회전생물활성탄(RBAC) 공정에 의한 질소·인의 동시제거

남범식, 이영호, 조무환

영남대학교 화학공학 및 공업화학부

Simultaneous Removal of Nitrogen and Phosphorus by RBAC Process

Beom-Sik Nam, Young-Ho Lee, Moo-Hwan Cho

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University

1. 서  론

기존의 질소와 인을 생물학적으로 제거하는 A2O process, 5단 Bardenpho process, UCT process, VIP 등 대표적인 공정은 각각의 장단점도 있고 실제로 적용되고 있는 공정이기는 하지만, 처리 공정이 복잡하고 정교한 운전기술이 요구되기 때문에 적은 비용으로 효율이 높고, 유지 및 관리가 간편한 새로운 질소·인 제거 기술 개발이 요망되고 있다. 현재까지 국내에서 연구 개발된 공정으로는 삼성에서 개발한 Samsung DeN&P Process,  한국과학기술원에서 연구중인 SBR 공정, 부산대에서 개발한 BSACNR Process 등이 있다. 본 연구에서는 RBC 공정을 개선한 장치가 간단하고 운전이 용이한 RBAC(Rotating Biological Activated Carbon) 공정을 개발하여 질소와 인의 동시 제거를 수행하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 실험장치 및 운전방법

·담체의 선정

RBAC 공정에 이용할 담체를 선정하기 위하여 100% 재질의 PE HBC Ring, 50% PE, 50% PVDC 재질의 HBC Ring, 100% 재질의 PVDC HBC Ring, SALAN LOCK, 분말활성탄, 입상활성탄을 사용하여 담체 실험을 하였다. 삼각 플라스크에 배지를 넣고 각 담체들을 투입 후 28℃를 유지하며 Shaking incubator에서 암모니아성 질소의 산화능을 측정하였다.

·미생물의 Seeding

본 연구실에서 Winogradsky column을 이용하여 순수 분리한 암모니아 산화균주, 아질산 산화균주, 탈질 균주, 인 축적균주를 다량 배양하여 합성폐수에 충분히 순응시킨 후 실험을 행하였다.

·RBAC 공정

공정의 기본 개념은 입상활성탄을 충진한 Drum RBC라 할 수 있다. 기존의 RBC는 미생물의 부착 면적이 다소 제한 되어 있으나 RBAC는 입상활성탄을 충진해서 비표면적을 극대화 시켰다. 입자의 표면에서는 호기성이나 입자 내부는 혐기성이 될 수 있어 반응기 내의 혐기-호기 조건을 동시에 제공하여 유기물과 질소·인을 제거하는 공정이다. 반응기 용적은 150L이며 Drum 내부는 17칸으로 나누어져 있고 각 칸마다 8개의 Baffle이 들어있다. Drum의 재질은 다공성 스테인레스판이며, 용적은 143L, 침적율은 약 45% 정도이다. 담체로 쓰인 입상 활성탄의 직경은 약 2mm, 길이는 약 5mm로서 펠렛 타입의 활성탄을 사용하였으며 초기 투입된 활성탄의 양은 45kg이다. RBAC의 온도는 Water jacket을 설치해 28℃가 유지되도록 하였으며,  Drum의 회전속도는 0.5rpm, HRT는 48시간으로 운전하였다.

P

Storage Tank              RBAC

Fig. 1 Schematic diagram of RBAC

·분  석

암모니아성 질소, 아질산성 질소 및 질산성 질소는 □수질오염 공정시험법□에 따라 실험하였으며, 인의 분석은 □Standard method□(7th edition) 방법을 따랐다.

2.2 운전조건

Phase	Influent CODCr	Influent CODMn	Influent BOD5	Influent NH4-N	Influent PO4-P
Run 1 Run 2 Run 3 Run 4 Run 5 Run 6	200 400 600 1,000 2,000 4,000	140 280 420 700 1,400 2,800	154 308 448 748 1,490 2,980	20 40 60 100 200 400	8 16 24 40 80 160

각 운전 단계별로 유기물 부하, 질소 부하 및 인의 부하를 증가시키며 제거능 및 산화능을 살펴보았다.

