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문제 정의
- 본 연구에서도 위 연구와 마찬가지로 악취발생농도가 높을 것으로 추정되어지는 유기성 폐수 처리 공정 중 양돈분뇨 호기성 처리 공정을 대상으로 공정 중에 악취저감을 목적으로 별도로 제작된 생물반응기(Bio-reactor)에 pellet과 stone 을 충진하고 대조 시설로서 반응기를 도입하지 않는 호기성 처리 공정과 비교하여 반응조 운전상태, 처리수질, 악취발생 농도를 측정하였다.
제안 방법
- 후)유리섬유 여과">유리섬유여과 후 2시간 동안 105℃에서 건조 후 중량하였다. 11) DO, pH, 온도, ORP는 탁상용 측정기(YK-2001, Intelligent meter, Korea)를 사용하여 측정하였고 SV30은 1,000 mL imhoff cone을 사용하여 30분간 정치 후 슬러지 침강 깊이를 측정하였다. SVI (Sludge Volume Index)는 위에서 구해진 MLSS의 농도와 SV30을 이용하여 BOD5, CODMn, SS, T-N, T-P, NH3-N 은 수질오염공정시험기준에 의하여 분석하였고, MLSS는 SS측정법과 동일하게 유리섬유여과 후 2시간 동안 105℃에서 건조 후 중량하였다. 11) DO, pH, 온도, ORP는 탁상용 측정기(YK-2001, Intelligent meter, Korea)를 사용하여 측정하였고 SV30은 1,000 mL imhoff cone을 사용하여 30분간 정치 후 각각의 반응조는 운전 중 수시로 포기조로부터 샘플을 채취하여 광학현미경을 이용하여 미생물에 대한 검경을 실시하였고 실험이 종료된 후에는 test 반응조 바닥에 침적된 침전물을 원심분리 하여 얻어진 펠렛을 동결건조 시킨 후 FE-SEM (S-4700, HITACHI, Japan)을 이용하여 미생물 성상을 관찰하였다. 또한 미생물의 또한 각각의 반응조는 호기성 조건을 유지하기 위해 송풍기를 통해 20 L/ min의 공기를 연속적으로 공급하였다. 각각의 반응조는 처리용량 1.5 L/day, 수리학적 체류시간(HRT) 40일, 반송율 100~200% 범위로 설계하였으며 스테인레스 스틸(STS304, 2.3 t) 재질로 구성하였다.
- 후)공기희석 관능법에">공기희석관능법에 의한 악취강도를조사하기 위하여 본연구에서는 시료를 채취하는 과정에서 펌프나 유량계에서 발생할 수 있는 취기의 영향을 배제할 수 있는 악취시료 전용 채취장비(Model 1063, Supelco, USA)를 사용하였다. 이 장비는 공정 중 악취발생농도가 높은 양돈분뇨 처리모형에 근원적인 악취발생 저감효과가 있을 것으로 추정되어지는 생물 반응기를 도입한 공정과 대조시설로서 생물반응기를 도입 하지 않은 공정을 비교하여 반응조 운전상태, 처리수질, 악취발생농도를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그리고 각각의 반응조 및 유출수에 대하여 미생물 분리배양 및 동정을 실시하여 미생물에 관한 조사를 실시하였다.
- 그리고 공폭기가 완료된 후 처음 1일차~30일차까지는 “D” 농장에서 고액분리된 양돈폐수 1.5 L를 각각 0.5 L 씩 나누어 하루 3회에 걸쳐 투입하였고, 다음 31일차부터 50일차까지는 “H”농장에서 고액분리된 양돈폐수를 동일한 조건에서 투입하였으며, 마지막 51일차에 서 75일까지는 J군의 “J” 농장에서 고액분리된 양돈폐수를 역시 같은 조건에서 투입하였으며 반응조 투입폐수 성상은 Table 1과 같다.
- 후)후균주를">후 균주를 분리하였다. 그리고 분리한 균주의 16S rRNA 염기서열 분석을 위하여 27F 와 1492R primer를 사용하여 PCR 증폭을 진행하였다. 증폭된 산물은 정제한 후 솔젠트(주) (Korea)에 의뢰하여 염기서열을 결정하였다.
