쇄석과 코팅쇄석을 충전한 생물막 반응기의 유기물 제거에 관한 연구

박영식, 조문철, 이상화, 안갑환*

서봉리사이클링(주), 부산가톨릭대학교 산업환경시스템학부*

Oraganic Treatment using Biofilm Reactor packed with Rubble and

Rubble coated with Perlite

Young-Seek Park, Moon-Chul Cho, Sang-Hwa Lee, *Kab-Hwan Ahn

Seobong Recycling, Co., Ltd.

*School of Ind. Hygiene & Environ. System Eng., Catholic University of Pusan

서론

급속한 산업화와 공업화에 따라 생활용수 및 공업용수의 사용량이 증가하고 있으며, 이로 인해 발생되는 각종 하·폐수의 방류량 또한 증가하고 있다. 이들 하·폐수는 적절하게 처리되어 하천으로 방류되어야 하지만 실제로는 그렇지 못해 하천이나 호수의 오염이 날로 심각해져 가고 있다. 특히 일상생활에서 배출되는 생활오수는 전국 하·폐수 발생량의 약 68%로 가장 많이 배출되고 있으며, 부하량에 있어서도 전국 부하 발생량의 약 48%로 많은 비중을 차지하고 있는 실정이다(1).

최근 정부에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 표준 활성 슬러지법, 장기폭기법 및 접촉폭기법 등을 이용한 대형 하수종말처리장을 건설하고 있다. 그러나 이러한 공법들은 일정한 하수량의 유입을 전제로 하고 설치비용이 많이 소요되며 운전 및 유지·관리가 어렵기 때문에 농어촌 지역, 군부대 및 소하천 등의 소규모 하수 배출 지역에서는 적용이 곤란하다(1). 따라서 이들 소규모 배출 지역에서는 지역규모에 맞고 건설비가 저렴하며 유지관리가 용이한 하수 처리시설의 필요성이 제기되고 있는데, 최근에는 이러한 목적으로 미나리나 갈대 등의 식생대를 이용하거나 자갈 등의 접촉 여재에 미생물을 부착시킨 고정 생물막 반응기를 이용한 수질 정화에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다(2,3).

그 중에서 자갈층 접촉산화법은 1970년대 말 일본에서 개발을 시작한 공법으로 1993년 현재 약 40개소가 가동 또는 설계 중인 것으로 알려지고 있다(4).

우리나라의 경우 안양의 학의천, 서울의 양재천, 창원의 토월천, 가음정천 등에 설치되어 있으며, 100 ∼ 250mm 크기의 자갈, 쇄석, 폐콘크리트 및 폐타이어 조각을 담체로 많이 사용하고 있는데, 자갈의 경우 담체의 표면이 매끄럽고, 폐콘크리트의 경우 폐콘크리트에서 용출되는 알칼리도에 의해 운전 후 4일 동안은 pH가 9로 유지되어 미생물의 초기 부착이 잘 되지 않아 반응기의 start-up이 느려지는 단점이 있다(5).

따라서 본 연구에서는 미생물을 빠르게 부착시키고 부착량을 증가시키기 위하여 쇄석 담체를 펄라이트로 코팅하여 담체의 코팅에 따른 TCOD 처리율, 유출수 탁도, 폐슬러지 배출량 및 반응기내 미생물 농도를 고찰하여 담체 코팅의 가능성을 비교하여 보았다.

2. 실험

실험장치

실험에 사용한 장치는 1.4L 규모의 상향류식 고정생물막 반응기이며, 쇄석 1980.8g과 코팅쇄석 1633.1g을 두 개의 반응기에 각각 충전하였다. 실험 폐수는 glucose를 주원료로 한 합성 오수이며, 유기물 부하율을 0.32kgCOD/m3.day와 0.63kgCOD/m3.day로 변화시키면서 실험하였다.

S하수처리장의 반송슬러지를 4300mg/L로 농축하여 seeding하였으며, 반응기의 체류시간은 5시간으로 조절하여 합성오수를 유입하였다. 산소는 blower를 사용하여 유공판 상부에 부착된 산기관을 통해 공급하였다.

실험에 사용한 담체

평균 지름이 23.07mm인 쇄석을 고분자 접착제를 사용하여 표면을 코팅하고 입경이 3mm이하인 펄라이트를 접착제가 코팅된 표면에 뿌려 하루동안 건조시켜 코팅 쇄석을 제조하였다.

