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문제 정의
- 본 연구는 파일럿 규모의 막결합형 고온 2상 혐기성 소화 공정을 이용하여 음폐수를 안정적으로 처리하며, 분리막의 적용으로 산발효 및 메탄발효에 관여하는 미생물을 반응기 내에 농축시켜 미생물의 활성을 증대시키고 체류시간을 증가시킴과 동시에 궁극적으로 소화조의 메탄회수효율을 향상시키는데있다. 또한 음폐수를 처리하는 분리막 결합형 고온 혐기성 소화공정을 통해 분리막의 막힘현상을 관찰하여 최적의 분리막 운전조건을 확립하는데 있다.
제안 방법
- 5로 낮기에 반응조 내 pH 조절이 필요하다. 본 공정에서는 TAR의 pH 조절을 위하여 이 등(2009) 에서 제시한 방법과 같이 약품을 사용하지 않고 TMR 내액을 TAR로 순환시킴으로써 TAR의 pH 조절 및 미생물 유지를 도모하였다. TMR 내액의 TAR로 반송량은 0.
- 분리막은 TMR에서 생성되는 유출수를 교차 여과 방식으로 정압여과 처리하며 농축수는 TMR 로 반송되어 TMR 내 미생물의 농도를 농축시켰다. 분리막 운전 416일부터 평균 TMP 1.3 atm, 선속도 2.3 m/sec으로 운전하였으며, 분리막 세정은 여과 후 청수를 주입하여 하루에 한번 약 40분 가량 여과 진행 방향과 같은 방향으로 순환물 세정을 실시하였다. Fig.
- 유입수, 유줄수 및 각 반응조에 대해서 pH, alkalinity, NH/-N, TCOD, SCOD, TS 및 VS, TSS 및 VSS, VFAs 등의 항목을 분석하였다. 그 중 NH4+-N은 이온전극법(ammonia-selective electrode) 을 이용하였으며, VFAs는 HP-INNOWax 칼럼(30 m X 0.
- 총 700여 일의 운전기간 동안 TAR 및 TMR은 각각 55℃의 고온조건에서 운전되었으며, 용량은 각각 12 및 60 m3으로 수리학적 체류시간인 HRT는음폐수 유입량을 조절하면서 변경시켰다. 운전 초기 90일 동안은 start-up 기간으로 반응조의 안정화 및 미생물 적응을 위하여 음폐수 유입량을 차츰 증가 시켜 3 m3의 음폐수를 처리하였다.
대상 데이터
- 3 m3/day이었다. 본 연구에서 사용한 분리막은 tubular 형식의 한외여과 (Ultrafiltration, UF) 막으로 사양 및 운전조건은 Table 2에 나타내었으며, 공정 운전 335일 이후부터가동시켰다. 분리막의 분획분자량은 100 k Dalton 이었으며, 운전방식은 정압여과 방식으로 TMP (Transmembrnae pressure)는 1~3 kgf/cm2이었다.
- 본 연구에서 사용한 음폐수는【시 C 음식물 폐기물 자원화 시설의 사료화 공정에서 발생하는 것으로, 그 성상은 Table 1과 같다. 음폐수는 평균 pH 3.
이론/모형
- VSS, VFAs 등의 항목을 분석하였다. 그 중 NH4+-N은 이온전극법(ammonia-selective electrode) 을 이용하였으며, VFAs는 HP-INNOWax 칼럼(30 m X 0.25 mm x 0.15 ym, Agilent, USA)이 장착된 GC-FID (HP 6890 series, Agilent, USA)을 이용하여 분석하였다. 이외의 분석항목은 Standard Methods (APHA, 1998) 및 수질오염공정시험법(환경부, 2006)에 준하여 분석하였다.
- 15 ym, Agilent, USA)이 장착된 GC-FID (HP 6890 series, Agilent, USA)을 이용하여 분석하였다. 이외의 분석항목은 Standard Methods (APHA, 1998) 및 수질오염공정시험법(환경부, 2006)에 준하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 본 고온 2상 혐기성 소화 공정은 평균 TCOD 113 g/L의 음폐수를 대상으로 비교적 안정적으로운전되었으며, 이때 TCOD 및 SCOD 제거효율은 각각 77% 및 81%이었다. 또한 고온 메탄조 유출수의 TCOD는 25 + 6 g/L 정도이었다.
