[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2007년 10월호 특집 기사]

 

 

총량오염제 적용지역 하수처리장 최적화 운전
간헐폭기방식을 과학적으로 향상시킨 기술…운전비 감소·수질향상 도모
모델 예측값 이용 공정 최적운전 모드 찾아줘…환경신기술 인증·검증 획득

▲ 진서형 소장(효성에바라엔지니어링(주)) 기술연구소

지난해 현재 우리나라의 하수처리는 296개의 하수종말처리장과 1천400여 개의 소규모 하수처리시설에서 이루어지고 있다. 이중 약 50%의 하수종말처리장에서 고도처리가 도입되거나 시공 중에 있다.

그러나 많은 하수처리장에서 유량이나 유입수의 성상 변화 등의 이유로 적정한 처리수질의 확보가 어려운 실정이다. 그러므로 모델 등을 이용해 유입수 성상이나 유량변화에도 유출수의 성상을 일정한 수준으로 최적화한 운전기법이 필요하다.

유럽이나 미국의 경우 IWA에서 제시된 ASM 모델 및 그 변형모델 등을 사용한 하수처리장 최적화 운전기법이 적용되고 있는 곳이 있기도 하나 full model의 적용으로 계산상의 복잡성 및 운전이 전문가에 의해서만 가능해 실 플랜트 적용에 어려움이 있다.

우리나라의 경우 기존 수질데이터를 바탕으로 한 데이터 중심의 기법들이 일부 선보인 것이 전부이며, 운전의 합리성이나 최적화운전에 대한 명확한 근거 제시는 어려운 상황이다. 하수에서 질소제거는 외부 탄소원을 공급하거나 앞단의 무산소 탱크로 반송되어진 질산화된 혼합액으로 단일 활성슬러지 시스템에 변화를 주는 질산화와 탈질의 분리된 단계에 의해 쉽게 이루어질 수 있다.

공간적으로 구분되어지는 조건들은 호기조건에서의 질산화와 무산소조건의 탈질에 대해 적당한 환경을 줄 수 있으나, 이는 높은 내부 반송율에 대한 전력비의 부담 및 생물학적 반응을 위해 필요한 반응조의 부피에 대한 어려움을 갖게 되고 이는 기존 시설에 적용시킬 경우에는 매우 어려운 제한인자로 반영되게 된다.

▲ 하수처리 최적화 운전기법(HUB-NⅡ)을 이용한 하수처리공정.

앞서 말한 공간 중심적인 프로세스에 대비해 SBR이나 AAA(Alternative Anaerobic Aerobic)같은 시간 중심적인 프로세스는 실 플랜트에 쉽게 질소제거가 적용 가능하다는 장점이 있다. 특히, AAA 프로세스는 활성슬러지 시스템의 공기를 주입/미주입의 간단한 조작으로 70∼90%의 질소제거효율을 만들 수 있어 효용성이 뛰어나다.

우리나라와 같이 계절별 기온차가 심하고 유입수질 변동이 큰 지역에서 최적화된 처리장 운영과 안정적인 처리수질 확보를 위해 본 연구에서는 간략화시킨 ASM2d 모델을 적용해 현장에 맞는 모델의 개발과 최적화기법을 적용시켜 폭기·비폭기 주기를 유입수 성상에 따라 결정이 가능하게 하였다.

이는 충격부하 등 안정적이지 못한 상황에서도 능동적인 대처가 가능할 뿐 아니라, 경험에 의한 간헐 포기 주기결정 방식과 비교해서 운전비 감소 및 유출수질을 보증할 수 있게 하였다. 또한 호기조에 로프형 미생물접촉재를 이용함으로써, 생물량을 증가시켜 안정적인 처리수질 확보 및 내생탈질에 기인하는 동시에 질산화·탈질이 가능해져 저부하인 국내의 하수조건에서도 높은 질소제거 효율을 유도할 수 있게 하였다.

■ 기술 개요 혐기조, 완충조, 호환조, 호기조로 구성된 하수처리 공정에서 선형화된 모델과 이를 이용한 최적화기법을 통해 전체 시스템의 폭기/비폭기 시간을 유입수의 일변화에 대응하도록 조정함으로써 질산화 및 탈질에 필요한 호환조의 폭기/비폭기 주기를 제어하고 유출수의 수질을 예측하는 기술이다.

