[출처= 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2005년 12월호 특집 기사]

 

 

잉여슬러지 총량 현저히 줄이는 사전 감량화 기술

 

▲ 김만수박사 / 대양바이오테크(주) 환경기술연구소

런던협약(폐기물 및 기타 물질의 투기에 의한 해양 오염 방지에 관한 협약) 의정서가 발효되면 해양투기가 광범위하게 규제될 것이며, 하수슬러지도 예외일 수 없을 것이다.

하수종말처리장 운영비를 크게 분류하면 인건비, 전력비, 수선비, 슬러지 처리비가 주된 요소이다. 특히 슬러지 처리비는 운영비 측면에서의 부담뿐만 아니라 처리장에서 탈수된 슬러지를 단순 운반이 용이한 함수율 조건으로 유지하여 해양에 투기함으로써 오염원을 육상에서 해양으로 옮겨놓는 현 문제는 이제 국제적 이슈로 등장하고 있으며, 우리나라와 같이 상당량을 해양투기에 의존하고 있는 상황 하에서는 슬러지를 감량화하기 위한 연구와 노력이 절실히 요구되는 매우 긴박한 상황이라 하겠다.

따라서, 이러한 여건 하에서 다양한 슬러지 감량화 기술이 요구되고 있으나, 그간 많은 연구자들은 수처리 기술에 중점을 두어온 것이 사실이며, 막대한 시설 투자비가 요구되고 처리시설의 건설까지는 상당한 기간을 요한다. 슬러지 감량화는 공정 내에서 감량화 후 슬러지를 인발하는 사전 감량화 기술과 발생된 슬러지를 기계적 특성 등을 이용해 감량화 시키는 사후 감량화 기술로 구분 할 수 있을 것이다.

무엇보다도 사후 감량화 기술의 개발과 적용보다는 특별한 추가적 설비가 요구되지 않으면서 공정의 운전조건을 개선하는 방식을 통해 슬러지를 감량화 한다면 이보다 더 가치의 효용성이 발휘 될 수는 없을 것이다. 그러한 기술의 하나로 슬러지를 발생원에서부터 원천적으로 감량화 시키는 기술의 현장적용 사례를 소개 하고자 한다.  

본 적용 사례는 5천㎥/ 일 규모의 하수종말처리장에 일평균 3천150㎥/ 일의 하수가 유입되고 있는 연속식 SBR공정으로, 기존의 약품 투입시설(Alum 탱크 및 주입펌프)을 이용하여 VITA99™를 물에 200배 희석하여 SBR 반응조 전단부에 24시간 연속투입 하여 6개월 간 운영 실적이 나타나고 있으며, 실질적인 유지관리비가 절감되고 있는 현장이다.

 

 2.1 감량화 추진 일정

 

 2.2 감량화 평가 내용
본 기술은 하수종말처리장 공정 운영 중 발생하는 잉여슬러지량을 감소시켜 실제 탈수케이크 발생량을 절감시키는 기술로서 이의 기술적 평가 및 경제성 평가를 위해 다음과 같은 검토를 수행하였다.
 ○ 잉여슬러지 발생량 비교
 ○ 비잉여슬러지 발생량 비교
 ○ 방류수 수질 조사
 ○ 경제성 평가(슬러지 처분비)

 2.3 감량화 평가 방법
본 Test는 2005년 6월부터 11월 현재까지 약 6개월 간 3계열(A, B, C)로 구성된 5천 톤 처리장에서 1계열(A)을 대조군으로 2, 3계열(B, C)을 감량화 평가군으로 하여 1계열과 2, 3계열의 슬러지 발생량을 비교하였다. 이 때 감량화 평가에 적용된 약품은 VITA99™를 적용하였으며, 이로 인한 실제 슬러지 감량화율과 처리수 내 유기물 및 영양염류 처리효율 변화를 조사하였다.

 2.4 VITA99™ 소개
생물학적 도시하수 및 산업폐수 처리 시스템에서 잉여슬러지 발생 총량을 현저히 감소시켜 주며, 처리수질의 안정성을 기할 수 있는 첨가물질로서 비타민과 다른 보조물질들을 첨가한 거대분자 탄수화물 등으로 구성되어있다. 또한 <표1>의 VITA99™ 조성은 보는바와 같이 응집제로의 역할을 하는 성분이 없으며, 응집효과를 이용한 약품류가 아니다.

