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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.35 No.1 pp.1-14
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2021.35.1.001

Empirical evaluation for design parameters and operating characteristics of the integrated sedimentation and dissolved air flotation (SeDAF) process at the pilot-scale plant

Yeoju Jang1, Jinhong Jung2, Hyunman Lim2, Weonjae Kim2*
1Department of Business Headquarters, LEOTEK Co., Ltd.
2Department of Land, Water and Environment Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT)
*Corresponding author : Weonjae Kim (E-mail: wjkim1@kict.re.kr)

27/08/2020 26/11/2020 14/12/2020

Abstract


Eutrophication and algal blooms can lead to increase of taste and odor compounds and health problems by cyanobacterial toxins. To cope with these eco-social issues, Ministry of Environment in Korea has been reinforcing the effluent standards of wastewater treatment facilities. As a result, various advanced phosphorus removal processes have been adopted in each wastewater treatment plant nation-widely. However, a lot of existing advanced wastewater treatment processes have been facing the problems of expensive cost in operation and excessive sludge production caused by high dosage of coagulant. In this study, the sedimentation and dissolved air flotation (SeDAF) process integrated with sedimentation and flotation has been developed for enhanced phosphorus removal in wastewater treatment facilities. Design and operating parameters of the SeDAF process with the capacity of 100 m3/d were determined, and a demonstration plant has been installed and operated at I wastewater treatment facility (located in Gyeonggi-do) for the verification of field applicability. Several empirical evaluations for the SeDAF process were performed at demonstration-plant scale, and the results showed clearly that T-P and turbidity values of treated water were to satisfy the highest effluent standards below 0.2 mg/L and 2.0 NTU stably for all of operation cases.



파일럿 플랜트 규모에서 일체형 침전부상공정 (SeDAF)의 설계인자 및 운전특성에 대한 실증적 평가

장 여주1, 정 진홍2, 임 현만2, 김 원재2*
1(주)레오테크 기술사업본부
2한국건설기술연구원 국토보전연구본부 환경자원재생연구센터

초록


    Korea Institute of Construction Technology(KICT)
    20200425

    1. 서 론

    남조류 발생의 주원인은 기후변화로 인한 수온 상 승, 유속 감소(정체수역 증가), 하수처리장 방류수 및 축산농가 등으로부터 유출되는 오염물질 등에 의한 것으로 보고된 바 있다 (Wetzel, 2001;Kim et al., 2007). 이러한 부영양화 및 조류의 대발생은 수생태 환경을 악화시키고 상수원 및 관광자원의 가치를 하 락시키며 맛·냄새 유발물질 증가와 여과지의 조기 폐색 등 상수공정의 피해를 발생시키는 것으로 알려 져 있다. 영양염류 증가로 인한 부영양화를 방지하기 위하여 환경부는 조류 발생의 원인물질 중 하나인 총인(Total phosphorus; T-P)을 1996년 이후로 하수처리 시설 방류수 수질기준 항목에 추가하였으며, 2012년 이 후에는 기준을 0.2~2.0 mg/L로 높이는 등 지속적으로 공공수역의 수질관리를 강화해왔다 (Lee, 2014;Chang, 2017).

    이에 부합하기 위하여 국내 공공하수처리시설에서 는 생물학적처리 이후 추가로 총인처리시설을 도입하 여 수질오염물질의 배출부하 감소를 위한 노력을 지 속하고 있다. 고도처리는 일반적인 유기물의 제거를 주목적으로 하는 활성오니법보다 질소(Nitrogen; N) 및 인(Phosphorus; P)을 고효율로 처리하는 공정으로서 (Lee, 2014;George and Franklin, 2016), 국내에서는 전 국의 하수처리시설 625 개소 중 330 개소에서 생물학 적공정 후단에 인 고도처리를 위한 총인처리시설을 도입하여 운영하고 있다 (500 m3/d 규모 이상)(Chae et al., 2012).

