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문제 정의
- 본 연구에서는 폐수처리장의 활성슬러지를 이용하여 합성폐수를 대상으로 질산화 공정에 미치는 인자들에 대한연구를 수행하였다.
- 질산화에 영향을 미치는 인자로는 배양온도 pH, 용존산소, 기질량 C/N비, 미생물량 등이 있다. 본 연구에서는 폐수처리장의 활성슬러지를 이용하여 합성폐수의 질산화 공정에 미치는 인자들에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 고농도의 암모니아성 질소(100 mg/L 이상)를 함유한 경우에 있어서는 합성폐수의 pH가 초기 8에서 pH 6.
제안 방법
- 0, 200, 500, 750, 1,000 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 공기공급량에 따른 질산화 반응을 실험하였다.
- Table 1에 실험에 사용한 각 합성폐수의 조성을 나타내었다. N-NH4 질소원으로는 NH4CI을, 그리고 탄소원 (COD) 으로는 포도당을 사용하여 실험에 따라 다양한 농도로 실험에 적용하였다.
- Table 1과 같은 합성폐수를 제조하여 암모니아성 질소의 농도는 NHQ1 을 사용하여 20, 50, 100, 200, 500 mg/L 로 조절하여 실험을 수행하였다. 질산화 반응을 위한 합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 1로 설정하였고, 접종한 활성슬러지 양은 약 1, 350 mg/L가 되도록 하여, 500 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 질산화 반응을 측정하였다.
- 0 mg/L NO「-N)을 사용하여 500 nm에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 질산성 질소의 함링을 측정하였다. 또한 자외선 흡광광도법을 사용하여 분석하였으며, 표준물질로 KNO3를 사용하여 표준검량선을 작성하여 시료의 농도를 계산하였다.
- USA)를 사용하였다. 발색시약으로 Hach사의 시약 kit (NITRATE, HR, 0 to 30.0 mg/L NO「-N)을 사용하여 500 nm에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 질산성 질소의 함링을 측정하였다. 또한 자외선 흡광광도법을 사용하여 분석하였으며, 표준물질로 KNO3를 사용하여 표준검량선을 작성하여 시료의 농도를 계산하였다.
- 변형하여 사용하였다. 발색시약으로 Hach사의 시약 kit (NITROGEN, AMMONIA, 0 to 2.50 mg/L NH3-N)을 사용하여 분굉굉도계 (DR 4000, Hach, USA)를 이용하여 425 nm 에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 암모니아성 질소의 함량을 측정하였다. 암모니아성 질소는 표준물질로 NHYl을 사용하여 분석하였다.
- 변형하여 사용하였다. 발색시약은 Hach사의 시약 kit (NITRITE, HR, 0 to 150 mg/L NO/N)을 사용하여 분광광도계 (DR 4000, Hach, USA)를 사용하여 585 nm 에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 아질산성 질소의 함량을 측정하였다. 아질산성 질소 측정에 사용한 표준물질은 NaNCb를 사용하였다
- 시료 중의 아질산성 질소의 함량분석은 Ferrous sulfate 방법을 변형하여 사용하였다. 발색시약은 Hach사의 시약 kit (NITRITE, HR, 0 to 150 mg/L NO/N)을 사용하여 분광광도계 (DR 4000, Hach, USA)를 사용하여 585 nm 에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 아질산성 질소의 함량을 측정하였다.
- 시료 중의 암모니아성 질소의 함량분석은 Nessler 방법을 변형하여 사용하였다. 발색시약으로 Hach사의 시약 kit (NITROGEN, AMMONIA, 0 to 2.
- 자외선 흡광광도법을 人]용흐'!였다 Cadmium reduction 방법을 변형한 방법은 분석에는 분광광도계 (DR 4000, Hach, USA)를 사용하였다. 발색시약으로 Hach사의 시약 kit (NITRATE, HR, 0 to 30.
- 질산화 공정에 미치는 공기공급량의 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 조건으로 질산화 반응 실험을 수행하였다 Table 1과 같은 합성폐수 조성을 기준2로 제조하였고, 암모니아성 질소의 농도는 NHQl을 사용하여 100 mg/L로 합성합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 1로 설정하였고, 접종한 활성슬러지 양은 약 1, 350 mg/J가 되도록 하였다. 0, 200, 500, 750, 1,000 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 공기공급량에 따른 질산화 반응을 실험하였다.
