부직포 여과막 생물반응조의 질산화 성능을 파악하기 위하여 주입폐수의 암모니아 농도를 $54\sim1,400$ mg/L 그리고 알칼리도를 $43\sim10,480$ mg/L로 변화시키면서 약 11시간의 체류시간에서 641일간 실험을 실시한 결과 반응조의 MLSS농도는 최초의 2,650 mg/L 에서 830 mg/L까지 감소하였다가 최고 8,340 mg/L까지 증가함으로써 반응조의 용적부하는 $0.120\sim3.130$ kg $NH_3-N/m^3-day$의 범위에서 변하였으나 F/M 비는 $0.067\sim0.414$ kg $NH_3-N/kg$ MLSS-day의 적은 변화를 보였다. 각 실험단계별 평균 질산화 효율이 $35.2\sim100%$로서, 최대 질산화율은 2.970 kg $N/m^3-day$ 또는 0.489 g N/g MLVSS-day로 나타났다. MLVSS의 질산화미생물 분율은 최초의 7.1%에서 최고 100%까지 변하였으나 부직포 여과막에 형성된 생물막의 경우에는 2.2%의 매우 낮은 값을 보였다. 미생물 성장계수는 0.117 g VSS/g N removed로 그리고 알칼리도 소모량은 평균 7.08 g alkalinity/g NOx-N produced로 측정되었다. 이러한 실험결과로 보아 부직포 여과막 생물반응조가 고농도 암모니아 폐수의 질산화에 적합한 공법으로 판단된다.
부직포 여과막 생물반응조의 질산화 성능을 파악하기 위하여 주입폐수의 암모니아 농도를 $54\sim1,400$ mg/L 그리고 알칼리도를 $43\sim10,480$ mg/L로 변화시키면서 약 11시간의 체류시간에서 641일간 실험을 실시한 결과 반응조의 MLSS농도는 최초의 2,650 mg/L 에서 830 mg/L까지 감소하였다가 최고 8,340 mg/L까지 증가함으로써 반응조의 용적부하는 $0.120\sim3.130$ kg $NH_3-N/m^3-day$의 범위에서 변하였으나 F/M 비는 $0.067\sim0.414$ kg $NH_3-N/kg$ MLSS-day의 적은 변화를 보였다. 각 실험단계별 평균 질산화 효율이 $35.2\sim100%$로서, 최대 질산화율은 2.970 kg $N/m^3-day$ 또는 0.489 g N/g MLVSS-day로 나타났다. MLVSS의 질산화미생물 분율은 최초의 7.1%에서 최고 100%까지 변하였으나 부직포 여과막에 형성된 생물막의 경우에는 2.2%의 매우 낮은 값을 보였다. 미생물 성장계수는 0.117 g VSS/g N removed로 그리고 알칼리도 소모량은 평균 7.08 g alkalinity/g NOx-N produced로 측정되었다. 이러한 실험결과로 보아 부직포 여과막 생물반응조가 고농도 암모니아 폐수의 질산화에 적합한 공법으로 판단된다.
To investigate the effects of alkalinity on the nitrification capability of the nonwoven fabric filter bioreactor(NFBR), an experiment was performed for 641 days at a hydraulic retention time of approximately 11 hours by changing the influent concentration of $NH_3-N$ from 54 mg/L to 1,40...
