2.1. CaCO₃ 주입에 따른 슬러지 탈수효율 평가

CaCO₃ 주입에 따른 슬러지 탈수효율 평가를 위한 실험 조건 및 실험실 규모 필터프레스의 사양을 Table 1, 2에 나타내었다. 실험에 사용된 잉여슬러지의 농도는 개인오수 처리시설 평균 농축 슬러지 MLSS 농도인 10,000 mg/L로 하였으며, CaCO₃ 주입비율을 1:1, 1:1.2, 1:1.5, 1:2, 1:3 (Sludge : CaCO₃, wt)로 설정하였다. 또한 Jar-tester를 이용 하여 슬러지와 CaCO₃가 완전 혼합되도록 하였으며, CaCO₃ 주입에 따른 슬러지 변화를 분석하기 위하여 EPS (Extracellular polymeric substances)를 측정하였다. EPS는 미생물 표면 체외고분자 물질로써 미생물 흡착에 중요한 역할을 하며, EPS농도가 높을수록 막오염 현상이 발생하는 것으로 보고하고 있다(^{Kim, 2005}). 따라서 본 연구에서는 칼슘흡착 에 의한 EPS농도를 분석함으로써 슬러지 표면변화 여부와 필터프레스의 적용가능성을 확인하였다.

2.2. 탈수공정 적용에 따른 고도처리공정 개선 평가

탈수여액 주입에 따른 고도처리공정 개선평가를 위하여 Lab. scale A²/O 반응기를 제작하였으며, 설계인자 및 모식 도를 Table 3 및 Fig. 1에 나타내었다. Lab. scale 반응기는 개인하수처리시설 내 설치하여 실 폐수로 운전하였으며, 탈 수공정의 적용 전, 후로 고도처리공정 개선 여부를 평가하 였다. 또한 Lab. scale 결과를 바탕으로 현장 적용성 평가 를 위하여 경기도 내 위치한 휴게소 개인하수처리시설에 1 m³/day 처리용량의 필터프레스와 2 m³ 용량의 약품 혼합 농 축조를 설치하여 운영하였으며, 탈수여액의 여액의 경우 알 칼리도 보조제로 활용하기 위하여 무산소조로 주입하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of process.

2.3. 수질분석방법

시료 분석은 매일 동일한 시간에 실시하였으며, 시료의 항목별 분석 방법은 Standard Methods (^{APHA, 2012})를 참 고하여 분석하였다. 또한 탈수케익 함수율 분석의 경우 105°C오븐을 이용한 무게분석으로 측정하였고, 48시간이상 건조하였다. EPS의 경우 Phenol-Sulfuric acid 방법을 이용 하였으며, Glucose를 표준물질로 하여 흡광도 490nm에서 측정하였다(^{Dubois et al., 1956}). 또한 CaCO₃ 주입에 따른 슬러지 표면변화 여부를 평가하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope)과 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 를 이용하여 슬러지 표면특성을 측정하였다.

3.1. CaCO₃ 주입에 따른 슬러지 표면변화 및 탈수효율 평가

CaCO₃ 주입에 따른 슬러지표면 변화 및 탈수효율에 따 른 실험결과를 Table 4와 Fig. 2에 나타내었다. 탄산칼슘 주입비율 증가에 따라 탈수케익의 함수율은 각각 86, 78, 64, 58, 54%로 감소하였고, 또한 EPS, SEM 및 EDX 결과 CaCO₃ 주입에 따라 EPS 감소와 슬러지 표면이 변화된 것 으로 나타났으며, 이는 미생물 플록구조의 음전하와 무기성 입자 및 양이온에 대한 상호작용으로 인한 연구결과와 유 사한 것으로 나타났다(^{Beveridge and Murray, 1980}; ^{Urbain et al., 1993}).

Fig. 2. Analysis result of sludge SEM and EDX.

