순환 유동상 생물막 반응기에서

수리학적 체류시간과 암모니아 부하가 생물막에 미치는 영향

이동익, 정현정, 김동진, 안승호*, 장재우*

한림대학교 환경학과, SK건설*

The Effect of Hydraulic Retention Time and Ammonium Load

on the Formation of Biofilm in Biofilm Airlift

Suspension(BAS) Reactor

Dong-Ik Lee, Hyen-Jung Jung, Dong-Jin Kim, Seung-Ho Ahn*, Jae-Woo chang*

Department of Environmental Science, Hallym University,

SK Engineering & Construction*

서론

기존의 생물학적 폐수처리기술은 크게 현탁방법인 활성슬러지법과 생물막을 이용한 살수여상법 및 회전원판법 등이 있다. 그 중 가장 일반적으로 사용되는 기술은 활성슬러지법이다. 이 기술은 부유미생물을 이용하는 것으로 비교적 처리수질이 양호하며 수처리 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 많은 부지 면적을 필요로 하고 부하변동에 따른 처리효율의 변동이 심하며 고농도의 폐수처리에는 부적합하다.

생물막법은 이러한 기존의 활성슬러지법이 갖는 근본적인 취약점을 극복하고자 개발된 것으로 충진여재에 부착된 미생물에 의한 생물학적 산화환원반응과 물리적인 여과가 동시에 수행되는 처리방법이다. 생물막 형성시 반응기내 높은 미생물 농도를 유지할 수 있고 짧은 수리학적 체류시간 하에서도 안정하게 운전을 할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 높은 생물양은 긴 슬러지 일령과 더불어 슬러지 발생의 최소화를 가능하게 할 수 있어 생물반응기의 규모가 작아지고 2차침전조와 슬러지 반송이 불필하게 되어 시설비의 절감을 가능하게 한다. 특히 생물막법은 담체에 미생물이 부착 성장하기 때문에 증식속도가 느린 질산화 미생물등의 배양에 매우 유리하다. 그러나 부착 생물막이 비대해지면 처리능력이 떨어지거나 생물막 자체가 탈리되기 때문에 생물막 두께의 제어가 중요하다.

생물막공정의 이용 시 담체에 부착된 미생물막 안으로 전달될 수 있는 최대한의 산소량은 약 10 gO2/m2·d이며 산소가 전달될 수 있는 미생물막의 두께는 100∼150 □이다. 또한 작고 거친 표면의 다공성 담체를 이용할 경우 얻을 수 있는 부피 당 표면적 비는 2000∼3000 m2/m3으로 매우 높고 호기성 상태에서 유기물을 처리 할 경우 20 □COD/m3/day의 높은 처리량도 가능하다[1]. 따라서 호기적 조건에서 높은 처리효율을 유지하기 위해서는 미생물막의 두께가 150 □를 넘지 않게 유지하는 것이 중요하다.

본 연구에서는 biofilm airlift suspension(BAS) reactor에서 입경이 180 □ ∼ 220 □의 크기의 현무암 담체를 이용하여 수리학적 체류시간과 암모니아 부하가 생물막에 미치는 영향을 알아보고자 수행되어졌다.

재료 및 방법

본 연구에 사용된 순환 유동상 반응기는 높이 102 □, 유효부피가 3.3 □인 아크릴 소재의 원형관으로 제작되었다. 반응기의 separator internal diameter는 40 □, separator external diameter는 100 □, riser internal diameter는 40 □, downcomer internal diameter는 70 □, riser to bottom distance는 10 □로 제작되었다. pH controller를 상부에 설치하여 pH를 7.5로 유지시켰다. 반응기내 현무암의 농도는 16 g/L로 주입되었고 소형 blower에 의해 공급되는 공기에 의해 유동되었다. 미생물 접종은 질산화를 수행하고 있는 반응기의 질산화 미생물을 접종하였다. 폐수는 암모니아성 질소원으로 (NH4)2SO4를 사용하였으며 미량원소로 MgSO4·H2O 5 mg/l,  KCl 7 mg/l, NaHPO4·12H2O 29 mg/l, CaCl2·2H2O 7 mg/l, KH2PO4 11 mg/l, FeCl3·6H2O 1 mg/l, NaHCO3 (CaCO3 기준) 7.1 g/g NH4+-N을 주입하였다.    시료는 Standard Method에 따라 분석하였고 생물막형성 정도를 파악하기 위해  현무암 담체에 부착된 미생물의 침강속도가 부유하는 미생물보다 빠르다는 점에 착안하여 길이 74.5 □, 내부직경이 2.7 □, 부피 0.43 □인 아크릴소재의 원형관으로 분리기를 제작하였다.

