중온 호기성 입상화 공정의 유기물제거와 질산화

Abstract

수처리 공정에서 생물학적 처리는 비용절감, 2차 오염방지 등의 장점으로 널리 이용되고 있다. 생물학적 처리에 있어서 미생물의 농도는 공정의 효율에 직접적으로 영향을 준다. 일반적으로 활성슬러지를 이용한 처리는 미생물을 자연 발생적으로 조밀한 응집체의 형태인 플럭(floc)을 형성하거나, 생물학적, 물리적, 화학적 결합에 의해 고체상 토대에 부착되어 자라는 생물막(biofilm)을 형성한다. 전통적인 생물학적 공법인 활성슬러지 공정은 낮은 침강성으로 인한 슬러지 유실과 낮은 미생물 농도 등의 단점을 가지고 있어 운영상의 문제점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하기 위해 고안된 호기성 입상화 공정은 반응조 내의 미생물농도를 높게 유지하고, 침강성이 우수하여 침전시간을 줄이며, 높은 유기물 부하에 견딜 수 있는 내성을 갖는다. 또한 독성물질로 작용하는 중금속 처리가 가능하다. 대부분 높은 유기물 부하와 독성물질을 함유하고 있는 폐수로 축사폐수와 혐기성 소화를 통한 처리수로 배출되는 온도가 대부분 중온(35℃)이며, 냉각 시설과 비용이 필요로 한다. 중온 호기성 입상화 공정은 이러한 공정상의 시설과 부지, 비용 절감을 할 수 있다.

본 연구는 연속 회분식 반응조(SBR, Sequencing Batch Reactor)를 이용하여, 상온과 중온에서 처리효율과 물리·화학·생물학적 특성을 비교하여 최적의 조건을 도출하기 위해 평가하였다. 상온 호기성 입상화 공정은 지름 6cm, 높이 150cm의 아크릴 재질의 SBR반응기를 이용하여 유입 3분, 폭기 339분, 침전 15분, 유출 3분으로 1일 4cycle 운전하였다. 외부 탄소원으로 Glucose를 함유한 합성폐수를 사용하였으며, OLR은 1.4kg COD/㎥·d, NLR은 0.15~0.6kg N/㎥·d, 온도는 25℃, DO는 3~5mg/L로 유지하였다. 중온 호기성 입상화 공정은 지름 6cm, 높이 132cm의 아크릴 재질의 SBR반응기를 이용하여 유입 5.5분, 폭기 321.5분, 침전 30분, 유출 4분으로 1일 4cycle 운전하였다. 외부 탄소원으로 상온과 같은 Glucose를 함유한 합성폐수를 사용하였으며, OLR은 1.6kg COD/㎥·d, NLR은 0.4kg N/㎥·d, 온도는 35℃, DO는 3~5mg/L로 유지하였다.

분석 결과는 호기성 입상슬러지의 배양기간 중에 상온에서 COD제거율이 93%, NH4+-N제거율이 96%를 나타냈다. 중온에서는 COD제거율이 69%에서 89%로 증가하였고, NH4+-N제거율이 94%에서 80%로 감소하였다. 중온 호기성 입상화는 입상슬러지 배양과정에서 온도의 영향으로 제거율의 변화를 보였다고 판단된다. Steady state에 도달하였을 때, 상온에서 COD제거율이 99%, NH4+-N제거율이 98%, SVI 21mL/g, MLVSS 6480mg/L, 입자의 크기는 0.5mm를 나타냈다. 중온에서 COD제거율이 96%, NH4+-N제거율이 96%, SVI 13mL/g, MLVSS 11460mg/L, 입자의 크기는 0.2mm를 나타냈다. 상온과 중온에서 처리효율의 차이는 온도와 입자의 크기, 바이오매스의 농도가 영향을 주었으며, 입자크기는 유입되는 NLR이 영향을 주었다고 판단된다. 한 주기 결과를 통해서 상온에서 질산의 축적이 중온보다 낮았고, 중온에서는 300분 이후에 질산의 감소로 탈질의 가능성을 보여준다. 또한 중온에서 유기물과 NH4+-N의 제거시간이 상온보다 짧은 것으로 보아 한 주기시간을 줄여 많은 양의 폐수를 처리할 수 있다고 판단된다. 중온 호기성 입상화 공정은 상온보다 SVI가 낮은 것은 입상슬러지가 작고 조밀하게 배양된 것으로 판단된다. 중온에서 MLVSS가 고농도로 유지되는 것은 온도의 차이에 있어서 미생물의 성장속도에 영향을 주었다고 판단된다. SEM 사진으로 보아 호기성 입상슬러지는 활성슬러지와 달리 특정 범위에서 입자분포를 보이고, 기공을 통해 내부로 기질이 전달되며 다양한 미생물이 분포한다. 슬러지의 성분분석은 활성슬러지와 호기성 입상슬러지의 성분이 다르게 나타나며, 호기성 입상슬러지는 칼슘이 다량 함유하고 있고 칼슘이 입상화에 영향을 주었다고 판단된다.

호기성 입상슬러지는 다양한 장점들로 인하여 많은 연구자들은 기존의 활성슬러지를 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 중온 호기성 입상화는 냉각 비용과 시설로 인한 부지를 절감 등이 기대되지만, 중온 호기성 입상화에 대한 연구결과는 아직 미비한 수준으로 공정상의 문제점을 개선하는 연구가 필요한 것으로 사료된다.