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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.31 No.1 pp.103-114
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2017.31.1.103

Enhanced total phosphorus removal using a novel membrane bioreactor by sequentially alternating the inflow and by applying a two-stage coagulation control based on pre-coagulation

Jaehwan Cha1, Kyung-Suk Shin1*, Seung-Kook Park1, Jung-Hun Shin2, Byung-Goon Kim3
1Hanwha Engineering & Construction
2Taeyoung Engineering & Construction
3K-water
Corresponding author : Kyung-Suk Shin (ksshin74@hanwha.com)
December 27, 2016 February 17, 2017 February 20, 2017

Abstract

A membrane bioreactor by sequentially alternating the inflow and by applying a two-stage coagulation control based on pre-coagulation was evaluated in terms of phosphorus removal efficiency and cost-savings. The MBR consisted of two identical alternative reaction tanks, followed by aerobic, anoxic and membrane tanks, where the wastewater and the internal return sludge alternatively flowed into each alternative reaction tank at every 2 hours. In the batch-operated alternative reaction tank, the initial concentration of nitrate rapidly decreased from 2.3 to 0.4 mg/L for only 20 minutes after stopping the inflow, followed by substantial release of phosphorus up to 4 mg/L under anaerobic condition. Jar test showed that the minimum alum doses to reduce the initial PO4-P below 0.2 mg/L were 2 and 9 mol-Al/mol-P in the wastewater and the activated sludge from the membrane tank, respectively. It implies that a pre-coagulation in influent is more cost-efficient for phosphorus removal than the coagulation in the bioreactor. On the result of NUR test, there were little difference in terms of denitrification rate and contents of readily biodegradable COD between raw wastewater and pre-coagulated wastewater. When adding alum into the aerobic tank, alum doses above 26 mg/L as Al2O3 caused inhibitory effects on ammonia oxidation. Using the two-stage coagulation control based on pre-coagulation, the P concentration in the MBR effluent was kept below 0.2 mg/L with the alum of 2.7 mg/L as Al2O3, which was much lower than 5.1∼7.4 mg/L as Al2O3 required for typical wastewater treatment plants. During the long-term operation of MBR, there was no change of the TMP increase rate before and after alum addition.


유입흐름 변경 및 전응집 기반 이단응집 제어 적용 MBR을 통한 총인처리 개선 연구

차 재환1, 신 경숙1*, 박 승국1, 신 정훈2, 김 병군3
1(주)한화건설
2(주)태영건설
3한국수자원공사

초록


    Korea Water Resources Corporation

    1.서 론

    공공수역의 유기물 오염도는 과거 BOD 중심의 오 염물 규제와 환경기초시설의 투자로 지속적인 개선이 이루어진 반면 부영양화 유발물질인 질소와 인의 농 도는 점차 증가하는 추세이며, 결과적으로 하천과 호 소의 녹조 및 적조문제가 사회적 이슈로 대두되고 있 다. 이에 정부는 유역중심의 수질관리 방법으로 대표 적 점오염원인 하수처리장 방류수수질기준을 2012년 부터 대폭 강화하였으며, 특히 총인은 수역에 따라 0.2∼0.5 mg/L로 엄격하게 규제하고 있다. 또한 최근 에는 질소 저감 없이 인의 저감만 고려한 영양물질의 관리가 수역의 부영양화 억제에 실패한 다수의 연구 사례들이 보고되면서 질소의 규제강화가 필요하다는 인식이 확대되고 있다(Korean Ministry of Environment, 2014).

    공공하수처리시설에서 질소와 인은 주로 생물학적 고도처리에 의해 제거되었으나, 인의 경우 미생물에 흡수되는 양에 한계가 있어 현행과 같이 수질기준이 0.5∼1.0 mg/L 미만일 경우 응집에 의한 물리화학적 처리가 필수적으로 병행되어야 한다(Park et al., 2011). 물리화학적 처리는 공정의 구성 및 시설의 유지관리 가 비교적 간단하고 처리효율이 높은 장점이 있는 반 면, 유입부하의 변동에 민감하고 약품비용 및 슬러지 처분비용이 추가적으로 증가하는 단점이 있다. 2015년 말 고시된 환경부의 공공하수처리시설 운영관리실태 분석결과에 따르면 현재 국내 하수처리시설 중 총인 처리시설이 설치된 곳은 전체 587개소 중 355개소 (60%)로, 대부분의 인 처리시설은 2차 처리시설(생물 반응조) 후단에 별도로 도입되었으며, 총인의 평균 방 류수질은 2011년의 0.7 mg/L에서 2014년 0.19 mg/L로 크게 개선되었다. 하지만 총인처리시설 도입으로 인한 응집제 사용량 또한 가파르게 상승하여, 강화된 방류 수수질기준 적용 전인 2011년에 21,045톤/년이던 것이 2014년에는 104,200톤/년으로 약 5배 증가하여 막대한 약품비용 증가를 초래하였고, 이 밖에도 찌꺼기 최종 처분비, 전력비의 증가 등을 감안하면 전체 운영비용 이 크게 상승하였다(Korean Ministry of Environment, 2013, 2015).

