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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연속회분식반응조의 bench scale 실험을 통하여 유기물 및 질산염 부하에 따른 용해성 인의 흡수와 방출 특성을 측정하고, SBR 공정의 무산소 조건에서인 흡수 및 탈질을 동시에 수행하는 DPB 존재의 가능성을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- Bench scale 규모의 연속회분식반응조(SBR)를 이용하여 유기물 및 질산염의 부하에 따른 용해성 인의 흡수와 방출속도를 측정하고, 무산소조건에서 인흡수 및 탈질을 동시에 수행하는 DPB 존재의 가능성을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5 mg/L의 3단계로 변화시키면서 무산소 조건에서 NO3-N의 부하에 따른 인 방출 및 흡수, 탈질의 동시 진행 가능여부를 알아보았다. 또한 유기물 부하와 질산염의 부하에 따른 S-P(Soluble phosphate) 및 NOj-N의 거동을 알아보고, 이를 토대로 인산염의 방출과 흡수속도 및 NOj-N의 탈질속도를 측정하였다.
- SBR 공정에서 유기물 및 질산염부하에 따른 무산소 조건에서의 인 방출 및 흡수를 측정한 결과 유기물 부하가 높을수록, 질산염의 부하가 낮을수록 인의 방출 및 흡수가 잘 되었다. 또한 질산염이 존재하는 무산소 조건에서 탈질과 함께 인의 방출 및 흡수가 동시에 진행되어 DPB의 존재를 간접적으로 확인하였다.
- 본 실험에서 유입하수는 합성폐수를 사용하였으며, Table 1과 같이 유입수의 유기물농도를 COD 농도로 평균 205.2 mg/L, 398.5 mg/L, 675.5 mg/L의 3단계로 변화시키면서 무산소 조건에서 NO3-N의 부하에 따른 인 방출 및 흡수, 탈질의 동시 진행 가능여부를 알아보았다. 또한 유기물 부하와 질산염의 부하에 따른 S-P(Soluble phosphate) 및 NOj-N의 거동을 알아보고, 이를 토대로 인산염의 방출과 흡수속도 및 NOj-N의 탈질속도를 측정하였다.
- 운전 주기는 초기유입 30분을 포함한 교반 90분, 폭기 120분, 교반 30분, 침전 60분, 배출 45분, 휴지 15분으로 총 360분을 1 cycle로 하였다. 각 단계별 운전기간은 정상 상태의 운전기간을 포함하여 약 25일이었으며, 반응조의 pH 는 7.
- 1은 bench scale 규모의 SBR 실험에 사용된 반응조로 반응조의 크기는 내경이 20 cm, 유효높이가 35 cm, 유효용적이 11 L 였으며, 재질은 원통형의 투명한 아크릴로 제작하였다. 혐기와 무산소조건을 위해 교반기를 설치하였으며, 호기조건은 미세 폭기 장치를 하부에 설치하여 용존산소를 DO 1.5 ~2.0 mg/L가 되도록 공급하였다. 반응 조의 운전 시 최고 및 최저수위는 각각 35 cm, 18 cm 였으며, 유입수와 유출수의 이송은 정량펌프를 사용하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 bench scale 규모의 SBR 실험에 사용된 반응조로 반응조의 크기는 내경이 20 cm, 유효높이가 35 cm, 유효용적이 11 L 였으며, 재질은 원통형의 투명한 아크릴로 제작하였다. 혐기와 무산소조건을 위해 교반기를 설치하였으며, 호기조건은 미세 폭기 장치를 하부에 설치하여 용존산소를 DO 1.
- 0 mg/L가 되도록 공급하였다. 반응 조의 운전 시 최고 및 최저수위는 각각 35 cm, 18 cm 였으며, 유입수와 유출수의 이송은 정량펌프를 사용하였다. 유입 유량은 6 L/cycle 로 균일하게 주입하였으며, 반응조내의 MLSS 농도는 3, 500 mg/L, 수리학적 총 체류시간은 11 hr 을 유지하였다.
