[논문]철 석출장치가 결합된 무산소.호기공정에 의한 인 제거 특성

김민호; 김영규; 김수복

doi:10.5668/jehs.2010.36.6.502

철 석출장치가 결합된 무산소.호기공정에 의한 인 제거 특성
Phosphorus Removal (Characteristics by Anoxic Oxic Process) by Anoxic and Oxic Processed Combined with Iron Electrolysis 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.36 no.6 = no.117, 2010년, pp.502 - 509

김민호 (국제대학 보건환경과) , 김영규 (용인대학교 환경학과) , 김수복 (용인대학교 자연과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the (phosphorous removal) the characteristics of phosphorous removal due to (the iron compound precipitated) iron compound precipitation by iron electrolysis in (the anoxic. oxic process) anoxic and oxic processes (equipped with the) in an iron precipitation device were analyzed. During the device operation period, the average concentration of BOD, T-N, and T-P were 219.9 mg/l, 54.6 mg/l and 6.71 mg/l, respectively. The BOD/$COD_{Cr}$ ratio was 0.74, and the BOD/T-N and BOD/T-P ratios were 4.0 and 32.8, respectively. The removal rate of (the organic matters) organic matter (BOD and $COD_{Cr}$) was very high at 91.6% or higher, and that of nitrogen was 80.5%. The phosphorous concentration (of the final) in the treated water was 0.43 mg/l (0.05-0.74 mg/l) on average, and the removal efficiency was high at 90.8%. The soluble T-P concentrations in (an) the anoxic reactor, oxic reactor (II) and final treated water were 1.99 mg/l, 0.79 mg/l and 0.43 mg/l, respectively, which indicated that the phosphorous concentration in the treated water was very low. Regardless of the changes in the concentrations of (organic matters) organic matter, nitrogen and phosphorous in the influent, the quality of the treated water was relatively stable and high. The removal rate of T-P somewhat increased with the increase in the F/M ratio in the influent, and it also linearly increased in proportion to the T-P loading rate in the influent. In the treatment process used in this study, phosphorous was removed (using) by the precipitated iron oxide. Therefore, the consumption of organic (matters) matter for biological phosphorus removal was minimized and (most of the organic matters were) was mostly used as the organic carbon source for the denitrification in the anoxic reactor. This (can be an economic) treatment process (without the need for the supply of additional organic matters) is economic and does not require the supply of additional organic matter.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1과 같다. 경기도 P시 J하수처리장내에 약 50 m³/day 규모로 설치하였으며 무산소조와 호기조에서 질산화와 탈질화 반응을 통하여 유기물질과 질소를 제거하고 인 제거는 철 석출장치의 철 극판에서 석출된 철 화합물과 흡착시키므로서 제거하고자 하였다. 그리고 최종침전지에서 고액분리된 침전슬러지와 호기조에서 질산화된 슬러지는 무산소조로 외부 및 내부 반송되게 하였고 호기조에서 철 석출장치로 유입된 하수는 철 석출장치에서 석출된 철 화합물과 함께 호기조로 재유입시켜 포기와 반송에 의하여 생물반응조에서 반응이 효율적으로 진행되게 하였다.
본 연구에서는 철석출장치가 결합된 무산소 · 호기공정에서 전기분해조인 철 석출장치에 정격직류전압을 적용한 철판을 침지하고 철 극판에서 철 이온을 석출되도록 하여 석출된 철 이온에 의해 인 제거 특성을 분석하고 이와 동시에 유기물질의 제거도 분석하였다. 이 자료를 토대로 하여 철 석출장치를 이용한 생물학적 처리공정에서 효율적이면서 안정적인 인 제거의 현장 적용성에 대한 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

