다양한 재료의 MBBR 패킹을 사용하여 미세-오염된 강물 및 합류 하수에서 암모니아 질소 제거
이동층 생물막 반응기(MBBR)는 활성 슬러지 공정과 기존 생물막 공정의 장점을 결합하여 현대 생물학적 하수 처리 분야에서 혁신적이고 혁신적인 기술입니다. 이전의 수많은 연구에서는 MBBR 공정이 도시 하수의 질소 제거 압력을 효과적으로 완화할 수 있음을 보여주었습니다. MBBR 공정의 바이오{2}}캐리어 패킹은 바이오필름을 반응기 전체로 운반하고 바이오필름, 산소 및 반응 기질 간의 접촉을 촉진하며 분해 반응의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 독특한 안정성과 밀도 특성으로 인해 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.
현재 대부분의 MBBR 바이오{0}}캐리어 패킹은 주로 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU) 및 다공성 폴리우레탄(PPC)과 같은 재료로 만들어집니다. 그 중 PE- 기반 MBBR 패킹은 폐수 내 크로마, CODCr, 암모니아 질소, 총 질소, 총 유기 탄소 및 휘발성 페놀에 대한 우수한 제거 효과가 있습니다. PP 패킹은 MBBR-AO 결합 프로세스 및 MBBR-MBR 결합 프로세스와 같은 결합 MBBR 프로세스에 주로 사용됩니다. PU, PPC 패킹은 다공성이 높아 미생물의 부착면적을 넓힐 수 있어 미생물이 빠르고 안정적으로 성장할 수 있어 폐수 속의 유기오염물질과 각종 영양분을 효과적으로 제거할 수 있습니다. PE 및 PPC 패킹은 현재 널리 사용되는 두 가지 유형입니다. PE 패킹은 더 나은 성능으로 더 널리 적용되는 반면, PPC 패킹은 친수성이 더 강하고 비표면적이 넓어 미생물 부착에 더 도움이 됩니다. 두 가지 유형의 패킹 모두 장점과 단점이 있으며 둘 다 우수한 기계적 강도와 저렴한 비용을 가지고 있습니다. 그러나 MBBR-AO 결합 공정에서 미량 오염된 강물과 합류 우수{10}}하수로부터 암모니아 질소 제거 효과에 대한 보고는 거의 없습니다. 이 문서에서는 MBBR-AO 결합 공정에 다양한 유형의 MBBR 바이오{13}}캐리어 패킹(PE 및 PPC 재료)을 추가하는 것이 미량-오염된 강물과 결합된 우수-하수에서 암모니아 질소 제거 효율에 미치는 영향을 조사합니다. 동시에, 하수 처리를 위한 MBBR 공정에서 다양한 MBBR 바이오{19}}캐리어 패킹의 특정 선택 방법을 개선하는 것을 목표로 다양한 MBBR 바이오{19}}캐리어 패킹의 생물막 형성 속도와 서비스 수명을 분석합니다.
1. 하수처리공정
1. 1 공정 흐름 및 바이오{1}}캐리어 포장 세부정보
본 연구에 사용된 하수 처리 장치는 MBBR-AO 결합 공정을 채택한 자체 설계한 생물학적 유동층 반응기입니다. 주요 공정 흐름은 그림 1(a)에 표시되어 있으며 특정 장비에는 그릴, 리프트 펌프, MBBR 바이오{4}}캐리어 패킹, 통합형 고-효율 생물학적 질소 제거 탱크, 고-효율 침전조, 폭기 시스템 등이 포함됩니다. 반응기의 유입 유량은 50 m3/d(약 2 m3/h)이고 유효 수리학적 체류 시간은 5입니다. 시간, 반응기의 유효 부피는 약 10m3입니다.
