▲ 허형우박사 / (주)한화건설 환경연구소장

국내 하수도사업이 당면하고 있는 가장 핵심적인 문제는 안정적인 처리수질확보로 엄격한 방류수 수질 규제에 대응하는 것과 수처리 과정에서 발생하는 막대한 양의 하수슬러지의 효율적인 처리방안을 마련하는 것이라 할 수 있다.

2003년 말 기준으로 고도처리공정으로 운영되는 하수처리장은 67개소로 시설용량이 191만톤/일에 그쳐 총 처리하수량의 10%에도 미치지 못하는 저조한 실정이며, 적용공법도 대부분이 A2O계열의 활성슬러지변법이 차지하고 있다.

한편, 하수슬러지는 현재까지는 대부분 단순육상매립이나 해양배출에 의존하여 처분되었으나, 정부의 직매립 금지조치와 해양배출의 점진적인 규제동향으로 인해 현실적인 처분대책마련이 시급한 실정이다.

이에 소각이나 퇴비화, 건설 자재화 등의 사후처리기술 등이 꾸준히 개발되고 있으나, 고가의 처리비용, 2차 오염발생 우려, 생산제품의 수요처 부재 등의 문제점이 제기되고 있어 현실적인 대안이 되지 못한다. 따라서 하수슬러지의 사후처분에 초점이 맞추어져 있는 현 기술개발의 방향을 원천저감이 가능한 사전처리기술 개발로 전환할 필요가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 (주)한화건설(대표 김현중·www.hwenc.com)은 환경부의 차세대핵심환경기술개발사업의 일환으로 하수고도처리기술로서 양질의 처리수질을 확보할 수 있는 하수고도처리 MBR공법과 공정 내에서 발생하는 하수슬러지를 유효미생물을 이용하여 가용화한 후 유기성분을 수처리 공정 내에서 활용하도록 함으로써 슬러지 발생량을 저감시킬 수 있는‘슬러지 감량형 MBR 하수고도처리 Package 시스템’을 개발하고 있다.

유입수와 슬러지의 흐름을 시간주기로 제어함으로써 공정내 인방출을 극대화한 ‘유로변경형 MBR(이하 DF-MBR)공정’의 Pilot 운영결과와 하수슬러지를 가용화할 수 있는 유효미생물 분리, 동정 및 적용평가 등 세부요소기술에 대해서 알아본다.

본 기술은 질소, 인 제거 기작을 최적화한 DF-MBR공법에 하수슬러지를 생물학적인 방법으로 가용화하는 기술을 접목하여 슬러지감량형 하수고도처리시스템을 Package화 하는 것이다.

DF-MBR공정에서는 유입수 및 내부반송을 일정시간 간격으로 준혐기 1, 2조 (Intermittently Anaerobic, IA)에 교대로 유입시킴으로써 무산소와 혐기조건을 교대로 형성하여 탈질 및 인 방출을 극대화하고, 국산 평막을 침지시킨 막분리 호기조에서 질산화 및 잔존 유기물분해의 생물학적 기작과 분리막에 의한 고액분리가 이루어지게 된다. 생물공정 내 잉여슬러지는 슬러지 가수분해능이 뛰어난 유효미생물을 고정화시킨 슬러지가용화조에서 가용화된 후 수처리공정으로 투입되어 탈질 및 인 방출의 탄소원으로 이용되어 감량시키도록 구성되어 있다.

현재까지 국내·외에서 개발되고 있는 고도처리용 MBR공정은 A2O계열의 생물반응조와 분리막을 결합한 형태가 대부분을 차지하고 있어 높은 내부순환율로 인해 동력비가 많이 들고, 특히 내부순환 시 분리막 호기조로부터 혐기조로 유입되는 질산성질소와 용존산소의 영향으로 혐기조건의 형성이 어려워 인 방출기작이 원활하지 못한 단점이 있다.

본 기술은 이에 착안하여 유입수 및 내부순환 슬러지를 일정시간 간격으로 두 반응조에 교대로 유입시킴으로써 무산소·혐기조가 순차적으로 이루어지도록 하는 유입흐름제어형 MBR공정을 개발하고자 하였다.

유입이 이루어지는 반응조에서는 내부순환으로부터 공급되는 질산성 질소를 유입수 내 유기물을 탄소원으로 하여 탈질시키는 무산소조의 역할을 수행하게 되며, 유입이 이루어지지 않아 회분식으로 운전되는 반응조는 전단계에서 탈질에 의해 질산성 질소가 대부분 탈질됨에 따라 완전혐기조건이 형성되어 인 방출기작이 원활하게 이루어지게 된다.

따라서 기존 A2O계열 공정에서의 혐기조 내 저조한 인 방출의 문제점을 해결할 수 있으며, 가용화된 슬러지를 공급함으로써 탈질 및 인 방출에 필요한 탄소원을 보충할 수 있어 생물학적 질소, 인 제거효율을 극대화 할 수 있는 공정이다. 

