2.1. 처리계통에 따른 TP 물질수지 실증분석

I-WWTP로부터 2015년도 전체의 하수처리공정 운전자료를 제공받아 처리계통별, 단위공정별 TP 물질수지에 대한 실증분석을 실시하였다. 유입수 및 방류수의 TP농도 변화와 계절별 변화를 분석하였다. 또한 전체 하수처리공정의 처리계통을 파악하고, 처리계통별로 단위공정의 유량 및 TP농도로부터 TP부하량을 산출하였다. 이를 바탕으로 2015년도 기준 연평균 TP 물질수지도를 작성하였다.

참고로, I-WWTP는 시설용량은 270,000 m³/일이고, 수처리 공정에는 MLE (Modified Ludzack-Ettinger) 및 URC (Ultra Rapid Coagulation) 공법을 채용하고 있다. 배수구역은 분류식 지역이며, 방류수역은 한강으로 방류수 TP농도는 0.5 mg/L 이하(III지역)를 기준으로 하고 있다. 또한 처리계통이 인 고도처리(3차처리)를 포함한 수처리 계통과 슬러지의 농축, 탈수 및 소화를 포함한 슬러지처리 계통 및 반류수 계통을 복합적으로 모두 포함하고 있어, 국내 여러 하수처리시설의 공정 구성을 대변할 수 있는 장점이 있음을 고려하여 본 연구의 대상지로 선정하였다.

2.2. 물질수지를 고려한 인 회수공정 도입 적정성 평가

하수처리공정은 복잡한 처리계통과 공정들로 구성되어 있으며, 단위공정별로 처리수, 반류수, 상징액 및 슬러지 등 유입․유출 대상물의 특성 또한 다양하다. 따라서, 본 연구에서는 인 회수공정의 도입 적정성을 평가하기 위하여 다음의 원칙들을 검토하였다. 먼저, 처리계통 및 단위공정의 측면에서는 ① 인 회수공정의 도입 가능 여부(부지 확보 가능성), ② 도입 공정의 소규모화 가능 여부, ③ 높은 인 회수효율 확보 여부, ④ 하수처리공정 전체의 인 부하 저감에 대한 기여 여부, ⑤ 유지관리의 용이 여부 및 ⑥ 경제성 등을 고려하고자 하였다. 위의 검토사항을 바탕으로 부지 확보가 가능하다는 전제 하에 대상물의 특성을 반영하여 종합함으로써, 최종적으로 ① 발생량이 적고, ② TP(또는 인산이온(PO₄-P))의 농도가 높고, ③ TP(또는 PO₄-P) 부하량이 크고, ④ (대상물이 슬러지가 아닌 경우) 고형물함량(SS, suspended solids)이 낮은 조건이 유리한 것으로 판정하였다.

각 처리계통 및 단위공정에 대한 정량적 평가를 실시하기 위하여 각 판정항목들에 대해 다음의 Table 1과 같이 지표화를 시도하였다. 대상공정별 유량, TP농도 및 TP부하량을 평균 유량, 평균 TP농도 및 평균 TP부하량으로 나누어 지표화하였다. 인 회수를 위해서는 유량이 적을수록 유리하기 때문에 유량의 경우에는 역수(평균 유량/대상공정의 유량)를 지표로 활용하였다. 이상의 세 지표는 1에 근사할수록 평균과 유사한 값을 갖고 있음을 의미하고, 1보다 커질수록 인 회수공정의 도입이 유리하며, 1보다 작아질수록 적용성이 낮아지는 특성을 갖는다. 공정 구성이 단순하고 유지관리가 용이하기 위해서 SS는 5,000 mg/L 이하가 적정한 것으로 판단하였다. 본 연구에서는 수처리 계통, 슬러지 처리 계통 및 반류수 계통 중에서 인이 고농도로 농축되어 있는 반류수 계통을 중심으로 아래의 지표들을 활용한 정량적 평가를 시도하였다.

Table 1.

