2.2 폐수량
2.2.1 폐수량의 산정
폐수의 집수, 처리, 처분시설을 설계함에 있어 폐수량의 산정은 가장 기본적인 단계라 할수 있다. 이러한 시설을 적절히 설계하기 위해서는 기존의 발생유량(폐수량) 및 계획유량에관한 신뢰성 있는 자료가 수집 및 보전되어야 하며, 이러한 자료를 기초로 하여 집수, 처리,처분시의 관련비용을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 여러 지역의 폐수를 공동으로 처리하는경우에 있어서는 비용을 균등하게 배분할 수 있게 된다. 그러나 만일 폐수량에 관한 자료가한정되어 있거나 전혀 남아 있지 않은 경우라면, 급수기록이나 기타 자료를 이용하여 폐수량을 추정해야만 하는 상황이 발생하게 된다. 따라서, 기존 자료의 수집 및 보존은 폐수처리시설의 설계시 필수적인 사항이라 할 수 있다. 또한, 하수관거시설이 설치되어 있는 지역에서는 기존의 자료나 직접 현장측정에 의해 폐수량이 결정되나, 신규시설인 경우는 인구자료및 이에 따른 상수소비량 분석, 또는 지역적 특성이 유사한 지역의 1인당 오수발생량으로부터 폐수량을 추산하게 된다.
2.2.2 폐수량의 변화
폐수량 폐수의 유량은 다양할 뿐만 아니라 유량의 형태 또한 시간, 일, 계절별에 따라 달라진다.일반적으로 유량변화의 형태는 <그림 2-1>에 나타낸 바와 같으며, 유량은 대개 인간의 활동과 관계가 있기 때문에 오전, 점심식사, 세탁시간 및 취침 직전에 높고, 시간이 점차로 경과함에 따라 특히 밤(새벽) 동안 폐수의 배출량은 매우 낮아지게 된다.
한편, 폐수의 BOD로서 표현된 성분과 강도는 매우 다양한 데, 이들은 유입량에 좌우되된다. 또한, 폐수는 지역활동의 변동에 따라 매시간 성분과 양 모두 폭넓게 변화하게 되는데, 강도와 유량은 낮시간 동안은 최대치를, 밤시간은 최소치를 기록하게 되며, 폐수의 성분또한 폐수를 배출하는 산업 및 공공활동에 따라 날마다 달라지게 된다. 물론, 강도와 유량사이에는 항상 이러한 관계가 있는 것은 아니다.
2.2.3 폐수량의 감축
자원 및 에너지 절약의 중요성이 대두되면서 폐수량과 오염물 부하(pollutant loading)를 감축시킬 수 있는 방법에 대한 관심이 높아지고 있는데, 폐수량 감축에 쓰이는 기구와방법은 <표 2-2>와 같다. 이러한 기구와 방법의 사용으로 가능한 실질적 폐수 감축량 및 비율을 재래식일 때와 비교하여 <표 2-3>에 나타내었다. 기타 폐수량의 감축 방법으로는 물의소비량이 많은 자동 식기 세척기, 음식 찌꺼기 분쇄기 등의 사용을 제한하는 것이다.
2-2 폐수량 감축 기구 및 방법
기구/방법내용 및 응용상업시설에서 많이 이용된다. 소변기에서는 1.9L/cycle, 대변기에서는15L/cycle로 조절할 수 있다.회분 플러쉬 밸브(batch flush valve)변기 탱크에 벽돌 주입이중 사이클 탱크(dual-cycle tank)이중 사이클 변기수도꼭지 산기기(aerator)세탁기 수위 조절유속 제한 샤워 꼭지유량 조절 밸브감압 밸브변기 탱크에 벽돌 같은 것을 넣어두면 폐수량을 줄일 수 있다.재래식 변기를 이중 사이클 조작으로 바꿀 수 있다. 새로 시설할 때는처음부터 이중 사이클 변기를 설치하면 경제적이다.소변일 때는 4.75L/cycle, 대변일 때는 9.5L/cycle의 물이 소비된다.공기를 도입하고 흐름을 집중시켜 물의 상승력을 증가시키면, 세척수의 사용량이 줄어들게 된다. 비교적 간단하고 설치 비용이 적다.세탁물의 양에 따라 수위를 조절한다.오리피스로 물의 통과를 억제, 집중시켜서 샤워할 때 적정량만을 쓸수 있게 한다.수압에 따라 유량이 일정하게 되도록 조절한다.주택안의 수압을 공급 수도관의 수압보다 낮추면, 집안에서의 유량을줄이고, 배관이나 꼭지에서의 누출을 막을 수 있다.
