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문제 정의
- 급속 OUR 방법의 적합성을 평가하고 실폐수의 실험 전 최적의 F/M비를 평가하기 위한 실험을 진행하였다. F/M비는 0.
- 따라서 본 연구에서는 합성폐수를 이용한 급속 OUR 곡선의 변화추이를 확인할 수 있는 최적 F/M비를 도출하였고, 미생물 호흡율 변화특성에 영향을 미치는 인자(온도, pH, 질산화)들에 대하여 검토하였다. 또한 A시 하수처리장으로 유입되는 실폐수를 이용하여 OUR의 변화에 따른 SCOD(Soluble COD)의 변화를 비교하였다.
가설 설정
- 16) 질산화가 일어나면 독립영양 미생물의 산소소모로 인해 OUR 값은 크게 증가할 것이다.
제안 방법
- 그 중에서 특히 pH, 온도 그리고 독성물질이 OUR 값에 크게 영향을 주는 인자로 알려져 있다.13,14) 본 연구에서는 pH, 온도, 그리고 질산화 영향을 확인하기 위해 각각의 조건을 변화시켜가며 OUR 특성을 비교평가 하였다. 특히, 급속 OUR 실험에서 독립영양 미생물에 의한 영향정도를 평가하기 위해 질산화 방지제인 ATU를 주입하여 그 결과를 비교하였다.
- 이때 반응기의 상부를 하양 압밀함으로써 반응기내에 공기층의 형성을 억제하여 용존 산소 농도의 변화를 방지하였다. SCOD 분석을 위해 GF/C filter paper (Whatman International Ltd., England)로 고액 분리하여 측정하였다.
- 05381일 때 OUR은 약 15~18분 사이에서 급격히 떨어지는 것을 확인 할 수 있다. 각 실험은 F/M비 값에 따라 10회의 반복실험을 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 합성폐수를 이용한 급속 OUR 곡선의 변화추이를 확인할 수 있는 최적 F/M비를 도출하였고, 미생물 호흡율 변화특성에 영향을 미치는 인자(온도, pH, 질산화)들에 대하여 검토하였다. 또한 A시 하수처리장으로 유입되는 실폐수를 이용하여 OUR의 변화에 따른 SCOD(Soluble COD)의 변화를 비교하였다. 본 연구를 통해 하수처리장으로 유입되는 실폐수를 실시간으로 예측하여 최적의 하수처리장 운영을 할 수 있을 것이라 기대한다.
- 모든 분석은 Standard Methods10)에 준하여 DO, pH, 온도, CODcr, SS, VSS를 분석하였다. COD의 분석을 위해 시료는 3분 간격으로 반응기로부터 10 mL씩 채취하였다.
- 본 연구는 급속 OUR 측정방법과 장치를 이용하여 최적의 F/M비를 도출했으며, OUR 변화에 미치는 영향인자를 평가하였고, 실폐수를 이용한 OUR 변화와 SCOD 변화를 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이것은 먹을 수 있는 기질이 많을수록 미생물이 긴 시간동안 기질을 소모하며 호흡을 하고, 기질이 적을수록 짧은 시간에 소모하며 호흡을 하기 때문이다. 본 연구에서는 적정 OUR 변곡점 시간을 15~20분으로 결정하였다. 하수처리장 운영 모델에서 중요한 점은 RBCOD 값을 정확하고 빠르게 예측할 수 있는 능력이다.
- 실험방법은 먼저 합성폐수의 DO 측정 전 슬러지의 내생호흡율(Endogenous)을 파악하기 위해 슬러지와 수돗물을 1:1로 섞어 폐수와 동일한 1분 간격으로 DO를 측정하였다. 내생 호흡율 측정 후 반응기에 24시간 동안 소화시킨 슬러지와 시료(합성폐수)를 주입한 후, 1분 정도 교반시켜 충분히 혼합이 되도록 하였다.
- 연속적인 DO 변화를 측정하기 위해 DO 측정부 반응기는 2개로 설치하였고 자석 교반기에 의해 700±10 rpm으로 교반시켰으며 공기의 유출·입을 막기 위해 DO Probe와 반응기 사이를 O-ring으로 밀폐시켰다.