Quantitative indices for applicability evaluation of phosphorus recovery process

2.3. 인 회수효율 기초실험

슬러지 탈수여액을 대상으로 정석공정을 활용하여 인 회수효율에 대한 기초실험을 실시하였다. I-WWTP에서 채수한 탈수여액에 NaOH (20%)를 주입하여 pH를 10으로 조정한 후, 염화칼슘(CaCl2, 95%)을 이용하여 Ca²⁺ 250, 500 및 1,000 mg/L를 각각 추가 주입하였다. 정석재로는 석회사(평균입경: 2-5 mm)를 사용하였다[11]. pH와 Ca²⁺농도를 조절한 탈수여액에 석회사를 일정 비율(부피비로 4 : 1)로 혼합하여 교반하면서 0, 15, 30, 60, 120분마다 pH, Ca²⁺, TP 및 PO₄-P 농도를 모니터링하였다. 실험조건은 위의 Table 2와 같다.

Table 2.

Conditions of phosphorus recovery experiment

3.1. TP 물질수지 실증분석

2015년도 일단위 유입수와 방류수 TP농도에 대한 기술통계량(평균, 최솟값, 10 / 25 / 중간값 / 75 / 90 백분위수, 최댓값 및 표준편차)을 산출한 결과는 Table 3과 같다. 유입수와 방류수의 평균 TP농도는 5.56 mg/L 및 0.14 mg/L로 나타났다. 유입수와 방류수의 유량이 같다고 가정하면 전체 공정의 TP 제거효율은 97.5%에 달한다. 일평균 유입수와 방류수 TP농도의 변동을 그래프로 도시한 결과는 Fig. 1과 같다.

Table 3.

Descriptive statistics of TP concentration (2015)

Fig. 1.

Daily variations of each TP concentration: (a) Influent, (b) Effluent.

2015년도 월평균 유량 및 TP농도는 다음의 Table 4 및 Fig. 2와 같다. 월평균 유입수 TP농도는 5.56 mg/L이고, 최댓값은 8월의 6.48 mg/L, 최솟값은 12월의 4.77 mg/L로 나타났다. 겨울보다 여름의 유입수 TP농도가 약간 높은 경향을 보였다. 월평균 방류수의 TP농도는 0.14 mg/L이고, 최댓값은 6월의 0.28 mg/L, 최솟값은 1월의 0.08 mg/L로 나타났다. 방류수 TP농도 그래프를 보면 6월의 TP농도가 특히 높은 것으로 확인되었는데, 여름철에 MLE 공법의 생물반응조에서 질산화 및 탈질이 활발해지면서 PAOs (phosphorus accumulating organisms)에 의한 인 제거 기능이 상대적으로 저하하는 데 기인하는 것으로 판단된다.

Table 4.

Monthly variations of TP concentration

Fig. 2.

Monthly variations of each TP concentration: (a) Influent, (b) Effluent.

다음의 Fig. 3에는 I-WWTP의 처리계통도를 도시하였다. 이 센터에서는 생물반응조에서 MLE 공법을 채용하고 있는데, 이는 질소 제거공법의 하나로 무산소조와 호기조를 연속적으로 두고 있다. 또한 인을 제거하는 3차 처리설비로 URC 공법을 채용하고 있다. URC 공법은 고속응집 및 경사판 침전시스템으로 구성되는데, 반응조, 혼화조, 완속응집조 및 경사판침전조가 일체형으로 되어 있으며, alum, NaOH, 마이크로샌드 및 폴리머와 같은 약품으로 인과 고형물질을 응집․침전시켜 안정된 처리수질을 확보한다.

Fig. 3.

Description of I wastewater treatment plant.

1차침전지에서 발생하는 생슬러지는 분뇨연계수와 함께 중력농축조에서 처리되어 생농축슬러지가 된다. 2차침전지에서 발생하는 2차 잉여슬러지는 잉여농축조를 거쳐 잉여농축슬러지가 된다. URC 공정에서 발생하는 슬러지는 반류수침전조로 이송된다. 생농축슬러지와 잉여농축슬러지는 함께 소화조로 유입된다. 소화를 거친 소화조슬러지는 반류수침전조 슬러지와 혼합된 후 탈수기에서 탈수되고, 일부는 단독으로 직탈수된다. 탈수를 거친 탈수케이크는 바로 트럭에 실려 반출된다.

