2.1 시료 채취 지점 및 대상시설 선정

선행 연구에서는 시료 채취 방법에 대해 오수처리시설 유입관로에서 (2∼3)시간 간격으로 시료 채수 후 유량 비례로 혼합하여 분석하는 방식을 제시하고 있고^{(Choi et al., 2002; Gwon et al., 2004; Jeong et al., 1986)}, 오수량 산정 업무편람에는 하루 동안 시간대별로 12회 이상 채취하여 산술평균값을 적용하도록 제시하고 있다. 본 연구에서는 유입관로에서 채취 시 고형물 형태의 협잡물과 분뇨 및 기름 성분 등 고농도 유기성분에 의한 대표성이 낮아질 것으로 예상되어, 시료채취 지점을 침전분리조 다음에 배치되는 유량조정조로 정하였고, 조사 결과의 신뢰성 향상을 위해 시료 채취 횟수를 8일에서 10일 간격으로 30여 회 채수하여 업종별 오수발생 특성을 조사하였다.

오수발생 특성을 조사하기 위한 대상 시설은 Table 1에 나타난 바와 같이 오수처리시설 방류기준 위반율이 상대적으로 높은 중식(짬뽕), 한식(숯불구이), 한식(해장국), 부대급식시설로 분류되는 일반음식점 4개소와 건축물 연면적 대비 오수발생량이 과다하게 산정되는 경우가 빈번한 공장 중 자원순환시설(F-1)과 자동차부품 제조시설(F-2) 2개소를 선정하였으며, 오수처리시설 설치 빈도가 64.3%로 가장 높은 단독주택 1개소 포함 총 7개 시설을 선정하였다. 시료 채취는 2023년 1월 11일부터 2023년 11월 15일까지 8일에서 10일 간격으로 30여 회 시료를 채수하였고, 채수한 시료의 생물화학적 산소요구량(Biochemical oxygen demand, BOD), 부유물질(Suspended solids, SS), 총질소(Total nitrogen, T-N), 총인(Total phosphorus, T-P) 농도를 수질오염공정시험기준에 따라 분석하였다.

일반음식점은 같은 업종이라도 취급하는 메뉴나 운영 방식 등에 따라 오수발생 특성이 다르고 공장의 경우 공장의 종류 및 공정에 따른 오수발생 특성이 매우 상이하다. 따라서 현장조사를 통한 대상시설의 다양한 오수발생 특성을 조사하여 동일 업종 내 세부 분류를 통한 관리 필요성을 제시하고자 하였다.

2.2 상수 사용량 조사대상 선정

선진국에서는 국가적인 차원에서 실제 상수 사용량에 대한 조사가 체계적으로 이루어지고 있다. 우리나라에서도 물수요관리 관점에서 상수 사용량에 대한 다양한 연구들이 수행되고 있으며^{(Kim, Yang et al., 2007)}, 실시간 유량측정이 가능한 유량계와 데이터의 저장 송⋅수신이 가능한 통신시설 등을 활용하여 물수요관리 정책수립을 위한 연구들이 수행되었다^{(Kim, Kim et al., 2007)}.

2022년 9월부터 도입된 원격검침시스템은 검침원이 각 수용가를 방문하지 않고, 계량기에 통신 단말기를 설치하여 원격으로 상수사용량을 검침할 수 있는 사물인터넷 기술을 활용한 시스템으로 시간대별 상수 사용량 파악이 가능하다.

건축물 용도별 상수 사용량을 조사하기 위해 A시 상수도사업소의 협조를 얻어 디지털 수도계량기와 원격검침 단말기가 설치된 건축물 중 펜션 2개소, 연수원 1개소, 물류센터 5개소, 중식, 한식, 육류 취급 업종으로 구분되는 일반음식점 8개소 및 휴게음식점 3개소의 1시간 단위 누적 상수 사용량을 조사하였다. 원격검침 조사대상으로 선정한 19개 지점의 일반현황과 검침결과 산출기간은 Table 2와 같다.

