서울시 하수처리 고도처리 공법(MBR) 개선을 위한 안티파울링(anti-fouling)형

여과장치 개발

연구책임자 이 태 진 교수

서울녹색환경지원센터

제 출 문

서울녹색환경지원센터장 귀하

본 보고서를 “서울시 하수처리 고도처리 공법

(MBR) 개선을 위한 안티파울링(anti-fouling)형 여

과장치 개발”에 관한 최종보고서로 제출합니다.

연구기관명 : 서울과학기술대학교 산학협력단

연구책임자 : 이 태 진 교수(서울과학기술대 환경공학과)

연 구 원 : 이풀잎, 고연실, 전동호, 한상돌,

박창순, 장수환

공동연구기관명 : ㈜ 에이치앤텍

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요 약 문

Ⅰ. 제목서울시 하수처리 고도처리 공법(MBR) 개선을 위한 안티파울링(anti-fouling)형 여과장치 개발

Ⅱ. 연구의 목적 및 필요성우리나라는 단기간에 급격히 생활수준이 향상되고 그와 더불어 많은 경제활동이

이루어지며 가용할 수 있는 물 수요가 증가하고 있다. 그러나 이에 비해 사람이 수자원으로 이용할 수 있는 물은 지극히 제한되어 있어 바로 사용할 수 있는 수자원을 최대한 확보하기 위한 노력이 지속되어 왔다. 기존의 하수처리시설은 유기물, 부유물질, 영양염류의 단순제거를 목적으로 하였으나 향후의 하수처리에는 생활용수로 바로 사용할 수 있는 상수원수 2급수에 해당하는 수질을 확보하기 위한 기술이 필수적이며 그와 동시에 하수의 방류수 수질기준의 강화로 인해 한 단계 더 발전된 방법을 사용한 하수고도처리 방법이 요구되고 있다. 하수 고도처리방법은 경제적인 어려움과 공정의 복잡함 등으로 인해 연구의 어려움을 겪고 있는 실정으로 부영양화의 원인이 되는 질소와 인을 손쉽게 처리하며 공정운영이 간단한 하수처리공법이 개발될 필요가 있다.

Ⅲ. 연구의 내용 및 범위본 연구에서는 하수처리 공정의 말단에 안티파울링형 여과장치를 두어 2차 처리

된 하수를 한 단계 더 높은 처리수질을 가지는 처리수를 생산하기 위한 목적으로 안티파울링형 여과장치의 최적운영조건 산정과 기존공정과의 결합 시 발생되는 문제점을 모의실험을 통하여 개선하고자 한다. 여과장치의 안정적인 처리수질을 유지하기 위한 방법으로 반응장치에 충진된 여재의 이동주기에 따른 처리효율평가와 충진여재의 물리적 성형을 통해 처리효율을 극대화시켜 상수원수 2급수까지의 수질을 확보하는 것을 목적으로 한다.

Ⅳ. 연구결과1) 안티파울링형 여과장치는 물보다 비중이 작은 폴리프로필렌 소재의 여재를 여과장치 내에 충진하여 내부 스크루를 통해 충진 여재가 이동하면서 부유물질 및 영양물질이 처리되고 충진여재에 부착된 슬러지가 연속적으로 탈리되어 파울링에 영향

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을 받지 않고 여과할 수 있는 반응장치로 스크루 회전의 유무에 따라 부유물질 및 영양물질의 처리효율 평가를 수행하였다. 그 결과 여과장치 내 여재의 이동 있는 경우 슬러지의 고액분리가 효과적으로 이루어 졌으며 그에 따른 처리효율도 70% 이상으로 나타나 스크루의 회전을 통해 여재의 이동을 확보함으로서 보다 적절한 여과효율이 나타난다고 판단되었다. 여재의 이동은 여재의 부상되는 정도에 따라 관리가 가능하며 이를 통하여 여재의 순환속도를 효과적으로 조절할 수 있었다.

2) 안티파울링형 여과장치의 경제성(스크루 회전에 사용되는 동력)을 높이고 최적 운전조건을 파악하기 위하여 하루에 여과장치 내부에서 이동되는 여재의 비에 따라 처리효율 평가를 하였다. 하루 기준 3V, 1V, 0.2V의 여과장치 내부 여재의 이동속도로 평가하였을 때 하루에 0.2V의 여재가 이동한 경우 부유물질 처리효율 90.42%로 가장 처리효율이 좋은 것으로 나타났다. 이는 반응장치에 충진된 여재가 빠르게 이동하는 것보다 느리게 이동하면서 형성되는 미생물막에 의해 거름작용이 일어나 처리효율의 증대를 가져온 것으로 사료된다. 따라서 안티파울링형 여과장치를 스크루 회전이 없는 경우에서부터 3V까지의 충진여재 이동에 대한 부유물질 처리효과를 비교해 본 결과 원활하고 최적의 여과효율을 위해서는 충진 여재의 이동이 반드시 요구되지만 그 이동 속도는 본 실험의 범위에서 적을수록 처리효율이 높아진다고 판단된다.

3) 여과장치의 제거효율을 높이기 위해 grinder의 거칠기(sand paper 1200, 150, 40) 에 따라 5분간 표면처리한 여재의 표면조도 분석결과 각각의 표면조도는 표면처리하지 않은 여재부터 0.14, 0.23, 2.23, 10.52로 grinder 40이 가장 큰 표면조도 값을 나타냈다. 이를 토대로 각 표면조도에 따른 안티파울링형 여과장치의 여과효율을 평가한 결과 표면조도 10.52인 여재의 여과장치에서 부유물질 제거효율 75%, 유기물질 제거효율 58%, 총인 처리효율 53%로 가장 높은 처리효율을 나타냈으며, 표면조도가 높아질수록 모든 영양물질의 여과효율이 상승하였다. 부유물질의 경우 표면처리 하지 않은 여과장치에 비해 63% 이상 증가된 처리효율을 나타냈다. 이는 여재의 표면조도가 높을수록 여재에 부착되는 미생물의 양이 증가되어 충분한 여과 및 거름작용이 나타난 것으로 판단된다.

4) 충진여재의 여과효과를 높이기 위해 PP소재 여재를 grinder로 표면처리 하여 표면조도를 높이는 실험을 진행하였으며, 표면처리한 여재를 현미경으로 40배 확대하였을 때 육안으로 충전 여재의 표면 거칠기가 증가한 것을 알 수 있었다. 또한 여

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과처리 후 충진 여재의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 검경한 결과 표면조도가 증가할수록 여재 내에 미생물이 다량 부착되어 있음을 확인할 수 있었다. 이는 여과장치의 여과효율과 같은 일치하는 양상으로 총 부착미생물의 증가로 인해 부유물질 뿐만 아니라 유기물, 영양물질의 제거에도 긍정적인 영향을 미친 것이라고 사료된다.

5) 안티파울링형 여과장치에서 채취 한 미생물의 군집을 파악하기 위해 16S rDNA의 V3 region의 DGGE 수행 및 NCBI BLAST를 이용한 GenBank database와 비교 분석하여 가장 유사도가 높은 종을 검색한 결과 DGGE band로부터 얻은 clone 대부분은 Acidovorax속 미생물로 규명되었으며 그 외 Actinobacteria속 미생물도 관찰되었다. 한편, FISH법을 통한 미생물 군집분포를 확인한 결과 많은 양의 미생물이 생장하고 있음을 확인하였다. 이를 통해 안티파울링형 여과장치에 미생물이 다량 분포하고 있음을 확인하였으며, 미생물의 생장을 통해 유기물질 산화 및 영양물질의 제거가 원활하게 이루어진 것으로 판단된다.

이로써 안티파울링형 여과장치의 안정적인 처리를 위한 설계인자와 처리효율을 살펴보았다. 하지만 총 질소의 경우 미생물막에 의한 제거로는 탈질효과를 기대하기 어려워 총질소의 경우 미생물막 형성에 의한 제거와 함께 촉매를 이용한 화학반응공정 등에 의한 질소제거와 병합처리하여 그 처리효율을 증대시킬 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 여과장치의 현장적용평가를 통해 6개월 이상 운전 시에도 여재의 손실 및 마모는 일어나지 않음을 확인하였으며, 여과장치와 장치 컨트롤러가 구성을 위해 여과장치 둘레를 기준으로 사방으로 2m의 유효면적을 두는 것이 안전하다고 판단된다.

Ⅴ. 연구결과의 활용계획향상된 방류수 수질을 만족할 수 있는 안티파울링형 여과장치가 개발된다면 경제성과 효율성을 모두 갖춘 여과장치를 생산할 수 있고, 다양한 크기로의 설계가 가능하기 때문에 제품의 시장성 확보에 유리할 것으로 예상되며, 제품이 바로 다양한 현장에서 사용될 수 있도록 하고자 한다. 그 외 충진여재의 물리학적 성형 연구는 본 여과장치 외의 다른 여과장치에서도 충분히 응용될 수 있는 소재로 선행연구로의 활용이 가능할 것으로 예상된다.

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<본문목차>제1장 서론 ···········································································································1

1.1 연구의 필요성 ······································································································21.2 연구의 목적 ··········································································································2

제2장 이론적 고찰 ·····························································································32.1 고도처리의 필요성 ······························································································42.2 유기물 제거 기작 ································································································42.3 부유물질 제거 기작 ····························································································6

2.3.1 여과의 개요 ···································································································62.3.2 여과 제거 기작 ·····························································································72.3.3 입자 제거 기작 ·····························································································72.3.4 여재의 선정 ···································································································9

2.3.4.1 여재의 종류 ···························································································92.3.4.2 여재의 특성 ···························································································9

2.3.5 여과의 메커니즘 ························································································102.3.6 여과속도 및 장치의 크기 ········································································10

2.4 생물학적 인의 제거 ··························································································102.4.1 생물학적 인 제거의 원리 ········································································102.4.2 물리·화학적 인 제거의 원리 ···································································11

2.5 여재의 물리적 특성 ··························································································122.5.1 공극률 ··········································································································122.5.2 표면조도 ······································································································122.5.3 마모 ··············································································································13

2.6 미생물 분석을 위한 분자생물학적 기법 ······················································142.6.1 FISH(Fluorescence in situ hybridization) ··········································152.6.2 PCR(Polymerase chain reaction) ·························································162.6.3 DGGE(Denaturing gel gradient electrophoresis) ····························17

제3장 실험장치 및 실험방법 ·········································································193.1 공정의 개요 ········································································································20

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3.2 실험 재료 ············································································································203.2.1 실험 반응조의 조성 ··················································································203.2.2 충진여재 ······································································································21

3.3 운전조건 ··············································································································223.4 표면조도 결정 ····································································································233.5 주사전자현미경(Scanning electron microscope) 검경 ··························23

제4장 실험결과 ·································································································244.1 안티파울링형 여과장치의 영양물질 제거양상 ············································25

4.1.1 여과장치 내 충진여재의 이동 가능성 평가 ········································254.1.2 비순환여재 여과장치와 순환여재 여과장치의 영양물질 제거양상 27

4.2 여과장치 순환여재의 이동속도에 따른 영양물질 제거양상 ····················294.3 충진여재의 표면조도에 따른 여과장치의 영양물질 제거양상 ················31

4.3.1 충진여재의 표면개질 ················································································314.3.2 표면조도에 따른 여과장치의 영양물질 제거효율 평가 ····················35

4.3.2.1 표면조도 0.14㎛(Control) ································································354.3.2.2 표면조도 0.23㎛(Grinder 1200) ·····················································384.3.2.3 표면조도 2.23㎛(Grinder 150) ·······················································414.3.2.4 표면조도 10.52㎛(Grinder 40) ·······················································444.3.2.5 기존여재와 표면처리를 거친 여재의 처리효율 평가 ·················47

4.3.3 주사전자현미경(SEM) 분석을 통한 총 부착 미생물량 관찰 ··········· 504.4 안티파울링형 여과장치의 scale-up을 통한 현장적용성 평가 ···············52

4.4.1 Scale-up 안티파울링형 여과장치의 운전가능성 평가 ·····················524.4.2 현장실험을 통한 안티파울링형 여과장치의 처리효율 평가 ············ 54

4.4.2.1 Pilot-scale 여과장치의 부유물질 제거 특성 ·······························564.4.2.2 Pilot-scale 여과장치의 유기물질 제거 특성 ·······························574.4.2.3 Pilot-scale 여과장치의 총 질소 제거 특성 ·································584.4.2.4 Pilot-scale 여과장치의 총 인 제거 특성 ·····································59

