2003. 1. 28

1. 충주호 남한강 유역내 소규모 마을하수도 오·폐수 영양염류 처리 장치 개발 2003. 1. 28 연구사업구분 : 산학연협력연구(환경신기술개발)소 속 : 충북지역환경기술개발센터 /충북대학교 / 용진환경㈜ / ㈜이엔바이오21연 구 기 간 : 2002. 4. 1 – 2003. 2. 28.(11개월)연구사업비 : 63,000 천원 연구책임자 : 충북대학교 환경공학과 이 상 일

2. 연구의 목적 ▣읍·면 단위, 아파트 단지, 군부대 병영 등의 마을하수도 및 축산폐수와 같이 소규모로 배출되는 오·폐수 중 유기물, 질소 및 인과 같은 영양염류 처리 ▣ 유출수를 중수도 수질로 정화하여 재이용할 수 있는 package 형태의 처리시설 개발 및 실용화 수계 권역 수질관리에 대한 특별종합대책 • 환경기초시설 투자사업 관리 • 자치단체 수질개선 대책 추진관리 • 환경정보·통계 체계 구축 • 환경기초 조사사업 • 조류 예보제 및 녹조방지 대책 • 오염 총량 관리 시행 여건조성 • 마을하수도 전환협의 개선 • 개발사업의 친환경 방향 검토·추진 등

3. 연구의 목적 ▣ 호소와 하천의 오염 및 부영양화의 주요 원인이 되고 있는 생활하수 및 소규모 마을 오·폐수에 함유된 유기물 및 영양염류를 효과적으로 처리할 수 있는 처리공정 필요 ◈ 소규모 오·폐수 처리시설 문제점 1. 시설 투자비용 증가 2. 수질기준의 강화 3. 적은 재정적인 지원 규모 4. 운영유지관리비의 제한 5. 유량과 농도의 커다란 변화 6. 운영유지관리의 어려움 7. 폐슬러지 발생량이 많음 8. 에너지 효율이 낮음 9. 영양염류 제거 등

4. 연구의 필요성 ♣ 기술적 측면 ♣ 경제 · 산업적 측면 유기물 및 영양염류 처리 유입 유량 및 농도 변화 대처 system 폭기제어에 의한 효율증진 및 에너지 절약 C/N 비가 낮은 하수 질소 및 인의 효과적 처리 유기산 주입 효율 최대화 중수도 생산 여과공정 폐슬러지 발생량 절감 내충격 부하 system 시설비 절감 및 건설 기간 단축 Compact화에 따른 부지면적 절감 경제적, 효율적 처리공정 - 경비 절감 중수도 사용 –물 부족 문제 해결. 용수공급 탄력성 관거시설 소규모화 - 시설비 절감, 하수도 보급율 확대 독자 기술, 상품화 –기술독립, 외화절약 용수 재이용 - 경비 절감 ♣ 사회 · 문화적 측면 비관리 점 오염원 관리화 - 수계 보호 소규모 오염 배출소 현장처리 –효율증진, 환경보호 유기물, 질소 및 인 동시처리 –하천, 상수원 보호 중수도 이용 - 공공 수역 수질오염 경감, 가용재원 효율적 배분 국민적 애로 사항 해결 - 환경산업의 친화 시설화 처리 대상지역 확대 - 환경시설 선진국화 물 재이용 - 합리적 물 이용사회 구현

5. 연구의 내용 및 범위 • ▣ 혐기성 발효(Imhoff형)에 따른 유기산 생성의 연구 • ▣ 폐수 성상에 따른 폭기 제어시스템 운전인자 및 효율평가 • ▣ 부착 담체 또는 매체 충진에 따른 성능 평가 • ▣ 탈질 반응시 외부 탄소원 효율평가 • - 침전슬러지 발효유기산 및 기타 외부탄소원 비교 • - 외부탄소원 주입방법 연구, - C/N비 변화에 따른 효율평가 • ▣ 여과공정 개발 • - lab scale의 운전인자 도출, - 여재 성능 평가 • ▣Pilot plant 운영 및 적용 • - 운전인자 도출, - 운전시 문제점 파악

