[논문]공기주입과 영가철을 이용한 하수슬러지 가용화 연구

김용준; 박진규; 타메다 카즈오; 이남훈

doi:10.17137/korrae.2016.24.3.53

공기주입과 영가철을 이용한 하수슬러지 가용화 연구
Assessment of Sludge Solubilization by Aeration and Zero-valent Iron As a Pre-treatment for Anaerobic Digestion 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.24 no.3, 2016년, pp.53 - 61

김용준 (안양대학교 환경에너지공학과) , 박진규 ((주)에코윌플러스) , 타메다 카즈오 (후쿠오카대학 대학원 공학연구과) , 이남훈 (안양대학교 환경에너지공학과)

초록
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영가철과 산소가 반응 시 유기화합물들을 산화시킬 수 있는 활성산화제가 생성되게 된다. 이에 본 연구에서는 이러한 반응기작을 고려하여 슬러지의 가용화를 위한 전처리 방법으로서 영가철과 공기주입의 혼합에 의한 전처리 효과를 평가하였다. 실험결과 슬러지의 가용화를 위해 공기주입만 단독으로 적용하였을 때보다 영가철과 공기주입을 동시에 적용하였을 때 슬러지의 가용화가 더욱 효과적인 것으로 분석되어 영가철의 투입이 슬러지의 가용화 범위를 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 영가철과 공기주입 시 암모니아성 질소 농도의 제거율이 34%로 나타난 반면에 단독으로 공기만 주입 시에는 24%로 나타났다. 따라서 영가철과 공기주입에 의한 전처리 방법은 슬러지의 가용화 효율을 향상시킬 수 있으면서 암모니아성 질소로 인한 혐기성 소화의 저해 가능성을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The reaction of zero-valent iron (ZVI) with oxygen can produce reactive oxidants capable of oxidizing organic compounds. Thus, the aim of this study was to investigate the effect of pre-treatment on sludge solubilization by ZVI and aeration. The results demonstrated that the aeration pre-treatment with ZVI method was more effective than the only aeration for improving sludge solubilization, indicating that ZVI increased the extent of sludge solubilization. In addition, removal rate of $NH_3-N$ by ZVI and aeration was found to be 34%, while only aeration was 24%. Thus, ZVI and aeration can be employed as an efficient pre-treatment option to achieve higher sludge solubilization and decrease the toxic effect of $NH_3-N$ for sludge digestion.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공기주입과 영가철의 투입을 통한 생물학적-화학적 혼합 전처리를 실시하여 슬러지내 질소 부하 저감 및 가용화 효율 향상을 위한 혼합 전처리의 적용 가능성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 생물학적 처리 방법인 공기주입과 화학적 처리 방법인 영가철을 이용하여 농축슬러지를 대상으로 전처리를 실시함으로서 산소와 영가철의 산화반응에 의한 슬러지 가용화 및 질소 부하 저감을 위한 혼합 전처리의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

