2.1 공기공급량 산정

본 연구에서 유입수질 기반 산소요구량 산출 및 송풍량을 산출하기 위하여 하수처리장 설계 시 사용되어지고 있는 송풍량 계산식은 Fig. 1과 같다. 송풍량 산정식은 하수도 시설기준^{(KWWA, 2011)}의 식을 활용 한 것이며, 유입하수의 BOD (Biological Oxygen Demand), T-N (Total Nitrogen), 유량, 암모니아(NH4), MLVSS (Mixed Liquor Volatile Suspended Solid), DO (Dissolved Oxygen) 등 다양한 수질을 기반으로 유기물 산화, 질산화, 내생호흡, 용존산소 유지에 필요한 산소요구량을 산출하며, 온도 및 수심과 같은 다양한 변수조건을 고려하여 송풍량을 산정하게 된다.

유입수질 기반 공기공급량은 그림 1과 같이 산정된다. 공기공급량은 하수도 시설기준^{(KWWA, 2011)}에 따라 유기물 산화에 필요한 산소요구량(Oxygen Demand, OD1), 질산화(Nitrification)에 필요한 산소요구량(OD2), 미생물 내생호흡에 필요한 산소요구량(OD3), 반응조 내 용존산소 유지에 필요한 산소요구량(OD4)으로 하수처리에 필요한 총 산소요구량(Total Oxygen Demand, TOD)을 산출하게 된다. 반응조 내 수온, 수심과 같은 현장의 변수조건을 고려하여 실제 산소요구량(Actual Oxygen Demand, SOD)을 산출하고, 산소에 관련된 변수들을 고려하여 송풍량(Aeration Volume)을 산정하게 된다.

2.2 총 산소요구량(Total Oxygen Demand, TOD)

총 산소요구량(Total Oxygen Demand, TOD)은 하수처리장 내 생물반응조에서 미생물들의 유기물 산화(OD1), 질산화(OD2), 내생호흡(OD3), 용존산소 유지(OD4) 반응에 필요한 이론적인 산소요구량의 합이다. 각각의 산소요구량은 Eqs. (1) ~ (4)로 산출이 가능하며, Eq. (5)와 같이 이들의 합을 통해 총 산소요구량이 산출된다^{(KWWA, 2011)}.

2.86 = 제거 BOD당 필요산소량(kg·BOD/kg·NOx)

0.6 = 단위 BOD제거에 필요한 산소량(kg·O$_{2}$/kg·BOD)

C = 제거 BOD량(kg/day)

N = 탈질량(kg/day)

4.57 = 질산화 반응에 따라 소비되는 산소량(kg·O$_{2}$/kg N)

CTN = 질산화 대상 질소량(kg/일)

B = 단위 MLVSS당 내생호흡에 필요한 산소소비량(kg·O$_{2}$/kg MLVSS)

V = 반응조 부피(㎥)

X = MLVSS 농도(mg/L)

DOaerobic = 호기조의 용존산소농도(mg/L)

Q = 유입유량(㎥/day)

R = 내부반송율(%)

r = 외부반송율(%)

총 산소요구량(TOD, kgO$_{2}$/day)

2.3 실제 산소요구량(Actual Oxygen Demand, AOD)

실제 산소요구량(Actual Oxygen Demand, AOD)는 이론적 산소요구량인 총 산소요구량(TOD)에 산소포화농도, 수심, 수온, 산소전달계수(Volumetric Oxygen Transfer coefficient)등과 같은 실제 하수처리장 현장의 변수를 고려한 Eq. (6)을 통해 실제 필요한 산소요구량을 산정하게 된다^{(KWWA, 2011)}.

실제 산소요구량(SOD, kgO$_{2}$/day) =

TOD = 총 산소요구량(kgO$_{2}$/day)

Csw = 표준상태(20°C)의 산소포화농도(mg/L)

γ = 수심에 따른 보정계수

α = 산소전달계수(KLa) 보정계수

T = 실제온도(°C)

β = 산소포화농도 보정계수

Cst = 실제 반응조 수온의 산소포화농도(mg/L)

Ca = 반응조 내 용존산소 농도(mg/L)

2.4 송풍량(Aeration Volume)

송풍량(Aeration Volume)은 산소 전달율, 공기의 밀도, 공기 중 산소 함유 중량과 같은 공기 및 산소에 관련된 변수를 고려하여 Eq. (7)을 통해 표현된다. 송풍량 산정을 통해 하수처리장 내 Blower Control의 기준을 결정하게 되며, 최종적으로는 유입수질에 따른 Blower Control의 기준이 되는 가장 중요한 항목이다.

