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실규모 상향류식 유동상반응기에서 탈질제한인자와 탈질균간의 상관관계 연구
A study on the correlation between control factors and denitrifiers in a full-scale denitrifying upflow fluidized bed reactor (FBR)

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Authors
김주성
Advisor
조희찬
Major
공과대학 에너지자원공학과
Issue Date
2014
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
탈질 제한인자상향류식 유동상반응기FlavobacterialesMethylotenera spp.미세산소상태(Micro-aerobic condition)
Abstract
질소와 인은 부영양화의 원인물질로써 수중에 존재하는 과량의 질산성질소는 발암물질을 형성할 수 있고 아질산성질소와 함께 청색증을 유발하기도 한다. 2012년 이후 총인이 하천에 유입되는 것을 방지하기 위해 대부분의 하수종말처리시설에 대해 총인을 0.2㎎/L 이하로 배출하도록 기준을 강화하였다. 하지만 고도처리 시설을 설치하였음에도 불구하고 조류주의보는 2013년 이후에도 계속 발령되었으며 정부는 이러한 부영양화 문제를 해결하기 위해 공공하수처리시설에 대해 2012년부터 계절과 지역에 관계없이 총질소 배출허용기준을 20㎎/L 이하로 강화하였다. 일반적인 하·폐수의 질소제거 방법으로는 물리화학적 처리방법과 생물학적 처리방법이 있다. 물리화학적 처리는 처리효율이 일정하고 폐수 내 독성물질 등이 존재하더라도 처리가 가능한 장점이 있는 반면 전기화학적인 방법을 이용하거나 염화아연, 알루미늄파우더 등을 이용하기 때문에 생물학적 처리보다 비용이 많이 들고 운영·관리하는 측면에서는 특별한 지식을 요구하는 경우가 많아 적용이 제한적일 수 있다. 생물학적 질소제거는 종속영양미생물을 이용하는 방법과 독립영양미생물을 이용하는 방법으로 나눌 수 있는데 우리나라의 하수처리장에서는 대부분 종속영양미생물을 이용한 탈질 방법을 사용하고 있다. 종속영양 탈질은 호기성 미생물을 이용하여 암모니아를 질산성질소로 산화시킨 후, 메탄올, 에탄올 등과 같은 유기탄소원을 주입하여 임의성 미생물로 탈질하는 방법이다. 본 연구의 상향류식 유동상반응기는 총인 제거를 위하여 전국 하수처리장 50여 곳에 설치되었으며 기 설치된 상향류식 유동상반응기로 총인뿐만 아니라 총질소도 안정적으로 처리할 수 있다면 비용 경제적인 접근방법일 것이다. 따라서 본 연구에서는 상향류식 유동상반응기를 이용하여 총질소를 처리할 수 있는 지를 판단하고 최적의 운전인자를 도출하는 데 목적을 두었다. 이를 위해 첫째, 온도와 탈질효율간의 상관관계를 분석하였고 둘째, 메탄올 주입량과 탈질효율간의 상관관계를 분석하여 최적의 메탄올주입량(C/N ratio)을 도출하였으며 셋째, 실용적인 관점에서 메탄올 주입 전 유입수의 용존산소 상한을 분석하였다. 넷째, 용존산소와 온도가 변화될 때 우점하는 미생물 종이 어떻게 변화하는지 상호관계를 분석하였다. 이를 위해 실규모의 파일럿플랜트(Pilot plant)를 하수처리장에 설치하여 운영하였으며 수질항목 조사분석은 CODMn을 standard methods(APHA, AWWA and WPCF, 1995)로 분석하였고 유량은 on-line 자동측정기인 Green Flowmeter SSM100(SSMI, Korea), 질산성질소는 HACH DR890(HACH Co, USA)과 on-line 자동측정기인 NITRATAX plus(HACH Co, USA)를 사용하였으며, 용존산소는 HACH 200TM Universal Controller(HACH Co, USA)를 사용하였고 온도(T)는 하수처리장의 TMS(Telemetering system) 방류수질 자료를 사용하였다. 또한 미생물의 분석은 16S rRNA 기법을 사용하였다. 경험적 온도상수θ는 1.165였으며 C/N비(CODdosed/NO3--Nremoved)는 메탄올을 기준으로 4.65였다. 또한 메탄올 주입 전 유입수의 용존산소 상한은 1.9㎎/L였다. 용존산소와 온도가 변화하면 우점하는 미생물 종이 어떻게 변화하는지 상호 연관관계를 분석한 결과, 발견한 중요 미생물은 저온 탈질미생물인 Flavobacteriales와 미세산소조건(Micro-aerobic condition)에서 불완전한 탈질을 하는 Methylotenera versatilis와 Methylotenera mobilis로 밝혀졌다. 본 연구의 결과는 총질소 제거 등의 수질개선 및 하천의 유지용수 등으로 충분히 활용 가능한 수질을 확보할 수 있는 기술적인 정보를 제공하여 생태계를 안정시키는데 기여할 것이다. 또한 총인처리를 목적으로 전국 하수처리시설에 기 설치되어 있는 상향류식 유동상반응기로 총질소도 처리할 수 있게 함으로써 오염물질 처리대상을 확장함은 물론 필수적인 운전조건을 제공하여 설비운영에 용이성과 경제성을 부여하기를 기대한다. 더욱이 실규모 반응기에서 분석했기 때문에 실용적이며 현장 적용을 쉽게 할 것으로 판단된다. 마지막으로 본 연구에서 수행한 운전조건 변화와 미생물 우점종간의 상호관계는 특정 증식환경에 적합한 미생물을 집중적으로 배양할 수 있는 단초가 되기를 기대한다.
