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문제 정의
- 국내 방류수 수질의 측정기준이 통계학적인 확률 발생개념을 내포하지 않고 있어 방류수 수질기준의 초과 여부 판단에 있기 때문에 과소평가되는 것을 배제하기 위하여, 본연구에서는 일 측정 수질자료 중 월 최대값을 사용하여 통계분석을 실시하였다.
- 적용받는 하.폐수처리시설간의 형평성 문제 등을 해결하기 위하여 공공하수처리시설의 방류수의 수질 특성과 현황을 고찰한 후 현행 공공하수처리시설의 겨울철에 적용되는 총질소와 총 인의 방류수 수질기준의 합리성 여부를 평가하고자 한다.
제안 방법
- 이러한 점을 고려하여 일 측정자료 중 월 최대값을 이용하여 방류수 중 영양염류의 농도 변화 및 특성을 검토하였으며, 유입 수질 및 제거율의 경우 월평균 농도를 사용하여 검토하였다. 또한 여름철의 강우로 인한 희석효과에 대해서도 검토함으로써 강우량이 방류수질에 미치는 영향도 평가하였다.
- 그러나 확률개념이 적용되지 않은 국내 방류수 수질기준의 특성상 확률분포에 의한 방류수 수질에 의존하여 방류수 수질기준을 평가할 경우, 현실을 왜곡할 수 있는 가능성이 큰 것으로 판단된다. 이러한 점을 고려하여 일 측정자료 중 월 최대값을 이용하여 방류수 중 영양염류의 농도 변화 및 특성을 검토하였으며, 유입 수질 및 제거율의 경우 월평균 농도를 사용하여 검토하였다. 또한 여름철의 강우로 인한 희석효과에 대해서도 검토함으로써 강우량이 방류수질에 미치는 영향도 평가하였다.
대상 데이터
- 공공하수처리시설 방류수 중 영양염류의 농도와 특성을 조사하고자, 전국에서 최근 5년간(2004~2008년) 가동 중인 공공하수처리시설의 유입수와 방류수를 대상으로 총질소(TN), 총인(TP)의 월별 일 측정자료의 최대, 최소 및 평균농도가 수록되어 있는 수질분석자료를 직접 활용하였다. 일반적으로 공공하수처리시설의 2차 처리수중 SS, BOD5, COD 등의 자료는 정규확률분포를 갖으며 (Crities and Tchobanoglous, 1997), 일부의 하수처리시설의 제외하면 TN, TP의 경우에도 정규확률분포를 보이는 것으로 알려져 있다(김영철 등, 2005).
- 아래 Table 1에는 연도별 연구대상 공공하수처리시설의 개소수를 처리공법 및 시설용량별로 요약정리하였다. 본 연구대상 공공하수처리시설은 2008년도 기준으로 241개소로서, 가장 최근 자료인 2008년 자료를 기준으로 1년 중 증설 및 자료의 누락 등과 같은 특이한 자료변화가 없는 온전한 자료를 제시한 공공하수처리시설의 자료만을 대상으로 하였다. 이는 2009년 현재 시설용량 500 m3/일 이상의 처리장을 대상으로 처리장 개소수 기준으로 전체 처리시설의 약 58%에 해당된다.
- 연구대상인 공공하수처리시설은 시설 용량 일일 500 m3 이상으로 비교적 처리규모가 대형인 처리장이며, 모두 생물학적 영양염류 제거공법 (Biological Nutrient Removal: BNR) 으로 이루어져 있다. 아래 Table 1에는 연도별 연구대상 공공하수처리시설의 개소수를 처리공법 및 시설용량별로 요약정리하였다.
