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문제 정의
- 5) 본 연구를 통해 자철광 분말을 이용한 하수처리공정의 가능성을 확인하였다. 자철광 분말의 투입과 동시에 MLSS농도가 증가함을 확인하였고, 이를 통해 유기물 제거율 및 총질소, 총인 제거효율이 증가함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 자철광 분말을 이용한 하수처리 공법을 개발하였으며, 연구실 규모 실험을 통해 그 가능성을 평가하였다. 운전기간동안 생물반응조 내 MLSS 농도 변화를 확인하였고 질소, 인 제거효율을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 자철광 분말을 이용한 하수처리공정의 생물반응조의 MLSS 농도변화를 관찰하고 이를 통한 하수처리 효율 및 질소, 인 제거효율을 확인하고자 한다.
- 운전기간 동안 TP 분석을 통해 본 시스템의 인 제거 효율을 평가하고자 하였다. Fig.
제안 방법
- 이때 대조군의 MLSS 농도는 2,500±200mg/L로 유지하였다. 반응조 내 MLSS 농도를 8,000mg/L, 6,000mg/L로 일정하게 유지하기 위하여 슬러지 폐기량에 따라 자철광 분말을 지속적으로 투입하였다(Fig. 3).
- 생물반응조는 자철광 분말을 투입하는 실험군과 자철광 분말을 투입하지 않는 대조군으로 하여 총 2set를 제작하였으며, 반응조 재질은 아크릴로 제작 하였다. 혐기조와 무산소조에는 교반속도 조절이 가능한 교반기를 설치하였으며, 호기조에는 산기관과 실험용 공기주입장치를 이용하여 공기를 공급하였다.
- 생물반응조의 유기물 제거효율을 평가하기 위하여 운전 기간중의 유입수, 유출수의 BOD 분석을 실시하였다. 운전기간 동안 유입수의 BOD 농도는 평균 176.
- 본 연구에서는 자철광 분말을 이용한 하수처리 공법을 개발하였으며, 연구실 규모 실험을 통해 그 가능성을 평가하였다. 운전기간동안 생물반응조 내 MLSS 농도 변화를 확인하였고 질소, 인 제거효율을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 운전초반 MLSS 농도는 8,000±200mg/L로 유지하였으며, 6,000±200mg/L로 낮추어 유기물 제거효율의 변화를 관찰하였다.
- 자철광 분말을 이용한 하수처리 시스템의 lab-scale 실험장치는 혐기조, 무산소조, 호기조로 이루어진 생물 반응조와 침전조로 설계하였다.
- 자철광 분말을 이용한 하수처리 시스템의 질소제거효율을 평가하기 위해 TN 분석을 실시하였으며, 운전기간동안의 TN 농도 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 운전기간 동안 유입 수의 TN 농도는 평균 41.
- 자철광 분말을 이용한 하수처리 시스템의 처리 효율을 평가하기 위해 MLSS농도 및 BOD, TN, TP 농도를 분석하였다. 유입수 및 유출수의 성상 분석은 수질오염 공정시험방법에 준하여 실시하였으며, HACH DR 5000을 이용하여 분석하였다.
- 적정 MLSS 농도를 도출하기 위하여 8,000±200mg/L, 6,000±200mg/L의 두가지 조건으로 실험을 진행하였다.
- 혐기조와 무산소조에는 교반속도 조절이 가능한 교반기를 설치하였으며, 호기조에는 산기관과 실험용 공기주입장치를 이용하여 공기를 공급하였다. 침전조에는 스크래퍼를 설치하여 원활한 외부반송이 이루어지도록 설계, 제작하였다.
- 생물반응조는 자철광 분말을 투입하는 실험군과 자철광 분말을 투입하지 않는 대조군으로 하여 총 2set를 제작하였으며, 반응조 재질은 아크릴로 제작 하였다. 혐기조와 무산소조에는 교반속도 조절이 가능한 교반기를 설치하였으며, 호기조에는 산기관과 실험용 공기주입장치를 이용하여 공기를 공급하였다. 침전조에는 스크래퍼를 설치하여 원활한 외부반송이 이루어지도록 설계, 제작하였다.
대상 데이터
- 입자의 사이즈는 사용용도 및 생산과정에 따라 다양하며, 본 실험에서는 70 ∼ 100㎛ 사이즈의 흑색 자철광 분말을 사용하였다. 연구에 사용한 하수는 서울시내 K 하수처리장의 일차침전지 월류수를 이용하였으며, 저류조에 저장 후 완전 교반을 실시하여 생물반응조 유입수로 사용하였다.
