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문제 정의
- 그 결과, 슬러지 폭기는 망간, 클로로포름 제거에 효과적이며, 슬러지 농축성도 향상되었다. 이에 기존의 배출수처리공정에 폭기공정을 추가한 처리공정의 개선모델을 제시하고자 한다.
- 이에 방류수 수질에서 주로 문제시 되고 있는 망간, 클로로포름 등의 효율적인 처리방법을 제시하고자 국내 최초로 정수장 농축조에 폭기설비를 설치하여 오염물질별 제거효과를 조사하였다. 정수장에서 기존의 슬러지 처리공정은 침전원리를 이용한 조정 → 농축 공정이다.
제안 방법
- 정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기량 및 폭기시간을 도출하기 위하여 Lab test를 실시하였다. Fig. 3과 같이 30 L 플라스틱 용기에 채취한 침전슬러지 20 L를 대상으로, 슬러지의 유출입 없이 회분식(Batch) 조건에서 공기발생기(200~900 mL/min)를 사용하여 폭기량(비폭기, 300, 600, 900 mL/min) 및 폭기시간(0, 2, 6, 12, 24 hr)을 변경시켰다. 그 후 농축시간별로 상징수의 망간농도를 HACH DR 2500으로 측정하였으며, 1 L 메스실린더에 슬러지를 채워 슬러지 부피(Sludge Volume)를 측정하여 침강성을 조사 하였다.
- U정수장 농축조 2지 중 1지에 송풍기 및 산기판을 Fig. 4와 같이 설치하여 폭기조로 활용하였으며, 폭기시간별(비폭기, 2, 6, 12, 24시간)로 슬러지를 현장에서 채수하여 농축시간별 침강성(SV)을 측정하였다. 또한, 각 시료별 24시간 농축 후 슬러지에 대해 TOC, TS, VS, FS, OCD (Organic Carbon detector)를 측정하였고, 상징수의 망간, 클로로포름, 1,1-디클로로메탄을 측정하였다(현장 기온 33℃).
- 3과 같이 30 L 플라스틱 용기에 채취한 침전슬러지 20 L를 대상으로, 슬러지의 유출입 없이 회분식(Batch) 조건에서 공기발생기(200~900 mL/min)를 사용하여 폭기량(비폭기, 300, 600, 900 mL/min) 및 폭기시간(0, 2, 6, 12, 24 hr)을 변경시켰다. 그 후 농축시간별로 상징수의 망간농도를 HACH DR 2500으로 측정하였으며, 1 L 메스실린더에 슬러지를 채워 슬러지 부피(Sludge Volume)를 측정하여 침강성을 조사 하였다. 이때 시험실 온도는 28℃로 유지하였다.
- 정수장에서 기존의 슬러지 처리공정은 침전원리를 이용한 조정 → 농축 공정이다. 그러나, 본 연구에서는 배슬러지지에서 폭기를 시행하여 슬러지 혐기화를 차단하고, 한편 법정 특정수질유해물질을 제어 한 다음 농축과정으로 이송하는 국내 최초의 신기술을 배출수처리공정에 채택하였다. 그 결과, 슬러지 폭기는 망간, 클로로포름 제거에 효과적이며, 슬러지 농축성도 향상되었다.
- 4와 같이 설치하여 폭기조로 활용하였으며, 폭기시간별(비폭기, 2, 6, 12, 24시간)로 슬러지를 현장에서 채수하여 농축시간별 침강성(SV)을 측정하였다. 또한, 각 시료별 24시간 농축 후 슬러지에 대해 TOC, TS, VS, FS, OCD (Organic Carbon detector)를 측정하였고, 상징수의 망간, 클로로포름, 1,1-디클로로메탄을 측정하였다(현장 기온 33℃).
