[기획특집: 인 제거기술] 하ㆍ폐수 중의 인 제거기술

하ㆍ폐수 중의 인 제거기술

김 진 한⋅전 세 진*

^,†

인천대학교 도시환경공학부, *가람환경기술(주) 기술연구소

Treatment of Phosphorous in Sewage and Wastewater

Jin-han Kim and Se-jin Jun*^,†

School of Urban and Environmental Eng., University of Incheon, Incheon, Korea

*Garam Environmental Tech. Corp., Research Lab., Incheon, Korea

Abstract: 하ㆍ폐수 중의 인 처리 기술로서 물리ㆍ화학적 처리, 생물학적 처리, 토지 처리, 식생을 이용한 처리, 그리고 조류 배양에 의한 처리 기술 및 동향에 대하여 검토하였다. 식생을 이용한 처리 기술은 환경 친화적인 정화 방법으로 비점오염원의 처리는 물론 하ㆍ폐수의 고도처리 방법으로 장래에도 이용이 계속 확산될 것으로 생각된다. 또 여러 선진국에서 연구가 활발히 진행되고 있는 조류의 대량 배양에 의한 영양염류 처리 기술은 대체에너지 확보와 이산화 탄소 저감을 동시에 달성할 수 있는 고부가가치의 친환경 기술로서 우리나라에서도 관련 기술 및 연구개발에 대한 보다 적극적인 노력이 필요한 것으로 판단되었다.

Keywords: treatment of phosphorous, sewage and wastewater, algae

1. 서 론

1)

조류 건조 세포 생체량(Table 1)의 약 1%를 차 지하는 인(phosphorous)은 호소의 부영양화 원인 물질 중 하나이다. 하ㆍ폐수의 인 처리는 부영양 화를 방지하고 조류 성장을 억제하기 위한 목적으 로 이루어진다. 하ㆍ폐수 중 인의 발생원은 분뇨, 세제, 비료 생산공정 및 동물 사육장, 육류 및 음 식 가공공정, 축산폐수, 그리고 펄프 및 제지 공정 등 다양하게 존재한다. 하수에 포함된 인의 형태 (Table 2)는 총 인 함량 농도 6～20 mg/L 중 유기 성 인이 2～5 mg/L로 전체의 약 30%를, 무기성 인이 4～15 mg/L로 전체의 약 70%를 차지한다.

인 처리를 위한 여러 방법 중 일반적으로 많이 사 용되는 물리ㆍ화학적 처리방법 및 생물학적 처리 방법, 토지 처리 및 식생을 이용한 처리, 그리고 최근 활발히 연구되고 있는 고농도의 질소, 인 함 유 폐수를 조류 배양액으로 이용하여 폐수를 처리

† 주저자 (E-mail: jsj9015@hanmail.net)

함과 동시에 바이오 연료를 생산하는 방법에 대하 여 살펴보고 장래의 하ㆍ폐수 처리기술의 발전방 향에 대해 생각해 보고자 한다.

2. 물리ㆍ화학적 처리

2.1. 응집 침전에 의한 인 처리

물리ㆍ화학적 인 처리법은 알루미늄염, 철염, 석회 등을 사용하여 수중의 인산을 난용성물질로 응집시켜 침전 제거하는 방법이다. 사용되는 화학 약품은 응집제로도 작용하며 정인산염과 고형물 에 함유된 다른 형태의 인을 함께 제거할 수 있다.

응집 침전에 의한 인 제거는 처리 효과가 확실하 여 일반적으로 많이 사용되는 방법이다(Table 3).

2.1.1. 알루미늄을 이용한 응집 침전

수중의 인산은 AlPO4로 응집 침전되며, 1 mg-P 에 대하여 0.87 mg-Al이 소요된다. 주로 사용되는 알루미늄 응집제는 Alum[Al2(SO₄)₃․nH₂O]과 알

Table 1.

Nutrient Compositions of algae biomass (%)

Carbon 35～50

Nitrogen 3～10

Phosphorous 0.5～1.0

Silicon 0.1～14

Table 2.

