2.1. 여과장치

실험에 사용한 여재순환형 여과장치의 모식도는 Fig. 1과 같다. 여재순환형 여과장치는 지름 13 cm의 원통형 반응기로 높이는 30 cm로 구성되었다. 반응기 중심에 회전이 가능한 스크루가 장착되었으며 반응기에 충진되는 PP (Polypropylene) 재질의 여재는 반응기 총 체적의 60% (v/v) 정도 채운 후 하단으로부터 유입수를 주입하여 상단으로 하수를 흘려 오염물질을 제거하도록 장치되었다. 반응기 내부의 스크루는 모터에 의해 회전하도록 하였으며 스크루의 회전을 통해 반응기 내부에 충진된 상단부 여재는 물리적으로 스크루를 따라 하단부로 이송되고 이에 따라 반응기 내부의 여재는 상단에서 하단으로 스크루를 통해 순환하게 된다. 스크루에 의해 상단의 여재가 하단으로 강제 이송되는 동안 여재에 붙어 있던 입자성 물질은 여재와 여재 또는 여재와 스크루의 마찰을 통하여 여재로부터 탈리되어 하단부에 중력 침전되어 쌓이게 된다. 스크루 윗부분의 스크러버 암은 상단에서 여재를 내부 원통으로 모아서 아랫부분으로 내려 보내는 역할을 하게 된다. 반응기 내부의 여재가 순환되는 속도는 상단에서 하단으로 이송되는 여재의 부피에 따라 달라지게 되며 여재의 순환속도를 조절하기 위해 수위 조절기와 유출수를 이용하여 여재순환형 여과장치의 순환속도를 조절하였다. 유출수를 일시적으로 막게 되면 수위가 상승하면서 여재도 같이 부상하게 되고 부상되는 높이는 수위조절기에 의해 제어되었다. 부상된 여재는 유출수를 개방하더라도 일시적으로 부상되어 있게 되며 이때 스크러버 암이 부상된 여재를 중심부로 모아 여재를 스크루로 이송하여 하단부로 이송하는 방법으로 여재는 여재순환형 여과장치 내에서 원활하게 순환하게 된다. 여재의 순환속도는 부상하는 여재의 높이, 즉, 수위조절기의 높이에 의해 달라지게 되고 이에 따라 여과처리효율도 다양하게 나타나게 될 것으로 판단하였다. 여재순환형 여과장치의 유효부피로부터 산정된 하수의 체류시간은 11분이었으며 유입수 유량은 191.67 mL/min으로 실험을 진행하였다. 여재가 순환하는 여과장치의 효율성을 비교하기 위해 같은 조건에서 여재를 순환하지 않는 상태로 여과장치를 구동하여 그 결과를 여재순환형 여과장치와 비교 검토하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram of the filtration unit with the circulation of the suspended media.

2.2. 여재

본 실험에 사용한 여재는 플라스틱의 원료가 되는 PP 소재의 지름 약 3 mm의 구형 여재로 비중이 0.89~0.92 g/cm³이기 때문에 물보다 비중이 낮아 쉽게 수면에 부유하게 된다. 원재료의 여재의 표면 조도(roughness)는 0.14 µm이었으며, 부유물질과 유기물의 흡착능을 개선하기 위해 여재의 표면을 Grinder (Sand Paper 150)로 물리적인 표면 개질을 거쳐 여재 표면에 굴곡을 더 깊게 만들어 기존의 여재보다 오염물질의 제거효율을 증가시킬 수 있도록 유도하였다. 철을 이용한 여재 표면 개질은 PP 재질의 여재 표면에 철 분말입자(Junsei, Iron reduced, Fe²⁺)를 부착하여 사용하였다. 표면 개질 방법 적용 시 철은 여재 1 g당 평균 10.3 mg씩 부착하였다. 철을 피복하기 위해 사용한 분말 입자의 평균입도는 212 µm이였으며, 비중은 7.86 g/cm³이었다.

2.3. 실험 방법

실험에 사용한 하수는 합성폐수로, 하수 2차 처리수 및 하천 원수의 농도를 참고하여 Table 1과 같이 조성하였으며[13~17], 각 조건에 따라 유입수 및 유출수를 채취하여 SS (Suspended Solid), T-N (Total Nitrogen), T-P (Total Phosphate) 그리고 COD_mn (Chemical Oxygen Demand)를 수질오염공정시험법에[18] 따라 분석하였다.

Table 1.

