하수 재이용 공정 RO농축수 처리를 위한 미생물 고정화 담체의 질소 제어 연구 :A Study on Nitrogen Removal of Microbial Immobilized Media for Treatment of RO Concentrated Water in Sewage Reuse Process

박정빈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박정빈 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 박철휘

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

하수 재이용 공정 RO농축수 처리를 위한 미생물 고정화 담체의 질소 제어 연구

박정빈 환경공학과 2021.01 학위논문

2020

미생물 고정화 담체를 이용한 하수재이용 공정에서 발생되는 RO 농축수 처리

박정빈 , 김채연 , 박철휘 대한환경공학회 학술발표논문집 2020.11 학술대회자료

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전 세계적인 물 부족 문제는 심각해지고 있으며, 이러한 물 부족 문제는 급속한 산업발달로 인한 수질 오염 문제와 도시 집중화로 인한 인구증가에 따른 물 소비량이 증가하였기 때문이다. 물 부족 문제를 해결하기 위해 하수처리수 재이용과 같은 다양한 방법들이 연구되고 있다. 하수 재이용 처리공정으로 역삼투막(RO) 공정을 이용한 수자원 개발이 활발히 추진되고 있다. RO 공정을 적용할 경우, 안정적인 수질을 확보할 수 있다는 장점이 있으나 필연적으로 높은 농도의 오염물질이 발생한다. 일반적으로 RO농축수는 난분해성 유기물과 농축된 T-N, T-P, 염분, 독성물질 등이 포함되어 있어 별도의 처리공정이 필요한 실정이다. 본 연구는 하수처리수 재이용 공정에서 발생한 RO농축수의 효율적인 처리를 위하여 응집 전처리, 외부탄소원 및 미생물 고정화 담체의 적용을 통해 RO농축수 내 난분해성 유기물 및 질소 제어 처리 가능성을 평가하였다. 응집제(FeCl3 및 PAC)의 최적 pH 및 최적 주입량 선정 결과, PAC를 pH 7에서 40 mg/L 주입해야 하는 것으로 나타났다. 외부탄소원(메탄올, 글루코스, 글리세린)별 실험결과, 글리세린의 NO3--N 제거속도는 글루코스의 NO3--N 제거속도와 유사하며, 탈질 속도는 빠르고 COD 소모율은 낮아 적합한 대체 외부탄소원으로써 적용이 가능할 것으로 판단된다. batch test 실험에서 응집 전처리 COD 제거율은 74 %, 최적 C/N비는 6으로 나타났다. 기존 탈질 미생물 고정화 담체와 RO농축수처리에 사용된 탈질 미생물 고정화 담체의 미생물 군집을 분석한 결과, RO농축수를 사용한 탈질 미생물 고정화 담체에서 더 많은 종의 미생물 군집이 발견되었다. 미생물 고정화 담체를 적용한 MLE 공정을 통해 고농도의 질소 제거를 평가한 결과 평균 T-N 제거율 80 %, NO3-N 제거율은 95 %, COD 제거율 85%, TOC 제거율은 84 %로 높게 나타났다.
본 연구결과, RO농축수 처리에 있어 최적 응집 조건을 사용하여 난분해성 유기물을 제거하고, 외부탄소원별 batch test를 통해 글리세린의 외부탄소원으로써의 적용 가능성을 평가하였다. 또한, 고농도의 질소가 존재하는 RO농축수 처리에 있어 미생물 고정화 담체를 적용한 MLE 공정으로 T-N 제거율을 증가시켰다. 따라서, 응집 전처리를 통해 RO농축수의 난분해성 유기물을 제거하고, 글리세린 및 미생물 고정화 담체를 적용하여 RO농축수의 고농도 질소 제거 가능성을 실험적으로 고찰하였다.

