대학생을 위한 하수처리의 이론과 설계

제1장 하수처리의 개요 / 15
제2장 하수의 성분과 이화학적 특성 / 25
제3장 반응공학 및 물질수지 / 49
제4장 하수량 / 68
제5장 하수의 물리적 처리 / 88
제6장 하수의 화학적 처리 / 132
제7장 생물학적 처리의 기초 / 176
제8장 활성슬러지 / 202
제9장 살수여상과 회전원판법 / 241
제10장 생물학적 질소ㆍ인 제거공정 / 263
제11장 혐기성 반응과 처리공정 / 298
제12장 슬러지처리 및 처분 / 318
제13장 하수의 재이용과 고도하수처리 / 364

참고문헌 / 401
부록 / 405
찾아보기 / 431

제1장 하수처리의 개요

1-1. 하수처리 정의 및 목적

1) 하수(Sewage)의 정의

우리나라는 지난 60여 년 동안 급격한 산업화, 도시화 과정을 거치면서 인구 증가, 경제 및 소비활동으로 인해 다양한 종류의 수질오염 물질이 배출되어 왔으며, 이로 인해 수질 환경이 점차 악화되고 있다. 우리나라의 하수도법에는 『하수(Sewage)는 생활이나 사업에 기인하거나 부수되는 오수ㆍ빗물과 건물 또는 그 밖의 시설물의 부지로부터 공공하수도에 배출되는 지하수를 말한다.』라고 정의하고 있다. 따라서 수질오염 물질이 포함된 물이 혼합되어 그대로 사용할 수 없는 상태의 물을 하수로 규정하며, 하수(Sewage)는 용수 및 상수(Water supply)에 대응하는 용어로서 생활하수, 우수 및 공장폐수 등을 모두 포함한다.

2) 하수처리의 목적

발생된 하수를 처리하지 않고 그대로 방치하거나 불완전하게 처리하여 방류하면 하천, 호소, 만 등의 수계에 다음과 같은 심각한 문제가 발생한다.

－ 유기물 분해에 따른 수중의 용존산소의 고갈 및 악취 발생에 따른 상수 사용 불가
－ 병원성 미생물에 의한 수인성 전염병의 만연
－ 질소와 인과 같은 영양물질에 의한 부영양화
－ 유해 화학물질의 영향에 의한 급·만성중독

생활과 경제활동 등에서 발생되는 수질오염 물질이 수계가 가지고 있는 정화능력을 초과하여 배출되면 하천, 호소, 만 등은 심각한 수질오염을 겪게 된다. 따라서 하수처리는 발생된 하수를 수질환경 보전법과 지역사회가 요구하는 적절한 수준까지 처리하여 수계의 수질을 보전하기 위한 기술이다.
하수처리의 궁극적 목표는 공중보건과 아울러 경제적, 사회적, 정치적 이해관계에 상응하여 수자원을 보전하고 수질환경을 보호하는데 있다. 하수처리공학은 화학, 생물학 등의 기초 이론을 바탕으로 토목공학 및 환경공학 분야에서 수질오염 방지에 기여하는 종합기술로 분류된다.

