Landfilling has been a popular, economical and convenient method of waste disposal of domestic, industrial and hazardous waste. Leachate generated from landfill by contact with precipitation, surface run-off, and groundwater is one of the major environmental hazards. Leachate characteristics are related with the biological phenomena occurring in the landfill as well as with the characteristics of the solid waste. Leachate typically contains organic matter as well as inorganic ions including ammonia and heavy metals in high concentration. Furthermore, leachate characteristics have not been defined clearly. It is, therefore, difficult to treat properly. And it could be detrimental to environment as it contaminates groundwater, soil, and water resources if it is not properly collected, treated, and disposed. It has to be treated by various methods including physicochemical or biological treatment before being released into receiving environment. In this research, the characteristics of pollutants in a UASB reactor treating landfill leachate were studied. Besides, comprehensive studies were conducted to overcome the limitations in anaerobic leachate treatment and to improve its efficiency. Potential problems such as ammonia inhibition, leachate toxicity, precipitate accumulation, and limited use of anaerobic process were also investigated.
The UASB reactor could be effective for various industrial wastewaters containing high concentration of ammonia nitrogen. The COD removal rate was about 80% at ammonia concentration up to 6000 mg-N/l. The inhibition threshold value of anaerobic treatment was 490 mg-N/l of free ammonia nitrogen. The experiment showed that it would be possible to treat propionate effectively at free ammonia nitrogen up to 770 mg-N/l if sufficient time was allowed for adaptation. However, the methane yield decreased with increasing ammonia nitrogen. The ammonia nitrogen concentration $I_{50}$, causing 50% inhibition of SMA were 2670, 4780, and 5570 mg-N/l, respectively. The kinetic coefficients (l, m, and n) of ammonia inhibition using formate, acetate, and propionate as substrate were 3.28, 1.00 and 0.60, respectively. This result indicated the hydrogenotrophic methanogens was most affected by ammonia nitrogen. Inhibition of the hydrogenotrophic methanogens might lead to a hydrogen accumulation that makes it thermodynamically unfavorable to degrade propionate, which in turn, acts as an inhibitor of the acetoclastic methanogens. At ammonia nitrogen of 8000 mg-N/l, the VSS concentration in the effluent increased sharply due probably to the decrease of the protein content of extracellular polymer although superficial velocity was very low due to low methane production. Granules were mainly composed of microcolonies of methanotrix-like bacteria resembling bamboo, and several other microcolonies including propionate degrader with juxtapositioned syntrophic associations between the hydrogen-producing acetogens and hydrogen-consuming methanogens. The average sludge yield was 0.05 g-VSS/g-COD.
The organic compounds in the leachate from young landfills were effectively removed in a UASB reactor at high organic loading rates. The UASB reactor achieved 90% COD removal at about 20 kg-COD/㎥.d of OLR and HRT of less than 1.0 d. The yield of methane COD represented 90% of the removed COD. The average sludge yield was 0.071g-VSS/g-COD. The fractional analysis of the dissolved organic matter in leachate revealed the increase of the organic fractions ranging 1kD-10kD and 10kD-0.45μm by anaerobic treatment. It might be explained by the biodegradation of low molecular weight (<1kD) as confirmed by complete removal of the volatile fatty acids (VFA) in the raw leachate. The fraction of higher molecular weight was thought to be humic- and/or fulvic-substances. Significant sludge flotation was observed at the top of the reactor. The precipitates in and on granular sludge and on the wall of the reactor resulted in operational problems. An EDAX and ICP-AES analyses showed that they were mainly composed of calcium and magnesium. Although SMA was not affected seriously in this study, metals had to be removed prior to anaerobic treatment so as to be free from the excessive inorganic accumulation that resulted in operational problems. Granules treating leachate which exhibited a layer structure. They were mainly composed of microcolonies of Methanotrix-like bacteria resembling bamboo shape and several other microcolonies with juxtapositioned syntrophic associations between the hydrogen-producing methanogens and hydrogen consuming methanogens were also observed.
