[논문]소규모 개인하수처리시설의 MBR공정 적용에 관한 연구

엄한기; 최유현; 주현종

doi:10.5322/jesi.2016.25.2.323

[국내논문] 소규모 개인하수처리시설의 MBR공정 적용에 관한 연구
A Study on Process Improvement for Reduction of Pollution Loading Rate in Small Individual Sewage Plant 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.25 no.2, 2016년, pp.323 - 329

엄한기 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 최유현 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 주현종 (경기대학교 환경에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the applicability of MBR process was evaluated to improve processing of personal sewage treatment facilities of $50m^3/day$ or less. As result of the research, stable discharge water quality could be secured as result of the MBR effector operation according to rate of inflow and inflow load and treatment efficiency of 98% or higher was shown by the membrane filtering method operation for SS, $BOD_5$. it was found that high treatment efficiency of 99% or higher. It is judged that detention time can be designed until 6.9 hr when applying MBR process on personal sewage treatment facilities with high pollution load and that cutback of pollution load can be possible through this study. It was shown that MBR process application reduces an annual cost of 4,829,600 won based on the basic unit calculation results and solves burden of amount of borne by causers according to excess of discharge water quality standards.

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문제 정의

본 연구의 목적은 50 m³/day 이하 소규모 개인하수처리시설에서 발생되는 법적 방류수 수질기준 초과를 방지하기 위해 고부하 오염원 처리에 적합한 MBR 공정을 적용하는데 있다. 이에 따라 실험실 규모의 반응기 운전을 통해 고부하 유입에 따른 처리효율과 최적의 반응조 설계인자를 도출하고, 오염부하량 삭감 원단위 산정을 통해 소규모 개인하수처리시설 내 MBR 공정 적용 가능성에 대하여 연구하고자 하였다.
/day 이하 소규모 개인하수처리시설에서 발생되는 법적 방류수 수질기준 초과를 방지하기 위해 고부하 오염원 처리에 적합한 MBR 공정을 적용하는데 있다. 이에 따라 실험실 규모의 반응기 운전을 통해 고부하 유입에 따른 처리효율과 최적의 반응조 설계인자를 도출하고, 오염부하량 삭감 원단위 산정을 통해 소규모 개인하수처리시설 내 MBR 공정 적용 가능성에 대하여 연구하고자 하였다.
Lab. scale MBR 반응기를 이용하여 공정의 오염원 처리효율을 평가하고 반응조 설계인자를 도출하고자 한다. 실험조건의 경우 MBR공정 내 최적 체류시간 도출 및 부하량 증가에 따른 처리효율을 평가하기 위하여 유입유량에 따라 Mode 1 ~ 4으로 구분하였으며, 각각 0.
본 연구를 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에서 발생되는 방류수질기준 초과의 문제점을 해결하기 위해 MBR 공정의 적용을 검토 하였으며, 이에 따른 오염부하량 삭감가능성에 따른 경제성을 평가하였다. 연구결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

