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문제 정의
- CODMn 측정 값이 BODs에 비해 낮은데, 인근 공단지역 N처리장에서도 유사한 현상이 있는 것으로 미뤄 COD 측정에 대한 방해 요인이 있는 것으로 추측된다. 따라서 본 연구에서는 BODs값을 기초로 외 부탄소원 투입량에 대해 고찰하였다.
- 본 연구에서는 정밀화학 부산물(보습코팅제 부산물)과 기존 외부탄소원인 메탄올의 탄소원 호환성을 관찰하기 위해 실제 플랜트를 이용하여 교차 주입시의 공정에 끼치는 특성을 평가하고자 하였으며, 탄소원 호환성이 좋은 정밀화학 부산물을 대체 외부탄소원을 사용함으로써의 약품비용 감 소 및 제거성능에 대해 평가하였다.
- 5로 보상하는 효과가 있다. 부산물 외부탄소원의 현장적용 시험에서 투입 외부탄소원 주입율 결정은 Table 3의 양론 관계를 토대로 하여 유입수 C/N비를 5.5로 보상하는 것을 목표로 하였다. 이를 통해 결정된 실험계열에 대한 보습코팅제 부산물 주입량은 2,250 mLFCB · ㎥ influent(106.
제안 방법
- 3개 계열중 C계열을 대체탄소원계열로 설정, 보습코팅제 부산물을 외부탄소원으로 공급하였으며, B 계열을 메탄올을 외부탄소원으로 하는 대조군으로 설정하고 함께 관찰하였다. 전반적인 공정 상태 모니터링을 위해 BOD& CODmn, T-N, NHj-N, NOx-N, NO2'-N, MLSS, DO, 측정하였으며, 각 항목은 수질오염공정시험법에 의거 측정되었다.
- 호흡실 유입 활성슬러지의 DO는 60초 동안 측정, solenoid valve 흐름 전환, 60초간 호흡실 유출활성슬러지 DO 측정 절차를 반복한다. DO는 2초 간격으로 측정되지만 밸브전환직 전 10초 동안의 DO를 평균하여 호흡율 계산에 사용하였다. 단위 시간, 단위 VSS당 호흡율(Ra)은 다음의 식 (1)에 의해 계산되었다.
- MLE 공정의 유입수는 CODg 300㎎ · L-1, NHj-N는 50㎎ · U-1, PO43 -P 1㎎ .L-1가 되도록 보습코팅제 부산물(Step 2) 또는 메탄올(Step l.Step 3)를 NHQl, Na2HPO4 · 12H2O와 함께 희석하여 주입하였고, HRT(hydraulic reten-tion time) 10시간, SRT(sludge retention time) 9일, 내부반 송은 유입유량 대비 100%, 슬러지 반송 50%로 운전하였다. 반응조 내 MLSS(mixed liquor suspended solid)는 2,500~3,000㎎ · L-1로 유지되었다.
- Table 1의 탄소원 호환성 평가 실험의 Step 1)에서는 J하수처리장의 유입수와 메탄올에 순응된 활성슬러지에 대해 메탄올에 대한 생분해도와 탈질능을 측정하였다. Step 2)에 서는 J하수처리장의 반송라인에서 채집한 활성슬러지를 실 험실 규모의 MLE(modified Ludzack-Ettinger) 공정에서 보 습코팅제 부산물을 기질로 하여 24일에 걸쳐 순응시키며, 5회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다. 이후 Step 3)에서는 유입 기질을 메탄올로 교체 적용하였으며, 2회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다.
- Table 1의 탄소원 호환성 평가 실험의 Step 1)에서는 J하수처리장의 유입수와 메탄올에 순응된 활성슬러지에 대해 메탄올에 대한 생분해도와 탈질능을 측정하였다. Step 2)에 서는 J하수처리장의 반송라인에서 채집한 활성슬러지를 실 험실 규모의 MLE(modified Ludzack-Ettinger) 공정에서 보 습코팅제 부산물을 기질로 하여 24일에 걸쳐 순응시키며, 5회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다.
- 순응된 활성슬러지는 lab. scale MLE 공정의 반송라인에서 채취한 슬러지 2 L를 예비 폭기조에서 원수 주입없이 15시간 이상 폭기하여 잔존 유 기물을 제거한 후, 내생상태에 도달하도록 하였다. 또한 질 산화에 의한 산소 소비를 방지하기 위해 ATU(Allythiourea) 9㎎ · L-1가 되도록 예비폭기조에 주입하였다.
