질산성 질소는 강변여과수에서 가장 흔히 발견되는 오염물질 중의 하나이다. 본 연구에서는 황을 이용한 독립영양탈질 공정을 강변여과수의 질산성 질소제거를 위한 반응벽체 기법에 도입하였다. 본 연구의 목적은 현장에서의 실제 강변여과수를 이용한 주 파일럿 실험을 통해 반응벽체 시스템에서 미생물 접종의 영향과 대체 알칼리도 공급원으로서 굴패각의 영향을 알아보고, 유량변화 및 체류시간 변화에 따른 질산성 질소 제거효율을 평가하는 것이다. 황과 석회석 또는 굴패각으로 구성된 준 파일럿 규모의 투수성 반응벽체(PRB) 6기를 경남 낙동강 유역 강변여과수 취수 현장에 설치하여 운전한 결과, 하수처리장의 혐기 소화 슬러지로부터 분리배양된 황탈질미생물 콘소시움 뿐만 아니라 굴패각의 자생미생물의 활성에 의해서 강변여과수의 질산성 질소가 제거됨을 확인하였고 석회석뿐만 아니라 굴패각도 시스템의 pH 조절을 위한 알칼리도 공급원으로 이용될 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 알칼리도 공급원으로서 굴패각의 이용은 높은 황산이온의 농도와 고형물의 농도를 야기하였다. 80 cm의 반응벽체 두께에서, 유량을 66에서 132 mL/min까지 증가시킴으로써 체류시간을 15에서 7.5시간으로 감소시킴에 따라 질산성 질소 제거효율은 75에서 58%로 감소하였다.
질산성 질소는 강변여과수에서 가장 흔히 발견되는 오염물질 중의 하나이다. 본 연구에서는 황을 이용한 독립영양탈질 공정을 강변여과수의 질산성 질소제거를 위한 반응벽체 기법에 도입하였다. 본 연구의 목적은 현장에서의 실제 강변여과수를 이용한 주 파일럿 실험을 통해 반응벽체 시스템에서 미생물 접종의 영향과 대체 알칼리도 공급원으로서 굴패각의 영향을 알아보고, 유량변화 및 체류시간 변화에 따른 질산성 질소 제거효율을 평가하는 것이다. 황과 석회석 또는 굴패각으로 구성된 준 파일럿 규모의 투수성 반응벽체(PRB) 6기를 경남 낙동강 유역 강변여과수 취수 현장에 설치하여 운전한 결과, 하수처리장의 혐기 소화 슬러지로부터 분리배양된 황탈질미생물 콘소시움 뿐만 아니라 굴패각의 자생미생물의 활성에 의해서 강변여과수의 질산성 질소가 제거됨을 확인하였고 석회석뿐만 아니라 굴패각도 시스템의 pH 조절을 위한 알칼리도 공급원으로 이용될 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 알칼리도 공급원으로서 굴패각의 이용은 높은 황산이온의 농도와 고형물의 농도를 야기하였다. 80 cm의 반응벽체 두께에서, 유량을 66에서 132 mL/min까지 증가시킴으로써 체류시간을 15에서 7.5시간으로 감소시킴에 따라 질산성 질소 제거효율은 75에서 58%로 감소하였다.
Nitrate is one of common contaminants frequently found in the bank filtrate. Biological autotrophic denitrification into permeable reactive barrier(PRB) system to reduce nitrate concentration in bank filtrate was implanted. The objectives of research are to investigate effect of inoculation, to eval...
Nitrate is one of common contaminants frequently found in the bank filtrate. Biological autotrophic denitrification into permeable reactive barrier(PRB) system to reduce nitrate concentration in bank filtrate was implanted. The objectives of research are to investigate effect of inoculation, to evaluate alternative alkalinity sources, and to determine effect of hydraulic characteristics, such as retention time, flow rate on the performance of semi-pilot PRB system. Semi-pilot scale biological PRB system was installed using elemental sulfur and limestone/oyster shell as reactive materials near Nakdong River in Kyoungnam province, Korea. Nitrate concentration in bank filtrate was reduced by indigenous microorganisms in oyster shell as welt as by inoculating microorganisms isolated from the sludge of an anaerobic digester in a wastewater treatment plant. Oyster shell as well as limestone can be used as an alkalinity source. However, oyster shell resulted in suspended solids of effluent. As the flow rate in the system increased from 66 to 132 mL/min and accordingly the residence time decreased from 15 to 7.5 hours, nitrate concentration in effluent increased and nitrate removal efficiencies decreased from 75 to 58% at the fixed thickness of 80 cm of PRB.
