미생물 친화성 원판을 사용한 회전원판법의 효능 증진

김일두, 강용구, 박찬영

전남대학교 공과대학 응용화학공학부

Performance Enhancement of Rotating Biological Contactor using Microbe-Affinity Disc

Il-Doo Kim, Yong-gu Kang, Chanyoung Park

Faculty of Applied Chemical Engineering, Chonnam National University

서 론

폐수의 생물학적 처리는 미생물을 이용하여 오염물질을 제거하는 것으로서 미생물의 성장 형태에 따라서 부유식성장과 부착식성장으로 나눌 수 있는데 부착식성장의 경우에는 폐수를 정화하는데 있어서 미생물들이 고정상 또는 매질에 부착하여 형성된 생물막을 이용하여 폐수를 처리하는 호기성부착증식 처리 공정으로 살수여상법, 활성오니법, 회전원판법(Rotating Biological Contactor, RBC) 등이 있다[1].

회전원판법은 원판의 일부가 수면에 잠기도록 설치하여 이를 천천히 회전시키면서 원판상에 자연적으로 발생하는 호기성 미생물막을 이용하여 폐수를 처리하는 공정으로서 원판이 회전함에 따라 생물막위의 오수막에 용해되는 공기중의 산소를 부착 생물이 흡수하고, 오수중의 유기물을 흡착하여 산화 및 동화작용을 통해 이를 정화시킨다[2-3]. 회전원판법은 부착생물을 호기성으로 유지시키기 위해 단지 접촉기를 회전시킴으로써 산소를 공급하기 때문에 현재 많이 사용하고 있는 활성오니법에 비해 동력비가 적게 들며, 미생물의 양이 많고 단계 접촉 효과가 있어서 고도의 유기물 제거와 질산화가 가능하고 수량 및 유기물의 충격 부하에 강한 특성을 갖고 있다[4-5]. 회전원판법은 소규모의 하·폐수장에서부터 대규모의 하수처리장에 이르기까지 그 적용용량이 광범위하며, 그 적용분야에 대해서는 생활오수, 식품폐수, 축산폐수, 매립장침출수등의 처리 등에 적용하여 높은 처리 효율을 얻을 수 있다. 이러한 처리 방식에서 회전원판은 고밀도의 폴리에틸렌 또는 폴리스틸렌으로 제작되며 큰 표면적을 얻기 위해 주름진 모양으로 제작되기도 하는데 이는 단위체적당 표면적을 크게 하여 높은 정화율을 얻을 수 있도록 한 것이다. 또한 회전원판법을 포함 미생물에 의한 폐수 처리는 모두 저온에서 효율이 크게 저하하는데 이러한 문제점은 우리 나라에서처럼 계절별 온도변화가 심한 곳에서는 더욱 심하므로 이에 대한 대책이 필요하다.

이러한 문제점을 해소하고 높은 정화율을 얻기 위해 원판의 성상을 달리 하는 등의 여러 시도들을 해왔던 바 본 연구에서는 폐수 정화율을 높이고 저온에서의 폐수 처리 능력을 증대시키기 위하여 기존의 폴리에틸렌 원판에 저온에서 생리활성이 뛰어나다고 알려진 기능성 세라믹[6]을 첨가하여 새로운 회전원판을 제작하고 이 원판들의 폐수 분해 능력을 유기 탄소원과 폐수 공급 온도를 다르게 하여 비교하였다.

실 험

본 실험에서 사용한 회전원판은 고밀도 폴리에틸렌을 기본 재료로 하여 기능성 세라믹을 각각 3, 6, 10wt% 조성으로 혼합하여 제작한 세라믹 함유 원판을 사용하였다. 첨가한 세라믹은 선등[6]에 의하여 보고된 것으로 주요 조성은 Fe2O3가 56%, ZnO가 16% MgO가 14% Mn 11%와 기타 미량물질로 구성된 세라믹이다. 세라믹과 폴리에틸렌은 Pelletizer가 부착된 Twin Screw Extruder에서 혼합하여 Pellet형태로 제작하고, 이를 다시 두께 2mm, 직경 20cm인 원판을 금형틀에서 가압 프레스로 제작하였다.