- 동일한 방법으로 Step 2)와 Step 3)에서 보습코팅제 부산물과 메탄올의 탄소원 교차 주입 실험을 실시하였다. 보습코팅제를 탄소원으로 사용한 Step 2)에서 최대 호흡율(Rmax)은 순응기간에 따라 높아지는 경향을 보여주었으며, RBDCOD 사용율은 무순응 단계에서 84.
- scale MLE 공정의 반송라인에서 채취한 슬러지 2 L를 예비 폭기조에서 원수 주입없이 15시간 이상 폭기하여 잔존 유 기물을 제거한 후, 내생상태에 도달하도록 하였다. 또한 질 산화에 의한 산소 소비를 방지하기 위해 ATU(Allythiourea) 9㎎ · L-1가 되도록 예비폭기조에 주입하였다. 예비폭기조에서 폭기된 슬러지는 호흡실로 연속유입 되며, 1000㎎CODcr · L-1로 희석된 탄소원 0.
- 메탄올과 보습코팅제 부산물의 탄소원 호환성을 평가하기 위해 J하수처리장에서 메탄올에 순응된 슬러지에 보습 코팅제 부산물을 외부탄소원으로 공급하여 운전하다가 부산물의 공급을 중단하고 다시 메탄올을 공급하는 교차 적용 실험을 실시하였다.
- 1에 도식화하였다. 본 연구에서 정제된 보습코팅제 부산물에 대한 평가는 Fig. 1 의 절차를 기본으로 하였으며, 특히 4번째 절차를 탄소원 교차주입 전·후 시점에 반복 수행함으로써 미생물의 순응 호환성을 검증하였다.
- 본 연구에서 호기조건에서의 생분해성 실험은 Ekama 등8)이 제시한 호흡율 측정방법에 따라 EnvironSoft사의 호흡율 측정기(Autoload & Biotox)를 이용하였고, 호흡율 측정결과를 통해 투여된 유기기질이 RBDCOD로 이용되는 비율을 산출하였다. 호흡율 측정장치는 예비폭기조, 호흡실, DO- meter로 구성되어 있는데, 호흡실 유입유량은 0.
- Step 2)에 서는 J하수처리장의 반송라인에서 채집한 활성슬러지를 실 험실 규모의 MLE(modified Ludzack-Ettinger) 공정에서 보 습코팅제 부산물을 기질로 하여 24일에 걸쳐 순응시키며, 5회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다. 이후 Step 3)에서는 유입 기질을 메탄올로 교체 적용하였으며, 2회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다. 본 실험에 사용된 MLE 공정은 총 용적 28 L(5.
- 3개 계열중 C계열을 대체탄소원계열로 설정, 보습코팅제 부산물을 외부탄소원으로 공급하였으며, B 계열을 메탄올을 외부탄소원으로 하는 대조군으로 설정하고 함께 관찰하였다. 전반적인 공정 상태 모니터링을 위해 BOD& CODmn, T-N, NHj-N, NOx-N, NO2'-N, MLSS, DO, 측정하였으며, 각 항목은 수질오염공정시험법에 의거 측정되었다.
- 정밀화학 부산물(보습코팅제 부산물)과 기존 외부탄소원 인 메탄올의 탄소원 호환성을 평가하기 위해 수행한 순응 실험과 실제 플랜트 적용을 통한 영양염류 제거 특성 및 약품비용 평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. Lab.
- J하수처리장은 합류식과 분류식 지역을 담당하며 관할 구역 내 일반 하수이외에도 많은 공장으로부터 폐수가 유입된다. 정밀화학 부산물의 현장적용 테스트를 시작하기 전 인 2004년 1월과 2월의 유입수 BODs/T-N 비는 3.5와 3.9로 탄소원이 부족한 상태였으며, 이를 위해 일평균 메탄올(순도 99.8%) 9,832㎏·day-1를 투입하였다. 이를 ₩460.
- 정제된 보습코팅제 부산물의 CODcr, T-N, NHj-N, SS (suspended solid), pH, NaCl를 분석하였으며, 특정물질 배출허용기준 점검을 위해 CN, Cr3+, Cr+6, As, Hg, Cd, Pb, Zn, Fe, Ni, Cu, Mn 함유농도를 수질오염공정시험법에 의거 분석하였다. 또한 주요 유기성분 분석은 KS M 0031 2002 (GC/FID)를 통해 이뤄졌다.
