계절에 따른 농촌 지역 하수종말처리장의 처리 효율 변화
임지열 ･ 길경익＊†
고려대학교 건축사회환경공학과
*서울과학기술대학교 건설시스템디자인공학과
Changes of Treatment Efficiency According to Seasonal Variation in Rural Area
Jiyeol Im ･ Kyungik Gil*†
School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
*Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology (Received: 22 September 2014, Revised: 13 August 2015, Accepted: 13 August 2015)
요 약
국토의 균형적인 개발과 수계 수질 보호를 목적으로 한국 정부는 농촌 지역 하수도 보급 사업을 진행하고 있다. 본 연 구는 농촌 지역 하수도 보급 사업의 하나인 A 하수종말처리장의 연간 운전결과를 분석하였다. 농촌 지역 하수종말처 리장 유입 하수 농도는 계절에 따라 변화하며, 여름철에 가장 낮은 것으로 나타났다. 계절 변화에 따른 생물반응조의 처리 효율은 유기물질에 비해 영양염류가 계절에 따라 처리 효율의 변화가 큰 것으로 나타났으며 겨울철에 가장 낮은 것으로 나타났다. 또한 영양염류는 체류시간과 F/M ratio에 대해 유기물보다 민감하게 반응한 결과를 보였다. 농촌 지 역 하수종말처리장 공법 선정 시 계절에 따라 변화하는 유입 하수의 특성을 고려해야 한다. 또한 겨울철 영양염류의 안정적인 처리 효율을 위한 유지관리가 필요하다.
핵심용어 : 처리 효율, 하수종말처리장, F/M ratio, 체류시간, 농촌 지역
Abstract
The Korean government has made progress in its project for sewage distribution in rural areas to ensure the balanced development of the country and its water conservation system. The project for sewage distribution in rural areas was analyzed with the yearly operational results of municipal wastewater treatment plant (MWTP). The sewage characteristics of the MWTP in a rural area changed according to seasonal variations, and the lowest pollution concentrations were obtained in the summer. The treatment efficiency of nutrients in the biological treatment process changed slightly more than the treatment efficiency of organic compounds, and the lowest treatment efficiency was obtained in winter. In addition, the relationship between treatment efficiency and retention time and F/M ratio showed similar results despite seasonal variations. It was considered that sewage characteristics and treatment efficiency changed according to seasonal variations when the treatment process was selected in MWTPs in rural areas.
Especially, Maintenance of MWPT is need for the stable treatment efficiency of nutrients in the winter.
Key words : Treatment efficiency, Wastewater treatment plant, F/M ratio, Retention time, Rural area
1. 서 론1)
1995년 농촌 개발 방안의 일환으로 농촌 특별세금을 책 정하여 소규모 농촌 지역을 대상으로 하수도 보급 사업이 본격화되었다. 이후 ‘농어촌 하수도사업 및 오염 소하천정 화사업’, ‘마을하수도 사업 통합 지침’ 제정 등을 통해 농촌 지역 하수도 사업이 체계화되었다. 이에 농촌 지역을 대상 으로 지속적인 하수도 보급 사업이 시행되어 2015년에는
†To whom correspondence should be addressed.
Department of Civil Engineering, Seoul National University of Science and Technology
E-mail: [email protected]
농촌 지역 하수도 보급률이 75%에 이르게 될 것으로 전망 하고 있다(Im et al., 2012). 이는 전 국토의 균형적인 개발 과 더불어 소규모 농촌 지역에서 발생하는 하수처리를 통 한 수계 수질을 보호하고자하는 정부의 의지를 알 수 있다.
