[논문]Microthrix parvicella에 의한 슬러지 벌킹과 거품문제 해결

강민기; 김영철; 방성호; 이진우; 하준수

Microthrix parvicella에 의한 슬러지 벌킹과 거품문제 해결
Control of Bulking and Foaming Caused by Microthrix parvicella 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.28 no.4, 2006년, pp.376 - 383

강민기 (한서대학교 환경공학과) , 김영철 (한서대학교 환경공학과) , 방성호 (한서대학교 생물학과) , 이진우 (도화종합기술공사) , 하준수 ((주) 그린텍 환경)

초록
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본 연구는 고도처리시설에서 발생하는 벌킹과 거품문제를 해결하기 위하여 착수하였다. 현장조사결과 $SV_{30}$값은 90%, SVI 값은 300 mL/g 이상을 보여 심각한 벌킹문제와 함께 거품문제를 겪고 있었다. 하수처리장에서 벌킹과 거품문제를 야기하는 사상체를 형태적 특성과 염색반응을 통하여 조사한 결과 그 동안 우리나라에서 보고 된 적이 없는 Microthrix parvicella와 type 0092로 동정되었고 슬러지내 사상체의 밀도로 볼 때 M. parvicella가 벌킹과 거품의 원인 사상체이었다. 문제해결을 위해 연구대상 하수처리장의 공정과 관련 인자를 면밀히 조사한 결과 슬러지 처리시설의 용량과 성능에 문제가 있는 것으로 나타났다. 탈수용량의 부족으로 인해 운전 SRT를 높게 가져갈 수밖에 없는 상황이었으며 특히 낮은 슬러지 회수율은 다량의 원인 사상체를 재순환시켜 공정내에 축적 증식시켜 문제를 더욱 악화시키는 것으로 밝혀졌다. 탈수기 용량을 확충하고 성능을 개선시킨 결과 운전 SRT를 크게 감소시킬 수 있었으며, 그 결과 SVI 값은 이전의 절반 내외로 크게 줄어 침전성이 크게 향상되었다. 아울러 벌킹제어결과 2차 침전지에서 슬러지 블랑킷 깊이도 안정되었고 그 농도도 크게 증가하였다. 그러나 M. parvicella의 증식완화는 처리수의 인 농도 상승을 가져왔다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was undertaken to control sludge bulking and foaming problems at the biological nutrient removal processes. A sewage treatment plant(STP) had a severe sludge settling problem usually over 90% in 30 min settled sludge volume and 300 mL/g in SVI and also thick and heavy brown foam in the secondary clarifiers. Identification study shows that causative filament was Microthrix parvicella which has not been previously reported in Korea. According to the inspection of processes and other related parameters, excessive growth of this particular filament was associated with high SRT caused by lack of proper capacity in sludge treatment line. After providing an extension of the sludge treatment capability, the plant can decrease SRT by wasting more sludge from the processes and also decreasing SS concentration in recycled stream. Subsequently we were able to control growth of M. parvicella. The SVI value was reduced to half of those observed during the severe bulking, but also sludge blanket and its concentration in the clarifier became compact and dense. However, decrease in population of M. parvicella caused increase of total phosphorus concentration in the effluent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

아직까지는 국내에서 자세히 조사. 보고된 사례는 거의 없지만 고도처리공정이 건설되어 본격적으로 운영되는 과정에서 이러한 생물학적인 벌킹과 거품과 관련된 운전 문제가 발생될 것으로 사료되어, 관련된 문제의 원인과 해소 과정에 관련된 영향요소들을 중심으로 연구를 수행하였다.
본 연구는 고도처리공정이 적용된 도시 하수처리장의 2차 침전지에서 발생되고 있는 침전성 문제를 해결하는 과정에서 시작되었다. 아직까지는 국내에서 자세히 조사.

가설 설정

정부는 2005부터 팔당지역 및 4대강 수계의 하수처리장 방류수 수질기준이 크게 강화됨에 따라 오는 2015년까지 고도처리시설 181개소를 확충키로 했다.13) 고도처리공정에서는 질산화 미생물의 확보를 위해서 슬러지 체류시간(SRT)이 기존의 표준 활성 슬러지공정에 비해 2배 이상 높은데 그 이유는 질산화 미생물의 증식속도가 일반 미생물에 비해 느리기 때문이다. 따라서 고도처리에서는 대부분의 기존 2차 처 리공정에 비해 운전 SRT가 길게 설계 .