Nitrate is one of common contaminants frequently found in the bank filtrate. Biological autotrophic denitrification into permeable reactive barrier(PRB) system to reduce nitrate concentration in bank filtrate was implanted. The objectives of research are to investigate effect of inoculation, to evaluate alternative alkalinity sources, and to determine effect of hydraulic characteristics, such as retention time, flow rate on the performance of semi-pilot PRB system. Semi-pilot scale biological PRB system was installed using elemental sulfur and limestone/oyster shell as reactive materials near Nakdong River in Kyoungnam province, Korea. Nitrate concentration in bank filtrate was reduced by indigenous microorganisms in oyster shell as welt as by inoculating microorganisms isolated from the sludge of an anaerobic digester in a wastewater treatment plant. Oyster shell as well as limestone can be used as an alkalinity source. However, oyster shell resulted in suspended solids of effluent. As the flow rate in the system increased from 66 to 132 mL/min and accordingly the residence time decreased from 15 to 7.5 hours, nitrate concentration in effluent increased and nitrate removal efficiencies decreased from 75 to 58% at the fixed thickness of 80 cm of PRB.
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문제 정의
연구가 진행되고 있다.2223)본 연구에서는 이와 같은 반응 벽체 공법에 앞서 언급한 독립영양탈질 공정을 도입하여, 질산성 질소로 오염된 강변여과수를 처리하고자 하였다. 질산성 질소 처리를 위한 반응벽체 기법에 독립영양 탈질공정의 이용은 본 연구자들에 의해 이미 실험실 규모의 실험을 통해 연구가 진행되었으며, 그 적용 가능성을 입증한 바 있다 20, 23~28)
본 연구는 실험실에서 소규모 컬럼을 이용하여 실험한 기존의 연구와 달리 큰 규모의 수평형 실험 장치와 강변여과수 취수 현장에서 직접 취수한 질산성 질소로 오염된 강변여과수를 사용한 준파일럿 실험을 실시함으로써, 질산성 질소로 오염된 강변여과수의 현장처리 수단으로서 생물학적 반응벽체 공법의 현장 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
하수처리장의 혐기소화슬러 지로부터 독립 영양탈질반웅을 일으키는 황탈질미 생 물을 분리 하기 위해 CO2 와가스로 충전된 혐기 배양기에서 아래의 무기염 배지에 슬러지를 10%(v/v)로 접종한 배양액을 7일간 배양하였다. 무기염배지는 2 g/L KNO& 5 g/L NaiSjOj .
7일간 배양 한 후에 S가 황 공급원으로 포함된 새로운 무기염배지로 10회 옮기면서 배양 분리하였다. 이 배양액을 약 60 mg-N/L의 질산성 질소가 포함된 새로운 배지에 다시 10%(v/v)접종하여 질소가스가 충전된 반응조에서 10회 이상 계대 배양한 후, 황탈질미생물 콘소시움을 본 연구에 이용하였다.
전체 반응조의 크기는 170x30x100 cm의 직육면체 형태의 PVC 재질이며, 반응조 양쪽에는 72 L 부피의 유입수와 유출수 저장조를 두었다. 또한 유입 부분과 유출 부분에는 흐름의 고른 분포를 위해 약 15 cm의 자갈층을 두었으며, 자갈층을 지지하기 위해 철망을 설치하였다. 황과 알칼리도 공급물질로서 석회석 또는 굴 패각으로 구성된 반응물질을 3:1의 혼합비로 골고루 혼합한 후에 반응조의 중간부분에 80 cm의 반응물질 충전 길이가 되도록 충전하였다.
또한 유입 부분과 유출 부분에는 흐름의 고른 분포를 위해 약 15 cm의 자갈층을 두었으며, 자갈층을 지지하기 위해 철망을 설치하였다. 황과 알칼리도 공급물질로서 석회석 또는 굴 패각으로 구성된 반응물질을 3:1의 혼합비로 골고루 혼합한 후에 반응조의 중간부분에 80 cm의 반응물질 충전 길이가 되도록 충전하였다. 혐기적인 조건을 유도하기 위해 반응물질을 충전한 후, 윗부분에 부직포와 20 cm 두께의 모래층을 설치 하였다.
