[논문]하·폐수처리시설 방류수내 유기물질 및 NOD 분포 특성

김호섭; 김석규

doi:10.15681/kswe.2021.37.1.20

하·폐수처리시설 방류수내 유기물질 및 NOD 분포 특성
Distribution of Organic Matter and Nitrogenous Oxygen Demand in Effluent of Sewage and Wastewater Treatment Plants 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.37 no.1, 2021년, pp.20 - 31

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an analysis of the characteristics of organic matter and nitrogenous oxygen demand (NOD) of 17 sewage effluent and wastewater treatments was conducted. High CODMn and carbonaceous biological oxygen demand (CBOD) concentrations were observed in the livestock treatment plants (LTP), wastewater treatment plants(WTP), and night soil treatment plants (NTP), but the highest NOD concentration and contribution rates of NOD to BOD5 were found in sewage treatment plants (STP). There was no significant difference in the CBOD/CODMn ratio for each of the six pollution source groups, but the LTPs, WTPs, and NTPs all showed relatively high CODMn concentrations in their effluent samples, indicating that they are facilities which discharge large amounts of refractory organic matter. The seasonal change of NOD in all facilities' effluent was found to be larger than the seasonal change of CBOD, and data results also revealed an elevation of NOD and NH3-N concentration from December to February, when the water temperature was low. There was no significant difference in NH3-N concentration in relation to pollution source group (p=0.08, one-way ANOVA), but the STP, which had a high NOD contribution rate to BOD5 of 48%, showed a high correlation between BOD5 and NOD (r2=0.95, p<0.0001). These results suggest that the effect of NOD on BOD5 is an important factor to be considered when analyzing STP effluent.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Operating statuses of the sewage and wastewater treatment plants investigated in this study
표 Table 2. Concentration of organic matter and NOD in the effluent of each of the other pollution sources
그림 Fig. 1. Comparison of organic matter and NOD concentration in the effluent of each of the other pollution sources.
그림 Fig. 3. The correlation between BOD and CBOD, NOD in the effluent of each of the other pollution sources. (a. STP; b. Others)
그림 Fig. 2. Comparison of the CV value of CBOD and NOD in the effluent of each of the other pollution sources.
그림 Fig. 4. Monthly variation of water temperature, NH₃-N and NOD in the effluent of pollution sources.
그림 Fig. 5. Monthly variation of CBOD, NOD and NH₃-N in the effluent of sewage treatment plants.
그림 Fig. 6. Monthly variation of CBOD, NOD and NH₃-N in the effluent of others pollution sources.
그림 Fig. 7. Comparison of nitrogen concentration in the effluent of each of the other pollution sources.
그림 Fig. 8. The relationship between NOD and water quality parameters. (a) STP, (b) Others.
그림 Fig. 9. Comparison of NH₃-N and NOD concentration in the effluent of each of the other pollution sources.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 17개 하ㆍ폐수 배출시설을 대상 방류수 내 유기물 및 NOD 분포특성을 조사하였다. COD_Mn와 CBOD농도는 가축분뇨공공처리시설, 폐수공공처리시설 그리고 분뇨처리시설에서 높았으나, NOD와 BOD₅에 대한 NOD 기여율은 공공하수처리시설에서 가장 높았고, 배출원 그룹별 CBOD/CODMn비는 큰 차이가 없었다.
, 2011), 산업 및 축산폐수 등 발생성상이 상이한 시설을 대상으로 수행된 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 본 연구에서는 하수, 폐수 및 분뇨 등 발생 성상이 다양한 처리시설을 대상으로 방류수 내 유기물 및 NOD 배출 특성을 비교하였다. 또한 처리시설별 계절에 따른 NOD변화와 수온 및 NH₃-N농도와의 관계를 분석을 통해 NOD 발생특성을 파악하였다.

