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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 오존분해 슬러지를 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 이용하기에 앞서, 오존 주입량 변화에 따라 분해된 슬러지의 성상변화를 살펴보고, 회분식 실험을 통하여 인 제거 미생물(Phosphate Accumulating Organisms)의 인 방출 가능성과 VFA의 생성 및 변화량을 확인하고자 한다. 이로부터 최종적으로 슬러지 감량화와 함께 생물학적인 제거를 위한 외부 탄소원으로서 오존분해 슬러지를 이용할 수 있는지 그 가능성을 제시하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 오존분해 슬러지를 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 이용하기에 앞서, 오존 주입량 변화에 따라 분해된 슬러지의 성상변화를 살펴보고, 회분식 실험을 통하여 인 제거 미생물(Phosphate Accumulating Organisms)의 인 방출 가능성과 VFA의 생성 및 변화량을 확인하고자 한다. 이로부터 최종적으로 슬러지 감량화와 함께 생물학적인 제거를 위한 외부 탄소원으로서 오존분해 슬러지를 이용할 수 있는지 그 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 또한 대조군으로 Phase 1에서는 일반 수돗물을, Phase 6에서는 Acetate를 50 mg/L로 주입하여 Phase 2~5의 실험결과와 비교하였다. Jar Test기를 이용하여 약 70 rpm으로 교반, 혐기상태를 유지하면서 5, 10, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240분 경과에 따라 시료를 채취한 뒤 즉시 원심분리한 후 그 상등액을 0.45 μm GF/C Filter로 여과하여 얻은 용액중의 POL-P농도 변화를 관찰하였다.
- 9였으며 인위적으로 pH를 조절하지 않았다. PAOs를 포함한 활성 슬러지를 IL Beaker에 MLSS 농도로 2600~2700 mg/L가 되도록 적절히 희석하여 주입하고, 앞서 설명한 오존분해 슬러지를 각각 30, 33, 33.4, 34 mL 주입하여 TCOD 농도를 기준으로 200 mg/L가 되도록 맞춘 후 실험을 수행하였다.(Phase 2~5).
- 그리고 오존 접촉조에 교반기를 설치하여 오존과 슬러지의 접촉효율을 최대한 향상시킴과 동시에 오존 분해 과정 중 발생하는 거품을 제거하도록 하였다. 또한 오존 접촉조에서 슬러지와 반응하지 않은 배오존양을 오존 검출기에서 측정, 실제 오존 접촉효율을 고려하여 오존 주입량에 따른 오존 반응시간을 계산하였다.
- (Phase 2~5). 또한 대조군으로 Phase 1에서는 일반 수돗물을, Phase 6에서는 Acetate를 50 mg/L로 주입하여 Phase 2~5의 실험결과와 비교하였다. Jar Test기를 이용하여 약 70 rpm으로 교반, 혐기상태를 유지하면서 5, 10, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240분 경과에 따라 시료를 채취한 뒤 즉시 원심분리한 후 그 상등액을 0.
- 그리고 오존 접촉조에 교반기를 설치하여 오존과 슬러지의 접촉효율을 최대한 향상시킴과 동시에 오존 분해 과정 중 발생하는 거품을 제거하도록 하였다. 또한 오존 접촉조에서 슬러지와 반응하지 않은 배오존양을 오존 검출기에서 측정, 실제 오존 접촉효율을 고려하여 오존 주입량에 따른 오존 반응시간을 계산하였다. 송기량과 오존 주입농도를 각각 4 L air/min, 25 mg O3/L air로 고정하고 오존 주입량을 0.
- 또한 오존 접촉조에서 슬러지와 반응하지 않은 배오존양을 오존 검출기에서 측정, 실제 오존 접촉효율을 고려하여 오존 주입량에 따른 오존 반응시간을 계산하였다. 송기량과 오존 주입농도를 각각 4 L air/min, 25 mg O3/L air로 고정하고 오존 주입량을 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 g O3/g SS로 변화시키면서 COD와 TSS 및 pH를 측정하여 오존분해 슬러지의 성상 변화를 관찰하였다. 오존 주입량은 슬러지와 오존의 접촉시간을 변화시켜 조정하였다.
