저부하·저농도 하수처리

왜 배우는가: 저농도·저부하 유입은 설계 기준의 전제인 유입수 농도와 유량이 흔들리는 상황이라 처리장이 목표 방류수질을 맞추지 못하거나 운영 비용이 과다해지는 문제로 이어진다. 기술사 시험에서는 원인(지하수 유입, 우수 유입, 관망 미비)과 대응 방안을 함께 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제108회 3교시 2번, 제104회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

저농도·저부하 하수처리는 유입 하수의 BOD 농도나 유량이 설계값보다 현저히 낮아 처리시설의 처리능력과 운영 조건이 맞지 않는 상태에서 방류수 수질과 에너지 효율을 함께 확보하는 처리 방식이다.

키워드

• 저농도 하수
• 저부하
• 유입 BOD 농도
• 지하수 유입
• 우수 유입
• F/M비
• 체류시간
• 운전 최적화

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 하수처리장에 들어오는 물이 설계할 때 가정한 것보다 더럽지 않거나 양이 적은 상태다. 하수처리장은 유입 오염물질을 미생물이 먹어서 없애는 구조이므로, 먹을 거리(유기물)가 적으면 미생물 활동이 약해지고 처리 효율이 떨어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 저농도 하수는 유입 하수의 BOD, SS, T-N, T-P 등 오염물질 농도가 설계 유입 농도보다 낮은 하수를 말한다. 저부하는 단위 시간당 유입되는 오염물질의 질량(부하량, kg/d)이 설계 부하보다 낮은 상태를 말한다. 두 현상은 같은 원인에서 함께 나타나는 경우가 많다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 유입 부하량: 유량과 농도의 곱으로 나타내며, 단위는 kg/d이다.
• F/M비(식 기질 대 미생물비): 유입 유기물 부하를 폭기조 내 미생물량으로 나눈 값이다. 저부하에서는 이 값이 낮아진다.
• 고형물 체류시간(SRT): 미생물이 반응조에 머무는 평균 시간이다. 저부하에서는 미생물 유지에 필요한 시간이 길어져 과도한 산화 상태가 될 수 있다.

저부하 상태에서 F/M비가 낮아지면 미생물이 내원성 물질을 분해하는 자기산화 단계로 들어가 슬러지 생산량은 줄지만 활성슬러지의 침전성이 나빠질 수 있다. 이 점이 설계와 운영에서 함께 고려해야 할 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

하수관거는 원래 우수를 배제하는 목적으로 설치되어 온 경우가 많다. 관망 체계가 미비하면 관거 안의 하수가 지하로 침투하거나 지하수가 관거 안으로 역류한다. 이 결과 건기에는 설계 하수량보다 적은 양이, 우기에는 설계 하수량보다 많은 양이 흐른다. 또 지하수가 섞이면 유입 하수의 유기물 농도가 낮아져 처리 효율이 떨어진다.

인구 감소와 상수 사용량 감소도 원인이 된다. 농촌 지역이나 인구가 줄어든 도시 지역에서는 실제 발생 하수량이 계획보다 적게 나타난다. 이때 처리장 규모는 그대로 두고 유입량만 적으면 처리장의 체류시간이 길어져 미생물 상태가 불안정해진다.

또 공공하수처리시설과 개인 하수 관리 체계가 함께 작동하지 않으면 정화조 방류수나 분뇨 등 고농도 오염원이 적절히 연계되지 않아 유입 농도가 일정하지 않게 된다. 하수도법은 공공하수처리시설의 방류수수질기준을 넘지 않는 하수 등 일부 하수를 공공하수도에 유입시키지 않을 수 있도록 허용하고 있으며, 이는 유입 하수 성상이 바뀌는 원인이 되기도 한다.

그래서 저농도·저부하 문제는 단순히 처리장 운영의 문제가 아니라 관거 정비, 우수·지하수 유입 저감, 기존 시설의 용량 재검토와 함께 풀어야 하는 문제다. 시험에서는 이 배경을 원인별로 나누어 설명하는 답안이 높은 점수를 받는다.

4. 구성요소·원리·절차

저농도·저부하 하수는 활성슬러지법에서 먹이와 미생물의 균형이 깨지는 문제로 나타난다. 설비별 기능과 처리 원리를 함께 보면 어느 단계에서 영향이 생기는지 알 수 있다.