- 탄소원 교차주입 실험을 위해 2회에 걸쳐 J하수처리장 활성슬러지에 메탄올을 기질로 공급하여 호흡율 및 no3-n 제거능을 측정하였다(Step 1). Fig.
- L-1의 범위가 되었으며, COD 농도는 투입되는 탄소원을 적절히 희석하여 473±21㎎/L 범위로 조정하였다. 탈질실험이 진행되는 동안 초기 30분 이내에는 5분 간격으로, 그 이후에는 10-30분 간격으로 약 3시간 동안 filtered COD, NO3-N 농도를 측정하였다. 회분식 반응조 내의 DO는 0.
대상 데이터
- 이후 Step 3)에서는 유입 기질을 메탄올로 교체 적용하였으며, 2회에 걸쳐 생분해도 및 탈질능을 측정하였다. 본 실험에 사용된 MLE 공정은 총 용적 28 L(5.6 L × 5)의 실험실 규모였으며, 무산소조 두 단과 뒤 이은 호기조 세 단으로 구성되었다(Fig. 3). MLE 공정의 유입수는 CODg 300㎎ · L-1, NHj-N는 50㎎ · U-1, PO43 -P 1㎎ .
- 대체외부탄소원 이용은 하수처리장 운용에서 약품비 절감을 목표로 한다. 본 연구에서 사용된 대체탄소원은 전처 리 비용 및 운반비, 공급시설에 대한 투자비 회수 등을 고려하여 ₩7,500 · ㎥FCB으로 계산되었다. 이를 바탕으로 메탄올과의 가격 비교를 통해 본 외부탄소원 비용 절감액 은 1개 계열당 ₩361,733 × 103 · yf-1로 약 554%의 약품비 절감이 가능하다{Table 5).
- 적용성 평가를 통해 선정된 보습코팅제 부산물을 J하수처리장의 대체 탄소원으로 주입하여 유출수에 미치는 영향을 평가하는 현장 적용 평가는 2004년 4월 17일~2004년 5월 30일까지 진행되었다. J하수처리장은 응집순환변법 공정을 기본으로 3개 처리 계열로 이루어져 있고 평가 기간의 일평균 유입유량은 3개 계열 전체에 104.
성능/효과
- Fig. 4(a)의 호흡율 측정 결과를 통해 계산하면 J하수처리장 활성슬러지는 메탄올의 99.5%를 RBDCOD로 사용하여, 외부탄소원으로 적용되고 있던 메탄올에 대해 잘 순응되어 있음을 알 수 있었다. 무산소 조건하에 메탄올을 이용한 탈질 실험결과를 Fig.
- 0 × 103 ㎥ · d-1이었다. HRT은 설계유량과 유입유량의 차이에 의해 약 16시간이며, SRT는 39일에 MLSS는 평균 2,800㎎/L로 유지되었다. 내부반송은 유입유량에 대해 150%, 슬러지반송은 116%로 운전되었다.
- 이는 정제된 보습코팅제 부산물의 구성성분이 메탄올과 같이 알콜기를 가지며, 분해 메카니즘에서 기질 호환성을 가 지기 때문이다. NOj-N 제거에 필요한 COD요구량 변동은 순응기간과는 무관하게 보이며, 평균 5.00 gCOD& ·(gNOs'-N)-1였으나, 같은 기간에 비탈질율은 순응기간에 따라 커지는 것이 확인되었다(Fig. 6).
- 정제된 보습코팅제 부산물의 CODcr은 55, 000 mg±3,000 COD/L였으나, NH4-N 및 T-N은 검출되지 않아 대체탄소원 자체의 질소제거로 인한 탄소원 손실은 없다(Table 2). NaCl은 10% 정도가 함유되어있으며, 특정 물질에 대한 분석 결과는 모든 항목에서 환경부령나 지역 기준 이하로 검출 또는 검출되지 않았다.
- Lab. scale MLE 반응기에서 J하수처리장 활성슬러지는 보습코팅제 부산물에 대한 10일 이내의 빠른 순응과 98- 99%에 이르는 생분해도를 보여주었다. 또한 탄소원을 메탄올로 교차 투입한 실험에서도 메탄올을 이용한 생분해능과 탈질능이 잘 유지되었는데, 최대호흡율 29.