- 2) 고온 조건의 혐기성 소화공정은 lipid 성분의 분해율이 중온보다 높아 scum 형성 등의 문제점은 발견되지 않았으나, free ammonia 농도 증가에 따라 암모니아 독성영향에는 민감한 것으로 보였다.
- 3) 고온 2상 혐기성 소화 공정 메탄조의 유출수의 처리효율과 UF 분리막 여과 연계처리 시 투과 수의 처리효율 비교하여 볼 때 UF 분리막 여과 연계처리 시 투과수의 처리효율 중 TCOD는 77%에서 93%, SCOD는 81%에서 86%로, TSS는 52%에서 99.8%로, VSS는 68%에서 99.9%로 제거효율 증가를보였다.
- 4) 메탄조 순환 농축방식으로 운영 시 UF 분리막은 평균 TMP 1.3 atm, 선속도 2.3 m/sec에서 운전하였으며 이때 투과 flux는 15~30 LMH이었으며연속적으로 안정적인 운전이 가능하였다.
- TAR 유출수의 TSS 및 VSS 농도는 유입 수 성상 변화에 영향을 많이 받았다. TMR 유출수는 VSS 농도의 변화가 크지 않았으며, 평균 10 g/L이었다.
- 유입수의 TCOD 및 SCOD는 각각 113 ± 29 및 62 ± 8 g/L로 고농도의 유기물을 함유하고 있으며, 운전기간 동안 변화가 큰 편이었다. TAR 유출수의 평균 TCOD 및 SCOD는 각각 71 ± 25 및 42 ± 18 g/L이었으며, 원수 성상 변화에 따라 비슷하게 변화하였다. TMR 유출수의 TCOD 및 SCOD는 각각 25 ± 6 및 12 ± 3 g/L으로, 전체 처리공정의 TCOD 및 SCOD 제거효율은 각각 77% 및 81%이었다.
- TAR의평균 VFAs는 8 g COD/L이었으며, 주요 성분은 acetate로 75%를 차지하였다. TMR에서는 평균 VFAs가 4 g COD/L이었으며, acetate와 propionate 가 주요 VFAs 성분으로 각각 25% 및 75%를 차지하였다.
- TAR 유출수의 TSS 및 VSS 농도는 유입 수 성상 변화에 영향을 많이 받았다. TMR 유출수는 VSS 농도의 변화가 크지 않았으며, 평균 10 g/L이었다.
- TAR 유출수의 평균 TCOD 및 SCOD는 각각 71 ± 25 및 42 ± 18 g/L이었으며, 원수 성상 변화에 따라 비슷하게 변화하였다. TMR 유출수의 TCOD 및 SCOD는 각각 25 ± 6 및 12 ± 3 g/L으로, 전체 처리공정의 TCOD 및 SCOD 제거효율은 각각 77% 및 81%이었다.
- TAR의평균 VFAs는 8 g COD/L이었으며, 주요 성분은 acetate로 75%를 차지하였다. TMR에서는 평균 VFAs가 4 g COD/L이었으며, acetate와 propionate 가 주요 VFAs 성분으로 각각 25% 및 75%를 차지하였다. 유사한 성분의 음폐수를 처리한 중온 TPAD 연구 결과에서는 중온 메탄조의 VFAs 중 acetate의 구성비가 약 69%로 대부분을 차지하여(이등, 2009), 고온이 중온보다 propionate 비율이 높은 것을 알 수 있었다.
- 이는 pH를 증가시키기 위한 순환량의 증가가 운전비용 상승으로 이어지며, 순환과더불어 공급되는 메탄생성균이 산생성균 활성에 영향을 줄 수도 있다고 판단하였기 때문이다. TMR의 pH는 평균 7.7로, 메탄생성과 더불어 VFA가 소모되고, 단백질이 분해되며 암모니아성 질소가 생성되어 다소 높게 유지되었다.
- 또한 높은 교차여과 속도로인해 발생되는 전단력으로 인해 미생물들이 분해되고 이로 인해 미생물의 활동도를 감소시킨 것으로사료된다. 고액분리 효과를 확인하기 위하여 분리막투과수의 TSS 및 VSS 농도를 분석한 결과, 각각 평균 80 및 50 mg/L로 제거효율은 각각 99.8% 및 99.9% 이상이었다.
