활성탄을 첨가한 연속 회분식 반응기(SBR)의 하수처리 공정 연구

이상훈, 윤성윤, 박철환, 김상용*, 이진원

광운대학교 화학공학과, 한국생산기술연구원*

A study on the wastewater treatment process of sequencing batch reactor(SBR) which added the activated carbon

Sanghoon Lee, Seongyun Yun, Chulhwan Park, Sangyong Kim*, Jinwon Lee

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

Korea institute of Industrial technology*

서론

본 연구에서는 폐수처리 방법 중 하나인 연속 회분식 반응조(sequencing batch reacotr, SBR)를 이용한 활성탄 첨가 처리공정을 대상으로 삼았다.  활성탄을 이용한 폐수처리 공정은 크게 화학적 단위 공정(chemical unit process)으로 볼 수 있으며, 연속회분식 반응조를 이용한 폐수처리 공정은 생물학적 단위 공정(biological unit process)으로 볼 수 있다.(1,4)  연속회분식 반응조에 의한 처리 공정은 폐수내에 존재하는 미생물들, 복합 균주에 의한 처리가 수행되어지며, 이러한 균주들은 콜로이드성 유기물등을 섭취하여 세포 조직등으로 변환시키게 된다.  이렇게 만들어진 새로운 세포조직은 물의 비중보다 높기 때문에 침전되어 슬러지로 된다.(2)  활성탄의 흡착 능력은 폐수에 존재하는 유기물의 일부를 제거할 수 있으며, 난분해성이나 독성 화합물을 제거함으로서 처리 효율을 높일 수 있다.  또한 슬러지의 침전을 용이하게 함으로서 침전 공정에 소요되는 시간을 절약할 수 있는 장점도 있다.(3)  따라서 본 연구에서는 활성탄을 연속 회분식 처리공정에 적용하였을 경우 폐수의 처리 효율에 미치는 활성탄의 영향에 대해 살펴 보았고, 활성탄을 이용한 연속회분식 반응조의 효율 향상 가능성에 대해 연구 및 검증하였다.(3)

본론

1. 춘천시 공지천 생활하수 적용 실험

본 실험에 쓰인 반응조는 지름이 0.15m, 높이 0.3m의 원기둥 모양으로서 전체 부피가 약 5.3L이다.  여기에 4L의 폐수를 채워주어서 실험을 하였다.  온도는 항온조 장치에 의하여 30℃로 유지되었으며 반응조 중앙에 교반 장치를 달아 교반을 해주었다.  교반 속도는 약 250rpm정도로 조건을 맞추었다.  산기 장치로는 반응조 바닥에 고정된 구멍이 뚫린 관을 사용하였으며, 5개의 반응조로 동시에 같은 폐수를 가지고서 실험을 하였다.  폐수의 수리학적 체류시간은 22시간이며 2시간 동안 침전후 상등액을 제거하고 다시 폐수를 채워서 반복하였다.  실험에 사용되어진 활성탄은 모두 4종류로서, 이들 활성탄 모두 (주)오성 엔비택제품들이다.  그 중 분말상 활성탄은 HYDRODARCO H이며 나머지 3종류인 PK 1-3, GAC 1240, 그리고 ROW 0.8 SUPRA는 모두 입상 활성탄이다.  HYDRODARCO H활성탄을 사용하여 농도별 실험을 하였으며, 활성탄을 0g/L, 0.05g/L, 그리고 0.1g/L 첨가하여 농도별 생물 화학적 산소 요구량 제거 성능을 살펴보았다.  그림 1은 활성탄을 점차적으로 증가시키면서 처리한 결과이다.  또한, 4가지 종류의 활성탄을 가지고서 종류에 따른 처리 성능을 비교해 보았는데 그 결과는 그림 2에 나타나 있다.  여기서는 4가지 활성탄을 대상으로 0.15g/L의 농도로 사용하였다.

2. 시화공단 폐수에의 적용실험

춘천 공지천의 생활 하수는 생물 화학적 산소 요구량이 약 10mg/L 미만이었다.  따라서, 활성탄의 분해능을 알아보기 위하여서는 부족한 면이 있어서 오염도가 심한 시화 공단 근처의 폐수를 선택하여서 활성탄의 처리실험을 살펴보았다.  이 폐수의 생물 화학적 산소 요구량은 약 30∼50mg/L정도이다.  기본적인 반응조 환경조건은 앞의 생활하수 처리와 같다.  그러나 여기선 22시간의 수리학적 체류시간, 2시간 침전 뒤 폐수를 다시 채워주는 방법을 사용하지 않고, 처음에 폐수를 4L 넣은 후에 일정량의 활성탄(3g/L와 1g/L 두 번의 실험을 하였음)을 넣어주고서 22시간 반응시키고, 2시간 침전후 시료를 채취한 다음 다시 반복시키는 방법을 사용하였다.  사용된 활성탄은 앞에서 사용한 HYDRODARCO H, ROW 0.8 SUPRA, GAC 1240, 그리고 PK1-3를 사용하였다.  또한 생물학적 처리 효율을 높이기 위하여 약 1%의 영양염류를 첨가해주었다.  그림 3은 4가지 종류의 활성탄을 3g/L씩 넣어주고서 생물 화학적 산소 요구량을 4배로 희석하여서 측정하였다.  1g/L의 활성탄을 넣어주었을 때의 실험에서는 분말활성탄인 HYDRODARCO H만 제외한 나머지 3종류의 입상 활성탄을 가지고서 실험을 하였다.  실험에 대한 결과는 그림 4에 나타나 있다.

