활성탄을 첨가한 연속 회분식 반응기 운전에 미치는 중금속의 영향

이상훈, 임지훈, 김상용*, 이진원

광운대학교 화학공학과, 한국생산기술연구원*

Effects of Heavy Metals on the Reactor Operation of Sequencing Batch Reactor Added Activated Carbon

Sanghoon Lee, Jihun Lim, Sangyong Kim*, Jinwon Lee

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University

Korea Institute of Industrial Technology*

서론

본 연구에서는 하수처리 방법 중 하나인 연속 회분식 반응조(sequencing batch reactor, SBR)에 활성탄을 첨가한 중금속 처리 공정을 대상으로 삼았다.  연속회분식 반응조에서 활성슬러지에 의한 처리 공정은 하수내에 존재하는 복합 균주에 의해 수행되는데, 반응조 안의 미생물들은 용존 유기물을 분해하여 세포 조직과 무기물로 변환시키는 생물학적 처리를 하게 된다.  이러한 생물학적 처리 공정 중 가장 중요한 것 중 하나가 바로 미생물의 유기물 분해를 위한 최적 환경 조건일 것이다.(1,2)  따라서, 이러한 생물학적 처리공정에 중금속과 난분해성 물질을 포함한 폐수가 유입될 시에는 미생물에 생장 억제와 독성의 영향을 나타내게 된다.  구리, 아연, 니켈, 납, 카드륨, 크롬등과 같은 중금속등은 미생물 효소(enzyme)와 반응하여서 물질대사를 억제시키거나 방해한다.  또한 침전물로서 존재하는 중금속은 pH에 변화가 일어나면 용해될 수 있으며, 이는 생물학적 처리 효과를 감소시키게 되고, 이러한 생물학적 처리 효과의 감소는 폐수 배출 허용치를 달성하지 못하는 결과를 초래하게 된다.(3)  따라서, 생물학적 처리 공정에 앞서 폐수내의 이러한 중금속은 폐수원이나 전처리 과정을 통하여 반드시 제거되어야할 주요 대상이며,(4) 이에 대하여 German B.등은 연속회분식 반응기에서의 phenol에 대한 유기물 감소에 대한 연구를 하였으며, Chua H.등은 중금속에 대한 유기물 감소 연구등을 하였다.(5,6)

본 연구에서는 연속회분식 반응조의 유기물 처리 효율을 감소시킬 수 있는 중금속을 제거하기 위하여 연속회분식 반응조에 전처리 공정을 부가적으로 설치하지 않고 생물학적 반응조내에 직접 활성탄을 주입함으로서 중금속의 영향을 줄이고 반응조의 처리효율을 증가시키고자 하였다.(4)  즉, 반응조내에 주입된 활성탄의 중금속 흡착으로 미생물의 활성 저하를 방지함으로서 간접적으로 미생물에 의한 유기물 분해 효율을 높이고자 하였다.  사용되어진 활성탄은 3종류이며, 이들은 모두 입상 활성탄이다.  일반적으로 입상 활성탄인 경우에는  필터식(column)으로 사용되지만,(1) 본 연구에서는 반응조내에 분말 활성탄(powdered activated carbon treatment, PACT)의 사용 방법처럼 직접 주입함으로서 부유상태(suspend)로 사용하였다.  분석법으로는 용존 유기물의 농도 측정을 위하여 중크롬산 칼륨법(K2Cr2O7)에 의한 SCOD(soluble chemical oxygen demand)를 측정하였다.

