가. 서론
수질오염을 억제하고 하수자원화를 실현하기 위해 중국은 도시하수처리율을 끌어올리기 위한 명확한 목표를 세워놓고 있다. 2005년까지 인구 50만 이상 도시의 하수처리율이 60% 이상에 이르도록 하고, 2010년까지 모든 도시의 하수처리율이 60% 이상에 이르도록 규정하고 있다. 또한 직할시, 성수도, 계획도시, 관광도시의 하수처리율은 70% 이상에 도달하도록 요구하고 있다.

하수처리시설 보급, 처리율 향상, 처리정도 심화에 따라 하수처리장에서 발생되는 슬러지량 또한 비교적 큰 폭으로 증가하고 있으며 이에 따른 2차오염 문제가 무시할 수 없는 상황에 이르고 있다. 따라서 슬러지를 어떻게 합리적으로 처리/처치할 것인가가 이미 도시하수처리장과 관련 부문에서 반드시 중시해야 할 문제로 떠오르고 있다.

 

예를 들어 상하이시가 현재 건설 중인 주웬(竹園)하수처리장과 바이룽강(白龍港)하수처리장은 매일 약 700톤의 건조슬러지 또는 2,000㎥의 탈수 후 함수율이 65%인 슬러지를 발생시키게 된다. 이는 곧 매년 건조슬러지 255,500톤 또는 함수율 65%인 슬러지 730,000㎥이 발생한다는 의미이다. 이렇게 많은 슬러지를 어떻게 처치할 것인가가 많은 대도시에서 직면하고 있는 문제이다.

국내외에서 슬러지 처리/처치방법은 매우 많은데 일반적으로는 농축, 분해, 탈수, 건조, 재활용(주로 농업용), 매립, 소각 등이 있고 그 중 몇 가지 방법을 조합해 처치하기도 한다. 하수처리장 슬러지 처리/처치 면에서 중국은 선진국 수준과 비교해 격차가 비교적 큰 상태라 할 수 있다.

도시하수처리장 슬러지는 하수처리과정에서 발생하는 고체, 반고체, 액체상태의 폐기물을 의미하며, 여기에의 유기물질, 중금속 및 발병균 또는 병원균 등이 함유돼 있어 추가처리를 하지 않고 임의로 방출했을 경우 환경에 심각한 오염을 초래할 수 있다. 슬러지처리의 목표는 안정화, 무해화, 감량화에 있다.

1인당 매일 200L의 하수를 발생시킨다고 할 때 생성되는 슬러지량은 농축 후 1.5L, 탈수 후 0.25L, 건조 후 0.07kg, 소각 후 0.02kg이다. 슬러지 체적은 슬러지 함수율에 의해 결정되며 이는 슬러지 건조무게를 슬러지 함고형물율(1   슬러지 함수율)로 나눈 값이다.

        슬러지 건조무게(톤)
  -------------------------- = 슬러지 체적(㎥)
   (1 - 슬러지 함수율)(톤/㎥)

 

건조슬러지 2톤을 예로 들면 슬러지 함수율과 체적의 관계는 다음과 같다.

정부의 도시하수오염 통제를 위한 기술정책 및 새로 발표된 도시하수처리장 오염물질 배출기준(GB18918-)에서는 도시하수처리장의 슬러지 안정화와 전답 재활용에 대해 명확히 요구하고 있다. 그러나 실제상황은 하수처리장 건설에 있어 하수처리가 배출기준에 도달하는지 여부에만 주의를 기울이고 있다.

 

최근 몇 년 사이 탈인/탈질소 요구에 따라 적지 않은 하수생물처리공법이 등장했으나 슬러지 처리/처리에 있어서는 보통 슬러지탈수 후 외부운반과 종합이용 만을 고려할 뿐 이에 대한 투자 및 경상비용을 계산하지 않고 있는데 그 결과는 곧 2차오염 유발로 이어지게 마련이다.

 

하수처리장 건설이 갈수록 많아지면서 슬러지 2차오염 또한 더욱 광범위해지고 있다. 안정화 처리를 거치지 않은 슬러지는 유기물질 함량이 높아 매우 쉽게 부패하게 되고 악취를 발생시킨다. 특히 1차침전지 슬러지는 대량의 병균, 기생충알, 바이러스 등을 함유하고 있어 전염병 전달경로를 제공하게 된다.

