여과분리형 생물반응조 운전에서 발생하는 flux 감소 원인을 분석하였고, 상등수 수질과 침강성 변화가 flux에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 여과막 모듈과 역세정 장치 일체형 시스템의 특성을 평가하였다. 반응조는 17L 유효 용적의 아크릴 반응조에 $100{\mu}m$ 공경의 여과막 모듈을 통해 배출되는 여과시스템으로, 여과시간이 경과함에 따라 상등수의 수질 특히 탁도와 TOC의 수질이 악화됨에 따라 flux가 점진적으로 감소하였다. MLSS 농도가 18000mg/L 이상에서는 여과저항이 급격히 증가하였다. 상등수의 수질과 flux와의 관계를 규명하기 위해서는 MLSS 농도가 10000mg/L 이상에서는 곤란함에 따라 5000mg/L이 적절한 것으로 판단된다. 활성슬러지플록을 파괴시켜 SVI를 250으로 조정하여 여과를 시작한 경우, 상등수의 탁도가 증가하여, 침강성이 악화됨에 따라 flux도 점차 감소하였다. 여과막 모듈과 폭기세정 장치를 일체화한 시스템에서 공기 공급은 30~60초 정도로 설정함이 적정한 것으로 나타났다.
여과분리형 생물반응조 운전에서 발생하는 flux 감소 원인을 분석하였고, 상등수 수질과 침강성 변화가 flux에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 여과막 모듈과 역세정 장치 일체형 시스템의 특성을 평가하였다. 반응조는 17L 유효 용적의 아크릴 반응조에 $100{\mu}m$ 공경의 여과막 모듈을 통해 배출되는 여과시스템으로, 여과시간이 경과함에 따라 상등수의 수질 특히 탁도와 TOC의 수질이 악화됨에 따라 flux가 점진적으로 감소하였다. MLSS 농도가 18000mg/L 이상에서는 여과저항이 급격히 증가하였다. 상등수의 수질과 flux와의 관계를 규명하기 위해서는 MLSS 농도가 10000mg/L 이상에서는 곤란함에 따라 5000mg/L이 적절한 것으로 판단된다. 활성슬러지 플록을 파괴시켜 SVI를 250으로 조정하여 여과를 시작한 경우, 상등수의 탁도가 증가하여, 침강성이 악화됨에 따라 flux도 점차 감소하였다. 여과막 모듈과 폭기세정 장치를 일체화한 시스템에서 공기 공급은 30~60초 정도로 설정함이 적정한 것으로 나타났다.
This work was performed to find the effect of operation parameters on the permeate flux through the activated sludge dynamic layer, and to indicate the relationship between the water quality of supernatant and flux based on the results. Since the effluent can be obtained through steady and stable fo...
This work was performed to find the effect of operation parameters on the permeate flux through the activated sludge dynamic layer, and to indicate the relationship between the water quality of supernatant and flux based on the results. Since the effluent can be obtained through steady and stable formation of cake layer in the bio-filter media system, it is an important subject to keep and control microbes with activated state in the bio-reactor. Filtration resistance was drastically increased at more than 18000mg/L of MLSS. With filtration time continued, the flux was gradually decreased and the water qualities of supernatant monitored by turbidity and TOC were also deteriorated. This phenomenon indicated that the organic materials generated by microbes and accumulated in the reactor might affect the flux in the system. In addition, the decrease of flux was simultaneously observed in the sludge volume index. When SVI was controlled from 150 to 250, the flux was also decreased. The proper aeration time was recommended to 30 to 60 seconds in this system. In order to operate this system steadily, therefore, the control of water quality of supernatant and SVI should be proceeded.
