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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.6 pp.535-550
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.6.535

A study on operation and management for TOC removal of public sewage treatment works

Dong-Hwan Jeong, Hyenmi Chung, Yangseok Cho, Eunseok Kim, Changsoo Kim, Junwon Park, Wonseok Lee*
National Institute of Environmental Research, Water Supply and Sewerage Research Division, Incheon Seo-gu Hwangyeong-ro 42, 22689
Corresponding author: Wonseok Lee (E-mail: boystone@korea.kr)
17/09/2018 16/11/2018 21/11/2018

Abstract


Total organic carbon (TOC) will replace chemical oxygen demand (CODMn) as an effluent water quality standard in public sewage treatment works (PSTWs) from 2021 in Korea. To ensure effective control of TOC in the effluent, investigation was carried out into TOC levels and sewage treatment operation factors in five target PSTWs using anaerobic-anoxic-aerobic (A2O) processes, media, membrane, and sequencing batch reactor (SBR) technologies. TOC removal efficiencies appeared to be 93-96% on average. As a fraction of TOC, biodegradable dissolved organic carbon (BDOC) was reduced from 64% in the influent to 9% in the effluent in these PSTWs. During the investigation, biological treatment processes were applied flexibly for operation factors such as HRT, SRT, MLSS, F/M ratios and BOD volume loads, based on the influent characteristics and design conditions. As a result, we suggest efficient operating conditions in PSTWs by evaluating relationships between TOC removal and operation factors.



하수처리시설에서 총유기탄소(TOC) 처리를 위한 운영·관리 고찰

정 동환, 정 현미, 조 양석, 김 은석, 김 창수, 박 준원, 이 원석*
국립환경과학원 상하수도연구과, 인천 서구 환경로 42, 22689

초록


    National Institute of Environmental Research

    1. 서 론

    하천 및 호소에서 환경기초시설의 확충에 따라 BOD가 개선되었으나 난분해성 유기물질 (CODMn)은 지속적으로 증가하여 개선효과가 미흡한 것으로 나타 났다. CODMn은 유기물질에 대한 산화력이 30~60% 정 도로 부족하여 총유기탄소 (TOC)를 난분해성 유기물 질 등 전체 유기물질에 대한 새로운 관리지표로 설정 할 필요성이 대두되었다. 이를 해결하기 위해 2013년 수질 및 수생태계 환경기준에 TOC 항목을 도입하였 고, 환경부에서는 방류수역에서 TOC 항목에 대한 중 권역 환경기준 달성을 위해 하수처리시설 방류수 TOC 기준설정을 위한 조사연구 사업 (NIER, 2015a)을 수행하여 2015년 방류수 수질기준에 TOC 항목 도입 방안을 마련하였다. TOC 기준 도입 계획에 따르면 신 규 및 증설 하수처리시설은 2019년부터 TOC 기준(안) 을 우선 적용하고 기존 하수처리시설은 2021년부터 적용할 예정이다 (MOE, 2018).

    이와 관련하여 먼저 수질 및 수생태계 TOC 환경기 준 설정을 위한 경제적 영향 분석, 기준의 적정성 및 달성률 평가 등을 검토하여 우리 실정에 적합한 TOC 환경기준(안)을 마련하였다 (NIER, 2011). 국내 하수, 산업폐수, 가축분뇨, 분뇨 등 처리시설에서 TOC 규제 제도 설정 근거, 기준 설정에 필요한 자료 확보를 위 해 장기 수행계획을 수립하여 중장기적 추진과제를 제시하였다 (NIER, 2012). 또한 환경부는 공공수역 유 기물질 관리지표 전환에 따라 수질오염총량관리제에 서도 대상물질을 BOD에서 TOC로 전환 추진 중에 있 으며 수질오염총량관리제의 TOC 배출부하량 및 할당 부하량 산정에 활용하기 위해 생활계 오염원에 대한 TOC 원단위를 조사하여 제시하였다 (NIER, 2014). 공 공수역 내 설정된 TOC 목표기준 달성을 위한 산업계 로부터 배출되는 TOC의 규제기준 마련을 위하여 폐 수배출시설로부터 발생되는 폐수의 TOC・유기물질의 배출 및 처리실태 파악과 함께 폐수 관리를 위한 TOC 배출허용기준 및 TOC 배출 원단위 산정에 필요한 기 초자료를 확보하였다 (NIER, 2015b).