 

 

나. 슬러지 처리와 처치
보통 하수처리장 슬러지의 안정화 및 탈수(일반적으로 탈수를 거쳐 함수율이 70-80%에 이름)를 슬러지 처리라 하고, 슬러지 퇴비화, 매립, 건조, 가열처리 및 최종이용을 슬러지 처치라 한다. 슬러지 탈수과정에서 유독유해물질이 농용기준을 초과하게 되면 위생매립 또는 슬러지 건조소각기술을 적용하게 된다. 해외 슬러지처리 발전과정으로 볼 때 유럽, 일본, 미국 등에서는 모두 슬러지를 전답에 재활용하는 것을 갈수록 엄격히 통제하고 있으며, 슬러지 건조 및 가열처리 비율이 점차 증가하고 있다.

1) 슬러지 처리
슬러지 안정화처리는 호기안정화와 혐기안정화로 나뉘는데 호기안정화는 많은 장점을 갖고 있으나 에너지소모가 매우 커서 슬러지량이 적은 경우에만 사용된다. 슬러지 혐기안정화처리는 보통 중간온도(35 ) 혐기분해방법이 사용된다. 국내에 이미 10여개의 대형 하수처리장이 이 방법을 채택하고 있다. 슬러지는 분해를 거치게 되면 유기물질 함량이 감소하고 성능이 안정화되며 전체 체적이 감소하게 된다. 또한 슬러지 분해과정에서 대량의 메탄가스(1kg COD가 분해되면 350L의 메탄가스 발생)를 회수해 활용할 수 있다.

그러나 분해장치공법이 복잡하고 초기 투자액이 크며 운행과정이 어려운 단점을 안고 있다. 슬러지 혐기분해와 메탄가스이용장치 비용은 하수처리장 투자 및 운영비용의 30% 정도를 차지하며, 대부분 수입기술과 설비를 사용해야 한다. 이미 분해지를 설치해 실제 운영하고 있는 경우를 조사한 바에 따르면 소수만이 예상한 효과를 거두고 있는 것으로 나타났다. 관리 및 설계 등에서 문제가 존재하고 메탄가스 이용의 경제성과 안전성에도 문제가 있는 것으로 드러

 

나고 있다. 비교적 양호한 경우인 톈진(天津)시 둥쟈우(東郊)하수처리장의 경우 설계 하수처리능력은 40만㎥/d이며, 1일 슬러지발생량은 2,460㎥(함수율 96%)이고 여기서 생성되는 메탄가스 13,300㎥는 248㎾급 발전기 4대에 공급돼 매일 27,000㎾h의 전기를 생산하고 있으며, 시송전망과도 연계돼 있다.

슬러지 안정화 문제는 슬러지 혐기분해방법을 채택하는 외에도 하수처리공법 중에서 슬러지 발생량 감소와 슬러지성질 안정화 방안을 같이 고려해야 한다. 예를 들어 하수처리공법 설계에서 하수폭기시간을 연장하면 슬러지 발생량이 감소하게 되고, 설계파라미터 중 슬러지 체류시간(가령 20일 이상)을 늘려 슬러지를 가급적 안정화하는 방향으로 하수처리공법을 채택해야 한다.

 

중소형 하수처리장의 경우는 폭기시간 연장기능을 지닌 처리공법(가령 산화구 등의 처리공법)을 채택하는 것이 가능하다. 일부 하수처리공법은 투자규모가 작으나(가령 AB법의 A구간) 슬러지 발생량은 비교적 많아 슬러지 처리원가를 증가시킨다. 따라서 하수처리와 슬러지처리를 동시에 고려해 투자 및 운영비용을 같이 계산해야 한다.

슬러지 안정화가 슬러지 무해화와 동등한 의미를 갖는 것은 아니므로 전답에 사용할 경우에는 반드시 국가기준 중 슬러지 농용 시 오염물질통제기준의 한계치에 부합돼야 한다. 그 중에서도 카드뮴, 수은, 비소, 벤조파이렌, 다염소벤젠물에 대한 요구치가 비교적 높기 때문에 공업폐수 발생원에서의 배출을 엄격히 통제해 슬러지 성질을 제어해야 한다.

