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문제 정의
- 4 g COD/m 2 ‧d에서 TCOD의 경우 약 1,300 mg/L, SS의 경우 약 900 mg/L까지 악화되어 BAF 공정의 처리한계를 크게 초과한 것으로 나타났다. 따라서 RBC-BAF 조합공정의 처리효율 개선방안으로 응집제 사용을 검토하였다. RBC 공정 유출수의 응집제 처리효과와 BAF 공정에 미치는 영향을 Fig.
- 본 연구에서는 고농도 도축페수의 고도처리를 위해 RBC와 BAF 공정이 가지고 있는 각각의 장점을 조합한 호기성 생물막 처리 공정을 개발하고 처리효율의 극대화를 위해 기질 제거 특성을 평가하였다. 돈까스 소스와 돼지피로 모사한 도축폐수를 사용하여 RBC의 기질 제거 특성을 평가한 결과, 침전지를 포함한 RBC 공정에서 Soluble COD과 NH 3-N 의 평균 제거율은 각각 90%와 82% 이상으로 양호하였으나 TCOD와 TN은 SS의 대량 유출과 돼지피에서 기인한 콜로이드 물질 생성 때문에 각각 60%와 69%의 다소 낮은 제거율을 보였다.
가설 설정
- 6) 망상형 원판의 두께는 약 5 cm, 원판 간격은 5 cm로 제조되어 있다. 비표면적(8.
제안 방법
- 반응기 내부의 여재에 생물막을 형성하여 고농도의 미생물로 오염물질 제거가 가능하며, 수직형으로 집적화된 반응기 내에서 질산화와 인제거가 동시에 이루어지는 특징도 가지고 있다.5) 본 연구에서는 RBC와 BAF가 가지고 있는 각각의 장점을 효과적으로 이용해 고농도 도축폐수를 처리할 수 있도록 두 공정과 침전지의 적절한 조합을 통해 처리 효율의 극대화를 시도하였다. 특히, RBC 반응조에 고농도의 활성 미생물을 유지시킴으로써 부유 반응조의 기능을 겸할 수 있도록 하였다.
- 6에 나타내었다. BAF 반응기 높이 별 유기물 및 질소 제거 특성을 파악하기 위해 반응기 하단부 부터 30 cm 간격으로 설치된 8개의 샘플링 포트에서 유기물 및 질소의 기질 제거 능력을 측정하였다. BAF 반응기는 8개의 포트 중 반응기 하단부에서부터 6번째 샘플링 포트까지 충진되었다.
- 상부에 원주를 따라 사다리꼴 웨어를 설치하여 상징액이 균일하게 유출되도록 하였다. BAF 반응기는 직경 20 cm, 높이 2 m의 아크릴 컬럼으로 유효용적은 62.8 L이고 반응기 내부는 점토 성분의 여재를 반응기 용적의 약 75%(약 1.5 m 높이) 충진하여 상향류로 설계하였다
- COD, NH3-N, NO2-N, NO3-N, TN, TP는 Standard Methods, SS와 Volatile Suspended Solid (VSS)는 수질오염공 정시험법 7) 에 따라 1주일에 2~3회 분석을 실시하였다. 모든 COD 시험은 중크롬산칼륨법으로 실시하였으며 필요에 따라 TCOD 또는 SCOD를 측정하였다.
- RBC와 BAF의 조합 공정의 운전조건을 Table 1에 나타내었다. RBC 반응기 운전 초기 생물막 형성을 위해 여천위생처리장의 침전조 건조 슬러지를 파쇄하여 Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) 농도가 5,000 mg/L가 되도록 식종하였다. 한편 RBC 반응조에서 성장한 부유성 슬러지는 침전지에서 전량 폐기하여 고형물체류시간과 수리학적체류시간을 같게 운전하였고 Period III 부터는 고농도 유기물 부하에 능동적으로 대응하기 위해 산기석을 이용해 RBC 반응조에 산소를 공급하였다.
- RBC와 BAF의 조합공정에 의한 고농도 도축폐수의 처리 특성을 평가하기 위해 우선 RBC와 침전조의 구성으로 다양한 기질 부하에서 162일 동안 운전하였고 그 후 침전조 후단에 BAF를 설치하여 32일 동안 운전하였다. RBC와 BAF의 조합 공정의 운전조건을 Table 1에 나타내었다.
