국내 최대 규모 오존처리시설 보유
■ 서 론  1987년 대구 최초로 건설된 달서천 하수처리장은 지난 1994년 2차 준공과 2002년 6월 고도처리시설공사 완공으로 사여과시설 및 국내 최초·최대 규모의 오존처리시설 등 첨단시설을 갖추고 있다. 고도처리 시설용량은 34만㎥/일이며, 유입원 구분에 따라 생활1, 2계열 18만2천㎥/일 규모의 시설과 공단계열 15만8천㎥/일의 총 3개 계열로 분리 운영되고 있다.

생활계열에는 순수 생활하수인 달서천과 이현천 이외에 화학 및 생물학적처리를 거친 염색 2차 폐수처리장 처리수가 유입되고 있으며, 방천리 위생매립장 침출수를 연계 처리하고 있다.

고도처리시설 2단계로 예정된 수계분리시설이 아직 설치되지 않은 관계로 공단계 오폐수가 완전 분류되지 않고 있어, 현재 공단계 유입수의 약 40% 정도가 생활계로 혼합 유입되고 있다.

또한, 하수처리장이 삼공단, 서대구공단 및 염색공단 등 3개 공단의 중간 지점에 위치하고 있어, 전체 하수처리장 유입유량의 약 55% 이상이 공단에서 유래된 오폐수일 뿐만 아니라 매립장 침출수 및 정화조 등의 연계 처리로 일반 생활하수처리장에 비해 다소 처리가 복잡하고 어려운 실정이다.

유입수 성상 맞춰 운영개선 시도
그러나, 이러한 유입수 여건에도 불구하고 달서천 하수처리장은 지난 2002년 6월 대구시에서 전국 최초로 100% 하수고도처리를 달성한 이후, 약 10여년간 유입수 성상에 맞춘 다양한 운영개선 방법을 시도, 적용해왔다.

아울러 이와 같은 탄력적인 고도처리시설 운영을 통해 다양한 노하우 습득과 더불어 최고 수질의 방류수 생산으로, 방류 하천인 금호강 및 낙동강 수질개선에 앞장서고 있다. 또한 국가 정책사업인 4대강 사업과 연계한 방류수질 기준 강화에 따라 총인처리시설 공사를 진행하고 있으며 오는 5월 준공을 목표로 하고 있다.

달서천 하수처리장은 설계용량 기준으로 40만㎥/일의 하·폐수가 유입되면 1차 중력침전처리후 혐기/무산소/호기조로 구성된 생물반응조(34만㎥/일)를 거쳐, 원형 최종침전지 및 모래 급속여과시설로 처리후 최종 색도처리시설인 오존처리 공정을 거치게 된다.

에너지 절감·배오존 자원화 모색
색도처리 과정의 오존처리 설비는 설계기준 용량으로 18만2천㎥/일이며, 주요설비는 산소발생 설비와 오존발생 설비, 오존접촉 설비로 구성된다. 설비별 기능을 살펴보면 산소발생 설비가 공기 중에 포함된 N₂가스, 수분, CO₂를 제거한 후 90∼93%의 산소를 생산한다.

이렇게 생산된 산소를 오존발생기에 공급한 고전압(직류 3천700V)을 이용해 오존(O₃)으로 발생시켜 오존접촉조에 투입하게 된다. 오존접촉조에서는 강력한 오존의 산화력으로 처리수의 유기성 착색성분을 분해하고, 각종 세균 및 바이러스의 살균, 악취 물질의 분해, 산화 파괴과정을 거쳐 금호강에 처리수를 방류하고 있다.

이러한 처리과정을 거친 하·폐수처리수의 오존흡수율은 76∼83% 정도로 오존접촉조에는 잉여오존이 잔존하게 된다. 1.0∼1.4%의 고농도인 잉여오존을 대기 중으로 직접 배출할 수 없기 때문에 섭씨 350∼450도의 고열처리를 통해 산소로 분해한 후 배출하는 열분해식 배오존파괴 방식으로 처리하고 있다.

