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문제 정의
- 이렇게 일률적으로 정하고 있는 준수농도에 대해 하수 처리기술, 유역특성을 고려한 유역하수도 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 설정하는 방법을 제시하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 진위천수계 공공하수처리시설 방류수 수질 준수 농도 강화(안)이 공공수역의 수질에 미치는 영향을 분석하여 준수농도 강화(안) 중 어떠한 시나리오가 공공수역 수질관리에 효율적인지 평가하였다.
제안 방법
- 2009년 9월 수질오염총량관리 기본계획 수립 대상유역으로 지정 · 고시된 진위천수계(안성천유역 내 소유역)를 선정하여 수계 내 500 m3/일 이상 공공하수처리시설의 방류수 수질기준 변화에 따라 진위천수계 목표수질 변화 양상을 수질예측모델링을 수행하고 설정된 준수농도(안)을 분석하였다(환경부고시, 2009; 경기도, 2010).
- 그리고 진위천수계는 방류수 수질기준 IV지역에 해당하여 대부분 인처리시설을 도입하지 않고 있어 인처리에 따른 방류수 수질에 대한 영향이 다른 등급지역보다 상대적으로 작을 것으로 판단하였다. 개별 하수처리시설만 데이터를 정리하는 것보다 처리기술계열로 그룹화하는 것을 포함하여 데이터를 정리하여 백분위수, 변동계수 등 통계분석을 실시하는 것이 개별 하수처리시설에 따라 방류수 수질의 변동이 큰 경우 이를 보완하는 효과가 클 것으로 생각되었고, 또 동일 처리기술을 도입한 공공하수처리시설은 방류수 수질에 대해 유사한 처리효율을 갖는다고 보았기 때문에 동일 처리 기술을 그룹화하여 데이터를 처리하였다. 본 연구에서는 진위천수계 내 고매공공하수처리시설(Figure 1 및 Table 1의 8), 남사공공하수처리시설(9), 수원공공하수처리시설(2), 오산공공하수처리시설(15)을 개별 하수처리시설로 설정하여 수질예측모델링을 수행 하였는데, 이는 2009년 진위천수계 수질오염총량관리 기본계획 수립 시 단위유역 목표수질의 해석을 위한 수질예측모델링을 적용한 4개 공공하수처리시설이기 때문이다.
- 그리고 미국과 유럽의 산업계 배출수 배출허용기준을 설정하는 방법을 적용하여 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리시설의 백분위수에 근거한 방류수 수질 준수농도 강화(안)을 도출하였고, 국립환경과학원에서 개발한 한국형 모델인 QUALKO2 모델을 이용하여 유역의 수리 · 수문, 오염원 배출부하, 하수처리시설 방류 등 유역특성을 고려하여 진위천수계에 대한 수질예측모델링을 수행하여 수질변동을 분석하고 방류수 수질 준수농도 강화(안)이 미치는 영향을 평가하였다.
- 따라서 본 연구에서는 2009~2013년까지 5년간 하수도통계 및 전국오염원조사 자료를 이용하여 진위천수계 500 m3/일 이상 공공하수처리시설에 대해 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리시설으로 구분하고 일측정 및 월평균 BOD 수질 데이터로 나누어 데이터를 정리하였다. 그리고 미국과 유럽의 산업계 배출수 배출허용기준을 설정하는 방법을 적용하여 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리시설의 백분위수에 근거한 방류수 수질 준수농도 강화(안)을 도출하였고, 국립환경과학원에서 개발한 한국형 모델인 QUALKO2 모델을 이용하여 유역의 수리 · 수문, 오염원 배출부하, 하수처리시설 방류 등 유역특성을 고려하여 진위천수계에 대한 수질예측모델링을 수행하여 수질변동을 분석하고 방류수 수질 준수농도 강화(안)이 미치는 영향을 평가하였다.
- 먼저 방류수 수질 준수농도(안)을 도출하기 위해 진위천수계 내 공공하수처리시설을 대상으로 정하였고, 이들 강화된 방류수 수질 준수농도(안)을 입력 데이터로 하여 진위천수계를 연구 대상지역으로 선정하여 수질예측모델링을 수행하였다. 이는 진위천수계 상위 단위유역인 안성천유역에 대해 가장 최근인 2014년 유역하수도정비계획을 수립하였고, 또 2009년 진위천수계에 대해 수질오염총량관리 기본계획을 수립하여 별도의 검증 절차없이 수질예측모델링을 수행하는 것이 가능하기 때문이다.
