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문제 정의
- 보통 가장 느린 성장률을 나타내는 질산화 미생물의 고형물체류시간에 안전계수를 곱해서 설계 고형물체류시간을 결정하므로 질산화의 반응속도는 전체 공정의 설계에 큰 영향을 준다(US EPA, 2010; Metcalf and Eddy, 2014). 따라서 본 연구에서는 호흡률을 이용하여 연속회분식반응조의 설계 및 운전에서 중요한 질산화 공정의 반응과정 및 특성을 파악하고 또한 동역학적 해석을 도모하고자 한다.
- 일반적으로 반응조내 미생물 중에서 질산화 미생물의 성장속도가 가장 느리므로 질산화 미생물의 성장속도에 기초한 최소한의 고형물체류시간에 안전계수를 곱하여 공정의 고형물체류시간으로 설계한다. 따라서 질산화 미생물의 성장속도는 공정의 설계에서 매우 중요하며, 본 연속회분식반응조를 대상으로 이와 연관된 질산화 반응속도에 대한 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 호흡률을 이용하여 연속회분식반응조의 질산화 공정을 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Table 2와 같이 문헌에서 보고된 동역학적 계수들의 값을 참고하였으며, 연속회분식반응조가 비교적 안정화된 약 2주간의 운전자료의 평균값인 고형물체류시간(θX)25 d, 수리학적 체류시간(V/Q) 18.7 h, 유입수의 TN(TNi) 35mg N/L, 유출수의 NH4+(NH4+,e ) 0.8 mg N/L, MLVSS(X)1130 mg/L, 미생물 세포내의 질소비율(fN) 0.1 mg N/mgVSS를 적용하였다.
- 또한 인공시료로 염화암모늄을 주입한 실험에서는 연속회분식반응조의 슬러지를 반응기말에 채취한 후 호흡률을 안정화시키기 위하여 약 30분 정도 포기를 하였으며, 아울러 pH 저하에 따른 질산화 저해를 방지하기 위하여 인공시료의 농도에 상응하는 알칼리도로 NaHCO3를 주입하였다. 그리고 하수를 주입한 실험에서는 미생물 농도를 연속회분식반응조와 거의 동일하게 하기 위하여 슬러지의 부피를 약 20% 줄여 농축한 후 동일한 부피의 하수를 주입하여 호흡률을 측정하였다.
- 5~4분 주기로 호흡셀로 순환시켰다. 대기와 차단되어 밀폐된 구조의 호흡셀에서 펌프를 정지한 상태로 용존산소를 3초 간격으로 측정하였으며, 시간에 따른 용존산소의 선형적 감소율을 계산하여 호흡률을 구하였다. 컴퓨터를 이용하여 펌프의 작동을 제어하였고, 호흡률을 실시간으로 계측하였다.
- 컴퓨터를 이용하여 펌프의 작동을 제어하였고, 호흡률을 실시간으로 계측하였다. 또한 인공시료로 염화암모늄을 주입한 실험에서는 연속회분식반응조의 슬러지를 반응기말에 채취한 후 호흡률을 안정화시키기 위하여 약 30분 정도 포기를 하였으며, 아울러 pH 저하에 따른 질산화 저해를 방지하기 위하여 인공시료의 농도에 상응하는 알칼리도로 NaHCO3를 주입하였다. 그리고 하수를 주입한 실험에서는 미생물 농도를 연속회분식반응조와 거의 동일하게 하기 위하여 슬러지의 부피를 약 20% 줄여 농축한 후 동일한 부피의 하수를 주입하여 호흡률을 측정하였다.
- 5 mg N/L가 되도록 주입하였다. 또한 질산화에 따라 pH가 저하되어 질산화 반응을 저해하지 않도록 알칼리도로 NaHCO3를 이론치인 7.14 mg CaCO3/mg N을 고려하여 100 mg/L 정도가 되도록 첨가하였다. 초기에는 내생호흡에 근접한 작은 호흡률을 나타내다 염화암모늄의 주입과 동시에 호흡률은 질산화에 따라서 급격히 상승하였다.
