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문제 정의
- Diffused aeration system에서는 공기입자의 크기에 따라 암모니아 탈기효율이 결정되나 spray tower system을 변형한 본 system에서는 분배되는 폐수의 물방울 크기가 암모니아 탈기효율에 영향을 미치므로 분배구 크기가 암모니아탈기에 미치는 영향을 조사하였다.
- 본 연구는 축산폐수를 중온혐기성소화공정으로 처리하기 위하여 전처리로서 spray tower system을 변형한 암모니아 탈 기공 정을 도입하여 온도 공기주입량, 물방울 크기를 결정하는 분배판의 분배구 크기 및 고형물 농도가 암모니아탈기효율에 미치는 영향을 고찰하고 최적 운전조건을 도출하였으며 또한, 실험결과를 토대로 각 운전조건과 총 물질전달계 수와의 상관관계 식 을 제 시 하였다.
제안 방법
- 5 이상이 적합하다고 하였으나, pH 10.5 의 경우 온도 25。(2와 45。(2에서 유리암모니아 분율이 대략 80%와 99% 로 19% 정도의 차를 보여 유리 암모니아 분율을 높게 유지시키기 위하여 본 실험에서는 NaOH를 이용하여 초기 pH를 11로 조정하였다.
- 각각 5 Umin, 10 I./min, 15 L/min, 20 L/min, 30 L/min, 40 L/min으로 변화시켰다. 또한, 분배 구 크기에 따른 암모니아 탈기효율을 분석하기 위하여 분배 구 크기를 각각 2.
- Air pump에서 반웅조로 유입되는 공기량을 측정하기 위하여 air pump 후단에 airflow meter를 설치하였다.
- 된다. 따라서 본 실험에서는 폐수 내 고형물 농도는 58.6 g/L, 분배구 크기는 3.5mm, 반응온도는 35℃로 고정한 후 공기주입량을 각각 5 L/min, 10 L/min, 15 L/min, 20 L/min, 30 L/min, 40 L/min을 적용시켜 반응시간에 따른 잔류암모니아 농도를 측정하였다. Fig.
- 폐수가 유입되어 하부칼럼으로 균등하게 폐수를 분배시키기 위하여 상부 칼럼 하단에 가로 100mm, 세로 100mm인 분배판을 설치하였으며 분배판은 단위 cm2 당 I개의 구멍을 뚫어 하부칼럼으로 폐수가 균등하게 분배될 수 있도록 하였다. 또한 하부칼럼에서 탈기된 암모니아 가스와 공기가 배출될 수 있도록 하기 위하여 상부칼럼과 하부칼럼 사이에 15mm의 공간을 두었다.
- /min, 15 L/min, 20 L/min, 30 L/min, 40 L/min으로 변화시켰다. 또한, 분배 구 크기에 따른 암모니아 탈기효율을 분석하기 위하여 분배 구 크기를 각각 2.0mm, 3.5mm, 4.5mm, 5.5mm로 각각 설정하여 실험을 수행하였다. 유입수의 입자상물질에 대한 암모니아 탈기영향을 분석하기 위하여 시료를 침강시켜 상등 수만을 채취한 것과 침강된 slurry상태의 시료를 채취한 것, 그리고 시료를 완전혼합한 것으로 구분하여 고형물 농도를 각각 6.
- 5L인 사각 플라스틱 반응조로서 내부 상단에 교반기를 설치하여 고형물질의 침강을 방지하였다. 또한, 폐수온도를 일정하게 유지시키기 위하여 집 수조 내부에 온도조절 장치를 설치하였다.
