중국, 일본, 태국 등 아시아 지역에 물폭탄이 떨어졌다. 한국도 1973년 기상관측 이후 최장 장마 기록을 경신했다. 이처럼 기후변화에 따른 강우 강도 및 빈도가 증가하면서 수계로 유입되는 오염부하가 가중됨에 따라 초기우수의 생물학적 처리에 대한 관심이 점점 높아지고 있다. 최근 미국 현장평가에서 세계 최초로 초기우수에 대한 생물학적 처리효율을 입증한 Proteus+의 활약이 기대되는 이유다.

한국과 다른 미국의 수질규제 방식

한국은 하수처리장 방류수의 수질을 BOD, COD, SS, TN, TP 등 다각적인 기준으로 규제하고 있다. 그러나 미국의 경우 지난 1972년부터 발효된 Clean Water Act를 통해 연방차원에서 전국적으로 규제하고 있는 방류 수질기준은 BOD <30mg/L와 TSS <30mg/L가 전부다. 이런 내용만 놓고 보면, 미국의 수질기준이 한국에 비해 매우 허술하다고 볼 수 있지만 실상은 그렇지 않다. 한국과 미국의 규제 방법에 큰 차이가 있기 때문이다.

한국은 상수원에 미치는 영향을 고려해 다소 차등을 두고는 있지만 기본적으로 전국에 일률적인 수질기준을 적용하고 있고 규제항목도 거의 같다. 아마도 국토 면적이 넓지 않아 가능한 일일 것이다. 반면, 국토가 광대한 미국은 한국처럼 중앙정부가 모든 수질항목을 일률적으로 정해 강제하기 어렵다. 따라서 연방정부는 기본항목만 법으로 정해 규제하고 주정부나 도시, 카운티가 지역특성에 맞게 세세한 방류수질 기준을 정해 시행하는 이원적 구조를 갖게 됐다. 결과적으로 미국의 모든 공공, 민간 하수처리장은 연방정부가 정한 수질기준을 충족시키면서 방류 수계의 수질보전을 위해 지방정부가 정한 보다 까다로운 수질기준도 충족시켜야 한다.

미국에서 개별 하수처리장의 인가수질은 방류 수계의 수질보전이라는 근본적인 목표를 달성하기 위해 정해지는데, 계절에 따라 방류 수계의 용존 산소(DO)를 관리하고 어류에 치명적 영향을 미칠 수 있는 암모니아 농도도 규제한다. 호수의 경우에는 부영양화를 방지하기 위해 추가적으로 인을 규제하기도 한다. 미국 내에 이러한 개별적인 수질기준이 적용되는 하수처리장이 대략 만 곳이 넘는데, 이는 만개 이상의 수질기준이 존재한다는 것을 의미한다. 이렇듯 미국 내 수질기준의 다양성은 미국 동부에서는 TN을 3.0mg/L로 규제하지만 서부에서는 아예 규제기준 자체가 없는 등 규제의 다양성을 만들어낸다.

한국과 미국은 처리유량에 대한 접근방식도 매우 상이하다. 한국은 강우 시 유입 하수량이 증가할 경우 설계유량의 3배(2Q는 1차처리만, 1Q는 2차처리까지 수행)를 처리하고 초과유량은 합법적으로 By-Pass가 가능하다. 또한 초기우수(2Q)에 대한 방류수 수질기준과 2차처리에(1Q) 대한 방류수 수질기준이 다르게 적용된다. 미국의 경우에는 관거로 유입되어 하수처리장에 도달하는 우수를 포함한 모든 하수를 By-Pass없이 전량 처리해야 하고 처리수가 배출되는 방류구도 1개로 제한된다. 초기우수에 대한 별도의 수질규제가 존재하지 않는다. 따라서 미국 하수처리장은 강우 시 유입된 유량을 최대한 2차처리 공정으로 유입시켜 처리하고, 2차처리 용량을 초과하는 유량에 대해서는 별도의 처리를 거친 후 2차 처리수와 합쳐(blending) 방류하고 있다.

한국과 미국 간 하수처리장의 방류수 수질을 규제하는 매우 근본적인 차이는 여기서 그치지 않는다. 한국은 모든 시점에 방류수 수질기준을 지켜야 한다. 일년 내내 인가기준을 지켜도 단 한 순간 기준치를 초과하면 법 위반이다. 하지만 미국은 일 최대(Daily Max), 주 평균(Weekly Average), 월 평균(Monthly Average), 년 평균(Annual Average) 기준을 적용한다. 방류수 수질기준은 지역에 따라 한국보다 훨씬 까다로울 수 있지만 하수처리장 관리는 보다 용이할 수 있다. 이는 하수처리장의 유량 및 수질 변화와 계절에 따른 운전조건의 변화, 방류 수계의 계절적 수질변화를 고려한 것으로 방류 수계의 수질보전이라는 취지에 보다 충실한 합리적이고 실질적인 규제방식이라고 할 수 있다.

미국에서 입증한 Proteus+ 성능

미시간주 제네시 카운티에 위치한 Anthony Ragnone Treatment Plant(이하 ARTP) 사례[표 1]를 보면, 수질기준이 계절별로 다르고 30일 평균 및 일 최대 수질이 다르게 책정되어 있는 것을 알 수 있다.

