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문제 정의
- 이에 본 연구는 비교적 오염이 된 대상원수(하천 및 호소기 준: Ⅲ-IV 급수)를 호기 성 생 물여 과 공정 을 이 용해 하천수 수질 환경기준 I-II 급수로 정화하여 생물학적으로 안정된 원수 확보가 가능한지의 여부를 판단하고자 하였다.
제안 방법
- EBCT 90 min에서 역세척은 동파 등으로 인해 미생물이 사멸되어 잦은 역세를 실시하여 운전효율이 안정적이지 못했다. EBCT 60 min 부터는 여재 상부에 clogging 현상이 발생하여 유입수가 원활히 반응조로 유입이 되지 못하고 상부로 overflow 될 때 (head loss: 1 m)를기준으로 역세척을 실시하였다.
- 작용하지 않도록) 충분히 주입하였다. 또한 기질의 영향을 받지 않고 미생물 자체의 산화율(자산화율) 만을 알아보기 위해 nutrient(유기물질과 암모니아 성분을 제거)와 cell 만을 넣어 실험하였다.
- 무게가 된다. 물의 무게를 잴 때 여재 채취 시 여재에 붙어있는 생물막 외의 수분은 제거해야하기 때문에 핀셋으로 잡고 가볍게 한번 씩 털어준 후 측정하였다. 실험의 정확성을 위해 여재는 크기별로 20개 내외를 선정하여 평균값을 구했다.
- 반응기 각 부분의 제거효율에 따른 미생물 특성을 알아보기 위하여 유기물 분해균(heterotrohps) 과 질산화 균(autotrophs) 으로 나누어 호기성 조건에서 미생물량에 따른 산소이용율을 파악할 수 있는 SOUR 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 반응기 각 부분의 여재를 꺼내 부착되어있는 미생물을 탈리시킨 후 미생물의 MLVSS를 측정하였다.
- 반응기 내의 조건이 햇빛이 투과되지 않는 암조건 상태이기 때문에 조류가 사멸했을 가능성을 알아보고자 암조건 하에서 5일 동안 DO를 공급하며 CODMn 증가에 대해 조사하였다. 초기 TCODmn 값은 146 mg/L였고 SCODMn 값은 80 mg/L 였다.
- 생물막 밀도는 부착 미생물의 건조무게를 측정하여 생물 막내의 물의 부피로 나누어 측정하였다.
- 시료채취는 반응조 유입수 및 유출수에서 1일 1회 분석을 목적으로 채수하였고, 필요에 따라 각 segment별로 실시하였다.
- 실험은 BOD bottle의 하부에 magnetic bar를 넣고 유입 부에 DO meter를 꽂은 후 각각의 성분이 들어있는 유입수를 주입 후 sterring 하면서 시간에 따른 DO의 감소농도를 측정하였다. 각 실험을 마친 후 C의 실험에서 얻어진 자산화율을 A와 B에서 빼주어 dO2/dt 소비율을 구할 .
- 파악할 수 있는 SOUR 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 반응기 각 부분의 여재를 꺼내 부착되어있는 미생물을 탈리시킨 후 미생물의 MLVSS를 측정하였다.
- 실험의 정확성을 위해 여재는 크기별로 20개 내외를 선정하여 평균값을 구했다. 여재 자체의 수분 흡수율을 제외하기 위해 생물 막이 부착되지 않은 빈여재를 수중에 넣어 자체의 수분 흡수율은 빼 주었다.
- 역세는 물과 공기를 병행하여 공기(0.8 m3 - air/m2 - min, 3 min) 공기(0.8 m3 . air/m2 - min, 5 min) + 물(0.35 m3 -water/m2 . min, 5 min) - 물(0.35 m3 - water/m2 . min, 5 min)의 순서로 유입하였고 총 역세 수량은 약 640 L였으며역세수는 처리수를 이용하였다. 반응기 운전 조건은 Table 1 과 같으며 처리수 대비 역세수 량은 Table 2에 나타내었다.
- 0~5.0 mm, 비 표면적 1,500 m%!? 의 clay 재질 여재((주) 덕산, 한국)를 반응기 용적의 80%(높이 4 m)까지 충진 하였으며 역세시 여재팽창율을 약 20%로 고려하여 충진율을 결정하였다. 운전 기간은 2003년 1월~2004년 8월까지 약 20개월간이었다.
