고정생물막반응기에서 수리학적 충격부하의 영향

이창한, 박영식, 안갑환*, 송승구

부산대학교 화학공학과, 지산대학 환경관리과*

Influence of Hydraulic shock loads in an aerated fixed biofilm reactor

Chang Han Lee, Young Seek Park, Kab Hwan Ahn*,

and Seung Koo Song

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

Dept. of Environ. Sci. & Tech., Jisan College*.

1. 서론

산업 발전, 인구의 도시 집중화 및 생활양식의 다양화로 인하여 물의 수요가 대량으로 필요하게 되었다. 수질을 오염시키는 원인물질 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 유기물질이다. 유기물질은 인간이나 가축의 분뇨, 생활오수 및 산업장의 유기성 폐수 등으로부터 배출되는 것으로 가정으로부터의 생활오수가 수질오염의 많은 부분을 차지하고 있으며, 특히 최근에는 대규모의 아파트가 생겨나면서 일정 지역에서의 오염부하량이 증가하고 있는 실정이다. 이들 생활오수를 관리하는 가장 효과적인 방법은 가정에서 배출되는 오염물질을 하수처리장으로 이동시켜 하수종말처리장에서 적절한 처리과정을 거쳐 방류수역으로 배출하는 것이다. 그러나 현재 대도시 지역으로 설치되어 있는 몇몇 하수종말처리시설만으로는 배출되는 전체 생활오수의 일부분만을 처리할 수 있을 따름이다. 뿐만아니라 락스, 수세식 변기 세정제 등의 과다 사용으로 생활오수의 성상 자체도 생물학적으로 분해되기 어려운 물질이 다량 함유되어 배출되고 있어 기존 재래식의 활성 슬러지 공법으로 처리 할 경우 벌킹, 부유물질의 증가등이 주기적으로 발생되어져 효율적인 폐수처리에 어려움을 안고 있다.

최근에 호기성 미생물을 부착성장시켜 오염물질을 제거하는 고정생물막 접촉여재를 이용한 방법이 많이 연구되고 있다1). 접촉여재법(biofilm process)은 부유하는 상태의 미생물을 이용하는 활성슬러지공법과 달리 접촉여재에 미생물을 부착시켜 운전하는 방법으로 증식속도가 느린 미생물도 외부로 유출되지 않고 증식할 수 있어 오염물의 처리능력이 높고, 외부로 유출되는 슬러지 발생량이 적은 장점이 있다2),3). 또한 미생물종이 다양하게 출현하여 온도, pH, 충격부하 및 난분해성물질에도 강하고, 접촉여재에 생물막을 형성하므로 활성슬러지공법과 달리 슬러지 팽화현상으로 인한 슬러지 부상 현상이 없어 운전관리가 용이하고, 운전특성상 단위체적당 미생물농도를 높게 유지할 수 있고, 에너지 소비량이 활성슬러지공법의 1/2정도로 비교적 적게 소요된다.

본 연구에서는 생활오수를 효과적으로 처리하기 위하여 최근 오수처리 분야에서 연구되는 접촉여재를 이용하여 합성폐수의 수리학적 충격에 따른 유기물 처리효율, 미생물 성상 및 용존산소량 변화 등의 관계를 규명하므로서 실제 오수처리장에서의 운전 및 설계인자 등을 구하고자 하였다.

2. 실험

- 합성폐수 및 미생물

본 실험에 사용한 합성폐수는 탄소원으로 Glucose, 질소원으로 Urea를 사용하고 여러 가지의 무기염류를 첨가하여 Table 1과 같은 조성으로 제조하여 수돗물로 희석하여 사용하였다.

생물막 반응기내 초기 미생물의 식종은 부산광역시 수영하수종말처리장의 반송슬러지를 이용하여 합성폐수로 생물막을 형성시킨 후 실험에 사용하였다.

Table 1. Composition of the synthetic wastewater

(Based on CODcr = 2500 mg/L)

Components	Concentration(g/L)
Glucose	4.0
Nutrient broth	0.1
Na2HPO4	1.0
KCl	0.14
Urea	1.0
CaCl2	0.14
NaCl	0.3
MgSO4	0.1

- 실험장치 및 운전

본 실험에 사용한 반응기는 가로 25cm, 세로 25cm, 높이 45cm(유효고 38.5cm)로 투명한 아크릴로 제작하였으며, 접촉여재 사이에 산기관을 설치하였다(Fig.1).

사용된 접촉여재(Daeil Saran Lock cloth's)는 그물형태의 폴리프로필렌(P.P) 원사로된 것을 사용하였으며, 22.5cm × 34cm 크기의 사각형 스테인레스에 장착하여 생물막을 형성시켰다. 유입폐수는 정량펌프를 사용하여 장치 상부에서부터 유입을 시켰다. 오수정화조의 폭기조내 활성슬러지를 농축하여 30 mesh의 체(□ : 0.54 mm)에 여과시켜 반응기내에 주입시켰다.

Fig. 1. Schematic diagram of a biofilm reactor.

- 분석 및 측정 방법

TOC(Shimadzu 5000A), COD, biofilm thickness 및 biofilm dry density 등을 측정하였고, DO(Orion 840)는 반응기의 상부 10□ 지점에서 측정하였다. 접촉여재에 부착된 미생물 농도의 측정은 운전 시작 전에 미리 미생물 농도 측정용 접촉여재를 투여하여 이를 일정 기간마다 필요한 크기 만큼 절취하여 현미경 관찰한 후 생물막의 건조밀도을 측정하였다. 실험의 모든 분석방법은  standard method4)를 기준으로 행하였다.