- 액체 시료에 포함된 VFA(Volatile Fatty Acids)는 Gas Chro- matography를 이용하여 정량분석 하였다. 실험에 사용한 GC (Hewlett-Packard 6890, USA)는 FID검출기를 장착하여 사용하였고 오븐 온도는 150℃, 주입부와 검출부의 온도는 각각 220℃ 및 240C로 하였다.
- 25 μm)을 사용하였으며, 이동상으로는 헬륨 가스를 사용하여 30 mL/min으로 운전하였다. 연료 가스는 공기와 수소를 이용하여 340 mL/min와 35 mL/min으로 각각 조정하여 분석하였다. 보관된 시료는 24시간 내에 분석하였다.
- 오존 주입량 변화에 따라 분해된 슬러지를 탄소원으로 사용하여 혐기 조건하에서 인 방출 특성과 인 방출량을 관찰하기 위해 회분식 실험을 수행하였다.
- 오존 주입량(0.05, 0.1, 0.2, 0.5 g O3/g SS)변화에 따른 슬 러지의 분해특성을 살펴보기 위하여 오존분해된 슬러지의 COD와 SS 및 pH의 변화를 관찰하였다. 슬러지의 오존분해 효과는 두 가지 측면에서 볼 수 있다.
- 5 g O3/g SS로 변화시키면서 COD와 TSS 및 pH를 측정하여 오존분해 슬러지의 성상 변화를 관찰하였다. 오존 주입량은 슬러지와 오존의 접촉시간을 변화시켜 조정하였다. 오존 주입량은 슬러지 고형물 단위 질량당 슬러지와 반응하여 소모된 오존량(g O3/g SS)으로 나타내며 계산 방법은 다음의 (1), (2)식과 같다.
- 인 방출에 있어서 VFA와 같은 Short-chain acid가 중요한 역할을 하므로 오존 주입량 변화에 따라 분해된 슬러지로부터 VFA의 생성량과 시간 경과에 따른 VFA의 농도변화를 관찰하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용한 GC (Hewlett-Packard 6890, USA)는 FID검출기를 장착하여 사용하였고 오븐 온도는 150℃, 주입부와 검출부의 온도는 각각 220℃ 및 240C로 하였다. Columne HP-INNOWAX (30 m×0.25 mm×0.25 μm)을 사용하였으며, 이동상으로는 헬륨 가스를 사용하여 30 mL/min으로 운전하였다. 연료 가스는 공기와 수소를 이용하여 340 mL/min와 35 mL/min으로 각각 조정하여 분석하였다.
- 1과 같이 산소발생기와 오존발생기(에노텍(주), 한국), 오존 접촉조, 오존 검출기(USA, 미국)로 구성되어 있다. 본 실험에 사용한 오존은 산소발생기로부터 발생된 산소의 아크방전을 통해 생성되었으며 오존 접촉조 하부에 위치한 Diffhser를 통하여 슬러지와 접촉되도록 하였다.
- 슬러지 오존분해 실험에 사용된 장치는 Fig. 1과 같이 산소발생기와 오존발생기(에노텍(주), 한국), 오존 접촉조, 오존 검출기(USA, 미국)로 구성되어 있다. 본 실험에 사용한 오존은 산소발생기로부터 발생된 산소의 아크방전을 통해 생성되었으며 오존 접촉조 하부에 위치한 Diffhser를 통하여 슬러지와 접촉되도록 하였다.