- RBC와 침전조에서 제거하지 못한 기질과 SS를 제거하기 위해 163일부터 침전조 후단에 BAF를 설치하여 RBC와 BAF의 조합공정을 운전하였고 190일에 BAF의 COD, SS및 N의 제거 특성을 Fig. 6에 나타내었다. BAF 반응기 높이 별 유기물 및 질소 제거 특성을 파악하기 위해 반응기 하단부 부터 30 cm 간격으로 설치된 8개의 샘플링 포트에서 유기물 및 질소의 기질 제거 능력을 측정하였다.
- RBC의 회전 원판에 부착된 생물막 및 반응조 내 부유 미생물의 활성도를 측정하였다. 채취한 미생물을 300 rpm 에서 20분간 원심 분리 후, 인산완충용액과 Nutrient Broth, CH3COOH, CH3COONa 등의 기질을 이용하여 기질 비소 비속도(Specific Substrate Utilization Rate, q) 추정시험을 pH 7.
- 고농도 돼지 도축폐수의 특징을 모사하기 위해 돈까스 소스(시판용) 2 kg, 돼지피 4.87 L, NH4HCO3 424 g, K2HPO4 81.55 g을 혼합하여 800 L의 합성폐수를 만들었다. 합성폐수의 평균성상은 TCOD 1,990 mg/L, TN 190 mg/L과 TP 27 mg/L로 구성되어 있다.
- 특히, RBC 반응조에 고농도의 활성 미생물을 유지시킴으로써 부유 반응조의 기능을 겸할 수 있도록 하였다. 구체적으로 두 공정이 조합된 생물막 공정의 효율을 극대화하기 위한 방법으로 모사한 도축 폐수를 사용하여 RBC 유입수 기질(COD 및 N)의 부하, 유량, 원판 회전수의 영향을 알아보았고, BAF에 의한 TCOD, SS, TN 등의 제거 정도와 영향요소에 대해 고찰하였다.
- 13) 특히 본 실험에 사용된 망상의 회전원판은 다량의 미생물이 거대공극 내의 섬유사 표면에 부착되어 있어 전단응력의 작용이 상당히 다르게 나타날 것으로 생각 되었다. 따라서 Period V에서 유기물 부하 변동 영향 조사가 끝난 후 유기물 부하 19 g COD/m 2 ‧d 및 질소 부하 1.9 g N/m 2 ‧d에서 원판 회전속도(rpm)를 4(기존 속도)에서 3, 6, 8로 변화시키면서(각각 약 10~20일간 운전) 유기물 및 질소 제거 특성을 평가 하였다. Fig.
- 다양한 유기물 및 질소 부하 조건에서 기질 제거 특성을 측정한 한 결과, 세포 합성에 의해 제거되는 질소량 이외에 상당량의 질소가 제거되는 것으로 나타났다. 따라서 세포 합성에 필요한 정확한 질소의 정량화를 통해 추가적으로 제거된 질소 제거량과 그 기작을 검토하기 위해 원소 분석기를 이용하여 RBC 원판 미생물의 CHON(P) 구성을 분석하였다. RBC 원판 부착 미생물의 원소 분석 결과 C 7.
- 2 L이었다. 상부에 원주를 따라 사다리꼴 웨어를 설치하여 상징액이 균일하게 유출되도록 하였다. BAF 반응기는 직경 20 cm, 높이 2 m의 아크릴 컬럼으로 유효용적은 62.
- 5 mg/L의 평균 성상을 가지며, 돼지피는 TCOD 160,000 mg/L, SCOD 140,000 mg/L, TN 16,200 mg/L, NH4+-N 100 mg/L, NO3- -N 145 mg/L, NO2- -N 53 mg/L, TP 2,540 mg/L의 평균성상을 보였으며, 대부분의 질소성분이 유기질소태로 구성된 특징이 있다. 실험은 대부분 상기 합성폐수를 써서 진행되었으나 실험초기에는 필요에 따라 조성을 조금씩 바꾸었으며, 변경 내용은 본문에 제시 되어있다.
- 모든 COD 시험은 중크롬산칼륨법으로 실시하였으며 필요에 따라 TCOD 또는 SCOD를 측정하였다. 질소 및 인 성분은 기본적으로 GF/C로 여과 후 시료에 대해 측정하였으며 다만 최초 유입수에 대해서는 부유물을 포함하는 원시료에 대해 측정하였다.
- RBC의 회전 원판에 부착된 생물막 및 반응조 내 부유 미생물의 활성도를 측정하였다. 채취한 미생물을 300 rpm 에서 20분간 원심 분리 후, 인산완충용액과 Nutrient Broth, CH3COOH, CH3COONa 등의 기질을 이용하여 기질 비소 비속도(Specific Substrate Utilization Rate, q) 추정시험을 pH 7.5, 온도 20℃에서 회분식으로 실시하였다.
