본 연구는 토양피복 접촉산화공정에서 새로 개발된 생물담체(Bio-rock)와 기존에 이용되어온 쇄석의 처리효율을 비교하기 위해 실시되었다 합성폐수는 $COD_{Cr}$$150{\sim}370\;mg/L$, $BOD_5$$150{\sim}270\;mg/L$, $T-N$$20{\sim}60\;mg/L$, $T-P$$5{\sim}25\;mg/L$, pH 7, 미량원소용액 2 mL/L로 조제되었다. 반응조는 2기를 준비하여 유입수량을 40 L/day로 하여 약 13개월간 운전했다. 초기 바이오락 반응기는 시멘트중의 $Ca(OH)_2$의 용출에 의해 pH 12까지 증가하였으나, 쇄석은 유기물 분해와 질산화에 의해 pH 4까지 감소하였다. pH의 불균형은 유기물 및 질소 분해균의 성장 및 활성에 저해를 초래했다 그러나 바이오락의 높은 pH는 암모니아 탈기와 인의 화학침전에는 유리한 것으로 판단되었다. 정상상태에서 바이오락은 $COD_{Cr}$ 96%, $BOD_5$ 98%, T-N 80%, T-P 85%의 높은 제거율을 나타내었고. 유입농도의 변화에도 매우 안정적이었다. 반면 쇄석의 경우 $COD_{Cr}$ 96%, $BOD_5$ 96%, T-N 42%, T-P 40%의 제거율을 나타내었다. 바이오락은 쇄석에 비해 질소, 인의 처리효율이 2배나 높았다. 또 전자현미경 분석결과에서 바이오락은 미생물의 부착이 쇄석에 비해 양호했고, 미생물 농도는 바이오락이 $5.2{\times}10^6\;CFU/mL$, 쇄석이 $2.6{\times}10^6\;CFU/mL$로 바이오락이 2배 높았다. 따라서 바이오락은 미생물 부착이 용이하고 처리효율이 높으며 유입농도 변동에도 안정적으로, 향후 처리기간 단축 및 부지면적의 감소에 유리하리라 판단된다.
본 연구는 토양피복 접촉산화공정에서 새로 개발된 생물담체(Bio-rock)와 기존에 이용되어온 쇄석의 처리효율을 비교하기 위해 실시되었다 합성폐수는 $COD_{Cr}$$150{\sim}370\;mg/L$, $BOD_5$$150{\sim}270\;mg/L$, $T-N$$20{\sim}60\;mg/L$, $T-P$$5{\sim}25\;mg/L$, pH 7, 미량원소용액 2 mL/L로 조제되었다. 반응조는 2기를 준비하여 유입수량을 40 L/day로 하여 약 13개월간 운전했다. 초기 바이오락 반응기는 시멘트중의 $Ca(OH)_2$의 용출에 의해 pH 12까지 증가하였으나, 쇄석은 유기물 분해와 질산화에 의해 pH 4까지 감소하였다. pH의 불균형은 유기물 및 질소 분해균의 성장 및 활성에 저해를 초래했다 그러나 바이오락의 높은 pH는 암모니아 탈기와 인의 화학침전에는 유리한 것으로 판단되었다. 정상상태에서 바이오락은 $COD_{Cr}$ 96%, $BOD_5$ 98%, T-N 80%, T-P 85%의 높은 제거율을 나타내었고. 유입농도의 변화에도 매우 안정적이었다. 반면 쇄석의 경우 $COD_{Cr}$ 96%, $BOD_5$ 96%, T-N 42%, T-P 40%의 제거율을 나타내었다. 바이오락은 쇄석에 비해 질소, 인의 처리효율이 2배나 높았다. 또 전자현미경 분석결과에서 바이오락은 미생물의 부착이 쇄석에 비해 양호했고, 미생물 농도는 바이오락이 $5.2{\times}10^6\;CFU/mL$, 쇄석이 $2.6{\times}10^6\;CFU/mL$로 바이오락이 2배 높았다. 따라서 바이오락은 미생물 부착이 용이하고 처리효율이 높으며 유입농도 변동에도 안정적으로, 향후 처리기간 단축 및 부지면적의 감소에 유리하리라 판단된다.