이에 이번 연구는 상시 가동하는 열분해식 배오존 파괴기 2대(예비 1대)에 대한 에너지 절감차원의 대안 마련과 오존 처리후, 잔류하는 고농도의 배오존을 자원화해 고가의 오존을 재활용할 수 있는 방안을 모색하고자 파일럿 플랜트(Pilot Plant)를 이용, 현장적용 가능성에 대해 조사했다.
 

기존 설비 활용 Pilot Plant 구성
■ 실험방법 이번 실험에 사용된 Pilot Plant는 [그림 3]과 같이 기존의 오존설비를 활용한 방안으로 4층에 위치한 배오존 파괴기(1천200N㎥/Hr.대)의 유입 전단부와 1층 Pilot Plant 설비를 규격 STS Ø20A의 배오존 배출배관으로 30m정도 연결해 공기송풍기(90L/분)로 잔류한 배오존을 투입했다.

아크릴 재질의 반응접촉조(규격 : Ø17㎝×H 2천700㎝)에는 하·폐수 시료를 유입펌프(35L/분)로 이송시켜 배오존과 시료를 혼합해 반응토록 설계했다. 이후과정에서 일부 잔존하는 배오존은 건물 외벽에 간이 배오존파괴기를 설치해 대기중으로 방출하도록 했다.

그 외에 배오존 농도 측정을 위해 휴대용 측정기를 사용했으며 500L의 시료저류박스와 유리관 부유식 면적유량계, 압력계, 기타 밸브류 등으로 구성됐다. [그림 4]는 Pilot Plant의 공정 흐름도와 1층에 설치된 오존접촉조 설비사진이다.

오존농도별 BOD·색도 등 측정
우선 잔류하는 배오존을 하수처리장 유입부의 전처리시설로 활용하는 방안을 검토했다. 이에 따라 난분해성 유기물의 비중이 높은 하수처리장 공단계열의 유입수 및 초침처리수, 염색공단 방류수, 소내반송수를 실험대상으로 선정하고 오존 Pilot Plant를 이용한 배오존 접촉실험을 실시한 후, 유기물의 성상변화 분석시험을 수행했다.

각 대상에 대한 분석항목은 pH, BOD, S-BOD, COD, 색도로서 오존의 단계별 투입농도에 따른 수질 변화차를 검토했으며, [표 1]과 같이 배오존 농도에 대한 투입속도 및 농도, 접촉시간을 Pilot Plant 실험의 운영조건으로 수행했다. 

달서천사업소의 경우 오존처리시설 가동시 발생오존농도가 5∼6W%이며 배오존농도는 0.56∼1.05W%(30.5∼42.7㎏/hr)정도이므로 이와 거의 유사한 수준으로 실험조건을 적용했다.

 

공단계열 유입수 S-BOD 크게 증가
■ 실험결과  [표 2]와 [그림 5]는 고농도(정화조 유입有)와 저농도(정화조 유입無)의 공단계열 유입수에 오존을 투입할 경우, 각 항목별 농도변화를 나타낸 것이다. 

유입수질의 고저(高低)에 따라 정도의 차이는 있으나 오존 40ppm 투입 시 COD 28.2∼35.6%, 색도 61.4∼71.6%가 제거되고, BOD는 26.7%가 증가했다. 특히 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 S-BOD는 크게 증가(62.2∼71.3%)하는 것으로 나타났다.

또한 정화조 이송에 따라 유입수가 고농도일 경우에는 고형물 성분이 오존으로 산화되면서 발생한 다량의 갈색 거품이 부상해 저농도 일 때보다 COD 및 SS 제거율이 4∼5% 증가하는 경향을 보이나 BOD는 저농도 일 때와는 달리 거품 부상으로 제거된 성분의 영향으로 감소하는 추세였다.

초침처리수·염색공단 방류수 실험
[표 3]과 [그림 6]은 공단계열 초침처리수의 오존투입 농도 증가에 따른 각 실험항목별 변화를 나타낸 값이다. 최초 침전지에서 2∼3시간의 체류시간 동안 고형물이 침전·제거된 상태인 초침처리수는 유입수에 비해 농도가 낮고 수질변화가 적다.

