[사이언스 온고지신]<6>하수의 고도처리

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급격한 인구증가와 함께 생활수준 향상으로 자연환경으로 배출되는 오염 물질이 급격하게 증가하고 있다. 지역 환경은 물론 지구환경이 심하게 오염돼 환경 문제에 대한 국민의 관심이 점차 높아졌다. 중세기부터 수질환경 폐수의 70%를 차지하는 하수의 수인성 전염병을 차단하고 있지만 최근에는 선진국을 중심으로 영양염을 제거하는 고도처리시설이 도입되고 있다.

[사이언스 온고지신]<6>하수의 고도처리

영양염은 질소, 인으로 구성되며, 최근에 담수 부영양화, 즉 녹조를 발생시키는 주요원인으로 등장했다. 배출량으로는 질소가 인의 수십 배에 해당하므로 영양염류를 제거하는 기술이 주로 질소 제거에 주안점을 두고 있다. 부영양화 방지를 위한 관점에서는 인이 더 핵심적인 원소로 작용하고 있다. 질소를 배출하는 것은 주로 하수이고, 그 외에 가축 분뇨, 동물 사체 등이 차지하지만, 인의 주요 배출원은 농약과 난연제 등 산업제품이다.

질소의 주요배출원인 하수를 처리하기 위해서는 기존 하수처리시설에 탈질시설을 추가해야 한다. 그러나 인구밀도가 높고 토지 가격도 높은 도시지역에 이 탈질시설을 구축하기 위해 새로운 토지가 필요하다. 이를 위해 지하에 구축물을 설치하고 있는 국내의 도시하수처리시설과는 다르게 일본 도쿄 하수처리국은 2002년에 네덜란드로부터 활성 슬러지모델과 이와 관련된 제어 시스템을 도입했다. 탈질단계에서 이론상으로 질소성분의 약 2.6배에 해당하는 생물학적 산소요구량(BOD)이 소요된다. 기존의 생물반응조(폭기조)를 탈질조와 호기성 생물반응조로 나누어서 운영할 수 있다는 가설을 현장의 운영과정에서 확인할 수 있다.

이 과정에서 하수처리장의 모든 인자를 조절할 수 있는 제어 시설이 설치됐다. 유지 관리비도 대폭 절감할 수 있었으며, 활성 슬러지모델을 설치하지 않았던 하수처리장에서도 동일한 운전방법을 도입해서 상당한 유지관리비를 절감할 수 있었다. 제어시스템 외에 생물반응조의 전단부와 후단부를 분리해서 전단부 용존산소농도(DO)를 0.5㎎l 이하의 통기성으로 유지하고, 후단부의 DO를 1.3㎎l으로 유지시켰다. 또한 탈질을 위해서 반송되는 슬러지의 비를 유입량의 1.6배로 설정했다.

국내에서는 하수처리장 고도처리를 위해 여러 공법을 적용하고 있으나, 대부분의 처리장이 빈부하에서 운전되고 있기 때문에 탈질효율이 낮다. 이를 보완할 수 있는 새로운 공법을 찾는 중이다. 유입수의 낮은 수질문제만 해결할 수 있다면, 일본의 활성 슬러지모델운영에서 확인된 바와 같이 모델에서 제시한 운전조건을 적용해서 국내 하수처리장의 문제를 거의 해결하고 에너지비용도 20~50%까지 절감할 수 있다고 본다.

유입되는 하수의 낮은 BOD 문제를 해결하기 위해서는 우수와 하수를 분리하는 관로작업이 조속히 완공해야한다. 최근 연구결과에서는 분리관로에서도 혐기성분해에 의해 유입하수의 BOD가 낮게 나타나므로 관로와 관련된 문제를 해결해야 한다. 운전과정에서 발생하는 잉여 슬러지를 오존이나 이산화염소 등으로 분해해서 유입수에 혼합시키면, 유입수질도 높이고 폐기물발생도 절감할 수 있다고 본다. 빈부하 처리장에서 반응조용량과 폭기량을 조절한다면, BOD 저하문제를 다소 완화시킬 수도 있다.

최근에는 동절기에 하수처리장의 질소제거효율이 문제로 되고 있다. 즉 13도 이하 수온에서는 탈질 박테리아의 대사활동이 급격하게 저하하기 때문에, 이를 위한 대책에 부심하고 있다. 폭기량을 조절해서 수온저하를 어느 정도 해결할 수 있지만, 혹한기에 발생하는 문제를 해결하기 위해서는 별도의 대책이 필요하다. 즉 처리수 후단에 7도 수온에서도 탈질기능이 있는 박테리아나 균주를 사용하는 생물필터를 추가하거나 흡착시설을 설치하는 방법이 있다. 국내에서는 흡착제로서 고가의 활성탄을 종종 사용하지만, 왕겨, 비산재 등 농·공업부산물, 찰흙, 섬아연광 등 광물, 버드나무, 밤나무 등의 식물줄기를 저가흡착제를 사용해도 처리수질을 현저하게 개선할 수 있다.

대부분 미생물로 하수를 효율적으로 처리할 수 있기 때문에 새로운 시설을 추가할 필요는 없다. 해외에서는 활성슬러지 처리시설의 유지관리와 관련되는 연구가 종종 발표되고 있지만, 국내에서는 극히 드물고 관심도 낮다. 환경시설의 처리효율만을 논의하던 시대는 이미 지나갔고, 세계적으로 비용을 고려하는 처리방법과 유지관리법이 각광을 받는 시점에서, 국내에서도 적극 동참해야한다. 타 산업에서 확인된 바와 같이 처리장의 유지관리비를 절감하기 위해서는 일부 시설보다 전체 공정을 대상으로 검토해야만, 대폭적인 절감이 가능하다.

이 복 춘 한국과학기술정보연구원(KISTI) ReSEAT 프로그램 전문연구위원

bchlee46@reseat.re.kr