1-2. 하수처리 기술의 발전과 역사

1) 하수처리 기술의 발전

산업혁명 이후 산업화와 도시 집중화에 따른 도시의 위생환경은 극도로 열악해졌다. 19세기 말 콜레라가 수인성 전염병의 주원인으로 파악되면서 위생적인 하수도의 건설의 필요성이 제고되었으며, 하수의 집수 및 처리가 시작된 직접적인 계기가 되었다.
1800년대 후반부터 영국 런던의 템즈강 인근 하천에서 생활하수에 포함된 부유 고형물질(Suspended solids, SS)이 하천에 침전되어 하천의 퇴적물(Sediment)이 부패되고 수질이 악화되고 있음이 발견되었다. 이에 따라 하수에 포함된 부유 고형물질의 제거를 위한 침전이나 여과법 등 그 제거 방법을 심각하게 고려하게 되었다.
그러나 생활하수에 포함된 용해성의 유기물질은 침전이나 여과법에 의해서는 제거되기 어렵다. 이러한 물질이 하천으로 배출되면 생물화학적 반응 작용에 의하여 물속의 용존산소를 고갈시켜서 오염을 일으킨다. 이러한 이유로 용해성 유기물질을 효과적으로 제거하는 방법에 대한 연구의 필요성이 제기되었다.
1875년 영국의 Franklin은 부착성 미생물을 이용한 모래 여상법을 개발하였다. 그러나 이 공법은 여상의 모래의 공극이 쉽게 막히는 현상이 자주 발생하여 모래대신 자갈을 이용하는 공법으로 발전하였고, 이것은 초벌여상 또는 살수여상법(Trickling filter)으로 불리게 된다. 이 방법은 각종 생물막법의 원조가 되었으며 오늘날까지도 널리 사용하는 유용한 공법이다.
1910년 Black과 Phelps는 하수의 고액 분리와 포기에 대해 실험실적 연구를 수행하였으며, 1914년 Arden과 Lockett은 이를 체계화시켰다. Arden과 Lockett은 하수구에서 발생하고 있는 부유성장 미생물에 의한 유기물질의 분해과정과 침전현상을 관찰하여 이를 집약적으로 수행할 수 있는 활성슬러지법(Activated sludge)을 개발하였다. 활성슬러지공정은 미국과 영국 등의 도시 지역을 중심으로 건설되었으며, 독일과 네덜란드 등의 유럽지역에서도 활성슬러지공정을 이용한 하수처리장의 건설이 급속도로 확산되었다. 현재 전 세계의 거의 모든 하수처리장이 채용하고 있는 공법으로 발전하였다.
이러한 공법들이 널리 연구 보급되어 많은 도시 하수처리장에 설치되었음에도 불구하고 유입하수의 부하량의 변동과 운영상의 문제에 따라 2차 침전지에서 벌킹과 같은 현상이 발생하였다.
1900년대 초반에서 1960년대 까지 이러한 벌킹 현상을 방지하는 노력이 경주 되었고, 벌킹 문제를 해결할 수 있는 많은 수정 공법(Modified process)이 제안되었다.
같은 시기에 공정해석 이론을 바탕으로 한 활성슬러지공정 설계기술이 발전하였으며, 질산화에 대한 관심도 서서히 증가하였다. 아울러 membrane을 이용한 용존산소 측정기가 개발됨으로서 질산화에 대한 용존산소의 영향이 기술적으로 확인되었다.
1970년대 초반에 들어서면서 슬러지 벌킹현상을 제어하기 위한 선택조 개념이 도입되었으며, 질산화와 아울러 탈질공정의 개발이 시작되었다.
이 시기에 유럽과 미국에서는 수자원 보호(Water resource conservation)에 관심을 보이기 시작하였다. 호소와 하천의 녹조현상 원인이 하수에 포함되어 있는 질소(N)와 인(P)라는 것이 규명됨에 따라 질소와 인을 제거하기 위한 공법들이 개발되기 시작하였고, 1980년대에 들어서는 거의 모든 하수처리장에 적용되었다.
1990년대부터 현재까지 반응조의 수리적인 특성을 이용한 효율적인 처리시스템과 유전공학을 이용한 난분해성 물질의 제거, 하수의 재이용분야에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또 하수처리수의 재활용이 실제 현장에 적용되고 있으며, 하수와 슬러지의 자원화개념이 도입되어 그 적용이 빠른 속도로 확산되고 있다.

2) 생물학적 처리공정의 모델개발

1940년대 후반 Monod에 의해서 작성된 순수배양기(Pure culture)의 생물반응 이론은 Eckenfelder, McKinney 등에 의해 하수처리 시스템 혼합계에 적용·정립되었으며, 설계이론으로 발전하였다. 1970년대 Lawrence와 McCarty는 완전혼합 연속반응기(CFSTR)와 압출형 흐름반응기(PFR)등의 반응이론과 결합한 수학적 모델을 제시하여 생물학적 처리공정의 설계이론을 정립하였다.
최초의 활성슬러지 시스템에 대한 예측 모델은 호기성 상태에서 종속영양(Heterotrophs)세균에 의한 유기물의 제거 기작을 수치 모델화한 것이다. 이것은 그 후 독립영양(Auto trophs) 박테리아에 의한 질산화반응, 무산소(Anoxic) 반응조에서 종속영양세균에 의한 탈질화(Denitrification)반응에 의한 질소 제거, 인 과잉 섭취 미생물에 의한 혐기/호기 상태에서 인 제거 등에 관한 예측 모델로 발전하게 된다.
한편 1980년대에는 전 세계적으로 많은 학자들이 반응 및 설계이론을 제안하였고, 반응 및 설계이론에 대한 표준화가 필요하다고 의견을 모았다. IAWQ의 전문가 그룹(Task force group)을 결성하였으며, 1987년에는 IAWQ ASM No.1(Activated sludge model No.1), 2001년에는 ASM No.2(1994)와 ASM No.3를 발표함으로서 전 세계가 공동으로 이용할 수 있는 표준 설계 및 운영모델을 제시하게 되었다.
이러한 수학적 모델은 하수처리 공정에 적용 및 실용화됨으로써 궁극적으로는 전문가 시스템(Expert system)과 같은 자동제어시스템에 적용하게 되었다.