    총인처리시설 도입에 의한 가파른 운영비 상승 원 인은 여러 가지가 있으나, 기본적으로 방류구에 설치 된 수질원격감시체계(TMS)에서 안정적인 방류수수질 기준을 준수하기 위하여 약품을 적정량 이상으로 과 다하게 주입하는 것이 가장 주된 이유이다. 특히 3차 처리시설(총인처리시설)에 대한 처리 의존도가 커지 면서 2차 처리시설(생물반응조)이 예전에 비해 방만하 게 운영되는 사례가 늘고, 결과적으로 3차 처리시설의 유입부하가 증가하거나 부하변동이 커지면서 더 많은 약품을 주입해야 하는 악순환이 이어지고 있다 (Gyeonggi Research Institute, 2013). 이에 환경부에서는 총인처리시설 효율 개선방안 연구용역을 통해 비용 효과적인 생물학적 인 제거 효율을 최대한으로 유지 해야 하고, 자 테스트 등을 통해 적정 응집제 주입비 율을 산정해야 하며, 유입 인 농도 및 유량의 변화패 턴을 고려하여 응집제 주입량을 조절해야 한다고 제 안하고 있다(Korean Ministry of Environment, 2012). 한 편 Gyeonggi Research Institute(2013)에 따르면 강화된 수질기준이 방류수역에 대한 지리적 특성은 반영하였 으나 처리공법에 대한 기술적 특성이 반영되지 않고 있다고 지적하며, 분리막 공법(MBR)의 경우 후단의 총인처리시설로 인해 오히려 처리수질이 악화되거나, 막 투과수 내 응집핵 부족으로 인한 응집효율 저하가 과다한 약품량 주입으로 이어지고 있다고 보고하고 있다.

    이에 본 연구에서는 침전조의 생략이 가능하면서 완벽한 고액분리를 담보하는 MBR 공법 내에서 후단 의 별도 총인처리시설 없이 생물학적 인 제거와 화학 적 인 제거를 효과적으로 결합하여 응집제 사용량을 최소화할 수 있는 방안을 도출하고자 하였다. 이를 위 해 유입흐름 제어에 기반한 혐기-무산소 교대반응으 로 생물학적 인 및 질소 제거효율을 극대화하고, 생물 학적 제거만으로 수질기준 달성이 어려운 잔존 인에 대해서만 선택적으로 응집에 의한 화학적 처리를 병 행하도록 하였다. 특히 유입수의 인 부하를 경감시키 는 전응집(pre-coagulation)과 필요시에만 선택적으로 호기조 후단에 응집제를 주입하는 공침을 결합한 이 단응집 제어전략을 MBR에 접목하였을 때, 약품량의 절감 및 처리수질의 안정성 등을 종합적으로 평가하 였다.

    2.연구방법

    2.1.침지식 MBR 공정구성 및 운전조건

    본 연구는 G하수처리장 내에 설치된 60 m3/d 규모 pilot-scale MBR 공정을 대상으로 수행하였다. Fig. 1에 서 볼 수 있듯이, MBR은 급속혼화 및 유입분배조, 교 대반응1조, 교대반응2조, 호기조, 무산소조(후탈질조), 분리막조로 구성하였다. 생물반응조의 수리학적 체류 시간(HRT)은 교대반응조 각 1.9시간, 호기조 2.8시간, 후탈질조 1.4시간, 분리막조 1시간으로 설계하였다. 유입수는 생활하수를 차집하여 처리하는 G하수처리 장 유입원수를 메쉬타입 드럼스크린(간극 0.75 mm)에 통과시킨 후 사용하였으며, 막조의 수위와 연동하여 반응조에 유입되도록 하였다. MBR로 유입된 하수는 일차적으로 급속혼화조에서 응집제어시스템에 의해 자동 주입되는 응집제(Aluminium sulfate, 7% as Al2O3) 와 급속교반되고, 이후 호기조로부터 반송된 슬러지 와 혼합되어 2시간 간격으로 교대반응 1조와 교대반 응 2조에 교대로 주입되었으며, 다음으로 호기조, 무 산소조 및 분리막조를 거쳐 흡입펌프에 의해 막여과 수가 최종처리수로 방류되도록 구성하였다. 생물반응 조 내 미생물 유지 및 막 세정공기 내 용존산소의 호 기반응 활용을 위해 분리막조에서 호기조로 슬러지를 반송하였으며, 각 반응조 내 평균 MLSS는 교대반응 조 5,200 mg/L, 호기조 6,300 mg/L, 후탈질조 6,400 mg/L, 분리막조 8,000 mg/L 내외로 유지하였다. 슬러 지 반송율은 호기조에서 교대반응조로 유입유량 대비 400%, 분리막조에서 호기조로 유입유량 대비 400%를 유지하였고, 슬러지 인발량은 평균 1.2 m3/d, 고형물 체류시간은 평균 16.6일로 유지하였다.

    분리막조에는 공칭공경 0.03 μm인 PVDF 재질의 국 산 중공사 정밀여과막을 침지하였다. 분리막은 여과 14.5분, 역세 0.5분을 교번하여 운전하였으며, 분리막 여과 시 막투과유속은 25 LMH, 역세유량은 여과유량 의 1.5배로 일정하게 유지하였다.

    2.2.이단응집 제어시스템의 구성

    MBR에 적용된 이단응집 제어시스템은 하수원수가 유입되는 급속혼화조에 주입될 응집제 투입량(전응 집)과 호기조 후단에 주입될 응집제 투입량을 제어로 직에 따라 자동 조절하는 장치이다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 응집제어시스템은 생물학적 인 제거가 끝나 는 호기조 후단에서의 PO4-P 농도를 실시간 모니터링 하고 이 농도의 증감패턴에 따라 1차적으로 유입수의 응집제 주입량(전응집 주입량)을 피드백 제어하여 증 감량을 결정한다. 이는 생물학적 제거량 외에 추가로 제거해야 할 인 대부분을 유입수에서 효과적으로 불 용화시킴으로써 유입 인 부하변동에 능동적으로 대응 하면서 응집제 주입량을 최소화하는 효과를 갖는다. 전응집 주입량은 실시간 호기조 인 농도가 운전자가 설정한 기준농도보다 높거나 낮을 경우 설정된 응집 제 증감폭만큼 변화시키고, 이후 다음 측정값이 전송 되었을 때 다시 증감여부를 결정하는 계단식 변화를 줌으로써 부하변동에 유연하게 대응하도록 하였다.