19개 대상시설의 오수처리시설 설치용량과 일 평균 상수 사용량을 비교하여 현행 오수 발생량 산정고시의 실효성을 파악하였고, 건축물 용도별, 운영 방식별 오수발생량 특성을 조사하였다. 일반음식점과 오수발생량의 요일별 편차가 클 것으로 예상되는 펜션, 연수원의 상수 사용량을 기초로 요일별 오수 발생량 변동 추이와 실제 오수발생 특성을 조사하고, 과대 설계되는 사례가 많은 물류센터의 경우도 현행 산정방법과의 차이와 개정 필요성 등에 대해 검토하였다.

3.1 건축물 용도별 오수발생 특성

본 연구에서는 실제 운전 중인 오수처리시설 유량조정조의 실측자료를 확보함으로써 오수처리시설 생물반응조 기본설계에 보다 현실적이고 객관적인 설계자료를 제공하고자 하였다.

일반음식점(중식, 한식), 부대급식시설, 공장, 단독주택의 유량조정조에서 시료를 채수하여 발생오수의 농도를 분석한 결과를 Table 3과 Fig. 1에 나타내었다.

기름성분과 탄수화물 함량이 높은 재료를 사용하는 중식당에서 BOD 농도 (1179.0∼1301.0) mg/L의 오수가 배출되었고, 불판이나 숯불을 이용하여 육류를 요리하는 한식당의 BOD 농도는 (899.4∼1030.2) mg/L, 2023년 4월 20일 영업이 중단될 때까지 8회 채수를 수행한 부대급식시설의 BOD 농도는 (421.5∼545.7) mg/L, 해장국을 판매하는 한식당의 BOD 농도는 (201.8∼253.3) mg/L, 단독주택의 BOD 농도는 (131.9∼158.0) mg/L로 배출되었다. 일반음식점은 단위 업소당 배출량이 타 업종에 비해 매우 클 뿐만 아니라 유지류와 유기물 농도가 높고^{(Gwon et al., 2004)}, 시간대별 유량 변동폭이 매우 커 오수처리시설의 안정적 수질 관리가 어려운 것으로 보고되고 있다^{(Chung et al., 2004)}.

환경부 고시에서 동일 업종으로 분류되는 공장의 경우, 공장(F-2)의 BOD 농도는 (60.5∼99.2) mg/L 였지만, 공장(F-1)은 (231.7∼296.0) mg/L로 조사되어 동일 업종에서도 발생 오수의 농도가 매우 상이하여 공장의 종류 및 공정에 따라 세부 기준 설정에 대한 필요성을 확인하였다.

오수발생 특성 조사대상 7개소의 SS 농도는 BOD 농도의 32.8%에서 73.8% 수준이었으며, 업종별로 BOD 농도 분포와 유사한 경향을 보였다. 유량조정조에서 SS 농도는 침전분리조의 구조와 규격, 청소 주기, 성능 등에 크게 영향을 받는 것으로 판단된다.

Fig. 1에 도시된 바와 같이 일반음식점(중식, 한식) 및 부대급식시설의 T-N, T-P 농도는 T-N (24.1∼46.9) mg/L, T-P (3.1∼7.6) mg/L 수준으로 분포하였다. 단독주택의 T-N, T-P 농도는 T-N (35.1∼39.6) mg/L, T-P (3.9∼4.8) mg/L 수준을 보였다. 주방에서의 세척 방법이나 화장실의 이용 형태 등의 차이에 따라 유량조정조 내 T-N, T-P 농도가 영향을 받을 것으로 예상된다.

공장시설의 T-N, T-P 농도는 T-N (58.7∼73.2) mg/L, T-P (5.9∼7.8) mg/L 수준의 배출 특성을 나타내고 있었다. 공장시설에 해당되지만, 업종의 특성상 상주 근로자들에 의한 화장실 발생오수가 대부분인 시설들로 단독주택에서 발생하는 오수의 예상 농도(T-N 60 mg/L, T-P 6 mg/L)와 비슷한 농도분포를 보였다.

Fig. 1. Characteristics of sewage concentration in the equalization tank of each investigation site.