미네랄 오일 순환변기 방식 폐기물 수송 매체로 미네랄 오일(mineral oil)을 사용하면, 물이 필요없다. 폐회로로 조작되는데, 변기 폐기물을 다른 폐기물과 분리하여 수집, 저장하였다가 청소차가 수거하게 한다. 저장 탱크에서는 중력차로 인해 오일과 폐기물이 분리된다. 이 오일은 펌프로 퍼 올려서 침강, 여과하여 변기에 순환시킨다. 변기 탱크에 설치하여 플러쉬(flush) 중에 물의 일부가 남아있게 하거나, 탱크의 부피를 차지하여 플러쉬 양 자체를 줄인다. 플러쉬량 감축 기구 소변기 별도 설치진공 수세식 변기벽면 설치 소변기에서는 5.7L/cycle이 소비된다. 폐기물 수송매체로 공기를 사용하면, 물의 소비량은 약 1.9L/cycle이 된다. 변기용 폐수 순환 방식 목욕이나 세탁한 물을 변기에서 다시 사용한다.
2-3 유량 감축 기구 및 방식에 의한 감축 효과
폐수 감축량 기구/방식L/인•일%세탁기 수위 조절 4.5감압 밸브 60.6 미네랄 오일 순환 변기 방식 94.639 샤워 유량 조절 밸브 유량 제한 샤워 꼭지 22.728.4222 2259주방 수도 꼭지산기기 유량 조절 밸브 변기 단일 회분 플러쉬 밸브 1.911.9128.412 이중 회분 플러쉬 밸브 58.7회분 플러쉬 밸브 사용 소변기 26.511회분 플러쉬 밸브 설치 대변기 및 소변기 54.9물 절약 변기 28.412 이중 사이클 변기 66.227 이중 사이클 탱크 설치 37.916 플러쉬량 감축 기구 37.916변기 탱크에 벽돌 넣기 3.8 진공 플러쉬 변기 방식 85.2변기 용수에 폐수 순환 방식 94.6222662392435
3.1 폐수의 특성
폐수의 물리적 특성, 화학적, 생물학적 성분 및 그 발생원은 <표 3-1>과 같다.
3.1.1 물리적 특성
폐수의 물리적 특성 중에서 가장 중요한 것은 총 고형물(증발 잔류물) 함유량이다. 총고형물은 이들의 물리적 상태에 따라 부유성 고형물, 콜로이드성 고형물, 용해성 고형물로 나누어지는데, 이들은 또한 각각 유기성 고형물 및 무기성 고형물의 형태로 존재하고 있다. 기타 물리적 특성으로는 냄새, 온도, 색도 및 탁도 등이 있다.
<그림 3-1>은 하수내 고형물질의 함유량을 나타내고 있으며, <그림 3-2>는 폐수내 고형물의 분류 및 상호관계를 제시하였다.
무기성 물질 : 모래, 슬러지, 금속조각 등유기성 물질: 음식찌꺼기, 고형 배설물, 생물유체 등(150)부유성 물질(200)(50)하수용해성 물질(500)무기성 물질: Na, Ca, Mg2+, Cl, NH, NO, PO, SO²- 등(300)유기성 물질: 탄수화물, 단백질, 지방, 유기산 등(200)그림 3-1 폐수내 고형물질의 분류 (단위: mg/L)
표 3-1 폐수의 물리적, 화학적, 생물학적 특성과 그 발생원
(1) 총 고형물
총 고형물이란 폐수내에 존재하는 모든 고형물질, 즉 모든 부유성 고형물 및 용해성 고형물, 혹은 모든 유기성 및 무기성 고형물을 말하는데, 분석학적으로는 103~105℃에서 증발시켰을 때 잔류하는 물질을 말한다.
일반 가정하수의 경우 총 고형물 중 1/2는 유기물질, 1/2는 무기물질이며, 약 2/3는 용해상태, 1/3은 부유상태로 존재하고 있다. 이중 유기성 고형물은 분해되기 쉬운 물질로서 폐수처리에서 조심스럽게 다루어져야 한다.
