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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 공공수역 수질보전을 위해 공공수역에 수질에 영향을 미치는 주요 오염원의 하나인 공공하수처리시설에 대한 TOC 배출특성을 조사하였고, 외국의 방류수 수질기준 조사, TOC 수질기준 설정 등 관리방안에 대해 고찰하였다.
- 계절별 특성을 고려하여 총 3회 조사를 실시하였다(2013년 1회 5 ∼ 7월, 2회 9 ∼ 10월, 3회 11 ∼ 1월). 본 논문에서는 방류수 수질기준 항목인 TOC를 중심으로 BOD 및 CODMn와의 관계에 대해 주로 설명하였다.
- 1). 본 연구는 처리효율 분석 및 유입수 특성 등을 검토하기 위하여 유입수 및 방류수, 연계혼합수를 채수하였고 총인처리시설의 유입수도 추가적으로 채수하여 생물학적 처리공정과 물리화학적 처리공정에 대한 처리효율을 효과적으로 검토하도록 하였다.
- 본 연구에서는 공공하수처리시설의 유입수 및 방류수에서 TOC 특성을 분석하고 처리효율을 평가함으로써 처리시설에 따른 합리적인 TOC 규제기준 적용을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 공공하수처리시설의 합류식 및 분류식 하수관거에서 유입수 TOC는 분류식 하수관거일 때 더 높은 경향을 나타내었고 반면 합류식 하수관거 지역의 TOC 농도가 분류식 지역보다 더 높고 편차 또한 큰 것으로 조사되었다.
- 수질 및 수생태계 환경기준의 유기물질 지표 항목으로 TOC 기준이 추가됨에 따라서 공공수 역의 TOC 목표기준 달성 및 수질관리를 위해서는 하수처리시설의 TOC 규제가 뒷받침이 되어야 한다. 이를 위해서 본 조사 대상시설로 선정된 하수처리시설의 TOC 배출특성 및 처리효율을 평가하여 현재 공공하수처리시설의 TOC 현황을 파악하고 합리적인 TOC 규제기준을 마련하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있도록 조사결과를 검토하였다.
제안 방법
- 2011년 공공하수처리시설 운영 실태조사(MOE, 2012c) 자료분석을 통한 처리시설별 유기물 처리효율 평가를 수행하였고 처리시설의 규모, 연계대상 오염물질의 종류 및 처리공법별 유기물 처리효율 분석을 통해 운영실태를 분석 하였다.
- TOC 방류수 규제기준 설정을 위한 국내외의 TOC 관리 기준설정 관련 문헌 및 사례조사를 통해 외국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기준 현황과 수질기준 설정 현황자료 수집하여 비교 분석하였다. TOC 규제기준과 관련한 조사는 on-line 및 국내에서 연구된 TOC 규제기준 관련 보고서 내용 및 문헌자료를 중심으로 자료를 조사하였다. 또한 미국, 일본, 유럽 등 선진외국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기준 설정 근거(모니터링, 분석, 환경기준, 평가방법 등)와 설정체계에 대한 국내외 연구보고서 조사를 통해 관련 기준설정 방법론 사례를 조사하였다.
- TOC 방류수 규제기준 설정을 위한 국내외의 TOC 관리 기준설정 관련 문헌 및 사례조사를 통해 외국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기준 현황과 수질기준 설정 현황자료 수집하여 비교 분석하였다. TOC 규제기준과 관련한 조사는 on-line 및 국내에서 연구된 TOC 규제기준 관련 보고서 내용 및 문헌자료를 중심으로 자료를 조사하였다.
- 계절별 특성을 고려하여 총 3회 조사를 실시하였다(2013년 1회 5 ∼ 7월, 2회 9 ∼ 10월, 3회 11 ∼ 1월).
- TOC 규제기준과 관련한 조사는 on-line 및 국내에서 연구된 TOC 규제기준 관련 보고서 내용 및 문헌자료를 중심으로 자료를 조사하였다. 또한 미국, 일본, 유럽 등 선진외국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기준 설정 근거(모니터링, 분석, 환경기준, 평가방법 등)와 설정체계에 대한 국내외 연구보고서 조사를 통해 관련 기준설정 방법론 사례를 조사하였다.
- 본 연구에서는 조사대상 공공하수처리시설 선정 시 전수조사를 보완할 수 있도록 처리시설 규모, 처리공법, 인처리시설 유무, 산업폐수 처리 연계처리 등을 고려하여 적용하였다. 전국 공공하수처리시설은 2011년 하수도통계(MOE, 2012b)를 토대로 중·대규모(500 m3/일 이상) 시설 505 개소, 소규모(500 m3/일 미만) 시설 2,858 개소로 전체 3,363 개소를 대상으로 분류하였다.
