[논문]UASB를 이용한 혐기성 하수처리공정에서 ABF 유출수 반송에 따른 유기물질과 질소 및 인 제거

전동걸; 변병수; 임현숙; 전항배

doi:10.4491/ksee.2013.35.5.381

[국내논문] UASB를 이용한 혐기성 하수처리공정에서 ABF 유출수 반송에 따른 유기물질과 질소 및 인 제거
Removal of Organic Matter, Nitrogen and Phosphorus in an UASB Sewage Treatment Process with Recycle of Aerated Bio-Filter Effluent 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.5, 2013년, pp.381 - 387

전동걸 (충북대학교 환경공학과) , 변병수 (한국환경관리공단) , 임현숙 (충북대학교 환경공학과) , 전항배 (충북대학교 환경공학과)

초록
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UASB-ABF (Up-flow anaerobic sludge blanket-aerated bio-filter) 시스템을 이용한 하수의 혐기성처리 방법에서 질소와 인을 제거하는 공법에 대하여 연구하였다. 160일간의 UASB-ABF 시스템을 운영한 결과 유출수 반송을 통하여 TCOD뿐만 아니라, TN과 TP를 효율적으로 제거할 수 있었다. 무반송의 경우 UASB 반응조에서 유기물 제거효율은 64%에 머물었으나, 반송률 120%, 180%, 240%로 증가한 결과 각각 92%, 95%, 96%로 향상되었다. 반송률 180% 이상에서는 유기물 제거효율 증가폭은 크지 않았다. ABF 유출수 반송으로 TN 제거효율이 크게 향상되었다. TN 제거효율은 무반송 조건일 때 18%에서 82%로 향상되었으며, UASB에서 지속적인 유기물질 제거로 인하여 ABF에서 질산화효율은 안정적으로 95% 이상으로 타나났다. ABF 유출수 반송으로 TP 및 $PO{_4}^{3-}$-P 제거효율이 모두 향상되었다. TP의 경우 무반송에서는 거의 제거되지 않았으나, 반송률이 120%, 180%, 240%에서는 각각 51%, 63%, 71%로 향상되었고, 주로 UASB에서 제거되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nitrogen and phosphorus removal was investigated in an UASB-ABF (Up-flow anaerobic sludge blanket - aerated bio-filter) anaerobic sewage treatment system. Successful removal of nitrogen and phosphorus with organic matters was possible in the UASB-ABF system from the results of 160 days operation with the influent raw domestic sewage. Removal efficiencies of organic matter (as TCOD) showed 64% in UASB without recycle of the ABF effluent, however, they increased to 92%, 95%, 96% with 120%, 180% and 240% recycle of the ABF effluent, respectively. Increasement of the organic matter removal was not prominent at recycle ratio above 180%. Apparent increase in TN removal occurred with recycle of the ABF effluent. TN removal efficiency was 18% without recycle, but it increased to 82% with 240% recycle of the ABF effluent. And stable nitrification above 95% was possible as a result of efficient removal of organic matter in the UASB with and without recycle of the effluent. Removal of both TP and $PO{_4}^{3-}$-P also increased remarkably with recycle of the effluent. Without recycle of the effluent, that is at strict anaerobic condition in UASB, TP was not removed, however, its removal efficiency increased to 51%, 63%, 71% at recycle ratios of 120%, 180%, 240%, respectively mainly at UASB.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 UASB를 이용한 혐기성 하수처리 공정으로 호기성 하수처리 공정과 동등한 유기물 제거, 질소, 인 제거를 확보하면서 에너지 절감 및 이산화탄소 감축(불필요한 유기물 산화, 폭기 에너지 제어)을 도모할 수 있는 혐기성-호기성 조합 하수처리 공정의 가능성을 제시하고자 한다.
그러나 기존의 공법들은 주로 혐기성 공법을 도입하여 하수 내 유기물질을 메탄가스로 전환시키려는 목적으로 개발되어 질소와 인을 제거하는 기능이 없기 때문에 별도의 질소와 인 제거공정을 추가해야 하는 문제점이 있었다. 본논문에서는 기존의 UASB 반응조를 혐기성 하수처리공법의 주된 공정으로 도입하되 호기성 생물막공정의 유출수를 UASB로 반송시켜 질소와 인을 함께 제거할 수 있는 공법을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

