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1 하 폐수 고도처리 및 핵심요소기술 Advanced sewage and wastewater treatment and development of important point technologies Bio magnetite를 이용한 고도하수처리 Advanced sewage treatment using Bio magnetite (주)대우건설 기술연구원 환 경 부

2 제 출 문 환경부장관 귀하 본 보고서를 Bio magnetite를 이용한 하수고도처리에 관한 연구 (총 연구기간 : 24년 6월 1일~26년 5월 31일)의 최종보고서로 제출합니 다. 26 년 7 월 일 주관연구기관명 :대우건설기술연구원 연구책임자 : 이 의 신 연 구 원 : 허 용 록, 정 진 호 : 임 정 대, 박 현 수 : 이 용 세, : 이 광 윤, 손 춘 호 : 최 우 재, 오 대 진 : 백 승 복 외부연구원 : 이 상 민(공주대학교) 위탁기관명 : 한국과학기술원 위탁연구책임자 : 신 항 식 연 구 원 : 정 형 석, 서 창 원 : 안 용 태, 이 명 렬 : 김 이 중, 이 장 현 : 이 중 원 1

3 요 약 문 I. 제목 Bio-magnetite를 이용한 고도하수처리 II. 연구개발의 목적 및 필요성 질소와 인의 유출 증가로 인한 국내 호소 및 하천과 해양 연안의 부영양화 문 제는 최근 인구의 증가와 산업의 발달로 인한 생활하수 및 산업폐수의 증가가 중요 한 원인으로 판단된다. 또한 국내 대부분의 하수처리장은 유기물과 고형물 제거만 을 목적으로 설계되어 있기 때문에 부영양화 문제를 대처하고 있는 못한 실정이며, 하수관거 부실로 건설된 고도하수처리장도 운전에 어려움을 겪고 있다. 국내에도 다양한 고도하수처리 공법이 소개되어 몇몇 하수처리장에서 적용하고 있다. 처리용량이 적은 소규모 하수처리장의 경우는 운전이 용이한 SBR의 적용이 두드러지며, 대규모 신설 하수처리장의 경우는 A 2 /O 계열의 고도하수처리 공법을 적용하고 있다. 고도하수처리장 내에 미생물 농도가 증가해서 발생하는 문제점을 해결하기 위 해서 많은 연구가 진행되었다. 그중에서도 막결합형 생물반응조(Membrane bioreactor, MBR)는 침전이 필요 없기 때문에 슬러지 침강성 문제를 해결할 수 있 다. 그러나 처리비용이 비싸고 대규모 처리시설에는 적용한 사례가 없다는 한계가 있다. 또한 MBR은 기존 하수처리장 개선보다는 신규 하수처리장에 적용할 수 있는 공정이기 때문에 개선해야할 표준활성슬러지 공정이 많은 국내에서는 부적합하다고 판단된다. 본 과제에서 제안되어 연구될 Bio-magnetite를 이용한 저비용 신하수고도처리 공정은 DNR 공정을 개선하여 유기물 및 질소, 인과 같은 영양물질을 효과적으로 제거하고, 호기조에 유입된 슬러지 침강성이 향상시켜서 안정된 방류수 수질을 얻 을 수 있다. 2

4 III. 연구개발의 내용 및 범위 1. Iron dust 특성 평가 Iron dust의 성분 분석을 통해 하수처리장에서의 적용가능성을 평가하고 추후 실험과정 에서 얻을 실험결과의 기본 자료로서 사용할 수 있게 하였다. 금속원소들을 분석하고 그 용 출 특성을 파악함으로써 유출수에의 유입가능성을 판단하였다. 부상가능한 입자들을 분석 함으로써 최적 입자크기와 주입조건을 조사하였다. 2. Iron dust가 슬러지에 미치는 영향 Iron dust 첨가에 따른 슬러지의 침강성을 분석하여 추후 Pilot-scale 실험의 기본자료 로 활용하였고 미생물의 활성도 측정을 통해 iron dust와 미생물의 상호작용을 연구하였다. Lab-scale 실험으로 iron dust가 첨가된 슬러지의 탈수율을 조사함으로써 슬러지 감량화 방 안도 모색하였다. 침전된 슬러지가 상향 유속의 변화에 따fms 거동을 분석하여 iron dust의 주입에 따른 침전성을 평가하였다. 3. Bio-magnetite 공정운전 평가 Lab-scale과 Pilot-scale 반응기를 구성하여 전체적인 공정의 안정성과 효율을 평가 하고, 실규모 적용을 위한 scale-up factor를 조사하였다. Iron dust을 첨가한 반응조와 그렇지 않은 반응조 각각의 처리수에서 유기물 및 영양물질을 분석하고 반응조의 MLSS와 MLVSS를 주기적으로 측정함으로써 공정에 필요한 설계인자를 구하였다. 4. Biomagnetite 공정 모델링 연구 일반적인 활성슬러지 공정에서 2차 침전조는, 폭기조에서 넘어온 처리수 중 미 생물을 침전 분리시켜 깨끗한 상등액만 내보내는 역할과 침전조 하부에서 미생물을 농축한 후 폭기조로 반송시켜 전체 공정 내에 미생물 농도를 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 이와 같은 2차 침전조를 설계하고 갑작스런 유입수량의 증가로 인한 침전효율악화 등을 예측한 후 제어하기 위해 여러 연구자들이 2차 침전조 모델을 개발하였다 3

5 IV. 연구개발결과 1. Iron dust 특성 평가 Iron dust의 성분을 분석한 결과는 iron dust는 무게비로 Fe가 약 25%, Ca가 약 27%, Al, Mg, Mn이 각각 1.6, 3.9, 2.3%를 차지한다. Ca의 용출은 5시간 후에 대부분 이루어졌고 이후부터는 안정화되는 경향을 보였다. 교반 속도가 5 rpm인 경우는 iron dust가 부상을 거의 하지 않는 것으로 판단된다. 반면 교반 속도가 증 가함에 따라서 부상하는 입자의 양과 평균 크기도 같이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 실제 공정에서 교반 강도가 위 범위의 강도보다 강할 것으로 예상되며 3 μm 정도의 크기를 가진 입자는 물속에서 부유할 것으로 예상된다. 2. Iron dust가 슬러지에 미치는 영향 Iron dust를 주입한 경우 슬러지 층은 초기에 매우 빠른 침전을 보이며 주입량 에 따른 차이가 분명하게 나타남을 확인할 수 있었다. 이것은 iron dust의 큰 비중 으로 인해 iron dust와 결합한 슬러지의 침전성이 크게 향상되는 것을 판단된다. 최 대 침전성 향상 비율은.437이며, Sakai 등 (24)과 같이.5 g iron dust/g MLVSS를 이용한다면, SVI 비율이.778로 iron dust를 넣지 않은 경우보다 SVI가 22.2% 좋아질 것으로 예상된다. iron dust에 순응되지 않은 미생물에 iron dust를 갑자기 넣었을 때는 미생물 활성에 조금씩 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 하지 만 활성의 저해 정도는 크지 않다. 특히 초기에 기질을 섭취한 후 내생호흡단계에 서는 iron dust를 넣은 경우와 넣지 않은 경우 OUR이 거의 비슷했다. 오히려 iron dust를 넣은 쪽이 더 크게 나왔다. iron dust에 순응된 후 미생물의 활성은 iron dust를 주입하지 않은 경우와 거의 비슷했다. 즉 iron dust를 주기적으로 주입하는 경우에는 미생물에 미치는 영향은 거의 없다고 말할 수 있다. iron dust 주입이 슬 러지 탈수율에 약간 영향을 주는 것으로 나타났지만 탈수율 실험 방법의 한계로 정 확한 평가를 위해서는 연속 운전으로 나온 슬러지를 실제 탈수 공정으로 평가해야 할 것으로 판단된다. 3. Bio-magnetite 공정운전 평가 Lab-scale 반응조 운전 결과 MLSS 농도 변화추이에서 볼 수 있듯이 전체적으 4

6 로 iron dust를 넣은 쪽 반응기 (WID, with iron dust)의 MLSS 농도가 큰 것을 알 수 있다. MLVSS 농도의 경우도 비슷한 경향을 나타내고 있으며 두 반응기의 MLVSS 농도차이가 MLSS보다는 작지만 WID 반응기의 호기조 내 미생물 농도가 더 많이 유지되고 있는 것을 확인할 수 있다. 두 반응기의 SRT가 길고 유기물이 혐기조 및 무산소 조에서 거의 완벽히 제거되기 때문에 어떤 조건에서도 질산화는 큰 영향을 받지 않았으며, 유출수 중 암모니아 농도는 항상 1 mg N/L 이하로 유지 되었다. 반응조 내에 고농도의 미생물이 존재하면 오염물의 생물학적 분해속도가 증가하기 때문에 iron dust를 이용한 반응기(WID)의 생물학적 질소 및 인 제거율이 약간 높은 것으로 나타났다. HRT가 감소함에 따라서 총질소 제거율은 약간 증가하 였지만 총인제거율이 크게 증가하였다. WID 반응기의 경우 18.5% 증가하여 HRT 가 8시간일 때보다 더 짧은 6시간일 때 훨씬 좋은 처리효율을 나타내고 있다. Iron dust의 주입에 따른 가장 큰 이점은 슬러지의 침전성 향상이다. Semi-pilot Bio-magnetite 공정 구성은 DNR(Daewoo Nutrient Removal) 공정 과 같다. Iron dust를 계속적을 주입하여 슬러지 침전성을 향상시킨 Bio-magnetite 공정(WID)과 Iron dust만 주입하지 않고 다른 조건은 완전히 같은 일반 DNR 공정 (WOID)을 비교 운전한 결과, 슬러지의 SVI는 각각 15 ml/g과 124 ml/g으로 iron dust를 넣은 경우가 슬러지 침전성이 더 좋았다. 이로 인해서 WID가 WOID보 다 유출수 내 고형물 농도가 비교적 안정했으며 슬러지 유출이 더 적은 것으로 나 타났다. 이로 인해서 유출수 내 유기물 및 TN, TP 농도가 모두 iron dust를 넣지 않아 슬러지 침전성이 약간 높은 WOID 공정보다 낮았다. 본 실험에서도 유입 유량 조절 부분에서 문제가 있어 어려움이 있었는데 이런 상황에서 iron dust를 넣은 경 우 더 안정하게 반응기를 운전할 수 있었다. Pilot Bio-magnetite 공정 역시 DNR을 기본으로 구성되었다. 호기조에 연속적 으로 iron dust를 주입하여 반응조를 운전하였을 때, 운전 기간 동안 Bio-magnetite 를 주입한 반응기의 MLSS는 조금씩 증가하는 반면, MLVSS는 일정한 값을 보이 는 것을 알 수 있다. 이것은 주입한 iron dust가 슬러지와 결합하여 미생물의 농도 가 증가한 것처럼 보이는 것으로서, 결과적으로 개별 미생물의 밀도가 iron dust에 의해 증가했을 것으로 예상할 수 있다. 이 결과를 통해 iron dust 첨가에 따라 MLSS가 증가한 것처럼 보이지만 실제로 전체 미생물의 양은 크게 변화하지 않았 다는 것을 알 수 있다. 운전 시작 후 3일정도가 지난 후, iron dust를 주입하지 않 5

7 은 반응조는 벌킹으로 인해 슬러지의 유실이 일어났음에도 불구하고 주입한 반응조 는 안정된 결과를 보였다. 앞서 보았듯이 미생물의 양은 두 반응조가 크게 차이가 나지 않았기 때문에 유기물, 질소, 인 등 오염물질의 제거능은 WID반응조가 조금 더 나았지만 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 침전과 관련된, 탁도나 슬러지 계면 높이, TSS는 큰 차이를 보였다. V. 연구개발결과의 활용계획 관련 학회 및 전시회 등을 통한 지속적인 기술홍보를 통하여 기술의 대외적인 공신력을 확보하고, 기술약정 업체와의 유기적인 관계를 유지하여 기술적용 사례를 늘림으로써 기술료 수익을 제고할 계획이다. 그리고 당사의 사업관련 유관부서와 연계하여 package화된 기술의 대규모 사업으로의 적용을 위한 인프라를 구축하여 기술사업 확대와 하수처리전문 엔지니어링사를 대상으로 한 지속적인 공정설명을 통하여 단위구역별 중 소규모 하수처리 공정에의 적용을 꾀할 예정이다. 6

8 SUMMARY I. Title Advanced wastewater treatment using Bio-magnetite II. Background and Purpose Economic value of water has to be considered in the development of any kind of management scheme related to water resources. Restoring water quality in lakes and reservoirs and/or preventing pollution leading to eutrophication or to any other kind of water degradation, needs to be examined from an economic standpoint. This means both to understand the origin of such problems and to implement more successful programmes for restoration and prevention. The concepts of water scarcity and economic value, as well as of externalities and other aspects associated with the allocation of water among uses and users, are emphasized. The need to improve public health protection prompted health departments to establish guidelines and regulations to control the public health aspects of wastewater. These initial guidelines provided a rational basis for continuing wastewater treatment while meeting strict public health criteria. The development of advanced wastewater treatment technology is one of the most urgent task upon us. In this project, the improvement of settleability derived from using biomagnetite will enhance the performance of DNR process. 7

