Analysis of laboratory scale nitriation reactor using sludge thickener supernatant

농축조 상징액을 대상으로한 실험실 규모 아질산화 반응조 분석

임지열･길경익^*†

고려대학교 건축사회환경공학과

*서울과학기술대학교 건설시스템공학과

Analysis of laboratory scale nitriation reactor using sludge thickener supernatant

Jiyeol Im･Kyungik Gil*

School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University

*

Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology

요 약

질소는 수계 부영양화를 유발하는 주요 원인이며, 수계 보호를 위해 반드시 처리해야 하는 오염물질이다. 본 연구에서는 고농도 질소를 처리하여 하수처리장 운전 효율 증대를 위한 방안을 연구하고자 하였다. 약 250일간 하수처리장 농축조 상징액을 이용하여 실험실 규모 반응조를 운전하였다. 실험실 반응조 운전은 안정적인 아질산화 반응을 유도하고, 관련 운전 인자 영향을 분석하고자 하였다. 연구 결과 체류시간 조절을 통해 인위적으로 아질산화 반응이 유도가능한 것을 확인하였으 며, 안정적인 아질산화 반응이 유도되는 구간을 파악하였다. 특히, 체류시간 1일 조건에서는 90%에 가까운 고효율의 아질산화율 을 보이는 것을 확인하였다. 특히 ammonium nitrogen load는 암모니아성 질소 제거율과 아질산화율에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 높은 ammonium nitrogen load 조건에서는 아질산화율과 암모니아성 질소 효율이 감소하였다. 반면, 낮은 ammonium nitrogen load 조건에서는 아질산화율이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 아질산화 반응을 위해 암모니아성 질소 농도 및 체류시간의 조절이 필요하다는 것을 의미한다. 농축조 상징액과 같은 슬러지 처리 공정 내 고농도 질소를 함유한 폐수는 아질산화 반응을 적용할 수 있으며, 이는 하수처리장 개조 방안으로 제안 될 수 있을 것으로 판단된다.

핵심용어 : 하수처리장, 반류수, 농축조, 아질산화, 질소 제거

Abstract

Nitrogen is one of main causes to induce eutrophication of water system and one of contaminants that must be treated for protection of water system. In this study, it was intended to identify a method to increase operation efficiency of municipal wastewater treatment plant (MWTP) by treating high concentration nitrogen. A laboratory scale reactor was operated by using sludge thickener supernatant in the MWTP. During operation of the laboratory scale reactor, it was intended to induce stable nitritation and analyze effects of related operation factors. As results, it was shown that the nitiritation could be induced artificially through control of retention time and sections where the stable nitiritation was induced were identified also. In particular, highly efficient nitrite conversion efficiency near 90% was identified in condition of 1 day retention time. Especially, it was shown that ammonium nitrogen load affected ammonium nitrogen removal efficiency and nitrite conversion efficiency.

In the condition of high ammonium nitrogen load, the nitrite conversion efficiency and the ammonium nitrogen removal efficiency decreased. On the contrary in the condition of low ammonium nitrogen load, it was found that the nitrite conversion efficiency decreased. It means that control of ammonium nitrogen concentration and its retention time is needed for the nitritation. It is considered that for the sewage containing high load nitrogen in sludge treatment process as like the sludge thickener supernatant, the nitritation can be applied, which can be suggested as a modification method of MWTP.

Key words : Municipal wastewater treatement plant, recycle water, Sludge thickener, nitritation, nitrogen removal

1. 서 론¹⁾

수계 오염에 영향을 주는 오염원들은 크게 점오염원과 비점

†To whom correspondence should be addressed.

Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology

E-mail: [email protected]

오염원으로 구분할 수 있다. 점오염원은 오염물질의 유출경로 가 명확하고, 발생량 예측이 가능한 오염원으로 하수종말처리 장, 폐수배출시설 및 가축분뇨처리장 등의 시설이 대표적이 다. 반면 비점오염원은 점오염원과 상반되는 개념으로 유출 경로 및 발생량 예측이 어려우며 기상조건에 영향을 받는 것 이 특징이다(Kang et al., 2012, Lee et al., 2007). 점오염원과 비점오염원은 앞서 언급한 상반된 특징을 지니기 때문에 관리

개선 등을 통해 점오염원 관리에 노력을 기울이고 있다. 특히 2013년부터 방류수 수질 기준 중 영양염류 항목에 대한 기준이 강화됨에 따라 전국적으로 강화된 기준 만족을 위해 신설 및 기존 하수종말처리장의 영양염류 처리 공법을 도입하고 있다 (Im et al., 2014). 하수처리장 처리 공정은 크게 수처리 공정과 슬러지 처리 공정으로 구분할 수 있다. 특히 슬러지 처리 공정 중 슬러지 농축조에서 발생하는 농축조 상징액은 고농도의 오염물질을 함유하고 있으며, 수처리 계통으로 반송되어 하수 처리장 수처리 계통 질소 부하 증가의 원인으로 보고되기도 하였 다(Gil et al., 2002). 따라서 수처리 계통으로 반송되는 농축조 상징액과 같은 고농도 슬러지 처리 공정 폐액 내 질소를 처리하면, 수처리 계통 질소 부하를 감소시킬 수 있을 것이다. 현재 하·폐수 내 질소를 제거하기 위한 공법들은 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화시킨 후 탈질 시키는 것을 기반으로 하고 있다. 하지만 질소 순환 과정을 살펴보면, 암모니아성 질소는 산화 시 아질산성 질소로 전환된 후 질산성 질소로 전환되는 과정을 거치게 된다.

여기에 주목한 여러 연구진들은 암모니아성 질소를 아질산성 질소 까지만 산화 시킨 후 아탈질 시키는 아질산화-아탈질 반응에 주목 하여 질소 제거 연구를 수행하였다(Gil and Choi, 2004; Yang et al., 2009; van Dongen et al., 2001). 그 대표적인 공법은 SHARON(Single Reactor system for High Ammonium Removal Over Nitrite)를 들 수 있다. SHARON 공법은 고농도의 암모니아성 질소를 함유한 하·폐수를 고온에서 체류시간을 짧게하 여, 아질산성 질소까지만 산화시키는 것으로 요약할 수 있다(Gali et al., 2008; van de Graaf et al., 1991; van Kempen et al., 2001; van Loosdrecht et al., 1988). 이 공법의 장점은 무엇보다 질산화와 탈질에 필요한 산소와 탄소원을 줄여 경제적인 이점을 얻을 수 있다는 것에 있다(Li et al., 2010). 특히 혐기 소화 상징액, 가축 분뇨 그리고 농축조 상징액과 같은 고농도 암모니아성 질소를 함유한 폐수는 SHARON 공법을 적용시키기에 유리한 것으로 알려져있다(Im and Gil, 2011a; Im and Gil 2011b).

본 연구에서는 슬러지 처리 공정에서 발생하는 농축조 상 징액을 대상으로 실험실 규모 반응조를 운전하였다. 운전 결 과를 바탕으로 농축조 상징액의 특성에 따른 아질산화 반응 조의 효율 변화를 분석하였다.

2. 연구방법

2.1 연구 대상 시료

lab-scale 아질산화 반응조는 서울 A 하수종말처리장과 서 울 B 하수종말처리장의 농축조 상등액을 이용하여 운전하였

mg/L로 운전기간동안 226 mg/L 그리고 B 하수종말처리장은 205~224 mg/L로 운전기간동안 206 mg/L를 보였으며 두 하 수종말처리장의 NH4+

-N의 농도는 유사한 것으로 나타났다.