    하수처리시설을 대상으로 TOC를 조사한 연구를 살 펴보면, 국내 하수처리시설에서 하수 배제방식, 지역 구분, 연계처리 등 세부적으로 구분하여 TOC 배출특 성을 조사하였고, 처리공법에 따른 제거효율을 평가 하여 A2O공법 80.0%, MBR공법 83.2%, Media공법 78.6%, SBR공법 72.8%로 보고하였다 (Jeong et al., 2014). 또한 국내 4개 하수처리시설의 생물학적 처 리공법에 따른 TOC, CODCr, CODMn, BOD5의 제거효 율을 각각 93.7%, 91.4%, 91.7%, 86.9%로 나타내었 으며, TOC와 다른 유기물질 지표와의 상관관계 분 석을 통해 TOC가 CODMn을 대체하여 수질 지표로써 의 활용이 가능하다고 하였다 (Cho et al., 2014). 해 외 사례로 표준활성슬러지공법을 이용하는 그리스 의 도시 하수처리시설에서 유기물질 관리를 위한 DOC 제거효율을 조사하여 원수에서 DOC 71~72 mg/L, 2차침전지의 유출수에서 19 mg/L로 나타나 생물학적 공정에 의해 처리되는 것을 확인하였다 (Katsoyiannis and Samara, 2007). 미국의 뉴욕, 플로 리다 등 하수처리시설 방류수에서 MBR공법, 표준 활성슬러지공법, SBR공법, RBC공법 등 4가지 생물 학적 처리공정의 TOC를 측정하였는데 TOC 중 BDOC가 차지하는 비율은 RBC공법 32%, 활성슬러 지공법 24%, SBR공법 19%, MBR공법 15%로 조사되 었다 (Weinrich, 2010).

    이와 같이 하수처리시설에서 공법별 TOC 제거효율 평가, TOC와 기존 유기물질과의 상관관계 분석 등 선 행 연구가 수행되어 왔으나 하수처리시설 방류수 수 질기준에 TOC 항목을 유기물질 관리지표로 규정하고 있는 나라가 없어 비교・분석할 수 있는 연구 사례가 부족하다. 또한 우리나라 하수도 시설기준에서도 BOD・ COD 등의 유기물질과 관련된 운영인자에 대한 설계 값 및 운영조건이 상세하게 설명되어 있으나 TOC와 관련된 운영인자에 대한 설명은 부족하다. 그리고, 하 수처리시설에서 TOC 내 생물학적 처리가능한 유기물 질의 양과 TOC가 생물학적 처리공정을 거치면서 얼 마나 처리되는지 BDOC를 측정함으로써 정량적으로 평가할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 TOC 항목을 방류수 수질기준의 관리지표로 도입하는 경우를 대비 하여 하수처리시설에서 효율적인 TOC 관리를 위해 하수처리 공정・공법별 TOC 처리효율 평가, TOC와 다 른 수질항목과의 상관관계 분석를 포함한 BDOC 거 동 변화 등을 조사하였다. 또한 하수처리시설 처리공 정에서 SRT, HRT, MLSS, BOD 용적부하, F/M 비, C/N 비, DO 등 다양한 운영인자 및 처리조건을 조사 하였고, 이들 결과를 종합하여 하수처리시설 공정별 TOC 거동 및 공정상태를 분석하고 하수처리시설에 대한 운영관리 방안을 제시하였다.

    2. 연구방법

    2.1 조사대상 하수처리시설

    500 m3/일 이상 공공하수처리시설 중에서 A2O공법 2개소, SBR공법 1개소, Media공법 1개소, MBR공법 1 개소를 조사대상 하수처리시설로 선정하였으며, 시설 현황을 Table 1에 나타내었다. 또한 5개소 하수처리시 설에 대한 운영관리 자료를 조사․분석하여 BOD 용적 부하, F/M 비, MLSS 농도, HRT 등의 설계기준과 실 제 운영인자를 비교하여 나타내었다 (Fig. 1).

    2.2 시료채취 및 분석방법

    2016년 4월부터 2017년 11월까지 총 24회에 걸쳐 대상 하수처리시설에서 공법 및 공정별 TOC에 대한 시계열 모니터링을 실시하였으며, 하수처리시설 5개 소의 처리 공정 및 채수 지점은 Table 2에 나타내었다.