This work was performed to find the effect of operation parameters on the permeate flux through the activated sludge dynamic layer, and to indicate the relationship between the water quality of supernatant and flux based on the results. Since the effluent can be obtained through steady and stable formation of cake layer in the bio-filter media system, it is an important subject to keep and control microbes with activated state in the bio-reactor. Filtration resistance was drastically increased at more than 18000mg/L of MLSS. With filtration time continued, the flux was gradually decreased and the water qualities of supernatant monitored by turbidity and TOC were also deteriorated. This phenomenon indicated that the organic materials generated by microbes and accumulated in the reactor might affect the flux in the system. In addition, the decrease of flux was simultaneously observed in the sludge volume index. When SVI was controlled from 150 to 250, the flux was also decreased. The proper aeration time was recommended to 30 to 60 seconds in this system. In order to operate this system steadily, therefore, the control of water quality of supernatant and SVI should be proceeded.
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문제 정의
이에 따라 본 연구에서는 여과분리형 생물반응조를 운전함에 있어 발생하는 막 폐색의 원인을 분석하게 되었고, 별도의 반응조를 이용하여 고액분리 특성을 미생물 농도와 미생물 성상 변화 등에 의한 원인으로 세분하여 검토하였으며, 활성슬러지 다이나믹막 재형성에 필요한 효율적인 폭기세정 방법과 영향도 검토하였다.
가설 설정
5) 여과분리형 생물반응조의 적절한 여과시간을 설정하기 위해서는 상등수의 수질 모니터링 결과와 연계함이 바람직하다.
제안 방법
1(a)와 같은 실험 장치로 평가하였다. 17L의 유효 용량을 가진 생물반응조는 아크릴로 제작되었고, 원수저장조, 펌프, 나일론 재질의 여과모듈(공극: 100㎛, 유효막면적: 1100㎠)과 활성슬러지에 산소공급과 내부 순환을 원활히 하기 위한 산기 장치 및 여과모듈의 세정을 위한 폭기 세정장치로 구성하였다. 여과분리 반응장치의 여과수는 반응조 상부로 배출되도록 구성하였는데, 여과수량은 수위와 여과모듈 상부 유출구와의 압력차(수두차: △h) 및 여과모듈 표면에 형성된 활성슬러지 다이나믹막의 형성 상태에 따라 다르게 나타났다.
슬러지 침강성과 투과 flux에 미치는 영향을 검토 하기 위해 Fig. 3에 표시한 바와 같이 flux와 SVI와의 관계를 평가하였다.
8㎠)을 통하여 반응조 아래로 유출수를 확보하는 고액분리 장치로 구성하였다. 여과모듈은 별도의 폭기세정용 산 기관의 설치 대신 여과모듈 하부로 대용량의 공기를 공급하면서 폭기 세정이 가능하도록 소구경의 밸브를 접속시켰다.
여과분리형 생물반응조를 운전하면서 나타나는 활성슬러지의 고액분리에 관한 기초 특성을 평가하기 위하여 Fig. 1(b)의 별도 반응조로 여과실험을 실시하였다. 인근 하수처리장의 반송슬러지를 채취하여 생물반응조내의 MLSS를 3000~18000㎎/L가 되도록 각각 다르게 조정한 후, 미생물 농도에 따른 여과특성과 일정한 MLSS 농도에서 폭기 세정의 효과 및 슬러지 성상에 따른 고액분리 특성을 평가하였다.
1(b)에 나타낸 고액분리 반응조는 전체 용량 15L 및 유효용량 13L의 아크릴 반응조로 제작하였다. 유효 용량까지 미생물을 주입한 후, PE 재질의 평막형 여과모듈(공극: 100㎛, 유효막면적: 269.8㎠)을 통하여 반응조 아래로 유출수를 확보하는 고액분리 장치로 구성하였다. 여과모듈은 별도의 폭기세정용 산 기관의 설치 대신 여과모듈 하부로 대용량의 공기를 공급하면서 폭기 세정이 가능하도록 소구경의 밸브를 접속시켰다.
1(b)의 별도 반응조로 여과실험을 실시하였다. 인근 하수처리장의 반송슬러지를 채취하여 생물반응조내의 MLSS를 3000~18000㎎/L가 되도록 각각 다르게 조정한 후, 미생물 농도에 따른 여과특성과 일정한 MLSS 농도에서 폭기 세정의 효과 및 슬러지 성상에 따른 고액분리 특성을 평가하였다. 모든 실험은 20℃가 유지되는 실내에서 수행하였다.
