본 연구는 높은 상향유속을 가지는 고율 혐기성 공정의 단점을 해결하고자 반응조의 구조개선을 통한 고율 혐기성 반응조의 성능평가를 실시하였다. 개선된 반응조는 반응조의 직경을 조절하여 반응조를 세부분으로 구분하여 제작하였다. 구조 변경된 반응조의 성능평가 결과, 반응조 하부의 단회로 및 고형물 축적현상과 미생물 유출을 방지하여 반응조 내 미생물을 안정적으로 유지할 수 있었다. 혐기성 소화 과정에서 반응조내 pH와 알카리도 상승은 유기물 분해과정 및 biogas의 일부 재용해에 의해 생성된 중탄산염에 기인한 것으로 판단되며, 높은 유기물 제거효율을 이루기 위해서는 HRT 9 hr 이상, 유기물 부하 $10.0kgTCODcr/m^3{\cdot}d$ 이하 범위로 운전하여야 한다. 혐기성 소화과정에서 발생하는 메탄가스는 유기물 부하 $7.7kgTCODcr/m^3{\cdot}d$ 이상에서 65~83 %의 높은 함량을 나타냈으며, CODcr 제거당 메탄 발생량은 $0.10{\sim}0.23m^3CH_4/kgCOD_{rem}.$으로 STP 상태의 이론적 메탄가스 발생량(0.35)보다 낮은 것으로 조사되었으며, 고율 혐기성 공정후단에 질소제거를 위한 고도처리 공정이 필요한 것으로 판단된다.
본 연구는 높은 상향유속을 가지는 고율 혐기성 공정의 단점을 해결하고자 반응조의 구조개선을 통한 고율 혐기성 반응조의 성능평가를 실시하였다. 개선된 반응조는 반응조의 직경을 조절하여 반응조를 세부분으로 구분하여 제작하였다. 구조 변경된 반응조의 성능평가 결과, 반응조 하부의 단회로 및 고형물 축적현상과 미생물 유출을 방지하여 반응조 내 미생물을 안정적으로 유지할 수 있었다. 혐기성 소화 과정에서 반응조내 pH와 알카리도 상승은 유기물 분해과정 및 biogas의 일부 재용해에 의해 생성된 중탄산염에 기인한 것으로 판단되며, 높은 유기물 제거효율을 이루기 위해서는 HRT 9 hr 이상, 유기물 부하 $10.0kgTCODcr/m^3{\cdot}d$ 이하 범위로 운전하여야 한다. 혐기성 소화과정에서 발생하는 메탄가스는 유기물 부하 $7.7kgTCODcr/m^3{\cdot}d$ 이상에서 65~83 %의 높은 함량을 나타냈으며, CODcr 제거당 메탄 발생량은 $0.10{\sim}0.23m^3CH_4/kgCOD_{rem}.$으로 STP 상태의 이론적 메탄가스 발생량(0.35)보다 낮은 것으로 조사되었으며, 고율 혐기성 공정후단에 질소제거를 위한 고도처리 공정이 필요한 것으로 판단된다.
To resolve shortcomings of high-rate anaerobic processes, such as high upward flow velocity, this study sought to improve the structure of the high-rate anaerobic reactor and evaluate its performance. The improved reactor was manufactured by adjusting the diameter and dividing the reactor into three...
To resolve shortcomings of high-rate anaerobic processes, such as high upward flow velocity, this study sought to improve the structure of the high-rate anaerobic reactor and evaluate its performance. The improved reactor was manufactured by adjusting the diameter and dividing the reactor into three parts. The evaluation of the structurally improved reactor revealed that the reactor could stabilize a single circuit, and prevent the accumulation of solid matter and leakage of microbes, thereby stabilize the microbes. In the process of anaerobic digestion, an increase in pH and alkalinity within the reactor was presumably attributed to bicarbonate created in the process of organic matter decomposition and due to the re-dissolution of some biogas. To maintain a high rate of organic matter removal, the reactor should be operated with more than 9 hrs of HRT and an organic matter load of under $10.kgTCODcr/m^3{\cdot}d$. The methane gas generated in the anaerobic digestion process showed a high content of 65~83 % at the organic matter load of over $7.7kgTCODcr/m^3{\cdot}d$. per removal of CODcr. The methane quantity was generated at $0.10{\sim}0.23m^3CH_4/kgCOD_{rem}$, showing that it was smaller than the theoretical methane generation amount (0.35) in the STP state. In the latter part of high-rate anaerobic process, an advanced treatment process was required to remove nitrogen.
