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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.28 No.6 pp.657-668
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2014.28.6.657

Characteristics of TOC in effluent discharge from public sewage treatment works in Korea

Dong-Hwan Jeong1, In-Cheol Choi1, Yangseok Cho1, Kyunghee Ahn1, Hyen-Mi Chung1*, Ohsang Kwon1, Hoowon Park2, Hyunsang Shin3, Jin Hur4
1National Institute of Environmental Research
2Greentech Environmental Consulting
3Seoul National University of Science and Technology
4Sejong University
Corresponding Author : Tel : +82-32-560-8340, hyenmic@me.go.kr
October 14, 2014 November 25, 2014 November 28, 2014

Abstract

Under Korea’s Enforcement Decree of the Framework Act on Environmental Policy amended in 2013, total organic carbon (TOC) is newly added as water quality parameter to assess organic pollution in the aquatic ecosystem. To meet the TOC requirement and improve quality of effluent discharged into public watershed, it is also necessary to develop standards for TOC in effluent from public sewage treatment works (PSTWs).

In this study, we reviewed the characteristics and removal efficiency of TOC in influent and effluent of PSTWs. The study found that phosphorus treatment process removed not only soluble phosphorus but also a portion of TOC remaining after the secondary treatment process. TOC concentration in effluent from PSTWs operated in tandem with industrial wastewater treatment work was higher due to influx of insoluble substances from the industrial wastewater treatment work.

In order to lay a foundation for the management of TOC from PSTWs, it is necessary to carry out research on TOC from different perspectives. For example, studies on the generation mechanism of TOC and the impact of TOC on drinking water resources, assessment of effluent qualities through monitoring, and development of measures to control TOC for the preservation of aquatic ecosystem are needed.


우리나라 공공하수처리시설의 TOC 배출특성 및 관리방안 연구

정 동환1, 최 인철1, 조 양석1, 안 경희1, 정 현미1*, 권 오상1, 박 후원2, 신 현상3, 허 진4
1국립환경과학원
2(주)그린텍환경컨설팅
3서울과학기술대학교
4세종대학교

초록


    1.서 론

    현행 공공하수처리시설의 방류수 수질기준 중 유기물질은 BOD, COD 항목으로 관리하고 있 으며 지금까지 BOD 중심의 오염물질 규제와 관 리 및 환경기초시설에 대한 투자로 공공수역에서 BOD 농도는 감소하는 추세이나, 생분해성 유기 물질 처리 위주의 정책에 따른 난분해성 유기물질 저감대책 미비와 도시화 산업화로 인한 비점오염 원 증가를 포함한 외부 오염물질 유입 증가로 인 해 COD 오염도는 정체되어 있거나 증가하는 추 세이다(MOE, 2008; NIER, 2009). 또한 4대강 사업으로 인한 하천의 수리특성이 변화함에 따라 현행 BOD와 COD 중심의 공공수역 정책방향에 대한 수정 필요성이 지속적으로 제기되었다. 이 에 따라 다양한 오염원에 대한 총유기탄소(Total organic carbon, TOC) 발생 및 배출현황 조사 가 필요하고 공공수역에서의 목표수질 달성을 위 한 방안을 마련하는 것이 필요하며, 공공수역의 주된 오염원으로 작용하는 공공하수처리시설의 방류수 TOC 현황에 대한 파악 및 기준설정, 그 리고 기준 달성을 위한 노력이 시급한 시점이다.

    공공하수처리시설의 방류수 수질기준 중 유 기물질 관리지표 항목인 BOD와 COD는 수체 의 탄소량을 산소 소모율로 환산하여 간접적으 로 측정하는 방법이고, TOC는 유기탄소량을 직 접 측정하여 오염 여부를 나타내는 것으로 기존 생분해성 물질 위주의 유기물 관리정책을 보완 하고 수생태계 내에서 난분해성 물질을 포함한 유기물질이 공공수역에 미치는 영향을 직접적으 로 평가하는데 사용될 수 있다(Leenheer and Croue, 2003; Visco et al. 2005). 분석에 고가 의 측정 장비와 전문 인력이 필요하다는 단점이 있으나 측정 분석에 필요한 시간을 단축함으로 써 실시간 오염원 감시 및 대응이 가능하고 정수 과정에서 발생되는 트리할로메탄 전구물질을 제 어하고 응집효율을 증가시켜 정수비용을 절감하 는 등의 효과가 있다(Minear and Amy, 1996; Panyapinyopol et al., 2005).

