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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 음식물쓰레기 발효액으로부터 회수한 탄소원을 사용하는 방안을 강구하기 위하여 그전 단계로 SBBR 공정의 무산소 단계에 합성탄소원을 추가 주입하고 혐기, 호기 및 무산소 조건을 교대로 형성시킴으로서 유기물, 질소 및 인의 동시제거를 시도하였다. 또한 SBBR 공정내 부유성 미생물과 부착성 미생물에 의한 영양소 제거와 미생물학적 상관 관계를 Specific Oxygen Uptake Rate(SOUR)측정으로 그 활성도를 비교하였으며, 설계 및 운전에 활용할 수 있는 방안을 검토하였다.
제안 방법
- Table 1은 유입수의 성상을 보여주고 있다. 실험에 사용된 유입수는 “J" 하수처리장의 1차 침전지 유출수를 사용하여, 질소·인 제거에 필요한 유기물을 acetate와 KH2PO4로 보충하여 SCOD 농도 131 mg/L, 인 농도는 6.6 mg PO4-P/L로 일정하게 유지하여 인 제거 특성의 비교를 용이하게 하였다.
- 이어 질산화와 인의 흡수를 위한 Aerobic 1기간, 탈질을 위한 Anoxic 기간, 침전성 향상 및 잔여 유기물 산화를 위한 후반 Aerobic 2기간과 침전 및 유출 기간으로 구성하였다. 또한 Aerobic 1기간에서 생성된 NO3-N의 탈질에 필요한 탄소원을 이론적으로 계산하여 주입하였다. Aerobic 1기간 후 반응조 내 남아있는 용존산소에 의한 탄소원 소모를 줄이기 위하여 Anoxic 기간 시작 0.
- 시도하였다. 또한 SBBR 공정내 부유성 미생물과 부착성 미생물에 의한 영양소 제거와 미생물학적 상관 관계를 Specific Oxygen Uptake Rate(SOUR)측정으로 그 활성도를 비교하였으며, 설계 및 운전에 활용할 수 있는 방안을 검토하였다.
- 생물막 미생물은 가압 압축하에 media로부터 분리한 후 원심분리하여 싱*징수를 제거하고, 증류수로 3회 washing한 후사용 하였다, 원심분리한 샘플은 buffer solution에 넣어 DO measuring cell에 주입하여 DO uptake# 관찰하였는데 기질이 없는 상태에서의 초기 slope가 endogenous SOUR을 나타낸다. 또한 인을 제외한 유입수와 동일한 농도의 substrate를 Micro-syringe로 DO measuring cell에 주입하여 total SOUR을 구하였디] 이때 total SOURe autotrophic 및 heterotrophic oxygen uptake# 포함한 것이므로 heterotrophic SOUR만 측정하기 위해 nirification inhibitor (allylthiourea)를 mesuring cell0]] 주입하였다.
- 1). 반응조는 상온(21℃)에서 운전하였으며 하수 유입, 포기 및 혼합, 처리수 배출 등의 조작은 Programmable Logic Controller(PLC)에 의하여 자동제어하였다. 공기주입은 air pump를 사용하여 diffuser stone을 통하여 1.
- 본 연구에서는 유효용적 5 L의 원통형 아크릴로 제작된 SBBRe 유효용적의 약 10%를 polyethylene 재질의 유동성 상용 media(공극률 95% 정도)로 충전하여 운전하였다(Fig. 1). 반응조는 상온(21℃)에서 운전하였으며 하수 유입, 포기 및 혼합, 처리수 배출 등의 조작은 Programmable Logic Controller(PLC)에 의하여 자동제어하였다.
- Anaerobic기간에는 인의 방출이 일어나도록 하였고. 이어 질산화와 인의 흡수를 위한 Aerobic 1기간, 탈질을 위한 Anoxic 기간, 침전성 향상 및 잔여 유기물 산화를 위한 후반 Aerobic 2기간과 침전 및 유출 기간으로 구성하였다. 또한 Aerobic 1기간에서 생성된 NO3-N의 탈질에 필요한 탄소원을 이론적으로 계산하여 주입하였다.
이론/모형
- 모든 수질 분석은 Standard Methods(APHA, 1998)에 준하여 수행하였으며, SOUR 실험은 micro DO sensor와 digital recorder가 연결된 biological oxygen monitor(YSI 5300A)를 사용하였다. 생물막 미생물은 가압 압축하에 media로부터 분리한 후 원심분리하여 싱*징수를 제거하고, 증류수로 3회 washing한 후사용 하였다, 원심분리한 샘플은 buffer solution에 넣어 DO measuring cell에 주입하여 DO uptake# 관찰하였는데 기질이 없는 상태에서의 초기 slope가 endogenous SOUR을 나타낸다.
- 반응조내 다양한 미생물군의 역학관계를 파악하기 위하여 기존의 biotechnology 기법 이외에 SOUR을 사용하여 실험하였다.
성능/효과
- Fig. 4(a)는 운전 37th day의 경우로 Anaerobic후반, 즉 Aerobic 1 기간 직전의 반응조 내 질소는 거의 NH4- N형태이나 2.5hr의 Aerobic조건 이후의 질소는 NH4- N, NO2-N, NO*N의 형태로 전환하였으며 총량기준 3.66 mg N/L 만큼의 질소가 제거되었다. Fig.
- 1. 탄소원이 충분히 공급된 SBBR에서 유기물, 질소 및 인 제거는 최대 92%, 97%, 82%로 높은 제거효율을 나타냈으나 운전환경에 상당히 민감한 것으로 관찰되었다.
