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문제 정의
- UV254 항목은 재이용 수질기준항목에 규정되어 있지 않지만 생분해 가능성을 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 하수처리장 방류수의 경우에는 용존 유기물은 대부분 탄소화합물로 이루어져 있으며 Humic acid나 Fulvic acid가 많이 포함되어 있는 경우 상대적으로 UV254 값도 높게 측정된다.
- 따라서 본 연구에서는 『물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률』에 기초하여 전라북도 내 하수처리장 방류수를 효율적으로 재이용하기 위해 하수처리장을 현장 방문하여 주변 현황조사 및 방류수의 수질을 파악하며, Lab scale test를 이용하여 재이용 용도에 맞는 맞춤형 실험을 통해 각 처리장에 가능성을 제안하는데 목적을 두며 그 범위는 다음과 같다.
- Lab test시 분석항목은 Table 2와 같이 12개소 처리장에서 각 항목별 4회 평균값이 기준을 초과하는 항목을 선택하였으며, 추가적으로 공단폐수 및 음식물처리수와 같은 유입원수의 영향을 많이 받는 염화물과 전기전도도에 대해서도 제거효율을 알아보았다. 또한, 기준 이하였으나 농업용수 재이용수 기준이 되는 중금속 항목 중 농도가 높게 분석된 총붕소의 제거효과에 대해서도 알아보았다.
- 본 연구에서는 대상지점별 방류수 분석결과를 기초로 하여 재이용 수질기준을 초과한 항목(총대장균군, 색도, 총질소, 전기전도도 및 염화물) 및 중금속 물질에 대한 처리효과를 알아보기 위해 Lab scale test를 수행하였다. 총대장균군, 색도, 총질소의 제거효과는 Fig.
- 최근 기후변화 및 물 사용량 증가로 인해 물부족 현상을 극복하기 위한 대안으로 연중 일정수량을 공급할 수 있는 장점이 있는 하수처리수 재이용에 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 전라북도 내 공공하수처리장 방류수의 재이용 가능성을 제시하고자 현장조사 및 Lab test를 수행하였고 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- Lab test시 분석항목은 Table 2와 같이 12개소 처리장에서 각 항목별 4회 평균값이 기준을 초과하는 항목을 선택하였으며, 추가적으로 공단폐수 및 음식물처리수와 같은 유입원수의 영향을 많이 받는 염화물과 전기전도도에 대해서도 제거효율을 알아보았다. 또한, 기준 이하였으나 농업용수 재이용수 기준이 되는 중금속 항목 중 농도가 높게 분석된 총붕소의 제거효과에 대해서도 알아보았다.
- 각 하수처리장 방류수의 재이용 가능성을 제시하기 위해 재이용 용도에 맞는 맞춤형 Lab scale test를 수행하였다.
- 공공하수처리시설 방류수의 재이용 활용여부를 판단하기위한 분석항목은 Table 1에 나타낸 것처럼 『물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률 시행규칙 제14조 별표 2 하·폐수 처리수 재처리수 및 온배수 재처리수의 용도별 수질기준』에 준하여 일반 항목은 BOD5 등 12개 항목과 추가로 농업용수 수질기준 시 적용되는 중금속 16개 항목 등 총 28개 항목을 분석하였다.
- 끝으로, 위의 실험결과를 토대로 각각의 처리장에 용도별 하수재이용 방안을 제시하였다.
- 둘째, 대상지점 하수처리장에 대해 현장주변조사 및 방류수에 대한 용도별 수질기준을 맞추어 분석하였다. 셋째,각 처리장에 재이용 가능성을 제시하기 위해 모래여과-활성탄-정밀여과-역삼투압 기술을 조합한 Lab scale test를 수행하였다.
- 장치구성은 크게 전처리장치와 여과장치로 구분하였다. 색도 및 부유물질 등 부분적인 처리효과를 높이기 위한 전처리 장치로는 모래여과, 활성탄흡착을 이용하였고, 다음으로 추가 오염물질 제거 및 활성탄 공정에서 흘러나오는 활성탄 찌꺼기로 인한 역삼투(RO)막 fouling을 최소화하기 위해 정밀여과(MF)막을 설치하고 마지막 후단에 역삼투(RO)막을 설치하였다.
