SBR 공정에서 유입수 주입방식과 비 포기 유입수 주입시간이 탈질효율과 슬러지 침강성에 미치는 영향 Effect of Feeding Pattern and Anaerobic Fill Time on the Denitrifcation and Sludge Settling Ability in the SBR Process원문보기
본 연구는 생물학적 질소제거공정에서 국내 하수의 저C/N비로 인한 총질소 저하현상을 최소화 하기위한 방안으로 SBR 공정에서 유입수 주입방식의 변화를 포함한 세가지 운전모드에 대한 질소제거 효율을 평가하였다. 검토된 운전방식은 CO-SBR, IA-SBR, SF-SBR이며 lab-scale운전과 pilot-scale($2\;m^3/day$) 운전을 통해 검증하였다. 또한 질소제거를 위한 SBR공정에서 유입수량과 반응조의 비율과 유입수 간헐 주입비를 고려할 때 질소제거효율을 효과적으로 예측할 수 있는 방정식을 개발하여 질소제거율을 실제 운전결과와 비교 검토하였다. 유입수 주입방식의 변화가 탈질효율에 미치는 영향은 운전결과 SF-SBR이 90% 탈질율로서 가장 높은 탈질율을 나타냈고 IA-SBR이 61% 그리고 CO-SBR이 19%를 나타내었다. 또한 비 포기 유입시간의 길이가 슬러지 플럭에 미치는 영향은 비 포기 유입시간이 1시간 및 2시간의 경우의 플록의 밀도가 3시간의 경우보다 높아졌고 양호한 침강성을 나타냈으며 플록의 입도분포는 1시간 및 2시간의 경우가 $100{\sim}300\;{\mu}m$이고 3시간의 경우 $200{\sim}400\;{\mu}m$를 나타내었다.
본 연구는 생물학적 질소제거공정에서 국내 하수의 저C/N비로 인한 총질소 저하현상을 최소화 하기위한 방안으로 SBR 공정에서 유입수 주입방식의 변화를 포함한 세가지 운전모드에 대한 질소제거 효율을 평가하였다. 검토된 운전방식은 CO-SBR, IA-SBR, SF-SBR이며 lab-scale운전과 pilot-scale($2\;m^3/day$) 운전을 통해 검증하였다. 또한 질소제거를 위한 SBR공정에서 유입수량과 반응조의 비율과 유입수 간헐 주입비를 고려할 때 질소제거효율을 효과적으로 예측할 수 있는 방정식을 개발하여 질소제거율을 실제 운전결과와 비교 검토하였다. 유입수 주입방식의 변화가 탈질효율에 미치는 영향은 운전결과 SF-SBR이 90% 탈질율로서 가장 높은 탈질율을 나타냈고 IA-SBR이 61% 그리고 CO-SBR이 19%를 나타내었다. 또한 비 포기 유입시간의 길이가 슬러지 플럭에 미치는 영향은 비 포기 유입시간이 1시간 및 2시간의 경우의 플록의 밀도가 3시간의 경우보다 높아졌고 양호한 침강성을 나타냈으며 플록의 입도분포는 1시간 및 2시간의 경우가 $100{\sim}300\;{\mu}m$이고 3시간의 경우 $200{\sim}400\;{\mu}m$를 나타내었다.
Anaerobic fill time and feeding pattern in SBR operation were investigated to find way of minimizing poor nitrogen removal efficiency in BNR process without external carbon addition. The three types of the modified SBR operations that were CO-SBR, IA-SBR, and SF-SBR were tested by lab-scale and pilo...
