활성탄소섬유에 의한 축산폐수처리수의 재정제

송승필, 고경렬, 유승곤*

충남대학교 화학공학과

Repurification of treated livestock wastewater on

Activated Carbon fibers

S.P. Song, K.R. Ko, S.K. Ryu*

*Dept., of Chem. Eng., Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

서론

축산폐수는 응집침전이나 생물학적 처리 등의 공정을 실시하여 배출된다. 처리된 축산폐수에 유기물이 남아 있을 수 있으며, 이들 잔류하는 유기물을 공업적으로 제거하는 고도폐수처리는 활성탄(Activated Carbon, 이하 AC)을 이용한 흡착법이 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 그러나, 기존의 입상 혹은 분말 AC는  폐수처리량에 비해 사용량이 많고 흡착탑내에 압력손실이 발생하며, 사용한 AC는 점차 열화되어 그 자체가 폐기물이 되는 단점이 있다[1]. 활성탄소섬유(Activated Cabon fibers, 이하 ACF)는 단위질량당 비표면적이 높아 흡착용량이 크므로 소량으로도 대용량폐수를 처리할 수 있고, 미세공들만이 발달되어 있어 흡착속도가 빠르며, 충전탑내에 압력손실이 발생하지 않고, 취급이 용이하며, 재생하여 사용할 수 있는 장점이 있다[2]. 그러나, 현재까지 활성탄소섬유를 이용하여 축산폐수처리한 연구결과는 별로 발표되어 있지 않다. 따라서, 본 연구에서는 종말처리된 축산폐수에 잔류하는 유기물을 활성탄소섬유를 이용하여 완전히 제거함과 동시에 사용된 활성탄소섬유를 재생하여 사용할 수 있는 방법과 배출된 처리수를 재사용하는 공정을 개발하기 위하여 시도되었다.

실험

실험에 사용한 재료는 직경 17~18□의 레이온계 ACF(Japan Toyobo Inc. KF-15)로 비표면적이 1500m2/g이며 4~5□길이로 짧게 절단한 것이다. 흡착성능을 비교하기 위하여 입상 AC(4×10mesh, 1000~1100m2/g, Calgon, USA)을 사용하였다. 실험에 쓰인 처리수는 충남 OO에 위치한 축산폐수처리장에서 종말처리 후 배출되는 것으로서 혼합 유기물의 함량은 자외선분광기(Shimadzu model UV-2401PC)로 흡광도를 측정하여 환산하였다. 측정파장은 먼저 250~600nm 범위에서 흡광도를 검토한 후 peak를 보이는 286nm를 선정하였다. 표정곡선은 원수의 농도를 기준으로 하고 몇차례 희석하면서 흡광도와 농도와의 관계를 구하여 결정하였고, 흡착실험이 끝난 유출수의 함량을 표정곡선에 의거 환산하였다.

흡착실험은 Fig. 1과 같이 내경 3cm 길이 20cm의 유리관 내부에 일정량의 ACF를 충전한 후에 일정온도를 유지하면서 처리수를 100□/min, 200□/min의 유속으로 통과시키고 주기적으로 배출액을 채취하여 농도를 측정하였다.

ACF의 재생실험은 1차 흡착실험을 완료한 ACF를 증류수로 세척한 후 공기분위기 고온로에서 300℃, 30분동안 정치시킨 것을 사용하였다. Table 1에 실험조건을 정리하였다

결과 및 고찰

Fig. 2는 파장 286nm로 고정시키고, 처리수 농도를 2배씩 희석하면서 흡광도를 측정한 결과로써 농도와 흡광도의 관계는 그림과 같이 직선 관계식로 보였다.

Fig. 3는 20g의 ACF를 충전밀도 0.16g/□으로 충전하고, 처리수를 100□/min로 통과시킬때의 유출수의 파과곡선을 측정한 결과이다. ACF의 능력을 비교하기 위하여 같은 양의 AC를 충전하고 같은 유속으로 실험한 파과곡선을 함께 도식하였다. 그림에서 파과점을 0.1로 정하면 ACF는 116분, AC은 50분의 파과시간을 보였다. 이처럼 처리수를 많이 정제하는 것은 ACF의 비표면적이 AC보다 400~500m2/g정도 크며, ACF의 기공 분포가 미세공이 대부분이고, 또한, ACF의 기공이 섬유표면에 위치하기 때문으로 판단된다[3-4]. 또한 ACF 는 파과점에 이른후 파과곡선이 급격히 상승함으로서 좁은 물질 전달 지역(narrow mass-transfer zone)을 소유하고 있음도 알 수 있다.

