센서/분석기 기반으로, 하수처리 전 과정 모니터링한다

[공학저널 전찬민 기자] 하수처리장은 인류의 생명 활동에 의해 만들어진 오염물을 수거 처리 및 재활용하는 시설로, 현대사회에서 필수적인 사회적 인프라 중에 하나다. 하지만, 하수의 수집에서 처리까지 에너지를 다소비하는 시설로 분류되고 있어 이제 하수처리시설 또한 에너지 효율 향상을 위한 노력이 필요한 시점이다.

하수처리시설은 국내 에너지 생산량의 0.7%가 소모되고 있고, 전체 공공부분의 전력사용량의 15%, 이중 하수처리장 전력소모량의 송풍기가 52.8%, 유입펌프가 21.8%를 차지하고 있어 생물반응조의 송풍량제어를 통한 에너지 효율화는 에너지 저감의 중요 대상이 되고 있다. 또한, 오염된 하수를 처리하는 질산화와 탈질과정에서 기후변화를 초래하는 아산화질소(N2O)는 지구온난화 잠재력이 높고(이산화탄소 310배) 성층권 오존층을 파괴하는 물질로, 전체 아산화질소 발생량에서 폐기물분야(10.2%) 중 하수폐수처리 분야의 배출량이 64.8%에 해당한다.

이에 따라 기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위해서는 처리시설의 수질관리와 더불어 에너지 절감과 온실가스 발생을 저감해 나가기 위한 노력, 그리고 이를 위한 기술 개발이 필요하며, 최근 하수처리시설의 유입원과 공정 과정에서의 모니터링의 중요성도 강조되고 있다.

하수처리장을 대상으로 하는 모니터링 기술은 다양한 방법이 적용되고 있는데, 가장 널리 활용되고 있는 수질분석으로 pH, ORP 뿐만이 아니라 광학기법을 이용한 MLSS DO에 대한 측정기술이 일반화돼 있으며, 처리장에서 안정적이며 측정의 정확도가 높은 분석기법에 대한 수요가 증대되고 있다. 이에 전통적인 유기물 농도 파악, 질소/인 농도 파악을 위한 전통적인 분석기법뿐만이 아니라 광학센서와 알고리즘 기반의 다양한 분석기들이 개발되고 있다.

특히, 질소/인 모니터링 분야에서는 전기화학 센서를 이용한 암모니아, 질산성질소 이온전극 시스템과 발색기법을 이용한 흡광광도계 분석시스템이 대표적으로 적용돼 왔으며, 최근에는 계량화학기반의 광학센서를 이용한 측정기술이 AI기법과 연계돼 스마트 측정기술로 등장하고 있다. 즉, 스마트 처리장의 구현을 위해 안정적인 분석을 가능하게 할 수 있는 분석기술과 시스템의 지속적인 개발이 요구되고 있다는 것이다.

이러한 상황에서 유기물, 질소, 인에 대한 모니터링 솔루션을 공급하기 위해 광학기반의 계량화학을 이용한 유기물 질소/인 모니터링시스템을 통해 하수처리장의 유입수 모니터링을 적용하고, 녹색·계량화학 기반의 분석기형 유기물/질소/인 모니터링 측정기를 통해 하수처리장의 생물반응조 모니터링과 방류 모니터링에 적용하고 있는 기업이 있어 주목을 받고 있다. 그 주인공이 바로 비엘프로세스㈜다.

종래의 이온전극방법에 기반한 기술은 매트릭스 간섭이 크며, 센서의 유지관리가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 전통적인 분석기법의 발색반응을 기반한 분석은 유해화학물질을 사용해 분석해야하는 단점을 가지고 있다.

이에 반해 비엘프로세스는 계량화학 기반의 광학센서를 이용해 유입수질에 대한 모니터링을 통해 수질 변동을 실시간으로 파악하고, 공정에서는 보다 정밀한 분석기법을 이용해 녹색·계량화학을 결합한 분석기법으로 유해화학물질의 사용을 지양하고 최소화시켜 공정모니터링에 적합한 정확도를 갖춘 시스템을 공급할 수 있다는 차별화된 기술력을 가지고 있다.