분리된 미생물들은 각각 105 ℃의 온도에서 건열 시킨 후 데시케이터에서 방냉하였다가 550 ℃에서 15분 동안 회화 시켜 그 무게차이로 미생물양의 지표인 MLVSS를 측정하였다.

결과 및 토론

암모니아성 질소부하가 0.15 kg/m3/d 일 때 수리학적 체류시간이 질산화와 생물막에 미치는 영향

Fig. 1은 암모니아 부하를 0.15 kg/m3/d로 고정한 상태에서 수리학적 체류시간을 단계적으로 낮추어 주었을 때 총미생물양과 미생물의 부유부착비를 나타낸다.

Fig 1. Total biomass concentration and ratio of attached and suspened biomass at various            hydraulic retention time in biofilm airlift suspension reactor. (load : 0.15 kg/m3/d)

수리학적 체류시간이 16.5시간에서 4.7시간으로 바뀌면서 반응기내 총미생물의 양은 0.5 g/L에서 0.18 g/L로 64%나 감소함을 알 수 있다. 이러한 총미생물양의 감소는 수리학적 체류시간의 감소에 따른 부유미생물의 washout 증가의 결과로 사료된다. 특이할 것은 수리학적 체류시간이 11시간에서 8.25시간으로 감소하면서 총미생물양이 급격히 감소했다는 사실이다. 전 구간에서 수리학적 체류시간의 감소에 따른 총미생물양의 감소를 확인할 수 있지만 전 실험구간에서 제거된 미생물양의 53% 정도가 이시기에 제거되었다. 이 구간에서 미생물의 부유 부착비도 총미생물의 감소와 더불어 64%에서 54%로 감소했다가 이후에 74%로 점차 증가하고 있음을 볼 수 있다. 이러한 실험 결과는 수리학적 체류시간이 11시간에서 8.25시간으로 바뀌면서 대부분의 활성이 적은 부유미생물이 washout되고 그 이후에 선택적으로 현무암 담체에 부착되어있는 미생물들이 성장하였기 때문으로 사료된다. 초기 16 g/L의 현무암 담체 투입후 약 135일의 실험기간이 지난 후에야 75% 이상의 부착비를 얻을 수 있었다. 이는 질산화를 수행하는 호기성 독립영양미생물의 느린 비 성장속도에 기인하기도 하지만 초기의 수리학적 체류시간 8.25 hr으로 변화시켜 주기까지의 운영시간인 119일의 시간을 줄인다면 훨씬 단기간 내에 높은 부착미생물비를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

