물 부족국가에서 활용가능한 정화조의 최적모형 개발
임봉수†ᆞ경해룡
대전대학교 환경공학과
Development of Optimal Septic Tank in the Countries of Water Shortages
Bong-Su Lim†․Hai-Long Jing
Department of Environmental Engineering, Daejeon university (Received 18 May 2015, Revised 21 July 2015, Accepted 24 July 2015)
Abstract
This study was carried out to evaluate the performance of a lab-scale novel septic tank system for improving the conventional septic tank in the developing countries of water shortages. The lab-scale novel septic tank system consists of sepetic tank, aeration tank with HBC-ring, and sand filter. Optimum HRT was reguired about 1.5days to get a total COD removal efficiency of 90%, COD, BOD and SS removal efficiency was about 70%, 60%, and 85% in sepetic tank only. The structure of sepetic tank with two stages results in the high removal efficiency of organic matter. When sepetic tank, aeration tank, and sand filter were more than HRT 1.5days, 18hrs, and 12hrs, respectively, final effluent was less than 20 mg/L of BOD, 14 mg/L of SS, so that there is a high potential of its use for reusing water in flush toilet. There is no significant effect of HRT change on nutrient removal. Total nitrogen removal efficiency was about 40%, final effluent was 30~40 mg/L of TN, total phosphorus removal efficiency was about 11~25%, final effluent was 9~12 mg/L of TP. Because there is very small amounts of organic nitrogen and phosphorus in effluent, it was possible to reuse water for agricultural use.
Key words : Developing Countries of Water Shortages, Optimum HRT, Reusing Water in Flush Toilet, Septic Tank System
1. Introduction
1)UN은 2000년 9월에 UN 총회에서 새천년을 맞이하여 2015년까지 세계를 바꾸기 위한 천년개발목표(Millennium Development Goals; MDGs)을 수립하였다. 이 목표는 부유 한 국가들이 가난한 국가를 도와서 더불어 잘 살아가는 세 상을 창조하기 위해 만들어 낸 것이다. 이 MDGs의 목표 8 가지 목표중 7번째가 환경성 지속성장가능보장(Ensure Environmental Sustainability)이고 이와 관련된 주요 지표로 는 안전한 식수와 기초적인 위생환경에 대한 접근성이 부족 한 인구의 비율을 반으로 감소시키는 것으로 제시되었다.
국제사회는 위생 관련 목표를 달성하기 어려운 전망을 하 고 있고 현재의 진척률을 고려할 때, 2049년이 되어야 전 세계인구의 77% 정도가 수세식 화장실과 다른 형태의 개량 된 위생시설을 이용하게 될 것으로 보고 있다. 2008년도에 는 개발도상국 인구의 거의 절반 정도, 전 세계적으로는 26 억 명 정도의 인구가 개량된 위생시설을 이용하지 못했다.
같은 해 11억 명의 인구는 위생시설을 전혀 사용하지 못하
†To whom correspondence should be addressed.
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고 노상배변(排便)을 할 수밖에 없었다. 노상배변은 건강에 심각한 위험을 야기하는데, 특히 적절하지 못한 분뇨(糞尿) 의 위험에 가장 노출되어 있는 빈곤층들에게는 더욱 위험이 심각하다.
전 세계적으로는 노상배변 비율은 1990년 25%에서 2008 년 17%로 3분의 1정도로 감소했다. 노상배변 인구 중 약 2/3 정도는 남아시아에 살고 있다. 북아프리카는 목표를 초 과 달성한 유일한 지역이 되었는데, 개량된 위생시설을 사 용하는 인구가 1990년 72%에서 2008년 89%로 증가했다.
지난 2008년 ‘국제 위생의 해’는 위생에 관한 토론을 촉발 시키는 좋은 계기가 되었다. 그리고 위생 문제가 아직도 정 치적인 고려사항이 되어야 하며 충분히 관심을 기울여야 할 것임을 촉구하기 위해, 다양한 지역에서 해마다 위생관련 회의가 열리고 있다(United Nations, 2011).
국제사회는 MDGs 목표달성을 위해 공적개발원조(Official Development Assistance; ODA)을 증대하고, ODA 조직 개 편 및 개혁조치를 실시하고 있으며 우리나라도 신흥원조공 여국이고 OECD DAC (Development Assitance Commitee:
개발원조위원회) 회원국으로 ODA 비용이 GNI(국민총소득) 의 0.12% 밖에 안 되어 여타 OECD DAC 회원국에 비해 규모는 작은 편이다. UN의 권고 규모는 0.7%이고, OECD DAC 회원국의 평균은 0.33%이므로 우리나라는 2015년까지 0.25% 달성을 목표로 다양한 형태의 개발도상국 여건에 적 합한 적정기술(Appropriate Technology)에 많은 관심을 갖고
Fig. 1. Model experiment aparatus of septic tank system.
저개발국가의 지속적인 발전에 눈을 돌리고 있다(Jang, 2013).
아프리카 시골에서는 하수시설이 없는 곳이 대부분이며, 발생된 오수를 방치하거나 지하로 스며들게 하는 곳이 많 다. 이와 같이 미처리된 하수들이 오랫동안 지하나 강으로 이동하면서 식수로 사용하지 못할 정도로 수질을 오염시켜 물 부족 현상을 가속화 시키고 있다. 또한 중소형 도시의 관공서나 학교 등에서도 제대로 된 하수처리를 하지 못하고 간이적인 정화조를 거쳐 방류되어 대부분 지역에서 지하수 오염은 점점 더 가중화되고 있다. 이런 상황에서 식수난을 위한 상수도 사업이나 펌프지원 사업은 큰 효과나 지속가능 성을 찾기가 어려우므로 하수도 사업이 선행되거나 또는 동 시적으로 해결하는 방안이 바람직하다고 본다.