To resolve shortcomings of high-rate anaerobic processes, such as high upward flow velocity, this study sought to improve the structure of the high-rate anaerobic reactor and evaluate its performance. The improved reactor was manufactured by adjusting the diameter and dividing the reactor into three parts. The evaluation of the structurally improved reactor revealed that the reactor could stabilize a single circuit, and prevent the accumulation of solid matter and leakage of microbes, thereby stabilize the microbes. In the process of anaerobic digestion, an increase in pH and alkalinity within the reactor was presumably attributed to bicarbonate created in the process of organic matter decomposition and due to the re-dissolution of some biogas. To maintain a high rate of organic matter removal, the reactor should be operated with more than 9 hrs of HRT and an organic matter load of under $10.kgTCODcr/m^3{\cdot}d$. The methane gas generated in the anaerobic digestion process showed a high content of 65~83 % at the organic matter load of over $7.7kgTCODcr/m^3{\cdot}d$. per removal of CODcr. The methane quantity was generated at $0.10{\sim}0.23m^3CH_4/kgCOD_{rem}$, showing that it was smaller than the theoretical methane generation amount (0.35) in the STP state. In the latter part of high-rate anaerobic process, an advanced treatment process was required to remove nitrogen.
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문제 정의
본 연구는 이러한 EGSB 공정의 문제점을 해결하기 위하여 상향류식 반응조 내부의 구조를 변경하여 이에 대한 성능평가를 실시하였다.
본 연구에서는 이러한 높은 상향유속을 가지는 고율혐기성 공정의 단점을 해결하기 위하여 반응조 구조 변경에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
8371 at 35℃)를 이용하여 표준상태(STP; 0 ℃, 1 atm)로 산정하였다. 또한 biogas는 혐기성 반응조와 동일한 온도에서 포집되어 측정하였으며, biogas는 수증기로 포화되고 수증기압 하에서 용질환원은 일어나지 않는다고 가정하였다[9].
제안 방법
구조변경은 반응조 중앙부의 직경을 변화시켜 반응조내부 유체의 수리학적 흐름을 구역별로 다르게 유지할 수 있도록 하였다. 구조 변경된 반응조의 하부와 상부는 동일한 상향유속을, 반응조 중앙부에서는 상대적으로 높은 상향유속을 유지할 수 있도록 설계되었다. 반응조 하부의 상향유속은 3.
구조변경은 반응조 중앙부의 직경을 변화시켜 반응조내부 유체의 수리학적 흐름을 구역별로 다르게 유지할 수 있도록 하였다. 구조 변경된 반응조의 하부와 상부는 동일한 상향유속을, 반응조 중앙부에서는 상대적으로 높은 상향유속을 유지할 수 있도록 설계되었다.
반응조 최하부는 콘(cone)형태로 제작하여 반응조내 채널링(channeling) 현상을 최소화하였다. 또한, 반송라인과 유입라인을 분리하고, 유입수 및 반송수는 콘의 하부에서 혼합되도록 하였다. 반응조에서 생성된 biogas는 돔형 가스 포집조에 포집되고, 가스 포집조 내부에는 포화식염수(10% NaCl 1N-H2SO4)를 채우고 유출된 식염수의 양으로 가스량을 산정하였다.
또한, 반송라인과 유입라인을 분리하고, 유입수 및 반송수는 콘의 하부에서 혼합되도록 하였다. 반응조에서 생성된 biogas는 돔형 가스 포집조에 포집되고, 가스 포집조 내부에는 포화식염수(10% NaCl 1N-H2SO4)를 채우고 유출된 식염수의 양으로 가스량을 산정하였다. 유출구 하단에는 미생물의 유출을 최소화하기 위하여 baffle을 설치하였고, 반응조외부에는 항온수를 순환시켜 혐기성 공정의 적정 온도(35 ℃)를 유지하였다.
운전기간동안 HRT를 단계적으로 변화시키고 유입·유출수의 유기물 분석을 통해 유기물 제거효율을 평가하였다.