4.5 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분석 ··············································594.5.1 FISH를 이용한 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분포 ··········594.5.2 PCR-DGGE를 이용한 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분석 ······································································································61

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제5장 결론 ·········································································································63

참고문헌 ·············································································································67

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<표목차>표 2.1 입자제거의 주요 메커니즘 및 현상 ······························································8표 3.1 충진여재의 성상 ·····························································································21표 3.2 인공 폐수의 성상 ···························································································22표 4.1 표면개질화를 통한 충진여재의 표면조도 비교 ·······································33표 4.2 표면조도(Ra) ···································································································34표 4.3 표면개질된 여재에 따른 미생물 부착모습 ···············································50표 4.4 Pilot-scale 여과장치의 현장운전 조건 ·····················································55표 4.5 16S rDNA서열에 의해 결정된 DGGE 밴드 ·············································62

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<그림목차>그림 2.1 순환이 있는 플러그흐름 ·············································································4그림 2.2 여재를 충진한 형태의 플러그흐름 ···························································5그림 2.3 미생물막에서의 영양물질의 거동 ·····························································6그림 2.4 생물학적 인 제거 메커니즘 ····································································11그림 2.5 최대높이 산출법 ························································································13그림 2.6 FISH 진행과정 모식도 ·············································································16그림 2.7 PCR 진행과정 ····························································································17그림 2.8 DGGE 진행과정 모식도 ···········································································18그림 3.1 안티파울링형 여과장치 모식도 ······························································21그림 3.2 표면조도 분석장치 ····················································································23그림 4.1 충진여재의 원활한 순환을 유도하기 위한 단계별 여재순환방법 ·· 26그림 4.2 시간의 경과에 따른 충진여재의 이동경로 ··········································27그림 4.3 충진여재의 이동여부에 따른 부유물질의 제거양상 ··························28그림 4.4 충진여재의 이동여부에 따른 총 인의 제거양상 ································29그림 4.5 하루에 처리되는 충진여재의 양에 따른 부유물질의 제거양상 ······ 30그림 4.6 하루에 처리되는 충진여재의 양에 따른 총 인의 제거양상 ············31그림 4.7 표면개질화를 통한 여재의 표면처리 과정 ··········································32그림 4.8 표면조도 측정결과 ····················································································34그림 4.9 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상 ········································································································································35그림 4.10 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상 ········································································································································36그림 4.11 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상37그림 4.12 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상 ·· 38그림 4.13 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상 ······································································································································38그림 4.14 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상 ····································································································································39그림 4.15 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상40그림 4.16 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상 ·· 40

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그림 4.17 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상 ········································································································································41그림 4.18 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상 ········································································································································42그림 4.19 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상42그림 4.20 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상 ·· 43그림 4.21 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 부유물질 제거양상 ········································································································································44그림 4.22 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 유기물질 제거양상 ········································································································································45그림 4.23 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 총 질소 제거양상 ········································································································································45그림 4.24 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 총 인 제거양상 46그림 4.25 표면처리하지 않은 여재 대비 부유물질의 제거효율 ······················47그림 4.26 표면처리하지 않은 여재 대비 유기물질의 제거효율 ······················48그림 4.27 표면처리하지 않은 여재 대비 총 질소의 제거효율 ························48그림 4.28 표면처리하지 않은 여재 대비 총 인의 제거효율 ····························49그림 4.29 여과장치의 Scale-up ·············································································52그림 4.30 pilot-scale 여과장치 ··············································································55그림 4.31 Pilot-scale 여과장치의 부유물질 제거양상 및 제거효율 ··············56그림 4.32 Pilot-scale 여과장치의 유기물질 제거양상 및 제거효율 ··············57그림 4.33 Pilot-scale 여과장치의 총 질소 제거양상 및 제거효율 ················58그림 4.34 Pilot-scale 여과장치의 총 인 제거양상 및 제거효율 ··················59그림 4.35 FISH 기법으로 촬영한 전체 미생물 분포 ·······································60그림 4.36 DGGE profile ···························································································61그림 4.37 DGGE band와 16S rDNA와의 계통수 ··············································62

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ContentsChapter 1. Introduction ···························································································1

1.1 Needs of the study ···························································································21.2 Purpose of the study ·······················································································2

Chapter 2. Theoretical Consideration ·························································32.1 Needs of the advanced treatments ·····························································42.2 Removal mechanisms for organic materials ·············································42.3 Removal mechanisms for suspended solids(SS) ····································6

2.3.1 Summary of filtration process ································································62.3.2 Mechanisms of filtration process ··························································72.3.3 Mechanisms for Particle removals ························································72.3.4 Selection criteria of media ······································································9

2.3.4.1 Type of media for filtration process ··········································92.3.4.2 Characteristics of the media ···························································9

2.3.5 Mechanisms of filtration technology ··················································102.3.6 Filtration velocity and filtration equipment ······································10

2.4 Biological phosphorus removals ·································································102.4.1 Principle of biological phosphorus removals ··································102.4.2 Principle of physicochemical phosphorus removals ·····················11

2.5 Physical factors of Media ············································································122.5.1 Porosity ·······································································································122.5.2 Surface roughness ···················································································122.5.3 Abrasion ratio ····························································································13

2.6 Analysis of microorganism ···········································································142.6.1 FISH(Fluorescence in situ hybridization) ··········································152.6.2 PCR(Polymerase chain reaction) ·························································162.6.3 DGGE(Denaturing gel gradient electrophoresis) ····························17

Chapter 3. Experimental equipment and method ································193.1 Summary of the filtration process ·····························································20

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3.2 Experimental materials ···················································································203.2.1 Configuration of experimental reactor ···············································203.2.2 Media ···········································································································21

3.3 Operating conditions ······················································································223.4 Surface roughness ··························································································233.5 Scanning electron microscopy ···································································23

Chapter 4. Result ···························································································244.1 Nutrients removal pattern of anti-fouling type filtration reactor ····· 25

4.1.1 Evaluation of moving capacity of the media in the reactor ····· 254.1.2 Nutrients removal patterns of the filtration reactor with

no-circulation or with circulation of the media ···············································274.2 Nutrients removals with various moving velocity of media for the

filtration reactor ···········································································································294.3 Evaluation of treatment efficiency of filtration apparatus according

to surface roughness of filling media ·································································314.3.1 Surface modification of Media ····························································314.3.2 Evaluation of nutrient removal efficiency by surface toughness

·········································································································································354.3.2.1 Surface roughness (0.14㎛) ··························································354.3.2.2 Surface roughness (0.23㎛) ··························································384.3.2.3 Surface roughness (2.23㎛) ··························································414.3.2.4 Surface roughness (10.52㎛) ························································444.3.2.5 Removal efficiencies of the media with or without surface

reforming ·······················································································································474.3.3 Distribution of total attached microorganisms microorganisms 50

4.4 Field application of anti-fouling filtration unit ·····································524.4.1 Feasibility of the Pilot scale filtration unit ·······································524.4.2 Evaluation of nutrient removal efficiency by field experiment ·· 54

4.4.2.1 Suspended solids removals of the pilot-scale treatment unit ·········································································································································56

4.4.2.2 Organic removals of the pilot-scale treatment unit ············· 574.4.2.3 Total Nitrogen removals of the pilot-scale filteration unit · 58

- XII -

4.4.2.4 Total phosphorous removals of the pilot-scale filtration unit·········································································································································594.5 Microbial community in the anti-fouling filtration unit ·······················59

4.5.1 FISH analysis of microbial community in the anti-fouling filtration unit ·················································································································59

4.5.2 PCR-DGGE analysis of microbial community in the anti-fouling filtration unit ·················································································································61

Chapter 5. Conclusions ················································································63

Reference ··········································································································67

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구의 필요성 ························································21.2 연구의 목적 ····························································2

- 2 -

제 1 장 서 론

1.1 연구의 필요성최근 몇 년 사이에 지구 온난화로 인한 기후이상이 나타나 가뭄, 태풍, 홍수,

국지성 호우 등이 우리나라의 곳곳에 빈번하게 나타나고 있다. 이로 인한 지역 간의 가용 가능한 물 자원은 천차만별인 수준이다. 이와 함께, 우리나라는 단기간에 급격히 생활수준이 향상되고 그와 더불어 많은 경제활동이 이루어지며 가용할 수 있는 물 수요가 증가하고 있다. 그러나 이에 비해 사람이 수자원으로 이용할 수 있는 물은 지극히 제한되어 있어 바로 사용할 수 있는 수자원을 최대한 확보하기 위한 노력이 지속되어 왔다. 그 노력 중의 하나는 하수처리수를 수자원화하는 개념으로, 현재에는 생활용수 수준의 초고도 하수처리가 요구되는 실정까지 이르렀다. 기존의 하수처리시설은 유기물, 부유물질, 영양염류의 단순제거를 목적으로 하였으나 향후의 하수처리에는 생활용수로 바로 사용할 수 있는 상수원수 2급수에 해당하는 수질을 확보하기 위한 기술이 필수적이며 그와 동시에 하수의 방류수 수질기준의 강화로 인해 한 단계 더 발전된 방법을 사용한 하수고도처리 방법이 요구되고 있다. 하수 고도처리방법은 경제적인 어려움과 공정의 복잡함 등으로 인해 연구의 어려움을 겪고 있는 실정으로 부영양화의 원인이 되는 질소와 인을 손쉽게 처리하며 공정운영이 간단한 하수처리공법이 개발될 필요가 있다.

1.2 연구의 목적본 연구에서는 하수처리 공정의 말단에 안티파울링형 여과장치를 두어 2차 처

리된 하수를 한 단계 더 높은 처리수질을 가지는 처리수를 생산하기 위한 목적으로 안티파울링형 여과장치의 최적운영조건 산정과 기존공정과의 결합 시 발생되는 문제점을 모의실험을 통하여 개선하고자 한다. 여과장치의 안정적인 처리수질을 유지하기 위한 방법으로 반응장치에 충진된 여재의 이동주기에 따른 처리효율평가와 충진여재의 물리적 성형을 통해 처리효율을 극대화시켜 상수원수 2급수까지의 수질을 확보하는 것을 목적으로 한다.

- 3 -

제 2 장 이론적 고찰

2.1 고도처리의 필요성 ······························································42.2 유기물 제거 기작 ································································42.3 부유물질 제거 기작 ····························································62.4 생물학적 인의 제거 ··························································102.5 여재의 물리적 특성 ··························································122.6 미생물 분석을 위한 분자생물학적 기법 ······················14

- 4 -

제 2 장 이론적 고찰

2.1 고도처리의 필요성 인구의 증가, 도시산업의 급격한 발달, 생활습관의 변화로 생활하수 및 산업폐

수가 급격히 증가하게 되면서 이들이 방류하는 공공수역에 다양한 수질오염물질이 함유되고 특히 영양염류인 질소와 인의 증가가 두드러지고 있다. 미생물 성장에 필요한 요소인 질소, 인이 하천 및 해역에서 제한인자가 되고 있는데 이러한 영양염류가 공공수역에 방류될 경우 미생물이 성장을 촉진하여 수질을 악화시키는 원인물질이 된다. 영양염류가 제거되지 못하고 유기물만이 제거된 방류수역에서는 조류 및 수서식물의 성장이 촉진되어 DO의 고갈로 자정능력의 저하를 초래하게 되므로 기존의 2차 처리공정에 후처리 시설의 개조가 필요하다.2) 현재 국내 대부분의 하수처리는 유기물 및 부유물질 제거에 시설들이 설치 운영되고 있는 바, 방류수역의 수질개선효과가 크지 않고, 영양염류 등의 방출에 의한 생태계의 악영향 사태가 일어나고 있다. 따라서 방류수의 수질개선을 보다 나은 향후 강화되는 방류수 수질기준에 부합할 수 있는 고도처리의 필요성이 절실한 실정이다.

2.2 유기물 제거 기작생물학적 폐수처리에서 미생물은 유기물을 섭취한 후 에너지를 얻기 위하여 이

를 산화시키며, 동화작용, 자기산화의 3가지의 미생물 대사과정을 진행하게 된다.플러그흐름에 대한 동역학적 해석은 매우 복잡하나 그림 2.1과 같은 순환이 있는 플러그흐름에 대해 Monod식을 이용하여 유도한다.

