2.1. Lab-scale MSBR 운영

본 연구에 사용된 MSBR 반응조는 철제로 제작한 일반 적인 SBR 반응조로서 유효용량 9 L(40 cm × 59 cm × 4 cm) 이며 8 hr/cycle로 설정하고 하루에 3 cycle을 운전하여 처 리유량은 27 L/d이었다. 1 cycle의 구성을 Fill-Anoxic-Oxic- Decant-Idle로 하였으며 한 cycle에서 무산소조건 4 hr, 호 기조건 2 hr으로 운전하였다. SBR 반응조내에 평막을 침지 하였는데 별도의 침전 시간 없이 호기조건 후반부에 membrane을 이용하여 연속적으로 배출하였다.

특히 호기조건 후반에 실시간으로 전기전도도를 측정하여 미리 설정되어 있는 전기전도도와 인 농도와의 상관관계에 따라 적정량의 응집제를 주입시켰다. 사용한 응집제는 PAC (17%)로써 이를 3400배 희석하여 50ppm으로 사용하였으며 서로다른 인 농도에 대해 Jar-test를 하였다. 전기전도도에 의해 산출되는 인 농도에 대한 최적량의 응집제를 주입하기 위해 주입펌프속도와 자동제어프로그램(S/W)의 control options 의 값들을 조정하였다. 실험 초기에 값들을 조정해두면 차후 로는 그대로 사용하되, 주기적으로 calibration해주었다. 약 품주입으로 인한 슬러지발생량은 자동제어로 인한 응집제 주입량이 변동적이기 때문에 계산에 필요한 값들은 평균값 을 사용하였으며, 0.004437 kg/d로 계산되었다(Fig. 1).

Fig. 1. A diagram of coagulation control system in Lab-scale MSBR process.

본 연구에 이용한 Lab-scale에서 유입수는 합성폐수로써 일반적인 소규모 마을하수처리시설의 유입수 농도와 유사 하게 제조하였다. Table 1에서 보이는 바와 같이 유입수 농 도는 평균 COD 245 mg/L, BOD 112 mg/L, T-N 35 mg/L, T-P 5 mg/L로 분석되었다. 반응조의 MLSS는 평균 2,100 mg/L, MLSS/MLVSS 비는 0.5로 유지되었고 F/M비는 0.1, 온도는 21°C이었다(Table 2).

2.2. Full-scale MSBR 운영

본 연구에서 사용된 Full-scale은 A시에 위치한 소규모 마 을하수처리시설을 본 연구의 lab-scale에서 적용한 MSBR 공 정과 동일한 공정 및 운전방법이 가능하도록 개량한 시설로 서 처리용량은 60 m³/d 이다. 전체 시설은 두 개의 SBR 반응조 로 구분하였고 반응조 후단에 별도의 한 지의 membrane 반응 조를 설치하여 각각의 SBR 반응조에서 유출된 처리수가 교 대로 배출되도록 운전하였다. 1개의 SBR 반응조의 크기는 32 m³ (4.1 m× 1.7 m× 4.6 m), 유효용량 27.88 m³ (4.1 m × 1.7 m × 4 m), 처리용량 10 m³ (4.1 m × 1.7 m × 1.43 m)이며 2개 SBR 반응조의 처리유량을 합하여 60 m³/d로 설계하였다. 1 cycle 의 구성은 Lab-scale과 동일하게 Fill - Anoxic - Oxic - Decant - Idle로 하였으며, 각 SBR 반응조 cycle은 현장조건상 연속 배출을 위해 6 hr으로 하루 4 cycle로 운전하였다(Fig. 2). Fig. 3(a)는 전기전도도 값을 읽고 인 농도를 자동 계산하여 보여주는 화면이고, (b)는 인 농도를 계산하는 데에 있어서 필요한 설정 값(유출수 목표농도, 생물학적으로 제거된 인 농 도, 전기전도도를 읽는 간격 등)을 수정할 수 있는 화면이다.

Fig. 2. A diagram of coagulation control system in Full-scale MSBR process.

Fig. 3. A screen of coagulation control system in Full-scale MSBR process.