- 2. 실험실 SBBR의 Aerobic 1 기간에서 질산화와 함께 질소제거 가 관찰되 었는데 이는 media 내부와 부유 상태 슬러지상태에서의 탈질 가능성, SNEM 의한 질소 제거로 추정되었다. Aerobic 1 기간에서의 질소제거는 탄소 원의 효율적 사용 가능성을 제시하며, C/N비가 낮은 국내 하수처리 효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 3. SOUR을 사용한 반응조 내 미생물의 활성 실험 결과 활성 미생물의 상당량이 생물막에 존재하였다.
- 4. SBBR의 효율적인 운전을 위하여 ① media의 물리적 특성을 개선하고 ② 적정 탄소원 주입조건을 찾고 ③ media 충진률 조절, ④ 전체 반응의 sequence 조합이 중요하며, ⑤ Aerobic 기간에서 DO농도의 유지도 중요할 것으로 나타났다.
- Endogenous respiration도 부착성 미생물(33.1%)이 부유성 미생물(26.6%)에 비하여 약 1.5배 높았다. 질산화 미생물의 산소소모율은 부유성 부분에서 7.
- 반면 SBR에서는 sluge floc을 확인할 수 있었고 SBE에서의 질소제거의 원인으로 추정할 수 있다. ③ 인제거 미생물에 의한 인의 release 및 uptake가 활발한 것으로 보아, dPAO에 의한 NC) 3-N의감소를 예상할 수 있으나 Kerrn-Jesperson 등(1993)과 Wachtmeister 등(1997)의 실험과 유사하게 실시한 PAO중 dPAO의 분율 실험 결과 dPAO의 존재 또한 운전환경에 따라 변화가 심하여 질소제거의 원인으로 확신하기는 어려웠다. ④ Third and Sepramaniam (2004)은 SBR에서 PHB로 전환되어 저장된 유기물질이 Aerobic기간에서의 전자수용체로 사용되어 최대 86% 까지 Simultaneous Nitrification and Denitrification (SND)에 의한 질소제거가 기능하다고 발표한 바 있다.
- 때문이다. 결과적으로 Aerobic 1 기간에서의 질소 제거는 외부탄소원의 주입량을 감소시킬 수 있어 탄소 원의 효율적 사용이 가능하며, Aerobic 1 기간에서의 질소제거를 극대화시킬 수 있으면 C/N비가 낮은 국내 하수처리 효율을 높일 수 있는 이점이 있다. 하지만 Aerobic 기간의 질소제거 현상이 완전하게 규명되지 않아 BNR공정의 설계 및 운전에 요구되는 모델링에 어려움이 있다.
- 따라서 SOUR을 사용한 반응조 내 미생물의 활성 실험 결과 활성미생물의 상당량이 생물막에 존재함을 알 수 있었다.
- 추정된다. 미디어의 부상은 Anoxic기간에 주입한 다량의 탄소원에 의해 미디어 내부의 탈질량 증가로 발생된 탈질가스와 탄산가스에 의한 것으로 부상한 미디어를 압축할 때 가스방울을 확인할 수 있었다. Fig.
- 이러한 분석결과에 의하면 운전기간동안의 유기물, 질소 및 인의 제거효율은 탄소원이 충분한 조건에서는 높았으나 시용된 Media의 특서 반응조 내 슬러지의 침전 성, Aerobic기간에서의 DO 농도, 탄소원 추가주입량 등 여러 운전 환경조건의 변화에 대하여 SBBR이 상당히 민감하게 반응하는 것으로 판단된다.
- 5배 높았다. 질산화 미생물의 산소소모율은 부유성 부분에서 7.0mg 02/g vss/hr으로 전체 부유성 미생물의 산소소모율의 13%, 생물막 부분은 4.1 mg Os/g vss/hr, 즉 전체 부착성 미생물의 산소소모율의 23.8%로 생물막에서의 질산화 미생물의 산소소모율이 더 높은 것으로 나타났다.
- 탄소원이 충분히 공급된 조건에서 부유성 media를 사용한 SBBRe 높은 질산화율과 탈질율을 나타냈으며 동시에 인제거 효율도 높았다. 그러나 탄소원이 충분히 주입된 조건에서도 부유성 sponge 미디어 부상 특성에 의하여 유출수의 SS 및 유기물의 농도 변화가 심하였던 것으로 볼 때 media의 물리적 특성이 중요한 요소로 판단되었다.
후속연구
- 실험실 SBBR의 Aerobic 1 기간에서 질산화와 함께 질소제거 가 관찰되 었는데 이는 media 내부와 부유 상태 슬러지상태에서의 탈질 가능성, SNEM 의한 질소 제거로 추정되었다. Aerobic 1 기간에서의 질소제거는 탄소 원의 효율적 사용 가능성을 제시하며, C/N비가 낮은 국내 하수처리 효율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 그러나 탄소원이 충분히 주입된 조건에서도 부유성 sponge 미디어 부상 특성에 의하여 유출수의 SS 및 유기물의 농도 변화가 심하였던 것으로 볼 때 media의 물리적 특성이 중요한 요소로 판단되었다. 따라서 SBBR의 운전시에는 ① media의 부상 특성을 줄일 수 있도록 media의 물리적 특성을 개선하고, ② SBBR에서의 탄소원 배분 적정화 방안을 강구하여야 하고, ③ media 충진률에 대한 추가연구가 필요하며, ④ Aerobic 기간에서의 반응조 내 DO농도의 조절이 중요하며, ⑤ 반응사이클의 sequence를 조절하여 질소, 인 제거효율을 최적화해야 할 것으로 사료된다.
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