In this study, an experiment was conducted on influent water with low concentrations of organic matter, such as river water or secondary treatment water of a sewage treatment plant, according to HRT changes by using aerobic biofilm. In the biofilm process, as the biofilm increases in thickness, the ...
In this study, an experiment was conducted on influent water with low concentrations of organic matter, such as river water or secondary treatment water of a sewage treatment plant, according to HRT changes by using aerobic biofilm. In the biofilm process, as the biofilm increases in thickness, the inner membrane can be low in oxygen transfer rate and become anaerobic conditions, while the detachment of biomass from biofilm occurs. To overcome these limitations in the detachment of microorganisms in biofilm, the yarn, which was made from poly propylene(PP), was weaved and manufactured into a tube. Then, a test was carried out by injecting air so that the interior of the biofilm could create aerobic conditions. The results of the experiment showed that the removal efficiency of $TCOD_{cr}$ reached 66.1~81.2% by HRT 2hr, and 50.9 ~61.8% after HRT 1 hr. The removal efficiency of $SCOD_{cr}$ was 45.9 to 55.1% by HRT 1hr, and 26.1% in HRT 0.5hr, showing the highest removal efficiency in HRT 1hr. The SS removal efficiency was at 81.8 to 94.6%, and the effluent SS concentration was very low, indicating less than 2.2 mg/L in all HRT's. As a result, the $SCOD_{cr}$ and $NH_4{^+}$-N that were removed per specific surface area and attached to microbial biofilm showed the highest efficiency in HRT 1hr with 8.37 $gSCOD_{cr}/m^2{\cdot}d$, 2.93 $gNH_4{^+}-N/m^2{\cdot}d$. From the result of reviewing the characteristics of biofilm growth, microorganisms were found to be attached, and increased by 36 days. Later, they decreased in number through detachment, but showed a tendency to increase again 41 days later due to microbial reproduction.
In this study, an experiment was conducted on influent water with low concentrations of organic matter, such as river water or secondary treatment water of a sewage treatment plant, according to HRT changes by using aerobic biofilm. In the biofilm process, as the biofilm increases in thickness, the inner membrane can be low in oxygen transfer rate and become anaerobic conditions, while the detachment of biomass from biofilm occurs. To overcome these limitations in the detachment of microorganisms in biofilm, the yarn, which was made from poly propylene(PP), was weaved and manufactured into a tube. Then, a test was carried out by injecting air so that the interior of the biofilm could create aerobic conditions. The results of the experiment showed that the removal efficiency of $TCOD_{cr}$ reached 66.1~81.2% by HRT 2hr, and 50.9 ~61.8% after HRT 1 hr. The removal efficiency of $SCOD_{cr}$ was 45.9 to 55.1% by HRT 1hr, and 26.1% in HRT 0.5hr, showing the highest removal efficiency in HRT 1hr. The SS removal efficiency was at 81.8 to 94.6%, and the effluent SS concentration was very low, indicating less than 2.2 mg/L in all HRT's. As a result, the $SCOD_{cr}$ and $NH_4{^+}$-N that were removed per specific surface area and attached to microbial biofilm showed the highest efficiency in HRT 1hr with 8.37 $gSCOD_{cr}/m^2{\cdot}d$, 2.93 $gNH_4{^+}-N/m^2{\cdot}d$. From the result of reviewing the characteristics of biofilm growth, microorganisms were found to be attached, and increased by 36 days. Later, they decreased in number through detachment, but showed a tendency to increase again 41 days later due to microbial reproduction.
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문제 정의
따라서, 본 실험은 미생물과 막사이가 혐기화 되어 쉽게 탈리되는 것을 막기 위해 튜브형태 호기성 생물 막을 이용하여 생물막에 부착된 미생물의 내부로 산소가 공급되도록 하고, 저농도 유입수에서 부착미생물에 의한 오염물질 제거경향을 살펴보았다.