Anaerobic fill time and feeding pattern in SBR operation were investigated to find way of minimizing poor nitrogen removal efficiency in BNR process without external carbon addition. The three types of the modified SBR operations that were CO-SBR, IA-SBR, and SF-SBR were tested by lab-scale and pilot-scale SBR processes($2\;m^3/day$). In addition, practical equation for biological nitrogen removal was suggested and the equation considered the effect of ratio of fill volume over whole SBR volume and the ratio of step-feed in SBR. The denitrification efficiency of the SF-SBR was best among the three SBRs and followed by IA-SBR, and CO-SBR. The efficiency was 95%, 61%, and 19%, respectively. Looking at the change of sludge floc density by the length of anaerobic fill time, the density of sludge floc at 1 hour and 2 hours of anaerobic fill time were greater than 3 hours of one. The floc size distributions were $100{\sim}300\;{\mu}m$ and $200{\sim}400\;{\mu}m$ with respect to anaerobic fill time 2 hours and 3 hours, respectively.
Anaerobic fill time and feeding pattern in SBR operation were investigated to find way of minimizing poor nitrogen removal efficiency in BNR process without external carbon addition. The three types of the modified SBR operations that were CO-SBR, IA-SBR, and SF-SBR were tested by lab-scale and pilot-scale SBR processes($2\;m^3/day$). In addition, practical equation for biological nitrogen removal was suggested and the equation considered the effect of ratio of fill volume over whole SBR volume and the ratio of step-feed in SBR. The denitrification efficiency of the SF-SBR was best among the three SBRs and followed by IA-SBR, and CO-SBR. The efficiency was 95%, 61%, and 19%, respectively. Looking at the change of sludge floc density by the length of anaerobic fill time, the density of sludge floc at 1 hour and 2 hours of anaerobic fill time were greater than 3 hours of one. The floc size distributions were $100{\sim}300\;{\mu}m$ and $200{\sim}400\;{\mu}m$ with respect to anaerobic fill time 2 hours and 3 hours, respectively.
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문제 정의
생물학적 수처리 공정의 대표적인 수학적 모델인 ASM 3는 13개 이상이 모델 구성 성분과 20개 이상의 동력학적 계수와 화학양론 계수로 이루어진 모델 파라미터가 필요하나 측정상의 어려움으로 인해 성분 분석이 제대로 이루어지지 않고 외국 문헌값을 이용하며, 동력학적 계수 또한 일반적인 문헌상의 값을 이용하는 실정이다.”)위에서 언급한 동력학적 계수와 화학양론 계수가 모두 고려된다면 질소 제 거율 예측은 달라지겠지만 미생물의 기본적 특성을 나타내는 동력학적 계수는 일정하다는 가정 하에서 SBR 공정의 운전인 자 변화가 탈질 효율에 미치는 영향을 조사하는 것이 본 연구의 목적이고 이에 따라 둘째 경우는 a값이 적거나 유입 수의 C/N비가 낮아서 최초 주입량 속에 포함된 질소가 모두 탈질이 되지 않고 잔류하는 경우로서 총 잔류 질 소 농도는 최초 주입량 속에 포함된 질소 중 미처리된 부분과 2 차 유입량 속에 포함된 질소량의 합이 된다. 따라서식 (4)와 같이 일반화 된다.
hr을 나타냈으며4,9) 해당 기질 종류에 따른 비탈질 속도의 차이는 크지 않았으며 오히려 유입 방식이나 운전 모드의 변화가 더 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 SBR 반응조에서 운전방식의 변화를 통해 질소 제거 효율을 비교 조사하였고 이를 일반화할 수 있는 수식을 비교 검토하였다.
단 CO- SBR 공정에서 총질소 제거율 계산은 질산화가 완벽히 일어난다는 가정 하에서 이루어졌으며 식(1)과 같이 표현될 수 있다. 일반적인 생물학적 질소 제거공정에서는 질산화가 완벽히 일어나지 않은 경우도 존재하지만 본 연구에서는 탈질 효율에 미치는 영향을 조사하는 것이 목적이므로 질산화 정도는 고려하지 않았다.
제안 방법
1) SBR에서 유입 수량비(Vf/Vt)와 유입 수 간헐주입비(a) 를 고려할 때 총질소 제거율을 간편하게 예측할 수 있는 수식을 제안하였으며 CO-SBR과 SF-SBR의 총질소 제거율을 다음과 같이 표현된다.
