스페셜리포트 (Special Report)
갈 곳 없는 하수슬러지, 처리 대안은 없나?

잉여슬러지 총량 현저히 줄이는 사전 감량화 기술

위탁운영중인 하수종말처리장에서 슬러지 50% 이상 감량화 성공
슬러지 감량화 후에도 방류수 수질에는 특별한 이상 없어

1. 연구 목적

▲ 김만수박사 / 대양바이오테크(주) 환경기술연구소

2. 감량화 사례 추진 현황

 2.1 감량화 추진 일정

 2.2 감량화 평가 내용
본 기술은 하수종말처리장 공정 운영 중 발생하는 잉여슬러지량을 감소시켜 실제 탈수케이크 발생량을 절감시키는 기술로서 이의 기술적 평가 및 경제성 평가를 위해 다음과 같은 검토를 수행하였다.
 ○ 잉여슬러지 발생량 비교
 ○ 비잉여슬러지 발생량 비교
 ○ 방류수 수질 조사
 ○ 경제성 평가(슬러지 처분비)

 2.3 감량화 평가 방법
본 Test는 2005년 6월부터 11월 현재까지 약 6개월 간 3계열(A, B, C)로 구성된 5천 톤 처리장에서 1계열(A)을 대조군으로 2, 3계열(B, C)을 감량화 평가군으로 하여 1계열과 2, 3계열의 슬러지 발생량을 비교하였다. 이 때 감량화 평가에 적용된 약품은 VITA99™를 적용하였으며, 이로 인한 실제 슬러지 감량화율과 처리수 내 유기물 및 영양염류 처리효율 변화를 조사하였다.

 2.4 VITA99™ 소개
생물학적 도시하수 및 산업폐수 처리 시스템에서 잉여슬러지 발생 총량을 현저히 감소시켜 주며, 처리수질의 안정성을 기할 수 있는 첨가물질로서 비타민과 다른 보조물질들을 첨가한 거대분자 탄수화물 등으로 구성되어있다. 또한 <표1>의 VITA99™ 조성은 보는바와 같이 응집제로의 역할을 하는 성분이 없으며, 응집효과를 이용한 약품류가 아니다.

2.5 하수종말처리장 현황
2.5.1 유입 부하량
H하수종말처리장의 유입수량 및 유입수질은 <표2>와 같다. 일처리 용량 5천㎥/ 일 규모 시설에 일평균 3천150㎥/ 일의 하수가 유입되고 있으며, 평균 유입 BOD5 및 T-N농도가 93mg/L 및 29.4mg/L 유입되고 있다.

2.5.2 생물 반응조 운영현황
H하수종말처리장의 반응조 운영현황은 <표3>과 같다. MLSS농도는 평균 4천800mg/L, HRT는 30hr, SRT 39.4일로 운영되고 있으며, 일평균 잉여슬러지 인발량은 75㎥/ 일, 비 잉여슬러지 발생량 1.228kgDS/ kgBOD로 비교적 높은 경향을 보이고 있다.

3. VITA99™ 주입조건

VITA99™ 주입율은 kg BOD당 3∼3.5mL 주입되나, 적용 하수종말처리장의 수질현황 및 반응조 용량 등을 simulation에 의한 검토 후 적정 약품 주입량과 감량화율을 예측할 수 있다.

1) 주입량 결정
    약품 주입율 : 3.33mL/kgBOD
    유입 부하량 : 293kgBOD/일
                 ∴ 3.33mL/BODkg × 293kgBOD/일 = 975.69mL/3지/일 = 325.23mL/지/일 < BR >
 2) 주입기간 : 2005년 6∼11월 현재(약 6개월 간 투입 중)

 3) 주입방법
H하수종말처리장은 3개의 계열로 분리되어 있으며, 감량화 실험을 위해 1지(A지)는 VITA99™를 주입하지 않고 기존 운전방법을 유지하였으며, 2, 3지에 VITA99™를 주입하여 대조군 A에 비해 B, C지의 감량화율을 평가하였다. 약품주입은 생물반응조 유입수에 정량펌프가 갖추어진 약품주입설비를 설치하고, 일정량씩 주입하였으며, 약품의 희석 및 보관을 위해 하수종말처리장 내에 설치된 Alum 주입탱크를 이용하였다.