이와 같은 분석항목의 분석방법은 수질오염공정시험방법과 standard method에 준하여 실시하였다.^8,9) 또한 용존성 유기물은 완전히 혼합된 슬러지를 GF/C로 여과한 후 그 여과액을 시료로 하여 측정하였다.
단위공정별 유기물질, 질소 및 인의 거동을 분석하기 위해 각 생물반응조내 여과액을 채취하여 용존성 유기물질인 SBOD와 SCOD_Mn 그리고 용존성 영양물질인 용존성 질소(ST-N), 용존성 인(ST-P), PO₄-P 등을 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 단, 생물반응조에서 분석항목은 활성슬러지 농도를 고려하여 채취한 시료를 여과한 다음 여과액을 측정한 값이며 최종 처리수의 농도는 여과를 거치지 않고 혼합액을 대상으로 측정한 값이다.
시료채취는 유입수와 최종 처리수 그리고 각 단위공정의 유출수에서 실시함을 원칙으로 하고 시료의 성상 및 운전조건 등을 고려하여 대표성 있는 시료를 채취하여 즉시 분석하였다. 반응조의 온도, pH, DO, MLSS, MLVSS, TFe 등은 매일 측정하였고 유입수와 유출수의 TSS, BOD, COD, T-N, T-P, PO₄-P, 알카리도 등을 주기적으로 측정하였다. 이와 같은 분석항목의 분석방법은 수질오염공정시험방법과 standard method에 준하여 실시하였다.
본 공법에서는 석출된 철이온에 용존산소를 공급하여 철산화물을 형성하고 형성된 철산화물이 용해성 인과 흡착 반응하여 인을 제거하도록 하였다.
본 연구에 적용된 pilot-plant가 설치되어 있는 경기도 P시 J하수처리장은 생활하수를 차집하여 처리하는 65,000 m³/day 규모이며 유입수는 하수처리장의 침사지를 거친 하수를 이송펌프에 의해 pilot-plant로 유입하였고 유입유량, 유입수 농도 및 계절적 변화 등을 고려하여 6개월 동안 운전하였다. 본 연구기간동안 pilot-plant 로 유입되는 대상 유입수에 대한 성상은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서는 철 석출장치가 결합된 무산소 · 호기공정에서 전기분해조인 철 석출장치에 정격직류전압을 적용한 철판을 침지하고 철 극판에서 철 이온을 석출되도록 하여 석출된 철 이온에 의해 인 제거 특성을 분석한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 철석출장치가 결합된 무산소 · 호기공정에서 전기분해조인 철 석출장치에 정격직류전압을 적용한 철판을 침지하고 철 극판에서 철 이온을 석출되도록 하여 석출된 철 이온에 의해 인 제거 특성을 분석하고 이와 동시에 유기물질의 제거도 분석하였다.
시료채취는 유입수와 최종 처리수 그리고 각 단위공정의 유출수에서 실시함을 원칙으로 하고 시료의 성상 및 운전조건 등을 고려하여 대표성 있는 시료를 채취하여 즉시 분석하였다. 반응조의 온도, pH, DO, MLSS, MLVSS, TFe 등은 매일 측정하였고 유입수와 유출수의 TSS, BOD, COD, T-N, T-P, PO₄-P, 알카리도 등을 주기적으로 측정하였다.
침지된 철판전극에 흐르는 전압은 일정하게 흐르도록 제어하였다. 철 석출 장치에서 반응조에 투입된 철판을 양극과 음극을 24시간 마다 교대로 사용하여 음극의 철 표면에 스케일(scale)이 형성되어 철 산화물의 석출속도가 저하되는 현상을 방지하여 양쪽 철판표면에서 계속적으로 철이 석출되도록 하였다.
철 석출장치로 유입되는 호기조의 혼합액은 일일 처리량의 20-50%Q가 유입될 수 있도록 이송하였고 전기분해에 의하여 석출된 철이 철 석출조로 유입된 하수와 반응하여 인이 제거되는 것을 고려하여 5-10분(평균 6분) 동안 체류시간을 유지하도록 하였다. 이때 한 개의 철판은 양극 그리고 다른 한 개의 철판은 음극으로 하여 전압과 전류는 각각 1.

대상 데이터

철 전기분해에 사용된 철판 모듈은 철 재질 SS41, 규격 W 310 mm × L 500 mm, 철판 간격 14 mm, 표면적 3,165 cm2 그리고 총 무게는 4,867 g이고 총 6개의 철판으로 구성된 철판 모듈을 장치 반응조에 침지하였다.

