침지형 막결합 연속회분식 반응기의 운전에서 폐수의 도입단계가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향 The Effect of Filling Step on the Removal Efficiency and Filtration Performance in the Operation of Submerged Membrane-Coupled Sequencing Batch Reactor원문보기
침지식 막결합형 연속회분식 생물반응기에서 폐수의 도입단계가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향을 조사하였다. 호기성 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-1)와 무산소 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-2)에 대하여 89일 동안 동시에 운전하였다. COD 제거효율과 여과성능은 2가지 운전방식 간에 큰 차이가 없었다. 그러나 영양염류(총질소와 총인)의 제거효율에 있어서 Mode-2가 Mode-1에 비해 보다 효과적이었다. Mode-2의 경우 COD, 총질소 및 총인의 제거율은 각각 99.1, 73.3 및 77.7%이었다.
침지식 막결합형 연속회분식 생물반응기에서 폐수의 도입단계가 제거효율과 여과성능에 미치는 영향을 조사하였다. 호기성 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-1)와 무산소 단계의 초기에 공급할 경우(Mode-2)에 대하여 89일 동안 동시에 운전하였다. COD 제거효율과 여과성능은 2가지 운전방식 간에 큰 차이가 없었다. 그러나 영양염류(총질소와 총인)의 제거효율에 있어서 Mode-2가 Mode-1에 비해 보다 효과적이었다. Mode-2의 경우 COD, 총질소 및 총인의 제거율은 각각 99.1, 73.3 및 77.7%이었다.
In the operation of submerged membrane-coupled sequencing batch reactor, the effect of filling step on the removal efficiency and filtration performance were investigated. Two sets of operation modes, the filling step located in the beginning of aerobic step (Mode-1) and the beginning of anoxic step...
In the operation of submerged membrane-coupled sequencing batch reactor, the effect of filling step on the removal efficiency and filtration performance were investigated. Two sets of operation modes, the filling step located in the beginning of aerobic step (Mode-1) and the beginning of anoxic step (Mode-2), during 89 days were conducted. There was no wide difference in the COD removal and filtration performance between two sets of operation modes. But in the removal efficiency of nutrients (total nitrogen and total phosphorous), Mode-2 was more effective than Mode-1. In the case of Mode-2, average removal efficiencies of COD, total nitrogen, and total phosphorous were 99.1, 73.3, and 77.3%, respectively.
In the operation of submerged membrane-coupled sequencing batch reactor, the effect of filling step on the removal efficiency and filtration performance were investigated. Two sets of operation modes, the filling step located in the beginning of aerobic step (Mode-1) and the beginning of anoxic step (Mode-2), during 89 days were conducted. There was no wide difference in the COD removal and filtration performance between two sets of operation modes. But in the removal efficiency of nutrients (total nitrogen and total phosphorous), Mode-2 was more effective than Mode-1. In the case of Mode-2, average removal efficiencies of COD, total nitrogen, and total phosphorous were 99.1, 73.3, and 77.3%, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 평막형 모듈을 사용한 연속회 분식 반응기(flat-type membrane-coupled sequencing batch reactor, FMSBR)에서 폐수의 공급 단계(호기성 또는 혐기성)에 따른 여과성능과 유기물 및 영양염류(T-N 및 T-P)의 제거 효과를 서로 비교, 검토하였다.
제안 방법
FMSBR에서 폐수의 공급 단계에 따른 유기물과 영양염류의 제거 효과와 여과성능 변화를 비교하기 위하여 Table 2에 나타낸 바와 같이 폐수의 공급 단계가 서로 다른 두 가지 운전모드로 동시에 운전하였다. 두 가지 운전모드의 한 cycle은 모두 180분으로 하였으며, 두 운전모드의 무산소반응과 호기반응은 각각 60분과 120분으로서 두 운전모드의 반응시간을 서로 같게 하여 두 운전모드를 비교할 수 있도록 하였다.
6은 Mode-1과 Mode-2에 대하여 운전 시간에 따른 TMP의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 Mode-1과 Mode-2는 운전을 시작한지 각각 25일과 29일 경과 한 후에 TMP가 약 30 kPa에 도달하였으며, 이때 앞에서 제시한 세정방법에 따라 분리막을 세정하였다. 운전을 처음 시작할 때의 Mode-1과 Mode-2의 초기 TMP는 각각 6.
