The Aeration to Improve Manganese and Chloroform of Effluent at Sludge Thickener of the Conventional Water Treatment Plant

http://dx.doi.org/10.4491/KSEE.2014.36.2.113 ISSN 1225-5025

정수장 슬러지 폭기가 방류수 망간 및 클로로포름에 미치는 영향

The Aeration to Improve Manganese and Chloroform of Effluent at Sludge Thickener of the Conventional Water Treatment Plant

최일경․백인호․정찬우․이성진^†․박정욱

Ilgyung Choi․Inho Beak․Chanwoo Jeong․Sungjin Lee^†․Jungwook Park

한국수자원공사 운문권관리단 K-water Unmun Office

(2013년 9월 30일 접수, 2014년 1월 24일 채택)

Abstract : So many nationwide drinking water treatment plants are under much difficulties by new reinforced discharged effluent

Key Words : Aeration, Sludge, Effluent Water Quality, Manganese, Chloroform, Sludge Volume

요약 : 전 국가적으로 많은 정수장에서는 강화된 수질기준을 준수하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 일반적으로 정수장 배출

수처리시설은 고탁도를 기준으로 설계되기 때문에, 평상시에는 설계된 기간보다 장기간 체류할 수밖에 없는 실정이다. 평균 혹은 저탁도 원수가 유입되는 대부분 기간 동안 슬러지는 농축조에서 장기체류하기 때문에 혐기화되어, 용해성 망간 및 클 로로포름이 형성된다. 위 문제를 해결하기 위해서 경제적이고, 손쉽게 도입 가능한 슬러지 폭기 공법을 개발하였으며, 본 연 구는 이 공법의 원리 및 효과를 분석한 것이다. 슬러지 폭기 공법의 원리는 산화된 입자성 망간이 용해성 망간으로 환원되는 것을 방지하며, 생성된 클로로포름을 대기중으로 배출․제거시키며, 슬러지 입자를 균질화 시켜 침강성을 개선하는 것이다.

위 공법의 효과분석을 위하여 정수장 농축조에서 슬러지를 폭기시킨 후 상징수의 망간 및 클로로포름을 측정하고, 슬러지의 고-액 계면의 높이를 측정한 결과, 비폭기 경우에 비해 망간은 41%, 클로로포름은 62% 슬러지 부피는 35% 감소되는 효과를 얻었다.

주제어 : 폭기, 슬러지, 방류수 수질, 망간, 클로로포름, 슬러지부피

1. 서 론

먹는물을 생산, 공급하는 정수장의 배출수처리시설은 ｢수 질 및 수생태계 보전에 관한 법률｣을 근거로 1996년부터 폐수배출시설로 분류되어, 최종 방류수는 폐수종말처리시 설 방류수 수질기준 및 배출 허용기준 이내로 배출되어야 한다. 정수장 배출수처리시설은 원수 탁도를 기준으로 연 중 95%이상 탁도 또는 평균 탁도의 4배값 중 큰 값을 기 준으로 설계하고 있으나,¹⁾ 연중 2∼3NTU의 저탁도가 유입 되는 호소수를 원수로 사용하는 정수장은 배출수처리시설 의 각종 공정에서 슬러지가 장기 체류하는 경우가 많다. 이 로 인해, 하절기에는 정체된 슬러지에서 망간 용출 및 클로 로포름 등 휘발성 유기화합물의 생성으로 방류수 중 수질

오염물질의 농도가 상승하는 것으로 나타났다.²⁾ 2013년부 터 중금속물질은 물론 특정수질유해물질의 배출에 대한 규 제가 강화되고 있으며, 특히, 청정지역에 위치한 정수장의 배출허용기준은 망간 2.0 mg/L, 클로로포름 0.08 mg/L로 매우 엄격하게 설정되어 통상적인 조정 → 농축 → 탈수의 방법으로는 수질기준을 준수하기가 어려운 실정이다.³⁾ 따라 서, 기존 배출수처리시설 설계시 고려되지 않았던 망간과 클로로포름의 제거를 위해서는 산화-망간사 여과, 폭기 등 오염물질별 다양한 처리공정이 설치되어야 하나, 이는 현실 적으로 불가능하다.

이에 방류수 수질에서 주로 문제시 되고 있는 망간, 클로 로포름 등의 효율적인 처리방법을 제시하고자 국내 최초로 정수장 농축조에 폭기설비를 설치하여 오염물질별 제거효

Fig. 3. View of test and settling test.

