AF의 원리와 특징
제3절 AF(Anaerobic Filter; 혐기여과기)
혐기여과기는 60년대 미국의 McCarty[16] 등이 Coulter 등 17에서 연구하여 기초적으로 발전하고 확립된 일종의 고효율반응기이다. 전통적인 호기 생물공정의 일반적인 용적 부하는 2kg COD/ (m.d) 이하이다. 또 AF 발명 전에 혐기반응기는 보통 용적 부하가 4~5kg COD/(m.d) 이하이다. 그러나 AF는 용해성 폐수처리 시에 10~15kg COD/ (mi. d)보다 높게 달성되었다. 따라서 AF의 발전은 혐기반응기의 처리효율을 크게 높였고, 반응기 용적을 많이 감소시켰다. | AF는 고효율혐기반응기의 지위를 확립했고, 일찍이 생물고정화 기술을 사용함으로써 오염된 진흙의 반응기 내 체류 시간 (SRT) 을 극대로 연장했다. McCarty는 동일 상태의 처리 시에 SRT를 향상하고 수리학적 체류 시간 (HRT) 을 크게 단축함으로써, 반응기 용적이 감소하거나 혹은 같은 반응용적에서 처리량을 증가시켰다. 이 종류는 생물고정화를 사용하여 SRT를 연장하고, 더불어 SRT와 HRT에 대하여 생각을 분리하므로 새로운 1세대 고효율반응기의 발전을 촉진하였다.
AF 공정의 표시도 는 제1장 그림 1.2에 나타냈다.
SRT의 연장은 실질적으로 반응기 내의 오염된 진흙을 고농도로 유지하고, AF 내에서 협기 오염된 진흙의 농도는 10-20 GVCS/ l에 도달할 수 있다. [18] AF 내에 협기 오염된 진흙의 보류는 2가 지 방식에서 완성한다. 첫째는 세균이 AF 내에서 고정의 충진재 표면 (반응기 내벽 포함)에 생물 막을 형성한다, 둘째는 충진재 사이에 세균 응집체를 형성한다. [8] 반응기 내에서 고농도 혐기오염된 진흙의 누적은 AF가 고효율 반응성능의 생물학적 기본을 갖추고, 일 정 오염된 진흙의 비메탄활성도 하에서 메탄 반응기의 부하와 오니 농도는 정비례한다. 동시에 AF 내에 형성한 섬기온지는 협기접촉공정의 오니 밀도에 비교하여 크고, 침전성능이 양호한 까닭에 유출수 중에 나머지 오염된 진흙의 분리가 곤란한 문제는 존재하지 않는다. AF 내에서 고농도 오염된 진흙을 보유하므로 오염된 진흙의 되돌림은 필요하지 않다. | AF 내에는 충진재로 고정하고 폐수를 반응기에 유입하면 점차 세균에 의하여 가수분해되어 초산과 메탄으로 전환하고, 폐수 조성은 반응기에서 높이에 따라 점점 변화한다.
그러므로 미생물 종군의 분포는 규칙성을 나타낸다. 밑바닥(유입구)에서 발효균과 산 생성 균이 최대의 비중으로 점유하고, 반응기 높이 상승에 따라 초산균과 메탄 균이 점점 함께 증가한다. 세균의 종류와 폐수 성분은 관계가 있고, 이미 산화된 폐수 중에는 발효와 산 생성 균의 농도가 많지 않다. 이 반응기 내에서 세균 분포의 특징은 반응기 유입 측(예 상류실 AF의 밑바닥)에서 가장 많은 영양으로 얻는 세균이고, 또 오니 농도가 최고로 높으나, 높이가 높아질수록 오니 농도가 고도로 빨리 감소한다. | 오염된 진흙의 이러한 분포 특성은 어떤 공정상의 특징이 있는 AF에 부여한다. 우선 AF 내 폐수 중의 유기물의 제거는 주로 AF의 밑바닥에서 진행하고 (상류실 AF를 가르침) Young과 Dahdb의 보고에 따르면 AF 반응기는 1m 이상에서 COD의 제거율이 거의 증가하지 않고, 또 대부분의 COD는 0.3m 이내에서 제거된다. 