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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김한슬 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수
박철휘
발행연도
2019
저작권
서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

미생물 고정화 담체와 membrane을 이용한 하수고도처리 특성 연구
김한슬 환경공학과 2019.01 학위논문

2018

미생물 고정화 담체를 적용한 후탈질조합공정에서의 하수 처리 및 슬러지 감량화
김한슬 ,  신동철 ,  김지숙 외 3명 대한환경공학회 학술발표논문집 2018.11 학술대회자료

초록· 키워드

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산업의 발달과 도시화로 인해 부영양화에 따른 녹조 및 적조 제어 문제가 지속적으로 제기되어 이에 따라 2012년에 부영양화 생성 주요인자인 영양물질 및 유기물 처리기준이 대폭 강화되었다. 또한 재이용수질 권고 기준에 의해 T-N은 향후 10 mg/L이하로 강화될 것으로 보고 있으며 기존 유기물지표인 CODMn의 한계를 극복하기 위해 2021년 부로 TOC로 대체되는 등 공공하수처리시설 방류수 수질 기준이 강화되고 있는 실정이다. 우리나라의 하수도 보급률 증가, 공공하수처리시설 증설 등에 따라 하수슬러지 발생량이 점차 증가하는 추세이며 하수슬러지 규제가 강화됨에 따라 슬러지 처리 및 감량화에 대한 대책이 시급한 실정이다. 기존의 슬러지 처리는 잉여슬러지 자체를 줄이는 데는 한계가 있으므로 공정 내에서 원천적으로 하수슬러지를 감량할 필요가 있다.
본 연구에서는 강화된 공공하수처리시설 방류수 수질기준을 만족시키고 슬러지 감량화에 대한 대책을 마련하고자 고농도로 미생물 유지가 가능하며 슬러지 발생을 최소화 할 수 있는 미생물 고정화 담체를 이용하였다. 미생물 고정화 담체 특성 분석을 통해서 담체 내 미생물 고정화 여부 확인과 미생물량 및 우점화된 미생물을 분석하였다. 담체와 membrane을 이용하여 lab-test 운전성능 평가 및 슬러지 감량화 평가를 실시하였다.
미생물 고정화 시키지 않은 담체를 대조군으로 하여 SEM 분석한 결과 담체 내부에 미생물의 성장이 잘 이루어질 수 있을 만큼 넓은 비표면적의 공극이 많이 형성됨을 확인하였다. 미생물 고정화 담체의 SEM/EDX 분석 결과 간균과 구균의 군집형성을 관찰하였으며 탄소, 산소, 질소, 황, 인의 원소 각각 66.3 %, 25.21 % 7.41 %, 0.35 %, 0.74 %를 나타내 대조군에 비해 원소가 증가한 것을 확인하였다.
MLVSS 분석을 통해 담체 내 미생물량을 간접적으로 확인한 결과 호기조용 담체의 MLVSS는 4,250 mg/L으로 나타났으며 무산소조용 담체의 MLVSS는 5,750 mg/L로 고농도의 미생물 농도 유지가 가능하였다.
NGS 기법을 이용한 미생물 군집 분석 결과 속(genus)수준에서 호기조용 담체에는 NOB의 대표적인 미생물 속인 Nitrobacter가 17.88 %, Povalibacter 17.73 %로 우점하고 있었으며 Nitrosomonas, Flavobacterium, Nitrobacter 등 질산화 미생물이 약 45 % 존재했다. 무산소조용 담체에는 Desulfomicrobium, Desulfobulbus, Methyloversatilis가 각각 19.34 %, 14.04 %, 12.01 % 우점하였고 Flavobacterium, Pseudomonas 등 탈질화미생물 약 63 % 존재했다.
Lab-test를 통한 운전 성능 평가에서 Mode Ⅲ 운전 시 CODCr 8.44 mg/L, TOC 5.09 mg/L, NH4+-N 0.18 mg/L, NO3?-N 6.95 mg/L, TKN 1.89 mg/L, T-N 8.85 mg/L, T-P 1.15 mg/L, TSS 3.28 mg/L, VSS 1.35 mg/L로 유출되었으며 COD, SS, T-N, TOC의 공공하수처리시설 방류수 수질 기준에 만족하였다.
Lab scale 반응조의 잉여슬러지 발생량은 4.94 x 10-4 kg/d이다. 기존 운영 시설인 서울소재 J물재생센터의 슬러지 발생량과 비교 검토한 결과 잉여슬러지 기준 82.1 % 슬러지 감량율을 보였으며 총 슬러지 기준 35.4 % 슬러지 감량율을 보였다.
미생물 고정화 담체를 적용할 경우 담체 내 고정화된 고농도 미생물을 이용하여 기존 처리공법보다 안정적인 처리가 가능한 것으로 나타났다. 또한 membrane을 결합하여 운전하면 높은 제거효율 확보가 가능하고 잉여슬러지 발생량 저감이 뛰어난 것을 확인하였다. 따라서 미생물 고정화 담체와 membrane을 이용한 처리공법은 향후 강화될 방류수 수질 기준을 만족시키며 슬러지 감량화를 위한 대책으로 적절할 것으로 판단된다.
#고정화 담체 #고도처리 #미생물 군집 분석 #슬러지 감량화