본 기술은 IWA에서 제안한 ASM2d를 선형화한 모델을 간략화해 단순 1차 연립 미분 방정식으로 전환·이용해 호환조의 폭기/비폭기 주기를 유입수, 유출수의 성상에 따라 유출수의 질소 및 인 농도를 예측할 수 있게 하였다.

이를 통해 대부분의 암모니아와 질산염이 혐기조와 호환조에서 제거되고, Media가 충진된 호기조에서는 잔류 암모니아와 질산염을 제거함으로써 짧은 HRT에도 높은 질소 제거 효율을 도모할 수 있도록 하였다.

▲ HUB-NⅡ 프로세스는 현장도입 시 비잔문가에 의한 운전 및 원격제어가 가능한 것은 물론 기존 STP 적용에도 용이하다.

특히 호기조에 침지한 미생물 접촉재(BCPLUS)를 통해서 반응조 내의 미생물량을 증가시키고, 생물막에서의 제한적 산소 확산에 의해 생물막 내부에 무산소 영역이 발생됨으로써 호기조에서 내생 탈질에 기반을 둔 동시 질산화·탈질을 기대할 수 있다. 또한 혐기조에서는 인산염의 방출을 유도시키고 호환조 및 호기조에서는 인산염의 과잉섭취를 유도함으로써 높은 인 제거 효율을 기대할 수 있다.

본 기술의 특징은 ASM2d를 기반으로 개발된 모델을 이용해 HUB-N Ⅱ공정의 유출수 수질을 예측하며, 모델 시뮬레이션(Simulation)을 통한 예측을 기반으로 제시된 호환조의 폭기/비폭기 주기를 제어해 전력비 절감과 유출수의 수준을 조절할 수 있다.

아울러 유출수의 영양염류(T-N, T-P)의 농도를 예측하고 호환조의 폭기/비폭기 제어에 따른 능동적인 제어가 가능함에 따라, 미리 설정한 값에 근접한 방류수질의 확보가 가능해 수질오염총량제의 도입에 따른 처리장 유출 오염부하 총량을 만족시킬 수 있는 하수처리공정의 최적화 운전기술이다.

 

■ 공정구성 신기술 검증은 서울시 강서구 서남물재생센터에 설치된 50㎥/일 용량의 pilot plant에서 실시하였다. 반응조의 구성은 혐기조, 완충조, 호환조, 호기조로 구성되어 있으며 고액분리를 위한 침전조를 후단에 설치하였다.

유입수는 하수처리장의 침사지 후단의 원수를 사용했고, 유입 저장탱크에 임시 저류시켜 정유량으로 반응조에 투입하였다. 수리학적 체류시간은 5.5시간이며, 호기조에 충진된 로프형 미생물 접촉재의 충진률은 호기조 부피의 4.18%이였다.

호환조의 DO(용존산소) 농도는 폭기주기에는 2㎎/L를 유지할 수 있도록 송풍기를 인버터 기동을 했고, 호기조의 DO 농도는 2∼4㎎/L를 유지할 수 있도록 밸브 조절하였다. 혐기조 및 호환조의 비폭기 주기 시에는 교반기에 의한 혼합이 이루어졌으며, 완충조는 호환조의 폭기 시 혐기조로의 DO 침입을 방지하는 중간시설로 체류시간이 짧아(30분) 벽체 폭이 적어 소형 수중펌프를 설치해 교반을 실시하였다.

Optimizer를 실행하기 위한 기본 측정항목인 유입 NH4+, 유출 NH4+, 유출 NO3-, 유입 PO43-, 유출 PO43-, 유입 CODcr, 유입 SCODcr, 유출 CODcr 등은 매일 분석을 실시했고 MLSS는 현장계측기를 이용해 측정하였다. 모든 수질분석은 수질오염공정시험법(KSM) 및 standard methods 절차를 따라 실시하였다. HUB-N Ⅱ의 공정도는 [그림 1]과 같다.

