본 연구의 목적은 RO농축수 내 TDS 제어에 따른 고농도 질산성 질소의 효율적인 생물학적 처리에 있다. 실험실 규모의 실험에서는 연속회분식 반응기를 이용하여 연구를 수행하였으며 TDS의 주입조건에 따른 비탈질율, 비산소소비율 분석을 수행하였다. 연구결과, 연속회분식 반응기를 이용한 운전에 따라 탈질 공정 내 고농도 TDS 주입에 따라 탈질 반응이 지연되어 SDNR이 감소하는 것으로 나타났으며 미생물 활성도가 또한 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 질산성 질소의 원활한 처리를 위하여 TDS 제어가 수반되어야 하며 특히, $Ca^{2+}$의 중점적인 처리가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구를 통하여 도출된 SDNR, SOUR 값은 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리를 위한 공정 설계인자로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 RO 농축수 내 TDS 제어에 따른 고농도 질산성 질소의 효율적인 생물학적 처리에 있다. 실험실 규모의 실험에서는 연속회분식 반응기를 이용하여 연구를 수행하였으며 TDS의 주입조건에 따른 비탈질율, 비산소소비율 분석을 수행하였다. 연구결과, 연속회분식 반응기를 이용한 운전에 따라 탈질 공정 내 고농도 TDS 주입에 따라 탈질 반응이 지연되어 SDNR이 감소하는 것으로 나타났으며 미생물 활성도가 또한 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 질산성 질소의 원활한 처리를 위하여 TDS 제어가 수반되어야 하며 특히, $Ca^{2+}$의 중점적인 처리가 필요할 것으로 판단된다. 또한 본 연구를 통하여 도출된 SDNR, SOUR 값은 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리를 위한 공정 설계인자로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
The purpose of this study is to efficiently improve biological sequencing batch reactor (SBR) system of high-concentrated nitrate nitrogen in reverse osmosis (RO) concentrates by total dissolved solids (TDS) regulation. Since a laboratory-scale SBR system had been operated, we had analyzed specific ...
The purpose of this study is to efficiently improve biological sequencing batch reactor (SBR) system of high-concentrated nitrate nitrogen in reverse osmosis (RO) concentrates by total dissolved solids (TDS) regulation. Since a laboratory-scale SBR system had been operated, we had analyzed specific denitrification rate (SDNR) and specific oxygen uptake rate (SOUR) for microbial activity in according to various injection concentration of TDS. As a result, higher injection concentration of TDS decreased SDNR, and delayed denitrification within denitrification process. Moreover, the higher injection concentration of TDS was, the lower microbial activity was during operation of laboratory-scale SBR system. Therefore, the regulation of TDS injection concentration is necessary to improve efficiency of nitrate nitrogen in the biological SBR system, and treatment of calcium ion ($Ca^{2+}$) is also specifically focused to remove nitrate nitrogen. Moreover, analytical data of SDNR and SOUR can be the effective kinetic design parameters to application of biological treatment of RO concentrate by aerobic granular sludge (AGS).
The purpose of this study is to efficiently improve biological sequencing batch reactor (SBR) system of high-concentrated nitrate nitrogen in reverse osmosis (RO) concentrates by total dissolved solids (TDS) regulation. Since a laboratory-scale SBR system had been operated, we had analyzed specific denitrification rate (SDNR) and specific oxygen uptake rate (SOUR) for microbial activity in according to various injection concentration of TDS. As a result, higher injection concentration of TDS decreased SDNR, and delayed denitrification within denitrification process. Moreover, the higher injection concentration of TDS was, the lower microbial activity was during operation of laboratory-scale SBR system. Therefore, the regulation of TDS injection concentration is necessary to improve efficiency of nitrate nitrogen in the biological SBR system, and treatment of calcium ion ($Ca^{2+}$) is also specifically focused to remove nitrate nitrogen. Moreover, analytical data of SDNR and SOUR can be the effective kinetic design parameters to application of biological treatment of RO concentrate by aerobic granular sludge (AGS).
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문제 정의
2,3,17~19) 그러나 RO 농축수의 생물학적 처리에 관한 연구의 경우, 대부분 일반 활성슬러지를 이용한 연구가 주를 이루고 있으며 일반 활성슬러지에 비하여 우수한 침강성, 고농도 영양염류 및 독성에 대한 강한 저항성, 긴 바이오매스 체류시간 등의 장점을 지닌 호기성 그래뉼 슬러지(Aerobic Granular Sludge, AGS)를 이용한 연구는 미흡한 실정이다.20,21) 따라서 본 연구에서는 RO 농축수의 고농도 질산성 질소의 제거를 위해 호기성 그래뉼 슬러지가 주입된 연속회분식 반응조(Sequencing Batch Reactor, SBR)를 적용하였으며 유입수 TDS 조건 변경에 따른 질산성 질소의 탈질 효율 분석과 동시에 TDS가 미생물에 미치는 영향을 평가하고자 한다.