- 알려져 있다(3, 4, 7). 질산화 공정에 미치는 탄소원과 질소원 농도의 비 (C/N 비)의 영향을 알아보기 위하여 Table 1과 같은 합성폐수를 제조하여 암모니아성 질소의 농도는 NHK1 을 사용하여 100 mg/L로 조절하여 사용하였다. 질산화 반응을 위한 합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 0, 1, 3, 5, 10으로 설정하여 조절하였다.
- 이는 750 mL/min과 1,000 mL/min의 경우에 있어서는 질산화 반응 중 폭기되는 공기방울에 의해 활성슬러지가 반응기 상단 표면에 부착되어 실제 질산화 반응에 사용되지 못하는 현상을 보인 것과 관련이 있으리라 판단된다. 질산화 공정에서 공급공기량의 변화에 따른 질산성 질소 농도의 변화를 나타내었다. 공급공기량의 변화에 따라 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환됨을 확인하였다.
- 설정하였다. 질산화 반응에 첨가한 활성슬러지 양은약 350, 450, 780, 1, 120, 1, 850 mg/L가 되도록 접종하여 500 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 질산화 반응실험을 수행하였다.
- 질산화 공정에 미치는 탄소원과 질소원 농도의 비 (C/N 비)의 영향을 알아보기 위하여 Table 1과 같은 합성폐수를 제조하여 암모니아성 질소의 농도는 NHK1 을 사용하여 100 mg/L로 조절하여 사용하였다. 질산화 반응을 위한 합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 0, 1, 3, 5, 10으로 설정하여 조절하였다. 활성슬러지는 약 800 mg/L가 되도록 접종한 후 500 mL/min 의 유속으로 공기를 공급하면서 실험을 수행하였다.
- Table 1과 같은 합성폐수를 제조하여 암모니아성 질소의 농도는 NHQ1 을 사용하여 20, 50, 100, 200, 500 mg/L 로 조절하여 실험을 수행하였다. 질산화 반응을 위한 합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 1로 설정하였고, 접종한 활성슬러지 양은 약 1, 350 mg/L가 되도록 하여, 500 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 질산화 반응을 측정하였다.
- 질산화공정에 미치는 암모니아성 질소 농도의 영향을 알아보기 위하여 다음과 같이 질산화 반응 실험을 수행하였다. Table 1과 같은 합성폐수를 제조하여 암모니아성 질소의 농도는 NHQ1 을 사용하여 20, 50, 100, 200, 500 mg/L 로 조절하여 실험을 수행하였다.
- 초기 활성슬러지양이 질산화 공정에 미치는 영향을 알아보기 위하여 Table 1과 같은 합성폐수 조성을 기준으로 암모니아성 질소의 농도는 NHQl을 사용하여 100 mg/L로 조절하였고, 합성폐수 중의 C/N 비는 포도당을 사용하여 1로 설정하였다. 질산화 반응에 첨가한 활성슬러지 양은약 350, 450, 780, 1, 120, 1, 850 mg/L가 되도록 접종하여 500 mL/min의 유속으로 공기를 공급하면서 질산화 반응실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 활성슬러지는 전남 L화학 폐수처리장에서 채취하여 호기조에서 NHK1 를 질소원으로 그리고 미량원소를 넣어서 배양하면서 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 활성슬러지의 상태는 미생물들이 군락을 잘이루고 있는 상태였다.
- 발색시약은 Hach사의 시약 kit (NITRITE, HR, 0 to 150 mg/L NO/N)을 사용하여 분광광도계 (DR 4000, Hach, USA)를 사용하여 585 nm 에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 아질산성 질소의 함량을 측정하였다. 아질산성 질소 측정에 사용한 표준물질은 NaNCb를 사용하였다
- 50 mg/L NH3-N)을 사용하여 분굉굉도계 (DR 4000, Hach, USA)를 이용하여 425 nm 에서 흡광도를 측정하여 시료 중의 암모니아성 질소의 함량을 측정하였다. 암모니아성 질소는 표준물질로 NHYl을 사용하여 분석하였다.
- 합성폐수의 조성은 K2HPO4, KH2PO4와 약간의 미량원소 (MgSO4 · 7H2O, CaCl2 - 2H2O, FeCh · 6H2O, M* nC - 4H2O, ZnSO4 · 7H2O, CuSO4 - 5H2O, CoCl2 - 6H2O, NiSO4 · 6H2O, H3BO3, (NH4)6Mo7024 · 4HzO, yeast extract)로 구성하였으며, 알칼리도는 KHCO를 사용하여 조절하였다. Table 1에 실험에 사용한 각 합성폐수의 조성을 나타내었다.
