폐기물매립지 침출수의 COD 및 질소 제거시스템에 관한 연구 = (A)study of removal system for COD and nitrogen from leachate generated in landfill site
본 연구에서는 일반 생활하수에 비하여 BOD는 약 100∼300배, 질소는 30∼50배까지 높게 나타나는 매립지 침출수를 생물학적으로 탈질/질산화 처리할 경우 영향인자별로 적정 운전범위를 설정하고자 하였으며, 동역학적 특성을 규명하여 운전조건과의 상관성 분석을 통한 생물공정의 일반적인 운전조건을 도출하고자 하였다. 또한 생물처리수에 잔류되어 있는 난분해성 COD의 효과적인 처리를 위하여 적용하는 화학적공정에 대한 적정 운전특성을 규명하고자 하였으며, 생물공정과 화학공정의 연계처리를 통한 현장 적용성을 규명하고자 하였다.
Pilot규모의 MLE 공정을 이용하여 고농도의 NH_(4)^(+)-N를 함유하고 있는 침출수의 탈질/질산화 처리시 HRT와 반송율 및 유동상담체의 투입이 탈질/질산화율에 미치는 영향을 규명하고자 하였다.
수온 40℃, HRT 5 day에서 실시한 NH_(4)^(+)-N 탈기실험 결과 약 57%의 처리효율을 나타냈으며, HRT가 16∼8일까지는 T-N 및 NH_(4)^+(-)N의 처리효율이 각각 80 %와 99% 정도를 나타냈으나, HRT가 8일 이하에서는 T-N 및 NH_(4)^(+)-N의 처리효율이 각각 40 %와 50 %로 급격히 저하되는 것으로 나타나 적정 HRT는 약 8일(탈질조 약 2.3일, 질산화조 약 5.7일) 정도로 판단되었다.
T-N 및 NH_(4)^(+)-N 유입부하량에 따른 제거량은 HRT 변화 및 반송율 변화실험 모두 각각 0.08kgT-N/kgVSS/day, 0.07 kgNH_(4)^(+)-N/kgVSS/day 까지는 선형적 비례관계를 나타냈으며, BOD및 COD_(Cr) 유입부하량에 따른 제거량도 각각 0.35 kgBOD/kgVSS/day, 0.65kgCOD_(Cr)/kgVSS/day까지는 선형적 비례관계를 나타냈다.
탈질/질산화시 적정 반송율은 600%(외부반송율 200 %, 내부반송율 400%)인 것으로 나타났으며, 반송율이 800%까지 증가되는 경우 COD_(Cr)의 처리효율이 최대 약 90%에서 약 80 %까지 저하되는 것으로 나타났다.
유동상 담체를 투입한 경우 슬러지 침강성은 control실험에 비하여 SV_(30)가 약 2배정도 양호하게 나타났다.
SRT 100일에서 40일까지 저하되는 경우에도 질소 처리효율은 거의 일정하게 유지되었으며, 적정 SRT는 80일 정도이었다.
탈질/질산화 미생물의 동역학적 특성 실험결과 미생물 성장속도는 질소가 에너지원(Y_(n))인 경우와 및 탄소가 에너지원(Y_(c))인 경우에 각각 0.950 gVSS/gNH_(4)^(+)-N, 0.235 gVSS/gCOD_(Cr)으로 나타났으며, 미생물 사멸속도는 질소가 에너지원(K_(dn))인 경우와 탄소가 에너지원(K_(dc)) 경우에 각각 0.024 day^(-1)와 0.032 day^(-1)로 나타났다. 또한, 최대 기질소비율인 k_(n)은 0.063 day^(-1), 최대성장율이 1/2일 때의 기질농도(K_(s))는 12 mgNH_(4)^(+)-N/L로 나타났다.
NH_(4)^(+)-N 유입 부하량에 따른 제거량은 용적부하 및 미생물부하가 각각 0.33 kgNH_(4)^(+)-N/㎥/day이하, 0.08 kgNH_(4)^(+)-N/kgVSS/day 이하에서 선형적 비례관계의 제거량을 나타내 pilot 실험결과와 유사한 결과를 나타냈으며, 탈질미생물에 의한 비탈질율은 0.01∼0.22 kgN/kgVSS/day 범위로 나타났다.
