[논문]고정식 메디아법을 이용한 선박의 오폐수 처리

한상화; 이대호; 강부녕; 배상범; 윤종문

고정식 메디아법을 이용한 선박의 오폐수 처리
Ship Sewage Treatment Using Fixed Media Method 원문보기

한국해양환경공학회지 = Journal of the Korean society for marine environmental engineering, v.13 no.2, 2010년, pp.99 - 104

한상화 ((주)광산 기술연구소) , 이대호 ((주)광산 기술연구소) , 강부녕 ((주)광산 기술연구소) , 배상범 ((주)광산 기술연구소) , 윤종문 ((주)광산 기술연구소)

초록
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본 연구는 선박에서 발생되는 오폐수를 시중에서 많이 사용되고 있는 Poly Propylene를 이용한 고정식 메디아법의 처리효과를 검증하고, MLTM 및 IMO의 MEPC에서 규정하는 2010년 1월 1일 이후 선박에 설치되는 선박분뇨처리 장치의 처리수의 처리 기준에 적합하고 현장에 적용 가능한 선박분뇨처리장치를 Pilot Scale을 통해 개발 가능성을 고찰하였다. 배출수의 pH 기하평균은 7.68이고, $BOD_5$ 기하평균은 7.28 mg/l, $COD_{cr}$ 기하평균은 48.39 mg/l, TSS 기하평균은 18.00 mg/l, 잔류염소 기하평균은 0.19 mg/l, 분원성 대장균 기하평균은 1 cells/100 ml로 측정되었다. 각 항목별 처리효율은 $BOD_5$ 97.4%, $COD_{cr}$ 96.4%, TSS 97.6%로 높은 처리효율을 나타났으며, 개발한 선박분뇨처리 장치는 국토해양부 및 MEPC의 해양오염방지설비 성능시험 규정에 적합한 제품으로 판정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to develop Sewage Treatment Plant that treat sewage which occurred in ship using fixed media method and to consider applicable to the Pilot Scale device of the STP regulations in MLTM(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs) and MEPC(Marine Environment Protection Committee). In test results, pH geometric mean was 7.68, $BOD_5$(Biochemical Oxygen Demand) geometric mean was 7.28 mg/l, $COD_{cr}$(Chemical Oxygen Demand) geometric mean was 48.39 mg/l, TSS(Total Suspended Solid) geometric mean was 18.00/l, Residual chlorine geometric mean was 0.19 mg/l, and E. coli geometric mean was 1CFU/100 ml. In addition, about 97.4% of $BOD_5$ was reduced, the $COD_{cr}$ reduction averaged 96.4%and the TSS reduction averaged 97.6%. STP have been determined by the MLTM and MEPC regulation of the marine pollution prevention equipment for performance testing product.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 선박분뇨처리장치의 개정 규정에 맞추어 플라스틱 메디아를 이용하여 선박에서 발생하는 오폐수의 처리효과를 검증하고, 국토해양부 및 MEPC 기준에 적합한 선박분뇨처리장치 개발을 위하여 진행하였으며, 본 연구를 통하여 Pilot Scale의 선박 분뇨처리장치를 개발하였다. 국토해양부 및 MEPC에서 규정하는 선박분뇨처리장치를 개발하면서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구는 선박에서 발생되는 오폐수에 대해 시중에서 쉽게 구입이 가능한 Poly Propylene 메디아를 이용한 고정식 메디아법의 처리효과를 검증하였다. 그리고 Poly Propylene 메디아를 이용하여 국토해양부 및 IMO의 MEPC에서 규정하는 2010년 1월 1일 이후 선박에 설치되는 선박분뇨처리장치의 처리수 처리 기준에 적합한 현장(선박)에 적용 가능한 선박분뇨처리장치를 Pilot Scale로 제작하여 개발 가능성을 고찰하였다.
폭기조내의 미생물 안정화는 DO, pH, MLSS농도, 온도 등 여러 요소를 이용하여 판단한다. 본 연구에서는 접촉산화법의 미생물 안정화를 판단하기 위하여 폭기조의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도가 1500 mg/l~2000 mg/l되었을 때 본 시험을 진행하였다(이 등, 2000).

