[논문]물리·화학적 및 생물학적 처리가 결합된 장치형 하천정화 시스템에 관한 연구

엄한기; 김성철; 김성수; 김삼주

doi:10.15681/kswe.2017.33.3.273

물리·화학적 및 생물학적 처리가 결합된 장치형 하천정화 시스템에 관한 연구
A Study on the Equipment Type of Stream Purification System that Applies Combined Physicochemical and Biological Treatment 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.33 no.3, 2017년, pp.273 - 281

엄한기 (경기대학교 일반대학원 환경에너지공학과) , 김성철 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김성수 (경기대학교 환경에너지공학과) , 김삼주 (안성시청)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to evaluate the performance of stream purification equipment system combined MBP (Micro Bubble Process) and AGBP (Aerobic Granular Biofilm Process). Based on results, the optimal HRT (Hydraulic Retention Time) of MBP and AGBP set as 0.72 and 2.4 h, respectively. In the results of continuous operation on combined MBP and AGBP, it is possible to achieve a BOD, TSS and T-P removal efficiency of 85, 90 and 94%, respectively. It also confirmed that the water quality of the stream can be purified with increasing circulation flow through water simulation evaluation applied the QUAL-NIER model. Consequently this purification system can resolve the stream purification and dry stream problem.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 중 소하천의 수질정화 및 건천화를 방지하기 위해 물리·화학적 및 생물학적 처리가 결합된 장치형 하천 정화 시스템의 성능을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 중 소하천 수질개선 및 건천화를 방지하고 기존 자연형 하천정화 시스템의 문제점을 해결할 수 있는 장치형 하천정화 시스템을 이용하여 중 소하천에 적용하고자 하였다. 장치형 하천정화 시스템은 물리·화학적 처리시설인 가압부상 공정(Micro Bubble Process, MBP)과 생물학적 처리시설인 호기성 그래뉼 생물막 공정(Aerobic Granular Biofilm Process, AGBP)으로 구성되어 있다.
생물학적 처리 장치는 MBP 이후 하천수 내 유기물과 질소 등 용존성 오염원을 제거하기 위한 목적으로 적용하였다. AGBP는 air-lift 방식의 반응조와 미생물의 산소 공급을 위한 Membrane 산기관으로 구성되어 있으며, AGBP 반응조 체적은 10.
이에 따라 물리·화학적 및 생물학적 처리가 결합된 장치형 하천 정화 시스템을 적용하여 성능을 평가하고, 건천화 방지를 위한 처리수 재순환 시뮬레이션 평가를 통해 하천의 오염원 정화를 만족할 수 있는 방안을 수립하고자 한다.