농축슬러지 성상 분석항목으로는 ORP(Oxidation reduction potential), DO(Dissolve oxygen), COD_cr(chemical oxygen demand), SCOD_cr(Soluble chemical oxygen demand), 총 질소(T-N), 암모니아성 질소(NH₃-N), TS(Total solids), VS(Volatile solids)을 대상으로 하였고 모든 실험은 반복실험을 실시하였다. 농축슬러지의 가용화를 판단하기 위한 용존성(soluble) 분석은 400 rpm으로 원심분리 후 GF/C 여과지로 감압여과한 후 실시하였다.
농축슬러지의경우 A시의 B공공하수처리장으로부터 샘플링을 실시하였으며 하수처리공정 중 혐기소화조 내부로 투입 직전의 농축슬러지를 대상으로 하였다. 샘플링후 시료는 전처리 수행 시 시료의 성상 변화에 끼칠수 있는 영향을 최소화하기 위하여 1차로 협잡물 및 기타 이물질 등을 10번(2 mm)체로 제거하였다. 이후 대상 시료는 실험실시 전까지 4 ℃에서 냉장보관을 실시하였다.
하수처리장으로부터 채취한 시료 3 L를 5 L반응조에 투입 후 공기주입 펌프를 이용하여 6개의 시료에 0.05 volume of air per volume of sludge per minute(vvm)의 공기를 24 hr동안 주입하였다. Hasegawa et al.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시료는 혐기성소화 대상물질인 농축슬러지를 대상으로 실시하였다. 농축슬러지의경우 A시의 B공공하수처리장으로부터 샘플링을 실시하였으며 하수처리공정 중 혐기소화조 내부로 투입 직전의 농축슬러지를 대상으로 하였다. 샘플링후 시료는 전처리 수행 시 시료의 성상 변화에 끼칠수 있는 영향을 최소화하기 위하여 1차로 협잡물 및 기타 이물질 등을 10번(2 mm)체로 제거하였다.
본 실험에 사용된 시료는 혐기성소화 대상물질인 농축슬러지를 대상으로 실시하였다. 농축슬러지의경우 A시의 B공공하수처리장으로부터 샘플링을 실시하였으며 하수처리공정 중 혐기소화조 내부로 투입 직전의 농축슬러지를 대상으로 하였다.
본 연구에서는 농축슬러지내 용존산소와 영가철의 투입량 증가에 따른 효과를 알아보기 위하여 영가철은 각각 3 g/L, 15 g/L, 30 g/L, 45 g/L, 60 g/L를 투입하였으며, 영가철은 Sigma Aldrich사의 마이크로 크기(60∼80 um)의 제품을 사용하였다.

이론/모형

농축슬러지의 가용화를 판단하기 위한 용존성(soluble) 분석은 400 rpm으로 원심분리 후 GF/C 여과지로 감압여과한 후 실시하였다. 각각의 시료는 당일분석을 원칙으로 하되 여의치 않을 경우 공정시험법에 준한 방법으로 보관하였다. 분석방법은 Table 2에 정리하였다.

성능/효과

1. 공기주입과 영가철을 투입하여 혼합 전처리를 실시한 결과 공기만 단독 주입 시 DO농도는 0.18 mg/L로 나타났으며, 영가철 투입 후 DO 는 측정되지 않았다. 이는 투입된 영가철과 산소가 반응하여 모두 소모되었기 때문인 것으로 판단된다.
2. 가용화율은 공기만 주입 시 약 19%를 나타내 었으며, 영가철을 투입 시 약 32%까지 증가하여 공기주입과 영가철의 혼합 전처리가 단독으로 전처리하는 것보다 가용화 효율이 높은 것으로 나타났다. 이는 산소와 영가철의 반응을 통해 4가철 형태의 산화제가 생성되면서 산화반응에 의한 가용화가 이루어진 것으로 판단된다.
3. 단독으로 공기만 주입하였을 경우보다 공기주입과 영가철을 혼합으로 전처리하였을 때 높은 질소 제거율을 나타냈다. 따라서 공기 및 영가철의 혼합 투입은 가용화 효율의 증가뿐만 아니라 슬러지 내 질소 부하를 감소시켜 혐기성 소화 후 반류수 내 질소 농도를 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
5는 공기주입과 영가철의 혼합 전처리에 의한 SCOD_cr농도와 가용화율의 변화를 나타낸 것이다. 농축슬러지의 초기 SCOD_cr의 농도는 2,821 mg/L를 나타내었으나, 전처리 실시 후 3,725 mg/L까지 증가하여 공기주입과 영가철의 투입으로 인한 전처리가 가용화에 효과가 있는 것으로 나타났다. 가용화율은 공기만 주입 시 약 19%를 나타내 었으며, 이는 Ahn et al.
총 질소의 농도도 최대 1,898 mg/L로 감소하여 28%∼42%의 제거율을 나타내어 단독으로 공기만 주입하였을 경우보다 높은 질소 제거율을 나타냈다. 따라서 공기 및 영가 철의 혼합 투입은 가용화 효율의 증가뿐만 아니라 슬러지 내 질소 부하를 감소시켜 혐기성 소화 후 반 류수 내 질소 농도를 저감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
5%를 나타내었다. 또한 SOCD_cr의 농도는 2,821 mg/L로 낮은 농도를 나타내었고, T-N과 NH₃-N은 각각 2,984 mg/L, 222 mg/L를 나타내어 유기물 농도에 비해 질소 농도가 높은 것으로 나타났다.
⁵⁾의 연구에서와 같이 농축 슬러지에 24 hr 공기주입시 약 18%의 가용화율을나타낸 것과 유사한 결과이다. 또한 영가철을 2.0%까지 투입 하였을 때 가용화율은 최대 약 32%까지 증가한 것으로 나타나 공기의 단독주입 보다는 공기와 영가철을 이용하여 혼합전처리를 하였을 때가용화율은 더욱 증가하였다.
총 질소의 농도도 최대 1,898 mg/L로 감소하여 28%∼42%의 제거율을 나타내어 단독으로 공기만 주입하였을 경우보다 높은 질소 제거율을 나타냈다.

