도시 하수의 영양염류 제거를 위한 생물학적 제어

노성희*, 김선일

조선대학교 화학공학과

Biological Control for Nutrients Removal of Municipal Wastewater

Sung-Hee Roh*, Sun-Il Kim

Dept. of Chemical Engineering, Chosun University Gwangju 501-759, Korea

서론

하․폐수 속에 함유된 질소와 인을 제거하기 위해서 일반적으로 적용하는 방법은 생물학적인 영양염류 제거법(Biological Nutrient Removal, BNR)이다. BNR 공법은 경제적인 측면에서 화학적 방법 및 물리 화학적 방법에 비해서 저렴하기 때문에 국내 수처리 현장에 광범위하게 사용되고 있다. 도시 하수에 포함된 영양염류를 생물학적으로 제거하기 위해서는 적정한 SRT(Solid Retention Time)를 선정하여 폭기조의 부피를 결정해야한다. 질소 제거 시스템에서 요구되는 SRT는 질산화균의 비성장속도의 역으로 표현될 수 있으며, 질산화균(Nitrosomonas속 미생물)의 생장은 온도에 지수적으로 비례한다고 알려져 있다[1]. 또한 EPA manual[2]에 의하면 일반적인 하수처리 질산화 시스템은 7일 이상의 SRT가 요구되며, 수온이 낮은 겨울철에는 질산화균의 생장이 느리기 때문에 충분한 SRT를 설정해야만 질산화를 기대할 수 있다.

국내 하수처리장의 경우 대부분 SRT를 3～5일로 운전하고 있으므로[3], 질소를 효과적으로 제거하기 위해서는 기존 하수처리장을 변형하여 2배 이상의 긴 SRT 운전이 가능하도록 하여야 한다. Lawrence 등[4]의 폭기조 설계식에 의하면 SRT는 폭기조 MLSS 양에 대한 잉여 MLSS 양에 의존하므로, 폭기조 내 MLSS 양을 증가시켜 SRT를 길게 유지하기 위해서는 폭기조의 부피를 늘이거나 활성슬러지 농도를 증가시켜야 한다. 현재 대부분의 하수처리장이 부지 확보에 대한 어려움이 있기 때문에 충분한 SRT를 유지하기 위해서는 폭기조의 부피를 늘이기보다 활성슬러지의 농도를 높이는 방법이 타당하다. 그러나 부유성장 활성슬러지공법은 폭기조 내 산소전달의 한계, 침전조의 고형물 부하 증가로 인하여 폭기조 내 활성슬러지의 농도를 높이는 데에는 한계가 있다.

부착성장 시스템은 부유성장 활성슬러지 시스템에 비해 반응조내 미생물 농도를 고농도로 유지할 수 있으므로 짧은 수리학적 체류시간으로 단위 용량당 유기물 제거량이 높다. 또한 수리학적 부하량과 유기물 부하의 변동, 독성물질 유입의 충격부하(shock loading)에 높은 저항성을 가지며, 관리 운영이 용이하고 설치시 적은 시설면적이 소요되는 잇점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 폐수 처리장의 폭기조 용적을 늘이지 않고도 효과적으로 하․폐수 속에 함유된 영양염류를 제거하기 위하여 반응기에 모래와 황토 비드를 각각 충진하여 충진재에 따른 COD 및 질소 제거율을 비교하였으며, 각 충진재에 대한 하나의 반응기에 유효 미생물(Effective Microorganisms, EM)을 주입하여 생물학적 제어에 의한 EM의 효과를 알아보았다.

실험

본 연구에 사용된 폐수는 G시 하수 종말처리장에 유입되는 도시하수를 사용했으며, 유입수의 특성은 Table 1과 같다. 반응기는 원통형 아크릴 재질로 직경 10cm, 길이 60cm의규격으로 4조를 제작하여 사용하였으며, 두 반응기에는 모래를 충진하였고 다른 두 반응기에는 직경 2mm 이하의 비드형태 황토를 각각 45cm 높이까지 충진하였다. 모래와 황토를 충진한 반응기들은 충진재가 지닌 고유 미생물들을 제거하기 위하여 실험 전 10%(v/v) HCl과 증류수로 수차례 세척한 후 사용하였다. 1조의 모래 충진 반응기와 1조의 황토 충진 반응기에 EM을 각각 5%(v/v)씩 주입하여 10일 동안 순치시켰으며, 실험에 사용한 EM은 UA사의 제품으로 그 특성을 Table 2에 나타내었다. 유입수는 반응기의 상부에서 주입하여 하부로 유출시켰으며, 유입수와 유출수의 시료 분석은 GF/C filter와 0.45㎛ membrane filter로 여과하여 수질오염공정시험법[5]과 standard method[6]에 의해 분석하였다.

