세라믹 담체를 이용한 안료폐수 처리

박영식, 이상화, 조문철, 안갑환*

서봉리사이클링(주), *부산가톨릭대학교 산업환경시스템학부

Organic Wastewater Treatment using Ceramic support carrier

Young-Seek Park, Sang-Hwa Lee, Moon-Chul Cho, *Kab-Hwan Ahn

Seobong Recycling, Co., Ltd.

*School of Ind. Hygiene & Environ. System Eng., Catholic University of Pusan

서론

폐수 발생량 및 폐수 특성면에서 우리나라의 대표적인 환경 오염산업으로 분류되는 염색공업 관련업체는 총 폐수배출업체중 약 5.02%이나 폐수배출량은 316000톤/일로 총 배출량의 16.61%에 달하여 전체 폐수 배출업종중 두번째로 많은 비율을 차지하고 있다(1).

Azo 안료의 기본구조는 벤젠고리와 질소이중결합(-N=N-)으로 이루어져 있으며, 벤젠고리 가지에 결합하는 물질에 따라 안료의 종류가 달라진다. 국내 대부분의 안료 생산업체에서는 Azo, AP, KN, Crude 계열의 안료를 생산하고 있으며, 이중 Azo계열 생산공장에서 발생되는 폐수의 유기물 부하율이 약 50%로 대부분을 차지하고 있다(2).

Azo 안료를 처리하는 방법으로는 운영비가 많이 소요되는 물리·화학적 방법 보다는 비용이 적게 소요되는 생물학적 처리에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 활성슬러지 공법이나 순산소활성슬러지 공법 등이 이용되고 있다(3). 그러나 Azo 안료는 생물학적으로 분해되기 어려운 화합물로서, 기존의 처리공법으로는 처리가 잘 이루어지지 않는 실정이다. 따라서 생물학적으로 분해되기 어려운 안료 폐수를 효과적으로 제거할 수 있는 공법 개발이 시급하다.

담체를 이용하는 생물막 공정은 활성슬러지 공정에 비해 반응기내 미생물 농도가 높고, 슬러지 발생량이 적으며,  수온이나 pH 및 유기물 부하변동에 강하며, 슬러지 팽화, 부상, pin floc 등의 문제점이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

본 연구에서는 주로 고농도 유기성 폐수처리에 이용되는 생물막 공정을 Orange 2와 같은 안료폐수 처리에 적용하고자 하였다.

2. 실험

담체의 제조

세라믹 원료(황토와 fly ash에 톱밥 10% 혼합하고 물을 20% 첨가하여 원통형이 되게 성형하고 60℃로 유지되는 건조기에서 24시간동안 건조시키는 과정을 거친 다음 1100℃에서 1시간 동안 소성하여 담체를 제조하였다.

안료 흡착실험

활성슬러지와 glucose를 처리하는 생물막 반응기의 폐슬러지를 채취하여 농도를 3000mg/L로 조절하고 안료를 1 : 1의 비로 혼합하여 안료농도를 3.4, 6.6, 12.9 및 27.3mg/L로 만들어 30℃, 60rpm으로 유지되는 incubator에서 흡착실험하였다.

실험장치

반응용적이 1.4L인 고정생물막 반응기를 사용하였으며, 외경이 12.5mm, 내경이 10mm이고 길이가 18 ∼ 26mm인 세라믹 담체를 826g충전하였다.반응기의 온도는 20±1℃, 수리학적 체류시간(HRT)은 4시간으로 유지하였다.

운전조건

반응기 seeding은 S 하수처리정의 반송슬러지(MLSS 2000mg/L)를 사용하였다. 폐수는 미생물을 용이하게 부착시키기 위해서 2일간 유입하지 않았고, 이후 1주일 동안은 부착된 미생물에 과부하를 주지 않으면서 성장시키기 위해서 HRT를 8시간으로 운전하였으며, 그 후에 HRT를 4시간으로 운전하였다. 폐수는 glucose를 주성분으로 제조하였으며, glucose와 orange 2를 각각 75 ∼ 500mg/L 및 5 ∼ 50mg/L로 변화시키면서 유입하였다. 공기는 산기관을 사용하여 반응기내의 DO가 5mg/L이상이 유지되도록 공급하였다.

결과 및 고찰

Orange 2 흡착실험

활성슬러지와 생물막의 orange 2 흡착능을 비교하기 위하여 orange 2농도를 3.4 ∼ 27mg/L로 변화시키면서 회분식 흡착실험한 결과를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1에서 보이듯이 활성슬러지와 생물막의 폐슬러지 모두 1시간 내에 흡착 평형에 도달하였으나, orange 2 농도가 27mg/L에서 흡착량은 생물막 슬러지가 약 7.7 mg/g biomass이고 활성슬러지의 경우 3.3 mg/g biomass로 나타나 생물막 폐슬러지의 흡착 활성슬러지보다 2.3배 높았다.

이는 생물막의 경우 흡착능이 높다고 알려진 세포외 고분자물질이 활성슬러지보다 많이 생성되었기 때문이라고 사료되었다(4).

