미생물제재를 이용한 혐기성소화조의 효율개선

김 석 순

釜山廣域市環境施設公團Busan Metropolitan City Environmental Installations Corporation

2005 년 상하수도업무개선사례 발표회

발표순서

연 구 목 적

연 구 배 경

실 험 재 료 실 험 장 치

운 전 조 건

실 험 결 과

결 론

종 합 적 검 토

미생물제재 주입량

연구배경

기존 혐기성소화조 시설의 용량 부족 √ 차집관거 확충

√ 분류식 관거 증가에 의한 생활하수량 증가

√ 처리장 인근 아파트의 오수 직유입

√ 음식물쓰레기 소화조 유입 ( 음식물 · 하수병합처리 )

☞ 하수처리장으로 총 고형물 유입량 증가 → 소화조 부하가중

기존 혐기성소화조 시설의 문제점 √ 낮은 소화효율

√ 소화조내 부동층 (Dead Space) 형성 증가

→ 계란형소화조의 경우 (1 단소화조 : 20~22%, 2 단소화조 : 10~33%)

√ 악취발생

연구목적

소화조내 부동층 (Dead Space) 제거

기존소화조 용량부족 해소

2 단 소화조의 침전성 ( 인발슬러지 TS 농도 증가 ) 향상

소화월류수 농도감소에 따른 수질개선

유기물감소로 인한 슬러지 탈수성 증대

슬러지 처분비용 및 고분자응집제 사용량 절감

미생물제재 투입으로 소화조내 소화율 증가에 따른 최종슬러지 발생량 감소

소화효율 증대에 따른 가스발생량 증가로 열병합 발전시설을 이용한 전력생산량 증가

11

22

하수처리계통도

실험재료

박테리아 군명 박테리아 속 및 종

홍색 비유황 세균(Purple non-sulfur bacteria)

로도슈도모나스 비리디스 (Rhodopseduomonas viridis). 로도슈도모나스 팔루스트리스 (Rhodopseduomonas palustris)로도스피릴룸 몰리스키아눔 (Rhodospirillum molischianum), 로도스피릴룸 풀붐 (Rhodospirillum fulvum)로도스피릴룸 센테눔 (Rhodospirillum centenum), 로도스피릴룸 루브룸 (Rhodospirillum rubrum),로도박터 스페로이즈 (Rhodobacter sphaeroides)

홍색 유황 세균(Purplesulfur bacteria)

티오바실러스 노벨러스 (Thiobacillus novellus), 티오바실러스 티오옥시던스 (Thiobacillus thiooxidans)티오바실러스 디나이트리피칸스 (Thiobacillus denitrificans), 티오바실러스 티오파루스 (Thiobacillus thioparus)

슈도모나스(Pseudomonas)

슈도모나스 플루오레센스 (Pseudomonas fluorescens), 슈도모나스 시트로넬로리스 (Pseudomonas citronellolis)슈도모나스 스툿쩨리 (Pseudomonas stutzeri), 슈도모나스 푸티다 (Pseudomonas putida)슈도모나스 시링가이 (Pseudomonas syringae)

알칼리제네스(Alcaligenes) 알칼리제네스 디나이트리피칸스 (Alcaligenes denitrificans)

플라보박테리움(Flavobactrium)

플라보박테리움 아쿠아틸 (Flavobactrium aquatile), 플라보박테리움 오케아노세디멘툼 (Flavobactrium oceanosedimentum)

나이트로박터(Nitrobacter) 나이트로박터 위노그라드스키 (Nitrobacter winogradskyi)

나이트로소모나스(Nitrosomonas) 나이트로소모나스 유로패아 (Nitrosomonas europaea)

나이트로콕쿠스(Nitrococcus) 나이트로콕쿠스 모빌리스 (Nitrococcus mobilis)

코마모나스(Comamonas) 코마모나스 테스토스테로니 (Comamonas testosteroni)

바실러스(Bacillus)

바실러스 마테란스 (Bacillus macetans), 바실러스 서브틸리스 (Bacillus subtilus)바실러스 릭케니포르미스 (Bacillus licheniformis), 바실러스 플라믹크사 (Bacillus polymyxa)