본 연구에서 물 부족 개발도상국은 아프리카 우간다이며 대상지역은 비교적 농촌지역인 쿠미지역에 위치한 K대학의 화장실로 열악한 화장실을 개선하고자 한다. 현지 학교 내 화장실은 수세식화장실로 간이식 정화조가 설치되어 있으나 상수도가 없어 빗물저장시설에서 화장실용수를 간헐적으로 공급하여 지속적인 화장실 사용하지 못해 악취발생, 정화조 유출수의 미처리 등으로 위생시설이 낙후하다. 따라서 본 연구의 목적은 빗물을 간헐적으로 이용하면서, 전력소요가 적고, 유지관리가 용이하고 비용이 저렴하고 정화조 유출수 를 재이용할 수 있는 성능이 양호한 정화조 최적모형을 개 발하여 현지 환경적정기술로 적용하고자 한다.
2. Materials and Methods
2.1. 실험장치
Fig. 1은 본 연구에서 사용된 정화조의 모형장치를 나타내 고 있다. 주요 사용된 반응조는 부패조(Septic tank), 포기조 (Aeration tank), 여과조(Sand filter)로 구성되어 있다. 저장 조는 원수를 연속적으로 공급하기 위한 저장탱크이다. 각 반응조의 재질은 아크릴로 제작하였으며 주요 반응조의 제 원과 크기는 부패조(18W*20L*20H cm : 7.2 L), 포기조 (18W*10L*20H cm : 3.6 L), 여과조(8W*15L*20H cm : 2.4 L)
로 총 13.2 L의 크기이다. 부패조는 첫 번째 격막은 입구로 부터 11 cm 이격하였고(높이 17 cm), 두 번째 격막은 첫 번 째 격막으로부터 5 cm 이격하여(바닥에서 5 cm이격) 설치 하였다. 부패조는 3개의 칸으로 분할되어 그 부피비가 대략 55%, 25%, 20%를 각각 차지하고 있다.
포기조의 내부 바닥에는 길이가 27 cm, 직경 1 cm인 웨 이브분사기를 사용하여 포기를 실시하였으며, 각 반응조간 연결은 직경 10 mm의 고무관을 사용하였다. 포기조의 내부 에는 미생물 부착을 유도하기 위해 접촉재로 H회사의 HBC-Ring(Hanging Bio Contactor-Ring)을 사용하였는데 길 이 17 cm의 HBC Ring 8개를 철사로 매달고 포기조내에 상 하로 설치하였다.
여과조는 하부에서 유입되는 상향류식 형태로 모래여재를 통과한 후 유출되는 형태이다. 여과조의 부피는 0.64 L (8W*8L*10H cm)이고, 모래는 크기 2 mm 체(No.10)로 걸 러 사용하였다. 여과조에서 유출되는 최종 유출수는 자연유 하에 의하여 배출되며 적절한 용기를 통해 시료를 받았으며 용기와 시간에 의해 체류시간을 산정하였다.
본 연구에서 사용한 HBC 접촉재는 폴리염화비닐리덴의 filament 실(HBC-ring)이며, 실의 두께는 600-1800 denier (denier: 생사 나이론의 굵기를 재는 단위, 450m 실이 0.05g일 때 1denier이다)정도이고 16개의 원사와 접속사가 서로 교차 하여 형성된 심선재로 이루어져 있고, 링의 직경은 25-50 mm 이며 하전성이 월등하고 적당한 강성을 가지고 있다.
2.2. 실험방법
본 연구에서 사용된 원수는 대전대학교 공학관 정화조 유 입 분뇨를 채취하여 2mm 체(No.10)로 걸러서 수돗물로 약 10배 희석하여 사용하였으며, 유입된 원수의 성상을 Table 1 에 나타내었다.
Table 1에서 보는 바와 같이 원수의 농도는 pH는 7.2~8.3, BOD는 288~392 mg/L, COD는 1,178~1,747 mg/L, SS는 640~
1,420 mg/L, T-N은 47~67 mg/L, T-P는 11.7~14.2 mg/L 정 도로 나타났다. TCOD/TBOD비가 약 4~5배, SCOD/SBOD
Fig. 2. Variation of COD by elapsed time.
Table 1. Characteristics of raw wastewater (Unit: mg/L)
Item Range of Influent
pH 7.2 ~ 8.3
TCOD (SCOD) 1,178 ~ 1,747 (246 ~ 365) TBOD (SBOD) 288 ~ 392 (171 ~ 232)
SS 640 ~ 1,420
T-N 47 ~ 67
NH4-N 11.7 ~ 26
T-P 11.7 ~ 14.2
PO4-P 5.12 ~ 11.8
비가 약 1.5배정도로 나타나 비용해성 유기물질의 비율이 큰 것으로 보여진다. 한편, 현지 여건이 빗물을 화장실 세정 용수로 사용유무 따라 정화조의 유입수 농도가 변화 폭이 클 것으로 예상되지만 현장 적용시 부패조에서 저장, 분해 등으로 어느 정도 수질이 안정적으로 되는 완충역할을 할 것으로 보여진다.