Items Concentration as P^a) mg/L P^a) generation (kg/cap-yr)

Total 6～20 0.8～1.8

Organic 2～ 5 0.3～0.6

Inorganic 4～15 0.5～1.2

a) Phosphorus

루미늄산나트륨[NaAlO2]이다. 이들 알루미늄에 의 한 인산의 응집 반응식은 아래 식 (1) 및 (2)와 같다.

Al2(SO4)3 + 2 H2PO4-

+ 4 HCO3- →

2AlPO₄↓ + 3 SO42- + 4 H₂CO3 (1)

NaAlO₂ + H₂PO₄^- + 2 HCO₃^- → AlPO4 ↓ + Na⁺ + 2 CO32-

+ 2 H2O (2)

2.1.2. 철을 이용한 응집 침전

수중에 존재하는 인산은 철염(Fe²⁺, Fe³⁺)에 의 해 FePO4로 침전 제거된다. 양론적으로 1 mg-P에 대하여 1.8 mg의 Fe²⁺또는 Fe³⁺가 필요하다. 시판 되는 철염으로는 황산제일철[FeSO4․7H2O] 및 황산제이철 [Fe2(SO₄)₃․2H₂O], 염화제일철[FeCl2

․6H2O] 및 염화제이철 [FeCl3․6H2O] 등이 있다.

철염에 의한 인산의 응집 반응식은 아래와 같다.

4FeSO₄ + O₂ + 4H₂PO₄^- + 4HCO₃^- → 4FePO4↓ + 4SO42-

+ 2H2O + 4H2CO3 (3)

Fe2(SO4)3 + 2H2PO4-

+ 4HCO3- →

2FePO₄↓ + 3SO42- + 4H₂CO₃ (4)

Table 3.

Treatment level

Perecent removal of influent concentration Without chemical^a)

addition

With chemical^a) addition

Lime addition

Primary 5～10 70～90 80

Secondary 10～20 80～95 -

a) Alum or iron (ferric chloride).

Table 4.

약품

Chemical Perecent

U.S. Canada Total

Al 54 41 48

Fe 44 37 50

Lime 2 2 2

FeCl₃ + H₂PO₄^- + 2HCO₃^- →

FePO₄ ↓ + 3Cl^- + 2H₂CO₃ (5)

인산 응집에 필요한 알루미늄염과 철염의 양은 실제로는 화학 양론적으로 계산된 양보다 더 많이 소요된다. 일반적으로 화학 양론적인 양보다 2～3 배의 투여량이 필요하며 정확한 투여량은 실험에 의하여 결정된다.

2.1.3. 칼슘에 의한 응집 침전

수중의 인 처리를 위해 일반적으로 많이 사용되 는 칼슘의 형태는 석회[Ca(OH)2]이다. 석회를 첨 가하면 먼저 수중의 CO2, NH₄⁺, HCO₃^-등과 반응 이 일어나는데, 이때의 반응식은 아래 식 (6)～(8) 과 같다. 석회를 이용한 응집 침전에서는 CaCO3

가 충분하게 응집되어 수산화인회석[Ca5(PO₄)₃OH]

응집을 위한 핵이 될 수 있을 정도까지 pH를 상승 시켜야 한다. 따라서 처리 과정 중 많은 양의 슬 러지가 발생하게 되어 석회에 의한 인의 응집 처 리 방법은 실제 적용에 많은 제약이 따른다(Table 4).

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO3 ↓ + H2O (6)

Figure 1.

