1. 서 론
최근 하천 및 호수 등 공공 수역에 부영양화로 인한 녹조현상이 매년 발생하고 있어 이에 대한 관심이 증가되고 있다. 부영양화의 주요한 원인물질은 질소, 인 등으로 알려져 있으며 이를 제거하기 위하여 공공하수처리시설의 방류수 수질기준을 강화하고 있으며, 그에 따라 기존시설 개선 및 신규시설 설치를 지속하고 있다. 2017년 기준으로 우리나라에 가동 중인 공공하수처리시설(500톤/일 이상)은 총 660개소로 고도처리율은 95.9%이다[1]. 이러한 노력에도 불구하고 부영양화 현상이 발생하고 있어 2012년에 대폭 개정된 공공하수처리시설 방류수 수질기준은 앞으로도 지속적으로 강화될 것으로 예상되며 이를 위해서는 질소 및 인의 처리효율을 향상시키는 기술 개발이 중요한 과제가 될 것으로 예상된다.
슬러지처리공정에서 농축여액, 소화여액, 탈수여액 등으로 발생되는 것을 반류수라고 하며, 일반적으로 적절한 처리를 거쳐 하수처리공정으로 유입 처리한다. 반류수의 암모니아성질소 농도는 700~1,800 mg/L로 하수처리공정의 질소 부하에 총 15~30%를 차지하고, 슬러지 소화 및 열 가수분해 등에 따라 반류수 질소 농도는 폭 넓게 변동한다[2,3]. 질소 부하량이 높을 뿐 아니라 변동이 심한 반류수는 생물학적 처리공정 등에 충격부하를 유발하여 하수처리 운영관리에 어려움을 주고 있다. 하수 및 반류수에서 질소를 제거하기 위해서는 무산소조와 호기조로 구성된 생물학적 질소제거공정이 적용될 수 있다. 무산소조는 호기조에서 내부반송으로 순환된 질산성질소를 질소가스로 변화시키는 탈질반응이 일어나며, 호기조는 암모니아성질소 등을 질산성질소로 변화시키는 질산화반응이 일어난다. 호기성 조건을 유지하기 위해서는 처리시설의 유입 오염부하량에 대응하여 공기공급량을 실시간으로 조절하는 것이 중요하다. 생물학적 처리시설의 공기공급량은 DO, 암모니아성질소 등에 근거하여 제어하는 방법을 사용하고 있다.
생물반응조의 효율적인 운전을 위하여 전통적으로 용존산소(Dissolved Oxygen, DO)를 기반으로 공기공급량을 제어하고 있다. DO 기반의 공기공급량 제어 사례는 다음과 같다. 동시 질산화/탈질화/인제거(Simultaneous Nitrification-endogenous Denitrification and Phosphorous Removal, SNDPR)가 이루어지는 연속 회분식 반응기(Sequencing Batch Reactor, SBR)에서 낮은 DO 농도 1 ± 0.3 mg/L의 짧은 호기성 단계로 질산화, 탈질 및 호기성 인 흡수를 동시에 달성하여 공기공급을 위한 에너지 소비를 약 65% 절약하였다[4]. 활성슬러지 시스템에서 0.12 mg/L의 낮은 DO 농도에서 안정적인 질산화가 이루어질 수 있으며 산소에 높은 친화력을 나타내는 AOB (Ammonia Oxidizing Bacteria)를 유지할 수 있었다[5]. 탈질 인축적 미생물(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms, DNPAOs)이 기여하는 A2O 시스템에서 과도한 공기공급은 생물학적 인 제거(Biological Phosphorus Removal, BPR)를 악화할 수 있었다[6]. 호기성 그래뉼 슬러지(Aerobic Granular Sludge, AGS)를 적용하여 공기공급에 필요한 에너지를 줄인 사례가 보고되고 있다[7,8]. 호기조의 낮은 DO 농도는 질소제거효율을 높이나 N2O 가스 배출을 촉진한다고 하였다[9]. 그 외에도 처리효율 향상과 에너지 절감을 위한 공기공급량 제어 관련 연구가 많이 이루어졌다[10-14].
암모니아성질소 피드백 제어는 최근에 사용되는 공기공급량 제어 방법으로 에너지 절감 및 질소제거 개선 사례 등이 소개되고 있다. 제어변수로 암모니아성질소에 기반한 하수처리의 공기공급 제어는 에너지 비용 절감, 암모니아성질소 부하 감소, 외부탄소원 투입량 감소, 탈질 및 생물학적 인 제거 성능을 향상시킬 수 있음을 입증하였다[15]. 암모니아성질소, 질산성질소, 인산염인을 가지고 분산제어를 실시한 결과 내부 교란이 최소화되었고, 에너지를 절약이 가능하여 DO 제어로 작동하는 처리장과 비교하여 운영비용을 13% 절약할 수 있었다[16]. 암모아성질소 피드백 제어는 실제 응용 분야에서 공기공급 제어시스템의 최첨단 기술로 진화하고 있으며, 본격적인 사례 연구에서 에너지 절감 및 질소 제거 개선 사례가 소개되었다[17-19]. 암모니아성질소 기반 공기공급량 제어는 처리수질을 판단하여 공기공급량을 제어하는 장점이 있으나, 현장에서는 SS가 높은 생물반응조에서 직접적으로 측정하기 어려워 대부분 처리수를 대상으로 측정하고 있어 공정제어가 어려운 단점이 있다.