scale MBR 반응기를 이용하여 공정의 오염원 처리효율을 평가하고 반응조 설계인자를 도출하고자 한다. 실험조건의 경우 MBR공정 내 최적 체류시간 도출 및 부하량 증가에 따른 처리효율을 평가하기 위하여 유입유량에 따라 Mode 1 ~ 4으로 구분하였으며, 각각 0.028, 0.050, 0.072, 0.095 kg BOD₅/day로 유입부하량을 설정하였다. 반응기 운전에 사용된 유입수는 개인하수처리시설 중 오염부하량이 높은 음식점에서 배출되는 원수를 적용하였다.
095 kg BOD₅/day로 유입부하량을 설정하였다. 반응기 운전에 사용된 유입수는 개인하수처리시설 중 오염부하량이 높은 음식점에서 배출되는 원수를 적용하였다. Table 3에 Mode별 실험조건을 나타내었다.
MBR 적용으로 개인하수처리시설의 오염부하량 삭감과 오염부하 삭감 원단위 산정을 위해 Y시의 하수관리비용 분석자료와 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에서 배출되는 방류수를 채수하여 방류수 분석을 실시하였다. 처리시설 선정의 경우 설계용량 대비 실제 유입유량 비율의 일치성, 처리공법의 대표성, 처리용량 등을 고려하여 본 연구 기준에 적합한 시설을 선정하였다.
오염부하 삭감 원단위 산정절차는 첫째로, 처리시설별 소요되는 전력량, 약품사용량 및 슬러지처리량을 통해 하수처리비용을 산정하였으며 둘째, 단위공정별 BOD5 및 SS 수질분석을 통해 오염부하량 및 오염부하 삭감량을 도출하였다. 마지막으로 위 단계별로 도출된 단위공정별 하수처리비용을 오염부하 삭감량으로 나누어 BOD5, SS 오염부하 삭감 원단위를 산정하였다.
오염부하 삭감 원단위 산정절차는 첫째로, 처리시설별 소요되는 전력량, 약품사용량 및 슬러지처리량을 통해 하수처리비용을 산정하였으며 둘째, 단위공정별 BOD5 및 SS 수질분석을 통해 오염부하량 및 오염부하 삭감량을 도출하였다. 마지막으로 위 단계별로 도출된 단위공정별 하수처리비용을 오염부하 삭감량으로 나누어 BOD5, SS 오염부하 삭감 원단위를 산정하였다.
고형물 측정의 경우 시료를 GF/C filter (Whatman, 공극 1.2μm ) 및 934-AH filter가 부착된 Gucci 도가니로 여과하여 측정하였다.
Lab. scale MBR 운전을 통해 오염부하별 BOD5 및 SS의 처리효율을 평가하고, 최적 반응조 체류시간을 도출하였다. Table 5 및 Fig.
유입유량 및 BOD₅부하에 따라 Mode를 구분하여 MBR 반응기 운전을 실시하였다. Mode 1에서 유입수 BOD₅의 최대, 최소 평균농도는 594.
50 m³/day 이하 개인하수처리시설에서 배출되는 방류수의 수질분석결과와 Lab. scale 반응기에서 도출된 평균 BOD₅, SS 제거효율을 바탕으로 MBR 공정 적용할 경우 예상되는 방류수 농도를 도출하였다. Table 6에 MBR 공정 적용에 따른 오염부하 삭감량 및 원단위 산정 결과를 나타내었다.

대상 데이터

소규모 개인하수처리시설에 적용 가능한 MBR 공정을 평가하고자 Y시 내 오염부하량이 높은 음식점 개인하 수처리시설 유입수를 채수하여 연구재료로 사용하였으며 유기물 및 영양염류 분석결과를 Table 1에 나타내었다. MBR 공정을 모사하기 위해 실험실 규모의 아크릴소재 반응기를 구성하였으며, Fig.
소규모 개인하수처리시설에 적용 가능한 MBR 공정을 평가하고자 Y시 내 오염부하량이 높은 음식점 개인하 수처리시설 유입수를 채수하여 연구재료로 사용하였으며 유기물 및 영양염류 분석결과를 Table 1에 나타내었다. MBR 공정을 모사하기 위해 실험실 규모의 아크릴소재 반응기를 구성하였으며, Fig. 1에 실험장치를 나타내었다. MBR 반응기의 용량은 포기조 30 L, 막분리조 7.
5 L이며, 완전혼합이 가능한 교반장치와 산소공급을 위한 폭기장치, 정량펌프, 수위조절 레벨, 자동제어 컨트롤 판넬로 구성되어 있다. MBR 반응기에 적용된 Membrane은 MF로써 현재 개인하수처리시설에서 주로 이용되고 있는 막 (YUASA)을 선정하였으며, Table 2과 Fig. 2에 막 제원 및 실험에 사용된 Lab scale용 Membrane을 나타내었다. 막 재질은 PVC로 이루어져 있으며 Membrane의 pore size는 0.

이론/모형

항목별 분석방법은 Standard Methods (APHA, 2012) 및 공정시험법에 준하여 분석하였다. 고형물 측정의 경우 시료를 GF/C filter (Whatman, 공극 1.
2μm ) 및 934-AH filter가 부착된 Gucci 도가니로 여과하여 측정하였다. BOD₅의 경우 공정시험법 중 5-day BOD 시험 법을 이용하였다.