대부분의 하수도가 보급되지 않은 지역은 인구 밀도가 낮 거나 개발 제한 구역 그리고 상수원 및 하천 상류 인근 지 역이다. 특히 상수원 및 하천 상류 인근 하수도가 보급되지 않은 지역의 경우에는 미처리된 하수 및 가축분뇨가 인근 수계로 직접 유입되어 수계 수질 오염의 주요 원인으로 작 용한다. 상수원 및 하천 상류 지역 하수, 비점오염원, 내부 생성물질 등 다양한 경로를 통해 상수원으로 유입된 오염 물질들로 인해 상수원 수질 관리에 많은 노력과 비용을 기
Fig. 1. Location of the A municipal wastewater treatment plant (MWTP)
Table 1. Characteristic of Bong-Hwa and A MWTP
Bong-Hwa A MWTP
Total area (1201.46 km2)
Forest land 82.6 %
Sewage treatment area (km2) 1.004 km2
Agriculture 11.1 %
Building site 0.7 %
Orchard 0.6 %
etc 5.0 %
Population (person) 34,183 Population in sewage treatment area (person) 3,092
Sewage distribution rate (%) 59.6 % MWTP capacity (m3) 800 m3
울임에도 불구하고 상수원 수질이 지속적으로 악화되고 있 다는 연구 결과들이 보고되기도 하였다(Cho et al, 2009;
Gil and Kim, 2011; Gil et al, 2011; Jang et al, 2009;
Jung and Kim, 2012).
하수종말처리장에서 규제하는 방류수 수질 오염에 포함 되어 있는 유기물, 질소와 인 항목은 일반적으로 생물학적 처리를 통해 처리한다. 생물학적 처리는 수중에 존재하는 미생물의 반응 기작을 이용하여 수중의 오염물질을 처리하 는 방법이다. 이는 미생물의 상태에 따라 효율이 영향을 받 으며, 생물반응조가 안정되게 유지되는 것이 중요하다. 특 히 하수처리에 사용되는 미생물은 온도, F/M ratio, 체류시 간 등 다양한 운전 조건에 영향을 받는다. 특히 온도에 민 감하게 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 하수종말처리장 겨울철 생물반응조의 효율이 감소한다고 보고되고 있다 (Kim, 2010). 부유물질과 유기물 처리를 시작으로 하수처 리가 시작되었다. 이후 영양염류인 질소와 인의 관리의 필 요성을 인식하게 되고, 현재에는 하수 고도 처리 공법 도입 을 통해 질소와 인의 관리에도 노력을 기울이고 있다. 이에 하수종말처리장에서도 질소와 인 제거를 위한 하수 고도처 리 공법을 도입하게 되었다. 질소와 인의 경우 유기물에 비 해 운전 조건에 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다. 농 촌 지역의 하수는 도시 하수에 비해 고농도 오염물질을 함 유한 것으로 보고되고 있으며, 계절에 따라 하수 성상이 변 화하는 것으로 알려져 있다. 이는 농촌 지역이 도시 지역에 비해 논과 밭 등 농업을 목적으로 사용되는 토지 구성 비율 이 높고, 가축 분뇨 발생량이 많은 것으로 알 수 있다. 특히
가축 분뇨는 고농도의 오염물질을 함유하고 있으며, 관리에 많은 어려움이 있다고 보고되고 있다 (Im and Gil, 2011;
Im et al, 2012: Kim et al, 2012; Koh, 2002; park, 2008).
