선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이에 본 연구에서는 SBR 공정과 Membrane Separation process을 결합한 MSBR(Membrane Sequence Batch Reactor) 공정을 고안하여 고효율의 컴팩트한 크루즈선용 오수처리장치를 개발하는데 목적을 두고 그 기초 연구로 Lab scale의 실험장치를 비교 운영하여 scale-up을 위한 기초 자료를 도출하였다.
제안 방법
- 반응기는 2010년 1월부터 2010년 3월까지 약 3개월 동안 연속 운전 하였으며, SBR공정은 질소와 인 제거를 위해 호기(3HR/CYCLE), 혐기(1HR/CYCLE), 무산소혐기(1HR/CYCLE)의 조건을 맞춰 반응 기작이 일어나도록 유도하여 운전하였다. MBR공정은 호기조건 후 막 분리 배출되도록 운전하였으며, MSBR공정은 SBR공정과 동일한 반응기작을 사용 후 침전 상등액을 여과조로 이송하여 막 분리 배출되게 운전하였다. 동절기인 계절적인 특성상 미생물에 의한 생물학적 처리가 원활하지 못할 것을 우려하여 수온은 20℃로 유지하여 운전하였다.
- 유출수의 수질은 Table 5의 IMO의 Res.MEPC.159(55)에 의거하여 적합 여부를 확인하였으며, 아직 규제치가 제정되어 있지 않는 질소 및 인은 강화될 해양오염기준에 대비하여 공정별 오염물 제거 효율을 비교하여 고도처리 성능을 확인하였다.
- 슬러지는 체를 이용한 협작물 제거와 수 차례의 세척과정을 거친 후 10 일간 인공 폐수를 이용한 기질 적응기간을 두어 공정에 투입하였다. SBR 공정과 MSBR 공정의 MLSS 농도는 약 3000㎎/ℓ 정도, MBR의 MLSS는 약 4500㎎/ℓ를 유지하여 운전하였다.
- SBR 반응조는 원형조로 전체 용적은 146ℓ(D=0.5m)로 처리수 기준 1cycle당 50ℓ로 운영하여 폭기에 따른 여유 공간을 두었으며, MBR 공정은 200ℓ/d 용적 0.396㎥(0.6m×0.6m×1.1m)으로 제작하였다.
- 각 공정 내 미생물의 생장 환경 확인을 위하여 pH, DO, 온도, ORP, SV30을 지속적으로 측정하였으며 활성슬러지의 현미경 관찰을 통하여 미생물 생장 상태의 정상 여부를 판단하였다.
- 두 시스템에서 막의 성능을 평가하기 위하여 운전기간에 따른 막의 flux 변화를 살펴보았다. 두 공정의 순수 Flux 변화를 관찰하기 위해 MBR 및 MSBR공정에서 동일한 막을 이용하여 막간차압(Transmembrane Pressure, TMP)을 0.05MPa로 고정하여 공기세정을 제외하고 막 표면의 fouling 제어 없이 연속 운전하면서 flux 변화를 비교 관찰하였다.
- 두 시스템에서 막의 성능을 평가하기 위하여 운전기간에 따른 막의 flux 변화를 살펴보았다. 두 공정의 순수 Flux 변화를 관찰하기 위해 MBR 및 MSBR공정에서 동일한 막을 이용하여 막간차압(Transmembrane Pressure, TMP)을 0.
- 막의 효율성 비교를 위하여 MBR, MSBR의 운영 시간 경과에 따른 Flux를 비교하였으며, SBR, MBR, MSBR의 오염물 제거 특성을 비교하여 현장 적용을 위한 MSBR의 설계인자를 도출하였다. 시험 항목은 IMO에서 규제 기준으로 정하고 있는 pH, BOD, COD, SS, Thermotolerant Coliform와 강화될 기준에서 추가 예상되는 T-N 및 T-P로 하였으며 수질오염공정시험법 및 Standard Method를 참조한 각 항목은 분석법은 Table 3과 같다.
