金英均 (주)씨엠코 환경기술연구소 연구원 1. 서 론 소득 수준의 향상에 따라 쾌적한 환경에의 욕구가 증가하고, 환경 보전의 필요성에 국민적인 공감대가 확산되면서 이에 대한 기술개발이 본격화 되고 있는 시점이다. 이에 2003년부터 2007년까지 16조8천억원이라는 막대한 예산을 투입하여 제3차 환경보전중기종합계획을 발표하여 시행중에 있다. 특히 수질 보전 계획에 있어서는 오폐수처리를 종말처리 지역 내에서는 하수처리장 처리 체계로 전환하고, 종말처리 외 지역은 마을 하수도 및 합병정화조를 설치하여 2007년에는 하수처리율을 85%까지 하는 것을 목표로 하고 있으며 현재 이에 대한 방안을 실행 중에 있다. 그러나 이러한 오폐수 처리장에서의 처리방법은 물리적, 화학적, 생물학적 2차 처리 외에 고도처리를 요하는 경우가 점점 증가하고 있다. 특히 2000년부터 시행되는 질소, 인에 대한 규제 때문에 폐수처리장 중에 질소, 인의 농도가 높은 폐수를 받는 경우는 방류수 수질기준 이하로 방류하기 위하여 탈질, 탈인에 대한 처리 기술 필요성이 크게 대두 되었으며, 이에 대한 대책으로 생물학적 처리 방법이 제시 되었다. 생물학적 수처리공법은 자연계에 존재하는 박테리아를 일정 반응조에 집약적으로 유지시켜 이용하는 것으로 박테리아는 유기물 분해, 질소제거 그리고 인의 섭취 및 방출 등의 중요한 역할을 담당한다. 부착 생물막공법에서 박테리아는 유입수내의 유기물 분해에 관여하기 때문에 가장 중요한 미생물이다. 일반적으로 박테리아는 Psudomonas, Nocadia, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Bdello vibrio, Mycobacterium 그리고 질산화 박테리아인 Nitrosomonas, Nitrobactor 등을 포함하며, 그 외에 여러 가지 사상균을 포함한다. 담체는 이러한 박테리아의 지지체 역할을 수행하며 담체를 이용할 경우 다양한 미생물이 서식하는데 좋은 환경을 제공하기 때문에 슬러지 서식 기간을 연장할 뿐만 아니라 폐 슬러지 발생을 줄이고 유입수의불안정한 환경에도 잘 적응하는 장점이 있어 수 처리효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 이러한 생물학적 수 처리 방법에 있어서 메디아를 이용한 부착성장 공법에 대한 이용은 최근 들어 급격히 증가되는 추세를 보이고 있으며 메디아의 종류도 매우 다양해지고 있다. 2. 생물학적 처리 이론 접촉여재에 의한 생물학적 처리방법은 1893년 영국에서 쇄석을 채운 수밀성 탱크로 된 접촉 여과상의 활용에서 그 기원을 찾을 수 있다. 그 후로 많은 연구가 진행 되어왔으며 현대에 이르러서는 PVC, 나일론 등의 합성수지가 이용되었다. 이에 ceramics media는 일반적인 암석이 갖고 있는 고강도의 장점과 이온교환성, 그리고 합성수지 제품의 양호한 비표면적 등 두 가지 장점을 동시에 만족 시킨다. 일반적으로 오·폐수처리 공정은 미생물의 성장 형태에 따라서 부유식 성장(Suspended Growth)과 부착식 성장(Attached Growth)으로 나눌 수 있다. 부착식 성장의 경우에는 폐수 정화에 관여하는 미생물들이 고정상 또는 유동상의 매질에 부착하여 형성된 생물막(BiOfilm)을 이용한 폐수처리 방법으로, 살수여상법(Trickling Filter), 회전원판법(Rotating Biological Contactor), 활성생물막법(Activated Biofilters), 침적여과상법(Submerged filter) 등 여러 가지가 있다. 미국의 경우 오폐수 처리장에서 생물막 공정이 차지하는 비율이 30% 이상이나 되는 반면에 우리나라에서는 거의 90% 이상의 하수 처리장이 부유식 성장에 근거한 활성슬러지 공정을 사용하고 있다. 생물막의 형성시작(Mechanism)은 매우 복잡하며 여러 단계로 일어나는데 먼저 유기성 분자가 담체 (Media) 표면에 흡착(Sorption)되어 Conditioning Film을 만들고 그 표면에서 세균이 가역적 상태의 흡착을 한다. 