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문제 정의
- 본 연구에서는 Ekama 등에 의해 제시된 기질의 유입에 따른 미생물의 산소 섭취량을 측정하여 기질의 생분해도를 평가하였다. 실험에 사용된 장치는 (주)엔바이론소프트의 호흡율 측정기(Autoload & Biotox)를 이용하였고 Fig 4에 나타내었다.
- 본 연구에서는 S하수처리장의 부족한 탄소원을 보충할 물질로 대상물질인 TPA(terephthalic acid) 생산부산물의 대체탄소원으로서의 적용성을 평가하기 위해 탈질능 비교 실험과 생분해성 검토를 수행하였고, TPA 생산부산물의 현장 적용을 통해 영양염류 제거효율과 방류수질을 평가하였다.
- 본 연구에서는 s하수처리장의 질소제거를 위해 부족한 탄소원을 보충, 대체할 수 있는 탄소원인 TPA 생산부산물을 평가하였다. 탈질능 비교 실험과 생분해성 검토를 수행하고 실제 처리장에 적용한 결과 TPA 생산부산물이 빠른 순응 기간과 높은 생분해성을 가지고 있고 현장 적용시에도 안정적인 유출수를 얻을 수 있어 대체탄소원으로 적합하다고 판단되었다.
- 제조공정에서 아세트산은 TPA의 용매로 사용되는데 부산물 중의 대부분의 TPA 및 IPA는 침전에 의해 제거된다. 본 연구에서는 상용 외부탄소원으로 사용되고 우수한 탈질능을 가진 아세트산(acetic acid) 이 함유된 TPA 생산부산물의 상등액을 대체탄소원으로 이용하고자 하였다. Anette 등4)은 충진층 생물막 반응기의 탈질공정에서 아세트산을 탄소원으로 적용하여 최대 탈질율 2.
제안 방법
- 3). Lab-scale MLE 공정의 유입수는 탄소원으로 TPA 생산부산물과 대조군으로 메탄올을 사용하여 CODcr 농도 130-150 mg/L로 조정하였고 NHK1, Na2HPO4 · 12H2O를 이용하여 NH4+-N과 PO43--P농도가 각각 30 mg/L, 1 mg/L가되 도록 주입하였다. 운전조건은 Table 3에 정리하였다.
- 7범위로 유지하였다. NUR 실험이 진행되는 동안 초기 20분 이내에는 5분 간격으로 그 이후에는 10~30분 간격으로 3~4시간 동안 SCODc, NO3--N농도를 측정하였다.
- 짧고 비탈질율이 높다고 확인되어 S하수처리장에 탈질을 위한 대체탄소원으로 적용하였다. TPA 생산 부산물에 대한 미생물의 순응이 충분히 되었다고 판단되는 순응 후 15일의, 하수처리장 슬러지를 이용하여 호흡율 실험을 수행하였다(Step 3). OUR 분석을 통해 TPA 생산부산물의 RBDCOD 분율은 99.
- TPA 생산 부산물의 특성평가는 생분해도 평가와 순응기간에 따른 NUR 실험을 통해 수행되었다. TPA 생산 부산물의 순응을 위해 운전된 실험실 규모 MLE 반응기의 순응 7일째의 슬러지를 이용한 생분해도 실험에서 구해진 RBDCOD 비는 91.
- TPA 생산 부산물의 특성평가를 통해 메탄올과 비교해서 순응 기간이 짧고 비탈질율이 높다고 확인되어 S하수처리장에 탈질을 위한 대체탄소원으로 적용하였다. TPA 생산 부산물에 대한 미생물의 순응이 충분히 되었다고 판단되는 순응 후 15일의, 하수처리장 슬러지를 이용하여 호흡율 실험을 수행하였다(Step 3).
- 평가를 수행하여, 실제 하수처리장 운전시의 생분해도, 탈질 지표를 제시하고자 했다. TPA 생산부산물 현장적용 평가 시 S하수처리장의 운전 조건은 Table 3과 같고 유입수, 탈질조(무산소조), 질산화조(호기조), 2차참전조, 방류수에서 BODs, CODmin, T-N, NH;-N, NO3'-N, NO2'-N, T-P, pH를 측정하였다. 각 항목의 측정은 수질오염공정시험 방법에 따라 실시되었다.
