SBR 공정에서 유기물 및 영양염류 제거에 음식물 쓰레기 발효액의 적용

홍준호, 김선일

조선대학교 화학공학과

Application of Fermented Leachate of Food Waste on Organics and Nutrients Removal in SBR Process

Joon-Ho Hong, Sun-Il Kim

Chosun University Chemical Engineering

서론

국내 하․폐수의 COD, BOD, T-N 및 T-P는 외국에 비하여 현격하게 낮은데, 이는 외국과 달리 분뇨가 별도로 수거되어 처리되고, 대규모 하수종말처리장으로 연결되는 긴 하수관거에 하․폐수가 유입 및 유하되는 동안 유기물 분해가 발생하여 유기물 농도가 감소하게 되고 이로 인해 계획치보다 낮은 농도의 하수가 유입되기 때문이다[1]. 이는 국내 하․폐수의 낮은 C/N 비를 유발하게 되고, 영양염류 제거에도 큰 영향을 미치고 있다.

그리고 최근 몇 해부터 쓰레기 종량제 시행으로 대부분의 생활쓰레기는 분리수거되어 그 배출량은 감소하고있다. 분리수거 되는 생활쓰레기 중 음식물 쓰레기는 퇴비화 등으로 재활용되고 있으나, 다량의 수분과 염분을 함유하고 있어 퇴비화 조건에 충족시키지 못하고 있다. 또한 대부분의 음식물 쓰레기는 매립되고 있는 실정이나 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물의 매립은 악취, 침출수, 지반침하 등의 2차 환경오염과 쓰레기 매립지의 사용기간 단축 등의 문제로 이어지고 있다.

따라서 본 연구에서는 이러한 문제를 인식, 해결하고자 음식물 쓰레기 재활용율을 높임과 동시에 하․폐수 고도처리시 낮은 유기물 부하 문제를 해결하기 위한 방법으로, 일상생활에서 발생하는 음식물 쓰레기를 발효액화시켜, SBR(sequencing batch reactor) 공정에 음식물 폐기물 발효액(anaerobically fermented leachate of food waste, AFLFW) 주입하고, 그에 따른 유기물과 영양염류의 제거효율을 관찰하였다. 메탄올과 음식물 쓰레기 발효액과의 유기물 및 질소, 인 제거효율을 비교 조사하였으며, SBR 공정 1cycle 내에서 음식물 쓰레기 발효액 주입량에 따른 pH, COD 및 질소, 인 등의 거동을 살펴보았다.

실험

본 실험에서 사용한 활성슬러지는 K 하수처리장의 반송슬러지를 이용하여 50mesh 체로 협잡물을 제거한 후 실험에 사용될 같은 농도의 합성폐수로 15일간 순응시켜 본 실험에 사용하였다. 그리고 합성 폐수 및 음식물 폐기물 발효액(AFLFW)의 성상은 Table 1, 2에 나타낸 바와 같다. 음식물 쓰레기 발효액은 C 대학교 내 학생 식당에서 발생하는 음식물 쓰레기를 수거하여, 이를 희석 및 분쇄 후 발효기를 사용하여 20여 일간 40℃에서 발효시켰다. 그리고 발효된 음식물 쓰레기 혼합액을 30분간 정치시켜 고형분의 일부를 제거한 후 상등액을 채취하여 본 실험에 사용할 음식물 쓰레기 발효액으로, 냉장 보관하였다. 또한 합성 폐수는 실험 중 분석 물질의 농도를 일정하게 유기하기 위하여 질소원 및 인산원으로 NH4Cl과 KH2PO4을, pH 조절을 위해 NaHCO3 및 기타 미네랄 성분 등을 첨가한 합성폐수를 제조하였다.