SOD = 실제 산소요구량(kg·O$_{2}$/day)

T = 실제온도(°C)

L = 여유율(%)

Ea = 산소전달율(%)

1.293 = 공기의 밀도(kgO$_{2}$/N㎥)

0.232 = 공기 중 산소함유 중량(kgO$_{2}$/N㎥)

2.5 유입 수질 기반 공기공급량 현장 적용

유입수질 기반 공기공급량의 송풍량 절감 효율을 분석하고자 MLE 공법을 적용한 서울특별시의 A 하수처리장을 대상 하수처리장으로 선정하였다. 송풍량 산정을 위해 A 하수처리장의 2021년 4월 1일부터 4월 30일까지 총 30일간의 수질 데이터를 사용하였다. A 하수처리장은 일일 최대 약 900,000 ㎥/d의 대용량의 하수를 처리할 수 있는 용량으로 설계되었으며, 약 490,213 ㎥/d의 용량의 제1처리장과 약 410,718 ㎥/d 용량의 제2처리장을 동시에 운영하고 있어 안정적으로 하수를 처리하고 있다. 본 연구에서는 제1처리장을 대상으로 유입하수 기반 Blower Control Logic을 적용하여 송풍량 산정을 실시하였으며 실제 하수처리에 필요한 송풍량을 계산하였다. 연구기간 동안 A 하수처리장 포기조의 평균 DO 농도는 안전율을 고려하여 2.0 mg/L보다 높은 3.0 mg/L가 되도록 유지하도록 하였으며, 유입유량, 송풍량, 수온, pH 등 하수처리장 운영현황은 Table 1에 자세히 나타내었다. 평균유량은 405,113 ㎥/d으로 나타났으며 설계 용량보다 적게 유입되었으므로 안정적으로 하수처리가 이루어 진 것으로 확인 할 수 있었다. 4월 월간 수질데이터를 통하여 OD1, OD2, OD3, OD4를 산출하고 산소요구량을 산출하였다. 산정된 산소요구량을 통해 하수처리장에 필요한 송풍량을 산정하였으며, 송풍량 산정을 통해 계산된 송풍량과 하수처리장의 실제 송풍량을 Eq. (8)에 대입하여 송풍량 절감율을 분석하였다.

A : 계산 송풍량(N·㎥/day)

B : 실제 송풍량(N·㎥/day)

3.1 A 하수처리장 월간 수질 데이터 분석

본 연구에서는 서울시의 A 하수처리장의 4월 월간 하수 수질 자료를 대상으로 공기공급량을 산정하였다. 송풍량 산정 기간 동안의 A 하수처리장 수질을 분석하였으며, 수질데이터를 Table 2에 자세히 나타내었다. 평균적으로 A 하수처리장에서는 BOD$_{5}$는 99.0 % 제거하였으며, TOC는 94.3 %, SS는 98.47 %, T-N는 73.64 %, T-P는 99.03 %의 제거효율을 기록하였다. 분석기간 동안의 수질은 신뢰성이 높은 데이터로서 본 연구에 적용하기에 적합한 것으로 볼 수 있다.

3.2 A 하수처리장 총 산소요구량(SOD) 산출

운영기간의 수질 데이터를 통해 산출된 산소요구량을 Fig. 2에 자세히 나타내었다. 하수처리장 생물학적 공법에서 활성슬러지가 하수 속의 유기물질의 농도인 BOD를 섭취하여 저분자 물질로 분해하는 과정에 필요한 산소량과 암모니아성 질소(NH4)를 질산성 질소(NO3)로 산화시키는 질산화(T-N) 공정에 필요한 산소량, 미생물이 생존을 위해 내생호흡에 필요한 산소량과 미생물이 산소를 전자수용체로 활용하여 유기물을 산화시키기 위해 포기조 내 용존산소(Dissloved Oxygen, DO)를 적절한 농도로 유지하기 위하여 요구되는 산소량을 산출하였다.

