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문제 정의
- 본 연구에서는 이와 같은 현실적인 필요성에 따라 BNR 공정에서 생물학적 미생물 플록의 분리를 위해 DAF 공정의 도입에 있어서, 적용지점의 선택과 효과적인 고형물 분리 및 부상특성을 파악하고자 일련의 실험을 실시하여 실질적 연구정보를 제공하고자 하였다.
- 본 연구에서는 하수처리장에서 생물학적 미생물 플록의 분리를 위하여 DAF 공정을 도입함에 있어서, 생물반응조에 서의 적용지점 선택과 효과적인 고형물 분리 및 부상특성을 파악하고자 일련의 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 절에서는 BNR 생물반응조에서 혐기조(anaerobic tank), 무산소조(anoxic tank) 그리고 산소조(oxic tank) 에서 채수한 생물학적 플록의 부상분리 효율 비교평가를 위한 일련의 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 응집제의 주입이나 생물반응조로부터 채수한 시료에 대한 전처리 없이 채취한 시료 그대로 DAF 공정을 이용하여 부상 분리한 실험결과를 나타낸다.
- 본 DAF 실험장치를 이용하여 응집제를 주입하지 않은상태에서 분리시간에 따라 SS를 처리대상으로 부상분리 실험을 실시하였다. 이 실험은 생물학적 플록의 부상조 설계에 필요한 수리학적 부하율을 결정하는데 기초적 정보를 제공 한다. 다음의 Fig.
제안 방법
- 시료는 시료채취 즉시 실험을 실시하였으며, 확인실험이 필요한 경우 시료냉장고에 보관하여 시료 성상의 변화를 최소화 하도록 하였다. DAF batch tester의 부상시간은 10min으로 부상이 끝나면 부상조 하단 20% 지점에서 시료를 채취하여 분석하였다.
- 본 실험은 입자의 분리효율을 고려하여 응집을 실시하지않은 경우와 실시한 경우를 구분하여 두 가지로 대별 실험을수행하였으며, 산소조에서 채취한 시료의 부상분리효율이 가장 좋았던 점을 고려하여 산소조 시료를 이용하여 일련의탈리 실험을 실시하였다. Saturator의 압력은 5.0 atm, 그리고 기포체적농도는 단계적으로 증가시키면서 분리시간의 경과에 따라 부상분리후 저부에 침전된 SS를 채수하여 농도를 측정하였다.
- DAF 공정은 전형적인 고형물 분리공정이므로 SS제거율이 가장 높았으며 용존성 물질로 구성된 질소와 인은 SS에비하여 다소 낮은 제거효율을 보였다. 따라서 BOD, T-N 및 T-P의 제거기작은 고형물의 제거율에 따라 일정한 패턴을 나타낼 것으로 예상되어 다음의 Table 2에 나타낸 바와 같이 항목별 상관성 분석을 실시하였다. 항목별 상관계수는 유의성이 크게 나타나지는 않았으며 BOD가 상대적으로 높은 값을 나타내었다.
- 2에 나타낸 것처럼 모든 실험조건을 동일하게 적용하도록 하여 실험오차를 줄일 수 있도록 타이머와 교반장치에 제어설비를 부착하여 구성하였다. 미세 기포를 주입하는 공기의 양도 동일하도록 Compressor를 사용하지 않고 일반 공기봄베(air bomb)를 활용하였다. 실험과정에서 Jar test와 같이 별도의 부상 실험을 위해서 Compressor를 사용하여 saturator를 인위 적으로 수동 조작하고 미생물 플록에 대한 부상분리를 실시하였다.
- 본 DAF 실험장치를 이용하여 응집제를 주입하지 않은상태에서 분리시간에 따라 SS를 처리대상으로 부상분리 실험을 실시하였다. 이 실험은 생물학적 플록의 부상조 설계에 필요한 수리학적 부하율을 결정하는데 기초적 정보를 제공 한다.