4. 적용결과

 4.1 VITA99™ 주입결과
<표4>와 같이 대조군인 반응조 A의 MLSS는 11월 현재 5천171mg/L로 유지되고 있다. 또한 VITA99™가 주입된 반응조 B, C지의 경우 초기 MLSS 농도는 3천500mg/L에서 슬러지 인발량을 50% 줄인 상태로 운전되고 있으며, 현재 MLSS농도는 4천885 및 4천877mg/L를 유지하고 있다.

4.2 반응조 내 MLSS 농도 및 잉여슬러지 발생량 평가
<그림1>과 같이 대조군으로 운전되고 있는 A지의 평균 MLSS는 현재 MLSS 5천171mg/L이며, VITA99™가주입되고 있는 B, C지의 경우 4천885mg/L 및 4천877mg/L를 나타내고 있다. 반응조 B, C지의 경우 VITA99™ 적용초기 MLSS농도를 3천500mg/L로 유지하였으며, 이후 잉여슬러지 인발량을 50% 감소시킴으로서 현재 농도까지 증가하였다.

그러나 B, C지의 슬러지 SRT가 158% 긴 상태에서 오히려 A지보다 MLSS농도가 낮은 것으로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로서 미생물의 증식속도가 둔화되어진 것으로 판단할 수 있으며, 현재 A지의 잉여슬러지 인발량이 평균 24.9㎥/일이며, B, C지의 잉여슬러지 인발량이 13.5㎥/일, 13.2㎥/일로 약 53%정도 절감된 결과로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로서 슬러지 발생량을 반응조 내에서 원천적으로 절감시킬 수 있는 것으로 조사되었다. <그림2>는 각 반응조의 잉여슬러지 발생량을 면적으로 나타낸 그림으로 반응조 A에서 발생되는 슬러지량이 대부분의 발생면적을 차지하는 것으로 조사되었다.

4.3 잉여슬러지 DS량(kgDS/일) 및 비잉여슬러지량(DSkg/BODkg) 평가
<그림3>은 잉여슬러지 DS발생량을 면적비로 나타낸 그림으로 반응조 A의 발생량이 대부분의 면적을 차지하는 것으로 조사되었다. 6월부터 11월 현재까지의 잉여슬러지 DS량을 조사한 결과 A지의 경우 최대 675.4kgDS/일이었으며, 평균 144.4kgDS/일로 조사되었으며, B, C지의 경우 최대 328.3, 174.9kgDS/일이었으며, 평균 66.1, 64.3kg/일로 잉여슬러지 DS 절감율이 54.2% 및 55.5%로 조사되었다.

4.4 반응조별 SRT 및 SVI 변화
<그림 5>는 각 반응조의 SRT를 나타낸 그림으로 반응조 A의 평균 SRT는 39.4일이었으며, 반응조 B, C의 평균 SRT는 62.4, 60.4day로 VITA99™를 주입함으로서 SRT가 약 23일 정도 증가하는 것으로 조사되었다. 이와 같이 과도한 SRT의 증가로 인하여 수질이상 및 sludge의 침전성에 문제점이 없는지에 대한 평가를 위해 SVI 및 수질분석을 실시하였다.

4.5 지별 CODMn 및 T-N 처리농도 변화
<그림7>은 각 반응조별 방류수의 CODMn 농도변화를 나타낸 그림이다. 그림에서 보는 바와같이 VITA99™가 주입되지 않는 반응조 A의 CODMn 방류수 평균 농도는 6.75mg/L이었으며, VITA99™가 주입되는 반응조 B, C지의 평균농도는 약 6.5mg/L로 적은농도 이지만 다소 낮은 것으로 조사되었다.

또한 <그림8>과 같이 지별 T-N농도는 반응조 A의 경우 6.75mg/L 이었으며, VITA99™가 주입되는 반응조 B, C지의 경우 5.96mg/L 정도로 약 0.79mg/L 정도 낮은 것으로 조사되었다. 따라서 VITA99™를 주입해 줌으로 인해 반응조내 SRT가 과도하게 증가하기는 하나 긴 SRT에도 불구하고 미생물의 activity 증가로 인해 유기물 및 영양염류 처리효율이 다소 증가하였던 것으로 판단된다.