Composition of synthetic wastewater

또한 채취된 시료의 질소화합물의 농도는 IC (Ion Chromatography, 761 Compact IC Set, Metrohm)로 측정하였다. Anion elument는 1.8 mM Na₂CO₃와 1.7 mM NaHCO₃, Cation elument는 2 mM HNO₃를 사용하였다. 표면의 굴곡을 확인하기 위해서 광학현미경(Motic, BA410E)과 표면거칠기 측정기(Mitutoyo, SJ-301)를 사용하였다. 생체량 분석을 위해서는 ATP (Adenosine Tri-Phosphate) Assay Kit (BioMAX, #BM-ATP-100)를 사용하였다.

시료의 분석을 통해 도출된 농도의 변화는 Eq. 1에 제시되는 바와 같이 일차반응식을 이용하여 회귀분석하였다.

위 식에서 C는 유출수의 농도, C₀는 초기 농도값, b는 반응속도 상수(hr^-1), t는 반응시간(hr)을 의미한다. 결과 값의 회귀분석을 위하여 SigmaPlot 10.0 (SPSS Science, UK)을 이용하였다.

3.1. 여재순환형 여과장치 내 여재의 순환속도의 산정

본 실험에서 사용한 여재순환형 여과장치는 반응기 내부에 장착된 스크루에 의해 여재가 내부에서 순환되고 이 과정에서 여재에 부착된 입자성 물질들이 탈리되어 침전 제거되므로 내부의 스크루의 회전에 따라 여재의 내부순환량이 달라지게 되고, 이에 따라 오염물질의 제거효율이 다르게 나타날 수 있다고 판단하였다. 여재의 내부순환량에 따른 오염물질의 처리효율을 살펴보고자 여재순환형 여과장치에 PP 재질의 여재 전체 부피를 1 Volume (V)으로 가정하였을 때, 스크루의 회전에 의해 반응기 내부에서 여재가 하루 동안 순환되는 부피를 전체부피 대비 0.2 V, 1 V, 그리고 3 V로 각각 조절하여 실험하였다. Fig. 2는 여재순환형 여과장치 내부의 스크루의 회전에 따라 여재가 순환하였을 때 오염물질의 제거효율을 나타낸 그래프이며, 그래프 x-축에 0 V로 표현된 것은 여재의 순환 없이 여재가 고정된 상태에서 여과가 진행되었다는 것을 나타낸다.

Fig. 2.

Removal efficiencies of SS (graph a), CODmn (graph b), T-P (graph c) and T-N (graph d) according to circulation ratio of the media in the filtration unit. Arrows on the top of the graph represent the optimum circulation ratio of the media.

Fig. 2에서 나타난 바와 같이 여재가 순환되지 않는 0 V를 제외하고 여재의 순환량이 증가할수록 SS, T-P, COD_mn, 그리고 T-N의 제거효율이 낮아지는 것으로 나타났으며, 여재의 순환량이 낮은 0.2 V의 경우 SS, T-P, COD_mn, 그리고 T-N의 제거율이 각각 90%, 74%, 89%, 그리고 15%로 가장 높은 제거효율을 보여주었다. 이러한 결과는 여재의 순환량이 많을 경우 순환하는 과정에서 여재가 교란되는 현상이 발생하여 여재에 부착된 오염물질이 유출수에 포함되는 결과가 발생하는 것으로 판단되었고, 여재순환형 여과장치 내 여재의 순환비는 하루에 전체 여재 부피의 20% 정도가 순환되는 것이 가장 적절하다고 판단하였다. 여재순환형 여과장치 내부 스크루의 회전을 멈추고 여재를 제자리에 머무르게 하는 상태인 0 V의 경우, SS 처리효율 64%, T-P 처리효율 28%, COD_mn 처리효율 48%, T-N 제거효율 3%로 각 조건 중에서 처리효율이 가장 낮았다. 이는 여재의 순환이 이루어지지 않으면서 여재층에 부착된 물질들이 효과적으로 탈리되지 않음에 따라 폐색이 생기고, 부유물질과 여재가 엉키게 되어 입자의 비중이 증가함에 따라 여재 하단부로부터 순차적으로 여재층이 붕괴하는 현상으로 나타난 결과이며, 이는 육안으로도 관찰할 수 있었다.

