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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 호기조로부터 혐기조로 유입되는 질산성 질소와 용존산소의 영향을 최소화하여 인 제거가우수하며 슬러지의 가용화에 의한 잉여슬러지의 발생량을 감소시킨 유로변경형 생물막(membrane bioreactor)공정을 개발하였으며 실제 하수를 대상으로 하여 기질 소비 특성 및 실제 공정 운전시 요구되는 동역학적 인자에 관하여 검토하였다.
제안 방법
- CODCr, BOD5, 총질소, TKN, 총인, NH4-N, NO3-N, PO4-P, SS, MLSS, MLVSS 등을 수질오염공정시험법 및 Standard Methods(APHA, 1999)에 따라 분석하였으며 수온, ORP, 용존산소, 막간차압(trans-membrane pressure, TMP), 유량 및 유속 등은 계측기를 이용하여 실시간 측정하였다.9)
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Membrane bioreactor의 구성은 Fig. 1에서 보듯이, 간헐혐기 1조(intermittently anerobic No. 1), 간헐혐기 2조(intermittently anerobic No. 2), 침지형 막분리 호기조(submerged
membrane aerobic) 및 슬러지 가용화조(sludge solubilization tank)로 구성되었으며 시설규모는 일최대 57 m3/day으로 D하수종말처리장에 설치하여 운전하였다. 유입수를 2 시간 주기로 간헐혐기 1조와 간헐혐기 2조에 교대로 유입시켰으며 처음 2시간 동안 유입수를 공급한 간헐혐기 1조에서는 무산소 조건에서 반송된 슬러지에 포함되어 있는 질산성 질소와 유입수내 유기물을 이용한 탈질반응을, 유입수가 중단된 간헐혐기 2조에서는 잔류 질산성 질소를 유기물을 이용하여 탈질산화 후 질산성 질소가 존재하지 않는 혐기조건에서 인방출 반응을 교대로 일어나도록 하였으며 다음 2시간 동안은 간헐혐기 2조에 유입수를 공급하고 간헐혐기 1조는 유입수를 차단하여 무산소 및 혐기조건을 형성하였다. - 본 연구에서는 유로변경형 고도처리 막분리공정을 개발하여 장기간 운영을 통한 공정의 운영 안정성 평가 및 내부 이온 거동 분석을 통한 동역학적 계수 산정을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한, 생성된 잉여슬러지 중 2 m3/day는 pH 10~11의 슬러지가용화조에서 가용화되어 용존유기물의 형태로 전환된 후 간헐혐기조로 반송시켜 탄소원으로 활용함으로써 슬러지 발생량을 감소시켰다. 수리학적 체류시간은 간헐혐기 1조 1.5시간, 간헐혐기조 2조 1.5시간, 막분리호기조 3.0시간으로 총 6 시간으로 제작하였으며 슬러지 가용화조는 24시간으로 운영하였다. 간헐혐기조와 막분리호기조의 MLSS 농도는 각각 9,600 mg/L 및 12,900 mg/L을 유지하였으며 MLVSS/MLSS비는 0.
- membrane aerobic) 및 슬러지 가용화조(sludge solubilization tank)로 구성되었으며 시설규모는 일최대 57 m3/day으로 D하수종말처리장에 설치하여 운전하였다. 유입수를 2 시간 주기로 간헐혐기 1조와 간헐혐기 2조에 교대로 유입시켰으며 처음 2시간 동안 유입수를 공급한 간헐혐기 1조에서는 무산소 조건에서 반송된 슬러지에 포함되어 있는 질산성 질소와 유입수내 유기물을 이용한 탈질반응을, 유입수가 중단된 간헐혐기 2조에서는 잔류 질산성 질소를 유기물을 이용하여 탈질산화 후 질산성 질소가 존재하지 않는 혐기조건에서 인방출 반응을 교대로 일어나도록 하였으며 다음 2시간 동안은 간헐혐기 2조에 유입수를 공급하고 간헐혐기 1조는 유입수를 차단하여 무산소 및 혐기조건을 형성하였다. 막분리호기조에는 정밀여과막(MF)을 침지시켜 고액분리가 이루어진다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 분리막은 K사의 침지형 중공사막으로 공칭공경 0.1 µm의 PVDF (polyvinylidene fluoride)로 제작되었으며 분리막 운전은 10분 흡입, 30초 역세정으로 연속운전하였다.