전기전도도는 물속에 녹아 있는 용존성 물질에 비례하여 나타나며, 수처리 공정에서 모니터링 항목에 해당된다. 일반적인 하수처리공정에서 전기전도도 측정값은 침전 등 물리적 처리를 통해서는 측정값이 변화되지 않고, 주로 생물학적 질소제거를 통하여 측정값이 변화한다[20]. 생물학적 질소제거 과정에서 알칼리도를 소비하면 전기전도도가 감소하지만, 알칼리도가 부족하여 수소이온을 생성하면 전기전도도가 증가한다. 탈질반응에서 1몰의 중탄산염 이온 생성으로 전기전도도 0.192 mSm2/g-N이 감소하고, 질산화에서는 2몰의 중탄산염 이온 소모로 0.650 mSm2/g-N 감소하게 되어, 알칼리도가 충분한 생물학적 질소제거에서 전기전도도는 0.842 mSm2/g-N가 감소하게 된다[20,21]. 일반적인 하수는 알칼리도가 많기 때문에 전기전도도가 감소하는 생물학적 질소제거가 일어날 수 있게 된다. 또한 부분 아질산화(Partial Nitritation)와 혐기성 암모늄이온 산화(Anaerobic Ammonium Oxidation, Anammox)를 이용한 실험에서 전기전도도가 질소제거 공정을 모니터링하는 쉽고 간단한 방법이라는 것을 증명하였다[22]. 스톡홀름의 2개 하수처리장에서 유입수의 전기전도도가 각각 1,059 µS/cm, 788 µS/cm이었고, 처리수의 전기전도도는 각각 766 µS/cm, 622 µS/cm으로 하수처리를 통해 전기전도도가 28%, 21% 감소되었다[23]. 고도 생물학적 인 제거(Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR)의 혐기성 조건에서 전기전도도는 인산염인 농도에 비례하여 증가하게 되어 인 방출에 대한 정보를 쉽게 제공할 수 있다 [24]. 고도 생물학적 인 제거(EBPR)에서 전기전도도는 혐기성과 호기성 공정에서 상관 관계가 있으며 인이 방출될 때는 증가하고 흡수될 때는 감소하게 된다[25]. 이와 같이 혐기성 상태에서 인이 방출되는 정도를 전기전도도를 통해서 모니터링할 수 있다. 이러한 연구사례는 전기전도도를 생물학적 질소, 인 처리에 응용할 수 있는 충분한 증거를 제공하고 있다. 또한 전기전도도는 현장에서 유지관리 및 측정이 편리하고 측정기 비용이 저렴함과 동시에 정확도가 높아 현장에 적용하기 쉽다는 측면이 있다.
이에 본 연구에서는 반류수에서 전기전도도 측정을 통하여 공기공급량을 제어할 수 있는 기술을 개발하여 현장 성능평가를 실시하였다. 우선 전기전도도와 암모니아성질소 등 수질인자를 처리공정별로 모니터링하고 회귀분석을 실시하여 생물학적처리의 운전지표로 전기전도도가 활용될 수 있는지 검토하였으며, 전기전도도 변화에 따라 필요한 공기공급량을 산정하여 공기공급을 제어하는 기술의 성능평가를 위해 파일럿 운전을 실시하였다. 또한, 공기공급량을 일정하게 유지하는 실플랜트의 제어방법과 비교하여 질소 제거효율 및 공기공급량 절감 효과를 분석하였다. 성능평가 결과, 전기전도도 기반의 공기공급 제어기술 개발을 통해 하수 및 반류수 처리에서 공정성능 향상 및 에너지 절감을 달성할 수 있을 것으로 예상된다.
2. 실험방법
2.1. 파일럿 플랜트
전기전도도 기반으로 공기공급을 제어하는 MLE공정의 파일럿 플랜트는 원수 공급설비, 일차침전조, 무산소조, 호기조, 이차침전조로 구성하였다(Fig. 1). 파일럿 각 공정의 수리학적 체류시간은 J물재생센터 반류수처리공정의 설계조건과 유사하게 제작하였고, 설계용량은 2.3 m3/일로 하였다(Table 1). 원수 공급설비는 MLE 실공정에 유입되는 원수를 파일럿까지 이송하여 일차침전조에 일정량을 유입시키는 부분이다.
