[논문]분리막 공정을 이용한 축산분뇨 처리장 액비의 고도처리

김주혜; 김승건; 이호원

doi:10.14579/membrane_journal.2014.24.2.142

분리막 공정을 이용한 축산분뇨 처리장 액비의 고도처리
Advanced Treatment of Liquid Fertilizer from Livestock Night Soil Treatment Facility by Membrane Separation Processes 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.24 no.2, 2014년, pp.142 - 150

김주혜 (제주대학교 생명화학공학과) , 김승건 (제주대학교 생명화학공학과) , 이호원 (제주대학교 생명화학공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 축산분뇨 처리장(바이오가스 플랜트) 액비의 고도처리에 적합한 공정을 도출하기 위한 기초 연구이다. 액비를 고도처리하기 위하여 나노여과 및 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 사용하였고, 전처리공정으로서 담체를 첨가하지 않은 MBR과 담체를 첨가한 MBR을 각각 적용하여 비교하였다. 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재하였다. MBR의 운전에서 담체(biomedia) 유무에 따른 COD, T-N 및 T-P의 제거효율에서 큰 차이는 없었으나, 담체를 첨가한 MBR의 TMP는 담체를 첨가하지 않은 MBR에 비해 매우 서서히 증가하였다. 전처리 공정으로 담체를 첨가한 MBR 공정을 사용한 경우, NF에 의한 COD, T-N 및 T-P의 제거효율은 각각 99.8, 86.5% 및 99.8%이었으며, RO에 의한 제거효율은 각각 99.9, 86.8% 및 99.9%이었다. MBR과 NF/RO 공정을 이용하여 처리한 액비의 최종 수질은 분뇨처리장 방류수 수질기준과 비교하였을 때, COD와 T-P는 방류수 수질기준을 만족하였으나, T-N은 수질기준에 부적합하였다. 따라서 T-N에 대한 방류수 기준을 만족시키기 위해서는 MBR 조업 cycle의 조정 또는 나노여과/역삼투에 의한 2차 재처리 등의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to develop the process suitable for the advanced treatment of liquid fertilizer from the livestock night soil treatment facility (biogas plant). Nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) process was used, respectively, for the advanced treatment of liquid fertilizer. And membrane bioreactor (MBR) with and without biomedia were tested, respectively, for the pretreatment. It was found that almost T-N of the liquid fertilizer was composed of ammoniacal nitrogen. Transmembrane pressure of MBR with biomedia increased slowly during the operation time, while that of MBR without biomedia increased rapidly at the initial time. But there was no difference observed in the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P irrespective of the dosage of biomedia. When the liquid fertilizer was pretreated by MBR with biomedia, the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P were 99.8, 86.5%, and 99.8% by NF, and 99.9, 86.8%, and 99.8% by RO, respectively. Compared with the effluent quality standards of the livestock night soil treatment facility, the water quality treated by MBR and NF/RO process met the standard for COD and T-P, but exceeded the permitted standard for T-N. In order to meet the effluent quality standard for T-N, it is necessary to change the MBR operation cycle or to add the secondary treatment by NF/RO.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

막결합 연속회분식 생물반응기는 MBR의 한 종류로서 활성슬러지가 포함된 반응조에 폐수를 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 등의 단계를 거쳐 처리하는 연속회분식 생물반응기 공정에서 침전 단계와 배출 단계를 분리막 여과로 대체한 공정이다[8-11]. 담체(biomedia)를 넣지 않은 MBR과 담체를 넣은 MBR, 그리고 나노여과와 역삼투의 각 처리공정에 대한 여과성능과 COD, T-N 및 T-P 등에 대한 처리 효율을 상호 비교함으로써 바이오가스 플랜트 액비의 고도처리 공정설계 및 최적 운전 조건 도출을 위한 기초 자료를 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 바이오가스 플랜트 액비의 수요가 공급보다 적을 경우에 대처할 수 있는 액비의 고도처리 방법을 모색하고 제시하였다. 액비의 고도처리를 위하여 나노여과(nanofiltration)와 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 적용하였고, 막결합 연속회분식 생물반응기(membrane-coupled sequencing batch reactor)를 이용하여 전처리하였다[4-7].
본 연구는 축산분뇨 처리장(바이오가스 플랜트) 액비의 고도처리에 적합한 공정을 도출하기 위한 기초 연구이다. 액비를 고도처리하기 위하여 나노여과 및 역삼투공정을 각각 사용하였고, 전처리공정으로서 담체를 첨가하지 않은 MBR과 담체를 첨가한 MBR을 각각 적용하여 비교하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