오존 투입농도에 따른 COD 및 색도 제거율은 공단계열 유입수와 유사한 경향을 보여, 지속적으로 농도가 감소했으나 BOD의 경우 30ppm에서 농도 상승폭이 제일 컸다. 오존농도 40ppm 투입시 BOD는 22.4% 증가하고 COD 32.3%, 색도는 61.1% 감소하는 경향을 보였다.

염색공단 방류수는 연중 큰 수질변화가 없고 SS가 낮은 편이므로 오존접촉 효율이 가장 높을 것으로 예측됐으나 COD와 SS는 공단계열 초침처리수보다 오히려 낮게 나타났다. [표 4]와 같이 오존농도 40ppm 투입시 BOD는 32.4% 증가하고 COD 22.6%, 색도는 68.4% 감소하는 경향을 보였다.

 

저농도 소내반송수 오존 접촉률 높아
소내반송수는 농축조 및 소화조 운영상태에 따라 그 월류수 수질농도와 유량의 영향을 많이 받으며, 그로 인한 수질 변화차가 크게 나타난다. [표 5]와 같이 농축·소화 월류량이 적어 소내반송수 농도가 낮을 때는 오존농도 40ppm 투입시 COD는 54.1% 색도는 93.1% 제거되고 BOD는 47.9% 증가하는 등 오존접촉효율이 크게 나타났다.

그러나 소내반송수 SS가 400∼500ppm 이상으로 고농도일 경우 COD 제거율 28.2%, 색도 제거율 64.7%으로서 공단계열 유입수 및 초침처리수와 비슷한 수준으로 나타났다.

오존 투입농도의 증가로 인해 수중에 포함된 난분해성 물질이 미생물이 이용하기 쉬운 이분해성 물질로 전환됨에 따라 COD는 감소하는 반면 S-BOD는 증가했다. 동일한 오존 투입량(40ppm)에서 S-BOD전환율 ‘S-BOD 증가량/COD감소량’은 공단 유입수(고농도일 경우) 49.6%, 공단 초침처리수 80.5%, 염색공단 방류수 61.1%, 소내반송수 29.9%로서 공단 초침처리수가 가장 높고 소내반송수가 가장 낮은 것으로 나타났다.

[그림 8]은 오존 투입농도 변화에 따른 각 대상 시료별 COD와 S-BOD의 농도값이며, [표 6]은 오존 40ppm 투입 시 COD 감소에 대한 S-BOD의 증가량으로, S-BOD 전환율을 나타낸 값이다.

 

 

배오존 재활용으로 수질개선
하수처리장 유입부에 전처리 시설로 활용방안을 검토할 경우, 별도의 배오존 접촉반응조가 필요하므로 부지 확보는 처리용량 가용성이 있는 공단계 최초침전지 4지(5천405㎥)를 활용하는 것으로 가정했다. [표 7]과 같이 오존투입농도를 20ppm으로 적용했으며, 이때 유량은 2009년 공단계 유입유량(6만8천788㎥/일)으로 산정했다.  

정화조 이송수가 유입된 공단계열 유입수를 대상으로 한정해 오존 20ppm을 투입, 전처리 할 경우 [표 8]과 같이 색도 44.5%, COD 29% 제거되므로 이후의 처리 시설인 생물반응조의 처리효율 개선 뿐 아니라 최종처리인 사여과 이후의 오존처리효율 증가로 방류수질 개선효과가 있을 것으로 판단된다.

[표 9]와 같이 오존 20ppm 투입 시 상시 메탄올 1.5㎥/일을 투입하는 효과와 동일하므로 외부탄소원인 메탄올의 구입비용 2억1천24만 원/년 정도의 절감효과와 상시 가동하는 열분해식 배오존 파괴기 2대를 가동 중지할 경우, 7천621만2천 원/년의 에너지비용 절감효과를 기대할 수 있다.

