J. Kor. Soc. Environ. Eng., 35(7), 509~517, 2013 Original Paper ISSN 1225-5025 Improvement of Medium and Small Urban Stream Water Quality and Applicability of Design Factor Using Biological and Physicochemical Processing 김문기 최정수 김삼주 * 김현구 ** Moon-Ki Kim Jung-Su Choi Sam-Ju Kim* Hyun-Gu Kim** 경기대학교일반대학원환경에너지시스템공학과 * 안성시청 **( 주 ) 젠트로 Department of Environmental Energy System Engineering, Graduate School Kyonggi University *Anseong City **Gentro Co., Ltd (2013 년 6 월 11 일접수, 2013 년 7 월 30 일채택 ) Abstract : The purpose of this study is to assess the applicability of device-type stream coagulation process which combines physiochemical, biological processing for efficient improvement of water quality in small, middle-sized urban streams. The stream purification facility of this study is compose of pressure flotation type Micro Bubble Process(MBP) to remove TSS and TP and conduit line type Attached Microbial Pipe System(AMPS) to remove BOD. Test conditions of each device were set by floating stay time and change of ultra fine bubble injection amount of MBP, and change of AMPS stay time. Also, removal efficiency of pollution sources of each process were assess by change of season. As result of continuous operation of each process, MBP showed a maximum of TSS 83.69%, TP 95.15% process efficiency and AMPS showed a maximum of 52.95% TBOD5 removal efficiency. Also as result of circular operation of each process, MBP showed a maximum of TSS 69.75%, TP 70.17% process efficiency and AMPS showed a maximum of 68.58% TBOD5 removal efficiency. Therefore, it is considered that this stream coagulation process is effective in improving the water quality of streams in urban areas. Key Words : Medium and Small Urban Stream, Micro Bubble Process (MBP), Attached Microbial Pipe System (AMPS) 요약 : 본연구의목적은도심지역중소하천의효율적인수질정화를위해물리화학적, 생물학적처리공정을결합한장치형하천수질정화공법의적용성을평가하는데있다. 본연구의하천정화시설은 TSS 및 TP 제거를위한가압부상 (Micro Bubble Process, MBP) 공정과, BOD 제거를위한관로형미생물부착 (Attached Microbial Pipe System, AMPS) 공정으로구성하였다. 각장치의실험조건은 MBP 공정의부상조체류시간및초미세기포주입량변화와 AMPS 공정의체류시간의변화를설정하였다. 또한계절변화에따른각공정의오염원제거효율을평가하였다. 각공정의연속운전결과 MBP 공정에서는최대 TSS 83.69%, TP 95.15% 의처리효율을나타냈으며, AMPS 공정의 TBOD5 제거효율은최대 53.0% 를나타냈다. 또한각공정의순환운전결과 MBP 공정에의해최대 TSS 69.75%, TP 70.17% 의처리효율을나타냈으며, AMPS 공정에의해 TBOD5 제거효율은최대 68.58% 를나타냈다. 