본 연구의 목적은 RO 농축수의 고농도 질산성 질소 제거를 위해 호기성 그래뉼 슬러지를 주입한 연속회분식 반응기를 적용함에 있어 TDS의 주입 조건에 따른 탈질 효율 및 미생물 활성도 분석을 통하여 TDS 제어에 따른 질산성 질소의 효율적인 처리에 목적을 두었다. 이에 따라 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
둘째, 고농도 질산성 질소의 탈질 반응 평가 및 해석에 따라 생물학적 처리 공정 적용에 필요한 동역학적 인자인 비탈질율(Specific Denitrification Rate, SDNR)을 도출하였다.22~25) 셋째, TDS 주입이 미생물에 미치는 영향을 평가하기 위하여 미생물 활성도의 간접적인 지표로 활용되는 비산소소비율(Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR)을 이용하여 TDS 주입조건에 따른 미생물의 활성도 변화를 평가하였다.26)
TDS 주입조건에 따른 고농도 질산성 질소의 탈질 반응 평가를 위해 각 모드별로 유입수의 질산성 질소는 100 mg/L로 고정하였으며 TDS 주입량을 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000 및 6,000 mg/L까지 변화시키며 탈질 실험을 진행하였다. TDS 주입량은 RO 농축수의 TDS 성상을 바탕으로 각 이온별 성분을 결정하였으며 TDS 주입조건별 유입원수의 성상을 다음의 Table 3에 나타냈다.
TDS 주입조건에 따른 미생물의 활성도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 각 모드별 반응이 종료된 반응조 내의 호기성 그래뉼 슬러지를 채취하였으며 9 mg/L 이상의 DO (Dissolved Oxygen) 농도로 폭기된 유입원수와 혼합한 후 시간에 따른 산소소비량 측정(DO meter, YSI-550A, USA)을 통하여 단위 미생물에 대한 비산소소비율을 정량화하였다.
첫째, 유입수 TDS 주입조건에 따른 고농도 질산성 질소의 탈질 반응을 평가하였다. 둘째, 고농도 질산성 질소의 탈질 반응 평가 및 해석에 따라 생물학적 처리 공정 적용에 필요한 동역학적 인자인 비탈질율(Specific Denitrification Rate, SDNR)을 도출하였다.22~25) 셋째, TDS 주입이 미생물에 미치는 영향을 평가하기 위하여 미생물 활성도의 간접적인 지표로 활용되는 비산소소비율(Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR)을 이용하여 TDS 주입조건에 따른 미생물의 활성도 변화를 평가하였다.
반응기의 전체 반응조작은 PLC (Programmable Logic Controller) 제어 프로그램을 통해 공정시간을 제어하였다. 또한 탈질 반응은 알칼리를 생성하는 반응으로 pH를 일정한 범위(7.0~7.2)로 유지하기 위해 탈질 반응 동안 pH가 7.2 이상 상승시 정량펌프가 작동하여 1N 의 HCl 용액이 주입되도록 설정하였다. 외부탄소원으로 사용된 메탄올의 경우 원활한 탈질 반응 유도를 위하여 2.
반응기의 체적은 5 L로 설계하였으며, 채수를 위한 샘플링 포트를 설치하였다. 반응기는 RO 농축수의 성상을 바탕으로 무산소 시간을 설계하여 공정 cycle과 반응시간을 결정하였다. 운전조건은 1 cycle에 12 hr (1 cycle) 간격으로 운전(유입; 0.
1에 나타냈다. 반응기는 아크릴을 이용하여 제작하였으며 유입수 조건별 실험에 따른 질산성 질소의 제거효율을 평가하였다. 반응기의 체적은 5 L로 설계하였으며, 채수를 위한 샘플링 포트를 설치하였다.
5 hr) 되며 반응기간 동안에는 탈질 반응을 위한 무산소(Anoxic) 조건만을 유지하였다. 반응기의 전체 반응조작은 PLC (Programmable Logic Controller) 제어 프로그램을 통해 공정시간을 제어하였다. 또한 탈질 반응은 알칼리를 생성하는 반응으로 pH를 일정한 범위(7.
