소개
도시화가 가속화되면서 오염 문제가 점점 더 두드러지고 있으며, 그 중 도시 하수 문제가 주요 문제로 대두되고 있습니다. 산업생산 및 일상생활에서 발생하는 폐수는 하천과 수자원을 심각하게 오염시킬 뿐만 아니라 인류의 건강과 생태환경에 큰 위협을 가하고 있습니다. 따라서 도시의 건강한 발전을 위해서는 도시하수처리의 질을 향상시키는 것이 시급한 과제로 대두되고 있다.
전통적인 화학적 처리 방법은 부적절하게 운영될 경우 쉽게 2차 오염을 일으키고 오염되지 않은 수역의 자연 구조를 변화시킬 수 있습니다. 이에 반해, 도시 하수 처리의 새로운 수단으로 생물막을 기반으로 한 생물학적 증강 기술은 독특한 장점을 보여줍니다. 이 기술은 2차 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 조작이 간단하고 실시간 처리가 가능한 특징을 갖고 있습니다.- 더 중요한 것은 생물학적 증강 기술은 오염물질 농도와 염분의 영향을 덜 받아 불리한 조건에서도 높은 활성을 유지하고, 유독성 폐수 처리 시 오염물질 이동을 일으키지 않는다는 점이다.
그러나 생물막의 실제 처리 효과는 여러 요인에 의해 영향을 받으며, 그 중 담체 유형이 핵심 요인 중 하나입니다. 다양한 운반체는 생물막 성장과 성능에 서로 다른 영향을 미칩니다. 따라서 적절한 담체를 선택하는 것은 수질 오염 처리에서 생물학적 증강 기술의 효율성을 향상시키는 데 중요합니다. 이를 위해 본 논문에서는 환경보호공학에서 도시 수질 오염에 대한 생물학적 처리 방법에 대한 심층적인 분석과 연구를 실험을 통해 수행하고, 최적의 담체 유형 및 작동 조건을 찾고, 도시 수질 오염 처리에 대한 보다 효과적인 기술 지원을 제공하는 것을 목표로 합니다.
1 실험 재료 및 방법
1.1 실험 설정
실험에서는 크기가 20cm x 50cm이고 유효 부피가 6.85L인 플렉시글라스 생물막 반응기를 사용했습니다. 통기 장치는 산소-증가 펌프였으며, 이 펌프의 주요 기능은 미생물에 산소를 공급하고 부유 운반체의 충분한 현탁을 보장하는 것이었습니다. 3시간의 간헐적인 통기 기간 동안 교반기를 사용하여 고체-액체(미생물 담체 및 하수)를 완전히 혼합했습니다. 반응온도는 온도조절장치를 이용하여 28±1도로 조절하였다. 전체 실험 설정은 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 반응기 (a)와 (b)에는 침전물이 접종되었으며, 운반체는 각각 부유 운반체와 탄성 운반체였습니다. 반응기 (c)와 (d)에는 활성 슬러지가 접종되었으며, 담체는 각각 부유 담체와 탄성 담체였습니다. 4개의 원자로 (a)~(d)의 작동 매개변수는 기본적으로 동일했습니다. 운전 모드는 3h + 3h 간헐적 폭기였으며 폭기 강도가 점차 증가하고 간헐적인 슬러지 배출이 이루어졌습니다. 통기량은 1~2일째는 3L/min, 3~9일째는 2L/min, 9일째는 3L/min으로 하였다. 생물막 부착 방법은 간헐운전 2일 후 완전방출하였다.
1.2 실험재료
1.2.1 미생물 담체의 구성
탄성 캐리어 구성: 실험에서는 탄성 캐리어로 고밀도 폴리에틸렌으로 만들어진 약 600개의 섬유질 물질을 사용하여 생물막 반응기 상단에 고정되어 자연적으로 매달린 직경 4mm의 내부식성 중앙 로프를-사용했습니다. 이 캐리어의 충진 높이는 26mm, 필라멘트 직경 10mm, 질량 0.978g/cm3, 비표면적 500m²/cm⁻³, 다공성 95% 이상, 충진율 60%였습니다.
현탁 담체 구성: 현탁 담체는 폴리염화비닐로 만들어진 입상 물질로, 약 260개의 입자로 되어 있으며, 통기 중에 유동화된 상태였습니다. 캐리어 직경은 150mm, 입자 직경은 0.5mm, 질량은 100g/cm3, 비표면적은 311m²/cm⁻³, 다공성은 99% 이상, 충전율은 60%였습니다.