2.5 하수종말처리장 현황
2.5.1 유입 부하량
H하수종말처리장의 유입수량 및 유입수질은 <표2>와 같다. 일처리 용량 5천㎥/ 일 규모 시설에 일평균 3천150㎥/ 일의 하수가 유입되고 있으며, 평균 유입 BOD5 및 T-N농도가 93mg/L 및 29.4mg/L 유입되고 있다.

2.5.2 생물 반응조 운영현황
H하수종말처리장의 반응조 운영현황은 <표3>과 같다. MLSS농도는 평균 4천800mg/L, HRT는 30hr, SRT 39.4일로 운영되고 있으며, 일평균 잉여슬러지 인발량은 75㎥/ 일, 비 잉여슬러지 발생량 1.228kgDS/ kgBOD로 비교적 높은 경향을 보이고 있다.

VITA99™ 주입율은 kg BOD당 3∼3.5mL 주입되나, 적용 하수종말처리장의 수질현황 및 반응조 용량 등을 simulation에 의한 검토 후 적정 약품 주입량과 감량화율을 예측할 수 있다.

1) 주입량 결정
    약품 주입율 : 3.33mL/kgBOD
    유입 부하량 : 293kgBOD/일
                 ∴ 3.33mL/BODkg × 293kgBOD/일 = 975.69mL/3지/일 = 325.23mL/지/일 < BR >
 2) 주입기간 : 2005년 6∼11월 현재(약 6개월 간 투입 중)

 3) 주입방법
H하수종말처리장은 3개의 계열로 분리되어 있으며, 감량화 실험을 위해 1지(A지)는 VITA99™를 주입하지 않고 기존 운전방법을 유지하였으며, 2, 3지에 VITA99™를 주입하여 대조군 A에 비해 B, C지의 감량화율을 평가하였다. 약품주입은 생물반응조 유입수에 정량펌프가 갖추어진 약품주입설비를 설치하고, 일정량씩 주입하였으며, 약품의 희석 및 보관을 위해 하수종말처리장 내에 설치된 Alum 주입탱크를 이용하였다.

 

 4.1 VITA99™ 주입결과
<표4>와 같이 대조군인 반응조 A의 MLSS는 11월 현재 5천171mg/L로 유지되고 있다. 또한 VITA99™가 주입된 반응조 B, C지의 경우 초기 MLSS 농도는 3천500mg/L에서 슬러지 인발량을 50% 줄인 상태로 운전되고 있으며, 현재 MLSS농도는 4천885 및 4천877mg/L를 유지하고 있다.

잉여슬러지 발생량은 A지의 경우 27.9㎥/일이었으며, B,C지의 경우 각 13.5 및 13.2㎥/일로 약 53% 정도인 14.5㎥/ 일의 잉여슬러지 발생량을 감소시킨 것으로 나타났다.
또한 비잉여슬러지 발생량에 있어서도 A지의 경우 1.03kgDS/kgBOD이었으며, B, C지의 경우 0.52, 0.50 kgDS/kgBOD로 VITA99™를 적용함으로서 비잉여슬러지 발생량의 약 52%를 절감시킬 수 있는 것으로 조사되었다.

4.2 반응조 내 MLSS 농도 및 잉여슬러지 발생량 평가
<그림1>과 같이 대조군으로 운전되고 있는 A지의 평균 MLSS는 현재 MLSS 5천171mg/L이며, VITA99™가주입되고 있는 B, C지의 경우 4천885mg/L 및 4천877mg/L를 나타내고 있다. 반응조 B, C지의 경우 VITA99™ 적용초기 MLSS농도를 3천500mg/L로 유지하였으며, 이후 잉여슬러지 인발량을 50% 감소시킴으로서 현재 농도까지 증가하였다.

그러나 B, C지의 슬러지 SRT가 158% 긴 상태에서 오히려 A지보다 MLSS농도가 낮은 것으로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로서 미생물의 증식속도가 둔화되어진 것으로 판단할 수 있으며, 현재 A지의 잉여슬러지 인발량이 평균 24.9㎥/일이며, B, C지의 잉여슬러지 인발량이 13.5㎥/일, 13.2㎥/일로 약 53%정도 절감된 결과로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로서 슬러지 발생량을 반응조 내에서 원천적으로 절감시킬 수 있는 것으로 조사되었다. <그림2>는 각 반응조의 잉여슬러지 발생량을 면적으로 나타낸 그림으로 반응조 A에서 발생되는 슬러지량이 대부분의 발생면적을 차지하는 것으로 조사되었다.