- 입자의 사이즈는 사용용도 및 생산과정에 따라 다양하며, 본 실험에서는 70 ∼ 100㎛ 사이즈의 흑색 자철광 분말을 사용하였다.
이론/모형
- 자철광 분말을 이용한 하수처리 시스템의 처리 효율을 평가하기 위해 MLSS농도 및 BOD, TN, TP 농도를 분석하였다. 유입수 및 유출수의 성상 분석은 수질오염 공정시험방법에 준하여 실시하였으며, HACH DR 5000을 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1) 자철광 분말을 투입한 반응조의 MLSS는 8,000mg/L으로 증가하였으며, 이는 대조군의 2,500mg/L 대비 약 3.2배 증가한 값을 나타내었다.
- 2) 자철광 분말 투입 시 BOD 제거효율은 평균 96%로 대조군의 89% 대비 7% 상승하는 결과를 나타내었다. 이는 고농도 MLSS 유지에 따른 미생물의 활성도 증가에 따른 것으로 판단된다.
- 3) 유입수의 평균 총질소 농도는 41.4mg/L, 유출수의 평균 총질소 농도는 10.8mg/L로 나타나 약 74%의 질소 제거 효율을 보였다. 이는 대조군의 51% 대비 23% 증가한 결과로, 자철광 분말을 이용한 하수처리 공정이 질소 제거에 효과적인 것을 증명하였다.
- 4) 실험 1과 2 모두에서 약 98%의 총인이 제거되었다. 이때 대조군의 제거율은 77%로 자철광 분말을 이용한 하수처리를 통해 기존 공정 대비 약 20%의 제거율 증진 효과를 확인하였다.
- 질산화 반응은 독립영양 미생물인 질산화 미생물에 의해 이루어지며 질산화 미생물의 성장속도는 일반적으로 유기물제거에 이용되는 종속영양 미생물보다는 매우 낮기 때문에 미생물의 유지가 매우 중요하다.8) 또한 질산화 미생물은 pH, 온도 변화 등 환경요인의 변화에 민감하며 유독성 물질에 약하다는 특징을 가지고 있다.
- 6mg/L으로 나타났다. 대조군의 유출수 TN 농도는 평균 20.3mg/L로 분석되었다.
- 따라서 고농도 MLSS에서 발생되는 핀플럭이나 슬러지 벌킹 등의 현상 없이 높은 고액 분리 효과를 얻을 수 있다. 따라서 생물반응조 운전 MLSS 농도를 8,000mg/L 이상의 고농도로 유지할 수 있어 유입 수질 부하 대처에 용이하며, 공법개량 및 처리시설 용량 증가 없이도 강화된 방류수질을 준수할 수 있다.
- MBR 공정은 막에 의한 고액분리와 생물학적 처리의 결합 공정으로 기존 고도처리 공정의 2차 침전 및 여과 공정이 필요 없어 기존 하수종말처리장의 고도처리 전환 및 중수처리공정에 적용이 확대되고 있다. 또한 고농도 MLSS 유지 및 짧은 수리학적 체류시간으로 인한 작은 부지면적 및 높은 SS 제거율로 엄격한 재이용수 수질 기준을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 낮은 F/M비와 긴 슬러지 체류시간으로 인하여 기존 활성 슬러지법에 비해 슬러지 발생량이 적은 장점이 있다.(9) 그러나 막 오염을 방지하기 위한 공기세정 및 화학세정에 의해 고농도 DO가 포함된 내부반송수로 인한 인 방출 저해 및 미생물 활성 저하 등의 문제점이 있으며, 잦은 회복세정과 분리막 교체로 인한 유지관리비가 상승한다는 단점을 가진다.
- 또한 생물반응조 MLSS 농도를 8,000mg/L로 운전한 실험1 기간과 생물반응조 MLSS 농도를 6,000mg/L로 운전한 실험2 기간의 BOD 제거효율은 약 1% 정도의 차이를 보여 생물반응조 MLSS 농도가 8,000mg/L에서 6,000mg/L으로 감소하여도 비슷한 BOD 제거효율을 나타냄을 확인하였다. 운전기간동안 실험군과 대조군의 BOD 제거율 변화 그래프를 Fig.