본 연구에서는 경상북도 봉화군에 신설된 A 하수종말처 리장 1년간의 운전결과를 이용하여 계절 별 유입 하수 농 도 변화, 운전 조건의 영향 그리고 효율 변화를 분석하였 다. 이를 통해 신설 하수종말처리장의 전반적인 운전 상태 를 평가하고자 하였으며, 영양염류 처리에 고려해야할 사항 들을 도출하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1 대상 지역
본 연구는 경상북도 봉화군에 신설된 A 하수종말처리장이며, 대구·경북 지역 주요 상수원인 낙동강 상류(안동·임하댐 주변) 인근에 위치하고 있다. 본 연구 신설 하수종말처리장의 위치는 Fig. 1을 통해 확인 할 수 있다. 봉화군은 총 면적 1200km2, 총인구는 약 34,000명으로 조사되었다. 그 중 40%에 가까운 약 15,000명이 농·축산업에 종사하고 있으며, 밭, 논, 과수원 등의 면적은 142km2, 그리고 약 30,000여 마리의 가축이 사육 되고 있다. A 하수종말처리장 처리 구역 면적은 1km2, 계획 처리 인구는 약 3,100명, 그리고 시설 용량은 800 m3/day로 설계되었다. A 하수종말처리장은 봉화군에서 처리하는 하수의 약 15%를 처리하는 것으로 조사되었다. Table 1은 봉화군 및 A 하수종말처리장의 기초 정보를 확인할 수 있다(Bong-hwa
(a) Schematic diagram
(b) Operation cycle Fig. 2. Schematic diagram and operation cycle of Air-vent SBR process
Table 2. Comparison of sewage with various MWTPs
Parameter Research area Seoul
Range (mg/L) Median (mg/L) A MWTP B MWTP C MWTP D MWTP
BOD 121.6 ∼ 259.3 171.4 145.4 137.6 133.9 126.6
COD 47.0 ∼ 156.0 119.0 69.9 68.9 65.9 59.0
TN 42.8 ∼ 89.6 60.8 32.4 31.6 32.8 26.5
TP 3.1 ∼ 6.6 5.0 3.6 2.9 3.2 3.3
gun, 2013; MOE, 2012). 효율 분석을 위한 시료 모니터링 기간은 2013년 1월 1일 ∼ 2013년 12월 31일이며, 모니터링 간격은 1회/일로 유입하수, 생물반응조 유입·유출수 그리고 방 류수의 BOD, COD, TN 그리고 TP를 분석하였다. 수질 분석을 위한 실험은 수질오염공정시험법에 의거하였다(MOE, 2008).
2.2 선회와류식 SBR 공법
하수종말처리장 처리 공법은 일반적으로 생물학적 처리를 기반으로 하며 막, 담체, SBR (Sequencing Batch Reactor), 특수미생물 등을 이용한 공법들이 사용되고 있다. A 하수종말 처리장에 도입된 공법은 선회와류식 SBR (Air-vent sequencing batch reactor) 공법으로 SBR 계열의 공법을 개조 한 공법이다. SBR 공법은 공간적인 개념이 시간적인 개념으로 바뀐 것으로 표현할 수 있다. 공간적인 개념에서는 포기조와 침전조를 연속적으로 하수종말처리장 부지에 설치해야 한다 면, 시간적인 개념에서는 단일반응조에서 시간 조절만으로 포기조와 침전조의 효과를 기대할 수 있다. 또한 처리 효율도 다른 공법과 비교하여 떨어지지 않는 것으로 알려져 있다.
Fig. 2 (a)는 A 하수종말처리장에 도입된 선회와류식 SBR 공법의 모식도를 나타내고 있다. 이러한 선회와류식 SBR 공법 은 SBR 공법에 선회와류식 표면 포기기를 추가하여 생물반응 조 내 포기와 교반 역할을 동시에 수행하는 것이 가장 큰 특징 이라 할 수 있다. Fig. 2 (b)에서는 운전 cycle을 A 하수종말처리 장에서는 ‘유입 → 반응 → 침전 → 유출’의 단위공정이 연속적 으로 배열되어 1 cycle을 이루게 된다. cycle이 진행되는 동안 무산소조건, 혐기조건 및 포기조건을 거치며 유기물, 질소 및 인 등의 오염물질이 처리 된다.
3. 연구결과 및 고찰
3.1 마을하수도 유입하수
Fig. 3에서는 연간 A 하수종말처리장 유입 하수 농도와 계절 별 유입 하수 농도 변화를 보여주고 있다. 또한 이 지역의 유입 하수 특성 분석을 위해 서울 지역 4개 대규모 하수종말처 리장의 유입 하수 농도와 비교하였다(MOE, 2012). Fig. 3 (a)는 연간 유입 하수의 농도를 보여주고 있으며, 유입 하수의 농도는 계절에 따라 다소 차이를 보이는 것으로 나타났다.
