한국 하수, 고도처리에는 문제점 많아우수 유입·합류식 하수관 많아 유입수 유기물 부하량 낮기 때문
박재광 교수
미국 위스콘신대학 건설환경공학과
(현) Brain Pool 프로그램 초청 KAIST 방문교수
최근 들어 질소, 인 제거 활성오니법을 기초로 한 많은 공법들이 개발되었다. 불행하게도 거의 모든 연구나 관심이 하수처리장의 한 공정인 미생물학적 처리에만 집중되어 지난 20여년 동안 기타 공정은 답보상태에 있다.
선진국보다 훨씬 늦게 시작한 한국의 제품이 세계의 시장을 제패하고 있건만 왜 한국의 하수도는 20여년 동안 답보상태에서 발전이 늦었는지 모르겠다. 물리학적 처리, 슬러지 처리 및 처분에 대하여 새로운 시각에서 선진국에서 도입하고 있는 방법들을 시급히 도입하여 비전형적으로 발전된 한국의 하수처리장을 고쳐나가야 한다.
최근 들어 고도처리라 하여 대규모 하수처리장이 개선을 하고 있으나 그 방향이 선진국에서 지향하는 방향과 다르다. 한국은 하수관이 새고, 우수가 많이 유입되며 합류식 하수관이 많아 유입수의 유기물 부하량이 낮을 뿐만 아니라 우기시 유기물 농도가 아주 낮아진다.
따라서 한국의 하수는 고도처리를 하기에는 많은 문제가 있다. 선진국과 한국의 하수처리 설비에 대하여 비교 검토하고 대안을 제시하려고 한다.
20여년동안 미생물학적 처리에만 집중…기타 공정 답보상태
방류수 기준, 순간 최대치보다 유량 비례 평균치로 규제해야
1. 하수관망
한국은 하수처리장이 하수관망보다 더 큰 용량을 가진 기형적인 발전을 해왔다. 또한 하수관에 대한 인식부족으로 관은 깨지고 관접촉부위는 새어 지하수가 유입되거나 하수가 새어나가고 있다. 이제는 하수관도 갱생을 하고 설계부터 시공까지 철저히 하여 선진국의 압력실험기준에 맞는 것만 승인을 하여야 할 것이다. 각 가정의 하수 집수정은 규제가 없어 제일 낮은 지점에 위치해 있다. 따라서 우수시 빗물이 하수에 유입되고 있다. 또한 하수관은 250mm로 설계되고 있으나 최소 400mm로 하여 접관을 하던지 갱생을 할 때 용이하게 하여야 한다.
2. 하수관련법규
하수관에 대한 시설기준이 위에서 언급한 바와 같이 바뀌어야 한다. 하수시설기준은 오히려 발전을 저해할 소지가 있다. 이제는 과감히 버리고 설계, 시공하는 회사에 전적으로 책임을 지게 함으로써 더 빠르게 기술발전을 할 수 있을 것이다. 또한 방류수의 수질기준이 선진국에 비해 더 엄격한 면이 많다. 각 수계별로 질소와 인 중 어느 것이 부영양화를 야기시키는 인자인지를 파악하여 수계별로 수질기준을 탄력적으로 적용하여야 한다. 또한 수질기준이 선진국과 같이 평균치가 아닌 절대치이기 때문에 많은 하수처리장이 규제치를 제대로 맞추지 못하고 있는 실정이다.
생물학적인 처리는 피할 수 없는 유입수의 변동이나 기계적인 고장에 의해 방류수의 수질이 급변할 수 있다. 미국과 같은 선진국의 엄격한 규제치를 평균치가 아닌 최대치로 사용하는, 전세계 어느 곳에서도 볼 수 없는 수질규제치를 한국은 가지고 있다. 비현실적이고 하수처리장 운영자를 범죄자로 만드는 법이다. 순간 최대치보다는 유량에 비례한 1일 평균시료로 측정하여 월 평균 또는 연 평균치를 규제치로 하여야 한다.
