황산알루미늄 주입에 의한 막오염저감 및 인제거에 관한 연구

Abstract

막결합형 생물반응기공정(MBR)에서 막 오염 현상은 플럭스 저하로 인한 처리수의 생산량을 감소시키고 분리막의 수명을 저하시키는 등의 문제점을 야기한다. MBR 공정은 일반 활성슬러지 공정에 비하여 미생물 플록이 작다고 알려져 있으며, 특히, 유기물 분해와 막 오염 방지를 위한 막 표면 cross-flow 흐름의 포기가 이러한 현상의 원인이라 하겠다. 이러한 미세 입자는 막 표면에 형성되는 케이크 층의 공극률을 감소시키고 케이크 저항을 유도한다. 이러한 이유로, MBR 공정에서 미생물 플록의 크기를 늘려서 막 오염을 방지하고자 하는 연구들이 진행되어 왔다.

MBR 공정의 다른 문제점은 긴 SRT로 인한 낮은 생물학적 인 제거효율로, 이는 2012년부터 강화된 수질기준으로 인하여 시급히 해결해야 할 부분이다. 인(phosphorus)은 광합성 조류의 성장을 자극하여 호소의 부영양화를 촉진시키는 오염물질로써 생물학적 처리만으로 MBR 공정에서 처리수의 인 농도를 0.2～0.5 mg/L로 유지하기는 사실상 불가능하다. 금속염을 주입하여 인을 제거하는 화학적 처리는 생물학적 방법에 비하여 그 효율이 높으며, 적정 pH에서 정인산염과 금속염이 침전물을 형성하여 안정적으로 인을 제거 할 수 있다.

본 연구에서는 MBR 공정에 인 제거를 위하여 금속염을 주입하였을 경우 인 제거효율과 막 오염 변화에 대하여 조사하였다. 다양한 금속염 중에 알루미늄염계 또는 철염계의 금속염이 많이 사용되고 있으며, 철염계 금속염은 만들어지는 플록이 무겁고 적정 pH의 범위가 넓다는 장점이 있으나, 부식성이 강하다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 알루미늄염계 금속염 중 가장 전형적인 황산알루미늄(Al2(SO4)3 · 14H2O (SAS, MW. = 594 g))을 사용하여 실험하였다. Jar Test로 다양한 농도의 황산알루미늄을 활성슬러지에 주입한 후 인 제거효율과 제타전위를 살펴보고, 회분여과실험을 통하여 여과저항을 관찰하였다. 그 결과 황산알루미늄의 주입이 인 제거율을 증가시키며, 음의 값을 가지는 슬러지의 제타전위를 증가시켜 입자의 크기를 증가시키고 이는 여과저항을 감소시키는 결과를 가져왔다. 그러나 과잉주입 할 경우에는 급격한 pH 감소와 탁도의 증가가 나타나고 인 제거효율이 떨어지며 제타전위도 높은 양을 값을 가지게 되고 여과저항이 악화됨을 확인할 수 있었다.

황산알루미늄의 적정 주입지점을 선정하기 위한 실험을 연속 MBR 공정에서 실시하였다. 본 연구에서는 무산소조와 호기조가 결합된 MLE 형태의 침지형 MBR 반응조로 운전되었으며, 동일한 황산알루미늄 농도 및 조건으로 실험 한 결과 호기조보다 무산조에 황산알루미늄을 주입하는 것이 인 제거효율과 여과저항 측면에서 더욱 효율적인 결과를 나타내었다. 이는, 무산소조의 교반기에 의한 혼화가 긍정적인 역할을 한다고 여겨진다.

위의 실험결과를 바탕으로 다양한 농도의 황산알루미늄을 무산소조에 주입하여 장기간 MBR 공정을 운전하며 결과를 비교 평가하였다. 더불어 지속적인 황산알루미늄의 주입이 MBR 공정 안에서 어떠한 양상을 보이는지 살펴보았다. 회분실험에서 얻어진 적정한 농도로 사료되는 3개의 농도조건에서는 높은 인 제거효율 및 안정적인 유기물 제거효율을 나타내었으며, 낮은 여과저항 및 케이크의 압축성과 적은 분리막 세척주기의 결과를 바탕으로 막 오염 저감에도 효율적임을 파악할 수 있었다. 특히 장기간 운전하면 적은농도의 황산알루미늄을 주입한 공정에서도 그 보다 높은농도를 주입한 공정과 비슷한 인 제거효율과 막 오염저감 효과가 나타나는 현상을 확인 할 수 있었다. 이는 MBR 공정의 특성상 주입된 황산알루미늄이 완전히 방출되지 못하고 반응조에 일부 남게 되는데, 남아 있는 황산알루미늄이 지속적으로 응집제의 역할을 하기 때문이라 판단된다. 그러나 황산알루미늄이 과잉주입 되면 시간이 경과함에 따라 인 제거효율이 감소하고 여과저항이 악화되어 케이크의 압축성이 증가하는 등의 막 오염 현상이 나타났다.

본 연구의 결과 적정한 농도의 황산알루미늄의 주입은 MBR 공정에서 인 제거에 효과적인 것으로 나타났으며, 더불어 여과저항 등을 감소시켜 막 오염을 저해하는데도 효과적인 것으로 파악되었으며 연속실험에서는 회분실험에서 파악된 적정농도보다 적은양의 황산알루미늄이 요구되는 것으로 판단된다. 그러나 과잉주입 된 황산알루미늄은 인 제거효율과 막 오염 저감에 오히려 악영향을 미치는 것으로 조사되었다.