산업발달에 따라 인구의 도시집중으로 인하여 생활기반시설이 도시로 집중하게 되었고 하수처리장이 대표적인 예이다. 일부 산간지역 및 도시지역을 제외하고 대부분 하수처리장이 설치되어 있으며, 2000년도 기준 하수도 보급율이 70%를 상회하여, 2002년말 현재 하수종말처리장 183개소에서 발생하는 하수슬러지 양은 탈수케익양 으로 5,216톤/일에 달하고 있다.1,2) 이러한 슬러지는 예전에 매립에 의존해 왔으나, 직매립금지조치가 발동되면서, 해양투기처리가 증가하고 있는 현상이 관찰되고 있으나, 런던협약의 '96년개정의정서가 발표될 경우(해양수산부에서는 2004년~2005년경으로 전망) 종합적인 평가를 통한 투기의 타당성을 제시하는 것이 필요하게 되어 해양배출이 원천적으로 어렵게 될 수 있고, 이미 선진국에서는 이에 대처하여 하수슬러지의 육상처리 및 자원화계획을 수립하여 착실히 진행되어 현재에는 거의 모든 국가가 해양투기를 금지하고 있다. 이와 같이 해양투기의 금지 및 직매립금지에 있어 슬러지처분에 대한 적정한 방안이 시급히 마련되어야 한다.
하수슬러지발생량 및 처분현황
2002년말 현재 하수종말처리장 183개소에서 발생하는 하수슬러지 양은 탈수케익 기준으로 5,216톤/일으로, 국내의 하수 및 폐수처리장에서 발생되는 많은 양의 슬러지는 대부분이 해양투기나 매립되고 있고, 일부가 자원화를 포함한 재활용화 되고 있다.3)
소각의 경우 7.5%를 차지하고 있고 국가 정책상 약 17%까지 증가시키는 것으로 계획하고 있으나, 대기오염의 우려와 막대한 시설설치비용 뿐만 아니라, 소각장 설치에 대한 민원발생으로 설치 자체가 어려운 실정이다. 또한 점점 증가하고 있는 해양배출은 73%이상을 차지하고 있지만 국제협약과 배출해양의 수질보전등의 이유로 인해 점점 축소될 수밖에 없는 상황으로 또 다른 방안을 강구하지 않으면 않되는 실정이다.
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기존 하수슬러지 처분방법의 고찰
국내외에 실용화 되어 있는 하수슬러지 처분기술은, 해양투기, 매립, 소각, 용융, 감량화, 건조, 열분해, 고화, 퇴비화등 다양하게 적용되고 있다. 여기서는 기존처분기술의 개요 및 문제점들을 정리하고자 한다.
1. 매립 및 해양투기
현재의 처리방법중에 가장 많은 처리비중을 차지하는 것은 최근에 해양투기이며, 우리나라의 동해상 2개소와 서해상 1개소의 공해상에 바지선으로 이송하여 해양에 살포하고 있다.
매립은 해양투기 다음으로 많은 량을 처분하고 있으며, 각 지자체의 생활하수처리시설에서 발생하는 것은 각 지역별의 매립장에 반입하고 있으며, 산업폐기물은 폐기물업자들이 조성한 매립장에서 처리하고 있다. 매립지에 발생하는 문제점으로는 수분함량이 높아 매립작업이 원활하지 못하여 지반다짐에 문제점을 유발시키고 있으며, 침출수 및 악취를 발생시켜 매립장에서는 반입을 좋아하지 않고 있으며, 이러한 이유로 직매립 금지되어있다.