제안 방법
Fig. 1은 실험에 사용된 호기성 생물막(aerobic biofilm tube)을 나타낸 것으로 poly propylene(PP)재질의 여러 가닥의 섬유사를 직조하여 튜브형태로 제작한 것으로 생물막의 표면에 미생물이 부착되고 내부로 공기를 주입하여 생물막 내부가 혐기화하지 않도록 제작하였으며, 튜브 내부로 주입된 용존산소가 확산에 의해 부착된 미생물로 산소전달이 되도록 하였다.
Table 2는 반응조 운전조건을 나타낸 것으로 SCODcr은 HRT 6hr에서 0.5hr까지 HRT를 감소시켜 부하가 증가되도록 실험하였으며, NH4+-N은 6hr∼2Ahr까지 증가시키고 HRT 2Bhr에서 1.78 gNH4+-N/d으로 낮춰 실험한 후, 다시 부하율을 증가시켜 실험 하였다.
실험실 규모의 호기성 생물막 반응조를 제작하여 HRT 변화에 따라 유기물 및 질소제거의 특성을 살펴본 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
와 수돗물을 혼합하여 사용하였다. 실험은 상온(약 20℃) 에서 수행하였으며, 초기 10일간 HRT 6시간에서 마이크로 튜브에 미생물이 부착되도록 안정화 시킨 후 HRT 변화에 따라 시료를 분석하였으며, 미생물두께와 유기물 및 질산화를 최적화 할 수 있도록 수중의 용존산소의 농도는 4～5 mg/L로 유지하였다(Choi 등, 2003).
2는 실험에 사용된 반응조를 나타낸 것으로 아크릴 반응조로 호기성 생물막을 반응조의 하부에 고정시키고 최대 공기량 80 L/min의 송풍기로 공기량 조절이 가능하도록 하고 공기는 튜브 내부로 충분히 공급되도록 제작하였다. 유입수는 반응조 중간에 격벽을 두어 반응조 상하로 유입수가 흐를 수 있도록 하여, 유입수와 tube에 부착된 미생물이 충분히 접촉할 수 있도록 하였다. 반응조에 사용된 호기성 생물막 튜브 및 제원은 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
실험에 사용된 유입수는 하수처리장 1차 침전지 유출수를 실험용도에 맞게 glucose, NH4Cl, KH2PO4와 수돗물을 혼합하여 사용하였다. 실험은 상온(약 20℃) 에서 수행하였으며, 초기 10일간 HRT 6시간에서 마이크로 튜브에 미생물이 부착되도록 안정화 시킨 후 HRT 변화에 따라 시료를 분석하였으며, 미생물두께와 유기물 및 질산화를 최적화 할 수 있도록 수중의 용존산소의 농도는 4～5 mg/L로 유지하였다(Choi 등, 2003).
이론/모형
78 gNH4+-N/d으로 낮춰 실험한 후, 다시 부하율을 증가시켜 실험 하였다. 시료의 분석은 Standard Methods(APHA, 1998)에 준하여 분석하였으며, 반응조내 미생물량은 HRT 별로 미생물이 부착된 tube를 취해 세척하고 GF/C 여과지로 여과하여 건조전과 건조후의 무게차로 구해주었다.
성능/효과
1) 유기물 제거에서 TCODcr, SCODcr의 경우, 유입수 부하가 증가되었으나 처리수 농도는 일정한 농도를 유지하였으며, SS는 유입수의 부하변동에 상관없이 처리수 SS가 2.2 mg/L 이하로 매우 안정적으로 처리되었다.
2) 생물막 표면부하율에 따른 SCODcr 및 NH4+-N제거효율을 살펴본 결과, 표면부하율에 따른 NH4+-N의 제거효율이 SCODcr 에 비해 크게 낮아지는 경향으로 NH4+-N는 SCODcr에 비해 튜브 표면적당 부하에큰 영향을 받았다.
