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문제 정의
- 본 연구에서는 하수종말처리장 유입수, 1차침전지, 슬러지 농축 조, 농축조, 혐기 소화조 그리고 탈리여액을 대상으로 유기물 성상 분석을 분석하였다. 또한 혐기 소화 상등액을 이용한 안정적인 질산화 반응조에서 유기물 산화율과 암모니아성 질소 제거율을 비교하여 유기물 산화와 질산화의 관계를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 혐기 소화 상징액을 대상으로 반응조 운전을 실시한 이유는 혐기 소화 상징액 내 유기물은 대부분 생물학적으로 분해 불가능한 형태로 존재하기 질산화에 유리할 것으로 판단하여 반응조 운전을 실시하였다. A0~A1 단계에서는 seeding 슬러지 (A하수종말처리장 포기조)를 이용하여 암모니아성 질소가 일정 농도 제거되었을 때 feeding을 실시하였다. 이 구간에서는 안정화 유도단계로 혐기 소화 상등액의 경우 약 10일 전 후로 안정화가 이루어졌다.
- 또한 실험 시 질산화가 발생하여 산소가 소비되게 되며 유기물 성상 분석에 오차가 발생하므로 질산화 억제제(1-Ally-2-thiourea)를 주입하였다. 내생호흡상태에 도달한 포기조에 분석하고자 하는 시료를 넣는 순간을 시점으로 DO 측정조로 유입시킨 후 감소하는 DO 농도로 OUR을 산정하였다. 여기서 DO 측정조에서는 외부로부터 산소의 공급이 없어야 정확한 OUR 측정이 가능하므로, DO meter의 probe를 연결한 후 외부 산소의 유입이 없도록 밀폐하였다.
- 반응조 외부에 수조를 설치하여 냉각기와 히터를 이용하여 운전 기간 중 동일한 온도를 유지하도록 하였다. 또한 공기공급펌프를 이용하여 지속적인 산소 공급을 하였으며, 추가적으로 교반기를 설치하여 완전 혼합이 이루어지도록 하였다.
- 최초 포기조 내 슬러지는 최소 48시간 이상 포기시켜 미생물이 일정한 DO를 소모하는 내생호흡단계에 이르게 한 후 실험을 실시하였다. 또한 실험 시 질산화가 발생하여 산소가 소비되게 되며 유기물 성상 분석에 오차가 발생하므로 질산화 억제제(1-Ally-2-thiourea)를 주입하였다. 내생호흡상태에 도달한 포기조에 분석하고자 하는 시료를 넣는 순간을 시점으로 DO 측정조로 유입시킨 후 감소하는 DO 농도로 OUR을 산정하였다.
- 질산화 미생물은 온도에 영향을 받기 때문에 운전 기간 중 동일한 온도를 유지시켜 주기 위한 방안으로 항온 수조를 설치하였다. 반응조 외부에 수조를 설치하여 냉각기와 히터를 이용하여 운전 기간 중 동일한 온도를 유지하도록 하였다. 또한 공기공급펌프를 이용하여 지속적인 산소 공급을 하였으며, 추가적으로 교반기를 설치하여 완전 혼합이 이루어지도록 하였다.
- 본 연구에서는 하수종말처리장 유입수, 1차침전지, 슬러지 농축 조, 농축조, 혐기 소화조 그리고 탈리여액을 대상으로 유기물 성상 분석을 분석하였다. 또한 혐기 소화 상등액을 이용한 안정적인 질산화 반응조에서 유기물 산화율과 암모니아성 질소 제거율을 비교하여 유기물 산화와 질산화의 관계를 파악하고자 하였다.
- 6는 혐기 소화 상징액을 운전한 B1~B4구간에서 반응조 내 COD 농도와 암모니아성질소 농도의 변화를 보여 주고 있다. 시료의 반응조 유입과 동시에 시간에 따라 샘플을 채취하여 COD와 암모니아성 질소의 농도를 분석하였다. 혐기 소화 상징액이 반응조로 유입된 후 우선적으로 COD의 농도가 감소하는 것으로 나타났다.
- 실험 개시 초반에는 유기물 분해 특성 파악을 위해 짧은 측정 주기로 유입·반송을 반복하며 측정하였으며, 점차 측정 주기를 늘려가며 분석하였다.
