[논문]하수재이용시설 농축수가 하수처리장 생물반응조 운영에 미치는 영향

임지영; 김현식; 배민수; 김진한

doi:10.17137/korrae.2018.26.3.5

하수재이용시설 농축수가 하수처리장 생물반응조 운영에 미치는 영향
Effects of Membrane Filtration Concentrate of Sewage Reuse Facility on Performance of Bioreactor in Sewage Treatment Facility 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.26 no.3, 2018년, pp.5 - 14

임지영 (인천대학교 건설환경공학부) , 김현식 (인천대학교 건설환경공학부) , 배민수 (인천환경공단) , 김진한 (인천대학교 건설환경공학부)

초록
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하수재이용시설 막여과 농축수가 하수처리장 생물반응조 미생물에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기 운영 중인 하수재이용시설 농축수를 채취 분석하고 농축수 주입에 따른 산소섭취율 변화 및 연속식 활성슬러지 실험을 수행하였다. 기 운영 중인 하수재이용시설 농축수를 분석한 결과 농축수의 유기물과 T-P 농도는 SS 농도와 밀접한 관계가 있고 농축수 내의 이온성 물질은 $Cl^-$ > $Na^+$ > $Ca^{2+}$ > $K^+$ > $Mg^{2+}$ > $F^-$순으로 높게 나타났으며 농축수의 항목별 분석값은 농축수 채취시기에 따라 크게 변함을 알 수 있었다. 농축수 비율에 따른 미생물 산소섭취율(OUR) 실험을 실시한 결과 농축수 비율이 증가함에 따라 농축수가 활성슬러지 미생물에 유기물로 작용하여 산소섭취율이 증가함을 알 수 있었으며 OUR 실험만으로는 독성영향을 주는 농축수 비율을 산정할 수 없었다. 연속 활성슬러지 실험을 실시한 결과 농축수 주입비율이 증가함에 따라 MLSS 농도, 유기물 제거효율 그리고 T-N 제거효율은 서서히 감소하였다. 따라서, 실험결과 농축수가 활성슬러지의 처리효율에 영향을 주기 시작하는 주입비율은 25% 이상인 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the effect of concentrate of membrane filtration of sewage reuse facilities on bioreactor's microorganisms in sewage treatment facility, and concentrate was analyzed, oxygen uptake rate and continuous activated sludge experiment were performed. As a results, the concentration of organic matter and TP concentration in concentrate was closely related to the concentration of SS and the concentration of ionic substances in concentrate was higher in order of $Cl^-$ > $Na^+$ > $Ca^{2+}$ > $K^+$ > $Mg^{2+}$ > $F^-$. And the analysis value of analytical items was greatly fluctuated according to sampling time of concentrate. Result of OUR test according to the mixing ratio of concentrate to sewage, it was found that the concentrate acts as an organic matter in the activated sludge microorganism and it increases with the increase of the concentrate mixing ratio. As a result of continuous activated sludge experiment, MLSS concentration, organic removal efficiency and TN removal efficiency gradually decreased with increasing concentrate mixing ratio. Based on the experimental results, expected mixing ratio of concentrate to affect the treatment efficiency of activated sludge is 25%.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Experimental apparatus for CSTR
표 Table 1. Analytical Results of Concentrate
그림 Fig. 2. Relation of SS versus COD, T-N, T-P of Concentrate
그림 Fig. 3. Result of Oxygen Uptake Rate Test
표 Table 2. Result of Oxygen Uptake Rate Test (unit: mg O₂/mg MLSS⋅hr)
그림 Fig. 4. Variation of MLSS concentration against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 5. Variation of SS concentration against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 6. Variation of BOD concentration against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 7. Variation of BOD removal efficiency against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 8. Variation of T-N concentration against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 9. Variation of NH₃-N concentration against concentrate mixing ratio
그림 Fig. 10. Variation of T-P concentration against concentrate mixing ratio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 I시 G하수처리장의 하수재이용시 설에서 발생하는 막여과 농축수로 활성슬러지 연속 실험과 산소섭취율(OUR, oxygen uptake rate) 측정을 통해 하수재이용시설 막여과 농축수가 하수처리장 생물반응조 미생물에 미치는 영향을 확인해 보고자 하였다.

