디스포저 배수가 하수도 관로시설에 미치는 영향(환경관리연구소)

[카페지기]

디스포저 배수가 하수도 관로시설에 미치는 영향

하수처리와 디스포저 도입방안[1]

음식물 쓰레기 분쇄물을 다량 함유하고 있는 디스포저 배수가 고인 경우, 관로시설에서 황화수소가 발생하여 부식될 우려가 있다. 본 연구에서는 디스포저 배수가 유입되는 관거 내의 하수성상 및 퇴적물에 관하여 조사함과 동시에 관거환경에서의 황화수소 농도를 실측해 보았다.

디스포저가 설치된 주택에서 배출되는 하수와 일반주택의 하수를 비교해 볼 때, 스폿 샘플에서 성상의 차이가 관찰되지 않았다. 또한 둑을 이용해 인공적인 퇴적장소를 설정하여 퇴적물의 조성을 조사한 결과, 무기물인 계란껍질은 퇴적되는데 황화수소 발생의 조장요인인 유기물은 거의 퇴적되지 않았다. 더욱이 퇴적장소의 황화수소 농도를 연속적으로 측정했을 때, 디스포저 배수를 유입하기 전후의 농도에 차이가 없었다. 또한 계란껍질이 주를 이루는 퇴적인 경우는 황화수소 발생을 조장하는 시점까지 이르지 않는 것으로 파악되었다.

「Key Words : 디스포저, 하수도시설, 퇴적물, 황화수소」

1. 머리말

최근 들어 생활양식이 변화하면서 도시에서의 쓰레기 문제가 심각해지고 있으며 고령화 사회가 도래하면서, 해외에서 사용실적을 가지고 있으며 음식물 쓰레기를 신속하고 간편하게 처리할 수 있는 디스포저(DP) 도입에 대한 관심이 점차 높아지고 있다. 또한 디스포저가 에너지 자원회수의 유효한 수단으로 평가되면서 이용하려는 경향이 높아지고 있다. 한편 음식물 쓰레기를 그대로 하수도에 유입시키게 되므로 하수처리장에 대한 부하증가, 하수관거 내의 퇴적물 증가 등 하수도 시스템에 미치는 영향이 우려되고 있다.

현재 음식물 쓰레기를 디스포저로 분쇄한 배수(이하 디스포저 배수)를 주방배수와 함께 건물 및 부지 내의 정화조에서 처리하는 처리조용 디스포저(이하 디스포저 배수처리 시스템)가 대도시권을 중심으로 급속히 보급되고 있다. 이 디스포저 배수처리 시스템의 경우, 하수도에 유입되는 디스포저에 유래된 부하량을 일반적인 주방배수와 같은 정도까지 낮출 수 있다.

디스포저 배수를 처리하지 않은 상태에서 하수도에 유입시키는 직접투입형(단독) 디스포저의 도입은 국토교통성이 정리한 기술자료인 「디스포저 도입 시의 영향판정 개념」을 참고하여 하수도 관리자가 해당 영향을 평가하도록 되어 있다. 즉 대상지역의 독자적인 조사데이터 및 판단재료를 바탕으로 지역의 특성 등을 충분히 감안한 상태에서 하수도사업 및 쓰레기 처리사업에 미치는 영향을 평가하여 도입여부를 판단하도록 되어 있다. 따라서 하수관거에 미치는 영향을 평가할 때도 고형물의 퇴적이나 부식상황 등을 파악한 상태에서 디스포저 도입 시에 이것이 변화할 수 있는지 검토해야 한다.

디스포저 배수는 수질, 입도분포, 침강특성 등의 기초성상이 통상적인 하수와 다를 것으로 예상된다. 지금까지의 조사사례를 보면 단독 디스포저 설치지역에서는 관거 내에 계란껍질이나 조개껍질이 퇴적되는 것으로 보고된 바 있다. 그러나 황화수소(H2S) 발생에 따른 관거의 콘크리트 부식에 대해서는 디스포저 배수의 유입이 어느 정도 영향을 미치는지 명확한 검토가 이루어지지 않은 상황이다. 이에 본 연구에서는 부식의 원인물질인 황화수소에 착안하여 디스포저 배수가 유입되는 관거 내의 황화수소 농도를 측정함과 동시에 디스포저 배수가 황화수소 발생의 조장요인이 될 수 있는지 밝혀내기 위해 디스포저 배수 유입에 의한 하수성상 및 퇴적물의 변화를 조사해 보았다.

