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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 SBR의 운전 및 설계에 있어 가장 큰 영향 인자인 운전 주기에 따른 영향을 알아보기 위하여 anoxic-oxic-anoxic-oxic의 반응 단계를 가지는 (AO》SBR과 anoxic-oxic-anoxic의 A2O SBR 을 이용하여 비교 실험하였고, 유기물, 질소 및 인에 대한 제거과정을 효과적으로 조사하기 위하여 미시적 관점에서 비교 . 분석 하였다.
- 분석 하였다. 또한, 운전 인자로서 중요한 용존산소(dissolved oxygen, DO) 농도와 pH를 조사하여, 소규모 오수처리시설에 적합한 SBR의 설계 및 운전 최적화에 대한 기초 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 2와 같다. 1주기는 12시간으로 하였으며, 각 단위 공정은 유입, 비포기-포기(반응), 침전, 배출 및 휴지기간으로 하였다. 유입은 30분, 침전 30분, 배출 30분은 항상 일정하게 유지하였고, (AO)2 SBR에서 반응시간은 1차 비포기 혼합 2시간, 1차 포기 2시간, 2차 비포기 혼합 3시간 30분, 2차 포기 3시간으로 배분하여 비포기와 포기의 시간 비율을 거의 1:1이 되도록 하였다.
- NHjN와 MLSS는 Standard Methods®에 따라 분석하였으며, 유기물의 농도는 TOO 지표로 하여 TOC Analyzer(Schimadzu, TOC-5000A, Japan)를 이용하여 분석하였다. NO2--N, NO3--N, PQWp의 농도는 Ion chromatography(Metrohm, Ion analysis version 2.0, Switzerland)를 사용하여 측정하였으며, DO, pH는 실시간 자동 측정기 (Inolab Multi-Parameter Level 3)를 사용하여 분석하였다. 반응기에 유입되는 폐수의 TOC 농도는 일반 하수의 평균농도보다 낮은 약 70 rng/ZS 하였고, NHt+-N 농도는 20mg〃, PO广-P 농도는 1& mg/Z로 일정하게 유지하였다.
- SBR의 운전 및 설계에 있어 운전 주기에 관한 영향을 알아보기 위 하여 anoxic-oxic-anoxic-oxic (AO)2 SBR과 anoxic-oxic-anoxic의 A2O SBR을 이용하여 비교 실험하였고, 유기물, 질소 및 인에 대한 제거과정을 미시적 관점에서 비교 분석하였고, DO 농도와 pH를 함께 측정한여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 5 〃min으로 일정하게 유지하였다. 기질공급, 처리수 배출, 포기 및 혼합 등의 조작은 timer를 이용하<겨 시간대에 따른 제어가 가능하도록 하였으며, 온도는 온도조절기를 반응기 상부에 설치하여 20土 FC로 일정하게 유지하였다. 슬러지의 식종은 유기물 처리가 목적인 G시 하수처리장의 반송 슬러지를 채취하여 35 mesh의 체를 이용하여 협잡물을 제거하고, 2~3일 정도 포기시키면서 슬러지 상부에 발생되는 스컴(scum)을 완전히 제거한 다음, 3~4차례의 수세과정을 거친 후, 포기시 MLSS가 3, 500 mg/Z 가 되도록 각 반응기에 동일하게 주입시켰다.
- 본 연구에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같이 2개의 반응조를 설치하여 운전하였는데, 크게 anoxic-oxic- anoxic-oxic의 4단계 반응으로 이루어진 (AO)? SBR과 anoxic-oxic-anoxic의 3단계 반응으로 구성된 A2O SBR로 대별할 수 있다.