암모니아성 질소부하가 1.9 kg/m3/d 일 때 수리학적 체류시간이 질산화와 생물막에 미치는 영향

암모니아성 질소 부하 0.15 kg/m3/d로 운영하여 75%의 미생물 부착비를 얻은 후 암모니아성 질소 부하를 1.9 kg/m3/d로 바꾸어 주었다. fig. 2는 암모니아 부하가 1.9 kg/m3/d인 상태에서 수리학적 체류시간을 단계적으로 낮추어 주었을 때 총미생물양과 미생물의 부유부착비를 나타낸다. 암모니아 부하가 0.15 kg/m3/d일때 실험 마지막 구간에서 얻어진 0.18 g/L의 낮은 생물량은 1.9 kg/m3/d의 질소부하 증가에 의해 약 18배인 3 g/L로 증가되었다. 암모니아성 질소 부하가 0.15 kg/m3/d일 때는 수리학적 체류시간이 감소함에 따라 부유미생물이 washout됨으로써 총미생물양이 감소하고 함을 확인할 수 있었지만 암모니아성 질소 부하가 1.9 kg/m3/d일 때는 수리학적 체류시간의 감소에도 불구하고 미생물양의 지속적인 감소는 발견되지 않고 증가된 암모니아성 질소 부하에 맞게 생물양이 서서히 증가한 후 3 g/L 정도의 값으로 유지됨을 볼 수 있다. 이처럼 washout의 경향이 관찰되지 않는 이유는 암모니아성 질소 부하가 0.15 kg/m3/d로 유지된 기간동안 빠른 수리학적 체류시간에 의해 초기 상대적으로 많은 bare carrier양 때문에 생성되었던[2] 부유미생물이 제거되고 75 %의 높은 부착미생물 비를 얻은 후의 시점에서 시작되었기 때문으로 사료된다. 암모니아성 질소 부하가 1.9 kg/m3/d로 유지된 기간에는 이미 생물막을 가진 것이 담체의 대부분을 이루고 있었기 때문에 탈리율은 줄었고, 그에 따라 부유미생물의 생성이 줄고 washout의 영향을 거의 받지 않는 부착미생물이 반응기 내에 우점하게 되었다. 이로 인하여 총미생물양이 수리학적 체류시간의 영향을 거의 받지 않은 것으로 보인다. 그리고 질산화 미생물의 비생장속도인, 암모니아 산화세균과 아질산 산화세균의 31, 22.2 hr 보다 훨씬 짧은 2.2 hr에서도 총미생물양이 감소하지 않았다는 것은 폐수 중 질소의 처리 시 큰 수리학적 부하량을 감당할 수 있다는 측면에서 매우 중요하다 할 수 있다.

암모니아성 질소 부하 0.15 kg/m3/d, 1.9 kg/m3/d의 두 구간에서 모두 수리학적 체류시간의 감소에 유사한 경향의 부착미생물의 증가를 얻을 수 있었다. 하지만 0.15 kg/m3/d에서의 구간동안 증가한 20 % 보다 1.9 kg/m3/d의 구간에서는 약 7%의 증가만을 얻었고 그 변화의 폭도 총미생물양이 안정된 값을 가지는 8시간 이하의 값들은 4 %이하로 더욱 안정된 값을 보인다. 이처럼 높은 부착비를 얻은 후에는 부유부착비 또한 총미생물양에서와 같이 수리학적 체류시간에 의해 크게 영향을 받지 않음을 보여준다.

이러한 결과들은 질산화균의 생물막 형성시 초기에 8.25 hr이하로 수리학적 체류시간을 유지하여 부유미생물의 선택적인 washout과 미생물의 부착을 유도 하는 것이 매우 중요한 요소이며, 높은 비율의 생물막을 형성한 후에는 washout의 영향은 크게 줄고 암모니아성 질소 부하를 증가 시켜 부착미생물양을 선택적으로 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다.

Fig 2. Total biomass concentration and ratio of attached and suspened biomass at various            hydraulic retention time in biofilm airlift suspension reactor. (load : 1.9 kg/m3/d)

참고문헌

1. L. Tijhuis, M.C.M. van Loosdrecht, and J. J. Heijnen (1994), "Formation and        Growth of Heterotrophic Aerobic Biofilms on Small Suspended Particles in Airlift    Reactors", Biotechnology and Bioengineering, 44: 595-608.

2. A. Gjaltema, J. L. Vinke, M. C. M. van Loosdrecht and J. J. Heijnen (1997),       "Biofilm Abrasion by Particle Collisions in Airlift Reactors", Water Science          Technology, 36: 221-228.