    하수처리시설에서는 원수뿐만 아니라 각 단위공정 별로도 유입수의 고형물(Suspended solids; SS) 농도가 높고 부하변동이 큰 특징이 있으므로 이에 안정적으 로 대응하여 유출 수질을 만족하는 것이 중요하다 (George and Franklin, 2016;Ministry of Environment, 2019). 아울러 기존 공정과 비교하였을 때 경제적이고 운전이 용이한 기술개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 한편, 기존의 총인처리시설에서 범용성이 큰 공정으로 는 침전공정(Sedimentation)과 부상분리공정(Dissolved air flotation; DAF)을 들 수 있다. 침전공정의 경우 유 지관리가 타 공정에 비해 수월하고 고농도 원수의 유 입 시 운전이 용이하며 부하변동에 강한 특성이 있다. 그러나 2차 이상의 침전공정에서는 유입수의 탁도 및 인이 이미 이전 공정에서 상당부분 처리된 상태로 유 입되기 때문에 추가 제거를 위해서는 응집제 및 폴 리머(Polymer) 등 다량의 화학약품을 추가로 주입해 야 하므로 운영비용이 증가할 뿐만 아니라 과도한 슬러지 발생 등이 문제점으로 대두되고 있다 (Malley and Edzwald, 1991). 부상분리공정의 경우에는 응집 제를 소량 주입하여 핀플록(Pin floc) 상태로도 부상 및 제거가 가능하며 발생슬러지의 함수율이 낮고 탈 수성이 우수하다는 장점이 있으나, 고탁수 처리에 있 어 제거효율이 현저히 저하되는 단점이 있으므로 탁 도가 약 100 NTU 이상으로 유입되는 경우에는 전단 에 예비침전지 등의 안정화조를 구축하여야 한다 (Edzwald et al., 1994;Ministry of Environment, 2017). 기존 공정에서는 침전공정 또는 부상분리공정 등 단 일공정으로 운전하는 경우가 대부분이며, 정수처리 에서 침전공정과 부상분리공정을 연계하여 운전한 경우는 있었으나 이는 두 공정을 순차적으로 연속 운 전한 것에 불과하여(Lee, 2000), 체류시간이나 소요 부 지 등의 경제성 면에서 뚜렷한 장점을 찾아보기 어려 웠다.

    본 연구에서는 기존의 인 고도처리공정의 단점을 보완하여 응집제 소모를 줄이고 슬러지 발생을 저감 하여 경제성을 향상시킨 신공정을 개발하고, 적정 설 계 및 운전인자를 결정하고, 파이롯급 실증플랜트를 설치하여, 1년 이상의 장기운전을 실시하였다. 개발된 일체형 침전부상공정(Sedimentation and dissolved air flotation process; SeDAF process)은 침전(Sedimentation) + 부상분리(DAF)를 연계한 공정으로서, 단순히 두 공 정의 순차적으로 연결한 것이 아니라 하나의 반응조 내에서 침전과 부상분리 공정이 상호 보완적으로 운 영되는 특징을 갖는다 (Jang et al., 2020a, 2020b, 2020c). 응집공정에서 형성된 조대한 고밀도의 침강성 플록은 하부의 침전공정에서 순방향의 흐름에 따라 제거되고, 미소한 저밀도의 부상성 플록은 상부의 부 상분리공정에서 역방향의 흐름에 따라 각각 제거된 다. 실증플랜트의 운영을 통하여 SeDAF 공정의 설계· 운전인자 및 현장적용성을 검증하였다. 특히, 인(P)과 탁도를 포함한 여러 수질항목의 처리효율 및 처리수 질의 안정성을 비교‧분석하였다.

    2. 재료 및 실험방법

    2.1 일체형 침전부상공정의 실증플랜트 개요

    일체형 침전부상공정(SeDAF process)의 개념도는 Fig. 1과 같으며 혼화, 응집, 침전 및 부상분리공정으 로 구성되어 있다.

    유입수는 [혼화조 – 응집조 – 침전부상조 – 최종처 리수조]의 순서로 이동한다. 침전부상조의 하부는 침 전부(Sedimentation zone), 상부는 부상부(Flotation zone)로 구성되어 있으며, 두 공정은 한 반응조 내에 서 격벽 없이 수류의 흐름에 의해 구분된다. 침전부상 조 내에서 수류의 흐름은 침전공정 완료 후 부상분리 공정의 순서로 형성된다. 하부의 침전부로 유입되어 평행한 흐름으로 이동하는 과정에서 조대한 고밀도의 침강성 플록이 침전하게 되며, 조의 말단부에 다다라 서 미세기포수(가압수)가 유입되어 수직으로 상승하 는 흐름을 나타낸다. 부상분리공정에서 수류의 흐름 은 침전부와 반대 방향으로 평행하게 흐르고, 이 과정 에서 미소한 저밀도의 부상성 플록이 부상분리되며, 이후 하강하여 조의 중간부에 있는 최종처리수 유공 관으로 유입된다. 유입된 최종처리수는 수류의 흐름 에 의하여 별도의 동력 사용 없이 유공관을 통과하게 되며 최종처리수조로 이동한다. 설계된 SeDAF 공정 의 2차원 구조 및 3차원 구조는 Fig. 2와 같다.

