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하수 인 회수 장치 개발 및 현장 적용성 평가 사례
한 금 석 / 서울시 상수도연구원 연구사
2014년 04월 08일 (화) 14:03:09 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr


인 회수 장치 통해 하수처리 효율 향상

부족한 인 자원 확보…슬러지 처리 비용·총인 제거 약품비 절감
인 부하 경감 통해 반류수 처리효율 개선…방류수 수질기준 유지

하수 인 회수 장치 개발 및 현장 적용성 평가 사례

하수에서 인(P)을 제거하지 않고 하천으로 흘려보내 하천 등에 부영양화 현상이 발생되면 물 속에 산소가 부족하여 물고기가 죽게 된다. 이 때문에 하수 중에 존재하는 인 제거를 중요시하고 있다.
 

   
▲ 한금석/ 서울시 상수도연구원 연구사

환경부는 2012년 1월 1일부로 공공하수처리장의 방류수 수질기준 중에 총인(T-P) 기준을 강화했다. 방류수 수질기준 강화 및 하천 부영양화 현상을 막기 위해 전국 공공하수처리 시설의 수는 2010년 465개소에서 2011년 487개소로 매년 10개소 이상 건설되어 왔다.

하수처리 시설의 방류수 수질기준을 충족하기 위해서 서울시와 같은 대규모 하수처리장에서 가장 처리가 필요한 부분은 슬러지 탈수 후 발생하는 탈수여액, 슬러지 농축 후 발생하는 농축여액과 혐기성 소화 후 발생하는 소화 상징수 등 슬러지 처리 공정에서 발생하는 반류수의 처리 효율 개선이다.

현재 서울시에서는 물재생센터 하수처리 공정에서 인 부하가 가장 심한 부분은 반류수이며, 이를 해결하지 않으면 하수처리 효율 향상 및 방류수 수질기준을 만족시킬 수 없는 실정이다.

하수 중 인(P) 회수 혹은 제거와 관련된 연구는 하수처리 공정에서 응집제나 미생물에 의해 슬러지로 제거하는 방법과 하수처리수를 이온교환 및 흡탈착 공정을 이용하여 인 제거 혹은 회수하는 연구가 다양하게 진행되어 왔다. 서울시처럼 대규모 하수처리 시설의 수처리를 효율적으로 하기 위해서는 반류수에 의한 인 부하 경감이 중요하다.

이에 반류수의 부하 경감과 부족한 인 자원 회수를 위해 하수 및 슬러지 처리 공정 후 발생하는 탈수여액, 소화 상징수, 농축여액 등 반류수에 포함된 고농도의 인을 회수하기 위해 하수 인 회수 장치를 개발하고, 이를 현장에 적용하고자 했다. 또한 회수된 인을 비료로 활용하기 위한 검증 실험을 수행했다.

탈수여액 대상 인 결정화 반응 실험

서울시 물재생센터에서 원심탈수 후 발생하는 탈수여액을 대상으로 인 결정화 반응 실험을 수행했다. 서울시 물재생센터는 국내에서 유일하게 100만㎥/일 이상의 대규모 하수처리 시설로, 탈수여액의 발생량이 센터별 차이는 보이나, 3천㎥/일로 다량 발생하고 있어, 이를 다시 반류수 처리 공정에서 처리하여 주 처리 공정으로 하수와 유입되고 있다.

Lab 실험은 100mL 바이얼에 현장 탈수여액 및 약품과 반응하여 인(P) 결정화물이 생성되는 실험과 결정화물과 상징수가 분리되는 실험을 수행했다. 결정화물 생성 실험을 위해 1M CaCl2·2H20, 1M MgCl2·2H20이었으며, pH 제어를 위해 1M NaOH를 사용했다.

현장 장치 설치 및 현장 실험은 Lab 규모의 인 결정화 생성 실험 결과 및 문헌 조사를 통해 물재생센터 탈수기동에 소규모의 하수 인 회수 장치를 설치해 현장 실험을 수행했다. 연속실험이 가능한 CSTR 반응기 형태로 개발했으며, 인 결정화 반응 및 침전을 원활하게 하기 위해 반응조·침전조를 분리하여 설계했다.