    조사항목은 T(D)OC, BDOC, SS, BOD, COD(Cr,Mn), TN (NH3-N), TP (PO4-P), pH, DO, 수온, EC, ORP이다. Table 3에 나타낸 것과 같이 대부분 수질오염공정시 험기준에 제시된 분석방법으로 측정 분석하였으나 (MOE, 2015), 수질오염공정시험기준이 없는 BDOC 등은 국내・외 연구사례를 검토하여 분석하였다 (Cha et al., 2003;McDowella et al., 2006;Servais et al., 1987, 1989;Son et al., 2004, 2006). BDOC의 거동 분석은 하 수처리시설 공정별 4지점에서 2017년 11월 (가을), 2018년 1월 (겨울), 5월 (봄), 8월 (여름)에 시료를 채 수하여 측정․분석하였다. 우선 채수한 하수 시료는 0.45 μm 필터로 여과하고 50 mL 실린더에 과학원 내 연못에서 채수한 물의 상등액 1 mL를 취해 4개 시료 를 20℃에 맞추어 4주간 인큐베이터에 배양한다. 처 음 채수일(0일)부터 DOC를 구하고 이 값이 초기 BDOC가 되며, 배양한 시료를 통해 7일 DOC를 구하 고 이 값을 초기 BDOC에서 빼주면 7일 BDOC가 된 다. 이런 과정을 반복하면서 14일, 21일, 28일 BDOC 를 구한다. 마지막 측정한 28일 BDOC를 최종 BDOC 로 한다 (Cha et al., 2003;Son et al., 2006). 여기서 DOC 측정은 수질오염공정시험기준에 따라 고온연소 산화방법으로 분석하였다. 채수한 하수 시료를 0.45 μm 필터로 여과하고 HCl을 첨가하여 pH를 2 이하로 낮춘 다음 비정화성 유기탄소 (Non-purgeable organic carbon, NPOC) 측정방법으로 정량하였다. 이때 사용한 측정분석 기기는 TOC analyzer Multi N/C® 3000 (Analytik Jena, Germany)이다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 하수처리시설 TOC 처리효율

    대상 하수처리시설에 대한 처리구역의 하수 발생특 성에 따라 TOC 유입수질은 30.5 ~ 403.6 mg/L 범위에 서 차이가 나타났다. 또한 생물학적 처리 후 방류수 TOC 농도는 2.7 ~ 7.9 mg/L로 매우 양호한 처리수준을 유지하는 것으로 조사되었다. 대상 하수처리시설의 TOC 처리효율은 92.6~96.0%로 높게 나타났으며, TN 처리효율은 70.0~85.7%로 다른 항목에 비해 다소 낮게 나타났다 (Fig. 2). 그 외 BOD는 98.3~99.7%, CODMn은 91.0~95.8%, CODCr은 94.4~97.3%, TP는 94.4~96.6%가 처리되는 것으로 조사되었다.

    대상 하수처리시설의 DOC/TOC 비율은 유입수 61%에서 방류수 91%로 증가하여 처리공정을 거치면 서 생물학적으로 분해가능한 유기물질은 미생물에 의 해 흡수되는 것으로 판단되었다. 이들 시설의 BOD/ TOC 비율은 유입수 2.0 (1.8~2.2)에서 0.27 (0.1~0.4)로 크게 낮아져 대부분은 유기물질은 산화 (제거)되는 것 으로 나타났다. 또한 CODMn/TOC 비율은 유입수 1.2 (1.2~1.3)에서 방류수 1.5 (1.4~1.6)로 약간 증가 하였으 나, CODCr/TOC 비율은 유입수 3.5 (3.4~3.6)에서 방류 수 2.9 (2.6~3.2)로 낮아지는 것으로 나타났다 (Fig. 3). 해외 하수처리시설에서도 스웨덴 Henriksdals 하수처 리시설 유입수‧방류수의 CODCr/TOC 비율이 각각 3.8, 3.4로 차이가 없는 반면 본 연구사업의 대상 하수처리 시설에서는 차이가 있는 것으로 나타났다 (NIER, 2012). 이는 Henriksdals 하수처리시설은 표준활성슬러 지 공법을 사용하는 반면 본 연구에서 조사대상 하수 처리시설은 모두 고도처리공법을 채택하고 있어 난분 해성 유기물질 제거 기작이 조금 더 효율적으로 작동 하고 있는 것으로 판단되었다.

    대상 하수처리시설의 처리용량이 2,810~70,860 m3/일 으로 전체적으로 중․소규모 시설에 해당되고 민간 위탁 하여 효율적인 운영관리가 이루어지고 있어 본 연구의 조사결과 Ⅲ~Ⅳ지역 TOC 기준(안) (Ⅰ~Ⅱ지역 15 mg/L 이하, Ⅲ~Ⅳ지역 25 mg/L 이하)을 만족하는 것으로 나타 났다. 처리공법에 따라 대상 하수처리시설에 대한 MBR 공법 (JB PSTW)의 방류수 TOC 농도 (3.7 mg/L)가 가장 낮게 나타났고, SBR공법 (WN PSTW)의 방류수 TOC 농 도 (5.3 mg/L)가 높게 나타났다. 또한 Media공법 (SH PSTW) 및 A2O공법 (SE 및 JJ PSTW)의 방류수 TOC 농 도 (4.1~4.6 mg/L)는 유사하게 나타났다 (Fig. 4).