특히 BOD와 TN의 경우 다른 항목에 비해 농도 변화가 큰 것으로 나타났다. Fig. 3 (b) ∼ (e)에서는 앞서 언급한 계절 별 유입 하수 농도와 서울 지역 대규모 하수종말처리장 유입 하수의 농도를 비교하였다. 전반적으로 A 하수종말처리장 유 입 하수는 서울 지역의 유입 하수보다 높은 농도로 유입되는 것으로 나타났다. 특히 COD와 TN에서는 BOD와 TN보다 높은 농도로 유입되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 A 하수종말 처리장 처리 대상 지역 내 논, 밭 및 축산업 부지의 비율이 서울지역에 비해 높아 유기물과 질소에서 높은 농도로 유입된 것으로 판단된다. 특히 가축분뇨의 경우에는 일반 하수에 비해 적은 유량이지만, 하수종말처리장으로 유입 될 경우 하수종말 처리장 오염물질의 부하를 급격하게 증가시키는 것으로 알려 져 있다. 계절 별 유입하수의 농도를 살펴보면, 계절에 따라 유입 하수의 농도가 변화하는 것으로 나타났다. 특히 BOD의 경우 다른 오염 항목에 비해 계절 별 변화가 큰 것으로 나타났 으며, 전반적으로 여름철 유입 하수 농도가 낮게 나타났다.
이는 여름철 집중 강우로 인해 강우 유출수에 의해 유입 하수에 희석현상이 나타나 낮은 농도로 유입된 것으로 사료된다
(a) Raw sewage concentration data in A WWTP
(b) BOD
(c) COD
(d) TN
(e) TP Fig. 3. Changes of sewage concentration according to seasonal variation in A WWTP (Hong 2002; Im et al., 2012). 연간 유입 하수의 농도는 BOD
171.4 mg/L, COD 119.0 mg/L, TN 60.8 mg/L 그리고 TP 5.0 mg/L로 조사되었다. A 하수종말처리장 유입 하수 농도와 서울 지역 대규모 하수종말처리장의 유입 하수 농도는 Table 2를 통해 확인 할 수 있다.
3.2 HRT와 SRT의 영향
Fig. 4는 체류시간에 따른 오염물질 처리 효율을 나타내 고 있다. 체류시간은 수리학적 체류시간 (HRT, Hydraulic retention time)과 고형물 체류시간 (SRT, Solid retention time)으로 구분하였다. 각 오염항목 별 처리효율과 체류시
(a) BOD
(b) COD
(c) TN
(d) TP Fig. 4. Relationship of retention time and treatment efficiency
간을 추세선으로 나타내어 전반적인 체류시간과 처리 효율 과의 관계를 파악하고자 하였다. Fig. 4 (a)와 (b) 유기물의 경우 BOD 처리 효율이 COD 처리 효율에 전반적으로 높 게 나타났으며, 운전 기간 동안의 HRT와 SRT 범위에서 체류시간의 영향이 미비하였던 것으로 나타났다. 이는 A하 수종말처리장의 유기물 처리 효율은 계절에 큰 영향을 받 지 않고 안정적인 처리 효율을 보였다고 판단된다. Fig. 4 (c)와 (d)는 각 각 TN과 TP를 나타낸다. TN은 체류시간 – 처리 효율간에 큰 영향이 없는 것으로 TP는 체류시간이 증가할수록 처리 효율이 감소하는 경향으로 나타났다. 하지 만 동일한 체류시간에서 유기물보다 영양염류의 처리 효율 의 범위가 크게 나타난 것에 영향을 받은 것으로 보인다.
동일한 체류시간에서 영양염류의 효율이 차이가 크게 나타 나는 것은 하수종말처리장 유지관리 상태, 생물반응조 내 미생물 배양 및 안정화 등에 영향을 받은 것으로 판단된다 (Choi, 2012; Im and Gil, 2011; Joo et al, 2011). 즉 생 물반응조에서 안정적인 영양염류 효율 확보를 위해 생물반
응조 유지관리 및 운전조건 관리가 필요하다고 판단된다.
전반적으로 유기물과 TP는 90%이상, TN의 경우 60% 이 상의 효율을 보여 전체적인 운전 기간 동안 체류시간 조건 은 적절하게 조절 되었던 것으로 사료된다.