성능/효과

Mode 2 조건에서 BOD₅의 경우 유입수의 평균농도가 555.8 mg/L에서 MBR 공정을 거친 후 방류수에서 3.5 mg/L로 분석되었으며, 약 99% 높은 제거효율을 보였다. Mode 3과 Mode 4의 경우에서도 각각 BOD5 농도가 유입수 평균 554.
0 mg/L이하로써 완전한 질산화 반응이 이루어 졌으나 Mode 4의 운전조건에서 NH_3-N가 점차 증가하는 현상을 보이고 있다. 따라서 유기물 제거와 더불어 질산화반응 또한 HRT에 따른 반응시간이 중요하다고 기존 연구에서도 보고하고 있으며(Tasuki and Kenji, 1999), 본 연구결과에 따라 개인하수처리시설에 MBR공정을 적용할 경우 유입수 내 유기물 및 질소부하량 변동이 큰 특성에 따라 안정적인 유기물 및 질산화효율을 유지하기 위해서는 Mode 3의 운전조건인 체류시간 6.9 hr을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
50 m³/day 이하 개인하수처리시설에서 BOD₅ 및 SS 오염부하 삭감량을 산정한 결과 평균 각각 2.5, 1.3 kg/day로 나타났다. 또한 삭감부하량에 따른 원단위의 경우 BOD₅ 및 SS가 각각 1,398.
3 kg/day로 나타났다. 또한 삭감부하량에 따른 원단위의 경우 BOD₅ 및 SS가 각각 1,398.8, 2,108.9 원/day으로 나타났으며, 총 6,235 원/day로 분석되었다. 이에 따라 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에 MBR 공정을 적용 하였을 경우 BOD₅ 및 SS 오염부하 삭감에 따라 일평균 6,235원의 비용이 절감되었으며, 1년으로 환산한 결과 평균 약 2,275,775원의 비용이 절감하는 것으로 나타났다.
9 원/day으로 나타났으며, 총 6,235 원/day로 분석되었다. 이에 따라 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에 MBR 공정을 적용 하였을 경우 BOD₅ 및 SS 오염부하 삭감에 따라 일평균 6,235원의 비용이 절감되었으며, 1년으로 환산한 결과 평균 약 2,275,775원의 비용이 절감하는 것으로 나타났다. 또한 개인하수처리시설의 처리용량을 최소 21 m³/day, 최대 50 m³/day이라 가정하고 개인하수처리시설의 방류수가 수질기준을 초과한다는 가정하에 용량보정계수인 2.
이에 따라 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에 MBR 공정을 적용 하였을 경우 BOD₅ 및 SS 오염부하 삭감에 따라 일평균 6,235원의 비용이 절감되었으며, 1년으로 환산한 결과 평균 약 2,275,775원의 비용이 절감하는 것으로 나타났다. 또한 개인하수처리시설의 처리용량을 최소 21 m³/day, 최대 50 m³/day이라 가정하고 개인하수처리시설의 방류수가 수질기준을 초과한다는 가정하에 용량보정계수인 2.5를 곱해줄 경우 1년간 삭감비용은 개소당 5,689,437원으로 나타났다. 이는 지역별 전수조사 결과 적용시 비용산정에 있어 많은 차이가 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
1) 50 m³/day 이하 개인하수처리시설에서 발생되는 가장 큰 문제점의 경우 시설관리 및 운영 미흡에 따른 방류수질기준이 초과되고 있으며 이에 따라 BOD₅, SS 규제만 받는 개인하수처리시설의 경우 안정적인 방류수질을 유지하기 위해 MBR 공정의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
2) 고유입부하의 개인하수처리시설에 MBR 공정을 적용할 경우 최적 체류시간은 6.9 hr으로 나타났으며 안전계수 등을 고려하여 활용할 경우 향후 개인하수처리시설 설계인자로 적용 가능 할 것으로 판단된다.
3) 소규모 개인하수처리시설 내 MBR 공정을 적용함에 따라 추가오염부하량 삭감이 가능 할 것으로 판단되며, 원단위 산정을 통해 삭감된 오염부하량을 경제적 가치로 환산할 경우 MBR공정은 향후 개인하수처리시설 공정설계 시 적용이 가능할 것으로 판단된다.

