3.1. 국내 하·폐수 처리현황

환경부의 통계에 따르면 국내 하수처리장은 2014년 말 기준으로 Table 1과 같이 3,757개소가 운영 중이며 처리 용량은 24,999천m³/d, 유입 하수량은 19,457천m³/d(시설용 량 500 m³/d 이상 시설대상)이다. 산업폐수는 2014년 말 기 준으로 50,965개의 배출업소에서 5,089천m³/d이 배출되고 있으며 처리방식은 하수처리시설 유입처리가 33 %, 위탁처 리 및 직접방류가 49 %, 전량 재이용 14 %, 폐수종말처리 장 유입 처리 4 % 등으로 처리되고 있다(^{ME, 2016b}).

경제규모가 확대되고 소득 수준이 향상되면서 오염물질 배출특성이 변화되고 각종 화학용품, 의약품 등의 사용 증 가로 하·폐수 원수의 성상이 악성화 되고 있어 처리시설 의 배출허용기준도 오염 영향과 기술적 제거 가능성을 고 려하여 지속적으로 강화될 필요가 있으며(^{Jeong et al., 2014}; ^{Yu et al., 2013}), 수자원 부족에 대응하여 방류수의 재이용 필요성이 높아짐에 따라 재이용 용도에 적합하게 처리될 수 있도록 방류수 수질기준의 항목 확대와 강화가 요구되고 있다. 하·폐수 처리 시스템은 기본적으로 유기 물질 처리가 안정화되면 질소, 인 등 영양물질에 대한 최 적 처리를 중요시하게 되며 고도처리 공정은 이러한 영양 물질 제거를 주목적으로 한다. 우리나라도 중규모 이상 처 리장에는 고도처리 공정을 대부분 도입하였으며 도입된 처 리장 555개소의 처리 공법은 SBR, A₂O, 담체적용 공정 순 으로 구성되어 있다(Table 2). 고도처리 공정은 하수 재이 용이 활성화되고 청정 수질에 대한 요구가 높아지면서 생 물학적 고도처리 공법인 SBR, A₂O 공법에 막 분리나 고도 산화처리, 오존처리, 여과처리 등 물리화학적 처리공정을 조합한 시스템으로 발전되고 있다(^{Kim et al., 2011}).

하수처리시설의 방류수는 법적 기준 이하로 배출되더라 도 방류수역에 비하여 높은 영양염류 함량을 지니고 있어 수용 하천 및 호소의 영양 상태를 높이고 있으므로 적절한 관리가 요구된다(^{Um et al., 2011}). 하수처리시설에의 유입 부하는 Table 3과 같으며, 총인에 비해 총질소의 제거율이 낮고 유출 부하량도 상대적으로 높은 것으로 나타나고 있 다. 이는 2010년 이후 총인 방류수기준의 강화 추세에 비 해 총질소 기준은 크게 강화되지 않은 요인도 있으나, 근 본적으로는 총질소 저감을 위해서는 기존 시설과 기술로는 처리에 한계가 있어 기준 강화 시 이를 충족시킬 수 있는 안정적인 처리기술과 통합적인 시설 개량이 요구되기 때문 이다.

3.2. 국내 하수처리시설의 총질소 및 총인 기준 현황

하수처리시설의 방류수 기준에 총질소 항목은 1996년에 60 mg/L로 설정된 이후 2002년에 20 mg/L으로 강화되어 현재는 50 m³/d 이상의 시설은 모두 20 mg/L을 적용하고 있으며, 50 m³/d 미만의 시설에 대하여는 40 mg/L을 적용 하고 있다(Table 4). 동절기에는 질소 처리효율이 떨어지는 점을 고려하여 500 m³/d 미만의 시설에 대하여 2014년 말 까지는 60 mg/L으로 유예하였다가 2015년부터 유예를 폐 지하였다. 총인 기준은 1996년 8 mg/L에서 2002년에 2 ~ 4 mg/L로, 2012년부터 0.2 ~ 4mg/L로 강화하였다. 즉 2002년 이후 총질소 기준은 크게 변하지 않은 반면 총인 기준은 최고 10배까지 강화되었다(^{Yu et al., 2013}).

산업폐수의 경우 수질 및 수생태 보전에 관한 법령에 기 준이 설정되어 있으며 폐수종말처리시설의 경우 총질소 기 준이 하수처리시설 수준까지 강화되어 20 mg/L로 설정되 었고, 직접 방류하는 폐수처리시설의 경우는 30 ~ 60 mg/L 로 전반적으로 총인 방류수 기준의 강화 추세에 비해 느슨 한 편이다(Table 5).

