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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.30 No.1 pp.99-104
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2016.30.1.099

Nutrients removal enhancement using a modified rotating activated bacillus contactor (RABC) process

Sunhee Kim, Donghwan Kim, Giung Jang, Eung-Ho Kim*
Department of Civil Engineering, Hongik University
Corresponding author: Eung-Ho Kim (kimeh@hongik.ac.kr)
November 9, 2015 February 4, 2016 February 5, 2016

Abstract

This study was performed to develop a new process technology for advanced wastewater treatment using a modified Rotating Activated Bacillus Contactor (RABC) process that adopts anoxic-oxic suspended biomass tanks to enhance nutrients removal. A modified lab-scale RABC process was applied to examine its applicability and to obtain the design factors for the optimum operation of the system. The modified RABC process showed a little more stable and high nutrients removal efficiency than the prototype RABC process: about 70% of nitrogen and 55% of phosphorous removal when the low organic loading (influent COD 200mg/L). However, the processing efficiency of nutrients removal rates was enhanced to great extent when high organic loading: nitrogen 90% and phosphorous 85% (influent COD 500mg/L). High organic loading stimulated extremely good biomass attachment on the reticular carrier RABC stage and the excellent nutrients removal, nevertheless with almost no offensive odor.


수정 RABC 공정을 이용한 영양염류 제거능 제고에 관한 연구

김 선희, 김 동환, 장 기웅, 김 응호*
홍익대학교 토목공학과

초록


    Hongik University

    1.서 론

    2012년부터 하수처리장의 방류수 수질기준이 강화 되고, 특히 질소와 인에 대한 규제가 강화되면서 BNR (Biological Nutrients Removal) 공정을 이용하는 생물 학적 하수고도처리 공법에 대한 관심이 증대되어 왔 다. 그러나 대부분의 기존 공정은 통상의 활성슬러지 법 기반의 BNR 공정으로 A2O, 5 Stage-Bardenpho, SBR 공정 등의 여러 변법에 의존하고 있는 실정이다. 이러 한 가운데 1980년대 일본 분뇨처리장에서 처음 발견 된 부유성 바실러스균 활용 기술이 특히 무악취 분뇨 처리 특성으로 주목받았다(Murakami et al., 1995).

    국내에서는 고농도 하폐수처리시 발생하는 악취 문 제를 해결하기 위해 포자형성균 활용 외에도 황산화 세균을 활용하는 탈취법(Lee et al., 1998)이 개발되었 으며, 점감포기형 RABC (Rotating Activated Bacillus Contactor)공법을 이용한 하수처리 연구를 수행한 결 과 T-N 70%, T-P 50% 제거율이 보고된 바 있다(Kim et al., 2004).

    국내 고유의 하수고도처리 기술로 개발된 부착성 Bacillus균을 하, 폐수처리에 우점균으로 활용하는 RABC 공법 기술에 대한 연구 결과 무악취, 저비용, 고효율 로 유기물은 물론 영양염류의 제거에도 효과적인 것 으로 나타났다(Kim et al., 2004, 2005, 2007). 또한, 발 아기의 Bacillus는 일반 활성슬러지의 2배∼5배까지의 유기물 제거속도를 가질 수 있는 것으로 알려져 있다 (Nam et al., 2007).

    RABC공법은 회전바실러스접촉장치 뒤에 점감포기 형의 부유생물반응조를 이용해 왔으며, 호기성 Bacillus 외에 혐기성 Clostridium균 중심의 포자형성균 우점화 가 확인되었다(Park et al., 2007).

    이러한 여러 배경하에 영양염류 제거효율을 극대화 하기 위한 기초연구단계로, 본 연구에서는 Bacillus sp. 을 우점화 시킨 망상형 회전담체 후단에 점증포기형 인 무산소조와 호기조의 부유성 생물반응조를 접목시 키는 수정 공정에 대하여 그 적용성을 특히 영양염류 제거성능 제고면에서 조사하고, Bacillus sp.의 우점도 와 유입농도에 따른 질소, 인의 제거효율에 대한 분석 을 수행하였다.

