1. 서 론
1)
환경 오염문제와 수자원 부족을 동시에 해결할 수 있 는 가장 효과적인 방법은 오염배출원에서 소규모 처리 시설을 이용하여 하수를 고도처리하고 이를 재활용하 는 것이다. 오염 배출원에서 배출되는 하수를 재이용수 로 활용하기 위해서는 가능한 설치 면적을 적게 차지하
면서 좋은 수질의 유출수를 안정적으로 얻을 수 있는 처리시스템이 필요하다[1].
이러한 처리에 가장 적합한 하수처리 시스템의 하나 는 침지형 막결합 연속회분식 반응기(submerged mem- brane-coupled sequencing batch reactor, SMSBR)이다.
침지형 막결합 연속회분식 반응기(SMSBR)는 침지형 막 생물반응기(membrane bioreactor, MBR)와 연속회분
†
Corresponding author(e-mail: [email protected], http://orcid.org/0000-0003-4013-5896)
침지형 막결합 연속회분식 반응기를 사용한 하수의 고도처리에서 담체의 효과
김 승 건⋅이 호 원†
제주대학교 생명화학공학과
(2016년 12월 19일 접수, 2016년 12월 28일 수정, 2016년 12월 29일 채택)
Effect of Media in Advanced Treatment of Sewage Using Submerged Membrane-Coupled Sequencing Batch Reactor
Seung-Geon Kim and Ho-Won Lee
†Dept. of Chemical and Biological Engineering, Jeju National University
(Received December 19, 2016, Revised December 28, 2016, Accepted December 29, 2016)
요 약: 담체가 투여된 침지형 막결합 연속회분식 반응기(SMSBR)를 사용한 하수의 고도처리에서 담체가 여과성능과 제 거효율에 미치는 영향을 조사하였다. 담체는 반응기 부피 기준으로 10% 투여하였고, 담체와 분말활성탄을 첨가하지 않은 반 응기, 분말활성탄(10 g/L)만을 첨가한 반응기 및 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 반응기를 대조군으로 하였다. COD, T-N 및 T-P에 대한 제거효율은 담체 및 분말활성탄 첨가 유무에 따라 큰 차이가 없었다. 그러나 담체를 첨가하지 않은 경우 막간 차압(TMP)은 급격히 증가하였으나, 담체를 첨가한 경우에 막간차압은 매우 서서히 증가하였다. 담체를 투여한 SMSBR를 사 용하여 하수를 고도처리 할 때, 91일 이상의 운전기간 동안 막 세정 없이 운전이 가능하였다. 담체만을 투여한 경우, 운전 80 일 경과 이후의 COD, T-N 및 T-P 평균 제거율은 각각 95.0, 69.3% 및 51.4%이었다.
Abstract: In the advanced treatment of sewage using the submerged membrane-coupled sequencing batch reactor (SMSBR) with media, the effect of media on the filtration performance and removal efficiency were investigated. Dosages of the media in the SMSBR were 10% based on working volume of reactor. As a control system, SMSBR without media and PAC, SMSBR with PAC (10 g/L) only, and SMSBR with media and PAC were also operated. The experimental results showed that there was no big difference observed in the removal efficiencies of COD, T-N, and T-P irrespective of the do- sages of the media and PAC. But transmembrane pressure (TMP) of SMSBR with media increased slowly during the ope- ration time, while that of SMSBR without media increased rapidly. Using SMSBR with media, it was possible to operate without the membrane cleaning during the 91 days. Using SMSBR with media only, after 80 days the average removal effi- ciencies of COD, T-N, and T-P were 95.0, 69.3%, and 51.4%, respectively.
Keywords: submerged membrane-coupled sequencing batch reactor, media, PAC, transmembrane pressure, removal
efficiency
식 반응기(sequencing batch reactor, SBR)를 결합하여 두 반응기가 갖고 있는 장점을 갖도록 한 반응기로서 기존의 대규모 처리장을 이용하는 방법에서 야기되는 차집 체계에 대한 문제점을 극복할 수 있다[2-5].