본 연구는 정화조의 최적모형 성능을 조사하기 위하여 체 류시간(HRT)을 4일, 2일, 1일, 0.5일로 운전하면서 HRT에 따르는 최적 제거효율을 알아보기 위해 실험하였다. 여기서 HRT는 부패조(7.2L)의 크기를 기준으로 한 HRT이며 만약 HRT가 1일의 경우 포기조는 12시간, 여과조는 8시간의 HRT에 해당된다. 부패조에는 별도의 혐기성미생물을 주입 하지 않은 채 원수를 주입하였고, 포기조의 호기성 미생물 은 인근 O공공하수처리시설의 활성슬러지를 침전시켜 상등 액을 주입하였다.
수질분석은 각 HRT에서 최종 유출수의 COD농도가 일정 하다고 판단되었을 때 정상 운전상태로 보고 3~4회의 시료 를 채취하여 분석하였다. HRT 4일에서는 유입수의 부유물 질이 많고 Pump 유량조절이 원활하지 않아 Batch로 운전하 여 원수 주입을 하루에 2~3회 주입하였으며, 다른 HRT에서 는 연속운전이 가능하였다. 반응조 운전기간중 원수와 각 반응조 처리수를 채수하였고 시료에 대한 분석항목은 pH, BOD, CODcr, SS, TN, TP 등이었으며 시료의 분석방법은 APHA, AWWA, and WEF (2005)에 의해 분석하였다.
3. Results and Discussion
3.1. 유기물질의 제거
Fig. 2는 운전 경과시간에 따른 반응조별 처리수의 COD 변화를 나타내고 있다. 반응조 운전 초기에는 부패조의 상 태는 불안정하였고 포기조의 처리수의 수질은 비교적 점진 적으로 감소하여 약 40일 이후에 매우 안정되었음을 볼 수 있다.
본 그림에서 각 체류시간별 운전시 화살표시가 있는 기간 이 매우 안정됨을 알 수 있으며 이 시기가 정상상태로 판단 되어 3~4회 반응조별 유출수의 시료를 채취하여 분석하였 다. HRT 2일과 HRT 1일의 경우 여과조를 통과한 최종 유 출수의 수질은 큰 차이를 보이지 않았으며, HRT 0.5일인 경우에 수질이 급속적으로 악화되는 경향이었다.
Table 2는 HRT에 따르는 COD 제거효율과 농도를 반응 조 단위공정별로 나타낸 것이고 Fig. 3은 HRT에 따르는 COD 제거효율을 그림으로 도시한 것이다. 원수의 COD는 1,299~1,615 mg/L으로 주입되었으며 HRT 3.8일에서 최종 유출수는 61 mg/L으로 COD 제거효율은 95%까지 가장 높 게 제거할 수 있었다. HRT가 증가함에 따라 제거효율은 증 가하는 경향을 띠고 있으며 90%이상 제거를 위해서는 HRT 가 1.5일 이상 필요한 것으로 나타났다.
HRT 1.5일에서 전체 제거효율이 90%이었다면 부패조에 서 제거효율이 약 70%정도이므로 부패조에서의 차지하는 비율이 높은 편임을 알 수 있었으며, 나머지는 포기조에서 대부분 제거되었다. 모래여과조에서는 부유물질의 제거를 고려한 것으로 COD 제거효율을 5%이상 높이지 못한 것으 로 판단된다.
부패조는 내부 격벽에 의해 2단계의 구조를 가지므로 1단 계에서는 침전과 2단계에서는 혐기성 소화의 기능에 의해 COD 제거효율이 70% 이상된 것으로 예상된다. 이 경우 BOD 제거효율 60% 이상, SS 제거효율 85% 이상을 가질 수 있으며(Choi, 2003) 부패조는 별도의 에너지가 필요하지 않으므로 부패조의 기능을 2단계로 극대화시키는 것이 필요
Table 2. COD concentration and removal efficiency on HRT 0.6 day
(2.7Kg COD/m3･d)
1 day (1.2Kg COD/m3･d)
2.1 day (0.6Kg COD/m3･d)
3.8 day (0.3Kg COD/m3･d) Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Influent 1,615 - 1,220 - 1,328 - 1,229 -
Septic tank 958 41 478 61 361 73 242 80
Aeration tank 408 75 110 91 127 90 77 94
Sand filter 384 76 83 93 103 92 61 95
Fig. 3. COD removal efficiency on HRT. Fig. 4. COD removal efficiency on organic loading rate.
Table 3. BOD concentration and removal efficiency on HRT 0.6 day
(0.7Kg BOD/m3･d)
1 day (0.3Kg BOD/m3･d)
2.1 day (0.2Kg BOD/m3･d)
3.8 day (0.1Kg BOD/m3･d) Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Influent 392 - 341 - 343 - 288 -
Septic tank 281 28 172 50 121 65 86 70
Aeration tank 94 76 24 93 26 92 24 92
Sand filter 57 85 23 93 14 96 17 94
하다. Choi (2003)의 연구 부패조를 3단계로 연결시켰을 때 1단계의 효율이 BOD는 38%, SS는 55%로 나타난 것으로 보면 1단계에서 침전, 그리고 2, 3단계에서 혐기성소화에 의해 유기물질이 제거된 것으로 나타났다.