본 연구에서는 TDS가 함유된 RO 농축수의 고농도 질산성 질소의 제거를 위해 실험실 규모의 연속회분식 반응조를 이용하여 운전을 실시하였으며 연구수행을 위한 구체적인 연구내용은 다음과 같다. 첫째, 유입수 TDS 주입조건에 따른 고농도 질산성 질소의 탈질 반응을 평가하였다.
본 연구에서 대상으로 하는 RO 농축수는 P 하수처리장의 재이용 시설인 RO 공정에서 발생하는 RO 농축수를 실험 대상으로 하였다. 실험실 규모의 실험에서는 RO 농축수의 성상을 분석한 후 원수 성상을 결정하였으며 합성폐수를 제조하여 사용하였다. 이에 따라 탈질에 요구되는 유기탄소원의 경우 CH3OH (SAMCHUN Chemical, Korea)을 이용하였으며 질산성 질소의 경우 KNO3 (SAMCHUN Chemical, Korea), TDS의 경우, NH4Cl, CaCl2, NaNO3, KH2PO4, MgSO4, NaHCO3 및 KCl (SAMCHUN Chemical, Korea)를 이용하여 제조하였다.
질산성 질소의 분석을 위한 시료 채취는 무산소 반응조건에서 1시간 간격으로 시료를 채취하여 분석을 실시하였으며 동일한 조건으로 3회 분석한 결과를 바탕으로 대푯값을 선정하였다. 조건별 실험에 따라 질산성 질소의 제거효율을 평가하여 SDNR 값을 도출하였다.
TDS 주입량은 RO 농축수의 TDS 성상을 바탕으로 각 이온별 성분을 결정하였으며 TDS 주입조건별 유입원수의 성상을 다음의 Table 3에 나타냈다. 질산성 질소의 분석을 위한 시료 채취는 무산소 반응조건에서 1시간 간격으로 시료를 채취하여 분석을 실시하였으며 동일한 조건으로 3회 분석한 결과를 바탕으로 대푯값을 선정하였다. 조건별 실험에 따라 질산성 질소의 제거효율을 평가하여 SDNR 값을 도출하였다.
본 연구에서는 TDS가 함유된 RO 농축수의 고농도 질산성 질소의 제거를 위해 실험실 규모의 연속회분식 반응조를 이용하여 운전을 실시하였으며 연구수행을 위한 구체적인 연구내용은 다음과 같다. 첫째, 유입수 TDS 주입조건에 따른 고농도 질산성 질소의 탈질 반응을 평가하였다. 둘째, 고농도 질산성 질소의 탈질 반응 평가 및 해석에 따라 생물학적 처리 공정 적용에 필요한 동역학적 인자인 비탈질율(Specific Denitrification Rate, SDNR)을 도출하였다.
대상 데이터
본 연구에서 대상으로 하는 RO 농축수는 P 하수처리장의 재이용 시설인 RO 공정에서 발생하는 RO 농축수를 실험 대상으로 하였다. 실험실 규모의 실험에서는 RO 농축수의 성상을 분석한 후 원수 성상을 결정하였으며 합성폐수를 제조하여 사용하였다.
실험실 규모의 실험에서는 RO 농축수의 성상을 분석한 후 원수 성상을 결정하였으며 합성폐수를 제조하여 사용하였다. 이에 따라 탈질에 요구되는 유기탄소원의 경우 CH3OH (SAMCHUN Chemical, Korea)을 이용하였으며 질산성 질소의 경우 KNO3 (SAMCHUN Chemical, Korea), TDS의 경우, NH4Cl, CaCl2, NaNO3, KH2PO4, MgSO4, NaHCO3 및 KCl (SAMCHUN Chemical, Korea)를 이용하여 제조하였다. 실험에 사용된 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 상기 제조한 합성폐수를 주기적으로 주입·반응시켜 탈질 미생물을 배양하였다.
이론/모형
수질분석은 질산성 질소(NO3--N)와 고형물(MLSS, MLVSS)을 분석하였으며, 시료의 항목별 분석 방법은 Standard methods에 준하여 분석하였다.27)
성능/효과
1) 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리시 TDS 주입량 증가에 따라 탈질 반응은 지연되는 것으로 나타났으며 기존 연구에서는 메탄올을 이용한 최소 SDNR 값을 0.12 mg NO3--N/mg MLVSS·d로 제시하고 있어 TDS 농도의 경우 6,000 mg/L 이하로 저감시킴이 바람직할 것으로 판단된다.