- 5) 본 연구에서는 RBC와 BAF가 가지고 있는 각각의 장점을 효과적으로 이용해 고농도 도축폐수를 처리할 수 있도록 두 공정과 침전지의 적절한 조합을 통해 처리 효율의 극대화를 시도하였다. 특히, RBC 반응조에 고농도의 활성 미생물을 유지시킴으로써 부유 반응조의 기능을 겸할 수 있도록 하였다. 구체적으로 두 공정이 조합된 생물막 공정의 효율을 극대화하기 위한 방법으로 모사한 도축 폐수를 사용하여 RBC 유입수 기질(COD 및 N)의 부하, 유량, 원판 회전수의 영향을 알아보았고, BAF에 의한 TCOD, SS, TN 등의 제거 정도와 영향요소에 대해 고찰하였다.
- 뿐만 아니라 약 15 mg/L 정도의 질산성 질소가 검출되었으므로 생성된 암모니아의 일부가 산화되었음을 알 수 있다. 한편 30일부터 질소원으로 NH 4HCO 3를 돼지피와 함께 다시 주입 하여 질소 부하를 4.17 g N/m2 ‧d로 높여 73일 동안 운전(Period III)한 후, 순차적으로 3.93 (Period IV)과 1.85 (Period V) g N/m2 ‧d로 낮추어 각각 29일과 19일 동안 운전하였다. 그 결과, 모든 질소 부하 조건에서 TN 제거율은 70% 이상으로 나타났다.
- RBC 반응기 운전 초기 생물막 형성을 위해 여천위생처리장의 침전조 건조 슬러지를 파쇄하여 Mixed Liquor Suspended Solid (MLSS) 농도가 5,000 mg/L가 되도록 식종하였다. 한편 RBC 반응조에서 성장한 부유성 슬러지는 침전지에서 전량 폐기하여 고형물체류시간과 수리학적체류시간을 같게 운전하였고 Period III 부터는 고농도 유기물 부하에 능동적으로 대응하기 위해 산기석을 이용해 RBC 반응조에 산소를 공급하였다. 역세척은 공기와 처리수를 이용하여 2~3일 간격으로 실시하였다.
- 식종 미생물로 사용한 건조 슬러지는 침전성이 매우 양호하여 고농도의 식종 MLSS에도 불구하고 침전지 유출수의 TCOD 농도는 낮게 유지되었다. 한편, Period II 20일간 돼지피 처리 특성을 평가하기 위해 탄소원으로 돈까스 소스를 배제 하고 돼지피만 이용하여 17.8 g COD/m2‧d의 유기물 부하 에서 운전하였다. 그 결과, SCOD의 제거율은 약 90%로 상당히 양호하였고, 또한 안정된 유출수질을 유지하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. RBC 반응기의 액상용적은 110 L로 상당히 크게 설계 하였고, 회전 원판은 지름 55 cm의 망상형(2.2절 참조) 원판 4개로 구성되어 있으며, 침수면적은 약 35%이었다. 침전지는 아크릴 재질의 원통형(하부 원추) 탱크로서 직경은 37.
- 2절 참조) 원판 4개로 구성되어 있으며, 침수면적은 약 35%이었다. 침전지는 아크릴 재질의 원통형(하부 원추) 탱크로서 직경은 37.5 cm이고 용적은 44.2 L이었다. 상부에 원주를 따라 사다리꼴 웨어를 설치하여 상징액이 균일하게 유출되도록 하였다.
이론/모형
- 에 따라 1주일에 2~3회 분석을 실시하였다. 모든 COD 시험은 중크롬산칼륨법으로 실시하였으며 필요에 따라 TCOD 또는 SCOD를 측정하였다. 질소 및 인 성분은 기본적으로 GF/C로 여과 후 시료에 대해 측정하였으며 다만 최초 유입수에 대해서는 부유물을 포함하는 원시료에 대해 측정하였다.
성능/효과
- 한편 BAF 공정에서 NO 3- -N의 제거는 거의 이루지지 않아 BAF 처리수를 RBC 공정으로 반송시켜 탈질을 유도하는 것이 필요할 것으로 판단되며, 이에 대해서는 후속 논문에서 상세히 다루고 있다. 10) 결과적으로 RBC와 BAF 조합공정에 응집공정의 추가는 고농도 도축폐수의 처리에 있어서 최상의 처리수질을 제공하므로 RBC와 BAF 조합공정의 개량에 적극적으로 도입할만한 공정으로 판단된다.