3.3. 외국의 총질소 방류수기준

선진국의 하폐수 처리시설의 방류수 수질기준은 우리나 라와 규제 방법과 기준의 측정 및 적용방식이 상이하여 동 일한 잣대로 비교하기 어려우나 국립환경과학원의 연구 자 료를 토대로 비교하고자 한다(^{NIER, 2013}).

미국의 경우 각 주별로 연방정부 환경처(EPA)의 가이드 라인을 참고하여 항목 및 기준치를 설정하고 있다. 민감 지역의 경우는 Table 6과 같이 최고 1 mg/L까지 설정한 경우도 있으며 평균적으로 10 ~ 20 mg/L 수준으로 평가된 다. 우리나라와 같이 공공수역 주변에 오염원이 밀집되어 있고 하천수를 상수원수로 이용하는 한편 계절별 수량 변 동 폭이 큰 경우는 미국 기준으로 본다면 수질 민감 지역 으로 볼 수 있다. EPA에서는 10대 필요기술 중 두 번째로 영양염류 제거와 회수를 선정했으며, 총질소를 3 mg/L까지 강화하려는 계획을 갖고 있다(^{Martin, 2013}).

일본은 우리와 유사하게 하수도법령에 방류수 수질기준 이 설정되어 있고 이와 별도로 공공하수 관리자가 BOD, T-N, T-P 오염도에 대해 계획방류수질을 정할 수 있으며 처리공법(공정)에 따라 10 ~ 20 mg/L 이하로 설정하고 있 다. 동경도에서 정한 주요 지역의 계획방류수질은 Table 7 과 같이 18 ~ 20 mg/L 수준이며 동경도 공해방지조례상 신 설 처리장의 T-N 기준은 20 mg/L, T-P 기준은 1 mg/L로 우리 기준과 유사하다.

유럽의 경우 유럽연합(EU)에서 제정한 도시폐수처리지침 에서 방류수 수질기준을 10 ~ 15 mg/L로 제시하고 있으며 각 국가별로 별도로 기준을 정한다. 독일의 경우 폐수방류 법(Wastewater Charge Act)에서 처리용량에 따라 차등적으 로 기준을 설정하고 있으며 총질소 기준은 5,000 m³/d 이 상 시설에 대해 10 mg/L로 설정하고 있다. 영국, 프랑스의 경우도 용량에 따라 10 ~ 15 mg/L로 설정하고 있다(Table 8).

이상의 사례를 종합하면 선진국들은 총질소 기준은 전반 적으로 Table 9와 같이 최고 1 mg/L에서 20 mg/L 범위에 서 설정하고 있다.

3.4. 우리나라 총 질소 물질수지 현황

국립환경과학원의 2012년 연구 결과에 따르면 우리나라 전체적으로 질소성분의 토양(농업지역) 유입량은 838,909 ton/yr이고, 이중 공공수역으로 배출되는 양은 498,915 ton/yr 으로 비점오염원 중 농업지역에서 254,284 ton/yr, 도시지 역에서 26,275 ton/yr, 임야지역에서 87,081 ton/yr이 각각 배출되고 하수처리시설 방류수에서 131,275 ton/yr가 유출 되는 것으로 나타났다. 공공수역으로 배출되는 총질소 유출 량 중 하수처리장 방류수 기여분은 유출량의 26 %에 달한 다(Fig. 1).

Fig. 1. Analysis of T-N Income and expenditure.

환경부의 하수도통계에 따르면 하수처리시설에서의 총질 소 유입부하는 286,691 ton/yr, 유출부하는 79,743 ton/yr으 로 상기 질소수지 분석 연구결과와는 다소 차이가 있으며 이는 부하 산정 방식이 상이한데 따른 것으로 보인다.(^{ME, 2015}) 산업폐수의 경우 발생량은 5,089 천m³/d, 방류량은 3,790 천m³/d이며 방류량중 하수처리시설 연계처리 및 재이 용량 등을 제외한 직접처리 방류량과 위탁처리량은 2,490 천m³/d이다(^{ME, 2016a}). 질소유입부하를 하수의 2배, 질소 처리율을 70 %로 가정하면 산업폐수처리시설로부터의 질소 방류부하는 21,760 ton/yr로 추정되고 하수처리시설 방류부 하와 합하면 총 질소부하량은 101,503 ton/yr에 달한다(^{ME, 2011}). 여기에는 축산분뇨 처리시설, 소규모 하수처리시설 등의 유출부하는 정확히 고려되지 않은 것으로 실제 하수 보다 질소부하가 큰 점으로 고려하면 총부하량은 이보다 증가할 것이다(Table 10).