이론/모형
- 시료의 분석 (MLSS, pH, Temp., COD, NHj, NO2; NO3; T-N)은 수질오염공정시험법에 의거하여 분석하였다(2, 10).
성능/효과
- 8%가 감소되었다. 1, 120 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 85시간 후에는 약 4.8 mg/L 의 암모니아성 질소만이 남아 있었고, 초기농도의 95.2%가 감소되었다. 1, 850 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 54시간 이후에는 약 10.
- 2%가 감소되었다. 1, 850 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 54시간 이후에는 약 10.5 mg/丄의 암모니아성 질소가 잔존하였으며, 89.5%가 제거되었다.
- 2%의 제거율을 나타내었다. 1,000 mL/min의 공기 공급량으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간후에는 약 12.6 mg/L의 암모니아성 질소가 측정되어 87.4% 의 암모니아성 질소가 감소하였다 반응 66시간에는 약 88.3% 의 제거율을 나타내었다.
- 7%가 감소되었다. 450 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 102시간이후에 약 2.13 mg/L의 암모니아성 질소가 잔류하였으며, 97.8%의 제거율을 얻었다. 780 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 80시간 이후에는 약 7.
- 8%의 제거율을 얻었다. 780 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 80시간 이후에는 약 7.2 mg/L의 암모니아성 질소만이 검출되어 92.8%가 감소되었다. 1, 120 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 85시간 후에는 약 4.
- 8%의 제거율을 나타내었다. C/N 비를 10으로 조절하여 반응을 수행한 결과 반응 73시간이후에는 약 90.2%의 암모니아성 질소 제거율을 나타내었다. 일반적으로 암모니아성 질소가 포함된 합성폐수의 처리에 있어서 질산화 공정에서는 낮은 탄소원의 유입이 유용하다고 알려져 있으나(3, 4, 7), 본 연구의 결과로는 일정 C/N 비 범위에서는 탄소원이 존재할수록 초기에 암모니아성 질소의 제거율이 증진되는 것으로 판단된다.
- 5%가 감소되었다. C/N 비를 1로 조절한 결과 반응 54시간 이후에는 약 8.06 mg/L의 암모니아성 질소가 검출되어 초기농도의 89.6%가 제거되었다. C/N 비를 3으로 조절한 결과 반응 48시간 후에는 약 9.
- 6%가 제거되었다. C/N 비를 3으로 조절한 결과 반응 48시간 후에는 약 9.92 mg/L이 잔류하여 86.2%의 제거율을 나타내었다. C/N 비를 5로 조절한 경우에서는 반응 48시간 이후에는 약 8.
- 질산화 공정에서 공급공기량의 변화에 따른 질산성 질소 농도의 변화를 나타내었다. 공급공기량의 변화에 따라 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환됨을 확인하였다. 질산화 반응 중 아질산성 질소의 농도는 전체 실험군에 따라 5-30 mg/L의 농도로 검출되었다(data not shown).
- 합성폐수 중의 초기 C/N 비가 0과 1의 경우에 있어서는 합성폐수 중의 pH 변화가 반응 후반부에서 크게 나타났다. 그러나 C/N 비가 3에서 10인 경우에서는 24시간까지 pH가 증가하다 감소하는 경향을 나타내었고, 질산화 반응 후반부에는 큰 변화를 나타내지 않았다 이러한 현상들은 질산화 과정을 통하여 아질산성 질소와 질산성 질소가 생성되어 합성폐수의 pH 변화를 가져온다고 판단되므로 간접적으로 C/N 비가 낮을수록 질산화가 잘 일어나는 것으로 판단된다.
- 본 실험에서는 외부로부터 산소의 직접적인 유입은 없었으나, 실험 초기 잔류하는 용존산소와 반응 중 교반으로 인한대기 중의 산소의 용해로 인하여 일부 산소가 실험 합성폐수 내로 용존되어 질산화 반응에 이용되어 일부 반응이 일어난 것으로 판단된다. 반응기에 유입되는 공기공급량을 200 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 24.8 mg/L의 암모니아성 질소가 잔류여 초기농도의 75.2%가 처리되었다. 반응기에 유입되는 공기공급량을 500 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 4.