- 5 mg/L까지 감소한 RBC 반응조 내 용존산소도 낮은 TCOD 제거율의 원인으로 판단된다. 103일부터 유기물 부하를 31.8 (Period IV)과 18.7 (Period V) g COD/m2‧d로 낮추어 각각 29일 및 17일 간 운전한 결과, SCOD는 90% 이상의 제거율을 유지하였으나 TCOD의 제거율은 크게 개선되지 않았다. 이는 유기물 부하의 감소에도 불구하고 침전지에서 지속적인 부유성 미생물의 유출이 TCOD 제거율을 크게 개선시키기 못한 가장 큰 원인으로 판단된다.
- 13) 특히 본 실험에 사용된 망상의 회전원판은 다량의 미생물이 거대공극 내의 섬유사 표면에 부착되어 있어 전단응력의 작용이 상당히 다르게 나타날 것으로 생각 되었다. 따라서 Period V에서 유기물 부하 변동 영향 조사가 끝난 후 유기물 부하 19 g COD/m 2 ‧d 및 질소 부하 1.
- 한편, 생물여과법(Biological Aerated Filter, BAF)도 유기물과 암모니아성 질소를 동시에 제거 할 수 있을 뿐만 아니라 단일 반응기에서 부유 고형물까지 효과적으로 제거할 수 있어 다른 대안으로 알려져 있다.4) 특히 BAF 공정은 생물학적 영양영류 제거가 가능해 생물막을 이용한 생물학적 고도처리 공정으로도 사용이 가능하다. 반응기 내부의 여재에 생물막을 형성하여 고농도의 미생물로 오염물질 제거가 가능하며, 수직형으로 집적화된 반응기 내에서 질산화와 인제거가 동시에 이루어지는 특징도 가지고 있다.
- 5 g N/g VSS‧d로 나타났다. 9) 따라서 본 실험에서는 부착 미생물에 의한 질산화가 큰 비중을 차지하는 것으로 생각된다.
- 3 g COD/g VSS‧d로 나타났다. 9) 부유 미생물 중에는 상당량의 유입 부유물이 혼재되어 있음을 감안하면 거의 대등한 유기물 제거능인 것으로 평가 된다. 한편 초기농도 약 40 mg N/L에서 초기 4시간 동안의 암모니아 산화속도를 조사한 결과, 부착 미생물과 부유 미생물의 비질산화 속도는 각각 약 3.
- 한편 조 내 NOx 농도는 3~6 rpm에서 5~10 mg/L 증가하는데 그친 반면 8 rpm에서는 약 15 mg N/L까지 증가하였으며, 특히 추가적인 증가의 원인이 NO 2- -N의 과도한 생성(약 13 mg N/L) 때문으로 나타났다. 9) 이상의 관찰 결과를 종합할 때, 회전속도의 증가는 부착 미생물의 탈리를 초래하여 MLSS 농도를 증가시키고, 그 결과가 COD 제거 에는 다소 유리하게 작용하나 암모니아 산화에는 불리하게 작용하는 것으로 요약된다. 상대적으로 높은 회전속도에서 암모니아 산화효율이 낮아지고 NO 2- 가 생성되는 이유를 만족스럽게 설명할 수 가 없으나, 산소공급이 원활치 않을 때- 축적이 일어나는 점 14) 으로 미루어 회전속도 증가가 회전원판 망상섬유다발 내부에 liquid hold-up을 증가시키고 그 결과 부착 질산화 미생물에 대한 용존산소 공급에 악영향을 미친 것이 아닌가 추측된다.
- 3 mg/L이었다. PAC 사용에 의한 알카리의 소모가 BAF 공정에서 NH 3 -N의 질산화에 나쁜 영향을 끼쳐 질산화율이 한 때 약 64%로 낮았지만 알카리의 보충에 의해 거의 100%의 질산화를 얻을 수 있었다. 한편 BAF 공정에서 NO 3- -N의 제거는 거의 이루지지 않아 BAF 처리수를 RBC 공정으로 반송시켜 탈질을 유도하는 것이 필요할 것으로 판단되며, 이에 대해서는 후속 논문에서 상세히 다루고 있다.