이론/모형

반응조의 온도, pH, DO, MLSS, MLVSS, TFe 등은 매일 측정하였고 유입수와 유출수의 TSS, BOD, COD, T-N, T-P, PO₄-P, 알카리도 등을 주기적으로 측정하였다. 이와 같은 분석항목의 분석방법은 수질오염공정시험방법과 standard method에 준하여 실시하였다.^8,9) 또한 용존성 유기물은 완전히 혼합된 슬러지를 GF/C로 여과한 후 그 여과액을 시료로 하여 측정하였다.
34 mg/l로 유출되어 처리수에 포함된 인의 농도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 호기조에서 미생물은 형광동소보합법(FISH, Fluorescence In Situ Hybridization)을 이용하여 동정하였다. FISH법은 EUB338과 NEU를 동시에 적용하여 중첩 촬영한 결과 AOB(Ammonia oxidizing bacteria)의 한 부류인 Nitrisomonas spp.

성능/효과

1) 운전기간동안 유입수의 TSS, BOD 및 COD_Cr의 평균농도는 각각 294.7 mg/l, 219.9 mg/l, 297.7 mg/l로나타나 BOD/COD_Cr비는 0.74이었고 T-N과 T-P에 대한 평균농도는 54.6 mg/l와 6.71 mg/l로 유입되어 BOD/T-N 비와 BOD/T-P 비는 4.0과 32.8로 나타났다.
11) 철석출장치가 결합된 무산소 · 호기 공정에서 인의 평균 제거효율은 90.8%로 나타나 현재 국내 하 · 폐수 처리장에 적용되고 있는 인 제거효율과 유사한 것으로 나타났다.
2) TSS, BOD 및 CODCr의 제거효율은 각각 97.7%, 98.3% 및 91.6%로 나타나 유입수의 변화폭에 관계없이 처리수의 수질은 비교적 안정적이고 높은 제거 특성을 보여주고 있다. 그리고 T-N 제거효율 역시 평균 80.
3) 최종 처리수의 T-P 농도는 평균 0.43 mg/l(0.05-0.74 mg/l)로 유출되어 제거효율은 90.8%로 높게 처리되는 것으로 나타났다. 무산소조, 호기조(II) 및 최종 처리수의 용존성 T-P 농도는 1.
4) F/M 비 및 유입 T-P 부하에 따른 T-P 제거율의 영향을 관찰한 결과 유입 F/M 비가 증가함에 따라 TP의 제거율이 다소 증가되고 있음을 확인할 수 있었고 유입 T-P 부하량에 비례하여 선형적으로 증가하는 경향도 관찰할 수 있었다.
F/M 비가 0.179-0.792 kgBOD/kgVSS · day로 변화시켜 운전하였을 때 유입 F/M 비가 증가함에 따라 이에 비례하여 T-P의 제거율이 다소 증가되고 있음을 확인할 수 있었다.
5%로 나타났다. T-P 농도는 평균 0.43 mg/l(0.05-0.74 mg/l)로 유출되어 평균 제거효율은 90.8%로 매우 안정적으로 처리되고 있음을 알 수 있었다(Fig. 3). 이는 인 제거가 대부분 철 전기분해에 의해 석출된 철염에 의해 흡착되거나 응집에 의해 이루어지고 잉여슬러지와 함께 제거되기 때문이다.
FISH법은 EUB338과 NEU를 동시에 적용하여 중첩 촬영한 결과 AOB(Ammonia oxidizing bacteria)의 한 부류인 Nitrisomonas spp.가군집(cluster)을 형성하여 존재하였으며 NEU/EUB338의 분율이 39.2%에 해당하는 것으로 나타나 철 석출장치에 의해 석출된 철이 미생물 활성에 큰 영향을 주지 않았음을 확인하였다. 무산소조에서 PO₄-P는 351 g/day가 방출되어 호기조에서 411 g/day가 제거되었으며 최종 처리수에서 46 g/day로 유출되었다.
