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ISSN : 1225-4517(Print)
ISSN : 2287-3503(Online)
Journal of Environmental Science International Vol.27 No.2 pp.99-107
DOI : https://doi.org/10.5322/JESI.2018.27.2.99

Analysis of sewage treatment process for the improvement of T-N removal process

Choon Hwan Shin*
Department of Energy & Environmental Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea
Corresponding author: Choon Hwan Shin, Department of Energy & Environmental Engineering, Dongseo University, Busan 47011, Korea +82-51-624-99106116shin@gdsu.dongseo.ac.kr
20171227 20180108 20180109

Abstract

In order to design the improvement process for T-N removal, the treatment process of Suyoung, Gangbyeon, and Noxan sewage treatment plants (STP) in Busan was anlayzed. Suyoung STP shows a T-N removal efficiency of about 69.8% with MLE(Modified Ludzack ettinger) and A2O+MBR. However, it is necessary to improve the process to maintain over DO of 1 mg/L and is required to install a flow control tank to minimize the rainfall effect. Gangbyun STP shows a about 70.2% T-N removal efficiency with A2O+GFF(gravity fiber filtration). However, in order to improve T-N removal efficiency, it is needed to install MLE process to treat recycle water. Noksan STP shows a T-N removal efficiency of about 71.0% with MLE+Chemical treatment and shows stable T-N concentration in effluent. However, it is required a toxic chemical management process because bad wastewater flows into the STP, also is necessary a process improvement in order to increase internal recycling ratio. Especially, it is required a process improvement to increase HRT of nitrification tank because Suyoung and Gangbyeon STPs shows low nitrification efficiency during winter season.


T-N 제거공정 개선을 위한 하수처리장 공정 분석

신춘환*
동서대학교 에너지환경공학과
    BUSAN ENVIRONMENTAL CORPORATION

    1.서 론

    급격한 세계 기후의 변화와 해양투기 전면 금지에 따라 하수처리 공정의 개선 및 처리공정의 고도화가 요구되고 있는 현실에 비추어 국내 각 하수처리장은 에너지 저감형 기술을 적용하거나 운전 조건 및 공정 개선을 통해 처리효율을 상승 시키는 방법을 모색하 고 있다. 이에 따라 주관 부처인 환경부는 환경기초시 설의 적정한 운영 · 관리와 예산집행의 효율성을 높이 기 위하여 국고 지원 환경기초시설에 대해 점검을 실 시하고 있다.

    하수처리 공정의 처리효율은 기존의 유기물 제거 효율뿐만 아니라 부영양화의 주요 원인물질인 영양염 류의 제거 효율을 동시에 포함하고 있기 때문에 오염 물질 총량규제법이 적용되면서 신설되는 하수처리장 은 물론, 기존의 하수처리장도 시설 개선을 통해 영양 염류 제거효율을 상승시킬 수 있는 방법을 제시해야 하는 현실에 직면하고 있다(Abma et al., 2010; KECO, 2015).

    여기서, 부영양화의 대표적 원인제공자로 간주되 는 질소의 제거를 위해서 국내 대부분의 하·폐수 처리 시설은 생물학적 독립영양질산화/종속영양탈질을 응 용한 공법으로 운전되고 있으나 국내 하수의 낮은 COD/N 때문에 과다한 산소와 외부 탄소원이 추가적 으로 요구된다는 문제점을 야기할 뿐만 아니라 (Pynaert et al., 2004; Daverey et al., 2012; Courtens et al., 2014; Milia et al., 2015; Scaglione et al., 2015) 유기물 양이 과다하거나 부족할 때 각각 유출수 오염 과 아질산성 질소의 축적을 초래하기도 한다는 연구 결과 (Ahn, 2006; Chen et al., 2009)등을 감안하면 질 소 제거 공정의 고도화의 필요성을 확인할 수 있다.