각 공정에서 발생되는 상징액과 여액은 다시 1차침전지 전단으로 반송되어 순환처리되며, 이를 반류수라고 한다. 반류수를 별도 처리하면 운영비가 다소 증가하더라도 부하경감에 따른 방류수질의 개선효과를 얻을 수 있는데, I-WWTP에서는 반류수침전조를 도입하여 운영하고 있다. I-WWTP에서 발생하는 반류수는 중력농축조 상징액, 잉여농축조 상징액, 탈수여액, 반류수침전조로 이송되는 3차 약품슬러지 및 소화조 상징액 등으로 구성된다.

Fig. 3의 가장 윗 부분이 수처리 계통(실선)이고, 점선이 슬러지처리 계통, 파선이 반류수 계통을 나타내고 있다. 슬러지처리 계통에는 ① 생농축슬러지, ② 분뇨연계, ③ 2차 잉여슬러지, ④ 잉여농축슬러지, ⑤ 소화조 유입, ⑥ 소화조 슬러지 등이 해당한다. 반류수 계통에는 ⓐ 중력농축조 상징액, ⓑ 잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수, ⓒ 탈수여액, ⓓ 3차 약품슬러지, ⓔ 반류수 + 약품슬러지 및 ⓕ 통합반류수 등이 해당한다.

I-WWTP의 수처리, 슬러지처리 및 반류수 계통을 구분하여 각 단위공정의 유량 및 수질정보를 Table 5에 나타내었다. 수처리 계통은 하수처리장 유입수, 1차침전지 유입수, 1차침전지 유출수, 2차침전지 유출수 및 방류수로 구분하였다. 1차침전지 유입수는 하수처리장 유입수와 반류수가 더해져 유량이 11,200 m³/d만큼 늘어났으며, BOD (biochemical oxygen demand), COD (chemical oxygen demand), TN (total nitrogen), TP 및 SS 등 각 수질항목의 농도가 모두 증가하였다. 특히 TP의 경우 5.53 mg/L에서 32.19 mg/L로 하수처리장 유입수보다 약 6배 증가하였다.

Table 5.

Flow rate, water quality of I wastewater treatment plant

슬러지처리 계통은 생농축슬러지, 분뇨연계, 2차 잉여슬러지, 잉여농축슬러지, 소화조 유입슬러지 및 소화조슬러지로 구분하였다. 슬러지처리 계통은 대체로 발생량은 적지만 BOD, COD 및 SS 농도가 높게 나타났다. 또한 질소와 인이 농축되어 특히 높은 TN 및 TP 농도를 나타내었다. 2차 침전지에서 발생하는 2차 잉여슬러지가 6,125 m³/d로 가장 양이 많았다. TP농도는 2차 잉여슬러지를 농축한 잉여농축슬러지에서 가장 높은 것으로 확인되었다.

반류수 계통은 중력농축조 상징액, 잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수, 탈수여액, 3차 약품슬러지, 반류수 + 약품슬러지 및 통합반류수로 구분하였다. 반류수 + 약품슬러지는 반류수침전조로 유입되는 소화조 상징액과 중력농축조 상징액 및 3차 약품슬러지가 혼합된 결과이다. 잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수와 탈수여액은 반류수침전조를 거치지 않고 바로 1차침전지 앞으로 반송된다. 통합반류수는 반류수침전조 유출수와 잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수, 탈수여액을 더한 것이다. 반류수 계통 중 소화조 상징액과 소화조슬러지 직탈수에 대한 수질정보는 생략하였다.