4.6 지별 T-P 농도 변화
<그림9>은 각 지별  방류수내 T-P농도를 나타낸 그림이다. 대조군인 반응조 A의 방류수 T-P농도는 평균 1.011mg/L이며, B, C지의 평균 T-P 농도는 0.978mg/L로서 상대적으로 긴 SRT에도 불구하고 양호한 처리효율을 보이고 있다. 이와 같이 슬러지 인발량의 상대적 감소와 이로 인한 긴 SRT에서 T-P제거효율이 저하되지 않았던 결과를 규명하기 위해 이후 실험에서는 슬러지 내 T-P농도를 분석하였다.

4.7 반응조 내 PO43--P 함유율
<그림10>은 같은 호기운전 cycle에서 대조군 A와 VITA99™가 주입되는 반응조 B/C지의 MLSS내 PO43--P 함유율을 분석한 결과이다. 그림에서 보는바와 같이 1회 실험에서는 대조군 A를 100% 기준으로 보았을 때 B, C지의 PO43--P 함유율은 87%, 75%이었으며, 2회 실험에서는 66%, 74%로 반응조 내 PO43--P 함유율이 VITA99™가 주입된 경우 낮은 것으로 조사되었다. 이와 같은 결과로 볼 때 VITA99™가 주입됨으로 인해 PO43--P의 uptake율이 향상되는 것으로 추정할 수 있으며, 이로 인해 T-P의 제거효율이 향상되었던 것으로 사료된다.

 4.8 잉여슬러지내 T-P 함유율
<그림11>는 잉여슬러지 내 T-P 함유율을 분석한 결과를 나타낸 그림이다. 그림에서 보는바와 같이 대조군 A의 T-P 함유율을 100%로 볼 때 반응조 B, C지의 T-P 함유율은 134% 및 139%로 조사되었으며, 2회 분석결과 124% 및 176%로 VITA99™가 주입된 반응조 B, C지의 잉여슬러지 내 T-P 함유율이 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 VITA99™가 주입됨으로 인해 인의 release 및 uptake 효율이 증가하는 것으로 추정할 수 있으며, 이로 인해 적은 양의 슬러지 인발에도 불구하고 T-P 제거효율이 감소하지 않았던 것으로 사료된다.

4.9 MLSS내 PO43--P 및 건조슬러지내 T-P 함유율
<그림12>는 잉여슬러지 내 PO43--P 를 분석한 후 MLSS를 건조시켜 건조 중량 당 T-P 함유율을 분석한 결과로서 대조군 A의 슬러지 g당 T-P 함유율을 100%로 할 때 VITA99™가 주입되는 B/C지의 경우 135%, 140%로 높게 나타났으며, MLSS 내 PO43--P 함유율은 A지 대비 66% 및 74%로 낮게 용존되어 있는 것으로 조사되었다. 따라서 위에서 언급한 바와같이 VITA99™가 주입됨으로 인해 인의 uptake 효율이 증가하여 상대적으로 긴 SRT에도 불구하고 인 제거효율이 저하되지 않았던 것으로 사료된다.

4.10 Scum 발생량 비교
<그림13> 및 <그림14>는 VITA99™ 주입에 따른 scum 발생현황을 비교한 그림으로 그림에서 보는 바와 같이 VITA99™ 주입 전 반응조 상부에 상당히 두껍게 형성되어 있던 scum 층이 VITA99™ 주입 후 20일 정도 경과되었을 때 그 층은 대부분 소멸되는 것으로 나타났다. 따라서 VITA99™ 주입으로 인해 부수적으로 상부의 scum 발생문제를 상당부분 억제할 수 있을 것으로 사료된다.

4.11 VITA99TM 경제성 평가
<그림15>는 H하수종말처리장에서 VITA99™ 적용 전ㆍ후의 슬러지 처리비 구성비율을 나타낸 그림이다. 그림에서 보는바와 같이 전력비 및 폴리머 등 기타 사용 약품비를 제외한 경우에 있어서도 슬러지 50% 감량화 시 기존 처리비용을 100%라 가정하였을 경우 VITA99™ 적용에 따른 약품비가 약 16.7%를 차지하며, 슬러지 절감에 따른 현장 이윤이 33.3%, 발생된 슬러지 처리비가 50% 정도인 것으로 조사되었다.

