[논문]Pilot Scale Plant의 황 충진 MBR을 이용한 고효율의 질소제거 공법 개발

문진영; 황용우; 조현정

Pilot Scale Plant의 황 충진 MBR을 이용한 고효율의 질소제거 공법 개발
Development of High-rate Nitrogen Removal Process Using Submerged MBR Packed with Granular Sulfur of Pilot Scale Plant 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.25 no.3, 2011년, pp.383 - 390

문진영 (인하대학교 환경공학과) , 황용우 (인하대학교 환경공학과) , 조현정 (인하대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a process combined biofiltration with sulfur-utilizing autotrophic denitrification and membrane separation was proposed to examine the efficiency of nitrogen removal. As an experimental device, hollow-fiber module was installed in the center of reactor to generate the flux forward sulfur layer in the cylinder packed with granular sulfur. In addition, a simple module was installed in activated sludge aeration tank which inside and outside of sulfur-using denitrification module was covered with microfilter and the module was considered as an alternative of clarifier. The experiment for developing new MBR process was carried out for three years totally. As the results of first two-year experiment, successful nitrogen removal performance was revealed with lab-scale test and pliot scale plant using artificial wastewater and actual plating wastewater. In this year, pilot scale test using actual domestic wastewater was performed to prove field applicability. As the results, high-rate nitrogen removal performance was confirmed with about 0.19 kg ${NO_3}^--N/m^3$ day of rate. Also significant fouling and pressure increase were not found during the experiment. And, the production ratio of sulfate and the consumption ratio of alkalinity showed a slightly higher value about 311 mg ${SO_4}^{2-}/L$ and 369 mg $CaCO_3$/L, respectively. In conclusion, the developed MBR process can be utilized as an alternative for retrofiting existing wastewater plants as well as new construction of advanced sewage wastewater treatment plants, with cost-effective merit.

주제어

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문제 정의

본 연구를 통해 국내의 일반 하수처리장 내에 설치가 간단하면서도 질소제거 효율이 우수한 고도처리시설로서 하나의 모형을 제시하고자 하였고, 고농도의 질소함유 폐수를적용시킨 실험을 통하여 실용화 가능한 고효율의 질소 제거공정을 개발하고자 하였다. 이는 타 공정에 비하여 경제적이고 컴팩트하게 적용가능하기 때문에 매우 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 기존 시설의 개조를 통한 고도처리 방법으로, 침지형 황 충진상 모듈을 결합시킨 황 충진 MBR을 이용한 질소제거 공정을 개발하여 기존 하수처리시설 내부에 간단한 모듈을 추가 설치함으로써 고도처리가 가능한 황 탈질 공정을 개발하고자 하였다.(환경부와 환경관리공단, 2004) 즉, 황 충진상 내부에 분리막 모듈을 설치함으로서충진상 내부로의 질산화액의 강제 flux를 발생시켜 포기조내 질소제거의 효율을 검토한 것이다.
본 연구에서는 실제 하수를 이용하여 Pilot scale의 황충진 MBR 공정의 질소제거성능을 파악하고, 질소 제거에 동반되는 알칼리소비 등과 같은 반응물질 생성, 소비량의 확인 등을 검토하였다. 결론은 다음과 같다.
왔다. 본 연구에서는 황 탈질 공정의 도입을 위한 구체적인 형태로서 기존 하수처리장의 포기조 내에 원통형 황 탈질 모듈을 침지시켜 중앙부분으로부터 유출시키는 공정을 개발하였다.

가설 설정

8에 황 충진 모듈의 질산성질소 유입부하 및 질소 제거 속도를 나타내었다. 여기서 질산성질소 유입부하는 질산화액이 100% 황 충진 모듈에 유입된다고 가정하고 유입 부하를 계산하였다. 황 충진 모듈로의 질산성질소 유입부하는 phase 1에서 0.