제안 방법

수온은 현장에서 측정하였고, CODMn, BOD₅, NOD, TN, NH₃-N, NO₂-N 및 NO₃-N 농도는 수질오염 공정시험기준(NIER, 2018)에 따라 분석하였다. NOD는 질산화 억제제(ATU)를 첨가하지 않고 측정된 BOD5 농도와 식종액 및 질산화 억제제를 첨가한 후 측정한 탄소 BOD(carbonaceous oxygen demand, CBOD) 농도의 차이로 inorganic계산하였다(NIER, 2018). 용존무기질소(dissolvednitrogen, DIN)농도는 NH₃-N, NO₂-N 및 NO₃-N농도의 합으로 산정 하였고 유기질소농도(organic nitrogen, Org.
이에 본 연구에서는 하수, 폐수 및 분뇨 등 발생 성상이 다양한 처리시설을 대상으로 방류수 내 유기물 및 NOD 배출 특성을 비교하였다. 또한 처리시설별 계절에 따른 NOD변화와 수온 및 NH₃-N농도와의 관계를 분석을 통해 NOD 발생특성을 파악하였다.
본 연구는 17개 하수 및 폐수를 처리하는 시설을 대상으로 하였으며, 물환경보전법, 하수도법 및 가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 등 관련법에서 규정한 분류체계에 따라 공공하수처리시설(sewage treatment plant, STP), 폐수공공처리시설(wastewater treatment plant, WTP), 분뇨처리시설(night treatment plant, NTP), 가축분뇨공공처리시설(livestock soiltreatment plant, LTP), 폐수개별배출시설(industrial wastewater individualIITP) 및 개인오수처리시설 treatment plant,(individual sewage treatment plant, ISTP)로 구분하였다. 공공하수처리시설은 7개 시설을 대상으로 하였으며 그 외 배출원 그룹은 2개 시설 씩 총 17개 시설을 조사하였다.
NOD는 질산화 억제제(ATU)를 첨가하지 않고 측정된 BOD5 농도와 식종액 및 질산화 억제제를 첨가한 후 측정한 탄소 BOD(carbonaceous oxygen demand, CBOD) 농도의 차이로 inorganic계산하였다(NIER, 2018). 용존무기질소(dissolvednitrogen, DIN)농도는 NH₃-N, NO₂-N 및 NO₃-N농도의 합으로 산정 하였고 유기질소농도(organic nitrogen, Org.-N) 농도는 일반적으로 입자성 무기형태질소는 거의 존재하지 않으므로 T-N과 DIN 농도 차이로 산정하였다.

대상 데이터

2019년 10월∼2020년 6월까지 1월을 제외하고 월1회 간격으로 총 8회 조사하였다. 수온은 현장에서 측정하였고, CODMn, BOD₅, NOD, TN, NH₃-N, NO₂-N 및 NO₃-N 농도는 수질오염 공정시험기준(NIER, 2018)에 따라 분석하였다.
폐수공공처리시설은 발생폐수의 대부분이 염색폐수이며 폐수개별처리시설 발생폐수는 반도체 (II1)와 주류(II2) 생산과정에서 발생하는 폐수이다. 가축 분뇨 공공 처리시설 및 분뇨처리시설은 공공하수처리시설로 연계 처리되지 않고 하천으로 직접 방류하는 시설을 대상으로 하였으며 개인오수처리시설은 시설용량이 1,000 ㎥/day 이상인 시설을 대상으로 하였다.
공공하수처리시설, 폐수공공처리시설 및 폐수 개별처리시설은 2017년 전국오염원 조사자료를 토대로 방류유량이 2, 000 ㎥/day 이상인 시설 중 방류수 TN농도가 4 ㎎/L 이상인 시설을 대상으로 하였다. 폐수공공처리시설은 발생폐수의 대부분이 염색폐수이며 폐수개별처리시설 발생폐수는 반도체 (II1)와 주류(II2) 생산과정에서 발생하는 폐수이다.
공공하수처리시설은 7개 시설을 대상으로 하였으며 그 외 배출원 그룹은 2개 시설 씩 총 17개 시설을 조사하였다.

