혐기 소화 상징액과 가축 분뇨를 대상으로 한 아질산화 반응조 내 foaming 특성 characteristic of foaming in nitritation reactor using anaerobic digester supernatant and livestock wastewater원문보기
고농도 질소를 함유하고 있는 하수는 하수처리장 처리 효율에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 고농도 질소를 함유한 하수를 처리하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 대표적인 고농도 질소를 함유한 하수인 혐기 소화 상징액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 분석, foaming 실험 및 실험실 규모 아질산화 반응조 운전을 실시하였다. 유기물 분석 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성한 성분, 가축분뇨는 입자성 생물학적 분해가능한 성분이 가장 큰 부분을 차지하는 것으로 나타났다. 아질산화 반응에 적합한 체류시간은 혐기소화 상징액 2일과 가축분뇨 6일이였으며, 이와 같은 적정 체류시간에 차이는 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상차이에 의한 것으로 보인다. 또한 가축 분뇨 반응조 foam은 혐기 소화 상징액 반응조 foam과 비교하여 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 아질산화 반응의 하수처리장 적용 시 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
고농도 질소를 함유하고 있는 하수는 하수처리장 처리 효율에 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서 고농도 질소를 함유한 하수를 처리하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 대표적인 고농도 질소를 함유한 하수인 혐기 소화 상징액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 분석, foaming 실험 및 실험실 규모 아질산화 반응조 운전을 실시하였다. 유기물 분석 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성한 성분, 가축분뇨는 입자성 생물학적 분해가능한 성분이 가장 큰 부분을 차지하는 것으로 나타났다. 아질산화 반응에 적합한 체류시간은 혐기소화 상징액 2일과 가축분뇨 6일이였으며, 이와 같은 적정 체류시간에 차이는 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상차이에 의한 것으로 보인다. 또한 가축 분뇨 반응조 foam은 혐기 소화 상징액 반응조 foam과 비교하여 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 아질산화 반응의 하수처리장 적용 시 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
It has been known that sewage containing high-concentration nitrogen affects the efficiency of municipal wastewater treatment plants harmfully. Therefore, research has been actively conducted to treat sewage containing high-concentration nitrogen. The current study has analyzed organic compounds, co...
It has been known that sewage containing high-concentration nitrogen affects the efficiency of municipal wastewater treatment plants harmfully. Therefore, research has been actively conducted to treat sewage containing high-concentration nitrogen. The current study has analyzed organic compounds, conducted foaming tests, and operated a laboratory-level nitritation reactor with the subjects of anaerobic digester supernatant and livestock wastewater which are the typical kinds of sewage containing high-concentration nitrogen. According to the results of analyzing organic compounds, soluble inert components form the largest part of anaerobic digester supernatant while particle biodegradable components occupy the most part of livestock wastewater. About the retention time proper for the reaction of nitritation, anaerobic digester supernatant shows 2 days while livestock wastewater indicates 6 days. It seems that the difference in the proper retention time is resulted from the difference of properties in organic compounds and ammonium nitrogen concentration. In addition, livestock wastewater's reactor foam is generated comparatively more than anaerobic digester supernatant's, but it tends to be eliminated faster. It is expected that the findings of this study can be utilized as foundational data afterwards in applying the reaction of nitritation to municipal wastewater treatment plants.
It has been known that sewage containing high-concentration nitrogen affects the efficiency of municipal wastewater treatment plants harmfully. Therefore, research has been actively conducted to treat sewage containing high-concentration nitrogen. The current study has analyzed organic compounds, conducted foaming tests, and operated a laboratory-level nitritation reactor with the subjects of anaerobic digester supernatant and livestock wastewater which are the typical kinds of sewage containing high-concentration nitrogen. According to the results of analyzing organic compounds, soluble inert components form the largest part of anaerobic digester supernatant while particle biodegradable components occupy the most part of livestock wastewater. About the retention time proper for the reaction of nitritation, anaerobic digester supernatant shows 2 days while livestock wastewater indicates 6 days. It seems that the difference in the proper retention time is resulted from the difference of properties in organic compounds and ammonium nitrogen concentration. In addition, livestock wastewater's reactor foam is generated comparatively more than anaerobic digester supernatant's, but it tends to be eliminated faster. It is expected that the findings of this study can be utilized as foundational data afterwards in applying the reaction of nitritation to municipal wastewater treatment plants.