- 미국과 EU 설정 방법 적용하여 산업폐수 배출시설의 배출허용기준 설정 방법을 유역하수도계획에 적용하여 진위천수계 공공하수처리시설의 방류수 수질(BOD) 준수농도 강화(안)을 마련하였고, 개별 하수처리시설 방류수 수질 준수농도로서 고매공공하수처리시설 4.2~7.1 mg/L, 남사공공하수처리시설 4.2~7.1 mg/L, 수원공공하수처리시설 7.5~10.0 mg/L, 오산공공하수처리시설 7.4~10.0 mg/L 범위에서 8가지 방류수 수질 준수농도 강화 시나리오를 마련하여 수질예측모델링을 수행하였다. 그 결과 유역하수도정비계획 수립 시 진위천수계 내 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 조정하여 수질오염총량관리 기준년도 수질을 달성하는 것이 가능하다고 판단되었으며, 미국의 처리기술에 근거한 월평균 자료의 95번째 백분위수 농도(L30)를 적용한 수질 준수농도(안)가 공공수역 수질에 미치는 영향이다른 안과 비교하여 더 좋은 결과를 나타내었다.
- 시나리오는 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리 시설 방류수 수질 준수농도(안) 2 가지와 EU의 배출허용기준(ELVs, 일측정 자료의 95번째 백분위수 농도) 및 미국 NPDES의 L1(일측정 자료의 99번째 백분위수 농도), L30(월평균 자료의 95번째 백분위수 농도), 배출허용기준(Effluent limitation)을 고려하여 총 8가지 시나리오의 방류수 수질 준수농도(안)을도출하였다. 즉, 방류수 수질기준 항목 중 BOD의 준수농도(안)에 대해 처리기술계열 그룹 일측정 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 1, 이들 데이터에 99번째 백분위수 농도를 시나리오 2, 처리리기술 계열 그룹 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 3, 개별 하수처리시설의 일측정 데이터를 이용하여 구한 95번째 백분위수 농도를 시나리오 4, 이들 데이터의 99번째 백분위수 농도를 시나리오 5, 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 일 측정 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 6, 개별 하수처리시설 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 7, 마지막으로 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 월평균 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 8로 정하였다.
- 진위천수계 공공하수처리시설 처리기술계열 그룹(16 개소) 및 개별 하수처리시설(4 개소) 방류수 수질 데이터에서 유럽 방식의 ELVs(95번째 백분위수) 농도를 산출하여 방류수 수질 준수농도(안)을 구하였고, 이들 두 가지 수질 데이터에서 미국 방식의 L1, L30, 배출허용기준 등 세가지 방류수 수질 준수농도(안)을 구하였다. 여기서 배출허용기준은 처리기술계 열 그룹의 수질 데이터에서 변동계수(VF)를 계산하고 개별 하수처리시설의 평균농도(LTA)를 구한 값을 곱하여 구하였다(EL1, EL30). 이렇게 구한 처리기술 계열 그룹에서 3 가지 및 개별 하수처리시설 5 가지 등 준수농도 산출 방법을 고려하여 총 8 가지 방류수 수질 준수농도(안)을 도출하였다.
- 여기에 2009년 진위천수계 수질오염총량관리 기본계획의 목표수질 설정 시 사용된 수질예측모델링 결과를 포함하여 비교 · 검토하였다.
- 여기서 배출허용기준은 처리기술계 열 그룹의 수질 데이터에서 변동계수(VF)를 계산하고 개별 하수처리시설의 평균농도(LTA)를 구한 값을 곱하여 구하였다(EL1, EL30). 이렇게 구한 처리기술 계열 그룹에서 3 가지 및 개별 하수처리시설 5 가지 등 준수농도 산출 방법을 고려하여 총 8 가지 방류수 수질 준수농도(안)을 도출하였다.