ABF 반응조에는 sus 재질의 환상형 메디아를 충진 시켜 부착성 호기성 미생물을 배양시켰으며, 하향류로 운전하였다. ABF의 유출수는 메디아층 아래에서 유출되며, 바닥에 침전되어 축적된 슬러지는 UASB 반응조로 반송시켜 주었다. 반송률은 실험 목적에 따라 원수유량 대비 0-240%로 변경하며 실험하였고, 각 경우에 오염물질의 제거특성을 관찰하였다.
ABF의 유출수는 메디아층 아래에서 유출되며, 바닥에 침전되어 축적된 슬러지는 UASB 반응조로 반송시켜 주었다. 반송률은 실험 목적에 따라 원수유량 대비 0-240%로 변경하며 실험하였고, 각 경우에 오염물질의 제거특성을 관찰하였다. 반송률을 180%로 할 경우 UASB의 실수리학적 체류시간은 3시간에서 1.
유입하수 중의 TCOD는 150번 채로 여과 후 측정하였고, SCOD를 포함한 기타의 항목은 0.1 µm 멤브레인으로 여과 후 분석하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 시료는 유사만 제거된 C시 하수처리장 1차 침전지로 유입하는 하수를 채수하여 사용하였으며, 성상은 Table 1과 같다. 유입하수의 TCODcr는 약 380 mg/L이었고, SCODcr는 약 110 mg/L이었다.

이론/모형

1 µm 멤브레인으로 여과 후 분석하였다. 암모니아성 질소는 Nessler법(NH₄⁺-N Distillation method, hach, USA)을 이용하여 측정하였고, CODcr은 closd reflux 및 colorimetric method를 이용하여 측정하였다. 질산성 질소(NO₃^--N)와 아질산성 질소(NO₂-N) 및 인산염(PO₄^3--P) 등의 음이온 농도는 Ion Chromatography (Metrohm modular, Swizerland)를 이용하여 측정하였으며, 기타 TS 및 TVS와 TN, TP는 Standard method⁶⁾에 준하여 실험하였다.
암모니아성 질소는 Nessler법(NH₄⁺-N Distillation method, hach, USA)을 이용하여 측정하였고, CODcr은 closd reflux 및 colorimetric method를 이용하여 측정하였다. 질산성 질소(NO₃^--N)와 아질산성 질소(NO₂-N) 및 인산염(PO₄^3--P) 등의 음이온 농도는 Ion Chromatography (Metrohm modular, Swizerland)를 이용하여 측정하였으며, 기타 TS 및 TVS와 TN, TP는 Standard method⁶⁾에 준하여 실험하였다.