    이러한 관점에서 본 연구는 수영, 강변, 녹산 등의 부산시 소재의 3개 하수처리장을 대상으로 총괄처리 효율을 비교함과 동시에 각 공정별 진단 결과를 비교 하고, 기존의 질소제거 공정의 개선할 수 있는 방안을 확보하고자 하였다. 수영 하수처리장의 표준 활성 슬 러지법 및 MLE공법과 A2O + MBR 공정, 강변 하수 처리장의 A2O + GFF(Gravity Fiber Filtration) 공법, 녹산 처리장의 MLE + 화학처리 공법을 대표 공정으 로 선택하여 각각의 특성과 T-N제거효율을 비교하고 자 하였다. 특히, 부산시의 하수처리 시설은 우수, 생 활하수, 공장폐수가 같은 관로를 통하여 유입되는 이 른바 합류식 관로 시설로서 점차 분류식 관로 시설로 정비, 확충되고는 있으나 2015년 기준으로 53.6% 정 도의 개선 효과를 보이고 있기 때문에 C/N비가 낮은 합류식 관로 유입방법이 T-N제거 효율에 미치는 영향 도 함께 고려하고자 하였다.

    2.연구 방법

    2.1.표본 사업장의 공정 선택

    수영사업소의 경우 452,000 m3/d의 처리 기준으로 1 단계는 표준 활성슬러지 공법으로 122,000 m3/d를 처 리하며 2단계는 MLE공법으로 230,000 m3/d , 3단계 는 부지 집약화를 위해서 Membrane Bioreactor(MBR) 과 A2O 공법으로 100,000 m3/d를 처리하는 공정 전 체를 선택하였다. 강변사업소는 450,000 m3/d 처리기 준으로 1단계는 A2O + GFF 공법으로 271,000 m3/d, 2단계의 A2O + GFF 공법으로 179,000 m3/d의 처리 공정을, 녹산사업소는 160,000 m3/d의 처리기준으로 MLE + 화학처리 공법으로 120,000 m3/d의 처리하는 공정을 선택하였다.

    2.2.표본 사업장의 총괄처리효율 대비표 작성

    본 연구에 선택한 표본 사업장의 2014.1.1.~ 2015.9.30.의 기간 동안의 처리 효율을 아래 Table 1 과 같이 최대, 최소, 평균유량으로 구분하여 각 공정별 비교에 사용하였으며 T-N의 경우 방류수 기준을 초과 하는 강변, 녹산 사업장은 확인을 위해 bold체로 표시 하였다.

    2.3.표본 사업장의 C/N비 및 방류수 TN 측정 자료의 비교

    C/N비에 따른 T-N 제거효율을 비교하기 위해 각 사업장의 공정별 방류수 측정 결과를 활용하였다. 여기서 강변 사업소의 경우에는 부분 MLE공법이기 때문에 C/N비는 초침 월류수의 BOD/TN으로 측정되 었다는 차이점을 공정 분석에 활용하고자 하였다.

    2.4.강우량의 영향 고찰을 위한 유입유량 측정 자료 분석

    수영 하수처리장은 강우량의 영향을 받는 합류식 유입 형태인 1단계 활성 슬러지 공정, 2단계 MLE공 정의 측정 자료 선택하였으며 강변 처리장은 강우량 전체량이 유입되는 생물 반응조의 측정 자료를 각각 선택하여 분류식 유입방법을 채택하고 있는 녹산 처 리장과의 TN처리효율의 비교에 활용하고자 하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.표본 처리장의 총괄 처리효율

    표본 하수처리장의 처리 효율은 Table 1, 2, 3에 나 타냈다. 수영, 강변, 녹산 처리장의 평균 유입유량은 365,261 m3/d, 388,369 m3/d, 75,099 m3/d 이며, BOD 제거율이 97.2~98.6%, COD 제거율이 85.7~88.2%, SS 제거율이 97.5~98.2%로 나타나고 있다. 하지만, T-N의 제거 효율은 69.8~71.0%로 확인되어 다른 제 거율에 비해 현저히 낮았으며, T-P의 제거율( 81.4~90.4%)에 비해서도 낮은 제거효율을 보이고 있 음을 알 수 있었다.