3. 결과 및 토론

- 생물막 형성

반응기의 유효 부피는 24□이며, TOC 230□/□인 합성폐수의 수리학적 체류시간은 20시간으로 하였다.

식종 18시간 후 미생물이 부착되기 시작하였지만, 이때 형성된 생물막(biofilm)은 외부의 약간의 충격 및 응력에도 분리되어 떨어졌다. 생물막 형성은 2 ∼ 3일 경과 후에 완료되었으나 부착력은 약하였다. 그러나 20일정도 경과한 후에는 생물막이 어느 정도 형태를 갖추고 단단해졌다. Fig. 2에서 나타난 것과 같이 약 20일간의 짧은 운전기간으로도 거의 정상상태에 도달했다는 것을 알 수 있었으며, 접촉여재 단위면적당 미생물량이 50.21g/□정도로 유지되었다. 하지만 유출수의 TOC는 22.6 ∼ 29.6□/□정도로서 다소 불안정하였고, TOC제거율은 87.5 ∼ 90.1%정도였다.

접촉여재에 생물막이 형성된 후 3일이 경과하였을 때 비교적 부하가 낮은 처리장에서 발견되는 Aeolosoma속의 후생동물과 Diplogaster속 등이 출현하기 시작하였고 부하량에 관계없이 침적 누적 슬러지가 다량있을 때 출현하는 Nematoda속도 보이기 시작하였다. 10일이 경과한 후에는 접촉여재를 충진시 출현 빈도가 높고, 비교적 처리수의 수질이 양호한 상태에서 발견되는 Paramecium속과 Vorticella속이 조금씩 출현하기 시작하였다.

- 수력학적 충격에 따른 유출수 변화

운전기간이 60일정도 지난 후 정상상태에 도달하였을 때 수력학적 충격부하를 가하여 유출수의 수질을 분석하였다.

유입 TOC를 229□/□, 체류시간이 27.3시간일 때 정상상태에서 체류시간을 13.6시간과 9.1시간으로 각각 2시간과 1시간 씩 하루에 두 번 충격을 주었을 때 유출수의 TOC와 제거율을 Fig. 3에 나타내었다. 체류시간이 27.3, 13.6, 그리고 9.1시간일 때 수리학적 부하는 각각 50.48, 100.76, 그리고 151.14gTOC/□day이었다. 충격전의 평균 유출수의 수질은 12.70□/□정도였으나 충격이 가해진 직후에 20.40, 21.81, 그리고 20.85□/□정도로 높아졌고, 충격이 끝났을 때는 14.86 ∼ 17.02□/□로 비교적 낮아졌다. TOC제거율은 충격을 주는 동안에는 90.5 ∼ 91.1%이었고, 충격이전과 이후에는 92.6 ∼ 94.5%로서 전체적인 제거율은 비교적 높았다.

Fig. 5는 충격부하에 따른 반응기 내 용존산소(DO)의 변화를 나타낸 것이다.  용존산소는 충격이 가해지기 전에는 3.3 ∼ 3.6□/□정도였지만 충격이 가해지는 동안에는 2.1 ∼ 2.3□/□로 다소 떨어지지만 충격이 끝나면 곧 충격전으로 회복되는 것을 알 수 있었다.

4. 결론

합성폐수를 사용한 고정생물막 반응기에서 수력학적 충격에 따른 미생물의 변화와 TOC제거율에 관해 실험하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

- 정상상태에서 접촉여재상에 형성된 생물막의 단위면적당 미생물량은 48.48 ∼ 53.09g/□로 충격전이나 후나 큰 변화는 없었다.

- 체류시간이 27.3시간일 때 정상상태에서 수력학적 부하 2배, 6배로 주었을 때 TOC제거율이 1 ∼ 2%정도 떨어지긴 했지만 평균적으로 90%이상의 높은 제거율을 보였다.

- 용존산소량(DO)는 2배, 6배로 수력학적 충격을 주었을 때 1□/□정도 감소하여  유기물 부하와 유사한 경향으로 변화하면서 충격후에는 원상태로 회복되는 것을 알 수 있었다.

감사의 글

이 논문은 1998년 대일환경(주)의 지원에 의해 연구되었으며 깊은 감사를 드립니다.

5. 참고문헌

1) 박영식, 나영수, 서정호, 안갑환, 송승구, □역유동층 생물막 반응기에서 수리학     적 충격에 따른 아파트 오수의 처리□, 한국환경과학회지 6(10), 17 - 24(1997).

2) 김동석, 박영식, 박동근, 송승구, □역유동층 생물막 반응기에서의 생물막 탈착     에 관한 연구□, 한국환경과학회지 3(3), 263 - 271(1994).

3) M. T. Hamoda and M. F. Abd-Dl-Bary, "Operation Characteristics of the Aerated     Submerged Fixed-Film(ASFF) Bioreactor", Wat. Res. Vol. 21, No. 8, pp 939 -       947 (1987).

4) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 1992, 17th Ed,

LAPHA, AWWA, APCF, Washington D. C.