따라서본하천정화시설은도심지역내오염된하천의수질을개선하는데효과적이라고사료된다. 주제어 : 중소하천, 가압부상공정, 관로형미생물부착공정 1. 서론 중 소하천은주변지역의생활이나농업등각종용수를제공하고, 생태적기능을담당하는등국민생활과밀접한관계를가지고있다. 하지만우리나라의하천정비사업은이수, 치수를목적으로하천구조를변화시켜하천의직강화와콘크리트, 블록, 돌망태등획일적인하천제방과둔치를이용한인간중심의친수적공간확보를우선으로시행되었다. 이로인해하천고유의형태를획일화하여본래자연하천의생태적, 환경적기능을상실하게되었으며, 하류의홍수량증가, 하천유량감소, 수질악화등과같은문제가발생되고있는실정이다. 또한급격한경제성장에동반된물이용의증가와도시개발은수문순환구조를변형시켰고, 그결과로써평상시의하천유출량이감소하는건천화현상이나타나고있다. 1) 물부족국가인우리나라는하천의오염을최소화하고, 부족한수량을확보하기위해오수및하수관거를지속적으로정비하고있다. 이와같은노력으로 2011년현재전국의하수관거보급률은 73.4% 이며서울및광역시, 수도권지역은 100% 에가까운높은하수관거보급률을나타내고있다 2). 하지만경기일부구간및충청, 전라, 강원지역은아직까지하수관거정비가미흡한구간이많아생활하수등오염물질이주변하천으로유입되고있으며, 이로인해하천의수질악화및생태계불균형의원인이되고있다. 이에따라최근에는오염부하의양적증가를적절히통제하기위해수계구간별목표수질을설정하고, 단위유역내배출되는오염물질의총량을관리하는수질오염총 Corresponding author E-mail: wwtp@daum.net Tel: 031-257-7689 Fax: 031-257-7689
510 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김문기 최정수 김삼주 김현구 량제도를도입하였다. 이전까지는 BOD를대상으로 1단계총량제가실시되었으며, 2011년부터는하천의조류성장제한인자인 TP를규제하고있다. 3) 하천내오염물질정화를위해환경부는하천정비사업에자연형하천의개념을도입하여기존의하천정비상의문제점을개선하고, 인간과자연이공존하는환경을만들자는취지하에하천정비사업을시행중에있다. 4) 그러나자연형하천정화공법은유지관리및제거효율측면등다양한문제점들이지적받고있는실정이다. 그이유로는첫째, 자연형하천정화사업시행이후설치대상하천에대한지속적인모니터링자료의부족과그효과를객관적으로입증하기어려운점에있다. 둘째, 여름철집중호우로인해인공습지, 식생수로등의시설물이매년유실되어유지관리비, 시설관리비등의문제점들이지적되고있으며, 겨울철의경우하천건천화로인해수질정화습지로유입되는수량이거의없어관리의어려움을겪고있는점이다. 셋째, 현재설치되어있는대부분의자연형하천정화공법은하천의계절별변화 ( 유량, 수온등 ) 를고려하지않은일괄적인체류시간 (Hydraulic retention time, HRT) 의적용으로여름철, 겨울철오염원처리효율의변화가크며, 설계인자적용의불명확성등설치의논리성이부족하다는지적을받고있다. 5) 따라서본연구의목적은자연형하천정화공법의문제점으로지적되고있는계절별오염물질제거효율변동문제를부분적해결로일조하고자한다. 또한공정처리수를하천상류로재순환하여하천의건천화현상을방지하는데있다. 이에따라본연구에서는물리화학적처리방식과생물학적처리방식을적용하여각단위공정별체류시간변화에따른 TBOD 5, TP 및 TSS의제거효율을평가하고자한다. 2. 연구방법 2.1. 대상하천선정 대상하천선정은경기도안성시안성천으로유입되는주요지류 10개지점 ( 기솔천, 조령천, 사흥천, 옥정천, 현곡천, 월동천, 현암천, 계촌천, 한운천, 금석천 ) 의유역특성, 오염원배출부하량정도를기초조사하여연구목적에맞는대상하천지점을선정하였다. 기초문헌을토대로안성천유역에대한인구, 가구및토지이용현황, 오염부하량조사결과인구및가구현황의경우금석천이인구밀도 ( 인 /km 2 ) 가가장높은것으로나타났으며, 이는주택및상가가밀집되어있기때문인것으로판단된다. 또한유역토지이용현황은금석천에서 10개지점중가장높은대지및공업지역분포를나타내고있다. 금석천은주변에공공주택이밀집된지역을통과하는하천으로생활하수등으로인한오염이매우심각하여생활민원이급증하고있는실정이다. 따라서본연구에서는도심지역내오염된중소하천정화장치개발이라는목적에적합한대상하천으로금석천을선정하였다. 2.2. 연구장치의구성및운전조건하천정화시설에의한 TBOD 5, TP, TSS (Total suspended solids) 제거효율평가는경기도안성시당왕동금석천에설치된일최대 300 m 3 /day 규모의파일럿플랜트를이용하여수행하였다. 본연구장치의구성및공정도평면도를아래 Fig. 1, 2에나타냈다. 