과를 조사하였다. 정수장에서 기존의 슬러지 처리공정은 침 전원리를 이용한 조정 → 농축 공정이다. 그러나, 본 연구에 서는 배슬러지지에서 폭기를 시행하여 슬러지 혐기화를 차 단하고, 한편 법정 특정수질유해물질을 제어 한 다음 농축 과정으로 이송하는 국내 최초의 신기술을 배출수처리공정에 채택하였다. 그 결과, 슬러지 폭기는 망간, 클로로포름 제거 에 효과적이며, 슬러지 농축성도 향상되었다. 이에 기존의 배출수처리공정에 폭기공정을 추가한 처리공정의 개선모델 을 제시하고자 한다.

1.1. 문헌조사

일반적으로 망간은 지각 구성원소의 0.0095%를 차지하 고 있으며 미생물의 활성도와 수체 내 용존산소(DO)의 영 향을 크게 받는다. Fig. 1과 같이 혐기성 박테리아의 호흡작 용에 MnO2가 이용되어 Mn(II)가 생성되며, Metallogenium sp. 등과 같은 산화 박테라아에 의해 Mn(II)가 MnO2 로 산 화되어배출하는 과정을 통하여 망간이 순환된다. 또한 수 체 내 용존산소가 많은 경우 MnO2로 산화되어 침적되며, 혐 기상태에서는 Mn(II)상태가 되어 수체내에 배출되는 것으로 알려져 있다.^4~6)

정수장 배출수처리시설에 존재하는 망간은 정수처리공정 에서 염소와 반응하여 산화된 Mn(IV) 형태로 응집 침전, 여 과에 의해 제거된 슬러지와 함께 배슬러지지로 유입되며, 슬 러지가 체류하는 동안 저층부에서 혐기화가 진행되어 Mn(II) 의 형태로 환원 및 용존성 망간으로 배출되며, 일부 크기가 작은 입자성 망간 Mn(IV)도 함께 배출된다.

클로로포름은 원수 중에 존재하는 자연유기물(NOMs, Na- tural Organic Matters)과 소독을 위하여 주입하는 염소와 아 래와 같이 반응하여(산화-환원 및 가수분해 등) 생성된다.

클로로포름은 먹는물 중에도 미량 존재하나, 농축조의 슬 러지 체류시간에 따라 증가되는 것으로 알려져 있다.⁷⁾

슬러지 계면의 침강속도는 일반적으로 고형물 농도에 의 해 크게 좌우되고, 입자크기, 수분분포, 무기물 함량, 수온

Fig. 1. Conformation of manganese.

Fig. 2. Diagram of Chloroform formating-reaction.

등 여러 인자에 의해 다소 영향을 받는 것으로 알려져 있 다.^8,9) 일반적인 침강속도 모델에서는 계면 침강속도를 슬 러지 농도의 함수로 표현 되나, 통상슬러지의 침강성은 플 록의 직경, 온도, 농도, 형상, 공극율 등 여러 가지 인자에 의해 영향을 받는다.¹⁰⁾

2. 연구방법

정수장 슬러지의 특성은 원수의 수질, 응집제 종류, 투입 량 등에 따라 달라진다. 본 연구는 경북 청도군에 위치한 U 정수장에서 발생한 침전슬러지를 대상으로 실시하였으며 함 수율은 99% 내외이다. 정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기조건을 산정하기 위하여 시험실에서 폭기량, 폭기시간 등 조건별로 슬러지를 폭기하여 농축 후 슬러지 부피(Sludge Volume), 상징수 망간 농도를 조사하였으며, 이를 토대로 정 수장 배출수처리시설에서 폭기 후 슬러지 부피(SV), TOC, TS, VS, FS 및 분자량별 유기물 분포(Organic Carbon Detec- tor, OCD) 변화를 조사하였고, 상징수에 대해 망간, 클로로 포름, 1,1-디클로로메탄을 조사하여 폭기효과를 분석하였다.

Fig. 4. Aerator designs and view of aerator installation.

Fig. 5. Sludge volume and Mn. concentration after sludge aeration (at 28℃).

2.1. 최적 슬러지 폭기조건 도출

정수장 농축조에서 슬러지의 적정 폭기량 및 폭기시간을 도출하기 위하여 Lab test를 실시하였다. Fig. 3과 같이 30 L 플라스틱 용기에 채취한 침전슬러지 20 L를 대상으로, 슬 러지의 유출입 없이 회분식(Batch) 조건에서 공기발생기(200~

900 mL/min)를 사용하여 폭기량(비폭기, 300, 600, 900 mL/

min) 및 폭기시간(0, 2, 6, 12, 24 hr)을 변경시켰다. 그 후 농축시간별로 상징수의 망간농도를 HACH DR 2500으로 측 정하였으며, 1 L 메스실린더에 슬러지를 채워 슬러지 부피 (Sludge Volume)를 측정하여 침강성을 조사 하였다. 이때 시 험실 온도는 28℃로 유지하였다.