Q, SiQ, Se

Qr

그림 2.1 순환이 있는 플러그 흐름

미생물 체류시간, θc에 대하여 다음과 같으며,

- 5 -

1θ c

=μm (S i-S e)

(S i-S e) + C Ks-Kd

여기서 C=(1+α)ln[(αSi+Se)/(1+α)Si]이고, α=Qr/Q이다. α가 0이 됨에 따라 C의 극한은 ln(Se/Si)와 같다. α<1이면 이 근사치가 만들어지고 위의 식은 아래와 같이 줄어든다.

ln

·

미생물 농도에 대한 관계식은 아래와 같다.

·

실제적으로 플러그흐름 반응조는 이상적이지 않으며 반응이 진행되는 동안 진행방향의 전후로 분산은 불가피하다. 따라서 여재를 충진한 형태의 플러그흐름 반응조를 구성하여 이상적 플러그흐름 반응조의 특성을 충분히 활용하는 것이 더욱 바람직하다. 그림 2.2는 여재로 충진된 형태의 플러그흐름 반응조로 유체의 흐름에 대한 물리적 현상은 이상적인 흐름에 근접하나 그 수학적 해석은 더욱 복잡하게 된다.

Q, SiQ, Sb

그림 2.2 여재를 충진한 형태의 플러그 흐름

먼저 여재로 충진된 플러그흐름 반응조에 대한 해석을 위해 여재 표면에 형성된 미생물 막에 대한 해석이 필요하다. 미세한 막에서의 영양물질의 거동을 그림 2.3에 도식하였다.3,4)

- 6 -

Solid

Surfa

ce

Biofilm DiffusionLayer

BulkLayer

Ss

Sf

Sw

Lf Ll

Sb

Xf

그림 2.3 미생물막에서의 영양물질의 거동

여기서 Xf는 미생물막의 밀도를 나타내며, Lf는 미생물막의 길이, Ll은 미생물막과 용액 사이에 미세하게 존재하는 확산층의 길이를 나타낸다. 용액 중 미생물의 농도는 Sb로 표시하였으며 미생물막 표면에서의 영양물질의 농도는 Ss로, 미생물막 내에서 영양물질의 농도는 Sf, 여재표면에서 농도는 Sw로 표기하였다.

2.3 부유물질 제거 기작유·무기성 콜로이드와 부유물질의 제거는 주로 여과를 통해 이루어진다. 하수공

학에서 주로 사용되는 여과공정의 일반적인 분류는 크게 3가지로 분류가 된다. (1) 심층여과(Depth filtration), (2) 표면여과(Surface filtration), (3) 막여과(Membrane filtration)로 구분된다.5)

2.3.1 여과의 개요여과란 액체와 고체가 혼합된 물질을 입자의 크기 및 차이를 이용하여 고액분

리 하는 것을 뜻한다. 일반적인 여과공정은 어떤 입경의 여재를 적당한 두께로 충진된 장치로 이루어진다. 여과장치는 유체의 종류와 고형물 입자의 크기, 형태 및 농도에 따라 적절한 형식의 것을 선택하는 것이 중요하며, 공정의 최적운영조건 즉, 최소 허용 입자의 크기, 여과 효율, 연속운전여부 등에 따라 여재의 종류, 여재 비중 및 크기, 공극률 등을 선정하여 최적의 운전성능과 경제성을 확보할 수 있다. 여과는 공정에 따라 역삼투막을 비롯하여 NF, UF, MF 등으로 나누어진다. 최근에는

- 7 -

낮은 압력을 이용하여 경제성 또한 줄이는 방법으로 NF와 그 이하의 압력에서도 사용 가능한 UF와 MF의 사용방법에 대한 다양하고 심도 있는 연구가 이루어지고 있다.

2.3.2 여과 제거 기작여과층에서의 입자 제거는 고형물의 여재 표면으로 전달되는 메커니즘에 따라

좌우되며, 여재와 접촉하는 고형물의 체류시간에 따라 좌우된다. 전달 메커니즘은 침강, 관성, 충돌, 낮은 농도 또는 지역으로의 콜로이드 확산, 그리고 Brown 운동과 Van Der Waals힘 및 물리적인 흡착에 의해 이루어진다.6) 부착현상은 Van Der Waals힘과 같은 근거리 분자의 힘에 의해 발생한다. 거름현상은 여과 여재 표면에 케이크를 형성하며, 이것은 입자의 제거를 향상시킨다. 즉, 원수의 입자가 공극 사이를 통해 이동할 때 미세한 부유물은 여재표면과 충돌하여 여재에 부착하게 된다. 물이 입자 공극부를 통과할 때 일부 미세 부유물은 모여서 응결되고 커진 부유물은 공극부 하부의 여재 입자 위에 즉시 침전하게 된다. 또한 여과지에서 제거되어 축적된 부유물은 거름현상을 유발시키며 일부 유입 부유물은 여과되어 제거된다. 여과기를 가동하는 동안 공극 공간은 부유물의 축적으로 인해 점점 좁아지고 유속은 증가하며 제거된 부유물들은 여과상 내부로 더욱 더 깊이 옮겨지게 된다. 또한, 큰 부유물 입자가 응력을 받아 여과표면에서 보다 작은 입자의 여과를 도와주는 압축성 케이크를 형성할 수도 있다.

즉, 부유 고형물 제거는 여과상의 맨 윗부분에서의 표면제거와 여과상 내부에서의 심층제거에 의한 것이다. 하지만, 여재 표면에 형성된 케이크는 필터의 손실수두를 증가시킨다. 만약 상당한 케이크 층이 형성된다면 급속여과의 사용이 불가능할 정도의 빠른 손실수두가 형성 될 것이다. 이로 인해 여과지 내부에 사용되지 않은 채로 많은 여재가 버려지게 된다. 따라서 급속여과는 거름을 최소화하고, 심층여과가 이루어질 수 있도록 설계되어야 한다.7,8)

2.3.3 입자 제거 기작입상여재 여과에서 입자제거에 기여한다고 여겨지는 주요한 입자제거 기작들을

표 2.1에 나타내었다.9)

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Mechanism / Phenomenon Explanation

1. 거름작용 a. 기계적인 부분 여재의 공극보다 큰 입자는 기계적으로 걸러지게 된다. b. 우연한 접촉 여재의 공극보다 작은 입자가 우연한 접촉에 의해 여재

내에 포집되게 된다.2. 침전 입자들이 여과지 내의 여재 위에 가라앉는다.3. 충돌 무거운 입자들은 유선의 흐름을 따르지 않는다.4. 차단 유선을 따라 움직이는 많은 입자들이 여재 표면과 접촉하

면서 제거된다.

5. 부착

입자들이 여재를 지나면서 여재 표면에 붙게 된다. 유체의 힘 때문에 어떤 입자들은 표면에 단단히 붙기 전에 씻겨나가 여상의 더 깊은 곳까지 밀려간다. 여상이 폐색되면, 표면 전단응력이 증가하여 더 이상 물질을 제거할 수 없는 지점까지 도달한다. 어떤 입자들은 여과지 밑바닥에서 누출되어 유출수의 탁도가 갑자기 증가하기도 한다.

6. 응결응집은 여재의 틈새에서 일어날 수 있다. 여과지 내에서 속도구배에 의해 형성된 큰 입자들은 위에서 기술한 제거 메커니즘의 하나 또는 여럿에 의해 제거된다.

7. 화학적 흡착

입자가 일단 여재의 표면이나 다른 입자와 접촉하면 화학적 흡착과 물리적 흡착 중의 하나 또는 두 개 모두의 메커니즘에 의해 붙어있게 된다.

a. 결합 b. 화학적 작용8. 물리적 흡착 a. 정전기력 b. 동전기력 c. Vanderwaals 힘9. 생물학적 증식 여과지 내에서 생물학적 증식은 공극의 부피를 감소시켜

위의 제거 메커니즘에 의한 입자제거를 증진시킨다.

표 2.1 입자제거의 주요 메커니즘 및 현상

거름작용은 생물학적 처리공정을 거친 후 침전된 2차 유출수를 여과하는 동안 부유물질을 제거하는 데 가장 중요한 기작으로 알려져 왔다. 충돌, 차단, 부착 등과 같은 그 밖의 기작들도 입자를 제거하지만 영향이 작고 또한 대부분의 경우에는 거름작용에 가려져 왔다. 더 작은 물질들을 제거하기 위해서는 (1) 입자들을 제거하고자 하는 표면 또는 주위로 이동시키고, (2) 하나 이상의 기작으로 입자를 제거하는

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것을 포함하는 두 단계가 이루어져야 한다. 이 두 단계의 공정은 이동 및 부착으로 알려져 있다.10,11)

2.3.4 여재의 선정2.3.4.1 여재의 종류여재의 종류에는 금속 스크린, 모래, 섬유질 등이 있다. 금속스크린은 철망형

및 고정형이 있으며, 응용범위가 넓다. 모래의 경우에는 천연모래 및 인조모래가 있으며, 중급의 수처리에 주로 이용된다. 섬유질은 주로 카트리지 형으로 공급되며 아주 미세한 불순물의 여과에 사용된다.

2.3.4.2 여재의 특성① 여재강도여재의 특성 중 하나인 강도는 금속 스크린이 가장 강하고 그 다음으로 모래와

섬유질 순이며, 금속 스크린은 유체의 흐름이나 불순물 입자의 충격에 대해 내구성이 아주 우수하다. 모래의 경우 여재간의 충돌, 마모 등에 의한 손상으로 여과 효율이 나빠질 우려가 있으며, 섬유질은 섬유상이므로 강도가 아주 다른 종류에 비해 약한 편이다. 따라서 반드시 전처리 과정이 필요하며 여재 면적을 넓게 하기 위해 유속을 아주 느리게 해야 한다.

② 사용시간에 따른 성능의 변화필터는 부착된 강한 오염물을 제거하기 위해 주기적으로 세정해야 한다. 모래는

사용을 계속함에 따라 부착성이 강한 오염물이 잘 세정되지 않아 오염도가 진하며 이에 따라 여과능력이 현저히 떨어지게 된다. 또한 여과와 역세척을 반복함에 따라 모래 입자끼리의 충돌로 인해 여재가 마모가 발생하고 파손된 미세한 모래입자가 여과수와 함께 유출되어 공정 측의 오염도를 증가시킬 염려가 있다. 즉 모래를 이용한 필터를 사용할 경우에는 유지관리에 세심한 주의를 요하며, 잘못된 경우에는 오히려 역효과를 낳을 수도 있다. 섬유질은 카트리지 타입으로 역세척을 통한 재생이 효율적이지 못하므로 사용시간이 길어지면 급격히 저항이 증가하고 교체주기가 다른 재질의 여과매체에 비해 매우 짧은 단점을 지니고 있다.

③ 유지비용섬유 여과지의 유지관리는 비교적 간단하나 여재가 대개 일회용이므로 매우 고

가 제품이다. 모래 필터는 유지관리가 복잡하여 비용이 많이 들며 오염도가 증가하는 경향이 있어 화학세정을 하거나 1~2년마다 한 번씩 여재 전체를 교체해야 한다

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는 단점을 가지고 있다. 금속 스크린의 경우 스테인리스 철망형을 사용하므로 부식에 강하고 강도가 높아 여재 손상 및 파손의 위험이 없으며, 반영구적으로 성능을 유지하므로, 유지비용이 다른 여재 매체에 비해 거의 들지 않는다.

2.3.5 여과의 메커니즘금속 스크린 여과의 경우 오염물은 1차적으로 여과 공극의 크기에 의해 기계적

으로 여과되며, 여과가 진행됨에 따라 여재표면에 여과된 오염물에 의해 케이크 층을 형성하게 된다. 케이크 층이 형성된 후에는 여과공극에 의한 여과보다는 케이크를 통한 2차 여과작용이 이루어지며, 이때는 여과 공극 크기보다 훨씬 미세한 입자까지 걸러지게 된다. 이러한 2차 여과를 케이크 여과효과라고 부른다. 모래층 여과에서는 오염물이 모래층 사이의 틈새에 걸리거나 모래의 표면에 부착되는 형태로 여과가 이루어지며, 여과효율은 모래 입자의 크기, 모양, 균일도 및 표면 거칠기에 따라 달라질 수 있다.