성능/효과
- 1. 유기물부하에 따른 질소 및 인의 제거효율은 F/M비와 C/P 비가 높올수록 증가하였는데 F/M 비가 0.44 kg COD/kg MLSS . d, C/P비가 73.
- 2. SBR 공정에서 유기물 및 질산염부하에 따른 무산소 조건에서의 인 방출 및 흡수를 측정한 결과 유기물 부하가 높을수록, 질산염의 부하가 낮을수록 인의 방출 및 흡수가 잘 되었다. 또한 질산염이 존재하는 무산소 조건에서 탈질과 함께 인의 방출 및 흡수가 동시에 진행되어 DPB의 존재를 간접적으로 확인하였다.
- 3. 무산소조건에서 질산염의 부하에 따른 탈질속도와 S-P 의 방출 및 흡수속도를 측정한 결과 탈질속도는 질산염의 부하가 높을수록 비례하여 증가하였으며, 인의 방출 및 흡수는 반대의 경향을 보였다.
- 4. 무산소조에서 S-P의 방출 및 흡수가 진행되는 동안 탈질 과정도 함께 진행되었으며, 각각의 F/M비에서 탈질 속도는 F/M비 0.44 kg COD/kg MLSS . d에서는 최대 0.
- 5. S-P이 방출되지 않는 경우와 방출되는 경우의 비탈질 속도를 비교한 결과 S-P이 방출되지 않는 경우의 비탈질 속도가 S-P 이 방출되는 경우의 비탈질속도보다 높았다. 이렇게 S-P이 방출되는 경우의 비탈질속도가 더 낮은 이유는 무산소 조건에서 탈질을 일으키는 일반적인 탈질 미생물이 인흡수와 탈질을 동시에 수행하는 DPB 미생물보다 증식속도 및 탈질속도가 높기 때문으로 판단된다.
- 3 g NOa'-N/kg MLSS로 증가시켰을 때 단위공정별 S-P의 거동을 나타낸 그림이다. COD/T-P비가 73으로 높은 I 단계에서 유입수에 NQf-N를 1.6 g NOj-N/kg MLSS의 낮은 농도로 주입하였을 때 S-P의 방출농도는 약 28 mg/L 였으며, 유입수에 NOg-N 부하를 증가시킨 결과 S-P의 방출농도는 점차적으로 감소하여 14.3 g NOf-N/kg MLSS의 고부 하에서는 S-P의 방출은 미미하였다. 또한 NOj-N 부하가 낮은 조건에서 인 방출이 증가할수록 무산소 및 호기 조건에서 S-P의 흡수도 잘 일어났다.
- I 단계에서 11.4 g NOa'-N/kg MLSS 부하까지는 무산소 조건에서 S-P의 방출 및 흡수가 원활하게 일어났으나 14.3 g NQf-N/kg MLSS 부하까지 증가시킨 결과 무산소 조건에서 S-P의 방출 및 흡수 속도는 급격하게 감소하였으며, 탈질속도는 다소 증가하는 경향을 보였다. N03'-N 부하가 낮은 1.
- II단계에서는 NOj'-N 부하를 9.0 g NOg-N/kg MLSS까지 증가시킨 결과 무산소 조건에서 S-P의 방출 및 흡수속도는 급격하게 저하되었으며, 탈질속도는 질산염의 부하에 비례하여 증가하는 경향을 보였다. NO/N부하가 낮은 1.