To investigate the effects of alkalinity on the nitrification capability of the nonwoven fabric filter bioreactor(NFBR), an experiment was performed for 641 days at a hydraulic retention time of approximately 11 hours by changing the influent concentration of $NH_3-N$ from 54 mg/L to 1,400 mg/L and alkalinity from 43 mg/L to 10,480 mg/L. The MLSS concentration reduced from an initial value of 2,650 mg/L down to 830 mg/L, then increased up to 8,340 mg/L. Though the volumetric loading rate varied in a range of $0.120\sim3.130$ kg $NH_3-N/m^3-day$, the F/M ratio showed a narrow range of $0.067\sim0.414$ kg $NH_3-N/kg$ MLSS-day. The average nitrification efficiency at each experimental stage resulted in the range of $35.2\sim100%$, and the maximum nitrification rate was 2.970 kg $N/m^3-day$ or 0.489 g N/g MLVSS-day. The nitrifiers' fraction of the MLVSS increased up to 100% from an initial value of 7.1% and the biofilm formed on the nonwoven fabric filter showed a very low nitrifiers' fraction of mere 2.2%. The growth yield of the MLSS and the alkalinity consumption rate were computed to be 0.117 g VSS/g N removed and 7.08 g alkalinity/g $NO_x^--N$ produced, respectively. Results of the research suggest that NFBR could be an adequate process for nitrification of wastewaters with high ammonia concentrations.
To investigate the effects of alkalinity on the nitrification capability of the nonwoven fabric filter bioreactor(NFBR), an experiment was performed for 641 days at a hydraulic retention time of approximately 11 hours by changing the influent concentration of $NH_3-N$ from 54 mg/L to 1,400 mg/L and alkalinity from 43 mg/L to 10,480 mg/L. The MLSS concentration reduced from an initial value of 2,650 mg/L down to 830 mg/L, then increased up to 8,340 mg/L. Though the volumetric loading rate varied in a range of $0.120\sim3.130$ kg $NH_3-N/m^3-day$, the F/M ratio showed a narrow range of $0.067\sim0.414$ kg $NH_3-N/kg$ MLSS-day. The average nitrification efficiency at each experimental stage resulted in the range of $35.2\sim100%$, and the maximum nitrification rate was 2.970 kg $N/m^3-day$ or 0.489 g N/g MLVSS-day. The nitrifiers' fraction of the MLVSS increased up to 100% from an initial value of 7.1% and the biofilm formed on the nonwoven fabric filter showed a very low nitrifiers' fraction of mere 2.2%. The growth yield of the MLSS and the alkalinity consumption rate were computed to be 0.117 g VSS/g N removed and 7.08 g alkalinity/g $NO_x^--N$ produced, respectively. Results of the research suggest that NFBR could be an adequate process for nitrification of wastewaters with high ammonia concentrations.
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문제 정의
및 아질산의 농도 등이 있다.')본 연구에서는 이들 요소들을 모두 고려하기가 어려우므로 부직포 여과막 생물 반응조가 미생물을 높은 농도로 유지할 수 있어 F/M비를 낮게 유지할 수 있는 장점을 이용하기 위하여 유입수의 암모니아 농도와 질산화에 필수적인 알칼리도만 변화시키면서 실험을 실시하여 부직포 여과막 생물반응조의 질산화 능력을 파악하였다.
제안 방법
유입수 및 처리수에 대하여 pH와 알칼리도, TKN, NO2-N 및 NO「N의 농도를, 그리고 반응조 내 혼합액에 대하여는 MLSS, MLVSS 및 DO의 농도 그리고 pH를 Table 1에 주어진 바와같이 Standard Methods''와 우리나라의 수질오염 공정시험법16)에 준하여 주 3회씩 분석하였다.
Fig. 3에 반응조의 MLVSS 중에서 질산화미생물(nitrifiers) 이 차지하는 분율을 나타내었는데, 질산화미생물 분율은 일정 농도의 암모니아 용액에 일정량의 반응조 MLSS를 주입하여 시간에 따른 암모니아 및 질산염의 농도 변화를 측정하여 비질 산화속도(specific nitrification rate)를 계산한 다음, 이를 Katsogiannis 등36)이 실험에서 구한 순수 질산화미생물의 비질산화속도 값인 1.08 mg NH3-N oxidized/mg nitrifiers-d로 나누어서 구하였다.
75 mg几 함유하였다. NH’Cl를 첨가하여 유입수의 질소 농도를 조절하였기 때문에 유입수의 농도를 TKN 농도로 나타내었으며, 처리수는 질소부하에 따라 TKN, NO2- 및 NO3-의 일부 또는 전부를 함유하였기 때문에 모두 나타내었다.