    침전부에는 짧은 HRT (Hydraulic retention time)를 보완하기 위한 경사판을 적용하여 침전효율을 증가시 켰으며, 상승류 발생을 방지하고 슬러지 인발을 용이 하게 하기 위한 특수한 구조의 경사판을 제작하여 적 용하였다 (Fig. 3). 경사판은 관리를 위해 모듈식으로 제작하여 이동 및 유지보수를 용이하게 하였다. 침전 부에서 발생한 침전슬러지는 하부의 호퍼를 통해 자 연유하 방식으로 배출되며, 부상부에서 발생한 부상 슬러지는 상부의 스크레이퍼에 의해 배제되도록 설 계·제작하였다.

    2.2 실증플랜트 구축 및 운전조건

    SeDAF 공정은 하수처리시설의 인 고도처리에 적용 가능한 공정이다. 경기도 소재의 I 수질복원센터 내에 2차침전지 유출수를 대상으로 실증플랜트를 구축·운 전하였다 (Fig. 4(a)). 유입수 취수 시 수두손실의 최소 화를 위해 2차침전지에서 직선거리로 10 m 이내에 구 축하였으며, 부상분리공정에서 발생한 부상슬러지가 기상조건(강우 또는 강풍 등)에 의하여 파괴되는 것을 방지하기 위하여 실내에 설치하였다. 구축한 실증플 랜트의 전경은 Fig. 4(b)와 같다. 처리용량은 100 m3/d로 설계하였다. 부상부로 공급되는 미세기포수(가 압수)의 순환비율은 유입수량 대비 5–30%의 범위에서 가변적으로 운전하였다. 응집제로는 알루미늄 계열의 poly aluminium chloride (PAC) (Al2O3 10%, basicity 40%)를 사용하였다. 전체 공정의 흐름도는 Fig. 5와 같다.

    2.3 분석기기 및 통계분석 방법

    채수된 시료는 T-P, PO4-P, soluble T-P (filtered T-P), reactive P (non-filtered PO4-P), 탁도, SS 및 COD를 분석하였다. T-P, PO4-P 및 COD는 C-MAC사 의 시약을 이용하여 HACH사의 DR3900 분광광도계 를 이용하여 측정하였다. 탁도는 HACH사의 TL2300 기기로 측정하였다. SS는 공정시험방법에 의거하여 분석하였다.

    데이터 분석 및 결과도출을 위한 통계해석에는 microsoft excel, IBM SPSS statistics (ver. 25) 및 R 프로 그램을 복합적으로 이용하였다. 원수의 백분위수, 최 소, 최대 및 평균값을 분석하여 기초 통계사항을 확인 하였다. 수질인자별 상관성을 검토하기 위하여 상관 계수, 유의수준, 분포범위 및 산점도를 종합적으로 분 석하고 그래프로 도시하였다. 또한 미세기포수 순환 율에 따라 처리효율의 차이가 발생하는지 여부를 검 토하기 위하여 ANOVA 분석을 수행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 기존 총인처리시설의 주요 개발방향 검토

    총인처리를 위한 침전 및 부상분리 공정은 기존 공 정을 개량하는 연구개발을 통해서 지속적으로 효율을 증가시키고 있는 추세이다. 침전공법 중 URC (Ultra rapid coagulation, 고속응집침전)는 저탁도 원수에서 응집 효율을 높이기 위해서 침전슬러지를 원수로 재 순환시키는 방식을 적용하였으며, 경사판을 도입하여 소규모 부지에서도 침전 효율을 높인 공법이다 (Park et al., 2000). CATT공법은 유입, 교반, 침전, 방류를 단 일반응조 내에 구성하여 공간효율을 높였다 (Choi et al., 2010). Actiflo® 는 응집, 플록형성, 침전공정으로 구성되며, 미세한 모래입자를 seed 물질로 주입하고 경사판을 도입한 상향류 고액분리 공법이며(USEPA, 2010;Ministry of Environment, 2012), CoMagTM은 자철 석 밸러스트(Ballast)를 seed로 주입하여 침전 효율을 높인 침전공정으로, 유출수 및 슬러지에서 자철석 밸 러스트를 회수해야 하는 단점이 있다 (USEPA, 2010;Ministry of Environment, 2012). 이와 같이 침전공정의 경우 다양한 방식으로 효율성 증가를 위한 개발이 이 루어지고 있으며, 주된 공통점은 1) 운전 HRT 저감 (부지 최소화) 및 2) seed 물질 주입 등을 통한 응집 효율성 향상에 그 초점이 맞춰져 있다.