▲ 박재광 교수는 “한국은 하수관이 새고, 우수가 많이 유입되며 합류식 하수관이 많아 유입수의 유기물 부하량이 낮을 뿐만 아니라 우기시 유기물 농도가 아주 낮아지므로 고도처리를 하기에는 많은 문제가 있다”고 주장하고 있다.
엄격한 수질규제는 또한 다른 병폐를 낳고 있다.
어느 공단하수처리장의 경우 질산화가 진행 될 경우 NBOD(Nitrogenous Biochemical Oxygen Demand)가 측정되어 BOD 규제치를 위반하게 된다. 따라서 질산화를 방지하기 위하여 활성오니조에서 용존산소를 0.3∼0.4 ppm으로 유지하여 CBOD 제거 효율까지도 저하되고 생분해가 가능한 유기물질도 제대로 처리되지 않고 방류되고 있다.
또 다른 공단에서는 각 공장에서 생물학적처리를 거친 방류수를 받아 재처리를 하고 있다. 각 공장에서 엄격한 규제치를 맞추기 어렵고 민원이 발생할 소지가 많아 방류해도 될 낮은 BOD의 방류수를 공단하수처리장으로 보냄으로써 오히려 처리장의 운영을 어렵게 만들고 있다. 환경을 깨끗하게 하기 위하여 만든 규제가 오히려 그 반대의 역할을 하고 있는 실정이다.
이제는 환경법도 선진국과 더 엄격하지도 더 완곡하지도 않은 적정한 선에서 설정되어야 한다.
스크린, 미세스크린 교체·그릿제거, 기계식으로 개선을
하수슬러지 중요한 자원…재활용 방안 다각도 연구 필요
3. 간이하수처리설비
간이하수처리설비도 SBR과 같은 활성오니법이 도입되거나 저가의 비효율적인 설비들이 설치되고 있는 실정이다. 활성오니법은 운전하기가 어려워 전문적인 운전요원이 필요하고 슬러지 발생량이 많다. 따라서 운전이 간편하고 슬러지 발생량이 적은 공법들이 선정되어야 한다. 문제는 이러한 공법들이 설계, 시공을 제대로 하지 못하여 초기에 실패하였다.
또한 공사비가 저렴하기 때문에 업체들이 등안시 한 면도 있다. 상수도 보호지역에 개발을 막는 것 보다는 선진국에서 검증된 손쉽고 저렴한 방법들을 도입하여 발전과 환경보전이 공존하도록 하여야 한다. 법이 형식적으로 있고 규제를 철저하게 하지 않는다면 법은 단지 면피용에 불과한 것이다. 투자 가능한 범위 내에서 하수처리장을 설치하고 현실적인 규제치를 맞추는지 철저히 감시하는 것이 보다 중요하다.
4. 하수처리장
㉮ 스크린
한국의 스크린은 주로 각목과 같은 폭 2.5 cm 이상의 큰 물질들만 제거하도록 설계되어 있다. 따라서 플래스틱류 부유물질들이 하수처리장에 유입되어 펌프를 손상시키거나 최초 침전지나 최종침전지의 유출부에 걸려 유지관리을 어렵게 하고 있으며 슬러지 처리공정으로 유입되고 있다. 한국에서도 개발되어 설치되고 있는 2∼6mm 간격의 미세스크린(fine screen)을 설치하여 무기성 이물질이 생물학적 처리공정에 유입되지 않도록 하여야 한다. 또한 이 공정에서 제거한 물질 중 유기물질이 섞여 있으므로 세정하고 농축하는 과정도 포함되어야 한다.