- 5는 I, II 단계에서 NOON 부하에 따른 S-P의 방출 및 흡수농도를 나타낸 것으로 NOON 부하를 증가시킬수록 무산소조건에서 S-P의 방출 및 흡수 농도는 감소함을 알 수 있었으며, 이에 따른 호기조건에서의 S-P의 흡수 또한 감소하였다. I단계에서 NO3-N 부하를 14.3 g NOs'-N/kg MLSS까지 증가시킨 결과 S-P의 방출 및 흡수가 거의 일어나지 않았으며, II단계에서는 9.0 g NO3--N/kg MLSS, HI단계는 3.0 g NOj-N/kg MLSS의 부하에서 S-P 의 흡수가 거의 일어나지 않았다. S-P의 방출 및 흡수 농도를 도시해본 결과, 방출농도보다 무산소 조건에서의 흡수농도와 호기조건에서의 흡수농도의 합이 더 높아 S-P이 무산소 조건을 거쳐 호기조건에서 과잉 흡수되어 제거됨을 알 수 있었다.
- 0 g NOj-N/kg MLSS의 낮은 농도로 주입한 경우 S-P의 방출농도는 각각 26 mg/L, 17 mg/L으로 I 단계보다 약간 낮은 값을 보였다. NO3<N 부하를 9.0 g NOj'-N/kg MLSS의 부하까지 증가시킨 결과 인산염의 방출 및 흡수는 거의 일어나지 않았고, 호기조건에서의 S-P 의 흡수도 일어나지 않았다.
- 또한 NOj-N 부하가 낮은 조건에서 인 방출이 증가할수록 무산소 및 호기 조건에서 S-P의 흡수도 잘 일어났다. NOj-N 부하를 14.3 g NOj'-N/kg MLSS까지 증가시킨 조건에서는 무산소 조건에서 S-P의 방출 및 흡수는 급격히 감소되었으며 이로 인하여 호기조건에서의 S-P의 흡수도 감소되었다.
- 0 g NOj-N/kg MLSS의 부하에서 S-P 의 흡수가 거의 일어나지 않았다. S-P의 방출 및 흡수 농도를 도시해본 결과, 방출농도보다 무산소 조건에서의 흡수농도와 호기조건에서의 흡수농도의 합이 더 높아 S-P이 무산소 조건을 거쳐 호기조건에서 과잉 흡수되어 제거됨을 알 수 있었다.
- 12 kg COD/kg MLSS . d, C/P비가 0.12인 유기물 부하가 낮은 조건에서는 T-N, T-P 제거효율은 각각 71.4%, 42.4%로서 특히 인 제거효율이 낮았다.
- 44 kg COD/kg MLSS . d, C/P비가 73.4인 조건에서는 T-N, T-P는 각각 82.3%, 88.2%로 높은 제거효율을 보였으나, F/M비가 0.12 kg COD/kg MLSS . d, C/P비가 0.
- 25 kg COD/kg MLSS . d, COD/T-P비가 평균 43.8 인 II단계 실험에서는 CODcr 및 SCOD&의 제거효율은 각각 평균 91.8% 및 90.0%로 I 단계와 같이 유기물 제거효율은 우수하였으며, T-N 및 T-P의 제거효율은 I 단계보다 약간 낮은 77.8%, 80.9%였다. 유기물과 질소 부하를 크게 낮춘 HI단계 실험에서는 CODCr 및 SCOD*의 제거효율은 각각 91.
- 44 kg BOD/kg MLSS . d, COD/T-P비가 평균 73.4으로 유기물 부하가 높은 I 단계 실험에서는 CODcr 및 SCOD&의 제거효율은 평균 91.4%, 90.7%로 매우 높았으며, T-N 및 T-P의 제거효율은 각각 82.3%, 83.5%였다. I 단계에서는 유기물 농도가 질소 및 인의 농도에 비해 상대적으로 높았기 때문에 전체적으로 질소, 인의 제거효율이 높은 것으로 판단된다.
- , 1999). 결과적으로 무산소 조건에서도 인의 방출 및 흡수가 가능하며 이때 유기물 농도와 NOj'-N 농도가 인의 방출 및 흡수에 가장 중요한 인자인 것으로 판단된다.
- 3 g NOf-N/kg MLSS의 고부 하에서는 S-P의 방출은 미미하였다. 또한 NOj-N 부하가 낮은 조건에서 인 방출이 증가할수록 무산소 및 호기 조건에서 S-P의 흡수도 잘 일어났다. NOj-N 부하를 14.