현재 하수처리장 슬러지 안정화처리 통제기준표

 

해외에서는 슬러지안정화 방면에서 생물법(중간온도 분해, 고온 분해, 미생물 및 기타 첨가제 이용 포함) 외에도 화학법을 사용하고 있는데 일부는 탈수 후 슬러지에 염산을 첨가해 pH를 2-3으로 맞추고 60분 동안 반응시킨 후 다시 질산납을 첨가하며, 일부는 탈수 슬러지에 석회를 첨가하고 있다. 후자의 방법은 유럽에서 많이 이용되고 있다.

 

2) 슬러지 처치
(가) 복합비료 제조
중국의 현재 경제조건을 고려할 때 다수의 하수처리장(특히 많은 수의 소형 하수처리장)의 경우 슬러지를 전답에 재활용하는 것은 비교적 타당하고 실현가능한 방안이다. 슬러지 중의 질소, 인, 칼륨과 미량원소는 농작물 증산에 기여하며, 유기물질과 부식물질은 양호한 토양개량제가 된다.

 

슬러지를 적당한 농축, 탈수를 거쳐 시 교외 도는 부근 성지역의 농업용 비료로 사용하는 것은 많은 하수처리장이 채택하고 있는 방법이다. 그러나 전답 비료살포에 계절성이 있어 슬러지비료가 불필요한 시기에는 하수처리장에 슬러지가 쌓여 정상운행을 영향을 초래한다. 이에 따라 일부 하수처리장은 비용을 지불하면서까지 농민들에게 슬러지를 실어 가도록 하고 있으면서 그 용도에 관여하지 않아 2차오염 유발가능성을 높이고 있다.

베이징시 환경과학연구원과 베이징시 농업과학원이 공동으로 베이징시 미윈현(密雲縣) 하수처리장의 슬러지에 대해 퇴비화 가공을 거쳐 복합비료로 만든 후 전답에 사용하는 시험을 실시한 바 있다. 본 하수처리장은 매일 15,000㎥의 도시하수를 처리하며 슬러지 발생량은 5-6톤/d(함수율 80%)이고, 산성화-호기하수처리공법을 채용하고 있어 슬러지 성질은 양호한 편이다.

 

일정량의 N, P, K를 첨가해 복합비료(N, P, K 비율이 1 : 0.9 : 0.4)를 조성하고 이를 입자화해 슬러지과립비료로 만든 후 베이징시 따싱현(大興縣) 팡거좡(　各庄)의 겨울밀밭 시험과 온실에서 유채와 옥수수 묘종기 시험을 통해 모두 희망적인 결과를 얻었다. 슬러지비료를 과립형으로 제조함으로써 운반 및 저장에 편리한 면이 있다.

 

(나) 위생매립
상하이시는 하수처리장 슬러지 처치에 대해 '처리, 매립, 재활용의 적절한 배합' 원칙을 적용하고 있다. 상하이시 수무국(水務局)은 슬러지 처리, 처치, 재활용에 관한 전문연구를 수행하고 슬러지의 전답 재활용, 위생매립, 슬러지 소각지점 분포 및 구체적 분기별 시행방안을 마련해 2차오염 발생을 방지하고 있다. 이는 정확한 대처임에 의심의 여지가 없다.

상하이 바이룽강(白龍港) 대형하수처리장은 현재 위생매립 요구기준에 근거해 슬러지매립장을 건설하고 있는데 슬러지 성질, 함수량, 역학적 특성 등의 요인을 고려해 설계됐다. 매립장 사용기한은 7년이며 매립장 기저부에는 막힘관을 설치해 침출수를 채집해 하수처리장에서 재처리하게 된다.

 

이 방법은 점용면적이 크고, 운행업무량이 많으며, 우기에 슬러지를 압축하기 어려운 면이 있으며, 사용기한이 완료된 후 다른 장소를 물색해야 한다. 대형 하수처리장에 대해 슬러지 위생매립방법을 시행하는 것은 어쩔 수 없이 사용하게 되는 임시방편이다.

