막결합형 생물반응기를 이용한 매립지 침출수 처리 = Treatment of Landfill Leachate with Membrane Bio-Reabtor

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 B 위생 매립장에서 발생하는 침출수 처리를 위해 막결합형 생물 반응기(Membrane Bio-Reactor ; MBR)를 적용하여 고농도 유기물 및 질소 성분의 처리 특성을 살펴보고자 하였다. 막결합형 생물반응기의 최적 처리를 위하여 전처리/ 주처리, 후처리 공정으로 구분하여 실험하였으며 각 단위공정별 최적 처리방안을 제시하고자 하였다.
생물반응조로 유입되는 침출수의 오염부하를 저감시키기 위한 전처리 공정으로 화학적 응집과 장기 폭기를 비교하였다. 화학적 응집의 경우 FeCl₃를 1,200mg/L 주입했을 때 제거율은 COD_cr 33.0%, T-N 16.1%, 색도 92.5%를 나타내었고 7일간 장기 폭기 시킨 후 완전 혼합하여 500㎛의 체로 거른 경우엔 COD_cr 25.6%, T-N 24.7%의 제거율을 보여 화학적 응집공정이 효율이 높은 것으로 나타났으나 생물반응조 유입수의 적정 C/N비, 약품비의 과다 등을 감안할 때 장기 폭기 방법이 더 바람직한 것으로 나타났다.
주처리 공정으로는 고농도의 유기물 및 질소를 제거하기 위하여 고농도의 미생물 유지가 가능하고 슬러지의 침강성에 관계없이 안정된 처리수질을 확보할 수 있는 막결합형 생물반응기를 적용하여 적절한 운전조건 수립 및 처리특성을 조사하였다. 200일간 운전한 결과 C/N비 6.6, 수리학적 체류시간 5일에서 COD_cr 및 T-N 제거율은 90%이상을 보였다. 또한 Fn/M비 0.025, F/M비 0.2에서 95%이상의 질산화가 일어났으나, 그 이상의 값에서는 완전한 질산화가 일어나지 않았다. 막결합형 생물반응기의 T-P제거 특성은 수리학적 체류시간 7일에서 94%의 제거율을 보여 유출수의 T-P농도는 1.2mg/L를 나타냈으며 수리학적 체류시간 5일에서도 25mg/L를 나타내어 수리학적 체류시간이 비교적 짧은 경우에도 대부분 제거됨을 알 수 있었다. 본 실험에서는 한외여과막의 운전압력을 l.2atm으로 일정하게 유지하였으며 Flux는 25LMH를 기준으로 하여 그 이하로 떨어질 경우 NaOCl을 이용하여 화학적 세척을 실시하였으며 세척주기는 1개월에 1회 정도인 것으로 나타났다.
후처리 공정으로는 막결합형 생물반응기에서 제거가 어려운 난분해성 유기물질과 색도 성분을 제거하기 위하여 화학적 응집, Fenton 산화, 오존 산화 등을 대상으로 실험을 수행하였다. 화학적 응집 실험에서는 FeCl₃를 1,000mg/L 주입한 결과 COD_cr과 색도 제거율이 54% 및 84%로 나타났다. Fenton 산화 실험에서는 Fe^2+ : H₂O₂가 750mg/L : 1,500mg/L에서 COD_cr 제거효율은 51%, 색도 제거효율은 82%를 나타내었다. 오존 산화 실험에서는 10분 접촉 후 오존 발생량 550mg O₃/L에서 COD_cr의 농도가 368mg/L에서 256mg/L로 감소하여 32%의 제거효율을 보였으며 색도의 경우 490PtCo에서 98PtCo까지 감소하여 80%의 제거효율을 보였다. 이와 같은 후처리 공정들의 처리특성을 종합하여 비교한 결과 유기물 제거를 위해서는 FeCl₃에 의한 응집과 Fenton산화가 적합하고 색도 제 거를 위해서는 FeCl₃에 의 한 응집과 Fenton 산화, 오존 산화가 적합한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 최적 후처리 공정으로 유기물 제거 뿐만 아니라 색도 제거 효율이 뛰어난 FeCl₃에 의한 응집과 Fenton 산화중 비교적 운전이 용이하고 톤당 유지관리비가 적은 FeCl₃에 의한 응집을 최적공정으로 선정하였다
본 연구에서는 매립장 침출수의 적정 처리공정 도출을 위하여 앞서 수행된 실험결과를 종합하여 최적 침출수 처리공정을 구성하였다. 전처리 공정으로는 장기 폭기에 의해 유입 침출수의 유기물 및 암모니아성 질소의 부하량을 줄인 뒤 주처리 공정인 막결합형 생물반응기에 의해 유기물 및 T-N을 제거하고 후처리 공정으로 FeCl₃에 의한 응집 공정을 적용하여 막결합형 생물반응기에서 제거되지 못한 난분해성 유기물질을 처리하므로서 침출수를 법적 기준 이내로 처리할 수 있도록 처리공정을 계획하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was carried out to investigate the treatability of Membrane Bio-Reactor(MBR) process for B sanitary landfill leachate with high concentration of organic material and nitrogen compounds. For the optimal treatment of leachate, the process was classified into pre-treatment, main treatment, and post-treatment to provide optimal treatment methods and operating conditions of each unit process.