- 기질공급, 처리수 배출, 포기 및 혼합 등의 조작은 timer를 이용하<겨 시간대에 따른 제어가 가능하도록 하였으며, 온도는 온도조절기를 반응기 상부에 설치하여 20土 FC로 일정하게 유지하였다. 슬러지의 식종은 유기물 처리가 목적인 G시 하수처리장의 반송 슬러지를 채취하여 35 mesh의 체를 이용하여 협잡물을 제거하고, 2~3일 정도 포기시키면서 슬러지 상부에 발생되는 스컴(scum)을 완전히 제거한 다음, 3~4차례의 수세과정을 거친 후, 포기시 MLSS가 3, 500 mg/Z 가 되도록 각 반응기에 동일하게 주입시켰다. 전체적인 반응기의 슬러지 체류시간(sludge residence time, SRT) 는 20~30일 정도로 유지하기 위해 일정 양의 슬러지를매일 침전 시간 직전에 제거하였다.
- 1주기는 12시간으로 하였으며, 각 단위 공정은 유입, 비포기-포기(반응), 침전, 배출 및 휴지기간으로 하였다. 유입은 30분, 침전 30분, 배출 30분은 항상 일정하게 유지하였고, (AO)2 SBR에서 반응시간은 1차 비포기 혼합 2시간, 1차 포기 2시간, 2차 비포기 혼합 3시간 30분, 2차 포기 3시간으로 배분하여 비포기와 포기의 시간 비율을 거의 1:1이 되도록 하였다. A2O SBR에서는 1차 비포기 혼합 3시간, 포기 3시간, 2차 비포기 혼합 4시간 30분으로 운전하여 비포기와 포기의 시간 비율은 2.
- 슬러지의 식종은 유기물 처리가 목적인 G시 하수처리장의 반송 슬러지를 채취하여 35 mesh의 체를 이용하여 협잡물을 제거하고, 2~3일 정도 포기시키면서 슬러지 상부에 발생되는 스컴(scum)을 완전히 제거한 다음, 3~4차례의 수세과정을 거친 후, 포기시 MLSS가 3, 500 mg/Z 가 되도록 각 반응기에 동일하게 주입시켰다. 전체적인 반응기의 슬러지 체류시간(sludge residence time, SRT) 는 20~30일 정도로 유지하기 위해 일정 양의 슬러지를매일 침전 시간 직전에 제거하였다.
- 정상상태에 도달한 다음, 12시간의 1주기 동안 (AO》 SBR과 A2O SBR내의 질소 (NH4+-N, N02--N, N0「 N) 농도, pH 및 DO 농도 변화를 관찰하였다(Fig. 4).
- 처리수는 30분간의 침전시간이 지난 다음 최대 유효용적의 50%인 2/를 정량펌프를 이용하여 유출시켰다. 비포기시 반응기의 혼합을 위해 반응기 하부에 자석교반기를 설치하여 약 200~250 rpm으로 교반시켰다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 합성폐수는 Table 1에 나타난 것과 같이 bacto-peptone과 glucose를 탄소원으로 사용하였으며, 주요 질소와 인은 각각 (NHtBSQ과 K2HPO4 에 의해 구성되었으며, 기타 각종 미량원소로 구성되어졌다.
이론/모형
- 여과하여 시료 내 존재하는 미생물을 완전히 제거한 다음 분석에 들어갔다. NHjN와 MLSS는 Standard Methods®에 따라 분석하였으며, 유기물의 농도는 TOO 지표로 하여 TOC Analyzer(Schimadzu, TOC-5000A, Japan)를 이용하여 분석하였다. NO2--N, NO3--N, PQWp의 농도는 Ion chromatography(Metrohm, Ion analysis version 2.
성능/효과
- 02 mg/Z 이하로 유지되었다. 유입 기간중 탈질화가 대부분 완료되었고, 1차 비포기 기간중 pH는 혐기 발효로 인하여 pH가 감소하게 되고 유입 기간과 1차 비포기 기간 사이에 “nitrate peak"”라고 하는 국부적인 peak 가 나타났다. 1차 비포기 기간에는 발효 부산물이 생성되고 인의 방출이 발생하는더], 인의 방출시 합성되는 PHA가 환원력을 형성하여 외부 pH를 낮추는 것으로 판단된다 H 또한 Lee 등9도 초기 혐기 기간에는 인의 방출로 인하여 급격한 pH 감소가 발생한다고 보고한바 있었다.
