표준활성슬러지법-대규모 및 중규모도시 하수처리시스템
운전·유지관리에 고도기술 요구, 슬러지 발생량 많은 것이 단점
30년전 우리나라의 젊은 학도가 일본 유학길에 오른다. 당시로서는 생경(生硬)한 학문인 하수도를 본격적으로 공부하기 위해서다. 그리고 일본에서 귀국한 김갑수 박사는 우리나라에서 미약한 학문인 하수도연구에 본격적인 활동을 펼친다.
하수도의 학문적 체계를 정립하고 이제 수많은 후배 학자와 기술자들을 양성한 시점에서, 그리고 우리나라 환경분야의 새로운 획을 긋는 시점에서 하수도의 지난 발자취를 그려보기로 한다. - 편집자주 -
국내하수처리시설
′70년대에 들어서 한강을 비롯한 5대 하천 및 중소규모 하천 수질오염 문제가 제기됨으로써 하수처리장 건설 및 분류식 하수도에 대한 관심이 높아졌으며, 일부 대규모 신시가지 조성시 분류식 하수도가 도입되기 시작했다.
′76년 한국 최초의 도시하수 종말처리장 시설용량 15만톤/일의 청계천 하수처리장(중랑하수처리사업소 제1처리장) 건설을 시발점으로 ′78년 용량 21만톤/일의 중랑천 하수처리장(중랑 제2처리장)이 건설되어 약 36만 톤/일의 하수처리 능력을 갖게 됐다.
′87년말 정부의 하수처리 사업에 의해 건설되어 가동 또는 시운전중인 하수처리장은 13개 도시의 17개소로 이중 대구 남천, 진주 상평, 청주공단의 공단폐수 종말처리장 3개소를 제외한 도시 하수처리장은 14개소이다. 그 시설현황은 <표 1>에 나타낸 바와 같다.
처리방식별 처리장수는 표준활성슬러지법에 의한 2차 처리가 7개소, 최초 침전지에 의한 1차 처리가 5개소이며, 경주시와 문의면에서 각각 혐기성 라군 및 장시간 포기법을 채택하고 있다. 또한 현재 1차 처리만 실시하고 있는 지역도 향후 단계적으로 2차 처리시설 계획에 의해 모두 표준활성슬러지법을 채택하는 것으로 되어 있어 국내 하수처리장의 대부분이 표준활성슬러지공법으로 설계되어 있음을 알 수 있었다.
표준활성슬러지법은 현재까지 세계 각국에서 사용실적이 가장 많아 충분한 기술축적 및 유지관리 시스템이 확립되어 있어 대규모 또는 중규모 도시하수 처리에 주로 채택되고 있으나 운전 및 유지관리에 고도의 기술이 요구되고 슬러지의 발생량이 많은 단점에 의해 최근 국내에서도 수정된 형태의 변법들에 대한 적용성 여부가 활발히 연구 중에 있었다.
또한 하수처리방식의 결정에 있어서도 대상지역의 물리·사회적 특성과 경제적 특성을 충분히 고려해야 하나 기존 및 계획중인 하수처리장들이 처리공정에 대한 충분한 검토없이 일률적으로 표준활성슬러지 공법을 채택하고 있고, 처리시설의 설계용량 결정에 있어서도 분뇨의 대부분이 별도로 처리되고 있는 실정을 고려하지 않은 채 외국의 예를 그대로 답습하므로써 설계상 많은 오류를 범하는 문제점을 내포하고 있었다.
특히 하수관거와 차집시설의 불량으로 인해 현재 가동중인 대부분의 하수처리장 유입하수의 농도가 설계값보다 낮은 상태에서 운전되고 있으며, 장래 건설계획중인 처리시설 또한 설계상 이러한 문제점에 대한 고려가 되어 있지 않아 설계용량과 실제 운전용량 사이에는 상당한 차이가 있을 것으로 예상됐다.
이는 기술집약적인 하수처리사업이 활발하면서도 외국의 기술을 사전에 충분한 검토 없이 도입하므로써 기술 축적이 되어 있지 않기 때문인 것으로 사료된다.
따라서 아직 하수처리사업의 초기 단계에 있는 국내 실정에 비춰 처리방식별 시설의 설계 및 운전가동에 대한 문제점 해결방안을 마련함과 동시에 기술개발 및 축적에 집중해야 했다.
상기와 같은 관점에서 건설부에서는 ′87년에 한국건설기술연구원에 ‘하수도 정책방향연구’ 라는 학술용역사업을 발주해 우리나라의 하수도사업대상지역 선정, 사업대상지역의 특성 및 하수량 선정, 투자우선순위 선정, 재정분야로서 하수도 관련사업 적정투자규모산정, 재원조달방안과 적합처리 시설분야로서 국내하수처리 현황파악, 적합처리시설선정, 하수슬러지 처리·처분, 산업폐수 및 분뇨처리방안으로서 산업폐수관리현황, 도시하수처리장에서의 산업폐수관리, 분뇨처리방안, 과거분야로서 하수배제방식, 국내적합관거계획수립, 기구조직분야, 하수처리장 운영실태 분석을 수행했다.