- 이러한 조류의 사멸이 반응기내에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위해 습지 원수의 조류를 약 30일간 배양하고 초음파 파쇄기(VLH-700s, Korea)로 20kHZ에서 5분 동안 파쇄 후 centrifuger(Hanil MF 600, Korea)를 이용해 20, 000 rpm, 15 min 조건에서 물리적으로 세포를 lysis 시켰다.13)
- 이에 생 물여과 반응기 를 이용한 Ⅲ-IV 급수의 하천수를 I-II 급수로 처리하는 것이 가능한 것으로 판단되며 좀더 나은 처리 효율을 위해 3.2절에서 부분역세를 통한 실험 및 고찰을 실시하였다.
- 이에 안정된 생물막과 처리수량의 확보를 위해 여재 하부 1 m 지점에 부분역세 장치를 설치하여 1일 1회 역세를 실시하였다. 이는 안정된 생물막 형성의 관점에서 뿐만 아니라 조류 및 조류의 사멸로 인한 조류 기원성 난분해성 유기물을 효과적으로 없앨 수 있는 대안이 될 수 있다.
- 낮은 것으로 나타났다. 이의 원인을 밝히기 위해 반응기 운전 후 역세슬러지 내의 미생물을 광학현미경을 통해 관찰(×1, 000)하였다. 관찰 결과 대부분 조류의 내부 핵이 없는 상태로 보여졌으며 이러한 기준으로.
- 적정량의 시료를 BOD bottle에 나누어 담은 후 nutrient가 함유된 D0 포화의 증류수를 bottle에 기포가 유입되지 않게 주입하여 heterotrophs와 autotrophs의 활성도를 측정을 위해 기질의 종류를 달리하여 실험하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 반응조는 철 구조물의 원통형 반응기로 내경 48 cm, 높이 5 m이며 상부에는 역세척 시 여재의 원활한 팽창을 위해 반응기 상부에 내경 72 cm의 turbulence zone을 설치하였다. 반응기 내부에는 직경 3.
- 물의 무게를 잴 때 여재 채취 시 여재에 붙어있는 생물막 외의 수분은 제거해야하기 때문에 핀셋으로 잡고 가볍게 한번 씩 털어준 후 측정하였다. 실험의 정확성을 위해 여재는 크기별로 20개 내외를 선정하여 평균값을 구했다. 여재 자체의 수분 흡수율을 제외하기 위해 생물 막이 부착되지 않은 빈여재를 수중에 넣어 자체의 수분 흡수율은 빼 주었다.
- 0 mm, 비 표면적 1,500 m%!? 의 clay 재질 여재((주) 덕산, 한국)를 반응기 용적의 80%(높이 4 m)까지 충진 하였으며 역세시 여재팽창율을 약 20%로 고려하여 충진율을 결정하였다. 운전 기간은 2003년 1월~2004년 8월까지 약 20개월간이었다. 유입수는 상부에서 하부로 들어가는 downflow system을 채택하였으며 유입 공기는 하부에서 상부로 주입하였다(Fig.
이론/모형
- 모든 수질분석은 Standard Methods11)에 준하여 실시하였다. 시료채취는 반응조 유입수 및 유출수에서 1일 1회 분석을 목적으로 채수하였고, 필요에 따라 각 segment별로 실시하였다.
성능/효과
- 초기 TCODmn 값은 146 mg/L였고 SCODMn 값은 80 mg/L 였다. 5일 후 암조건 하에서 SCOD& 값이 133 mg/L 로 증가되어 조류에 인한 COD 생성량이 확인되었다.
- 관계없이 85% 이상의 처리효율을 보여 염소 주입량을 기존의 약 56% 정도 줄일 수 있을 것으로 판단된다. BOD의 경우 하천수 수질 환경기준 Ⅲ-IV 급수로 유입되어 I 급수 미만으로 유출되고 암모니아 유입농도범위 0.1 ~ 13 mg/L에서 평균 0.3 mg/L 미만으로 유출되어 본 처리 공법 사용시 생물학적 안정성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 전체 COD 물질 증 30% 정도가 반응기 내부에 clogging된 조류에 의해서 발생되는 것으로 조사되었다.
