[논문]폐비닐 재생메디아를 이용한 생물막공정에서의 하수처리 특성

장성호; 서종환; 박진식

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장성호 (부산대학교 지역환경시스템전공) , 서종환 (부산대학교 지역환경시스템전공) , 박진식 (경운대학교 보건환경전공)

폐비닐 여재(Synthetic Waste Polyethylene Media)를 적용한 부착성장식 공정의 유기물 및 질소${\cdot}$인 제거특성에 관한 Pilot Plant 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 제거효율은 $RUNI1{\sim}3$에서 $COD_{cr}$ 91.4, 92.4, 93.9%, T-N 56.9, 61.4, 65.1%, T-P는 모든 단계에서 약 45%이상 제거되어 부하변동시에 강한 대처능력을 나타내었다. 2) BOD용적부하 $0.18{\sim}0.40kg/m^3{\cdot}d$, COD용적부하 $0.28{\sim}0.53kg/m^3{\cdot}d$, ${NH_4}^{+}-N$용적부하 $0.12kg/m^3{\cdot}d$을 나타내었다. 3) 도시하수 처리를 위한 생물학적 질소 및 인 제거공법을 본 여재를 이용하여 공정설계시 고려할 사항들과 적절한 대처방법을 다음과 같이 제시할 수 있다. - 1차 침전지에서 유기질소 및 유기인 농도가 높다면 유기질소 및 인 부하량을 감소시키기 위하여 1차 침전지를 설치하되 질소 및 인제거에 유리한 $BOD_5/T-N$, $BOD_5/T-P$를 유지할 수 있도록 체류시간을 1시간미만으로 설계하는 것이 경제적이라고 판단된다. 만일 유기질소와 유기인의 함량이 낮다면 1차 침전지는 제외하는 것이 유리할 것이다. - 여재의 배치는 폭기조에서 용존산소의 균일분포와 슬러지의 적정탈리를 위해 여재를 상하로 배치하거나 또는 여재끼리 일정 간격을 두어 배치하는 것이 바람직하다. 농촌에서의 처분이 문제시 되고 있는 폐비닐을 적용한 본 연구에서의 수처리특성은 기존 하수처리공정에서의 제거효율에 상응하는 처리특성을 나타내었다. 또한 폐비닐 처분의 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라 하수처리시에도 부하변동 등에 강한 대처능력을 나타내어 기존의 하수처리공정에 대체가능성을 나타내었다.

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문제 정의

본 연구에서는 농촌에서 다량 발생되어 문제시되고 있는 폐비닐 여재를 재활용하고자 세척과정 없이 그대로 재생한 메디아(Synthetic Waste Polyethylene Media)를 이용하여 그 적용가능성과 하수처리시의 유기물 및 질소 . 인 제거 특성을 파악하였다.

가설 설정

판단된다. 만일 유기질소와 유기인의 함량이 낮다면 1차 침전지는 제외하는 것이 유리할 것이다.

제안 방법

바람직하다. 농촌에서의 처분이 문제시 되고 있는 폐비닐을 적용한 본 연구에서의 수처리특성은 기존 하수처리공정에서의 제거효율에 상응하는 처리특성을 나타내었다. 또한 폐비닐 처분의 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라 하수처리시에도 부하변동 등에 강한 대처능력을 나타내어 기존의 하수처리공정에 대체가능성을 나타내었다.
07mg/J미만, 무산소조 미만, 호기조 4~6mg/J정도를 유지하였으며 pH는 7로 조절하였다. 반응조내 혼합을 위한 교반기 속도는 30~40 rpm을 유지하였고, 혐기조에는 ORP-meter, 호기조에는 pH-meter를 설치하여 자동적인 모니터링을 실시하였다.
여기서는 유입수에 T-N의 약 30%를 차지하는 유기질소가 일반적으로 생물학적 가수분해에 의하여 NHj-N으로 전환되는 것은 고려되지 않고 초기 유입 NH/-N의 농도 기준으로 하였다. 원수의 알칼리도가 낮을 경우 폭기조에서 질산화가 진행되는 동안 생성되는 H*이온에 의하여 pH값이 때때로 6이하로 감소되었으며, 적정 pH값을 유지하기 위하여 NaOH가 주입되었다.
적용가능성과 하수처리시의 유기물 및 질소 . 인 제거 특성을 파악하였다.

대상 데이터

즉 적절한 질산화가 수행되기 위한 BODKTKN비는 3~5 사이일 것이다. 본 연구는 전단탈질인 혼합공정으로 BOD”TKN비가 4.1 로 나타났다.
아크릴로 제작한 반응기의 총 유효용적 18/, 혐기조 45/, 무산소조 3£, 호기조1 6/, 호기조2 4.5Z 로 각각 구성하였다. 여재의 충진율은 일반적으로 접촉산화공정에 적용되는 여재의 유효용적에 대한 충진형태의 겉보기 부피비로 산정한 것으로, 혐기조 35%, 무산 소조 40%, 호기조1 45%, 호기조2 47%이다.