하수처리장치에 사용되는 MBBR 바이오{0}}캐리어 패킹은 PE-계 패킹과 PPC 젤 캐리어 패킹이 있습니다. PE- 기반 패킹은 Φ25mm×10mm 크기, 19개의 구멍 및 오각형 채널을 갖는 환형 복사 형태이며 비표면적이 약 500m²/m3입니다[그림 1(b)]. PPC 겔 캐리어 패킹은 크기가 Φ10mm×10mm×10mm이고 비표면적이 약 5,000m²/m3인 입방체입니다[그림 1(c)].
1.2 하수 품질
본 연구에서는 미량-오염된 하천수와 우수{1}}복합 하수라는 두 가지 유형의 수역을 처리하기 위해 하수 처리 장치를 사용했습니다. 미{3}}오염된 하천수는 오염도가 낮은 저장성 지역의 도시 하천에서 유입되었으며, 암모니아성 질소 농도는 평균 질량 농도가 5mg/L로 상대적으로 낮았습니다. 합류된 우수-하수는 저장성에 있는 하수 처리장의 하수 펌프장 2개(펌프장 1 및 펌프장 2)의 유입원이었으며 암모니아 질소 농도는 3~20mg/L 범위로 비교적 높습니다. 이는 공기 중의 일부 질소산화물이 빗물과 반응하여 강우 기간 동안 질산이나 질산염을 형성하기 때문이며, 이는 암모니아{12}}산화 박테리아의 번식에 더 도움이 되어 하수 중 암모니아 질소 함량이 상대적으로 높아지게 됩니다. 한편, 두 수역의 pH 값은 7~9 사이로 유지되었습니다.
1.3 하수 처리 장치의 작동 매개변수
1.2.1 초기 생물막 형성 과정
하수 처리 시스템은 생물막 형성을 위해 일괄적으로 포장을 추가하는 것으로 시작되었습니다. 반응기 내 충진재의 실제 유동화 효과에 따라 첨가된 충진재의 최종 부피분율은 20%로 결정되었다. 가동-과정에서 시스템 내 부유 슬러지는 반환되지 않았으며, 하수처리 시 슬러지 반환율은 1:8이었습니다.
1.2.2 장치 작동 매개변수 제어
하수 처리 장치는 상온(20도)에서 작동되었습니다. 장치 하단의 폭기장치는 하수처리 시 폭기율을 조절하기 위해 사용되었다. 한편, 장치의 유입 유량은 2m3/h로 제어되었으며, 하수 처리 중 다른 매개변수는 기본적으로 일관되게 유지되었습니다. 유입수 시료로는 1호 펌프장과 2호 펌프장의 합류 우수-하수와 미량 오염된 하천수를 선택했습니다.
2. 결과 및 고찰
2.1 다양한 재질의 MBBR 패킹의 생물막 형성 속도
하수처리 장치의 시동-단계에서는 유입수 수질이 안정적이었습니다. 패킹을 일괄적으로 첨가한 후, 패킹은 정상적인 생물막 형성 및 성숙을 거쳤습니다.