Nitrogen and phosphorus are the causative agents for the eutrophication. In addition, an excessive amount of the nitrate () in water may form a carcinogen, and that of nitrite in water may be induced with cyanosis. To prevent phosphorus from entering the river, government focuses in phosphorus in prior to 2012. Sewage treatments have installed tertiary treatment facilities for discharging phosphorous under 0.2 ㎎/L. Despite of the installation, it was issued in 2013, too. To solve this problem of eutrophication, government has tightened the total nitrogen discharge limits to 20 ㎎/L or less for public wastewater treatment facilities, regardless of the season and the region in 2012. Thus, tertiary treatment processes for nitrogen are needed in public sewage treatment facilities. The processes for nitrogen removal in wastewater treatment are commonly divided into physicochemical processes and biological treatment processes. The treatment efficiency of physicochemical processes is constant and can treat the wastewater, even if the toxic substances are in. Though the advantages of it are, the cost of electrochemical processes is expensive than the biological treatment operation, because that processes use electrical energy and chemicals, as zinc chloride and aluminum powder, etc. A lot of special knowledge is required in managing the processes, therefore the application of that is limited. Biological nitrogen removal processes utilizing microorganisms can be divided into the heterotrophic processes and autotrophic processes. The most of sewage treatment plants in Korea have used heterotrophic denitrification processes. Heterotrophic process is a technology for denitrification which uses facultative microorganisms with injecting an organic carbon source such as methanol, ethanol and others in anaerobic condition, after using microorganisms to oxidize ammonia to nitrate in aerobic condition. The FBR (Fluidized Bed Reactor) have installed in over 50 sewage treatment plants in Korea, to remove total phosphorus. IF the FBRs already installed can treated T-N, as well as T-P, it would be cost saving. In this study, the objects were to evaluate the capable of treating the T-N and to determine the optimal operating parameters for operating a FBR. For this, first, the correlation between temperature and SDNR is analyzed. Second, through the correlation analysis between the injection volume of methanol and SDNR, most suitable C/N ratio is obtained. Thirdly, from a practical standpoint, the upper limit of dissolved oxygen in the influent before methanol injection analyzed. Finally, the correlation between the changed condition in DO and T (temperature) and microorganisms was analyzed. And the dominant microorganism was determined in the changed conditions. A pilot FBR was installed in a sewage treatment plant. CODMn were analyzed with the Standard Methods (APHA, AWWA and WPCF, 1995), Flow rate with the on-line Auto Meter Green Flowmeter SSM100 (SSMI, Korea), nitrate () with the HACH DR890(HACH Co, USA) and NITRATAX plus sc(HACH Co, USA, on-line automatic measuring sensor), DO with HACH sc 200TM Universal Controller(HACH Co, USA) and the temperature with the TMS(Telemetering system) data of the sewage treatment plant. In addition, molecular biological technology, 16S rRNA was used for the analysis of microbial community. An empirical temperature constant θ was 1.165. C/N ratio (CODdosed/ Nremoved) on the basis of the methanol was 4.65. In addition, the upper limit of DO in the influent before methanol injection was 1.9㎎/L. When DO and temperature changed, the dominant microbial species were changed. In the cross-correlation analysis, an important discovery of microbes in denitrification was Flavobacteriales at low temperature. Another important discovery of microbes in denitrification was Methylotenera versatilis and Methylotenera mobilis to do incomplete denitrification in micro-aerobic condition. The significances of this study are summed up with three conclusions as bellows. The first, the technology of FBR can be applied to real wastewater treatment plant because FBR was verified at a full-scale on a real sewage plant. This reactor can supply maintenance water for streams through the improvement of effluent water quality in wastewater and sewage water treatment plant. Second, the FBR already installed in sewage treatment facilities can remove T-N, as well as T-P. It means to increase the utilization of existing systems by extending the treatment target substance. Third, the changes of denitrification limiting factor (DO and temperature conditions) make the changes of dominant species. The results of the cross-correlation analysis about that can focus the species which needs to be improved or cultured.
URI
http://hdl.handle.net/10371/135048
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