본시설은안성시당왕동에위치한금석천에취수정을설치하여원수를하천모사시설로공급 (a) MBP Process (b) AMPS Process (c) AMPS media Fig. 1. Experimental equipment of physicochemical (a), biological (b), (c) process. Fig. 2. Schematic diagram of pilot plant (floor plan). Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 511 하였다 (Fig. 2(a)). 시설로공급된원수는배관삽입형유량계를통해유량을측정한후 50 m 3 규모의하천모사수로로유입하였다. 이후하천모사시설후단에서가압부상조로유입하였으며, 미세기포발생기 (Micro Bubble Process, MBP, Fig. 1(a)) 를이용하여원수내존재하는 TP 및 TSS 를제거하였다 (Fig. 2(b)). MBP 시설에의해부상된고형물은분리처리하였으며, 가압부상조에서처리된처리수는 PFR (Plug Flow Reactor) 형식의관로형미생물부착반응조 (Attached Microbial Pipe System, AMPS, Fig. 1(b)) 로유입하여용존성유기물을제거하였다 (Fig. 2(c)). AMPS의경우관내부에여재를삽입하였으며, 하수처리장슬러지를사용하여여재에미생물을부착하였다 (Fig. 1(c)). 또한일정한하천온도에서공정효율및설계인자를도출하기위해동절기시유입수온을강제로승온하여 15~20 사이에서운전하였다. 각장치별처리효율 (Fig. 2(d)) 및처리수순환에의한공정평가 (Fig. 2(e)) 를위해처리수의배출배관을분리하였다. 처리수순환에의한공정평가의경우본연구의목적으로제시한건천화현상방지를위해최종처리수를상류로이송후상류지점의수질을평가하는데있다. 하천수질의주요변화는크게계절적요인및하도의특성에따라좌우되며, 본연구의경우파일럿플랜트라는제한적조건때문에계절적요인에중점을두어운전조건을수립하였다. 하천의계절적특성에따라처리효율에영향을미칠수있는주요변화인자로수질 (Water quality) 과수리학적체류시간 (HRT) 을설정하였다. 6) 2.2.1. TP 및 TSS 제거효율평가를위한 MBP 운전조건 MBP의운전조건은시설로유입되는유입유량변화에따라가압부상조체류시간및미세기포주입량의변화를구분하여설정하였다. 미세기포주입량은미리 Jar-Test에의해결정된최적주입량 ( 유입유량대비 8%) 을적용하였다. 약품주입의경우폴리염화알루미늄 (Poly aluminum chloride, PAC) 을 0.029 L/Influent rate m 3 d로고정하여주입하였다. 계절별농도변화에따른장치효율평가는가압부상조체류시간을 (1-6) 로세분화하여실험을수행하였다. 연구기간중 MBP 모드별운전조건을 Table 1 에나타내었다. Table 1. Experimental conditions of MBP (2010.11~2011.02) Influent flow Flotation (m 3 /d) Fig. 2(a) HRT (min) Bubble flow (m 3 /d) PAC dosage (L/d) Pressure (kgf/cm 2 ) 1 68.43 60.0 5.51 2.0 3.42 2 105.6 40.0 8.53 3.1 3.21 3 140.4 30.0 11.5 4.1 2.99 4 178.8 23.0 14.5 5.2 2.85 5 218.4 19.0 17.5 6.4 2.59 6 295.2 14.0 23.8 8.7 2.25 Table 2. Experimental conditions of AMPS (2010.11~2011.02) Influent flow AMPS In flow AMPS HRT (m 3 /d) Fig. 2(a) (m 3 /d) Fig. 2(b) (min) 1 68.43 68.43 99.2 2 105.6 105.6 64.2 3 140.4 140.4 48.3 4 178.8 178.8 37.9 5 218.4 218.4 31.1 6 295.2 295.2 23.0 Table 3. Operation conditions with variation of MBP, AMPS (2011. 02~2011.05) InfluentFig. 2(a) flow (m 3 /d) MBP In flow (m 3 /d) AMPS In Q Re./ flow (m 3 /d) Q Inf. Flotation HRT (min) AMPS HRT (min) 1 68.43 218.4 218.4 3.2 19.0 31.1 2 140.4 218.4 218.4 1.6 19.0 31.1 3 218.4 218.4 218.4 1.0 19.0 31.1 4 295.2 218.4 218.4 0.7 19.0 31.1 2.2.2 TBOD 5 제거효율평가를위한 AMPS 운전조건 AMPS의운전조건은 MBP 공정처리수가 AMPS로유입되는유입유량변화에따라시설의체류시간변화를구분하여설정하였다. AMPS는체적 4.8 m 3 으로관내부에나일론섬유로제작된로프형고정상접촉여재 4가닥을삽입하였으며, 하수처리장의슬러지를 24시간이상순환하여미생물을부착시켰다. 