한편 1단계, 2단계 그리고 정화조 여상으로 구성된 실험 실 모형정화조(Sludge Blanket Reactor:SBR)에서 1단계 체 류시간 1.5일, 2단계 8시간 그리고 여상이 4시간의 경우에 유입 COD 1,700 mg/L을 주입시켰을 때 총 COD 제거효율 은 79%이었으며 이중 1단계에서만 76%, 2단계에서만 12%
로 제거되였다(Choi, 2003). 본 연구에서 부패조의 제거효율 이 약 70% 낮게 나타났으며 문헌에서 1단계 부패조만 제거 효율이 76%인 것에 비해 본 연구가 낮게 나타난 이유는 유 입수의 농도가 낮기 때문인 것으로 보여진다. 총 COD 제거 효율이 실험실 SBR정화조보다 높게 나타난 것은 포기조에 서의 유기물질제거의 역할이 크게 기인한 것으로 보여진다.
Fig. 4는 유기물질 부하율에 따른 COD 제거효율을 나타 내고 있다. 총 COD 제거효율 90% 이상으로 제거하기 위해 서는 약 1.5 kg COD/m3･d 이하로 운전하여야 하는 것으로 나타났으며 이 경우 부패조에 의한 COD 제거효율은 60%
이상 제거되었다.
Table 3은 HRT에 따른 유출수의 BOD 농도와 BOD 제거 효율을 나타내고 있으며 Fig. 5는 HRT에 따르는 BOD 제거 효율을 그림으로 도시한 것이다. 원수의 BOD 농도는 288~
392 mg/L로 주입되었으며 HRT 2.1일에서 유출수의 BOD 농도는 14 mg/L로 총 제거효율이 96% 까지 제거되었다.
HRT가 1일에서는 유출수의 BOD 농도는 23 mg/L로 총 제 거효율이 93%로 나타났다. 유출수의 BOD 농도를 20 mg/L
Fig. 5. BOD removal efficiency on HRT.
Fig. 6. BOD removal efficiency on HRT and organic loading rate.
Table 4. SS concentration and removal efficiency on HRT
0.6 day 1 day 2.1 day 3.8 day
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Influent 1,420 - 1,020 - 960 - 687 -
Septic tank 443 69 133 87 135 86 162 76
Aeration tank 62 96 12 99 31 97 33 95
Sand filter 28 98 4 100 14 99 10 99
이하로 처리하기 위해서는 HRT는 개략 1.5일정도가 요구되 는 것으로 보여진다.
HRT가 증가됨에 따라 BOD 제거효율도 증가하는 경향이 었으며 90% 이상 제거를 위해서는 HRT 1일 이상이 요구되 는 것으로 나타났다. 이 경우에는 부패조에서 BOD 제거효 율은 약 45% 정도이었다. Choi (1978)의 연구에 따르면 2개 의 부패조와 1개의 여과조로 조합된 실험실 모형정화조 (HRT 2일)에서 1단 부패조에서 BOD 48%, 2단 부패조에서 BOD 9%이고 여과조에서는 거의 제거되지 않았다.
한편, 앞에서 언급한 문헌(Choi, 2003)에 나타난 모형정화 조의 경우 유입 BOD 농도 653 mg/L경우에 1단계 부패조 에서 처리수는 174 mg/L으로 제거효율이 73%이었고, 2단 계 부패조에서는 처리수가 158 mg/L로 2단계에서만의 제거 효율은 9% 이었으며 총 제거효율이 75% 이었다. 본 연구에 서도 총 BOD 제거효율이 실험실 모형정화조보다 높은 것 은 COD 제거와 같이 포기조에서 유기물질 제거효율이 크 게 작용한 것으로 보여진다.
Fig. 6은 하수와 희석된 분뇨를 0.5~4일 HRT (0.04~1.13 kg BOD/m3일)에서 주입시킨 부패조에서 BOD 제거효율을 문헌에서 보여주고 있다(Choi, 2003). 그림에서 현장 부패조 는 하수만을 주입시킨 3단계 부패조의 운전결과이며 1단계 는 BOD 38%, SS 55%로서 하수처리장의 1차침전지의 효 율과 유사한 효율이다. 본 연구에서의 부패조만의 운전결과 를 표시하고(◇)있으며 BOD 제거효율이 거의 비슷한 결과 를 나타내고 있다. 부패조에서 어느정도 침전의 효과에 의 해서도 BOD가 제거된 것으로 보여진다.
Fig. 7. SS removal efficiency on HRT.
Table 4는 HRT에 따른 SS 농도와 제거효율이고 Fig. 7은 HRT에 따른 제거효율을 그림으로 도시한 것이다. 원수의 SS 농도가 687~1,420 mg/L으로 변화가 매우 크게 주입되었 으나 HRT 1일 이상에서 최종 유출수의 SS 농도는 4~14 mg/L로 매우 낮았으며 제거효율을 거의 99%이상 제거되었 다. 이것은 모래 여과조에 의한 부유물질의 여과에 의한 것 으로 판단된다.
Fig. 8은 여과조와 포기조만에 의한 SS 제거효율을 나타 낸 것으로 포기조에서만은 77~90%로, 여과조에서만은 약 55~70% 정도의 제거효율을 나타내고 있어 포기조 후단의 침전효과도 매우 클 것으로 판단된다.