1.2.2 실험수의 준비
실험수는 산둥성 웨이팡시 미허강 수질을 기준으로 준비됐다. KNO₃, NH₄Cl, C₆H₁₂O₆, NaNO₂ 등 미허강 수질의 일반적인 오염물질이 추가되었습니다. 수온은 7.8~31.8도, pH는 7.01~8.66, DO는 6.46~11.35mg/L, NH₄⁺-N은 0.35~6.51mg/L, COD는 102~273mg/L로 조절되었습니다. Cu²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺ 등의 미량원소도 첨가하여 미생물이 살기 좋은 환경을 제공했습니다. 첨가 후 농도는 CuSO₄·5H2O 9.68 ug/L, MgSO₄ 15.2 ug/L, MnCl²·4H2O 211 ug/L, FeCl₃ 5.88 ug/L, ZnSO₄·7H2O 9.49 ug/L, CoCl²·6H2O 3.85 ug/L이었다.
1.2.3 실험적으로 접종된 슬러지
접종된 퇴적물은 산둥성 웨이팡시 미허강 진흙에서 채취하였고, 접종된 활성 슬러지는 웨이팡시 폐수처리장 폭기조에서 채취하였다. 접종된 침전물을 증류수로 세척하고 0.45mm 스테인리스강 체를 통해 여과하였다. 퇴적물과 활성슬러지는 각각 1:10의 비율로 생물막 반응조 바닥에 깔려 있었다.
1.3 분석 방법
1.3.1 수질지표 분석방법
실험의 모든 수질지표 분석방법은 국가표준방법을 따랐다. 각 지표의 최종값은 3회 실험의 평균으로 하였다. 구체적인 측정 절차는 다음과 같습니다.
pH, DO, T:Mettler-Toledo 용존 산소 측정기를 사용하여 측정했습니다. 구체적인 단계는 다음과 같습니다. 계량기가 양호한 작동 상태인지 확인합니다. pH를 측정하고; 용존 산소(DO)를 측정합니다. 온도(T)를 측정합니다.
NH₄⁺-N:Nessler의 시약 비색법으로 측정됩니다. 단계는 다음과 같습니다. NH₄⁺를 NH₃로 변환하기 위해 물 샘플에 적절한 양의 수산화나트륨 용액을 추가합니다. 일반적으로 물 샘플 10mL당 NaOH 0.2g을 첨가합니다. 처리수 시료에 네슬러 시약을 한 방울씩 첨가하면 생성된 NH₃와 반응하여 노란색 침전물이 생성됩니다. 침전물이 완전히 형성될 때까지 15~30분 정도 기다립니다. NH₄⁺-N 함량이 높을수록 용액 색상이 어두워집니다. 비색 결과 또는 흡광도 판독값을 기준으로 NH₄⁺-N 농도를 계산합니다.
대구:급속소화법으로 측정합니다. 단계는 다음과 같습니다: 적절한 양의 물 샘플을 소화 플라스크에 추가하고 적절한 양의 과염소산과 황산을 추가하여 샘플의 산성 소화를 달성합니다. 샘플 pH가 2 미만인지 확인하십시오. 열 분해: 분해 플라스크를 일정한 온도의 수조 또는 진탕 히터에 넣고 끓을 때까지 가열한 후 일정 기간(보통 2시간) 동안 유지합니다. 소화 플라스크를 실온으로 식힙니다. 지시약 첨가 : 남은 염소산을 흡수하기 위해 지시약으로 소량의 황화은을 첨가합니다. 적정: 적정에는 Rhodamine B를 사용하십시오. 색상이 분홍색에서 노란색-녹색으로 바뀔 때까지 Rhodamine B를 샘플에 한 방울씩 첨가합니다. COD 농도를 계산합니다.
1.3.2 생물막 특성 분석 방법
생물막 양은 충전 방법에 따라 결정되었습니다. 다당류 함량과 단백질 함량은 각각 소혈청알부민을 표준품으로 하는 질산-증류법과 쿠마시 브릴리언트 블루법으로 측정하였다. 이 둘의 합이 EPS 함량이었습니다. EPS 함량은 생물막 특성 분석을 위한 지표로 사용되었습니다. 실험에서는 주로 미생물 세포 응집에서 EPS의 역할을 분석했습니다. EPS 제거 전과 후의 바이오필름 시료의 무게를 측정하고, 0.9% NaCl 용액을 첨가하여 현탁액을 제조하였다. 현탁액의 OD₆₀₀ 값을 분광 광도계에서 0.6으로 조정했습니다. 5 mL 원심분리관에 적당량의 현탁액을 넣고 1시간마다 상청액 3 mL를 채취하여 OD₆₀₀를 측정하였다. 시간 t에서의 미생물 세포 응집의 백분율은 공식에 따라 계산되었습니다.
