1. 서 론
2000년대 후반부터 공공환경기초시설은(이하 하수 처리장) 도시화 및 하수관로 현대화사업 추진 등으로 하수 유입량과 유기물 부하량이 증가하고 있으며, ‘18 년 현재 전국의 하수처리장은 4,111개소(분뇨처리장 포함), 처리용량은 약 26,123,570 m3/일로 파악되고 있다. 하수처리장은 시민들의 주거환경 및 사회활동등 에서 발생하는 하수를 처리하여 도시 발전에 중요한 역할을 담당함에도 하수처리과정에서 발생되는 악취로 인해 혐오시설로 인식되어 이전을 요구하는 사례가 증가하고 있다(Lee and Jo, 2011). 최근 하수처리장 에서는 악취 민원예방을 위해 악취발생원에 덮개를 설치하거나 건물 내부로 이전하는 등 다각적인 악취 확산 방지대책을 추진하고 있으며(Oh et al., 2020), 일부 지자체에서고, 동기간에서 하수처리장과 관련된 악취 민원도 각각 147건, 805건, 730건이 는 신규 하수처리장을 지하에 설치하는 사례가 늘어나고 있다.
환경부에서 조사하는 연도별 악취 민원실태조사에 따르면 최근 3년 동안(‘17년~‘19년) 전국의 악취 민원은 각각 22,851건, 32,452건, 40,854건으로 증가하였발생되었으며 동 시설을 대상으로 악취 민원을 제기함에도 민원통계에 포함되지 않은 사례(Ko et al., 2012)를 포함하면 실제 악취 민원 건수는 더 많을 것으로 판단된다. 이처럼 하수처리장 은 이미 도심에서 주요 악취발생원으로 주목받고 있으며 주변에서 대규모 택지개발, 상업시설 등이 입주 되어 악취로 인한 피해가 현실화되고 있다(Chung et al., 2004).
하수처리장에서 발생되는 악취물질에 대한 연구에서 Jang et al. (2017)은 생활하수에 포함된 유기물, 음식물 찌꺼기 등의 부패가 악취발생의 1차 원인으로 주장하였고, Seo et al. (2013)은 분뇨 및 음식물처리 과정에서 발생된 처리수를 하수처리장에서 연계처리 할 때 황화수소와 메틸메르캅탄 등이 고농도로 검출 되는 것으로 보고하였다. 아울러 Chung et al. (2004)은 하수처리공정에서 메틸메르캅탄, 황화수소 황화메틸, 이황화메틸과 같은 황화합물이 발생되고, 하절기는 온도상승의 영향으로 황화수소 등 악취발생량이 증가한다(Park et al., 2005). 또한 Choi et al. (2018)은 용존상태의 황산염이 혐기분해 과정을 거쳐 최종생성 물로 황화수소가 발생되는데 30°C 부근에서 가장 활발하게 생성되며(Kim et al., 2006), Jeon et al. (2010)은 하·폐수처리시설 1차 침전지 및 농축조에서 황화합 물과 알데하이드화합물이 높게 검출되는 것으로 보고하였다.