3.2. 여재 표면 개질을 통한 처리효율의 개선 평가

본 실험에서 사용된 여재순환형 여과장치의 오염물질 제거효율을 향상시키기 위한 방편으로 여재순환형 여과장치 내부에 채워진 부유여재의 표면 개질을 실시하였다. 여재의 표면 개질은 두 가지 방법으로 진행하였으며 첫 번째는 여재의 표면거칠기를 더 크게 하여 미생물막이 여재 표면에 효과적으로 형성되도록 하는 것이며, 두 번째는 여재 표면에 철 분말입자를 부착하여 철 분말입자의 산화로 인해 오염물질의 화학적 반응을 매개할 수 있도록 하였다. 화학적 반응의 경우 철이 산화되면서 환원력을 제공하여 질산이온의 환원을 효과적으로 매개할 수 있도록 조성하는 것이다. 여재 표면의 거칠기는 여재 표면을 물리적으로 그라인딩하여 개질하였으며, 가공(개질)되지 않은 여재의 평균표면거칠기(Ra)는 0.14 µm이었고 가공(개질)된 여재의 Ra값은 2.23 µm이었다. 철 분말입자를 표면에 부착한 여재는 거칠기 가공하지 않은 여재를 사용하여 여재 표면에 철 분말입자를 부착하였다. Fig. 3은 현미경으로 관찰된 여재의 표면으로 개질된 여재(b)에서 표면의 거칠기가 개선되어 미가공된 여재(a)보다 확연히 굴곡이 생긴 것을 확인할 수 있었으며 철 분말입자를 표면에 부착한 경우(c)도 같은 방법으로 확인하였다.

Fig. 3.

Surface image of the media without and with reforming process (Microscope image, ×100). (a): Surface roughness 0.14 µm (control), (b): Surface roughness 2.23 µm (roughness reformed media), (c): Surface roughness 0.14 µm + iron powerder (iron reformed media).

물리적으로 표면을 거칠게(조도를 증가) 가공한 경우 여과가 진행된 후 미생물막의 형성을 확인하기 위해 여재 표면의 생물막층을 탈리시켜 ATP 값을 측정하였다. 10 mole ATP가 1 g Biomass C [19]임을 고려하였을 때 표면 개질하지 않은 여재의 Biomass C는 35.35 g이었고 표면 개질한 여재에서 추출된 생물막층의 Biomass C는 39.17 g이었다. 표면 개질한 여재에서 추출한 생물막층의 ATP가 높게 나타난 것은 표면 부분의 요철부분에 미생물의 형성이 원활하게 되고 여재의 순환에 따른 이동 중에도 표면에 미생물 생체가 더 잘 부착되고 있음을 나타내는 것으로 표면 평균 조도를 0.14 µm에서 2.23 µm로 증가시켰을 때 미생물의 생체량은 약 10.8% 증가하였음을 나타낸다.

여재의 표면 조도를 높게 하여 미생물 생체량이 증가하거나 여재 표면에 철 분말입자를 피복한 상태에서 각각 오염물질의 제거 특성을 살펴보기 위해 SS, T-N, T-P, COD_mn의 농도를 측정해 보았다(Fig. 4 참조). 시료의 채취는 1주일 동안 유입수를 여재순환형 여과장치에 흘려 장치가 안정화된 후 시료를 채취하여 분석하였다. Eq. 1을 이용한 회귀분석에서 산출된 반응속도 상수(Rate constant)는 높아질수록 제거속도가 빨라져 같은 시간에 더 많은 오염물질을 처리할 수 있음을 의미한다. SS의 경우 표면 개질한 여재로 반응시켰을 때 반응속도상수는 0.024 h^-1에서 0.042 h^-1로 나타나 기존 여재보다 75%의 처리 속도 개선효과가 나타났으나, COD_mn의 처리효율은 0.016 h^-1에서 0.018 h^-1로 약 12%의 개선효과가 있었다. T-P의 경우 처리효율이 조도가 개질된 여재의 사용에 따라 제거속도가 느려지는 것으로 관찰되었으며 T-N의 경우 제거율이 두 경우 모두 차이가 없이 매우 낮은 것으로 관찰되었다. 이를 통해 SS의 처리에는 거칠기로 여재 표면을 개질한 여재가 효과적이나 다른 오염물질(COD_mn, T-N, T-P)의 처리에 있어서는 그 효과가 미미하다고 판단하였다.

Fig. 4.

Variations of SS (graph a), COD_mn (graph b), T-P (graph c) and T-N (graph d) with the different average roughness of 0.14 µm, 2.23 µm and 0.14 µm with iron (Fe) reformed media in the filtration unit with the circulation of the suspended media.

