고농도 유기성 폐수의 고도 처리 시스템 개발

정수정*, 황윤애, 최숙, 정선용, 이용운

전남대학교 화학공학과*, 전남대학교 환경공학과

Development of Advanced Treatment System of Wastewater

with High Content of Organic Matter

Su-Jung Jung*, Yun-Ae Hwang, Suk Choi, Seon-Yong Chung,

Yong-Woon Lee

Dept. of Chemical Eng., Chonnam National University*

Dept. of Environmental Eng., Chonnam National University

서론

급속한 산업화로 인한 도시 인구의 급증과 산업폐수 배출 시설의 증가로 인하여 질소 화합물의 배출량이 점점 증가하고 있다. 근래에 커다란 사회적 문제로 대두된 호수의 부영양화 및 해역에서의 적조 현상과 같은 질소화합물이 수질에 미치는 많은 악영향 때문에 질소 화합물 처리의 중요성은 점점 증대되고 있고 탄소 화합물뿐만 아니라 질소 화합물에 대한 배출 허용기준도 더욱 엄격해지고 있는 실정이다. 따라서 폐수에 함유된 탄소 화합물은 물론 질소화합물을 효율적으로 제거하기 위한 방안이 활발히 연구되고 있는데, 이 중 담체를 이용한 고정 생물막 공법은 긴 SRT를 가지므로 잉여 슬러지 발생량이 적고 성장 속도가 느린 질산화균을 고농도로 유지할 수 있으며, 다양한 종류의 미생물이 담체에 부착 성장하므로 다양한 유기물을 제거할 수 있는 등 많은 장점이 있어서 최근에 주목받고 있는 처리기술이다.

본 연구의 목적은 주정 제조 공정, 우유 및 치즈 제조 공정, 식품 제조 공정 등에서 일반적으로 발생하는 산업폐수에 함유된 고농도 탄소 및 질소 화합물을 동시에 처리할 수 있는 시스템을 개발하는 것이다. 이러한 시스템은 폐수내 암모니아를 호기성 반응기에서 질산염으로 전환한 후 혐기성 반응기내로 반송시켜 폐수 자체에 함유된 탄소 화합물을 탄소원으로 이용하여 질산염의 탈질화 뿐만 아니라 동시에 고농도 탄소 화합물이 제거되도록 하는 것이 특징이다.

실험

본 연구에 사용한 실험장치는 Fig.1에 나타난 바와 같이 16L의 용량을 가진 원통형 혐기성 복합 반응기와 40L의 용량을 가진 직사각형 질산화 반응기로 구성되어 있으며, 아크릴로 제작되었다. 그리고 각 반응기의 내부는 담체를 사용하여 충진되었다. 실험장치는 30℃의 항온실에 설치되었으며, 광주 하수 종말 처리장의 혐기성 소화액 및 2차 침전지의 배출수를 혐기성 복합 반응기와 질산화 반응기에 각각 식종하였다.

운전 조건의 변화에 따른 폐수 처리 효율을 알아보기 위해 인공폐수를 만들어 반응기내로 유입시켰으며, 운전 조건의 기본적 변화 요소는 수리학적 체류시간

Fig.1. 고농도 탄소화합물 및 질소화합물을 처리하기 위한 실험 장치

과 NH3-N 농도이었다. 본 연구의 기간 동안 혐기성 복합 반응기의 COD 농도와NO3-N의 농도는 각각 1,500mg/L와 300mg/L로 일정했고, 질산화 반응기의 COD 농도는 50mg/L이고 NH3-N 농도는 50mg/L에서 200mg/L로 변화되었다. 혐기성 반응기의 수리학적 체류시간은 72시간에서 36시간이었으며, 질산화 반응기의 경우에는 72시간에서 6시간이었다.

질산화 반응기내의 질산화균을 집적시키고 각 반응기의 특성을 알아보기 위하여 혐기성 반응기와 질산화 반응기는 연결없이 독립적으로 운전되다가, 나중에 직렬로 연결되었다. 운전기간중 주 1회 이상 시료를 채취하여 분석하였고, 각 운전 조건의 변화에 따른 폐수 처리 특성을 파악하기 위해 측정된 수질 항목은 pH, CODCr, NH3-N, NO3-N, PO4-P, SS, VSS, DO, 알칼리도이다.