    3.2 하수처리시설 공정별 TOC 거동 및 공정상태 분석

    3.2.1 하수처리시설 유입수 및 방류수의 TOC 등 수질 상 관분석

    조사대상 하수처리시설의 유입수 수질 데이터에 대 한 상관분석 결과, 조사한 수질항목 중 DOC 0.80, BOD 0.79, CODMn 0.91, CODCr 0.81, SS 0.79로 TOC와 의 상관관계가 높게 나타났다 (Fig. 5). 또한 조사대상 하수처리시설 방류수 수질 데이터에 대한 상관분석 결과 TOC와 높은 상관관계를 갖는 항목은 DOC 0.88 로 고형물질을 제거한 용존상태라도 상관관계가 높게 나타났으나 대부분 수질항목에 상관관계는 낮았다. 이는 하수처리시설 유입수에서 유기물질은 자연상태 로 교란되지 않고 존재하는데 비해 방류수에서는 수 질기준을 만족하기 위해 생물학적 처리공정, 총인처 리시설, 소독공정 등 인위적인 처리과정을 거치면서 대부분의 유기물질이 제거되어 성분구성이 변환되었 기 때문인 것으로 판단된다.

    3.2.2 하수처리시설 BDOC에 대한 공정별・계절별 거동 분석

    하수처리시설 유입수 (원수)에서 BDOC는 42.1~181.5 mg/L, 1차침전지 (또는 유량조정조) 유출수에서 BDOC 는 27.7~100.3 mg/L로 이들 공정에서 BDOC가 차지하 는 비율이 크며, 처음 7일간 BDOC 소모가 큰 것으로 나타났다. 2차침전지 유출수의 DOC 농도 조사결과 유기물질은 생물반응조에서 거의 처리되어 낮은 농도 로 나타났고 이는 생물학적 처리공정을 거치면서 BDOC 소모가 큰 것으로 판단되었다 (Table 4, Fig. 6). 생물반응조를 거친 2차침전지 유출수의 BDOC는 0~5.4 mg/L이고 최종 방류수에서 BDOC는 0~1.5 mg/L 로 거의 없거나 약간 증가한 것으로 조사되어 대부분 유기물질은 생물 분해가능한 물질이고 생물학적 처 리공정을 거치면서 대부분 제거되는 것을 나타낸다. 그러나 SH 하수처리시설 (Media)의 유입수 및 1차침 전지 유출수에서 봄철 및 겨울철 DOC 소모량의 차이 가 없으므로 1차침전지에서 BDOC 소모가 일어나지 않음을 알 수 있다.

    하수처리시설 유입수에서 TOC 내 생물 분해가능한 DOC (BDOC)가 차지하는 비율 (BDOC/TOC)은 평균 63.6% (47.6~77.6)로 조사되었고, 방류수에서는 평균 9.3% (0~33.4)로 조사되었다. 처리시설별로 BDOC/ TOC 비율살펴보면 유입수에서 이 비율이 SH 하수처리 시설 (Media)이 가장 높은 67.0%로 나타났으며, 방류수 에서는 6.2%로 나타났다. 이러한 결과 역시 앞에서 설 명하였듯이 생물학적 처리공정을 거치면서 유기물질이 잘 제거되는 것을 의미한다. 다만, WN 하수처리시설 (SBR)에서 BDOC/TOC비율을 조사한 결과 유입수에서 64.3%, 분배조 유출수에서 60.1%, 반응조 유출수에서 29.3%, 방류수 14.5%로 나타나 다른 하수처리시설에 비 해 상대적으로 BDOC의 비율이 높게 나타났다.

    3.2.3 하수처리시설 TOC 운영관리를 위한 공정상태 분석

    2차침전지 유출수 TOC 및 BOD 농도와 반응조 운 영조건과의 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 2차침전지 유출수의 BOD 농도와 반응조 운영조건과의 그래프는 TOC 농도와 반응조 운영조건과의 그래프를 비교 검 토하기 위해 제시하여 그 변동 범위가 큰 것을 알 수 있다. 즉, Fig. 7의 그래프에서 보듯이 TOC의 농도와 운영조건과의 관계는 BOD에 비해 변동폭이 크지 않 음을 알 수 있다. 이는 TOC를 통한 하수처리시설의 운영관리가 BOD보다 용이하다는 것을 의미한다. 본 고찰은 하수처리시설에서 TOC 관리와 관련된 내용을 다루므로 TOC에 대해 주로 설명하고자 한다.

    1) HRT(Hydraulic retention time, hr) 및 SRT (Solids retention time, day)

    HRT (수리학적 체류시간)는 반송슬러지를 고려하 지 않은 하수의 폭기시간을 가리키며 A2O공법에서는 보통 5~8 hr이 적용되고 있다. 유입수의 수량 및 수질, 지의 용량 등에 따라 처리수의 수질이 양호해 지는 체류시간을 경험적으로 정한다. 저농도 도시하수 처 리의 경우, HRT를 일반적으로 표준시간보다 단축하 여도 유기물질 처리효율에 큰 영향을 미치지 않는 것 으로 나타날 경우 HRT를 낮게 운전하여 나머지 폭기 조 용적을 탈질공정을 위한 처리시설이나 유입유량의 과부하에 대처할 수 있는 시설로 활용할 수도 있다.