집계 프로세스는 1차-운동 방정식을 따랐습니다.
2 결과 및 논의
2.1 다양한 운반체를 사용한 생물막 부착 시작- 중 하수 품질 분석
운전 변수에 따라 원자로를 가동하고, 다양한 접종원과 담체에 따른 NH₄⁺-N 및 COD 제거 성능을 비교하는 절차에 따라 하수 내 NH₄⁺-N 및 COD 농도를 테스트했습니다.
그림 2(a)에서 NH₄⁺-N 제거 효율에 따라 생물막 부착 시작-과정이 적응, 급속 성장, 안정화의 3단계로 구분되는 것을 알 수 있습니다. 시동- 과정에서 활성 슬러지를 접종한 부유 및 탄성 담체의 생물막 부착 효율은 퇴적물을 접종한 담체보다 우수했습니다. 그 중 반응기 (b)는 12일차에 성공적인 생물막 부착을 달성한 반면, 반응기 (a)는 약간 느렸습니다. 구조적 장점으로 인해 탄성 담체는 생물막 부착에 더 짧은 시간이 필요한 반면, 부유 담체는 재질로 인해 생물막이 분리되기 쉬워 부착 효율이 감소했습니다. 이는 활성 슬러지에 풍부한 활성 미생물이 생물막 부착의 시작 효율을 향상시켰음을 나타냅니다.-
그림 2(b)를 보면 반응기 (a)~(d)의 COD 제거율이 먼저 증가하다가 안정화되는 것을 알 수 있다. 그 중 반응기 (b)는 (a)보다 빠르게 80% 제거율에 도달한 반면, (c)와 (d)는 모두 9일차에 80% 이상으로 안정화되었습니다. 이는 탄성 담체의 강력한 흡착 능력과 가교{5}}연결된 네트워크 구조로 인해 미생물과 하수 사이의 접촉 면적이 증가하여 유기물 차단 효율이 향상되었기 때문입니다. 또한, 활성슬러지의 부착성과 풍부함도 COD 제거율을 향상시켰습니다.
2.2 생물막 성능에 대한 다양한 요인의 영향 분석
위의 분석 결과를 바탕으로 오염 물질 제거 효과가 가장 좋은 반응기 (d) (활성 슬러지 및 탄성 담체가 접종됨)에 의해 형성된 생물막을 후속 실험의 생물막으로 선택하여 생물막 성능에 대한 다양한 요인의 영향을 추가로 분석했습니다. 결과는 그림 3에 나와 있습니다.
2.2.1 해야 할 일
실험 수온은 26~28도, pH 6.8~7.2, 유속 7.8~8.1L/min으로 설정되었습니다. 그림 3(a)와 같이 DO 농도가 1.5 mg/L에서 4.5 mg/L로 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD 제거율을 비교했습니다.
그림 3(a)에서 DO 농도가 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD 제거율이 증가함을 알 수 있습니다. DO가 1.5mg/L일 때 NH₄⁺-N과 COD의 제거율은 각각 약 34%와 48%였다. 이때 수역은 무산소 상태로 생물막에 산소 전달이 부족해 질산화 박테리아가 자라기 어려워 제거율이 낮은 것으로 나타났다. 그런 다음 DO가 3.5mg/L로 증가함에 따라 두 제거율 모두 크게 증가한 후 변화가 점차 평탄해졌습니다. 즉, DO가 3.5 mg/L를 초과한 후에는 DO가 더 이상 NH₄⁺-N 및 COD 제거에 영향을 미치는 주요 요인이 아닙니다.
2.2.2 pH
실험수온은 26~28도로 설정하였고, 유속은 7.8~8.1 L/min, pH 조절을 위해 HCl과 NaHCO₃를 사용하였다. pH가 6에서 9로 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD 제거율을 비교했습니다. pH가 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD의 제거율은 처음에는 증가했다가 감소하여 둘 다 pH 7에서 최대에 도달하는 것을 알 수 있습니다. pH는 질산화 박테리아에 큰 영향을 미칩니다. 질산화 박테리아의 성장을 위한 최적의 pH는 7.5~8.0이며, pH 7.0~7.8에서 활성이 가장 강합니다. 이 범위를 벗어나면 활동이 급격하게 감소하여 그림과 일치하게 NH₄⁺-N 및 COD 제거율이 감소합니다.