생물반응조는 교반기로 혼합하여 공기를 공급하지 않는 무산소조와 공기를 공급하는 호기조로 구성하였다. 원수 공급펌프, 일차슬러지 인발펌프, 내부 반송펌프, 외부 반송펌프, 송풍기 등은 인버터에 의한 유량 및 공기공급량 제어가 가능하였고, 일차슬러지 및 잉여슬러지는 30분 간격으로 일정량씩 폐기하도록 하였다. 전기전도도는 무산소조 2와 호기조 3에 설치하였고, 무산소조는 일차처리수와 반송슬러지가 혼합되는 지점으로 유입수와 생물학적처리의 변화를 동시에 반영하기 때문에 공기공급량을 자동제어하는 전기전도도 모니터링 기준지점으로 결정하였다. 전기전도도 측정기(Hach 3700-SC Electrodeless Conductivity) 센서가 시료와 접촉하는 부분의 재질은 폴리프로필렌, PVDF 등이었고 가운데가 비워진 도너츠 형태로 제작되었다.
2.2. 공정별 수질 모니터링 및 상관성 분석
J 물재생센터의 반류수 처리시설 유입수를 대상으로 MLE공정의 파일럿 플랜트를 운전하였다. 반류수 처리에서 계절적 특성을 반영하기 위해서 여름철(2018년 4월~7월), 겨울철(2017년 12월~2018년 3월), 가을철(2018년 10월~12월)로 구분하여 실험을 실시하였다. 여름철과 겨울철에는 유입수, 일차처리수, 무산소조 2, 호기조 3, 이차처리수 등 각 처리공정에서 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인과 전기전도도를 일주일에 3회씩 분석하였다. 가을철에는 용존성 유기탄소(Dissolved Organic Carbon, DOC)와 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)를 포함하여 여름철 및 겨울철과 동일한 방법으로 분석하였다. 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인은 이온크로마토그래피(ICS-5000 Ion Chromatography, Dionex)를 이용하였고, 전기전도도는 휴대용 측정기(Multiparameter Instrument, YSI 556MPS)를 이용하여 분석하였다. DOC와 TOC는 유기탄소분석기(StarTOC, BL Process)를 이용하여 분석하였다. 1년간의 수질자료와 전기전도도의 상관성을 파악하기 위해서 회귀분석을 실시하여 선형모형의 회귀식과 상관계수(Correlation coefficient, R)를 나타내는 통계적 방법을 사용하였다. 여름철은 반응온도가 높고 외부탄소원인 메탄올을 100~200 ppm (V) 범위로 투입하여 질소 처리에 유리한 조건으로 실험하였다. 이때 여름철, 겨울철, 가을철의 호기조 평균온도는 각각 25.8℃, 14.9℃, 21.2℃이었다(Table 2). 호기조의 DO, MLSS 운전조건 등을 다양하게 변화시켜 파일럿 플랜트의 처리효율이 변화되도록 하였다.
2.3. 겨울철 질소처리의 운전인자 분석
Table 2에서 겨울철기간 호기조 운전인자와 질소처리효율의 관계를 분석하였다. 이 기간에 내부반송 150%, 외부반송 100%를 유지하고 MLSS와 공기공급량을 조절하였다. 호기조 말단의 온도, DO, pH 측정값을 4~5개 범위로 나누고 해당구간의 비질산화율(Specific Nitrification Rate, SNR)과 비탈질율(Specific Denitrification Rate, SDNR)의 변화를 분석하여 운전인자가 질소처리에 미치는 영향을 살펴보았다. SNR은 암모니아성질소 제거효율, MLSS, 호기조 체류시간을 이용하였고 SDNR은 총무기질소 제거효율, MLSS, 무산소조 체류시간을 이용하여 산출하였다.
2.4. 전기전도도 기반 MLE공정의 공기공급 제어기술 성능평가
본 연구에서 운전한 파일럿 시설의 공기공급 조건을 Table 3에 정리하였다. 대조군은 실플랜트와 유사하게 공기공급량을 일정하게 유지하는 방식으로 운전하였으며, 공기공급량은 실험기간 A, B, C에 따라 Table 3과 같이 변화시켰다. 실플랜트에서는 최대 공기공급량 C를 유지하였다. 실험군은 무산소조에서 실시간으로 측정된 전기전도도의 30분 평균값을 기반으로 공기공급량을 30분 단위로 조견표에 따라 자동 제어할 수 있도록 하였다.
공기공급량 자동제어는 본 연구의 상관성 분석결과에 근거해 작성한 전기전도도에 따른 공기공급량/유입유량 비의 조견표에 따라 운전하였다. 성능평가는 암모니아성질소와 총무기질소의 제거효율, SNR과 SDNR, 공기공급량의 변화, 유입수 변화에 대한 실시간 제어로 인한 공정의 안정성 등을 기준으로 판단하였다. 실험기간은 겨울철로 호기조 반응온도는 12.7~15.9℃로 유지되었고, 호기조 DO는 0.6~4.9 mg/L, MLSS는 3,628~4,224 mg/L로 운전하였다(Table 2).
