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문제 정의
- 본 연구에서는 하수슬러지(잉여슬러지 ) 가용화 방법으로서 기계적 처리를 적용하여, 잉여슬러지의 가용화가 호기성 소화에 의한 하수슬러지의 생분해도 향상, 즉 생물학적 감량화 효율에 미치는 영향의 평가를 통하여 향후 부각될 가능성이 높은 하수슬러지발생 원 저 감 (source control) 의 가능성을 검 토해 보고자 하였다.
제안 방법
- 가용화와 기질의 변화, HRT 등 각각의 운전조건변화에 따른 소화특성을 비교하기 위해 가용화시키지 않은 잉여슬러지를 사용한 호기성 반응조(AD)를 대조군으로 운전하였으며 , 가용화한 잉여슬러지를 사용한 호기성 반응조(PAD), 가용화 잉여슬러지에 생슬러지를 혼합한 호기성 반응조(PADM)로 구분하여 평가를 실시하였다. 또한, Table 4에 나타난 바와 같이 호기성 소화의 HRT는 10일과 20일의 경우로 나누어 운전하였다’
- Ball mill 에 의한 슬러지 가용화 평가지표는 Muller 등(1998)에 의해 제시 된 degree of disintegration 개 념을 적용하였으며, 해당하는 식을 식 (1)에 나타내었다. 가용화율은 현실적으로 가용화가 가능한 최대 SCOD 농도(SCODmQ와 기계적 처리에 의하여 증가된 SCOD 농도의 비율로써 평가하였으며. 호 기성 소화 시에는 잉여슬러지를 가용화도(DD(:od) 30%로 전처리하여 투입기질로 사용하였다.
- 1에 나타낸 바와 같이 아크릴을 이용하여 직경 20cm, 높이 35cm의 원통형 호기성 소화 조를 제작하여 사용하였고, 유입량과 유출량은 정량펌프를 이용하여 조정하였다. 또한, 온도와 pH는 호기성 소화의 최적조건(3(TC. pH7.5±0.5)으로 유지 하였으며 (Bernard and Gray, 1999), 동일한 조건인 네 개의 반응조를 제작하여 호기성 소화운전을 실시하였다.
- 본 연구에서는 ball mill (Attrition mill, Daehwa Co., Korea)을 이용하여 기계적 전처리를 실시하였으며, 사용된 ball mill의 사양 및 처리 조건은 Table 2와 같다. Ball mill 에 의한 슬러지 가용화 평가지표는 Muller 등(1998)에 의해 제시 된 degree of disintegration 개 념을 적용하였으며, 해당하는 식을 식 (1)에 나타내었다.
- 슬러지 가용화가 호기성 소화의 생분해도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 가용화 처리한 잉여슬러지와 가용화 처리를 하지 않은 잉여슬러지를 대상으로 연속식 호기성 소화를 실시하였으며, 반응시간에 따른 TSS, VSS 제거 효율의 변화를 Fig. 2에 나타내 었다.
- 연속식 호기성 소화시 유입 슬러지의 고형물 농도 (TS)는 기계적 처리와 호기성 소화에 가장 적합한 농도로 기초실험에서 정한 3%로 운전하였으며, 가용화 슬러지를 기질로 사용하는 호기성 소화의 경우 저류조 유입 전 기계적 전처리를 통한 가용화도를 30% 로 조절하여 투입하였다. 본 실험에 사용한 유입 슬러지의 성상 및 반응조 기본사양은 Table 3에 나타나 있다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 아크릴을 이용하여 직경 20cm, 높이 35cm의 원통형 호기성 소화 조를 제작하여 사용하였고, 유입량과 유출량은 정량펌프를 이용하여 조정하였다. 또한, 온도와 pH는 호기성 소화의 최적조건(3(TC.
- 본 연구에서는 B시 하수처리장의 원심농축 잉여슬러지와 생슬러지를 이용하였으며 , 그 특성은 Table 1 과 같다. 슬러지의 TS는 잉여슬러지와 생슬러지 모두 3%로 조절하였으며, VS는 TS 대비 각각 77%, 64%로 측정되었다.
- 가용화율은 현실적으로 가용화가 가능한 최대 SCOD 농도(SCODmQ와 기계적 처리에 의하여 증가된 SCOD 농도의 비율로써 평가하였으며. 호 기성 소화 시에는 잉여슬러지를 가용화도(DD(:od) 30%로 전처리하여 투입기질로 사용하였다.
데이터처리
- 슬러지의 가용화도를 평가하기 위한 지표인 COD 농도는 spectro-photometer(HS-3100, Humas, Korea) 을 사용하여 분석하였으며, TS. VS, TSS, VSS는 standard method 에 따라 분석하였다.