Ca(OH)2 + 2NH4+ → Ca²⁺ + 2NH3↑ + 2H2O (7) Ca(OH)2 + 2HCO3- →

CaCO₃↓ + CO32- + 2H₂O (8)

2.2. 정석 탈인법

Zoltek (1974)는 슬러지가 발생하지 않는 인 제 거 기술로 인광석을 핵으로 사용해 수중의 인을 수산화인회석 결정으로 제거하는 방법에 대해 발 표한 바 있다. 이 기술은 정석(crystallization) 탈인 법으로 불리며 기존에는 정석재로 인광석, 골탄 등이 사용되었다. 정석 탈인법은 이들 정석재 표 면에 칼슘과 인이 반응하여 수산화인회석으로 대 표되는 난용성 인산칼슘 결정으로 정석 반응이 일 어나게 하여 수중의 인을 처리하는 방법이다(Fig- ures 1, 2). 따라서 석회를 이용한 종래의 응집 침 전법과 같이 다량의 소석회를 투입하지 않고 수중 의 인을 제거하므로 다른 물리ㆍ화학적 처리 방법 에 비해 슬러지 발생량이 현저하게 적은 특징을 가진다. 정석 탈인법을 이용한 처리에서는 경우에 따라 적절한 과포화도로 조정하기 위해 pH의 조 정과 함께 칼슘을 첨가하여야 한다. 최근에는 정 석재로 제철 공정에서 발생하는 슬래그(slag), 패 각 등 여러 가지 부산물을 이용하는 방법이 연구 된 바 있다. 정석 탈인법에서의 반응식을 아래 식 (9)에 나타내었다.

5Ca²⁺+ OH^- + 3PO₄^3-→ Ca5(PO₄)₃(OH)↓ (10)

유입수

인 처리수 Ca²⁺ OH^-

Ca₅(PO정석제₄)₃(OH) Ca5(PO4)3(OH)

OH^- OH^-

OH^-

OH^- OH^-

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

PO₄^3- PO₄^3-

PO₄^3-

PO43-

PO43-

표면 정석(Crystalization) 반응

유입수

인 처리수 Ca²⁺ OH^-

Ca₅(PO정석제₄)₃(OH) Ca5(PO4)3(OH)

OH^- OH^- OH^- OH^-

OH^- OH^-

OH^- OH^- OH^-

OH^- Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

PO₄^3- PO₄^3- PO₄^3-

PO₄^3- PO₄^3- PO₄^3-

PO43-

PO43-

PO43-

PO43-

표면 정석(Crystalization) 반응

Figure 2.

3. 생물학적 처리

3.1. 생물학적 인 처리 원리

인은 생물체의 구성 성분 중 하나로 없어서는 안될 중요한 영양물질이다. 인은 DNA (Deoxy- ribo Nucleic Acid), RNA (Ribouncleic Acid)와 같 은 유전 물질의 구성 요소이며, 세포 내 핵산과 세 포 막 중의 인 지질 또는 카르복시화 효소, FAD (Flavin Adenine Dinucleotide), NAD (Nicotinami- de Adenine Dinucleotide) 등의 구성 성분으로 작 용한다. 또 세포 내의 저장 에너지인 ADP (Ade- nosine Diphosphate)와 ATP (Adenosine Triphos- phate) 등 에너지 대사에도 직접 관여하는 성분이다.

인은 물리적으로는 용해성 인과 입자성 인, 화 학적으로는 정인산(orthophosphate), 다중인산(poly- phosphates), 그리고 유기인산(organic phosphate) 등으로 나눌 수 있다. 입자성 인은 플랑크톤, 침적 물 및 입자에 흡착된 인 등이며, 용해성 상태의 인 은 무기성 인과 유기체로부터 배설된 형태의 유기 성 인이 있다. 이들 중 정인산은 미생물에 의해 쉽 게 동화되나 다중 인산 및 유기 인산은 미생물에 의해 정인산으로 가수분해된 후 섭취된다. 만약 질소가 풍부한 수계에 인이 유입되면 부영양화가 촉진되어 조류가 대량 번식하는 이른바 수화현상 (algal blooming)이 발생할 수 있는데 인은 수계에 서 조류 성장의 제한 인자로 작용한다. 따라서 충 분한 양의 질소가 있다고 하여도 인을 제거하면 조류의 성장을 제어할 수 있다.

Figure 3.