- 액체 시료에 포함된 VFA(Volatile Fatty Acids)는 Gas Chro- matography를 이용하여 정량분석 하였다. 실험에 사용한 GC (Hewlett-Packard 6890, USA)는 FID검출기를 장착하여 사용하였고 오븐 온도는 150℃, 주입부와 검출부의 온도는 각각 220℃ 및 240C로 하였다. Columne HP-INNOWAX (30 m×0.
- 오존 분해에 사용된 슬러지는 경기도 K시 하수처리장의 반송 슬러지를 채취하여 사용하였으며 반송 슬러지의 성상은 Table 1에 나타내었다. 직경 10cm, 높이 1m의 아크릴로 제작한 원통형 오존 접촉조에 슬러지를 2 L씩 채워 각각의 오존 주입량에 따라 오존분해하고 이후 일정량의 시료를 취하여 4 ℃ 에서 보관하였다.
- Table 2는 인 방출 실험조건을 나타낸 것으로 탄소원으로 사용한 오존분해된 슬러지의 종류와 농도, MLSS 농도를 나타낸 것이다. 인 방출 실험에 사용된 슬러지는 PAOs(Pho- sphate Accumulating Organisms)가 충분히 성장해 있는 실험실 규모의 A2O(40 L/day)공정의 호기조에서 채취하였다. 실험초기의 pH는 6.
이론/모형
- 보관된 시료는 24시간 내에 분석하였다. 그 밖에 분석은 Standard Methods에 준하여 실시하였으며 COD#은 Closed Reflux Method(Method 5220℃)로 측정하였고, #는 Ion Chromatography(IC DX-120, DIONEX, USA)로 측정하였다.
성능/효과
- 1) 슬러지 오존분해에 의한 무기화는 오존 주입량이 #일 때는 4%였으나 오존 주입량이 0.5 g O3/g SS 일 때는 17%가 증가하였고, 오존 주입량 0.5 g O3/g SS에서 초기 4900 mg/L에서 2870 mg/L로 약 41%의 고형물이 분해되었다.
- 2) 오존분해 슬러지가 인 방출을 위한 외부 탄소원으로서의 가능성을 확인하였다. 오존 주입량 0.
- 3) 오존 주입량 0.05, 0.1 g O3/g SS로 분해된 슬러지를 탄소원으로 사용하였을 때 급격한 인 방출 속도를 보였다. 이후 오존 주입량을 증가시켜 분해된 슬러지를 탄소원으로 사용해도 인 방출속도는 큰 변화가 없었다.
- 생성되는 VIA는 오존 주입량에 비례하여 증가하였다. 9일간 방치 후 Acetic acid, Isobutyric acid, Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid 모두 오존분해 직후 보다 증가함을 보였다. 오존에 의해 분해된 슬러지는 혐기성 효율이 증가되어 9일 경과 후 관측한 VFA의 농도 변화는 오존 주입량 0.
- 6은 위의 실험을 바탕으로 슬러지의 인 방출 속도 (SPRR : Specific Phosphorus Release Rate) 를 나타낸 것이다. Acetate를 탄소원으로 사용했을 때 인 방출 속도는 4.58 mg-P/g VSS/hr였으며, 오존 주입량 0.05, 0.1, 0.2, 0.5 g O3/g SS로 분해된 슬러지를 탄소원으로 사용했을 때 인 방출 속도는 각각 0.94, 1.37, 1.48, 1.68 mg-P/g VSS/hr였다. 오존 분해 슬러지를 탄소원으로 사용했을 경우 오존 주입량을 높게 해서 분해된 슬러지일수록 인 방출 속도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 그 외 Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid도 오존분해에 의해 새로이 생성됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 VFA의 생성은 슬러지가 강력한 오존의 산화력에 의해서 분해 될 때 세포벽과 SMP(Soluble Microbial Product)가 파괴되면서 VFA 성분이 용출되었거나 기존 탄소원이 VFA로 전환된 것으로 사료된다.
