현재 일본에 3만 건의 등록된 축산배수처리시설은 수질오염방지법에 의한 질소규제의 강화에 의해 적절한 처리가 요구되고 있다. 농업식품산업기술종합연구기구 축산초지연구소 연구팀에 의한 조사에서는 다양한 형태의 가축폐수처리시설에서 원소, 1차처리수, 활성슬러지 처리수 중 전질소농도는 각각 평균 2,500mg/L, 1,300mg/L, 430mg/L였다. 앞으로 수질오염방지법 질산성질소류의 강화에 의해 일률적인 배수기준(100mg/L, 단, 암모니아×0.4+질산+아질산)을 만족시킬 필요가 있는 경우에는 질소의 고도처리시설의 추가가 필요한 시설도 있을 것으로 생각된다.

한편 활성슬러지 처리과정에서 약 70%의 질소가 제거된다는 것은 주목할만한 값이다. 대부분의 농가의 활성슬러지 처리시설은 질소규제 전에 도입된 것으로 질소에 관해 운전조건이 최적화되어 있지 않으나, 해당시설의 운전조건 최적화에 의해 활성슬러지 처리만으로 질소규제의 강화에 대응할 수 있는 농가도 존재한다고 생각된다. 또한 만약에 질소규제를 만족하지 못한 경우에도 활성슬러지 처리의 단계에 의한 최대한의 질소제거는 그후 고도처리 부하를 저하시키는 것이 가능할 것이다.

그러나 축산농가에서는 폐수성상 및 처리시설이 다양하기 때문에 운전조건의 최적화를 더욱 곤란하게 하고 있다. 그래서 본 연구팀은 축산폐수의 활성슬러지처리 프로세스에서 IWA의 제안에 의한 Activated Sludge Model(ASM)을 축산페수의 활성슬러지 처리에 적용함으로써 다양한 조건에서의 정화성능을 예측하고, 최적 처리조건을 제안할 수 있었다.

모델 계산에 의한 예측치의 유효성을 확인하기 위해 축사 폐수를 이용한 폐수처리장치를 운전하여 실험에 의해 얻어진 수치와 모델 계산에 의해 얻어진 값을 비교하였다. 검토대상으로서 본 연구에서는 축산현장에서 널리 사용되고 있는 연속혼합조형 폐수처리장치(CSTR)를 이용하였다. 질소대사에 영향을 주는 환경요인으로서 BOD/N 비, 용존산소농도, 온도, pH, 해리 암모니아 농도, 해리 아질산농도의 존재가 알려져 있지만, 본 연구에서는 현장에서 인위적으로 조건변경이 용이한 용존산소농도 및 인위적인 제어가 어렵고, 영향이 크다고 생각되는 온도조건을 변화시켜 실험을 수행하였다.

폐수처리장치는 용존산소 조건으로서 2개 조건(고용존산소 조건: 평균 2mg/L, 저용존산소 조건: <0.1mg/L) 및 온도조건으로서 3개 조건(10, 20, 30도)을 설정하고, 폐수처리장치를 운전하였다. 운전조건은 일반적인 폐수처리에서 지표가 되는 BOD 용적부하를 기준으로 0.5kg/m3/day로 운전하였다. 또한 유입 폐수는 질소제거가 충분히 가능한 BOD/N 비 3.0에 가까운 2.9가 되도록 조정하였다.

ASM2에 기초한 Magri 등에 의해 작성된 모델을 회분식에서 CSTR 방식으로 변화시킨 후 사용하였다. 그리고 CSTR의 침전조는 생물학적 변화가 일어나지 않고, 물리적인 작용에 의한 슬러지의 분리만 일어나는 것으로 취급하였다. 모델은 질화, 탈질에 관해서 아질산이 중간체가 되는 이단계식을 이용하였으며, 온도의 미생물반응에의 영향 및 질화반응에의 유리 암모니아, 유리 아질산에 의한 방해효과를 포함한다. 계산은 Sciab 소프트웨어를 이용하여 수행하며, 계산결과가 실험결과에 가깝도록 계산에 이용하는 정수를 선택하였다.

BOD는 폐수처리에서 우선 제거가 필요한 항목이다. 실험결과 BOD는 유입수 중에 평균 2,000mg/L 포함된 것이 모든 조건에서도 처리 후 농도는 충분히 저하되었다. 처리 후 BOD 농도의 평균치는 고DO조건 및 저DO조건에서 각각 60mg/L, 70mg/L였다. 본 실험에서 이용한 일반적인 폐수처리 조건에서는 예를 들면, 저용존산소 조건 및 저온조건에서도 BOD 제거에는 지장이 없는 것으로 나타났다.

그리고 이러한 현상을 모델을 이용한 계산 결과, BOD 농도의 평균치가 고DO조건 및 저DO조건에서 각각 65mg/L, 61mg/L이며, 모델 계산은 실험결과를 양호하게 재현할 수 있었다. 질소에 관해서는 처리 후 농도가 용존산소 농도의 조건에 의해 크게 달라졌다. 유입수 중에 평균 500mg/L 포함되어 있는 무기질소에 대해 고용존산소 조건에서의 제거율은 –2%(10도), -7%(20도), 12%(30도)이며, 뚜렷한 질소제거가 이루어지지 않고, 암모니아가 잔존하면서 질산이 축적되고, pH가 극단적으로 저하되었다. 이것은 농가현장에서 “과포기”라고 하며 처리성능이 악화된 상황을 나타내고 있다.

저용존산소 조건에서는 처리에 의해 무기질소가 61%(10도), 88%(20도), 86%(30도) 제거되었으며, 처리 후 질소는 대부분 암모니아 형태로 되었다. 또한 pH의 극단적인 저하는 나타나지 않았다. 이것은 양호하게 처리가 이루어진 농가에서 자주 나타나는 상황으로 저용존산소 조건하에서 질화와 탈질이 동시에 일어나기 때문이라고 생각된다.

모델을 이용한 계산 결과, 고용존산소 조건에서는 무기질소의 질소제거는 –7%(10도), -11%(20도), -15%(30도)이며, 저용존산소 조건에서는 무기질소의 질소제거가 74%(10도), 92%(20도), 99%(30도)가 되어 모델 계산에 의해 실험결과를 재현할 수 있었다. 또한 다른 중요한 수질항목인 COD, SS, TN도 양호하게 재현할 수 있었다.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 11월 26일]