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문제 정의
- 셋째, 이상 혐기성 소화 공정과 후단에 연결된 MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 하수처리 공정에 대한 유입수 부하율에 따른 처리 효율과 슬러지 발생량을 알아보았다. 마지막으로 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수 처리 공정의 연계처리에 대한 고형물 물질 수지를 분석하고 슬러지 배출 감량화의 가능성 여부를 찾고자 하였다.
- 이러한 변화에 대응하여 본 연구에서는 첫째, 슬러지의 오존 전처리에 의한 가용화 영향을 알아보았다. 둘째, 이상 혐기성 소화에 의한 하수 슬러지 감량 효율과 바이오가스 발생량을 분석하였다.
제안 방법
- 2 g O3/g TSS일 때 생분해율이 증가하였다.3,4) 본 연구에서는 연구 결과를 토대로 효율적이고 경제적인 오존 주입을 위해 슬러지의 농도에 따라 접촉 시간을 달리하여 균일한 오존이 접촉되도록 하였다. TSS 농도가 약 10,000 mg/L일 때 슬러지 1 L당 산소공급량 2 LPM, 오존 7.
- CH4와 CO2의 분석은 Gas chromatography (HP 6890)를 이용하였으며, 분석조건은 Table 3에 나타내었다. MLE 유입수, MLE 처리수 샘플링하여 BOD5, TCODCr, T-N, T-P, SS를 분석하였다. 모든 시료 분석은 수질오염공정시험법을 따랐다.
- MLE 하수처리공정과 연계처리 후 유입수는 BOD5 363.2 mg/L, TCODCr 702.8 mg/L, T-N 45.1 mg/L, T-P 4.02 mg/L, SS 185.7 mg/L이였으며, 처리수는 BOD5 57.1 mg/L, TCODCr 61.2 mg/L, T-N 9.6 mg/L, T-P 2.9 mg/L. SS 13.
- 3,4) 본 연구에서는 연구 결과를 토대로 효율적이고 경제적인 오존 주입을 위해 슬러지의 농도에 따라 접촉 시간을 달리하여 균일한 오존이 접촉되도록 하였다. TSS 농도가 약 10,000 mg/L일 때 슬러지 1 L당 산소공급량 2 LPM, 오존 7.0 g/m3, 2시간 동안 주입하여 0.168~0.177 g O3/g TSS가 접촉될 수 있도록 하였다. 잉여슬러지의 전처리를 위해 오존발생기를 사용하였다.
- 고·액분리 조에서 메탄생성 반응조 슬러지의 고형물과 상등액이 분리된 후 하부의 슬러지는 산생성 반응조에 반송되도록 하였고, 소화액은 MLE 하수처리 공정에 유입하여 연계처리하였다.
- 산소발생장치(Oxygen Concentrator, NewLife, Elite)에서 생성된 순산소와 오존발생장치(AZCOZON HTU-500POGE)로 유입되어 이를 통해 생성된 오존을 슬러지와 접촉시켜 반응하였다. 고농도 오존 분석기(IN USA, H1-X)를 이용하여 오존 주입량을 분석을 하였으며, 잔류오존은 2% KI 용액으로 포집하여 제거하였다.
- MLE 하수처리 공정 유입수는 본교내 하·폐수 처리시설의 원수를 사용하였다. 그리고 유량 25.6 L/day, 외부반송 50%로 12.8 L/day, 내부반송 150%로 38.4 L/day, 호기조 MLSS는 3,000 mg/L로 운전하였다. 시료의 분석은 잉여슬러지를 오존으로 전처리하여 유입슬러지로 주입하며 주 2회 오존 전처리 전 슬러지, 오존 전처리 후 슬러지, 산생성 반응조, 메탄생성 반응조, 고·액분리조 상부, 고·액분리조 하부, gas 포집백에서 샘플링하여 TCOD (Total chemical oxygen demand), SCOD (Soluble chemical oxygen demand), TSS (Total suspended solids), VSS (Volatile suspended solids), CH4, CO2을 분석하였다.
- 다음으로 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수 BOD5 처리공정의 연계처리를 통한 고형물 물질수지를 알아보았다.
