서울 강남구 일원동 580번지. 이곳은 주민 혐오시설에서 지역 대표 친환경시설로 자리매김 한 탄천물재생센터가 있는 곳이다. 탄천물재생센터는 하루 110만㎥ 규모로 강동·송파구 전역과 강남·서초 일부, 경기도 하남시와 과천시 일부지역의 하수를 깨끗한 물로 재생시켜 탄천으로 내보내는 이른바 하수처리장이다.

㈜탄천환경(사장 이항구·www.tancheon.com)과 서울시는 지난 2009년 1월부터 올해 4월까지 고도처리공사를 통해 탄천으로 방류되는 하수의 수질을 획기적으로 개선하고 하수처리로 인한 악취를 완벽히 제거, 탄천물재생센터를 ‘애물단지’에서 업그레이드 된 생활환경 조성에 기여하는 ‘지역의 보배’로 탈바꿈시켰다.

고도처리공사의 수처리공정은 표준활성슬러지법에서 반응조 개량을 통해 MLE공법(Modified Ludzack-Ettinger, 표준활성슬러지 순환변법)으로 전환하고, 기존에 제거하기 어려웠던 T-P(총인) 제거를 위해 반응조 후단에 응집약품 투입설비를 신설했다.

아울러 지역 주민들에게 가장 혐오적인 이미지를 심어주는 냄새를 완전 제거했다. 고도처리공사 추진 시 슬러지 처리공정에도 미생물 등을 활용, 냄새 물질을 근본적으로 분해·제거하는 방법을 적용했다. 또, 반류수 처리시설을 통해 당초 잉여슬러지 농축용 가압부상시설의 용도를 변경해 슬러지 공정의 반류수를 취합 처리, 수처리 공정의 부하를 감소시켰다.

총인처리시설 사업은 진행 중에 있다. 고도처리공사 중 「하수도법」개정으로 방류수 T-P 수질기준이 2.0㎎/L에서 0.5㎎/L로 강화되었다. 현재 고도처리 시 설치된 반응조 후단 응집약품 투입설비를 이용하여 일부 응집약품 투입중이며, 강화된 수질기준 준수를 위한 총인처리사업은 별도 진행중이다.

▲ [표 1] 탄천물재생센터 고도처리공사 주요내용

▲ [표 2] 최초침전지 운전율 정의

▲ [표 3] 최초침전지 시설물 현황

최초침전지 활용 범위 증대
㈜탄천환경은 T-N(총질소) 제거 효율을 향상시키고 방류수질 안정화를 위해 탄천물재생센터에 최초 침전지 탄력 운전을 시행하고 있다. 과거에 비해 최초 침전지의 활용성 범위가 증대해 운영방안 확립이 필요한 시점에 ㈜탄천환경의 최초 침전지 탄력 운전은 지속적인 효과를 얻을 수 있는 기술로 주목받고 있다.

이러한 방식을 추진하게 된 배경에는 몇 가지 이유가 있다. 먼저 고도처리공사시 외부탄소원 투입설비 미 반영에 따른 대응방안 마련이 필요했다. 기존 표준활성슬러지법에서 MLE공정으로 개량되었으나, 무산소조에서 탈질을 위한 별도 외부 탄소원 투입설비는 설치되지 않아, 기존 시설을 활용한 C/N비 조절방안 마련이 요구됐다.

또한, 포기조 침강성 향상과 함께 하수처리효율을 향상시키고자 했다. 과거 표준활성슬러지법으로 운영시 최초 침전지는 정비를 위한 일부지를 제외하고 거의 대부분을 가동했다. 포기조 침강성(SVI)이 불량한 상태가 지속됨에 따라 방류수질이 안정적으로 유지되지 못해, 이를 개선하기 위한 방안마련이 필요시 됐다.

생슬러지량 미처리에 따른 수처리 공정 부하 증가를 방지하는 방안 마련도 시급했다. 가동지수 증가에 따라 생슬러지량 증가는 슬러지 공정에서 미처리 시 수처리 공정의 부하를 가중시키는 악순환이 지속됐기 때문이다.