분석방법

유입수와 유출수를 채취하여 분석하였다. 각 항목별 실험은 Standard Methods6)에 준하여 수행하였다.

3. 결과 및 고찰

코팅에 따른 쇄석 담체의 물리적 변화

코팅된 쇄석의 평균입경은 23.97mm로 입경이 23.07mm인 쇄석에 비해 약 0.9mm증가하였으며, 동일 부피로 충전하였을 때 충전량은 쇄석의 경우 1980.8g, 코팅 쇄석의  경우 1633.1g로서 코팅 쇄석이 17.6% 작게 충전되었다. 쇄석을 반응기에 충전하였을 때 반응기 공극율은 46.0%, 코팅쇄석을 반응기에 충전한 경우는 48.6%로 코팅으로 인해 2.6%의 공극율이 증가하였다.

Fig. 1에 쇄석(a)과 펄라이트로 코팅한 쇄석 담체(b)의 표면을 사진촬영하여 나타내었다. Fig. 1에서 보이듯이 쇄석 담체는 자갈보다는 표면이 거칠지만 미생물이 부착되기 어려운 표면을 가지고 있으며, 코팅 쇄석 담체는 펄라이트 코팅으로 인해 쇄석의 표면이 거칠게 변하였으며, 미생물이 유체나 공기기포에 생기는 전단응력으로 피할 수 있는 피난처가 많이 생긴 것을 알 수 있었다(7).

(a) rubble             (b) rubble coated with perlite

Fig. 1. Photographs of rubble and coated rubble.

생물막 형성

Seeding 후 두 반응기에서 슬러지가 담체와 담체 사이의 공극에 끼이기 시작하였으며, 반응기 하부로 갈수록 끼이는 양이 많아졌다. Seeding 후 2시간이 지나면서 코팅한 쇄석은 담체 표면의 펄라이트에 미생물이 부착되기 시작하였다. 15일이 지난 후 반응기를 관찰한 결과 쇄석 담체를 충전한 반응기에 존재하는 미생물의 대부분은 담체와 담체사이에 끼어 있는 것으로 확인되었다. 그러나 펄라이트로 코팅된 쇄석이 충전된 반응기는 담체 표면에 미생물이 부착되어 성장하고 있는 것이 관찰되었다. 반응기 상부에서 담체를 채취하여 사진을 촬영하여 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 (a)에 나타내었듯이 쇄석 담체에는 미생물이 일부에만 부착되어 있었으며, 관찰을 위해 담체를 채취하였을 때 부착된 미생물이 담체로부터 쉽게 탈리되었다. 쇄석을 펄라이트로 코팅하였을 때는 Fig. 2 (b)에서와 같이 미생물이 담

(a) rubble             (b) rubble coated with perlite

Fig.2. Photographs of rubble and coated rubble after 15 days.

체 표면에 두껍게 부착되어 있는 것이 관찰되었으며 쉽게 탈리되지 않았다. 이것으로 보아 담체 표면을 펄라이트와 같이 거친 입자로 코팅하는 것은 미생물이 부착되기 좋은 표면거칠기를 제공한다는 것을 알 수 있었다.

유출수 COD 비교

쇄석 담체와 코팅 쇄석 담체가 충전된 반응기 유출수의 COD를 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. 쇄석이 충전된 반응기는 유입수의 농도가 66mg/L일 때 유출수의 농도는 9.2 ∼ 14mg/L, 코팅쇄석이 충전된 담체의 유출수 농도는 5.6 ∼ 8.5mg/L로 나타나 3.6  ∼ 5.5mg/L의 농도차이를 보였다. COD 제거율은 쇄석 담체의 경우 78.6 ∼ 86.1%, 코팅쇄석 담체는 87.3 ∼ 91.5%로 나타나 5.4 ∼ 8.7%의 제거율 차이를 보였다.

