강우시 효율적인 하수처리 방안 마련을 위한 연구

포기조의 공기주입 차단 방안은 강우시 과부하에 의해 포기조로부터 부유성 고형물이 침전지로 과다하게 유입되는 것을 저감시키기 위해서 포기조의 공기주입을 일시 중지하는 방안이다. 포기조의 공기차단은 조내 호기성 미생물의 활성을 저하시켜 플럭형성을 저해시키고 사멸에 이르게 할 수도 있는 위험한 운전방안이지만, 강우시 과다유량이 발생하는 몇시간 동안 포기조 공기주입을 차단한다고 해서 유출수내 BOD농도가 상승하거나 슬러지 침강성이 저하되는 문제는 발생하지 않는다. 이는 강우시 유입되는 유량에는 청천시 하수에 비해 높은 농도의 용존산소가 존재하고, 조내 미생물 농도는 유입되는 유기물질을 공기주입 없이도 제거할 수 있을 만큼 유지될 수 있기 때문으로 알려져 있다. 실제로 Pennsylvania, Chester에 위치한 하수처리시설(166,540 ㎥/일)에서 포기조 MLSS를 유지하기 위하여 포기조 공기를 1시간 차단한 결과, 포기조에서 침전조로 유출되는 MLSS가 2,034 ㎎/ℓ에서 1,170 ㎎/ℓ로 감소하였으며, 포기조 MLSS의 약 43 %가 조내에 침전되거나 바닥에 저장된 것으로 나타났다. 국내 대부분의 하수처리시설의 경우 생물학적 처리를 기반으로 유기물 및 질소, 인 제거공정으로 구성되어 있으며, 생물반응조에서 용해성 오염물질을 제거하고 침전지에서 고액분리를 통해 유입하수를 처리하고 있다. 공공하수처리시설에서 유입하수의 안정적 처리를 위해서는 강우시 유입하수량 증가로 인한 높은 수면적 부하 및 고형물 부하로 인해 활성슬러지가 이차침전지에 침전이 되지 않거나 유출수와 함께 방류되는 것을 방지해야 하며 활성슬러지의 유실이 발생할 경우 미생물 배양에 상당한 시간이 필요하므로 유실되지 않도록 시스템내에 적절히 유지하는 것이 가장 중요하다. 대부분의 하수처리시설들은 생물학적 처리를 통하여 정상적인 설계유량보다 많은 하수량을 성공적으로 처리할 수 있으며 일평균 유량 이상의 유량조건에서 처리성능은 유입하수량 증가속도 및 강도, 하수의 온도, 강우사상 및 지속시간, 단위공정 용량 및 유량분배 등 많은 요인에 의해 영향을 받는다. 따라서, 하수처리시설의 전반적인 처리용량을 증가시키기 위해서는 강우시 증가하는 하수량에 대하여 반응조의 시험운전을 통해 보다 효과적인 운영을 할 수 있도록 국외사례 몇 가지 사례를 제시하였다. 하수처리시설의 경우에는 강우시에 초과 유입되는 하수의 안정적인 처리보다는 청천시 방류수질 달성을 위한 안정적 처리를 중심으로 운영하고 있으며, 이로 인해 강우시에는 하수처리보다는 강우 종료 후의 안정적 처리를 위한 처리공정의 안정화에 신경을 쓰고 있다. 또한 「공공하수도시설 운영 관리 업무지침(환경부)」에서는 강우시 과다하게 하수가 유입되는 상황을 비상시로 규정하고 있어 강우시 과다하게 유입되는 하수를 안정적으로 처리하기 보다는 비상관리 개념으로 정의하고 있다. 최근 빈번하게 발생하는 집중호우 등에 대응하여 안정적인 하수처리를 위해서는 강우시 유입되는 하수에 대하여 비상시 개념이 아닌 청천시 수준의 상시처리를 할 수 있도록 관련지침개정 및 강우시 운영관리 방안 마련을 위한 실증적인 조사에 기반한 연구가 필요한 실정이다. 대부분의 하수처리시설 유출수는 수계에 방류하기 전에 소독을 하여 인간에게 해를 끼치는 병원균을 죽이거나 비활성화 할 필요가 있다. 염소 및 자외선에 대한 소독기준과 설계기준은 연구문헌에 상세히 나와 있으며 그 기준은 규제기관에 의해 설정되어 있다. 규제기준은 염소 소독제를 하수에 적절히 접촉하게 하는 많은 방법과 염소와 접촉 탱크의 다양한 배열에 관한 많은 방식들을 소개하는 규제기준들이 설정되어 있다. 대부분의 국가 오염물질 배출삭감 제도의 허가서에서는 잠정적으로 나쁜 수질을 지닌 유출수 내의 병원균을 충분히 살균하기 위해 소독약품이 충분히 유출수와 접촉할 수 있도록 첨두 유량에서 필요한 최소접촉시간을 요구하고 있다. 