그러므로 연구자는 일정의 용적 부하에서 얕은 AF 반응기는 깊은 반응기에 비해 처리효율이 더욱더 높다고 했다. 이런 반응기는 밑바닥의 오니 농도가 특별히 높으므로 반응기의 막힘이 쉽게 일어난다. 막힌 문제는 AF 적용의 제일 주요 문제 중 하나이다. 보고에 의하면 상류실 AF는 밑바닥 오니 농도가 60g/1 정도 높게 달성한다. AF 내에서의 섬기온지는 규칙적인 분포로 있어 유독물질에 대하여 적응 능력이 더욱더 있고, 반응기 내에서 생물분해의 독성물질 농도가 규칙적인 변화를 나타내고, 협기 생물 막은 각종 균군의 양호한 공생체계를 형성하므로 AF 내에서 유독물질에 적응하는 섬기온지를 배양하기는 쉽다. 예로 3 염화메틸과 메탄올 폐수는 AF 반응기 중에서 오염된 진흙의 양호한 적응성이 발견되고, 이러한 유독물 질의 제거 효과와 허용 유입수 농도는 점차 상승한다. 20). 동시에 AF는 충격에 강한 부하 능력을 갖춘다. 일반적으로 상호 같은 온도 조건에서 AF의 부하가 협기접촉 공정의 2~3배 높게 나타났고, 비교적 높은 COD 제거율을 직면한다. | AF의 반응 상의 문제는 막힘과 국부 막힘이 편류를 일으키는 것을 제외하고, 다른 하나는 대량의 충진재가 필요하여 비용을 상승시킨다. 이상의 문제로 인하여 국외 생산 규모의 AF 공정 응용은 많지 않다. Lettings에 의하면 1993년 예측에서 18 국외 생 신규모의 AF 공정은 대략 30~40개 있었다.
2. AF의 운전과 영향 요소
(1) 충진재
충진재의 선택은 AF의 운전에 대하여 큰 영향이 있다. 구체적 영향 요소는 충진재의 재질, 입도, 표면 형상, 비표면 적과 공극률 등을 포함한다. 각양각색 재료는 AF의 충진재로 만들 수 있고, 이미 보고된 충진재는 형형색색이 고, 예로 자갈, 벽돌, 도자기, 플라스틱, 유리, 연탄재, 조개껍질, 산호, 해면, 망상 물거품 벽돌 등이다. 세균은 각종 재료에서 막을 형성할 수 있고, 재료는 AF의 영향에 대하여 아직 실증되지 않았다. 벽돌형 충진재에 대하여 적당한 입경은 중요하고, 보고에 의하면 충진재 입경이 0.2mm에서 6.0mm까지 다르다. 21, 그러나 입경이 작은 충진재는 농도가 비교적 높은 폐수에 쉽게 막힌다. 따라서 실제에서 입경이 2cm 이상의 충진재가 많이 사용된다.
사람들의 최초 예측은 상반되나 충진재의 비표면 적은 AF의 행위에 대한 큰 영향이 없다. Van den Berg 등은 많은 종류의 충진재를 연구했고, 결과 표명한 AF의 효과와 충진재의 표면적은 큰 관계가 없었다. [표 5.3] 많은 사람이 적당히 선택 사용한 비표 면적은 상대적으로 큰 충진재로 인식하고 있다. Young과 Ahab 19는 비표면 적이 98 mi/m3과 138m/m’의 표준 플라스틱 충진재를 분리하여 사용한 결과, 전자의 적은 것이 더 좋은 COD 제거율을 얻었다. 그 밖에 플라스틱, 구운 점토, 산호와 조개껍질을 사용하여 충진재의 시험에서 산호가 최고의 비표면 적 (490㎡/m2)이고, 비표면 적이 최소의 구운 점토 (119㎡/m2)와 서로 비교한 결과 성능은 약간의 차이가 있었다.