- 반응기는 2010년 1월부터 2010년 3월까지 약 3개월 동안 연속 운전 하였으며, SBR공정은 질소와 인 제거를 위해 호기(3HR/CYCLE), 혐기(1HR/CYCLE), 무산소혐기(1HR/CYCLE)의 조건을 맞춰 반응 기작이 일어나도록 유도하여 운전하였다. MBR공정은 호기조건 후 막 분리 배출되도록 운전하였으며, MSBR공정은 SBR공정과 동일한 반응기작을 사용 후 침전 상등액을 여과조로 이송하여 막 분리 배출되게 운전하였다.
- 반응조 가동에 사용한 시료는 실험결과의 일관성을 유지하기위해서 육상 하․페수 배출농도와 IMO의 성능시험 규정을 참조하여 인공폐수를 조제하여 시험하였다. 인공폐수는 글루코스를 탄소원으로 하여 유기물 농도를 조정하고, 고도처리 여부를 확인하기 위하여 NH4Cl 및 K2HPO4를 사용하여 질소와 인의 농도를 조정하였으며, 조제한 인공폐수의 농도는 Table 2과 같다.
- 3과 같이 중공사 형태 막모듈을 반응조에 수직 방향으로 세워 반응조 외부지지대에 고정하여 반응조 내부에 위치한 산기관의 상부에 설치하였으며 막간차압을 확인하기 위해 흡인펌프 앞에 압력계를 설치하였다. 반응조 내 호기 조건과 공기방울에 의한 상향류 발생을 유도하여 분리막 표면의 케이크층을 억제하기 위해 air blower를 이용하여 반응조 하단 산기관에 공기를 공급하였으며 분리막 여과 시 막의 물리적 손상을 최소화하기 위하여 흡입펌프와 air blower에 자동 제어 timer를 설치하였다.
- 반응조에 설치한 분리막은 이(1995), 김(2003), Judd(2002) 등의 결과를 비교 평가하고 선박이라는 특수한 환경을 고려하여 저압에서 운전이 용이한 MF, follow fiber를 사용하였다. 선정된 분리막의 재질은 PVDF(Polyvynylidenefluoride)이며 pore size는 0.
- 본 연구에서 제시한 MSBR 공정의 운전 성능을 평가하기 위하여 SBR 프로세스, MBR프로세스, MSBR프로세스를 동시에 가동하여 그 결과를 비교 관찰하였으며, Lab scale로 제작한 실험장치의 개략도를 Fig. 1에서 Fig. 3에 도시하였다. Fig 2의 재래식 활성오니공정에 침지막을 설치하여 미생물 현탁액에서 직접 처리수를 유출시키는 MBR공정과 Fig.
- 의 우점화를 위해 B3공법으로 운전하고 있는 P-분뇨처리장(부산 감전동)의 폭기조 내 농축 슬러지를 채취하여 사용하였다. 슬러지는 체를 이용한 협작물 제거와 수 차례의 세척과정을 거친 후 10 일간 인공 폐수를 이용한 기질 적응기간을 두어 공정에 투입하였다. SBR 공정과 MSBR 공정의 MLSS 농도는 약 3000㎎/ℓ 정도, MBR의 MLSS는 약 4500㎎/ℓ를 유지하여 운전하였다.
- 막의 효율성 비교를 위하여 MBR, MSBR의 운영 시간 경과에 따른 Flux를 비교하였으며, SBR, MBR, MSBR의 오염물 제거 특성을 비교하여 현장 적용을 위한 MSBR의 설계인자를 도출하였다. 시험 항목은 IMO에서 규제 기준으로 정하고 있는 pH, BOD, COD, SS, Thermotolerant Coliform와 강화될 기준에서 추가 예상되는 T-N 및 T-P로 하였으며 수질오염공정시험법 및 Standard Method를 참조한 각 항목은 분석법은 Table 3과 같다.
- 반응조 가동에 사용한 시료는 실험결과의 일관성을 유지하기위해서 육상 하․페수 배출농도와 IMO의 성능시험 규정을 참조하여 인공폐수를 조제하여 시험하였다. 인공폐수는 글루코스를 탄소원으로 하여 유기물 농도를 조정하고, 고도처리 여부를 확인하기 위하여 NH4Cl 및 K2HPO4를 사용하여 질소와 인의 농도를 조정하였으며, 조제한 인공폐수의 농도는 Table 2과 같다.