하ㆍ폐수 처리공정 중 역사가 깊은 생물학적 처 리방법으로 재래식 활성슬러지(activated sludge) 공법이 있다. 이 공법에서는 미생물들이 유기물을 분해하는 동시에 폐수로부터 인을 양론적으로 섭 취, 증식하여 폐기됨으로써 일부의 인이 제거된다.

이 때 미생물 세포 내의 인 함량은 보통 건조중량 의 약 1% 정도이다. 그러나 혐기성 조건에 연이어 호기성 조건을 만들어 주면 미생물은 세포성장을 위한 양론적 요구량 보다 훨씬 많은 과잉의 인을 섭취(luxury uptake)하게 된다. 즉, 인 축적 미생물 (PAO, Phosphorous Accumulating Organism)의 증 식 양을 많게 하면 세포 내의 인 함량은 일반 생물 학적 처리에서의 세포 중 인 함량보다 훨씬 많은 20～30%에 이르게 된다. 이 때 인은 마그네슘, 칼 슘 및 칼륨 등의 양이온과 함께 인산의 직쇄 중합 체 형태(volutin granule)로 저장된다. 혐기성 조건 에 연이어 호기성 조건인 반응조 안에서의 BOD 와 인 농도 변화를 Figure 3에 나타내었다. 산소 또는 질산성 질소와 같은 전자 수용체가 없는 혐 기성 조건에서도 SBOD (Soluble BOD) 농도는 감 소되고, SBOD가 감소되는 동안 용해성 인의 농도 는 증가되는 한편 호기성 조건에서는 용해성 인의 농도가 급격히 감소됨을 알 수 있다.

생물학적 인 제거 메커니즘을 Figure 4에 나타 내었다. 인 제거 미생물은 혐기성 조건에서 발효 에 의해 생성된 아세트산과 같은 저급 지방산을 섭취한 후 세포 내에 축적되어 있는 ATP가 분해될 때 발생되는 에너지를 이용, 저급 지방산을 세포 내에 유기성 저장 물질인 PHB (Poly-β-hydroxy- butyrate)로 전환하여 저장한다. 이 때 ATP로부터

Figure 4.

유리된 정인산염(ortho-P)을 세포 밖으로 방출시 킨다. 그러나 혐기성 조건에서 호기성으로 전환되 면 인 제거 미생물은 세포내에 저장하였던 PHB를 분해할 때 발생되는 에너지로 ATP를 합성하며, 혐기성 조건에서 방출한 양보다 더 많은 양의 인 을 섭취하는데 이를 인의 과잉섭취라고 한다. 인 제거 관련 미생물은 acinetobacter에 속하며 이들 박테리아는 그람음성(gram negative)의 막대형 간 균으로 크기는 1～1.5 µm이며 군집형태를 띈다.

또 aeromonas와 pseudomonas 등도 다중 인산염 을 과량 축적하는 미생물로 알려져 있다.

3.2. 생물학적 인 처리 공법

3.2.1. A/O 공법

생물학적 인 처리(BPR: Biological Phosphorous Removal) 공법으로 A/O 공법이 있다(Figure 5).

혐기조(anaerobic)와 호기조(oxic)로 구성되며 상 대적으로 짧은 SRT (Solid Retention Time)와 높 은 유기물 부하가 특징이다. 인의 제거는 처리 시 스템의 침전조로부터 슬러지를 폐기함에 의하여 달성되며, 유출수의 인 농도는 주로 유입수의 BOD/P 비가 10 이상이면 유출수의 용해성 인산

Figure 5. A/O

Figure 6. A

염 농도는 1 mg/L 이하인 것으로 알려져 있다.