▲ [그림 1] 최초침전지 탄력 운전 개념도

1차 처리수 C/N비 조절능력 확보
최초침전지 탄력 운전 효과는 △1차 처리수 C/N비 조절능력 확보 △탈질 효율 증대를 통한 방류수 T-N 저감 △동절기 고도처리 질산화 유도를 위한 반응조 유입부하 조절 △유입부하 상승시 수처리 공정 부하 조절 △생슬러지량 감소 및 TS 상승으로 슬러지 공정 안정화 △1차처리수 BOD/SS비 조절로 포기조 침강성(SVI) 개선 △포기조 미생물 상태개선을 위한 조절 인자로 적용 등이 대표적이다.

먼저, 1차 처리수 C/N비 조절 능력를 확보할 수 있는 장점이 있다. 최초 침전지 운전율 조정으로 [표 4], [그림 2-1], [그림 2-2]와 같이 유입유량과 부하변동에도 불구하고 1차 처리수 C/N비를 4∼5 이상 조절·유지 가능할 뿐만 아니라 외부탄소원의 추가 투입없이 질소 제거 효율을 향상시키고 공정변화에 능동적으로 대응할 수 있다. 참고로 고도처리 시 처리 수질 향상을 위해서 BOD기준 C/N비가 5 이상이면 질산화와 탈질률이 우수한 것으로 알려져 있다.

▲ [표 4] 2011년 최초침전지 운전율에 따른 C/N비

▲ [그림 2-1] 2011년 유입수 BOD 및 1차처리수 C/N비 변화

▲ [그림 2-2] 2011년 최초침전지 운전율 및 1차처리수 C/N비 변화

탈질 효율 증대, 방류수 T-N 저감
탈질 효율 증대를 통해 방류수 T-N을 저감할 수 있다. 고도처리 종합시운전이 진행중이던 2011년 9월말부터 유입수질 및 기타 공정운영에 큰 변화가 없었으나, 방류수 T-N 수질이 점차 상승하여 수질기준에 근접했다.

이에 질소성분 분석으로 방류수 T-N 상승 원인을 분석한 결과, 방류수 암모니아성 질소 농도는 최대 1.0㎎/L 정도로 상당히 양호하게 유지됨에 따라 무산소조에서 탈질 불량을 의심하게 됐다.

C/N비 향상을 위해 최초 침전지 가동지수를 총 26지에서 총 8지까지 점차 감소시키고 반응조 부하 증가에 따라 송풍량을 증가시켰다. 이를 통해 [그림 3-1]과 같이 최초 침전지 가동지수 감소에 따라 C/N비가 상승추세로 전환됐으며, [그림 3-2]와 같이 가동지수 조정 약 일주일 경과후 방류수 T-N이 점차 감소추세로 전환됐다. 기간별 방류수질 및 운영현황은 [표 5]와 같다.

▲ [표 5] 기간별 방류수질 및 운영현황

▲ [그림 3-1] 최초침전지 가동지수 감소에 따른 C/N비 변화

▲ [그림 3-2] C/N비 변화에 따른 방류수 TN변화

동절기 수온이 섭씨 13도 이하로 감소하던 시기에 2012년 강화되는 T-P 수질기준에 대비하고자 응집약품(17% PAC) 30∼90㎎/L을 2011년 12월21일부터 2012년 1월5일까지 상시 투입한 결과, [그림 4-1]과 같이 2011년 12월말부터 방류수 T-N 및 암모니아성 질소가 동시에 상승추세로 전환되어 일별 방류수 수질기준을 초과했다.

이에 대한 조치로 반응조 유입부하 저감을 위해 [그림 4-2]와 같이 최초침전지 운전율을 증가시키고 질산화 유도를 위한 MLSS를 유지시키는 한편, SRT와 송풍량을 증가시켰다. 그 결과, [표 6]과 같이 최초 침전지 운전율 증가에 따라 1차 처리수 BOD 31%가 저감됐으며, 가동지수 조치 약10일 경과 후부터 방류수질은 감소추세로 전환되었을 뿐만 아니라, 방류수 TN은 38%, 암모니아성 질소는 71% 저감되는 효과가 나타났다.