참고로 하수도 정책 방향 연구 그 학술용역사업에 참여진을 소개하면 환경정책·평가연구원장을 역임한 후 현재 아주대 교수로 재직중인 이상은 박사가 연구책임자였으며, 필자를 비롯한 한국건설기술연구원 연구진(현재 많은 사람이 대학교수로 활약중)과 각 분야별 전문가, 용역회사의 실무진과 전문가, 東京都 下水道局으로부터 JICA파견관인 우라야마히토시(浦山齊)와 자문위원으로서 한국종합기술공사 이범호 부사장(현 한국종합엔지니어링 회장)과 고려대 최의소 교수와 인하대학교 조광명 교수 등으로 이 사업은 많은 이들이 참여한 대형 프로젝트였다.
운영실태분야
’70∼’80년대에는 과도한 경제발전과 공업화에 의한 국민생활 수준의 향상과 더불어 생활하수와 산업폐수 및 기타 폐기물에 의한 국내 수계의 오염이 날로 심각해짐에 따라 쾌적한 환경에서 깨끗한 물을 먹고자 하는 인간본능의 욕구를 충족시키는 문제가 절실하게 대두되고 있었다.
이에 따라 정부에서는 하수도 장기 계획을 수립하여 서울의 4개 대규모 하수 처리장과 5개 대도시 하수처리장을 비롯해 중소도시 하수처리시설을 건설하고 또한 하수도시설을 건설하고 또한 하수도시설을 정비하므로써 국내 수계를 보호하고자 노력하고 있는 실정이었다.
그러나 하수도 관련사업은 막대한 예산을 필요로 하는 반면 고도의 기술이 요구되는 사업이므로 면밀한 조사와 분석 및 평가에 의해서만이 장기적인 계획수립이 가능하다. 또한 하수도본래의 사명은 사용 개시의 시점으로부터 시작되는 유지관리가 적정하게 행해지므로써 비로소 달성된다고 해도 과언이 아니다.
하수도는 일단 그 구조상 사용이 개시되면 유입한 하수는 시설을 통과하고 공공수역에 유출되지만 하수도법에서 말하는 도시의 건전한 발달 및 공중위생의 향상에 기여하는 시설이 되기 위해서는 당연한 일이나 그 전제로써 하수도의 적정한 유지관리가 이뤄지는 것이 필요하다.
하수도의 유지관리는 관로시설, 펌프장시설, 처리장시설 등의 일반시설을 그 목적에 적합하도록 유기적으로 활용해 그 기능이 충분히 발휘되도록 조정하고 하수를 지체없이 배제함과 동시에 적정하고 경제적인 처리 방법을 적용시켜 방류수의 수질을 항시 양호한 상태로 유지 관리하는데 있다.
따라서 본 과업에서 기 수립된 하수도 장기개발계획 및 기타 관련계획의 타당성과 성취가능성을 면밀히 검토, 분석해 하수처리장과 하수도 관련시설의 효과적인 운영관리를 위한 적절한 운영관리체계를 수정, 제시하고, 가동중인 하수처리장의 운영실태를 분석·파악해 향후 하수처리장의 건설 효과를 제고함과 동시에 하수처리장의 설계 기초 자료로 활용하고자 하는데 본 과업의 목적이 있다.
각 하수처리장
가동현황 문제점 및 대책방안
청계, 중랑 하수처리장
청계 하수처리장(현, 중랑 제 1처리장)
처리장유입 하수량과 하수의 수질이 표에 나타난 바와 같이 설계상의 값들과 차이가 많으며 특히 유입하수의 BOD및 SS농도가 설계 기준에 비해 낮은 이유는 차집관거의 미정비를 포함하는 관거정비상의 문제와 분뇨가 별도로 처리되는 것을 고려하지 않는 등 불합리한 원단위 산정방법을 들 수가 있다.
따라서 하루에 250 ㎘의 분뇨를 Scree ning후 혐기성 소화조에 투입시키고 있어 분뇨의 투입양상에 따라 처리장의 운전이 영향을 받아 이에 대한 자료축적이 필요하다. 그러나 혐기성소화조에 미치는 부하가 효율적인 운전에 따라 과부하상태였으나 연간 3억원의 예산이 절약됐다.
1차 침전지 1차 침전지는 하수외에 농축조 및 탈수기로부터의 반송수가 유입되고 있으며, 유입수질은 BOD=138㎎/L , SS=160㎎/L, 체류시간 1.7 시간 SS제거율 45%의 조건으로 운전되고 있다.