3) 한국의 하수처리 역사

우리나라의 경우 근대적 의미의 하수도는 일제 강점기(1918～1945년)에 건설되었으며1970년대 후반에 들어와서야 비로소 하수처리에 관심을 가지기 시작하였고, 1976년 청계천 하수처리장 건설을 시작으로 하여 하수처리공정의 적용이 시행되었다.
1990년대 수질환경 보전법의 강화에 의해서 전국적으로 많은 하수처리시설이 완공되어 운영되었으며, 1990년대 후반에는 질소와 인의 제거 기술이 처음으로 적용되었다. 2000년대에 들어서 비로서 질소와 인을 제거할 수 있는 고도처리 공법이 거의 모든 하수처리장에 시행되었다.
우리나라는 하수처리 분야에서 빠르게 기술발전을 이루어왔다. A/O, A2/O, 산화구(Oxidation ditch), MBR, SBR 및 수정 공법, 생물막(Biofilm) 등과 그 변형된 공법들이 개발되어 하수처리장에 실제로 적용되고 있다.

1-3. 하수처리 관련 법규와 규제 동향

우리나라는 환경정책 기본법에 의해 수역별, 항목별, 등급별로 수질 기준이 설정되어 있다. 수역별로는 하천, 호소, 해역으로 구분하고 있으며 항목별로는 생활환경기준, 건강보호기준으로 구분하고 있다. 생활환경 기준항목은 pH, BOD, COD, SS, DO, 대장균수, 총질소. 총인의 8개 항목이며, 건강보호 기준항목은 Cd, As, CN, Hg, 유기인, Pb, Cr6＋, PCBs, 음이온 계면활성제 등 17개 항목이다. 등급별로는 하천, 호소를 1등급부터 7등급까지 7단계로 구분하고 있으며, 해역은 1등급부터 3등급까지 3단계로 나누어 차등 설정하고 있다.
이러한 수질 환경기준을 달성하고자 하천 주변의 오염원 분포, 지형, 수리현황, 수역의 동질성 등을 고려하여 수질 목표 등급과 목표 달성 기간을 설정하는 등 수질관리의 목표를 설정하여 관리하고 있다. 또한 이를 위한 규제 수단의 하나로서 수질환경보전법에 폐수 종말처리 시설과 하수 종말처리 시설의 방류수 수질 기준과 개별 산업체의 배출허용 기준을 규정하여 관리하고 있다. 최근에는 수질오염 총량 관리제도와 아울러 농도를 중심으로 한 규제도 함께 병행하여 시행하고 있다.
다음 그림 1.2에 하수처리와 관련된 각종 법규와 소관업무를 요약하여 나타내었다.

배출 허용기준은 개별 배출업소에 적용하는 규제 기준으로써 환경정책기본법에 명시된 환경(수질)기준과 하천의 환경용량을 고려하여 설정하도록 되어 있다. 지역별로 4단계(청정, 가, 나, 특례지역)로 구분하고, 폐수 배출량이 2,000 m3/일 이상과 미만으로 구분하여 설정하고, 배출 허용기준을 지역별, 규모별로 차등 적용하여 농도 규제에 따른 문제점을 보완하기 위해 노력하고 있다. 방류수 수질기준은 하ㆍ폐수 처리시설 및 분뇨 처리시설과 같은 종말처리시설에 적용되는 기준과 같다.
수질오염 총량 관리제도는 하천의 목표 수질을 정하고, 이 목표 수질을 달성할 수 있는 허용 할당 부하량을 산정하여 유역에서 배출되는 오염물질의 양을 허용 부하량 이내로 관리하는 제도이다. 이제도는 배출 허용 기준 중심의 농도 규제만으로는 오염부하의 양적 증가를 통제하기가 곤란하고, 하·폐수 배출업체의 급증으로 인해 개별 오염원에서 배출 허용기준을 준수하더라도 하천에 유입되는 오염물질의 총량이 늘어나 목표수질 달성이 곤란하다는 점을 극복하기 위해 도입되었다.

