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문제 정의
- 따라서 본 연구는 인공습지 축산폐수처리시스템에서 고농도로 유입되는 질소 및 인의 처리효율을 향상시키기 위해 선행연구 (Park et al., 2011)에서 최적공법으로 선정된 수생식물여과조-활성슬러지조-인공습지 공법하에서 축산폐수 재주입비율별 및 축산폐수 주입방법별 수처리 효율을 각각 조사하였다.
제안 방법
- 그리고 인공습지에서 호기성조의 경우 세로 4.0 m × 가로 4.0 m × 높이 1.0 m로 용량이 16.0 m3이 되게 제작하였고, 1차 혐기성조의 경우는 세로 4.0 m × 가로 5.0 m × 높이 1.0 m로 용량이 20.0 m3이 되게 제작하였으며, 2차 혐기성조의 경우 세로 4.0 m × 가로 5.0 m × 높이 0.5 m로 용량이 10 m3이 되게 제작하였다.
- 90 m까지 채운 후 공기로 폭기시켰다. 그리고 인공습지의 호기성조의 경우는 왕사, 쇄석 및 방해석 3:2:1의 비율로 혼합하여 여재를 충진하였고, 혐기성조에는 경우는 왕사, 쇄석 및 제올라이트를 3:2:1의 비율로 혼합하여 충진하였다. 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수의 흐름은 1차 수생식물 여과조에 축산폐수를 유입시켜 수직여과방식으로 처리하여 유출된 1차 처리수는 자연유하식으로 2차 활성슬러지조로 유입되게 하였고, 폭기중인 활성슬러지조에 유입된 축산폐수는 호기성 미생물에 의해 2차 처리되게 하였으며, 2차 처리수는 인공습지로 자연유하되게 하였다.
- 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수의 흐름은 1차 수생식물 여과조에 축산폐수를 유입시켜 수직여과방식으로 처리하여 유출된 1차 처리수는 자연유하식으로 2차 활성슬러지조로 유입되게 하였고, 폭기중인 활성슬러지조에 유입된 축산폐수는 호기성 미생물에 의해 2차 처리되게 하였으며, 2차 처리수는 인공습지로 자연유하되게 하였다. 또한 인공습지에서 축산폐수의 흐름은 호기성조에서 수직여과 방식으로 처리한 후 호기성조 처리수를 자연유하식으로 1차 및 2차 혐기성조를 거쳐서 처리되게 하였고, 각 혐기성조에 유입된 축산폐수는 수평의 지그재그 방향으로 흐르게 하였다.
- 축산폐수의 간헐주입은 축산폐수 총 주입량을 연속주입과 동일하게 하되 주입방법을 하루 3시간 간격으로 번갈아가며 주입하였고, 한번 주입시 축산폐수를 3시간동안 150 L day-1 되게 주입하여 수처리 효율을 조사하였다. 시료의 채취는 처음 3주간은 1주 1회 3반복, 마지막 주에는 격일로 4회 3반복으로 분석하여 총 21회 분석한 결과를 통계처리하여 각 조건에서의 수처리 효율을 조사하였다.
- 또한, 이들 축산폐수의 정화처리시설은 생활하수 또는 공장폐수 처리시설과는 달리 농가 자체적으로 유지관리를 하는 경우가 많고 처리에 드는 모든 비용이 축산경영에 직접 영향을 끼치기 때문에 유지관리가 쉽고, 건설비 및 유지관리비가 저렴하고, 질소 및 인의 처리효율이 높은 축산폐수 처리장이 필요할 것으로 판단된다. 이에 본 연구진은 선행연구 (Park et al., 2011)를 통해 인공습지 축산폐수처리시스템의 최적조합방법을 구명하였다. 하지만 인공습지 축산폐수처리 최적조합방법만으로는 안정적으로 질소 및 인을 처리 하기에 역부족이며, 특히 축산폐수처리시설의 폐수배출허용기준 만족하기 위해서는 질소 및 인 처리효율 향상 방안이 필요할 것으로 판단된다.
