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문제 정의
- 그러나, 환경기초시설인 각 하수처리장에서 가동중인 총인처리설비는 총인에 대한 현행법적 방류수 수질기준을 만족하기 위해 가동 중이며, 유기오염물질에 대한 관리는 미흡하다 할 수 있다. 이에 대해 본연구에서는 총인처리설비에서 사용되고 있는 화학적 응집에 의하여 유기물 제어 정도와 유기물의 성상 변화를 검토해 보고자 하였다.
제안 방법
- BDOC 실험을 위하여 0.2μm membrane filter로 여과한 시료수(초기 DOC)를 vial에 주입하였으며, 시료 중에 존재하는 유기탄소가 미생물의 대사에 제한 인자로 작용되도록 하기 위하여 시료에 농축된 무기 영양염 용액(KH2PO4 8.5 mg/L, K2HPO4 21.75 mg/L, Na2HPO4 33.4 mg/L, FeCl36H2O 0.25 mg/L, MgSO4 22.5 mg/L, CaCl2 27.5 mg/L)을 주입 하였다(손희종 외, Goel et al.).
- 이때 교반 조건은 충분한 예비실험을 거친 후 최적의 조건을 선정하였다. 교반 후 침전시간은 30분으로 하였으며 침전 후 수면아래 10 cm지점에 위치한 sampling tap을 통하여 채수한 다음 수질분석을 실시하였다. 응집특성에서의 수질분석은 Standard method에 준하였으며, 분석항목 및 기기는 Table 2와 같다.
- 7(a)과 Fig 7(b)은 총인처리시설을 가동 중인 plant B의 총인처리시설 가동 전 방류수와 총인처리시설 가동 후 방류수 및 2차 처리수를 이용한 lab scale의 응집 처리 후 처리수에 대한 유기물 성상을 분류하여 나타낸 것이다. 그리고 방류수를 이용한 BDOC 실험 후의 시료를 이용하여 유기물 성상을 분류하였다. Fig.
- Fig 2는 BDOC 실험방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다. 본 실험에 사용된 배양기간 28일은 최적 BDOC 측정을 위하여 28일간 배양하는 Servais 등의(Servais et al., 1989) 방법으로 실험을 진행하여 DOC 농도변화를 확인하였다.
- 본 연구에서 DOM을 소수성(hydrophobic) 물질, 반친수성(transphilic), 친수성(hydrophilic) 물질로 분리하기 위하여 XAD-7과 XAD-4 수지를 이용하였으며, 수지 자체의 DOC가 매우 높기 때문에 실험에 앞서 수지의 전처리 세척 과정을 다음과 같이 실시하였다.
- 시료는 0.45μm membrane filter로 여과시킨 후 시수를 pH 2로 산성화시킨 다음 XAD-7에 통과 시킨 후, XAD-7 수지에 흡착된 물질은 0.1 N NaOH로 탈착시켜 0.45㎛ membrane filter로 여과하여 그 여액을 fulvic acids로 분류하였고, 여과지 위에 남은 잔류물은 0.1 N NaOH로 용해시켜서 그 용액을 humic acids로 분류하였다.
- ). 시료는 폭기를 하여 시료수중의 용존산소 농도를 포화상태로 만든 후 미생물을 식종하였으며, 미생물 식종은 각각의 시료 원수를 식종액으로 사용하였다. 원수 중에 존재하는 큰 유·무기물 입자 및 원생동물(protozoa)을 제거하기 위해 식종액을 2μm polycarbonate filter (millipore, USA)로 여과하여 시료 100 mL 당 식종액 1 mL를 식종하였다.
- 원수 중에 존재하는 큰 유·무기물 입자 및 원생동물(protozoa)을 제거하기 위해 식종액을 2μm polycarbonate filter (millipore, USA)로 여과하여 시료 100 mL 당 식종액 1 mL를 식종하였다. 식종 후 배양기 내에서 20℃의 조건에서 배양하였으며, BDOC 농도 산정은 초기 DOC 농도를 TOC 분석기로 측정하여, 미생물을 접종한 후 배양기간(28일) 동안 배양 후의 잔존하는 DOC 농도를 초기 DOC 농도에서 뺀 값으로 하였다. Fig 2는 BDOC 실험방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
- 원수 중에 존재하는 큰 유·무기물 입자 및 원생동물(protozoa)을 제거하기 위해 식종액을 2μm polycarbonate filter (millipore, USA)로 여과하여 시료 100 mL 당 식종액 1 mL를 식종하였다.
