1.4 물환경연구부 국립환경연구원보제24권 Report of NIER, Korea Vol. 24 287 ~ 295 22 NIER No. 22-11-65 마을하수처리시스템구축에관한연구 (Ⅱ) 물환경연구부수질공학과 한기봉, 이영준, 권오상, 안우정, 홍성민, 이경숙, 장은성 A Study on the Systematic Construction of Small Scale Sewage Treatment Facilities(Ⅱ) Gee Bong Han, Young Joon Lee, Oh Sang Kwon, Woo Jung Ahn, Sung Min Hong, Gyung Sook Lee, Eun Sung Jang Wastewater Engineering Division Water Environment Research Department - ABSTRACT - This study is focused on surveying current status of systems and proposing proper guidelines with alternatives for the improvement of existing systems. The results and alternatives to improve the current conditions and problems of small scale system being operated now are summarized as follows: 1. The current installation status of the small scale system showed that 1,657 plant have been built until Feb. 22. Among these processes, application rate of the small scale system to simplified small scale facilities resulted in 6.6% to 39.4%, same as the ratio of 6 to 4. The applied processes for small scale plants were counted to be about 12 kinds. 2. The sewer line to collect generated from small village was buried within 3km distance but less than 5% above 3km distance. The resident of small village was surveyed to be less than 3 persons in the most villages and the distance of sewer line per person is analyzed to be above 13m in 1 residents village, 9m in 2 residents village, and 5m in 3 residents village. 3. The generation per person from small village of 1 residents and less was found to be 2~5Lpcd, but over 1Lpcd in some other case. That was found to be 2~5Lpcd for small village
of 1 residents and above, but average 3Lpcd without any relation to residents number. The generation rate was calculated to be.3m 3 /person/day(3lpcd) by linear regression. 4. The mean efficiencies for daily capacity of 1m 3 /day and above plants were showed the same results for that of daily capacity of 1m 3 /day and less plants because of same reason for daily capacity of 1m 3 /day and less plants. 