현장에서 채취한 시료 및 실험 후 발생하는 인 결정화물을 대상으로 고형물과 유기물, 무기물 성분 함량을 분석하기 위해 공정시험법에 의거하여 TS, VS, FS, SS를 분석했으며, 인 결정화물 반응 초기와 반응 후 시료의 pH를 측정했다.

인 결정화물 반응 전후 무기금속류와 인 농도 변화를 알아보기 위해 상징수는 GF/C 여과지(Whatman)로 여과하고, 인 결정화물은 질산과 염산 처리 후 마이크로웨이브 전처리기를 이용하여 처리한 후 ICP/AES를 사용해 분석했다.

염화칼슘 많을수록 상징수 총인 감소

주위에서 흔히 구할 수 있는 염화칼슘을 이용한 칼슘계 인 결정화물 생성을 위한 HAP(Ca5(PO4)3(OH)) 생성에 관한 실험을 수행했다. 대상 시료는 S물재생센터 원심탈수기 탈수여액으로 T-P 160㎎/L, pH 8.10 이었으며, 탈수여액 인 농도별 결정 생성 실험 및 염화칼슘 주입량별 결정 생성 실험을 수행했다.

먼저 염화칼슘 주입량별 인 결정화물 생성 실험 결과인 [표 1]을 보면, 염화칼슘 주입 농도가 2천625㎎/L인 경우에도 결정화물이 생성되었으며, 염화칼슘 주입농도가 높을수록 반응 후 상징수에 잔류하는 총인 농도가 낮아짐을 확인했다. 이는 인 결정화 반응이 화학 반응으로, 반응물질의 농도가 높을수록 반응이 빨라지고, 반응이 잘 이루어진 결과로 나타나는 현상으로 판단된다.

이 실험에서의 최적 주입량은 상징수의 총인 농도가 낮은 7천600∼9천970㎎/L가 적절한 것으로 판단된다. 또한 기존 스트러바이트 생성 실험에 비해 침전 시간이 3배정도 빨랐으며, 이는 HAP가 스트러바이트보다 비중이 2배정도 커 침전이 잘되는 것으로 판단된다.

주입되는 염화칼슘이 많을수록 상징수 총인 농도는 감소되었으며, pH는 염화칼슘 주입량이 적을수록 상승하는 경향을 보였는데, 이는 HAP 결정화 반응에서 수산화기(OH-)가 염화칼슘 투입량이 작을수록 반응 후 잔류되는 수산화기가 많아 pH가 높게 나타난 것으로 판단된다.

   
 

상징수 내 총인 농도 최소화 가능

탈수여액 내의 총인 변화에 따른 실험을 수행한 결과를 [표 2]에 나타냈다. 대부분 실험에서 결정화 반응이 이루어졌으며, 총인(T-P)이 낮은 농도에서도 결정화가 잘 이루어졌다. 스트러바이트 생성 실험에서는 40㎎/L의 저농도에서 인(P) 결정화물 생성이 느리거나 잘 되지 않았다.

그러나 칼슘계 인 결정화물인 HAP 생성은 저농도에서도 반응이 이루어짐을 확인했다. 스트러바이트와 달리 HAP 생성은 총인 저농도에서 충분히 가능하다. HAP 인 결정화 반응 후 상징수의 총인 농도를 분석한 결과, 1.5㎎/L 이하로 분석되어 결정화 반응이 잘 이루어짐을 확인했다.

또한, 염화칼슘 주입량은 적게 한 경우에도 결정화 반응이 잘 이루어져 총인 농도가 실험에서는 측정되지 않았다. 따라서 저농도의 총인이 포함된 탈수여액 등 반류수에서도 충분히 칼슘계 인 결정화 반응을 통해 인 회수가 가능하다. 반응되는 총인 농도가 낮을수록 반응 후 상징수에 잔류되는 총인 농도는 낮거나, 검출되지 않아 반응 후 상징수 내의 총인 농도를 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
 
NaOH 주입량에 따른 인(P) 결정화물 생성 실험 결과를 [표 3]에 나타냈다. 초기 pH(수소이온농도)가 높아질수록 인 결정화가 잘 이루어져 반응 후 상징수의 총인 농도는 낮아짐을 확인했다. 또한, 인 결정화물 반응이 pH 6.87에서도 일어나 pH 영향은 스트러바이트 생성과 달리 작은 것으로 판단된다.