2.3.6 여과속도 및 장치의 크기여재를 통과하는 유속은 일반적인 모래층 여과의 경우 0.2~0.3m/sec정도이며,

금속 스크린의 경우에는 모래층 여과의 3~5배 정도이다. 모래층 여과는 여재 층의 깊이(0.5m~1m)가 필요하므로 장치의 크기가 아주 커지는 것에 비해, 금속 스크린을 사용할 경우에는 장치가 훨씬 간단해진다. 모래층 여과에서 여과 유속을 빨리하면 여재층에 편류(Channeling)가 발생하여, 오염물이 여과되지 않고 배출될 수 있으므로 특히 주의해야 할 필요가 있다.

2.4 생물학적 인의 제거2.4.1 생물학적 인 제거의 원리

담수와 해수계에 존재하는 인은 입자성 인산염과 용해성 인산염의 형태로 존재한다. 입자성 물질은 살아있거나 죽어있는 플랑크톤, 입자에 흡착된 인과 비결정질의 인을 포함하고 있다. 용해성 상태의 인은 무기인, 유기체로부터 배설된 유기성인과 미립자의 콜로이드성의 인을 포함하고 있다. 일반적인 인의 형태는 물리학적으로 용해성인과 입자성인으로 분류할 수 있으며 화학적으로는 orthophosphate, condensed phosphate와 organic phosphate로 나누어진다. 하수 중에는 orthophosphate 형태의 인이 약 40~50%를 차지하고 있으며 그 외의 부분은 condensed phosphate와 유기인으로 구성되어 있다.12,13) 생물학적 인 제거는 인축

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적미생물(Phosphorus Accumulating Organism, PAO)의 성장을 촉진시켜 담수의 부영양화를 제어하는 것이다. 인축적미생물(PAO)이 반응조에서 증식하면서 인을 사용하고, 미생물 세포 내 결합된 인은 최종적으로 슬러지로 방출된다. 생물학적 인 제거 메커니즘은 아직까지 명확히 규명된 바 없으나, 실험적 고찰을 통해 그 과정을 묘사하고 있는 수준이다. 그림 2.4는 생물학적 인 제거 메커니즘을 나타낸 그림이다.

그림 2.4 생물학적 인 제거 메커니즘 (USEPA, 2010)

혐기성 조건에서 세균은 다중인산염 가수분해로부터 나온 에너지를 이용하여 탄소기질을 흡수하여 SCFA(short chain fatty acid : 저분자 지방산)를 PHB, poly-β-hydroxybutylate(C6H6O2)n 로 축적한다. 따라서 아세트산과 같은 간단한 유기물은 미생물에 의해 흡수되고, PHB로 세포 내에 저장된 후, 호기성 조건에서 탄소원으로 사용된다. 이는 혐기성 미생물 모두가 PHB를 생성하면서 다중인산염의 가수분해로 인의 방출이 일어난다는 것은 아니며 일부 혐기미생물에 의해 비교적 큰 유기물이 아세트산과 같은 작은 유기물로 전환되고 이 때 다중인산염 축적미생물이 생성된 아세트산을 흡수하여 PHB로 저장하게 되는 것이다. 이와 반대로 호기성 조건에서는 외부탄소원이나 PHB를 분해하여 나온 에너지를 이용하여 수중의 무기인을 세포로 흡수하여 다중인산염을 형성하게 된다. 이때 인의 과잉섭취된 잉여슬러지를 처분함으로서 인의 제거를 달성하게 되는 것이다. 따라서 인의 제거를 위해서는 혐기성(인의 방출)과 호기성(인의 섭취)의 반복적인 상태 변화가 필요하다.14,15)

2.4.2 물리·화학적 인 제거의 원리용존성과 부유성 고형물의 물리적 상태를 변화시키기 위하여 응집제를 투입하

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여 침전을 통해 입자의 제거를 시도하는 것을 화학적 침전이라고 한다. 과거 화학침전법이 하수의 농도가 계절적으로 변동이 있는 곳, 혹은 침전공정을 도와줄 필요가 있는 곳, 또는 중간 정도의 처리가 필요한 곳에서 TSS와 BOD의 제거를 향상시키기 위하여 사용되었다. 1970년대 이후 하수에 포함된 유기물질과 영양염류의 완벽한 제거 필요성이 부각되면서 화학침전법이 새로이 부각되고 있다. 현재는 최초침전지의 효율 향상을 시키는 수단, 하수의 독립적인 물리-화학적 처리의 기본 단계, 중금속을 제거하기 위한 목적으로 사용되고 있는 실정이다. 약품침전법은 하수 처리 시 인 제거를 위해 사용되어 왔다. 금속염과 석회 같은 화학물질들은 1차, 2차, 3차 처리수에 투입하거나 혹은 복합적으로 투입할 수 있으며, 응집제를 이용한 고형물제거는 1차, 2차 혹은 고도처리에서 3차 여과 및 대체기술(Alternative Technology)을 통해 이루어지는데 약품투입량과 슬러지생산량에 관련된 비용을 줄이기 위해 생물학적 인 제거(Biological Phosphorus Removal, BPR)와 함께 복합적으로 사용되기도 한다.16,17)

2.5 여재의 물리적 특성2.5.1 공극률

간극률이라고도 하며, 보통 퍼센트(%)로 나타낸다. 고체 부분만의 부피를 Vs, 공극을 포함한 전체의 부피를 V라고 하면, 공극률 n은, n=(V－Vs)/V×100(%) 로 구할 수 있다. 한편, 공극의 부피와 고체 부분의 부피의 비, e=n/(100-n)을 공극비라고 한다. 공극률은 종류, 입도조성, 입자의 배열방법 등에 따라 달라진다. 일반적으로는 입자의 크기가 고를수록 큰 값을 가진다

2.5.2 표면조도표면조도란 어떤 물질의 표면거칠기를 의미하며, 조도계와 접촉한 물체의 표면

일부를 샘플로 채택하고 저주파와 고주파 파형을 그려 거칠기를 산정한다. 조도 결과는 많은 산출법이 도입되어 있으며 단위는 ㎛를 사용한다. 표면거칠기는 다음 세 가지 방법으로 규정하고 있으며 세 가지 측정방법 중 중심선 평균 거칠기(Ra)값으로 주로 표현한다.중심선 평균 거칠기(Ra): 중심선 위쪽의 그래프를 적분한 값을 샘플 구간으로 나누어 주어서, 샘플 구간에서 거칠기 없이 평평하다고 가정하였을 때의 평균 높이를 의미한다.

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최대 높이 산출법(Rs): 샘플구간을 정하고 그 중심선을 찾은 후에 중심선으로부터 가장 멀리 떨어진 곳의 거칠기

그림 2.5 최대높이 산출법(Rs)

십점 평균 거칠기(Rz): 표면거칠기를 나타내는 방법의 일종으로 단면곡선으로 기준길이 L을 취해서 중심선으로부터 위쪽으로 가장 멀리 떨어진 5곳의 거리의 합과, 아래쪽으로 가장 멀리 떨어진 5곳의 거리의 합을 측정하여 평균하여 그 차이를 나타낸 것으로 식은 다음과 같다.

2.5.3 마모물체가 서로 접촉하여 운동하면 반드시 마찰이 일어나며 마찰은 마모를 동반하

게 된다. 마모는 표면의 상대운동 결과로 미세한 입자들이 접촉면에서 이탈되는 현상으로 정의되며, 모든 기계장치, 사물 등에서 불가피하게 발생되는 현상이다. 마모의 원인으로는 응착, 부식, 절삭, 피로, fracture 및 화학적 상호작용 등이 주로 알려져 있으나, 대부분의 경우 마모는 한가지 원인에 의해서 발생되는 것이 아니라 여러 가지 원인이 복합적으로 작용하여 나타나게 된다. 마모의 종류는 다음과 같다.

① 응착마모(Adhesive Wear): 두 표면이 접촉하여 상대운동을 할 때, 두 표면의 원자들 간에 존재하는 인력에 의하여 두 접촉면이 응착되어서 한 접촉면으로부

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터 파편이 떨어져 나오는 형태의 마모.② 절삭마모(Abrasive Wear): 거칠고 단단한 표면이나 혹은 거친 입자를 포함

한 표면이 연한 표면과 상대운동을 할 때 연한표면에 절삭작용을 함으로써 연한 표면의 물질이 제거되는 형태의 마모.

③ 부식마모(Corrosive Wear): 상대운동이 부식적인 환경에서 일어날 때, 접촉표면을 둘러싸고 있는 주위환경과 접촉표면과의 화학적인 작용으로 생긴 화합물이 표면으로부터 떨어져 나가는 것을 말함.

④ 표면피로마모(Surface Fatigue Wear): 이 형태의 마모는 한 궤도를 따라 반복적인 상태운동이 있을 때 발생하는 현상으로 반복하중은 표면 혹은 표면 아래에 크랙을 형성하게 하는데, 이 크랙이 결과적으로 그 표면의 파괴를 야기시키게 됨

⑤ 미동마모(Fretting): 접촉면들이 작은 진폭의 진동을 받게 될 때 일어나는 현상으로 접촉표면이 작은 진폭의 진동을 받으면 접촉표면으로부터 매우 작은 마모입자가 생성되게 되고(응착마모), 이 입자들은 곧 산화되어 단단한 산화물을 만들며(부식), 이 산화물들이 절삭마모를 일으키게 되는 마모. 이런 형태의 마모는 미동 부식마모(Fretting Corrosion)라고 불리기도 함.

⑥ 침식마모(Erosive Wear): 고체의 표면에 고체나 혹은 액체 입자들과 부딪힘에 의하여 마모되는 현상을 말하는 것으로 낙수에 의하여 바위에 구멍이 뚫리는 것은 침식마모의 좋은 예라고 할 수 있음.

2.6 미생물 분석을 위한 분자생물학적 기법 과거 미생물의 분류는 현미경관찰과 배양적, 이화학적 특성에 따라 수행되어 왔다. 그러나 미생물에서 주로 이용되는 생화학적, 형태적 분류방법은 생장단계 및 영양조건에 의하여 형태적, 생화학적 변이가 빈번히 발생하여 오랜 경험을 가진 전문성이 요구되며 분류학자의 주관적 견해에 의존 할 수밖에 없어 미생물의 표준지분설정에 문제점으로 지적되어 왔다. 최근, 분자생물학의 발달로 DNA를 이용한 미생물 종 다양성분석법이 개발되어 미생물 분류에서 중요한 자료를 제공하고 있다. deoxyribonucleic acid(DNA)는 환경에 영향을 거의 받지 않고 객관적인 data를 제공할 수 있는 장점이 있어 DNA를 이용한 분자생물학적 기법이 미생물 분류에 급격히 도입되기 시작하였다. 현재 사용되고 있는 분자생물학적 기법으로는 PCR(Polymerase Chain Reaction)을 기초로 한 16S rDNA Sequencing, T-RFLP(Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism), DGGE(Denaturing Gradient Gel Electrophoresis), SSCP(Sing Strand Conformation Polymorphism)등의 패턴 분석법과 rRNA-specific probe를 이용한

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FISH(Fluorescence In Situ Hybridization) 등이 있다.

2.6.1 FISH(Fluorescence In Situ Hybridization)FISH(Fluorescence In Situ Hybridization) 기법은 미생물 세포 내의 다량의

rRNA를 표적으로 하는 특이적 염기배열을 갖는 물질(이하 Probe)을 in situ에서 결합반응(혼성화, 이하 Hybridization)시켜 목표로 하는 미생물을 검출하는 실험이다.

Probe는 종특이성이 명확한 16S rRNA의 부분적인 염기배열에 상응하는 Oligonucleotide를 사용하며, 종 레벨(Species-level)부터 계 레벨(Domain-group level)까지 제작이 가능하여 필요에 따라 선택적으로 사용이 가능하다. Probe Sequence의 말단에는 형광색소를 부착하여 표적하는 미생물을 형광현미경을 통하여 관찰할 수 있다. FISH를 사용하면 표적하는 미생물의 공간적 위치에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 미생물을 유세포분석기를 통해 분리할 수 있다. 따라서 새로운 기능성 미생물을 발견하고자 할 때 유용하며 넓은 부류의 미생물군과 좁은 부류의 미생물군의 비율을 계산하는 데 활용할 수 있다.

