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문제 정의
- 본 연구는 하수슬러지의 감량화를 위해 약품 잉여슬러지의 혐기성소화 특성 연구로 실험실 규모의 SCFMR (semicontinuous fed and mixed reactor) 운전을 실시하여 HRT, 응집제 종류별 운전하여 처리효율 및 Biogas 생산량 등을 평가하여 약품 잉여슬러지 혐기성소화 처리공정의 기초자료를 제시하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 D시 하수종말처리시설에서 발생되는 고도처리 잉여슬러지와 Jar-test를 통해 발생한 약품슬러지의 질적 특성을 평가하였다. Jar-test를 통해 발생된 잉여슬러지는 폴리염화알루미늄(poly aluminum chloride, PACl; Al2O3 16%)과 황산알루미늄(Alum, Al2O3 7%)에 의해 생성된 약품 잉여슬러지이며, 슬러지에 주입되는 약품의 몰수는 4 mol Al/mol P이다.
가설 설정
- 생분해성 유기물이 CH4와 CO2로 분해됨으로써 제거된 유기물의 무게는 생성된 Dry biogas의 무게와 동일한 것이다. 즉, Biogas 중에 들어있는 Trace gas를 제외시키면 Biogas가 CH4와 CO2 gas의 무게와 동일하다고 가정할 수 있으며, 이 Biogas의 무게가 곧 제거된 유기물의 무게인 것이다.
제안 방법
- Biogas 발생량은 Wet test gas meter를 이용하여 측정하였다. 발생한 Biogas는 각각의 온도에 따른 열팽창(부피팽창)을 고려하여 표준상태(0℃, 1 atm, STP)를 기준으로 환산하여 모든 계산에 이용하였으며, 환산근거는 다음과 같다.
- 또한 주 2회 이상 유입시료와 유출슬러지의 성상분석을 실시하였다. Biogas 생산량 측정을 위하여 반응조 상부에는 Teflon재질의 Gas bag을 부착하였으며, 발생된 Biogas가 교반장치의 축 사이로 누출되는 것을 방지하기 위하여 Water sealing 하였다.
- D시 하수종말처리시설의 포기조 유출부에서 채취한 고도처리 잉여슬러지와 Jar-test를 통한 약품 잉여슬러지의 혐기성 소화 검토를 위해 실험실 규모의 혐기성 소화조를 설치ㆍ운전하였다. 소화조의 형태는 아크릴제 원형반응조인 SCFMR로 Fig.
- Jar-test를 통해 1회 약품 주입하여 생성되는 PACl 슬러지와 Alum 슬러지를 유입시료로 하는 두 개의 실험반응조와 응집제를 주입하지 않은 원슬러지(잉여슬러지)를 주입한 대조 반응조(control reactor)를 설치하여 각 반응조의 소화시간(HRT)을 15일, 20일, 30일로 차이를 두어 소화효율을 비교 평가하였다.
- 국내 하수처리장에 설치되어 있는 대부분의 소화조가 중온 소화 형태이므로 실험실 규모의 SCFMR의 운전을 위해 반응조 3개를 35 ± 1℃가 유지되는 항온실(walk-in-chamber)에 설치하여 중온소화 조건으로 운전하였다. SCFMR 반응 조의 유효용적 10 L이며, 시료와 혐기성 미생물의 원활한 접촉을 위해 기계식 교반장치를 설치하였다. 반응조운전은 하부의 Port를 통해 매일 일정량의 시료를 빼내고 대상 시료를 넣어주는 fill and draw의 반연속식으로 운전하고, 반응조 내부에 설치된 기계장치에 의해 약 80 rpm의 속도로 교반하였다.
- 국내 하수처리장에 설치되어 있는 대부분의 소화조가 중온 소화 형태이므로 실험실 규모의 SCFMR의 운전을 위해 반응조 3개를 35 ± 1℃가 유지되는 항온실(walk-in-chamber)에 설치하여 중온소화 조건으로 운전하였다.