    응집제어시스템은 또한 실시간 호기조 PO4-P 농도 가 최종 목표수질을 초과할 우려가 발생할 경우에 대 비하여 필요시에만 호기조 후단에 제2응집제가 주입 되도록 구성하고, 제2응집제의 주입량은 실시간 호기 조 인 농도와 운전자가 설정한 경계농도와의 차이만큼 을 제거하도록 그 주입량을 결정하는 피드포워드 제어 를 적용함으로써 경계상황 시에도 처리수가 목표수질 을 상시 만족하는 이단응집 제어전략이 구현되었다.

    게다가 사용자의 필요에 따라 방류구에 설치된 TMS의 실시간 인 농도를 추가로 전송받아 이 농도가 목표수질을 초과할 우려가 있는 비상상황일 경우 공 침의 응집제 주입량을 즉각적으로 증가시킴으로써 예 측 불가능한 계측기의 측정오류 등으로 인한 처리수 질 초과 우려에 대한 이중안전장치를 두었다.

    본 연구에 적용된 이단응집 제어시스템은 호기조의 PO4-P 농도에 기반하며, 인 농도 분석에 약 15∼30분이 소요되기 때문에 통상 약 1시간 내외의 분석시간이 소 요되는 총인(T-P)농도에 기반하는 제어방식에 비해 분 석시간으로 인한 불가피한 판단지연을 최소화하였다. 또한 호기조 내 전처리 여과시설을 구비하고, 여과된 호기조 슬러지를 연속적으로 흘려보내는 배관 일부에 서 샘플수를 분지하여 인 계측기로 이송함으로써 실시 간 인 계측값이 현재의 호기조 인 농도를 가장 잘 대표 할 수 있도록 구성하였다. 제어시스템의 판단 및 제어주 기는 인 농도 분석시간을 감안하여 15분으로 설정하여 유입부하 변동 등에 빠른 대응이 가능하도록 하였다.

    2.3.측정 및 실험방법

    2.3.1.온라인 PO4-P 자동분석기

    응집제어시스템의 판단기준이 되는 호기조 PO4-P 농도는 온라인 인 자동분석기(Monitor V, BLTEC, Korea)를 이용하여 연속 측정하였다. 시료의 전처리를 위해 호기조 내에 평판형 정밀여과막(공칭공경 0.4 μm) 을 설치하였으며 고형물이 배제된 여액을 연속으로 흘려보낸 뒤, 이 중 일부를 정해진 시간간격 마다 인 자동분석기로 이송하였다. 자동분석기의 인 측정은 수질오염공정시험기준에 근거한 아스코르빈산 환원 법으로 분석되었으며, 연속흐름 기포분절방식이 적용 되어 시료 간 간섭효과를 최소화하였다.

    2.3.2.Jar test

    고형물 농도 별 응집효율 평가를 위하여 Jar test를 실시 하였다. 시료는 MBR 유입하수 및 MBR의 각 반응조 내 활성슬러지로부터 채수하였으며, 유입하수의 PO4-P 농도를 미리 측정한 뒤 각 활성슬러지에는 정인산염을 추가로 주입하여 초기 PO4-P 농도를 동일하게 조정하였다. 각 시료는 6개의 사각비커(2 L)에 분취한 후, MBR에서 사용한 동일한 응집제(Alum 7% as Al2O3)를 미리 설정한 주입율에 따라 달리 주입한 뒤, 급속교반(150 rpm) 3분, 완속교반(45 rpm) 10분을 실시하였다. 이후 각 비커에서 시료를 분취하여 0.45 μm 멤브레인 여과지로 거른 여액을 대상으로 PO4-P 농도를 분석하였으며, 각 샘플의 고형물농 도는 수질오염공정시험기준에 준하여 측정하였다.

    2.3.3.유기물 성상분석 (응집 전/후 가용유기물 변화 실험)

    유입수에 응집제를 주입하는 전응집이 하수 내 가 용유기물량의 변화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 Alum 3.3 mg/L as Al2O3을 주입한 하수와 응집제를 주 입하지 않은 하수를 대상으로 NUR (Nitrate uptake rate) test를 수행하였다. 실험방법은 Lee et al.(2008)에 서 제시한 바와 같이 연속회분식 무산소 반응장치에 탈질미생물이 포함된 활성슬러지 0.5 L와 앞서 언급 한 두 하수 시료 1.5 L를 각각 혼합한 뒤 시간에 따른 NO3-N 농도변화 분석을 통해 진행하였다. 대상하수 이외 유기물 및 영양염류의 영향을 최소화하기 위하 여 실험 전에 슬러지를 3시간 공포기하고 증류수로 3 회 수세하였으며, 이후 1시간 동안 질소가스를 연속주 입하면서 무산소 조건을 유지하였다. 또한 각 시료는 초기 NO3-N 농도가 26 mg/L가 되도록 KNO3를 주입 하였으며, 이후 시간에 따른 NO3-N 농도를 수질오염 공정시험기준에 준하여 측정하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.유입흐름제어에 의한 교대반응 시 단위공정 별 물질거동

    본 연구에서 제안한 MBR은 유입하수가 호기조로부터 반송된 슬러지와 혼합된 후 동일한 크기의 교대반응 1조 와 교대반응 2조에 일정시간(2시간) 주기로 번갈아 유입되 는 것이 특징이다. 유입흐름이 있는 교대반응조는 연속식 으로 운전되면서 호기조로부터 반송된 질산염으로 인해 무산소 조건이 유지되는 반면, 유입흐름이 없는 교대반응 조는 회분식으로 운전되면서 혐기 조건이 유지되는 동적 변화를 가진다. 이에 본 연구에서는 유로가 변경되는 2시 간 동안 20분 간격으로 각 반응조의 시간에 따른 오염물질 거동을 분석하여 단위공정 별 반응기작을 평가하였다.

    Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 실험기간 중 MBR 유입수 내 sCODCr 및 NH4-N 농도는 각각 평균 75 mg/L, 22 mg/L 내외였 으며, NO3-N은 거의 존재하지 않았다. PO4-P는 최초 하수 원수에 평균 3.0 mg/L로 존재하였으나 전응집에 의해 1.5∼1.8 mg/L로 감소되어 생물반응조로 유입되었다. 분 석시작 시점(0분)에 반송슬러지의 유입이 중단된 교대반 응 1조에서는 초기에 2.3 mg/L의 NO3-N이 존재하였다가 20분 경과 후에 0.4 mg/L 이하로 감소하여 빠른 시간 내에 대부분의 NO3-N이 탈질되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리 PO4-P 농도는 초기에 거의 존재하지 않다가 40분부터 빠르게 증가하기 시작하여 120분대에는 최고 4.0 mg/L까지 높아졌다. 이는 교대반응조에서 질산염 대 부분이 제거된 시점부터 혐기조건이 잘 형성됨에 따라 인 방출이 매우 활발하게 일어남을 의미한다.

    반면 분석시작 시점(0분)에 원수와 반송슬러지의 유입이 시작된 교대반응 2조에서는 호기조에서 생성 된 질산염 반송으로 인해 NO3-N 농도가 0.6 mg/L에서 서서히 증가하여 60분 이후부터는 2.0 mg/L 내외로 일정하게 유지되었다. 이와 달리 PO4-P는 분석시작 직 전 사이클에서 혐기조건 동안 방출된 인 때문에 초기 에 3.8 mg/L의 농도를 보였다가 호기조 반송슬러지의 유입에 의해 희석되면서 20분 이후부터는 0.2∼0.4 mg/L 범위의 낮은 농도로 유지되었다.

    이후 호기조에서는 유입된 암모니아 대부분이 질산 화되어 NO3-N 농도가 평균 5 mg/L 내외를 보였으며, 교대반응조에서 방출되었던 인은 과잉흡수 기작에 의 해 제거되면서 호기조 내 PO4-P 농도가 0.1 mg/L 이하 로 유지되었다. 유입수에서 평균 22 mg/L 내외의 암 모니아가 교대반응조에서 약 4∼5 mg/L 내외로 감소 한 이유는 암모니아가 거의 없는 호기조 반송슬러지 가 유입수와 함께 교대반응조로 유입되면서 희석되었 기 때문이다. 호기조 내 질산염 일부는 후단의 무산소 조로 이동하여 추가 탈질이 발생하여 NO3-N 농도가 3.5 mg/L까지 감소하였으며, 처리수의 질소 농도를 보 다 엄격히 낮출 필요가 있을 경우 후단의 무산소조에 외부탄소원을 주입함으로써 대응이 가능함을 알 수 있다.

    3.2.고형물 농도에 따른 인 제거 특성

    전응집과 생물반응조에 필요한 응집제(Alum) 주입 몰비 및 응집효율 비교를 위하여 하수원수 및 생물반 응조 활성슬러지를 대상으로 Jar test를 수행하였다. 활 성슬러지는 고형물 농도에 따른 변화를 비교하기 위하 여 MLSS가 대략 3,000∼9,000 mg/L인 4종류의 시료를 각각 준비하였으며, 초기 인 농도는 4.7∼4.8 mg/L as P로 동일하게 조절하였다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이, 하수원수(SS: 205 mg/L)는 활성슬러지에 응집제를 주 입하는 것과 대비하여 뚜렷하게 응집효율이 우수한 것으로 나타났으며, 초기 인 농도를 0.2 mg/L 이하로 낮추는데 필요한 응집제 주입몰비는 약 2.4∼3.4 mol Al/mol P로 나타났다. 반면 MLSS가 3,220 mg/L 및 5,120 mg/L인 활성슬러지는 동일한 조건에서 필요한 응집제 주입몰비가 3.6∼5.8 mol Al/mol P로 증가하는 것으로 나타났다. 더욱이 MLSS가 8,880 mg/L으로 높 은 경우에는 응집제 주입몰비가 8∼9 mol Al/mol P 이 상으로 크게 증가하였다. 이는 MBR 공정과 같이 고 농도의 MLSS를 유지하는 생물반응조에 응집제를 직 접 투입하는 것은 응집효율 저하와 더불어 동일한 효 과를 얻기 위해 과량을 응집제가 주입되어야 함을 시 사한다. 현탁액 내 부유고형물이 많을 경우 그 자체가 응집제와 인의 접촉기회를 방해하거나 응집제 일부가 고형물에 불필요하게 포획되어 응집효율을 저하시킬 수 있다. 이는 Hwang and Cheon(2009)이 A2/O 공정 호기조 슬러지(MLSS : 1,910 mg/L)의 T-P 농도를 0.2 mg/L까지 낮추는데 필요한 PAC의 양이 활성슬러지 자체에 투 입할 경우는 50 ppm이 소요되나 동일 슬러지를 침전 시킨 후에 투입할 경우 30 ppm으로 감소하며, 이는 고형물에 포획되어 소모되는 PAC를 최소화하였기 때 문이라고 보고한 선행연구 결과와도 일치한다.

