삼상순환유동층을 이용한 폐수중 암모니아 제거

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

강태규, 한희동, 조용준, 최호석, 강 용*

충남대학교 화학공학과

Removal of Ammonia in the Wastewater in  Three-Phase Circulating Fluidized-Bed Reactors

Tae-Gyu Kang, Hee-Dong Han, Yong-Jun Cho, Ho-Suk Choi and

Yong Kang*

*Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Daeduk Science Town, Taejon 305-764, Korea

서론

최근 급속한 산업화와 인구의 증가 그에 따른 경제활동의 향상과 증가로 인하여 수질오염이 기하급수적으로 증가하고 있으며 새로운 오염물질의 생성, 그리고 세계적으로 오염 물질 방출에 대한 규제강화로 인하여 기존의 정화 공정인 활성슬러지 공정이 한계를 드러냄에 따라 새로운 공정의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기존의 활성슬러지 공정은 1914년 영국의 Arden과 Lockett에 의해 개발된 후 많은 발전이 있었으나 폐수처리장 설치 부지 면적이 많이 요구되고, 독성물질 유입 시 처리능력이 저하될 뿐만 아니라 외부 환경변화는 슬러지 팽화(sludge bulking), floc 해체 현상, 슬러지 부상등의 문제점을 일으켜, 운전 조작에 어려움을 안고 있으며 이에따라 유동층 생물막 반응기와 같은 다른 폐수 정화 공정이 활발히 연구되어지고 있다.

유동층 생물막 반응기는 살수여상이나 활성슬러지와 같은 기존의 폐수 처리공정에 비해 물질전달 및 열전달이 잘 이루어지므로 미생물 순화과정이 짧게 요구될 뿐만 아니라, 지지 매체의 종류에 따라 비표면적을 800∼1200□/□까지 넓힐 수 있으므로 미생물과 기질의 접촉 면적을 증가시킬 수 있으며, 유속조절에 따라 생물막의 두께 및 농도를 조절할 수 있는 장점이 있다[1]. 또한, 유동층 생물반응기나 역유동층 반응기는 반응기 전체에 걸쳐 균일한 혼합과 낮은 전단력, 높은 물질전달계수 그리고 에너지 요구량이 적은 특징을 가지고 있어 미생물을 이용한 폐수처리 공정에 많이 이용되고 있으며, 현재 그 연구가 활발히 진행 중에 있다[2]. 특히, 담체의 밀도가 액체보다 작아 담체가 액상에 부유하는 경우에 사용이 적합한 삼상 역 유동층 반응기에 대한 연구도 최근 활발히 진행되고 있다[3-6]. 그러나,  현재까지의 유동층 생물막 반응기는 대부분 역유동층이나 내부순환유동방식을 채택하고 있어서 미생물의 급격한 활성저하나 생물막이 손상될 경우 연속조작이 불가능하여 왔다. 뿐만 아니라 반응기 내부에서 유동하는 담체의 양과 밀도 그리고 크기에 따라 처리되는 폐수의 양과 유속이 제한을 받아서 반응기 내부에서 특정성분의 전환율이 매우 제한되어 왔다.

따라서, 유동층 생물반응기의 전환율을 향상시키고 사용하는 담체의 특성에 따라 운전조건의 변화가 용이할 뿐만 아니라 일정시간 반응기의 조작후 생물막의 재생이나 활성화된 생물막이 형성된 새로운 담체의 투입이 용이하여 반응기 내부에서 미생물의 활성을 일정수준 이상 연속적으로 유지시킬 수 있는 반응기의 개발이 요청되어 왔다. 본 연구에서는 이와 같은 특성을 가질수 있는 삼상 순환유동층을 이용하여 합성 폐수중의 암모니아 성분을 질산화하는 반응을 수행함으로써 삼상 순환유동층 생물막 반응기의 개발에 필요한 기초연구를 수행하였다[7-10].