- 인공습지 축산폐수처리장에서의 축산폐수 재주입비율별 및 주입방법별 수처리 효율은 2010년 8월부터 2010년 10월까지 운전 2개월 동안 조사하였으며, 각 처리단계별로 COD, SS, T-N 및 T-P 처리 효율을 각각 조사하였다. 축산폐수 재주입 비율에 따른 수처리 효율조사는 현장 축산폐수처리장에서 선행연구 (Park et al.
- 축산농가에서 소규모로 발생하는 고농도의 질소와 인을 함유한 축산폐수의 처리효율을 극대화시키기 위해 수생식물여과조-활성슬러지조-인공습지로 구성된 축산폐수처리 시스템에서 축산폐수 재주입 비율별 및 주입방법별 수처리 효율을 조사하였다. 축산폐수의 재주입 비율별에 따른 처리효율을 조사한 결과 COD, SS, T-N 및 T-P 처리효율은 30% < 70% ≤ 100%의 순으로 재주입 비율이 증가함에 따라 오염물질의 처리효율이 점점 증가하는 경향이었다.
- 인공습지 축산폐수처리장에서의 축산폐수 재주입비율별 및 주입방법별 수처리 효율은 2010년 8월부터 2010년 10월까지 운전 2개월 동안 조사하였으며, 각 처리단계별로 COD, SS, T-N 및 T-P 처리 효율을 각각 조사하였다. 축산폐수 재주입 비율에 따른 수처리 효율조사는 현장 축산폐수처리장에서 선행연구 (Park et al., 2011)의 최적 부하량인 600 L day-1 조건하에서 최종 배출되는 방류수를 호기성조에 방류수 총량의 30%인 180 L day-1, 70%인 420 L day-1 및 100%인 600 L day-1로 달리하여 재주입한 후 수처리 효율을 각각 조사하였다. 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수의 주입방법에 따른 수처리 효율 조사는 축산폐수 유입량 변화에 대한 대응성을 조사하기 위해 선행연구 (Park et al.
- , 2011)의 최적 부하량인 600 L day-1 조건하에서 축산폐수의 주입방법을 연속주입 및 간헐주입으로 나누어 수처리 효율을 조사하였다. 축산폐수의 간헐주입은 축산폐수 총 주입량을 연속주입과 동일하게 하되 주입방법을 하루 3시간 간격으로 번갈아가며 주입하였고, 한번 주입시 축산폐수를 3시간동안 150 L day-1 되게 주입하여 수처리 효율을 조사하였다. 시료의 채취는 처음 3주간은 1주 1회 3반복, 마지막 주에는 격일로 4회 3반복으로 분석하여 총 21회 분석한 결과를 통계처리하여 각 조건에서의 수처리 효율을 조사하였다.
- 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 각 조의 크기는 수생식물여과조의 경우 직경 0.9 m × 높이 1.0 m인 플라스틱 원통을 사용하여 용량이 0.63 m3 되게 제작하였으며, 활성슬러지조는 세로 3.0 m × 가로 3.0 m × 높이 1.0 m로 용량이 9.0 m3이 되게 제작하였다.
- 현장 인공습지 축산폐수처리장은 본 연구진의 선행연구 (Park et al., 2011)를 토대로 하여 수생식물여과조-활성슬러지조-인공습지를 하나의 시스템으로 연계하여 설계 및 시공하였다 (Fig. 2). 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 각 조의 크기는 수생식물여과조의 경우 직경 0.
- , 2011)의 최적 부하량인 600 L day-1 조건하에서 최종 배출되는 방류수를 호기성조에 방류수 총량의 30%인 180 L day-1, 70%인 420 L day-1 및 100%인 600 L day-1로 달리하여 재주입한 후 수처리 효율을 각각 조사하였다. 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수의 주입방법에 따른 수처리 효율 조사는 축산폐수 유입량 변화에 대한 대응성을 조사하기 위해 선행연구 (Park et al., 2011)의 최적 부하량인 600 L day-1 조건하에서 축산폐수의 주입방법을 연속주입 및 간헐주입으로 나누어 수처리 효율을 조사하였다. 축산폐수의 간헐주입은 축산폐수 총 주입량을 연속주입과 동일하게 하되 주입방법을 하루 3시간 간격으로 번갈아가며 주입하였고, 한번 주입시 축산폐수를 3시간동안 150 L day-1 되게 주입하여 수처리 효율을 조사하였다.
