제지폐수 처리를 위한 파일롯규모 BAF 설계 및 운전

유익근, 김건협, 이규현, 김동진*

선경건설(주) 연구소, 한림대학교 환경학과*

Design and Operation of BAF Pilot Plant

for the Treatment of Paper Industry Wastewater

Ik-Keun Yoo, Gun-Hyub Kim, Kyu-Hyun Lee, Dong-Jin Kim*

R&D Center, Sunkyong E&C Ltd., Dept. Environ. Sci., Hallym Univ.*

서 론

BAF(Biological Aerated Filter)는 하나의 반응기안에서 여재(media)에 고정화된 미생물에 의한 생물학적 분해와 여재층에 의한 물리적 여과가 동시에 일어나는 시스템이다.  따라서 재래식 활성오니 공정에 비해 폭기조와 침전조의 역할을 동시에 할 수 있어 부지면적을 줄일 수 있으며, 유량 및 부하변동에 따른 처리효율의 불안정성, 침전조의 슬러지팽화 등의 운전 불안정성 등을 해결할수 있다.  미생물막이 형성되는 여재는 효율적인 여과작용을 위해 반응기내에 compact하게 충진되며 폐수처리시의 흐름방향에 따라 upflow 및 downflow 시스템으로 구분된다.  결국 물리적인 형태나 운전방식은 기존의 sand filter와 매우 유사하나 여재층으로 공기가 공급된다는 점과 여재의 크기 및 밀도가 다르다는 것이 차이점이다.

1980년대 중반 유럽에서 처음 상업화된 이래 현재는 일본, 미국 등지까지도 상업 플랜트가 건설되어 운전되고 있으며 세계적으로 시스템설계 knowhow 및 시공경험을 가지고 있는 회사는 4-5개로 알려지고 있다.  우리나라의 경우 공장부지의 부족, 배출규제 강화에 따른 폐수처리장의 효율증대 필요성 등에 비추어 BAF와 같은 부지절약형 고효율 폐수처리시스템 도입이 검토될 필요가 있다.  제지산업의 경우 잘 알려진바와 같이 다량의 용수사용에 따른 대용량의 폐수처리 시설이 필요한 산업이므로, BAF와 같은 부지절감형 시스템의 도입이 적절하다고 생각한다.  이에 본 연구진은 우선, BAF에 관한 기존 연구결과의1-3) 분석을 토대로 Lab-scale의 BAF를 설계제작하여 처리효율 및 여재특성, 운전방식에 대한 검토를 이미 끝낸바 있다.  즉, 침강성 세라믹여재를 이용한 downflow BAF와4) 부상성 PS여재를 이용한 upflow BAF5) 각각을 모두 검토하였는데 downflow의 경우 최대 부하인 5 kgBOD/m3day, 40 m3/m2day 까지도 BOD, COD, SS 모두 20 mg/l 이하의 처리수 농도를 얻을 수 있었고, upflow는 6.2 kgBOD/m3day로 활성오니법의 0.3-0.8 kgBOD/m3day에 비해 8에서 20배가량 높은 처리속도를 보였다.  이와 같은 두가지 방식중에서 upflow 방식이 처리효율의 우수성 및 역세척과정의 편리성에 보다 장점을 나타내어, upflow BAF의 스케일업 설계를 통해 이번에는 하루 100톤 처리용량의 pilot plant를 직접 현장에 설치,운전해 보았다.  다음의 실험결과들은 한국제지주식회사 안양공장의 협조를 얻어 공장안의 실폐수처리장 (재래식 활성오니 시설)에 설치된 upflow BAF의 운전결과이다.

실험 방법

우선 BAF 반응기 내부에 충진된 여재로는 비중 0.08, 직경 3-5 mm의 발포성 폴리프로필렌을 선정하였다.  전체적인 시스템은 BAF 반응기, 역세척 처리수 저장을 위한 처리수탱크, 원수탱크, air공급을 위한 blower, 원수공급 펌프, 각종 연결밸브 조작을 위한 control panel 및 timer system으로 구성되어 있다.  BAF 반응기는 단면적 1.5m2, 높이 6m의 직사각형 탱크 두개를 붙여 제작하였고 각각이 독립적으로 운전될수 있는 module식 형태로 설계되었다. 이중에서 여재층 깊이 2m, 여재층 밑으로 역세척시 여재팽창 공간을 위한 하부 깊이 2m 그리고 역세척 처리수탱크용 상부깊이 2m로 구성된다.  여재층과 상부 처리수탱크의 분리를 위해 중간에 스트레이너를 설치하여 폐수와 공기의 흐름이 이루어지도록 했고, 각각의 반응기 표면에 sight glass를 설치하여 여재에 형성되는 생물막의 상태를 시각적으로 파악하였다.  본 연구에 사용된 원폐수는 한국제지 안양공장 폐수처리장의 1차 침전조 배출수를 직접 centrifugal pump로 원수탱크에 공급하였으며 이때 질소와 인 성분은 BOD에 대하여 적정 비율(100 : 3 : 0.5)로 요소와 인산의 형태로 투입하였다.  이렇게 BAF 반응기 상부에 따로 설치된 원수탱크에 pumping된 폐수는 BAF 반응기와 원수탱크의 수두차에 의해 자연유하 방식으로 반응기 하부로 유입되어 여재층 및 스트레이너를 거쳐 처리수탱크로 올라온다.  air 공급은 본 BAF 시스템에 맞게 설계된 air blower에 의해 여재층으로 공급되었으며, 그밖에 pump, pipe connection, valve 등은 하루 처리용량 100톤을 기준으로 하여 설계되었다.

