[논문]분뇨처리를 위한 MBR공정에서 Microbubble의 적용

임지영; 김진한

doi:10.17137/korrae.2017.25.1.93

초록
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본 연구에서는 고농도 유기성 폐수인 분뇨 처리를 위한 MBR 공정에 마이크로버블을 적용하여 처리효율을 검토하고, 안정적 운영의 가능성을 평가하고자 하였다. 연구결과, 마이크로버블을 분리막이 침지되어 있는 호기조에 직접 공급하였을 때에는 과도하게 스컴이 발생하여 처리공정의 안정적 운영이 불가능하였다. 생물반응조 전단에 마이크로버블을 공급하는 전처리조를 설치하여 고액분리와 유기물 산화를 실시한 다음 MBR 공정으로 처리한 결과 전처리조에서의 SS 제거율은 2kg, 4kg, 6kg, 그리고 $8kg\;COD_{Cr}/m^3{\cdot}day$의 유기물 부하에서 각각 평균 74.3%, 82.8%, 75.0%, 52.1%를 나타내었으며, 전체 처리공정 처리수의 SS 제거율은 평균 99.4% 이상이었다. 또한 최종처리수의 $TCOD_{Cr}$ 제거율은 평균 94.0% 이상이었으며, $SCOD_{Cr}$ 제거율은 평균 74.1% 이상이었다. 한편, 마이크로버블을 호기조에 직접 공급할 경우 마이크로버블과 오염물질들이 함께 분리막에 부착되어 fouling 현상이 가속되는 현상을 확인할 수 있었다. 따라서, 분뇨와 같은 고농도 유기성 폐수 처리공정에는 SS 제거와 유기물 산화를 목적으로 생물반응조 전단에 마이크로버블을 적용함으로써 안정적인 처리가 가능함을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the microbubbles were applied to the MBR process for night soil treatment, and the removal efficiency was estimated. As a result of the this study, when the microbubble was supplied directly to the aerobic tank in which the membrane was submerged, excessive scum was generated so could...

In this study, the microbubbles were applied to the MBR process for night soil treatment, and the removal efficiency was estimated. As a result of the this study, when the microbubble was supplied directly to the aerobic tank in which the membrane was submerged, excessive scum was generated so could not stable operation of the process. The SS removal efficiencies in the pre-treatment tank were 74.3%, 82.8%, 75.0%, 52.1% on average at the 2 kg, 4 kg, 6 kg, and $8kg\;COD_{Cr}/m^3$, respectively. The mean removal efficiencies were more than 99.4%, 94.0%, 74.1% for SS, $TCOD_{Cr}$, $SCOD_{Cr}$ by MBR process. On the other hand, when the microbubble are directly supplied to the aerobic tank, the microbubble and the scum are attached each other to accelerate the fouling. Therefore, it can be confirmed that stable treatment can be achieved by applying microbubble to the front of the bioreactor for removal of SS and oxidation of organic matters in high concentration organic wastewater treatment such as night soil.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고농도 유기성 폐수인 분뇨에 마이 크로버블을 생물학적 처리 공정인 A2O 공정을 이용 하는 MBR 공정에 적용하여 분뇨처리 효율을 검토 하고, 안정적인 운영 가능성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 분리막의 막힘현상을 해결하기 위하여 마이크로버블을 이용한 세정을 실시하였으나, Stephen 등³⁾의 연구결과와는 달리 마이크로버블이 오염물질들과 함께 분리막에 부착되어 fouling 현상이 가속화되는 것을 확인할 수 있었다. 분뇨의 경우 점성이 높고 마이크로버블의 전단력이 매우 낮기 때문에 마이크로버블에 의한 분리막 세정은 어려움이 있는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 협잡물 처리기를 거친 분뇨를 혐기조, 무산소조, 호기조로 구성된 생물반응조(A2O) 에 유입시켜 유기물, 질소를 제거하고 호기조에 침지된 분리막을 통해 고액분리를 하였다. 실험은 마이크로버블을 분리막이 침지되어 있는 호기조에 직접 공급하는 경우와 생물반응조의 전단에 설치한 전처리조에 공급하는 경우로 구분하여 그 처리특성을 파악하였다[Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 인천광역시 소재 G사업소 위생처 리장의 협잡물 처리기를 거친 배양조 유입수를 유입원수로 사용하였다. 위생처리장의 계획처리용량은 1,780 m³ /day이며, 정화조오니, 생분뇨와 축산 폐수가 유입된다.

데이터처리

COD_Cr 은 Standard Methods ¹²⁾ 에 의하여, SS, T-N, T-P 항목은 수질오염공정시험기준¹³⁾ 에 따라 분석하였다. SCOD_Cr 분석을 위하여 시료를 공극이 1.

성능/효과

2. 생물반응조 전단에 마이크로버블을 공급하는 전처리조를 설치하여 마이크로버블에 의한 고형물의 부상분리 및 유기물 산화 후 생물반응조로 처리한 결과, 4 kg COD_Cr/㎥·day의 높은 유기물 부하에서 전처리조에서의 SS 제거율은 평균 82.8%로 가장 높았으며, 최종 처리수의 SS 제거율은 모든 유기물 부하에서 평균 99.4% 이상이었다.
3. 전처리조에서의 마이크로버블의 산화력에 의한 SCOD_Cr 제거율은 유기물 부하에 따라 16.8～ 44.8% 정도로 나타났다.
4. 분뇨를 마이크로버블로 전처리한 다음 MBR 공정으로 처리한 결과 2～8 kg COD_Cr /㎥·day의 높은 유기물 부하 범위에서 최종처리수의 TCOD_Cr 제거율은 평균 94.0% 이상, SCOD_Cr 은 평균 74.1% 이상, T-N 제거율은 평균 55.8% 이상, 그리고 T-P 제거율은 평균 42.8% 이상이었다.
5. 분리막의 세정 목적으로 마이크로버블을 적용한 결과, 마이크로버블과 오염물질들이 함께 분리막에 부착되어 fouling 현상이 가속되는 현상을 확인할 수 있었다. 결론적으로 분뇨 등 고농도 유기성 폐수를 처리할 경우 마이크로버블을 고액분리 및 유기물의 산화를 목적으로 생물반응조 전단에 적용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