- 를 첨가하여 반응조내 알칼리도를 충분히 공급하였다. 그리고 (NH4)2HPO4를 이용해 C : N : P비를 유지하는 한편, Fe, Ni, Co, Mo 등의 Trace element를 Table 1에 나타낸 바와 같이 미량 주입5)하여 혐기성소화균의 최적조건을 만족시킨 후 실험을 실시하였다. 또한 중온소화(35℃)를 위하여 Heater와 Fan이 설치된 항온실 내에서 운전하였으며, 소화균과 시료의 원활한 반응을 위하여 계속 교반되도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 새로운 동력학적 접근을 시도하여 초기 직선구간의 기울기 값(k0)과 소화 후반기 분해속도가 현저히 떨어지는 구간의 기울기(k2)를 도출하여 초기분해패턴과 전이구간의 분해양상을 대표하는 분해속도상수(k1)값을 도출하였다. 또한 분해속도상수와 유기물 분해의 직접적인 상관관계를 알아보고자 시료의 생분해 가능한 유기물(S0) 중 k1의 속도로 분해되는 비교적 이분해성의 기질비율(S1)과 k2의 속도로 느리게 분해되는 기질비율(S2)을 산정하여 각 기질의 분해 특성을 비교평가 하였다.
- 5 L 규모의 erlenmeyer flask를 이용하였고, 유효용적은 3 L로 하였으며, 반응조 내부를 질소로 Purging하여 혐기성상태가 조성되도록 하였다. 또한 반응조상부에 가스발생량과 조성을 측정하기 위하여 Teflon재질의 소용량 Gas bag을 설치하였으며, 대상 시료의 물리ㆍ화학적 특성이 혐기성소화의 주된 제한인자로 작용하도록 유도하기 위하여 제반환경을 최적으로 유지시켰다.
- )값을 도출하였다. 또한 분해속도상수와 유기물 분해의 직접적인 상관관계를 알아보고자 시료의 생분해 가능한 유기물(S0) 중 k1의 속도로 분해되는 비교적 이분해성의 기질비율(S1)과 k2의 속도로 느리게 분해되는 기질비율(S2)을 산정하여 각 기질의 분해 특성을 비교평가 하였다.
- 반응조운전은 하부의 Port를 통해 매일 일정량의 시료를 빼내고 대상 시료를 넣어주는 fill and draw의 반연속식으로 운전하고, 반응조 내부에 설치된 기계장치에 의해 약 80 rpm의 속도로 교반하였다. 또한 주 2회 이상 유입시료와 유출슬러지의 성상분석을 실시하였다. Biogas 생산량 측정을 위하여 반응조 상부에는 Teflon재질의 Gas bag을 부착하였으며, 발생된 Biogas가 교반장치의 축 사이로 누출되는 것을 방지하기 위하여 Water sealing 하였다.
- 그리고 (NH4)2HPO4를 이용해 C : N : P비를 유지하는 한편, Fe, Ni, Co, Mo 등의 Trace element를 Table 1에 나타낸 바와 같이 미량 주입5)하여 혐기성소화균의 최적조건을 만족시킨 후 실험을 실시하였다. 또한 중온소화(35℃)를 위하여 Heater와 Fan이 설치된 항온실 내에서 운전하였으며, 소화균과 시료의 원활한 반응을 위하여 계속 교반되도록 하였다.
- 또한, 메탄함량 및 CO2 함량은 TCD (thermal conductivity detector)를 장착한 GC-2014 (Shimadzu사)로 분석하였으며, 분석조건은 Table 2에 나타내었다. 시료채취는 SCFMR 반응조에 연결한 Teflon gas bag에 채취하였으며 주사기로 0.