한국환경공단에서 발간한 환경기초시설 악취기술 진단 사례집(‘14~‘18)에 따르면 하수처리장의 슬러지 저류조에서 복합악취(평균)는 12,137배(212개 시료), 해당 공정에 연결된 악취방지시설 입·출구에서 복합 악취(평균)는 각각 3,530배(2,658개 시료), 2,996배(1,164 개 시료)로 파악되었다. 아울러 동 공정에서 지정악취물질 발생농도(평균)는 황화수소가 80.770 ppm(165 개 시료), 메틸메르캅탄은 0.868 ppm(96개 시료)이고, 기타 물질(지방산물질, VOCs, 알데하이드화합물)의 검출 범위는 0.007 ppm~0.321 ppm(물질별 시료수량 3개~76개)으로 황 화합물이 높게 발생되는 것으로 나타났다. 분뇨처리장의 분뇨 저류조에서 복합악취(평균)는 13,475배(340개 시료), 지정악취물질 발생농도 (평균)는 황화수소가 35.0 ppm(302개 시료), 메틸메르 캅탄은 1.482 ppm(205개 시료), 기타물질의 검출범위 는 0.008 ppm~0.681 ppm으로, 하수 슬러지 및 분뇨 저류조에서 발생되는 주요 악취물질은 황화합물로 파 악되었다. 또한 하수처리장에서 운영하는 악취방지 시설(636개소) 중 Bio-filter는 372개소(58.5%), 세정시 설은 164개소(25.8%), 활성탄 흡착시설은 58개소(9.1%), 세정시설과 Bio-filter를 병용한 공정은 42개소(6.6%) 로 나타나 대부분의 하수처리장은 Bio-filter 또는 세정시설을 단독 운영하는 것으로 파악되었다. 악취방지시설 배출구시료(1,164개)에 대한 복합악취 분석결 과로 배출허용기준(500배 이하)을 만족하는 시료는 785개(67.4%), 기준초과 시료는 379개(32.6%)이고 기준초과 시료 중 74개 시료가 5,000배를 초과하였으며 이 중에서 Bio-filter를 적용한 공정은 62개소(83.8%), 세정시설을 적용한 공정은 12개소(16.2%)로, 고농도 악취가 발생되는 공정에서 Bio-filter를 이용한 악취물질 처리는 많은 어려움이 있는 결과로 해석된다. 또 한 배출허용기준을 만족하는 785개 시료 중 세정시설 을 적용한 공정은 538개소(68.5%), Bio-filter를 적용한 공정은 211개소(26.9%), 세정시설과 Bio-filter를 병용 한 공정은 31개소(3.9%), 기타시설은 5개소로, 하수처 리장에서는 Bio-filter를 많이 운영하고 있으나 악취배 출허용기준을 만족하는 시설은 낮은 여건으로 파악 되었다.
Song (2007) 및 Jung et al. (2006)은 하수처리과정의 악취물질 처리방법은 물리·화학처리, 생물학 처리로 구분되며 물리·화학처리방법은 안정적인 운영조건 및 처리효율이 양호한 장점이 있으나 운전비용이 높고 2차 오염물질이 발생되는 단점이 있다. 반면 생물학 처리는 담체 표면에 미생물 막(Bio-film)을 형성시켜 부착 미생물이 악취물질을 생분해시키는 기술로, 운영의 편리성과 경제성, 저농도·대풍량의 악취물질 처리에 적합한 기술로 알려져 많은 하수처리장에서 생물학 처리기술(Bio-filter 등)을 적용하고 있다. Ghawi (2018)는 활성슬러지 공법을 적용한 폐수처리장에 Biofilter를 설치하여 황화수소와 암모니아를 98%이상 제거한 바 있다. 그러나 황화수소를 포함한 고농도 악취 물질이 유입되는 조건에서 처리효율의 제한성으로 많은 어려움이 있다.
본 연구는 하수 및 분뇨 처리공정에서 Bio-filter만 적용한 시설과 습식 전처리장치와 Bio-filter를 적용한 시설을 대상으로 해당 공정의 주요 악취물질로 알려 진 황화수소 처리효율을 평가하였다. 아울러 계절별 온도 상승이 악취발생에 미치는 경향을 파악하기 위해 악취물질 측정시기는 3월과 6월로 구분하였고 지정악취물질 유입량을 산정하여(측정농도 × 유량) 악취방지시설의 운전 부하를 평가하였고 전처리장치 (Wet Scrubber)에서 황화수소 제거가 Bio-filter에 충전된 담체량에 대한 운전 부하와 체류시간이 악취물질 처리에 미치는 영향을 분석하여 악취방지시설 선택과 운전방법을 제시하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 연구시설
2.1.1 시설개요
하수 및 분뇨를 처리하는 하수처리장으로 ‘17년~‘19 년까지 하수 유입량은 552,000 ton/day~589,000 ton/ day, 분뇨 반입량은 2,659 kl/day~4,695 kl/day로 파악되 었다. 하수 처리공정은 1차 침전지에서 유입 하수에 포함된 협잡물 등을 물리적으로 제거한 다음에 혐기 조 → 무산소조 → 생물반응조 → 2차침전지를 거쳐 수계로 방류하고 발생 슬러지는 저류 → 농축 → 소화 → 탈수 후 외부로 반출한다. 분뇨 처리공정은 분뇨에 포함된 협잡물을 제거한 다음에 분뇨 저류조 → 농축 → 탈수처리하며 탈리액은 하수 처리공정에 유입되고 탈수 슬러지는 하수 슬러지와 병합처리하며 하수 및 분뇨 처리과정에서 발생되는 슬러지량은 약 350 ton/day로 파악되었다.