제안 방법

SVI와 같은 일반 침전 특성인자와 함께 슬러지 침전성에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 총 사상성 미생물의 길이(TFL, total filament length)를 측정하였다.14) 길이는 광학현미경과 디지털카메라 이미지 분석을 통하여 조사하였다.
그리고 2차 침전지에서 슬러지 벌킹이 농축성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 슬러지 블랑킷 깊이와 농도를 측정하였다. 슬러지 블랑킷은 튜브형 슬러지 코아 채취기(integrated sludge core sampler)를 사용하였는데, 16) 슬러지 깊이 측정과 농도 측정을 위한 채수 지점은 장방형 침전지의 길이방향으로 5 m 간격으로 12개 지점에서 실시되었다.
또한, 벌킹과 거품에 관련된 생물학적 특성 고찰을 위해 생 물반응조의 MLSS와 2차 침전지 수표면에서 채취한 거품을 현미경 관찰과 염색반응을 수행하였다. 미생물의 길이, 두께, 형상, 가지여부, 격벽 등과 같은 형태학적 특징을 구분하고 Gram, Nessier 등의 염색반응을 통하여 사성성 미생물의 종을 고찰하였다.
또한, 벌킹과 거품에 관련된 생물학적 특성 고찰을 위해 생 물반응조의 MLSS와 2차 침전지 수표면에서 채취한 거품을 현미경 관찰과 염색반응을 수행하였다. 미생물의 길이, 두께, 형상, 가지여부, 격벽 등과 같은 형태학적 특징을 구분하고 Gram, Nessier 등의 염색반응을 통하여 사성성 미생물의 종을 고찰하였다.15)
그리고 2차 침전지에서 슬러지 벌킹이 농축성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 슬러지 블랑킷 깊이와 농도를 측정하였다. 슬러지 블랑킷은 튜브형 슬러지 코아 채취기(integrated sludge core sampler)를 사용하였는데, 16) 슬러지 깊이 측정과 농도 측정을 위한 채수 지점은 장방형 침전지의 길이방향으로 5 m 간격으로 12개 지점에서 실시되었다.
5 m내외로 줄어들었고 반송 슬러지 농도에 직접적으로 영향을 미치는 SBSS 농도는 5,000-8, 000 mg/L 에서 10, 000 mg/L 이상으로 증가하였다. 슬러지 블랑킷의 농축은 낮은 SBD를 유지토록 하여 수리학적 변동에 안정된 침전지 운전이 가능하도록 하였다.
슬러지의 일반적인 침전성을 평가하기 위하여 1 L 실린더에서 30분 침전 후의 침전지 슬러지 부피(SVw)와 30분 침전 후 1 g의 슬러지가 차지하는 부피(mL), 즉 SVI를 측정하였다.
parvicella에 의한 침전문제는 프랑스, 이탈리아 등 유럽 국가와 남아프리카의 하수처리장에서 우세한 사상체8)로 우리나라 하수처리장에서 보고 된 적이 없다. 연구대상 하수처리 장에서 발생된 문제해결을 위해 반류수를 비롯한 전체공정 을 면밀히 조사한 결과, 슬러지 탈수 처리공정에서 설계 기 준과 달리 탈수기의 성능과 탈수효율(탈수 cake 평균함수율 82%) 등에 관련된 영향이 주요인으로 분석되어 탈수용량 증설을 1차적인 개선방안으로 적용하였다. 이러한 탈수용량 의 부족은 슬러지 처리 공정 반류수의 SS 부하를 증대시켜 운전 SRT를 높게 가져갈 수밖에 없는 상황이었으며, 특히 낮은 고형물 회수율(성능)은 Fig.
1에 제시된 것처럼 변형된 A2O 공정계열의 고도처리시설로서 설계 . 운영되었으나, 2차 침전지에서 유출되는 높은 SS에 의한 수질문제가 지속적으로 발생되고 있어 관련된 원인분석이 수행되었다. 조사는 2005년 3월 11일부터 6월 15일까지 약 4 개월 동안 실시되었고, 조사 빈도는 사전 진단조사 2회를 포함하여 매주 방문조사(총 12회)를 실시하였다.
운영되었으나, 2차 침전지에서 유출되는 높은 SS에 의한 수질문제가 지속적으로 발생되고 있어 관련된 원인분석이 수행되었다. 조사는 2005년 3월 11일부터 6월 15일까지 약 4 개월 동안 실시되었고, 조사 빈도는 사전 진단조사 2회를 포함하여 매주 방문조사(총 12회)를 실시하였다.