    환경부에서는 2012년 공공수역 유기물질 관 리 지표항목으로 TOC 항목을 선정하고 관리기 준(안)을 마련하였으며, 2015년 이후 방류수 수 질기준, 배출허용기준, 수질오염총량관리 목표 수질 관리항목으로 정하기 위한 정책을 추진하 고 있다(MOE, 2012a). 수질오염총량관리 제 도에서 TOC 항목을 목표수질 기준으로 도입하 기 위한 연구와 함께 유기물질 관리지표 선진 화 방안이 마련되었으며(NIER, 2011; NIER, 2012) TOC 항목을 환경기준으로 도입하기 위 한 환경정책기본법 시행령을 시행하였다(MOE, 2013a).

    따라서 본 연구에서는 공공수역 수질보전을 위해 공공수역에 수질에 영향을 미치는 주요 오 염원의 하나인 공공하수처리시설에 대한 TOC 배출특성을 조사하였고, 외국의 방류수 수질기 준 조사, TOC 수질기준 설정 등 관리방안에 대 해 고찰하였다.

    2.연구방법

    2.1.조사대상

    본 연구에서는 조사대상 공공하수처리시설 선정 시 전수조사를 보완할 수 있도록 처리시 설 규모, 처리공법, 인처리시설 유무, 산업폐수 처리 연계처리 등을 고려하여 적용하였다. 전국 공공하수처리시설은 2011년 하수도통계(MOE, 2012b)를 토대로 중·대규모(500 m3/일 이상) 시설 505 개소, 소규모(500 m3/일 미만) 시설 2,858 개소로 전체 3,363 개소를 대상으로 분 류하였다. 조사대상은 500 m3/일 이상 하수처 리시설 60 개소, 500 m3/일 미만 하수처리시 설 50 개소 총 110 개소를 선정하였다(Table 1, Fig. 1). 본 연구는 처리효율 분석 및 유입수 특 성 등을 검토하기 위하여 유입수 및 방류수, 연 계혼합수를 채수하였고 총인처리시설의 유입수 도 추가적으로 채수하여 생물학적 처리공정과 물리화학적 처리공정에 대한 처리효율을 효과적 으로 검토하도록 하였다.

    2.2.조사방법

    TOC 방류수 규제기준 설정을 위한 국내외의 TOC 관리 기준설정 관련 문헌 및 사례조사를 통해 외국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기 준 현황과 수질기준 설정 현황자료 수집하여 비 교 분석하였다. TOC 규제기준과 관련한 조사는 on-line 및 국내에서 연구된 TOC 규제기준 관 련 보고서 내용 및 문헌자료를 중심으로 자료를 조사하였다. 또한 미국, 일본, 유럽 등 선진외 국에서의 유기물질 관련 방류수 수질기준 설정 근거(모니터링, 분석, 환경기준, 평가방법 등)와 설정체계에 대한 국내외 연구보고서 조사를 통 해 관련 기준설정 방법론 사례를 조사하였다.

    2013년 분류기준에 의해서 선정된 대상시설 인 500 m3/일 미만 공공하수처리시설 50 개 소, 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 60 개소 의 유입수와 방류수 시료를 채취하였다. 조사항 목은 TOC, DOC, BOD5, CODCr, CODMn, SS, TN, TP, 수온, pH로 총 10 항목이며 발생오염 원 혹은 처리시설별 특성에 따른 중요성을 고려, 공공하수처리시설의 경우 8 항목을 기본 분석항 목으로, TN 및 TP의 처리효율 등 추가적인 검 토를 위하여 10 항목을 분석하였다. 계절별 특 성을 고려하여 총 3회 조사를 실시하였다(2013 년 1회 5 ~ 7월, 2회 9 ~ 10월, 3회 11 ~ 1월). 본 논문에서는 방류수 수질기준 항목인 TOC를 중심으로 BOD 및 CODMn와의 관계에 대해 주 로 설명하였다.

    2011년 공공하수처리시설 운영 실태조사 (MOE, 2012c) 자료분석을 통한 처리시설별 유 기물 처리효율 평가를 수행하였고 처리시설의 규모, 연계대상 오염물질의 종류 및 처리공법별 유기물 처리효율 분석을 통해 운영실태를 분석 하였다.

    3.연구결과 및 고찰

    3.1.외국의 하수처리시설 방류수 TOC 기준 관 리현황

    TOC와 관련된 국외 방류수 수질기준 현황조 사 결과 EU, 미국, 독일에서 하폐수 처리장 방류 수 수질기준으로 TOC를 적용하는 규정은 있으 나 규제항목 보다는 관리 또는 평가항목으로 주 로 사용되고 있으며 자동화가 가능하고 측정값 에 대한 신뢰도가 높다는 장점과 CODCr 측정 시 발생하는 2차 오염물질인 크롬에 대한 규제 강 화 등의 영향으로 TOC를 수질 관리항목으로 선 호하는 경향이 있다.