2.1.2 연구시설 운전방법
연구시설은 Bio-filter를 단독 적용한 공정과 Wet Scrubber와 Bio-filter를 병용한 공정으로 하수 처리공 정의 슬러지 농축조 및 슬러지 저류조는 각각 Bio-filter (#1)과 Bio-filter (#2)를 단독으로 적용하여 악취물질을 처리하며 분뇨 처리공정의 분뇨 저류조는 직렬구조의 Wet Scrubber와 Bio-filter를 운영하며 시설제원 은 Table 1과 같다.
하수 및 분뇨 처리공정에 적용된 Bio-filter는 온도 조절장치(Heater), 가습장치, 영양제 공급장치, pH측 정기 등이 설치되어 있다. 유지관리방법은 Bacillus계열 등 3종의 미생물을 1회/월, 영양제는 10ℓ/월·1회 주기로 공급하며 하수처리공정의 Bio-filter는 모두 ‘14 년도, 분뇨 처리공정의 Bio-filter는 ‘16년도에 설치되었으며 현재까지 담체교체 사례는 없는 것으로 파악 되었다. 분뇨 처리공정의 Wet Scrubber는 3단 충전구 조로(약 12.1 m3, pall ring) ‘18년도에 기존의 Bio-filter 전단에 추가로 설치되었고 충전물 세척주기는 1회/ 반기, 층별 순환수는 20일 범위에서 전량교체한다. 충전층별 액·기(Liter/m3)비는 3 : 1범위에서 운영하며 상 단(1층)은 차아염소산나트륨으로 중성계열 악취물질 을, 중단(2층)은 수산화나트륨으로 황계열 악취물질 을, 하단(3층)은 물(Water)을 이용하여 잔류 약품 및 일부 수용성 악취물질을 처리하여 후단의 Bio-filter에서 약품에 의한 충격부하 및 악취물질 유입부하를 경감 시키는 전처리 기능을 담당한다.
2.2 연구방법
2.2.1 악취물질 측정·분석
연구시설에서 복합악취와 10개의 지정악취물질(암모니아, 황화합물 4종, 알데하이드화합물 5종)을 대 상으로 3월과 6월에 악취방지시설 입구와 출구에서 동시측정방법으로 각각 1회씩 시료를 채취하였고 악 취물질 측정·분석방법은 악취공정시험방법을 준용하였다. 분뇨 저류조에 적용된 Wet Scrubber의 악취물질 측정조건으로 3월은 순환수교체 이후 15일이 경과되고 순환수pH(2층)는 약 6.4로 낮아 전처리 기능이 낮을 것으로 판단되어 6월에는 1층 및 2층 순환수를 전량 교체하고 각각의 순환수 저장조에 차아염소산나 트륨과 수산화나트륨을 주입하여 2층 순환수pH를 약 11.7로 조정한 다음에 시료를 채취하였다. 아울러 악취 발생원은(하수 슬러지 농축조, 저류조 및 분뇨 저 류조)밀폐가 양호하여 악취물질의 외부확산 및 외기 영향은 낮은 여건에서 온도에 따른 악취 발생특성을 파악하기 위해 계절별 악취발생원 내부에서 온도를 측정하였고 악취방지시설 입구의 악취물질 측정결과 와 운전풍량을 바탕으로 전처리 장치로 적용된 Wet Scrubber의 기능과 Bio-filter의 담체에서 운전부하 및 체류시간을 조사하였다.
