기포탑내에서 분뇨의 소화도와 가스홀드엎

한 승완·정 영언*·김 상렬

동아대학교 공과대학 화학공학과

*부산전문대학 환경화학계열

Gas holdup and digestion degree of night soil in a bubble column.

Seung Wan Han, Young Eon Cheong* and Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

*Group Department of Environment and Chemistry, Pusan Junior College

서론

생활수준의 향상과 인구의 도시집중으로 공해를 일으키는 분뇨나 유기질이 포함된 폐수를  효율적으로 처리하는 과정은 경제적인 면과 환경적인 측면에서 중요한 과제이다. 따라서 이들을 합성하여 비료화함은 공해문제를 해결할 뿐만 아니라, 복합비료를 생산함으로써 농촌경제에도 크게 이바지할 것으로 보인다. 이 시점에서 분뇨 및 유기물을 많이 포함된 폐수를 처리하기 위해 보다 효율적인 최적조건과 장치가 요구되고 있다. 이를 해결하기 위해 분뇨 및 유기물을 많이 포함된 폐수를 미생물의 작용에 의하여 분해시키는 활성슬러지법[1,2]이 널리 사용되고 있다. 재래식 활성슬러지법이 갖고 있는 여러 제약[3]을 개선하기 위하여 순산소 공법(pure oxygen activated sludge system)이 개발되어 사용되고 있으며 기존의 활성슬러지법에 비하여 반응속도를 증가시킬 수 있고 잉여 슬러지 생산량을 감소시킬 수 있으나 산소공급에 따른 비용이 많이 들고 비용에 따른 pH감소 등의 많은 문제점을 갖고 있다[4]. Medronho등[2]은 활성슬러지법에서 온도에 대한 영향을 연구하였으나 용존산소의 농도가 높은 상태에서 호기성 소화에 의한 분뇨의 처리과정에 대한 연구는 거의 수행되지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 분뇨를 효과적으로 소화하기 위한 폭기조로써 기포탑[5∼7]을 도입하여 기체의 속도, 분뇨의 희석배율 및 소화도의 측정방법에 따라 가스홀드엎과의 상관관계를 구명하고 나아가 분뇨처리에 적합한 폭기조의 설계를 위한 기초 자료를 얻고자 한다.

이론

기포탑 내의 분뇨용액은 폭기시간에 따라 표면장력은 증가하고 BOD는 감소하게 된다. 반응을 시작하기 전의 시료용액의 표면장력(□0), BOD(BOD0) 및 COD(COD0)를 측정하고 일정한 시간 반응시킨 시료의 표면장력(□s), BOD(BODT) 및 COD(CODT)를 각각 측정하여 (1)식에 의하여 표면장력에 의한 소화도(□□)를

[eqn: eta _□ ~=~{□_s -□_0}over{□_w -□_0} TIMES100]                    (1)

그리고 (2)식에 의하여 BOD에 의한 소화도(□BOD)를

[eqn: eta _BOD ~=~{(BOD)_0 -(BOD)_T}over{(BOD)_0} TIMES 100]          (2)

(3)식에 의하여 COD에 의한 소화도(□COD)를 계산하였으며

[eqn: eta _COD ~=~{(COD)_0 -(COD)_T}over{(COD)_0} TIMES 100]          (3)

기포탑의 평균 가스홀드엎(□)[9,10]은 공기를 불어넣었을 때 액의 높이 HF와 정지 시의 액의 높이HL을 측정하여 (4)식에 의해 계산하였다.

[eqn: varphi ~=~{H_F -H_L}over{H_F} TIMES 100]                      (4)

실험

기초실험 및 분뇨의 합성실험에 사용된 분석시약은 일본 Wako회사의 특급시약을 사용하였다. 생분뇨는 부산광역시 사상구 감전동 소재 분뇨 처리장에서 채취하고, 이를 파쇄하여 시료로 사용하였다.

BOD, Cl-량, 대장균수(□당), 비중, 침사량(v/v%), 증발잔사 및 열적 감량(%) 등은 공해공정시험법[8]에 따랐으며 COD는 과망간산칼륨(KMnO4)을 산화제로 사용하여 측정하였다.

분뇨용액의 소화실험은 Fig. 1과 같은 기포탑형 반응기내에 일정비율로 희석시킨 시료용액 800(□)와 10(℃)이하로 보관된 슬러지를 일정량 넣고 28∼30(℃)에서 공기 유속을 0.76∼2.3(□/sec) 범위에서 실험하였다. 기포탑 내로 공기를 일정한 속도로 유입시키면서 1시간마다 시료용액의 표면장력과 밀도를 6시간마다 일정량의 시료를 채취하여 BOD를 측정하였으며, 소화정도에 따른 미생물의 활동상황은 현미경으로 관찰하였다.

결과 및 고찰

⑴ 측정방법에 따른 소화도

표면장력법에 의한 소화도는 소화시간과 희석배율이 증가함에 따라 소화도는 증가하였다. 희석배율이 10배인 경우 가장 빠른 시간인 18시간에서 소화도가 거의 완료된 것으로 나타났다. BOD법에 의한 소화도는 표면장력에 의한 측정방법과 유사하게 소화시간에 따른 소화도가 커지는 것으로 나타났다. COD법에 의한 소화도는 희석배율이 10배인 경우, 가장 크게 나타났으며 표면장력법이나 BOD법과는 다르게 나타났다. Fig. 2는 소화시간과 희석배율이 증가함에 따라 소화도는 증가하였다. 소화시간에 따른 소화도를 표면장력법, BOD법 및 COD법에 따라 나타낸 것으로 표면장력법과 BOD법은 유사하게 나타났으나, COD법은 낮게 나타났다.