    유기물질 관련한 EU의 법은 먹는물 취수를 위한 지표수 관리지침(75/440/EEC), 먹는물 관리지침(80/778/EEC), 도시 하·폐수처리 지 침(91/271/EEC) 등이 있는데, TOC 항목을 사 용하도록 되어 있으나 제시된 값은 없다. 도시 하·폐수처리 지침의 경우 다음과 같은 한계값 (Limit value)를 제시하고 있으며, TOC의 경우 BOD 항목과 상관관계가 성립되는 경우에 한하 여 BOD를 대체하여 사용하는 것이 가능하도록 규정하고 있다(Table 2).

    독일의 물관리 및 규제와 관련한 연방법으로 는 가장 상위법인 연방물관리법(Federal Water Act, WHC)이 있으며 지표수보호령(Ordinance on surface waters, OGewV), 폐수관 리령(Wastewater ordinance, AbwV) 등을 규 정하고 있다. 이중 폐수관리령에서는 수체내로 폐수를 배출 및 방류를 허가할 때 적용하도록 57개 업종에 대해서 배출규모에 따라 배출허용 기준(기본항목 COD, BOD5, NH4-N, TN, TP) 을 제시하고 있다. TOC와 관련하여 폐수관리령 제6조(Compliance with the requirements) 에서 폐수 배출허용기준으로 지정된 COD 값은 mg-C/L 단위로 표시된 TOC의 4 배를 초과되 지 않았을 때 기준을 달성한 것으로 간주된다고 규정하고 있다. 한편, 독일에서는 연방과 주간의 물관리와 물에 대한 법제정, 갈등 등 다양한 이 슈들을 원만하게 해결하고 조정하기 위하여 연 방·주정부간 물관리 위원회(Bund/Laender- Arbeitsgemeinschaft Wasser, LAWA)을 설 립하여 운영하고 있으며, 이 위원회에서는 하천 에서 TOC 항목을 물리·화학적 평가항목으로 선정하여 관리하고 있다. Table 3-4

    미국의 모든 오염원에 대한 규제를 수행하 는 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System) 제도에서는 TOC가 구 체적으로 언급되고 있지 않다. 그러나 미국 연 방법(Code of Federal Regulations, CFR)에 근거한 방류수 가이드라인 및 기준(Effluent Guidelines and Standards) 중 폐수배출산업 분류체계로 총 56개 산업업종 및 업종별 503개 세 분류에 대한 기준을 마련하고 있다. 이중 몇 개의 업종에 대해서는 COD 대신에 TOC를 대 체 사용할 수 있는 조항을 가지고 있다(USA, 1984). 미국의 폐수배출산업 분류체계 구분 중 석유정제산업의 경우 염화이온이 1,000 mg/L 이상인 경우에는 COD 대신에 TOC로 대체 가 능하며, BOD5에 대해서는 상관관계가 성립되는 경우 TOC/BOD5 비율을 2.2로 한다는 예외조항 이 포함되어 있어 TOC 사용이 가능하다(USA, 1982).

    3.2.하수처리시설 TOC 배출특성 분석

    수질 및 수생태계 환경기준의 유기물질 지표 항목으로 TOC 기준이 추가됨에 따라서 공공수 역의 TOC 목표기준 달성 및 수질관리를 위해서 는 하수처리시설의 TOC 규제가 뒷받침이 되어 야 한다. 이를 위해서 본 조사 대상시설로 선정 된 하수처리시설의 TOC 배출특성 및 처리효율 을 평가하여 현재 공공하수처리시설의 TOC 현 황을 파악하고 합리적인 TOC 규제기준을 마련 하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있도록 조사결 과를 검토하였다.

    처리시설별 유입수 및 방류수 TOC의 특성을 비교하여 처리효율을 평가하였고 오염물질 성상 에 따른 TOC 배출특성을 검토하기 위하여 공공 하수처리시설의 경우 유입수 성상에 영향을 줄 수 있는 인자들을 고려하기 위하여 조사대상 시 설 선정시 분류한 기준에 의해 유입 하수관거 형 태, 처리공법, 방류수역 지역등급, 연계처리, 총 인처리시설 설치에 따른 TOC 배출특성 및 처리 효율을 분석하였다.