- 3에 나타내었다. Period I 10일간 질소원으로 NH4HCO 3과 돼지피의 혼합물이 공급되었을 때, TN 제거율(유입수 TN과 부유성 미생물과 함께 유출된 RBC 유출수의 TN과의 차이를 유입수 TN으로 나눈 값)은 약 52%, NH3-N의 제거율은 약 77%로 다소 낮은 것으로 나타났다. 이는 운전 초기 질산화 미생물의 성장속도가 느려 생물막 형성 기간 동안 고농도의 질소를 충분히 산화시킬 만큼의 개체수가 생물막 내에 존재하지 못했기 때문으로 판단된다.
- 8에 나타내었다. Polyaluminium Chloride (PAC)의 농도를 Jar Test를 통해 얻은 적정 주입농도인 25 mg Al 2 O 3 /l가 되도록 RBC 유출수에 주입한 결과, RBC+침전지 공정의 제거율은 TCOD 93.8%, SCOD 33.0%. SS 98.
- 따라서 세포 합성에 필요한 정확한 질소의 정량화를 통해 추가적으로 제거된 질소 제거량과 그 기작을 검토하기 위해 원소 분석기를 이용하여 RBC 원판 미생물의 CHON(P) 구성을 분석하였다. RBC 원판 부착 미생물의 원소 분석 결과 C 7.1 H 11.7 O 3.7 NP 0.2 의 세포 식을 얻을 수 있었고, 이는 호기성 조건에서 탄소원으로 아세트산과 질소원으로 암모니아를 써서 배양한 혼합 균주의 경험식인 C 7 H 12 O 4 N 12) 과 유사한 구성요소를 가지고 있는 것으로 나타났다. 그러나 널리 사용되는 일반적인 박테리아 경험식 C 5 H 7 O 2 N(호기성 조건에서 카세인으로 배양한 복합 균주)과 비교할 때 질소 함유량이 낮은 것으로 나타났다.
- 9%. SS 100%, 탁도 100%, NO 2- -N 97.7% 그리고 TP 27.8%의 추가 제거 효율이 관찰되었으며, 최종 유출수 수질은 TCOD 16.5 mg/L, SS 0 mg/L, TN 55.5 mg/L, TP 1.3 mg/L이었다. PAC 사용에 의한 알카리의 소모가 BAF 공정에서 NH 3 -N의 질산화에 나쁜 영향을 끼쳐 질산화율이 한 때 약 64%로 낮았지만 알카리의 보충에 의해 거의 100%의 질산화를 얻을 수 있었다.
- 0%. SS 98.4%, 탁도 95.9%, TN 25.6% 그리고 TP 79.8%로 우수하였다. 응집제 처리 후, 이온성 무기 질소(NH 3 -N와 NO 2- -N)의 농도 변화는 관찰되지 않았으나 SS 감소에 따른 TCOD 감소와 BAF에서도 잘 제거되지 않았던 콜로이드 성분 침강성 개선이 TCOD, SS, 탁도 및 TP 제거효율을 크게 개선시킨 것으로 나타났다.
- 8 g COD/m2‧d의 유기물 부하 에서 운전하였다. 그 결과, SCOD의 제거율은 약 90%로 상당히 양호하였고, 또한 안정된 유출수질을 유지하였다. 그러나 TCOD의 제거율은 약 68%에 머물렀는데, 이는 RBC 반응조에서 성장한 부유성 미생물이 충분히 침전되지 못하고 유출되었기 때문이며 돼지피의 생분해 과정에서 생성된 것으로 추정되는 약 50 mg COD/L의 콜로이드 입자가 슬러지 침전성을 더욱더 악화시킨 것으로 판단된다.
- 85 (Period V) g N/m2 ‧d로 낮추어 각각 29일과 19일 동안 운전하였다. 그 결과, 모든 질소 부하 조건에서 TN 제거율은 70% 이상으로 나타났다. 한편, TN 제거량은 제거된 COD량이 많을수록 증가했는데 세포 합성에 필요한 양 보다 더 많은 양의 질소가 제거된 것으로 나타났다.
- 2 의 세포 식을 얻을 수 있었고, 이는 호기성 조건에서 탄소원으로 아세트산과 질소원으로 암모니아를 써서 배양한 혼합 균주의 경험식인 C 7 H 12 O 4 N 12) 과 유사한 구성요소를 가지고 있는 것으로 나타났다. 그러나 널리 사용되는 일반적인 박테리아 경험식 C 5 H 7 O 2 N(호기성 조건에서 카세인으로 배양한 복합 균주)과 비교할 때 질소 함유량이 낮은 것으로 나타났다.
