3.2.1 HBC 접촉산화공법의 운전특성

재래식 접촉산화공법의 한 종류인 HBC 공법은 생물반응조에 HBC 접촉여재를 50% 이상 충진하여 하⋅폐수 내 유기물질 및 영양물질을 효과적으로 제거하는 공법으로 접촉여재에 활성미생물을 부착시켜 공정을 운영하기 때문에 침전조에서의 슬러지 유실이나 충격부하로 인한 슬러지 Wash out이 발생되지 않아 유지관리가 용이하기 때문에 소규모 개인하수처리시설 등에 보편적으로 적용되고 있다. 접촉산화공법은 분리단계(접촉산화조 1조 → 1차 침전조 → 접촉산화조 2조⋅3조 → 최종 침전조), 즉, 1차 침전조를 추가로 설치하여 접촉산화조 2조⋅3조를 빈부하 상태로 운전하면 BOD(95%이상), T-N(41%), T-P(43%)가 제거되는 것으로 보고되었다(^{Kim, 2007}). 본 연구에서는 침전조로 접촉산화조를 공간적으로 분리한 분리단계 HBC 공법으로 공정을 구성하였으며, HBC 접촉여재 충진량은 8 g(BOD + SS)/required HBC(m)를 충진하였다(^{ME, 1992}). HBC 공법으로 착유세정폐수를 정화처리에 적용한 결과 Fig. 3에 나타난 바와 같이 매우 안정된 처리효율(BOD 98.1%, SS 91.6%, T-N 63.9%, T-P 31.7%)을 얻을 수 있었으며, 이와 같은 처리효율은 다른 연구결과(BOD 제거효율 75%~90%, 질소⋅인 제거효율 50%~70%와 비슷한 수준으로 평가된다(^{Lee et al., 2009}). 일반적으로 인을 과잉섭취(Luxury uptake) 한 슬러지를 폐기하여 처리하는 생물학적 인 제거공정 특성 상 접촉산화공법은 SBR 공법 등 부유미생물 공법에 비해 슬러지발생량이 1/20 수준으로 적기 때문에 인 제거효율이 다소 떨어지는 단점이 존재하며(^{Kim, 2007}), 착유세정폐수 내에 포함되어 있는 폐기 우유성분 및 분뇨의 산화과정에서 색도성분이 완전히 분해되지 않고 방류되어(350 도±50 도) 심미적인 거부감이 존재하는 것으로 조사되었다.

Fig. 3. Characteristics of milking wastewater treatment in HBC process.

본 연구에서는 폐기우유 유입으로 발생될 수 있는 문제를 완화하고자 전처리시설(침전분리조 설치)을 설치하여 충격부하를 경감시키고, 정화처리 효율이 안정적으로 유지될 수 있도록 접촉여재를 충분히 충진하였으며, 접촉산화조 내 송풍기 가동시간을 임의로 조절할 수 있는 전기적인 안전장치를 마련하였다.

3.2.2 SBR 공법의 운전특성

활성슬러지공법 중 회분식(Batch) SBR 공법은 단일반응조에서 운영주기(주입/반응/침전/방류)를 주기적으로 반복하여 하⋅폐수를 처리하는 공법으로 무인 자동운전이 가능하기 때문에 소규모로 발생되는 하⋅폐수의 고도처리공정으로 보편적으로 적용되고 있다. 본 연구에서는 앞 절(2.1)에 설명한 바와 같이 영양염류(T-N, T-P)의 제거효율 향상을 위해 혐기조와 탈질조를 SBR 반응조와 공간적으로 분리하여 설치하였으며, 탈질조는 포기조로 가변운영이 가능하도록 부대설비를 갖추었다. 착유세정폐수를 SBR 공법으로 장기간(19. 3. 20.~19. 9. 27.) 운영한 결과 Fig. 4에 나타난 바와 같이 매우 안정된 처리효율(BOD 97.5%, SS 96.4%, T-N 90.1%, T-P 67.2%)을 얻을 수 있었다.

Fig. 4. Characteristics of milking wastewater treatment in SBR process.

