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[세계 하ㆍ폐수 처리기술] ③ 중국의 하수처리기술 현황과 발전 방향

소규모 분산화 하수처리시설 구축 급선무
하수처리 역량 부족…안정된 슬러지 처리 25%에 불과
생물 접촉 산화 공법·Biolak 공법·가수분해 공정 대두

하·폐수 고도처리기술개발사업단은 세계 하·폐수 고도처리기술의 수준을 알아보기 위해 2012년 11월 16일 서울교육문화회관에서 ‘선진화된 하수처리 기술’이란 주제로 국제 심포지엄을 개최했다. 이날 발표된 내용을 번역했다.


▲ 루안솅지(LUAN Shengji)베이징대 환경공학과 대학원 부학장

중국의 수자원 분포는 불균형한 상태이다. 북서부보다는 동남부에 더 많은 수자원이 분포되어 있다. 특히 장강(長江)유역과 그 이남 지역은 국토면적이 전국의 36.5%에 불과하지만, 수자원 보유량은 81%를 차지한다. 반면, 장강 이북 지역은 국토면적이 전국의 63.5%에 이르나 수자원 보유량은 19%에 불과하다. 충분한 수자원이 확보되는 여름·가을과 달리 봄·겨울에는 물이 부족하다.

2009년 1인당 수자원 보유량은 2천300㎥로 과거 10년간 최소를 기록했다. 세계 평균의 20% 정도 수준이다. 중국의 닝샤(寧夏), 허베이(河北), 산둥(山東), 허난(河南), 산시(山西), 장쑤(江蘇) 등 6개 지역의 1인당 수자원 보유량은 500㎥ 이하로 ‘극도 수자원 부족’ 지역이다. 또 16개 성·시는 1인당 수자원 보유량 1천㎥ 이하의 ‘고도 수자원 부족’ 지역으로 분류되고 있다. 앞으로도 인구 증가를 고려해 1인당 수자원 보유량은 더욱 감소할 것으로 예상된다.

나날이 악화되는 물 부족과 수질오염이 사회·경제 발전을 점점 더 위협하고 있다. 약 7억 명의 사람들은 오염된 물을 식수로 음용하고 있다. 오염된 물이 지속적으로 음용수로 사용된다는 것은 중국에서 매우 심각한 문제이다.


▲ [그림 1] CRI 시스템의 오염물질 제거 원리와 구조.

도시의 하수배출량은 매년 5%씩 증가하고 있다. 경제 성장을 계속해서 이루어 나가야하기 때문에 앞으로 하수배출량은 더욱 늘어날 전망이다. 그러나 하수처리 역량이 급속도로 늘어나는 배출량을 감당하기에는 어려움이 있다.

소규모 도시·마을 하수처리시설 구축

방류수 내 질소·인이 ‘도시하수처리시설 오염물배출 기준’에서 엄격한 제한을 받음에 따라 건설되어 있는 도시 하수처리시설들은 질소·인 오염물질을 하수로부터 제거하고 방류수질이 국가 요구 방류수 기준에 도달할 수 있도록 재건설될 필요가 있다. 신규 하수처리시설들은 ‘GB18918-2002’의 기준에 따라 건설되어야 한다.

생물학적 질소·인의 제거를 위한 메커니즘, 영향 요인들 및 하수 공정의 연구가 중국에서 뜨거운 쟁점이 되어 왔고 MSBR, inverted A2/O, UCT 등과 같은 신기술과 개선된 공법들을 달성했다. 뿐만 아니라 OCO, OOC, AOR, AOE 등과 같은 세계의 새로운 공법들이 중국에 소개되어 왔다. 영양염류 제거 공정(nutrient removal process)의 경우, 높은 질소·인 제거율에 한정되는 것이 아니라 신뢰성 있는 처리 효과, 유연한 제어 및 규제 공정, 보다 적은 투자 운영비용 등을 요구한다.

소규모 도시와 마을의 하수처리시설 개발은 중국 도시화 과정의 유일한 방법이고 중국적 특성을 지닌 도시화 수단의 전략적 선택이다. 지정된 소도시는 1978년에서 2000년 사이에 2천178개에서 2만312개로 증가했고, 모든 규모의 소도시 및 마을은 거의 4만8천개에 달한다.