부직포 여과막 생물반응조의 질산화 성능을 파악하기 위하여 주입폐수의 암모니아농도를 54-1, 400 mg/L 그리고 알칼리도를 43-10, 480 mg/L로 변화시키면서 약 11시간의 체류 시간에서 641일간 실험을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
서론에서 언급된 바와 같이 본 연구의 주목적이 부직포 여과막 생물반응조의 질산화 능력을 파악하는 것이므로 실험은 반응조의 암모니아 부하를 점차 증가시키는 방식으로 진행되었다.
실험에 사용된 폐수는 수돗물에 필요한 양의 NH(C1, NaHCO, 및 KH2PO4를 용해시킨 것으로, NHQl은 TKN농도로 최저 54 mg/L에서 최고 1, 400 mg/L까지 증가시켜 반응조의 질소 부하를 조정하였으며, NaHCQ는 1 g의 암모니아가 질산화될 때 이론적으로 7.1 g의 알칼리도가 요구된다는 점을 고려하여 주입량을 조절하였다. 그리고 KH2PO4는 미생물의 성장에 필요한 인을 공급하기 위하여 유입폐수의 인 농도가 3 mg/L가 되도록 하였다.
대상 데이터
따라서 반응조에서의 폐수체류시간은 10.74시간이 되었으며, 처리 수는 1일간 모아 잘 혼합한 다음 분석용 시료를 채취하였다.
성능/효과
120 kg NHhN/m’-day에서 최고 3.130 kg NH3-N/n?-day까지 증가하였으나, F/M비는 MLSS농도가 증가함으로써 최저 0.067 kg NH3-N/kg MLSS- day에서 최고 0.414 kg NH3-N/kg MLSS-day의 적은 증가 폭을 보였다.
1) 반응조의 MLSS농도는 최초의 2, 650 mg/L에서 830 mg/L까지 감소하였다가 최고 8, 340 mg/L까지 증가하였다.
2%의 질산화효율을 보였다. 10단계 실험에서는 1〜9단계실험을 확인하는 의미로 유입수의 TKN 농도를 390 mg/L에서 710 mg/L까지 그리고 알칼리도는 50 m&L에서 4, 680 mg/L까지 점진적으로 증가시킨 결과 초기에는 질산화효율이 매우 낮았으나 약 10일 내에 질산화 효율이 100%에 도달하였다. 11단계실험에서는 유입수의 평균 TKN 농도를 672 mg/L 그리고 알칼리도를 4, 556 mg/L으로 실험이 진행되었지만 처리수의 NOaN 농도가 급격히 증가하여질 산화 효율은 약 7%에 그치고 아질산화효율이 93%로 지속되었다.
10단계 실험에서는 1〜9단계실험을 확인하는 의미로 유입수의 TKN 농도를 390 mg/L에서 710 mg/L까지 그리고 알칼리도는 50 m&L에서 4, 680 mg/L까지 점진적으로 증가시킨 결과 초기에는 질산화효율이 매우 낮았으나 약 10일 내에 질산화 효율이 100%에 도달하였다. 11단계실험에서는 유입수의 평균 TKN 농도를 672 mg/L 그리고 알칼리도를 4, 556 mg/L으로 실험이 진행되었지만 처리수의 NOaN 농도가 급격히 증가하여질 산화 효율은 약 7%에 그치고 아질산화효율이 93%로 지속되었다. 그러나 유입수의 TKN 및 알칼리도 평균농도를 11단계 실험에 비하여 약간 낮은 각각 624 mg/L 및 4, 378 mg/L 로 유지한 12단계실험에서는 처리수의 NS-N농도는 550 mg/L 에서 0으로 점점 감소하고 NCW-N농도는 65 mg/L에서 600 mg/L로 점차 증가하였다.
2) 질소 용적부하는 최저 0.120 kg NHhN/m’-day에서 최고 3.130 kg NH3-N/n?-day까지 증가하였으나, F/M비는 MLSS농도가 증가함으로써 최저 0.067 kg NH3-N/kg MLSS- day에서 최고 0.