- 시료는 대상 처리장의 최종 방류구 전에서 채취하였으며, 채취기간은 기본적으로 2월, 4월, 6월, 8월 등 4회를 수행하고, Lab scale test시에는 시스템 운전방향에 따라 수시로 채수하였다. 각각의 하수처리장에서 대장균을 제거하기 위해 사용하는 소독방법은 대부분 자외선 소독을 실시하고 있으며 전주 1, 2단계와 익산하수처리장은 염소소독으로 하였다.
대상 데이터
- Lab scale test에 사용된 대상시료는 하수처리 방류수가 재이용수 기준을 초과하는 항목이 가장 많은 군산하수처리장과 유입원수가 순수하수 뿐만 아니라 음식물처리수, 분뇨처리수, 공단폐수, 매립장 침출수까지 포함된 전주처리장을 선택하였다.
- 1과 같이 전라북도 내 공공하수처리장 중 일일 하수처리수 방류량이 5,000 m3 이상인 처리장 12개소를 연구대상지점으로 선정하였다. 대상기관 선정 기준은 『물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률 시행령 제12조』에서 언급한 1일 하수처리 용량이 5천 m3 이상인 처리시설을 기준으로 하였다. 하수 처리공법은 주로 CSBR, BNR,SBR, Symbio, Fluidyne SBR 등이 이용되었다.
- 방류수를 재처리없이 재이용 기준에 적합한 처리장은 익산함열, 남원, 김제, 부안공공하수처리장 등 총 4개소였다. 유입원수성상이 복합하수인 경우 방류수의 염화물과 전기전도도가 높게 측정되므로 용도별 하수 재이용 시 고려해야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구에 사용된 AC는 KD-201 (8 × 30 mesh)규격의 경덕탄소산업회사의 제품인 야자계 성분의 활성탄이다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 전라북도 내 공공하수처리장 중 일일 하수처리수 방류량이 5,000 m3 이상인 처리장 12개소를 연구대상지점으로 선정하였다. 대상기관 선정 기준은 『물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률 시행령 제12조』에서 언급한 1일 하수처리 용량이 5천 m3 이상인 처리시설을 기준으로 하였다.
- 본 연구에 사용된 AC는 KD-201 (8 × 30 mesh)규격의 경덕탄소산업회사의 제품인 야자계 성분의 활성탄이다. 실험에 사용된 역삼투압 멤브레인은 DOW FILMTECH에서 제작한 제품으로 재질은 현재 폭넓게 사용되고 있는 박막합성 폴리아미드막(polyamide thin film composite)으로 중공사막(Hollow-fiber type)형태로 되어 있다.
- 첫째, 대상지점은 도내 일일 하수 방류량이 5,000 m3 이상인 지점으로 선택하였다.
데이터처리
- 둘째, 대상지점 하수처리장에 대해 현장주변조사 및 방류수에 대한 용도별 수질기준을 맞추어 분석하였다. 셋째,각 처리장에 재이용 가능성을 제시하기 위해 모래여과-활성탄-정밀여과-역삼투압 기술을 조합한 Lab scale test를 수행하였다.
이론/모형
- 수질분석은 수질오염공정시험기준과 먹는물 수질공정시험기준에 의해 분석을 수행하였다. 중금속 분석의 경우 알루미늄(Al), 붕소(B-total), 코발트(Co), 리튬(Li)은 먹는물 수질공정시험기준에 의해 분석하였고, 나머지 중금속 항목의 분석은 모두 수질오염공정시험기준에 준하였다.
- 수질분석은 수질오염공정시험기준과 먹는물 수질공정시험기준에 의해 분석을 수행하였다. 중금속 분석의 경우 알루미늄(Al), 붕소(B-total), 코발트(Co), 리튬(Li)은 먹는물 수질공정시험기준에 의해 분석하였고, 나머지 중금속 항목의 분석은 모두 수질오염공정시험기준에 준하였다. 참고로 코발트와 리튬 분석은 먹는물 수질공정시험기준 ES 05400.