동일한 작동 조건에서 다양한 재료를 사용한 바이오{0}}캐리어 패킹의 생물막 형성 속도는 고유 특성으로 인해 상당히 다양했습니다. PE{2}} 기반 패킹의 생물막 형성 속도는 상대적으로 느려 폐쇄 통기 배양을 위해서는 포도당과 같은 화학 물질을 첨가해야 했습니다. MBBR-AO 결합 공정에서 PE 및 PPC 패킹의 작동을 관찰한 결과, PE 패킹을 추가한 지 약 5일 후에 담체 표면에 얇은 황-갈색 생물막이 나타나는 것으로 나타났습니다. 약 1주일 동안 계속 작동한 결과 담체 표면에 다수의 짚신벌레, 상피성, 로티퍼 및 소량의 와류가 나타났는데, 이는 생물막이 기본적으로 성숙되었으며 이때 시스템 시동이 완료되었음을 나타냅니다.{9}} 이에 반해, PPC 패킹의 경우 생물막 형성 속도가 더 빨랐고, 기본적으로 약 3일 만에 생물막이 성숙되었으며, 슬러지는 패킹 내부에 흡착될 수 있었다. 생물막의 형성은 암모니아{13}}산화 박테리아의 활동을 향상시키는 데 도움이 됩니다. PE 패킹과 비교하여, PPC 패킹의 넓은 비표면적은 생물막 형성 및 미생물 고정화에 더 도움이 됩니다. 다양한 종류의 하수를 처리하는 동일한 재질의 PE 패킹의 경우 패킹의 생물막 형성 효과도 유의미한 차이를 나타냈습니다. 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 미세-오염된 강물에서 PE 패킹 표면에 연한 갈색의 얇은 생물막이 존재함을 알 수 있습니다. 그러나 그림 2(b)는 합류 우수-하수에서 PE 패킹 표면의 생물막 층이 단편화되어 있음을 보여주며, 이는 미세-오염된 하천수에서 PE 패킹의 생물막 형성 효과가 합류 우수-하수에서보다 훨씬 우수함을 나타냅니다. 그림 2(c)와 그림 2(d)를 보면 미세-오염된 하천수와 합류 우수-하수에서 PPC 패킹의 생물막 형성 효과의 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
2. 2 다양한 재료를 사용한 바이오{1}} 담체 패킹의 암모니아 질소 제거 용량
암모니아성 질소 함량은 펌프장에서 배출되는 하수의 실제 처리 효과를 평가하는 핵심 지표입니다. 따라서 암모니아 질소 제거 능력은 MBBR-AO 결합 공정에서 바이오{1}}캐리어 포장 유형을 선택하는 데 중요한 실제적 지침 중요성을 갖습니다.
2. 3 공정의 단기- 운영 중 미세-오염된 강물에 대한 PE 및 PPC 패킹의 암모니아 질소 제거 효과
그림 3에서 볼 수 있듯이 PE 및 PPC 패킹을 갖춘 MBBR-AO 결합 공정의 평균 유입 암모니아 질소 질량 농도는 각각 3.69mg/L 및 3.39mg/L였습니다. 한편 실제 유입되는 암모니아성 질소 농도는 강우로 인해 큰 변동을 보였다. PE 패킹을 사용한 공정의 미량오염 하천수의 평균 암모니아성질소 제거량과 평균 제거율은 각각 3.12 mg/L, 84.55%로 PPC 패킹을 사용한 공정(2.56 mg/L, 75.52%)보다 높았다. 이는 MBBR-AO 결합 공정에 PE 패킹을 추가하는 것이 단기(12일 이내)에 미량{13}}오염된 강물에서 암모니아 질소를 제거하는 데 더 도움이 된다는 것을 나타냅니다.
2.4 단기- 공정 운영 중 결합된 우수-하수에 대한 PE 및 PPC 패킹의 암모니아 질소 제거 효과
그림 4에서 볼 수 있듯이, PE 패킹을 사용하는 MBBR-AO 결합 공정의 단기(18{3}}일) 작동 동안 펌핑 스테이션 1[그림 4(a)] 및 펌핑 스테이션 2[그림 4(b)]에서 결합된 우수-하수의 평균 유입 암모니아 질소 질량 농도는 7.24 mg/L 및 9.35 mg/L였습니다. 각각. MBBR-AO 결합 공정을 사용하여 펌핑 스테이션 1과 펌핑 스테이션 2에서 발생한 우수-하수를 단기(18-일) 처리하는 데 PE 패킹을 추가한 경우, 유출수의 암모니아 질소 농도가 크게 감소했습니다. 평균 암모니아성 질소 제거량은 6.93 mg/L, 7.9 mg/L이었으며, 평균 제거율은 각각 95.71%, 84.49%였다. 제1양수장에서 발생한 우수-하수를 단기(18{35}}일) 처리하는 동안 암모니아 질소 제거율은 90% 이상을 유지했으며 9일째에는 거의 100%에 도달했습니다. 처리된 하수는 부착된 미생물의 성장에 더욱 도움이 되어 암모니아성 질소 제거를 촉진할 수 있습니다. 한편, 제2양수장 우수-하수 병합처리의 단기(18일) 처리 동안 암모니아 질소 제거율은 대부분 90% 내외를 유지하였으며, 이는 MBBR-AO 결합 공정에서 PE 패킹을 추가하는 경우 단기(18일) 우수-하수 병합처리 중 암모니아 질소에 대한 강력한 제거 효과가 있음을 나타냅니다.