1-4. 하수처리방법의 분류

1) 계통별 분류

하수처리장은 그림 1.3에 나타난 바와 같이, 전처리(Pretreatment), 1차 처리(Primary treatment), 2차 처리(Secondary treatment), 3차 처리(Tertiary treatment), 고도처리(Advanced treatment), 그리고 슬러지 처리 및 처분시설로 구성된다.

가) 전처리
전처리에서는 후속 처리시설과 처리공정에 악영향을 줄 수 있는 천, 막대기, 모래, 자갈, 기름성분 등의 물질을 사전에 처리하는 공정이다.

나) 1차 처리
1차 처리는 하수에 포함된 부유 고형물질 및 부유 유기물질을 제거한다. 전형적인 1차 처리에서는 유입 하수내의 부유 고형물의 약 60%정도가 제거된다. 이 부유 고형물에 동반되어 제거되는 BOD는 유입수 BOD의 약 30% 정도이다.

다) 2차 처리
2차 처리는 생분해가 가능한 용해성의 유기물질을 제거하는 공정이다. 최근에는 영양염류 제거와 소독공정도 2차 처리에 포함시키는 추세이다. 2차 처리에서는 용해 및 콜로이드성 유기물을 바이오매스인 미생물 세포로 전환시킨다. 바이오매스는 침강 분리한 후 반송시켜서 반응조 내의 미생물농도를 일정하게 유지시키는데 이용되며, 그 나머지는 잉여슬러지로 제거된다.

라) 3차 처리
3차 처리는 여과재, 천, 미세 스크린 등을 이용하여 2차 처리 후 남아 있는 부유물질과 용해성 물질의 제거를 위한 추가 처리로서 부영양화(Eutrophication)와 관련되는 질소 및 인 화합물, 식물영양염류 등을 제거한다. 이러한 인과 질소 화합물은 물리적, 화학적, 생물학적 공정의 조합으로 제거할 수 있다. 고도처리 역시 물의 재이용을 위하여 2차 처리 후 용해성 또는 부유성 물질을 제거하는 공정이다.

마) 슬러지 처리처분
2차 처리에서 생성된 잉여 슬러지는 내생호흡(Endogeneous respiration)이나 다른 미생물에 의하여 생분해된다. 2차 슬러지는 대개 1차 슬러지와 합하여 슬러지 처리처분 시설로 이송된다.
슬러지 처리처분 시설은 슬러지 양을 줄일 수 있는 감량화 시설(농축, 탈수, 건조)과 소화를 시켜 안정화시킬 수 있는 안정화 시설(혐기성소화조)로 구성된다. 혐기성 소화공정에서는 고농도의 유기물질이 주로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2), 소화액, 불활성 고형물로 전환되는데, 이때 발생하는 메탄은 상당한 발열량을 가지고 있어서 처리장 동력 소요량의 일부를 보충하는 데에 사용할 수 있다.
탈수 과정 중 발생하는 액체는 고농도의 유기 화합물이 들어있기 때문에 처리장에서 순환시킨 후, 처리한다. 고형 찌꺼기는 광물질 함유량이 많아, 농지의 토질 개량제와 비료로 사용할 수 있다.

2) 처리 공정별 분류

하수처리에 이용되고 있는 공정을 공학적인 개념으로 분류하면 물리적 공정, 화학적 공정, 생물학적 공정으로 구분할 수 있으며, 하수처리장은 이러한 단위 공정의 조합으로 이루어져 있다.