2〜4에 실험결과가 도시되어 있는데, 각 실험단계별로 간단히 설명하면, 1단계실험은 실험 시작단계로서 초기 10일간은 질산화효율이 낮고 pH가 저하하였으나 알칼리도를 증가시킨 후반기에는 질산화효율이 100%로 좋아졌다. 2단계 실험에서는 유입수의 TKN농도와 알칼리도를 1단계의 약 2배로 증가시킨 결과 초기에는 질산화가 저조하고 아질산성 질소가 낮은 농도로 생성되었으나 후반기에는 질산화효율이 100%로 좋아졌다. 3, 4 및 5단계실험에서는 2단계와 비교하여 유입수의 TKN농도는 동일하게 유지하되 알칼리도는 3단계로 나누어 감소시킨 결과 알칼리도 주입농도가 감소함에 따라 질산화효율이 악화되고 4 및 5단계실험에서는 처리 수에 아질산성 질소가 낮은 농도로 측정되었다.
3) 각 실험단계 별 평균 질산화효율은 처리수의 NOU-N 농도에 근거하여 35.2-100% 범위를 나타내었다.
4) 실험기간 중 최대 질산화율은 2.970 kg N/m3-day 또는 0.489 g N/g MLVSS-dayS. 계산되었다.
5) 주입폐수의 NHrN농도가 평균 672 mg/L로 유지된 11 단계 실험에서는 처리수의 T-N중 평균 91.6%가 NO2-N로서 아질산화(nitritation)가 주로 진행되었다.
6) 질산화미생물의 성장계수는 0.117 g VSS/g N removed로 측정되었다.
7) MLVSS중의 질산화미생물 분율은 최초의 7.1%에서 최고 101.5%까지 증가하였으며, 부직포 여과막에 형성된 미생물 막의 질산화미생물 분율은 2.2%에 불과하였다.
8) 알칼리도 소모량은 평균 7.08 g alkalinity/g NOU-N pro- duced 의 값을 나타내었다.
Fig. 3에서 보는 바와같이 463일에서 641일까지 178일간 계속된 13단계실험에서는 유입수의 TKN농도를 계속 증가시킴으로써 MLSS농도도 거의 직선적으로 계속 증가하였으므로 이 기간에 제거된 질소의 양과 MLSS 증가량으로부터 미생물 성장계수(Y) 값을 계산한 결과 0.152 g MLVSS/g N removed의 값을 얻었으며, 이 기간 중의 MLVSS증의 질산화 미생물 평균분율 0.767을 적용시키면 질산화미생물의 성장계수 값이 0.117 g VSS/g N removed로 계산되었다. Ritt- mann과 McCarty》는 암모늄 산화균(ammonium oxidizer) 과아질산염 산화균(nitrite oxidizer)의 Y값을 각각 0.
11단계실험에서는 유입수의 평균 TKN 농도를 672 mg/L 그리고 알칼리도를 4, 556 mg/L으로 실험이 진행되었지만 처리수의 NOaN 농도가 급격히 증가하여질 산화 효율은 약 7%에 그치고 아질산화효율이 93%로 지속되었다. 그러나 유입수의 TKN 및 알칼리도 평균농도를 11단계 실험에 비하여 약간 낮은 각각 624 mg/L 및 4, 378 mg/L 로 유지한 12단계실험에서는 처리수의 NS-N농도는 550 mg/L 에서 0으로 점점 감소하고 NCW-N농도는 65 mg/L에서 600 mg/L로 점차 증가하였다. 마지막 13단계 실험에서는 유입수의 TKN 농도를 622 mg/L에서 1, 400 mg/L까지 그리고 알칼리도는 4, 350 mg/L에서 10, 480 mg/L까지 증가시켰는데 질산화효율이 거의 100%로 진행되었다.
