[논문]오염하천 정화를 위한 호기성 인공습지의 운영인자 평가

김둘선; 이동근

doi:10.7464/ksct.2019.25.4.300

오염하천 정화를 위한 호기성 인공습지의 운영인자 평가
Parameter Estimation of the Aerated Wetland for the Performance of the Polluted Stream Treatment 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.25 no.4, 2019년, pp.302 - 310

초록
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호기조와 혐기/무산소조를 직렬로 연결한 인공습지를 이용하여 크게 오염된 하천수를 처리하였다. 호기조는 자연 공기 배출 시스템을 통하여 공기가 연속적으로 공급되어 호기성 상태가 유지되었다. 인공습지의 성능에 영향을 미치는 최적의 영향인자를 조사하기 위하여 체류시간을 다르게 한 5개의 파일럿 플랜트를 사용하였다. 호기조에서 BOD (biochemical oxygen demand)와 COD (chemical oxygen demand)의 제거율은 1차 반응 속도식을 나타내었고, COD 제거 속도 상수는 BOD보다 약간 낮았다. 온도 의존성은 COD (θ = 1.0079)와 BOD (θ = 1.0083)제거에 대한 값이 거의 동일했으나 T-N 제거의 온도 의존성(θ_N)은 1.0189로 다소 높게 나타났다. SS제거율은 98%로 높았고 수력학적 부하 속도(Q/A)가 증가함에 따라 제거 효율이 증가하는 경향을 보였다. 혐기/무산소조에서 BOD와 COD 제거의 주요 메커니즘은 호기조와 완전히 다르게 나타났다. 혐기/무산소조에서 COD와 COD는 생물학적 탈질을 위한 탄소원으로 공급되었고 T-P는 혐기/무산소조 내의 orthophosphate와 자갈 사이의 양이온 교환에 의해 제거되는 것으로 조사되었다. 인공습지는 여과된 고형물에 의해 막힘 없이 성공적으로 운영되었고 고형물들은 매우 빠르게 연속적으로 분해되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A constructed wetland with the aerobic tank and anaerobic/anoxic tank connected in series was employed in order to treat highly polluted stream water. The aerobic tank was maintained aerobic with a continuous supply of air through the natural air draft system. Five pilot plants having different residence times were employed together to obtain parameters for the best performances of the wetland. BOD and COD removals at the aerobic tank followed the first order kinetics. COD removal rate constants were slightly lower than BOD. The temperature dependence of COD (θ = 1.0079) and BOD (θ = 1.0083) was almost the same, but the temperature dependence (θN) of T-N removal was 1.0189. The SS removal rate was as high as 98% and the removal efficiency showed a tendency to increase with increasing hydraulic loading rate (Q/A). The main mechanism of BOD and COD removal at the anaerobic/anoxic tank was entirely different from that of the aerobic tank. BOD and COD were supplied as the carbon source for biological denitrification. T-P was believed to be removed though the cation exchange between orthophosphate and gravels within the anaerobic and anoxic tanks. The wetland could successfully be operated without being blocked by the filtered solid which subsequently decomposed at an extremely fast rate.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Pilot plant scale constructed wetland; (a) representative photograph, (b) natural air draft system, (c) packed gravels, (d) packed sands on the aerobic tank.
표 Table 1. Summarized operating conditions of the five different pilot-plant scale aerated constructed wetland (L = depth of the aerobic tank, 1.2 m; ε = porosity of the sand and gravel bed, 0.35).
그림 Figure 2. Changes in the influent concentration of pollutants with time.
그림 Figure 3. Influent/effluent BOD concentration and BOD removal efficiencies (τ= 0.70 d)(a), ln(Co/C) vs ALε/Q plot at 10 ℃ (slope k = 2.797 d^-1)(b) and ln (k/k₁₀) vs (T-10) plot of the aerobic tank (Temp. = 5 ~ 25 ℃)(c).
그림 Figure 4. S/So vs Q/A plot at all temperature (B = 0.0544 d m^-1).
그림 Figure 5. Influent/effluent TKN concentrations and TKN removal efficiencies (τ= 1.05 d) (a) and ln (CTKNo/CTKN) vs ALε/Q plot at 15 ℃ (kTKN = 2.101 d^-1) (b).
그림 Figure 6. Influent/effluent T-P concentration and T-P removal efficiencies (τ = 0.70 d) (a) and temperature dependence of T-P removal efficiencies (τ= 0.70 d) (b).
그림 Figure 7. Influent/effluent BOD concentrations and BOD removal efficiencies (τ= 0.21 d).
그림 Figure 8. Influent/effluent SS concentrations and SS removal efficiencies (a) and T-N concentrations and T-N removal efficiencies (b) at τ= 0.70 d.
그림 Figure 9. Influent/effluent NO₃^-N removal efficiencies (τ= 0.63 d) (a) and ΔBOD vs. ΔNO₃^--N plot at the anaerobic/anoxic tank (τ= 0.42 d) (b).
$Figure 10. PO<sub>4</sub><sup>3-</sup>-P fraction in the effluent T-P (τ= 0.70 d).$ 그림 Figure 10. PO₄^3--P fraction in the effluent T-P (τ= 0.70 d).
표 Table 2. Void coverages by the attached organic materials at the aerobic tanks.
표 Table 3. Void coverages by the attached organic materials at the anaerobic/anoxic tanks

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 CW는 오염된 하천수로부터 오염물질을 제거하기 위하여 호기조와 혐기/무산소조를 직렬로 연결하여 설계하였다. 오염물질 제거효율을 향상시키기 위하여 CW 에서 DO을 가능한 최적화 하였고, 호기조에서는 주변의 공기와 탱크 내부 공기와의 온도차이로 공기흐름이 유도되는 자연 공기 배출 시스템을 도입하였다.