가설 설정

G하수처리장의 처리공법은 MLE+ Disk filter이며, 하수재이용시설은 G하수처리장의 방류수를 UF로 전처리 후 RO로 처리하는 공정으로 구성되어 있다. 재이용시설의 계획처리용량은 10,800 m³/day이다.

제안 방법

농축수는 실험기간동안 7회 채취하여 농축수 분석과 활성슬러지 연속실험에 사용하였으며, 7회 중 3회는 중금속물질(ICP optical emission spectrometer, Varian 720-ES, USA), 이온물질(Metrohm 850 profic IC, Switzerland), 기타 각종 오염물질에 대해 정밀분석을 실시하였다.
침전실에서 침전된 슬러지는 바닥의 간격을 통하여 폭기실로 자연 반송되며 잉여슬러지는 폭기실로부터 인위적으로 폐기시켰다. 먼저 반응조에 활성슬러지를 채운 다음 하수를 미량펌프를 사용하여 6시간의 HRT로 반응 조에 주입하였으며 정상상태에 도달한 것으로 판단되었을 때 하수재이용시설 농축수의 주입농도를 증가시키면서 처리수의 수질을 분석하였다. 폭기조에 주입된 하수 및 농축수 혼합 하수 그리고 처리수에 대하여 BOD, COD_Cr , T-N, NH₃-N, NO₃^--N, T-P 농도를 측정하였으며 폭기조의 혼합액에 대해 MLSS 농도와 SVI를 측정하였다.
본 연구에서는 BOD병에 농도가 1,000 mg/L, 1,500 mg/L, 3,000 mg/L, 그리고 5,000 mg/L인 활성슬러지를 채운 후 하수재이용시설 농축수를 각 농도에 대하여 1%, 5%, 10%, 25%, 그리고 50%의 비율로 첨가한 다음 시간에 따른 DO 변화를 측정함으로써 산소섭취율을 구하였다.
먼저 반응조에 활성슬러지를 채운 다음 하수를 미량펌프를 사용하여 6시간의 HRT로 반응 조에 주입하였으며 정상상태에 도달한 것으로 판단되었을 때 하수재이용시설 농축수의 주입농도를 증가시키면서 처리수의 수질을 분석하였다. 폭기조에 주입된 하수 및 농축수 혼합 하수 그리고 처리수에 대하여 BOD, COD_Cr , T-N, NH₃-N, NO₃^--N, T-P 농도를 측정하였으며 폭기조의 혼합액에 대해 MLSS 농도와 SVI를 측정하였다.
하수재이용시설 농축수가 생물반응조의 처리효율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 농축수 성상 분석, 활성슬러지 OUR 측정실험 그리고 실험실 규모의 반응조를 이용하여 활성슬러지 연속실험을 실시하였다. 본 연구에서 각 시료의 항목별 분석 방법은 수질오염공정시험기준⁴⁾ 및 Standard Methods⁵⁾에 준하여 분석하였으며, COD_^Cr, T-N, T-P는 Hach사의 바이알 및 흡광광도계(DR 2700, Hach, USA)를 사용 하여 분석하였다.
하수재이용시설 농축수가 활성슬러지 미생물의 처리효율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 MLSS 농도가 3,000 ~ 3,500 mg/L이고 폭기시간이 6시간이며 16 ~ 20℃의 실온에서 운영되는 폭기조 유효용적 6.3L 활성슬러지 모형반응조에 생활하수를 주입시키면서 운전하여 농축수 주입 비율에 따른 폭기조 MLSS 변화를 측정하고 유입수와 처리수의 SS, 유기물, 그리고 영양염류(T-N, T-P) 농도를 측정하여 제거효율 변화를 살펴보았다.
하수처리장 처리수를 재이용하기 위해 RO 등의 막공법이 적용된 하수재이용시설에서 발생되는 농축수가 하수처리장 생물반응조 처리효율에 미치는 영향을 파악하기 위해 기 운영중인 하수재이용시설 농축수를 채취⋅분석하고 농축수 주입에 따른 산소 섭취율 변화 및 연속식 활성슬러지 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서는 I시 G하수처리장에 설치되어 운전 중인 하수재이용시설에서 발생하는 농축수를 채취 하여 사용하였다. G하수처리장의 처리공법은 MLE+ Disk filter이며, 하수재이용시설은 G하수처리장의 방류수를 UF로 전처리 후 RO로 처리하는 공정으로 구성되어 있다.