3) 호기성 생물막의 비표면적에 따른 유기물 및 제거특성에서, 비표면적당 SCODcr 과 NH4+-N이 각각 8.37 gSCODcr/m2·d과 2.93 gNH4+-N/m2·d로 HRT 1hr 에서의 유기물 및 질산화 효율이 가장 높게 나타났다.
4) 호기성 생물막의 성장특성을 살펴본 결과, 약 36일까지 지속적인 미생물의 부착 및 성장이 있었으며 이후, 생물막의 탈리에 의해 미생물은 감소되며 다시 재생성되는 경향을 보였으며, 부착된 미생물은 안정적으로 유지되었다.
Fig. 3은 HRT 변화에 따른 TCODcr의 농도변화 및 제거효율을 나타낸 것으로, HRT에 따른 평균값은 HRT 6hr∼2hr까지 유입수의 TCODcr 농도는 71.1∼118 mg/L, 처리수의 TCODcr 농도는 13.3∼41.1 mg/L였으며, TCODcr의 제거효율은 69.9～81.2%로 점차 증가하는 경향이 나타났다.
2%였다. HRT 2Ahr 에서 충분한 질산화가 이루어지지 않았으며, 다른 조건은 그대로 하고 유입수의 NH4+-N의 농도를 낮춰 부하 율을 낮춘 HRT 2Bhr에서 NH4+-N 제거효율이 57.6%에서 86.2%로 향상되었고, 이후 NH4+-N 부하량의 증가에 따라 NH4+-N의 제거효율은 점차 낮아져 HRT 0.5hr에서는 NH4+-N 제거효율이 37.5%로 낮아졌다.
2 mg/L였다. SCODcr의 제거효율은 HRT 6hr～1hr까지 45.9～55.1%로 유사한 제거효율을 나타내었으며, HRT 0.5hr에서 26.1%로 낮은 제거효율을 나타내었다. TCODcr와 SCODcr는 HRT 감소에 따라 유입수의부하가 증가되었으나 처리수 농도는 비교적 일정한 농도를 유지하였다.
1%로 낮은 제거효율을 나타내었다. TCODcr와 SCODcr는 HRT 감소에 따라 유입수의부하가 증가되었으나 처리수 농도는 비교적 일정한 농도를 유지하였다.
Table 3은 HRT변화에 따른 F/M 비와 SCODcr 부하를 나타낸 것으로 HRT의 감소에 따라 F/M 비, 표면적당 부하율은 증가되고 HRT 1hr에서 F/M 비, 표면적당 SCODcr 부하, 표면적당 SCODcr 제거량이 각각 0.24 kgSCODcr/kgMLSS·d, 15.55 gSCODcr/m2·d,8.37 gSCODcr/m2·d로 가장 높고 HRT 0.5hr에서는 오히려 감소되는 경향이 나타났다.
튜브 비표면적당 NH4+-N의 제거량도 NH4+-N의 부하량에 따라 HRT 1hr 에서 가장 높은 2.93 gNH4+-N/m2·d로 나타나 HRT 1hr 에서의 유기물 및 질산화 효율이 가장 높게 나타났다.
튜브에 부착된 미생물에 의한 질산화율을 산정하기 위해 표면부하에 따른 질산화율(specific nitrification rate, SNR)을 산정해 본 결과, HRT 6, 3, 2A, 2B, 1, 0.5hr에서 각각 0.033, 0.034, 0.028, 0.027, 0.069, 0.051 mgNH4+-N/mgMLVSS·d로 HRT 1hr에서 질산화율이 가장 높게 나타났으며, 평균 SNR은 0.041 mgNH4+-N/mg MLVSS·d(1.708 mgNH4+-N/gMLVSS·hr)로 Hay 등(2009)의 1.42 mgN/gMLVSS·hr과 Park 등 (2009)의 0.035 mgNH4+-N/mgMLVSS·d와 비교해 볼때, 본 실험에서 양호한 질산화율을 나타내었다.
평균 질산화율(SNR)은 0.041 mgNH4+-N/mgMLVSS·d (1.708 mgNH4+-N/gMLVSS·hr)로 양호한 질산화가 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Choi 등은 생물막을 유지하는 여러 요소들로 무엇이 있다고 하였는가?
