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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.27 No.1 pp.39-45
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2018.27.1.39

A Study on Removal Efficiency of T-N in Bench-scale for Shipboard Sewage Treatment Plant

Young-Ik Choi*, Dae-Yeol Shin, Seung-Chul Lee, Jin-Hee Jung, Young-Nae Yoon1)
Department of Environmental Engineering, Dong-A University, Busan 47514, Korea
1)ESSA co. 38111, Gyeongju, Korea
Corresponding author: Young-Ik Choi, Department of Environ-mental Engineering, Dong-A University, Busan 47514, Korea 82-51-200-7675youngik@dau.ac.kr
20171128 20171214 20171220

Abstract

In this study, the International Maritime Organization (IMO)’s guideline MEPC. 277 (64) was developed and evaluated for the removal efficiency of T-N in a SBR and MBR combined process. This combined process of resized equipment based on large capacity water treatment device for a protection of marine aquatic life. In this experiment, T-N concentration of influent and effluent was measured through with the artificial wastewater. The SBR reactor operation time was varied according to the C : N : P ratios so that different conditions for mixing and aeration period in mins (90 : 60, 80 : 40, 70 : 50) and two C: N: P ratios (10 : 5 : 3, 10 : 3 : 1) were used. During experiment in the reactor’s aeration and anoxic tank DO concentrations were 3 mg/L and 0.2 mg/L respectively. Furthermore, in the reactor MLSS concentration was 2000 mg/L and flowrate was 2 L/hr. Experiment results showed that C : N : P, 10 : 3 : 1 ratio with 90 mins mixing and 60 mins aeration maximized removal efficiency at 97.3% T-N as compared to other conditions. The application of the SBR and MBR combined process showed efficient results.


Bench-scale 선박용 고도수처리장치에서의 T-N 제거효율 연구

최 영익*, 신 대열, 이 승철, 정 진희, 윤 영내1)
동아대학교 환경공학과
1)ESSA
    National Research Foundation of Korea
    2017-0200

    1.서 론

    국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서는 선박으로부터 발생되는 오염물 질의 배출로 인해 해양 생태계의 교란을 일으키는 해 상 부영양화 등과 같은 해양오염문제에 대비하여 해 상안전 및 해양오염방지를 위한 제반 기술사항에 대 하여 정부 간 협조체제를 구축하고 있다. 이에 조선해 양산업의 강국인 우리나라 또한 세계 산업 동향에 발 맞춰 국가 간 협약과 규제를 충족하고자 발 빠른 대응 을 하고 있다(Butt, 2007; Kim and Cho, 2009; Choi, 2012; Doo, 2012). Fig.1, 2

    본 연구에 앞서 IMO의 MEPC. 227(64) 발효에 따 라 해양장비지침(MED) 형식인증을 받은 선박용 고 도수처리장치 관련의 해양수산부 주관 국가과제를 진 행하였다. 이 과제를 통해 MED 형식 승인과 MEPC. 227(64)의 T-N 제거기준 20 Qi/Qe mg/L 또는 70% 제 거율의 목표를 달성하였으나, 대용량 선박 고도수처 리장치의 운전 기작에 관한 명확한 판단과 영양염류 처리에 대한 효율 및 성과를 거두고자 Bench-scale의 선박용 고도수처리장치를 기술집약적으로 자체 제작 하여 본 연구를 진행하였다.(KR, 2012; KR, 2014; KR, 2015)

    본 연구실험장치는 SBR 공법을 기반으로 설계하 였으며 반응조 내부에 Membrane을 설치한 MBR 공 법을 복합적으로 적용하여 기존 SBR 공법만을 이용한 장치와는 다른 운전조건으로 운행하여 세부적인 운전 인자를 도출하고 T-N 제거효율을 알아보고자 한다.

    따라서 본 연구의 목적은 MEPC. 227(64)의 개정 된 법안을 충족시킬 수 있는 발효 기준을 만족하고, 이 에 따라 해양장비지침(MED) 형식인증을 받은 선박 용 대용량 고도수처리장치를 기반으로 재건된 장치의 SBR 및 MBR 복합 공정에서 질소 제거효율을 평가하 는 것에 있다.

    2.재료 및 분석방법

    2.1.실험재료

    본 실험에서 사용된 원수(유입수)는 연구 및 실험 을 위해 제작된 일반 하수 기준의 실험용 인공폐수를 제조하여 공급하였다. 원수는 Cycle 변경 시마다 일정 한 C:N:P 비율에 맞춰 제조하였으며 유입 정량 펌프 를 통해 시간당 일정 유량이 장치 내로 유입되며 Table 1에 원수의 평균 성상을 나타내었다.