- 크루즈선에 적합한 오수처리장치 개발을 목적으로 MSBR 공정을 고안하고 그 기초연구로 Lab scale의 SBR, MBR, MSBR 실험장치를 제작하여 비교 실험 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- MSBR은 1cycle당 50ℓ로 총 용적은 0.34㎥(0.77m×0.55m×0.8m)으로 제작하였다.
- 반응조에 설치한 분리막은 이(1995), 김(2003), Judd(2002) 등의 결과를 비교 평가하고 선박이라는 특수한 환경을 고려하여 저압에서 운전이 용이한 MF, follow fiber를 사용하였다. 선정된 분리막의 재질은 PVDF(Polyvynylidenefluoride)이며 pore size는 0.2～0.4㎛, 실험실용 막 모듈은 유효 막 길이 0.6m, 막 면적은 모듈당 0.03㎡이며, 순수 투과플럭스는 25℃, 0.5㎏f/㎠에서 8.3LMH(200ℓ/day)로 자세한 막의 특징은 Table 1에 나타내었다.
- 을 우점종으로 하여 연구하였으며, 초기 Bacillus sp.의 우점화를 위해 B3공법으로 운전하고 있는 P-분뇨처리장(부산 감전동)의 폭기조 내 농축 슬러지를 채취하여 사용하였다. 슬러지는 체를 이용한 협작물 제거와 수 차례의 세척과정을 거친 후 10 일간 인공 폐수를 이용한 기질 적응기간을 두어 공정에 투입하였다.
성능/효과
- 1. 오염물 처리 특성 분석 결과 SBR 공정은 Thermotolerant Coliform, MBR 공정은 질소와 인 처리 효율이 매우 낮게 나타난 것에 반해, MSBR 공정은 유기물 및 영양염류, 병원성 미생물의 처리 효율이 모두 매우 우수하였으며, 처리 효율의 변동 또한 매우 작아 오염물질 부하에 따른 적응력이 매우 높은 공정으로 나타났다.
- 2 제작한 Lab scale 규모의 실험 장치는 하루 200ℓ 용량의 오폐수를 처리하기에 적합하였으며, 소요 용적 비교 시 MSBR 공정이 0.34㎥으로 가장 작게 나타나 협소한 공간 내에 설치해야하는 크루즈선의 공간적인 제약성을 충분히 만족시킬 수 있는 공정으로 나타났다.
- 3. 운전기간에 따른 Flux 변화 관찰에서 MBR 공정은 Flux가 급격히 감소한 반면 MSBR 공정은 운전기간 내내 안정적인 Flux를 나타내어 장치의 운영 면에서도 매우 유리한 공정으로 판단되었다.
- 활성슬러지의 현미경 관찰 결과 장치운영 기간 동안 활성슬러지는 정상적인 플록을 형성하고 있었으며, 팽화 등의 문제시 나타나는 비정상적인 플록은 관찰되지 않았다. MBR 장치 운전 기간 동안 관측한 DO, 온도, ORP의 측정값은 DO 2.0～5.0㎎/ℓ, 온도 20℃, ORP는 180～220㎷로 미생물 생장에 적합한 환경이 유지되고 있음을 확인할 수 있었으며, MSBR 공정의 호기 조건은 DO 5.0～6.0㎎/ℓ, 혐기 조건은 0.2㎎/ℓ이하, 무산소 조건은 0.2～0.5㎎/ℓ, ORP는 -180～220㎷로 고도처리를 위해 설정한 운전 조건이 유지되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 생물학적 처리에 있어 질소와 인은 세포의 합성에 사용되면서 순환 제거되며, 호기와 혐기 조건에서 질산화와 탈질 과정을 거치고, 인의 과잉 섭취와 방출 과정을 거치면서 처리된다. MBR공정은 Membrane과 활성슬러지가 한 조에서 운전되므로 효과적인 Membrane 운영을 위하여 호기 조건으로 운전되는 특성상 미생물이 생장에 필요한 질소와 인의 요구량 만큼만 제거되어 유출수의 농도가 높게 나타났다. MSBR 공정에서도 질소와 인은 생물학적 처리에 의해 주로 제거되므로 SBR공정과 MSBR 공정 유출수 내 질소, 인 농도는 별반 차이가 없었다.