- 시나리오는 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리 시설 방류수 수질 준수농도(안) 2 가지와 EU의 배출허용기준(ELVs, 일측정 자료의 95번째 백분위수 농도) 및 미국 NPDES의 L1(일측정 자료의 99번째 백분위수 농도), L30(월평균 자료의 95번째 백분위수 농도), 배출허용기준(Effluent limitation)을 고려하여 총 8가지 시나리오의 방류수 수질 준수농도(안)을도출하였다. 즉, 방류수 수질기준 항목 중 BOD의 준수농도(안)에 대해 처리기술계열 그룹 일측정 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 1, 이들 데이터에 99번째 백분위수 농도를 시나리오 2, 처리리기술 계열 그룹 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 3, 개별 하수처리시설의 일측정 데이터를 이용하여 구한 95번째 백분위수 농도를 시나리오 4, 이들 데이터의 99번째 백분위수 농도를 시나리오 5, 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 일 측정 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 6, 개별 하수처리시설 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 7, 마지막으로 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 월평균 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 8로 정하였다. 현재 하수도법 시행규칙에서 정하고 있는 방류수 수질 기준(IV지역 BOD 10 mg/L)을 기본 시나리오로 하고 Table 6에 나타낸 이들 8개 시나리오를 합쳐 9가지 경우에 대해 수질예측모델링을 수행하였다.
- 진위천수계 공공하수처리시설 중 수질오염총량관리 기본계획에 적용된 4개 공공하수처리시설에 대해 개별 하수처리시설 데이터를 이용하여 방류수 수질 준수농도(안)을 구하고, 개별 하수처리시설에서 극단적인 데이터의 오류가 발생하는 것을 배제하기 위해 16개 공공하수처리시설에 대해 처리기술계열로 그룹 화하고 정상운영 시의 수질 데이터를 활용하여 방류수 수질 준수농도(안)을 산출하였다.
- 진위천수계 공공하수처리시설 처리기술계열 그룹(16 개소) 및 개별 하수처리시설(4 개소) 방류수 수질 데이터에서 유럽 방식의 ELVs(95번째 백분위수) 농도를 산출하여 방류수 수질 준수농도(안)을 구하였고, 이들 두 가지 수질 데이터에서 미국 방식의 L1, L30, 배출허용기준 등 세가지 방류수 수질 준수농도(안)을 구하였다. 여기서 배출허용기준은 처리기술계 열 그룹의 수질 데이터에서 변동계수(VF)를 계산하고 개별 하수처리시설의 평균농도(LTA)를 구한 값을 곱하여 구하였다(EL1, EL30).
- 진위천수계 내 16개 공공하수처리시설을 A2O 계열 7 개소, SBR 계열 4 개소, Media 계열 3개소, 기타 계열 2개소 등 처리기술계열별로 그룹화하여 정리하였다(Figure 1, Table 1). 이들 공공하수처리시설의 처리효율은 처리기술계열 그룹에서 BOD 처리율은 평균 97.
- 진위천수계(진위A 단위유역) 내 진위천, 오산천, 황구지천을 수질예측모델링 구간으로 선정하고 총 23개 Reach로 구분하여(Table 5, Figure 1) 공공하수처리시설 방류수 수질변화에 따른 수질예측모델링을 통한 단위유역에 대한 수질 변동을 해석하였다.
- 즉, 방류수 수질기준 항목 중 BOD의 준수농도(안)에 대해 처리기술계열 그룹 일측정 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 1, 이들 데이터에 99번째 백분위수 농도를 시나리오 2, 처리리기술 계열 그룹 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 3, 개별 하수처리시설의 일측정 데이터를 이용하여 구한 95번째 백분위수 농도를 시나리오 4, 이들 데이터의 99번째 백분위수 농도를 시나리오 5, 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 일 측정 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 6, 개별 하수처리시설 월평균 데이터의 95번째 백분위수 농도를 시나리오 7, 마지막으로 이들 데이터의 평균농도와 처리기술계열 그룹의 월평균 데이터의 변동계수를 곱해 구한 값을 시나리오 8로 정하였다. 현재 하수도법 시행규칙에서 정하고 있는 방류수 수질 기준(IV지역 BOD 10 mg/L)을 기본 시나리오로 하고 Table 6에 나타낸 이들 8개 시나리오를 합쳐 9가지 경우에 대해 수질예측모델링을 수행하였다. 여기에 2009년 진위천수계 수질오염총량관리 기본계획의 목표수질 설정 시 사용된 수질예측모델링 결과를 포함하여 비교 · 검토하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 수질 모델은 국립환경과학원에서 QUAL2E 모델에 WASP5 모델의 장점을 반영하여 개발한 QUALKO2 모델을 이용하여 수질예측 모델링을 수행하였다. QUALKO2 모델은 Bottled BOD의 반응기작, 조류활동에 의한 유기물 증가, 탈 질화 반응 등 하천의 정체수역에서 일어나는 기작을 국내 현실여건에 적합하게 반영하고 있다.
