KR0131267B1 - 폴리에스테르 감량폐수 처리를 위한 미생물 반응기 및 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스터 감량폐수를 처리하기 위하여 중화제 및 미생물의 고정화 담체로 소석회를 사용하는 미생물 반응기에 관한 것이다. 소석회를 투입하였을 때가 투입하지 않았을 때보다 CODMn의 제거율이 훨씬 우수하며, 배양 35시간 후 각각의 CODMn제거율은 94%와 80%로 나타나며, 배양액의 침강시간은 각각 1.5분과 8.0분이며, 상등수의 흡광도는 각각 2.7과 0.9로 처리수의 청정성을 현저히 개선할 수 있다. 반응기의 성능을 확인하기 위하여 실제폐수의 BOD부하율이 각각 4.61㎏ BOD/㎥일(체류시간 18), 6.92㎏ BOD/㎥일 (체류시간12)으로 하여 소석회를 사용한 반응기에서 유출수의 BOD농도는 88㎎/l,127㎎/l이며, 이때 제거율은 97%와 96%로 나타났으며 이와 같은 결과는 실제폐수에서도 소석회의 사용은 pH의 중화효과 뿐만 아니라 담체로서의 역할이 우수한 것으로 나타났다. 실제 폐수 처리장의 운전에서 유입수의 CODMn 평균농도가 3,005㎎/l일 때 시간의 경과에 따라 미생물 반응기의 유출수와 최종 방류수의 CODMn은 각각 420㎎/l에서 145㎎/l로 258㎎/l에서 79㎎/l로 현저히 개선되었다.

Description

폴리에스테르 감량폐수 처리를 위한 미생물 반응기 및 공정

제1도는 본 발명의 폐수처리 공정도.

제2도는 본 발명의 반응기를 도시한 평면도.

본 발명은 폴리에스테르 감량폐수 처리를 위한 미생물 반응기 및 공정에 관한 것이다.

폴리에스테르 섬유의 염색가공공정 중 다량의 폐수가 발생하는 공정은 호발, 정련, 알칼리 감량가공 및 염색공정으로 크게 나눌 수 있다.

호발, 정련 공정은 실 또는 포에 부착된 호제를 제거하여 직물의 염색성과 침투성을 향상시키기 위하여 1욕에서 호제를 완전히 제거하는 공정이다. 이 공정에 사용`되는 호발제로서는 가성소다, 계면활성제 등이며, 폴리에스터 직물의 약 3%가 감량된다. 이와 같은 폐수는 농도가 높지 않으며 1차 화학처리 없이 생물학적인 처리에 의하여 완전제거가 가능하다.

폴리에스테르 섬유의 감량가공 공정은 회분식과 연속식이 있으며, 과거에는 회분식을 많이 사용하였으나 점차로 연속공정으로 전환되고 있는 실정이다. 폴리에스테르 감량폐수의 주성분은 에틸렌글리콜과 테레프탈산이며, 감량공정에서 회분식은 에틸렌글리콘(Ethylene glycol)과 테레프탈산이나트룸염(Disondium terephthalate)이 각각 1내지 3%와 4 내지 9%포함되어 있으나 연속식에는 약 0.5내지 1%와 2내지 3%함유되어 있어 상대적으로 연속식이 저농도의 폐수가 배출되고 있다. 감량공정에서 가성소다 수용액에 폴리에스테르 섬유를 투입하여 반응시키면 테레프탈산(Terephthalic acid)-2Na와 에틸렌글리코(Ethylene glycol)이 가수분해 된다. 이때 감량률은 처리조전, 가성소다 용액의 농도 및 처리시간에 따라 달라지며, 전량 폐수로 배출된다.

폴리에스테르 섬유와 알칼리의 반응은 섬유의 외표면에서 반응하여 가수분해 되며, 생성물의 용탈에 따라 점차 새로이 나타나는 섬유의 외표면에 알칼리가 작용하여 반응에 의해 침식작용이 일어난다. 이와 같은 감량폐수는 농도가 매우 높기 때문에 1차 화학처리 없이 생물학적 처리를 하는 것은 어렵다.

현재 대구염색공업공단의 폴리에스테르 섬유의 감량가공 업체는 37개 업체로 이들 업체의 감량폐수 처리방법은 크게 3가지로 분류할 수 있다.