이론/모형

하수재이용시설 농축수가 생물반응조의 처리효율에 미치는 영향을 알아보기 위하여 농축수 성상 분석, 활성슬러지 OUR 측정실험 그리고 실험실 규모의 반응조를 이용하여 활성슬러지 연속실험을 실시하였다. 본 연구에서 각 시료의 항목별 분석 방법은 수질오염공정시험기준⁴⁾ 및 Standard Methods⁵⁾에 준하여 분석하였으며, COD_^Cr, T-N, T-P는 Hach사의 바이알 및 흡광광도계(DR 2700, Hach, USA)를 사용 하여 분석하였다.

성능/효과

1. 하수재이용시설 농축수를 분석한 결과 농축수의 유기물과 T-P 농도는 SS 농도와 밀접한 관계가 있어 대부분 입자성 유기물과 입자성 T-P 임을 알 수 있었으며 T-N 농도는 대부분이 이온성 물질인 암모니아성 질소 성분인 것으로 판단된다.
3. 농축수의 농도 분석결과를 통해 농축수의 채취시기에 따라 크게 변함을 알 수 있었으며 이는 농축수를 하수처리장에 연계 처리할 경우 생물학적 처리시설의 안정적인 부하유지에 영향을미칠 수 있을 것으로 판단된다.
4. 농축수 비율에 따른 미생물 산소섭취율 실험을 수행한 결과 농축수 비율이 증가함에 따라 농축수가 활성슬러지 미생물에 유기물로 작용하여 산소섭취율이 증가함을 알 수 있었으며 산소섭취율 실험만으로는 독성영향을 주는 농축수 비율을 산정할 수 없었다.
NH₃^-N의 평균 제거효율은 농축수 주입비율 0%, 10%, 25%, 50% 그리고 100%에서 각각 80.1%, 80.4%, 79.8%, 74.1% 그리고 38.8%로 나타나 농축수 주입비율 50%부터 미생물의 NH₃^-N 제거에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
12 mg/L로 낮았기 때문이다. T-P 제거효율은 농축수 주입비율이 10% 에서 50%로 증가됨에 따라 평균 43% ~ 63%로 나타났으며 농축수가 100% 주입된 구간에서는 처리수의 T-P 농도가 더 높게 측정되었다. 이는 T-N 농도와 동일하게 3.
0%로 나타나 농축수 주입비율이 증가함에 따라 유기물 제거효율이 점진 적으로 감소함을 알 수 있다. 본 실험 결과에 나타 내지 않았지만 생활하수만으로 생물반응실험을 실시하였을 때 BOD 제거효율이 약 95%였기 때문에 농축수의 주입이 활성슬러지 미생물의 활성에 영향을 미쳐 유기물 제거효율이 감소하는 것으로 판단된다.
5. 연속 활성슬러지 실험을 실시한 결과 농축수 주입비율이 증가함에 따라 MLSS농도는 서서히 감소하였고 농축수 주입비율 50% 이상에서는 처리수의 SS 농도가 증가하여 MLSS가 처리수와 함께 배출되었다. 유기물 제거효율과 T-N 제거효율도 농축수 주입비율이 증가함에 따라 감소하였으며 농축수가 활성슬러지의 처리효율에 영향을 주기 시작하는 주입비율은 25% 이상인 것으로 판단된다.
연속 활성슬러지 실험을 실시한 결과 농축수 주입비율이 증가함에 따라 MLSS농도는 서서히 감소하였고 농축수 주입비율 50% 이상에서는 처리수의 SS 농도가 증가하여 MLSS가 처리수와 함께 배출되었다. 유기물 제거효율과 T-N 제거효율도 농축수 주입비율이 증가함에 따라 감소하였으며 농축수가 활성슬러지의 처리효율에 영향을 주기 시작하는 주입비율은 25% 이상인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물의 재이용 방법 중 하수처리수 재이용의 장단점은 무엇인가?	이러한 물 부족 상황에 대응하기 위해 정부는 ｢물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률｣1) 을 제정하고 다양한 수자원 확보 노력을 하고 있으며 하수처리수 재이용과 빗물이용이 현실적인 대안으로 제시되고 있다. 하수처리수 재이용은 비교적 처리방법이 간단하며 공공수역으로 배출되는 오염부하량을 저감시킬 수 있지만 재이용수에 대한 심리적 거부감이나 난분해성 유기물이나 중금속의 발생여부에 대한 우려도 공존하고 있다. 일반적으로 하수처리수를 재이 용하기 위하여 재처리할 경우 수요처가 요구하는 목표수질에 따라 물리화학적 처리 또는 막분리 등의 공정이 이용되고 있으며 수돗물 수준의 목표수질이 요구되는 경우 UF (ultra filtration)와 RO (reverse osmosis) 의 공정으로 처리공정이 구성된다.
	물 부족 문제가 심화되는 이유는 무엇인가?	산업화와 도시화로 물 오염이 가중되고 물 수요 량은 급격히 증가하여 사용 가능한 물이 부족해지고 있으며 기후변화로 인한 가뭄 및 수질오염으로 인해 향후 물 부족 문제가 더욱 심화될 수 있다. 이러한 물 부족 상황에 대응하기 위해 정부는 ｢물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률｣1) 을 제정하고 다양한 수자원 확보 노력을 하고 있으며 하수처리수 재이용과 빗물이용이 현실적인 대안으로 제시되고 있다.
	물 부족 상황에 대응하기 위해 정부가 내놓은 법률은 무엇인가?	산업화와 도시화로 물 오염이 가중되고 물 수요 량은 급격히 증가하여 사용 가능한 물이 부족해지고 있으며 기후변화로 인한 가뭄 및 수질오염으로 인해 향후 물 부족 문제가 더욱 심화될 수 있다. 이러한 물 부족 상황에 대응하기 위해 정부는 ｢물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률｣1) 을 제정하고 다양한 수자원 확보 노력을 하고 있으며 하수처리수 재이용과 빗물이용이 현실적인 대안으로 제시되고 있다. 하수처리수 재이용은 비교적 처리방법이 간단하며 공공수역으로 배출되는 오염부하량을 저감시킬 수 있지만 재이용수에 대한 심리적 거부감이나 난분해성 유기물이나 중금속의 발생여부에 대한 우려도 공존하고 있다.

