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문제 정의
- 고정 화 담체를 제작함에 있어 .난분해성 염색폐수에 적응시키지 않은 활성슬러지를 적용하여 담체내 미생물 성장이 지속되 면서 안정적인 유출수 수질을 얻을 수 있는지 조사하고, 연속 유동상 반응기 (Fluidized bed reactor)를 이용한 공정에 적용시켜 난분해성 유기물질의 처리효율과 적용가능성을 평가하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 미생물을 PEG prepolymer로 고정화시켜 담체를 제작하고 이를 염색폐수처리에 적용시켜 난분해성 유기물질의 처리효율을 높일 수 있는지 알아보았다. 고정 화 담체를 제작함에 있어 .
- 본 연구에서는 염색폐수의 난분해성 유기물질의 제거를 위해 PEG 담체에 활성슬러지의 종류, 염색폐수에의 적응 여부, 적응기간에 따른 제거성능을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 기질환경의 변화에 따른 유기물 제거효율을 확인하기 위하여 FBR1 에는 BOD 성분이 거의 없는 생물학적 처리쉬(PP)를 FBR2에는 염색폐수의 pH 조정만을 한 원수(Equalization tank effluent : EQ)를 유입수로 하여 유입성상의 차이에 따른 처리효율의 변화를 비교하였다. 한편 운전기간동안 유동상 반응기내에 MLSS 500~ l, 000mg/L의 부유미생물이 축적됨으로써 담체와 활성슬러지의 혼합처리에 따른 유기물 제거효율을 조사해 보았다.
제안 방법
- A시 소재의 하수처리장내 공장계열 활성슬러지를 B염색 단지 폐수처리장의 생물학적 처리공정 이후 배출되는 유출수를 이용하여 약 한달 동안 적응시킨 MLSS 약 5,000 mg/L의 미생물 농도로 담체 내에 각각 포괄고정화 하였다. 산소 확산이 용이하며 투과성 및 내구성이 뛰어난 PEG(Polyethylene Glycol)를 담체재료로 선정하여 PEG diacrylate MW 700 72 g(18 w/v%)과 potassium persulfate 1 g(0.
- A시 하수처리장내 공장계열 활성슬러지(Industrial sludge, IS) 와 가정하수계열 활성슬러지 (Activated sludge, AS)를 사용하여 염색폐수에 대한 슬러지 종류에 따른 미생물의 처리능력을 비교하고, 염색폐수에 적응시킨 활성슬러지를 포괄고정화 한 담체 (Adapted-Cell Pellet : ACP)와 적응되지 않은 활성 슬러지를 포괄고정화한 담체(Unadapted-Cell Pellet : UCP)의 염색폐수의 유기물 제거효율을 비교하기 위하여 5 L 규모의 원형 아크릴 반응조를 이용하였으며, 24시간을 Icycle로 주입, 침전, 배출은 각각 5분, 나머지 시간은 반응시간으로 구성하였다.
- SBR 2기에 공장계열 활성슬러지를 고정화한 담체를 각각 20%, 40% 충진하여 담체의 충진율에 따른 염색폐수의 유기물 제거효율을 비교하였다(Fig. 6).
- 한편 온도는 염색폐수의 년평균 온도인 30℃에서 운전을 하였다. 그리고 담체의 유실을 막고 short-cut 현상을 방지하기 위한 정류벽을 설치하였다(Fig. 1).
- 기질환경의 변화에 따른 유기물 제거효율을 확인하기 위하여 FBR1 에는 BOD 성분이 거의 없는 생물학적 처리쉬(PP)를 FBR2에는 염색폐수의 pH 조정만을 한 원수(Equalization tank effluent : EQ)를 유입수로 하여 유입성상의 차이에 따른 처리효율의 변화를 비교하였다. 한편 운전기간동안 유동상 반응기내에 MLSS 500~ l, 000mg/L의 부유미생물이 축적됨으로써 담체와 활성슬러지의 혼합처리에 따른 유기물 제거효율을 조사해 보았다.