생물학적 탈질/질산화 처리수의 응집처리시 적정한 FeCl_(3) 투입농도는 실험실 실험과 Pilot 실험 모두에서 약 1,500 mgFe^(3+)/L로 나타났으며, 이때 COD_(Cr) 처리효율은 46 ∼ 55%를 나타냈다. 또한 탈질/질산화 처리수에 대한 펜톤산화 처리시 반응 pH는 3.5, Fe^(2+)/H_(2)O_(2) 투입농도비는 1.5 이하, 반응시간은 2.5시간 정도가 적정한 것으로 나타났으며, 이때 H_(2)O_(2) 투입양에 대한 COD 제거량은 COD_(Mn)의 경우 0.121∼0.135 kgCOS_(Mn)/kgH_(2)O_(2), COD_(Cr)는 0.247∼0.257 kgCOD_(Cr)/kgH_(2)O_(2) 정도이었다.
Alkalinity가 펜톤산화시 COD 처리효율에 미치는 영향을 조사한 결과, 생물학적 탈질/질산화 처리수나 aerated lagoon 처리수 모두 alkalinity가 증가될수록 동일한 fenton regent 투입농도에서 COD 제거량이 동시에 감소되는 것으로 나타났는데, 이러한 이유는 펜톤산화시 생성된 OH-radical이 알칼리도의 주요 구성분인 bicarbonate (HCO_(3)^(-))를 carbonate(H_(2)CO_(3))로 전환하는데 소비되므로서 상대적으로 COD 제거량이 저하되었기 때문인 것으로 판단되었다.
현장 탈질/질산화공정 운전결과 pilot 실험시와 유사하게 BOD 및 COD_(Cr)은 각각 99%와 94%의 처리효율을 나타냈으며, T-N 및 NH_(4)^(+)-N은 각각 약 80% 이상과 약 99% 이상의 처리효율을 나타냈다.
탈질/질산화 처리수를 대상으로 응집처리를 실시한 결과 FeCl_(3) 투입 농도가 약 400 mgFe^3+/L 정도에서 약 55%의 COD_(Cr) 처리효율을 나타냈는데, 실험실실험 및 Pilot 실험시에 비하여 FeCl_(3) 투입농도가 낮아도 유사한 COD_(Cr) 처리효율을 나타낸것은 현장의 경우 응집반응조내의 수온이 약 40℃ 정도로 높아 반응성이 증가된 것과 탈질율의 증가에 따른 탈질/질산화 처리수 COD_(Cr) 농도가 낮게 응집공정에 유입되었기 때문인 것으로 판단된다.
또한, 최종배출수인 펜톤처리수의 색도 및 경제성을 고려한 적정 펜톤시약 투입농도는 약 140 mgFe^(2+)/L, 100 mgH_(2)O_(2)/L, 적정 약품투입 농도비 (Fe^(2+)/H_(2)O_(2))는 약 1.4 정도인 것으로 나타났다.
This study aims to set up an optimal condition for operation at different factors when leachate generated in Seoul Metropolitan Landfill site, which contains higher BOD (approximately 100 ~ 300 times) and nitrogen (approximately 30-50 times) than those of household sewage, is treated through biological de/nitrification process. Another aim of the study is to draw general conditions for operation of biological process of leachate through identifying characteristics of dynamics and analysing the connection. It also examines optimal operation traits of chemical process applied for effective treatment of non-biodegradable COD remained in the leachate treated through biological process and field application through combined biological and chemical process.
Using pilot scale MLE process, it identifies influences of HRT, recycle ratio and carrier on de/nitrification process rate when leachate of NH_(4)^(+)-N highly concentrated is treated.
The study demonstrates that NH_(4)^(+)'-N experimentation at 40℃ water temperature and HRT 5days showed about 57% of treatment efficiency and at HRT 16-18 days, each treatment efficiency of T-N and NH_(4)^(+)-N were 80% and 99%. It also addresses each treatment efficiency of T-N and NH_(4)^(+)-N rapidly reduced to about 40% and 50% when HRT is less than 8 days which means the optimal HRT is about 8 days (about 2.3 days in denitrifiaction tank, 5.7 days in nitrification tank).