현장시설은 실내 실험과 동일하게 운전하였고 현장 PLC 에 별도로 제어시스템을 설치하여 인 제거를 위한 응집제 주입량을 자동제어하였다. 약품주입으로 인한 슬러지발생 량은 Lab-sale과 마찬가지로 계산에 필요한 값들은 평균값 을 사용하였으며, 5.967 kg/d로 계산되었다. 현장의 유입수 농도는 Table 3에서 보이는 바와 같이 평균 CODcr 168 mg/L, BOD 43 mg/L, T-N 43 mg/L, T-P 4 mg/L으로 실험 실 운전조건보다는 유기물질 농도가 비교적 낮은 수질로서 전형적인 농촌형 하수처리시설의 저부하 조건을 나타내고 있었다.

MSBR 반응조는 사각완전혼합형으로 체적 28 m³이며 반응 조 수심은 고수위일 때 4 m로 설계하였다. 가능한 운전 조건을 실내 실험 조건과 유사하도록 설계하였는데, MLSS는 평균 4,073 mg/L, MLVSS/MLSS 비는 0.6으로 유지되었고 F/M 비는 0.05 (kgBOD/kgMLVSS·d), 온도는 22°C로 운전되었 다. 하수처리시설의 유입조건에 따라 일부 운전조건은 실내 실험 운전조건과 다소 상이한 결과도 있었다. 모든 분석은 수질오염공정시험법(^{MOE, 2011})과 미국의 Standard Method (^{APHA, AWWA, and WEF, 1995})에 따라 수행되었다.

3.1. 전기전도도와 인 농도의 상관관계

Lab-scale에서 Track study를 통해 전기전도도와 T-P 농 도와 응집제 주입량과의 상관관계를 검토한 결과 일정한 상관성을 갖고 있는 것으로 확인되었다(Fig. 4). 동시에 Full-scale에서도 전기전도도와 응집제주입량의 상관관계를 확인해 보았을 때 R²=0.92로 나타나 상관성이 비교적 높다 는 것을 알 수 있었다(Fig. 5). 이와같은 결과는 ^{Kim (2012)} 등이 총인 제거를 위해 자동제어 공정을 적용한 결과 90% 의 오차범위에서 일정한 T-P 농도 값을 나타냈으며 통계 분석 결과 상관계수 0.05에서 유의수준을 보이고 있었던 결과와 본 연구결과가 유사한 것으로 분석되었다.

Fig. 4. Correlation of EC, PO4-P, T-P and coagulant dosage in Lab-scale MSBR process.

Fig. 5. Correlation of EC and coagulant dosage in Full-scale MSBR process.

3.2. 자동 인 응집 제어 시스템 적용 전·후 T-P 제거효율

Lab-scale에서 자동제어시스템 적용 전 6월 중순부터 정해 진 양의 응집제를 주입하였고, 9월2일부터 자동제어시스템 을 적용하여 응집제를 주입하기 시작하였다. Fig. 6에서 보 이는 바와 같이, Lab-scale에서 자동 인 응집제어시스템 적용 하기 전 방류수의 T-P와 PO₄-P 농도는 각각 평균 2.30 mg/L, 1.94 mg/L이었으나 9월2일부터 적용한 후에는 평균 0.26 mg/L, 0.22 mg/L으로 T-P와 PO₄-P 제거효율은 각각 68%, 57%에 서 적용 이후에는 94%, 93%로 개선되었다.

Fig. 6. T-P concentration of influent and effluent w/w in Lab-scale MSBR process.

Table 4에서 보이는 바와 같이 자동 인 응집제어 전 방류 수 T-P 농도의 범위 0.43~5.36 mg/L, 표준편차 1.66 mg/L 로 그 변화 폭이 크고 평균농도도 2.3 mg/L로 큰 반면, 자 동 인 응집제어 후 방류수 T-P농도의 범위 0.15~0.39 mg/L, 표준편차 0.08 mg/L로 그 변화가 작은 편이며 평균농도도 0.26 mg/L로 방류수의 T-P농도가 안정적이고 일정하게 처 리되는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 ^{Yoon (2013)} 의 응집제 주입종류에 따른 인 제거특성의 연구결과에서 나 타난 FeCl₃의 인 제거율 78%, Fe(SO₄)₃의 인 제거율 69%, FeCl₂의 인 제거율 76% 등의 결과와 ^{Seo (2015)}의 PAC을 이용한 인 제거특성의 결과와 유사하거나 다소 높은 처리특 성을 나타내고 있는 것을 볼 수 있었다.

