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문제 정의
- 공법의 타당성을 평까하였다. 그리고 혐기성 공정 운전시 발생되는 장기간의 초기 운전기간 단축과 처리효율 향상을 위해 입상슬러지를 소량 첨가하여 이에 대한 영향과 잠재적인 문제점에대해 고찰하고자 하였다.
- 본 연구에서는 매립년한에 따른 침출수 특성 평가와 실제 매립지에서 발생하는 침출수를 대상으로 상향류 혐기성 블랭킷 반응조를 이용한 고율 혐기성처리 공법의 타당성을 평까하였다. 그리고 혐기성 공정 운전시 발생되는 장기간의 초기 운전기간 단축과 처리효율 향상을 위해 입상슬러지를 소량 첨가하여 이에 대한 영향과 잠재적인 문제점에대해 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- 3L의 UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 반응조를 이용하여 실제 매립지에서 발생하는 침출수를 대상으로 처리휼 실험을 수행하였다. Control 반응조는 식종슬러지로 D 하수처리장의 혐기성 소화슬러지를 이용하였다 다른 1기의 UASB 반응조인 Granule 반응조는 Control 반응조와 동일하게 식종하였으며 전분 폐수 처리시 형성된 입상슬러지 (중량비로 식종슬러지 TSS (total suspended solids) 의 10%) 를 첨가하였다. 식종슬러지의 초기 TSS 농도는 69g/L이며 VSS (volatile suspended solids)/ TSS 비는 38% 였다.
- 가스 성분은 TCD (Thermal Conductivity Detector) 검출기가 장착된 GC (Gaw-Mac, 6ft x 2mm, i.d., stainless steel column, Porapak Q, 80/100 mesh, col. 50 C, det. 90 C, inj. 80'C)를 이용하여 분석하였다. 회분식 실험에서의 메탄가스 발생량은 물질수지 방법을 이용하여 가스 시료의 대상 채취기간 전 반응조 상단부에존재하였던 메탄 이산화탄소의 양을 보정하였다 15).
- 4'C로 보관하여 사용하였다. 모든 실험은 35℃에서 수행하였으며 인의 첨가 이외에는 pH 조정, 알카리표 및 기타 영양물질의 첨가 없이 운전하였다 인의 첨가는 KHpPQ와 K2HPO4 혼합액을 이용하여 주입하였다.
- 반응조는 운전초기에 수리학적 체류시간 5.8일, 유刃물 부하 0.17kg COD/rS.d로 시작하여 운전 128일 경에는 수리학적 체류시간과 유기물 부하를 각각 1일과 8.2kg COD/mld로 쯔카시켰으며최소 수리학적 체류시간은 16시간까지 단축하였으며 최대 유기풃.부하는 13.
- 본 연구에서는 [Table 1]에 제시되어 있는 것과 같이 2기의 유효용량 2.3L의 UASB (upflow anaerobic sludge blanket) 반응조를 이용하여 실제 매립지에서 발생하는 침출수를 대상으로 처리휼 실험을 수행하였다. Control 반응조는 식종슬러지로 D 하수처리장의 혐기성 소화슬러지를 이용하였다 다른 1기의 UASB 반응조인 Granule 반응조는 Control 반응조와 동일하게 식종하였으며 전분 폐수 처리시 형성된 입상슬러지 (중량비로 식종슬러지 TSS (total suspended solids) 의 10%) 를 첨가하였다.
- 이용하였다. 사용된 혐기성 배지인 MSM (mineral salts medium)는 Shelton과 Tiedje가제시한 방법을 수정하여 이의 방법에 따라 실험을수행하였다. SMA 실험의 식종 슬러지는 연속운전 반응조에서 채취한 미생물을 이용하였으며, 기질은 메탄균이 쉽게 이용할 수 있는 VFAs (volatile fatty acids) 혼합얙 (HAc: HPr: HBu = 2-1-1 based on COD) 을 2000mg/L로 조정하여 사용하였다.
- 중금속은 AAs (Atomic Absorption Spectrophotometer, Perldm Elmer)를 이용하여 즉정하였으며, 음이온은 IC (Dionex 4500i, column AS4A—SC, 4mm X 30cm i.d.) 및 spectro— photometer를 이용하여 측정하였다. 미생물 및 무기물 분석은 전자주사 현미경을 이용하였으며 무기물 조성은 Philips EDAX (Energy Dispersive X—ray Microanalysis) 9000을 이용하여 분석하였다.