성능/효과
- 1) 5년간(2004~2008년) 유입수의 총질소와 총인 농도는 매년 증가하는 경향을 보였으며, 겨울철과 비겨울철의평균 유입수질의 차이는 총질소의 경우 최대 2.8 mg/L, 총인의 경우 0.4 mg/L로 나타나, 겨울철 구분에 따른 유입 수질 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 2) 방류수질에서 겨울철과 비겨울철의 총질소 농도는 14.2 ~17.4 mg/L 및 12.2~ 14.8 mg/L 범위로, 총인 농도는 1.42 ~ 1.53 mg/L 및 1.38 ~ 1.48 mg/L 범위를 보여, 겨울철 구분에 따른 방류수질의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 부유성장공정 중 시설용량 일일 50, 000 m3이상을 제외하고, 처리시설의 시설용량이 증가할수록 방류 수중 영양염류의 농도가 증가하는 경향을 확인하였으며, 부유성장공정에서 비교적 안정적인 방류수질을 나타냈다.
- 3) 총질소의 경우 유입수온이 낮아지는 1~2월에 제거율 저하가 나타났으며, 총인 제거율은 1월 및 6~7월에 저하되는 것으로 나타났다. 총인 제거율의 저하는 유입 수온 저하와 장마철 기간이 6~7월인 것을 감안할 때 유입 수량의 급격한 변화에 기인한 것으로 판단된다.
- 4) 비겨울철 방류수질에 대한 신뢰도의 경우 총질소는 0.96 ~1.48, 총인은 1.09~1.81 범위로 나타났으며, 겨울철 방류 수질에 대한 신뢰도의 경우 최대 0.61로 나타났다. 계절적 요건에 의해 겨울철 방류수 중 영양염류 농도는비겨울철의 농도에 비해 증가하는 것은 사실이나 그 차이가 크지 않음에도 규제기준의 차이가 상당히 커 신뢰도 계수가 큰 차이를 보였다.
- 겨울철의 현행 방류수 수질기준을 이용하여 계산된 신뢰도 계수의 경우 부유성장공정의 총질소는 평균 0.22 ~ 0.27, 최대 0.36~0.50의 범위로 나타났으며, 부착성장공정의 경우 평균 0.24~0.35, 최대 0.41~0.58 범위로 조사되어 비 겨울철에 조차도 일부시설의 경우 방류수 수질기준의 초과 가능성을 내포하고 있음에도 불구하고 겨울철기간의 경우 신뢰도 계수의 값이 모든 처리공정과 시설용량에서 최대 0.61 을 넘지 않는 대조적인 결과를 나타냈다. 이러한 겨울철과 비겨울철의 신뢰도계수의 차이는 현행 겨울철 방류수 수질 기준이 규제기준으로서의 역할을 하기에는 너무 높은 수치임을 짐작할 수 있다.
- 61로 나타났다. 계절적 요건에 의해 겨울철 방류수 중 영양염류 농도는비겨울철의 농도에 비해 증가하는 것은 사실이나 그 차이가 크지 않음에도 규제기준의 차이가 상당히 커 신뢰도 계수가 큰 차이를 보였다.
- 시설용량 구분에 따라 절기의 구분없이 총질소의 방류 수질은 대체로 시설용량이 커질수록 방류수질이 나빠지는 경향을 나타냈다. 그러나 시설용량 일일 50, 000 m3 이상의 경우 방류수질이 비교적 안정적으로 나타났으며, 변동폭 또한 줄어드는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 총인의 농도에서도 같은 경향이 관찰되었으며, 그 원인은 아직 불분명하지만 시설용량 일일 100,000 m3 이상 및 사전환경성 검토 대 상이 포함된 공공하수처리시설은 상대적으로 방류수 수질 기준이 낮고, 운영인력 및 유지관리비용의 투입이 높으며, 장기 운영에 따른 운영 know-how를 가지고 있기 때문에 이러한 시설들이 포함된 시설용량 일일 50, 000 m3 이상의 공공하수처리시설의 방류수질이 더 좋게 나타난 것으로 판단된다.
- 일 측정자료의 월 최대값을 이용하여 통계분석을 한 결과에서 비롯된 것이므로 최대값으로 계산된 신뢰도 계수의 경우 1보다 높은 결과를 나타내고 있으며, 이러한 결과는 일부 시설에서 수질기준을 준수하기 위해서 처리시설의 고도화 및 성능개선이 수반될 필요성이 있음을 나타낸다. 또한 방류수 질의 통계분석에서도 나타난 것처럼 부착성장공정에서 부착성장보다 높은 신뢰도계수 값의 범위를 갖고 있는 것으로 나타났다.
