Analysis on Nitrogen Faction of Influent Sewage in Domestic STP Based on Long-term Incubation Method

1. 서 론¹⁾

국내 하수처리장 방류수 수질관리의 근거는 ｢수질 및 수 생태계 보전에 관한 법률 제 12조｣에서 찾아볼 수 있다. 또 한 방류수 수질 기준은 2017년 1월에 개정된 ｢수질 및 수 생태계 보전에 관한 법률 시행규칙 제 별표 10｣에서 제시 하고 있다. 현재 국내에서 법적으로 규제하고 있는 방류수 수질기준은 BOD, COD, SS, TN, TP, 총 대장균 군 및 생 태독성의 7가지 항목이다. 그 중 본 연구와 관련된 질소 관 련 기준은 TN이며, 현재 수질기준은 지역적 구별 없이 20

†To whom correspondence should be addressed.

Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology

E-mail: [email protected]

mg/L를 적용하고 있다. 하지만, 이는 미국, 독일 및 일본과 같은 환경선진국과 비교하여 근본적으로 차이를 보인다. 미 국의 경우 주마다 방류수 수질기준에 차이가 있지만, 계절 별, 항목 별 및 기간 별로 규제를 실시하고 있으며, 독일의 경우는 하수처리장 규모에 따라 그리고 일본의 경우 하수 처리장 공법에 따라 방류수 수질 기준에 차이를 두고 있다.

이에 다수의 전문가들은 국내 하수처리장 규정도 외국과 같이 변경해야 한다고 제안하기도 하였다.

일반적으로 총 질소를 구성하는 성분은 크게 유기질소 (Organic nitrogen)과 무기질소 (Inorganic nitrogen)으로 구 분할 수 있다. 무기질소는 다시 암모니아성 질소(Ammnoium nitrogen), 아질산성 질소(Nitrite) 그리고 질산성 질소 (Nitrate)로 구성된다. 하지만, 질소 성분의 특성을 고려하여 총 질소 성상을 도식화하면 Fig. 1 (a)와 같이 나타낼 수 있다

Jiyeol Im･Kyungik Gil

Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology

요 약

현재 국내 하수처리장 방류수 질소 수질 기준 개정의 필요성에 대한 의견들이 지속적으로 제안되고 있다. 하지만, 명확 한 근거 없이 기준이 강화될 경우 국내 하수처리장에 혼란을 야기할 것이 자명하다. 본 연구에서는 장기 배양법을 기 반으로 용량 및 산업단지 연계 처리에 따른 국내 하수의 질소 성상을 분석하였다. 분석 결과, 하수처리장에서 처리되기 어려운 질소 성분인 NBDDON는 1.0 ~ 1.9 mg/L 범위를 보였으며, 하수처리장 용량이 적을수록 DON 농도 &

NBDDON/DON가 증가하였다. 또한 도시하수를 처리하는 하수처리장보다 산업단지 하수처리장의 NBDDON/DON 비가 높은 것으로 조사되었다. 본 연구의 결과는 향 후 국내 하수처리장 방류수 수질 기준 개선을 위한 중요한 기초 자료로 활용될 것이라 전망한다.

핵심용어 : 하수처리장, 하수, 질소 성상, 용존상 유기 질소, 장기 배양법

Abstract

Recently, opinions on the need for revision regarding the nitrogen effluent standard of nitrogen from sewage treatment plant(STP) are consistently suggested. However, it is axiomatic that if nitrogen effluent standard is strengthened without a clear basis, it will cause confusion in domestic STP. In this research, nitrogen fraction was analyzed based on a long-term incubation method, according to STP capacity, and the linked treatment of industrial wastewater. As a result, NBDDON, which is difficult to treat in STP, ranged from 1.0 to 1.9 mg/L.

larger DON and NBDDON/DON was detected in small STP (under 10,000 m³/d) as opposed to the large STP. NBDDON/DON in industrial STP was about 0.7 and it was higher than municipal STP. This research result will be used in the important raw data for revision of nitrogen effluent standard of nitrogen from STP.

Key words : Sewage treatment plant, Sewage, Nitrogen fraction, Dissolved Organic Nitrogen, Long-term incubation