    JB (MBR) 하수처리시설을 제외하고는 HRT는 10 hr 정도에서 운영조건을 설계하여 5.5 ~ 9.8 hr의 범위에 서 운전하고 있다. WN (SBR) 및 JJ (A2O) 하수처리시 설은 HRT 설계조건인 9.0 hr 및 9.8 hr 보다 높여 각각 17.2~19.8 hr, 14.6~20.1 hr의 범위에서 2배 정도 길게 운영하였다. 이러한 운영조건에서 TOC 처리효율은 90% 이상 유지하는 것으로 조사되었으며, 2차침전지 유출수의 TOC 농도는 4.6~11.9, 4.5~8.0 mg/L의 범위 로 조사되어 양호한 처리결과를 얻었다. HRT는 하수 처리시설 공법별 설계한 대로 구분하여 일정한 범위 에서 운전되고 있는 것을 확인할 수 있다.

    SRT (고형물 체류시간)는 활성슬러지가 하수처리시 설 전체 시스템 내에 체류하는 시간을 의미한다. 그러 나, 통상적으로 최종침전지 및 반송슬러지의 경로 등 에 포함되어 있는 활성슬러지량과 처리수 중의 활성 슬러지량을 무시한 폭기조 (반응조)의 활성슬러지만으 로 계산되어 활용되고 있다. 최종침전지에서 분리된 고형물의 일부는 폐기되고 일부는 다시 반송되어 슬 러지는 HRT보다는 긴 시간 동안을 폭기조 내에서 체 류하게 된다.

    반면 SRT는 슬러지 인발 및 반송에 따라 시설별 차이가 있으며 SE (A2O) 하수처리시설의 SRT는 18.5~43.2 day로 같은 A2O공법을 적용하고 있는 JJ 하수처리시설의 SRT 4.2~14.4 day보다 길게 운전이 이루어지고 있다. 이는 SE (A2O) 하수처리시설의 슬러지 처리시설에서 슬러지 건조, 시설 수리, 동절기, 유입하수의 BOD 농도 저하 등 다양한 이유에 따라 슬러지 인발이 늦어져 SRT가 길어지는 경향이 있다. JB (MBR) 하수처리시설은 0.4 μm MF의 폴리올리핀계 평막을 도입하고 분기 1회 세정 을 실시하고 있으며, 이 시설의 SRT는 8.6~61.8 day로 다른 시설보다 길게 운전하는 것으로 조사되었다. 이는 다음 절에서 언급될 MLSS가 가장 커 9,740~13,875 mg/L의 범위에서 운전되어 SRT가 커도 운영에 미치는 영향이 작기 때문이다 (Fig. 7).

    2) MLSS

    MLSS (활성슬러지 농도)는 폭기조 내에서 처리를 담 당하는 활성슬러지 미생물 농도를 나타내는 지표이다. 활성슬러지법을 통한 하수처리에서는 미생물이 유기물 을 분해․섭취하기 때문에 처리에 관여하는 미생물 농도 가 가장 중요한 하수처리시설 운전조건 중 하나이다.

    Table 5에서와 같이 A2O 및 Media공법에서 MLSS는 2,000~5,000 mg/L, SBR공법은 2,000~3,000 mg/L의 범위 에서 통상적으로 운전된다. 본 연구에서 이들 공법을 적용한 대상 하수처리시설에서는 1,280~4,727 mg/L의 범위에서 운전되어 이들 공법에서 적용하는 MLSS 운 전조건 범위에서 운영되는 것으로 조사되었다. 또한 MBR공법을 적용한 JB 하수처리시설의 MLSS 설계기 준은 5,000~15,000 mg/L이며, 본 연구기간 동안 조사된 JB 시설의 MLSS는 9,740~13,875 mg/L로써 설계기준 조 건 내에서 운전되는 것으로 나타났다 (Fig. 7).

    3) BOD용적부하

    BOD용적부하는 공간부하 (Space loading) 또는 BOD 부하와 같은 뜻이며, 폭기조 1 m3당 1일에 유입되는 BOD의 무게 (kg)로 나타낸다. BOD용적부하는 폭기조 (반응조)의 규모를 결정하는데 사용된다.

    WN (SBR) 하수처리시설의 BOD용적부하는 설계 조건인 0.40 kg BOD/m3․day보다 낮은 0.13~0.30 kg BOD/m3․day의 범위에서 운영하고 있는 것으로 조사 되었다. SH 하수처리시설은 Media 공법으로 BOD용 적부하가 설계조건 0.28 kg BOD/m3․day이 0.12~0.43 kg BOD/m3․day의 범위 내에서 거동하도록 운영하고 있었다. SE 하수처리시설은 A2O공법임에도 BOD용 적부하가 설계조건 0.32 kg BOD/m3․day보다 높은 0.32~0.89 kg BOD/m3․day로 운영되고 있었다. 또한 JB (MBR) 하수처리시설의 BOD용적부하는 일반적인 운전조건 0.11~1.47 kg BOD/m3․day의 범위 내인 0.30~0.53 kg BOD/m3․day로 운영하는 것으로 나타났 다 (Fig. 7).

