인 고도처리를 위한 일체형 침전부상공정의 실험실 검증을 위해 Jar-test 기반의 모의실험을 수행하였다. 해당 모의실험의 전체 공정은 Fig. 2(a)와 같다. 응집제로는 Poly Aluminium Chloride (PAC, Al₂O₃ 10%, 염기도 40%)을 사용하였다. 실험조건은 2 L Jar에 원수를 충전하여 혼화 0.5분(200 rpm), 1차 교반 10분(85 rpm), 2차 교반 10분(45 rpm)순서로 진행하였고, 교반완료 시점으로부터 20분간 정치하여 침전공정 모의실험을 수행하였다. 부상공정은 침전공정 완료실험수 1 L에 미세기포수 150 mL(총 유량의 15%)를 하부에 주입하였으며, 주입 후 5분이 경과한 시점에 최종처리수를 채수하였다. 미세기포수는 Platypus^® DAF Jar-tester 실험장치를 이용하여 제조 및 주입하였으며, 증류수를 사용하여 실험한 후 희석배수를 반영하여 분석결과를 교정하였다. 실험장치는 탱크 내부에 물과 공기를 접촉시킨 후 4 - 5 kg_f/cm²의 압력을 가하여 과포화수를 생성한 뒤 대기압 상태로 분출시켜 미세기포수를 제조하는 방식을 채택하고 있다. 부상공정 완료시점은 30 µm 이상의 미세기포가 전부 부상하는 데 소요되는 시간(1 L Jar의 수심인 10 cm 기준)을 Stokes’ law로부터 도출하였으며, 50%의 안전율을 추가로 고려하여 총 시간(5분)을 설정하였다. 공정의 효과를 확인하기 위하여 침전공정 및 부상공정 완료 후 처리수와 슬러지를 각각 채수 및 채취하였다(Fig. 2(b)). 슬러지 발생특성을 파악하기 위해 채취된 슬러지 내 고형물질(suspended solids, SS) 및 총인 (total phosphorus, T-P)의 물질수지 분석을 수행하였다.

Jar-test 원수는 고도처리 유입수인 2차침전지 유출수를 대상으로 하였으며, 실험의 제어조건은 원수 T-P 농도를 기준으로 설정하였다. 원수 범위는 기존 문헌에서 분석된 비고 도처리시설 방류수 및 인 고도처리공정 유입수의 일반적 T-P 농도인 0.03 - 3.0 mg/L 범위에 해당하도록 하였으며, 해당 범위의 실험을 진행하기 위하여 원수의 농도 조절이 필요할 경우에는 2차침전지 전단계인 생물학적 처리공정에서 유출되는 슬러지를 주입하여 조절하였다. 원수 성상은 Table 1에 정리한 바와 같다.

결과 분석에는 최적처리조건(Optimal treatment condition)의 개념을 도입하였다. 이는 1) 방류수 수질기준 항목 중 T-P 0.2 mg/L 및 SS 10 mg/L의 방류수질을 만족한 조건에서, 2) 응집제를 최소로 주입한 조건에 해당한다(Fig. 3). 현행 공공하수처리시설의 가장 엄격한 방류수 수질기준(I 지역)에서는 T-P 0.2 mg/L, SS 10 mg/L 이하로 배출하도록 규정하고 있다[17]. 처리효율이 증가할수록(처리수질이 낮아질수록) 응집제 주입량과 슬러지 발생량이 모두 증가하므로[18], 하수처리장에서는 각 지역별 수질기준에 맞추어 처리수질을 설정하여 운영한다. 따라서 본 연구에서도 방류수 수질 기준을 기준으로 한 최적처리조건을 도입하였으며, 가장 처리 수질기준이 높은 I지역의 T-P 0.2 mg/L 및 SS 10 mg/L (탁도 3 NTU)을 기준으로 하였다.

채수된 시료는 수소이온농도(pH), 탁도, T-P, 용존성인(PO₄-P), 화학적산소요구량(chemical oxygen demand, COD) 및 SS를 분석하였다. 측정에 사용한 기기로는 수온, 알칼리도 및 pH는 METTLER TOLEDO사의 Easy pH와 HANNA instrument사의 HI2210 pH Meter를 사용하였으며, 탁도는 HACH사의 TL2300을 사용하였다. T-P, PO₄-P 및 COD의 수 질항목 측정을 위해서는 C-MAC사의 시약을 사용, HACH사의 DR3900 분광광도계로 분석하였다. SS는 공정시험방법에 의거하여 분석하였다. 전체 데이터 분석에는 Microsoft Excel과 R 프로그램을 사용하였다. SS를 통한 슬러지 분석에 있어 TSS (total suspended solids) 및 VSS (volatile suspended solids)를 측정하여 FSS (fixed suspended solids)를 산정한 뒤, FSS는 슬러지 내 무기물로 VSS는 유기성 성분으로 간주하였다. Microbubble density는 레이저를 투사한 뒤 입자에 의한 산란각을 측정하여 입경과 수밀도를 측정하는 LaserTrac^TM PC3400을 이용하여 분석하였다.