FMSBR에서 폐수의 공급 단계에 따른 유기물과 영양염류의 제거 효과와 여과성능 변화를 비교하기 위하여 Table 2에 나타낸 바와 같이 폐수의 공급 단계가 서로 다른 두 가지 운전모드로 동시에 운전하였다. 두 가지 운전모드의 한 cycle은 모두 180분으로 하였으며, 두 운전모드의 무산소반응과 호기반응은 각각 60분과 120분으로서 두 운전모드의 반응시간을 서로 같게 하여 두 운전모드를 비교할 수 있도록 하였다. 무산소반응에서는 반응기의 윗부분에 교반기를 설치하여 비포기 조건에서도 충분한 혼합이 일어나도록 하였고, 호기 반응에서는 여과방법에 대한 선행 연구결과[2]를 적용하여 비여과/여과시간을 20분/20분으로 하는 간헐적 여과를 실시하였다.
산기관은 분리막 표면에 형성되는 케이크를 제어하기 위해 분리막 모듈 바로 밑에 설치하였으며, 공기의 유량은 25 L/min로 공급하여 충분한 산소공급과 활성슬러지의 원활한 혼합이 되도록 하였다. 또한 투과 플럭스는 20 LMH (L/m2 hr)가 되도록 정속여과를 하였으며, PLC (programmable logic controller, SB-65R, Comfile Technology, Korea)를 사용하여 합성폐수의 공급, 교반기, 에어펌프 및 흡입펌프의 ON/OFF 제어와 투과유속 및 막간차압(transmembrane pressure)의 측정 등 모든 공정을 자동으로 제어하였다.
활성슬러지의 농도를 나타내는 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids)와 MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)는 표준 시험법(Standard methods)의 방법을 이용하여 측정하였다[10]. 또한 화학적 산소요구량(CODCr), 총질소(T-N) 및 총인(T-P)은 분광광도계(DR 5000, HACH, USA)와 분석용 키트를 이용하여 측정하였다.
또한, 89일 동안 FMSBR에서 운전을 한 후 막모듈을 반응기에서 꺼내어 순수 플럭스를 측정하고, 식 (1)을 이용하여 총여과저항(Rt)을 측정하였다. 막표면의 케이크 층을 스펀지로 제거한 후 여과저항을 측정하고, 식 (2)를 이용하여 (Rm+Rf)를 계산하였으며, 막고유저항(Rm)은 운전 전에 막간차압에 따른 순수 플럭스 변화로부터 이미 측정된 값이므로 막오염저항(Rf) 값을 산출하였다.
는 세공 막힘 등의 막오염(membrane fouling)으로 인한 막오염저항이다. 막고유저항(Rm)은 운전 전에 증류수를 사용하여 측정하였고, 총여과저항(Rt)은 운전 종료 시점에서 플럭스와 막간차압을 측정하여 계산하였다. 막표면의 케이크 층을 스펀지로 제거한 후 (Rm+Rf)를 측정하였으며, 식 (2)를 이용하여 Rf와 Rc를 각각 계산하였다.
두 가지 운전모드의 한 cycle은 모두 180분으로 하였으며, 두 운전모드의 무산소반응과 호기반응은 각각 60분과 120분으로서 두 운전모드의 반응시간을 서로 같게 하여 두 운전모드를 비교할 수 있도록 하였다. 무산소반응에서는 반응기의 윗부분에 교반기를 설치하여 비포기 조건에서도 충분한 혼합이 일어나도록 하였고, 호기 반응에서는 여과방법에 대한 선행 연구결과[2]를 적용하여 비여과/여과시간을 20분/20분으로 하는 간헐적 여과를 실시하였다.