- 반응조는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 총 용적 3.5 L 규모의 erlenmeyer flask를 이용하였고, 유효용적은 3 L로 하였으며, 반응조 내부를 질소로 Purging하여 혐기성상태가 조성되도록 하였다. 또한 반응조상부에 가스발생량과 조성을 측정하기 위하여 Teflon재질의 소용량 Gas bag을 설치하였으며, 대상 시료의 물리ㆍ화학적 특성이 혐기성소화의 주된 제한인자로 작용하도록 유도하기 위하여 제반환경을 최적으로 유지시켰다.
- Biogas 발생량은 Wet test gas meter를 이용하여 측정하였다. 발생한 Biogas는 각각의 온도에 따른 열팽창(부피팽창)을 고려하여 표준상태(0℃, 1 atm, STP)를 기준으로 환산하여 모든 계산에 이용하였으며, 환산근거는 다음과 같다.
- 본 연구에서 슬러지의 처리효율과 Biogas 생산량 측정을 위하여 사용할 시료는 D시 하수종말처리장 생물반응조 후 단에서 채취한 잉여슬러지를 약 4℃에서 중력 농축하여 고형물함량을 1.5%~2% 수준으로 조절한 후 사용하였다. 약품 슬러지는 Jar-test 후 생성된 PACl 슬러지와 Alum 슬러지를 잉여슬러지와 동일하게 중력 농축하여 사용하였다.
- 식종균 자체의 분해에 의해 발생되는 가스의 양을 배제하기 위하여 식종균만을 주입한 반응조(control)를 두어 동일한 조건에서 운전하였다. 시료의 특성에 맞게 VS를 기준으로 시료/식종미생물비(substrate/Inoculum, 이하 S/I ratio)를 1.0으로 선정하였으며, 회분반응조의 Biogas발생량 및 가스 성분을 분석하여 graphical statistic analysis (Kang and Tritt)4)를 통해 최종생분해도 값을 구하였다. 본 실험에서 제거된 BVS (biodegradable volatile solids)의 양은 생성된 Biogas와 동일하다는 이론에 의해 산출하는 방법을 이용하였다.
- 최종생분해도를 측정하기 위하여 Jar-test를 통해 발생된 약품 잉여슬러지와 고도처리 잉여슬러지를 사용하였으며, 식종균으로는 D시 하수종말처리장의 중온소화균을 사용하였다. 식종균 자체의 분해에 의해 발생되는 가스의 양을 배제하기 위하여 식종균만을 주입한 반응조(control)를 두어 동일한 조건에서 운전하였다. 시료의 특성에 맞게 VS를 기준으로 시료/식종미생물비(substrate/Inoculum, 이하 S/I ratio)를 1.
- 혐기조 내에서 발생하는 Biogas는 기질 중 생분해 가능한 유기물의 분해에 의해서만 발생되므로 혐기조의 정확한 소화효율을 평가하기 위해서는 유기물부하율과 그에 따른 소화효율을 TVS 제거효율과 기질 중 생분해 가능한 유기물(BVS)을 기준으로 해야 한다. 이에 본 연구에서는 잉여슬러지와 약품슬러지의 생분해도를 고려한 유입기질농도를 산정하고, 각 소화조건에서 발생하는 Biogas 량과 메탄함량을 토대로 TVS와 BVS 제거효율을 평가하였다.
- 즉, 회분식 혐기성반응에서 주된 문제점인 VFA축적에 따른 메탄생성능 저하를 방지하기 위해 NaHCO3를 첨가하여 반응조내 알칼리도를 충분히 공급하였다. 그리고 (NH4)2HPO4를 이용해 C : N : P비를 유지하는 한편, Fe, Ni, Co, Mo 등의 Trace element를 Table 1에 나타낸 바와 같이 미량 주입5)하여 혐기성소화균의 최적조건을 만족시킨 후 실험을 실시하였다.
