하수고도처리공법의 유입하수량 변화에 따른 슬러지 질산화/탈질속도 변화 Change of Sludge Denitrification and Nitrification Rate according to the Operating Conditions in Advanced Wastewater Treatment Processes원문보기
본 연구에서는 막결합생물반응조(MBR)공법을 비롯한 하수고도처리공법에서 유입하수량의 변화에 따른 슬러지 특성 변화를 파악하고자 하였다. 일 1.5톤을 처리하는 모형실험시설에서 설계유량 대비 유입하수량을 100, 70, 40, 10%로 변화시켜가며 이에 따른 비탈질속도(specific denitrificationrate)와 비질산화속도(specific ammoniaoxidation rate)의 변화를 측정하였다. 각 공법의 폭기조에서 채취한 슬러지의 비질산화속도는 유입하수량 100% 조건에서 세 가지 공법 모두 유사한 값($0.10gNH_4/gMLVSS/day$)으로 측정되었다. 유입하수량이 70%에서 40%로 감소함에 따라 비질산화속도가 크게 감소하는 경향을 나타냈다. 비탈질속도 역시 유입하수량이 감소함에 따라 최대 50%가량 감소하였다. 유입하수량이 감소할수록 비탈질속도와 비질산화속도가 감소하는 경향을 나타냈으나 원수의 총질소 농도와 반응조 내 미생물 농도를 고려하면 질소제거율에 영향을 미칠 정도는 아니었다. 따라서 유입하수량이 감소하는 경우에도 반응조 내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있다면 안정적인 질소 제거가 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 막결합생물반응조(MBR)공법을 비롯한 하수고도처리공법에서 유입하수량의 변화에 따른 슬러지 특성 변화를 파악하고자 하였다. 일 1.5톤을 처리하는 모형실험시설에서 설계유량 대비 유입하수량을 100, 70, 40, 10%로 변화시켜가며 이에 따른 비탈질속도(specific denitrification rate)와 비질산화속도(specific ammonia oxidation rate)의 변화를 측정하였다. 각 공법의 폭기조에서 채취한 슬러지의 비질산화속도는 유입하수량 100% 조건에서 세 가지 공법 모두 유사한 값($0.10gNH_4/gMLVSS/day$)으로 측정되었다. 유입하수량이 70%에서 40%로 감소함에 따라 비질산화속도가 크게 감소하는 경향을 나타냈다. 비탈질속도 역시 유입하수량이 감소함에 따라 최대 50%가량 감소하였다. 유입하수량이 감소할수록 비탈질속도와 비질산화속도가 감소하는 경향을 나타냈으나 원수의 총질소 농도와 반응조 내 미생물 농도를 고려하면 질소제거율에 영향을 미칠 정도는 아니었다. 따라서 유입하수량이 감소하는 경우에도 반응조 내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있다면 안정적인 질소 제거가 가능할 것으로 판단된다.
The purpose of this study is to investigate the changes of sludge characteristics according to the changes of influent sewage flowrate in the advanced wastewater treatment processes including MBR, SBR, and $A_2O$. The ratio of the actual sewage flowrate to the design flowrate is decreased...
The purpose of this study is to investigate the changes of sludge characteristics according to the changes of influent sewage flowrate in the advanced wastewater treatment processes including MBR, SBR, and $A_2O$. The ratio of the actual sewage flowrate to the design flowrate is decreased from 100% to 70, 40%, and 10%, and the specific denitrification rate and ammonia oxidation (nitrification) rate was measured. The specific nitrification rate of the sludge collected from the aeration tank of each process was measured at a similar value ($0.10gNH_4/gMLVSS/day$) in all three process under the condition of 100% of sewage flowrate. It has tended to decrease significantly as the sewage flowrate decreased from 70% to 40%. The specific denitrification rate was also decreased by ~50% as the sewage flowrate decreased. However, considering the total nitrogen concentration in the influent and the microbial concentration in the reactor, the changes in kinetic parameter did not affect overall nitrogen removal. Therefore, it can be concluded that stable nitrogen removal will be possible under low influent flowrate condition if the MLVSS concentration is kept high.