- 산업폐수는 산업단지 내의 처리시설에서 처리되고 있으나 일부 산업폐수가 공공하수처리시 설로 유입되고 있으며 이에 따라서 유입수 특성이 달라질 것으로 판단되어 ‘2011년 전국오염원 조사’ 자료를 기초하여 본 연구의 조사대상 시설중 산업폐수가 유입되고 있는 처리시설을 검토 하였다.
- 연계처리수는 유입수 특성을 나타내는데 큰 영향을 줄 수 있으므로 유입수뿐만 아니라 연계 처리 혼합수를 채취하여 분석하였으며 이에 따른 TOC 발생을 검토하였다. Fig.
- /일 이상 공공하수처리시설 60 개소의 유입수와 방류수 시료를 채취하였다. 조사항목은 TOC, DOC, BOD5, CODCr, CODMn, SS, TN, TP, 수온, pH로 총 10 항목이며 발생오염원 혹은 처리시설별 특성에 따른 중요성을 고려, 공공하수처리시설의 경우 8 항목을 기본 분석항 목으로, TN 및 TP의 처리효율 등 추가적인 검토를 위하여 10 항목을 분석하였다. 계절별 특성을 고려하여 총 3회 조사를 실시하였다(2013년 1회 5 ∼ 7월, 2회 9 ∼ 10월, 3회 11 ∼ 1월).
- 처리시설별 유입수 및 방류수 TOC의 특성을 비교하여 처리효율을 평가하였고 오염물질 성상에 따른 TOC 배출특성을 검토하기 위하여 공공하수처리시설의 경우 유입수 성상에 영향을 줄 수 있는 인자들을 고려하기 위하여 조사대상 시설 선정시 분류한 기준에 의해 유입 하수관거 형태, 처리공법, 방류수역 지역등급, 연계처리, 총인처리시설 설치에 따른 TOC 배출특성 및 처리 효율을 분석하였다.
- 본 연구에서 조사한 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 중 합류식 하수관거로 하수가 유입되는 하수처리시설은 41 개소, 분류식 하수관거로 하수가 유되는 하수처리시설은 19 개소이다. 하수관거 정비사업 등으로 많은 지역에서 분류식화가 이루어지고 있으나, 현장 조사결과 합류 식의 분포 또한 상당함을 알 수 있었으며 하수관거에 따른 분류는 통계 및 기타 자료로 수치적으로 분리하기가 현실적으로 어렵고, 분류식화가 100% 진행된 곳에서도 강우에 의한 유입유량 및 수질이 크게 변하는 것을 고려하여 현장조사 시 이루어진 대면조사를 통한 분류에 기초하였다.
대상 데이터
- 2013년 분류기준에 의해서 선정된 대상시설인 500 m3/일 미만 공공하수처리시설 50 개소, 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 60 개소의 유입수와 방류수 시료를 채취하였다. 조사항목은 TOC, DOC, BOD5, CODCr, CODMn, SS, TN, TP, 수온, pH로 총 10 항목이며 발생오염원 혹은 처리시설별 특성에 따른 중요성을 고려, 공공하수처리시설의 경우 8 항목을 기본 분석항 목으로, TN 및 TP의 처리효율 등 추가적인 검토를 위하여 10 항목을 분석하였다.
- 중대규모 공공하수처리시설의 경우 하수처리장의 유입관로의 형태가 합류식과 분류식에 따라서 유입수질 및 하수량이 큰 영향을 받게 된다. 본 연구에서 조사한 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 중 합류식 하수관거로 하수가 유입되는 하수처리시설은 41 개소, 분류식 하수관거로 하수가 유되는 하수처리시설은 19 개소이다. 하수관거 정비사업 등으로 많은 지역에서 분류식화가 이루어지고 있으나, 현장 조사결과 합류 식의 분포 또한 상당함을 알 수 있었으며 하수관거에 따른 분류는 통계 및 기타 자료로 수치적으로 분리하기가 현실적으로 어렵고, 분류식화가 100% 진행된 곳에서도 강우에 의한 유입유량 및 수질이 크게 변하는 것을 고려하여 현장조사 시 이루어진 대면조사를 통한 분류에 기초하였다.
