2.1. 대상 중·소하천 선정

연구지점은 유역특성과 배출부하량을 검토하여 연구목적 에 맞는 대상 하천으로 경기도에 위치한 G하천을 선정하 였다. G하천 유역은 주변에 주택 및 상가가 밀집되어 있어 인구밀도가 높은 편이다. 또한 G하천은 주변에 주택이 밀 접해 있기 때문에 하천으로 생활하수가 지속적으로 유입 되고 있으며, 민원 발생이 급증하고 있는 실정이다. 이에 따라 중·소하천 수질정화 및 건천화 방지를 위한 본 연구 의 목적에 맞는 대상으로 판단되어 G하천을 선정하였으며, 계절에 따른 시스템 성능을 평가하기 위해 1년(2015.05 ~ 2016.04)에 걸쳐 연구를 진행하였다.

2.2. MBP 장치 및 운전조건

하천수 내 부유물질 제거를 위한 목적으로 물리·화학적 처리 장치인 MBP를 적용하여 연속식으로 운전하였다. MBP에서 Micro bubble은 초미세 기포로써 부유물질의 부 상을 유도하는 역할은 한다. MBP의 체적은 0.05 m³, 부상 조의 체적은 3 m³이며, Air/Solids rate는 약 0.02 ~ 0.06 g air/g solids으로 구성되었다. MBP에 사용된 응집제는 폴리 염화알루미늄(Poly alumivum chloride, PAC)을 사용하였으 며, PAC 주입비율은 2.5 kgTSS/L·day이다. MBP 운전조건 은 Table 1와 같이 하천수 유입량에 따른 Mode를 세분화 하여 설정하였으며, Air 주입량은 유입유량 대비 10%로 고 정하였다.

2.3. AGBP 장치 및 운전조건

생물학적 처리 장치는 MBP 이후 하천수 내 유기물과 질 소 등 용존성 오염원을 제거하기 위한 목적으로 적용하였 다. AGBP는 air-lift 방식의 반응조와 미생물의 산소 공급 을 위한 Membrane 산기관으로 구성되어 있으며, AGBP 반응 조 체적은 10.3 m³으로 이루어져 있다. AGBP에 사용된 미생 물은 호기성 그래뉼 슬러지(Aerobic Granular Sludge, AGS)로 써 우수한 유기물과 질소제거 뿐만 아니라 polysaccaride (PSs)가 일반 활성슬러지에 비해 높게 함유되어 있어 생물 흡착에 유리한 장점이 있다(^{Eom et al., 2016}; ^{Tay et al., 2001}). AGBP의 운전조건은 하천수 유입량에 따라 구분하 였으며, Table 2에 나타내었다. 유입량은 50 ~ 150 m³/day 범위에서 각 Mode별로 세분화하였으며, AGBP 반응조 내 순환유량은 1.5Q, 미생물 농도는 3,000 mg/L로 설정하여 연속식으로 운전을 실시하였다. Fig. 1.

Fig. 1. Equipment type of stream purification.

2.4. 장치형 하천정화 시스템 연속식 운전

물리·화학적 처리 장치인 MBP와 생물학적 처리 장치인 AGBP의 단위공정별 오염원 제거효율을 비교한 후 각 단 위공정의 최적 운전조건을 적용하여 장치형 하천정화 시스 템을 구성하였다. Fig. 2와 같이 집수매거에서 하천수를 취 수하여 첫 번째로 물리·화학적 처리 장치인 MBP에 유입 시켰다. MBP를 통해 처리된 1차 처리수는 두 번째로 AGBP로 이송되어 생물학적 처리를 거치도록 하였다. 장치 형 하천정화 시스템에서 배출된 최종 처리수는 전량 5 km 지점인 하천 상류로 이송시켜 연속식으로 순환시켰다. 장치 형 하천정화 시스템의 총 체류시간은 3.12 hr이며, 순환율 1Q 비율로 운전하였다. Table 3에 장치형 하천정화 시스템 의 효율 평가를 위한 운전조건을 나열하였으며, MBP 운전 시 air flow는 10 m³/day로 고정하였다.