- 회분식 소화조의 최종생분해도를 반영한 기질분해 결과를 토대로 회분식 혐기분해 속도상수를 평가하였다. 본 연구에서 이용한 잉여슬러지와 약품슬러지는 반응 초기에 비교적 빠른 속도로 분해되다가 분해속도가 떨어지기 시작하는 전이구간을 거쳐 분해속도가 초기의 1/10 수준 이하로 감소하는 전형적인 양상을 나타내었다.
대상 데이터
- D시 하수종말처리시설의 포기조 유출부에서 채취한 고도처리 잉여슬러지와 Jar-test를 통한 약품 잉여슬러지의 혐기성 소화 검토를 위해 실험실 규모의 혐기성 소화조를 설치ㆍ운전하였다. 소화조의 형태는 아크릴제 원형반응조인 SCFMR로 Fig. 2와 같이 제작하여 운전하였다.
- 함량은 TCD (thermal conductivity detector)를 장착한 GC-2014 (Shimadzu사)로 분석하였으며, 분석조건은 Table 2에 나타내었다. 시료채취는 SCFMR 반응조에 연결한 Teflon gas bag에 채취하였으며 주사기로 0.2 mL를 취하여 주입하였다. 표준가스는 한국표준과학 연구원에서 제조한 CH4 80%/CO2 20%, CH4 20%/CO2 80%를 이용하였다.
- 5%~2% 수준으로 조절한 후 사용하였다. 약품 슬러지는 Jar-test 후 생성된 PACl 슬러지와 Alum 슬러지를 잉여슬러지와 동일하게 중력 농축하여 사용하였다.
- 2 mL를 취하여 주입하였다. 표준가스는 한국표준과학 연구원에서 제조한 CH4 80%/CO2 20%, CH4 20%/CO2 80%를 이용하였다.
이론/모형
- 0으로 선정하였으며, 회분반응조의 Biogas발생량 및 가스 성분을 분석하여 graphical statistic analysis (Kang and Tritt)4)를 통해 최종생분해도 값을 구하였다. 본 실험에서 제거된 BVS (biodegradable volatile solids)의 양은 생성된 Biogas와 동일하다는 이론에 의해 산출하는 방법을 이용하였다. 생분해성 유기물이 CH4와 CO2로 분해됨으로써 제거된 유기물의 무게는 생성된 Dry biogas의 무게와 동일한 것이다.
- Jar-test를 통해 발생된 잉여슬러지는 폴리염화알루미늄(poly aluminum chloride, PACl; Al2O3 16%)과 황산알루미늄(Alum, Al2O3 7%)에 의해 생성된 약품 잉여슬러지이며, 슬러지에 주입되는 약품의 몰수는 4 mol Al/mol P이다. 슬러지의 질적 특성을 위해 실험한 각 항목은 pH, TS, VS, TCOD, SCOD, TN, TP이며, 분석방법은 Standard method3)에 준하여 실시하였다.
- 최종생분해도를 측정하기 위하여 Jar-test를 통해 발생된 약품 잉여슬러지와 고도처리 잉여슬러지를 사용하였으며, 식종균으로는 D시 하수종말처리장의 중온소화균을 사용하였다. 식종균 자체의 분해에 의해 발생되는 가스의 양을 배제하기 위하여 식종균만을 주입한 반응조(control)를 두어 동일한 조건에서 운전하였다.
성능/효과
- 1) 잉여슬러지, PACl 슬러지, Alum 슬러지의 질적특성은 TS 농도가 각각 1.75%, 1.7%, 1.72%로, VS/TS함량비는 각각 66%, 65%, 64%로 유사한 특성을 가지고 있다. TCOD 농도는 각각 12.
- 잉여슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 약 31%, PACl 슬러지는 24%이며, Alum 슬러지는 26%이었다. 1~20일 동안 잉여슬러지는 S1이 75%로써 k1 (0.1129 day-1)의 속도로 분해되었으며, PACl 슬러지는 k1 (0.0998 day-1)의 속도로 S1인 74%의 BVS를 분해시켰고, Alum 슬러지는 S1이 76%로써 k1 (0.1091 day-1)의 속도로 분해되었다.
