혼합플라스틱과 무기폐기물을 이용한 접촉여재의 개발

손상우, 이재록, 김백선, 배재흠, 김정호, 황인국, 김형태*

수원대학교 화학공학과, 폐기물 자원화 연구소*

Development of Media Using Mixed Polymer and Waste

Inorganic Materials

Sang-Woo Son, Jae-Rok Lee, Back-Sun Kim, Jae-Heum Bae

Jeong-Ho Kim, In-Gook Hwang, Hyung-Tae Kim*

Department of Chemical Engineering, Waste Recycling Institute*,

The University of Suwon.

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서론

활성슬러지 공정(activated sludge process)은 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 대표적인 생물학적 폐수 처리 시스템이다1). 그러나 슬러지 벌킹이나 미생물의 대사산물에 의한 용해성 유기 탄소의 유출수내 존재는 이 공정의 효율을 저하시키는 가장 큰 문제점이라 할 수 있다. 이러한 활성슬러지 공정의 문제점을 개선하기 위하여 많은 새로운 공정이 개발 응용되고 있는데 그 중 근래 각광을 받고 있는 공정이 생물막공법(biofilm process)이다2). 이 공정은 활성슬러지 공정에서의 부유상태의 미생물에 의한 처리법과 달리 접촉여재(contacting media)에 부착된 미생물에 의해 오염물질을 분해 제거 시키는 것이다3). 따라서 생물막 공법은 수량, pH, 온도 등의 조건변화에 대한 내성범위가 넓고 미생물 및 활성이 높다. 또한 생물막내에 존재할 원생동물과 윤충류 등과 같은 미소 후생동물이 세균 및 다른 미생물들을 포식해 증식함으로써 생물막의 과도한 성장을 제어하며, 생물막 내부에서의 내생 호흡에 의한 자기산화율 증가로 인하여 잉여 슬러지의 발생량이 적다는 등 많은 장점을 가지고 있어 하·폐수의 유기물 및 질소, 인 제거에 활용되고 있는 것이다. 따라서, 본 연구에서는 생물막공법에 활용하기 위한 접촉여재를 개발하여 하·폐수 중의 유기물질 제거 성능을 평가하고자 하였다. 접촉여재로는 발생량이 급증하지만 아직까지도 이의 재활용이 적절히 이루어지고 있지 않는 폐플라스틱을 주성분으로 하고 산업슬러지, 활성탄, 적니, 상용화제를 첨가하여 제조하였다5). 제조된 접촉여재는 상용화되고 있는 접촉여재와의 COD 제거효율을 비교하는 실험을 수행하였다.

실험

1. 재료

LDPE와 HDPE는 한화에서 제조한 5301과 6390을 사용하였으며 PP와 PS는 SK와 미원에서 제조한 것을 사용하였다. ABS는 LG의 HI-100을 사용하였으며 EPR과 SBS는 금호화학에서 제조한 것을 사용하였다. 슬러지는 천양제지에서 나오는 폐슬러지를 사용하였다. 적니와 활성탄은 각각 (주)한국종합화학, (주)한일그린텍에서 발생하는 폐기물을 사용하였다.

2. 접촉여재 제조 및 입수

LDPE/HDPE/PP/PS/ABS를 25/25/25/20/5의 중량비로 혼합한 혼합플라스틱에 상용화제인 EPR과 SBS 그리고 무기물인 슬러지, 적니, 활성탄을 첨가혼합하여 single screw extruder에서 melt blending하였다4). 이때 die 부분의 모양을 변화시켜 접촉여재의 형태를 변화시켰고 가공온도는 200℃에서 300℃의 압출온도로 가공하여 접촉여재를 제조하였다. 접촉여재의 제조 방법은 Fig. 1에 나타내었다.또한 본 연구에서는 제조된 접촉여재와의 성능비교를 위하여 A사에서 sponge형, B사에서 lace형, C사에서 pall ring형의 접촉여재를 입수하였다.

3. 성능실험

접촉여재에 미생물을 부착시키는 순치실험은 20L의 용기에 환경사업소의 반송슬러지(MLSS : 4100□/□)를 14L를 채우고 본 연구에서 제조한 접촉여재와 상용화 접촉여재를 충전 한 후 소형 펌프를 이용하여 DO 농도를 4□/□이상으로 유지시키면서 14일 동안 수행하였다. 이때 최종 순치일의 결정을 접촉여재에 부착된 미생물의 양을 기준으로 하였다. 접촉여재에 부착된 미생물의 양은 7일 후 부터 함수율을 고려하여 무게를 측정하였다. 순치실험이 끝난 14일 후 부터는 아크릴로 제작하여 만든 회분식 반응기에 환경사업소의 하천유입수(초기 COD농도 : 236□/□)를 사용하여 Fig. 2와 같은 설비를 이용한 회분식 실험을 진행하였다.

