부상방식 처리시설에 적합한 총인약품 적용에 따른 수질개선 연구사례
| ㈜탄천환경 탄천물재생센터

㈜탄천환경(대표 오세영·www.tancheon.com)은 별도의 총인(T-P) 설비 증설 없이 총인 수질기준을 초과하지 않고 더욱 안정적인 방류수질을 유지한 2016년 총인약품 투입현황을 분석해 2017년도 총인약품 투입 및 공정운영에 반영하고자 수질개선 연구결과를 최근 발표했다. 그 내용을 게재한다.

㈜탄천환경은 서울시 강남구·송파구·강동구·서초구를 비롯해 하남시·과천시 등 총 80.21㎢에 달하는 4개 구, 2개 시의 하수처리를 담당하고 있는 물관리 전문회사다. MLE(순환식질산화탈질법), 응집약품투입, MDF 여과시설 등 3단계를 거치는 처리과정을 주요 공법으로 90만㎥/일 규모이다. 현재 3차(총인)처리시설 설치사업 실시설계 진행 중에 있으며 2019년 준공 예정이다.

지난해 수질유예기준이 강화되고 송풍량이 부족해진 가운데 탄천물재생센터는 저수온기(1∼3월) 수질기준을 준수하기 어려운 상황에 놓였다.

이를 해소하고자 ㈜탄천환경은 ‘최적화된 하수처리 총인약품 개발’의 일환으로 연구 중인 반류수용 총인약품과 유사한 저염기도 총인약품을 반류수 처리시설에 적용함으로써 처리효율을 크게 향상시켜 수처리 공정 시 부하 저감효과를 얻었다.

동절기 TP수질유예기준 강화  

2016년 1월 1일∼3월 15일까지의 총인(T-P)수질유예기준은 1.0㎎/L로, 전년도인 2014년 12월 29일∼2015년 3월 10일 기준인 1.374㎎/L와 비교해 강화됐다. 아울러 제2처리장의 송풍기 고장으로 인하여 송풍량이 부족해지자 방류수 속 NH4(암모늄)는 점차 증가하는 추세를 띠었다.

이에 따라 송풍량 확보가 필요해진 가운데 질산화의 안정화를 위해 총인 약품 증가조치를 취하기 어려워지자 총인 수질기준을 준수하기 위해 수처리 공정에 있어 부하저감이 시급한 상황이었다. 아울러 지난 5월 2일부터 수질오염총량제는 생물학적 산소요구량(BOD)에 이어 총인 항목이 추가로 적용되었으며, 총량 목표설정은 더욱 어려워졌다.

특히 한강유역환경청 점검이 반기별 1회에서 분기별 1회로 강화되고, 물재생센터 방류수질 및 소독방류(by-pass) 처리와 관련해 언론보도가 집중되자 보다 안정적인 하수방류수질 관리가 요구되는 실정이었다.

반류수 처리시설(상압부상농축조) 총인약품 변경
 
이러한 문제를 해결하고자 반류수 처리시설의 처리효율을 향상시킴으로써 수처리 공정 시 부하를 저감하기 위한 연구가 진행됐으며, 이에 ㈜탄천환경은 기존의 총인약품을 변경하는 방안을 통해 하수처리 효율을 향상하고자 했다. ‘최적화된 하수처리 총인약품 개발’의 일환으로 개발 중인 반류수용 총인약품과 유사한 성상을 보이는 조달청 등록약품을 선정, 지난 2016년 3월 부상방식에 적합한 약품으로 변경하고 연구를 진행했다.

대안으로 채택된 약품인 저염기도 총인약품은 PAC(폴리염화알루미늄) 17％에서 POLY-CM10 11％로 변경됐으며, 같은 해 7월에는 반류수 처리시설의 운영현황을 분석하고 운영·관리 계획서를 수립하고 이를 기반으로 10월에 보완하는 과정을 거쳤다.