가설 설정

05 d)에서 TKN 분율은 단지 18%였으며 T-N의 75% 이상은 NO₃^- -N이었다. BOD 제거의 경우와 같이, 생물학적 질화는 1차 반응속도를 통해 진행되는 것으로 가정하였고, 질화반응의 속도 상수를 정량화하기 위해 Equation (4)가 사용되었다.

제안 방법

0 d가 되었다. 5개의 파일럿 플랜트는 오염된 하천수에서 채취한 것과 동일한 유입수로 1년간 운영되었고, 각 플랜트의 유입수와 호기조 및 혐기/무산소조의 유출수의 시료를 매일 1년 동안 채취하여 수질을 측정하였으며, 수질측정방법은 수질오염공정시험법을 따랐다.
본 연구에서 CW는 오염된 하천수로부터 오염물질을 제거하기 위하여 호기조와 혐기/무산소조를 직렬로 연결하여 설계하였다. 오염물질 제거효율을 향상시키기 위하여 CW 에서 DO을 가능한 최적화 하였고, 호기조에서는 주변의 공기와 탱크 내부 공기와의 온도차이로 공기흐름이 유도되는 자연 공기 배출 시스템을 도입하였다. 실제 규모의 CW를 위한 최상의 성능을 위한 설계 인자를 얻기 위해 체류시간이 다른 5개의 파일럿 플랜트 규모의 인공 습지를 사용하였다.

대상 데이터

고도로 오염된 하천수를 처리하기 위해 호기성 인공습지를 제작하여 사용하였다. 인공습지는 호기조와 혐기/무산소 조를 직렬로 연결한 두 개의 탱크로 구성되었고 습지의 최적의 설계 인자를 얻기 위해 체류 시간이 다른 5개(# 1 ~ # 5)의 다른 파일럿 플랜트를 사용하였다. 호기조에서 BOD와 COD 제거과정은 1차 반응속도식을 나타내었고, TKN는 1차 반응속도식을 따르면서 생물학적 질화과정을 통해 NO₃^- -N으로 전환되었다.

성능/효과

0189로 다소 높게 나타났다. SS제거율은 파일럿 플랜트 # 5 (τ = 1.05 d)에서 98%로 높았고 수력학적 부하 속도 (Q/A)가 증가함에 따라 제거 효율이 증가하는 경향을 보였다. 호기조에서 T-P 제거 메커니즘은 확인할 수 없었다.
BOD 및 COD는 생물학적 탈질을 위한 탄소원으로서 공급되었다. T-P는 혐기/무산소조 내의 orthophosphate와 자갈 사이의 양이온 교환을 통해 제거되는 것으로 조사되었다. 호기성 인공습지에서 여과된 고형물에 의해 막힘없었고 고형물들은 매우 빠르게 연속적으로 분해되었다.
797 d ^-1 보다 약간 낮았다. 온도 의존성은 COD (Θ = 1.0079)와 BOD (=1.0083)제거에 대한 값이 거의 동일했으나 T-N 제거의 온도의존성( Θ_N ) 은 1.0189로 다소 높게 나타났다. SS제거율은 파일럿 플랜트 # 5 (τ = 1.
T-P는 혐기/무산소조 내의 orthophosphate와 자갈 사이의 양이온 교환을 통해 제거되는 것으로 조사되었다. 호기성 인공습지에서 여과된 고형물에 의해 막힘없었고 고형물들은 매우 빠르게 연속적으로 분해되었다.

후속연구

그리고 호기조 내에서 T-P 제거가 모래와 자갈층의 생물학적 흡수에 의한 것인지 또는 양이온 교환 능력에 의한 것인지 확실하지 않았다. T-P 제거 메커니즘을 밝히기 위해서는 좀 더 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인공습지란?	인공습지(constructed wetland, CW)는 물, 기질, 토양, 식물 및 미생물을 포함하는 공학적 시스템으로서 자연공정을 활용 하여 도시 및 산업폐수를 처리하는 친환경적인 생물학적 처리공정이다[1-10]. CW는 활성슬러지 공정 및 생물막 공정과 같은 전통적인 폐수처리기술과 비교하여 저렴한 투자와 운영비용을 필요로 하고 자연적인 과정에 의해 오염물질을 제거 하며, 유일한 외부에너지원으로 태양광을 이용한다[8].
	CW의 외부에너지원은?	인공습지(constructed wetland, CW)는 물, 기질, 토양, 식물 및 미생물을 포함하는 공학적 시스템으로서 자연공정을 활용 하여 도시 및 산업폐수를 처리하는 친환경적인 생물학적 처리공정이다[1-10]. CW는 활성슬러지 공정 및 생물막 공정과 같은 전통적인 폐수처리기술과 비교하여 저렴한 투자와 운영비용을 필요로 하고 자연적인 과정에 의해 오염물질을 제거 하며, 유일한 외부에너지원으로 태양광을 이용한다[8].
	CW의 오염 제거 효율과 용존산소의 관계는?	따라서 습지 층의 산소 함량을 향상시키기 위해 다양한 산소 집약 기술이 개발되었다[15,19]. 그러나 산소 함량이 높다고 해서 오염 물질 제거 효율이 크게 증가하지 않았고, 산소 공급이 증가하여도 총질소(T-N) 및 총인(total phosphorus, T-P) 제거가 개선되지 않은 것으로 나타났다[20-22]. 이런 현상은 호기성 상태뿐만 아니라 혐기성 상태가 미생물 분해에 필수적이기 때문 이다. 따라서 호기성 및 혐기성 조건이 번갈아 유지되는 최적의 CW시스템이 개발될 필요가 있으나, 현재까지 산소 공급 및 분배 최적화에 대한 체계적인 공정기술이 여전히 부족하다[23].

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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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