    한편 Yun et al.(2012)은 T-P 농도가 0.5 mg/L 이상 인 2차 침전지 유출수를 대상으로 90%의 인 제거효율 을 달성할 때, 유출수의 고형물 농도가 10 mg/L 초과 일 경우 Alum이 3.9 mol Al/mol P가 필요하나, 고형물 농도가 10 mg/L 이하일 경우는 Alum 필요량이 11 mol Al/mol P로 크게 증가하였으며, 고형물 농도가 너무 낮을 경우 응집핵 부족으로 응집효율이 떨어진다고 보고하였다. 이는 MBR 공법과 같이 처리수 내 고형 물이 거의 없는 경우 생물반응조 후단에 총인처리시 설을 두는 것이 바람직하지 않음을 의미한다. 실제로 Park et al.(2012)의 연구에서 A2/O 공정 처리수를 공극 크기가 서로 다른 분리막(0.25, 0.10, 0.04 μm)으로 여 과 후 응집효율을 비교한 결과, 인 제거효율이 막 여 과 전 90%와 비교하여 75, 71, 63%로 크게 떨어지는 것으로 나타났다.

    결과적으로 MBR 공법 내에서 화학적 인 제거를 병 행할 때, 고농도의 MLSS가 유지되는 생물반응조에 응집제를 직접 주입하는 것은 과량의 응집제 주입으 로 인한 약품비 및 슬러지 처분비의 증가나 질산화 저해의 우려가 있기 때문에 가급적 지양하는 것이 바 람직하다. 또한 MBR 공정 후단에 총인처리시설을 둘 경우 응집핵 부족으로 효율 저하가 예상되며, 특히 응 집공정 후의 고액분리시설 유출수는 BOD 및 SS 측면 에서 MBR 처리수보다 오히려 수질이 악화되기도 한다 (Gyeonggi Research Institute, 2013). 반면, 본 연구에서 제안한 것처럼 하수원수에 응집제를 주입하는 전응집 의 경우 응집핵 부족의 우려가 없으면서 지나친 고형 물 농도로 인한 불필요한 응집제 소모의 우려가 낮기 때문에 응집효과를 극대화할 수 있다. 게다가 본 연구 에서처럼 생물학적으로 제거할 수 있는 인을 제외한 잔존 인을 전응집으로 불용화할 경우, Fig. 4에서 볼 수 있듯이, 초기의 높은 인 농도 일부를 줄여주는 단 계에 해당하므로, 기울기가 상대적으로 매우 완만한 낮은 인 농도 구간보다 훨씬 작은 응집제 주입량으로 인을 효과적으로 경감시킬 수 있다.

    3.3.전응집이 가용유기물 양에 미치는 영향

    일반적으로 전침전(1차침전지 전단에 응집제를 주 입하는 방식)은 불용성 인과 함께 상당히 많은 BOD 와 고형물이 1차 하수찌꺼기로 제거되며, 과다 제거 시에 후단의 생물반응조에 필요한 인, 유기물 및 알칼 리도 부족으로 이어져 미생물 활성(탈질, 질산화 등) 을 저해할 우려가 있다(Korean National Institute of Environmental Research, 2010). 하지만 본 연구에서 제 안한 전응집은 별도의 침전과정 없이 생물반응조로 이송되기 때문에 슬러지 형태로 유기물이 제거되지 않으며, 제어시스템에 의해 응집제 주입량이 조절되 기 때문에 이러한 문제점을 최소화할 수 있다고 생각 하였다. 이를 입증하기 위하여 하수원수에 응집제를 주입한 경우(Alum 3.3 mg/L as Al2O3)와 그렇지 않은 경우를 대상으로 유기물 성상 변화를 회분식 NUR test를 통해 비교하여 Fig. 5에 나타내었다. 무산소 조 건의 생물반응조에 두 종류의 원수를 각각 기질로 공 급한 결과, 전응집된 하수와 응집제를 주입하지 않은 하수가 거의 동일한 탈질속도를 보여주었다. 또한 상 기 결과를 토대로 Lee et al.(2008)에서 제안한 유기물 성상분류법을 적용한 결과, 생물학적 질소, 인 제거에 중요한 인자인 쉽게 생분해되는 유기물(Ss)과 서서히 생분해되는 유기물(Xs)의 분율이 응집 전후로 큰 차이 를 보이지 않는 것으로 나타나, 전응집에 의한 가용유 기물 변화가 미미한 것을 확인할 수 있었다.

    Table 1은 응집제어시스템이 적용된 MBR 공정을 연속 운전하였을 때 전응집 전/후의 유입수 성상 변화 를 보여준다. 전응집에 들어간 응집제 주입량은 제어 로직에 따라 실시간으로 변화하였으나 평균 3.5 mg/L as Al2O3이 주입되었으며, 이로 인해 유입하수의 인 농도는 평균 3.7 mg/L as P에서 2.5 mg/L as P로 평균 1.2 mg/L가 감소하였다. 전응집 전과 후의 유입수 내 유기물 농도의 경우 BOD5는 346.8 mg/L에서 336.2 mg/L로 평균 3% 감소하고 CODCr은 431.2 mg/L에서 420.3 mg/L로 평균 3% 감소하는 것으로 나타나 전응 집에 의한 유기물 변화는 미미하였다. 같은 기간에 SS 농도 또한 261.0 mg/L에서 250.4 mg/L로 평균 4% 감 소하였으며, 이는 본 연구에서 적용한 전응집이 별도의 침전과정 없이 유입하수를 응집제와 급속혼화한 후에 바로 교대반응조로 이송하기 때문이며, 앞서 살펴본 유기물의 변화량이 크지 않은 것도 같은 맥락으로 이 해할 수 있다. 알칼리도의 경우도 마찬가지로 전응집 전과 후에 218.8 mg/L에서 209.9 mg/L로 평균 4% 감 소하여 변화가 크지 않는 것으로 나타났다. 따라서 전 응집에 의한 유입수의 성상변화가 후단의 생물반응조 로 유입되는 하수의 C/N비나 알칼리도에 미치는 영향 은 미미한 것으로 판단된다.