첫째는, 감량폐수를 감압증발 후 농축한 폐액을 해양투기하는 방법이다. 고농도 산업폐액을 바다에 버리는 것은 2차 환경의 오염을 유발할 뿐만 아니라 지구 환경의 정화 차원에서도 바람직하지 않아 1996년부터 전면 해양투기가 금지되어 근본적인 처리법이되지 못하고 있다.

두번째는, 감량폐수를 각 공장에서 처리하지 않고 방류하여 공단 종합 폐수처리장에서 처리하는 방법이다. 감량폐수를 다른 염색가공 폐수와 혼합하여 처리하는 것은 성상이 다른 여러 폐수가 혼합됨으로 각 성분의 효과적인 처리가 어렵고 고농도 감량폐수의 유입으로 처리장의 과부하로 인하여 많은 어려움을 겪고 있다.

세번째 방법은, 고농도 감량폐수에 황산을 사용하여 1차 처리한 후 미생물에 의해 처리하는 방법으로 제1도에 나타내었다. 이와같은 방법은 pH를 3내지 4로 중화하면 감량폐수 중의 테레프탈산이 석출 침전되는 원리를 이용한 것이다. 에틸렌글리콜은 여전히 잔조하여 2차적인 생물학적 처리가 필요하다. 또한 테레프탈산의 BOD값은 높으나 산화제인 KMnO₄에 의한 CODMn은 정량되지 않아 제거는 불가능하며, 제거되지 않은 에틸렌글리콜은 테레프탈산보다 생물학적 난분해성 물질로 알려져 있다.

따라서 본 발명의 목적은 폴리에스테르 감량폐수를 1차 황산처리한 후 잔존하는 테레프탈산과 제거되지 않은 에틸렌글리콜을 미생물에 의하여 처리하기 위한 새로운 반응기와 공정을 제공하는데 있다.

1차 황산 처리에 의해서는 감량폐수 중 테레프탈산 70 내지 80%, 에틸렌글리콜은 약 20%만이 제거된다. 따라서, 1차 황산 처리수도 여전히 고농도 폐수로 일반 활성오니법으로는 처리하기 어렵다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 1차 황산 처리수의 낮은 pH를 중화시키고 2차 미생물 처리의 고정화 담체로서 소석회를 사용하는 미생물 반응기를 개발하였다.

소석회는 중화제 및 응집 보조제로 널리 사용되어 왔으나 소석회가 중화제와 미생물의 고정화를 위한 담체로 사용되지는 않았다. 소석회를 일반 활성오니법의 폭기조에 투입할 경우 소석회 자체의 비중이 높아 폭기조내에서 순환되지 않고 침척된다.

이하에서 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1도는 감량폐수의 1차 황산처리 및 미생물 반응기에 의한 처리공정을 나타낸다. 유입되는 감량폐수의 pH를 3 내지 4로 중화시키면 감량폐수 중의 테레프탈산이 석출되며, 이때 무기 고분자 응집제인 폴리염화알루미늄(Polyaluminum chloride)과 고분자 응집제를 투입하여 플럭을 형성시켜 부상조 혹은 침전조에서 제거한다. 위와같은 황산처리에 의한 폴리에스테르 감량폐수의 1차 처리는 몇몇 업체에서 사용하고 있다. pH를 7내지 7.5로 조정하며, 중화를 위하여 사용된 소석회는 다음 공정인 미생물 반응기에서 미생물의 고정화를 위한 담체로 매우 우수하다. 또한 반응기내의 소석회 입자에 유기물이 흡착됨으로 유기물제거의 효과를 동시에 기대할 수 있다.

제2도는 소석회를 중화제 및 미생물의 담체로 사용하는 미생물 반응기를 도시한 설명도이다.

(1)은 반응기의 내부를 나타내며, (2)는 반응기의 내부관을 나타낸다. (3)은 반응기 내부관의 벨마우스이며, (4)는 특수 제작된 미세다공성 고무판형 산기관으로 산소 전달율이 기존의 산기관보다 2배 이상 우수한 것이다. (5)는 순환캡, (6)은 공기 유입관, (7)은 침전부, (8)은 방해판, (9)는 유출관, (10)은 유입관이다.

