Characteristics of water quality and extra-cellular polymeric substances in trickling filter system using plastic fiber media

독 고 석%

Seok Dockko

단국대학교 토목환경공학과

(2008년 1월 9일 접수; 2008년 2월 14일 채택)

Corresponding author Tel: +82-41-550-3516, Fax: +82-41-550-3520, E-mail: [email protected]

끈상여재를 이용한 Trickling Fitler 반응조에서의 EPS 반응특성

Characteristics of water quality and extra-cellular polymeric substances in trickling filter system using plastic fiber media

Abstract

In this study a trickling filter system was developed by using polypropylene media and polypropylene nylon media that has recently been developed. The experiment analyzed an ability of water purification of the two plastic media and the effects of biomass on the final effluent. As recycling ratio increases, polypropylene nylon suspender showed higher efficiency by 20%;

and, when media height was lengthened twice, efficiency increased about 10%. EPS and biomass increased in proportion to the increase of recycling ratio, and bound-TOC showed a similar trend with bound-EPS (extra-cellular polymeric substances) concentration.

Key words : trickling filter system, extra-cellular polymer substances, biofilm, plastic fiber media

1. 서 론

최근 복개된 하천을 허물고 자연형 생태하천으로 조성하 는 붐이, 서울시의 청계천 사업을 시작으로 전국적으로 확대 되고 있다. 이러한 자연하천조성은 하천의 수질정화향상 기 능을 전제로 하지만, 실제로 하천 수질향상을 위한 구체적 기능을 지닌 저감시스템이 부족하여, 단순히 식생에 의한 오 염물질 분해능에 의존하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 비표면적이 넓은 플라스틱 끈상여재를 사 용하여 하천 및 호소 수질을 개선할 수 있는 살수여상 시스

템에 대하여 개발하고자 한다. 특히, 분해능이 높은 미생물 을 대기 중에 노출시켜 충분한 DO공급을 받아 생물막에 의 한 분해활동을 활성화시킴으로서 급격하게 변화하는 오염부 하에도 일정한 처리효율을 얻을 수 있다. 따라서 본 연구는 오염도를 3가지로 변경하면서 저농도, 중농도, 고농도로 변 화할 때의 EPS 변화분포 및 내부순환비에 의하여 변화하는 속성과 물질의 상태에 대하여 연구하였다. 또한, EPS와 플 라스틱 여재표면에 붙어 biofilm을 형성하고 있는 biomass 사이의 상호작용을 통해 biomass 제거와 그 효율에 대하여 비교 분석을 실시하였다.

이러한 biomass는 일반적으로 EPS와 SMPs와 같은 물

질이며, 멤브레인 처리시스템에서는 주된 fouling을 유발하 는 인자로 인식된다(Chang et al., 2002; Nagaoka et al., 1998). 더 작은 입자들은 더 큰 fouling 비율을 일으키는 것 으로 연구되었으며(Chang et al., 2002; Lim and Bai, 2003), 응집 메카니즘은 bioflocculation으로 연구되었다.

Sobeck et al.,(2002)은 bioflocculation의 메카니즘을 조 사하기 위하여 3가지 이론을 비교하였다. 기존 연구 중 일부 는 수중 환경에서 SRT가 증가함에 따라 EPS 농도가 감소 한다고 발표되었다(Chang et al., 1998; Cho et al., 2004). 그러나 일부 다른 연구 결과는 EPS 농도가 정반대 의 경향을 보이거나 무반응을 보인다고 발표되었다.

이러한 방법들을 바탕으로 본 연구에서는 신진대사에 의 해 발생되는 EPS의 특성 평가하고 EPS로 인하여 여재의 폐 색여부를 검토하고 오염부하와 내부순환비에 따라 살수여상 시스템내의 biofilm에 영향을 미치는 EPS를 분석하였다.

2. 실험 재료 및 방법

2.1 실험재료

실험에서 사용된 끈상여재로는 로프형 접촉재인 주성분 이 Polypropylene(PP) 재 질 과 Polypropylene nylon(Nylon) 재질로 된 플라스틱 접촉여재를 사용하였다.

Table 1과 같이 두 종류의 끈상여재 비표면적은 PP 재질일 경우 2,625㎡/m 이며, Nylon 재질의 경우 1.2 ㎡/m을 지 니며 Nylon 재질보다는 PP재질이 보다 넓은 표면적을 지닌 것으로 나타나있다. 미생물의 부착성은 Nylon재질이 PP재 질보다는 우수한 것으로 실험결과 나타났다.

2.2 실험방법

첫 번째 실험으로서, PP 재질과 Nylon 재질의 끈상여재 를 각각 35cm씩 20개를 잘라 반응조의 다공판에 걸고 슬러 지를 접종시킨다. 하수처리장 채취된 슬러지의 MLSS는 약 6 g/L이다. F/M비는 0.1~0.4kg COD/kg·biomass·day 로 조정하였다.