제안 방법

5 kgTSS/L day이다. MBP 운전조건은 Table 1와 같이 하천수 유입량에 따른 Mode를 세분화 하여 설정하였으며, Air 주입량은 유입유량 대비 10%로 고정하였다.
2와 같이 집수매거에서 하천수를 취수하여 첫 번째로 물리·화학적 처리 장치인 MBP에 유입 시켰다. MBP를 통해 처리된 1차 처리수는 두 번째로 AGBP로 이송되어 생물학적 처리를 거치도록 하였다. 장치형 하천정화 시스템에서 배출된 최종 처리수는 전량 5 km 지점인 하천 상류로 이송시켜 연속식으로 순환시켰다.
MBP와 AGBP가 결합된 장치형 하천정화 시스템의 운전을 통해 하천의 오염원 제거특성과 연속식 효율평가를 실시하였다(2016.02). 처리용량 100 m³/day을 기준으로 체류 시간은 MBP와 AGBP 각각 0.
Micro bubble을 이용한 MBP 운전을 통해 오염원 제거특성을 평가하였으며, Fig. 4에 결과를 나타내었다. Mode 1 ~ 5(F.
장치형 하천정화 시스템을 이용한 연속식 운전을 통해 도출된 결과를 바탕으로 연평균 하천 유량, 유입수질, 처리 수질 및 제거율을 적용하여 순환유량별 하천수질을 시뮬레이션으로 평가하였다. QUAL-NIER 모델의 독립변수로는 처리수 재순환유량을 설정하였으며, 100회 이상 순환 시 순환유량별 하천수질을 예측하여 장치형 하천정화 시스템의 성능을 입증하고자 하였다.
대상하천의 연평균(2015.05 ~ 2016.04) 수질 및 연속식 운전결과를 바탕으로 장치형 하천정화 시스템의 성능을 QUAL-NIER 모델을 통해 시뮬레이션 평가를 진행하였다. 연평균 유량은 44,061 m³/day이며, 수질은 TBOD 5 45.
물리·화학적 처리 장치인 MBP와 생물학적 처리 장치인 AGBP의 단위공정별 오염원 제거효율을 비교한 후 각 단위공정의 최적 운전조건을 적용하여 장치형 하천정화 시스템을 구성하였다.
6 mg/L을 적용하였다. 시스템의 순환유량은 1,000 ~ 5,000 m³/day 범위에서 설정하였으며, 순환 횟수(Number of recycle)은 100 회를 진행하였다.
5에 나타내었다. 운전조건은 AGBP 유입량에 따라 Mode 1 ~ 5까지 구분하였으며, HRT가 각각 5.0, 3.3, 2.4, 2.0 1.6 hr이다. 각 Mode별 TBOD₅ 제거효율은 각각 76.
AGBP의 운전조건은 하천수 유입량에 따라 구분하였으며, Table 2에 나타내었다. 유입량은 50 ~ 150 m³/day 범위에서 각 Mode별로 세분화하였으며, AGBP 반응조 내순환유량은 1.5Q, 미생물 농도는 3,000 mg/L로 설정하여 연속식으로 운전을 실시하였다.
MBP를 통해 처리된 1차 처리수는 두 번째로 AGBP로 이송되어 생물학적 처리를 거치도록 하였다. 장치형 하천정화 시스템에서 배출된 최종 처리수는 전량 5 km 지점인 하천 상류로 이송시켜 연속식으로 순환시켰다. 장치형 하천정화 시스템의 총 체류시간은 3.
장치형 하천정화 시스템을 이용한 연속식 운전을 통해 도출된 결과를 바탕으로 연평균 하천 유량, 유입수질, 처리 수질 및 제거율을 적용하여 순환유량별 하천수질을 시뮬레이션으로 평가하였다. QUAL-NIER 모델의 독립변수로는 처리수 재순환유량을 설정하였으며, 100회 이상 순환 시 순환유량별 하천수질을 예측하여 장치형 하천정화 시스템의 성능을 입증하고자 하였다.
하천수 내 부유물질 제거를 위한 목적으로 물리·화학적 처리 장치인 MBP를 적용하여 연속식으로 운전하였다.

대상 데이터

06 gair/g solids으로 구성되었다. MBP에 사용된 응집제는 폴리 염화알루미늄(Poly alumivum chloride, PAC)을 사용하였으며, PAC 주입비율은 2.5 kgTSS/L day이다. MBP 운전조건은 Table 1와 같이 하천수 유입량에 따른 Mode를 세분화 하여 설정하였으며, Air 주입량은 유입유량 대비 10%로 고정하였다.
MBP에서 Micro bubble은 초미세 기포로써 부유물질의 부상을 유도하는 역할은 한다. MBP의 체적은 0.05 m³, 부상조의 체적은 3 m³이며, Air/Solids rate는 약 0.02 ~ 0.06 gair/g solids으로 구성되었다. MBP에 사용된 응집제는 폴리 염화알루미늄(Poly alumivum chloride, PAC)을 사용하였으며, PAC 주입비율은 2.
우리나라에서 동절기는 갈수기에 해당되며, 강수량이 적어 오염원 농도가 하절기에 비해 매우 높은 것이 특징이다. 대상하천은 점오염원으로부터 오염부하량의 영향이 큰 하천임으로 강우량에 따라 하천수질이 크게 변할 것으로 판단된다.
연구지점은 유역특성과 배출부하량을 검토하여 연구목적에 맞는 대상 하천으로 경기도에 위치한 G하천을 선정하였다. G하천 유역은 주변에 주택 및 상가가 밀집되어 있어 인구밀도가 높은 편이다.
또한 G하천은 주변에 주택이 밀접해 있기 때문에 하천으로 생활하수가 지속적으로 유입되고 있으며, 민원 발생이 급증하고 있는 실정이다. 이에 따라 중 소하천 수질정화 및 건천화 방지를 위한 본 연구의 목적에 맞는 대상으로 판단되어 G하천을 선정하였으며, 계절에 따른 시스템 성능을 평가하기 위해 1년(2015.05 ~ 2016.04)에 걸쳐 연구를 진행하였다.

