화학공학의 이론과 응용 제9권 제2호 2003년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2003, Vol. 9, No. 2 2213

화학공학의 이론과 응용 제9권 제2호 2003년

생물막공정에서 제조된 제올라이트를 이용한 오․하수 처리

안재영

^*

, 서정목, 류제욱

¹

, 박지혜

¹

, 류완호

¹

, 이원묵

¹

, 이병로

²

공주대학교 화학공학과, 한밭대학교 에너지청정기술연구소

¹

, (주)대진환경산업

²

([email protected]

^*

)

Treatment of wastewater using manufactured zeolite in biofilm reactor

Jae Young Ahn

^*

, Jung Mok Suh,

Je Wook Lyu

¹

, Ji Hye Park

¹

,Wan Ho Roo

¹

, Won Mook Lee

¹

, Byong Ro Lee

²

Department of Chemical Engineering, Kongju National University, Kongju, Korea Department of Chemical Engineering/Research Center Energy & Clean Technology,

Hanbat National University, Daejeon 305-719, Korea

¹

Daejin Environment Industry Co., Ltd., Hwasun, Jeonnam, Korea

²

([email protected]

^*

)

서론

오․하수처리에 대한 고도처리 공정은 미국, 유럽 등을 중심으로 지속적으로 개발되어 왔으나 각 나라마다 오․하수 특성에 맞는 처리 방법이 연구되고 있다. 현재 국내의 오․

하수 방류수질 허용기준은 COD 40mg/ℓ, BOD 20mg/ℓ, SS 20mg/ℓ, T-N 60mg/ℓ, T-P 8mg/ℓ이하이다. 이러한 기준을 만족시키기 위해 적절한 고도처리 시스템 개발이 필요한 실정이다. 이에 따라서 국내에서도 영양염류 및 NH

4 +

-N의 제거에 대한 관심이 높아지면서 고도처리 공정을 적용하고자 하는 시도가 활발히 진행되고 있다. 본 실험은 기존에 사용되고 있는 SBR의 단점을 보완시킨 SBBR공정을 적용하였다. SBBR의 특징 은 첫째 침전은 정지상태에서 실시하기 때문에 고액분리가 잘되어 처리수의 침전효율이 양호하며 고농도의 미생물을 유지할 수 있고, 둘째로는 운전모드의 변형이 자유로워 운전 방법에 따라 bulking 방지와 질소, 인 같은 영양염류도 제거할 수 있으며, 셋째로는 쉽게 유량을 조절할 수 있으므로 유량변동의 변수에 용이하게 대처할 수 있다. 네 번째는 제어 기술의 발달과 비폭기시 산기관이 막힘현상 등 기존의 문제점 해결로 최근에 중․소규모 는 물론 대규모에도 많이 사용하고 있다. 다섯 번째는 사이클수 및 방류량의 변동 등으로 저부하에서 고부하의 넓은 범위까지 제어가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 유럽 및 미 국에서 도입한 외국기술의 실패로 말미암아 SBBR 공정에 대한 선입관 및 공정 특성상 국산화 정도가 미흡한 것 등으로 알려져 있어 기술개발 및 적용 사례가 적은 형편이다.

본 연구에서는 SBBR 안에 석탄회를 이용하여 합성한 제올라이트(F-Zeolite)를 구형화 하 여 제조한 담체를 생물 반응기에 충진하여 실험을 수행하였다.

담체의 물성에 따른 미생물의 성장속도, 처리성능을 비교․평가하기 위해 상용화되고 있는 담체와 F-Zeolite의 성분분석과 비표면적을 측정하였으며, 이들을 SBBR공정 상에서 온도와 농도를 변수로 하여 미생물 배양실험을 하였고, COD, BOD

5

, SS, NH

4 +

-N의 농도 등을 측정하여 최적의 미생물 배양조건을 찾고자 하였다.

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실험

1. 담체의 제조 및 특성

고정 생물막에서의 담체의 선정은 대단히 중요한 요소 중 하나이다. 현재 많이 사용되 는 담체는 플라스틱으로 만들어진 Pall ring, 활성탄, 세라믹 다공성 담체 및 섬유구조조 직으로 이루어진 PE물질등이 널리 이용되어지고있다.

본 연구에서 사용된 F-Zeolite는 석탄회를 이용, NaOH로 수열합성 반응을 통해 제올 라이트를 제조하였다. 이를 담체로 이용하기 위하여 분말형 제올라이트를 구형으로 성형 하였으며, 이를 물성 분석 및 실험을 통해 기존에 상용화되고 있는 담체와 비교하고자 하 였다. 그 결과를 ICP, BET는 Table 1, 2에 나타내었고, F-Zeolite와 상용화된 담체의 형 태를 Fig. 1에 나타내었다.