FISH 과정은 고정 – 탈수 – 결합 – DAPI 대조염색 – 검경 순으로 이루어진다. 시료를 Paraformaldehyde(PFA)로 고정하여 50, 80, 100%의 Ethanol에 3분씩 탈수하고 Probe를 90분간 46℃에서 적용시켜 결합시킨다. 잔여 Probe를 세척한 뒤에 1㎍/ml-1 농도의 DAPI 용액으로 대조염색을 한 후 Cover glass를 덮어 암실에서 형광현미경으로 검경한다.

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그림 2.6 FISH 진행과정 모식도

2.6.2 PCR (Polymerase chain reaction) PCR은 DNA의 원하는 부분(특정 핵산 부위)을 증폭하는 방법이다. DNA

molecule의 어느 부분이든지 그 border sequence만 알면 이 방법을 통해서 증폭할 수 있다. PCR은 denaturation, annealing, extension의 세 단계로 구성되어 있고 이 과정이 반복되면서 DNA가 증폭된다. PCR을 구성하고 있는 요소들에는 DNA template, primer, dNTP, polymerase등이 있으며 PCR 수행에 있어 temperature와 반응횟수가 중요한 조건으로 작용한다. 그 중 DNA 증폭의 감도와 정확성에 가장 영향을 미치는 것은 primer와 temperature이며 반응횟수는 보통 25∼35 cycle 진행하며 cycle을 늘릴수록 효소 활성이 감소되며 DNA 산물은 점점 늘어나게 된다. cycle 후반에는 반응시간을 조금씩 늘려가거나 마지막 cycle에는 약 10min 정도 시간을 충분히 주어 효소의 활성이 충분히 발휘되도록 한다.

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그림 2.7 PCR 진행과정

2.6.3 DGGE (Denaturing gel gradient electrophoresis) DNA에 의해 얻어진 동일한 크기의 PCR product은 polyacrylamide gel에서

전기영동 시 gel 내에 존재하는 denaturant(변성제)의 농도 구배에 따라 핵산의 이중나선 구조와 변성구조 즉 염기서열이 가지는 Tm 값의 차이에 의해 일부 이중나선이 벌어지면서 gel 내에 걸려 이동이 늦어지거나 멈추게 되면서 핵산의 이동속도가 달라진다.

DNA에 의해 얻어진 PCR product은 염기서열에 의해 결정되는 독특한 melting point를 갖는다. 이러한 특성으로 인해 개개의 PCR 산물의 길이가 같더라도 염기서열이 조금이라도 차이를 보이면 denaturing gel 상에서 서로 다른 이동속도로 특정 염기서열을 가진 DNA가 band의 형태로 나타나게 된다. 따라서 낮은 농도의 denaturant를 가지는 gel 상단에서는 낮은 Tm 값을 가진 DNA가 나타나며 높은 농도의 denaturant를 가지는 gel 하단에서는 높은 Tm 값을 가진 DNA가 나타나게 된다. 이때 서로 다른 염기서열을 가진 DNA가 각기 다른 위치에서 band를 형성하므로 염기서열의 n값이 증가할수록 band의 수는 늘어나게 되고 동일한 염기서열이 많아질수록 band의 선명도는 증가한다. 그러므로 전체적인 DNA에 대한 수적 그리고 양적 변화를 하나의 gel상에서 관찰할 수 있으며 또한 gel의 band로부터 직접 DNA를 회수한 후 염기서열을 확인할 수 있어 염기서열 분석에 대한 시간 및 경제적 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

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그림 2.8 DGGE 진행과정 모식도

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제 3 장 실험장치 및 실험방법

3.1 공정의 개요 ·····························································203.2 실험 재료 ·································································203.3 운전조건 ···································································223.4 표면조도 결정 ·························································233.5 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 검경 ···········································································23

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제 3 장 실험 장치 및 실험 방법

3.1 공정의 개요여과장치에 충진되는 충진여재의 성능유지를 위한 주기적인 교체 및 세척에 대

한 관리가 요구되는 기존 여과장치의 단점을 극복하고자 하며, 충진여재의 교체 및 역세공정이 불필요한 안티파울링형 여과장치를 개발하여 유기물 및 부유물질 제거의 높은 처리효율을 나타날 수 있는 동시에 방류수 수질기준에 적합한 처리수를 확보하는데 중점을 두어 실험하였다.

3.2 실험 재료3.2.1 실험 반응조의 구성

오․폐수에 함유된 유기물질 및 입자상물질을 처리하기 위해 먼저 비중이 물보다 낮은 지름 약 2mm의 입상 충진여재를 원형 컬럼에 충진한 후 컬럼 하단부에 유입수를 연결하고 상단부로 배출될 수 있도록 오수를 상향류로 흘려준다. 여재가 충진된 반응기 안쪽에는 상․하부가 개방된 원형 관으로 둘러싸인 스크루가 있고 스크루 상·하단부는 스크러버 암이 장착되어 일체형으로 구성되며, 반응조의 높이는 30cm, 직경 13cm, 반응조의 총 부피는 약 4L이며 투명 아크릴 재질로 제작하였고, 반응조 내 스크루의 길이는 15cm, 외경 4cm로 플라스틱으로 제작하였다. 입자상물질 및 유기물질을 제거할 수 있는 여재로 충진된 안티파울링형 여과장치 모식도를 그림 3.1에 나타내었다.

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그림 3.1 안티파울링형 여과장치 모식도

3.2.2. 충진 여재반응조 내에 충진된 여재로는 플라스틱의 원료인 폴리프로필렌(PP)을 사용하였

으며 자세한 사양은 표 3.1에 나타내었다.

Structure CharacteristicsMedia size(mm) 2~3

Media Shape GranularMedia density(kg/m2) 0.89~0.92

Media material Lightweight plasticHeat-resistant 110℃

Surface hardness(R-scale) 100

표 3.1 충진여재의 성상

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3.3 운전조건본 연구에서 사용된 대상폐수로는 합성폐수를 사용하였으며, 유입수 저장조에

침전시켰다. 인공폐수의 성상은 표 3.2에 나타내었으며, 반응조 운전을 위해 유량 276L/day, HRT 11min, Velocity 1.47cm/min로 하였으며, 유출수의 농도 측정은 수질오염 공정시험법에 따라 실험하였다. 인공폐수의 COD, 질소, 인, 그리고 SS의 농도는 실험목적에 따라 농도를 다양하게 조정하며 실험하였다.

Compound Synthetic Wastewater (mg/L)Glucose (as COD) 18

NH4Cl (as N) 3SS 20

KH2PO4 (as P) 0.1KHCO3 (as HCO3-) 835.2* Nutrient solution 1mL

표 3.2 인공폐수의 성상

* The Nutrient solution contains : 9g MgSO4·7H2O, 6g CaCl2·2H2O, 1.5g FeCl3 ·6H2O, 6.5gMnCl2·4H2O, 1.7g ZnSO4·7H2O, 0.1g CuCl2·2H2O, 1.9g CoCl2·6H2O, 6.5g NiSO4·6H2O, 0.1g H3BO3, 0.6g(NH4)6Mo7O24·4H2O, 1g Yeast extract in lL Distilled Water

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3.4 표면조도 결정Grinder를 사용하여 표면을 개질한 충진여재의 표면조도는 Mitutoyo사의

SJ-301 표면조도계를 사용하였으며 그림 3.2와 같다.

그림 3.2 표면조도 분석장치

3.5 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 검경주사전자현미경은 시료 표면에 전자선을 주사하여 방출되는 이차전자와 반사전

자 등을 검출기에 모아 증폭시켜 그 양자강도를 휘도로 변환하여 3차원 형상을 얻을 수 있는 전자현미경의 일종이다. 주로 입체구조를 검경할 때 사용되며 미세한 물질의 구조 해명에 기여하고 있다. 전자선 조사를 통한 이차전자의 방출은 물질 표면이 금속성일 경우 더 효과적이므로 물질을 백금, 금, 은 등의 금속성으로 코팅하기도 한다. 표면조도가 다른 각각의 여재에 부착되어 있는 미생물막(Bioflim)의 부착정도와 형상을 알아보기 위하여 TESCAN의 VEGA3 주사전자현미경을 사용하였으며, 전처리 과정으로 미생물막이 부착된 여재의 표면에 백금을 도포하여 전자기적 피막을 만들고 검경하였다.

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제 4 장 실험결과

4.1 안티파울링형 여과장치의 영양물질 제거양상 254.2 여과장치 순환여재의 이동속도에 따른 영양물질 제거양상 ·································································294.3 충진여재의 표면조도에 따른 여과장치의 영양물질 제거양상 ···············································314.4 안티파울링형 여과장치의 scale-up을 통한 현장적용성 평가 ···················································524.5 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분석 ·59

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제 4 장 실험 결과

4.1 안티파울링형 여과장치의 영양물질 제거 양상4.1.1 여과장치 내 충진여재의 이동 가능성 평가

여재가 충진된 여과장치의 원활한 여과 성능을 확보하기 위해 여재의 순환 방법에 대한 고찰을 시행하였다. 여과장치는 실험장치에서 설명된 바와 같이 원통형 아크릴로 구성되었으며 그 구동방법은 연속 순환방식을 탈피하여 간헐 순환방법을 적용하여 보았다. 연속식 순환방법은 부상된 여재의 부압으로 상판에 가압되는 현상이 발생되어 여재의 충진량이 많을 경우 압력을 견디지 못해 상판에 크랙이 형성되어 누수가 발생하는 폐단이 발생하였다. 따라서 여과장치의 여재의 순환은 일정시간의 여과가 진행되면 유출수를 차단하고 여재를 부상시키게 되고 내부 스크루보다 높아진 부상 여재를 내부 스크루의 회전에 의해 하단으로 이동하여 순환하는 방법이다. 이 때 여과스크루는 설치된 모터에 의해 10rpm 으로 회전하게 한다. 이 스크루는 반응기 하단부의 여재를 상단부로 이송하는 역할을 수행하게 된다. 충진여재의 거름작용에 의해 포획된 입자성 물질이나 과도하게 자란 미생물막을 탈리하고, 탈리된 입자성 물질은 중력 침전 현상에 의해 반응기 바닥으로 침전하게 한다.

하단부에서 상단부로 이송된 여재는 중력에 의해 서서히 가라앉으며 하단부로 이동하게 되고 하단부에 이동된 여재는 스크루에 의해 상단부로 이동하여 무한적으로 여재가 반응기 내에서 낮은 속도로 순환하게 된다. 또한 별도의 컨트롤 박스를 설치하여 반응조 내에 유입수가 수위조절기 부근까지 유입이 되면 솔레노이드 밸브에 의해 유출수가 빠지면서 하나의 유입수 저장조에서 유입 및 유출이 동시 진행되며 여재의 순환이 원활히 이루어질 수 있도록 제작하였다. 오수를 주입하는 유입구는 반응기 하단부에 위치하며 이 때 유입구는 반응기에 충진된 여재의 하단에 위치하여 여재층 전면으로 오수가 유입될 수 있도록 하며 유출구는 반응기 상단부에 위치하되 내부 스크루의 최 윗부분보다 아래쪽에 위치하도록 한다. 스크루를 둘러싸고 있는 내부 가이드 원형관은 가능한 한 스크루에 직경과 같도록 하여 여재가 스크루 외곽으로 흐를 수 없도록 장치하고 내부 가이드 원형관은 스크루 하단 위 보다는 높게 장착하여 하단부의 여재가 스크루로 원활히 올라올 수 있도록 하고 내부 원형관 상단부는 배출구 및 스크루 윗부분보다 높게 높이를 조절하여 상단부에 있는 스크러버 암을 통해 여재가 스크루 안으로 원활하게 끌려 들어올 수 있도록 하였다.

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그림 4.1 충진여재의 원활한 순환을 유도하기 위한 단계별 여재 순환방법

그림 4.1의 순환방법에 의한 충진된 여재가 원활하게 순환하는지 파악하기 위해 충진여재의 이동을 시간에 따라 관찰하여 보았다. 일부 여재의 색을 달리하여 운전

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하는 동안 시간에 따라 여재가 하부에서 상부로 이동하는 것을 관찰할 수 있었으며 실험이 진행되는 기간 동안 여재의 폐색이나 여과수의 누수 없이 원활하게 운전되었다. (그림 4.2 참조)

본 연구방법에 의한 여재의 이동방식을 세분화하여 내부 스크루의 상단 높이보다 여재의 부상 높이를 조정함으로서 여과장치의 시간에 따른 여재의 순환 속도를 조정하는 것이 가능해짐에 따라 여재의 순환속도를 임의적으로 조정함으로서 보다 효율성 있는 여과장치를 개발할 수 있는 발판을 마련하였다.