    3.2.표본 처리장의 유입수량과 강우량

    3단계로 운영되고 있는 수영하수처리장의 경우, 하 절기에 1단계 공정인 표준 활성슬러지 공정으로 유입 되는 유입 수량은 최대 166,328 m3/d, 최소 31,900 m3/d 인 측정값을 감안하면 강우량의 합류식 유입으 로 인한 편차가 크기 때문에 질소 제거를 위한 C/N비 의 조절에 영향을 미칠 것으로 판단하였다(Fig. 1). 또 한 동절기에는 MLSS의 농도가 최대 1,846 mg/L, 최 소 1,050 mg/L로 측정되어 MLSS의 편차도 큰 것으 로 나타나고 있어 강우량 유입에 의한 영향을 뒷받침 하고 있다. 강변하수처리장은 A2O 공정에 의해 유기 물의 산화는 효율적으로 이루어지고 있으나 강우량이 전량 생물 반응조로 유입되는 구조로 되어 있기 때문 에 강우량이 20 mm 이상일 경우에는 기존의 설계 유 량을 초과하는 기간이 지속되면서 생물 반응조의 C/N 비 및 유출수의 T-N 농도에 영향을 미치는 것으로 판 단하였다(Fig 2). 녹산하수처리장의 경우에는 선택한 표본처리장 중에서 처리용량은 제일 작지만 분류식 하수관거 방식으로 유입되기 때문에 유입량과 강우량 의 관계를 합류식 유입방식의 처리장과 비교가 가능 할 것으로 판단하였다(Fig. 3).

    3.3.T-N 제거효율

    수영하수처리장은 계절별 유입수 편차가 크고 1, 2, 3 단계 공정의 유출수를 통합 방류하기 때문에 질소 제거를 위한 C/N비의 안정적인 조절을 위해서는 유입 강우량을 위한 유량 조정조의 설치가 필수적일 것으 로 판단하였다. 또한 1차 침점전조의 유입 BOD는 최 대 183.3 mg/L, 최소 37.1 mg/L 이며 BOD제거율이 41.5%로 나타나, C/N비는 1.4~5.7의 편차를 보이고 있으며 C/N비가 낮은 기간에는 방류수 TN이 높다는 사실을 확인할 수 있다(Fig 4). 이는 생물 반응조 유입 수인 초침 월류수의 BOD농도가 낮은 결과로 해석되 기 때문에 안정적인 질소 제거를 위해서는 C/N비 3이 상을 유지하기 위한 외부탄소원의 주입이 필요한 것 으로 확인되었다. 또한 질소제거율을 상승시키기 위 한 방법으로 호기조 혼합액을 내부 반송시킨 결과 (Fig.5), 내부 반송율이 216% 일 때 질소제거효율이 69.8%로 높다는 사실을 확인할 수 있기 때문에 질산 화조의 NO3--N의 농도에 비례하는 반송율을 설계하 는 방법도 고려해볼 필요가 있는 것으로 사료된다.

    강변하수처리장의 경우, 강우량 유입에 의해 설계 유량을 초과하는 기간이 중가하며(BECO, 2015), 이 에 따라 생물 반응조의 C/N비가 낮아질 수 있다 (Shin 2016a; 2016b). 따라서, 생물 반응조의 체류시간이 최 대 15.4 시간, 최소 7.1 시간인 운전 조건의 변경을 위 해서는 수영하수처리장과 같이 유량 조정조의 설치가 필수적인 것으로 나타났다. 또한, 수영하수처리장과 는 달리 내부 반송율이 200%가 되어도 방류수 TN이 25 mg/L를 넘는 경우도 발생하고 있다(Fig. 6). 이는 탄소원의 농도가 낮고 TN농도가 높은(Keisuke et al.,1990; Liang et al., 2014 ) 노후 매립장의 침출수 유입에 의한 영향으로 판단된다. 이에 따라 A2O 공정 으로 운전되고 있는 강변하수처리장의 경우, 질산화 조의 DO농도가 낮아 질산화가 어려워 질소 제거효율 이 낮다는 문제점을 야기하고 있다(Muller et al., 1995; Morales et al., 2015). 이러한 문제점을 해결하 기 위해서, 기존의 염소 소독 조를 활용하여 반류수의 질소제거를 위한 MLE 공정(무산소조 + 호기 조)으로 전환하는 등 해결방안이 필요하다. 합류식 유입에 의 한 대용량 처리장과는 달리 분류식 유입에 의한 소 용 량 처리장인 녹산 하수처리장은 내부 반송 율이 높을 경우에 질소 처리 효율도 상승하는 것을 확인할 수 있 다(Fig. 7). 하지만, 녹산 하수처리장의 특성상 유입수 변동이 심하고 내부 반송 라인에서 재 포기 현상이 발 생하고 있기 때문에 탈질을 위한 내부 반송율을 높여 운전하는 방법이 필요한 것으로 나타났다(BECO, 2015). 또한 녹산 하수처리장은 음식물폐수를 연계 처리하고 있으며 매립장 침출수의 유입과 도금, 염색, 피혁 조합 등에서 배출되는 각종 악성폐수가 유입되 고 있으며, 완전 분류식 유입방식을 도입하고 있기 때 문에 난분해성 COD를 다량 함유한 공장폐수 비중이 높다. 이에 따라 1차 침전 조에서는 BOD 41.8%, COD 41.3%, SS 58.8%, TN 29.0%, TP 46.0%의 낮 은 제거 효율을 나타내고 있다(BECO, 2015). 하지만, 최종 침전 조에서 내부반송 율이 74.4% 임에도 불구 하고 동절기의 최저 수온을 17.2°C로 유지함에 따라 최종 T-N 제거율이 71.0% 까지 증가하였으며, 악성 폐수 유입에 의한 동절기의 질산화 미생물의 손실과 슬러지 유실 방지 등의 운전기술이 필요할 것으로 판 단된다.