    2.실험장치 및 방법

    2.1.실험장치

    이 연구에서는 Lab. Scale 규모의 새로운 수정 RABC 공정(Fig. 1 모식도 참조)을 대상으로 실험 연구를 수 행하였다.

    수정 RABC공정은 Table 1에 나타낸바와 같이 핵심 공정인 전단의 회전식 망상형 Bacillus sp. 접촉 장치와 영양염류 제거능 증대 목표의 무산소조-호기조-침전조 로 구성되어진다. 장치내의 균체량 조정 및 Bacillus sp. 내생포자의 형성을 유도하기 위한 내부반송과 유 기물부하에 따른 미생물 활성제 투입이 주요 공정요 소이다.

    2.2.실험방법

    수정 RABC 공정은 Bacillus 우점화, 저부하 및 고부 하시 거동 파악을 실험목표로 하고, 유입수의 수질농 도를 3단계로 변화시켜 가며 운전하였다.

    글루코스, 펩톤, 효모추출물 등의 유기원과 염화암 모늄 및 인산칼륨을 주 N, P원으로 이용한 인공하수 를 제조하여 유입하수로 정량 주입하였다.

    생물반응조는 무산소조와 호기조 2단으로 구성하였 는데 무산소조의 DO농도는 0.01∼0.05mg/L, 호기조의 DO농도는 3.5∼4.5mg/L로 유지하였다.

    슬러지 반송은 침전조에서 RABC조로 1.5Q, 호기조 에서 RABC조로 1.0Q의 내부반송을 하였다. 또한, 바 실러스 미생물의 부착을 위해 생물반응조 MLSS초기 농도 2000mg/L정도로 H하수처리장 RABC공정 반송 슬러지로 Seeding 완료 후 공폭을 5일간 진행시켰으 며, RABC장치로 미생물 접촉을 유도하여 3일동안 공 폭을 하였다. 따라서, 최초 Seeding 후 8일 경과 후부 터 유기물 주입으로 본 실험에 착수 하였다.

    기존 RABC공정(Kim et al., 2004)에서는 생물반응 조를 점감포기형으로 초단 DO를 0.5∼1.0mg/L로 유지 시키고 나머지에서는 0.1∼0.3mg/L의 점차 DO조건을 낮게하여 Bacillus sp.의 포자화를 유도하였다면, 수정 RABC공정은 점증포기형으로 RABC조와 무산소조에 서 DO 조건을 낮게 유지시키면서 미호기성인 Bacillus sp.의 우점을 유도하였으며, 호기조에서는 빈영양상태 를 유지시켜 포자화를 유도하였다.

    2.3.분석방법

    수정 RABC 공정의 수질분석은 유기물 및 영양염 류제거와 관련해 COD (중크롬산칼륨법), T-N, T-P, NH3-N, NO3-N, PO4-P의 항목에 대해 분석하였고, DO, MLSS에 대한 분석도 함께 수행하였다. 채취된 시료 는 Standard Methods와 수질오염공정시험법에 따라 분 석하였다. 특히 고농도 부하시 관능법으로 악취발생 을 조사하였다. 또한 Bacillus sp.에 의한 우점화를 판 단하기 위하여 TSA배지, Bacillus sp.선택배지를 이용 하여 온도 38℃, 48시간 배양조건하에서 Bacillus sp.라 고 예상되는 콜로니를 채취하여 Gram염색 및 Catalase test를 통하여 Bacillus sp.의 우점도를 확인하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.유입농도변화에 따른 제거특성

    3.1.1.COD 제거율

    유입수의 COD농도는 RABC장치에 균체를 안정적으 로 부착시키기 위하여 RUN1에서 COD 1000mg/L에서 부터 농도를 낮추어가며 하수 기준 COD 200mg/L로 유지하여 운전하였고, RUN2에서는 저농도부하의 COD 200mg/L, RUN3는 고농도 부하로 500mg/L의 농도 로 운전한 결과 유기물의 부하(농도)변화에 상관없이 높은 유기물 제거율과 방류수 수질기준에 합당한 안정 적인 유출수질을 보였다. 또 관능법에 의존하였지만, 고농도 부하에서도 RABC조는 물론 후속의 생물반응 조에서도 악취는 전혀 느끼지 못하였다. Fig. 2는 운전 경과에 따른 COD 농도변화 및 제거율을 나타낸 그래프 이다.