2.2.3 물 흐름 속도
실험 수온은 26~28도, pH 6.8~7.2, DO 3.5~4.5mg/L로 설정되었습니다. 유속이 6.5 L/min에서 9.5 L/min으로 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD 제거율을 비교했습니다. 유속이 8.0 L/min에 도달하기 전에는 유속이 증가함에 따라 제거율이 증가하여 8.0 L/min에서 최대에 도달한 후 감소하기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 적절한 유속이 물의 이동을 촉진하여 물질과 산소의 생물막으로의 이동을 가속화하지만, 지나치게 높은 유속은 생물막에 영향을 미쳐 일부 생물막 손실을 초래하여 처리 효율성에 영향을 미치기 때문입니다.
2.2.4 COD 부하
실험 수온은 26~28도, DO 3.5 mg/L, pH 7, 유속 8 L/min으로 설정되었습니다. COD 부하가 15 g/m²·d에서 30 g/m²·d로 증가함에 따라 NH₄⁺-N 및 COD 제거율을 비교했습니다. COD 부하가 15 g/m²·d에서 30 g/m²·d로 증가할 때 제거율은 급격히 증가한 후 점차 안정화되어 COD 부하 25 g/m²·d에서 최대에 도달하는 것을 알 수 있다. 이때 NH₄⁺-N 제거율은 90%에 가까웠고, COD 제거율은 90%를 넘었다. COD 부하가 25g/m²·d를 초과하는 경우 부하를 더 증가시켜도 제거율은 크게 변하지 않았습니다. 실험에 사용된 생물막의 최적 COD 부하량은 25g/m²·d였다.
2.2.5 유입수 C/N 비율
실험 수온은 26~28도, DO 3.5 mg/L, pH 7, 유속 8 L/min으로 설정되었습니다. NH₄⁺-N 및 COD 제거율은 유입수 C/N 비율 5.3, 10.2, 14.6에서 비교되었으며 결과는 그림 3(e)에 나와 있습니다.
그림 3(e)에서 유입수 C/N 비율이 5.3인 경우 생물막은 90%의 우수한 NH₄⁺-N 제거율을 달성했지만 COD 제거율은 낮음을 알 수 있습니다. 이는 낮은 C/N 비율이 독립 영양 질화 박테리아의 성장을 선호하여 종속 영양 질화 박테리아보다 영양분과 DO에 대해 더 강하게 경쟁하게 하여 종속 영양 질화 박테리아와 독립 영양 질화 박테리아 사이의 불균형을 초래하여 COD 제거가 불량하기 때문입니다. 유입수 C/N 비율이 10.2인 경우 생물막은 NH₄⁺-N과 COD 모두에 대해 상대적으로 높은 제거율을 나타냈는데, 이는 이 조건에서 종속영양성 질화균과 독립영양성 질화균이 균형있게 성장하고 생물막 정화 효율이 높기 때문입니다. 유입수 C/N 비율이 14.6인 경우 COD 제거율은 90%를 초과하여 높았으나, NH₄⁺-N 제거율은 약 65%에 그쳐 급격하게 감소하였다. 따라서 유입수 C/N 비율을 선택할 때 NH₄⁺-N과 COD 제거 효율을 모두 고려해야 합니다.
3 결론
수질오염 처리 효과를 향상시키기 위해 생물막을 기반으로 한 도시 수질오염의 생물학적 증강 처리 방법이 제안되었다. 다양한 접종원 및 다양한 담체에 따른 생물막 부착 시작 성능과 DO, pH, 유수 속도, COD 부하 및 유입수 C/N 비율이 생물막의 하수 처리 효율에 미치는 영향을 비교하기 위해 생물막 반응기를 구축했습니다. 분석 결과, 활성슬러지를 접종한 탄성 담체 생물막은 NH₄⁺-N 및 COD에 대한 제거율이 더 높아 더 나은 처리 성능을 달성한 것으로 나타났습니다. 또한, DO 농도를 3.5 mg/L로 유지하고, pH를 7.0~7.8의 적정 범위로 조절하고, 유속을 8.0 L/min으로 안정화하고, COD 부하량을 25 g/m²·d로 유지하고, 유입수 C/N 비율을 10.2로 조절하면 생물막은 최적의 오염물질 제거 효과를 나타냈습니다. 요약하면, 생물막을 기반으로 한 도시 수질 오염의 생물학적 처리 방법은 상당한 장점과 잠재력을 보여줍니다. 도시 수질오염 처리를 위한 지역별 맞춤형 생물막 생성은 도시 수질오염 개선 및 도시 생태균형 유지에 대한 아이디어를 제공합니다.