    3.4.동절기의 T-N제거효율

    각 처리장에서 대표적인 공정을 선택하여 동절기 의 처리효율은 table 4에 나타내었다. 이 결과에서 보 면 수영하수처리장의 2단계 MLE공정은 C/N 비가 2.2 정도로 낮다는 사실을 알 수 있다. 따라서 안정적 인 질소제거를 위해서는 이전의 연구 결과에서 밝힌 바와 같이 최소 C/N비를 3이상으로 상승시켜야 한다 는 결론을 얻을 수 있었다(Shin, 2016a; 2016b). 강변 하수처리장 1, 2단계 모두에서 포기조의 DO가 낮고 C/N비도 2.4-2.5로 나타나고 있어 table 2에서와 같이 방류수 기준(20 mg/L)을 만족하지 못하는 25.4 mg/L 의 농도를 보이고 있는 사실을 확인하고 있다. 따라서 수영 및 강변하수처리장의 동절기의 안정적인 질소제 거를 위해서는 C/N비 상승과 함께 질산화조의 HRT 를 충분히 확보할 수 있어야 한다.

    또한, 녹산 하수처리장의 경우(Table 3), 두 처리장 보다는 C/N비가 높고 방류수의 T-N 농도가 낮으나 방류수 T-N의 농도가 23.3 mg/L로 나타나는 불안정 한 결과도 확인 할 수 있기 때문에 내부 반송 율이 다 른 처리장에 비해 현저히 낮은 74.4%의 운전조건을 고려하여 내부 반송 율을 상승시키면 안정적인 T-N제 거 효율을 얻을 수 있을 것으로 판단하였다.

    3.5.운전조건 개선 방안

    질산화에 작용하는 질산화미생물의 성장계수는 0.17 gVSS/gN 또는 0.04 gVSS/gO2로 종속 영양균의 0.72 gVSS/gO2와 비교하여 질소기준 약 1/4배, 산소 기준 약1/20배로 성장속도가 느리다(Van, 2010; Varas, 2015). 따라서, 질산화 미생물의 활성을 위해 서는 질산화 조의 DO 농도의 조절이 중요하다는 사실 을 확인 할 수 있다. 이와 함께 질산화를 위해서는 충 분한 체류시간의 확보가 필수적이기 때문에 폭기 방 법의 개선과 함께 단위 반응조의 계절별 용적 변화 및 탄력적 운전을 통해 HRT상승을 유도 할 수 있는 운전 조건 개선이 필요하다.

    질산화 균의 증식은 pH에 의한 영향을 크게 받는 다. 대체로 Nitrosomonas의 증식을 위한 최적 pH는 8.0~8.5, Nitrobacter의 경우는 7.0~8.0로 알려져 있기 때문에 질산화 반응 조 내의 슬러지 혼합액의 pH가 높은 경우에는 NO2--N가, 낮은 경우에는 NO3-N가 축 적되기 쉽기 때문에(Nagaoka and Kudo, 2002; Gil et al., 2008), 질산화 과정에서 알칼리도가 소모됨에 따 라 pH가 저하되면 질산화 반응 역시 저하될 수 있다 (Zhang et al., 2012). 따라서, 질산화반응을 위해서는 충분한 알칼리도가 필요하다는 사실을 알 수 있으며, 방류조의 알칼리도를 CaCO3로서 50 mg/L 이상 유지 하며 부족할 경우에는 알칼리제를 보충하는 등의 운 전조건을 개선할 필요성도 있다.