후속연구

⁶⁾의 연구에서는 나노 규모의 영가철과 마이크로 규모의 영가철을투입하였을 때 마이크로 규모의 영가철에서는 메탄 발생량의 증가가 거의 없는 것으로 나타나 마이크로 규모의 영가철만 투입하여서는 전처리 효과가 거의 없는 것으로 판단된다. 따라서 적절한 공기주입량의 산정과 영가철의 투입량 조절에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영가철의 장점은?	영가철은 환원제로 혐기성 조건에 적합하게 ORP (Oxidation-reduction potential)를 더욱 낮출 수있는 것으로 보고되고 있다. 또한, 가수분해 및 산 생성을 위한 주요 효소들을 활성화시킬 수 있으며, 수소(H2) 이용 미생물의 성장을 촉진시켜 혐기성 소화의 효율을 더욱 높이는 것으로 알려져 있다.
	생물학적 처리란?	전처리 방법으로는 생물학적 처리, 화학적 처리, 열적처리, 기계적 처리 등의 방법이 있다3,4). 이 중 생물학적 처리는 소량의 산소를 주입하여 혐기 조건을 유지하면서 미생물의 성장 및 효소를 활성화시켜 슬러지의 가용화와 소화효율을 향상시키는 방법으로 가용화 효율은 타 처리 방법과 비교하여 약간 낮으나 질소 농도를 저감시켜 소화 후 반류수 내의 질소 부하를 저감시킬 수 있는 특징이 있다5). 화학적 처리 방법은 오존(O3), 수산화나트륨 (NaOH), 과산화수소(H2O2) 등을 이용한 화학반응을 통하여 슬러지내의 유기물을 산화시켜 세포내 물질의 용해도를 높이는 방법으로 가용화 효율은 매우 우수하나 비용 및 화학약품 사용량 등이 문제가 되고 있어, 영가철(Zero-valent iron)을 이용하여 가용화 효율을 높이는 방법이 연구되고 있다6-8).
	생물학적 처리의 특징은?	전처리 방법으로는 생물학적 처리, 화학적 처리, 열적처리, 기계적 처리 등의 방법이 있다3,4). 이 중 생물학적 처리는 소량의 산소를 주입하여 혐기 조건을 유지하면서 미생물의 성장 및 효소를 활성화시켜 슬러지의 가용화와 소화효율을 향상시키는 방법으로 가용화 효율은 타 처리 방법과 비교하여 약간 낮으나 질소 농도를 저감시켜 소화 후 반류수 내의 질소 부하를 저감시킬 수 있는 특징이 있다5). 화학적 처리 방법은 오존(O3), 수산화나트륨 (NaOH), 과산화수소(H2O2) 등을 이용한 화학반응을 통하여 슬러지내의 유기물을 산화시켜 세포내 물질의 용해도를 높이는 방법으로 가용화 효율은 매우 우수하나 비용 및 화학약품 사용량 등이 문제가 되고 있어, 영가철(Zero-valent iron)을 이용하여 가용화 효율을 높이는 방법이 연구되고 있다6-8).

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저자의 다른 논문 :

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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