이론/모형
- , Korea)을 이용하여 기계적 전처리를 실시하였으며, 사용된 ball mill의 사양 및 처리 조건은 Table 2와 같다. Ball mill 에 의한 슬러지 가용화 평가지표는 Muller 등(1998)에 의해 제시 된 degree of disintegration 개 념을 적용하였으며, 해당하는 식을 식 (1)에 나타내었다. 가용화율은 현실적으로 가용화가 가능한 최대 SCOD 농도(SCODmQ와 기계적 처리에 의하여 증가된 SCOD 농도의 비율로써 평가하였으며.
- 사용하여 분석하였으며, TS. VS, TSS, VSS는 standard method 에 따라 분석하였다.
- 호기성 소화효율은 Ganczarczyk(1984)가 제시한 식 (2)와 같은 1차 생화학 반응식을 이용하여 각 조건별 반응 상수값(灯)을 구하여 이들을 서로 비교 및 평가하는 방식으로 진행되었다.
성능/효과
- 반응속도 상수인 kj 값을 비교한 결과, PAD에서의 kt는 TSS(kd(rs&)및 VSS(kdg) 대하여 각각 0.149 day"과 0, 194dayrr로 AD의 값들# 보다 TSS(kd(TSS)) 2배 , VSSOmvss)) 는 약 3배 높은 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 Table 5에 나타낸 각 호기성 반응조의 값의 비교에서도 알 수 있는데, TSSgass)) 및 VSS(kd(», ss) 값은 0.164day, 0.176dayr로 미생물 활성이 가장 높았으며, PADM의 TSS(kd(.rss)) 및 VSS(k«vss)) 값은 각각 O.lHday"1, 0.124dayT로 PAD 의값과 유사하게 측정되어 PADM 역시 높은 미생물 활성이 유지된 것을 알 수 있었다. 그러나 가용화 처리를 하지 않은 AD는 TSS(kdcrss)) 및 VSS(kvss)) 값이 0.
- 수 있었으며, 반응상수 k., 값을 비교한 결과 가용화 슬러지를 사용한 호기성 소화에서 약 2 ~3배 높은 값을 나타내, 미생물에 의한 고형물 분해가 활발히 일어남을 확인할 수 있었다.
- 1) 본 연구에서는 TS 3% 슬러지를 가용화 처리한 잉여 슬러지와 가용화하지 않은 잉여 슬러지를 기질로 주입하여 연속식 호기성 소화를 진행한 결과, 동일 HRT에서 가용화에 의해 고형물 제거효율이 약 2 배 증가하였으며. 이는 기계적 처리에 의해 세포벽이 파괴 되어 cell debris 용출과 floc의 size 가 감소에 따른 미생물의 생분해능이 향상되었기 때문으로 판단된다.
- 가용화 처리된 PAD와 가용화 처리를 하지 않은 AD의 TSS 제 거율은 각각 30%. 18%를 나타내 가용화 처리를 한 PAD가 약 2배 높은 TSS 처리효율을 보였다. 또한 VSS도 35%, 25% 내외의 제거율을 보여 가용화에 의해 PAD 에서 약 1.
- 2) 슬러지 가용화 방법은 호기성 소화의 HRT를 20일에서 10일로 감소시켜도 슬러지 감량화 효율을 유지하거나 가용화 하지 않은 호기성 소화 보다 더 높은 제거효율을 나타내 HRT변화에 덜 민감한 것을 알 수 있었으며, 반응상수 k., 값을 비교한 결과 가용화 슬러지를 사용한 호기성 소화에서 약 2 ~3배 높은 값을 나타내, 미생물에 의한 고형물 분해가 활발히 일어남을 확인할 수 있었다.
- 3) 슬러지 혼합에 따른 영향은 생슬러지와 가용화잉여슬러지를 혼합한 호기성 소화가 가용화 잉여슬러지만을 기질로 사용한 호기성소화 효율 보다 다소 낮게 나타나 생슬러지 혼합이 호기성 효율을 저하시키는 것으로 나타났다. 그러나 가용화처리를 하지 않은 호기성 소화와 비교한 결과, 약 2배 높은 고형물 제거효율을 나타내어 가용화가 생슬러지 혼합에 따른 급격한 처리효율 저하를 방지하고 안정적인 호기성 소화가 가능함을 알 수 있었다.
