폐하수 중의 질소와 인의 동시제거를 위한

회분식 연속 반응조의 운전 및 모델링

문라경, 박병건, 장호남

한국 과학 기술원  화학 공학과

Operations and modeling of SBR(sequencing batch reactor)

for simultaneous removal of nitrogen and phosphorus

Ra Kyung Moon, Byung Geon Park, Ho Nam Chang

Department of Chemical Engineering,  KAIST

서  론

산업이 고도화되고 인구 집중 현상이 심화됨에 따라 생활하수 및 산업폐수가 급격히 증가하여 상당량의 질소와 인이 발생되고 있다. 폐하수중의 질소와 인의 양의 증가로 인해 하천의 자정작용에 악영향을 미치고 조류의 이상증식을 조장하여 부영양화의 원인이 제공되고 있다.

따라서, 세계적 추세에 맞추어 환경처에서는 수질 규제 기준을 강화하고 있다.

이에 따라 질소와 인의 제거가 시급한 문제로 부각되면서, 본 연구에서는 미생물의 생장 속도와 산소 조건에 대한 유연성아 질소와 인의 동시제거에 유리하고 경제성이 높은 소규모 하수 처리 시스템으로서 회분식 연속 반응조(SBR : sequencing batch reactor)의 공정을 개선하고, pilot plant단계로의 scale-up을 위해 모델링과 각종 optimum data를 마련하고자 1년 단위 실험이 진행중이다.

이  론

SBR 내에서의 질소 및 인의 제거 반응([1],[4])

Table 1. Reactions in SBR

혐 기	호 기	무 산 소
□인 제거 미생물에 의한 기질의 섭취 → 에너지 저장 물질인 PHB의 전환 및 저장 → 인의 방출 □혐기균의 성장	□인 제거 미생물에 의한 PHB의 소모(산소 이용) → 에너지합성을 위한 인의 과잉 섭취 → cell 내에 인 저장 □Autographs에 의한 암모니아의 nitrification □Autographs와 호기 균의 성장	□인 제거 미생물에 의한 PHB의 소모 (산화질소 이용) → 에너지합성을 위한 인의 과잉 섭취 → cell 내에 인 저장 □산화된 질소의 denitrification → 질소로 환원되어 방출됨

실  험

□30 L-bench scale SBR의 구조(Fig. 1) 및 운전 조건(Table 2)

Table 2. Operating conditions of SBR

온 도	pH	DO	MLSS	SRT	HRT	RPM
25 ∼ 27 ℃	6.5 ∼ 7.5	(혐기) 0.2 mg/L (호기) 4.0 mg/L	3500∼ 4000 mg/L	20 days	BOD loading, 유입원수의 성상에 따라 다름	280

□미생물 seeding 확보 (Sludge acclimation)

우리 나라 평균 하수 성상(BOD:150ppm, TN:50-70ppm, TP:5-7ppm)에 부합되는 합성폐수를 제조하여 혐기-호기-무산소 등으로 산소 조건을 변화시켜 가면서, 일반 슬러지(KAIST 오수 및 폐수 처리장의 sludge)에서 질소와 인의 제거능력을 가진 미생물을 선택, 배양하여, 조건(유입원수의 성상, HRT 등)을 바꾸어 가면서 다양한 data를 구하였다.

□분  석

Total nitrogen과 total phosphorus는 "Standard method" (7th edition APHA-

AWWA-WDCF)의 방법을 따랐으며, 질소의 질산화, 탈질화, 인의 방출 및 섭취 정도를 알아보기 의해, NO2-,NO3-,NH4+,PO43-를 시간별로 부영양계(HC-1000,Japan)를 이용하여 측정하였다.

Modeling

반응기 안의 슬러지 미생물을 5가지종류로 가정하여(혐기성 heterotrophs, 호기성 heterotrophs, 인 제거 미생물,  nitrifier(autotrophs), denitrifier), 기질의 제거,  PHB의 저장 및 소모, 암모니아의 섭취 및 질산화, 산화질소의 탈질산화, 세포의 성장과 비활성화 및 인의 방출과 과잉 섭취 등을 각 산소 조건의 단계(혐기-호기-무산소)에 따라 Monod kinetics로 나타내었다([2],[3],[5]).