3.2.2. A2/O 공법

A₂/O 공법은 A/O 공정의 혐기조와 호기조 사이 에 무산소(anoxic) 조를 설치, 인과 질소를 동시에 제거하기 위한 공법이다(Figure 6). 먼저 혐기조에 서는 미생물이 유입수 중의 유기물을 이용하여 인 을 방출한다. 그리고 무산소조에서는 호기조로부 터 내부 반송되는 혼합액 내의 질산성 질소를 혐 기조로부터 유입되는 유기물을 탄소원(carbon source)으로 이용, 질소 가스로 환원시켜 제거한 다. 호기조에서는 암모니아성 질소를 질산성 질소 로 산화시킴과 동시에 유기물 제거와 인의 과잉섭 취가 일어난다. 인의 제거는 최종적으로 잉여 슬 러지를 시스템으로부터 폐기함으로써 달성된다.

3.2.3. 수정 바덴포 공법

수정 바덴포(modified bardenpho) 공정(Figure 7)은 4단계 Bardenpho 공정 앞에 혐기조를 설치하 여 질소와 인을 동시에 제거하기 위한 공법이다.

첫 번째 무산소조에서는 유입수 중의 유기물을 탄 소원(carbon source)으로 이용하여 첫 번째 호기조 로부터 재순환되는 혼합액 내의 질산염을 탈질 (denitrification)시키며, 두 번째 무산소조에서는 내생분해에 의하여 생성되는 유기물을 탄소원으 로 하는 내생탈질에 의하여 질소 제거효율을 더

Figure 7.

Figure 8.

높인다. 또 첫 번째 호기조에서는 유입수 내에 잔 류하는 유기물제거와 함께 질산화(nitrification)가 진행된다. 두 번째 호기조에서는 내생탈질에 의하 여 발생되는 암모니아성 질소를 산화시키고 용존 산소 농도를 높여 최종 침전지에서의 탈질에 의한 슬러지 부상 및 인의 재 방출을 막는다. 최종적으 로 인의 제거는 잉여 슬러지의 폐기에 의하여 이 루어진다.

혐기조에서의 인 방출과 첫 번째 무산소조에서 의 질소 제거에 소요되는 탄소원으로 유입수 내의 유기물을 이용하기 때문에 인 및 질소의 제거는 유입수 유기물 농도에 의해 영향을 받는다. 또 체 류시간이 길기 때문에 유입수의 유기물 농도가 낮 은 경우에는 탈질(denitrification)을 위한 유기물 부족으로 질소 및 인 제거 효율이 저하될 수 있다.

3.2.4. UCT 공법

A2/O 공법과 수정 Bardenpho 공법에서는 반송 슬러지 중의 질산성 질소가 혐기조로 직접 유입되 어 혐기조에서의 인 방출이 저해되어 처리 효율이 저하되는 단점이 있다. UCT (University of Cape Town) 공법(Figure 8)은 A2/O 및 수정 Bardenpho 공정의 이러한 단점을 보완하기 위한 공법이다.

즉, 슬러지와 혼합액을 무산소조로 반송시킨 다음, 질산성 질소가 제거된 혼합액을 혐기조로 반송시

Figure 9. VIP

켜 혐기조에서의 질산성 질소에 의한 영향을 최소 화시킨 공법이다.

3.2.5. VIP 공법

VIP (Virginia Initiative Plant) 공법(Figure 9)은 UCT 공정과 매우 유사하나 각 조가 2개 이상의 동일한 크기의 완전혼합조로 나누어지며 UCT 공 정에 비하여 상대적으로 유기물 부하가 높고 SRT 가 짧다는 특징이 있다. 호기조에서 질산화된 폐 수의 일부는 반송 슬러지와 함께 무산소조의 유입 구로 반송되며, 무산소조의 혼합액은 혐기조의 앞 쪽으로 반송된다.