- Edwald and Van Benschoten (1990)은 다양한 수원에 대하여 SUVA의 측정을 통해 SUVA의 값에 따른 유기물질의 제반 특성을 분류할 수 있다고 하였으며, SUVA 4~5 m-1/mg DOC는 수중 DOC 성분이 주로 humic 물질로 이루어져 있고, 상대적으로 소수성 방향족 물질과 고분자 물질을 많이 함유하고 있으며, SUVA 3 m-1/mg DOC는 주로 nonhumic 물질로 이루어져 있고, 상대적으로 친수성, 비 방향족 물질과 저분자량 성분을 많이 함유하고 있다고 하였다. 응집실험은 예비실험을 거쳐 도출한 적정 응집제 주입량(80 ㎎/L Al2(SO4)3 ･16H2O)을 선택하여 2차 처리수에 대한 응집실험을 실시하였다. Fig.
- 이 때 칼럼에 충진된 수지의 건조상태를 방지하기 위해 실험기간 동안 수지 bed 부분에 대해 수지상부를 1 bed volume 정도 용액을 채워 실험을 실시하였으며, 시수의 통과속도는 4 mL/min으로 일정하게 유지하였다.
대상 데이터
- 5L cm이며 교반속도를 조절할 수 있는 장치이다. Jar-test에서 사용된 Jar는 2L 용량의 사각형 Jar를 사용하였으며, 교반속도는 급속 혼화 250 rpm (G=550 sec-1 at 20℃), 완속혼합 30rpm (G=22 sec-1 at 20℃)이며, 교반시간은 각각 1 min, 30 min으로 유지하였다. 이때 교반 조건은 충분한 예비실험을 거친 후 최적의 조건을 선정하였다.
- 본 연구에서 사용된 대상 원수는 낙동강 수계에 유입되는 하수처리장 방류수가 유입되며, 처리공정이 서로 다른 환경기초시설의 2차 처리수를 대상으로 하였다. 대상 환경기초시설은 경북지역에서 운영되고 있는 A 하수처리장과 B 하수처리장을 대상으로 하였으며, 대상 하수처리장에서는 분뇨와 하수를 연계하여 처리하고 있다. A 하수처리장은 표준활성슬러지 공정과 DNR(Daewoo Nutrient Removal) 공정을 병행하여 하수를 처리하고 있으며, B 하수처리장은 표준활성슬러지 공정과 A2/O(Anaerobic /Anoxic/Oxic) 공정을 병행하여 처리하고 있다.
- 본 연구에서 사용된 대상 원수는 낙동강 수계에 유입되는 하수처리장 방류수가 유입되며, 처리공정이 서로 다른 환경기초시설의 2차 처리수를 대상으로 하였다. 대상 환경기초시설은 경북지역에서 운영되고 있는 A 하수처리장과 B 하수처리장을 대상으로 하였으며, 대상 하수처리장에서는 분뇨와 하수를 연계하여 처리하고 있다.
- 본 연구에서 응집제는 alum(Al2SO4 ･16H2O)을 이용하였으며, Jar-tester에 의한 응집실험을 실시하였다. 응집실험에 사용된 Jar tester는 Phipps & Birds사 것으로 paddle(two-blade)의 크기는 2.
- 이온교환수지에 의한 DOM(Dissolved Organic Matter)의 성상분류를 Amberlite 계열(Aldrich, Co)의 XAD 이온 교환수지를 사용하였다. DOM은 유기물의 극성과 산과 염기의 용해도에 따라 분류할 수 있는데, humic acid와 fulvic acid, hydrophilic acid는 XAD-7 (methacrylic-ester resin) 수지와 XAD-4 (styrene-divinyl-bengene resin) 수지에 의해 분리된다.
이론/모형
- 교반 후 침전시간은 30분으로 하였으며 침전 후 수면아래 10 cm지점에 위치한 sampling tap을 통하여 채수한 다음 수질분석을 실시하였다. 응집특성에서의 수질분석은 Standard method에 준하였으며, 분석항목 및 기기는 Table 2와 같다.
성능/효과
- (b)에서 나타난 바와 같이 총인시설 가동 전 방류수와 생분해 후의 유기물 성상은 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 증가하였으나 성상의 차이는 아주 미비하였으며, 총인시설 가동 후에도 방류수와 생분해 후의 성상 차이는 거의 나지 않았다.
