중수도 제어기법으로서의 폐타이어 담체를 충전한 유동상 바이오필터

임광희, 이은주, 민경석*

대구대학교 화학공학과, 경북대학교 환경공학과*

Fluidized Biofilter Using the Media from Waste-Tire-Powder

for the Control of Dual Water System

Kwang-Hee Lim, Eun Ju Lee, Kyung-Sok Min*

Dept. of Chemical Engineering, Taegu University

*Dept. of Environmental Engineering, Kyungpook National University

1. 서론

앞으로 예상되는 물부족 현상에 대비하기 위해서는 단순히 대형 빌딩이나 공장 위주의 중수도 시설의 설치운영의 차원을 넘어 대규모 하·폐수 처리장의 유출수를 방류할 것이 아니라 재사용하는 중수도 시스템의 개발이 요망된다.  본 연구에서는 기존의 하·폐수 처리장에서 방류되는 1차 혹은 2차처리 방류수 또는 원폐수 자체를 재생하여 재사용할 수 있는 다양한 중수도 시스템을 개발하고자 중수도수 제어 시스템을 생물학적공정, 막분리공정과 흡착공정으로 나누어서 연구하였다.  중수도 수질 기준을 초과할 경우 생물막여상 공정을 이용하여 유기물 분해, 질산화, 탈질 및 여과 등을 통하여 중수도 처리를 할 수 있으며 또한 막분리 공정이 생물막여상 공정 후에 추가될 경우에 막의 오염을 방지할 수 있고 시스템의 안정성을 높일 수가 있어서 생물막 여상 공정은 생물학적 처리공정으로서 중수도 시스템 개발에 필요 불가결한 공정이다.

2. 실험

생물학적 공정의 연구방법으로서 표면에 분해미생물을 부착한 유동상 담체를 반응기내에 들어온 하수중의 오염물질과 접촉하여 오염물질을 분해하는 유동상식 바이오필터를 사용하였다.  한편 유동상 담체로서는 제올라이트를 혼합하여 제작한 폐타이어 담체를 사용하였다.  본 연구에 사용된 장치는 지름 5cm 길이 20cm의 아크릴관의 내부에 75%의 부피 비율로 제작한 폐타이어 담체를 충전하였다.  반응조 하부에 폭기장치를 설치한 뒤, 슬러지를 주입하여 유동상 반응조를 거쳐서 침전조에서 침전을 시킨 후에 반응조로 18mL/min의 유량을 반송을 시켜서 담체와의 적응기간 동안 유동상 담체의 표면에 미생물의 부착을 유도하였다.  반응조 내의 미생물은 인근 수질환경사업소의 반송슬러지를 이용하였고, 보다 실질적인 유동상 반응조의 운전을 위하여 실제 유입수의 성상을 적용하고 따라서 주기적으로 취수한 인근 수질환경사업소의 유입수를 주입하면서 운전하였다.  인근 수질환경사업소의 반송 슬러지반응조내 미생물과 담체와의 적응기간은 2주일로 하였으며, HRT는 8시간으로 하면서 유입수를 peristaltic pump(Masterflex, LC-07554-85)로 tygon관을 이용하여 반응조 내부로 주입하였다.  반응조 내에 산소를 공급하기 위하여 폭기량을 2L/min으로 설정하였다.  또한 반응조의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 반응조 외부에 tygon관을 말아서 붙인 water jacket을 설치한 후에 water recirculator(JEIO Tech., RBC-20)를 사용하여 일정한 온도의 utility water를 일정한 유량으로 순환시켰다.  미생물의 활성을 고려하여서 water jacket을 순환하는 순환수의 온도는 미생물의 활성을 고려하여서 30□로 설정하였다.

폐타이어 담체를 충전한 유동상 반응조의 유기오염물 및 질소 제거 효율을 나타내기 위하여 아래와 같은 유입수 및 처리수의 물리화학적 특성, CODCR, 암모니아성 질소, TKN 및 nitrite/nitrate 농도의 측정을 하였다.  생물막 여상 실험에 있어서 아래와 같은 모든 시료의 분석방법은 standard method[1] 및 수질환경오염 공정시험방법에 의하여 분석하였다.