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문제 정의
본 연구에서는 아질산화 반응조를 운전을 통해 혐기 소화 상징액 및 가축 분뇨의 아질산화 반응 특성을 분석하고자 하였다. 또한 유기물 성상 분석 및 반응조 내 foaming 특징에 관하여 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 아질산화 반응조를 운전을 통해 혐기 소화 상징액 및 가축 분뇨의 아질산화 반응 특성을 분석하고자 하였다. 또한 유기물 성상 분석 및 반응조 내 foaming 특징에 관하여 분석하고자 하였다.
제안 방법
6 (a)와 (b)는 각 각 혐기 소화 상징액과 가축 분뇨의 foam stability 실험의 대표적인 결과를 보여주고 있다. Foam stability 분석을 위해 산소를 공급한 후 foam이 발생한 후 산소 공급이 중단하고 시간에 따른 foam이 감소되는 높이를 측정하였다. 일반적으로 foam stability 실험에서 산소 공급을 중단한 뒤 foam이 초반에는 급격히 줄어들기 시작하면서 점차 그 속도가 감소하는 경향을 보이는 것으로 보고되었다(Nakajima and Mishima, 2005).
또한 유기물 분해 외에 질산화로 인한 산소 소모가 없도록 포기 반응조 내에 질산화 억제제를 주입하여 질산화를 방지하였으며, 외부공기가 유입되는 것을 방지하기 위해 DO 측정 반응조는 DO 전극를 외부와 차단하여 설치하였다. OUR 실험 시작 후 짧은 간격 (5분)으로 유입과 반송을 시켜가며 미생물에 의한 산소 소모율을 측정하였다.
실험실 규모 아질산화 반응조의 운전결과를 나타내고 있다. SRT에 따라 운전 구간을 구분하였으며, 실험실 규모 아질산화 반응조 운전은 초기 긴 SRT에서 점차 SRT를 줄이는 방식으로 운전하였다. Table 2에서는 운전 조건과 암모니아성 질소 제거율 및 아질산성 질소 전환율을 확인할 수 있다.
실험실 규모 아질산화 반응조는 Batch type으로 운전하였으며, 외부에 항온 수조, 히터와 냉각기를 설치하여 35℃ 온도가 유지되도록 하였다. 또한 반응조 내부에 교반기를 설치하여 완전혼합상태를 이루도록 하였으며, 반응조 하단에 공기공급펌프와 연결된 산기기를 설치하여 반응조 내 질산화에 필요한 산소가 부족함이 없도록 연속적으로 공급하였다. 실제 운전기간동안 실험실 규모 아질산화 반응조 내 DO 농도는 실제 하수처리장 운전 DO농도인 2 ~ 3 mg/L 이상으로 운전되었다.
포기 반응조에서는 실험 시작 전 최소 24시간 이상 포기 후 반응조 내 슬러지가 내생호흡상태에 도달하도록 한 후 시료를 주입하였다. 또한 유기물 분해 외에 질산화로 인한 산소 소모가 없도록 포기 반응조 내에 질산화 억제제를 주입하여 질산화를 방지하였으며, 외부공기가 유입되는 것을 방지하기 위해 DO 측정 반응조는 DO 전극를 외부와 차단하여 설치하였다. OUR 실험 시작 후 짧은 간격 (5분)으로 유입과 반송을 시켜가며 미생물에 의한 산소 소모율을 측정하였다.
또한 가축분뇨의 경우 혐기 소화 상징액과 비교하여 COD는 낮은 반면 BOD는 높은 것으로 측정되었다. 또한 질산화를 위한 알칼리도가 부족함이 없도록 Na(H)CO3를 이용하여 알칼리도를 보충하였다.
본 연구에서는 정확한 분석을 위해 카메라를 이용하여 촬영 후 분석을 실시하였다. 본 연구에서 foam의 지표로 foaming power와 foam stability을 이용하였는데, 이를 구하는 식은 아래의 식 1과 식 2를 통해 확인 할 수 있다. Foaming power는 주입되는 공기량이 비해 foaming 발생 부피를 나타내는 지표이며, foam stability는 foaming이 발생한 후 다시 안정적으로 foam이 사라지는 시간을 수치화한 값이다(Nakajima and Mishima, 2005).