또한 A 하수종말처리장의 COD와 BOD는 각 각 672 mg/L와 BOD 256 mg/L, B 하수종말처리장의 COD와 BOD는 각 각 11,800 mg/L와 BOD 3,980 mg/L로 분석되었으며 농축조 상 징액 내 30~40%가 생물학적으로 분해 불가능한 유기물로 존 재하고 있는 것을 확인 할 수 있다. pH meter (Accumet-AB15) 와 DO meter (YSI-550A)를 이용하여 pH와 DO를 측정하였으 며, NH4+-N는 Nessler's method에 따라 DR2800(HACH company)을 이용하여 측정하였다. NO2--N과 NO3--N는 Ion chromatography(Dionex ICS-1000)를 이용하여 측정하 였다. 또한 알칼리도와 COD는 Standard methods(APHA, 1998)의 Titration method(2320 B), closed reflux colorimetry (5220 D)에 의거하여 분석을 실시하였다.

Table 1. Characteristic of various influent in laboratory scale reactor. (A MWTP)

Parameter Sludge thickener in A MWTP

Range Median

COD 468 ~ 692 672

BOD 214 ~ 286 256

TN 285 ~ 325 285

NH4+-N 218 ~ 232 226

Alkalinity 886 ~ 910 880

Alkalinity (Add) 1,562 ~ 1,668 1,582

Table 2. Characteristic of various influent in laboratory scale reactor. (B MWTP)

Parameter Sludge thickener in B MWTP

Range Median

COD 8,050 ~ 12,800 11,800

BOD 3,560 ~ 4,400 3,980

TN 254 ~ 364 292

NH4+-N 205 ~ 224 206

Alkalinity 1,008 ~ 1,246 1,140

Alkalinity (Add) 1,458 ~ 1,560 1,550

2.2 실험실 규모 반응조

Fig. 1은 본 실험에 사용된 실험실 규모 아질산화 반응조의 모식도를 나타내고 있다. 실험실 규모 반응조는 회분식 아질 산화 반응조로서 총 용적 8 L 부피의 원통형 아크릴로 제작되

Table 3. Summary of operation result in laboratory scale reactor with sludge thickener

Parameter SRT

(day)

Ammonium nitrogen removal efficiency (%) nitrite conversion efficiency (%)

Range Median Range Median

A1 4 76.8 ~ 89.1 81.8 2.2 ~ 4.9 3.7

A2 2 81.0 ~ 86.3 82.8 9.4 ~ 25.6 20.5

B1 4 51.0 ~ 90.6 80.1 0.1 ~ 26.5 7.2

B2 2 50.9 ~ 94.4 78.4 53.4 ~ 80.0 65.6

B3 1 73.8 ~ 94.4 84.5 69.3 ~ 92.8 88.7

B4 0.5 47.5 ~ 65.2 53.9 16.1 ~ 46.7 26.4

Fig. 1. Schematic diagram of laboratory scale reactor.

었으며, 동일한 온도를 유지하기 위하여 실험실 규모 아질산 화 반응조의 외부에 항온수조를 이용하여 반응조 온도를 3 5℃로 유지시켰다. 또한 반응조 내부에 기계 교반기를 이용 하여 반응조 내부가 완전 혼합 상태가 되어 균일한 수질이 되도록 유지하였다. 지속적인 포기를 통해 반응조 내 DO농 도를 3 mg/L 이상으로 유지하였는데, 실제 하수 처리장 운전 조건 보다 높은 농도의 DO를 공급하여 운전하였다. 이는 우 선적으로 질산화 유도에 DO의 부족 현상이 발생하지 않도록 하기 위함이였다. 포기는 공기질산화에 요구되는 산소를 반 응조의 바닥에 설치한 산기기를 통하여 공급하였으며, 원수 의 유입·유출은 매일 일정한 시간에 직접 실행하였다.

3. 연구결과 및 고찰

3.1 실험실 규모 아질산화 반응조 운전 결과 Fig. 2는 농축조 상등액을 대상으로 한 실험실 규모 반응 조 운전 결과 (a) 유입·유출수의 알칼리도와 암모니아성 질 소 (b) 유입·유출수의 암모니아성 질소, 유출수의 아질산성 질소와 질산성 질소를 나타내고 있다. 또한 Table 3에서는 각 구간의 SRT와 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전화율을 나타내고 있다. A 구간은 반응조 운전 초기 서울 A하수처리장의 시료를 이용하여 운전하였으며, B 구 간은 서울 B하수처리장의 시료를 이용하여 운전하였다.