^{Choi (2013)}의 연구에 따르면 Ca²⁺이온이 미생물표면에 Bio-sorption되어 기질 및 영양염류 제거효율이 감소된다고 보고하고 있어 미생물에 의한 칼슘 흡착가능성을 제시하였 다. 또한 ^{Lee (2000)}의 연구에서는 굴 폐각 내 존재하는 칼 슘이온을 이용한 정수슬러지 탈수효율 평가 결과 굴 폐각 주입증가에 따라 슬러지 표면변화 및 탈수효율이 증가하는 결과를 보고하고 있으며, 또한 ^{Lee (2009)}의 연구결과 FeCl₃ + Ca(OH)₂ 주입에 따른 탈수케익 함수율 평가결과 Ca(OH)₂ 의 주입량이 증가할수록 함수율은 감소하는 것으로 보고하 고 있다. 이러한 연구결과들은 칼슘주입에 따른 슬러지 표 면 변화가능성 및 탈수효율 증가에 대하여 본 연구 결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 폐수처리 과정에서 발생되는 슬러지의 탈수성은 슬러지의 종류 및 성상에 따라 다르게 나타나며, 주입약품의 종류, 주입량, 슬러지의 입도분포, 밀 도, pH, 온도 및 혼합강도 등 운전조건의 영향인자에 따라 크게 좌우되므로 운전조건을 최적화 할 필요성이 있다(^{Yim and Jung, 1988}; ^{Yoon et al., 1992}). 또한 본 연구결과에서 탈수공정에 적합한 최적 CaCO₃의 주입량을 도출하기 위하여 폐기물 관리법 내 탈수케익의 재활용 기준을 적용하였으며, 그 결과 CaCO₃의 최적 주입량은 1:2로 나타났다(^{MOE, 2015}).

3.2. 반류수 및 탈수여액 평가

기존 휴게소 개인하수처리시설에서 발생되는 잉여슬러지 와 화학슬러지는 슬러지 농축조에서 농축과정을 거치게 되 는데 이때 발생되는 상등수는 대부분 유량조정조로 반송된 다. 따라서 기존처리공정 내 발생하는 반류수와 탈수여액이 생물학적 처리공정 내 미치는 영향을 비교하였으며, 그 결 과를 Table 5에 나타내었다.

반류수 수질분석 결과 알칼리도의 평균농도는 102 mg/L as CaCO₃로 나타났으며, BOD₅와 TSS의 평균농도는 각각 21.4, 54 mg/L로 분석되었다 또한 탈수여액의 평균 알칼리 도 농도는 195 mg/L as CaCO₃로 분석되었으며 BOD₅와 TSS의 평균농도는 각각 29.8, 16 mg/L로 나타났다.

반류수와 탈수여액의 농도를 비교한 결과 알칼리도는 탈 수여액이 반류수보다 평균 1.9배(102-195 mg/L) 높은 것으 로 나타났으며, ^{Kim (2013)}의 연구결과 탈수여액과 하수를 1:1로 혼합할 경우 탈수여액 내 알칼리도(HCO₃^-)에 의해 질산화 속도가 향상된 것으로 보고하고 있다. 이에 따라 탈수공정 적용을 통해 발생되는 탈수여액을 고도처리공정 내 유입함으로써 탈수여액 재활용 및 고도처리공정 개선방 안으로 적용이 가능 할 것으로 판단된다. TSS의 경우 반류 수가 탈수여액보다 3.2배(16-54 mg/L) 높은 농도를 보이고 있으며, 본 연구에서는 탄산칼슘 주입에 따른 슬러지 표면 변화와 필터프레스를 통해 탈수여액 내 TSS 농도를 감소 시킴으로써 기존 반류수에 대한 오염부하량을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 TBOD₅의 경우 탈수여액과 반 류수의 농도가 각각 평균 29.8 및 21.4 mg/L로써 유사한 값을 보이고 있다.