- 후)미생물성상을">미생물 성상을 관찰하였다. 또한 미생물의 순수분리를 위해 각각의 반응조 및 유출수로부터 샘플을 채취한 후 R2A배지(yeast extract 0.5 g, glucose 0.5 g, proteasa pepton 0.5 g, casamino acid 0.5 g, soluble starch 0.5 g, sodium pyruvate 0.3 g, K2HPO4 0.3 g, MgSO4․7H2O 0.04 g, D․I water 1,000 mL) 를 이용하여 3차례 이상 계대배양한 후 균주를 분리하였다. 그리고 분리한 균주의 16S rRNA 염기서열 분석을 위하여 또한 암모니아와 황화합물 악취 분석만으로는 생물학적 악취 혹은 감각적 악취를 파악할 수 없으므로 복합악취 측정도 병행하였다. 그 결과, test 반응조는 희석배율 45로 나타났고 control 반응조에서는 반응조는 운전에 들어가기 전 먼저 미생물식종(seeding)을 실시하였다. 식종은 활성슬러지법으로 운전되고 있는 N시 “H”농장과 N시 “D”농장의 1차 후)시료채취 장비">시료채취장비 내부로 유입하게 된다. 복합악취 실험에 필요한 시료는 공기희석장치(Smelltec-7P, 동양전기화학, Korea)를 이용하여 조제하였고 악취오염공정 시험법에서 규정하고 있는 평가방법을 이용하여 조제하였다. 10) 희석시료의 조제는 3 L 용량의 폴리에스터 재질 공기 주머니를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 악취발생원 모형은 양돈폐수 호기성 처리공정 중 표준활성슬러지법 설계인자를 중심으로 설계하였으며 pellet과 stone으로 충진된 생물반응기를 장착한 test 반응조와 대조군으로서 생물반응기를 장착하지 않은 control 반응조로 구성하였다. 실험에 사용된 pellet (MT0001, JNC Environment, Japan)과 stone (MT0002, JNC Environment, Japan)은 각각 100 g ± 10 g씩 본 연구에서는 악취제어에 관여하는 미생물의 특성을 파악하기 위해 각각의 반응조에서 채취한 슬러지와 유출수에 대해 광학현미경, FE-SEM을 사용하여 검경을 실시하고 R2A배지를 이용한 분리배양 및 동정을 실시하였다.
- 증폭된 산물은 정제한 후 솔젠트(주) (Korea)에 의뢰하여 염기서열을 결정하였다. 분석된 16s rRNA 유전자 염기서열은 NCBI (National Center for Biotechnology Information, USA) 의 Blast search program (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/) 을 통해 기존에 보고된 미생물의 16S rRNA 염기서열과 상동성을 비교하여 균주특성을 파악하였다.
- 식종은 활성슬러지법으로 운전되고 있는 N시 “H”농장과 N시 “D”농장의 1차 폭기조 슬러지를 각각 20 L씩 혼합한 후 탈이온수 24 L를 보충하여 전체 반응조를 충진시키고 기존 처리장의 잔존 악취를 제거하기 위해 7일간 공폭기를 실시하였다.
- 암모니아는 흡수포집용기와 정량펌프(SIBATA, LV-40BR, Japan)를 이용 0.5% 붕산용액(Boric acid)에 취기공기를 흡입시켰으며, 분석용 시료용액에 페놀 펜타시아노니트로실 철(III)산 나트륨 용액과 차아염소산나트륨 용액을 가하여 분광광도계(UV mini 1240, SHIMADZU, Japan)를 이용 640 nm파장에서 흡광도를 측정하였다.
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후)유기성 폐수">유기성폐수 처리공정의 수처리 효율을 조사하기 위해 각각의 반응조 유출수에 대하여 BOD5, T-N, T-P 농도를 분석하였다. 투입 후 10일이 경과된 후 test 반응조에서 BOD5 는 126 mg/L를 보였으나 시간이 경과되면서 서서히 유출 농도가
후)27F와">27F 와 1492R primer를 사용하여 PCR 증폭을 진행하였다. 증폭된 산물은 정제한 후 솔젠트(주) (Korea)에 의뢰하여 염기서열을 결정하였다. 분석된 16s rRNA 유전자 염기서열은 NCBI (National Center for Biotechnology Information, USA) 의 Blast search program (
후)테들러 백에">테들러백에 채취한 시료는 air sampler가 부착된 전자 냉각방식을 이용한 자동 열탈착 장치(ATD UNITY, MARKES, France)의 내부 cold trap에서 시료를 -15℃로 일정시간(용량) 농축 후 수초 내에 280℃ 고온 탈착하여 자동으로 gas chromatography로 주입시켜 분석하였다. 표준물질은 rigas에서 제조한 것을 사용하였으며,
황화합물 시료채취는 감압식 장치가 장착된 채취장비(Supelco)를 이용하여 테들러백(5 L, Supelco, USA)에 채취 후 보관용 케이스(냉암소)에 넣어서 실험실로 이동 신속히 분석하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 pellet (MT0001, JNC Environment, Japan)과 stone (MT0002, JNC Environment, Japan)은 각각 100 g ± 10 g씩 생물반응기에 충진하였으며 생물반응기 하부에서 공기를 공급하였다.