    3.2.1.하수 배제방식에 따른 TOC 배출특성

    중대규모 공공하수처리시설의 경우 하수처리 장의 유입관로의 형태가 합류식과 분류식에 따 라서 유입수질 및 하수량이 큰 영향을 받게 된 다. 본 연구에서 조사한 500 m3/일 이상 공공하 수처리시설 중 합류식 하수관거로 하수가 유입 되는 하수처리시설은 41 개소, 분류식 하수관거 로 하수가 유되는 하수처리시설은 19 개소이다. 하수관거 정비사업 등으로 많은 지역에서 분류 식화가 이루어지고 있으나, 현장 조사결과 합류 식의 분포 또한 상당함을 알 수 있었으며 하수 관거에 따른 분류는 통계 및 기타 자료로 수치 적으로 분리하기가 현실적으로 어렵고, 분류식 화가 100% 진행된 곳에서도 강우에 의한 유입 유량 및 수질이 크게 변하는 것을 고려하여 현 장조사 시 이루어진 대면조사를 통한 분류에 기 초하였다.

    알려진 바와 같이 일반적으로 합류식 하수관 거로 이루어진 유입수의 수질이 낮고 하수량이 많은 경향이 있으며 우수가 분리되어 유입되는 분류식 하수관거에서는 수질이 높고 하수량이 적은 경향을 나타내게 된다. 본 조사결과를 나타 낸 Fig. 2에서도 유입수내의 TOC 및 BOD의 수 질이 분류식 하수관거인 경우가 더 높게 나타나 는 것으로 조사되었다. 분류식 하수관거에서 발 생되는 평균 TOC 농도가 76.6 mg/L로 합류식 하수관거 평균 TOC 농도인 70.5 mg/L 보다 다 소 높은 경향을 나타내었다. 분류식 지역의 유입 유기물 농도가 높고 방류 유기물 농도가 낮게 나 타난 이유는 합류식 지역의 경우 불명수 유입으 로 인한 하수량 증가 및 유입하수 농도의 희석효 과로 설명될 수 있으며 분류식 하수관거가 설치 된 지역의 경우 하수관거 정비가 비교적 근래에 이루어지고 이에 따른 우수와 오수 분리로 인해 유입하수 농도 증가와 함께 TOC 농도 또한 증가 한 것으로 판단된다.

    공공하수처리시설의 분류식 하수관거 지역과 합류식 하수관거 지역에 설치된 처리시설에서 방류수의 평균 TOC 농도는 모두 5.8 mg/L로 차이가 없는 것으로 나타났다. 또한 분류식 하수 관거 지역의 공공하수처리시설 방류수 TOC의 측정범위는 1.6 ~ 39.6 mg/L(N=57), 합류식 관거지역의 방류수 BOD의 측정범위는 0.2 ~ 39.9 mg/L(N=123)로 일부 처리장에서 기준을 초과하는 다소 넓은 범위에서 측정되었다(Fig. 2). 이는 TOC의 경우 분류식 하수관거지역에 서 SBR 공법을 적용하고 있는 G 하수처리장(춘 천, ‘13.11 ~ ‘14.1), BOD의 경우 합류식 하수처 리지역에서 A2O 공법을 적용하고 있는 K 하수 처리장(광주광역시, ‘13.5 ~ 7)에서 최대값으로 나타나 생물학적 처리공정 및 동절기에 효율적 으로 운영·관리하는 것이 필요하다(Fig. 2). 유 입수 및 방류수 모두 BOD에 비해 TOC의 25 ~ 75% 농도 범위가 좁아 데이터의 변동이 작게 나 타났는데 BOD는 생분해도 영향으로 범위가 큰 것에 비해서 TOC는 유기탄소를 직접 측정하므 로 범위가 좁게 나타난 것으로 판단된다. 이는 비교적 처리효율이 높은 MBR 공법 등의 처리공 법을 적용하여 고농도로 유입되는 TOC를 안정 적으로 처리하기 때문으로 판단된다.

    앞에서 TOC와 BOD의 설명에서는 하수배제 방식을 고려하였으나 CODMn의 설명에서는 하 수배제 방식을 고려하지 않고 모든 측정자료를 활용하여 설명하였다(Fig. 3). 하수처리시설 방 류수에서는 TOC의 평균농도가 5.8 mg/L(1.6 ~ 39.6 mg/L), CODMn의 평균농도가 6.9 mg/L(0.2 ~ 35.2 mg/L)로 나타났으며 유입 수에서는 TOC의 평균농도가 72.0 mg/L(9.2 ~ 357.2 mg/L), CODMn의 평균농도가 51.2 mg/L(3.8 ~ 583.3 mg/L)로 나타나 CODMn/ TOC의 비가 0.95 ~ 1.3 정도라는 외국 연구와 다른 결과가 도출되었는데 유입하수 및 방류수 특성 등 다양한 측면에서 검토가 필요한 것으로 보인다(NIER, 2012). 또한 하수처리시설의 방 류수에서 이들 항목의 최대값이 매우 높게 나타 났는데 생물학적 처리공정 개선 및 동절기 효율 적인 운영·관리 등이 필요하다고 판단된다.

