높은 수리학적부하의 조건에서 내부순환형 회전원판공정을 이용한 도시하수내 질소제거에 관한 연구 = Rotationg biologiacal contactors with internal recirculation using high hydraulic loading for the removal of nitrogen in domestic sewage

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 중·소규모 하수처리시설에 적합하고 질산화 및 탈질화 등의 고도처리시설로 적용이 용이한 생물막 공법의 일종인 회전원판법을 이용하여 실험을 수행하였다. 따라서, 도시하수처리를 목적으로 내부순환탈질공정을 이용한 회전원판법에서 질소제거에 대한 기초적인 설계 및 운전인자의 범위를 확립하기 위하여 RBC 질산화와 탈질실험을 각각 독립적으로 수행하고 RBC 탈질과 질산화를조합한 내부순환탈질 실험을 수행하였다.
질산화에 대한 기초적인 설계범위를 확립하기 위하여 RBC 질산화 실험은 동일 수리학적부하에서반송비에 따라 5가지 형태의 실험으로 수행하였으며 RBC 탈질/질산화 조합시스템은 반송비의 변화에따라 다양하게 변하는 수리학적부하에서 실험을 수행하였다.
반송은 SBOD5와 TOC로 측정된 유입 유기성탄소 농도를 감소시키며 반송비가 증가할수록 유입SBOD5 농도가 15㎎/L 이하로 감소하여 더 높은 질산화율을 나타냈다. 따라서, 내부반송에 의해 조절할 수 있는 유입 SBOD5 농도가 질산화의 중요한 조절요인(Controlling Factor)이다. 질소의 균형(물질수지식)으로부터 알 수 있는 중요한 결과는 탈질화가 진행되지 않는 상황에서 세포의 동화작용에 쓰이는 암모니아성질소의 소모율은 14.3±2.4 %이었다. 생물막의 두께는 질산화와 탈질화에 영향을 미치지 않는다는 것으로 나타났다. 또한 탈질화와 질산화는 같은 단에서 동시에 이루어지지 않으며 같은RBC System에서 일어났다. 반송을 사용함으로써 205 ℓ/㎡day(5 gpd/ft2), 318 ℓ／㎡· day(7.8gpd/ft2)의 높은 수리학적부하에서도 질산화가 이루어졌다. 따라서, 일반적으로 알려진 수리학적부하의범위를 초과하는 본 연구의 높은 수리학적부하에서도 반송을 사용함으로써 질산화가 가능하다는 것을보여주었다.
탈질에 대한 기초적인 설계범위를 확립하기 위하여 RBC 탈질 실험은 일정한 수리학적부하에서 반송비를 조절하여 다양한 SBOD5, NOx-N(Nitrate-Nitrite)부하의 변동이 탈질율에 미치는 영향을 구별하고 조사하기 위해 실험을 수행하였으며 RBC 탈질/질산화 조합시스템은 반송비의 변화에 따라 다양하게 변하는 수리학적부하에서 실험을 수행하였다.
정상상태에서 RBC내 탈질공정을 모의하기 위해 탄소원과 질산성질소 두개의 기질역학을 고려하여Kornegay(1975)와 Dixon과 Brown(1977)의 모델을 사용하였다. 이론적인 Kornegay의 모델을 기초로예측된 값과 측정값 사이에는 상관계수 0.375의 상당한 차이가 있었다. Dixon과 Brown의 경험식에실험결과를 대입하고 최소자승법을 이용하여 탈질율을 산정하였다. 경험모델을 이용하여 예측한 탈질율과 실험결과의 상관계수는 0.847로 나타났다. 또한 탈질/질산화 조합시스템에서 Dixon과Brown(1977)의 경험식을 이용하여 예측한 NOx-N 제거율과 본 연구의 탈질결과를 비교하면 상관관계r=0.903을 얻을 수 있는데 이는 경험식을 이용하여 탈질과정을 90 % 정도 예측할 수 있다는 것이다.
그러므로, 회전원판법을 이용하여 하수처리시설의 탈질조를 설계하는 경우 Dixon과 Brown의 모델을기초로 설계할 수 있다. 결과적으로 침적된 RBC 반응조내 탈질은 유입 유기물농도와 질산부하에 직접적인 영향을 받는 것을 알 수 있다.
추가의 RBC Pilot 장치(RBC B)를 병렬로 설치하여 pH 변화실험을 수행한 결과, RBC 탈질 연구의 적용 가능한 pH 범위는 6∼9, 최적 pH 범위는 6.5∼8.5로 나타났다. 또한 수리학적부하가 증가할수록 NOx-N 제거율이 감소한다. 이러한 사실은 암모니아성질소 제거율이 체류시간과 비례한다는 것과일맥상통한다. 따라서, 반송비의 증가로 인하여 수리학적부하가 증가하더라도 80 % 이상의 제거율을 얻기 위해서는 수리학적부하를 500 ℓ/㎡·day 이하로 유지해야 하는 것으로 나타났다.