6. ▣ 혐기성 발효(Imhoff형)에 따른 유기산 생성의 연구 ☞도시하수 처리장 1차 침전슬러지 고형성분의 유기산화의 양 및 이용 가능성 평가 ☞ 체류시간, 운영조건 조사 = 혐기성 조건, TVA, SCOD 및 VSS 변화 측정, = 발효 조건( 상온 26℃, pH조정 및 교반을 하지 않음 ) ☞초기 TVA, SCOD 농도 – 815, 950mg/L 7일 후 TVA, SCOD 농도 - 2,205, 3,138mg/L ▶ 5일 후 = 증가되지 않음(최적시간 사료)       VSS농도 – 초기(16,800mg/L), 7일 후(10,200mg/L) : 감소 그림 1-1. 발효된 도시하수에서 TVA 및 SCOD 농도 변화. 그림 1-2. 발효된 도시하수에서 VSS 농도 변화.

7. ▣ 혐기성 발효(Imhoff형)에 따른 유기산 생성의 연구 ☞상온인 26℃ ☞VSS 감소함에 따른 TVA는 생성율 = 0.28 gTVA/gVSS ☞ TVA 생성에 따른 SCOD 생성율 = 1.43 gSCOD/gTVA 그림 1-3. VSS 감소에 따른 TVA 생성과의 관계. 그림 1-4. TVA 생성에 따른 SCOD 생성과의 관계.

8. ▣ 혐기성 발효에 의한 유기산 생성 및 공정운영에 대한 연구 ☞ 1차 침전슬러지 유기산의 사용 가능성 ☞ 외부유기물 주입방법 영향 평가 = 2단 폭기 제어시스템 운영, SRT 20day, HRT 12hr, C/N ratio 7.1 = 유기산 주입량 : 유입 TKN 4.5배 COD = RUN 1(주입이 없는 경우), RUN II(전반 15분 주입), RUN III(연속 주입) → 주입 부하량 동일, 제2 폭기 제어조 주입 ☞ MLSS 농도(mg/L) - RUN 1(2,100), RUN II(2,540), RUN III(3,530) TCODcr 효율(%) - RUN 1(80), RUN II(82), RUN III(83) 그림 2-1. 유기산 주입에 따른 MLSS 및 MLVSS 농도의 변화. 그림 2-2. 유기산 주입에 따른 공정의 유기물 농도의 변화.

9. ▣ 혐기성 발효에 의한 유기산 생성 및 공정운영에 대한 연구 ☞유입 TKN, NH4+-N 평균농도 = 35, 27mg/L 유출 TKN, NH4+-N 평균농도 = 5, 3mg/L TKN 효율(%) - RUN 1(91), RUN II(86), RUN III(83) NH4+-N 효율(%) - RUN 1(92), RUN II(87), RUN III(86) 그림 2-3. 유기산 주입에 따른 공정의 TKN 농도의 변화. 그림 2-4. 유기산 주입에 따른 공정의 암모니아 농도의 변화.

10. ▣ 혐기성 발효에 의한 유기산 생성 및 공정운영에 대한 연구 ☞NO2--N 농도= 유기산 주입에 관계없이 존재하지 않음 NO3--N 평균 농도(mg/L)- RUN 1(17), RUN II(5), RUN III(1) ☞ 유입 TN 평균 농도(mg/L) – 35 유출 TN 평균 농도(mg/L) - RUN 1(20), RUN II(11), RUN III(7) TN 효율(%) - RUN 1(43), RUN II(69), RUN III(80) 그림 2-5. 유기산 주입에 따른 NO3--N 및 NO2--N 농도의 변화. 그림 2-6. 유기산 주입에 따른 공정의 총질소 농도의 변화.

11. ▣ 혐기성 발효에 의한 유기산 생성 및 공정운영에 대한 연구 ☞ 유입 TP 평균 농도(mg/L) – 5 유출 TP 평균 농도(mg/L) - RUN 1(2.9), RUN II(2.2), RUN III(1.2) TP 효율(%) - RUN 1(42), RUN II(56), RUN III(76) 그림 2-8. 유기산 주입에 따른 공정의 총인 농도의 변화. 그림 2-9. 유기산 주입에 따른 공정의 총인 제거효율.