    부상분리공정의 경우, 최근에 개발되어 적용되고 있는 공법들은 표면부하율 및 미세기포 발생효율을 제고하는데 초점을 맞추고 있다. MI-DAF공법은 처리 수와 공기를 공기용해 접촉장치 내에서 3.5~4 기압으 로 용해한 뒤 마이크로기포 발생장치를 이용하는 공 정(Ministry of Environment, 2012)이며, 액막화 기체 용 해 방식의 DAF 공정은 기존의 가압부상법을 변형하 여 탱크 내부의 특이 구조물을 통해 저압(3.4 kgf/cm2) 에서도 기액 접촉 시간을 증가시켜 공기포화도를 높 이는 방식의 공정(Lee, 2011)을 채택하고 있는 점이 특징적이다.

    3.2 일체형 침전부상공정 실증플랜트의 설계인자 검토

    실증플랜트의 설계 및 운전인자를 결정하기 위하여 lab-scale의 침전부상공정 모의실험을 수행하는 한편, 상수도 정수시설 설계기준(Korea Water and Wastewater Works Association, 2010;Ministry of Environment, 2017) 및 하수도 설계기준(Korea Water and Wastewater Works Association, 2011;Ministry of Environment, 2019) 등을 참조하였다. 특히, SeDAF 공정에 부합하 는 2차침전지 및 용존공기부상공정의 설계기준 내용 을 중심적으로 검토하였다.

    3.2.1 혼화・플록형성조

    혼화 및 플록형성을 위한 응집조(또는 교반조)의 설 계기준은 상수도 정수시설 설계기준에서 2지 이상으 로 구분하고 수심은 3.6~4.5 m 정도로 할 것을 제안하 고 있다. 하수도 설계기준에서 혼화조 등 급속교반시 설의 교반장치로는 터빈형 및 프로펠러형 등을 사용 하도록 제안하고 있다. 체류시간의 경우 급속교반시 설은 0.5~2분이 적당하며, 완속교반시설의 경우 통상 20~30분이 적당치로 제시되고 있다.

    응집조에서의 교반강도를 나타내는 속도경사는 300~1500 sec-1의 범위로 운전하는 것을 기준으로 하 고 있으며, 약품의 혼합과 단락류 현상을 방지하기 위한 통상적인 값으로 120~180 rpm의 범위로 운전 할 것을 제시하고 있다. 하수의 특성, 약품의 종류, 임펠러나 프로펠러의 크기 및 조의 형상 등에 따라 응집효율이 달라지므로 실험적인 자료를 이용하여 적당한 범위로 운전할 것을 권고하고 있다. 응집조 에서의 적정 교반강도는 후속의 고액분리를 위한 공정에 따라 달라지므로 본 연구에서는 하수도 시 설기준 내 침전공정에서 제안하고 있는 교반강도와 함께 부상분리공정의 적정 교반강도에 대한 기존 문헌을 검토하였다. 기존 문헌에서는 침전공정에서 급속교반조(혼화조)의 교반강도는 400~1500 sec-1, 완속교반조는 40~100 sec-1의 값을 제시한 바 있다 (Ministry of Environment, 2011). DAF 공정에서는 미 세한 공기방울들이 플록에 부착되어 수면으로 부상 하도록 작고 가벼운 플록들을 만들어야 하므로 약 품침전지의 플록형성지에 비하여 상대적으로 높은 교반강도와 짧은 교반시간을 가져야 한다. 상수도 정수시설 설계기준에서는 DAF 공정을 위한 플록형 성지의 운전에서 30~120 sec-1 정도의 교반강도로 운전하는 것을 권고하고 있으며, Ødegaard (1985)는 70~100 sec-1의 범위를 제시한 바 있다. SeDAF 공정 의 경우 침전공정 및 부상분리공정에 모두 적용되 는 바, 기존의 문헌을 참고함과 동시에 침전부상조 의 규격 및 형상을 고려하여 설계치를 도출하였다. 혼화조 및 급속교반조의 강도는 400 sec-1로 설정하여 0.5분의 HRT를 갖도록 설계하였으며, 플록형성을 위 한 응집조의 경우 2지로 구분하고, 1차 응집조의 경우 115 sec-1로, 2차 응집조의 경우 40 sec-1의 교반강도를 갖도록 하였다.