데이터처리

14) 길이는 광학현미경과 디지털카메라 이미지 분석을 통하여 조사하였다. 이미지 분석 (x400)은 동일한 시료에 대해 10개 이상의 fields를 대상으로 Image Araiyzetii-soultion, Korea) 프로그램에 의해 실시되었다.

성능/효과

폐수처리장 가운데 2/3가 한 두 번은 이 문제를 겪은 것으로 조사되었다5) 문헌에 따르면 남아프리카 공화국에서는 하.폐수처리장의 40%6) 호주에서는 92%, 7) 프랑스에서는 6, 000개 활성슬러지 처리장 가운데 20%가 거품의 영향이 발생되었다고 한다.* 거품에 의해 발생되는 문제로는 2차 침전지 처리수와 함께 유출되어 SS와 BOD 증가의 원인이 될 수 있으며, 여름철 냄새문제 야기 가능성, 그리고 원인 미생물에 의한 작업자의 안전 및 감염 가능성 등으로 구분 할 수 있다.
A 하수처리장에서 슬러지 벌킹과 거품문제를 야기하는 사상체를 USEPA와 Eikelboom 등에 의한 사상균의 분류학적 기준에 따라 형태적 특징과 염색반응을 통하여 조사한 결과 Microthrix parvicella와 type 0092로 동정되었고(Table 3), 사상체의 밀도로 볼 때 이 미생물들이 벌킹과 거품의 주원인 사상체인 것으로 추정할 수 있었다.
2는 2005년 4월 7일 관측된 MLSS(a)와 거품(b)의 현미경(400배) 사진을 보여주고 있는데, 슬러지 벌킹과 거품의 원인이 동일한 사상체에 관련된 것을 알 수 있다. 동일한 슬러지와 거품 시료를 대상으로 1개월(4월) 동안에 대한 TFL 을 측정한 결과(Table 2)에 따르면 2차 침전지 거품에서 MLSS에 비해 약 50배 이상의 많은 사상체가 관측되었다.
6에 제시한 바와 같이 5월 이후 약 12일로 감소되었다. 또한, 탈수 용량의 증가는 처리공정 전단으로 재순환되는 반류수의 SS 농도도 감소시켰다(Table 4).
문제해결을 위해 연구대상 하수처리장의 공정과 관련된 인 자(수질 및 운전)를 조사한 결과 슬러지 처리시설의 용량과 성능에 문제가 있는 것으로 나타났다. 탈수용량의 부족은 운전 SRT를 높게 가져갈 수밖에 없는 상황을 유발하게 되었고, 특히 낮은 SS 회수율은 다량의 원인 사상체를 반류수의 형태로 재순환시켜 공정내에 축적 증식시켜 문제를 더욱 악화 시키는 것으로 추정되었다.
본 연구는 변형된 A2O계열 고도처리시설에서 발생하는 벌킹과 거품문제에 관한 것으로 연구초기에 대상 처리장의 SV30 값은 90%, SVI 값은 300 mL/g 이상을 보였고 생물 반응조 와 2차 침전지에 심각한 거품이 발생하였다. 연구대상 하수 처리장 채취한 슬러지와 거품에 대해 사상체의 형태적 특성과 염색반응을 통하여 조사한 결과 그동안 우리나라에서 보 고 된 적이 없는 M.
본 연구는 변형된 A2O계열 고도처리시설에서 발생하는 벌킹과 거품문제에 관한 것으로 연구초기에 대상 처리장의 SV30 값은 90%, SVI 값은 300 mL/g 이상을 보였고 생물 반응조 와 2차 침전지에 심각한 거품이 발생하였다. 연구대상 하수 처리장 채취한 슬러지와 거품에 대해 사상체의 형태적 특성과 염색반응을 통하여 조사한 결과 그동안 우리나라에서 보 고 된 적이 없는 M. parvicella와 type 0092로 동정되었고 슬러지내 사상체의 밀도로 볼 때 M parvicella가 벌킹과 거품의 원인 사상체로 판단되었다.