황과 알칼리도 공급물질로서 석회석 또는 굴 패각으로 구성된 반응물질을 3:1의 혼합비로 골고루 혼합한 후에 반응조의 중간부분에 80 cm의 반응물질 충전 길이가 되도록 충전하였다. 혐기적인 조건을 유도하기 위해 반응물질을 충전한 후, 윗부분에 부직포와 20 cm 두께의 모래층을 설치 하였다. 강변여과수의 유입은 저 장탱크로부터 유량조절 펌프를 이용하여 유입하였으며, 강변여과수의 유입 유량은 유량 변화조건을 제외하고는 모두 66 mL/min(침투속도 1 m/day)가 되도록 일정하게 유지하였다.
본연구에서는 독립영양 탈질공정에 미치는 대체 알칼리도 공급원의 영향을 살펴보기 위해 반응조 2기에 석회석 대신 굴 패각을 첨가하였으며, 미생물 접종효과를 관찰하기 위해 대조군을 제외한 반응조 4기에 혐기소화 슬러지로부터 분리한 황탈질 미생물을 각각 5 L씩 대량 배양하여 접종하였다. 한편, 유량 변화의 영향을 조사하기 위해서 석회석이 충전된 반응기 3기의 유량을 각각 66, 100, 132 mL/min(침투속도로는 각각 0.
본연구에서는 독립영양 탈질공정에 미치는 대체 알칼리도 공급원의 영향을 살펴보기 위해 반응조 2기에 석회석 대신 굴 패각을 첨가하였으며, 미생물 접종효과를 관찰하기 위해 대조군을 제외한 반응조 4기에 혐기소화 슬러지로부터 분리한 황탈질 미생물을 각각 5 L씩 대량 배양하여 접종하였다. 한편, 유량 변화의 영향을 조사하기 위해서 석회석이 충전된 반응기 3기의 유량을 각각 66, 100, 132 mL/min(침투속도로는 각각 0.069, 0.105, 0.138 cm/min에 해당)으로달리하여 유입하였다.
반응조를 운전하는 동안 유입수 및 유출수의 시료를 채취하여 0.45-jMii 필터로 여과한 후에, 질산성 질소, 아질산성 질소, 황산이온 농도를 Ion Chromatography(Dionex DX500)를 이용하여 분석하였으며, pH와 DO 농도 및 중발잔류물 농도를 공정시험방법에 의해 측정하였다.
실험의 운전은 약 110일 가량 운전하였으며, 설치 초기에는 약 2주일 간 높은 유량으로 강변여과수를 유입하여 반응 벽체 매질내의 다른 용출 물질이 용출되어 배출되도록 하였다 (Fig. 3). 2주일 후에는 다시 유량을 계획한대로 반응기 실험조건에 맞추고 미생물 접종 없이 운전하였다.
2주일 후에는 다시 유량을 계획한대로 반응기 실험조건에 맞추고 미생물 접종 없이 운전하였다. 운전 후 약 30일이 경과한 후에 앞서 설명한 황탈질 미생물콘소시움 5 L를 반응조의 유입부분으로 유입시킨 후 유출 부의 시료채취 밸브를 막고 약 3주간 반응조 내에서 황 탈질 미생물이 생장 및 부착할 수 있도록 유도하였다. 반응조를 운전한 후 약 50일이 경과된 후, Table 1에 제시한 실험조건과 동일하게 운전되었다.
따라서, 독립영양탈질반응을 유도하고 시스템의 pH를 유지 하기 위해서는 알칼리 도가지속적으로 공급되어 야한다. 이러한 알칼리도 공급물질로 본 연구에서는 반응조 2기(R1 과 R2)에 석회석 대신 굴패각을 충전하였다.
필요한 체류시간에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 반응 벽체로 유입되는 유량 영향을 알아보기 위해 유입 유량을 66, 100, 132 mL/min(R4, R5, R6)로 달리하여 운전하였다.Fig.
대상 데이터
본 연구에서 이용한 황탈질 미생물 콘소시움은 과천하수처리장의 혐기 소화조에서 채취한 혐기소화 슬러 지로부터 분리하였다. 하수처리장의 혐기소화슬러 지로부터 독립 영양탈질반웅을 일으키는 황탈질미 생 물을 분리 하기 위해 CO2 와가스로 충전된 혐기 배양기에서 아래의 무기염 배지에 슬러지를 10%(v/v)로 접종한 배양액을 7일간 배양하였다.
실제 강변여과수를 이용한 준파일럿 실험 반응조 6기를 경상남도 함안군 칠서면 용성리 낙동강 본류 우안 고수 부지(이룡지구)에설치하였으며, 실험장치의 개요는 아래의 Fig. 1과 같다. 전체 반응조의 크기는 170x30x100 cm의 직육면체 형태의 PVC 재질이며, 반응조 양쪽에는 72 L 부피의 유입수와 유출수 저장조를 두었다.