- 전국 공공하수처리시설은 2011년 하수도통계(MOE, 2012b)를 토대로 중·대규모(500 m3/일 이상) 시설 505 개소, 소규모(500 m3/일 미만) 시설 2,858 개소로 전체 3,363 개소를 대상으로 분류하였다. 조사대상은 500 m 3 /일 이상 하수처 리시설 60 개소, 500 m3/일 미만 하수처리시설 50 개소 총 110 개소를 선정하였다(Table 1, Fig. 1). 본 연구는 처리효율 분석 및 유입수 특성 등을 검토하기 위하여 유입수 및 방류수, 연계혼합수를 채수하였고 총인처리시설의 유입수도 추가적으로 채수하여 생물학적 처리공정과 물리화학적 처리공정에 대한 처리효율을 효과적으로 검토하도록 하였다.
성능/효과
- 8%의 처리효율을 보여 근소하지만 MBR 공법의 TOC 처리효율이 우수한 것을 알 수 있다. 500 m3/일 미만 공공하수처리시설의 공법별 처리효율 분석결과 최소 및 최대 편차가 큰 것으로 조사되었으며 이는 공법에 따른 특성보다는 500 m3/일 미만 처리시설의 특성상 운영 및 유지관리 상태에 의존하기 때문으로 판단된다(Table 5).
- 500 m3/일 이상 공공하수처리시설의 공법별 유입수 및 방류수 TOC 검토결과는 Fig. 4과 같으며 그림과 같이 유입수의 TOC는 MBR 공법에서 높은 경향을 나타내었는데, 이는 유입수질이 높은 경우 고농도 수질의 처리 안정성을 위해 MBR 공법이 적용되는 경향이 나타난 것으로 판단된다. MBR 공법은 최근에 그 적용비율이 높아졌고, 그로 인해 처리분구의 분류식화 비율이 높아짐에 따라 유입수내 고농도 유기물이 조사된 것으로 사료된다.
- 처리공법별 TOC 분석결과에서는 500 m3/일 미만 공공처리시설의 유입수 TOC는 500 m3/일 이상 공공하수처리시설의 방류수 TOC 농도와 달리 처리공법에 따른 차이가 나타나지 않았다. 공공하수처리시설에서 방류되는 공공수역의 지역등급에 따라 방류수 TOC 농도는 총인 기준이 엄격한 지역일수록 TOC 농도가 낮게 나타났는데 공공하수처리시설 운영관리에 따라 수질개선 효과가 있는 것으로 판단되었다. 그리고 연계처리를 하지 않는 하수처리시설의 방류수 TOC 농도가 낮았고 처리효율이 안정적인 것으로 조사되었다.
- 공공하수처리시설의 분류식 하수관거 지역과 합류식 하수관거 지역에 설치된 처리시설에서 방류수의 평균 TOC 농도는 모두 5.8 mg/L로 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 분류식 하수관거 지역의 공공하수처리시설 방류수 TOC의 측정범위는 1.
- 본 연구에서는 공공하수처리시설의 유입수 및 방류수에서 TOC 특성을 분석하고 처리효율을 평가함으로써 처리시설에 따른 합리적인 TOC 규제기준 적용을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 공공하수처리시설의 합류식 및 분류식 하수관거에서 유입수 TOC는 분류식 하수관거일 때 더 높은 경향을 나타내었고 반면 합류식 하수관거 지역의 TOC 농도가 분류식 지역보다 더 높고 편차 또한 큰 것으로 조사되었다. 처리공법별 TOC 분석결과에서는 500 m3/일 미만 공공처리시설의 유입수 TOC는 500 m3/일 이상 공공하수처리시설의 방류수 TOC 농도와 달리 처리공법에 따른 차이가 나타나지 않았다.
- 공공하수처리시설에서 방류되는 공공수역의 지역등급에 따라 방류수 TOC 농도는 총인 기준이 엄격한 지역일수록 TOC 농도가 낮게 나타났는데 공공하수처리시설 운영관리에 따라 수질개선 효과가 있는 것으로 판단되었다. 그리고 연계처리를 하지 않는 하수처리시설의 방류수 TOC 농도가 낮았고 처리효율이 안정적인 것으로 조사되었다.
- 이러한 결과는 MBR 공법이 도입된 하수처리지역이 다른 공법계열의 하수처리지역에 비해 최근 하수관거 정비로 분류식화가 이루어져 유입수 TOC 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한 반응조 내 7,000 ~ 10,000 mg/L의 고농도 미생물을 확보할 수 있어 방류수 TOC 농도를 낮은 수준에서 안정적으로 달성할 수 있었다. Table 5와 같이 TOC 처리효율 검토결과 A2O 공법, SBR 공법보다 MBR 공법의 처리효율이 높은 것으로 나타나 MBR 공법이 처리 안정성이 높은 것으로 판단된다.