- 다양한 유기물 및 질소 부하 조건에서 기질 제거 특성을 측정한 한 결과, 세포 합성에 의해 제거되는 질소량 이외에 상당량의 질소가 제거되는 것으로 나타났다. 따라서 세포 합성에 필요한 정확한 질소의 정량화를 통해 추가적으로 제거된 질소 제거량과 그 기작을 검토하기 위해 원소 분석기를 이용하여 RBC 원판 미생물의 CHON(P) 구성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 고농도 도축페수의 고도처리를 위해 RBC와 BAF 공정이 가지고 있는 각각의 장점을 조합한 호기성 생물막 처리 공정을 개발하고 처리효율의 극대화를 위해 기질 제거 특성을 평가하였다. 돈까스 소스와 돼지피로 모사한 도축폐수를 사용하여 RBC의 기질 제거 특성을 평가한 결과, 침전지를 포함한 RBC 공정에서 Soluble COD과 NH 3-N 의 평균 제거율은 각각 90%와 82% 이상으로 양호하였으나 TCOD와 TN은 SS의 대량 유출과 돼지피에서 기인한 콜로이드 물질 생성 때문에 각각 60%와 69%의 다소 낮은 제거율을 보였다. 후속 공정인 BAF가 잔존 TCOD와 TN을 제거하는 생물 반응조의 역할과 SS를 제거하는 여과기의 역할을 충분히 수행해 약 100 mg/L의 TCOD와 약 140 mg/L 의 SS 추가 제거가 가능하였으나 처리수질은 TCOD 300 mg/L, SS 180 mg/L 그리고 TN 53 mg/L로 상당히 높았다.
- 응집제 처리 후, 이온성 무기 질소(NH 3 -N와 NO 2- -N)의 농도 변화는 관찰되지 않았으나 SS 감소에 따른 TCOD 감소와 BAF에서도 잘 제거되지 않았던 콜로이드 성분 침강성 개선이 TCOD, SS, 탁도 및 TP 제거효율을 크게 개선시킨 것으로 나타났다. 따라서 BAF 공정으로 유입되는 기질 및 SS 부하를 상당히 저감시킬 수 있어 좋은 수질의 처리수를 얻을 수 있었는데 BAF 공정에서 TCOD 70.1%, SCOD 70.9%. SS 100%, 탁도 100%, NO 2- -N 97.
- 3 mg/L로 우수하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 RBC와 BAF의 조합공정은 RBC 공정에서 고농도 유기물 및 질소 처리가 가능하고 후속 공정인 BAF 에서 RBC와 침전에서 제거되지 못한 유기물 및 부유물질 제거가 가능해 RBC와 BAF 공정 각각의 장점만을 이용한 새로운 공정으로 평가되며, 적량의 응집제를 병용할 경우 고농도 산업폐수에서도 양질의 유출수를 생산할 수 있다.
- 본 연구에서 개발한 RBC-BAF 조합공정을 고농도 도축 폐수 처리에 적용한 결과, 부유물질의 침전성 저하로 침전지의 유출수 수질이 최대 유기물 부하 조건인 40.4 g COD/m 2 ‧d에서 TCOD의 경우 약 1,300 mg/L, SS의 경우 약 900 mg/L까지 악화되어 BAF 공정의 처리한계를 크게 초과한 것으로 나타났다. 따라서 RBC-BAF 조합공정의 처리효율 개선방안으로 응집제 사용을 검토하였다.
- RBC는 일반적으로 부착 미생물에 의해 기질이 제거되는 것으로 간주되나 본 실험에서는 RBC 반응조의 부유 미생 물량이 상당히 많아 (MLSS 500~1,000 mg/L) 이의 역할이 무시되기 어렵다. 부유 미생물과 부착 미생물의 유기물 제거능을 평가하기 위해 다양한 유기물(Nutrient Broth) 농도 에서 비소비 속도를 측정하고 Monod Equation으로 반응계 수를 추정한 결과, 부착 미생물과 부유 미생물의 최대 비소 비속도는 각각 13.2와 10.3 g COD/g VSS‧d로 나타났다. 9) 부유 미생물 중에는 상당량의 유입 부유물이 혼재되어 있음을 감안하면 거의 대등한 유기물 제거능인 것으로 평가 된다.