- 특히, 급속 OUR 실험에서 독립영양 미생물에 의한 영향정도를 평가하기 위해 질산화 방지제인 ATU를 주입하여 그 결과를 비교하였다. 영향인자 실험을 위해 내생호흡율 측정방법과 동일한 방법으로 OUR을 측정하였으며, 사용된 sample은 Endogenous 상태인 슬러지와 수돗물을 1:1로 섞어 실험을 하였고, 3~5회 반복 실험을 하였다. Fig.
- 5는 다양한 온도 조건에서의 OUR 변화를 나타낸 그래프이다. 온도 변화에 따른 미생물의 활성도를 측정하기 위해 먼저 내생호흡 상태일 때 온도와 OUR을 측정하였다.
- 13,14) 본 연구에서는 pH, 온도, 그리고 질산화 영향을 확인하기 위해 각각의 조건을 변화시켜가며 OUR 특성을 비교평가 하였다. 특히, 급속 OUR 실험에서 독립영양 미생물에 의한 영향정도를 평가하기 위해 질산화 방지제인 ATU를 주입하여 그 결과를 비교하였다. 영향인자 실험을 위해 내생호흡율 측정방법과 동일한 방법으로 OUR을 측정하였으며, 사용된 sample은 Endogenous 상태인 슬러지와 수돗물을 1:1로 섞어 실험을 하였고, 3~5회 반복 실험을 하였다.
- 5 cm의 아크릴재질의 원통형 포기부와 DO 측정부, DO meter로 구성되어 있다. 포기부와 DO 측정부는 펌프를 통해 60초 간격으로 ON/OFF를 통해 순환되며 DO meter (YSI 5100)를 이용하여 DO 변화를 측정하였다. 연속적인 DO 변화를 측정하기 위해 DO 측정부 반응기는 2개로 설치하였고 자석 교반기에 의해 700±10 rpm으로 교반시켰으며 공기의 유출·입을 막기 위해 DO Probe와 반응기 사이를 O-ring으로 밀폐시켰다.
대상 데이터
- 1과 같다. 두께 0.5 cm의 아크릴재질의 원통형 포기부와 DO 측정부, DO meter로 구성되어 있다. 포기부와 DO 측정부는 펌프를 통해 60초 간격으로 ON/OFF를 통해 순환되며 DO meter (YSI 5100)를 이용하여 DO 변화를 측정하였다.
- 본 연구에서 사용된 슬러지는 A시 하수처리장의 생활하수 반송슬러지(MLSS 5500±100 mg/L, MLVSS 5000±100 mg/L)를 채취하여 24시간 폭기시켜 내생호흡단계에 이르게 하여 사용하였다.
- 본 실험의 경우 짧은 시간에 미생물이 유기물을 분해하는 실험으로서 미생물의 호흡과 성장에 사용된 유기물은 쉽게 분해 될 수 있는 RBCOD로 판단할 수 있다. 시료는 공장계 폐수로서 각종 산업체에서 사용되는 폐수가 혼합된 것으로 최초 7분까지는 메탄올과 에탄올 등 RBCOD 중에서도 더 쉽게 분해가 될 수 있는 물질이라고 판단된다.17) 유기물 분해 역시 7분대까지의 분해속도가 가장 빠른 것을 볼 수 있으며 반응 후 18분 후부터는 내생호흡단계로서 RBCOD의 분해가 가장 느린 것을 볼 수 있다.
성능/효과
- 1) A시 하수처리장 생활하수 반송슬러지(MLVSS, 5,000 mg/L)와 합성폐수(Glucose)로 pH 7, 온도 25℃일 때, 적정 F/M 비 실험 결과 0.03~0.05로 나타났다.
- 2) OUR 영향인자 평가를 위한 pH, 온도, 질산화 실험 결과 pH는 6.0~8.5, 온도는 20~30℃에서 가장 활발한 미생물 활성도를 보였으며, 질산화에 대한 영향은 미비하거나 없는 것으로 판단되었다.
- 3) A시 하수처리장에 유입되는 생활하수, 공장계폐수를 대상으로 OUR과 SCOD의 변화패턴을 비교한 결과, OUR 변곡점 발생 전까지의 SCOD의 분해속도가 변곡점 후의 분해속도 보다 빠른 것을 알 수 있었다. 이는 본 실험의 급속 OUR 실험 시 빠른 시간 내에 실험이 종료된다.