2 m3/day 규모의 pilot-scale SBR은 가정 오수를 유입 수로 사용하여 운전하였으며 시간별 유량과 농도의 변화가 커서 균등조를 사용하여 오수를 SBR 반웅조로 유입하였다. Fig.
COD, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen, TOC, 그리고 SVI등의 분석은 Standard Methods'0^ 의 해 분석하였으며 분석시 시료는 GF/C 여지로 여과한 후 즉시 분석을 수행하였으며 24시간 이상 보관시에는 0.1 N 황산 1 mL를 첨가한 후 냉장 보관하였다. 슬러지 입도 분포는 Shimadzu Centrifugal Particle Size Analyzer를 이용하여 입도 분석을 수행하 였고 SBR 슬러지의 morphology 관찰을 위한 SEM 촬영은 SBR 슬러지를 20분간 3, 000 rpm에서 원심분리한 후 상징수를 버리고 슬러지펠렛을 냉동건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후 건조된 시료는 gold-palladium 고정화 작 업을 수행한 후 20kv 조건에서 SEM 촬영을 수행하였다.
따라서 추가적인 탄소원을 공급하는 것이 총질소 제거 효율을 향상시키는 가장 확실한 방법이나 탄소원 공급을 위한 추가 비용이 문제가 된다. COD제거는 세 방법이 큰 차이를 보이지 않았으나 SF-SBR이 내부 탄소 원 (internal carbon source)의 제거와 탈질에 필요로 하는 탄소 요구량 보충이라는 두 명제를 최적화하여 추가 탄소원 없이 탈질 효율을 최대화하였다. 그 결과 전 탈질과 후탈질 모두 양호하게 발생하였다.
Table 1은 lab-scale SBR공정의 운전 모드를 설명하고 있으며 fill time을 1시간에서 3시간까지 변화시켜 운전하면서 SBR 공정의 운전 효율과 슬러지의 침강 특성에 대해 조사하였다. Table 2는 SBR 운전모드가 질소제거 효율의 향상을 미치는 영향을 조사하기 위해 세 가지 방식의 운전방법을 적용함으로써 유기물과 질소 제거율을 살펴보았다.
Table 1은 lab-scale SBR공정의 운전 모드를 설명하고 있으며 fill time을 1시간에서 3시간까지 변화시켜 운전하면서 SBR 공정의 운전 효율과 슬러지의 침강 특성에 대해 조사하였다. Table 2는 SBR 운전모드가 질소제거 효율의 향상을 미치는 영향을 조사하기 위해 세 가지 방식의 운전방법을 적용함으로써 유기물과 질소 제거율을 살펴보았다. 첫 번째 방법은 CO-SBR (conventional SBR) 운전방식으로 혐기, 호기, 무산소 조건을 한 주기 내에 두어 혐기 조건에서는 비포기 조건에서 유입수를 유입하여 슬러지층에 잔존한 질산성 질소의 전 탈질(pre-denitrification)을 유도하고 이어서 발생하는 혐기조건하에서 생물학적인의 방출을 유도한다.
1 N 황산 1 mL를 첨가한 후 냉장 보관하였다. 슬러지 입도 분포는 Shimadzu Centrifugal Particle Size Analyzer를 이용하여 입도 분석을 수행하 였고 SBR 슬러지의 morphology 관찰을 위한 SEM 촬영은 SBR 슬러지를 20분간 3, 000 rpm에서 원심분리한 후 상징수를 버리고 슬러지펠렛을 냉동건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후 건조된 시료는 gold-palladium 고정화 작 업을 수행한 후 20kv 조건에서 SEM 촬영을 수행하였다.
10은 pilot-scale SBR운전에서 질소의 거동을 나타낸 것이다. 운전 150일까지는 IA-SBR로 운전하였고 이후 185일까지는 CO-SBR로 운전하였고 마지막으로 210일까지는 SF-SBR로 운전하였다. 유출수의 암모니아 농도는 세 가 지 운전 모두 1 mg/L 이하로 유지되어 질산화가 거의 완벽하게 이루어지고 있음을 보여주고 있다.