즉, 스트러바이트는 문헌상 pH 8.5 이상에서 생성되는 것과 비교 시 HAP 생성은 pH 영향은 작게 받는 것으로 보인다. 다만, 서울시 물재생센터에서 인 부하를 최소화하기 위해 슬러지 처리 과정에서 발생하는 반류수 내의 총인 농도를 최소화하기 위해 반류수 처리 공정 도입과, 물재생센터의 하수처리 부하 등을 고려할 때 인 결정화 반응을 통해 상징수의 총인 농도는 5㎎/L가 적절한 것으로 판단되며, 따라서 반응 pH는 8.0 이상이 되어야 할 것으로 사료된다. 

   
 
   
▲ 상징수 순환 인 결정화 실험 장치 공정도
   
 

총인 농도 최소화 위해 순환공정 도입

앞선 실험에서는 단순히 총인 농도 제어를 위한 단일 공정에서 HAP 생성 실험을 수행했다. 그러나 단일 공정에서는 염화칼슘이라는 물질을 인(P) 결정화물 유도체로써 사용되기 때문에 반응 후 잔류하는 칼슘이온 농도가 다시 하수처리 공정에 유입 시 배관 스케일 생성 등 다른 부정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.

따라서 반응 후 발생하는 상징수의 총인 및 칼슘 농도를 최소화하기 위한 방안으로 [그림 1]에 순환 공정이라는 개념을 도입하게 됐다. 대상 시료는 S물재생센터 원심탈수기 탈수여액(총인 160㎎/L)으로 하여 1M 염화칼슘(CaCl2·2H2O), 1M NaOH(pH조정)를 제조하여 HAP 인 결정화물(Ca5(PO4)3(OH)) 생성 실험을 수행했다.

본 실험은 100mL 바이알을 이용한 회분식으로 인 결정화 반응을 수행한 후 결정화물과 상징수를 분리하여 상징수를 다시 순환해 반응시키는 반회분식 실험을 수행했다. 앞선 실험에서 상징수의 총인(T-P) 농도가 염화칼슘 주입율 7천604∼9천967㎎/L에서 적절했던 결과를 바탕으로 실험을 수행한 결과, 실험1, 실험2에서 상징수의 총인 농도는 2㎎/L이하로 낮았다. 

 그러나 상징수에 존재하는 칼슘(T-Ca)의 농도가 650㎎/L 이상으로 초기 주입되는 염화칼슘 농도 대비 24%가 잔류하는 결과가 나왔다([표 4] 참조). 잔류된 칼슘의 농도 제어를 위해 실험1, 2의 상징수를 이용하여 탈수여액과 상징수를 1:1로 혼합하여 HAP 생성 실험을 수행했다. 상징수 순환에 따른 인 결정화 생성 실험조건 및 결과를 [표 5]에 나타냈다.

총인·칼슘 농도 제어 가능…경제성 확보

순환 시스템을 결합한 결정화물 생성 회분식 실험 결과, 인 결정화물 생성이 가능함을 확인하였다. 염화칼슘을 주입하지 않은 경우(실험 1-1과 실험 2-1)에도, 인 결정화물이 생성(상징수의 칼슘과 탈수여액 내의 용존성 인이 반응) 되었으며, 이때 상징수 내 잔류 칼슘 농도는 각각 115.8㎎/L, 69.8㎎/L으로 나타나, 인 결정화물 생성 반응 후 잔류 칼슘 농도는 초기 농도 대비 약 3∼4%이었다.