3.5. 국내 공공수역의 수질변화

국내 주요 하천의 수질변화 추이를 보면 유기물질의 오 염도 저감 추세가 뚜렷한 반면, 난분해성물질, 영양물질의 오염도는 큰 변화 없이 정체하고 있음을 알 수 있다(^{ME, 2016a}). 즉, 그간 유기물질 제거에 중점을 두고 하·폐수 처리시설 및 하수관거를 지속적으로 확충·정비함으로써 BOD 저감에는 큰 효과를 거둔 반면 난분해성물질이나 영 양물질 저감에는 상대적으로 효과가 적었음을 나타낸다. Fig. 2에서 보듯이 주요 하천의 BOD는 지속적으로 저감된 반면, COD는 정체되거나 다소 증가하고 있다(Fig. 3). 영양 물질의 경우 주요 하천의 T-P 농도(Fig. 4)는 2014년을 기 점으로 소폭 개선되는 추세를 보이는 반면, Fig. 5와 Fig. 6 에서 같이 호소수의 T-N과 T-P 농도는 2006년 이후 정체 되어 있으며 T-N/T-P 농도비의 변화를 보면 Fig. 7와 같이 4대강 유역에서 지속적으로 증가하고 있음을 알 수 있다 (^{ME, 2014}).

Fig. 2. Trend of BOD in 4 major rivers.

Fig. 3. Trend of COD in 4 major rivers.

Fig. 4. Trend of T-P in 4 major rivers.

Fig. 5. Trend of T-N in lake water.

Fig. 6. Trend of T-N in lake water.

Fig. 7. Trend of T-N/T-P ratio in 4 major rivers.

MINITAP (Release 14.20버전)을 이용한 남조류 발생에 관한 상관분석 결과 남조류 발생과 용존산소(DO)는 P-value 가 0.001 이하로 유의성이 높았으며, 음(-)의 값을 보여 남 조류의 발생으로 DO 값이 감소됨을 확인할 수 있었다. 수 온의 경우에도 P-value가 0.005로 유의성이 높았으며, 양(+) 의 값을 보여 수온 증가에 따라 녹조 발생이 증가하는 상 관관계를 확인하였다. 유기물의 경우에는 COD의 P-value가 0.014로 유의성을 나타냈으며, R-value가 양(+)의 값을 보여 COD가 증가하면 남조류 발생이 증가하는 상관 관계를 확인 하였다. 영양염류중 질소의 경우 T-N과 NO₃-N 모두 P-value 가 0.006과 0.001 이하로 유의성이 높았으며, R-value가 음 (-)의 값을 보여 남조류 발생시 질소가 소비되는 것을 알 수 있었으며, 남조류 발생에 충분한 질소량이 있음을 확인 할 수 있었다. 영양염류중 인의 경우 T-P와 PO₄-P 모두 유 의성이 떨어지는 것으로 나타났으나 R-value가 음(-)의 값 을 보여 남조류 방생시 인이 소비되고 있음을 알 수 있었 다. 이를 종합하면 국내 4대강의 분석대상 지점들의 녹조 발생은 COD성분의 유기물이 증가될 때 높아지고, 수중 질 소를 소비하는 것으로 나타났다.

4대강 유역의 하천에 각 1개 지점만을 대상으로 한 이러 한 상관분석 결과가 녹조발생에 따른 수질항목의 전반적인 상관관계를 평가하기는 어려우나, 인 저감만으로 영양물질 관리에 어려움을 보인 사례(^{Havens et al., 2001})에서 보듯 이 국내 수계에도 질소 성분이 녹조발생에 필요한 이상으 로 충분히 포함되어 있어 질소 관리의 중요성을 확인할 수 있었다. 또 남조류 중에 Anabaena의 경우 인산염 인이 낮 고 질산성 질소가 높을 때 신경독소(neurotoxin)가 증가한다 고 보고되고 있어(^{Sivonen et al., 1989}), 기존의 총인 저감 을 통한 영양물질 관리에는 한계가 있으며, 질소와 인을 함 께 관리하는 것이 녹조 저감에 매우 중요함을 알 수 있다.