제안 방법

3까지 적정함으로써 측정하였다. NO₃--N, NO₂--N 그리고 SO₄₂- 등의 음이온 분석은 0.45 伽 membrane 으로 여과한 후 음이온분석 용 column (Transgenomic, ICSep ANSC) 과 conductivity detector(Waters, 432 Conductivity Detector) 가 부착된 Ion chromatography (Dionex, DX-500)로 분석하였다. 각각의 실험 항목 및 분석방법을 Table 4에 나타내었다.
준하여 실시 하였다. pH는 pH meter (Orion Model 250A) 로, 알칼리도는 적정법을 이용하였으며, pH 4.3까지 적정함으로써 측정하였다. NO₃--N, NO₂--N 그리고 SO₄₂- 등의 음이온 분석은 0.
외부에 최종침전지 대신 여과 기능을 수행할 수 있는 microfilter (pore size: 25, 50 ㎛)를 설치하였다. 두 개의 원통 사이 부분에 황이용 탈질 미생물을 부착시킨 입상 황을 전체 반응조 부피의 약 15%로 충진 하였다. 황 탈질 모듈의 외부는 질산화조를 형성시키고, 황 탈질 모듈은 탈질 조의 역할을 하였다.
유입수의 수질 항목 중 알칼리도의 경우 실제 유입수의 성상은 평균 250 mg CaCOa/L 정도로 나타났으나, 질산화 및 황 탈질 반응시 소모되는 알칼리도를 고려하여 중탄산나트륨으로 약 400 mg CaCOa/L 의 알칼리도를 보충해 주었다. 반응조 내의 MLSS 농도는 활성슬러지공정과 조건을 비슷하게 유지하기 위하여 2, 500~3, 000 mg/L 를 유지하였다.
나타내었다. 실험은 총 4단계로 진행하였으며, 유기물부하로 phase를 결정하려던 초기 의도와는 달리, 유입수 성상이 일정하지 않아 HRT (Hydraulic retention time)를 기준으로 phase 를 결정하였다. Phase 1에서는 HRT가 24 hr 으로 유입수가 0.

대상 데이터

본 실험의 유입수는 인천 S하수처리장의 1차 침전지에 유입되는 분배조에서 수중펌프를 이용하여 반응조에 유입시켰으며, 성상을 Table 2에 나타내었다. 유입수의 수질 항목 중 알칼리도의 경우 실제 유입수의 성상은 평균 250 mg CaCOa/L 정도로 나타났으나, 질산화 및 황 탈질 반응시 소모되는 알칼리도를 고려하여 중탄산나트륨으로 약 400 mg CaCOa/L 의 알칼리도를 보충해 주었다.
모듈의 직경은 16 cm이다. 입상황의 입경은 기존의 연구(Koenig 와 Liu, 1997; Koenig 와 Liu, 2001)에서 탈질 효율이 입증된 3.4~5.7 mm의 것을 사용하였다.
총 반응조의 크기는 W*H*L 이 각각 7*6*10050 cm 이며, 황 충진 MBR의 높이는 55 cm, 외부직경 48 cm이며, 내부원통형 모듈의 직경은 16 cm이다. 입상황의 입경은 기존의 연구(Koenig 와 Liu, 1997; Koenig 와 Liu, 2001)에서 탈질 효율이 입증된 3.
황 충진 MBR (microfilter bioreactor)반응기의 현장 적용성 평가를 위해 인천 S하수처리장에 Pilot-Scale의 실험 장치를 설치하여 실험을 수행하였다. 반응기 전경 및 공정도를 Fig.

이론/모형

유입수 및 유출수의 시료분석은 Standard Methods (APHA 등, 1998)와 수질오염 공정시험법 (환경부, 2004) 에 준하여 실시 하였다. pH는 pH meter (Orion Model 250A) 로, 알칼리도는 적정법을 이용하였으며, pH 4.