상징수와 염화칼슘을 동시에 주입한 경우(실험 1-2과 2-2), 상징수 잔류 총인 농도가 낮아졌으나, 칼슘 농도는 6배 이상 높게 잔류됨을 확인했다. 따라서 칼슘계 인 결정화물인 HAP 생성 공정 개발 시 상징수 순환 공정을 도입해 적절한 순환율을 조절한다면, 상징수 내의 총인 및 칼슘 농도 제어가 가능하고, 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

국내외의 경우, 인 회수를 위한 결정화 반응에서 상징수를 순환한 사례는 없었다. 국내외에서 최초로 시도된 공정으로 실험실 규모에서 실험한 결과를 바탕으로 상징수 순환하는 인  회수장치 공정 설계에 반영했다.

   
 

칼슘계 결정화물 생성 현장 실험

다양한 문헌조사 및 Lab 실험 결과를 바탕으로 탈수여액 내의 인 회수를 위해 소규모 실험장치를 제작하여 현장에 설치했으며, 하수 인 회수장치 공정도를 [그림 2]에 나타냈다. 장치구성은 크게 인 회수장치(반응조, 침전조, 정량펌프 등)와 pH 및 약품주입 제어 장치이다. 인 회수장치 기능은 반응조에서 인 결정화 반응, 침전조에서 인 결정화물 및 상징수 분리가 이루어진다.

인 회수장치 시스템의 특징으로 상징수 및 인 결정화물 순환 시스템, pH에 따른 약품 주입 제어 시스템이며, pH 제어 원리는 유입수, 약품 등을 정량펌프로 반응조에 유입하여 인 결정화 반응이 이루어지는데 이때 pH는 중요 변수로 pH에 따른 NaOH 약품 주입량을 On/Off로 제어하도록 했다.

처리량은 최대 1.38㎥/일이며, 반응조로 원수 및 약품 공급을 위해 정량 펌프를 설치했다. 인 결정화 반응을 위한 반응조의 부피는 5L이며, 인 결정화물과 상징수 분리를 위한 침전지의 부피는 50L로 구성했다.
약품주입을 위한 펌프(P-101, P-102)와 인 결정화물 순환 펌프(P-105)의 사양으로 유량은 0.007∼380mL/min이었으며, 0∼100rpm으로 rpm 조절로 펌프 유량을 제어하도록 했다. pH 조절을 위해 주입되는 NaOH의 주입량은 적정 pH에 의해 on/off 자동제어가 되도록 했다. 

또한 원수 공급펌프(P-103), 인 결정화물 인발 펌프(P-104), 상징수 순환펌프(P-106)의 사양으로 유량이 0.07∼2.2L/min이었으며, 0.1∼600rpm으로 rpm에 의해 유량 조정이 되도록 했으며, 인 결정화물 인 발 펌프의 경우 타이머를 부착하여 타이머에 의한 인 발량 제어도 가능하게 했다.

[그림 3]은 J물재생센터 탈수기동에 설치한 모습으로 인 회수장치가 차지하는 면적이 작아서 모든 처리장에서 이동하여 실험을 수행할 수 있도록 제작됐다. 물재생센터 탈수기동에 설치된 인 회수 실험 장치시험 운전한 결과를 [그림 4]에 나타냈다.

반응조에서는 HAP 인 결정화 생성 반응이 잘 이루어졌으며, 침전지에서 인 결정화물과 상징수의 상분리가 잘 이루어짐을 확인했다. 또한 pH 제어에 따른 인 결정화 반응 및 약품 주입 조절이 잘 이루어짐을 확인했다. 인 회수장치에 설치된 펌프 및 교반기의 성능 테스트 결과 양호했다.

 
   
 

   
 

인 결정화에 의해 총인 95% 제거

T물재생센터에서 인 결정화 실험을 수행했다. 실험조건은 △pH 8.0 △교반속도 100rpm △탈수여액 유입량 0.96L/min(1.38㎥/day) △염화칼슘(1M) 유입량 0.03L/min(43.2L/day) △수산화나트륨(1M) 유입량은 pH 제어에 따라 자동 주입했다.