이렇게 많은 수의 소도시 하수처리를 무시하고서 대도시 및 중간 규모 도시들의 하수처리 프로젝트 건설에만 초점을 맞출 경우, 하수처리의 효과는 의도한 목표에 도달할 수 없다. 중국 소도시의 경우, 하수처리에 있어 자금 부족, 운영 관리의 부족, 약한 기술력 등과 같은 일련의 문제들에 직면하고 있다.

따라서 낮은 인프라 투자, 낮은 운영비용, 용이한 조작 및 관리, 높은 운용 신뢰도(operational reliability)의 공정 등이 소규모 도시들의 하수처리에 적합할 것이다. 도시나 마을의 특성에 따라, 기존 공정들로부터 혁신 공정들을 선정하고서 적합한 새로운 하수처리공법을 이용하는 것이 미래의 소규모 하수처리시설 공정 방향이 될 것이다.

슬러지 건조·탈수 공정 없는 시설 48%

중국은 개발도상국이고 경제 발전 수준이 상대적으로 후진적이지만, 심각한 환경오염에 직면해 있어 많은 수의 하수처리시설을 건설해야만 한다. 이는 많은 투자와 높은 운영비용을 필요로 하면서 중국의 무거운 짐이 되고 있다.

자금 부족으로 인해 일부 하수처리시설들은 건설 작업 수행에 어려움을 겪고 있고 높은 운영비용이나 전문적인 운영관리 요원의 부족 등으로 인해 건설된 일부 하수처리시설들은 정상 가동되지 못하고 있는 실정이다. 슬러지를 덜 생성하는 고효율, 저투자, 저운영비의 신뢰할 수 있는 하수처리의 공정이 미래 연구방향의 초점이다.

뿐만 아니라, 하수처리시설들의 슬러지 처리 과정 역시 해결해야 될 문제이다. 도시 하수처리시설의 습윤 슬러지(wet sludge) 생성은 2003년 965.562×104t/a에 달했다. 슬러지 성분은 매우 복합적이며 다양한 유해 유독화학약품을 함유하고 있어, 배출되는 많은 슬러지 산출을 처리하기 위한 효과적인 조치를 취하지 않을 경우, 심각한 환경 파괴를 초래할 것이다.

중국에서 건설되어 운영 중인 하수처리시설들의 통계에 따르면, 슬러지 처리의 현황은 낙관적이지 않다. 25.68%의 시설들만이 농축슬러지, 안정된 소화(stable digestion) 및 건조 탈수 하수 처리(dry dehydrated sewage processing) 기술을 사용했고, 55.70%는 슬러지 안정화 공정이 없는 한편, 슬러지 건조 및 탈수 공정이 없는 곳이 약 48.65%이다.

이런 문제를 해결할 효과적인 방안이 있어야 하는데, 슬러지를 덜 생성하는 안정된 슬러지 처리 공정을 적용하는 것이 원천에서 생성되는 슬러지 양을 줄여주고 안정된 잉여 슬러지를 얻을 수 있는 방법이다.

생물 접촉 산화공정(bio-contact oxidation process), Biolak 공법, 가수분해-호기 공정(hydrolysis-aerobic process) 등과 같은 공정이 중국의 이러한 요구를 만족시킬 수 있을 것이다. 그러나 슬러지 생성 감소 및 안정된 슬러지 하수 처리 공정의 연구는 만족스런 결과를 아직 얻지 못했다.

다양한 하수처리기술 개발·적용

하수처리기술 분야의 엄청난 발전과 함께, 하수 응집 침전 전처리법(pretreatment of sewage flocculation precipitation method), 전기 촉매 산화(electric catalytic oxidation), A/O, A2/O 2차처리, 산화구(oxidation ditch), MBR, SBR 및 그 변형 공법, 생물막(biofilm), 토양처리공법(land treatment process), AWL 제3차 처리공법(tertiary treatment of AWL process), 생물학적 유동상 폭기조(aeration biological fluidized tank), 활성탄 흡착(activated carbon absorption), 오존 기법(ozone technique) 등과 같은 다양한 하수처리기술이 중국의 하수처리시설들에 개발·적용되어 왔다.


[그림 2] CRI 시스템 공정

한편, 중국 국가배출기준(national discharge standard)의 시행과 함께 △높은 하수처리시설 건설 투자 및 활성 슬러지 분포(activated sludge distribution) △질소 및 인 제거 기능 지향의 중국 하수처리 공정 △소규모 도시나 마을에 적합한 고효율 및 저소비의 신뢰성 있는 하수처리시설 △적은 슬러지 산출 △슬러지의 안정화 등의 과제를 안고 있다.