목차

1. 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 범위 2
2. 이론적 배경 4
2.1 생물학적 질소·인 제거 4
2.1.1 생물학적 질소 제거 4
2.1.2 생물학적 인 제거 12
2.2 미생물 고정화법 17
2.2.1 미생물 고정화 17
2.2.2 미생물 고정화 기법 18
2.3 슬러지 감량화 20
2.3.1 국내 하수슬러지 현황 20
2.3.2 슬러지 감량화 선행 연구 21
3. 연구 내용 및 방법 23
3.1 연구 재료 23
3.1.1 미생물 고정화 담체 제작 23
3.1.2 대상원수 24
3.2 미생물 고정화 담체 특성 분석 25
3.2.1 담체 표면 및 내부 분석 25
3.2.2 담체 내 미생물량 분석 26
3.2.3 NGS 기법을 통한 미생물 군집분석 26
3.2.4 담체의 흡착여부 분석 30
3.3 Lab-test를 통한 운전 성능 평가 32
3.3.1 유입원수 성상분석 32
3.3.2 실험 장치 및 운전 모드 설정 34
3.3.3 슬러지 감량화 평가 37
3.3.4 Membrane 사양 38
3.3.5 수질분석항목 및 측정방법 39
4. 실험결과 및 고찰 41
4.1 미생물 고정화 담체 특성 분석 41
4.1.1 SEM/EDX 분석 41
4.1.2 담체 내 MLVSS 분석 46
4.1.3 미생물 군집 분석 47
4.1.4 담체의 흡착여부 분석 61
4.2 Lab-test를 통한 운전 성능 평가 65
4.2.1 유입원수 성상분석 65
4.2.2 운전 성능 평가 73
4.2.3 슬러지 감량화 평가 93
5. 결론 97
References 100
Abstract 110
List of Tables
Table 2-1 Relationship between BOD/TKN ratio and the fraction of nitrifying bacteria 12
Table 2-2 Sewage sludge production 21
Table 3-1 Influent wastewater quality during operation 25
Table 3-2 Sequence of the primers for PCR amplification 28
Table 3-3 Process and program for NGS analysis 30
Table 3-4 Synthetic wastewater composition 32
Table 3-5 Operation conditions on mode 36
Table 3-6 Specification of membrane 39
Table 3-7 Analytical items and methods for this study 40
Table 4-1 Elements analysis of control media and microorganism immobilized media 46
Table 4-2 MLSS and MLVSS concentration of media 47
Table 4-3 Final QC result of DNA original samples 47
Table 4-4 Library QC result of DNA samples 50
Table 4-5 Raw data of sample 51
Table 4-6 Assembly data of sample 51
Table 4-7 Pre-processing and clustering data of sample 51
Table 4-8 Ratio of taxonomy abundance in the phylum level 53
Table 4-9 Ratio of taxonomy abundance of aerobic media in the genus level 57
Table 4-10 Ratio of taxonomy abundance of anoxic media in the genus level 58
Table 4-11 Analysis of community diversity 60
Table 4-12 Adsorption capacity results by items 64
Table 4-13 Analysis of influent wastewater quality 65
Table 4-14 CODCr concentration for YH 67
Table 4-15 SKN, NH4+-N and SNI concentration in batch reactor 69
Table 4-16 Comparison of COD fraction with other studies 72
Table 4-17 Nitrogen fraction of influent wastewater in this study 73
Table 4-18 Distribution of total organic carbon in the influent and effluent 81
Table 4-19 Flow rate, sludge production and sludge load rate at flow rate in J water reclamation center and lab scale reactor 95