SBR 공법은 재래식 고도처리공법으로 운영주기를 반복하면서 질산화와 탈질반응을 원활하게 유도할 수 있어 질소제거에 효율적인 공법이며, 본 연구에서는 혐기조와 탈질공정을 공간적으로 별로도 분리하여 생물학적 고도처리 효율 즉, T-N 제거효율(90.1%), T-P 제거효율(67.2%)을 단일공정보다 안정화시킬 수 있었다. 생물학적 처리방법에서 인(T-P) 제거는 혐기조에서 인 성분의 과잉방출과 포기조에서 과잉섭취 그리고 인이 농축된 슬러지를 운영주기 마다 폐기하여만 가능하다. 본 연구에서는 질산화와 인(T-P) 제거효율 향상을 위해 미생물농도를 3,500 ㎎/L±500 ㎎/L 범위에서 운영될 수 있도록 슬러지일령(Sludge retention time, SRT)을 50 day±10 day로 운영하였으며, 이 때 운영주기마다 20 L±5 L의 슬러지를 저장조로 인출하였다. 한편, SBR 공법 등 부유미생물 공법은 처리과정에서 접촉산화공법보다 색도 유발물질(우유, 분뇨 등)이 부유미생물과의 생흡착(Bio-adsorption)으로 인해 상당량 제거되기 때문에 최종방류수 내 색도농도는 HBC 공법(350 도±50 도)보다 상대적으로 낮은 80 도±20 도 수준으로 방류되는 것으로 조사되었다. Fig. 5에 나타난 바와 같이 착유과정에서 발생한 고농도 유기물질인 폐기우유가 별도 수거되지 않고 착유세정수 정화처리시설로 유입되어, 원수 중 BOD농도가 3배 (BOD 1,067.0 ㎎/L)이상 증가하여 방류수 농도값에 이상치(BOD 75.0 ㎎/L)가 발생하였고, 이와 같은 충격부하가 발생할 경우 산소공급량을 증가시켜 유기물 부하량 변동에 대응하여야 한다.

Fig. 5. Characteristics of milking wastewater treatment in shock loading.

본 연구에서는 가변운영조(무산소조)를 교반모드에서 포기모드로 전환하고 SBR반응조의 간헐포기 모드(포기/비포기)의 운영시간을 30 min/30 min 간격에서 40 min/20 min으로 변경하여 방류수질을 단시간에 개선할 수 있었다. SBR 공법 운영과정에서 운영주기마다 슬러지가 약 20L씩 인출하였으며, 본 연구에서는 폐기된 슬러지를 저장조(4.0 m³)에서 장기간(6개월) 호기성 발효시킨 후 액비자원으로 재활용이 가능한지 여부를 조사하였다. Y시 공동자원화시설에서 생산된 액비와 본 연구에서 생산된 폐기 슬러지 액비의 성상은 Table 5와 같이 조사되었다.

비교를 위해 선정한 Y시 소재 가축분뇨 공동자원화센터(100 m³/day)는 소규모 고농도의 양돈폐수를 액비자원으로 생산하여 경종농가에 농사철(봄, 가을)에 공급하는 시설이며, 비교 결과 두 시설 모두 충분한 기간(6개월) 동안 호기성 발효과정을 거치면서 유기물질을 매우 안전한 수준까지 산화시키는 것으로 확인되었다. 수질 분석결과 폐기 슬러지 액비의 비료성분(N, P, K)을 포함한 중금속 농도는 공동자원화센터 액비에 비해 1/10수준으로 낮은 것으로 조사되어 비료로써의 가치는 상대적으로 낮은 것으로 예상되나, 그럼에도 농가의 폐기물 위탁처리 비용절약 및 생산된 액비의 자체이용으로 인한 행정비용 절감 등을 고려하면 폐기슬러지의 액비 재이용은 자원의 순환과 재활용 측면에서 상당히 바람직한 수단으로 판단된다.

3.3.1 착유세정폐수의 최적 관리방안

경기도 내 액상상태의 가축분뇨는 Table 6에 나타난 바와 같이 발생하고 있으며, 정화처리시설의 방류기준은 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행령 별표1, 2」에 따라 축사면적 기준으로 허가대상(돼지 1,000 m² 이상, 젖소 900 m² 이상)과 신고대상(돼지 50 m²~1,000 m², 젖소 100 m²~900 m²)로 구분하고 가축농가의 지역(특정지역, 기타지역)으로 구분하여 방류수수질기준을 지정고시하고 있다.

아울러, 개별농가에서 무방류시스템 즉, 액비로 생산하여 농지에 살포하는 경우에는 「가축분뇨의 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 3」에 마리 당 농지면적(돼지 : 초지 140 m² 이상, 논 260 m² 이상, 밭⋅과수원 170 m² 이상, 젖소 : 초지 1,330 m² 이상, 논 2,550 m² 이상, 밭⋅과수원 1,650 m² 이상)을 적용하도록 규정하고 있다. 경기도 내에서 액상폐수로 발생되는 돼지와 젖소 사육농가는 Table 7에 나타난 바와 같이 농가별 허가요건에 따라 대부분(83.5%) 무방류의 자원화시스템(퇴비, 액비)으로 관리되고 있으며, 대규모 농가 위주로 정화방류시스템(10.9%)을 갖추고 있는 것으로 조사되었다.