- 4) 가용화 방법을 호기성소화에 적용할 경우 미생물의 활성 및 분해효율을 증가시켜 운전조건 변화에 따른 효율저하를 줄일 수 있으며 기존 호기성소화 보다 안정적이고 더 높은 처리효율의 호기성 소화가 가능하여 소화조 용량을 대폭 감소시킬 것으로 판단된다. 이러한 결과는 가용화 호기성소화의 실제 현장적 769
- 3에는 호기성 소화과정에서 부유성 고형 물과 용존성 고형 물의 mass balance를 나타내었다. PAD 반 응조는 기계적 처리에 의해 TDS가 약 20% 증가하였으며 , 호기성소화 운전 중 TSS 및 TDS 소비가 AD 보다 약 1.5배 빠르게 진행된 것을 알 수 있다.
- 가용화 처리를 실시한 호기성 소화조(PADO, PADO)가 가용화 처리를 하지 않은 소화조(AEy, ADO) 보다 2~3배 높은 TSS 및 VSS 제거효율을 보였으며 , 가용화를 실시하지 않은 AD 반응조는 HRT 가 반으로 줄어듦에 따라 처리효율도 약 50%로 악화되었다. 그러나 가용화 처리를 한 PAD 반응조의 경우는 HRT가 반으로 줄었음에도 불구하고 TSS, VSS 제거효율이 각각 24% 및 28%로 HRT 20일의 약 80% 수준을 나타내어.
- 4에 나타내었다. 그 결과 TSS 및 VSS 제거효율은 가용화 처리를 한 PAD가 각각 27%, 30%로 가장 높았으며. 생슬러지를 혼합한 PADM의 처리효율은 PAD의 약 75% 수준으로 낮아짐을 알 수 있다.
- 것으로 나타났다. 그러나 가용화처리를 하지 않은 호기성 소화와 비교한 결과, 약 2배 높은 고형물 제거효율을 나타내어 가용화가 생슬러지 혼합에 따른 급격한 처리효율 저하를 방지하고 안정적인 호기성 소화가 가능함을 알 수 있었다.
- 사례는 거의 전무하였다. 그러나 본 연구를 통해 가용화처리가 호기성소화에 적용된 경우에도 처리효율의 급격한 증가와 HRT 변화에 따른 처 리 효율을 안정적으로 유지시키는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 기존 호기성소화의 문제점으로 지적된 운전조건 변화에 따른 효율저하를 줄여 기존 호 기성 소화 보다 안정적이고 높은 처리효율의 호기성 소화가 가능하며, 또한 기존보다 절반 수준의 HRT에서도 더 높은 처리효율이 가능할 것으로 판단된다.
- 그러나 생슬러지를 혼합한 PADM의 처리효율이 가용화시키지 않은 잉여슬러지를 유입수로 사용한 AD 보다 약 2배 높은 TSS 및 VSS 제거 효율을 나타내었다. 이는 HRT가 10일로 짧은 반응시간 동안 가용화 처리를 하지 않은 AD에서는 잉여슬러지 내 다량의 미생물 세포벽에 의해 고형물 분해가 힘들었던 반면, 가용화 잉여슬러지와 생슬러지를 혼합한 PADM 는 생슬러지 여액내에 존재하는 이분해성 물질과 잉여슬러지 가용화에 의해 세포벽 파괴로 용출된 이분해성 물질이 더해져 반응조 내 농도가 크게 증가되 었고 그로 인해 짧은 HRT에서도 미생물 기질소비 속도가 증가하여 높은 처리효율이 나타난 것으로 판단된다.
- 따라서 가용화 전처리를 실시한 호기성 소화가 현장에 적용될 경우 호기성 소화조 용량을 대폭 감소시키고, 짧은 HRT에서도 처리효율을 증대시켜 소화 설비의 compact화가 가능할 것으로 예상된다. 또한 처리효율 증대로 슬러지 인해 발생량을 기존 대비 약 60% 수준으로 대폭 저감시켜 슬러지 처리비용 대폭 절감이 가능할 것으로 예상된다.
- 18%를 나타내 가용화 처리를 한 PAD가 약 2배 높은 TSS 처리효율을 보였다. 또한 VSS도 35%, 25% 내외의 제거율을 보여 가용화에 의해 PAD 에서 약 1.5 배 높은 VSS 제 거율을 나타내었다.
- compact화가 가능할 것으로 예상된다. 또한 처리효율 증대로 슬러지 인해 발생량을 기존 대비 약 60% 수준으로 대폭 저감시켜 슬러지 처리비용 대폭 절감이 가능할 것으로 예상된다.
