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고농도 질소함유폐수의 경제적 처리를 위한 단축질소공정 파일럿플랜트 실증화 및 운영 결과
Demonstration and Operation of Pilot Plant for Short-circuit Nitrogen Process for Economic Treatment of High Concentration Nitrogen Wastewater 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.28 no.1, 2020년, pp.53 - 64  

이재명 ((주)케이드 기술연구소) ,  전지형 ((주)케이드 기술연구소) ,  최홍복 ((주)케이드 기술연구소)

초록
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다단수직형 적층 방식의 질산화조가 포함된 2㎥/d 병합폐수처리 파일럿플랜트를 설치하여, pH8 이상, DO 1mg/L, 내부반송율 4Q이상의 단축질소제거공정의 질산화조 운전 조건으로 약 1년 이상 운영하였다. 음폐수와 침출수의 경제적인 병합 처리를 위하여, 유분이 최소화된 음폐수를 전체 처리량의 5~25%로 조절하여 최적의 병합 비율을 검토하였다. 음폐수의 고형물과 유분을 효과적으로 분리하기 위하여 도입된 3상원심분리기의 주요 처리 효율은 SS는 116,000mg/L에서 55,700mg/L로 약 52% 제거 되었으며, 노르말헥산(N-H)의 농도는 53,200mg/L에서 27,800mg/L로 약 48%로 제거되었다. 운전 기간 중 병합 폐수처리 공정의 BOD 평균 제거 효율은 99.3%, CODcr 94.2%, CODmn 90%, SS 70.1%, T-N 85.8%, T-P 99.2%로 분석되었다. 처리수의 BOD, CODcr, T-N, T-P 평균 농도는 침출수 배출허용 기준("나"지역)을 만족하였으며, SS는 멤브레인조를 적용한 후 만족하였다. 현장의 침출수는 유량조정조의 간헐적 폭기 및 월별 상이한 방출량의 영향으로 병합폐수 중 아질산성 질소의 성분이 비교적 높았다. 아질산성질소가 축적된 상태에서도 완전질산화 후 탈질보다는, 아질산성 질소에서 탈질되는 결과가 나타났다. 또한 운전기간 중 평균 소포제 투입량은 약 2L/d으로 같은 폐수를 처리할 시 필요한 메탄올 투입량 약 2.8L/d 대비하여 경제적인 것으로 보인다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A 2㎥/d combined wastewater treatment pilot plant containing the multi-stage vertical stacking type nitrification reactor was installed and operated for more than 1 year under the operating conditions of the short-circuit nitrogen process (pH 8, DO 1mg/L and Internal return rate 4Q from nitrif...