결과 및 고찰

1. 혐기성 반응기의 효율분석

유입 COD와 NO3-N 농도는 운전기간동안 일정하였다. 거의 대부분의 경우 혐기성 복합 반응기에 의한 COD 제거율은 90% 이상이었으며, NO3-N의 탈질율은 약 100% 정도로 거의 완전한 탈질이 이루어졌다(Fig.2). 이러한 결과로부터 혐기성 복합 반응기를 운전할 때 NO3-N의 농도는 처리효율에 있어서 제약요소가 될 수 없다는 것을 알 수 있었다. 또한 메탄올과 같은 외부 탄소원의 공급 없이도 폐수 자체에 포함된 유기물을 이용하여 완전한 탈질화가 일어날 수 있으므로, 외부 탄소원을 공급하기 위한 비용은 절감될 수 있을 것이다.

폐수 유입지점과 첫번째 시료 채취지점 사이에서 거의 모든 제거가 이루어지므로 미생물 활성은 폐수 유입지점 부근에서 가장 높다는 것을 알 수 있었다. 또한 폐수의 흐름 형태가 초기에는 하향류식이나 최종 흐름 형태가 상향류식으로 변화되기 때문에 침전 효과에 의해 배출 고형물 양이 적어서 혐기성 반응기 다음에 침전지                                               를 따로 설치할 필요가 없다.

2. 질산화 반응기의 효율 분석

질산화 반응기에서 COD 제거율은 약 70%였다(Fig.3). 유입된 NH3-N 농도는 반응기의 운전 기간이 경과함에 따라 50mg/L에서 200mg/L로 증가되었다.

NH3-N 유입량이 가장 적은 초기 운전조건에서 NH3-N 제거율이 가장 낮았던 것은 질산화균이 성장 속도가 느려서 반응기가 아직 충분한 안정기에 도달하지 않았기 때문인 것으로 판단되고, 반응기가 안정기에 도달한 후에는 NH3-N의 농도 변화에 상관없이 유입 NH3-N의 거의 100%가 제거되었다. 따라서 유입수의 농도 변화에도 불구하고 유출수의 수질변화는 거의 관찰되지 않으므로 고정상 담체를 이용한 처리 방법이 안정된 처리 효율을 보임을 알 수 있다. 유입 NH3-N와 이로부터 생성된 NO3-N 사이의 관계는 Fig.4에 나타난다.

질산화가 일어날 때 HCO3-의 농도는 감소하고 H2CO3의 농도는 증가하므로 반응기내 pH가 감소하기 때문에 질산화 반응기를 독립적으로 운전할 때에는 질산화 과정 동안 폐수를 완충할 수 있을 정도의 충분한 알칼리도를 반응기에 공급해 주었고,  혐기성 반응기와 연결되었을 때는 혐기성 반응기로부터 생성되어 공급되는 알칼리도에 의존하였다.

질산화 반응기에 유입된 COD의 실제 평균 농도는 67mg/L였는데, 이 농도에서 질산화가 충분히 일어나므로 이 정도의 COD 농도는 질산화균의 집적에 악영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 1996년도 전남대학교 학술연구비의 지원에 의하여 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] 국립환경연구원 : 과학기술처(1990)

[2] M. F. Hamoda and M. F. Abd-El-Bary : Wat. Res., 21(8), 939-947(1987)

[3] APHA, AWWA, WEP : American Public Health Association, Washington, D.C.(1995)

[4] 김용환 외 4인 : J. KSWQ, 14, 87-97(1998)

[5] Simon G. M. and Javier D. L. : Wat. Res., 26(4), 665-671(1992)

[6] 이규훈 외 2인 : J. KSWQ, 12, 369-367(1996)

[7] 이용운 외 3인 : 상하수도학회지, 12(2), 67-75(1998)