COD, 총질소, 총인 및 암모니아성 질소 농도는 각각 COD Digestion Reagent (HACH, U.S.A), Total Nitrogen Reagent (Cat. No. 26722-45, HACH, USA), Total Phosphate Reagent (Cat. No. 27426-45, HACH, USA) 및 Ammonia Nitrogen Reagent (Cat. No. 24582-00, HACH, USA)를 각각 사용하여 DR 5000 Spectrophotometer (HACH, U.S.A)로 3회 이상 측정하여 평균값으로 계산하였다.
MBR에서의 원수 공급펌프(PH-080M, Wilo, Korea), 에어펌프(AD-40, Air Hi tech, Korea), 교반기(SPG geared motor, S610, Kumil Industrial CO. LTD, Korea) 및 흡입펌프(peristaltic pump, BP-90361, Won Corporation, Korea)의 작동은 PLC로 제어하였다.
MBR의 운전조건은 Table 1에 나타낸 바와 같이 유입, 무산소 반응, 호기(비여과) 반응, 호기(여과) 반응을 연속적으로 실시하였으며, 한 사이클의 총 시간을 60분으로 하여 반복운전을 하였고, 반응조의 working volume은 17.8 L, 폭기량은 5 L/min으로 고정하였다. MBR-B는 MBR 반응조에 담체(biomedia)를 넣은 반응 조로서 폭기에 의해 담체가 유동될 수 있도록 설계, 제작하였다.
막모듈 양단에는 압력게이지를 설치하여 막에 작용하는 압력을 측정하였고, 유입 및 투과수량은 유량계를 설치하여 측정하였으며, 온도는 원수공급탱크에 온도조절장치를 설치하여 일정(25 ± 1℃)하게 유지되도록 하였다. NF/RO system으로 유입되는 유량은 4 L/min으로 고정하였고, 압력은 1.47, 1.96, 2.45, 2.94 MPa로 증가시키면서 운전하였다.
R_m은 운전 전에 막간차압 변화에 따른 투과선속 변화의 직선관계식으로부터 구할 수 있으며, R_t는 운전이 종료된 후 초순수를 여과하여 최종 막투과 유량과 막투과 압력을 이용하여 계산하였다. 그리고 (R_m + R_f)는 운전이 종료된 후 막 표면의 케이크 층을 스펀지를 이용하여 제거한 후 초순수를 다시 여과하여 측정하였다.
는 운전이 종료된 후 초순수를 여과하여 최종 막투과 유량과 막투과 압력을 이용하여 계산하였다. 그리고 (R_m + R_f)는 운전이 종료된 후 막 표면의 케이크 층을 스펀지를 이용하여 제거한 후 초순수를 다시 여과하여 측정하였다.
담체는 폴리우레탄 재질로 된 스펀지 형으로 크기는 가로 × 세로 × 높이가 5 mm × 5 mm × 5 mm 인 정육면체 모양을 사용하였고, 공극률은 95% 이상이다. 담체의 투여량은 반응조 운전부피의 10%로 하여 운전하였고, 담체를 넣지 않은 반응조(MBR-A)와 비교하였다.
막모듈 양단에는 압력게이지를 설치하여 막에 작용하는 압력을 측정하였고, 유입 및 투과수량은 유량계를 설치하여 측정하였으며, 온도는 원수공급탱크에 온도조절장치를 설치하여 일정(25 ± 1℃)하게 유지되도록 하였다.
2에 각각 나타내었다. 본 연구에 사용된 담체를 첨가한 MBR (MBR-B)은 김 등[14]이 개발한 Hybrid 반응조를 기초로 제작하였다.
5% NaOCl 용액으로 막세정을 실시하였다. 세정 직후의 TMP는 7.06 kPa로서 운전 초기의 TMP로 거의 회복되었으나, 두 사이클이 지나고 TMP가 다시 30 kPa 이상으로 도달하였지만 투과수의 플럭스는 잘 유지되고 있었기 때문에 다시 화학적 세정을 하지 않고 운전을 계속 진행하였다. TMP가 80 kPa에 도달하였을 때 다시 물 세정을 해주었고, 물 세정 직후의 TMP는 운전 초기의 값으로 거의 회복하였지만 또다시 TMP가 급격히 상승하여, 65번째 싸이클에서 막 교체를 하였다.
본 실험에서 사용된 원수는 바이오가스 플랜트에서 양돈분뇨를 처리한 후 최종적으로 생산된 액비를 사용하였다. 액비를 고도처리하기 시스템은 전처리 공정과 막분리 공정 2단계로 구성하였다. 전처리 공정으로는 MBR을 이용하였으며, 막분리 공정으로는 NF 또는 RO 공정을 각각 적용하였다.
본 연구는 축산분뇨 처리장(바이오가스 플랜트) 액비의 고도처리에 적합한 공정을 도출하기 위한 기초 연구이다. 액비를 고도처리하기 위하여 나노여과 및 역삼투공정을 각각 사용하였고, 전처리공정으로서 담체를 첨가하지 않은 MBR과 담체를 첨가한 MBR을 각각 적용하여 비교하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 바이오가스 플랜트 액비의 수요가 공급보다 적을 경우에 대처할 수 있는 액비의 고도처리 방법을 모색하고 제시하였다. 액비의 고도처리를 위하여 나노여과(nanofiltration)와 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 적용하였고, 막결합 연속회분식 생물반응기(membrane-coupled sequencing batch reactor)를 이용하여 전처리하였다[4-7]. 막결합 연속회분식 생물반응기는 MBR의 한 종류로서 활성슬러지가 포함된 반응조에 폐수를 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 등의 단계를 거쳐 처리하는 연속회분식 생물반응기 공정에서 침전 단계와 배출 단계를 분리막 여과로 대체한 공정이다[8-11].