Kinetic parameter와 실험적으로 구해야할 상태변수가 많으므로 간단한 simulation과 sensitivity analysis가 필요할 것으로 보인다.

실험 결과 및 고찰

□ sludge acclimation period

Glucose, acetate, starch를 주 탄소원으로 하는 합성폐수를 우리 나라 하수성상으로 제조하여 질소와 인의 제거 거동을 계속 관찰하면서 정상상태를 기다렸다. 처음 40일 정도는 슬러지의 안정화가 이루어지지 않아서 인의 제거율은 ―를 보이고 질소는 20∼30 %정도의 제거율을 보였으나 그 이후부터는 뚜렷한 질산화-탈질산화와  인의 release-uptake를 보이고 있다(Fig.2, Fig.3). 질소의 제거율은 탈질산화용 탄소원을 더 첨가하지 않을 때는 50-60 %, 첨가할 때는 60-80%를 보이고, 인의 경우는 50-70%가 제거된다. 또, 유기물과 암모니아의 제거율은 95% 이상이다.

□ pH와 rpm의 최적값

pH를 6.0 부터 8.0 까지 미생물의 생장에 커다란 영향을 미치지 않는 범위 내에서 질소와 인의 제거에 미치는 영향을 살펴봤을 때,  이 범위에서는 제거율에 커다란 영향을 미치지는 않으나,  pH가 8.0이상으로 올라가면 슬러지의 침전성가 급격히 떨어지는 이상현상인 sludge bulking현상이 나타났다.

또, system의 configuration을 고려할 때, 혐기 때의 DO(용존 산소)를 최소로 낮출 수 있도록 질소를 purging하면서 rpm을 280정도로 높이는 것이 질소와 인의 제거에 유리하였는데, rpm은 슬러지의 floc형성과 알맞은 DO유지에 영향을 미친다.

□BOD loading과 유입원수중의 acetate의 농도가  HRT에 미치는 영향

BOD loading이 높을수록 인의 방출량이 많아지고 acetate 등의 농도가 높을 때 인의 방출 속도 가 빠르다. (Fig. 4, Table 3)

또, BOD loading이 높을수록 탈질산화율이 높았는데 반응이 시작된 후 1시간이나 2시간 사이에 유기물이 거의 다 제거되므로, 느리게 분해가 진행되며 바로 미생물이 섭취할 수 없는 형태의 탄소원인 starch를 이용하여 실험하였다(Fig.5).

□유입되는 기질 중 질소 성분이 대부분 암모니아이고, 유기물의 부하가 낮으므로 sequence를 개선하여 질소와 인의 제거율을 높이는 방법으로 호기-무산소-혐기-호기-무산소의 산소조건을 제공하는 실험을 행한 결과, 인의 uptake rate가 향상되고, 별도의 탈질산화를 위한 탄소원 없이도 어느 정도 질소로의 환원이 진행됨을 확인하였다.

Table 3. BOD loading과 유입원수중의 acetate의 농도에 따른 최적 혐기시간

BOD loading	유입 원수 중의 Acetate 의 농도 %	Optimum 혐기 시간
80 ppm	60 %	1.5 hr
120 ppm	60 %	1.5 hr
180 ppm	60 %	2.0 hr
250 ppm	60 %	2.0 hr
100 ppm	80 %	1.0 hr
120 ppm	30 %	2.5 hr
120 ppm	80 %	1.0 hr
120 ppm	0 %	3.0 hr
150 ppm	0 %	2.5 hr

향후 연구 과제

□ Modeling : Assumed parameter를 이용한 simulation

→ Model eqn.의 개선 및 kinetic parameter 결정

(by experiment and curve fitting)

→ Simulation → 실험결과 와의 비교 → 모델식의 개선

□실폐수 적용

→ SBR 운전

→ Optimum parameter의 계산

감 사

본 연구는 현대 중공업의 산학협동과제로 진행되고 있으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. Griffinths, P. : Wat. Res. 28(3), 657-664 (1994)

2. IAWPRC group : Wat. Res., 12(5), 505-515 (1987)

3. Ibrahim, G : Wat. Res., 29(7), 1761-1766 (1995)

4. Leonov, A. V. : Wat. Sci. Technol., 30(2), 81-89 (1994)

5. Smolders, G. J. F.  : Bioeng. Biotechnol., 43, 461-470 (1994)

Fig. 1 Schematic diagram of SBR