후속연구

, 2011). 따라서 MBR공정 적용시 기존처리공정 내 존재하는 침전지에서 발생되는 슬러지 팽화 및 스컴발생에 따른 방류수 수질기준 초과에 대한 문제점을 개선할 수 있으며 안정적인 처리수질 확보가 가능 할 것으로 판단된다.
4) 본 연구는 실험실 규모의 연구를 통해 도출된 연구로써 향후 실제 소규모 개인하수처리시설 현장에 MBR 공정 적용 시 현장조건에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	50 m3/day 미만의 개인하수처리시설의 문제점은 무엇이 있는가?	위반 내용으로는 수질기준 초과가 대부분을 차지하고 있으며, 이에 따라 개인하수처리시설 및 운영에 문제가 있음을 시사하고 있다. 50 m3/day 미만의 개인하수처리시설의 문제점의 경우 저가 불량 FRP 등록제품의 생산 및 유통, 개인하수처리시설 준공 및 유 지체계 관리의 부실, 법적방류수 수질기준 초과 등이 있 으며, 이중 법적방류수 수질기준 초과에 따른 오염부하량 증가로 인해 환경오염이 심각하게 대두 되고 있는 실정이다.
	현수미생물 공법의 단점은 무엇인가?	현수미생물 공법은 부착미생물막이 고점도의 호기성균으로 둘러싸여 미생물 탈리가 거의 없어 슬러지 발생량이 적고, 충격부하가 강한 이점이 있다. 하지만 관리가 소홀할 경우 미생물이 탈리되어 방류수의 2차 오염을 야기시키고 과도한 유기물 부하로 미생물이 과잉 증식되어 접촉제 사이를 막는 폐쇄현상이 발생하는 등의 단점이 있다(Clara et al., 2005).
	분리막이 적용된 활성슬러지 공정은 어떤 목적으로 많이 적용되고 있는가?	, 2002). 분리막이 적용된 활성슬러지 공정은 산업폐수, 생활하수 처리의 고도화및 효율화를 목적으로 많이 적용되고 있는 실정이다. 또한 향후 엄격한 수질규제와 처리수 재이용에 대한 의무화로 인해 MBR공정 적용이 증가할 것으로 전망되고 있다(Cicek, 2003; Visvanathan et al.

참고문헌 (11)

Cha, G. C., You, Y. U., Kim, D. J., Yoo, I. K., 2004, Behavior of SMP and ECP with change of loading rate of organic compounds in MBR Process, J. of KSEE, 26(2), 211-218.
Cicek, N., 2003, A review of membrane bioreactors and their potential application in the treatment of agricultural wastewater, Canadian Biosystems Engineering, 45, 37-46.
Clara, M., Strenn, B., Gans, O., Martinez, E., Kreuzinger, N., Kroiss, H., 2005, Removal of selected pharmaceuticals, fragrances and endocrine disrupting compounds in a membrane bioreactor and conventional wastewater treatment plants, Water Res., 39(19), 4797-4807.

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Crawford, G., Fernandez, A., Shawwa, A., Daigger, G., 2002, Competitive bidding and evaluation of membrane bioreactor equipment-three large plant case studies, Proceedings of the Water Environment Federation, WEFTEC, 21(30), Chicago, USA.
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Santos, A., Ma, W., Judd, S. J., 2011, Membrane bioreactors : Two decades of research and implementation, Desalination, 273(1), 148-154.

상세보기
Ministry of Environment, Sewerage Division, 2014, Sewerage Policy, No. 11-1480000-000159-10, 1199-1256.
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Tasuki, U., Kenji, H., 1999, Domestic wastewater treatment by a submerged membrane bioreactor with gravitational filtration, Water Res., 33(12), 2888-2892.

상세보기
The Policy Council for the Paldang Watershed 2014, Study load reduction measures to secure the area Paldang small private sewage treatment facilities, 2-7.
Visvanathan, C., Ben aim, R., Parameshwaran, K., 2000, Membrane separation bioreactors for waste-water treatment, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 30(1), 1-48.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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