제안 방법

선박분뇨처리장치에 사용되는 Air diffuser은 일반적으로 2~3년마다 교체나 수리를 해야 한다. Air diffuser 수리 및 교체할 경우 사람이 직접 폭기조 내부에 들어가야 하는 번거로움을 최소화하기 위해 선박분뇨처리장치 외부에서 교체나 수리가 가능하도록 설계하였다.
본 연구는 선박에서 발생되는 오폐수에 대해 시중에서 쉽게 구입이 가능한 Poly Propylene 메디아를 이용한 고정식 메디아법의 처리효과를 검증하였다. 그리고 Poly Propylene 메디아를 이용하여 국토해양부 및 IMO의 MEPC에서 규정하는 2010년 1월 1일 이후 선박에 설치되는 선박분뇨처리장치의 처리수 처리 기준에 적합한 현장(선박)에 적용 가능한 선박분뇨처리장치를 Pilot Scale로 제작하여 개발 가능성을 고찰하였다.
이로 인해, 선박분뇨처리장치의 구성품 중에서 pump와 blower 고장이 날 경우 미처리 오폐수를 Bilge tank에 보관해 육상에서 처리해야만 한다. 따라서 본 연구에서는 2 pump, 2 blower 시스템을 설계 적용하여 1개의 pump 또는 blower 고장 시에도 선박분뇨처리장치의 기능이 정상적으로 유지되도록 제작하였다.
반영구적으로 사용이 가능한 Media를 적용하였지만, 폭기조를 청소하거나, 부러짐 및 탈리를 할 경우 폭기조 내부에 들어가야 하는 번거로움을 최소화하기 위하여 외부에서 수리 및 교체 가능하도록 설계하였다.
본 연구에 이용된 실험분석 항목 중 배출수의 pH는 샘플링 즉시 pH meter(HANNA Model HI 8424NEW)를 이용하여 측정하였다. 폭기조 내의 온도는 Data logo(FLUKE Model NetDAQ 2640A)를이용하였고, DO(Dissolved oxygen)는 DO meter(NANNA Model HI 9146)를 이용하였다.
시료채취 시간은 Fig. 2과 같이 08:00, 09:30, 14:30, 17:00로 1일 4회이고, 총 시험기간은 10일 동안 진행하였으며, 반응조내 미생물 배양을 위해 시험 5일전부터 연속 폭기시켰다.
염소 사용량은 살균조 크기 대비 잔류염소 농도가 0.1~0.4 mg/l가 되도록 계산(사용량 = 방류수량×기준염소량/유효염소량)하여 주입하였다.
엔진룸의 주위온도는 30~40 o C로 엔진룸의 온도 조건을 맞추기 위하여 인위적으로 열판을 선박분뇨처리장치 측벽에 부착하여 폭기조 내의 온도를 시험기간 동안 20~25 o C로 유지하였다. 온도에 대한 폭기조 내부의 충격을 최소화하기 위하여 선박분뇨처리장치 주변에 비닐로 천막을 설치하였다. 시험기간 10일 동안 폭기조 내부의 평균온도는 22.
유기물 분해를 위해 필요한 산소는 Air Blower를 이용하여 외부의 공기를 압송하고, Air Diffuser를 이용하여 폭기 10분, 비폭기 10분 간격으로 간헐폭기 방식을 채택하여 산소를 주입하였다. 폭기를 시작함에 따라 폭기조 내의 DO 농도는 급격하게 증가하여 210초 정도 경과된 시점에서 폭기조 1은 2 mg/l, 폭기조 2는4 mg/l 이상의 정상상태를 유지하였다.
유입수 및 배출수의 화학적 분석은 KOLAS 인증기관인 “K”사에 의뢰하여 분석하였으며, 사용된 분석방법은 다음과 같다.
3 mg/l으로 폭기조에 바로 투입시 유효미생물을 사멸시킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 시험에 사용된 담수(수돗물)의 잔류염소를 제거하기 위하여 일정시간(24시간 이상) 동안 담수를 저장하였다가 담수의 잔류염소가 0.02~0.04 mg/l이 되었을 때 사용하였다.
Media의크기는 130Ø × 45 mm(H), 재질은 PP(Poly Propylene), 공극률은 95%, 비표면적은 65 m²/m³ ,중량은 47 g이다. 폭기조 1, 2 체적의 약 60%만큼 Media를 넣어 SUS 파이프로 고정시켰으며, Mass transfer와 Oxygen transfer를 원활히 하기 위해서 Media는 일정한 간격을 두고 설치하였다.
폭기조1로 유입되는 유입수는 “국토해양부 해양오염방지설비 형식승인을 위한 성능시험, 검정기준 및 MEPC159(55) 기준”에 맞추어 정량펌프를 사용하여 Table 2의 Time schedule과 같이 일정한 양의 분뇨를 공급하였다.
폭기조내의 미생물 안정화는 DO, pH, MLSS농도, 온도 등 여러 요소를 이용하여 판단한다. 본 연구에서는 접촉산화법의 미생물 안정화를 판단하기 위하여 폭기조의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도가 1500 mg/l~2000 mg/l되었을 때 본 시험을 진행하였다(이 등, 2000).