계절별농도변화에따른장치효율평가는 AMPS의체류시간을 (1-6) 로세분화하여실험을수행하였다. 연구기간중 AMPS 모드별운전조건을 Table 2에나타냈다. 2.2.3. 공정처리수순환에따른처리효율평가 처리수재순환에따른공정제거효율평가를위해연속운전방식결과를토대로최적장치체류시간을선정하였으며, 이를고정운전하면서유입유량을변경하여처리수를순환시켰다 (Fig. 2(a) (b) (c) (e)). 처리수순환공정의운전조건을 Table 3에나타내었다. 2.3. 수질및유량측정방법 시료채수는매일동일한시간에실시하였으며, 시료의항 목별분석방법은 Standard Methods (APHA, 2005) 에준하 여분석하였다. 7) 하천및반응조내유량은하천용전자식유 속계 AEM1-D (JFE-ADVANTECH Co., Ltd) 를이용하여측 정하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 유입수특성 연구기간동안측정한파일럿플랜트유입지점의 TBOD 5, TP, TSS 평균수질및부하량결과를다음 Table 4, Fig. 3 및 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월
512 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김문기 최정수 김삼주 김현구 Table 4. Characteristics of influent in the pilot plant Conc. (mg/l) Item 2010 2011 Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Jan. Feb. Mar. Apr. May TBOD 5 14.33 17.56 55.80 77.34 81.21 83.13 90.75 86.66 69.36 41.73 TP 1.26 1.20 1.58 2.12 1.92 1.77 1.97 1.85 1.87 1.16 TSS 13.42 20.14 46.95 70.56 70.64 67.46 71.96 70.71 67.15 39.97 TBOD 5 1807.5 1571.9 1464.6 1385.5 1148.5 1068.2 1083.4 998.81 901.69 777.15 Load (kg/d) TP 160.5 120.7 42.32 33.43 28.12 22.23 22.98 21.71 24.66 22.14 TSS 1716.3 1917.2 1242.8 1292.8 1016.8 886.45 847.21 803.34 873.81 752.94 Temperature ( ) 27 20 15 8.2 7.8 8.7 10 13 17 22 (a) TBOD 5 (a) TBOD 5 (b) TP (b) TP (c) TSS Fig. 3. Concentration and flow rate of influent in the pilot plant. (c) TSS Fig. 4. Concentration and load of influent in the pilot plant. Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 513 4에나타냈다. 유입지점의오염원수질은 12월부터 3월까지높은농도를보였으며, 4월부터점차감소하는것을확 인할수있었다. 반면부하량의경우동절기에비해하절기 시높은것을볼수있었다. 이는유량이증가하면수질농 도가감소하고유량이감소하면수질농도가증가하는것으 로, 금석천과같이점오염원으로부터유출부하량영향이 큰중소하천의경우강우에의한희석효과가하천수질에 가장큰영향을끼치는것으로사료된다. 따라서도심지역 내중소하천의경우하절기시높은오염부하량및동절기 시높은수질농도를고려한하천정화시설적용이필요할 것으로사료된다. 3.2. 연속운전에따른물리화학적, 생물학적처리시설제거효율평가 3.2.1. MBP 적용에따른 TSS, TP 제거특성 하천내존재하는 TSS, TP 제거를위해물리화학적처리시설로 MBP를적용하였으며, (condition : HRT) 별운전조건변화에따른결과를 Table 5 및 Fig. 5, 6에나타냈다. 운전조건변화에따른모드별 TSS 제거특성의경우각각평균 3.98, 5.93, 8.44, 9.57, 11.43 및 13.23 kg/day의제거량과평균 83.69, 80.40, 81.09, 79.29, 76.05, 63.77% 의제거효율을보였다. 