반응기 내부의 pH는 고형분이 함유된 액상 소석회를 사용하여 7내지 7.5로 조절한다. 미생물 반응기에 투입된 소석회의 고형분 입자에 부착된 미생물 플럭은 중력과 산기관(4)의 상승하는 공기에 의하여 반응기의 하부로 내려오며, 내부관(2)을 통하여 상승한다. 내부관으로 상승한 미세기포와 플럭은 반응기 상부의 순환캡 (5)에 의하여 다시 더 작은 기포로 부서지면서 관의 외부로 순환하게 된다. 따라서 미세기포가 반응기내에서 여러 번 회전함으로 산소전달 효율을 극대화할 수 있다. 또한 반응기 하부를 경사지게 하고 내부관의 하부는 적절한 크기의 벨마우스를 부착하여 내부관의 단면적과 외부단면적을 동일하게 하여 무거운 입자의 침척을 방지하여 순환을 양호하게 하였다.

침전부(7)에 들어온 플럭은 방해판(8)에 의하여 하부로 내려가서 슬러지 블랑킷을 형성하며, 미세플럭과 탈리된 미생물만이 유출부(9)에 의하여 유출된다.

실시예 1. 담체로서 소석회의 성능

담체로서 소석회의 성능을 조사하기 위하여 사용한 에틸렌글리콜(ethylene glycol)분해균주는 활성오니를 장기간의 에틸렌글리콜 배지에 순응시킨 후 분리한 복합균주를 사용하였으며, 배지는 표 1의 합성폐수를 사용하였다.

소석회를 첨가하였을 때와 첨가하지 않았을 때의 시간의 변화에 따른 흡착능 및 미생물에 의한 분해능 및 침강성을 조사하기 위하여 표 1의 합성폐수 93㎖를 각각의 삼각 플라스크에 넣고 한쪽 배지의 pH는 황산을 사용하여 3.5로 조정하였다. 이것을 다시 소석회를 사용하여 pH를 각각의 플라스크에 접종하였다.

진탕배양기에서 배양하였으며, 온도 35℃, 1분간 회전수는 180을 유지하였다.

에틸렌글리콜의 농도는 CODMn을 측정하여 간접적인 방법으로 유지하였다.

표 2는 회분배양시 시간의 변화에 따른 CODMn의 농도를 나타낸 것이며, 표 3은 배양 35시간 후 플럭의 침강성과 상등수의 청정성을 확인한 값이다.

소석회를 투입하였을 때가 투입하지 않았을 때 보다 CODMn의 제거율이 훨씬 우수하며, 배양 35시간 후 각각의 CODMn제거율은 94%와 80%로 나타났다. 배양액의 침강시간은 각각 1.5분과 8.0분으로 소석회를 투입하였을 때가 침강성이 현저히 개선되었으며, 상등수의 흡광도는 각각 2.7과 0.9로 청정성이 현저히 개선되었다.

이와같은 결과에서 소석회를 투입함으로 무기물에 유기물의 흡착과 미생물의 흡착효과를 기대할 수 있으며, 미생물의 고정화에 따른 침강성의 개선으로 처리수의 수질을 현저히 개선 할 수 있다.

실시예 2. 연속공정에서 반응기의 성능 조사

연속공정에서 반응기의 효과를 확인하기 위하여 제2도의 반응기를 축소하여 제작하였다. 반응기의 전체용량은 10.3L이며, 이크릴로 제작하였다.

실시예 1에서 사용한 균주를 사용하였으며, 표 1의 합성폐수 pH를 3.5로 조절한후 미량정량 펌프로 유입하여 실험을 실시하였다. pH가 3.5로 조절된 표 1의 합성폐수(에틸렌글리콜 1,000㎎/L)9L를 반응기에 투입한 후 소석회를 사용하여 반응기내의 pH를 7.5로 조절한 후 에틸렌글리콜 배양액 1L를 투입하여 반응기 내의 COD가 80%이상 제거될 때까지 배양하였다.

유입수의 에틸렌글리콜 농도는 1,500㎎/l(COD1,580㎎/l), 3,000㎎/l(COD 3,250㎎/l) 및 4,000㎎/l(COD 4.215㎎/l)이며, 각각의 농도에서 체류시간을 36시간, 24시간, 18시간 및 12시간으로 각각 조정하여 실험하였다.