9 III. Scope and Methods 1. Analysis of fundamental characteristics of iron dust Element analysis is performed to acquire a fundamental data of biomagnetite to estimate results of following experiments. Leachability of an iron dust and mixing intensity to raise an iron dust is carried out. 2. Effects of iron dust on sludge Results acquired from settleability of sludge will be used to analyze pilot-scale experiments. Activity of micro organism will be compared to that of WOID to examine the basic mechanism of iron dust and micro organism in the reactor. In the lab-test, dehydration of waste sludge added with iron dust will be estimated to analyze the effects of iron dust on sludge. 3. Process performance estimation Lab-scale and pilot-scale reactors were built to analyze the stability and the effectivity of iron dust process and to find scale-up factors. Design parameters needed to maintain the process were derived from the monitoring the concentrations of organics, MLSS and MLVSS etc. IV. Results 1. Analysis of fundamental characteristics of iron dust Fe proportion was 25% by weight, Ca was 27%, Al, MG, Mn were 1.6, 2.9, 2.3%, respectively. Ca leaching was completed after 5 hours. 5 rpm of mixing intensity does not raise most of the iron dust, but more iron particles rise as the intensity increases. 8

10 2. Effects of iron dust on sludge Iron dust in DNR processes could successfully improve sludge settleability and nutrient removal efficiency. The biomass concentration in the oxic reactor of WID process was higher, because of high sludge settleability, Therefore the nutrient removal efficiency was also higher. In this operating condition, the settling problems did not happen in the secondary settling tank. If the settling problems happen, WID process can control the secondary settling tank, safely. These results demonstrated the possibility of facilitating the operation of activated sludge process exhibiting poor settleability, and saving both space of facilities and the time for sludge settling. V. A pplication of Study Results Present study will be published in various conferences and advertised to many construction companies to acquire a public confidence. And cooperation with Daewoo E&C, which is a mother-company of the institute will accelerate the application to small/medium sized wastewater treatment company. 9

11 CONTENTS Exhibition 1 Summary 2 Contents (in English) 1 Contents (in Korean) 12 Chapter 1. Introduction 14 Paragraph 1. Needs of the research Necessity of advanced wastewater treatment Status of advanced wastewater treatment in Korea The problems in operating advanced wastewater treatment 2 4. Necessity of developing the new technology of advanced wastewater treatment The problems of the sewage sludge treatment in Korea 23 Paragraph 2. Research purpose and scope 24 Chapter 2. Status of the technology 27 Paragraph 1. Foreign status of the technology Foreign status of wastewater treatment with magnetite Foreign status of patents 32 Paragraph 2. Domestic status of the technology Domestic status of wastewater treatment with magnetite Domestic status of patents The difference between foreign and domestic technology 39 Chapter 3. Methods and results of the research 4 Paragraph 1. Characteristics of iron dust 4 1. Composition of iron dust 4 2. Size of iron dust to rise 52 Paragraph 2. Effects of iron dust on sludge Evaluation of the sludge settability as increasing iron dust dosage 58 1

12 2. Effects of iron dust on microorganism activity Effects of iron dust on sludge dewatering Estimation of the height of sludge blanket in clarifier as increasing upflow rate 72 Paragraph 3. Results of operating Bio-magnetite process Results of operating lab-scale Bio-magnetite process Results of operating semi-pilot-scale Bio-magnetite process Results of operating pilot-scale Bio-magnetite process 123 Paragraph 4. Modelling of Bio-magnetite process Comparison with sludge settability using settling model Modelling of semi-pilot-scale Bio-magnetite process 166 Paragraph 5. Economical Efficiency of Bio-magnetite process Manufacturing of Iron dust Economical Efficiency of Bio-magnetite process 21 Chapter 4. Accomplishment and contributions of the research 23 Paragraph 1. Evaluations of the results 23 Paragraph 2. Contributions of the research 27 Chapter 5. Application plans of the research results 28 Paragraph 1. Application plans of technology transference The plans in The plans after Paragraph 2. Effects of newly developed technology Fields of applying the newly developed technology The plans of commercializing the newly developed technology 21 Chapter 6. Reference 212 Appendix

13 목 차 제 출 문 1 요 약 문 2 CONTENTS 1 목 차 12 제 1 장 서 론 14 제1절 연구개발의 필요성 하수 고도처리의 필요성 국내 고도하수처리 현황 주요 고도하수처리공정과 운전 시 문제점 2 4. 새로운 고도하수처리 기술개발의 필요성 국내 하수 슬러지 처리의 문제점 23 제2절 연구개발의 목적 및 범위 24 제 2 장 국내외 기술개발 현황 27 제1절 국외기술현황 해외의 Magnetite를 이용한 하수 및 폐수처리 현황 국외 관련특허출원 현황 32 제2절 국내기술현황 국내의 Magnetite를 이용한 하수 및 폐수처리 현황 국내 관련특허출원 현황 국내외 유사기술과의 차별성 39 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과 4 제1절 Iron dust 특성 평가 4 1. Iron dust 성분 분석 4 2. 부상 가능한 iron dust 입자 크기 평가 52 제2절 Iron dust가 슬러지에 미치는 영향 58 12

14 1. Iron dust 주입량에 따른 슬러지 침강성 효율평가 Iron dust가 미생물 활성에 미치는 영향 평가 Iron dust 주입이 슬러지 탈수율에 미치는 영향 상향유속 변화에 따른 슬러지 층 상승 실험 72 제3절 Bio-magnetite 공정 운전 결과 Lab-scale Bio-magnetite 공정 연속운전실험 결과 Semi-pilot Bio-magnetite 공정 운전 Biomagnetite를 이용한 하수고도처리 Pilot-scale 공정 123 제4절 Bio-magnetite 공정 모델링 연구 침전조 모델을 이용한 슬러지 침전성 비교 Semi-pilot Bio-magnetite 공정 모델링 166 제5절 경제성 평가 Iron dust 제조기술 실규모 도입을 위한 경제성 평가 21 제4장 연구 개발 목표 달성도 및 대외기여도 23 제1절 연구 개발 목표 달성도 23 제2절 대외 기여도 27 제 5 장 연구 개발 결과의 활용 계획 28 제1절 기술이전 및 연구결과 활용계획 년 활용계획 차년도 이후 활용계획 28 제2절 기대효과 기술 개발 시 활용분야 사업화 추진 계획 21 제 6 장 참고문헌 212 부 록

15 제 1 장 서 론 제1절 연구개발의 필요성 1. 하수 고도처리의 필요성 우리나라의 연간 강수량은 약 1,2 mm 정도로 자연으로부터 공급받는 수자원의 총량은 부족하지 않다. 그러나 우리나라는 몬순기후에 속하고 있어서 건기와 우기 의 구분이 뚜렷하다. 우기에 속하는 6 8월 사이에 연간 강수량의 7 8%가 내린 다. 또한 국내 하천들의 하상계수가 비교적 큰 편이다. 따라서 우기에 집중적으로 내린 대부분의 강우가 수자원으로 사용되지 못하고 바다로 흘러나가고 있는 실정이 다. 따라서 UN은 우리나라를 26년부터는 물 부족 국가로 분류할 것이라고 발표 하였다. 우리나라는 이와 같은 자연환경 때문에 발생하는 물 부족 문제를 해결하기 위해 예전부터 크고 작은 저수지를 건설하여 바다로 흘러나가는 수자원을 저장한 다음 필요할 때 사용하고 있다. 이들은 모두 넓은 의미에서 인공 호소이며, 이것들이 국 내 전체 용수 공급의 4%를 담당하고 있다. 그러나 국내 대부분의 인공 호소는 심 각한 부영양화 상태에 놓여있다. 질소와 인과 같은 조류 발생에 영향을 주는 영양 염류들이 하천과 호소로 계속적으로 유입되어 부영양화 문제를 일으키고 있다. 표 1-1은 1997년부터 22년까지 국내 주요 상수원의 조류경보 발령현황을 나타낸 것 이다. 팔당호와 대청호의 경우는 1999년을 제외하고 거의 매년 조류주의보가 발령 된 것을 볼 수 있다. 지난 동강댐 건설 중단 사건에서 알 수 있듯이 앞으로 새로운 인공 호소 건설이 매우 힘든 상황에서 현재 사용되고 있는 인공 호소의 부영양화 문제는 국내 수자원 공급 차원에서 심각한 문제가 되고 있다. 14

16 표 1-1 국내 주요 상수원의 조류경보 발령현황 구 분 팔당호 주의보 경 보 7.23~11.3 (13일간) 7.7~7.29 (23일간) 6.29~7.1 (12일간) 7.1~7.29 (2일간) 대발생 주의보 8.26~11.29 (96일간) 9.9~1.9 (31일간) 1.4~1.31 (28일간) 9.1~ ~ ~1.4 (문의지역, 26일간) 대청호 경 보 8.1~27 (18일간) (21일간) 8.11~8.31 주암호 대발생 주의보 경 보 (21일간) 8.4~8.1 (7일간) 9.9~11.4 (57일간) 대발생 인공 호소의 부영양화 문제로 인한 수자원 공급의 문제뿐만 아니라, 하천 및 해 양연안의 부영양화도 심각한 상태에 놓여 있다. 매년 심각한 녹조현상으로 용수 공 급에 문제를 겪고 있는 낙동강뿐만 아니라 남해안 연안의 적조문제 또한 질소 및 인과 같은 영양염류로 인해 발생하고 있다. 해안 연안의 적조현상의 경우 작년 상 반기에만 29억 원 이상의 피해액이 발생하였다. 질소와 인의 유출 증가로 인한 국내 호소 및 하천과 해양 연안의 부영양화 문제 는 최근 인구의 증가와 산업의 발달로 인한 생활하수 및 산업폐수의 증가가 중요한 원인으로 판단된다. 또한 국내 대부분의 하수처리장은 유기물과 고형물 제거만을 목적으로 설계되어 있기 때문에 부영양화 문제를 대처하고 있는 못한 실정이며, 하 수관거 부실로 건설된 고도하수처리장도 운전에 어려움을 겪고 있다. 환경부는 하수처리장 방류수로부터 질소와 인의 유출을 줄이기 위해서 하수처리 장 방류수 수질 기준을 단계적으로 강화하고 있다. 표 1-2과 1-3은 강화된 방류수 수질기준과 대상 지역별 적용시작 시기를 나타내고 있다. 우선 국내 인구 절반의 용수를 책임지고 있는 팔당호는 22년부터, 나머지 4대강 유역은 금년부터 강화된 수질 기준이 적용되고 있다. 그리고 28년부터는 모든 지역에서 주로 질소와 인에 대한 수질기준이 강화된 새로운 방류수 수질기준이 적용될 예정이다. 15

17 25, 2, 하 수 발 생 량 ( 천 톤 / 일 ) 15, 1, 5, 연 도 그림 1-1 국내 하수발생량 표 1-2 하수종말처리장 방류수 수질기준 강화계획 구분 BOD SS 총질소 총인 대장균군수 현행 2이하 2이하 6이하 8이하 - 강화 특정지역 1이하 1이하 2이하 2이하 3,이하 기타지역 2이하 2이하 6이하 8이하 3,이하 표 1-3 대상지역별 방류수 수질기준 강화시작 시기 대상지역 잠실상수원 팔당특별대책지역 4대강 수계 나머지 지역 방류수 수질기준 강화시작 시기 22년 24년 28년 환경부는 강화된 방류수 수질 기준을 만족시키기 위해서 하수처리체계를 질소 인 중심으로 전환한다고 발표하였으며, 기존의 하수처리장에 질소와 인까지 제어할 수 있는 고도하수처리시설 설치사업 업무처리일반지침을 배포하여 하수 중에서 질 소와 인을 처리하려는 강한 의지를 표명하고 있다. 또한 매년 막대한 예산을 책정 하여 하수도 보급률을 8%까지 증가시킬 계획을 가지고 있다. 표 1-4는 연차별 하 16