- 내생호흡상태에 도달한 포기조에 분석하고자 하는 시료를 넣는 순간을 시점으로 DO 측정조로 유입시킨 후 감소하는 DO 농도로 OUR을 산정하였다. 여기서 DO 측정조에서는 외부로부터 산소의 공급이 없어야 정확한 OUR 측정이 가능하므로, DO meter의 probe를 연결한 후 외부 산소의 유입이 없도록 밀폐하였다. 실험 개시 초반에는 유기물 분해 특성 파악을 위해 짧은 측정 주기로 유입·반송을 반복하며 측정하였으며, 점차 측정 주기를 늘려가며 분석하였다.
- 이 후 본격적인 실험을 실시한 B1~B4구간은 약 200일간 운전하였으며, 운전기간 동안 혐기 소화 상등액의 암모니아성 질소의 농도는 940~988 mg/L 범위를 보였으며, 평균적으로 954 mg/L의 유입 농도를 보였다. 운전 구간은 운전 초기에는 긴 SRT에서 점차 SRT를 줄이는 방식으로 운전을 실시하였다. 혐기 소화 상등액의 경우 SRT를 8일~1일로 운전하였다.
- 2는 실험실 규모 질산화 반응조의 모식도를 보여주고 있다. 질산화 미생물은 온도에 영향을 받기 때문에 운전 기간 중 동일한 온도를 유지시켜 주기 위한 방안으로 항온 수조를 설치하였다. 반응조 외부에 수조를 설치하여 냉각기와 히터를 이용하여 운전 기간 중 동일한 온도를 유지하도록 하였다.
- OUR 실험기는 포기조와 DO 측정조로 구분할 수 있으며, 유량조절펌프를 이용하여 포기조 내 시료를 DO 측정조로 유입·반송시켜 DO 소모량을 측정하는 원리를 가지고 있다. 최초 포기조 내 슬러지는 최소 48시간 이상 포기시켜 미생물이 일정한 DO를 소모하는 내생호흡단계에 이르게 한 후 실험을 실시하였다. 또한 실험 시 질산화가 발생하여 산소가 소비되게 되며 유기물 성상 분석에 오차가 발생하므로 질산화 억제제(1-Ally-2-thiourea)를 주입하였다.
- 5는 혐기 소화 상징액을 대상으로 한 질산화 반응조의 유입·유출수의 알칼리도와 암모니아성 질소 결과를 보여 주고 있다. 혐기 소화 상징액을 대상으로 반응조 운전을 실시한 이유는 혐기 소화 상징액 내 유기물은 대부분 생물학적으로 분해 불가능한 형태로 존재하기 질산화에 유리할 것으로 판단하여 반응조 운전을 실시하였다. A0~A1 단계에서는 seeding 슬러지 (A하수종말처리장 포기조)를 이용하여 암모니아성 질소가 일정 농도 제거되었을 때 feeding을 실시하였다.
대상 데이터
- Table 1은 본 연구에 사용된 서울 A 하수종말처리장의 유입수, 최초 침전지 상등액, 농축조 상등액, 혐기 소화 상등액 그리고 탈리여액의 농도를 보여주고 있다. 상기 언급한 다섯 종류는 하수종말처리장의 대표적인 하수로 수처리 계통 하수인 유입 하수와 최초침전지 상등액은 슬러지 계통 하수와 비교하여 저농도의 오염물을 함유하고 있었다.
이론/모형
- 전체 시료에서 COD 234~19,400 mg/L 그리고 BOD는 93~5,800 mg/L의 농도 범위를 보였다. 본 실험을 위해 분석된 수질항목은 standard method에 의거하였다(APHA, 1998)
성능/효과
- OUR 실험 결과를 토대로 내생호흡 상태의 포기조에 분석하고자 하는 시료를 주입한 후 OUR 값이 초기 변곡점까지를 SS 분해가 일어난 구간, 이 후 내생호흡 상태와 동일한 OUR 값을 보이는 지점까지를 XS 분해가 일어난 구간으로 구분할 수 있다. (a) 유입 하수의 경우 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였다. 이 후 OUR 값이 급하게 감소하는 경향을 보였으며, 실험 시작 직 후 110분 이내에 초기 변곡점이 나타났다.