유기물의 오염부하는 Table 2와 같이 3가지 종류로 나누 어 실험하였다. Sample A는 0.4~0.6 kg COD/㎥/d, Sample B는 1.8~2.1 kg COD/㎥/d, Sample C는 3.9~4.2 kg COD/㎥/d 로 하였다. 반응조에서 살수장치를 통해 살수 되는 유량은 100~130 ㎖l/min이며, 수리학적 부하는 0.9~1.17㎥/㎡/d 를 나타내었다. 이러한 실험 조건들을 바

Table 1. 선정된 끈상여재의 특성비교 PP 재질

1) 100-120 denier 정도로 가공 된 폴리프로필렌사의 주성분으 로 한 중합사

1) 고리:1,100 denier 69합사 BCF다섬사, 600denier 3합사, 나이론 모노사 2) 한 개의 loop는 1800 denier

60합사 PP와 600 denier 8 합사 PP. 모노사 실로 짜여짐.

2) 내심:4 ㎜ 폴리에틸렌 로프사, 폴리프로필렌 멀티사

3) 실 의 두 께 는 600-1800 denier정도이며 M당 중량은 0.2085g

3) 직경: 30~32 ㎜

4) 링의 직경은 40~50mm이다. 4) 표면적: 1.0~1.2 ㎡/m 이상 5) 비표면적 : 2625.5 ㎡/㎥

Nylon 재질

Table 2. Condition of sample

Sample No Ave. Organic Load Ave. Hydraulic Load A (low conc’n) 0.5 kgCODcr/㎥/d 1.00 ㎥/㎡/d B (middle conc’n) 2.0 kgCODcr/㎥/d 1.00 ㎥/㎡/d C (high conc’n) 4.0 kgCODcr/㎥/d 1.00 ㎥/㎡/d

Fig. 1. PP와 Nylon재질 반응조(D35).

Fig. 2. D35과 D70 반응조(Nylon 재질).

탕으로, Fig. 1과 같이 오염부하에 따른 내부순환비(N)를 1, 3, 6으로 놓고 재질이 다른 2가지 여재의 처리율을 분석하 였다. 이 때 각각의 내부순환비에 따른 접촉시간을 0.87 hr, 0.42 hr, 0.24 hr 로 순환수를 유출시켰다.

처리수의 유기물 농도를 분석하기 위하여 채수간격은 2시 간씩 총 12시간을 채수하였으며, 그 채수한 시료에 대한 기 본항목(pH, 온도, DO)을 측정하였다. 두 번째 실험으로서는 Fig. 2와 같이 여재 길이를 35cm(D35), 70cm(D70)로 하고 Lowry Method와 Phenol-Anthrone Method를 이용하여 그에 따른 처리율 특성과 EPS 변화를 비교분석하였다.

3. 실험결과

3.1 여재 재료에 의한 실험결과

Fig. 3은 PP재질과 Nylon재질의 내부순환비에 의한 제 거효율을 나타내고 있다. Nylon재질은 PP재질에 비하여 모 든 내부순환비에서 20% 높은 효율을 나타내고 있으며, 접촉 시간이 감소함에 따라, 제거되는 비율이 향상되는 것으로 나

타났다. 또한 Fig. 4에서는 내부순환비가 증가함에 따라 PP 보다는 Nylon재질이 유기물 분해능이 증가하였으며 최종 유출농도도 저감되었다.

Fig. 5는 유입수 농도에 따라 2가지 재질의 처리 효율 결 과를 보여주고 있다. 유입수의 CODcr를 하천 오염부하의 변화를 고려하여 각각 0.5(저농도), 2.0(중농도), 4.0(고농 도) kgCOD㎥/day 로 변화시켰으며, 그에 따른 유기물 분해 능과 최종 유출수 농도를 나타내었다. 저농도와 중농도에서 두 재질 모두 비슷한 분해율을 보였으나, 고농도에서는 Nylon 재질이 PP재질에 비하여 2.5배정도 높은 분해율을 나타내고 있으며 이는 내부순환비를 증가시키면 더욱 향상 되는 결과는 나타내고 있다. 이는 고농도에서 미생물의 높은 부착능을 지닌 Nylon재질에 많은 미생물이 증식하게 되며 따라서 PP재질에 비하여 분해능도 향상되기 때문이다.

3.2 접촉시간에 의한 Nylon 재질의 영향인자

Fig. 6은 내부순환수의 접촉시간을 변화시켜 운전하였을 때 에 대한 CODcr, TN, TP의 분해능을 보여주고 있다.

CODcr의 경우, 0.87 hr의 접촉시간에 52%, 0.42 hr의 접 촉시간에 70%, 0.24 hr의 접촉시간에 92%의 효율을 보여 주고 있으며, 접촉시간의 변화에 따라 40% 효율이 증가하 는 것을 나타내었다. 그러나 TN, TP의 경우, 접촉시간과 분 해능과는 크게 상관관계가 없는 것으로 나타났다.

