최근 방류수 수질 강화에 따라 총인 처리시설의 설치와 응집제 사용량이 증가하고 있다. 본 연구는 유입하수에 포함된 응집제 성분(Al3+, Fe3+ 등)을 활용하여 PO43-와 응집시킴으로써 하수처리공정에 별도의 응집제 주입 없이 총인 농도를 0.2mg/L 이하로 제거할 수 있는 MBR 하수처리공정을 개발하는 것이다. 활성슬러지와 차아염소산나트륨으로 제조한 알칼리슬러지를 MBR 공법의 생물반응조에 주입하여 적정 pH를 유지시킴으로써 유입하수 중의 용존성 이온을 상호 응집시켜 고형화 하였고 분리막으로 고액 분리하여 하수처리수의 총인 농도를 0.2mg/L이하로 달성하였다. 이 연구를 통해 개발한 공법은 응집제 주입 없이 하수처리수의 총인 농도를 0.2mg/L이하로 제거하여 약품비용을 절감에 기여할 것으로 예상된다.

국내 하수처리장에서는 방류수에 총인 규제의 강화에 대응하기 위해 응집제와 여과 혹은 가압 부상 등의 방법을 이용하여 인을 물리·화학적으로 처리고 있으며, 사용되는 응집제는 주로 황산반토, PAC(poly aluminum chloride)등을 이용되고 있다. 그리고 처리 과정에서 발생되는 슬러지(이하에서는 총인 슬러지라고 함)는 별도로 탈수하거나 처리장의 여건에 따라 소화 슬러지와 통합하여 탈수하여 처분되고 있는 실정이다. 총인 슬러지에는 다량의 알루미늄과 인이 함께 함유되어 있으며, D시 하수처리장에 발생되는 총인 슬러지를 대상으로 하여 분석한 결과, 알루미늄이 150~220g/kg, 총인이 16~23g/kg정도 함유되어 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 함유량은 다량의 응집제를 사용하는 정수 공정에서 발생되는 슬러지의 알루미늄 함유량(110~140g/kg)에 비해서도 높은 값임을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 D시의 하수처리장 중에서 총인 슬러지를 별도로 탈수 처리하고 있는 처리장의 슬러지를 대상으로 비료의 원료로 사용할 수 있는 인과 응집제로 재사용을 위한 알루미늄의 회수를 위한 기초적 조건을 검토하고 회수한 응집제의 인의 회수능과 분리 회수한 인의 순도에 대한 검토를 실시하였다. 회수한 응집제의 경우는 황산반토와 유사한 인의 제거능을 보였으나, Hydroxylapatite의 형태로 회수한 인의 경우는 알루미늄과의 완전한 분리가 이루어지지 않아 중량 단위로 인에 비해 3배 이상의 알루미늄이 되어 있는 것으로 나타났지만, 총인 슬러지에 있어서 인의 함유량이 알루미늄의 약 10배 정도임을 감안한다면, 약 70%의 알루미늄을 제거한 알루미늄과 결합되어 있을 가능성이 높은 Hydroxylapatite를 얻을 수 있었다.