대상 데이터

17 m²이다. NF/RO에 사용된 막은 국내 S사의 나노막과 역삼투막을 각각 사용하였으며, 모두 같은 크기의 나권형 막모듈을 사용하였다.
담체는 폴리우레탄 재질로 된 스펀지 형으로 크기는 가로 × 세로 × 높이가 5 mm × 5 mm × 5 mm 인 정육면체 모양을 사용하였고, 공극률은 95% 이상이다.
본 실험에서 사용된 원수는 바이오가스 플랜트에서 양돈분뇨를 처리한 후 최종적으로 생산된 액비를 사용하였다. 액비를 고도처리하기 시스템은 전처리 공정과 막분리 공정 2단계로 구성하였다.
액비를 고도처리하기 시스템은 전처리 공정과 막분리 공정 2단계로 구성하였다. 전처리 공정으로는 MBR을 이용하였으며, 막분리 공정으로는 NF 또는 RO 공정을 각각 적용하였다. 본 연구에서 사용한 실험장치를 Fig.

이론/모형

MLSS (mixed liquor suspended solids)는 standard method[13]에 의해 측정하였고, 반응기 내부의 용존 산소 농도(dissolved oxygen, DO)는 DO meter (DO-31P, TOA-DKK, Japan)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

1. 바이오가스 플랜트 액비의 총질소(T-N) 및 암모니아성 질소(NH₃-N)의 평균 농도는 각각 3,870 mg/L 및 3,540 mg/L로 서로 유사하였으며, 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재하였다.
2. MBR의 운전에서 담체(biomedia) 유무에 따른 COD, T-N 및 T-P의 제거효율에서 큰 차이는 없었으나, 담체를 첨가한 MBR의 TMP는 담체를 첨가하지 않은 MBR에 비해 매우 서서히 증가하였다.
3. 전처리 공정으로 담체를 첨가한 MBR 공정을 사용한 경우, NF에 의한 COD, T-N 및 T-P의 제거효율은 각각 99.8, 86.5% 및 99.8%이었으며, RO에 의한 제거효율은 각각 99.9, 86.8% 및 99.9%이었다.
MBR과 NF/RO 혼성 공정에 의해 처리된 최종처리 수질을 Table. 3에 나타낸 축산분뇨처리시설 방류수질 기준치와 비교해 본 결과 COD 및 T-P 농도는 수질기준을 만족하나 T-N 농도는 수질기준을 만족하지 못하였다. 이러한 이유는 액비 중의 총질소 농도가 3,870 mg/L로 다른 하폐수에 비해 매우 높고, 총질소가 주로 암모니아성 질소로 구성되어 있기 때문이다.
4. MBR과 NF/RO 공정을 이용하여 처리한 축산분뇨 처리장 액비의 최종 수질은 분뇨처리장 방류수 수질 기준과 비교하였을 때, COD와 T-P는 방류수 수질 기준을 만족하였으나, T-N은 수질기준에 부적합 하였다. 따라서 T-N에 대한 방류수 기준을 만족시키기 위해서는 질산화 반응을 촉진하기 위한 MBR 조업 cycle의 조정 또는 나노여과/역삼투에 의한 2차 재처리 등의 개선이 필요한 것으로 판단된다.
8%)이었다. MBR-A 반응조를 거치면서 3,000 mg/L (제거효율은 67.4%)로 감소하였고, MBR-A 투과수가 NF 공정을 거친 후에는 7 mg/L (제거효율은 99.8%)이었다. MBR-B 반응조의 투과수는 3,800 mg/L (제거효율은 58.