- (AO)2 SBR에서 1차 포기 기간 중 DO 농도는 초기 30분 이내에 3.0 mg/Z에 도달하였으나, 그 이후 완만하게 증가하였으며 뚜렷하지는 않지만 포기 시작 1시간 30분 경에 DO 변화의 변곡점이 나타났고, 그 이후 약간의 급격한 증가 후 최대 4.2 mg/Z에 도달하였다. 그러므로 포기 시작 1시간 30분 시점에서 질산화가 완료되었다는 것을 짐작할 수 있었다.
- (AO)2 SBR에서 2차 포기 3시간 동안 반응기내 TOC농도는 14.0 mg/Z에서 11.5 mg/Z로 감소하였으며, 이 기간 동안의 TOC 제거량과 TOC 제거 속도는 3.5 mg//와 4.7 mg/h로 나타나, 1차 포기 기간의 TOC 제거량과 TOC 제거속도에 비해서는 월등히 감소하였으나, 2차 비포기 기간과 비슷한 경향을 보임으로써 여전히 호기성 heterotroph의 영향이 크고, 질소 제거 미생물과 인 제거 미생물들의 활동이 활발하지 못하다는 예상할 수 있었다.
- (AO^SBR에서 1차 포기 2시간 동안의 TOC 농도는 33.4 mg/Z에서 17.2 mg/Z로 감소하였으며, TOC 제거량과 TOC 제거 속도는 각각 16.2 mg//와 32.4 mg/h虽 나타났다. A2O SBR의 경우에는 1차 포기 3시간 동안 TOC 농도는 20.
- 이 기간 동안 앞 주기에서 처리되지 못한 NO「-N는 탈질화를 통하여 처리되었다. (AO》 SBR에서 NO3--N 농도는 8.3 mg〃에서 2.2 mg/Z로 감소하여 6.1 mg/Z의 N03--N 제거량을 보였으며, A2O SBR에서는 7.8 mg/Z에서 0.5 mg/Z의 NO「-N 농도 변화를 나타내어 결과적으로 7.3 mg/Z의 NQ「-N 제거량을 나타내었다. 이 기간 동안에는 유기물의 공급이 충분하여 활발한 탈질화를 관찰할 수 있었다.
- 특히, A, O SBR에서 1차비포기 기간 동안의 TOC 제거량 및 제거속도는 (AO)2 SBR의 경우보다 월등히 크고 빠르게 나타났다. (AO》SBR의 경우에는 1차 포기 기간에 TOC의 제거속도가 빨라서 일반 heterotroph의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
- 1 차 비포기 2시간 동안, (AO》SBR에서 TOC 농도는 36.5mg/Z에서 33.4mg/Z로 감소하여 3.1 mg/Z의 TOC 제거량을 나타내었고, 이 기간동안 TOC 제거 속도는 6.2mg/h로 나타났다. 이에 비해 A2O SBR의 경우에는 3시간 30분 동안의 1차 비포기 기간 동안, 35.
- 1. (AO)2 SBR과 A2O SBR의 TOC 제거효율은 84.3%와 94.7%로 나타나, A2O SBR의 경우가 TOC 제거에 보다 효과적이었다. 특히, A, O SBR에서 1차비포기 기간 동안의 TOC 제거량 및 제거속도는 (AO)2 SBR의 경우보다 월등히 크고 빠르게 나타났다.
- 5 mg/h로 나타남으로써 , (AOB에 비해 적은 TOC 제거량과 낮은 TOC 제거속도를 나타내었다. 1차 포기 기간 동안의 TOC 제거는 대부분 일반호기성 heterotroph에 의한 것으로, TOC 제거량이 크고 TOC 제거 속도가 빠른 (AO》SBR에서는 여전히 호기성 heterotroph의 활동이 활발하다는 것을 의미하며, A2O SBR에서는 질소 제거 미생물들과 인 제거 미생물들의 활발한 활동으로 인하여 호기성 heterotrph 의 활동이 어느 정도 약화되었다는 것을 알 수 있었다. 2차 비포기 3시간 30분 동안 (AO% SBR에서 TOC 농도는 17.