⑵ 소화시간에 따른 가스홀드엎

표면장력법에서의 가스홀드엎은 희석배율이 10배인 경우, 소화도가 빠르게 진행되는 6∼18시간에서는 가스홀드엎이 크게 나타났으나 소화가 거의 완료된 24시간 이후는 급격히 가스홀드엎이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 가스홀드엎이 크면 소화의 속도가 커짐을 알 수 있었으며, 특히 희석배율이 큰 10배의 경우 소화시간이 6∼18시간에서 소화도가 가장 효율적으로 크게 나타났다. 그러나 희석배율이 7배인 경우, 소화도가 낮고 느리게 진행되기 때문에 소화가 완료되는 시점에 다소 가스홀드엎이 크게 나타났으며 이는 이점에서 소화도가 다소 빠르게 이루어짐을 알 수 있다.  BOD법에서의 가스홀드엎은 표면장력법과 유사한 관계로 나타났으나 단지 희석배율이 10배인 경우, 소화시간구간이 6∼12시간에서만 가스홀드엎이 큰 것으로 나타났다. 이는 표면장력법이 소화측정에 보다 정밀함에 기인한다. COD법에서의 가스홀드엎은 소화도가 큰 희석배율이 10배인 경우, 가스홀드엎이 크게 나타났으며 또한 소화시간에 따른 가스홀드엎은 10배인 경우, 소화가 완료되는 시간 근처에서 가스홀드엎이 급격히 낮게 나타났으나 7배인 경우, 소화속도가 낮아 가스홀드엎이 낮으면서도 거의 변화가 없는 것으로 나타났다. Fig. 3은 표면장력법, BOD법 및 COD법에 의한 가스홀드엎의 변화를 나타낸 것으로 희석배율이 10배일 경우, 소화도가 효율적으로 진행되는 6∼18시간에서는 3가지 방법 모두가 가스홀드엎이 크게 나타났으며 소화가 거의 완료된 24시간 이후에는 가스홀드엎이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 특히 표면장력법이 가스홀드엎이 크게 나타났다.

⑶ 가스홀드엎과 소화도와의 상관관계

Fig. 4에서처럼 표면장력법에서 소화도에 따른 가스홀드엎은 희석배율이 크면 가스홀드엎은 크게 나타났으며 이는 10배인 경우, 7배보다 소화도가 크며 활발하게 진행되는데 연유된다. 그리고 희석배율 10배인 경우, 소화도 60∼90%에서 가스홀드엎이 크게 나타났으나 소화가 완료되는 90%이후 급격히 감소했으며, 희석배율 7배인 경우 소화 속도가 낮아서 가스홀드엎이 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. Fig. 5에서 보는바와 같이 BOD법에서의 소화도에 따른 가스홀드엎은 표면장력법과 거의 유사한 경향을 보였으며 다만 희석배율이 7배인 경우 소화가 완결되는 근처에서 가스홀드엎이 다소 낮아지는 경향으로 나타났다.

표면장력법이나 BOD법은 소화도가 희석배율이 10배인 경우 60∼90%에서는 가스홀드엎이 크며 소화가 완결되는 90%이후 급격히 감소한다. 그러나 희석배율이 7배인 경우 소화되는 시간이나 소화도에 관계없이 일정한 것으로 나타났다. 그러나 COD법은 희석배율 10배인 경우 소화도 40%이후 계속 감소하는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Tebbutt, T. H. Y. and Paraskevopoulos, A. G.: Environmental Technology

Letters, 2, 293∼302(1981)

2. Medronho, R. A. and Russo, C.: Environmental Technology Letters, 4, 1∼

8(1983)

3. 金 熙正, 金 秀生, 糞尿·下廢水汚泥의 處理: 産業公害硏究所,서울,(1977)

4.. Ramalho, R. S.: Introduction to Wastewater treatment Processes, 2nd ed.,

Academic Press. New York(1983)

5. Guy, C., Carreau, P. J. and Paris, J.: The Can. J. of Chem. Eng., 64, 23∼

35(1986)

6. Kawase, Y. and Moo-Young, M.: Chem. Eng. Sci., 42 (8), 1966∼1977(1986)

7. Yun, Y. W., Han, S. W. and Kim, S. Y.: J. of KIChE., 31 (4), 403∼408

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8. Greenberg, A. E., Trussell, R. R. and Clesceri. L.S.,"Standard Methods for

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DC(1989)

9. Koide, K., Shibata, K., Ito, H., Kim, S. Y. and Ohtaguchi, K.: J. of Chem.

Eng. of Jap., 25 (1), 11∼16(1992)

10. Koide, K., Takazawa, A., Komura, M. and Matsunaga, H.: J. of Chem.

Eng. Jap., 17 (5), 459∼466(1984)

1. Air compressor	5. Perforated plate
2. Preheater	6. Thermometer
3. Water absorber	7. Column reactor
4. Flow meter

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

Fig.2	Degree of digestion vs. t at different method. (□=5.1×10-3,□=10, ash=0/0, UG=1.378□/s)	Fig.3	Gas holdup vs. t at different digestion method. (□=5.1×10-3,□=10, ash=0/0, UG=1.378□/s)

Fig.4	Gas holdup vs. surface tension method according to the ratio of dilution.	Fig.5	Gas holdup vs. BOD method according to the ratio of dilution.