- CODmh 측정결과 centrifuge를 통해 조류를 lysis 시켰을 때 초기에 133 mg/L 였던 SCODMn 농도가 480 mg/L로 약 3.6배가량 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 조류물질의 lysis 가 CODMn 증가에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- CODmn의 경우 기존 EBCT 30 min과의 운전 효율을 비교해보면 부분역세를 시행 후 CODMn 제거율이 약 10% 정도 상승해 약 74.3%의 효율을 보였다. 이는 기존의 역세 방식과 달리 1일 1회의 부분 역세를 통해 조류등의 입자성 물질과 조류자체에서 형성되는 조류기원성 유기물질의 배출이 원활히 이루어졌기 때문으로 판단된다.
- EBCT 60 min의 경우 유입수 평균농도는 11 mg/L 정도였으며 유출수의 농도는 평균 7 mg/L 정도로 약 36%의 제거효율을 보이는 것으로 나타났다.
- Rittmann and McCarty의 연구 결과''인 호기성 생물막에서의 전형적인 값인 40 mgVS/cm3 보다는 다소 큰 값을 나타내었다. EBCT에 따른 heterotrophs 및 autotrophs의 활성도 측정을 위해 SOUR을 측정한 결과 EBCT가 빨라질수록 SOUR 값이 증가하는 경향을 보였다. 이는 EBCT7} 빨라질수록 기질 이용율이 많아져 미생물의 활성이 증대되어 SOUR 값이 커진 것으로 판단된다.
- CODSmg . VSS-d로 생물학적 분해가 거의 되지 않는 것으로 나타나 이에 대한 대책으로 부분역세를 실시한 결과 COD 10%, BOD 5.5% 정도의 제거율 상승을 얻을 수 있었고 이를 통해 생물학적으로 좀 더 안정된 원수 확보가 가능해졌다.
- 1 m3 - air/m2 . min으로 고정하고 EBCT 를 90 min, 60 min, 45 min, 30 min으로 운전 시 입자성 물질(SS, turbidity, Chl-a)의 경우 80% 이상의 처리효율을 보여 기존 처리장에 본 공법을 적용시 후단의 약품 주입량을 다량 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 암모니아성 질소의 경우 EBCT에.
- 암모니아성 질소의 경우 EBCT에. 관계없이 85% 이상의 처리효율을 보여 염소 주입량을 기존의 약 56% 정도 줄일 수 있을 것으로 판단된다. BOD의 경우 하천수 수질 환경기준 Ⅲ-IV 급수로 유입되어 I 급수 미만으로 유출되고 암모니아 유입농도범위 0.
- 이는 기질의 농도가 하부보다 상부에서 높아 기질 이용율이 커지면서 단위 미생물 량이 증가된 것으로 보여진다. 또한 EBCT가 증가할수록 두께가 다소 증가하는 경향을 보였다. 생물막 밀도는 EBCT와 거의 무관하게 56-58 mg .
- 미생물 두께는 전반적으로 살펴볼 때 반응기 하부보다는 기질이 유입되는 상부에서 약 1.5배 정도 두꺼운 것으로 나타났다. 이는 기질의 농도가 하부보다 상부에서 높아 기질 이용율이 커지면서 단위 미생물 량이 증가된 것으로 보여진다.
- 본 연구를 통해 Ⅲ-IV 급수의 하천수를 호기성 생물 여과 공정을 이용해 전처리시 I 급수 이내로 정화하여 깨끗한 원수 확보가 가능했으며 이에 오염 하천수 전처리로서 생물 여과 반응기의 이용은 매우 효과적인 것으로 평가되었다.
- 운전기간 중 유입수 탁도에 대한 농도 변화폭이 6~87 NTU로 컸으나 평균 제거율은 약 75% 정도의 효율을 보였다. 물질의 대부분은 SS 농도와 관련이 있는 것으로 보이며 유입수 내 조류 및 탁도유발 물질인 clay, silt 등에 기인한 것으로 판단된다.
- m&L보다 최대 4배 까지 높게 유입되었다. 유출수의 농도는 평균 15 mg/L의 농도를 보여 평균 20% 미만의 제거효율을 나타내었다. 이는 앞서도 언급한 바와 같이 반응기의 운전이 동파등으로 .
- 이를 통해 반응기 내에서 조류로 인해 충분히 COD 물질이 증가할 수 있음이 증명되었고 이를 토대로 조류의 양에 따른 COD 증가율에 대한 실험을 실시하여 Fig. 11과 같이 배양 조류에 대한 COD 증가율의 관계식을 얻을 수 있었다. 운전 기간 동안 조류로 인한 반응기 내의 CODmn 발생량은 유입조류의 농도가 평균 50 ug/L로 유입된다고 하면 Fig.