3. 결과 및 고찰
3.1. 공정별 수질 변화 및 상관성 분석
반류수 처리공정별 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인, DOC, TOC, 전기전도도 수질 변화를 여름철(메탄올 투입), 겨울철, 가을철 시기로 나누어 분석한 결과인 평균값과 표준편차를 Fig. 2에 나타내었다.
메탄올이 투입된 여름철에 반류수 유입수의 암모니아성질소, 총무기질소, 전기전도도는 150.9 mg/L, 151.0 mg/L, 1,691 µS/cm이었고, 겨울철에는 159.1 mg/L, 161.5 mg/L, 1,723 µS/cm이었고, 가을철에는 138.0 mg/L, 138.4 mg/L, 1,614 mg/L이었다(Fig. 2). 각 계절별 유입수의 전기전도도와 암모니아성질소 농도비는 10.8~11.7로 계절적인 변화가 크지 않았다. 생물학적 처리를 통해 여름철에 제거되는 암모니아성질소, 총무기질소, 전기전도도는 각각 137.0 mg/L, 110.5 mg/L, 868 µS/cm이었고, 겨울철에는 60.6 mg/L, 12.6 mg/L, 432 µS/cm, 가을철에는 93.4 mg/L, 55.2 mg/L, 545 µS/cm이었다. 각 계절에 제거된 전기전도도와 암모니아성질소의 비는 5.8~6.4로 유사한 폭으로 제거되었다. 제거된 전기전도도와 총무기질소의 비는 여름철과 가을철에 각각 7.9, 9.9로 유사한 폭으로 제거되었으나 겨울철에는 34.3로 차이가 크게 나타났다. 겨울철에 제거된 암모니아성질소가 질산성질소로 변하지만 탈질반응이 일어나지 않아 총무기질소 제거율이 낮았는데, 이유는 반응온도가 낮고 외부탄소원 투입을 하지 않았기 때문으로 판단된다.
여름철에 유입 반류수의 인산염인, 전기전도도는 4.4 mg/L, 1,691 µS/cm이었고, 겨울철에는 2.9 mg/L, 1,723 µS/cm이고 가을철에는 3.7 mg/L, 1,614 mg/L이었다(Fig. 2). 여름철의 인산염인 농도는 겨울철과 비교하여 1.5배 높았으나 전기전도도는 감소하여 유입수의 인산염인 농도 변화를 전기전도도가 반영하지 못했음을 알 수 있다. 실공정에서 반류수로 유입되는 인산염인의 농도에 영향을 주는 인자는 하수처리공정에 투입된 인 제거용 응집제가 투입되는 양 등에 따라서 달라질 수 있는 것으로 판단된다. 생물학적 처리를 통해 여름철, 겨울철, 가을철에 제거되는 인산염인은 2.2 mg/L, 1.0 mg/L, 2.5 mg/L이었고, 전기전도도는 868 µS/cm, 432 µS/cm, 545 µS/cm이었다. 제거된 전기전도도와 인산염인의 비는 여름철과 겨울철에 각각 395, 432로 두 계절에서 유사한 폭으로 제거되었다.
가을철에 유입 반류수의 DOC, TOC, 전기전도도는 109.7 mg/L, 221.3 mg/L, 1,614 µS/cm이었다. 생물학적 처리를 통해 파일럿에서 제거되는 DOC, TOC, 전기전도도는 각각 74.5 mg/L, 96.0 mg/L, 545 µS/cm이었다. TOC는 부유물질의 유기탄소가 포함되어 있어 일차처리 후 평균 77.6 mg/L 감소하였지만, 전기전도도는 16 µS/cm가 증가하였다. 전기전도도는 부유물질 보다는 용존물질에 영향을 많이 받으며 DOC와 유사하게 변하는 것으로 판단된다.
여름철에 일차처리수와 무산소조의 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인, 전기전도도 차이는 116.3 mg/L, 107.6 mg/L, 1.6 mg/L, 809 µS/cm로 생물학적으로 제거되는 농도의 72~98%에 해당되었다. 겨울철 및 가을철에도 무산소조에서 가장 큰 농도차이가 발생하였는데 외부반송과 내부반송을 통해서 처리된 활성슬러지 혼합과 무산소조에서 오염물질 제거 때문으로 판단되었다. 무산소조에는 질소제거뿐만 아니라 인이 제거되는 현상이 나타났다. 일반적으로 무산소조건에서 충분한 rbCOD가 존재해서 기질이 PAOs에 의해 흡수가 가능할 때와 PAOs에 의해 저장된 탄소의 산화가 일어날 정도로 충분한 호기성 시간이 있을 때 생물학적 질소와 인이 동시에 제거될 수 있다[2]. A2O 공정에서 무산소조 인 흡수 속도는 호기조의 69%이었고, MLE에서 DPAOs에 의해 탈질과 인 흡수가 동시에 발생하여 상당량의 인이 무산소조에서 제거되었다는 연구보고가 있었다[6,26-28]. 이를 통해 질산성질소가 있는 무산소상태에서 인을 제거할 수 있는 미생물의 역할로 인해 질소와 인이 동시에 제거되는 것으로 판단된다. 무산소조는 유입수와 처리된 반송슬러지가 혼합되어 질소와 인 제거가 이루어지는 위치로써, 무산소조의 전기전도도 변화를 통해 유입수와 처리수의 변화 등을 예측할 수 있는 것으로 사료된다.