▲ [표 6] 기간별 운영현황

▲ [그림 4-1] 방류수 TN, NH₄변화 (2011.12∼2012.2)

▲ [그림 4-2] 최초침전지 가동지수 조정에 따른 방류수 TN 및 1차수 BOD변화 (2012.1∼2)

유입부하 상승시 수처리공정 부하조절
음식물폐수 해양배출업체의 해양투기 중단으로 2011년 9월2일부터 10월8일까지 32일간 총 5천344톤(하루 약 200톤)이 차집관거를 통해 물재생센터로 반입됐으며, 이는 수처리 공정에서 처리됐다. 음폐수 유입에 따라 유입수질은 [표 7]과 같이 잦은 강우로 낮은 수질을 유지했던 8월에 비해 전 항목 수질이 상승했으며, BOD 항목의 경우 약 78%가 상승했다.

이에 [표 8]과 같이 최초 침전지 가동지수 증가조치로 운전율을 47%에서 63%로 증가시키고 목표계면(1.5m 미만) 설정을 통한 생슬러지 인발량을 관리하는 한편, 유입부하 증가에 따라 슬러지 적체방지를 위한 탈수기 가동댓수를 증가시켰다.

그 결과, 유입부하 상승에도 불구하고 최초 침전지 운전율 증가 운영으로 1차 처리수 C/N비·F/M비가 큰 변화없이 유지됐으며, 음폐수 반입 이후에도 [표 9]와 같이 방류수질을 안정적으로 유지할 수 있었다.

▲ [표 7] 음폐수 반입 전후 유입수질 비교

▲ [표 8] 음폐수 반입에 따른 최초침전지 운영 대응

▲ [표 9] 음폐수 반입 전후 방류수질 비교

한편, 2007년 이전 최초침전지 운전율을 90% 이상 유지하고, 계면관리 중요성에 대한 인식 부족으로 유입부하의 변동이 그대로 수처리 공정에 영향을 미쳤다. 1차 처리 수질의 변동폭이 크고 생슬러지량이 급증, 공정 운영이 불안정하기에 이르렀다. 이에 대한 조치로 주기적 계면측정 및 계면 목표치 관리를 통한 생슬러지 인발량을 결정하고 조정했다. 또한 2008년 7월 이후 지속적으로 1차 처리수 BOD/SS비를 1 이하로 조절하기 위해 최초 침전지 가동지수를 증감시켰다.

이에 [그림 5]∼[그림 6-2] 및 [표 10]과 같이 생슬러지 인발량은 감소, TS는 상승하는 추세가 지속되어 후속 슬러지 공정의 부하를 감소시키고 효율을 증대시켰다. 이와 함께 최초 침전지 운전율 감소에 따라 슬러지 수집기 가동중지에 따른 전력량 절감을 비롯해 유지관리비용이 감소하고 일부 악취 감소 효과까지 얻을 수 있었다.

▲ [그림 5] 운전율에 따른 생슬러지량 변화 (2007∼2011년)

▲ [표 10] 연도별 생슬러지 현황 (2007∼2011년)

▲ [그림 6-1] 연도별 생슬러지량 및 TS변화 (2007∼2011년)

▲ [그림 6-2] 2011년 월별 생슬러지량 및 계면현황

BOD/SS비 조절로 포기조 침강성 개선
일반적으로 하절기는 1차 처리수 BOD/SS비가 1이하로 유지되나 동절기는 유입하수의 SS는 낮고 BOD는 높아지는 경향으로 인해 1차 처리수 BOD/SS비가 2에 가깝게 높아진다. 아울러 동절기 1차 처리수 BOD/SS비 상승과 수온 저하로 인해 포기조 미생물 상태가 불량하고, SVI 상승이 지속된다. 최종 침전지에서 슬러지 침강성이 불량해져 방류수질도 악화된다.

최초 침전지에서 SS 제거율이 높아지면 반응조 유입수의 BOD/SS비가 상승해 벌킹의 원인이 되기도 하고 활성슬러지의 SVI가 높게 되어 처리수질을 악화시킬 수도 있다. 침전시간을 길게 할수록 SS 제거 효율은 높아지는 반면, 시간이 너무 길면 침전지의 크기가 커지는데 비해 효율이 별로 증가하지 않고 침전된 슬러지가 부패해 오히려 수질악화를 초래하는 경우가 생긴다.