유효용적은 6.2L이며, 반응조 상부, 병목부, 하부의 부피비와 직경비는 각각 2:1:1과 2:1:2로 제작하였다. 반응조 최하부는 콘(cone)형태로 제작하여 반응조내 채널링(channeling) 현상을 최소화하였다.
고율 혐기성 반응조 내 미생물 식종은 입상 슬러지(granular sludge)를 사용하였는데, 직경 1mm 이하의 작은 입자는 체거름으로 분리하고, 비중이 낮은 입상슬러지는 부상시켜 분리하였다. 일반적으로 고율 혐기성공정의 미생물은 반응조 유효용적의 20 % 정도이나, 본 연구에서는 병목부의 입상슬러지 확장 효과를 고려하여 반응기 유효부피의 25 %로 주입하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용된 상향류식 고율 혐기성 반응조는 loop 형태로 Fig 1과 같이 반응조 중앙부의 직경을 축소시켜 빠른 유속을 유도하는 오리피스 형태로 제작되었다.
본 연구에 적용된 수산물 가공폐수의 경우 총질소(T-N)의 대부분은 유기질소와 암모니아성 질소(NH4+)로 구성되어 있었다. 운전기간동안 유입·유출 암모니아성 질소 변화는 Table 6에 제시하였다.
이론/모형
또한 biogas내에 포함된 메탄가스는 신재생 에너지로 활용할 수 있어 혐기성 공정에서 메탄가스 발생 및 순도는 에너지 생산 차원에서도 매우 중요하다. 연구과정에서 발생한 biogas는 온도와 수증기의 영향을 보정하기 위하여 Jewell 등 (1991)이 제시한 dry biogas factor(0.8371 at 35℃)를 이용하여 표준상태(STP; 0 ℃, 1 atm)로 산정하였다. 또한 biogas는 혐기성 반응조와 동일한 온도에서 포집되어 측정하였으며, biogas는 수증기로 포화되고 수증기압 하에서 용질환원은 일어나지 않는다고 가정하였다[9].
성능/효과
1) 구조 변경한 반응조는, 하부에서 단회로 현상 및 고형물 축적현상과 반응조 상부로의 슬러지 유출현상이 발생하지 않아 반응조내 미생물을 안정적으로 유지할 수 있었다.
2) 반응조내 pH와 알카리도 상승은 유기물 분해과정 및 biogas의 일부 재용해에 의해 생성된 중탄산염에 기인한 것으로 판단되며, 유출수 알카리도 상승은 후속 공정으로 질소제거에 있어 유리할 것으로 판단된다.
3) 유기물 제거효율 검토결과, HRT 9∼15 hr에서 TCODcr은 83.8∼87.9 %, SCODcr는 88.6∼89.8 %의 높은 제거효율을 나타냈으며, 안정적인 처리효율을 얻기 위해서는 HRT 9 hr 이상, 유기물 부하 10.0 kgTCODcr/m3·d 이하에서 운전하여야 할 것으로 판단된다.
4) 유출 암모니아 농도의 상승은 반응조 내 pH와 알칼리도 상승에도 영향을 미치는 것으로 조사되었으며, 후단에 설치될 고도처리 공정에서 안정적인 질소 제거 방안이 필요하다.
Biogas 발생량은 유기물 부하의 증가와 함께 점차 증가하다고 10 kgTCOD/m3·d이상에서는 거의 일정한 수준을 유지하는 것으로 조사되었다.
또한 유입수의 알카리도는 500∼700 mg/L로 조사되었으나, 유출수의 경우 1,100∼1,500 mg/L로 pH와 마찬가지로 상승하는 것으로 조사되었다.
반응조의 구조변경을 통한 반응조 내 유체흐름을 관찰한 결과, 유입수와 내부반송수가 유입되는 반응조 하부에서는 고형물의 축적 및 단회로 현상이 발생하지 않는 것으로 확인되었다. 또한 상향유속이 증가하는 중앙부의 경우 슬러지 유동층이 확대되어 미생물과 유입수의 접촉이 원활하게 발생하였으며, 반응조 상부에서는 상향유속이 다시 감소되었다.
본 연구결과와 같이 유출수의 알카리도 상승은 고율혐기성 공정 후단에 설치되는 고도처리 공정에서 질소제거에 유리할 것으로 판단된다. 일반적으로 질소제거 공정에서 질산화 과정에서 알카리도를 소모하게 되는데, 본 연구의 유출수는 유입수에 비하여 알카리도가 증가함으로 후단 공정에서 알카리도 부족으로 인한 질소제거효율의 감소 또는 알카리도의 보충은 불필요할 것으로 사료된다.