3.3 F/M 비의 영향
Fig. 5에서는 하수종말처리장 생물반응조 내 F/M 비 변 화에 따른 오염물질 처리 효율을 분석하였다. 운전 기간 중 F/M ratio는 0.03 ∼ 0.09 kg BOD / (kg MLSS·day)의 범위를 보였으며, 이는 장기 포기 공법의 권장 F/M ratio 0.03 ∼ 0.05 kg BOD / (kg MLSS·day)와 표준 활성슬러 지 공법의 권장 F/M ratio 0.11 ∼ 0.24 kg BOD / (kg MLSS·day)의 중간 정도로 유지되었다. Fig. 5 (a)를 보면 전체 운전 기간 동안 BOD 처리 효율은 다른 항목에 비해 F/M ratio에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 특히 TN은 다른 항목에 비해 F/M ratio에 따라 처리 효율이 크 게 변화하는 것으로 나타났다. 전반적으로 F/M ratio가 증
(a) Overall
(b) Spring
(c) Summer
(d) Autumn
(e) Winter
Fig. 5. Comparison of F/M ratio and treatment efficiency according to seasonal variation 가할수록 오염물질의 처리 효율이 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 5 (b) ∼ (e)는 계절 별 F/M ratio와 처리 효율의 관계 를 나타내고 있다. TN을 제외한 다른 오염 항목들은 F/M ratio와 처리 효율이 계절에 따라 유사한 것으로 나타났다.
TN의 경우에는 계절에 따라 F/M ratio와 처리 효율간의 관계가 크게 변화하는 것으로 나타났다. 특히 겨울철에는 다른 계절과 다르게 F/M ratio가 증가할수록 오히려 처리 효율이 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 동절기 생물반응조 내 온도 유지 등 유지관리에 의한 영향으로 판단된다. 일반 적으로 겨울철에는 외부 온도 감소에 의해 생물반응조 처 리 효율 유지가 어려운 것으로 알려져 있다. 전반적으로 유 기물의 경우에는 F/M ratio에 큰 영향을 받지 않고, 안정
적인 효율을 보인 것으로 나타났다. 하지만 영양염류의 경 우에는 F/M ratio에 따라 유기물에 비해 처리 효율이 영향 을 받는 것으로 나타났다. F/M ratio는 영양염류 처리 효 율에 영향이 큰 것으로 보인다. 따라서 생물반응조 내 안정 적인 영양염류 처리 효율 확보를 위해서는 F/M ratio 관리 가 필요한 것으로 판단된다. 안정적인 TN 처리 효율 확보 를 위해서는 특히 겨울철의 경우 적정 F/M ratio 유지가 중요한 것으로 사료된다.
3.4 계절에 따른 생물반응조 처리 효율 변화 Fig. 6 (a)는 하수종말처리장 생물반응조의 전체 운전기간 동안 처리 효율을 분석하였다. 전체 운전 기간 동안 BOD,
(a) Overall
(b) BOD
(c) COD
(d) TN
(e) TP
Fig. 6. Comparison of treatment efficiency according to seasonal variation COD, TP의 경우에는 90% 이상, TN의 경우에는 70% 이상의
약 80% 처리 효율을 보였다. 현재 처리 효율은 전반적으로 방류수 수질 기준을 만족시키는 것으로 보인다. 특히 TP의 경우 방류수 내 농도가 0.5mg/L로 개정된 방류수 수질기준을 만족시키는 것으로 나타났다. 하지만 TN의 경우에는 현재는 20mg/L이지만, 향 후 수계 수질 보호를 위해 방류수 수질 기준이 강화될 가능성이 있다. 따라서 향 후 변화할 방류수 수질기준을 만족시키기 위해서는 질소 처리 효율을 증가시켜 야 할 필요가 있다. Fig. 6 (b) ∼ (e)는 계절에 따른 생물반응조 의 처리 효율을 나타내고 있다. 유기물의 경우에는 계절에 변화 없이 전반적으로 유사한 것으로 나타났다. 하지만 TN과 TP의 경우에는 유기물과 다르게 처리 효율의 변동과 계절에 따른 처리 효율의 변화가 큰 것으로 나타났다. 전체 운전 기간 동안 TN과 TP 처리 효율의 변화는 유기물에 비해 크게 나타났
으며, 이는 생물반응조 내에서 TN과 TP 처리 효율에 대해 관리가 필요하다는 것을 시사한다. 특히 겨울철 TN과 TP 처리 효율은 다른 계절에 비해 가장 낮은 것으로 나타났다.