3. 흡착 실험

활성탄의 흡착능은 일반적으로 활성탄과 흡착물질에 따라서 많이 달라진다.  본 연구에서는 용해된 유기물 또는 콜로이드성 유기물에 대한 흡착 실험을 수행하였으며, 10개의 농도별 기준점을 잡고서, 4종류에 대한 Freundlich 흡착 등온식을 구해보았다.  농도별 기준점은 0.1g/L에서부터 10g/L까지 잡았으며, 농도별로 활성탄을 넣어준 후 평형에 도달했을 때에 생물 화학적 산소 요구량으로 흡착된 유기물의 양을 측정하였다.  흡착 시간은 보통 1∼2시간 정도 걸리는게 일상적이나 본 실험에서는 충분한 흡착을 위하여서 약 4시간 정도의 흡착시간을 가졌다.  흡착 등온식에 대한 그림은 그림 5에 나타나 있다.

결론

첫 번째로 춘천 공지천 생활하수를 대상으로 HYDRODARCO H 활성탄을 농도별로 첨가하여서 농도별 처리 효율을 알아보았다.  이 실험에서는 활성탄의 농도가 증가할수록 처리 효율이 더 좋음을 알 수 있었다.  그렇지만 활성탄의 농도가 과도하게 증가하면 생물학적 처리효율을 떨어뜨리게 되는 불이익이 있다.  두 번째 실험 또한 마찬가지로 춘천 공지천 생활하수로 4가지 종류의 활성탄, 즉 HYDRODARCO H, Row 0.8 Supra, Gac1240, 그리고 PK1-3을 대상으로 폐수처리 성능실험을 하였다.  각각의 활성탄의 성능에 대하여 종합하여 보면 분말 활성탄인 HYDRODARCO H는 흡착능력은 비록 좋지만 침전성이 그리 좋지 않은 단점이 있고, 나머지 입상 활성탄들은 만족할 만한 흡착능을 가지고 있으며, 또한 침전성도 좋다고 할 수 있겠다.  농도별, 종류별 처리 공정, 그리고 활성탄 흡착 실험 모두 활성탄과 연속회분식 반응조를 함께 사용하여 폐수를 처리했을 때가 단지 연속회분식 반응기만을 운전하였을 때보다도 훨씬 더 좋은 처리 결과가 나옴을 알 수 있었다.  따라서, 이것은 4가지 종류의 활성탄 모두가 폐수처리 공정에서 연속회분식 반응조와 같이 병행하여 사용된다면 거의 완전한 폐수 처리가 가능하다는 것을 의미하기도 한다.  다음은 시화 공단의 폐수를 대상으로 처리 실험을 하였는데, 여기서도 마찬가지로 활성탄의 연속회분식 반응조에서 폐수 처리에 있어서의 효율을 증명할 수 있었다.  마지막으로 흡착 실험인데, 여기선 4가지 활성탄의 흡착 등온식을 구할 수 있었다.

종합해보면 활성탄의 생활하수 처리 및 폐수 처리를 위하여 연속회분식 반응조와 같이 사용하는 것은 매우 우수한 방법이라 할 수 있겠다.  뿐만 아니라, 앞으로 이러한 활성탄을 이용한 처리 공정들이 단지 특정물질 또는 고도처리등에만 사용되어지는 것이 아니라, 일반 생활하수 처리 공정등에도 다양하게 이용되어질 수 있다는 것이 검증되었다.  보다 더 다양한 연구를 통해 활성탄의 응용 가능성을 탐색하고 현 공정들의 효율을 증진 시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 뒷받침된다면 활성탄의 우수성과 활용 가능성은 매우 클 것이다.

참고문헌

(1) Metcalf & Eddy, WasteWater Engineering, 3rd de. McGraw-Hill, New York, 1989

(2) U.S. Environmental Protection Agency : Sequencing Batch Reactors, EPA/625/8-86/011, Cincinnati, OH, October 1986

(3) Sublette. K. L., Sinder. E. H., and Sylvester. N. D., "A Review of The Mechnism of Powdered Activated Carbon Enhancement of Activated Sludge Treatment" Water Res. Vol. 16, pp. 1075 to 1082, 1992

(4) Yu. H. Q., Gu. G. W., and Song. L. P., "The Effect of The Fill Mode on The Performance of Sequencing Batch Reactors Treating Various Wastewater" Bioresource Technology. Vol. 58, N.1, 1996

그림 1. HYDRODARCO H 0.1g/L를 첨가한 연속회분식                                    그림 2. GAC 1240 0.15g/L를 첨가한 연속회분식

반응조의 생물 화학적 산소 요구량	반응조의 생물 화학적 산소 요구량

그림 3. 활성탄 3g/L를 첨가한 연속회분식 반응조의	그림 4. 활성탄 1g/L를 첨가한 연속회분식 반응조의

생물화학적 산소 요구량	생물화학적 산소 요구량

그림 5. 활성탄들의 흡착 등온선