그러나 처리수의 pH는 유입수의 알칼리도와 TKN농도 질산화 효율 등에 따라 최저 3.38에서 최고 8.69 사이의 큰 변화를 나타내었는데, 특히 실험 시작 훅 81일째에는 4.27, 130일째는 4.47, 179일째는 3.77, 그리고 205일째는 3.38의 낮은 값을 보이면서 처리수의 알칼리도가 모두 0을 나타내어 알칼리도 공급이 충분하지 못하였음을 알 수 있다. 질산화 미생물의 성장을 위한 최적 pH는 중성 부근이므로'2)이들 낮은 pH에서는 질산화효율도 저조하여 처리수의 TKN농도가 높은 값을 나타내었다.
3, 4 및 5단계실험에서는 2단계와 비교하여 유입수의 TKN농도는 동일하게 유지하되 알칼리도는 3단계로 나누어 감소시킨 결과 알칼리도 주입농도가 감소함에 따라 질산화효율이 악화되고 4 및 5단계실험에서는 처리 수에 아질산성 질소가 낮은 농도로 측정되었다. 따라서 6단계실험에서는 알칼리도 주입농도를 2단계실험의 수준으로 증가시킨 결과 질산화효율이 거의 100%로 향상되었다. 7단계 실험에서는 유입수의 TKN농도와 알칼리도를 6단계 실험의 약 2배로 증가시켰는데 질산화효율이 6단계실험과 마찬가지로 거의 100%에 이르렀다.
즉, 과거의 연구결과40)에의하면 슬러지를 인위적으로 폐기시키지 않는 부직포 여과막 생물반응조에서는 폐수처리기간이 경과함에 따라 MLSS 농도는 증가하지만 활성미생물의 분율이 점점 감소하는데, 이의 원인을 미생물에 의하여 분해되지 않는 불활성 미생물체(reiiactory inactive biomass)의 축적令으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서도 유입수내의 암모니아를 전자공여 체로 이용하여 성장한 질산화미생물의 일부가 죽어 분해될 때 생성되는 불활성 물질의 축적에 의하여 반응조 내의 MLSS 농도는 증가하지만 질산화미생물의 분율은 도리어 감소하는 경향을 보인 것으로 판단된다.
또한 반응조에 공기 대신 순산소를 공급하면 질산화율을 크게 향상시킬 수 있으며, a” 부유성장공법 중에서도 연속 회분식 반응조(SBR)에서는 미생물을 높은 농도로 유지할 수 있어 질산화율을 높게 할 수 있음을 알 수 있다.34)
그러나 유입수의 TKN 및 알칼리도 평균농도를 11단계 실험에 비하여 약간 낮은 각각 624 mg/L 및 4, 378 mg/L 로 유지한 12단계실험에서는 처리수의 NS-N농도는 550 mg/L 에서 0으로 점점 감소하고 NCW-N농도는 65 mg/L에서 600 mg/L로 점차 증가하였다. 마지막 13단계 실험에서는 유입수의 TKN 농도를 622 mg/L에서 1, 400 mg/L까지 그리고 알칼리도는 4, 350 mg/L에서 10, 480 mg/L까지 증가시켰는데 질산화효율이 거의 100%로 진행되었다.
본 연구에 서 주입폐 수가 전자공여체로 암모니아만 함유하였기 때문에 Fig. 3에 도시된 바와같이 180일 후에는 MLVSS 중의 질산화미생물 분율이 항상 33% 이상으로 나타났다. 실험 303일째의 분율이 101.
6으로 낮아짐에 따라 반응조의 질산화미생물 분율이 10%에서 20%로 증가한 것으로 보고하였다. 본 연구에서 식종용 슬러지의 질산화미생물 분율이 7.1%로 측정되었는데 이를 참고문헌에서 보고된 값들과 비교하면 매우 타당한 값으로 생각된다.