폐수에 포함된 질소성분은 약 2/3가 암모니아성 질소성분이며, 암모니아성 질소를 제거하기 위해서는 생물학적 처리 방법이 많이 이용되고 있으므로[11], 본 연구에서는 음이온 고분자 수지를 담체로 사용하여 활성슬러지의 미생물을 점착시켜 사용함으로써 기존의 일반적인 활성슬러지 공정보다 효율적인 반응을 수행하고자 하였다. 본 연구에서는, 반응기내 합성 폐수 중 암모니아 성분의 초기농도와 처리하고자하는 폐수량에 대한 담체의 첨가비율 등이 암모니아 성분의 제거효율 및 COD의 변화량 등에 미치는 영향을 검토함으로써 삼상 순환유동층 생물 반응공정의 설계에 필요한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

실험

본 연구의 실험에 사용된 미생물은 대전광역시 원천동 폐수처리장에서 사용하는 활성슬러지 중 반송슬러지를 공급받아 합성폐수와 1:1로 혼합하여 사용하였고 담체로 사용한 이온교환수지는 충분한 시간동안 반응기내에서 안정화되도록 배양한 후 실험에 사용하였다. 실험에 사용한 합성 폐수 중 탄소원으로는 glucose를 사용하였으며 질소원으로는 (NH4)2SO4를 사용하였다. 실험에 사용한 폐수의 미생물 농도는 4165mg/L이었다. 고상의 담체로는 (주)삼양사에서 제조된 직경이 0.4mm인 음이온 고분자수지(DIAION SA20AP)를 사용하였으며, 이 담체입자에 활성슬러지에 포함된 미생물을 점착시켜 가면서 시간에 따른 미생물의 점착량과 생물막 두께를 측정하였다. 또한, 반응기 내에 미생물이 완전히 점착된 담체와 혼합용액을 넣은 다음 약 15일간의 순응기간을 두어 미생물이 장치에 안정화 되도록 하였다.

본 실험에 사용한 삼상 순환유동층 반응기의 상승관(riser)으로는 높이가 0.5m이고 내부 직경이 0.102m인 아크릴관을 사용하였고, 높이가 0.3m이고 내부직경이 0.102m인 관을 하강관(downcomer)으로 사용하였는데 이를 Fig. 1에 나타내었다[13-14]. 반응기 내부에서 유동하는 고상으로는 미생물이 점착된 고분자수지를 사용하였고, 액상으로는 활성슬러지와 합성폐수를 혼합한 인공폐수를 사용하였다. 기상으로는 공기압축기로부터 휠터 그리고 압력조절기와 유량계를 거쳐 공급되는 건조된 압축공기를 사용하였다. 반응기의 상승관에서는 액상과 기상의 흐름을 이용하여 담체를 하강관으로 흐르도록 유도하였으며, 담체는 반응기 내부에서 연속적으로 순환되었다. 인공폐수인 액상은 액체 펌프를 이용하여 연속적으로 순환하였으며, 공기는 주 반응기인 상승관에 주입 후 대기중으로 배출되었다. 폐수중 암모니아 성분의 농도 및 COD의 변화를 측정하기 위해서 주 반응기인 상승관의 분산판으로부터  10cm의 간격으로 4개의 시료채취 탭을 설치하였으며 이들 각 지점에서 용액의 시료를 채취하였다.