I-WWTP의 공정별 유량과 TP농도를 이용하여 TP부하량을 산정하고 물질수지도를 작성하였다. Fig. 4에 수처리, 슬러지처리 및 반류수 계통에 대한 TP 물질수지를 간단히 도시하였다. 수처리 계통(Fig. 4(a))으로 들어오는 유입수의 TP부하량은 1011.7 kg/d이고, 방류수는 25.6 kg/d이다. 탈수슬러지로 반출되는 TP부하량은 (유입수 TP부하량 - 방류수 TP부하량)으로 계산하였을 때 986.1 kg/d에 달한다. 슬러지처리 계통(Fig. 4(b))으로 들어오는 총 유입 TP부하량은 1차침전지 1935.9 kg/d, 2차침전지 3646.8 kg/d 및 분뇨연계 101.5 kg/d를 더한 값으로 5684.2 kg/d에 달한다. 유출 TP부하량은 반류수와 탈수케이크의 TP부하량을 더한 값에 해당한다. 슬러지처리 계통의 유입 및 유출 TP부하량이 같다고 가정하고 계산한 탈수케이크의 TP부하량은 655.6 kg/d으로 나타나 수처리 계통에서 산정한 탈수슬러지 986.1 kg/d에 비해 330.5 kg/d만큼 적은 수치를 나타내었다. 이는 하수처리시설의 각 단위공정에 상시 다량의 슬러지가 체류하고 있기 때문에 전체 시설의 운영전략에 따라 슬러지처리 계통의 TP부하 수지가 변동할 수 있음을 시사하는 것으로 판단된다. 한편, 반류수 계통(Fig. 4(c))으로 들어오는 TP부하량은 총 6535.5 kg/d로, ⓐ 중력농축조 상징액 1918.5 kg/d, ⓑ (잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수) 2195.3 kg/d, ⓒ 탈수여액 280.9 kg/d, ⓓ 3차 약품슬러지 590.3 kg/d, 소화조 상징액 1550.5 kg/d로 구성되어 있다. 1차침전지 전단으로 반송되는 TP부하량은 4867.4 kg/d으로, 반류수 유입 TP부하량보다 1668.1 kg/d만큼 작았다. 이는 반류수침전조에서 상당한 부하 개선이 이루어지기 때문이다.

Fig. 4.

TP mass balance of each series: (a) sewage treatment, (b) sludge treatment, (c) Side stream treatment.

Fig. 5의 (a)는 공정별로 TP부하량을 표시한 물질수지도이다. 반류수침전조 슬러지가 탈수기로 반송되는 과정은 생략하고 나타내었다. I-WWTP로 유입되는 TP부하량은 1011.7 kg/d이나 반류수가 반송되기 때문에 1차침전지로 유입되는 TP부하량은 6198.7 kg/d에 달한다. 1차, 2차 및 3차 침전지를 거치면서 TP부하량은 각각 4262.7 kg/d, 615.9 kg/d 및 25.6 kg/d로 감소한다. 1차침전지와 방류수를 비교했을 때 TP부하량은 99.6%의 감소효율을 가지며, 특히 1차침전지와 2차침전지에서 각각 31.2% 및 41.2%가 감소되었다. 슬러지처리 시 중력농축조 슬러지와 잉여농축조 슬러지가 소화조로 함께 유입되어 처리된다. 소화조의 유입 TP부하량이 1570.6 kg/d인데 비해 유출 TP부하량은 20.1 kg/d로 큰 폭으로 감소하였다. 반류수 계통에서 TP부하량 4867.4 kg/d가 1차침전지 전단으로 반송되어 하수처리장 유입 TP부하량의 4.8배에 달하는 것으로 나타났다. 반류수 계통 중에서는 잉여슬러지농축조 상징액이 2195.3 kg/d로 가장 높은 TP부하량을 나타내었다. Fig. 5의 (b)에는 처리계통도에 유량과 TP농도를 함께 도시하였다. TP부하량의 경우와 유사하게 I-WWTP로 유입되는 TP농도는 5.56 mg/L이었으나 1차침전지에 유입되는 TP농도는 32.20 mg/L로 증가하였다. 1차, 2차 및 3차 침전지를 거쳐 최종방류수의 TP농도는 0.14 mg/L로 나타났다. 슬러지처리 시 중력농축조 슬러지의 TP농도는 320.33 mg/L이고, 잉여농축조 슬러지의 TP농도는 3479.67 mg/L로서 중력농축조 슬러지 TP농도의 10배 이상으로 나타났다. 두 농축슬러지가 소화조로 유입된 후 소화를 거치는 과정에서 TP농도가 2052.92 mg/L에서 52.52 mg/L로 감소하였다. 1차침전지로 반송되는 반류수의 유량은 하수처리장 유입유량에 비해 1/16 수준으로 적지만 TP농도는 431.67 mg/L로 하수처리장 유입 TP농도(5.56 mg/L)의 약 78배로 고농도로 농축되어 있음이 확인되었다.

Fig. 5.

Description of I wastewater treatment plant: (a) TP load, (b) Flow rate and TP concentration.