이론적 고찰 - 염기도 적을수록 부상방식 인 제거효과 탁월

한편, ㈜탄천환경이 부상방식 처리시설에서 인을 효과적으로 제거하기 위해 개발한 총인약품의 메커니즘은 다음과 같이 설명할 수 있다. 알루미늄(AL)은 수중에서 수산화이온(OH-)과 가수분해되는데, 그 정도에 따라 △단분자성 AL(AL-Monimers) △고분자성 AL(AL-Polrmers) △침전성 AL(AI(OH)3(s))으로 구분된다.

AL(OH)2+, AL(OH)2+와 같은 단분자성 AL의 경우, 인산이온(PO43-)은 AL에 결합된 OH기와 경쟁적으로 AL3+와 화학적 반응을 띠어 고체상의 침전물(ALPO4)을 생성한다. 단분자성 AL는 AL2(OH)24+, AL3(OH)45+, AL13O4(OH)247+와 같이 높은 양전하를 가지고 있는 고분자성 AL보다 인 제거에 더욱 효과적이다. 고분자성 AL은 거대한 무기고분자 화합물을 생성하여 자체적으로 응집·침전율이 높아지는 특성이 있다.

AL 응집제를 주입한 후에는 조건에 따라 침전성 AL(AL(OH)3(s))이 생성되는데, 이때 생성된 AL 침전물 표면에 용존성 인이 정전기적 힘과 화학적 반응에 의해 흡착된 후 침전된다. 또한 염기도에 따른 AL종의 분포를 살펴보면 염기도가 감소할수록 단분자성 AL의 함량은 증가하는 반면, 고분자성 AL와 침전성 AL의 함량은 감소했다. 즉, 저염기도 제품일수록 부상방식에 더욱 효과적인 것으로 확인됐다.

TP 제거율 및 농축 TS 상승

부상방식에 적합한 총인약품 변경을 통해 탄천물재생센터는 △반류수 처리시설 처리효율 증가 △수처리 공정 부하저감 △생물반응조 총인약품 사용량 및 비용 감소 △방류수 총인 농도 감소 △총인제거율 증가 등의 효과를 얻었다. 총인약품을 변경한 2016년 3월부터 12월까지 반류수 처리시설의 처리효율을 살펴보면, 2015년 동기간 대비 처리수 총인은 28.048㎎/L에서 5.837㎎/L로 79.2％정도 크게 감소했으며, 총인 제거율은 68.0％에서 92.2％로 증가했다.

또 같은 기간 처리수 부유물질(SS)은 262㎎/L에서 68.6％가량 감소한 82㎎/L로 나타났으며, SS 제거율은 89.5％에서 96.7％로 증가하는 양상을 보였다. 농축 TS(총 고형물)는 3.82％에서 4.13％로 동기대비 약 8.0％ 증가했다.

이에 더해 반류수 처리시설의 처리효율을 연평균 단위로 분석한 결과, 처리수 총인은 2015년 27.711㎎/L에서 2016년 7.599㎎/L로 전년 대비 72.7％ 감소했으며, 총인 제거율은 67.7％에서 89.5％로 대폭 증가했다. 처리수 SS는 287㎎/L에서 87㎎/L로 69.9％정도 크게 감소했으며, SS 제거율은 89.8％에서 96.5％로 증가했다. 농축 TS는 3.81％에서 약 7.6％ 증가한 4.10％로 확인되어 총인약품 변경 이후 처리효율이 크게 증가했다.

수처리 공정 부하 저감

또한 수처리 공정에 있어 2015년 대비 2016년의 약품투입 결과를 분석한 결과, 연평균 생하수 총인은 4.646㎎/L에서 약 5％ 감소한 4.411㎎/L로 나타났으며, 총인 증가율은 22.5％에서 12.5％로 감소했다. 연평균 방류수 총인 농도는 0.352㎎/L에서 0.301㎎/L로 약 14.7％ 감소했으며, 방류수 총인 제거율은 90.6％에서 92.4％로 증가했다.

▲ 수처리 공정에서 소요되는 약품비용은 1처리장의 경우 5만3천400만 원/년에서 5만3천100만원/년으로, 2처리장은 4만2천500만 원/년에서3만8천800만 원/년으로 감소하는 양상을 띠었다. 사진은 총인약품 저장탱크.