- 이용해 수행하였다. 기질과 슬러지 혼합액의 총 부피는 3 L로 조절하였고, Step 2에서는 TPA 생산부산물에 요구되는 순응기간을 확인하기 위해서 운전 0일, 3일, 7일째의슬러지를 이용하여 실험이 수행되었으며 Step 3에서는 하수처리장에 TPA 생산부산물을 적용한 15일 후의 슬러지를 이용하여 수행하였다. Table 5는 각 NUR 평가에서 적용된 초기조건을 나타내었다.
- 두 번째 단계 (Step 2)에서는 TPA 생산부산물에 대한 슬러지 순응을 위해 실험실 규모 MLE 반응기 2기를 10일간 운전하였고, 또한 TPA 생산부산물의 생분해성과 탈질능을 평가하기 위해 실험실 규모 MLE 반응기의 슬러지를 이용하여 NUR, OUR 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 실험실 규모 MLE 반응기는 총 용적 28 L(5.
- 모든 OUR 실험에서 질산화에 의한 DO 소비 방지를 위해 질산화 저해제인 ATU(Allythiourea)를 9 mg/L가 되도록 예비폭기조에 주입하였다. 호흡실에 유입되는 혼합액의 DO를 60초 동안 측정한 후 solenoid valve 흐름이 전환되고 다시 60초간 호흡실에서 유출되는 혼합액의 DO 측정 절차를 반복한다.
- 세 번째 단계 (Step 3)에서는 TPA 생산부산물의 현장적용 가능성을 평가하고자 S하수처리장 공정에 TPA 부산물을 대체외부탄소원으로 주입하면서 처리수의 협의수질 준수 여부를 관찰하였으며, 현장적용 중의 활성슬러지를 이용하여 NUR, OUR 평가를 수행하여, 실제 하수처리장 운전시의 생분해도, 탈질 지표를 제시하고자 했다. TPA 생산부산물 현장적용 평가 시 S하수처리장의 운전 조건은 Table 3과 같고 유입수, 탈질조(무산소조), 질산화조(호기조), 2차참전조, 방류수에서 BODs, CODmin, T-N, NH;-N, NO3'-N, NO2'-N, T-P, pH를 측정하였다.
- 순응기간에 따른 기질의 탈질율을 측정하기 위한 NUR 평가는 유효용적이 5 L이며 교반기와 송풍기를 장착된 회분식 반응기를 이용해 수행하였다. 기질과 슬러지 혼합액의 총 부피는 3 L로 조절하였고, Step 2에서는 TPA 생산부산물에 요구되는 순응기간을 확인하기 위해서 운전 0일, 3일, 7일째의슬러지를 이용하여 실험이 수행되었으며 Step 3에서는 하수처리장에 TPA 생산부산물을 적용한 15일 후의 슬러지를 이용하여 수행하였다.
- 이용하였다. 채취된 활성슬러지는 잔존 유기물 제거를 위해 예비 폭기조에서 L5시간 이상 폭기시켜 사용하였고, 기질 투입 전 OUR 연속측정에 의해 잔존 유기물 유무를 확인하였다. Table 4 에는 본 연구에서 행해진 OUR 측정 실험에서 주입된 기질과 슬러지의 특성을 정리하였다.
- 첫 번째 단계(Step 1)에서는 S하수처리장 유입수의 특성을 평가하기 위해 일반 수질항목(BODs, CODmh, T-N, T-P) 분석과 유입수 내 포함된 탄소원의 생분해도를 측정을 위한 OUR 실험을 수행하였다.
- 생분해도 측정대상 기질은 S하수처리장 유입수와 초산계 부산물이었고, 대상 기질은 모두 GFC 필터를 통해 걸러 사용하였다. 호흡율 실험에서 중요한 실험조건인 기질 대 미생물비는 기초 실험을 통해 0.75- 0.154 gSCODcr/gMLVSS로 하여 실험하였다.
대상 데이터
- Step 1, Step 3의 OUR 실험에 사용된 슬러지는 MLE 공정으로 전환된 S하수처리장 호기조 활성슬러지를 이용하였고, Step 2에서는 실험실 규모 반응기의 슬러지를 이용하였다. 채취된 활성슬러지는 잔존 유기물 제거를 위해 예비 폭기조에서 L5시간 이상 폭기시켜 사용하였고, 기질 투입 전 OUR 연속측정에 의해 잔존 유기물 유무를 확인하였다.