데이터처리

배출원 그룹별 NOD와 CBOD의 계절에 따른 변동성은 평균값에 대한 표준편차의 비(Coefficient of variation, CV)를 통해 비교하였다. NOD와 수온, 유기물 지표 항목 및 질소의 존재형태별 농도와의 상관분석은 주요인 분석(PCA)을 이용하였고 수질항목별 통계적 유의성은 회귀분석을 이용하였으며(SPSS, ver.14.0) 통계적 유의수준은 p ≤0.05인 경우 유의성이 높은 것으로 판단하였다.
05 인 경우 유의적인 차이가 없는 것으로 판단하였다. 배출원 그룹별 NOD와 CBOD의 계절에 따른 변동성은 평균값에 대한 표준편차의 비(Coefficient of variation, CV)를 통해 비교하였다. NOD와 수온, 유기물 지표 항목 및 질소의 존재형태별 농도와의 상관분석은 주요인 분석(PCA)을 이용하였고 수질항목별 통계적 유의성은 회귀분석을 이용하였으며(SPSS, ver.
배출원 그룹별 농도 및 존재형태별 비교는 one-way ANOVA (SPSS, ver. 14.0)를 이용하였고 통계적인 유의수준은 p≤ 0.05를 기준으로, p>0.05 인 경우 유의적인 차이가 없는 것으로 판단하였다. 배출원 그룹별 NOD와 CBOD의 계절에 따른 변동성은 평균값에 대한 표준편차의 비(Coefficient of variation, CV)를 통해 비교하였다.

이론/모형

총 8회 조사하였다. 수온은 현장에서 측정하였고, CODMn, BOD₅, NOD, TN, NH₃-N, NO₂-N 및 NO₃-N 농도는 수질오염 공정시험기준(NIER, 2018)에 따라 분석하였다. NOD는 질산화 억제제(ATU)를 첨가하지 않고 측정된 BOD5 농도와 식종액 및 질산화 억제제를 첨가한 후 측정한 탄소 BOD(carbonaceous oxygen demand, CBOD) 농도의 차이로 inorganic계산하였다(NIER, 2018).