그림 5에서 볼 수 있듯이, PPC 패킹을 사용한 MBBR-AO 결합 공정에서 펌핑 스테이션 1(그림 5(a)) 및 펌핑 스테이션 2(그림 5(b))에서 결합된 우수-하수의 유입 암모니아 질소 질량 농도는 각각 3~20 mg/L 및 3~22 mg/L 범위에서 큰 변동을 보였습니다. 이는 강우로 인해 공기 중의 질소산화물이 하수 시스템으로 유입되어 유입되는 암모니아 질소 농도가 크게 변동되기 때문일 수 있습니다. 펌핑 스테이션 1과 펌핑 스테이션 2에서 통합된 우수-하수의 평균 유입 암모니아 질소 질량 농도는 각각 14.76 mg/L 및 13.26 mg/L였습니다. PPC 패킹을 사용한 MBBR-AO 결합 공정에 의한 단기-처리(24일) 후, 유출수의 암모니아 질소 농도는 크게 감소했으며 평균 질량 농도는 5.32mg/L 및 6.42mg/L에 불과했습니다. 평균 암모니아성 질소 제거량은 9.44 mg/L, 6.84 mg/L이었으며, 평균 제거율은 각각 63.96%, 51.58%이었다. 이는 PPC 패킹이 합류된 우수-하수에서 암모니아 질소를 제거하는 데 특정 효과가 있음을 나타냅니다. 합류된 우수- 하수에서 암모니아 질소 농도가 높은 것은 하수에 다른 복합 성분이 도입되어 PPC 패킹에 의한 암모니아 질소 분해를 억제하기 때문일 수 있습니다. PE 패킹과 비교하여 PPC 패킹은 기공이 더 작고 다공성이 높습니다. 합류된 우수- 하수에 포함된 불순물 및 부유 입자는 PPC 패킹의 기공을 막아 패킹 내부에 뭉침을 유발하여 암모니아 질소 제거 효율을 감소시킬 수 있습니다. 한편, 이전 연구에서는 1mm보다 작은 생물막이 패킹 내부의 기공 막힘을 일으킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 생물막은 패킹의 내부 막힘을 가속화할 수 있지만 주요 요인은 아닙니다.
MBBR-AO 결합 공정의 단기-운영 동안, 우수{2}}결합 하수에 대한 PE 패킹의 평균 암모니아 질소 제거율(펌프장 1의 경우 95.71%, 펌프장 2의 경우 84.49%)은 미세{7}}오염된 강물(84.55%)보다 약간 높았습니다. 이에 반해, 복합 우수-하수에 대한 PPC 패킹의 평균 암모니아성 질소 제거율(1호수장 63.96%, 2호수장 51.58%)은 미세{15}}오염된 하천수(75.52%)에 비해 약간 낮았습니다. PE 패킹의 경우 미세-오염된 강물과 비교하여 합류된 우수-하수의 용존 산소 농도가 낮기 때문에 질소 제거를 위해 PE 패킹에서 미생물의 질산화 및 탈질화가 동시에 진행되는 데 더 도움이 됩니다. PPC 패킹의 생물막 형성 과정에서 슬러지가 패킹 내부에 흡착되어 용존산소 농도가 증가하여 내부 미생물의 질화 및 탈질 동시 진행에 도움이 되지 않아 우수-하수 및 미세-오염된 하천수 모두에서 암모니아 질소 제거율이 감소합니다.