- 5～4㎛의 크기를 갖는 대장균군이 Membrane 여과조를 통과하면서 Sieve mechanism에 의해 거의 완벽하게 제거된 것으로 사료된다. 결과에서 보여지 듯 Membrane을 도입한 공법은 약품의 주입 없이 병원성 미생물의 처리까지 가능하여 여타 살균시설이 필요하지 않으므로 2차 오염문제를 유발하지 않으며 장치의 간소화로 현장 적용 시 매우 유리한 고도처리 공법으로 판단된다.
- ,1998). 두 공정의 Flux 변화 관찰 결과로부터 막의 총 저항(Rt)은 MBR 공정이 MSBR공정보다 큰 것을 알 수 있다. 이는 막의 Fouling 속도가 MBR공정에서 훨씬 높은 것을 의미하며 막의 Fouling은 역세 주기를 앞당기고, 역세에 의한 막의 수명 단축을 야기하는 주원인이 된다.
- 선박의 오폐수 처리장치는 오수처리시간을 단축하고 설치공간을 최소화할 수 있는 컴팩트한 장치여야 한다는 특수성을 고려할 때 flux 면에서 MSBR공정이 유리함을 확인하였다. 또한 막의 운영의 관건은 막의 Fouling을 제어하여 막의 수명을 최대한 연장하는 것으로 막의 효율적인 운영 면에서도 MSBR공정이 유리함을 확인할 수 있었다.
- 막 처리 공정에서의 flux의 감소는 오폐수 처리 시 단위시간당 처리 수량의 감소 또는 처리 수량 당 처리 시간의 증가를 의미하며 이는 장치의 규모와도 직결되는 부분이다. 선박의 오폐수 처리장치는 오수처리시간을 단축하고 설치공간을 최소화할 수 있는 컴팩트한 장치여야 한다는 특수성을 고려할 때 flux 면에서 MSBR공정이 유리함을 확인하였다. 또한 막의 운영의 관건은 막의 Fouling을 제어하여 막의 수명을 최대한 연장하는 것으로 막의 효율적인 운영 면에서도 MSBR공정이 유리함을 확인할 수 있었다.
- 공정 내 반응조의 미생물은 Bacillus sp.으로 우점화되어 있었으며 분리 배양하여 미생물자동동정기(VITEK2 Compact, Biomeroeux)로 동정하고 생화학 테스트를 거친 결과 B.subtilis, B.vallismortis, B.cereus, B.megaterium 속 등으로 동정되었고 이 결과를 현미경(Eclipse E200, NIKCON) 관찰 사진과 함께 Fig. 4에 나타내었다.
- 활성슬러지의 현미경 관찰 결과 장치운영 기간 동안 활성슬러지는 정상적인 플록을 형성하고 있었으며, 팽화 등의 문제시 나타나는 비정상적인 플록은 관찰되지 않았다. MBR 장치 운전 기간 동안 관측한 DO, 온도, ORP의 측정값은 DO 2.
후속연구
- MSBR 공정에서 유출수 농도가 조금 더 낮은 것은 Membrane 여과시 제거된 SS에 함유된 미량의 질소, 인에 기인하여 농도가 낮아진 것으로 판단되며. SBR공정과 MSBR 공정의 질소 인 처리 효율은 유입수의 전처리 및 장치의 운전 방식을 변화시키면 더 높은 처리효율도 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- SBR 공정은 다른 처리 방법에 비해 필요공간이 작아 협소한 공간에 설치되어야 하는 선박에 적용하기 매우 용이하며 유입, 반응, 침전, 배출 과정이 한 조에서 이루어져 선박의 유동 환경에 가장 적합한 방식이다. 또한 오․폐수 중에 포함된 질소, 인까지도 동시에 처리할 수 있으므로 향후 질소, 인에 관한 규제가 실시될 경우 변경된 기준에 즉시 적용할 수 있다.
- 7의 TSS의 경우 Membrane을 통과한 MBR공정과 MSBR공정에서는 거의 검출 되지 않았으며 SBR공정 유출수와 육안으로 비교시도 확연한 차이를 나타내었다. 현장 적용시 청소용수나 화장실 세정수 등으로 유출수의 재이용 부분을 계획한다면 막에 의한 탁도 제거 효과에 의해 심미적인 부분까지 상당히 해소 할 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.