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상향류 인 결정화공정을 이용한 슬러지 발효 유출수로 부터의 영양소 회수
Nutrient Recovery from Sludge Fermentation Effluent in Upflow Phosphate Crystallization Process

안영호   (영남대학교 공과대학 건설환경공학부UU0000951  );
  • 초록

    연속 회분식 방식의 실험실 규모 상향류 반응조를 사용하여 인 결정화공정을 이용한 영양물질 회수에 대한 연구를 수행하였다. 양이온 공급원으로서 산업폐기물인 폐석회와 마그네슘염을 이용하여 그 운전특성을 비교하였다. 이 연구는 고성능 발효조와 인 결정화 반응조로 구성된 새로운 통합 슬러지 처리 공정에 있어서 인 결정화공정의 성공적인 적용성 평가에 초점을 두고 있다. 발효조 유출수와 유사한 특성으로 제조된 합성폐수를 이용한 첫 번째 struvite 결정화 실험에서 반응은 $0.5{\sim}1$ hrs 사이의 반응시간에서 빠르게 진행되었는데, 그 동안 상당량(약 60% 이상)의 암모니아와 인이 제거되었다. 알칼리성 조건이라는 기질의 고유특성으로 인하여 암모니아 탈기 현상이 다소 발생하였으나 그 정도는 미미한 것( $g^{-1}$ P이었다. 반면에 폐석회의 최적주입량은 0.3 g $L^{-1}$ 으로 다소 높게 나타났으며, 약 3시간의 반응시간 조건에서 $NH_4$ -N과 $PO_4$ -P의 제거효율은 각각 80%와 41%로 나타났다. 각 실험에서 침전물을 현미경으로 분석한 결과 마네슘염을 사용한 경우 프리즘과 같은 결정체가 관찰된 반면 폐석회를 사용한 경우는 비결정질의 결정체가 주로 관찰되었다. 하수처리용량 158,880 $m^3\;d^{-1}$ 의 실규모 처리시설의 경우를 대상으로 한 통합 슬러지처리시스템의 물질수지 분석결과 결정화 반응조 유출수로 부터의 반송되는 영양물질의 재순환 부하(각각 하수 1 $m^3$ 당 0.13 g N와 0.19 g P)는 매우 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 그러므로 이미 산업폐기물 형태로 존재하는 폐석회를 본 연구에서와 같이 통합 슬러지 처리시스템의 영양물질 회수 공정에서 재이용하는 것은 높은 환경적 및 경제적 이익과 동시에 산업폐기물의 지속발전적 처리/처분이라는 다양한 장점을 가질 것이다.


    The nutrient recovery in phosphate crystallization process was investigated by using laboratory scale uptlow reactors, adopting sequencing batch type configuration. The industrial waste lime was used as potential cation source with magnesium salt( $MgCl_2$ ) as control. The research was focused on its successful application in a novel integrated sludge treatment process, which is comprised of a high performance fermenter followed by a crystallization reactor. In the struvite precipitation test using synthetic wastewater first, which has the similar characteristics with the real fermentation effluent, the considerable nutrient removal(about 60%) in both ammonia and phosphate was observed within $0.5{\sim}1$ hr of retention time. The results also revealed that a minor amount( $CO_2$ by air did not increase the struvite precipitation rate but it led to increased ammonia removal. In the second experiment using the fermentation effluent, the optimal dosage of magnesium salt for struvite precipitation was 0.86 g Mg $g^{-1}$ P, similar to the mass ratio of the struvite. The optimal dosage of waste lime was 0.3 g $L^{-1}$ , resulting in 80% of $NH_4-N$ and 41% of $PO_4-P$ removal, at about 3 hrs of retention time. In the microscopic analysis, amorphous crystals were mainly observed in the settled solids with waste lime but prism-like crystals were observed with magnesium salt. Based on mass balance analysis for an integrated sludge treatment process(fermenter followed by crystallization reactor) for full-scale application(treatment capacity Q=158,880 $m^3\;d^{-1}$ ), nutrient recycle loading from the crystallization reactor effluent to the main liquid stream would be significantly reduced(0.13 g N and 0.19 g P per $m^3$ of wastewater, respectively). The results of the experiment reveal therefore that the reuse of waste lime, already an industrial waste, in a nutrient recovery system has various advantages such as higher economical benefits and sustainable treatment of the industrial waste.