요약하면, PE 패킹을 추가하는 것은 MBBR-AO 결합 공정에 의해 단기적으로 결합된 우수-하수에서 암모니아 질소 분해에 더 도움이 됩니다.
장기간 공정 운영 중 PE 및 PPC 패킹이 우수-하수에 미치는 암모니아 질소 제거 효과
그림 6에서 볼 수 있듯이, PE 패킹을 사용하는 MBBR-AO 결합 공정의 장기간(96{3}}일) 작동 동안 펌핑 스테이션 1[그림 6(a)] 및 펌핑 스테이션 2[그림 6(b)]에서 결합된 우수-하수의 유입 암모니아 질소 질량 농도는 2 ~ 25 mg/L 및 3 ~ 35 mg/L 범위였습니다. mg/L는 각각 큰 변동을 보입니다. 평균 유입 암모니아 질소 질량 농도는 각각 10.20 mg/L 및 8.93 mg/L였습니다. MBBR-AO 결합 공정으로 처리한 후, 유출수의 평균 암모니아 질소 질량 농도는 2.93 mg/L 및 2.67 mg/L로 감소했으며, 평균 제거량은 7.27 mg/L 및 6.26 mg/L, 평균 제거율은 각각 71.27% 및 70.10%였습니다. MBBR-AO 결합 공정의 장기(96{33}}일) 운전 동안 PE 패킹을 추가하여 1번 펌프장과 2번 펌프장에서 발생한 우수{28}}결합 하수의 암모니아 질소 분해에는 큰 차이가 없었으며, 암모니아 질소 제거율은 약 74%를 유지했습니다. 이는 MBBR-AO 결합 공정에 PE 패킹을 추가하면 장기간(96-일) 작동 동안 합류된 우수-하수에서 암모니아 질소에 대한 우수한 제거 효과가 있음을 나타냅니다. PE 패킹과 MBBR-AO 결합 공정이 후기 단계(84~96일)에 운영될 때, 유입수가 펌프장 1 또는 펌프장 2의 우수-하수 결합 여부에 관계없이 배출되는 암모니아 질소 농도가 크게 증가했으며, 암모니아 질소 제거율은 공정 운영 초기 단계의 거의 90% 제거율보다 크게 낮았습니다. 장기간 사용하면 PE 패킹 자체가 손상되고 노화되며, 패킹의 표면 거칠기가 변하여 서비스 강도와 암모니아성 질소 제거 능력이 저하되기 때문입니다.
그림 7은 PPC 패킹을 사용한 MBBR-AO 결합 공정의 장기- 운전 중 유입 암모니아 질소 농도, 유출 암모니아 질소 농도, 암모니아 질소 제거량 및 암모니아 질소 제거율의 변화를 보여줍니다. 펌핑 스테이션 1[그림 7(a)] 및 펌핑 스테이션 2[그림 7(b)]에서 결합된 우수{4}}하수의 유입 암모니아 질소 질량 농도는 3~35mg/L 범위였으며, 평균 유입 암모니아 질소 질량 농도는 각각 10.96mg/L 및 8.10mg/L입니다. MBBR-AO 결합 공정으로 처리한 후, 유출수의 평균 암모니아 질소 질량 농도는 3.96 mg/L 및 3.39 mg/L로 감소했으며, 평균 제거량은 7.00 mg/L 및 4.71 mg/L, 평균 제거율은 각각 63.87% 및 58.15%였습니다. MBBR-AO 결합 공정의 장기-운영 동안 PPC 패킹을 추가하면 펌핑 스테이션 2보다 펌핑 스테이션 1의 합류 우수-하수 내 암모니아 질소에 대한 분해 효과가 약간 더 좋았으나 그 차이는 크지 않았습니다. 이는 MBBR-AO 결합 공정에 PPC 패킹을 추가하면 장기간 작동하는 동안 합류된 우수-하수에서 암모니아 질소에 일정한 제거 효과가 있음을 나타냅니다. PPC 패킹을 사용한 MBBR-AO 결합 공정의 암모니아 질소 제거율은 장기- 작동 중 단기- 작동보다 높았습니다. 이는 장기간 작동시-PPC 패킹 내부에 슬러지가 축적되어 국부적인 혐기성 또는 무산소 환경을 형성하여 질산화 박테리아의 생활 활동에 적합한 생활 환경을 제공하기 때문입니다. 질산화균이 빠르게 번식하여 국부적인 반응속도가 빨라집니다.
