[논문]부유 성장식 생물학적 폐수처리에 미치는 구리의 영향

서정범; 황창민

doi:10.4491/ksee.2013.35.7.479

부유 성장식 생물학적 폐수처리에 미치는 구리의 영향
Effect of Copper on the Suspended Growth Biological Wastewater Treatment 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.7, 2013년, pp.479 - 484

서정범 (안양대학교 환경에너지공학과) , 황창민 (안양대학교 환경에너지공학과)

초록
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본 연구에서는 회분식 실험 및 $A_2/O$ 공법의 연속식 실험으로 구리가 생분해, 산소소모율 및 질산화에 미치는 영향을 검토하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 구리 영향 실험 결과 유기물 분해는 회분식 실험의 경우 구리 농도 4.5 mg/L 이상, 연속식은 구리 농도 2.0 mg/L 이상일 때 영향을 미쳤다. 질산화 및 질소 제거의 경우 회분식은 구리 농도 4.5 mg/L 이상에서 질산화에 영향을 미쳤으며, 연속식의 경우 구리 농도 1 mg/L 이상일 때 질소 제거에 영향을 미쳤다. 인 제거의 경우 회분식은 구리 농도 4.5 mg/L, 연속식은 구리 농도 2 mg/L 이상일 때 영향을 미치는 것으로 나타났다. 산소소모율의 경우 회분식과 연속식 모두 구리 농도 1.5 mg/L 이상일 경우 미생물 활성에 나쁜 영향을 주어 산소소모율이 낮아졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to examine the effect of copper on the biodegradability, nitrification, denitrification and oxygen uptake rate (OUR) using batch reactor and continuous flow stirred tank reactor (CSTR) of anaerobic/anoxic/oxic ($A_2/O$). The results of this study can be summarized as follows. In the case of the effect of copper on organic treatment, the bad effect initiated when it was above 4.5 mg/L copper with batch reactor and above 2.0 mg/L copper with CSTR. Concerning the case on nitrification and removal of nitrogen, it showed bad effect when copper was above 4.5 mg/L with batch reactor for nitrification and 1.0 mg/L with CSTR for the removal of nitrogen. The bad effect on the removal of phosphorus began when it was 4.5 mg/L copper with batch reactor and 2 mg/L copper with CSTR. In the case of OUR, it decreased as microbial activity was affected when copper concentration was above 1.5 mg/L in both case of batch reactor and CSTR.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

구리가 부유성장식 생물학적 공정의 생분해, 질소 제거, 인 제거 및 산소소모율에 미치는 영향을 검토하기 위한 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 회분식 실험으로 구리가 생분해, 산소소모율 및 질산화 등에 미치는 영향을 평가하고, 연속식 실험으로 Anaerobic/Anoxic/Oxic (A²/O)공법에 대하여 구리 농도 변화에 따른 생분해, 산소소모율 및 질소 제거에 미치는 영향을 검토하였다.