 

위생매립장 조성비용이 적지 않으며, 외국에서는 위생매립장에 대해 메탄가스 안전포집장치를 설치하도록 하고, 층별 복개토와 배수, 녹화에 대해서도 전문 요구사항을 두고 있다. 지가상승과 매립장 악취문제로 인해 최근 몇 년 사이 유럽, 미국, 일본 등지에서는 슬러지 위생매립 비율이 갈수록 줄어들고 있으며, 미국에서는 이미 매립장을 점차 폐쇄해 나가고 있다.

일부 도시(청두(成都)시 등)에서는 하수처리장 슬러지를 도시쓰레기매립장으로 운반해 같이 처리하고 있는데 여기에는 2가지 실제적 문제가 존재하고 있다. 첫째, 관리체제 상의 문제이다. 쓰레기 중개역과 매립장의 분포, 설계, 투자가 환경위생국 관리영역에 속하는 반면 하수처리장 슬러지는 시정계통 관리영역에 속해 쓰레기매립장 사용연한과 분포거리를 설계함에 있어 하수처리장 슬러지 유입을 고려하지 않고 있다. 둘째, 탈수슬러지 함수율이 너무 높다.

 

 쓰레기매리장으로 운송되는 슬러지는 함수율이 30% 이하여야 하는데 현재 하수처리장의 탈수슬러지 하수율은 70-80%에 이르고 있다. 이런 슬러지는 적당한 건조 또는 석회, 응집제 등 첨가처리를 거치지 않는 한 가압매립하기가 쉽지 않다. 어떤 매립방식을 적용하든 슬러지는 고건조 탈수법이 적용돼야 한다.

 

(다) 건조, 소각
국내에서 최근 몇 년 사이 일부 대도시에서는 도시쓰레기소각장이 건설됐거나 현재 건설 중에 있다. 상하이시 스둥커우(石洞口)하수처리장(설계규모 40만㎥/d)만 슬러지소각장치를 갖추고 있으며 올해 연말에 가동에 들어갈 예정이다. 소각로는 외국기술을 이용한 국산제품이며, 슬러지 건조 및 소각설비 총투자액은 8,000만 위안으로 그리 높지 않은 편이다.

슬러지 건조와 슬러지 소각을 상호 결합하면 단일 슬러지 소각에 비해 초기 투자액이 적고 처리비용 또한 낮기 때문에 슬러지 건조는 종종 소각 전처리로 시행된다. 베이징시 칭허(淸河)하수처리장 2기공정과 톈진(天津)시 셴양로(咸陽路)하수처리장은 슬러지 건조장치를 우선 건립하고 있다. 슬러지 건조는 슬러지 함수율을 10-40%로 통제해 슬러지 체적과 무게를 감소시켜서 운반비와 매립비를 줄임을 물론 슬러지 악취를 대폭 약화시킨다.

건조장 치는 직접건조와 간접건조방식으로 나뉘는데 이의 에너지소모는 슬러지 성분 및 수분과 관계된다. 간접건조방식(메탄가스 이용 열교환기 통과)은 일반적으로 입식건조장치에 적용되며 유동상공법이 사용된다. 건조와 소각 연계공법 중에서는 건조정도가 슬러지 열량과 소각로 회수열량에 의해 결정되는데, 건조열량이 가급적 평형을 이루게 하여 따로 가열재료를 첨가할 필요가 없도록 한다.

 

상하이 스둥커우하수처리장에서 채택한 슬러지 건조/소각장치는 슬러지 열량이 높아 열량평형에서 플러스상태에 있다. 슬러지 유동상소각로는 온도가 800  이상이며 소각로 내부에는 모래입자를 순환시켜 사용하고 외부 배출기체는 적당히 처리하게 된다. 슬러지 소각로는 쓰레기소각로와 비교해 그 공법이 매우 단순하며, 슬러지소각은 다이옥신을 발생시키지도 않는다.

탈수슬러지를 쓰레기와 함께 소각할 때 외국 경험의 경우 쓰레기 1톤에 함수율이 30%인 슬러지 15-20%를 첨가하면 된다. 슬러지 건조와 소각은 일부 대도시 대형 하수처리장의 발전방향이다. 물론 외국은 소각로 배출분진에 대해 엄격한 기준을 적용하고 있으며, 전기식집진 외에도 온도조절, pH조절을 통해 무분진 배출을 달성하고 있다.