Full-scale의 경우 소규모 하수처리시설을 MSBR공법으로 개량하여 4월부터 가동이 시작되었으며 7월까지 공법 적응 기간이 소요되었고 7월말부터 정해진 양의 응집제를 주입 하였다. 개량 전 방류수 T-P농도는 평균 1.57 mg/L, 제거 효율 평균 40%에 그쳤으나 9월 2일 자동 인 응집제어시스 템을 적용한 후로는 Fig. 7에 나타난 바와 같이 T-P, PO₄-P 각각 평균 0.19 mg/L, 0.11 mg/L이었으며 T-P 제거효율은 평균 95%로 2배 이상의 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 7. T-P concentration of influent and effluent w/w in Full-scale MSBR process.

3.3. 자동 인 응집 제어 전·후 응집제 주입량 비교

자동 인 응집제어 공정 적용 전후에 따라 응집제 주입량 을 비교 검토하였다. 유입수 T-P농도가 1, 2, 3, 4, 5 mg/L 일 때 적용 전의 응집제 주입량은 모두 5.1 L/d로 고정하 여 주입하였고 자동제어 시스템 적용후의 응집제 주입량은 각각 0.7, 2.2, 3.7, 5.1, 6.6 L/d로 농도변화에 따라 적정량 을 주입함으로서 과잉 또는 과소주입을 방지하여 인 제거 효율도 향상할 수 있었을 뿐만 아니라 응집제 주입량도 28% 절감할 수 있었다(Fig. 8). ^{Kim (2012)} 등이 SBR 유출 수를 이용한 응집제 자동주입 제어장치를 적용한 연구결과 에서 응집제 과투입에 따른 약품비 및 유지관리비를 줄일 수 있었던 결과와 유사한 결과를 나타내고 있었던 것으로 검토되었다.

Fig. 8. Comparing coagulant dosage before and after the automatic T-P coagulation control.

3.4. 유기물 및 T-N 제거효율

본 연구를 진행하는 동안 Lab-scale의 유출수 BOD는 평균 1 mg/L COD는 평균 29 mg/L로 나타났으며, 제거효율은 BOD 99%, COD 84%로 방류수 수질기준인 BOD 10 mg/L 이하를 만족하였다(Fig. 9).

Fig. 9. COD and BOD removal efficiency in lab scale.

또한 Lab-scale의 유출수 T-N은 평균 6.4 mg/L로 나타났 으며, 제거효율은 77%로 방류수 수질기준인 20 mg/L 이하 를 만족하였다(Fig. 10). 이와 같은 결과는 ^{Kim (2015)}이 자 동 응집제 주입시스템을 이용한 연구결과에서 응집제 주입 전후로 BOD뿐만 아니라 질소제거 효율도 증가했었던 결과 와 비교해 볼 때 본 결과가 선행 연구와도 부합하는 것으로 검토되었다.

Fig. 10. T-N removal efficiency in lab scale.

Full-scale의 유출수 BOD는 평균 0.5 mg/L COD는 평균 23 mg/L로 나타났으며, 제거효율은 BOD 99%, COD 83% 로 방류수 수질기준인 BOD 10 mg/L, COD 40 mg/L 이하 를 만족하였다. 또한 Full-scale에서 유출수 T-N은 평균 12 mg/L로 나타났으며, 제거효율은 62.7%로 방류수 수질기준 인 20 mg/L 이하를 만족하였다(Fig. 11, Fig. 12).

Fig. 11. COD and BOD removal efficiency in full scale.

Fig. 12. T-N removal efficiency in full scale.