As a pre-treatment process to reduce organic loading rate into membrane bio-reactor, chemical coagulation and extended aeration were compared. The optimal dosage for chemical coagulation was 1,200mg/L of FeC13 and the removal efficiency of COD,, T-N and Color were 33.0%, 16.1% and 92.5%, respectively. In case of extended aeration with detention time of 7days, the removal efficiency of COD, and T-N were 25.6% and 24.7% after screening with 500#m mesh screen. Even though chemical coagulation showed better efficiency than extended aeration, the latter one would be more prospective when considering C/N ratio of influent into bio-reactor and chemical cost.
As a main treatment process, treatability study of MBR was carried out for removing high concentration of organic material and nitrogen compounds. From the operation of MBR for leachate during 200days, the optimum values for C/N ratio and HRT were obtained as 6.6 and 5days, respectively. At the optimum operation conditions, the removal efficiency of COD, and T-N were above 90%. During the experiments, nitrification rate was maintained above 95% at F?M ratio of 0.025, F/M ratio of 0.2. The effluent concentration of T-P was maintained as 1.2mg/L and 24mg/L for 7days and 5days of HRT, respectively. For the optimum operation of membrane in MBR system, linear velocity and transmembrane pressure was maintained at 1.8m/sec and 1.2atm, respectively. During the study, operating flux was maintained above 25LMH by applying chemical rinse every month.
As a post-treatment process, chemical coagulation, Fenton oxidation, and ozone oxidation were examined to remove non-biodegradable COD and Color which were hard to remove in MBR process. Among the various chemical coagulation process, FeC13 showed best removal efficiency for COD,(54.0%) and Color(84.0%). In case of Fenton oxidation, the optimum mixture of reagent was 750mg Fee' and 1,500mg H202/L and the removal efficiency for COD, and Color were 51.0% and 82.0%, respectively. In case of Ozone oxidation, the removal efficiency for COD, and Color were 32.0% and 80.0%, respectively at the optimum conditions such as contact time of l0min and dosage of 550mg 03/L. From the results of post-treatment experiment, chemical oxidation with FeC13 would be the best unit process since it showed relatively high removal efficiency for both organic material and color.
From the results of treatability studies for landfill leachate, the optimum processes could be composed of extended aeration as pre-treatment, MBR system as main treatment, and chemical coagulation using FeC13 as post-treatment.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약 = i
• 그림차례 = v
• 표차례 = vii
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구내용 = 2
• 제2장 문헌연구 = 4
• 2.1 폐기물 발생 현황 = 4
• 2.2 침출수 발생량 및 침출수 처리현황 = 5
• 2.3 매립지 침출수 특성 = 8
• 2.3.1 수질특성 = 8
• 2.3.2 국내·외 침출수 특성 = 11
• 2.3.3 국내·외 침출수 배출허용기준 = 13
• 2.4 침출수 처리방법 = 15
• 2.4.1 단독처리 및 연계처리방법 = 15
• 2.4.2 매립지 연령변화에 따른 적정 처리방법 = 16
• 2.4.3 침출수중 성분에 따른 적정 처리방법 = 17
• 2.4.4 막결합형 생물 반응기 = 18
• 2.4.5 물리·화학적 처리방법 = 28
• 제3장 실험장치 및 방법 = 35
• 3.1 실험장치 및 방법 = 36
• 3.1.1 전처리 = 36
• 3.1.2 주처리 = 37
• 3.1.3 후처리 = 40
• 3.2 분석방법 = 43
• 제4장 실험결과 = 44
• 4.1 침출수 성상분석 = 44
• 4.2 전처리 공정 = 45
• 4.2.1 화학적 응집 = 45
• 4.2.2 장기 폭기(Aeration) = 48
• 4.2.3 적정 전처리 공정 선정 = 51
• 4.3 막결합형 생물 반응기를 이용한 침출수 처리 특성 = 53
• 4.3.1 C/N비에 따른 매립지 침출수 처리 특성 = 53
• 4.3.2 F/M비 및 F_n/M비에 따른 매립지 침출수 처리 특성 = 56
• 4.3.3 막결합형 생물 반응기의 T-P제거 특성 = 57
• 4.3.4 Flux의 변화 = 58
• 4.4 후처리 공정 = 60
• 4.4.1 화학적 응집 = 60
• 4.4.2 Fenton 산화 = 63
• 4.4.3 오존 산화 = 67
• 4.4.4 최적 후처리 공정 = 69
• 4.5 최적 침출수 처리공정 도출 = 72
• 제5장 결론 = 74
• 참고문헌 = 76
• Abstract = 81