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문제 정의
- 이에 본 연구자는 자연정화공법에 의한 농촌 전원 독립 가구 하수처리공법을 개발하기 위해 호기성조와 혐기성조가 분리된 소형 하수처리장치에서 최적 깊이, 최적 호기.혐기 비율 및 최적여재를 조사한 결과 최적 깊이는 90 cm이었고, 최적 호기.
- 따라서 본 연구는 자연정화공법에 의한 농촌 전원 독립 가구 하수처리공법 개발을 위하여 호기성조와 혐기성조가 분리돤 소형 하수처리장치의 최적조건하에서 호기성조와 혐기성 조를 포갠 소형 하수처리장치로 공법을 개선하여 질소의 처리효율 향상과 함께 부지면적을 획기적으로 줄이기 위해 최적 조건의 호기성조와 혐기성조가 분리된 소형 하수처리 장치에서 혐기성조 위에 호기성조를 포갠 일체형으로 공법을 개선한 소형 하수처리장치를 설계 및 시공하여 하수처리공법별, 하수 부하량 및 하수 주입방법에 따른 수처리 효율을 조사하였다.
제안 방법
- 자연정화공법에 의한 농촌 전원 독립가구 하수처리공법개발을 위하여 호기성조와 혐기성조가 분리된 소형 하수처리 장치에서 혐기성조 위에 호기성조를 포갠 일체형으로 공법을 개선한 소형 하수처리장치를 설계 및 시공하여 하수처리공법별, 하수 부하량 및 하수 주입방법에 따른 수처리 효율을 조사하였다.
- 호기- 무산소-혐기 조건의 소형 하수처리장치는 호기 성조(수직흐름조), 무산소조(수평흐름조) 및 혐기성조(수평흐름조)로 구성되어 있고, 호기-무산소-무산소 조건의 소형 하수처리 장치는 호기 성조(수직흐름조), 무산소조(수평흐름조) 및 무산소 조(수평흐름조)로 구성되어 있다. 호기성조, 무산소조 및 혐기성 조의 명칭은 각조의 하수처리특성을 고려하여 구분하기 위해 임의로 하였으며, 각 호기성조의 크기는 가로 0.7 m X 세로 0.35 m X 높이 1 m로서 용량이 0.25 nW되게 제작하였고, 무산소조와 혐기성조의 크기는 각각 가로 0.7 m X 세로 0.35 m X 높이 1 m 로서 용량이 0.25 rr?되게 하였다. 각 조에 사용된 여재의 종류는 왕사와 쇄석으로 하였고, 여재의 주입 위치는 여재 표면에서 깊이 90 cm까지 채웠다.
- 무산소조에서 유입된 호기성조 처리수는 수평 여과 방식으로 처리되도록 하였다. 무산소조에서 처리된 하수는 호기- 무산소-혐기조건의 하수처리장치는 혐기성조로 유입되게 하였고, 호기-무산소-무산소조건의 하수처리장치는 무산소 조로 유입되어 수평여과 방식으로 처리되도록 하였다.
- 무산소조에서 유입된 호기성조 처리수는 수평 여과 방식으로 처리되도록 하였다. 무산소조에서 처리된 하수는 호기- 무산소-혐기조건의 하수처리장치는 혐기성조로 유입되게 하였고, 호기-무산소-무산소조건의 하수처리장치는 무산소 조로 유입되어 수평여과 방식으로 처리되도록 하였다. 무산소조와혐기성조에서 여재와 처리수의 체류시간을 늘리기 위해 하수의 흐름을 지그재그방식으로 흐르게 하였다.
- 무산소조와혐기성조에서 여재와 처리수의 체류시간을 늘리기 위해 하수의 흐름을 지그재그방식으로 흐르게 하였다. 호기성조를 통과한 하수를 호기성조 처리수로 하고, 호기성조를 거쳐 무산 소조를 통과한 하수를 무산소조 처리수로 하였으며, 무산 소조를 거쳐 혐기성조를 통과한 하수를 방류수로 하여 수 처리효율을 조사하였다.
- 하수처 리 공법 별 수처 리 효율은 하수원수 유입 량을 600L/m'day로 하여 조사하였다. 하수 부하량에 따른 수 처리효율은 하수원수 유입량을 600, 900 및 1, 2。。L/n?・day로 하여 조사하였는데, 하부 부하량 산정기준은 1인 1일당 하수 발생량 250 L/day를 기준으로 할 때 4인 한 가구의 하수 발생량이 1, 000 L/day이므로 최대 하수부하량을 한 가구의 하수 발생량에 안정계수를 고려하여 1, 200 L/n?・day로 하였다.