산소가 공급되면 분석하고자 하는 시료를 넣은 반응조 내 foaming이 발생하게 되며, foaming이 발생하면 시료의 수위가 감소하게 되는데 이 수위차이를 측정한다. 본 연구에서는 정확한 분석을 위해 카메라를 이용하여 촬영 후 분석을 실시하였다. 본 연구에서 foam의 지표로 foaming power와 foam stability을 이용하였는데, 이를 구하는 식은 아래의 식 1과 식 2를 통해 확인 할 수 있다.
실험실 규모 아질산화 반응조는 Batch type으로 운전하였으며, 외부에 항온 수조, 히터와 냉각기를 설치하여 35℃ 온도가 유지되도록 하였다. 또한 반응조 내부에 교반기를 설치하여 완전혼합상태를 이루도록 하였으며, 반응조 하단에 공기공급펌프와 연결된 산기기를 설치하여 반응조 내 질산화에 필요한 산소가 부족함이 없도록 연속적으로 공급하였다.
유기물 성상 분석을 위한 oxygen utilization rate(OUR, 산소소모율) 실험은 포기 반응조와 Dissolved oxygen (DO) 측정 반응조로 구성하였다. 포기 반응조와 DO 측정 반응조의 시료 유입과 반송을 위해서 유량조절펌프를 사용하였으며, DO 반응조 하단에 자석교반기를 설치하여 DO 측정 반응조에서도 완전 혼합 상태가 이루어지도록 하였다.
포기 반응조와 DO 측정 반응조의 시료 유입과 반송을 위해서 유량조절펌프를 사용하였으며, DO 반응조 하단에 자석교반기를 설치하여 DO 측정 반응조에서도 완전 혼합 상태가 이루어지도록 하였다. 포기 반응조에서는 실험 시작 전 최소 24시간 이상 포기 후 반응조 내 슬러지가 내생호흡상태에 도달하도록 한 후 시료를 주입하였다. 또한 유기물 분해 외에 질산화로 인한 산소 소모가 없도록 포기 반응조 내에 질산화 억제제를 주입하여 질산화를 방지하였으며, 외부공기가 유입되는 것을 방지하기 위해 DO 측정 반응조는 DO 전극를 외부와 차단하여 설치하였다.
유기물 성상 분석을 위한 oxygen utilization rate(OUR, 산소소모율) 실험은 포기 반응조와 Dissolved oxygen (DO) 측정 반응조로 구성하였다. 포기 반응조와 DO 측정 반응조의 시료 유입과 반송을 위해서 유량조절펌프를 사용하였으며, DO 반응조 하단에 자석교반기를 설치하여 DO 측정 반응조에서도 완전 혼합 상태가 이루어지도록 하였다. 포기 반응조에서는 실험 시작 전 최소 24시간 이상 포기 후 반응조 내 슬러지가 내생호흡상태에 도달하도록 한 후 시료를 주입하였다.
혐기 소화조 상등액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 성상 분석, 실험실 규모 아질산화 반응조 운전 및 foaming test를 통해 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있었다.
대상 데이터
본 연구는 서울 A하수처리장 혐기 소화조 상등액과 B 가축분뇨처리장의 유입수를 대상으로 진행하였다. Table 1에서는 본 연구에 사용된 연구 대상 시료의 성상을 보여주고 있다.
이론/모형
실제 운전기간동안 실험실 규모 아질산화 반응조 내 DO 농도는 실제 하수처리장 운전 DO농도인 2 ~ 3 mg/L 이상으로 운전되었다. 연구에 사용된 수질 분석은 standard method 20th 에 의거하여 분석하였다(APHA, 1998).
성능/효과
2 (b) 가축 분뇨의 경우에는 Fig. 2 (a) 혐기 소화 상징액과는 다르게 대부분 생물학적으로 분해 가능한 Ss 와 Xs 성분으로 구성되어 있음을 확인 할 수 있다. 특히 Xs 성분으로 존재하는 유기물이 가장 많은 부분을 차지하며, 이는 분뇨의 영향에 의한 것으로 사료된다.