- 후)280℃고온">280℃ 고온
이론/모형
- 본 연구대상 지정악취물질에 대한 시료채취 및 분석방법은 국립환경과학원 고시 악취공정시험방법에 준하여 실시 하였으며, 분석항목은 현행 악취방지법에서 규제하고 있는 암모니아, 메틸머캅탄, 황화수소, 디메틸설파이드, 디메틸디설파이드, 복합악취를 대상으로 하였다
성능/효과
- 후)발생 농도가">발생농도가 상관관계를 보임을 알 수 있다 (Fig. 1) 즉, BOD5 농도가 감소할 때 암모니아 농도도 상관 관계를 가지고 감소하는 것으로 보아 반응조에서 발생되는 암모니아는 미분해된 유기물의 폭기과정에서 탈기되는 것으로 추정되어진다. 또한 반응조내 1) 거품 발생, 처리수 투시도 등에서 생물반응기를 도입한 test 반응조가 훨씬 안정적인 모습을 보였으며 BOD5 제거 효율도 우수하였다.
- ">확인되는데(Fig. 2) 암모니아성 질소 농도가 높을수록 암모니아 발생농도 또한 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 호기성 처리공정에서 발생되는 암모니아의 배출은 암모니아가 질산화되기 이전의 유기물의 분해과정에서 발생되는 암모니아의 탈기에 의해 촉발된다고 볼 수 있으며, 생물반 응기를 장착한 반응조에서는 유기물의 분해과정에서 발생되는 암모니아성 질소의 농도를 낮추어 외부로 비산되는 암모니아 농도를 낮추는 효과를 보였다고 볼 수 있다.
- 2) 처리공정 중에서 발생되는 악취는 암모니아성 질소, 암모니아 농도, 복합악취를 기준으로 살펴본 결과 생물반 응기를 도입한 공정이 생물반응기를 도입하지 않은 공정보다 4배에서 24배 이상 낮게 나타나 근원적인 악취발생이 적은 것으로 나타났다.
- 반응조 운전상태는 Table 4와 같이 나타났다. MLSS의 경우 반응조 운전인자와 수질, 악취의 상관관계 분석을 위해 의도적으로 증감을 실시하였으므로 특별한 의미가 없으나 앞에서 살펴본 바와 같이 SVI, BOD5, 투시도 등을 감안했을 때 test reactor의 적정운전범위는 6,000 mg/L~8,000 mg/L으로 나타났으며 원수 농도가 높을 때는 비교적 높은 범위에서 운전하는 것이 유출수질과 거품제어 측면에서 유리할 것으로 판단된다. pH, 수온, DO 농도는 연구기간 동안 큰 변화를 보이지 않았다.
- Test 반응조 슬러지는 대체적으로 응집상태가 양호하였고 주로는 구균, 간균류가 검경되었지만, Control 반응조는 일부 사상균이 검경되었다(결과 미제시). 생균수 측정은 각 반응조 슬러지와 유출수에서 약 10배 정도 차이를 보였지만 이는 샘플 채취 시 각 반응조의 MLSS 농도가 다르고 각각의 반응조로부터 암모니아 농도를 측정한 결과 test 반응조와 control 반응조에서 현격한 차이를 보였다. test 반응조 출구에서 암모니아 농도는 원폐수 투입 6시간 후 2.9346 ppm으로 급격히 저하된 후 계속되는 원폐수 투입에도 불구하고 10일 뒤 1.4234 ppm, 25일 뒤 1.0221 ppm 이후 0.6221 ppm, 0.4692 ppm으로 점차 감소하다가 65일되는 시점에서 0.1085 ppm으로 거의 소멸되었다. 반면, control 반응조는 999%) 로 희석하여 제조하였다. 각 물질마다 분석재현성, 직선성의 결과는 양호한 결과(R2 값 0.991~0.999)를 얻었으며, 검출 한계도 공정시험방법을 만족하였다.