18 수종말처리시설 확충사업 예산을 나타내고 있다. 표 1-4 연차별 추진계획 사업별 예산구분 계 21년까지 22년 23년 24년이후 하수종말처리 시설 확 충 계 165,735 78,831 17,268 16,667 52,969 국고 93,73 42,457 9,216 9,63 32,454 지방비 72,5 36,374 8,52 7,64 2,515 다음은 우리나라가 질소와 인을 제거할 수 있는 고도하수처리공정을 도입해야 하 는 이유를 정리하였다. - 방류 수역의 수질 환경기준의 달성 도시하천과 같이, 고유수량이 적고 하수처리수로서 수량의 대부분이 점유되는 경 우와, COD의 총량규제가 이루어지는 경우에는, 방류수역의 수질환경기준 혹은 COD의방류 규제치를 달성하기 위하여 BOD 또는 COD를 대상으로 하는 고도처리 가 필요하다. - 폐쇄성 수역의 부영양화 방지 만의 안쪽 및 호소등과 같은 폐쇄성 수역에서는, 적조 또는 수화(water bloom) 등 플랑크톤의 발생 등에 의한 이수상의 피해를 방지하기 위해서 그 원인이 되는 질소, 인의 유입부하량을 줄여야 할 필요가 있다. 이와 같은 폐쇄성 수역에 처리수 를 방류하는 경우에는, 질소, 인을 대상으로 하는 고도처리가 필요하게 된다. - 방류수역의 이용도 향상 방류수역의 이수상의 이유에 의해 고도의 방류수질이 요구되는 경우가 있다. 고 도처리의 제거 대상 물질은 부유물, 유기물, 영양염류, 기타 등이 있으며, 각각의 제 거 대상 물질에 대하여 다양한 처리 방식이 존재한다. 17

19 - 처리수의 재이용 하수처리수의 재이용에는 수세용수, 살수용수로서의 이용과 조경용수로서의 이용 이 있다. 재이용에는 그 이용 목적에 따라 처리대상 물질이 다르게 된다. 2. 국내 고도하수처리 현황 23년말 국내에서 운영 중인 고도하수처리장은 전체 243개의 하수처리장 중 62 개소(일부만 고도처리시설인 경우도 1개소로 추정)로 아직 매우 부족한 상황이다. 그리고 대부분의 고도하수처리장은 소규모이기 때문에 고도처리되는 하수의 처리량 기준으로 다시 계산하면, 전체 처리되는 하수 중 7.1%만이 질소와 인 제거가 이루 어지고 있는 실정이다. 표 1-5는 국내 하수처리장 공법을 처리용량별로 분류해 놓 은 것이다. 표 1-5에서 확인되듯이 대규모의 경우는 거의 모두 표준활성슬러지 공 법이 적용되고 있으며 고도하수처리장의 경우 대부분 소규모로 운전되고 있으며 중 규모의 경우 A 2 /O 계열 공법이 적용되고 있다. 따라서 환경부는 23년부터 27년 까지 4,8 억 원을 투자하여 고도하수처리 시설을 확충할 계획이다. 현재 운영 중인 하수처리장 중에는 대부분 재래식 활성슬러지 공정이 차지하고 있으며, 고도하수처리공법으로는 A 2 /O 계열이 가장 많이 적용되고 있다. 그림 1-2 는 23년 말 각 하수처리공법별 비율을 처리용량을 기준으로 나타내고 있다. 이와 같이 우리나라는 기존에 건설되어 운영 중인 대부분의 하수처리장에 고도하수처리 시설을 설치해야하는 상황에 놓여 있다. 환경부는 기존 하수처리장 고도처리시설 설치사업 업무처리일반지침 을 발표하고 기존 하수처리장을 고도처리시설로 바꿀 것을 권고하고 있다. 18

20 그림 1-2 하수처리공법 별 처리용량 비율(23년 말) 표 1-5 처리공법별 하수처리장 분류 Capacity First Conventional (1, Treatment Activated ton/day) Sludge Second Treatment Nutrient Removal Long aeration Oxidation Rotating Ditch Plate Number ~1 Capacity Etc SBR A2O 4StageBNR /DNR Etc 1~5 5~1 1~5 5~1 1~5 5~ Number Capacity Number Capacity Number Capacity Number Capacity Number Capacity Number 1 1 Capacity

21 3. 주요 고도하수처리공정과 운전 시 문제점 고도하수처리에 대한 관심이 높이지면서 국내외 많은 연구진들은 이미 오래전부 터 다양한 고도하수처리공법에 대한 연구를 수행하여 여러 고도하수처리공정을 개 발하였다. 표 1-6는 국내외 주요 고도하수처리공정의 장단점을 비교하고 있다. 국내에도 다양한 고도하수처리 공법이 소개되어 몇몇 하수처리장에서 적용하고 있다. 처리용량이 적은 소규모 하수처리장의 경우는 운전이 용이한 SBR의 적용이 두드러지며, 대규모 신설 하수처리장의 경우는 A 2 /O 계열의 고도하수처리 공법을 적용하고 있다. 그러나 고도하수처리 공법의 경우는 기존의 표준활성슬러지 공법과는 다른 운전 상의 문제점을 가지고 있다. 하수 중에 질소를 제거하기 위해서는 먼저 암모니아성 질소가 질산화되는 단계를 거쳐야 한다. 이와 같은 역할을 담당하는 질산화 미생물 의 성장기간이 다른 미생물보다 길기 때문에 안정된 질산화 미생물 농도를 얻기 위 해서는 긴 미생물체류시간(SRT)을 필요로 하게 된다. 그러나 반응기를 운전할 때 SRT를 길게 유지하면 반응조 내 미생물량이 증가하고, 미생물과 처리수를 분리시 켜야 하는 최종침전지에 고형물 부하를 증가시키는 문제를 발생시킨다. 또한 최종 침전지 하부에서 고농도의 미생물이 농축되어 있으므로 탈질 반응이 일어나 슬러지 가 질소가스로 인해 슬러지 rising 현상이 일어나게 된다. 이와 같은 문제들은 미생 물이 침전조 상등액과 함께 유출되어 처리 수질을 악화시키며, 반응기 운전에도 악 영향을 주게 된다. 고도하수처리장 내에 미생물 농도가 증가해서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 서 많은 연구가 진행되었다. 그중에서도 막결합형 생물반응조(Membrane bioreactor, MBR)는 침전이 필요 없기 때문에 슬러지 침강성 문제를 해결할 수 있 다. 그러나 처리비용이 비싸고 대규모 처리시설에는 적용한 사례가 없다는 한계가 있다. 또한 MBR은 기존 하수처리장 개선보다는 신규 하수처리장에 적용할 수 있는 공정이기 때문에 개선해야할 표준활성슬러지 공정이 많은 국내에서는 부적합하다고 판단된다. 2

22 표 1-6 국내외 주요 고도하수처리공정의 장단점 비교 공정 개요 장점 단점 운전이 용이함 저부하시 처리장 운영이 단일 반응조에서 오 폐수 중소규모 처리장에 적용 어려움 의 유입 및 처리수의 유출 사례 많음 대용량에 적용이 어려움 SBR 이 일어나는 공정으로 정 해진 시간의 배열에 따라 침전지 설치 불필요 부하변동에 강함 슬러지 벌킹 대책이 곤 란 각 단위 공정이 연속적으 폭기조 규모가 연속식보 현재 전국에 설치되어 로 일어남 다 작고 유량조정조가 필 있는 하수처리장의 성능개 요없는 경우도 있음 선작업에 적용이 어려움 2차 침전지에서 슬러지 A2O 변법 반응조를 혐기조, 무산소 조, 호기조로 구성하여 슬 러지 반송으로 질소와 인 을 동시에 제거하는 공정 국내외 적용사례가 많음 운전 및 관리가 용이함 저부하시 반응조구분으 로 인하여 처리가 용이함 유출의 우려가 있음 Nitrate에 의한 인방출 저해 내부반송 필요 배관 및 펌프 등 시설이 복잡 담체 교체로 인해 유지 관리비 상승 담체를 이용하여 높은 부지면적이 적게 소요됨 담체의 유동을 위해 과 담체이용공법 MLSS와 긴 SRT를 유지 하여 고농도하수와 저온 고농도하수 및 저온 하 수에 강한 대응력 다한 포기량 필요 슬러지 박리시 정상가동 운전에 유리 슬러지 벌킹이 없음 까지 장시간 소요 운전이 복잡함(담체 관 리) 부지가 많이 소요 산화 공법 하나의 반응조에서 공기주 입에 따른 탈질 및 질산화 반응을 시켜 유기물과 질 소를 제거하는 공정 운전이 용이함 보수점검이 간단 SRT가 길어 유기물 및 질소제거에 상대적으로 우 수함 저온시 처리효율이 급격 히 저하됨 수류의 영향으로 산화구 에 사각지대가 형성되어 침전될 수 있음 국내 기존하수처리장에 적용할 수 없음 21

23 4. 새로운 고도하수처리 기술개발의 필요성 환경부는 앞으로 하수처리 제거 대상이 질소와 인으로 전환되면서 다양한 계획을 수립하고 있다. 2년도부터 신설되는 하수처리장은 모두 고도하수처리 공법을 적 용하고 국내 고도하수처리 공법에 대한 평가와 인식전환을 위해 경기도 구리하수처 리장에 고도처리공법 모형시설단지를 설치 운영하였다. 또한 기존 하수처리장의 경 우는 상수원 수질 영향권지역부터 시설을 개선한 다음 전국적으로 확대 추진할 계 획이다. 따라서 환경부는 기존 하수처리장에 고도처리시설 설치 사업추진 과정에서 고려하여야 할 조치사항 제시하고 사업추진의 효율성을 도모하기 위해 기존 하수 처리장 고도처리시설 설치사업 업무처리일반지침 을 제정하였다. 위 지침서에서 기존 하수처리장을 개선할 경우 운영 실태를 먼저 분석한 다음 성 능이 양호할 경우 우선 기존처리공법을 유지 또는 수정하는 운전개선방식 (Renovation)을 권고하고 있다. 환경부에 따르면 기존 운영 중인 시설 중 상당수 처 리장이 유입유량의 조절, 포기방식의 개선, 구내반류수 등 슬러지 계통의 운영개선, 연계처리수의 효율적 관리, 여과시설 설치 등 최소비용으로 수질개선을 할 수 있다 고 보고 있다. 따라서 간단한 운전개선방식으로 개선할 수 있는 새로운 고도하수처 리 기술개발이 필요하다. 운전개선 및 설비의 보완만으로는 강화된 방류수 수질기준 준수가 곤란한 경우 기존처리공법을 변경하는 시설개량방식(Retrofitting)을 권고하고 있다. 이 경우 기 존 처리장 부지확장의 한계성을 고려하여 처리효율이 비슷할 경우 처리장 부지가 가능한 한 적게 소요되는 고도처리시설을 선정하고, 기존 포기조의 수리학적체류시 간(HRT)이 6시간 이상일 경우 기존 처리시설과 호환성이 있는 MLE, A 2 /O 계열 등의 공법으로 변경하는 것을 추천하고 있다. 그리고 기존 처리장이 표준활성슬러 지 공법일 경우, SBR(Sequencing Batch Reactor)로의 시설을 개량할 경우 기존처 리시설의 사장화가 발생되므로 반드시 사양할 것을 강조하고 있다. 이와 같이 기존 하수처리장의 운전개선 및 시설개량을 할 경우 다양한 처리장 조 건 및 유입수 조건에 적합한 고도하수처리 기술개발이 필요한 실정이다. 지금까지 여러 고도하수처리 공법이 소개되었지만 아직 현장 도입단계에 있기 때문에 다양한 조건에서 연구가 필요하다. 또한 여러 가지 예상되는 고도하수처리 시 문제점을 보 완하기 위한 연구도 필수적으로 이루어져야한다. 22

24 5. 국내 하수 슬러지 처리의 문제점 하수도 보급률 및 하수 처리율이 급격하게 증가하면서 하수 슬러지 발생량도 계 속해서 증가하고 있다. 21년 한 해 동안 발생한 하수 슬러지 량은 1,9천 톤이었 으며, 25년까지 건설될 하수처리장을 고려해서 예상된 연간 하수 슬러지 발생량 은 약 3,1천 톤이다. 이러한 하수 슬러지는 초기에는 대부분 매립에 의존하였지만 매립지에서 침출수 및 악취, 작업상의 지반다짐 문제로 인해서 지양하고 있으며, 23년 7월부터는 일일 만 톤 이상 처리하는 하수처리장(243개 하수처리장 중 134 개소)에서 발생하는 하수 슬러지의 직매립을 전면 금지했다. 그리고 25년부터는 축산폐수 및 분뇨처리시설까지 확대 적용될 예정이다. 따라서 매립으로 처리되는 하수 슬러지의 양이 계속해서 줄어들고 있지만 직매립을 대체할 적정 처리공법의 부재로 인해 현재 해양투기에 크게 의존하고 있는 실정이다. 21년 발생한 하수 슬러지 19만 톤 중 73%인 14만 톤이 서해와 동해지역에 있는 배출해역에 투기되 었다. 금년에 환경부가 내놓은 하수 슬러지처리 종합계획에서도 25년 하수 슬러 지 처리대책에서 해양투기 비율은 줄어들었지만 전체적인 하수 슬러지 발생량의 증 가로 인해 연간 약 18만 톤을 해양에 배출할 것이라고 발표했다. 그러나 런던협약 (1996년)에 의해 선진국은 해양배출이 법으로 금지되었으며 국내에서도 해양수산부 에서 해양배출을 규제하는 입법을 준비 중에 있어 해양배출 금지에 따른 대비책 마 련이 시급한 실정이다. 23