- 1) 환경기초시설인 A 하수처리장(Plant A)과 B 하수처리장(Plant B) 모두 UV 흡광도가 낮은 유기물 성분(예, 유기성 콜로이드, 친수성물질, 저분자 DOM)이 생분해가 보다 용이하여 생물분해 후 상대적으로 UV 흡광도가 높은 유기물 성분(예, 소수성물질, 고분자 DOM)이 증가함으로써 유입원수에 비해 2차 처리수(생물학적 처리후의 2차 침전지 상등수)의 SUVA 값이 증가하는 것으로 나타났다.
- 2) 2차 처리수를 응집처리한 후 DOM의 소수성, 방향족 성분이 응집에 의하여 선택적으로 많이 제거되었기 때문에 SUVA 값이 감소하는 것으로 나타났다.
- 그러나 총인시설 가동전 방류수와 생분해 후에 친수성 성분은 23 %, 소수성 성분은 21 %, 반친수성 성분은 25 % 정도 감소하였으며, 총인시설 가동 후에는 방류수와 방생분해 후 친수성 성분이 41 %, 소수성 성분이 37 %, 반친수성 성분이 33 %로 총인시설 가동 전보다 가동 후에 더 많은 DOC가 감소함을 알 수 있다. 2차 처리수를 이용한 응집 실험에서도 방류수보다 응집 처리수가 친수성 성분이 9 %, 소수성 성분이 22 %, 반친수성 성분이 14 % 정도 감소하였는데, 이는 DOM 성분 중 UV 254 값의 증가에 영향을 주는 소수성 DOM이 alum 등의 금속염 응집제에 의하여 선택적으로 제거되었음을 알 수 있다. 응집 처리수를 이용하여 생분해 실험을 실시한 후에도 친수성 성분이 35 %, 소수성 성분이 13 %, 반친수성 성분이 26 % 정도 추가로 저감됨을 알 수 있었다.
- 4의 유입원수에 대한 DOC 농도 결과에서와 같이 각 하수처리장의 하수처리구역에서 발생되는 수질의 특성이 서로 상이함에 따른 것으로 판단된다. 2차 처리수의 경우에서는 DOC 농도의 저감과 함께 생물학적 처리에 의해서 친수성 성분도 감소되는 것으로 나타났다. Plant A의 경우에서는 DOC 농도의 저감에 따라 소수성 성분이 감소하는 것으로 나타났으며, 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid는 감소하였으나 분자량이 큰 humic acid는 증가하는 것으로 나타났다.
- 3) 2개 하수처리장의 2차 처리수 및 2차 처리수를 응집 처리한 재처리수의 DOC 농도 차이도 크게 나타났며, 2차 처리수를 응집 처리한 재처리수의 경우 응집처리에 의한 유기물 저감효과가 향상되는 것으로 나타났다.
- 4) 2개 하수처리장의 2차 처리수의 경우에서는 Plant A의 경우에서는 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid는 감소하였으나 분자량이 큰 humic acid는 증가하는 것으로 나타났으나, plant B의 경우에서는 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid와 분자량이 큰 humic acid 모두 증가하는 것으로 나타났다.
- 5) 총인처리시설을 가동 중인 plant B의 총인처리시설 가동 전 방류수와 총인처리시설 가동 후 방류수 및 2차 처리수를 이용한 lab scale의 응집 처리 후 처리수에 대한 유기물 성상을 분류한 결과, 총인시설 가동 전 방류수와 생분해 후의 유기물 성상은 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 증가하였으나 성상의 차이는 아주 미비하였으며, 총인시설 가동 후에도 방류수와 생분해 후의 성상 차이는 거의 나지 않았다. 그러나 2차 처리수를 이용한 응집 처리 후 방류수와 비교하였을 경우 친수성 성분과 소수성 성분의 변화가 눈에 띄게 증감하였으며 응집 처리 후 생분해 시에도 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 확실히 증가함을 알 수 있었다.
- 응집실험은 예비실험을 거쳐 도출한 적정 응집제 주입량(80 ㎎/L Al2(SO4)3 ･16H2O)을 선택하여 2차 처리수에 대한 응집실험을 실시하였다. Fig. 3에서 살펴본 바와 같이 표준활성슬러지 공정과 DNR 공정을 병행하여 하수를 처리하고 있는 Plant A와 표준활성슬러지 공정과 A2/O 공정을 병행하여 처리하고 있는 Plant B의 SUVA 값은 모두 하수처리장의 유입원수에 비해 2차 처리수 생물학적 처리후의 2차 침전지 상징수)의 SUVA 값이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 소수성 DOM에 비하여 UV 흡광도가 낮은 유기물 성분(예, 유기성 콜로이드, 친수성물질, 저분자 DOM)이 생분해가 보다 용이하여 생물분해 후 상대적으로 UV 흡광도가 높은 유기물 성분(예, 소수성물질, 고분자 DOM)이 증가함으로써 SUVA 값이 증가되는 것으로 판단된다.
