고도하수처리

왜 배우는가: 고도하수처리는 하수처리장 방류수가 하천과 호소, 바다의 수질에 미치는 영향을 줄이기 위해 필요한 공정이다. 질소와 인은 2차 처리로 충분히 제거되지 않으므로 별도의 처리 단계와 설계 기준이 필요하며, 3개 회차에 걸쳐 출제된 기본 개념이다.

출제 이력: 제129회 1교시 11번, 제128회 4교시 6번, 제96회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

고도하수처리는 2차 처리로 충분히 제거되지 않는 질소·인 등 영양물질과 특정 미량 유기화합물, 무기 이온물질을 처리하는 과정이다.

정의의 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고도하수처리: 표준 2차 처리 뒤에 영양물질과 미량 물질을 추가로 제거하는 처리 과정이다.
• 영양물질: 질소와 인처럼 수중 조류와 미생물의 성장을 촉진하는 물질을 가리킨다.
• 2차 처리: 하수 속 용존 유기물과 유기성 고형물을 생물학적으로 제거하는 표준 처리 단계이다.
• 3차 처리: 물리·화학·생물학적 처리를 조합해 질소와 인을 제거하는 고도의 처리 과정이다.
• 생물학적 영양염류 제거(BNR): 미생물의 대사 작용으로 질소와 인을 제거하는 방식이며, 2차 처리로 보는 견해와 3차 처리로 보는 견해가 함께 있다.
• 부영양화: 영양염류가 과잉 공급되어 조류가 과다 증식하는 현상이다.

2. 개념 풀이

고도하수처리는 하수처리의 목표가 유기물 제거에서 방류수가 수계에 미치는 영향 전체를 줄이는 쪽으로 넓어지면서 등장한 처리 단계이다. 정식 정의는 일반적인 생활하수의 유기물과 고형물을 표준 2차 처리로 처리하고, 2차 처리로 충분히 제거되지 않는 질소·인 같은 영양물질과 특정 미량 유기화합물, 무기 이온물질을 처리하는 것이다.

영양물질을 따로 제거해야 하는 원리는 수계의 생물학적 반응에 있다. 인은 많은 담수계에서 조류 성장을 제한하는 영양염이므로 방류수에 과잉 존재하면 부영양화를 일으킨다. 질소는 수중에서 질산화, 즉 암모니아성 질소가 아질산성 질소를 거쳐 질산성 질소로 산화되는 과정을 겪으며 용존산소를 소비한다. 질산성 질소의 농도가 높은 먹는 물은 메트헤모글로빈혈증과 연결될 수 있어 질소 제거는 공중보건 측면에서도 중요하다.

고도처리는 제거 대상에 따라 세 가지로 나뉜다. 첫째는 질소 제거로, 호기 조건에서 질산화를 수행한 뒤 무산소 조건에서 질산성 질소를 질소 가스로 환원하는 탈질로 제거한다. 둘째는 인 제거로, 미생물이 인을 과잉 섭취한 뒤 잉여 슬러지로 배출하는 생물학적 방법과 응집제를 주입하는 화학적 방법이 있다. 셋째는 특정 미량 유기화합물과 무기 이온물질의 제거로, 대상 물질의 성질에 맞는 흡착이나 산화 등 별도 공정을 적용한다.

고도처리의 핵심은 대상 물질의 성질에 맞춰 생물학적 방법과 화학적 방법 중 제거 수단을 고르는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리는 1차 처리에서 부유물질과 침강성 물질을 물리적으로 제거하고, 2차 처리에서 생물학적으로 유기물을 분해하는 체계로 발전해 왔다. 최초침전지는 중력침전으로 BOD·SS 30%, 50% 정도를 제거하며, 생물반응조와 최종침전지를 거친 2차 처리는 대개 80% 이상의 제거율을 나타낸다. 이 체계는 유기물 제거에 맞춰진 공정이므로 질소와 인은 상당량이 방류수에 남는다.

잔류 영양물질은 수역에서 문제를 일으킨다. 방류수가 하천이나 호소, 바다로 유입되면 인과 질소가 조류의 증식을 촉진하여 부영양화가 나타나고, 그 결과 수질이 악화되고 정수 공정의 비용이 늘어난다. 2차 처리 이후 단계에서 고도처리가 필요해지는 근본 이유가 여기에 있다.

재이용 분야에서는 필요성이 더 크다. 인 농도가 높은 처리수는 역삼투막 같은 하류 장치에 막힘(fouling)을 일으킬 수 있으므로, 재이용 전에 영양물질을 낮춰야 설비를 보호할 수 있다. 고도처리는 방류수 수질 보전과 재이용 설비 보호라는 두 목적을 함께 가진다.

제도 측면에서도 근거가 있다. 하수도법은 하수도정비기본계획에 배수구역에서 방류되는 오염물질의 저감계획을 포함하도록 규정하고(하수도법 제5조제3항제7호), 이 계획은 20년 단위의 기본계획으로 수립된다(같은 법 제5조제1항). 따라서 고도처리 시설은 개별 처리장의 선택이 아니라 유역 단위의 하수도 정비 계획에 따라 도입되는 시설이다.

국내에서는 2008년부터 고도처리 시설 건설이 추진되었다. 강우 시에는 하수가 일시적으로 늘어나 처리 능력을 넘을 수 있으며, 하수도법은 이런 경우를 위해 간이공공하수처리시설과 하수저류시설을 정의하고 있다(하수도법 제2조제9호의2, 제10호). 강우에 따른 하수 증가는 고도처리 설계 시 유량 변동 조건으로 함께 고려해야 하는 배경이다.

4. 구성요소·원리·절차

고도처리는 2차 처리로 충분히 제거되지 않는 총질소(T-N)와 총인(T-P)을 생물반응조 안의 호기·무산소·혐기 구간을 조합해 제거하는 방식이다. 질소는 질산화와 탈질, 인은 혐기·호기 교대로 제거한다. 각 구간의 역할과 운전 조건이 정해져 있어 설계의 기준이 된다.