주제어

표/그림 (15)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 3상원심분리 후 고형물 함수율은 80% 이하이며, 회수율은 30%이상, 유분 회수율은 50%이상으로 제원상 표기되어 있다. 3상원심 분리기의 설비 보호를 위해 전단에 저속원심분리기를 두었고, 하루에 평균 3시간정도 정상 가동하였다.
  • CODcr, CODmn, T-N, T-P 등 시료의 분석은 분석 샘플을 적정 희석한 후, (주)씨맥의 상용화된 시험 키트의 매뉴얼대로 각 항목을 전처리한 후, 분석 장비((주)씨맥, Qvis X-100)를 이용하여 분석하였다. 다만 BOD의 분석은 공인분석기관인 한국화학융합시험연구원(KTR)에 의뢰하여 분석하였고, SS는 수질 오염공정시험 기준(ES 04303.
  • G군 자원순환시설의 음식물 퇴비화 공정에서 탈수된 음폐수는 고형물 및 유분이 잔존하여 이를 분리하고자 3상원심분리기((주)센텍기술, ST-42P)를 설치하였다(Fig. 1). 3상원심분리기는 기존 2상원심분리와 달리 유분을 추가로 분리할 수 있는 특징을 가지고 있다.
  • 처리수의 BOD, CODcr, T-N, T-P 평균 농도는 침출수 배출 허용 기준(“나” 지역)을 만족하였으나 SS의 평균 농도는 만족하지 못하였다. 기준을 충족시키고자 2019년 6월말부터 기존 침전조를 멤브레인조로 개선하였다. 멤브레인조 도입 이후 SS제거율은 99%로 향상되었으며, 처리수 SS의 평균 농도는 23.
  • 2019년 4월 중순부터 정상 운전을 시작하여 2019년 11월말까지 큰 문제 없이 운영하였다. 또한 2019년 8월 중순부터 산발효조 공정 시작으로 인해 기존의 3상원심분리된 음폐수 대신 산발효액을 병합폐수로 대체하여 실험을 수행하였다.
  • 0이상으로 설정하였다. 또한 DO 농도와 폭기시간이 암모늄 이온의 아질산 전환에 미치는 영향 연구16)에 따라 DO를 1mg/L로 설정하였다. 그 밖에 ORP: >150mv, 온도: >20℃, MLSS: >6,000mg/L, SVI: 50~150, 내부반송량: >3Q으로 운전하였다.
  • . 또한 P시 음폐수를 육상처리하기 위하여 P시의 기존 침출수 처리장에 음폐수를 연계하여 운전하는 방안이 검토되었으며, 환경부에서 고시한 음폐수의 하수 연계처리 관련 법규에 따라 하수 처리장 연계 방안을 4개의 시나리오로 세분화하여 제시하였다6). 또한 음폐수를 외부탄소원으로 이용 시 생분해 및 탈질특성에 미치는 영향에 대하여 조사 분석하여 생물학적 질소 인 제거시 경제적이고 효과적인 외부탄소원이라는 점을 밝힌 바 있다7).
  • 슬러지반송펌프는 내부반송배관과 인발배관을 자동 밸브로 조절 가능하도록 구성하였다. 또한 병합폐수 생물학적 처리 공정 운영의 편의성을 위하여 자동제어프로그램으로 관리할 수 있도록 설정하였다.
  • 85㎥)내 조건 변화를 모니터링하기 위하여 pH, ORP, 온도 센서를 장착하였다. 또한 질산화조(8㎥)내 조건 변화를 모니터링하기 위하여 pH, ORP, DO, 온도 센서를 장착하였다. 특히 질산화조는 기존 개발한 E.
  • 본 연구에서는 음폐수와 침출수의 경제적인 병합처리를 위하여 음폐수의 3상원 심분리기를 도입하여, 부하의 원인을 사전에 제거하는 한편, 다단수직형 적층 방식을 적용하여 2㎥/d 병합폐수 파일럿플랜트를 설치하여8)9)10) 병합폐수처리 효율을 분석하였다. 또한 침출수와 병합 처리시 기존의 완전질산화 공정대비 이론적으로 약 25% 산소와 약 40%의 외부탄소원 절약이 가능하다고 알려진 단축질소제거의 운전 조건을 적용하였다11)12)13)
  • 병합폐수저장조는 겨울에도 유입 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 히터봉을 설치하였다. 무산소조(5.85㎥)내 조건 변화를 모니터링하기 위하여 pH, ORP, 온도 센서를 장착하였다. 또한 질산화조(8㎥)내 조건 변화를 모니터링하기 위하여 pH, ORP, DO, 온도 센서를 장착하였다.
  • 병합폐수 2㎥/일을 처리할 수 있는 생물학적 처리 공정을 설계, 제작 및 설치하였으며 주요 시설물의 제원은 아래와 같다(Table 1). 음폐수는 전처리 설비인 3상원심분리기를 거쳐 분리된 액상의 물질이 10일에 3톤씩 주기적으로 음폐수 저장조(3㎥)로 이송하였다.
  • 병합폐수 생물학적 처리 공정 운전 중, 침출수 배출허용 기준을 만족시키기 위하여 기존의 침전조를 멤브레인조로 보완 및 변경하였다. 멤브레인은 침지형 중공사막((주)에코니티, C-TYPE) 멤브레인로 1개의 카트리지를 침전조 내부에 결합하여 설치하였다.