슬러지유출상태 확인을 위해 설치한 침전조에서 운전기간 동안 슬러지의 유출상태를 관찰한 결과, 미세 고형물 외 0.5mm 이상의 입상슬러지의 유출은 확인되지 않았다.
운전기간 동안 유입 TCODcr의 농도는 1,934∼4,246 mg/L, SCODcr의 농도는 1,558∼3,142 mg/L로 유입농도의 범위가 큰 것으로 조사되었다.
운전기간 동안의 유기물 부하는 5.7∼12.5 kgTCOD/ m3 · d 범위 였으며 유기물 부하가 증가할수록 제거효율은 감소하는 것으로 조사되었다.
유입 암모니아 농도는 172∼268 mg/L 이였으며 유출 암모니아 농도는 222∼311 mg/L로, 유입농도보다 유출 암모니아 농도가 더 높은 것으로 조사되었다.
본 연구에서의 알카리도 상승은 두 가지로 유추할 수 있다. 첫째, 유입폐수 내의 단백질과 아미노산 분해과정 중 발생된 중탄산염의 생성에 기인한 것으로 판단된다. 둘째, 본 연구의 고율 혐기성 반응조는 바이오가스 포집을 위하여 밀폐형으로 제작하였는데, 반응조 내부압력이 대기압 이상으로 상승함에 따라, 바이오가스 내의 이산화탄소 일부가 용해되어 형성된 중탄산염이 유출수의 알칼리도를 상승시킨 것으로 사료된다.
후속연구
그러나 이러한 유기물 분해과정에서 발생하는 폐수 내 질소농도의 상승은 고율 혐기성 공정 후단에 설치되는 고도처리 공정에서 효율적인 질소제거를 방해할 수 있는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 고율 혐기성 공정과 연계된 고도처리 공정의 후단에 황탈질조 등을 설치하여 안정적인 질소제거 방안을 계획하여야 할 것으로 판단된다.
본 연구결과와 같이 유출수의 알카리도 상승은 고율혐기성 공정 후단에 설치되는 고도처리 공정에서 질소제거에 유리할 것으로 판단된다. 일반적으로 질소제거 공정에서 질산화 과정에서 알카리도를 소모하게 되는데, 본 연구의 유출수는 유입수에 비하여 알카리도가 증가함으로 후단 공정에서 알카리도 부족으로 인한 질소제거효율의 감소 또는 알카리도의 보충은 불필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고율 혐기성 공정의 장점은?
이러한 단점을 해결하고자 현재 슬러지 발생량이 적고 부하변동에 강한 UASB(Upflow anaerobic sludge bed)공정과 같은 고율 혐기성 공정이 적용되고 있다[1]. UASB 공정과 같은 고율 혐기성 공정은 짧은 체류시간에서의 높은 유기물 제거효율, 잠재적 에너지 자원인 메탄가스 생성, 유입부하변동에 강한 장점 등으로 다양한 고농도 폐수처리에 널리 적용되고 있다. 그러나 다양한 폐수에 적용된 연구 사례가 많아짐에 따라 공정의 장·단기적 운영에 따른 문제점 또한 도출되었다[2].
고농도 유기성 폐수처리에 주로 이용되는 공정들의 단점을 해결하기 위한 방법은?
이러한 단점을 해결하고자 현재 슬러지 발생량이 적고 부하변동에 강한 UASB(Upflow anaerobic sludge bed)공정과 같은 고율 혐기성 공정이 적용되고 있다[1]. UASB 공정과 같은 고율 혐기성 공정은 짧은 체류시간에서의 높은 유기물 제거효율, 잠재적 에너지 자원인 메탄가스 생성, 유입부하변동에 강한 장점 등으로 다양한 고농도 폐수처리에 널리 적용되고 있다.
반응조 내부의 고형물 축적현상이 발생할 때 나타나는 문제는?
또다른 문제점으로 반응조 내부의 고형물 축적현상을 들 수 있다. 이는 단회로 현상과 같은 낮은 유속이 원인이 되어 반응조 하부에 유입된 고형물이 축적됨으로서 공정의 처리효율을 감소시키는 현상을 발생시킨다.
참고문헌 (9)
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