생물막 여과법에 의한 제지폐수 처리

김동진, 유익근*, 김건협*, 이규현*

한림대학교 환경학과, 선경건설(주) 연구소*

Treatment of Paper Industry Wastewater

by Biological Aerated Filter

Dong-Jin Kim, Ik-Keun Yoo*, Gun-Hyub Kim*, Kyu-Hyun Lee*

Dept. Environ. Sci., Hallym Univ., R&D Center, Sunkyong E&C Ltd.*

서 론

제지업은 여타 다른 제조업에 비하여 다량의 물을 사용하는 특성 때문에 배출폐수의 처리량 역시 타업종에 비해 많다.  현재까지 알려진 국내 제지업체의 폐수처리 현황을 보면 그 처리방법으로 주로 1차(응집,침전) 처리와 2차(생물학적) 처리를 행하고 있고, 생물학적 처리방법으로 대부분 활성오니법을 사용하고 있다.  활성오니법은 공정에 대한 이해도가 높고 비교적 양질의 처리수를 쉽게 얻을 수 있는 등의 장점을 가지고 있지만, 현재는 여러 가지 단점도 많이 부각되고 있는데 특히 본연구에서 대상으로 하고 있는 제지폐수 측면에서 본다면 처리량에 비례하여 넓은 부지를 필요로 한다는 점이 가장 큰 문제점이라 하겠다.  따라서 제지업체에서 요구되는 폐수처리 시설은 기존 활성오니법 이상의 처리 성능을 가지면서 부지가 적게 소요되는 compact한 방식, 운전 자동화가 가능하여 운전비를 절감할 수 있는 방식, module식으로 설치하여 생산량 증설시 폐수처리 시설 증설도 쉽게 할 수 있는 처리공정이다.

생물막 여과법(Biological Aerated Filter, BAF)은 1980년대 유럽에서 처음 개발된 폐수처리법으로 입상의 미생물 부착 담체를 충진한 단일반응조내에서 담체에 의한 물리적 여과와 담체에 형성되는 생물막에 의한 생물학적 분해반응이 동시에 이루어진다.  다른 생물막 처리법과 같이 반응기내 미생물 농도를 고정화 담체의 비표면적에 비례하여 고농도로 유지할 수 있으므로 외부의 수력학적 부하변동이나 충격부하 등에 강하다.  특히 일부 부유성 유기물과 과잉 성장한 미생물은 충진 담체의 여과 기능에 의해 여과층 사이에 걸러지고 처리된 물만 배출하게 되므로 2차 침전조 없이도 자체의 여과 기능에 의해 부유물을 제거하게 되 부지절감에 따른 투자비 절약이 가능하다.  생물막 여과법을 이용한 연구는 어느정도 보고되고 있지만,1-6) 이와 같은 생물 여과법이 국내의 제지산업 폐수처리에 있어 응용연구된 사례는 보고되고 있지 않다.  생물막 여과법은 그 조업 특성상 여과 및 성장미생물로 인해 축적되는 슬러지때문에 공극률이 감소하면서 head loss가 증가하게 된다.  따라서 BAF 반응기의 조업 안정성을 확보하기 위해서는 이를 주기적으로 역세척시킬 수 있는 설계가 필수적이다.

본 연구에서는 기존의 활성오니법을 대체하여 처리효율을 높이면서 비용을 절감할 수 있는 생물여과 반응기를 설계하고 이를 실제 제지폐수의 2차 처리에 이용하고자 했다.  이를 위해 구형의 다공질 세라믹 담체를 충진한 하향류 방식의 BAF 반응기를 제작하였고 적절한 역세척 방법을 도입하였다.

실험 방법

Downflow BAF 반응기로 내경이 15cm, 높이가 4m인 아크릴 원형관을 사용하였으며 폐수처리용량은 0.5톤/일 규모로 설계하였다.  반응기 측면에는 항온 반응을 위해 1.5cm 간격을 두고 같은 아크릴관으로 자켓을 설치하여 항온수(20oC)를 순환시켰다.  BAF 반응기 내부에 충진된 고정화 담체로는 규산 알루미늄을 주성분으로 하고, 입경 2.5∼5mm, 비표면적이 약 800∼1600m2/m3인 구형의 다공질 세라믹 담체(CB여재, 비중 2.49)를 사용하였으며, 담체의 충진층을 2m로 하였다.  본 연구에 사용된 원수는 백상지를 생산하는 제지공장 폐수와 고지재생 폐수의 1차 침전조 배출수를 이용하였으며 질소와 인 성분은 BOD에 대하여 적정 비율(100 : 3 : 0.5)로 원수에 투입하였다.

원수 저장탱크는 7톤 규모로 주기적 교반을 위한 교반기와 thermocouple, level sensor가 설치되어 있고 중간 탱크의 수위가 일정치 이하로 내려가면 원수탱크에서 펌프로 중간탱크(0.5톤)의 만수위까지 자동적으로 펌핑되도록 설치하였다.  폐수는 정량유입 펌프를 사용하여 중간탱크에서 BAF 반응기의 상부유입구로 주입되었고 공기의 공급은 반응기 내에서 직접폭기 방식으로 이루어졌다.  반응기에 걸리는 head loss 측정을 위한 pressure transducer 및 pH, DO, 온도, 수위를 자동 측정.기록하게 하였으며 반응기 조업은 timer에 의한 control panel system으로 하였다.  역세척은 공기 및 처리수를 사용하여 timer에 의해 정해진 시간마다 하거나 pressure transducer에 의해 측정된 head loss의 interrupt 중 먼저 발생되는 것에 의해 실시되게 하였다.