- 반응기 유입 폐수는 염색폐수처리장에서 10 m3/day 규모의 Pilot Plant의 생물학적 처리공정 이후 배출되는 처리수 (Biological treatment effluent, PP)를 사용하였다.
- A시 소재의 하수처리장내 공장계열 활성슬러지를 B염색 단지 폐수처리장의 생물학적 처리공정 이후 배출되는 유출수를 이용하여 약 한달 동안 적응시킨 MLSS 약 5,000 mg/L의 미생물 농도로 담체 내에 각각 포괄고정화 하였다. 산소 확산이 용이하며 투과성 및 내구성이 뛰어난 PEG(Polyethylene Glycol)를 담체재료로 선정하여 PEG diacrylate MW 700 72 g(18 w/v%)과 potassium persulfate 1 g(0.25 w/v%), 그리고 promotor(l w/v%)와 첨가제(0.5 w/v%)를 미생물과 함께 완전히 혼합한 다음, 내경 4 mm인 PVC tube에 채워서 25℃ 항온조에서 10분간 숙성시킨 후 4 mm간격으로 담체를 제조 하였다.'2)
- day)를 조사 하였고, 각 구간별 비제거속도를 Table 3에 나타내었다. 슬러지 종류에 따른 유기물 제거속도는 각각 2개의 변곡 점을 중심으로 각 phase별 미생물 당 유기물 제거속도를 산 정하였다. 우선 전체적으로 phase I에서 유기물 제거속도가 가장 빠르게 나타나고 phase Ⅱ, Ⅲ에서 느려지는 경향을 나타내었는데, 이는 초기 phase I에서 유입수에 남아있는 어느 정도 분해가 쉬운 유기물질이 빠르게 제거되다가 phase Ⅱ, Ⅲ에서는 분해속도가 느린 분해성 유기물질과 제거하기 어려운 난분해성 물질이 서서히 제거된 것으로 보인다.
- 염색폐수의 난분해성 유기물 제거를 위한 유동상 반응기의 적정 운전조건을 도출하기 위해 2개의 반응기 FBR1, FBR2의 온도(30℃), 담체충진율(20%), 공기주입량(2 L/min) 등을 동일하게 유지한 조건에서 HRT를 변화시켜 가면서 그 영향을 검토하였고 생물학적 처리 이전의 염색폐수를 유입하여 유입수 성상변화에 따른 영향을 관찰하였다.
- 한편 연속실험을 위한 유동상 반응기는 동일한 2기의 아크릴재질의 원통형 반응기로 직경 14 cm, 높이 60 cm이고, 용적은 5.5 L이며, 고정상 반응기와 동일한 담체를 20% 충진하였고, 담체의 유동을 효과적으로 유지되도록 하기위하여 반응기 중심부에 관을 설치하였다. 한편 온도는 염색폐수의 년평균 온도인 30℃에서 운전을 하였다.
- 한편 활성슬러지의 종류에 따른 염색폐수의 난분해성 유기물 분해능을 알아보고자 단위미생물 당 유기물 비제거속도 (specific removal rate, mg COD/mg MLVSS . day)를 조사 하였고, 각 구간별 비제거속도를 Table 3에 나타내었다. 슬러지 종류에 따른 유기물 제거속도는 각각 2개의 변곡 점을 중심으로 각 phase별 미생물 당 유기물 제거속도를 산 정하였다.
대상 데이터
- 한편 실험에 사용된 염색폐수는 B염색단지내 폐수처리장에서 직접 채수하였으며, 스크린을 거친 후 pH 조정조에서 유출된 폐수(EQ)와 생물학적 처리공정 이후 발생되는 BOD 10-15 mg/L 정도의 난분해성 폐수(PP)를 대상으로 하였다. 유입수 성상에 대한 평균값을 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
- 모든 분석은 수질오염공정시험법과 Standard Methods에 준하여 실시하였다. 압축강도는 Texture Analyzer(Stable Micro System, TA-XT2)를 이용하였으며, 확산계수는 형광염료인 FDA (Fluorescence diacetate)의 담체 내부로의 확산속도를 Fluorescence Microscope(Olympus, 1X71)를 이용하여 Danckwert가 제시한 immobilizing reaction식을 적용, 계산하였다.