모드별 TP 제거특성의경우평균 0.14, 0.18, Table 5. Removal efficiencies according to the variation of HRT and pressure in MBP TSS removal efficiencies (Ave.) TP removal efficiencies (Ave.) Inf. Eff. R.L. R.E. Inf. Eff. R.L. R.E. 1 69.42 11.29 3.98 83.69 2.14 0.09 0.14 95.15 2 69.50 13.33 5.93 80.40 1.86 0.11 0.18 93.94 3 73.42 13.29 8.44 81.09 1.86 0.16 0.24 90.83 4 67.42 13.92 9.57 79.29 1.80 0.14 0.30 82.13 5 68.25 15.92 11.43 76.05 2.01 0.19 0.40 90.24 6 70.08 25.25 13.23 63.77 1.82 0.20 0.48 88.05 *Influent, Effluent: mg/l, Removal load: kg/d, Removal efficiency: % 0.24, 0.30, 0.40 및 0.48 kg/day의제거량과평균 95.15, 93.94, 90.83, 82.13, 90.24, 88.05% 의제거효율을보였다. MBP 운전결과가압부상조체류시간이감소할수록전반적으로오염물질처리효율이저하됨을볼수있었으며, 제거부하량의경우에는선형적으로증가하는경향을보였다. 가압부상조체류시간변화에따른실험결과 6에서가장높은방류수질과낮은처리효율을나타냈으며, 이러한결과는유입유량증가에따른가압부상조체류시간감소에따른것으로판단된다. 또한미세기포발생량증가에따라가압탱크의압력이낮아서 2.5 kg f/cm 2 이하에서는가압부상기내부에서마이크로버블입자의크기가커져부상 Fig. 5. Removal efficiencies of TSS according to the variation of HRT and pressure in MBP. Fig. 6. Removal efficiencies of TP according to the variation of HRT and pressure in MBP. 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월
514 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김문기 최정수 김삼주 김현구 효율이감소된것으로판단된다. 이에 MBP는가압부상조체류시간을최소 19 min 최대 60 min 사이를유지해야할것으로판단되며, 가압탱크압력범위는 2.59~3.42 kg f/cm 2 사이를유지해야할것으로사료된다. 허남주 (2011) 의연구에서는 10 µm 이하의미세버블생성율은가압부상기의내부압력에비례한다는결과를보이고있다. 8) 이기철의부상분리시스템을이용한하수처리연구결과에서는가압부상조체류시간 20 min 이상에서 TP의경우 90% 이상의제거효율을보였으며, TSS의경우 50% 이상의제거효율을나타내고있다. 또한수온에의한영향보다는가압부상조체류시간에따라제거효율이결정된다고보고되어있다. 9) 따라서 MBP의적용은계절에따른 TSS 및 TP 부하량변화에안정적으로대처가능할것으로사료된다. 3.2.2. AMPS 적용에따른 BOD 제거특성 하천내존재하는용존성 BOD 제거를위해생물학적처리시설로 AMPS를적용하였으며, (condition : HRT) 별운전조건변화에따른결과를 Table 6 및 Fig. 7, 8에나타냈다. 별운전조건에대한 AMPS 공정의오염물질제거특성을종합한결과 TBOD 5 의경우 1, 2, 3, 4, 5에서 52.95, 49.04, 53.42, 42.94, 43.74% 의제거효율로효율의큰변동이없었으며, mode 6 (HRT 22.98 min) 에서 17.98% 로 Table 6. Removal efficiencies according to the variation of HRT in AMPS TBOD 5 removal efficiencies (Ave.) TSS removal efficiencies (Ave.) Inf. Eff. R.L. R.E. Inf. Eff. R.L. R.E. 1 45.10 21.16 1.637 52.95 11.29 12.05 - -5.94 2 46.50 23.72 2.406 49.04 13.33 14.17 - -7.20 3 44.60 20.53 3.379 53.42 13.29 14.19 - -6.83 4 47.60 27.13 3.660 42.94 13.92 15.13 - -9.80 5 47.90 26.61 4.650 43.73 15.92 16.77 - -6.43 6 58.30 47.78 3.105 17.98 25.25 25.42 - -0.88 *Influent, Effluent : mg/l, Removal load : kg/d, Removal efficiency : % 제거효율이상대적으로크게감소되는것을볼수있었다. 