여름철(메탄올 투입), 겨울철, 가을철 시기에 각 공정인 유입수, 일차처리수, 무산소조, 호기조의 암모니아성질소와 전기전도도 측정값을 Fig. 3과 같이 나타내었고 암모니아성질소가 감소함에 따라 전기전도도 역시 감소함을 알 수 있다. 각 공정의 측정값으로 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인, DOC, TOC와 전기전도도의 상관성 분석결과를 Table 4와 같이 나타내었다.
전기전도도와 암모니아성질소의 상관계수는 여름철, 겨울철, 가을철에 각각 0.9155, 0.8267, 0.9241로 다른 수질인자보다 암모니아성질소가 전기전도도와 높은 상관성을 나타내었다. 계절별 암모니아성질소와 전기전도도의 회귀식 기울기는 5.6696~6.8163 (µS/cm)/(mg/L), y절편은 712.23~860.15 µS/cm이었다. 이론적으로 암모니아성질소가 제거되면서 감소하는 전기전도도는 6.50 (µS/cm)/(mg/L)인데 회귀식의 기울기와 유사하였다[20,21]. 암모니아성질소와 전기전도도의 계절적 변화 등에 따른 회귀식의 기울기와 y절편의 변화가 크지 않아 전기전도도를 통해 암모니아성질소를 추정하는 것이 가능함을 알 수 있었다.
전기전도도와 총무기질소의 상관계수는 여름철, 겨울철, 가을철에 각각 0.9122, 0.6581, 0.9120으로 암모니아성질소 다음으로 전기전도도와 높은 상관성을 나타내었다. 겨울철에 상관계수가 낮은 이유는 탈질반응이 일어나지 않아 총무기질소의 제거농도가 작은 것과 연관이 있는 것으로 판단된다. 계절별 총무기질소와 전기전도도의 회귀식 기울기는 6.2622~7.7812 (µS/cm)/(mg/L), y절편은 490.87~619.10 µS/cm이었다. 이론적으로 질산화 및 탈질을 통해 질소가 제거되면서 감소하는 전기전도도는 8.42 (µS/cm)/(mg/L)로 회귀식 기울기보다 0.64~2.16 (µS/cm)/(mg/L) 높았다[20,21]. 전기전도도를 통해 총무기질소를 추정하는 것은 탈질반응 등에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
전기전도도와 인산염인의 상관계수는 여름철, 겨울철, 가을철에 각각 0.7016, 0.5267, 0.7376으로 가장 낮은 상관성을 나타내었다. 인산염인의 농도에는 생물학적 처리특성과 응집제 투입 등 다양한 인자가 영향을 주는 것으로 판단된다. 계절별 인산염인과 전기전도도의 회귀식 기울기는 138.67~200.89 (µS/cm)/(mg/L), y절편은 621.31~1266.79 µS/cm이었다.
가을철 전기전도도와 DOC의 회귀분석 기울기 7.5901 (µS/cm)/(mg/L)로 TOC 기울기 3.2294 (µS/cm)/(mg/L)보다 2배 이상 높았다(Table 4). DOC와 전기전도도의 상관계수는 0.8635로 TOC보다 높아서 전기전도도를 통해서 DOC의 변화를 판단할 수 있으며, 생물학적 유기탄소 제거 공정의 지표로 전기전도도가 활용될 수 있음을 알 수 있다.
암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인, DOC를 제거하는 생물학적 처리공정의 지표로 전기전도도가 활용될 수 있음을 알 수 있었다. 전기전도도와 암모니아성질소의 회귀식은 재현성이 확보되어 전기전도도를 통해 암모니아성질소를 추정하는 것이 가능함을 알 수 있었다. 총무기질소와 인산염인을 추정하기 위해서는 탈질반응, 응집제 투입 등 다른 요소에 대한 고려가 추가적으로 필요하며 DOC는 가을철을 제외한 다른 계절에 대한 실험이 필요할 것으로 판단된다.