5. The floating and packing media bed showed 9% and above removal efficiencies at the.1~.5kgbod/m 3 /day loading rate, but the optimum removal efficiencies for both media were earned at.3~.5kgbod/m 3 /day influent loading rate. 6. The installation cost of small scale plant was calculated to be 2.72 million won by linear regression method and the maintenance fee for suspended process, biofilm process, soil utilizing process, and etc. was investigated to be annually 4thousands~55thousands won/m 3. The electricity usage fee was surveyed to be the largest portion of the maintenance fee and 3thousands~8thousands won were payed for the plants of 1~4m 3 /day capacity. Ⅰ. 서론 우리나라에서는 1966년하수도법이처음설치되었고, 물관리일원화를위하여 1994년하수도법이개정되면서하수도업무가건설부로부터환경부로이관되었다. 이때부터하수도정비기본계획이 2년단위에서 5년단위로변경되었으며, 1997년하수도법개정시하수도설치인가권이시 도지사로이양된뒤부터마을하수도가공공하수도로수용되었으며, 1999년하수도법개정시마을하수도기본계획의포함사항이명시되었다. 마을하수도는자연취락지구또는문화마을조성지구를대상으로하수관거연장 3km 이내에서주로설치되고있는데, 지방자치단체의재정규모가작고하수도시설설치부담능력의취약성때문에이미설치된시설에대한체계적인정비가필요하다. 또한하수처리시설로유입하는하수의유기물농도는설계요구치보다낮아서처리효율이떨어지고있는실정이다. 이러한여건에서도 '96년부터하수종말처리장수계부영양화방지를위한질소와인의규제가더욱강화되고있으며, 25년까지하수도보급률이 8% 에이르도록하수처리시설설치사업이추진되고있다. 1) 따라서이에 대응하는충분한연구가필요한상황이고각부처별로추진되는마을하수도사업의원활한추진과사업의목적달성을위해서는시설설치및처리시설의효율적인운전과유지관리가요구되고있다. 본조사연구사업은하수처리구역외지역에산재한농어촌마을을중심으로한지역의소규모하천과지천등의수질오염방지를목적으로, 마을하수도시스템에대한현황파악과시설설치및운전과유지관리에대한최적의시스템구축방안을도출하여향후마을하수도사업의효율적추진을위한지침을제공하는데있다. Ⅱ. 연구내용및방법 1. 연구내용 (1) 마을하수도의보급현황및운영실태파악 (2) 마을하수도의설치현황 - 지역별, 처리공법별, 규모별설치현황 (3) 마을하수도에적용되고있는오수처리기술현황조사 - 기존마을하수도시설의처리공법및운전자료수집
(4) 표본조사에의한처리공법별기존마을하수도의운영실태조사 - 유지관리시스템상의문제점파악 - 오염물질처리효율조사 (5) 마을하수도의개선방안제시 (6) 기존마을하수도시설의문제점및시설개선을위한대안제시 (7) 마을하수도시스템의최적유지관리방안제시 2. 연구방법 (1) 자료의수집및분석마을하수도시설조사표의작성및수집자료의분석평가를위하여조사대상마을하수도를시설별로분류및선정하였다. (2) 현지조사기존및수집자료를이용하여현지조사대상시설을선정하고선정된시설에대한단위공정별유지관리실태를정밀조사하였으며, 이를바탕으로마을하수도시설별실태를평가하였다. (3) 낮은유입부하및현재마을하수도에가장많이보급되어있는생물막공법을대상으로부하별오염물질의최적처리효율을고정상과유동상담체를대상으로bench scale실험또는현장시설조사를하였다. (4) 마을하수도에대한적정화방안제시를위한기존마을하수도시설의운영, 유지관리, 시스템개선및업무개선방안에대한조사를하였다. Table 1. Installation status of the small scale system (unit : plant) Item MOGAHA MOAF MOE Capacity (ton/d) No. of plants small scale preliminary small scale preliminary small scale preliminary Total 12,779 1,657 861 651 112 2 31 - Seoul - - - - - - - - Busan 1, 5 2 - - - 3 - Daegu 35 1 1 - - - - - Inchon - - - - - - - - Kwangju 5 1 - - - - 1 - Daejon - - - - - - - - Ulsan 9 3 - - - - 3 - Gyunggi 8,125 