- 그리고 인공습지의 호기성조의 경우는 왕사, 쇄석 및 방해석 3:2:1의 비율로 혼합하여 여재를 충진하였고, 혐기성조에는 경우는 왕사, 쇄석 및 제올라이트를 3:2:1의 비율로 혼합하여 충진하였다. 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수의 흐름은 1차 수생식물 여과조에 축산폐수를 유입시켜 수직여과방식으로 처리하여 유출된 1차 처리수는 자연유하식으로 2차 활성슬러지조로 유입되게 하였고, 폭기중인 활성슬러지조에 유입된 축산폐수는 호기성 미생물에 의해 2차 처리되게 하였으며, 2차 처리수는 인공습지로 자연유하되게 하였다. 또한 인공습지에서 축산폐수의 흐름은 호기성조에서 수직여과 방식으로 처리한 후 호기성조 처리수를 자연유하식으로 1차 및 2차 혐기성조를 거쳐서 처리되게 하였고, 각 혐기성조에 유입된 축산폐수는 수평의 지그재그 방향으로 흐르게 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 시험 축산폐수는 경남 진주시 이반성면 장안리에 위치한 실제 축산농가에서 채취하여 시험 원수로 사용하였으며, 시험 여재는 여재채취장에서 채취한 여재를 사용하였다.
- 5 m로 용량이 10 m3이 되게 제작하였다. 수생식물여과조는 자갈을 하부에서부터 0.30 m까지 충진한 후 인공습지에서 생육한 수생식물을 건조하여 3~5 cm 크기로 분쇄하여 하부 0.30 m에서부터 0.90 m까지 충진하여 구성하였고, 활성슬러지조는 산청군 축산폐수 공공처리시설로부터 확보한 활성슬러지를 0.90 m까지 채운 후 공기로 폭기시켰다. 그리고 인공습지의 호기성조의 경우는 왕사, 쇄석 및 방해석 3:2:1의 비율로 혼합하여 여재를 충진하였고, 혐기성조에는 경우는 왕사, 쇄석 및 제올라이트를 3:2:1의 비율로 혼합하여 충진하였다.
- 1에서 보는 바와 같다. 현장 인공습지 축산폐수처리장에 사용된 여재는 호기성조의 경우 왕사, 쇄석 및 방해석을 3:2:1로 혼합한 여재를 사용하였고, 혐기성조의 경우 왕사, 쇄석 및 제올라이트를 3:2:1로 혼합한 여재를 사용하였다. 호기성조 및 혐기성조 여재의 유효 입경 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 10%되는 부분의 여재의 입경 ; d10)은 각각 2.
이론/모형
- , 2001). COD는 산성 KMnO4법, 부유물질은 유리섬유여지법, 총 질소는 자외선 흡광광도법 및 총인은 아스코르빈산 환원법으로 분석하였다.
- 수질분석은 수질오염공정시험법과 APHA의 standard method에 준하여 다음과 같이 하였다 (APPH, 2005; Kim et al., 2001). COD는 산성 KMnO4법, 부유물질은 유리섬유여지법, 총 질소는 자외선 흡광광도법 및 총인은 아스코르빈산 환원법으로 분석하였다.
성능/효과
- Seo (2005)와 Heo (2007)에 의하면, 인공습지에서 T-P의 처리기작은 인산염의 침전, 기질에의 흡착, 수생식물에 의한 흡수 및 조류와 세균에 의한 흡수 등으로 예상할 수 있으며, 이 중 인의 흡착과 침전에 의해 주로 처리되며, 식물흡수에 의한 흡수나 미생물에 의한 처리량은 전반적으로 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 최종방류수를 호기성조에 재주입하는 방법은 질소 및 인 처리효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
- 축산폐수의 재주입 비율별에 따른 처리효율을 조사한 결과 COD, SS, T-N 및 T-P 처리효율은 30% < 70% ≤ 100%의 순으로 재주입 비율이 증가함에 따라 오염물질의 처리효율이 점점 증가하는 경향이었다. 또한, 주입방법에 따른 COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율을 조사한 결과 1차 및 2차 처리조까지는 연속적 주입이 간헐적 주입에 비해 약간 높은 처리효율을 보였으나, 3차 처리조 부터는 비슷한 처리효율을 보였으며, 방류수 중 COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 연속주입방법이 각각 99.5, 99.8, 99.0 및 99.8%로 간헐주입에 비해 약간 높았다. 이들 결과를 미루어 볼 때, 본 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 은 적합한 축산폐수의 재주입 비율과 주입방법을 선정한다면 질소 및 인 처리효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과를 미루어 볼 때 축산폐수 주입방법에 따른 처리단계별 COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 처리초기단계에는 연속주입방법이 간헐주입방법에 비해 약간 높은 처리효율을 보였으나, 최종방류수 중 COD, SS, T-N 및 T-P의 처리효율은 연속주입방법이 각각 99.5, 99.8, 99.0 및 99.8%로 간헐주입에 비해 약간 높았다. 인공습지 축산폐수처리장의 처리초기단계에서 연속주입방법과 간헐주입방법의 오염물질 처리효율 차이는 순간 부하량 때문으로 판단된다.