송풍량 산정 결과 유기물 산화와 질산화에 필요한 산소요구량은 매일 유입되는 BOD 및 T-N 농도에 따라 달라지는 경향을 보이고 있으며, 내생호흡과 용존산소 유지에 필요한 산소요구량은 공정변화의 인자로서 산소요구량이 일정하게 유지되는 것으로 분석되었다. 내생호흡의 주요 인자인 MLVSS 농도는 일정하게 유지되었으므로 큰 변동을 보이지 않았으며, 본 산정식에서는 포기조 내 필요한 용존산소는 질산화가 일어나기 위한 최소 농도인 2 mg/L로 가정되었기 때문에 용존산소에 필요한 산소요구량 또한 일정하게 유지하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 유기물 산화 및 질산화에 필요한 산소요구량은 유입수질에 따라 달라지므로, 하수처리장에서 요구되는 산소량은 유입수질에 큰 영향을 받는 것으로 볼 수 있다^{(Kim et al., 2013)}. 총 산소요구량은 그래프에서 노란색 테두리(빨간색)로 표시된 질산화 과정에서 요구되는 산소요구량이 가장 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 보아, 질산화시 가장 많은 양의 산소를 요구하게 되는 것으로 볼 수 있다.

3.3 A 하수처리장 실제 산소요구량(AOD) 산출

생물학적 공정에서 요구되는 총 산소요구량(TOD)에 실제 수온, 산소포화농도, 수심, 용존산소 농도와 같은 변수조건을 고려한 실제 산소요구량(AOD)을 Fig. 3에 자세히 나타내었다. TOD는 AOD과 동일한 경향을 보이고 있으나, 실제 하수처리장의 변수인 수온, 산소포화농도와 같은 영향인자들이 고려되었기 때문에 전체적인 산소요구량은 증가하는 경향을 보이고 있다. 이를 통해 실제 하수처리장에서는 이론적 산소요구량 보다 더 많은 양의 산소를 요구하게 되는 것을 알 수 있다. TOD가 가장 높은 4월 12일에는 116,317 kg의 산소를 요구하고 있지만 하수처리장의 수온과 같은 변수를 고려하게 된다면 실제로는 172,093 kg의 산소가 필요하다는 결과를 얻었다. 이론적으로는 116,317 kg의 산소가 요구되지만, 실제로는 55,775 kg의 산소가 더 필요한 것으로 분석되었다. 현장의 변수는 매일 달라지게 되므로 이론적 산소요구량과 실제 산소요구량의 차이는 일정하지 않다는 것을 확인하였다. A 하수처리장에서는 일평균 TOD는 104,576 kg이며, SOD는 153,500 kg으로 약 48,924 kg의 산소를 더 요구하는 것으로 나타났다. 이는 실제 반응조의 수온, 수온에 따른 산소포화농도, 수심, 실제 수중의 용존산소 농도와 같은 현장의 변수들이 고려되었기 때문에 요구되는 산소량이 증가하는 것으로 판단된다. 이를 통해 실제 현장에서는 이상적인 조건에서 필요한 산소요구량인 TOD보다 더 많은 양의 산소를 요구하는 것으로 볼 수 있다. 또한 현장의 변수를 고려하기 때문에 매일 요구되는 산소량 또한 차이를 보이게 된다.

3.4 A 하수처리장 공기공급량 산정 및 비교

하수처리장 내 실제 산소요구량(AOD)에 산소전달율, 공기 밀도 등 공기 및 산소와 관련된 변수들을 고려하여 Blower Control의 기준인 송풍량을 산정하게 된다. A 하수처리장에서 유입수질에 따른 하수처리장 내 필요한 송풍량을 산정하였으며, 실제 A하수처리장에서 사용된 송풍량과 비교한 결과를 Fig. 4와 Table 3에 자세히 나타내었다. 그래프에서 빨간색의 Actual은 실제 하수처리장에서 운영된 송풍량을 나타내었으며, 검은색의 Calculated는 Logic을 통해 계산된 송풍량을 나타내었다. 실제 송풍량은 계산된 송풍량과 차이를 보이고 있음에 따라 유입수질과 관계없이 실제 필요한 송풍량보다 과폭기하여 송풍기를 운영하고 있는 것으로 판단된다.

송풍량 산정 결과 A하수처리장에서는 1일부터 30일까지 송풍량을 모두 더해 평균한 결과 일평균 1,612,072 N㎡/day의 송풍량이 필요한 것으로 분석되었으며, 실제 하수처리장에서는 1,827,911 N㎡/day의 송풍량을 운영함에 따라 215.839 N㎡/day의 송풍량 차이를 보이고 있다. 이를 통해 평균적으로 A 하수처리장에서는 송풍기를 과폭기로 운영하고 있으며, 약 12 % 정도 송풍량을 절감 할 수 있을 것으로 나타났다. 이를 통해 실제 하수처리장에 유입수질 기반 Blower Control Logic을 개발하여 적용하게 된다면 하수 처리효율은 안정적으로 유지할 수 있으며, Blower Control을 통해 송풍량 절감을 통해 불필요한 에너지 및 탄소 발생 저감이 가능한 것으로 판단된다.