7%)로 나타내었다. MBR-A 투과수는 NF와 RO 공정을 각각 거치면서 각각 0.08 mg/L (제거효율은 99.8%) 및 0.04 mg/L (제거효율은 99.9%)로 감소되었고, MBR-B 투과 수가 NF와 RO 공정을 각각 거치면서 0.07 mg/L (제거 효율은 99.8%) 및 0.04 mg/L (제거효율은 99.9%)로 감소되었다. 원수를 기준으로 할 때 T-P의 제거효율은 NF/RO 공정을 통해 MBR-A와 MBR-B 투과수 모두 99.
MBR-A의 투과수가 RO 공정을 거친 후에는 4 mg/L (제거효율은 99.9%), MBR-B 투과수가 RO 공정을 거친 후에는 3 mg/L (제거효율은 99.9%)로 감소하여 원수를 기준으로 할 때 MBR-A와 MBR-B 반응조 모두 99.9% 이상의 제거효율을 보였다.
8%)이었다. MBR-B 반응조의 투과수는 3,800 mg/L (제거효율은 58.7%)이었고, NF 공정을 거친 후에는 6 mg/L (제거효율은 99.8%)로서 원수를 기준으로 할 때 MBR-A와 MBR-B 반응조 모두 99.9%이상의 총 제거효율을 보였다.
바이오가스 플랜트 액비의 총질소(T-N) 및 암모니아성 질소(NH₃-N)의 평균 농도는 각각 3,870 mg/L 및 3,540 mg/L로 서로 유사하였으며, 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재함을 알 수 있었다. 그러나 MBR-A 및 MBR-B에서의 암모니아성 질소의 제거효율은 각각 39.1% 및 28.1%로서 매우 낮게 나타났다.
그러나 담체를 첨가한 MBR (MBR-B)의 경우에는 185회의 싸이클(185시간) 동안 막세정이나 막교체 없이 운전을 진행할 수 있었으며, 담체를 첨가하지 않은 MBR (MBR-A)의 경우에 비해 TMP 상승이 현저하게 낮게 나타남을 알 수 있었다. 이와 같이 담체를 첨가한 MBR (MBR-B)에서 TMP 상승이 현저하게 낮게 제어되는 이유는 담체가 폭기에 의해 유동하면서 막 표면에 형성된 케이크 층을 제거하기 때문이며, MBR 운전에서 가장 큰 여과저항은 케이크 층에 의한 여과저항임을 확인할 수 있었다.
147× 10¹¹ m^-1이었다. 담체 첨가 유무에 관계없이 막표면에 형성되는 케이크 층에 의한 여과저항이 주요 여과저항임을 알 수 있었다. Kim 등[9]이 침지형 막결합 반응기를 사용하여 합성 폐수를 처리하였을 때, R_t, R_c, R_f 및 R_m값은 각각 4.
13에는 MBR-B와 NF/RO의 혼성공정에서 각 공정 투과수의 암모니아성 질소(NH₃-N) 농도 및 제거효율을 각각 나타내었다. 바이오가스 플랜트 액비의 총질소(T-N) 및 암모니아성 질소(NH₃-N)의 평균 농도는 각각 3,870 mg/L 및 3,540 mg/L로 서로 유사하였으며, 액비의 질소는 주로 암모니아성 질소의 형태로 존재함을 알 수 있었다. 그러나 MBR-A 및 MBR-B에서의 암모니아성 질소의 제거효율은 각각 39.
8%)로 각각 처리되었다. 원수를 기준으로 하였을 때 T-N의 총 제거효율은 MBR-A 투과수의 경우 NF 및 RO 공정을 통해 각각 89.4% 및 89.7%의 총 제거효율로 처리되었고, MBR-B 투과수의 경우에는 각각 90.7% 및 91.0%로 각각 처리되었다.
