국내 폐기물매립지 침출수의 질소제거 및 유기성폐액과의 병합처리 평가 = Evaluation of nitrogen removal in domestic landfill leachate and its co-treatment with organic wastewater

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Composition of wastes sent to landfill is rapidly changing due to changes in waste policies and life environment. thus it is expected that concentration ranges and fluctuations on the characteristics of leachate as a by-product of waste decomposition. This study focuses on effective methods of leachate treatment as well as on characteristic changes of leachate caused by sources of wastes.
Generation and concentration range for both leachate and landfill gas composition were examined over 1,100 days using operation of a column reactor(30x120cm) filled with different types of wastes. Through this experiment, it is addressed that by-products of organic carbon decomposition can be converted into landfill gas, over 97%. This study also showed correlation of time function that enables mid-long term estimation of changes in organic pollutants in leachate.
Two plans for effective leachate treatment were conducted. First, organic by-products from industrial processes were substituted for methanol as a carbon source and its feasibility was assessed. Second, co-treatment of leachate with dehydrated water of food waste(DWF) was successfully carried out. Processes which are currently used in Sudockwon-Landfill were applied to evaluate the performance of two plans.
When carbon source was industrial by-products as a substitute for methanol under the load range of 0.13~0.39 ㎏COD/㎏VSS/day, 0.67~1.12 ㎏COD/㎥/day in denitrification process, there is a linear relationship between loading and removal of COD. It was shown that there is no inhibition on nitrification and removal. Organic compounds remained in the effluent of MLE, denitrification process, when the substitute replaced methanol by more than 50%. Coagulation process, however, was introduced to show better performance than the conventional process without methanol substitute.
This is because a high molecular substance above a 30kD mass contained in by-products from a industrial process is not easily uptaken by microorganism. But, behaviour analysis of humic substance distribution has proven that the high molecular substance played an important role to improve the coagulation efficiency.
It is extremely difficult to purify DWF, an average of its COD concentration is approximately 100 times higher than those of leachate generated from landfill, it is now subject to be treated in a facility due to execution of international agreement related to ocean dumping. In this study, merged treatment of the DWF with leachate took place in an additional anaerobic digestion tank at first, and then biological MLE followed by coagulation process in order to evaluate treatment efficiency. The anaerobic digestion tank was operated, using in the mixture ratio between the DWF & leachate, and HRT as control factor for raised inflow load of organic matters in phase. Under the circumstances, an average of over 92% removal efficiency for organic matters was sustained under 8.5 kg-SCOD/㎥/day and under 0.7 kg-SCOD/kg-VSS/day. 75% organic nitrogen in the DWF was converted into over 90% ammonium-nitrogen, thus water treatment condition for application of nitrogen removal process was created.
Furthermore, coagulation, the final treatment process, was evaluated to play a significant role to effectively remove phosphorus, normal hexane, etc. as well as remove organics and color as it's primarily activity in merging application condition for the DWF.
A dominant organism adopted and adjusted in each process was analyzed. Lactobacillus was dominant microorganism in the anaerobic digestion process where mixture of leachate and DWF were introduced and nitrifiers were dominant microorganism in MLE process: Paracoccus and Mesorhizobium sp. in processes with methanol and by-products, respectively.

국문 초록 (Abstract)

국가폐기물관리정책과 생활환경 변화 등의 원인으로 국내 생활폐기물매립지의 매립대상 폐기물조성이 크게 달라지고 있다. 이러한 매립폐기물 조성변화는 폐기물 분해산물로 발생되는 침출수 수질특성의 변화를 예상케 하므로, 본 연구에서는 매립지침출수 원물질인 폐기물에서 기인되는 수질변화 영향을 조사하였다. 이러한 침출수 수질변화조사의 궁극적인 목적은 안전한 수준으로의 처리에 있으므로, 안전한 수준의 처리수질 확보를 기본으로 하는 효율적 처리방법을 위해 본 연구범위 내에서 두 가지 방법을 시도하였다. 질소제거공정에서 유기성폐액을 활용하여 경제성을 확보할 수 있는 방법과, 해양배출에 의존도가 높아 사회적 문제가 되고 있는 유기성폐액을 침출수와의 병합처리 시도가 그것이다.