제안 방법

A2/O 공정은 폭기조의 폭기량, HRT 등이 같은 조건에서 2개의 반응조가 이용되었는데, 내부반송율은 유입수의 200%, 외부반송율은 유입수의 50%, MLSS는 2,000±200 mg/L 유지되도록 운전하였다.
5 mg/L가 되도록 희석하였다. 각 조건의 변화에 따른 유기물, 질소, 인, SS 및 산소소모율 등을 측정하였다. 시료의 분석은 수질오염공정시험법¹⁰⁾및 Standard methods¹¹⁾에 따라 분석하였다.
A²/O 공정은 폭기조의 폭기량, HRT 등이 같은 조건에서 2개의 반응조가 이용되었는데, 내부반송율은 유입수의 200%, 외부반송율은 유입수의 50%, MLSS는 2,000±200 mg/L 유지되도록 운전하였다. 각각의 반응조에 구리 농도를 달리하여 운전하였다. 구리는 각각 1,000 mg/L 표준용액을 이용하여 0.
그리고 반응조의 나머지는 폐수로 채웠다. 각각의 조건 변화 실험에서 회분반응기의 시료 채취 시간은 1, 2, 4, 6, 8, 12 및 24시간 경과 후이며 BOD는 6, 12 및 24시간 경과 후에만 분석하였다.
각각의 반응조에 구리 농도를 달리하여 운전하였다. 구리는 각각 1,000 mg/L 표준용액을 이용하여 0.5 mg/L, 1.0 mg/L, 1.5 mg/L, 2.0 mg/L 및 2.5 mg/L가 되도록 희석하였다. 각 조건의 변화에 따른 유기물, 질소, 인, SS 및 산소소모율 등을 측정하였다.
구리에 대한 영향 농도를 알아보기 위한 회분식 실험에서는 1,000 mg/L 표준용액을 이용하여 각각 0.1 mg/L, 0.2 mg/L, 0.3 mg/L, 0.5 mg/L, 1.5 mg/L, 3 mg/L 및 4.5 mg/L가 되도록 하였다. 조건 변화에 따른 모든 회분식 실험에서 산소소모율을 측정하였는데, 산소소모율은 실험 개시 6시간 후의 폭기액을 채취하여 DO 소모 속도를 구하고 이 값을 MLSS 농도로 나누어서 계산하였다.
회분 반응조의 재질은 아크릴이며 유효용적은 27 L로 4개의 반응조가 사용되었다. 산소 공급은 폭기기와 산기석을 이용하여 용존산소 농도를 2.0~3.5 mg/L로 유지하였다.
연속흐름 BNR 반응조는 아크릴로 2개의 반응조를 동일한 크기로 제작하였으며 BNR 공정 중 A²/O 공정을 기본으로 하여 혐기조, 무산소조, 호기조 및 최종침전조로 구성하였다. 혐기조, 무산소조, 호기조 및 최종침전조의 유효용적은 각각 1.
5 mg/L가 되도록 하였다. 조건 변화에 따른 모든 회분식 실험에서 산소소모율을 측정하였는데, 산소소모율은 실험 개시 6시간 후의 폭기액을 채취하여 DO 소모 속도를 구하고 이 값을 MLSS 농도로 나누어서 계산하였다.
/O 공정을 기본으로 하여 혐기조, 무산소조, 호기조 및 최종침전조로 구성하였다. 혐기조, 무산소조, 호기조 및 최종침전조의 유효용적은 각각 1.2 L, 1.2 L, 3.6 L 및 2 L로 하였으며, Hydraulic retention time (HRT)은 각각 1.6 hr, 1.6 hr, 4.8 hr 및 2 hr로 하였고, 혐기조와 무산소조는 부유고형물이 침전되지 않도록 각각 30 rpm으로 교반시켰으며, 최종침전조의 회전속도는 1 rpm으로 하였다. 원수의 주입과 내부반송은 Master flux tubing pump (Model CP-90601)를 사용하였다.
회분식 실험에 사용된 폐수는 S하수종말처리장으로 유입 되는 생활하수이며, 회분식 실험을 위한 미생물 슬러지는 A 하수종말처리장의 폭기조 슬러지를 채취하여 MLSS 농도가 약 2,000 mg/L가 되도록 적정량을 반응조에 유입시켰다. 그리고 반응조의 나머지는 폐수로 채웠다.

대상 데이터

연속흐름 완전혼합 반응기에 유입되는 폐수는 합성폐수를 이용하였으며 미생물 슬러지는 A하수종말처리장의 반송슬러지를 채취하여 합성폐수에 적응시킨 후 실험에 이용하였다. 탄소원으로는 monosodium gluamate, glucose, beef extract, yeast extract와 BACTO™ peptone를 사용하였으며, 기타 미량원소인 나트륨, 칼슘, 마그네슘 및 철 등을 공급하였다.
탄소원으로는 monosodium gluamate, glucose, beef extract, yeast extract와 BACTO™ peptone를 사용하였으며, 기타 미량원소인 나트륨, 칼슘, 마그네슘 및 철 등을 공급하였다.
2에 나타내었다. 회분 반응조의 재질은 아크릴이며 유효용적은 27 L로 4개의 반응조가 사용되었다. 산소 공급은 폭기기와 산기석을 이용하여 용존산소 농도를 2.

이론/모형

시료의 분석은 수질오염공정시험법10) 및 Standard methods11)에 따라 분석하였다.

