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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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