- 2차 처리수를 응집처리한 재처리수의 경우에서도 2개 하수처리장의 유기물 성상 변화가 서로 상이한 결과를 나타내었다. Plant A의 경우 2차 처리수에 대한 응집처리 후 DOC 농도 저감은 나타났으나, DOC 성분 중 친수성 성분은 증가되고 소수성 성분의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 하지만 plant B의 경우에서는 응집처리 후 DOC 농도 저감뿐만 아니라 친수성 성분과 소수성 성분 모두 저감되는 것으로 나타났으며, 이는 응집처리 전의 2차 처리수에 대한 수질특성의 차이 때문으로 판단되며, 금속염 응집제의 응집 처리에 의해 소수성 성분이 선택적으로 제거되었기 때문으로 판단된다.
- 2차 처리수의 경우에서는 DOC 농도의 저감과 함께 생물학적 처리에 의해서 친수성 성분도 감소되는 것으로 나타났다. Plant A의 경우에서는 DOC 농도의 저감에 따라 소수성 성분이 감소하는 것으로 나타났으며, 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid는 감소하였으나 분자량이 큰 humic acid는 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, plant B의 경우에서는 DOC 농도의 저감에 따라 친수성 성분은 감소하고, 소수성 성분은 증가하였으며, 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid와 분자량이 큰 humic acid 모두 증가하는 것으로 나타났다.
- 6은 2개 하수처리장의 DOC에 대하여 유기물 성상을 분류하여 나타낸 것이다. Plant B의 유입원수의 DOC 농도는 plant A의 경우보다 높게 나타났으나, 이에 대한 유기물의 성상 분류 결과 친수성 성분은 plant A의 경우에서 다소 높은 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 7(a)과 Fig 7(b)에서 나타난 바와 같이 총인시설 가동 전 방류수와 생분해 후의 유기물 성상은 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 증가하였으나 성상의 차이는 아주 미비하였으며, 총인시설 가동 후에도 방류수와 생분해 후의 성상 차이는 거의 나지 않았다. 그러나 2차 처리수를 이용한 응집 처리 후 방류수와 비교하였을 경우 친수성 성분과 소수성 성분의 변화가 눈에 띄게 증감하였으며 응집 처리 후 생분해 시에도 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 확실이 증가함을 알 수 있었다. 그러나 총인시설 가동전 방류수와 생분해 후에 친수성 성분은 23 %, 소수성 성분은 21 %, 반친수성 성분은 25 % 정도 감소하였으며, 총인시설 가동 후에는 방류수와 방생분해 후 친수성 성분이 41 %, 소수성 성분이 37 %, 반친수성 성분이 33 %로 총인시설 가동 전보다 가동 후에 더 많은 DOC가 감소함을 알 수 있다.
- 5) 총인처리시설을 가동 중인 plant B의 총인처리시설 가동 전 방류수와 총인처리시설 가동 후 방류수 및 2차 처리수를 이용한 lab scale의 응집 처리 후 처리수에 대한 유기물 성상을 분류한 결과, 총인시설 가동 전 방류수와 생분해 후의 유기물 성상은 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 증가하였으나 성상의 차이는 아주 미비하였으며, 총인시설 가동 후에도 방류수와 생분해 후의 성상 차이는 거의 나지 않았다. 그러나 2차 처리수를 이용한 응집 처리 후 방류수와 비교하였을 경우 친수성 성분과 소수성 성분의 변화가 눈에 띄게 증감하였으며 응집 처리 후 생분해 시에도 친수성 성분이 감소하고 소수성 성분이 확실히 증가함을 알 수 있었다.
- 그러나 총인시설 가동전 방류수와 생분해 후에 친수성 성분은 23 %, 소수성 성분은 21 %, 반친수성 성분은 25 % 정도 감소하였으며, 총인시설 가동 후에는 방류수와 방생분해 후 친수성 성분이 41 %, 소수성 성분이 37 %, 반친수성 성분이 33 %로 총인시설 가동 전보다 가동 후에 더 많은 DOC가 감소함을 알 수 있다.