- 반응온도가 암모니아 탈기에 미치는 영향을 조사하기 위하여 분배구 크기를 3.5mm, 공기주입량을 15 L/min, 폐수 내 고형물 농도 67.4 g/L로 하였으며, 이때 반응온도를 각각 25℃, 35℃, 45℃, 55℃, 65℃로 변화를 주어 실험하였으며, 실험결과를 Fig. 2(a)에 나타내었다. 모든 조건에서 운전 시작 후 3시간동안은 암모니아 농도가 급격히 감소되는 것으로 나타났으며, 25。(2의 경우 운전시작 후 4시경부터 암모니아 탈기속도가 감소되었는데, 이는 암모니아 탈기시 pH 저하로 인하여 암모늄이온의 비율의 증가와 더불어 NaOH에 의해 유기질소가 암모니아로 전환되었기 때문으로 판단된다.
- 본 연구에서는 혐기성 소화공정에 암모니아 독성을 미연에 방지하고 적정 C:N비를 유지시키며 또한 혐기성 소화 후 잔류유기물을 효과적으로 제거시키기 위하여 암모니아 탈 기공 정의 잔류암모니아 농도를 300 mg/L로 설정하였다.
- 분배구 크기에 따른 암모니아 탈기 영향을 분석하고자 반응온도를 3UC, 공기주입량을 15 L/min, 고형물 농도를 70.8 g/L로 조정한 후 분배구 크기를 각각 2mm, 3.5mm, 4.5mm, 5.5mm로 설정하여 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 Fig. 2(c)에 나타내었다. 실험결과, 분배구 크기가 작아질수록 암모니아성질소의 탈기가 빨리 이루어지는 것으로나타났는더】, 분배구 크기를 2mm로 하여 실험한 결과, 목표농도에 도달되는 시간은 대략 6시간이 소요되는 것으로 나타났으며, 분배구 크기를 3.
- 암모니아 탈기 실험을 수행하기 위하여 제작된 spray tower 형태의 탈기 반웅조는 집수조와 탈기 칼럼으로 구성되며, 집수조는 유효용량이 13.5L인 사각 플라스틱 반응조로서 내부 상단에 교반기를 설치하여 고형물질의 침강을 방지하였다. 또한, 폐수온도를 일정하게 유지시키기 위하여 집 수조 내부에 온도조절 장치를 설치하였다.
- 5mm로 각각 설정하여 실험을 수행하였다. 유입수의 입자상물질에 대한 암모니아 탈기영향을 분석하기 위하여 시료를 침강시켜 상등 수만을 채취한 것과 침강된 slurry상태의 시료를 채취한 것, 그리고 시료를 완전혼합한 것으로 구분하여 고형물 농도를 각각 6.85 g/L, 54.3 g/L, 120.2 g/L로 시료를 조정하여 실험에 이용하였다. 각 운전조건에서 폐수의 유입율을 1 L/min로 유지되도록 하였다.
- 폐수 내 고형물 농도에 따른 암모니아 탈기영향을 분석하기 위하여 반웅온도를 35℃, 공기주입량을 15 L/min, 분배구 크기를 3.5mm로 한 후 폐수 내 고형물 농도를 6.85 g/L, 54.3 g/L, 120.2 g/L로 각각 조정하여 실험하였으며 실험 결과를 Fig. 2(d)에 나타내었다. 실험결과, 고형물 농도가 6.
- 탈기 칼럼은 유입된 폐수가 탈기칼럼에서 균등하게 배분될 수 있는 상부칼럼과 폐수와 공기가 접촉하는 하부칼럼으로 구분되는데, 상부와 하부칼럼의 단면은 가로 100mm, 세로 100mm로 동일하게 제작하였으며 높이는 상부칼럼이 300mm, 하부칼럼이 1000mm로 제작하였다. 폐수가 유입되어 하부칼럼으로 균등하게 폐수를 분배시키기 위하여 상부 칼럼 하단에 가로 100mm, 세로 100mm인 분배판을 설치하였으며 분배판은 단위 cm2 당 I개의 구멍을 뚫어 하부칼럼으로 폐수가 균등하게 분배될 수 있도록 하였다. 또한 하부칼럼에서 탈기된 암모니아 가스와 공기가 배출될 수 있도록 하기 위하여 상부칼럼과 하부칼럼 사이에 15mm의 공간을 두었다.