또한 A2O계열의 MBR공정에 비해 부지소요면적이 적고, 시간주기를 통한 공정제어로 자동화가 용이하며, 대부분 외국의 막을 이용한 공정개발에 치중하고 있는 국내상황에서 순수 국산기술로 제작된 분리막을 이용하여 막 운영기술을 확립함으로써 공정의 효율뿐 아니라 경제적인 측면에서도 경쟁력 있는 독자기술을 확보할 수 있다.

준혐기 1/2조, 국산평막을 침지시킨 막분리호기조로 구성된 DF-MBR공정의 효율을 평가를 위하여 D시 하수처리장에 1일 5톤 처리규모(HRT 6시간 기준)의 Pilot을 설치하여 다양한 운전조건에서의 공정효율과 각 반응조에서의 질소, 인의 거동을 분석하여 적정 운영인자를 도출하였다. Pilot의 운전은, HRT 6시간, 유로변경주기 1∼2시간범위, 내부순환 슬러지 유량 1.5∼3.0Q, 조건 하에서 운전하였다.

Pilot운전결과, BOD의 경우 유입수의 농도가 83∼158mg/L로 크게 변화함에도 불구하고 처리수는 2.5∼3.0(평균 2.7)mg/L로 95%이상의 높은 제거효율을 보였으며, CODCr의 경우도 평균 10.1∼10.9mg/L 로 안정적인 값을 보였다.

SS의 경우는 호기조 내 침지한 공칭공경 0.4㎛ 의 분리막에 의해 완벽하게 여과되어 99.9% 이상의 안정적인 처리효율을 나타내었고, 전 운전기간동안 처리수의 탁도는 0.3NTU이하를 유지하였으며, 처리수 내 T-N은 15mg/L이하, T-P는 1.5mg/L 이하를 달성하였다.
 

또한 원수 내 대장균군 농도는 1mL당 최고 4.2×104개에서 최저 1.14.2×104개로 나타났으며, 처리수에서는 검출되지 않아 별도의 소독공정이 불필요함을 확인하였다.

하수슬러지에 존재하는 세포의 세포벽 성분은 대부분 Protein, Carbohydrate, Lipid로 구성되어 있기 때문에 이들 물질을 분해할 수 있는 효소의 분비능이 뛰어난 미생물이 슬러지 분해능이 우수하다고 할 수 있다. 이중 특히 protein 분해능이 슬러지 분해에 가장 커다란 영향을 미치므로 슬러지 분해능이 우수한 균주를 선별하고자 일차적으로 선별된 310 종류의 후보균주를 대상으로 protease 활성을 조사하고 활성이 우수한 2종의 Alkalophiles를 선정하였다.

유효균주의 슬러지 가용화효율을 평가하기 위해 유효균주를 접종한 실험군과 pH만 10으로 유지한 대조군에서의 SCOD생성정도를 평가한 결과 실험군의 경우 SCOD생성이 대조군에 비해 30%이상 높았고, 특히 미생물접종 후 12시간을 전후해 SCOD는 최고 6천mg/L까지 증가해 유효미생물이 슬러지를 효과적으로 가용화함을 입증하였다.

유효미생물을 통해 가용화된 SCOD를 탄소원으로 공급한 경우 활성슬러지 미생물의 전체 중량이 대조군에 비해 30%이상 더 증가하였으며, 이는 생물학적으로 슬러지를 가용화함에 따라 미생물의 분비효소에 의해 보다 저분자의 형태로 전환됨으로써 보다 양질의 탄소원으로 작용함을 나타내는 결과이다. 따라서 슬러지를 물리화학적으로 가용화하는 타 방법에 비해 생물학적 가용화기술이 수처리와 접목될 경우 우수한 슬러지 감량효율과 함께 외부탄소원을 대체하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 보인다.

Pilot 운전결과를 토대로 수영용수 수준의 처리수질 확보가 가능한 ‘유입흐름제어형 하수고도처리 DF-MBR 공정’과 ‘호알칼리 유효균주를 통한 하수슬러지의 생물학적 가용화기법’ 등 세부 요소기술을 Set-up하였다. 향후 두 요소기술을 접목하여 ‘슬러지 감량형 MBR 하수고도처리 Package 시스템’을 성공적으로 구성할 경우 탁월한 처리수질확보와 함께 슬러지를 원천감량을 달성할 수 있는 차세대하수처리기술로 각광을 받을 수 있을 것으로 전망된다.

■ 적용분야   ① 확실한 처리수질, 슬러지 원천감량을 통한 운영비 절감, 자동제어 및 통합관리에 의한 통합모니터링 시스템 구축의 장점을 적극 활용하여 댐 상류지역 또는 신규 하수처리장에 공정을 반영할 수 있다.

② 생물학적 슬러지가용화 시스템을 독립적으로 컴팩트하게 구성하여 슬러지 발생량을 획기적으로 저감하고 처리장 운영비를 절감할 수 있는 기존 하수처리장에 우선적으로 적용이 가능하다.

③ 하수슬러지에 국한하지 않고 고농도 유기성폐수가 발생되는 산업폐수처리장의 슬러지 감량화에도 활용이 가능하다.          <문의= (042)865-6521>