- Hallin6) 등은 에탄올과 메탄올에 순응된 활성슬러지에 여러 가지 단일물질 기질을 투여하여 활성슬러지의 활성이 어떻게 변하는가에 대해 관찰하고 이를 주성분 분석(PCA, principal component analysis)을 통해 정리하였다. 그 결과에 의하면 메탄올에 순응된 슬러지는 메탄올과 에탄올을 외부탄소원으로 투여할 경우 활성슬러지 활성도가 높아지는 반면, 지방산(acetate, propionate, butyrate)에서는 낮아지는 것으로 나타났다. 에탄올에 순응된 슬러지에서는 알콜류 "methanol, etahnol, glycerol-는 물론 짝수의 탄소수를 가지는 지방산-acetate, butyrate-에서도 높은 탈질능을 보여 주었다.
- 5). 단위 NC3-N 제거에 필요한 COD요구량은 재순응 기간에 따른 영향없이 평균 4.72 gCOD& · (gNOj-N)」였고 비 탈질율은 재순응 0일에서 다소 떨어졌으나 재순응 3일에서 15.9 mgNOj'-N · g VSS'1 · hr-1로 회복되었다(Fig. 6).
- 둘째, 대체탄소원의 일반기준을 만족하는 산업부산물을 가공·정제 재활용하는 것을 검토할 수 있다. 최은희 등4)은 메탄올, 피혁폐수, 제과폐수, 정밀화학 부산물(보습코팅제 부산물, 말로네이트 부산물)에 대한 회분식 실험과 호흡 율 측정을 통해, 기질에 따른 단위질량 질산성 질소 제거를 위해 요구되는 기질(COD)양 및 각 기질의 RBDCOD분율을 파악하였다.
- 이러한 결과는 대체탄소원 보습코팅제 부산물 주요 구성성분이 메탄올(methanol), 프로필렌글리콜(prophylenglycol), 메톡시프로판올(methoxypropanol)로 모두 알콜기를 가지고 있어 상용 외부탄소원인 메탄올과 기질 호환성을 가진다는 해석을 뒷받침하며, 대체탄소원 개발 및 선정에서 메탄올과 기질 호환성을 가진 대체탄소원의 사용을 통해 탄소원 수급문제 발생에도 유연하게 대처할 수 있는 방향을 확인하였다. 또한 J하수처리장은 대체탄소원의 공급을 통해 외부 탄소원 비용의 55.4%를 절감할 수 있어 외부탄소원의 경제적 수급과 산업 부산물의 재활용이라는 성과를 거두었다.
- 보습코팅제 부산물에 대한 활성슬러지 순응은 10일 정도 만에 메탄올과 거의 같은 RBDCOD 이용율을 보여 주었으며, 부산물에 순응된 활성슬러지는 메탄올에 대해서도 높은 생분해 특성을 계속 유지하고 있음을 확인하였다. 이는 실제 처리장에서 비상시 메탄올과 대체탄소원의 교차 적용이 공정에 대한 충격 없이 자연스럽게 선택될 수 있음을 보여준다.
- 동일한 방법으로 Step 2)와 Step 3)에서 보습코팅제 부산물과 메탄올의 탄소원 교차 주입 실험을 실시하였다. 보습코팅제를 탄소원으로 사용한 Step 2)에서 최대 호흡율(Rmax)은 순응기간에 따라 높아지는 경향을 보여주었으며, RBDCOD 사용율은 무순응 단계에서 84.5%, 3일 이후부터는 90%를 넘어 이후 98-99%를 나타내어 최은희의 선행연구10)에서 보고된 피혁폐수(40.3%), 석유화학폐수(25.8%), 제과폐수(28.3 %)에 비해 매우 높은 값을 나타내었다. 이를 통해 보습코팅제 부산물이 메탄올에 순응된 활성슬러지에서 높은 생분 해도와 짧은 순응기간을 가지는 것을 알 수 있다(Fig.
- 8(a)에서 외부탄소원 교체 초기 10일간의 유출수 수질 평균을 비교하였다. 실험군의 수질은 대조군과 비교하여 BODs 2.2㎎ · L-1, T-N 2.4㎎ · L-1 낮게 나타났고 CODMn은 2㎎ ·L-1 높게 나타났다. 10일 이후의 평균 농도를 비교하면 BODs 2.