- 이러한 변화에 대응하여 본 연구에서는 첫째, 슬러지의 오존 전처리에 의한 가용화 영향을 알아보았다. 둘째, 이상 혐기성 소화에 의한 하수 슬러지 감량 효율과 바이오가스 발생량을 분석하였다. 셋째, 이상 혐기성 소화 공정과 후단에 연결된 MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 하수처리 공정에 대한 유입수 부하율에 따른 처리 효율과 슬러지 발생량을 알아보았다.
- 먼저 이상 혐기성 소화 공정의 고형물 물질 수지를 알아보았다. 유입 슬러지는 TSS 3.
- 반응조의 효율 향상과 메탄 농도 증가를 위하여 반응조의 HRT (Hydraulic retention time)는 산생성 반응조 6일, 메탄생성 반응조 15일, 고·액분리조 14시간이었으며 이상 혐기성 소화조의 SRT (Sludge residence time)는 197±38일로 운전하였다.
- 각 소화조에서 발생한 가스 분석을 위해 상단에는 가스 포트를 설치하여 배출되게 하였다. 발생 가스가 2% (v/v) H2SO4 포화식염수를 담은 뷰렛을 이용하여 가스량을 측정하도록 하였으며 실리카겔을 거쳐 수분이 흡수되게 한 후, 용량 1 L의 가스포집 bag을 이용하여 포집하였다. 오존 전처리 후 슬러지의 pH는 6.
- 본 연구 결과를 통해서 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수처리 공정의 연계처리에 대한 고형물 물질수지를 비교․분석하고 고형물 감량 효율을 알아보았다.
- 산생성 반응조는 총 용적 5 L(유효용적: 1.81 L), 메탄생성 반응조 총 용적 6 L(유효용적: 4.42 L), 고·액분리조 총 용적 0.6 L(유효용적: 0.4 L)으로 구성하였다.
- 산생성 반응조와 메탄생성 반응조의 슬러지는 B시에서 운영중인 하수처리장의 혐기 소화조에서 채취하여 식종하였으며, 운전초기 농도는 TSS 49,000 mg/L, VSS 28,000 mg/L, TCOD 30,000 mg/L, SCOD 860 mg/L 이었고 60일정도 운전하여 안정화시킨 후 분석 자료로 활용하였다.
- 잉여슬러지의 전처리를 위해 오존발생기를 사용하였다. 산소발생장치(Oxygen Concentrator, NewLife, Elite)에서 생성된 순산소와 오존발생장치(AZCOZON HTU-500POGE)로 유입되어 이를 통해 생성된 오존을 슬러지와 접촉시켜 반응하였다. 고농도 오존 분석기(IN USA, H1-X)를 이용하여 오존 주입량을 분석을 하였으며, 잔류오존은 2% KI 용액으로 포집하여 제거하였다.
- 둘째, 이상 혐기성 소화에 의한 하수 슬러지 감량 효율과 바이오가스 발생량을 분석하였다. 셋째, 이상 혐기성 소화 공정과 후단에 연결된 MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 하수처리 공정에 대한 유입수 부하율에 따른 처리 효율과 슬러지 발생량을 알아보았다. 마지막으로 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수 처리 공정의 연계처리에 대한 고형물 물질 수지를 분석하고 슬러지 배출 감량화의 가능성 여부를 찾고자 하였다.
- 16 mL/min), 하루 4회, 15분 동안 주입이 되었다. 소화조의 모든 가동은 정량 펌프를 이용하여 일정한 양의 슬러지가 유입될 수 있도록 하였다. 반응조의 효율 향상과 메탄 농도 증가를 위하여 반응조의 HRT (Hydraulic retention time)는 산생성 반응조 6일, 메탄생성 반응조 15일, 고·액분리조 14시간이었으며 이상 혐기성 소화조의 SRT (Sludge residence time)는 197±38일로 운전하였다.
- 소화조의 슬러지 유입은 interval system으로 유입 유량 10.32 mL/min(오존전처리 슬러지 5.16 mL/min + 고·액분리조 하부 고형물 5.16 mL/min), 하루 4회, 15분 동안 주입이 되었다.