이를 위해서 수계에 유입되는 영양물질을 저감하기 위해 서는 오염부하 비중이 커지고 있는 비점오염원에서의 삭감 이 중요하나 기술적으로 오염물질을 저감하기 어렵고 저감 량도 제한적임으로 고려할 때 결국 영양물질은 주요 점오 염 배출원인 하·폐수 처리시설에서 최대한 저감하는 것이 요구된다. 영양물질 지표와 함께 난분해성 유기물을 포함하 는 하·폐수의 유기물 지표로서 산화력이 높고 신속·정확 하게 실시간으로 측정 가능한 TOC 기준을 설정하면 방류 수를 더욱 효과적으로 제어할 수 있을 것이다(^{Choi et al., 2015}). 이러한 공공수역의 수질변화 추이를 감안할 때 향후 하·폐수 처리시설의 방류수 수질기준은 1단계로 영양물질 기준의 강화, 2단계로 TOC 지표를 기반으로 화학물질을 포함한 난분해성물질 관련 기준의 강화로 나아가야 한다. 영양물질 기준 중 총인 기준은 이미 2012년에 크게 강화했 으므로 이제는 총질소 기준을 단계적으로 강화해야 할 시 점이다.

3.6. 총질소 기준의 강화 대안

앞서 조사한 바와 같이 미국, 유럽, 일본 등 대부분의 선 진국들은 총 질소 기준을 10 mg/L 대로 설정하고 있다. 영 양물질 제거를 위해 하·폐수 처리시설에 고도처리공정을 갖추고 필요에 따라 후단에 물리화학적 처리 공정을 병행 해야 한다. 총질소 기준을 강화하는 경우 기존 하수처리시 설에서 기준을 충족하기 쉽지 않으므로(특히 동절기), 기존 고도처리기술을 보완·개량하고 필요시 전·후단 처리공정 을 접목해야 한다. 또한, 선진국의 최신 하·폐수 처리기술 이 에너지 절감형/고효율형 수처리 기술을 지향하고 있음 을 고려하면 우리나라 또한 공정·장치 기술의 업그레이드 가 필요한 시점이다. 부영양화 및 녹조와 관련하여 ^{Ryu et al. (2016)}의 연구에서 언급한 것과 같이 국내 주요하천의 녹조발생에 대표 종인 남조류는 대부분 높은 T-N/T-P 농도 비에서 발생하지만 그 중 Aphanizomemon속의 증식은 낮은 T-N/T-P 농도비에서 우점이 발생하는 것으로 알려져 있음 을 고려할 때 공공수역의 부영양화 방지를 위해서도 총질 소에 대한 관리가 시급하다. 실제로 하천의 T-N/T-P 농도 비가 지속적으로 증가하고 있어 총인뿐만 아니라 총질소 기준을 적어도 15mg/L 이하로 강화하는 것이 필요하다.

총인 기준이 강화되면서 일정 규모 이상의 처리시설에 총인 처리를 주목적으로 하는 화학적 처리공정이 후처리 단계에 설치된 반면, 질소의 경우 기존 고도처리 공정에서 처리하므로 기준을 강화하기 어려운 측면이 있다. 그러나 ^{Choi et al. (2017)}이 제시한 바와 같이 공공수역에 영양물 질 배출을 저감하기 위한 수단으로 하·폐수 처리시설에서 의 배출부하를 줄이는 것이 현시점에서 가장 실현 가능한 대안이 될 것이다.

방류수 기준 중 총질소 기준을 강화하는 경우 현재 20 mg/L에서 15 mg/L 또는 10 mg/L으로 강화하는 방안을 고 려할 수 있다. 기준 강화를 위해서는 경제성 있는 처리기 술이 확보되고 기존시설의 개량을 위한 투자가 선행되어야 하므로 5 ~ 10년의 유예기간이 요구된다. 동절기는 기술발 전 추이를 고려하여 유예기간을 이보다 긴 10 ~ 15년으로 주는 것도 대안이 될 것이다. 총질소 기준 강화 시 공공수 역에의 질소부하 유입량은 Table 12과 같이 8 ~ 13 % 저감 될 것으로 예상되며 총질소 기준이 강화되면 10 mg/L으로 설정된 재이용수 기준을 만족하므로 농공업 용수로의 재이 용도 활성화될 것이다.

총질소 배출기준 강화 시 적용 가능한 기술로는 전통적 인 생물학적 처리기술(A₂O, MLE, Bardenpho 등) 외에 신 기술들이 선진국을 중심으로 개발되어 상용화되고 있다 (Table 13). 국내 전문기업들도 개발에 참여하고 있는 Sharon시스템, Anammox시스템, 그래뉼화기술, 담체적용기 술(IFAS포함), InNitri 기술 등이 있으며, 이러한 생물반응 조의 처리기술 외에 ^{Hu et al. (2012)}가 언급한 Side-stream 의 Biological nutrient removal (BNR)기술과 같이 다양한 기술이 지속적으로 개발되고 있어 수 년 내에는 보다 경제 성 있고 처리효율이 높은 다수의 공정기술이 상용화될 것 으로 예상된다.

