하수슬러지 탈수여액 내 인회수 장치 개발 연구

한금석, 최예덕, 김규하, 장신요, 공헌구, 안봉삼, 남효돈, 최영준

서울특별시 상수도연구원

1. 서론

하수에서 인을 제거하지 않고 하천으로 흘려보내면 하천 등에 부영양화 현상이 발생되면 물속에 산소가 부족하여 물고기가 죽게 되므로, 하수 중에 존재하는 인 제거를 중요시하고 있다. 이에 따라 환경부에서는 2012년 1월 1일부로 공공하수처리장의 방류수 수질 기준 중에 총인 기준을 강화하였다. 하수처리시설의 방류수 수질기준을 충족하기 위해서 서울시처럼 대규모 하수처리장에서 가장 처리가 필요한 부분은 슬러지 탈수 후 발생하는 탈수여액, 슬러지 농축 후 발생하는 농축여액과 혐기성 소화 후 발생하는 소화상징수 등 슬러지 처리공정에서 발생하는 반류수의 처리 효율 개선이다. 현재 우리시 물재생센터 하수처리공정에서 인 부하가 가장 심한 부분은 반류수이며, 이를 해결하지 않으면 하수처리효율 향상 및 방류수 수질기준을 만족시킬 수 없다.

따라서 본 연구에서는 반류수의 부하 경감과 부족한 인자원 회수를 위해 하수 및 슬러지 처리공정 후 발생하는 탈수여액, 소화상징수, 농축여액 등 반류수에 포함된 고농도의 인을 회수하기 위해 하수 인회수 장치를 개발하고, 이를 현장에 적용하고자 한다. 또한 회수된 인을 비료로 활용하기 위한 검증 실험을 수행해보고자 한다.

2. 실험방법

서울시 물재생센터에서 원심탈수 후 발생하는 탈수여액을 대상으로 인결정화물 생성 실험은 인결정화물 생성을 위한 최적 결정화반응을 위한 실험을 수행하였다.

현장 장치 설치 및 현장 실험은 Lab 규모의 인결정화 생성 실험 결과 및 문헌 조사를 통해 물재생센터 탈수기동에 소규모의 하수 인회수 장치를 설치하여 현장 실험을 수행하였다. 연속 실험이 가능한 CSTR 반응기 형태로 개발하였으며, 인결정화 반응 및 침전을 원활하게 하기 위해 반응조 및 침전조를 분리하여 설계하였다. 결정화물 생성 실험을 위해 1M CaCl2·2H20 및 pH 제어를 위해 1M NaOH를 사용하였다.

현장에서 채취한 시료 및 실험 후 발생하는 인결정화물을 대상으로 고형물과 유기물, 무기물 성분 함량을 분석하기 위해 공정시험법에 의거하여 TS, VS, FS를 분석하였으며, 인결정화물 반응 초기 및 반응 후 시료의 pH 측정하였다. 인결정화물 반응 전후 무기금속류 및 인농도 변화를 알아보기 위해  상징수는 GF/C 여과지(Whatman)로 여과하고, 인결정화물은 질산과 염산 처리 후 마이크로웨이브 전처리기를 이용하여 처리한 후 ICP/AES를 사용하여 분석하였다.

3. 실험결과

본 연구는 다양한 Lab 실험을 통해 최적의 인회수 장치를 개발하였다. 인 회수 장치구성은 크게 인회수 장치(반응조, 침전조, 정량펌프 등)와 pH 및 약품주입 제어 장치이다. 인 회수장치 기능은 반응조에서 인결정반응, 침전조에서 인결정물 및 상징수 분리가 이루어진다. 인회수 장치 시스템의 특징으로 상징수 및 인결정물 순환시스템, pH에 따른 약품 주입 제어시스템이며, pH 제어 원리는 유입수, 약품 등을 정량펌프로 반응조에 유입하여 인결정화 반응이 이루어지는데 이때 pH는 중요변수로 pH에 따른 NaOH 약품 주입량을 On/Off로 제어하도록 하였다. 처리량은 최대 1.38㎥/일이며, 반응조로 원수 및 약품 공급을 위해 정량 펌프를 설치하였다. 인결정화 반응을 위한 반응조의 부피는 5L이며, 인결정화물과 상징수 분리를 위한 침전지의 부피는 50L로 구성하였다. Fig. 1는 물재생센터 탈수기동에 설치한 모습으로 인회수 장치가 차지하는 면적이 작아서 모든 처리장에서 이동하여 실험을 수행할 수 있도록 제작되었다. 물재생센터 탈수기동에 설치된 인회수 실험 장치시험 운전한 결과를 Fig. 2에 나타내었다.