    3.2.2.하수 처리공법에 따른 TOC 배출특성

    500 m3/일 미만 공공하수처리시설의 공법별 유입수 및 방류수 TOC 검토 결과는 Fig. Fig 4.과 같 다. 500 m3/일 미만 공공처리시설의 공법별 유 입수 TOC 경향은 500 m3/일 이상 시설과 달리 공법에 따른 차이가 나타나지 않는 것을 알 수 있는데 3회 전체 조사결과를 반영한 것으로 개 별 회차 조사결과 분석에서도 유사한 경향을 나 타내었다.

    방류수 TOC의 결과는 공법분류에 따른 차이 가 크지 않았는데, TOC 평균 처리효율로 비교하 면 A2O 공법 80.0%, MBR 공법 83.2%, Media 공법 78.6%, SBR 공법 72.8%의 처리효율을 보 여 근소하지만 MBR 공법의 TOC 처리효율이 우 수한 것을 알 수 있다. 500 m3/일 미만 공공하수 처리시설의 공법별 처리효율 분석결과 최소 및 최대 편차가 큰 것으로 조사되었으며 이는 공법 에 따른 특성보다는 500 m3/일 미만 처리시설 의 특성상 운영 및 유지관리 상태에 의존하기 때 문으로 판단된다(Table 5).

    500 m3/일 이상 공공하수처리시설의 공법별 유입수 및 방류수 TOC 검토결과는 Fig. 4과 같 으며 그림과 같이 유입수의 TOC는 MBR 공법 에서 높은 경향을 나타내었는데, 이는 유입수질 이 높은 경우 고농도 수질의 처리 안정성을 위해 MBR 공법이 적용되는 경향이 나타난 것으로 판 단된다. MBR 공법은 최근에 그 적용비율이 높 아졌고, 그로 인해 처리분구의 분류식화 비율이 높아짐에 따라 유입수내 고농도 유기물이 조사 된 것으로 사료된다. 특히 MBR 공법의 유입수 평균 TOC 농도가 가장 높은 80.6 mg/L로 조 사되었고, 방류수 TOC의 경우 반대로 동일 공 법계열에서 가장 낮은 3.8 mg/L로 조사되었다. 이러한 결과는 MBR 공법이 도입된 하수처리지 역이 다른 공법계열의 하수처리지역에 비해 최 근 하수관거 정비로 분류식화가 이루어져 유입 수 TOC 농도가 높게 나타난 것으로 판단된다. 또한 반응조 내 7,000 ~ 10,000 mg/L의 고농 도 미생물을 확보할 수 있어 방류수 TOC 농도 를 낮은 수준에서 안정적으로 달성할 수 있었다. Table 5와 같이 TOC 처리효율 검토결과 A2O 공 법, SBR 공법보다 MBR 공법의 처리효율이 높 은 것으로 나타나 MBR 공법이 처리 안정성이 높은 것으로 판단된다.

    3.2.3.지역구분에 따른 TOC 배출특성

    공공하수처리시설의 방류수역 등급에 따라서 TOC 발생특성을 검토하기 위하여 지역등급으 로 나뉘어져 있는 500 m3/일 이상 공공하수처 리시설의 유입수 및 방류수 TOC 결과를 검토하 여 Fig. 5에 나타내었다.

    유입수 TOC의 경우는 지역에 따른 영향이 의 미가 없고 또한 방류수역 지역등급에 따른 경향 성이 나타나지 않았으나 방류수 내 TOC 결과를 살펴보면 Ⅰ 지역 평균 4.1 mg/L, Ⅱ 지역 6.1 mg/L, Ⅲ 지역 6.1 mg/L, Ⅳ 지역 7.0 mg/L로 나타나 방류수역 등급별로 차이가 나타남을 알 수 있다. 방류수역의 총인 기준이 엄격한 지역일 수록 TOC 농도가 낮은 것으로 보아 이는 엄격한 방류수 수질기준 지역일수록 운영관리에 중요성 을 두기 때문에 법적기준에 따른 수질개선 효과 가 발생한 것으로 판단된다. 또한 Ⅰ ~ Ⅲ 지역 일수록 25 ~ 75% 범위가 좁게 나타났다.