Table 1. Composition of Municipal Wastewater used in the Experiment			Table 2. Microbial Groups and their Population Density in the Microbial Agent
Item	Mean Concentration (g/L)		Microbial groups	Population density (cfu/g)
BOD SS COD T-N T-P	133.3 104.8 85.4 37.1 3.6		Latic acid bacteria Yeasts Actinomycetes Bacillus Filamentous fungi Photosynthetic-bacteria	5.3 × 105 8.0 × 104 1.0 × 106 7.8 × 105 1.0 × 104 2.2 × 104

결과 및 고찰

혐기성 또는 미호기성 미생물로 구성된 유효미생물군은 토양의 항산화(antioxidation) 능력을 증대시키며[7], 이러한 미생물 군집은 우수한 환경조건과 유기물질 특수성에 의존하면서 다양한 반응을 가능하게 한다[8]. Fig. 1에 모래와 황토 비드를 각각 충진한 반응기의 충진재에 따른 COD 제거율 및 각 충진재에 대한 하나씩의 반응기에 EM을 주입하여 생물학적 제어에 의한 EM의 효과를 나타내었다. EM을 주입하지 않은 반응기에서는 휘발, 수착, 비생물 전환에 의하여 유입수로부터 10～40%의 COD 제거율을 보였으며, EM을 주입한 모래 반응기와 황토 반응기에서는 EM을 주입하지 않은 반응기에서 보다 COD

Fig. 1. Variation of COD removal efficiency: (a) sand reactor; (b) clay reactor.

제거율이 각각 25% 및 45% 증가하였다. Fig. 2에 EM을 주입한 경우와 주입하지 않은 경우에 따른 황토 반응기의 상류와 하류에서의 COD 변화를 나타내었다.상류에서는 폐수의 유입으로 인하여 두 반응기 모두 COD가 높게 나타났으며, 하류에서는 EM을 주입하지 않은 반응기에서 보다 EM을 주입한 반응기에서 COD 제거율이 더 높게 나타나 EM 주입에 의해 bio-barrier가 형성됨을 알 수 있었다. Fig. 3에 EM을 주입한 경우와 주입하지 않은 경우에 따른 황토 반응기의 상류와 하류에서의 NH4-N 농도 변화를 나타내었다. 두 반응기 모두 상류에서는 폐수의 유입으로 인하여 NH4-N 농도가 높게 나타났으며, 하류에서는 급격하게 감소하여 거의 98%까지 제거되었다. 이것은 NH4-N이 biomass와 같은 다른 질소 형태로 전환되고, 반응기에 충진된 황토에 물리화학적 공정으로 흡착되어 높은 제거율을 나타낸 것으로 사료된다.

Fig. 2. Variation of COD concentration: (a) upstream of bio-barrier;

(b) downstream of bio-barrier

Fig. 3. Variation of NH4-N concentration: (a) upstream of bio-barrier;

(b) downstream of bio-barrier

결론

본 연구에서는 기존 폐수 처리장의 폭기조 용적을 늘이지 않고도 효과적으로 하․폐수 속에 함유된 영양염류를 제거하기 위하여 반응기에 모래와 황토 비드를 각각 충진하여 충진재에 따른 COD 및 질소 제거율을 비교하였으며, 각 충진재에 대한 하나의 반응기에 유효 미생물(Effective Microorganisms, EM)을 주입하여 생물학적 제어에 의한 EM의 효과를 알아보았다. 실험결과 반응기 상류에서는 폐수의 유입으로 인하여 모든 반응기의 COD가 높게 나타났으며, 하류에서는 EM을 주입하지 않은 반응기에서 보다 EM을 주입한 반응기에서 COD 제거율이 더 높게 나타나 EM 주입에 의해 bio-barrier가 형성됨을 알 수 있었다. 또한 NH4-N의 농도는 반응기 하류에서 급격하게 감소하여 거의 98%까지 제거되었으며, 이것은 NH4-N이 biomass와 같은 다른 질소 형태로 전환되고, 반응기에 충진된 황토에 물리화학적 공정으로 흡착되어 높은 제거율을 나타낸 것으로 사료된다.

참고문헌

1. Randall, C., Barnard, J. and Stensel, H., “Principles of biological nutrient       removal", Design & Retrofit Wastewater Treatment Plants for Biological Nutrient     Removal, Technomics Publisher, 5, 25～84(1992).

2. “Design considerations for biological nitrification process", Nitrogen Control,      U.S. Environmental Protection Agency, EPA/625/R-93/010, 129～209(1993).

3. “하수도 통계”, 환경부, 246～257(1995).

4. “Biological treatment fundamentals", Design of Municipal Wastewater Treatment       Plants, WEF Manual of Practice No. 8, WEF & ASC1996E, 521～538(1992).

5. 환경처, 수질오염공정시험방법(1991).

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

7. Higa, T., “An earth saving revolution", Sunmak Publishing Inc., Tokyo. Japan(1996).

8. Ragle, N., Kissel, J., Ongerth, J.E., DeWalle, F.B., “Composition and variability of leachate from recent and aged areas within a municipal landfill", Wat. Environ. Res. 67 (2), 238～242(1995).