대상 데이터

MEPC.155(55)를 2006년 10월 13일자로 채택하여 2010년 1월 1일 이후에 선박에 탑재되는 생물화학식 분뇨처리장치에 대하여 적용시켰다(박·김, 2006; IMO, Marpol 73/78(1973, 1978); IMO MEPC159(55), 2006).
1과 같으며, 모델명은 KS-STP38로 명명하였다. 반응조는 Pilot 규모로, 선박 탑승인원 38인 기준으로 설계 및 제작하였고, 폭기조 1(1.38 m³), 폭 기조 2(0.63 m³), 침전조(0.225 m³), 살균조(0.063 m³) 등 4개의 탱커로 구성되어 있다.
본 연구에 사용되는 Media는 담체중 비표면적이 크며, 미생물 부착능력이 우수한 것으로 알려진 제품 중 쉽게 구입이 가능한“D” 업체의 Media를 적용하였다.
본 연구에 사용된 원수는 분뇨수거업체인 “A” 업체의 인분뇨를 사용하였으며, “국토해양부 고시 제2008-191호(2008. 5.26) 해양오염방지설비 형식승인을 위한 성능시험 및 검정기준 및 IMO 의 MEPC 159(55)”에서의 유입수 조건(BOD 200 mg/l이상, TSS 500 mg/l이상)을 만족하기 위하여 원분뇨에 담수를 1:18(V:V)로 희석하였다.
산소를 주입하는 장치는 “D” 업체의 Fine-Bubble Membrane Air Diffuser로, 기포의 크기는 1~3 mm이며, 산소전달효율은 23% 이상이고, 역류방지 기능이 추가된 제품을 선택하여 적용하였다.
본 연구에 이용된 실험분석 항목 중 배출수의 pH는 샘플링 즉시 pH meter(HANNA Model HI 8424NEW)를 이용하여 측정하였다. 폭기조 내의 온도는 Data logo(FLUKE Model NetDAQ 2640A)를이용하였고, DO(Dissolved oxygen)는 DO meter(NANNA Model HI 9146)를 이용하였다. 유입수 및 배출수의 화학적 분석은 KOLAS 인증기관인 “K”사에 의뢰하여 분석하였으며, 사용된 분석방법은 다음과 같다.

