[논문]우리나라 공공하수처리시설 및 가축분뇨공공 처리시설의 인(P) 유입부하량에 대한 총량평가

김원재

doi:10.11001/jksww.2018.32.4.325

우리나라 공공하수처리시설 및 가축분뇨공공 처리시설의 인(P) 유입부하량에 대한 총량평가
Total assessment for phosphorus input load of public wastewater and livestock manure treatment facilities in Korea 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.32 no.4, 2018년, pp.325 - 335

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The annual total phosphorus load caused by public wastewater, nightsoil and livestock manure treatment facilities in Korea has been examined macroscopically. Annual domestic average phosphorus (P) inflows through the income of phosphate rock for the last five years (2012 - 2016) were analyzed as 76,598 tons/year. As of the year 2015, the total loadings of phosphorus attributed to public wastewater treatment facilities, nightsoil treatment facilities and livestock wastewater were estimated as 30,269 tons/year, 1,909 tons/year and 18,138 tons/year, respectively. Considering the amount of phosphorus imports, the annual phosphorus load from wastewater, livestock wastewater and excretions is equivalent to 39.5%, 23.7%, 2.5% and totally 65.7%(39.5% + 23.7% + 2.5%). Therefore, the introduction of phosphorus recovery and recycling processes for the public wastewater and livestock manure treatment facilities has been found to be effective because it could reduce the import amount of phosphate rock by up to 60% or more.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 공공하수처리시설로 유입되는 인 부하량에 대해 공신력 있는 자료들을 거시적･총량적으로 검토하였다. 또한, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 부하량에 대해서도 병행하여 비교･분석하였다.
우리나라의 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 인 부하량에 대해 거시적･총량적으로 검토하였다. 특히, 각각의 인 부하량을 인광석수입량과 비교함으로써, 공공하수처리시설 및 축산폐수로부터 인 회수공정을 도입할 필요가 있음을 검토하기 위한 정책반영의 기초 데이터를 제공하고자 하였다.
우리나라의 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 인 부하량에 대해 거시적･총량적으로 검토하였다. 특히, 각각의 인 부하량을 인광석수입량과 비교함으로써, 공공하수처리시설 및 축산폐수로부터 인 회수공정을 도입할 필요가 있음을 검토하기 위한 정책반영의 기초 데이터를 제공하고자 하였다. 이 연구의 주요한 결과는 다음과 같다.
또한, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 부하량에 대해서도 병행하여 비교･분석하였다. 특히, 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 인 부하량을 연간 인광석 수입량과 비교함으로써, 우리나라에서 공공하수처리시설 및 가축분뇨공공처리시설로부터 인을 회수･자원화하는 신공정의 도입 필요성에 대해 검토하기 위한 정책반영의 기초 데이터를 제공하고자 하였다.

가설 설정

한국지질자원연구원에 의하면, 매년 우리나라에 수입되는 인광석(인회석, apatite)의 품질조건은 ‘오산화인(P₂O₅) 32% 이상, Fe₂O₃ 5% 이하, Al₂O₃5% 이하, H₂O 5% 이하’를 만족하며, 인광석에 함유되어 있는 인 함량은 P₂O₅기준으로 32%라는 가정에 따라 산정한다 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2017). 본 연구에서도 해당 분야의 관례에 따라 수입 인광석은 32%의 P₂O₅를 함유하고 있는 것으로 가정하였다.