- 수질 모델에 이용되는 기준유량을 설정하기 위해 2009년에 수립한 진위천수계 수질오염총량관리 기본계획에 사용된 기준유량을 사용하였다. 수질 모델에서 진위천수계로 유입되는 점오염원인 공공하수처리시설은 총 4개로 고매, 남사, 수원, 오산 공공하수처리시설이며 입력된 2009년 방류유량 및 수질은 Table 6과 같다.
성능/효과
- 0 mg/L 범위에서 8가지 방류수 수질 준수농도 강화 시나리오를 마련하여 수질예측모델링을 수행하였다. 그 결과 유역하수도정비계획 수립 시 진위천수계 내 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 조정하여 수질오염총량관리 기준년도 수질을 달성하는 것이 가능하다고 판단되었으며, 미국의 처리기술에 근거한 월평균 자료의 95번째 백분위수 농도(L30)를 적용한 수질 준수농도(안)가 공공수역 수질에 미치는 영향이다른 안과 비교하여 더 좋은 결과를 나타내었다. 또한 진위천수계 내 공공하수처리시설에서 처리용량이 가장 큰 수원공공하수처리시설의 방류수 수질 준수 농도를 처리용량이 작은 다른 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도보다 낮추어 유역하수도정비계획 수립 시 방류수 수질 준수농도 강화(안)을 마련하는 경우가 공공수역의 수질관리에 보다 효과적인 것으로 판단되었다.
- 그 결과 유역하수도정비계획 수립 시 진위천수계 내 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 조정하여 수질오염총량관리 기준년도 수질을 달성하는 것이 가능하다고 판단되었으며, 미국의 처리기술에 근거한 월평균 자료의 95번째 백분위수 농도(L30)를 적용한 수질 준수농도(안)가 공공수역 수질에 미치는 영향이다른 안과 비교하여 더 좋은 결과를 나타내었다. 또한 진위천수계 내 공공하수처리시설에서 처리용량이 가장 큰 수원공공하수처리시설의 방류수 수질 준수 농도를 처리용량이 작은 다른 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도보다 낮추어 유역하수도정비계획 수립 시 방류수 수질 준수농도 강화(안)을 마련하는 경우가 공공수역의 수질관리에 보다 효과적인 것으로 판단되었다.
- 방류수 수질 준수농도(안)에 대한 수질예측모델링 수행결과 처리기술계열 그룹을 고려한 시나리오 1과 시나리오 3을 적용하였을 때 진위천수계 말단지점인 진위천3 지점에서 BOD 농도가 각각 7.70 mg/L 및 7.73 mg/L로 가장 낮게 나타났으며, 나머지 시나리오에 대한 수질예측모델링 수행결과는 7.97~8.14 mg/L의 범위로 나타났다(Table 7). 이는 처리기술 계열 그룹 일측정 자료의 95번째 백분위수 BOD 농도와 처리기술계열 그룹 월평균 자료의 95번째 백분위수 BOD 농도를 방류수 수질 준수농도로 하였을 때 공공수역에 미치는 영향이 가장 적음을 의미한다.
- 이는 처리용량이 적은 용인시 고매 · 남사 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 높이고 처리용량이 큰 화성시 수원공공하수처리시설, 오산시 오산공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 낮추는 것이 방류되는 공공수역의 수질관리에 유리할 수 있음을 보여 준다.
- 진위천수계 내 16개 공공하수처리시설을 A2O 계열 7 개소, SBR 계열 4 개소, Media 계열 3개소, 기타 계열 2개소 등 처리기술계열별로 그룹화하여 정리하였다(Figure 1, Table 1). 이들 공공하수처리시설의 처리효율은 처리기술계열 그룹에서 BOD 처리율은 평균 97.8~98.6%의 범위로 처리기술에 따른 처리율이 높고 차이가 크지 않은 것으로 나타났다. 개별 하수처리시설의 경우 고매공공하수처리시설에서 처리효율이 모든 항목에서 높게 나타났으며, BOD의 처리효율은 미국의 하수처리시설 방류수 수질기준(2차)에서 정한 처리효율 85%보다 높았다(US EPA, 2010).
