다단수직형 SBR을 이용한 매립지 침출수 단축질소제거

Abstract

요 지

생물학적 질소제거는 미생물에 의한 질산화-탈질 과정을 통해 암모니아 산화 및 아질산과 질산의 탈질소화가 이루어진다. 질산화-탈질 방법은 미생물의 성장을 위해 반응기 내 폭기를 통한 산소 주입이 필요하고, 탈질을 위한 외부 유기탄소원이 필요하다. 이러한 방법은 폭기장치 사용으로 인한 에너지 소요가 높고 외부 유기탄소원 주입에 필요한 약품 비용이 필요하다. 부분 질산화 (Partial nitrification)는 질산화를 NO3--N까지 산화 시키지 않고 NO2--N에서 중단시키는 짧은 질산화와 탈질공정에 의해 에너지와 외부탄소원을 절감할 수 있는 공정이다. 부분질산화는 기존 질산화공정에 비해 25 %의 필요 산소량과 40 %의 외부 유기탄소원 요구량을 감소 시킬 수 있어서 경제성이 뛰어나다. 본 연구에서는 위생매립지에서 발생하는 고농도의 암모니아가 함유된 침출수를 기존 SBR 반응기를 개량한 다단수직형 SBR을 이용하여 단축질소제거 성능평가를 진행하였다. SBR-VMS (SBR-vertical multi stage) 반응기는 아크릴로 제작된 원통모양의 SBR 형태의 반응기로 높이가 110 cm, 내경이 14 cm이며 총 부피가 7.5 L 였으며 유효 부피는 6 L로 제작되었다. 반응기 높이를 기준으로 21 cm마다 격벽을 총 4개 설치하고 높이가 4 cm, 내경이 1 cm인 원통 모양의 기액이동관을 격벽의 중심에서부터 기액이동관의 중심이 2.5 cm의 간격으로 총 2개를 대칭으로 설치하여 기액의 이동이 가능하게 하였다. SBR-VMS을 이용하여 침출수에 포함되어 있는 질소화합물의 생물학적 단축질소제거 적용 가능을 평가한 결과 매립지 침출수를 전탈질, 부분질산화, 후탈질의 순서로 모든 질소화합물이 제거 될 때까지 운전하였을 때 각각 19시간, 21시간, 11시간이 소요되었다. 전탈질에서의 NO2--N 제거 효율은 99 %, NO3--N 제거 효율은 97 %로 분석되었으며, 부분질산화 과정에서의 NH4+-N conversion은 92 %, NO2--N ratio는 63 %, Nitritation ratio은 73 % 였고, 후탈질에서의 NO2--N 제거 효율은 96 %, NO3--N 제거 효율은 77 %로 였다. 따라서, SBR-VMS를 이용한 침출수의 단축질소제거가 가능한 것으로 판단되었다. 매립지 침출수의 유입 농도에 따른 단축질소제거 효율 평가를 위해 NH4+-N농도를 MLVSS 3000 mg/L에서 200 mg/L, 400 mg/L, 800 mg/L로 점차 높여 연속적으로 운전한 결과 각각의 유입 농도에 따른 부분질산화 소요시간은 21시간, 24시간, 183시간으로 나타났다. 유입 농도 NH4+-N 800 mg/L에서는 200 mg/L, 400 mg/L 농도에서 운전한 결과에 비해 아질산 축적이 낮고 부분질산화에 소요되는 시간이 약 120시간 더 소요되었고 미생물이 FA에 의한 저해를 받은 것으로 판단되어 유입 농도 NH4+-N 800 mg/L에서 MLVSS 6000 mg/L에서 운전한 결과, MLVSS 6000 mg/L에서 부분질산화 소요시간은 105시간으로 줄어들었으며, NO2--N ratio는 23 %, Nitritation ratio은 18 % 높은 것으로 나타났다. SBR과 SBR-VMS를 비교 평가하기 위해 DO 농도를 제외한 모든 조건을 동일하게 적용하여 운전한 결과, SBR-VMS은 SBR에 비해 질소화합물을 제거하는데 약 14시간 적게 소요되었고 NO2--N ratio가 21 %, Nitritation ratio가 11 % 더 높은 결과를 보였다. DO 농도를 동일한 폭기량을 주입하였을 때 모니터링한 결과, SBR-VMS의 경우 각 층의 DO 농도는 1.3 ~ 1.8 mg/L, SBR의 경우 DO 농도는 0.1~0.3사이로 나타났다. 본 연구에서 사용된 SBR-VMS은 고농도의 암모니아가 유입 되었을 때 효율적으로 처리할 수 있는 공정으로 평가 되었다. 또한 기존 SBR에 비해 동일한 조건에서 단축질소제거 효율이 높았으며 반응기의 다단층 구분을 통해 동일한 폭기량에서 기액접촉면의 확보를 통해 반응기 내 용존산소의 농도를 더 높일 수 있어 경제적인 단축질소제거가 가능하다고 판단된다.