성능/효과

1) 유기물 분해에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 Cu 농도 4.5 mg/L 이상일 때 유기물 분해에 다소의 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 연속식 실험의 경우 구리 농도가 2 mg/L 이상일 때 유기물 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
2) 질산화 및 탈질에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 구리 농도 4.5 mg/L 이상일 때 질산화에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 연속식 실험의 경우 구리 농도 1 mg/L 이상에서 질소 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
3) 인 제거에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 구리 농도 4.5 mg/L 이상일 때 인 섭취에 다소 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연속식 실험의 경우 구리 2 mg/L 이상에서 다소 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.
4) 구리 농도에 따른 산소소모율 측정결과 회분식과 연속식 모두 구리 농도 1.5 mg/L 이상일 때 미생물 활성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.
0 mg/L 이상에서는 BOD 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다. COD 제거율에 있어서도 BOD와 유사한 경향으로 구리 농도 2 mg/L 및 2.5 mg/L에서 평균 COD 제거율이 76.8% 및 70.6%로 다소 나쁜 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 또한 구리 농도 2.
Fig. 6은 (NO₂+NO₃)-N 실험결과로서 본 연구에서 행한 구리 농도 범위에서는 구리 농도가 질산화에 미치는 영향이 관찰되지 않았으며, Fig. 5의 NH₃-N 농도가 감소함에 따라 (NO₂+NO₃)-N은 시간 경과에 따라 증가하였다.
NH₃-N의 경우 구리 농도 0.5 mg/L까지는 처리수 농도가 대부분 0에 가까운 값을 나타내어 완전한 질산화가 일어남을 알 수 있었지만, 구리 농도 1 mg/L, 1.5 mg/L, 2 mg/L 및 2.5 mg/L일 때 처리수 평균 농도가 각각 5.4 mg/L, 9.4 mg/L, 8.7 mg/L 및 9.7 mg/L로 높아지는 경향을 보여 구리 1.5 mg/L 이상에서는 질산화에 악 영향을 미치는 것으로 판단되었다. (NO₂+NO₃)-N의 경우 구리 농도에 상관없이 8.
11은 구리 농도 변화에 따른 T-P 실험 결과를 나타낸 것이다. T-P의 경우 구리 농도 1.5 mg/L까지는 처리수 농도 7.7 mg/L~9.0 mg/L 범위를 나타내었지만, 구리 농도 2 mg/L 및 2.5 mg/L의 경우 각각 평균 10.5 mg/L 및 11.9 mg/L로 구리 2 mg/L 이상에서 다소 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.
9%로 구리 1 mg/L 이상에서는 질소 제거에 악 영향을 미치는 것으로 나타났다. T-P의 경우 구리 농도가 증가함에 따라 제거율이 점차 감소하는 경향을 나타내었는데, 특히 2 mg/L 이상에서 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
10은 구리 농도 변화에 따른 T-N, NH₃-N 및 (NO₂+NO₃)-N 실험 결과를 나타낸 것이다. 구리 농도 0.5 mg/L까지는 처리수의 T-N 농도가 약 20 mg/L로 비슷한 값을 나타내었으나 구리 농도가 1.0 mg/L, 1.5 mg/L, 2.0 mg/L 및 2.5 mg/L로 높아짐에 따라 처리수의 T-N 농도가 크게 높아지는 경향을 보였다.
9는 구리 농도 변화에 따른 BOD 및 COD의 실험 결과를 나타낸 것이다. 구리 농도 1 mg/L까지는 처리수의 BOD 농도가 평균 16 mg/L 이하로 양호한 수질을 나타내었으며, 구리 농도가 1.0 mg/L 및 1.5 mg/L로 높아짐에 따라 처리수의 BOD 농도도 다소 높아지기는 하였으나 평균 20 mg/L 이하의 양호한 수질을 나타내었다. 구리 농도가 2.
2의 범위로 중성에 가깝게 유지하였다. 구리 농도가 0 mg/L, 0.5 mg/L 1.0 mg/L 및 1.5 mg/L의 경우 평균 BOD 제거율이 각각 89.7%, 90.5%, 87.0 및 86.6%로 유기물 제거에 영향을 미치지는 않아 처리수의 BOD 농도가 20 mg/L 이하의 양호한 수질을 나타내었으나 구리 농도가 2 mg/L 및 2.5 mg/L일 때는 BOD 제거율이 78.8% 및 70.3%로 구리 농도 2.0 mg/L 이상에서는 BOD 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다. COD 제거율에 있어서도 BOD와 유사한 경향으로 구리 농도 2 mg/L 및 2.