T물재생센터 현장 하수 인 회수장치 실험 모습은 [그림 5]와 같았다. 앞서 J센터에서도 좁은 공간에서 실험을 수행한 바와 같이 장비가 콤펙트하여 T센터에서도 좁은 공간에서 실험을 수행했다. 실험을 수행한 결과, 인 회수장치에 유입되는 탈수여액 내의 총인(T-P) 농도는 평균 110㎎/L이었다.

인 결정화에 의해 총인(T-P)이 약 90%가 제거되며, 상징수 총인 농도는 약 12㎎/L정도 나타났다. 상징수 순환 시스템을 도입하여 순환율 0.5Q∼1.0Q로 변화를 준 실험을 여러번 반복 수행한 결과, 대체적으로 제거율은 80% 이상의 인회수율을 보였다. 인 회수장치에 유입되는 탈수여액 내의 총인 농도는 평균 80㎎/L이었으며, 인 결정화에 의해 총인이 약 95%가 제거되며, 상징수 총인 농도는 약 4㎎/L정도 나타났다.

상징수 순환 시스템을 도입하여 실험한 결과, 본 실험에서는 0.7Q일 때 총인 제거율이 최대 98% 이상 보였으며, 상징수를 순환하지 않은 경우보다 약 1㎎/L의 총인 농도 저감효과를 가져왔다. 따라서 상징수 순환을 통해 방류되는 상징수 총인의 농도를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.

 
   
 

상징수 내 칼슘 농도, 100㎎/L 이하
 
다양한 실험인자 변화를 통한 하수 인 회수장치 현장 실험 최적 조건을 도출하기 위한 실험을 수행했다.
 
실험 조건은 △pH 8.0 △교반속도  60∼200rpm △탈수여액 유입량 0.96L/min(1.38㎥/일 = 1Q) △염화칼슘 유입량 0.03L/min (43.2L/일) △수산화나트륨 유입량 pH 제어에 따라 자동 주입 △인 결정화물 순환량 0∼0.04Q △상징수 순환량 0∼0.9Q과 같다.

현장 실험을 통해 최적 적정 실험 조건을 도출했다. pH는 8.0, 교반속도는 100∼120rpm, 인결정화물 순환은 0.01∼0.02Q, 상징수 순환은 0.7Q이었다.

세부적으로 살펴보면 pH는 앞서 Lab 실험에서 언급했듯이 HAP는 스트러바이트보다 pH 영향은 적으나, 반응 후 상징수의 총인 농도를 5㎎/L 이하로 유지하기 위함과, 탈수여액의 pH는 7.5∼8.0으로 측정되고 있어, 종합적으로 판단 시 8.0이 적절한 것으로 보인다. 이는 스트러바이트 생성 시 pH 8.5 이상인 것과 비교 시 사용되는 NaOH 사용량을 줄일 수 있어 약품비가 절감된다.

두 번째 교반속도의 경우 실험장치가 소규모로 반응조 내에서 최소한의 교반을 위한 기작으로만 작용되므로 최소 교반을 위해 100∼120rpm으로 선정했다. 일반적으로 결정화 이론에서는 급격한 난류, 압력변화, 원심력에 의해 인 결정화물이 생성이 되는 것으로 나타났다.

그러나 이 장치를 활용하여 인 회수 실험 시 교반속도를 60∼200rpm으로 변화를 준 결과, 교반속도에 따른 인 결정화 생성 효과 미흡한 것으로 판단된다. 인 결정화물 순환은 인 결정화 반응을 유도할 수 있는 종자물질의 최소량 공급을 원칙으로 하고, 본 실험에서는 유입량(1Q) 대비 인결정화물 순환량 조절하여 실험을 수행한 결과 0.01∼0.02Q가 적절한 것으로 나타났다.

상징수 순환의 경우에는 기존 시스템에 없는 공정을 도입한 것으로 기존 시스템과 비교 시 상징수 순환율을 적절히 조절하면 탈수여액 내 포함된 총인을 약 1∼3% 이상 회수되었으며, 본 실험에서는 0.7Q가 가장 적절했다. 