성능/효과

1) 160일간의 UASB-ABF 시스템을 운영한 결과 유출수 반송을 통하여 TCOD뿐만 아니라, TN과 TP를 효율적으로 제거할 수 있었다.
2) 무반송의 경우 UASB 반응조에서 유기물 제거효율은 64%에 머물었으나, 반송률 120%, 180%, 240%로 증가한 결과 각각 92%, 95%, 96%로 향상되었다. 반송률 180% 이상에서는 유기물 제거효율 증가폭은 크지 않았다.
ABF 반응조의 질산화 효율은 반송률에 큰 관계없이 90% 이상 높게 나타났다. 240%의 반송률에서는 무반송일 때 92~94% 정도이었던 질산화 효율이 96~98%로 4% 정도 증가하였다. 질산화 미생물은 성장속도가 느려 부착성 생물막 반응조에서 효과적으로 배양할 수 있음을 증명해 주고 있으며, 유입 TCOD가 ABF 유출수 반송으로 인해 UASB 반응조에서 95% 이상 높은 제거율로 제거되기 때문에 안정적으로 배양된 것으로 생각된다.
3) ABF 유출수 반송으로 TN 제거효율이 크게 향상되었다. TN 제거효율은 무반송 조건일 때 18%에서 82%로 향상되었으며, UASB에서 지속적인 유기물질 제거로 인하여 ABF에서 질산화효율은 안정적으로 95% 이상으로 나타났다.
5) ABF 유출수 반송으로 TP 및 PO₄^3--P 제거효율이 모두 향상되었다. TP의 경우 무반송에서는 거의 제거되지 않았으나, 반송률이 120%, 180%, 240%에서는 각각 51%, 63%, 71%로 향상되었고, 주로 UASB에서 제거되었다.
EPS의 증가는 혐기성 슬러지의 점도, 전하 등의 물리적 특성을 변화시키고, 생물흡착 또는 플록형성(Bioflocculation) 작용을 향상시킬 수 있다고 하였다.^8,9) 본 실험에서는 ABF 유출수 반송으로 UASB 반응조가 완전 혐기성조건에서 무산소성 조건으로 바뀌면서 슬러지 블랭킷층내 EPS를 증가시켜 입자들의 제거효율이 증대된 것으로 판단된다.
6, 7 및 8은 UASB-ABF 시스템의 각 반송률에 따른 TN, NH₄⁺-N 및 NO_x-N 제거 거동을 나타낸 것이다. ABF 반응조에서의 반송률이 커질수록 TN의 제거효율은 향상되었다. 반송률이 0%인 초기 운전조건에서 TN 제거효율은 18%로 낮았으나, 반송률 240%에서는 TN 제거효율이 82%까지 향상되었다.
운전 40일 이후 ABF 유출수를 원수 유량 대비 120%, 180%, 240%를 UASB 반응조로 반송시켜 줄 경우 UASB 반응조에서 TCOD 제거효율은 크게 향상되었다. TCOD 제거효율은 반송률 120%에서 92%, 반송률 180%에서 95%, 반송률 240%에서 96%로 향상되었다. 특히, SCOD의 경우 반송이 없을 경우 혐기성 반응조인 UASB에서 10% 정도 제거되었으나, 120%, 180%, 240% 반송과 함께 제거효율이 각각 66%, 82%, 86%로 증가하고 있다(Fig.
3) ABF 유출수 반송으로 TN 제거효율이 크게 향상되었다. TN 제거효율은 무반송 조건일 때 18%에서 82%로 향상되었으며, UASB에서 지속적인 유기물질 제거로 인하여 ABF에서 질산화효율은 안정적으로 95% 이상으로 나타났다.
-P 제거효율이 모두 향상되었다. TP의 경우 무반송에서는 거의 제거되지 않았으나, 반송률이 120%, 180%, 240%에서는 각각 51%, 63%, 71%로 향상되었고, 주로 UASB에서 제거되었다.
Table 4에서와 같이 반송률 증가로 UASB 반응조 내 SSCOD의 제거효율이 크게 향상된 것으로 나타났으며, 특히, Fig. 4, 5와 같이 UASB 반응조로 240%의 ABF 유출수를 반송시켜 줄 경우 1.0 µm 이상의 입자들은 거의 다 제거되며, 1.0 µm 이하의 입자들도 50-80% 이상 제거되었다.
이러한 제거효율은 UASB 형태의 반응조에 완속교반 장치를 부착함으로써 부유성 물질(SS)의 제거효율을 향상시킨 결과로 해석할 수 있다. UASB 반응조의 짧은 수리학적 체류시간(HRT 3 hr)과 미생물 체류시간(SRT)으로 말미암아 SCOD의 제거효율은 낮게 나타났다.