    4) F/M(Food/Micro-organism) 비

    F/M 비는 폭기조 내 혼합액 부유물질(MLSS)을 1 kg 당 1일에 유입되는 BOD의 무게 (kg)로 나타낸 것이다.

    조사대상 하수처리시설의 F/M(BOD/MLSS) 비에 있어서도 WN (SBR) 하수처리시설은 설계 F/M 비 가 0.192 kg BOD/kg MLSS․day이었으나 실제 운영 F/M 비는 0.04~0.17 kg BOD/kg MLSS․day로 낮게 운영하는 것으로 조사되었다. SH (Media) 하수처리 시설이 설계조건 0.05~0.2 kg BOD/kg MLSS․day 범 위보다 다소 넓은 0.04~0.40 kg BOD/kg MLSS․day 범위에서 운영하는 것으로 조사되었다. SE (A2O) 하수처리시설이 설계조건 0.13 kg BOD/kg MLSS․ day보다 다소 높은 0.10~0.30 kg BOD/kg MLSS․day 범위에서 운영하는 것으로 조사되었다. JJ (A2O) 하 수처리시설은 설계조건 (0.11 kg BOD/kg MLSS․day) 보다 다소 낮은 값 (0.07~0.13 kg BOD/kg MLSS․ day)으로 운영되었다. MBR공법을 적용하고 있는 JB 하수처리시설은 F/M 비를 0.020~0.051 kg BOD/kg MLSS․day로 낮게 유지하여 운영하는 것으로 나타났 다. 이러한 현상은 실제 하수 유입 성상의 변환에 따 라 운영조건을 처리에 적합하게 변경하여 운영하는 것으로 판단된다 (Fig. 7).

    5) C/N(TOC/TN) 비

    C/N 비가 낮은 저농도 하수의 질소제거를 위하여 여러 생물학적 탈질공법이 개발되어 현재 사용되고 있는 탈질공법으로 외부 유기물질 공급 (전자공여체) 에 의한 C/N 비의 조절법이 가장 보편화되어 있다 (Lee et al., 1999). 일부 하수처리시설에서도 1차침전 지 월류수에서 CODCr/TN 비는 1.24, BOD5/TN 비는 0.43으로 생분해성 유기물질 농도가 질소 성분에 비해 낮은 것으로 조사된 사례도 있다 (Yoon, 2008).

    조사대상 하수처리시설 일차침전지 또는 유량조정 조 유출수의 C/N (TOC/TN) 비는 WN (SBR) 및 SE (A2O) 하수처리시설에서 일정하게 0.9~2.5의 범위 내 에서 운영하는 것으로 나타났다. 또한 SH (Media) 하 수처리시설의 일차침전지 유출수에서 C/N 비가 0.9 ~ 3.8, JJ (A2O) 하수처리시설의 유량조정조 유출수에서 C/N 비가 1.9~4.7, JB (MBR) 하수처리시설의 유량조정 조(분배조) 유출수에서 C/N 비가 1.2~4.1의 범위에서 조사되었다. 이들 C/N 비 범위에서 TOC 처리효율은 90% 이상 유지하는 것으로 나타났다 (Fig. 7).

    6) DO

    폭기조 (반응조)는 활성슬러지 미생물이 유기물질을 산화하고, 새로운 세포의 동화작용에 필요한 산소를 공급하고 폭기조 혼합액을 교반하기 위한 것이다. 하 수처리시설에서 유량 및 수질은 항상 변동하므로 폭 기조에서 안전하게 운전하기 위해서는 용존산소를 반 응조 유입부에서 0.5~1.0 mg/L, 유출부에서는 1~2 mg/L 정도 유지하는 것이 좋다. 활성슬러지 공법에 사용되는 폭기장치는 크게 산기식과 기계식으로 구분 하며 이러한 폭기장치는 활성슬러지에 산소를 공급시 켜야 함은 물론 폭기조를 혼합시켜 폭기조 내의 MLSS가 침전되지 않도록 하는 역할을 해야 한다.