    3.4.생물반응조에 응집제 주입 시 응집제 주입량이 질산화에 미치는 영향

    본 연구에서 제안한 응집제어시스템은 주로 생물학 적 인 제거량을 제외한 잔존 인의 대부분을 전응집을 통해 불용화하며, 혹시 전응집과 생물학적 제거 이후 에도 인 농도가 목표수질을 초과할 우려가 있을 경우 에만 호기조 후단에 응집제를 주입하도록 설정되어 있다. 이 때 응집제 주입량은 즉각적인 인 제거를 위 하여, 고농도 MLSS가 반영된 Jar test 결과에 기초하 여 높은 응집제 주입몰비를 기준으로 산정한다. 하지 만 생물반응조에 과량의 응집제가 주입될 경우 질산 화 저해의 우려가 있으므로, 이에 적정 응집제 범위를 파악하기 위하여 응집제 주입량을 임의로 높게 조절 하였을 때 질산화 효율 변화를 분석하여 Fig. 6에 나 타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이, 운전 초기에 응집 제를 주입하지 않았을 경우 질산화가 거의 완벽하게 이루어져 처리수 내 NH4-N 농도가 1.0 mg/L 이하로 유지되었으나, 호기조 후단에 주입한 응집제량이 26 mg/L as Al2O3로 높아졌을 경우 처리수의 NH4-N 농도 가 급격히 증가하고 질산화 효율도 60% 미만까지 감 소하였다. 이후 응집제 주입을 중단하자 처리수의 NH4-N 농도가 서서히 감소하여 약 5일 후에는 정상적 으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 과량의 응집제 주입에 따른 질산화 저해는 여러 연구에서 논의된 바 가 있다. Zahid and El-Shafai(2012)은 회분식 MBR에서 Alum 주입량이 60 mg/L as Al2(SO4)3 (= 17.9 mg/L as Al2O3)을 넘을 경우 질산화 저해를 일으킨다고 보고하 였고, Lee and Lim(2010)도 실규모 하수처리장을 대상 으로 호기조에 응집제를 직접 주입할 때, 응집제 주입 몰비가 6 mol Al/mol TP 이상일 경우 질산화율이 99% 에서 69%로 크게 감소한다고 보고하였다. 따라서 본 연구결과와 문헌 등을 참고할 때 응집제어시스템에서 호기조 후단에 주입할 응집제 농도는 질산화가 크게 저해되지 않는 범위로 최대값을 설정하여 운전하는 것이 바람직한 것으로 사료된다.

    3.5.연속운전 시 MBR 공정의 오염물 처리성능 평가

    실제하수를 대상으로 MBR 공정을 6개월 간 연속 운전하면서 방류수 수질기준에 포함된 주요 수질항목 의 처리성능을 평가하여 Table 2 및 Table 3에 요약하 였다. 성능평가는 동절기(1∼2월)와 춘하절기(3∼6월) 로 구분하여 진행하였으며, 유입수 수온은 동절기가 10.2∼13.9˚C, 춘하절기가 13.4∼24.2˚C로 나타나 계절 적 차이가 뚜렷하였다. 유입수의 유기오염물 평균농 도는 춘하절기가 동절기에 비해 다소 높았으며, 6개월 간 전체 평균은 항목 별로 각각 BOD5 346.8 mg/L, CODMn 104.1 mg/L, CODCr 431.2 mg/L로 나타났다. 같은 기간 MBR 처리수의 BOD5 농도는 상시 2.3 mg/L 미만이었고, CODMn 농도는 7.4 mg/L 미만으로 나타나 유기오염물 이 매우 안정적으로 잘 제거됨을 확인할 수 있었다.

    유입수의 영양염류 농도는 질소의 경우 계절적 차 이가 거의 없는 반면, 인의 경우 춘하절기가 동절기에 비해 높게 나타났다. 6개월 간 항목 별 평균농도는 TN 50.3 mg/L, TP 8.2 mg/L로 국내 유입하수 평균수 질에 비해 비교적 높은 것을 알 수 있는데, 이는 분류 식 하수관거시스템이 적용된 G하수처리장의 특성에 기인한 것으로 사료된다. MBR 처리수의 TN 농도는 동절기에 평균 7.1 mg/L, 춘하절기에 평균 5.2 mg/L를 보여 수온이 낮은 동절기에 다소 제거율이 낮아지는 경향은 있으나, 방류수 수질기준인 20 mg/L에는 두 기간 모두 훨씬 못 미치는 수치이며 상대적으로 높은 유입농도를 고려할 때, 본 연구의 MBR 공정이 매우 탁월한 질소제거성능을 가지는 것으로 판단된다. 총 인은 생물학적 인 제거에 응집제어시스템에 의한 물 리화학적 제거가 병행됨에 따라 계절적 영향 없이 MBR 처리수의 TP 농도가 상시 0.2 mg/L 미만을 만족 하였으며, 평균 99.3%의 높은 제거효율을 보였다. 특 히 평가기간 중 유입수 총인 농도는 4.3∼11.8 mg/L 범위에서 큰 폭으로 변동하였음에도 불구하고 처리수 의 인 농도가 상시 목표수질을 안정적으로 달성한 점 은 본 연구에 적용한 응집제어시스템이 부하변동에 매우 능동적으로 대응하였다는 점을 시사한다.