본 조사는 기타큐슈市 와카마츠區 내에서 디스포저 배수처리 시스템을 설치한 공동주택의 배수가 유입되는 하수간선에서 실시했다. 기타큐슈市에서는 살기 좋은 지속 가능한 도시를 실현하기 위해 디스포저 도입문제에 대응해 왔다. 2004년도 말에는 「기타큐슈市 디스포저 검토위원회」를 설립하여 단독 디스포저 사용에 있어서 하수도 시스템의 바람직한 모습과 쓰레기 처리시스템에 미치는 영향 등을 평가하여, 대책 및 비용부담에 대한 독자적인 조사를 실시하고 있다. 본 연구는 그 조사의 일환으로 실시된 것이다.

2. 조사지구의 개요

기타큐슈市 와카마츠區 내에 위치한 조사대상계통은 후반부의 중계 펌프장에 있어 하수처리 계획인구가 6,095명, 계획오수량이 6,220m3/d이다. 해당 처리구는 합류식 하수도정비지구(이하 합류지구)를 포함한 지구로서, 조사를 실시한 간선은 디스포저 배수의 유입지점에서 중계펌프장의 배수처 맨홀까지 분류식으로 정비되어 있다(이하 분류지구).

대상간선의 개요는 그림 1과 같다. 디스포저 배수처리 시스템을 도입한 공동주택의 배수가 반입되는 기점맨홀로부터 합류지구의 중계펌프장까지 약 1,000m이다. 대상간선에서 조사지점이 되는 분류지구 내에는 맨홀이 11군데, 기점맨홀에서 약 530m 하류에 압송관(압송구간: 약 360m)에 접속하는 펌프장(이하 저지 펌프장)이 있다. 참고로 조사구간의 암거는 압송관을 제외하고는 내경 200m의 염화비닐관을 도입했다.

2.1 디스포저 배수의 유입상황

디스포저 배수가 배출되는 주택은 기타큐슈市의 주택공급공사가 관리하는 6층짜리 총 48세대(24세대짜리 2동 거주인구 140명)의 공동주택이다. 1동의 디스포저 배수처리 시스템은 2000년 6월, 2동의 디스포저 배수처리 시스템은 1999년 12월에 정비되어 주민들의 시스템 사용이력은 5년 이상에 이른다. 또한 처리조의 처리대상 설계인원은 168명, 처리능력은 5.88m3/d이다.

디스포저를 설치한지 반년 후에 디스포저 사용상황을 조사한 결과, 주민의 90%가 디스포저를 매일 사용해 왔으며 평균 사용횟수는 3.1회/d였다. 또한 사용시간은 아침, 점심, 저녁의 식사시간대에 집중되어 있으며, 18시부터 21시까지가 가장 많이 사용되고 있었다.

디스포저 배수처리 시스템에서는 디스포저 배수가 배출되는 주방배수만을 건물 혹은 부지 내의 처리조에서 처리한 후, 공공하수도로 유입시킨다. 본 조사에서는 디스포저 배수유입이 관로시설에 미치는 영향을 평가하기 위해, 경험적으로 처리조를 통과시키지 않고 하수도에 디스포저 배수를 포함한 주방배수를 직접 유입시키고 있다. 디스포저 배수유입의 전환작업은 2005년 9월 9일에 실시했다.