- 48 mg/L 범위를 보여, 겨울철 구분에 따른 방류수질의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 부유성장공정 중 시설용량 일일 50, 000 m3이상을 제외하고, 처리시설의 시설용량이 증가할수록 방류 수중 영양염류의 농도가 증가하는 경향을 확인하였으며, 부유성장공정에서 비교적 안정적인 방류수질을 나타냈다.
- 또한 활성슬러지공법에서는 반응조 수온이 높아짐에 따라 방류수질이 좋아지는 경향이 분명히 나타났으나, 영양염류 제거공정의 경우는 그 경향이 동일하게 관찰되지 않았다. 상대적으로 수질변화의 폭이 큰 활성슬러지공법에서도 15℃ 이상의 온도변화폭에 비해 방류수질은 상대적으로 큰 변화폭을 갖지 않는다.
- 모든 처리공정에서 방류수중 총질소, 총인의 농도가 대부분 겨울철에 상승하는 경향이 나타났으나, 겨울철 방류수 수질 기준이 비겨울철에 적용되는 기준보다 3~4배 높게 설정된 것은 다소 무리가 있는 것으로 판단할 수 있다.
- 방류수수질은 부유성장공정에서 부착성장공정에서보다 총질소는 약 20% 정도 총인은 약 10% 정도 낮은 것으로 나타났으며, 표준편차에서도 부유성장공정이 다소 낮은 범위로 나타났다. 그러나 겨울철과 비겨울철의 방류수질의 차이는 모든 처리공정에서 큰 차이를 보이지는 않았으며, 변동 폭에서도 공정 구분에 따른 큰 차이는 나타나지 않았다.
- Table 5에 나타냈다. 방류수질 측정자료와 비 겨울 철기 간의 현행 방류수 수질기준을 이용하여 계산된 신뢰도 계수의 경우 부유성장 공정의 총질소는 평균 0.57~0.68, 최대 0.96 ~ 1.19의 범위로 나타났으며, 부착성장의 경우 평균 0.68~0.79, 최대 0.97~ 1.48의 범위로 조사되었다. 일 측정자료의 월 최대값을 이용하여 통계분석을 한 결과에서 비롯된 것이므로 최대값으로 계산된 신뢰도 계수의 경우 1보다 높은 결과를 나타내고 있으며, 이러한 결과는 일부 시설에서 수질기준을 준수하기 위해서 처리시설의 고도화 및 성능개선이 수반될 필요성이 있음을 나타낸다.
- 본 연구 결과와 더불어 겨울철에 갈수기를 맞는 우리나라의 하천에 점오염원으로서 큰 비중을 차지하는 공공하수처리시설 방류수가 높은 규제기준에 의하여 자연배경 농도보다 높은 영양염류를 함유한 상태로 방류될 경우 수용하천으로의 영양염류 유입 억제에 더 큰 어려움이 발생할 수 있다는 점을 고려할 때 공공하수처리시설의 방류수 수질 기준에 포함된 겨울철 방류수 수질기준을 강화할 필요성이 충분히 있다고 판단된다.
- , 1982). 부유 성장공정의 경우 겨울철 이후 제거율이 지속적인 상승을 보이다가, 7월 이후 안정적인 효율을 나타내는 것으로 관찰되었다. 부착성장 공정의 경우에는 일부 시설용량에서 7~ 8월 부근에 처리효율이 감소하는 것이 관찰되었으나, 방류 수질에는 큰 변화가 없는 것으로 관찰되어 불명수 유입 등에 기인한 유입 수질 변화때문인 것으로 판단된다.
- 분석대상자료가 월 평균 자료가 아닌 일 측정 자료의 월최대값을 기준으로 월별 평균화하여 사용한 점을 감안하면처리공정, 시설용량 및 절기에 상관없이 대체로 방류수 수질 기준(비겨울철기준: 총질소 20 mg/L 이하, 총인 2 mg/L 이하)을 만족하고 있는 것으로 나타났다.
