1. 서 론

1970년대 후반부터 하수처리를 시작한 우리나라는 급속한 도시화, 산업화로 인해 수질오염이 심화되면서 1980년대부터 본격적인 하수도사업을 시행하여 하수처 리시설 건설을 추진해 왔다. 그 결과 1976년 4%에 불 과했던 하수도 보급률은 2003년 말 기준 78.8%, 2015 년 말 기준 94.6%까지 향상되었다. 전국에 가동 중 (2015년 말 기준)인 공공하수처리시설은 500 m3/일 이 상 625개소이며 총 처리용량은 25,143천 톤/일이며 A₂O, SBR 등 고도처리공법이 적용된 시설은 총 560개 소이다[1]. 공공하수처리시설에 실제 유입되는 하수량은 19,679천 톤/일이며 가동률(시설용량 대비 유입하수량) 은 2014년 말 기준으로는 80.4%, 2013년 말 기준으로는 79.3%으로 하수도 시설기준에 따른 적정가동률인 70~80% 수준과 유사한 범위 내의 하수량이 유입되고 있는 것으로 파악되었다. 그러나 2013년 말 기준으로 전 체 공공하수처리시설의 11.8%에서 계획용량 대비 50% 미만의 적은 양의 하수가 유입되고 있다. 특히, 새롭게 개발된 도시지역 등에 신규로 건설되는 시설의 경우에는 개발지연, 목표연도 미도래 등으로 계획용량에 비해 현 저하게 적은 양의 하수가 유입되고 있는 실정이다.

하천, 호수 등의 수계로 중금속, 유기물질, 영양염류 등이 유출되어 부영양화(Eutrophication) 및 이로 인한 수중생태계 파괴, 수자원 활용가치 하락, 상수처리 비용 상승 등 문제점이 심화되고 있다. 영양염류의 제거가 거의 불가능한 표준활성슬러지 공법을 대신하여 개발 된 고도하수처리공법들은 유기물 외에도 질산화와 탈 질과정을 통해 질소를 제거하고 아울러 생물학적으로 인(P)의 동시 제거가 가능하다. 생물학적 질소제거는 크게 질산화와 탈질화 반응의 2단계로 구분할 수 있다. 질산화세균은 호기적 환경에서 암모니아를 아질산을 거쳐 질산으로 산화시켜준다. 탈질세균은 혐기적 환경 에서 질산염이 산소 대신 최종 전자수용체로 작용하여 환원되면서 에너지를 생산하는 과정으로 질산을 아질 산으로 환원시켜주고 이는 다시 NO, N2O의 중간 대사 체를 거쳐 가스상의 질소로 전환된다[2]. 고도하수처리 공법에서 질소제거에 이용되는 대표적인 질산화 미생 물은 Azotobacter, Azomonas, Clostridium, Nitrobacter, Nitrosomonas와 Nitrospira가 알려져 있으며 탈질화 미 생물은 주로 혐기적 상태에 생존하는 미생물로 Agrobacter, Camphylobacter, Eikenella, Flavobacter, Kingella, Moraxella, Morococcus, Ochrobacterium, Oligella, Sphingobacterium, Tsukamurella 등이 알려져 있다. 생 물학적 질소제거는 질산화(Nitrification)와 탈질화(Denitrification) 과정에서 일어나는 화학적 및 생화학적 반 응에 기초를 둔다. 따라서 슬러지의 화학적 및 생화학 적 특성에 대한 연구는 질산화 및 탈질화 처리공정을 설계하고 운전하는데 매우 중요하다고 할 수 있다.

그러나 국내 하수는 C/N비가 낮고, 유입부하 변동이 심하며 겨울철은 온도가 낮아 다수의 공공하수처리시 설에서 안정적인 영양염류 제거에 어려움을 겪고 있다 [3]. 앞서 언급한대로 고도처리공법으로 유입되는 하수 량이 계획하수량보다 적을 경우에는 슬러지의 특성 변 화와 이에 따른 생물학적 고도하수처리공법의 슬러지 의 특성이 변화할 것으로 예상된다. 예를 들어 설계된 체류시간보다 호기조 체류시간이 증대됨으로써 미생물 의 과도한 산화가 일어나게 되어 처리효율이 저하될 수 있다. 본 연구에서는 하루 1.5톤을 처리하는 모형실험 장치를 제작하여 대표적인 생물학적 하수고도처리공법 인 MBR, A₂O, SBR공법의 유입하수량 변화에 따른 슬 러지 특성 변화를 파악하고자 하였다. 유입하수량을 계 획하수량의 10~100% 범위 내에서 변동시켜가며 이에 따른 효율감소의 원인을 분석하고자 각 공법별 슬러지 의 질산화와 탈질화 반응의 동역학적 상수인 비질산화 속도와 비탈질속도를 측정하였다.