118 92 1 9-7 - Gangwon 26,4 266 135 97 25 2 7 - Chungbuk 6,599 18 74 26 8 - - - Chungnam 9,874 173 65 83 22-3 - Chunbuk 9,672 193 64 19 2 - - - Chunnam 15,764 33 18 145 5 - - - Gyungbuk 9,838 212 125 77 7-3 - Gyungnam 12,118 21 98 86 13-4 - Jeju 2,44 46 25 18 3 - - - MOGAHA : Ministry of government administration and home affairs MOAF : Ministry of agriculture and forest MOE : Ministry of environment
Ⅲ. 결과및고찰 1. 마을하수도설치현황행정자치부, 농림부및자체사업으로설치된전국마을하수도현황은표 1과같다. 전국적으로설치된시설총용량은 1일약 1만톤규모이며지역별로고르게분포되어있다. 마을하수도사업은일정규모 (5~5 m 3 /day) 의마을하수도사업을수행하는관청인환경부외에농어촌주택개량촉진법에따라자연취락마을을대상으로농어촌특별세를사업비로하여추진하는행정자치부및농어촌정비법에의거문화마을조성지구를대상으로추진하는농림부등 3개부처에서각각시행되고있다. 따라서, 지금까지설치된마을하수도는 22년 2월까지총 1,657 개소에달하는시설이설치되었다. 2. 마을하수도공법별설치현황마을하수도의공법은하수도법시행령제6조의2규정에의한사업계획을수립하여지방환경관서의장과협의과정을거처기존의간이오수처리시설등을마을하수도로편입하여운영및관리함으로써약 12 여개의마을하수처리공법들이설치및운영되고있다. 2) 이처럼수많은마을하수처리공법들은건설비, 방류수기준달성여부및유지관리용이성등을고려하여가장경제적이고효율적인처리공법으로선정되어운영되고있으나, 처리공법선정시필요한하수도분야전문가의의견수렴부족과유지관리문제등으로유사공법이지만지역에따라서명명되어있는공법의이름이다른경우가많은실정이다. 용량별분포현황은표 2와같이마을하수도는용량 5 m 3 /day 미만의소규모처리시설이전체의 58% 를차지하고있으며이것은행자부및농림부에서각각실시하였던기존의간이오수처리시설및합병정화조를포함하는소규모하수도시설들을마을하수도로편입하여운영하기때문이다. Table 2. Installation status for capacity of system 관거 (km) 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1.5 Capacity(m 3 /day) Number of plants Total 1657 5 below 953 5 ~ 1 442 1 ~ 2 19 2 above 72 3. 마을하수도설치및운영유지관리실태현장조사 (1) 관거시설설치대상지역대부분의마을에서발생되는오수를차집하기위하여매설한오수관거는관경 Ø15mm 의 PE 또는주철관으로조사되었다. 차집관거의길이는그림 1에나타낸것같이대부분은총연장 3km 이내로설치되었으며그이상되는곳은 5% 미만이었다. 마을하수를차집하기위하여설치하는관거의길이는인구가늘어날수록세대수가증가하므로당연히길어지지만인구증가와관계없이최소.5km 에서최대 3.5km 까지의범위에서설치되고있는것으로나타났다. 1 2 3 4 5 인구 ( 인 ) Figure 1. Length of sewer line to collect generated 1인이하규모의마을에설치된관거의 1인당길이는약 13m/ 인이상되는것으로분석되었고, 2인이하규모의마을은약 9m/ 인이상이고 3인이하규모의마을은약 5m/ 인이상이며, 3인이상되는규모는약 5m/ 인의길이로분석되었다 ( 그림 2 참조 ).
인구당관거길이 (m/ 인 ) 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 마을인구 ( 인 ) 3) 1차침전조대부분의마을하수도는규모가작은오수처리시설의형태로설치되었기때문에소규모마을하수처리시설에서는 1차침전조가채택되지않은경우가많았는데, 1 톤이상의중규모마을하수도중상대적으로규모가큰곳이나고부하또는생물막법을채택하는처리시설에서는 1차침전조가설치운영되고있었다. Figure 2. Distance of sewer line per person (2) 하수처리시설관련실태조사 1) 스크린및전처리시설관련실태현장조사결과간이오수처리장및마을하수처리장구형설비는스크린이없는경우가많았고신형설비또한, 스크린시설이 3mm 이상의바스크린이형식적으로설치되어있는경우도있어유량조정조로유입된협잡물이바닥으로침적되어부패반응이일어나최종처리효율을저하시키는결과의원인이되는경우도있었다. 