따라서 VITA99™를 적용함에 있어 추가적인 비용이 소요되지 않고 오히려 33.3%의 슬러지 처리비용 절감효과를 기대할 수 있어 현장운영관리비 및 전체적인 하수처리비 절감 효과를 기대할 수 있을 것으로 확신한다.

1) VITA99™가 주입된 반응조 B/C지의 경우 슬러지 인발량을 약 53% 줄인 상태에서 MLSS농도는 평균 4천885mg/L 및 4천877mg/L로 이 농도대를 유지하며 안정화되었다.

2) 잉여슬러지 발생량 측면에서 A지의 경우 27.9㎥/일이었으며, B/C지의 경우 각 13.5㎥/일 및 13.2㎥/일로 약 53% 절감되었다.

3) 비잉여슬러지 발생량에 있어서 A지의 경우 1.03kgDS/kgBOD이었으며, B/C지의 경우 0.52 및 0.50 kgDS/kgBOD로 VITA99™를 적용함으로서 비잉여슬러지 발생량의 49.5 및 51.4%정도 절감되었으며, 잉여슬러지 DS량에 있어서도 A지의 경우 평균 144.4kgDS/일, B/C지의 경우 66.1 및 64.3kgDS/일로 각각 54.2 및 55.5% 절감되는 것으로 조사되었다.

4) VITA99™를 적용함에 따른 SVI값의 변화는 A지의 경우 평균 181.7, B/C지의 경우 190.4 및 191.1을 나타냄으로서 슬러지 침강성 측면에 있어서 다소 높은 결과를 나타내고 있으나, 당 현장에서 1시간 침전 시 슬러지 계면층의 높이가 A지에 비해 B, C지가 낮게 유지되어 동절기에도 슬러지의 유실문제가 없을 것으로 판단된다.

5) VITA99™ 적용 전ㆍ후의 방류수 내 유기물 농도를 분석한 결과 VITA99™를 적용함으로서 유기물 및 T-N 및 T-P 제거 효율이 다소 증가하는 것으로 조사되었으며, 또한 건조슬러지 g당 TP함유율에 있어서 A지 대비 B/C지가 135%, 140% 높았으며, MLSS 내 PO43--P의 용존 농도는 A지 대비 B/C지가 66%, 74%로 낮았다. 따라서 VITA99™의 주입으로 인하여 단위 미생물 g당 인의 uptake 효율이 높아지는 것으로 조사되었다.

6) VITA99™ 주입에 따른 scum 발생현황 비교결과 VITA99™ 주입 전 반응조 상부에 상당히 두껍게 형성되어 있던 scum 층이 VITA99™ 주입 후 20일 정도 경과되었을 때 그 층이 대부분 소멸되는 것으로 나타났으며, 따라서 VITA99™ 주입으로 인해 부수적으로 scum 억지효과도 있는 것으로 조사되었다.

7) VITA99™ 적용 전ㆍ후의 슬러지 처리비 구성비율을 비교한 결과 슬러지 50% 감량화 시 기존 처리비용을 100%라 가정하였을 경우 VITA99™ 적용에 따른 약품비가 약 16.7%를 차지하며, 슬러지 절감에 따른 현장이윤이 33.3% 정도인 것으로 조사되었다. 따라서 VITA99™를 적용함에 있어 추가적인 비용이 소요되지 않고 오히려 현장운영관리비 절감효과를 제공할 수 있어 전체적인 하수처리비 절감효과가 클 것으로 기대된다.

8) 본 사례를 적용하기 위한 설비는 약품저장탱크 및 주입펌프와 배관시설 이외는 불필요 하고 운영현장에서 기존 약품투입 시설을 이용하거나 최소한의 시설설치를 통해 생물반응조 전단에 24시간 투입하여 약 4∼6주 후에는 잉여슬러지 발생 총량의 50%를 절감시킬 수 있는 운전개선 방식이며, 화학약품 등에 의한 침강성을 개선시키는 방법이 아니므로 슬러지를 50% 감량화시키면서도 방류수질에는 영향이 없다.

실증시험을 원하시는 하수종말처리장은 당사 기술진이 직접 50% 감량화하여 안정한 단계까지 무상으로 기술지원 해드리겠습니다.

※ 견학 및 기술지원 안내: (02)979-1647~9/대양바이오테크(주) 환경기술연구소 김만수박사