여과분리형 생물반응조는 MBR공정의 여과 메카니즘과는 달리, 여과모듈 표면에 형성되는 케이크층, 즉 활성슬러지로 구성된 다이나믹 여과막을 활용하여 여과 유출수를 확보하는 방식이다. 일반적인 하수처리장의 유입수 농도를 기준으로 BOD 200㎎/L, TOC 140㎎/L, TN 50㎎/L 및 TP 8㎎/L가 되도록 skim milk, NH4Cl 및 KH2PO4를 섞어 조제한 합성폐수를 Fig. 1(a)의 반응조에 주입하면서 연속폭기 방식으로 운전하는 도중 나타내는 고액분리특성을 평가하였다. 반응조 운전은 HRT가 12시간이 되도록 하고, 조내의 MLSS는 7000㎎/L로 조절하였으나, SRT는 MBR 공정과 마찬가지로 별도로 고려하지 않았다.
반응조 운전은 HRT가 12시간이 되도록 하고, 조내의 MLSS는 7000㎎/L로 조절하였으나, SRT는 MBR 공정과 마찬가지로 별도로 고려하지 않았다. 측정 항목으로는 운전 경과일수에 따른 상등수 및 여과수의 수질과 여과저항을 중점적으로 분석하였다.
합성폐수로 여과분리형 생물반응조를 운전함에 있어 발생한 막 폐색의 원인을 상등수 수질과 연계하여 분석하였고, 동일한 여과시스템의 별도 반응조로 고액분리 특성을 평가하였으며, 도출된 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
본 연구에서는 여과분리형 생물반응조의 고액분리 특성을 분석하기 위하여 2 종류의 실험 장치를 사용하였다. 여과분리형 생물반응조의 고액분리 특성은 Fig.
성능/효과
1) 여과분리형 생물반응조에서 상등수 수질, 특히 탁도와 TOC 및 SVI는 flux 변화에 영향을 끼쳤으나, 여과수 수질은 관계가 미미한 것으로 나타났다.
2) MLSS 농도가 10000㎎/L 이상일 경우 활성슬러지 다이나믹막을 통한 여과저항은 지속적으로 증가하였으며, 18000㎎/L 이상에서는 여과개시후 1시간이 지난 시점에서 1.4×105/m의 여과저항을 나타냈다.
3) 상등수 수질과 flux와의 관계를 평가하기 위해서는 MLSS 농도를 10000㎎/L 이하로 설정해야 한다.
4) 활성슬러지 플록을 과폭기하여 인위적으로 변형 시켜 SVI를 250과 150으로 조정한 경우, 상등수의 탁도가 증가하고, 침강성이 저하됨에 따라 flux도 감소 하였다.
6) 막모듈과 폭기세정 장치를 하나로 둔 일체형 여과방식에서 공기공급 시간을 30초~60초 이내로 설정함이 바람직하다.
2에 표시하였다. Flux는 운전 시작 후 초기 5일 동안 안정화 단계로 일정하였으나, 유기물의 지표인 TOC와 탁도는 지속적으로 감소하였는데, 이는 반응조내의 미생물 대사 작용이 활발하여 안정화 시점까지 일정 기간이 필요한 것으로 판단되었다. Flux는 순응 단계가 지난 5일 이후에 점차적으로 감소하여 폐색에 도달한 것으로 판단되었는데, 이런 현상을 상등수의 수질과 연계하여 분석해보면 TOC는 4.
MBR 공정과 마찬가지로 여과분리형 생물반응조는 슬러지 침강성과 무관한 것으로 보고되고 있지만, 본 연구 결과는 상등수의 SVI가 101에서 79로 점차 변화를 일으키면서 감소함에 따라 flux는 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이상과 같이 여과분리형 생물반응조를 운전하면서 나타나는 flux 감소 현상은 상등수, 특히 유기물 농도 변화 및 슬러지 침강성과 상관 관계가 있는 것으로 사료되며, 이에 대한 구체적인 분석이 필요하게 되었다.