침지형 막결합 연속회분식 반응기를 이용한 하수처 리 공정(SMSBR)은 활성슬러지가 포함된 반응조에 하 수를 유입, 반응, 침전, 배출, 휴지 등의 단계를 거쳐 처 리하는 연속회분식 생물반응기 공정에서 침전 단계와 배출 단계를 분리막 여과로 대체한 공정이다. SMSBR 은 활성슬러지 반응조(폭기조)에 침지된 분리막에 의해 고액분리가 되므로 SBR 공정의 침전 단계가 필요 없게 되어 조업시간이 단축되며, 콤팩트하여 소요공간이 작 고, 박테리아 등의 미생물과 부유물질 등을 제거할 수 있으며, 양질의 배출수를 얻을 수 있다[6-8].
그러나 SMSBR을 이용한 하수의 처리에 있어 가장 큰 문제는 운전이 진행됨에 따라 막오염이 계속 진행되 어 막간차압(transmembrane pressure, TMP)이 증가하 고 이에 따라 처리수량이 지속적으로 감소한다는 것이 다[9,10]. 따라서 SMSBR에서의 막오염을 제어하여 여 과성능을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔으 며, SMSBR를 이용한 하수처리에 있어서도 막오염 제 어는 가장 중요하다[11-15].
본 연구에서는 SMSBR 개발의 일환으로서 막오염을 제어하기 위하여 유동이 가능한 스펀지 형태의 담체를 SMSBR에 첨가한 혼성반응기(hybrid reactor)를 제주도 J읍의 농촌마을 하수의 처리에 적용하였다. 농촌마을 하수를 대상으로 담체를 투여하지 않은 SMSBR[16]과 담체의 투여 유무에 따른 제거효율 및 막간차압 변화를
상호 비교함으로써 담체에 의한 막오염 제어 효과에 관 하여 연구하였다.
2. 실험장치 및 방법
2.1. 실험장치
본 연구에 사용된 침지형 막결합 연속회분식 반응기 와 이를 이용한 하수처리공정의 모식도를 각각 Fig. 1 및 Fig. 2에 나타내었다.
반응기는 직육면체 형태로서 가로, 세로 및 높이가 각각 25, 10 cm 및 100 cm가 되도록 아크릴판으로 제 작하였으며, 반응기의 유효 부피(working volume)는 17.8 L로 하였다. 본 연구에 사용된 분리막은 국내 P사 에서 제조한 침지형 평막으로서 자세한 분리막 모듈의
Fig. 1. Schematic diagram of SMSBR system.
Fig. 2. Schematic diagram in SMSBR.
제원을 Table 1에 나타내었다. 산기관은 분리막 모듈의 아래에 설치하였고, 분리막 모듈의 양쪽 면에는 모듈과 평행되도록 방해판을 설치함으로써 산기관에서 나오는 공기방울의 흐름에 의해 담체가 같이 이동하도록 하여 상승하는 담체에 의해 막 표면에 부착한 케이크가 제거 되도록 하였다. Fig. 2에 표시된 화살표는 산기관에 의 해 발생한 유체, 공기 방울 및 담체의 흐름 방향을 나 타낸 것이다.
본 연구에서는 담체 및 분말활성탄(powdered activated carbon)이 여과성능과 제거 효율에 미치는 영향을 살펴 보기 위하여 반응기 내에 담체 및 분말활성탄을 각각 10% (vol/vol) 및 10 g/L를 첨가하였다. 본 연구에 사용 한 담체의 재질은 폴리우레탄이며, 크기 및 모양은 변 의 길이가 5 mm인 정육면체이고 그 밖의 물리화학적 성질은 Table 2와 같다. 분말활성탄은 표준체로 체질을 하여 75~150 µm의 것을 사용하였다.
하수의 유입 펌프, 에어 펌프, 교반기 및 흡입펌프의 ON/OFF 제어는 PLC (programmable logic controller, SB-30S-B, COMFILE Technology, Korea)를 사용하여
자동으로 제어되도록 하였다.
2.2. 실험방법
SMSBR를 이용한 하수의 처리에서 담체에 의한 하 수의 유기물, 영양염류의 제거 특성 및 막간차압 (transmembrane pressure, TMP)의 변화를 보기 위하여 Table 3과 같은 운전 주기로 SMSBR을 운전하였다.
운전주기의 경우는 무산소 반응 호기성 반응은 각각 60분 및 120분으로 하여 1 cycle당 총 운전시간은 180 분이 되도록 하였다. 유입수는 무산소 반응 초기 5분 동안에 공급하였고, 흡입 여과는 호기성 반응 동안(120 분) 3회(20분 비흡입, 20분 흡입) 실시하였다.