실험에 사용된 SBR 반응조는 lab-scale SBR (3 L)과 1 m3 용적의 pilot plant를 제작하여 운전하였으며 lab-scale SBR은 Table 3에 표기된 합성폐수를 사용하여 운전하였고 pilot-scale SBR은 오수를 사용하여 운전하였다. 이때 사용된 오수는 일간 성상 변화가 심해서 이의 영향을 최소화하기 위하여 5 m3 규모의 균등조를 설치하여 균등화된 오수를 사용하여 연구를 수행하였다.
Table 2는 SBR 운전모드가 질소제거 효율의 향상을 미치는 영향을 조사하기 위해 세 가지 방식의 운전방법을 적용함으로써 유기물과 질소 제거율을 살펴보았다. 첫 번째 방법은 CO-SBR (conventional SBR) 운전방식으로 혐기, 호기, 무산소 조건을 한 주기 내에 두어 혐기 조건에서는 비포기 조건에서 유입수를 유입하여 슬러지층에 잔존한 질산성 질소의 전 탈질(pre-denitrification)을 유도하고 이어서 발생하는 혐기조건하에서 생물학적인의 방출을 유도한다. 호기 조건에서는 포기를 통해 잔존 유기물의 제거 및 질산화를 유도하였고 마지막 무산소 조건에서는 비포기 조건을 통해서 호기 조건에서 생성된 질산성 질소의 탈질을 완전한 질소 제거를 목적으로 운전되었고, 두 번째 방법은 IA-SBR (Intermittent aeration SBR) 운전방식으로 주기 내 반응 시간을 무산소와 산소조건을 계속 반복시켜 운전함으로써 간헐포기 방식의 장점을 SBR에 접목시켜 질소제거 효율을 향상시키려는 목적으로 운전되었으 며, 마지막으로 SF- SBR (step-feed SBR)은 유압수의 일정량을 분배하여 후탈 질에 필요한 탄소원의 공급처로서 이용하며, 나머지 운전조건은 일반적인 SBR과 같다.
첫 번째 방법은 CO-SBR (conventional SBR) 운전방식으로 혐기, 호기, 무산소 조건을 한 주기 내에 두어 혐기 조건에서는 비포기 조건에서 유입수를 유입하여 슬러지층에 잔존한 질산성 질소의 전 탈질(pre-denitrification)을 유도하고 이어서 발생하는 혐기조건하에서 생물학적인의 방출을 유도한다. 호기 조건에서는 포기를 통해 잔존 유기물의 제거 및 질산화를 유도하였고 마지막 무산소 조건에서는 비포기 조건을 통해서 호기 조건에서 생성된 질산성 질소의 탈질을 완전한 질소 제거를 목적으로 운전되었고, 두 번째 방법은 IA-SBR (Intermittent aeration SBR) 운전방식으로 주기 내 반응 시간을 무산소와 산소조건을 계속 반복시켜 운전함으로써 간헐포기 방식의 장점을 SBR에 접목시켜 질소제거 효율을 향상시키려는 목적으로 운전되었으 며, 마지막으로 SF- SBR (step-feed SBR)은 유압수의 일정량을 분배하여 후탈 질에 필요한 탄소원의 공급처로서 이용하며, 나머지 운전조건은 일반적인 SBR과 같다.
대상 데이터
실험에 사용된 SBR 반응조는 lab-scale SBR (3 L)과 1 m3 용적의 pilot plant를 제작하여 운전하였으며 lab-scale SBR은 Table 3에 표기된 합성폐수를 사용하여 운전하였고 pilot-scale SBR은 오수를 사용하여 운전하였다. 이때 사용된 오수는 일간 성상 변화가 심해서 이의 영향을 최소화하기 위하여 5 m3 규모의 균등조를 설치하여 균등화된 오수를 사용하여 연구를 수행하였다.