- 합성폐수의 평균성상은 TCOD 1,990 mg/L, TN 190 mg/L과 TP 27 mg/L로 구성되어 있다. 사용한 돈까스 소스는 TCOD 2,032 mg/L, SCOD 1,955 mg/L TN 24 mg/L, TP 7.5 mg/L의 평균 성상을 가지며, 돼지피는 TCOD 160,000 mg/L, SCOD 140,000 mg/L, TN 16,200 mg/L, NH4+-N 100 mg/L, NO3- -N 145 mg/L, NO2- -N 53 mg/L, TP 2,540 mg/L의 평균성상을 보였으며, 대부분의 질소성분이 유기질소태로 구성된 특징이 있다. 실험은 대부분 상기 합성폐수를 써서 진행되었으나 실험초기에는 필요에 따라 조성을 조금씩 바꾸었으며, 변경 내용은 본문에 제시 되어있다.
- 2 g COD/m2 ‧d의 유기물 부하에서 85% 이상의 TCOD 및 SCOD 제거효율을 보여 식종 미생물의 적응이 원활히 이루어진 것으로 판단된다. 식종 미생물로 사용한 건조 슬러지는 침전성이 매우 양호하여 고농도의 식종 MLSS에도 불구하고 침전지 유출수의 TCOD 농도는 낮게 유지되었다. 한편, Period II 20일간 돼지피 처리 특성을 평가하기 위해 탄소원으로 돈까스 소스를 배제 하고 돼지피만 이용하여 17.
- 8%로 우수하였다. 응집제 처리 후, 이온성 무기 질소(NH 3 -N와 NO 2- -N)의 농도 변화는 관찰되지 않았으나 SS 감소에 따른 TCOD 감소와 BAF에서도 잘 제거되지 않았던 콜로이드 성분 침강성 개선이 TCOD, SS, 탁도 및 TP 제거효율을 크게 개선시킨 것으로 나타났다. 따라서 BAF 공정으로 유입되는 기질 및 SS 부하를 상당히 저감시킬 수 있어 좋은 수질의 처리수를 얻을 수 있었는데 BAF 공정에서 TCOD 70.
- BAF 반응기에 유입되는 질소는 암모니아성 질소가 약 29 mg/L, 아질산성 질소가 약 8 mg/L 그리고 질산성 질소가 약 24 mg/L 로 구성되어 있다. 이 유입수가 BAF 반응기를 통해 암모니아성 질소가 약 11 mg/L, 아질산성 질소가 제로까지 감소하지만 질산성 질소는 약 48 mg/L까지 증가하여 전체적으로 약 2 mg/L의 질소가 제거된 것으로 나타났다. 그러나 BAF 공정에서 제거된 약 100 mg/L의 COD를 고려하면 제거된 2 mg/L는 세포 합성 시 필요한 이론적 질소 요구량(약 3.
- 9) 부유 미생물 중에는 상당량의 유입 부유물이 혼재되어 있음을 감안하면 거의 대등한 유기물 제거능인 것으로 평가 된다. 한편 초기농도 약 40 mg N/L에서 초기 4시간 동안의 암모니아 산화속도를 조사한 결과, 부착 미생물과 부유 미생물의 비질산화 속도는 각각 약 3.5와 1.5 g N/g VSS‧d로 나타났다. 9) 따라서 본 실험에서는 부착 미생물에 의한 질산화가 큰 비중을 차지하는 것으로 생각된다.
- 그러나 TCOD의 제거율은 약 68%에 머물렀는데, 이는 RBC 반응조에서 성장한 부유성 미생물이 충분히 침전되지 못하고 유출되었기 때문이며 돼지피의 생분해 과정에서 생성된 것으로 추정되는 약 50 mg COD/L의 콜로이드 입자가 슬러지 침전성을 더욱더 악화시킨 것으로 판단된다. 한편, 30일부터는 다시 탄소원으로 돈까스 소스와 돼지피를 이용하여 유기물 부하를 40.4 g COD/m2‧d로 높여 운전한 결과(Period III), SCOD는 90% 이상의 안정적인 제거율을 보였으나 TCOD의 제거율은 더욱 악화되었다. 이는 유기물 부하 상승에 따른 돼지피의 유입량 증가가 콜로이드 입자의 증가를 유발했기 때문으로 판단되며, 고농도 유기물에 의한 생물막의 과성장과 탈리의 주기적 반복도 TCOD의 제거 효율을 악화시킨 원인으로 판단된다.
- 이는 운전 초기 질산화 미생물의 성장속도가 느려 생물막 형성 기간 동안 고농도의 질소를 충분히 산화시킬 만큼의 개체수가 생물막 내에 존재하지 못했기 때문으로 판단된다. 한편, NH4HCO3와 돈까스 소스를 배제하고 돼지피만 기질로 공급하여 운전한 10~29일(Period II) 동안은 TN 부하가 약 2배 증가하였음에도 불구하고 제거율이 약 65%로 상당히 향상된 것으로 나타났다. 이는 SCOD/TN (C/N) 비가 약 22.