유기물 제거능

반응기 유입수와 유출수의 TCOD 및 제거효율을  Fig. 2에 나타내었다. 초기 농도 75mg/L에서 유출수의 COD가 정상상태에 도달될 때 유입수의 농도를 올려주었다. 유입수의 농도를 올려주었을 경우와 500mg/L로 유입되었을 경우를 제외하고 정상상태에서 95%이상의 제거율을 보였다.

유입수의 농도를 500mg/L으로 올려주었을 때는 유기물 부하는 3kg COD/m3.day로 매우 높아 반응기 내부가 혐가화가 이루어졌다. 이를 해결하기 위해 공기량을 증가시켰는데, 이로 인해 생물막이 탈리되어 COD 제거율이 88.5%까지 감소하였다.

색도 제거

Orange 2농도는 5, 10, 20, 30 및 50mg/L로 COD 농도와 함께 증가시켰다. Fig. 3에서 보듯이 orange 2의 제거율은 28일까지 20%정도였으며, 이후로는 98%의 제거율을 보였다. 이는 반응기에 seeding한 슬러지가 하수처리장에서 채취한 반송슬러지이므로 orange 2를 제거할 수 있게 순응되는 기간이 약 1달 정도 소요되는 것으로 판단되었다. 10mg/L의 orange 2 농도에서 처리율은 약 70%정도 였으며, 유기물 농도가 약 300mg/L, orange 2 농도가 20mg/L로 유입되는 약 50일 이후부터는 정상상태에서 93 ∼ 98%의 제거율을 보였다. Orange 2 농도가 30mg/L로 유입될 때 처리율은 73%까지 감소하나 2주 후 처리율이 90%정도로 증가되었다. Orange 2 농도가 50mg/L로 유입될 때 166일 까지는 97%의 제거율을 보이지만 그 이후는 점점 감소되어 139일 에는 68%까지 감소하였다. 이는 반응기가 혐기화되어 호기성 상태 유지를 위해 공기 공급량을 증가시킨 후 발생하였으며, COD 제거율은 88.5%정도로 유지되었으나 색도 제거율은 계속 감소하였다.

반응기내 미생물 량

실험기간 중에는 반응기 전체 담체에 부착된 미생물 농도를 측정하기 곤란하므로 반응기 상부에서 담체를 채취하여 담체 단위 g당 미생물 양을 계산하였다. 이를 충전 담체 총량당 미생물으로 환산하고 반응기 부피로 나누어 MLSS와 MLVSS로 환산하였으며, 운전이 끝난 후에는 전체 담체를 반응기에서 채취하고 부유미생물과 담체에 부착된 미생물 량을 구하여 합산하였다. Fig. 4에 실험기간 중 반응기 상부에서 채취한 담체에 부착된 생물막 량으로 반응기 전체의 MLSS를 추정하여 나타내었다.

유입수의 유기물농도가 평균 420mg/L일 때의 MLSS는  3576mg/L, MLVSS는 2581mg/L였으나 농도를 500mg/L로 높였을 때 MLSS와 MLVSS가 감소하여 MLSS와 MLVSS가 각각 2078mg/L(128일)와 1900mg/L로 감소하였다. 이는 호기성 조건을 위해 공기 유입량을 증가시켜 생물막이 탈리되어 발생한 것으로 사료되었다. 운전이 종료되어 반응기 전체 미생물양을 구한 결과 MLSS는 4740mg/L(139일), MLVSS는 4129mg/L로 나타났다. 128일 자료와 139 자료의 MLSS와 MLVSS자료가 2배이상 차이나는 것은 128일째의 자료는 반응기 상부의 담체에 부착된 미생물량을 나타낸 자료인 반면 139일째 자료는 반응기 전체의 부착미생물과 부유미생물을 나타낸 자료로서 반응기 상부의 미생물 량보다 반응기 하부의 미생물 량이 많고 부유 미생물이 합쳐져 차이가 많이 난 것으로 판단되었다. 그러나 반응기 상부의 미생물량 측정은 미생물 성장상태와 반응기 상태를 고찰할 수 있는 자료로 활용할 수 있다고 판단되었다.

사사

본 연구는 1999년도 산업자원부의 산업기반 기술개발사업의 사업비로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고문헌

1. 장원석, 윤태일, 박대원 : 제올라이트를 매질로 사용한 BAF공법에 의한 염색폐수 처리, 대한환경공학회지, 20(5), 723-734(1998)

2. 이종현, 이현준, 김영규, 박태주 : Fenton산화와 활성슬러지를 연계한 공정에서 전처리 Fenton 산화가 안료폐수의 유기물과 색도제거에 미치는 영향, 대한환경공학회지, 21(8), 1547-1554(1999)

3. 정윤철 : Zoogloea ramigera에 의한 Biopolymer 생산과 환경분야 이용, 생물화공, 4(1), 33-38(1990)

4. 김영규, 혐기성생물막공정 및 활성슬러지에 의한 Azo dye폐수의 처리, 부산대학교 박사학위논문(1999)