- 혐기성 처리에 적합한 매립지 침출수를 선정하기위하여 매립년한에 따른 일련의 침출수 시료를 채취하여[Table 2]에 제시된 것과 같이 침출수를분석하였다. 침출수의 성상은 매립방식, 매립대상폐기물 및 매립년한에 따라 상이한 차이를 보였다그러나 대부분의 침출수는 기존의 연구결과와 유사한 특성을 나타내고 있다19>.
- 80'C)를 이용하여 분석하였다. 회분식 실험에서의 메탄가스 발생량은 물질수지 방법을 이용하여 가스 시료의 대상 채취기간 전 반응조 상단부에존재하였던 메탄 이산화탄소의 양을 보정하였다 15).
대상 데이터
- 사용된 혐기성 배지인 MSM (mineral salts medium)는 Shelton과 Tiedje가제시한 방법을 수정하여 이의 방법에 따라 실험을수행하였다. SMA 실험의 식종 슬러지는 연속운전 반응조에서 채취한 미생물을 이용하였으며, 기질은 메탄균이 쉽게 이용할 수 있는 VFAs (volatile fatty acids) 혼합얙 (HAc: HPr: HBu = 2-1-1 based on COD) 을 2000mg/L로 조정하여 사용하였다.
- 고율 혐기성 반응조를 이용한 연솎운전은 [Table 2]에 제시된 A 매립지 침출수를 주기적채취하여 실험을 수행하였다. 기존 연구결과 침출수의 생물학적 처리는 BODs/COD 비까 0.
- 침출수의 연속 운전시 반응조의 운전조건에 따른메탄균의 활성도 평가를 위한 SMA (specific methanogenic activity) 실험은 125 mL의 혈청병을 이용하였다. 사용된 혐기성 배지인 MSM (mineral salts medium)는 Shelton과 Tiedje가제시한 방법을 수정하여 이의 방법에 따라 실험을수행하였다.
이론/모형
- 미생물 및 무기물 분석은 전자주사 현미경을 이용하였으며 무기물 조성은 Philips EDAX (Energy Dispersive X—ray Microanalysis) 9000을 이용하여 분석하였다. COD (Chemical Oxygen Demand), BOD5 (Biochemical Oxygen Demand), 고형물 및 암모니아 분석은 Standards Methods에 준해 실험하였다 8).
- ) 및 spectro— photometer를 이용하여 측정하였다. 미생물 및 무기물 분석은 전자주사 현미경을 이용하였으며 무기물 조성은 Philips EDAX (Energy Dispersive X—ray Microanalysis) 9000을 이용하여 분석하였다. COD (Chemical Oxygen Demand), BOD5 (Biochemical Oxygen Demand), 고형물 및 암모니아 분석은 Standards Methods에 준해 실험하였다 8).
성능/효과
- 실험 뽤기에 침줄수 수질 변동에 따른 반응조의 거동을 보기 위하여 유기물 부하를 급격하게틍가시켰다. 2기의 UASB 반응조의 COD 제거윻은 일시적으로 감소하였으나 빨리 회복되는 경향을 보였다
- 4. 실험기간 동안 고율 혐기성 반응조를 이용한침출수 처리는 80% 이상의 COD 제거율을나타내었다. 그러나 침전물로 인한 입상 슬러지의 부상문제와 미생물에 과다한 침전물 형성으로 인해 안정적인 처리를 위해서는 무기물의제거를 위한 전처리 공정이 필요한 것으로 나타났다.
- 그리고 일부 입상화가반응조 하부에서 이루어졌으나 대부분 슬러지가침강성이 입상슬러지에 비해 나쁜 flocculent 상태로 존재하여 상향유속 증가에 따라 유출수 VSS 농도가 증가하는 원인으로 작용하였다. Control 반응조와 Granule 반응조를 이용한 침출수 처리시 2기의반응조 모두 운전기 간 동안 완전한 입상화가 이루어지지 않았으며 이는 유입수의 높은 암모니아성 질소 또는 침출수에 함유된 각종 무기 염류와 높은 TSS에 기인하는 것으로 판단된다. Hulshoff Pol 에 의하면 고농도의 암모니아성 질소를 함유한폐수의 혐치성 처리시 사상성 세균의 성장으로 침강성이 불량하게 된다고 제시하고 있다16>.