- , 2000). 또한 2차 처리수를 이용하여 생분해를 실시한 후 SUVA 값은 감소하였는데 이는 응집처리와는 반대로 생분해에 의해 친수성 DOM이 선택적으로 소모되어 SUVA 값이 증가하였다고 판단된다.
- 또한, COD의 경우 ‘07년 이후의 지점별 평균 COD 농도는 다소 증가하였으며, 특히 낙동강 하류 지점에서는 과거보다 뚜렷하게 COD가 증가된 수질을 나타내었다.
- 2차 처리수를 이용한 응집 실험에서도 방류수보다 응집 처리수가 친수성 성분이 9 %, 소수성 성분이 22 %, 반친수성 성분이 14 % 정도 감소하였는데, 이는 DOM 성분 중 UV 254 값의 증가에 영향을 주는 소수성 DOM이 alum 등의 금속염 응집제에 의하여 선택적으로 제거되었음을 알 수 있다. 응집 처리수를 이용하여 생분해 실험을 실시한 후에도 친수성 성분이 35 %, 소수성 성분이 13 %, 반친수성 성분이 26 % 정도 추가로 저감됨을 알 수 있었다. 이는 미생물에 의한 수중의 친수성 DOM이 소모되어 소수성 DOM이 증가한 것으로 예상된다.
- 3에서 살펴본 바와 같이 표준활성슬러지 공정과 DNR 공정을 병행하여 하수를 처리하고 있는 Plant A와 표준활성슬러지 공정과 A2/O 공정을 병행하여 처리하고 있는 Plant B의 SUVA 값은 모두 하수처리장의 유입원수에 비해 2차 처리수 생물학적 처리후의 2차 침전지 상징수)의 SUVA 값이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 소수성 DOM에 비하여 UV 흡광도가 낮은 유기물 성분(예, 유기성 콜로이드, 친수성물질, 저분자 DOM)이 생분해가 보다 용이하여 생물분해 후 상대적으로 UV 흡광도가 높은 유기물 성분(예, 소수성물질, 고분자 DOM)이 증가함으로써 SUVA 값이 증가되는 것으로 판단된다. 그리고 2차 처리수를 응집처리한 후의 SUVA 값은 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 SUVA 값의 증가원인이 되는 DOM의 소수성, 방향족 성분이 응집에 의하여 선택적으로 많이 제거되었기 때문으로 판단된다.
- 황(1999)의 연구결과에 의하면 낙동강 하천수를 이용하여 alum을 이용한 응집실험에서 응집제 주입량에 따른 유기물에 대한 성상별 변화에서 친수성 성분은 20%, fulvic acid는 35% 그리고 humic acid는 20~40%의 감소가 된다고 하였으며, 소수성 성분의 UV 254 제거정도는 친수성 성분보다 더 크게 나타난다고 보고하였다. 이로써 생물학적 처리의 효율성이 후차 처리까지 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
- Plant A의 경우에서는 DOC 농도의 저감에 따라 소수성 성분이 감소하는 것으로 나타났으며, 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid는 감소하였으나 분자량이 큰 humic acid는 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, plant B의 경우에서는 DOC 농도의 저감에 따라 친수성 성분은 감소하고, 소수성 성분은 증가하였으며, 소수성 성분 중 분자량이 적은 fulvic acid와 분자량이 큰 humic acid 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이는 plant A와 plant B의 경우 생물학적 처리의 고도처리 공법 차이에 따라 서로 상이한 유기물 처리 효과를 나타낸 것으로 판단된다.
후속연구
- 이에 따라 생물학적 고도처리공법에 대한 효율성이 있는 운영방법이 새롭게 모색되어야 할 것으로 판단된다. 또한 2차 처리수를 응집처리한 재처리수의 경우 응집처리에 의한 유기물 저감효과가 향상되는 것으로 보아 하천수의 수질개선 및 보전을 위해서는 후처리로써 응집처리의 공법 도입이 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 결론을 바탕으로 하수처리 공정에서 총인시설에 따른 DOM 성상의 뚜렷한 변화 경향은 향후 하수처리장의 방류수가 유입되는 하천에 있어서 방류수 성상변화에 의해 하천의 수질개선과 하천수중의 난분해성 유기물 관리방안 수립에 유용하게 활용될 수 있을 것이라 판단된다.
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