하수 폐수 처리를 위한 효과적인 방법

도시 하수 발생과 처리 수요 이해하기

급속한 도시화가 하수 및 폐수 처리 수요를 증가시키고 있음

요즘 전 세계 인구의 절반 이상이 도시 지역에 거주하고 있으며, 2023년 유엔 보고서에 따르면 매년 약 3800억 입방미터의 도시 폐수가 발생하고 있습니다. 도시가 빠르게 성장함에 따라 오래된 인프라가 이를 따라가지 못하고 있는 실정입니다. 300만 명 이상의 주민이 거주하는 대도시들을 살펴보면, 약 60퍼센트가 이런 폐수를 제대로 처리할 충분한 시설을 갖추고 있지 못합니다. 생활하수가 강과 하천에 그대로 방출될 경우, 질병을 유발하는 미생물, 미세 플라스틱 입자, 그리고 약국이나 가정에서 사용 후 남은 약물 등 유해 물질들이 함께 흘러들어갑니다. 이러한 오염물질은 지하수로 침투하게 되며, 전체 음용수 수원의 거의 4분의 1이 이와 같은 방식으로 오염되고 있는 것으로 알려져 있습니다.

전 세계 폐수 배출 통계 및 환경 영향

전 세계적으로 약 80%의 폐수가 제대로 정화되지 않은 채로 수계로 다시 유입되며, 매년 약 580톤의 질소 오염물질이 강과 호수에 유입됩니다. 이후 어떤 일이 벌어질까요? 이 물질들은 산소가 모두 고갈되어 더 이상 생명체가 살지 못하는 해안 지역의 두려운 '산소 부족 구역(데드 존)'을 700곳 이상에서 만들어냅니다. 진짜 문제는 현재 어디에서나 발견되고 있는 비닐페놀 화합물이나 카르바마제핀 같은 약물 성분처럼 일반 하수처리장에서는 걸러내기 어려운 새로운 유형의 화학물질들 때문입니다. 이러한 물질들은 물고기와 다른 해양 생물체 내에 축적되며 시간이 지남에 따라 위험한 농도까지 쌓이게 되는데, 폰몬 연구소가 2022년 보고서에서 발표한 바에 따르면 최대 1.2mg/L에 이를 정도입니다.

현대의 하수 처리 시스템은 이제 병원균 제거를 통한 공중보건 보호(대장균 기준 <1 CFU/100mL 달성)와 농업 재이용을 위한 인 회수(최대 90% 회수율 )과 같은 자원 회수라는 두 가지 목표를 우선시합니다.

하수 처리에서의 핵심 생물학적 처리 공정

핵심적인 호기성 처리 방법로서의 활성 슬러지 공법

호기성 활성 슬러지 시스템은 산소를 필요로 하는 박테리아를 이용하여 폭기조에서 유기 오염물질의 85~90%를 분해함으로써 현대 하수 처리의 핵심 역할을 하고 있습니다. 도시 하수처리장은 최적화된 미생물 군집과 정밀한 용존 산소 제어를 통해 생물화학적 산소 요구량(BOD)을 95% 이상 감소시키는 것이 일반적입니다.

유기물 분해를 위한 미생물 및 지렁이를 활용한 생물학적 처리

버미필트레이션(vermifiltration) 기술은 아이제니아 페티다(Eisenia fetida) 지렁이를 이용하여 셀룰로오스 분해를 기존 방법 대비 40% 가속화합니다. 이 하이브리드 방식은 슬러지 양을 30–35% 줄이면서 냄새를 제거하므로 분산형 시스템에 매우 유리합니다.

에너지 회수를 위한 혐기성 소화 및 발효

폐쇄형 혐기성 소화조는 폐수 내 화학 에너지를 바이오가스로 전환하며, 최근 연구에서는 제거된 COD 1kg당 0.35–0.45m³의 바이오가스 수율을 입증했습니다. 음식물 폐기물과의 공동 소화를 통해 메탄 함량을 65–70%까지 높여 하수처리장을 순에너지 생산자로 전환할 수 있습니다.

영양염류 제거를 위한 조류 기반 시스템 및 식물정화 기술

시범 프로젝트에서 사용하는 클로렐라 불가리스 미세조류는 조류와 폐수 간의 공생 관계를 통해 질소 89%, 인 76%를 회수합니다. 오리밥 연못과 인공습지를 병행하면 잔류 중금속을 60–80% 효율로 제거하여 농업 관개용수로서의 안전한 재이용이 가능하게 합니다.