(2) 부유성 고형물
부유성 고형물은 눈으로 쉽게 식별할 수 있는 부유상태의 물질로서, 이들은 침전 및 여과와 같은 물리적, 혹은 기계적인 수단에 의해서 여과. 제거된다. 부유성 고형물은 비교적 큰부유입자상 물질 외에도 모래, grit, 점토, 배설물, 종이, 나무조각, 음식물 찌꺼기 및 기타 유사한 물질이 포함되어 있으며, 유기성 고형물 성분이 약 70%, 모래, grit과 같은 무기성 고형물 성분이 약 30%로 구성되어 있다. 또한, 부유성 고형물의 일부는 존재형태에 따라 침강성 고형물과 콜로이드성 고형물로 분류된다.
(3) 침강성 고형물
침강성 고형물이란 일정시간, 보통 1시간 동안 원추형 용기(Imhoff cone)에서 충분히 침강할 수 있는 크기와 중량을 가진 부유성 고형물을 의미하며, 단위는 mL/L로 표시된다. 이고형물은 유기성분이 약 75%, 무기성분이 약 25%로 구성되어 있다.
(4) 콜로이드성 고형물
콜로이드성 고형물은 쉽게 용해되지도 않고, 침강되지도 않는 상태의 여과성 고형물로서부유성 고형물과 침강성 고형물의 중간상태의 물질이며, 크기는 직경 0.001~1m인 입자상 물질을 말한다. 이들은 총 부유물의 약 40%를 차지하고 있으며, 유기성분은 약 65%, 무기성분은 35%로 되어 있다. 이들 물질은 일반적으로 생물학적 산화나 응집과정을 거친 후침전과정을 통해 제거된다.
(5) 용해성 고형물
용해성 고형물은 부유성 고형물이나 콜로이드성 고형물보다도 크기가 작은 물질로서, 총용해성 고형물 중 약 90%가 사실상 용해상태로 존재하고 있고, 약 10%는 콜로이드 상태로존재하고 있다. 전반적으로 용해성(용존) 고형물은 유기성분이 약 40%, 무기성분이 약 60%를 차지하고 있다.
(6) 악취(Odor)
폐수로 인한 악취는 대개 유기물의 분해과정으로부터 발생되는 기체에 의한 것이다. 부패한 폐수로부터 발생하는 악취는 혐기성 미생물이 황산염을 황화물로 환원하는 과정에서 생성되는 황화수소(H2S) 때문이다. 또한, 산업폐수의 경우는 폐수의 처리과정중 악취를 유발하는 화합물이 포함되어 있는 경우도 있다.
우리나라의 악취에 대한 시험은 측정자의 후각을 이용하는데, 시료를 정제수로 희석하면서 냄새가 느껴지지 않을 때까지 반복하여 희석배수를 수치화 하며, 냄새를 감지할 수 있는최대 희석배수를 냄새역치(TON, threshold odor number)라고 한다. 잔류염소 냄새는 측정에서 제외하는데, 잔류염소가 존재하면 티오황산나트륨 용액을 첨가하여 잔류염소를 제거한후 실시한다. 티오황산나트륨용액 1 mL는 잔류염소 농도가 1mg/L인 시료 500 mL의 잔류염소를 제거할 수 있다.
가) 분석방법
- 각각 200, 50, 12, 2.8 mL의 시료를 취해서 4개의 500 mL 부피의 암갈색 삼각플라스크에 담고 무취 정제수를 넣어 200 mL로 맞춘 후 마개를 한다. 무취 정제수만 넣은삼각플라스크는 비교 시료로 한다.
- 시료를 담은 삼각플라스크를 항온수조 또는 항온판에서 시험온도인 40~50℃까지 가열한다.
- 가열한 시료를 흔들어 섞고 무취 정제수 증기의 냄새를 맡고, 시료량이 적은 플라스크순서대로 증기의 냄새를 맡는다. 냄새가 나는 최저 시료량을 결정한다. 측정시 시료량이 2.8 mL인 플라스크에서 냄새가 나는 경우 ④의 방법으로 계속하며, 중간단계의 시료에서 냄새가 나는 경우, 최저 시료 부피를 <표 3-3>과 같이 희석하여 ②와 같이 다.시 측정한다.