이는 겨울철 TN과 TP 처리 효율에 각별한 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다(Gil et al 2008; Im and Gil, 2014).
3.5 마을하수도 방류수
Fig. 7은 A 하수종말처리장 연간 방류수의 농도를 보여 주고 있다. 또한 개정된 하수종말처리장 방류수 수질 기준 을 표시해 방류수 내 오염물 농도가 방류수 수질기준을 만 족하는지 확인 할 수 있다. 본 하수종말처리장은 2012년 신설된 하수종말처리장으로 전반적인 운전 결과 A 하수종 말처리장 방류수는 방류수 수질 기준을 모두 만족하는 것 으로 나타났다. 특히 영양염류의 처리 효율이 감소한 것으로
Fig. 7. Concentration of effluent
나타난 겨울철의 경우에도 안정적으로 방류수 수질을 확보 할 수 있었으며, 전반적으로 안정적인 하수종말처리장이 운 전되어 목표 수질을 만족할 수 있었던 것으로 판단된다. 하 지만 방류수 수질 기준이 강화될 가능성이 높은 TN의 경 우에는 향 후 방류수 내 함유된 질소 농도를 낮출 하수종말 처리장 개조 방안을 고려해야 할 것으로 판단된다.
4. 결 론
경상북도 봉화군 A 하수종말처리장의 운전 결과 분석을 바탕으로 다음의 결론을 도출하였다.
1) 농촌 지역 하수종말처리장 유입 하수 분석 결과 계절 에 따라 유입 하수 농도가 변화하는 것으로 나타났다. 특히 BOD의 경우 계절 별 변동 폭이 가장 크며, 전반적으로 여 름철에 유입 하수 농도가 낮은 것으로 나타났다. 이는 여름 철 집중 강우에 의한 영향으로 판단된다. 농촌 지역의 경우 도시 지역과 유입 하수의 특성이 다르기 때문에 유입 특성 을 고려하여 적절한 하수 처리 공법을 선정해야 한다.
2) HRT와 SRT에 따른 처리 효율 변화를 분석한 결과 HRT에 비해 SRT의 영향이 큰 것으로 나타났다. 영양염류 의 경우에는 동일한 체류시간에 유기물질에 비해 효율 범 위가 넓게 나타났는데 이는 체류시간 이외의 유지관리 등 의 영향을 받은 것으로 사료된다.
3) F/M ratio에 따른 유기물질의 처리 효율은 0.03 ∼ 0.09 kg BOD / (kg MLSS·day) 범위 내에서는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 영양염류의 경우에는 유기물질과 비 교하여 F/M ratio에 민감하게 반응하는 것으로 판단된다.
4) 유기물질 처리 효율은 계절별로 큰 차이를 보이지 않 는 것으로 나타났지만, 영양염류의 경우 유기물질에 비해 계절에 따라 처리 효율의 변화가 큰 것으로 나타났다. 특히 겨울철 영양염류의 처리 효율이 다른 계절에 비해 낮은 것 으로 나타났다. 이는 겨울철 안정적인 영양염류 처리 효율 확보를 위해 운전 조건 유지에 각별한 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.
봉화군 A 하수종말처리장 운전 결과 전반적으로 안정적 인 효율을 유지하며 운전되는 것으로 판단된다. 특히 겨울 철 생물반응조 처리 효율이 감소함에도 불구하고 방류수
수질 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 향후 방류 수 수질 기준이 강화될 가능성이 큰 질소 항목에 대한 대비 책을 마련 할 필요가 있을 것으로 전망된다.
사 사
이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No. 2013R 1A2A2A01068579).
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