폐기물종류에 의한 매립지침출수 수질영향 검토를 위해 ￠30㎝×H120㎝규모의 모형매립반응조에 폐기물종류별로 충전하여 1,100일 경과시간동안 침출수 및 매립가스 발생량과 조성성분 농도범위를 모니터링 하였다. 모형매립반응조에서 방출되는 탄소성분은 분해초기에는 침출수에 용해되어 높은 농도로 나타나다가 점차 메탄생성 조건이 정립되면서 매립가스형태로의 방출량이 대부분을 차지하는 것을 관찰할 수 있었다. 침출수의 유기물농도는 폐기물종류와 무관하게 분해초기 고농도를 나타내다가 급격한 농도저하현상에 이어 저농도 수준을 유지하는 비교적 단순한 변화패턴 특성을 확인하였다. 이러한 특성을 감안하여 매립경과시간과 폐기물종류별 함유도에 따른 침출수 유기오염도에 관한 상관관계식을 도출한 결과, 아래와 같은 기초모델식을 수립할 수 있었다.
매립지침출수의 효율적 처리방안 시도의 첫째는 매립지침출수에 고농도로 함유되어 있는 질소성분제거를 위해 종속영양탈질공정에 외부탄소원으로 메탄올을 대신하여 설탕제조공정에서의 유기성 제당폐액을 활용한 경제성 확보가능성을 평가하였다. 제당폐액을 탄소원으로 투입하는 0.13~0.39 kgCOD/kgVSS/d, 0.67~1.12 kg-COD/㎥/d 부하범위 조건에서 유입부하와 제거량은 선형적 비례관계를 나타내었고, 질소산화 및 제거반응에 저해영향은 없는 것으로 분석되었다. 대체비율 50%이상 투입조건에서는 질소제거공정 처리수에 탄소원투입량 증가로 인한 유기물농도의 잔류현상이 나타났다. 그러나, 후단의 응집공정을 통해 탄소원으로 메탄올을 사용한 동일경우와 비교하여 유사한 수준이거나 좀 더 개선된 수질을 나타내는 것으로 평가되었다. 이는 처리공정흐름에 따라 용존 유기물질, 휴믹물질의 분자량분포 거동분석을 통해 고분자량영역의 성분이 응집효율을 탁월하게 상승시켜 최종처리수질의 개선효과를 주는 것으로 확인하였다.
침출수의 효율적 처리방안 일환으로 진행된 두 번째 시도는 음식폐기물자원화 과정에서 발생되는 유기성폐액인 음식탈리액(음식폐기물 폐수, 일명 음폐수)을 침출수처리과정을 이용하여 침출수와의 병합처리를 유도하였다. 음식탈리액은 매립지침출수와 비교하여 COD 평균농도가 약 100배 이상 고도의 유기오염도를 함유하고 복합기질을 포함하는 특성이 있어 육상처리가 곤란하여 해양배출의존도가 높은 것으로 알려져 있으나, 점차 육상처리를 의무화 하는 방향으로 정책적 의지가 발표되고 있다. 이러한 유기성폐수의 육상처리 필요성이 강하게 요구되는 분위기에서 침출수와의 병합처리 가능성을 평가하기 위하여 질소제거공정의 대체탄소원 활용실험과 마찬가지 처리공정을 기본 모델로 하되, 선단에 혐기소화조공정을 추가 적용하여 처리성 평가를 수행하였다. 침출수와 음식탈리액의 혼합비율과 HRT를 조절인자로 유입부하를 단계적으로 상승시켜 혐기소화를 운영하였다. 그 결과 8.5 kgSCOD/㎥/d이하 및 0.7 kgSCOD/kgVSS/d이하 조건에서 유기물 제거효율이 평균 92%이상 지속 유지되었고, 음식탈리액에 포함된 75% 유기질소가 90%이상 암모니아성질소형태로 전환됨으로써 후단 질소제거공정에서 질소산화가 용이한 수질조건이 갖추어졌다. 특히, 음식탈리액 병합처리과정의 공정흐름에서 최종 응집공정은 잔류유기물질과 색도제거 외, 인(P)과 노르말헥산 성분의 완벽한 제거를 위해 중요한 의미를 갖는 것으로 평가되었다.