한편 SBR(sequencing batch reactor) 공정에서의 음식물 퍠기물 발효액의 주입에 따른 유기물 및 영양염류 제거효율을 파악하기 위해, 합성폐수 및 외부 탄소원을 세 반응기에 각각 다르게 하여 주입하였다(합성폐수, 합성폐수+메탄올 20 %(V/V), 합성폐수+음식물 쓰레기 발효액). 또한 음식물 쓰레기 발효액의 주입량에 따른 변화를 관찰하고자 5, 20, 100 %(V/V)로 증가시켜 관찰하였다. 그리고 합성폐수 외 외부탄소원의 주입점은 호기 전과 후에 주입량의 50 %로 나누어 주입하였다. 각 반응기는 직경이 20㎝인 투명아크릴 원통으로, 유효용적은 유입공정 종료후 3L, 배출공정 종료후 1.2L가 유지되로록 하여 처리수량을 1.8 L/cycle로 하였다. 또한 반응기내 MLSS는 3000～3500 ㎎/L로 유지하고, SRT(solids retention time)는 25 days로 하였다. 합성폐수의 유입과 처리수의 유출은 pe 유량 펌프를 사용하고, 반응기 내 미생물과 유기물의 충분한 접촉이 일어날 수 있도록 교반기로 교반하였으며, 폭기 시간에서의 공기 공급을 위해서 폭기 장치 및 산기관를 이용하였다. 이 모든 장치는 operation schedule(Fig. 1)에 의해 timer로 자동 제어되도록 하면서 SBR 공정 2 cycle/day(12 hr/cycle)로 하여 각 반응기의 질소 및 인의 제거율을 조사하였다. 음식물 쓰레기 발효액과 시료는 각각 50㎖를 채취하여 GF/C filter와 0.45㎛ membrane filter로 여과한 후 수질오염공정시험법[2] 및 Standard Method[3]에 준하여 COD, SS, TN, NH4+, NO3-, TP, PO43-등을 분석하였다.

Components	Concentration (mg/L)
Glucose	200
NH4Cl	40
KH2PO4	5
NaHCO3	250
KCl	4.7
MgSO4․7H2O	50
CaCl2․2H2O	10
FeCl3․6H2O	0.375

Table 1. Characteristics of AFLFW

Table 2. Composition of Synthetic Wastewater used in Experiment

Constituents		Concentration
CODcr	Total	10,860
	Soluble	7,620
SS	Total	1,076
	Volatile	920
Nitrogen	Total	89.4
	NH4+	69.7
Phosphorus	Total	34.7
pH		〈 4.0

Note) Unit : mg/L except pH

Fig. 1. Operation schedule in a cyle of SBR Process

결과 및 고찰

SBR 공정의 운전 조건(Fig. 1)에서 외부 탄소원에 대하여 1 cycle 동안의 CODCr 농도변화를 Fig. 2에 나타냈었다. SBR 운전 조건 1 cylce 내에서 CODCr 농도는 각 조건에 따라 감소하였으며, 폭기후 교반단계에서 2차 외부 탄소원을 주입함에 따라 CODCr 농도가 증가하는 것을 관찰하였다. 외부 탄소원으로 methanol 20% (V/V)을 주입한 경우와 AFLFW 5, 20% (V/V)을 주입한 경우가 외부 탄소원을 주입하지 않는 경우보다 약간 높은 제거효율을 나타냈었는데, 이는 외부 탄소원을 주입하지 않은 경우에 활성슬러지 내의 자산화만 이루어지게 되고, 외부탄소원을 주입함으로서 활성슬러지의 활성도가 증가하였기 때문인 것으로 사료된다. 또한 AFLFW를 100% (V/V)으로 증가 시켰을 경우, 오히려 CODCr 제거 효율이 크게 감소하였는데 이는 음식물 쓰레기 발효액에 존재하는 유기물 중에서 활성 슬러지에 의해 분해되지 못하는 입자성 유기물의 증가에 의한 것[1]으로 사료된다. Fig. 3은 SBR 공정의 1 cycle 내에서 NH4+의 거동을 나타내었다.  각 조건에서 폭기 시간 동안에 NH4+은 현격하게 감소하는 것을 관찰하였는데, 이를 통해 질산화 반응에 외부탄소원은 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있었으며, NH4+ 제거효율은 88～92%로 나타났다. 한편 AFLFW 20, 100% (V/V) 조건에서는 NH4+가 약간 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 폭기후 교반단계에서 2차 외부 탄소원 주입으로 인해 음식물 쓰레기 발효액의 원액의 NH4+ 성분이 더 첨가되어 증가된 것으로 사료된다.

Fig. 2. Variation of CODCr in a Cycle of SBR Process for External Carbon Sources.

Fig. 3. Variation of NH4+ in a Cycle of SBR Process for External Carbon Sources.