    또한, 질산화 반응에 필요한 최소 DO는 0.5 mg/L 이며(Mulleret al., 1995; Daverey et al., 2012; Liang et al., 2012), 1.0 mg/L 이상의 농도에서 Nitrosomonas에 의한 아질산화, 2.0 mg/L에서는 Nitrobacter에 의한 질 산화가 원활하기 때문에(Pynaert et al., 2004; Scaglione et al., 2015) 질산화에 관여하는 미생물의 성장은 반 응조의 DO 농도가 0.5 ~ 2.5 mg/L로 유지 되어야 한 다. 따라서, 미세 기포 산기관의 선택, 표면 폭기 및 다 면 폭기 등의 DO유지를 위한 운전 조건 개선도 필요 하다.

    4.결 론

    본 연구는 수영, 강변, 녹산 등의 부산시 소재의 3개 하수처리장을 대상으로 총괄처리효율을 비교함과 동 시에 각 공정별 진단 결과를 비교하고, 기존의 질소제 거 공정의 개선할 수 있는 방안을 확보하고자 하였으 며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 표본 하수 처리장의 총괄처리 효율은 BOD 제거 율이 97.2~98.6%, COD 제거율이 85.7~88.2%, SS 제 거 효율이 97.5~98.2%로 나타나고 있으나 T-N의 제 거 효율은 69.8~71.0%로 확인되어 다른 제거율에 비 해 현저히 낮은 결과를 보이고 있으며 T-P의 제거효 율인 81.4~90.4%에 비해서도 낮은 제거효율을 보이 고 있음을 알 수 있었다.

    • 2) 수영처리장은 계절별 유입수 편차가 크고 1,2,3 단계 공정의 유출수를 통합 방류하기 때문에 질소 제 거를 위한 C/N비의 안정적인 조절을 위해서는 유입강 우량을 위한 유량 조정조의 설치와 외부탄소원의 주 입이 필수적일 것으로 판단하였다.

    • 3) 강변처리장은 질산화조의 DO농도가 낮으면 질 산화가 어려워 질소 제거효율이 낮다는 문제점을 확 인하였기 때문에 기존의 염소 소독 조를 활용하여 반 류수의 질소제거를 위한 MLE공정(무산소조 + 호기 조)으로의 개선이 필요한 것으로 나타났다.

    • 4) 녹산 처리장은 최종 침전 조에서 내부반송 율이 74.4% 임에도 불구하고 동절기의 최저 수온을 17.2 °C로 유지함에 따라 최종 T-N 제거율을 71.0% 까지 상승시킬 수 있는 결과를 보이고 있다. 다만, 방류수 T-N의 농도가 23.3 mg/L의 최고치를 나타내는 불안 정한 결과도 확인할 수 있기 때문에 내부 반송율을 상 승시키면 안정적인 T-N제거 효율을 얻을 수 있을 것 으로 판단하였다.

    • 5) 특히 전체 처리장에 대해서는 질산화 조의 충분 한 DO농도의 유지를 위한 미세기포 산기관 설치 및 표면 폭기, 다면 폭기와 같은 운전 조건의 개선이 필요 하며, 질산화를 위해서는 CaCO3 로서 50 mg/L 이상 의 충분한 알칼리도를 유지하는 운전조건을 필요한 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 2015년 부산환경공단의 연구비 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    JESI-27-99_F1.gif

    Influent of Suyoung sewage treatment plant with process stage.

    JESI-27-99_F2.gif

    Influent and rainfall of Gangbyun sewage treatment plant.

    JESI-27-99_F3.gif

    Influent and rainfall of Noxan sewage treatment plant.

    JESI-27-99_F4.gif

    TN of effluent and C/N ratio of overflows from 1st settling tank (Suyoung sewage treatment plant).

    JESI-27-99_F5.gif

    TN of effluent and internal recycle ratio (Suyoung sewage treatment plant).

    JESI-27-99_F6.gif

    C/N ratio of 1st settling tank, TN of effluent and internal recycle ratio (Gangbyun sewage treatment plant).

    JESI-27-99_F7.gif

    TN of effluent, C/N ratio and internal recycle ratio (Noxsan sewage treatment plant).

    Table

    Treatment efficiency of Suyoung sewage treatment plant

    Treatment efficiency of Gangbyun sewage treatment plant

    Treatment efficiency of noxan sewage treatment plant

    T-N removal efficiency during winter season

    Reference

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