이와 같은 막오염이 어느 정도 진행되면 TMP 또는 플럭스 회복을 위하여 침지된 분리막을 활성슬러지에서 분리하여 물리적 방법이나 화학적 방법에 의해 막을 세정 하여야 한다[2, 17-19]. 본 연구에서 사용한 분리막의 세정은 물리적 세정 후 화학적 세정을 실시하였다. TMP가 약 30 kPa에 도달하였을 때, 분리막을 반응기에서 꺼내어 부드러운 스펀지와 tap water로 막 표면에 형성된 케이크를 제거한 후, 5,000 ppm NaOCl 용액으로 막을 세정하였다.
8 L로 하였다. 산기관은 분리막 표면에 형성되는 케이크를 제어하기 위해 분리막 모듈 바로 밑에 설치하였으며, 공기의 유량은 25 L/min로 공급하여 충분한 산소공급과 활성슬러지의 원활한 혼합이 되도록 하였다. 또한 투과 플럭스는 20 LMH (L/m2 hr)가 되도록 정속여과를 하였으며, PLC (programmable logic controller, SB-65R, Comfile Technology, Korea)를 사용하여 합성폐수의 공급, 교반기, 에어펌프 및 흡입펌프의 ON/OFF 제어와 투과유속 및 막간차압(transmembrane pressure)의 측정 등 모든 공정을 자동으로 제어하였다.
대상 데이터
1과 같다. 반응기는 아크릴을 사용하여 가로 250 mm, 세로 100 mm, 높이 1,000 mm의 직육면체 형태로 제작하였으며, 반응기의 유효부피(working volume)는 17.8 L로 하였다. 산기관은 분리막 표면에 형성되는 케이크를 제어하기 위해 분리막 모듈 바로 밑에 설치하였으며, 공기의 유량은 25 L/min로 공급하여 충분한 산소공급과 활성슬러지의 원활한 혼합이 되도록 하였다.
본 실험에 사용한 폐수는 Table 3과 같은 조성을 갖는 합성폐수를 제조하여 사용하였다. 탄소(C)원, 질소(N)원 및 인(P)원으로는 각각 글루코오스(C6H12O6), 염화암모늄(NH4Cl) 및 인산이수소칼륨(KH2PO4)를 사용하였다.
본 연구에 사용된 분리막은 국내 P사에서 제조한 정밀여과용 평막으로서 재질은 PVC, 공극의 크기는 0.4µm, 막모듈의 표면적은 0.17 m2이었다.
탄소(C)원, 질소(N)원 및 인(P)원으로는 각각 글루코오스(C6H12O6), 염화암모늄(NH4Cl) 및 인산이수소칼륨(KH2PO4)를 사용하였다. 본 연구에 사용한 활성슬러지는 제주특별자치도 J 하수종말처리장의 반송슬러지를 사용하였으며, 채취한 활성슬러지는 합성폐수로 30일 정도 적응을 시킨 후에 본 실험에 사용하였다.
본 실험에 사용한 폐수는 Table 3과 같은 조성을 갖는 합성폐수를 제조하여 사용하였다. 탄소(C)원, 질소(N)원 및 인(P)원으로는 각각 글루코오스(C6H12O6), 염화암모늄(NH4Cl) 및 인산이수소칼륨(KH2PO4)를 사용하였다. 본 연구에 사용한 활성슬러지는 제주특별자치도 J 하수종말처리장의 반송슬러지를 사용하였으며, 채취한 활성슬러지는 합성폐수로 30일 정도 적응을 시킨 후에 본 실험에 사용하였다.
이론/모형
활성슬러지의 농도를 나타내는 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids)와 MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids)는 표준 시험법(Standard methods)의 방법을 이용하여 측정하였다[10]. 또한 화학적 산소요구량(CODCr), 총질소(T-N) 및 총인(T-P)은 분광광도계(DR 5000, HACH, USA)와 분석용 키트를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
1) Mode-1에서의 MLSS는 운전초기에 2,630 mg/L에서 85일 경과 후에는 10,640 mg/L로 증가하였고, Mode-2에서의 MLSS는 2,410 mg/L에서 85일 경과 후에는 11,740 mg/L로 증가하였으며, Mode-1과 Mode-2의 MLVSS/MLSS의 평균값은 각각 0.83과 0.82이었다.
2) CODCr 제거율은 폐수공급 단계의 순서에 관계없이 99% 이상의 높은 제거율을 나타내었다.