9%)로 감소되었다. 원수를 기준으로 할 때 T-P의 제거효율은 NF/RO 공정을 통해 MBR-A와 MBR-B 투과수 모두 99.9%의 총 제거효율을 나타내었다.
원수의 T-N은 3,870 mg/L이었으며, 1 µm 카트리지 필터로 여과한 후의 T-N 농도는 3,850 mg/L (제거효율은 0.5%)로서 1 µm 카트리지 필터에 의해서 T-N은 거의 제거되지 않음을 알 수 있었다.
원수의 T-P 는 131 mg/L이었으며, 1 µm 카트리지 필터를 여과하면서 T-P성분은 120 mg/L (제거효율은 8.4%)로 감소되었고, MBR-A와 MBR-B 반응조에 의해 각각 처리된 후의 T-P 농도는 모두 40 mg/L (제거효율은 66.7%)로 나타내었다.
14는 원수, 1 µm 카트리지 필터 여과수, MBR-B 투과수, NF 투과수 및 RO투과수를 상호 비교하기 위하여 촬영하여 나타낸 사진이다. 처리공정이 차례로 진행됨에 따라 탁도와 색도가 현저히 감소함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가축 사육 수두가 증가됨에 따라 축산분뇨는 어떠한 문제점 가지게 되었는가?	급격한 경제 발달로 인한 생활수준의 향상과 더불어 축산물 소비가 급증하게 되었으며, 이로 인해 축산업의 규모도 대규모로 발전함에 따라 축산폐수의 양 또한 급증하게 되었다[1]. 화학비료 사용이 일반화되기 전에는 축산분뇨가 대부분의 농촌에서 작물의 영양원 또는 토양 개량제로 활용되었으나 가축 사육두수가 증가됨에 따라 한계 부하량을 초과하여 수질오염, 악취발생 및 위생악화 등 심각한 환경문제를 일으키고 있다[2].
	현재 운전되고 있는 바이오가스 플랜트의 운전에서 가장 큰 문제는 무엇인가?	그러나 현재 운전되고 있는 바이오가스 플랜트의 운전에 있어서 가장 큰 문제는 액비의 생산량에 비해 수요처가 많지 않아 정상적인 운전이 곤란하다는 것이다. 따라서 액비의 수요가 적을 경우에는 바이오가스 플랜트(가축분뇨 처리장)의 정상적인 운전을 위해서는 액비를 저비용으로 고도처리하여 이를 방류/재이용할 수 있는 수처리 기술 개발이 필요하다.
	본 연구에서 적용된 액비의 고도처리 방법은 무엇인가?	따라서 본 연구에서는 바이오가스 플랜트 액비의 수요가 공급보다 적을 경우에 대처할 수 있는 액비의 고도처리 방법을 모색하고 제시하였다. 액비의 고도처리를 위하여 나노여과(nanofiltration)와 역삼투(reverse osmosis) 공정을 각각 적용하였고, 막결합 연속회분식 생물반응기(membrane-coupled sequencing batch reactor)를 이용하여 전처리하였다[4-7]. 막결합 연속회분식 생물반응기는 MBR의 한 종류로서 활성슬러지가 포함된 반응조에 폐수를 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 등의 단계를 거쳐 처리하는 연속회분식 생물반응기 공정에서 침전 단계와 배출 단계를 분리막 여과로 대체한 공정이다[8-11].

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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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