3.2. 겨울철 질소처리의 운전인자 분석
겨울철기간 질소처리에 미치는 운전인자에 대한 호기조 SNR과 무산소조 SDNR의 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 겨울철 호기조 말단 DO 3.4 mg/L에서 SNR, SDNR이 각각 0.016, 0.023 g-N/g-MLSS/d이었다. 문헌에서 SNR과 SDNR은 각각 0.04~0.165 g-N/g-MLSS/d, 0.04~0.25 g-N/g-MLSS/d이었다[2,29]. 본 실험의 겨울철 SNR, SDNR은 다소 낮은 것으로 판단된다. 질산화속도는 DO 농도가 3~4 mg/L까지 증가하고, 무산소조 DO가 0.2 mg/L 이상이면 탈질이 저해되며 내부반송에 의해 무산소조로 유입되는 DO 양은 최소화되어야 한다[2]. DO 3.4 mg/L를 기준으로 많거나 적으면 질소 처리효율이 감소하여 적절한 DO를 유지하는 것이 필요함을 알 수 있다.
호기조에서 질산화가 진행되면서 pH는 점차적으로 감소하였고 호기조 말단 pH 5.5에서 SNR, SDNR이 각각 0.018, 0.017 g-N/g-MLSS/d이었다. pH 4.5에서는 SNR, SDNR이 감소하여 과도한 DO 공급에 의한 산화는 질소처리효율을 감소시키는 것으로 판단된다. 문헌에서는 최적 질산화속도는 pH가 7.5~8.0 범위에서 발생하고 pH 값이 5.8~6.0일 때 암모니아성질소 산화속도는 pH 7일 때의 약 10~20% 정도라고 하였다[2,30]. 알칼리제를 투입하지 않는 하수처리에서 호기조의 유입부터 유출 부분까지 가면서 pH는 감소하게 되고 질산화속도는 호기조 위치에 따라서 변할 것으로 판단된다. 본 실험의 결과를 보면 호기조 말단의 pH가 5.5 미만으로도 감소하여 알칼리제의 투입이 필요할 것으로 판단된다.
호기조 수온 12.5℃에서 SNR, SDNR이 각각 0.021, 0.020 g-N/g-MLSS/d로 가장 높았다. 일반적으로 온도가 낮아지면 질산화와 탈질효율은 감소하지만 본 실험에서는 수온이 낮아지면서 질소처리 효율이 높아지는 경향을 보였다. 적절한 DO 조절을 통하여 낮은 온도에서도 질소처리효율이 향상될 수 있는 것으로 판단된다.
질소처리에서 중요한 영향인자는 수온, DO, pH, F/M 비, SRT 등이다. 실제 하수처리 현장에서 수온, 유입유량, 유입수질 등은 제어하기 힘든 인자이다. 비용과 유지관리의 어려움으로 외부탄소원, 알칼리제 등 약품을 투입하지 않는 하수처리장이 많이 있다. 이런 경우에 현장에서 사용할 수 있는 공정제어인자는 DO, MLSS 등이다. 잉여폐기량으로 조절되는 MLSS를 안정적으로 제어하기 위해서는 몇 일에 걸쳐서 단계적으로 이루어지게 된다. DO는 유입수와 처리수 변화에 따라서 빠른 시간 내에 조절하여 결과를 얻을 수 있는 인자에 속한다. DO를 적절하게 유지하기 위해서는 공기공급량을 적절하게 제어하는 것이 필요하다. 앞에서 질소와 전기전도도는 상관성이 높았기 때문에 전기전도도를 직접 측정하여 공기공급량을 제어하는 것은 질소처리효율을 향상시키는 방법이 될 수 있다.
3.3. 전기전도도 기반 MLE공정의 공기공급 제어기술의 성능평가
3.3.1. 전기전도도에 의한 공기공급량 산정 방법
생물반응조에 필요한 공기공급량을 하수도시설기준에 있는 수식을 이용하여 경험식을 도출하였다[31]. 식 (1)에서 OD1과 OD3은 유량 및 유입농도(유기탄소과 암모니아성질소)에 따라서 달라지게 된다. OD2와 OD4는 공정운영 변수에 따라 달라지고 일정한 조건에서는 상수화 할 수 있다. 앞의 실험결과로 생물학적 처리공정에서 전기전도도는 암모니아성질소와 유기탄소와 높은 상관관계를 가졌기 때문에 회귀식을 이용할 수 있다. BOD와 암모니아성질소를 제거하는데 필요한 산소량의 계수를 0.6, 4.57로 하였다[31]. Table 4에 정리된 가을철 회귀식을 이용하여 식 (2)의 A와 B를 각각 1.198과 -1,017.67로 계산할 수 있다. 식 (2)를 통하여 필요산소량(Actual Oxygen Requirement, AOR)을 전기전도도와 유입유량 등을 측정하여 예측할 수 있는 이론적 근거를 마련할 수 있다.