성능/효과

비교해 큰 것으로 조사되었다. 17개 시설 중 1개 시설 (L2)를 제외하고는 CBOD 변동계수에 비해 상대적으로 NOD 변동계수가 크게 나타났다(Fig. 2). Han et al.
17개 시설에서 계절에 따른 NH₃-N 및 NOD 농도 변화는 시설에 따라 차이는 있으나 수온이 가장 낮은 시기에 증가하는 경향을 보였다(Fig. 4). 배출원 방류수내 수온은 동절기 (12∼2월)에도 평균 24.
5 and 6). 17개 시설에서 측정된 월 평균 NOD는 수온이 낮고, 방류수내 암모니아 농도가 평균 4.5±5.9 ㎎/L로 높았던 2월에 가장 높은 경향을 보였고, 2월을 제외한 시기에는 큰 차이가 없었으나(p=0.284, one way ANOVA)(Fig. 4) 공공하수처리시설 중 일부시설(S1,S2, S4, S6)에는 4∼5월에도 NOD가 증가하는 경향을 보였다(Fig. 5). Kil and Kang (2016)과 Kang (2009)은 수온이 1 5℃ 이하로 낮아지는 동절기 동안 질산화율 저하로 처리 수 내 NH₃-N 농도가 증가하고 처리수 내 BOD₅ 농도에 대한 NOD 영향이 증가하는 것으로 보고한 바 있다.
(2015) 은공공하수처리장 방류수 내 CBOD, TOC 농도 변화보다 질산화에 따른 NOD 영향으로 BOD₅ 농도 변화가 크게 나타나는 것으로 보고한 바 있다. BOD₅ 농도와 CBOD 및 NOD와의 관계에서 공공하수처리시설 BOD₅는 CBOD보다는(r2=0.54, p<0.0001) NOD 농도와 상관성이 높았고(r²=0.95, p<0.0001) 방류수 내 BOD₅/COD_Mn비도 NOD 농도와 유의적인 상관성이 있었다(r²=0.83, p<0.0001)(Fig. 3). 이러한 결과는 공공하수처리시설에서 시기적으로 BOD₅에 대한 NOD의 영향이 크게 나타나고 있음을 의미한다.
및 NOD 분포특성을 조사하였다. COD_Mn와 CBOD농도는 가축분뇨공공처리시설, 폐수공공처리시설 그리고 분뇨처리시설에서 높았으나, NOD와 BOD₅에 대한 NOD 기여율은 공공하수처리시설에서 가장 높았고, 배출원 그룹별 CBOD/CODMn비는 큰 차이가 없었다. COD_Mn와 CBOD/CODMn 비를 기준으로 할 때 COD_Mn 농도가 높은 폐수공공처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설은 방류수내 난분해성 유기물이 차지하는 비율이 높은 배출원임을 의미한다.
088, one-way ANOVA). NH₃-N 농도는 17개 조사대상 시설 중 11개 시설에서 12월과 2월 사이에 증가하는 경향을 나타낸 반면, 3개 시설(S1, W2, II2)은 5∼6 월에 증가하였고 W1, N₂ 및 I2 시설은 계절에 따른 뚜렷한 변화가 나타나지 않았다(Fig. 5 and 6). 17개 시설에서 측정된 월 평균 NOD는 수온이 낮고, 방류수내 암모니아 농도가 평균 4.
공공하수처리시설 중 일부시설(S1, S2, S7)을제외하고 COD_Mn 방류수수질 기준이 40∼50 ㎎/L으로 유사함에도 가축분뇨공공처리시설, 폐수공공처리시설 및 분뇨처리시설에 비해 공공하수처리시설과 산업개별배출시설에서 CODMn는 낮았다. 가축분뇨공공처리시설 COD_Mn농도는 평균 29.0±9.5 ㎎/L로 배출원 그룹 중 가장 높았고(p<0.05, one-way ANOVA), 폐수공공처리시설(22.1±6.5 ㎎/L)과 분뇨 처리시설(18.1±6.7 ㎎/L)에서도 비교적 높은 농도를 보였다(Table 1, Fig. 1). 개인오수처리시설 COD_Mn농도는 평균 4.
1). 개인오수처리시설 COD_Mn농도는 평균 4.6±1.1 ㎎ /L로 가축분뇨공공처리시설 COD_Mn농도의 약 16% 수준으로 배출원 그룹 중 가장 낮았으며 공공하수처리시설 및 산업폐수 개별처리시설 COD_Mn농도도 개인오수처리시설과 유사한 수준으로 조사되었다(p=0.096, one-way ANOVA). BOD₅ 농도는 폐수공공처리시설에서 4.
74, one way ANOVA). 공공하수처리시설 그룹에서의 CBOD농도는 1.1±0.6 ㎎/L로 개별처리시설 그룹들과 유사한 수준이었으나 NOD 평균 농도(1.4±1.6 ㎎/L)와 BOD에 대한 NOD 기여율(평균 48%)은 배출원 그룹 중 가장 높았다. 공공하수처리시설을 제외한 배출원 그룹에서의 NOD농도는 유사하였고(p=0.
보였다. 공공하수처리시설 중 일부시설(S1, S2, S7)을제외하고 COD_Mn 방류수수질 기준이 40∼50 ㎎/L으로 유사함에도 가축분뇨공공처리시설, 폐수공공처리시설 및 분뇨처리시설에 비해 공공하수처리시설과 산업개별배출시설에서 CODMn는 낮았다. 가축분뇨공공처리시설 COD_Mn농도는 평균 29.
6 ㎎/L)와 BOD에 대한 NOD 기여율(평균 48%)은 배출원 그룹 중 가장 높았다. 공공하수처리시설을 제외한 배출원 그룹에서의 NOD농도는 유사하였고(p=0.091, one way ANOVA), BOD₅에 대한 NOD기여율은 CODMn농도가 높았던 폐수공공처리시설과 가축분뇨 공공 처리시설에서 평균 5%이하로 가장 낮았다.