이론/모형

)을 이용하였다. T-N과 T-P의 경우 colorimetric method (4500-N C.) 및 sulfuric acid-nitric acid digestion(4500-P, B.)에 의해 분석하였다. 하천유량은 하천용 전자식 유속계 AEM1-D(JFE-ADVANTECH Co.
수질분석은 TBOD 5 , SS, T-N, T-P로 총 4개 항목에 대해 분석하였으며, Standard Methods(APHA, 2005)에 준하여 분석하였다. 유기물 분석항목 중 TBOD₅는 5-day BOD method(5210 B.
수질분석은 TBOD 5 , SS, T-N, T-P로 총 4개 항목에 대해 분석하였으며, Standard Methods(APHA, 2005)에 준하여 분석하였다. 유기물 분석항목 중 TBOD₅는 5-day BOD method(5210 B.), TSS는 gravimetric method(2540 B. D.)을 이용하였다. T-N과 T-P의 경우 colorimetric method (4500-N C.
)에 의해 분석하였다. 하천유량은 하천용 전자식 유속계 AEM1-D(JFE-ADVANTECH Co., Ltd)를 이용하여 측정하였다(Kim et al., 2013).

성능/효과

1) 가압부상 공정(MBP, Micro Bubble Process)을 이용한 오염원 제거특성 결과 flotation reactor의 체류시간이 0.72 hr 이상인 경우 T-P 제거효율은 90%, TSS는 약 80%의 제거효율을 확인하여 flotation reactor의 체류시간 0.72 hr을 MBP 최적 운전조건으로 설정하였다.
2) 호기성 그래뉼 생물막 공정(AGBP, Aerobic Granular Bioflim Process)을 통해 용존성 BOD의 제거가 가능하였으며, 체류시간 2.4 hr 이상에서 70% 이상의 제거효율을 확인하였다. 호기성 그래뉼 슬러지는 높은 오염원 제거율과 침강성이 우수하여 반응조 설치면적을 효과적으로 줄일 수 있어 중 소하천 주변의 협소한 부지에 설계가 가능한 생물학적 처리공정으로 판단된다.
3) MBP와 AGBP가 결합된 장치형 하천정화 시스템의 연속식 운전을 통해 BOD 85%, TSS 90%, T-P 90% 이상의 오염원 제거가 가능한 것으로 나타났다. 또한 연속식 운전결과를 바탕으로 QUAL-NIER 모델을 적용한 하천수질 시뮬레이션 평가에서 순환유량이 증가할수록 하천의 수질이 양호한 수준으로 정화됨을 확인할 수 있었다.
4) 본 연구를 통해 MBP와 AGBP의 각 단위공정별 오염원 제거효율과 MBP 및 AGBP가 결합된 장치형 하천정화 시스템의 성능을 연속식 운전과 시뮬레이션 평가를 통해 확인하였으며, 장치형 하천정화 시스템이 하천의 수질정화는 물론이고, 처리수를 하천 상류로 이송함으로써 건천화 예방 및 하천 유지용수 확보 등 중 소규모 하천의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
8%로 약 90% 이상의 높은 제거효율을 나타냈다. MBP에서 TSS 제거는 TBOD₅와 유사한 제거 경향을 보였으며, T-P의 경우 응집제 주입에 따른 화학적 인 제거와 입자성 고형물의 제거가 높은 제거효율에 기인했다고 판단된다. 이에 반해 T-N은 15.
4에 결과를 나타내었다. Mode 1 ~ 5(F.R. HRT 1.44, 0.96, 0.72, 0.57, 0.48 hr) 운전조건에서 평균 TBOD₅ 제거효율은 각각 58.1, 54.2, 51.3, 48.1, 43.0% 를 보여, Flotation reactor의 체류시간이 감소할수록 TBOD₅ 제거효율이 점차 감소하는 것으로 나타났다. Lee (2010)의 연구에서 가압부상공정의 TBOD₅ 제거는 부상에 의한 TSS 제거로 인해 고형물 상태의 TBOD₅가 제거된다고 보고하고 있다.
Mode별 TSS 평균 제거효율은 각각 84.1, 80.1, 79.3, 71.0, 68.2%이며, T-P는 각각 94.5, 93.4, 90.1, 88.9, 89.8%로 약 90% 이상의 높은 제거효율을 나타냈다. MBP에서 TSS 제거는 TBOD₅와 유사한 제거 경향을 보였으며, T-P의 경우 응집제 주입에 따른 화학적 인 제거와 입자성 고형물의 제거가 높은 제거효율에 기인했다고 판단된다.
33 kg/day의 부하량이 제거된 것으로 나타났다. T-P는 평균 93.1%의 제거율과 0.18 kg/day의 부하량 삭감을 보였으며, T-N의 제거율은 20.7%, 부하량은 0.47 kg/day이 제거되는 것으로 나타났다. 오염원 제거 특성을 비교한 결과 제거율은 단위공정별 제거율보다 결합형 공정의 제거율이 더 우수한 것으로 나타났다.
2%를 적용하여 약 40회 순환한 결과 하천의 TBOD₅가 1 mg/L 이하로 감소하였다. TSS의 경우에도 제거율 90%를 적용하여 약 40회 순환 후 1 mg/L 이하를 달성하였으며, T-P도 93.1%의 제거율을 통해 약 35회 순환 후 0.02 mg/L 이하를 만족할 수 있었다. 이는 하천수 수질환경기준 중 1급수에 해당하는 수질을 의미한다.
6 hr이다. 각 Mode별 TBOD₅ 제거효율은 각각 76.8, 74.6, 72.8, 69.2, 64.3%로 나타났으며, HRT 2.0 hr에서 제거효율이 70% 미만으로 감소된 것을 알 수 있었다. 반면 TSS, T-N, T-P의 경우 운전조건과 관계없이 각각 약 50 ~ 55%, 11 ~ 15%, 5 ~ 9%의 유사한 제거율을보였다.
3) MBP와 AGBP가 결합된 장치형 하천정화 시스템의 연속식 운전을 통해 BOD 85%, TSS 90%, T-P 90% 이상의 오염원 제거가 가능한 것으로 나타났다. 또한 연속식 운전결과를 바탕으로 QUAL-NIER 모델을 적용한 하천수질 시뮬레이션 평가에서 순환유량이 증가할수록 하천의 수질이 양호한 수준으로 정화됨을 확인할 수 있었다.
7과 같이 장치형 하천정화 시스템 적용을 통해 순환 유량별로 하천수질 변화를 시뮬레이션 한 결과 순환유량이 증가할수록 수질이 빠르게 정화되는 것으로 나타났다. 순환 유량 5,000 m³/day에서 시스템의 BOD 제거율 85.2%를 적용하여 약 40회 순환한 결과 하천의 TBOD₅가 1 mg/L 이하로 감소하였다. TSS의 경우에도 제거율 90%를 적용하여 약 40회 순환 후 1 mg/L 이하를 달성하였으며, T-P도 93.
47 kg/day이 제거되는 것으로 나타났다. 오염원 제거 특성을 비교한 결과 제거율은 단위공정별 제거율보다 결합형 공정의 제거율이 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 물리·화학적 처리와 생물학적 처리의 장점이 적절하게 조합된 결과이다.