(1) 유입수 및 처리수의 물리화학적 특성

유입수의 부유물질에 대한 반응조 내의 유동상 담체에 의한 여과 성능을 알기 위하여 유입수 및 처리수의 탁도 및 부유물질의 농도를 측정하였는데 탁도 측정을 위하여 탁도계(Hach, 2100N Turbidimeter)를 사용하였다.  또한 전기적 특성을 이용하여 TDS 및 전기전도도를 측정하였는데 전기전도계(Orion, Model 125)를 이용하였다.  유동상 반응조 내로 유입되는 유기물의 생물학적 분해 및 암모니아성 질소의 질산화에 필요한 산소가 충분히 공급되어 지는지를 확인하기 위하여 유입수 및 처리수의 용존산소를 DO 측정기(Istek, Model 215D)로 측정하였고, pH 측정은 pH meter(Jenco, Model 1671)을 사용하였다.

(2) COD 측정

유동상 반응조의 용존유기오염물 분해 성능을 측정하기 위하여 closed reflux, colorimetric method에 기준한 화학적 산소요구량을 유입수 및 처리수에 대하여 측정하였고 Hach사의 0-150ppm 및 Bioscience, Inc의 20-900ppm범위의 digestion용액을 사용하여 spectrophotometer(Hach, DR/2010)를 이용하여 처리수 및 유입수의 CODCR을 각각 측정하였다.

(3) 암모니아성 질소 측정

유기물 질소는 ammonification에 의하여 용존 암모니아성 질소로 되고 호기성 질산화균에 의하여 nitrite 및 nitate로 전환되고 무산소 조건에서 환원되어 탈질이 이루어지게 된다.  폐타이어 담체를 충전한 유동상 반응조의 질산화율을 측정하기 위하여 유입수와 처리수의 암모니아성 질소 농도를 수질환경오염 공정시험방법에 의하여 측정하였는데 spectrophotometer(Shimadzu, UV-1601PC)로 측정하였다.

(4) TKN 측정

유입수와 처리수의 유기물 질소와 암모니아성 질소의 합을 TKN의 값으로서 나타내는데 총질소의 합을 nitrite 및 nitrate의 양을 부가하여 나타내고 유동상 반응조에 의하여 유입수가 처리된 후의 탈질된 양을 구하기 위하여 TKN값을 구하였다.

(5) Nitrite 및 nitrate의 측정

Nitrite과 nitrate의 농도를 standard solution으로 calibration하여 ion chromatography(인성크로마텍, DX-120)를 이용하여 측정하였다.

2. 실험 결과 및 토의

(1) 유입수 및 처리수의 물리적 특성

유입수 및 처리수의 물리적 특성은 아래 Table 1과 같다.

Table 1

	Turbidity (NTU)	TDS (mg/L)	Electrical Conductivity (□S/cm)	SS (mg/L)	pH
유입수	18.3	437	910	44	6.77
처리수	4.87	351	733	6	6.82

폐타이어 담체를 충전한 유동상 반응조에서 처리되는 유입수 중의 SS는 86.4%가 제거되었으며 73.4%가 제거된 탁도의 제거율보다 약간 컸으나 비슷하였다.  이는 부유 유기고형물로 이루어진 SS가 유동상 반응조에서 담체 부착 미생물에 의한 생물학적 유기물분해와 담체으로의 흡착을 통하여 제거됨에 따라서 주로 부유 유기 고형물에 의하여 생기는 탁도가 따라서 감소했음을 알 수 있다.  처리수의 탁도는 5 NTU 이하로서 폐타이어담체를 충전한 유동상 반응조, 즉 생물막 여과공정만으로도 중수도 수질기준에 부합하였다.  반면에 전기전도도는 약 19.5%가 감소하였고 이 값은 TDS의 제거율인 약 19.7%와 거의 일치하였다.  한편 DO의 경우는 충분한 반응조 내부로의 폭기로 인하여 유동상 반응조 내부의 DO 농도를 2.0mg/L 이상으로 유지하여 반응조의 호기조건을 유지 할 수 있었다.