저농도는 하수관거의 지하수 침입과 우수 유입으로 생긴다. 관거 내 흐름이 희석되어 유입 BOD와 SS가 낮아진다. 저부하는 인구 감소, 산업폐수 감소, 관거 미비로 유입 오염물질의 총량이 적은 상태다. 두 조건이 겹치면 처리장 전체의 F/M비가 떨어진다.

표의 설비 중 폭기조와 2차침전지가 운전 조건 변화에 가장 민감하다. 두 설비의 상태를 F/M비와 SRT로 묶어 판단한다.

원리는 미생물이 하수 속 유기물을 산화해 에너지를 얻고, 그 에너지로 새 세포를 합성하는 것이다. 유기물 부하와 미생물량의 비가 F/M비다. F/M비가 낮아지면 미생물은 먹이 대신 자기 몸을 산화한다. 이 상태에서는 산소 소모는 늘지만 처리 효율은 오르지 않는다.

$F/M = \frac{Q \cdot S_0}{V \cdot X}$

Q: 유입 유량(㎥/d), S0: 유입 BOD(kg/㎥), V: 폭기조 용적(㎥), X: 폭기조 MLSS 농도(kg/㎥). 단위는 kg BOD/(kg MLSS·d)이다.

고형물 체류시간(SRT)은 미생물이 시스템 안에 머무는 평균 기간이다. 저부하에서는 SRT가 길어져 슬러지가 노화하고 침강성이 나빠지기 쉽다.

$\theta_c = \frac{V \cdot X}{Q_w \cdot X_r + (Q - Q_w) \cdot X_e}$

Qw: 잉여슬러지 유량(㎥/d), Xr: 반송슬러지 농도(kg/㎥), Xe: 처리수 SS 농도(kg/㎥).

계산 예: Q=10,000㎥/d, S0=100mg/L(=0.1kg/㎥), V=3,000㎥, X=2.0kg/㎥이다. 유기물 부하는 10,000×0.1=1,000kg/d이고, 미생물량은 3,000×2.0=6,000kg이다. 따라서 F/M=1,000/6,000≈0.17kg BOD/(kg MLSS·d)이다. 이 값은 0.2보다 낮아 저부하 영역이며, 상식 범위의 결과다.

절차는 다음과 같다.

• 유입 하수를 스크린과 침사지로 보내 부유물과 모래를 제거한다.
• 1차침전지에서 SS를 일부 침전시킨다.
• 폭기조에서 활성슬러지와 혼합하고 산소를 공급해 유기물을 산화한다.
• 2차침전지에서 활성슬러지를 침강시켜 상등액을 분리한다.
• 침전 슬러지의 일부를 폭기조로 반송하고 나머지는 잉여슬러지로 뺀다.
• 처리수를 소독한 뒤 방류한다.

5. 관련 법령·기준·표준

관련 법령의 중심은 「하수도법」이다. 공공하수처리시설의 방류수 수질기준은 유입 부하가 낮아도 반드시 충족해야 한다. 하수도 계획의 목표연도는 목표연도 20년 을 원칙으로 한다.

하수도법 제28조는 방류수 수질기준을 초과하지 않는 하수를 공공하수도에 유입시키지 않을 수 있도록 한다. 이 경우 공공하수도관리청의 허가를 받아야 한다. 제28조는 2025년 10월 1일에 마지막으로 개정됐다.

저부하 설계와 운전에 쓰는 기준값은 다음과 같다. 표의 값은 설계와 운전의 출발점이다.

표의 값은 저부하에서 F/M과 SRT를 맞추는 방향으로 읽는다. 반송률과 폭기량을 조정하면 F/M비를 기준 안으로 되돌릴 수 있다.

방류수 기준은 유입 부하가 낮아도 그대로 충족해야 한다. 따라서 저부하 처리장은 설비를 줄이기보다 운전 조건을 바꾸는 쪽으로 대응한다.

기준의 개정 흐름도 함께 본다. 2026년 7월에는 하수도정비기본계획 수립지침이 개정되어 하루 처리용량 5,000㎥ 이상 시설의 하수열 활용 가능성을 검토하도록 했다. 개정 연혁은 법령 조문의 최종 개정일을 기준으로 확인한다.