그 위에 세균이 주로 다당류(Polysa-ccahride)로 구성된 체외물질(Extracellular Poly- mer)을 분비하여 단단히 결합하고 분비물질 사이에 다른 미생물이나 용해성 또는 부유성 유기물의 분해가 일어나게 된다. 형성되는 생물막의 두께는 환경 조건과 미생물에 의하여 결정되어지는데 보통 100~200㎛ 정도의 막 이 형성된다. 이 중 활성이 있는 두께는 약 70~100㎛ 정도이며 고등생물 또는 조류를 포함하고 있는 경우에는 수cm 이상 되는 경우도 있다. 폐수처리시에 형성되는 생물막의 두께는 일반적으로 1~2mm 정도이나 호기성층은 불과 0.1~0.2mm에 불과하다. 생물막에 의한 폐수처리는 폐수가 생물막 표면을 통과 하면서, 용존 유기물은 막내로 확산되어 미생물 에 의해 대사되며, 콜로이드상 유기물은 막표면에 흡착된 후 체외효소(Extracellular Enzyme)에 의해 용해되어 이용된다. 막표면 근처의 미생물들은 유기물 농도가 높기 때문에 빠른 성장을 보이나 표면 아래쪽은 유기물이 부족한 상태이다. 용존산소 역시 막내로 확산되어 호기성 대사에 이용되는데, 생물막이 두꺼워지면서 표면에서 산소가 소모되므로 혐기 성층이 표면의 호기성층과 고형 매질 표면 사이에 생기게 된다. 생물막이 어느 정도 두꺼워져 유기물이 막 내부까지 들어가지 못하면 매질 표면에 가까운 곳의 미생물들이 내생호흡을 하게돼 매질 표면에의 부착력을 상실하게 된다. 이때 폐수가 생물막을 통과하여 매질로부터 생물막의 탈리(Slough Off)가 일어나고, 매질 표면에는 즉시 새로운 생물막이 생성된다. 여과 매질로부터 떨어져 나온 생물막은 최종 침전조에서 폐수와 분리되어 제거 된다. 이렇듯 미생물 서식에 중요한 부분을 차지하는 것이 여재이다. 세라믹담체는 연속적인 다공성 foam 구조로 되어 있으며 비표면적이 크고 미생물이 서식하는 최적의 환경을 제공한다. 유입수질의 불안정 및 수량과다 등의 근본적인 문제를 차단하여 미생물의 체류시간(SRT)을 증가시킬 수 있으며 포기조 및 처리장 규모를 타 공정에 비해 크게 줄일 수 있는 장점을 갖고 있다. 이러한 생물막을 이용하는 폐수 처리공정에서는 증식속도가 느린 미생물도 외부로 유출되지 않고 다종다양한 미생물이 증식할 수 있으므로 슬러지 연령 (Sludge Age)이 길고, 슬러지의 자기산화가 촉진되기 때문에 폐슬러지의 발생량이 적다. 또한 다양한 미생물종이 군집(Microconsortia)을 형성함으로써 온도나 pH변동, 충격부하 및 난분해성 물질유입에 따른 대처능력이 뛰어나고, 담체에 미생물이 부착되어 있으므로 슬러지 팽화현상으로 인한 슬러지 부상 등 과 같은 문제점을 줄일 수 있다고 알려져 있다 가. 유기물제거 메커니즘 유기물은 흡착(sorption), 스트리핑(stripping), 생물학적분해(biodegradation)의 하나 또는 하나이상의 메커니즘을 포함한 생물학적 공정을 통하여 제거될 수 있다. 유기 물질이 미생물에 의해서 제거 될 때에는 두 가지의 기본적인 현상이 나타난다. 첫째는 에너지 생성을 위해서 미생물이 산소를 소비하는 현상이며, 둘째는 새로운 세포가 합성되는 현상이다. 이 반응을 생성을 통하여 표시해보면 다음과 같다. 유기물+a′O2+N+P→a(새로운 세포)+CO2+H2O +난분해성 세포잔류물 생물학적 처리 설계 시 중요한 인자로는 이들 반응 속도, 산소 및 영양분 요구량, 슬러지 생산량 등이다. 나. 미생물 균체 생물학적 산화(Biooxidation)에 의한 유기물 제거 메커니즘 활성 슬러지는 여러 종류의 미생물이 복합적으로 성장하는 미생물 군체는 동적 system이다. 이러한 미생물 군체는 박테리아(단세포와 다세포), 원생동물, 진균류, 윤충 그리고 선충류를 포함하기도 한다. 오폐수에 함유된 유기물질의 생물학적 산화에 관여하는 주요 인자는 박테리아이며 막대형, 환형, 코일형의 형태로 군집을 이루며 1㎛~10㎛의 크기를 갖는다. 이러한 미생물들의 증식은 근본적으로 생세포의 수, 유기물의 양 또는 제한 영양염류 및 환경 인자에 의해 크게 좌우되며 그 성장 양상은 지연기, 대수성장기, 안정기, 대수 사멸기 등의 4가지 이상 혹은 이하로 특이한 기간을 보여준다. 