This study was performed to compare the treatment efficiencies of two media, newly developed Bio-rock and conventional gravel, in soil clothing contact oxidation process. The composition of synthetic wastewater were $COD_{Cr}$$150{\sim}370\;mg/L$, $BOD_5$$150{...
This study was performed to compare the treatment efficiencies of two media, newly developed Bio-rock and conventional gravel, in soil clothing contact oxidation process. The composition of synthetic wastewater were $COD_{Cr}$$150{\sim}370\;mg/L$, $BOD_5$$150{\sim}270\;mg/L$, T-N $20{\sim}60\;mg/L$, T-P $5{\sim}25\;mg/L$, pH 7 and 2 mL/L of trace element solution. The experiment using two reactors was comparatively conducted for the flow rate of 40 L/d for 13 months, respectively. Initially Bio-rock reactor was increased to pH 12 due to $Ca(OH)_2$ with hydration of cement, but gravel reactor was dropped to pH 4 due to the degradation of organic material and nitrification. This significant pH variation deteriorated the growth and activity of microorganism. But the high pH of Bio-rock seems favorite to ammonia stripping and precipitation of phosphate. Such pH variation of Bio-rock and gravel reactors were finally stabilized to pH 8 and pH 6, respectively. The removal efficiencies of organic compounds from Bio-rock reactor were 96% of $COD_{Cr}$, 98% of $BOD_5$, 80% of T-N and 85% of T-P which stably coping against variation of influent concentration. But those of gravel reactor were 96% of $COD_{Cr}$, 96% of $BOD_5$, 42% of T-N and 40% of T-P, respectively. The Bio-rock was 2 times higher than T-N and T-P in treatment efficiency. And electron-microscopic examination showed that Bio-rock was more favorable to microbial adherence than gravel. The microbial populations were $5.2{\times}10^6\;CFU/mL$ of Bio-rock reactor compared to $2.6{\times}10^6\;CFU/mL$ in gravel reactor. In result Bio-rock was favor to microbial adherence and high treatment efficiency in spite of variation of influent concentration which had the advantages in saving running time and reducing site requirement.
This study was performed to compare the treatment efficiencies of two media, newly developed Bio-rock and conventional gravel, in soil clothing contact oxidation process. The composition of synthetic wastewater were $COD_{Cr}$$150{\sim}370\;mg/L$, $BOD_5$$150{\sim}270\;mg/L$, T-N $20{\sim}60\;mg/L$, T-P $5{\sim}25\;mg/L$, pH 7 and 2 mL/L of trace element solution. The experiment using two reactors was comparatively conducted for the flow rate of 40 L/d for 13 months, respectively. Initially Bio-rock reactor was increased to pH 12 due to $Ca(OH)_2$ with hydration of cement, but gravel reactor was dropped to pH 4 due to the degradation of organic material and nitrification. This significant pH variation deteriorated the growth and activity of microorganism. But the high pH of Bio-rock seems favorite to ammonia stripping and precipitation of phosphate. Such pH variation of Bio-rock and gravel reactors were finally stabilized to pH 8 and pH 6, respectively. The removal efficiencies of organic compounds from Bio-rock reactor were 96% of $COD_{Cr}$, 98% of $BOD_5$, 80% of T-N and 85% of T-P which stably coping against variation of influent concentration. But those of gravel reactor were 96% of $COD_{Cr}$, 96% of $BOD_5$, 42% of T-N and 40% of T-P, respectively. The Bio-rock was 2 times higher than T-N and T-P in treatment efficiency. And electron-microscopic examination showed that Bio-rock was more favorable to microbial adherence than gravel. The microbial populations were $5.2{\times}10^6\;CFU/mL$ of Bio-rock reactor compared to $2.6{\times}10^6\;CFU/mL$ in gravel reactor. In result Bio-rock was favor to microbial adherence and high treatment efficiency in spite of variation of influent concentration which had the advantages in saving running time and reducing site requirement.
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문제 정의
"1) 따라서 겨울 철 외부의 낮은 온도에 노출된 유입수는 미생물의 활성저하를 초래해 처리효율에 영향을 미친다. 따라서 본 실험에서는 온도 변화에 따른 처리효율의 변화를 검토하였다. Fig.
