본 연구는 A 하수처리장 내 혐기 소화 상징액 그리고 농축조 상징액을 대상으로 반응시간에 따른 질소 화합물 성상 변화에 관한 연구를 수행하였다. 하수처리장에서 질소 처리는 일반적으로 질산화 – 탈질의 생물학적 처리를 기반으로 하고 있다. 세계적으로 친환경·저에너지 형 기술이 주목받음에 따라 기존의 완전질산화 반응과 비교하여 경제적인 아질산화 반응 및 관련 연계 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 아질산화 반응은 SRT 조절에 따른 nitrite oxidizing bacteria(NOB)의 wash-out 또는 free ammonia(FA)에 의한 저해 작용과 같은 인위적인 조작이 없으면, 자연적 안정적으로 유도되기 어려운 반응으로 알려져 있다. 약 300일에 걸친 실험실 규모 아질산화 반응조 운전을 통하여 운전 SRT 별 반응시간에 따라 반응조 내 질소 화합물의 성상 변화를 분석하였다. 안정적인 아질산화 반응이 유도된 구간에서는 암모니아성 질소가 감소함에 따라 아질산성 질소만 증가하는 경향을 보였다. 하지만 완전질산화가 유도된 구간에서는 일정 반응 시간 암모니아성 질소가 감소함에 따라 아질산성 질소와 질산성 질소가 증가하다 일정 시간 이 후 아질산성 질소가 감소하고 질산성 질소가 증가하는 경향을 보였다. 이는 완전 질산화가 유도된 구간에서는 상대적으로 긴 SRT로 인해 반응기 내 아질산성 질소로 전환되었던 질소 화합물이 다시 질산성 질소로 전환되는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 아질산성 질소가 질산성 질소로 전환되는 시점을 기준으로 아질산화 반응이 유도 가능한 SRT를 파악 할 수 있을 것으로 판단된다. 실험실 규모 운전 결과를 바탕을 도출된 본 연구의 연구 결과는 실제 하수처리장에 아질산화 반응 도입 시 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

비점오염은 점오염과 달리 불특정 배출경로를 가지며 유출량의 예측 및 정량화가 어렵다. 또한 비점오염물질이 수계로 유입 될 경우 수질의 악화를 초래한다. 이에 정부는 비점오염원을 관리하고자 비점오염저감시설 개발, 연구 및 설치를 지속적으로 시행하고 있다. 하지만 기존 비점오염저감시설의 경우 충분한 자료를 토대로 설치되지 않아 추가적인 연구 및 보완이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구는 식생수로에서 강우 시 발생되는 부유물질 및 유기물 저감효율을 알아보기 위해 수행되었다. 연구방법으로는 대상지역에서의 강우 모니터링을 통해 비점오염저감시설의 자연형 장치인 식생수로에서의 EMC를 통계분석하고 ER 방법 및 SOL 방법을 이용하여 오염물질 저감효율을 산정하였다. EMC 결과 값은 TSS는 유입 27.62 ∼ 98.08mg/L, 유출 13.96 ∼ 220.12mg/L, COD는 유입 13.61mg/L ∼ 31.83mg/L, 유출 5.69 ∼ 11.34mg/L, BOD는 유입 2.58 ∼ 11.70mg/L, 유출 0.59 ∼ 6.65mg/L의 범위를 보였다. 저감효율 산정 값은 ER 방법과 SOL 방법에 대해 각각 TSS는 49%, 83% COD는 72%, 82% BOD는 71%, 76%로 나타났다. 상대적으로 낮은 유출부의 EMC 범위와 평균 70% 이상의 저감효율 산정 값을 통해 식생수로가 강우 시 발생되는 오염물질에 대해 높은 저감효과를 가진다고 판단된다.