- 시설용량 구분에 따라 계절의 구분없이 총질소의 방류 수질은 시설용량이 커질수록 방류수질이 나빠지는 경향을 나타냈으며, 부유성장공정에서와는 달리 시설용량 일일 50, 000 m3 이상의 경우에서 특별한 방류수질과 변동폭에 대한 안정적인 형태는 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 우리나라 대부분의 대형 공공하수처리시설의 경우 부유 성장공정의 형태를 하고 있으며, 부착성장공정에서는 MLSS농도 및 SRT 조정 등의 운영인자를 조정하는 방법으로 유입 수온의 급변 및 충격부하 등에 대한 대처가 쉽지 않기 때문인 것으로 판단된다.
- 01 큰 변동폭을 보이는데 그쳤다. 시설용량 구분에 따라 절기의 구분없이 총질소의 방류 수질은 대체로 시설용량이 커질수록 방류수질이 나빠지는 경향을 나타냈다. 그러나 시설용량 일일 50, 000 m3 이상의 경우 방류수질이 비교적 안정적으로 나타났으며, 변동폭 또한 줄어드는 것으로 나타났다.
- 시설용량의 구분에 따른 방류수질 및 처리효율의 변화양상은 특이한 사항이 나타나지 않았으며, 유입수중 COD/TN 비율이 낮은 3, 500~11,000 m3/일의 시설용량에서 비교적 낮은 효율이 관찰된 것으로 보아 시설용량에 따른 영향보다는 유입수질과 유입수온에 의한 영향이 비교적 큰 것으로 판단된다.
- 64로 나타났다. 전체적으로 겨울철과 비 겨울철의 변동폭은 총질소와 총인 모두에서 거의 유사한 값을 나타내고 있으며, 처리규모에 따라서는 다소 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 67로 나타났다. 전체적으로 겨울철의 변동폭이 총질소와 총인 모두에서 비겨울철의 변동 폭에 비해 다소 높은 값을 갖고 있으나, 처리규모에 따라서는 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 총인의 경우 모든 처리공정에서 겨울철 신뢰도계수는 최대 0.61 로 나타났으며, 비겨울철 신뢰도계수의 경우 최대값에서 부유성 장공정 에서는 1.09 ~ 1.52 범위로, 부착성 장공정에서는 1.10 ~ 1.81의 범위로 조사되었다.
- 이미 겨울철과 비 겨울철의 방류수중 총질소의 농도가 차이가 있음을 나타낸바 있지만, 시설용량에 관계없이 유입수온 및 유입유량변화 등의 계절적 요인에 의해 방류수중 총질소가 영향을 받고 있으나, 그 영향은 제한적인 것으로 판단된다. 특히 방류수 수질 기준 상의 겨울철로 구분된 12월 ~ 3월의 기간보다 약 1개월 긴 12월 ~4월 기간 동안 방류수 중 총질소 농도가 증가하는 경향이 관찰되었으며 이는 부착성장공정과 부유 성장공정 모두에서 동일하게 관찰되었다. 총인의 경우 겨울철에 유입 수온 저하로 인해 농도가 높게 나타났으며, 겨울철이 지남에 따라 완만한 농도하강이 관찰되었다.
- 현재의 겨울철 방류수 수질기준으로서 적용된 신뢰도 계수와 설계된 방류수 수질기준이 적용된 신뢰도계수를 직접 비교하는 것이 큰 의미를 부여하기는 어렵지만 겨울철 방류수 수질에 대해 비겨울철 방류수 수질기준을 적용하여 신뢰도 계수를 산정한 결과(Wn) 최대값에서 총질소의 경우 부유 성장 공정에서 1.10 ~ 1.21, 부착 성장 공정에서 1.25 ~ 1.84 의 범위로 나타났으며, 총인의 경우 부유성장공정에서 1.09 ~1.56, 부착성장에서 1.16~2.46의 범위로 나타났다. 이러한 범위는 비겨울철의 최대값에 의해 산출된 신뢰도 계수보다 평균적으로 약 10%정도 높은 값을 갖는 것으로 나타났으며, 이러한 값의 범위가 더 많은 빈도의 방류수 수질 기준 초과를 의미하는 것은 아니다.
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