- 4를 통해 확인할 수 있다. (a) 유입하수의 경우 타 하폐수와 다르게 XI의 비율이 가장 많은 것으로 분석되었다. 이는 하수종말처리장 유입수 내 부유성으로 존재하는 유기물의 비율이 가장 큰 것으로 판단된다.
- 이는 하수종말처리장 유입수 내 부유성으로 존재하는 유기물의 비율이 가장 큰 것으로 판단된다. 하지만 (b) 최초침전지 상등액의 경우 SI의 비율이 가장 큰 것으로 조사되었다. 유입 하수와는 다르게 XI 형태로 존재하는 유기물의 비율이 감소한 것을 확인할 수 있는데 이는 최초침전지를 거치며 부유물질이 제거된 것에 영향을 받았을 것으로 판단된다.
- 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하였으며, 이 후 OUR 값이 급하게 감소하는 경향을 보였으며, 실험 시작 직 후 105분 이내에 초기 변곡점이 나타났다. (c) 농축조 상등액도 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였지만, OUR 값이 급하게 감소하여 초기 변곡점이 나타난 시간은 150분으로 초기 변곡점이 나타나는 시간이 증가하였다. (d) 혐기 소화 상등액의 경우에도 실험 초기 OUR 값이 증가하였다가 감소하는 비슷한 결과를 보였으나, 실험 시작 후 초기 변곡점이 나타난 시간은 220분으로 앞선 하수들의 시험값과 다소 차이를 보였다.
- 유입 하수와는 다르게 XI 형태로 존재하는 유기물의 비율이 감소한 것을 확인할 수 있는데 이는 최초침전지를 거치며 부유물질이 제거된 것에 영향을 받았을 것으로 판단된다. (c) 농축조 상징액의 경우 SS 형태로 존재하는 유기물의 가장 많았던 것으로 나타났으며, 혐기 소화 상징액은 SI 그리고 탈리여액은 XS로 존재하는 유기물의 비율이 가장 컸던 것으로 나타났다. 각 하수에 대한 유기물 성상 결과는 Table 2 (비율)와 Table 3(농도)를 통해 확인 할 수 있다.
- (c) 농축조 상등액도 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였지만, OUR 값이 급하게 감소하여 초기 변곡점이 나타난 시간은 150분으로 초기 변곡점이 나타나는 시간이 증가하였다. (d) 혐기 소화 상등액의 경우에도 실험 초기 OUR 값이 증가하였다가 감소하는 비슷한 결과를 보였으나, 실험 시작 후 초기 변곡점이 나타난 시간은 220분으로 앞선 하수들의 시험값과 다소 차이를 보였다. (e) 탈리여액도 반응조 동일한 OUR 값의 변화를 보였으며, 초기 변곡점이 나타는 시간은 120분으로 나타났다.
- (d) 혐기 소화 상등액의 경우에도 실험 초기 OUR 값이 증가하였다가 감소하는 비슷한 결과를 보였으나, 실험 시작 후 초기 변곡점이 나타난 시간은 220분으로 앞선 하수들의 시험값과 다소 차이를 보였다. (e) 탈리여액도 반응조 동일한 OUR 값의 변화를 보였으며, 초기 변곡점이 나타는 시간은 120분으로 나타났다. 본 연구에서 분석 대상 시료를 OUR 실험 포기조 내 주입하자마자 미생물의 산소 소모율이 급증하였다가 실험이 진행됨에 따라 점차 감소한다는 결과와 유사하게 나타났다.
- 혐기 소화 상등액의 경우 SRT를 8일~1일로 운전하였다. B1 (SRT 8일), B2 (SRT 4일) 그리고 B3 (SRT 2일)에서는 안정적인 암모니아성 질소의 제거가 일어났지만, B4 (SRT 1일)구간에 암모니아성 질소의 제거가 원활하게 이루어지지 않았으며, 이는 짧은 체류시간으로 인해 질산화균이 암모니아성 질소를 제거하기 어려웠던 것으로 판단된다.