후속연구

Lee (2010)의 연구에서 가압부상공정의 TBOD₅ 제거는 부상에 의한 TSS 제거로 인해 고형물 상태의 TBOD₅가 제거된다고 보고하고 있다. BOD 제거는 대부분 유기성 고형물의 제거에 의한 것이며, soluble BOD를 제거하기 위해서는 생물학적 처리가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
, 2002). 이러한 장점으로 장치형 하천정화 시스템에 생물학적 처리로 AGBP 적용이 가능할 것으로 판단된다.
이는 하천수 수질환경기준 중 1급수에 해당하는 수질을 의미한다. 이에 따라 QUAL-NIER 모델을 통해 장치형 하천정화 시스템의 성능을 평가한 결과 시스템 적용을 통해 하천수질이 1급수로 개선될 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였으며, 향후 중 소규모 하천의 수질 개선 및 건천화 방지를 위한 장치로 적용이 가능할 것으로 판단된다.
d에서 92%를 달성하고, 그래뉼 형태가 지속으로 유지됨을 확인하였다. 이에 따라 본 연구에서도 오염부 하량이 높은 겨울철에 AGBP의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 중 소규모 하천은 하천 주변에 하천정화 시설을 건설할 수 있는 부지가 부족한 편이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건천화는 무엇인가?	또한 하천의 수질악화와 함께 문제가 되는 것이 건천화 현상이다. 건천화란 하천의 자연적 기능을 유지할 수 없도록 악화되고 있거나 이미 악화된 하천으로서 수문학적 요소 기준으로 갈수량 기준 이하 또는 하천 기능유지에 필요한 수량을 지속적으로 제공할 수 없는 상태의 하천으로 정의한다(You, 2014). 소하천과 지방 2급 하천뿐만 아니라 지방 1급 하천의 경우도 매년 건천화 현상이 심각해지고 있어 이에 대한 해결이 시급한 상황이다(MOST, 2003).
	AGBP는 무엇으로 구성되어 있는가?	생물학적 처리 장치는 MBP 이후 하천수 내 유기물과 질소 등 용존성 오염원을 제거하기 위한 목적으로 적용하였다. AGBP는 air-lift 방식의 반응조와 미생물의 산소 공급을 위한 Membrane 산기관으로 구성되어 있으며, AGBP 반응조 체적은 10.3 m3으로 이루어져 있다.
	건천화 현상을 해결하기 위한 자연형 하천정화 시설에는 무엇이 있는가?	그 대안으로 자연형 하천정화 시설의 설치를 통한 하천 환경 변화가 시도되고 있으며, 하천의 형태와 오염정도에 따라 다양한 정화시설이 적용되고 있다. 자연형 하천정화 시설에는 흡착법, 토양처리법, 식생정화법 등이 있으며, 대부분 부유물질 제거는 우수하나 영양염류 제거효율이 매우 미비하며 넓은 부지면적을 차지하고, 체류시간이 많이 소요 되는 문제점을 갖고 있어 중 소하천에 적용하기 어려운 실정이다(Lee, 2009).