6%의 제거효율을 보이고 있다. 그리고 무산소조, 호기조(I), 호기조(II) 및 최종 유출수의 SBOD 농도는 각각 9.8 mg/l, 4.3 mg/l, 2.6 mg/l 및 3.6 mg/l로 나타났고 SCOD_Mn 농도 역시 생물반응조 순으로 각각 9.6 mg/l, 7.9 mg/l, 7.3 mg/l 및 5.2 mg/l로 나타났다. 단위공정별 용존성 유기물질의 제거량을 살펴보면 무산소조, 호기조(I), (II)에서 각각 1,233 g/day, 713 g/day, 216 g/day로 산정되어 용존성 유기물질의 제거량이 무산조조에서 가장 높게 나타난 이유는 생물학적으로 분해 가능한 용존성 유기물질(BDSBOD)이 무산소조에서 탈질반응에 요구되는 전자공여체로 손쉽게 이용되었기 때문으로 판단된다.
경기도 P시 J하수처리장내에 약 50 m³/day 규모로 설치하였으며 무산소조와 호기조에서 질산화와 탈질화 반응을 통하여 유기물질과 질소를 제거하고 인 제거는 철 석출장치의 철 극판에서 석출된 철 화합물과 흡착시키므로서 제거하고자 하였다. 그리고 최종침전지에서 고액분리된 침전슬러지와 호기조에서 질산화된 슬러지는 무산소조로 외부 및 내부 반송되게 하였고 호기조에서 철 석출장치로 유입된 하수는 철 석출장치에서 석출된 철 화합물과 함께 호기조로 재유입시켜 포기와 반송에 의하여 생물반응조에서 반응이 효율적으로 진행되게 하였다.
43 mg/l로 유출되어 처리수에 포함된 인의 농도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 단위 표면당 철석출량은 1.088 mgFe/cm² Iron · day이고 단위 철 농도당 인 제거 비와 단위 표면당 인 제거량은 각각 12.405 mgP/mgFe 과 13.499 mgP/cm²Iron · day로 분석되었다.
무산소조, 호기조(I) 및 (II)의 MLSS 농도는 각각 1,816-3,739 mg/l, 1,934-3,815 mg/l, 1,826-3,527 mg/l로 유지하였고 평균 MLSS 농도는 반응조 순으로 각각 2,722 mg/l, 2,693 mg/l, 2,632 mg/l이었다. 모든 생물반응조에서 MLVSS/MLSS 비는 약 0.72로 나타났다. 무산소조의 HRT는 1,7-3.
6) 범위로 운전하였다. 무산소조, 호기조(I) 및 (II)의 MLSS 농도는 각각 1,816-3,739 mg/l, 1,934-3,815 mg/l, 1,826-3,527 mg/l로 유지하였고 평균 MLSS 농도는 반응조 순으로 각각 2,722 mg/l, 2,693 mg/l, 2,632 mg/l이었다. 모든 생물반응조에서 MLVSS/MLSS 비는 약 0.
7%의 제거효율로 나타났다. 무산소조, 호기조(II) 및 최종 처리수의 ST-N 농도는 각각 12.1 mg/l, 12.3 mg/l, 10.4 mg/l로 유출되었고 ST-P 농도 역시 반응조 순으로 1.99 mg/l, 0.79 mg/l, 0.43 mg/l로 유출되었다. 그리고 PO₄-P의 경우에는 1.
8%로 높게 처리되는 것으로 나타났다. 무산소조, 호기조(II) 및 최종 처리수의 용존성 T-P 농도는 1.99 mg/l, 0.79 mg/l, 0.43 mg/l로 유출되어 처리수에 포함된 인의 농도는 매우 낮은 것으로 나타났다. 단위 표면당 철석출량은 1.
본 실험에 적용된 유입 T-P 부하 변화에 따른 T-P 제거율 관계식은 T-P removal rate(mg/gVSS · day) = 0.490 T-P Volumetric loading + 0.792로 나타났다.
철 석출장치가 결합된 무산소 · 호기 pilot-plant의 운전기간동안 처리수의 농도와 제거효율을 Table 3에 나타내었다. 본 처리공정의 최종침전지를 통해 유출되는 처리수의 TSS 농도는 0.7-9.0 mg/l 내외로 평균 3.8 mg/l이었고 제거효율은 평균 97.7%로 나타났다. 처리수의 BOD, COD_Mn 및 COD_Cr의 평균 농도는 각각 3.