침전 및 부상공정에서 발생한 슬러지의 발생특성을 분석하였다. 원수 SS 10 mg/L 조건(Fig. 5(a), 이하 1차), 12.5 mg/L 조건(Fig. 5(b), 이하 2차)일 때 응집제 주입농도에 따른 침전슬러지(sludge after sedimentation 또는 sedimentation sludge) 및 부상슬러지(sludge after flotation 또는 flotation sludge)에 대한 SS 물질수지 분석결과를 제시하였다. 응집제 주입농도가 증가할수록 전체 SS의 총량이 증가하였다. 응집제 주입농도 2 mg/L as Al₂O₃ 이하의 조건에서는 미처리 상태의 SS (residual SS fraction)가 잔류하고 있으나 그 이상의 조건에서는 침전과 부상공정에서 전부 제거되었다. 전체 응집제 주입조건에 대해 부상슬러지의 농도는 일정한 비율을 유지하고 있음에 비해, 침전슬러지는 응집제 주입농도의 증가에 따라 지속적으로 증가하였다. 응집제 주입농도 2 mg/L as Al₂O₃ 이상의 조건에서는 발생한 총 슬러지(침전 + 부상슬러지) 내 SS 농도가 원수보다 약 135 - 149% 증가한 것으로 분석되었다.

추가로, Fig. 5(c)에 2차 침전슬러지 내 무기성 및 유기성 SS 성분비(ratio)를 제시하였다. 실험한 응집제 주입농도의 조건에서는 유기성 성분의 함량이 무기성 성분보다 큰 것으로 나타났다. 응집제 주입농도 2 mg/L as Al₂O₃ 이상의 조건에서 유기성 성분의 함량은 증가가 크지 않은데 비해, 무기성 성분의 함량은 응집제 주입농도에 비례하여 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.

이상의 응집제 주입농도에 따른 1차 및 2차 침전슬러지, 부상슬러지, 처리수 내 SS 분율(fraction)을 Table 2에 정리하였다.

앞서 분석한 응집제 주입농도에 따라 슬러지에 포함되어 있는 SS의 농도분율 분석결과에 최적처리조건(최적 응집제 주입조건)의 개념을 적용하여 Fig. 6에 도시(圖示)하였다. 주축은 SS 분율에 대하여 막대그래프로 나타내었으며, 보조축은 응집제 주입농도에 따른 처리수질을 꺾은선그래프로 나타내었다. 최적처리조건의 응집제 주입농도는 1차 실험에서 2 mg/L as Al₂O₃, 2차 실험에서도 2 mg/L as Al₂O₃로 분석되었다.

최적처리조건에서의 슬러지 발생특성을 분석하기 위해서 응집제 주입농도별 부상슬러지 : 침전슬러지 비율(ratio) 및 부상슬러지/침전슬러지 분율(fraction)의 분석결과를 Table 3에 나타내었다. 최적처리조건에서 부상슬러지 : 침전슬러지에 포함되어있는 SS 부하비율은 1 : 2.9 - 1 : 6.2의 범위를 갖는 것으로 분석되었다. 전체 슬러지 중 부상슬러지 내에 포함되어있는 SS 부하분율은 14 - 26%의 범위로 나타나 SS 부하비율과 유사하게 대체로 일정한 범위의 값으로 수렴하는 것을 확인하였다.

위의 결과를 종합하여 Fig. 7과 같이 응집제 주입농도에 따른 슬러지 내 SS 증가량을 분석하였으며, 침전슬러지와 부상슬러지를 더한 총 슬러지의 경우 응집제 주입농도의 증가에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 단순회귀 분석에 의해 도출된 값은 4.06 mg･L^-1 as SS / mg･L^-1 as Al₂O₃로서, 응집제 주입농도(Al₂O₃ 기준) 1 mg/L 증가 시 약 4 mg/L의 슬러지(SS 기준)가 추가로 생성되는 것으로 나타났다.

원수 T-P 0.57 mg/L 조건(Fig. 8(a), 이하 1차), 0.53 mg/L 조건(Fig. 8(b), 이하 2차)일 때 응집제 주입농도에 따른 침전슬러지 및 부상슬러지 내에 포함된 T-P 물질수지의 분석 결과를 제시하였다. 응집제 주입농도의 증가와 관계없이 전체 T-P의 총 농도는 일정하되 분율만 변하는 것으로 관찰되었다.

침전슬러지 내 T-P 분율은 응집제 주입농도가 증가할수록 점차 증가하여 원수농도(총 농도)에 가깝게 수렴하는 것을 확인하였으며, 부상슬러지 내 T-P 분율은 일정한 농도를 유지하다가 최적처리조건 이후 점차 감소하였다(Table 4).

최적처리조건에서의 응집제 주입농도는 SS와 동일하게 1차 및 2차 실험에서 모두 2 mg/L로 분석되었다(Fig. 9).

최적처리조건에서의 부상슬러지 : 침전슬러지에 포함되어 있는 T-P 부하비율(ratio)은 1 : 4.2 - 1 : 5.4의 범위를 갖는 것으로 분석되었으며, 전체 슬러지 중 부상슬러지 내에 포함되어 있는 T-P 부하분율(fraction)은 16 - 19%의 범위로 나타나 두 지표 모두 일정한 범위의 값으로 수렴하는 것을 확인하였다(Table 5).