철 분말입자를 여재 표면에 부착하였을 때 오염물질의 제거 양상은 조도에 의한 표면 개질과 상이한 효과가 있음을 확인할 수 있었다. SS의 경우 개질하지 않은 반응속도 상수 값이 0.024 h^-1에서 철 분말입자로 피복한 경우 0.036 h^-1으로 50% 정도의 처리 개선효과가 있었으나 여재 표면거칠기를 조정한 경우보다 속도상수 값으로 판단되는 처리 개선효과는 미미하게 나타났다. COD_mn와 T-N의 경우 가공하지 않은 여재와 철 분말입자를 피복한 경우 모두 오염물질의 처리 개선효과는 미미하게 나타났지만 T-P의 경우 제거속도 상수 값이 0.051 h^-1에서 0.662 h^-1로 측정되어 T-P의 제거속도가 상당히 개선되는 것으로 나타났다(Fig. 4(c)). 요약해 볼 때 여재 표면의 조도(rough)를 높게 하여 표면거칠기를 증가하였을 때 SS의 제거속도가 증가하는 현상을 확인하였으며, 표면을 철 분말입자로 피복하였을 때 T-P의 제거율이 크게 증가하는 양상이 나타났다. 이는 요철형태의 깊어진 개질된 여재 표면 굴곡에 미생물이 성장하면서 생물막의 형성이 원활하게 진행되었고, 이렇게 부착된 미생물막에 더 많은 부유물질이 흡착되어 SS의 처리효율이 높아졌으며, 이는 ATP 측정으로 생체량의 증가를 확인한 결과와 같다. 철 분말입자의 경우 수중의 용존성 인과 철 분말입자로부터 유래된 철 이온과의 반응에 의해 FePO₄의 형태로 침전되는 것으로 판단하였으며 이러한 기작은 기존의 연구논문에서 이미 보고된 바 있다[20]. T-P와 SS를 제외한 T-N과 COD_mn의 경우 표면 개질을 통한 처리속도 상수 값의 변화는 미미하였다. 회귀분석을 통한 개질된 여재와 개질되지 않은 여재의 처리속도 상수값의 비교결과는 Table 2에 요약하였다.

Table 2.

Removals efficiencies of the pollutants according to the surface roughness of the media in the filtration unit

여재 표면에 철 분말입자를 피복한 경우이거나 철 분말입자가 피복되지 않은 두 경우 모두 T-N의 처리에 있어서 효과는 미미하게 나타났고, 이는 본 실험조건에서 제공된 표면 조도에서 형성된 미생물막으로는 암모니아의 산화와 탈질을 매개할 수 있는 호기성 조건과 혐기성 조건을 형성한다는 것이 어렵다는 것을 의미하며, 철 분말입자를 이용한 여재 표면 피복 역시 화학적 탈질을 기대하기는 어렵다는 것을 확인하였다. 각 경우 질소화합물의 거동을 확인하기 위해 수중의 질소화합물의 변화양상을 분석을 통해 파악하였다. Fig. 5는 철 분말입자로 피복된 여재와 피복되지 않은 여재에서 T-N과 질소화합물의 변화 양상을 나타내는 그래프이다. 두 경우 모두 T-N의 전환율은 5% 이내로 초기 농도 대비 반응 후의 농도가 미미하게 변화된 것을 확인할 수 있었다. 주목할 만한 현상은 철 분말입자로 피복되지 않은 여재에서는 24시간의 관찰기간 동안 질소화합물의 변화가 관찰되지 않았으나 철 분말입자가 피복된 여재가 있는 경우 대부분의 질산성 질소가 암모니아성 질소로 전환된 것이다. 철 분말입자로 피복된 여재와 같이 있는 경우(Fig. 5(b)), 초기 5.80 mg/L의 질산성 질소의 약 83%가 암모니아성 질소로 전환되었다. 이는 철 분말입자에서 용출된 철 이온들이 질산성 질소를 질소 가스가 아닌 암모니아성 질소로 환원시키는 반응이 선호된다는 것을 나타내며 이러한 반응결과는 영가철(Fe⁰)에 의해 질산성 질소가 암모니아성 질소로 환원될 때 자유에너지 값이 -997.71 kJ이고(Eq. 2) 질소 가스로 전환되었을 때 -423.34 kJ이므로(Eq. 3) 질산성 질소가 암모니아성 질소로 전환되는 것이 선호된다는 기존의 연구결과와[21,22] 유사한 결과이다.

Fig. 5.

Variations of nitrogenous compound with or without iron (Fe) powder reformed media in a batch experiment. graph a: with iron (Fe) powder reformed media (200 mg of iron powder) and graph b: without iron (Fe) powder reformed media.