유입수의 농도가 132mg/L로 증가하였을 때 부하변동에 따른 유출수 변동을 고찰한 결과 쇄석 담체 반응기의 유출수는 13mg/L에서 23mg/L까지 증가하였으나, 코팅 쇄석 담체의 유출수는 7.4mg/L에서 14mg/L까지 증가하므로 부하변동에 따른 증가폭이 적어 코팅 쇄석 담체가 쇄석 담체보다 부하변동에도 유출수의 수질을 비교적 안정적으로 유지할 수 있다고 판단되었다. 정상상태에서 유출수 수질은 쇄석 담체 반응기는 19mg/L, 코팅 쇄석 담체 반응기는 13 ∼ 14mg/L로 나타나 평균 3 ∼ 4mg/L의 차이를 나타내었다. 제거율은 각각 85.6%, 89.4%로 나타났으며, 제거율 차이는 3.8%정도였다. 상기의 결과로 볼 때 쇄석을 코팅할 경우 COD 제거율 차이는 대략 4% ∼ 9%정도로 나타났다.

반응기내 폐 슬러지 양 비교

반응기 하부에 축적되어 있는 폐 슬러지를 정기적으로 배출하여 그 부피와 농도로서 폐 슬러지 양을 산출하여 Fig. 4에 나타내었다. 쇄석 담체를 충전한 반응기는 408mg ∼ 870mg이 발생하였으며, 코팅 쇄석 담체를 충전한 반응기는 190 ∼ 572mg이 발생하였다. 쇄석 담체가 충전된 반응기의 폐 슬러지 양은 코팅 쇄석 담체가 충전된 반응기의 폐 슬러지보다 1.5 ∼ 2.1배 많았다.

운전초기에 배출한 폐 슬러지 양이 많은 것은 반응기 하부에 축적된 seeding 슬러지를 배출하였기 때문이었다. 코팅 쇄석 담체를 충전한 반응기는 공극율이 쇄석 담체보다 2.6%높지만 반응기 하부에 축적되는 폐 슬러지 양이 적은 것은 초기에 seeding한 활성슬러지가 코팅한 펄라이트 때문에 담체와 담체 사이에 끼이기 쉽고, 담체에 부착되는 양이 많기 때문이라고 사료되었다.

반응기 내 미생물농도 비교

운전 완료 후 반응기 내 총 미생물 농도를 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 쇄석 담체가 충전된 반응기의 부유 미생물 농도는 599.9mg/L, 코팅 쇄석 담체 충전반응기는 938.6mg/L, 담체에 부착된 미생물 농도는 각각 1251.9mg/L, 1847.3mg/L이며, 전체 MLVSS농도는 각각 1858.8mg/L, 2785.9mg/L로 나타났다. 코팅 쇄석 담체와 쇄석 담체의 전체 미생물 농도 차이는 1.49배, 부유미생물 농도 차이는 1.56배, 부착미생물 농도 차이는 1.47배 차이가 부유 미생물과 부착 미생물은 담체를 코팅하였을 때 1.5배 정도 증가하는 것으로 나타났다.

쇄석을 코팅하는데 소요되는 비용이 담체 1m3당 3만원 정도(5cm쇄석 기준)이므로 쇄석과 자갈 등 접촉산화법에 많이 사용되는 담체를 코팅하여 충전할 경우 반응기의 start-up기간을 줄일 수 있고 처리효율의 향상을 기대할 수 있으며, 담체에 부착된 생물막으로 인해 갑작스런 부하변동에도 잘 대처할 수 있을 것으로 사료된다.

사사

본 연구는 1999년도 산업자원부의 산업기반 기술개발사업의 사업비로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. 환경부 : 환경백서, 348-358(1996)

2. 부산대학교 환경기술 산업개발연구센터 : 하·폐수의 질소·인 제거 신기술, 197-217(1996)

3. 이창한, 박영식, 안갑환 : 그물형태의 폴리프로필렌 여재를 충전한 고정생물막 반응기에서의 유기물 처리 및 유출수농도예측, 한국환경위생학회지, 25(1), 60-65(1999)

4. 한국건설기술연구원 : 국내 여건에 맞는 자연형 하천 공법의 개발, 제2단계 2차년도 연차보고서, 환경공학기술개발사업, 환경부, 297-308(1997)

5. 경남기업주식회사 : 자갈 및 폐자재(폐콘크리트, 폐타이어)를 이용한 하천수질 정화기술, 건설신기술, 건설교통부, 13-66(1996)

6. APHA, AWWA, WPCF. : Standard Method for the Examination of Water and Wastewater. 18th ed(1992)

7. 박영식 : 하.폐수 처리를 위한 미생물 부착과 생물막 성장 특성, 부산대학교, 박사학위논문(1998)