3.2 오수처리시설 유입 농도 예상

오수처리시설은 침전분리조, 유량조정조를 포함한 전처리시설, 생물반응조, 침전 및 방류시설이 공간적으로 분리되어 구성된다. 오수처리시설은 분뇨의 고형물과 기름성분이 포함된 주방세척수의 전처리 및 유량조정 기능이 매우 중요하며, 하수도 법령에서도 침전분리조 체류시간 8시간 이상, 유량조정조 체류시간 12시간 이상 등 적절한 수준의 설치기준을 적시하고 있다^{(ME, 2023)}.

^{Jang, Kim et al. (2010)}의 연구에 따르면, 개인하수처리시설의 처리수질을 확보하기 위해서는 전처리 시설(침전분리조, 유량조정조)을 완비하고, 주 처리 공정인 포기조 및 침전조 기능 활성화가 필요하며, 침전분리조, 유량조정조, 포기조, 침전조 형태의 시스템 구성이 가장 안정적인 처리수질을 얻을 수 있다.

침전분리조의 오염물질 제거 효율은 침전분리조 내 협잡물 및 유분의 청소 주기, HRT, 구조 및 규격, 수온 등에 영향을 받고, 유량조정조는 DO 농도, 혼합, 수온, HRT 등 다양한 인자에 영향을 받는다. 따라서 침전분리조와 유량조정조의 다양한 운영 조건을 모두 반영하여 계량화하는 것은 현실적으로 어렵다. ^{Kang et al. (2005)}의 연구에 의하면, 이러한 전처리시설에서 15%∼20%의 처리효율이 보고되고 있어 후속 생물반응조의 용량 감소와 처리수질 안정화에 크게 기여하는 것으로 평가된다.

본 연구에서 오수처리시설 발생 오수에 대한 농도 조사가 유량조정조에서 채수한 시료를 분석하여 진행된 점을 감안하면 실제 유입 농도는 측정 농도보다 상당히 높을 것으로 예상된다. 침전분리조와 유량조정조의 오염물질 제거 기능을 파악하여 유입 농도를 역산함으로써 환경부 고시 농도의 적정성을 검토하였다. ^{Kang et al. (2005)}의 선행연구에서 보고된 전처리시설의 처리효율 15%∼20%를 이용하여 유입농도를 예상하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타내었다.

중식당의 BOD 예상 농도는 (1458.8∼1550.0) mg/L로 환경부 고시 550 mg/L 보다 (2.7∼2.8)배 높은 것으로 나타났다. 육류를 요리하는 한식당의 BOD 예상 농도는 (1135.1∼1206.0) mg/L로 환경부 고시 330 mg/L 보다 (3.4∼3.7)배 높은 것으로 나타났으며, 부대급식시설의 BOD 예상 농도는 (568.9∼604.5) mg/L로 환경부 고시 330 mg/L 보다 (1.7∼1.8)배 높은 것으로 나타났다. 반면, 해장국을 판매하는 한식당의 BOD 예상 농도는 (267.6∼284.4) mg/L, 단독주택의 BOD 예상 농도는 (170.6∼181.3) mg/L로 한식당(330 mg/L) 및 단독주택(200 mg/L)의 환경부 고시보다 낮은 농도로 조사되었다. 또한, 공장(F-2)의 BOD 예상 농도는 (93.9∼99.8) mg/L로 환경부 고시 100 mg/L와 비슷했지만 공장(F-1)의 BOD 예상 농도는 (310.4∼329.8) mg/L로 환경부 고시 보다 (3.1∼3.3)배 높은 것으로 나타났다. 따라서, 설치⋅운영 중인 오수처리시설 중 중식당, 육류를 취급하는 한식당, 부대급식시설, 공장(F-1)은 정상적인 영업 상황에서 방류수 수질 기준을 만족하기 어려울 것으로 판단된다.