참고문헌 (11)

Ministry of Environment, Act on Promotion and Support of Water Reuse. (2017).
Kim, Y. K., Seo, I. S., Kim, J. Y. and Moon, Y. T., "Evaluation on the Performance of Modified A2O Process for RO Brine Water Treatment", Journal of Korean Society of Water Science and Technology, 19(5), pp. 23-30. (2011).
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Ministry of Environment, Water pollution standard method. (2017).
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Constable, S. W. C., Rozich, A. F., Dehaas, R. and Colvin, R. J., "Respirometric investication of activated sludge bioinhibition by cobalt/manganese catalyst", Proceedings 46th Industrial Waste Conference, Purdue University, May, pp. 659-670. (1992).
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상세보기
Kwon, H. J., Park, S. Y., Bum, B. S., Cho, K. M. and Jang, Y. H., "Evaluation of Toxicity of Toilet Bowl Cleaner on Microorganisms of Sewage Treatment Facilities", Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 20(1), pp. 45-54. (1998).
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Lee, D. H., Jang, H. J. and Kim, H. S., "Application of MBR process for the treatment of RO concentrate from wastewater reuse process", Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 27(3), pp. 339-349. (2013).

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Chelme-Ayala, P., Smith, D. W. and El-Din, M. G., "Membrane concentrate management options: a comprehensive critical review", Canadian Journal of Civil Engineering, 36(6), pp. 1107-1119. (2009).

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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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