2. 실험방법

2.1. 실험장치 구성 및 운전

본 연구에서는 국내에서 가장 널리 사용되고 있는 고 도하수처리공법인 A₂O공법, MBR공법, SBR공법의 모 형실험장치를 1.5톤/일 규모로 반응조를 설계 제작하여 S시 하수처리장에 설치하였다(Fig. 1). 유량 조정조를 설치하여 각 공법으로 유입되는 유입수질을 동일하게 유지하였다. SBR공법의 주기(cycle)는 유입 30분, 반응 60분, 폭기 180분, 침전 40분, 배출 40분, 휴지 10분으로 구성되었다. A₂O 공정의 수리학적체류시간(HRT)는 혐기 조 1.2시간, 무산소조 2.4시간, 호기조 4시간, 침전조는 6시간이었다. 호기조에서 무산소조로의 내부 순환은 200%이었다. MBR공정의 무산소조와 막침지조로 구성 하였다. 공칭공경 0.4 μm인 중공사막(PVDF재질)을 사 용하였으며 투과유속을 10 LMH로 유지하여 실험기간 동안 막 오염의 영향을 최소화하고자 하였다. 유입유량 은 설계 유량의 100%에서 70, 30% 및 10%로 감소시 켜가며 운전하였다. 반응기는 각 유량조건에서 적어도 30일 이상 운전하였다. 유입 SCOD 농도는 99 ± 10 mg/L, T-N은 35~44 mg/L 범위였으며 T-P 농도는 3.7~4.9 mg/L 범위이었다.

2.2. 분석 및 계산

유입하수량에 따른 미생물의 비탈질속도(specific denitrification rate)와 비질산화속도(specific nitrification rate 또는 ammonia oxidation rate)를 측정하기 위해 채 취한 슬러지를 미네랄 배양액을 이용하여 3회 이상 세 척 후 모든 실험에서 유사한 미생물 농도를 유지하기 위하여 배양용액으로 희석한다. 실험에 앞서 산과 염기 를 이용하여 pH를 7-7.5로 조정하고 Table 1과 같이 미 리 제조한 Stock solution을 주입하여 실험을 수행하였 다. 매 5-10분 간격으로 시료 채취 후 필터링하여 보관 하였으며 실험 종료 후 IC (930 Compact IC Flex, Metrohm, Switzerland)를 이용하여 질산염의 농도를 분 석한다. 음이온 분석을 위해 용리액(3.2 mM NaCO₃ + 1 mM NaHCO₃)을 12-18 μS/cm에서 유량 0.7 mL/min, 압력 6-8 MP로 주입하였으며, 양이온 분석을 위해 용 리액(1.7 mM HNO₃)을 500-800 μS/cm에서 0.9 mL/min, 압력 6-8 MPa의 조건에서 농도를 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 고도처리공법별 질소제거효율 변화

각 유입하수량 조건에서 고도처리공법별 총 질소제 거율을 측정하였다(Fig. 2). 설계유량의 100%의 하수량 이 유입되는 조건에서 A₂O, MBR 및 SBR 공정에서 총 질소 제거율은 72~75%의 유사한 값을 나타내었다. 침 지형 MBR공정 단일 반응조로는 높은 질소 제거율을 얻기 어려운 것으로 알려져 있으나 본 실험에서는 막침 지조 전단에 무산소조가 추가로 설치되어 있어서 다른 공법들과 유사한 T-N 제거율을 얻은 것으로 판단된다 [4]. 유입하수량을 감소시켜가며 질소제거율을 평가한 결과 A₂O와 MBR 공법은 유입하수량에 따라 명확한 경향을 나타내지 않았으며, 이는 유입수 내 질소농도가 실험 기간 동안 크게 변동한 것에 일부 기인한 것으로 판단된다. 유입하수량이 설계유량의 40%로 감소하더라 도 T-N 제거 효율은 모든 공정에서 73% 이상으로 문 헌에서 보고된 값들과 유사한 값을 얻을 수 있었다[5]. 그러나 유입하수량 10% 조건에서는 MBR공정을 제외 한 나머지 공정의 T-N 제거율이 대폭 감소하였다. MBR 공정은 78%의 높은 T-N 제거 효율을 보여 주었 고, A₂O의 경우 55%, SBR의 경우 31%의 T-N 제거율 을 나타냈다.