참고문헌 (15)

American Public Health Association (APHA). (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition, American Public Health Association, Washington D.C. USA.
Eom, H. K., Choi, Y. H., and Joo, H. J. (2016). TDS Removal using Bio-sorption with AGS and High Concentration Nitrogen Removal, Journal of Korean Society on Water Environment, 32(3), 303-309. [Korean Literature]

원문보기 상세보기
Gao, D., Liu, L., Liang, H., and Wu, M. W. (2011). Aerobic Granular Sludge : Characterization, Mechanism of Granulation and Application to Wastewater Treatment, Critical Reviews in Biotechnology, 31(2), 137-152.

상세보기
Hwang, S. J. (2009). Water for Future-Importance of Small Streams in Restoration of River Ecology, Magazine of Korea Water Resources Association, 42(5), 38-49. [Korean Literature]
Kim, M. K., Choi, J. S., Kim, S. J., and Kim, H. G. (2013). Improvement of Medium and Small Urban Stream Water Quality and Applicability of Design Factor Using Biological and Physicochemical Processing, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 35(7), 509-517. [Korean Literature]

원문보기 상세보기
Lazarova V., Bellahcen D., Manem J., Stahl D. A., and Rittmann B. E. (1999), Influence of Operating Conditions in Population Dynamics in Nitrifying Biofilms, Water Science and Technology, 39(7), 5-11.

상세보기
Lee, E. K. (2009). A Study on River Construction Method & its Problem; with Special Reference to the Domestic Nature-Centered Method, Master's Thesis, Kwandong University, Gangneung, Korea, 30-33. [Korean Literature]
Lee, K. C. (2010). Characteristics of Phosphorus Removal in Treated Sewage using Microbubble Flotation System, Ph. D. University of Seoul, Seoul, Korea, 38-42. [Korean Literature]
Ministry of Environment (MOE). (2004). Safe Management Technology of Water Source-Development of Environment-Friendly Technology for Stream Water Quality Management, Ministry of Environment, 5-20. [Korean Literature]
Ministry of Science and Technology (MOST). (2003). Technology of Sustainable Surfacewater Development, Ministry of Science and Technology, 25-33. [Korean Literature]
Moy, B. Y., Tay, J. H., Toh, S. K., Liu, Y., and Tay, S. T. (2002), High Organic Loading Influences the Physical Characteristics of Aerobic Sludge Granules, Letters in Applied Microbiology, 34(6), 407-412.

상세보기
National Institute of Environmental Research (NIER). (2005). QUAL-NIER Model User's Guide, National Institute of Environmental Research, 2-10. [Korean Literature]
Tay, J. H., Liu, Q. S., and Liu, Y. (2001). The Effects of Shear Force on the Formation, Structure and Metabolism of Aerobic Granules, Applied Microbiology and Biotechnology, 57(1), 227-233.

상세보기
Tay, J. H., Liu, Q. S., and Liu, Y. (2002), Aerobic Granulation in Sequential Sludge Blanket Reactor, Water Science and Technology, 46(4), 13-18.

상세보기
You, H. G. (2014). A Study on the Equipment Type of Stream Purification System that Applies Combined Process of Pressure Flotation Devices and Biofilm, Ph. D. Kyonggi University, Suwon, Korea, 1-5. [Korean Literature]

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증