- 8 mg/L로 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 분류식 하수관거 지역의 공공하수처리시설 방류수 TOC의 측정범위는 1.6 ~ 39.6 mg/L(N=57), 합류식 관거지역의 방류수 BOD의 측정범위는 0.2 ~ 39.9 mg/L(N=123)로 일부 처리장에서 기준을 초과하는 다소 넓은 범위에서 측정되었다(Fig. 2). 이는 TOC의 경우 분류식 하수관거지역에서 SBR 공법을 적용하고 있는 G 하수처리장(춘 천, ‘13.
- 방류수 TOC 농도 분석결과 총인처리시설이 설치된 시설의 TOC 농도가 그렇지 않은 시설의 농도에 비해 비교적 낮은 것으로 조사되었으며 TOC 농도 편차 역시 작게 나타났는데, 처리공정에서 유입수 대비 약 5.8%의 TOC를 추가 저감되는 것으로 나타났다. 이는 인처리시설이 설치되지 않은 하수처리시설의 경우 대부분 Ⅳ 지역에 해당되므로 유기물질에 대한 방류수 수질기준이 상대적으로 높게 정해져 있어 비교적 높은 농도의 방류수 내 TOC가 검출된 것으로 판단되며 인처리시설이 설치된 하수처리시설에서는 SS 등 추가 제거가 되므로 방류수 내 TOC 농도 저감에 일정 부분 기여하였기 때문으로 판단된다.
- 방류수 TOC의 결과는 공법분류에 따른 차이가 크지 않았는데, TOC 평균 처리효율로 비교하면 A2O 공법 80.0%, MBR 공법 83.2%, Media 공법 78.6%, SBR 공법 72.8%의 처리효율을 보여 근소하지만 MBR 공법의 TOC 처리효율이 우수한 것을 알 수 있다. 500 m3/일 미만 공공하수처리시설의 공법별 처리효율 분석결과 최소 및 최대 편차가 큰 것으로 조사되었으며 이는 공법에 따른 특성보다는 500 m3/일 미만 처리시설의 특성상 운영 및 유지관리 상태에 의존하기 때문으로 판단된다(Table 5).
- 2에서도 유입수내의 TOC 및 BOD의 수질이 분류식 하수관거인 경우가 더 높게 나타나는 것으로 조사되었다. 분류식 하수관거에서 발생되는 평균 TOC 농도가 76.6 mg/L로 합류식 하수관거 평균 TOC 농도인 70.5 mg/L 보다 다소 높은 경향을 나타내었다. 분류식 지역의 유입 유기물 농도가 높고 방류 유기물 농도가 낮게 나타난 이유는 합류식 지역의 경우 불명수 유입으로 인한 하수량 증가 및 유입하수 농도의 희석효과로 설명될 수 있으며 분류식 하수관거가 설치된 지역의 경우 하수관거 정비가 비교적 근래에 이루어지고 이에 따른 우수와 오수 분리로 인해 유입하수 농도 증가와 함께 TOC 농도 또한 증가한 것으로 판단된다.
- 연계처리가 있는 처리시설 유입수 TOC의 편차는 동일 시설에 대한 조사시기별 농도변화를 분석한 결과 일시적인 현상으로 나타났다. 이러한 결과를 살펴볼 때 단순히 연계처리 유무에 따라 농도 편차가 발생하기 보다는 하수 원수의 농도, 연계처리 유입수 수질 및 연계처리 비율에 따라 차이를 보이는 것으로 판단된다.
- 유입수 및 방류수 모두 BOD에 비해 TOC의 25 ∼ 75% 농도 범위가 좁아 데이터의 변동이 작게 나타났는데 BOD는 생분해도 영향으로 범위가 큰것에 비해서 TOC는 유기탄소를 직접 측정하므로 범위가 좁게 나타난 것으로 판단된다.
- 8 mg/L로 조사되었다. 이러한 결과는 MBR 공법이 도입된 하수처리지역이 다른 공법계열의 하수처리지역에 비해 최근 하수관거 정비로 분류식화가 이루어져 유입수 TOC 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한 반응조 내 7,000 ~ 10,000 mg/L의 고농도 미생물을 확보할 수 있어 방류수 TOC 농도를 낮은 수준에서 안정적으로 달성할 수 있었다.
- 691로 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Table 6). 즉 TOC와 CODMn의 상관관계는 있으나 TOC와 BOD의 상관관계는 낮게 나타나 회귀분석을 통해 구해지는 관계식을 이용한 TOC 기준안의 설정은 하수의 특성, 규모의 차이, 적용되는 처리 기술의 수준, 방류수 수질기준 지역등급 등을 고려하여 신중한 해석이 필요하고 하수처리시설에 대한 정밀조사를 통해 통계적 유효성을 파악하는 것이 필요하다고 판단되었다.