- 침출수의 성상은 대상 폐기물과 매립방식에 의해 상이한 양상으로 보였으며 유기물질은 대부분 용존성 상태로 존재하였다. 그리고 고농도의 암모니아성 질소를 함유하고 있으며 인의농도는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
- 반면 침출수 c와 D는 낮쯔r BOD5/COD 비와 약알카리성의 pH를 고려시 메탄형성 단계 침출수의 전형적인 특성을 나타내고 있으며3), 높은유기질소를 함유한 폐기물로 인해 고농도의 암모니아성 질소를 함유하고 있다. 그리고 도시 고형폐기물과 산업폐기물 등을 침출수 수집, 제어 및 처리 없이 노상 투기하는 C 매립지의 침출수는 크롬 (Cr)과 납 (Pb)이 다른 매립지에 비해 높게 나타나 이들 물질의 주변환경으로 이동을 통한 환경오염 문제를 저감하기 위해서는 침출수의 적절한 수집과 처리 등을 통한 오염물잘 이동 최소화 또는저감 방안이 필요한 것으로 나타났다. 다른 연구결과와 유사하게 초기 매립지인 A와 B의 침출수의경우 철 (Fe) 과 망간 (Mn) 이 주요한 성분으로 나타났다.
- 그러나 유기물 부하 증가 따라 가스발생량과 유량의 증가로 상향유속이증가하여 반응조 내 슬러지 베드층과 블랭킷 층이팽창되게 된다. 따라서 반응조 내 슬러지 블랭킷층과 기 액 분리 징치 (Gas Solid Separator) 사이에서 침전지 역할을 담당하는 액상 부분이 점차 감소됨에 따라 유출수내 VSS 농도가 증가하는 양상을 보였다. 특히 운전 65일 경에는 Granule 반응조에 첨가한 입상슬러치의 많은 양이 부상하는 결과를 보여 Control 반응조에 비해 높은 VSS 농도를 보였다.
- 49로 나타났다. 본 연구에 사용된 침출수는 생부해도가 높은초기 매립지 침출수의 특성을 보여주고 있으며 유기물 농도도 높아 혐기성 처리에 적합한 것으로 나타났으며 철과 망간이 기존의 연구결과와 유사하게 중금속의 주요한 성분으로 나타났다%'. 그리고고농도의 암모니아성 질소를 함유하고 있으며 인의 농도는 상대적으로 매우 낮아 생물학적 처리시인의 첨가가 필요한 실정이다.
- Keenan 등은 침출수의 혐기성 처리시무기물은 대부분 철, 칼슘, 망간 및 마그네슘으로구성되어 있다고 제시하고 있다. 본 연구에서 침전물은 EDAX 분석결과 중량비로 Ca (35.5%), Si (18.4%), Mg (17.1%) 및 Fe (15.1%) 등으로구성되어 있었다. 이와 같은 결과는 Table 2에 제시된 것과 같이 침출수내 존재하는 고농도의 칼슘에 의해 CaCO3 전물 또는 첨가한 인과 결합하여 Ca5(PO4)3(OH) 침전물의 형성에 기인하는 것으로 판단된다.
- 2기의 UASB 반응조 중 Granule 반응조의메탄가스 발생량이 운전기간 154일까지 약간 높은 값을 보였다. 수리학적 체류시간 1일 (유기불부하 8.2kg COD/m'.d) 에서 Granule 및 Control 반응조의 메탄가스 발생량은 각각 2.5 및 2.4 m3/m3eS, 나타나 Granule 반응조가 약 5% 정도 큰 것으로 나타났다. Granule 및 Control 반응조발생 가스의 메탄 함량은 65-80%로 나타났다.
- d 이상에서는 유기물 부하의 증가에 따라 COD 제거율이 점차 감소하는 결과를 보였으나23 본 실험에서는 유기물 부하 증가가 COD 제거율에 미치는영향은 미미한 것효 나타났다. 약 1달간 반응조의 운전을 중지한 후 운전 191일에 3.7kg COD/m+d의 유기 물 부하로 다시 반응조의 운전을시작하였으나 장기간 동안 기질의 공급이 제한됨으로 COD 제거율이 운전 중지 전에 비해 감소하였다. 실험 뽤기에 침줄수 수질 변동에 따른 반응조의 거동을 보기 위하여 유기물 부하를 급격하게틍가시켰다.