일반음식점(중식, 한식) 및 부대급식시설의 T-N, T-P 농도는 국립환경과학원의 수질총량관리지침^{(NIER, 2014)}에 제시된 T-N, T-P의 농도(T-N 110 mg/L, T-P 10 mg/L) 보다 모두 낮은 수준으로 분포하였고, 단독주택의 T-N, T-P 농도도 수질총량관리지침에 제시된 T-N, T-P의 농도(T-N 60 mg/L, T-P 6 mg/L) 보다 낮은 수준을 보였다. 공장시설의 T-N, T-P 농도는 수질총량관리지침에 제시된 T-N, T-P의 농도(T-N 30 mg/L, T-P 3 mg/L) 보다 T-N은 (2.5∼2.9)배, T-P는 (2.5∼3.1)배 높은 농도의 배출 특성을 나타내고 있었다. 수질총량관리지침에 따라 오수처리시설의 고도처리 공정을 설계할 경우, 실제로 발생하는 오수의 T-N, T-P 농도를 반영하지 못하여 과대 혹은 과소 설계될 우려가 클 것으로 판단된다.

개인하수처리시설은 업종에 따라 발생농도가 다양하며, 발생 오수의 유량 변동 폭이 큰 특징이 있고, 하수처리에 대한 전문지식이 부족한 건물소유자가 자가 관리하는 경우가 많아 방류수 수질기준을 준수하기가 어려운 실정이다. 수질오염총량관리제에서는 개인하수처리시설의 각 업종별 표준제거율 90%∼95%를 적용하여 개인하수처리시설의 배출부하량을 과소평가하고 있으므로, 업종별 개인하수처리시설에 대한 처리효율, 배출농도 및 배출부하량을 정밀 조사하여 개인하수처리시설의 기준처리율을 현실에 맞게 수정하는 방법을 모색하여야 한다^{(Cho et al., 2009)}.

개인하수처리시설이 설치된 지역에서 강우량 및 강우지속시간과 T-N, T-P 유출량은 양의 상관관계(R>0.6)를 나타내고 있어, 부영양화 문제를 관리하기 위해서는 개인하수처리시설에 대한 정확한 실태파악과 방류수의 수질을 개선하기 위한 정책이 필요하다^{(Kang et al., 2016)}.

3.3 상수사용량 조사 결과

현행 오수발생량 산정고시의 실효성을 확인하기 위하여 A시 상수도사업소에서 관리하는 원격검침시스템을 통해 19개 대상시설의 1시간 단위 누적 상수사용량을 조사하였다. 또한, A시 하수도사업소의 오수처리시설 현황자료를 바탕으로 대상시설의 오수처리시설 설치용량을 파악하였다.

Table 2에 정리한 19개 대상시설의 오수처리시설 설치용량과 일 평균 상수사용량을 Fig. 2에서 비교하였다. 지역마다 원격검침단말기 설치 및 검침 시작 시기가 달라 조사 기간이 다소 다르지만, 대체로 1년 정도의 상수사용량 조사가 가능하였으며, 매일 자정을 기준으로 1일 누적 상수사용량을 계산하고 원격검침기간 동안의 일 평균 사용량을 표시하였다.

한식을 판매하는 일반음식점 4개소 중 오수처리시설의 용량이 49 m³/d로 가장 큰 R-1과 R-2의 일 평균 상수사용량이 각각 14.7 m³/d, 12.0 m³/d이었고, 오수처리시설 용량 대비 30%, 25%에 해당하는 상수사용량을 보였으며, 다른 한식 음식점(R-3, R-4)의 일 평균 상수사용량은 각각 2.0 m³/d, 4.2 m³/d으로 오수처리시설 용량 대비 각각 7%, 14%에 해당하는 상수사용량을 보였다. 육류를 판매하는 일반음식점 3개소, M-1, M-2, M-3은 오수처리시설 용량 대비 5%, 14%, 19%에 해당하는 상수사용량을 보였고, 중식을 판매하는 일반음식점 Ch-1의 상수사용량도 오수처리시설 용량 대비 6%에 불과하였다. 휴게음식점에 해당하는 카페 3개소의 오수처리시설 용량은 14 m³/d와 12 m³/d로 유사했으나 일 평균 상수사용량은 C-1, C-2에서 0.8 m³/d, C-3에서 4.8 m³/d로 6배의 차이를 보였다. 일반음식점과 휴게음식점의 경우, 선호하는 메뉴와 이용객 수에 따라 상수사용량의 편차가 큰 것으로 판단된다. 또한, 물류센터 L-1, L-4의 일 평균 상수사용량도 오수처리시설 용량 대비 각각 8%, 7%에 불과하였다.