25 제2절 연구개발의 목적 및 범위 본 과제에서 제안되어 연구될 Bio-magnetite를 이용한 저비용 신하수고도처리 공 정은 그림 1-3과 같은 개념도를 가지고 있다. Bio-magnetite 고도처리공정은 DNR 공정의 최종침전조를 개선하여 자력을 이용할 수 있도록 고안되었다. 전체 공정은 유기물 및 질소, 인과 같은 영양물질을 효과적으로 제거하고, 유입수와 같이 유입된 자력성분을 갖고 있는 iron dust는 최종침전조에서 자력에 의해 슬러지 침강성이 향상시켜서 안정된 방류수 수질을 얻을 수 있다. 본 공정의 구성은 그림 1-4와 같 고 아래와 같은 특징을 갖는다. 그림 1-3 Bio-magnetite 공정 개념도 그림 1-4 Bio-magnetite 고도처리공정 24

26 기존 하수처리장에 쉽게 적용 가능: 하수처리장 최종침전조에 슬러지 침전성에 문제가 있을 경우 최종침전조에 자석을 설치하고 유입수와 함께 자력 성분을 주입 하여 쉽게 적용. 반응기 내 고농도 미생물 유지 가능: 슬러지 침강성 향상으로 반응조 내에 미생 물 농도를 높게 유지. 고율 고도하수처리 가능: 높은 미생물 농도로 인해 빠른 오염물 제거가 가능. - DNR 공정 DNR공정은 표준활성슬러지법을 근간으로 하여 포기조를 혐기와 무산소조 조건 을 추가로 만들어 줌으로써 미생물의 특성을 이용하여 생물학적으로 질소 및 인을 동시에 처리할 수 있는 공법이다. 한편, DNR공정에서 질산성질소의 혼합액을 무산 소조로 내부순환시켜 탈질시키는 방식은 A2/O공법과 유사한데 A2/O공법에서는 반 송슬러지내의 질산성질소로 인한 혐기조에서 인 방출시 저해 영향을 많이 받는다. 따라서 A2/O공정처럼 반송슬러지가 혐기조로 유입되는 경우에는 인 제거율 뿐만 아니라 질소 및 유기물 제거율도 저조하게 된다. 따라서 이러한 단점을 보완한 MUCT 및 VIP공정이 질소 인 처리에서 A2/O공정보다 우수한 결과를 보이게 되 는 것이다. 하지만, MUCT 및 VIP공정은 반송슬러지내의 질산성질소를 제거하기 위해서 무산소조로 반송하여 탈질산화 후 내부반송으로 혐기조로 미생물을 공급하 게 되는데에 따른 내부순환 펌프의 추가 설치로 경제성 저하뿐 아니라 유지관리의 복잡성으로 적용상 어려운 단점이 있다. DNR공정은 A2/O의 단점 및 MUCT의 단점을 보완한 신공법으로 반송슬러지 내 의 질산성질소 제거 및 유지관리의 편리성을 도모하기 위하여 개발되었다. 반송슬 러지를 제 1혐기조(슬러지탈질조)로 반송시켜 질산성질소를 제거한다. 이때, 내생탈 질에 의하여 유기물을 최대한 이용하여 2~3mg/l정도의 질산성질소를 탈질산화 반응에 의하여 제거시킨다. 제 2혐기조에서는 유입되는 하수와 제 1혐기조에서 유 입되는 미생물을 이용하여 인을 유입농도의 3~4배까지 방출시킨다. 이때 ORP는 -1~-45mV를 유지토록 한다. 무산소조에서는 호기조에서 질산화된 혼합액을 탈질산화 반응에 의하여 질산성질 소를 질소가스로 제거시켜 대기중으로 방출한다. 이때의 ORP 값은 -1~mV를 25

27 유지한다. 포기조에서는 혐기조에서 방출된 인을 과잉 섭취하여 제거시키고 유입하수의 암 모니아성질소를 질산성질소로 질산화시킨다. 또한 혐기, 무산소에서 미제거된 유기 물도 함께 제거된다. 포기조의 용존산소 농도는 2.~3.mg/l를 유지하며, 포기조 유출부에서 용존산소 농도는 2mg/l이하로 억제시킨다. 이는 내부반송시 과도한 용 존산소가 무산소조로 반송되는 것을 억제하고 이차침전지내에서 혐기성 상태로 인 한 인의 재방출을 방지하기 위함이다. 자력을 이용할 수 있도록 개선된 최종침전지는 침전조 하부에 자석을 설치하여 유입수오 함께 유입된 magnetite 성분과 슬러지를 자력에 의해 빠른 속도로 침전시 킨다. 본 공정에서는 magnetite 성분으로 제철소에서 발생하는 iron dust를 이용하 는 것을 제안한다. - Iron dust 제조 기술 본 연구에서 사용될 자력 성분은 제철소에서 부산물로 발생하는 iron dust를 이 용할 것이다. iron dust는 자체적으로 자력을 가지고 있는 magnetite가 약 6%, 나 머지는 CaO와 MgO 및 소량 물질로 구성되어있다. 제철소에서 폐기물 형태로 발생 한 iron dust는 하수처리에 사용되기 전에 적당한 전처리를 거쳐야 한다. 오염물 및 미생물이 최대한 많이 흡착하기 위해서 적당한 크기와 재질을 갖게 만드는 공정이 다. 26

28 제 2 장 국내외 기술개발 현황 제1절 국외기술현황 1. 해외의 M agnetite를 이용한 하수 및 폐수처리 현황 197년대부터 magnetite를 이용하여 물의 탁도 및 색도의 원인 물질인 콜로이드 성 입자와 바이러스 및 박테리아를 흡착에 의해 제거하는 쪽으로 연구가 시작되었 다. Magnetite는 자성을 가지고 있을 뿐만 아니라 ph조건에 따라 magnetite 표면의 이온상태가 바뀌는 성질을 가지고 있다. ph 조건이 낮은 영역에서는 magnetite 표 면이 양이온을 띠게 되므로 주로 음이온을 띠는 콜로이드가 magnetite 표면에 흡착 되어 제거되고 바이러스와 박테리아도 비슷한 원리로 제거된다. 그리고 magnetite 를 재생하기 위해서는 ph를 높여서 magnetite 표면이 양이온을 띠게 만들어 흡착 되었던 물질을 탈착하면 된다. 이와 같은 성질은 그림 2-1에서 확인할 수 있다 (Anderson, 1982). ph 조건에 따라 다른 이온을 띠는 magnetite의 성질을 이용한 실규모 공정도 제안되어 있는 상황이다. 그림 2-2는 Anderson(1983)에 의해 제안된 공정흐름도를 나타내고 있다. 그림 2-1 ph에 따른 magnetite 흡착 능력 27

29 그림 2-2 CSIRO process flow chart de Latour(1974)는 대장균 및 탁도, 색도 제거에 대한 연구를 수행해서 매우 뛰어 난 제거효과를 나타냈다는 결과를 발표하였으며, Mitchell(1974, 1975)에 의해서도 이와 같은 결과가 확인되었다. Bitton(1974)는 magnetite에 의한 bacteriophase T 7 의 흡착제거를 연구하였다. 교 반시간을 변화시켜 bacteriophase T 7 의 제거율을 실험한 결과, 1분 정도면 95% 이 상의 제거율이 획득할 수 있었다(표 2-1). 적정 magnetite 투입량 평가에서는 1 mg/l 투입할 때까지는 바이러스의 제거율이 급격히 증가하였다가 그 이상에서는 천천히 증가하였다(그림 2-3). 마지막으로 바이러스 양을 변화시킨 실험에서는 바이 러스 농도가 14, pfu/m로 높았을 경우도 98%의 제거율을 나타내었다(표 2-2). Macrae(1983)은 E.coli를 이용해서 ph와 양이온에 의한 영향을 평가하였다. E.coli 의 흡착으로 제거되는 양은 ph 5 8 사이에서는 큰 영향을 받지 않았으며, 양이온 (Ca +, Mg + )가 존재할 경우 흡착이 더 잘 일어나는 것으로 나타났다(그림 2-4). 28

30 표 2-1 Effect of time of shaking* on the removal of virus T7** by magnetic filtration*** Time of shaking (min) % removal * The flask were shaken at 1 rev min -1 on a rotary shaker ** The original concentration of virus T 7 was 34 viruses ml -1 *** The magnetic filtration was undertaken in the presence of 5 ppm magnetic and 1 ppm CaCl 2 표 2-2 Effect of virus concentration on the removal of bacteriophage T7 by magnetic filtration* Virus input (pft ml -1 ) % removal * The viruses were shaken on a rotary shaker (1 rev min -1 ) for 3 min in the presence of 5 ppm of magnetite and 1 ppm of CaCl 2 29

31 그림 2-3 magnetite 투입량에 따른 영향 그림 2-4 ph 영향 3

32 이와 같이 magnetite 표면의 전기적 특성을 이용해서 오염물질을 흡착제거하는 연구 이외에 응집제와 magnetite를 투입하여 오염물을 응집시킨 후, magnetite가 가지고 있는 자성으로 침전속도를 향상시켜 하수와 폐수 중에 포함되어 있는 인 및 중금속을 빠른 속도로 제거하는 연구가 수행되었다. 원래는 고구배자기분리(High gradient magnetic seperation, HGMS)라고 불리는 전자석으로 만든 자장공간내에 서 자성물질을 선별하는 기술이지만 이와 같은 원리를 수처리에 적용하여 응집 침 전을 빠르고 효과적으로 일어나도록 유도한 것이다. Bitton(1974)는.25 ppm 정도 로 매우 낮은 농도의 인을 포함하고 있는 하천수에 알럼과 magnetite를 주입하고 1 분간 교반시킨 후 수 분 만에 89%의 제거율을 얻을 수 있었으며(그림 2-5), 중금속 의 경우도 1%에 가까운 제거율을 보였다(Terashima, 1986). 또한 앞에서 말한 탁 도, 색도 및 박테리아와 바이러스도 자력을 이용하여 매우 빠른 속도로 제거하는 연구가 실행되었다. 그림 2-5 magnetite 투입량이 인 제거에 미치는 영향 31

33 199년대 들어서 Sakai(1991)는 magnetite를 이용하여 활성슬러지의 침강성 향상 에 관한 연구를 수행하였다. 일반 활성슬러지 2,4 mg/l에 magnetite 2, mg/l 와 응집제로 polypeptone을 2 1, mg/l를 투입하면서 슬러지 층 침전속도를 비교한 결과, polypeptone이 8 mg/l 이하인 조건에서 3 15배의 슬러지 층 침전 속도가 향상되었으며, 1, mg/l에서는 2 36배의 향상이 있었다. 2. 국외 관련특허출원 현황 하수 내의 유/무기물질과 금속수화물의 응집/침전을 이용하여 제거하는 기술, 그 리고 magnetite로 슬러지의 침강성을 높이는 기술과 관련하여 일본에서 출원된 특 허는 다음과 같다. (가) 특허명 : Wastewater treatment agent 특허권자 : Kawasaki Enterprise 출원일자 : 1996년 9월 3일 요약 : 유입 하수 내에 존재하는 고농도의 유기오염물질을 제어하기 위해 iron, aluminium, titanium 등의 수산화물과 유기물의 흡착/응집 반응을 유도한다. 반응은 크게 세 단계로 이루어지고 각각 주입되는 특정 reagent는 각각 iron sulfate, aluminium sulfate, titanium sulfate이다. 그리고 실험적으로 알아낸 각 reagent의 적정 주입량은 각각.1-.3 mol/l,.1-.5 mol/l, 그리고.5-.1 mol/l이다. (나) 특허명 : Activated sludge settling promoter and activated-sludge treatment of waste water using the sane 특허권자 : Kurita Water Industry Ltd. 출원일자 : 1997년 3월 14일 요약 : 하수 처리과정에서 슬러지의 침강성을 높이기 위해서 폭기조에 자성을 가지 는 iron oxide나 nickel, ferrite 등을 첨가한다. 자성을 가지지 않는 금속성 분말을 첨가할 수도 있는데 그 비율은 5:95~95:5까지 가능 32

34 (다) 특허명 : Dephosphorization of wastewater containing phosphorus of high concentration 특허권자 : Nisshin Oil Mills 출원일자 : 1997년 8월 1일 요약 : 하수 내에 2-1mg/l 정도의 고농도 phosphorus가 존재할 경우, 응집제 로서 iron (III) chloride, iron (III) polysulfate, iron (II) sulfate를 주입한다. 응집제 주입량은 몰 비로 phosphorus의 1.5배정도로 하고 주입후 혼합액은 1 rpm 이상 의 빠른 스피드로 교반시켜 형성된 플록을 교란시킨다. 그 후, 탈수과정을 거쳐 최 종적으로 phosphorus를 제거하게 된다. (라) 특허명 : Method for iron hydroxide flocculation and sediment of thick inorganic component- containing wastewater 특허권자 : NEC Environment Engineering 출원일자 : 2년 12월 5일 요약 : 고농도의 무기영양물질을 포함하고 있는 폐수를 처리하기 위한 방법이다. 이 기술은 크게 세단계로 이루어지고 먼저 첫 번째 단계로서 폐수에 수용액상태의 ferric salt를 주입한다. 이때 폐수의 ph가 ferric salt에 의해 낮아질 수 있는데 여기 서 두 번째 단계로 진행이 된다. 두 번째는 낮아진 ph를 중화시키기 위해 alkali를 주입하면 ferric ion과 hydroxide ion이 결합하여 침전을 형성한다. 이러한 첫 번째, 두 번째 과정을 되풀이 하는 과정에서 생긴 hydroxide 침전물은 훌륭한 filterability 와 hydration property를 보여준다. 33