대상 데이터
- . 탈기 칼럼은 유입된 폐수가 탈기칼럼에서 균등하게 배분될 수 있는 상부칼럼과 폐수와 공기가 접촉하는 하부칼럼으로 구분되는데, 상부와 하부칼럼의 단면은 가로 100mm, 세로 100mm로 동일하게 제작하였으며 높이는 상부칼럼이 300mm, 하부칼럼이 1000mm로 제작하였다. 폐수가 유입되어 하부칼럼으로 균등하게 폐수를 분배시키기 위하여 상부 칼럼 하단에 가로 100mm, 세로 100mm인 분배판을 설치하였으며 분배판은 단위 cm2 당 I개의 구멍을 뚫어 하부칼럼으로 폐수가 균등하게 분배될 수 있도록 하였다.
- 본 연구에 이용된 양돈폐수는 경기도 용인시에 소재한 슬러리 돈사에서 채취하였으며, 시료 채취 시 1mm 스크린으로 조대고형물을 제거시킨 후 4℃ 냉장고에 보관하여 실험 시 일정량올 취하여 이용하였다. Table 1은 시료 성상 올 나타낸 것이다.
성능/효과
- 특히 반응온도가 55。(2와 65。(2의 경우 전체 암모니아의 90%이상이 운전시작 후 3시간 만에 제거되는 것으로 나타났다. 각 온도조건에서 설정 암모니아 농도 300 mg/L에 도달되는데 소요되는 시간을 살펴보면, 반응온도가 거의 상온인 25℃에서 운전된 경우, 운전시작 후 8시간이 경과하였음에도 불구하고 처리목표인 잔류 암모니아농도 300 mg/L에 도달되지 않는 것으로 조사되었으며, 반응온도가 35。(2인 경우 운전시작 후 8시간이 경과된 후 목표농도에 도달된 반면, 반응온도가 45℃, 55℃, 65。(2의 경우, 운전 시 작부터 잔류암모니 아농도가 급감하기 시 작하여 운전 시작 후 각각 5시간, 4시간, 3시간 만에 목표농도에 도달되는 것으로 나타났다. 실험시작 후 8시간 경과 뒤, 유리 암모니아 제거효율을 살펴보면 적용온도에 따라 각각 77%, 93%, 99%, 100%, 100%로 나타났다.
- 1) 초기 pH와 반응온도가 높을수록, 공기주입량이 클수록 암모니아 탈기효율은 증가되었다. 변형된 spray tower system을 이용하여 잔류암모니아농도 300 mg/L를 얻기 위한 적정 반응온도는 35℃ 이상, 공기주입량은 20 L/min 이상이 적합할 것으로 사료된다.
- 2) 폐수의 입자 크기를 결정짓는 분배판의 hole 크기가 작을수록 탈기효과가 증가되는 것으로 나타났으며, 분배 판의 적정 hole 크기는 3.5mm로 조사되었고, 분배판의 hole 크기가 3.5mm보다 작을 경우 분배구가 막혀 상부 칼럼에서 flooding 현상을 초래하는 것으로 나타났다. 또한 폐수 내의 고형물농도가 낮을수록 암모니아 탈기효율이 증가되는 것으로 조사되었다.
- 3) 실험결과를 토대로 총물질전달계수 K%값과 운전 인자 간의 상관관계식은 KLa = (0.0003T-0.0047) . G0-3926 .
- 5169 . C-0J849로 표현할 수 있었으며, 이 식과 실험 결과를 표현한 결과 암모니아 탈기속도를 잘 표현한 것으로 조사되었다.
