[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2008년 12월호 특집 기사]

 

 

고도처리 저해요인인 만성적 유입 저부하 문제 해결 위해 소화상등수 재활용
슬러지 탈질율 증가인발량 크게 감소
실험결과 소화상등수 대체 외부탄소원으로서 가능성 확인

▲ 석미정 / 대구시 달서천 하수처리장

달서천 하수처리장은 1987년 대구광역시에서 최초로 건립된 하수처리장이다. 1994년 2차 준공과 더불어 2002년 6월 국내 최대 오존처리시설 등이 도입된 고도처리시설공사를 완공했다.

하수처리장 총 시설용량은 40만 톤이고, 유입원에 따라 생활계 25만 톤 시설과, 공단계 15만톤 시설로 분리해 운영하고 있다. 생활계열로 명명되어 있지만 순수 생활하수인 달서천과 이현천 이외에 화학적 및 생물학적처리를 거친 염색 2차 폐수처리장 처리수가 유입되고 있으며, 방천리 위생매립장 침출수를 연계처리하고 있는 등 고도처리시설 2단계로 예정됐던 수계분리시설 설치가 아직 이행되지 않고 있다.

이런 관계로 공단계 오·폐수가 완전분류화가 되지 않고 있으며, 현재 공단계 유입수 약 25％정도가 생활계로 혼합 유입되고 있다. ‘C/N(탄소원/질소)비’란 질소에 비해 유기물의 농도가 충분한지 부족한지를 나타내는 비율로서, 즉 질소제거효율을 말한다.

생물학적 고도처리의 경우, 호기조 내에서 질산화로 생성된 질산염을 무산소조 내에서 완전 탈질시키기 위해서는 이용가능한 탄소원이 충분히 공급(C/N비가 4∼5 이상)돼야 하나 우리나라 대부분의 하수처리장과 마찬가지로 달서천 하수처리장의 경우도 유입수 C/N비가 낮아 탈질을 위한 외부탄소원의 추가공급을 필요로 하고 있는 실정이다.

평상시에도 화학적 및 생물학적 처리를 모두 거친 염색 폐수처리장 처리수와 인근 공단 오폐수, 매립장 침출수(C/N비 0.13) 등으로 인해 생물반응조 유입수 C/N비가 2.8 이하를 나타내고 있어 충분한 탈질을 위한 탄소원이 부족한 상황이다.

특히, 우수기에는 하수처리장 유입수 내 유기물 농도는 저하하는데 비해 침출수 발생량의 증가로 인한 유입 T-N(총질소) 부하량은 증가하기 때문에 질소 제거를 위한 외부 탄소원의 투입이 절실히 요구되고 있다.

이에 2005년 현장실험 이후 2006년부터 강우기 침출수발생량이 증가하는 시기에 외부탄소원인 메탄올을 투입하고 있으나, 메탄올은 전량 수입에 의존하여 가격변동이 심할 뿐 아니라 비용이 고가이므로 최소한의 양만 투입하고 있는 실정이다. 이를 위해 현재 생물반응조 유입수내 C/N비를 증대하기 위한 방안을 다각도로 모색하고 있는 중이다.

또한, 혐기조로 유입되고 있는 반송슬러지 내 NO3-N(질산성질소)농도가 높아서 혐기조 내 혐기조건 유지가 어려울 뿐 아니라, 인(P) 방출을 하는데 저해요인이 되고 있어 인 방출을 위한 혐기조건 유지를 위해 최대한 반송슬러지 내 NO3-N를 저감할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

▲ 대구시 환경시설공단은 하수 고도처리에 있어서 저해용인으로 작용하는 만성적인 유입 저부하 문제를 해결하기 위해 달서천 하수처리장(사진)에 하수처리 시 발생하는 부산물인 소화상등수를 재활용, 슬러지 탈질율은 증가한 반면, 인발량은 크게 감소하는 효과를 얻었다.

최근 고도처리를 시행하고 있는 하수처리장이 증가하면서 외부탄소원 비용부담을 줄이기 위해 다양한 대체 탄소원에 대한 현장 적용연구가 수행되고 있다. 그 중에서도 특히 하수슬러지의 경우, 혐기성 소화단계 중 산발효단계만을 분리해 고온 가수분해 후 생성되는 휘발성 지방산과 용존성 유기물의 외부탄소원으로서의 활용가능성이 제안됐고, 초기투자 및 유지관리비를 포함한 다양한 폐자원의 재활용가능성 평가연구 중 전체적인 경제성 평가에서 하수슬러지 소화액의 이용이 다소 경제적인 것으로 조사됐다.

