현재 전국의 염색폐수 발생업체가 약 1,500여개로서 전체 폐수 배출업체의 4%를 차지하지만 폐수 방류량은 하루 55만톤으로 전체 폐수 방류량의 21%를 차지하고 있는 실정으로 이러한 염색 폐수의 처리에 있어서 기존의 폐수 처리방법에 의한 비용이 약 10-20만원/톤 소요되고 있다. 따라서 처리비용을 감소시키면서 보다 높은 처리 방법의 개발이 절실히 요구되어지고 있다. (중략)
본 연구의 목적은 국내 섬유산업에서 문제시되는 염색폐수처리에 막분리공정의 적용가능성과 문제점을 실험실규모와 pilot 규모의 실험을 통하여 규명하는 것이다. 염색폐수는 섬유의 가공공정에 따라 염료, 분산제, 정염제, 반응제 등 다양한 유기물질과 무기염을 함유하며 온도가 10-90$\circ$C로 높은 것이 특징이다. 본 연구에서는 2종류의 Nanofiltration: NF40, XU45; 두종류의 복합막; BW30, SW30HR; 2종류의 Cellulose Acetate 비대칭막의 평막 Sample을 사용하여 합성염색폐수의 배제율과 압력변화에 따른 투과수에 미치는 영향을 조사하였다. 실제 혼합염색폐수의 처리는 2개의 2.5"$\times$ 40" Nanofiltration 모듈을 장착한 Pilot 장치를 염색단지 종합처리장에 설치하여 3개월에 걸쳐 시행하였다. 현재까지 얻어진 실험결과에 의하면 전처리공정의 효율롸를 통해 부유물질에 의한 Fouling을 최소화하고 폐수의 성분분석과 사용된 막의 표면분석을 통한 체계적인 조사가 필요하다. 염색폐수처리에 막분리공정이 기존처리방법과 비교하여 경제성을 가지려면 효율적인 막세척방법을 개발하여 투과율의 감소를 최소화시켜야 한다.
본 연구는 철 성분 응집제가 염색폐수 처리공정에서 슬러지 발생에 미치는 영향에 대한 연구로 응집제로 $FeCl_3$, $FeSO_4$, $Al_2(SO_4)_3$를 사용하였다. 본 연구의 목적은 염색폐수처리공정에서 발생되는 폐수를 응집제를 이용하여 처리할 때 부수적으로 발생되는 슬러지의 양을 감량하며, 응집제가 색도제거에 미치는 영향에 대한 상관성을 규명 하는데 그 목적이 있다. 실험에 사용된 염색폐수의 BOD, COD, pH, 그리고 색도의 평균값은 각각 800 mg/L, 600 mg/L, 9.7, 102 이었다.
염색가공 공정에서 배출되는 염색폐수는 염색 가공공정이나 사용하는 염료등에 따라 폐수량과 성상의 변화가 심하기 때문에 처리에 많은 어려움이 있다. 일반적인 염색폐수 처리방법으로는 물리화학절인 응집침전법과 생물학적인 활성슬러지법을 단독 또는 조합하여 주로 사용하여 왔다. 그러나 최근에는 기존시설의 처리 향상을 위한 다각적인 기술개발이 시도되고 있으며 그 일환으로 본 연구에서는 활성탄을 담지한 폴리우레탄 담체를 개발하여 염색폐수를 처리하고자 하였다. 본 연구에서는 담체를 이용한 염색폐수의 생물학적 처리 시 여러 인자들, 즉 COD/N 비, DO 농도, 담체의 충진율 등의 영향을 조사하기 위하여 회분식 실험을 수행하였다. 또한 회분식 실험에서 얻은 최적조건을 이용하여 파일럿 실험도 함께 수행하였다. COD/N 비가 COD 제거에 미치는 영향을 살펴보기 위해 COD/N 비를 조절하지 않은 경우와 COD/N 비를 2-3으로 조절한 경우에 대해서 비교하였다. 실험결과 염색폐수의 초기 COD 농도가 1,000 ppm일 때, 처리 후 COD 농도는 COD/N 비를 조절하지 않았을 경우 860 ppm (제거효율 = 18%), COD/N 비가 2일 경우 550ppm (제거효율 = 52%), COD/N 비가 3의 경우 390 ppm (제거효율 = 57%)으로 각각 나타났다. DO 농도가 COB 제거에 미치는 영향을 알아보고자 DO 농도를 1, 6, 7 mg/L로 변화시켰다. 그 결과 DO의 농도가 1 mg/L일 경우 COD 제거효율은 20% 정도였으나, DO 농도가 6 mg/L이상에서는 모두 80%에 가까운 제거효율을 나타내었다. 담체 충진율의 경우, 10% 충진시 40%, 20% 충진시 50%, 30% 충진시 70%의 제거효울을 각각 나타내었다. 회분식 실험에서 얻은 최적조건으로 파일럿 반응기를 100일 이상 운전한 결과 염색폐수의 COD 농도변화는 1,000ppm에서 380ppm로 평균 60%이상 제거되는 높은 효율을 보였다. 또 담체 첨가의 영향을 살펴보기위해, 담체를 충진하지 않은 조건에서 파일럿 반응기를 운전한 결과 평균 COD 제거율은 50%로 비교적 낮은 효율을 보였다.
