Introduction

본 연구에서 개발된 소규모 분산형 하수처리 시스템의 pilot scale의 실증 실험을 위하여 경기도 수원시에 위치한 S대 하수처리장을 테스트베드로 선정하였다. 실험 기간은 2013년 9월부터 2014년 5월까지 총 9개월간이었으며, 수온저하에 의한 처리효율 저감을 알아보기 위하여 동절기 기간을 포함하여 실험하였다. S대 하수처리장으로 유입되는 하수성상의 특징은 학기가 진행중인 봄/가을과 방학기간인 여름/겨울로 구분되었으며 COD와 TN은 방학기간 보다 학생 수가 증가되는 학기 중에 현저히 높게 나타나는 반면 TP는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 학기 중 유입농도의 범위는 COD 농도가 50-296 mg/L (평균 142 mg/L), TN은 22.4-54.3 mg/L (평균 33.2 mg/L), TP는 1.5-3.76 mg/L (평균 2.53 mg/L)이었고, 방학 중 유입농도의 범위는 COD 농도가 40-156 mg/L (평균 92.6 mg/L), TN은 15.4-35.0 mg/L (평균 25.6 mg/L), TP는 1.9-3.4 mg/L (평균 2.83 mg/L)이었다. 이러한 유입수의 농도범위는 TN의 최대 오염물질 농도를 제외하면 환경부의 500 ㎥/일 미만 소규모 처리시설 유입하수 성상 중 COD, TN, TP의 최대 오염물질 유입농도 및 최소 오염물질 유입농도, 평균 오염물질 유입농도와 유사하거나 높았다(Table 1). 본 연구에서 유입 및 유출수의 수질분석은 수질공정시험법에 준하여 BOD, COD, SS, TN, TP의 5가지 항목을 분석하였다.

이전 연구의 bench scale 테스트 결과⁽¹⁾를 바탕으로 pilot scale의 소규모 분산형 하수처리시스템의 공정을 개발하였다. 소요 부지를 감소시키기 위하여 혐기조와 무산소조를 삭제하고 대신에 질소와 인을 제거하기 위하여 후단에 고도처리 공정으로써 탈질과 인 흡착/여과를 통해 질소와 인을 제거할 수 있는 IPNR process(상향류식 모래여과기)를 구성하였다. IPNR process는 질소와 인을 고도처리 할 수 있는 공정으로써 혐기조와 무산소조를 거쳐 질소와 인을 제거하는 공정보다 제거 효율이 높아 안정적인 수질을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 소요부지가 매우 감소할 있다는 특징이 있다.

또한 본 연구에서 개발된 소규모 분산형 하수처리 시스템은 규격화된 컨테이너에 들어갈 수 있도록 각각의 공정을 구성함으로써 이동성을 갖춰 분산되어 있는 점 오염원에서 발생하는 하수처리를 처리하는데 큰 이점이 있게 된다. 뿐만 아니라 비교적 많은 소요부지를 필요로 하는 침전조 대신 MBR을 BAF와 같은 수조에 배치하여 설계하였으며, 컴팩트한 소규모 하수처리 시스템이 가능하도록 하였다. IPNR process의 효율적인 질소 및 인 제거를 위하여 전단에 처리수조를 설계하여 유량 조정조의 역할과 함께 약품 주입 라인을 구성하도록 하였다 (Fig. 1).

Fig. 1 
Schematic diagram of wastewater treatment system

원수 및 처리수의 생물학적 산소요구량(BOD)의 분석을 통해 본 시스템의 생물학적 유기물 제거효율을 고찰하였다. 운전 초반 1개월간은 반응 안정화 단계로 2013년 10월 이후로 생물학적 반응이 안정됨을 알 수 있었다. 실험기간동안 원수의 BOD 농도는 평균 66.0 mg/L로 나타났으며, 최소 32.5 mg/L에서 최대 120.5 mg/L의 농도로 유입되었다. BAF/MBR 공정에서 처리된 처리수의 평균 BOD 농도는 35.2 mg/L(21.0-58.7 mg/L)로 나타나, BAF/MBR 공정을 통해 평균 46.7%의 유기물질이 제거되었음을 알 수 있었다. 최종 단계인 IPNR process를 거친 최종 처리수의 농도는 약 4.3 mg/L로 나타나, 본 시스템을 통하여 약 91%의 유기물질이 제거되었다. 또한 최종 처리수의 BOD농도는 방류수 수질기준 중 가장 높은 기준인 5 mg/L를 만족하였다. BAF/MBR 공정 처리수의 경우 원수의 농도가 증가하거나 감소함에 따라 제거효율 또한 증가하거나 감소하는 경향을 보여 일정한 수준의 제거율을 유지하는 것으로 판단되며, 최종 처리수의 경우에는 BOD 5 mg/L이하의 일정한 값을 보여주고 있어 본 시스템은 수온, pH, 원수 농도 등 외부 변화에 영향을 덜 받는 것으로 보인다.

Fig. 2 
Concentration(mg/L) of BOD in the treated effluents by this wastewater treatment system

본 하수처리 시스템의 유기물 제거효율 평가 및 운전데이터의 신뢰성 확보를 위해 운전기간동안 주 2회 이상 화학적 산소요구량(COD)을 측정하였다. pilot scale plant 운전 기간 동안 유입수의 COD 농도는 평균 128.7 (40.0-296.0) mg/L이었으며, 최종 방류수의 COD 농도는 평균 13.2 (5.0 -20.0) mg/L로 나타났다. 최종 COD제거 효율은 평균 80.3 %이었으며, 최고 94.9%까지 COD가 제거되는 것을 알 수 있었다.