생물학적 질산화-탈질 공정에서 NO3-대신 NCb-상태에서 탈질시키면 탈질시 전자공여체 요구량을 40% 줄일 수 있으며, 암모니아를 질산화시키는 데 요구되는 산소량을 25% 절약할 수 있을 뿐만아니라, 탈질시 생성되는 미생물의 양을 1/3로 줄일 수 있다는 장점이 있다.17~19) 아질산염 산화균(nitrite oxidizer)의 성장을 저해시켜 아질산염을 축적시키기 위한 방법으로는 반응조 내의 pH를 높게 유지하여 자유 암모니아의 농도를 높게 유지하는 방법, 戚2。)온도를 25°C 이상으로 높게유지하는 방법, 기) DO농도를 낮게 유지하는 방법, 20)호기성/ 준호기성 간의 지체시간을 짧게하는 방법, 끄) 자유 hydroxyla- mine의 농도를 높게 유지하는 방법, NaCIO3 등의 선택적 저해제를 첨가하는 방법19)등이 알려져 있다.
3에 도시된 바와같이 180일 후에는 MLVSS 중의 질산화미생물 분율이 항상 33% 이상으로 나타났다. 실험 303일째의 분율이 101.5%로 측정되었는데 이는 실험 오차, 질산화 능력이 아주 좋은 미생물의 일시적 성장 등에도 그 원인이 있을 수도 있겠지만 MLVSS의 대부분(거의 100%) 이 질산화미생물이라는 뜻으로 해석할 수도 있을 것이다. 예를 들어 Nitrosomonas europea 의 비질산화율은 11 〜23 x 10'3 pmol N/cell-hr 그리고 Nitrosospira의 경우에는 0.
공급량의 변화에 따라 구분되었다. 유입수의 TKN 농도는 52 mg/L에서 1, 400 mg/L까지 그리고 알칼리도는 43 mg/L에서 10, 480 mg/L까지 증가되었다. 유입수는 NO3-N 를 전혀 함유하지 않았으며 NOj-N의 농도는 0.
5배로 증가시켰지 만질 산화 효율은 여전히 100%에 가깝게 양호하였다. 유입수의 TKN농도 및 알칼리도를 8단계실험의 1.2〜 1.3배로 증가시킨 9단계실험에서는 초기에 질산화가 크게 악화되었지만 점차적으로 향상되어 평균 약 35.2%의 질산화효율을 보였다. 10단계 실험에서는 1〜9단계실험을 확인하는 의미로 유입수의 TKN 농도를 390 mg/L에서 710 mg/L까지 그리고 알칼리도는 50 m&L에서 4, 680 mg/L까지 점진적으로 증가시킨 결과 초기에는 질산화효율이 매우 낮았으나 약 10일 내에 질산화 효율이 100%에 도달하였다.
489 g N/g MLVSS-day로 계산되었다. 이들 값들을 Table 5에 주어진 과거의 연구 결과들과 비교하면 본 연구에 이용된 부직포 여과막 생물반응조도 질산화율을 높게 유지할 수 있는 한 방법이 될 수 있음을 알 수 있다.
38의 낮은 값을 보이면서 처리수의 알칼리도가 모두 0을 나타내어 알칼리도 공급이 충분하지 못하였음을 알 수 있다. 질산화 미생물의 성장을 위한 최적 pH는 중성 부근이므로'2)이들 낮은 pH에서는 질산화효율도 저조하여 처리수의 TKN농도가 높은 값을 나타내었다.
질산화미생물 분율의 측정과 관련하여 또 한가지 흥미로운 점은 부직포 여과막에 형성된 미생물막의 일부를 긁어내어 질산화미생물 분율을 측정한 결과 0.022 mg nitrifiers/mg VSS, 즉 2.2%의 매우 낮은 값을 보였다는 점이다. 이는 서론에서 언급된 바와 같이 질산화균은 세포외 polysaccharides 를 생산하지 않아 생물막을 형성하기 어려운"점에도 그 원인이 있을 수 있으나 생물막에서의 환경(낮은 암모니아 농도, 낮은 DO농도 등)이 질산화균의 성장에 부적합하여 생물 막이 주로 불활성 미생물체로 구성된 데에 더 큰 원인이 있을 것으로 추측된다.
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