유기물질을 제거하는 생물학적 폐수처리 공법 중의 하나인 활성슬러지 공법은 하수처리장에서 가장 널리 사용되고 있다. 이 공법의 필수 장치 중 산기장치와 송풍기는 실제 처리장에 서동력의 40~70%를 차지하기 때문에 송풍기 가동에 의한 전력비용을 절감함으로써 공정 전체 운영비용의 상당 부분을 절감할 수 있다[1,2].

미생물이 유기물 산화와 질산화를 수행하기 위해서는 폭기조 내 용존산소가 적절한 농도로 유지되어야 한다. 필요 이상으로 존재할 경우 처리수 수질의 개선 효과는 거의 없고, 슬러지 특성에 부정적인 영향과 탈질 효율 감소를 초래하는 등 미생물에 의해 사용되지 않고 공기 중으로 빠져나간다. 이렇게 폐기되는 용존산소를 줄이기 위해 적정 송풍량을 도출하여 자동제어를 함으로써 전력비용을 절감할 필요가 있다[2,3,4].

현재 탄소중립을 위해 폐수처리장 호기성소화 단계에서 DO(Dissolved Oxygen),OUR(Oxygen Uptaken Rate), NH₄⁺ 등 수질 인자를 통한 송풍기 조절에 대한 연구들이 이루어졌다. 생물학적 하폐수처리공정의 제어기술은 처음 호기조 DO 농도 제어와 같은 단변량 제어부터 출발하게 된다. 호기조 DO 농도 제어는 공정의 경제성과 유기물 산화 반응의 안정성이라는 두 가지 목적을 동시에 달성할 수 있었으며, 덴마크 Aalborg 하수처리장을 포함한 7개 하수처리장에서 폭기비용의 30%를 절감한 사례(Olsson et al., 2005)로 현장 적용성과 효과가 입증되었다. 그러나 현장마다, 계절마다 수질 인자에 대한 파라미터가 불분명하고 폐수처리장 특성상 계측기에 스컴(Scum)이 많이 부착되고, SBR 공법 등 수위 변동에 따라 계측기의 신뢰성이 많이 부족한 상황이다.

폭 8 m, 길이 36 m, 높이 5 m 크기의 폭기조에 총 30개 지점으로 나누어 DO를 측정한 실험 결과, 폐수가 유입되는 입구를 제외하면 수심에 따른 DO 농도 변화는 미미하였으나, 유입수의 유량에 따라 수위가 변하는 조건에서 표면으로부터 일정한 수심에서의 측정은 필요하다. 이에 수위변화에 대응가능한 계측기가 필요하다[6].

환경기술보고의 폭기조 용존산소농도 제어에 의한 전력비용 분석에 따르면 처리시설용량 30,000 m³/day인 처리장에 자동 제어장치를 사용했을 경우 연간 1,338원/ton 절감 가능하다는 결과가 나왔다[7]. 이 실험에서는 유입하수량의 증감에 따라 송풍량을 조절했기 때문에 SBR처럼 유입과 폭기가 순차적으로 진행되는 처리장에는 반영하기 힘든 제어방식이다. 이에 스컴(Scum)이 발생되지 않는 재질 및 형상을 구현함과 동시에 수위변화에 대응 가능한 부상형 계측기를 이용하여 측정의 신뢰도를 향상해 PLC를 통한 송풍기 운전조절을 하여 에너지 절감에 대해 연구하였다.

본 연구에서 사용된 부상형 DO 계측기는 (450 mm×223.65 mm) 부상형 구조의 상단은 sts304, 하단은 polyorea 재질로 되어있으며, 기존의 고정형 계측기와 달리 SBR공정 및 수위 변화에 대응하기 위한 구조로 되어 4 m 이내로 상하이동이 가능하다. 고정되어 있지 않기 때문에 수위변화에 따른 실시간 계측이 가능하며, 수면에서 회전 및 이동하기 때문에 송풍기의 수압 및 폭기조의 파동에 저항성이 좋다. 또한, 상부는 스컴(Scum)이 부착되지 않는 항오염성 재질을 갖춘 구조로 되어 있어 오염물질의 경화현상이 없다. 이는 계측값의 신뢰성이 좋다는 장점이 있다.

측정현장은 부산 N산업단지 염색폐수처리장으로 SBR (Sequence BatchReactor) 공법을 통해 산업단지의염색폐수를 처리하고 있다. 일평균 1,000-1,500 m³의 유입수를처리하고 있으며, 유입수의 평균 수질 [BOD:387.39(mg/L), TOC: 352.57(mg/L), SS: 143.33(mg/L), 색도: 648.06도]이며, [10 m×26.4 m×6 m]의 수조에서 유입, 폭기, 침전, 방류의 과정이 반복된다.