Fig. 4는 ACF를 유리관 내부에 충전밀도 0.16g/□으로 넣고, 흡착용액의 유량을 200□/min으로 투입하여 실험한 것과 이렇게 실험이 수행된 후의 ACF를 뜨거운 물로 세척한 후 공기분위기 고온로에서 300℃, 30분간 탈착을 시키고 이를 다시  충진밀도 0.16g/□으로 충전한 다음 같은 조건으로 파과실험을 실시한 결과이다. 그림에서 파과점을 0.1로 정하였을 경우에 초기의 ACF의 경우는 58분이었고, 재생한 ACF의 경우는 38분으로 65.5%의 재생율이 나왔는데, 이로써 ACF가 재생성이 높은 흡착제라는 것을 확인할 수 있었다. 송[5] 등이 발표했던 ACF cartridge filter를 이용한 수중의 잔류염소의 흡·탈착거동에서도 ACF로만 제조한 휠터가 ACF와 AC를 무게비 1:1로 섞어 만든 휠터보다 재생율이 높았다는 실험결과와 일치하였다.

Table 2은 흡착실험 전 처리수와 흡착실험후 4, 8시간후 유출된 정제수의 성분을 분석한 결과이다. 표로부터 COD가 8시간까지 76% 이상 감소하고 황갈색이 맑은색으로 변하므로 ACF 가 유기물을 잘 흡착 제거하고 있음을 알 수 있다. 그러나, NH4-N과 NO3-N는 실험초기에는 제거되었다가 점차 포화흡착에 이르어서 배출되는 경향을 보이므로서 ACF가 질산염계열의 오염물 제거에는 다소 미흡함을 보이고 있다.

결론

축산폐수처리수를 ACF로 다시 처리하면 COD 가 76% 감소하고 황갈색이 맑은 색으로 변하였다. 그러나 질산염 계열의 완전한 처리를 위하여는 ACF의 표면처리가 요망된다.

축산폐수처리수를 정제하는 파과곡선측정실험에서 ACF의 파과점은 116분이었으며, 비교 실험한 AC은 50분이었다. ACF는 긴 파과시간과 좁은 물질전달지역을 보이고 있어서 충전탑에 의한 고도폐수처리에 효과적으로 적용 될 수 있다. 또한, 재생한 ACF가 사용한 새것의 66%에 이르는 흡착능력을 보인 것은 이 흡착제가 흡착공정시스템에서 흡·탈착 연속 cycling 이 가능함을 시사하고 있다.

참고문헌

1. Shim, J.W., Jung, H.H., Jung C.H., Oh, W.Z. and Ryu, S.K.: HWAHAK

KONGHAK, 35, 162(1997).

2. Brasquet, C., and Cloirec, P.L. : Carbon, 35, 1307(1997).

3. Kim, Y.O., Ko, K.R., Park, Y.T., Ryu, S.K. : HWAHAK KONGHAK,

30, 347(1992).

4. Song, S.P. : M.S Thesis, C.N.U., Taejon, Korea(2000).

5. Song, S.P., Jo, K.H., Lee, J.K., Ryu, S.K. : Proceedings of '99 KIChE Fall

Meeting, 2817(1999)

Table 1. experimental adsorption conditions in fixed bed

	충진밀도(g/□)	투입 유량(□/min)	파과시간(min)
ACF FT-15	0.16	100	116
AC CA 4/10	0.33	100	50
ACF FT-15	0.16	200	58
재생 ACF FT-15	0.16	200	38

Fig. 1. Scematic diagram of the experimental apparatus.

1. Reservoir	4. Thermostat

2. Peristaltic pump   5. UV Spectrometer

3. Fixed bed	6. Drain

Fig. 2.   Calibration curve of livestock wastewater at □286nm.

Fig. 3.   Breakthrough curves of livestock wastewater on

ACF and AC at flowrate 100□/min.

Fig. 4.   Breakthrough curves of livestock wastewater on ACF

and R-ACF(regenerated) at flowrate 200□/min.

Table 2. Concentration analysis of treated livestock wastewater after

in fixed bed ACF colume.

	pH	TDS	COD	NH4-N	NO3-N
		(□/□)
원수	7.15	1780	190	28.2	8.10
처리수(4시간)	7.06	1670	45	18.5	5.9
처리수(8시간)	7.18	1730	46	25.5	7.4