Simultaneous denitrification and methanogenesis could be achieved in a single UBS reactor. Unremoved carbon in denitrification was utilized by methanogenesis. More than 99 and 95% of nitrate and COD removal rate were obtained at a loading of 600mg $NO_3$-N/l/d and 3300 mg COD/l/d, respectively. This result indicated that an integrated denitrifying/methanogenic process combined with an additional nitrification process had the greatest potential for treatment of industrial wastewaters including leachate. The characteristics of granule were changed with decreasing COD/$NO_3$-N ratios. The specific denitrification rate increased as COD/$NO_3$-N ratio decreased. Maximum specific denitrification rate with acetate could reach 0.04g $NO_3$-N/gVSS.d. Especially, significant sludge flotation was observed at the top of the reactor due to the change of microbial composition. Granules became fluffy and buoyant due to the growth of denitrifiers. The recirculation could be a solution of floating sludges. The surface of granules was colonized by a mixed population including long rods, chain forming cocci, thin filaments, and small rods and cocci. Granules were mainly composed of microcolonies of Methanosarcina sp., Pseudomonas sp. with high denitrifying capabilities and rod-shaped bacteria. This process had several advantages over traditional nitrification-denitrification processes. First of all, a reduction in the number of required reactors, hereby reduces costs and complexity of the treatment system. Secondly, this type of system offers an optimal utilization of available carbon since complete denitrification would be ensured prior to methane production. Finally, an integrated denitrification/methanogenesis reactor can increase the life of the anaerobic process treating leachate which contains high organic and ammonia nitrogen.
매립에 의한 폐기물 처분은 경제성과 편의성으로 인하여 널리 사용되어져 왔으나, 매립시 발생되는 침출수는 매립에 의한 폐기물 처리시 가장 중요한 환경문제로 대두되고 있다. 침출수의 특성은 매립지에서 발생하는 생물학적 작용 뿐만 아니라 대상 폐기물에 따라 상이한 특성을 보인다. 매립지에서 발생하는 침출수는 높은 유기물 농도와 암모니아성 질소 및 중금속 등의 무기물을 함유하고 있어 처리가 어려울 뿐만 아니라 적절히 수집, 처리 및 처분되지 않은 침출수는 지하수, 토양 및 수자원의 잠재적인 오염원으로 작용하고 있다. 그러므로 주변 환경으로 배출전 다양한 방법에 의해 안정적인 처리가 필요하다. 본 연구에서는 고율 혐기성 반응조를 이용한 침출수 처리시 오염물질과 입상슬러지의 특성을 조사하였다. 또한, 혐기성 처리의 제한적인 이용을 극복할 수 있는 신공정 제안과 처리 공정의 효율 향상을 위해 암모니아성 질소의 저해효과, 침출수 독성 및 무기물 축적 등의 잠재적인 문제점을 평가하였다.
암모니아성 질소를 함유한 폐수의 고율 혐기성 반응조의 적용은 매우 효과적이며, 암모니아성 질소 농도 6000 mg-N/l 까지 80% COD 제거가 가능하였다. 혐기성 처리시 저해를 야기하는 유리 암모니아성 질소의 농도는 490 mg-N/l로 나타났으며, 충분한 적응기간 후에는 770 mg-N/l까지 효율적인 처리가 가능하였다. 그러나 메탄 수율은 암모니아성 질소 증가에 따라 감소하였으며, 입상슬러지의 비메탄 활성도 실험 및 비선형 모델을 이용한 저해도 평가시 개미산을 기질로 이용한 비메탄 활성도 값의 감소폭이 가장 크게 나타났다. 개미산, 초산 및 프로피온산을 기질로 이용한 각 단계에서의 암모니아 농도에 대한 비메탄 활성도 저해에 대한 동력학적 상수 값과 50% 저해농도는 각각 3.3, 1.0, 0.6와 2670, 4780 및 5570 mg-N/l로 나타나 수소 이용 메탄균의 저해도가 가장 민감한 것으로 나타났다. 입상슬러지는 주로 입상슬러지는 대나무 모양(bamboo-shape form)의 methanotrix 형태의 미생물이 주종을 이루고 있으며, hydrogen-producing acetogens와 hydrogen-consuming methanogens이 존재하는 것으로 조사되었다.