Ⅰ 미생물제재 종 , 속

실험재료Ⅱ 하수슬러지 성상

항목 pH알칼리도 TS VS

VS/TS

TCODSCOD

TBOD

SBOD Cl- NH4

+-N

단위 - ㎎ /ℓ % % % ㎎ /ℓ ㎎ /ℓ ㎎ /ℓ ㎎ /ℓ ㎎ /ℓ ㎎ /ℓ

농도

최저 6.0 460 2.53 1.73 64.1 8,976 165.2 6,879 562 167 73.2

최고 6.5 860 4.14 2.82 71.0 10,220 185 9,154 630 606 92.4

평균 6.3 6603.34

2.28

67.69,598

1758,017 596 386 82.8

실험장치

Lab-scale 실험장치Lab-scale 실험장치

Tap water

Sludge 1,000mL+ Microbial agent

Incubator

Magnetic stirrer

Sampling port

Pilot-scale 실험장치Pilot-scale 실험장치

Full-scale 실험장치Full-scale 실험장치

Digested sludge

discharge

Microbial agent

1st stage digester

2nd stage digester

Biogas

Supernatant

Sewage sludge tank

Mixing tank

Agitator

Agitator

Pump

Pump

Gas counter

Gas sampling point

실험장치

방사성추적자의 실험장비

방사성추적자의 설치위치

소화조 내 부동층 (Dead Space) 실험장치

소화조 내 부동층 (Dead Space) 실험장치

실험조건

항 목회분식실험

모형실험

현장실험

기존운영 개선운영

소화일수( 일 )

1 단소화조20

14 12 10

2 단소화조 5 6 10

소화온도 (℃) 35±2 35±2 35±2 35±2

하수슬러지 유입량 (m3/일 ) 1ℓ 0.65 1,525 1,411

유입슬러지 유기물량 (ton/ 일 )

- - 40.6 43.9

하수슬러지 인발량 (m3/일 ) - - 1,339 1,200

미생물제재 주입량 (ℓ/ 일 ) 10 ㎖ 0.5 - 6.0

1 단소화조의 교반속도 (rpm) - 120 595 595

미생물제재 주입량

구 분 하수슬러지량 미생물제재 주입량하루 1,370 ㎥ /day -

31 일간 42,470 ㎥ /31days 570ℓ/31days (17.52ppm)

334 일간 457,580 ㎥ /334days 2,956ℓ/334days(10.28ppm)

년간 500,050 ㎥ /365days 3,230ℓ/365days(10.22ppm)

Day 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 3132 이후(2 회 /

주 )미생물제재

투입량(ℓ)

82.5 63.8 45.0 37.5 33.8

미생물제재 주입조건

미생물제재 주입량

실험결과

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

미생물제재 미투입

Bio-DH

Hi-Dem

Bacillus

Biemsdebug Ⅱ

Bactozyme

Biologic SR2

Di-Bag

Biemsdebug Ⅰ

(%)소화효율

각각의 미생물제재에 대한 소화효율 비교 미생물제재의 최적주입량 결정

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

1.0mL/2L 1.3mL/2L 1.6mL/2L 2.0mL/2L 4.0mL/2L 미생물제재와 하수슬러지의 혼합비율

(%)

소화

효율

Ⅰ 회분식실험

실험결과

구 분 기존운영 개선운영 비 고

pH 6.9-7.2(7.0)

7.0-7.3(7.1) 운전양호

알칼리도 (mg/L as CaCO3)

2,385-2,520(2,443)

2,710-3,025(2,884) 운전양호

소화효율 (%) 46.0-50.9(48.6)

52.8-57.3(54.2) 5.6% 증가

소화가스 발생량 (m3/d)

0.08-0.28(0.19)

0.24-0.30(0.28) 47.4% 증가

상등수의 CODMn 농도(mg/ℓ)

1,232-2,450(1,639)

537-1,390(859) 780mg/ℓ 감소

상등수의 SS 농도 (mg/ℓ)

3,960-6,040(4,888)

976-3,850(2,405) 2,483mg/ℓ 감소

소화슬러지 발생량 (m3/d) 0.50 0.45 9.0% 감소

Ⅱ 모형소화조실험

실험결과

( 단위 : %)

주 ) 1) `01 년 1 월∼ `02 년 6 월 2) `04 년 1 월∼ `05 년 6 월

Ⅲ 현장소화조실험

구분 기존운영 1) 개선운영 2) 비고

소화조인발슬러지

TS 2.20 2.28 3.6 증가

VS 1.27 1.29 1.6 증가

소화율 42.3 57.6 36.2 증가

탈수 Cake함수율 79.7 80.3 0.7 증가

실험결과Ⅳ 현장소화조 운영결과

구분 기존운영 1) 개선운영 2) 비고

미생물제재투입량(ℓ/d)

- 6.0

소화가스발생량( ㎥ /d) 10,633 15,834 48.9% 증가

탈수 Cake 발생량(ton/d) 143.4 138.3 3.6% 감소

응집제사용량( ㎏ /d) 207 246 18.8% 증가

주 ) 1) `01 년 1 월∼ `02 년 6 월 2) `04 년 1 월∼ `05 년 6 월

실험결과

구 분소화조 수

( 개 )평균체류시간

( 이론치 )평균체류시간

( 실측치 )실제 소화조

용량 사각지대

평가기간

기존운영(2001 년 )