대부분의 대상시설에서 상수사용량 대비 오수처리시설 설치용량이 일반음식점 R-1, R-2와 휴게음식점 C-3, 연수원 및 물류센터 일부 시설을 제외하고 과대 설계된 것으로 조사되었다. ^{Bae et al. (2002)}와 ^{Choi et al. (2003)}의 연구에서 조사한 90% 이상의 오수전환율을 적용하면, 오수처리시설의 과대 설계 비율은 더 커질 것으로 예상되며, 건축물 용도별 오수발생량 산정 과정에서 과도한 안전율 적용에 따른 극심한 빈부하 운영이 우려되는 실정이다.

오수발생량의 요일별 편차가 클 것으로 예상되는 펜션(P-1, P-2)과 연수원(T-1)의 상수사용량을 기초로 요일별 오수발생량 변동 추이를 검토하였다(Fig. 3). 펜션은 이용객이 집중되는 주말에 상수사용량이 급증하였고, 연수원은 반대로 감소하는 경향을 보였다. 펜션에서는 주중과 주말의 오수발생량 편차가 매우 크기 때문에 유량조정조의 용량이 작을 경우, 주말 동안 발생한 오수가 제대로 처리되지 못하고 월류되어 방류될 가능성이 크다.

최대 오수발생량과 최소 오수발생량의 차이로부터 유량조정조 용량 산정이 가능하다. 상수사용량을 기초로 오수발생량을 추정하여 오수발생량 누적곡선을 작성하면 유량조정조의 용량을 산정할 수 있다^{(KWWA, 2020)}.

펜션(P-1, P-2)의 상수사용량 원격검침 결과를 28일 간격으로 나누고 요일별 평균 상수사용량으로 누적곡선을 작성한 결과는 Fig. 4.과 같다. 펜션(P-1)의 일 평균 상수사용량은 1.9 m³/d, 펜션(P-2)의 일 평균 상수사용량은 2.2 m³/d로 조사되었으며, 요일별 상수사용량의 편차는 펜션(P-2) 보다 펜션(P-1)에서 더 큰 것으로 나타났다.

주중과 주말의 상수사용량 편차가 커짐에 따라 필요한 유량조정조의 용량도 증가한다. 펜션(P-1)의 최대-최소 상수사용량의 차이로부터 유입 오수를 24시간 균등 분배하기 위한 유량조정조의 산정 용량은 6.3 m³으로 일 평균 상수사용량 1.9 m³/d의 3.3배가 필요하며, 펜션(P-2)의 유량조정조의 산정 용량은 4.3 m³으로 일 평균 상수사용량 2.2 m³/d의 2배가 필요한 것으로 조사되었다.

유량조정조는 직렬(in-line)방식과 병렬(off-line)방식이 있으나, 유량 균등화를 위한 직렬(in-line)방식의 유량조정조는 병렬(off-line)방식에 비해 용량이 커질 수 있다. 오수발생량이 현저히 증가하거나 감소하는 특성을 보이는 펜션과 연수원의 경우, 수질 부하량 변동에 대한 균등화 보다 유입 오수의 유량 변동에 대한 균등화가 중요하기 때문에 오수처리시설을 설치할 때 병렬(off-line)방식의 유량조정조를 설치하거나 오수처리시설의 계열화를 고려해야만 한다^{(ME, 2023)}.

이상의 결과로부터 상수사용량과 현장평가를 통해 보다 현실적이며 객관적인 오수량 산정기준을 검토할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2. Comparison of the capacity and water use.

Fig. 3. Variation of weekly water use at the pension and training institute.

Fig. 4. Comparison of the equalization tank volume according to water use patterns.