(2) COD 측정

유입수의 화학적 산소요구량이 유입유량의 변동으로 인하여 40-200ppm까지 변화하여도 처리수의 화학적 산소요구량(크롬)은 20ppm 이하를 유지하였다.

(3) 암모니아성 질소 측정

암모니아성 질소는 유입수의 경우 20-40ppm 정도이며 질산화 미생물에 의한 질산화가 활발히 이루어져서 0.1-0.5ppm 까지 도달하여서 암모니아성 질소의 제거율은 99.5%에 달하였다.  유입수의 평균 암모니아성 질소의 농도를 25ppm이라 가정하고 8시간의 HRT를 고려할 때에 단위시간당 3.13ppm의 질산화율을 보였는데 이 값은 약 8.0mgNH4+/L/hr의 VNR(volumetric nitrification removal rate) 값으로 환산되어진다.

(4) TKN 측정

유입수 및 처리수의 총질소량을 구하기 위하여 유기물 질소와 암모니아성 질소의 합으로 정의되는 TKN 값의 추세를 구하였는데 TKN 및 암모니아성 질소 값의 추세를 약 30ppm 및 25ppm으로 각각 평균하였을 때에 유기물 질소의 값은 약 5ppm으로서 TKN의 약 17%를 점유하였음을 알 수 있었다..

(5) Nitrite 및 nitrate의 측정

Nitrite과 nitrate의 농도를 ion chromatography(인성크로마텍, DX-120)를 이용하여 standard solution으로 calibration한 후에 측정하였고 분석결과를 NO2--N 및 NO3--N의 양으로 환산하여 각각 0 및 25.43ppm의 농도값을 구하였다.  동일한 시료의 TKN 분석을 하였을 때의 분석 값을 포함하여 총 질소량의 개념으로서 산출한 값은 Table 2와 같다.

Table 2

	TKN(ppm)	NO2--N(ppm)	NO3--N(ppm)	T-N(ppm)
유입수	45.24	0	0	45.24
유출수	0.84	0	25.43	26.27

위의 Table 2에서와 같이 유입수가 유동상 반응조에서 처리되어서 T-N의 값은 약 19ppm만큼 감소하였는데, 탈질은 무산소 조건에서 이루어진다고 알려져 있음에도 불구하고 반응조의 호기성 운전 조건에서도 약 42% 탈질이 이루어졌음을 알 수 있다.

3. 결론

폐타이어 담체를 충전한 유동상 반응조의 유기오염물 및 질소 제거 효율을 나타내기 위하여 유입수 및 처리수의 물리화학적 특성, CODCR, 암모니아성 질소, TKN 및 nitrite/nitrate 농도의 측정을 standard method 및 수질환경오염 공정시험방법에 따라서 수행하였다.  폐타이어담체를 충전한 유동상 반응조만으로 처리한 배출수의 탁도는 4.87NTU로서 중수도 수질기준을 만족시켰으며 유입수의 화학적 산소요구량이 유입유량의 변동으로 인하여 40-200ppm까지 변화하여도 배출수의 화학적 산소요구량은 20ppm 이하를 유지하였다.  또한 암모니아성이온의 질산화율을 측정함에 있어서 단위시간당 3.13ppm의 질산화율을 보였고 이것은 약 8.0mgNH4+/L/hr의 VNR(volumetric nitrification removal rate) 값을 제시하였다.  NO2--N, NO3--N의 농도 및 TKN 분석을 하였을 때의 값을 더한 총 질소량의 개념으로서 T-N의 값은 유입수가 유동상 반응조에서 처리되어 배출수의 경우 약 19ppm만큼 감소하였는데, 탈질은 무산소 조건에서 이루어진다고 알려져 있음에도 불구하고 반응조의 호기성 운전 조건에서도 약 42% 탈질이 이루어져서 향후 무산소조를 포함한 다단계 유동상 반응조를 설치하여 처리수의 일부를 무산소단계로 반송시켜서 탈질을 유도할 때에 탈질효과는 지금까지 개발된 탈질공정의 효율을 초과 달성하리라고 사료된다.

4. 참고문헌

1. APHA, AWWA, WEF(1995), Standard methods for the Examination of Water and Waste-water, 19th Ed.