본 연구는 전자선을 이용하여 염색폐수에 함유되어 있는 난분해성 물질을 생물학적으로 분해가 용이한 물질로 전환시키는 한편 전환되어진 물질을 표준 활성슬러지법을 이용하여 생물학적 처리함으로 처리효율을 극대화 하는 전자선이용 염색폐수 정화기술을 개발하기위해 수행하였다. 종합 염색폐수에 1 kGy의 전자선 전처리를 한 후 생물학적 처리를 연계하였을 때 0.1 이상의 생분해도 증가를 나타냈으며 오염부하량 변화에 따른 미생물 활동도역시 안정적이었다. 또한 물벼룩을 이용한 생태독성 평가에서도 2.49의 원폐수 독성이 2.16이하로 감소함을 확인하였다. 난분해성 물질에 대한 전자선 전처리의 효과를 확인하기 위하여 대표적인 난분해성 물질인 TPA 인공폐수를 대상으로 전자선 가속기 전처리한 결과40 % 이상 처리효과를 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 보아 전자선 전처리와 생물학적 처리공정의 연계로 보다 효과적인 염색폐수의 처리가 가능할 것으로 사료된다.
염색산업은 공정특성상 다량의 증기와 고온수가 필요한 에너지 다소비 산업으로 원가절감에 의한 경쟁력 향상을 위해서는 에너지사용량 절감을 위한 노력이 절실히 요구되는 산업이다. 염색가공공정은 정련, 감량 등 처리공정을 통해 조업, 생산하고 있는데, 이 공정과정에서 다량의 폐수가 발생되고 있으며, 배출된 폐수는 각 공장의 저류조에 집수 되어 공동폐수처리장으로 방류된다.(중략)
염색공업 폐수는 그 성분이 일반적으로 매우 복잡하며, 작업공정의 가동 사항에 따라 수질 변동이 큰것이 특징으로, 각 공정에서 배출되는 염료, 보조화학물질, PVA(Polyvinyl alchol), 전분, wax 등이 포함되어 있으며 pH가 높고, 색도로 인해 하천에 방류될 경우 확산성이 높아 미생물에 의한 자정작용을 방해하여 하천의 수중생태계를 파괴할 우려가 있다. 이러한 염색산업에서 발생하는 폐수는 일반적으로 응집침전, 부상분리법 등의 전처리한 후 활성오니공정으로 처리하는 방법이 널리 이용되고 있으나, 이들 처리공정으로는 폐수 속에 포함되어 있는 다양한화학적 구조의 색소성분 및 유해물질을 완벽하게 제거하는 것이 어려운 실정이다. 유기물 함량이 높은 염색폐수를 처리하기 위해 제안된 기술로는 산소활성슬러지법, 유동상 및 고정상 생물막법, 포괄고정화법 등이 있다. 이러한 기술들중 기존의 처리공정을 증축없이도 처리효율을 높일 수 있는 방법으로 담체를 이용한 부유메디아 생물막공정(Moving-Bed BioReactor, MBBR)이 있다. 이공정은 미생물이 부착, 성장할 수 있는 공극율과 비표면적이 큰 담체를 이용하므로 반응조내의 부유 미생물 뿐만 아니라 담체에 고농도로 부착된 부착 미생물에 의해서도 유기물을 제거하기 때문에 다른 공정들에 비해 처리효율이 뛰어나고 기존의 활성슬러지 공정에 비해 갑작스러운 부하변동 및 유독성 폐수유입에 대해서도 안정적으로 운전이 가능한 장점이 있다. 본연구에서는 부유메디아 생물반응기(Moving-Bed BioReactor, MBBR)을 이용하여 염색폐수내 $COD_{Mn}$, 색도 및 난분해성 물질인 PVA 저감에 대한 Lab-scale test 수행하였다. 실험에 사용된 염색폐수의 수질은 평균 pH 13, $COD_{Mn}$ 900 mg/L, SS 135 mg/L, 색도 1,134 [C.U.], PVA 593 mg/L였으며, 2L의 반응기를 사용하여 회분식 실험을 수행였다. 본 실험에서는 호기성 미생물에 의한 염색폐수의 생분해가 유지되는데 필요한 최적의 용존산소 농도와 이에 필요한 공기 폭기량을 결정하기 위하여 i) DO uptake rate측정과 ii) 담체의 충진율, iii) COD/N ratio, iv) Air 유량, v) 담체내 흡착제의 종류, vi) $Ca^{2+}$ 첨가가 염색폐수의 생분해에 미치는 영향을 살펴보았다. 운전시간을 7일로 하여 COD, 색도, PVA 등을 측정한 결과 담체를 첨가한 경우가 담체를 첨가하지 않은 경우 보다 제거효율이 뛰어났다. 특히 충진율 30%(C/N 3)의 경우에서 COD, 색도, PVA의 제거율이 각각 평균 65%, 70%, 60%로 가장 높은 제거효율을 나타내었다.