- 34배 증가함을 보였다. 그 외 n-Butyric Acid, Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid의 농도도 증가함을 보였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 오존분해된 슬러지를 시스템 내 재주입할 경우 오존주입탱크의 체류시간을 길게 하면 자체 혐기성 분해로 VFA의 양을 증가시킬 수 있을 것이라고 사료된다.
- 오존 분해 전 슬러지에서 관찰되지 않았던 VFA가 오존 분해에 의해 새로이 생성됨을 알 수 있었다. 또한 오존 분해에 의해 생성되는 VFA의 농도는 오존 주입량에 비례하는 것으로 나타났다. 오존 주입량 0.
- 이는 오존 주입량이 증가할수록 세포 내 고분자물질이 더 많이 용출, 가용화되어 Non-biodegradable fraction0] Biodegradable fraction으로 변화되어 미생물이 이용하기 쉬운 상태로 전환되었기 때문이라고 사료된다. 또한 오존 주입량 0.05, 0.1 g O3/g SS로 분해된 슬러지를 탄소원 으로 사용했을 경우 인 방출 속도는 각각 0.94, 1.37 mg-P/ g-VSS/hr까지 급격히 증가하였다. 그러나 오존 주입량 0.
- 6배 증가됨을 보였다. 또한 오존 주입량 0.05, 0.1 g O3/g SS로 오존분해된 슬러지에서는 관찰되지 않았던 Propionic acid와 n-Butyric acid가 각각 46 mg/L, 5.87 mg/L 로 새로이 생성되었다 반면에 오존 주입량 0.1, 0.2, 0.5 O3/g SS로 분해된 슬러지일 경우 0.05 O3/g SS로 분해된 슬러지의 VFA 생성량 보다 큰 폭으로 증가하지는 않았음을 알 수 있었다. 이는 오존주입량을 0.
- 8은 오존분 해 슬러지를 상온에서 9일간 방치한 후 슬러지 중의 VFA의 변화를 나타낸 것이다. 생성되는 VFA는 오존 주입량에 비례 하지만 0.05 O3/g SS 의 오존 주입량을 적용하여 슬러지를 분해한 경우에 있어서 오존 분해 후 VFA 초기 농도와 비교 해 보면 Acetic acid는 50.24 mg/L에서 219.28 mg/L로 약 4 배 이상 증가하였으며, Isobutyric acid는 11.53 mg<S]서 18.16 m&L로 약 1.6배 증가됨을 보였다. 또한 오존 주입량 0.
- 68 mg-P/g VSS/hr였다. 오존 분해 슬러지를 탄소원으로 사용했을 경우 오존 주입량을 높게 해서 분해된 슬러지일수록 인 방출 속도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 오존 주입량이 증가할수록 세포 내 고분자물질이 더 많이 용출, 가용화되어 Non-biodegradable fraction0] Biodegradable fraction으로 변화되어 미생물이 이용하기 쉬운 상태로 전환되었기 때문이라고 사료된다.
- 7은 오존 주입량의 변화에 따른 오존분해 슬러지 증 VTA의 생성량을 나타낸 것이다. 오존 분해 전 슬러지에서 관찰되지 않았던 VFA가 오존 분해에 의해 새로이 생성됨을 알 수 있었다. 또한 오존 분해에 의해 생성되는 VFA의 농도는 오존 주입량에 비례하는 것으로 나타났다.
- 58 mg/L였다. 오존 주입량을 0.5 g O3/g SS로 분해했을 경우 0.05 g O3/g SS 로 분해했을 때보다 약 1.5배 많은 양이 생성됨을 알 수 있었다.
- 3은 오존 주입량에 따른 고형물의 변화를 보여주고 있다. 오존 주입량이 증가함에 따라 TSS와 VSS가 지수적으로 감소함을 알 수 있었다. 오존분해 전 약 4900 mg/L의 TSS가 오존 주입량 0.