한편, 소수의처리장에서는간격이 1mm 이하인미세목간이스크린을설치한경우도있었지만오히려찌꺼기반출빈도의증가로인하여적절한관리가이루어지지못하고방치되는경우도있었다. 현재대부분의마을하수처리장관리담당공무원은혼자서마을하수도관리업무외에도소속부서내의기타업무를함께담당함으로써업무과중으로인하여주기적인스크린청소가어려운상태이다. 2) 유량조정조관련실태유량조정조는처리장의특성과건설비등을고려하여규모를산정하여설치토록되어있으나, 부지확보가첫번째용량산정요소로작용되어넓은처리시설부지가확보될경우필요이상의규모로유량조정조가설치되거나또한, 반대로부지확보가어려워공간이협소할경우필요저유량의 5% 미만의규모로설치된것으로조사되었다. 형태는대부분 RC조의경우장방형이었으나 FRP 조의경우는공법에따라원형조가설치되기도하였다. 체류시간은보통 2 ~ 12시간의범위에서설치되는것으로조사되었다. 4) 2차처리반응조관련실태 2차처리반응조는마을하수도시설중다른반응조시설과는달리적용공법에따라형상, 용량, 수량, 구조및설치방식등이각각다르게설치되어있다. 3),4),5) 하수처리공법이도입되기시작한초기에는활성슬러지를이용한공법이주류를이루었으나기술개발에따른공법의다양화로시기적으로공법별적용경향이다양하게변화되어왔음이현장에설치된시설을통하여조사되었다. (3) 마을하수도유지관리운영실태 1) 설계및현장유입유량조사설계유입유량은마을거주인구규모가 1인이하일경우는 1인당오수발생량은최저약 2Lpcd에서 5Lpcd의범위에서산정되었고, 경우에따라서는 1,Lpcd가넘게산정되는경우도있는것으로나타났다. 1인이상규모일경우는 1인당오수발생량은 2Lpcd ~ 5Lpcd의범위에서산정되었고인구규모와상관없이평균적으로 3Lpcd로산정되어설계에적용되고있는것으로나타났다. 마을하수처리시설에실제로유입되는유입유량은설계용량대비최저 2% 에서최고 95% 이상의범위로유입되고있는것으로조사되었으며이는다시 2~5% 범위의유량이유입되는시설과 7~95% 이상범위의유량이유입되는시설로대별되고있다 ( 그림 3). 실제유입유량이낮은이유는농촌지역마을의인구가노령화와함께청년층인구의도시집중으로농촌지역의가구당인구감소가지속적으로진행되고있기때문인것으로보인다. 또한, 문화마을조성등새로운마을을조성하는경우입주예정가구의입주가지연되거나
입주율이현저히낮은지역의경우에도유입유량의비율이설계치보다현저히낮아진것으로보인다. 이하의처리효율을나타내는시설로나뉘어지는것으로조사되었다 ( 그림 5). 유입량비율 ( 실제 / 설계, %) 12. 1. 8. 6. 4. 2.. 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 3. Sewage generation rate 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 5. Mean efficiency of COD 2) 항목별처리효율 14개지역의마을하수도의유입수대비방류수측정결과를이용하여산출한평균처리효율을 BOD, COD, SS, TN, TP 항목별로도식화하여각각나타내었다. 처리시설용량별평균 BOD 제거효율은그림 3-13 와같이대략 7% 이상을나타내고있다. 일일처리용량 1톤을기준으로할때 1톤미만의경우 7% 에서 98% 의분포범위를나타내고있으며 1톤이상일경우 8% 이상에서 9% 의범위로수렴함을나타내고있다 ( 그림 4). 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 4. Mean efficiency of BOD 일일처리용량 1톤을기준으로할때 1톤미만의경우평균 COD 제거효율이 7% 에서 95% 의분포범위를나타내고있으며 1톤이상일경우평균 COD 제거효율이 8% 이상처리효율을나타내는시설과 8% 일일처리용량 1톤을기준으로할때 1톤미만의경우평균 SS 제거효율이 7% 에서 99% 의분포범위를나타내고있으며 1톤이상일경우평균 SS 제거효율이 8% 이상으로처리되고있는것으로조사되었다. 전체적으로평균 SS 제거효율의경우시설처리용량과관계없이 9% 정도의평균 SS 처리효율을나타내고있는것으로나타났다 ( 그림 6). 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 6. Mean efficiency of SS TN 제거에의한평균처리효율은대략 1% 에서 8% 에이르는분포를나타내고있는것으로조사되었으며처리시설규모별용량이증가할수록 4%~5% 대로낮아지고있는것으로조사되었다. 이처럼 TN 처리효율의변화폭이큰것은대부분의시설이영양염류제거를위한고도처리공법이적용되지않는시설로설치되었기때문으로판단된다 ( 그림 7).