3.2. 단위공정별 인 회수공정 도입 가능성 평가

하수처리시설에서 인 회수공정의 도입 가능성을 평가하기 위하여, ① 발생량, ② TP농도, ③ TP부하량 저감효과 및 ④ 공정구성의 단순성과 유지관리의 용이성 등을 검토하였다. 이를 위하여 단위공정별 유량, TP농도, TP부하량 및 SS를 비교․분석하였다. 슬러지처리 계통에서는 슬러지 자체로부터 인을 회수해야 하는 기술적 어려움이 따른다. 한편, 앞의 물질수지도에서 반류수 계통은 유량이 적고 고농도로 인이 농축되어 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 반류수 계통의 각 단위공정을 대상으로 인 회수공정의 도입 가능성을 평가하였다. Table 6에 I-WWTP 반류수 계통을 대상으로 각 공정에 대하여 유량, TP농도, TP부하량, SS 및 그에 대한 정량적 지표를 정리하여 나타내었다. SS에 대하여 5,000 mg/L 미만은 ‘양호’, 5,000 이상 10,000 mg/L 미만은 ‘보통’, 10,000 mg/L이상은 ‘불량’으로 표기하였다. 본 연구에서는 SS농도가 5,000 mg/L 이상이 되는 경우 고효율의 인 회수를 위해서 사전 또는 사후에 SS를 추가로 처리해야하기 때문에 공정구성이 복잡해지는 것으로 가정하였다.

Table 6.

Applicability evaluation of phosphorus recovery process for side stream

반류수를 대상으로 인 회수공정의 도입 가능성을 분석한 결과, SS가 5,000 mg/L 이하(Index_SS: good)인 대상공정은 ⓑ (잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수) 및 ⓒ 탈수여액인 것으로 나타났다. 두 대상공정의 유량에 대한 정량적 지표는 각각 0.8 및 2.4로 양호한 것으로 나타났다. TP농도에 대한 정량적 지표는 각각 0.8(ⓑ) 및 0.3(ⓒ)으로 나타나 평균보다 다소 낮은 결과를 나타내었다. 이는 두 대상공정의 TP농도가 타 공정에 비해 낮음을 의미한다. 한편, 두 대상공정의 TP부하량의 정량적 지표는 1.1(ⓑ) 및 0.1(ⓒ)로 나타났다. 따라서 인 회수공정의 도입에 가장 유리한 공정은 ⓑ (잉여농축조 상징액 + 잉여저류조 월류수)로, 공정구성 및 유지관리가 용이할 뿐만 아니라 평균에 가까운 유량 및 TP농도를 나타내고 있으며, 도입 시 TP부하량 저감효과 또한 상대적으로 우수한 것으로 나타났다.

단위 대상공정별 특성을 부연하면, ⓐ 중력농축조 상징액은 SS농도가 과도하게 높은 특성을 갖고 있고, ⓒ 탈수여액은 대상공정의 유량이 적고 TP농도 또한 높지 않아, 전체 하수처리공정의 TP부하량 개선에 미치는 영향에 한계가 있고(Index_load: 0.1), ⓓ 3차 약품슬러지는 상대적으로 SS농도가 높을 뿐만 아니라, 화학적 응집에 의한 약품슬러지로서의 특성을 갖기 때문에 인 회수효율을 높이기 위한 별도의 연구개발이 필요하고, TP부하량 개선에도 한계가 있는 것으로 나타났다(Index_load: 0.3). ⓔ (반류수 + 약품슬러지) 및 ⓕ 통합반류수 또한 3차 약품슬러지를 포함하고 있기 때문에 ⓓ의 문제점을 안고 있을 뿐만 아니라 SS농도가 높고, 처리수량이 점점 늘어나기 때문에 TP부하량 개선에 기여하는 순영향이 상쇄되는 것으로 판단된다.