따라서 본 연구의 목적은 비표면적이 큰 다공질의 기능 성 미생물 담체를 개발하여 기존 쇄석을 이용한 토양정화 법의 한정된 처리효율을 개선함과 동시에, 처리장 부지면적 을 줄여 다른 처리공법과 비교하여 처리효율 및 경제성면 에서 우수한 공법이 되도록 개선하는 것이다.
토양피복형 접촉산화공법에서 새로 개발된 미생물담체 바이오락과 기존에 이용되어온 담체인 쇄석의 폐수처리 효과를 검토하여 아래의 결론을 얻었다.
가설 설정
유기물분해, 질산화 및 탈질균의 적정온도범위는 대개 15~ 25℃, 30℃전후 및 34~37℃로 보고되고 있다."1) 따라서 겨울 철 외부의 낮은 온도에 노출된 유입수는 미생물의 활성저하를 초래해 처리효율에 영향을 미친다. 따라서 본 실험에서는 온도 변화에 따른 처리효율의 변화를 검토하였다.
제안 방법
40 L/day 처리용량의 실험실 규모 반응기를 본 공정의 설계사양에 맞추어 2기 제작하였고, 각 반응기는 침전분리 조-제 1 폭기조-침 전조-제2폭기조-자연여 과조-방류조순으로 구 성되었다. 반웅기 상부를 토양층으로 피복하고 하부(수중) 에 쇄석 또는 바이오락을 각 단위조별로 15-100% 범위로 충진시켜 대조 및 실험반응기로 하였다.
각 시료는 채취 후 아이스박스에 저장하여 실험실로 운반 후 Standard Methods”와 공정시험방법”에 준하여 분석하였다. CODcr는 Closed Reflux 법 (DR2000 UV Spectrophotometer), BOD5는 BOD meter(YSI model 5000), T-N과 T-P는 자외선 흡광광도법 (TU-1800pc UV/VIS Spectrophotometer), pH는 pH meter(pH/mv/TEMP Meter P25)로 각각 측정했다. 담체 표면적은 BET표면적 측정기(Micromeritics Instrument Corp.
반응기는 제작 후 건물의 옥 상에 설치하였고 윗면이 투명한 비닐 텐트로 보온시켰다. 또한, 햇빛에 의해 반응기내에 조류가 번식하는 것을 방지 하기 위하여 표면을 발포스티렌(Expandable Poly-Styrene) 로 차단했다. Fig.
바이오락은 송이석, 흑음지, 시멘트를 각각 59%, 22%, 19% 의 비율로 혼합 시켜 제조했다. 비중 및 강도는 L8 kg/m3 및 70-100 으로 쇄석에 비해 낮았다.
40 L/day 처리용량의 실험실 규모 반응기를 본 공정의 설계사양에 맞추어 2기 제작하였고, 각 반응기는 침전분리 조-제 1 폭기조-침 전조-제2폭기조-자연여 과조-방류조순으로 구 성되었다. 반웅기 상부를 토양층으로 피복하고 하부(수중) 에 쇄석 또는 바이오락을 각 단위조별로 15-100% 범위로 충진시켜 대조 및 실험반응기로 하였다. 유입수는 덮개가 있는 500 L 용량의 물통에 별도의 냉각시설 없이 저장하여 정량펌프(MasterFlex® 7553-70, U.
시료는 주 1회 채취하여 분석하였다. 시료 채취는 침전분 리조의 유입구와 최종방류구에서 이루어졌다.
인공합성 폐수는 일반적인 농어촌 오폐수의 주요수질특성에 맞춰 조제하였다. 인공합성폐수는 유기탄소원으로 Glucose, 질 소원으로 Urea, 인산원으로 KH2PO4< 사용하였고, C0Do 150 -465 mg/L, BOD 70~320 mg/L, T-N 15~58 mg/L, T-P 5~3O mg/L, 미량원소 용액 2 mL/L, 초기 pH 7이 되도록 조제했다.