- 6배가량 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 조류물질의 lysis 가 CODMn 증가에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 전체기간 중 운전 변화는 EBCT® 기준으로 90 min - 60 min 45 min - 30 min이었다. 전반적으로 살펴 볼 때 EBCT에 관계없이 SS 제거효율은 평균 80%를 상회하였다. EBCT 90 min에서 역세척은 동파 등으로 인해 미생물이 사멸되어 잦은 역세를 실시하여 운전효율이 안정적이지 못했다.
- 전반적으로 살펴보면 다른 기질에 비해 상대적으로 COD 제거율이 낮은 것으로 나타났다. 이의 원인을 밝히기 위해 반응기 운전 후 역세슬러지 내의 미생물을 광학현미경을 통해 관찰(×1, 000)하였다.
- 전반적으로 유입수의 농도 분포가 상당히 넓음에도 불구하고 반응기를 통과한 유출수 농도의 93%가 10 NTU 이하값을 보였으며 평균적으로 6 NTU 값을 나타냈다. 이를 통해 볼 때 향후 생물여과 반응기를 사용한다면 고탁도에 충분한 대처 능력을 가지고 있다고 말할 수 있으며 탁도의 제거만을 고려한다면 후단의 약품응집 양을 상당량 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 5 mg/L 이하의 값을 보여 생물학적으로 분해 가능한 물질 대부분이 분해되는 것으로 보여진다. 전반적인 BOD 제거 효율의 향상은 기존 EBCT 30 min 평균 88%에서 93.5%로 약 5.5% 향상되었다.
- day 미만의 분포를 보였다. 전반적인 제거율은 평균 80% 이상의 값을 보여 생물여과 반응기에서의 SS 제거효율은 부하율에 관계없이 좋은 효율을 보이는 것으로 나타났다. 특히 2004년 5월 이후에 유입수 농도의 변화폭이 상당히 큰 것을 볼 수 있는데 이 기간은 집중호우로 인한 SS의 증가가 많았으며 고탁도 원수가 유입되면서 부유물질 변화가 많았다고 판단된다.
- 3 mg/L 미만으로 유출되어 본 처리 공법 사용시 생물학적 안정성을 충분히 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 전체 COD 물질 증 30% 정도가 반응기 내부에 clogging된 조류에 의해서 발생되는 것으로 조사되었다. 이들 조류기원성 유기물들의 기질 비 소비율이 0.
- 조류 기원성 유기물과 glucose의 생물분해 특성을 비교해보기 위해 기질 비소비 속도(q)를 측정한 결과 glucose의 q = 0.2234 mg . CODMn/mg .
- 73 mg/L와 반응기 유입 농도를 비교해 볼 때 유입 농도의 대부분이 이 값을 상회하고 있어 현장에 적용하기에는 큰 무리가 없었다고 판단된다. 초기 동파에 따른 일부 data와 5 mg/L 이상의 고농도 유입을 제외하고는 대부분 유출수 농도가 EBCT에 상관없이 평균 0.1 mg/L 미만의 유출수를 유지하였으며 전체적으로 운전 기간 증 평균 85% 이상의 처리효율을 얻을 수 있었다. 특히 하절기 보다 동절기의 NHJ-N 농도가 높은 것으로 나타났는데 이는 겨울철 온도저하로 인해 미생물의 활성이 저하되었기 때문으로 판단된다.
- 8 mg/L로 유출되어 약 66%의 효율을 보이는 것으로 나타났다. 하천수 수질환경기준에는 COD 기준이 없기 때문에 호소수 기준을 적용하여 보면 EBCT 90 min과 60 min의 유출수 경우 Ⅲ - IV 급수의 수질을 보였으며 EBCT 45 min과 30 min의 경우 II - Ⅲ 급수의 효율을 보이는 것으로 나타났다.
후속연구
- 3-6)강과호수가 부영양화로 인한 맛 . 냄새, 축산폐수 등으로 인한 용존 유기물질로 오염된 우리나라의 실정에 비추어 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 보였으며 평균적으로 6 NTU 값을 나타냈다. 이를 통해 볼 때 향후 생물여과 반응기를 사용한다면 고탁도에 충분한 대처 능력을 가지고 있다고 말할 수 있으며 탁도의 제거만을 고려한다면 후단의 약품응집 양을 상당량 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
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