제안 방법

“광종별 품목별 수출입실적(한국지질자원연구원)”의 자료를 바탕으로, 우리나라의 연도별 인광석 수입현황에 대해 총량적으로 분석하였다 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2018).
10과 같다. 각 시설별로 연평균 처리량과 연평균 T-P 유입농도를 곱하여 산정한 다음 지자체 단위로 합산하였다. Fig.
따라서, 본 논문에서는 공공하수처리시설로 유입되는 인 부하량에 대해 공신력 있는 자료들을 거시적･총량적으로 검토하였다. 또한, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 부하량에 대해서도 병행하여 비교･분석하였다. 특히, 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 축산폐수에 기인하는 인 부하량을 연간 인광석 수입량과 비교함으로써, 우리나라에서 공공하수처리시설 및 가축분뇨공공처리시설로부터 인을 회수･자원화하는 신공정의 도입 필요성에 대해 검토하기 위한 정책반영의 기초 데이터를 제공하고자 하였다.
공공하수처리시설 및 분뇨처리시설에 대해서는 “국가하수도정보시스템 하수도통계(환경부)”의 자료를 기본으로 활용하였다(Ministry of Environment, National Wastewater Information Management System, 2017). 연도별로 공공하수처리시설 및 분뇨처리시설로 유입되는 인 부하량을 분석하였다.
7과 같다. 인 유입부하량은 각시설별로 연평균 하수유입량과 연평균 총인(T-P) 유입농도를 곱하여 산정한 다음 지자체 단위로 합산하였다. 2015년도 기준으로, 공공하수처리시설로 유입되는 인의 총 부하량은 30,269 톤/년으로 산정되었다.
전국 단위의 총량적 분석이 필요한 인의 발생원을 크게 ① 공공하수처리시설, ② 분뇨처리시설 및 ③ 가축분뇨공공처리시설로 구분하였다. 공공하수처리시설 및 분뇨처리시설에 대해서는 “국가하수도정보시스템 하수도통계(환경부)”의 자료를 기본으로 활용하였다(Ministry of Environment, National Wastewater Information Management System, 2017).
고형물은 전량 재활용된다고 가정하여 산입하지 않았다 (Ministry of Environment, 2011). 축산분뇨 중 폐수에 기인하는 인 부하량은 환경부의 수질오염총량관리기술지침에서 제안하고 있는 발생부하원단위를 적용하여 산정하였다(식 2). 말 2.
모든 데이터는 국가기관에서 제공하는 신뢰도가 검증된 최신의 통계자료를 활용하였다.하수, 분뇨 및 축산폐수에 기인하는 연간 인 부하량을 개별적으로 검토한 다음, 각 경우를 조합하여 우리나라의 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 가축분뇨공공처리시설에서 회수 가능한 인 부하량을 총량적으로 산정하였다.

대상 데이터

우리나라는 국내에서 소요되는 인광석의 전량을 수입에 의존하고 있다. Fig. 2 - 4에 걸쳐 데이터가 정리되어 있는 1995년 이후부터 최근(2016년)까지를 대상으로 인광석의 수입량을 분석하였다 (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 2018). Fig.
공공하수처리시설 및 분뇨처리시설에 대해서는 “국가하수도정보시스템 하수도통계(환경부)”의 자료를 기본으로 활용하였다(Ministry of Environment, National Wastewater Information Management System, 2017).
모든 데이터는 국가기관에서 제공하는 신뢰도가 검증된 최신의 통계자료를 활용하였다.하수, 분뇨 및 축산폐수에 기인하는 연간 인 부하량을 개별적으로 검토한 다음, 각 경우를 조합하여 우리나라의 공공하수처리시설, 분뇨처리시설 및 가축분뇨공공처리시설에서 회수 가능한 인 부하량을 총량적으로 산정하였다.
발생부하원단위는 “수계오염총량관리기술지침(환경부, 국립환경과학원)”에서 제시하고 있는 값을 원용하였으며(National Institute of Environmental Research, 2014), 축종별 사육두수는 환경부의 최신 “가축분뇨처리통계(2015)”의 데이터를 활용하였다 (Ministry of Environment, 2017).
지차체별 축종별 사육두수는 최근의 환경부 “가축분뇨처리통계(2015)”의 데이터를 활용하여 산정하였다 (Ministry of Environment, 2017).