(Seitzinger and Sanders, 1997). 먼저, 총 질소 성분은 용존상 질소 (Total Dissolved Nitrogen, TDN)과 입자성 질소 (Total Particulate Nitrogen, TPN)으로 분류된다. TDN은 용존상 무기질소 (Dissolved Inorganic Nitrogen, DIN)와 용 존상 유기질소 (Dissolved Organic Nitrogen, DON)으로 구 분할 수 있으며, DIN은 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질 산성 질소를 포함한다(Alexandre

et al

하수처리 시 하수 내 질소 처리를 위해서는 생물학적 처리 가 주요 공정으로 활용되고 있지만, 추가적인 물리학적 처 리도 도입되었다. DIN은 질산화 – 탈질의 생물학적 처리 를 통해 하수 내 처리가 가능하며, TPN은 1 Kda (Kilodalton)이상 고분자량의 물질로 여과･침전과 같은 물 리적처리로 제거가 가능하다(WERF., 2008). 하지만, 하수 처리의 개념적인 측면에서 접근한다면 Fig. 1 (b)와 같이 DON을 다시 생물학적 분해 가능한 용존상 유기질소 (Biodegradable dissolved organic nitrogen, BDON)과 생물 학적 분해 불가능한 용존상 유기질소 (Non-biodegradable dissolved organic nitrogen, NBDON)로 구분할 수 있다.

여기서 BDON은 가수분해 및 ammonificiation에 의해 생 물학적으로 제거가 가능한 것으로 보고되고 있다. 하지만, NBDON은 생물학적 처리를 통한 제거가 원활하게 이루어 지지 않으며, 용존상으로 존재하기 때문에 물리적 처리에도

한계가 있다(Sattayatewa

et al

Fig. 2는 미국 하수처리장 방류수 중 DON의 농도를 보 여주고 있으며, Table 1은 하수처리장 방류수 내 DON 성 상에 대한 선행연구 결과를 요약한 것이다. 먼저 Fig. 2를 살펴보면 약 190개의 하수처리장 방류수 내 DON농도를 살 펴볼 수 있으며 그 범위는 0.5 ~ 2.5 mg/L 정도를 보였다.

Fig. 2. Summary of effluent DON concentration in Maryland and Virginia STP.

(a) Conventional nitrogen fraction (b) Alternative nitrogen fraction

Fig. 1. Nitrogen form in natural system.

Plant Location DON(mg/L) Reference

Gordonsville, VA 2.80 Pagilla(2007)

Daytona Beach, Fl, Bethune 2.46 Jimenez et al.(2007a)

Back River WWTP 2.24 Parkin and McCarty(1981)

New Smyma, FL 2.10 Jimsenez et al. (2007a)

Daytona Beach, FL 2.00 Jimsenez et al. (2007a)

City of Bradenton, FL 2.00 Jimsenez et al. (2007a)

JEA Black Fords, FL 1.88 Jimsenez et al. (2007a)

City of Palmertto, FL 1.80 Jimsenez et al. (2007a)

Stanford, CT 1.70 Sharp and Brown(2007)

Orange Country, FL, Easterm 1.55 Jimsenez et al. (2007a)

Fort Meyers, FL, Central 1.50 Jimsenez et al. (2007a)

* VA: Virginia, FI: Florida, CT: Connecticut

Table 1. Summary of effluent DON in advanced research result

처리장 방류수의 질소 관리를 위해 DON을 관리하는 것이 유리할 것이라는 연구 결과를 발표하기도 하였다(Gajewska, 2008, Wang

et al

et al

et al

et al

본 연구에서는 국내 하수를 대상으로 질소 성상을 분석하 였으며, 하수처리장을 통해 처리되기 어려운 DON 성분의 비율을 파악하고자 하였다. 이를 바탕으로 국내 하수의 질 소 성분 특성을 제시하고자 한다.

2. 연구방법

2.1. 조사 대상 하수처리장 선정

본 연구에서 국내 하수의 질소 성상 파악을 위해 설계 용량 500m³/day이상의 하수처리장(604개소)을 대상으로 전수조 사를 실시하기에는 한계가 있기 때문에 대표적인 도시 하수 처리장을 선정하여 질소 성상을 분석하고자 하였다. 이를 위 해서 설계 용량 500m³/day이상의 하수처리장을 100,000 m³/day이하, 100,000 m³/day ~ 1,000,000 m³/day 그리고 1,000,000 m³/day 이상 그룹으로 분류하였다(편의상 본 논 문에서는 100,000 m³/day이하: 소규모 하수처리장, 100,000 m³/day ~ 1,000,000 m³/day: 중규모 하수처리장 그리고 1,000,000 m³/day 이상: 대규모 하수처리장으로 표기하였 다). 각 그룹을 대상으로 도시하수가 유입되는 대표적인 도시 하수처리장을 연구 대상 시설로 선정하였다. 추가로 도시하 수처리장과 산업단지하수처리장의 질소 성상의 차이를 분석 하고자 산업폐수가 다량 유입되는 산업단지 하수처리장을 연 구 대상 하수처리장으로 선정하였다.