3.3. 인 회수공정 도입 가능성 검토를 위한 HAP 기초실험

I-WWTP의 탈수여액을 대상으로 인 회수공정의 도입 가능성에 대한 기초실험을 진행하였다. pH 및 Ca²⁺농도를 조절하여 정석재와의 접촉시간에 따른 PO₄-P 및 TP의 제거효율과 HAP 생성 가능성 등을 검토하였다. I-WWTP의 탈수여액의 초기 pH는 7.45, PO₄-P는 140 mg/L 및 TP는 141.5 mg/L이었다. Ca²⁺농도에 따른 인 제거효율을 검토하기 위하여 탈수여액의 pH를 10으로 조정한 후 Ca²⁺ 250, 500 및 1,000 mg/L을 각각 주입한 후 완속교반하면서 PO₄-P와 TP농도의 거동을 관찰하였다.

일정 시각마다 교반을 멈추고 1~2분간 정치 후 상등액을 채수하였다. Fig. 6은 Ca²⁺ 1,000 mg/L를 주입한 실험에서 시간의 경과에 따라 형성된 미세플럭의 두께 변화를 나타낸 것이다(30, 60 및 120분). 초기 상등액에는 백색의 미세플럭이 다량 함유되어 있어 혼탁하였으나, 대체로 15분이 경과한 후의 상등액은 미세플럭이 가라앉아 상대적으로 맑았다. 한편 Ca²⁺농도가 높을수록 미세플럭의 두께가 두꺼웠다. 미세플럭은 (정석재 표면이 아니라) 수중에 형성된 미소한 HAP 생성물, Ca²⁺의 응집반응으로 생성된 마이크로플럭 및 미세 탄산칼슘(CaCO₃)의 혼합물일 것으로 판단된다. 특히, 본 실험조건에서와 같이 pH가 9 이상일 때 HAP 생성반응, 응집반응 및 CaCO₃ 생성반응이 동시에 진행되기 때문에 반응시간에 따른 제거효율은 신속하게 담보되는 한편 슬러지 생성량이 많아지는 것으로 보고되고 있으므로, 정석재 표면에 석출되는 HAP 생성반응을 극대화하고 응집 및 CaCO₃ 생성반응을 적절한 수준 이하로 제어하기 위한 추가적인 실험연구가 수반되어야 할 것이다[12,13].

Fig. 6.

Variation of micro-floc depth according to contact time (30, 60, 120 min).

접촉시간에 따른 pH, PO₄-P 및 TP의 거동은 Fig. 7과 같다. 탈수여액의 PO₄-P농도 기준으로 Ca²⁺농도에 따른 제거효율은 250 mg/L일 때 78.9%, 500 mg/L일 때 95.0% 및 1,000 mg/L일 때 97.9%로 나타나 인 제거 및 회수공정의 도입 가능성이 실험적으로 확인되었다. Ca²⁺농도가 높을수록 인 제거효율이 높아졌으나 500 mg/L 이상의 농도에서는 추가적인 제거효율 상승이 미미하였다. 이는 HAP 생성반응에서 Ca/P의 몰비가 1.33–1.95의 범위 또는 실험적으로 1.97에 해당한다는 선행 연구결과와 본 실험조건에서 PO₄-P 기준 Ca²⁺농도별 이론적 몰비가 각각 1.38 (Ca²⁺ 250 mg/L), 2.77 (Ca²⁺ 500 mg/L) 및 5.54 (Ca²⁺ 1,000 mg/L)에 해당한다는 점을 고려할 때, 적정한 제거효율을 얻기 위한 Ca²⁺농도가 500 mg/L 이내에서 결정될 수 있음이 시사되었다[14,15]. 또한 Ca²⁺농도가 높을수록 pH가 낮았으며, 시간에 따른 pH 변화는 거의 관찰되지 않았다. 이는 해당 조건에서 HAP 또는 탄산칼슘(CaCO₃) 생성반응이 수반되어 알칼리도(OH- 및 CO₃^2-)를 소모함으로써 pH 저하에 기여하였기 때문으로 판단된다. pH가 초기에 결정되는 것으로 볼 때, 알칼리도를 소모하는 반응은 매우 신속하게 완료되는 것으로 판단된다. 한편, Ca²⁺농도 250 mg/L일 때 PO₄-P 및 TP는 120분에 걸쳐 지속적으로 제거효율이 상승하고 있으며, 500 및 1000 mg/L일 때는 30분 이내에 급속하게 제거된 후 추가적인 제거효율의 상승이 관찰되지 않았다.

Fig. 7.

Time-series variations of each item: (a) pH, (b) PO₄-P, (c) TP.