2. 소각처리
소각은 국내에서 실용화되어 있는 기술로 해양투기와 매립에 대한 문제의 해결책으로 제시되고 있다. 90년대초에 소규모 처리용량으로 출발했으며, 대부분 유동상 및 회전상식으로 소각방법이 고찰되어 있다. 슬러지의 성상고찰에서도 전술된것과 같이 수분함량이 높고, 유기물함량이 낮은 것으로부터, 저위발열량이 낮아 초기에 설치된 처리시설은 운전상에 많은 에너지를 요구하게 되었으나 건조-소각 연계시스템의 경우에는 건조단계에서 도시에서 발생하는 폐목등을 에너지원으로 사용하게 됨에 따라 처리비를 낮출 수 있는 것으로 알려져 있어 소각의 처리비용은 37,000~90,000원/톤 정도이다. 현재 소각은 대규모처리인 경우에 건조-소각이 연계된 유동층소각시스템, 소규모인 경우에는 다양한 소각방법이 검토되고 있다.
한편 소각의 단점으로는 소각후에 남는 소각재의 처분과 소각시 발생하는 비산재 및 배기가스중의 다이옥신등에 대한 대책이 필요하여 설치비가 증대되고, 주민들의 집단민원의 대상이 되어 아직까지 소각을 기반으로 하는 처리장이 많이 없으며 하수처리장의 경우 800ton/일 정도의 량을 10여개의 소각시스템으로 처리하고 있다.
3. 건조처리
슬러지의 건조기술은 최근에 되입되고 있는 처리시스템의 하나이며, 이러한 경향은 소각시설의 설치에 대한 주민민원, 퇴비화에 있어서 수요 창출의 곤란이라는 점에서 유리한 측면이 있다. 그러나 건조시설에 있어서 수요창출에 많은 문제점을 안고 있는 것도 사실이며, 유일한 수요처는 시멘트 공장으로서 시멘트의 원료로 사용하는 것이다.
현재의 우리나라의 일부 건조시설에서 시멘트의 원료화를 목적으로 시작을 하였으나, 시멘트공장의 반입기준이 까다로와 실질적인 반입이 되지 않고 녹생토의 원료로서 사용이 되고 있다. 기본적으로는 시멘트생산공정이 근접한 지역은 적극적으로 검토가 가능한 처리방법이다. 시설의 운영에 있어서는 수분 증발을 위한 에너지비용 소요가 높으며, 건조에 의하여 건조취가 문제되는 것으로부터 이에 대한 충분한 검토가 필요하다.
4. 퇴비화
퇴비화에는 녹생토로서 이용, 지렁이사육에 의한 분변토 생산까지를 포함할 수 있다. 농업용 이용목적으로 슬러지의 자원화에 대하여 많은 검토는 되고 있으나, 각종규제에 의하여 촉진이 저해되고 있다. 즉 전술한 것과 같이 농림수산부의 비료공정규격이 원료를 규제하고 있기 때문이다. 실제 현황에는 산출이 되지 않고 있으나, 일부 농가 및 퇴비화 업체들은 하수 슬러지를 소량씩 반출하여 직접 농지에 사용하거나, 퇴비화후 판매를 하고 있는 실정이다. 법적인 면에서는 불법 이용에 해당한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 노력을 하고 있으나, 자원화측면이 강조된 각종 규제안은 아직까지 준비되어 있지 않으며, 그 전단계의 가능성있는 규제안이 준비되어 있으며(환경부;부숙토 규정, 농림수산부;읍면단위 하수슬러지), 앞으로 확대될것으로 기대한다. 퇴비화에 대한 기술은 전통적으로 농업분야에 사용한 퇴비화기술을 바탕으로 발전해 왔으며, 하수슬러지의 특성에 적당한 사이로식 및 다단회전원통식의 퇴비화 장치가 개발되어 파이롯트시설로서 운전이 성공적으로 이루어졌다. 2003년 7월의 직매립금지 조치에 대응하여 많은 지자체증에 비교적 중금속농도가 낮은 지역에서 적극적으로 검토되고 있다. 중소규모의 30ton/day 전후의 퇴비화시설이 증가해 갈 것으로 판단된다.
