연속 회분식 반응기(SBR)를 이용한 하수처리 공정에서

활성탄의 영향

이상훈, 박철환, 김상용*, 이진원

광운대학교 화학공학과, 한국생산기술연구원*

Influence of the Activated Carbon on the Wastewater Treatment Processes of Sequencing Batch Reactor(SBR)

Sanghoon Lee, Chulhwan Park, 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 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.

활성슬러지 공정에 분말 활성탄(powdered activated carbon, PAC)을 첨가하는 기술은 오래전에 개발되어 이미 상용화 되었으며, 그 공정의 효용성 또한 많이 증명되었다.  이러한 활성슬러지 공정에 활성탄을 첨가하는 공정의 이점은 다음과 같이 요약될 수 있는데, 우선 첫 번째로, 첨가된 활성탄은 폐수에 존재하는 유기물질들을 흡착함으로서 직접적으로 유기물질의 농도를 감소시키게 된다.  두 번째로는, 난분해성이나 독성 물질등을 흡착함으로서, 독성 화합물들이 미생물에게 끼칠 수 있는 영향을 감소 시키게 되어 미생물의 활성(biological activity)을 증가시킨다.  세 번째는 미생물이 활성탄 표면에 고착되어 미생물의 평균 체류시간이 높아지게 된다.  이러한 직/간접적인 활성탄의 영향은 결국 처리조의 효율을 증가시키는 결과를 가져온다.  또한 네 번째로는, 활성탄 첨가 시 미생물에 의한 활성탄의 생물학적 재생(bioregeneration)으로 활성탄의 효율 증가도 기대할 수 있으며, 마지막으로 처리조에 활성탄을 첨가할 경우의 운전 단계 중 침전 과정을 보다 용이하게 함으로서 침전 공정에 소요되는 시간을 절약할 수 있다는 장점이 있다.  본 연구에서는 분말 활성탄과 입상 활성탄을 연속 회분식 처리공정에 적용하였을 경우와 적용하지 않고서 연속 회분식 반응기만을 운전하였을 경우의 하수내의 용존 유기물의 처리 효율에 미치는 활성탄의 영향에 대해 살펴 보았으며, 생물학적 산소 요구량(Biological oxygen demand)과 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand)의 차이로 복합 균주에 의한 난분해성 물질에 대한 처리조의 분해능을 살펴보았으며, 분말 활성탄의 경우가 입상 활성탄에 비하여 활성탄의 표면적이 크므로, 생물학적 재생면에서 유리하다는 것이 일반적인 이론인데, 본 연구에서는 이러한 활성탄 종류에 따른 생물학적 재생능력(bioregeneration)에 대한 차이에 대하여서도 현재 연구 중이다.  분석법으로는 용존 유기물의 농도 측정을 위하여 중크롬산 칼륨법(K2Cr2O7)에 의한 COD법을 사용하였다.

본론

1. 생활하수 적용 실험

본 실험에 쓰인 반응기는 지름이 0.15m, 높이 0.3m의 원기둥 모양으로서 전체 부피가 약 5.3L이다.  여기에 2L의 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 구리시 인근의 하천수를 사용하였다.  실험에 사용되어진 활성탄은 모두 오성 엔비테크(주)의 제품들로서 분말 활성탄인 HYDRODARCO H와 입상 활성탄인 PK 1-3, GAC 1240, 그리고 ROW 0.8 SUPRA이다.  이들에 대한 물성표는 표 1에 나타내었다.

표 1. 활성탄 물성표

	PK1-3	ROW 0.8 SUPRA	GAC 1240	HYDRODRCO H
Molasses member	500	350	min. 230	375
Total pore volume(□/g)	1.2	1.0	0.85	0.9
Density backwashed and drained (g/□)	230	335	440	-
Moisture(as packed, %)	2	2	max. 2	-
Apparent bulk density(g/□)	max. 315	min. 350	500	560
Iodine adsorption(□/□)	800	1100	-	-
Ash content(%)	7	8		-

첨가해준 활성탄 농도는 각각 0mg/□, 50mg/□, 100mg/□, 200mg/□ 그리고 500mg/□이다.  이들 활성탄을 첨가하여 활성탄 농도별 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD)으로 용존 유기물의 제거 성능을 살펴보았다.  일반적으로 활성탄 양을 점차적으로 증가시키면서 처리한 결과를 살펴보았으며, 3가지 종류의 활성탄을 가지고서 종류에 따른 처리 성능을 비교해 보았다.  22시간 반응시키고, 2시간 침전후 시료를 채취한 다음 다시 반복시키는 방법을 사용하였다.

2. 흡착 실험

활성탄의 흡착능은 일반적으로 활성탄과 흡착물질에 따라서 많이 달라진다.  본 연구에서는 용해된 유기물 또는 콜로이드성 유기물에 대한 흡착 실험을 수행하기 위하여, 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 화학적 산소 요구량으로 흡착된 유기물의 양을 측정하였다.  흡착 시간은 보통 1∼2시간 정도 걸리는게 일상적이나 본 실험에서는 충분한 흡착을 위하여서 약 12시간 정도의 흡착시간을 가졌다.

결론

구리시 생활하수를 대상으로 Row 0.8 Supra, GAC 1240, 그리고 PK1-3 활성탄을 농도별로 첨가하여서 농도별 처리 효율을 알아보았다.  이 실험에서는 활성탄의 농도 증가에 따른 용존 유기물 처리 효율을 알 수 있었다.  여기서, 활성탄의 농도가 과도하게 증가하면 화학적 산소 요구량(chemical oxygen demand, COD)의 감소가 크게 나타날 수 있지만, 결론적으로 생물학적 처리에 대한 의존이 감소되므로 비경제적인 처리 공정이 될 수 있다.  따라서, 적절한 활성탄 농도의 결정이 중요하다고 할 수 있겠다.  그래서, 현재 이러한 최적의 활성탄 농도에 대한 실험이 진행 중이다.  현재까지 연구된 활성탄의 성능에 대하여 종합하여 보면 입상 활성탄들은 만족할 만한 흡착능을 가지고 있으며, 또한 침전성도 좋다고 할 수 있겠다.  그림 1, 2에 입상 활성탄의 화학적 산소 요구량을 시간에 따라서 살펴 보았다.  반면에 분말 활성탄은 유기물 흡착능은 좋지만 침전 효율이 안좋은 것으로 나타났다.  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 3가지 종류의 활성탄 모두가 폐수처리 공정에서 연속회분식 반응조와 같이 병행하여 사용된다면 거의 완전한 폐수 처리가 가능하다는 것을 의미하기도 한다.  흡착 실험에선 4가지 활성탄의 Freundlich 흡착 등온식을 구할 수 있었다.  뿐만 아니라, 단지 연속 회분식 반응기만을 운전하였을 때보다도 활성탄을 첨가하였을 때에 유기물 제거 효율이 좋게 나온 결과로 보아서 이 실험의 목적인 직접적인 활성탄의 흡착과 미생물이 생물학적 유기물을 분해할 때, 방해제에 대한 흡착으로 보다 더 나은 생물학적 활성의 증가를 검증 할수 있었다.  또한, 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, 1982

(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

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

(6) Xiaojian. Zhang., Zhansheng. Wang., and Xiasheng. Gu., "Simple Combination of Biodegradation and Carbon Adsorption-The Mechanism of The Biological Activated Carbon Process" Water Res. Vol. 25, pp. 165 to 172, 199

그림 1. GAC 1240을 첨가시 화학적      그림 2. PK 1-3을 첨가시 화학적

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