이에 이 연구는 생물반응조 유입수 내 C/N비를 증대하기 위한 방안의 일환으로서 기존에 침사지로 리턴되고 있던 소화상등수를 대체 외부탄소원으로 활용코자 했다. 특히, 이를 생활계열 반송슬러지 집수정으로 직접 투입함으로써 혐기조 및 무산소조의 NO3-N 부하를 가중시키던 반송슬러지 내 질산성질소의 탈질 유도로 반송슬러지 내 NO3-N 저감과 더불어, 처리수질 개선 방안 도출 등 계내 부산물인 소화상등수를 대체 외부탄소원으로서 재활용이 가능한지에 대해 조사하고자 했다.

 

1. 실험방법

이 연구에서 사용한 대체 외부탄소원은 생활계열 소화조에서 월류되는 소화상등수를 사용했으며 그 성상은 [표 1]과 같다.

[표 1] 소화상등수 성상

구 분	BOD	SS	T-N	T-P	비 고
소화상등수	4,359 (2,228~6,510)	17,245 (9,500~21,200)	2,192 (1,262~2,892)	367 (194~466)	상등수량 : 50~250㎥/일 (‘07. 1~5월)

실험기간 중 소화상등수는 C/N비 약 2.0으로서 타 외부탄소원보다는 농도가 낮은 편이지만 하수처리공정 중 발생하는 부산물의 재활용이라는 측면에서 그 의의가 크고, 고가의 외부탄소원 사용량을 절감할 수 있을 것으로 판단됐다.

[그림 1]은 현장적용을 위한 공정개략도이다. 우선, 반송슬러지를 대상으로 실험실에서 회분식으로 외부탄소원(메탄올, 소화상등수) 투입유무 및 교반시간 경과에 따른 NO3-N 변화에 대한 기초실험을 실시한 후 그 결과를 토대로 [그림 2]에서 보이는 것과 같이 소화조에서 생활계열 반송슬러지 집수정까지 임시배관을 설치하여 침사지로 리턴되던 소화상등수를 생활계열 반송슬러지 집수정으로 투입시켜 현장적용 실험을 실시했다.

소화상등수 하루 200톤 투입시 질산성질소 탈질율 10.3% 증가
반송슬러지 집수정 투입 소화상등수 슬러지 하루 16.1톤 절감

 

2. 실험결과

■ 기초실험결과

[표 2]는 반송슬러지를 대상으로 외부탄소원 투입유무 및 교반시간에 따른 NO3-N 변화를 분석한 결과이다.

[표 2] 교반시간에 따른 질산성질소(NO3-N)의 변화

구 분	투입비율	교반시간(min)			비 고
		0	60	90
반송슬러지:초침수	1:1 (반송률50%설정)	4.400	0.960	0.320	메탄올 250배 희석후 사용
반송슬러지:초침수:소화상등수	1:1:0.005	4.300	0.210	0.170
반송슬러지:초침수:메탄올	1:1:0.005	4.400	0.200	0.180

현장 혐기조내 여건에 맞춰 반송률을 50％로 설정하여 반송슬러지와 초침수의 비율을 1：1로 혼합하여 통제했으며, 외부탄소원으로서 메탄올 및 소화상등수를 투입해 탈질정도를 비교했다.

실험은 실험실에서 회분식으로 실시했으며, 메탄올은 소화상등수를 투입해 탈질 정도를 비교했다. 60분 교반시 탈질율은 외부탄소원을 투입하지 않은 경우(반송슬러지：초침수)는 78.1％로 나타났으나 소화상등수를 외부탄소원으로 투입한 경우는 95.1％, 메탄올을 외부탄소원으로 투입한 경우는 95.4％로 나타나 외부탄소원을 투입한 경우가 투입하지 않은 경우에 비해 탈질율이 17％ 증가하는 것으로 확인됐다.

기초실험결과에서 나타난 결과를 토대로 생활1계열 반송슬러지 집수정으로 소화상등수를 투입한 후 반송슬러지와 생물반응조 공정별 영양염류인 NH4+-N(암모니아질소), NO3-N(질산성질소) 농도 변화와 더불어 유입 및 처리수질을 조사했다.