잔류 배오존 전처리시설서 재이용
■ 결 론  이번 연구에서는 처리수질에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 방류수 색도처리를 위한 오존처리 설비의 잔류 배오존을 하수처리장의 전처리 시설로 재이용할 수 있는 방안을 연구했다. Pilot Plant 운영 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

우선 오존접촉조 통과 후에도 여전히 고농도인 배오존을 난분해성 물질이 다량 포함된 공단계열 유입수 및 초침처리수, 염색공단 방류수, 소내반송수를 대상으로 오존접촉 실험한 결과, 공단계열 유입수가 고농도일 경우 COD(35.6%)와 색도(71.6%) 제거율이 가장 높았으며, 오존처리에 따른 난분해성 물질이 생분해성 물질로 전환되는 여부를 판단하는 BOD 증가율은 난분해성 물질을 다량 포함하는 염색공단(32.4%)이 가장 높은 것으로 나타났다.

또한, 오존을 40ppm 투입했을 때 COD 감소량과 S-BOD 증가량 정도를 나타내는 S-BOD 전환율은 공단계열 초침수가 80.5%로 전환율이 가장 높았으며, 난분해성 물질이 다량 포함된 염색공단 방류수가 61.1%, 공단계열 유입수는 49.6%, 소내반송수는 29.9%로서 전환율이 가장 낮게 나타났다.

색도·COD 저감 등 수질개선 효과
공단계열 최초침전지의 경우 설계용량이 15만2천㎥/일이고, 하루평균 유량은 6만8천788㎥/일(2009년 기준)로서 여유부지 확보가 가능하므로 이를 활용해 전처리 시설을 설치하는 것으로 가정했다.

오존투입 농도를 20ppm으로 할 경우, 오존접촉시설 필요 용량이 배오존 농도 0.64%일 때 8천750㎥이고, 1.12%일 경우에는 4천958㎥이 요구되어 시설에 대한 설치장소 확보는 가능한 것으로 판단된다.

이를 바탕으로 오존농도를 20ppm으로 공단계열 유입수에 투입한 결과 COD 29%, 색도 44.5%제거되며 S-BOD는 54.5% 증가해 난분해성 물질이 생분해성으로 전환한 후, 생물학적 고도처리시설로 유입되어 미생물의 유기탄소원 보충효과 및 색도, COD 농도저감으로 처리수질 개선에 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 판단된다.

연간 3억원 비용절감 예상
공단계열 유입수에 오존을 투입하지 않을 경우 S-BOD가 31.4㎎/L 이나 이번 실험 결과를 현장에 적용하면, 오존농도 20ppm의 경우, S-BOD는 48.5㎎/L로 17.1㎎/L(54.5%) 정도 상승해 외부탄소원으로 이용하는 메탄올을 상시 1.5㎥/일 투입하는 것과 동일한 효과를 나타낼 것으로 예상된다.

따라서 메탄올 단가 480원/㎏을 기준으로 연간 2억1천24만 원의 외부탄소원 사용 절감효과를 기대할 수 있다. 또한 현재 상시 가동하는 열분해식 배오존 파괴기 2대의 가동중지에 따른 1대당 소요전력 72.5㎾h과 전력비 단가 60원/㎾h를 검토한 결과 7천621만2천 원/년의 에너지비용 절감 효과도 기대할 수 있다.

그러나 Pilot Plant 실험 결과를 하수처리장 추가 공정으로 적용할 경우, 우선 별도의 배오존 접촉반응조 신설 및 반응조 통과 후의 배출오존에 대한 간이 배오존 파괴기 설치여부 등 초기투자 비용의 경제성 검토가 요구된다.

또한, 오존접촉 후 수중에 잔존하는 오존과 산소의 영향으로 이후 처리공정인 생물반응조에서 무산소조의 조건 미비에 따른 생물학적 균형이 파괴될 가능성, 유입농도 SS가 높을 경우 다량의 거품이 발생해 반응조 벽면에 고착 및 탈락 현상의 반복으로 무기성 고형분의 생물반응조 유입에 따른 처리 효율성 문제점을 사전 검토하여 이에 대한 대책 마련이 필요할 것으로 판단된다.