가) 물리적 공정
물리적 공정으로는 스크린, 혼합, 침전, 부상, 여과, 흡착 및 기체 전달 등을 들 수 있다.(표 1.1) 침전(Sedimentation)은 용수 및 폐수 중의 입자 및 콜로이드를 제거하는데 이용된다. 입자들이 너무 작아서 상당한 시간이 걸리는 경우에는 화학약품을 투입하여 응결시키는 과정을 통해 입자크기를 키워서 빨리 가라앉도록 한다.
여과(Filtration)는 물속 부유 고형물을 제거하는데 이용되며 하수보다는 용수처리에서 흔히 사용되고 있는데 최근에는 물의 재사용을 위해 하수처리분야에서도 많이 사용되고 있다. 최적의 여과 속도와 입자의 제거를 위해서 크기에 따라 여재를 분류하여야 하며, 여재에 끼어 있는 불순물들을 정기적으로 제거하기 위한 장치가 필요하다.
흡착은 특정 오염물질과 흡착제 사이에 작용하는 물리력을 이용하여 특정 오염물질을 제거하는 공정이다.
기체 전달(Gas transfer)은 용수와 폐수에 다 같이 적용되며 처리 목적에 따라 기체가 액체로부터 나오기도 하고 들어가기도 한다.

나) 화학적 단위공정
화학적 단위공정은 물리적공정과 연계하여 질소, 인제거와 2차처리를 목적으로 개발되어 왔다. 하수처리에 이용되는 화학적 단위공정은 화학적 응집침전, 화학적 흡착, 살균, 그리고 산화와 고도산화 공정 등이며 화학적 단위공정의 적용은 표 1.2와 같다.

다) 생물학적 단위공정
생물학적 단위공정은 일반적인 하수구나 하천에서 일어나는 자정작용의 원리를 고효율로 집적화시킨 기술이다. 용해성 또는 콜로이드성 유기물을 생물체로 변화시키고, 이 생물체를 다시 액체로부터 분리시키는 2차 처리가 바로 생물학적 공정이다. 이러한 생물학적 공정은 가장 좋은 환경조건에서 미생물과 유기물이 잘 접촉되도록 설계해야 한다. 2차 처리에서 분리된 생물체(Biosolids)를 슬러지라 하며, 이는 농축된 폐기물로서 슬러지처리처분시설에서 적절하게 처리된다.

1-5. 장래 하수처리의 방향

1900년대 초반에는 침전성 및 부유고형물질과 유기물질의 제거가 하수처리의 주된 관심사였으나 1960년대를 지나면서 질소와 인과 같은 영양염류의 제거에 초점이 맞추어져 하수처리기술이 발전해왔다. 2000년을 전후해서, 하수처리수의 재사용에 대한 관련 기술이 보급되었다. 특히 기후변화가 지구촌의 이슈가 되면서 슬러지와 같은 유기성 폐기물을 자원으로 인식됨에 따라 에너지 절약형의 하수처리기술이 요구되고 있으며, 관련기술들도 빠른 속도로 진화하고 있다. 이러한 관점에서 장래 하수처리기술의 요구되는 방향을 다음과 같이 요약하였다.

저탄소사회형 하수처리기술의 개발과 보급(에너지와 자원회수)
－ 중소도시에 적합한 인공습지기술
－ 에너지 절약형 하수처리기술
－ 하수슬러지, 분뇨 및 유기성폐기물에 대한 복합바이오매스

지구온난화 대응 하수처리기술
－ 폐쇄성 수역의 수온상승과 이에 따른 부영양화 적조의 가속:
높은 처리 수준의 고도처리기술 요구
－ 자연재해대비 하수처리기술
해수면 상승을 대비한 하수처리장 설계와 운영
해수면 상승과 빗물 저류조

분산형 소규모 하수처리시설
－ 대형처리장 중심의 시설들은 하수재이용에 문제점 발생
조경용수, 화장실용수, 냉각용수 등, 하수처리수의 재이용이 가능
－ 하천유지수량의 확보가능

공정의 최적화와 성능개선에 따른 효율향상
－ 방류수 수질기준의 상향조정에 따른 Upgrade와 Retrofitting
－ 운영기술의 합리에 따른 Upgrade와 Retrofitting
－ Expert System의 도입

합류식유입하수(Combined sewer overflow, CSO)의 대책

재이용을 위한 미래형 처리공정의 개발과 보급
－ 음용목적의 재이용기술