- 본 실험 장치에서의 시료채취는 pilot plant의 원수, 부상조 유출수가 기본 분석시료가 되므로 feeding tank, flotation outlet 등의 위치에서 시료를 채취하여 이와 더불어 부상조의 중앙 및 전 후 위치 등 수질의 변동이 발생하는 시점이나 지점마다 시료를 채취 분석하였다.
- 본 실험은 입자의 분리효율을 고려하여 응집을 실시하지않은 경우와 실시한 경우를 구분하여 두 가지로 대별 실험을수행하였으며, 산소조에서 채취한 시료의 부상분리효율이 가장 좋았던 점을 고려하여 산소조 시료를 이용하여 일련의탈리 실험을 실시하였다. Saturator의 압력은 5.
- 본 실험장치의 운전은 미생물을 이용한 생물학적 처리 공정과는 달리 운전상 휴지기간을 두어도 별 문제나 지장이 발생하지 않는 물리화학적 처리공정이므로 운전은 회분식 방식(batch type)을 택하여 운전과 실험을 실시하였다. 운전조건은 특별히 처리실험에서 명시하지 않을 경우 saturator의 압력은 유입측을 기준으로 5.
- 본 연구에서는 회분식 DAF 부상분리 컬럼을 제작하여 실험을 실시하였으며 다음의 Fig. 2에 나타낸 것처럼 모든 실험조건을 동일하게 적용하도록 하여 실험오차를 줄일 수 있도록 타이머와 교반장치에 제어설비를 부착하여 구성하였다. 미세 기포를 주입하는 공기의 양도 동일하도록 Compressor를 사용하지 않고 일반 공기봄베(air bomb)를 활용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시료는 BNR 공정으로 건설된 J시 하수종말처리장의 생물반응조에서 세부 공정별(혐기, 무산소, 산소조)로 미생물 현탁액을 채취하여 본 실험에 적용하였다. 시료는 시료채취 즉시 실험을 실시하였으며, 확인실험이 필요한 경우 시료냉장고에 보관하여 시료 성상의 변화를 최소화 하도록 하였다. DAF batch tester의 부상시간은 10min으로 부상이 끝나면 부상조 하단 20% 지점에서 시료를 채취하여 분석하였다.
- 미세 기포를 주입하는 공기의 양도 동일하도록 Compressor를 사용하지 않고 일반 공기봄베(air bomb)를 활용하였다. 실험과정에서 Jar test와 같이 별도의 부상 실험을 위해서 Compressor를 사용하여 saturator를 인위 적으로 수동 조작하고 미생물 플록에 대한 부상분리를 실시하였다.
- 아울러, 급속 혼합과 완속 교반이 요구되므로 앞에서 기술한 속도경사(speed gradient, G)값을 만족할 수 있는 교반기를 조에 설치하여 운전기간중에 연속 운전될 수 있도록 하여 실제 처리 현장과 그 조건을 최대한 동일하게 되도록 하였다.
- 약품의 주입은 교반시험(Jar-test)을 걸쳐 확정된 최적 응집제 주입율을 시간적 주입량이 정확히 지켜져야 하는 정량펌프를 채택한 약품주입펌프를 이용하여 운전기간에 연속 주입될 수 있도록 하였다.
- 운전조건은 특별히 처리실험에서 명시하지 않을 경우 saturator의 압력은 유입측을 기준으로 5.0±0.5 kg/㎠, 순환율 15±5%에서 본 DAF pilot plant를 운전하는 것을 원칙으로 하였다.
- 일반적으로 미생물 플록의 부상분리에는 별도의 응집조작이 요구되지 않으나 효율을 보다 높이고자 할 경우에는 화학적 응집을 거친 부상처리를 고려할 수 있다. 이에 따라 응집공정의 필요성과 그 효과를 판단하기 위하여 응집조작을 병행한 부상실험을 실시하였다. 응집제는 폴리염화알루미늄(poly-aluminium chloride, PACl)이며 pH와 알칼리도 조정을 위하여 수산화나트륨(NaOH)을 사용하였다.