   
 

[표 6]은 상징수 순환에 따른 인 결정 생성 실험 결과 상징수의 총인(T-P) 농도를 나타냈다. 대부분 4㎎/L이하로 분석됐으며, 상징수 순환율이 0.7Q일 때 1.8㎎/L로 측정됐다. 또한 상징수 내의 칼슘 농도를 분석한 결과, 100㎎/L 이하로 분석됐다. [그림 6]은는 하수 인회수 장치를 통해 생산된 인 결정화물을 건조 후 및 분쇄 후 모습을 나타내었다. 탈수여액의 성상에 따라 다르지만, 회백색을 띄고 있어 토양에 시비하는 비료로 활용해도 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
 

인 결정화물 비료 활용성 실험 수행

하수 인 회수장치를 통해 생산된 인 결정화물 활용 방안 중 가장 현실적이면서도 서울시에서 활용 가능한 비료 활용성에 대한 실험을 수행했다.
 
인(P) 결정화물이 비료로 활용 가능성 검토 시 「비료관리법」 시행령에 의거하여 인 회수 실험에 의해 생성된 인 결정화물 내의 유해물질인 중금속 함유량을 분석한 결과, 중금속 함유 허용량 기준에 충족하여 인 비료로 활용이 가능하여, 서울시 녹지사업소 덕은 양묘장에 협조를 얻어 하수 인 결정화물 비료 활용성 검증 실험을 추진했다.

실험 목적은 하수 인 회수장치를 통해 생산된 인 결정화물을 비료로 활용 가능성 평가 실험으로 기존 양묘장 재배를 대조군으로, 인 결정화물을 투입한 경우를 실험군으로 하여 실험을 수행했다.

아주까리 및 조롱박을 대상으로 했으며, 양묘장 현장 하우스 일부에 식물을 재배할 수 있는 60개 포트를 활용했다. 양묘장에서 1일 1회씩 물을 주는 재배 방식으로 물을 주며, 연구원에서는 1주일 간격으로 현장 확인했다.
 

인 결정화물, 비료 활용 효과 입증

실험 결과, 실험군보다 대조군에서 발아가 잘 되었으며, 실험 3주 후까지는 인(P) 결정화물을 비료로 공급한 대조군이 발아가 늦거나, 발아율이 낮았다. 실험군이 발아가 늦은 이유는 포트에 씨앗을 심을 때 동일 위치에서 심어진 게 아니고, 대조군의 경우 실험군보다 깊게 심어 발아가 늦어진 것으로 판단되어 지속적인 관찰을 수행했다.

실험 4주 후, 아주까리의 경우에는 발아가 잘 되었다. 실험 4주차에 발아율은 실험군 및 대조군 모두 80% 이상을 보였으며, 특히 대조군의 발아율이 높아 인 결정화물이 씨앗 발아 시 긍정적인 영향을 미치는 것으로 확인됐다.

실험을 수행하기 전에는 인 결정화물이 하수처리 공정에서 생산된 것으로 씨앗 발아시 발아가 잘 안되거나 문제가 나타나는 등 부정적으로 작용하여 발아가 잘 이루어지지 않을 수도 있다는 판단으로 실험을 수행했다. 그렇지만 실험을 수행한 결과, 큰 문제없이 발아가 잘됨을 확인하여 인(P) 결정화물이 비료로 충분한 효과가 있는 것으로 판단된다. 

   
 

   
▲ [그림 7] 인 결정화물 모습

   
 

실험 5주차에 현장 점검 결과, 인 결정화물을 투입 유무에 따라 인 결정화물을 투입하지 않은 대조군의 식물 잎사귀가 노랗게 변화가 되는 영양결핍 증상을 보여 인 결정화물이 비료로 효과가 있는 것으로 판단된다([그림 7]).

실험군·대조군의 기타 무기금속과 인 함유량 비교 분석 결과, 대부분 식물 내에 존재하여 식물성장에 도움을 주고 있었다. 특히, 식물 3대 원소(질소, 인산, 칼리) 중 하나인 칼륨(칼리)이 인 결정화물을 주입한 실험군 식물에는 존재했으나, 대조군 식물에서는 검출되지 않았다.