    3.2.2 침전부상조

    본 공정에서는 반응조 표면부하율 69.4 m3/m2·d, 전 체 깊이는 총 2 m(침전부 1 m + 부상부 1 m)로 설계 하였다. 부상조의 미세기포수(가압수) 순환비율은 처 리효율성과 경제성을 복합적으로 고려하여 5~30%의 범위에서 가변적으로 운전할 수 있도록 설계하였다 (미세기포수의 순환비율 15%를 고려했을 경우 부상공 정의 표면부하율은 80 m3/m2·d에 해당함). 부상된 슬 러지의 배제를 위해 처리수질에 미치는 영향이 적은 회전식 수집기를 적용하였다. 해당 방식은 슬러지의 함수율을 낮추고 유지관리가 용이하다는 장점이 있 다. 회전식 수집기의 운전속도는 설계기준을 참고하 여 30 m/h로 설정하였다.

    3.2.3 최종처리수조

    최종처리수조는 총 5분의 체류시간을 갖도록 설계 하였다. 예비조와 최종처리수조로 구분하고 웨어를 설치하여 수심을 조절할 수 있도록 하였다.

    3.2.4 일체형 침전부상공정 설계인자 요약

    이상의 결과를 종합하여 SeDAF 공정 실증플랜트의 설계인자를 다음과 같이 도출하였다 (Table 1).

    3.3 실증플랜트의 운전특성 평가

    3.3.1 실증플랜트 운전결과 개요

    본 연구에서 정리한 실증플랜트의 운전결과는 2019년 4월 9일부터 2020년 3월 4일까지의 기간에 해당하며 (n = 89), 전체 구간에서 고농도 응집제 주입농도 설정 기간(이하 구간 1)은 2019년 4월 9일부터 2019년 8월 19일(n = 54)에 해당하고, 저농도 응집제 주입농도 설 정기간(이하 구간 2)은 2020년 1월 6일부터 2020년 3 월 4일(n = 35)에 해당한다. 각 조건에 따라 운전한 다 음 유입수, 침전완료수, 최종처리수에 대해 제거효율 을 분석하였다. 최종처리수의 T-P는 0.2 mg/L 이하, 탁도는 2 NTU 이하를 만족하는 등 안정적인 처리효 율을 달성하였다. Table 2에 구간 1 및 구간 2에서의 유입, 유출농도 및 처리효율을 제시하였다. 구간 1과 구간 2에서의 처리수 T-P 평균은 각각 0.07 mg/L 및 0.15 mg/L로 응집제 주입농도가 3~20 mg/L(평균 11.7 mg/L)에서 1~2 mg/L(평균 1.9 mg/L)으로 증가함에 따 라 처리수질이 약 0.08 mg/L 추가로 개선되는 것으로 확인되었으며, 다른 항목에서도 보다 개선된 처리수 질을 나타내었다.

    Fig. 6에 전체 운전구간에 대한 유입수, 침전완료수 및 최종처리수의 T-P, PO4-P, reactive P, 탁도, SS 및 COD의 처리수질 및 제거효율을 나타내었으며, 구간 1(좌측 점선 박스) 및 구간 2(우측 점선 박스)로 구분 하여 도시하였다. 실증플랜트 전체의 운전결과를 백 분위수에 따라 기술통계 분석을 실시하여 Table 3에 요약·제시하였다.