대상 데이터
시료는 주 1회 채취하여 분석하였다. 시료 채취는 침전분 리조의 유입구와 최종방류구에서 이루어졌다. 반응기 가동직 후 상부를 토양층과 잔디로 피복하는 과정에서 일부 다공질 토양층이 물에 씻겨 반응기 내부로 흘러들어 그에 따른 영향을 배제하기 위해 처음 몇 주간은 시료를 채취하지 않았다.
인공합성 폐수는 일반적인 농어촌 오폐수의 주요수질특성에 맞춰 조제하였다. 인공합성폐수는 유기탄소원으로 Glucose, 질 소원으로 Urea, 인산원으로 KH2PO4< 사용하였고, C0Do 150 -465 mg/L, BOD 70~320 mg/L, T-N 15~58 mg/L, T-P 5~3O mg/L, 미량원소 용액 2 mL/L, 초기 pH 7이 되도록 조제했다. 사용한 수돗물은 염소를 제거하기 위하여 일정기간 방치 후 사용하였다.
이론/모형
반응기 가동직 후 상부를 토양층과 잔디로 피복하는 과정에서 일부 다공질 토양층이 물에 씻겨 반응기 내부로 흘러들어 그에 따른 영향을 배제하기 위해 처음 몇 주간은 시료를 채취하지 않았다. 각 시료는 채취 후 아이스박스에 저장하여 실험실로 운반 후 Standard Methods”와 공정시험방법”에 준하여 분석하였다. CODcr는 Closed Reflux 법 (DR2000 UV Spectrophotometer), BOD5는 BOD meter(YSI model 5000), T-N과 T-P는 자외선 흡광광도법 (TU-1800pc UV/VIS Spectrophotometer), pH는 pH meter(pH/mv/TEMP Meter P25)로 각각 측정했다.
CODcr는 Closed Reflux 법 (DR2000 UV Spectrophotometer), BOD5는 BOD meter(YSI model 5000), T-N과 T-P는 자외선 흡광광도법 (TU-1800pc UV/VIS Spectrophotometer), pH는 pH meter(pH/mv/TEMP Meter P25)로 각각 측정했다. 담체 표면적은 BET표면적 측정기(Micromeritics Instrument Corp., ASAP2010), 표면사진은 표면전자현미경(JOEL, JSM 5400), 원소조성은 원자흡광광도법 (Spectra Atomic Analyzer OPTIMA 4300DV, Perkin Elmer.)으로 각각 분석했다.
성능/효과
4) 바이오락의 경우 쇄석에 비해 생물막이 양호하게 형 성되었고 미생물 농도도 5.2x1" CFU/n正로 쇄석의 2.6x 106 CFU/mL보다 2배 높았다. 이는 바이오락의 표면이 쇄 석이나 고분자담체 등에 비해 거칠어 부착이 용이한 반면 탈리는 어려운 구조이기 때문이며, 또 부피의 27.
1) 쇄석충진 반응기와 바이오락충진 반응기 모두 CODc, 과 BODs를 기준하여 평균 96%~98%의 높은 처리율을 나타내 어 양자 간에는 효율상의 차이는 없었으나, 유입농도의 변동 에 따른 처리수의 안정성에서는 바이오락이 더 우수했다.
2) 정상상태에서 T-N제거율은 쇄석이 42%, 바이오락이 80%였고, T-P제거율은 쇄석이 39%, 바이오락이 85%로 바이 오락의 처리효율이 쇄석에 비해 2배 높았다. 바이오락의 높은 처리효율은 물리화학적 측면에서는 부피의 27.
3) 바이오락의 경우 유입농도 C/N비, 온도 및 pH의 변동에 도 지속적이고 안정적인 처리효율을 확보해 향후 본 공법의 처리시간 및 부지요구량을 상당히 줄여 줄 것으로 판단된다.
근대에 이르러 공업화, 도시화, 인구의 증가, 농축산업의 발달로 용수의 사용량이 증가하여, 수질 악화와 더불어 영양 염류에 의한 수계의 부영양화 속도가 증가하고 있다. 그 결과 남조류(blue-green algae 또는 cyanobacteria) 의 급속한 증 식에 의해 이취미가 발생하여 수질저하를 초래한다. 따라서 질소 및 인의 제거를 위한 고도처리가 관심을 모으고 있다.