한편 Fig. 4는 SBR 공정 1 cycle 내의 NO3-의 거동을 나타내었다. 각 조건에서 NO3-는 Fig. 3에서 본 바와 같이 폭기 시간의 NH4+ 감소에 따라 증가함을 볼 수 있는데, 이 역시 폭기 시간 동안 질산화 반응이 원활하게 이루어 졌음을 알 수 있다. 그리고 폭기후 교반 단계의 각 조건에서 NO3-가 감소함을 볼 수 있는데 anoxic 교반을 통한 탈질화가 이루어 진 것으로 사료되며, 또한 외부 탄소원을 첨가하지 않는 경우보다 첨가한 경우가, 그리고 외부 탄소원으로 methanol 20% (V/V)을 주입한 경우보다 AFLFW 5, 20, 100% (V/V)을 주입한 경우가 오히려  NO3- 제거 효율이 우수한 것으로 나타났는데, 이는 외부탄소원을 주입하지 않는 경우 탈질 반응이 일어나는 anoxic 상태에서 미생물이 이용할 수 있는 유기물이 부족하여 탈질화가 원활하게 이루어지지 않았기 때문인 것으로 사료되고, 외부 탄소원으로 사용하고 있는 methanol을 음식물 쓰레기 발효액으로 대체 할 수 있을 것으로 판단된다. PO4-의 SBR 공정 1 cycle 내에서의 거동은 Fig. 5에 나타내었다. 미생물에 의한 인 제거 기작은 anaerobic 조건에서 분해되기 쉬운 유기물이 미생물에 의해 분해되면서 인의 방출가 일어나고, aerobic 조건에서 미생물에 내에 저장된 유기물이 분해되는 과정에서 인의 과잉 섭취가 일어나 인을 제거 하게되는데[4], Fig. 5에 나타난 PO4-의 거동이 위와 같은 현상에 기인한 것으로 판단되며 따라서 외부탄소원을 주입하지 않는 경우보다 주입한 경우(methanol 20% (V/V), AFLFW 5, 20, 100% (V/V))가 인의 방출 및 과잉 섭취가 이루어져 보다 효율적으로 인이 제거된 것으로 사료된다. 한편 폭기 후 교반 단계에서 외부탄소원을 주입한 경우(methanol 20% (V/V), AFLFW 5, 20, 100% (V/V)) PO4-의 농도가 약간 증가한 것으로 나타났는데, 이는 재폭기를 통해 제거할 수 있을 것으로 사료된다. 그리고 PO4-의 제거효율은 외부 탄소원으로 methanol 20% (V/V)을 주입한 경우보다 AFLFW 5, 20% (V/V) 을 주입한 경우가 우수하게 나타났는데, 이는 미생물에 의한 유기물 분해에서, 음식물 쓰레기 발효액이 methanol보다 더 쉽게 분해되어 인의 방출을 촉진시킨 결과로 사료된다.

Fig. 4. Variation of CODCr in a Cycle of SBR Process for External Carbon Sources.

Fig. 5. Variation of NH4+ in a Cycle of SBR Process for External Carbon Sources.

결론

SBR 공정에서 외부탄소원으로 음식물 쓰레기 발효액을 이용하여 유기물과 영양염류 제거에 대해 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 음식물 쓰레기 발효액의 주입량에 따른 유기물 및 영양염류 제거에서 음식물 발효액 20% (V/V)가 가장 효과적인 것으로 나타났으나, 음식물 쓰레기 발효액의 주입량에 따라 유기물 및 영양염류의 제거 효율이 결정되므로 음식물 쓰레기 발효액을 외부 탄소원으로 이용하고자 할 때는 최적 주입량 결정이 선행되어야함을 알 수 있었다.

2. 하․폐수의 유기물 및 영양염류 제거를 위한 외부 탄소원으로서의 메탄올과 음식물 쓰레기 발효액을 비교한 결과 차이를 보이지 않았다. 따라서 음식물 쓰레기 발효액을 외부 탄소원으로 이용하는 것이 음식물 쓰레기 처리 측면과 경제적 측면에서 유리한 것으로 판단된다.

참고문헌

1. 신항식 외 4인, ꡒ하수처리에 음식물 산발효액이 영양염류 제거에 미치는 영향 (1)ꡓ, J. of KSEE, 24, 6, 1023～1031(2002).

2. 수질오염공정시험방법, 환경부(1997).

3. APHA., AWWA., WEF., Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 19th ed., American Public Health Association. Washington D.C.(1995).

4. Manning, Jone, F. and Irvine, R. L., "The Biological Removal of Phosphorus in Sequencing Batch Reactor", JWPCF, 57, 1, 87～94(1985).