 

한편, 연구에 적용된 기본 개념인 기존 ASM2d 모델은 46개의 변수 및 21개의 반응식으로 구성되어 적용하기에 많은 어려움이 있는바, 본 기술에서는 이를 10개의 J변수 및 17개의 반응식으로 선형화 및 간략화 하여 현장 적용 시 간편하게 적용할 기술을 개발하고자 하였다.

 

■ 신기술 검증 신기술이라 함은 △신규성 △진보성(기술의 성능) △타당성(현장적용성) 등을 충족시켜야 한다. 이 기술은 혐기조, 완충조, 호환조, 호기조로 구성된 하수처리공정에서 전일 자료를 선형화된 모델에 적용해 호환조의 폭기/비폭기의 주기를 제어하고 유출수 수질을 예측할 수 새로운 방식으로 신규성의 요건을 갖췄다.

또한 호환조의 폭기/비폭기 주기의 자동 결정을 통해 유입수의 성상 변화에 대한 유연한 대응이 가능하고, 유출수 수질에 대한 운영자 제어가 및 유출수 수질규제 강화에 능동적으로 대처하는 등 모델의 예측 값을 이용해 공정의 최적 운전 모드를 찾아주는 optimization 기술로 진보성을 가지고 있다.

아울러 유입수의 성상에 따라 호환조의 호기/무산소 주기를 선택적으로 운전하고, 미생물 접촉재에 의해 현장적용이 가능하는 등 하수처리장의 간단한 개조로 적용할 수 있어 타당성의 요건을 갖추었다.

즉, HUB-N(Ⅱ) 공정은 혐기조, 완충조, 호환조, 호기조로 구분하고 호기조에는 미생물 접촉재(BCPLUS)를 충진하며, 호환조는 폭기와 비폭기를 간헐적으로 시행해 질산화에 필요한 호기조건과 탈질에 필요한 무산소 조건을 만들었다.

또한 폭기와 비폭기 운전시간을 모델링 예측 기반 최적화기법을 이용해 결정함으로써 전체 시스템의 폭기/비폭기 시간을 유입수의 일변화에 대응·조정해 항시 유출수 수질 기준을 만족하게 하는 기술이다.

특히 유입수 성상에 따라 호환조의 폭기시간이 조절되기 때문에 하수처리장의 운영비 절감을 도모할 수 있다. 이제까지 경험에 의해서 폭기주기를 결정하던 간헐 폭기방식을 과학적으로 향상시켜 운전비 감소 및 수질향상을 도모하는 기술이다.

신기술검증기간(2006년 1∼6월) 중 pilot plant의 오염물질 평균 처리효율은 BOD 92.7%, CODMn 79.2%, SS 95.7%, T-N 75.2%, T-P 73.2%로 각각 나타났다.

또 ASM2d 모델을 간략화한 모델의 신뢰도 측정을 위해 Track study를 통한 실측치와 이를 바탕으로 만들어진 모델에 의한 예측치와의 RSD(Relative Standard Deviation : 상대표준편차)를 계산하고 이를 선형화시켰을 때의 R2(결정계수)값을 이용해 신뢰도를 판단하였다.

Track Study를 하기 전 Lab Test를 통해 실측치와 모델의 접근성을 우선적으로 검증한바 [그림 2]와 같이 매우 유사하게 나타났으며, 이를 이용한 기본 인자 값을 바탕으로 Track Study를 현장에서 실시하였다.

Track Study는 호환조에서 폭기시간(호기조건)과 비폭기시간(무산소조건)의 2cycle 동안 30분 간격으로 NH4+-N, NO3-N, NO2-N, PO4-P에 대해 6차에(2006년 1월18일, 2월15일, 3월7일, 4월6일, 5월2일, 6월20일) 걸쳐 농도변화를 측정했으며, 이를 바탕으로 모델 보정을 실시하였다.

Track study의 결과를 이용한 모델의 예상R2 결과에서 오염물질별 RSD 결과는 Track study의 실측값에 대한 RSD(%)와 같이 NH4+-N 4.9∼11.0%(평균 7.6%), NOx-N 6.0∼24.0%(평균 11.2%), PO43--P 1.9∼10.4%(평균 6.2%)로 나타났으며, R2는 NH4+-N는 0.87∼0.93(평균 0.91), NOx-N는 0.91∼0.98(평균 0.95), PO43--P는 0.85∼0.99(평균 0.91)로 나타났다.