다음으로 2015년 대비 연평균 생물반응조 총인 약품 주입률을 비교해보면 2015년 23.9㎎/L에서 2016년 22.8㎎/L로 주입률이 약 4.3％ 감소했다. 구체적으로는 1처리장과 2처리장의 경우, 각각 24.82㎎/L에서 0.1％ 감소한 24.79㎎/L, 22.9㎎/L에서 약 8.8％ 감소한 20.9㎎/L로 확인됐다.

사용량 및 비용은 생물반응조에서 모두 감소하는 효과를 보인 반면, 반류수 처리시설에서는 모두 증가했다. 생물반응조 총인 약품 사용량은 2015년 633만4천300㎏/년에서 2016년 601만8천280㎏/년으로 약 5％ 감소했으며, 연간 총인약품 비용은 9억5천900만 원에서 9억1천900만 원으로 4천만 원 절감에 성공했다. 반류수 처리시설의 총인약품 사용량은 96만9천260㎏/년에서 약 287.7％가량 크게 증가해 375만8천230㎏/년을 기록했으며, 총인약품 비용은 1억4천500만 원/년에서 211％ 증가한 4억5천100만 원으로 나타났다.

생물반응조 총인약품 사용량·약품 비용 감소

2015년 대비 생물반응조의 총인약품 사용량을 더 자세히 살펴보면 1처리장은 352만7천430㎏/년에서 347만9천820㎏/년으로, 2처리장은 280만6천870㎏/년에서 253만8천460㎏/년으로 각각 1.3％, 9.6％씩 감소하는 추세를 보였다. 또한 수처리 공정에서 소요되는 약품비용은 1처리장의 경우 5만3천400만 원/년에서 5만3천100만 원/년으로, 2처리장은 4만2천500만 원/년에서 3만8천800만 원/년으로 감소하는 양상을 띠었다.

연구 결과 방류수 수질기준을 준수하기 위해 생물반응조 총인약품 사용량이 크게 증가할 것으로 예상했으나, 반류수 처리시설에 적합한 저염기도 총인약품으로 변경해 투입함으로써 처리수 총인은 감소하고 제거율은 증가하는 등 처리효율이 크게 향상된 점을 확인했다. 이번 연구를 통해 ㈜탄천환경은 별도의 총인 설비 증설 없이 총인약품의 변경만으로 전년 대비 더욱 안정적인 방류수질을 유지하는 성과를 거두었다.

학술지 기고·학술회 등 통해 연구결과 발표 예정

▲ 반류수 처리시설에 적합한 저염기도 총인약품으로 변경해 투입함으로써 처리수 총인은 감소하고 제거율은 증가하는 등 처리효율이 크게 향상됐다. 사진은 약품 투입기.

향후 탄천물재생센터는 2017년 1월 1일부터 3월 15일까지 시행되는 한강청 유지·관리기준 준수 예외 협의에 따라 협의기간 중 수질기준 준수를 위한 최적의 약품을 투입해 방류수질을 안정적으로 관리할 방침이다.
아울러 2015년부터 수처리 총인약품 전문 업체와 공동연구 MOU를 체결하여 연구 중인  ‘최적화된 하수처리 총인약품 개발’을 지속할 예정으로, 부상방식(총인 처리시설, 반류수 처리시설)에 더욱 적합한 총인약품 개발 연구를 추진할 계획이다.

동절기·비동절기 기간에 대한 총인 약품도 지속 개발하여 현장테스트를 검증할 예정이다. 수질 TMS 총인값과 총인약품의 연동 관리 및 모니터링을 강화하고, 수질오염총량제 허용부하량을 고려해 약품주입률을 안정적으로 관리할 방침이다. 이번 연구를 통해 달성한 부하저감 성과는 수처리 방식(침전, 부상)에 적합한 총인약품 선택의 중요성을 확인한 연구가 되었으며, 이는 대외 학술지 기고 및 학술회 등을 통해 발표될 예정이다.  

[정혜란 기자]

[『워터저널』 2017년 2월호에 게재]