2.2. 배출수처리시설 효과 분석

U정수장 농축조 2지 중 1지에 송풍기 및 산기판을 Fig. 4 와 같이 설치하여 폭기조로 활용하였으며, 폭기시간별(비 폭기, 2, 6, 12, 24시간)로 슬러지를 현장에서 채수하여 농 축시간별 침강성(SV)을 측정하였다. 또한, 각 시료별 24시 간 농축 후 슬러지에 대해 TOC, TS, VS, FS, OCD (Organic Carbon detector)를 측정하였고, 상징수의 망간, 클로로포름, 1,1-디클로로메탄을 측정하였다(현장 기온 33℃).

폭기량은 슬러지의 DO를 4 mg/L를 목표로 하였으며, Table 1과 같이 폭기조 설계조건 및 시험실 시험결과를 고려 하여 폭기량을 2 m³/min로 산정하였다.

Table 1. Specification and design condition on aeration equip- ment

Section Contents

Aeration tank volume (m³) Input sludge quantity (m³/d) BODIN (mg/L)

BODOUT (mg/L) SS (mg/L) MLVSS (kg) MLVSS/SS ratio

Oxygen demand removal BOD(kg O2/kg BOD) Oxygen/VSS ratio for endogenous respiration VSS

155 120 150 60 5,000 180 0.3 0.7 0.15

3. 연구 결과

3.1. 최적 슬러지 폭기조건 도출

최적 폭기조건(폭기량, 폭기시간)을 도출하기 위하여 시 험실에서 슬러지 20 L를 대상으로 폭기량을 변화시키며 24 시간동안 폭기 후 농축시간별 슬러지 침강부피 및 상징수 망간농도 조사 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 비폭기시 슬러 지 망간농도는 초기 6 mg/L에서 농축 140시간후 10 mg/L 까지 상승하였으며, 이는 농축과정에서 슬러지 혐기화로 입 자성 망간이 재용출된 것으로 판단된다. 또한 폭기량 300 mL/min에서 24시간 농축 시켰을 때, 슬러지 부피는 비폭기

Fig. 6. Sludge volume and Mn. concentration after sludge aeration (at 28℃).

Fig. 7. Sludge volume and Mn. concentration after sludge aeration (at 33℃).

시 750 mL/L(고액분리 후 슬러지 부피 mL/총 슬러지 부피, 이하동일) 에서 폭기시 540 mL/L로 28% 감소되었으며, 망 간 농도는 비폭기시 8.01 mg/L에서 폭기시 3.12 mg/L로 61% 제거 되었다. 그러나 900 mL/L 폭기량으로 폭기하였을 경우 슬러지 부피는 12% 감소되어, 300 mL/min로 폭기한 경우 보다 제거효율이 낮게 나타났다.

또한, 폭기량 300 mL/min로 폭기시간별 슬러지 침강성 및 상징수 망간농도를 측정한 결과(Fig. 6) 12, 24시간 폭기시 슬러지 침강부피 및 상징수 망간농도의 감소율이 우수하였 다. 12시간 폭기기준(2회시험 평균값), 슬러지 침강부피는 비폭기시 580 mL/L (580, 580 mg/L)에서 폭기시 392.5 mL/L (335, 450 mg/L)로 32% 감소되었으며, 이는, 폭기시 슬러지 의 플록 입자간 공극률이 축소되어 침강성이 개선된 것으로 판단된다. 상징수 망간농도는 비폭기시 7.51 mg/L (4.70, 8.01 mg/L)에서 폭기시 4.68 mg/L (2.91, 6.45 mg/L)로 38%

저감되었다. 위의 결과를 토대로 정수장 폭기설비 운영조 건은 전력비 등을 고려하여 폭기량은 300 mL/min(슬러지 20 L 대상), 폭기시간은 12시간으로 실시하는 것이 타당한

것으로 판단되며, 해당 공기량은 180 mL/kgSS으로 나타낼 수 있다.

3.2. 배출수처리시설 효과분석 결과

배출수처리시설에서 폭기효과를 검증하기 위하여 시험실 연구 결과를 토대로 폭기량은 2 m³/min으로 실시 하였으며, 폭기시간 0, 2, 6, 12, 24 hr에 따른 슬러지 침강성, 상징수 망간농도 측정결과를 Fig. 7에 나타내었다. 12시간 폭기 후 24시간 농축 기준으로 비교한 결과, 슬러지 침강부피와 상 징수 망간농도는 비폭기시 520 mL/L, 1.65 mg/L에서 폭기 338 mL/L, 0.98 mg/L로 각각 35%, 41% 감소되었다.