6%)로 나타나 이 이 역시 높은 제거효율을 보이고 있다. 운전 기간동안 유입수에 대한 유기물질 농도의 변화폭이 비교적 크게 나타났지만 처리수의 수질은 유입수의 수질 변화와 관계없이 안정적이고 높은 제거효율을 보이고 있었다.
유입 F/M 비가 0.179-0.792 kgBOD/kgVSS · day로 변화시켜 운전하였을 때 F/M 비가 0.2 kgBOD/kgVSS · day 이상으로 유입된 경우 BOD의 제거효율은 95% 이상으로 높게 나타났고 T-P의 제거효율은 0.4-0.7 kgBOD/kgVSS · day 범위로 유입된 경우 90% 이상으로 높게 나타났다.
유입 총인 부하에 따른 총인 제거율의 영향은 Fig. 5와 같이 유입수의 T-P 부하량이 5.1-52.6 gT-P/m3 · day(평균 26.4 gT-P/m3 · day)로 증가하였을 때 T-P 제거율은 T-P 부하량에 비례하여 3.4-23.7 mgT-P/gVSS · day(평균 6.1 mgT-P/gVSS · day)로 증가하는 것으로 나타났다.
4%로 매우 높게 나타났다. 유입되는 BOD 농도의 변화폭은 컸지만 최종침전지에서 유출되는 처리수의 농도는 평균 3.6 mg/l로 비교적 안정적인 처리수의 수질을 보이고 있다. 처리수의 COD_Cr 농도는 16.
0 mg/l로 나타나 유기물질의 변동이 심한 것으로 조사되었다. 유입수의 BOD와 COD_Cr의 평균농도는 각각 219.9 mg/l와 297.7로 나타나 BOD/COD_Cr비는 0.74로 분석되어 유입수에 포함된 생분해성 유기물질이 높은 비율로 함유되어 있음을 알 수 있었다. 유입수의 T-N 농도는 32.
본 연구기간동안 pilot-plant 로 유입되는 대상 유입수에 대한 성상은 Table 2에 나타내었다. 유입수의 평균 TSS의 농도는 294.7 mg/l (30-580 mg/l)로 유기물 농도 측정시 총유기물량에서 부유물에 의한 유기물량이 차지하는 비율이 높은 것으로 나타났다. 유입수의 BOD, COD_Mn 및 COD_Cr의 농도 변화폭은 74-385 mg/l, 37.
1%로 나타났다. 이와 같은 실험결과와 현장 적용성을 고려하여 본 연구에 적용된 철판면적이 3,165 cm²에 대한 저항 증가와 pH 및 전기 전도도 등 하수성상 변화를 고려하여 전압 1.3-6.8 V와 전류 9-38 A를 적용한 결과 전력이 28.9 W가 공급되었으며 이때 단위 표면당 철 석출량은 1.088 mgFe/cm²Ironㆍday로 조사되었고 단위 철 농도당 인 제거비와 단위 표면당 인 제거량은 각각 12.405 mgP/ mgFe과 13.499 mgP/cm²Ironㆍday로 조사되었다.
553 mgFe/cm²Ironㆍday로 조사되었다. 적용된 전력 순으로 인의 제거효율은 각각 46.8%, 68.1%, 91.1%로 나타났다. 이와 같은 실험결과와 현장 적용성을 고려하여 본 연구에 적용된 철판면적이 3,165 cm²에 대한 저항 증가와 pH 및 전기 전도도 등 하수성상 변화를 고려하여 전압 1.
6%로 나타났다. 처리수의 BOD 농도는 1.1-6.5mg/l(평균 3.6 mg/l)의 범위로 유출되어 제거효율은 97.1-99.4%로 매우 높게 나타났다. 유입되는 BOD 농도의 변화폭은 컸지만 최종침전지에서 유출되는 처리수의 농도는 평균 3.
7%로 나타났다. 처리수의 BOD, COD_Mn 및 COD_Cr의 평균 농도는 각각 3.6 mg/l, 5.2 mg/l, 22.9mg/l로 유출되어 평균 제거효율은 각각 98.3%, 94.6% 및 91.6%로 나타났다. 처리수의 BOD 농도는 1.