35 제2절 국내기술현황 1. 국내의 M agnetite를 이용한 하수 및 폐수처리 현황 국내에서 magnetite를 이용한 하수 및 폐수처리에 관한 연구는 아직까지 깊게 이 루어지지 않고 있다. 이영신(1991)은 응집제와 magnetite를 이용하여 하수의 응집침 전 효율 향상에 대한 연구를 위해 jar test를 실시하였는데 급속교반 5 분, 완속교반 1 분 후 1 분동안 정치시켜 분석한 결과 하수 1L에 magnetite 1 g, 응집제 1 mg을 투여하였을 때 탁도 및 SS 제거율이 가장 뛰어난 것으로 나타났다(그림 2-6~7). 자철광의 경우 1 g 이하 일때는 colloid 입자와 접촉할 면이 부족하고, 1 g 이상 일때는 접속면이 너무 많아 응집침전에 관여하지 않고 그대로 침전하는 magnetite가 있는 것으로 보인다. 그림 2-6 응집제와 magnetite 주입량이 탁도 제거에 미치는 영향 34

36 그림 2-7 응집제와 magnetite가 SS제거에 미치는 영향 그림 2-8 침전시간이 탁도 및 SS 제거율에 미치는 영향 침전시간별 제거효율의 경우 자철광 1 g을 넣어 5분간 급속교반, 1분 완속교반 후 5분, 1분, 2분, 3분 간 정치시켜 탁도와 SS를 측정한 결과, 모두 5분 정치후 거의 95%이상이 제거되었고, 1분 정치했을 때 제거 효율이 가장 높았다. 그에 비 해 2분 후와 3분 후에는 거의 변화가 없었다(그림 2-8). 또한 펜톤산화처리시 액상 철성분을 사용하지 않고 magnetite로 사용했을 경우 슬러지 발생을 억제시킬 수 있었다는 연구 결과도 있었다(박우용, 1996; 그림 2-9). 35

37 그림 2-9 펜톤산화처리시 magnetite에 의한 슬러지 발생 감소 2. 국내 관련특허출원 현황 다. 자성 물질을 이용한 하수 및 폐수처리에 관한 국내 특허들을 간략하게 정리하였 (가) 특허명 : 전기적 흡인력을 이용하여 침전효율을 높인 하수의 2차 처리방법 특허권자 : 선진엔지니어링(주) 출원일자 : 1998년 12월 11일 요약 : 활성슬러지 공정의 포기조에 ph4-6의 응집제를 투여하여 전기적으로 +로 대전되는 금속염류를 공급하고 최종침전지 바닥에 도전체를 설치하여 (-)전기를 흐 르게 함으로써 최종침전지에서 미생물에 흡착된 미세플록들이 응집제에 의해 응집 될 때 플록과 도전체 상호간 전기적 흡인력에 의해 침전효율을 높인 것을 특징으로 하는 전기적 흡인력을 이용하여 침전효율을 높인 하수의 2차 처리방법 (나) 특허명 : 제철 폐광재를 이용한 하폐수의 인제거장치와 이것을 이용한 탈인방 법 특허권자 : 합자회사 동림소재 36

38 출원일자 : 1999년 12월 22일 요약 : 탈인조로 월류된 전처리 상등수에 제철폐광재 분말을 투입하여 교반하면서 수산화나트륨을 투입하고 수산화나트륨 토출량이 감소할 무렵 수산화칼슘을 넣어 인을 제거하고 인이 제거된 상등수는 중화조에서 황산을 가해서 중화한 후 방류시 키는 탈인방법 (다) 특허명 : 전기응집 및 자성유체분리를 조합한 산업폐수의 처리장치 및 그 처리 방법 특허권자 : 김용하, 유슈홍, 진금수, 서근학 출원일자 : 2년 9월 1일 요약 : 철이나 알루미늄을 사용한 양극에서 용출되는 금속 양이온이 오염물질들과 전기화학적으로 결합하여 금속성 수산화물인 플럭을 형성하게 하고 이 플록을 자화 시켜 자석으로 분리 제거함으로써 기존의 응집처리 후 침전 여과방법에 비해 신속 하고 효율적으로 처리하는 방법이다. *마그네틱 응집제 : 마그네타이트, 제선공정발생 미분 자철광석, 제강공정 발생 제 강슬러지, 전기로 더스트, 철가공작업 더스트 등을 1μm이하로 분쇄하여 사용 (라) 특허명 : 수용액 중 상온에서 마그네타이트 제조방법 및 상기 마그네타이트를 이용한 산업폐수 처리방법 특허권자 : 페로엔텍(주) 출원일자 : 21년 9월 12일 요약 : 자성유체는 기름이나 물 같은 유체 속에 철(마그네타이트)과 같은 강자성체 의 가는 입자(.1μm 미만)를 혼합시킨 콜로이드 용액이다. 마그네타이트(magnetic iron oxide, Fe 2 O 4 )는 검은색 또는 검푸른색으로서 스파이넬형 결정구조를 갖고 있 으며, 철 2가 이온과 철 3가이온을 공유하고 있는 철산화물이다. 마그네타이트는 공 업적으로 FeO와 Fe 2 O 3 의 고체용융에 의해 생산되며 전극물질, 촉매, 부식방지용피 막등으로 사용된다. 본 발명은 상온에서 공기의 산화 없이 순수한 마그네타이트를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 2N-NaOH:FeSO 4 비율을 1:1 이 되도록 혼합하 여 생성되는 중간생성물을 상온에서 3분간 급속교반하면 ph 3-5 정도의 약산성으 로 변하게 된다. 이 1차농축 침전물에 물을 가하여 2차 교반하면 순수한 마그네타 37

39 이트(Fe 3 O 4 )가 생성된다. (마) 특허명 : 자력 및 생물막을 이용한 하수 및 폐수의 고도처리방법 및 고도처리 장치산업폐수 처리방법 특허권자 : 서근학, 김용하, 손선기 출원일자 : 2년 6월 22일 요약 : 침사지 방류수에 마그네틱 응집제(3.5μm magnetic, 부유고형물의 1.5배투여) 와 화학응집제(8% LAS 3 ul/l)를 투여하여 급속교반하여 응집반응을 유도하고 응집된 자성플럭을 분리하는 마그네틱 흡착조(이송관의 외주에 다수의 자석이 설치 되어 있음)가 있으며 흡착조에서 고액분리되면 상징수는 질산화조 및 탁질조로 보 내져 처리된다. *마그네틱 응집제 : 마그네타이트, 제선공정발생 미분 자철광석, 제강공정 발생 제 강슬러지, 전기로 더스트, 철가공작업 더스트등을 1μm이하로 분쇄하여 사용 (바) 특허명 : 자철광을 이용한 수처리 공정에서 여과방법 특허권자 : 서희동 출원일자 : 22년 12월 27일 요약 : 여과사를 모래 대신 자속밀도 2G 이상 자철광을 유효경이.45-.7, 균등 계수 1.7이하로 분쇄된 자철사를 충전하여 사용한다. 물이 자철광의 자계를 통과하 면서 자기유체역학전압에 의해서 약 전해질인 물은 전기분해 되면서 +측에서는 활 성화된 산소가 발생하여 수중의 유기물과 같은 환원성 물질의 산화를 촉진하게 되 면서 미생물의 생육을 억제하므로 사층에서 슬라임 형성이 억제되므로 여과효율이 향상되고 -측에서는 수소가 발생되나 발생초기 수소는 자철광 표면에 흡착되어 급 수배관 내부의 금속부분에 환원작용을 하여 부식을 억제한다. (사) 특허명 : 철강슬래그를 이용한 하수처리 특허권자 : 광호(주) 출원일자 : 2년 11월 7일 요약 : 수로내의 자정작용의 강화를 도모하기 위해서 접촉여재로서 철강슬래그를 재활용하였고 압축공기를 공급해 주는 에어공급장치를 설치하여 호기성 미생물의 38

40 활동이 활성화되도록 구성된다. 값비싼 세라믹 여재 대체효과와 인제거 효과를 기 대할 수 있다. 3. 국내외 유사기술과의 차별성 본 연구에서는 기존의 magnetite를 이용한 연구와 같이 순수한 magnetite를 이용 하지 않고 제철소에서 부수적으로 발생되는 iron dust를 이용하여 고도하수처리 효 율 증대에 대한 연구를 수행할 것이다. 또한 하수처리과정에서 발생하는 하수 슬러 지에 대한 적절한 처리방안과 재이용 기술을 개발할 것이다. 본 과제가 성공적으로 수행될 경우 질소 및 인을 효율적으로 제거할 수 있을 뿐 만 아니라 산업폐기물인 iron dust도 함께 처리할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따 라서 일석이조의 효과를 기대할 수 있는 환경친화적인 기술이라고 판단된다. 본 기술은 다른 고도하수처리 공법에 비해 침전 시간을 줄일 수 있으며 고농도 미생물 보유를 가능케 함으로써 처리설 감축효과 및 처리효율 향상효과를 함께 기 대할 수있다. 또한 iron dust에 포함된 철염에 의해 추가적인 인 제거를 기대할 수 있는 장점을 가지고 있으며 기존의 처리공정에서 도입하지 않았던 자장(Magnetic field)을 활용한 신 공정기술로서 부산물이 발생하지 않고 친환경적이고 최소비용으 로 적용할 수 있는 친환경공정이다. 39

41 제 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과 제1절 Iron dust 특성 평가 1. Iron dust 성분 분석 본연구의 목표는 제철소에서 발생하는 iron dust (그림 3-1)를 이용해 최종침전지 에서 슬러지 침강성을 향상시키고 질소와 인을 효과적으로 제거할 수 있는 신개념 고도하수처리공정을 개발하는 것이다. 이를 위한 첫 단계로서 본 연구에 사용될 iron dust의 기본적인 성상과 물리/화학적 특성을 연구하는 것은 본 공정의 개발과 활용에 있어 설계 자료로서 중요한 의미를 가진다고 할 수 있다. 그림 3-1. 본 연구에 사용된 iron dust 4

42 가. 금속원소분석 (1) 다른 연구자들의 결과 본 연구와 유사한 연구로서 제철공정에서 나온 폐광재를 이용하여 고도처리공정 을 개발하고 있는 Zeng 등 (24)의 연구결과 중 원소분석 결과를 살펴보면 다음 표 3-1과 같다. 측정기기는 유도결합 플라즈마 질량 분석기 (ICP-MS; Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer)를 사용하였다. Fe가 가장 많은 부분을 차지하 고 그 이외의 금속들은 1~6%정도로 분포되어 있다. 여기서 각 무게비를 더했을 때 합이 1%가 나오지 않는 것은 대부분의 각 금속들이 산화된 상태로 존재함에도 산소를 제외한 순수 금속들의 질량비만 구했기 때문이며, 소량이지만 C, H, N 성분 이 포함되어 있지 않기 때문이다. 이 연구자의 경우 각 금속들이 최대산화수를 가 진다는 가정 하에서 산화물들의 무게비를 예상하였는데, 이것은 실질적으로 iron dust입자와 수용액사이에서 상호반응을 예측하는데 유용한 자료가 될 것으로 판단 된다. 표 3-1 Zeng 등 (24)의 연구에 사용된 iron oxide tailing의 원소분석결과 (2) 실험 방법 원소분석 실험은 iron dust를 고도하수처리공법으로 적용하기 전에 iron dust 내 에 포함되어 있는 금속성분들을 측정하기 위해 수행되었다. iron dust는 그 자체가 비균질하고 Fe 성분 이외에 다른 금속들이 포함되어 있다고 알려져 있기 때문에 추 후 실험과정에서 일어날 수 있는 여러 현상들을 해석하는데 매우 중요한 자료로 이 용되리라 판단된다. 본 연구에서는 원소분석을 위해 유도결합 플라즈마 방출 분광 41