그림 4.2 시간의 경과에 따른 충진여재의 이동경로

4.1.2 비순환여재 여과장치와 순환여재 여과장치의 영양물질 제거 양상

안티파울링형 여과장치에 충진된 여재가 원활하게 이동함에 따라 비교실험으로 비순환여재 여과장치와 순환여재 여과장치의 영양물질 제거 양상을 살펴보았다. 그림 4.3은 부유물질 및 영양물질의 농도와 처리효율을 나타낸 그래프로 부유물질을 25 mg/L로 동일하게 오염시킨 유입수를 주입하였으며, 충진여재를 이동시켰을 경우 부유물질의 농도는 평균 8 mg/L로 처리효율은 약 70%로 나타났으며, 충진여재를 이동시키지 않았을 경우 부유물질의 농도는 평균 10 mg/L로 처리효율 64%로 나타났다. 총 인의 경우 초기 유입은 0.18 mg/L로 동일하게 오염시켜 실험하였으

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며, 충진여재를 이동시켰을 경우 총 인의 유출수는 0.07 mg/L로 60.75%의 처리효율을 나타냈고 충진여재를 이동시키지 않았을 경우 총 인의 농도는 평균 0.14 mg/L로 처리효율은 28.68%로 나타났다.(그림 4.4) 총 인 또한 부유물질의 실험결과와 동일한 양상을 나타냈다. 두 경우 모두 초반에는 처리효율이 비슷하였으나 시간의 경과에 따라 충진여재를 이동시키지 않은 실험의 경우 충진여재에 부착되어 있는 미생물막 및 슬러지들이 적절하게 탈리되지 않아 여재 표면에 과도하게 밀집하게 되고, 이에 따라 여재의 비중이 높아지게 되고 여재가 여과장치 하단으로 일부 침강하면서 여과장치 내 여재공극률이 높아지면서 여과기능이 적절하게 작용하지 않은 것으로 판단되었다.

그림 4.3 충진여재의 이동여부에 따른 부유물질의 제거양상((S1: 하루에 1V의 충진여재를 내부스크루에 의해 순환시켰을 경우, S2: 충진 여재를 고정하여 여과하였을 경우) 실험데이터는 하루에 두 번 채취된 시료를 이용하였으며

평균값은 20개의 시표에 대한 값으로 나타내었다)

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그림 4.4 충진여재의 이동여부에 따른 총 인의 제거양상((S1: 하루에 1V의 충진여재를 내부스크루에 의해 순환시켰을 경우, S2: 충진 여재를 고정하여 여과하였을 경우), 실험데이터는 하루에 두 번 채취된 시료를 이용하였으며

평균값은 20개의 시표에 대한 값으로 나타내었다)

4.2 여과장치 순환여재의 이동속도에 따른 영양물질 제거양상

4.1.1절에 언급된 바와 같이 여재의 부상높이를 조절함으로서 여재의 순환속도를 조절 가능하게 됨에 따라 여재의 이동속도에 따른 영양물질의 제거 양상을 파악하여 보았다. 그림 4.5는 충진된 여재가 스크루에 의해 이동하는 속도에 따른 처리효율을 나타낸 그래프로 안티파울링형 여과장치에 충진된 여재의 전체 양을 1 Volume(V)라고 가정하였을 때 하루 동안 스크루에 의해 이동하는 여재의 부피 비를 3V, 1V, 0.2V로 구분하여 실험을 진행하였다. 실험결과 하루에 충진여재 전체볼륨의 0.2배만을 이동시켰을 때 부유물질 처리효율이 약90%로 가장 처리효율이 높게 나타났으며, 이동속도가 빠를수록 처리효율은 86%, 82%로 점차적으로 감소하였다. 총 인 역시 0.2V에서 처리효율 74%로 가장처리효율이 높았으며, 1V, 3V의 순서대로 63%, 50%의 처리효율을 보였다. 이는 충진된 여재가 스크루에 의해 빠르게 이동하여 여재에 부착되는 미생물막의 형성이 어렵게 되어 입자의 부착성이

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낮아지게 되고 이동속도가 느려질수록 부유물질의 거름작용에 의한 입자의 제거작용이 함께 일어날 수 있게 되어 처리효율을 극대화시킨 것으로 판단된다. 이로써 여과장치의 파울링 현상을 극복하기 위해서는 충진여재의 순환이 반드시 필요하지만 그 이동속도는 여재의 표면에 부착된 미생물막에 의한 여재의 비중이 높아져 침강하는 현상이 발생되기 전까지로 설정함에 따라 여과장치의 여과처리효율은 높아짐을 알 수 있었다.

그림 4.5 하루에 처리되는 충진여재의 양에 따른 부유물질의 제거양상 (1 Volume(V)는 여과장치에 충진된 여재의 전체 부피를 나타낸다)

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그림 4.6 하루에 처리되는 충진여재의 양에 따른 총 인의 제거양상(1 Volume(V)는 여과장치에 충진된 여재의 전체 부피를 나타낸다)

4.3 충진여재의 표면조도에 따른 여과장치의 영양물질 제거양상

4.3.1 충진여재의 표면개질안티파울링형 여과장치에 사용된 충진여재는 폴리프로필렌(PP) 재질로 외부 표

면이 거칠지 않게 가공되어 있는 구형입자 모양의 플라스틱 원료로 충진여재의 성형을 통하여 본 여과장치의 여과효율을 더욱 극대화시키고자 하였다. 충진 여재의 최적화 방법 중 하나로 충진 여재의 비표면적을 달리하여 실험을 수행하고자 하였다. 충진 여재의 비표면적을 높이기 위하여 기존의 여재의 표면을 거칠기가 다른 연마기로 5분간 표면처리하여 각각의 비표면적이 다른 충진 여재를 생산하였다. 그 결과 현미경으로 40배 확대하여 충진여재의 표면을 확인한 결과 육안으로 그 차이를 구분할 수 있었으며, 충진 여재의 표면처리과정을 그림4.7에, 각각의 충진 여재를 비교한 사항을 표 4.1에 나타내었다.

현재 표면개질을 통해 생산된 여재의 거칠기는 조도 측정을 실시하고 있으며 여재의 굴곡을 조도에 따라 표준화하여 실험하고자 한다. 이러한 여재의 표면개질

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을 통해 적정 미생물막의 형성이 여과장치 내부 스크루의 회전에 의해 미생물막이 탈리되는 과정에서 저해되는 부작용을 완화할 수 있을 뿐 아니라 미생물막을 통한 고도처리 가능성도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 4.7 표면개질화를 통한 여재의 표면처리 과정

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충진여재의 형상 설명 충진여재의 형상 설명

표면처리 과정을 거치지 않은 충진여재

현미경으로 관찰하였을 때 표면의 거칠기가 특별하게 없으며 매끈한 것이 확인되었다.

Fine grinder로 5분 동안 표면처리한 여재 (sand paper 1200)

현미경으로 관찰하였을 때 표면처리하지 않은 충진여재보다 표면의 거칠기가 다소 증가한 것이 확인되었다.

grinder로 5분 동안 표면처리한 여재 (sand paer 150)

현미경으로 관찰하였을 때 Fine grinder로 표면처리한 충진여재보다 표면의 거칠기가 확연하게 증가한 것이 확인되었다. Coarse grinder로 5분 동안

표면처리한 여재 (sand paper 40)

현미경으로 관찰하였을 때 표면처리한 충진여재 중 가장 요철이 심한 표면의 거칠기를 가지고 있는 것이 확인되었다.

표 4.1 표면개질화를 통한 충진여재의 표면조도 비교(현미경으로 40배 확대)

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그림 4.8 표면조도 측정결과

표 4.2 표면조도(Ra) Contents Ra(㎛)Control 0.14

Grinder 1200 0.23Grinder 150 2.23Grinder 40 10.52

표면조도를 측정 시 가장 많은 지표로 사용되는 Ra값을 확인한 결과 Grinder의 수가 작아질수록 표면조도(Ra)값이 상승하고 배율은 작아지는 것으로 보아 Grinder 40이 가장 거칠고 Control이 가장 매끄러운 표면을 가지는 것이 확인되었다.

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4.3.2 표면조도에 따른 여과장치의 영양물질 제거효율 평가

4.3.2.1 표면조도 0.14㎛(Control)

그림 4.9 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상

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그림 4.10 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상

그림 4.11 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상

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그림 4.12 표면조도 0.14㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상

그림 4.9, 4.10, 4.11, 4.12는 표면조도 0.14㎛의 여재(Control)를 충진한 여과장치의 각 영양물질의 제거양상을 나타낸 그래프로 유입수의 농도에 따라 처리효율의 차이가 있었으며, 평균 제거효율은 부유물질, 약 44%, 유기물질 약 43%, 총 질소 약 9.14%, 총 인 약 40%로 나타났다. 여과장치 중간부분에 부유물질 및 미생물이 여과되는 것을 눈으로 확인할 수 있었으며, 원활하게 운전 가능하였다. 다만 여재를 표면처리하지 않았을 경우 미생물이 여재에 부착되는 양이 상대적으로 적기 때문에 그에 따른 미생물의 유기물 섭취 및 여과기능은 다소 낮은 것으로 나타났다.

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4.3.2.2 표면조도 0.23㎛(Grinder 1200)

그림 4.13 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상

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그림 4.14 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상

그림 4.15 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상

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그림 4.16 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상

그림 4.13, 4.14, 4.15, 4.16는 표면조도 0.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 각 영양물질의 제거양상을 나타낸 그래프로 유입수의 농도에 따라 처리효율의 차이가 있었으며, 평균 제거효율은 부유물질, 약 49%, 유기물질 약 47%, 총 질소 약 10%, 총 인 약 42%로 나타났다. 이는 표면처리하지 않은 기존 여재를 이용한 여과장치 제거효율과 유사한 제거효율로 표면처리의 효과가 크게 나타나지 않았다. 이는 표면처리 하지 않은 여재와 Grinder 1200으로 표면처리한 여재의 형상과 표면조도 값에서 눈에 띄는 차이가 없는 것으로 보아 여과기간 내에 미생물막이 충분히 부착되지 못하여 위와 같은 제거효율을 보인 것으로 판단된다.

- 41 -

4.3.2.3 표면조도 2.23㎛(Grinder 150)

그림 4.17 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 부유물질 제거양상

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그림 4.18 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 유기물질 제거양상

그림 4.19 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 질소 제거양상

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그림 4.20 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 총 인 제거양상

그림 4.17, 4.18, 4.19, 4.20는 표면조도 2.23㎛의 여재를 충진한 여과장치의 각 영양물질의 제거양상을 나타낸 그래프로 유입수의 농도에 따라 약간의 처리효율의 차이가 있었으며, 평균 제거효율은 부유물질, 약 58%, 유기물질 약 53%, 총 질소 약 12%, 총 인 약 40%로 나타났다. 이는 표면처리하지 않은 기존 여재를 이용한 여과장치 제거효율과 Grinder 1200으로 표면처리한 여과장치의 제거효율보다 약간 더 높아진 효율로 표면조도가 더 큰 여재에서 미생물의 부착과 여과의 기능이 향상되었다고 판단된다. 혐기조건 이외에서 처리가 어려운 총 질소의 처리효율이 약 3% 증가한 것으로 보아 표면조도 0.23㎛인 여재보다 미생물막이 조금 더 많이 부착되었을 것이라고 판단된다. 하지만 총 질소의 안정적인 처리를 위해서는 미생물막에 의한 처리 이외에 촉매를 이용한 화학반응공정 등 다른 공정과 병행되어야 할 것으로 판단된다.

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4.3.2.4 표면조도 10.52㎛(Grinder 40)

그림 4.21 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 부유물질 제거양상

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그림 4.22 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 유기물질 제거양상

그림 4.23 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 총 질소 제거양상

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그림 4.24 표면조도 10.52㎛의 여재를 이용한 여과장치의 총 인 제거양상

그림 4.21, 4.22, 4.23, 4.24는 표면조도 10.52㎛인 여재를 충진한 여과장치에서 각 영양물질의 제거양상을 나타낸 그래프로 유입수의 농도에 상관없이 비교적 일정한 처리효율을 보였으며, 평균 제거효율은 부유물질, 약 75%, 유기물질 약 58%, 총 질소 약 12%, 총 인 약 53%로 나타났다. 이는 표면처리하지 않은 기존 여재를 이용한 여과장치 제거효율과 Grinder로 표면처리한 여과장치 중에서 가장 높은 처리효율로 표면조도가 클수록 여재 내에 미생물 부착 및 막의 형성이 효과적으로 나타남을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 부유물질 및 총 인, 유기물의 제거효율이 상승된 것으로 판단된다. 여재의 크기와 양에 따라 미생물의 부착정도는 다르게 나타날 수 있지만 여재의 표면조도가 높아질수록 여과효율은 향상된다고 판단된다.