㉯ 그릿 제거
그릿은 비중이 1.5∼2.7로 모래, 먼지, cinder, 커피가루, 씨, 달걀껍질 등으로 냄새가 나지 않고 비중이 유기물보다 큰 물질이다. 한국의 초기 설계는 침전식 및 공기주입식 그릿제거로 되어 있으며 이를 지금까지 답습하고 있다. 또한 고도처리에서도 이 공정은 거의 개선이 되고 있지 않다. 한국의 경우 그릿제거가 제대로 되지 않아 초기침전지로 유입되어 휘발성물질대비 총부유물질이 우기시 0.7∼0.8에서 0.5∼0.55로 감소된다.
초침의 슬러지가 소화조로 유입될 경우 혼화가 되지 않고 하부에 쌓여 유효부피를 줄이는 결과를 초래하고 빈번하게 소화조를 청소하여야 한다. 침전식 그릿제거기는 공기주입식이나 기계식으로 하고 그릿제거도 자동으로 할 수 있도록 하여야 한다. 또한 그릿도 유기물질을 함유하고 있으므로 세척하고 탈수하는 설비도 갖추어야 한다.
㉰ 최초침전지
최초침전지는 비교적 설계가 잘 되고 운전도 잘 되고 있다. 대부분의 경우 악취문제로 커버를 설치하였다. 커버를 설치할 경우 유지·관리하기가 용이하지 않다. 악취가 주로 발생하는 곳은 최초침전지의 월류언이기 때문에 그 곳만 커버를 설치하여도 충분하다.
㉱ 생물학적 처리
한국에서는 이 공정에만 너무 신경을 써 온 느낌이 든다. 사실 비용도 많이 들고 운전에도 가장 신경을 많이 써야 하는 공정이다. 한국의 경우 고도처리라 하여 수십가지의 공정이 환경부나 건설교통부의 승인을 받고 있으나 과연 세계에 내놓을 수 있을지 의문시 된다. 또한 과연 이러한 공정들이 생분해가 잘 되는 유기물질의 농도가 낮고 긴 하수관을 지나오면서 fermentation된 하수, 우기시 유기물질 농도가 아주 낮아지는 현장의 조건에서 과연 얼마나 많은 공정이 주장하는 제거율을 맞출지 의문시 된다.
활성오니조에서의 체류시간을 시설기준에 규정된 6∼8시간으로 설계되어 있어 고도처리를 할 경우 체류시간이 짧다. 미디어를 넣거나 막(membrane)을 사용하는 방안이 시도되고 있으나 미국의 경우 이러한 공법을 배제하고 있다. 그 주요 이유로는 운전하기가 어려워 수질규제를 맞추지 못할 경우가 발생하기 때문이다. 운전하기에 용이하고 수질규제를 항시 맞추기 위해서 필요하면 포기조의 용량을 늘리는 것이 정석이다.
▲ “하수방류수 수질기준을 순간 최대치보다는 유량에 비례한 1일 평균시료로 측정하여 월 평균 또는 연 평균치를 규제치로 해야 한다”고 박 교수는 주장한다.
A2/O의 변형보다는 modified UCT 공정이 한국과 같은 하수 성상에서는 보다 안정된 방류수를 설치할 수 있다. 유입하수의 농도가 낮아 일정 수준 이상의 미생물 농도를 유지하기 힘들고 슬러지 일령도 높게 유지하기 어려워 질산화가 어려울 것으로 사료된다. 겨울철 하수의 수온이 급격히 떨어질 경우 질산화에 어려움을 가져올 수 있다. 미국의 하수처리장에서는 암모니아가 물고기에 미치는 영향 때문에 규제를 하고 있으나 겨울에는 암모니아 농도가 낮아져 큰 문제가 되지 않는다. 생분해가 가능한 유기물질의 양이 작아 완전한 탈질을 이룩하기 어렵다.
인 제거시에 필요한 고농도의 생분해 가능 유기물질도 턱없이 부족하여 인 제거도 규제치가 미국과 같이 1mg-P/L로 낮아질 경우 문제가 발생할 것이다. 또한 우기 시나 운전상 문제가 생겼을 경우 인의 제거에 문제가 있어 화학적 제거 설비를 갖추어야 할 것이다.