43 기 (ICP-AES; Induced Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer)를 이용하 였고, 서울대학교 기초과학 공동기기원에 실험을 의뢰하여 수행되었다. 분석장비 및 분석 조건은 다음 표 3-2에 제시되어 있다. 분석은 분말상태의 iron dust를 체거름 하지 않은 시료와 체거름을 통해 입경별로 분리한 시료로 수행되었다. 표 3-2 ICP-AES의 분석 조건 Item Model Source Spectral range Resolution Condition Optima 43DV, Perkin-Elmer (USA) Argon Plasma (6K) nm Better than.6nm at 2nm (3) 실험 결과 표 3-3은 체거름을 하지 않은 상태의 iron dust를 분석한 결과이다. 분석결과는 iron dust는 무게비로 Fe가 약 25%, Ca가 약 27%, Al, Mg, Mn이 각각 1.6, 3.9, 2.3%를 차지한다. 전체 비율의 합이 1%가 되지 않는 것은, 본 실험이 전체 시료 의 무게 중 각 성분의 무게만을 측정한 것으로서 대부분의 금속성분이 산화된 상태 로 존재한다고 가정할 때, 금속 성분이외의 약 4%정도는 대부분의 산소와 기타 유 /무기물이라고 예측할 수 있다 (Zeng, 24). 같은 방법으로 체분석을 통해 입경별 로 분리한 시료를 원소 분석한 결과는 표 3-4와 같다. 그림 3-2와 3-3은 ICP-AES 를 통해서 얻은 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 다른 연구자들이 사용한 iron dust에 비해 많은 양의 Ca가 포함되어 있음을 알 수 있다. 이러한 Ca 성분은 앞으로 볼 (나)에서의 결과와 같이 수체에서 ph를 상승 시키는 원인물질로 작용을 할 수 있고, 따라서 추후 본 연구의 범위 안에 iron dust 로부터 Ca 용출실험을 통해 얼마나 많은 양의 Ca이 해리되는지 그리고 이들이 배 관내의 scale에 어느 정도 영향을 미칠 수 있는지에 대한 연구도 포함되어야 할 것 이다. 체거름을 통해서 입경별로 원소분석을 실시하기전과 실시한 후의 결과를 비 42

44 교해보면, Ca나 Fe의 무게비가 특별한 경향을 보이지 않음을 알 수 있다. 표 3-3 체거름 전 iron dust의 원소분석 결과 (단위 : ppm) 입자크기 Al Ca Fe Mg Mn 체거름전 표 3-4 체거름 후 iron dust 입경별 원소분석 결과 (단위 : ppm) 입자크기 Al Ca Fe Mg Mn 25~ ~ ~ ~ ~

45 그림 3-2 ICP-AES를 이용한 원소 분석 결과 (Mg, Al, P, Ca, Ti) 44

46 그림 3-3. ICP-AES를 이용한 원소 분석 결과 (Ti, Cr, Mn, Fe) 45

47 나. ph 측정 실험 Magnetite는 자성을 가지고 있을 뿐만 아니라 ph 조건에 따라 magnetite 표면의 이온상태가 바뀌는 성질을 가지고 있다. ph 조건이 낮은 영역에서는 magnetite 표 면이 양이온을 띠게 되므로 주로 음이온을 띠는 콜로이드가 magnetite 표면에 흡착 되어 제거되고 바이러스와 박테리아도 비슷한 원리로 제거된다. 그리고 magnetite 를 재생하기 위해서는 ph를 높여서 magnetite 표면이 양이온을 띠게 만들어 흡착 되었던 물질을 탈착하면 된다. (1) 실험 방법 Iron dust ph는 공정시험방법 (토양편)에 따라 4번체를 이용하여 38 um이하의 iron dust를 준비하여 시료 5 g을 5 ml 비이커에 취하고 증류수 25 ml을 가하여 수시로 유리봉으로 저어주면서 1시간 방치한 후, ph meter로 ph를 측정하였다. (2) 실험 결과 Zeng 등 (24)의 결과 iron dust의 ph가 6.76이었으나 본 연구과제에 사용된 iron dust의 ph는 11.23이 나왔다. 이러한 큰 차이는 (가)의 원소분석결과를 고려해 볼 때 iron dust내에 약 27%가량 존재하는 Ca 때문인 것으로 판단된다. Iron dust 내의 금속들은 대부분 산화된 상태로 존재를 하고, 특히 Ca의 산화물인 CaO는 물 과 반응하여 Ca(OH)2를 형성하여 ph를 증가시키는 결과를 낳는다. 다. Ca 용출 실험 원소분석 결과, 실험에 사용될 iron dust 내에 약 27%의 Ca가 포함되었음을 확인 46

48 할 수 있었다. 이 비율은 폐광재를 이용한 다른 연구자들의 연구 결과 (Zeng et al., 24)에 비해 상당히 높기 때문에, 추후 연구 과정에서 배관의 스케일 문제를 유발 할 가능성을 살펴보기 위해 용출 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 iron dust는 4번체 (38 μm)를 통과한 시료만을 사용하였다. (1) 실험 방법 4번체와 체거름 장치를 이용하여 조제한 iron dust 1 g을 정량하여 5 ml의 증류수가 담긴 5 ml 비이커에 넣었다. 상온, 상압에서 Jar-tester를 이용하여 교 반속도 2rpm에서 교반시킨 후, 일정한 시간 간격으로 상등액을 추출하여.45 μ m 멤브레인 필터로 여과하고 여과액을 적당량 취하여 용출실험용 검액으로 하였다. 검액 내에 포함된 Ca은 Atomic Absorption Flame Emission Spectrophotometer (AA-651F, Shimadzu)을 이용하여 측정하였다. 실험 조건은 표 3-5와 같다. 투입 직후 ph가 실험이 진행되는 동안 ph를 6.5~7.5로 일정하게 유지하기 위하여 한 시 간 간격으로 HCl을 투입해 주었다 (Zeng et al., 24). 이 실험은 복수로 진행이 되 었으며 그래프 상에 편차를 함께 표시하였다. 표 3-5 AA 분석조건 Item Unit Lanp current Set wavelength Slit width Lamp mode Condition AA-651F (Shimadzu) 1 ma nm.5 nm BGC-D2 Fuel Gas flow rate 2.2 l/min (C 2 H 2 ) 47

49 (2) 실험 결과 그림 4-4는 Ca 용출실험 결과를 보여주고 있다. Ca의 용출은 5시간 후에 대부분 이 용출되었고 이후부터는 안정화되는 경향을 보였다. 이 결과를 토대로 Ca가 24시 간 동안 용출된 양을 기준으로 iron dust 단위 무게 당 용출되는 Ca를 계산해보면 6 mg Ca/g iron dust이고 5시간을 기준으로 하면 5 mg Ca/g iron dust이다 Concentration (mg/l) Elapsed time (hr) 그림 4-4. Iron dust의 Ca 용출실험 라. Phosphate (PO 4 3- ) 흡착 실험 Bio-magnetite 고도처리공정은 DNR 공정의 최종침전조를 개선하여 고형물 부하 를 높이면서도 고액분리 효율을 양호하게 유지하였다. 본 공정은 유기물 및 질소, 인과 같은 영양물질을 효과적으로 제거하고, 생물반응조에 투입된 iron dust는 최종 침전조에서 자력에 의해 슬러지 침강성이 더욱 향상될 수 있으며 결과적으로 안정 된 방류수 수질을 얻을 수 있다. iron dust의 투입으로 기대되는 현상은 위에서 설 명한 침강효율 증가 외에도 iron dust는 Fe과 Ca이 다량 포함되어 있어 이로 인한 48

50 인의 흡착제거가 있다. iron dust의 인 흡착능에 대한 정량적 자료는 고도하수처리 공정에서 중요한 부분을 차지한다고 할 수 있다. (1) 다른 연구자들의 결과 앞서 인용한 바 있는 Zeng 등 (24)의 연구 결과는 본 연구과제와 흡사한 부분 이 많다. 폐광재를 이용하여 iron dust의 PO 3-4 흡착능을 분석한 결과를 보면 약 7 mg P/g iron dust임을 알 수 있다. 그림 3-5는 PO 3-4 의 흡착실험곡선을 다양한 등 온흡착곡선에 fitting한 결과를 나타낸다. 그림 3-5. PO 4 3- 흡착에 관한 Zeng 등 (24)의 연구 결과 (2) 실험 방법 실험에 앞서 Potassium dihydrogen orthophosphate (KH 2 PO 4 )를 이용하여 1 mg P/L 용액을 제조하였다. 추후에 사용된 PO 4 3- 용액은 1 mg P/L 용액을 증 류수로 희석하여 제조하였다. 모든 실험은 ph를 6.5~7.5로 조절한 이후에 진행되었 49

51 다. 2 mg의 iron dust를 25 ml 플라스크에 담은 후, 1 ml의 PO43- 용액을 넣은 후 Jar-tester로 24시간 이상 교반시켜 충분한 반응을 유도하였다. 교반속도는 1 rpm이었다. 충분한 반응이 이루어진 후 (약 24시간), Ion Chromatography (ICS-15, Dionex)를 이용하여 평형상태의 PO 3-4 를 측정하였다. 초기농도는 각각 1, 2, 4, 8, 12, 16, 22 mg P/L이었다. (3) 실험 결과 실험결과를 각각 Freundlich eq.과 Lanmuir eq.으로 fitting한 결과는 각각 그림 8, 9과 같다. R2를 비교해보면 Freundlich eq.이.9382, Lanmuir eq.이.9447로서 Lanmuir eq.에 더 잘 맞는 것을 알 수 있다. Lanmuir eq.에서 본 연구과제에 사용 된 iron dust의 흡착능은 mg P/g-iron dust임을 알 수 있다. 이 값은 Zeng 등 (24)의 연구 결과인 7 mg P/g iron dust 보다 높은 값을 가지는 것으로 확인 되었으며 이는 iron dust의 생물반응조로의 투여가 슬러지 침강성을 향상시키는 것 외에 수중의 용해성 인의 흡착능 (투입양의 1.2%정도)이 존재함을 확인 할 수 있었 다. 12 absorbed (mg P/L) PO PO 3-4 equilibrium concentration (mg P/L) 그림 3-6. Freundlich equation에 fitting한 결과 5

52 12 absorbed (mg P/L) PO PO 3-4 equilibrium concentration (mg P/L) 그림 3-7. Langmuir equation에 fitting한 결과 51

53 2. 부상 가능한 iron dust 입자 크기 평가 본 실험은 iron dust를 반응기에 주입하였을 경우 iron dust 입자가 유체 속에서 가라앉지 않고 부유할 수 있는 크기를 알아보기 위해 실시되었다. 일반적인 BNR 공정에 주입한 iron dust 입자는 반응기 안에서 적당한 폭기와 교반으로 부상이 가 능한 크기의 입자만 주입되어야 반응기 바닥에 쌓이지 않고 미생물과 함께 부유할 수 있기 때문에 본 실험은 매우 중요한 사전 조건 실험으로 판단된다. 본 연구에서 는 jar-tester를 이용해서 실험을 실시하였으며 입자 크기 분석을 위해서는 레이져 회절을 이용하여 입자크기를 측정하는 Sympatec사의 HELOS system을 이용하였 다. 가. iron dust 분말 입자 크기 분포 그림 3-8은 분말상태의 iron dust를 분석한 결과를 입자크기별 밀도분포(density distribution)와 누적분포(cumulative distribution)를 나타낸 것이다. 본 분석결과는 입자의 개수가 아니라 부피비로 측정한 것으로써 실제 무게비로 생각할 수 있다. 그 결과 1~2 μm의 입경을 갖는 입자가 가장 많이 차지하는 것으로 나타났으며 전체 입자 중에서 약 56%를 차지하고 있었다. 그리고 입경이 3 μm인 작은 입자는 5% 이하만을 차지하고 있었다. 52

54 그림 3-8. iron dust 분말 입자 크기 분포 나. 교반 강도별 부상 iron dust 입자 크기 분포 Iron dust는 철성분 입자로 구성되어 있기 때문에 입경이 큰 경우는 일반 하수처 리장 반응조에서 폭기와 일반적인 수중 교반기에 의한 교반 강도로도 부상하지 않 고 바닥에 가라앉는 문제가 발생할 수 있다. 본 실험에서는 jar-test를 이용해서 적 당한 교반강도를 주어 부상하는 철입자의 입경을 분석하였다. (1) 실험방법 Jar-tester를 이용하여 다양한 교반 속도에서 부상하는 iron dust 입자의 입경을 분석하였다. 먼저 1 L 비이커에 1 L의 물과 1 g의 iron dust를 주입한 후 jar-test 를 이용하여 5, 1, 15, 2 rpm으로 교반을 시킨 후 상등액 만을 추출하여 앞 53

