MBR 단일 반응조에서 용존산소 농도에 따른 동시 질산화-탈질반응(SND)의 영향
박노백 ․ 최우영
1)․ 윤애화
1)․ 전항배
1)*농촌진흥청 국립농업과학원
1)충북대학교 환경공학과 (2009년 10월 14일 접수, 2009년 12월 22일 수리)
Effects of DO concentration on Simultaneous Nitrification and Denitrification(SND) in a Membrane Bioreactor(MBR)
Noh Back Park, Woo Yung Choi
1), Ae Hwa Yoon
1), and Hang-Bae Jun
1 )*(National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration,
1)Department of Environmental Engineering, Chungbuk National University)
ABSTRACT:In this study, simultaneous nitrification and denitrification (SND) from synthetic wastewater were performed to evaluate dissolved oxygen(DO) effects on chemical oxygen demand(COD) and nitrogen removal in a single membarne bio-reactor(MBR). DO levels in MBR at Run 1, 2, and 3 were 1.9~2.2, 1.3~1.6, and 0.7~1.0 mg/L, respectively. Experimental results indicated that DO had an important factor to affect COD and total nitrogen(TN) removal. SND were able to be accomplished in the continuous-aeration MBR by controlling ambient DO concentration. It is postulated that, because of the oxygen diffusion limitation, an anoxic micro-zone was formed inside the flocs where the denitrification might occur. From the results of this study, 96% of COD could be removed at DO of 0.7mg/L. At run 2 72.92% of nitrogen was removed by the mechanisms of SND (7.75mg-TN/L in effluent). In this study, SND was successfully occurred in a MBR due to high MLSS that could help to form anoxic zone inside microbial floc at bulk DO concentr- ations of 1.3~1.6mg/L.
Key Words: Biological nitrogen removal(BNR), Dissolved oxygen(DO), Membrane bio-reactor(MBR), Simultaneous nitrification and denitrification(SND)
371
*
연락저자:
Tel: +82-43-261-2470 Fax: +82-43-271-7976 E-mail: [email protected]
서 론
수계 내 질소의 유입은 부영양화를 야기하며 , 질산화 반 응에 의한 수중의 용존산소 소모로 수질의 악영향을 미치고 있다 . 국내 가동 중인 대부분의 하수처리장은 표준 활성슬러 지 공법이나 그 변법들로 이루어져있고 , 이러한 공법들의 유 기물 및 부유물질 제거율은 약 90% 정도인 반면, 질소 제거 효율은 미흡한 실정이다
1).
이에 따라 수중에 존재하는 질소를 제거하기 위하여 전 통적인 질산화 -탈질방법 이외에 특정 미생물이나 반응을 이 용하는 방안이 제시되고 있는데 , 암모니아성 질소와 아질산
성 질소를 이용해 탈질시키는 SHARON-ANAMMOX 공 정 , 용존산소(DO)를 0.2 mg/L 이하로 낮게 유지시켜 질산 화와 탈질을 동시에 유도하는 SND (simultaneous nitrification and denitrification) 반응을 이용한 SymBio
TM공정 등이 최근 국내외에 설치되고 있다
2).
SND 반응은 낮은 용존산소 조건에서 활성슬러지 플럭
내부로의 산소전달을 저해 받음으로써 호기 영역과 무산소
영역이 공존하는 이중 구조의 플럭 (floc)이 형성되어 질산화
와 탈질화가 동시에 발현되는 것으로 보고되고 있다
3). 즉 단
일 호기성 반응조에서 floc 내 용존산소(DO) 농도 구배에
따라 질소가 제거되는 것이나 , 호기성 상태에서 탈질화가 이
루어지는 기작에 대해서는 아직까지 명확하게 규명되지 않
고 있다 . 그러나 기계적 교반에 의해 표면 폭기가 이루어지
는 질산화 반응조나 , 산화구 공정 등에서 질소 손실(nitrogen
loss)이 보고되어, 단일 활성슬러지 공정에서 탈질반응에 의
Fig. 1. Schematic diagram of membrane bio-reactor(MBR).