- 4) 본 연구는 기존의 OUR 방법을 개선하고자 한 연구로서 급속 OUR 방법과 기존의 OUR 방법의 영향인자를 비교 검토한 연구로서 기존의 연구방법에서 도출된 영향인자들이 본 연구에서 제시하는 급속 OUR 방법에도 동일하게 적용이 된다는 것을 확인할 수 있었다.
- 그래프에서 알 수 있듯이 생활하수와 공장계 폐수 모두 시간이 지날수록 미생물의 유기물 분해로 인해 SCOD 값은 감소하고 있는 것을 알 수 있다. F/M비는 앞서 3.1절의 합성폐수의 실험을 토대로 생활하수와 공장계 폐수의 다양한 F/M비 실험을 통해 20분대에서 변곡점이 발생하는 F/M비를 파악하였으며, 결과 생활하수는 0.04, 공장계폐수는 0.0075로 도출되었다.
- Fig. 4에서 보는바와 같이, pH 6.0~8.5에서 미생물의 활성도가 가장 높은 것으로 나타났으며, pH 5.0 이하 또는 pH 9.0 이상의 구간에서는 미생물의 활성도가 1/2 이상 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 다양한 pH 범위에서 나타나는 동일 미생물의 OUR 값은 강산성과 강알칼리 영역으로 갈수록 내생호흡 상태의 OUR 값보다 급격히 감소함을 확인할 수 있었는데, 이 구간에서는 미생물이 pH 영향에 의해서 미생물이 사멸되기 때문이다.
- 이에 따라 본 연구는 최적의 시간이라 판단되는 15~20분을 적용하여 평가하였다. Glucose를 이용한 합성폐수 실험 결과 Fig. 2와 같이 F/M비 0.0390, 0.04431, 0.05381일 때 OUR은 약 15~18분 사이에서 급격히 떨어지는 것을 확인 할 수 있다. 각 실험은 F/M비 값에 따라 10회의 반복실험을 하였다.
- 7(a)는 생활하수의 OUR 곡선에 따른 SCOD를 나타낸 것이다. 결과 OUR 변곡점이 발생하는 20분대를 기준으로 SCOD의 제거되는 속도를 비교했을 때, 0~20분까지의 제거 속도가 20분 후의 제거 속도보다 빠르다는 것을 알 수 있다. 이는 최초 미생물의 성장과 호흡을 통해 약 20분 까지 빠르게 기질을 소모하면서 SCOD의 제거속도가 빠르게 이루어졌고, 약 20분후는 기질 소비를 모두 하여 미생물이 내생호흡 단계에 이르면서 제거속도가 느리게 이루어졌다고 판단된다.
- 7은 A시 하수처리장으로 유입되는 생활하수와 공장계 폐수의 OUR 곡선에 따른 SCOD 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 생활하수와 공장계 폐수 모두 시간이 지날수록 미생물의 유기물 분해로 인해 SCOD 값은 감소하고 있는 것을 알 수 있다. F/M비는 앞서 3.
- 이것은 OUR이 미생물의 활성도 측정용으로도 활용이 가능하지만 미생물의 성장지표로도 활용이 가능하다는 것을 나타낸다. 따라서 본 실험결과로 미루어 미생물의 최적 활성에 미치는 온도범위는 20℃부터 약 30℃이고, 이때 가장 활발히 활동하고 성장하는 것으로 판단되었다.
- 이는 질산화에서 암모니아성 질소 및 질산염을 기질로 이용하는 질산화균은 독립영양 미생물 군으로 유기물의 분해로부터 성장하는 종속영양 미생물군보다 성장속도가 상대적으로 매우 느리기 때문이다. 따라서 본 실험의 경우 30분 동안의 짧은 반응시간으로 유기물을 분해하는 미생물이 암모니아성 질소 및 질산염을 기질로 하는 질산화균의 성장 속도보다 빠르기 때문에 질산화에 의한 산소소모는 없거나 거의 무시할 만한 것으로 판단되었다.
- 이는 본 실험의 급속 OUR 실험 시 빠른 시간 내에 실험이 종료된다. 따라서 유기물 중에서 쉽게 분해 할 수 있는 유기물을 분해하면서 미생물의 호흡과 성장을 한다는 것을 알 수 있었다.