빈번한 조류 발생으로 인한 수질 악화를 완화시키기 위해 2012년부터 총인의 수질 기준이 강화되었으며, 이에 앞서 2010년부터 기존의 하수처리장에 총인 처리시설을 설치하였다. 총인은 생물학적 처리공정에서도 제거할 수 있으나 질소와는 달리 기체로 전환시켜 대기 중으로 확산시키는 형태로 제거할 수 없기 때문에 혐기･(무 산소)･호기 프로세스를 이용하여 미생물에게 인을 과잉 섭취시켜 슬러지의 형태로 제거하는 방법이다. 그러나 이 방법은 국내의 엄격한 인에 대한 수질 기준을 만족시킬 수 없기 때문에 인과 친화성이 높은 알루미늄 분자가 주 원료인 황산반토, PAC 등과 같은 응집제를 이용하여 침전･분리시켜 슬러지의 형태로 처리하고 있는 실정이다. 이러한 인의 처리는 어떤 처리 방법에 있어서도 슬러지의 형태로 계외로 배출되는 특성을 지니고 있다. 결국 총인처리시설의 도입으로 인해 기존에 용존 상태로 공공수역에 방류된 인이 알루미늄과 결합된 슬러지의 형태로 전환되게 되었다. 이와 같이 알루미늄과 결합된 인은 기존의 슬러지 처리시설에서 최종침전지의 슬러지와 함께 각 처리장의 기존 슬러지 처리시설에서 처리되고 있다. 그러나 응집제의 도입과 인의 함유량 증가와 같은 슬러지의 성상이 기존의 슬러지 처리 공정에 미치는 영향에 대해서는 조사된 사례가 없으며, 특히 부숙화나 고화 처리의 경우는 토양 환원시에 알루미늄과 인의 함유량 변화가 작물의 생장이나 토양 생태계에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이에 대한 기초적인 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 총인처리시설 도입 후에 처리장내에서의 인과 계외(처리장 외부)로 배출되는 슬러지(부숙토, 고화토 등)중의 인과 함께 알루미늄의 거동에 대해 검토하였다. 연구 대상으로 한 G하수종말처리장의 처리공법은 DNR이며, 잉여 슬러지는 총인슬러지와 함꼐 탈수 후에 부숙처리하고 있다. 먼저 처리장의 월별 운영자료로 인의 수지를 산정한 결과, 총인처리시설에서 제거되는 인의 양은 4.33 kg/d (28.7%)이었으며, 총인처리시설 이전 단계에서의 인 제거량은 4.65 kg/d(30.9%)로 유입되는 인의 약 41%는 생물반응조내의 미생물에 축적되어 있는 것으로 나타났다. 그리고 총인 처리과정에 발생된 슬러지에는 건조중량 기준으로 알루미늄이 254.6 g/kg, 총인이 40.1 g/kg 함유되어 있고, 완제품의 부숙토에는 알루미늄이 49.5 g/kg, 총인이 30.8 g/kg 함유되어 있는 것으로 나타났다. 이는 전술한 인의 수지에 근거해서 재산정하면 총인처리시설의 도입 후에 부숙토 중의 인함량은 약 2배 정도 증가한 것으로 보인다. 한편 알루미늄은 일반 슬러지중의 알루미늄의 함량이 높지 않음을 감안한다면 대부분이 인의 제거를 위해 투입된 황산반토에서 기인된 것로 판단된다. 이와 같이 총인 처리시설의 도입으로 인해 슬러지 중의 알루미늄과 인의 함량은 급격하게 증가되었음이 확인되었다. 한편, pH 2이하의 조건에서 용출시험 결과, 인(T-P)과 알루미늄의 용출 농도는 각각 80 mg/L과 27 mg/L이었으며 pH 4이상의 조건에서는 알루미늄과 인이 안정된 결합상태로 유지하는 것으로 나타났다.

2012년부터 상수원 보호구역이나 4대강의 본류로 유입되는 지천의 인근에 있는 하수처리장의 방류수에 대한 총인의 기준을 2 mg/L에서 0.2 ~ 0.5 mg/L로 강화시켰다. 이와 같은 수질 기준의 강화로 기존 하수처리장에서는 총인 처리시설을 추가로 설치하여 운영 중에 있다. 인에 대해 높은 친화성을 지닌 알루미늄을 주성분으로 황산반토나 PAC(poly aluminum chloride)와 같은 응집제를 이용하여 인을 처리하고 있다. 그러나 총인처리시설 유입수의 총인농도 변화에 대응하여 적정량의 응집제를 투입하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 과잉의 응집제가 투입되는 경우가 많은 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 총인 처리 과정에서 발생되는 슬러지(이하에서는 총인 농축 슬러지)를 이용하여 하수처리장의 반류수(혐기성 소화조 상등수 등)중에 함유된 인의제거 가능성을 검토하였다. 소화조 상등수 중의 성상은 총인: 16 mg/L, CODMn: 188 mg/L, Al: 1.1 mg/L이었으며, 총인 농축 슬러지의 성상은 상등액의 경우, 총인: 0.22 mg/L, CODMn: 18 mg/L, Al: 0.05 mg/L이었으며, 총인 농축 슬러지의 알루미늄 함량은 약 160 g/kg (건조중량)이었다. 이와 같이 총인 농축 슬러지중의 알루미늄은 인과 결합된 안정된 형태이며, 용존상의 알루미늄 이온의 농도는 높지 않은 것으로 나타났다. 그러나 소화조 상등수에 총인 농축 슬러지를 1 ~ 25% (V/V)의 범위에서 주입시킨 경우, 소화조 상등수 중의 총인은 주입량에 비례하여 제거되는 특성을 보였다. 이는 총인 처리 과정에서 과잉으로 투입된 알루미늄의 일부가 황산염이나 염소 이온등과 결합한 상태로 존재하다가, 이들 이온에 비해 알루미늄과 높은 친화력을 지니는 인과 결합함으로서 나타난 현상인 것으로 추측되었다. 이와 같은 결과로부터 총인 농축 슬러지를 이용하여 하수처리장의 반류수(혐기성 소화조 상등수 등)중에 함유된 인의 제거가 가능한 것으로 확인할 수 있었다.