- 중금속 분석의 경우 알루미늄(Al), 붕소(B-total), 코발트(Co), 리튬(Li)은 먹는물 수질공정시험기준에 의해 분석하였고, 나머지 중금속 항목의 분석은 모두 수질오염공정시험기준에 준하였다. 참고로 코발트와 리튬 분석은 먹는물 수질공정시험기준 ES 05400.2에 준하여 분석하며 이 경우 코발트와 리튬의 측정파장은 각각 228.616 nm, 670.784 nm이며 정량한계는 각각 0.01mg/L와 0.50 mg/L이다.
성능/효과
- 1) 공공하수처리장 방류수 수질분석 결과 재처리수 용도별 수질기준 12개 항목 중 총대장균군수, 생물화학적산소요구량, 총질소, 염화물, 전기전도도, 색도 등 총 6개 항목이 기준을 초과하였으며, 이 중 색도는 8개 처리장에서 기준을 초과하였다. 특히 유입하수가 순수하수가 아닌 음식물처리수, 침출수, 공단폐수가 혼합되어 있는 경우 염화물과 전기전도도가 높게 측정되었다.
- 6 mm로, 1973년 이후 최소 세 번째로 적은 강수량을 보였으며 이중 2/3가 홍수기인 6~9월과 태풍기간에 집중되어 있다.1) 과거 기록에서도 우리나라 연평균 강수량은 1,245 mm (1974~2003년 평균)로 세계 평균 강수량 880 mm와 비교하여 약1.4배로 높으나 인구밀도가 높기 때문에 1인당 연강수량은 2,591 m3로 세계 평균의 약 1/8에 불과하다. 또한 연간 1인당 수자원 이용량은 540 m3로 OECD 연간 1인 평균이용량 920 m3보다도 적으며 30개 OECD 국가 중 17위를 차지하고 있어 물 부족국가로 평가되고 있다.
- 또한 연간 1인당 수자원 이용량은 540 m3로 OECD 연간 1인 평균이용량 920 m3보다도 적으며 30개 OECD 국가 중 17위를 차지하고 있어 물 부족국가로 평가되고 있다.2) 물 이용면에서는 2003년 기준으로 생활용수 사용량은 1965년보다 33배, 공업용수는 6배, 농업용수는 4배 이상 증가하였으며 하천 기능을 유지하기 위한 하천유지용수의 수요도 증가하는 추세이다.3)
- 2) 재처리수 용도별 수질기준에 모두 적합한 4개 처리장의 경우 상수도 사용을 절감하기 위해 처리장 내 조경관리를 위한 조경용수 및 청소, 세척용수로써 사용하는 것이 효율적이라고 판단된다.
- 3) 전북지역 하수처리장 방류수는 대부분 하천으로 방류되고 있으나, 처리장 주변이 대부분 농업지역임을 감안하여 농번기에 농업용수로써 재이용하고, 인공습지공원이 조성된 일부 처리장의 경우 수량유지용수로 사용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- 4) Lab test 결과 총대장균군과 색도는 활성탄 흡착만으로도 제거효과는 높으나 활성탄 수명을 고려하여 전단에 모래여과를 설치하여 운영하는 것을 권장한다.
- 5) 활성탄 흡착으로 제거가 어려운 염화물과 전기전도도의 경우에는 역삼투법 처리로 제거가 가능하나 처리비용문제를 최소화하기 위해 조경용수 및 농업용수로 재이용하는 경우에만 선택적으로 이용하는 것이 적절할 것으로 예상되어진다.
- 염화물의 경우 조경용수에만 적용되며, 기준이 초과되는 지점은 2곳이었다. Lab test 결과 전기전도도와 염화물의 제거효과는 비슷한 경향을 나타내었는데 모래여과, 활성탄흡착, 정밀여과법 처리 후에는 총 제거효율이 30%이내로 효과적이지는 않았으나, 역삼투법 처리 후 가장 높은 제거효과를 보였다. 전기전도도나 염화물이 높은 하수처리장 방류수를 재처리하여 조경용수 또는 농업용수로 사용하기위해서는 역삼투압 과정이 필수적이며 만약 유기물이나 부유물질이 높은 경우에는 모래여과와 활성탄공정을 역삼투법 공정 앞에 설치하여 운영비를 최소화해야 할 것으로 적절하다고 사료된다.