이론/모형

이러한 국제적 협의에 의해 우리나라의 국토해양부에서는 2008년 5월 26일 선박에서 발생되는 분뇨를 처리하기 위한 “해양오염방지설비형식승인을 위한 성능시험및검증기준”을 Res.MEPC.159(55) 기준으로 개정하여 2010년 1월 1일 이후에 건조되는 선박에 탑재되는 생물학적 분뇨처리장치에 적용시켰다(국토해양부, 2008).
생물화학적 산소요구량(BOD₅)은 APHA 5210(2005)에 의하여 5일간 배양된 시료의 DO농도 차이를 이용하여 측정하였으며, 총부유물질(TSS)은 APHA 2540(2005)에 의하여 유리섬유여지법으로 측정하였다. 그리고 화학적 산소요구량 (COD_cr)은 ISO 15705(2002)에 의하여 중크롬산칼륨 법을 사용하였다. 또한 분원성 대장균은 US EPA 1603(2006)에 의하여 mTEC 한천평판배지를 이용하여 분석하였다.
그리고 화학적 산소요구량 (COD_cr)은 ISO 15705(2002)에 의하여 중크롬산칼륨 법을 사용하였다. 또한 분원성 대장균은 US EPA 1603(2006)에 의하여 mTEC 한천평판배지를 이용하여 분석하였다.
본 연구에 활성슬러지 공법을 응용한 고정식 메디아법을 이용하였으며, 이용된 분뇨처리장치의 Diagram은 Fig. 1과 같으며, 모델명은 KS-STP38로 명명하였다. 반응조는 Pilot 규모로, 선박 탑승인원 38인 기준으로 설계 및 제작하였고, 폭기조 1(1.
유입수 및 배출수의 화학적 분석은 KOLAS 인증기관인 “K”사에 의뢰하여 분석하였으며, 사용된 분석방법은 다음과 같다. 생물화학적 산소요구량(BOD₅)은 APHA 5210(2005)에 의하여 5일간 배양된 시료의 DO농도 차이를 이용하여 측정하였으며, 총부유물질(TSS)은 APHA 2540(2005)에 의하여 유리섬유여지법으로 측정하였다. 그리고 화학적 산소요구량 (COD_cr)은 ISO 15705(2002)에 의하여 중크롬산칼륨 법을 사용하였다.