클로로포름, 1,1-디클로로메탄, TOC, TS, VS, FS는 폭기 후 24시간 농축시켜 분석한 결과(Fig. 8), 클로로포름의 경 우 6시간 이상 폭기하면 효과가 큰 것으로 나타났으며, 12 시간 동안 폭기하였을 경우, 비폭기시 0.175 mg/L에서 폭 기시 0.067 mg/L로 62% 저감되었다. 또한 1,1-디클로로메 탄은 전 시료에서 불검출로 비교가 불가하였고, TOC, TS, VS, FS 분석결과 폭기에 의한 유기물의 농도는 큰 변화가

Fig. 8. Variation of feature sludge after aeration.

Fig. 9. Distribution of orgarnic carbon complex by molecular weight after aeration.

없었다.

또한, 유기물 분자량 분포(OCD)에 대해 분석 결과(Fig. 9) 폭기에 따른 분자량 분포는 큰 변화를 나타내지 않았다. 이 론적으로 폭기에 의해 유기물이 산화됨에 따라 클로로포름 전구물질이 감소되어 클로로포름이 저감되고, 유기물질 감 소에 따라 슬러지의 침강성이 개선될 것으로 예측되나, 본 시험으로 폭기에 의한 클로로포름 및 침강성 개선에 기여 도가 높은 특정 유기물의 변화 특성을 조사하기 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

정수장에서 발생한 슬러지의 폭기에 따른 효과는 다음과 같다.

1) 시험실에서 비폭기시 슬러지 농축시간별 망간농도를 측정한 결과, 슬러지 농축시간이 장기화 될수록 슬러지 혐

기화가 진행되어 망간의 농도는 초기 약 6 mg/L에서 140시 간 후 10 mg/L까지 상승됨을 확인하였다. 또한 300 mL/min 으로 12시간 폭기(180 mL/kgSS) 및 이후 24시간 농축하였 을 경우 상징수 망간농도 및 슬러지 침강부피는 비폭기에 비해 각각 38%, 32% 감소하였다.

2) 실공정인 배출수처리시설에서 2 m³/min으로 12시간 폭기 및 이후 24시간 농축한 경우, 시험실 기초조사와 유사 한 결과를 얻었으며, 상징수 망간농도의 경우 비폭기에 비 해 41% 감소되었으며, 슬러지 침강부피는 35 % 감소되었 다. 또한 클로로포름은 비폭기에 비해 62 % 감소되었다. 그 러나, 유기물 농도(TOC, VS)는 폭기에 따른 큰 변화는 나 타내지 않았으며, 분자량 크기별 조성분포 역시 특별한 경 향은 나타나지 않아 유기물 변화 특성을 규명하기 위한 세 부적인 조사가 필요하다.

3) 슬러지 농축성, 망간, 클로로포름 등 농도변화는 슬러 지 특성 및 온도 등 환경조건에 따라서 차이가 큰 것으로 판단되며, 폭기에 따른 온도별, 슬러지 특성별 망간 및 클로 로포름 저감과 유기물 조성 변화 등 추이를 파악하기 위한 추가 연구가 필요하다.

본 연구 결과 슬러지 폭기를 통하여 상징수 중의 망간은 물론, 클로로포름 등 휘발성유기물질의 저감과 슬러지 침강 성 개선에도 효과가 우수한 것으로 나타났으며, 2013년부터 방류수 규제가 강화된 망간과 클로로포름은 배슬러지지에 서 슬러지 폭기공정 도입을 통하여 획기적인 개선이 가능한 것으로 나타났다.

Reference

1. KWWA, Standard of Water supply, p. 675(2010).

2. Kim, M., “Considering Factor for Operating Residuals Treat- ment Facilities in Water Treatment Plants,” J. Kor. Soc. Water Waste., 20(5), 653~659(2006).

3. K-water, The guidelines for improving quality df discharge water at WTP, pp. 3~8(2011).

4. K-water, Report of Best practics Maganese removal at water

treatment process, pp. 1~4(2012).

5. Choi, S. C., Kim, S. H., Yang, H. J., Lim, J. L., Wang, C.

K. and Jung, K. S., “The study of Manganese removal me- chanism in aeration-sand filtration process for treation bank filtration water,” J. Kor. Soc. Water Waste., 24(3), 341~349 (2010).

6. Choi, Y., “Behavior characteristics of Manganese at the st- ream, KSWE･KWWA,” Journal A-17(2011).

7. K-water, “Effect of short-term improvement at Water Treat- ment Plants,”(2013).

8. Vesilind, P. A, “Treatment Disposal of Wastewater Sludge, revised Ed. Ann Arbor Science,” Michigan(1979).

9. Jeong, Y. K., Hong, H. G., Bae, B. U., Lim, K. H. and Kwak, C. H., “Sesonal varition of settling characteristics of water treatment sludge and the application of zone settling velocity models,” J. Kor. Soc. Water Waste., 15(6), 523~531 (2001).

10. Yu, M., “Effect on settling characteristics to sludge physical properties,” In proceedings, Kor. Soc. Civil Eng., pp. 765~

768(1991).