고도처리를 할 경우 가장 중요한 운영인자 중의 하나는 슬러지 일령이다. 한국의 경우 대부분 침전지에서 농축된 슬러지를 빼내고 있으나 농축된 슬러지의 정확한 수치를 알아야 정확하게 슬러지 일령을 산정할 수 있다. 선진국의 경우 포기조에서 슬러지를 빼내고 있기 때문에 정확하게 슬러지 일령을 조정할 수 있다. 이러한 방법에 대한 토론 후 실행에 옮기는 것이 바람직하다.
㉲ 최종침전지
최종침전지는 대형 하수처리장의 경우 장방형, 중소형 처리장의 경우 원형으로 되어 있다. 스컴을 제거하는 설비가 최초침전지에는 있으나 최종침전지에는 없어 방류수의 부유물질 농도가 간간히 높다. 스컴 제거 설비를 설치하고 월류언(weir)도 재설계를 해서 슬러지가 벽을 타고 월류언으로 방출되는 일이 없도록 하여야 한다.
㉳ 슬러지
한국의 경우 슬러지에 대한 문제가 매우 심각하다. 미국의 경우 하수슬러지는 하나의 중요한 자원으로 간주하고 가급적이면 재활용하도록 법을 만들어 권장하고 있다. 한국은 축사에서 발생하는 분뇨의 비료화도 제대로 되고 있지 않다는 이유에서 국가적으로 하수슬러지를 비료화하는 것을 막고 있다. 석유 한방울도 안나오는 한국에서 소각이라는 극단적인 방안을 권장하고 있는 것은 모순이다.
최근 최초침전지에서 발생한 슬러지는 농축조를 거쳐 소화조로 가고 잉여슬러지는 곧바로 탈수하는 것을 고도처리안으로 제시하고 있다. 문제는 스크린과 그릿제거가 제대로 되지 않아 많은 이물질이 하수처리 공정에 유입되고 잉여슬러지는 농축조에서 전혀 농축이 되지 않으나 20여년을 똑같이 4%로 농축되어 소화조로 유입된다는 설계치를 그대로 사용하여 왔으나 실제로는 1% 미만의 슬러지가 소화조로 유입되어 체류시간이 매우 중요한 운영인자인 소화조가 제대로 운전될 수 없다. 이러한 근본적인 이유는 배제하고 많은 하수처리장이 소화조를 없애는 방향으로 가고 있는 것은 매우 잘못 된 일이다.
잉여슬러지를 기계식이나 용존공기부유식(dissolved air flotation) 으로 6%까지 농축하면 소화조는 운전이 잘 되고 발생한 메탄가스를 사용하여 전기를 발생할 경우 전체 전력비 중 약 30~50%까지 전기료를 절감할 수 있고 슬러지도 30%까지 감량할 수 있다. 또한 소화조를 거치면 VS율을 50% 미만으로 감소시키고 산소소모율도 <2mg O2/g VS/hr이 되고 병원균도 현저히 제거되어 목적하는 슬러지 안정화를 이룩할 수 있다.
호기성소화조는 미국에서 지난 6∼7년 동안 많은 곳에 도입되었으나 악취발생과 고가의 운전비로 이제는 이미 설치된 곳도 폐쇄하고 있는 실정이다. 슬러지 발생을 최소화 하기 위해서는 슬러지 일령을 늘려야 하나 질산화를 방지하기 위하여 슬러지 일령을 2∼3일 미만으로 운전하여 슬러지 발생량이 5∼50%까지 증가한다.