    수질항목 중 고형물과 총대장균군수의 처리성능은 분리막에 기반한 완벽한 고액분리의 장점을 가지는 MBR의 특성을 잘 나타내주었다. 유입수의 평균 SS 농도는 261 mg/L이었으나, 전체 평가기간 중 MBR 처 리수의 SS 농도는 평균 0.4∼0.8 mg/L이었으며, 같은 기간 중 처리수의 탁도 또한 연속 모니터링한 결과 상시 0.04 NTU 이하를 유지하는 것으로 나타났다. 유 입수의 총대장균군수는 51,000∼260,000개/mL 범위를 보였으며 동절기에 비해 춘하절기가 상대적으로 높게 나타났다. 반면 처리수 내 총대장균군수는 동절기와 춘하절기 모두 불검출되어 100%의 제거효율을 보여 탁월한 여과성능을 확인할 수 있었다.

    3.6.응집제어시스템 적용 MBR의 인 농도에 따른 응 집제 주입량 변화

    호기조의 실시간 인 농도에 기반하여 전응집 및 생 물반응조에 필요한 응집제 주입량을 자동으로 결정하 는 응집제어시스템을 MBR에 적용하였을 때, 인 농도 에 따른 Alum 주입량 및 처리수질의 변화를 평가하여 Fig. 7에 나타내었다. 120시간의 운전기간 중 유입하 수의 인 농도는 오전 11시∼13시경에 가장 높았으며, 평균 T-P는 7.7 mg/L, PO4-P는 4.0 mg/L 이었다. 그림 에서 볼 수 있듯이, 전응집 및 생물학적 인 제거가 이 루어진 호기조 내 농도는 주로 0.0∼0.2 mg/L 범위에 서 변동하였으며, 일부 기간에서 0.2 mg/L를 초과하기 도 하였다. 실시간 호기조 인 농도가 지속적으로 약 0.2 mg/L 이내의 범위에서 반복적으로 오르락내리락 하는 패턴은 본 연구의 MBR 공정 특성이 반영된 결 과로, 앞서 Fig. 2에서 살펴본 바와 같이, 유입흐름에 따른 시간 별 교대반응조의 인 농도 거동이 달라지기 때문에 나타나는 현상이다.

    응집제어시스템은 설정된 로직에 따라 응집제 주 입량을 정확하게 조절하였으며, 가령 호기조의 인 농 도가 P기준 (0.15 mg/L as P) 이상일 경우에는 전응 집 주입량이 단계적으로 증가하고 P기준 미만일 경 우에는 단계적으로 감소하는 패턴이 명확하게 나타났다. 호기조 인 농도가 P경계 (0.20 mg/L as P) 이상일 경우 에는 초과분을 제거하는데 필요한 응집제가 즉각적으 로 호기조 후단에 주입되었으며, 그 결과 호기조 인 농도가 불과 수 시간 내에 빠르게 낮아지는 것을 확 인할 수 있었다. 또한 호기조 인 농도가 P경계 미만으 로 감소하였을 때에는 생물반응조의 응집제 주입이 바로 중단되어 불필요한 응집제 소요량을 최소화하였 다. 120시간의 연속운전 기간 동안 MBR 처리수의 PO4-P 농도는 0.0∼0.1 mg/L as P 범위에서 변동하여 목표수질인 0.2 mg/L as P를 안정적으로 만족시키는 것으로 나타났다. 응집제어시스템에 의해 주입된 평 균 응집제 주입농도는 2.7 mg/L as Al2O3 이었으며, 이 중 전응집은 2.1 mg/L as Al2O3, 생물반응조는 0.6 mg/L as Al2O3으로 나타나 주로 전응집에 의해 인 불 용화가 이루어졌음을 알 수 있다.

    Park et al.(2011)은 침전지가 있는 전통적인 생물학 적 처리공정에서 처리수의 인 농도를 0.2 mg/L 이하 로 유지하는데 필요한 최소한의 응집제(Alum 기준) 양이 활성슬러지에 직접 주입할 경우는 25∼30 mg/L as Al2O3, 2차 처리수에 주입할 경우는 6∼9 mg/L as Al2O3라고 보고하였다. 또한 환경부 보고자료에 따르 면 별도의 총인처리시설이 도입되어 운영 중인 국내 155개 공공하수처리시설에서 실제 사용되는 응집제 주입량을 조사한 결과, 공법 별로 차이는 있지만 평균 5.1∼7.4 mg/L as Al2O3라고 발표하였다(Korean Ministry of Environment, 2012). 따라서 본 연구와 같이 응집제 어시스템이 적용된 MBR에서 처리수 인 농도를 0.2 mg/L 이하로 유지하는데 사용된 응집제 주입량이 불 과 3 mg/L as Al2O3가 되지 않는다는 것은 기존에 운 영 중인 총인처리시설에 비해 매우 획기적인 응집제 소모량 절감효과가 있음을 시사한다.