- 배출수처리시설에서 폭기효과를 검증하기 위하여 시험실 연구 결과를 토대로 폭기량은 2 m3/min으로 실시 하였으며, 폭기시간 0, 2, 6, 12, 24 hr에 따른 슬러지 침강성, 상징수 망간농도 측정결과를 Fig. 7에 나타내었다. 12시간 폭기 후 24시간 농축 기준으로 비교한 결과, 슬러지 침강부피와 상징수 망간농도는 비폭기시 520 mL/L, 1.
- 정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기량 및 폭기시간을 도출하기 위하여 Lab test를 실시하였다. Fig.
- 본 연구는 경북 청도군에 위치한 U 정수장에서 발생한 침전슬러지를 대상으로 실시하였으며 함수율은 99% 내외이다. 정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기조건을 산정하기 위하여 시험실에서 폭기량, 폭기시간 등 조건별로 슬러지를 폭기하여 농축 후 슬러지 부피(Sludge Volume), 상징수 망간 농도를 조사하였으며, 이를 토대로 정수장 배출수처리시설에서 폭기 후 슬러지 부피(SV), TOC, TS, VS, FS 및 분자량별 유기물 분포(Organic Carbon Detector, OCD) 변화를 조사하였고, 상징수에 대해 망간, 클로로포름, 1,1-디클로로메탄을 조사하여 폭기효과를 분석하였다.
- 폭기량은 슬러지의 DO를 4 mg/L를 목표로 하였으며, Table 1과 같이 폭기조 설계조건 및 시험실 시험결과를 고려하여 폭기량을 2 m3/min로 산정하였다.
대상 데이터
- 정수장 슬러지의 특성은 원수의 수질, 응집제 종류, 투입량 등에 따라 달라진다. 본 연구는 경북 청도군에 위치한 U 정수장에서 발생한 침전슬러지를 대상으로 실시하였으며 함수율은 99% 내외이다. 정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기조건을 산정하기 위하여 시험실에서 폭기량, 폭기시간 등 조건별로 슬러지를 폭기하여 농축 후 슬러지 부피(Sludge Volume), 상징수 망간 농도를 조사하였으며, 이를 토대로 정수장 배출수처리시설에서 폭기 후 슬러지 부피(SV), TOC, TS, VS, FS 및 분자량별 유기물 분포(Organic Carbon Detector, OCD) 변화를 조사하였고, 상징수에 대해 망간, 클로로포름, 1,1-디클로로메탄을 조사하여 폭기효과를 분석하였다.
성능/효과
- 1) 시험실에서 비폭기시 슬러지 농축시간별 망간농도를 측정한 결과, 슬러지 농축시간이 장기화 될수록 슬러지 혐기화가 진행되어 망간의 농도는 초기 약 6 mg/L에서 140시간 후 10 mg/L까지 상승됨을 확인하였다. 또한 300 mL/min 으로 12시간 폭기(180 mL/kgSS) 및 이후 24시간 농축하였을 경우 상징수 망간농도 및 슬러지 침강부피는 비폭기에 비해 각각 38%, 32% 감소하였다.
- 7에 나타내었다. 12시간 폭기 후 24시간 농축 기준으로 비교한 결과, 슬러지 침강부피와 상징수 망간농도는 비폭기시 520 mL/L, 1.65 mg/L에서 폭기 338 mL/L, 0.98 mg/L로 각각 35%, 41% 감소되었다.
- 6) 12, 24시간 폭기시 슬러지 침강부피 및 상징수 망간농도의 감소율이 우수하였다. 12시간 폭기기준(2회시험 평균값), 슬러지 침강부피는 비폭기시 580 mL/L (580, 580 mg/L)에서 폭기시 392.5 mL/L(335, 450 mg/L)로 32% 감소되었으며, 이는, 폭기시 슬러지의 플록 입자간 공극률이 축소되어 침강성이 개선된 것으로 판단된다. 상징수 망간농도는 비폭기시 7.