Table 1. Operation conditions of membrane reactor Item Membrane bio-reactor
Run 1 Run 2 Run 3
Q, L/day 53
Volume, L 72
HRT, hr 24
SRT, day 30
Temperature, ℃ 20±5
MLSS, mg/L 3,500~6,000
MLVSS, mg/L 2,900~4,000
DO, mg/L 1.9~2.2 1.3~1.6 0.7~1.0 한 질소제거 가능성이 제시되었다4-6).
SND 반응을 유도하기 위해서는 HRT(hydraulic retention time), SRT(sludge retention time) 및 용존산소(DO), 플 럭 크기 (floc size) 등이 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 데 , 이 중 용존산소(DO)의 농도가 중요한 인자로 보고되고 있다
7-9). 반응조(폭기조) 내 적절한 교반 및 폭기 등을 통하 여 낮은 용존산소 농도를 유지하면 , 미생물 floc 내 호기 및 무산소 영역이 형성되어 DO 농도가 비교적 높은 floc 외부 에서는 질산화가 이루어지고 , 생성된 nitrate와 용존 유기물 이 floc 내부의 무산소 영역에서 탈질화가 발현될 수 있다.
이에 따라 반응조 내 질산화와 탈질을 동시에 유도하기 위 하여 적절한 용존산소 농도 유지가 필수적인데 , Pochana 와 Kller
10)는 SND 발현을 위한 최적 용존산소 농도는 0.5 mg/L라고 하였고, Munch 등
11)은 활성슬러지 반응조내 용 존산소 농도 3.0 mg/L 이상의 호기조건에서 25% 정도의 탈질을 보였으며 , Chen 등
9)은 용존산소 농도 1.2 mg/L에 서 유기물 및 총질소가 각각 96 및 90% 제거된 것으로 나 타났다 .
기존 활성슬러지 공정은 floc의 침강성 악화로 인한 슬러 지 팽화 (Sludge bulking)나 거품 발생으로 인한 침전조에 서의 미생물 유실 등으로 처리 효율이 저하되는 단점이 있 다 . 이를 보완하기 위해서 활성슬러지 공정의 침전조를 대신 하여 도입된 분리막 생물반응조 (Membrane Bio-reactor) 공정은 미생물의 침전 특성에 관계없이 고 ․ 액 분리 (solid/
liquid separation)가 가능하여 부하 변동에 상관없이 안정 적인 처리수를 얻을 수 있는 복합공정이다 . 분리막 생물공정 에서는 미생물을 고농도로 유지할 수 있어 도시하수 또는 저농도 공장폐수의 경우 BOD 3.0 mg/L 이하로 처리 가능 하고 , 수리학적 체류시간이 기존 공정의 50% 이하로 운전 가능하며
12), 긴 SRT로 인한 슬러지 자산화가 유도되어 슬러 지 발생량이 적은 것으로 알려져 있다 .
최근 막 (membrane bioreactor) 공정에서 총질소 제거 를 위해서 분리된 무산소 /호기 공정이나 간헐폭기 공정을 이용하는 문헌들이 보고되고 있고
13), MBR 공정에 SND 반 응을 적용한 연구결과들이 발표되고 있다 . 따라서 MBR 공 정에 SND 적용시 단일반응조에서 기존의 무산소-호기 시스 템에서의 결과와 유사한 처리효율을 보일 수 있고
14), 공정 내에서 손실되는 유기탄소원의 22-40% 정도가 재활용 가능 하며 , 약 30%의 슬러지 발생량을 감소할 수 있다
15). 또한 생물학적 질산화와 탈질반응으로 인한 알칼리도의 소모 및 생성으로 인하여 반응조내 적정한 pH를 유지할 수 있으며
16)