 

4.3 잉여슬러지 DS량(kgDS/일) 및 비잉여슬러지량(DSkg/BODkg) 평가
<그림3>은 잉여슬러지 DS발생량을 면적비로 나타낸 그림으로 반응조 A의 발생량이 대부분의 면적을 차지하는 것으로 조사되었다. 6월부터 11월 현재까지의 잉여슬러지 DS량을 조사한 결과 A지의 경우 최대 675.4kgDS/일이었으며, 평균 144.4kgDS/일로 조사되었으며, B, C지의 경우 최대 328.3, 174.9kgDS/일이었으며, 평균 66.1, 64.3kg/일로 잉여슬러지 DS 절감율이 54.2% 및 55.5%로 조사되었다.

 

<그림4>는 각 반응조별 비잉여슬러지 발생량을 면적비로 나타낸 그림으로 반응조 A가 대부분의 면적을 차지하는 것으로 조사되었다. 반응조 A의 최대 비잉여슬러지 발생량은 4.1kgDS/kgBOD이었으며, 평균 1.03kgDS/kgBOD로 조사되었다. 반면에 반응조 B, C지의 비잉여슬러지 발생량은 최대 2.0, 1.5kgDS/kgBOD이었으며, 평균 0.52, 0.5kgDS/kgBOD로 각각 49.5% 및 51.4% 절감되었던 것으로 조사되었다.

4.4 반응조별 SRT 및 SVI 변화
<그림 5>는 각 반응조의 SRT를 나타낸 그림으로 반응조 A의 평균 SRT는 39.4일이었으며, 반응조 B, C의 평균 SRT는 62.4, 60.4day로 VITA99™를 주입함으로서 SRT가 약 23일 정도 증가하는 것으로 조사되었다. 이와 같이 과도한 SRT의 증가로 인하여 수질이상 및 sludge의 침전성에 문제점이 없는지에 대한 평가를 위해 SVI 및 수질분석을 실시하였다.

<그림6>은 각 반응조의 SVI 변화를 나타낸 그림으로 반응조 A의 평균 SVI는 181.7 이었으며, 반응조 B, C지의 SVI는 190.4 및 191.1로서 반응조 A의 평균 SVI값이 다소 양호한 결과를 보이고 있다. 그러나 반응조 A의 경우 슬러지 유실 문제로 인해 간헐적으로 잉여슬러지 인발량을 증가시켰기 때문에 평균 SVI값이 낮아진 것이며, 반면에 반응조 B, C지의 SVI는 약 5개월 간 큰 변화를 보이지 않고 있으며, 또한 슬러지의 60분 침전효율 측정 및 MLSS를 2배 희석하여 SVI를 측정한 결과 반응조 A보다 SVI값에 있어서 약 20정도 개선되는 효과를 보였다.

또한 당 현장에서 방류 전 1시간 침전 시 슬러지 계면층의 높이가 A지에 비해 B, C지가 낮게 유지되어 동절기 운전결과를 지켜봐야 하겠지만 현재까지의 운전결과로 미루어 볼 때 슬러지의 침강성에 있어 큰 문제는 없을 것으로 판단된다.

4.5 지별 CODMn 및 T-N 처리농도 변화
<그림7>은 각 반응조별 방류수의 CODMn 농도변화를 나타낸 그림이다. 그림에서 보는 바와같이 VITA99™가 주입되지 않는 반응조 A의 CODMn 방류수 평균 농도는 6.75mg/L이었으며, VITA99™가 주입되는 반응조 B, C지의 평균농도는 약 6.5mg/L로 적은농도 이지만 다소 낮은 것으로 조사되었다.

 

또한 <그림8>과 같이 지별 T-N농도는 반응조 A의 경우 6.75mg/L 이었으며, VITA99™가 주입되는 반응조 B, C지의 경우 5.96mg/L 정도로 약 0.79mg/L 정도 낮은 것으로 조사되었다. 따라서 VITA99™를 주입해 줌으로 인해 반응조내 SRT가 과도하게 증가하기는 하나 긴 SRT에도 불구하고 미생물의 activity 증가로 인해 유기물 및 영양염류 처리효율이 다소 증가하였던 것으로 판단된다.