- 4는 연속회분식반응조의 반응기말에 슬러지를 채취하고 30분 정도 포기하여 호흡률을 안정화시킨 후 유입하수를 주입하여 호흡률을 측정한 결과이다. 연속회분식반응조의 질산화호흡률과 비교하기 위하여 채취한 슬러지 부피의 약 20% 정도를 줄여 농축한 후 줄인 부피와 동일한 부피의 하수를 주입함으로써 슬러지 농도가 반응조와 유사하도록 측정조건을 설정 하였다. 하수주입과 동시에 약 88 mg O2/L‧h의 큰 호흡률이 짧은 시간 동안에 나타났다.
- 연속회분식반응조의 호흡률을 측정하기 위하여 Fig. 1과 같이 호흡반응조, 호흡셀, 펌프 등으로 측정 시스템을 구성하였다. 연속회분식반응조의 슬러지를 반응기중 포기가 시작되는 2 h 직전에 채취하여 호흡 반응조에 주입하였고, 펌프를 이용하여 호흡반응조의 혼합액을 3.
- 대기와 차단되어 밀폐된 구조의 호흡셀에서 펌프를 정지한 상태로 용존산소를 3초 간격으로 측정하였으며, 시간에 따른 용존산소의 선형적 감소율을 계산하여 호흡률을 구하였다. 컴퓨터를 이용하여 펌프의 작동을 제어하였고, 호흡률을 실시간으로 계측하였다. 또한 인공시료로 염화암모늄을 주입한 실험에서는 연속회분식반응조의 슬러지를 반응기말에 채취한 후 호흡률을 안정화시키기 위하여 약 30분 정도 포기를 하였으며, 아울러 pH 저하에 따른 질산화 저해를 방지하기 위하여 인공시료의 농도에 상응하는 알칼리도로 NaHCO3를 주입하였다.
- 원통형 아크릴을 사용하여 유효용적이 7 L가 되도록 제작하였으며, 교반기로 혼합하고 산기관으로 포기하였다. 펌프를 이용하여 하수를 유입하고 처리수를 유출하였다. 유입수로 C시의 차집관거 토구에서 채취한 생활하수를 실험실로 운반하여 이용하였다.
- 호흡률을 이용하여 연속회분식반응조의 질산화 공정을 해석하기 위하여 실험실 규모로 반응조를 구성하였다. 원통형 아크릴을 사용하여 유효용적이 7 L가 되도록 제작하였으며, 교반기로 혼합하고 산기관으로 포기하였다.
대상 데이터
- 호흡률을 이용하여 연속회분식반응조의 질산화 공정을 해석하기 위하여 실험실 규모로 반응조를 구성하였다. 원통형 아크릴을 사용하여 유효용적이 7 L가 되도록 제작하였으며, 교반기로 혼합하고 산기관으로 포기하였다. 펌프를 이용하여 하수를 유입하고 처리수를 유출하였다.
- 펌프를 이용하여 하수를 유입하고 처리수를 유출하였다. 유입수로 C시의 차집관거 토구에서 채취한 생활하수를 실험실로 운반하여 이용하였다. 반응조는 Table 1에 제시한 것과 같이 총 용량 7 L 중에서 주기 당 3 L를 처리하고 하루에 3주기를 반복하여 운전하였으며, 따라서 수리학적 체류시간은 18.
이론/모형
- 연속회분식반응조에서 주기내 호흡률의 변화 (Kim, 2015)를 측정하고, 이에 따른 질소화합물(NH4+, NO2-, NO3-)을 분석한 결과는 Fig. 2와 같다. 생물학적 처리 에서 호흡률은 유기물의 분해, 질산화, 내생분해 등에 의해서 복합적으로 유발된다.
- 유입수, 유출수, 반응조내의 시료를 주기적으로 채취하여 SS, VSS, NH4+, NO2-, NO3-, TN 등의 수질항목을 standard methods(APHA et al., 2012)에 따라 분석하였으며, 여과시료는 0.45 μm 막여과지를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 호흡률의 변화는 연속회분식반응조의 생물학적 반응과정을 잘 나타내었다. 호흡률은 반응조내 유기물의 분해, 질산화, 내생분해에 따라 유발되었으며, 특히 질산화에 따른 호흡률은 매우 높은 수준을 나타내었고 그 변화도 명확하여 질산화 반응특성을 잘 파악할 수 있었다.