1과 같다. 전체 반응조의 크기는 170x30x100 cm의 직육면체 형태의 PVC 재질이며, 반응조 양쪽에는 72 L 부피의 유입수와 유출수 저장조를 두었다. 또한 유입 부분과 유출 부분에는 흐름의 고른 분포를 위해 약 15 cm의 자갈층을 두었으며, 자갈층을 지지하기 위해 철망을 설치하였다.
성능/효과
혐기적인 조건을 유도하기 위해 반응물질을 충전한 후, 윗부분에 부직포와 20 cm 두께의 모래층을 설치 하였다. 강변여과수의 유입은 저 장탱크로부터 유량조절 펌프를 이용하여 유입하였으며, 강변여과수의 유입 유량은 유량 변화조건을 제외하고는 모두 66 mL/min(침투속도 1 m/day)가 되도록 일정하게 유지하였다.
2는 10회 계대 배양 후 60 mg-N/L의 초기 질산성 질소 존재 하에서 황탈질 미생물의 질산성 질소 제거능과황산화능을 회분식 실험을 통해 관찰한 것이다. 배양 7일경과 후, 초기 유입 농도가 약 60 mg-N/L였던 질산성 질소는 4 mg-N/L로 감소되어 약 93%의 질산성 질소가 제거되었음을 알 수 있었다. 또, S0를 황공급원으로 이용한 황산화 활성으로 인해 생성된 황산이온의 농도는 배양 6일까지는 130 mg-S/L 이상까지 지속적으로 중가하다가 배양 7 일째에는 103 mg-S/L로 다소 감소한 것을 알 수 있었다.
전자수용체의 에너지 효율상 질산성질소가 모두 소모된 후에 황산이온이 이용되는 것은 사실이다. 그러나, 본 연구에서 분리한 황탈질미생물 콘소시움은 단일 미생물종이 아닌 혼합미생물로 구성되어 있어, 질산성질소가 거의 고갈되면서 환원환경으로 바뀌고 이에 따라 황산이온을 전자수용체로 이용할 수 있는 미생물의 활성이 두드러지게 나타난 것으로 사료되며, 이는 배양 후에 발생하는 황화 수소가스의 냄새로 확인할 수 있었다.
실험조건에 따라 6개의 반응조가 운전되기 시작한 시점으로부터 2주일 후에 유출수의 질산성 질소농도를 분석한 결과, 미생물이 접종되지 않은 대조군(R3)의 경우는 약 6 mg-N/L 의 질산성 질소농도가 유출수에서 검출되었으며, 석회석이 알칼리도 공급원으로 충전된 반응조 중 슬러지 미생물을 접종한 반응조(R4)에서는 1 mg-N/L 미만의 질산성 질소가 검출되었다. 또한, 운전이 진행되는 동안, 미생물이 접종되지 않은 반응조에서는 최대 10 mg-N/L까지 질산성 질소가 검출되었으며, 미생물을 접종한 반웅조는 평균 4 mg-N/L의 질산성 질소가 검출되었다 (Fig. 3(a)).
황탈질반응에 의해 생성된 황산이온 농도는, 미생물이 접종되지 않은 반응조에서는 유입수의 황산이온 농도 범위의 황산이온이 검출되어 황탈질반응이 거의 일어나지 않았음을 알 수 있었고, 미생물이 접종된 반응조에서는 약 150- 200 mg/L의 황산이온이 검출되어 황탈질반응이 일어나고 있음을 알 수 있었다 (Fig. 3(b)).
운전 112일까지의 결과로부터, 석회석이 알칼리도 공급원으로 이용되고 미생물을 접종한 반응조(R4)와 비교하여 굴 패각을 충전한 반응조의 경우(R1과 R2)는 슬러지로부터 분리한 미생물의 접종여부와 관계없이 유입된 질산성 질소 농도의 대부분이 제거되는 것으로 나타나 굴패각을 충전한 반응 조가 석회석을 충전한 반응조에 비해 효과적인 질산성 질소 제거 효율을 나타내는 것을 알 수 있었다 (Fig. 4(a)).
나타냈다. 시간이 경과함에 따라 황산이온농도는 약 250-300 mg/L로 나타났으며, 석회석으로 충전된 반응조에 비해 다소 높은 것으로 나타났다 (Fig. 4(b)).