회전원판 반응조는 5mm두께의 PVC로 제작하였고 각 반응조는 4단으로 구분하였으며 각 단의 구분은 2mm PVC판으로 Baffle를 설치하여서 분리하였다. 반응조 설계시 액량면적비(G값)는 5.0을 유지하였다. 반응조의 벽 및 기저부는 회전원판과의 간격을 원판 지름의 10%로 유지하도록 설계하였으며 반응조의 바닥은 원판 회전등에 의한 수류를 좋게 하기 위하여 반원형으로 하였다. 또한 반응기내 원판을 저속의 일정속도로 회전시키기 위한 속도 조절장치를 장착하였고 반응조내의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 온도 조절이 가능한 온도 조절실에서 4단의 회분반응기에 각 단마다 순수 폴리에틸렌 원판, 3, 6, 10wt% 세라믹 함유 원판을 각기 장착하고 원판과의 간격은 2cm가 되도록 하였다.

실험에 사용된 합성폐수는 우리 나라의 하수 수질을 기준하여 미생물 성장에 필요한 유기물과 무기물의 구성이 일정한 합성 폐수를 Table 1.의 조성으로 제조하여 사용하였다. 탄소공급원으로는 글루코스와 용해성 전분을 사용하고 암모니아는 염화 암모늄을 사용하였으며, 수돗물로 희석하여 실험조건에 맞게끔 조정하였다. 또한 타생물적 폐수 처리체계와 마찬가지로 온도는 회전식 생물 접촉법에 상당한 영향을 미쳐 대체로 10℃이하의 낮은 온도에서 15℃까지는 처리 효율이 급격히 상승하나 15℃내지 20℃에 이르면 그 이상의 상승이 있어도 COD제거율은 거의 상승하지 않아 회전원판법에 대한 연구는 보통 20℃내외에서 행해지고 있다[7]. 따라서 본 연구에서는 20℃의 온도 조건을 기준으로 실험하였고 저온 특성을 보기 위하여 10℃의 온도조건에서도 유기물을 달리하면서 실험하였다. 먼저 식종을 위해 인근 가정 폐수의 슬러지를 채취하여 공급하였다. 공급하는 유기물의 농도는 COD농도로 200∼300mg/l로 유지하면서 약 10일 동안 반응기를 운전하여 미생물의 부착을 확인한 뒤 같은 농도의 유기물을 공급하면서 순수 폴리에틸렌 원판과 세라믹 함유 원판과의 폐수 분해 실험을 수행하여 원판들간의 폐수 분해 능력을 비교 평가하였다. 실험은 2차례 반복하여 그 평균값을 취하여 비교하였으며 폐수의 CODMn농도는 Standard Methods에 의해 분석하였다.

결과 및 토론

Fig. 1은 탄소공급원으로 글루코스를 사용하여 20℃에서의 시간에 따른 원판별 COD제거율을 나타낸 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 5시간 경과 후에 순수 폴리에틸렌 원판은 COD제거율에 있어서 43%이었던 반면 세라믹 함량이 많으면 처리율이 높아지는 경향을 보였고 10wt%의 세라믹을 함유한 원판은 55%의 COD제거율을 보여 순수 폴리에틸렌 원판과 비교 10% 이상 처리율이 높았으며 이러한 경향은 시간이 지나도 동일하였다.

이렇게 세라믹 함유 원판의 순수 폴리에틸렌 원판과의 COD제거율의 차이는 폐수 처리 효율이 크게 저하하는 13℃이하의 저온에서 더욱 큰 차이를 보이고 있는데 그 결과를 Fig.2에 나타내었다. 10℃에서의 폐수 처리 효율은 크게 저하하였으나 4일까지의 순수 폴리에틸렌 원판과 세라믹 함유 원판과의 COD제거율은 큰 차이를 보였다. COD제거율은 세라믹 함량이 높을수록 증가하였고 시간이 지남에 따라 그 차이가 더욱 커져서 4일 경과 후에는 10wt% 함량의 원판의 경우 순수 폴리에틸렌 원판보다 약 2.5배의 처리 속도를 보였다.