- 모든 분석은 수질오염공정시험법과 Standard Methods에 준하여 실시하였다. 압축강도는 Texture Analyzer(Stable Micro System, TA-XT2)를 이용하였으며, 확산계수는 형광염료인 FDA (Fluorescence diacetate)의 담체 내부로의 확산속도를 Fluorescence Microscope(Olympus, 1X71)를 이용하여 Danckwert가 제시한 immobilizing reaction식을 적용, 계산하였다.(3)
성능/효과
- 1) 염색폐수에 적응시킨 공장계열 활성슬러지와 적응시키지 않은 공장계열 활성슬러지를 PEG에 포괄 고정화하여 유기물질 제거효율을 비교한 결과, 2주 정도의 안정화 단계를 거친 후 적응시킨 미생물을 고정화한 경우 20%의 담체 충진 율에서 SCODo 농도는 40±8%의 제거효율을, 적응시키지 않은 활성슬러지를 고정화한 경우 38±8%의 제거효율을 나타내었다.
- 2) 연속 호기성 유동상 반응기에서는 생물학적 처리수를 유 입수로 하여 HRT를 6~24 hr로 운전한 결과 모든 조건에서 45% 이상의 유기물 제거효율을 보였지만 HRT 12 hr이 유 기물 제거효율 등을 고려할 때 안정된 효율을 얻을 수 있는 최소 체류시 간으로 판단되 었고, 염색폐수처리 장으로 들어오는 원수를 직접적으로 처리한 결과 COD& 70% 이상, BOD5 97% 이상의 제거효율을 보여 후단의 물리, 화학적 처리비용을 상당히 절감 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 운전기간에 따른 고정화 담체의 물리·화학적 특성변화를 살펴본 결과, 담체의 압축강도에는 큰 변화가 없는 것으로 나타났고, 담체 내부로 산소공급과 물질확산이 이루어져 담체 내부에 미생물이 증식하고 있음을 확인하였다.
- Fig. 2에서 보는 바와 같이 유입수의 심한 부하변동에도 불구하고 유출수의 SCODCr 농도는 활성슬러지의 종류에 상관 없이 약 45%의 제거율을 보이며 평균 175 mg/L 정도로 비슷하게 유지되었다.
- 우선 전체적으로 phase I에서 유기물 제거속도가 가장 빠르게 나타나고 phase Ⅱ, Ⅲ에서 느려지는 경향을 나타내었는데, 이는 초기 phase I에서 유입수에 남아있는 어느 정도 분해가 쉬운 유기물질이 빠르게 제거되다가 phase Ⅱ, Ⅲ에서는 분해속도가 느린 분해성 유기물질과 제거하기 어려운 난분해성 물질이 서서히 제거된 것으로 보인다. phase I, II에서 공장계열 활성슬러지(IS)의 제거속도가 가정하수계열 활성슬러지(AS)보다 약간 빠르게 나타났지만 전체적으로 유사한 비제거속도를 보였다.
- 결론적으로 포괄고정화 담체를 이용하여 호기성 상태에서 생물학적으로 처리한 결과 염색폐수의 난분해성 유기물질 제거에 효과적임을 알 수 있었고, 유동상 반응기는 기존 활성 슬러지 공정을 대신하거나 병행해서 적용할 때 효과적인 유기물질 처리공정이 될 것으로 판단된다.