3.2. 고도처리공법별 슬러지 비질산화속도(specific nitrification rate) 변화

앞 절에서 언급한대로 MBR공법은 T-N 제거율이 타 공법에 비해 적은 양의 하수가 유입되는 조건에서도 큰 변화가 없었다. 이와 같이 공법별 T-N 제거율에 대한 원인을 알아보고자 각 공법의 호기조에서 채취한 슬러 지의 비질산화속도를 측정하였다. SBR공법은 폭기단계 의 슬러지를 채취하여 회분식 실험을 실시하였다. 실험 결과 식종균의 경우에는 0.079~0.1144 gNH₄/gMLVSS/ day의 값을 얻을 수 있었다(Fig. 3). 유입하수량 100% 조건에서 A₂O, MBR, SBR 공법은 각각 0.102, 0.099, 0.102 gNH₄/gMLVSS/day으로 식종균과 거의 유사한 값을 나타내고 있었다. 문헌에서 보고되는 값들은 0.01~ 0.72 gNH₄/gMLVSS/day로 비교적 넓은 범위의 값을 나타내고 있었으며, 유입하수성상, 운전조건 등에 따라 크게 변화하기 때문에 본 실험에서 얻어진 값과 직접적 인 비교에는 한계가 있을 것으로 판단된다[6]. 세 가지 공법 모두 유입하수량이 70%로 감소함에 따라 비질산화 속도도 일부 감소하였으며, 0.064~0.082 gNH₄/gMLVSS/ day의 값을 나타내었다. 유입하수량이 40%로 감소함에 따라 21~32% 가량 비질산화속도가 감소하는 경향을 나타냈다. T-N 제거율은 유입하수량 40% 조건에서도 큰 변화가 없던 반면에 비질산화속도가 감소하였다는 것은 T-N 제거율과 슬러지의 동역학적 상수와는 큰 상 관관계가 없다는 것을 의미하거나, 또는 질산화는 T-N 제거에 있어서 율속단계는 아니라는 것을 의미한다고 할 수 있다. 유입하수량이 10%로 감소한 경우에는 세 가지 공법 모두 비질산화속도가 대폭 감소하여 0.016~ 0.031 gNH₄/gMLVSS/day의 값을 나타내었다. 일반적 으로 슬러지체류시간이 증가하면 비산소소모속도 (specific oxygen uptake rate), 비질산화속도 등이 감소 하는 것으로 알려져 있는데[7] 본 연구에서 유입하수량 이 감소할 경우에는 슬러지의 체류시간이 증가하는 효 과를 나타내기 때문에 유사하게 비질산화속도가 감소한 것으로 판단된다. 또한 이는 반응조에서 슬러지의 내생 호흡(endogenous respiration)이 증가하여 질산화속도 역 시 감소하였을 것으로 판단된다[8]. 유입하수량 10% 조 건에서도 MBR 공법은 T-N 제거율이 높게 나타났으나 비질산화속도는 매우 낮은 값을 나타내었다. 본 조건에서 막침지조의 MLVSS는 7250 mg/L로 유지할 수 있었던 반면에 A₂O와 SBR 공법은 4490~4900 mg/L의 범위를 나타내었다. 이와 같이 막 침지조 내 슬러지 농도를 높 게 유지할 수 있었기 때문에 질산화속도가 감소하여도 질산화에는 큰 영향을 주지 않았을 것으로 판단된다[9].