12. ▣ 메디아에 대한 연구 ☞ Media를 이용한 반응조 부피 및 부지면적 최소화 장점 ☞ 유동상 media 4가지, 충진율(10%), HRT(24hr) 등 동일 조건으로 질산화 미생물 부착 = 유입 암모니아 평균 농도 – 208 mg/L = 영양염류 – BOD 희석수 주입 → 질산화율 평가 ☞부착 미생물량(mg) – L사(139), K사(150), P사(120), S사(136) Media 질산화율(mgNOx-N/MLVSS/hr) - K사(0.06), L사(0.048), S사(0.048), P사(0.036), 그림 3-1. 메디아 종류별 시간에 따른 NOx-N 농도의 변화. 그림 3-2. 메디아 종류별 질산화율의 비교.

13. ▣ 2단 폭기제어시스템 운영시 메디아의 영향 ☞유동상 Media를 적용 가능성 평가 ☞ 유동상 media K사 BioCube 충진(용적비10%(v/v)), HRT(12, 10, 7hr), 반응조 용량(9.8 L) ☞ 공정운영 – Type I(메디아를 주입하지 않은 경우), Type II(메디아를 주입한 경우) = MLSS 농도(mg/L) – Type I(2,560), Type II(2,330) = HRT 변화(12, 10, 7 hr) 유기물 제거효율(%) - Type I(89, 90, 89), Type II(89, 88, 88) ☞ TKN유입 농도(mg/L) – 43 = HRT 변화(12, 10, 7 hr) TKN 제거효율(%) - Type I(83, 78, 44), Type II(83, 83, 63) ☞메디아 주입 유 ∙무에 따라 유출수 질산염 및 아질산염 농도변화 - 차이가 없음 ☞ TN유입 농도(mg/L) – 43 = HRT 변화(12, 10, 7 hr) TN 제거효율(%) - Type I(62, 61, 30), Type II(64, 63, 44) 그림 4-1. 메디아 주입 및 HRT 변화에 따른 총질소 농도. 그림 4-2. 메디아 주입 및 HRT 변화에 따른 총질소 제거효율 비교.

14. ▣ 오·폐수 처리장치의 pilot plant 운영 ☞일 처리용량( 5ton/day), HRT(8hr), 반송량(유입량 50 – 100%) ☞ 유입수 특성 – 온도(9.7℃), BOD5,(56.6mg/L), CODMn(40.1mg/L), SS(49.5mg/L), T-N(13.8mg/L), T-P(1.0mg/L), BOD5/TN ratio(4.3) = MLSS 농도(mg/L) – 제1(1,123), 제2(1,102) = 유출 BOD5, , CODMn농도– 2.7, 5.4 mg ☞ TN, TP유입 농도(mg/L) – 13.8, 1.0 = TN, TP 유출 농도(mg/L) / 제거효율(%) – 5.4 / 59.5, 0.6 / 52 그림 5-1. 유입수의 T-N 농도변화. 그림 5-2. 유입수의 BOD5/T-N ratio와 제거효율 관계.

15. ▣ 처리수 재이용을 위한 여과공정 ☞여과사 표면 성질 변화에 따른 여과성능 평가 ☞ 여재 종류 – Non-coating, Al coating, Fe coating 및 Al + Fe coating ☞ pH 변화 -- 4.22, 5.12, 7.582 및 10.04 = 상향류식, 유입농도(10 mg/L), 컬럼 유속( 10 ml/min), 공극율(40%) ☞ pH 4.22 = Al coating이 가장 효과적이지만 Fe coating은 비효율적임 ☞ pH 5.12 = Al coating이 가장 효과적 ☞ pH 7.582 = Fe coating보다 Al과 Al + Fe coating이 더 효과적, 제거 효율(30 분) 90% ☞ pH 10.04 = 산성 및 중성 결과와 다르게 Al coating의 경우 흡착 지속 시간이 약 8 시간 지속(95%) 그림 6-1. 여과사 코팅에 따른 합성폐수의 농도변화(pH 7.58). 그림 6-3. 여과사 코팅에 따른 합성폐수의 제거효율(pH 7.58).