호기성 입상 슬러지를 이용한 생물학적 단축질소제거 연구

Abstract

질소제거는 질산화-탈질공정을 통해서 가능한 것으로 알려져 있다. 이러한 방법은 공기주입으로 인한 에너지 소요가 높고, 탈질을 위한 외부 탄소원이 필요하며, 반응조 규모가 커서 시설 및 운영에 많은 문제점을 가지고 있다. 부분 질산화(Partial nitrification)는 질산화를 NO2-N에서 중단시키는 짧은 질산화와 탈질공정에 의해 energy와 외부탄소원을 절감할 수 있는 공정이다. 활성 슬러지 공법에서 유출수와 고형물을 분리하는 것이 중요한데, 중력침강의 경우에는 긴 침전시간이 요구된다. 반응조의 전전 중 사상성 미생물이 성장하고, 플럭의 구조가 조밀하지 못하게 생성될 때는 유출수로 Suspended Solid가 유실되어 슬러지의 침전 특성에 영향을 미치게 되는 단점이 있다. 이러한 생물학적 처리의 단점을 보완하고자 연구가 진행되고 있던중 혐기성 처리과정에서 입상 형태의 슬러지가 관찰되었다. SBR 반응조내 슬러지 입상화는 메탄 생성균에만 제한되는 것이 아니라 질산화균, 탈질균, 종속영양균에 의해서도 생성되며, SBR형태의 반응기에서도 호기성 입상 슬러지가 형성된다고 보고 하였다. 입상화된 그래뉼의 경우 조밀한 구조를 지니고, 넓게 분포된 미생물 종들과 뛰어난 침강성을 가지고 있어 생물학적으로 처리효율이 뛰어난 호기성 입상 슬러지는 연속 회분식 반응기에서 연구되었다. 미생물 자가 고정화에 의해 형성되는 호기성 입상 글러지는 조밀하게 밀집된 응집체고 입상 슬러지의 밀도는 기존의 활성슬러지보다 더 높다.

본 연구는 최적의 호기성 입상 슬러지 형성 방법으로 형성된 호기성 입상 슬러지를 CSTR 반응기에 이용하여 질소원으로 구성된 합성폐수로 호기성 입상 슬러지의 NO2-N, NO3-N 생성과 T-N 제거 효율을 평가 하였다.

호기성 입상 슬러지 배양을 하기 위해 지름 6cm, 높이 150cm 의 아크릴 재질의 원통형 SBR 반응기를 제작하여 유입 15분, 폭기 195분, 침전 15분, 유출15분, 총 240분이 1 cycle 로 하루 6번의 유입과 유출로 구성하고, 글루코스를 탄소원으로 합성폐수를 제조하였다. 질소제거 실험에서는 CSTR 형태의 반응기에 배양된 호기성 입상 슬러지를 식종하여 온도 30℃, pH 7.5~8.0, DO 1.5~2.0 mg/L를 유지 하였다.

분석 결과 30일 경과 후 육안으로 확인 가능한 약 1mm 크기의 호기성 입상 슬러지가 생성 되었고, 110일 후인 140일에는 약 6mm 크기의 호기성 입상 슬러지가 생성되었다. 배양되는 과정에서 유기물, 인, 질소제거율은 각각 평균 90%, 86%, 60% 로 타나났다. 호기성 입상 슬러지 배양과정에서 1 cycle(240분)의 대부분인 호기성 조건인 195분에서 질소제거 현상이 나타났으며 호기성 입상 슬러지 외부에서 질산화, 내부에서 탈질화가 일어난 것으로 판단된다. T-N 제거 효율은 60일 이전까지 평균 20% 이하 였으며, 60일 이후부터 증가하여 배양기간인 140일 동안의 평균 T-N 제거 효율은 50%로 나타났다. CSTR 형태의 반응기에서의 아질산축적은 NLR(Nitrogen Loading Rate) 0.4 일 때는 NH4-N 제거가 낮게 나타났으며, NLR 0.08, 0.04 에서는 평균 80% NH4-N 제거와 함께 N평균 50% 정도의 NO2-N 축적율을 나타내었다. NOB에 대한 FA의 저해로 인해 NO2-N의 축적이 이루어진 것으로 판단되며 NLR 0.08, 0.04 일 때의 평균 FA는 0.1~1.0 mg/L 로 NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)의 저해가 있었던 것으로 NO2-N 축적이 되었다고 판단된다. CSTR 반응기내 MLVSS 농도는 NLR 0.4 일 때 운전 시작할 때의 3000mg/L 보다 감소 하였으며, NLR 0.08 일 때 하루 바이오매스 생성량은 이론적 바이오매스 생산량보다는 낮았지만 12일 동안 200mg/L가 생성되어 처음 식종한 3000mg/L 까지 증가하였다. NLR 0.04 일 때는 다시 MLVSS가 감소했지만 10일정도 후 다시 3000mg/L 까지 증가하였다.

호기성 입상 슬러지를 배양하는 과정과 호기성 입상 슬러지를 이용하여 유기물이 없는 호기성 상태에서 질소제거 현상이 나타났다. 배양과정에서는 호기성 입상 슬러지의 호기성 조건인 외부와 무산소(혐기성)조건인 내부에서 동시 질산화, 탈질이 이루진고, 유기물이 없는 질소성분의 합성폐수에서는 배양된 입상 슬러지를 식종한 후 호기성 입상 슬러지의 SMP 에 의해 동시 질산화, 탈질이 진행되고 그 후 ANAMMOX 현상이 발생한 것으로 판단된다. 배양된 호기성 입상 슬러지를 이용하여 동시에 유기물 유무에 따른 질소제거 실험이 필요할 것으로 판단된다.