간헐적으로 통기되는 막 생물반응기 통합 시스템에서 동시에 효과적인 탄소 및 질소 제거 및 인 회수

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16281(2015) 이 기사 인용

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최근 폐수에서 영양분, 특히 인산염 자원을 회수하는 것에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 여기서는 화학적 산소 요구량(COD), 총 질소(TN) 및 인 제거를 동시에 수행한 후 인이 풍부한 슬러지에서 인을 회수하기 위해 메쉬 필터가 있는 간헐적으로 통기되는 막 생물 반응기(MBR)가 개발되었습니다. 통합 시스템을 통해 잉여 슬러지 배출 없이 질산화, 탈질, 인 제거 성능이 향상되었습니다. 수정된 MBR의 COD, TN 및 총인(TP) 제거율은 각각 평균 ​​94.4 ± 2.5%, 94.2 ± 5.7% 및 53.3 ± 29.7%였습니다. 제거된 TP는 바이오매스에 저장되었으며, 슬러지에 저장된 인의 68.7%는 인산염 농도가 350 mg/L 이상인 농축 인산염 용액으로 회수될 수 있었습니다. 인 방출 후 슬러지는 인 흡수를 위해 MBR로 다시 반환될 수 있으며 용량의 83.8%가 회수될 수 있습니다.

질소와 인이 수역으로 과도하게 배출되면 부영양화와 수질 악화1가 발생하여 인류의 건강과 생활환경이 위협받게 됩니다2. 아이러니하게도 이러한 필수 영양소, 특히 채굴 가능한 인의 자원은 제한되어 있으며 많은 국가에서 전략적인 재료가 되고 있습니다3. 따라서 폐수에서 이러한 영양분을 제거하고 회수하면 수역의 부영양화를 최소화할 뿐만 아니라 잠재적인 인 위기를 완화하는 추가적인 이점도 있습니다4,5. 이러한 이유로 인산염 회수 공정은 영양분 제거를 위해 기존 폐수 처리장에 통합되어야 합니다6,7.

생물학적 접근법은 질소와 인 제거를 위해 폐수 처리장에서 널리 사용되어 왔습니다8,9,10. 혐기성-무산소-호기성(A2O) 공정을 번갈아 가며 하수와 슬러지를 반환하고 인산염이 풍부한 슬러지를 시스템에서 과잉 슬러지로 배출함으로써 질소와 인을 동시에 제거할 수 있습니다11,12. 그러나 이러한 기존 폐수 처리 기술은 복잡한 운영 및 슬러지 처리, 높은 에너지 요구량, 열악한 유출수 품질 및 인 회수 공정 없음으로 인해 여전히 심각한 기술적, 경제적 및 지속 가능성의 한계를 안고 있습니다13.

최근 몇 년 동안 MBR 공정은 높은 처리 효율, 낮은 슬러지 생산량 및 우수한 폐수 품질로 인해 적용이 증가하고 있습니다14,15,16. 폭기된 MBR은 혐기성 및/또는 무산소 공정과 연결되어 폐수 처리 중에 탄소, 질소 및 인을 동시에 제거할 수 있다고 보고되었습니다17,18,19. 그러나 이러한 프로세스는 단순히 일부 개별 반응기를 순서대로 연결하므로 작동 복잡성이 증가합니다. 최근에는 폐수 처리를 위해 간헐적으로 통기되는 MBR이 개발되었으며 교대로 통기 켜기/끄기 모드가 시스템 성능에 미치는 영향이 연구되었습니다20,21,22. 이전 연구에서는 스테인레스 스틸 메쉬 필터를 사용하는 간헐적으로 폭기되는 MBR이 과잉 슬러지 배출 없이 연속 흐름 모드에서 화학적 산소 요구량(COD)과 질소를 동시에 제거하기 위해 개발되었습니다23. 그러나 해당 시스템에서는 인 제거가 조사되지 않았습니다. 이 기술을 보다 실용화하려면 시스템의 구성과 운영을 더욱 최적화해야 하며 인의 제거 및 회수도 고려해야 합니다. 실제로, 수정된 향상된 생물학적 인 제거24,25 또는 생물학적으로 유도된 인 침전26을 사용하여 폐수에서 인을 회수하기 위한 일부 전략은 간헐적으로 통기되는 MBR에서 참고로 사용될 수 있습니다.

여기서는 간헐적으로 폭기되는 MBR이 이 작업에서 폐수로부터 인 회수를 향상시키기 위해 추가로 설계되었습니다. 본 연구에서는 과잉 슬러지를 배출하지 않고 단일 반응기에서 COD, TN 및 TP를 동시에 제거할 수 있는 가능성을 조사했습니다. 또한, 인 회수도 조사되었습니다. 또한 간헐적으로 통기되는 MBR에서 TN 및 TP 제거 메커니즘을 분석했습니다.