성능/효과

Fig. 5와 같이 유입수의 BOD₅ 최댓값은 329mg/l, 최솟값은 224mg/l, 기하평균값은 276.5 mg/l이고, 배출수의 BOD₅ 최댓값은 40 mg/l, 최솟값은 1 mg/l, 기하평균은 7.28 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 BOD₅ 유입배출수 규정(유입수: 200 mg/l이상, 배출수: 25 mg/l이 하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 87%이고, 시험후기 배출수의 처리효율은 99%이며, 평균 처리효율은 97.
Fig. 6과 같이 유입수의 COD_cr 최댓값은 1469 mg/l, 최솟값은 1131 mg/l, 기하평균값은 1325.3 mg/l이고, 배출수의 COD_cr 최댓값은 113 mg/l, 최솟값은 6 mg/l, 기하평균은 48.4 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 COD_cr 배출수 규정(배출수: 125 mg/l 이하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 96%이고, 시험후기 배출수의 처리효율은 95%이며, 평균 처리효율은 96.
Fig. 7과 같이 유입수의 TSS 최댓값은 1393.3 mg/l, 최솟값은 320.0 mg/l, 기하평균값은 721.5 mg/l이고, 배출수의 TSS최댓값은 49.1 mg/l, 최솟값은 5.1 mg/l, 기하평균은 18.0 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 TSS 유입배출수 규정(유입수: 500 mg/l이상, 배출수:35 mg/l이하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 98.
0)를 유지하였다. 그리고 Fig. 3과 같이 살균조를 통과한 배출수의 pH는 7.19~8.30사이였고, 기하평균은 7.68로 국토해양부 및 MEPC의 배출수 규정(6~8.5사이)에 적합한 값으로 측정되었다.
배출수의 BOD5 기하평균은 7.28 mg/l로 처리효율은 97.4%, CODcr 기하평균은 48.39 mg/l로 처리효율은 96.4%, TSS 기하평균은 18.00 mg/l로 처리효율은 97.6%로 국토해양부 및 MEPC 규정에만족하는처리효율을나타내었으며, Filter나 Membrane System을 이용하여 선박에서 발생하는 오폐수를 처리하는 것보다 저렴한 플라스틱 Media를 이용한 선박분뇨처리장치를 통해 선박의 오폐수를 충분히 처리할 수 있음을 확인하였다.
6%로 아주 높게 나타났다. 배출수의 TSS 값은 BOD₅와 COD_cr와 같이 유입수 변화량에 크게 영향은 받지 않은 것으로 나타났다.
배출수의 분원성 대장균은 모두 ND(Not Detected)로 측정되었으며, 염소로 인한 분원성 대장균의 살균 효과가 충분한 것으로 판단된다.
8과 같다. 배출수의 잔류염소 최댓값은 0.29 mg/l, 최솟값은 0.12 mg/l, 기하평균은 0.19 mg/l로 국토해양부 및 MEPC 배출수 규정(배출수: 0.5 mg/l 미만)에 적합한 것으로 측정되었다.
온도에 대한 폭기조 내부의 충격을 최소화하기 위하여 선박분뇨처리장치 주변에 비닐로 천막을 설치하였다. 시험기간 10일 동안 폭기조 내부의 평균온도는 22.4 o C로 측정되었으며, 외부온도 변화에 대한 영향은 나타나지 않았다.
4%로 아주 높게 나타났다. 시험기간 7일 이후부터 BOD₅ (10 mg/l이하)은 안정적인 값으로 측정되었다.
시험기간 7일 이후부터는 비교적 안정적인 pH값을 나타내었으며, 시험이 진행되는 초기 부하량 변동에 따라 pH가 올라갔다 내려가는 경향을 나타내었는데, 이것은 대상 분뇨에 대한 적응기간으로 판단된다. 유량변화에 대한 pH 변화는 크지 않았으며, 이는 고정식 메디아법의 장점으로 유효미생물의 우점종화로 유입유량 변화에 완충작용을 하는 것으로 판단된다.
시험기간 동안 폭기조1의 평균 pH는 7.89, 폭기조2의 pH는 7.75로 생물학적 분뇨처리를 위한 최적의 pH(6.5~8.0)를 유지하였다. 그리고 Fig.
28 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 BOD₅ 유입배출수 규정(유입수: 200 mg/l이상, 배출수: 25 mg/l이 하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 87%이고, 시험후기 배출수의 처리효율은 99%이며, 평균 처리효율은 97.4%로 아주 높게 나타났다. 시험기간 7일 이후부터 BOD₅ (10 mg/l이하)은 안정적인 값으로 측정되었다.
4 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 COD_cr 배출수 규정(배출수: 125 mg/l 이하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 96%이고, 시험후기 배출수의 처리효율은 95%이며, 평균 처리효율은 96.4%로 아주 높게 나타났다.
0 mg/l로 국토해양부 및 MEPC의 TSS 유입배출수 규정(유입수: 500 mg/l이상, 배출수:35 mg/l이하)에 적합한 것으로 측정되었다. 시험초기 배출수의 처리효율은 98.0%이고, 시험후기 배출수의 처리효율은 98.4%이며, 평균 처리효율은 97.6%로 아주 높게 나타났다. 배출수의 TSS 값은 BOD₅와 COD_cr와 같이 유입수 변화량에 크게 영향은 받지 않은 것으로 나타났다.
염소를 이용한 배출수의 살균은 100%의 처리효율을 나타냈으며, 배출수에 남아있는 살균제 잔류물은 아주 미량으로 2차 오염 발생은 없는 것으로 사료되고, 저렴한 염소를 이용한 배출수 살균 효과는 충분하다고 판단된다.
초기 빠른 시간 안에 폭기조 1, 2의 충분한 DO가 유지됨에 따라 호기성 상태의 유지에는 문제가 없는 것으로 판단된다. 폭기 10분 후 비폭기 상태로 운전함에 따라 DO 농도는 폭기조1에서 급격하게 감소하여 210초 후 0.12 mg/l로 측정되었으며, 폭기조2에서는 완만하게 감소하여 재 폭기 직전에 2.4 mg/l이상의 DO 농도를 나타내었다. 폭기조 1 무산소조에서 문제가 발생하였으나, 폭기조 2의 충분한 DO 농도로 유기물 분해에는 문제가 없을 것으로 판단된다.
유기물 분해를 위해 필요한 산소는 Air Blower를 이용하여 외부의 공기를 압송하고, Air Diffuser를 이용하여 폭기 10분, 비폭기 10분 간격으로 간헐폭기 방식을 채택하여 산소를 주입하였다. 폭기를 시작함에 따라 폭기조 내의 DO 농도는 급격하게 증가하여 210초 정도 경과된 시점에서 폭기조 1은 2 mg/l, 폭기조 2는4 mg/l 이상의 정상상태를 유지하였다. 초기 빠른 시간 안에 폭기조 1, 2의 충분한 DO가 유지됨에 따라 호기성 상태의 유지에는 문제가 없는 것으로 판단된다.