55 실험에서와 같이 레이져 회절을 이용한 입도 분석을 실시하였다. 그림 3-9는 교반 과정을 나타내고 있다. 그림 3-9. Jar-tester를 이용한 교반 과정 사진 (2) 실험결과 다양한 교반 속도에서 부상한 iron dust 입자의 입도 분석 결과를 밀도분포와 누 적분포로 표현하여 그림 3-1 부터 그림 3-13 에 나타내었다. 그림 3-1은 교반 속 도가 가장 작았던 5 rpm의 결과이다. 그 결과 분말 상태의 iron dust 입자 입도 분석 결과에서는 보이지 않았던 15~5 μm의 입경을 갖는 입자들이 모든 교반 속 도 실험에서 검출되었다. 입경이 매우 큰 이들 입자들은 분말 상태 iron dust에서 검출되지 않았던 것으로 보아서 실험 과정에서 생성된 것으로 생각되어지며, 적어 도 iron dust 입자는 아닌 것으로 판단된다. 따라서 그림 3-11부터 그림 3-13에서는 15 μm 이상의 입자는 제외하고 작은 크기의 입자만 나타내었다. 그림 3-1에 나타나 있는 것처럼 교반 속도가 5 rpm인 경우는 iron dust가 부상 을 거의 하지 않는 것으로 판단된다. 반면 교반 속도가 증가함에 따라서 부상하는 입자의 양과 평균 크기도 같이 증가하는 것을 그 다음 그림들을 통해 확인할 수 있 다. 각각의 교반 속도에서 가장 큰 부분을 차지하고 있는 중심 입자의 크기를 표 3-6에 정리하였다. 54

56 그림 rpm으로 교반 후 부상한 iron dust 입도 분포 그림 rpm으로 교반 후 부상한 iron dust 입도 분포 55

57 그림 rpm으로 교반 후 부상한 iron dust 입도 분포 그림 rpm으로 교반 후 부상한 iron dust 입도 분포 56

58 표 3-6 교반 속도 별 중심 입자 크기 교반속도 (rpm) 중심 입자 크기 (μm) 실제 공정에서 교반 강도가 위 범위의 강도보다 강할 것으로 예상되며 3 μm 정 도의 크기를 가진 입자는 물속에서 부유할 것으로 예상된다. 또한 iron dust 입자가 미생물과 접촉하고 있는 경우에는 입자의 비중이 작아지기 때문에 더 쉽게 부유할 것으로 예상된다. 57

59 제2절 Iron dust가 슬러지에 미치는 영향 1. Iron dust 주입량에 따른 슬러지 침강성 효율평가 앞 실험결과에 매우 작은 입경의 iron dust 입자만이 적당한 교반강도에서 부유 할 수 있음을 알았다. 본 실험에서는 4번 체를 이용하여 분리한 입경이 38 μm 이 하인 iron dust 입자를 슬러지와 혼합하였을 경우 슬러지의 침전성이 얼마만큼 향 상되는지 평가하였다. 가. 실험 방법 먼저 iron dust를 4번 체를 이용하여 입경이 38 μm 이하인 입자만 분리하였다. 다음은 현재 lab-scale 규모로 운전 중인 DNR에서 채취한 슬러지에 iron dust를 주 입한 후 jar-tester를 이용하여 5분간 1 rpm으로 교반시키며 미생물과 접촉을 시 켰다. 교반 후 즉시 1 L 메스실린더에 옮겨서 3분 동안 침전 실험을 실시하였다. 본 실험에서는 iron dust의 주입량을.83~4.4 g iron dust/g MLVSS 범위 내에 서 변화를 주었으며, 미생물 농도는 1.14 ±.6 g MLVSS/L 이었다. 나. 실험 결과 Iron dust를 주입한 경우 슬러지 층은 초기에 매우 빠른 침전을 보이며 주입량에 따른 차이가 분명하게 나타남을 확인할 수 있었다. 그림 3-14과 그림 3-15은 1분 과 3분 후 슬러지 층의 높이를 나타내는 사진이다. iron dust의 주입량은,.43,.65,.86, 1.1 g iron dust/g MLVSS (,.33,.49,.66,.82 g iron dust/g MLSS)이었다. 58

60 그림 침전 실험 사진 (1분 후) (주입률 단위 : g iron dust/g MLVSS, 괄호 안은 MLSS 기준) 그림 침전 실험 사진 (3분 후) 59

61 Iron dust와 슬러지를 혼합한 후 침전실험을 한 경우 iron dust를 넣지 않은 경우 보다 침전성이 향상되는 것을 눈으로도 쉽게 확인할 수 있었다. 이것은 iron dust의 큰 비중으로 인해 iron dust와 결합한 슬러지의 침전성이 크게 향상되는 것을 판단 된다. 본 실험 초기에는 슬러지 층의 구분이 힘들어 2분 후부터 높이를 측정하였으 며 시간에 따른 슬러지 층의 높이를 그림 3-16에 나타내었다. 그림 3-16에서 초기 2분 안에 슬러지 층의 부피 차이가 크게 벌어짐을 알 수 있 다. 즉 초반에 슬러지 침전성이 크게 향상된다고 생각할 수 있으며 2분 이후로는 슬러지 침전성 향상 비율이 비슷한 값을 나타내고 있다. 그림 침전 실험 시 슬러지층 부피 변화 6

62 표 3-7 Iron dust 주입량 (g iron dust/g MLVSS)에 대한 시간별 슬러지 부피 ID 주입량(g/g) 침강시간(min) 이와 같은 실험을 다양한 iron dust 주입률 (.83~4.4 g iron dust/g MLVSS)에 대해서 실시하였다. 그 결과 iron dust 주입률에 따른 SVI 값의 향상 비율을 그림 3-17에 정리하였다. 그림 Iron dust 주입률에 따른 SVI 값 향상 비율 Iron dust 주입률에 따른 SVI 향상 비율은 그림 2에서와 같이 exponential 감소 형태를 띠고 있다. 이 관계를 식으로 표현하였다. 61

63 y= e x R 2 =. 99 수식 3-1 where y=침전성 향상 비율 (SVI/blank SVI) x=iron dust 주입률 (g iron dust/g MLVSS) 위 식을 살펴보면, 최대 침전성 향상 비율은.437이며, Sakai 등 (24)과 같이.5 g iron dust/g MLVSS를 이용한다면, SVI 비율이.778로 iron dust를 넣지 않 은 경우보다 SVI가 22.2% 좋아질 것으로 예상된다. 2. Iron dust가 미생물 활성에 미치는 영향 평가 Iron dust 원소 분석 결과, Ca와 Fe가 주종을 이루고 있기 때문에 미생물의 활성 에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단되지만 iron dust를 반응기에 주입하기 전에 미생물 활성에 미치는 영향을 평가하기 위해서 미생물 호흡률 실험(respirometry)을 실시하였다. 가. 호흡률 측정기 본 연구에 사용된 호흡률 측정기는 Challenge Environmental Systems, Inc.에서 제작된 Challenge AER-2 and ANR-1 system으로서 회분식 형태의 미생물 반 응조, 산소 공급 장치, 유량 측정 셀 및 데이터 처리와 저장을 위한 컴퓨터 부분으 로 구성되어 있다. 밀폐된 반응조에서 미생물의 호흡에 의해 산소가 소모되면 반응 기 상부의 기상에 있던 산소가 용해되어 반응기 내부에는 약간의 감압상태가 되는 데 일정한 감압이 되면 산소 공급 장치에서 산소가 공급되도록 되어 있다. 공급되 는 산소의 일정한 크기의 기체방울로 유량측정셀을 통과하게 된다. 이 때 셀에 부 착되어 있는 감지부에서 전기적 신호를 받아 컴퓨터로 전달되고, 컴퓨터는 초기에 62

64 설정해 준 시간 간격으로 통과된 산소방을을 자동으로 저장하도록 되어 있다. 한편 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 생성되는 이산화탄소를 흡수하기 위해 5% 의 KOH 용액을 채운 유리 튜브를 반응기 상부에 설치하여 이산화탄소에 의한 방 해 효과를 제거하였다. 실험에 사용된 AER-2 system의 주요 구성도는 그림 12 에 도시하였다. 나. 실험 방법 본 실험에서는 두 가지 미생물을 사용하였다. 우선 iron dust에 순응되지 않은 미 생물에 iron dust를 주입한 후, 주입하지 않은 미생물의 호흡률과 비교하였으며, 다 음으로 iron dust를 주입해서 운전 중인 Bio-magnetite 공정 반응기 내의 미생물과 같은 운전조건으로 운전되지만 iron dust를 주입하지 않은 대조군 반응기 내 미생 물을 채취하여서 미생물의 호흡률을 측정하여 비교하였다. 초기 기질 조건은 2 mg COD/L 이었으며, 주요 영양물질로 암모니아와 인을 각각 5 mg N/L와 5 mg P/L를 주입하였다. 그 밖에 미생물 성장에 필요한 미량 영양물질을 주입하여 미생 물의 활성 저해를 방지하였으며, iron dust 주입으로 인한 ph의 변화가 있기 때문 에 호흡률 실험 전에 ph를 조절하였다. 그리고 실험중에 ph에 변할 수 있기 때문 에 NaHCO 3 를 이용하여 알카리도를 3 mg CaCO 3 /L로 맞춰주었다.. 63

65 그림 3-18 Challenge AER-2 system 64

66 다. 실험 결과 (1) Iron dust에 순응되지 않은 미생물 사용된 미생물은 합성 하수에 순응된 미생물을 사용하였으며 iron dust를 주입하 지 않은 DNR 반응기에서 추출하였다. 주입한 iron dust의 양은 VSS를 기준으로.5, 1., 2. g iron dust/g VSS를 사용하였으면 대조군으로 iron dust를 넣지 않은 미생물의 활성도 측정하였다. 그 결과 각각에 대한 OUR(oxygen uptake rate)은 그 림 3-19와 같다. 45 OUR (mg O 2 /g VSS/h) g iron dust/g VSS Blank Time (h) 그림 3-19 Iron dust 주입량에 따른 미생물 호흡률 그림에서 볼 수 있듯이 iron dust에 순응되지 않은 미생물에 iron dust를 갑자기 넣었을 때는 미생물 활성에 조금씩 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 하지만 활성 65

67 의 저해 정도는 크지 않다. 특히 초기에 기질을 섭취한 후 내생호흡단계에서는 iron dust를 넣은 경우와 넣지 않은 경우 OUR이 거의 비슷했다. 오히려 iron dust를 넣 은 쪽이 더 크게 나왔다. 그림 3-2는 기질을 섭취할 때의 iron dust 주입량에 따른 OUR의 평균값과 저해 정도를 나타낸 것이다. 3 OUR (mg O 2 /g MLVSS/h) Inhibition (%) g iron dust/g MLVSS 그림 3-2 Iron dust 주입량에 따른 미생물 활성 저해 정도 그림 3-2과 같이 iron dust를 2 g iron dust/g VSS를 넣어도 15% 정도만 저해 를 받았다. 실제 실험에서는.5 g iron dust/g VSS를 사용하고 계속해서 iron dust 를 넣어주면 미생물이 iron dust에 순응할 것으로 예상되기 때문에 iron dust를 주 입해서 순응시킨 미생물을 이용해서 iron dust를 넣지 않은 미생물과 비교하였다. 66

68 (2) Iron dust에 순응된 미생물 본 실험에 사용된 미생물을 iron dust를.5 g iron dust/g VSS로 연속적으로 주 입하고 있는 Bio-magnetite 반응기에서 추출한 미생물과 iron dust만 주입하지 않 고 다른 모든 운전 조건은 같은 반응기에서 추출한 미생물을 이용하였다. 그 밖에 호흡률 실험 조건은 모두 같았으며, 실험전에 미생물 내에 축적되어 있는 내부 저 장 물질을 분해하기 위해 5시간 이상 폭기를 했다. 그 결과를 그림 3-21에 나타내 었다 OUR (mg O 2 /g VSS/h) with iron dust without iron dust Time (h) 그림 3-21 Iron dust에 순응된 미생물의 호흡률 비교 그림 3-2과 같이 iron dust에 순응된 후 미생물의 활성은 iron dust를 주입하지 않은 경우와 거의 비슷했다. 즉 iron dust를 주기적으로 주입하는 경우에는 미생물 에 미치는 영향은 거의 없다고 말할 수 있다. 위 결과도 기질을 분해할 때 평균 OUR을 정리하면 그림 3-22와 같다. 67

69 OUR (go 2 /g VSS with I.D without I.D. 그림 3-22 Iron dust로 순응된 미생물의 평균 호흡률 비교 3. Iron dust 주입이 슬러지 탈수율에 미치는 영향 본 실험은 iron dust를 슬러지에 주입하였을 때 슬러지 탈수성에 미치는 영향을 알아보기 위해서 실시되었다. 가. 슬러지 탈수율 실험 방법 슬러지의 탈수율을 측정하는 방법은 크게 두가지가 사용되고 있다. 첫 번째는 CST(Capillary Suction Time)으로 필터 위에서 모세관 현상으로 탈수액이 번지는 속도를 측정하는 방법이다. 그림 3-23은 CST 측정 장치의 구성을 나타내고 있으며, 그림 3-24는 장치 사진을 보여주고 있다. 탈수액이 번지는 속도는 일정한 간격으로 전기 전도도를 측정하여 속도를 계산한다. 68

70 그림 3-23 CST 측정 장치 모습 그림 24 CST 측정장치 사진 두 번째 방법은 TTF(Time to filter)로 필터 위에서 슬러지 시료를 일정한 압력 으로 탈수시켜서 사용된 시료량의 절반이 탈수액으로 나온 시간을 측정하는 방법이 다. TTF 측정장치 모습은 그림 3-25에 나타내었다. 69