  • 주제어

    결정화 .   발효조 유출수 .   하이드록시아파타이트 .   인산염 .   스트루바이트 .   폐석회.  

  • 참고문헌 (15)

    1. Banister, S. S., Pitman, A. R., and Pretorius, W. A., 'The solubilisation of N and P during primary sludge acid fermentation and precipitation of the resultant P,' Water SA, 24(4), 337-342(1998) 
    2. Battistoni, P., De Angelis, A., Prisciandaro, M., Boccadoro, R., and Bolzonella, D., 'P removal from anaerobic supernatants by struvite crystallization: long term validation and process modelling,' Water Res., 36, 1927-1938(2002) 
    3. Celen, I. and Turker, M., 'Recovery of ammonia as struvite fromanaerobic digester effluent,' Environ. Technol., 22(11), 1245-1253(2001) 
    4. Velsami-Jones, E., 'Phosphorus in wastewaters: is there a potential for recovery as calcium phosphate?,' Chimica Oggi(Chemistry Today), 5, 52-55(2002) 
    5. Nriagu, J. O. and Moore, P. B., Phosphate Minerals, Springer-verlag(1983) 
    6. Ahn, Y. H. and Speece, R. E., 'Elutriated acid fermentation of municipal primary sludge,' Water Res., 40(11), 2210-2220 
    7. Doyle, J. D. and Parsons, S. A., 'Struvite formation, control and recovery,' Water Res., 36, 3925-3940(2002) 
    8. Ahn, Y. H. and Choi, H. C., 'Municipal sludge treatment and disposal in South Korea: status and a new sustainable approach,' Water Sci. Technol., 50(9), 245-253(2004) 
    9. Banister, S. S. and Pretorius, W. A., 'Optimization of primary sludge acidogenic fermentation for biological nutrient removal,' Water SA, 24(1), 35-41(1998) 
    10. APHA, AWWA and WEF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th Ed., Washington D.C., USA(1995) 
    11. 강병희, 이송, 배재호, 김진한, 김지형, 이용빈, 이태수, 폐석회를 이용한 매립성토제의 개발 및 사용에 따른 환경영향평가에 관한 연구, 동양화학공업(2000) 
    12. 한국건설기술연구원, '하수도시설의 유지관리 개선방안에 관한 연구,' KICT 90-EC-111 (1991) 
    13. Moriyama, K., Kojima, T., Minawa, Y., Matsumoto, S., and Nakamachi, K., 'Development of artificial seed crystal for crystallization of calcium phosphate,' Environ. Technol., 22(11), 1245-1253(2001) 
    14. Steen, I., 'Phosphorus availability in the 21st century: management of a non-renewable resource,' Phosphorus & Potassium, 217(1998) 
    15. US EPA, Wastewater Technology Fact Sheet: Ammonia Stripping, EPA 832-F-00-019(2000) 

 저자의 다른 논문

  • 안영호 (12)

    1. 2005 "고성능 세정식 슬러지 산발효조의 운전 및 적용성 평가" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 27 (1): 85~92    
    2. 2005 "도시하수슬러지의 농축과 탈수 : 1차와 2차슬러지의 분리 및 혼합처리특성비교" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 27 (1): 93~100    
    3. 2005 "관측정 자연표류 실험을 통한 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene) 오염 지하수의 생물학적 복원 타당성 연구" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment 10 (3): 38~45    
    4. 2005 "사염화에틸렌(PCE)으로 오염된 국내 4개 지역 지하수 내 생물학적 PCE 탈염소화 활성 및 미생물 군집의 비교" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment 10 (2): 52~58    
    5. 2006 "호기성 상향류 슬러지상 반응조를 이용한 고농도 암모늄 함유폐수의 독립영양 질소제거" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 28 (8): 852~859    
    6. 2006 "반연속 흐름 2단 토양 컬럼에서의 사염화 에틸렌(PCE)의 혐기성 환원탈염소화" 지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment 11 (2): 68~76    
    7. 2006 "LITHOAUTOTROPHIC NITROGEN REMOVAL WITH ANAEROBIC GRANULAR SLUDGE AS SEED BIOMASS AND ITS MICROBIAL COMMUNITY" Environmental engineering research 11 (4): 173~180    

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