본 연구에 사용된 하수는 제주시 J읍에 위치한 중산 간 마을에 있는 마을하수도 처리시설에 유입되는 유입 수를 직접 채수하여 사용하였다. 이 하수의 COD, T-N, T-P 및 NH3-N의 평균 농도는 각각 110, 42.4, 4.5 및 39.9 mg/L이었으며, COD, T-N, T-P 및 NH3-N의 최고 및 최저 농도는 Table 4와 같다.
본 연구에서 실시한 SMSBR의 운전조건은 Table 5 와 같다. Run-1에서 Run-3까지 탄소원을 주입하지 않 았으나, Run-4부터는 탈질반응을 촉진하기 위해 탄소원
Membrane material PVC
Membrane type Flat-sheet type
Pore size (µm) 0.4
pH 2~10
Temperature (°C) 2~38
Hydrophobicity or Hydrophilicity Hydrophilicity Total surface area (m2) 0.17
Parameters Values
Materials Polyurethane
Biomass-lasen density (g/cm3) 0.95~1.05 Density (g/cm3) 0.035~0.040 Tension (Kgf/cm2) 2.0~3.0 Tear strength (Kgf/cm2) 1.3~1.5
Elongation (%) 108~250
Porosity (%) > 95
Cell size (ppi) 25~40
Shape (mm) 5 mm cubic
Wear rate (%) < 1.0~3.0
Table 2. Properties of Media
Operational step Mixing Aeration Time (min)
Filling ON OFF 5
Anoxic reaction ON ON 55
Aerobic reaction OFF ON 20
Filtration OFF ON 20
Aerobic reaction OFF ON 20
Filtration OFF ON 20
Aerobic reaction OFF ON 20
Filtration OFF ON 20
Total cycle time 180
Minimum Maximum Average
COD 43 168 110
T-N 14.5 60.4 42.4
T-P 1.8 6.3 4.5
NH3-N 14.5 61.3 39.9
Cl 25 330 86.5
Table 4. Characteristics of Rural Village Sewage
을 주입하였다. 탄소원으로는 메탄올을 사용하였으며, Run-4, Run-5 및 Run-6에서의 하수 20 L당 메탄올 주 입량은 각각 1, 5 및 10 mL이었다. 폭기량은 Run-1 및 Run-2에서는 각각 20 및 15 L/min이었으나, Run-3 이 후부터는 10 L/min로서 일정한 유량으로 폭기하였다[16].
부유 미생물의 농도는 MLSS (mixed liquor sus- pended solids)와 MLVSS (mixed liquor volatile sus- pended solids)를 각각 측정하여 나타냈으며, 각 농도의 측정은 Standard Method[17]에 준하여 수행하였다.
COD, T-N, T-P 및 NH3-N 농도는 분광광도계 DR-5000 (HACH, USA)를 사용하여 Method 8000 (HACH), Method 10071 (HACH), Method 8190 (HACH) 및 Method 8038 (HACH)에 의해 분석하였고, COD는 크 롬법을 사용하여 측정하였다. 막의 표면은 FE-SEM (JSM-6700F, JEOL Ltd., Japan)을 이용하여 측정하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 활성슬러지 농도 변화
SMSBR에서 담체를 투여하였을 때(담체만을 투여한 경우 및 분말활성탄만과 담체를 모두 투여한 경우)의 운전시간에 따른 MLSS의 농도 변화를 담체를 투여하 지 않았을 때(분말활성탄과 담체를 모두 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄만을 투여한 경우)의 운전시간에 따 른 MLSS의 농도 변화와 비교하여 Fig. 3 (a)에 나타내 었다. 이때 분석을 위해 샘플을 채취할 때를 제외하고 운전 기간 동안 활성슬러지의 배출은 없었으며, 모든 반응기에서 MLSS 농도가 너무 낮아 운전 17일 경과 후에 J 하수종말처리장의 반송슬러지를 채취하여 모든 반응기에 각각 2 L의 활성슬러지를 식종하였다.
운전시간 경과에 따라 MLSS의 농도는 증가하였으 며, 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 경우의 MLSS 농 도 변화는 1,150~5,000 mg/L (평균 2,435 mg/L)로서 다른 경우에 비하여 낮게 타나나고 있는데, 이러한 이 유는 담체뿐만 아니라 분말활성탄이 미생물 이 부착되 는 미생물 담체의 역할을 하기 때문으로 판단된다.