3) Mode-1과 Mode-2에서의 T-N 평균제거율은 각각 39.6% 및 73.3%로서 Mode-2의 T-N 제거율이 Mode-1에 비해 약 1.8배 높았다.
4) Mode-1과 Mode-2에서의 T-P 평균제거율은 각각 62.9% 및 77.3%로서 Mode-2의 T-N 제거율이 Mode-1에 비해 약 1.2배 높았다.
5) Mode-2의 첫 번째 세정주기는 Mode-1에 비해 4일 길었고, 세정 후 Mode-2의 TMP는 Mode-1의 TMP 에 비해 다소 높게 나타났으나, 두 운전모드 간의 큰 TMP 차이는 없었다.
6) Mode-1과 Mode-2에서 케이크 저항의 비율은 각각 91.34%와 90.19%로서 폐수공급 단계의 순서에 관계없이 막여과 저항의 대부분은 케이크 저항이었다.
3%)이었다. Mode-2의 T-N 제거율은 Mode-1에 비해 약 1.8배 높게 나타난 것으로 보아 원수(폐수) 도입 후에 무산소반응을 실시하는 것이 원수 도입 후에 호기반응을 실시하는 것 보다 T-N 제거에는 보다 효과적임을 알 수 있었다.
그림에서 보는 바와 같이 Mode-1과 Mode-2는 운전을 시작한지 각각 25일과 29일 경과 한 후에 TMP가 약 30 kPa에 도달하였으며, 이때 앞에서 제시한 세정방법에 따라 분리막을 세정하였다. 운전을 처음 시작할 때의 Mode-1과 Mode-2의 초기 TMP는 각각 6.9와 7.9 kPa이였고, 세정한 후의 TMP는 각각 6.6과 7.5 kPa로서, 세정 후 TMP는 Mode-1과 Mode-2에서 모두 운전 초기의 TMP로 거의 회복되었다. 세정 후에는 Mode-2의 TMP는 Mode-1의 TMP에 비해 다소 높게 나타났으며, 89일 후에 Mode-1과 Mode-2의 TMP는 각각 16.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연속회분식 반응조를 이용한 활성슬러지 공정이 갖는 문제점은 무엇인가?
SBR은 독립적인 침전조와 반송시스템이 필요하지 않고, 유입수의 성상에 따라 또는 유출수의 원하는 수질에 맞춰 운전 조건이나 운전모드의 변경이 쉬우며, 적절하게 운전조건을 설정함으로써 질소와 인과 같은 영양물질을 제거할 수 있다. 그러나 SBR 공정에서는 미생물의 악화에 따르는 슬러지 벌킹(bulking)과 핀플럭(pin floc) 현상으로 슬러지의 일부분이 부상됨으로써 유출수의 수질이 악화되는 문제가 있다[4].
수질환경오염 문제를 해결하기 위하여 폐수처리 방류수의 수질 기준이 강화됨에 따라 각 산업체에 요구되고 있는 기술은 무엇인가?
최근 심각해지는 수질환경오염 문제를 해결하기 위하여 폐수처리 방류수의 수질 기준을 점차 강화하고 있어서 각 산업체에서는 적은 비용으로 폐수를 완벽하게 처리할 수 있는 오염 방지 기술이 요구되고 있다. 또한 최근의 강수량 부족으로 용수 확보가 어려워짐에 따라 폐수나 오수 등의 재활용에 대한 관심도 커지고 있다[1].
폐수나 오수를 소규모 처리시설을 이용하여 오염 배출원에서 고도 처리하는 방식으로 기대할 수 있는 것은 무엇인가?
한편 효과적인 수자원의 확보와 수질오염을 대처하기 위하여 여러 가지 대안이 제시되고 있고, 그 해결책 중의 하나로 소규모 처리시설을 이용하여 오염 배출원에서 고도 처리하여 이를 재활용하는 것이다. 이 방법은 기존의 대규모 처리장을 이용하는 방법에서 야기되는 차집체계와 비용적인 측면을 극복할 수 있고, 보다 궁극적으로 수질오염방지와 수자원 확보를 동시에 해결할 수 있는 방법이다[2].
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