IPNR process에서 질소 제거를 위한 탄소원(메탄올)을 처리수조에 인위적으로 주입하기 때문에 BAF/MBR 생물학적 공법 처리수에서 다소 COD가 증가하여 유입수보다 높아지는 경향을 띄었지만 결국 IPNR process에서 모든 COD를 소모하여 가장 높은 Ⅰ지역의 방류수 수질 기준인 20 mg/L에 안정적으로 충분히 만족하였다.

인위적으로 주입되는 탄소원에 의해 BAF/MBR 처리수가 유입수보다 COD가 증가하는 현상은 기온이 낮은 겨울철에 주로 발생하였으며, 수온이 20℃ 이상으로 높은 봄·여름철에는 유입수 COD 농도가 최고 296.0 mg/L까지 유입되었음에도 대부분의 COD를 저감시킨 후, 최고 71.3% (평균 55.4%) 감소하여 평균 100.5 (52.0-152.0) mg/L을 나타내었다.

Fig. 3 
Removal efficiency(%) of COD by this wastewater treatment system

수중 부유물질(SS, Suspended solids)은 물에 용해되지 않고 부유하는 입자상 물질로 현탁 고형물이라고도 한다. 방류수 내의 SS는 탁도를 높이고 유기물질에 의해 용존산소를 감소시킬 수 있어 방류수 수질기준 항목으로 관리되고 있다. SS의 방류수 수질기준은 모든 지역에서 10 mg/L 이하로 관리되고 있다. 운전기간 동안 주 1회 이상 시료를 채취하여 수질오염공정시험방법에 준하여 SS 분석을 실시하였으며, 이를 통해 개발 공정의 오염 제거효율을 측정하고 운전의 안정도를 평가하였다.

겨울철 S대 하수처리장 내 집수조가 오염됨에 따라 일시적으로 300 mg/L 이상의 높은 SS가 유입되었으나, 본 시스템의 방류수에는 큰 영향 없이 안정적인 SS 농도를 나타내었다. 운전기간 동안 원수의 평균 SS 농도는 181.4 mg/L로 유지되었으며, BAF/MBR 공정을 거친 처리수의 SS는 2.88 mg/L로 나타나 BAF/MBR 공정만으로도 방류수 수질환경기준을 충분히 만족함을 알 수 있었다. 또한 IPNR process의 메디아를 통해 잔류하는 SS가 제거됨에 따라 최종 처리수의 SS는 0.87 mg/L로 측정되어, 본 소규모 하수처리 시스템을 이용한 하수처리를 통해 수중의 부유물질을 99% 이상 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

Fig. 4 
Concentration(mg/L) of SS in the treated effluents by this wastewater treatment system

운전 기간 동안 유입수의 TN 농도는 평균 31.1 (15.4 -54.3) mg/L 이었으며, 우리나라 하수 특성상 대부분이 암모니아성 질소 (NH₄-N)으로 존재하기 때문에 유입수내 질산성 질소 (NO₃-N) 농도는 평균 2.7 (0.3-6.2) mg/L로 낮은 농도로 유입되었다. 유입수내 NH4-N은 BAF/MBR 공정에서 BAF 활성슬러지 기작으로 인해 84.8% 이상 산화되어 NO3-N으로 전환되었으며, 따라서 BAF/MBR 공정에서의 TN 농도는 평균 28.8 (13.2-44.4) mg/L로서 유입수와 비교하여 큰 변화를 보이지 않았다. 이는 BAF/MBR 공정의 주 목적이 유기물 제거 및 질산화이기 때문인 것으로 판단된다. 초기 설비 안정화 기간을 제외하고 NO₃-N으로 전환된 질소는 처리수조로 주입된 메탄올을 탄소원으로 이용하여 IPNR process에서 탈질 미생물에 의해 질소가 제거되어 최종 처리수에서는 TN 농도가 평균 7.9 (3.0-10.0) mg/L, NO₃-N 농도는 평균 6.3 (0.9-9.8) mg/L로 나타났다. 이로써 최종 처리수내 TN 농도는 수질 기준인 10 mg/L를 안정적으로 만족하였으며 TN 평균 처리 효율은 71.8% (최고 처리 효율 88.0 %)로 나타났다.

Fig. 5 
Concentration(mg/L) of TN in the treated effluents by this wastewater treatment system

테스트베드 운전 기간 동안 유입수내 TP 농도는 평균 2.6 (1.5 ∼ 3.8) mg/L이었으며, PO₄-P 농도는 평균 2.3 (1.1 ∼ 3.3) mg/L으로서, pilot scale plant가 설치된 하수처리장으로 유입되는 유입하수 TP의 80% 이상이 PO4-P로 존재하는 것으로 나타났다. 따라서 인 제거 약품으로 사용되는 철염은 이온적 결합으로 용존성 인을 제거하는데 충분히 사용될 수 있음을 확인하였다. BAF/MBR 공정에서는 단순 폭기를 진행함으로서 BAF 미생물을 이용하여 유기물 제거 및 질산화를 유도하는 반면 인 제거에 대해서는 혐기 조건이 갖춰지지 않기 때문에 별다는 제거 효율을 나타내지 않는다. 그러나 대부분 PO₄-P로 존재하는 용존성 인은 IPNR process에서 90% 이상 제거되는 것으로 나타났다. 초기 설비 안정화 기간을 제외하고 최종 처리수에서의 TP 농도는 평균 0.16 (0.08-0.20) mg/L으로 평균 제거 효율은 93.0 %로 나타났으며, PO4-P 농도는 평균 0.12 (0.03∼0.20) mg/L로 나타나 평균 제거 효율 94.1%로 확인되어 목표 수질 기준 0.2 mg/L를 만족하였다.

Fig. 6 
Concentration(mg/L) of TP in the treated effluents by this wastewater treatment system