71 그림 3-25 TTF 측정장치 모습 위 두 방법은 모두 온도, 시료량, 필터 종류 등에 영향을 많이 받아서 다른 실험 조건의 결과와 슬러지 탈수율을 비교하기가 힘든 단점이 있다. 위 방법은 모두 standard method(1998)에 소개되어 있는 방법이다. 나. 실험 재료 및 방법 본 연구에서는 슬러지 탈수성을 측정하기 위해서 Standard Method(1998)에 나온 271 H. Time-To-Filter 방법을 사용하였으며, 사용된 시료량은 1 ml이었다. 탈 수 실험시 압력와 필터는 Standard Method에 나온 51 kpa와 Whatman No. 1 필터 를 사용하였으며, 각 시료당 4번식 측정하였다. 실험에 사용한 시료는 Semi-pilot Bio-magnetite 공정에서 iron dust를 주입한 공 정(WID)의 슬러지와 주입하지 않은 공정(WOID) 공정의 슬러지를 이용하여 두 슬 7

72 러지의 탈수성을 비교하였으며, iron dust 주입량의 따른 차이를 알아보기 위해서 WOID 슬러지를 이용하여 다양한 양의 iron dust를 일시적으로 주입시켜 실험하였 다. 사용된 iron dust의 주입비율은,.227,.454,.99, 1.82, 3.64 mg iron dust/g VSS 이었다. 다. 실험결과 슬러지 탈수율 실험은 실험에 사용된 필터, 시료의 온도 및 양에 영향을 많이 받 기 때문에 실험값의 절대적인 의미 보다는 상대적인 의미를 갖는다. 그리고 탈수율 실험은 아직 재현성이 부족해서 한 시료에 대해서 여러번 실험할 것을 권장하고 있 다. 그림 3-26은 WID 공정의 슬러지와 WOID 공정의 슬러지의 탈수율 실험 결과 를 TTF의 평균값과 표준편차로 나타낸 것이다. 단순한 평균값 비교에서 iron dust 를 주입하지 않고 운전한 WOID 공정의 슬러지 탈수율이 약간 좋은 것으로 나타났 다. 하지만 실험 결과값의 표준편차가 상당히 큰 것으로 나왔다 Time-to-filter, TTF (s) WID g iron dust/g MLVSS WOID 그림 3-26 연속 반응기 슬러지 탈수율 비교 71

73 그림 3-27은 iron dust 주입량에 따른 슬러지 탈수율 실험 결과를 나타내고 있다. Iron dust를 주입하지 않은 슬러지의 경우가 iron dust를 주입한 슬러지보다 TTF 평균값이 더 작게 나왔다. 하지만 iron dust 주입량이 증가하더라고 TTF 평균값은 크게 변하지 않았다. 그리고 일시적으로 iron dust를 주입한 경우가 연속적으로 주 입한 WID 슬러지 보다 탈수율이 더 떨어지는 것으로 나타났다 Time-to-filter, TTF (s) g iron dust/g VSS 그림 3-27 Iron dust 주입율 변화에 따른 슬러지 탈수율 비교 이 두 가지 실험으로 iron dust 주입이 슬러지 탈수율에 약간 영향을 주는 것으 로 나타났지만 탈수율 실험 방법의 한계로 정확한 평가를 위해서는 연속 운전으로 나온 슬러지를 실제 탈수 공정으로 평가해야할 것으로 판단된다. 4. 상향유속 변화에 따른 슬러지 층 상승 실험 실제 하수처리장은 유입 하수의 유량이 자주 변한다. 특히 강우 발생시 급격히 유량이 증가하여 하수처리장에서 처리하지 못하고 그냥 방류하는 경우도 많이 있 다. 본 실험에서는 iron dust를 주입하여 슬러지 침전성이 향상되었을 때 상향유속 72

74 변화에 따라 가상 침전조에서 슬러지층 높이가 어떻게 변하고 그 때의 높이별 슬러 지 농도를 측정하여 iron dust 주입 영향을 살펴보았다. 가. 실험 재료 및 방법 본 실험을 위해서 가상의 침전조를 사용하였다. 그림 3-28에 나타난 것과 같이 긴 형태의 침전조와 슬러지를 저장했다가 침전조로 흘려보내는 슬러지 저류조로 구 성되어 있다. 슬러지 저류조는 교반 및 탈질을 방지하기 위해 폭기를 시켰다. 침전 조의 직경은 12 cm이었으며, 슬러지 저류조의 부피는 25 L이었다. 실험은 펌프로 슬러지 저류조에 있는 슬러지를 침전조 유출구에서 4 cm 깊이에 유입시키고 바닥 에서는 반송슬러지 개념으로 펌프를 이용하여 유입 유량의 반을 유출시켜 다시 슬 러지 저류조로 옮겼다. 그리고 상부 유출구로 나가는 유출수도 다시 슬러지 저류조 로 보냈다. 이와 같은 구성으로 3시간 이상 운전하여 정상상태를 유지시킨 후 슬러 지 층 높이와 각 높이별 MLSS 농도를 측정하고 유량을 2배 가까이 증가시킨 후 3 시간 이상 시간이 흐른 후 슬러지 층 높이와 침전조 높이별 MLSS 농도를 측정하 였다. 그림 3-28 가상 침전조 실험 장치 73

75 실험에 사용한 유입 유량은 32 L/d에서 664 L/d로 증가시켰다. 이 때 위 침전조 의 표면적 부하는 각각 14.1, 29.4 m 3 /m 2 /d 이었다. 이 실험은 iron dust를 주입하지 않은 경우(WOID)를 먼전 실험하고 다음에 iron dust를.5 g iron dust/g VSS 비율로 주입하여 같은 실험을 실시하였다. 슬러지는 D시 하수처리장 반송슬러지를 mineral water로 희석하여 사용하였다. 나. 실험 결과 본 실험은 일반적인 2차 침전조의 표면적 부하에서 안정하게 운전되던 상황에서 유량이 크게 증가하였을 때 침전조 내 슬러지 층 높이 변화 및 슬러지 유출 정도를 알아보기 위해 수행하였다. 그림 3-29는 iron dust를 주입하지 않은 경우(WOID)와 주입한 경우(WID)에서 침전조의 표면적 부하를 14.1 m 3 /m 2 /d에서 29.4 m 3 /m 2 /d로 거의 두배를 증가했을 경우 침전조 높이별 MLSS 농도 변화를 보여주고 있다. 초기 조건에서는 슬러지 층이 모두 유입수 유입 위치에 존재하고 있었다. WID의 반송슬 러지 MLSS 농도가 WOID 보다 높은 이유는 WID에 iron dust를 주입하여 MLSS 농도가 증가하였기 때문이다. 그 후 유량을 증가시킨 후 침전조 내 MLSS 농도는 전체적으로 증가하고 슬러지가 침전조에 쌓이므로 유입수 내 MLSS 농도는 줄어든 다. 표 3-8는 각 실험 조건에서 유입수 MLSS 농도를 나타내고 있다. 따라서 반송 슬러지 MLSS 농도도 감소한다. 유입 유량이 증가하는 경우 예상대로 슬러지 층이 상승하였다. WOID의 경우 슬러지 층이 거의 유출구 근처인 97 cm까지 상승하였 다. 하지만 iron dust를 주입한 WID의 경우 유입 유량 증가 후 슬러지 층 높이가 88.5 cm로 WOID의 경우보다 슬러지 층 안정적으로 유지되었다. 표 3-9는 각 조건 에서 슬러지 층 높이를 정리하였다. WOID와 WID의 SVI 값은 각각 17 ml/g과 69.2 ml/g 이었다. 결론적으로 iron dust를 주입하여 슬러지 침전성이 향상되었을 경우 유입 유량의 증가로 슬러지 층 상승 문제를 감소시킬 수 있었다. 74

76 18 WOID 18 WID Surface loading (m 3 /m 2 /d) MLSS (mg/l) MLSS (mg/l) Height from the bottom (cm) Height from the bottom (cm) 그림 3-29 상향유속 증가에 따른 침전조 내 MLSS 농도 변화 표 3-8 유입수 MLSS 농도(mg/L) 초기 유량 증가 후 WOID WID 표 3-9 슬러지 층 높이 변화(cm) 초기 유량 증가 후 WOID 6 97 WID

77 제3절 Bio-magnetite 공정 운전 결과 1. Lab-scale Bio-magnetite 공정 연속운전실험 결과 1차년도 연구 목표는 2차년도에 설치 운전할 pilot plant의 운전조건을 찾는 것을 주된 목표로 하고 있다. 따라서 lab-scale Bio-magnetite 공정을 다양한 운전조건에 서 운전하였다. 또한 Iron dust의 주입 효과를 비교 평가하기 위해 iron dust를 주 입하지 않은 반응기를 같은 조건에서 함께 운전하였다. 가. 실험 방법 (1) Lab-scale Bio-magnetite 공정 Lab-scale Bio-magnetite 공정의 구성은 그림 3-32와 같으며, 일반적인 DNR과 같은 구성을 가지고 있다. 전체 반응조의 부피는 침전조를 제외하고 2 L이며 전탈 질조, 혐기조, 무산소조, 호기조의 부피는 각각 1.5 L, 3.5 L, 5 L, 1 L이다. Influent M M M M PrAx An Ax Ox SST Effluent RAS IR P P 그림 3-32 Lab-scale Bio-magnetite 공정 구성도 76

78 (2) 반응기 운전조건 실험에 사용한 유입수는 실험실에서 제조한 합성하수를 사용하였으며, 유기물, 질 소, 인은 각각 CH 3 COONa+Glucose, (NH 4 ) 2 SO 4, KH 2 PO 4 를 이용하여 조절하였다. 자 세한 유입수 농도는 표 3-1에 정리하였다. 이외에 NaHCO 3 를 이용하여 유입수의 알카리도를 35 mg CaCO 3 /L로 조절하였으며, 미량 영양물질은 표 3-11와 같이 주 입하였다. 표 3-1 유입수 주요 성분 성상 Compound Concentration COD (mg COD/L) 2 TN (mg N/L) 4 TP (mg P/L) 5 Compound 표 3-11 미량 영양물질 성상 Chemical formula Molecular weight g/mol Concentration mg/l Calcium Chloride CaCl 2 2H 2 O Magnesium sulfate MgSO 4 7H 2O Manganese chloride MnCl 2 4H 2O Zinc sulfate ZnSO 4 7H 2 O Ferric chloride anhydrous FeCl Cupric sulfate CuSO 4 5H 2O Cobalt chloride CoCl 2 6H 2 O Sodium molybdate dehydrate Na 2MoO 4 2H 2O Yeast extract 3 반응기 운전 조건은 HRT의 경우 8 h과 6 h을 운전하였으며(침전조 제외), SRT 는 약 2 d와 4 d로 운전하였다. 내부반송은 유입 유량의 15%로 고정하였으며, 77

79 반송슬러지 유량은 5%와 1%로 운전하였다.. 식종 미생물로는 C시 고도하수처리 장 반송슬러지를 사용하였다. Iron dust는 하루에 폐기되는 MLVSS를 기준으로.5 g iron dust/g MLVSS 만 큼 호기조에 주입하였다. 실험에 사용한 iron dust는 5번체(눈금크기 25 μm)를 이 용하여 부상할 수 있는 작은 입자의 iron dust만을 사용하였다. 그림 18는 체로 거 르기 전과 거른 후 iron dust 입자를 현미경으로 관찰한 결과이다. 거르기 전에는 대부분 1 μm에 가까운 큰 입자로 구성되어 있다. 입도분포 분석 결과(그림 3-8), 입경이 25 μm이하인 입자가 부피비로 약 3.73% 존재하였다. iron dust를 거른 후 사 진은 대부분 입경이 매우 작은 것을 확인할 수 있었다(그림 3-34). 그림 3-33 체 거르기 전 iron dust 입자 78

80 그림 번체로 거른 후 iron dust 입자 (3) 분석 항목 및 방법 COD는 standard method(apha, 1998) 552 C. Closed Reflux. Titrimetric method를 사용하였으며 암모니아는 45-NH3 C. Titricmetric method, MLSS는 254 D. Total suspended solids dried at 13-15, MLVSS는 254 E. Fixed and Volatile solids ignited at 55 를 사용하였다. 이온성 물질인 질산염과 인산염은 Dionex사의 DX-12 이온 크로마토그래피를 이용하여 측정하였으며 음이온 칼럼은 IonPac AS4A-SC를 이용하였다. 다. 반응기 운전 결과 Lab-scale Bio-magnetite 반응기 운전은 초기에 실험실에서 제조한 합성하수 적 응기간으로 한 달 이상을 유지하였으며, iron dust 주입 후 25년 3월 18일까지 92 일째 운전 중에 있다. 그림 3-35는 반응기 전체 운전기간동안 호기조 내 MLSS 농 도를 나타내고 있다. 79