- MBR 공법은 최근에 그 적용비율이 높아졌고, 그로 인해 처리분구의 분류식화 비율이 높아짐에 따라 유입수내 고농도 유기물이 조사된 것으로 사료된다. 특히 MBR 공법의 유입수 평균 TOC 농도가 가장 높은 80.6 mg/L로 조사되었고, 방류수 TOC의 경우 반대로 동일 공법계열에서 가장 낮은 3.8 mg/L로 조사되었다. 이러한 결과는 MBR 공법이 도입된 하수처리지역이 다른 공법계열의 하수처리지역에 비해 최근 하수관거 정비로 분류식화가 이루어져 유입수 TOC 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 이러한 결과를 살펴볼 때 단순히 연계처리 유무에 따라 농도 편차가 발생하기 보다는 하수 원수의 농도, 연계처리 유입수 수질 및 연계처리 비율에 따라 차이를 보이는 것으로 판단된다. 한편 방류수 TOC 결과는 연계처리수가 없는 처리시설의 방류수 농도가 낮고, 처리효율이 상대적으로 안정적인 것으로 조사되어, 연계처리하는 공공하수처리시설의 경우 연계처리에 따른 난분해성 물질의 유입으로 인해 방류수 TOC 농도가 높은 것으로 사료되었다.
- 현행 유기물 방류수 수질기준과의 TOC 상관성 분석을 통한 연계성에 근거한 방법론에 대해서는 500 m3/일 공공하수처리시설 방류수 TOC 와 BOD의 상관계수는 0.341로 상관성이 낮게 나타났으며 TOC와 CODMn의 상관계수가 0.691로 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Table 6). 즉 TOC와 CODMn의 상관관계는 있으나 TOC와 BOD의 상관관계는 낮게 나타나 회귀분석을 통해 구해지는 관계식을 이용한 TOC 기준안의 설정은 하수의 특성, 규모의 차이, 적용되는 처리 기술의 수준, 방류수 수질기준 지역등급 등을 고려하여 신중한 해석이 필요하고 하수처리시설에 대한 정밀조사를 통해 통계적 유효성을 파악하는 것이 필요하다고 판단되었다.
후속연구
- 따라서, 공공하수처리시설의 TOC 관리기반 마련을 위해서는 TOC 생성 및 원인물질, 모니터링을 통한 수질평가, TOC가 상수원 수질에 미치는 영향, 수생태 보전을 위한 TOC 관리방안 마련 등 다양한 관점에서 TOC와 관련된 조사 · 연구를 수행하는 것이 필요하다. 이를 통해 공공수역에 영향을 미치는 하수처리시설의 방류수 TOC 관리방안을 체계적으로 수립할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 하수처리시설의 방류수에서 이들 항목의 최대값이 매우 높게 나타 났는데 생물학적 처리공정 개선 및 동절기 효율 적인 운영·관리 등이 필요하다고 판단된다.
- 이러한 영향을 미치는 유기물질은 BOD 및 COD 분석방법을 통해 산소 소모량으로 간접적으로 유기물질 농도를 측정하였으나 TOC 분석방법은 직접 유기물질(탄소)을 측정하여 농도를 알 수 있다. 이러한 TOC 항목을 도입함으로써 그동안 배출원 관리에서 제외되었던 난분해성 및 미량유기물질을 관리대상으로 포함시켜 배출원 특성에 따라 신속하고 빠른 유기물질 측정 자료를 제공하고 데이터 분석에 대한 평가 및 검토가 용이해진다. 또한 TOC 항목을 하수처리 시설 방류수 수질기준으로 도입하는 것은 농도 측정 시 자동화가 가능하고 측정값에 대한 신뢰도가 높다는 장점이 있으며, CODCr 측정 시 발생하는 2차 오염물질인 Cr에 대한 규제 강화 등의 이유로 TOC 항목을 선호하는 경향이 있다.
- 따라서, 공공하수처리시설의 TOC 관리기반 마련을 위해서는 TOC 생성 및 원인물질, 모니터링을 통한 수질평가, TOC가 상수원 수질에 미치는 영향, 수생태 보전을 위한 TOC 관리방안 마련 등 다양한 관점에서 TOC와 관련된 조사 · 연구를 수행하는 것이 필요하다. 이를 통해 공공수역에 영향을 미치는 하수처리시설의 방류수 TOC 관리방안을 체계적으로 수립할 수 있을 것으로 판단된다.
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