It also showed maximum amount of nitrogen removal for T-N and NH_(4)^(+)-N per flux load were approximately 0.08 kgT-N/kgVSS/day and 0.07 kg NH_(4)^(+)-N/kgVSS/day. BOD and COD_(cr), removal rate per flux load indicated linear proportion when they reach up to 0.35 kgBOD/kgVSS/day and 0.65 kgCOD_(cr)/kgVSS/day.
The optimal recycle ratio of de/nitrification is 600% (outer 200%, inner 400%) and the maximum treatment efficiency of COD_(cr) decreased up to 90%-80% when the recycle ratio increased to 800%.
Compare to the controled experiment, sludge sedimentation with carriers shows SV_(30) 2 times stable.
With sludge retantion time(SRT) dropped from 100 to 40 days, nitrogen treatment efficiency was stabilized and it seems the optimal SRT is 80 days.
Dynamics character experiment of denitrification/nitrification microorganisms demonstrated that each growth rates of microorganisms were 0.95 gVSS/gNH_(4)^(+)-N and 0.235 gVSS/gCOD_(cr), with energy resources from nitrogen(Y_(n)) and carbon(Y_(c),). Besides, each perish rates of microorganisims were 0.024 day^(-1) and 0.032 day^(-1) with energy resources from nitrogen(K_(dm)) and (K_(dc)). It was also shown that the maximum substrate consumption rate Kn is 0.063 day^(-1)' and concentration of substrate Ks with half growing rate 12 mgNH_4(+)-N/L.
Removal rate at NH_4(+)-N loading rate indicated linear proportion when volumetric and biological loading rate were under 0.33 kgNH_4(+)-N/㎥/day and 0.08 kgNH_4(+)-N/kgVSS/day. Specific denitrification rate by denitrified microorganisms was a range between 0.01 and 0.22 kgN/kgVSS/day.
The results of both laboratory and pilot experimentations to test optimal concentration for FeCl_(3) dosage was approximately 1,500 mgFe^(3+)/L and the treatment efficiency of COD_(cr) was 46~55%. Furthermore, fenton oxidation treatment for denitrification/nitrification leachate inicated 3.5 pH reaction, under 1.5 concentration of Fe^(2+)/H_(2)O_(2) dosage and 2.5 reaction hours. In the same experiment, COD removal rate per H_(2)O_(2) dosage for COD_(Mn) was 0.121-0.135 kgCOD_(Mn)/kgH_(2)O_(2) and COD_(cr) was 0.247 -0.257 kgCOD_(cr)/kgH_(2)O_(2).
The results of experimentation, testing influence of alkalinity on COD treatment efficiency, demonstrated that both biological denitrification/nitrification and aerated lagoon treated leachate showed COD removal reduced when alkalinity increased with the same level of fenton regent input. It seems that this results was due to decrease of COD removal as OH-radical generated from fenton oxidation was consumed to change bicarbonate (HCO_(3)^(-)), a main component of alkalinity into carbonate(H_(2)CO_(3)).
Targeting denitrification/nitrification treated leachate, a coagulation test was carried out. The results indicated COD_(cr) treatment efficiency was 55% when FeCl_(3) was maintained the concentration of dosage at 400 mgFe^(3+)/L, whereas. Despite low concentration dosage of FeCl_(3), the COD_(cr) treatment efficiency was similar level compared to laboratory and pilot experimentation results. Main reasons for this result are increased reaction due to about 40℃ higher water temperature inside coagulation tank and low level of C0D_(cr) concentration of denitrification/nitrification leachate flowing into coagulation process due to increased denitrification rate.
Furthermore, considering economy and chromaticity of effluent, effective dosage concentration rate seems to be approximately 140 mgFe^(3+)/L, 100 mgH_(2)O_(2)/L and optimal dosage ratio (Fe^(2+)/H_(2)O_(2)) seems to be approximately 1.4.
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