담체와 분말활성탄을 모두 첨가하지 않은 경우의
Run-1 Run-2 Run-3 Run-4 Run-5 Run-6
Working volume (L) 17.8
HRT (hr) 15
Temperature (°C) 25 ± 2
Flux (L/m2⋅hr) 20
Aeration intensity (L/min) 20 15 10 10 10 10
Injection volume of external carbon (mL MeOH / 20 L) 0 0 0 1 5 10
Table 5. Operating Condition of SMSBR
(a) MLSS
(b) MLVSS
Fig. 3. Variations of MLSS and MLVSS during the oper-
ation of SMSBR.
MLSS 농도는 1,730~5,860 mg/L (평균 3,347 mg/L), 분말활성탄만을 첨가한 경우의 MLSS 농도는 1,570~
5,670 mg/L (평균 3,346 mg/L), 담체만을 첨가한 경우 의 MLSS 농도는 1,840~5,760 mg/L (평균 3,381 mg/L) 이었다.
외부탄소를 주입하지 않은 경우(Run-1에서 Run-3까 지), 폭기량을 20 L/min (Run-1)에서 15 L/min (Run-2) 및 10 L/min (Run-3)로 감소시킴에도 불구하고 MLSS 농도 변화는 거의 없었다. 그러나 동일한 폭기량에서 외부탄소 주입량을 하수 20 L당 각각 1 mL (Run-4), 5 mL (Run-5), 10 mL (Run-6)로 증가시킴에 따라 MLSS 농도는 지속적으로 증가하였다.
한편, 운전시간에 따른 MLVSS의 농도 변화를 Fig. 3 (b)에 나타내었다. 운전시간 경과에 따라 MLVSS의 농
여한 경우 및 분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우의 평균 MLVSS/MLSS 값은 각각 0.79 및 0.48이고, 분말 활성탄과 담체를 모두 투여하지 않은 경우 및 분말활성 탄만을 투여한 경우의 평균 MLVSS/MLSS 값은 각각 0.79 및 0.58로서 담체의 투여에 관계없이 분말활성탄 을 투여한 경우에 낮게 나타났으며, 모든 실험조건에서 전형적인 혐기-호기 SBR 공정에서의 MLVSS/MLSS 값인 0.87보다 낮게 나타났다[18].
3.2. 유기물 및 영양 염류의 제거
SMSBR에서 담체를 투여하였을 때(담체만을 투여한 경우 및 분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우)의 운 전시간에 따른 COD 농도 변화 및 유기물 제거율 변화 를 담체를 투여하지 않았을 때(분말활성탄과 담체를 모 두 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄만을 투여한 경 우)의 운전시간에 따른 COD 농도 변화 및 유기물 제거 율 변화와 비교하여 Fig. 4에 나타내었다.
조업초기에서는 담체의 유무에 거의 관계없이 활성 탄을 투여한 경우가 활성탄을 투여하지 않은 경우에 비 해 유기물 제거율이 높게 나타났다. 이러한 차이가 나 는 이유는 유기물이 분말활성탄에 흡착되기 때문으로 판단된다. 그러나 조업시간의 경과에 따라 활성탄을 투 여한 경우와 활성탄을 투여하지 않은 경우의 유기물 제 거율 차이는 점차 감소되었는 바, 그 이유는 조업시간 의 경과에 따라 분말활성탄이 유기물에 의해 포화되어 더 이상 흡착이 안 되었기 때문으로 판단된다.
조업 80일 경과 이후(Run-6) 담체만을 투여한 경우 및 분말활성탄만과 담체를 모두 투여한 경우 COD 평 균 제거율은 각각 95.0% 및 93.9%이었으며, 분말활성 탄과 담체를 모두 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄만 을 투여한 경우의 COD 평균 제거율은 각각 95.3% 및 96.7%이었다.