.또한 실험군·대조군 토양을 분석한 결과에서도 칼륨은 실험군 토양에서만 존재함을 확인했다. 대조군의 식물 잎이 노랗게 변하는 원인이 식물 성장 3대 요소인 칼륨이 부족해서 나타나는 것으로 판단된다.
 

초기 투자비, 2∼3년내 회수 가능

하수 인 회수장치를 통해 생산된 인(P) 결정화물을 비료로 활용하기 위해 경제성 분석을 수행했다. 서울시 J물재생센터 하루 반류수 발생량은 평균 3만㎥/일이며, 탈수여액의 경우 3천㎥/일 발생하고 있다.
 
이 중 30%를 인 회수장치로 처리한다고 가정할 때 처리용량이 1천㎥/일로 인 회수장치 설치 시 초기 투자되는 장치비는 대략 15억 원이 필요하며, 소모되는 약품, 전기료 등을 고려 시 연간 약 24억8천만 원이 소비된다.

인 회수장치를 통해 상징수는 712㎥/일, 나머지는 인(P) 결정화물 침전물로 발생된다. 이때 인결정화물의 TS 2%일 때 5.76톤/일 건조된 인 결정화물이 발생하게 된다. 시중 판매 가격의 66%를 적용하여 500원/㎏으로 판매할 경우 연간 6억2천만 원의 이득을 얻을 수 있으며, 초기 투자비는 2∼3년 사이에 회수가 가능할 것으로 판단된다.

이는 단순히 수치상의 계산된 것이며, 추가적인 파급효과가 클 것으로 기대된다. 반류수 처리 공정에서 문제가 되고 있는 인 부하 경감을 통해 반류수 처리 효율 및 하수처리 효율이 상승되어 방류수 수질 기준 유지가 가능할 전망이다.

또한 인 부하 경감에 따른 무기응집제 사용량 감소로 약품비 저감효과와 이에 따른 슬러지 발생량이 감소되어 슬러지 처리비용도 저감할 수 있어 일석이조의 효과를 준다. 또한 국내에서 사용되는 인 자원의 대부분 수입에 의존하고 있고, 향후 30∼50년 이후에는 매장량이 고갈될 것으로 보여 인 자원 확보에도 긍정적인 효과를 가지고 있다.
 

하수처리 효율 향상·인 자원 확보

탈수여액 내에 존재하는 인을 회수하는 장치 개발과 실험 결과, 결론 및 향후 계획은 다음과 같다.

첫째, 하수 인 회수장치는 인 결정화 반응조 및 침전조 분리와 상징수 순환, 인 결정화 물 순환을 도입한 기술로 기존 시스템에서 보다 안정적인 결정화 반응을 유도하고, 상징수 내의 총인(T-P) 농도를 최소화할 수 있는 시스템으로 개발하여 특허 출원이 완료되었다. 

둘째, 하수 인(P) 회수장치를 이용한 인 결정화물 생성 최적 조건은 교반속도 100∼120rpm, pH 8.0, 상징수 순환은 0.7Q, 인 결정화물 순환은 0.01∼0.02Q로, 95% 이상의 인 회수를 했으며, 물재생센터 탈수여액 특성에 따라 인 회수장치의 최적 운영 조건을 변경될 수 있다.

셋째, 생성된 인 결정화물을 비료 활용성 실험을 수행한 결과, 조롱박, 아주까리의 실험군·대조군 실험에서 인산질 비료로써 효과를 보였으며, 인 결정화물 및 토양과 식물의 유해 무기금속류를 분석한 결과, 「비료관리법」 시행령에 만족하여, 인 결정화물이 비료로 활용이 가능함을 확인했다.

넷째, 개발된 하수 인 회수장치를 통해 부족한 자원인 인을 회수함으로써 하수처리 공정에서 발생하는 슬러지 발생량 저감과 인을 제거하기 위해 사용하는 무기응집제 약품비 저감 등의 효과를 가져올 것으로 판단되며, 인 결정화물을 인산질 비료 대체물질로 활용하여 경제적 수익 창출 효과도 가져올 것으로 기대된다. 

   
 

[『워터저널』 2014.4월호에 게재]

 

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