- 8에 실험식 (1)과 본 실험의 결과를 함께 도시하였는데, F/M비가 낮은 경우는 실험식의 비탈질속도가 더 높았으며 F/M비가 증가할수록 본 실험에서의 비탈질 속도가 더 높았다. 또한 S-P이 방출되지 않는 경우와 방출되는 경우의 비탈질속도를 비교한 결과 S-P이 방출되지 않는 경우의 비탈질속도가 S-P이 방출되는 경우의 비탈질속도 보다 높았다. 이렇게 S-P이 방출되는 경우의 비탈질 속도가 더 낮은 이유는 무산소 조건에서 탈질을 일으키는 일반적인 탈질미생물이 인흡수와 탈질을 동시에 수행하는 DPB 미생물보다 증식속도 및 탈질속도가 높기 때문으로 판단된다.
- 상기의 본 연구결과에 따르면 무산소조건에서 NOj-N 농도가 낮을수록 인방출율과 인흡수율이 높았으며, 인의 방출 및 흡수가 원활히 이루어지기 위해서는 유입수의 COD/T-P 비가 충분히 높아야 하는 것으로 판단된다.
- 9%였다. 유기물과 질소 부하를 크게 낮춘 HI단계 실험에서는 CODCr 및 SCOD*의 제거효율은 각각 91.4% 및 87.9%로 I, II단계와 큰 차이가 없었지만 T-P의 제거효율은 45.8%로 I , n 단계의 실험보다 현저히 낮았다. 이러한 이유는 혐기조건에서의 인 방출에 요구되는 유기물의 농도가 낮았고 이로 인해 호기 조건에서 의인의 흡수 또한 감소하여 전체적으로 인산염의 제거효율이 낮아진 것으로 판단된다.
- 호기 조건에서는 유입 NH3-N의 질산화로 인하여 NOj-N 농도가 다시 증가하였으며 호기조건 후 내생탈질을 유도하기 위하여 실시한 교반 30분에서 탈질은 거의 일어나지 않았다. 이러한 이유는 폭기 후의 용존 산소가 교반 30분 동안 반응조 내에 존재하면서 무산소 조건을 형성하지 못하였기 때문으로 판단되며, ORP를 측정해 본 결과 약 100 mV~150 mV을 나타내어 호기 조건임을 확인할 수 있었다.
- 질산염의 부하가 낮은 조건에서는 무산소 조건에서 S-P 의 방출 및 흡수가 진행되는 동시에 탈질이 일어남을 알 수 있었으며, NOj-N 부하를 증가시킨 경우에는 탈질은 활발하게 진행되었지만 S-P의 방출과 흡수는 질산염의 부하가 낮은 경우보다 상당히 감소한 것을 알 수 있다. 호기 조건에서는 유입 NH3-N의 질산화로 인하여 NOj-N 농도가 다시 증가하였으며 호기조건 후 내생탈질을 유도하기 위하여 실시한 교반 30분에서 탈질은 거의 일어나지 않았다.
- 한편, 유입 유기물농도가 높고, 질산성 질소가 높은 phase I 의 경우 초기에 질산성질소 농도가 32~38 mg/L로 높음에도 불구하고, 인이 용출되어 반응조내의 S-P농도는 20~23mg/L까지 증가하였으며, 다시 질산성질소 농도가 감소하면서 동시에 반응조내의 인농도도 감소하는 경향을 나타내어, 무산소조건에서 인의 방출 및 흡수 그리고 탈질의 세가지 현상이 동시에 연속으로 진행됨을 관찰할 수 있었다. 따라서 무산소 조건에서도 용해성 인의 흡수 및 탈질이 가능하다는 DPB(Denitrifying phosphorus removal bacteria)의 존재를 간접적으로 파악할 수 있었다{Zeng et al.
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