2차 및 3차 물리화학적 처리 단계

고형물 제거를 위한 응집, 응집화 및 침전

생물학적 처리 단계가 완료되면, 다음 과정으로 응집 단계로 넘어가며, 알루미늄 황산염 또는 염화철과 같은 약품이 투입되어 물속의 끈질긴 부유 입자들을 분해합니다. 그다음에 일어나는 과정을 응집(flocculation)이라고 하는데, 이는 천천히 저어주는 방식으로 미세한 입자들이 덩어리지어 더 큰 응집체(flocs)를 형성하게 하고, 이후 침전 과정에서 바닥으로 가라앉게 합니다. 대부분의 현대 수처리 시설은 약 1시간 만에 탁도를 약 80~90%까지 감소시킬 수 있습니다. 운영자가 약품 주입량을 정확하게 조절하면 더욱 개선된 결과를 얻을 수 있으며, 고형물 제거율이 약 35~40% 증가하고 슬러지 발생량도 전반적으로 줄어들어 폐기물 관리가 운영 직원들에게 보다 쉬워집니다.

오염물질 분해를 위한 여과 및 고도산화

모래 여과기 및 막 시스템(미세여과/나노여과)은 0.1마이크론 크기의 입자까지 포획하여 미세플라스틱과 병원체의 95%를 제거합니다. 오존/UV 또는 펜톤 반응과 같은 고도산화공정(AOPs)은 수산화물 라디칼을 생성하여 약물 및 농약을 분해하며, 지속성 유기 화합물의 99% 이상을 분해합니다.

염소, 염소아민 및 자외선(UV) 방사선을 이용한 소독

최종 소독 단계에서 잔류 병원체를 다음 방법으로 제거합니다:

최근 분석에 따르면, 자외선(UV) 시스템이 98%의 도시 하수처리장에서 분뇨성 대장균을 <10 CFU/100ml 수준으로 감소시키면서 동시에 소독 부산물(DBPs) 발생을 피할 수 있다.

3차 처리 단계에서 EDC 및 PPCP 제거

활성탄 흡착과 오존화는 2차 처리 과정에서 유출되는 내분비 교란 물질(EDCs) 및 약물류(PPCPs)를 목표로 한다. 과립상 활성탄(GAC) 필터는 에스트로겐 성분의 60~80%를 제거하며, 3~5mg/L의 오존 주입 농도는 설파메톡사졸과 같은 항생제의 90%를 분해한다.

슬러지 관리, 자원 회수 및 순환 경제 통합

슬러지에서 바이오솔리드로: 안정화, 탈수 및 안전한 폐기

최근의 대부분 폐수 처리 시설은 혐기성 소화와 열건조 공정을 결합한 방법을 사용하여 슬러지의 약 95%를 안정화된 바이오고형물로 전환하고 있습니다. 2025년에 발표된 연구는 수열 탄소화 시스템의 작동 방식을 조사했는데, 그 결과가 매우 인상적이었습니다. 이러한 시스템은 폐기 비용을 약 3분의 2 가량 절감하면서 동시에 농부들이 밭에서 사용할 수 있는 수열탄(hydrochar)이라는 물질을 생성합니다. 투자 수익도 상당히 빠르게 달성되며, 일반적으로 단 3년 정도 내에 이루어집니다. 이 접근 방식이 특히 가치 있는 이유는 유해한 병원균과 성가신 휘발성 유기 화합물을 제거한다는 점입니다. 따라서 최종 제품은 EPA가 규정하는 A등급 바이오고형물(Class A biosolids)의 모든 요건을 충족하게 되며, 이는 환경 규제를 준수하려는 모든 시설에 중요합니다.

폐수 흐름에서의 영양소 및 에너지 회수

최신 기술을 통해 폐슬러지에서 약 80~90%의 인과 질소를 회수할 수 있으며, 이를 비료 제조에 활용한다. 이는 전 세계적으로 부족한 광물 자원 문제 해결에 기여한다. 하수 처리 시설은 대형 소화조에서 생성된 메탄가스를 이용해 필요한 전력의 약 3분의 1에서 절반가량을 자체 공급하며, 때로는 여유 전력을 전력망에 다시 공급하기도 한다. 일부 최신 열분해(Pyrolysis) 시스템은 처리된 슬러지 지질을 매년 톤당 약 120리터에서 최대 150리터 정도의 바이오디젤로 전환하기 시작하고 있다. 이러한 혁신들은 에너지 생산에서 전통적인 화석 연료에 대한 의존도를 크게 줄여준다.