3시간으로 운영하였으며, 그 결과 TCOD 제거효율이 87%이었고, 그중 UASB에서 TCOD 제거효율은 Von Sperling¹⁾에 비해 낮은 34%이었다. 그 외 UASB-SBR (Sequencing Batch Reactor) 시스템을 이용한 Sousa³⁾와 Guimaraes⁴⁾는 95%, 92%의 TCOD 제거효율을 나타내었으며, UASB-JLR (Jet Loop Reactor) 시스템을 이용한 Tai⁵⁾는 87-95%의 TCOD 제거효율을 나타내었다. 이와 같이 혐기성 하수처리는 효율적인 유기물 제거는 가능하지만 질소 인 제거에 있어서는 수준이 좀 떨어지는 편이다.
혐기성 반응조에서 입자성 유기물은 응집 및 침전에 의해서 대부분 제거된다. 그러나 질산성 질소의 반송으로 인하여 혐기성 반응조가 무산소 조건으로 바뀌면서 단순한 침전 외에 미생물 슬러지 플록에 의한 흡착-침전 및 혐기성 탈질반응과 같은 일련의 동화-이화작용에 의해 SSCOD뿐만 아니라 SCOD도 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 운전 40일 이후 ABF 유출수를 원수 유량 대비 120%, 180%, 240%를 UASB 반응조로 반송시켜 줄 경우 UASB 반응조에서 TCOD 제거효율은 크게 향상되었다.
또한, Table 4에서와 같이 ABF 유출수를 반송시켜 줌으로써 UASB 반응조에서 탈질 미생물을 활성화시켜 탈질반응에 의해 쉽게 분해되는 SCOD가 제거되고, 미생물 플록에 의한 입자성 유기물(SSCOD) 제거효율이 향상됨을 알 수 있다. 체류시간이 3시간 정도로 짧은 UASB를 이용하여 하수처리공정에서 메탄가스를 회수하는 것은 효율적이지 못할 뿐 아니라 후속공정에서 질소를 효과적으로 제거할 수 없기 때문에 UASB 반응조를 혐기성 탈질공정으로 활용하여 질소와 유입 COD를 효과적으로 제거할 수 있다.
ABF 반응조에서의 반송률이 커질수록 TN의 제거효율은 향상되었다. 반송률이 0%인 초기 운전조건에서 TN 제거효율은 18%로 낮았으나, 반송률 240%에서는 TN 제거효율이 82%까지 향상되었다. ABF 반응조의 질산화 효율은 반송률에 큰 관계없이 90% 이상 높게 나타났다.
ABF 반응조에서는 나머지 SSCOD의 90%가 제거되었으며, 72%의 SCOD가 제거되었다. 아직 메디아에 생물막이 완전히 부착되기 전이기 때문에 SCOD의 제거효율은 높지 않으나, SSCOD의 제거효율은 양호한 것으로 나타났다. 이는 사용한 메디아가 넓은 표면적을 제공해 주었기 때문으로 생각되며, 운전초기에는 활성슬러지를 100 mg/L 정도가 되도록 접종해 주며 실험하였다.
그러나 질산성 질소의 반송으로 인하여 혐기성 반응조가 무산소 조건으로 바뀌면서 단순한 침전 외에 미생물 슬러지 플록에 의한 흡착-침전 및 혐기성 탈질반응과 같은 일련의 동화-이화작용에 의해 SSCOD뿐만 아니라 SCOD도 효과적으로 제거되는 것으로 나타났다. 운전 40일 이후 ABF 유출수를 원수 유량 대비 120%, 180%, 240%를 UASB 반응조로 반송시켜 줄 경우 UASB 반응조에서 TCOD 제거효율은 크게 향상되었다. TCOD 제거효율은 반송률 120%에서 92%, 반송률 180%에서 95%, 반송률 240%에서 96%로 향상되었다.
유입하수의 평균 TCOD 및 SCOD는 각각 380 mg/L 및 87 mg/L이었다. 운전초기 ABF 유출수를 반송하지 않을 경우 UASB 반응조 내 TCOD 및 SCOD 제거효율은 37~44%로 낮았으나 63%까지 향상되었고, 호기성 여과조를 거친 최종 UASB-ABF 시스템에서는 유입 TCOD가 94%까지 제거되었다. Table 3과 같이 유입하수 내 SCOD가 87 mg/L로 TCOD의 약 23%이고, UASB에서 SCOD의 약 10% 미만이 제거되고 약 80%의 부유성 COD (SSCOD) 또한 UASB에서 제거되면서 UASB 내에는 3.
TCOD 제거효율은 반송률 120%에서 92%, 반송률 180%에서 95%, 반송률 240%에서 96%로 향상되었다. 특히, SCOD의 경우 반송이 없을 경우 혐기성 반응조인 UASB에서 10% 정도 제거되었으나, 120%, 180%, 240% 반송과 함께 제거효율이 각각 66%, 82%, 86%로 증가하고 있다(Fig. 3). 이는 UASB 반응조에서 반송된 ABF 유출수에 포함된 질산성 질소가 탈질되면서 분해되기 쉬운 COD가 제거된 것으로 생각된다.