    조사대상 하수처리시설에서 2차침전지 또는 반응조 유출수의 TOC 농도는 2.9~11.9 mg/L로 조사되었다. 이때 SE (A2O) 하수처리시설의 2차침전지 유출수 TOC 농도는 3.6~7.6 mg/L이었고 이 때 반응조 DO 농 도는 1.3~1.8 mg/L로 매우 안정하게 운영하는 것으로 나타났다. JB (MBR) 하수처리시설의 반응조 유출수 TOC 농도는 가장 낮은 2.9~6.9 mg/L의 범위에서 조사 되었고 이 때 DO는 2.5~3.5 mg/L의 범위에서 운영하 는 것으로 조사되었다. 또한 Media공법인 SH 하수처 리시설의 반응조에서 DO는 2 (0.6~1.8) mg/L 이내에서 운영하는 것으로 조사되었고 2차침전지 유출수에서 TOC 농도는 다소 높은 3.7~11.9 mg/L의 범위로 나타 났다 (Fig. 7).

    3.3 하수처리시설 방류수 TOC 처리를 위한 운영관리 방안 고찰

    현재 방류수의 유기물질 지표로 BOD 및 CODMn을 채택하고 있으나, COD 망간법은 산화력 부족으로 난 분해성 유기물질 측정이 곤란하며, 공공수역 내 201 1~2015년 평균 113개 중권역 대표지점 COD 목표기 준 달성률이 27.0% 수준으로 유기물질에 대한 달성률 이 미흡하여 유기물질 관리에 대한 필요성이 대두되 었다 (NIER, 2017). 수질 및 수생태계 보전에 관한 법 률에서 ‘수질 및 수생태계 환경기준’의 하천 및 호소 생활환경기준에는 CODMn의 한계를 극복하기 위해 이 미 TOC 항목을 신규로 도입 (2013.1.1)하였고, 2016년 부터 CODMn지표를 폐지하여 TOC로 전환하는 것으로 되어 있다. Table 6과 같이 공공하수처리시설에서 유 기물질 관리지표인 COD 항목을 대체하여 TOC 항목 을 도입하는 것에 따른 영향을 최소화하고자 방류수 에 대한 TOC 모니터링을 통하여 효율적인 운영관리 및 시설개선 방안을 도출하고 효율적으로 대응하는 것이 필요하다.

    방류수 수질기준 중 BOD 항목에 맞게 설계된 하수처 리시설에서 TOC 처리에 적합하기 위해 TOC 모니터링을 수행하였고 그 결과에 따르면 BOD 등 유기물질을 효과 적으로 처리하는 하수처리 공정에서는 TOC도 효과적으 로 처리하는 것으로 조사되었다. 생물학적 처리공정에서 활성슬러지 반응조 내 HRT, SRT, MLSS, BOD용적부하, F/M 비 등 운전조건에 대해 같은 공법이라도 개별 하수처 리시설의 유입 하수특성, 설계에 따라 적용하는데 차이 가 있을 수 있으며, TOC 모니터링을 통하여 개별 하수처 리시설의 공정별 효과적인 운영조건을 도출하는 것이 필요하다. A2O공법, SBR공법, Media공법, MBR공법을 적용하여 현재 가동 중인 하수처리시설에 대해 운영조건 을 조사하였고 Table 7과 같이 예시적인 범위를 정하여 효율적인 운영조건을 제시하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 하수처리시설 방류수 수질기준에서 유기물질 관리지표로 TOC 기준을 도입하였을 때 효 율적인 공정 운영관리 방안을 마련하기 위해 A2O공 법, Media공법, SBR공법, MBR공법 등 5개 공공하수 처리시설을 대상으로 공정별 처리수질을 조사하였다. 또한, TOC 처리효율과 하수처리시설 운영인자와의 관계를 분석하여 효율적인 운영조건을 제시하였다.

    대상 하수처리시설의 처리수질을 조사한 결과 TOC 처리효율은 92.6~96.0 %로 높게 나타났으며, TN 처리 효율은 70.0~85.7 %로 다른 항목에 비해 다소 낮게 나 타났다. 이들 시설의 BOD/TOC 비율은 유입수 2.0에 서 0.3로 크게 낮아져 대부분은 유기물질은 산화되는 것으로 나타났으며, CODMn/TOC 비율은 유입수 1.2에 서 방류수 1.5 로 약간 증가 하였으나 CODCr/TOC 비 율은 유입수 3.5에서 방류수 2.9로 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 대상 하수처리시설 TOC 유입수질은 30.5~271.4 mg/L 범위에서 조사되어 하수처리시설 처 리구역의 하수 유입특성에 따라 차이가 있는 것으로 나타났다. 이러한 개별 하수처리시설의 유입 하수특 성 및 설계 조건에 따라 생물학적 처리공정에서 활성 슬러지 반응조 내 HRT, SRT, MLSS, BOD용적부하, F/M 비 등 운전조건을 적용하는데 차이가 있으나, 생 물학적 처리 후 방류수 TOC 농도는 2.0~7.9 mg/L로 매우 양호한 처리수준을 유지하는 것으로 조사되었 다. 이는 Ⅲ~Ⅳ지역 TOC 기준(안) (25 mg/L 이하)을 만족하는 것이다.

