생물학적 전처리-화학응집-전기응집-전기분해의 결합공정에 의한

파일롯 규모의 염색폐수 처리

김탁현1,3, 박철환1, 이기용2, 이진원2, 신응배3, 김상용1

한국생산기술연구원 청정생산기술개발센터1,

광운대학교 화학공학과2, 한양대학교 토목환경공학과3

Pilot-scale treatment of textile wastewater

by combined biological pretreatment-chemical coagulation -electrocoagulation-electrochemical oxidation

Tak Hyun Kim1,3, Chulhwan Park1, Giyong Lee2,

Jinwon Lee2, Eung Bai Shin3, Sangyong Kim1

Cleaner Production Technology R&D Center, KITECH1,

Dept. of Chem. Eng., Kwangwoon Univ.2, Dept. of Civil & Environ. Eng., Hanyang Univ.3

서  론

우리나라에서 발생하는 산업폐수의 양은 1998년말 현재 4,067천m3/일이며 이의 BOD 부하량은 2,661톤/일에 달하고 있다. 이들 산업폐수는 난분해성이 많고 일부는 독성도 지니고 있어 일반적인 하수처리시설로는 처리하기가 곤란하고 주변 환경으로 방출할 때에는 생태계에 미치는 해독이 매우 크며 경제적 손실 또한 막대하다.  폐수특성 및 폐수발생량에서 볼 때, 우리나라의 대표적인 오염산업으로 분류되는 염색공업 관련업체에서 배출되는 폐수량은 산업폐수발생량의 13.7%를 차지하고 있으며, 오염부하량(BOD부하량) 기준으로는 산업폐수중의 14.8%를 차지하고 있어 공공수역에 미치는 영향은 매우 크다고 할 수 있다. 따라서 부하량이 크고 여러 난분해성 오염물이 섞여있는 산업폐수의 처리는 보다 정교하고 고도화된 기술이 필요하며 고효율의 처리공정 개발이 매우 시급한 실정이다.

Lin 등의 연구에서는 화학응집-전기응집-활성슬러지조의 결합된 공정 처리에서 COD 제거율이 화학응집에 의하여 43.7%, 전기응집에 의하여 40%, 활성슬러지조에서 57.2%가 이루어져 총 85.4%의 COD 제거율을 획득하여 초기 569mg/L였던 COD가 101mg/L로 감소하였다고 보고 하였다. 하지만, 이의 처리만으로는 방류수 기준을 충분히 만족시키지 못한다.

본 연구에서는 활성슬러지가 아닌 COD 및 Color제거효율이 뛰어난 특정 미생물 균주를 분리/배양하여 투입하는 방법과 기존공정의 결합순서의 재조합에 의하여 보다 더 효율적인 처리공정을 개발하고자 하였다.

본 연구에서는 기존의 활성슬러지조를 별도로 사용할 필요가 없고, 원수조에 직접 미생물을 투입하여 일차적으로 원수의 오염물 부하를 낮추어 폐수처리설비의 부지를 크게 줄일 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한, 응집장치와 전기분해장치에 걸리는 오염물 부하도 줄여 주는 효과를 극대화하여 처리효율을 높이고자 하였다.

실험방법

1. 대상폐수 및 Lab.에서의 최적조건의 산출

본 연구에서는 반월염색공단의 종합염색폐수를 대상으로 수행하였으며, 그 대표적 성상은 아래의 표1과 같다. 파일롯 처리에 앞서 개별 공정에 대한 최적반응조건을 산출하기 위하여 생물학적 처리, 화학응집, 전기응집 및 전기분해의 최적조건을 산출하고, 이를 바탕으로 파일롯 규모에서의 처리를 수행하였다.

본 연구에 사용된 균주는 경기도 의정부시 T사의 염색폐수 및 슬러지를 근원시료로 하여 분리되었으며, 이중 선별된 균주인 Aeromonas salmonicida 등의 혼합균주를 사용하였다. 생물학적 처리에서의 처리효율을 향상시키기 위하여 P.U. 계통의 미생물 담체(1.3cm×1.3cm×1.3cm, 0.21g/cm3, 8.5071m2/g)를 폭기조 부피의 약 10%만큼 넣어주었다.	파일롯 규모의 폭기조에 투입할 균주들은 염색폐수의 COD와 Color제거에 있어 최적의 활성을 지니는 시점인 12시간 동안 배양하였다.

표 1. 염색폐수의 성상

항 목	성상
pH	11.2
온도	40℃
COD	800∼1,000mg/L
MLSS (Mixed liquor suspended solids)	240mg/L
Color (PtCo units))	1,500∼2,500

화학응집에서는 Jar tester를 사용하여 무기응집제 6종[Al2(SO4)3, PASS(Poly Aluminium Sulfate Silicate), PAC(Poly Aluminium Chloride), FeCl3·6H2O, Fe2(SO4)3·nH2O, FeSO4·7H2O] 그리고 고분자 응집제 4종[SC-050, SC-100, SA-407J, SN-557]에 대하여 화학응집 실험을 수행하여, 최적 응집제 및 응집조건을 산출하였고, 전기응집에서는 유효부피 1.2L의 연속흐름 반응기를 제작하여, Fe전극, Al전극, SUS전극을 대상으로하여 영향인자로서, 전류밀도, 전극수, 전극간격, 초기폐수농도, 유입유량, 전극종류 등을 선정하여 각 인자별 영향 실험을 수행하여 반응속도 및 최적반응조건을 도출하였다. 마찬가지로 전기분해에서도 RuO2/Ti 전극에 대하여 전류밀도, 초기 폐수농도, 유입유량, 전해질농도 등의 영향인자에 대하여 최적조건 산출하였다.