유출수에 염소소독제를 고강도로 혼합하는 연구에서는 요구되는 살균의 대부분이 규제기준에서 요구하는 것보다 더 짧은 체류시간을 지닌 염소 접촉조에서 달성할 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 하수처리장에 대해 적은 자본투자로 강우시 유량의 높은 소독수준을 제공한다는 것을 암시한다. 추가적인 접촉시간을 주기 위하여 유량의 균등화 또는 중력침전 단계 이전에 염소의 추가에 대해서도 고려해야 한다. CSO 조사는 물리적 특성(입자 크기 분포, 퇴적물 유형), 화학적 구성(독성, 금속, 총고형물), 저서 구조(6.4.3절 참조) 등을 포함한 다양한 침전물 특성의 분석으로부터 이득을 얻을 수 있다. CSO 조사를 위한 침전물 샘플링 위치는 유출부 아래의 퇴적 지대를 포함해야한다. CSO 유출부 주변의 침전물과 비교하기 위해서 상류 참조 지점의 침전물과 CSO 요소가 없는 침전물은 동일한 침전물 특성으로 평가되어야 한다. 여러 지점의 화학적 구성과 생물학적 군집을 비교했을 때, 유사한 물리적 특성을 가진 지점을 선택하는 것이 중요하다. 침전물 자료는 일반적으로 입자 크기 분포 측정과 거리에 따른 화학 물질 농도의 도표화를 통해 분석된다. 관심 영역이 수평적으로 2차원인 경우, 등치선은 CSO 유출로부터 일정한 농도의 등고선을 보여주도록 나타난다. 핵심 샘플로부터 수직적인 편차를 사용할 수 있는 경우, 농도 등고선을 깊이에 따라 도식화할 수 있다. CSOs에 의해 영향을 받는 지역, 비CSOs 요소, 영향을 받지 않는 지역을 비교하기 위해 침전물 화학적 데이터를 통계적으로 분석할 수 있다. 이러한 분석은 수질 모니터링보다 CSO 영향에 대한 장기적인 관점을 제공할 수 있다. 저서 대형 무척추 동물은 강도래묵(Plecoptera, Stonefly), 하루살이목(Ephemeroptera, Mayfly), 날도래목(Trichoptera, Caddisfly)과 같은 퇴적물과 그 내부에서 서식하는 유기체를 말한다. 플랑크톤과 마찬가지로 저서 대형 무척추 동물은 중요한 정보를 제공 할 수 있는 유용한 지표종을 포함하며, 이 정보는 호수와 저수지에 있는 퇴적물의 유기적 첨가물 정도, 국소 용존 산소 상태, 독성의 존재 및 속성에 대한 내용을 포함한다. 일반적으로 모니터링 팀은 바닥 기질과 수심에 따라 저서 대형 무척추 동물을 샘플링하기 위해 준설, 인공 배지, 킥넷(Kicknet)을 사용한다. 샘플은 폴리에틸렌 봉지(Polyethylene bag)나 다른 적절한 용기에 완전히 보관하거나 가는 체로 세척한 다음 적합한 용기에 보관된다(Klemm, 1990). 존재하는 분류군, 각 분류군의 총 밀도, 이 분류군의 수 또는 생물량에 의해 상대 빈도, 주요 및 지표 종 개체군의 변화, 존재하는 저서 대형 무척추 동물의 총 생물량과 관련하여 샘플을 분석할 수 있다. 군집구조는 종의 다양성, 풍부함, 균등함의 관점에서 설명할 수 있다. 다양성은 정착 속도, 적절한 서식지의 존재, 멸종률, 경쟁, 포식, 물리적 교란, 오염, 기타 요인들에 의해 영향을 받는다(Crowder, 1990). 정성적 데이터 평가는 어떤 요인이 종 다양성의 변동을 발생시키는지를 결정하는데 도움을 줄 수 있다. 이 평가에서, 수집된 종과 그들의 상대적인 개체군 크기는 이미 알려진 존재하는 오염원에 대한 민감도와 비교된다. 침전물, 온도체계, 다양한 화학 오염물질에 대한 허용오차 또는 민감도와 관련하여 종의 존재가 풍부, 존재, 부재하는 경향은 샘플 지점에서 종 다양성의 가장 큰 원인을 보여줄 수 있다. 정성 분석과 관련하여 두 가지 주의사항 있다. 첫째, 같은 종의 다른 계통(유형)은 특히 광범위한 번식 프로그램을 겪는 것과 같은 스트레스 유발인자(Stressor)에 대해 종종 다른 민감성을 보일 수 있다. 둘째, 유기체의 특성이 지역마다 다를 수 있기 때문에 지표 종 목록을 사용할 때 CSO 연구와 동일한 지역에서 데이터를 수집했는지 여부를 기록하는 것이 중요하다. 조사자는 일반적으로 환경 영향의 일반적인 지표로서 다양성 지수의 사용을 샘플링 및 샘플 분석 방법이 일치하는 연구 내에서의 비교로 제한해야 한다.