- 후속 공정인 BAF가 잔존 TCOD와 TN을 제거하는 생물 반응조의 역할과 SS를 제거하는 여과기의 역할을 충분히 수행해 약 100 mg/L의 TCOD와 약 140 mg/L 의 SS 추가 제거가 가능하였으나 처리수질은 TCOD 300 mg/L, SS 180 mg/L 그리고 TN 53 mg/L로 상당히 높았다. 한편, RBC 유출수에 PAC를 투입한 결과, 침전성이 크게 향상되어 BAF 유출수 수질이 TCOD 16.5 mg/L, SS 0 mg/L, NH 3-N 12.0 mg/L, TP 1.3 mg/L로 우수하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 RBC와 BAF의 조합공정은 RBC 공정에서 고농도 유기물 및 질소 처리가 가능하고 후속 공정인 BAF 에서 RBC와 침전에서 제거되지 못한 유기물 및 부유물질 제거가 가능해 RBC와 BAF 공정 각각의 장점만을 이용한 새로운 공정으로 평가되며, 적량의 응집제를 병용할 경우 고농도 산업폐수에서도 양질의 유출수를 생산할 수 있다.
- 그 결과, 모든 질소 부하 조건에서 TN 제거율은 70% 이상으로 나타났다. 한편, TN 제거량은 제거된 COD량이 많을수록 증가했는데 세포 합성에 필요한 양 보다 더 많은 양의 질소가 제거된 것으로 나타났다. 아래 3.
- 돈까스 소스와 돼지피로 모사한 도축폐수를 사용하여 RBC의 기질 제거 특성을 평가한 결과, 침전지를 포함한 RBC 공정에서 Soluble COD과 NH 3-N 의 평균 제거율은 각각 90%와 82% 이상으로 양호하였으나 TCOD와 TN은 SS의 대량 유출과 돼지피에서 기인한 콜로이드 물질 생성 때문에 각각 60%와 69%의 다소 낮은 제거율을 보였다. 후속 공정인 BAF가 잔존 TCOD와 TN을 제거하는 생물 반응조의 역할과 SS를 제거하는 여과기의 역할을 충분히 수행해 약 100 mg/L의 TCOD와 약 140 mg/L 의 SS 추가 제거가 가능하였으나 처리수질은 TCOD 300 mg/L, SS 180 mg/L 그리고 TN 53 mg/L로 상당히 높았다. 한편, RBC 유출수에 PAC를 투입한 결과, 침전성이 크게 향상되어 BAF 유출수 수질이 TCOD 16.
후속연구
- 상대적으로 높은 회전속도에서 암모니아 산화효율이 낮아지고 NO 2- 가 생성되는 이유를 만족스럽게 설명할 수 가 없으나, 산소공급이 원활치 않을 때- 축적이 일어나는 점 14) 으로 미루어 회전속도 증가가 회전원판 망상섬유다발 내부에 liquid hold-up을 증가시키고 그 결과 부착 질산화 미생물에 대한 용존산소 공급에 악영향을 미친 것이 아닌가 추측된다. 이러한 추측은 RBC에서 회전속도가 증가하면 산소이전효율이 증가한다는 일반적인 경험 12) 과 반대되므로 이에 대해서는 향후 추가 연구가 필요 하다. 본 실험에서 찾은 최적 회전속도는 4 rpm이며 이때의 원주속도(Tip Velocity)는 6.
- PAC 사용에 의한 알카리의 소모가 BAF 공정에서 NH 3 -N의 질산화에 나쁜 영향을 끼쳐 질산화율이 한 때 약 64%로 낮았지만 알카리의 보충에 의해 거의 100%의 질산화를 얻을 수 있었다. 한편 BAF 공정에서 NO 3- -N의 제거는 거의 이루지지 않아 BAF 처리수를 RBC 공정으로 반송시켜 탈질을 유도하는 것이 필요할 것으로 판단되며, 이에 대해서는 후속 논문에서 상세히 다루고 있다. 10) 결과적으로 RBC와 BAF 조합공정에 응집공정의 추가는 고농도 도축폐수의 처리에 있어서 최상의 처리수질을 제공하므로 RBC와 BAF 조합공정의 개량에 적극적으로 도입할만한 공정으로 판단된다.
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