- 1차 포기 기간 중, (AO》SBR에서의 NO「N 농도는 최대 0.6 mg/Z까지 증가하였다가 감소하였으며, AQ SBR에서는 최대 0.4 mg/Z까지 증가한 후 감소함으로써 NO「N의 축적 현상은 발생하지 않았고, 그에 따라 전체 질산화를 저해하거나 인의 섭취를 방해하는 현상은 발생하지 않았다. 이 기간 중 (AO》SBR에서의 초기질산화 속도(NO「-N 생성속도)는 15.
- 2. 유입 기간에는 활발한 탈질화와 함께 pH가 증가하였다. 유입 기간에 대부분의 탈질화가 완료됨으로써 1 차 비포기 기간동안 두 반응기에서 탈질화가 적게 발생하였다.
- 3. (AO)2 SBR에 비해 A2O SBR에서 DO 농도와 pH의 변화가 뚜렷하게 나타났고, 이를 통하여 질산화, 탈질화, 인의 방출 및 섭취에 대한 설명이 가능하였다. 그러나 탈질화가 완료된 후 1차 비포기 기간동안 A, 0 에선 많은 PO广-P의 방출이 나타났으나, (AO)2 SBR 에서는 잔존하는 no3- 저해 작용으로 PO广-P의 방출이 적게 발생하였다.
- 4), 인의 방출에 계속적인저해가 있었던 것으로 생각된다. AO, SBR에서도 유입 기간이 종료되는 시점에서는 19.5 mg〃의 PO广-P 농도가 측정되어야 하나, 실제 측정된 PQRp 농도는 16.4 mg/Z로 나타남으로써 인의 방출보다는 인의 섭취가 발생하였다는 것을 알 수 있었다. 그러나 A02 SBR에서는 (AO^SBR에 비해 인의 섭취 효과가 적었는데, 이는 잔존하는 NO「가 인의 섭취에 이용됨으로써 짧은 기간 내에 빠르게 제거되었고 그 이후 인의 방출이 발생할 수 있었기 때문인 것으로 생각할 수 있다.
- (AO)? SBR에 비해 월등하게 높은 PO广-P 섭취량을 나타내었으며, 두 반응기 모두 1차 포기 기간 이후에는 부족한 유기물과 NQT에 의한 저해 작용으로 인하여 PO43-P 의 방출이나 섭취 현상이 나타나지 않았다.
- 9 mg〃의 높은 PQf-P 섭취량을 나타내었다. 각 반응기에서 인의 방출량에 있어 약 5배 정도의 차이를 나타낸 것과 같이 섭취량에 있어서도 5배 정도의 차이를 나타내었다. 특히, A02 SBR에서 인의 감소 추세로 볼 때, 1차 포기 기간이 연장되었다면 추가적인 인의 섭취가 발생하였을 것이라고 예상할 수 있었다.
- 정도 운전한 결과, 정상상태에 도달하였다. 그 때 (AO)2 SBR과 A2O SBR의 유출수 TOC 농도는 각각 11.0 mg/Z와 3.7 mg/Z로서 상당한 차이를 나타내었고, 유입 TOC 농도에 대한 TOC 제거효율은 각각 84.3% 와 94.7%로 나타났다. 뿐만 아니라 정상상태에서 1주기 내의 각 반응 조건에서 측정한 반응기내 TOC 농도도 상당한 변화 차이를 나타내었다.
- 특히, A02 SBR에서 인의 감소 추세로 볼 때, 1차 포기 기간이 연장되었다면 추가적인 인의 섭취가 발생하였을 것이라고 예상할 수 있었다. 그러므로 A02 SBR에서 질산화의 측면에서는 1시간 3(}분 정도로도 충분하지만, 인의 섭취를 위해서는 3시간 이상으로 길게 유지할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
- 9 mg/Z로 일정하게 유지되었다. 그러므로 두반응기에서 볼 때 (AOB에 비해 AK)의 질산화가 활발하게 발생하였다는 것을 알 수 있었고, 단순히 질산화만을 위해서는 1시간 30분에서 최대 2시간 정도의 포기 시간이면 충분한 것으로 판단되었다.