본 연구에서 개발된 정화조의 경우에 부패조에서 HRT 1.5일 정도, 포기조에서 18시간, 여과조 12시간의 조건에서 BOD 20 mg/L이하, SS 14 mg/L이하의 최종 처리수를 얻을
Table 5. TN concentration and removal efficiency on HRT
0.6 day 1 day 2.1 day 3.8 day
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Influent 61 - 49 - 66 - 64 -
Septic tank 83 - 72 - 69 - 68 -
Aeration tank 35 43 36 27 46 30 44 31
Sand filter 30 51 30 39 40 39 38 41
Table 6. Ammonia and Nitrate-Nitrogen concentration on HRT
0.6 day 1 day 2.1 day
NH4-N (mg/L)
NO3-N (mg/L)
NH4-N (mg/L)
NO3-N (mg/L)
NH4-N (mg/L)
NO3-N (mg/L)
Influent 16.9 - 20.5 - 11.7 1
Septic tank 29.8 - 33.3 - 23.4 1.8
Aeration tank 28.7 1.6 31.2 1.6 0.3 15.3
Sand filter 26.1 2.3 26.1 2.7 0.2 12.4
Fig. 8. SS removal efficiency on reactor.
것으로 예상된다. 운전기간 동안에는 여과조 내부에 부유물 질이 축적되는 폐쇄현상은 일어나지 않았는데 이는 상향류 식 여과조의 구조로 인해 부유물질이 유입 전에 충분히 침 전된 것으로 보여진다. 따라서 정화조의 최종 처리수는 현 지 화장실 세정수로 재이용 가능할 수 있다고 본다.
3.2. 영양소의 제거
Table 5는 HRT에 따르는 TN 농도와 제거효율이며, Fig. 9 는 HRT에 따르는 포기조와 여과조의 TN 제거효율을 그림 으로 도시한 것이다.
HRT 1일에서 HRT 4일까지는 유입수의 TN 농도는 49~66 mg/L이었으며 최종 유출수의 TN 농도는 30~40 mg/L로 나 타나서 대부분 약 40%정도의 TN 제거효율을 보이고 있어 HRT에 따르는 제거효율이 거의 유사한 경향을 보이고 있다.
그러나 HRT 0.6일 경우에는 제거효율이 약 50%정도로 높 게 나타났는데 이는 부패조에서의 TN 농도가 오히려 상승 했기 때문이다. 일반적으로 부패조에서는 TN 농도가 제거 되지 않고 원수가 오히려 침전되어 바닥에서 슬러지상태로 축적되기 때문에 TN 농도가 상승할 가능성이 높을 수 있다.
접촉재로 HBC-ring을 사용하여 정화조 상등액을 원수로 사 용한 연구결과(Kim, 1998)에 의하면 TN 제거효율은 12시간 28%, 24시간 52%가 나타나 본 연구와 유사한 경향이다.
Table 6은 HRT에 따르는 암모니아성 질소농도와 질산성
Fig. 9. TN removal efficiency on unit reactor.
질소의 농도를 측정한 결과이다. 원수의 TN 농도가 49~66 mg/L에 비해 암모니아성 질소농도는 12~20 mg/L의 수준으 로 TN 농도 중에 암모니아성 질소농도가 차지하는 비율이 18~28%로 매우 낮은 수준이었다. 저장조에서 원수의 시료 채수 시 고형물이 침전될 가능성이 높은 것으로 보여지며 이로 인해 유기질소는 고형물의 침전에 의해 제거된 것으로 판단된다.
음폐수를 혐기성 처리한 경우 암모니아 농도가 원수보다 증가하는 경향(Lim et al., 2012)이 일반적으로 나타난 것과 같이 본 연구에서도 부패조에서 유기질소가 가수분해에 기 인하여 전체적으로 부패조에서 암모니아성 질소의 농도가 증가하였으며 포기조에서는 HRT 0.6일과 1일의 경우 포기 조에서 암모니아성 질소가 거의 제거되지 않은 것을 볼 때 질산화가 활발히 일어나지 않은 것으로 보여진다. 반면에 HRT 2.1일에서는 암모니아성 질소가 거의 다 제거되어 여 과조로 유출되는 것을 볼 때 질산화가 충분히 일어난 것으 로 보이며 포기조에서 질산성질소가 탈질되어지는 조건이 충분하지 않지만 HBC-ring 내부의 부착된 미생물에 의해 어느 정도의 탈질이 일어나고 질산성질소가 일부분 남게 되 어 유출되는 것으로 분석된다.
Table 7은 HRT에 따르는 TP 농도와 제거효율이며 Fig. 10 은 HRT에 따르는 제거효율을 단위공정별로 나타내고 있다.
원수 TP 농도는 약 11.8~13.0 mg/L이었으며 최종 유출수
Table 7. TP concentration and removal efficiency on HRT
0.6 day 1 day 2.1 day 3.8 day
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Conc.
(mg/L)
Re.
(%)
Influent 14.0 - 11.8 - 12.1 - 13.0 -
Septic tank 12.6 10 10.7 9 11.1 8 11.5 12
Aeration tank 12.3 12 8.9 25 8.9 26 11.9 8
Sand filter 12.0 14 9.6 19 9.2 24 11.5 12
Fig. 10. TP removal efficiency on HRT.