담체를 투여하였을 때(담체만을 투여한 경우 및 분말 활성탄과 담체를 모두 투여한 경우)의 운전시간에 따른 T-N 농도 변화 및 제거율 변화를 담체를 투여하지 않 았을 때(분말활성탄과 담체를 모두 투여하지 않은 경우 및 분말활성탄만을 투여한 경우)의 운전시간에 따른 T-N 농도 변화 및 제거율 변화와 비교하여 Fig. 5에 나 타내었다. 조업 시간에 따라 T-N의 제거율은 점차 증가 하였으며, 담체를 투여하지 않은 경우와 담체를 투여한 경우의 T-N 제거율 차이는 Run-6를 제외하고 거의 없 (a) COD concentration
(b) Removal efficiency
Fig. 4. Variations of COD concentration and removal effi-
ciency during the operation of SMSBR.
었다.
Table 4에 나타낸 바와 같이 하수의 COD/T-N의 비 는 최소 1.2에서 최대 3.1로서 (평균 1.8) 매우 낮다. 본 연구에서는 마을하수도 처리시설에서 유입되는 실폐수 를 1주일에 1회 채수를 하여 분석을 하였고, 매회 채수된 폐수의 COD와 T-N로부터 COD/T-N 비를 계산하였다.
이와 같이 낮은 COD/T-N의 비로 인하여 메탄올을 주입하지 않은 기간(Run-1에서 Run-3까지)에서의 T-N 의 평균 제거율은 낮게 나타났으나, 메탄올 주입에 의 해 Run-4, Run-5 및 Run-6에서의 COD/T-N의 비는 각 각 3.09, 7.75 및 13.25로 상승하였으며, 이에 따라 T-N 의 제거율도 상승하였다. Run-6에서 분말활성탄과 담체 를 모두 투여한 경우 T-N의 평균 제거율은 78.5%이었 으며, 담체만을 투여한 경우 T-N의 평균 제거율은
69.3%이었다. 또한 분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우 T-N의 최대 제거율은 조업 87일 후에 87.8%이었 으며, 담체만을 투여한 경우 최대 제거율은 조업 89일 후에 80.0%이었다.
Fig. 6은 운전시간에 따른 원수 및 처리수의 NH3-N 농도 변화와 NH3-N의 제거율 변화를 나타내었다.
Run-1에서 Run-3까지 외부탄소원을 주입하지 않은 경 우 폭기량의 감소에 따라 NH3-N의 제거율은 점차 감소 하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 암모니아성 질 소가 질산화 미생물(Nitrosomonas, Nitrobacter)에 의해 아질산성 질소 및 질산성 질소로 전환되는 암모니아화 작용(ammonification)이 호기 조건에서 활발히 이루어 지기 때문으로 판단된다. 반면에 Run-4에서 Run-6까지 외부 탄소원(메탄올) 주입량의 증가에 따라 NH3-N의 (a) T-N concentration
(b) Removal efficiency
Fig. 5. Variations of T-N concentration and removal effi- ciency during the operation of SMSBR.
(a) NH3-N concentration
(b) Removal efficiency
Fig. 6. Variations of NH
3-N concentration and removal ef-
ficiency during the operation of SMSBR.
제거율은 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 무산 소(anoxic) 상태에서 통성 혐기성균인 탈질균(Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter 등)에 의해 질산성 질소와 아질산성 질소가 탈질(denitrification)반응에 의해 질소 가스로 환원되는데 탈질반응에는 외부 탄소원을 필요 로 하기 때문이다[19].
담체를 투여한 경우와 투여하지 않은 경우의 NH3-N 제거율 차이는 거의 없었다. 또한 T-N의 제거율에 비해 NH3-N의 제거율이 상대적으로 높게 나타나 질산화 반 응은 탈질반응에 비해 빠르게 진행됨을 알 수 있었다.
담체만을 투여한 경우 NH3-N의 평균 제거율은 94.8%
이었으며, 분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우 NH3-N 의 평균 제거율은 91.9%이었다.
운전시간에 따른 원수 및 처리수의 T-P 농도 변화 및
제거율 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 외부 탄소원 주입 이 없는 기간(Run-1부터 Run-3까지)에서 T-P 제거율 변 화는 거의 없었으나, 탄소원(메탄올) 주입량의 증가에 따라(Run-4부터 Run-6까지) T-P 제거율은 증가하였다.
그러나 담체를 투여한 경우와 투여하지 않은 경우의 T-P 제거율 차이는 거의 없었다. Run-6에서 분말활성 탄과 담체를 모두 투여한 경우 T-P의 평균 제거율은 46.4%이었으며, 담체만을 투여한 경우 T-P의 평균 제 거율은 51.1%이었다. 또한 분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우 T-P의 최대 제거율은 조업 87일 후에 52.3%이었으며, 담체만을 투여한 경우 최대 제거율은 조업 84일 후에 53.3%이었다.