후속연구

그러나 최종 유출수에서 TP의 농도를 안정적으로 1.0 mg/L 이하로 낮추기는 어려운 것으로 조사되었으며, 그 이하로 유지하기 위해서는 화학적 인 제거 공법을 병행해야 할 것으로 생각된다. 혐기성 하수처리공정으로 유기물질을 효율적으로 제거하는 것은 가능하지만, 질소와 인을 제거할 수 있는 기작은 없기 때문에 본 연구에서와 같이 ABF 유출수를 반송함으로써 질소 및 인의 제거효과를 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
0 mg/L 이하로 낮추기는 어려운 것으로 조사되었으며, 그 이하로 유지하기 위해서는 화학적 인 제거 공법을 병행해야 할 것으로 생각된다. 혐기성 하수처리공정으로 유기물질을 효율적으로 제거하는 것은 가능하지만, 질소와 인을 제거할 수 있는 기작은 없기 때문에 본 연구에서와 같이 ABF 유출수를 반송함으로써 질소 및 인의 제거효과를 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 UASB 반응조를 혐기성 하수처리공법의 주된 공정으로 도입하되 호기성 생물막공정의 유출수를 UASB로 반송시켜 질소와 인을 함께 제거할 수 있는 공법을 연구한 결과, 얻을 수 있는 결론은?	1) 160일간의 UASB-ABF 시스템을 운영한 결과 유출수 반송을 통하여 TCOD뿐만 아니라, TN과 TP를 효율적으로 제거할 수 있었다. 2) 무반송의 경우 UASB 반응조에서 유기물 제거효율은 64%에 머물었으나, 반송률 120%, 180%, 240%로 증가한 결과 각각 92%, 95%, 96%로 향상되었다. 반송률 180% 이상에서는 유기물 제거효율 증가폭은 크지 않았다. 3) ABF 유출수 반송으로 TN 제거효율이 크게 향상되었다. TN 제거효율은 무반송 조건일 때 18%에서 82%로 향상되었으며, UASB에서 지속적인 유기물질 제거로 인하여 ABF에서 질산화효율은 안정적으로 95% 이상으로 나타났다. 5) ABF 유출수 반송으로 TP 및 PO43--P 제거효율이 모두 향상되었다. TP의 경우 무반송에서는 거의 제거되지 않았으나, 반송률이 120%, 180%, 240%에서는 각각 51%, 63%, 71%로 향상되었고, 주로 UASB에서 제거되었다.
	활성슬러지법은 무엇인가?	활성슬러지법은 호기성 미생물을 이용하여 유기물질을 최종적으로 이산화탄소와 물로 산화시켜 제거하는 전통적인 공법이다. 활성슬러지 공정은 1차 침전지와 2차 침전지에서 각각 생슬러지와 잉여슬러지가 발생하게 된다.
	혐기성 공법의 단점은?	이와는 달리 혐기성 하수처리는 호기성 처리에 비해 폭기를 위한 전기 사용이 불필요하고, 메탄가스를 생산해내기 때문에 이산화탄소 발생량을 크게 줄일 수 있다. 그러나 혐기성 공법은 고농도 유기성 폐수에 적합하고, 방류수 수질 농도를 낮게 할 수 없는 등 단점도 많기 때문에 호기성 공법과 적절하게 조합하여 사용할 필요가 있다. 혐기성 처리 기술은 정화조와 유사한 형태로 소규모 생활하수 처리에 활용되기도 하였으며, 암모니아 제거를 위한 호기성 처리공법과 조합하여 활성슬러지 공법에 준하는 방류수 수질을 확보할 수 있는 기술이 개발되고 있다.

참고문헌 (10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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