Table 1 ICP of carriers.

component

Carriers SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 O CaO Fe 2 O 3 MgO K 2 O 기타 Si/Al ratio Commercial 73.41 12.34 2.95 1.25 1.33 0.47 5.33 2.92 2.98

F-Zeolite 54.12 29.19 0.82 4.79 4.77 1.69 0.63 3.99 0.93

Table 2 BET surface area analysis of carriers.

Carriers BET surface area(m ² /g) Pore Volume(cm ³ /g) Pore Size(Å)

Commercial 7.34 0.019 104.68

F-Zeolite 23.41 0.084 142.65

(a)

(b)

Fig. 1 Photograph of carriers( a : F-Zeolite, b : Commercial ).

2. 오․하수 처리 실험

생물막 담체를 이용한 SBBR 공정상에서 담체의 성능을 평가하기 위한 실험장치를 Fig. 2에 나타내었다. 생물반응기는 아크릴로 제작하였으며 유입부, 담체 충진부, 유출부 로 구성되어 있고, 높이가 290mm, 직경이 80mm인 원통형으로 총 부피는 1,370㎖이다.

오․하수는 농도가 다른 2개(COD기준 : 200mg/ℓ, 2000mg/ℓ)의 정화조를 선정하여 채 수하여 사용하였다. 공급 탱크는 용량이 20,000㎖로써, 이곳에 12,000㎖의 하수를 넣어 실 험하였다. 또한 각각의 생물반응기에는 담체를 400㎖의 부피로 충진하였고, 폭기장치는

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반응기 바닥 유입부 상단에 diffuser를 설치하여 공기가 담체를 지지하는 망을 통과, 효율 적으로 분산되도록 하였다. 오․하수 처리를 위해 F-Zeolite와 상용화된 담체를 사용하였 으며, 공기의 유량은 1,850㎖/min, 하수의 공급 유량은 200㎖/min으로 공급하였다.

sample은 1일 단위로 채취하여 COD와 NH

4 +

-N는 HACH Spectrometer(DR/4000), BOD

5

와 SS는 Standard Methods에 준하여 분석하였다.

Fig. 2 Schematic configuration of biogical reator with packed carrier.

결과 및 토론

본 연구는 화력발전소에서 폐기되는 석탄회를 이용하여 수 처리용 제올라이트를 제조 한 후 이를 SBBR공법에 적용, 생물막 담체로 활용하기 위한 실험을 수행하였다.

F-Zeolite는 상용화된 담체보다 비표면적과 Pore size는 높아 우수한 미생물 흡착능력을 보여주었다. 오․하수 처리 실험 결과는 Fig. 3에 나타내었다. BOD

5

는 COD와 유사하게 나타났고 SS는 농도와 온도의 변수에 상관없이 99%이상 제거효율을 보여주었기 때문에 그림에 첨부하지 않았다. COD와 NH

4 +

-N 처리는 반응기의 온도가 35℃에서 가장 우수한 성능을 나타내었으며, 농도 변수에 대한 실험은 고농도는 7일, 저농도는 3일정도에서 반 응이 완결되었으며, 온도와 농도에 대한 실험에서 나타난 바와 같이 고농도에서 COD는 약 5%, NH

4 +

-N는 10%정도 F-Zeolite가 상용화된 담체보다 성능이 우수하였다.

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Commercial

COD removal efficiency(%)

Time(days)

High concentration( 4 )℃ High concentration(10 )℃ High concentration(20 )℃ High concentration(35 )℃ High concentration(50 )℃

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 Commercial

C O D removal efficiency (%)

Time(days) Low concentration(4 )℃ Low concentration(10 )℃ Low concentration(20 )℃ Low concentration(35 )℃ Low concentration(50 )℃

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

COD r e m o va l e ff ic ie n cy (% )

Time(days) F-Zeolite

High concentration( 4 )℃ High concentration(10 )℃ High concentration(20 )℃ High concentration(35 )℃ High concentration(50 )℃

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-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F-Zeolite

Time(days)

COD removal efficiency(%) Low concentration(4 )℃

Low concentration(10℃) Low concentration(20℃) Low concentration(35℃) Low concentration(50℃)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Commercial

NH

4+

-N r e m o va l ef fici ency (%)

Time(days) High concentration( 4 )℃ High concentration(10 )℃ High concentration(20 )℃ High concentration(35 )℃ High concentration(50 )℃

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Commercial

NH4+-N removal efficiency(%)

Time(days)

Low concentration(4 )℃ Low concentration(10 )℃ Low concentration(20 )℃ Low concentration(35 )℃ Low concentration(50 )℃

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 F-Zeolite

NH4 +-N removal efficiency(%)

Time(days) High concentration( 4 )℃ High concentration(10 )℃ High concentration(20 )℃ High concentration(35 )℃ High concentration(50 )℃

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 F-Zeolite

NH4 +-N removal efficiency(%)

Tim e(days)

Low concentration(4℃) Low concentration(10℃) Low concentration(20℃) Low concentration(35℃) Low concentration(50℃)

Fig. 3 Treatment efficiency of wastewater by concentration temperature.

참고문헌

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