The purpose of this study is to investigate the changes of sludge characteristics according to the changes of influent sewage flowrate in the advanced wastewater treatment processes including MBR, SBR, and $A_2O$. The ratio of the actual sewage flowrate to the design flowrate is decreased from 100% to 70, 40%, and 10%, and the specific denitrification rate and ammonia oxidation (nitrification) rate was measured. The specific nitrification rate of the sludge collected from the aeration tank of each process was measured at a similar value ($0.10gNH_4/gMLVSS/day$) in all three process under the condition of 100% of sewage flowrate. It has tended to decrease significantly as the sewage flowrate decreased from 70% to 40%. The specific denitrification rate was also decreased by ~50% as the sewage flowrate decreased. However, considering the total nitrogen concentration in the influent and the microbial concentration in the reactor, the changes in kinetic parameter did not affect overall nitrogen removal. Therefore, it can be concluded that stable nitrogen removal will be possible under low influent flowrate condition if the MLVSS concentration is kept high.
예를 들어 설계된 체류시간보다 호기조 체류시간이 증대됨으로써 미생물의 과도한 산화가 일어나게 되어 처리효율이 저하될 수있다. 본 연구에서는 하루 1.5톤을 처리하는 모형실험 장치를 제작하여 대표적인 생물학적 하수고도처리공법인 MBR, A2O, SBR공법의 유입하수량 변화에 따른 슬러지 특성 변화를 파악하고자 하였다. 유입하수량을 계획하수량의 10~100% 범위 내에서 변동시켜가며 이에 따른 효율감소의 원인을 분석하고자 각 공법별 슬러지의 질산화와 탈질화 반응의 동역학적 상수인 비질산화 속도와 비탈질속도를 측정하였다.
제안 방법
5톤을 처리하는 모형실험 장치를 제작하여 대표적인 생물학적 하수고도처리공법인 MBR, A2O, SBR공법의 유입하수량 변화에 따른 슬러지 특성 변화를 파악하고자 하였다. 유입하수량을 계획하수량의 10~100% 범위 내에서 변동시켜가며 이에 따른 효율감소의 원인을 분석하고자 각 공법별 슬러지의 질산화와 탈질화 반응의 동역학적 상수인 비질산화 속도와 비탈질속도를 측정하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 국내에서 가장 널리 사용되고 있는 고도하수처리공법인 A2O공법, MBR공법, SBR공법의 모형실험장치를 1.5톤/일 규모로 반응조를 설계 제작하여 S시 하수처리장에 설치하였다(Fig. 1). 유량 조정조를 설치하여 각 공법으로 유입되는 유입수질을 동일하게 유지하였다.
성능/효과
유입 하수량이 100%에서 40%까지 감소하여도 T-N 제거율에는 큰 변화가 없었으며, 유입하수량 10% 조건에서 SBR 공법만 질소제거율이 31%까지 감소하였다. 비질산화속도는 유입하수량 감소에 따라 전반적으로 감소하는 경향이 나타났으며 유입하수량 10% 조건에서 비질산화속도가 70% 가량 감소하였으며 슬러지의 체류시간 증가로 인한 내생호흡량이 증가함에 기인한 것으로 판단된다. 비탈질속도 역시 유입하수량 감소에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
공공하수처리시설에서 계획하수량에 비해 실제 유입되는 하수량이 적은 경우에 질소 제거에 미치는 영향을 알아보고자 대표적인 하수고도처리공법의 슬러지를 채취하여 비질산화속도와 비탈질속도를 비교하였다. 유입 하수량이 100%에서 40%까지 감소하여도 T-N 제거율에는 큰 변화가 없었으며, 유입하수량 10% 조건에서 SBR 공법만 질소제거율이 31%까지 감소하였다. 비질산화속도는 유입하수량 감소에 따라 전반적으로 감소하는 경향이 나타났으며 유입하수량 10% 조건에서 비질산화속도가 70% 가량 감소하였으며 슬러지의 체류시간 증가로 인한 내생호흡량이 증가함에 기인한 것으로 판단된다.
그러나 공정으로 유입되는 질소의 농도와 반응조 내 존재하는 미생물 농도를 고려 해보았을 때, 전체 질소제거효율에 큰 영향을 미칠 정도는 아니었다. 즉 MBR 공법과 같이 고농도로 미생물 농도를 유지할 수 있다면 유입하수량이 감소하여도 질소제거에는 큰 영향이 없을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질산화세균은 어떤 역할을 하는가?