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4.3.2.5 기존여재와 표면처리를 거친 여재의 처리효율 평가

그림 4.25 표면처리하지 않은 여재 대비 부유물질의 제거효율

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그림 4.26 표면처리하지 않은 여재 대비 유기물질의 제거효율

그림 4.27 표면처리하지 않은 여재 대비 총 질소의 제거효율

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그림 4.28 표면처리하지 않은 여재 대비 총 인의 제거효율

그림 4.25, 4.26, 4.27, 4.28은 각 영양물질 별 표면조도에 따른 여과효율 증가효율을 나타낸 그래프로 표면처리를 하지 않은 여재를 이용한 여과장치의 여과효율을 100으로 나타냈을 때 각각의 표면조도에 따른 영양물질의 제거효율을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 보는 바와 같이 모든 항목에서 표면처리를 하지 않은 여재(Control)보다 표면조도가 높은 여재의 여과장치 영양물질 제거효율이 높은 처리효율을 가지는 것으로 나타났다. 또한 부유물질, 유기물질, 총 질소의 항목에서는 표면조도가 크면 클수록 안티파울링형 여과장치의 여과효율의 증대되는 것으로 나타났으며, 총 인의 경우 표면조도 2.23㎛인 여재에서 약간 제거효율이 낮아지는 경향을 보였지만 표면처리를 하지 않은 여재보다는 처리효율이 증대되었으며, 표면조도 10.52㎛이었을 때 표면처리하지 않은 여재보다 약 40%증대되는 효과를 가져왔다.

또한 부유물질과 유기물질에서는 처리효율의 증대가 확연히 드러났다. 부유물질과 유기물질의 경우 미생물의 생장과 밀접한 관련이 있는 항목으로 앞서 언급 된 것처럼 표면조도가 큰 여재의 공극사이에 미생물이 다량 생장하여 유기물 섭취 및 여과기능을 촉진시켰을 것으로 예상된다. 영양물질의 경우 처리효율의 증가는 30%내외로 미약하였지만 처리가능성을 확인하였으며, 총 질소의 경우 미생물막에 의한 제거와 함께 촉매를 이용한 화학적 반응 등의 다른 방법과의 병합처리가 필요할 것

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으로 예상되며, 총인의 경우 응집체 투여 시 상당한 처리효율 증대를 가져올 것으로 예상된다. 또한 실제 하수 적용 시 입자성인의 제거로 인해 총 인의 처리효율은 더 증대될 것으로 판단된다.

4.3.3 주사전자현미경(SEM) 분석을 통한 총 부착 미생물량 관찰표면조도 0.14㎛로 나타난 표면개질을 하지 않은 여재부터 Grinder 1200, 150,

40으로 표면개질하여 표면조도가 각각 0.23, 2.23, 10.52㎛인 여재에 형성된 미생물막의 관찰을 위하여 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.

표면조도(Ra)unit: ㎛ SEM 분석사진

0.14

0.23

표 4.3 표면개질된 여재에 따른 미생물 부착모습

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그림과 같이 표면개질을 통해 가장 표면조도가 크게 나타난 표면조도 10.52㎛의 여재에 가장 많은 미생물이 부착된 것을 관찰할 수 있었으며, 그 미생물막의 두께도 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 표면조도가 클수록 여재표면의 빈 공간으로 미생물이 형성되고 더욱 안정적으로 미생물막이 부착하게 되며, 여과가 진행될수록 미생물이 기하급수적으로 증가하게 된다. 증가된 미생물들은 여과가 진행되는 동안 물 속에 있는 유기물 및 영양물질을 섭취하게 되어 여과수의 제거효율 상승을 가져온 것으로 보이며, 4.3.1절과 4.3.2절의 표면조도와 각 영양물질의 제거효율과 양상과 일치하는 모습으로 보아 미생물에 의해 여과장치의 여과효율이 향상된 것으로 보인다. 또한 여러 층으로 형성된 미생물막은 그 두께가 두꺼워 질수록 그 내부가 혐기화될 가능성이 높아지며, 이로 인해 질산성질소의 탈질화를 기대할 수 있을 것이라 예상된다. 4.3.2절의 표면조도에 따른 총 질소의 처리효율을 살펴보았을 때 약간의 제거효율 상승은 있었지만 미생물에 의한 탈질화만으로는 총 질소의 처리가 어려울 것으로 보이며, 첨가제나 촉매를 이용한 화한반응공정 또는 다른 여재성형

2.23

10.52

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기법을 통한 총 질소 제거가 병행되어야 할 것으로 판단된다.

4.4 안티파울링형 여과장치의 Scale-up을 통한 현장적용성 평가

4.4.1 Scale-up 안티파울링형 여과장치의 운전 가능성 평가실제 하수처리장에서의 구동가능 여부를 확인하기 위해 그림 4.29와 같이

lab-scale의 형태와 유사하게 설계하였으며, 겉면은 직경 35cm, 높이 150cm로 반응조 총 부피는 144L로 하였으며, 내부 스크루는 직경 12cm, 높이 80cm의 플라스틱 테프론을 가공하여 여과장치를 구성하였다. 또한 현장에서의 현장적용가능성을 평가하기 위해 외부환경에서 간섭이 적은 철 소재의 재료를 이용하여 Scale-up 안티파울링형 여과장치를 제작하였다. 철 소재의 Scale-up 여과장치는 용량의 크기가 증가할수록 장치가 차지하는 면적, 반응장치 이외의 부수설비의 면적 등을 평가하였다.

그림 4.29 여과장치의 Scale-up

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scale-up한 안티파울링형 여과장치는 실험용, 현장용으로 구성하여 설계하였으며, 그림 4.29의 왼쪽 그림의 반응장치를 실험용으로 사용하였다. scale-up 반응조 역시 상향류로 여재의 순환이 될 수 있도록 제작하였으며, 스크러버 암을 위, 아랫부분 모두 설치하여 윗부분은 윗단의 여재가 스크루내부로 원활히 순환될 수 있도록 하였고, 아랫부분은 필요 이상으로 부착된 미생물을 탈리시켜 중력 침전현상에 의해 아래로 가라앉도록 하였다. 안티파울링형 여과장치의 운전결과 6개월 이상의 연속운전에도 문제점 없이 원활히 운전 가능함을 확인하였다.

일반 여과장치 내에서의 마모는 주로 응착마모를 비롯하여, 처리수의 성상과 반응조 내부의 스크래치 등 여러 가지 원인이 작용하여 복합적으로 마모가 일어나게 된다. 장치 내 마모가 일어났을 때 가장 영향을 많이 받는 부분은 여과장치 내의 여재로 여과장치 설치시의 여재와 1개월 경과 후, 3개월 경과 후, 6개월 경과 후등 시간의 경과에 따라 같은 부피의 여재를 채취하여 그 무게를 측정하였다. 여재의 무게를 측정할 때에는 사용하지 않은 새 여재와 시간의 경과에 따라 여과장치 내에서 일부 채취한 여재를 사용하였으며, 미생물막에 의한 여재무게 증가를 우려하여 여재를 30분간 세척하여 건조한 후 실험하였으며, 실험의 정확도를 위해 각각의 표면조도 크기에 따라 20개의 실험값을 평균 내어 사용하였다.

미사용 여재와 시간의 경과에 따른 여재를 같은 부피로 채취하여 그 무게를 측정한 결과 미사용 여재의 평균 무게는 41.17g, 6개월 경과후의 여재의 평균무게는 40.13g으로 나타나 여재간의 무게차이는 미미하였다. 따라서 여과장치 내에서 여재의 마모율은 아주 작은 것으로 예상되며, 시간이 경과할수록 여재표면에 미생물막이 형성되면서, 마모의 가능성을 낮춘 것으로 판단된다. 이는 장기간의 여과장치 사용에 있어서 여재의 반영구적 사용이 가능함을 나타내며 타 여과장치에 비해 경제성이 높아질 것이라고 판단된다.

안티파울링형 여과장치는 역세척공정이 따로 필요하지 않지만 장기간의 여과처리후 발생되는 슬러지의 처리가 동반된다. 표면조도에 따른 여과효율 평가 시 발생된 슬러지는 그 양이 매우 작아 따로 처리할 필요는 없었으나, 반응조의 Scale-up에 따른 부유물질의 증가, 장기간 사용으로 인한 슬러지 농축, 총 인 처리를 위한 응집제 사용에 따른 인발과 같은 형태로 배출해야 할 가능성이 높아진다. 따라서 부유물질의 처리효율을 토대로 슬러지의 농도가 10,000mg/L일 때, 슬러지 반송 또는 인발을 한다고 가정하였을 때의 반송률을 구하였다.

슬러지 반송률은,

Return ratio(%)= × 100

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where, X: 여과장치 내의 고형물 농도, Xr: 반송슬러지 고형물 농도

다음과 같은 식으로 구할 수 있다. 이에 따른 반송률은 0.1% 이내로 매우 낮은 값을 나타냈으며, 일정한 처리효율로 여과장치가 운전된다면 장기간의 운전에도 반송슬러지의 처리 우려는 낮을 것으로 판단된다.

안티파울링형 여과장치는 여과장치와 여과장치의 연속적인 운전을 위한 컨트롤러로 구성되므로 여과장치의 현장설비 시 소요되는 부지면적은 위 두 장치를 모두 설치할 수 있는 부지여야 한다. 컨트롤러의 경우 주로 전기설비가 수반되며, 설비가 간단하여 여과장치의 용량에 관계없이 가로, 세로 70cm의 정사각형으로 설계가능하며 설치환경에 따라 모양변경 및 축소가 가능하다. 따라서 여과장치 및 컨트롤러의 소요부지면적은 여과장치의 면적에서 사방으로 2m의 유효면적이 주어진다면 충분히 설치 가능할 것으로 보인다.

4.4.2 현장실험을 통한 안티파울링형 여과장치의 처리효율 평가실제 하수처리장에서의 구동가능 여부와 방류수 수질기준에 부합하는 수질을

확보하고자 반응조 겉면은 원기둥 모양으로 직경 160cm, 높이 290cm, 용량은 5ton으로, 내부 스크루 길이는 150cm, 외경 30cm로 제작하였다. 하루처리용량 약 250㎥/day의 Pilot-scale의 여과장치를 설계하고 운전하였으며, Lab-scale 여과장치에서 산정한 최적의 순환주기인 약 0.2V으로 여과장치를 구동시켰다. Pilot-scale의 설계모습과 실제사진은 다음그림에 나타내었다. 여과장치의 현장운전 조건은 다음 표와 같다.

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pilot-scale 제작도면 pilot-scale 현장전경그림 4.30 Pilot-scale 여과장치

Item ConditionFlux(ton/day) 250

HRT(min) 17RPM 5

표 4.4 Pilot-scale 여과장치의 현장운전 조건

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4.4.2.1 Pilot-scale 여과장치의 부유물질 제거 특성

그림 4.31 Pilot-scale 여과장치의 부유물질 제거양상 및 제거효율

그림 4.31은 Pilot-scale 여과장치의 부유물질 제거양상 및 제거효율을 나타낸 그래프로 약 50일간 반응이 진행되었다. 부유물질의 평균 유입수의 농도는 6 mg/L이었으며, 평균 유출수의 농도는 1.3 mg/L로 나타나 평균제거효율은 약77%로 나타났다. 이는 입자가 큰 부유물질의 경우 유입되자마자 아래에 설치된 스크러버 암에 의해 아래로 침강되고 입자가 작은 부유물질은 여재 내에서 여과, 거름기작에 의해 대부분 처리되어 다음과 같은 결과를 나타낸 것으로 사료된다. 또한 현장시료의 경우 유입수의 농도가 비교적 일정하지 않아 lab-scale의 부유물질 처리효율보다 적은 처리효율을 보였으나 충분한 시간을 두어 미생물이 여재에 부착성장하게 되면 그 처리효율이 더욱 증대될 것이라고 예상된다.