3.3. 막간차압의 변화
침지형 MBR에서는 운전조건과 방식에 따라 차이는 있지만 막오염에 의한 여과저항의 증가로 인하여 플럭 스의 감소 현상이 야기된다. 따라서 정속여과에서 조업 시간에 따라 TMP가 증가되면 분리막을 반응조에서 분 리하여 물리적 방법이나 화학적 방법에 의해 세정을 해 주어야 한다[20]. 본 연구에서는 TMP가 20 kPa에 도달 하였을 때, 분리막을 반응기에서 꺼내어 부드러운 스폰 지로 막의 표면에 형성된 케이크를 제거한 후, 0.5%
NaOCl 용액으로 막을 세정하였다.
Fig. 8은 SMSBR에서 운전 시간에 따른 막간차압 (TMP)의 변화를 나타낸 것이다. 분말활성탄과 담체를 모두 투여하지 않은 경우, 운전을 시작한 후 50일까지 는 서서히 TMP가 증가하는 경향을 보였으며, 50일 이 후부터는 TMP의 증가 속도가 크게 증가하였다. 운전 (a) T-P concentration
(b) Removal efficiency
Fig. 7. Variations of T-P concentration and removal effi- ciency during the operation of SMSBR.
Fig. 8. Variations of TMP during the operation of
SMSBR.
75일 후에 TMP가 20 kPa 이상으로 상승하여 막 세정 을 실시하였으며, 세정 후의 TMP는 7.55 kPa로 운전을 처음 시작할 때의 TMP인 6.02 kPa와 거의 유사하게 나타났으나 조업시간 경과에 따라 막간차압은 급속히 증가하였다.
분말활성탄만을 투여한 경우, SMSBR에서 운전을 시 작한 후 62일까지는 서서히 TMP가 증가하였으나, 62 일 이후에는 TMP가 급격히 증가하여 71일에 TMP가 20 kPa까지 증가하였으며, 막 세정을 한 후 반응기에 다시 장착했을 때의 TMP는 10.3 kPa로서 운전을 시작 할 때의 TMP인 5.8 kPa보다 높게 나타났다. 또한 1차 막 세정을 실시한 후 5일 만에 다시 23.9 kPa까지 상승 하였다. 2차 막 세정을 실시하고 반응기에 장착한 후 초기 TMP를 측정한 결과 11.4 kPa로 높게 나타났으며, 운전 5일 만에 다시 20.5 kPa까지 상승하였다. 이때 새 로운 막으로 교체를 하였으나, 운전 7일 만에 20 kPa까 지 TMP가 증가하였다. 분말활성탄만을 투여한 경우가 투여하지 않은 경우에 비해 막간차압 상승이 빠르게 진 행되는 이유는 반응기에 주입된 분말 활성탄이 유동을 하면서 분말활성탄이 더 작게 분쇄가 되고 분쇄된 분말
활성탄이 막 세공을 차단하여 공극 막힘 현상이 일어나 기 때문으로 판단된다.
반면에 담체만을 투여한 경우에는 운전 시작할 때의 TMP는 6.7 kPa에서 시작하여 운전하는 동안 TMP는 매우 서서히 증가하여 운전 91일 후의 TMP는 13.4 kPa이었다. 따라서 담체만을 투여한 경우에는 담체를 투여하지 않은 경우와는 다르게 운전 91일 동안 단 1회 의 막 세정도 실시하지 않고 운전할 수 있었다. 이러한 이유는 담체가 버블에 의해 유동을 하게 되고 담체가 유동할 때, 표면마찰에 의해 막 표면에 쌓인 케이크를 계속적으로 제거하기 때문인 것으로 판단된다.
분말활성탄과 담체를 모두 투여한 경우의 TMP 변화 경향은 담체만을 투여한 경우와 거의 유사하였다. 즉, 운전 초기의 TMP는 5.9 kPa이었고, 운전 동안 TMP는 매우 서서히 증가하여 91일 후의 TMP는 11.5 kPa이었 으며, 91일 운전동안 단 1회의 막 세정 없이 운전이 가 능하였다.