1) 혐기 소화 상징액과 가축분뇨의 유기물 성상을 분석한 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성 유기물의 비율이 가장 큰 것으로 나타났고, 가축 분뇨의 경우 입자성으로 존재하는 생물학적 분해 가능한 유기물이 가장 높은 비율을 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 유기물 성상 분석 결과는 혐기 소화 상징액과 가축분뇨에 적합한 생물학적 처리 공법 개발의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
2) 아질산화 반응이 유도되는 적정 체류시간는 혐기 소화 상징액 2일 가축 분뇨 6일로 나타났다. 또한 적정 체류시간 조건에서 혐기 소화 상징액에서 가축 분뇨에 비해 높은 아질산성 질소 전환율을 보였다.
3) 가축 분뇨의 경우 혐기 소화 상징액에 비해 foam 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같은 foam 분석 자료는 향후는 가축 분뇨와 혐기 소화 상징액에서 발생하는 foam을 관리하는데 중요한 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
혐기 소화 상징액의 암모니아성 질소의 농도는 약 950 mg/L였고, 가축 분뇨는 약 2,520 mg/L임을 확인할 수 있다. 또한 가축분뇨의 경우 혐기 소화 상징액과 비교하여 COD는 낮은 반면 BOD는 높은 것으로 측정되었다. 또한 질산화를 위한 알칼리도가 부족함이 없도록 Na(H)CO3를 이용하여 알칼리도를 보충하였다.
2) 아질산화 반응이 유도되는 적정 체류시간는 혐기 소화 상징액 2일 가축 분뇨 6일로 나타났다. 또한 적정 체류시간 조건에서 혐기 소화 상징액에서 가축 분뇨에 비해 높은 아질산성 질소 전환율을 보였다. 이는 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상 비율 차이에 기인한 것으로 보이며 운전조건을 선정 시 고려 해야할 것으로 판단된다.
1에서 설명한 유기물 성상 차이와 암모니아성 질소의 농도에 영향을 받은 것으로 판단된다. 또한 혐기 소화 상징액에서 가축분뇨 보다 높은 아질산성 질소 전 환율을 보였는데, 가축분뇨 내 SS와 XS가 분해를 위해 긴 체류시간을 필요로 한 것에 영향을 받았을 것으로 보인다. 즉 아질산화 반응 유도를 위해서는 유입수 내 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상 비율을 고려하여 적정 운전조건을 선정하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
Foam stability는 앞서 언급한 바와 같이 k1에 대한 함수이다. 분석 결과 혐기 소화 상징액의 경우 산소 공급을 중단 한 후 약 300초 정도 후 foam이 사라진 반면 가축 분뇨는 130초 정도 후 foam이 사라지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 혐기 소화 상징액의 foam이 사라지기까지 가축 분뇨에 비해 시간이 오래 걸린다는 것을 확인 할 수 있다.
2 (a) 혐기 소화 상징액의 경우 대부분의 유기물이 생물학적으로 분해 불가능한 유기물로 구성되어 있음을 확인 할 수 있다. 특히 SI 성분으로 존재하는 유기물이 가장 많은 부분을 차지하고 있음을 확인 할 수 있다. 일반적으로 혐기 소화는 슬러지 처리공정에 위치하는데, 하수처리장 내 생물 처리 공정, 농축조 및 혐기 소화 등을 거치게 되며 대부분의 생물학적 분해 가능한 유기물은 제거가 이루어진 것으로 판단된다.
특히 Xs 성분으로 존재하는 유기물이 가장 많은 부분을 차지하며, 이는 분뇨의 영향에 의한 것으로 사료된다. 혐기 소화 상징액 유기물 구성 비율은 SS: 5%, XS: 7%, SI: 76% 그리고 XI: 12%였으며, 가축분뇨의 유기물 구성 비율은 SS: 32%, XS: 41%, SI: 13% 그리고 XI: 14%로 나타났다.
6 (c)는 foam stability 분석 결과를 보여주고 있다. 혐기 소화 상징액의 foam stability값이 가축 분뇨에 비해 약 10배 이상 긴 것으로 나타났으며, 이는 혐기 소화 상징액의 foam이 제거되는 걸리는 시간은 가축분뇨 foam에 비해 긴 시간을 필요로 한다는 것을 알 수 있다. 이는 3.
Table 1에서는 본 연구에 사용된 연구 대상 시료의 성상을 보여주고 있다. 혐기 소화 상징액의 암모니아성 질소의 농도는 약 950 mg/L였고, 가축 분뇨는 약 2,520 mg/L임을 확인할 수 있다. 또한 가축분뇨의 경우 혐기 소화 상징액과 비교하여 COD는 낮은 반면 BOD는 높은 것으로 측정되었다.