4. 토지 처리

토지 처리(land treatment)는 오염물질의 처리에 토양과 작물을 이용하는 방법으로 하ㆍ폐수 또는 전 처리한 하ㆍ폐수 방류수를 토양의 수 센티미터 깊이에 주입하거나 또는 토양 표면에 살포하여 처 리하는 방법이다. 토양에서 인의 물리ㆍ화학적인 불용화(immobilization), 작물에 의한 질소 및 인 의 흡수 등이 처리의 주요 기작이며 토양 미생물 에 의한 생물학적 분해, 물리ㆍ화학적 침전, 이온 교환 등의 반응이 함께 작용한다. 즉, 토양에 함유 된 철, 알루미늄, 그리고 칼슘 등은 인과 반응하여 Fe-P, Al-P, 그리고 Ca-P 등의 착물(complex)을 형성하여 토양에 흡착되거나 침전 제거된다. 유해 물질이 비교적 적은 폐수는 농작물의 생육에 이용 될 수 있다(Table 5). 토지 처리에서의 처리 효율 은 일반적으로 토양의 종류와 깊이, 온도에 의해 큰 영향을 받을 수 있다. 저율 처리(slow rate)에 의한 전형적 처리 결과를 Table 6에 나타내었다.

Table 5.

Waste (resource) Crops

Manures

Animal (all sources) Edible and non-edible Plant (green manures) Edible and non-edible Municipal waste

Sewage water effluent Pasture, cotton, grains Sewage slurries (3 to 10% solids) Pasture, cotton, grains Sewage sludge (thick slurry or dry) Pasture, cotton, grains Solid waste (untreated) Pasture (alfalfa) Solid waste (pretreated-compost) Home gardens Paper mill

Waste waters Alfalfa, grass pasture

Slurries Alfalfa, grass pasture

Hardboard Paper board

Composted or biodegraded Wheat, corn beans Cannery (tomatoes, corn, etc.) Small grain Tannery dust and slurry Cultivated pasture Dairy products residues Cultivated pasture Animal slaughter waste (blood) Home gardens, yards Mine tailings (processed) All land

5. 식생을 이용한 처리

미국 등 선진국에서는 1970년대 이후 인공습지 에 의한 오염물질 처리 기술을 개발해 왔다. 인공 습지에서는 갈대 등의 수생식물과 토양 및 미생물 에 의해 정화가 이루어지며, 수문학적 특성에 따 라 인공습지는 자유수면습지 시스템(surface flow system), 여과습지 시스템(subsurface flow system), 그리고 인공섬과 같은 부유식물 시스템(floating aquatic plant system)으로 분류될 수 있다. 습지에 의한 오염물질의 정화는 비점오염원의 처리와 하 천 및 호소의 정화 기술로 주로 이용되어 왔으나 미국과 캐나다 등에서는 하수의 2차 방법으로, 또 2차 처리수의 고도 처리방법으로 습지를 이용하고 있다(Figure 10).

자유수면습지에서의 수생 식물은 수중의 질소 나 인과 같은 영양염류를 흡수하고 물속의 줄기는

Table 6.

Agricultural system locations

Annual wastewater

loading rate [cm/yr]

Surface soil

PO4

concentration in applied Wasterwater [mg/L] as P

SolublePO4

concentration in affected groundwater [mg/L] as P

Removal%

Sampling depth,

[m]

Distance from application

site, [m]

soluble PO4

concentration in background groundwater [mg/L] as P

Camerillo, Calif. 160 Clay loams and sandy loams

11.8^a 11.8^a

2.8^a 0.2^a

76^a 98^a

1 3

0 0

3.0^a -

Dicknson, N.D. 140 Sandy loams

and loamy sand 6.9^a 0.05^a 99^a < 5 30∼150 0.04^a

Hanover, N.H. 130∼78 Sandy loam

and silt loam 7.3∼7.6^a 0.03∼0.07^b 99.0∼99.5 1.5 0 - Mesa, Ariz. 400∼860 loamy sands

and sandy loams 9.0^b 9.0^b

5.0^b 4.2^b

44^b 53^b

0.5 1

0 0

1.0^b 3.6^b

Muskegon, Mich. 130∼260 sands and loamy

sands 1.0∼1.3^a 0.03∼0.05^a 95∼93^a 1.5 0 0.03^a

Rosewell, N.M. 80 Silty clay loams 7.95^a 0.39^a 95^a < 6 0 0.55^a

Tallahassee. Fla.

winter summmer

520

1040 sand 10.5^a

10.5^a

0.1^a 0.0^a

> 99^a

> 99^a

1.2 10.7

0 0

0.02^a 0.02^a

aTotal phosphate concentration, ^bOrthophosphate concentration

Figure 10.

