RO 농축수의 칼슘이온이 생물학적 질소제거에 미치는 영향 및 흡착처리에 관한 연구 :A study on the effects of Ca2+ on biological nitrogen removal in RO concentrate and adsorption treatment

김현구

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김현구 (경기대학교, 경기대학교 일반대학원)

지도교수: 주현종

발행연도: 2015

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이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 RO 농축수의 생물학적 처리에 관한 연구

김현구 , 안대희 , 조은하 외 3명 대한환경공학회지 2016.02 학술저널

2015

RO 농축수의 칼슘이온이 생물학적 질소제거에 미치는 영향 및 흡착처리에 관한 연구

김현구 환경에너지시스템공 2015.01 학위논문

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최근 물 부족 현상의 대안으로써 물 재이용 산업의 관심 및 수요가 증가하고 있다. 특히, 물 재이용 기술 중 RO 공정의 경우 해수담수화 공정으로부터 파생된 형태로 국내·외에서 활발한 연구가 진행되고 있으며 매우 빠르게 발전하고 있다. 그러나 RO 농축수 내 존재하는 TDS의 이온성분 중 칼슘이온의 적정 처리방안과 이러한 칼슘이온이 생물학적 처리에 미치는 영향에 관한 정량적인 연구의 경우 전무한 실정이다. 따라서 효율적인 RO 농축수의 처리를 위해 칼슘이온의 적정 처리방안과 생물학적처리에 미치는 영향을 선행적으로 평가해야 할 필요성이 있다.
이에 따라 본 연구에서는 칼슘이온이 생물학적 처리에 미치는 영향을 평가하기 위해 칼슘이온 주입에 따른 질산화, 탈질 반응을 평가하여 공정 설계인자로 활용되는 SNR, SDNR을 도출하였다. 또한 칼슘이온의 효율적인 처리를 위해 흡착처리 방안을 적용하여 생물학적 질소제거의 전처리 적용 가능성을 평가하고자 하였으며 담체별 코팅전과 코팅후에 따른 회분식 실험 및 Freundlich, Langmuir 흡착등온식 적용을 통하여 흡착제별 칼슘이온 흡착능력을 평가하였으며 도출된 인자를 바탕으로 질소 제거 공정 설계를 실시하였다.
칼슘이온이 생물학적 처리에 미치는 영향을 평가한 결과 칼슘이온 주입량 증가시 질산화 및 탈질 반응을 지연시키는 것을 확인하였으며 250 mg/L 주입시 SNR, SDNR이 증가하는 원인은 일반적으로 음전하를 띄고 있는 미생물이 칼슘이온에 의해 표면전하가 감소하여 물질이동이 용이해지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 500 mg/L 이상 주입시에는 높은 이온강도에 의한 미생물 탈착, 콜로이드 안정성 교란 및 다량의 칼슘이온의 미생물 표면 흡착으로 원활한 물질이동이 방해되어 SNR, SDNR이 감소하는 것으로 사료된다. 이에 따라 칼슘이온 주입 유무에 따른 MLE 공정 설계 결과 고농도 칼슘이온 주입시 질소의 방류수 수질기준을 상회하며 이에 따른 반응조 체적이 증가하는 것으로 나타났으며 칼슘이온 전처리시 원활한 질소 제거가 가능하며 요구되는 반응조 체적 또한 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 생물학적 처리시설로 유입되는 고농도 칼슘이온의 전처리시 반응조의 과대 설계를 방지하고 최적화된 설계가 가능하며 안정적인 질소 제거가 가능할 것으로 판단된다.
다양한 흡착제를 이용한 칼슘이온 흡착 평가 결과 흡착제별 칼슘이온 흡착능력 및 최대흡착량의 경우 Aerobic granular sludge > Granular activated carbon > Aluminium oxide > Metal foam 담체순으로 나타났으며, 담체 종류에 관계없이 Freundlich 흡착등온식과의 일치도가 높은 것으로 나타났다. 이러한 흡착제의 흡착능력은 담체 고유의 비표면적 차이에 기인하였으며 이에 의하여 전기적 인력이 작용하는 칼슘이온 흡착점 제공 정도의 차이를 보였기 때문인 것으로 판단된다.
상기에 기술된 바와 같이 RO 농축수 내 존재하는 칼슘이온은 질소의 생물학적처리시 질산화, 탈질 반응을 지연시키는 원인물질임을 확인하였으며 본 연구에서 적용한 Aerobic granular sludge의 경우 생물학적처리의 전처리로 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. 따라서 Aerobic granular sludge의 전처리 적용을 통한 칼슘이온의 임계값 이하 저감시 후단 질소제거를 위한 원활한 생물학적처리가 가능하다.