초기 미생물은 새로운 환경에 적응하는 기간이 필요하고, 이 단계에서는 미생물들의 이식으로 인한 손상으로부터 회복되어진다. 또한 물과 유기물을 흡수하며 큰 유기물 분자를 분해하는 체외세포 효소(exocellular enzymes)를 분비한다. 다. 생물학적 처리공정에 미치는 영향인자 생물학적 처리에 있어서 많은 영향인자가 있지만 특히 중요한 몇 가지는 충분한 영양소와 온도, 삼투압, pH, 독성물질 등이 있으며 영양소는 주요원소, 부수원소, 미량원소, 성장인자로 구분되며 Table 2와 같다. 미생물들은 호흡에 필요한 용존 산소량에 따라 호기성 미생물(aerobes), 혐기미생물(anaerobes)로 크게 나뉘며 통성 혐기성 미생물도 있다. 호기성 미생물과 통성 혐기성 미생물이 이용할 수 있는 분자상의 산소나 용존 산소가 존재하며 통상 포기조를 운전하기 위해서는 2.0mg/L가 설계치로 이용된다. 미생물내의 온도는 주위 온도와 동일하며 온도의 증가는 어느 정도까지 미생물의 활동을 증가시키며 통상 온도 10℃ 증가 할 때 미생물 활성은 두 배로 증가한다. 이러한 미생물은 저온(0~10℃), 중온(10~45℃), 고온(45~75℃) 미생물로 대별되고 있다. Fig. 1은 일반적인 오폐수 처리 System의 공정도 이다. 기존 메디아로 사용되고 있는 자연암석의 경우 위에서 설명한 바와 같이 산화, 환원 반응에서 그 결정이 취약해질 우려가 있으며, 비표면적이 작은 단점이 있다. 합성수지의 경우는 표면 조도 때문에 탈리 현상이 심하고 사용주기에 이르러서는 교체해 주어야 하는 번거로움 때문에 운전비용이 많이 들고 2차 오염원인 물질이 생성되어 폐기물 처리 비용이 드는 등 단점이 있다. 국내 업계에 수처리용 여재가 도입된 시기는 그리 멀지 않다. 1차 처리의 수처리 단계에서 수질 규제가 강화 되면서 새로운 생물학적 수처리의 방법이 제시된 것은 1990년대 초반으로 폐플라스틱이 이용되는 것을 시발로 폐타이어 및 폐도자기, 플라이 애쉬 등 폐자원 재활용 측면으로만 그 이용이 시도되었다. 3. 국내 水 처리용 세라믹 담체 현황 국내 세라믹 담체의 개발 및 이용에 관한 내용은 몇몇 사례를 제외하고는 전무한 실정이다. 이는 철저하게 시장 논리로 다루어지기 때문이다. 무엇보다도 개발하고 제조하는 입장에서는 충분한 시장 검토와 오폐수처리에 대한 개념이 없이는 극복하기 힘든 한계에 부딪치고 마는 것이다. 일부 대기업을 중심으로 세라믹 담체에 대한 개발과 이것을 이용한 수 처리 공정이 선보이기는 했으나 보편화되지는 못하고 있는 실정이다. 그동안 세라믹 담체는 제조 공정상 발포 내지는 전구체를 이용한 개발 방법과 분말 가압법, 허니콤상의 제품 개발에만 주력 되어 왔다. 이것은 생산량에 한계를 극복하지 못하여, 제품 생산 단가의 상승 요인으로 작용하여, 환경 엔지니어로부터 큰 구매 욕구를 불러일으키지 못해 막연하게 세라믹 담체는 고가라는 인식만 심어준 계기가 되었다. 또한 서두에서 언급한바와 같이 고상 폐기물을 이용하는 방안 등이 제시는 되었으나, 이 또한 원재료비의 저감 효과는 기대할 수 있으나 생산 수율과 생산량을 시장 상황에 맞게 대처하는 능력이 상실되어 많은 제조 기술이 사장되어가고 있는 실정이다. 일반적으로 고분자 제품들은 저렴한 가격을 내세워 그동안 부착성장 생물막 공법에 많이 사용되어 왔다. 하지만 오랜 시간이 흐르면서 시효 변화 등으로 교체 필요성이 절실히 요구되고 있다. 세라믹 담체를 이용한 오폐수 처리 공법에서 기대되는 효과는 질소와 인의 안정적인 처리와, 신설 또는 기존 시설을 개조하여 적은 비용으로 시설을 Upgrade할 수 있다는 것이다. 기존 처리장의 시설 개보수를 통하여 보다 높은 유기물제거에 의한 수질개선으로 하천 및 호소와 더 나아가서는 연안에서의 적조 현상을 근본적으로 저감시킬 수 있게 된다. 기존 하수처리장을 개조하여 영양염 제거 처리 목적으로 운전된 사례는 거의 없으며, 또한 플라스틱 담체를 대체하고 기존 오폐수 처리시설에 큰 개보수 공사 없이도 적용이 가능한 세라믹 담체야 말로 꼭 필요한 환경 소재임에도 우리나라에서는 이러한 담체의 특성을 평가하고 품질을 보증하는 제도적인 뒷받침이 따라 주지 못하고 있다. 