- 7은 보습코팅제 부산물 대체탄소원의 현장 적용 기 간 중 유입수 및 실험계열과 대조계열의 유출수 수질을 측정한 것으로 두 계열 모두 안정적인 유출수 수질을 유지하고 있음을 알 수 있다. 실험기간에 대해 부산물을 이용한 대체탄소원 계열의 측정 값이 표준편차에서 조금씩 높았으나, CODmn에서 메탄올 계열보다 2.0㎎ · L-1 높은 평균을 보였다. 그러나 BODs에서는 오히려 2.
- 에탄올에 순응된 슬러지에서는 알콜류 "methanol, etahnol, glycerol-는 물론 짝수의 탄소수를 가지는 지방산-acetate, butyrate-에서도 높은 탈질능을 보여 주었다. 위 PCA결과로부터 미생물이 이용하는 탄소원이 바뀔 때 알콜류는 알콜류, 지방산은 지방산끼리 교차 적용에 유리 하다는 것을 알 수 있다. 또한 탄소수가 홀수인지 짝수인지에 따라서도 미생물 순응에 있어 영향이 있음을 알 수 있다.
- 유기물 구성성분은 탄소수 네 개 이하이며, 직렬사슬 구조에 알콜기를 가진 메탄올, 프로필렌글리콜, 메톡시프로판올로 밝혀졌으며, 총 유기물에 대한 구성비는 4:3: 3이었다.
- 9 mgNO3 -N · g VSS' · hr-1(Step 3 : 재순응 3일)로 나타났다. 이러한 결과는 대체탄소원 보습코팅제 부산물 주요 구성성분이 메탄올(methanol), 프로필렌글리콜(prophylenglycol), 메톡시프로판올(methoxypropanol)로 모두 알콜기를 가지고 있어 상용 외부탄소원인 메탄올과 기질 호환성을 가진다는 해석을 뒷받침하며, 대체탄소원 개발 및 선정에서 메탄올과 기질 호환성을 가진 대체탄소원의 사용을 통해 탄소원 수급문제 발생에도 유연하게 대처할 수 있는 방향을 확인하였다. 또한 J하수처리장은 대체탄소원의 공급을 통해 외부 탄소원 비용의 55.
- 본 연구에서 사용된 대체탄소원은 전처 리 비용 및 운반비, 공급시설에 대한 투자비 회수 등을 고려하여 ₩7,500 · ㎥FCB으로 계산되었다. 이를 바탕으로 메탄올과의 가격 비교를 통해 본 외부탄소원 비용 절감액 은 1개 계열당 ₩361,733 × 103 · yf-1로 약 554%의 약품비 절감이 가능하다{Table 5).
- 3 %)에 비해 매우 높은 값을 나타내었다. 이를 통해 보습코팅제 부산물이 메탄올에 순응된 활성슬러지에서 높은 생분 해도와 짧은 순응기간을 가지는 것을 알 수 있다(Fig. 5). 이는 정제된 보습코팅제 부산물의 구성성분이 메탄올과 같이 알콜기를 가지며, 분해 메카니즘에서 기질 호환성을 가 지기 때문이다.
- 첫째, 처리 의무가 있는 물질의 재활용으로서 대상 물질 은 하수 슬러지, 분뇨, 음식물 쓰레기 둥이다. Jowitt 등)은 고온호기성소화(thermophilic aerated digestion, TAD) 상징액에 축적된 VFAs을 탈질과 인방출을 위한 탄소원으로 주입한 실험실 규모의 실험을 수행하였으며, Nam 등2)은 유 기물 농도가 낮은 하수처리에 분뇨 산발효 상징액을 외부 탄소원으로 적용할 수 있는 가능성에 대해 시험하여 외부 탄소원으로 이용 가능성을 밝혔다.
- 98 L를 첨가한다. 호흡실 유입 활성슬러지의 DO는 60초 동안 측정, solenoid valve 흐름 전환, 60초간 호흡실 유출활성슬러지 DO 측정 절차를 반복한다. DO는 2초 간격으로 측정되지만 밸브전환직 전 10초 동안의 DO를 평균하여 호흡율 계산에 사용하였다.
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