현장적용실험은 약 6개월간 진행됐으며 실험기간동안 생활계열 반송슬러지량은 약 3만1천269톤/일이었고, 소화상등수는 50톤/일부터 투입을 시작한 후 처리수질변화를 지켜보면서 서서히 증량하여 200톤/일로 고정투입했으며, 소화상등수의 투입 시기와 미투입 시기로 나눠 결과를 비교 분석했다.

① 소화상등수 투입유무에 따른 반송슬러지 내 NO3-N 변화(#태명조) [표 3]은 소화상등수 투입에 따른 생물반응조 공정별 영양염류(NH4+-N, NO3-N)를 분석한 결과이다. 호기조 유출 NH4+-N는 소화조 상등수 투입시기에는 0.385㎎/L, 미투입시기에는 0.210㎎/L, 질산화율은 소화조 상등수 투입 시기가 96.8％, 미투입 시기가 98.0％로서 소화상등수 자체의 질소성분에 의해 질소부하량이 증가했으나 모든 기간에서 질산화율은 양호하게 나타났다.

[표 3] 소화상등수투입에 따른 영양염류(NH4+-N, NO3-N)의 변화 (단위：㎎/L)

구 분			소화상등수투입	소화상등수非투입	비 고
NH4+-N (㎎/ℓ)	무산소조유출		11.921	10.624
	호기조유출		0.385	0.210
		질산화율(%)	96.8	98.0
NO3-N (㎎/ℓ)	호기조		13.429	13.040	탈질율 10.3% 증가
	반송슬러지 (혐기조유입)		10.224	11.267
		탈질율(%)	23.9	13.6
	혐기조 유출		2.877	3.383

한편, 소화상등수 투입 시기의 호기조 내 NO3-N는 13.429㎎/L, 반송슬러지 내 NO3-N는 10.224㎎/L였고 미투입 시기는 호기조내 NO3-N 13.040㎎/L, 반송슬러지 내 NO3-N 11.267㎎/L으로써 소화상등수 투입 시기가 미투입 시기보다 반송슬러지 내 NO3-N가 더 낮게 나타나 탈질율이 103％ 증가했다.

이로 인해 혐기조 유출 NO3-N도 투입시기가 2.877㎎/L, 미투입 시기가 3.383㎎/L으로서 투입 시기가 조금 더 개선된 것으로 나타났으나 혐기조 내 효과적인 인방출을 유도하기에는 여전히 미흡한 상태임을 알 수 있다.

소화상등수의 투입으로 추가 탈질되는 1.432㎎/L을 외부탄소원을 투입하여 탈질시킬 경우로 가정하여 메탄올 요구량을 산정한 결과를 [표 4]에 제시했다. 소화상등수 투입에 의한 반송슬러지 내 NO3-N 저감량을 메탄올에 의한 것으로 환산 시 메탄올 0.17톤/일 투입하는 것과 동일한 효과로 산출됐다.

[표 4] 소화상등수 투입으로 추가 탈질되는 질소분에 대한 메탄올투입 환산량

구 분	추가탈질되는 NO3-N(㎎/ℓ)	반송슬러지량 (㎥/일)	제거질소량 (kg/d)	메탄올요구량 (ton/일)	비 고
소화상등수 투 입	1.432	31,269	44.78	0.17	C/N비 3적용시

② 소화상등수 투입유무에 따른 수질변화(#태명조) [표 5]와 같이 실험기간 동안 수질 변화를 살펴보면, 소화상등수 투입시기에는 소화상등수에 의한 소내 반류수 부하가 감소되는 결과를 가져와서 유입수질은 전반적으로 낮게 나타났다.

그러나 유입부하의 감소분이 계외로 완전 사라지는 것이 아니라 생물반응조로 직투입한 것으로 경로만 변경됐기 때문에 생물반응조가 받는 실질적인 유입부하는 증가할 것으로 예측된다.

따라서 종침수질의 증가가 우려됐으나, 소화상등수 미투입 시기와 비교시 소화상등수 투입기간 중 침출수 유입량의 증가(503톤→ 637톤)에도 불구하고 종침 및 방류수 수질 중 BOD, T-P는 감소했고, T-N은 소폭 증가한 것으로 나타났다.

그러나 침출수의 질소부하량을 감안했을 때 질소 소화상등수의 계내 재활용이 질소제거율면에서도 효율적인 것으로 판단됐다.

