄산나트륨(Na2CO3)재투입에 의한 자체 알카리도를 증가 시켜 외부 알카리원인 가성소다의 사용량 15.5% 절감하였다.
- 4) RCS15를 사용함으로써 얻어지는 경제적 효과는 외 부탄소원 비용의 74.9% 절감, 알카리원 비용의 15.5% 절감을 통해, 전체 약품비의 61.5%를 절감하게 되었다.
- 5) RCS5도 메탄올과 유사한 처리효율이 나타났으나 투입 유량이 많은 것이 단점이었다. 그러나 비용 절감 및 신뢰성 있는 대체 탄소 원의 수요 증가로 인해, RCS5 역시 2004년 11월 현재 장림하수처리장 2단계 및 김해 진영하수처리장에서 현장 적용에 성공하였다.
- RCS15 현장 적용 기간의 평균 T-N 제거율은 58.4%였으며, 유출 농도는 8.9mg/L였다. 이는 탈질 반송 105% 및 슬러지 반송 41%를 고려한 이론적 최대 질소 제거율 59.
- RCS15는 향신료 생산 부산물로부터 지용성 고분자 물질 제거 및 염 석출을 통해 정제되고, RCS5는 보습제 생산부산물을 활 성탄 흡착과 한외여과를 통해 정제한 것이다. RCSs 을 한국화학시험연구원에 의뢰 분석한 결과 메탄올을 포함한 탄소수 4개 이하의 직렬 구조 물질로 구성되어 있으며, 체인 말단에 초산 기와 수산화기가 존재하여 생체 반응성이 높은 친수성 물질임을 알 수 있었다. 또한 복합 연쇄 및 환형 구조 유기물이 없어 난분해성 및 잔존 COD 문제가 거의 없을 것으로 예상되었다.
- 4mg/L였고, 평가 기간의 후반부로 갈수록 유입 수 T-N 농도가 대체적으로 높아졌다. 각 조건의 평균 T-N 제거율은 메탄올 54%, RCS15 56%, RCS5 49%였으며, 외 부탄소원을 투입하지 않는 조건도 31%를 나타냈다. 이상적인 공정에서의 질산화 100%를 가정한 경우, 최대 T-N 제거율은 식(4)로 나타낼 수 있는데 파일럿 플랜트의 경우 내부반송 200%, 슬러지 반송 50%인 경우에 최대 71%, 내부반송 100%, 슬러지 반송 30%인 경우 최대 56.
- 계산 결과 Cme 52.4mg 메탄올/L이고 COD 단위로 환산하면 유입수에 대해서 78.7mgCOD/L이다. 유 입수 중의 CODaVaii = 42.
- 이를 위해 본 연구에서는 정밀화학 공정의 부산물을 정제 가공하여 상품화한 RCSs (recovered carbon sources)를 물질 평가, 적합성 판단, 파일롯 모형실험을 거쳐 현장 적용하였다. 그 결과 RCS의 경제성과 안정성을 입증하였고 폐자원 재활용을 통한 폐기물 발생 저감 및 자원 절약의 사 례를 제시하였다.
- 탄 소원 투입에 따른 CODmh 증가는 거의 나타나지 않았고 제거율은 평균 82% 이상이었다. 대조군의 경우 내부반송 133%, 슬러지반송 40%에 의한 이론적 최대 질소 제거율은 63.4%이며 측정된 제거율은 평균 61.7%였다. 이 결과로부터 RCS15 투입 시의 질소 제거 성능은 메탄올을 이용하는 경우와 비교해 손색이 없으며, 잔류 COD의 영향도 거의 없음을 확인하였다.
- 6ml/m3 유입수이다. 따라서 연간 외 부탄소원 비용은 메탄올 기준 208, 246천원, RCS15는 52, 221천원으 로 예상되어 외 부탄소원 비용에서만 연간 74.9%의 절감효과를 가져올 것으로 예상된다(Table. 10).
- 실측 결과는 각 조건에서 모두 이상적인 최대 T-N 제거율에 이르지 못했으나 가장 우수한 T-N 제거 거동을 보인 것은 외 부탄소원 RCS15를 주입한 경우로 내부반송 200%에서 65~71%의 T-N 제거율을 보였고, 그다음이 메탄올과 RCS5의 순이었 다. Table 8은 탈질 반송율을 변화시킨 시점을 기준으로 각 실험 구간별 결과를 정리한 것이다.
- 7%였다. 이 결과로부터 RCS15 투입 시의 질소 제거 성능은 메탄올을 이용하는 경우와 비교해 손색이 없으며, 잔류 COD의 영향도 거의 없음을 확인하였다.
- 녹산하수처리장의 경우 생물학적 반응조를 거친 공정 수의 알카리도를 100(g Aik. as CaCOa/n? 이상으로 유지하고 있는데, 현장 평가 기간의 경우 평균 115.5(g Aik. as CaCC)3)/m3로 유지되었다. 이를 위해 가성소다(NaOH 50%)를 유입수 대비 30.
- 4%였다. 탄 소원 투입에 따른 CODmh 증가는 거의 나타나지 않았고 제거율은 평균 82% 이상이었다. 대조군의 경우 내부반송 133%, 슬러지반송 40%에 의한 이론적 최대 질소 제거율은 63.
- Table 8은 탈질 반송율을 변화시킨 시점을 기준으로 각 실험 구간별 결과를 정리한 것이다. 파일 럿 플랜트 평가를 통해 RCS15와 RCS5는 메탄올과 비교하여 대체 탄소 원으로써 그 이상 또는 동등의 효과를 보여 두 가지 모두 대체 탄소 원으로 사용 가능할 것으로 판단되었다. 그런데 RCS15의 경우가 성소다 절감의 효과를 동시에 거둘 수 있을 것으로 기대되어 현장 적용에는 RCS15가 선택되었다.
- 각 계열은 무산 소조 (W15cm X L36cm x H25cm, water level 16cm), 호기조 (W15cm x L54cm x H25cm, water level 15cm)로 제작되었다. 파일럿 반응기의 운전 조건은 유입수 유량 60L/d, HRT 8hr, SRT는 10일로 설정되었으며, 반응조 MLSS농도는 평균 2500mg/L로 유지하였으며, 무산소 조의 교반 강도는 약 lOOrpm으로 혼합이 원활히 될 수 있도록 하였고, 무산 소조에 히터를 설치하여 온도 컨트롤러를 통해 25~28℃의 수온을 유지하였다(Table 3).
- 파일럿 플랜트 평가 기간의 유입수 T-Ne 평균 16.4mg/L였고, 평가 기간의 후반부로 갈수록 유입 수 T-N 농도가 대체적으로 높아졌다. 각 조건의 평균 T-N 제거율은 메탄올 54%, RCS15 56%, RCS5 49%였으며, 외 부탄소원을 투입하지 않는 조건도 31%를 나타냈다.
후속연구
- 향후 지속적인 대체 탄소원 개발을 위해서는 고농도의 유기탄소폐수발생 사업장을 통해 발생물 질의 생물학적 제거 가능성 및 안전성 연구를 지속하여야 한다. 이를 통해 대체 탄소원 물량의 안정적 확보는 물론 부산물로 버려지는 자원을 이용함으로써 기업의 수처리비용 절감과 하수처리 시스템의 비용절감 성과를 동시에 얻을 수 있다.
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