악취물질 측정· 분석방법으로 복합악취와 황 화합물은 펌프내장형 진공흡인상자(Odor design, Korea) 와 Polyester aluminum bag (5ℓ, 10ℓ, Top trading, Korea)을 이용하였다. 시료 채취에 사용된 Polyester aluminum bag은 실험실에서 고순도 질소(99.999%)로 3회 이상 세척하여 냄새 유·무와 누출 여부를 확인하였고 현장 시료를 이용하여 내부를 3회 이상 치환하 고 1ℓ/min으로 3분~5분간 채취하였다. 채취된 시료 는 상온조건(15°C~25°C)에서 직사광선을 피해 실험실로 이동하였다. 암모니아는 붕산 용액(0.5%) 40 ml 를 2개의 임핀저에 각각 20 ml씩 나누어 담고 직렬로 연결하여 10ℓ/min의 유량으로 총 5분간 시료(50ℓ) 를 채취하여 분석 전까지 4°C 이하에서 냉장보관 하였다. 알데하이드화합물은 2,4-DNPH 유도체화 방법을 이용하였으며 Polyester aluminum bag으로 채취한 시료를 2, 4-DNPH 카트리지(Waters, U.S.A)와 MFC가 내장된 소형펌프(MP-Σ100, SIBATA)를 이용하여 1ℓ/ min의 유량으로 총 5분간 5ℓ를 채취하였다. 또한 방해물질로 작용하는 오존의 영향을 최소화하기 위해 2,4-DNPH 카트리지 전단에 KI가 채워진 오존스크러버(Waters, U.S.A)를 설치하였으며 채취 시료는 내·외 부가 알루미늄으로 코팅된 용기로 포장하여 분석전 까지 4°C 이하로 냉장 보관하였다.
복합악취 분석방법은 무취공기주머니에 무취공기 를 담고 시료를 주입한 다음에 단계별로 희석하여 패널들이 냄새 강도를 직접 평가하였으며 전체 판정요원의 희석배수 중 최대값과 최소값을 제외한 나머지를 기하평균하여 희석배수를 산정하였다. 황 화합물 은 thermal desorber (Unity/Air Server, Markes, U.S.A) 를 이용하여 농축하였으며 농축 시료는 황 화합물에 선택성이 좋은 GC/PFPD (7890A, Agilent, U.S.A)로 분 석하였다. 암모니아는 분석용 시료 용액에 페놀-펜타 시아노 니트로실 철(III)산나트륨용액 5 ml와 차아염 소산나트륨 용액 5 ml를 가하고 25°C~30°C에서 1시 간 방치 후 암모늄이온과 반응시켜 생성되는 인도페 놀류의 흡광도를 측정하고 인도페놀법을 이용하여 청색으로 발색시킨 후 UV/vis로(Cary 300, Varian, U.S.A) 640 nm 파장에서 분석하였다. 알데하이드화합 물은 카보닐화합물과 DNPH와 반응에 의해 생성된 DNPH유도체가 자외선 영역에서 흡광성이 있고 350 nm~380 nm에서 최대의 감도를 나타내므로 360 nm의 파장에 고정시킨 후 HPLC/UV (1200series, Agilent, U.S.A)로 분석하였다.
2.2.2 악취기여율(%) 평가 방법
지정악취물질 종류, 유입농도, 유입량 등은 복합악 취 강도를 좌우하는 요소로 지정악취물질의 물리·화 학적 특성에 따른 악취방지시설의 선택과 운전방법은 악취물질 처리에서 매우 중요하게 다루어지므로 본 연구에서는 악취방지시설 입구의 지정악취물질 측정결과를 이용하여 물질별 유입량 기여율(%)을 평가하였다. 지정악취물질유입량 산정방법은 Table 2의 식을 이용하였으며 개별물질의 유입량을 유입총량으 로 나누어 물질별 기여율을 평가하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 악취발생특성
황화수소 관점의 악취 발생특성으로 하수 처리공정 슬러지 농축조에 연결된 Bio-filter (#1)의 운전풍량 은 3월과 6월에 각각 27.2 CMM, 26.3 CMM, 악취방지 시설로 유입되는 황화수소는 4.140 ppm → 11.810 ppm 으로 증가하였고, 슬러지 저류조에 연결된 Bio-filter (#2)의 운전풍량은 각각 189.3 CMM, 187.3 CMM, 황 화수소는 7.690 ppm → 32.710 ppm으로 증가하였다. 마찬가지로 분뇨 처리공정의 분뇨 저류조에 연결된 Wet Scrubber의 운전풍량은 각각 244.3 CMM, 289.9 CMM, 황화수소는 15.398 ppm → 56.020 ppm으로 증가하였는데 계절에 관계없이 시설별 운전풍량은 유사함에도 황화수소 농도가 증가된 원인은 하절기 온도상승이 지배적인 영향으로 하수 처리공정 슬러지 농축조 온도는 29.4°C, 슬러지 저류조는 31.4°C, 분뇨 처리공정의 분뇨 저류조는 30.7°C로 측정되어 30°C 부 근에서 황화수소가 가장 활발하게 생성된다는 Kim et al. (2006)의 연구와 유사한 결과를 확인할 수 있었다.