- 5에서 보는 바와 같다. 축산폐수 주입방법에 따른 COD 처리효율은 1차 처리시 연속주입방법이 41.4%로 간헐주입방법의 25.7%에 비해 15.7%정도 높았고, 2차 처리 시도 1차 처리와 유사한 경향으로 연속주입방법이 89.9%로 간헐주입방법에 비해 약간 높았다. Kim (2008)과 Heo (2007)는 자연정화공법을 이용한 하수처리장에서 연속적 주입의 경우가 COD 처리효율이 높은 것은 오염물질 부하량과 여재내 미생물의 활성과 밀접한 관련이 있는 것으로 보고한 바 있는데, 본 축산페수처리장도 유사한 경향으로 판단된다.
- 7에서 보는 바와 같다. 축산폐수 주입방법에 따른 SS 처리효율은 1차 처리시 연속주입방법이 65.4%로 간헐주입방법의 49.6%에 비해 5.8%정도 높았고, 2차 처리 시도 1차 처리와 유사한 경향으로 연속주입방법이 92.1%로 간헐주입방법에 비해 약간 높았다. 이는 간헐적 주입의 경우 순간 축산폐수 부하량이 높아서 호기성조에 미처 처리되지 못하고 유출되기 때문으로 판단된다 (Heo, 2007; Seo, 2005).
- 9에서 보는 바와 같다. 축산폐수 주입방법에 따른 T-N 처리효율은 1차 처리시 연속주입방법이 39.9%로 간헐주입방법의 28.0%에 비해 11.9%정도 높았다. 축산폐수 주입방법에 따른 T-N 처리효율은 2차 처리시도 1차 처리와 유사한 경향으로 연속주입방법이 88.
- 9%정도 높았다. 축산폐수 주입방법에 따른 T-N 처리효율은 2차 처리시도 1차 처리와 유사한 경향으로 연속주입방법이 88.6%로 간헐주입방법에 비해 약간 높았다. 하지만 2차 처리 이후의 T-N 처리효율은 축산폐수 주입방법에 따라 별 차이 없이 유사한 경향이었다.
- 11에서 보는 바와 같다. 축산폐수 주입방법에 따른 T-P 처리효율은 1차 처리시 연속주입방법이 간헐주입방법에 비해 12.4%정도 높았고, 2차 처리시도 1차 처리와 유사한 경향으로 연속주입방법이 89.8%로 간헐주입방법에 비해 약간 높았다. 그러나 2차 처리 이후의 T-P 처리효율은 축산폐수 주입방법에 따라 별 차이 없이 유사한 경향이었다.
- 축산폐수의 재주입 비율별에 따른 처리효율을 조사한 결과 COD, SS, T-N 및 T-P 처리효율은 30% < 70% ≤ 100%의 순으로 재주입 비율이 증가함에 따라 오염물질의 처리효율이 점점 증가하는 경향이었다.