폐수처리장 내 상세 에너지모니터링을 통한에너지사용 분석을 위해 멀티 전력량계를 설치하고, 데이터를 수집하여 DB (DateBase)화 할 수 있는 데이터수집 시스템을 구축하였다.

Fig. 2는 폐수의 유입전과 유입후의 사진으로 폐수의 유입에 따라 계측기가 상하 이동한 모습을 볼 수 있다.

본 연구는 SBR 공법을 사용하는 폐수처리장을 대상으로 실험을 하였다. 반응조 내 미생물의 군집은 반응조의 운전 조건 및 환경 조건에 달라질 수 있으며, 특히 DO 농도의 변화에 따라 미생물 군집의 변화가 이루어질 것으로 판단된다. 여름과 가을이 겨울과 봄에 비해 높은 수온의 영향으로 용존산소 소비속도 계수가 높다[8]. 용존산소량은 수온과 반비례 관계로 수온이 상승함에 따라 감소하고, 수온이 하강함에 따라 증가하는 경향이 있다[9]. 이렇듯 겨울과 여름 환경 조건에 따라 미생물의 산소요구량이 달라져 군집이 다르게 나타나기 때문에 유기물 및 질소 화합물 제거시 최적 DO가 다를 것으로 판단된다. 이에 본 실험에서는 현장의 데이터를 통해 여름과 겨울에 DO 농도 상한값과 하한값을 각각 도출하였다. DO 계측기는 현장에 적용하기 전에 DO를 제어할 수 있는 환경에서 계측기의 검증을 맞췄다. 폭기 시간은 모두 일정하게 3시간으로 고정하였다.

또한, 송풍기 자동제어 후 수질에 대한 영향을 확인하기 위하여 수동제어 및 자동제어 폭기 후 10분, 60분, 90분, 120분, 180분마다 폐수를 채취하여 총 유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 농도 분석을 하였다.

부상형 DO 계측기는 수조 긴 변의 벽으로부터 1.5m 떨어진 위치로 설치하였다. DO 측정센서는 수면으로부터 20cm 아래에 위치하여 측정한다. 폭기 진행 시 산기관에서 각 위치마다 도달하는 거리와 시간이 다르기 때문에 DO 농도값은 측정위치마다 다르다. MLE공법으로 설계되어 A2O형식으로 생물반 응조를 운영하고 있는 폭기조를 대상으로 수행한 실험에 따르면, 용존산소 농도 측정 대표지점이 유입부로부터 25%, 좌측 벽으로부터 50%, 수심 33% 지점이 도출되어 결과는 유하방향에 영향을 많이 받은 것으로 나타났다[6]. 유입 후 폭기가 진행되는 SBR공법의 특성상 유하 방향에 영향을 받지 않으며, 블로워로부터 멀수록 크기가 큰 산기관 디스크를 설치한 현장 상황을 고려하여 측정 위치를 긴 변의 중앙으로 설정하였다. 폭기시 DO 농도의 트렌드를 분석하여 상한선 3.0 mg/L, 하한선 2.0mg/L을 두고, 송풍기 PLC의 SV(set value) 값은 처음 가동 시 75, 상한값 도달 시 50, 하한값 도달 시 75로 설정하여 진행하였다.

a) 동일한 폭기조에서 각각 3시간 동안 DO 측정기를 연동하지 않고 송풍량을 고정하는 방식과 DO 측정기를 연동하여 송풍량을 제어했을 때 에너지 사용량을 측정하여 에너지 사용량의 절감 비율을 계산한다. 에너지 사용량은 터보블로워에 전력량계를 설치하여 PLC 연동을 통해 데이터 수집이 가능하다.

b) 수동제어 했을 때와 자동제어 했을 때의 에너지 사용량을 통해 절감 비율을 계산한다.

송풍기 자동제어가 수질에 미치는 영향을 확인하기 위하여 송풍량을 조절하지 않은 수동제어와 DO 농도값에 따른 자동제어의 TOC값을 비교하였다. 폭기 후 10분, 60분, 90분, 120분, 180분마다 폐수를 채취하여 1시간 이상 침전시킨 후 [LAS-160, Skalar, Dutch]기기를 사용하여 TOC를 측정하였다.

TOC는 POC(Purgeable Organic Carbon)와 NPOC (Non-Purgeable Organic Carbon)로 나눌 수 있는데, 현장에서 처리되는 폐수 특성상 휘발성 유기탄소인 POC 값이 작기 때문에 TOC=NPOC 가 성립되어 NPOC를 측정하여 TOC를 추정하였다. 시료에 산을 주입하여 pH를 3 이하로 낮추고 공기를 불어넣어 휘발성 유기탄소를 시료 중에 제거한 후, 시료에 남아있는 유기탄소를 고온 반응기에서 연소시켜 CO₂로 전환시켜 비분산 적외선 분광분석법(NDIR: Non-Dispersive Infrared)으로 측정하였다.