2) TDS 주입 조건에 따른 미생물 활성도 분석 결과, TDS 주입 농도가 증가할수록 미생물 활성도는 감소하는 경향을 나타냈으며 도출된 SOUR 분석값은 TDS가 미생물 활성도에 미치는 영향을 객관적으로 판단할 수 있는 지표로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
33~35) 따라서 본 연구에서의 최대 Cl주입농도는 2,400 mg/L (Mode 6)으로써 기존 연구에서 제시하고 있는 Cl- 농도보다 상대적으로 낮으며 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 독성 물질에 대한 강한 저항력을 지니고 있어36,37) Cl- 이온은 탈질 반응에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
TDS의 조건별 주입에 따른 질산성 질소의 탈질 반응에 대한 결과를 종합하면 TDS의 주입농도가 증가할수록 탈질 반응 또한 점차적으로 지연되는 것을 확인할 수 있었으며 다양한 문헌고찰을 통하여 TDS의 이온성분 중 Ca2+는 Cl에 비하여 상대적으로 낮은 농도에서도 영향을 미치며 미생물 표면에 흡착되어 기질 흡착 저해를 유발하여 탈질 반응을 지연시키는 점을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 도출된 탈질 반응 평가 결과 또한 이러한 원인에 기인한 것으로 사료된다.
기존 연구결과를 종합하면 Ca2+ 이온의 경우, Cl- 이온에 비하여 상대적으로 낮은 농도에서도 생물학적 탈질 반응에 영향을 미치며 미생물 표면 흡착에 의해 탈질 반응을 지연시키는 점을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 도출된 탈질 반응 평가 결과 또한 이러한 원인에 기인한 것으로 사료된다. 또한 Park과 Lee44)가 제시한 Ca2+이 생물학적 탈질 반응에 영향을 미치는 최대 한계농도 600 mg/L에 비하여 본 연구에서는 상대적으로 높은 농도(1,200 mg/L)부터 탈질 반응이 지연되었으며 Ca2+에 대하여 호기성 그래뉼 슬러지의 탈질 반응은 일반 활성슬러지에 비하여 상대적으로 낮은 영향을 미친다는 점을 확인할 수 있었다. Kim3)의 RO 농축수 내 Ca2+의 흡착처리에 관한 연구에서는 호기성 그래뉼 슬러지를 포함한 담체별 표면분석을 통하여 Ca2+의 흡착 특성을 정량적으로 평가하였으며 호기성 그래뉼 슬러지의 경우, 세공 크기에 비하여 넓은 비표면적을 보유하고 있어 Ca2+의 흡착능이 다른 담체에 비하여 우수한 것으로 보고하고 있다.
분석결과 TDS를 주입하지 않을 경우, 가장 높은 미생물 활성도를 나타냈으며 주입 농도가 증가할수록 미생물 활성도는 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 TDS 미주입 대비 주입시 상대적인 미생물 활성도의 저해율을 분석한 결과 TDS 주입 농도가 증가할수록 저해율 또한 지속적으로 증가하여 TDS 주입 농도 6,000 mg/L에서 최대 73.6%의 저해율을 나타냈다.
6 mg O2 /g MLVSS·hr로 나타났다. 분석결과 TDS를 주입하지 않을 경우, 가장 높은 미생물 활성도를 나타냈으며 주입 농도가 증가할수록 미생물 활성도는 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 TDS 미주입 대비 주입시 상대적인 미생물 활성도의 저해율을 분석한 결과 TDS 주입 농도가 증가할수록 저해율 또한 지속적으로 증가하여 TDS 주입 농도 6,000 mg/L에서 최대 73.
측정결과 TDS 주입 농도 0, 1,000, 2,000, 3,000, 4,000, 5,000 및 6,000 mg/L에서의 SOUR 값은 각각 108.5, 103.2, 93.4, 82.2, 60.8, 52.4 및 28.6 mg O2 /g MLVSS·hr로 나타났다.