3.3 DO 농도와 처리율에 따른 여재 길이의 영향

내부순환비가 N=1 일 때, D35와 D70의 DO농도는 1~3 mg/L와 2~4 mg/L 로 나타났으며, 여재의 길이가 2배 증

Fig. 3. C/C0 comparison of attaching media on contact time.

Fig. 5. Fiber media characteristic on conc'n increase (N=6).

Fig. 4. 유입농도에 따른 COD 제거효율(N=3).

가함에 따라 DO농도는 150% 증가하는 것으로 나타났다. 내 부순환비가 N=6일 때, 각각의 DO 농도는 3.5~5.5 mg/L, 5.3~6.6 mg/L이며, C/Co는 0.2에서 0.1로 분해능이 두배 증가하였다. 내부순환비의 증가에 따른 DO농도의 증가는 직접적으로 유기물 분해에 영향을 미치며 분해능은 끈상여 재의 길이에 직선적으로 비례하여 증가하였다.

3.4 Biomass와 EPS의 변화특성

반응조의 Nylon 여재는 4cm로 제작하였으며, 여재에 부 착된 슬러지의 양은 추정하였다. Fig. 8에서는 오염부하량 이 서로 다른 시료 A, B, C에 따라 EPS와 여재 내의 biomass 변화를 보여주고 있다.

내부순환비가 N=1일 때, 오염부하에 따른 슬러지 양의 변 화는 14.4-14.8-15.0 g/L로 낮은 증가율을 보여준다. 또한 단백질과 polysaccharide를 첨부한 EPS 역시 202-202.7- 218.5 mg/L 로 역시 낮은 증가율을 보여주었다. Fig. 9에서

내부순환비가 N=3일 때, 슬러지 양의 변화는 13.5-14.3- 15.6 g/L 로 변화였으며 그 변화량은 0.8~1.3 g/L이다.

EPS는 204.8-214.5-228.5 mg/L 로 9.7~14 g/L 로 변화 하였다. 내부순환비가 N=6일 때, 슬러지의 양의 변화는 N=1, 3 일 때 보다 다소 높은 값을 보였으며, 그 값은 11.2- 15.1-18.9 g/L 이다. EPS의 경우 187.9-242-282.9 mg/L 로서 약간은 넓은 범위로 증가하였다. 위의 실험 결과, 내부 순환비가 N=1-3-6 으로 변화함에 따라, 오염부하량은 Biomass와 직선적으로 증가하며 이에 따른 EPS 증가는 여 재의 간극을 막아 유기물이 분해능을 저하시키지는 않는 것 으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 현수여재를 사용하여 살수여상 시스템을 생태하천과 호수에 적용하였을 때, 수질 개선에 미치는 영향 과 생물막 형성에 큰 영향을 미치는 EPS에 대하여 다음과

Fig. 6. Removal of polypropylene nylon media on contact time. Fig. 8. EPS on biomass increase and recycling ratio (D70).

Fig. 9. Biomass and EPS on pollutant loading (D70).

Fig. 7. Comparison of DO and C/Co in D35 and D70.

같은 결론을 도출 할 수 있었다.

재질에 따른 처리율은 내부순환비(N=1, 3, 6)가 변화함에 따라 Nylon 재질의 여재에서 PP 재질의 여재보다 높은 효 율(CODcr-5.5~20%, TN-3.1~13.2%, TP-3~12.6%)을 보여주었다.

또한 PP재질의 경우 여재 내에 붙어있는 상당수의 미생 물을 떨어뜨리고 탈피시키는 현상을 보여주었다. 반대로 Nylon 재질의 경우 미생물에 대하여 강한 내구성과 높은 부 착능을 보여줌으로서, 오랜 시간 동안 미생물이 여재에 붙어 있도록 하였다.

여재의 길이가 2배로 증가함에 따라, D35의 경우가 D70 에 비하여 경제적으로 많은 비용을 요구하는 것을 알 수 있 었다.

낮은 농도에서 내부순환비가 N=1일 때도, 처리효율은 약 88%인 것으로 나타났으며, 여재표면적의 길이가 수리학적 부하와 일치되어진다면 실제의 수처리 과정에 적용하였을 때, 전력 비용을 실질적으로 낮출 수 있을 것으로 보여 진다.

내부 순환비가 1-3-6으로 증가함에 따라, 오염부하가 역 시 증가하였으나, 여재간 폐색은 발생되지 않았으며, EPS 와 Biomass도 직선적으로 증가하였다. 또한 bound-TOC 는 bound-EPS의 농도와 비슷한 경향을 보여주었다.

사 사

본 논문은 2005년도 단국대학교 교내학술연구지원사업 의 지원을 받아 수행하였으며 이에 감사드립니다.

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