후속연구

5) 철 석출장치가 결합된 무산소 · 호기공정에 의한 인 제거는 인을 석출된 철 산화물을 이용하여 제거하므로 생물학적 탈인을 위한 유기물질의 소모를 최소화시킬 수 있어서 유기물질의 대부분이 무산소조에서 탈질화 반응에 유기탄소원으로 사용되므로 추가적으로 유기물질을 공급할 필요가 없는 경제적인 처리공정이 될 것이다.
본 연구에 적용된 F/M 비와 BOD 제거율의 변화에 따른 T-P 제거율의 관계식은 T-P removal rate(mg/gVSS · day) =1.53 F/M ratio + 0.361로 나타나 총인 제거율의 예측모델에서 위의 관계식을 이용하여 총인 제거율 값을 추정할 수 있는 유용한 도구로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
철 석출장치가 결합된 무산소 · 호기공정에 의한 인 제거는 인을 석출된 철 산화물을 이용하여 제거하므로 생물학적 탈인을 위한 유기물질의 소모를 최소화시킬 수 있어서 기존 혐기조에서 인 제거에 이용되는 유기물질의 대부분이 무산소조에서 탈질화 반응에 유기탄소원으로 사용되므로 인하여 무산소조에서 메탄올 등과 같은 전자공여체를 추가적으로 공급할 필요가 없는 경제적인 처리공정이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 하수처리장은 대부분 어떤 공정을 이용하여 오염물질을 처리하고 있는가?	경제발전으로 인한 산업화와 인구증가 및 도시 집중화 현상이 심화됨에 따라 유기물질, 질소 및 인의 오염 부하량이 지속적으로 증가되고 있어 수질을 악화시키고 있다. 국내 하수처리장은 대부분 활성슬러지공정을 이용하여 오염물질을 처리하고 있으며 인의 제거효율은 약 20-70% 미만으로 저조한 실정이다. 최근에 건설 중인 일부 하수처리장은 질소와 인 처리시설을 추가로 설치하고 있으나 안정적인 운영과 확실한 제거효율을 제시되지 못하고 있는 실정이다.
	화학적 처리공정의 단점은?	현재 인을 제거하기 위한 다양한 처리공정들이 개발되고 있는데 이는 생물학적 처리공정과 물리 · 화학적 처리공정으로 크게 분류된다. 먼저, 화학적인 인 제거는 금속염 등의 응집제를 투여하여 응집침전에 의해 제거하는 방법인데 화학적인 처리는 인의 제거효율이 매우 높아 비교적 많이 이용되고 있으나 첨가되는 약품 비용과 발생된 슬러지의 처리비용이 상당히 높은 단점이 있다.1-3) 현재 화학적인 인 제거로 가장 널리 사용되고 있는 응집제로는 알루미늄과 철염이 가장 많이 사용되고 있다.
	인을 제거하기 위한 다양한 처리공정들을 분류하면?	현재 인을 제거하기 위한 다양한 처리공정들이 개발되고 있는데 이는 생물학적 처리공정과 물리 · 화학적 처리공정으로 크게 분류된다. 먼저, 화학적인 인 제거는 금속염 등의 응집제를 투여하여 응집침전에 의해 제거하는 방법인데 화학적인 처리는 인의 제거효율이 매우 높아 비교적 많이 이용되고 있으나 첨가되는 약품 비용과 발생된 슬러지의 처리비용이 상당히 높은 단점이 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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