성능/효과

1) 제거효율은 RUN₁ ~3에서 CODcr 91.4, 92.4, 93.9%, T-N 56.9, 61.4, 65.1%, T-P는 모든 단계에서 약 45%이상 제거되어 부하변동시에 강한 대처능력을 나타내었다.
2) BOD용적부하 0.18~0.40kg/nf ・ d, COD용적부하 0.28~0.53kg/m‘ - d, NH/-N 용적 부하 0.12kg/m3 ・d을 나타내었다.
본 공법은 질소제거를 위하여 전단탈질 (Pre-Denitrification) 시스템으로 먼저 무산소조로 원수의 유기탄소가 유입되기 때문에 이들 유기탄소를 탄소원으로서 탈질화에 직접 이용할 수 있다. 또한 전체 질소제거율은 폭기조에서 질산화로 생성된 질산염들이 무산소조의 순환량에 의해 결정되는데 본 실험에서는 원수유입량의 약 100%가 내부순환 되었다. 그리고 최종침전지에서 혐기조로 반송되는 슬러지는 없으며, 질산염이 함유된 혼합물의 전체 순환량은 100%에 달한다.
농촌에서의 처분이 문제시 되고 있는 폐비닐을 적용한 본 연구에서의 수처리특성은 기존 하수처리공정에서의 제거효율에 상응하는 처리특성을 나타내었다. 또한 폐비닐 처분의 문제를 해결할 수 있을뿐만 아니라 하수처리시에도 부하변동 등에 강한 대처능력을 나타내어 기존의 하수처리공정에 대체가능성을 나타내었다.
본 실험에서의 총 질소제거를 살펴보면 HRT 10~ 14hr에서 평균 제거효율은 각각 56.9, 61.4, 651%로 14hr에서 가장 높은 제거효율을 나타냈다.
운전기간 중 질산화율은 97%이상으로 HRT 10~14시간에서 충분한 질산화가 일어났다. 여기서는 유입수에 T-N의 약 30%를 차지하는 유기질소가 일반적으로 생물학적 가수분해에 의하여 NHj-N으로 전환되는 것은 고려되지 않고 초기 유입 NH/-N의 농도 기준으로 하였다.
9%로 BOD5와 유사한 경향을 나타내었다. 운전기간동안 유입 CODcr용적부하는 전체 생물반응조에 대하여 0.30~0.53kg/E ・d의 범위로 운전되었으며 이 범위에서 유출수의 농도는 4~2&ng/J로 비교적 안정한 수질을 얻을 수 있었다.
운전기간동안의 질소(T-N)의 제거효율은 56.9~65.1%로 얻어졌으며, 처리수의 T-N 농도는 대개 15.7mg/J이하로 안정된 처리결과를 보였다.
유기물 제거면에서 HRT 10T4의 변화에 90% 이상의 안정적인 유기물 제거 능력을 나타내는데, 이는 기존 A.S.P와 비교해 Boazchen(1991) 등의 연구결과에서 언급된 바와 같이 생물막 공법은 메디아를 이용하여 반응조내에 보다 많은 미생물 유지와 큰 규모의 먹이 사슬을 가지므로 유입 유기물의 충격 부하에 대처 능력이 강함을 알 수 있었다.
이러한 생물학적 인 제거 메카니즘에 따라 본 접촉산화 Pilot Plant의 운전에서 얻어진 인의 제거효율은 45%정도로 나타났다. 처리수의 인농도는 lmg/L미만으로 아주 만족할 수 있다.
이러한 여재를 하수처리공정에 적용시 기존에 알려진 생물 막 공법의 특성인 고농도 유기물을 함유한 폐수처리와 질소.인 제거에 적합할 것으로 판단되며, 활성슬러지 등의 방법보다 슬러지 발생량 감소, 충격부하 대처능력 향상, 운전관리의 용이성을 갖추어 소규모 하수처리시설에 적용가능성이 높을 것으로 판단되었다.
처리수의 부유물(SS) 농도는 유입수가 108~ 163mg/L일 때, 2.4mg/L~8.0mg/L로 매우 안정적이며, 제거효율은 RUN₁, 2, 3에서 평균 약 96%로 나타났다.
체류시간이 10~ 14hr로 변화함에도 불구하고 BODs는 각각 평균 91.6, 94.8, 96.8%로 체류 시간에 따른 제거효율 차이는 크게 나타내지 않았으며, 본 운전 체류시간 및 부하에 큰 영향을 받지 않고 안정적인 처리수질을 얻을 수 있다고 판단되었다.
초기단계에서 미생물 식종 후 순응기를 거치고 정상적으로 운전되기 시작한 후 BOD5 제거효율은 최대 98, 2%이며 유줄수의 농도는 1.2~ 13.4mg/L로 나타났다.
탄화 과정을 거친 여재의 표면은 비표면적을 증가시켜 기존의 여재보다 비표면적이 증가되었고 공극률도 90% 이상으로 나타났다. 이러한 여재를 하수처리공정에 적용시 기존에 알려진 생물 막 공법의 특성인 고농도 유기물을 함유한 폐수처리와 질소.

후속연구

처리수의 인농도는 lmg/L미만으로 아주 만족할 수 있다. 부착성장식공법에서 발생하는 슬러 지량이 부유식공정보다 적으므로 유입인의 농도가 3mg/L이상으로 높을 경우나 처리수 인제거효율을 높일 필요가 있을 경우 화학침전 등의 추가공정을 도입해야 할 것으로 사료된다. 또한 혐기조에서 인 방출을 위하여 산소 외에 NO₃ 같은 전자수용체로 작용하는 물질들을 반드시 제한시켜야 한다.

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