여기서
OD1 = BOD 산화에 필요한 산소량(kgO2/d)
OD2 = 내생호흡에 필요한 산소량(kgO2/d)
OD3 = 질산화 반응에 필요한 산소량(kgO2/d)
OD4 = 용존산소농도 유지에 필요한 산소량(kgO2/d)
여기서
A = 전기전도도로 필요산소량 예측하기 위한 기울기
B = 전기전도도로 필요산소량 예측하기 위한 y절편
C = 내생호흡, 용존산소농도의 유지에 필요한 산소량
X = 탈질에 의해 제거되는 BOD 농도
필요산소량(AOR)에서 산소공급량(Standard Oxygen Requirement, SOR)과 필요공기량(Gs)을 계산할 때 필요산소량을 제외하고는 나머지는 설계값을 이용하여 E, D로 상수화 할 수 있다. 필요공기량은 전기전도도와 유입유량에 따라 변하는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다. 설계인자가 계절적 변화, 노후화 등에 따라 변할 수 있지만 장기적으로 변하는 사항이어서 실제 하수처리에서 간단한 식 (3)을 통하여 필요공기량을 예측하여 제어할 수 있는 기술을 개발할 수 있다. 경험적 운전값을 이용하여 필요한 수식 계수를 결정할 수 있고, 완성된 필요공기량 수식을 통해 전기전도도와 유량값으로 공기공급량을 예측할 수 있다.
(3)
여기서
SOR = T1℃에서의 청수상태에서의 산소공급량(kgO2/d)
AOR = 생물반응조 T2℃에서의 필요산소량(kgO2/d)
D = 청수상태에서 포기장치의 성능을 고려한 계수
E = 산소전달효율, 산소함유량 등을 고려한 계수
A' = 전기전도도로 필요공기량 예측하기 위한 기울기
B' = 전기전도도로 필요공기량 예측하기 위한 y절편
C' = 교반 및 최소 오염부하를 처리하기 위한 필요공기량
X' = 탈질에 의해 감소되는 필요공기량
B" = 탈질을 고려한 전기전도도로 필요공기량 예측하기 위한 y절편
3.3.2. 조견표와 공기공급량 산정 방법의 비교
조견표는 호기조 교반과 최소 오염부하를 처리하기 위해 필요한 최소공기량과 증가하는 오염부하에 대해서 유량 및 전기전도도에 비례하여 증가하는 공기량을 더하는 식 (3)에 기초하여 작성하였다. 플랜트 운전을 통하여 만들어진 전기전도도가 증가함에 따라 증가하는 공기공급량/유입유량 비의 경험적 조견표를 가지고 식 (3)의 계수를 계산할 수 있다. 최소공기량(C')은 5 m3-air/h으로 하였고, 조견표의 [(공기공급량 – C')/유입유량]과 전기전도도를 그래프로 그려 직선식을 이용하면 A', (B' + X')는 각각 0.0589 (m3-air/h)/(m3/h)/(µS/cm), -77.562 (m3-air/h)/(m3/h)로 나타낼 수 있다. 식 (2)에서 A와 B를 이용하면 (E × D)는 0.0491로 계산할 수 있고, B'는 -49.967 (m3-air/h)/(m3/h), X'는 -27.595 (m3-air/h)/(m3/h)로 나타낼 수 있다. 다음의 과정을 통해 완성된 식 (3)을 이용하여 플랜트에서 공기공급량을 산출하여 제어하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
완성된 식 (3)을 통해 무산소조 전기전도도 구간 범위에 계산된 공기공급량/유입유량 비를 순차적으로 넣어 Table 5와 같이 조견표를 작성하였다. 송풍기에서 공기공급을 위해 배관, 산기관, 수위 등의 압력손실과 최소농도 오염물질 제거를 위해서는 공기공급량/유입유량 비 25 (m3-air/h)/(m3/h)가 필요하였고, 최소농도를 나타내는 기준값은 무산소조의 전기전도도 1,300 µS/cm로 하였다. 최소농도 기준값에서 100 µS/cm가 증가하면 공기공급량/유입유량 비가 5~8 (m3-air/h)/(m3/h) 범위에서 증가하도록 하였다. 최고농도 오염물질의 기준값은 무산소조의 전기전도도 1,800 µS/cm로 하였고, 공기공급량/유입유량 비는 63 (m3-air/h)/(m3/h)으로 정하였다. 이때 유입유량은 0.2 m3/h 정도로 일정하게 하였고 공기유량을 5~12.6 m3-air/h 범위로 하였다. 작성된 조견표는 계절별, 산기관 오염도 등에 따라 최소공기량, 전기전도도 구간범위, 공기공급량/유입유량 등을 보정하여 사용하면 현장에서 쉽게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
3.3.3. 겨울철 성능평가 결과
성능평가 결과를 Table 6 및 Fig. 5에 나타내었다. 공기공급량/유입유량 비 46 (m3-air/h)/(m3/h)으로 일정하게 유지하는 대조군 C에서 암모니아성질소 제거효율 및 SNR은 62.9%, 0.024 g-N/g-MLSS/d로 가장 높았다. 공기공급량이 높아질수록 암모니아성질소 제거효율은 상승하였다. 실험군의 암모니아성질소 제거효율 및 SNR은 43.9%, 0.018 g-N/g-MLSS/d로 대조군 C 조건보다 낮게 나타났고 대조군 A, B 조건보다는 높게 나타났다. 비슷한 공기공급량인 실험군과 대조군 A를 비교하면 공기량을 제어한 실험군의 암모니아성질소 제거효율과 SNR이 높았다. 효율적인 암모니아성질소 제거를 위해서는 공기공급량의 제어가 필요함을 알 수 있었다.