성능/효과
2) 세가지 변형 운전 모드의 SBR을 실험 결과 탈질 효율 향상은 SF-SBR, IA-SBR, CO-SBR의 순으로 나타났다. 세 가지 SBR 운전 방식 증유기물과 질소의 동시 제거라는 목적과 외부 탄소원을 사용하지 않고 내부 탄소원을 탈 질화 에 가장 효율적으로 이용할 수 있는 운전방식은 SF-SBR이 었으며 SF-SBR, IA-SBR, CO-SBR의 탈질율은 각각 90%, 61%, 19%였다.
3) 비포기 유입 시간이 1시간 및 2시간의 경우의 플록의 밀도가 3시간의 경우보다 높고 양호한 침강성을 나타내었으며 플록의 입도 분포는 1시간 및 2시간의 경우가 100~ 300 um이고 3시간의 경우 200〜400 um를 나타내었다.
COD는 3시간 반응 후생분해성 유기물은 대부분 분해되었으며 최종 유출수의 농도는 20 mg/L을 나타내었다. Fig. 4는 암모니아성질소의 거동을 나타낸 것으로 암모니아 농도는 비포기 유입 조건에서 유입 속도가 빠를수록 즉, fill time이 짧을수록 빠르게 상승하였으나 반응이 종료될 때 암모니아의 농도는 fill time에 상관없이 모두 1 mg/L 이하로 감소하여 질산화가 양호하게 발생하였으며 SBR 공정에서 fill time은 질산화 정도에는 유의적인 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 반응 시간 중pH는 탈질로 인한 알카리도 증가로 인해 비포기 시간 동안 소폭 상승하는 경향을 나타내었고 DO는 포기 중 3.
5 mg NO3-N/g VSS . hr을 나타냈으며4,9) 해당 기질 종류에 따른 비탈질 속도의 차이는 크지 않았으며 오히려 유입 방식이나 운전 모드의 변화가 더 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구는 SBR 반응조에서 운전방식의 변화를 통해 질소 제거 효율을 비교 조사하였고 이를 일반화할 수 있는 수식을 비교 검토하였다.
그러나 100 pm 을 크게 초과하여 슬러지 입자의 직경이 커질수록 슬러지 입자의 공극율이 함께 증가하여 결합수의 분울이 증가하고 결과적으로 슬러지입자의 유효비중을 낮추는 작용을 하여 입자의 침 강속도가 감소된다.⑹결과적으로 유입시간 조건 이 슬러지 침강성에 미치는 영향은 포기 유입보다 비포기 유입 조건이 침강성을 양호하게 하고 비포기 유입 시간의 경우 2시간 이내로 유입시간을 결정하는 것이 보다 양호한 침강성을 유지하는 데 도움이 됨을 알 수 있다.
Karr”>의 연구에 의하면 슬러지 폴럭의 직경 100 gm 이상의 입자를 침강성 고형물로 분류하였으며 직경 100 pm 이상의 슬러지입자가 차지하는 분올이 중가할수록 슬러지 의 침강속도는 증가한다고 보고하고 있다. 그러나 100 pm 을 크게 초과하여 슬러지 입자의 직경이 커질수록 슬러지 입자의 공극율이 함께 증가하여 결합수의 분울이 증가하고 결과적으로 슬러지입자의 유효비중을 낮추는 작용을 하여 입자의 침 강속도가 감소된다.⑹결과적으로 유입시간 조건 이 슬러지 침강성에 미치는 영향은 포기 유입보다 비포기 유입 조건이 침강성을 양호하게 하고 비포기 유입 시간의 경우 2시간 이내로 유입시간을 결정하는 것이 보다 양호한 침강성을 유지하는 데 도움이 됨을 알 수 있다.