    3.1.2.T-N 제거율

    유입수의 T-N농도는 Fig. 3에 보이듯이 25∼50mg/L 로 평균 40mg/L로 측정 되었다. 유입수의 농도변화에 따른 질소제거율 결과는 RUN2(저농도)에서 제거율 50∼60%정도로 가장 낮게 나타났다. 이는 탈질과정 에 필요한 잉여 유기탄소가 부족하여 탈질과정에서 탈질이 잘되지 않아 질소제거율이 떨어진 것으로 보 인다. 그러나 RUN3(고농도)에서의 T-N 제거율은 85% 이상의 제거효율을 보이며, 현재 T-N의 방류수수질기 준인 20mg/L보다 훨씬 낮은 5mg/L로 유지되는 탁월 한 실적을 나타냈다. 유입농도에 따른 질소제거는 확 실히 고농도 폐수에서 현장적용이 더 용이하다고 판 단된다.

    3.1.3.NH3-N 제거율

    유입수의 농도 변화에 따른 NH3-N의 변화는 Fig. 4 와 같다. 호기조에서 질산화에 따라 NH3-N가 NO3-N로 변화한 것으로 호기조에서의 NH3-N의 값이 0.1mg/L 이하의 저농도로 측정되었다. 이는 호기조에서 질산 화가 잘 일어났으며, 이로 인해 질소 제거효율이 좋게 나온 것으로 판단된다.

    3.1.4.NO3-N 분석 제거율

    유입수의 농도 변화에 따라 NO3-N의 변화는 Fig. 5 를 통해 알 수 있다. RUN3 운전결과 잉여 유기물에 의해 무산소조에서의 탈질이 잘 일어났으며, RUN2의 경우 탈질에 소모되는 유기물이 낮아 탈질과정이 잘 이뤄지지 않아 유기물 농도가 낮은 운전조건에서는 T-N의 제거효율이 30% 저하되어졌음을 알 수 있다.

    3.1.5.T-P 제거율

    유입수의 T-P농도는 Fig. 6과 같이 15∼25mg/L로 측정 되었다. 실험 초기 고농도 COD에서의 제거율은 80%이상으로 유지하였으나, RUN2로 운전한 결과 인 의 제거율이 현저하게 떨어졌다. 이는 RABC조 및 무 산소조에서의 고농도(약 8mgN/L) NO3-N의 영향으로 인의 방출이 저해되어 인의 과잉섭취가 저해된 것으 로 사료된다. 또한, 저농도 유기물로 인해 Bacillus sp.의 발아 및 영양세포 개체수가 감소하는 영향이 가장 크 고, Bacillus sp.의 경우 역시 포자 단계에서는 인의 제거 효과는 기대 할 수 없는 것으로 판단된다. 그러 나 RUN3에서 다시 COD를 고농도로 운전하자 제거율 은 증가하여 85%이상으로 유지되었다.

    3.1.6.PO4-P 제거율

    유입수의 농도 변화에 따라 PO4-P의 변화는 Fig. 7 을 통해 알 수 있다. RUN2의 경우 RABC조 및 무산 소조에서 Fig. 5에서 나타난바와 같이 NO3-N의 농도 가 약 8mgN/L로 높아 인의 방출이 잘 일어나지 않은 것으로 보인다. 또한, 호기조에서 인의 과잉 섭취가 일어나지 않아 인의 제거율에 큰 영향을 끼침을 알 수 있었다. 그러나, 고농도에서 인의 방출은 적절하게 이루어졌으며, 호기조에서의 과잉섭취에 의한 인 제 거 효율도 증가하였다.

    이상에서 수정RABC공정에서 영양염류 제거 성능 을 실험적으로 제시하였지만, 향후 단위 바실러스슬 러지당 유기물부하, 질산화량, 탈질량, 인 섭취 및 방 출량 등에 대하여 기존 활성슬러지법에서의 결과와 비교 검토가 필요하겠다.