- ④ 시료 2.8 mL 이하에서는 <표 3-3>에서 제시하는 희석 배수보다 더 희석하며 최대 시료 20 mL에 무취 정제수 200 mL까지 측정한다. 희석 배수율은 10배 단위로 희석하여평가한다.
- 냄새를 정확하게 측정하기 위하여 측정자는 5명 이상으로 구성한다. 냄새 측정자는 너무후각이 민감하거나, 둔감해서는 안 되며, 측정 전에 흡연, 음식 섭취, 로션, 향수, 진한 비누등을 사용해서도 안 된다. 또한, 감기나 냄새에 대한 알레르기 등이 없어야 하며, 미리 정해진 횟수를 측정한 측정자는 무취 공간에서 30분 이상 휴식을 취해야 한다. 시료 측정시 탁도, 색도 등이 있으면 온도 변화에 따라 냄새가 발생할 수 있으므로, 온도변화를 1℃ 이내로유지한다. 또한, 측정자가 시료에 대한 선입견을 갖지 않도록 어둡게 처리된 플라스크 또는갈색플라스크를 사용한다.
나) 계산방법
냄새 역치(TON, threshold odor number)를 구하는 경우 사용한 시료의 부피와 냄새 없는희석수의 부피를 사용하여 다음과 같이 계산한다.
냄새 역치(TON)=A+BA
여기서, A: 시료 부피(mL)B: 무취 정제수 부피(mL)
냄새가 있는지 없는지만 보고하는 경우에는 ③에서 판단한 결과로 보고하고, 냄새 역치로보고하는 경우에는 각 판정 요원의 냄새 역치를 기하평균한 결과로 산정한다.
표 3-2 시료 부피에 따른 냄새한계강도(예)
200 mL 중 시료 부피냄새 역치200 mL 중 시료 부피냄새 역치(mL)(TON)(mL)(TON)2001.012.0171401.48.3241002.05.735703.04.050504.02.870356.02.0100258.01.41401712.01.0200
표 3-3 감도에 따른 희석 농도
냄새가 감지된 최저 시료 부피(mL)20050122.8200 mL에 대한 시료 희석 부피200, 140, 100, 70, 5050, 35, 25, 17, 1212, 8.3, 5.7, 4.0, 2.8반감 희석
표 3-4 평가표(예)
200 mL 중 시료 부피(mL)판단350170251250+++
(7) 온도
지역에 따라 다르기는 하지만 폐수의 년중 평균온도는 10~21.1℃ (50~70°F) 정도이며,대표값은 15.6℃(60°F)이다. 물의 온도는 수생생물, 화학반응, 반응속도 및 물의 이용 등에영향을 미치므로 아주 중요한 변수가 된다. 유입폐수의 온도 변화는 <그림 3-4>에 나타나있다. 연중 측정지점 및 시기에 따라 차이가 있지만 유출수의 온도는 유입수의 온도보다 더낮거나 높을 수 있다.
(8) 색도
일반적인 하수는 보통 밝은 갈색 빛깔을 띠는 회색이다. 그러나, 하수가 하수관거 내에서 이동시간이 길어지면 혐기성 상태로 진행되어, 하수의 색은 회색에서 검회색을 거쳐 마침내 검은색으로 변하게 된다. 대부분의 경우 폐수의 회색, 검회색, 검은색은 금속성 황화물의 형성으로 인한 것으로서, 이는 혐기성 조건 하에서 생성된 황화물이 폐수내의 금속염과의 반응과정에서 형성된 것이다.
(9) 탁도(Turbidity)
물에 대한 빛의 투과성을 측정하는 탁도는 콜로이드성 물질과 잔류 부유물질을 기준으로 하여 폐수 및 자연수의 특성을 나타내는 또 하나의 지표이다. 탁도는 물의 탁한 정도를 의미하며, 탁도계를 이용하여 측정한다. 탁도 측정시 시료 속의 거품은 빛을 산란시키고, 높은 측정값을 유도한다. 따라서, 시료 분취시 거품 생성을 방지하고 시료를 셀의 벽을 따라 조심스럽게 부어야 한다. 물에 색이 있는 시료는 색이 빛을 흡수하기 때문에 잠재적으로 측정값이 낮게 분석된다. 탁도계(turbidimeter)는 광원부와 광전자식 검출기를 갖추고 있으며 검출한계가 0.02 NTU(nephelometric turbidity units) 이상인 탁도계가 이용된다.