- 원수(EQ)를 유입수로 사용한 경우 유입수 평균 NBDCOD&농도 374 mgL에 대해 HRT 18 hr인 경우 170 mg/L(제거율 55%), HRT 8 hr인 경우 209 mgL(제거율 44%)로 나타내었다. 반응기내 MLVSS 800 mg/L 정도의 부유미생물이 담체와 공존함으로서 분해가 쉬운 BOD 성분이 부유미생물에 의해 쉽게 제거됨으로서 높은 유기물농도의 원수(EQ)를 사용한 경우에도 난분 해성 유기물질이 효과적으로 처리된 것으로 판단된다.
- 또한 담체의 압축강도 변화와 담체내부로의 확산계수를 조사한 결과를 Table 5에 나타내었다. 시간이 경과됨에 따른 확산 계수를 보면 3.15x10-9 m2/s에서 1.10×10-9 m2/s로 확산이 다소 느려진 후 일정한 값을 보여주고 있음을 알 수 있었다. 이 같은 결과는 일정기간 동안 종 선택이 이루어지고 담체내 미생물의 증식이 이루어진 후 자기소화를 통해 담체내 미생물의 양이 균형을 이루기 때문인 것으로 판단된다.
- 약 60일간의 모니터링 결과 담체에 의해 처리된 SCOD& 농도는 염색폐수에 한달간 적응시킨 미생물을 고정화한 경우 4士8%의 제거효율을, 적웅되지 않은 활성슬러지를 고정화한 경우 38±8%의 제거효율을 나타내었다.
- 염색폐수에 적응시킨 활성슬러지를 포괄고정화한 담체(ACP)와 적응되지 않은 활성슬러지를 포괄고정화한 담체(UCP)를 이용하여 염색폐수의 유기물질 제거효율을 비교하였을 때 (Fig. 4), 운전 초기 합성된 PEG 자체에서 나온 화학물질들에 의해 발생된 유기물질들과 미생물을 PEG 담체에 고정화시킨 후 사멸된 미생물에 의해 유발된 것으로 판단되는 유기물질들에 의해 상당히 높은 SCODcr 농도가 검출되었다. 그러나 약 10일 정도 경과된 이후부터 반응기 모두에서 약 200 mg/L 의 SCODcr 농도를 보여주고 있다.
- 슬러지 종류에 따른 유기물 제거속도는 각각 2개의 변곡 점을 중심으로 각 phase별 미생물 당 유기물 제거속도를 산 정하였다. 우선 전체적으로 phase I에서 유기물 제거속도가 가장 빠르게 나타나고 phase Ⅱ, Ⅲ에서 느려지는 경향을 나타내었는데, 이는 초기 phase I에서 유입수에 남아있는 어느 정도 분해가 쉬운 유기물질이 빠르게 제거되다가 phase Ⅱ, Ⅲ에서는 분해속도가 느린 분해성 유기물질과 제거하기 어려운 난분해성 물질이 서서히 제거된 것으로 보인다. phase I, II에서 공장계열 활성슬러지(IS)의 제거속도가 가정하수계열 활성슬러지(AS)보다 약간 빠르게 나타났지만 전체적으로 유사한 비제거속도를 보였다.
- 운전시작 후 70일째에 운전조건을 변경하여 FBR2에는 생물학적 처리전의 균질조 유출수(EQ)를 유입수로 사용하였는데 HRT 18 hr인 경우에 유출수 평균 SCODo 175 m&L(제 거율 77%)의 제거효율을 나타내었고, HRT 8 hr인 경우 234 mg/L제거율 69%)로 조건변화 후 10일 정도 급격히 증가하 였으나 그 이후로는 210 mg/L 정도의 안정적인 처리농도를 나타내는 경향을 보였다.
- 유동상 반응기에 충진되어 사용된 담체의 표면상태을 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였을 때(Fig. 9) 합성초기 담체의 경우 내부에 많은 주름이 존재함으로써 원활한 산소공급 및 미생물의 증식이 잘 이루어질 수 있는 조건을 갖추고 있는 것을 알 수 있었다.