후속연구

분리막의 세정 목적으로 마이크로버블을 적용한 결과, 마이크로버블과 오염물질들이 함께 분리막에 부착되어 fouling 현상이 가속되는 현상을 확인할 수 있었다. 결론적으로 분뇨 등 고농도 유기성 폐수를 처리할 경우 마이크로버블을 고액분리 및 유기물의 산화를 목적으로 생물반응조 전단에 적용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고도처리 분야에서 침지형 MBR이 꾸준히 응용된 이유는?	고도처리 분야에서 가장 주목받고 신뢰성 있는 기술로 인정받고 있는 것이 분리막 기술이며, 특히 침지형 MBR(submerged membrane bioreactor) 은 완벽한 고액분리가 가능하고 안정된 처리수를 확보할 수 있기 때문에 꾸준히 응용되어왔다1) . 그러나 MBR이 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 폐수처리 적용에 있어 제한요소로 지적되는 fouling으로 인해 MBR 공정의 운전 및 유지관리 비용 상승이라는 문제점을 가지고 있다.
	마이크로버블을 이용한 고액분리 시, 세정효과에 영향을 주는 요인은?	또한, 분리막의 사용주기를 증가시키기 위한 foulants의 제거 목적으로 마이크로버블을 이용하여 MF, UF 분리막의 세척 및 역세척에 이용한 결과 공기 마이크로버블에 의해 foulants의 제거를 확인하였다. 다만, 세정효과는 버블 발생속도와 버블 크기에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다3).
	분뇨처리 공정에서 MBR의 단점은 무엇인가?	고도처리 분야에서 가장 주목받고 신뢰성 있는 기술로 인정받고 있는 것이 분리막 기술이며, 특히 침지형 MBR(submerged membrane bioreactor) 은 완벽한 고액분리가 가능하고 안정된 처리수를 확보할 수 있기 때문에 꾸준히 응용되어왔다1) . 그러나 MBR이 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 폐수처리 적용에 있어 제한요소로 지적되는 fouling으로 인해 MBR 공정의 운전 및 유지관리 비용 상승이라는 문제점을 가지고 있다. 분뇨의 경우 고농도 유기성 폐수로 고형물의 농도와 점도가 높을 뿐만 아니라 입자상의 고형물로 인해 MBR을 이용하여 높은 처리효율을 얻기 위해서는 전처리공 정에서 고액분리가 필수적으로 선행되어야 한다2) .

참고문헌 (15)

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Stephen, P. C., Matthew, W. A. and Maqsood, F., "Microbubble RO Membrane Cleaning Reduces Fouling on WWRO Plant", Desalination and Water Treatment, 55, pp. 2900-2908. (2015).

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Li, P., Tsuge, H. and Itoh, K., "Oxidation of Dimethyl Sulfoxide in Aqueous Solution Using Microbubbles", Industrial & Engineering Chemistry Research, 48(17), pp. 8048-8053. (2009).

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Kawahara, A., Sadatomi, M., Matsuyama, F., Matsuura, H., Tominaga, M. and Noguchi, M. "Prediction of Microbubble Dissolution Characteristics in Water and Sea Water", Experimental Thermal and Fluid Science, 33(5), pp. 883-894. (2009).

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Agarwal, A., Ng, W. J. and Liu, Y. "Principle and Applications of Microbubble and Nanobubble Technology for Water Treatment", Chemosphere, 84(9), pp. 1175-1180. (2011).

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Cha, H. S., "Present State and Future Prospect for Microbubble Technology", Bulletin of Food Technology, 22(3), pp. 544-552. (2009).
Li, P., Takahashi, M. and Chiba, K., "Enhanced Free-Radical Generation by Shrinking Microbubbles Using a Copper Catalyst", Chemosphere, 77, pp. 1157-1160. (2009).

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Lim, J. Y., Kim, H. S., Park, S. Y. and Kim, J. H., "Pre-treatment Characteristics of Night Soil by Microbubble", Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, 24(4), pp. 31-37. (2016).
Lim, J. Y., Kim, H. S., Park, S. Y. and Kim, J. H., "Evaluation of Characteristics for Microbubble Generation According to Venturi Nozzle Specification", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, 16(9), pp. 6397-6402. (2015).

원문보기 상세보기
APHA(American Public Health Association), Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 17th ed., Washington DC, USA. (1989).
Ministry of Environment, Standard Methods for Examination of Water Quality. (2014).
Jang, J. K., Kim, M. Y., Sung, J. H., Chang, I. S., Kim, T. Y., Kim, H. W., Kang, Y. K. and Kim, Y. H., "Effect of the Application of Microbubbles and/or Catalyst on the Sludge Reduction and Organic Matter of Livestock Wastewater", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 37(10), pp. 558-562. (2015).

원문보기 상세보기
Na, Y. M., Bae, J. B., Moon, T. H., Hwang, Y. Y., Lee, Y. W., "Livestock Wastewater Treatment Using MBR/NF/RO and Application of Post-Denitrification and Air Flotation Process to Treat Excess Sludge and NF/RO Brine", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 35(6), pp. 407-414. (2013).

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