4충진재 표면적 조성제와 표면공극률은 세균 증식률에 영향을 준다. 조잡한 가공의 표면적은 생물 막의 형성을 도와준다. [23] Van den Berg 등23은 여러 종류의 재료를 사용하여 충진재를 만들었고, 배 수호관점 토가 충진재로 만들 때 반응기가 가장 빨리 시 운전되는 것을 발견했고, 부하는 더 빨리 증가했다. 충진재의 형상과 공극 대소는 중요한 요소이다. 이것은 이미 여러 가지 빈 원통 환형의 충진재가 출시되었다. 예를 들면 미국의 일종 표준 추형의 corrugated 충진재 비표 면적은 100m/m', 공극률 95%, 각층 진짜와 가짜 간의 물을 함유는 기둥과 벽을 따라 최저한도까지 단 거로 감소를 했다. [24] 미국에서 이미 공극률 95%의 폴리에틸렌 날카로운 손톱 형상-가시 돋친 원 충진재를 사용했다. 공극률이 비교적 크고 중심이 빈 충진재를 사용하는 것이 유익한 것은 AF에서 혐기균 대부분이 충진재 간의 공극 중에서 생장하는 이유이며, 충진재 표면에 생장 막이 1/4-1/2이라는 인식에 의한다. 7, 24] 그러므로 큰 공극률은 더 많은 오염된 진흙을 보류하고, 동시에 막힘을 방지하는 데 유리하다.
(2) 반응기의 막힘 문제
전술과 같이 AF 유입수 입구에서 폐수농도가 높으므로 미생물 증식이 빠르고 오니 농도가 비교적 높다. 상류실 AF 밑바닥에서 막힌 형성이 쉽고, 막힘이 존재할 시 거품도 국부적으로 체류하여 막힘을 더 조성할 수 있다. 폐수의 농도가 높거나 충진재 점도가 낮을 시에 막힌 형성이 비교적 쉽다. 농도가 높은 폐수는 반응기 내에서 높이에 따라 비교적 큰 농도 구매가 있으며, 따라서 오염된 진흙의 증식도 많은 불균형이 더해진다. 이 외에 일정 용적 부하에서 농도가 높은 유입액은 상류 속도가 느리며, 여기에서 폐수의 상승은 "층 흐름 (Lamella)" 혹은 "풀 (Plug flow)"상태이다. 이 종류의 유동 상태는 막힘을 쉽게 형성하고, 동시에 비교적 낮은 상류 속도는 물질의 확산에서 불리하다. 예와 같이 높은 농도의 유입수는 국부 pH의 하락과 유독 산물의 누적을 형성할 수 있다. 막힘과 상기 불리한 상황의 발생을 방지하기 위하여 유출수 순환 방법을 고려한다. 대부분의 유출수 순환으로 유입수를 희석하는 AF 공정을 사용하면, 완전 혼합식 AF 공정이라 칭한다. 유 출수를 대량 순환함으로써 유입수와 유출수의 농도 차를 감소하고, AF 내 각 부분의 오니 농도 차가 많이 감소한다. 이것은 기본적으로 여지 밑바닥의 막힌 문제를 해소하고, 완전혼합공정은 유입수에 대하여 중화작용을 일으킬 수 있어 중화제 사용량을 감소 시킨다. Chian 등 25]는 공극률 95%의 플라스틱판으로 충진재를 채운 완전 혼합식 AF 공정에서 휘발 산과 고분자 탄수화물을 함유한 폐수를 pH5.4에서 중화제를 첨가하지 않고 처리했다. 실험 결과는 표 5.4에 표시한다.
막힌 문제를 해결하는 것이 어려우므로 AF는 가용성 유기폐수처리에 주도적인 지위를 점유한다. SS의 존재는 막힘을 일으키기 쉬워 일반적으로 유입수 SS는 대략 200mg/l 이하로 제한한다. [23] | 그러나 만약 폐수의 SS가 생분해할 수 있고 균등 분산되면, AF에 대한 SS는 거의 불리한 영향을 발생하지 않는다. SS를 함유한 폐수처리에 대하여 충진재의 선택은 중요하고, SS의 폐수에 대하여 입경이 크거나 공극이 큰 충진재를 선택한다.
하류씩 혐기여과기의 사용은 막힘의 극복을 도와 SS가 비교적 많은 고농도 폐수처리에 사용한다. 상류실 AF에서 미생물은 충진재 간에 응집 형식으로 주로 존재하고, 또 하유식에서 미생물은 생물 막 형식이 충진재와 반응기 벽면에 거의 전부 부착하여 존재한다. 이것은 하류씩 혐기반응기는 막힘이 쉽지 않다는 원인이다. 그러나 동일 상태에서 하류씩의 우수한 점은 황을 함유한 폐수처리에서 소산물인 독성의 HS가 대부분이 상층에서 유리되어 나타나므로 전반적으로 반응기 내의 HS 농도는 비교적 낮고, 독성의 영향을 극복하는 데 유리하다.