비교 실험 전, DO 제어 상한선과 하한선의 설정을 위하여 부상형 DO 계측기를 통해 폭기조의 DO 농도를 연속 측정하였다. 폭기는 하루에 한 번씩 진행되며, 폐수의 유입량이 많을 경우 혹은 다음날 유입량이 적을 경우 휴지폭기를 진행한다. 겨울철의 측정값 분석 결과가 Fig. 3에 나타나있는데, 데이터가 정규분포를 따르며 평균값 3.15, 표준편차는 2.58이다. 계급 3.5일 때 정규분포값 0.3556, 3일 때 0.3431, 2,5일 때 0.2702을 가진다. 이에 DO의 제어 상한선을 3.0, 하한선 2.0으로 설정하였다. 여름철에는 수온 상승으로 산소 용해도가 감소하고, 미생물 대사가 활발해져 유기물 및 질소 제거 속도가 빨라지면서 산소 소비량이 증가한다. 이러한 조건을 보완하기 위해 폭기 시간을 늘리는 방법을 고려할 수 있으나, 여름철에는 미생물 반응이 빠르게 진행되므로 폭기 시간을 늘리는 것보다 폭기 강도를 높이는 것이 더 효과적이다. 따라서 여름철에는 겨울보다 DO 농도의 상한선을 높게 설정하여 산소 요구량을 충족시키는 동시에 처리 효율을 유지할 수 있다. 이에 여름철 DO의 제어 상한선을 3.5, 하한선 2.0으로 설정하였다. 측정 결과 일관성 있는 DO 농도 트렌드가 보이는 것을 확일할 수 있는데, 위가 변하는 SBR 수조에서 계측기가 수위에 따라 이동하면서 DO를 실시간으로 측정함을 알 수 있다.

이를 통해 수위변화에 대한 적응이 좋고, 신뢰성이 좋기 때문에 터보블로워의 자동제어 시 부상형 DO 계측기가 단변량 제어에 사용하기에 적합함을 알 수 있다.

Fig. 4는 폭기 후 DO 농도 설정 값에 따라 송풍기 제어 유무에 따른 DO 농도 변화를 나타낸 그래프이다. 비제어의 경우 송풍기 SV값을 75로 하여 3시간 동안 가동되며, 제어의 경우 DO 농도가 설정 값에 다다르면 SV값을 50으로 낮춰서 작동되기 시작한다. Fig. 4에 나타난 농도 변화 양상을 보면 SV가 제어된 시점으로부터 제어한 경우의 기울기는 1.34, 비제어의 경우 3.94이다. 제어한 경우 DO 농도가 천천히 상승하고, 폭기가 끝난 이후에 DO 농도는 동일하게 감소하는 것을 볼 수 있다.

자동제어를 통한 폭기 시 DO 농도의 상승변화가 더디며, 서서히 올라감을 알 수 있다. 일정 DO 농도값 이후 불필요한 폭기를 줄임으로써 에너지 절감이 가능한 구간을 알 수 있다.

Fig. 5은 송풍기 제어 유무에 따른 전력소비를 나타낸 것이다. SV 값이 변화됨에 따라 소비전력이 바뀌는 것을 확인할 수 있는데, 겨울의 경우 폭기의 한 주기 동안 수동운전은 총 185.277kWh, 자동운전은 150.007kWh 값으로 19.04% 절감됨을 확인하였다. 여름의 경우 DO 상한선을 겨울보다 높게 하여 설정된 SV값에 도달하는 시간이 더 소요된 것을 확인할 수 있으며, 한 주기 동안 수동운전은 총 182.74kWh, 자동운전은 155.36kWh 값으로 14.99% 절감됨을 확인하였다.

송풍량을 제어한 결과 방류수질에 영향이 있는지 폭기 시간에 따른 TOC 농도 측정결과는 Table 2와 같다.

처리효율은 69~72% 내외로 비슷하며, 모두 방류수질 기준에 적합한 농도로 측정되었다.

이를 통해 3시간 동안 75의 높은 SV값으로 계속 폭기를 하는 것과 DO 농도를 기준으로 송풍기의 SV값을 낮춰서 운전하는 것의 수처리 효율 차이가 없는 것을 보아 폭기의 강도를 낮춰도 총 유기탄소의 충분한 처리가 가능함을 알 수 있다.

계측기는 항상 수면위에 부유하고 있고, DO센서는 수면으로부터 20 cm 아래에 위치하고 있다. Fig. 6에서 스테인리스의 재질과 경사로 인해 계측기에 스컴이 부착 및 형성되지 않음을 확인할 수 있다. 측정기가 고정되어있지 않고, 원형의 형태를 갖으며 회전하기 때문에 파도에 저항성이 좋음을 확인할 수 있으며, 상부에 와이어로 고정되어 있어 뒤집히는 현상도 확인되지 않았다.