    3.2.4.연계처리에 따른 TOC 배출특성

    연계처리수는 유입수 특성을 나타내는데 큰 영향을 줄 수 있으므로 유입수뿐만 아니라 연계 처리 혼합수를 채취하여 분석하였으며 이에 따 른 TOC 발생을 검토하였다. Fig. 6은 공공하수 처리시설의 유입수질에 영향을 미치는 연계처리 수의 유무에 따른 TOC 배출특성을 검토한 결과 를 나타낸 것으로 연계처리수의 종류는 분뇨, 가 축분뇨, 침출수 등이 있으나, 연계량에 따른 유 입수내 TOC 배출특성을 표현하기에는 연계율이 나 연계방법에 따른 차이로 인해 현실적으로 불 가능한 상황이므로 연계처리 여부에 따른 결과 만을 표현한 것이다.

    산업폐수는 산업단지 내의 처리시설에서 처 리되고 있으나 일부 산업폐수가 공공하수처리시 설로 유입되고 있으며 이에 따라서 유입수 특성 이 달라질 것으로 판단되어 ‘2011년 전국오염원 조사’ 자료를 기초하여 본 연구의 조사대상 시설 중 산업폐수가 유입되고 있는 처리시설을 검토 하였다. 그 결과 500 m3/일 이상 공공하수처리 시설 60 개 중 19 개소로 32%에 해당되는 처리 시설에 산업폐수가 유입되고 있다.

    연계처리하는 경우 유입수 및 연계처리 혼합 수를 채취하였는데 연계처리수가 있는 유입수의 농도는 연계처리가 없는 유입수 농도에 비해 중 간농도는 유사하지만 농도 분포가 높은 경향을 나타냈으며 편차 또한 매우 커 운영관리시 주의 가 요구되는 것으로 판단된다(Fig. 6). 공공하 수처리시설 운영관리 업무지침(MOE, 2013b)에 따르면 가축분뇨, 분뇨 및 음식물 처리시설 배출 수 등을 연계처리해야 하는 경우 전처리수의 오 염부하량도 공공하수처리시설의 정상운영에 영 향을 주지 않도록 총질소 및 총인의 오염부하량 은 설계시 유입하수 오염부하량의 10% 이내까지 전처리한 후 연계처리하도록 규정하고 있다. 이 러한 근거로 미루어 볼 때 정상적인 운영이 이루 어지고 있는 처리시설의 경우 연계처리에 따른 유입수 부하 증가율은 제한적이거나 영향이 크 지 않을 것으로 판단되지만, 연계방식에 따른 충 격부하에 대한 검토는 신중한 고려가 필요할 것 으로 판단된다.

    연계처리가 있는 처리시설 유입수 TOC의 편 차는 동일 시설에 대한 조사시기별 농도변화를 분석한 결과 일시적인 현상으로 나타났다. 이러 한 결과를 살펴볼 때 단순히 연계처리 유무에 따 라 농도 편차가 발생하기 보다는 하수 원수의 농 도, 연계처리 유입수 수질 및 연계처리 비율에 따라 차이를 보이는 것으로 판단된다. 한편 방 류수 TOC 결과는 연계처리수가 없는 처리시설 의 방류수 농도가 낮고, 처리효율이 상대적으로 안정적인 것으로 조사되어, 연계처리하는 공공 하수처리시설의 경우 연계처리에 따른 난분해성 물질의 유입으로 인해 방류수 TOC 농도가 높은 것으로 사료되었다.

    3.2.5.인처리시설에 따른 TOC 배출특성

    Fig. 7은 조사대상 공공하수처리시설의 총인 처리시설 설치에 따른 방류수 TOC 분석결과를 검토한 결과를 나타낸 것으로 조사대상 110 개 소 공공하수처리시설에서 조사대상 500 m3/일 이상 공공하수처리시설 60 개소 중 인처리시설 은 44 개소에 설치되었으며 미설치된 시설이 16 개소이다.

    방류수 TOC 농도 분석결과 총인처리시설이 설치된 시설의 TOC 농도가 그렇지 않은 시설의 농도에 비해 비교적 낮은 것으로 조사되었으며 TOC 농도 편차 역시 작게 나타났는데, 처리공 정에서 유입수 대비 약 5.8%의 TOC를 추가 저 감되는 것으로 나타났다. 이는 인처리시설이 설 치되지 않은 하수처리시설의 경우 대부분 Ⅳ 지 역에 해당되므로 유기물질에 대한 방류수 수질 기준이 상대적으로 높게 정해져 있어 비교적 높 은 농도의 방류수 내 TOC가 검출된 것으로 판 단되며 인처리시설이 설치된 하수처리시설에서 는 SS 등 추가 제거가 되므로 방류수 내 TOC 농도 저감에 일정 부분 기여하였기 때문으로 판 단된다.