- 2%가 처리되었다. 반응기에 유입되는 공기공급량을 500 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 4.96 mg/L의 암모니아성 질소가 잔류하였고 94.8%의 암모니아성 질소가 처리되었다. 배양 후반부에서는 일부 암모니아성 질소의 생성이 있었다 반응기에 유입되는 공기공급량을 750 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 9.
- 8%의 암모니아성 질소가 처리되었다. 배양 후반부에서는 일부 암모니아성 질소의 생성이 있었다 반응기에 유입되는 공기공급량을 750 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 9.09 mg/L의 암모니아성 질소가 남아 있었고, 이는 90.9% 의 암모니아성 질소 제거율을 나타내었다. 반응 66시간에는 약 93.
- 일반적으로 질산화 반응은 외부로부터 산소가 공급되어 질산화 미생물들에 의하여 암모니아성 질소를 아질산성 질소와 질산성질소로 전환시키는 것으로 알려져 있다(3, 4, 7, 8). 본 실험에서는 외부로부터 산소의 직접적인 유입은 없었으나, 실험 초기 잔류하는 용존산소와 반응 중 교반으로 인한대기 중의 산소의 용해로 인하여 일부 산소가 실험 합성폐수 내로 용존되어 질산화 반응에 이용되어 일부 반응이 일어난 것으로 판단된다. 반응기에 유입되는 공기공급량을 200 mL/min으로 조절하여 질산화 반응을 수행한 결과 42시간 후에는 약 24.
- 제거속도의 관계를 나타내었다. 실험 결과 중 선형적으로 암모니아성 질소가 감소한 구간 (반응시간 3-42 hr)에 대하여 암모니아성 질소의 제거속도를 계산한 결과, 공급공기량에 비례해서 일정구간에서는 제거속도가 증가하였다.
- 제거속도 관계를 나타내었다. 실험 결과 중 선형적으로 암모니아성 질소가 감소한 구간에 대하여 제거속도를 계산한 결과 초기 암모니아성 질소 농도에 비례해서 일정구간에서는 제거속도가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 질소 제거속도의 관계를 나타내었다. 실험 결과중 선형적으로 암모니아성 질소가 감소한 구간에 대하여 암모니아성 질소 제거속도를 계산한 결과 도입된 활성슬러지 양에 비례해서 일정구간에서는 제거속도가 증가하였다.
- 실험기간 동안 합성폐수 중의 초기 암모니아성 질소의 농도의 변화에 따른 뚜렷한 바이오매스의 농도는 변화는 관찰되지 않았다. 일반적으로 전기전도도는 합성폐수에 함유되어 있는 전체적인 화학성분들의 양과 비례한다.
- 2%의 암모니아성 질소 제거율을 나타내었다. 일반적으로 암모니아성 질소가 포함된 합성폐수의 처리에 있어서 질산화 공정에서는 낮은 탄소원의 유입이 유용하다고 알려져 있으나(3, 4, 7), 본 연구의 결과로는 일정 C/N 비 범위에서는 탄소원이 존재할수록 초기에 암모니아성 질소의 제거율이 증진되는 것으로 판단된다. 이는 종속영양 질산화균에 의한 현상으로 판단되나 좀 더 자세한 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 않았다. 전기전도도는 합성폐수 중에 함유되어 있는 전체적인 화학성분들의 양과 비례하기 때문에 C/N 비가 증가할수록 초기전기 전도도 값이 높았다. 질산화 반응 중 암모니아성 질소의 농도의 변화에 따른 뚜렷한 전기전도도의 농도 변화 경향은 관찰되지 않았다(data not shown).
- 접종한 활성슬러지 양에 따른 암모니아성 질소의 제거율은 반응 36시간에서 접종한 활성슬러지 양에 비례하여 증가하는 결과를 나타내었다(Fig. 5). 일부 실험에 있어서는 질산화 반응 중 폭기되는 공기방울에 의해 활성슬러지가 반응기 표면에 부착되어 실제 질산화 반응에 사용되지못하는 현상이 관찰되었다.
- 질산화 공정에서 각각 초기 암모니아성 질소 농공급공기량, 접종한 활성슬러지 양에 비례해서 일정구간에서는 암모니아성 질소의 제거속도가 증가하였다. 질산화 공정에서 C/N 비의 영향은 일정 C/N 비 범위에서는 탄소원이 존재할수록 초기에 암모니아성 질소의 제거율이 증진되는 결과를 얻었다.