이러한결과는체류시간에따라 TBOD 5 의제거효율이선형적으로증가하거나감소하는경향이아님을나타내고있으며, 일정체류시간이후로감소하는경향을나타낸다는점을도출할수있었다. 또한 AMPS 체류시간에따른제거효율 ( 농도위주 ) 과제거부하량과의상관관계를그래프화하여최적체류시간을도출하였다. 그결과, mode 5 (HRT 31.05) 이후제거효율및제거부하량이감소하는것을볼수있었다. 따라서 AMPS 공정의최적운전조건을 5로결정하였으며, 제거효율및제거부하량에대한상관관계를아래 Fig. 9 에나타내었다. Fig. 7. Removal efficiencies of TBOD 5 according to the variation of HRT in AMPS. Fig. 8. Removal efficiencies of TSS according to the variation of HRT in AMPS. Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 515 Fig. 9. Removal efficiencies and mass of TBOD5 according to the variation of HRT in AMPS. 기존연구논문을고찰한결과김학용의끈상접촉여재를이용한하천정화방안연구에서는체류시간의증가함에따라 BOD 5 의제거효율의증가하는결과를보이고있으며, 본연구와상반된결과를보이고있다. 10) 따라서관로형미생물부착공정의경우기존연구논문에서도출된설계인자와구분하여적용해야할것으로사료된다. AMPS in TSS와 AMPS out TSS의농도차이가없음을볼때 AMPS 공정은대부분용존성 (Soluble) 으로존재하는 BOD 5 를제거한것으로볼수있었다. 모든 에서대부분 AMPS 유입보다방류에서높은 TSS 농도를보였으며, 이는 AMPS 내부에부착된미생물이유기물을섭취, 성장하여탈리된것으로사료된다. 이러한결과는 가진행될수록제거부하량이증가됨에따라방류 TSS 농도가증가되는것을볼수있었으며, 미생물이유기물을섭취, 성장하여탈리된다는결과를증명하고있다. 3.3. 연속식운전에따른 MBP 및 AMPS 공정설계인자도출본연구개발의처리공정은크게물리화학적공정과생물학적공정으로나누어지며, 물리화학적공정의경우 MBP 공정을이용하였으며, 생물학적공정의경우 AMPS 공정을적용하였다. 물리화학적처리공정설계인자는연속운전방식 ( 1~6) 을토대로단위 Bubble 토출량당 (Main Body) 오염물질제거량과약품주입에따른오염물질제거량을도출하였다. 단위 MBP 버블토출량에따른오염물질제거량의경우유입유량, 농도와 MBP out 의유량, 농도를측정하여 에대한오염물질제거량을측정하였으며, 장치체적당으로산출하여설계인자를정리하였다. 약품주입에따른오염물질제거량의경우오염물질제거량을일약품주입량으로나누어산출하였다. 도출된설계인자를 별로 Table 7 에나타냈다. Table 7. Design factors of MBP according to the variation of HRT Item BubbleSRR-TSS1) kg/m 3 d Bubble SRR-TP kg/m 3 d PAC Removal-TSS 2) kg/l d PAC Removal-TP kg/l d 1 0.727 0.026 1.988 0.070 2 0.702 0.022 2.966 0.092 (Ave.) 3 4 0.752 0.669 0.021 0.021 4.221 4.783 0.119 0.148 5 0.654 0.023 5.715 0.199 6 0.560 0.020 6.617 0.240 1) Bubble SRR : 단위 Bubble 토출량당 TSS, TP 제거량, kg/m 3 d 2) PAC Removal : 단위약품주입량당 TSS, TP 제거량, kg/l d Table 8. Design factors of AMPS according to the variation of HRT Item Q HRT m 3 /day hr AMPS Vol. 2) -S 3) S 0 m 3 mg/l Q*(S 0-S) kg/d (AMPS L* 1) AMPS 4) AMPS SSUR XM ) day -1 kg 1 68.43 1.65 4.71 23.91 1.63 21.51 0.077 2 105.6 1.07 4.71 22.80 2.40 22.16 0.114 (Ave.) 3 140.4 0.81 4 178.8 0.63 4.71 4.71 24.08 20.42 3.38 3.65 21.70 22.02 0.159 0.173 5 218.4 0.52 4.71 21.26 4.64 22.13 0.218 6 295.2 0.38 4.71 9.802 2.89 23.43 0.147 1) AMPS SSUR : AMPS 단위미생물에따른기질소비율, day -1 2) S 0 : AMPS 유입 TBOD 5 농도, mg/l 3) S : AMPS 방류 TBOD 5 농도, mg/l 4) AMPS XM : 단위여재길이에따른미생물부착량, g/m 생물학적처리공정설계인자는연속운전방식 ( 1~6) 을토대로 AMPS 내미생물부착량, 성장량및단위미생물량에따른오염물질제거율을도출하였다. 단위부착미생물에따른 AMPS 오염물질제거량의경우 MBP out 농도 (AMPS in) 와 AMPS out 의유량, 농도를측정하여 에대한오염물질제거량을측정하였으며, 부착미생물을측정하 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월
