Although the volume of livestock wastewater is much less than that of domestic and industrial wastewater, its high strength presents a serious problem in treating this to meet the environmental standards. Since the presence of nitrogen (N) and phosphorous (P) compounds in wastewater is the primary cause of eutrophication in lakes and red tide in the sea, the Government has set up the stringent effluent water quality criteria of city sewage treatment plant to limit N and P concentrations to 20 and 2 ppm for 4 major rivers in Korea, respectively.
Until now biological methods have been used for treating large-scale livestock wastewater systems. The entire biological process is sensitive to the influent and each process needs different carbon source, longer treatment time and large site. Thus physical or chemical treatment may have advantages for small-scale facilities. We considered here reverse osmosis method that can separate nitrogen and phosphate without going through biological nitrification and denitrification processes. The concentrated swine wastewater can be used in the production of manure compost. Since swine wastewater has a lot suspended solids, a high degree of pretreatment is required prior to reverse osmosis (RO). Suspended solids removal is necessary and dissolved organics should be removed to prevent fouling. This makes it possible to run a longer and more stable operation of RO system.
The three pretreatment methods were used in this study: centrifuge, cylindrical filter and packed bed. First, the centrifuge removed 96% of suspended solids (SS). The centrifuge was operated at 8000 rpm for 5 min.. Despite its high removal efficiency the centrifuge is expensive and its operating cost is also high due to high electricity consumption. Secondly the cylindrical filter removed 33% of SS. The effluent from this filter was not clean enough to be used in RO membrane experiment and no experiment has been performed. The cylindrical filter consisted of the 50 cm long three concentric cylinders. The outermost cylinder (inner diameter: 20 cm) is made of acrylic column and the middle porous cylinder is 40 cm in length, covered with 200 steel mesh on the upper 40 cm of the column and on the lower 10 cm just with the acrylic column. The innermost cylinder is covered with 420 mesh three-fold cloth. Thirdly, the packed bed removed 89% of SS. The packed bed was filled with sand particles of three different sizes: 4~7 mm, 570㎛ and 244㎛. The removal efficiencies were 33% for 4-7mm , 89% for 570㎛ and 86% for 244㎛, respectively. The equipment consisted of an 80 cm length cylindrical acrylic column (4 cm i.d.), in which the upper 60 cm column was filled with sand layer.
RO system was operated as follows. The retentate was recycled to the free filter chamber of the RO system and reverse osmosis was fixed at 30 kgf/㎠ at which flux and rejection were satisfactory. When the centrifuge was used in pretreatment, the flux increased from 18 to 22.2 l/h and rejection from 96.88 to 98.42% with time. The concentrations of RO permeate were 107 mg/l for N and 0.5 mg/l for P.
When the packed bed was used, the flux decreased from 17.4 to 14.1 l/h and the rejection decreased from 97.95 to 93.55%. The permeate concentrations were 170 mg/l for N and 0.6 mg/l for P. These results were within the environmental effluent quality standards for rural area of 260mg/l for N and 50 mg/l for P, respectively.
In this study, to treat livestock wastewater, reverse osmosis showed better results than biological method. Permeate was clear and transparent and the odor removal was acceptable. Also, sand used in packed bed is easy to obtain and very cheap. It is concluded that the application of reverse osmosis method solves swine wastewater treatment environmentally as well as economically.
축산폐수는 가정하수나 산업폐수에 비해 양은 적지만 오염의 강도가 심해 우리나라 한강을 비롯한 많은 강들의 가장 중요한 오염원으로 지적되고 있다. 또한 가축분뇨의 질소와 인의 존재는 강과 호수의 부영양화의 주원인이다. 따라서 정부는 축산폐수의 방류수 수질 기준을 강화하였고 이를 준수하기 위한 방안이 필요하게 되었다.
지금까지 가축분뇨의 처리는 생물학적인 방법에 의존해 왔다. 생물학적인 방법은 박테리아를 이용하는 것이므로 이들의 성장조건에 적합한 환경이 조성되어야 질소와 인을 제거하며 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다. 그러나 reverse osmosis는 그러한 단점을 가지고 있지않다. 또한 reverse osmosis는 작동하기 쉽고 운전하는 동안 안정적이며 많은 공간을 차지하지 않는다.
Reverse osmosis은 질소와 인의 제거에 탁월한 것으로 알려져 있다. 또한 Reverse osmosis으로 처리된 생산수는 방류수 기준에 적합할 뿐만 아니라, 폐기해버리는 농축수는 양을 줄여서 비료로 재이용할 수 있다. 축산폐수는 많은 부유물질을 가지고 있어서 역 삼투압 법을 시행하기에 앞서 이들을 잘 제거하는 것이 장기조업의 성공적인 방법이다. 본 연구에서는 전처리의 다양한 방법을 이용하였다.
부유입자를 제거하기 위해서 세가지 방법이 쓰였다. centrifuge, packed bed 와 cylindrical filter를 이용한 pretreatment이다. 먼저 centrifuge를 이용해서 부유물을 96%를 제거하였다 하지만 이 방법은 기기의 비용이 비싸고 전력소모가 많다. Packed bed 는 centrifuge만큼 깨끗하게 제거하지는 못했고 89%의 제거 율을 보였다. Packed bed는 모래로 채워져 있고 모래 크기는 4~7 mm, 570㎛, 244㎛가 사용되었다. 크기에 따라 부유물제거의 효율은 각각 33%, 89% 그리고 86%이다. 244㎛의 모래는 크기가 너무 작아서 오히려 제거가 잘 되지않았다. 모래는 가격이 싸고 손쉽게 얻을 수 있다. 또한 packed bed는 centrifuge만큼 전력 소모도 없으며 장치의 가격도 경제적이다. Cylindrical filter를 이용한 pretreatment은 매우 장치 비용이 싸고 전력소모가 없다는 장점을 있지만 제거율이 상당히 낮다.
Reverse osmosis 는 recycle 되고 30 kgf/㎠ 에서 운전되었다. 30 kgf/㎠ 에서 flux와 rejection 이 최적이었다. Centrifuge로 전처리 되었을 때 시간이 지남에 따라서 flux는 18에서 22.2 liter/hr 로 증가하였고 rejection 96.88에서 98.42%로 증가하였다. 총질소와 총인의 최종 농도는 0.107 g/liter 과 $0.5×10^-4 g/liter$ 였다.
Packed bed 가 이용되었을 때는 flux가 17.4에서 14.1 liter/hr로 rejection은 97.52에서 93.55%오 감소하였다. 총질소와 총인의 농도는 0.17 g/liter과 $0.6×10^-3g/liter$ 였다. 두 pretreatment의 결과는 총질소와 총인의 폐수방출농도기준에 적합한 수치였다. 총질소와 총인의 폐수방출농도기준은 각각 260 mg/l과 50 mg/l이다.
본 연구에서는 축산폐수의 처리는 생물학적인 방법보다 reverse osmosis 를 사용한 방법이 더 나은 결과를 보였다. 또한 reverse osmosis로 처리한 생산수는 투명한 물과 같았으며 냄새도 많이 제거되었다. Reverse osmosis를 사용한 축산폐수 처리는 환경문제와 경제적 문제를 동시에 해결할 수 있다고 본다.