    3.7.응집제 주입 시 분리막 막간차압 변화

    MBR 공정에 응집제를 주입하는 것이 막간차압 (TMP, transmembrane pressure)에 미치는 영향을 살펴 보기 위하여 막투과유속을 25 LMH로 일정하게 유지 하고 응집제를 주입하기 전과 후의 TMP25(25˚C 온도 보정 값) 변화를 모니터링하여 Fig. 8에 나타내었다. 운전기간 중 TMP는 전체적으로 완만하게 증가하는 양상이며, 약 6개월의 운전기간 동안 분리막의 허용압력 인 0.5 kgf/cm2에 크게 못 미치는 0.1 kgf/cm2 이하에서 안정 적으로 유지되는 패턴을 보여주었다. TMP 상승속도는 응집제 주입 전과 응집제 주입 후가 큰 차이가 없었 으며 오히려 소폭 감소하여 응집제가 분리막 파울링 등에 부정적인 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났 다. MBR 막 파울링과 응집제 주입 간의 상호관계에 관하여는 많은 연구가 있었다. Ji et al.(2008)은 MBR 에 응집제를 주입할 경우 막 파울링을 유발하는 고분 자 물질들이 보다 큰 플록 형태로 응결되면서 TMP의 상승속도가 둔화된다고 하였고, Wu et al.(2006) 또한 고분자 응집제를 MBR에 주입할 때 TMP의 초기값과 상승속도가 줄어드는데, 이는 응집제가 막의 막힘현 상을 유발하는 물질을 억제하고 막 표면의 겔층 형성 을 지연하기 때문이라고 보고하고 있다. 하지만 본 연 구에서는 대부분의 응집제가 유입원수 내 인의 불용 화에 소모되며, 소량의 응집제가 필요시에만 호기조 후단에 주입되기 때문에 분리막조에 직접 응집제를 주입하는 기존연구의 실험조건과는 다소 상이하다. 다만 불필요한 응집제 과량 주입이 없기 때문에 잔여 응집제로 인한 막간차압의 부정적 영향에 대한 우려 가 없다는 점이 보다 주목할 점이다.

    4.결 론

    유입흐름 변경 및 전응집 기반 이단응집 제어를 적용 한 MBR을 대상으로 인 처리효율 개선 및 약품소요량 절감 가능성을 평가하여 아래와 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 회분식으로 운전 중인 교대반응조에서는 유입흐 름 중단 후 20분 만에 빠르게 질산염 대부분이 제거 되었고, 이후 혐기조건 하에서 인 농도가 최대 4 mg/L 까지 방출되는 것으로 나타나 유입흐름 변경에 의한 교대반응 운전방식이 매우 활발한 생물학적 인 제거 를 유도하는 것으로 판단된다.

    • 2) 고형물 농도 별 Jar test 수행결과, 인 농도를 4.8 mg/L에서 0.2 mg/L까지 감소시키는데 필요한 Alum 주입 몰비가 원수(SS 205 mg/L)의 경우 2 mol-Al/mol-P인 반 면, 분리막조에서 채수한 활성슬러지는 9 mol-Al/mol-P 이상인 것으로 나타나, 응집제를 생물반응조보다 원 수에 주입하는 것이 인 제거 측면에서 훨씬 비용 효 과적인 것으로 판단된다.

    • 3) 무산소 조건 하에서 NUR test를 수행한 결과, 전응집 된 하수와 그렇지 않은 하수 간에 탈질속도나 생분해가 쉬운 유기물의 함량 변화 차이가 크지 않아 전응집이 후단 의 생물반응에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.

    • 4) 생물반응조(호기조 후단)에 응집제를 직접 주입 할 경우, 응집제 주입농도가 26 mg/L as Al2O3 이상일 때, 질산화율이 60% 미만으로 크게 감소하였으며, 따라 서 응집제어시스템 상에 생물반응조 응집제 주입량 최 대값을 질산화 저해가 없는 수준으로 설정해야 한다.

    • 5) 호기조의 실시간 인 농도에 따라 응집제 주입량 을 자동 조절하는 응집제어시스템을 MBR에 적용한 결과, MBR 처리수 인 농도는 0.2 mg/L 이하에서 안정 적으로 유지되었으며, 이 때 Alum 주입농도는 평균 2.7 mg/L as Al2O3로 나타나, 5.1∼7.4 mg/L as Al2O3가 소모된다고 보고하는 기존 총인처리시설과 대비하여 현저한 약품절감 효과를 확인할 수 있었다.

    • 6) MBR에 응집제를 주입하기 전과 후의 분리막 막 간차압 상승속도 변화는 거의 없었으며, 따라서 응집 제 주입이 막 파울링 등에 부정적인 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다.

    사 사

    본 연구는 K-water MFC연구사업단(K-water, 태영건 설, 한화건설)의 지원을 받아 수행되었으며, 양질의 실험결과를 얻을 수 있도록 불철주야 연구시설 운영 을 도와준 한화건설 윤정환 연구원의 노고에 감사드 립니다.

    Figure

    JKSWW-31-103_F1.gif

    Schematic diagram of membrane bioreactor.

    JKSWW-31-103_F2.gif

    Logic diagram of coagulation control system

    JKSWW-31-103_F3.gif

    Dynamic behavior of soluble CODCr, NH4-N, NO3-N, PO4-P in each reactor of the MBR operated by sequentially alternating the inflow and the process conditions.

    JKSWW-31-103_F4.gif

    Phosphorus removal of raw wastewater and activated sludge mixed liquor according to the Al to initial P ratio (mole basis).

    JKSWW-31-103_F5.gif

    Effect of pre-coagulation on characteristics of organic matter in raw wastewater. (a) decrease of nitrate concentration and (b) characteristics of organic matter in the wastewater w/ and w/o alum.

    JKSWW-31-103_F6.gif

    Effect of alum dosage on nitrification in the MBR.

    JKSWW-31-103_F7.gif

    Variation of PO4-P concentration and alum dosage in the MBR applied by a two-stage coagulation control system.

    JKSWW-31-103_F8.gif

    TMP pattern of the MBR with and without alum injection.

    Table

    Characteristics of the raw wastewater before and after pre-coagulation

    Wastewater treatment performance of MBR during the winter months

    1Based on Korean standard of effluent quality for public sewage wastewater treatment facilities (500 tons/day or more) in 1st zone
    2Not detected

    Wastewater treatment performance of MBR during the spring&summer months

    1Based on Korean standard of effluent quality for public sewage wastewater treatment facilities (500 tons/day or more) in 1st zone
    2Not detected

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