아울러, 선형화된 모델을 이용해 호환조의 폭기/비폭기의 주기제어 시 유출수(NH4+-N)의 목표치 접근성 측정하였다. 호환조의 폭기/비폭기 주기제어는 모델에 의해 결정된 Optimizer를 실행시킨 후 결과 값을 적용 실시하였다. 평가기간 중 유출수 NH4+-N의 농도는 1∼2월은 4㎎/L, 3∼4월은 1.5㎎/L, 5∼6월은 1㎎/L로 설정하였다.

[그림 4]에서와 같이 1∼2월의 유출수 NH4+-N의 평균값은 4.44㎎/L이였으며, 설정값과의 오차는 0.44㎎/L(11%)로 나타났다. 3∼4월의 유출수 NH4+-N의 평균값은 1.17㎎/L이였고, 설정값과의 오차는 0.33㎎/L(22%)로 나타났다. 5∼6월의 경우 유출수 NH4+-N의 평균값은 1.14㎎/L이였으며, 설정값과의 오차는 0.14㎎/L(14%)로 나타났다.

■ 경제성 경제성 평가에 있어서 초기투자비에 대해서는 신청자가 제시한 자료를 나타냈으며, 현장에서 계량 및 계측으로 확인이 가능한 전력사용량(㎾h/㎥)을 나타내어 유지관리비 산출을 위한 자료로 활용할 수 있도록 하였다.

처리장 시설 설치비 등 초기투자비는 산정단계, 산정시기 그리고 비용곡선을 일반화시키는 과정 등에 따라 차이가 있다. 본 기술은 신기술 검증기간 동안 운전한 Pilot Plant 규모의 처리시설을 기준을 산정하였다.
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본 공정의 전력사용량은 현장에 설치되어 있는 적산전력계를 이용해 원단위(㎾h/㎥)로 산정 하였다. 조사된 전력사용량은 시설이 Pilot 시설인 관계로 사무실, 침사지 내 유입펌프, 보온설비 등의 사용량은 제외된 순수 평가설비에 대한 전력사용량이다.

Pilot plant에서 폐기되는 잉여슬러지의 인발은 최종침전지의 반송라인에서 인발토록 되어 있다. 최종침전지 슬러지 인발은 반송슬러지 배관에서 일정시간 마다 잉여슬러지를 인발하였다.
슬러지 발생량은 유량계에 의해 조사했으며 조사결과 단위처리량 당 슬러지 발생량은 최고 0.19㎏-DS/㎥, 최저 0.04㎏-DS/㎥, 평균 0.11㎏-DS/㎥로 나타났고, BOD 제거량당 슬러지 발생량은 최고 2.42㎏-DS/㎏-BODR, 최저 0.22㎏-DS/㎏-BODR, 평균 0.96㎏-DS/㎏-BODR로 나타났다.

본 연구결과 pilot plant 규모의 하수처리에 대해 간략화된 ASM2d 모델의 적용 및 최적화 운전결과는 모델의 신뢰도 및 오차율 평가결과 효과적인 것으로 나타났다. 모델의 신뢰도 평가에서 실제 반응조 상태와 비교한 결과는 오차율 10% 정도로 나타났으며, 유출수의 예상수질과의 오차율도 평균 15%로 나타났다. 신기술 검증기간 중 방류수 농도도 법적 방류수 수질기준을 만족하였다.

[그림 7] BOD 처리효율

[그림 8] COD 처리효율

[그림 11] T-P 처리효율

본 연구를 통해 앞으로 2차 처리 중인 하수처리장의 고도처리 개선 및 현재 고도처리 운전 중 향후 본 기술을 통해 처리장의 개선을 실시할 경우 총량오염제 적용지역에서 처리장의 최적화운전이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 최적의 폭기 시간조절을 통해 전력비 등을 절감함으로써 운영비 절감에 크게 기여할 것으로 기대되는 바이다.