CRI 시스템을 통한 하천 회복 사례. 처리 전(왼쪽)과 후의 모습.


슬러지 저장 탱크(왼쪽)와 슬러지 케익.

중국은 소규모 도시와 농촌 지역을 돕기 위해 분산화된 하수처리시설을 확보하고자 노력하고 있다. 흩어져 있는 크고 작은 마을에 하수관거를 설치하고 하수처리장을 건설하는 것이다. 하수가 발생되는 지역 단위로 소규모 처리장을 건설하면 장거리 하수관거를 설치할 필요가 없다. 깨끗하게 정화된 하수를 처리장 근처의 도랑이나 개천에 방류하면 된다. 하수처리시설의 소규모 분산화를 통해 하천의 생태계를 보전할 수 있다.

이런 소규모 마을하수처리장의 건설 및 운영은 정보기술의 발전과 인프라 구축 때문에 가능해졌다. 20세기 산업화시대에 건설된 대규모 집중화된 환경시설이 21세기 지식기반사회에서는 환경기술에 정보기술이 접목된 융합기술의 발전으로 소규모 분산화되어 가고 있다. 현재 중국의 문제를 극복하기 위한 해결책이다.

CRI, 저비용·고효율 하수처리 시스템

분산화된 하수처리와 관련한 사례연구를 실시했다. 먼저 CRI(Constructed Rapid Infiltration) 시스템은 세 가지 장점이 있다. 침전탱크가 필요 없기 때문에 재원을 절약할 수 있으며, 수리부하(Hydraulic Loading)로 공간적 제약을 받지 않는다. 또한 설계가 상당히 간단하다.

[그림 2]은 CRI 시스템의 공정이다. 이러한 기술은 소규모 도시와 마을에 적합하다. 유출되는 수질을 여러 가지 지표로 살펴보면, SS는 90%, COD 85%, NH4-N 90%, BOD는 최대 85%까지 개선된 것을 확인할 수 있다. [그림 3]은 처리하기 전과 후의 사진이다. 물의 색을 통해 생태계에 적합한 수질이 확보가 된다는 것을 확인할 수 있다.

또 다른 사례연구는 ARK라는 업체와 같이 추진한 사례이다. 베이징 대학교는 저비용·고효율 하수처리 방안과 기술개발뿐만 아니라 시골의 작은 농촌지역의 하수처리시설에 대해서도 연구했다.

신젠(Shenzhe)에 있는 하수처리장에서 연구가 진행했다. 프로세스 로드(Process load)는 6만㎥/일이었다. 공정 흐름을 살펴보면, 하수에서 시작해서 유출에 이르기까지 다음의 공정을 거치게 된다. Sewage→Medium Grates→Pumps→Fine Screen→Bell Type Grit Chambers→SBR Reactor→UV Disinfection→Discharge

지금 ARK가 관여를 했기 때문에 공정 흐름이 조금 다른 점이 있다. 테스트 시기는 2010년 5월부터 시작했고 ARK의 지원을 얻어 시행했다. 분석을 통해서 폐수가 처리 후에 어떠한 수질을 나타내고 있는지를 파악했다. CODcr, TN, TP 등에 대한 분석을 폐수처리된 부분에 대해 실시했다. 그 결과 수질 지표가 개선된 것을 확인할 수 있었다.

위의 슬러지 저장 탱크와 슬러지 케익 사진을 보면 우측의 슬러지 케익은 ARK의 기술이 접목이 됐기 때문에 건조한 상태였다. 부상분리가 이뤄지지 않은 상태라 차이가 굉장히 크다. ARK의 기술을 활용해서 중국 하수처리장에도 접목이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

분산화된 하수처리장이 소규모 도시와 마을에 설립돼야 한다고 보고 있다. 소규모 도시와 마을 지역의 경우, 하수처리에 있어 엄청난 시장이 될 수 있다. ARK의 처리기술을 활용하면 폐수처리장에 적용했을 때 그 결과가 상당히 좋게 나왔다. 2015년까지 멀지 않는 미래에 더 많은 하수처리장이 중국에 필요할 것이다. 따라서 시장 규모는 엄청나다고 말할 수 있다. ARK의 기술과 같은 한국기업들이 보유하고 있는 고도처리기술이 중국에 진출할 경로는 상당히 많다.

※ 원문은 파일첨부 참조

[출처 : 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2013년 01월호]