- 5(c)에서 나타내었다. 각 공정별 처리효과는 모래여과 후, 활성탄 흡착 이후 50% 이상 그리고 MF 거친 후 약 80% 이상의 제거효과를 보여주었다.
- 특히 유입원수가 순수하수가 아닌 음식물 처리수,공단폐수, 침출수 등 복합적으로 혼합되어 적정 처리에 어려움이 많을 것으로 예상된다. 그러나 3회(6월 중) 시료 이후부터 수질이 개선되고 있으며, 현재 총인저감시설이 완공되어 수질 개선에 따른 재이용수의 사용 범위도 증가할 것으로 판단된다. 지형적인 면을 고려해보면 전주 1, 2단계 방류수 재이용은 농업용수, 하천유지용수 또는 전주공단 쪽의 공업용수로 재이용을 하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 전주 3단계 하수처리장의 경우 총대장균군수, 색도, BOD가 각각의 재이용수 기준을 초과하였다. 그러나 BOD의 경우 기준이 3 mg/L인 친수용수인 경우에만 초과되었으며,색도와 총대장균군의 경우는 처리장 내에서 충분히 개선을할 수 있으므로 주변 농업지역에 농업용수로의 재이용 및 전주 1, 2단계 방류수와 더불어 하천수질개선 및 용수확보를 위한 하천유지용수로 사용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- 총대장균군의 크기가 보통 2~4 μm이므로 혹 활성탄 흡착에서 제거가 되지 않은 총대장균군은 공극크기 1 μm 이하인 정밀여과막(MF)에서 완벽하게 제거가 가능함을 기대할 수 있다. 그러나 활성탄 흡착 이후부터 총대장균군이 검출되지 않으므로 운영비를 고려하여 전처리로 모래여과와 활성탄흡착을 조합해서 사용하는 것이 적합할 것으로 사료된다.
- 농업용수에만 적용되는 중금속은 16개 항목 모두 기준치 이하로 분석되었으나, 총붕소와 망간은 2개소에서 기준에 근접하게 측정되었다.
- 이러한 이유로 총대장균군이나 색도, 총질소등이 높아 재이용 수질기준을 초과하고 있다. 또한 유입원수가 하수에 음식물처리수 및 공단폐수 등이 복합적으로 혼합되어 있어 염화물과 전기전도도도 높게 나타났다. 지형적인 면을 고려하면 주변에 공업단지지역임을 감안하여 공업용수로 재이용하는 것이 적절하다고 예상할 수 있다.
- 하수처리장 방류수의 경우에는 용존 유기물은 대부분 탄소화합물로 이루어져 있으며 Humic acid나 Fulvic acid가 많이 포함되어 있는 경우 상대적으로 UV254 값도 높게 측정된다. 분석결과 Fig. 5(d)와 같이 모래여과에서는 제거효율이 10% 정도였으나 활성탄 흡착 이후에 90% 이상의 높은 제거효율을 보였다. 이에 따라 UV254 값이 감소한다는 의미는 용존유기물질이 저분자화되어 생분해가 가능한 화합물로 변화될 가능성이 높을 것으로 예상할 수 있다.
- 분석결과 재처리수 용도별 수질기준 12개 항목 중 초과하는 항목은 총대장균군수, 생물화학적산소요구량(BOD5), 총질소(TN), 염화물, 전기전도도, 색도 등 총 6개 항목이며,이 중 색도는 8개 처리장에서 기준을 초과하였다. 특히 유입하수가 순수하수가 아닌 음식물처리수, 침출수, 공단폐수가 혼합되어 있는 경우 염화물과 전기전도도가 높게 측정되었다.