③ 소화상등수 계내 재활용에 따른 케이크 절감량(#태명조) 하수처리장 유입수 여건에 따른 만성적인 유입 저부하 문제를 해결하기 위한 방안의 일환으로써 계내 부산물인 소화상등수를 재활용하여 반송슬러지 내 NO3-N 저감으로 처리수질(T-N)을 개선하고자 현장적용 실험을 실시했다.

그러나 결과적으로 침사지로 걸리는 소내 반류수 부하 감소로 인해 초침 슬러지 인(P)발량 감소와 더불어 실험에 사용한 소화상등수량이 증가함에 따라 소화슬러지 인발량이 감소됨으로써 최종적으로 배출 케이크량이 감소되는 부수적인 효과까지 얻게 됐다.

[표 6] 소화상등수 계내 재활용에 따른 케이크 절감량


3. 현장적용시 외부탄소원 및 케이크 처리 절감비용

앞에서 확인된 바와 같이 소화상등수를 반송슬러지 내 NO3-N 저감을 위한 대체 외부탄소원으로 재활용했을 시, 처리효율 개선측면에서도 미투입 시기와 비교해 오히려 효과가 있는 것으로 나타났다.

그러나 미생물 활성도가 저하되는 동절기에는 질산화율 감소로 인한 처리수질(T-P)의 증가가 다소 우려되므로 현장적용은 동절기를 제외한 유입 저부하 시기인 6∼9월 우수기에 시행시 소화상등수 재활용 효과를 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.

따라서, 우수기의 4개월간 시행 시 소화상등수 200톤/일의 재활용은 외부탄소원 0.17톤/일을 대체할 수 있다. 지난해 메탄올 계약단가 톤당 31만6천800원 적용 시, 연간 646만3천 원의 외부탄소원 투입비용이 절감이 가능하다.
또한, 부수적으로 발생하는 케이크 절감량은 약 16.1톤/일이며, 지난해 슬러지 처리비 단가가 톤당 5만1천560원 적용 시 연간 9천958만4천 원을 절감할 수 있다. 이에 따라, 총 예산절감액은 약 1억604만7천 원으로 산출됐다.

 

4. 결론

고도처리에 있어서 저해요인으로 작용하는 만성적인 유입 저부하 문제를 해결키 위한 방안의 하나로 계내 부산물인 소화상등수를 재활용하고자 현장적용실험을 실시했으며, 다음과 같은 결과를 도출했다.

첫째, 현장 생물반응조 혐기조와 동일한 조건으로 실시한 실험실 내 회분식 실험결과, 반송슬러지 내 탈질율은 외부탄소원을 투입하지 않은 경우(반송슬러지：초침수)는 78.1％로 나타났다.

그러나 소화상등수를 외부탄소원으로 투입한 경우는 95.1％, 메탄올을 외부탄소원으로 투입한 경우는 95.4％로 나타나 외부탄소원을 투입한 경우가 투입하지 않은 경우에 비해 탈질율이 약 17％정도 증가하는 것으로 확인돼 소화상등수의 대체 외부탄소원으로서의 가능성을 확인했다.

둘째, 현장적용 실험결과, 소화상등수 200톤/일 투입시 반송슬러지 내 NO3-N 탈질율은 10.3％ 증가하는 것으로 나타났다. 이는 메탄올로 환산하는 경우 0.17톤/일 투입과 같은 효과이다.

셋째, 소화상등수를 반송슬러지 내 NO3-N 저감을 위한 대체 외부탄소원으로 재활용 시 실험기간 침출수 유입량이 증가했음을 감안했을 때, 종침 및 방류수질 측면에서도 미투입 시기와 비교해 오히려 개선효과가 있는 것으로 나타났다.

넷째, 반송슬러지 집수정 내로의 소화상등수 투입은 침사지로 걸리는 소내 반류수 부하를 줄이게 했다. 이로써 초침슬러지 인발량과 더불어 소화슬러지 인발량까지 감소시켜 결과적으로 배출케이크량이 감소되는 부수적인 효과를 획득하게 됐다.

결과적으로 실험기간 중 반송슬러지 집수정으로 투입한 소화상등수 내 고형물량으로 케이크량을 환산할 경우 케이크 절감량은 약 16.1톤/일로 산출됐다.

공동연구자= 장성태·석종길·김미현(대구시 환경시설공단 달서천 하수처리장)

 

[참고문헌]
1. 전성규 등(2006), “신호하수처리장의 운전방식 변경과 초산계대체탄소원 현장 적용성 평갚, 상하수도 업무개선사례 발표회
2. Alleman, J. E. an