는 9.1~11.5 mg/L로 전체 제거효율은 약 11.5~25.4%의 수 준을 나타내고 있어 TN 제거효율보다 낮은 수준이다. 부패 조에서 TP 제거효율은 7.7~12.1%이고, 포기조까지는 8.5~
24.6%이었으며 여과조에서는 11.5~22.4%이므로 포기조에서 TP가 어느정도 제거된 것으로 보여진다. HRT가 증가할수 록 TP 제거효율은 약간 증가하는 경향이나 HRT 3.8 day에 서 급격히 감소하였는데 이는 초기운전시 Batch 운전으로 하였으므로 미생물이 활성화되지 못한 상태에서 과부하조건 이 되어진 것으로 판단된다.
E업체에서 이용하는 무방류 화장실 세정수의 수질분석 결 과를 보면 화장실의 세정수농도가 SS 4.5 mg/L, BOD 2.6 mg/L, TN 134 mg/L, TP 88 mg/L로 나타났다(Lee et al., 2014).
세정수의 BOD는 10 mg/L이하로 우리나라의 중수도수질기 준 이하로 나타났지만 TN, TP는 거의 제거가 되지 않고 있 다. SS농도가 매우 낮으므로 고형물에 의해 유발되는 유기 질소나 유기인의 농도가 낮아 용해성 질소와 인이 대부분 구성되어 있는 것으로 보여진다. 이는 무방류 화장실의 공 정이 유기물질처리 위주로 혐기조와 포기조 및 Membrane 에 의한 처리 결과이기 때문이다. 또한, 우리나라의 단독정 화조의 성능평가를 보면 방류수의 평균 BOD는 131 mg/L, T-N 138mg/L T-P 12.7 mg/L으로 영양염류는 거의 제거되 지 않고 있음을 알 수 있다(Lim et al., 2007).
본 연구에서 최종 유출수의 TN 농도는 30~40 mg/L이고, TP 농도는 9~12 mg/L 수준이고 SS 농도가 매우 낮아 유 기질소와 유기인의 성분이 낮은 상태이다. 우리나라의 경우 에 하･폐수처리수의 용도별 수질기준을 보면 농업용수로 재이용시 탁도 5 NTU이하, BOD 8 mg/L이하, 총질소와 총인의 기준치가 없는 것으로 되어 있고 오히려 식물에 필 요한 영양소이므로 현지가 물부족 개발도상국이라는 것을 감안한다면 필요시 농업용수로 사용해도 무방한 것으로 보 여진다.
3.3. 포기조의 미생물 부착상태
Table 8은 포기조의 운전조건을 알기 위해 pH, 수온, DO 의 측정결과와 포기조에서의 유기물질 제거효율을 나타낸 것이다. pH는 7.2~8.9이었고 수온은 18~23°C였으며 DO는 3~5 mg/L정도로 운전되었으며 각 HRT별로 큰 차이가 없었다.
여기서 포기조만의 HRT을 별도로 산정하면 부패조 HRT의 1/2에 해당한다.
포기조만의 COD 제거효율을 보면 HRT가 감소할수록 감 소되는 경향을 띠고 있으며 최저 57%에서 최고 68%까지 제거되는 것으로 나타났다. BOD 제거효율은 66%에서 79%
수준으로 나타났으나 포기조의 HRT 12시간의 경우 86%로 급격히 증가되는 경우도 있었다. SS 제거효율은 79%에서 86% 수준으로 나타났으나 이 경우도 HRT 12시간에서 91%
로 급격히 증가되는 경우가 있었다.
접촉재로 HBC-ring을 사용하여 정화조 상등액을 원수로 사용한 연구결과에 의하면 포기조의 체류시간이 12시간인 경우에는 처리수의 BOD 농도는 16.4~20.2 mg/L로 약 85%
제거효율을, 체류시간이 24시간인 경우에는 처리수의 BOD 농도는 8.1~11.9 mg/L로 약 92% 제거효율을 나타내어 본 연구의 체류시간 12시간의 경우와는 유사한 경향이었다. 또 한 SS 제거효율은 12시간에서 85%, 24시간에서 약 90%로 나타나 HBC Ring에 의해 SS 제거효율에도 효과가 있는 것 으로 판단된다(Kim, 1998). 한편 포기조의 HRT 1.9일 경우 에는 포기조만의 제거효율이 매우 높을 것으로 예상하였는 데 오히려 BOD의 경우는 낮은 경향이다. 이 경우 Batch 운 전과 부패조에서 포기조로 이송되는 유입구에 헝겊망을 씌 워서 운전함으로 인해 상대적으로 포기조의 유입수 농도
Table 8. Operation condition and removal efficiency in aeration tank
3.8 day (1.9day)*
2.1 day (1.1day)*
1 day (12hr)*
0.6 day (7.2hr)* pH 7.2~8.9 7.8~8.8 7.6~8.6 7.5~8.7 Temperatare
(°C) 18~22 18~23 18~22 18~21
DO
(mg/L) 5.2~5.3 3.6~5.2 3.2~4.8 3.2~4.5 COD
Re.Eff (%) 68 65 77 57
BOD
Re.Eff (%) 72 79 86 66
SS
Re.Eff. (%) 80 79 91 86
*( ):HRT in aeration tank only
(a) 미부착 HBC-ring (b) HRT 1.9 day (c) HRT 1.1 day
(d) HRT 12 hr (e) HRT 7.2 hr
Fig. 11. Microbe attached condition of HBC-ring on HRT in aeration tank.
가 낮음으로 인해 제거효율이 적어진 것이 원인인 것으로 보여진다.