- 2) 2013년부터 중금속물질은 물론 특정수질유해물질의 배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 특히, 청정지역에 위치한 정수장의 배출허용기준은 망간 2.0 mg/L, 클로로포름 0.08 mg/L로 매우 엄격하게 설정되어 통상적인 조정 → 농축 → 탈수의 방법으로는 수질기준을 준수하기가 어려운 실정이다.
- 2) 실공정인 배출수처리시설에서 2 m3/min으로 12시간 폭기 및 이후 24시간 농축한 경우, 시험실 기초조사와 유사한 결과를 얻었으며, 상징수 망간농도의 경우 비폭기에 비해 41% 감소되었으며, 슬러지 침강부피는 35 % 감소되었다. 또한 클로로포름은 비폭기에 비해 62 % 감소되었다.
- 08 mg/L로 매우 엄격하게 설정되어 통상적인 조정 → 농축 → 탈수의 방법으로는 수질기준을 준수하기가 어려운 실정이다.3) 따라서, 기존 배출수처리시설 설계시 고려되지 않았던 망간과 클로로포름의 제거를 위해서는 산화-망간사 여과, 폭기 등 오염물질별 다양한 처리공정이 설치되어야 하나, 이는 현실적으로 불가능하다.
- 그러나, 본 연구에서는 배슬러지지에서 폭기를 시행하여 슬러지 혐기화를 차단하고, 한편 법정 특정수질유해물질을 제어 한 다음 농축과정으로 이송하는 국내 최초의 신기술을 배출수처리공정에 채택하였다. 그 결과, 슬러지 폭기는 망간, 클로로포름 제거에 효과적이며, 슬러지 농축성도 향상되었다. 이에 기존의 배출수처리공정에 폭기공정을 추가한 처리공정의 개선모델을 제시하고자 한다.
- 067 mg/L로 62% 저감되었다. 또한 1,1-디클로로메탄은 전 시료에서 불검출로 비교가 불가하였고, TOC, TS, VS, FS 분석결과 폭기에 의한 유기물의 농도는 큰 변화가 없었다.
- 1) 시험실에서 비폭기시 슬러지 농축시간별 망간농도를 측정한 결과, 슬러지 농축시간이 장기화 될수록 슬러지 혐기화가 진행되어 망간의 농도는 초기 약 6 mg/L에서 140시간 후 10 mg/L까지 상승됨을 확인하였다. 또한 300 mL/min 으로 12시간 폭기(180 mL/kgSS) 및 이후 24시간 농축하였을 경우 상징수 망간농도 및 슬러지 침강부피는 비폭기에 비해 각각 38%, 32% 감소하였다.
- 비폭기시 슬러지 망간농도는 초기 6 mg/L에서 농축 140시간후 10 mg/L까지 상승하였으며, 이는 농축과정에서 슬러지 혐기화로 입자성 망간이 재용출된 것으로 판단된다. 또한 폭기량 300 mL/min에서 24시간 농축 시켰을 때, 슬러지 부피는 비폭기 시 750 mL/L(고액분리 후 슬러지 부피 mL/총 슬러지 부피, 이하동일) 에서 폭기시 540 mL/L로 28% 감소되었으며, 망간 농도는 비폭기시 8.01 mg/L에서 폭기시 3.12 mg/L로 61% 제거 되었다. 그러나 900 mL/L 폭기량으로 폭기하였을 경우 슬러지 부피는 12% 감소되어, 300 mL/min로 폭기한 경우 보다 제거효율이 낮게 나타났다.
- 또한, 유기물 분자량 분포(OCD)에 대해 분석 결과(Fig. 9) 폭기에 따른 분자량 분포는 큰 변화를 나타내지 않았다. 이론적으로 폭기에 의해 유기물이 산화됨에 따라 클로로포름 전구물질이 감소되어 클로로포름이 저감되고, 유기물질 감소에 따라 슬러지의 침강성이 개선될 것으로 예측되나, 본 시험으로 폭기에 의한 클로로포름 및 침강성 개선에 기여도가 높은 특정 유기물의 변화 특성을 조사하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 또한, 폭기량 300 mL/min로 폭기시간별 슬러지 침강성 및 상징수 망간농도를 측정한 결과(Fig. 6) 12, 24시간 폭기시 슬러지 침강부피 및 상징수 망간농도의 감소율이 우수하였다. 12시간 폭기기준(2회시험 평균값), 슬러지 침강부피는 비폭기시 580 mL/L (580, 580 mg/L)에서 폭기시 392.