분석을 위해 BOD는 BOD5, COD는 KMnO4 법에 의한 COD를 측정하였으며 방법은 공해공정시험법에 준하였다.

결과 및 토론

BAF 시스템에서는 여재에 미생물이 안정하게 부착서식하는 것이 무엇보다 중요하다.  본 연구에서 이용한 발포 폴리프로필렌 여재는 운전시작후 약 2주간의 안정화기간을 거친다음에는 한국제지 폐수처리장 1차 침전조에서 불안정한 shock를 받더라도 비교적 안정한 처리효율을 나타냈다.  반응기 내에서 나타나는 생물상을 관찰했을 때 반응조 하부에는 일반적으로 생물막에서 많이 보여지는 Vorticella, Carchesium, Epistylis 등의 섬모충류가 다량으로 출현하였고 종종 장기폭기법에서 볼 수 있는 Lepadella 등의 원생동물이 출현하기도 했다.  이는 일반적으로 활성오니법과 같은 부유성장 상태에서는 Aspidisca 종류가 우점하는 것에 비해 BAF의 부착성장 시스템 특성을 나타내준다.  반면 여재층 상부에서는 관찰되는 미생물의 양 및 종류가 적었는데 이는 여재층 깊이에 따라 처리되야할 유기물의 농도 분포가 다름을 의미한다.

Fig 1은 EBCT(Empty bed contact time) 1.4 hr에서 원폐수 및 처리수의 COD, 처리효율을 나타낸 것이다.  운전기간동안 원수의 COD는 100-130 ppm 사이였고 처리수의 농도는 평균 20 ppm 으로 평균 COD 제거율은 80%이상 유지되었다.  Fig 2와 3에서는 운전기간중 hydraulic load를 변화시켰을 경우의 결과인데 약 50 m3/m2day까지는 처리효율의 차이가 뚜렷하지 않음을 알 수 있다.  특히 SS의 경우는 처리수의 평균 농도가 약 10 ppm으로 유지되어 제거율이 매우 높게 나타나고 있는데, 이는 BAF 반응기의 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 생물분해 반응과 여과의 동시 수행 능력을 잘 보여주는 결과로 활성오니 공정의 2차 침전조 기능이 하나의 반응기에서 모두 이루어질 수 있음을 나타낸다.  일반적으로 BAF 시스템에서 처리수의 SS 농도는 사용한 여재의 직경에 비례하고 여재층의 깊이에 반비례하므로 본 연구에서 사용한 여재직경 3-5 mm보다 작은 여재를 사용한다면 처리수질이 보다 좋아질 가능성은 있다.  하지만 BAF 시스템의 가장 중요한 운전조건인 역세척의 횟수 및 편리성에 문제점을 불러 일으킬수 있어 1차 침전조 배출수를 원수로 이용하는 본 시스템에서는 여재의 직경을 더 이상 줄이는 것이 바람직하지 않다.

그밖에 본 연구에서는 역세척 직후에 시스템이 안정화되기까지 소요되는 시간 및 처리수의 경향, 여재층의 총깊이 2m중의 중간 sampling point에서 얻어지는 수질변화 즉 bed depth에 따른 수질변화, 역세척 주기에 대한 검토 등에 대해 발표하고자 한다.

참고문헌

1. Desbos, G., et al., Wat. Sci. Tech., 22, 145-152 (1990).

2. Stensel, H. D., et al., J. Environ. Eng., ASCE, 114, 655-671 (1988).

3. Adachi, S. and Fuchu, Y., Wat. Sci. Tech., 24, 195-204 (1991).

4. 김동진 등, 한국수질보전학회지, 13, 177-182 (1997).

5. 김동진 등, 화학공업과 기술, 14, 40-48 (1996).

Fig. 1. Time profile of COD in a upflow BAF reactor : (■)effluent, (●)influent, (△)efficiency

Fig. 2. Effect of hydraulic loading rate on removal efficiency of COD : (■)effluent, (△)efficiency

Fig. 3. Effect of hydraulic loading rate on removal efficiency of SS : (■)effluent, (△)efficiency