대상 데이터
- 본 실험장치(pilot plant)에 사용될 약품은 통상 부상처리에 사용되는 응집제와 알칼리제를 적용하였으며 응집제로는 폴리염화알루미늄(PACl, poly-aluminium chloride)을 사용하였고, 응집에 요구되는 알칼리도의 보충을 위하여 수산화나트륨(NaOH)를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 시료는 BNR 공정으로 건설된 J시 하수종말처리장의 생물반응조에서 세부 공정별(혐기, 무산소, 산소조)로 미생물 현탁액을 채취하여 본 실험에 적용하였다. 시료는 시료채취 즉시 실험을 실시하였으며, 확인실험이 필요한 경우 시료냉장고에 보관하여 시료 성상의 변화를 최소화 하도록 하였다.
- 이에 따라 응집공정의 필요성과 그 효과를 판단하기 위하여 응집조작을 병행한 부상실험을 실시하였다. 응집제는 폴리염화알루미늄(poly-aluminium chloride, PACl)이며 pH와 알칼리도 조정을 위하여 수산화나트륨(NaOH)을 사용하였다. 여기서 PACl는 입자표면의 제타전위를 충분히 높이기 위하여 충분한 양을 주입하도록 하였다.
이론/모형
- 실험 방법은 수질환경공정시험법에 의거 실시하며 이 시험방법에 제시되지 않은 항목은 standard method for water and wastewater 실험방법을 이용하였다.
성능/효과
- DAF 공정은 전형적인 고형물 분리공정이므로 SS제거율이 가장 높았으며 용존성 물질로 구성된 질소와 인은 SS에비하여 다소 낮은 제거효율을 보였다. 따라서 BOD, T-N 및 T-P의 제거기작은 고형물의 제거율에 따라 일정한 패턴을 나타낼 것으로 예상되어 다음의 Table 2에 나타낸 바와 같이 항목별 상관성 분석을 실시하였다.
- DAF 실험장치를 이용하여 생물학적 플록의 고액분리를 실시한 결과, SS는 97.9～99.4%, BOD는 89.0∼98.5%, T-N은 52.2∼77.1% 그리고 T-P는 62.8～77.8%의 제거율을 보였다.
- DAF 실험장치를 이용하여 응집제를 주입하지 않고 부상 분리 실험을 실시한 결과, 탁도 제거율은 96.3~99.6%로 양호한 처리효율을 보였고, 기포체적농도(air volume concentration, AVC)의 상승에 따라 제거효율도 상승하였다. 각 세부공정별로는 산소조의 제거효율이 가장 높았으며, 다음으로 무산소 공정이었고 혐기성조의 제거효율이 가장 낮았다.
- 6%로 양호한 처리효율을 보였고, 기포체적농도(air volume concentration, AVC)의 상승에 따라 제거효율도 상승하였다. 각 세부공정별로는 산소조의 제거효율이 가장 높았으며, 다음으로 무산소 공정이었고 혐기성조의 제거효율이 가장 낮았다.
- 7%로 높은 제거율을 보였다. 또한 각 세부공정별 효율은 응집을 하지 않은 앞의 실험결과와 마찬가지로 SS, BOD, T-N T-P 모두 혐기성조, 무산소조 그리고 산소조의 순으로 효율이 높게 나타났다.
- 또한, 부상분리 시간에 따른 생물학적 플록의 부상특성은 clay와 같은 무기성 플록의 경우와 크게 다르지 않았으며 산소조는 분리시간 4분에서, 무산소조는 분리시간 5분에서 그리고 혐기성조에서는 분리시간 10분에서 99.0%의 제거 효율이 달성되었다.