- 2) SCFMR 반응조 운전시 모든 슬러지는 pH 6.7~7.0, Alkalinity는 1,800~2,200 mg/L 범위로 차이가 미미하며 유사한 값을 유지하였다. 잉여슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 약 31%, PACl 슬러지는 24%이며, Alum 슬러지는 26%이었다.
- 3개의 반응조 내 pH는 HRT 20일과 30일에서 6.8~7.0 범위를 나타내었으며 잉여슬러지에 비해 PACl과 Alum을 주입한 약품슬러지의 pH가 좀더 낮음을 알 수 있었다. HRT 가 20일(OLR 0.
- 4) PACl과 Alum을 주입한 슬러지의 TVS 제거효율은 HRT 20일에서 평균 19.6%, 19.9%로 Control (23.8%)에 비해 약 4% 가량 작은 값을 나타내었으며, HRT 30일로 시간이 증가함에 따라 TVS 제거효율은 PACl 21.5%, Alum 21.8%로 Control (26.8%)에 비해 약 5% 가량 낮은 값을 나타내었다. BVS 제거효율은 HRT 20일 조건에서 Control 반응조의 경우 평균 34.
- Alum 슬러지는 역시 잉여슬러지와 비슷한 경향을 나타냈으며 TS 농도는 평균 1.72%, VS 농도는 평균 1.1%였으며 VS/TS 비율은 64%로 잉여슬러지(66%), PACl (64.7%)과 비슷한 결과를 나타냈다. Total Alkalinity는 400~520 mg/L로 평균 460 mg/L를 나타내 잉여슬러지의 Alkalinity 490 mg/L 와 유사하였다.
- 반응조 운전전반에 걸쳐 PACl 슬러지의 TVS 제거효율은 Control에 비해 약 3~5% 낮았으며 이는 전술한 PACl 슬러지와 Control의 제거된 g TVS당 발생된 Biogas 차이(7%)보다 미세하게 낮은 값을 보여주었다. Alum 슬러지와 Control을 비교해 보았을 때 SCFMR 운전전반에 걸쳐 TVS 제거효율 차이는 약 3~4%로, 제거된 g TVS당 Biogas 발생량 차이(3~5%)와 매우 유사한 결과를 나타내었다.
- PACl 슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 약 24%이며, 이는 PACl 슬러지의 총휘발성 고형물중 약 24%가 생분해성 유기물로 구성되어 있으며 나머지 76%는 생물학적으로 분해가 어려운 유기물로 구성되어있음을 알 수 있다. Alum 슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 26%를 나타내었으며, 나머지 74%은 생물학적으로 분해가 어려운 유기물로 구성되어 있다.
- BVS 제거효율은 Fig. 10에 요약한 바와 같이 HRT 15일에서 PACl 슬러지는 24.3%로 Control 반응조의 31.5%보다 7.2% 낮았으며, Alum 슬러지는 25.7%의 BVS 제거효율을 보여 Control (31.5%) 보다 5.8% 낮았다. HRT 20일 조건에서 Control 반응조의 경우 평균 34.
- 8%)에 비해 약 5% 가량 낮은 값을 나타내었다. BVS 제거효율은 HRT 20일 조건에서 Control 반응조의 경우 평균 34.5%의 제거효율, PACl과 Alum 슬러지는 평균 25.8%, 26.9%의 BVS 제거효율을 나타내어 PACl과 Alum 슬러지가 Control 보다 약 8% 낮은 제거효율을 보였다. HRT 30일에서 약품슬러지의 BVS 제거효율은 29%로 동일조건의 Control (34.
- 9에 각 반응조의 HRT에 따른 TVS 제거효율(Biogas 기준)을 나타내었다. HRT 15일에서 PACl 슬러지의 TVS 제거효율은 18.5%로 Control (21.8%)보다 3% 가량 낮았으며 Alum 슬러지는 19%로 Cotrol에 비해 약 3% 낮은 제거효율을 나타냈다. HRT 20일에서 PACl과 Alum을 주입한 슬러지의 TVS 제거효율은 각각 19.