3.2 유입량기여율 및 처리효율
3.2.1 Biofilter 적용공정
가. 악취물질유입 기여율
3월과 6월의 악취물질 측정결과로, Bio-filter (#1)입 구에서 복합악취는 각각 6,694배, 66,943배, 지정악취 물질 중 황화수소는 각각 4.140 ppm, 11.810 ppm이고, Biofilter (#2)입구에서 복합악취는 각각 46,415배, 66,943배, 황화수소는 각각 7.690 ppm, 32.710 ppm이 고, 3월에 메틸메르캅탄이 1.867 ppm으로 검출되었으며 기타의 물질은 시설 및 계절과 관계없이 불검출(N.D) 되거나 낮은 농도로 검출되었다.
지정악취물질 유입총량(Σg/hr)으로, Bio-filter (#1) 에서 3월은 10.57 g/hr, 6월은 28.76 g/hr으로 증가하였고 계절별 황화수소 기여율은 각각 97.4%(10.29 g/hr), 98.6%(28.37 g/hr)이고, Biofilter (#2)에서도 3월은 183.08 g/hr, 6월은 562.65 g/hr으로 증가하였고 3월에 황화수소 기여율은 72.6%(132.96 g/hr), 메틸메르캅탄은 24.9% (45.53 g/hr), 6월의 황화수소 기여율은 99.5% (559.60 g/hr)를 차지하여 Bio-filter (#1, #2)에서 운전부하를 좌 우하는 물질은 황화수소와 메틸메르캅탄임을 알 수 있었다. 또한 황 화합물 기여율과 복합악취 세기의 상관관계는 지정악취 물질별 최소감지농도(Odor Threshold Value)가 다르기 때문에 단순 비교는 어려우나 지정 악취물질별 유입량 및 기여율 산정결과를 고려할 때 복합악취 세기를 결정하는 물질은 황 화합물로 판단된다.
나. 유입량 관점의 악취물질 처리효율
3월과 6월의 복합악취 및 지정악취물질 측정결과 를 이용하여 유입량 관점에서 Bio-filter (#1, #2)의 처 리효율을 분석하였다. 복합악취 처리효율은 Bio-filter (#1)에서 각각 68.9%(3월), 55.2%(6월), Bio-filter (#2)는 각각 85.6%(3월), 93.3%(6월)로, Bio-filter (#2)에서 높 게 나타났고, 6월에 Bio-filter (#1)은 처리효율이 낮 진 반면 Bio-filter (#2)는 높아진 결과로 나타났다. 유입량 관점의 황화수소 처리효율로 Bio-filter (#1)에서 3월은 10.1%(10.29 g/hr → 9.24 g/hr), 6월은 29.1% (28.37 g/hr → 20.11 g/hr), Bio-filter (#2)에서 3월은 93.5%(132.96 g/hr → 8.65 g/hr), 6월은 97.6%(559.60 g/hr → 13.17 g/hr)으로, Bio-filter (#2)가 약 3배 정도 높았으며 Bio-filter (#1, #2)에서 황화수소 처리효율은 3월보다 6월이 높게 나타났다. Bio-filter (#2)에서 메틸 메르캅탄의 처리효율로 3월은 79.1%(45.53 g/hr → 9.54 g/hr), 6월은 입구에서 불검출(N.,D)되었으나 출구에 서 4.20 g/hr이 배출되어 역전현상을 보이는데 이는 담 체에서 황(Sulfur)성분이 높고 온도 상승의 영향으로 미생물 활성도가 높아지고 그에 따른 산소량이 부족 한 환경에서 메틸메르캅탄이 생성된 원인으로 추정된다.