    항목별(T-P, PO4-P, reactive P, 탁도, SS 및 COD)로 살펴보면, 유입수 T-P는 0.18~0.93 mg/L (평균 0.41 mg/L), PO4-P는 0.03~0.31 mg/L (평균 0.12 mg/L), reactive P는 0.08~0.28 mg/L (평균 0.18 mg/L), 탁도는 1.59~6.75 NTU (평균 3.27 NTU), SS 농도는 1~20 mg/L (평균 8 mg/L), COD는 20~64 mg/L (평균 38.6 mg/L) 로 분석되었다. 전체 처리수질 및 제거효율의 경우, T-P는 0.0~0.2 mg/L, 27~100% (평균 0.10 mg/L, 74.1%), 탁도는 0.27~2.16 NTU, 33~92% (평균 0.97 NTU, 68.1%), SS는 0~6 mg/L, 0~100% (평균 1.1 mg/L, 81.7%), COD는 10~28 mg/L, 19~73% (평균 19.3 mg/L, 46.4%)로 분석되었다.

    3.3.2 미세기포수 순환율에 따른 처리수질 및 효율 분석

    SeDAF 공정의 중요한 운전인자 중 하나는 미세기 포수(가압수)의 공급비율이다. 응집제 주입농도 값을 고정한 후 미세기포수량을 5, 10, 15, 20 및 30 m3/d로 변경하여 운전을 수행한 후 그 결과를 확인하였다. 응 집제 주입농도는 2 mg/L as Al2O3과 13 mg/L as Al2O3 의 2가지 조건으로 설정하였다. 응집제 2 mg/L 주입 조건의 데이터는 미세기포수량 15 m3/d (n = 9)를 제 외하고 n = 4이며, 응집제 13 mg/L의 데이터는 n = 2 (5 m3/d), n = 3 (10 m3/d), n = 3 (15 m3/d), n = 3 (20 m3/d), n = 2 (30 m3/d)에 해당한다. 백분위수를 분석하기에는 데이터가 부족하여 평균값으로 분석하였다. 각 미 세기포수량 범위에서 유입수, 처리수 및 제거효율의 평균값을 그래프로 나타내면 Fig. 7(응집제 주입농 도: 2 mg/L) 및 Fig. 8(응집제 주입농도: 13 mg/L)과 같다.

    분석 결과, 두 응집제 주입조건에서 처리수질의 평 균값은 미세기포수량의 변화에 관계없이 일정한 것으 로 나타났다. 추가로 수행된 ANOVA 분석에서도 미 세기포수량에 따른 처리수질의 평균의 유의미한 차이 는 없는 것으로 나타났다. 결론적으로 인 고도처리 공 정으로서 SeDAF 실증플랜트의 운전에 있어, 미세기 포수의 순환율 5~30%의 범위 내에서 처리수질의 유 의미한 차이는 관찰되지 않는 것으로 판단하였다. 이 는 전단의 침전공정에서 이미 많은 부하(유입 SS의 80% 전후)가 사전에 제거된 후 부상분리공정으로 유 입됨에 따라 과량의 미세기포수량을 공급하지 않더라 도 충분히 높은 제거효율이 달성가능한 SeDAF 공정 의 연계적 특성에 기인한 것으로 판단된다.

    3.3.3 유입수 및 처리수의 수질항목별 상관성 분석

    유입수의 수질항목별 상관관계 분석결과를 상관계 수, 유의수준, 분포범위 및 산점도에 대하여 제시하였 다 (Fig. 9). 유입수인 2차침전지 유출수의 수질항목별 비교를 통해 T-P는 PO4-P나 reactive P보다는 탁도와 가장 높은 상관성을 가지며, PO4-P는 reactive P와 높 은 상관성을 갖는 것을 확인하였다. 이상의 논의는 유 입수의 수질을 반영하여 SeDAF 공정을 포함한 인 고 도처리 공정을 운영하고자 할 때 특히 중요한 의미를 갖는다. 예를 들면, 유입수의 T-P농도를 예측하기 위 한 최적의 수질항목은 PO4-P 또는 reactive P가 아니라 탁도라는 사실을 의미하기 때문이다. 본 실증플랜트 가 도입되어 있는 I 수질복원센터에서 2차침전지 유 출수의 T-P/PO4-P 분율은 3.42 (T-P 평균 0.41 mg/L / PO4-P 평균 0.12 mg/L)에 달한다는 점에도 유의할 필 요가 있다.