이러한 결과는 공공하수처리시설에서 시기적으로 BOD₅에 대한 NOD의 영향이 크게 나타나고 있음을 의미한다. 반면, 공공하수처리시설을 제외한 배출원에서의 NOD농도는 1 ㎎/L이하였고, BOD₅에 대한 NOD기여율도 30%이하였으며 BOD₅가 CBOD와 통계적인 유의성을 보인 반면(r²=0.95, p<0.001), BOD5/CODMn비와 NOD와의 상관성은 없었다.
COD_Mn와 CBOD/CODMn 비를 기준으로 할 때 COD_Mn 농도가 높은 폐수공공처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설은 방류수내 난분해성 유기물이 차지하는 비율이 높은 배출원임을 의미한다. 방류수 내 NOD의 계절적인 변화는 CBOD와 비교해 큰 것으로 조사되었고, 시설에 따라 차이는 있으나 수온이 가장 낮은 시기에 NH₃-N 농도와 더불어 증가하는 경향을 보였다. 배출원 그룹별 NH₃-N농도는 배출원 그룹 간 큰 차이가 없었으나 (p=0.
방류수내 BOD₅/COD_Mn비는 COD_Mn농도와 BOD₅농도가 유사했던 공공하수처리시설과 폐수개별처리시설이 각각 0.33±0.22, 0.30±0.21로 가장 높았고, COD_Mn농도가 높았던 배출원 그룹 (폐수공공처리시설, 분뇨처리시설 및 가축분뇨공공처리시설) 과는 유의적인 차이가 있었다(p<0.05, one-way ANOVA). 유기물 지표 간 비율은 유기물의 존재형태를 평가하는 간접적인 방법으로 COD_Mn 및 TOC에 대한 BOD₅의 기여율이 높을수록 생분해성유기물이 많이 포함되어 있음을 의미한다(Kim, Jung et al.
7). 배출원 그룹 내 각 시설에서 조사된 NH₃-N농도와 NOD와의 유의적인 상관성은 공공하수처리시설에서 나타났는데(Fig. 8), 공공하수처리시설 중 S 1시설에서 NOD농도가 NH₃-N농도와 가장 유사한 계절적인 변화를 나타냈고(r2=0.97 S4와 S7시설을 제외하고는 p<0.001), NH₃-N 농도가 증가할수록 방류수내 NOD가 증가하는 경향을 보였다(Fig. 5). 반면 공공하수처리시설을 제외한 다른 배출원 그룹 내 시설에서는 NH₃-N농도에 따른 NOD의 뚜렷한 변화는 나타나지 않았으며(Fig.
14로 가장 높았던 산업폐수 개별 처리시설 1개 시설(II 1)을 제외하면 배출원 그룹별 방류수내 유기물의 존재형태는 유사하였고 BOD5/CODMn 비와도 큰 차이가 없었다. 배출원 그룹별 CBOD/CODMn비의유사성은 발생성상과 처리공정의 차이에도 불구하고 방류수 내 생분해성유기물의 존재비율이 유사하며, CODMn농도가높은 폐수공공처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설은 난분해성 유기물 배출량이 많은 배출원임을 의미한다. 그러나 동일 그룹 내 시설 간 농도 차이와 동일시설에서도 계절에 따른 농도 변화가 크게 나타난 점을 고려할 때, 배출원 그룹별 방류수내 유기물 특성을 파악하기 위해서는 조사대상 시설의 확대와 더불어 시설별 운영조건 등을 고려한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
방류수 내 NOD의 계절적인 변화는 CBOD와 비교해 큰 것으로 조사되었고, 시설에 따라 차이는 있으나 수온이 가장 낮은 시기에 NH₃-N 농도와 더불어 증가하는 경향을 보였다. 배출원 그룹별 NH₃-N농도는 배출원 그룹 간 큰 차이가 없었으나 (p=0.08, one-way ANOVA) BOD₅와 NOD와의 높은 상관성은 BOD₅에 대한 NOD기여율이 48%로 높았던 공공하수처리시설에서만 나타났다(r²=0.95, p<0.0001). 이러한 결과는 공공하수처리시설에서는 BOD₅에 대한 NOD 영향이 중요하게 고려될 필요가 있음을 시사한다.
배출원 그룹별 방류수내 CBOD농도는 COD_Mn농도가 높았던 배출원 그룹에서 높았던 반면 NOD농도는 공공하수처리시설에서 가장 높았다. 폐수공공처리시설에서 CBOD농도는 4.
그러나 BOD₅/COD_Mn비를 이용한 유기물 존재형태별 평가 방법은 BOD₅에 대한 NOD의 기여율 정도에 따라 생분해성 유기물이 과대평가될 수 있다. 본 연구에서도 CBOD/CODMn 비는 폐수개별처리시설에서 26%로 가장 높았으나 BOD5/ CODMn비가 가장 높았던 공공하수처리시설은 산업폐수 개별배출시설 제외한 배출원 그룹과 큰 차이가 없었다(p=0.136, one-way ANOVA).
조사기간 중 배출원 그룹별 TN 평균농도는 가축 분뇨 공공 처리시설(21.5㎎/L)과 개인오수처리시설(16.8 ㎎/L)이 다른 배출원 그룹과 비교해 높았으나(p≤0.05, one-way ANOVA), NH3-N농도는 배출원 그룹 간에 큰 차이가 없었다(p=0.08, one-way ANOVA)(Fig. 7). 배출원 그룹 내 각 시설에서 조사된 NH₃-N농도와 NOD와의 유의적인 상관성은 공공하수처리시설에서 나타났는데(Fig.
가장 높았다. 폐수공공처리시설에서 CBOD농도는 4.4±2.5 ㎎/L로 배출원 그룹 중 가장 높았고 BOD₅의 평균 95%이상이 CBOD로 존재하는 것으로 조사되었다. 반면 CODMn농도가 가장 높았던 가축분뇨공공처리시설 CBOD농 도는 3.