매립지침출수 처리효율화를 위한 상기 두 가지 내용의 검토과정에서 생물공정에 우점하고 있는 균주분석결과 침출수와 음식탈리액이 혼합·유입되는 혐기소화공정에서는 lactobacillus가 대부분을 차지하였다. 그리고, 정상적인 MLE공정이 유지되는 조건에서 탄소원으로 메탄올을 사용하였을 때 Paracoccus가, 제당폐액과 같은 복합조성의 탄소원을 투입한 경우에는 Mesorhizobium sp.과 같은 탈질세균이 우점종을 이루는 것으로 분석되었다.
이상의 실험결과를 통하여 매립대상폐기물의 종류별매립량 비율과 시간경과에 따른 침출수 유기오염도와의 상관성을 도출함으로써, 매립지침출수의 폐기물 원물질에 의한 수질영향과 중장기적 수질예측이 가능한 기틀이 마련된 데에 의미가 크다고 할 수 있다. 또한, “매립지침출수의 처리 효율화”를 위해 본 연구에서는 유기성폐액을 활용하였다. 고농도 질소성분 제거공정에 유기성폐수인 제당폐액을 외부탄소원으로 사용하였을 때 경제성 및 처리성 측면에서 효과적이었고, 고유기성폐액인 음식탈리액은 매립지침출수와의 병합처리 방법으로 많은 량을 육상처리 가능하다는 확인은 물론 ‘처리’라는 개념 그 이상의 의미를 갖는 성과를 거둘 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 = 1
• 1. 연구배경 = 1
• 2. 연구목적 및 내용 = 4
• 3. 논문의 구성 = 5
• 제 2 장 문헌연구 = 8
• 1. 매립폐기물 분해 = 8
• 1.1. 폐기물 분해과정 = 8
• 1.2. 폐기물 분해 영향인자 = 15
• 2. 폐기물분해로 생성되는 분해산물 = 20
• 2.1. 침출수 = 20
• 2.1.1. 발생량 = 20
• 2.1.2. 침출수 수질 = 23
• 2.1.3. 용존 유기물질(DOM)과 휴믹물질(Humic substance) = 27
• 2.2 매립가스 = 32
• 2.2.1. 매립가스 발생 메카니즘 = 32
• 2.2.2. 매립가스 발생량 예측 = 36
• 3. 침출수 처리 = 39
• 3.1. 생물학적 유기물질 처리 = 41
• 3.1.1. 혐기소화처리의 이론적 배경 = 41
• 3.1.2. 혐기성 발효관련 연구동향 = 45
• 3.1.3. 기타 유기물처리 방법 = 48
• 3.2. 물리화학적 유기물처리방법 = 49
• 3.3. 질소성분 제거 = 51
• 3.3.1. 종속영양탈질 = 52
• 3.3.2. 종속영양탈질을 위한 탄소원 = 54
• 3.3.3. 독립영양탈질 = 58
• 3.3.4. 화학적 제거방법 = 60
• 제 3 장 폐기물매립지 침출수 발생(매립폐기물 성상별 침출수 발생특성) = 62
• 1. 연구 배경과 수행내용 = 62
• 2. 장치구성 및 실험방법 = 64
• 2.1. 실험재료 및 장치 = 64
• 2.2. 모형매립컬럼 운영방법 = 67
• 2.3. 모니터링항목 = 68
• 3. 침출수 발생특성 = 70
• 3.1. 침출수 발생 = 70
• 3.2. 침출수 수질변화 특성 = 76
• 4. 매립가스 발생특성 = 88
• 4.1. 매립가스 발생 = 88
• 4.2. 매립가스 조성 = 92
• 5. 폐기물분해에 따른 물질이동 = 96
• 5.1. 폐기물 내 유기탄소의 물질이동 = 96