실험군의 총무기질소 제거효율과 SDNR은 30.7%, 0.041 g-N/g-MLSS/d로 대조군 A, B, C보다 높게 나타났다. 총무기질소 제거에 있어서는 공기공급량을 실시간으로 제어하는 것이 처리효율을 향상시킴을 알 수 있었다. 대조군에서 공기공급량/유입유량 비가 각각 36 (m3-air/h)/(m3/h), 46 (m3-air/h)/(m3/h)인 A와 C에서 총무기질소 제거효율은 각각 21.2%, 22.4%로 비슷하였으나 SDNR은 대조군 C가 대조군 A보다 높았다. 이는 대조군 C에서 제거되는 총무기질소 농도가 대조군 A보다 16.9 mg/L 많았기 때문으로 판단된다.
최종적으로 전기전도도와 공기공급량을 자동제어하여 운전한 총무기질소 제거효율과 SDNR은 실플랜트 운전조건 C보다 각각 8.3%, 0.007 g-N/g-MLSS/d 높았다. 자동제어 한 기간 동안에 공기공급량/유입유량 평균비가 36 (m3-air/h)/(m3/h)로 대조군 C 조건보다 공기공급량이 21.7% 감소하였다. 전기전도도 기반 MLE공정의 공기공급 제어기술을 통하여 총무기질소 제거효율을 향상시키고 공기공급량 절감으로 에너지 사용량을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
Fig. 6은 운전조건에 따른 무산소조와 호기조의 실시간 전기전도도 계측 결과를 나타내었다. 공기공급량을 일정하게 유지한 대조군의 전기전도도 변화를 보면 유입수 변화에 대처하지 못함을 알 수 있었다. 반면 자동제어를 한 실험군은 전기전도도 변화를 통해 유입수 변화에 실시간으로 대응하고 있음을 알 수 있었다. 전기전도도를 통한 공기공급 자동제어는 질소 처리효율을 안정적으로 유지할 수 있는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 반류수를 대상으로 무산소조에서 전기전도도 측정을 통하여 호기조의 공기공급량을 제어할 수 있는 기술을 개발하여 전기전도도의 운전지표 활용 가능성 검증, 필요공기량 산정방법, 현장 성능평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1)계절별로 전기전도도와 암모니아성질소의 상관계수는 0.8267~0.9241로 높았고, 인산염인은 0.5267~0.7376으로 상대적으로 낮은 상관계수를 가졌다. 전기전도도와 각 수질항목의 상관계수가 0.5 이상으로 암모니아성질소, 총무기질소, 인산염인, DOC를 제거하는 생물학적 처리공정의 운전지표로 전기전도도 활용이 가능함을 알 수 있었다. 전기전도도와 암모니아성질소의 회귀식은 계절별로 재현성이 확보되어 전기전도도를 통해 암모니아성질소를 추정하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
2) 호기조 말단 DO가 3.4 mg/L 정도로 유지될 때 겨울철 질소처리효율이 가장 양호하였다. 호기조 DO는 공기공급량으로 제어할 수 있으며 공정 변화에 따라서 빠른 시간 내에 조절할 수 있는 운전인자에 해당된다. 질소와 상관성이 높은 전기전도도를 직접 측정하여 공기공급량을 제어하고 질소처리효율을 향상시키는 것이 가능함을 알 수 있다.
3) 전기전도도와 유입유량을 통해 필요공기량을 산정할 수 있는 경험식은 호기조 교반과 최소 오염부하를 처리하기 위한 최소공기량과 증가하는 오염부하에 대한 공기량을 합하여 산출하는 의미가 내포되어 있다. 조견표를 이용하여 수식의 계수를 구한 결과 A', (B' + X')는 각각 0.0589 (m3-air/h)/(m3/h)/(µS/cm), -77.562 (m3-air/h)/(m3/h)로 나타낼 수 있었다.
4) 겨울철기간 무산소조의 전기전도도 측정값에 따라서 공기공급량을 자동 제어한 결과는 총무기질소 제거효율과 SDNR이 실플랜트 조건보다 각각 8.3%, 0.007 g-N/g-MLSS/d 높게 나타났다. 자동제어 한 기간 동안에 공기공급량/유입유량 평균비가 36 (m3-air/h)/(m3/h)로 실플랜트 조건보다 공기공급량을 21.7% 감소시킬 수 있었다. 또한 무산소조의 전기전도도를 측정하여 유입수 변화에 실시간으로 대응하여 공기공급량을 제어할 수 있었다. 전기전도도 기반 MLE공정의 공기공급 제어기술은 질소제거 효율 향상 및 에너지 사용량 절감을 동시에 달성할 수 있을 것으로 사료된다.
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