- 또한 생물반응조 MLSS 농도를 8,000mg/L로 운전한 실험1 기간과 생물반응조 MLSS 농도를 6,000mg/L로 운전한 실험2 기간의 TN 제거효율은 약 5% 정도의 차이를 보여 생물반응조 MLSS 농도가 질소제거 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 또한 실험 1 기간과 실험 2 기간의 TP 제거효율은 약 21% 정도의 차이를 보여, 생물반응조 내 MLSS 농도가 높을수록 TP 제거효율이 높아짐을 확인하였다.
- 28mg/L로 나타났다. 실험 1, 실험 2, 대조군의 평균 TP 제거율은 각 98%, 98%, 77%로 나타났다. 실험군의 TP 제거율은 모든 기간에서 대조군보다 높게 나타났다.
- 8mg/L로 측정되었다. 실험1, 실험2, 대조군의 평균 BOD 제거율운 96%, 95%, 89%로 나타났다.
- 8mg/L로 나타났다. 실험군에서 유출수의 평균 BOD 농도는 MLSS 농도를 8,000mg/L로 운전한 실험1 기간에는 평균 8.5mg/L, MLSS 농도를 6,000mg/L로 운전한 실험2 기간에서는 평균 8.3mg/L으로 나타났다. 대조군의 유출수 BOD 농도는 평균 18.
- 4mg/L로 나타났다. 실험군에서 유출수의 평균 TN 농도는 실험1 기간에는 평균 10.8mg/L, 실험2 기간에서는 평균 12.6mg/L으로 나타났다. 대조군의 유출수 TN 농도는 평균 20.
- 실험군의 BOD 제거율은 모든 기간에서 대조군보다 높게 나타났다. 이는 높은 MLSS 농도를 유지함으로써 미생물에 의한 유기물 제거가 활발했던 것으로 판단되며, 자철광 분말 투입으로 인한 높은 고액분리 효과로 미세 입자성 물질의 유출이 감소한 결과로 판단된다.
- 운전 기간동안 유입수와 유출수의 평균 TN 제거율은 실험 1에서 74%, 실험 2에서 69%, 대조군에서 51%로 나타났다. 실험군의 TN 제거율은 모든 기간에서 대조군보다 높게 나타나 자철광 분말을 이용한 하수처리공정이 질소제거효율을 증가시킴을 확인하였다. 자철광 분말의 주입을 통한 floc 형성 및 반응조 내 MLSS 농도 증가를 통해 미생물의 유출을 저감하여 질산화 효율 및 총질소 제거효율이 증가한 것으로 판단된다.
- 실험 1, 실험 2, 대조군의 평균 TP 제거율은 각 98%, 98%, 77%로 나타났다. 실험군의 TP 제거율은 모든 기간에서 대조군보다 높게 나타났다.
- 운전 기간동안 유입수와 유출수의 평균 TN 제거율은 실험 1에서 74%, 실험 2에서 69%, 대조군에서 51%로 나타났다. 실험군의 TN 제거율은 모든 기간에서 대조군보다 높게 나타나 자철광 분말을 이용한 하수처리공정이 질소제거효율을 증가시킴을 확인하였다.
- 운전기간 동안 유입수의 평균 TP 농도는 5.62mg/L이었으며, 실험 1 기간의 유출수 TP 농도는 평균 0.14 mg/L, 실험 2 기간의 유출수 평균 TP 농도는 평균 0.09mg/L으로 나타났다. 대조군의 유출수 TP 농도는 평균 1.
- 8mg/L로 나타나 약 74%의 질소 제거 효율을 보였다. 이는 대조군의 51% 대비 23% 증가한 결과로, 자철광 분말을 이용한 하수처리 공정이 질소 제거에 효과적인 것을 증명하였다.
- 4) 실험 1과 2 모두에서 약 98%의 총인이 제거되었다. 이때 대조군의 제거율은 77%로 자철광 분말을 이용한 하수처리를 통해 기존 공정 대비 약 20%의 제거율 증진 효과를 확인하였다.
- 5) 본 연구를 통해 자철광 분말을 이용한 하수처리공정의 가능성을 확인하였다. 자철광 분말의 투입과 동시에 MLSS농도가 증가함을 확인하였고, 이를 통해 유기물 제거율 및 총질소, 총인 제거효율이 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 6) 향후 본 공정의 scale-up을 통해 실제 규모 하수처리장에의 적용 가능성 평가 및 운전데이터를 확보할 계획이며, 기존 하수처리공정에 본 공정을 조합한다면 하수처리효율을 증대 및 방류수 수질기준 향상을 위한 대안이 될 수 있을 것으로 기대된다.
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