• 5.2. 매립폐기물분해에 따른 침출수발생특성 기초모델 수립 = 101
• 6. 소결 = 106
• 제 4 장 효율적인 침출수 처리
• Ⅰ. 침출수 질소제거공정에 투입 가능한 대체탄소원 후보군 조사와 선정 = 108
• 1. 연구 배경과 수행내용 = 108
• 2. 연구범위 및 실험방법 = 110
• 2.1. 대체물질 후보군 조사와 물질선정 = 110
• 2.2. 후보물질 적용가능성 평가 = 110
• 2.2.1. 후보물질의 성상조사와 대체탄소원 가능성 검토 = 110
• 2.2.2. 후보물질별 대체탄소원 적용성 평가(Lab-test) = 111
• 3. 후보군조사와 선정결과 = 113
• 3.1. 후보군 조사 = 113
• 3.2. 성상분석을 통한 후보물질 선정 = 114
• 3.2.1. 후보군의 성상 및 발생량 조사 = 114
• 3.2.2. 대체 탄소원으로의 사용가능성 평가 = 116
• 4. 후보물질별 대체탄소원 적용성 평가(Lab-test) = 121
• 4.1. 설탕제조공정의 제당폐액 = 122
• 4.1.1. COD 제거능 = 122
• 4.1.2. 질소 제거능 = 124
• 4.2. 의약품 원료물질 생산공정 부산물 = 127
• 4.2.1. COD 제거능 = 127
• 4.2.2. 질소 제거능 = 129
• 4.3. 메탄올 = 132
• 4.3.1. COD 제거능 = 132
• 4.3.2. 질소 제거능 = 133
• 5. 소결 = 136
• Ⅱ. 대체탄소원 적용가능성 평가(Pilot-test) = 138
• 1. 연구 배경 및 수행내용 = 138
• 2. 실험방법 = 139
• 2.1. 탄소원 대체물질 성분분석 = 139
• 2.2. 탄소원으로의 대체가능성 평가 = 140
• 2.2.1. 주요 실험장치 구성 및 운전조건 = 140
• 2.2.2. 대체탄소원의 질소제거공정(MLE) 적용실험 = 143
• 2.2.3. 후단처리공정의 영향평가 = 144
• 3. 대체탄소원 Pilot test 적용결과 = 147
• 3.1. 대체탄소원 대상물질 성상분석 = 147
• 3.2. 생물학적 처리공정(MLE process) 적용결과 = 151
• 3.2.1. 유기물질 = 152
• 3.2.2. 질소성분 = 160
• 3.2.3. 색도(Color Intensity) = 168
• 3.2.4. 알칼리도 = 172
• 3.3 후단처리 기능의 화학응집 = 173
• 4. 소결 = 178
• Ⅲ. 부식질 거동특성 분석 = 180
• 1. 연구 배경과 수행내용 = 180
• 2. 실험내용 및 방법 = 181
• 2.1. 분석대상 시료 = 181
• 2.1.1. 모형매립컬럼 반응조 침출수 = 182
• 2.1.2. 처리공정 내에서의 부식질 거동특성 분석 = 183
• 2.2. 용존 유기성분 중 휴믹성분 분포 분석 = 184
• 2.2.1. XAD 및 양이온 교환수지의 정제 = 184
• 2.2.2. 휴믹물질의 추출 및 정제 = 185
• 2.3. 휴믹물질의 분자량 분리 = 187
• 3. 폐기물성상별 침출수의 용존 유기물질 분포특성 = 189
• 3.1. 폐기물종류별 침출수 용존유기물 함량 분포 = 189