결과는 표 4와 같다. 유입수의 가장 낮은 저농도일 때 부하율은 1.27㎏ BOD/㎥, 일(체류시간 36)에서 유출수의 BOD농도는 55㎎/l이며, 이때 제거율은 97%로 나타났다. 부하율이 가장 높을 때인 9.6㎏ BOD㎥,일(체류시간 12)에서 유출수의 BOD농도는 127㎎/l이며, 이때 제거율은 97%로 나타났다. 따라서 일반 활성오니법의 0.5㎏ BOD/㎥,일에 비교하면 현저히 높은 값에도 불구하고 처리수의 수질은 낮으며, 97%이상의 제거율을 나타내었다. 이와같은 결과는 소석회의 사용은 pH의 중화 효과뿐만 아니라 담체로서의 역할을 휼륭히 수행하며, 미생물이 고정화된 담체는 반응기 내에서 순환이 양호하게 이루어지기 때문인 것으로 사료된다. 또한 MLVSS의 농도가 일반 활성오니법의 값보다 현저히 높은 것에서도 알 수 있다.

또한 실제 감량폐수에서 반응기 및 소석회의 성능을 확인하기 위하여 S화섬의 pH 3.5인 1차 처리수를 사용하여 실험하였다. 원수의 CODMn 및 BOD는 각각 2.230㎎/l, 3,460㎎/l였으며, 체류시간을 18시간 및 12시간으로 조정하여 실험하였다.

실제폐수의 경우 BOD부하율이 각각 4.61 kg BOD/m3.일(체류시간 18), 6.92 kg BOD/m3.일(체류시간 12)에서 유출수의 CODMn 농도는 73mg/l, 98mg/l이며, 제거율은 97%, 96%로 각각 나타났다. 또한 BOD농도는 88mg/l, 127mg/l이며, 이때 제거율은 97%, 96%로0 나타났다. 이와 같은 결과는 본 반응기에서의 소석회의 사용은 pH의 중화 효과 뿐만 아니라 담체로서의 역할이 우수한 것으로 나타났다.

실시예 3. 실제 폐수처리장에서의 운전결과

실험실의 우수한 결과를 토대로 대구 염색공업공단 내에 소재한 S화섬의 감량폐수 200㎥/일을 처리하기 위하여 1차 황산처리한 폐수를 제1의 반응기를 이용하여 2차 처리하였다. 반응기 1조의 용량은 25㎥이며, 동일한 반응기 5조를 병렬로 설치하였다. 폐수처리장의 흐름도를 제3도에 나타내었다.

1차 황산처리한 폐수는 중화조에 유입되며, pH는 3.5로 위에서 사용한 소석회를 사용하여 폭조기의 pH를 조절하였다.

결과를 표 6에 나타내었으며, 유입수의 CODMn평균농도는 3,005㎎/l이고 bio-lift반응기의 유출수와 최종 방류수의 CODMn는 운전시간의 경과에 따라 각각 420㎎/l에서 145㎎/l에서 79㎎/l로 현저히 개선됨을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 폴리에스테르 감량폐수를 처리하는 방법에 있어서, 중화제 및 미생물의 고정화 담체로 소석회를 사용함을 특징으로 하는 방법.
2. 미생물 반응기에 있어서, 폐수와 고형분이 함유된 액상 소석회가 유입되는 유입관(10)과, 소석회 고형분입자에 부착된 미생물 플럭이 반응하는 반응기(1)과, 미생물 플럭의 중력과 산기관(4)의 상승하는 공기에 의해 통과하는 내부관(2)과, 내부관(2)을 상승하는 미세기포와 플럭은 더 작은 기포로 부서지게 하는 순환캡(5)과, 내부관의 단면적과 외부 단면적을 동일하게 하여 무거운 입자의 침척을 방지하여 순환을 양호하게 하는 벨마우스(3)와, 상기 산기관(4)과 벨마우스(3)에 공기를 유입하는 공기 유입관(6)과, 침전부(7)에 들어온 플럭은 방해판(8)에 의해 하부로 내려 가스 슬러지 블랭킷이 형성되며 미세 플럭과 탈리된 미생물이 유출되는 유출관(9)으로 구성된 것을 특징으로 하는 미생물 반응기.
3. 제2항에 있어서, 상기 산기관(4)은 미세 다공성 구조를 가지며 산소 전달율이 2배 이상 우수한 것을 특징으로 하는 미생물 반응기.