- 하수 부하량에 따른 수 처리효율은 하수원수 유입량을 600, 900 및 1, 2。。L/n?・day로 하여 조사하였는데, 하부 부하량 산정기준은 1인 1일당 하수 발생량 250 L/day를 기준으로 할 때 4인 한 가구의 하수 발생량이 1, 000 L/day이므로 최대 하수부하량을 한 가구의 하수 발생량에 안정계수를 고려하여 1, 200 L/n?・day로 하였다. 호기성조와 혐기성조의 하수원수 주입방법에 따른 수처리 효율은 하수원수 유입량을 1, 200 L/m'day조건에서 하수 원수 주입방법을 연속주입과 간헐주입으로 달리하여 조사하였다.
- 자연정화공법에 의한 소형 하수처리장치 에서 수처리 효율 조사는 2004년 6월부터 2005년 6월까지 매달 실시하였고, 공시하수, 호기성조처리수 및 방류수를 각 조건별로 4주간 운전하였고, 시료의 채취는 3일 간격으로 한 달간 총 10회 채취하여 분석하였으며, 그 결과를 평균하여 각 조건에서의 수처리 효율을 조사하였다.
- 따라서 쇄석을 사용한 농촌 전원 독립가구용 하수처리 장치에서 동일한 하수 부하량인 1, 200 L/n^day에서 하수 주입 방법을 연속적 주입방법과 일반적인 가정의 하수 배출 경향에 맞춘 간헐적 주입방법으로 각각 달리하여 수처리 효율을 조사하였다. 소형 하수처리장치에서 하수 주입방법에 따른 오염물질의 처리효율을 조사한 결과는 Fig.
대상 데이터
- 본 소형 하수처리장치에 사용된 공시하수는 경상대학교에서 배출되는 생활하수를 사용하였으며, 공시하수 및 여재의 이화학적 특성은 각각 Table 1에서 보는 바와 같다.
- 하수처리장치에 사용한 공시여재는 Table 2와 같이 굴 패각이 20% 함유된 왕사 및 쇄석 의 총 2종류이었으며, 여재의 입경 분포도는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 모든 여재는 입경 1~4 mm가 70〜80%이상이었다. 본 소형 하수처리 장치에 이식한 수생식물은 모두 식물원에서 구입하였으며, 호기 성조에는 갈대, 혐기성조에는 노랑꽃창포, 물억새 및 큰고랭이를 이식하였다.
- 1에서 보는 바와 같이 모든 여재는 입경 1~4 mm가 70〜80%이상이었다. 본 소형 하수처리 장치에 이식한 수생식물은 모두 식물원에서 구입하였으며, 호기 성조에는 갈대, 혐기성조에는 노랑꽃창포, 물억새 및 큰고랭이를 이식하였다. 본 연구에 선정된 공시 수생식물은 본 연구자가 연구한 자연정화공법에 의한 인공습지 하수처리장에서 최적수생식물의 선정결과를 토대로 하였다8).
- 본 소형 하수처리 장치에 이식한 수생식물은 모두 식물원에서 구입하였으며, 호기 성조에는 갈대, 혐기성조에는 노랑꽃창포, 물억새 및 큰고랭이를 이식하였다. 본 연구에 선정된 공시 수생식물은 본 연구자가 연구한 자연정화공법에 의한 인공습지 하수처리장에서 최적수생식물의 선정결과를 토대로 하였다8).
이론/모형
- 수질분석은 수질오염공정 시험방법과 APHA 의 Standard method에 준하여 실시하였다*》. pH는 초자전극법, EC는 EC meter(Orion, Model 160, Germany)로 분석하였으며, DO 및 BOD는 윙클러아자이드화나트륨 변법, COD는 산성 KMnQ법, SS는 유리섬유여과법, T-N은 자외선 흡광광도법, NHj-N는 인도페놀법, NO2-N는 디아조화법, NQ-N는부루신법, T-P와 PCU-P는 아스코르빈산 환원법으로 분석하였다.
- 준하여 실시하였다*》. pH는 초자전극법, EC는 EC meter(Orion, Model 160, Germany)로 분석하였으며, DO 및 BOD는 윙클러아자이드화나트륨 변법, COD는 산성 KMnQ법, SS는 유리섬유여과법, T-N은 자외선 흡광광도법, NHj-N는 인도페놀법, NO2-N는 디아조화법, NQ-N는부루신법, T-P와 PCU-P는 아스코르빈산 환원법으로 분석하였다.