염색가공공정은 에너지 다소비형이며, 염색조업을 수행하는 과정에서 약 4$0^{\circ}C$ 정도의 열원폐수를 다량으로 방출하고 있지만 이를 회수할 수 있는 기술개발이 이루어지지 않아서 아직 미활용되고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 열원폐수의 열을 회수하여 이용할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 먼저 염색공정의 특성을 고찰하고. 직물별, 공정별 에너지원단위를 조사한 결과 상대적으로 에너지원같위가 높은 T/C, T/R 교직물 업체나 폴리에스테르 염색업체에서 폐수열을 회수하여 이용하기에 적합한 것을 알 수 있다. 그리고 염색업체별, 계절별 폐수의 배출량과 온도를 조사한 결과 각 업체당 평균 폐수배출량은 20,470톤/월이고, 평균폐수온도는 41.$0^{\circ}C$로 나타났다 또한, 배관 침적, 폐쇄 등으로 폐열회수시스템의 안정적 운전이나 열교환기의 성능에 악영향을 끼칠 수 있는 SS의 경우 폴리에스테르 염색폐수가 가장 낮아 폴리에스테르 염색폐수가 폐열회수에 가장 유리할 것으로 판단되었다. 염색공장에서 기존에 사용하고 있는 시스템과 폐수열이용 시스템의 에너지단가를 비교해보면 폐열회수시스템에서 압축식 열펌프를 적용하면 에너지단가는 22.50원이 되어 매우 경제적이며, 증기생산을 위한 보일러 연료로 LNG를 사용하는 업체에 압축식 폐열회수시스템을 적용할 경우가 투자비 회수기간이 2.09년으로 경제성이 매우 우수한 것으로 나타나 열펌프시스템의 적용기술을 보급할 수 있는 기반을 마련하였다.
1. TPA 제거능이 우수한 미생물을 개발하였으며 동정 결과 Corynebacterium sp. 로 판단되며 Corynebacterium sp. YT-14로 명명하였다. 2. TPA 제거를 위한 Corynebacterium sp. YT-14의 최적 배양온도는 $35^{\circ}C$ 였고, 최적 초기 pH는 pH 10이었다. 3. Stirred loop bioreator에 Corynebacterium sp. YT-14를 배양한 후 감량가공폐수와 종합염색폐수를 회분식으로 처리한 결과 감량가공폐수에서 처리 7일 후 TPA 제거효율이 85.4% 였으며, 종합염색폐수에서는 처리 3일 후 TPA가 검출되지 않았다.
섬유폐수는 합성유기물인 염료와 발호공정에서의 호제가 다량으로 함유되어 있어 기존의 생물학적 처리법에 의한 처리가 용이하지 않다. 게다가 섬유산업은 여타산업에 비해 다량의 물을 소비하는 산업이다. 그동안의 산업의 고도 발전에 따라 앞으로는 물부족현상이 심해질 전망이며, 환경보전 및 보호에 대한 의식이 고취됨에 따라 이러한 섬유폐수의 처리도 이제까지와는 다른 새로운 방법으로 그 효율을 극대화할 필요성을 느끼게 되었다. 이에 따라 본 연구에서는 막분리 공정으로서 한외여과, 역삼투 공정을 이용하여 염색$\cdot$제직폐수를 고도처리하여 재활용이 가능토록 하였으며, 이를 바탕으로 염색$\cdot$제직폐수의 고도처리를 통한 재활용 시스템을 설계하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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