최근 수계에 심각한 악영향을 미치는 비점오염원에 대한 정부의 관심이 대두되고 있다. 비점오염물질은 배출경로가 불명확하며, 배출량 또한 측정하기가 어려워 처리하기 또한 곤란하다. 이러한 비점오염물질 제거를 위하여 비점오염저감시설을 개발 및 설치하고 있다. 하지만 비점오염저감시설 설치 시 대상유역에 대한 연구가 미비하여 명확한 저감효율을 판단하기가 어렵다. 본 연구의 목적은 비점오염물질에 따른 저감시설의 효율을 파악함에 있다. 2년간 총 8회의 강우 모니터링을 통하여 경기도 용인시 경안천 유역에 설치 된 비점오염저감시설 중 식생형 시설인 식생여과대의 저감 효율을 ER(Efficiency Ratio) 방법을 이용하여 산정하였다. 모든 시료는 BOD, COD, TN, TP 항목에대해 수질오염공정시험법에 의거하여 분석하였다. 2012년에서의 저감효율은 각각 36%, 37%, 55%, 44%, 2013년에는 63%, 56%, 48%, 67%로 나타났다. 2년간 각 항목별 저감효율 평균값은 50%, 46%, 52% 56%로 영양염류의 제거효율이 유기물의 제거효율보다 높은 수치를 보였다. 결과적으로 경안천유역 비점오염저감시설 중 식생여과대는 영양염류의 제거에 효율적이며, 저감기능 향상을 위해 지속적인 관리와 연구가 필요하다.

수질오염은 부유물질, 유기물질, 영양염류 등이 수계로 유입되어 물의 물리·화학적 변화를 일으키는 경우를 말한다. 배출 형태는 점오염원과 비점오염원이 있으며, 비점오염원은 점오염원에 비해 오염부하량이 상대적으로 증가하고 있어 수계에 악영향을 초래하고 있다. 이에 비점오염원의 관리가 중요해졌으며, 비점오염물질을 처리하기 위한 시설설치가 이루어지고 있다. 비점오염저감시설은 크게 자연형 시설과 장치형 시설로 구분된다. 자연형 비점오염저감시설인 식생여과대는 배출되는 오염물질을 주로 식생에 의해 처리하는 방식이다. 따라서 본 연구에서는 수질오염의 정도를 나타내는 지표인 BOD, COD, TSS 값을 산정하고, 식생여과대의 식생피도 변화에 따른 유기물질 제거효율을 분석하고자 한다. 용인시에 설치된 식생여과대에서 7년간의 모니터링을 통해 연구가 수행되었다. 탁도를 기준으로 유입·유출수의 샘플링을 했으며, 통계학적 방법으로 BOD, COD, TSS의 제거효율을 분석하였다. 식생피도는 4계급으로 분류하였고, A계급 : 0 ∼ 25 %, B계급 : 25 ∼ 50 %, C계급 : 50 ∼ 75 %, D계급 : 75 ∼ 100 % 으로 나타내었다. 유기물질과 부유물질의 제거효율은 다음과 같다. A계급에서 BOD는 24 %, COD는 5 %, TSS는 60 % 이고, B계급에서 BOD는 17 %, COD는 40 %, TSS는 77 % 이고, C계급에서 BOD는 43 %, COD는 43 %, TSS는 82 % 이고, D계급에서 BOD는 61 %, COD는 53 %, TSS는 92 % 이다. 식생피도가 증가할수록 유기물질인 BOD, COD와 부유물질인 TSS의 제거효율이 높아지는 것으로 나타난다.