담체의 특성 평가는 많은 예산을 필요로 하고 있다. 무엇보다도 사계절의 기후 변화가 뚜렷하기 때문에 장시간에 걸쳐 운전한 결과가 필요하지만, 대부분에 담체를 생산하는 중소기업에서는 여러 가지 여건상 그러한 연구결과를 도출하기가 매우 어렵다. 때문에 지금이라도 이러한 환경소재를 연구하는 단체 및 연구소, 기업, 그리고 환경 Process를 연구하는 모든 기관과 연계된 새로운 특성평가에 대한 모델이 제시되는 계기가 마련되어져야 할 것이다. 4. 맺음말 Ceramics Media를 이용한 생물학적 오폐수 처리방법은 종래의 처리방식에 비교하여 단시간에 질소·인을 동시에 제거하는 것이 가능하기 때문에 하수처리장의 확장용지가 곤란한 많은 도시의 처리장에서도 이 방식을 도입하면 질소와 인의 처리가 가능하다. 또한 하천 및 수로에 고도 처리된 처리수를 공급하면 깨끗한 수변환경을 조성하는 것도 가능 할 것이다. 세라믹 담체는 수질은 물론 대기 분야에서도 고정상 생물막 지지체로서 가치가 있는 제품이다. 하지만 이러한 세라믹 담체에 대한 최적 특성평가 모델이 제시되고 있지 않아 이에 대한 업계의 다각적인 노력이 절실히 요구 되고 있다. 5. 참고문헌 Randall C. W., Barnard J. L. and Stensel H. D.(1992):Desine and Retrofit of Wastewater Treatment Plants for Biological Nutrient Removal. Water Quality Management Library. Vol. 5, Technomic Publishing Company, Inc. Schlthess R. v., Kuhni M. and Gujer W.(1995) :Release of Nitric and Nitrous Oxides from Denitrifying Activated Sludge. Wat. Res. 29(1), 215-226. 김성홍, 권재현 外 (2003), 「하수도공학」 동화출판사 Table 1. 부착성장 미생물 담체의종류 구 분 종 류 세라믹 재료 암석, Al2O3계열, SiO2계열 등 고분자 재료 나이론, PE, PVC, PU, 고무 등 기타 목재 Fig. 1. 세라믹 담체를 이용한 프로세스 Table 2. 영양소구분 구 분 주요원소 부수원소 미량원소 성장인자 종 류 C, H, O, N, P S, K, Na, Mg, Ca, Cl Fe, Mn, Co, Cu, B, Zn, Mo, Al 세포가 자체 합성할 수 없는 미량원소 Table 3. 시판중인 세라믹담체의 종류 CBio Media CBAF CBio-BT Media 직 경 25-100mm 5-6mm 100mm 높 이 25-100mm 5-10mm 100mm 두 께 5-10mm - 4-6mm 소 재 다공성 Ceramics 다공성 Ceramics 다공성 Ceramics 형 상 Fig 2. Ceramic Media 표면사진 Fig. 3. 발포유리를 이용한 메디아 Fig. 4. Clay를 이용한 메디아 Table 4. 담체 시장 현황 -출처:산업자원부, 2010년 산업기술예측과 장기발전 전략- 구 분 국내 시장 세계 시장 2002년 300억 60억불 2005년 500억 150억불 2010년 800억 250억불 Table 5. 생물막 담체의 구비조건 구분 조건 구 분 내 화학성 * 강산이나 강알카리에 침식되지 않아야 한다. * 화학적 반응이 없어야 한다. * 포기에 따른 손실이 발생하지 않아야 한다. * 적당한 기공율과 비표면적이 확보되어야 한다. 물리적 성질 * 적당한 압축강도가 유지되어야 한다. * 기공의 분포가 다양하고 폐공이 아니어야 한다. * Surface Roughness 가 좋아야 한다. * 열적인 안정성이 확보되어야 한다. * 과도한 기공으로 물리적 강도가 저하되어 운전 중 2차 오염원이 발생하지 않아야 한다. 환경친화성 * 수온이나 자연광에 의한 부식이 발생하지 않아야 한다. * 처리 시 2차 환경오염을 유발하지 않아야 한다. * 미생물 친화력이 좋은 소재이어야 한다.