유속을 감소시켜 부유물질의 침전을 유도(Figure 11)한다. 환경적으로는 저니토(sediment)에 산소 를 공급하여 미생물에 의한 분해를 활성화시키고, 미생물이 서식할 수 있는 넓은 표면적을 제공하여 미생물 막이 형성되도록 도와준다. 이와 함께 수 중 생물의 산란장, 양육장, 은신처로서의 생태적 기능을 갖는다. 이용되는 수생 식물은 생활 형태 에 따라 정수식물, 부엽식물, 침수식물, 부유식물 등이 있다(Figure 12). 우리나라에서 자생하는 수 생식물은 약 136종으로 생활 형태별로 볼 때 정수

Figure 11.

식물 45.6%, 부엽식물 21.3%, 침수식물 28.7%, 부 유식물 4.4%로 알려져 있다.

이러한 식생을 이용한 처리는 겨울철 온도 변화 에 따른 처리 효율의 저하, 성장 후 식물의 제거와 관리 문제 등 여러 문제가 있으나 수질정화 목적 이외에 야생동물 서식지, 자연학습 공간, 습지 복 원 등의 친환경적 기능을 제공하는 장점을 가지고 있다. 특히 삶의 질 향상에 대한 최근의 사회적,

Figure 12.

시대적 요구에 따라 오염 하천의 복원과 생태 하 천 조성 시 오염물질의 정화 방법으로 많이 이용 되고 있다.

6. 조류 배양에 의한 하ㆍ폐수의 인 처리

오일 쇼크 이후 재생에너지 등 대체 에너지 개 발에 대한 사회적 관심이 높아지고 있는 가운데 최근 조류를 배양하여 바이오 연료를 생산(Figure 13)하기 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 조류를 배양하기 위해서는 질소와 인 등의 영양염류가 필 요한데 축산 폐수와 같이 고농도의 질소, 인 함유 폐수를 조류 배양액으로 이용하면 바이오 연료의 생산과 동시에 하ㆍ폐수의 정화가 가능하다(Figure 14). 조류는 광합성을 하는 식물로 생체량의 상당 부분이 지질로 구성되어 있어 이의 대량 배양을 통 하여 에탄올, 부탄올, 탄화수소 등의 액체 연료와 메탄 및 수소 등의 기체 연료를 생산할 수 있다.

특히 조류는 팜(palm), 콩 등 다른 식물에 비해 성장이 빨라 단위 면적당 바이오 연료 생산량이 더 많은 특징을 가지고 있다(Table 7). 식물성 플 랑크톤과 같은 조류를 원료로 한 바이오 연료 생 산 기술은 대체에너지 확보와 이산화탄소 저감을 동시에 달성할 수 있는 대표적인 친환경 기술이며 삼면이 바다로 둘러싸인 한국의 경우 매우 유리한 사업으로 평가(삼성경제연구소, 2009)된 바 있다.

미국과 유럽, 일본(NIRE : National Institute for Resources and Environment) 등 외국 여러 나라와 우리나라의 한국에너지기술연구원에서는 조류 배 양 시 영양염류인 질소, 인의 공급원으로 하ㆍ폐 수를 활용하는 방안에 대한 연구를 수행한 바 있

Figure 13.

Figure 14.

생산.

다. 또 여러 외국 연구 기관에서 광반응기를 이용 한 조류의 대량 배양 방법, 적정 조류 종의 분리, 바이오 연료 추출 방법 및 조류를 이용한 온실가 스 저감에 관련한 연구를 진행하고 있다.

광합성을 하는 특성을 가진 조류를 배양할 때 공기와 이산화탄소를 첨가하여 조류 생체량 변화 와 질소, 인 등의 영양염류 섭취 효과에 대해 조사

Table 7.