Bio-filter (#1, #2)에서 계절별 황 화합물 및 복합악 취 처리효율은 유사한 거동경향을 보이는데 황화수소 처리효율과 복합악취 처리효율은 앞서 언급한바 와 같이 Bio-filter (#1)에서 황화수소 및 복합악취 처리효율은 낮고 Bio-filter(#2)는 처리효율이 상대적으로 높은 결과는 황화수소가 제거되어 복합악취가 낮아짐을 알 수 있었다. 아울러 그 외의 지정악취물질 은 유입량 기여율이 낮고(최대 1.3%) 물질별 처리효 율 편차가 커서 복합악취 처리효율과 직접적인 상관성은 판단하기 어려웠다.
또한 복합악취 세기 변화와 황화수소 처리효율 편차의 상관성은 Table 1에 제시한 시설별 체류시간과 담체 체적 당 황화수소 부하량(H2S_g·m-3·hr-1)이 중요 한 기능을 담당하는 것으로 판단된다. Bio-filter (#1) 에서 계절별 체류시간은 각각 2.6 sec (3월), 2.7 sec (6 월)인 반면 Bio-filter (#2)는 각각 26.1 sec (3월), 26.4 sec (6월)로 약 10배 이상 길고 황화수소 부하량은 Biofilter (#1)이 각각 8.55, 23.65이나, Bio-filter (#2)는 각 각 1.61, 6.78로 낮게 운전되고 Bio-filter (#1)은 체류시간이 짧고 황화수소 부하량은 높은 반면 Bio-filter (#2) 는 체류시간이 길고 황화수소 부하량이 낮아 처리효율 차이가 발생된 원인으로 사료된다.
3.2.2 Wet Scrubber, Bio-filter 적용공정
가. Wet Scrubber기능과 유입량 관점의 처리효율
Wet Scrubber는 고농도 악취물질을 전처리하는 역할로 Wet Scrubber 입구에서 지정악취물질 유입량(g/ hr)은 계절과 물질에 따라 편차는 있으나 황 화합물 (H2S, MM, DMDS)의 비중이 높게 나타났는데 3월은 황화수소와 메틸메르캅탄이 98.5%, 6월은 황화수소 와 다이메틸다이설파이드가 99.7%로 유입량 절대적 인 기여율을 차지하고 있다. Wet Scrubber의 복합악취 처리효율로 3월은 67.8%(20,800배 → 6,694배), 6월은 85.1%(44,814배 → 6,694배)이고 유입량 관점의 황화 수소 제거효율로 3월은 62.6%(343.60 g/hr → 128.59 g/ hr), 6월은 89.7%(1,483.37 g/hr → 152.52 g/hr), 메틸메 르캅탄(3월)은 64.4%(23.98 g/hr → 8.53 g/hr), 다이메 틸다이설파이드(6월)는 100.0% (572.75 g/hr → N.D) 로, 유입량기여율이 높은 황 화합물에 대하여 62.6%~100.0% 범위의 비교적 높은 전처리 기능이 확 인되었다. 아울러 기타의 물질은 유입농도가 낮은 수준에서 일부의 물질에서 역전현상은 있으나 물질별 처리효율이 관측된 범위는 47.1%~100.0%로 비교적 양호한 운전조건으로 나타났다.
하수처리공정에 적용된 악취방지시설의 처리효율 에 관한 연구에서 가장 비중이 높은 물질은 황 화합 물(H2S, CH3SH, DMS, DMDS)로 (Lee et al., 2016), Wet Scrubber를 이용한 악취물질 처리는 가성소다 (NaOH) 등을 이용한 중화처리 방법을 범용적으로 사용한다. 금 번 연구에서 6월의 악취물질 측정은 Wet Scrubber 세정수를 교체하고 pH를 약 11.7로 조정한 조건에서 황화수소 제거량은 3월(215.01 g/hr)보다 약 6.2배(약 1,330.85 g/hr)많음을 알 수 있었다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 유입량 기여율이 낮은 기타의 물질 에 대하여 비교적 높은 처리효율을 보임에 따라 물질 별 유입총량(Sum of Loading rate)관점에서 상당량의 악취물질을 제거하는 전처리기능을 확인할 수 있었다.