4.6 지별 T-P 농도 변화
<그림9>은 각 지별  방류수내 T-P농도를 나타낸 그림이다. 대조군인 반응조 A의 방류수 T-P농도는 평균 1.011mg/L이며, B, C지의 평균 T-P 농도는 0.978mg/L로서 상대적으로 긴 SRT에도 불구하고 양호한 처리효율을 보이고 있다. 이와 같이 슬러지 인발량의 상대적 감소와 이로 인한 긴 SRT에서 T-P제거효율이 저하되지 않았던 결과를 규명하기 위해 이후 실험에서는 슬러지 내 T-P농도를 분석하였다.

 

4.7 반응조 내 PO43--P 함유율
<그림10>은 같은 호기운전 cycle에서 대조군 A와 VITA99™가 주입되는 반응조 B/C지의 MLSS내 PO43--P 함유율을 분석한 결과이다. 그림에서 보는바와 같이 1회 실험에서는 대조군 A를 100% 기준으로 보았을 때 B, C지의 PO43--P 함유율은 87%, 75%이었으며, 2회 실험에서는 66%, 74%로 반응조 내 PO43--P 함유율이 VITA99™가 주입된 경우 낮은 것으로 조사되었다. 이와 같은 결과로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로 인해 PO43--P의 uptake율이 향상되는 것으로 추정할 수 있으며, 이로 인해 T-P의 제거효율이 향상되었던 것으로 사료된다.

 4.8 잉여슬러지내 T-P 함유율
<그림11>는 잉여슬러지 내 T-P 함유율을 분석한 결과를 나타낸 그림이다. 그림에서 보는바와 같이 대조군 A의 T-P 함유율을 100%로 볼 때 반응조 B, C지의 T-P 함유율은 134% 및 139%로 조사되었으며, 2회 분석결과 124% 및 176%로 VITA99™가 주입된 반응조 B, C지의 잉여슬러지 내 T-P 함유율이 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 VITA99™가 주입됨으로 인해 인의 release 및 uptake 효율이 증가하는 것으로 추정할 수 있으며, 이로 인해 적은 양의 슬러지 인발에도 불구하고 T-P 제거효율이 감소하지 않았던 것으로 사료된다.

4.9 MLSS내 PO43--P 및 건조슬러지내 T-P 함유율
<그림12>는 잉여슬러지 내 PO43--P 를 분석한 후 MLSS를 건조시켜 건조 중량 당 T-P 함유율을 분석한 결과로서 대조군 A의 슬러지 g당 T-P 함유율을 100%로 할 때 VITA99™가 주입되는 B/C지의 경우 135%, 140%로 높게 나타났으며, MLSS 내 PO43--P 함유율은 A지 대비 66% 및 74%로 낮게 용존되어 있는 것으로 조사되었다. 따라서 위에서 언급한 바와같이 VITA99™가 주입됨으로 인해 인의 uptake 효율이 증가하여 상대적으로 긴 SRT에도 불구하고 인 제거효율이 저하되지 않았던 것으로 사료된다.

4.10 Scum 발생량 비교
<그림13> 및 <그림14>는 VITA99™ 주입에 따른 scum 발생현황을 비교한 그림으로 그림에서 보는 바와 같이 VITA99™ 주입 전 반응조 상부에 상당히 두껍게 형성되어 있던 scum 층이 VITA99™ 주입 후 20일 정도 경과되었을 때 그 층은 대부분 소멸되는 것으로 나타났다. 따라서 VITA99™ 주입으로 인해 부수적으로 상부의 scum 발생문제를 상당부분 억제할 수 있을 것으로 사료된다.

 

4.11 VITA99TM 경제성 평가
<그림15>는 H하수종말처리장에서 VITA99™ 적용 전ㆍ후의 슬러지 처리비 구성비율을 나타낸 그림이다. 그림에서 보는바와 같이 전력비 및 폴리머 등 기타 사용 약품비를 제외한 경우에 있어서도 슬러지 50% 감량화 시 기존 처리비용을 100%라 가정하였을 경우 VITA99™ 적용에 따른 약품비가 약 16.7%를 차지하며, 슬러지 절감에 따른 현장 이윤이 33.3%, 발생된 슬러지 처리비가 50% 정도인 것으로 조사되었다.