    3.3.하수처리시설 TOC 관리방안 고찰

    자연상태의 유기물질은 소독과정에서 염소와 결합하여 소독부산물(Disinfection by-products, DBPs)을 생성하여 인체에 유해한 물질 을 생성하는 원인물질이다. 또한 색도와 이취미 를 유발하고 처리를 위한 응집제와 소독제의 양 을 증가시키면서 다량의 슬러지를 발생한다. 유 기물질은 박테리아 등 미생물의 성장에 기여하 고 중금속과 흡착하여 인체에 유해한 물질을 생 성한다. 이러한 영향을 미치는 유기물질은 BOD 및 COD 분석방법을 통해 산소 소모량으로 간접 적으로 유기물질 농도를 측정하였으나 TOC 분 석방법은 직접 유기물질(탄소)을 측정하여 농도 를 알 수 있다. 이러한 TOC 항목을 도입함으로 써 그 동안 배출원 관리에서 제외되었던 난분 해성 및 미량유기물질을 관리대상으로 포함시켜 배출원 특성에 따라 신속하고 빠른 유기물질 측 정 자료를 제공하고 데이터 분석에 대한 평가 및 검토가 용이해 진다. 또한 TOC 항목을 하수처리 시설 방류수 수질기준으로 도입하는 것은 농도 측정 시 자동화가 가능하고 측정값에 대한 신뢰 도가 높다는 장점이 있으며, CODCr 측정 시 발 생하는 2차 오염물질인 Cr에 대한 규제 강화 등 의 이유로 TOC 항목을 선호하는 경향이 있다.

    독일 등 EU에서는 TOC를 환경기준으로 이미 도입하고 있는데, 우리나라는 수질 및 수생태계 환경을 유지하기 위해 2013년부터 하천 및 호소 의 생활환경기준에 TOC를 도입하였다. 이들 국 가에서 하수처리시설에 대한 방류수 TOC 기준 치를 제시하지 않고 있더라도 우리나라 공공수 역에서 수질 및 수생태계 보호를 위해 수질측정 망 운영계획(MOE, 2013c)에 중권역 목표기준 을 설정하였고 이를 달성하기 위해 배출원 관리 가 필요하다. 따라서 공공수역의 수질에 영향을 미치는 하수처리장 등 배출시설에 대한 효과적 인 관리를 위해 아직 설정되어 있지 않는 하수처 리시설 방류수 TOC 기준을 도입하는 것이 필요 하다. 현재 가동되고 있는 공공하수처리시설을 대상으로 TOC 배출실태를 조사하여 방류수 수 질기준 설정을 위한 근거를 마련하는 것이 바람 직하다. 먼저 2013년 1년간의 조사결과를 바탕 으로 하수처리시설 방류수의 TOC 기준설정 방 법론을 검토하였는데 TOC 기준설정의 일환으로 백분위수(Percentile) 방법을 적용하였을 때 방 류수역 등급을 고려하여 95번째 백분위수을 적 용한다면 500 m3/일 이상 시설은 등급별로 5.7 ~ 12.0 mg/L, 500 m3/일 미만 시설은 8.6 ~ 12.8 mg/L TOC 농도가 산출되었다.

    현행 유기물 방류수 수질기준과의 TOC 상관 성 분석을 통한 연계성에 근거한 방법론에 대해 서는 500 m3/일 공공하수처리시설 방류수 TOC 와 BOD의 상관계수는 0.341로 상관성이 낮게 나타났으며 TOC와 CODMn의 상관계수가 0.691 로 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Table 6). 즉 TOC와 CODMn의 상관관계는 있으나 TOC와 BOD의 상관관계는 낮게 나타나 회귀분석을 통 해 구해지는 관계식을 이용한 TOC 기준안의 설 정은 하수의 특성, 규모의 차이, 적용되는 처리 기술의 수준, 방류수 수질기준 지역등급 등을 고 려하여 신중한 해석이 필요하고 하수처리시설에 대한 정밀조사를 통해 통계적 유효성을 파악하 는 것이 필요하다고 판단되었다.