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4.4.2.2 Pilot-scale 여과장치의 유기물질 제거 특성

그림 4.32 Pilot-scale 여과장치의 유기물질 제거양상 및 제거효율

그림 4.32는 Pilot-scale 여과장치의 유기물질의 제거양상 및 제거효율을 나타낸 그래프로 부유물질과 함께 약 50일 동안 반응이 진행되었다. 유기물의 평균유입수의 농도는 6.5 mg/L이었으며, 평균 유출수의 농도는 3.3 mg/L로 약 49%의 평균처리효율을 나타내었다. 유기물 또한 Lab-scale의 여과장치보다 낮은 처리효율을 보였으나 미생물이 부착성장할 수 있는 충분한 시간이 주어진다면 보다 더 높은 처리효율을 보일 것으로 예상된다.

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4.4.2.3 Pilot-scale 여과장치의 총 질소 제거 특성

그림 4.33 Pilot-scale 여과장치의 총 질소 제거양상 및 제거효율

그림 4.33은 Pilot-scale 여과장치의 총 질소의 제거양상 및 제거효율을 나타낸 그래프로 약 50일 동안 반응이 진행되었다. 유기물의 평균유입수의 농도는 10.4 mg/L이었으며, 평균 유출수의 농도는 9.9 mg/L로 약 4.9%의 평균처리효율을 나타내었다. 총 질소의 경우 암모니아성 질소가 질산성 질소로 산화된 후 혐기조건 하에서 탈질의 과정을 거쳐야 질소가 제거되는데 표면처리가 이루어지지 않은 여재에서는 여재표면에 미생물이 부착되기 어렵기 때문에 그에 따른 혐기조건의 형성도 어려워 탈질의 과정이 일어나기 어려웠을 것으로 예상되며 이로 인해 질소의 처리가 다소 낮은 처리효율을 보인 것으로 판단된다. 따라서 총 질소의 경우 여재의 표면처리뿐만 아니라 질소처리를 첨가제 또는 화학적 반응 유도와 같은 다양한 방법으로 처리효율 극대화를 도모해야 할 것으로 판단된다.

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4.4.2.4 Pilot-scale 여과장치의 총 인 제거 특성

그림 4.34 Pilot-scale 여과장치의 총 인 제거양상 및 제거효율

그림 4.34는 Pilot-scale 여과장치의 총 인의 제거양상 및 제거효율을 나타낸 그래프로 약 50일 동안 반응이 진행되었다. 유기물의 평균유입수의 농도는 0.4 mg/L이었으며, 평균 유출수의 농도는 0.1 mg/L로 약 68%의 평균처리효율을 나타내었다. 유기물 또한 Lab-scale의 여과장치보다 낮은 처리효율을 보였으나 미생물이 부착성장할 수 있는 충분한 시간이 주어진다면 보다 더 높은 처리효율을 보일 것으로 예상된다.

4.5 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분석4.5.1 FISH를 이용한 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분포

그림 4.35은 안티파울링형 여과장치 내에서 채취한 미생물을 FISH 기법을 사용하여, 전체 미생물을 DAPI로 염색하여 검경한 결과이다. DAPI(4,6-diamidino-2-phenylindole)는 DNA의 A-T 결합에 특이적으로 흡착하여 밝은 청색을 띠는 염료로 염기서열을 갖는 모든 미생물이 염색대상이며 340~400nm의 파장만을 통과시키는 형광필터를 사용하여 염색된 부분을 확인할

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수 있다. 그림 4.35와 같이 DAPI 염색 결과 청색으로 형광을 띠는 부분이 넓게 분포된 것으로 보아 미생물 군집이 다량 분포하고 있다고 할 수 있다. 그 중 특히 더 밝게 형광을 발하는 부분은 염색된 미생물이 뭉쳐짐으로 인해 더 밝은 형광을 발하는 것으로 추정된다. 결론적으로 안티파울링형 여과장치 내에 미생물이 다량 분포하여 유기물질과 영양물질의 제거가 원활하게 이루어졌다고 판단된다.

그림 4.35 FISH 기법으로 촬영한 전체 미생물 분포

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4.5.2 PCR-DGGE를 이용한 안티파울링형 여과장치 내 미생물 군집분석

안티파울링형 여과장치에서 채취 한 미생물의 PCR을 통한 DNA 증폭 후 얻은 16S rDNA의 V3 region의 DGGE 수행을 통한 미생물의 군집변화를 나타낸 결과이다. 선명도가 각기 다른 4개의 band가 다양하게 분포되어 나타났다.

그림 4.36 DGGE profile

다양하게 분포되어 가시화된 DGGE band의 미생물 군집을 파악하기 위해 band를 sequence하여 NCBI BLAST를 이용한 GenBank database와 비교 분석하여 가장 유사도가 높은 종을 검색한 결과 DGGE band로부터 얻은 clone 대부분은 Acidovorax속 미생물로 규명되었으며 그 외 Actinobacteria속(Band 4) 미생물도 관찰되었다. PCR-DGGE를 통해 안티파울링형 여과장치에 미생물이 다량 분포하고 있음을 확인하였으며, 미생물의 생장을 통해 유기물질 산화 및 영양물질의 제거가 원활하게 이루어진 것으로 판단된다.[표 4.6, 그림 4.36, 4.37]

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그림 4.37 DGGE band와 16S rDNA와의 계통수

Band name

Gen Band Search Result Assession No.

Similarity

Taxonomic Description

(Class)Phylogenetically Closet Relative

1 Acidovorax sp. strain KNDSW-TSA6 KY425604.2 85% Proteobacteria

2 Acidovorax sp. SG3 KR856398.1 85% Proteobacteria

3 Uncultured Stappia sp. LT857379.1 99% Proteobacteria

4 Actinobacteria bacterium strain 5BTG-J1 MG563356.1 100% Bacteria

표 4.5 16S rDNA서열에 의해 결정된 DGGE 밴드

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제 5 장 결 론

5.1 결론 ··············································································645.2 참고문헌 ······································································67

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제 5 장 결 론

본 연구에서는 안티파울링형 여과장치의 개발을 통하여 하수 2차 처리수의 방류수 수질 이상 확보하는 것을 목적으로 하며, 안정적인 처리수 확보를 위해 안티파울링형 여과장치의 설계인자 및 충진 여재의 최적화를 도모하고자 한다. 따라서 본 실험은 충진 여재의 이동 최적주기를 확보하여 처리효율의 개선하는 과정 뿐 아니라 여재 마모율 및 충진율을 최적화하여 여과장치의 경제성도 확보하고자 하였다. 연구기간동안 도출된 중간 연구결과를 정리 요약하면 다음과 같다. 1) 안티파울링형 여과장치는 물보다 비중이 작은 폴리프로필렌 소재의 여재를 여과장치 내에 충진하여 내부 스크루를 통해 충진 여재가 이동하면서 부유물질 및 영양물질이 처리되고 충진여재에 부착된 슬러지가 연속적으로 탈리되어 파울링에 영향을 받지 않고 여과할 수 있는 반응장치로 스크루 회전의 유무에 따라 부유물질 및 영양물질의 처리효율 평가를 수행하였다. 그 결과 여과장치 내 여재의 이동 있는 경우 슬러지의 고액분리가 효과적으로 이루어 졌으며 그에 따른 처리효율도 70% 이상으로 나타나 스크루의 회전을 통해 여재의 이동을 확보함으로서 보다 적절한 여과효율이 나타난다고 판단되었다. 여재의 이동은 여재의 부상되는 정도에 따라 관리가 가능하며 이를 통하여 여재의 순환속도를 효과적으로 조절할 수 있었다.

2) 안티파울링형 여과장치의 경제성(스크루 회전에 사용되는 동력)을 높이고 최적 운전조건을 파악하기 위하여 하루에 여과장치 내부에서 이동되는 여재의 비에 따라 처리효율 평가를 하였다. 하루 기준 3V, 1V, 0.2V의 여과장치 내부 여재의 이동속도로 평가하였을 때 하루에 0.2V의 여재가 이동한 경우 부유물질 처리효율 90.42%로 가장 처리효율이 좋은 것으로 나타났다. 이는 반응장치에 충진된 여재가 빠르게 이동하는 것보다 느리게 이동하면서 형성되는 미생물막에 의해 거름작용이 일어나 처리효율의 증대를 가져온 것으로 사료된다. 따라서 안티파울링형 여과장치를 스크루 회전이 없는 경우에서부터 3V까지의 충진여재 이동에 대한 부유물질 처리효과를 비교해 본 결과 원활하고 최적의 여과효율을 위해서는 충진 여재의 이동이 반드시 요구되지만 그 이동 속도는 본 실험의 범위에서 적을수록 처리효율이 높아진다고 판단된다.

3) 여과장치의 제거효율를 높이기 위해 grinder의 거칠기(sand paper 1200, 150,

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40)에 따라 5분간 표면처리한 여재의 표면조도 분석결과 각각의 표면조도는 표면처리하지 않은 여재부터 0.14, 0.23, 2.23, 10.52로 grinder 40이 가장 큰 표면조도 값을 나타냈다. 이를 토대로 각 표면조도에 따른 안티파울링형 여과장치의 여과효율을 평가한 결과 표면조도 10.52인 여재의 여과장치에서 부유물질 제거효율 75%, 유기물질 제거효율 58%, 총인 처리효율 53%로 가장 높은 처리효율을 나타냈으며, 표면조도가 높아질수록 모든 영양물질의 여과효율이 상승하였다. 부유물질의 경우 표면처리 하지 않은 여과장치에 비해 63%이상 증가된 처리효율을 나타냈다. 이는 여재의 표면조도가 높을수록 여재에 부착되는 미생물의 양이 증가되어 충분한 여과 및 거름작용이 나타난 것으로 판단된다.

4) 충진여재의 여과효과를 높이기 위해 PP소재 여재를 grinder로 표면처리 하여 표면조도를 높이는 실험을 진행하였으며, 표면처리한 여재를 현미경으로 40배 확대하였을 때 육안으로 충전 여재의 표면 거칠기가 증가한 것을 알 수 있었다. 또한 여과처리 후 충진 여재의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 검경한 결과 표면조도가 증가할수록 여재 내에 미생물이 다량 부착되어있음을 확인할 수 있었다. 이는 여과장치의 여과효율과 같은 일치하는 양상으로 총 부착미생물의 증가로 인해 부유물질 뿐만 아니라 유기물, 영양물질의 제거에도 긍정적인 영향을 미친것이라고 사료된다.

5) 안티파울링형 여과장치에서 채취 한 미생물의 군집을 파악하기 위해 16S rDNA의 V3 region의 DGGE 수행 및 NCBI BLAST를 이용한 GenBank database와 비교 분석하여 가장 유사도가 높은 종을 검색한 결과 DGGE band로부터 얻은 clone 대부분은 Acidovorax속 미생물로 규명되었으며 그 외 Actinobacteria속 미생물도 관찰되었다. 한편, FISH법을 통한 미생물 군집분포를 확인한 결과 많은 양의 미생물이 생장하고 있음을 확인하였다. 이를 통해 안티파울링형 여과장치에 미생물이 다량 분포하고 있음을 확인하였으며, 미생물의 생장을 통해 유기물질 산화 및 영양물질의 제거가 원활하게 이루어진 것으로 판단된다.

이로써 안티파울링형 여과장치의 안정적인 처리를 위한 설계인자와 처리효율을 살펴보았다. 하지만 총 질소의 경우 미생물막에 의한 제거로는 탈질효과를 기대하기 어려워 총질소의 경우 미생물막 형성에 의한 제거와 함께 촉매를 이용한 화학반응공정 등에 의한 질소제거와 병합처리하여 그 처리효율을 증대시킬 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 여과장치의 현장적용평가를 통해 6개월 이상 운전 시에도

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여재의 손실 및 마모는 일어나지 않음을 확인하였으며, 여과장치와 장치 컨트롤러가 구성을 위해 여과장치 둘레를 기준으로 사방으로 2m의 유효면적을 두는 것이 안전하다고 판단된다.

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주 의 문

최종연구보고서(17-01-04-02-04)

서울시 하수처리 고도처리 공법(MBR) 개선을 위한 안티파울링(anti-fouling)형 여과장치 개발

발행인 : 센터장 한 인 섭

발행일 : 2018년 1월 2일

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