5 mg/L로 높아짐에 따라 처리수의 BOD 농도도 다소 높아지기는 하였으나 평균 20 mg/L 이하의 양호한 수질을 나타내었다. 구리 농도가 2.0 mg/L 및 2.5 mg/L로 높아지면서 처리수의 BOD 수질도 악화되는 경향을 보였는데, 평균 BOD 농도가 각각 32.5 mg/L 및 45.4 mg/L로 처리효율은 각각 78.8% 및 70.3%로 낮아졌다. COD도 BOD와 유사한 경향을 나타내었다.
구리 농도에 따른 T-N 제거율의 경우 구리 농도가 0.5 mg/L까지는 50% 이상의 양호한 제거율을 나타내었으며, 구리 농도 1 mg/L, 1.5 mg/L, 2 mg/L 및 2.5 mg/L일 경우에는 평균 제거율이 각각 37.0%, 29.4%, 22.9% 및 13.9%로 구리 1 mg/L 이상에서는 질소 제거에 악 영향을 미치는 것으로 나타났다. T-P의 경우 구리 농도가 증가함에 따라 제거율이 점차 감소하는 경향을 나타내었는데, 특히 2 mg/L 이상에서 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.
5 mg/L 이상일 때 인 섭취에 다소 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연속식 실험의 경우 구리 2 mg/L 이상에서 다소 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BNR 공법으로 운전되고 있는 공단 주변의 하수종말처리장이 정상적인 운전에 어려움을 겪는 이유는?	현재 국내의 하수처리는 표준 활성슬러지 공법에서 영양염류제거(Biological Nutrient Removal: BNR) 공법으로 변화하고 있다. BNR 공법으로 운전되고 있는 공단 주변의 하수종말처리장은 중금속과 독성물질이 포함된 공단폐수의 유입으로 정상적인 운전에 어려움을 겪고 있다. 산업폐수에는 다양한 종류의 독성 유기물과 높은 농도의 중금속 및 고농도의 질소를 함유하고 있어 생물학적 고도처리 공정에 심각한 문제를 유발할 수 있다.
	중금속과 유해물질을 포함한 중금속 폐수는 어떤 결과를 초래하는가?	중금속과 유해물질을 포함한 중금속 폐수는 생물학적 처리시스템 내에 유입시, 생물학적 처리공정의 처리효율을 저하시키고 독성을 나타낸다. 즉 하수처리장 유입수 내 오염물질 항목 중 Cu, Zn 및 Pb과 같은 중금속 성분들은 미생물 효소와 반응하여 물질대사의 억제 및 방해를 초래한다.6) Adams7) 등은 암모니아성 질소 및 아질산염을 기질로 이용하는 질산화균은 유기물의 분해로부터 성장하는 미생물보다 성장속도가 느리기 때문에 효율적인 질산화 반응을 위해서는 비교적긴 SRT가 요구된다고 하였다.
	구리가 부유성장식 생물학적 공정의 생분해, 질소 제거, 인 제거 및 산소소모율에 미치는 영향을 검토하기 위한 연구를 수행한 결과, 얻을 수 있는 결론은?	1) 유기물 분해에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 Cu 농도 4.5 mg/L 이상일 때 유기물 분해에 다소의 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 연속식 실험의 경우 구리 농도가 2 mg/L 이상일 때 유기물 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 2) 질산화 및 탈질에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 구리 농도 4.5 mg/L 이상일 때 질산화에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 연속식 실험의 경우 구리 농도 1 mg/L 이상에서 질소 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 3) 인 제거에 미치는 구리 영향 실험 결과 회분식 실험의 경우 구리 농도 4.5 mg/L 이상일 때 인 섭취에 다소 영향을 미치는 것으로 나타났다. 연속식 실험의 경우 구리 2 mg/L 이상에서 다소 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다. 4) 구리 농도에 따른 산소소모율 측정결과 회분식과 연속식 모두 구리 농도 1.5 mg/L 이상일 때 미생물 활성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 나타났다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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APHA-AWWA-WEF, Standard Methods 19th ed., American Public Health Association(1995).
Korean department of Environment, Standard Methods of Water Quality(2001).

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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