    본 연구에서 제시한 운영조건의 범위에서 A2O공법, SBR공법, Media공법, MBR공법 등 하수처리시설을 운영할 경우 TOC 방류수 수질기준을 만족시킬 수 있 을 것으로 판단되며, 향후 하수처리시설의 배수구역 구분 (합류식 및 분류식), 단독처리 및 연계처리 구분 (분뇨, 산업폐수, 가축분뇨, 침출수 등), 지역별 처리시 설 구분, 청천시 및 강우시 구분 등 다양한 특성을 고 려하여 공정별 TOC 거동분석, 운전 방법론, 간이하수 처리시설 운영 등 추가적인 연구를 수행하는 것이 필 요하다. 또한 공공하수처리시설 방류수에서 TOC 기 준을 준수할 수 있도록 TOC를 처리하기 위한 효율적 인 공공하수처리시설 TOC 운영관리 가이드라인을 마 련하는 것이 필요하다.

    약어정리

    A2O :

    Anaerobic-Anoxic-Aerobic

    BDOC :

    Biodegradable dissolved organic carbon

    BOD :

    Biochemical oxygen demand

    C/N :

    Carbon/Nitrogen (TOC/TN)

    COD :

    Chemical oxygen demand

    (C)SBR :

    (Continuous) Sequencing batch reactor

    DO :

    Dissolved oxygen

    DOC :

    Dissolved organic carbon

    F/M :

    Food/Micro-organism

    HRT :

    Hydraulic retention time,

    KECO :

    Korea Environment Cooperation

    MBR :

    Membrane bioreactor

    MLSS :

    Mixed liquor suspended solids

    MOE :

    Ministry of Environment

    NH3-N :

    Ammonium nitrogen

    NIER :

    National Institute of Environmental Research

    NPOC :

    Non-purgeable organic carbon

    ORP :

    Oxidation-reduction potential

    pH :

    Potential of hydrogen

    PO4-P :

    Phosphate phosphorus

    PSTW :

    Public sewage treatment work

    SRT :

    Solids retention time

    SS :

    Suspended solids

    TN :

    Total nitrogen

    TOC :

    Total organic carbon

    TP :

    Total phosphorus

    Figure

    JKSWW-32-535_F1.gif

    Status of operation factors in target PSTWs in 2012 and 2014. (The range shown with number indicate the minimum and maximum of operation factors in five public sewage treatment works. A bar graph below the number indicates the minimum value.).

    JKSWW-32-535_F2.gif

    Status of treatment efficiency in target PSTWs.

    JKSWW-32-535_F3.gif

    Ratio of organic substances for TOC in target PSTWs. (Numbers indicate average value of the ratio of organic substances for TOC in five public sewage treatment works).

    JKSWW-32-535_F4.gif

    TOC concentration of influent and effluent in target PSTWs. (Boxes indicate variability of quartiles and the spaces of the box show the degree of data dispersion. The line in the box indicates median value of quartiles and outliers are plotted as individual dots, maybe meaning variability distant from a range of total measurement. Vertical lines from the boxes indicate variability outside the upper and lower quartiles.).

    JKSWW-32-535_F5.gif

    Correlation analysis for TOC and other water qualities. (ORP is inverse-correlated in the correlation coefficient of TOC and water quality substances in influent, also SS, NH3-N, and ORP are too inverse-correlated in effluent.).

    JKSWW-32-535_F6.gif

    Seasonal variation of BDOC by treatment process in PSTWs. (BDOC is created by subtracting 7 day, 14 day, 21 day, and 28 day DOC from 0 day DOC in graphs. Final BDOC is 28 day BDOC. Seasonal variation of BDOC by treatment process in PSTWs is not appeared well.).

    JKSWW-32-535_F7.gif

    Relation between operation factors and TOC·BOD concentration at reaction tank outflow or 2nd settling tank outflow of PSTWs. (In graphs, Concentration of TOC and BOD was analyzed at reaction tank outflow of WN PSTW(SBR) and JB PSTW(MBR), 2nd settling tank outflow of SH PSTW(Media) and SE PSTW(A2O), and settling tank outflow of JJ PSTW (A2O). Refer to Table 2 about sampling sites. Concentration of C/N (TOC/TN) was analyzed at reaction tank inflow sewage.).

    Table

    Characteristics of each public sewerage treatment work (PSTW)

    Sampling sites in target PSTWs

    Analytic substances and methods in this study (MOE, 2015)

    Seasonal BDOC concentrations for PSTWs treatment processes (Unit : mg/L)

    Operating factors of sewage treatment technologies in PSTWs (KECO, 2013)

    Draft TOC standard of effluent by application stage in PSTWs (Unit : mg/L)

    Operation factors and conditions of reaction tank in relation to TOC concentration of 2nd settling tank effluent(or reaction tank outflow) in target PSTWs

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