- 모든 실험에서 pH와 온도는 각각 7.0±0.5, 21±2℃를 유지하였다.
- 일반적으로 온도에 따른 미생물 성장속도는 온도가 10℃와 20℃에서 약 2배 정도의 성장 속도 차이를 보인다. 본 실험에서 15℃와 30℃에서 각각 OUR 값이 13, 25 mg O2/L/h로서 앞서 제시한 미생물 성장속도와 거의 일치한 값이 나왔음을 알 수 있다. 이것은 OUR이 미생물의 활성도 측정용으로도 활용이 가능하지만 미생물의 성장지표로도 활용이 가능하다는 것을 나타낸다.
- F/M비 증가에 따라 변곡점 시간이 길어지는 것을 알 수 있다. 본 실험을 통해 얻어진 결과 값의 신뢰도는 90%였으며, 추세선을 통해 얻어진 식으로 1시간 뒤 변곡점이 발생하는 F/M비를 예측하였을 때 0.167로 예측할 수 있었다.
- 011,12)으로 제시되고 있다. 본 연구에서의 실험결과, 제시된 최적의 시간(실험시간)에서 합성폐수의 성상을 예측할 수 있는 F/M비는 0.03~0.05로 나타났다.
- 0 이상의 구간에서는 미생물의 활성도가 1/2 이상 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 다양한 pH 범위에서 나타나는 동일 미생물의 OUR 값은 강산성과 강알칼리 영역으로 갈수록 내생호흡 상태의 OUR 값보다 급격히 감소함을 확인할 수 있었는데, 이 구간에서는 미생물이 pH 영향에 의해서 미생물이 사멸되기 때문이다. 이는 강산과 강알칼리 구간에서 pH 변화에 의한 저해(Inhibition)와 세포벽 파괴 등의 현상이 복합적으로 나타나고 있기 때문으로 사료된다.
- 측정결과 정상적인 온도 약 20~30℃일 때, sample의 OUR 값이 가장 높았다. 온도가 약 20℃ 이하로 떨어지거나 약 30℃ 이상으로 상승하였을 때, Sample의 OUR 값은 내생호흡 상태의 값보다 1/2 이상 감소하는 결과가 나타났다.
후속연구
- pH, 온도 두 실험을 통해 급속 미생물 호흡율 측정(OUR) 모니터링 방법은 하수처리장 공정 내 미생물의 활성도를 실시간으로 측정할 수 있는 방법으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만, 실폐수의 MR 반응 종료 시간을 15~20분에 맞추는 F/M비를 예상하기는 어렵다. 따라서 실폐수의 MR 반응 종료 시간을 적정의 시간에 맞추기 위해서 먼저 합성폐수로서 도출된 0.03~0.05의 중간값인 0.04를 적용하여 실험한 후, 적절하지 않을 경우 OUR 변화 그래프를 통해 예측이 가능한 F/M비를 적용하여 실험을 진행해야 할 것으로 판단된다.
- 또한 A시 하수처리장으로 유입되는 실폐수를 이용하여 OUR의 변화에 따른 SCOD(Soluble COD)의 변화를 비교하였다. 본 연구를 통해 하수처리장으로 유입되는 실폐수를 실시간으로 예측하여 최적의 하수처리장 운영을 할 수 있을 것이라 기대한다.
- 하지만 추후 독성물질 주입에 따른 미생물의 활성도를 직접적으로 평가하는 것이 필요하다고 판단된다. 비록 본 연구에서는 pH의 평가를 통해 독성물질 유입 시 OUR 변화를 간접적으로 평가할 수 있었지만, 직접적인 평가를 통해 미생물 거동이나, 특성 변화를 평가해 볼 필요가 있다.
- 5로 나타났으며, 이 결과는 김 등15)이 연구한 결과와도 유사한 것으로 판단되었다. 하지만 추후 독성물질 주입에 따른 미생물의 활성도를 직접적으로 평가하는 것이 필요하다고 판단된다. 비록 본 연구에서는 pH의 평가를 통해 독성물질 유입 시 OUR 변화를 간접적으로 평가할 수 있었지만, 직접적인 평가를 통해 미생물 거동이나, 특성 변화를 평가해 볼 필요가 있다.
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