하수처리와 순환 경제: 자원 순환 고리 완성

최신 IoT 기반 생물연소 기술이 금속 회수 분야에서 주목받고 있으며, 구리와 아연, 그리고 희토류 원소와 같은 회수 난이도가 높은 원소들을 기존 방식보다 약 40% 더 빠르게 추출하고 있습니다. 순환 경제 원칙을 진지하게 도입하고 있는 도시들은 처리된 물의 거의 전량을 다시 순환 이용하는 방법을 모색하고 있습니다. 약 98%는 공원 관개나 산업 설비 냉각 등에 재사용되고 있습니다. 또한 폐수 슬러지에서 추출한 셀룰로오스는 생분해성 포장재 시장이 커짐에 따라 점점 더 가치 있는 자원으로 부상하고 있습니다. 우리가 파악하기로는 이러한 접근 방식은 EU 순환경제 행동계획(EU's Circular Economy Action Plan)의 여러 항목을 충족시키고 있습니다. 전체 수명 주기 동안의 탄소 발자국은 일회용 후 폐기하는 방식과 비교해 약 18~22% 정도 낮게 나타납니다.

하수 폐수 처리를 위한 효과적인 방법

적절한 하수 및 폐수 처리 방식 선택

폐수 유형 및 오염물 프로파일에 맞는 처리 방법 선정

하수 폐수 처리에서 좋은 결과를 얻으려면 먼저 어떤 화학물질이 존재하는지와 실제 오염 정도가 어느 정도인지 파악하는 것이 중요합니다. 중금속이나 잔류 의약품을 포함한 산업 폐기물을 처리할 때는 고도산화 또는 이온교환과 같은 특수 처리 방법이 가장 효과적입니다. 유기물이 많은 일반 도시 하수의 경우 생물학적 처리 방식이 더 적합한 선택입니다. 활성슬러지 공정은 이러한 종류의 폐수 처리에 여전히 널리 사용되고 있습니다. 작년에 발간된 '수자원 재이용 보고서(Water Reuse Report)'의 최근 연구 결과에 따르면, 특정 오염물질을 대상으로 맞춤형 설계된 처리 시스템은 일률적인 방식에 비해 약 30% 정도 효율을 높일 수 있다고 합니다. 다양한 폐기물은 각각 적절한 처리 방법이 필요하기 때문에, 이를 고려한 접근이 타당합니다.

규제 기준 및 최종 용도 요구사항 준수

하수처리장은 EPA 및 세계보건기구(WHO)와 같은 규제 기관에서 규정한 BOD 농도, 질소 함량, 병원체 수치 등의 특정 한계를 준수해야 합니다. 예를 들어 자외선 소독(UV disinfection)은 농업용으로 물을 재이용할 필요가 있을 때 미생물에 대해 효과적으로 작동합니다. 반면 막생물반응기(membrane bioreactor) 시스템은 처리된 물을 도시 하수도나 수로에 방류할 때 요구되는 엄격한 기준을 충족하도록 시설을 지원합니다. 2023년 보건 당국의 최근 지침에 따르면, 1만 명 이상의 지역사회 폐수를 처리하는 많은 대규모 처리 시설들이 실시간 모니터링 장비를 설치하여 허가 및 규정을 준수하고 있습니다.

공공 하수처리 시스템과 산업용 시스템, 분산형 현장 솔루션

• 공공 하수처리장 확장성 확보를 우선시하며, 사질여과(sand filtration)와 같은 제3차 처리 공정을 통합하는 경우가 많음
• 산업 시스템 산업별 고유의 과제 해결에 집중 (예: 정유소를 위한 오일-워터 분리기)
• 분산형 솔루션 패키지형 MBR 장치나 인공습지와 같은 시설은 외진 지역 사회에 서비스를 제공하며, 인프라 비용을 최대 45%까지 절감할 수 있습니다. (Global Water Intelligence, 2024)

수자원 재이용 및 지속 가능한 처리 설계의 새로운 동향

공정 최적화 및 영양소 회수를 위한 인공지능(AI)의 최신 발전은 하수 폐수 처리 방식을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 최근 건설되는 하수처리장의 40퍼센트 이상이 실제로 혐기성 소화 공정을 통해 바이오가스를 포집하고 있습니다. 한편, 역삼투(RO)와 자외선(UV), 고도산화 처리에 의존하는 직접 식수 재이용(DPR) 프로젝트들의 수도 2022년 대비 거의 두 배 가까이 증가했습니다. 전통적인 조류 연못과 스마트한 자동 슬러지 관리 시스템을 결합하는 흥미로운 하이브리드 접근법들도 등장하고 있습니다. 이러한 시스템들은 순환경제 개념을 적용함으로써 운영 비용을 매년 약 18~22퍼센트 정도 상당히 절감할 수 있음을 보여주고 있으며, 이는 최근 산업 보고서들에서 확인되고 있습니다.