- 시료의 분석은 잉여슬러지를 오존으로 전처리하여 유입슬러지로 주입하며 주 2회 오존 전처리 전 슬러지, 오존 전처리 후 슬러지, 산생성 반응조, 메탄생성 반응조, 고·액분리조 상부, 고·액분리조 하부, gas 포집백에서 샘플링하여 TCOD (Total chemical oxygen demand), SCOD (Soluble chemical oxygen demand), TSS (Total suspended solids), VSS (Volatile suspended solids), CH4, CO2을 분석하였다.
- 발생 가스가 2% (v/v) H2SO4 포화식염수를 담은 뷰렛을 이용하여 가스량을 측정하도록 하였으며 실리카겔을 거쳐 수분이 흡수되게 한 후, 용량 1 L의 가스포집 bag을 이용하여 포집하였다. 오존 전처리 후 슬러지의 pH는 6.8에서 7.0으로 변화가 있었으나, pH controller를 사용하여 산생성 반응조 pH 5.5~6.5, 메탄생성 반응조 pH 6.8~7.4로 각 반응조의 최적 pH 조건이 되도록 구성하였다. 고·액분리 조에서 메탄생성 반응조 슬러지의 고형물과 상등액이 분리된 후 하부의 슬러지는 산생성 반응조에 반송되도록 하였고, 소화액은 MLE 하수처리 공정에 유입하여 연계처리하였다.
- 이상 혐기성 소화조 후단에 고·액분리조를 설치하였으며 메탄생성 반응조 슬러지의 고형물과 상등액이 분리된 후 하부의 슬러지는 산생성 반응조에 반송되도록 하였고, 상등액은 MLE 하수처리 공정에 유입하여 연계처리 하였다.
- 실험에 사용된 소화조는 원통형으로서 투명 아크릴 재질로 제작하였다. 이상 혐기성 소화조의 온도유지를 위하여 water bath를 이용하여 반응조 내부 온도를 35~38℃로 유지하여 중온소화로 운전이 되도록 하였다. 각 소화조 상부에는 모터를 설치하고 모터와 수직으로 연결된 교반날개를 소화조 내부에 설치하여 약 40 rpm으로 회전시킴으로서 소화조 내용물을 균일하게 혼합하였다.
대상 데이터
- MLE 하수처리 공정 유입수는 본교내 하·폐수 처리시설의 원수를 사용하였다.
- 본 실험에 사용된 이상 혐기성 소화조의 실험 장치는 Fig. 1과 같이 산생성 반응조와 메탄생성 반응조, 고·액분리조로 구성되었다.
- 실험에 사용된 소화조는 원통형으로서 투명 아크릴 재질로 제작하였다. 이상 혐기성 소화조의 온도유지를 위하여 water bath를 이용하여 반응조 내부 온도를 35~38℃로 유지하여 중온소화로 운전이 되도록 하였다.
- 177 g O3/g TSS가 접촉될 수 있도록 하였다. 잉여슬러지의 전처리를 위해 오존발생기를 사용하였다. 산소발생장치(Oxygen Concentrator, NewLife, Elite)에서 생성된 순산소와 오존발생장치(AZCOZON HTU-500POGE)로 유입되어 이를 통해 생성된 오존을 슬러지와 접촉시켜 반응하였다.
이론/모형
- MLE 유입수, MLE 처리수 샘플링하여 BOD5, TCODCr, T-N, T-P, SS를 분석하였다. 모든 시료 분석은 수질오염공정시험법을 따랐다.5)
성능/효과
- 1) 오존전처리를 통한 슬러지의 고형물 농도 감소율은 평균 TSS 8.3±2.0%, VSS 9.2±2.8%으로 오존의 강한 산화력으로 고형물의 세포벽이 파괴되면서 감소하는 경향을 나타내었다.
- 2) 이상 혐기성 소화 공정의 반응조별 소화가 진행됨에 따라 평균 TSS 21.5±3.4%, VSS 20.2±8.4%, TCOD 32.1±7.9%, SCOD 22.1±7.2%의 농도가 감소하였다.
- 3) 슬러지의 오존전처리 후 이상 혐기성 소화를 통한 바이오가스 생성량은 반응조 안정화 이후 고형물과 유기물부하에 대하여 일정하게 나타났다. 최대 바이오가스 생성량은 177.