비점오염원은 점오염원과 다르게 불특정하게 배출되며 유출특성에 대하여 명확한 제시를 하기에 어려움이 있다. 이에 정부는 최근 비점오염원에 대한 문제의 심각성을 인식하고, 비점오염원 관리제도와 관리대책을 마련하는 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 자연형 비점오염 저감시설인 식생수로의 저감효율을 제거 효율법(Efficiency Ratio, ER)과 부하량 합산법(Summantion of Loads, SOL)으로 산정하였다. ER 방법에 의한 T-N, T-P의 저감효율값은 2012년도에 T-N 80 %, T-P 83 %가 2013년도에 T-N 75 %, T-P 85 %, SOL 방법은 2012년도에 T-N 79 %, T-P 87 %, 2013년도에 T-N 71 %, T-P 73 %로 나타났다. 본 연구에서는 하계와 추계에 대한 저감효율 비교분석을 통해 식생수로의 효율평가를 하였으며, 시설의 계절별 관리방안과 설계에 도움이 될 것이라 판단된다.

수계 부영양화 방지의 사전 예방 대책으로 질소는 국내 하수처리장의 중요 관리 대상 항목 중 하나이다. 국내 하수처리장에서 질소 제거를 위해서 완전질산화 반응을 기반으로 하고 있지만 보다 경제적이고 친환경적인 장점이 있는 아질산화 반응에 관한 관심이 증대되고 있다. 하지만 아질산화 반응은 현장 적용성의 문제를 가지고 있어, 활용성은 아직 부족한 측면이 있다. 본 연구에서는 아질산화 반응의 활용성을 증대를 위한 방안으로, 아질산화 반응의 SBR 공법 적용성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 약 200일 동안 실험실 규모의 SBR 형태의 아질산화 반응조를 운전하였으며, 운전 조건 조절을 통해 안정적인 아질산화 반응을 유도 할 수 있음을 확인하였다. 또한 HRT와 SRT의 분리를 통해 SBR 형태의 아질산화 반응조의 효율을 증가 시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 이는 하수처리장에 아질산화 반응의 하수처리장 도입 시 SBR 공법을 이용하는 것을 고려할 수 있지만, 현장 적용성 측면에서 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

하수에는 유기물, 질소, 인, 중금속 등 다양한 종류의 오염물질이 함유되어 있으며, 수계로 미처리하여 방류되게 되면 수계 수질을 악화시키게 된다. 그 중 질소(Nitrogen)와 인(Phosphorus)은 영양염류(Nutrient)로 분류되며 수계 부영양화(Eutrophication)의 주요한 원인으로 알려져 있다. 생물학적 영양소 제거 방법은 화학적 처리 방법에 비해 경제적, 환경적 및 운영적 장점을 가지고 있어 대부분의 하수처리에 적용되고 있다. 하지만, 현재 적용되는 기술에서는 암모니아성 질소를 질산성 질소 상태로 산화시킨 후 탈질 반응을 거치는 완전질산화(Nitrification)반응이 적용되고 있다. 만약 아질산성 질소 상태에서 탈질을 유도하는 아질산화 반응(Nitritation)을 적용하게 된다면, 완전질산화에 비해 이론적으로 약 25%의 산소를 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 하수처리장에서 슬러지 처리 공정 중 혐기 소화단계에서 발생하는 고농도 질소를 함유한 혐기 소화 상징액을 대상으로 하여, SRT가 암모니아성 질소 제거율(Ammonium nitrogen removal rate)와 아질산화율(NItrite conversion rate)에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 서울 A 하수처리장의 혐기 소화 상징액을 대상으로 한 실험실 규모 아질산화 반응조 운전 결과 안정적인 암모니아성 질소 제거율을 기대하기 위해서는 SRT 0.5d 이상, 고효율의 아질산화율을 기대하기 위해서는 SRT 1d를 유지해야 하는 것으로 나타났다. 이는 암모니아성 질소 제거율의 경우 일정한 SRT 이상 유지시켜 주면, 안정적인 효율을 기대 할 수 있는 반면, 아질산화율의 경우에는 일정한 SRT를 유지시켜 주어야만 안정적인 효율을 얻을 수 있는 것으로 해석 할 수 있다. 따라서 암모니아성 질소 제거 및 아질산화 반응에 서 SRT는 그 효율 및 유도에 있어 매우 중요한 인자로 작용하는 것을 확인 할 수 있다.