후속연구
3) RO 농축수에 존재하는 TDS는 질산성 질소의 생물학적 처리시 탈질 반응을 지연시킬 수 있는 원인물질임을 확인하였으며 본 연구를 통하여 도출된 SDNR, SOUR 값은 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리를 위한 공정 설계인자 및 대체공정 개발로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
4) 본 연구는 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 TDS의 주입 조건별 탈질 반응 및 미생물 활성도 평가를 위하여 합성 폐수를 이용한 연구결과로써 향후 실제 폐수 이용, 수온변화, TDS 주입조건 세분화 및 TDS의 이온성분 별 탈질 효율 분석과 동시에 탈질 반응 지연에 관한 미생물 메커니즘 규명을 위한 미생물 군집 비교에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
결과적으로 RO 농축수의 생물학적 처리시 유입 TDS 농도가 증가함에 따라 탈질 반응시간이 지연된다는 점은 곧 탈질 반응을 위한 수리학적 체류시간 증가를 유발하여 생물학적 반응조 용량이 증대되어야 함을 의미하므로 질산성질소의 원활한 처리를 위하여 TDS 제어가 수반되어야 할 것으로 판단되며 특히, TDS의 이온성분 중 Ca2+의 중점적인 처리를 통하여 생물학적 처리에 미치는 영향을 최소화할 필요가 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 TDS 주입 조건 변경에 따른 미생물 활성도 변화를 평가하였으며 도출된 SOUR 분석값은 TDS가 미생물 활성도에 미치는 영향을 객관적으로 판단할 수 있는 지표로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 TDS 주입에 따라 도출된 SDNR과 SOUR 값을 이용할 경우, 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리를 위한 공정 설계인자로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
기존의 미생물 활성도에 관한 연구의 경우, 일반 활성슬러지를 이용한 연구가 주를 이루고 있으며 연구결과를 종합하면 생물학적 처리 공정 내 중금속 주입, 운전조건 변경 및 외부환경 변화 등에 따라 미생물 활성도는 증가하거나 감소할 수 있다고 보고하고 있으며 이러한 미생물 활성도의 간접적인 지표로 활용되는 SOUR 값을 이용하여 생물학적 처리 공정의 운전인자로 적용이 가능할 것으로 기술하고 있다. 본 연구에서는 호기성 그래뉼 슬러지를 이용하여 TDS 주입 조건 변경에 따른 미생물 활성도 변화를 평가하였으며 도출된 SOUR 분석값은 TDS가 미생물 활성도에 미치는 영향을 객관적으로 판단할 수 있는 지표로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 TDS 주입에 따라 도출된 SDNR과 SOUR 값을 이용할 경우, 호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리를 위한 공정 설계인자로의 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 사용되고 있는 물 재이용 기술은 무엇인가?
1백억의 시장 규모를 형성할 것으로 예상되고 있다.10) 국내에서 사용되고 있는 물 재이용 기술은 모래여과, 활성탄, 정밀여과(Micro-filtration, MF), 나노여과(Nano-Filtration, NF) 및 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 등의 공정이 적용되고 있다. 그러나 공업용수와 같은 초고도용수로의 사용을 위해서는 경제적, 기술적으로 해결 되어야 하는 문제들이 있으며, 특히 RO 공정에서 발생되는 RO 농축수(Reverse Osmosis Concentrate, ROC)의 처리 문제가 이에 해당된다.
국내뿐만 아니라 전 세계적으로 물 부족현상이 나타나는 원인은?
최근 급속한 산업발달과 도시화 및 인구증가에 따라 물 소비량은 지속적으로 증가하는 반면 이용 가능한 깨끗한 물은 줄어들면서 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 물 부족현상이 나타나고 있다.1~3) 이에 따라 향후 물 부족 문제는 더욱 심화될 가능성이 높은 상태이며 대체 수자원에 대한 수요가 증가하고 있다.
TDS가 함유된 RO 농축수의 고농도 질산성 질소의 제거를 위한 구체적 연구내용은 무엇인가?
본 연구에서는 TDS가 함유된 RO 농축수의 고농도 질산성 질소의 제거를 위해 실험실 규모의 연속회분식 반응조를 이용하여 운전을 실시하였으며 연구수행을 위한 구체적인 연구내용은 다음과 같다. 첫째, 유입수 TDS 주입조건에 따른 고농도 질산성 질소의 탈질 반응을 평가하였다. 둘째, 고농도 질산성 질소의 탈질 반응 평가 및 해석에 따라 생물학적 처리 공정 적용에 필요한 동역학적 인자인 비탈질율(Specific Denitrification Rate, SDNR)을 도출하였다.22~25) 셋째, TDS 주입이 미생물에 미치는 영향을 평가하기 위하여 미생물 활성도의 간접적인 지표로 활용되는 비산소소비율(Specific Oxygen Uptake Rate, SOUR)을 이용하여 TDS 주입조건에 따른 미생물의 활성도 변화를 평가하였다.26)
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