- 본 연구에 사용된 TPA 생산 부산물의 영양염류 농도는 CODcr, NHj-N, PO43--P가 각각 59, 000±8, 900 mg/L, 2.0 mg/L, 0.43 mg/L였고 상세한 특징은 Table 1에 나타내었다. TPA 생산 부산물은 C/N 비가 14, 000 이상이고 NH/-N 농도도 5 mg/L 이하여서 Choi 등의 연구'에서 보고한 대체탄소원 후보물질로서의 조건 C/N 비 10 이상을 잘 만족하였고 공정부산물 주입에 의한 질소성분의 증가 혹은 자체 질소 제거에 대한 탄소원 손실효과는 거의 없다고 판단되었다.
- OUR 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 실험실 규모 MLE 반응기는 총 용적 28 L(5.6 L × 5)의 크기 였으며, 무산소조 두 단과 뒤이은 호기조 세 단으로 구성되었다 (Fig. 3). Lab-scale MLE 공정의 유입수는 탄소원으로 TPA 생산부산물과 대조군으로 메탄올을 사용하여 CODcr 농도 130-150 mg/L로 조정하였고 NHK1, Na2HPO4 · 12H2O를 이용하여 NH4+-N과 PO43--P농도가 각각 30 mg/L, 1 mg/L가되 도록 주입하였다.
- Table 4 에는 본 연구에서 행해진 OUR 측정 실험에서 주입된 기질과 슬러지의 특성을 정리하였다. 생분해도 측정대상 기질은 S하수처리장 유입수와 초산계 부산물이었고, 대상 기질은 모두 GFC 필터를 통해 걸러 사용하였다. 호흡율 실험에서 중요한 실험조건인 기질 대 미생물비는 기초 실험을 통해 0.
- 실험에 사용된 장치는 (주)엔바이론소프트의 호흡율 측정기(Autoload & Biotox)를 이용하였고 Fig 4에 나타내었다. 호흡율 측정장치는 예비폭기조, 호흡실, DO-meter 로 구성되어 있고, 호흡실 유입유량은 0.
데이터처리
- 호흡실에 유입되는 혼합액의 DO를 60초 동안 측정한 후 solenoid valve 흐름이 전환되고 다시 60초간 호흡실에서 유출되는 혼합액의 DO 측정 절차를 반복한다. DO는 2초 간격으로 측정되지만 밸브전환직전 10초 동안의 DO를 평균하여 OUR계산에 사용하였다.
이론/모형
- TPA 생산부산물 현장적용 평가 시 S하수처리장의 운전 조건은 Table 3과 같고 유입수, 탈질조(무산소조), 질산화조(호기조), 2차참전조, 방류수에서 BODs, CODmin, T-N, NH;-N, NO3'-N, NO2'-N, T-P, pH를 측정하였다. 각 항목의 측정은 수질오염공정시험 방법에 따라 실시되었다.
- 또한 구성 유기물질에 대한 정성분석을 GC mass를 이용한 head space법에 의거 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 1에 도시하였다. 유기물질의 대부분은 아세트산으로 나타났으며 기타 유기물은 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
- 유기물질의 대부분은 아세트산으로 나타났으며 기타 유기물은 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 아세트산 함량은 4.7 ±0.5%로 KS M 1943 2002의 절차에 따라 정량되었다(Table 1 참고).
성능/효과
- 1) S 하수처리장의 유입수 탄소원 증 RBDCOD 분율이 10% 보다 낮아 탈질에 요구되는 탄소원이 요구되는 것을 확인하였다.
- 2) NUR 실험 결과로부터 TPA 생산부산물은 메탄올에 비해 빠른 순응속도를 나타내었다. TPA 생산부산물의 비탈질율은 8.
- 또한 메탄올과 상호호환성이 있는 보습코팅제 부산물의 미생물의 순응 호환성을 검증하여 J하수처리장에서 기존에 사용하던 외부탄소원인 메탄올을 보습코팅제 부산물로 대체 적용하는데도 성공하였다.2) 이러한 부산물을 활용한 대체탄소원의 적용은 별도 처리되어야 할 부산물과 하폐수 처리시 요구되는 이중의 처리 비용부담을 해결할 수 있고, 상용 외부탄소원의 높은 가격 대신 실비 수준의 탄소원을 공급받을 수 있다는 장점이 있다. 하지만 부산물을 활용한 대체탄소원은 선정과정에서 독성물질의 함유여부, 탄소원의 생분해성과 탈질 탄소원으로써 탈질 효율 등에 대한 연구가 선행되어야 한다.