The global water shortage problem is due to the water pollution problem caused by rapid industrial development and the increase in water consumption due to population increase by urban concentration. Various methods such as sewage treatment water reuse are being studied to solve the water shortage problem. Water resources development using reverse osmosis process is actively promoted as sewage reuse treatment process. When RO process is applied, it has the advantage of securing stable water quality, but inevitably high concentration of pollutants occur.
Generally, RO concentrated water include non-degradable organic matter and concentrated T-N, T-P, salinity, and toxic substances, so a special treatment process is required. This study was conducted to evaluate the possibility of non-degradable organic matter and nitrogen control in RO concentrated water through the application of coagulation pretreatment, external carbon source and microbial immobilization media for efficient treatment of RO concentrated water generated in sewage treatment water reuse process. The optimum pH and optimal injection amount of FeCl3 & PAC were selected. The optimal condition was to inject PAC 40 mg/L under pH 7. The results of the experiments by external carbon sources (methanol, glucose, and glycerin) showed that the NO3--N removal efficiency of glycerine is similar to that of glucose, and the denitrification rate is fast and the COD consumption rate is low, which is considered to be applicable as an appropriate alternative external carbon source. In the batch test experiment, the COD removal efficiency of coagulation pretreatment was 74 %, and the optimal C/N ratio was 6.
The microbial community of denitrifier microbial immobilized media used in the RO concentrated water and the existing denitrifier microbial immobilized media were analyzed. As a result, more species of microbial communities were found in denitrifier microbial immobilized media using RO concentrated water. The results of evaluating the high concentration of nitrogen removal through the MLE process using microbial immobilized media showed that the average T-N removal efficiency was 80 %, the NO3--N removal efficiency was 95 %, the COD removal efficiency was 85 % and the TOC removal efficiency was 84 % respectively.

The results of this study were as follows: The optimum coagulation condition for RO concentrated water was used to remove non-degradable organic matter and the application of glycerine as an external carbon source was evaluated through the batch test for each external carbon source. In addition, the T-N removal efficiency was increased by MLE process using microbial immobilized media in RO concentrated water with high concentration of nitrogen. Therefore, the non-degradable organic matter of RO concentrated water was removed through pre-coagulation treatment, and the possibility of high concentration nitrogen removal of RO concentrated water was experimentally investigated by applying glycerine and microbial immobilization media.

#하수 재이용 #RO농축수 #응집 #외부탄소원 #미생물 고정화 담체

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 범위 3
2. 이론적 배경 5
2.1 하수 재이용 5
2.1.1 하수 재이용의 필요성 5
2.1.2 국내·외 하수 재이용 현황 6
2.1.3 하수 재이용 RO농축수 특성 11
2.2 RO농축수 처리 기술 13
2.2.1 전처리 응집 13
2.2.2 생물학적 질소 제거 15
2.2.3 질산화(Nitrification) 17
2.2.4 탈질화(Denitrification) 24
2.3 외부탄소원 30
2.3.1 개요 30
2.3.2 외부탄소원의 종류 31
2.3.3 외부탄소원 성상 분석 34
2.3.4 글리세린의 외부탄소원 활용 가능성 37
2.4 미생물 고정화 담체 38
2.4.1 개요 38
2.4.2 미생물 고정화 담체 미생물 군집 분석 40
2.4.3 미생물 고정화 공법 42
2.4.4 미생물 고정화 담체 재료 45
3. 연구내용 및 방법 49
3.1 미생물 고정화 담체 제작 49
3.2 유기물 제거를 위한 전처리 특성 51
3.3 미생물 고정화 담체의 외부탄소원별 탈질 특성 53
3.3.1 외부탄소원별 성상 분석 53
3.3.2 외부탄소원별 COD fraction 54
3.3.3 외부탄소원별 OUR test 57
3.3.4 외부탄소원별 질산성질소 섭취율(NUR) test 58
3.4 RO농축수 생물학적 질소처리 59
3.4.1 Batch test에서 C/N비에 따른 탈질 효율 59
3.4.2 미생물 군집 분석 60
3.4.3 MLE 공정 운전 성능 평가 61
4. 연구결과 및 고찰 65
4.1 유기물 제거를 위한 전처리 특성 65
4.1.1 RO농축수 특성 65
4.1.2 응집 전처리 66
4.2 미생물 고정화 담체의 외부탄소원별 탈질 특성 74
4.2.1 외부탄소원별 성상 분석 74
4.2.2 미생물 고정화 담체의 외부탄소원별 batch test 82
4.3 RO농축수 생물학적 질소처리 88
4.3.1 C/N비에 따른 Batch test 88
4.3.2 미생물 군집 분석 93
4.3.3 MLE 공정 운전 성능 평가 107
5. 결 론 113
References 115
Abstract 127

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