1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 7. Mean efficiency of T-N 그림 8에는마을하수도처리용량규모별평균 TP 제거효율을나타내었다. TP 제거에의한평균처리효율은그림 7에나타낸 TN 처리효율과마찬가지로대략 1% 에서 9% 에이르는분포를나타내었다 ( 그림 8). 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Figure 8. Mean efficiency of T-P (4) 마을하수도적용공법최적화 1) 최적부하율마을하수도에있어서처리효율에영향을미치는가장중요한인자는유입하수량및농도로결정되는유입부하인데, 전국적으로설치되어있는마을하수도의유입농도가대부분설계치 (2 mg/l) 에비해과다하게낮은농도로유입되고있는실정이므로유입부하가낮아최적의처리효율을얻을수있는조건에서의운전이이루어지고있지않는실정이다. 6) 따라서, 낮은유입부하및현재마을하수도에가장많이보급되어있는생물막공법을대상으로부하별오염물질의최적처리효율을고정상과유동상담체를대상으로시험하였으며, 유입부하.1~.3 kgbod/m 3 /day일경우고정상담체를이용할경우의평균처리효율은 91.5±4.5% 로나타났고, 유동상담체를이용할경우의평균처리효율은 9.±5.5% 를나타낸것으로조사되었다. 또한, 유입부하가.3~.5 kgbod/m 3 /day의범위일경우는고정상담체를이용한평균처리효율은 92.5±5.3% 를얻었고, 유동상담체를이용한평균처리효율은 92.9± 2.8% 를얻은것으로나타났다. Table 3. Mean removal efficiencies for each loading rate Loading rate Mean removal efficiency(%) (kgbod/m 3 /day) Fixed media Fluidized media.1~.3 91.5(4.5) 9.9(5.5).3~.5 92.5(5.3) 92.9(2.8) ( ) : standard error 2) HRT변화에따른제거효율그림 9는수리학적체류시간에따른담체별 BOD 제거효율변화를그래프로나타내었다. 수리학적체류시간 (HRT) 은각각 6, 9, 12시간의 3가지경우로시험되었는데체류시간이짧을수록유동상담체를이용한경우의 BOD 제거효율이고정상담체를사용한경우의 BOD 제거효율보다높게나타났다. BOD Removal(%) 1% 95% 9% 85% 9% 95% BOD Efficiency 92% 96% 96% 96% 6hr 9hr 12hr 수리학적체류시간 (HRT) Fixed Media Fluidized media Figure 9. Comparison of BOD removal efficiency with fixed media and fluidized media. (5) 유지관리비최적화그림 1에마을하수처리시설별총유지관리비 ( 전기료, 수질검사비및슬러지청소비의합 ) 와각각비용의소요내역을나타내었다. 조사항목중전기료가유지관리비에서제일많은부분을차지하고있으며, 처리시설용량이 1~4m 3 /day의범위일때총유지관리비는 3~8 만원의범위에서소요되었음을나타내고있다. 따라서, 공법
구분없이단위시설용량당유지관리비가약 2~3만원 /m 3 로추산될수있고이는본조사에서나타난바와같이기술된공법별시설처리용량당년간 4만원 ~5.5만원 /m 3 의범위에서소요된유지관리비보다도적게소요된것이다. 그렇지만, 위탁관리의경우인건비등의항목이추가될수있으므로유지관리비는증가될수있을것이다. 또한, 처리시설규모별소요사업비에대한최적화기법을사용하여도출된처리시설단위용량당시설설치비는약 272 만원으로나타났다. 7) 비용 ( 천원 ) 8 7 6 5 4 3 2 1 1 26 23 25 4 시설용량 ( 톤 / 일 ) 총유지관리비 전기료 수질검사비 슬러지청소비 Figure 1. Maintenance fees for small system Ⅳ. 