Fig. 2. Configuration of equipment type of stream purification system.

2.5. 하천수질모델(QUAL-NIER)을 이용한 시뮬레이션 평가

QUAL-NIER 모델은 1985년 미국 EPA에서 처음 개발되 어 국내에서는 4대강 수계의 오염총량관리제를 실시함에 있 어 수계구간별 목표수질 설정, 오염총량관리의 계획수립 및 이행평가 등을 위한 도구로 이용되고 있다(^{NIER, 2005}). QUAL-NIER 모델을 구성하는 기본방정식은 1차원 이송-확 산물질 이동방정식(1-Dimensional advective-dispersion mass transport equation)이며, Eq. (1)을 통해 방정식으로 나타내 어진다.

M = 물질의 질량(mass), [M]

x = 거리, [L]

t = 시간, [T]

C = 농도, [ML^-3]

A_x = 하도 단면적, [L²]

D_x = 수심, [L]

D_L = 종방향 확산계수, [L²T^-1]

U = 평균유속, [LT^-1]

S = 외부로부터의 유입 또는 유출, [MT^-1]

장치형 하천정화 시스템을 이용한 연속식 운전을 통해 도출된 결과를 바탕으로 연평균 하천 유량, 유입수질, 처리 수질 및 제거율을 적용하여 순환유량별 하천수질을 시뮬레 이션으로 평가하였다. QUAL-NIER 모델의 독립변수로는 처리수 재순환유량을 설정하였으며, 100회 이상 순환 시 순환유량별 하천수질을 예측하여 장치형 하천정화 시스템 의 성능을 입증하고자 하였다.

2.6. 분석방법

수질분석은 TBOD₅, SS, T-N, T-P로 총 4개 항목에 대해 분석하였으며, Standard Methods(^{APHA, 2005})에 준하여 분석하였다. 유기물 분석항목 중 TBOD₅는 5-day BOD method(5210 B.), TSS는 gravimetric method(2540 B. D.)을 이용하였다. T-N과 T-P의 경우 colorimetric method (4500- N C.) 및 sulfuric acid-nitric acid digestion(4500-P, B.)에 의해 분석하였다. 하천유량은 하천용 전자식 유속계 AEM1- D(JFE-ADVANTECH Co., Ltd)를 이용하여 측정하였다 (^{Kim et al., 2013}).

3.1. 대상하천의 유량 및 수질특성

연구기간(2015.05 ~ 2016.04) 중 대상하천의 유량 및 수 질특성을 분석한 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 하천의 유량 및 수질특성 결과 동절기(2015.12 ~ 2016.02)에 유량이 급 격히 감소하고, 수질이 급격히 악화되는 것으로 나타났다. 하절기 평균 하천유량은 94,358 m³/day이며, 평균 하천수 질의 경우 TBOD₅ 20.9 mg/L, TSS 23.5 mg/L, T-N 11.5 mg/L, T-P 0.9 mg/L로 나타났다. 또한 동절기에 평균 하 천유량은 12,945 m³/day이며, 평균 하천수질은 TBOD₅ 79.5 mg/L, TSS 64.3 mg/L, T-N 20.4 mg/L, T-P 2.0 mg/L 이었다. 우리나라에서 동절기는 갈수기에 해당되며, 강수량 이 적어 오염원 농도가 하절기에 비해 매우 높은 것이 특 징이다. 대상하천은 점오염원으로부터 오염부하량의 영향이 큰 하천임으로 강우량에 따라 하천수질이 크게 변할 것으 로 판단된다.

Fig. 3. Characteristics of stream flow(a) and water quality (b-e).