- 8% 낮았다. HRT 20일 조건에서 Control 반응조의 경우 평균 34.5%, PACl과 Alum 슬러지는 평균 25.8%, 26.9%의 BVS 제거효율을 나타내어 PACl과 Alum 슬러지가 Control 보다 약 8% 낮은 제거효율을 보였다. HRT 30일에서 약품슬러지의 BVS 제거효율은 29%로 동일조건의 Control (34.
- 또한 소화조 유출수의 고형물농도를 실측하여 평가한 유기성고형물(VS)을 기준으로 한 제거효율은 Biogas를 기준으로 한 제거효율과 유사한 경향을 나타내었다. HRT 20일 조건에서 Control의 평균 VS 제거효율 35.8%는 신7)이 연구한 36.7%와 유사하였으며, PACl 슬러지와 Alum 슬러지는 평균 제거율은 32.9%, 34.4%로 Control에 비해 약 2~3% 작은 값을 나타내었다. HRT 30일 일 때 Control의 평균 VS 제거효율은 40.
- 운전 전반에 걸쳐 메탄의 함량은 세 반응조 모두 70~76%로 PACl과 Alum을 주입함에 따른 영향은 없는 것으로 판단된다. HRT 20일 조건에서 메탄 발생량은 잉여슬러지가 운전전반에 걸쳐 평균 0.084 v/v-d로 가장 많았으며, 그 외 메탄 발생량은 PACl 슬러지가 0.058 v/v-d로 Control (0.084 v/v-d)에 비해 31% 낮았고, Alum 슬러지는 0.061 v/v-d로 Control 대비 27% 적은 메탄 발생량을 나타내었다.
- 4%로 Control에 비해 약 2~3% 작은 값을 나타내었다. HRT 30일 일 때 Control의 평균 VS 제거효율은 40.2%이며, PACl과 Alum슬러지의 경우 VS 제거효율은 평균 36.2%와 38.3%로 Control에 비해 2~4%의 작은 제거효율을 나타내었다.
- HRT가 20일에서 30일로 변경됨에 따라 Biogas 발생량과 같이 메탄 발생량도 줄었으며, PACl 슬러지가 0.048 v/v-d의 메탄 발생량을 보이며 Control (0.058 v/v-d)에 비해 17% 낮았으며, Alum 슬러지는 Control보다 16% 낮은 0.049 v/v-d의 메탄 발생량을 나타내었다.
- HRT 30일 조건에서도 마찬가지로 Control 반응조가 약품슬러지의 Biogas 발생량보다 높음을 알 수 있었다. PACl 슬러지는 0.064 v/v-d로 Control (0.079 v/v-d)에 비해 19% 낮은 Biogas 생산량을 나타내었으며, Alum 슬러지는 0.066 v/v-d로 Control에 비해 16% 낮았다.
- PACl 슬러지는 전반적으로 잉여슬러지와 비슷한 경향을나타냈으며 TS 농도는 평균 1.7%, VS 농도는 평균 1.1%였으며 VS/TS 비율은 64.7%로 잉여슬러지의 VS/TS 비율인 66%와 유사하였다. Total alkalinity는 평균 450 mg/L로 잉여 슬러지의 평균 Alkalinity 490 mg/L 보다 낮았으며, TCOD는 평균 10.
- 3(b)과 (c)에 PACl 슬러지와 Alum 슬러지의 최종생 분해도를 각각 나타내고 있다. PACl 슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 약 24%이며, 이는 PACl 슬러지의 총휘발성 고형물중 약 24%가 생분해성 유기물로 구성되어 있으며 나머지 76%는 생물학적으로 분해가 어려운 유기물로 구성되어있음을 알 수 있다. Alum 슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 26%를 나타내었으며, 나머지 74%은 생물학적으로 분해가 어려운 유기물로 구성되어 있다.