1차 슬러지 발생량은 567㎥/d 이며, TS 함량은 2.1 %(설계기준 =3%)다. 그러나 1차 침전지로부터의 BOD 제거에 대한 자료는 없다.
포기조 포기조의 운전상태는
- 유입 BOD = 100㎎/L
- 처리수 BOD = 17㎎/L
- 유입 SS = 88㎎/L
- 처리수 SS = 10.7㎎/L
- 용적부하 : 0.224㎏ BOD/㎥/d
- F/M 비 : 0.1 ㎏ BOD/㎏ MLSS·d
- SVI : 80m1/g
산소 소요량은 1일 11,591㎏인데 비해 공급량이 49,863㎏으로서 과잉 공급되고 있으나 DO는 2.6㎎/L로 유지되고 있어 포기장치의 산소전달 효율을 점검해 볼 필요가 있었다. 과도한 공기공급은 floc형성을 방해해 처리수의 수질을 악화시킬 가능성이 있어 조속한 조치가 요구됐다.
2차 슬러지 발생량은 1.302㎥/d, TS 함량은 0.95 %, VS/TS는 61.4 %다.
겨울철 MLSS 농도가 낮아서(2월 평균=1,655㎎/L, 년 평균=2,216㎎/L) 처리율이 저하되고 있어 이 기간 동안 고형물 체류시간(SRT)을 길게 운전해 미생물 농도를 높게 유지하면서 높은 처리효율을 얻을 수 있도록 해야 한다.
슬러지 처리 농축조 유입 슬러지의 유입량은 2,134㎥/d, TS함량은 1.37 %, VS/TS는 59%이며, 농축 슬러지의 발생량은 258㎥/d, TS함량은 4.99 %, 반송량은 1,876㎥/d, 반송수 TS농도는 408㎎/L(계산값 :8,700㎎/L)이다. 처리장 운전기록으로는 고형물질(SS)에 대한 mass balance(물질수지)를 얻을 수가 없어 자료의 신뢰도가 떨어진다.
슬러지 안정문제에 있어서는 습식산화공법을 사용하도록 되어 있으나 악위 등의 문제로 사용하지 않고 있고 중랑천 처리장(현,제2처리장)의 소화조에서 처리하고 있다. 습식산화의 운전에 많은 문제점을 경험했다. 슬러지 케이크의 발생량은 24톤/d, 함수율은 70%다.
중랑천 하수처리장(현, 중랑2처리장)
유입하수의 수질은 역시 설계 기준에 비해 떨어지나 동부위생처리장에서 습식산화된 분뇨처리수가 생하수 펌프장으로 유입되어 농축조, 소화조, 탈수기의 반송수와 같이 유입하수와 혼합된다.
- 유입유량 : 229,000㎥/d (설계:210,000㎥/d)
- 유입하수 수질 : BOD = 96㎎/L, SS =103㎎/L
- 유입수 수질 : BOD =182㎎/L, SS = 251㎎/L
1차 침전지 체류시간 (HRT)이 5시간으로 매우 길지만 SS 제거효율은 24.3 %로 낮아서 수질측정 자료를 검토해볼 필요가 있었다. 1차 슬러지 발생량은 278 ㎥/d에 TS 함량은 5.0%, VS/TS는 53.5%다. 1차 슬러지는 농축조를 거치지 않고 소화조로 보내지고 있었다.
포기조 포기조의 운전상태의 경우에 처리수는 목표수질을 만족시키고 있었다.
- 유입 BOD = 130㎎/L
- 처리수 수질 : BOD = 21㎎/L, SS = 17㎎/L
- 용적부하 : 0.69 ㎏ BOD/㎥/d
- F/M 比(비) : 0.15 ㎏ BOD/㎏ MLSS/d
- MLSS 농도 : 4,550㎎/L
- HRT : 4.55시간
- DO : 2.9㎎/L
- SVI : 115㎖/g
상기 자료들은 추정치가 대부분이고 송풍량, 유입수의 수질 등에 대한 자료가 미비한 상태여서 공기공급 상태, 처리효율 등에 대한 분석을 하기가 어려웠다. 2차 슬러지 발생량은 1,892㎥/d로 TS 함량은 1.04%다.
슬러지 처리 농축조는 2차 슬러지만을 농축한다. 농축슬러지 발생량은 293㎥/d로 TS 함량은 4.1%다. 소화조의 유입슬러지는 1차 및 2차 슬러지 543㎥/d, 분뇨 562㎥/d다. 체류시간은 33.5일이다. 소화슬러지의 발생량은 1,085㎥/d, TS 3.25%, VS/TS 56.4%다. 가스발생량은 9,038㎥/d(설계치 : 10,453㎥/d), 소화조 가온장치는 HEAT MIX UNIT를 사용했다.