3.2. MBP 운전조건에 따른 오염원 제거특성 결과

Micro bubble을 이용한 MBP 운전을 통해 오염원 제거특 성을 평가하였으며, Fig. 4에 결과를 나타내었다. Mode 1 ~ 5(F.R. HRT 1.44, 0.96, 0.72, 0.57, 0.48 hr) 운전조건에서 평균 TBOD₅ 제거효율은 각각 58.1, 54.2, 51.3, 48.1, 43.0% 를 보여, Flotation reactor의 체류시간이 감소할수록 TBOD₅ 제거효율이 점차 감소하는 것으로 나타났다. ^{Lee (2010)}의 연구에서 가압부상공정의 TBOD₅ 제거는 부상에 의한 TSS 제거로 인해 고형물 상태의 TBOD₅가 제거된다고 보고하고 있다. BOD 제거는 대부분 유기성 고형물의 제거에 의한 것이며, soluble BOD를 제거하기 위해서는 생물학적 처리 가 추가되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 4. Water quality change by MBP operation condition.

Mode별 TSS 평균 제거효율은 각각 84.1, 80.1, 79.3, 71.0, 68.2%이며, T-P는 각각 94.5, 93.4, 90.1, 88.9, 89.8% 로 약 90% 이상의 높은 제거효율을 나타냈다. MBP에서 TSS 제거는 TBOD₅와 유사한 제거 경향을 보였으며, T-P 의 경우 응집제 주입에 따른 화학적 인 제거와 입자성 고 형물의 제거가 높은 제거효율에 기인했다고 판단된다. 이에 반해 T-N은 15.4 ~ 22.0%의 저조한 제거효율을 보였으며, ^{You (2014)}의 연구와 같이 입자성 오염원이 아닌 NH₃-N 등 용존성 오염원이 주된 질소 성분인 것으로 사료된다. MBP 의 성능은 체류시간에 따라 제거효율이 결정된다고 알려져 있어(^{Lee, 2010}), MBP 적용 시 오염부하량 변화에 따라 안 정적인 운전이 가능할 것으로 판단된다.

3.3. AGBP 운전조건에 따른 오염원 제거특성 결과

호기성 그래뉼 슬러지를 이용한 AGBP의 오염원 제거특 성 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 운전조건은 AGBP 유입량 에 따라 Mode 1 ~ 5까지 구분하였으며, HRT가 각각 5.0, 3.3, 2.4, 2.0 1.6 hr이다. 각 Mode별 TBOD₅ 제거효율은 각각 76.8, 74.6, 72.8, 69.2, 64.3%로 나타났으며, HRT 2.0 hr에서 제거효율이 70% 미만으로 감소된 것을 알 수 있었다. 반면 TSS, T-N, T-P의 경우 운전조건과 관계없이 각각 약 50 ~ 55%, 11 ~ 15%, 5 ~ 9%의 유사한 제거율을 보였다. AGBP에 사용된 호기성 그래뉼 슬러지는 표면에 자리 잡고 있는 종속영양미생물에 의해 유기물 산화가 일 어나기 때문에 용존성 BOD의 제거가 가능하다(^{Gao et al., 2011}).

Fig. 5. Contaminant removal characteristic by AGBP operation condition.

AGBP 적용을 통해 안정적인 용존성 BOD 제거가 가능함 에 따라 하천의 유기물을 효과적으로 처리할 수 있다. ^{Moy et al.(2002)}는 유기물 농도 1,400 mg/L와 반응시간 4 hr을 기준으로 유기물 제거효율을 비교한 결과 최대 유기물 부하 량 15 kg/m³·d에서 92%를 달성하고, 그래뉼 형태가 지속으 로 유지됨을 확인하였다. 이에 따라 본 연구에서도 오염부 하량이 높은 겨울철에 AGBP의 적용이 가능할 것으로 판단 된다. 또한 중·소규모 하천은 하천 주변에 하천정화 시설을 건설할 수 있는 부지가 부족한 편이다. 호기성 그래뉼 슬러 지는 높은 오염물질 제거효율과 뛰어난 고액분리로 인해 반 응조 설치면적을 효과적으로 줄일 수 있는 특징이 있다(^{Tay et al., 2002}). 이러한 장점으로 장치형 하천정화 시스템에 생물학적 처리로 AGBP 적용이 가능할 것으로 판단된다.