5. 기타 슬러지 자원화 기술
최근에 슬러지의 처리 및 자원화기술에 대하여 다양하게 제안되고 있으며, 특히 건조 및 소각재를 이용한 건축자재로서 이용이 유용한 수단으로 제안되고 있다. 아직까지 건조물에는 유기물이 다량으로 포함되어 어려운 것으로 판명되고 있으며, 소각재에 대해서는 적극적으로 검토되고 있다. 또한 하수슬러지를 이용한 탄화기술등도 개발되고 있다.
하지만 이러한 기술의 안정성이 확보되지 않아, 일본의 경우 탄화슬러지가 저장고에서 자연발화 하는 등 크고 작은 문제점이 발견되어 그 해결책을 찾아가고 있는 상황이다. 따라서 이러한 새로운 기술의 도입에 앞서 철저한 기술의 검증이 요구되며, 기존의 문제점들에 대한 철저한 검증과 대피책에 대한 준비가 요구된다. 또한 앞서 설명한 것과 같이 자원화 기술의 경우 수요처 확보가 무엇보다 중요하다는 것을 인식하고 재활용 용도에 대한 연구도 병행하여야 한다.
새로운 하수슬러지 처리기술의 필요성 및 동향
앞서 기술한 것과 같이 기존의 슬러지 처리방법으로도 매립과 해양투기를 대신할만한 대안 기술이 없고 각각의 상황에 따라 결정되어야 할 상황이다.
이와 관련하여 최근 일본에서는 하수도에서도 자원순환형사회를 위한 Zero emission(오염원 무배출) 개념을 도입하여 하수슬러지의 발생을 최대한 억제하고 궁긍적으로는 슬러지 Zero를 위한 슬러지 감량화 기술이 개발되고 실용화되어있고, 유럽 및 미국에서도 기술도입을 시도하고 있다. 국내에서도 슬러지 감량화기술에 대한 관심이 점점 높아가고 있는 상황에서 매립과 해양투기를 일부분 대신할 슬러지처리기술로써의 타당성에 대해 검토해야 할 시점에 있다고 할 수 있다. 현재 개발되어 있는 슬러지 감량화 기술은 그림1과 같이 주로 농축단계에서 발생하는 농축슬러지에 대하여 초음파, 오존, 고온호기성세균, 용균성산화제, 물리적 파쇄장치 및 이들을 조합한 감량기술등을 적극적으로 개발하고 있으며, 일부에서 상용화하여 실증플랜트에 적용되어 그 성능이 확인되고 있다.4,5)
본절에서는 슬러지 감량화 기술에 대한 소개와 운전실적에 대해 소개하고자 한다. 특히 일본하수도 사업단과 공동연구수행 실적 및 처리장 적용실적이 있는 3가지 기술(고열호기성세균, 오존처리법, 금속밀파쇄법)에 대해 기술의 특성 처리효율 등을 정리해 보았다.
1. 고열호기성세균을 이용한 감량화 기술(S-TE프로세스)
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처리법의 기본 Flow는 그림2과 같다.
기본원리는 가용화처리시설에서 약 55℃~65℃로 활성슬러지를 가열하면 활성슬러지를 보호하는 점성물질이 해체되고 고열호기성세균이 가열에 의해 활성화되어 효소를 분비하고 이 효소가 세포벽을 파괴하여 파쇄가 이루어져 원형질이 용출되고 이는 BOD성분으로 고열호기성세균이 일부 분해하고 나머지는 생물반응조로 유입되어 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지가 감량화 된다.
가용화처리시설 유입슬러지와 가용화처리후의 슬러지의 현미경 사진을 그림3에 나타내었다. 대부분의 활성슬러지플록이 해체 가용되어 있는 상태를 볼 수 있다.
2. 오존산화를 이용한 감량화 기술
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처리법의 기본 Flow는 그림4과 같다.
원리로는 오존의 산화력을 이용하여 세포벽을 산화시켜 슬러지를 가용화 시킨후 생물반응조로 유입시켜 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지가 감량화 된다. 오존산화전후의 슬러지의 현미경 사진을 그림5에 나타내었다. 대부분의 활성슬러지플록이 해체 가용되어 있는 상태를 볼 수 있다.