List of Figures
Fig. 2-1 Schematic diagram of nitrogen transformation 5
Fig. 2-2 Behavior of soluble BOD and phosphorus in phosphorus removal reactor 14
Fig. 2-3 Schematic diagram of biological phosphorus removal 14
Fig. 3-1 Photographs of media 24
Fig. 3-2 SEM/EDX equipment 26
Fig. 3-3 Overview of NGS method 27
Fig. 3-4 The PCR conditions 29
Fig. 3-5 Photograph of batch-test reactor for adsorption capacity evaluation 31
Fig. 3-6 Photograph of batch-test reactor for SI, SNI and YH 33
Fig. 3-7 Photograph of apparatus for OUR test 34
Fig. 3-8 Schematic flow diagram of process 36
Fig. 3-9 Photograph of lab scale reactor 37
Fig. 3-10 Photograph of membrane on lab scale reactor 38
Fig. 4-1 SEM image of control media 42
Fig. 4-2 SEM image of microorganism immobilized media 44
Fig. 4-3 EDX analysis result of control media 45
Fig. 4-4 EDX analysis result of microorganism immobilized media 45
Fig. 4-5 GS FLX library QC of samples 49
Fig. 4-6 Bar type of taxonomy abundance in the phylum level 52
Fig. 4-7 Bar type of taxonomy abundance in the genus level 56
Fig. 4-8 Shannon index and inverse simpson index 60
Fig. 4-9 Rarefaction curve 61
Fig. 4-10 NH4+-N and T-P concentrations in nitrification 62
Fig. 4-11 NO3--N and CODCr concentration in denitrification 62
Fig. 4-12 Adsorption capacity on control 63
Fig. 4-13 SCOD concentration for SI 68
Fig. 4-14 OUR curve for SS and XS 71
Fig. 4-15 TCODCr concentration of lab-test 75
Fig. 4-16 SCODCr concentration of lab-test 76
Fig. 4-17 TOC concentration of lab-test 77
Fig. 4-18 DOC concentration of lab-test 77
Fig. 4-19 POC concentration of lab-test 78
Fig. 4-20 Distribution of total organic carbon in the influent 79
Fig. 4-21 Distribution of total organic carbon in the effluent 80
Fig. 4-22 NH4+-N concentration of lab-test 83
Fig. 4-23 NO3--N concentration of lab-test 83
Fig. 4-24 TKN concentration of lab-test 85
Fig. 4-25 SKN concentration of lab-test 85
Fig. 4-26 T-N concentration of lab-test 87
Fig. 4-27 S-N concentration of lab-test 88
Fig. 4-28 T-P concentration of lab-test 90
Fig. 4-29 S-P concentration of lab-test 90
Fig. 4-30 TSS concentration of lab-test 92
Fig. 4-31 VSS concentration of lab-test 92
Fig. 4-32 Excess sludge production in lab scale reactor 93
Fig. 4-33 Excess and total sludge load rate of J water reclamation and lab scale reactor 96

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