Feedstock Yield (gallons/acre)

Algae 10,000

Palm 650

Mustard 140

Rapeseed 110 ～ 145

Soya 40 ～ 50

출처: Bio-diesel 2020 : A global market survey (2nd edition), USA (2008)

한 결과를 Table 8에 나타내었다. 공기를 사용한 때와 비교하여 이산화탄소를 주입하여 조류를 배 양한 경우, 생체량(VSS : Volatile Suspended Solid) 은 4.6배 증가하고 배양액의 인 농도는 1/10로 현 저하게 인 농도가 감소되었다. 이 결과로부터 조 류 배양을 위한 영양염류 공급원으로 하ㆍ폐수를 이용하면 오염된 하ㆍ폐수의 정화는 물론 조류에 의한 이산화탄소 흡수가 가능함을 알 수 있었다.

또한 증식된 조류로부터는 화석 연료를 대체할 수 있는 바이오 연료 생산이 가능하여 지구온난화 방 지와 함께 수질 정화의 목적을 달성할 수 있어 일 석삼조의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

미국을 비롯한 선진국에서는 이에 대한 국가 차원 의 연구는 물론 기업체에서도 세계 시장을 선점하 기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

7. 맺음말

호소의 부영양화 방지와 조류의 대량 번식을 억 제하기 위해서는 수중의 인 처리가 필요하다. 본 고에서는 하ㆍ폐수 중의 인 처리 기술로 물리ㆍ화 학적 처리, 생물학적 처리, 토지처리 및 식생처리, 그리고 조류 배양에 의한 인 처리 기술 및 동향에 대하여 살펴보았다.

이들 처리 기술 중 식생에 의한 처리는 관리상 의 문제와 겨울철 온도에 변화에 따른 효율 저하 등 여러 문제가 있음에도 불구하고 삶의 질 향상 에 대한 사회적 요구와 환경 친화적 기술이라는 장점을 가지고 있어 비점오염원의 처리는 물론 하

Table 8.

소, 인 제거 효과 비교 (단위: mg/L) Items Air sparged CO2 enhanced

VSS 130 600

NH₄⁺-N 25 < 1

PO43+-P 3 < 0.3

Photo

주) 1. 조류 배양 5일 후 결과 2. VSS : Volatile suspended solid

ㆍ폐수의 고도처리를 위한 방안으로 앞으로도 많 이 연구되고 이용될 것으로 생각된다. 또 조류의 대량 배양을 통한 하ㆍ폐수의 영양염류 처리 기술 은 대체에너지 확보와 이산화탄소 저감을 동시에 달성할 수 있는 고부가가치의 기술로 판단된다.

여러 선진국에서는 이에 대한 국가 차원의 연구는 물론 기업체에서도 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 따라서 이제는 우리나라에서도 조류 배 양에 의한 하ㆍ폐수 중 질소, 인 처리와 관련된 환 경 친화적 기술을 개발하기 위해 보다 적극적으로 노력하고 연구에 투자할 때라고 생각된다. 이 기 술은 영양염류 처리를 위한 새로운 기술인 동시에 바이오 에너지 생산, 온실가스 감축 및 탄소 배출 권 거래 등 새롭게 형성되고 있는 미래의 세계 시 장에서 선진국과 나란히 경쟁하기 위해 반드시 필 요한 것이다.

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김 진 한

1977 인하대학교 화학공학과 학사 1979 인하대학교 화학공학과 석사 1994 인하대학교 화학공학과 박사 1982～1985 화학연구원 연구원 현재 인천대학교 도시환경공학부

교수(환경공학전공)

전 세 진

1986 인하대학교 화학공학과 학사 1989 인하대학교 화학공학과 석사 2000 인하대학교 환경공학과 박사 1989～1998 동양제철화학 중앙연구소

책임연구원 1998～2007 대원대학 환경과 교수 2007～2009 인하공업전문대학 겸임교수 현재 가람환경기술(주) 연구소장

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