성능/효과
- 1) CODCr, BOD, SS, T-N, T-P의 평균 처리효율은 각각 94.0%, 99.3%, 99.9%, 69.9%와 66.9%로 간헐반응조를 유로변경에 의해 혐기조와 무산소조로 교대로 운전할 경우에도 안정적인 처리효율을 얻을 수 있었다.
- 이는 생물학적 인 제거공정에서 혐기조로 nitrate가 차단될 경우 산화-환원전위차가 감소하여 혐기성상태가 유지되어 poly-P박테리아와 탈질미생물간의 유기물경쟁에서 인방출을 촉진시킬 수 있는 생분해 가능한 유기물의 양이 과잉으로 존재하기 때문에 인이 과잉 방출되었다.13,14) 막분리호기조의 PO4-P의 농도는 평균 2.5 mg/L로 인 흡착이 원활히 일어난 것을 알 수 있었다. 유입수 및 유출수의 PO4-P의 평균 농도는 각각 1.
- 2) 슬러지 생산 계수는 0.34 kg VSS/kg BOD․d으로 MBR공정의 특성인 긴 슬러지 체류시간과 슬러지 가용화에 의해 슬러지 발생량이 작게 나타났다.
- 3) 반응조별 평균 NO3-N 농도는 유입수가 유입되는 간헐혐기조의 경우 1.74 mg/L였고 유입수가 차단된 간헐혐기조의 경우 0.27 mg/L으로 탈질산화가 안정적으로 이루어졌으며 SDNR 및 SNR은 각각 평균 0.067 mg NO3-N/mg VSS · d 및 0.028 mg NH4-N/mg VSS · d이었다.
- 4) 간헐혐기조의 PO4-P의 농도는 무산소조건 및 혐기조건에서 각각 평균 4.3 mg/L 및 10.8 mg/L으로 유로변경에 의해 동일 반응조에서 정상적인 인 방출이 이루어졌으며 SPPR 및 SPUR은 각각 평균 16.0 mg P/g VSS․d 및 2.1 mg P/g VSS · d이었다.
- 27 mg/L이었으며 유입수가 차단된 경우 인 방출이 원활하게 이루어질수 있도록 NO3-N 농도가 1 mg/L 이하로 유지되었다.8) 막분리호기조의 평균 NO3-N 농도 는 8.55 mg/L였으며 슬러지 가용화조의 평균 NO3-N 농도는 0.18 mg/L였다(Fig. 5).
- 이는 수온 상승에 따른 질산화율이 증가하여 반송되는 NOX-N의 농도 증가에 의한 인 방출이 저해되는 것으로 판단되며 여상민 등의 연구결과와 유사한 결과를 얻었다.8,15) 생산된 슬러지의 인 함량은 VSS기준으로 평균 3.5%였다.
- 9) 본 연구 운전기간 중의 막투과유속(flux)은 20.7 L/m2 · hr였으며 막투과능력(permeability)는 105.8 LMH/TMP이었다.
- Membrane bioreactor 반응조별 평균 NH4-N 농도는 각각 간헐혐기조 6.82 mg/L, 막분리호기조 1.72 mg/L 및 슬러지 가용화조 89.0 mg/L으로 질산화가 정상적으로 이루어졌다. 또한, 반응조별 평균 NO3-N 농도는 유입수가 유입되는 간헐혐기조의 경우 1.
- SDNR은 0.067 mg NO3-N/mg VSS · d였으며 동절기의 평균 SDNR은 0.058 mg NO3-N/mg VSS · d으로 약 13.4%의 효율 저하를 보였다.
- 간헐혐기조에서 유입수가 차단된 상태에서 형성된 혐기조건에서 방출된 인의 평균 방출량 및 비방출율(specific phosphate release rate, SPPR)은 각각 0.38 kg P/d 및 16.0 mg P/g VSS · d이었다.
- 0시간으로 총 6 시간으로 제작하였으며 슬러지 가용화조는 24시간으로 운영하였다. 간헐혐기조와 막분리호기조의 MLSS 농도는 각각 9,600 mg/L 및 12,900 mg/L을 유지하였으며 MLVSS/MLSS비는 0.74이었다.
- 3). 또한, CODCr과 BOD의 평균 비제거율은 각각 107.5 mg CODCr/g VSS․d와 58.3 mg BOD/g VSS․d였다.
- 또한, SNR은 0.028 mg NH4-N/mg VSS · d였으며 동절기의 평균 SNR은 0.027 mg NH4-N/mg VSS · d로 수온변화에 큰 영향이 없었다.