2.2. 분석 방법

질소 성분 분석을 위한 방법은 미생물의 호흡률을 이용하

nitrogen, nitrite, nitrate, biodegradable dissolved organic nitrogen, non-biodegradable dissolved organic nitrogen 및 total particulate nitrogen 성분비를 분석하였다. 배양 시 안정적인 질산화가 이루어질 수 있도록 시료 내 충분한 알칼 리도를 주입하고, 시료의 용존산소를 주기적으로 측정하여 질산화에 필요한 용존산소가 부족하지 않도록 추가 공급을 실시하였다. 질소 분석 방법은 TN과 ammonium nitrogen은 standard methods에 의거하여 실시하였으며, nitrite와 nitrate는 Ion-chromatography를 이용하여 분석을 실시하 였다.

3. 연구결과

3.1. 대규모 하수처리장 질소 성상

Fig. 3에서는 설계용량 1,000,000 m³/day 이상 대규모 하수처리장 그룹을 대표하는 A 하수처리장의 질소 성상 분 석 결과를 보여주고 있다. Fig. 3에서도 확인 할 수 있듯이, 총 질소는 35 mg/L로 나타났으며, TDN은 83.4%(28.5 mg/L) 그리고 TPN은 16.6%(5.8 mg/L)를 차지하는 것으 로 조사되었다. 앞 서 언급한 바 TPN은 대부분 유기질소의 형태로 존재할 것이며, 침전 및 여과등을 통해 손쉽게 제거 가 가능할 것으로 판단된다. TDN 성분 중 DIN은 78.8%

(27.6 mg/L)로 분석되었으며, 대부분 암모니아성 질소의 형태로 존재하는 것으로 조사되었다. 마지막으로 DON 성 분은 총 질소 중 4.6%(1.6 mg/L)에 지나지 않았으나 그 중 생물학적 분해 불가능한 성분은 2.9(1.0 mg/L)%를 차지하 는 것으로 나타났으며, 이는 생물학적 분해 가능한 성분보 다 많은 비율을 차지하고 있음을 확인 할 수 있다.

3.2. 중규모 하수처리장 질소 성상

Fig. 4는 설계용량 100,000 m³/day ~ 1,000,000 m³/day 중규모 하수처리장 그룹을 대표하는 B 하수처리장 질소 성 상 분석 결과이다. 앞 서 분석한 대규모 하수처리장의 TN 농도에서 큰 차이를 보여 하수처리장 운영 결과를 확인하 였으며, 연 평균 유입 하수의 평균 TN 농도는 약 51.0 mg/L로 A하수처리장의 연 평균 유입 하수의 평균 TN 농 도인 36.6 mg/L와 비교하여 높음을 확인하였다. 총 질소 100%(49.6 mg/L)를 기준으로 TDN과 TPN은 각 각 88.1%(43.7 mg/L)와 11.9%(5.9 mg/L)였으며, TDN은 다

시 82.5%(40.9 mg/L)의 DIN과 5.6%(2.8 mg/L)의 DON 으로 구성되어 있었다. DIN 성분은 대부분 암모니아성 질 소 79.0%(39.2 mg/L)로 존재하고 있었으며, DON은 3.5%(1.7 mg/L)의 생물학적 분해가능한 성분과 2.2%(1.1 mg/L)의 생물학적 분해 불가능한 성분으로 이루어져있음 을 알 수 있다. 이는 각 질소 성분 비의 구성에는 다소 차 이는 있으나, Fig. 3의 대규모 도시하수처리장과 비교하여 유사한 경향을 보이고 있다는 것으로 분석되었다.

3.3. 소규모 하수처리장 질소 성상

Fig. 5는 설계용량 10,000 m³/day 이하 소규모 하수처리장 그룹을 대표하는 C 하수처리장 질소 성상 분석 결과이다. 총

질소 100%(38.7 mg/L)를 기준으로 86.8%(33.5 mg/L)와 13.4%(5.2 mg/L)의 TDN과 TPN 비율을 보였다. DIN과 DON은 78.3%(30.3 mg/L)와 8.3%(3.2 mg/L)이며, 앞 서 분석한 대규모, 중규모 하수처리장과 유사하게 대부분의 DIN은 암모니아성 질소 76.0%(29.4 mg/L)로 이루어져있 음을 확인하였다. 마지막으로 DON은 3.4%(1.3 mg/L)의 생물학적 분해가능한 성분과 4.9%(1.9 mg/L)의 생물학적 분해 불가능한 성분으로 이루어져있었다.

3.4. 산업단지 하수처리장 질소 성상 분석

Fig. 6에서는 산업페수가 유입되는 산업단지 D 하수처리 장의 질소 성상 분석 결과를 보여주고 있다. 총 질소를

Fig. 3. Nitrogen fraction of sewage in A STP.

Fig. 4. Nitrogen fraction of sewage in B STP.