결론 본연구는 21년부터 2년계획으로수행되었으며 2 차년도결과도출을위하여 1차년도에조사연구된결과를바탕으로마을하수도시스템의개선방안제시, 기존마을하수도처리시설의문제점에대한시설개선을위한대안제시, 마을하수도시스템의최적유지관리방안제시등에대한연구수행연구결과는아래와같다. 1. 22년 2월까지설치된마을하수도는총 1,657개소에달하며이중 1,512개소 (91.2%) 의시설이행정자치부주관사업으로설치되었고, 6.9% 에달하는 114개소의처리장이농림부주관사업으로설치되었으며, 31개소 (1.9%) 의시설이자체사업으로설치된것으로조사되었다. 또한처리수준규모별로살펴보면마을하수도와간이 오수처리시설의비율은각각 6.6% 와 39.4% 로약 6대 4정도로설치되었으며, 마을하수처리시설은전국적으로 12 여개의마을하수처리공법들이설치및운영되고있다. 2. 마을오수를차집하기위하여설치된매설차집관거의길이는대부분총연장 3km 이내로설치되었으며그이상되는곳은 5% 미만이었다. 또한인구규모는대부분의마을이 3인이하의소규모마을로서 1인이하규모의마을에설치된관거의 1인당길이는약 13m/ 인이상되었고, 2인이하규모의마을은약 9m/ 인이상이며 3인이하규모의마을은약 5m/ 인이상되는것으로분석되었다. 3인이상되는규모는약 5m/ 인의길이로수렴하였다. 3. 마을거주인구규모가 1인이하일경우는 1인당오수발생량은최저약 2Lpcd에서 5Lpcd의범위에서산정되었고, 1,Lpcd가넘게산정된경우도있다. 1인이상규모일경우는 1인당오수발생량은 2Lpcd ~ 5Lpcd의범위에서산정되었고인구규모와상관없이평균적으로 3Lpcd로산정되어설계에적용되고있는것으로나타났다. 통계적으로최적화기법을사용하여산정한 1인당오수발생량은.3m 3 / 인 /day(3l/ 인 /day) 로설계에적용되고있다. 4. 일일처리용량 1m 3 /day 미만시설에서나 1m 3 /day 이상시설에대한 BOD, COD, SS의평균처리효율은유입되는원수의농도가높을수록처리효율도높게나타났다. 5. 유입부하.1~.5 kgbod/m 3 /day의범위에서고정상및유동상담체모두 9% 이상의처리효율을나타냈지만최적의효율은두종류의담체모두유입부하.3~.5 kgbod/m 3 /day의범위에서얻어졌다. 6. 처리시설규모별소요사업비에대한최적화기법을사용하여도출된처리시설단위용량당시설설치비는
약 272 만원으로나타났으며, 공법별유지관리비총액은부유공법, 생물막공법, 토양처리및기타의공법들에대하여시설처리용량당년간 4만원 ~5.5만원 /m 3 의범위에서소요되고있는것으로조사되었다. 총유지관리비를구성하고있는항목중전기료가유지관리비에서제일많은부분을차지하고있는것으로나타났고처리시설용량이 1~4m 3 /day의범위일때총유지관리비는 3~8 만원의범위로소요되는것으로조사되었다 참고문헌 1. 국무총리수질개선기획단, 22, 22년도물관리종합대책실천계획 2. 환경부, 22, 마을하수통합지침 3. Hallvard Odegaard, 1993, Small wastewater plants-2nd International specialized conference on design and operation, Trondheim, Norway, TAPIR 4. Larry Benefield and Clifford Randall, 198, Biological process design for wastewater, Prentice-Hall series 5. U.S EPA, 1977, Wastewater facilities for sewered small communities process design manual 6. 국립환경연구원, 21, 마을하수처리시스템구축에관한연구 (I) 7. 국립환경연구원, 22, 마을하수처리시스템구축에관한연구 (Ⅱ)