516 J. Kor. Soc. Environ. Eng. 김문기 최정수 김삼주 김현구 여단위부착미생물량으로오염물질제거량을산출하여설계인자를도출하였다. 도출된설계인자를 별로구분하여앞의 Table 8에나타냈다. 3.4. 순환운전에따른 MBP 및 AMPS 결과 연속운전 (Fig. 2(a) (b) (c) (d)) 에따른실험결과를토대로최적체류시간및순환유량 (218.4 m 3 /day) 을고정하였으며, 유입유량 (68.4, 140.4, 218.4, 295.2 m 3 /day) 을변화하여처리수를순환 (Fig. 2(a) (b) (c) (e) (f)) 하였다. 운전조건에따른순환방식의오염물질제거특성을종합한결과 TBOD 5 의경우 Q Recycle/Q Influent 비율 (3.19, 1.55, 1.0, 0.74) 감소에따라 68.58, 51.36, 41.23 및 33.78% 로제거효율이감소하는것을나타냈으며, TP의경우 Q Recycle/Q Influent Table 9. Removal efficiencies of TBOD 5, TP and TSS in the recycle process Item TBOD 5 TP Influent concentration Effluent concentration R.E. R.M. Conc. Mass Conc. Mass 1 87.05 5.95 27.35 1.87 68.58 4.08 2 95.87 13.46 46.6 6.54 51.39 6.92 3 81.98 17.90 48.18 10.52 41.23 7.38 4 91.00 28.86 60.25 17.79 33.78 9.08 1 1.81 0.13 0.54 0.04 70.17 0.09 2 2.03 0.29 0.88 0.12 56.65 0.16 3 1.72 0.38 0.92 0.20 46.51 0.17 4 2.01 0.59 1.34 0.40 33.33 0.20 1 69.25 4.74 20.95 1.43 69.75 3.30 2 72.08 10.12 33.56 4.71 53.44 5.41 TSS 3 70.33 15.36 42.36 9.25 39.77 6.11 4 72.58 21.43 54.24 16.01 25.27 5.41 *Influent, Effluent : mg/l, Removal load : kg/d, Removal efficiency : % 감소에따라 70.17, 56.65, 46.51 및 33.33% 로제거효율이감소하는것을볼수있었다. 또한 TSS의경우에도 69.75, 53.44, 39.77 및 25.27% 로감소하는것을볼수있었다. 순환공정운전의경우 Q Recycle/Q Influent 비율이감소할수록오염물질의제거효율또한감소하는것을볼수있으며, 이는하천유입유량증가에따라처리수의희석효과로판단된다. Table 9에순환공정에따른결과를나타냈다. 순환공정운전을토대로 Q recycle/q influent 비와각오염물질제거효율과의상관관계를 Fig. 10에나타냈다. 상관관계의경우순환비율이증가할수록제거효율이증가하는경향을보였으며, 이러한이유는유입되는희석효과로판단되며, 본상관관계에서방정식을토대로향후실증 Plant 설계에필요한유입대비처리유량선정에활용이가능할것으로사료된다. Fig. 10에유입 / 순환비를 2.8로하였을경우에 TBOD 5 의제거효율을예로표현하였다. 4. 결론 본연구의목적은기존하천정화공법의문제점으로지적되고있는계절별하천정화효율, 건천화현상, 유지관리, 소요부지측면을해결하고자물리학적생물학적처리방식을적용하여하천오염원제거효율평가에있다. 이에물리화학적처리시설로가압부상공정을적용하여 TP와 TSS를제거하였으며, 생물학적처리시설로관로형미생물부착반응공정을적용하여 BOD를제거하였다. 본연구를통해도출된결론은다음과같다. 1) 대상하천의계절별오염원수질조사결과생활하수및계절별하천유량변동으로인해계절적오염물질농도의차이가큰것으로나타났다. 이는도심지역내오염된하천의정화를위해서는계절별일정한제거효율달성이필요할것 Fig. 10. The relationship between Qrecycle/Qinfluent ratio and removal efficiencies. Journal of KSEE Vol.35, No.7 July, 2013