Fig.3은 용해성 전분을 탄소 공급원으로 하여 14℃ 저온에서의 시간 변화에 따른 COD제거율을 나타낸 결과로서 글루코즈의 분해에 있어서와 같이 순수 폴리에틸렌 원판보다 세라믹 함유 원판이 더 높은 COD제거율을 보였다. 그러나 글루코즈와 용해성 전분의 COD제거율은 차이를 보이고 있는데 이는 온도 조건이 각각 10℃와 14℃로서 10℃에서 15℃까지는 처리 효율이 급격히 상승한다는 문헌의 내용과 일치하는 결과이다.

Fig.4는 20℃에서 용해성 전분을 탄소공급원으로 하여 COD제거율을 나타낸 실험결과로서 앞서 결과와 같이 순수 폴리에틸렌 원판보다 세라믹 함량이 높을수록 높은 COD제거율을 보이고 있다.

이상의 결과로 기능성 세라믹을 첨가하여 제조한 회전 원판을 사용하여 폐수를 분석한 결과 폐수 분해 속도의 증대와 반응기 단위 부피당 정화 능력도 증가하며 특히 10℃ 저온에서의 폐수 처리 능력은 처리 속도로 볼 때 2.5배 이상이 증대하여 세라믹 함량이 높은 원판일수록 더 높은 COD제거율을 보이고 있다. 이러한 결과는 세라믹 함유 원판이 생리활성이 뛰어나 원판 표면에 미생물의 부착이 순수 폴리에틸렌 원판보다 더 잘 이루어져 반응기 단위 부피당 Biomass가 큰 데 기인 하는 것으로 판단된다. 따라서 이러한 고 효율 회전 원판을 사용하면 폐수 처리 능력이 크게 향상될 것으로 기대된다.

참고문헌

1. Antonie, R. L.: "Rotating Biological Contactors for secondary wastewater   treatment", CUIP/Wesner. Seminar, South Lake Tahoe Stateline Nevada.,   27(1976).

2. Shieb, W. G.: Korean J. Biotech. Bioeng., 23, 1923(1982).

3. Shieb, W. G.: J. Water Res., 16, 1071(1982).

4. Leslie, C. P., Grady, Jr. and Henry, C.: "Biological Wastewater treatment"  Marcel, Dekker Int., New York, (1980)

5. Ramalho, R. S.: "Introduction to Waste-water treatment process", Academic -press., 411(1983).

6. Sun, H. S., Bae, K. W. and Park, C. Y.: Theories and Applications of      Chem. Eng, 2, 1809(1996).

7. Jung, J. C., Cho, N. Y. and Han, Y. K.: "회전원판법□, 1st ed., 동화기술.,    Seoul(1993).

Table 1. Compositions of Synthetic Substrates

Component	Quantity in 1L tap water(mg)
Glucose /Soluble Starch KCl NH4Cl CaCl2 NaCl MgSO4 KH2PO4	425mg/400mg 17.5mg 75mg 17.5mg 37.5mg 12.5mg 75mg

Fig. 1. COD removal efficiency of     Fig. 2. COD removal efficiency of

glucose with time variation            glucose with time variation

at 20℃                               at 10℃

(● : Only PE Disc, ▲ : PE Disc

with 3wt% functional ceramic,

◆ : PE Disc with 6wt% functional

ceramic, ■ : PE Disc with 10wt%

functional ceramic)

Fig. 3. COD removal efficiency of     Fig. 4. COD removal efficiency of

soluble starch with time              soluble starch with time

variation at 20℃                     variation at 14℃