Choi 등(2003)은 생물막을 유지하는 여러 요소들로 용존산소(dissolved oxygen, DO), 수리학적 체류 시간(hydraulic retention time, HRT), 온도, 기질부하, 생물막의 두께 및 여재의 특성 등이 있다고 하였으며, 이중 수중의 용존산소는 유기물의 산화와 질산화에 중요한 영향을 준다. 용존산소와 생물막의 관계에 있어, 미생물이 부착된 생물막은 생물막의 두께가 두꺼워 지게 되면 두꺼워진 생물막의 산소전달율에 따라서 수중의 용존산소와 접촉할 수 있는 생물막의 표면은 호기 조건, 중간층은 무산소조건, 막과의 접촉부분은 혐기 상태로 될 수 있다고 하였다(Chen 등, 2006 ; Semmens 등, 2003 ; Chung, 1994).
실험실 규모의 호기성 생물막 반응조를 제작하여 HRT 변화에 따라 유기물 및 질소제거의 특성을 살펴본 결과, 얻은 결론은?
1) 유기물 제거에서 TCODcr, SCODcr의 경우, 유입수 부하가 증가되었으나 처리수 농도는 일정한 농도를 유지하였으며, SS는 유입수의 부하변동에 상관없이 처리수 SS가 2.2 mg/L 이하로 매우 안정적으로 처리되었다.
2) 생물막 표면부하율에 따른 SCODcr 및 NH4+-N제거효율을 살펴본 결과, 표면부하율에 따른 NH4+-N의 제거효율이 SCODcr 에 비해 크게 낮아지는 경향으로 NH4+-N는 SCODcr에 비해 튜브 표면적당 부하에큰 영향을 받았다.
3) 호기성 생물막의 비표면적에 따른 유기물 및 제거특성에서, 비표면적당 SCODcr 과 NH4+-N이 각각 8.37 gSCODcr/m2·d과 2.93 gNH4+-N/m2·d로 HRT 1hr 에서의 유기물 및 질산화 효율이 가장 높게 나타났다. 평균 질산화율(SNR)은 0.041 mgNH4+-N/mgMLVSS·d (1.708 mgNH4+-N/gMLVSS·hr)로 양호한 질산화가 나타났다.
4) 호기성 생물막의 성장특성을 살펴본 결과, 약 36일까지 지속적인 미생물의 부착 및 성장이 있었으며 이후, 생물막의 탈리에 의해 미생물은 감소되며 다시 재생성되는 경향을 보였으며, 부착된 미생물은 안정적으로 유지되었다.
용존산소와 생물막의 관계는?
Choi 등(2003)은 생물막을 유지하는 여러 요소들로 용존산소(dissolved oxygen, DO), 수리학적 체류 시간(hydraulic retention time, HRT), 온도, 기질부하, 생물막의 두께 및 여재의 특성 등이 있다고 하였으며, 이중 수중의 용존산소는 유기물의 산화와 질산화에 중요한 영향을 준다. 용존산소와 생물막의 관계에 있어, 미생물이 부착된 생물막은 생물막의 두께가 두꺼워 지게 되면 두꺼워진 생물막의 산소전달율에 따라서 수중의 용존산소와 접촉할 수 있는 생물막의 표면은 호기 조건, 중간층은 무산소조건, 막과의 접촉부분은 혐기 상태로 될 수 있다고 하였다(Chen 등, 2006 ; Semmens 등, 2003 ; Chung, 1994). 이렇게 막과의 접촉부분에서 혐기화가 된 생물막은 생물막의 두께와 관련된 산소전달 및 기질 확산의 한계 등으로 미생물의 부착력이 감소 되어 막과 미생물이 쉽게 탈리되는 현상이 나타날 수 있으며 생물막에서 미생물이 장기간 유지되지 못하고 탈리되면 오염물질의 제거효율이 낮아지게 된다.
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