담체에 미생물 부착을 위해 약 1개월 정도 제지폐수를 BAF 반응기에 재순환시켰고 육안으로 미생물막이 형성되기 시작했을 때부터는 재순환을 중지하고 연속 처리방식으로 폐수를 흘려보내면서 처리 성능을 테스트 하였다.  분석을 위해 BOD는 BOD5, COD는 KMnO4 법에 의한 COD를 측정하였으며 방법은 공해공정시험법에 준하였다.

결과 및 토론

약 120일 동안의 BAF 반응기 운전에 의한 BOD, SS의 처리효율을 Fig. 1, Fig. 2에 나타냈다.  50∼500ml/min 범위의 유입수량에서 운전되었을때 BOD 제거율은 대략 80∼90%, SS 제거율은 70∼100%의 범위를 나타냈다.  유입수량은 BAF 담체여과층의 EBCT (empty bed contact time) 기준으로는 1.2∼11.8 시간이며, 120일 동안의 조업중 전체적으로 유입수량 증가에 따른 영향은 미미했는데 이것은 세라믹 담체내에 미생물이 안정적으로 부착증식함으로써 활성오니법 등의 현탁방식에 비해 고농도의 미생물을 반응기내에 유지할 수 있었음을 의미한다.  특히 SS의 경우 제거율이 매우 높게 유지되고 있는데 이는 BAF 반응기의 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 생물분해 반응과 여과의 동시 수행 능력을 잘 보여주는 결과이다.  또한 조업도중 공기의 공급을 중단했을때 처리수의 SS 농도가 일시적으로 높아지는 것을 볼 수 있었는데 이것은 SS가 담체의 물리적인 여과작용 뿐만 아니라 담체에 부착한 생물막의 작용에 의해서도 분해제거되고 있음을 의미한다.

Fig. 3은 유기물 부하변동에 따른 처리수의 BOD 농도와 제거율을 보여주고 있는데 여기서 유기물 부하속도는 단위 BAF 부피당, 단위 시간당 BAF 반응기에 도입되는 양을 계산한 것이다.  최대 BOD 부하인 약 5 kgBOD/m3.day에서도 20mg/l 내외의 처리수 농도를 얻을 수 있었다.  본 BAF 반응기에서 종류 및 양에 있어 풍부한 생물상이 관찰되었는데, 담체층 상부부분에서 일반적으로 생물막에서 많이 보여지는 Vorticella등의 섬모충류와 Sphaerotilus 등의 사상미생물이 다량으로 출현하여 본 연구의 반응기가 양호한 상태임을 알 수 있었다.  한편 담체층 하부에서는 미생물의 종류가 감소하고 섬모충류와 사상미생물 등은 거의 보이지 않았다.

앞에서 언급한 바와 같이 BAF 반응기는 운전하는 부하 범위 내에서 처리수의 수질, 제거율 외에도 역세척 주기가 이 시스템의 경제성 평가에 중요한 역할을 하게 된다.  역세척은 BAF 처리수로 행하고 역세하고 난 물은 다시 공정 앞쪽의 유량 균등조를 거쳐 1차 침전조에 도입되므로 잦은 역세척은 유입수 부하를 증가시키고 처리수량을 감소시켜 경제성을 떨어뜨린다.  경제성 있는 역세척은 보통 1일 1회 역세척하고 역세에 소요되는 물은 처리수의 10% 내외이면 경제성이 있는 것으로 알려져 있다.

역세척에서 배출되는 역세수의 SS 농도는 BAF에 도입되는 수질, 역세 주기, 역세수량에 따라 다르게 나타난다.  본 실험에서 역세주기를 1일 1회로 했을때 역세수의 평균 SS 농도는 약 1500 ppm이었다.

참고문헌

1. 山本泰弘, et al., 用水□廢水, 34, 926-934 (1992).

2. Desbos, G., et al., Wat. Sci. Tech., 22, 145-152 (1990).

3. Stensel, H. D., et al., J. Environ. Eng., ASCE, 114, 655-671 (1988).

4. Adachi, S. and Fuchu, Y., Wat. Sci. Tech., 24, 195-204 (1991).

5. Okubo, T., et al., Wat. Sci. Tech., 22, 153-160 (1990).

6. Paffoni, C., et al., Wat. Sci. Tech., 22, 181-189 (1990).

Fig. 1. Removal efficiency of BOD in a downflow BAF reactor: (■)effluent, (●)influent, (△)efficiency

Fig. 2. Removal efficiency of SS in a downflow BAF reactor: (■)effluent, (●)influent, (△)efficiency

Fig. 3. Effect of organic loading rate on removal efficiency of BOD: (●)effluent, (▲)efficiency