J. Kor. Soc. Environ. Eng. 517 으로판단된다. 따라서계절별부하량변동에대처가가능한장치형정화시설이적합할것으로사료되며, 처리시설설치의경제성을고려하여생물학적처리공정을함께운영하는것이타당할것으로판단된다. 2) 본연구는수질오염총량제도실행및조류발생의제한인자인 TP와 BOD, TSS 제거를위해 MBP와 AMPS 공정을적용하였다. MBP 연속운전을통한오염원제거효율을비교한결과 TSS의경우최대 83.69% 로나타났으며, TP 의경우최대 95.15% 로나타났다. AMPS 공정적용에따른 BOD 제거효율의경우최대 52.95% 로나타났으며, 체류시간 30 min 이하에서제거효율이급격하게감소하는것을볼수있었다. 3) MBP와 AMPS 공정의순환방식의운전결과를종합해보면 TBOD 5 는최대 68.58%, TSS의경우최대 69.75%, TP 는 70.17% 의처리효율을나타냈다. 따라서공정의순환운전을오염부하가높은하천에적용할경우하천수질개선에기여할수있을것으로사료된다. 또한 Q recycle/q influent 비와각오염물질제거효율과의상관관계를토대로향후실증 Plant 설계에필요한유입유량대비처리유량, 제거효율및제거량등을산정하는데활용이가능할것으로사료된다. 4) 본연구는금석천의실제일평균유량 5,000 m 3 /day 중 500 m 3 /day 만큼을 Pilot Plant로유입하고수온을고정하여운전하였기때문에하도특성및수온에따른결과도출이불가능하였다. 향후 2차년도실증규모하천정화시설연구과제수행시위의문제들을평가해야할것이며, Pilot Plant의운전결과및설계인자를기준으로하여 2차년도실증 Plant를설계하여구축및운영을계획중에있다. 참고문헌 1. Lee, S. H., Park, J. P., Lee, J. M. and Woo, H. J., Cause Analysis on Dry of Stream Flow for the Cheongdocheon, Korean Soc. Civil Eng., pp. 2472~2477(2003). 2. Korea Ministry of Environment, Statistics of Sewerage, http://library.me.go.kr 3. Korea Ministry of Environment, Total Water Pollution Load Management, pp. 12~13(2011). 4. Gyeonggi research institue, A Strategy for Efficient Management and Maintenance of River, pp. 3~5(2005). 5. Lee, E. K., A Study on River Construction Method & its Problem; with Special Reference to the Domestic Nature- Centered Method, Kwan Dong University Master s degree, pp. 30~33(2009). 6. Cho, J. Y., A Study on the Water Quality Improvement System for Small Stream, Seoul National University of Science and Technology Master s degree, pp. 21~22(2001). 7. APHA, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition, American Public Health Association, USA. 8. Heo, N. J., A Study on the Effecting Factors to Phosphorous Removal in the Dissolved Air Flotation using Micro-bubble, Yeung Nam University Master s degree, pp. 66~69(2011). 9. Lee, K. C., Characterictics of phosphorus Removal in Treated Sewage using Micro-Bubble Flotation System, The University of Seoul Ph. D. Dissertation, pp. 86~87(2010). 10. Kim, H. Y., Stream Purification by using String Type Media, Ajou University Master s degree, pp. 40~43(2000). 사사 본연구는환경부 미래유망녹색환경기술산업화촉진사업 으로지원받은과제임 대한환경공학회지제 35 권제 7 호 2013 년 7 월