- 마지막 세 번째 구간은 더 이상 포기조 내 생물학적으로 분해 가능한 유기물이 존재하지 않아 미생물이 내생호흡단계 필요한 산소만을 소비하는 내생호흡 구간이다. OUR 실험 결과를 토대로 내생호흡 상태의 포기조에 분석하고자 하는 시료를 주입한 후 OUR 값이 초기 변곡점까지를 SS 분해가 일어난 구간, 이 후 내생호흡 상태와 동일한 OUR 값을 보이는 지점까지를 XS 분해가 일어난 구간으로 구분할 수 있다. (a) 유입 하수의 경우 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였다.
- 따라서 본연구를 통해 규명한 각 하수별 유기물 성상은 하수종말처리장의 원활한 운영을 위해 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 질산화 반응조 내 반응시간에 따른 유기물 및 암모니아성 질소 변화 분석을 통해 SS이 질산화에 영향을 미치는 주요 인자임을 확인 할 수 있었다. 즉, 유기물 중 SS로 존재하는 유기물 성분이 질산화 반응에 영향을 주는 것으로 판단 할 수 있으며, 이는 질산화 반응이 유도 가능한 체류시간 선정에 밀접한 관계가 있는 것으로 사료된다.
- (b) 최초 침전지 상등액도 유입 하수와 유사한 결과를 보였다. 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하였으며, 이 후 OUR 값이 급하게 감소하는 경향을 보였으며, 실험 시작 직 후 105분 이내에 초기 변곡점이 나타났다. (c) 농축조 상등액도 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였지만, OUR 값이 급하게 감소하여 초기 변곡점이 나타난 시간은 150분으로 초기 변곡점이 나타나는 시간이 증가하였다.
- (e) 탈리여액도 반응조 동일한 OUR 값의 변화를 보였으며, 초기 변곡점이 나타는 시간은 120분으로 나타났다. 본 연구에서 분석 대상 시료를 OUR 실험 포기조 내 주입하자마자 미생물의 산소 소모율이 급증하였다가 실험이 진행됨에 따라 점차 감소한다는 결과와 유사하게 나타났다. 유입 하수, 최초 침전지 상등액, 농축조 상등액, 혐기 소화조 상등액 및 탈리여액의 OUR 실험 결과 중 가장 초기변곡점이 나타나기까지 가장 긴 시간은 혐기 소화 상징액의 220분으로 나타났다.
- 특히, 혐기 소화 상등액의 경우 다른 종류의 하수보다 고농도의 오염물을 함유하고 있는 것을 확인 할 수 있다. 수처리 계통 하수인 유입 하수와 1차 침전지 상등액의 농도를 비교하였을 때, 1차 침전지 상등액의 암모니아성 질소 농도가 다소 높은 것으로 나타났다. 슬러지처리 계통 하수 중 혐기소화 상등액의 BOD와 암모니아성 질소의 농도가 가장 높은 것으로 나타났다.
- 수처리 계통 하수인 유입 하수와 1차 침전지 상등액의 농도를 비교하였을 때, 1차 침전지 상등액의 암모니아성 질소 농도가 다소 높은 것으로 나타났다. 슬러지처리 계통 하수 중 혐기소화 상등액의 BOD와 암모니아성 질소의 농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 전체 시료에서 COD 234~19,400 mg/L 그리고 BOD는 93~5,800 mg/L의 농도 범위를 보였다.
- 유기물 성상 분석 결과 각 하수마다 유기물 구성에서 차이를 보이는 것으로 나타났다. 유입 하수의 경우 XI, 최초 침전지 상등액의 경우 SI, 농축조 상등액의 경우 SS, 혐기 소화 상등액의 경우 SI 그리고 탈리여액의 경우 XS의 유기물 성분이 가장 큰 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 분석 대상 시료를 OUR 실험 포기조 내 주입하자마자 미생물의 산소 소모율이 급증하였다가 실험이 진행됨에 따라 점차 감소한다는 결과와 유사하게 나타났다. 유입 하수, 최초 침전지 상등액, 농축조 상등액, 혐기 소화조 상등액 및 탈리여액의 OUR 실험 결과 중 가장 초기변곡점이 나타나기까지 가장 긴 시간은 혐기 소화 상징액의 220분으로 나타났다. 혐기 소화 상등액과 농축조 상등액에서 다른 하·폐수에 비해 초기 변곡점까지 긴 시간이 걸린 이유는 함유된 SS 비율 및 농도가 높은 특징을 보이고 있다.