    응집제 주입농도와 최종처리수의 수질항목별 상관 관계(Fig. 10)를 분석하였다. 응집제 주입농도는 T-P, 탁도, SS 및 COD와 매우 높은 상관성을 갖는데 비하 여(상관계수 r ≧ 0.5), PO4-P 및 reactive P와의 상관성 (상관계수 r < 0.3)은 크지 않은 것으로 나타났다. 응 집제 주입농도와 최종처리수 PO4-P가 상관성이 낮은 것은 SeDAF 공정의 유입수인 2차침전지 유출수의 성 상적 특징에 따라 PO4-P는 전(前) 단계의 생물학적 처 리공정에서 이미 최대 수준에 가깝게 처리되어 매우 낮은 농도로 유입됨으로써, 처리수질 및 제거효율이 한계 수준에 근접했기 때문으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 공공하수처리시설에 적용가능한 총 인처리공정으로, 기존 공정들에 비해 응집제 소모 및 슬러지 발생 측면의 경제성을 향상시킨 일체형 침전 부상공정(SeDAF process)을 개발하였다. 처리용량 100 m3/d 규모의 실증플랜트를 설계하고, 경기도 G시 소 재 I 수질복원센터 내에 구축하여 약 1년간 운전결과 를 축적하고 분석하였다. 실증플랜트의 운전결과를 바탕으로 SeDAF 공정의 설계인자 및 운전특성에 대 하여 분석한 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

    • 1) Lab-scale의 침전부상공정 모의실험을 수행하는 한편 상수도 정수시설 설계기준 및 하수도 설계기준 을 참조하여, SeDAF 공정의 적정 설계·운전인자를 도 출하였다.

    • 2) 도출된 설계·운전인자를 바탕으로 I 수질복원센 터 내의 2차침전지 유출수를 유입수로 하여 기존의 인 고도처리 공정을 대체할 수 있는 실증플랜트를 구 축하고 1년 이상 운전하여 SeDAF 공정의 설계인자 및 운전특성에 대해 실증적으로 평가하였다.

    • 3) 실증플랜트의 운용을 통해 전체 운전기간(2019 년 4월~2020년 3월, n = 89)에 걸쳐, 처리수질 T-P 기 준 0.2 mg/L 이하, 탁도 기준 2 NTU 이하의 양호하고 안정적인 처리수질을 달성하였다.

    • 4) SeDAF 공정의 부상부에서 미세기포수량(순환율) 을 5~30 m3/d (5~30%)로 변화시키면서 처리수질 및 제거효율을 검토한 결과, 순환율 5~30% 구간에서 유 의미한 처리효율의 차이가 관찰되지 않았다. 이는 SeDAF 공정의 침전-부상분리 연계공정의 특성에 따 라 단독 부상분리공정에 비해 더 적은 미세기포수량 (순환율)에서도 적절한 운전이 가능할 수 있음을 시사 한다.

    • 5) SeDAF 공정 유입수(2차침전지 유출수)의 성상을 파악하기 위하여 여러 수질항목별 상관성을 분석하였 으며, 그 결과 유입수의 T-P인자는 PO4-P 또는 reactive P보다 탁도와의 상관성이 더 큰 것으로 나타났다.

    • 6) SeDAF 공정의 최종처리수에 대하여 응집제 주 입농도와 수질항목별 상관관계를 분석한 결과, 응집 제 주입농도는 T-P, 탁도, SS 및 COD와 매우 높은 상 관성을 갖는데 비하여, PO4-P 및 reactive P와의 상관 성은 크지 않은 것으로 나타났다.

    사 사

    본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업의 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: 20200425). 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Concept image of SeDAF process.

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    Design of SeDAF process: (a) 2-Dimensional image and (b) 3-Dimensional image.

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    Design of inclined plate module of SeDAF process.

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    Installation of demonstration plant: (a) air view of site and (b) overall view.

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    Operation flow chart of demonstration plant.

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    Total operation results: (a) T-P, (b) PO4-P, (c) reactive P, (d) turbidity, (e) SS, and (f) COD.

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    Average removal efficiency of raw water and treated water according to microbubble water flow rate (coagulant dosage: 2 mg/L): (a) T-P, (b) PO4-P, (c) turbidity, and (d) COD.

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    Average removal efficiency of raw water and treated water according to microbubble water flow rate (coagulant dosage: 13 mg/L): (a) T-P, (b) PO4-P, (c) turbidity, (d) SS, and (e) COD.

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    Correlation between each raw water quality item in demonstration plant.

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    Correlation between coagulant dosage and each treated water quality item in demonstration plant.

    Table

    Design parameters of SeDAF demonstration plant

    Influent and effluent water quality and removal efficiency in phase 1 and phase 2

    Descriptive statistics for total operation results of demonstration plant

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