탈수기 용량을 확충하고 성능을 개선하여 운전 SRT가 크게 감소된 결과, 슬러지의 SV30과 SVI 값, 그리고 사상체의 개체수를 나타내는 TFL 값이 크게 감소하여 슬러지 침전성 이 크게 향상되었다. 이러한 사상체의 제어 효과로 인해, 2차 침전지에서 슬러지 블랑킷 깊이도 낮아졌고 그 농도도 크게 증가하였으며, 거품 발생량도 크게 감소하여 안정적인 침전지 운전이 가능하였다.
또한, 생물반응조와 2차 침전지에서는 다량의 거품을 포함한 스컴이 발생되고 있었으며, 특히 침전지 에서는 유효 침전부 전체를 덮을 만큼 넓게 발생되었다. 침전지 거품의 외관을 관찰한 결과 진한 갈색을 띠고 점성이 강하고 두터우며, 그 농도가 약 4% 정도로 매우 높았다.
탈수기 용량을 확충하고 성능을 개선하여 운전 SRT가 크게 감소된 결과, 슬러지의 SV30과 SVI 값, 그리고 사상체의 개체수를 나타내는 TFL 값이 크게 감소하여 슬러지 침전성 이 크게 향상되었다. 이러한 사상체의 제어 효과로 인해, 2차 침전지에서 슬러지 블랑킷 깊이도 낮아졌고 그 농도도 크게 증가하였으며, 거품 발생량도 크게 감소하여 안정적인 침전지 운전이 가능하였다.
문제해결을 위해 연구대상 하수처리장의 공정과 관련된 인 자(수질 및 운전)를 조사한 결과 슬러지 처리시설의 용량과 성능에 문제가 있는 것으로 나타났다. 탈수용량의 부족은 운전 SRT를 높게 가져갈 수밖에 없는 상황을 유발하게 되었고, 특히 낮은 SS 회수율은 다량의 원인 사상체를 반류수의 형태로 재순환시켜 공정내에 축적 증식시켜 문제를 더욱 악화 시키는 것으로 추정되었다.
9와 10에 따르면 슬러지 벌킹문제의 해결은 결국 2차 침전지에서 농축기능의 향상을 가져왔다. 평균 SBD 값은 2.0 m 수준에서 1.5 m내외로 줄어들었고 반송 슬러지 농도에 직접적으로 영향을 미치는 SBSS 농도는 5,000-8, 000 mg/L 에서 10, 000 mg/L 이상으로 증가하였다. 슬러지 블랑킷의 농축은 낮은 SBD를 유지토록 하여 수리학적 변동에 안정된 침전지 운전이 가능하도록 하였다.

후속연구

parvicella가 공정내에 성장 가능하고 정상적인 인 축적 metabolism을 수행하는 경우, kinetics 측면에서 일반 인 축적 미생물의 최대비성장속도(Umax)나 반포화상수(Ks)에 비해 낮은 사상균체의 특성상 높은 기질 친화도로 인해 낮은 F/M비 조건에서도 기질 uptake에 의한 인 제거 기작이 충분히 발휘 될 수 있어 그동안 의문시 되고 있던 국내의 낮은 RBD 기질 수준에서도 인 제거 현상이 발휘되고 있는 것에 대한 설명이 가능한 것으로 사료된다. 또 다른 측면에서 M. padceUa의 성장 기질이 SCVFA(short 사lain volatile fatty acid)가 아닌 long chain인 것을 고려(7)하면 영양소제거에 필요한 기질 공급을 위한 발효공정의 활용에 대한 재검토가 필요할 것으로 추정된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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