한편, 본 실험에서 생물반응기 내부의 pH는 H2SO4과 NaOH를 사용하여 7로 유지하면서 실험하였다[18]. 상승관 내부에서 액체 유속은 폐수의 충분한 체류시간을 위해 0.01∼0.04m/s의 조업조건으로 실험하였으며, 기체의 유속은 0.005∼0.0005m/s로 또한 담체의 체류량을 5∼20[-]으로 바꿔가면서 암모니아의 제거특성을 연구하였다. 실험이 진행되면서 반응기 내부에서 채취된 시료로부터 pH는 HANNA사 제품의 pH meter (Model-HI8519N)를 사용하여 측정하였고, 용존산소의 양은 DO meter(HANNA, Model-HI9143)를 사용하여 측정하였다. 한편, 시료의 COD는 수질오염공정 시험법에 기초한 과망간산 칼륨에 의한 COD측정법에 의해 측정하였으며, NH4+-N의 농도는 Pharmacia Biotech사의 UV/Visible Spectrophotometer(Model- Ultrospec 3000)을 사용하여 표준방법(15thed)에 의해 결정하였다[11]. 본 연구에서 폐수의 온도는 20℃로 유지되었다.

결과 및 고찰

시간의 변화에 따른 암모니아의 농도의 변화를 Fig. 2와 3에 나타내었다. 암모니아의 농도가 증가함에 따라 암모니아의 제거속도는 증가하는 것을 기울기의 변화를 보고 알 수 있으며, 그러나 최종 암모니아의 제거효율은 초기 암모니아의 농도가 증가함에 따라서 감소하는 것을 볼 수 있었다. 또한 담체의 체류량이 증가함에 따라 암모니아의 제거속도와 효율이 증가하는 것을 볼 수 있었으며 장치를 연속적으로 조업하기 위해 필요한 조업시간인 HRT도 감소함을 알 수 있었다.

Fig. 4은 액체유속의 변화에 따른 암모니아의 제거속도를 나타내었다. 액체유속이 0.02m/s까지는 액체유속이 증가하면서 암모니아의 제거속도가 증가하였지만 그 이후로는 액체유속의 증가에 따라 제거속도가 감소함을 볼 수 있었다. 이는 0.02m/s까지는 액체유속이 담체의 접촉현상을 좋게하고 미생물들이 더욱 활발하게 활동할 수 있도록 도와주지만 그 이후로는 액체유속이 담체의 안정화 및 접촉현상에 부정적인 요소로 작용하여 암모니아의 제거효율이 감소되는 것으로 사료된다.

Fig. 5에서는 담체의 체류량에 따른 암모니아의 제거속도를 나타내었다. Fig. 5에서 보는 것과 같이 모든 조건에서 담체의 체류량이 증가함에 따라 암모니아의 제거속도가 증가하는 것을 볼 수 있다. 담체의 체류량의 증가는 담체에 점착되어  있는 미생물의 접촉면적이 넓어짐을 의미하는 것이기 때문에 담체의 체류량이 증가함에 따라 암모니아의 제거속도가 증가하였다고 사료된다. Fig. 6는 기체유속의 증가에 따른 암모니아의 제거속도의 변화를 나타낸 것인데 기체유속이 증가함에 따라 암모니아의 제거속도가 증가하는 것을 알 수 있었다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1.	Baek, N. H. and Walker, I. : Hwahak Konghak, 18, 2(1990).

2.	Jung, W. C., Kim, H. G. and Lee, B. Y. : Hwahak Konghak, 24, 5 (1986).

3.	Choi, H. S. and Shin, M. S. : KJChE, 16, 670(1999).

4.	Lee, D, H., Epstein, N. and Grace, J. R. : KJChE, 17, 684(2000).

5.	Cho, Y. J., Park, H. Y., Kim, S. W., Kang, Y. and Kim, S. D. : I＊EC	Research, 2002(in press).

6.	Park, H. Y., Kim, S. W., Cho, Y. J., Kang, Y. and Kim, S. D. :Hwahak	Konghak, 39, 619(2001).

7.	Liang, W., Wu, Q., Yu, Z., Jin, Y. and Wang, Z. : Can. J. Chem. Eng., 73,	656(1995).

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10.	Cho, Y. J., Song, P. S., Kim. S. H., Kang, Y. and Kim, S. D. : J. Chem.	Eng.	Japan, 34, 254(2001b).

11.	Gabriel, B. : Wastewater Microbiology, John wiley & Jons(1994).