- 3,4,6) COD 농도 변화율은 TCOD 기준으로 2.2~8.7%으로 평균 5.1±2.4% 감소하였고, SCOD는 60.8~83.6%으로 평균 72.0±6.5% 증가하였다.
- 4) 이상 혐기성 소화 공정 후단에 연결된 MLE 하수처리 공정과 연계처리시 BOD5 85.0%, CODCr 91.0%, T-N 76.7%, T-P 27.1%, SS 89.9%로 처리 효율이 우수하였다.
- 5) 이상 혐기성 소화와 MLE 하수처리 공정의 연계처리를 통한 고형물 물질수지 결과 TSS 93.8%, VSS 92.0%의 감량효율을 보임으로서 슬러지 발생량을 저감하였다. 이는 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수처리 공정의 연계처리를 통해 슬러지 감량 효율을 높이고 에너지원으로서 바이오가스를 회수 할 수 있는 가능성을 보여주었다.
- 1 mL CO2/g VSS이 생성되었다. 5주 이후 부하율이 미미하게 낮아졌지만 안정적인 바이오가스 생성량을 나타내었다. 이는 고·액분리조의 슬러지 반송으로 슬러지 체류시간을 높여 고형물 분해 가능 분율을 높여 준 결과로 보인다.
- 이로 인해 SCOD 감량율은 TCOD 감량율보다 평균 10% 낮았으며, 용존 유기물이 유기산 형성 박테리아에 의해 유기산으로 전환됨으로 인한 결과로 판단된다. 5주 이후 유입 슬러지의 부하가 높아졌음에도 불구하고 TCOD와 SCOD는 비교적 안정적인 처리 효율을 보였다. 고·액분리조의 슬러지 반송으로 인하여 이상 혐기성 소화조 내 존재하는 혐기성 순응 미생물의 증가와 높은 기질 친화율로 인한 결과로 판단된다.
- SCOD 부하율 당 바이오가스 생성량은 TCOD 부하율 당 바이오가스 생성량보다 많았다. 이러한 결과는 산생성 반응조에서 유기산 생성량이 증가하여 메탄생성 반응조 내 혐기성 소화에 관여하는 미생물의 소화량이 증가되었기 때문으로 사료된다.
- TCOD와 SCOD의 감량 효율은 각각 21.5~39.3%, 11.0~32.8%로 평균 32.1±7.9%, 22.1±7.2%를 나타내었다.
- 64 mL/g VSS의 바이오가스가 생산되었다. TSS 물질 수지의 바이오가스 생성율은 27.9%로 CH4 14.2%, CO2 2.4%, 기타 11.4%, VSS 물질수지의 바이오가스 생성율은 24.5%로 CH4 12.4%, CO2 2.1%, 기타 9.9%로 구성되었다.
- 8 mg/L의 결과를 나타내었다. 각각의 처리 효율은 BOD5 85.0%, TCODCr 91.0%, T-N 76.7%, T-P 27.1%, SS 89.9%로 분석되었다. 고·액분리조 상등액이 하루 309.
- 각각의 처리 효율은 BOD5 87.6%, TCODCr 94.2%, T-N 80.4%, T-P 38.8%, SS 94.0%로 분석되었다.
- 결과적으로 이상 혐기성 소화 공정 후단에 고·액분리조를 설치하여 높은 고형물 감량 효율을 확인 할 수 있었다.
- 고·액분리조 상등액이 하루 309.6 mL 유입되어 평균 BOD5 7.8 mg/L, TCODCr 12.7 mg/L, T-N 11.2 mg/L, T-P 0.02 mg/L, SS 8.7 mg/L의 부하량이 증가하였음에도 불구하고 TCODCr 과 T-N의 경우 다른 항목에 비해 처리효율이 우수함을 확인 할 수 있었다.
- 고형물 최대 감량효율은 TSS보다 VSS가 약 10% 높은 것으로 나타났다. 이는 용존성 유기물이 유기산 형성 박테리아에 의해 쉽게 유기산으로 분해되기 때문으로 사료된다.
- 33 g/day였다. 두 공정의 연계처리를 통하여 처리된 최종 유출 슬러지는 TSS 0.38 g/day, VSS 0.35 g/day로 나타났다. 최종적인 외부 유입 고형물 총량 대비 고형물 감량 효율은 TSS 93.