Fig. 9는 실험 전의 담체와 실험 후 건조시킨 후의 담체를 각각 촬영한 사진이다. 실험 후의 담체 표면은 사용 전의 담체 표면과 비교할 때 각각 갈색 및 흑색의 (a) Before experiment (b) After experiment with
media only
(c) After experiment with media and PAC
Fig. 9. Photograph of media surface.
(a) Before experiment (b) After experiment with media only
(c) After experiment with media and PAC
Fig. 10. SEM images of media surface.
색상을 띠고 있음을 알 수 있다. 즉, SMSBR에 담체만 을 투여한 반응기에서 실험이 종료한 후에 담체를 꺼내 어 건조시킨 담체는 갈색을 띠고 있어 미생물이 부착되 어 있으며, 담체 및 분말활성탄을 투여한 반응기에서 꺼낸 담체는 검은 색을 띠고 있어 미생물과 활성탄이 담체에 같이 부착된 것으로 판단된다.
이를 확인하기 위하여 운전이 종료된 후에 유동상 담 체를 전자현미경으로 촬영하고 이를 Fig. 10에 나타내 었다. 실험 전의 담체의 표면과 내부에 부착된 미생물 이 없어 깨끗한 형태(a)이지만, SMSBR에 담체만을 투 여한 반응기(b)를 사용한 실험 종료 후의 담체 내부에 는 미생물이 부착된 것을 확인할 수 있었다. 또한 담체 와 분말활성탄을 투여한 반응기(c)를 사용한 실험 종료 후의 담체 내부에는 미생물뿐만 아니라 분말활성탄이 담체에 부착된 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 11은 실험 종료 후에 각각의 반응기에 꺼낸 막 의 표면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다. 담체를 투 여하지 않은 경우 막 세공(pore)이 폐쇄되었고, 분말활 성탄을 투여한 경우(b)가 분말활성탄을 투여하지 않은 경우(a)에 비해 더 많은 세공이 폐쇄되었음을 알 수 있 다. 이에 반해 담체를 투여한 경우에는 분말활성탄을 투여한 경우(d)가 분말활성탄을 투여하지 않은 경우(c) 에 비해 더 많은 세공이 폐쇄되었으나, 두 경우 모두 담체를 투여하지 않은 경우에 비해 세공 폐쇄가 덜 일 어남을 확인할 수 있었다.
된 케이크 층을 제거하는 기능을 함으로써 담체에 의해 SMSBR의 여과성능이 크게 개선됨을 알 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 담체 및 분말활성탄의 유동이 가능한 SMSBR를 농촌마을 하수의 처리에 적용하고, 담체 및 분말활성탄의 투여 유무에 따른 여과성능 및 막간차압 변화를 상호 비교함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) SMSBR의 운전에서 담체는 막 표면에 형성된 케 이크 층을 제거하는 기능을 갖고 있으며, 담체에 의해 SMSBR의 여과성능이 크게 개선됨을 알 수 있었다.
2) 담체를 투여한 침지형 막결합 연속회분식 반응기 를 사용하여 하수를 고도처리 할 때, 91일 이상의 운전 기간 동안 단 1회의 막 세정 없이 운전이 가능하였다.
3) 담체를 투여한 경우와 투여하지 않은 경우 간의 COD, T-N, NH3-N 및 T-P 제거율 차이는 거의 없었다.
4) 담체만을 투여한 경우, 운전 80일 경과 이후의 COD, T-N, NH3-N 및 T-P 평균 제거율은 각각 95.0, 69.3, 94.8% 및 51.4%이었다.
5) 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 경우, 운전 80 일 경과 이후의 COD, T-N, NH3-N 및 T-P 평균 제거 율은 각각 93.9, 78.5, 91.9% 및 46.4%이었다.
6) 담체와 분말활성탄을 모두 첨가한 경우의 MLSS 농도 변화는 1,150~5,000 mg/L (평균 2,435 mg/L)로서 다른 경우에 비하여 낮게 타나나고 있는데, 이러한 이 유는 담체뿐만 아니라 분말활성탄에 미생물이 부착되 는 미생물 담체의 역할을 하기 때문으로 판단된다.
감 사
이 논문은 2016학년도 제주대학교 교원성과지원사업 에 의하여 연구되었음.
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(a) Without media and PAC (b) With PAC only
(c) With media only (d) With media and PAC
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