(3) 온도와 pH의 영향
대다수의 AF는 중간 온도 범위에서 운전 온도가 25~40°C이다. Genu ng 등 126은 저온에서 저농도 폐수처리를 중시 AF 공정으로 연구했다. 동시에 10~25°C 범위에서 변화 시, BOD의 제거율은 영향받지 않았고, 장기 운전 후에도 AF는 막힘이 없었다. 그러나 저 온 운전 시에 반응기 부하가 낮았다. 아랫부분하에서 온도에 따른 폐수처리는 가스와 COD 제거에서 명확한 구별이 나타나지 않았지만, 부하를 높인 후에 상황이 달랐다. Base와 Lectern 127은 0.2kg/(.d) 보다 높을 때 고온처리는 중간 온도처리보다 더구나 효과적이 라고 했다. 높은 온도는 당연히 높은 부하 잠재력을 가진다. 그러나 Duff와 Ken Neda 28]은 고온 하류씩 AF를 사용할 때 30~40kg COD/(m.d)에서 반응이 불안정한 것을 발견했고, Messing[29]은 고온(55°C)'과 중간 온도(35°C)를 서로 비교하여 어떤 장점도 없다는 것을 인정했다. 각 온도 범위에서 생장 미생물 씨균이 완전 다르므로 반응기 온도가 한 번 확정된 후에는 직접 변경할 수가 없었다. 동시에 어떠한 온도 변화라도 공정의 안전운전에 불리한 것이다.
pH에 대하여 미생물은 매우 민감하고, 일반적으로 반응기의 pH는 당연히 6.5 7.8 범위를 유지해야 하고, 가능한 변화를 감소한다. 안전운전의 AF는 pH 변화에 대한 여 어느 정도 완충 능력을 증명했고, 보고에 따르면 AF 계통 pH가 5.4까지 낮아져 12시간 동안 지속 후에도 빠른 회복능력이 있었다. [30] Genu ng 등 [26] 의 중시는 산성 폐수처리 시에 유입수가 3까지 떨어져 6시간 동안 지속해도 유출수의 pH에는 영향이 없었다.
(4) 반응기의 충진재 높이
전술한 것 같이, 반응기 높이 0.3m에서 대부분 유기물은 이미 제거되고, 높이 1m가 상의 제거율은 거의 증가하지 않는다. 그러므로 과다한 충진재의 높이 증가는 일정의 유입 유량과 농도 아래에서 반응기 용적이 증가하며, COD 제거율에서 현저한 변화가 없이 다. 그러므로 몇몇 연구자는 일정 용적 부하에서 얕은 충진재 높이가 더욱 효과적인 처리라고 제안한다. 그러나 반응기 충진재의 높이가 2m보다 낮을 때 오염된 진흙은 반응기를 뚫고 나와 높은 효율을 유지할 수 없는 위험과 유출수 SS의 증대로 인하여 유출 수질이 하락한다. [31] 전술한 것과 같이 완전 혼합식의 AF 공정은 충진재의 높이 단계를 균등하게 만들기 때문에 충분히 AF의 용적 부하를 증가할 수 있다.
(5) AF의 시험 운전
AF의 시험 운전 즉 반응기 내 오염된 진흙의 증식과 순화를 완성하고, 반응기가 설계부 하에서 정상운행이 가능할 때까지 생물 막과 세포 응집체를 형성하여 오염된 진흙이 예정의 농도와 활성까지 달성한다. 접종 오염된 진흙은 현재 오수처리장의 소화 오염된 진흙을 사용하고, 오염된 진흙이 투입되기 전에 일정량의 처리 폐수와 혼합하는 것이 좋으며, 반응기에 투입하여 3~5일 체류한 연후에 연속 유입을 개시한다. 시작 부하는 1.0kg COD/(mi. d)보다 낮아야 하고, 고농도와 유독폐수에 대하여는 적당히 희석하여 진행할 필요가 있으며, 더불어 시험 운전 과정에서 희석 배수는 점차 감소시킨다. 부하는 당연히 점차 증가하고, 일반적으로 폐수 중의 생분해 COD (즉 CODBD) 제거율이 약 80%에 도달할 때, 적당히 부하를 높인다. 이처럼 반복 진행은 바로 반응기 설계능력까지 도달한다. 혐기여과기는 몇 개월 중 단 운행 후에도 원 처리능력을 빨리 회복하고, AF 사용 설명에서와같이 단속운전도 역시 가능하다.