    4.결 론

    TOC를 유기물질 지표항목으로 사용하여 공 공수역의 수질개선을 목표로 관리하는 방향은 간접적인 지표가 아닌 직접적인 지표로 수질오 염 유기물질을 관리하고 오염물질의 다양성 및 난분해성 물질에 대한 대응이 가능하다는 측면 을 지니고 있다. 우리나라는 2013년 「환경정책 기본법 시행령」 개정을 통해 ‘수질 및 수생태계 환경기준’에 유기물질 지표항목으로 TOC를 설 정하였고 공공수역에서 TOC 목표기준 달성 및 수질관리를 위해 하수처리시설에 대한 TOC 수 질기준을 마련하는 것이 필요하다. EU, 미국, 독일 등 외국에서는 하수처리시설 방류수 수질 기준으로 아직 TOC에 대한 수질기준을 따로 정 하고 있지 않지만 개별 하수처리시설에서 BOD 등 유기물질 농도에 비례하여 설정할 수 있도록 하고 있다.

    본 연구에서는 공공하수처리시설의 유입수 및 방류수에서 TOC 특성을 분석하고 처리효율을 평가함으로써 처리시설에 따른 합리적인 TOC 규제기준 적용을 위한 기초자료로 활용하고자 하였다. 공공하수처리시설의 합류식 및 분류식 하수관거에서 유입수 TOC는 분류식 하수관거일 때 더 높은 경향을 나타내었고 반면 합류식 하 수관거 지역의 TOC 농도가 분류식 지역보다 더 높고 편차 또한 큰 것으로 조사되었다. 처리공법 별 TOC 분석결과에서는 500 m3/일 미만 공공 처리시설의 유입수 TOC는 500 m3/일 이상 공 공하수처리시설의 방류수 TOC 농도와 달리 처 리공법에 따른 차이가 나타나지 않았다. 공공하 수처리시설에서 방류되는 공공수역의 지역등급 에 따라 방류수 TOC 농도는 총인 기준이 엄격한 지역일수록 TOC 농도가 낮게 나타났는데 공공 하수처리시설 운영관리에 따라 수질개선 효과가 있는 것으로 판단되었다. 그리고 연계처리를 하 지 않는 하수처리시설의 방류수 TOC 농도가 낮 았고 처리효율이 안정적인 것으로 조사되었다.

    따라서, 공공하수처리시설의 TOC 관리기반 마련을 위해서는 TOC 생성 및 원인물질, 모니 터링을 통한 수질평가, TOC가 상수원 수질에 미 치는 영향, 수생태 보전을 위한 TOC 관리방안 마련 등 다양한 관점에서 TOC와 관련된 조사· 연구를 수행하는 것이 필요하다. 이를 통해 공 공수역에 영향을 미치는 하수처리시설의 방류수 TOC 관리방안을 체계적으로 수립할 수 있을 것 으로 판단된다.

    Figure

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    Map of investigation sites.

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    TOC and BOD in influent to and effluent from PSTWs above 500 m3/day facility capacity according to sewer system types.

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    T OC and CODMn in influent to and effluent from PSTWs above 500 m3/day facility capacity.

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    TOC in influent to and effluent from PSTWs according to treatment methods.

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    TOC in influent to and effluent from PSTWs above 500 m3/day facility capacity according to the area grade of receiving watershed.

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    TOC in influent to and effluent from PSTWs above 500 m3/day facility capacity connected or unconnected to industrial wastewater plants.

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    TOC in effluent from PSTWs above 500 m3/day facility capacity with and without phosphorus treatment process.

    Table

    The investigation status of public sewage treatment works(PSTWs)

    Recommendation values for BOD and COD

    aBOD5 can be replaced by TOC if a relationship can be established between BOD5 and TOC in the plant.
    *Source : Council directive of urban wastewater treatment (91/271/EEC)

    Regulation of TOC in river for LAWA*

    *Source : The Federal Environmental Agency, 2001.
    •LAWA : Bund/Laender-Arbeitsgemeinschaft Wasser (Eng. The German Group on water issues of the Federal States and the Federal Government)

    Secondary treatment standards for publicly owned treatment works(POTWs) in USA

    aTOC may be substituted for BOD5 when a long-term BOD:TOC correlation has been demonstrated.
    *Source : USA, 1984, 40 CFR 133.102 and 133.104(b).

    The removal efficiency of TOC from PSTWs according to treatment methods

    *A/s method : Activated sludge method, A2O method : Anaerobic-anoxic-aerobic method, MBR method : Membrane bioreactor method, SBR method : Sequencing batch reactor method.

    Correlation coefficient among TOC, BOD, and CODMn above 500 m3/day of facility capacity (60 plants)

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