- 3 및 Table 3에서 보는 바와 같다. 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 축산폐수를 재주입하지 않은 경우 최종방류수 중 COD는 50.25 mg L-1이었고, 최종 방류수를 3차 처리조인 호기성조에 30%, 70% 및 100% 재주입하였을 때 방류수 중 COD는 각각 46.25, 38.43 및 34.45 mg L-1로서 방류수의 재주입 비율이 증가함에 따라 방류수 중 COD는 점점 감소하였다. Heo (2007)와 Park (2011)은 하수 처리를 위한 인공습지에서 하수의 재주입방법을 통해 유기물 처리효율이 약간 향상된 것으로 보고하였고, 본 축산폐수처리장도 유사한 경향이었다.
- 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 축산폐수를 재주입하지 않은 경우 최종방류수 중 SS 함량은 38.25 mg L-1이었고, 방류수를 호기성조에 30%, 70% 및 100% 재주입하였을 때 방류수 중 SS 함량은 각각 32.98, 26.83 및 23.91 mg L-1로서 방류수의 재주입 비율이 증가함에 따라 방류수의 농도는 점점 감소하는 경향이었으나 큰 차이는 없었다. 인공습지 축산폐수처리장에서 부유물질의 처리효율이 큰 차이가 없는 것은 인공습지에서 부유물질의 주된 처리가 여재에 의한 여과이기 때문으로 판단되며, Seo (2005)와 Heo (2007)도 유사한 결과를 보고한 바 있다.
- 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수를 재주입하지 않은 경우 최종방류수 중 T-P 함량은 1.95 mg L-1이었고, 재주입 비율을 30%, 70% 및 100%로 하였을 때 방류수 중 T-P의 함량은 각각 1.49, 0.85 및 0.55 mg L-1로서 방류수의 재주입 비율이 증가함에 따라 방류수의 농도는 미미하게 감소하였다. 이들 결과는 Park (2011)의 축산폐수처리를 위한 소형 pilot 실험과 유사한 경향이었다.
- 현장 축산폐수처리장에서 축산폐수를 재주입하지 않은 최종방류수 중 T-N 함량은 55.60 mg L-1이었고, 방류수를 호기성조에 30%, 70% 및 100% 재주입하였을 때 방류수 중 T-N의 함량은 COD 및 SS와 유사한 경향으로 각각 49.88, 41.93 및 37.45 mg L-1로서 방류수의 재주입 비율이 증가함에 따라 방류수의 농도는 약간 감소하였다. Seo (2005)와 Heo (2007)에 의하면, 인공습지 하수처리시스템에서는 최종방류수 재주입시 처리조내에 미처 처리되지 않은 유기물을 재순환하여 탈질시 필요한 유기물을 충분히 공급할 수 있어 질소처리효율이 향상되었다고 보고한 바 있으며, 본 인공습지 축산폐수처리장에서도 유사한 경향으로 판단된다.
- 현장 인공습지 축산폐수처리장에 사용된 여재는 호기성조의 경우 왕사, 쇄석 및 방해석을 3:2:1로 혼합한 여재를 사용하였고, 혐기성조의 경우 왕사, 쇄석 및 제올라이트를 3:2:1로 혼합한 여재를 사용하였다. 호기성조 및 혐기성조 여재의 유효 입경 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 10%되는 부분의 여재의 입경 ; d10)은 각각 2.6 mm이었으며, 균등계수 (여재를 입경 순으로 나열하였을 때 작은 입경으로부터 중량 60%되는 입경과 10%되는 입경과의 비 ; d60 d10-1)는 각각 2.53 및 2.62이었다. 그리고 현장 인공습지 축산폐수처리장에 이식한 수생식물은 다년생 수생식물인 갈대 및 노랑꽃창포 등 2종이었으며, 모든 수생식물은 야외노지에서 성장한 수초를 분주하여 처리장내에 이식하였다.
후속연구
- 8%로 간헐주입에 비해 약간 높았다. 이들 결과를 미루어 볼 때, 본 현장 인공습지 축산폐수처리장에서 은 적합한 축산폐수의 재주입 비율과 주입방법을 선정한다면 질소 및 인 처리효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- , 2011)를 통해 인공습지 축산폐수처리시스템의 최적조합방법을 구명하였다. 하지만 인공습지 축산폐수처리 최적조합방법만으로는 안정적으로 질소 및 인을 처리 하기에 역부족이며, 특히 축산폐수처리시설의 폐수배출허용기준 만족하기 위해서는 질소 및 인 처리효율 향상 방안이 필요할 것으로 판단된다.
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