- 9일간 방치 후 Acetic acid, Isobutyric acid, Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid 모두 오존분해 직후 보다 증가함을 보였다. 오존에 의해 분해된 슬러지는 혐기성 효율이 증가되어 9일 경과 후 관측한 VFA의 농도 변화는 오존 주입량 0.05 O3/g SS로 분해한 슬러지에서 Acetic acid의 경우 50.24 mg/L에서 219.28 mg/L로 4배 이상 증가되었다.
- 5 O3/g SS로 분해하였을 경우보다 낮은 분해효율을 보였지만 오존의 강력한 산화력으로 인해 슬러지의 생분해도를 증가시킴 으로써 혐기성 소화율이 증가되었기 때문이라고 사료된다. 오존주입량 0.1, 0.2, 0.5 O3/g SS로 분해된 슬러지에서도 Acetic acid는 162.93, 147.32, 164.97 mg/L로 오존분해 초기보다 각각 1.97, 1.33, 1.34배 증가함을 보였다. 그 외 n-Butyric Acid, Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid의 농도도 증가함을 보였다.
- 5 g O3/g SS로 분해한 후에는 5850 mg/L로 17% 까지 감소하였다. 용존 유기성분인 SCOD는 TCOD와는 반대로 오존 주입량이 증가함에 따라 증가함을 보였다. 슬러지를 오존 주입량 0.
- 이와는 대조적 으로 오존으로 분해된 슬러지를 탄소원으로 사용하였을 경우는 상대적으로 인 방출이 매우 서서히 일어났지만 오존분해 슬러지가 인 방출을 위한 외부 탄소원으로서 이용 가능할 수 있다는 사실을 확인할 수 있었다. 오존 주입량 0.
후속연구
- 이러한 pH의 감소는 오존에 의해 슬러지가 미세입자로 분해된 후 대부분 End Product인 Carboxylic Acid의 생성으로 인하여 감소하는 것으로 보고되고 있다.3)이상의 결과를 바탕으로 오존으로 분해된 슬러지는 무기화로 인한 TCOD, TSS의 감소와 가용화로 인한 SCOD의 증가로 인해 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 그러나 우리나라 하수는 유기물 농도가 매우 낮고, VFA농도도 유입하수 COD의 약 10-20% 정도로 낮은 편이다.6)따라서 잉여 슬러지를 오존분해 후 시스템 내 재순환 시킬 경우 슬러지 감량화 뿐 아니라 오존분해 과정에서 생성되는 biodegradable한 물질을 이용하여 탈질 및 인 방출을 위한 외부 '탄소원으로 재이용이 가능할 것이다.
- 이와 같은 결과를 바탕으로 오존분해된 슬러지를 시스템 내 재주입할 경우 오존주입탱크의 체류시간을 길게 하면 자체 혐기성 분해로 VFA의 양을 증가시킬 수 있을 것이라고 사료된다. 따라서 오존분 해 된 슬러지를 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 이용하여 혐기조로 재순환 시킬 경우 TSS의 소멸화로 인한 슬러지 감량화와 가용화에 의한 SCOD의 증가 및 VFA의 생성으로 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 그러나 장기적으로 볼 때 슬러지 무배출로 인하여 시스템 내에 인이 축적되어 오히려 유출수내 인의 농도가 높을 수 있는 문제가 발생될 수도 있을 것이다.
- 그 외 n-Butyric Acid, Propionic Acid, n-Butyric Acid, Isovaleric Acid, Valleric Acid의 농도도 증가함을 보였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 오존분해된 슬러지를 시스템 내 재주입할 경우 오존주입탱크의 체류시간을 길게 하면 자체 혐기성 분해로 VFA의 양을 증가시킬 수 있을 것이라고 사료된다. 따라서 오존분 해 된 슬러지를 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 이용하여 혐기조로 재순환 시킬 경우 TSS의 소멸화로 인한 슬러지 감량화와 가용화에 의한 SCOD의 증가 및 VFA의 생성으로 인 방출을 위한 외부 탄소원으로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
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