0으로 알려져 있으며, pH 6~8 범위에서 황 탈질 반응이 관찰되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본연구에서도 6개의 반응벽체 반응조로 유입된 강변여과수의 pH는 약 6.5~6.9 정도였으며, 황과 석회석 및 굴 패각으로 충전된 반응벽체를 통과한 후의 유출수의 pH는 6개 반응조 모두 약 8 정도를 나타내었다 (Table 2). 이러한 결과는 반응 벽체의 반응물질로 첨가된 석회석이나 굴패각이 모두 훌륭한 알칼리도 공급원으로서의 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.
9 정도였으며, 황과 석회석 및 굴 패각으로 충전된 반응벽체를 통과한 후의 유출수의 pH는 6개 반응조 모두 약 8 정도를 나타내었다 (Table 2). 이러한 결과는 반응 벽체의 반응물질로 첨가된 석회석이나 굴패각이 모두 훌륭한 알칼리도 공급원으로서의 역할을 하고 있음을 알 수 있었다.
그러나, 시간의 변화에 따른 유입 강변여과수와 반응 벽체를 통과한 유출수의 중발 잔류물 농도 변화를 측정한 결과 (Table 2), 유입강변여과수의 증발 잔류물 농도는 약 300 mg/L였으며, 석회석을 충전한 반응조의 유출수 중 잔류 고형물 농도는 약 400 mg/L로 측정되었다. 반면, 굴 패각을 충전한 반응조의 유출수에서는 반응이 안정화 단계에 들어간 후에도 잔류고형물 농도가 약 600-650 mg/L가 측정되었다.
Fig. 5(a)에서 볼 수 있듯이, 88일째의 질산성 질소의 농도는 유량이 66, 100, 132 mL/min (R4, R5, R6)일 때, 각각 2, 5, 7 mg-N/L로 증가하는 것을 알 수 있었으며, 생성된 황산이온의 농도도 질산성 질소의 제거 경향과 일치하는 것을 알 수 있었다 (Fig. 5(b)).
이러한 결과로부터 유량의 변화에 따른 영향은 유량을 증 가시킬수록 반응벽체 내에서의 체류시간의 단축으로 인하여 질산성 질소 제거율이 낮아지는 경향을 나타내었다. 또한, Fig 5(a)에서 볼 수 있듯이 시간의 경과에 따라 굴패각 충전 반응조를 제외한 반응조에서 유출수 질산성 질소 농도가 다소 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 수행된 준파일럿 규모의 연구는 황을 이용한 독립영양탈질반응이 낙동강 유역의 강변여과수에서 질산성 질소를 제거하는데 현장 적용함에 있어 무리가 없음을 시사하였다. 본 연구결과를 통해 석회석 뿐만 아니라 굴 패각도 반응벽체공법에서 독립영양탈질반응에 요구되는 알칼리도를 충분히 공급할 수 있음을 보여 주었고, 굴 패각에 함께 존재하는 자생미생물은 전체적인 탈질효율을 증가시키는 것으로 나타났다.
시사하였다. 본 연구결과를 통해 석회석 뿐만 아니라 굴 패각도 반응벽체공법에서 독립영양탈질반응에 요구되는 알칼리도를 충분히 공급할 수 있음을 보여 주었고, 굴 패각에 함께 존재하는 자생미생물은 전체적인 탈질효율을 증가시키는 것으로 나타났다. 그러나, 굴패각의 이용은 유출수의 황산이온 농도와 증발 잔류물 농도를 높일 수 있으므로조심스럽게 고려되어야 한다.
4는 유입수와 유출수의 질산성 질소 농도와 황산이온 농도 변화를 나타내고 있다. 실험조건에 따라 6개의 반응조가 운전되기 시작한 시점으로부터 2주일 후에 유출수의 질산성 질소농도를 분석한 결과, 미생물이 접종되지 않은 대조군(R3)의 경우는 약 6 mg-N/L 의 질산성 질소농도가 유출수에서 검출되었으며, 석회석이 알칼리도 공급원으로 충전된 반응조 중 슬러지 미생물을 접종한 반응조(R4)에서는 1 mg-N/L 미만의 질산성 질소가 검출되었다. 또한, 운전이 진행되는 동안, 미생물이 접종되지 않은 반응조에서는 최대 10 mg-N/L까지 질산성 질소가 검출되었으며, 미생물을 접종한 반웅조는 평균 4 mg-N/L의 질산성 질소가 검출되었다 (Fig.
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