- 본 연구 결과 슬러지 폭기를 통하여 상징수 중의 망간은 물론, 클로로포름 등 휘발성유기물질의 저감과 슬러지 침강성 개선에도 효과가 우수한 것으로 나타났으며, 2013년부터 방류수 규제가 강화된 망간과 클로로포름은 배슬러지지에서 슬러지 폭기공정 도입을 통하여 획기적인 개선이 가능한 것으로 나타났다.
- 45 mg/L)로 38% 저감되었다. 위의 결과를 토대로 정수장 폭기설비 운영조건은 전력비 등을 고려하여 폭기량은 300 mL/min(슬러지 20 L 대상), 폭기시간은 12시간으로 실시하는 것이 타당한 것으로 판단되며, 해당 공기량은 180 mL/kgSS으로 나타낼 수 있다.
- 정수장 배출수처리시설은 원수 탁도를 기준으로 연중 95%이상 탁도 또는 평균 탁도의 4배값 중 큰 값을 기준으로 설계하고 있으나,1) 연중 2∼3NTU의 저탁도가 유입되는 호소수를 원수로 사용하는 정수장은 배출수처리시설의 각종 공정에서 슬러지가 장기 체류하는 경우가 많다. 이로 인해, 하절기에는 정체된 슬러지에서 망간 용출 및 클로로포름 등 휘발성 유기화합물의 생성으로 방류수 중 수질 오염물질의 농도가 상승하는 것으로 나타났다.2) 2013년부터 중금속물질은 물론 특정수질유해물질의 배출에 대한 규제가 강화되고 있으며, 특히, 청정지역에 위치한 정수장의 배출허용기준은 망간 2.
- 클로로포름, 1,1-디클로로메탄, TOC, TS, VS, FS는 폭기 후 24시간 농축시켜 분석한 결과(Fig. 8), 클로로포름의 경우 6시간 이상 폭기하면 효과가 큰 것으로 나타났으며, 12시간 동안 폭기하였을 경우, 비폭기시 0.175 mg/L에서 폭기시 0.067 mg/L로 62% 저감되었다. 또한 1,1-디클로로메탄은 전 시료에서 불검출로 비교가 불가하였고, TOC, TS, VS, FS 분석결과 폭기에 의한 유기물의 농도는 큰 변화가 없었다.
후속연구
- 3) 슬러지 농축성, 망간, 클로로포름 등 농도변화는 슬러지 특성 및 온도 등 환경조건에 따라서 차이가 큰 것으로 판단되며, 폭기에 따른 온도별, 슬러지 특성별 망간 및 클로로포름 저감과 유기물 조성 변화 등 추이를 파악하기 위한 추가 연구가 필요하다.
- 또한 클로로포름은 비폭기에 비해 62 % 감소되었다. 그러나, 유기물 농도(TOC, VS)는 폭기에 따른 큰 변화는 나타내지 않았으며, 분자량 크기별 조성분포 역시 특별한 경향은 나타나지 않아 유기물 변화 특성을 규명하기 위한 세부적인 조사가 필요하다.
- 9) 폭기에 따른 분자량 분포는 큰 변화를 나타내지 않았다. 이론적으로 폭기에 의해 유기물이 산화됨에 따라 클로로포름 전구물질이 감소되어 클로로포름이 저감되고, 유기물질 감소에 따라 슬러지의 침강성이 개선될 것으로 예측되나, 본 시험으로 폭기에 의한 클로로포름 및 침강성 개선에 기여도가 높은 특정 유기물의 변화 특성을 조사하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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