- 35℃에서 운전된 Granule 및 Control 반응조의 슬러지 일부는 입상화가 일어났으나 대부분 flocculent 상태로 존재하였다. 연속운전결과 유기물 부하 8.2kg COD/ne.d까지 두반응조 모두 효율적인 COD 제거가 가능하였으며 , 수리학적 체류시간 1일에서도 모든 반응조의 COD 제거율은 90% 이상을 유지하였으며 운전 130일 동안 SMAs 값은 10배 정도증가하였다.
- 1]에서. 제시되어 있는 것과 같이 Granule 반응조와 Control 반응조의 유입 COD 제거율은초기 h전기간 동안 Granule 반조가 Control 반응조에 비해 최대 28% 이상의 높은 COD 제거율을 보였다. 이러한 결과는 첨가한 입상슬러지의높은 활성에 기인하는 것으로 사료된다.
- 침출수의 성상은 매립방식, 매립대상폐기물 및 매립년한에 따라 상이한 차이를 보였다그러나 대부분의 침출수는 기존의 연구결과와 유사한 특성을 나타내고 있다19>. 즉 유기물은 대부분용존상태로 존재하며 고농도의 암모니아성 질소를함유하고 있으며 인의 농도는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다. 초기 매립지에서 발생하는 침출수 A는 다른 침출수에 비해 상대적으로 높은 BOD5 (Biochemical Oxygen Demand) $}- TOC (Total Organic Carbon) 값을 나타내어 Chian 등이 제시한 young landfill" 의 전형적인 특성을 나타내고 있다3.
- 식종슬러지의 초기 TSS 농도는 69g/L이며 VSS (volatile suspended solids)/ TSS 비는 38% 였다. 첨가된 입상슬러지의 TSS 는 66이며 VSS/TSS 비는 57% 였다
- 초기 운전기간 후에는 Granule 반응조가 Control 반응조에비해 COD 제거율, 메탄가스 발생량 및 비메탄 활성도 등의 운전지표들이 조금 나은 결과를 보이고있으나 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 초기 운전기간 이후 반응조의 운전이 정상상태에 도달한후에는 Granule 및 Control 반응조 모두 수리 학적체류시간 1일, 유기물 부하 4-81<g COD/m+d에서 90% 이상의 높은 COD 제거율을 보였다. 본 연구에서 수행한 UASB 반응조를 이용한 침출수의처리는 혐기성 필터 및 하이브리드 반응조를 이용한 침출수의 처리 실험과 비슷한 결과를 보였다 2324).
- 이러한 결과는 첨가한 입상슬러지의높은 활성에 기인하는 것으로 사료된다. 초기 운전기간 후에는 Granule 반응조가 Control 반응조에비해 COD 제거율, 메탄가스 발생량 및 비메탄 활성도 등의 운전지표들이 조금 나은 결과를 보이고있으나 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 초기 운전기간 이후 반응조의 운전이 정상상태에 도달한후에는 Granule 및 Control 반응조 모두 수리 학적체류시간 1일, 유기물 부하 4-81<g COD/m+d에서 90% 이상의 높은 COD 제거율을 보였다.
- 따라서 반응조 내 슬러지 블랭킷층과 기 액 분리 징치 (Gas Solid Separator) 사이에서 침전지 역할을 담당하는 액상 부분이 점차 감소됨에 따라 유출수내 VSS 농도가 증가하는 양상을 보였다. 특히 운전 65일 경에는 Granule 반응조에 첨가한 입상슬러치의 많은 양이 부상하는 결과를 보여 Control 반응조에 비해 높은 VSS 농도를 보였다. 이와 같은 결과는 Isa 등이 hybrid 반응조를 이용한 침출수의 혐기성 처리시 발생하였던입상츨러;지의 부상의 원인과 유사한 것으로 판단된다w.
후속연구
- 가 느린 미생물을 반응조 내에 고농도로 보유함으로서 높은 부하의 적용이 가능함으로 고농도의 유- 기물을 함유한 침출수 처리에 효과적이다. 그러나고율 혐기성 공법은 실제 부하를 적용하기 위해서는 장기간의 초기 운전기간이 소요됨으로 이를 단죽할 수 있는 연구가 필요하다.: 기존의 연구결과소량의 입상슬러진 첨가는 초기 운전기간을 단축시키는 것으로 알려져 있다6).
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