3.3. Lab. scale 탈수공정 적용에 따른 고도처리공정 개선 평가

3.3.2. 유기물 및 영양염류 제거특성 평가

Mode별 유기물 및 영양염류 제거특성을 평가하였으며, 그 결과를 Table 7 및 Fig. 3에 나타내었다. Mode 1의 유입 수 및 방류수 BOD₅의 농도는 평균 286.3 mg/L와 5.7 mg/L 로 측정되었으며, Mode 2의 경우 평균 398.9 mg/L로 유입 되어 4.3 mg/L로 방류되는 것을 알 수 있다. 또한 Mode 1 에서의 NH₃-N의 제거특성은 104.8 mg/L로 유입되어 평균 1.9 mg/L로 방류되는 것으로 나타났으며, Mode 2에서는 평균 117.8 mg/L로 유입되어 0.8 mg/L로 방류되는 것으로 확인되었다. Mode 1의 질소제거효율 평가결과 방류수 내 잔류 암모니아성 질소가 존재하는 것을 알 수 있으며, 이 는 유입수 내 알칼리도가 부족할 경우 질산화 효율이 저하 되어 방류수 내 잔류 NH₃-N 농도가 존재하는 것으로써 ^{Lee (2012)} 연구결과와 유사한 경향을 보이고 있다. 또한 Mode 1의 NO₃^--N의 경우 무산소조에서 평균 5.3 mg/L를 보이고 있으며 포기조 내 평균 17.4 mg/L의 농도로 분석되 었다. 또한 Mode 2에서는 무산소조 및 포기조에서 각각 평균 2.4 및 8.9 mg/L로 측정되어 Mode 2의 경우 Mode 1 보다 탈질반응이 원활하게 이루어진 것으로 판단된다.

Table 7. The characteristics of effluent concentration in lab-scale reactor

Parameter	Effluent concentration, mg/L
	Mode 1			Mode 2
	Max.	Min.	Ave.	Max.	Min.	Ave.
TBOD5	9.2	3.8	5.7	5.6	3.1	4.3
NH3-N	2.8	1.3	1.9	1.6	0.4	0.8
NO3--N	19.9	14.9	17.4	11.2	8.0	8.9

Fig. 3. Organic matter and nitrogen removal efficiencies in the lab-scale reactor.

3.4. 탈수공정의 현장적용에 따른 고도처리공정 평가

3.4.2. 유기물 및 영양염류 제거효율 평가

Mode 별 처리공정 내 유기물 및 영양염류 특성을 Table 9 및 Fig. 4에 나타내었다. Mode 1 유입수 내 BOD₅의 경우 평균 359.8 mg/L로 유입되어 평균 7.3 mg/L로 방류되는 것 으로 측정되었다. 또한 NH₃-N는 평균 80.3 mg/L로 유입되 어 1.7 mg/L로 방류되었으며, 반응조 내 잔류 NH₃-N 농도 가 존재하는 것으로 나타났다. 또한 무산소조 및 포기조 내 NO₃^--N의 평균 농도는 각각 6.2 및 18.9 mg/L로 나타났다.

Table 9. The Characteristics of effluent concentration in a test bed

Parameter	Effluent concentration, mg/L
	Mode 1			Mode 2
	Max.	Min.	Ave.	Max.	Min.	Ave.
TBOD5	9.8	4.2	7.3	7.7	3.8	6.0
NH3-N	3.0	1.3	1.7	1.5	0.2	0.8
NO3--N	19.4	16.4	18.9	10.9	7.1	9.0

Fig. 4. Organic matter and nitrogen removal efficiencies in a test bed.

Mode 2의 경우 평균 420.2 mg/L의 농도로 유입되었으 며, 6.0 mg/L의 농도로 방류되는 것으로 확인되었다. 또한 유입수 및 방류수의 NH₃-N의 평균농도는 각각 88.0, 0.8 mg/L 로 측정되었으며, NO₃^--N의 경우 무산소조 및 포기조에서 각각 평균 2.2 mg/L 및 9.0 mg/L로 나타났다.