생물학적 질소제거는 크게 질산화와 탈질화 반응의 2단계로 구분할 수 있다. 질산화세균은 호기적 환경에서 암모니아를 아질산을 거쳐 질산으로 산화시켜준다. 탈질세균은 혐기적 환경에서 질산염이 산소 대신 최종 전자수용체로 작용하여 환원되면서 에너지를 생산하는 과정으로 질산을 아질산으로 환원시켜주고 이는 다시 NO, N2O의 중간 대사체를 거쳐 가스상의 질소로 전환된다[2].
고도하수처리공법의 장점은 무엇인가?
하천, 호수 등의 수계로 중금속, 유기물질, 영양염류 등이 유출되어 부영양화(Eutrophication) 및 이로 인한 수중생태계 파괴, 수자원 활용가치 하락, 상수처리 비용 상승 등 문제점이 심화되고 있다. 영양염류의 제거가 거의 불가능한 표준활성슬러지 공법을 대신하여 개발된 고도하수처리공법들은 유기물 외에도 질산화와 탈질과정을 통해 질소를 제거하고 아울러 생물학적으로인(P)의 동시 제거가 가능하다. 생물학적 질소제거는 크게 질산화와 탈질화 반응의 2단계로 구분할 수 있다.
본 연구에서 유입하수량이 감소할 경우 질산화속도가 감소한 이유를 무엇이라 판단하였는가?
일반적 으로 슬러지체류시간이 증가하면 비산소소모속도 (specific oxygen uptake rate), 비질산화속도 등이 감소하는 것으로 알려져 있는데[7] 본 연구에서 유입하수량이 감소할 경우에는 슬러지의 체류시간이 증가하는 효과를 나타내기 때문에 유사하게 비질산화속도가 감소한 것으로 판단된다. 또한 이는 반응조에서 슬러지의 내생 호흡(endogenous respiration)이 증가하여 질산화속도 역시 감소하였을 것으로 판단된다[8]. 유입하수량 10% 조건에서도 MBR 공법은 T-N 제거율이 높게 나타났으나 비질산화속도는 매우 낮은 값을 나타내었다.
참고문헌 (12)
Ministry of Environment, Statistics of Sewerage (2016).
D. Barnes and P. J. Bliss, "Biological Control of Nitrogen in Wastewater Treatment", E. & F. N. SPON, New York (1983).
H.-D. Ryu and S.-I. Lee, "Comparison of removal characteristics of organic matter, nitrogen and phosphorus between suspended-growth and attached-growth biological processe", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 27, 206 (2005).
Z. Fu, F. Yang, Y. An, and Y. Xue, "Simultaneous nitrification and denitrification coupled with phosphorus removal in an modified anoxic/oxic-membrane bioreactor (A/O-MBR)", Biochemical Engineering Journal, 43, 191 (2009).
M. Kim and G. Nakhla, "Comparative assessment of a novel MBR and $A_2O$ for biological nutrient removal", Proceedings of the Water Environment Federation, 2008, 1765 (2008).
N. Yusof, M. A. Hassan, L. Y. Phang, M. Tabatabaei, M. R. Othman, M. Mori, M. Wakisaka, K. Sakai, and Y. Shirai,, "Nitrification of ammonium-rich sanitary landfill leachate", Waste Management, 30, 100 (2010).
S. S. Han, T. H. Bae, G. G. Jang and T. M. Tak, and Tae-Moon, "Influence of sludge retention time on membrane fouling and bioactivities in membrane bioreactor system", Process Biochemistry, 40, 2393 (2005).
X. Huang, P. Gui, and Y. Qian, "Effect of sludge retention time on microbial behaviour in a submerged membrane bioreactor", Process Biochemistry, 36, 1001 (2001).
B. Lesjean, R. Gnirss, H. Buisson, S. Keller, A. Tazi-Pain, and F. Luck, "Outcomes of a 2-year investigation on enhanced biological nutrients removal and trace organics elimination in membrane bioreactor (MBR)", Water science and technology, 52, 453 (2005).
P. Elefsiniotis and D. Li, "The effect of temperature and carbon source on denitrification using volatile fatty acids", Biochemical Engineering Journal, 28, 148 (2006).
N. S. Park J. I. Oh, M.E. Lee, H. Jang, and Y. Ahn, "Effect of influent flowrate on the performance of biological wastewater treatment processes", Desalination and Water Treatment (under review) (2018).
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