Wet Scrubber에서 황화수소 제거는 충전물 형식, 충 전량, 세정수량 및 분사방법, pH, 온도 등 다양한 조 건에 따라 달라지는데 본 연구결과에서 순환수pH 조 건이 황 화합물 제거에 가장 효과적인 기능으로 나타 남에 따라하수처리장의 악취발생원에서 황 화합물 유입량이 높다면 Wet Scrubber등의 전처리장치를 설치하고 순환수pH를 적절하게 제어하면 황 화합물의 선제적 처리가 가능할 것으로 판단된다.
나. Bio-filter에서 유입량 관점의 악취물질 처리효율
Wet Scrubber가 결합된 Bio-filter의 복합악취 처리 효율로 3월은 93.3%(6,694배 → 448배), 6월은 78.5% (6,694배 → 1,442배)로 낮아졌고, 황화수소 처리효율 로 3월은 97.0%(128.59 g/hr → 3.88 g/hr), 6월은 97.0% (152.52 g/hr → 4.50 g/hr)이고, 메틸메르캅탄의 경우 3월은 95.6%(8.53 g/hr → 0.38 g/hr), 6월은 64.3%(28.39 g/hr → 10.12 g/hr)이고, 다이메틸다이설 파이드는 3월과 6월에 입구에서 모두 불검출(N.D)되었으나 출구에서 각각 4.19 g/hr, 2.05 g/hr씩 역전된 배출량을 보이는데 이는 앞서 언급한 메틸메르캅탄이 생성되는 기작과 유사한 원인으로 추정된다. 아울러 다이메틸설파이드, n-발레르알데하이드는 Bio-filter입 구에서 불검출되었으나 배출구에서 미량범위의 역전 현상이 있었고 기타의 물질은 처리효율 편차는 있으나 유의적인 수준에서 운전되는 결과를 알 수 있었다.
3.3 Bio-filter 관점의 황화수소 거동평가
하수 및 분뇨 처리공정에서 황화수소는 다른 연구 자의 연구결과와 유사한 결과로, 계절 및 발생원에 관계없이 유입농도 및 유입량 기여율이 높은 물질로 나타남에 따라 Bio-filter관점에서 체류시간, 운전풍량, 담체의 운전부하(H2S_g·m-3·hr-1) 등을 바탕으로 황화 수소 제거효율을 평가하였다. 황화수소는 하절기로 갈수록 증가된 결과에서 발생량 관점의 부하량으로 하수 처리공정 슬러지 농축조에서 3월은 10.29 g/hr, 6월은 28.37 g/hr으로 약 175.7%, 슬러지 저류조에서 3 월은 132.96 g/hr, 6월은 559.60 g/hr으로 약 320.8%가 증가되었고, 마찬가지로 분뇨 처리공정 분뇨 저류조 에서 3월은 343.60 g/hr, 6월은 1,483.37 g/hr으로 약 431.7%가 증가되어 하수처리 공정보다 증가폭이 월등하게 높게 나타났다. 하수 처리공정의 Bio-filter (#1, #2)는 하절기에 증가한 황화수소 직접 유입되어 운전 부하가 가중되고 있으나 분뇨 처리공정은 Wet scrubber 에서 황화수소를 제거하여 3월에 Bio-filter로 유입되 는 황화수소량은 128.59 g/hr, 6월은 152.52 g/hr으로 낮아졌고 앞서 언급한 것처럼 하절기의 황화수소 발생 량은 분뇨 저류조가 월등하게 높음에도 Bio-filter의 운전부하 증가율은 약 18.6%로 낮아 하수 처리공정에 적용된 Bio-filter (#1, #2)보다 안정적인 처리효율이 가능 할 것으로 사료된다. 또한 본 연구 결과로 모든 조건 에서 황화수소 유입량이 증가하면 Bio-filter에서 처리 효율도 유의적인 수준에서 증가하였고 황화수소 배출량도 증가하는 결과로 나타났는데 처리효율과 배출량이 증가한 각각의 원인으로 황화수소 유입량이 증가하면 Bio-filter의 순환수에 용해되거나 해리 (Dissociation)되는 양이 최대로 증가하고 담체에 부착된 미생물에 의한 제거도 최대 분해능에 가까워지기 때문으로 판단된다. 아울러 황화수소 배출량이 증가 한 원인은 Bio-filter의 순환수 교체주기가 일정하고 담체에 부착된 미생물의 성능도 한계가 있으므로 임계량을 초과한 황화수소가 유입되면 처리되지 않고 외부로 배출되는 것으로 추정된다.