- 각각의 반응조로부터 암모니아 농도를 측정한 결과 test 반응조와 control 반응조에서 현격한 차이를 보였다. test 후)복합 악취">복합악취 측정도 병행하였다. 그 결과, test 반응조는 희석배율 45로 나타났고 control 반응조에서는 희석배율 67~68 정도로 비교적 높게 나타났다.
- 그러나 황화수소, 메틸머캅탄, 디메틸설파이드, 디메틸디설 파이드 농도는 각각의 반응조 모두 검출되지 않거나 5 ppb 에 불과하였으며 두 반응조의 차이 또한 크지 않는 것으로 나타났다. 이는 후)발생 농도">발생농도 또한 높아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 호기성 처리공정에서 발생되는 암모니아의 배출은 암모니아가 질산화되기 이전의 유기물의 분해과정에서 발생되는 암모니아의 탈기에 의해 촉발된다고 볼 수 있으며, 생물반 응기를 장착한 반응조에서는 유기물의 분해과정에서 발생되는 암모니아성 질소의 농도를 낮추어 외부로 비산되는 암모니아 농도를 낮추는 효과를 보였다고 볼 수 있다. 기존 연구에서는 호기성 처리공정에서 미생물에 의한 또한 처리시설의 안정적 운전을 평가하는 간접지표로서 처리수의 투시도를 고려할 수 있는바, Table 3과 같이 유출수에 대한 투시도 분석을 한 결과 test 반응조는 평균 13.6 cm 정도로 비교적 높은 투시도를 나타내는 반면 control 반응조는 평균 7.8 cm로 낮게 나타났다.
- 후)악취 제어에">악취제어에 효과를 보이는 것18)으로 알려져 있다. 반면, MLSS 농도와 암모니아성 질소, MLSS와 암모니아 농도는 그다지 상관관계는 없는 것으로 분석되었다.
- 1085 ppm으로 거의 소멸되었다. 반면, control 반응조는 투입초기 42.778 ppm으로 상당히 높은 값을 보였으며 이후 어느 정도 감소하지만 10.369 ppm, 5.4096 ppm, 9.2895 ppm으로 여전히 높은 값을 보이며 운전 후반기에도 test 반응조에 비해 약 24배 이상 높은 값을 보였다. 이러한 결과는 두 반응조의 BOD5 후)처리수투 시도">처리수 투시도 등에서 생물반응기를 도입한 test 반응조가 훨씬 안정적인 모습을 보였으며 BOD5 제거 효율도 우수하였다. 반면, 총질소(T-N), 총인(T-P) 제거효율은 두 개의 반응조 가 큰 차이를 보이지 않아 방류수 수질기준을 만족시키기 위해서는 별도의 고도처리시설을 설치하여야 할 것으로 나타났다.
- 2895 ppm으로 여전히 높은 값을 보이며 운전 후반기에도 test 반응조에 비해 약 24배 이상 높은 값을 보였다. 이러한 결과는 두 반응조의 BOD5 농도변화와 비교하면 BOD5 농도와 암모니아 발생농도가 상관관계를 보임을 알 수 있다 (Fig. 1) 즉, BOD5 농도가 감소할 때 암모니아 농도도 투입 후 10일이 경과된 후 test 반응조에서 BOD5 는 126 mg/L를 보였으나 시간이 경과되면서 서서히 유출 농도가 낮아시기 시작하였고 원수농도가 비교적 높은 “H” 농장의 폐수에서도 47.6 mg/L~85.9 mg/L의 처리수질을 유지하였으며, 원수 농도가 비교적 낮은 “J”농장의 폐수에서 는 24.2 mg/L까지 낮아지는 경향을 보였다.
- 하지만 전반적으로 control 반응조의 BOD5 농도가 test 반응조 대비 1.5~4배 가량 높게 나타나는 모습을 보여 BOD5 처리효율은 test 반응조가 우수한 것으로 평가되 었다(Table 2)
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