- 색도의 경우 모래여과 시 최대 20% 이하의 제거효율을 보였으나 활성탄 흡착처리 후에는 90% 이상의 높은 제거효율을 보였으며 재이용 기준이 가장 높은 친수용수 기준에도 적합하였다. 정밀여과법과 역삼투법으로 처리 시 제거효과는 높았으나 및 운영비를 고려하면 모래여과와 활성탄흡착을 조합해서 이용하는 것이 활성탄 파과시간도 연장하며 처리효율도 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 전주 1, 2단계 하수처리장의 방류수 분석 결과(4회 평균값)색도, BOD, 부유물질, 총인, 염화물, 전기전도도 등이 각재이용수 수질기준을 초과하여 용도별 재이용수 사용이 불가하였다. 특히 유입원수가 순수하수가 아닌 음식물 처리수,공단폐수, 침출수 등 복합적으로 혼합되어 적정 처리에 어려움이 많을 것으로 예상된다.
- 색도의 경우 모래여과 시 최대 20% 이하의 제거효율을 보였으나 활성탄 흡착처리 후에는 90% 이상의 높은 제거효율을 보였으며 재이용 기준이 가장 높은 친수용수 기준에도 적합하였다. 정밀여과법과 역삼투법으로 처리 시 제거효과는 높았으나 및 운영비를 고려하면 모래여과와 활성탄흡착을 조합해서 이용하는 것이 활성탄 파과시간도 연장하며 처리효율도 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 총대장균군은 모래여과를 통과 후 70% 이상의 제거효율을 보였으며 활성탄흡착 이후에는 불검출로 나타났다. 총대장균군의 크기가 보통 2~4 μm이므로 혹 활성탄 흡착에서 제거가 되지 않은 총대장균군은 공극크기 1 μm 이하인 정밀여과막(MF)에서 완벽하게 제거가 가능함을 기대할 수 있다.
- 총질소의 경우 실험결과 모래여과나 활성탄에서는 처리효과가 15~20%이며 정밀여과법으로 처리 후 약 30% 전후의 효율을 보였으나 역삼투법 처리수는 98% 이상의 처리효율을 보였다. 2015년 9월 재이용 수질기준이 개정되어 하천등 유지용수로 재이용하는 경우 수질기준은 하수처리장 방류수 수질기준과 같은 20 mg/L로 기준이 완화되었다.
- 분석결과 재처리수 용도별 수질기준 12개 항목 중 초과하는 항목은 총대장균군수, 생물화학적산소요구량(BOD5), 총질소(TN), 염화물, 전기전도도, 색도 등 총 6개 항목이며,이 중 색도는 8개 처리장에서 기준을 초과하였다. 특히 유입하수가 순수하수가 아닌 음식물처리수, 침출수, 공단폐수가 혼합되어 있는 경우 염화물과 전기전도도가 높게 측정되었다. 총인의 경우 대부분 처리장에 총인 저감시설이 설치되어 있어 기준보다 매우 낮은 값을 보였다.
후속연구
- 원수의 총질소 중 질산성 질소가 전체의 90% 이상이 용존 성분으로 존재하므로 일반적으로는 모래여과나 활성탄흡착, 정밀여과법 처리로는 처리에 한계가 있을 것으로 예상되어진다. 각 대상시설에서 기준을 약간 초과하는 총질소의 경우는 색도와 부유물질을 제거하기 위한 모래여과와 활성탄 흡착공정을 조합하면 기준이하가 가능할 것이라고 판단된다.
- 처리장 주변이 대부분 농업지역이여서 농업용수 사용하거나 일부는 장내 처리시설 세척용수로써 사용하는 것이 가장 적절하다고 판단된다. 방류되는 지점의 산북천과 이 천과 합류되는 함열천의 경우 자체 조사 결과 수질이 양호한 편이어서 건천 시 하천유지용수 용도로도 재이용이 가능할 것으로 사료된다.
- 총대장균군은 UV 소독 시 체류시간을 증가시키면 충분히 기준 이하가 될 수 있다고 판단된다. 색도 및 총질소 또한 처리장 내에서 운영효율을 높이면 충분히 하천유지용수 및 친수용수로 재이용이 가능할 것으로 사료된다. 지형적인 면을 고려하면 주변이 대부분 농지이므로 농업용수로 사용하거나 방류지점 하류로 정읍농공단지와 산업단지의 폐수처리수가 방류가 되므로 하천수질개선 및 하천유지용수로써 재이용 하는 것이 적절하다고 판단된다.
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