▲ [그림 7-1] 최초 침전지 가동지수에 따른 1차 처리수 BOD/SS 변화 (2008.5.1∼7.31)

▲ [그림 7-2] 최초 침전지 가동지수에 따른 포기조 SVI (2008.5.1∼7.31)

▲ [표 11] 2008년 5∼7월 최초 침전지 운영결과

▲ [그림 8-1] 최초 침전지 운전율과 1차 처리수 BOD/SS 변화 (2007.8~2009.7 2년간 월별 변화)

▲ [그림 8-2] 1차 처리수 BOD/SS에 따른 포기조 SVI 변화 (2007.8~2009.7 2년간 월별 변화)

이를 해결코자 ㈜탄천환경은 2008년 5월부터 7월까지 단기 분석을 통해 [그림 7-1], [그림 7-2]와 같이 운전율 증감에 따른 BOD/SS비와 효과를 파악하고 7월부터 최초 침전지 탄력운전을 지속적으로 적용했다. [표 11]과 같이 2008년 5∼7월 운전율 83%에서 51%로 감소 운영한 결과, 1차 처리수 BOD/SS비 15%, 포기조 SVI 37%가 감소되는 효과가 나타났다.

2008년 7월 이후 지속적인 운전율 적용 후 2년간 운영결과, 월별 BOD/SS비 변동폭이 크게 감소해 연중 일정하게 유지됐으며, 1차 처리수 BOD/SS비가 감소함에 따라 포기조 침강성 감소 추세도 [그림 8-1], [그림 8-2]와 같이 재확인 할 수 있었다.

2008년 7월 이후 현재까지 지속적으로 최초 침전지의 운전율 관리를 통해 5∼6월 평균자료를 살펴보면 포기조 SVI는 지속적으로 감소하고, [표 12]와 같이 방류수 BOD도 감소한 것을 확인할 수 있다. 특히 2011년은 고도처리공법 전환 및 MDF 가동으로 수질이 크게 감소했다.

▲ [표 12] 5∼6월 최초 침전지 가변운전 효과

방류수질 향상·하수처리효율 증대
㈜탄천환경은 2008년부터 자체 연구사업으로 포기조 미생물상태를 최적상태로 전환시키고 이에 따라 생물학적 제거율을 향상시키는‘포기조 미생물상 데이터화에 의한 연구’를 진행했다.

▲ 포기조 미생물 상태를 최적화 유지방안을 마련했다.

포기조 내 미생물 상태를 직접 파악하고 미생물 상태를 플럭상태, 사상균, 섬모군집, 유동성미생물, 후생동물 등 5 항목으로 설정했다. 이를 수치화하고 주요 운영인자로 활용해 하수처리장에 적용함으로써 포기조 미생물 상태를 불량에서 양호구간으로, 양호구간에서 최적상태로 전환했다. 포기조 SVI(침강성) 개선, 방류수질 향상, 하수처리효율 증대를 목적으로 한 수처리 관리공법이다.

특히 이 공법은 포기조 미생물 상태 양호화 방안을 세분화하여 1차 처리수 BOD/SS비를 1 이하로, 송풍비(송풍량/유입하수량)와 SRT(고형물체류시간), MLSS(포기조 내 미생물) 농도를 조절하고 반류수 운영을 억제했다.

최초 침전지의 운전율 증감으로 1차 처리수 BOD/SS비를 1 이하로 조절해 포기조로 공급하면 포기조 내 미생물, 특히 플럭상태 및 사상균이 양호구간으로 전환됐다. 또한 적용 전에 비해 포기조 침강성(SVI)이 개선되고 하수처리 효율은 향상되는 효과를 얻었다.‘포기조 미생물상 데이터화에 의한 수처리 방법’은 2008년 12월 ‘특허 제10-0932710호’로 특허를 획득, 탄천물재생센터는 이를 토대로 수처리 공정 운영을 지속하고 있다.