- Total Alkalinity는 400~520 mg/L로 평균 460 mg/L를 나타내 잉여슬러지의 Alkalinity 490 mg/L 와 유사하였다. TCOD는 평균 11.0 g/L, SCOD는 평균 308 mg/L로 전체 COD중에 용존성 COD의 비율이 2.8%로 PACl 슬러지, 잉여슬러지의 SCOD/TCOD비와 매우 유사하였다. TN의 경우에는 평균 343 mg/L였으며, TP의 경우에는 128 mg/L로 TN과 TP의 농도 역시 잉여슬러지와 유사한 결과를 나타냈다.
- Total Alkalinity (as CaCO3)는 420~560 mg/L로 평균 490 mg/L 였으며, TCOD는 평균 12,2 g/L, SCOD는 평균 333 mg/L로 전체 COD중에 용존성 COD의 비율이 2.7%로 대부분의 COD가 입자상물질임을 알 수 있다. 신7)의 연구에 따르면 잉여슬러지의 SCOD/TCOD비가 2% 정도로 본 연구에서 사용된 잉여슬러지와 유사하였다.
- 7%로 잉여슬러지의 VS/TS 비율인 66%와 유사하였다. Total alkalinity는 평균 450 mg/L로 잉여 슬러지의 평균 Alkalinity 490 mg/L 보다 낮았으며, TCOD는 평균 10.9 g/L, SCOD는 평균 305 mg/L로 전체 COD중에 용존성 COD의 비율이 2.8%로 잉여슬러지에 비해 평균 농도가 낮지만 매우 유사하였다. TN의 경우에는 평균 348 mg/L였으며, TP의 경우에는 126 mg/L로 TN과 TP의 농도 역시 잉여슬러지와 유사한 결과를 나타냈다.
- 각각의 기질에 대하여 기질 내 유기물(S0) 중 k1의 속도로 비교적 빠르게 분해가 진행되는 비율(S1)과 k2의 느린 속도로 분해되는 비율(S2)을 산정한 결과, 잉여슬러지는 Fig. 4(a)에 나타낸 바와 같이 S1이 75%로써 20일 동안에 k1 (0.1129 day-1)의 속도로 분해되었으며, S2는 25%로써 분해속도 k2(0.0107 day-1)로 21~90일의 긴 시간동안 분해되었다. 강9)은 S/I ratio 1.
- 또한 소화조 유출수의 고형물농도를 실측하여 평가한 유기성고형물(VS)을 기준으로 한 제거효율은 Biogas를 기준으로 한 제거효율과 유사한 경향을 나타내었다. HRT 20일 조건에서 Control의 평균 VS 제거효율 35.
- 반응조 운전전반에 걸쳐 PACl 슬러지의 TVS 제거효율은 Control에 비해 약 3~5% 낮았으며 이는 전술한 PACl 슬러지와 Control의 제거된 g TVS당 발생된 Biogas 차이(7%)보다 미세하게 낮은 값을 보여주었다. Alum 슬러지와 Control을 비교해 보았을 때 SCFMR 운전전반에 걸쳐 TVS 제거효율 차이는 약 3~4%로, 제거된 g TVS당 Biogas 발생량 차이(3~5%)와 매우 유사한 결과를 나타내었다.
- 회분식 소화조의 최종생분해도를 반영한 기질분해 결과를 토대로 회분식 혐기분해 속도상수를 평가하였다. 본 연구에서 이용한 잉여슬러지와 약품슬러지는 반응 초기에 비교적 빠른 속도로 분해되다가 분해속도가 떨어지기 시작하는 전이구간을 거쳐 분해속도가 초기의 1/10 수준 이하로 감소하는 전형적인 양상을 나타내었다. 이는 기존의 많은 연구자들이 수행한 바와 같이, 분해시간 t와 ln (TVS0/TVSe)를 Plot한 기울기로부터 단일 1차 분해속도 상수값을 도출 하는 방법으로는 유기성폐수 및 폐기물의 분해동력학을 정확히 표현할 수 없음을 나타내고 있다.