3.3. 고도처리공법별 슬러지 비탈질속도(specific denitrification rate) 변화

비질산화속도와는 달리 비탈질속도는 MBR, A₂O, SBR공법 모두 식종균(0.1815 gNO₃/gMLVSS/day)보다 높은 값을 얻을 수 있었다(Fig. 4). MBR공법의 무산소 조의 경우에는 유입하수량 100, 70, 40, 10% 조건에서 0.3722, 0.2653, 0.2305, 0.2320 gNO₃/gMLVSS/day으로 유입하수량이 감소함에 따라 다소 감소하는 경향을 나 타내었다. SBR공법 슬러지도 유입하수량이 감소함에 따라 비탈질속도가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 유 입하수량 100% 조건에서 SBR공법 슬러지의 비탈질속 도는 0.4834 gNO₃/gMLVSS/day로 A₂O, MBR공법에 비해 다소 높게 측정되었다. 유입하수량이 70, 40, 10% 로 감소함에 따라 비탈질속도는 0.3616, 0.3227, 0.2409 gNO₃/gMLVSS/day로 감소하였으며, 다른 공법들에 비 해서 동일한 유입하수량 조건에서 다소 높은 값을 나타 내고 있었다. 이와는 달리 A₂O공법의 무산소조의 경우 에는 유입하수량이 100%에서 70, 40, 10%로 감소함에 따라 0.2529, 0.2624, 0.2490, 0.2441 gNO₃/gMLVSS/ day의 값을 나타내어 유입하수량의 변동과는 큰 상관 성이 없이 일정한 범위의 값을 나타내었다. MBR공법 이나 SBR공법에 비해 반응조가 폭기와 무산소 단계가 물리학적으로 나누어져 있어서 탈질미생물이 보다 안 정적으로 존재하고 있다는 것으로 판단된다. 모든 고도 처리공법들은 유입하수량이 감소함에 따라 무산소조의 비탈질속도가 일부 감소하는 경향을 나타내었다. 비탈 질속도 측정 실험에서는 유입되는 하수원수에 존재하 는 암모니아성 질소 농도보다 다소 높은 60 mg/L의 질 산염을 주입하고 실험을 진행하였으며 모든 조건에서 탈질반응이 180분 내에 이루어지는 것을 알 수 있었다. 하수 원수에 존재하는 암모니아성 질소 농도와 각 반응 조의 MLVSS 농도를 고려할 경우에 모든 실험에서 얻 어진 비탈질속도는 전체 질소 제거효율에 영향을 미칠 수 있을 정도로 낮은 값은 아니었다. 즉, 유입하수량 감 소로 인하여 비탈질속도는 감소하였지만 유입되는 하 수의 총질소 농도를 고려할 때 현장실험에서 사용한 공 법의 슬러지 모두 총질소제거율에 영향을 미칠 정도로 탈질속도가 감소하는 것은 아님을 알 수 있었다. 유입 하수량이 가장 낮은 10% 조건에서도 모든 공법의 슬러 지의 비탈질속도는 0.23~0.24 gNO₃/gMLVSS/day의 값 을 나타내고 있었으며 앞서 언급한 대로 총질소 제거율 에 영향을 미칠 정도로 낮은 값은 아니었다. 유입하수 량 변화에 따라 비탈질속도가 다소 감소하는 경향은 유 입하수의 성상변화, 반응조 온도 변화, 슬러지 상태 변 화 등 다른 인자들에 의해 영향을 받을 수도 있었을 것 으로 판단된다[10,11]. 결론적으로 유입하수량이 감소하 여도 탈질미생물에 큰 변화는 야기하지 않았던 것으로 판단되며 비탈질속도가 일부 감소하고 질소제거율도 유입하수량 10% 조건에서는 다소 감소하였으나 전체 질소 제거효율의 변화와는 큰 연관성이 없었을 것으로 사료된다.

4. 결 론

공공하수처리시설에서 계획하수량에 비해 실제 유입 되는 하수량이 적은 경우에 질소 제거에 미치는 영향을 알아보고자 대표적인 하수고도처리공법의 슬러지를 채 취하여 비질산화속도와 비탈질속도를 비교하였다. 유입 하수량이 100%에서 40%까지 감소하여도 T-N 제거율 에는 큰 변화가 없었으며, 유입하수량 10% 조건에서 SBR 공법만 질소제거율이 31%까지 감소하였다. 비질 산화속도는 유입하수량 감소에 따라 전반적으로 감소 하는 경향이 나타났으며 유입하수량 10% 조건에서 비 질산화속도가 70% 가량 감소하였으며 슬러지의 체류시 간 증가로 인한 내생호흡량이 증가함에 기인한 것으로 판단된다. 비탈질속도 역시 유입하수량 감소에 따라 감 소하는 경향을 나타내었다. 그러나 공정으로 유입되는 질소의 농도와 반응조 내 존재하는 미생물 농도를 고려 해보았을 때, 전체 질소제거효율에 큰 영향을 미칠 정 도는 아니었다. 즉 MBR 공법과 같이 고농도로 미생물 농도를 유지할 수 있다면 유입하수량이 감소하여도 질 소제거에는 큰 영향이 없을 것으로 예상된다.