팔당호 등 공공수역의 수질개선을 위해 경기도에서는 농가규모가 작은 신고대상 이하의 양돈폐수는 가축분뇨공공처리장(15개 지자체, 3,130 m³/day)이나 공동자원화센터(8개 지자체, 1,434 m³/day)에서 시⋅군별로 위탁처리를 하고 있으나, 액상형태의 가축분뇨발생량이 적은 지자체를 제외하고는 공공시설의 시설용량이 부족하여 고농도의 양돈폐수의 발생량(11,525 m³/day)에 대비한 공공 위탁처리도 어려운 현실이다. 더욱이 공공처리시설이 없거나 부족한 일부 지자체에서는 소규모 양돈농가도 개별 자원화시설(퇴비, 액비)과 정화처리에 의존하고 있어 무분별한 액비 살포로 인한 비점오염원 증가 등 환경오염이 가중되고 있는 실정이기 때문에 가축분뇨 공공자원화시설 등 공공 재정투자가 필요하다. 환경적 측면을 고려했을 때 신고대상 소규모 양돈농가와 같이 착유세정폐수를 공공처리장에서 위탁 처리하는 방향도 제도적으로 접근할 수 있는 방안이나, 앞 절(3.2, 3.3)에서 설명한 바와 같이 상대적으로 적은 용량이 낮은 농도로 발생하는 착유세정폐수의 특성 상 기존 재래식 활성슬러지공법으로 원활하게 처리되기 때문에 농가에서 개별처리 후 방류하는 시스템으로 제도화 하는 것이 경제적⋅제도적 측면에서 현실적으로 타당할 것으로 판단된다.

3.3.2 착유세정폐수의 원수특성 고찰

우리나라의 가축분뇨 관리시스템은 선진국과 같이 비료자원으로 재이용 할 수 있는 자원개념으로 관련 제도가 정비되어 있고, 관리체계는 일본과 같이 자원화와 정화처리로 이원화하여 관리하고 있다. 또한 앞 절(3.3.1, Table 7)에서 설명한 바와 같이 가축분뇨의 관리 형태는 정화처리보다 자원화에 의존도가 높으며, 생산된 퇴비 및 액비의 상품 질을 높이기 위한 생산방법과 액비살포로 인한 환경오염 저감을 위해 시비방법 등을 법령으로 제정 고시하고 있다. 한편, 가축분뇨의 정화처리 관리시스템은 「가축분뇨 관리 및 이용에 관한 법률」에서 제시하고 있으며, 정화처리의 경우 사육면적에 따라 허가대상과 신고대상 그리고 지역(특정, 기타)으로 구분하여 축종과 관련 없이 Table 8에 나타난 바와 같이 「가축분뇨 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 4」에서 지정 고시한 방류수수질기준을 준수하도록 하고 있다.

젖소농가는 가축분뇨 발생원단위로 분(19.2 kg/두⋅day, 뇨(10.9 kg/두⋅day), 세정폐수(7.6 kg/두⋅day)가 제시되고 있으며(환경부고시 제1999-109호), 분뇨는 퇴비로 자원화 되고, 실제 처리대상 폐수는 착유세정폐수이기 때문에 양돈폐수(BOD 17,468 ㎎/L)에 비해 발생량과 농도가 적고 낮다(^{Oh, 2007}). 따라서 착유세정폐수의 방류수수질기준을 고농도 양돈폐수와 같은 수준으로 적용하는 것은 수질관리 측면에서 적합하지 않다고 판단된다. 아울러, Table 4에 나타난 바와 같이 착유실 내의 소량의 분뇨를 수거하는 착유실을 청결하게 관리하는 경우 영양염류(T-N, T-P)의 원수농도가 방류기준보다 낮아 현행 방류수수질기준은 재래식 활성슬러지공정의 처리효율과 양돈폐수와의 형평성 측면에서 적절하지 않은 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 SBR 공법 등 착유세정폐수의 정화처리공법별 운영결과, 최종방류수의 99% 신뢰구간(평균 + 2.56 × 표준편차/n^0.5)에서의 상위 방류농도가 Table 9와 같이 가축분뇨공공처리장의 방류수 기준 이내로 장기간동안 안전하게 유지되는 것으로 조사되었다.

따라서 「가축분뇨 관리 및 이용에 관한 법률 시행규칙 별표 4」의 방류수수질기준은 보편적으로 적용 가능한 재래식 활성슬러지공법별 처리성능과 현재 착유세정폐수 정화처리 방류실태 등을 면밀히 조사하여 적어도 공공처리장 방류기준 수준으로 방류수수질기준을 강화하는 것이 합리적인 제도운영이라고 판단된다.