Fig. 1은 Bio-filter의 담체부피에 대한 황화수소 유입부하(H2S_g·m-3·hr-1)를 분석한 내용으로 Bio-filter (#1)은 체류시간이 각각 2.6 sec, 2.7 sec로 매우 짧은 조건에서 황화수소 유입량은 비교시설보다 적으나 담 체부피 당 황화수소 유입량 부하는 6월에 23.65 g·m-3· hr-1로 가장 높게 나타나 체류시간과 담체부피 당 유입부하는 처리효율과 밀접한 상관성이 있고, Fig. 2에 서도 체류시간(EBRT)이 길수록 황화수소 제거효율이 높아짐을 나타내고 있다.
Table 9는 현장에 설치된 full-scale 규모의 Bio-filter 에 관한 다른 연구자의 연구결과와 본 연구결과를 비교하였다. 황화수소 처리효율이 99%로 매우 높은 연구사례에서 Bio-filter의 공탑체류시간은 14 sec 이상 으로 충분하다는 공통점으로 본 연구에서도 22 sec~26 sec로 운전되는 Bio-filter에서 황화수소 제거효율은 평균 96%로 높게 나타난 반면 공탑체류시간이 짧은 경우에는 유사 연구사례와 본 연구에서도 처리효율이 급격하게 낮아지는 결과로 나타났다. 따라서 하수처 리장 등에서 고농도로 발생하는 황화수소를 원활하게 처리하기 위해서는 Bio-filter에서 공탑 체류시간을 충분하게 확보할 필요가 있고, Bio-filter를 적용한 공정에서 황화수소가 수십 ppm이상의 고농도로 유입 될 경우 약액세정이나 수(Water) 세정 방식 등을 전처 리장치로 사용하는 방법이 매우 효과적인 결과는 다른 연구사례에서도 증명되었다(Morton and Caballero, 1998).
4. 결 론
Bio-filter에서 악취 물질 처리는 주로 미생물이 지배적으로 관여하는 것으로 알려져 대부분 식종된 미생물의 관리, 영양제공급, 균등한 공극확보를 위한 압 밀(Consolidation) 방지대책 등이 중요하나 국내 환경 기초시설에서는 적정한 관리가 이루어지지 않고 있 는 실정이다. 본 연구는 하수 및 분뇨처리 과정에서 발생되는 고농도 황화수소 처리를 위해 설치된 실제 규모의 Bio-filter를 대상으로 단독적용한 경우와 Wet Scrubber를 전처리로 결합한 시설을 대상으로 설계 및 운영 인자에 따른 처리효율을 조사하였다. 계절별 유입악취를 비교한 결과, 봄철(3월)보다 여름철(6월)에 황화수소 유입량은 최대 4배 이상 증가하였다. Bio-filter 의 공탑체류시간에 따른 처리효율을 검토한 결과, 체류시간이 26 sec 정도로 충분한 경우 황화수소 유입량 이 132.96 g/hr에서 559.6 g/hr으로 증가함에도 평균 96% 정도로 양호한 처리효율을 보였으나 체류시간이 2.6 sec로 짧은 경우에는 황화수소 유입량이 10.2 g/hr 인 조건에서도 처리효율은 30% 미만으로 낮게 나타 났다. 또한 고농도로 유입되는 황화수소를 처리하기 위해 Wet scrubber를 Bio-filter의 전처리장치로 설치한 경우 유입농도가 56 ppm 수준에서도 97%의 처리효 율을 보임에 따라 고농도 황화수소 처리에 전처리 Wet scrubber가 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구결과 를 참조할 경우 국내 환경기초시설에 설치·운영 중인 Bio-filter에서 악취 제거성능을 제고(Retrofitting)하는 기초자료로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