본 연구에서는 SBR 반응조에서 부상형 DO 계측기를 사용하여 미생물에 필요한 최적 DO 농도를 제어하는 방법을 연구하였다. 기존의 고정형 DO 계측기는 수위변화로 인해 오염수가 계측기를 덮어버려 스컴(Scum)이 형성되고, 강한 유속에 대한 저항으로 신뢰도가 떨어졌다. 현장에서는 폭기 후 포터블 계측기를 통해 DO 농도를 측정하였고, 경험에 의한 가동을 하였다. 이에 비해 부상형 계측기는 항상 수면 위에 떠있어 오염수에 덮이지 않으며, 스태인리스 재질을 통해 스컴이 발생하지 않았고, 계측기의 회전을 통해 강한 유속에 저항성이 좋음을 확인하였다. 또한, 실시간 DO 농도 측정 시 트렌드분석을 통해 SBR의 수위 변동이 발생해도 폭기 시 DO 농도값이 제대로 측정되고, 각 사이클마다 유입량이 다름에도 일정한 패턴의 DO 농도값이 측정됨을 통해 SBR의 수위변화에 신뢰성 있게 대응할 수 있음을 확인하였다. 부상형 계측기를 통한 자동제어는 생물학적 수처리 공정 중 송풍기 운전 시 불필요한 과도한 폭기를 방지함으로써 에너지 절감이 가능했다. TOC 처리효율을 통해 방류수 수질에도 부정적인 영향을 미치지 않고, 감소된 폭기량으로도 충분한 처리가 가능함을 확인할 수 있었다.

본 연구는 부상형 계측기가 폐수처리 공정에서 신뢰성 높은 데이터를 제공할 수 있음을 입증했다. 기존의 고정형 계측기와 비교했을 때, 부상형 계측기는 수위 변화와 항오염성 측면에서 더욱 적합하며, 이를 통해 데이터의 정확성을 향상시킬 수 있음을 보여줬다. 현재 다양한 방법의 송풍기 자동제어 연구가 이루어지고 있다. ORP 측정을 통해 인 방출 종료점, 질산화 종료점, 탈질화 종료점을 알 수 있고, NH4+ 측정을 통해 질산화 정도를 파악하는 등 여러 수질 인자를 통한 다변량 제어에 대한 연구들은 복잡한 알고리즘을 필요로 하며 유입수의 성분에 따라 파라미터의 설정이 어려운 현실이다. 이에 복잡한 다변량 제어 알고리즘 없이 DO 제어만으로 효과적인 단변량 자동제어가 가능하다는 점을 확인해 자동화 시스템의 단순화 가능성을 제시했다. 특히, 계절에 따라 미생물 활성도와 물 용해도의 차이를 반영하여 최적 DO 농도를 설정하고, 이를 기반으로 실시간 폭기량을 조절함으로써 폐수처리의 효율성과 에너지 절감 효과를 높일 수 있음을 밝혔다.

자동제어 시스템 도입을 통해 폐수처리장에서 에너지 소비를 14.99%에서 19.04%까지 절감할 수 있음을 실증적으로 보여줬다. 이를 통해 불필요한 폭기를 방지하고, 터보 블로워의 송풍량을 실시간으로 조절하여 운영 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인했다. 또한, 방류수의 TOC 농도가 자동제어와 수동제어 모두에서 방류수질 기준을 충족하는 것으로 나타나, 자동제어 시스템이 수질 안정성을 유지하면서 에너지 절감을 실현할 수 있음을 입증했다. 부상형 계측기를 활용한 단변량 제어 방식은 기존의 복잡한 다변량 제어 방식보다 간단하며, 실무 현장에서 적용하기 용이하다는 장점을 확인하였다.

실험을 단일 측정 포인트에서 진행하여, 큰 수조에서 DO 농도의 대표성을 확보하지 못했다는 한계를 가졌다. 추후 대칭되는 지점에 포인트를 추가하여 2개의 측정값의 평균값으로 자동제어를 하였을 경우의 절감량을 비교해 볼 필요가 있다. 또한, 본 연구는 일평균 유입수 1,000-1,500 m³정도로 규모가 작아 폭기 시간을 3시간으로 고정했는데, DO 농도값이 상한선에 도달한 후 SV값을 낮췄을 때 하한선에 도달하기 전에 폭기가 종료되었기 때문에 하한선에 도달한 후 SV값이 다시 높아졌을 때의 자동제어를 확인하지 못하였다. 추후 연구에서는 전체 폭기시간을 늘려 폭기의 한 사이클 동안 DO 농도가 상한선에 도달해 낮춰진 SV값에 의해 하한선에 도달한 후 다시 SV값을 올려서 제어했을 때의 결과를 비교할 수 있도록 규모가 큰 현장에서의 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.