성능/효과

1) TBOD 의 유입평균농도는 105.1 mg/L 로 나타났으며, 이때 유출수의 평균농도는 16.5 mg/L으로 나타났는데, 따라서 TBOD 의 제거효율은 부하에 관계없이 70% 이상의 제거효율을 나타내는 것으로 나타났다. SBOD 의 경우 TBOD 의 약 50%정도 수준으로 유입되었으며, 유출수의 SBOD 농도는 모든 phase에서 약 3.
2) 황 충진 모듈로의 질산성질소 유입부하는 phase 1에서 0.18 kg NOa--N/m₃-d, phase 2~4에서는 모두 0.33 kg NO₃_--N/m₃-d 로 나타났다. 이때 질소 제거속도는 phase 별로 각각 0.
3) 황이온 생성량 및 알칼리소비량은 각각 311 mg SO/-/L, 368 mg CaCO₃/L로 이론치인 168 mg SO/-/L, 232 mg CaCOa/L 보다 다소 높게 나타났다. 이는 탈질에 관여하지 않는 황 산화 미생물의 존재에 기인한 것으로 추정된다.
4) 침지형 황 충진 모듈을 이용한 황 충진 MBR을 운전한 결과, 황 모듈의 막힘으로 인한 운전 저해현상은 관찰할 수 없었다.
SBOD 의 경우 TBOD 의 약 50%정도 수준으로 유입되었으며, 유출수의 SBOD농도는 모든 phase에서 약 3.5 mg/L 정도의 농도로 안정되게 유출되었다.
TCOD의 유입평균농도는 모든 phase에서 약 250 mg/L 정도의 농도로 유입되었으며, 유출수는 약 38 mg/L 로 일정하게 유출되었다. SCOD의 경우는 TCOD의 약 40%의 수준의 농도로 유입되었으며, 유출수의 농도는 약 26 mg/L 로 일정하게 유출되었다.
4에 나타내었다. TBOD 의 유입평균농도는 phase 별로 각각 106.8 mg/L, 109.2 mg/L, 103.8 mg/L 및 97.5 mg/L로 나타났으며,그에 따른 TBOD 용적부하는' 0.06 kg TBOD/m₃-d, 0.11 kg TBOD/m₃-d, 0.16 kg TBOD/m₃-d 및 0.24 kg TBOD/m₃-d 로 나타났다. 이때 유출수의 평균농도는 각각 12.
6에 나타내었다. TCOD의 유입평균농도는 모든 phase에서 약 250 mg/L 정도의 농도로 유입되었으며, 유출수는 약 38 mg/L 로 일정하게 유출되었다. SCOD의 경우는 TCOD의 약 40%의 수준의 농도로 유입되었으며, 유출수의 농도는 약 26 mg/L 로 일정하게 유출되었다.
6에 나타내었다. TCOD의 유입평균농도는 모든 phase에서 약 250 mg/L 정도의 농도로 유입되었으며, 유출수는 약 38 mg/L 로 일정하게 유출되었다. SCOD의 경우는 TCOD의 약 40%의 수준의 농도로 유입되었으며, 유출수의 농도는 약 26 mg/L 로 일정하게 유출되었다.
결론적으로 황 충진 MBR을 이용하여 하수에 대하여 높은 질소 제거효율을 얻을 수 있었으며, 이를 통해 기존의 처리장에 대한 개조는 물론 신규 고도처리장 건설에도 크기가 작고 설치비 부담이 적은 공정으로 이용 가능할 것으로 판단된다.
유출수의 황산이온 변화 나타내었다. 그 결과, 유입수의 황산이온 농도는 평균 358 mg SO/-/L 로 나타났으며, 유출수의 평균 황산이온 농도는 670 mg SO/-/L 정도로 나타났다.
실제 유입수의 성상은 평균 250 mg CaCO₃/L 정도로 나타났으나, 질산화 및 황탈 질 반응시 소모되는 알칼리도를 고려하여 중탄산 나트륨으로 약 400 mg CaCOa/L의 알칼리도를 보충해 주었다. 따라서 유입수의 알칼리도는 운전기간 중 평균 574 mg CaCOa/L 로 측정되었으며, 유출수의 알칼리도는 평균 205 mg CaCOa/L 로 나타났다.
본 Pilot-Scale의 황충진 모듈을 이용한 반응조를 약 6 개월간 운전한 결과 생물막의 폐색으로 인하여 약간의 유량에 변동이 생길 경우 역세장치를 통하여 생물막에 대한 공기역세를 실시하였으며 역세 후에는 바로 안정한 상태로 운전이 진행되었다. 이는 원통형 모듈에 설치되어 있는 microfilter의 SS 및 활성슬러지에 대한 여과작용으로 인하여 운전기간 중 생물막이 폐색되어 여과저항을 일으키는 현상이 나타나지 않은 것으로 판단된다.
실제 황산이온의 생성량은 평균 311 mg SO/-/L로 나타났으며, 이론적인 황산이온의 생성량은 168 mg SO/-/L 로 나타나 실제 생성량이 약 143 mg SO/-/L 정도 높게 나타났다. 이는 포기조에 존재하는 T.
24 kg TBOD/m₃-d 로 나타났다. 이때 유출수의 평균농도는 각각 12.4 mg/L, 10.6 mg/L, 18.6 mg/L 및 29.1 mg/L 으로나타났는데, 따라서 TBOD 의 제거효율은 phase 별로 89%, 90%, 82% 및 70%로 나타나 부하에 관계없이 70% 이상의 제거효율을 나타내었다. 침전조가 존재하지 않는 반응조 내에서 유출수의 TBOD 농도는 평균 18 mg/L 정도로 나 타는 것은 원통형모듈에 설치한 microfilter 및 충진된 입상황에의한 여과작용에 인한 것으로 판단된다.

후속연구

개발하고자 하였다. 이는 타 공정에 비하여 경제적이고 컴팩트하게 적용가능하기 때문에 매우 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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저자의 다른 논문 :

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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