- 2 g/L로 가장 높은 시료의 경우, 상대적으로 고형물 농도가 낮은 시료에 비해 암모니아 탈기 속도가 저조한 것으로 나타났는데, 이는 폐수 내 입자상물질이 많이 존재할 경우 액체와 기체의 경계층에서 물질전달을 저해하여 유리암모니아가 대기 중으로 탈기되지 못하였기 때문으로 사료된다. 각 고형물 함량 조건에서 설정 목표농도에 도달되는데 경과된 시간을 살펴보면 고형물 함량이 6.85 g/L인 경우 운전시작 후 대략 6.5시간이 경과되었을때 목표농도에 도달되는 것으로 나타났으며, 고형물 농도가 54.3 g/L인 경우 거의 운전시작 후 8시간이 다 경과되어서야 목표농도에 도달되는 것으로 나타났고, 고형물 농도가 120.2 g/L인 경우 운전종료시점에도 목표농도에 도달되지 않는 것으로 나타났다. 각 조건에서 운전종료시점의 제거효율을 살펴보면, 각각 97%, 92%, 86%로 폐수 내에 고형물함량이 작을수록 탈기가 잘 이루어지는 것으로 조사되었다.
- 2 g/L인 경우 운전종료시점에도 목표농도에 도달되지 않는 것으로 나타났다. 각 조건에서 운전종료시점의 제거효율을 살펴보면, 각각 97%, 92%, 86%로 폐수 내에 고형물함량이 작을수록 탈기가 잘 이루어지는 것으로 조사되었다.
- 05이보다 작게 나타났는데, 이는 Eugene과 Lee가 실험에 이용된 암모니아탈기방식이 diffused aeration system으로 본 실험에 적용된 spray tower system과 탈기방식이 달랐으며, 이들이 실험에 이용된 폐수는 수돗물에 암모니아농도를 50 mg/L와 5, 000 mg/L로 각각 조재한 것으로 본 실험의 축산폐수의 시료 성상과 큰 차이를 보였기 때문으로 사료된다. 따라서 본 연구에서 도출된 상수 <12값이 실제 축산폐수 처리에 더 적합할 것으로 사료된다.
- 따라서 암모니아 탈기효율을 높이기 위하여 초기 pH, 반응온도, 공기주입량을 높이는 방법도 있으나 무엇보다 암모니아 탈기공정 전에 고액분리를 통한 입자상 물질을 제거시킴으로서 보다 작은 분배구 크기를 적용시킬 수 있으며, 입자상오염물질에 의한 탈기효율의 저하를 막을 수 있어보다 효과적일 것으로 사료되며, 또한, 혐기성소화공정 전시료 내 입자상물질을 제거시킴으로서 혐기성소화공정의 HRT를 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 암모니아 탈기공정의 효율을 높이기 위해서 pH 와 온도, 공기주입량을 높이기보다는 암모니아 탈기 전 시료 내의 입자상물질의 제거하는 것이 보다 경제적이며 암모니아 탈기 효율 또한 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 반면, 공기주입량이 커질수록 암모니아 탈기속도는 증가되는 것으로 나타났으며, 이것은 공기주입량이 20 L/min 이상인 경우 운전 시작부터 폐수 내의 잔류암모니아농도가 큰 폭으로 감소되었다. 또한 각 공기주입량 조건에서 설정목표농도에 도달되는데 소요되는 시간을 살펴보면, 공기량이 5 L/min와 10 L/min, 15 L/min의 경우, 처리시간이 8시간이 경과되었음에도 처리목표농도에 도달되지 않은 것으로 나타났으며, 공기량 20 L/min, 30 L/min, 40 L/min의 경우, 각각 7시간, 6 시간, 5시간으로 나타나 공기주입량은 20 L/min이상이 적합할 것으로 판단된다.
- 5mm보다 작을 경우 분배구가 막혀 상부 칼럼에서 flooding 현상을 초래하는 것으로 나타났다. 또한 폐수 내의 고형물농도가 낮을수록 암모니아 탈기효율이 증가되는 것으로 조사되었다.