- 고형물의 반송으로 SRT를 높여 슬러지 감량에 큰 역할을 한 것으로 판단된다. 또한 MLE 하수처리 공정과 연계처리 함으로써 슬러지 감량효율이 TSS 9.8%, VSS 16.2% 증가하였다.
- 2%의 농도가 감소하였다. 소화에 따른 농도 감소율은 높지 않지만, 유입 슬러지의 부하가 급격히 높아졌음에도 불구하고 혐기성 소화조 내 순응 미생물의 증가로 인하여 안정적인 처리 효율을 보였다.
- 오존전처리를 통한 슬러지 TSS는 5.4~10.9%으로 평균 8.3±2.0%의 감소하였고, VSS는 6.1~13.6%로 평균 9.2±2.8% 감소로 유사한 효율을 보였다.
- 0%의 감량효율을 보임으로서 슬러지 발생량을 저감하였다. 이는 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수처리 공정의 연계처리를 통해 슬러지 감량 효율을 높이고 에너지원으로서 바이오가스를 회수 할 수 있는 가능성을 보여주었다. 이는 향후 슬러지 처리 문제 해결에 유용할 것으로 판단된다.
- 산생성 반응조에서 SCOD는 오존 전처리 후 SCOD 보다 높게 나타났다. 이로 인해 SCOD 감량율은 TCOD 감량율보다 평균 10% 낮았으며, 용존 유기물이 유기산 형성 박테리아에 의해 유기산으로 전환됨으로 인한 결과로 판단된다. 5주 이후 유입 슬러지의 부하가 높아졌음에도 불구하고 TCOD와 SCOD는 비교적 안정적인 처리 효율을 보였다.
- 이상 혐기성 소화 과정에서 TSS, VSS의 감량은 모두 바이오가스로 전환된다고 가정하였을 때, 883.38 mL/g TSS, 645.64 mL/g VSS의 바이오가스가 생산되었다. TSS 물질 수지의 바이오가스 생성율은 27.
- 22 g/day였다. 이상 혐기성 소화조 및 고액분리 후, 외부 유입 고형물 총량 대비 고형물 감량 효율은 TSS 84.0%, VSS 75.8%로 나타났다.
- 35 g/day로 나타났다. 최종적인 외부 유입 고형물 총량 대비 고형물 감량 효율은 TSS 93.8%, VSS 92.0%이다.
- 혐기성 소화가 진행됨에 따른 TSS와 VSS 감량 효율은 각각 14.8~24.7%, 10.4~35.2%로 평균 21.5±3.4%와 20.2±8.4%를 나타내었다.
후속연구
- 즉, 오존의 산화력을 통해 세포벽이 파괴되어 미생물 내부의 이분해성 물질을 용출시킴으로서 생분해도가 향상되었음을 알 수 있다.7,8) 이는 오존전처리를 통한 슬러지 감량과 가수분해반응으로서 혐기성 소화시 소화 효율이나 메탄 발생의 증가에 도움을 줄 것으로 기대된다.
- 이는 고·액분리조의 슬러지 반송으로 슬러지 체류시간을 높여 고형물 분해 가능 분율을 높여 준 결과로 보인다. 슬러지 소화조는 일반적으로 고형물 부하는 1~3 kg VS/m3/day로 운영되는 것과 비교했을 때 본 연구에서는 보다 높은 고형물 부하율 유지가 필요할 것으로 판단된다.9)
- 이는 이상 혐기성 소화 공정과 MLE 하수처리 공정의 연계처리를 통해 슬러지 감량 효율을 높이고 에너지원으로서 바이오가스를 회수 할 수 있는 가능성을 보여주었다. 이는 향후 슬러지 처리 문제 해결에 유용할 것으로 판단된다.
- 2) 따라서 국내의 경우도 친환경적 경제적인 하수슬러지 처리가 요구되고 있는 실정이다. 일차적인 문제인 슬러지의 처리를 해결하고 생분해성 유기물 함량이 많고 가용화 효율이 높은 하수슬러지를 사용하여 바이오가스를 대량으로 생산할 수 있는 가능성에 대해 주목하여 슬러지 처리의 경제 성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
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