성능/효과
- 최소화할 수 있다. 따라서 본 공법은 자연정화공법의 단점을 보완할 수 있으므로 농촌 전원 독립가구에 적합할 것으로 사료된다.
- 소형 하수처리장치에서 최적 깊이, 최적 호기.혐기 비율 및 최적여재를 조사한 결과 최적 깊이는 90 cm이었고, 최적 호기.혐기 비율은 1 : 2의 비율이었으며, 최적여재는 왕사 및 쇄석이었다.
- 3에서 보는 바와 같다. 하수처리 공법에 따른 방류수 중의 BOD, COD 및 SS의 처리효율은 하수처리공법에 관계없이 비슷한 처리효율을 보였으며, 각 오염물질의 처리효율은 BOD가 98~ 99%, COD가 89-97% 및 SS가 99%이상 이었다. 이는 본 연구자의 호기성조와 혐기성조로 분리된 소형 하수처리 장치에서의 BOD, COD 및 SS의 처리효율과 별 차이 없었다7).
- T-N의 처리효율은 여재종류에 따라 별 차이가 없었으며, 호기-무산소-혐기 조건에서 83〜85%정도로 호기-무산소-무산소 조건에 비해 약간 높은 처리효율을 보였다. 이와 같이 호기-무산소-혐기 조건에서 질소처리효율이 향상되는 것은 호기성 조에서는 질산성질소가 증가되고 무산소조에서는 용존산소가 감소됨으로서 탈질을 위한 조건을 만족시킬 수 있었고, 이것이 다시 혐기조건에서 미생물의 분해 및 흡수와 함께 수생식물에 의한 흡수 및 식물뿌리 공간 주위에서의 호기성과 혐기성의 공존으로 계속적인 탈질을 자극하게 되어 미처 처리되지 못한 질소가 처리되기 때문으로 사료된다.
- T-P의 처리효율은 쇄석의 경우 하수처리 공법에 따라 별 차이 없이 94〜99%정도 이었으며, 왕사의 경우 호기-무산소 -무산소 조건에서는 72%정도로 호기-무산소-혐기 조건에 비해 급격히 감소하는 경향이었다. 그러나 호기-무산소-혐기 조건에서는 혐기성조에 이식된 수생식물에 의해 식물 뿌리 공간 주위에서의 호기성과 혐기성의 공존으로 인의 흡수가 일부 일어나기 때문에 T-P처리효율이 높은 것으로 사료된다⑸.
- 소형 하수처리장치에서 혐기성조의 무산소조 비율에 따른 오염물질의 처리효율은 전반적으로 호기-무산소-혐기 조건이 다른 조건에 비해 질소 처리효율이 17-18% 정도 향상되었다. 따라서 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발되기 위해서는 부지면적 감소와 질소처리효율을 향상시킬 수 있는 호기-무산소-혐기 조건의 소형 하수처리공법으로 하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
- BOD의 경우 하수원수의 농도는 99〜167 mg/L로 농도의 변화 폭이 심하였고, 호기성조 처리수의 농도는 하수 부하량에 따라 별 차이 없이 왕사와 쇄석 모두에서 약 0.5 ~ 1.8 mg/L로 방류수수질기준金)인 20 mg/L를 만족하였으며, 무산 소조와 혐기성조를 거치면서 더욱 안정적으로 처리되었다.
- T-N의 경우 하수원수의 농도는 61-90 mg/L이었고, 왕사의 경우 호기성조 처리수 및 방류수 모두에서 하수 부하량이 증가함에 따라 T-N의 농도가 점점 증가하여 처리효율이 감소되 는 것으로 판단되 었으나, 방류수수질기 준인 60 mg/L 는 만족하는 경향이었다. 그러나 2008년부터 전수역에서 방류수수질기준的이 질소농도 60 mg/L에서 20 mg/L으로 강화되면 질소의 처리효율 향상이 필요할 것으로 사료된다.
- 호기-무산소-혐기 조건인 호기.혐기 일체형 소형 하수처리 장치에서 하수 부하량 증가에 따른 수처리효율은 하수 부하량이 증가함에 따라 쇄석을 사용한 것이 왕사를 사용한 것에 비해 안정적으로 처리되었다. 따라서 농촌 전원 독립 가구 소형 하수처리공법을 개발하기위한 최적여 재는 쇄석이었으며, 하수 부하량은 1, 200 L/m^day까지 안정적인 수처리가 가능하였다.