질소제거 효율을 제고하는 신기술중 Sharon시스템의 경 우 암모니아성 질소를 질산성 질소(Nitrate) 보다 아질산성 질소(Nitrite)로 질산화를 촉진하는 것이 특징이다. 간단한 단일 반응조로 슬러지 체류가 요구되지 않고, Nitrite 상태 에서 탈질이 이루어지므로 산소 소비량 약 70 %와 탄소원 약 40 %를 감소할 수 있다. 특히, 질산화가 70 ~ 90 % 이뤄 져 처리효율이 높다. Sharon 공정과의 조합 방안이 많이 연구되고 있는 Anammox 시스템의 경우 Nitrite상에서 탄소 원 소비 없이 Anammox균을 이용하여 탈질시켜 질소를 처 리하는 시스템으로 약 90 ~ 95 %의 질소처리 효율을 보이 는 것으로 알려져 있으며(^{Wamex, 2014}) Sharon의 단점 중 하나인 추가 탄소원 소비를 보완할 수 있는 공정이다(^{U. S. EPA, 2017}). Anammox 미생물의 국내 적용사례는 아직 없 으며, 국외에서도 고농도 처리공정에 적용되고 주 처리공정 에 적용사례는 없는 것으로 파악된다.

그래뉼화기술은 미생물 군집을 그래뉼(Granular; 입상화) 형태로 만들어 이용하는 기술로 질산화 미생물, 탈질 미생 물 등을 그래뉼 형태로 적용하여 미생물 양을 증대시켜 질 소를 처리하는 공정기술로 포기조건에서 그래뉼을 유지하 는 것이 핵심 요소이다. 이외에 질산화 미생물을 배양하여 생물반응조에 주입하는 InNitri 시스템도 있다(^{Ambulkar, 2017}). 현재 국내외 처리 공정으로 기술적으로는 기준 만족 이 가능할 것이나 처리효율 제고와 경제성 확보를 위해서 는 에너지소비 효율과 슬러지 처리효율을 높여 경제성을 확보하는 기술 확보가 요구된다.

총질소 기준을 현재 20 mg/L에서 10 ~ 15 mg/L로 강화 하는 경우 투자 소요비를 단순히 생물반응조를 증설하고 송풍량도 비례하여 증가하는 것으로 추산하면 5,000 m³/d 시설의 경우는 281 ~ 312백만원, 50,000 m³/d 시설의 경우 는 3.037 ~ 3,374백만원, 500,000 m³/d 시설의 경우는 30,206 ~ 33,566백만원의 개량비가 소요되는 것으로 추정된다. 여 기에서 2차 침전지의 증설은 생물반응조만으로 대응이 가 능하다고 보아 고려하지 않았고, 생물반응조 증설을 위한 추가 부지매입비, 건축물 및 수전설비는 없다는 조건하에서 토목비용은 평당 500만원, 기계비용은 토목공사비 × 2, 전기 공사비는 기계공사비 × 0.2로 산정하였으며 생물반응조 유 효수심은 4 m, 체류시간은 기존 대비 15 mg/L의 경우는 1.0시간, 10 mg/L의 경우는 1.3시간 이상 더 필요한 것으 로 가정하여 산정하였다.

이를 토대로 전국 5,000 m³/d 이상 285개 시설을 대상으 로 한 투자 소요비를 산정하면 10 mg/L로 강화 시 2조 1,029억원, 15 mg/L로 강화 시 1조 8,926억원에 달한다 (Table 14 and 15). 여기서 개소당 평균단가는 최고․최저 용량별 비용의 중간 평균단가로 산정하였고, 50만m³/d 이 상 시설은 50만m³/d 개량비용을 적용하였다. 실제로는 하 수성상 및 처리여건에 따라 후처리 공정 또는 보완시설이 추가로 필요하므로 총 소요비는 이보다 증가할 수 있는 반 면, 질소제거 기술의 발전에 따라 절감 요인이 있다. 이를 10년간에 걸쳐 투자하면 연간 약 1,892 ~ 2,102억원이 소요 될 것으로 예상되며 우리나라 하수처리시설의 국고 투자분 이 2017년 기준 약 6,849억원이고(^{ME, 2016c}) 지방비(평균 30 %) 포함 시는 총 9,784억원 수준이므로 기존 하수처리 시설 투자 예산 대비 연간 20 % 정도 추가 소요될 것으로 예상된다. 실제로는 하수 재이용시설 투자비용 및 노후시설 의 시설개량 비용과 중복되므로 실제 투자비용은 이보다 다소 절감될 것이다.