 

(라) 매립과 소각 비교
상하이와 저쟝(浙江)의 일부 단위에서 사용된 적이 있는 슬러지 위생매립과 소각처리 방안을 비교해 보자. 이의 주요 공법흐름은 다음과 같다.

원슬러지 -> 농축 -> 분해 -> 탈수 -> 위생매립
원슬러지 -> 농축 -> (분해) -> 탈수 -> 소각 -> 소각재 매립
소각처리공법에 있어 분해 후 슬러지 열량감소를 방지하기 위해

 슬러지 분해처치를 생략하기도 한다. 위의 2가지 공법에 대한 경제성비교 결과 국산설비와 수입설비 모두 각 공법의 처리공정비용이 기본적으로 대등하게 나타났다. 국산설비의 슬러지처치를 예로 들면 운행비용을 슬러지 건조고체량으로 환산할 때 총처리비용은 약 800위안/톤이다.

 

10,000㎥/d 규모의 하수처리장이 2톤의 DS를 발생시킨다고 계산할 때 톤당 슬러지처리비용은 약 0.16위안이며, 이는 국내 대형 하수처리장의 하수처리비용(감가상각비와 대출이자 제외) 0.3-0.45위안/㎥과 비교할 때 비용의 35-50%를 추가해야 한다는 결론이 나오는데 이는 외국의 실례와 비슷한 결과이다.

슬러지 위생매립과 슬러지 소각이 그 공정비용과 운행원가에서 서로 비슷하다고 하지만 슬러지 무해화와 감량화의 관점에서 본다면 소각방법이 현저한 우세를 보이게 된다. 이는 외국(특히 서유럽과 일본)에서 슬러지 소각의 발전이 비교적 빠른 원인이다. 네델란드의 경우 슬러지 100%가 소각처치되고 있다. 소각 후 발생하는 소량의 재는 콘크리트, 벽돌제품, 노면다짐재료, 건설현장 복귀매립 등에 사용될 수 있다.

 

 

다. 슬러지 처리/처치에 있어 주의해야 할 문제

1) 도시하수처리시설을 설계할 때 공업오염원 통제, 하수처리공업, 슬러지 처리처리를 체계적으로 고려해야 한다. 상하이시는 시전체 대소형 하수처리장의 슬러지 성분 및 발생량에 대해 분석을 실시하고 이 기초 위에서 슬러지 처치를 전면 계획하고 다방면의 관계를 조절해 분기별 시행방안을 시행하고 있는데 이는 바람직한 조치이다. 하수처리장 슬러지는 대충 처치하는 것은 하수처리를 제대로 하지 않는 것과 마찬가지이다.

2) 슬러지 최종처지에 있어 중국은 경험이 부족하다. 가령 슬러지 건조와 소각장치 설계는 하수처리공법에 비해 매우 복잡하기 때문에 외국의 기술과 경험을 배우고 도입해야 한다. 이와 함께 슬러지처치 관련 법규와 기준을 제정하고 체계화해야 한다. 중국의 일부 하수처리장의 슬러지 분해, 메탄가스 이용자치는 기본적으로 모두 외국 기술과 설비를 들여온 것이다.

3) 여러 방식을 채택해 슬러지문제를 해결해야 한다. 대형처리장과 소형처리장이 다르고, 남부지역과 북부지역이 다르다. 일부 지방의 슬러지는 쓰레기처치와 같이 연계할 수 있고, 일부 지방의 슬러지는 발전소 석탄연소와 같이 연계할 수 있다. 수가 많고 광범위하게 분포하고 있는 소형 하수처리장의 슬러지는 농업 재활용의 경험을 참고해야 한다.

 

슬러지 건조와 가열기술에 있어서는 태양에너지, 초음파, 습식산화 등 여러 방안을 고려해야 한다. 일부 슬러지는 공업폐수 처리과정의 슬러지와 같이 처리할 수 있다. 각 지역의 경험과 교훈을 종합해 국산설비를 대대적으로 발전시켜 이를 유망산업으로 키워야 한다. 중국 국정에 맞는 저비용, 무해화, 다용도의 슬러지 처리/처치방법을 적극적으로 모색해야 할 것이다.