침출수의 고율 혐기성 처리시 오염물질과 입상슬러지의 특성을 평가하기 위하여 상향류 혐기성 슬러지 블랭킷 반응조를 이용하여 300일 동안 운전하였다. 최대 유기물 부하 20 kg COD/㎥.d.까지 90%의 유기물 제거율을 나타내었으며, 제거되는 COD의 90%는 메탄으로 전환되었고 슬러지 증식 계수는 0.071 g-VSS/g-COD로 나타났다. 혐기성 처리 전후의 분획 분자량 실험결과 처리후 1kD-10kD와 10kD-0.45m의 분자량의 상대적인 비율이 증가하였으며, 고분자 물질은 휴믹 또는 펄빅성의 물질로 판단된다. 유기물 부하 8kg COD/㎥.d까지 유출수의 휘발성 지방산의 농도 축적은 거의 없었으나, 유기물 부하 18-20 kg-COD/㎥.d에서 프로피온산의 농도가 상대적으로 증가하여 프로피온산의 초산으로의 전환이 율속단계로 나타났다. 다량의 입상슬러지가 높은 유기물 부하에서 반응조 상부에 부상하였으며, 발생 가스 및 유입수 유량의 증가로 인한 높은 상향 유속으로 인해 입상슬러지의 깨짐(disintegration) 현상이 발생하였다. 고율 혐기성 반응조를 이용한 침출수 처리는 높은 유기물 제거능에도 불구하고 칼슘 등의 무기물 축적으로 인한 운전상의 문제가 예상되어진다. 본 연구에서는 장기간 운전시 메탄 활성균의 급격한 감소는 발생되지 않았으나, 무기물로 인한 운전상의 문제를 저감하기 위해서는 혐기성 처리 공정 전에 무기물 제거를 위한 전처리 공정이 필요한 것으로 판단된다.
혐기성 공정을 이용한 침출수 처리시 공정의 적용성을 향상시키기 위해 단일 UBS 반응조를 이용시 효율적인 탈질/메탄화가 가능하였다. 탈질균에 의해 제거되지 않은 유기물은 최종적으로 메탄균에 의해 제거가 이루어졌다. 질산염과 유기물 부하 600mg $NO_3$-N/l/d 및 3300 mg COD/l/d에서 각각 99와 95% 이상의 제거율을 달성하였다. 이와 같은 결과는 부가적인 질산화 공정과 연계된 탈질/메탄화 공정의 효율적인 적용 가능성을 제시하고 있다. COD/$NO_3$-N 비가 감소함에 따라 입상슬러지의 특성 변화가 관찰되었다. 초산을 기질로 이용시 최대 비탈질율은 최대 0.04g $NO_3$-N/gVSS.d로 나타났다. 특히, 탈질균의 성장으로 인한 입상슬러지의 미생물 조성 변화로 인해 야기된 미생물의 부상 문제는 재순환의 도입으로 해결할 수 있었다. 입상슬러지 표면은 long rods, chain forming cocci, thin filaments, small rods 및 cocci 형태의 미생물이 다양하게 존재하였으며 주로 Methanosarcina sp., 탈질능이 우수한 Pseudomonas sp.와 rod형태의 미생물로 구성되었다. 이와 같은 결과를 고려시 본 공정 도입시 기존의 질산화-탈질 공정에 비해 다양한 장점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 우선, 필요한 반응조의 감소로 인한 비용 감소와 공정의 단순화를 달성할 수 있으며, 완전한 탈질화로 인한 탄소원의 최적 이용과 최종적으로 침출수와 같이 고농도의 유기물과 암모닝아성 질소를 함유한 폐수의 혐기성 처리 공정에 적용시 공정의 사용년한을 증가시킬 수 있다.