  • 본 연구가 수행된 G군에서는 퇴비화 과정에서 발생한 약 15톤/일의 음폐수를 자체 처리한 후 인근 가축분뇨공공처리시설에 연계 처리한다. 그러나 음폐수의 유분 문제로 인해 응집 처리시 약품이 많이 필요하였으며, 후단의 생물학적 처리 시설에서 연계 처리 기준을 충족시키지 못하여 지속적인 반출이 어려운 상태였다.
  • 한편 G군의 매립장에서 발생하는 침출수는 간헐 폭기 등의 간단한 처리 과정을 거쳐 2㎥/일~110㎥/일을 가변적으로 인근 하수처리장으로 연계 처리하고 있었다. 본 연구에서는 음폐수와 침출수의 경제적인 병합처리를 위하여 음폐수의 3상원 심분리기를 도입하여, 부하의 원인을 사전에 제거하는 한편, 다단수직형 적층 방식을 적용하여 2㎥/d 병합폐수 파일럿플랜트를 설치하여8)9)10) 병합폐수처리 효율을 분석하였다. 또한 침출수와 병합 처리시 기존의 완전질산화 공정대비 이론적으로 약 25% 산소와 약 40%의 외부탄소원 절약이 가능하다고 알려진 단축질소제거의 운전 조건을 적용하였다11)12)13)
  • 식종 슬러지를 재시딩 한 후 4월부터 8월까지 음폐수 비율 5~8%로 정상 운전하였다. 산발효조 설치 완료로 8월부터 11월의 정상 운전 기간(산발효액)에는 음폐수 산발효액을 병합하였으며, 유입수/유출수의 COD, TN 제거율 및 질산화조의 MLSS 농도를 살피며 음폐수 산발효액의 비율을 10%(1주), 12%(1주), 18%(3주)로 투입하여 제거 효율을 관찰하였다 (Figs. 7, 8). 비록 음폐수 산발효액의 비율을 늘려 적용한 기간이 1주에서 3주로 짧았지만, 적용 기간 중에 병합폐수의 CODcr 제거 효율은 90% 이상, T-N 제거 효율은 80% 이상을 달성하는 것을 보아 음폐수 산발효액 병합 비율 18%까지는 정상 운전 가능한 것으로 판단된다.
  • 3) 주요 운전 조건: 본 연구 기간 중 주요 반응조의 운전 조건은 다음과 같다. 산발효조는 pH 5, 온도 35℃, HRT 4일로 운전하였다. 무산소조는 C/N: >4 kgCOD/kgN, pH: 7.
  • 병합수처리 파일럿플랜트 설비 전체 전력은 약 12kW로 구성되어 있었으며, 이 중 송풍기의 전력은 3kW이다. 송풍기는 수리기간을 제외한 대부분의 기간을 송풍량 대비 약 30~75%만 사용하도록 인버터 조절하여 운전하였다(송풍량 0.6~1.5N㎥/min). 또한 메탄올과 같은 외부탄소원은 전혀 사용하지 않았다.
  • 내부반송펌프는 실험 조건에 따라 최대 10Q까지 설정할 수 있다. 슬러지반송펌프는 내부반송배관과 인발배관을 자동 밸브로 조절 가능하도록 구성하였다. 또한 병합폐수 생물학적 처리 공정 운영의 편의성을 위하여 자동제어프로그램으로 관리할 수 있도록 설정하였다.
  • 부하 운전 기간에는 실험 목표였던 병합폐수의 음폐수 비율을 20%로 크게 늘려 투입하였으나, 현장의 침출수 부족으로 인하여 예상보다 많은 약 35%의 음폐수 비율이 되어 생물학적 처리조의 미생물이 사멸하였으며, 이송배관의 폐색과 투입 펌프 고장 등으로 인해 운영 중지 기간을 거쳤다. 식종 슬러지를 재시딩 한 후 4월부터 8월까지 음폐수 비율 5~8%로 정상 운전하였다. 산발효조 설치 완료로 8월부터 11월의 정상 운전 기간(산발효액)에는 음폐수 산발효액을 병합하였으며, 유입수/유출수의 COD, TN 제거율 및 질산화조의 MLSS 농도를 살피며 음폐수 산발효액의 비율을 10%(1주), 12%(1주), 18%(3주)로 투입하여 제거 효율을 관찰하였다 (Figs.
  • 병합폐수 2㎥/일을 처리할 수 있는 생물학적 처리 공정을 설계, 제작 및 설치하였으며 주요 시설물의 제원은 아래와 같다(Table 1). 음폐수는 전처리 설비인 3상원심분리기를 거쳐 분리된 액상의 물질이 10일에 3톤씩 주기적으로 음폐수 저장조(3㎥)로 이송하였다. 침출수는 파일럿플랜트 바로 옆에 위치한 침출수처리장의 유량조정조에 수중펌프를 설치하여 실험 조건량에 따라 병합폐수저장조(5㎥)로 이송하였다.
  • 음폐수를 병합폐수 및 대체탄소원으로 활용하기 위하여 산발효조 공정을 제작, 설치하였다(Fig. 2). 산발효조의 규격은 1.
  • 음폐수와 침출수의 경제적인 병합처리를 위하여 음폐수의 3상원심분리기를 도입하여, 후단 공정 부하의 원인인 유분을 사전에 제거하는 한편, 전체 5~25% 음폐수를 침출수와 병합하여 약 1년 동안 2㎥/d 규모의 병합폐수처리 파일럿플랜트를 운영한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 음폐수는 전처리 설비인 3상원심분리기를 거쳐 분리된 액상의 물질이 10일에 3톤씩 주기적으로 음폐수 저장조(3㎥)로 이송하였다. 침출수는 파일럿플랜트 바로 옆에 위치한 침출수처리장의 유량조정조에 수중펌프를 설치하여 실험 조건량에 따라 병합폐수저장조(5㎥)로 이송하였다. 병합폐수저장조는 겨울에도 유입 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 히터봉을 설치하였다.