따라서 초기 43일까지의 높은 pH에서는 질소제거 기작이 생물학적 처리보다 주로 바 이오락의 물리적 흡착과 암모니아 탈기에 의해이루어진 것으로 추측된다. 그러나 43일 이후 C/N비(약 15)가 개선되고 유입수, 바이오락 반응조 및 쇄석반응조의 pH도 7, 9 및 4로 일정하게 유지되면서 처리효율도 일정수준에서 안 정화되는 경향을 나타내었다. 바이오락의 경우 담체 내에서 용출되는 알칼리성분의 감소로 pH는 9로 떨어져 질산균 및 탈질균의 적정생육범위인 pH 6~8.
본 실험의 경우 양 반응기의 처리효율은 거의 동일하여, 실험의 계획단계에서 기대했던 바이오락에 의한 처리효율 의 상승효과는 기대에 충분히 미치지 못했다. 그러나 쇄석 에 비해 바이오락의 방류수 수질이 더 안정적이었고, 최종 유출수도 방류수수질기준을 만족시켰다. 또 유입수의 CODa 농도가 초기보다 2배 이상 증가하였음에도 불구하고 안정 된 처리효율을 확보하였다.
pH의 급격한 감소는 합성페수중의 유기물분해와 질산화에 따른 것으로 판단되며, 이후 탈질화되면서 생성된 알칼리도에 의해 서서 히 회복되었다고 생각된다. 그러나 회복후의 pH 6도 유기물 분해균의 적정 증식범위»(pH 6~8)에서 가장 낮은 수준을 나타내었고, 또 아질산균의 적정 증식범위인 pH 7~8.5를 벗어나 미생물의 성장에 영향을 주는 것으로 나타났다.
1%(w/w)였다. 내화학약품성(Chemical resistance)은 pH 4와 pH 12에서 무게 손실율이 각각 0.7% 와 0.1%로 매우 낮아 안정성이 높음을 알 수 있었다. 원자 흡광계로 성분 분석을 실시한 결과 주로 Al, Ca, Fe, K, Na, Si 등으로 이루어져 있었다.
6乂106 CFU/mL로 바이오락이 2배 높았 다. 따라서 바이오락이 생물담체로서 기존의 쇄석에 비해 월등히 우수함을 알 수 있었다. 결국 이러한 담체특성의 차이로 인한 미생물막의 형성정도가 질소 및 인 제거에서 큰 차이를 나타낸 것으로 생각된다.
7에서 쇄석반응기와 바이오락반응기의 유입수과 유 출수의 질소변화를 비교하여 보면 실험의 초기(1-2일)에 양 반응기는 아직 유기물의 급격한 분해와 알칼리물질의 과다 용출에 의한 급격한 pH변화가 없었다. 따라서 아직 질산균 및 탈질균의 활동이 가능한 조건으로 바이오락반응기의 탈 질율은 47%를 나타내었다. 그러나 시간이 경과하면서 양반 응기의 pH에 급격한 변화가 발생하여 질산균 및 탈질균의 생육에 불리한 pH환경이 형성되고 또 매우 낮은 C/N비(약 5)로 인한 상대적 질소부하량의 증가로 인해 양 반응기 모두 처리효율은 크게 떨어졌다.
이는 바이오락 제조시 각 원료의 고형화를 위해 사용된 시멘트 중의 Ca(OH)2가 수화반응으로 용출되어 초기 알카리도가 상 승하였으나 시간이 경과됨에 따라 용출성분이 감소되어 pH 도 서서히 감소했다고 생각된다. 따라서 초기의 높은 pH에서 는 유기물 및 질소 산화균의 적정 생육범위인 pH 6~8을 벗 어나 저해를 받았을 것으로 생각되나, 이후 pH 8까지 저하되어 이들 균의 생장에 적절한 수준을 유지하였다. 한편 pH완 충 효과는 바이오락이 쇄석보다 유리한 것으로 판단되었다.