5. 하수관련 설비
한국은 많은 부분 중요한 일의 의사 결정을 학계에 의존하여 왔다. 이제는 공정개발보다는 설비개발이 더 중요하다. 공정을 개발하여 해외시장에 판매하기 까지는 길이 험란하다. 또한 그 비용을 회수하기가 용이하지 않다. 설비의 경우에는 한국의 저돌적인 운영방식으로 접근할 경우 해외시장에서 성공할 수 있다. 하수업계에는 현장에서 땀을 흘려가며 개발한 많은 설비들이 있으나 제대로 상용화가 되고 있지 않다. 이제는 국내 시장에서 활발하게 사용하여 충분한 검증을 거친 후 세계 시장까지 진출할 수 있는 여건을 마련해 주어야 한다.
업계에서 개발한 설비 제대로 상용화 안돼
선진국에서 축적한 기술 눈여겨보고 배워와야
6. 결론
이제는 교과서에 나오는 원론적인 것은 지향하고 진정한 프로들에 의해 하수처리설비에 대한 전반적인 개선이 필요하다. 교과서에 나오는 것들은 누구나 말할 수 있다. 그러나 그것이 전부가 아니다. 하수처리공정의 일부만 전공한 사람이 자신이 전공한 분야만 중요하다 주장하지 말고 하나의 팀이 되어 모든 공정이 최적화 될 수 있도록 하여야 한다. 선진국에서 축적한 기술을 눈여겨보고 배워와야 한다. 이제는 원론적인 이론이나 개략적인 이론으로 시간을 낭비하지 말고 보다 전문적이고 세심한 곳까지 신경을 써야 할 것이다.
상수도의 경우 수자원공사와 같이 적극적으로 인재를 양성하고 신기술을 도입하고 있으나 하수도의 경우 많은 연구비를 투자하고 전문가도 많지만 아직도 답보상태에 있다. 환경관리공단에서 많은 역할을 하고 있으나 아직도 독립성이 약하고 위탁운영도 제한되어 있어 한계가 있다. 수자원공사와 같은 단체에서 건설부터 운영까지 할 경우 보다 급진적으로 기술이 발전되고 운전경비도 절감될 수 있을 것이다.
환경관련법을 대대적으로 검토하여 완화할 것은 과감히 완화 하고 강화시킬 것도 찾아 장기적이고 다각적인 측면에서 환경을 보존할 수 있는 방안을 마련하여야 한다.
스크린을 미세스크린으로 교체하고 그릿제거 설비도 기계식으로 개선하여야 한다. 생물학적 처리공정은 미디아를 설치하는 방안보다 반응조의 크기를 넓히는 안을 최우선으로 하여야 한다. 슬러지를 포기조에서 빼내 정확하게 슬러지 일령을 통제할 수 있는 방안을 고려하여야 한다. 낮은 유기물질 농도의 유입하수는 고도처리에 많은 문제를 야기시킨다. 안정된 방류수를 배출할 수 있는 공정을 선정하여야 하며 생물학적으로 인제거가 용이하지 않을 경우를 대비하여 화학적 인제거 설비도 설치하여야 한다. 농축조에서 제대로 안되는 잉여슬러지는 기계식으로 6%까지 농축하여 슬러지를 안정화하고 소화조의 운전을 용이하고 효율적으로 하여 에너지를 회수하는 하나의 공정으로 인식이 되어야 할 것이다. 슬러지는 중요한 자원 중의 하나라는 인식을 가지고 법을 바꾸고 많은 연구를 통하여 다각도에서 슬러지를 재활용할 수 있도록 권장하여야 한다.
박재광 교수
·연세대 도시공학과 졸업
·서울대 도시공학(환경공학) 석사
·영국 뉴캐슬업틴대 도시공학(공중보건학) 박사
·미국 캘리포니아 버클리대 위생공학 및 환경위해연구소 협력연구원
·미국 위스콘신대학 건설환경공학과 교수(현)
·미국 수도협회·국제수질협회·수질환경연맹 회원(현)
·본지 해외리포터 겸 자문위원(현)
·Brain Pool 프로그램 초청 KAIST 방문교수(현)
·국제과학연맹 및 미 환경청(EPA) 등의 연구프로젝트 다수 수행
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