- 2) 인공시료인 염화암모늄을 주입하고 호흡률을 측정한 결과 질산화에 의한 호흡률만을 보다 뚜렷하게 구분할 수 있었으며, 최대질산화호흡률은 질산화 미생물의 활성도를 나타내는 유용한 지표이었다.
- 3) 연속회분식반응조의 운전과정에서 질산화 반응의 진행정도에 따라 나타나는 호흡률의 크기도 변화하였다. 최대질산화호흡률의 크기는 질산화 반응속도에 직접적으로 비례하였으며 따라서 반응조의 질산화 공정특성을 매우 잘 나타냈다.
- 4) 연속회분식반응조에서 질산화 반응속도를 분석한 결과 질산화 미생물의 최대비성장률은 20℃에서의 값을 기준으로 할 때 0.91 d-1로 추정되었다. 또한 활성미생물 기준의 질산화 미생물은 전체 미생물 중에서 약 2% 정도에 해당되는 것으로 분석되었다.
- 5 h에 대부분의+ 가 질산화되면서 호흡률이 급격히 감소하였다. 따라서 Fig. 4에서 질산화에 따른 호흡률의 차이인 약(61~13) mg O2/L‧h에 기초할 때 최대질산화호흡률은 48 mg O2/L‧h이었으며, 호흡률 변화를 통하여 질산화 반응특성을 효과적으로 파악할 수 있었다.
- 15 mg VSS/mg N을 적용하여 곱하면 XN은 23 mg VSS/L로 나타났다. 따라서 전체 미생물(X) 중에서 활성 미생물 기준의 질산화 미생물(XN)은 약 2%에 해당되었다. Rittmann et al.
- 6)에는 NH4+가 완전히 질산화되는데 1 h 정도가 소요되어 질산화 반응속도가 대략 2배 빨라졌으며, 이에 따른 최대질산화호흡률도 47 mg O2/L‧h로 약 2배 정도 큰 호흡률을 나타냈다. 따라서 최대질산화호흡률은 질산화 반응속도에 직접적으로 비례하였으며, 연속회분식반응조의 질산화 공정특성을 매우 잘 나타냈다.
- 이후 비교적 일정하며 큰 호흡률이 유지되다가 대부분의 NH4+가 산화되어 감에 따라 호흡률이 급격히 감소하였고, 이어서 주로 내생분해에 따른 작은 호흡률이 유지되었다. 따라서 호흡률의 급격한 변화는 질산화 반응과정을 매우 잘 나타내었으며, 이에 기초하여 질산화 반응만의 동역학적 특성을 Fig. 2보다 명확히 구분하여 고찰할 수 있었다. Fig.
- 최대질산화호흡률은 질산화 미생물의 활성을 직접적으로 나타내므로 반응조 내 질산화 반응특성을 파악할 수 있는 유용한 지표이었다. 또한 연속회분식반응조에서 호흡률이 급격히 감소한 후 비교적 일정하게 나타나는 시점을 질산화 반응이 완료되는 때의 기준으로 하여 포기를 중단함으로써 포기시간을 조절한 결과 이후 NO3-가 4.2 mg N/L나 제거되어 많은 내생탈질(endogenous denitrification)을 달성하고 또한 포기에 따른 에너지도 저감할 수 있었다.
- 91 d-1로 추정되었다. 또한 활성미생물 기준의 질산화 미생물은 전체 미생물 중에서 약 2% 정도에 해당되는 것으로 분석되었다.
- 반응조는 하절기에 운전되어 온도가 다소 높은 28~31℃로 평균 29℃이었고, MLSS(MLVSS)는 1300~1550(1060~1220) mg/L로 평균 1398(1130) mg/L로 유지되었다. 포기시 반응조 내 용존산소는 생물학적 반응에 영향을 받아 변화하였으며, 약 1.