- ”>결론적으로 포기 과정 중 pH 가 감소하게 되면 ammonification이나 인섭취 과정 중 생성되는 알카리도에 비해 질산화로 인해 소모되는 알카리도가 많다는 것을 의미한다. 그러므로 본 연구에서는 pH의 감소는 일어나지 않고 pH의 변화가 완만해 지는 것으로 보아, 합성 폐수중에 존재하는 알카리도(HCO;-)에 의해 질산화 과정 중 생성되는 H+ 를 중화하거나 인 섭취 과정 중 생성된 알카리도에의해 pH의 감소가 둔화되었기 때문인 것으로 판단된다. 질산화가 완료되고 나면 pH는 인 섭취중에 생성되는 알카리도에 의해 다시 증가함으로써 뚜렷한 “ammonia valley”를 만드는 것으로 알려져 있으나, 본 연구의 AO2 SBR에서는 질산화 과정중 뚜렷한 pH의 감소가 발생하지 않아서 “ammonia valley”는 발생하지 않았으나, pH 증가에 따른 변곡점은 명확하게 발생하였다.
- 유입 기간에 대부분의 탈질화가 완료됨으로써 1 차 비포기 기간동안 두 반응기에서 탈질화가 적게 발생하였다. 두 반응기 모두에서 1시간 30분에서 2시간 사이에 질산화는 완료되었으며, 이는 DO 농도와 pH 변화로서도 확인 가능하였다.
- 그러므로 인의 제거를 위해서는 인의 섭취 기간을 늘려 주어야 하는데, 이를 위해서는 1차 포기 기간을 늘리는 것이 효율적이다. 또한, 2차 비포기 기간을 늘려주어 dPAOs에 의한 탈질화를 유도하고, 그에 따라 유입 기간에서 NO「-N의 양이 감소되어유입 기간에서 탈질화에 소요되는 TOC의 양을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 유입 기간과 1차 비포기 기간중 인의 방출을 유도함으로써 포기 기간 중 인의 섭취를 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다. 전체적으로 유입 기간에 존재하는 NO「의 양을 최소화할 수 있는 방안에 대한 연구가 추가로 진행되어야 할 것으로 생각된다.
- 0, Switzerland)를 사용하여 측정하였으며, DO, pH는 실시간 자동 측정기 (Inolab Multi-Parameter Level 3)를 사용하여 분석하였다. 반응기에 유입되는 폐수의 TOC 농도는 일반 하수의 평균농도보다 낮은 약 70 rng/ZS 하였고, NHt+-N 농도는 20mg〃, PO广-P 농도는 1& mg/Z로 일정하게 유지하였다.
- 2 mg/h의 매우 빠른 질산화 속도를 나타내었다. 뿐만 아니라 no3--n 생성량도 (AOBSBR에서는 6.9 mg/Z였으나, A, O SBR에서는 10.5 mg/Z로 (AO》SBR에 비해 크게 나타나 완전한 질산화가 발생한 것을 확인할 수 있었다. A2O SBR。] (AO)2 SBR에 비해 질산화가 원활하게 진행된 것은 질산화가 시작되는 시점의 TOC 농도에 있어 A2O SBR 의 경우에는 20.
- 7%로 나타났다. 뿐만 아니라 정상상태에서 1주기 내의 각 반응 조건에서 측정한 반응기내 TOC 농도도 상당한 변화 차이를 나타내었다. Fig.
- 또한 유입 기간인 30분 만에 80% 이상의 활발한 탈질화가 발생하는 것으로 보아, 이 유입 기간 동안인의 방출이 원활하게 발생한다고 하면 1차 비포기 기간은 축소시켜도 무방할 것으로 판단된다. 이 1차 비포기 기간 동안 (AOB SBR과 AQ SBR에서 TOC 제거량은 각각 3.1 mg/Z와 15.0 mg〃로 나타났으나(Fig. 3, ) 이 기간 동안 탈질화는 거의 발생되지 않았으므로 대부분의 TOC는 탈질화보다는 인의 방출에 이용된 것으로 짐작할 수 있었으며, (AOBSBR에서는 TOC 제거량이 적은 것으로 보아 인의 방출이 적고 A2O SBR 에서는 TOC 제거량이 매우 많으므로 인의 방출이 매우 클 것으로 미리 예상해 볼 수 있었다.