• 3.2. 휴믹 및 비휴믹 성분의 함량분포 = 192
• 4. 처리공정 내에서의 부식질 거동변화 = 197
• 4.1. 침출수처리공정 흐름에 따른 처리수 중 휴믹물질 함량 = 197
• 4.2. 공정흐름에 따른 휴믹물질 분자량분포 거동 = 201
• 5. 소결 = 207
• Ⅳ. 침출수-음식탈리액 병합처리 타당성평가 = 209
• 1. 연구 수행목적과 내용 = 209
• 2. 실험내용 및 방법 = 211
• 2.1. 처리대상 물질의 성분특성 분석 = 211
• 2.1.1. 음식폐기물류처리시설 발생폐수(음식탈리액) = 211
• 2.1.2. 수도권매립지 침출수 = 212
• 2.2. 실험 장치구성과 기본 운영조건 = 212
• 2.2.1. 혐기성 발효공정 적용(Bench scale) = 213
• 2.2.2. MLE 공정(Lab-scale) 및 화학적 후처리(jar-test) = 215
• 2.3. 실험방법과 운전조건 = 216
• 2.3.1. 혐기성 발효공정 = 216
• 2.3.2. MLE(Modified Ludzack Ettinger) process = 219
• 2.3.3. Jar-test = 220
• 2.3.4. 모니터링 및 시험분석 항목 = 221
• 3. 처리대상물질 성분특성 분석결과 = 222
• 3.1. 음식폐기물류 처리시설 발생폐수(음식탈리액) = 222
• 3.1.1. 발생현황 = 222
• 3.1.2. 수질특성 = 225
• 3.2. 수도권매립지 침출수 = 228
• 4. 혐기성 소화(발효)공정 적용과 처리성 평가 = 231
• 4.1. start-up 조건 = 231
• 4.1.1. 공운전, 알칼리 전처리, 이분해 물질 투입, 충수조건 변화 = 232
• 4.1.2. 회분식 및 연속식 유입 = 238
• 4.2. 유입수의 혼합비율별 처리성 검토 = 244
• 4.2.1. 음식탈리액 폐수 : 침출수 = 1 : 2 = 244
• 4.2.2. 음식탈리액 폐수 : 침출수 = 1 : 1 = 246
• 4.2.3. 음식탈리액 폐수 : 침출수 = 2 : 1 = 249
• 4.2.4. 종합분석 = 252
• 5. MLE처리공정 등 후단처리공정 적용성 평가 = 260
• 5.1. MLE(Modified Ludzack Ettinger) 공정적용 = 260
• 5.2. 응집처리(2단 산화응집) 공정 적용 = 264
• 6. 소결 = 270
• Ⅴ. 분자생물학적 기법을 이용한 생물처리공정의 미생물 군집분석 = 272
• 1. 연구 수행목적과 필요성 = 272
• 2. 실험내용 및 방법 = 273
• 2.1. 분석대상 시료 = 273
• 2.2. 분석내용 및 방법 = 275
• 2.2.1. 총균수 및 우점종 분석 = 275
• 2.2.2. 유전학적인 분석(16S rDNA) = 275
• 3. 공정별 미생물군집 분석결과 = 276
• 3.1. 혐기소화조 균주 = 276
• 3.2. MLE process 균주 분석 = 279
• 3.2.1. 탄소원의 종류와 우점 균주의 비교 = 279
• 3.2.2. 음식탈리액 병합처리조건의 우점 균주 = 284
• 4. 소결 = 289
• 제 5 장 종 합 결 론 = 291
• 참 고 문 헌 = 296
• Abstract = 314