HBC-ring에 의해 생활하수를 HRT 8시간에서 처리한 결 과 유입 BOD농도 227 mg/L에서 유출수 17 mg/L로 약 93%
의 제거효율을 나타냈으며, 유입 SS 140 mg/L으로 유출수 21 mg/L로 약 85%의 제거효율을 나타냈으며 특이한 것은 포기조내에서 슬러지 생산량이 발생치 않고 운전하였다 (Kim, 1984).
HBC-ring이 유기물질 및 영양염류 제거에 어떻게 기여하 고 있는지 분명하지 않지만 HBC-ring의 기능은 접촉재가 수중에 전하를 띠어 미생물의 부착능력이 증대되고, 접촉재 형태가 미생물에 잘 서식할 수 있는 구조이고, 호기성과 혐 기성 미생물이 균형을 이루며 성장하여 잉여슬러지가 거의 발생하지 않았다. 또한, 현장에서 HBC-ring의 투입 길이결 정은 H 업체에서 제공한 다음과 같은 공식을 이용한다.
HBC-ring 접촉재 길이 = 유량(m3/일) × ((유입 BOD-방류수) + (유입 SS-방류수) g/m3) / 접촉재의 부하
(단, 여기서 유량 100 m3/일 미만은 접촉재 부하는 5~8 g/m 일 적용)
포기조내의 미생물중 HBC-ring에 부착된 량과 부유된 량 이 어느 정도인가를 알아보기 위해 운전이 끝난 후(약 200 일 후) 부착량의 농도와 부피를 측정하여 무게비율로 계산 하였다. HBC-ring에 부착된 량은 ring에 매우 단단히 부착 되어 쉽게 씻어내기가 어려울 정도이었는데 포기조 전체 미 생물량의 98%로 대부분의 미생물이 메디아에 부착된 것으 로 볼 수 있다.
Fig. 11은 포기조 내부에 HBC-ring에 부착된 미생물의 부착상태를 체류시간별 사진으로 나타낸 것이다. 각 사진은 미부착 사진부터 HRT별 정상상태에서의 부착상태이고 운 전시작을 HRT 4일부터 HRT 0.5일까지 운전을 진행하는 동안 미생물을 씻어내지 않았으므로 HRT 0.5일의 경우가 가장 많이 부착되는 것으로 보여진다.
포기조의 HRT 12시간인 경우부터 미생물이 많이 부착된 것을 관찰할 수 있었는데 반응조 운전시작된 이후 약 85일이 지난 경우이다. 미생물의 부착상태와 관련시켜 유기물질의 제거효율을 비교해보면 포기조의 HRT 12시간인 경우가 가 장 유기물질 제거효율이 높은 경우로 나타난 것과 연관될 수 있다. 반면에 포기조 HRT 7.2시간일 경우에 미생물의 부착 상태가 많음에도 불구하고 제거효율이 높지 않게 나타났다.
이 경우 유기물질 부하율이 1.13 kg BOD/m3･d인 경우로써 유입수의 BOD 농도가 392 mg/L에서 부패조의 유출수 농도 가 BOD 281 mg/L으로 나타나 부패조만의 BOD 제거효율이 28%로 급격히 감소되었는데 유기물질 부하율이 높은 경우 에 BOD 제거효율이 낮아지는 것을 뒷받침해 주고 있다.
본 연구에서 포기조에 침전된 슬러지는 어느정도는 발생 하였지만 운전기간 중 슬러지폐기는 거의 하지 않고 운전하 였다. HBC-ring에 미생물 부착상태가 양호하므로 활성슬러 지와 같은 슬러지 반송이나 폐기는 주기적으로 하지 않았으 며 부패조에서 스컴발생으로 인해 포기조로 유입된 고형물 이 포기조 바닥에 침전되는 경우에 포기장치의 포기역할을 방해하지 않도록 바닥슬러지를 청소한 경우가 있었다.
3.4. 처리수 반송에 의한 처리효율
Fig. 12는 모래여과조의 최종 유출수를 반송시켜 재이용
Table 9. Total organic matter removal efficiency by returning effluent
Before return (mg/L) After return (mg/L)
COD BOD SS COD BOD SS
Influent 1328 343 960 1654 696 1280
Septic tank 361 121 135 428 117 320
Aeration tank 127 26 31 103 19 100
Sand filter 103 14 15 89 17 19
Total Re. Eff. (%) 92 96 98 95 98 99
Table 10. Nutrient removal efficiency by returing effluent
Before return (mg/L) After return (mg/L)
TN NH4-N NO3-N TP TN NH4-N NO3-N TP
Influent 66 11.7 1 12.1 46 26.0 1.6 4.4
Septic tank 69 23.4 1.8 11.1 104 34.3 2.0 9.5
Aeration tank 46 0.3 15.3 8.9 76 29.6 2.0 8.1
Sand filter 40 0.2 12.4 9.2 74 32.2 2.0 8.3
Total Re. Eff. (%) 43 99 - - 29 6 - -
*TN, NH4-N removal efficiency was got by septic tank basis
Fig. 12. Process schematic diagram by septic tank system returning effluent.
하기 위한 정화조시스템의 모식도이다. 적정 HRT는 처리 효율이 양호하고 여유를 갖는 2일로 운전하였으며 반송율 은 100%로 하여 최종 유출수를 부패조의 최앞단에 반송시 켜 운전하여 처리효율을 검토하였다.
