하수처리시설 고도처리

왜 배우는가: 고도처리는 방류수 영양염류 기준 강화와 하천·호소의 부영양화 문제 때문에 기존 하수처리장 개량의 핵심 과제이며, 질소·인 제거 원리와 설계 기준이 여러 교시 문항으로 반복 출제된다. 개념을 정확히 잡아야 설계·개량 문항 모두에 대응할 수 있다.

출제 이력: 제138회 4교시 4번, 제129회 4교시 6번, 제126회 4교시 3번, 제123회 3교시 5번, 제122회 3교시 3번, 제118회 4교시 3번, 제109회 4교시 4번, 제104회 2교시 4번, 제104회 3교시 6번, 제95회 3교시 2번, 제93회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고도처리는 2차처리 후 잔존하는 질소·인 등 영양염류와 난분해성 유기물, 미량 오염물질을 추가로 제거하여 방류수 수질을 높이는 처리이다.

• 고도처리(Advanced Treatment)
• 질소·인 제거(Nutrient Removal)
• 생물학적 영양염류 제거(Biological Nutrient Removal, BNR)
• 질산화·탈질(Nitrification·Denitrification)
• 생물학적 인 제거(Enhanced Biological Phosphorus Removal, EBPR)
• 3차처리(Tertiary Treatment)
• 방류수 수질기준

2. 개념 풀이

하수처리는 보통 1차처리(침사·침전 등 부유물 제거), 2차처리(활성슬러지 등 생물학적 유기물 제거), 고도처리로 나눈다. 고도처리는 2차처리로 제거되지 않는 물질을 대상으로 한다. 쉽게 말하면 2차처리가 '탁한 물을 맑게 하는 단계'라면, 고도처리는 '녹아 있는 영양분을 걸러내는 단계'다.

정식으로는 2차처리 후 잔존하는 질소, 인, 부유물, 유기물, 무기염류를 제거하는 것을 주목적으로 하는 처리를 말한다. 기존 1·2차처리시설을 대체하거나 그 뒤에 추가하는 방식으로 적용한다. 공공수역의 수질보전이나 처리수 재이용을 위해 2차처리시설에 추가 처리시설을 더하는 경우를 3차처리라고 부르며, 두 용어는 실무에서 거의 같은 뜻으로 쓰인다.

질소는 용존산소를 떨어뜨리고, 독성으로 수생태계에 해를 주며, 인과 함께 조류의 과잉 번식을 일으킨다. 인은 담수에서 조류 성장을 제한하는 주요 영양염류이므로 과잉 유입 시 부영양화를 일으킨다. 따라서 고도처리의 핵심 대상은 질소와 인이다.

질소는 생물학적으로 암모니아성 질소를 질산성 질소로 산화하는 질산화와, 질산성 질소를 질소가스로 환원하는 탈질을 거쳐 제거한다. 인은 미생물이 혐기 조건에서 인을 방출하고 호기 조건에서 과잉 섭취하는 원리를 이용해 잉여슬러지로 빼낸다. 화학적으로는 응집제(철염, 알루미늄염)를 주입하여 인을 침전시킨다.

3. 등장 배경과 필요성

하수 성상이 변하면서 기존 재래식 처리시설만으로는 방류수 기준을 맞추기 어려워졌다. 유기물 농도가 높아지고 생활하수와 산업폐수의 유입 비중이 달라지면서 질소와 인의 유입 부하가 커졌다. 이에 따라 질소·인 제거를 위한 3차처리시설 또는 고도처리시설을 도입하는 사례가 늘었다.

방류수 수질기준이 강화된 것도 배경이다. 부영양화의 원인인 질소와 인의 처리가 필요해지면서 생물학적 고도처리가 확산되었다. 경제성 측면에서도 유기물 제거에는 생물학적 처리가 효과적이고 비용이 낮아 널리 쓰인다. 다만 고도처리는 전력 사용량이 크다. 미국 활성슬러지 처리장에서는 운영비의 약 30%가 에너지에 쓰이고, 고도처리 시설은 일반 2차처리보다 에너지를 더 많이 쓴다.

실무에서는 기존 처리장을 개량하는 경우가 많다. 이때 유입 하수 수질의 시간 변동과 계획하수량 변동을 충분히 고려해야 하며, 필요하면 유량조정조를 두어 수량과 수질 변동에 대응한다.