- 또한, 동절기의 경우 평균 미생물생산량은 각각 0.27 kg VSS/kg CODCr 및 0.49 kg VSS/kg BOD이었으며 4월부터 11월까지의 평균 미생물 생산량은 각각 0.16 kg VSS/kg CODCr 및 0.28 kg VSS/kg BOD로 동절기의 미생물 생산량이 4월부터 11월까지의 미생물 생산량에 비해 높게 나타났다.
- 0 mg/L으로 질산화가 정상적으로 이루어졌다. 또한, 반응조별 평균 NO3-N 농도는 유입수가 유입되는 간헐혐기조의 경우 1.74 mg/L였고 유입수가 차단된 간헐혐기조의 경우 잔류 NO3-N의 탈질산화에 의해 NO3-N 농도가 0.27 mg/L이었으며 유입수가 차단된 경우 인 방출이 원활하게 이루어질수 있도록 NO3-N 농도가 1 mg/L 이하로 유지되었다.8) 막분리호기조의 평균 NO3-N 농도 는 8.
- 또한, 평균 인 제거량 및 비생흡착율(specific phosphate uptake rate, SPUR)은 각각 0.16 kg P/d였으며 2.1 mg P/g VSS · d였다.
- 1 mg/L로 큰 차이가 없었다. 생물학적 처리수의 총질소 및 총인 농도는 동절기의 경우 11.4 mg/L 및 0.7 mg/L으로 평균 처리효율은 각각 68.9% 및 79.9%였으며 NH4-N의 농도는 최저 11.5℃의 낮은 수온으로 인하여 0.1~8.9(평균 2.2) mg/L로 질산화 반응에 저해가 있었다. 반면, 4월에서 11월의 경우 9.
- 027 mg NH4-N/mg VSS · d로 수온변화에 큰 영향이 없었다. 생산된 슬러지의 질소 함량은 슬러지의 VSS기준으로 8.9%였다. 김윤석의 연구에 의하면 MBR공정에서의 SNR은 평균 수온 19℃에서 0.
- 10,11) 이는 MBR 공법에서의 특징인 높은 SRT와 생산된 잉여 슬러지가 pH 10 이상의 알카리 조건에서 가용화되어 반응조 내에서 탄소원으로 재사용됨으로써 슬러지 생산량이 감소한 것으로 판단되었다. 슬러지 가용화조에서 생물반응조로의 반송수의 평균 농도는 각각 SCOD 1,874 mg/L, TN 150.2 mg/L, NH4-N 84.4 mg/L, TP 100.3 mg/L 및 PO4-P 92.2 mg/L였다. 이 때 생물반응조 유입수의 부하량은 CODCr 122.
- 슬러지 발생량은 평균 15.9 kg VSS/d였으며 CODCr 및 BOD 제거량에 대한 평균 미생물 생산량은 각각 0.19 kg VSS/kg CODCr 및 0.34 kg VSS/kg BOD였다. 이는 Fan 등의 실제 하수를 대상으로 분석한 결과인 0.
- 온도에 따른 SPUR을 분석한 결과, Fig. 8에서 보듯이, 동절기의 경우 인 제거량 및 SPUR은 각각 평균 0.16 kg P/d 및 2.1 mg P/g VSS · d였으나 4월에서 11월까지의 인 제거량 및 SPUR은 각각 0.10 kg P/d 및 1.6 mg P/g VSS · d으로 동절기에 비해 다소 낮았다.
- 운영기간 동안 유입수의 CODCr 및 BOD 농도는 각각 평균 217.1 mg/L 및 111.6 mg/L였으며 유출수의 CODCr, 및 BOD 농도는 각각 12.8 mg/L 및 1.0 mg/L으로 제거율은 각각 94.0% 및 99.3%였다. 유출수 SS는 평균 0.
- 유입수의 총질소와 총인 농도는 각각 33.7 mg/L와 3.3 mg/L이었으며 유출수의 총질소와 총인 농도는 각각 9.9 mg/L와 1.0 mg/L로 평균 제거율은 각각 69.9%와 66.9%였다.
- 유출수 SS는 평균 0.1 mg/L 이하로 0.1 µm의 분리막을 통한 고형물 분리로 완벽한 SS의 제어가 가능하였다.
- 2 mg/L였다. 이 때 생물반응조 유입수의 부하량은 CODCr 122.2%, T-N 110.1% 및 T-P 169.7% 증가하였으며 C/N비와 C/P비는 각각 초기 6.5와 66.5에서 가용화 산물의 혼합 후 6.6과 44.9로 나타났다. 또한, 동절기의 경우 평균 미생물생산량은 각각 0.
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