- 유기물 성상 분석 결과 각 하수마다 유기물 구성에서 차이를 보이는 것으로 나타났다. 유입 하수의 경우 XI, 최초 침전지 상등액의 경우 SI, 농축조 상등액의 경우 SS, 혐기 소화 상등액의 경우 SI 그리고 탈리여액의 경우 XS의 유기물 성분이 가장 큰 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 이는 각 하수마다 유기물의 특성이 차이를 보인다고 설명할 수 있다.
- (a) 유입 하수의 경우 반응조 내 시료를 주입하자마자 OUR 값이 증가하는 경향을 보였다. 이 후 OUR 값이 급하게 감소하는 경향을 보였으며, 실험 시작 직 후 110분 이내에 초기 변곡점이 나타났다. (b) 최초 침전지 상등액도 유입 하수와 유사한 결과를 보였다.
- 이 후 약 40일간 안정적인 질산화가 유도된 것으로 확인 할 수 있다. 이 후 본격적인 실험을 실시한 B1~B4구간은 약 200일간 운전하였으며, 운전기간 동안 혐기 소화 상등액의 암모니아성 질소의 농도는 940~988 mg/L 범위를 보였으며, 평균적으로 954 mg/L의 유입 농도를 보였다. 운전 구간은 운전 초기에는 긴 SRT에서 점차 SRT를 줄이는 방식으로 운전을 실시하였다.
- 이는 seeding 슬러지와 혐기 소화 상등액의 유기물과 암모니아성 질소 등의 오염물질의 농도 차이에 영향을 받은 것으로 보인다. 이 후 약 40일간 안정적인 질산화가 유도된 것으로 확인 할 수 있다. 이 후 본격적인 실험을 실시한 B1~B4구간은 약 200일간 운전하였으며, 운전기간 동안 혐기 소화 상등액의 암모니아성 질소의 농도는 940~988 mg/L 범위를 보였으며, 평균적으로 954 mg/L의 유입 농도를 보였다.
- 즉, 암모니아성 질소 제거에 주요 영향을 미치는 유기물 성분은 SS로 판단된다. 이를 통해 유기물 중 SS로 존재하는 유기물 성분이 질산화 반응에 영향을 주는 것으로 판단 할 수 있으며, 이는 질산화 반응이 유도 가능한 적정 체류시간 산정과 밀접한 관계가 있음을 확인 할 수 있다.
- 슬러지처리 계통 하수 중 혐기소화 상등액의 BOD와 암모니아성 질소의 농도가 가장 높은 것으로 나타났다. 전체 시료에서 COD 234~19,400 mg/L 그리고 BOD는 93~5,800 mg/L의 농도 범위를 보였다. 본 실험을 위해 분석된 수질항목은 standard method에 의거하였다(APHA, 1998)
- 또한 질산화 반응조 내 반응시간에 따른 유기물 및 암모니아성 질소 변화 분석을 통해 SS이 질산화에 영향을 미치는 주요 인자임을 확인 할 수 있었다. 즉, 유기물 중 SS로 존재하는 유기물 성분이 질산화 반응에 영향을 주는 것으로 판단 할 수 있으며, 이는 질산화 반응이 유도 가능한 체류시간 선정에 밀접한 관계가 있는 것으로 사료된다.
- 시료의 반응조 유입과 동시에 시간에 따라 샘플을 채취하여 COD와 암모니아성 질소의 농도를 분석하였다. 혐기 소화 상징액이 반응조로 유입된 후 우선적으로 COD의 농도가 감소하는 것으로 나타났다. 이 후 암모니아성 질소의 농도가 점차 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이는 각 공정의 하수를 처리할 때 반드시 파악해야 하는 중요한 하수 특성이라고 할 수 있다. 따라서 본연구를 통해 규명한 각 하수별 유기물 성상은 하수종말처리장의 원활한 운영을 위해 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 질산화 반응조 내 반응시간에 따른 유기물 및 암모니아성 질소 변화 분석을 통해 SS이 질산화에 영향을 미치는 주요 인자임을 확인 할 수 있었다.
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