- 하수주입과 동시에 약 88 mg O2/L‧h의 큰 호흡률이 짧은 시간 동안에 나타났다. 반응조에서는 Fig. 2와 같이 혐기말에 남아 있는 쉽게 분해되는 유기물이 많지 않아 이로 인한 호흡률이 작았는데, 하수를 주입한 결과는 유입하수의 쉽게 분해되는 유기물로 인하여 보다 큰 호흡률이 나타났다. 그러나 하수주 입량이 많지는 않아 지속시간은 매우 짧았다.
- 연속회분식반응조의 운전 경과에 따라 질산화 반응 속도가 변화하였는데 호흡률을 측정하여 질산화 반응 속도를 효율적으로 모니터링 할 수 있었다. 반응조의 운전초기에는 질산화 반응이 충분히 진행되지 않았는데 시간이 경과하면서 점차 반응속도가 빨라지고 질산화가 증가하여 나중에는 대부분의 질산화가 이뤄지도록 향상되었다. 이에 따른 반응조의 주기내 호흡률의 변화 (Kim, 2017)와 NH4+의 분석결과는 Fig.
- 을 식 (4a)에 곱하면 질산화 미생물의 활성미생물량(active biomass)인 X N을 추정할 수 있다. 산정결과인 (XN /YN )의 152 mg N/L에 YN으로 0.15 mg VSS/mg N을 적용하여 곱하면 XN은 23 mg VSS/L로 나타났다. 따라서 전체 미생물(X) 중에서 활성 미생물 기준의 질산화 미생물(XN)은 약 2%에 해당되었다.
- 90 d-1와 매우 유사한 값을 나타내었다. 생물학적 처리공정의 설계에서 질산화 미생물의 최대비성장률은 지역적 특성을 고려하고 가능한 실험적 결과에 기초하여 적용하는 것이 바람직하나 국내의 생활하수를 대상으로 한 경우 질산화 미생물의 최대비성장률로 0.91 d-1를 적용하는 것이 무난할 것으로 사료된다.
- 연속회분식반응조의 운전 경과에 따라 질산화 반응 속도가 변화하였는데 호흡률을 측정하여 질산화 반응 속도를 효율적으로 모니터링 할 수 있었다. 반응조의 운전초기에는 질산화 반응이 충분히 진행되지 않았는데 시간이 경과하면서 점차 반응속도가 빨라지고 질산화가 증가하여 나중에는 대부분의 질산화가 이뤄지도록 향상되었다.
- 초기에는 내생호흡에 근접한 작은 호흡률을 나타내다 염화암모늄의 주입과 동시에 호흡률은 질산화에 따라서 급격히 상승하였다. 이후 비교적 일정하며 큰 호흡률이 유지되다가 대부분의 NH4+가 산화되어 감에 따라 호흡률이 급격히 감소하였고, 이어서 주로 내생분해에 따른 작은 호흡률이 유지되었다. 따라서 호흡률의 급격한 변화는 질산화 반응과정을 매우 잘 나타내었으며, 이에 기초하여 질산화 반응만의 동역학적 특성을 Fig.
- 반응조는 하절기에 운전되어 온도가 다소 높은 28~31℃로 평균 29℃이었고, MLSS(MLVSS)는 1300~1550(1060~1220) mg/L로 평균 1398(1130) mg/L로 유지되었다. 포기시 반응조 내 용존산소는 생물학적 반응에 영향을 받아 변화하였으며, 약 1.5~3.5 mg/L의 범위로 유지되었다. 유입수, 유출수, 반응조내의 시료를 주기적으로 채취하여 SS, VSS, NH4+, NO2-, NO3-, TN 등의 수질항목을 standard methods(APHA et al.
- 1) 호흡률의 변화는 연속회분식반응조의 생물학적 반응과정을 잘 나타내었다. 호흡률은 반응조내 유기물의 분해, 질산화, 내생분해에 따라 유발되었으며, 특히 질산화에 따른 호흡률은 매우 높은 수준을 나타내었고 그 변화도 명확하여 질산화 반응특성을 잘 파악할 수 있었다.
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