대상 데이터

  • 멤브레인은 침지형 중공사막((주)에코니티, C-TYPE) 멤브레인로 1개의 카트리지를 침전조 내부에 결합하여 설치하였다. 막의 소재는 HDPE(High-density polyethylene)이며, 중공사막의 형태 및 슬릿구조로, 공칭공경 0,4㎛, 외경/내경 0.65mm/0.42mm, 카트리지당 면적 16.8㎡, 운전플럭스는 0.3~0.5㎥/㎡day(12~20 LMH)로 제원상 표기되어 있다.
  • 병합폐수 생물학적 처리 공정 운전 중, 침출수 배출허용 기준을 만족시키기 위하여 기존의 침전조를 멤브레인조로 보완 및 변경하였다. 멤브레인은 침지형 중공사막((주)에코니티, C-TYPE) 멤브레인로 1개의 카트리지를 침전조 내부에 결합하여 설치하였다. 막의 소재는 HDPE(High-density polyethylene)이며, 중공사막의 형태 및 슬릿구조로, 공칭공경 0,4㎛, 외경/내경 0.
  • 2). 산발효조의 규격은 1.21M*1.21M*3.0M로 용적 3.94㎥로 제작되었다. 설계유입유량은 0.

이론/모형

  • CODcr, CODmn, T-N, T-P 등 시료의 분석은 분석 샘플을 적정 희석한 후, (주)씨맥의 상용화된 시험 키트의 매뉴얼대로 각 항목을 전처리한 후, 분석 장비((주)씨맥, Qvis X-100)를 이용하여 분석하였다. 다만 BOD의 분석은 공인분석기관인 한국화학융합시험연구원(KTR)에 의뢰하여 분석하였고, SS는 수질 오염공정시험 기준(ES 04303.1b)의 유리섬유종이거름법으로 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
2015년 기준으로 퇴비화, 사료화 등 음식물류폐기물 자원화 시설에 반입된 음식물류 폐기물의 양은 얼마인가? 2015년 기준으로 퇴비화, 사료화 등 음식물류폐기물 자원화 시설에 반입된 약 14,260톤/일의 음식물류 폐기물에서 고형물 및 협잡물을 제외한 약 9,671톤/일의 음식물류폐기물 폐수(음폐수)가 발생되고 있다1). 지난 2013년부터 음폐수의 해양배출이 금지되면서 전체의 약 70%는 하수처리장 및 침출수처리장으로 병합 및 연계 처리되고 있으며, 나머지는 가축 분뇨와 병합하여 혐기성소화2), 소각시 요소수 대체제3), 낮은 C/N비 폐수처리장의 외부 탄소원 등의 다양한 방법으로 활용되고 있다.
매립지에서 발생하는 침출수는 무엇에 따라 수질의 농도 변화가 큰가? 한편 침출수는 매립지로 침투한 우수가 복토재와 폐기물층을 통과하면서 각종 오염물질과 함께 투수되며 발생되는 폐수이며, 2016년 환경부 전국폐기물 통계조사 기준 197개소 총 474,629,421㎥ 매립용량에서 4,713,374톤/년이 발생하고 있다. 매립지에서 발생하는 침출수는 쓰레기의 조성, 매립방법, 경과 시간 등에 따라 수질의 농도 변화가 매우 크며, 통상적으로 매립 후 오랜 시간이 경과될수록 유기물이 분해 되어 생물학적으로 처리가 쉽지 않은 난분해성 물질로 인해 BOD/CODcr의 비가 낮고, TN농도가 높은 것으로 알려져 있다. 침출수의 처리방법으로 자체 처리 후 연계하거나 종말 처리장으로 직접 연계 처리하는 비율이 71.
매립지에서 발생하는 침출수의 처리방법은 무엇이 있는가? 매립지에서 발생하는 침출수는 쓰레기의 조성, 매립방법, 경과 시간 등에 따라 수질의 농도 변화가 매우 크며, 통상적으로 매립 후 오랜 시간이 경과될수록 유기물이 분해 되어 생물학적으로 처리가 쉽지 않은 난분해성 물질로 인해 BOD/CODcr의 비가 낮고, TN농도가 높은 것으로 알려져 있다. 침출수의 처리방법으로 자체 처리 후 연계하거나 종말 처리장으로 직접 연계 처리하는 비율이 71.6%로 가장 높고, 그 뒤를 이어 자체 처리 후 직접 방류하는 방식 21.5%, 위탁 처리 6.4%, 기타처리 0.5% 순으로 조사되었다4).
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참고문헌 (16)