지구 온난화에 따른 기후변화로 강우 강도가 증가하고 있고 이에 따라 수계로 유입되는 오염부하가 증가하고 있다. 이러한 이유로 미국에서도 초기우수처리에 대한 관심이 증대되고 있고 현재 연방정부 차원에서 초기우수를 포함한 하수처리장 방류수 수질기준을 개정하기 위한 절차를 진행하고 있다. 계획대로라면 2020년 말에 기준을 공표할 예정이다. 새로 적용되는 기준은 기존보다 강화되는 방향으로 진행되고 있다. 특히 미시간의 경우 5대호와 인접해 있어 매우 엄격한 수질기준이 적용될 것으로 예상되고 있다. 아직 구체적인 내용이 공표된 것은 아니지만 우수를 포함해 하수처리장으로 유입되는 모든 하수를 2차처리(생물학적 처리)해야 하는 방향으로 진행되고 있는 것으로 알려져 있다. 즉 초기우수의 경우에도 2차처리 수준의 방류수질 기준을 적용한다는 것을 의미하는 것인데 이는 설계 및 운영적인 측면에 매우 큰 도전이 되는 과제다.

제네시 카운티 ARTP[그림 1]는 이러한 규제변화에 대응하기 위해 부강테크 미국 법인Tomorrow Water의 Proteus 기술에 대한 현장평가를 진행했다. 평가는 2019년 4월에서 2020년 6월까지 2단계로 나누어 진행됐다. 1단계에서는 다양한 수질조건에서 Proteus 공정의 처리효율을 평가하기 위해 하수처리장 유입수에 2차 처리수 및 1차 슬러지를 투입하여 유입농도를 변경하며 평가를 수행했다. 2단계에서는 ARTP의 운영특성을 고려해 1차 침전지 유출수 처리효율 평가를 진행했다. 이는 이 처리장의 경우 초기우수 유입량을 전량 1차 침전지로 유입해 처리한 후 2차 처리시설의 처리능력을 초과하는 유량의 경우에만 별도의 소독을 거친 후 방류되도록 설계/운영되고 있기 때문이었다. 다행히 2차 평가기간 중 강우가 발생해 실제 초기우수에 대한 Proteus 공정의 대응성 및 효율을 평가할 수 있었다. 현장평가에는 1차처리 기술인 Proteus와 1차처리와 생물학적 처리가 결합된 초기우수처리 기술인 Proteus+가 적용되었으며[그림 2], 3자 평가 및 자문위원으로 미시간 대학의 Glen T. Daigger교수가 참여했다.

현장평가 결과, Proteus와 Proteus+ 공정 모두 BOD, SS를 안정적으로 제거하는 것으로 나타났다. [표 2]에 제시된 대로 1차처리 공정인 Proteus는 BOD 69%, SS 78%의 효율을 나타냈으며, 초기우수처리 기술인 Proteus+는 BOD 81%, SS 84%를 제거하는 것으로 나타났다. 1차처리의 경우 서울 중랑물재생센터에서 운전 중인 Proteus보다 처리효율이 높게 나타났는데, 이는 미국의 유입하수 농도가 한국에 비해 높기 때문이다. Proteus+도 BOD 및 유기물의 안정적 처리, Fecal Coliform 45~78% 제거, 소독용 염소 사용량 80% 감소라는 높은 효율을 보였다. 이는 소독에 필요한 약품비를 절감하고 대장균에서 안전한 수질을 확보할 수 있음을 의미한다. 타 기술의 경우 초기우수의 불규칙한 수질특성에 따라 처리효율이 불규칙하게 나타나 염소 소독공정의 운전이 어려운 것으로 알려져 있는데, Proteus+의 경우에는 이러한 문제가 없는 것으로 나타나 운전의 편리성도 높은 것으로 평가됐다.

2020년 5월 19일에는 실제로 비가 내리면서 초기우수가 하수처리장으로 유입되는 환경에서 Proteus+의 대응성 및 처리효율 평가를 진행했다. 건기 시 미생물 활성을 유지하는 방안으로 2주 동안 미생물 활성유지에 필요한 최소한의 유량만 유입하다가 실제 초기우수가 유입되었을 때 Proteus+가 어떤 효율을 달성하는지 평가했다. 처리결과가 [그림3]과 [그림4]에 나타나 있는데, SS, BOD모두 미국의 수질기준(NPDES)인 BOD 30mg/L, SS 30mg/L를 만족하는 것으로 나타났다.

미국 미시간주 ARTP에서 진행한 이번 현장평가를 통해 Proteus 공정이 고농도 미국 하수를 매우 효율적으로 처리할 수 있고 규제가 임박한 초기우수처리 분야에서도 발군의 성능을 발휘한다는 점을 증명할 수 있었다. 아직까지 미개척지로 남아 있는 거대한 미국 환경시장에 우수하고 혁신적인 한국기술이 진출할 수 있고 전 지구적 차원에서 직면하고 있는 기후변화에 대응하는 선봉에 설 수 있다는 자신감은 이번 현장평가로 얻은 가장 큰 부수입이라고 할 수 있을 것이다.

Proteus+, 기후변화 대응 선봉에 선다!

한국과 다른 미국의 수질규제 방식

미국에서 입증한 Proteus+ 성능

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