- 2(b)는 공기주입량에 따른 암모니아성 질소제거 실험결과를 나타낸 것으로 공기주입량을 5 L/min으로 유지시킨 경우 초기 pH 11과 반응온도 3UC에서 유리암모니아가 총암모니아의 99%를 차지하면서도 암모니아의 제거속도는 매우 낮게 나타났으며, 이는 낮은 공기주입량으로 인하여 물질전달이 충분히 이루어지지 못하였기 때문으로 사료된다. 반면, 공기주입량이 커질수록 암모니아 탈기속도는 증가되는 것으로 나타났으며, 이것은 공기주입량이 20 L/min 이상인 경우 운전 시작부터 폐수 내의 잔류암모니아농도가 큰 폭으로 감소되었다. 또한 각 공기주입량 조건에서 설정목표농도에 도달되는데 소요되는 시간을 살펴보면, 공기량이 5 L/min와 10 L/min, 15 L/min의 경우, 처리시간이 8시간이 경과되었음에도 처리목표농도에 도달되지 않은 것으로 나타났으며, 공기량 20 L/min, 30 L/min, 40 L/min의 경우, 각각 7시간, 6 시간, 5시간으로 나타나 공기주입량은 20 L/min이상이 적합할 것으로 판단된다.
- 탈기효율은 증가되었다. 변형된 spray tower system을 이용하여 잔류암모니아농도 300 mg/L를 얻기 위한 적정 반응온도는 35℃ 이상, 공기주입량은 20 L/min 이상이 적합할 것으로 사료된다.
- 2(d)에 나타내었다. 실험결과, 고형물 농도가 6.85 g/L로 낮은 시료의 암모니아 탈기를 살펴보면, 운전 시작 후 암모니아 농도가 급감하는 것으로 나타난 반면 고형물 농도가 120.2 g/L로 가장 높은 시료의 경우, 상대적으로 고형물 농도가 낮은 시료에 비해 암모니아 탈기 속도가 저조한 것으로 나타났는데, 이는 폐수 내 입자상물질이 많이 존재할 경우 액체와 기체의 경계층에서 물질전달을 저해하여 유리암모니아가 대기 중으로 탈기되지 못하였기 때문으로 사료된다. 각 고형물 함량 조건에서 설정 목표농도에 도달되는데 경과된 시간을 살펴보면 고형물 함량이 6.
- 2(c)에 나타내었다. 실험결과, 분배구 크기가 작아질수록 암모니아성질소의 탈기가 빨리 이루어지는 것으로나타났는더】, 분배구 크기를 2mm로 하여 실험한 결과, 목표농도에 도달되는 시간은 대략 6시간이 소요되는 것으로 나타났으며, 분배구 크기를 3.5mm로 한 경우, 목표농도에 도달되는 시간이 대략 8시간이 소요되었고, 분배구 크기를 4.5mm와 5.5mm로 한 경우, 운전종료 시점까지 목표농도에는 도달되지 않은 것으로 조사되었다. 반면, 운전 중 분배구 크기를 2mm로 설치하여 운전된 반응조에서 분배 구가 막혀 상부칼럼의 수위가 계속해서 높아져 넘치는 현상이 초래되었는 더), 원수를 1mm 스크린으로 조대 입자상물질을제거시켰음에도 불구하고 분배구가 막히는 것은 초기 pH 조정으로 사용된 NaOH로 인해 폐수의 점도가 높아지고 입자가 응집되었기 때문으로 사료된다.
- 각 온도조건에서 설정 암모니아 농도 300 mg/L에 도달되는데 소요되는 시간을 살펴보면, 반응온도가 거의 상온인 25℃에서 운전된 경우, 운전시작 후 8시간이 경과하였음에도 불구하고 처리목표인 잔류 암모니아농도 300 mg/L에 도달되지 않는 것으로 조사되었으며, 반응온도가 35。(2인 경우 운전시작 후 8시간이 경과된 후 목표농도에 도달된 반면, 반응온도가 45℃, 55℃, 65。(2의 경우, 운전 시 작부터 잔류암모니 아농도가 급감하기 시 작하여 운전 시작 후 각각 5시간, 4시간, 3시간 만에 목표농도에 도달되는 것으로 나타났다. 실험시작 후 8시간 경과 뒤, 유리 암모니아 제거효율을 살펴보면 적용온도에 따라 각각 77%, 93%, 99%, 100%, 100%로 나타났다.
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