·합성폐수의 조성(RUN 1)

Component	Glucose	Na2CO3	KCl	NH4Cl	CaCl2	NaCl	MgSO4	KH2PO4
Conc.(mg/L)	225	212	17.5	59.4	17.5	37.5	12.5	35.1

3. 결과 및 고찰

·담체의 선정

6개의 담체를 가지고 암모니아성 질소의 산화능을 분석한 결과 입상활성탄의 경우가 제일 성능이 우수한 것으로 나타났다. Fig.1에서 보듯이 PE, PVDC, SARAN LOCK 등의 암모니아 산화능은 약 3일이 지난 후에도 50%를 나타내었으나 분말활성탄의 경우는 94%의 산화능을 나타내었고 입상활성탄의 경우는 99%의 산화능을 나타내었다. 이 결과를 기초로 하여 입상활성탄을 담체로 한 RBAC 공정을 개발하게 되었다.

·유기물의 제거

Fig.2에 나타난 것과 같이 CODCr의 경우 부하율을 증가시킬 때마다 유출수가 민감하게 반응을 보였고, 정상상태로 돌아가는데 약 7일에서 10일 정도 소요되었다. 유출수의 농도도 RUN 1, 2의 경우보다도 오히려 고부하인 RUN 3, 4의 경우가 더 낮게 나타났다. 유출수의 농도를 평균해 제거율을 계산해 보면 RUN 1의 경우 53.3%, RUN 2의 경우 78.6%, RUN 3의 경우 88.9%, RUN 4의 경우 93.5%, RUN 5의 경우 95.7%, RUN 6의 경우 94.7%를 나타내고 있다. 제거율은 RUN 5의 경우가 가장 높은 것으로 나타났다. RBAC 공정은 저부하 보다는 오히려 고부하에서 더 처리능이 우수한 것으로 나타났다.

·질소의 제거

Fig.3에서와 같이 암모니아성 질소는 유입 농도와는 무관하게 99% 이상의 산화능을 나타내고 있다. 아질산성 질소의 경우도 같은 경향을 나타내었으며, 질산성 질소의 경우는 RUN 1, 2의 상태에서 서서히 탈질이 일어나서 RUN 3 이후에서는 안정적인 양상을 나타내고 있다. 이것은 탈질균주가 반응기에서 적응하는 기간이 암모니아성 질소 산화균주와 아질산성 질소 산화균주 보다 길기 때문이라고 사료된다.

·인의 제거

Fig.3에서와 같이 유출수의 인의 농도는 부하가 증가함에 따라 같이 올라가는 경향을 볼 수 있다. 유출수의 평균 농도를 제거율로 나타내면 RUN 1의 경우 45.2%, RUN 2의 경우 49.8%, RUN 3의 경우 32.7%, RUN 4의 경우 45.0%, RUN 5의 경우 43.1%, RUN 6의 경우 36.8%를 나타내고 있다. 인의 제거율은 유기물의 제거율 및 질소의 제거율과 비교해 볼 때 상당히 낮은 제거율을 나타내고 있다. 인의 효율적인 제거를 위한 RBAC 공정의 보완이 요구된다 할 수 있겠다.

·향후 연구 과제

실폐수를 적용하여 HRT를 조절해 가면서 최적 parameter를 도출해야 할 것이며 Drum의 rpm에 따른 제거능도 조사할 예정이다.

4. 감  사

본 연구는 1997년도 교육부 생물화학공학 연구비에 의하여 수행된 결과이며, 이에 감사드립니다.

5. 참고문헌

1) Kerrn-J., J.P., Henze, M. and Strube, R., "Biological phosphorus Release and     Uptake under Alternating Anaerobic and Anoxic Conditions in a              Fixed-Film Reactor", Wat. Res., 28(5), 1253(1994)

Fig.2. Comparison of ammonia

oxidizing using different

media.

Fig.3. Change of effluent CODCr,

CODMn and BOD5 concentration.

2) Munch, E.V., lant, P. and Keller, J. K., "Simultaneous Nitrification and         Denitrification in Bench-Scale Sequencing Batch Reactors", Wat. Res., 30(2),     277 (1996)

3) Su, J.L. and Ouyang, C.F., "Nutrient Removal Using a Combined Processes    with Activated Sludge and Fixed Bio-film", Wat. Sci. Tech., 34(1-2), 477(1996)

Fig.4. Change of effluent NH4-N,

NO2-N, NO3-N and PO4-P

concentration.

Fig.5. Variation of CODCr, NH4-N

and phosphorus removal

efficiency with organic loading

rate.