비엘프로세스 홍금용 대표이사(사진)는 “이러한 센서/분석기 기반의 모니터링을 통해 하수처리장의 운영에 필요한 정보를 실시간으로 파악해 공정 제어에 연계될 수 있다는 것이 장점”이라며 “하수처리장에 유입되는 오염물질의 부하량을 파악해 처리장에서 선제적으로 대응할 수 있는 정보가 제공되며, 처리장으로 유입된 하수의 처리과정을 실시간으로 모니터링해 최적 운전조건을 확보할 수 있도록 하고, 탄소배출 저감을 위한 처리장 운영에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다”고 말했다.

그는 이어 “처리장의 에너지 저감을 위한 공정제어 및 탄소배출 저감(N2O 발생)을 위한 정보를 제공할 수 있어 처리장의 과학적이고 스마트한 운전이 가능할 수 있는 단초를 제공할 수 있다”며 “이를 통해 하수처리장의 디지털화를 통해 에너지 저감, 공정의 안정성 확보, 기후변화 탄소중립에 대응할 수 있다”고 덧붙였다.

이처럼 비엘프로세스는 하수처리장의 개념이 변화되고 있고, 에너지 절감형 및 탄소배출 저감형 처리장의 필요성이 대두되고 있는 상황에서 하수처리장 방류수질 모니터링에서 처리장 유입과 공정 모니터링에 효율적인 솔루션을 준비해 오고 있다. 또한, 친환경적이고 에너지 절감형 하수처리공법의 개발을 도전적으로 진행하고 있는 엔지니어링사, 하수처리 공정 솔루션 공급기업과 지속적인 협력관계를 만들어 나가고 있다.

특히, 하수처리분야에서 공정제어와 기후변화에 대응하는 탄소중립 대응을 위해 암모니아 질산성질소, 유기인과 더불어 아질산성질소에 대한 모니터링이 솔루션을 확보하기 위해 노력을 기울이고 있다.

NO2-N과 NO3-N의 분석은 발색기반의 흡광광도방법을 이용할 수 있지만, 하수처리장 분석조건의 고농도 측정시에는 전 구간에서 측정의 정확성을 확보에 어려움이 있으며, 광학기반의 센서의 경우 NO2와 NO3가 UV 흡광대역에서 중첩돼 고도화된 분석모델의 수립이 필요하다. 이에 비엘프로세스는 새로운 접근 방식으로 칼럼을 통해 NO2 와 NO3를 분리해 분석하는 이온크로마토그래피 기법을 도입해 질소 처리과정에 대한 핵심 모니터링 기법을 구축해 나가고 있다.

홍 대표는 “현재 비엘프로세스는 하수의 수집/처리/재이용 등 이뤄지는 하수관로-유입수-공정-처리수 전 과정에서 유기물 질소/인에 대한 모니터링 솔루션을 체계적으로 확보할 계획”이라며 “이를 위해 해당 모니터링 항목을 하수처리 조건에서 효율적으로 분석할 수 있는 분석기법을 발굴하고, 측정기를 필요한 현장에서 안정적으로 가동할 수 있는 측정시스템을 구축하는 것을 목표로 하고 있다”고 말했다.

그는 이어 “또한, 환경산업기술원에서 진행하고 있는 사업화 과제에 참여해 ‘녹색 및 계량화학을 기반의 영양염류 수질 자동 분석시스템’을 현장검증을 통해 하수처리장의 제어분야의 특화된 솔루션도 구축하고 있다”며 “나아가 공정모니터링을 위한 패키지를 확보하고 계측, 데이터 기반 서비스를 통해 탄소중립에 대응할 수 있도록 측정기기 전문기업으로 하수처리분야의 효율적인 솔루션을 공급하기 위한 지속적인 노력을 기울이겠다”고 덧붙였다.