- 생물학적으로 분해가 쉬운 유기물의 함량을 기준으로 하였을 때 잉여슬러지 > Alum 슬러지 > PACl 슬러지 순으로 나타났으며, Alum과 PACl 슬러지의 경우 총휘발성 고형물 중에 생분해성 유기물의 함량이 잉여슬러지에 비해 5~7% 가량 적은 것으로 나타났다.
- Alkalinity는 운전기간 동안 전반적으로 1,800~2,200 mg/L 범위를 나타냈으며, 시간이 지남에 따라 점차 증가하지만 그 변화 폭이 미미하였다. 잉여슬러지는 PACl과 Alum 슬러지보다 Alkalinity가 높았으며, 이는 약품슬러지의 낮은 pH와 Alkalinity로 인한 영향으로 판단된다. 또한 본 연구의 Alkalinity는 강9)이 연구한 잉여슬러지의 Alkalinity 2,000~2,500 mg/L도 유사한 결과를 나타내었다.
- 잉여슬러지의 TS 농도는 평균 1.75%였으며 VS 농도는 평균 1.15%로 TS중 VS가 66%를 차지함을 알 수 있다. 이는 임6)이 연구한 잉여슬러지의 TS 중 VS의 비율 70%와 신7)이 조사한 잉여슬러지의 VS/TV비율인 65.
- 0, Alkalinity는 1,800~2,200 mg/L 범위로 차이가 미미하며 유사한 값을 유지하였다. 잉여슬러지의 최종생분해도 값은 Biogas발생량을 기준으로 약 31%, PACl 슬러지는 24%이며, Alum 슬러지는 26%이었다. 1~20일 동안 잉여슬러지는 S1이 75%로써 k1 (0.
- 로 Control에 비해 4% 가량 낮았다. 종합적으로 볼 때 약품슬러지를 혐기성소화 시 제거된 g TVS 제거 당 Biogas 발생량은 HRT에 상관없이 PACl 슬러지는 Control에 비해 약 7%, Alum 슬러지는 약 4% 낮았다.
후속연구
- 이는 폐활성슬러지 세포벽이 두꺼워 세포내 기질이 용출되는데 상당한 시간이 걸리기 때문이다. 더구나 향후 인 제거를 위해 사용되는 응집제는 혐기성 소화균의 유기물 분해작용에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용된 약품슬러지는 Jar-test를 통해 생성된 것으로, 향후 인 제거를 위해 응집제 주입 시 내부반송을 통해 축적된 약품슬러지를 기질로 혐기성 소화를 한다면 일반 고도처리 슬러지에 비해 발생되는 Biogas의 양이 현저히 줄어들 것으로 예상된다. 하지만 현재 대부분의 하수처리시설에서 생슬러지와 잉여슬러지의 비율을 약 4:1로 혼합하여 혐기성 소화조로 주입하기 때문에 추후 생슬러지와 약품슬러지를 혼합한 슬러지를 대상으로 한 혐기성 소화연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용된 약품슬러지는 Jar-test를 통해 생성된 것으로, 향후 인 제거를 위해 응집제 주입 시 내부반송을 통해 축적된 약품슬러지를 기질로 혐기성 소화를 한다면 일반 고도처리 슬러지에 비해 발생되는 Biogas의 양이 현저히 줄어들 것으로 예상된다. 하지만 현재 대부분의 하수처리시설에서 생슬러지와 잉여슬러지의 비율을 약 4:1로 혼합하여 혐기성 소화조로 주입하기 때문에 추후 생슬러지와 약품슬러지를 혼합한 슬러지를 대상으로 한 혐기성 소화연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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