    2.2.실험장치 및 방법

    2.2.1.실험장치

    본 연구 실험장치의 전체 규격은 W 300 mm × L 567 mm × H 502 mm 이며, 장치에 연결된 원수 사용 량은 Condition 당 20 L로 하였다.

    장치는 저류 및 혐기성조, 스크린, 생물반응조 및 막분리조로 구분되어 있다. 원수의 유입은 유출수량 을 고려하여 펌프를 이용하여 일정한 수위를 유지할 수 있도록 하였다. 원수는 저류 및 혐기성조 내부로 유 입된다. 혐기조 내부에 그물망 재질의 스크린을 설치 하여 혐기성 미생물이 생물반응조로 넘어가는 것을 방지하였다. 생물반응조는 SBR 공법을 적용하였으 며, MBR 복합 공정임에 따라 침전 공정을 제거하였 고, 폭기 및 교반의 Cycle 반복 공정으로 이루어져 있 다. MBR 막이 설치된 막분리조를 거쳐 최종 처리되 며 처리수가 유출된다. MBR 막을 통해 폭기 중 7분 정지 후 3분 가동의 순으로 반복하여 중공사막의 부하 를 줄여 유출수를 원활하게 뽑아낸다.

    MBR 막의 경우 중공사막을 이용하였으며, 생물반응 조 및 막분리조에는 산기관이 설치되어 미생물들이 산소를 공급받을 수 있도록 반응조 내부로 공기를 주 입하였다. Fig. 34에 실험 장치에 대해 나타내었고 Fig. 5에 이 실험 장치의 공정도를 나타내었다.

    2.2.2.실험방법

    본 연구에서는 실험장치 가동 중 C:N:P 의 비율 조 건 및 교반·폭기 Cycle의 시간 변화에 따른 원수 대비 유출수의 T-N 제거율을 비교하였다. 기존의 SBR 공 법은 폭기→침전→교반→침전으로 진행되는 과정 이나 SBR 및 MBR 복합공정은 침전시간을 제거할 수 있는 이점이 있기 때문에 교반→폭기 공정의 반복적 운영을 통해 테스트를 실시하였다. 원수 성상의 C:N:P 비율을 각각 다른 조건으로 제조하여 Conditon 1(10 : 3 : 1) 및 Condition 2 (10 : 5 : 3)로 설정하였고 교반:폭기 Cycle의 소요시간을 각각 (1) 80 mins : 40 mins, (2) 70 mins : 50 mins 및 (3) 90 mins : 60 mins 으로 설정하였다. DO의 농도는 탈질 및 질산화 반응 에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 반응조 내 호기 조 건 및 무산소 조건의 형성이 원활하게 이루어지는지 여부를 판단하기 위해 운전 중에 측정하였다.

    또한 최종 처리된 유출수의 T-N 농도를 실험 결과 를 통해 원수 대비 유출수의 T-N 제거율을 측정하여 그래프로 나타내었으며 이후 측정된 결과값을 통해 기존의 대용량 선박 고도수처리장치보다 명확하고 실 증적인 처리효율을 나타내고 SBR 및 MBR 복합 적용의 적용 가능성을 평가하였다.

    Table 3, 45는 실험장치의 운전시간 Cycle별 운 전조건을 나타낸 것이다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.Condition 1 결과

    Condition 1에서는 원수 성상에서 C : N : P의 비율 을 10 : 5 : 3로 하여 실험을 진행하였다. 각 반응조에 서의 미생물 반응과 적응성을 향상시키고 처리효율의 신뢰성을 갖추기 위해 교반 : 폭기 Cycle을 각각 3회 로 하여 Cycle별 처리효율을 나타내었다.

    연구실험 결과 교반 : 폭기 Cycle별 유출수 농도는 80 : 40 Cycle에서 7.968 mg/L, 70 : 50 Cycle에서 6.432 mg/L 및 90 : 60 Cycle에서 3.984 mg/L로 측정 되었으며, T-N 제거효율은 80 : 40 Cycle에서 94.6%, 70 : 50 Cycle에서 95.7% 및 90 : 60 Cycle에서 97.3% 인 것으로 나타났다.

    원수의 성상에서 유기물질의 농도에 비해 영양염 류의 비율이 다소 많음에도 불구하고 유출수의 T-N 농도가 일정한 제거율을 나타내는 것으로 보아 compact한 장치 설계를 통해 높은 처리효율을 나타낸 것으로 판단되며, 교반과 폭기의 반복적인 공정에서 도 DO의 농도가 각각의 무산소조 및 호기조 조건에 따라 유지가 이루어지고 있는 것으로 보아 비교적 일 정한 제거효율이 나타나는 것으로 판단된다.