Fig. 2의 운전 결과 초기 안정화를 유도하는 A0 단계에서 는 seeding 슬러지를 이용하여 암모니아성 질소가 일정 농 도 제거되었을 때 feeding을 실시하였다. 이 구간에서는 일정한

(a) Alkalinity and ammonium nitrogen

(b) Ammonium nitrogen, nitrite and nitrate

Fig. 2. Operation result of lab-sclae nitritation reactor using

sludge thickener.

SRT로 운전하지 않고 반응조 내 안정적인 질산화를 유도하는 안정화 유도단계로 농축조 상등액의 경우 약 7일 전 후로 안정 화가 이루어진 것을 확인 할 수 있다. 이는 seeding 슬러지와 농축조의 유기물, 암모니아성 질소 농도 등 함유된 오염물질의 농도차에 기인한 것으로 질산화 미생물이 순응하기까지 일정 시간이 필요한 것으로 판단된다. 운전 구간은 운전 초기에는 긴 SRT로 운전하였으며, 점차 SRT를 줄이는 방식으로 운전을 실시하였다. 농축조 상등액의 경우 SRT를 4일 ~ 0.5일로 운전

(a) A1 (b) A2

(c) B1 (d) B2

(e) B3 (f) B4

Fig.. 3. Change of nitrogen compounds through the reaction time in lab-sclae nitritation reactor

다. 이는 B4 조건에서는 짧은 체류시간으로 인해 질산화균이

있으며, 질산성 질소로의 전환이 일어나지 않았던 것으로 보인다. 즉, 반응조 내 AOB가 우점하여 암모니아성 질소를

아질산성 질소로만의 전환이 이루어 진 것으로 판단된다.

완전 질산화가 유도된 구간에서는 반응 초기 반응조 내에 제거된 암모니아성 질소는 아질산성 질소로 전환되다가 암 모니아성 질소의 급격한 감소가 일어난 후 (초기 변곡점 이 후) 아질산성 질소가 질산성 질소로 전환이 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 이는 반응조 내 AOB와 NOB가 함께 존 재하여 AOB에 의해 전환된 아질산성 질소가 다시 NOB에 의해 질산성 질소로 전환된 것으로 설명될 수 있다. 본 연 구에 나타난 결과는 기존의 연구결과와 유사한 결과를 나 타냈다(Anthonisen et al, 1976; Metcalf and Eddy, 2001)

3.3 MLSS의 영향

Fig. 4는 MLSS에 따른 암모니아성 질소 제거 효율과 아 질산성 질소 전환율을 분석하였다. MLSS는 일반적으로 반 응조 내 미생물의 농도를 나타내는 지표로 MLSS 농도의 유지가 생물학적 처리에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 알려진 중요 운전 인자이다. 운전 기간 중 MLSS 농도 범 위는 7100 ~ 11800 mg/L를 보였으며 일반적으로 9200 mg/L로 유지되었다. 운전된 범위에서 MLSS는 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율과는 특별한 관계 를 보이지 않았다. 이는 실험실 규모 반응조는 다양한 종류 의 미생물이 존재하는 mixed 형태의 생물반응조로 종속영 양세균과 독립영양세균이 혼합되어 존재하고 AOB와 NOB 역시 혼합 상태로 존재하기 때문에 총 미생물 농도인 MLSS와는 큰 관계를 보이지 않았던 것으로 판단된다.

Fig. 4. Effect of MLSS in sludge thickener.

3.4 유기물의 영향

Fig. 5 (a)는 유입수 COD와 BOD에 따른 암모니아성 질 소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율을 분석하였다. 운전 기간 중 COD 농도의 범위에서는 암모니아성 질소 제거 효율 및 아질산성 질소 전환율에 미치는 영향은 미비한 것 으로 나타났다. Fig. 5 (b)는 유입수 BOD에 따른 암모니아 성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율을 나타내고 있다.