1단소화조

1.0 12.8d  10.0d 78% 22%

2단소화조

1. 4.3d 3.9d 91% 9%

개선운영( 미생물제재투입 )

(2005 년 )

1단소화조

1.0 8.5d 7.4d 87% 13%

2단소화조

1.3 8.5d 6.3d 74% 26%

0

5

10

15

20

25

30

1단소화조 2단소화조 1단소화조 2단소화조

(2001 )기존운영 년 (2005 )개선운영 년

Dead

spac

e (

%)

기존운영과 개선운영시 사각지대 제거효과 비교

Ⅴ 소화조내 사각지대

실험결과

구분

처리비 절감내역

미생물제재 투입비용 순절감액탈수

Cake처리비

고분자응집제

가스증가량 대비전력비

산 출 액

탈 수 기단축운전 전 력 비

소화슬러지이송펌프전 력 비

합계

`04 년 1/4분기 28,058 7,735 7,553 3,003 546 76,895 15,925 60,970

2/4 분기 6,734 14,560 42,679 2,275 182 66,340 15,925 50,505

3/4 분기 24,7488,188

(△)70,748 3,956 368 91,632 9,660 81,972

4/4 분기 13,0645,060

(△)40,388 5,888 552 54,832 6,992 47,840

합 계 102,604

9,047 161,368 15,122 1,648289,78

948,502

241,287

( 단위 : 천원 )

Ⅵ 경제성평가

결론

미생물제재 미투입시 실제가스량 /유입유기물량은 0.26 ㎥ / ㎏ ·d 로 나타난 반면 , 미생물제재 투입시 0.36 ㎥ / ㎏ ·d 로 나타나 미투입시보다 약 38.5% 더 많이 소화가스가 발생되는 것으로 나타남 .

소화효율은 미생물제재 미투입시 42.3% 로 나타난 반면 , 미생물제재 투입시소화효율은 57.6% 로 나타나 미투입시보다 약 36.2% 높은 것으로 나타남 .

미생물제재투입으로 1 단소화조의 부동층 (Dead Space) 이 22% 에서 13% 로 약 9% 감소 하였으며 , 2 단소화조는 9% 에서 26% 로 약 17%

증가한 것으로 나타남 .

11

22

33

결론

미생물제재를 투입하지 않은 경우 인발슬러지 TS 농도는 평균 2.20% 인 반면 , 미생물제재를 투입한 경우 TS 농도는 평균 2.28% 로 나타나 미투입시보다 3.6%높은 것으로 나타남 .

기존 소화조에 미생물제재를 투입 · 운영하여 종합적으로 경제성을

검토해 본 결과 탈수 Cake 처리비 감소 , 소화가스 전력생산량 증가

등으로 운영비가 년간 241,287천원 절감 되는 것으로 나타남 .

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66

미생물제재 미투입시 탈수 Cake 발생량은 평균 143.4ton/ 일로발생한 반면 , 미생물제재 투입시 138.3ton/ 일로 발생하여 미투입시보다 약 3.6% 적게 발생되는 것으로 나타남

종합적 검토

경제성경제성

주요설비의 재질 : 운전결과 내구성에 별다른 영향이 없으며 , 오히려 부동층 형성 제거를 통한 소화조 재질의 수명연장설비재질 및 운전 후 상태 : 별다른 영향 없음 .

최소의 투자비용 → 높은 소화효율경제성 검토결과 : 241,287천원 /년현장부대설비 ( 탈수기 , 슬러지 및 약품펌프 , 약품탱크 등 ) 의 사용년한 연장

내구성내구성

기동 및 정지의 편의성 : 미생물제재 투입시설에 필요한 저장조와 정량펌프만 설치하여 자동 운전하므로 운전이 쉬우며 , 기존시설의 여유공간만으로도 미생물제재 투입시설의 설치가 가능하므로 별도의 공간확보가 필요치 않음 .운전제어 및 유지관리 : 기존 운전방법과 동일하며 , 유지관리가 용이운전요원의 숙련 필요성 : 기존과 동일하며 , 별도의 숙련도를 요구치 않음 .작업의 편의성 등 : 동선 및 유지보수 공간 등이 적어 작업이 편리함 .

시설 및 설비의 안정성 : 기존의 혐기성소화시설을 그대로 활용하여 운전하기 때문에 별도의 문제는 발생되지 않음 .작업환경 안정성 : 미생물제재 투입시설만 추가되므로 별도의 작업환경에 대한 위험성은 없음 .2 차 환경오염 등 : 미생물제재를 이용한 생물학적 처리로 2 차적인 환경오염을 최소화

안전성안전성

편의성편의성