성능/효과

(1) 최근 5년간(2012 – 2016년)의 인광석 수입에 따른 국내 평균 인(P) 유입량은 76,598톤/년으로 나타났다.
(2) 2015년도 기준으로, 공공하수처리시설로 유입되는 인의 총 부하량은 30,269톤/년으로, 경기도, 서울특별시 및 대구광역시의 순서로 큰 것으로 나타났다. 분뇨처리시설로 유입되는 인의 총 부하량은 1,909톤/년으로, 서울특별시, 강원도 및 경기도의 순서로 큰 것으로 나타났다.
(3) 최근 5년간의 인광석 수입량 평균값(76,598톤/년)을 기준으로 할 때, ① 하수에 기인하는 인 부하의 100%를 회수할 때에는 인광석 수입량의 39.5%에, ②하수와 축산폐수에 기인하는 인 부하의 100%를 회수 할 때에는 인광석 수입량의 63.2%(39.5 + 23.7%)에, ③ 하수, 축산폐수 및 분뇨에 기인하는 인 부하의 100%를 회수할 때에는 인광석 수입량의 65.7%(39.5 + 23.7 + 2.5%)에 상당하는 것으로 분석되었다.
(4) 발생원별 부하량을 고려하여 인 회수공정을 도입하고자 할 경우, 서울특별시의 경우에는 공공하수 처리시설을 중심으로, 경기도의 경우에는 공공하수처리시설 및 가축분뇨공공처리시설을 중심으로, 충청남도, 경상북도 및 전라북도의 경우에는 가축분뇨공공 처리시설을 중심으로 하는 인 회수･자원화시설의 도입이 바람직할 것으로 판단된다.
(5) 본 연구에서 제시하고 있는 하수 기인 인 부하가 인광석 수입량의 39.5%에 달한다는 결과는 영국, 독일 및 일본에서 분석된 결과와 대체로 유사한 범위인 것으로 나타났다.
7%에 상당하는 것으로 나타났다. 따라서, ① 하수에 기인하는 인 부하의 100%를 회수할 때에는 인광석 수입량의 39.5%에, ② 하수와 축산폐수에 기인하는 인 부하의 100%를 회수할 때에는 인광석 수입량의 63.2%(39.5 + 23.7%)에, ③ 하수와 축산폐수 및 분뇨에 기인하는 인 부하의 2.5 + 23.7%)에 상당하는 것으로 분석되었다.
(2) 2015년도 기준으로, 공공하수처리시설로 유입되는 인의 총 부하량은 30,269톤/년으로, 경기도, 서울특별시 및 대구광역시의 순서로 큰 것으로 나타났다. 분뇨처리시설로 유입되는 인의 총 부하량은 1,909톤/년으로, 서울특별시, 강원도 및 경기도의 순서로 큰 것으로 나타났다. 또, 축산폐수에 기인하는 인의 총 부하량은 18,138톤/년으로, 경기도와 충청남도가 높은 순위를 차지하였다.
하수에 기인하는 인 부하량은 경기도(8,237 톤/년)와 서울특별시(5,377 톤/년)가 가장 크고, 분뇨에 기인하는 부하량은 서울특별시(586 톤/년)와 강원도(273 톤/년)가 크며, 축산폐수의 부하량은 경기도(3,526 톤/년)와 충청남도(3,032 톤/년)가 큰 것으로 나타났다. 세 발생원별 인 부하량을 지자체별로 합산하여 살펴보면, 경기도(12,018 톤/년), 서울(5,963 톤/년) 및 충청남도(4,165 톤/년)의 순으로 인 자원의 회수가능량이 큰 것으로 평가되었다. 경기도의 경우에는 하수와 축산폐수에 기인하는 분량이 크고, 서울은 하수와 분뇨에 기인하는 분량이 큰 반면, 충청남도에서는 축산폐수에 기인하는 분량이 상대적으로 큰 것으로 나타나 지역별 인구분포 및 축산업의 현황을 반영하고 있는 것으로 나타났다.
8만톤/년에 달해 수입의 약 29%에 상당한다는 보고도 있다 (Kojima, 2004). 이상의 사례와 비교해 볼 때, 본 연구를 통해서 도출된 하수에 기인하는 인 부하가 인광석 수입량의 39.5%에 상당한다는 결과는 외국에서 제시하고 있는 결과와 대체로 유사한 범위의 값인 것으로 판단된다.
지자체별 분뇨처리량은 서울특별시, 경기도 및 부산광역시의 순서로 큰 것으로 나타났다. 인구가 많고 합류식하수도 지역이 넓은 지자체일수록 분뇨처리량 또한 큰 것으로 나타났다. Fig.
13과 같다. 하수, 분뇨 및 축산폐수의 총부하량에 대해서 각각 하수는 60.2%, 분뇨는 3.8% 및 축산폐수는 36.0%의 분율을 나타내었다. 즉, 공공처리시설에서 하수와 축산폐수에 기인하는 인 부하량이 전체의 95% 이상에 해당하였다.
즉, 공공처리시설에서 하수와 축산폐수에 기인하는 인 부하량이 전체의 95% 이상에 해당하였다. 하수에 기인하는 인 부하량은 경기도(8,237 톤/년)와 서울특별시(5,377 톤/년)가 가장 크고, 분뇨에 기인하는 부하량은 서울특별시(586 톤/년)와 강원도(273 톤/년)가 크며, 축산폐수의 부하량은 경기도(3,526 톤/년)와 충청남도(3,032 톤/년)가 큰 것으로 나타났다. 세 발생원별 인 부하량을 지자체별로 합산하여 살펴보면, 경기도(12,018 톤/년), 서울(5,963 톤/년) 및 충청남도(4,165 톤/년)의 순으로 인 자원의 회수가능량이 큰 것으로 평가되었다.
화학적 응집공정을 기반으로하는 인 고도처리공법이 전면적으로 도입됨에 따라 약품비, 전력비 및 슬러지처리비 등의 순서로 비용이 추가로 발생하고, 슬러지 발생량은 21 – 29%까지 증가하여 하수처리시설 내부의 슬러지 부하를 높이고 있는 것으로 나타났다.