그러나 쇄석 에 비해 바이오락의 방류수 수질이 더 안정적이었고, 최종 유출수도 방류수수질기준을 만족시켰다. 또 유입수의 CODa 농도가 초기보다 2배 이상 증가하였음에도 불구하고 안정 된 처리효율을 확보하였다.
5, 6). 반면 질소와 인 분해균의 경우, 기온이 10 ℃ 이하로 하강함으로서 유입농도의 감소에도 불구하고 처리 효율이 크게 저하되어 유기물 분해균에 비해 온도에 더 민 감함을 알 수 있었다. 그러나 본 공법의 경우 상부가 두꺼 운 토양층으로 피복되어 있어 상부가 개방되어 있는 다른 공법에 비해 외부온도에 의한 영향은 상대적으로 적을 것으로 기대된다(Fig.
박 등”)은 실제 하수를 사용한 다공성 폴리우레탄 충진 활 성슬러지 실험결과, 담체 충진 여부에 상관없이 10℃부근 에서 T-N제거율이 급격히 떨어졌다고 보고하여 본 연구와 유사한 경향을 나타내었다. 본 실험 후반기(153일 이후)에 유입수, 바이오락 반응조 및 쇄석반응조의 pH가 각각 7, 8 및 6으로 안정되고 외기온도도 15~25笆를 유지하여 세균 의 활성에 유리한 조건을 갖춤으로서 쇄석반응조가 41-44 %, 바이오락 반응조가 78~80%의 높은 처리효율을 나타내었다. 특히 바이오락의 경우 유입수의 질소농도가 실험중간 기(43~153일)에 비해 2배 이상 높음에도 불구하고 더 높은 처리효율을 나타내어 바이오락이 유입농도의 변화에도 상당히 안정적임을 알 수 있었다.
실험후 약 150일까지는 유입T-P의 농도가 상대적으로 낮은 경우로 각 반응기의 T-P제거율은 쇄석반응기에서 약 19 %, 바이오락반응기에서 약 74%로 매우 큰 차이를 보이고 있다. 이러한 처리효율상의 큰 차이는 양 담체의 공극률 및 pH변화에 의한 것으로 추측된다.
따라서 온도변화에 따른 쇄석충진 반응기와 바이오락충진 반 응기의 각 성분별 처리효율은 각 처리단계에 관여하는 미 생물의 종류에 따라 서로 달랐다. 일평균온도가 10℃ 이상 을 유지하는 단계에서는 유기물 분해균의 경우 유입수 농 도의 변동에도 불구하고 BOD, COD의 처리효율에 거의 영향을 받지 않았으나, 온도가 5 ℃ 이하로 급강하한 100일 이 후에는 처리효율이 소폭으로 감소하는 경향을 나타내었다 (Fig. 5, 6). 반면 질소와 인 분해균의 경우, 기온이 10 ℃ 이하로 하강함으로서 유입농도의 감소에도 불구하고 처리 효율이 크게 저하되어 유기물 분해균에 비해 온도에 더 민 감함을 알 수 있었다.
본 실험 후반기(153일 이후)에 유입수, 바이오락 반응조 및 쇄석반응조의 pH가 각각 7, 8 및 6으로 안정되고 외기온도도 15~25笆를 유지하여 세균 의 활성에 유리한 조건을 갖춤으로서 쇄석반응조가 41-44 %, 바이오락 반응조가 78~80%의 높은 처리효율을 나타내었다. 특히 바이오락의 경우 유입수의 질소농도가 실험중간 기(43~153일)에 비해 2배 이상 높음에도 불구하고 더 높은 처리효율을 나타내어 바이오락이 유입농도의 변화에도 상당히 안정적임을 알 수 있었다. 본 실험의 경우 높은 농 도변화에도 불구하고 안정적 처리효율을 나타내는 것은 담 체부착 질소제거균 뿐만 아니라 상부에 피복된 토양속의 질산화 및 탈질균의 역할이 동시에 작용했기 때문이라 생각된다.
2는 바이오락과 일반 쇄석 의 표면을 전자 현미경으로 촬영한 것이다. 현미경 관찰 결과 바이오락은 쇄석에 비하여 미생물이 부착하기 용이한 거 친 표면과 높은 기공률을 확보하고 있음을 알 수 있었다.
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