요약하자면, PE 패킹을 추가하는 것은 장기간 작동 중 MBBR-AO 결합 공정에 의한 우수{0}}결합 하수의 암모니아 질소 분해에 더 도움이 됩니다. 한편, MBBR-AO 결합 공정의 장기간 작동 중에 하수 내 암모니아 질소가 여전히 효과적으로 제거될 수 있도록 PE 패킹은 장기간 사용 후 적시에 교체하거나 청소해야 합니다.-
다양한 재료를 사용한 바이오{0}}캐리어 패킹의 수명
PPC 패킹과 비교하여 PE 패킹은 MBBR-AO 결합 공정을 통해 -미세 오염된 강물 및 합류 우수-하수를 -장기적으로 처리하는 동안 수명이 더 깁니다. 그림 8(a)에서 볼 수 있듯이 MBBR-AO 결합 공정에 의한 하수 처리 과정에서 PPC 패킹에 슬래깅과 손상이 발생합니다. 한편, 장기간 작동 후에는 패킹 내부에서 노화 및 뭉침이 발생합니다-[그림 8(b) 및 8(c)]. PPC 패킹은 슬러지 투과성이 좋지 않습니다. 스펀지- 형태의 PPC 패킹은 비표면적이 크지만 내부 기공에 슬러지가 쉽게 흡착되어 흘러나오기 어렵습니다. 패킹 내부에 슬러지가 장기간- 축적되면 혐기성 또는 무산소 환경이 형성되어 패킹의 색상이 점차 갈색에서 검은색으로 변하는 경향이 있습니다. 이로 인해 장기간 작동 시 PPC 패킹의 슬래깅, 파손, 노화 및 응집과 같은 문제가 발생하여 서비스 수명이 단축됩니다. 이는 또한 합류된 우수- 하수에서 암모니아 질소를 제거하는 데 있어 PPC 패킹의 효과가 떨어지는 주요 요인이기도 합니다[그림 5(a) 및 5(b)]. 이에 반해 PE 패킹은 기본적으로 MBBR-AO 결합 공정에 의한 장기간 하수 처리 시 위와 같은 문제가 발생하지 않아 내구성이 우수하고 수명이 길어졌습니다. 합리적인 캐리어 구성은 생물막에 대한 물 흐름의 영향을 효과적으로 완충하여 생물막이 손상되지 않고 안정적으로 성장할 수 있도록 합니다.
결론
본 연구에서는 MBBR-AO 결합 공정의 하수 처리 과정에서 PE 바이오{0}}캐리어 패킹과 PPC 패킹을 추가했습니다. 포장재가 미세 오염된 강물과 복합 우수-하수에서 암모니아성 질소 분해에 미치는 영향과 다양한 재질의 포장재에 대한 미생물 생물막 형성 속도 및 사용 수명을 조사했습니다. PPC 패킹과 비교하여 PE 패킹은 생물막 형성 속도는 느리지만 사용 수명은 더 깁니다. 한편, MBBR-AO 결합 공정에 의한 미량 오염 강수 및 복합 우수-하수의 장기-또는 단기-처리에 사용되더라도 PE 패킹은 암모니아 질소에 대한 더 나은 분해 효과를 나타냅니다. 연구 결과는 하수 처리 공정에서 포장재 선택에 대한 기술 지원을 제공합니다.