후속연구

현재까지 Alaska을 제외한 국제 및 국내의 선박분뇨처리장치 규정에는 T-N(Total Nitrogen), T-P(Total Phosphate)에 대한 규정이 없지만, 추가적인 연구를 통해 해양의 부영향화를 초래하는 T-N, T-P를 처리하는 선박분뇨처리장치 개발이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고정식 메디아법의 장점은 무엇인가?	이러한 문제점을 해결하기 위해 고정식 메디아법(Fixed Media Method)의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 고정식 메디아법의 장점은 원하는 미생물을 우점종화 할 수 있고, 이에 따른 높은 처리 효율을 기대할 수 있으며, 폭기조의 유효미생물이 담체에 고정화 되기 때문에 유효 미생물농도를 높게 유지할 수 있으며, pH나 온도, 유기물 부하변동에 안정적인 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있다(Kang, 1998; Kornegay et al., 1968, Sen et al.
	활성슬러지 공정의 문제점은 무엇인가?	기존에는(2010년 이전까지는) 선박용 분뇨처리장치 처리공법으로 활성슬러지법을 이용한 생물학적 처리장치가 큰 비중을 차지하고 있었다. 그러나 이러한 활성슬러지 공정은 폭기조의 미생물 농도가 낮게 유지되기 때문에 유입수 부하변동에 대한 적응성이 낮으며, 슬러지와 처리수를 분리하기 위해 필요한 침전조의 용량이 크기 때문에 넓은 설치 면적이 요구되고, 폭기조 내 잉여슬러지가 많이 발생하여 잦은 청소가 요구되는 등의 문제점을 지니고 있다(손 등, 2000; Hegemann, 1984; Focht et al., 1975).
	활성슬러지 공정의 문제점을 해결하기 위해 연구가 진행 중인 방법은?	이러한 문제점을 해결하기 위해 고정식 메디아법(Fixed Media Method)의 연구가 활발히 진행되고 있으며, 고정식 메디아법의 장점은 원하는 미생물을 우점종화 할 수 있고, 이에 따른 높은 처리 효율을 기대할 수 있으며, 폭기조의 유효미생물이 담체에 고정화 되기 때문에 유효 미생물농도를 높게 유지할 수 있으며, pH나 온도, 유기물 부하변동에 안정적인 운전이 가능하다는 장점을 가지고 있다(Kang, 1998; Kornegay et al., 1968, Sen et al.

참고문헌 (19)

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원문보기 상세보기
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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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