Recently interest in and demand for water recycling industry are increasing as an alternative for the insufficient water phenomenon. Especially, in the case of the RO process among the water recycling technology, it is a shape which has been derived from the seawater desalination process, and many studies are being performed nationally and internationally and the RO process is growing very rapidly. However, there are no existing studies on the appropriate treatment scheme of Calcium Ion, the ion component of TDS existing inside the RO concentrated water and the effect of these Calcium Ions have on the biological treatment. Thus, it shall be necessary for the effective treatment of RO concentrated water that the appropriate treatment scheme of Calcium Ions and the effect of them on biological treatment should be assessed preferentially.
Thus, this study has intended to apply the absorption treatment scheme and assess the applicability of the pre-process for biological removal of nitrogen for effective treatment of calcium ions and has assessed the absorption ability of calcium ions for each absorbent through application of batch type experiment, Freundlich, Langmuir and adsorption isotherm depending on whether it is before the test or after the test by each absorbent. Also, this study has assessed the nitrification and denitrification phenomenon occurring due to the injection of calcium ions and deducted the SNR and SDNR which are utilized as the process design factor in order to assess the effect of the calcium ions on the biological treatment and performed the nitrogen removal process design based on the deducted element.
According to the assessment result of the effect of calcium ions on the biological treatment, it was verified that the nitrification and denitriding reactions were delayed when the calcium ion injection amount increased and when 250 mg/L was injected, the SNR, SDNR increased, of which the reason is judged to be because the microorganisms generally with negative charges lose the surface charge due to the calcium ions and movement of substances become easy. Also, when 500 mg/L was injected, desorption of microorganisms, disturbance of safety of colloid and absorption of large quantity of calcium ions on the surface of the microorganisms due to the high ion density disturb smooth movement of substances, which leads to decrease of SNR and SDNR. Accordingly, the nitrogen removal process design was performed depending on if calcium ions are injected and according to its result, when calcium ions are pre-processed through the application of the pre-process for Aerobic granular sludge, more efficient removal of nitrogen becomes possible, prevention of excessive design of the anaerobic tank and aeration tank can be made and optimized design was possible.
According to the assessment result of calcium ion absorption using various absorbents, the absorption amount after the coating showed an overall increasing trend compared to the absorption about before the coating and in the case of the characteristics of absorption, the consistency with the Freundlich various absorption isotherm showed to be high. The cause for this result is assumed to be because multimolecular layer absorption shape occurs due to the uneven surface structure for each absorbent. Also, in the case of the absorbent-specific calcium ion absorption ability and maximum absorbing amount, the order was Aerobic granular sludge > Granular activated carbon > Aluminium oxide > Metal foam and the high calcium ion absorption ability of the Aerobic granular sludge is judged to be because of the high dispersion of the coating solution by way of the large specific surface area compared to other absorbents and the increase of the calcium ion absorption point where the electrical power.
As discussed above, the high density calcium ions which exist inside the ROC is the cause substance which delays the nitrification and denitrification reaction due to the accumulation of microorganisms on the surface when processing it biologically and in the case of the Aerobic granular sludge applied in this study, it was confirmed that it can be applied as the pre-treatment of the biological treatment. Thus, when the calcium ions drops under the critical value through the application of the pre-treatment of Aerobic granular sludge, it is assumed that more efficient biological treatment for removing nitrogen later on will be possible.

#adsorption #nitrogen removal #calcium ion #RO concentrate

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구목적 및 내용 4
제 2 장 문헌고찰 7
2.1 하수 재이용 7
2.1.1 하수재이용 정책과 현황 7
2.1.2 국내?외 하수재이용 연구동향 14
2.1.3 하수재이용 기술 17
2.2 RO 농축수 처리 연구동향 30
2.3 총용존고형물 (Total dissolved solids, TDS) 36
2.3.1 생물학적처리에 미치는 영향 36
2.3.2 TDS 처리 기술현황 39
2.4 흡착 (Adsorption) 43
2.4.1 흡착 원리 43
2.4.2 흡착제 종류 52
2.4.3 연구동향 60
2.5 생물흡착 (Bio-sorption) 62
2.5.1 생물흡착 원리 62
2.5.2 연구동향 69
2.6 생물학적 질소제거 71
2.6.1 생물학적 질산화 71
2.6.2 생물학적 탈질 77
제 3 장 연구 방법 82
3.1 연구접근 및 방법 (Research approach and methodology) 82
3.2 실험장치 및 운전조건 85
3.2.1 칼슘이온이 생물학적 처리에 미치는 영향 85
3.2.2 흡착제 종류에 따른 칼슘이온 흡착 88
3.3 분석 방법 95
3.3.1 칼슘이온 및 질소 분석 95
3.3.2 흡착제 표면분석 96
제 4 장 연구결과 및 고찰 97
4.1 칼슘이온이 생물학적 처리에 미치는 영향 97
4.1.1 칼슘이온에 따른 암모니아성 질소 제거효율 평가 98
4.1.2 칼슘이온에 따른 질산성 질소 제거효율 평가 102
4.2 흡착제 종류에 따른 칼슘이온 흡착 108
4.2.1 Metal foam 흡착 특성 평가 109
4.2.2 Aluminium oxide 흡착 특성 평가 116
4.2.3 Granular activated carbon 흡착 특성 평가 124
4.2.4 Aerobic granular sludge 흡착 특성 평가 132
4.2.5 흡착등온식 평가 140
4.2.6 흡착제 표면 분석 (BET, TEM, SEM, XPS) 144
4.3 동역학적 인자 도출을 통한 질소 제거 공정 설계 158
제 5 장 종합결론 163
참고문헌 165
Abstract 183

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