- 이는 질산화 과정을 통하여 아질산성 질소와 질산성 질소가 생성되어 합성폐수 중의 pH 변화를 가져온 것으로 판단된다. 질산화 공정에서 각각 초기 암모니아성 질소 농공급공기량, 접종한 활성슬러지 양에 비례해서 일정구간에서는 암모니아성 질소의 제거속도가 증가하였다. 질산화 공정에서 C/N 비의 영향은 일정 C/N 비 범위에서는 탄소원이 존재할수록 초기에 암모니아성 질소의 제거율이 증진되는 결과를 얻었다.
- 나타내었다. 질산화 공정에서 합성폐수에 첨가된 암모니아성 질소 농도의 변화에 따른 질산성 질소 농도의 변화를 나타낸 결과, 합성폐수 중의 초기 암모니아성 질소의 농도의 변화에 따라 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환됨을 확인하였다. 질산화 반응 중 아질산성 질소의 농도는 전체 실험군에서 5-15 mg/L의 농도로 검출되었다(data not shown).
- 질산화 반응기에 공급되는 공기량에 따른 암모니아성질소:의 제거속도는 다르지만, 본 실험에서는 500 mL/min의 공기공급량에서 암모니아성 질소의 제거 율이 우수하였다 (Fig. 3). 이는 750 mL/min과 1,000 mL/min의 경우에 있어서는 질산화 반응 중 폭기되는 공기방울에 의해 활성슬러지가 반응기 상단 표면에 부착되어 실제 질산화 반응에 사용되지 못하는 현상을 보인 것과 관련이 있으리라 판단된다.
- 4%가 감소된 값이다. 초기 암모니아성 질소 농도를 67.6 mg/L로 질산화 반응을 수행한 결과 반응 100시간후에는 약 24.2 mg/J의 암모니아성 질소가 남아 있어 64.2% 의 제거율을 나타내었다 103 mg/J의 암모니아성 질소를 질산화 반응을 수행한 결과 반응 100시간 후에는 약 34.7 mg/L 의 암모니아성 질소가 잔존하여 66.3%의 제거율을 나타내었다. 187 mg/L의 암모니아성 질소를 질산화 반응을 수행한 결과 반응 100시간 후에는 약 110 mg/L의 암모니아성 질소가 잔존하여 40.
- 일반적으로 전기전도도는 합성폐수에 함유되어 있는 전체적인 화학성분들의 양과 비례한다. 합성폐수 중의 암모니아성 질소 함량에 따라 비례적으로 전기 전도도가 증가하였으며, 합성폐수 중의 초기 암모니아성 질소의 농도의 변화에 따른 뚜렷한 전기전도도의 농도 변화 경향은 관찰되지 않았다(data not shown). 이는 질산화반응을 통하여 암모니아성 질소가 아질산과 질산성 질소로 변환되었지만, 전체적인 전기전도도로의 변화는 나타내지 않은 것으로 판단된다.
- 합성폐수 중의 초기 암모니아성 질소의 농도에 따라 암모니아성 질소의 제거속도가 다르게 나타났고, 고농도의 암모니아성 질소 농도일수록 제거율이 감소함을 나타내었다. 질산화 공정에서 합성폐수에 첨가된 암모니아성 질소 농도의 변화에 따른 질산성 질소 농도의 변화를 나타낸 결과, 합성폐수 중의 초기 암모니아성 질소의 농도의 변화에 따라 아질산성 질소와 질산성 질소로 전환됨을 확인하였다.
- 4(B)는 접종한 활성슬러지 농도에 따른 암모니아성 질소 농도의 변화를 나타낸 것이다. 활성슬러지를 350 mg/L 로 접종한 결과 102시간 후에는 약 14.3 mg/L의 암모니아성 질소만이 잔존하였고, 초기농도의 85.7%가 감소되었다. 450 mg/L의 활성슬러지를 접종한 결과 반응 102시간이후에 약 2.
후속연구
- 일반적으로 암모니아성 질소가 포함된 합성폐수의 처리에 있어서 질산화 공정에서는 낮은 탄소원의 유입이 유용하다고 알려져 있으나(3, 4, 7), 본 연구의 결과로는 일정 C/N 비 범위에서는 탄소원이 존재할수록 초기에 암모니아성 질소의 제거율이 증진되는 것으로 판단된다. 이는 종속영양 질산화균에 의한 현상으로 판단되나 좀 더 자세한 연구가 진행되어야 할 것이다.
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