따라서 VITA99™를 적용함에 있어 추가적인 비용이 소요되지 않고 오히려 33.3%의 슬러지 처리비용 절감효과를 기대할 수 있어 현장운영관리비 및 전체적인 하수처리비 절감 효과를 기대할 수 있을 것으로 확신한다.

 

1) VITA99™가 주입된 반응조 B/C지의 경우 슬러지 인발량을 약 53% 줄인 상태에서 MLSS농도는 평균 4천885mg/L 및 4천877mg/L로 이 농도대를 유지하며 안정화되었다.

2) 잉여슬러지 발생량 측면에서 A지의 경우 27.9㎥/일이었으며, B/C지의 경우 각 13.5㎥/일 및 13.2㎥/일로 약 53% 절감되었다.

3) 비잉여슬러지 발생량에 있어서 A지의 경우 1.03kgDS/kgBOD이었으며, B/C지의 경우 0.52 및 0.50 kgDS/kgBOD로 VITA99™를 적용함으로서 비잉여슬러지 발생량의 49.5 및 51.4%정도 절감되었으며, 잉여슬러지 DS량에 있어서도 A지의 경우 평균 144.4kgDS/일, B/C지의 경우 66.1 및 64.3kgDS/일로 각각 54.2 및 55.5% 절감되는 것으로 조사되었다.

4) VITA99™를 적용함에 따른 SVI값의 변화는 A지의 경우 평균 181.7, B/C지의 경우 190.4 및 191.1을 나타냄으로서 슬러지 침강성 측면에 있어서 다소 높은 결과를 나타내고 있으나, 당 현장에서 1시간 침전 시 슬러지 계면층의 높이가 A지에 비해 B, C지가 낮게 유지되어 동절기에도 슬러지의 유실문제가 없을 것으로 판단된다.

5) VITA99™ 적용 전ㆍ후의 방류수 내 유기물 농도를 분석한 결과 VITA99™를 적용함으로서 유기물 및 T-N 및 T-P 제거 효율이 다소 증가하는 것으로 조사되었으며, 또한 건조슬러지 g당 TP함유율에 있어서 A지 대비 B/C지가 135%, 140% 높았으며, MLSS 내 PO43--P의 용존 농도는 A지 대비 B/C지가 66%, 74%로 낮았다. 따라서 VITA99™의 주입으로 인하여 단위 미생물 g당 인의 uptake 효율이 높아지는 것으로 조사되었다.

6) VITA99™ 주입에 따른 scum 발생현황 비교결과 VITA99™ 주입 전 반응조 상부에 상당히 두껍게 형성되어 있던 scum 층이 VITA99™ 주입 후 20일 정도 경과되었을 때 그 층이 대부분 소멸되는 것으로 나타났으며, 따라서 VITA99™ 주입으로 인해 부수적으로 scum 억지효과도 있는 것으로 조사되었다.

7) VITA99™ 적용 전ㆍ후의 슬러지 처리비 구성비율을 비교한 결과 슬러지 50% 감량화 시 기존 처리비용을 100%라 가정하였을 경우 VITA99™ 적용에 따른 약품비가 약 16.7%를 차지하며, 슬러지 절감에 따른 현장이윤이 33.3% 정도인 것으로 조사되었다. 따라서 VITA99™를 적용함에 있어 추가적인 비용이 소요되지 않고 오히려 현장운영관리비 절감효과를 제공할 수 있어 전체적인 하수처리비 절감효과가 클 것으로 기대된다.

8) 본 사례를 적용하기 위한 설비는 약품저장탱크 및 주입펌프와 배관시설 이외는 불필요 하고 운영현장에서 기존 약품투입 시설을 이용하거나 최소한의 시설설치를 통해 생물반응조 전단에 24시간 투입하여 약 4∼6주 후에는 잉여슬러지 발생 총량의 50%를 절감시킬 수 있는 운전개선 방식이며, 화학약품 등에 의한 침강성을 개선시키는 방법이 아니므로 슬러지를 50% 감량화시키면서도 방류수질에는 영향이 없다.