총인슬러지(total phosphorus sludge)라 함은 기존 하수처리시설의 최종침전지 후단에 급속응집침전지를 설치하고 alum 이나 PAC를 투입하여 AlPO4, Al(OH)3 및 SS반응물로 침전시켜 총인을 제거할 때 발생되는 슬러지를 말한다. 총인슬러지의 처분시 기존의 소각처분방법은 알루미늄의 신터링(sintering)현상 의해 소각로 파손문제가 발생하고 매립의 경우, 하수를 1만톤 이상 처리하는 시설에서 발생되는 슬러지는 직매립 금지와 매립지 확보의 어려움, 침출수 생성에 대한 2차 환경오염을 유발하는 문제점이 있다. 또한 퇴비의 경우도 알루미늄 이온에 의한 식물뿌리 고사현상을 일으키므로 부적절한 처분방법이다. 이에 본 연구에서는 연간 600천톤 이상 발생되는 총인슬러지를 활용하여 알포계 제올라이트인 bead형과 pellet형의 입상형 흡착제를 개발하여 알카리성 악취를 제거할 수 있는 흡착제로서의 가능성을 확인하고자 한다. 수질환경지표의 변화와 정책변화로 인해 년간 60만톤 이상 발생되는 총인슬러지를 활용한 암모니아와 TMA 흡착능 평가는 다음과 같은 결과를 도출하였다. 1. 총인슬러지 성분 분석 결과, Al2O3가 약 26%로 나타나 AlPO4계 제올라이트형 다공성 입자를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 가용성 P2O5의 함량이 9.83%로 나타나 인산비료로서의 활용도도 있을 것으로 판단된다. 2. 총인슬러지를 활용한 흡착제의 분말입자의 크기는 대부분 10 ㎛이하이며, 세공은 0.02 ㎛와 10 ㎛에 대부분 분포하여 첨착활성탄의 입도분포와 매우 유사한 것으로 나타났다. 또한, A/C, B-TPS 및 P-TPS의 물리화학적 특성 중 비표면적과 micropore 용적, feedpore용적이 모두 비슷하게 나타나 활성탄 대체제로서의 가능성이 있음을 알 수 있다. 3. B-TPS, P-TPS의 알카리성 악취(TMA, NH3) 흡착능 평가실험 결과, 파과시간과 단위중량당 흡착량이 A/C보다 3~4배 증가하는 것으로 나타나 흡착성능이 매우 우수함을 알 수 있다.

This study was performed to evaluate the removal feasibility of nitrogeneous malodor compounds using AlPO4 zeolite manufactured by total phosphorus sludge (herein after TPS), which was produced from sewage treatment plant. Adsorbents in this study were activated carbon treated by H3PO4 (herein after AC), bead (herein after B-TPS) and pellet type adsorbents (herein after P-TPS) manufactured from total phosphorus sludge which was generated from sewage treatment plant. The breakthrough time of AC for ammonia gas (herein after NH3) removal was approximately 320 min, while those of BTPS and P-TPS were 1,140 min and 820 min, respectively. For trimethylamine (herein after TMA) removal, the breakthrough time of AC was 400 min, B-TPS and P-TPS were 1,180min and 1,100 min, respectively. From the results, it judged that adsorbents produced by TPS could be used to replace AC.