- 유입수의 평균 SCODcr 342 mg/L에 대해 담체를 20% 충진한 경우에 배출수 평균 SCOD0 193 mg/L(제거율 42%)이었으며, 40% 충진한 경우 179 mg/L(제거율 46%)로 나타났다. 충진율을 2배로 하여 biomass의 차이를 주었음에도 유 기물의 제거효율에 큰 증가가 관찰되지 않아 미생물량이 아 무리 많아도 난분해성 물질을 많이 포함한 기질의 경우 생물 학적 분해에 한계가 있는 것으로 판단되었다.
- Table 4는 HRT 변화에 따른 유입, 유출수의 항목별 평균 농도를 나타낸 것이다. 이와 같은 결과로 유동상 반응기에서 HRT 12 hr이 유기물 제거효율과 배출허용기준을 고려할 때 안정된 효율을 얻을 수 있는 최소 체류시간으로 판단되었다. 또한, 균질조 유출수를 처리한 FBR2의 결과와 기존 생물학 적 처리수 농도(SCODg 350 mg/L)를 비교한 결과 유동상 반응기가 활성슬러지 공정 등의 생물학적 처리공정을 대신하여 사용될 경우 BOD제거는 물론 난분해성 유기물 제거에 효과적인 공정으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 약 10일 정도 경과된 이후부터 반응기 모두에서 약 200 mg/L 의 SCODcr 농도를 보여주고 있다. 초기 안정화 단계를 거친후 약 3주간의 SCOD&의 평균농도는 ACP의 경우 234 mg/L, UCP는 216 mgL로 나타나 염색폐수에 적응시킨 미생물을 고정화한 담체가 약간 높은 제거효율을 보여주었으나, 20일 이후에는 사전 적응 여부에 관계없이 SCODcr 농도 195 mg/L 의 안정적인 처리수질을 나타내었다.
- 유입수의 평균 SCODcr 342 mg/L에 대해 담체를 20% 충진한 경우에 배출수 평균 SCOD0 193 mg/L(제거율 42%)이었으며, 40% 충진한 경우 179 mg/L(제거율 46%)로 나타났다. 충진율을 2배로 하여 biomass의 차이를 주었음에도 유 기물의 제거효율에 큰 증가가 관찰되지 않아 미생물량이 아 무리 많아도 난분해성 물질을 많이 포함한 기질의 경우 생물 학적 분해에 한계가 있는 것으로 판단되었다.
- 한편 BODs의 경우 생물학적 처리수(PP)의 평균 BOD; 21 mg/L에 대해 운전조건에 상관없이 유출수 평균 BOD5 4 mg/L 로 나타났고, 원수(EQ)를 사용한 경우 유입수의 평균 BODS 260 mg/L에 대해 HRT 변화에 상관없이 처리수 평균 BOD5 8 mg/L(제거율 97%)의 제거효율을 나타내었다.
- 한편 난분해성 유기물질의 제거효율을 알아보기 위해 BODU 값을 고려해 보았을 때 생물학적 처리수(PP)를 유입수로 사용한 경우 유입수 평균 NBDCODc, 농도(CODcr-BODu) 316 mg/L에 대해 HRT 12-24 hr인 운전조건에서 47~50%의 NBDCOD&의 제거효율을 확인할 수 있었다. 그러나 HRT 6 hr인 경우 185 mg/L(제거율 41%)를 나타내었다.
후속연구
- 이와 같은 결과로 유동상 반응기에서 HRT 12 hr이 유기물 제거효율과 배출허용기준을 고려할 때 안정된 효율을 얻을 수 있는 최소 체류시간으로 판단되었다. 또한, 균질조 유출수를 처리한 FBR2의 결과와 기존 생물학 적 처리수 농도(SCODg 350 mg/L)를 비교한 결과 유동상 반응기가 활성슬러지 공정 등의 생물학적 처리공정을 대신하여 사용될 경우 BOD제거는 물론 난분해성 유기물 제거에 효과적인 공정으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
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