Lab. 규모의 실험에서 얻어진 결과를 바탕으로하여 그림1과 같은 규모의 파일롯 장치에서 생물학적 전처리-화학응집-전기응집-전기분해의 연속공정에 대한 테스트를 수행하였다.

그림1. 파일롯 규모의 염색폐수처리장치

2. 결과 측정

일반적으로 염색폐수는 타 처리항목에 비하여 COD와 Color가 주된 처리항목이며, 본 연구에서는 이와 함께 SS(Suspended Solids)도 함께 측정하였다. SS는 Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater(APHA, 1995, 19th Ed.)에 의거하여 측정하였으며, COD는 Standard Methods의 Closed Reflux, Colorimetric Method에 의거한 HACH사의 DR2010 spectrophoteometer 및 COD reactor를 이용하여 측정하였으며, Color는 UV/VIS Spectrophotometer을 이용하여 Standard Methods의 PtCo법에 의거하여 측정하였다.

결과 및 고찰

생물학적 전처리 및 개별공정의 연속식 결합에 의하여 단계별 공정의 오염물 부하의 감소를 확인하였으며, 파일롯 규모의 처리를 통하여 효율적인 염색폐수의 처리 가능성을 확인하였다.

생물학적 처리의 경우, 2종의 미생물균주 조합에 의한 폐수처리에 의해 폭기조내 반응시간을 48시간으로 취해줌으로써 COD 38%, Color 23%, SS 67%의 제거율을 보였으며, 본 폭기조에 미생물 담체를 채용함으로써 COD 69%, Color 71%, SS 68%가 제거되어 결과적으로, 담체를 채용해줌으로써 COD는 31%, Color는 48%의 제거율 향상을 획득할 수 있었다.

화학응집에서는 Lab. test로부터 Color측면에서는 FeCl3·6H2O이 80%,  Al2(SO4)3이 79%순으로 높은 것으로 나타났고, COD 측면에서는 FeCl3·6H2O이 71%, Fe2(SO4)3·nH2O가 69%로 나타났으며, SC-100 등의 고분자응집제는 COD 제거율은 그다지 높지 못하나, Color는 92.5%로서 높게 나타났으며 따라서, Color를 주요 제거목적으로 하는 경우는 이들 고분자응집제의 채용도 고려해 볼만하다고 여겨진다.

전기응집에서는 연속흐름 반응기에서 주요 영향인자별 영향 실험을 수행하여 반응속도 및 최적반응조건을 도출하였다.

RuO2/Ti 및 SUS 전극에 의한 전기화학적 산화반응에 대해서도 주요 영향인자별 반응양상을 살펴본 결과, 전해질(NaCl)농도는 1,000mg/L, 전류밀도는 4.17mA/cm2에서 가장 효율이 높게 나타났고, 유입유량은 적을수록 유리하지만 처리용량을 고려할 경우 제약이 존재하게 되며, 초기농도는 초기 COD가 40mg/L인 경우 30분이상 경과시 COD가 0∼5mg/L 이내 수준까지 감소시킬 수 있었다.

이들 Lab. test 결과에서 얻어진 반응조건을 기초로하여 개별공정의 순서를 변화시키는 경우의 양상을 세가지의 경우에 대하여 살펴보았다. 결합순서를 caseI:[생물학적처리-화학응집-전기응집-전기분해], caseII:[생물학적전처리-전기응집-화학응집-전기분해] 그리고 caseIII:[생물학적전처리-화학응집-전기분해] 등의 case에 대하여 그 반응특성을 살펴본 결과, caseI에 비해서는 caseII가 보다 효율이 향상됨을 알 수 있었고, 초기 폐수의 성상에 따라서는 caseIII와 같은 결합순서에 의해서도 방류수 배출기준을 만족시킬 수 있을 정도로 충분한 처리효율을 얻을 수 있었으며, 더욱이 처리비용 측면에서도 충분히 고려해 볼만하다고 하겠다. 아래의 그림1은 이중 caseII의 처리결과를 나타낸 것이다. 생물학적 전처리를 통한 오염물 부하를 줄여주고, 이후에 화학응집, 전기응집, 전기분해 등의 공정을 거침으로써, 최종적으로는 COD는 95%, Color는 99%, SS는 88%의 제거율을 확인할 수 있었다.

그림 2. 생물학적처리-전기응집-화학응집-전기분해에 의한 염색폐수 처리 (B.T.:생물학적 처리; E.C.:전기응집; C.C.:화학응집; E.O.:전기분해)

감사의 글

본 연구는 1999∼2000 산업자원부 산업기반기술사업 연구개발비의 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사의 뜻을 표합니다.

참고문헌

1. George, T. and Frankline, L. B.: "Wastewater Engineering: Treatment. Disposal, Reuse" McGraw-Hill, Inc.(1991).

2. Lin, S. H. and Peng, C. F.: Water Research, 30, 587(1996).

3. APHA, Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th Ed.(1995).