- 70 gCODc/gNO3--N으로 나타났다.3) S하수처리장 활성슬러지를 이용한 OUR 실험에서 TPA 생산부산물의 RBDCOD 평균 분율은 99.4%로 우수한 생분해성을 보였다.
- 4) 탈질에 요구되는 탄소원으로 TPA 생산부산물을 S 하수처리장 유입수 대비 300 : 1 부피비로 주입하여 탈질조 NOj-N 기준 82%의 높은 제거효율을 나타내어 유줄 NO3--N 농도는 0.82 mg/L로 아주 낮았고 T-N 제거율 63%, 평균 유출수 농도 8.2 mgN/L의 안정적인 영양염류 제거가 확인되었다.
- 7은 TPA 생산부산물을 대체외부탄소원으로 적용하여 운전한 2005년 9월~11월까지의 S하수처리장의 유입수와 유출수의 영양염류 농도와 협의 수질을 나타내었다. BODs의 경우 제거효율 97%에 평균 유출 농도 1.7 mg/L, CODmin의 경우 제거효율 75%, 평균 유출 농도 10.9 mg/L로서 탄소 원의 제거가 활발히 일어나는 것을 확인할 수 있었다. T-N의 경우에도 TPA 생산부산물의 외부탄소원 주입에 의해 63%가 제거되었고 평균 유출 농도 8.
- TPA 생산 부산물에 대한 미생물의 순응이 충분히 되었다고 판단되는 순응 후 15일의, 하수처리장 슬러지를 이용하여 호흡율 실험을 수행하였다(Step 3). OUR 분석을 통해 TPA 생산부산물의 RBDCOD 분율은 99.4%로 측정되었으며 이는 TPA 생산부산물의 유기물이 생분해성이 매우 우수하다고 판단되었다 (Table 7). TPA 생산부산물을 대체탄소원으로 적용하였을경우 TPA 생산부산물 COD&의 0.
- S하수처리장의 유입수 BOD5, CODmin, T-N 농도는 각각 평균 84.2 mg/L, 65.0 mg/L, 28.3 mg/L로 생물학적인 질소 제거공정에서 안정적인 질소제거에 요구되는 COD/N비(4~5)에미치지 못했으며, 처리수의 평균 T-N 농도도 22.9 mg/L로 높았다. 따라서 S하수처리장에 요구되는 목표 수질 농도인 T-N 10 mg/L로 처리하기 위해 탈질에 요구되어지는 부족한 탄소원 보충을 위해서는 외부탄소원 사용이 반드시 요구되었다.
- 43 mg/L였고 상세한 특징은 Table 1에 나타내었다. TPA 생산 부산물은 C/N 비가 14, 000 이상이고 NH/-N 농도도 5 mg/L 이하여서 Choi 등의 연구'에서 보고한 대체탄소원 후보물질로서의 조건 C/N 비 10 이상을 잘 만족하였고 공정부산물 주입에 의한 질소성분의 증가 혹은 자체 질소 제거에 대한 탄소원 손실효과는 거의 없다고 판단되었다.
- 따른 NUR 실험을 통해 수행되었다. TPA 생산 부산물의 순응을 위해 운전된 실험실 규모 MLE 반응기의 순응 7일째의 슬러지를 이용한 생분해도 실험에서 구해진 RBDCOD 비는 91.0%로 나타났고 짧은 순응기간에도 불구하고 높은 생분해성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다(Table 7).
- 4%로 측정되었으며 이는 TPA 생산부산물의 유기물이 생분해성이 매우 우수하다고 판단되었다 (Table 7). TPA 생산부산물을 대체탄소원으로 적용하였을경우 TPA 생산부산물 COD&의 0.6%만이 유출수의 COD를 증가시키는 요인으로 작용하는 난분해성 물질로서 TPA 생산부산물의 대체탄소원 적용에 의해 COD 증가가 거의 발생하지 않는다는 것을 나타낸다.
- 빠른 순응속도를 나타내었다. TPA 생산부산물의 비탈질율은 8.24 mgNOj-N/gVSS/hr였고 단위 질산염 제거에 필요한 COD 요구량은 3.70 gCODc/gNO3--N으로 나타났다.3) S하수처리장 활성슬러지를 이용한 OUR 실험에서 TPA 생산부산물의 RBDCOD 평균 분율은 99.