100%(33.7 mg/L)로 각 질소 성분이 차지하고 있는 비율 과 농도를 정리하였다. 그 중 TDN과 TPN은 각 각 84.6%

(28.5 mg/L)와 15.4%(5.2 mg/L)였으며, TDN은 다시 77.2%(26.0 mg/L)의 DIN과 7.4%(2.5 mg/L)의 DON으 로 이루어져있다. 수중의 존재하는 무기질소 성분은 대부분 암모니아성 질소 72.7%(24.5 mg/L)로 존재하는 것을 확인 할 수 있다. DON은 1.7%(0.6 mg/L)의 생물학적 분해가 능한 성분과 2.9%(1.0 mg/L)의 생물학적 분해 불가능한 성분으로 이루어져있음을 알 수 있다. 본 연구 계획 당시 예상했었던 도시하수처리장과 산업단지 하수처리장의 질소 선상에서 큰 차이를 보일 것이라는 예상과 달리 A, B 그리 고 C 하수처리장과 비교하여 각 질소 성상 비는 다소 차이

는 있으나 유사한 질소 성상 경향을 보이고 있는 것으로 분 석되었다. 이는 산업단지 하수처리장이 산업폐수와 도시 하 수가 혼합되어 유입되기 때문으로 판단된다.

3.5. 국내 하수처리장 질소 성상 비교

Fig. 7에서는 앞 서 분석한 대규모, 중규모, 소규모 그리 고 산업단지 하수처리장 유입수의 DON(Biodegradable DON과 Non-biodegradable DON)농도를 비교한 결과를 보여주고 있다. 하수처리장 종류 별 DON 농도는 1.6 mg/L ~ 3.2 mg/L의 범위를 보였으며, 설계용량 10,000 m³/day 이하 하수처리장유입 하수 내 농도가 가장 높은 것 으로 나타났다. 또한 도시 하수처리장과 산업 단지 하수처

Fig. 5. Nitrogen fraction of sewage in C STP.

Fig. 6. Nitrogen fraction of sewage in D STP.

Fig. 7. Comparison on DON concentration of various STPs in Korea.

Table 2. NBDDON/DON in various domestic STPs

m³/d over

10,000 ~ 100,000 m³/d

under 10,000 m³/d

Industrial STP NBDDON/

DON 0.63 0.39 0.59 0.68

리장 유입 하수 내 DON 농도는 큰 차이를 보이지 않는 것 으로 나타났다. 주목할 점은 하수처리장 용량이 작을수록 DON농도가 높아지는 경향을 보였으며, DON 농도는 약 2배 정도의 차이를 보였다. 유입 하수의 DON 중 하수처리 장에서 처리가 어려운 생물학적 분해 불가능한 성분의 농 도는 소규모 하수처리장에서 1.9 mg/L로 가장 높은 농도 를 보였다. Table 2에서는 NBDON/DON의 비율을 나타 내었는데, 산업단지 하수처리장 0.68로 가장 큰 것으로 나 타났다. 이는 산업단지 하수처리장으로 유입되는 산업폐수 에 기인한 결과로 판단할 수 있다. 또한 도시하수처리장에 서는 대규모 하수처리장의 비율이 0.63으로 가장 높은 것 을 확인 할 수 있다. 이는 앞 서 분석한 DON 농도와는 다 소 차이를 보였다.

4. 결 론

1. 소규모 하수처리장에서 생물학적 분해 불가능한 DON 성분의 농도가 높은 것으로 나타났으며, 대규모 하수처리장 에서는 NBDDON/DON의 비율이 높은 것으로 조사되었 다. 분석된 DON 성분은 미비한 수치로 생각될 수도 있지 만, 향 후 건강한 수생태계 확보를 위해 처리 방안이 고려되 어야 할 필요가 있다.

2. 도시 하수의 경우 약 1.9 mg/L, 산업단지 하수의 경 우 약 1.7 mg/L의 질소는 하수처리장을 통해 처리하는 데 한계가 있을 것으로 보인다. 하지만 NBDDON/DON의 비율은 도시하수처리장과 비교하여 산업단지 하수처리장 높은 것으로 나타났다.

3. 본 연구가 국내 전체 하수처리장을 대상으로 조사가 이루어지지 않아 일반화에는 다소 무리가 있다. 하지만, 국 내 하수를 대상으로 질소 성분 (특히 NBDDON) 분석에

관한 연구가 미비한 것과 국내 하수처리장 질소 방류수 수 질 기준을 개선에 활용될 수 있는 중요한 기초 자료를 제시 하였다는 것에 그 의의가 있을 것으로 판단된다.

4. 향 후 하수처리장 방류수를 대상으로 DON 성분 분석 연구를 실시할 필요가 있으며, 유입 하수와 방류수 간 DON 성분의 상관성 분석에 관한 연구가 수행되어야 한다.

이를 통해 하수처리장에서 정확한 DON 성분의 영향을 파 악할 수 있을 것으로 전망한다.

사 사

이 연구는 서울과학기술대학교 교내연구비의 지원으로 수행되었습니다.

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