이상과 같이 여과분리형 생물반응조는 MLSS 농도가 10000㎎/L 이상일 경우 여과저항은 지속적으로 증가하며, 특히 18000㎎/L이상의 고농도일 경우 여과저항이 급격히 증가할 것으로 판단된다. MLSS 농도가 높을수록 활성슬러지 다이나믹막을 통과하는 투과 저항이 증가함에 따라 flux가 감소하는 것으로 나타났다.
공기 역세정 시간을 15초로 설정하여 실시한 결과, 초기 flux가 6m/d 이하로 낮을 뿐만 아니라, 10분 이후 어느 정도 안정화된 시점에서도 flux가 1m/d 이하였으며, 상등수의 탁도도 전반적으로 높게 나타났다. 공기 역세정 시간을 30초와 60초로 설정한 결과, 초기 flux와 상등수 탁도는 거의 유사하게 나타났다.
공기 역세정 시간을 15초로 설정하여 실시한 결과, 초기 flux가 6m/d 이하로 낮을 뿐만 아니라, 10분 이후 어느 정도 안정화된 시점에서도 flux가 1m/d 이하였으며, 상등수의 탁도도 전반적으로 높게 나타났다. 공기 역세정 시간을 30초와 60초로 설정한 결과, 초기 flux와 상등수 탁도는 거의 유사하게 나타났다. 8m/d 정도의 flux로 시작하여 안정화가 진행된 10분 이후의 flux는 1.
본 연구에서와 같이 공기 역세정 방식을 여과막 모듈과 일체형으로 구성할 경우, 1분 이내의 역세정 시간으로도 충분하였지만, 별도의 산기관을 설치한 연구에서는 1분 이상의 역세정 시간을 필요로 했다는 연구 결과(Jung and Min, 2001)와 비교할 경우, 일체형 시스템이 효율적인 시스템이라고 판단할 수 있다.
5에 나타냈다. 생물반응조내의 MLSS 농도를 4800㎎/L로 설정할 경우, 여과 개시 직후에는 활성슬러지 다이나믹막이 안정되게 형성되지 않기 때문에 상등수와 여과수의 수질이 300NTU 정도가 될 정도로 양호하지 못했고, flux도 25m/d를 나타냈지만, 여과 개시 이후 10분 정도에서 여과수의 탁도가 5NTU 이하를 나타낼 만큼 안정화에 도달한 것으로 관찰되었다.
역세정 시간을 120초로 진행할 경우, 30초 세정시간과 유사하게 초기 flux와 안정화 시간대에서의 flux도 낮았으며, 상등수 탁도도 100∼150 NTU 정도로 안정화되지 않은 것으로 나타났다.
4×105/m를 나타냈다. 이상과 같이 여과분리형 생물반응조는 MLSS 농도가 10000㎎/L 이상일 경우 여과저항은 지속적으로 증가하며, 특히 18000㎎/L이상의 고농도일 경우 여과저항이 급격히 증가할 것으로 판단된다. MLSS 농도가 높을수록 활성슬러지 다이나믹막을 통과하는 투과 저항이 증가함에 따라 flux가 감소하는 것으로 나타났다.
전체 운전기간중의 유기물 제거율은 flux 감소와는 무관하게, BOD와 TOC가 각각 95% 이상을 나타냈고, NH3-N 농도가 1㎎/L이하로 분석될 만큼 99% 이상의 안정된 질산화율을 나타냈으며, 여과수의 SS도 평균 1.0㎎/L 이하를 나타낼 정도로 양호하였다. 이와 같이 여과분리형 생물반응조에서는 적절한 운전과 효율적인 여과시간을 설정하기 위해서는 탁도나 TOC 등과 같은 상등수의 실시간 수질 모니터링 결과와 연계하여 설정함이 바람직할 것으로 판단된다.
5㎎/L 정도가 되도록 정상적인 폭기 강도로 배양한 활성슬러지(b)를 이용하였다. 활성슬러지 플록이 파괴되었다고 예상되는 미생물의 SVI는 250 정도로 나타났고, 일상적인 방법으로 배양된 미생물의 SVI는 150정도로 나타나 슬러지 침강성에 차이가 발생하는 대조군을 형성하였다. Fig.