(a) COD

(b) BOD

Fig. 5. Effect of organic compounds in sludge thickener.

운전 기간 중 BOD 농도의 범위에서는 암모니아성 질소 제 거 효율 및 아질산성 질소 전환율에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다, 이는 암모니아성 질소의 제거가 이루어지 기 위해서는 우선적으로 BOD의 제거가 이루어져야함으로 안정적인 암모니아성 질소의 제거가 일어난 경우 유기물농 도의 영향은 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율에 큰 영향을 미치지 않은 것으로 판단된다.

3.5 암모니아성 질소 부하의 영향

Fig. 6 (a)는 ammonium nitrogen load에 따른 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 제거 효율을 보여주고 있다.

Ammonium nitrogen load는 BOD 부하와 유사한 개념으로 kg NH4+-N / d로 나타낼 수 있다. Ammonium nitrogen load는 유입수의 암모니아성 질소 농도와 SRT를 이용하여 계산되는데, 이는 유입수의 암모니아성 질소 농도와 SRT를 동시에 고려할 수 있는 운전 인자라고 할 수 있다. 암모니아성 질소 제거 효율의 경우 암모니아성 부하가 증가함에 따라 그 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 반응조 내 질산화균들 이 처리하지 못할 양의 암모니아성 질소가 유입된 결과라고 할

것을 확인 할 수 있다. Fig. 6 (b)는 단위 미생물 당 ammonium nitrogen load에 따른 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 제거 효율을 보여주고 있다. 이는 ammonium nitrogen load에 MLSS 농도를 고려한 것으로 F/M비와 유사한 개념으로, kg NH4+-N / kg MLSS / d로 표시 할 수 있다. 하지만 단위 미생물 당 ammonium nitrogen load는 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율과는 특별한 상관성을 보이지 않는 것으로 나타났다. 실험실 규모 반응조의 경우 일부 구간을 제외하고는 상대적으로 미생물 성장에 충분한 SRT로 운전하였 기 때문에 단위 미생물 당 ammonium nitrogen load와는 특별한 관계를 보이지 않았던 것으로 판단된다.

(a) Ammonium nitrogen load

(b) Ammonium nitrogen load / MLSS

Fig. 6. Effect of ammonium nitrogen load in sludge thickener

이 유도된 구간에서는 반응 초기 반응조 내에서 제거된 암 모니아성 질소가 주로 아질산성 질소로 전환되어 축적되는 것이며, 이는 반응조 내 AOB의 선택적 배양이 일어나 암 모니아성 질소를 아질산성 질소로만의 전환이 이루어 진 것으로 판단된다. 아질산화 반응과 관련된 운전 인자 분석 결과 MLSS는 암모니아성 질소 제거 효율 및 아질산성 질 소 전환율과 특별한 관계를 보이지 않았는데, 이는 실험실 규모 반응조는 다양한 종류의 미생물이 존재하는 혼합된 형태의 생물반응조로 종속영양세균과 독립영양세균이 혼합 되어 존재하고 조건에 따라 AOB와 NOB 역시 혼합 상태 로 존재하는 것에 영향을 받았을 것으로 판단된다. 반면 ammonium nitrogen load는 암모니아성 질소 제거 효율과 아질산성 질소 전환율에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

암모니아성 질소 제거 효율의 경우 ammonium nitrogen load가 증가함에 따라 그 효율이 감소하며, 아질산성 질소 전환율의 경우 암모니아성 질소 제거 효율에 비해 ammonium nitrogen load에 따른 효율의 변화가 급격히 나타났다. 낮은 ammonium nitrogen load 조건과 높은 ammonium nitrogen load 조건에서는 아질산성 질소 전환 율이 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 이는 아질산화 반응 을 유도하기 위해서는 적정 ammonium nitrogen load를 유지하는 것이 중요한 것으로 판단된다.

사 사

이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2013R1A2 A2A01068579).

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