본론

1. 흡착 등온식

활성탄의 흡착능은 일반적으로 활성탄과 흡착물질에 따라서 많이 달라진다.  본 연구에서는 용해된 유기물 또는 콜로이드성 유기물에 대한 흡착 실험을 수행하기 위하여, 10개의 농도별 기준점을 잡고서, 3종류의 입상 활성탄에 대한 Freundlich 흡착 등온식을 구해보았다.  실험에 쓰인 활성탄은 모두 오성 엔비테크(주)의 제품들로서 입상 활성탄인 PK 1-3, GAC 1240, 그리고 ROW 0.8 SUPRA이다.  사용된 시료는 구리시 인근의 장자연못의 생활하수를 사용하였으며, 농도별 기준점은 0.1g/L, 0.2g/L, 0.3g/L, 0.4g/L, 0.5g/L, 0.6g/L, 0.7g/L, 0.8g/L, 0.9g/L와 1g/L을 잡았으며, 농도별로 활성탄을 넣어준 후 평형에 도달하였을 때에 화학적 산소 요구량(SCOD)으로 흡착된 유기물의 양을 측정하였다.  150rpm으로 교반을 시켜주었으며, 흡착 시간은 보통 1∼2시간 정도 걸리는게 일상적이나 본 실험에서는 충분한 흡착을 위하여서 약 24시간의 흡착시간을 가졌다.  24시간의 흡착 반응 시간동안에 미생물에 의한 생물학적 유기물 분해로 발생할 수 있는 실험 오차를 없애기 위하여, 모든 시료와 초자는 120℃에서 20분간 살균하여서 실험하였다.

2. 중금속 및 난분해성 물질의 적용 실험

본 실험에 쓰인 반응기는 지름이 0.15m, 높이 0.3m의 원기둥 모양으로서 전체 부피가 약 5.3L이다.  여기에 4L의 폐수를 채워주어서 실험을 하였다.  온도는 항온조 장치에 의하여 미생물의 최적의 활성을 위하여 30℃로 유지시켰다.  반응조내의 완전 혼합을 위하여 반응조 중앙에 교반 장치를 설치하여 교반하였으며, 교반 속도는 사용되어지는 활성탄이 모두 부유상태가 될 수 있는 약  230rpm정도로 맞추었으며, 반응조 내의 호기적 상태를 위하여 포기를 해주었다. 포기를 위한 산기 장치로는 반응조 바닥에 고정된 구멍이 뚫린 관을 사용하였으며, 활성탄 농도별 비교를 위하여 똑같은 5개의 반응조로 동시에 같은 폐수를 가지고서 실험을 하였다.  폐수의 수리학적 체류시간은 22시간이며 2시간 동안 침전후 상등액을 제거하고 다시 폐수를 채워서 반복하는 방법으로 실험을 하였다.  또한 반응조 내에 미리 활성탄을 넣어주므로, 수리학적 체류시간인 22시간이 활성탄-기질의 접촉 시간과 같다.  실험에 사용되어진 생활하수는 흡착실험에서 사용되어진 구리시 인근의 장자연못 하수를 사용하였으며, 활성탄도 흡착실험에서 사용된 3가지 입상 활성탄을 사용하였다.

중금속 실험에 사용되어진 중금속으로는 Pb와 Cd이며, 난분해성 물질로는 Phenol을 사용하였다.  첫 번째 반응기는 중금속이나 활성탄을 전혀 넣지 않고서 운전함으로서 연속 회분식 반응기(SBR)만의 분해능을 살펴보았으며, 다른 2개의 반응기에는 중금속(또는 난분해성 물질)을 10mg/L과 30mg/L를 각각 넣어주고서 중금속 농도별에 대한 영향을 살펴보았다.  나머지 두 개의 반응기에는 중금속 10mg/L와 30mg/L를 각각 넣어주고서, 여기에 활성탄 첨가실험에서 확인된 가장 최적의 활성탄 농도인 500mg/L를 넣어주고서 운전하였다.

분석법으로는 중크롬산 칼륨법(K2Cr2O7)의 SCOD(soluble chemical oxygen demand) 측정법을 이용하여 용존 유기물의 양을 측정하였으며, Standard Methods에 있는 방법을 따랐다.

결론

흡착 실험에선 3가지 활성탄의 Freundlich 흡착 등온식을 구할 수 있었다.   여기서 Kf는 활성탄의 흡착능(capacity)을 나타내며, 이 값은 클수록 흡착능이 더 좋으며, n값은 heterogeneity factor로서 적정 범위는 0∼1 정도이다.  본 연구에서의 Kf와 n값은 표1에 나타내었으며, 표 1에서 보는 바와 같이 만족할 만한 활성탄의 성능을 보여주고 있다.  흡착 등온선은 그림 1에 나타내었다.