후속연구
본 연구에서는 여과수 수질이 flux 변화에 미치는 영향 관계는 없는 것으로 관찰되었지만, Fig. 2에 표현한 바와 같이 여과분리형 생물반응조의 투과 flux는 상등수 수질과 유관한 것으로 분석되며, 이에 대한 구체적인 분석이 필요한 것으로 판단된다.
MLSS 농도를 10000㎎/L와 18500㎎/L로 설정한 여과 실험에서도 이와 유사한 경향을 나타냈지만, MLSS 농도가 10000㎎/L이상의 고농도가 될수록 상등수의 수질을 측정할 수 없을 만큼 활성슬러지 침강이 진행되지 않아서 측정이 불가능하였다. 여과분리형 생물반응조 설계 및 운영에 있어 슬러지 침강성과 flux와의 관계를 검토 하기 위해서는 MLSS 농도를 10000㎎/L이하로 설정하여 평가해야 할 것으로 판단된다.
여과분리형 생물반응조를 운전하면서 관찰한 결과, 즉 상등수의 수질이 flux에 미치는 영향이 본 실험에서도 관찰됨에 따라 본 시스템을 장기간에 걸쳐 안정 되게 운전하기 위해서는 상등수 수질, 특히 유기물 관리가 선행되어야 할 것으로 판단된다. MLSS 농도를 10000㎎/L와 18500㎎/L로 설정한 여과 실험에서도 이와 유사한 경향을 나타냈지만, MLSS 농도가 10000㎎/L이상의 고농도가 될수록 상등수의 수질을 측정할 수 없을 만큼 활성슬러지 침강이 진행되지 않아서 측정이 불가능하였다.
MBR 공정과 마찬가지로 여과분리형 생물반응조는 슬러지 침강성과 무관한 것으로 보고되고 있지만, 본 연구 결과는 상등수의 SVI가 101에서 79로 점차 변화를 일으키면서 감소함에 따라 flux는 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이상과 같이 여과분리형 생물반응조를 운전하면서 나타나는 flux 감소 현상은 상등수, 특히 유기물 농도 변화 및 슬러지 침강성과 상관 관계가 있는 것으로 사료되며, 이에 대한 구체적인 분석이 필요하게 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
막결합형 생물반응조란 무엇인가?
생물학적처리와 막분리 공정을 결합한 막결합형 생물반응조(MBR, Membrane Bio-reactor)는 2차 침전지의 기능까지 대신함에 따라 수처리 시스템에서 전체적인 공정의 컴펙트화가 가능하고, 처리수 수질이 슬러지의 침강성에 무관할 뿐만 아니라 슬러지 생산량도 감소시켜 수처리는 물론 슬러지 농축 공정에까지 광범위하게 활용되고 있다(Kaya et al., 2013; Lee et al.
막결합형 생물반응조의 문제점은 무엇인가?
, 2013). MBR 공정은 다양한 수처리 시스템 가운데 중·소 규모 하수처리장에서 많이 이용되고 있지만, 대용량 처리가 가능한 설계와 운전 기술이 부족하고, 아직까지 대량 생산 체제가 충분히 확보되어 있지 않아서 막과 모듈의 생산 비용이 고가일 뿐만 아니라, 일정한 여과수를 장기간에 걸쳐 안정되게 생산하는데 막대한 동력비가 필요한 문제점 등을 내포하고 있는 실정이다(Dijk and Roncken, 1997).
MBR 공정의 여과시스템과는 다른 여과분리형 생물반응조의 특징은 무엇인가?
여과모듈 제작에 사용된 여과재료는 각각의 장단점이 있으나, 여과분리형 생물반응조는 MBR 공정의 여과시스템과는 달리 공통적으로 여과재 표면에 형성 되는 cake layer, 즉 활성슬러지 다이나믹막을 활용하여 여과수를 배출함에 따라 장기간에 걸친 안정된 여과막이 되도록 지속적으로 관리해야 한다.
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