후속연구

(6) 본 연구에서는 인 부하량에 대한 총량적 검토를 수행하였으며, 인 회수･자원화 공법 및 공정의 운영결과에 따라 개별 회수율은 상이할 것으로 예상되므로 이에 대한 고려가 뒤따라야 할 것이다.
이는 본 연구가 국내에서인 물질순환의 총체적 거동을 파악하는 데 목적이 있는 것이 아니라 공공하수처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설 등 공공수처리시설만을 직접적인 분석대상으로 한정하고 있기 때문이다. 또한, 본 연구는 개별적인 인 회수･자원화 프로세스들을 분석대상으로 하고 있지 않기 때문에, 프로세스별 처리효율을 반영하지 않은 채 인 부하량의 100%를 회수했을 경우를 가정한 총량적 검토에만 머무르고 있는 한계를 갖는다는 점에 대해 충분히 유의할 필요가 있다.
한편, 본 연구에서는 제강슬래그 및 그 활용처의 형태로 국내에 축적하는 인의 거동과, 사료 및 식품의 형태로 수입･수출되는 인 및 토양에 고정되는 인 등에 대해서는 분석에 포함하지 않았다. 이는 본 연구가 국내에서인 물질순환의 총체적 거동을 파악하는 데 목적이 있는 것이 아니라 공공하수처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설 등 공공수처리시설만을 직접적인 분석대상으로 한정하고 있기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인(P)은 어떤 원소인가?	인(P)은 지구상의 모든 생명체에 필수적인 원소이다. 그러나 천연의 인 자원(인광석, phosphate rock 또는 phosphorite)은 점차 고갈돼 가고 있는 실정으로, 주요 산지 또한 생산량을 기준으로 볼 때 중국, 미국, 모로코 및 러시아 등에 국한되어 있어 머지않은 장래에 자원확보 전쟁으로 비화될 가능성마저 제기되고 있다.
	천연의 인 자원의 고갈로 장래에 어떤 가능성이 제기되고 있는가?	인(P)은 지구상의 모든 생명체에 필수적인 원소이다. 그러나 천연의 인 자원(인광석, phosphate rock 또는 phosphorite)은 점차 고갈돼 가고 있는 실정으로, 주요 산지 또한 생산량을 기준으로 볼 때 중국, 미국, 모로코 및 러시아 등에 국한되어 있어 머지않은 장래에 자원확보 전쟁으로 비화될 가능성마저 제기되고 있다. 이에 대응하기 위하여 최근 독일, 네덜란드, 미국 및 일본 등 선진국에서는 공공하수처리시설 등으로부터 영양염(인(P) 또는 질소(N))을 회수하기 위한 기술개발이 본격화되고 있으며, 일부는 상용화된 바 있다.
	자원확보 전쟁에 대응하기 위해 어떤 기술개발이 본격화되고 있는가?	그러나 천연의 인 자원(인광석, phosphate rock 또는 phosphorite)은 점차 고갈돼 가고 있는 실정으로, 주요 산지 또한 생산량을 기준으로 볼 때 중국, 미국, 모로코 및 러시아 등에 국한되어 있어 머지않은 장래에 자원확보 전쟁으로 비화될 가능성마저 제기되고 있다. 이에 대응하기 위하여 최근 독일, 네덜란드, 미국 및 일본 등 선진국에서는 공공하수처리시설 등으로부터 영양염(인(P) 또는 질소(N))을 회수하기 위한 기술개발이 본격화되고 있으며, 일부는 상용화된 바 있다. 공공하수처리시설에 도입된 상용의 인 회수공정으로는 ANPHOS®, Phosnix, Ostara Pearl™ 및 Crystalactor® 등이 대표적이고, 시설 규모는 대부분 수 천 m3/일 이하로서 실규모 시설로 확대적용하기 위한 준비단계를 거치고 있다고 할 수 있다 (Matcalf & Eddy et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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