Table 9는 최종 유출수의 반송후의 유기물질의 반응조별 농도와 총 제거효율을 나타내고 있다. 반송후의 총 제거효 율은 COD 95%, BOD 98%, SS 99%로 나타나서 반송전보 다 약간 상승하는 효과를 나타내고 있는데 이것은 반송후 유입수의 농도를 약간 높게 운전한 결과인 것 같다. 또한 반송후 최종 유출수의 농도는 BOD 17 mg/L, SS 19 mg/L 로 반송전보다 약간 증가하는 경향이지만 개발도상국 현장 에서는 수세식 화장실 용수가 부족한 경우에 최종 유출수 를 저장하여 용수로 사용해도 가능할 것으로 판단된다.
Table 10은 HRT 2일의 경우 최종 유출수의 반송 후 영 양소의 반응조별 농도와 총 제거효율을 나타내고 있다. 반 송후 총 TN 제거효율은 29%로 나타나서 반송후 총 제거 효율이 반송전보다 낮아졌는데 이 원인은 포기조에서 수온 이 반송전에는 20~30°C이었는데 반송후에는 14°C로 급격 히 떨어져 질산화가 일어나지 않은 것으로 보여진다. 실험 반응조 주위의 실내온도를 20°C 이상으로 충분히 유지하지 못한 것이 문제이었다.
Randall (1988)의 자료에 의하면 하수처리장에서 운전온 도 18°C 이하에서 처리수의 NH4-N 농도가 15~20 mg/L 정 도로 급격히 증가하는 것으로 나타나고 있는데 온도에 의해 질산화가 이루어지지 않았기 때문인 것으로 보고 있어 이와 같은 현상이 본 연구에서도 나타난 것으로 보여진다.
또한 부패조에서 TN농도나 NH4-N 농도가 원수보다 증 가하는 경향을 띠는 것은 부패조 바닥에 쌓인 슬러지의 소 화현상에 의해 암모니아가 증가하는 것으로 보여진다. 총인 의 농도도 부패조에서 어느 정도는 용출하는 현상을 보였 지만 포기조에서 미생물에 의해 충분히 섭취되지 않아 제 거되지 않았다.
유출수의 재이용을 통해 유기물질의 제거효율에는 큰 문 제없이 활용할 수 있음을 보여주었지만 영양소제거는 충분 히 제거되지 않았다. 최종 유출수의 반송을 통해 포기조에 서 질산화가 일어나고 질산성질소가 어느 정도 HBC-ring에 의해 탈질이 되고, 제거되지 않은 질산성질소가 혐기조에서 탈질이 일어나서 총 질소제거효율을 높일 수 있을 것으로 기대하였는데 온도문제로 충분한 결과를 얻을 수 없었지만 개발도상국에서 온도저하의 문제(최저온도 17~25°C)가 없 을 것으로 예상되므로 반송을 통해 질소제거가 가능할 것으 로 예측한다.
최종 유출수를 화장실 세정용수로 활용하기 위해서는 위 생문제를 고려하는 것이 필요하므로 소독하는 것이 바람직 한 것으로 판단되며 소독을 위해서는 가격이 저렴하고, 사 용하기 간편한 차아염소산칼슘(Calcium Hyrochlorite)(일명 클로로칼키)과 같은 고체형 타불렛 모양의 소독약을 적정량 으로 별도의 소독시설 없이 모래여과조내 최종 유출수가 저 장되는 탱크에 주입시킨다.
4. Conclusion
물이 충분히 하지 못해 화장실 용수가 부족하고, 전기공 급이 원활하지 않고 하수관로 시설이 없는 개발도상국에서
공중화장실의 열악한 정화조를 개선하기 위한 적합한 실험 실 모형정화조를 개발하여 운전한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 부패조, 포기조, 여과조로 구성된 모형정화조의 전체 COD 제거효율 90%를 얻기 위해서는 최적 HRT는 1.5일 이상 필요하며 이 경우 부패조에서 COD 제거효율은 약 70%, BOD 제거효율은 약 60%, SS 제거효율은 85%를 가지므 로 별도의 에너지가 필요하지 않는 부패조의 구조를 2단 계로 하는 것이 필요하다.
2) 부패조, 포기조, 여과조의 HRT를 각각 1.5일, 18시간, 12 시간 이상으로 운전할 경우 최종 유출수의 농도가 BOD 20 mg/L이하, SS 14 mg/L이하 정도로 처리가능하므로 현지 수세식 화장실 용수로 재이용 가능성이 매우 높은 편이다.
3) 영양소제거는 HRT에 따라 큰 차이가 없었으며 전체 TN 제거효율은 약 40%정도에서 최종 유출수 TN 농도는 30~
40 mg/L, TP 제거효율은 약 11~25%정도에서 최종 유출 수의 TP 농도는 9~12 mg/L 수준이었다. 최종 유출수의 총 질소, 총 인 성분의 기준이 없고, 현지 물부족 상태를 감안한다면 필요시 농업용수로서의 재이용이 가능하다.
4) 최종 유출수를 부패조로 반송시켰을 때 유기물질의 제거 효율은 반송전에 비해 약간 상승하였으며, 유출수의 BOD 와 SS농도를 각각 17 mg/L, 19 mg/L으로 유지할 수 있 으므로 화장실 용수가 부족할 경우에도 최종 유출수를 재이용하는 것이 가능하다.
사 사
이 논문은 2013년도 대한민국 정부(미래창조과학부)의 재 원으로 시행하는 한국연구재단 국제협력사업의 지원으로 수 행된 연구결과임(과제번호: 201301980001).
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