    Fig. 6, 78은 Condition 1에서 각각 운전조건 시 간 Cycle별 원수 및 유출수의 T-N 농도와 제거효율을 각각 나타낸 것이다.

    3.2.Condition 2 결과

    Condition 2에서는 C : N : P의 비율을 10 : 3 : 1로 하여 실험을 진행하였다. 운전시간은 Condition 1과 동일한 조건으로 교반 : 폭기 Cycle을 각각 3회로 하 여 처리효율을 나타내었다.

    연구실험 결과 교반 : 폭기 Cycle별 유출수 농도는 80 : 40 Cycle에서 6.864 mg/L, 70 : 50 Cycle에서 5.761 mg/L 및 90 : 60 Cycle에서 1.922 mg/L로 측정 되었으며, T-N 제거효율은 80 : 40 Cycle에서 92.4%, 70 : 50 Cycle에서 93.6% 및 90 : 60 Cycle에서 97.8% 인 것으로 나타났다.

    Condition 1과 비교하여 유기물질 대비 영양염류의 비율을 감소시켜 실험한 결과, 비교적 더 높은 영양염 류 제거효율을 나타내었다.

    Figs. 9, 1011은 Condition 2에서 각각 운전조건 시간 Cycle별 원수 및 유출수의 T-N 농도와 처리효율 을 각각 나타낸 것이다.

    4.결론

    본 연구에서는 MEPC. 227(64)의 발효 기준을 만 족하고, 이에 따라 해양장비지침(MED) 형식인증을 받은 선박용 대용량 고도수처리장치를 기반으로 재건 된 장치의 SBR 및 MBR 복합 공정을 평가하고자 하 였다. 이를 위해 원수의 C:N:P의 비율 및 교반:폭기 운 전 Cycle 변화를 통해 중 유출수의 T-N 농도를 측정 하여 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    • 1) Bench-scale 고도수처리장치에서는 유기물 대비 영양염류의 농도가 높아도 유입수 및 유출수의 T-N 농도를 측정한 결과로 보아 높은 처리효율을 나타내 었다.

    • 2) 교반과 폭기의 반복 공정일 때, 교반 시간이 충 분히 길수록 무산소조건에서 충분한 탈질화 유도가 이루어져 질소 제거의 효율이 증대된다.

    • 3) SBR 공정 기반에 MBR 공정을 복합 적용하여 SBR만의 침전 공정을 포함하지 않아도 질소 제거가 잘 이루어지는 것으로 보아 수처리공정의 처리시간을 단축시킬 수 있고, 높은 제거효율을 나타냈기 때문에 복합 공정의 효율성이 있다고 판단된다.

    위 결과로 보아 compact하게 제작된 SBR 및 MBR 복합 공정 고도수처리장치의 T-N 제거효율은 비교적 높은 영양염류의 비율에도 대체로 매우 높게 나타났 으며 교반 90 mins 및 폭기 60 mins로 반복적인 Cycle 을 유지할 때 가장 높을 효율을 나타내었다. 나아가 운 전 조건과 운전 인자의 변화를 통한 추가적인 T-N 제 거방향에 대한 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2017-0200).

    Figure

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    A Picture of artificial waste water for experiment.

    JESI-27-39_F2.gif

    A Picture of effluent water.

    JESI-27-39_F3.gif

    A Front view of the shipboard advanced wastewater treatment on bench-scale.

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    A Inner views of the advanced wastewater treatment for shipboard on bench-scale.

    JESI-27-39_F5.gif

    Schematic diagram of the advanced wastewater treatment for shipboard on bench-scale.

    JESI-27-39_F6.gif

    Concentration profiles of 80 : 40 Cycle in Condition 1.

    JESI-27-39_F7.gif

    Concentration profiles of 70 : 50 Cycle in Condition 1.

    JESI-27-39_F8.gif

    Concentration profiles of 90 : 60 Cycle in Condition 1.

    JESI-27-39_F9.gif

    Concentration profiles of 80 : 40 Cycle in Condition 2.

    JESI-27-39_F10.gif

    Concentration profiles of 70 : 50 Cycle in Condition 2.

    JESI-27-39_F11.gif

    Concentration profiles of 90 : 60 Cycle in Condition 2.

    Table

    Characteristics of the artificial waste water

    Operating conditions for 80 : 40 Cycle (mins)

    Operating conditions for 70 : 50 Cycle (mins)

    Operating conditions for 90 : 60 Cycle (mins)

    Reference

    1. ButtN. (2007) The impact of cruise ship generated waste on home ports and ports of call : A Study of Southampton. , Mar. Policy, Vol.31 ; pp.592
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