- 그러므로 본 연구에서는 pH의 감소는 일어나지 않고 pH의 변화가 완만해 지는 것으로 보아, 합성 폐수중에 존재하는 알카리도(HCO;-)에 의해 질산화 과정 중 생성되는 H+ 를 중화하거나 인 섭취 과정 중 생성된 알카리도에의해 pH의 감소가 둔화되었기 때문인 것으로 판단된다. 질산화가 완료되고 나면 pH는 인 섭취중에 생성되는 알카리도에 의해 다시 증가함으로써 뚜렷한 “ammonia valley”를 만드는 것으로 알려져 있으나, 본 연구의 AO2 SBR에서는 질산화 과정중 뚜렷한 pH의 감소가 발생하지 않아서 “ammonia valley”는 발생하지 않았으나, pH 증가에 따른 변곡점은 명확하게 발생하였다.
- 4)을 충분하게 설명하고 있다. 특히 A02 SBR에서, 탈질화의 측면에서 보면 1차 비포기 기간에 앞선 30분 동안의 짧은 유입 기간에 탈질 화가 완료됨으로써 1차 비포기 기간을 길게 유지할 필요가 없었으나, 인의 방출을 위해서는 절대적으로 필요한 기간이라고 판단되었다.
- 7%로 나타나, A2O SBR의 경우가 TOC 제거에 보다 효과적이었다. 특히, A, O SBR에서 1차비포기 기간 동안의 TOC 제거량 및 제거속도는 (AO)2 SBR의 경우보다 월등히 크고 빠르게 나타났다. (AO》SBR의 경우에는 1차 포기 기간에 TOC의 제거속도가 빨라서 일반 heterotroph의 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
- 각 반응기에서 인의 방출량에 있어 약 5배 정도의 차이를 나타낸 것과 같이 섭취량에 있어서도 5배 정도의 차이를 나타내었다. 특히, A02 SBR에서 인의 감소 추세로 볼 때, 1차 포기 기간이 연장되었다면 추가적인 인의 섭취가 발생하였을 것이라고 예상할 수 있었다. 그러므로 A02 SBR에서 질산화의 측면에서는 1시간 3(}분 정도로도 충분하지만, 인의 섭취를 위해서는 3시간 이상으로 길게 유지할 필요가 있을 것으로 판단되었다.
후속연구
- 0 mg//의 낮은 NQ「N 제거량을 나타내었는데, 이 또한 이 기간 중의 TOC 농도가 부족하여 탈질화가 어려웠기 때문이며, 유입 기간의 탈질화에 비하면 매우 적은 량이었다. 그러므로 2차 비포기 기간에서 원활한 탈질화를 이루기 위해서는 추가적인 탄소원 공급 방안에 대한 고려가 필요할 것으로 판단되었다.
- 본 연구와 같이 낮은 유입 TOC 농도에서는 부족한 TOC로 인하여 (AOB SBR의 2차 비포기는 불필요할 것으로 판단된다. 그러므로 인의 제거를 위해서는 인의 섭취 기간을 늘려 주어야 하는데, 이를 위해서는 1차 포기 기간을 늘리는 것이 효율적이다.
- 또한, 2차 비포기 기간을 늘려주어 dPAOs에 의한 탈질화를 유도하고, 그에 따라 유입 기간에서 NO「-N의 양이 감소되어유입 기간에서 탈질화에 소요되는 TOC의 양을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 유입 기간과 1차 비포기 기간중 인의 방출을 유도함으로써 포기 기간 중 인의 섭취를 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다. 전체적으로 유입 기간에 존재하는 NO「의 양을 최소화할 수 있는 방안에 대한 연구가 추가로 진행되어야 할 것으로 생각된다.
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