문제점으로는 소화 슬러지의 TS 함량이 유입 슬러지보다 높고 VS/TS비가 1차 슬러지의 VS/TS비 보다도 낮아 제출된 자료에 강한 의구심이 들었다.
탄천 하수처리장
유입하수 유입하수의 수질이 청계, 중랑처리장과 같이 설계수질에 비해 매우 낮았으며 유량은 설계유량과 비슷했다.
1차 침전조는 대체로 양호한 상태로 운전되고 있었다. 반송수를 고려한 1차 침전조의 유입수 수질은 BOD=152㎎/L, SS=273㎎/L, 제거효율은 BOD=29%, SS=52%다.
포기조 운전조건
- HRT = 6시간
- BOD 용적부하 : 0.43㎏ BOD/㎥/d
- F/M비 : 0.178㎏ BOD/㎏ MLSS/d
산소소모량 약 4만㎏에 비해 약 9만5천㎏의 산소가 과잉 공급되고 있어 과다한 공기공급으로 인한 에너지소모와 floc 파괴 등의 문제가 발생될 수 있어 포기장치에 대한 점검이 필요하다.
처리상태는 양호한 상태였다. 처리수 수질은 BOD=18㎎/L, SS=8㎎/L, 처리수 수질분석상 오차가 있을 가능성이 있었다.
슬러지 처리 농축조에 유입유량의 3배 정도의 희석수를 사용하고 있으나 이유와 필요성이 불분명하고 희석수 사용에 의해 체류시간이 4.4시간에 불과하게 되어 과부하 상태가 예상됐다.
1차 슬러지가 농축조로 유입되게 되어 있으나, 경우에 따라서는 직접 소화조로 유입시킬 수 있는 장치가 필요했다. 소화조 운전상태는 대체로 양호했다. 체류시간은 44일, 소화슬러지 농도는 5.7%, VS/TS는 60%, ㎏ VS 제거당 가스발생량은 0.53㎥(설계기준 : 0.6㎥)다.
안양천(현, 서남) 하수처리장
유입하수 유입하수량은 시설용량 1000천㎥/일에 근접하고 있었으나 유입수수질이 설계기준값들이 50% 정도에 불과했다.
1차 침전조 현재 1차 처리만 설치되어 있고 1차 처리시설 자체로는 대체로 양호하게 운전되고 있으나 슬러지 발생량 등에 대한 자료가 부족한 상태이고 2차 처리시설이 가능한 한 빨리 건설될 필요가 있었다. 처리수 수질은 BOD=66㎎/L(제거율 =32%), SS=64㎎/L(제거율=45%), 발생슬러지 TS 함유율은 3.7%다.
슬러지 처리 농축슬러지 농도는 6.9%로 대체로 양호한 편이나 농축슬러지에 대한 정기적인 자료가 축적되지 않고 있었다.
과천 하수처리장
유입하수 분류식 하수도로 되어 있는 계획도시인 관계로 유입하수의 수질이 다른 도시와는 달리 설계수질보다 높은 상태이고 현재로서는 계획설계 유량에 못 미치는 양의 하수를 처리하고 있었다.
포기조 운전조건 현황
- BOD 용적부하 : 0.31㎏ BOD/㎥/d
- F/M비 : 0.7㎏ BOD/㎏ MLSS/d (높음)
- MLSS 농도 : 200∼3,600㎎/L (평균 : 1,100㎎/L)
- 반송슬러지 농도 : 1,200㎎/L (최대 : 4,000㎎/L)
- 처리수 수질 : BOD = 29㎎/L, SS = 23㎎/L
운전상의 문제점 슬러지 Bulking(팽화) 현상이 진행되고 있어 최대 SVI가 900mL/g이며 이에 따라 미생물의 유실이 많아 원하는 MLSS 농도를 유지할 수 없어 팽화현상에 대처해 미생물을 확보할 수 있는 방안이 조속히 마련될 필요가 있었다.
유입유량당 공기공급량이 설계기준 5.4㎥/㎥보다 높은 9.9㎥/㎥임에도 불구하고 포기조의 DO는 0.9㎎/L 정도로 낮아 송풍기의 효율을 점검할 필요가 있었다.
슬러지 팽화에 의해 운전상 많은 문제가 있는 데도 기록상 처리수의 수질은 양호한 것으로 나타나 있어 자료의 신빙성이 의심되는 상태였다.
슬러지 처리 슬러지 발생량 산정 상에 문제점이 있어 SS 제거만을 고려한 슬러지 발생량보다 실제 140㎥가 더 많은 1일 약 520㎥이 슬러지가 발생하고 있으나 발생슬러지와 슬러지 처리 공정상의 슬러지의 고형물 농도가 측정되지 않고 있어 운영상태를 파악하기 어려웠다.
☞ 다음호에 계속
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