- 진위천수계 수질예측모델링 결과, 수질오염총량관리 기본계획에서 공공하수처리시설 방류수 농도값을 적용한 결과(BOD 7.6 mg/L)와 유역하수도 개념을 도입한 본 수질 준수농도(안)을 적용한 결과(BOD 7.7 mg/L)가 비슷하게 나타났다. 이는 처리용량이 적은 용인시 고매 · 남사 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 높이고 처리용량이 큰 화성시 수원공공하수처리시설, 오산시 오산공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도를 낮추는 것이 방류되는 공공수역의 수질관리에 유리할 수 있음을 보여 준다.
후속연구
- 수원과 오산 공공하수처리시설처럼 개별 하수처리시설의 수질 데이터를 이용하여 산출한 방류수 수질 준수농도(안)이 현행 하수도법 시행규칙의 방류수 수질기준(IV지역 BOD 기준 10 mg/L)을 초과하는 경우가 발생하는 경우 방류수 수질 준수농도는 기존의 방류수 수질기준을 적용한다. 그리고, 산출된 방류수 수질 기준준수 강화(안)이 공공수역에서 효율적으로 적용하는 것이 가능한지 판단하기 위해 진위천 수계에 대한 수질예측모델링을 통해 수질오염총량관리 기본계획의 목표수질 및 중권역 목표기준 등과 결과를 비교 평가하는 것이 바람직하다고 판단된다.
- 이는 처리기술 계열 그룹 일측정 자료의 95번째 백분위수 BOD 농도와 처리기술계열 그룹 월평균 자료의 95번째 백분위수 BOD 농도를 방류수 수질 준수농도로 하였을 때 공공수역에 미치는 영향이 가장 적음을 의미한다. 또한 진위천수계 이들 개별 공공하수처리시설의 방류수 BOD 수질이 처리기술계별 그룹보다 높게 나타난 것은 A2O 공법을 도입한 같은 처리기술계열 그룹 내의 다른 공공하수처리시설보다 운영관리를 개선해야할 점이 있다는 것을 나타낸다.
- 유역하수도정비계획 수립 시 해당 공공 수역의 수질 및 수생태계 보전에 필요한 환경용량에 맞게 공공하수처리시설 방류수 수질 준수농도(안)를 강화하기 위해 개별 하수처리시설에 대한 방류수 수질 준수농도를 산출할 수 있다. 시설용량이 작은 고매 및 남사 공공하수처리시설의 방류수 수질이 낮아 시설용량이 큰 수원 및 오산 공공하수처리시설의 방류수 수질과 비교하여 전자와 같이 SBR 처리기술을 도입한 공공하수처리시설에 대해 좀 더 낮은 강화된 수질 준수농도를 적용하는 것이 가능하다.
- 2011~12년에 수립된 유역하수도정비계획 보고서를 검토한 결과 II지역 공공하수처리시설의 방류수 수질 준수농도는 5 mg/L에서 3 mg/L로 강화하고 III지역 방류수 수질 준수농도는 10 mg/L에서 5 mg/L로 강화하는 것으로 계획하고 있다(환경부, 2011; 영산강유역환경청, 2013; 환경부 · 한강유역환경청, 2014). 유역하수도정비계획 수립 시 이러한 강화된 방류수 수질 준수농도에 대한 산출 근거를 제시하지 않아 이에 대한 준수농도 산출 방법론을 검토할 필요가 있다. 즉, 유역의 수질환경기준(중권역 목표기준) 또는 수질오염총량 관리 목표수질을 달성하기 위해서는 유역 내 지역별 · 시설규모별 하수처리시설에 대한 방류수 수질 준수농도(안)을 설정하는 것이 필요하다.
- 즉, 유역의 수질환경기준(중권역 목표기준) 또는 수질오염총량 관리 목표수질을 달성하기 위해서는 유역 내 지역별 · 시설규모별 하수처리시설에 대한 방류수 수질 준수농도(안)을 설정하는 것이 필요하다. 이를 위해 유역하수도정비계획 수립 시 일관성 있고 합리적인 처리기술계열 그룹 및 개별 하수처리시설의 수질 데이터를 간추리고 검토하여 유역하수도정비계획 수립 시 공공하수처리시설에서 준수해야 하는 방류수 수질 준수농도 강화(안)을 마련하고 이 준수농도 강화(안)이 공공수역의 수질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수질예측모델링을 수행하여 평가하는 연구가 필요하다.
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