    3.2.Bacillus sp.의 배지 배양 및 우점도 확인

    Bacillus sp.은 영양세포로 활동하는 경우 대수증식 을 하며 사상체로 존재하지만, 유기물 고갈 등으로 인 한 빈영양상태에서 세포당 한 개의 내생포자를 형성 하며 휴면상태로 들게 된다(Starr et al, 1981; Murakami et al, 1995).

    Bacillus sp.를 판별하는 방법은 10가지 이상의 방법들 이 있는데, 본 연구에서는 Bacillus 배지(Nutrient broth 8g/L, glucose 8g/L, NaCl 6g/L, agar 15g/L) (Murakami et al., 1995)와 TSA배지(Soytone 5g/L, NaCl 5g/L, agar 15g/L, pH 7.3)에 38°C에서 48시간 동안 배양하여 평 판에 형성된 콜로니 중 회색, 혹은 크림색의 전형적인 Bacillus 콜로니만을 떼어내어 Gram염색과 Catalase test를 실시하였다. TSA배지에서 자란 다수의 Bacillus sp. 콜로니 관찰 사례를 Fig. 8에 보인다.

    3.2.1.Gram염색

    Fig. 8Bacillus sp.로 추정되는 콜로니를 떼어내어 1000배율로 관찰하여 Fig. 9에 나타내었다. Gram 염색 시 보라색으로 발현하는 것이 Bacillus sp.로서 RABC 조에서는 긴간균과 단간균의 Bacillus sp.가 관찰되었 고, 무산소조와 호기조에서는 단간균의 Bacillus가 다 수 관찰되었다.

    3.2.2.Catalase 시험

    각조의 sludge를 대상으로 3%의 과산화수소를 투입하 는 Catalase test를 하여 100배율 현미경으로 관찰한 사례를 Fig. 10에 보인다. Bacillus sp.가 H2O2와 반응하여 다량의 산소 기포가 발생하였다. 따라서, 현미경 관찰로 비교적 쉽게 Bacillus sp. 활성화 정도를 판단할 수 있었다.

    4.결 론

    본 연구에서는 수정(점증포기형) RABC공정을 기존 점감포기형 RABC공정의 하수처리 효율과 비교한 결 과, 유기물제거 90%이상, T-N 70%(저부하)∼90%(고 부하), T-P 제거율은 55%(저부하)∼85%(고부하)로 기 존 RABC공정에 비해 수정 RABC공정이 질소, 인 제 거에 있어 고부하운전시 최대 질소에서 20%, 인에서 는 35%정도까지 제거 성능이 우수한 것으로 나타났 다. 또한, Bacillus sp.의 우점화는 현장 기술자 사이에 서 DO조건이 우점에 큰 영향을 준다고 알고 왔으나, 본 연구 결과 호기조에서 높은 DO를 유지하였음에도 불구하고 Bacillus sp.의 우점을 확인할 수 있었던 것 은 RABC시스템에서의 유기물 제거에 따른 영양소 결 핍으로 Bacillus sp.가 포자를 형성한 것으로 판단되는 잠정적인 추론이 가능한 정도이다. 따라서, Bacillus sp.의 우점화는 낮은 DO조건보다도 오히려 영양상태의 고 갈에 의해서 포자화가 진행되어 우점화가 유지된 것 으로 추정되었다.

    감사의 글

    이 논문은 2013년도 홍익대학교 학술연구진흥비에 의하여 지원되었음.

    Figure

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    Schematic diagram of the modified RABC process

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    COD variation according to the lapsed time

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    T-N variation according to the lapsed time

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    NH3-N variation according to the lapsed time

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    NO3-N variation according to the lapsed time.

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    T-P variation according to the lapsed time.

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    PO4-P variation according to the lapsed time.

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    Colony shape appeared by Bacillus sp.

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    Gram staining for the colony of Bacillus sp. (TSA Media).

    JKSWW-30-99_F10.gif

    Air bubble observed by catalase test.

    Table

    Specification of experimental equipment

    References

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