후속연구

배출원 그룹별 CBOD/CODMn비의유사성은 발생성상과 처리공정의 차이에도 불구하고 방류수 내 생분해성유기물의 존재비율이 유사하며, CODMn농도가높은 폐수공공처리시설, 가축분뇨공공처리시설 및 분뇨처리시설은 난분해성 유기물 배출량이 많은 배출원임을 의미한다. 그러나 동일 그룹 내 시설 간 농도 차이와 동일시설에서도 계절에 따른 농도 변화가 크게 나타난 점을 고려할 때, 배출원 그룹별 방류수내 유기물 특성을 파악하기 위해서는 조사대상 시설의 확대와 더불어 시설별 운영조건 등을 고려한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3%임을 제시한 바 있다. 따라서 하천 수질에 대한 배출원 영향이 크고 손상물질로 BOD₅를 관리하는 하천에서는 수질평가나 관리대책 수립 시 산소소비물질로 생분해성유기물 뿐만 아니라 NH3-N 도 중요하게 고려할 필요가 있을 것으로 사료된다.

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Yang, J. Y., Shin, D. Y., Park, S. H., Lee, J., Hong, J. H., Ha, H. J., Choi, Y. D., Lee, J. Y., Kim, J. A., Bae, K. S., Jeon, J. S., and Jung, K. (2015). A study on the improvement of effluent water quality standards at public sewage treatment facilities-conversion of CBOD 5 to BOD 5 as an organic matter index, The Report of Seoul Metropolitan Government Research Institute of Public Health and Environment, 51, 254-264. [Korean Literature]

저자의 다른 논문 :

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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