유출수의 암모니아 농도는 세 가 지 운전 모두 1 mg/L 이하로 유지되어 질산화가 거의 완벽하게 이루어지고 있음을 보여주고 있다. 그러나 탈질 효율 을 나타내는 질산성 질소 농도를 살펴보면 IA-SBR의 경우 초기질산화 미생물이 순응되는 시기 후부터는 4 — 6 mg NO3-N/L를 유지하였고 CO-SBR의 경우는 12 mg NO3-N/L 를 나타내어 후 탈질이 거의 일어나지 않고 비포기 유입기의 전 탈질에만 의존하는 결과를 보여주었다. SF-SBR의 경우는 유출 수 질산성 질소 농도가 1 mg NO3-N/L 정도를 나타내어 lab-scale SBR 운전결과와 일치하는 경향을 나타내고 있다.
SF-SBR의 경우는 유출 수 질산성 질소 농도가 1 mg NO3-N/L 정도를 나타내어 lab-scale SBR 운전결과와 일치하는 경향을 나타내고 있다. 그러므로 세 가지 운전모드가 질소 제거에 미치는 영향은 SF-SBR, IA-SBR, CO-SBR의 순으로 탈질 효율이 우수한 것으로 나타났다.
합성폐수를 사용한 lab-scale SBR 운전보다 유출수의 COD농도가 다소 높은 것은 오수 내 난 분해 성 유기물이 포함되어 있음을 나타낸다. 본 실험에서 사용된 세 가지 운전모드, IA-SBR, CO-SBR 그리고 SF-SBR는 유기물 제거 특성에서는 의미 있는 차이를 나타내지 않았다.
2) 세가지 변형 운전 모드의 SBR을 실험 결과 탈질 효율 향상은 SF-SBR, IA-SBR, CO-SBR의 순으로 나타났다. 세 가지 SBR 운전 방식 증유기물과 질소의 동시 제거라는 목적과 외부 탄소원을 사용하지 않고 내부 탄소원을 탈 질화 에 가장 효율적으로 이용할 수 있는 운전방식은 SF-SBR이 었으며 SF-SBR, IA-SBR, CO-SBR의 탈질율은 각각 90%, 61%, 19%였다.
9는 pilot-scale SBR의 장기운전시 COD의 제거 거동을 나타낸 것이다. 유입 수 COD 농도는 50-200 mg/L로 연간 변동이 컸으며 처리수의 COD 농도는 운전 100일 경 포기장치의 오작동으로 악화된 지점을 제외하면 20-50 mg/L 범위에서 유지되었다. 합성폐수를 사용한 lab-scale SBR 운전보다 유출수의 COD농도가 다소 높은 것은 오수 내 난 분해 성 유기물이 포함되어 있음을 나타낸다.
비 포기 유입시간의 길이가 변화함에 따른 슬러지플럭의 구조는 사상성 미생몰의 증가는 크지 않았으나 슬러지 매트릭스의 밀도가 변화함을 보여주고 있다. 즉 비 포기 유입시간의 길이가 1시간과 2시간인 경우와 3시간인 경우를 비교해보면 3시간의 경우는 슬러지플럭 밀도가 상대적으로 낮아(loose)짐을 관찰할 수 있었으며 각각의 경우의 슬러지침강성을 SVI로 비교해보면 비 포기 유입시간이 1시간과 2시간의 경우는 100〜150 정도를 유지했으며 비 포기 유입시간이 3시간의 경우는 170이상의 SVI를 나타내었다.
비포기 유입시간 이 길수록 슬러지플럭의 평균 크기는 증가하였다. 즉 비포기 유입 시간이 1시간과 2시간의 경우는 200 um의 크기가 가장 많은 분포율을 (각각 34%, 44%) 차지하였으나 혐기 조건 fill time이 3시간으로 증가하였을 때는 300 um의 크기가 64%의 분포율을 차지하였다. 일반적으로 Stocks law 가 지배하는 독립입자 침 강조건이라면 크기가 클수록 침 강 속도가 증가하는 경향을 나타나고 III형 침전에 해당하는 생물학적 2차 침전지에서는 사상상 세균의 증가로 인한 플럭의 겉보기 밀도 감소가 침 강속도가 저하 원인이 된다.
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