- 8%의 제거 율을 보였다. 생물반응조의 각 세부공정별로는 산소조의 제거효율이 가장 높았으며, 다음으로 무산소 공정이었고 혐기 성조의 제거효율이 가장 낮았다. 본 실험의 처리효율은 일반적인 BNR 공정에서 나타나는 효율과는 다른 값을 나타내며, 하수처리장 원수와 방류수로 산출한 처리효율이 아니고 생물반응조에서 채취한 미생물 현탁액을 유입수로 하여 실험된 고액분리 실험이기 때문이다.
- 8%의 제거 율을 보였다. 생물반응조의 각 세부공정별로는 산소조의 제거효율이 가장 높았으며, 다음으로 무산소 공정이었고 혐기 성조의 제거효율이 가장 낮았다. 본 실험의 처리효율은 일반적인 BNR 공정에서 나타나는 효율과는 다른 값을 나타내며, 하수처리장 원수와 방류수로 산출한 처리효율이 아니고 생물반응조에서 채취한 미생물 현탁액을 유입수로 하여 실험된 고액분리 실험이기 때문이다.
- 실험 결과 다음의 Fig. 7에 나타낸 것처럼 두 경우 모두 1.16×10³ppm 및 2.32×10³ppm에서 탈리현상이 나타났으며 응집을 실시한 경우가 오히려 탈리현상이 보다 뚜렷 하였다.
- 응집제를 주입하여 부상분리 실험을 실시한 결과, SS는 99.1~100%, BOD는 96.4∼98.7%, T-N은 59.7∼ 87.8% 그리고 T-P는 78.9~98.7%로 높은 제거율을 보였다.
- 응집제를 주입하여 실험을 실시한 결과, 다음의 Fig. 4에나타낸 바와 같이 SS는 99.1~100%, BOD는 96.4∼ 98.7%, T-N은 59.7∼87.8% 그리고 T-P는 78.9~ 98.7%로 높은 제거율을 보였다.
- , 2006)와 같이 미생물 플록의 생장단계가 다소 다른 결과를 나타내었다. 이 실험결과로 미루어 볼 때, 고액분리공정으로써 DAF공정을 BNR 하수처리시스템에 도입함에 있어서, 단일지점을 고려할 경우 산소조 후단 또는 산소조 유출수를 처리하도록 부상공정을 배치 하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 다음의 Table 3은 생물학적 플록의 처리효율을 향상시키기 위하여 별도의 응집조작을 실시하여 얻어지는 항목별 제거효율의 상승폭을 나타내고 있다. 일정한 추이는 찾아볼수 없지만 대체적으로 혐기성조, 무산소조, 산조조의 순으로 처리효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이 상승폭은 응집조작을 실시하게 되면 항목별 처리효율이 상승하여 각 반응조별 처리효율의 차이가 좁혀지는 이유에서 기인한 결과로 여겨진다.
- 한편, 기포체적농도를 증가시킨 4.63×10³ppm에 서는 응집체의 탈리 현상은 발생하지 않았으며 BNR 하수처 리시스템에 DAF 공정을 적용할 경우 기포체적농도는 4.63×10³ppm정도로 유지되어야 안정한 부상분리 효율을 얻을 수 있을 것으로 여겨진다.
- 따라서 BOD, T-N 및 T-P의 제거기작은 고형물의 제거율에 따라 일정한 패턴을 나타낼 것으로 예상되어 다음의 Table 2에 나타낸 바와 같이 항목별 상관성 분석을 실시하였다. 항목별 상관계수는 유의성이 크게 나타나지는 않았으며 BOD가 상대적으로 높은 값을 나타내었다.
후속연구
- 한편, 본 제거효율은 실험조건과 같이 1,000~3,000 mg/L MLSS 농도조건에서의 실험결과에 한정되며 고농도의 MLSS나 슬러지에 있어서는 그 분리시간과 최적 기포농 도가 달라지므로 이 결과를 직접 적용하기에는 무리가 따를 것이다.
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