- BOD의 경우 하수원수의 농도는 99-162 mg/L 정도로 변화 폭이 심하였으며, 호기성조 처리수에서는 간헐적 주입이연속적 주입에 비해 약간 높은 농도로 처리되는 경향이었으나, 무산소조와 혐기성조를 통과한 방류수 중에서는 하수 주입 방법에 따라 별 차이 없이 안정적으로 처리되었다. 이와 같이 호기성조 처리수에서 간헐적 주입의 BOD 농도가 약간 높은 것은 순간적인 하수 부하량 증가에 따른 것으로 사료된다.
- COD, T-N 및 T-P의 경우도 BOD와 비슷한 경향으로 호기 성조 처리수에서는 간헐적 주입이 연속적 주입에 비해 약간 높은 농도로 처리되는 경향이었으나, 무산소조와 혐기성 조를 통과한 방류수 중에서는 하수 주입방법에 따라 별 차이 없이 안정적으로 처리되었다.
- 이러한 조건에서 농촌 전원 독럽가구에서간헐적으로 배출되는 하수에 대한 대응성을 조사하기 위해 하수 주입방법에 따른 하수처리효율을 조사한 결과 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발된 호기-무산소-혐기조건인 소형 하수처리장치는 실제 농촌 전원독립가구에서 간헐적으로 발생되는 하수에 그대로 적용하더라도 현행 방류수 수질 기준인 BOD 20 mg/L, COD 40 mg/L, SS 20 mg/L, T-N 60 mg/L 및 T-P 8 mg/L을 만족할 뿐만 아니라, 방류수 수질기준이 앞으로 BOD 10 mg/L, T-N 20 mg/L 및 T-P 2 mg/L로 강화되더라도 안정적으로 처리될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이상의 결과에서 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발한 호기-무산소-혐기조건인 소형 하수처리장치는 BOD 99%, COD 95%, SS 99%, T-N 83% 및 T-P 96%로 질소 처리효율을 호기성조와 혐기성조가 분리된 소형 하수처리 장치에 비해 17%정도 향싱-시켰으며, 모든 조가 일체형이므로 부지면적을 최소화할 수 있다. 따라서 본 공법은 자연정화공법의 단점을 보완할 수 있으므로 농촌 전원 독립가구에 적합할 것으로 사료된다.
- COD의 경우 하수원수의 농도는 76 — 135 mg/L로 농도의 변화 폭이 심하였고, 호기성조 처리수의 농도는 하수 부하량이 증가함에 따라 왕사와 쇄석 모두에서 약간씩 증가하는 경향이었고, 무산소조와 혐기성조를 거친 방류수의 COD 농도는 호기성조의 농도에 상관없이 안정적으로 처리되어 방류수 수질 기준 的인 40 mg/L를 만족하였다.
후속연구
- 그러나 호기성조와 혐기성조로 분리된 소형 하수처리 장치는 자연정화공법에 의한 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발하여 실제 적용되기에는 과다한 부지면적과 낮은 질소처리효율 등의 문제점이 있다. 그러므로 농촌 전원 독립가구 하수처리장치를 개발하기 위해서는 장기간 운영이 가능하면서 부지면적을 최소화한 소형장치이어야 하며, 수처리효율은 방류수 수질기준을 만족하면서 안정적인 하수처리를 할 수 있어야 할 것으로 판단된다.
- 따라서 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발되기 위해서는 부지면적 감소와 질소처리효율을 향상시킬 수 있는 호기-무산소-혐기 조건의 소형 하수처리공법으로 하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
- 그러나 농촌 전원 독립가구에서 배줄되는 하수는 연속적이거나 일정한 유량으로 배출되는 것이 아니라 시간에 따라 간헐적으로 배출되므로 간헐적인 하수 주입에 따른 소형 하수처리장치의 적응여부를 판단해야 할 것이다叨. 따라서 우선 전원 독립 가구에서 시간에 따른 하수의 배출경향을 조사하기 위해 농촌 전원 독립가구를 10가구 선정하여 하수유출량을 조사하여 평균한 결과는 Fig.
- 이상의 결과를 종합하면 농촌 전원 독립가구 하수처리공법으로 개발된 호기-무산소-혐기조건인 소형 하수처리공법은 수처리 효율뿐만 아니라 실제 농촌 전원주택에서 간헐적으로 발생되는 하수에 그대로 적용하더라도 현행 방류수수질기준") 뿐만 아니라 앞으로 2008년부터 강화될 방류수 수질 기준项도만족할 수 있을 것으로 판단된다.
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