순치실험에서 미생물을 부착시킨 여재를 회분식 반응기안에 충전시키고 각 회분식 반응기 당 소형펌프 1개를 이용 DO를 주입시켰다. 그 반응기 안에 하천 유입수 2L를 투입시키고 각 시간의 변화에 다른 COD 제거효율을 측정하였다.

결과 및 토론

본 실험에서는 혼합플라스틱(LDPE/HDPE/PP/PS/ABS)을 25/25/25/20/5의 비율로 적니와 활성탄, 슬러지를 첨가하여 형태를 cylinder type과 plate type으로  변형시켜 여재를 만든 후 COD 제거효율 실험을 진행하였다.

cylinder type 접촉여재의 경우 Fig. 3에 나타나는 바와 같이 활성탄을 첨가물로 하였을 때 50%정도의 COD 제거효율을 나타냈고, 적니와 슬러지를 첨가물로 하였을 때도 거의 비슷한 51%정도의 COD 제거효율을 나타냈다.

plate type 접촉여재의 경우 Fig. 4에서 보듯이 슬러지를 첨가물로 하였을 때가 약간 높지만 거의 50%정도의 COD 제거효율을 나타냈다. 그러나 Fig. 5에서 나타나는 바와 같이 여재를 plate type으로 제조하고 슬러지와 적니, 활성탄을 모두 첨가물로 첨가 하여 주었을 때가 55%정도의 COD 제거효율을 나타냈다. 또한 시판되고 있는 상용여재와의 성능 비교 실험 결과는 Fig. 6에서 보는 바와 같이 혼합플라스틱에 첨가물을 첨가한 자체 생산 접촉여재가 sponge type의 접촉여재 보다는 다소 낮은 COD 제거효율을 보여주었지만 lace type과 pall type 보다는 다소 우수한 COD 제거효율을 나타내고 냈다.

이상의 실험결과에서 cylinder type 보다는 plate type의 접촉여재가 미생물 부착이나 COD 제거효율이 좋은 것으로 보이고 또한 슬러지와 적니, 활성탄을 혼합플라스틱과 상용화제를 같이 혼합하였을 때 여재의 물성과 COD 제거효율도 55%정도로 유기물질을 분해시키는데 더욱 우수한 것으로 나타나 앞으로는 첨가물의 조성 변화를 통해 최적의 조건을 확립할 계획이다. 또한 시험운전에서는 6시간 까지는 COD 분해가 빠르게 진행되는 반면 그 이후 부터는 서서히 분해되는 것을 보았을 때 실제 시험 조작에서의 HRT 시간을 6시간 이하로 줄여야 할 것으로 판단된다.

감사

본 연구는 산업폐기물 재활용 사업단의 연구비 지원에 의해서 수행되었으며 이에 감사의 뜻을 표합니다.

참고문헌

1. 박영식, 김동석, 안갑환, 서근학, 송승구, “산업폐수 처리를 위한 호기성 생물     막 반응기의 연구” 대한환경공학회지, pp. 821∼828 (1993).

2. 박영식, “하·폐수 처리를 위한 미생물 부착과 생물막 성장 특성” 부산대     학교 (1998).

3. Costerton, J. W., Irving, R. T., and Cheng K. J., “Bacterial surface           sructures in path-ogenesis,” Brit. Rev. Microbic., pp. 303∼338 (1981).

4. 류돈식, 권상숙, 이해승, 이찬기, “폐플라스틱의 연속식 열분해”대한환경공학     회지, 23(2) pp. 207∼216 (2001).

5. 폐플라스틱 유동층 열분해 실험, 에너지기술연구소 (1995).

Fig. 1. Schematic diagram for manufacture of contacting media.

Fig. 2. Schematic diagram of batch biological experiment.

Fig. 3. Effect of COD removal of cylinder type media depending on kinds of inorganic materials added as a function of testing time.	Fig. 4. Effect of COD removal of plate type media depending on kinds of inorganic materials added as a function of testing time.

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Fig. 5. Effect of COD removal of media with sludge as a function of testing time.	Fig. 6. Comparison of COD removal curves of commercial media and manufactured media in this work.