  1. Research on the Treatment Status and the Management Methods of Food Wastes, Seoul Tech Office of University Industry Relations, (2017). 

  2. Technical Guidelines for Combined Treatment Biogas Facility, National Institute of Environmental Research, (2015). 

  3. Treatment and Energy Recovery Technology of Food Waste Leachate Considering Risk, Kolon Environmental Service Co., LTD., (2015). 

  4. The 5th (2016-2017) National Waste Statistics Survey, Korea Environment Corporation, (2017). 

  5. Moon, T.-S., Ha, J.-H., Choi, M.-W., Park, H.-S., Cho, H.-G. and Kang, D.-H., "A Study on Biological Treaetment of Supernatant from Foodwaste with Sewage", J. of Korean Society of Environmental Technology, 10(4), pp. 229-235. (2009). 

  6. Park, J.-W. and Choi, D., "Effect of Biodegradation and Denitrification Characteristics using Carbon Source with Food Wastes Leachate", J. of Korean Society of Urban Environment, 11(1), pp. 41-48. (2011). 

  7. Park, J.-W. and Choi, D., "Effect of Biodegradation and Denitrification Characteristics using Carbon Source with Food Wastes Leachate", J. of Korean Society of Urban Environment, 11(1), pp. 41-48. (2011). 

  8. Lee, J. K., Choi, H. B., Shin, E. B., Park, J. H., Choi, E. J., Kim, J. R. and Park, Y. S., "Biological treatment process for Food wastewater Using ER-1 bioreactor", J. of KORRA, 14(4), pp. 113-120. (2006). 

  9. Kim, B. S., Choi, H. B., Lee, J. K., Park, J. H., Ji, D. G. and Choi, E. J., "Anaerobic Organic Wastewater Treatment and Energy Regeneration by Utilizing E-PFR system", J. of KORRA, 16(2), pp. 57-65. (2008). 

  10. Seok, J. H. and Choi, H. B., "Mixing Characteristics in a Plug-flow Multi-stage Anaerobic Reactor and Effects of Shok Loads in Food Waste Treatment", The Journal of Korea Society of Waste Management, 28(6), pp. 621-631. (2011). 

  11. Choi, J.-H., Lee, Y.-W. and Yun, Z., "Removal of Cincentrated Nitrogen from the Recycle Water by Biological Nitritation-denitritation", J. of KSEE, 23(3), pp. 371-381. (2001). 

  12. Han, D. J., Kang, S. W. and Rim, J. M., "Factors Influencing Nitrite Build-up in Nitrification of High Strength Ammonia Wastewater", Korean J. Sanitation, 13(2), pp. 128-138. (1998). 

  13. Moomen Soliman, Ahmed Eldyasti, "Development of partial nitrification as a first step of nitrite shunt process in a Sequential Batch Reactor (SBR) using Ammonium Oxidizing Bacteria (AOB) controlled by mixing regime", Bioresource Technology, 221, pp. 85-95. (2016). 

  14. E.Cell Application to Improve Vertical Multi-staged Type Anaerobic Digester and Water Treatment System, Ecodays CO., LTD., (2012). 

  15. Hong, Y., Yun, Z., Yi, Y. and Choi, E., "The Effects of system pH on Nitrite and Nitrate Denitrification", J. of KSEE, 23(8), pp. 1405-1412. (2001). 

  16. Park, H. S., Jeong, S. M. and Kim, J. H., "Effects of DO concentration and Aeration Time on the Conversion of Ammonium to Nitrite", J. of KSCE, 24(5b), pp. 515-520. (2004). 

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