3.4. 장치형 하천정화 시스템의 연속식 효율평가 결과

MBP와 AGBP가 결합된 장치형 하천정화 시스템의 운전 을 통해 하천의 오염원 제거특성과 연속식 효율평가를 실 시하였다(2016.02). 처리용량 100 m³/day을 기준으로 체류 시간은 MBP와 AGBP 각각 0.72 hr, 2.4 hr로 시스템의 총 체류시간은 3.12 hr로 운전하였다. 연속식 장치형 하천정화 시스템의 효율을 평가한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. TBOD5의 평균 유입수질은 86.5 mg/L, 방류수질은 12.8 mg/L로 약 85.2%의 제거율과 7.37 kg/day의 부하량이 제 거되었다. TSS의 경우 평균 유입수질은 70.1 mg/L, 방류수 질 6.8 mg/L로 약 90.0%의 제거율을 보였으며, 6.33 kg/day의 부하량이 제거된 것으로 나타났다. T-P는 평균 93.1%의 제거율과 0.18 kg/day의 부하량 삭감을 보였으며, T-N의 제거율은 20.7%, 부하량은 0.47 kg/day이 제거되는 것으로 나타났다. 오염원 제거특성을 비교한 결과 제거율은 단위공정별 제거율보다 결합형 공정의 제거율이 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 물리·화학적 처리와 생물학적 처리 의 장점이 적절하게 조합된 결과이다.

Fig. 6. Results of continuous operation for equipment type of stream purification system.

연속식 운전 중 T-N은 제거율이 TBOD₅, TSS, T-P에 비 해 매우 저조한 것으로 나타났는데, 이는 하천수 내 질소 성분이 대부분 NH₃-N로 이루어져 있으며(^{Lazarova et al., 1999}) NH₃-N 일부가 AGBP 공정을 통해 생물학적 질산화 및 생물흡착을 통해 일부만 제거된 것으로 판단된다.

3.5. QUAL-NIER 모델을 이용한 하천수질 시뮬레이 션 평가

대상하천의 연평균(2015.05 ~ 2016.04) 수질 및 연속식 운 전결과를 바탕으로 장치형 하천정화 시스템의 성능을 QUAL-NIER 모델을 통해 시뮬레이션 평가를 진행하였다. 연평균 유량은 44,061 m³/day이며, 수질은 TBOD₅ 45.9 mg/L, TSS 42.1 mg/L, T-N 16.0 mg/L, T-P 1.6 mg/L을 적용하였다. 시스템의 순환유량은 1,000 ~ 5,000 m³/day 범 위에서 설정하였으며, 순환 횟수(Number of recycle)은 100 회를 진행하였다.

Fig. 7과 같이 장치형 하천정화 시스템 적용을 통해 순환 유량별로 하천수질 변화를 시뮬레이션 한 결과 순환유량이 증가할수록 수질이 빠르게 정화되는 것으로 나타났다. 순환 유량 5,000 m³/day에서 시스템의 BOD 제거율 85.2%를 적 용하여 약 40회 순환한 결과 하천의 TBOD₅가 1 mg/L 이 하로 감소하였다. TSS의 경우에도 제거율 90%를 적용하여 약 40회 순환 후 1 mg/L 이하를 달성하였으며, T-P도 93.1%의 제거율을 통해 약 35회 순환 후 0.02 mg/L 이하 를 만족할 수 있었다. 이는 하천수 수질환경기준 중 1급수 에 해당하는 수질을 의미한다. 이에 따라 QUAL-NIER 모 델을 통해 장치형 하천정화 시스템의 성능을 평가한 결과 시스템 적용을 통해 하천수질이 1급수로 개선될 수 있음을 시뮬레이션으로 확인하였으며, 향후 중·소규모 하천의 수질 개선 및 건천화 방지를 위한 장치로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Fig. 7. Simulation results of water quality by recycle flow.