- 그 결과 TSS 및 VSS 제거효율은 가용화 처리를 한 PAD가 각각 27%, 30%로 가장 높았으며. 생슬러지를 혼합한 PADM의 처리효율은 PAD의 약 75% 수준으로 낮아짐을 알 수 있다. 이러한 결과가 얻어지는 이유는 Table 12] SCOD 결과(잉여슬러지 260mg/L, 생슬러지 2, 2OOmg/L)에서 알 수 있는 바와 같이 1차 침전지에서 발생되는 생슬러지에는 잉여슬러지에 비해 용존성 물질(SCOD)이 많이 포함되어 있으나, 생분해 도가 낮은 고형물이 다량 포함되어 있어 , 잉여슬러지에비해 휘발성 고형물(VS)의 비율이 낮은 특징이 있다.
- 같다. 슬러지의 TS는 잉여슬러지와 생슬러지 모두 3%로 조절하였으며, VS는 TS 대비 각각 77%, 64%로 측정되었다. 잉여슬러지에 포함된 유기물이생슬러지 보다 많은 점으로 보아 잉여슬러지가 생슬러지 보다 가용화에 유리할 것으로 예상된다.
- 이는 HRT가 10일로 짧은 반응시간 동안 가용화 처리를 하지 않은 AD에서는 잉여슬러지 내 다량의 미생물 세포벽에 의해 고형물 분해가 힘들었던 반면, 가용화 잉여슬러지와 생슬러지를 혼합한 PADM 는 생슬러지 여액내에 존재하는 이분해성 물질과 잉여슬러지 가용화에 의해 세포벽 파괴로 용출된 이분해성 물질이 더해져 반응조 내 농도가 크게 증가되 었고 그로 인해 짧은 HRT에서도 미생물 기질소비 속도가 증가하여 높은 처리효율이 나타난 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 기계적 처리 의한 미생물의 활성 및 기질 분해율이 증가함을 알 수 있으며 이로 인해 가용화가 적용된 호기성 소화에서 고형물 처리효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구를 통해 가용화처리가 호기성소화에 적용된 경우에도 처리효율의 급격한 증가와 HRT 변화에 따른 처 리 효율을 안정적으로 유지시키는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 기존 호기성소화의 문제점으로 지적된 운전조건 변화에 따른 효율저하를 줄여 기존 호 기성 소화 보다 안정적이고 높은 처리효율의 호기성 소화가 가능하며, 또한 기존보다 절반 수준의 HRT에서도 더 높은 처리효율이 가능할 것으로 판단된다.
- 025dayr로 매우 낮아 미생물의 활성이 저하가 일어났다. 이를 통해 가용화 잉 여슬러지 에 생슬러지 혼합하여도 급격한 효율 저하를 유발하지 않으며 이분해성 물질의 증가로 가 용화 처리를 하지 않은 호기성소화 보다 높은 처리효율을 나타내는 것을 알 수 있었다.
- 슬러지의 TS는 잉여슬러지와 생슬러지 모두 3%로 조절하였으며, VS는 TS 대비 각각 77%, 64%로 측정되었다. 잉여슬러지에 포함된 유기물이생슬러지 보다 많은 점으로 보아 잉여슬러지가 생슬러지 보다 가용화에 유리할 것으로 예상된다. 그러나 용존성 유기물(SCOD)은 생슬러지가 잉여슬러지 보다 높아 생물학적 기질 이용면에서 다소 유리한 성상을 갖고 있는 등 대상시료는 일반적인 하수슬러지의특성을 나타냄을 알 수 있다.
- 표로부터 알 수 있듯이, 예상한 대로 가용화 전처리를 하고 HRT 20일로 운전한 PAD20S] TSS(Imtss)) 및 VSS(kd(vss))가 각각 O.lSOday1 및 0.195(로 가장 높은 값을 나타내고 있다. 또한, 가용화 전처 리를 하지 않고 HRT 20일로 운전한 AD?。의 灯 값 보다 가용화 전처리를 하고 HRT 10일로 운전한 PAD]。의 灯 값이 2배 이상 높은 값을 나타냄으로서 , 가용화 전처리를 실시하면 HRT를 반으로 줄이더라도 미생물에 의한 고형물 제거가 더 빠르게 일어남을 알 수 있다.
후속연구
- 용시 소화설비의 compact화 및 슬러지 발생량 저감에 따른 처리비용 절감에 크게 기여할 것으로 예상된다.
- 이러한 결과는 향후 현장 적용시 잉여슬러지와 생슬러지를 혼합한 기질을 처리함에 있어 가용화가 호기성 소화효율의 향상 및 안정적인 소화효율을 유지하는 해결책이 될 수 있음을 시사한다.
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