- 생성된 lipid granules은 결과적으로 후단에 연결되는 membrane에 fouling이나 관 등을 막는 현상을 초래하였다. 그러나 본 연구에서는 lipid가 고온 메탄생성균의 높은 기질 이용률과 고온에 따른 용해도 향상 등의 효과에 의해 거의 완전히 분해되어 scum층을 형성하지 않았으며, 후단에 연결된 membrane 역시 기름에 의한 막힘 유발이 없이 안정적으로 운전되었다.
- 따라서 고온에서 중온보다 낮은 유기물 제거효율은 NH3에 의한 독성에 의한 것으로 판단된다. 또한, 고온 메탄조의 평균 VSS는 10 g/L로 유사한 음폐수를 처리한 중온 TPAD의 메탄조 VSS 23 g/L의 절반에 못 미치는 것으로 나타났다. 이는 고온 조건에서 상대적으로 높은 미생물사멸율에 기인한 것으로 판단된다.
- 5로서 pH 조절이 필요하지만 약품 사용 시 운전비용이 증가한다. 본 연구에서는 TMR 내액을 0.3 m3/day (유입 유량의 10%) 유량으로 TAR로 순환시켜 pH가 권장치보다 다소 낮은 평균 4.1로 유지하였다. 이는 pH를 증가시키기 위한 순환량의 증가가 운전비용 상승으로 이어지며, 순환과더불어 공급되는 메탄생성균이 산생성균 활성에 영향을 줄 수도 있다고 판단하였기 때문이다.
- 6 g/L이었으며 최종 TCOD 제거효율은 93%로, 분리막을 이용한 고액분리를 통해 TMR 제거효율인 77% 보다 16% 이상 효율이 증가하였다. 분리막 투과수의 SCOD 제거효율은 88%로 TMR 제거효율보다 약 7% 정도 증가하였다. 상대적은 낮은 SCOD 제거율은 100 k Dalton 보다 작은일부 용해성 유기물질들이 분리막을 통과하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 2에는 운전 TMP 및 flux 변화를 나타내었다. 실험 결과, 약 350여 일 동안 처리유량 3 m3/day을 기준으로 분리막을 가동하였으며, 그 때 분리막 flux는 15~30 LMH 범위이었다. 운전결과 TMP 0.
- 실험 결과, 약 350여 일 동안 처리유량 3 m3/day을 기준으로 분리막을 가동하였으며, 그 때 분리막 flux는 15~30 LMH 범위이었다. 운전결과 TMP 0.5 atm에서 운전 약 390일부터 분리막 막힘 현상으로 인한 투과플럭스 감소가 관찰되었으며 이를 증가시키기 위해 TMP를 약 1.0 atm으로 증가시켰으나 투과플럭스는 크게 증가하지 않았다. 이는 압력을 증가시키면서 동시에 파울링 저항이 증가하여 한계플럭스에 도달했기 때문인 것으로 판단한다.
- Table 3에 요약하였다. 유입수의 TCOD 및 SCOD는 각각 113 ± 29 및 62 ± 8 g/L로 고농도의 유기물을 함유하고 있으며, 운전기간 동안 변화가 큰 편이었다. TAR 유출수의 평균 TCOD 및 SCOD는 각각 71 ± 25 및 42 ± 18 g/L이었으며, 원수 성상 변화에 따라 비슷하게 변화하였다.
- 유입수의 TSS 중 대부분은 VSS로 유기물 성분이 높았다. TAR 유출수의 TSS 및 VSS 농도는 유입 수 성상 변화에 영향을 많이 받았다.
- 총 700여 일의 운전기간 동안, 고온 TPAD에서는 고농도 유기성 폐수를 혐기성으로 처리할 때 가장 많은 문제를 일으키는 scum이 형성되지 않았다. 중온 TPAD에서는 scum층이 계속 발견되었다고 보고되었는데(이 등, 2009), 이는 lipid 분해가 느려 lipid granules 형성에 기인한 것이었다.
- 3에 나타내었다. 평균투과수 TCOD는 7.6 g/L이었으며 최종 TCOD 제거효율은 93%로, 분리막을 이용한 고액분리를 통해 TMR 제거효율인 77% 보다 16% 이상 효율이 증가하였다. 분리막 투과수의 SCOD 제거효율은 88%로 TMR 제거효율보다 약 7% 정도 증가하였다.
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