하천에서 질소, 인 등의 영양물질로 수계가 부영양화를 되고 조류가 대량으로 번식한다. 그러므로 폐수 중의 질소, 인 오염물질을 제거하는 것은 아주 중요한 의의가 있다. 대표적인 질소, 인 제거 방법은 화학침전법, 활성탄 흡착법과 활성슬러지를 이용한 MBR 공법이다. 분말활성탄(PAC)은 대표적인 흡착제로서 흡착 능력이 훌륭하지만, 원가가 비싼 단점이 있다. 바이오차(biochar)는 저렴하고, 친환경적이며, 토질 및 수질개선, 온실가스 저감 등 다양한 목적으로 사용될 수 있는 재료다. 경제성이 있는 특성이 가지고 있는 biochar에 관한 연구와 응용은 최근 이슈이다. 활성탄보다 슬러지를 원료로 제조한 biochar는 원료를 구하는 것이 편리하고, 슬러지 자체에 대한 자원화 처리를 통해 처리 비용을 절약할 수 있다. 막여과 생물반응조(membrane bio-reactor, MBR)는 막 모듈과 전통적인 생물학적 처리법을 결합한 수처리 공정으로서 오염물질 제거 효과가 뚜렷한 장점이 있지만, 막 오염 문제는 MBR의 가장 큰 문제이다. 본 연구는 잉여슬러지 기반 biochar의 첨가가 MBR의 질소, 인 제거 능력 및 막 오염에 미치는 영향을 탐구하고, biochar의 표면 물리적 특성을 분석하여 일반적인 흡착제인 분말활성탄과 비교하고자 하였다.
소재의 표면 분석하기 위하여 BET, FE-SEM, FT-IR을 이용하였고, 흡착성능을 비교하기 위하여 등온흡착실험을 진행하였다. MBR 운전에 미치는 영향을 탐구하기 위하여 3개의 MBR 반응조를 같은 운전 조건에서 한 반응조는 아무 물질도 투입하지 않은 대조군이었고, 다른 두 개 반응조는 실험군으로 각각 분말활성탄(AC-MBR)과 biochar(BC-MBR)을 투입하였다. 실험 결과는 유출수 수질, 막간 차압(TMP) 및 MLSS(mixed liquor suspended solids)의 지속적인 모니터링을 통해 판단된다. MBR 운전 정지한 후 반응조 내의 슬러지 EPS를 추출하였으며 EPS 성분의 차이를 비교하여 오염에 미치는 영향을 판단하였다. 막 표면의 fouling 현상을 분석하기 위하여 막 모듈에 부착된 biofilm 은 FT-IR과 CLSM 으로 분석하였다.
BET 분석 결과를 통하여 biochar의 비표면적(PAC : 1100m²/g, Biochar : 38m²/g)과 기공 부피(PAC: 0.67cm³/g, Biochar: 0.13cm³/g)는 분말활성탄보다 매우 작아 biochar 표면의 기공이 분말활성탄보다 크지만 분말활성탄의 다공성이 biochar보다 뛰어나다는 것을 설명한다. 등온 흡착 실험결과, 분말활성탄과 biochar의 질소에 대한 최대 흡착량은 0.4mg/g과 0.376mg/g으로 나타났으며, 인에 대한 최대 흡착량은 0.13mg/g과 0.08mg/g으로 나타났다. 질소를 흡착할 때 분말활성탄과 biochar 모두 Freundlich와 Langmuir 모델에 부합된다고 판단한다. 다만 인을 흡착하는 경우, biochar는 Freundlich 모델만 부합하며 흡착량이 매우 낮았다. MBR 운전 실험에서 BC-MBR의 운전 시간은 7% 증가하였으며, AC-MBR의 운전 시간이 18%로 증가하는 결과가 나타났다. 대조군의 COD, TN, NH₃-N, TP의 평균 제거율은 92.3%, 29.7%, 72.8%, 52.1%로 나타났으며, BC-MBR의 경우, 제거율은 각각 4%, 3%, 5%, 15% 향상된 것으로 나타났으나 AC-MBR보다 제거율이 낮았다. EPS 성분을 비교하면 AC-MBR에서 protein과 carbohydrate의 농도가 각각 52%와 23.1% 감소하였고, BC-MBR의 경우 농도가 각각 59.3%와 33.0% 감소하였다. ATR-FTIR결과, BC-MBR과 AC-MBR의 막 표면에 부착된 biofilm의 단백질과 다당류의 함량이 감소하였다. 또한, CLSM 분석에서 BC-MBR와 AC-MBR는 biomass는 40% 이상 감소하였으며, 막 표면에 부착된 biofilm의 두께가 감소하였다. CLSM image에서 확인된 염색된 bioflim은 활성탄 또는 biochar의 투입하여 biomass가 막 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있으나, biofilm의 구조는 파괴하지 않는 것으로 나타났다.
본 연구를 통하여 잉여슬러지 biochar는 MBR에서 질소, 인의 제거에 대해 적극적인 효과가 있으며, 막 오염 억제할 수 있다는 결과를 설명한다. Biochar는 저렴한 비용과 친환경성으로 인해 하수 처리에서 활성탄을 대체할 가능성이 있다고 판단된다.