3. 금속밀의 마찰력 및 마찰열을 이용한 감량화 기술
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처리법의 기본 Flow는 그림6과 같다.
원리로는 잉여슬러지를 농축후 금속밀파쇄기에 유입시키고 금속밀을 상호유동시켜 볼과 볼사이의 마찰력과 마찰열에 의해 활성슬러지의 세포벽을 강제적으로 파쇄하여 가용화시킨후 생물반응조로 유입시켜 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지가 감량화 된다.
각 처리법의 처리성능
각 처리법 중 일본하수도 사업단과의 공동연구를 수행한 고열호기성 세균을 이용한 감량화기술과 오존산화를 이용한 감량화기술에 대해서 정리하여 보았다. 본 실증실험은 실규모처리장을 대상으로 기존계열과 감량화계열을 약3년간 비교 운전하였다. 대상처리장의 유입조건 및 운전조건을 다음 표2에 나타내었다.
각 처리장 공통으로 2계열화 되어 있어 실증실험기간동안 완전계열화분리 운전(잉여슬러지 및 반송슬러지의 계열별 운전)을 수행하였고, 잉여슬러지 발생량은 탈수전의 잉여슬러지농도 및 잉여슬러지양을 기준으로 각 계열별로 계산하였다.
반응조내 MLSS농도차에 의한 슬러지발생량의 차이를 구분하기 위하여 실험전 MLSS농도와 실험종료시 MLSS농도를 측정하여 계산하였다.
1. 고열호기성 세균을 이용한 감량화기술의 처리성능
고열호기성 세균을 이용한 감량화기술은 전반기 1년은 감량화율 60%이상을 목표로 저부하 운전조건으로 후반기 2년은 감량화율 90%이상을 목표로 하는 고부하 운전조건으로 가동하였다.
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3년간 운전결과를 그림7에 나타내었다. 전반기 1년간의 평균감량화율이 64%로 목표이상을 달성하였으나, 후반기2년은 감량화율이 89%로 목표율에 비해 약간 감소하였다.
2. 오존산화를 이용한 감량화기술 처리성능
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오존산화를 이용한 감량화기술 감량화율 99%를 목표로 3년간 가동하였다. 3년간 운전결과를 그림8에 나타내었다. 3년간 평균감량화율이 90%로 목표율에 비해 약간 저조하였다.
3. 슬러지 감량화기술 도입에 따른 처리수질에의 영향
슬러지의 감량화란 잉여슬러지 발생량을 저감시키는 것으로, 잉여슬러지배출에 의해 제거되는 인 및 질소 그리고 COD성분 등의 제거효율이 저하될 수 있다. 다만 가용화된 슬러지중의 질소의 경우 생물반응조로 유입되어 질화 및 탈질에 의해 질소제거가 이루어지기 때문에 인 및 COD에 비해서는 영향이 상대적으로 적다.
한편 인의 경우는 잉여슬러지배출외에는 제거될 수 없기 때문에 감량화율이 클수록 인제거효율의 저하정도는 크게되어 약 40~80%정도까지 저하되어, 인제거가 필요한 경우에는 응집제 투입등의 후단처리가 필요하게 된다. 한편 COD의 경우에는 약 10 ~40%정도 제거효율이 감소되지만, 생물반응조의 SRT가 길수록 그 영향은 감소되어, 위 실증실험기간동안은 평균 15%정도의 제거효율이 감소되었다.
맺음말
슬러지 감량화기술은 위에서 언급한 기술 이외에도 여러 가지의 복합공정의 결합기술의 개발로 보다 나은 경제성과 효율의 향상이 기대되는 기술로, 소각등과 같이 주민의 민원 등의 문제가 없고, 2차처분의 고려가 불필요 하다.
따라서 매립, 소각, 해양투기 등으로 대표되는 슬러지 처리기술의 또다른 하나의 방안으로 선택의 폭을 넓힐 수 있으리라 사료된다.
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