- 정인철 등(2004)의 연구에 의하면 S하수처리장 인근의 N하수처리장은 2003년까지메 탄올을 외 부탄소원으로 적 용하였으나 향신료 생산 부산물을 정제한 대체탄소원을 성공적으로 적용하여 안정된 질소 제거는 물론 경제적인 성과1)를 보고하였다. 또한 메탄올과 상호호환성이 있는 보습코팅제 부산물의 미생물의 순응 호환성을 검증하여 J하수처리장에서 기존에 사용하던 외부탄소원인 메탄올을 보습코팅제 부산물로 대체 적용하는데도 성공하였다.2) 이러한 부산물을 활용한 대체탄소원의 적용은 별도 처리되어야 할 부산물과 하폐수 처리시 요구되는 이중의 처리 비용부담을 해결할 수 있고, 상용 외부탄소원의 높은 가격 대신 실비 수준의 탄소원을 공급받을 수 있다는 장점이 있다.
- 2 mg/L로 나타났다. 산화조(호기조)에서 질산화율은 NHZ-N을 기준으로 94%, 탈질조의 탈질율은 탈질조(무산소조)에서 NO3--N기준 82%였고 탈질조유출 NOj-N 농도는 0.82 mg/L로 아주 낮았다. T-P 의 경우 74%의 제거효율을 나타내고 평균 유출 농도가 0.
- 생물학적으로 분해가능한 RBDCOD 함량이 99.4%로 아주 높았고 탈질에 요구되는 COD는 3.70 gCODCr/gNO3, 비탈질율은 8.24 mg /gNO3--N/gVSS/hr로 외부탄소원으로 사용하는데 적합하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 은 순응기간에 따른 비탈질율(specific denitrification rate)이 도시되었다. 순응 0일째 TPA 생산부산물은 2.49 mg /gNO3--N/gVSS/h의 낮은 비탈질율을 나타내었으나 순응이 될수록 높은 값을 나타내어 순응 7일에는 8.25 mg /gNO3--N/gVSS/h로 증가했다. 메탄올을 탄소원으로 이용한 것은 순응 0일째 0.
- 3333px;">10)의 경우에는 기질에 대한 순응이 되지 않아 낮은 탈질율을 나타낸 것으로 판단되고, TPA 생산부산물의 경우에는 순응에 따라 탈질율 증가되었으며 메탄올에 비해 높은 탈질율을 나타내었다. 순응기간에 따른 탈질 실험을 통해 TPA 생산부산물이 메탄올에 비해 탈질 탄소원으로 빠르게 순응된다는 것을 알 수 있으며, 탈질 성능에서도 우수함이 증명되었다.
- 85 mg /gNO3--N/gVSS/h로 TPA 생산부산물에 비해 낮은 비탈질 속도를 보였다. 이러한 결과는 TPA 생산부산물을 외부탄소원으로 사용하였을 때 순응기간이 짧아 빠른기간 내에 원하는 탈질 성능을 나타낼 수 있다는 것을 나타낸다. 순응기간이 긴 메탄올 인접한 N하수처리장 유입수에 대해 수행한 OUR 실험에 의해 측정된 RBDCOD 함량 74.8%과 비교하였을 때 아주 낮은 값인 것을 확인할 수 있었다. 이것은 s 하수 처리장의 특성으로서 인근 산업체에서 처리공정을 거친 처리수가 다량 포함되어 유입되므로 생물학적으로 사용 가능한 유기물 농도가 낮은 것으로 판단되었다.
- 탈질능 비교 실험과 생분해성 검토를 수행하고 실제 처리장에 적용한 결과 TPA 생산부산물이 빠른 순응 기간과 높은 생분해성을 가지고 있고 현장 적용시에도 안정적인 유출수를 얻을 수 있어 대체탄소원으로 적합하다고 판단되었다. 본 연구를 통해 얻어진 결과들을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 표에서 확인할 수 있듯이 TPA 생산부산물의 중금속 함량 분석 결과 미생물에 큰 독성을 가지는 6가지 중금속들은 검출되지 않았으며, Fe, Zn, Cu가 미량 검출되었으나 검출된 중금속의 농도는 S하수처리장의 수질환경보전법의 오염물 배출 지역인 '나' 지역의 방류 기준보다 낮았다. 이런 측정결과에 의해 TPA 생산부산물의 대체탄소원 적용 시 중금속에 의한 미생물 독성에 의한 문제는 없는 수준인 것으로 조사되었다.
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