인결정화 반응	침전지에서의 인결정화 상분리 (상: 상징수, 하: 결정화물)

Fig. 1. 물재생센터 현장 설치 모습      Fig. 2. 인결정화 반응 및 상분리된 모습

다양한 실험인자 변화를 통한 하수 인회수장치 현장 실험 최적 조건을 도출하기 위한 실험을 수행하였으며, 실험 조건은 다음과 같다.

• pH : 8.0, 교반속도 : 60 ~ 200rpm	• 탈수여액유입량 : 0.96L/min(1.38㎥/day = 1Q)

• 염화칼슘 유입량 : 0.03L/min(43.2L/day)	• 수산화나트륨 유입량 : pH 제어에 따라 자동 주입

• 인결정화물 순환량 :  0 ~ 0.04Q	• 상징수 순환량 : 0 ~ 0.9Q

현장 실험을 통해 최적 적정 실험 조건을 도출하였다. pH는 8.0, 교반속도는 100~120rpm, 인결정화물 순환은 0.01~0.02Q, 상징수 순환은 0.7Q이었다.

Fig.3. 인결정물 모습

건조 후	분쇄후

Table 1. 유기질 비료 및 부산물 비료 중금속 함유 허용량 기준 비교(mg/kg)

항목	수은	비소	카드뮴	크롬	구리	납	아연	니켈
비료 기준	2	50	5	300	300	150	900	50
서남 스트러바이트	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출	불검출
중랑 스트러바이트	불검출	불검출	불검출	21	불검출	불검출	불검출	불검출
인결정화물	불검출	불검출	불검출	불검출	27	불검출	97	불검출

장치를 통해 생성된 인결정물 모습을 Fig.3에 나타내었으며, Table 1에는 유기질 비료 및 부산물 비료 중금속 함유 허용량 기준 비교한 결과로 비료로 충족한 것으로 결과가 나타났다. 인결정물이 비료로 적합성에 대한 평가 실험을 수행하였다. Fig.4은 서울시 녹지사업소 덕은양묘장 협조로 인결정물 주입 유무에 따른 실험 사진이다. 대상은 아주까리 및 조롱박으로 하였으며, 인결정물은 주입한 경우가 실험군이며, 인결정물을 주입하지 않는 것은 대조군이다. 먼저, 실험군 및 대조군의 기타 무기금속 및 인함유량 비교 분석 결과, 대부분 식물 내에 존재하여 식물성장에 도움을 주고 있었으나, 특히 식물 3대 원소(질소, 인산, 칼리) 중 하나인 칼륨(칼리)이 인결정화물을 주입한 실험군 식물에는 존재하였으나, 대조군 식물에서는 불검출을 확인하였다. 또한 실험군 및 대조군 토 양을 분석한 결과에서도 칼륨은 실험군 토양에서만 존재함을 확인하였다. 대조군의 식물잎에 노랗게 변하는 원인이 식물 성장 3대 요소인 칼륨이 부족해서 나타나는 것으로 판단된다

	<대조군> <실험군>	<대조군> <실험군>	<대조군> <실험군>
실험 시작일	실험 3주차	실험 4주차	실험 5주차

Fig. 4. 양묘장 인결정화물 비료로 활용 실험 사진

4. 결론

1. 하수 인회수 장치는 인결정화 반응조 및 침전조 분리와 상징수 순환, 인결정화 순환을 도입한 기술로 기존 시스템에서 보다 안정적인 결정화 반응을 유도하고, 상징수 내의 총인 농도를 최소화할 수 있는 시스템으로 개발하여 특허 출원이 완료되었다.

2. 생성된 인결정화물을 비료 활용성 실험을 수행한 결과, 조롱박,아주까리의 실험군 및 대조군 실험에서 인산질 비료로써 효과를 보였으며, 인결정화물 및 토양과 식물의 유해 무기금속류를 분석한 결과, 비료관리법 시행령 [별표1]에 만족하여, 인결정화물이 비료로 활용이 가능함을 확인하였다.

3. 개발된 하수 인회수 장치를 통해 부족한 자원인 인을 회수함으로써 하수처리공정에서 발생하는 슬러지 발생량 저감과 인을 제거하기 위해 사용하는 무기응집제 약품비 저감 등의 효과를 가져올 것으로 판단되며, 인결정화물을 인산질 비료 대체물질로 활용하여 경제적 수익 창출효과도 가져올 것으로 보인다.