후속연구
4에서 분석한 foam power를 고려하여 해석하면, 가축 분뇨에서 발생하는 foam의 경우 혐기 소화 상징액에서 발생하는 foam에 비해 단위 산소량에 대해 foam 발생량은 많지만 산소 공급을 중단하게 되면 빠르게 제거되는 특성을 가진다고 생각할 수 있다. 이는 가축 분뇨와 혐기 소화 상징액에서 발생하는 foam을 관리하는데 중요한 자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다.
3) 가축 분뇨의 경우 혐기 소화 상징액에 비해 foam 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같은 foam 분석 자료는 향후는 가축 분뇨와 혐기 소화 상징액에서 발생하는 foam을 관리하는데 중요한 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
1) 혐기 소화 상징액과 가축분뇨의 유기물 성상을 분석한 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성 유기물의 비율이 가장 큰 것으로 나타났고, 가축 분뇨의 경우 입자성으로 존재하는 생물학적 분해 가능한 유기물이 가장 높은 비율을 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 유기물 성상 분석 결과는 혐기 소화 상징액과 가축분뇨에 적합한 생물학적 처리 공법 개발의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 국내에서 하·폐수 내 질소 제거를 위해 쓰이는 공법의 문제점은 무엇인가?
현재 국내에서는 하·폐수 내 질소 제거를 위해 완전질산화에 이은 탈질 반응을 기반으로 하는 공법을 이용하는데 이는 많은 양의 산소, 탄소원, 에너지와 비용을 요구하는 문제점이 있다. 또한 국내 하수의 특징으로 다른 국가들에 비해 낮은 유기물/질소 비를 보이는데, 이는 탈질 시 다량의 추가적인 탄소원 공급이 필요하다는 것을 의미한다.
고농도 질소를 함유한 하수인 혐기 소화 상징액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 분석, foaming 실험 및 실험실 규모 아질산화 반응조 운전을 실시한 결과는 어떠한가?
본 연구에서는 대표적인 고농도 질소를 함유한 하수인 혐기 소화 상징액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 분석, foaming 실험 및 실험실 규모 아질산화 반응조 운전을 실시하였다. 유기물 분석 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성한 성분, 가축분뇨는 입자성 생물학적 분해가능한 성분이 가장 큰 부분을 차지하는 것으로 나타났다. 아질산화 반응에 적합한 체류시간은 혐기소화 상징액 2일과 가축분뇨 6일이였으며, 이와 같은 적정 체류시간에 차이는 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상차이에 의한 것으로 보인다. 또한 가축 분뇨 반응조 foam은 혐기 소화 상징액 반응조 foam과 비교하여 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 보였다. 본 연구의 결과는 향후 아질산화 반응의 하수처리장 적용 시 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
혐기 소화조 상등액과 가축분뇨를 대상으로 유기물 성상 분석한 결과는 무엇인가?
1) 혐기 소화 상징액과 가축분뇨의 유기물 성상을 분석한 결과 혐기 소화 상징액은 용존성 불활성 유기물의 비율이 가장 큰 것으로 나타났고, 가축 분뇨의 경우 입자성으로 존재하는 생물학적 분해 가능한 유기물이 가장 높은 비율을 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 유기물 성상 분석 결과는 혐기 소화 상징액과 가축분뇨에 적합한 생물학적 처리 공법 개발의 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
2) 아질산화 반응이 유도되는 적정 체류시간는 혐기 소화 상징액 2일 가축 분뇨 6일로 나타났다. 또한 적정 체류시간 조건에서 혐기 소화 상징액에서 가축 분뇨에 비해 높은 아질산성 질소 전환율을 보였다. 이는 암모니아성 질소 농도 및 유기물 성상 비율 차이에 기인한 것으로 보이며 운전조건을 선정 시 고려 해야할 것으로 판단된다.
3) 가축 분뇨의 경우 혐기 소화 상징액에 비해 foam 발생량은 많지만 빠르게 제거되는 특성을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같은 foam 분석 자료는 향후 는 가축 분뇨와 혐기 소화 상징액에서 발생하는 foam을 관리하는데 중요한 기초 자료로 이용할 수 있을 것으로 보인다.
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