수질 프로세스 분석과 계측 <25>

[연재] 로터스프로슈밍매니지먼트 대표 길주형
김한결 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2020-04-07 13:11:27
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[혼합액체부유물질의 측정]

- Mixed Liquor Volatile Suspended Solids(MLVSS) & (MLSS)

MLSS 시험은 활성 오니법의 폭기조 내의 혼합액체부유물질을 측정한다. 혼합액체부유물질데이터는 시스템의 운전방식과 고형물량을 알아내는데 대단히 중요하여 슬러지 폐기는 물론 재순환 시점 판단에도 MLSS 데이터를 이용한다.
유입수 유량과 부하에 변동이 발생하는 와중에도 부하를 일정 수준으로 유지할 수 있게
MLSS 농도를 연속적으로 파악해 활성오니순환류를 최적화하고 있다는 것은 매우 좋은 생각이다.
역사적으로 폭기조 내 혼합액의 측정과 제어는 혼합액의 “그랩 샘플(grabsample)“을 하여 필터에 여과하고 필터에 남은 잔여물을 건조하여 칭량한 것으로 볼 수 있다.
다양한 고형물 농도측정 방법이 명시된 상하수도검사 표준시험법을 살펴보면 해당 시험법 모두 샘플을 특정 온도에서 일정 시간동안 건조하여 샘플 내 수분을 완전히 증발시키도록 요구하고 있다.

우리가 샘플 총 부피를 고려한 공식을 이용해 고형물 함량을 계산하는 것에는 다음의 절차가 필요하다.
샘플을 여러 차례 칭량해 측정값을 비교한다.
더 이상 무게 변화가 없으면 항량에 도달한 것으로 간주한다.
건조 시간은 항량에 도달하는 것으로 정하며 바로 이 시점에서 샘플을 칭량하는 것으로 공식을 이용하여 계산한다.

가령 흔한 유리섬유 필터에 우리가 자주 마시는 우유 정도 크기의 샘플 200ml를 여과한다고 가정해보자. 이후 필터를 오븐에 넣고 샘플이 완전히 건조되면 필터를 꺼내 칭량하고 총 무게에서 필터 무게를 뺀다. 필터 무게를 뺀 나머지 무게가 500mg이면, 총 부유물질은 5000mg/L라는 계산이 나온다. 즉, 샘플 부피를 2리터로 맞추는 데 필요한 팩터를 계산 값에 단순히 곱하기만 하면 이 값을 얻을 수 있으며 다음의 식으로 간단히 계산할 수 있다.

(샘플 200ml × 10 = 2리터)(건조 후 필터를 뺀 나머지 무게 500mg × 10 = 5000mg)

하지만 상기의 고형물 농도 측정에 있어, 그랩 샘플 시험법은 폭기조 내 MLSS 제어를 목적으로 보면 몇 가지 결점이 발생한다는 것이다. 먼저 샘플을 채취하고 나서는 어느 정도 시간이(최소한 몇 시간~수십 시간 정도) 지나서야 그 결과를 알 수 있다는 것이 가장 큰 단점이다.
중요한 것이 측정 데이터를 이용하여 공정으로 적용한다면 제어측면까지 고려해야 한다는 것이다. 즉, 제어하려면 고형물 농도가 측정 시점 이후로 변함이 없어야 하는데 샘플 이후 어느 정도의 시간이 지난 후의 결과 값이라면 이미 신뢰성이 없다. 만약 처리 시스템 자체가 생활하수와 산업폐수가 함께 취급되는 합류식이라면 더욱 그럴 것인데 합류식 처리 시스템은 단순히 지표 유수를 하수와 동일하게 처리하기 때문이다.
그나마 분류식 처리 시설이라면 유입수 유량 및 부하가 강수나 산업 폐수에 영향을 받지 않으므로 MLSS 농도를 대략적으로 제어하는 것이 가능할 수 있겠지만 해당 시설이 시간에 따른 고형물 농도 관계를 알고 있다는 것을 인지해야 할 것이다.

우리가 흔히 현장에서 겪는 어려움 중 하나가 우천 시 계측제어다. 우천 시 플랜트로의 유입 유량은 실제보다 양이 증가하면서 유입수 내 고형물 농도가 감소하는 현상을 보이며 보통은 희석으로 이어진다. 이런 경우 희석이 얼마나 발생할지 예측이 어렵기 때문에 활성오니순환류를 조정하게 되며 만약 이를 조정하지 않을 시 결국 MLSS 농도는 희석으로 나타나는 것이다.

많은 폭기조 내 MLSS 농도를 온라인분석기로 측정하고 있는 편이다. 우리가 현재까지 사용되고 있는 온라인 MLSS 분석기는 폭기조 내 MLSS 농도를 연속적으로 모니터하고 이론적으로 제어할 목적으로 약 50년 전에 도입되었다. 이에 폭기조 내에서 MLSS 분석기를 쉽게 볼 수 있지만 아직도 수작업으로 그랩 샘플을 채취하고 있다. 처리 플랜트가 온라인 연속 측정 시스템으로 비용을 절감하는 것이 당연해 보이지만 현실은 유지보수와 교정이라는 직관적인 난관에 처해 있다.