중금속 및 난분해성 물질에의 적용 실험에서는 구리시 인근의 장자연못 폐하수를 대상으로 입상 활성탄인 Row 0.8 Supra, GAC 1240, 그리고 PK1-3 활성탄을 반응조내에 직접 첨가한 후, 중금속 첨가시  미생물의 유기물 제거 효율을 조사하였다.  그림 2는 GAC 1240의 Pb 첨가시의 SCOD(soluble chemical oxygen demand)이며, 그림 3은 PK1-3의 Pb 첨가시 SCOD, 그리고 그림 4는 ROW 0.8 SUPRA의 Pb 첨가시 SCOD를 보여주고 있다.  그림 2-4에서 볼 수 있듯이 10mg/L의 중금속만을 넣어주었을 시에는 39.3%, 26.1%, 28.6%의 처리효율을 보여주고 있으며, 연속회분식 반응조만을 운전하였을 때는 48.2%, 50%, 42.9%의 처리효율을 보여주고 있다.  이렇게 처리 효율이 적게 나오는 것으로서, Pb가 미생물  생장 억제제로 사용되어지는 것을 알 수 있으며, 여기에 활성탄을 첨가하였을 시에는 연속회분식 반응조만을 운전하였을 때보다도 더 좋은 처리효율, 약 58.9%, 58.7% 54.8%를 보여주는 것으로서 활성탄이 이러한 중금속의 미생물 억제 영향을 감소시키는 것을 알 수 있었으며, 직접적으로 유기물을 흡착하는 것도 알 수 있었다.  따라서, 연속회분식 반응조에 직접 활성탄을 첨가하는 공정은 반응조외에 전처리 공정이나 부가적 공정의 설치를 하지 않고 미생물의 활성을 저해시키는 중금속의 영향을 억제함과 동시에 직접적인 유기물 흡착으로 연속회분식 반응조의 처리 효율을 증가시킨다는 것을 보여주었다.  그림 5는 화학 오염 물질인 phenol첨가시의 SCOD 변화를 보여주고 있으며, phenol만을 주입하였을 시에는 41.9%의 처리효율을 보여주고 있으며, 연속회분식 반응조만을 운전시에는 54.8%, 활성탄을 넣어주었을 시에는 64.5%의  처리효율을 보여주고 있다.  phenol 주입시에도 중금속과 같이 활성탄이 phenol의 미생물 생장 억제 영향을 감소시킴과 동시에 직접적인 유기물 흡착으로 반응조의 처리 효율을 증가시키는 것을 알 수 있었다.

이러한 활성탄을 이용한 처리 공정들이 일반 생활하수 처리 공정에서 중금속이나 난분해성 물질의 제거를 위한 독립된 공정으로 이용될 수 있는 것 뿐만아니라 조합된 공정으로도 이용되어질 수 있다는 것이 검증되었으며, 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) 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

(4) Marquez. M. C. and Costa. C., "Biomass Concentration in PACP Process" Elsevier Science Ltd 1996

(5) German B. and Romulo F., "Phenolic Compounds Biodegradation Using an SBR System Packed with a Porous Volcanic Support", IAWQ, 3/18/1996

(6) Chua H. and Hua F., "Effects of a Heavy Metal on Organic Adsorption Capacity and Organic Removal in Activated Sludge", Biochem. & Biotec., vol. 57, 5-9, 1996

표 1.활성탄 종류별 Kf와 n값

	PK1-3	GAC 1240	ROW 0.8 SUPRA
n	0.69	0.5	0.52
Kf	0.09	0.011	0.029

그림 1. 3가지 활성탄의 흡착        그림 2. GAC 1240에 Pb 첨가시

등온선                             화학적 산소 요구량

그림 3. PK 1-3에 Pb 첨가시        그림 4. Row 0.8 Supra에 Pb 첨가시

산소 요구량                        화학적 산소 요구량

그림 5. Phenol 첨가시 화학적 산소

요구량