모든 제조사들이 제작한 MLSS 측정 분석기는 거의 다 광학 센서류를 사용하고 있다. 렌즈 재질도 BK7, PYREX, Sapphire, Quartz 등 다양하게 사용하고 있지만 결국 내부에 사용되는 그 어떤 광학센서(여기서는 수광소자 및 발광소자)든지 제대로 작동하려면 렌즈 표면의 오손이 없어야 한다.
대개의 제조사들은 기계적 세척 방식인 일종의 와이퍼 세정으로 이 문제를 해결하려는 시도가 가장 많다. 지금도 수많은 엔지니어들이 이 유혹에서 벗어나지 못하는 이유는 이런 식으로 렌즈 오손을 방지할 수는 있지만 기계식 작동 부품이 혼합액에 잠긴 채로 있다 보니 다른 종류의 문제가 생기는 것을 잘 알아차리지 못한다.
과연 기계식 와이퍼가 폭기조 내 여러 악조건에서 얼마 못 버티고 고장 나는 것과 미세한 와이퍼의 표면 마찰로 인한 결과는 생각도 못한 실수다. 때문에 센서의 정비 주기가 매우 짧았고, 관리에 소홀할 경우 센서가 정상 작동할 때가 드물며, 특히 고농도 일수록 그러할 것 같지만 실은 방류수 정도의 수질관리에서도 나타난다는 것에 주목해야 한다.
이로 인한 주기적인 유지보수 소요는 비용 절감의 취지를 무색하게 하였다. 현장 운전자들 역시 온라인 장비가 출력하는 MLSS 농도 수치에 의심을 가지며 신뢰하지 않게 되는 이유다. MLSS 센서의 효율적인 작동을 위해서는 자동 세척 기능이 필수처럼 사용되고 있지만 현실은 기계식 와이퍼 방식이 최선은 아닌 쪽에 생각해볼만 하다.

[현장용 온라인 MLSS 교정은 지금도 개선 중]
교정 문제에 있어서도 온라인 MLSS 분석기는 현재까지도 골칫거리다. 일반적으로 거의 모든 현장에서 포마진 또는 백토 표준액을 이용하여 교정하는데 이 방식은 어느 정도 반복성 있는 교정은 가능하겠지만 중요한 문제점이 몇 가지 있으니 반드시 현장에서 잘 상기하기 바란다.

대다수의 관리자들이 현장에서 교정 시 포마진이나 백토를 사용하고 있다. 문제는 포마진이나 백토는 제조된 표준의 입자 크기, 입자 색상과 입자 밀도가 MLSS의 크기, 색상 또는 밀도와 전혀 무관하다는 점이다. 당연한 결과지만 이로 인하여 센서로 측정한 결과에 오차가 직접 발생한다.
또한 표준 용액을 제조하는데 있어 정확하게 정량하기가 상당히 까다롭고 많은 시간이 필요로 한다. 교정 시는 표준액의 현탁 물질이 가라앉지 않도록 잘 교반해 주어야 하는데 보통은 현장에서의 열악한 환경 때문에 대개는 센서를 붙들고 저으며 교정하는 일이 가장 많다.
이러한 동작은 사실 매우 잘못된 것이다. 실제 폭기조는 매우 크고 깊으며 센서는 보통 최소 2m 이상에서 깊게는 5m 정도 침적식 홀더에 연결되어 설치된다. 현실이 이렇다보니 사실상 정밀급 저울이나 교반기 따위가 아무 의미가 없을 수도 있게 된 것이다.
현장에서의 이러한 현실은 당연히 교정 값에 또 다른 오프셋이 생길 수밖에 없다. 방식자체는 반복성을 보인다하나 이런 식의 교정은 매우 바람직하지 못한 것이며 혼합 문제 때문에 장점이 사라지는 행위다. 아마도 거의 모든 현장 작업자들은 이 방법으로 지금도 교정을 하면서 계측장비에서 수분석치에 대한 현장 운전치를 강제적으로 기입할 것이다.

교정 방식에 있어 그나마 가장 큰 장점을 가지고 있는 것이 분석기를 실제 공정에 대해 교정하는 것인데 샘플을 다량 채취해 일부는 실험실 분석하고 나머지로 센서를 교정하는 방식이다. 이는 교정 환경과 분석기의 실제 측정 대상이 입자 크기, 밀도 및 색상 측면에서 일치한다는 점은 있지만 역시 이 방식도 문제점이 있다. 역시 앞서 언급한 혼합 문제와 실험실 분석 결과가 나오기까지 샘플을 보존하는 문제가 가장 크다. 샘플의 고형물 특성이 시간에 따라 변한다는 점인데 앞에서 서술한 바 있지만 여차하면 최소 수 시간 이상의 보존 문제며 폭기, 혼합 반응기에서 샘플을 채취하였다는 것 자체가 샘플 침전지에 담은 격으로 제대로 된 방법이라 할 수 없다. 채취한 샘플병 자체가 작은데다 그 자그마한 공간에 오래 머무를수록 고형물의 특성은 쉽게 변하기 일쑤다. 결국 돌아오는 건 교정에 있어 또 다른 오차의 발생이다. <계속>  

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