2.2 조사지점

하수관거에 유입되는 하수수질, 관거내부 퇴적물, 맨홀 공기 중의 황화수소 농도에 대하여 조사를 실시했다. 하수는 디스포저 배수유입기점과 가장 가까운 맨홀 A 및 디스포저 배수가 유입되지 않는 맨홀 B에서 채취했다. 또한 관거내부 퇴적물 및 황화수소에 대해서는 맨홀 A, 맨홀 B, 디스포저를 설치하지 않은 일반주택의 하수가 유입되는 맨홀 C 및 저지펌프장에서 압송한 후의 배출장소 맨홀 등 4군데 지점에서 조사를 실시했다(그림 1). 참고로 맨홀 C는 디스포저를 사용하지 않은 25세대의 일반주택 하수가 유입되므로 이 지점에서의 디스포저 배수 혼입률은 66%, 압송 후의 배출장소 맨홀까지는 400세대의 일반주택 하수가 유입되고 있기 때문에 디스포저 배수의 혼입률은 8.4%로 시산되었다.

3. 조사결과 및 고찰

3.1 수질조사


디스포저 배수의 유입유무가 하수의 수질에 미치는 영향을 파악하기 위하여 디스포저 사용빈도가 가장 높은 시간대인 18시부터 21시까지 30분마다 하수를 채수하여 수질을 분석했다. 조사지점은 디스포저 배수의 혼입률이 100%인 맨홀 A와 0%인 맨홀 B이다. 음식물 쓰레기의 폐기량 및 성상은 계절에 따라 다를 수 있는데, 디스포저 배수의 성상도 투입되는 음식물 쓰레기에 따라 다를 수 있을 것으로 예상된다. 이에 여름철(8월)과 겨울철(11월) 2회에 걸쳐 조사를 실시했다. 분석항목은 SS, TS, BOD(T-BOD, S-BOD(용해성 BOD)), 총질소, 총인, n-Hex 추출물질, 황산이온으로서 분석방법은 하수시험방법에 따른다.

BOD의 변화는 그림 2와 같다. 이틀의 T-BOD는 편차나 일시적인 상승을 보이긴 했으나 맨홀 A와 맨홀 B 모두 거의 100~300mg/L 범위를 나타내어, 디스포저 배수유입의 유무에 따른 차이는 관찰되지 않았다. 또한 BOD에 대한 S-BOD의 비율은 평균적으로 모두 50% 이하로서 맨홀 A와 맨홀 B의 BOD에서 용해성과 현탁성의 BOD 비율에 차이는 보이지 않았다. 그림 3은 황산이온 농도의 추이를 나타낸 것이다. 황산이온 농도는 맨홀 A, 맨홀 B의 결과에 큰 차이를 나타내지 않았다. 일반적으로 하수의 황산이온 농도는 30~83mg/L로서 본 조사의 분석결과도 통상적인 하수범위에 포함되었다.

하수의 성상은 일정하지 않은데, 연결되어 있는 가정의 상황이나 시간대, 조사일에 따라 변동을 보인다. 또한 스폿 샘플의 경우, 하수는 시간변동이 커서 해당 시간대의 수질을 반드시 대표한다고 할 수 없다. 본 조사는 디스포저 사용이 집중되는 것으로 생각되는 시간대에 디스포저를 사용하고 있는 주택과 일근 일반주택에서 유입되는 하수의 수질을 비교한 것이다. 디스포저 배수의 영향을 정성적으로 파악한다는 관점에서 평가해 볼 때, 일상적으로 디스포저를 사용 중인 48세대에서 배출되는 하수에는 디스포저 사용빈도가 높은 시간대에도 디스포저 배수의 영향을 수질적으로 거의 관찰할 수 없다고 할 수 있다.

3.2 퇴적물 조사

맨홀 A, B, C 및 압송 후의 배출장소 맨홀 4군데 지점에서 관거내부 퇴적물을 육안으로 관찰하고 조성을 조사했다. 조사는 2005년 6월부터 2006년 8월까지 월 1회 실시했다.

통상적으로 관거 내에서는 역구배, 휨부분에 퇴적물이 관찰된다. 기존 조사에서도 디스포저 설치지구의 관거에서는 역구배 구간에 계란껍질 및 조개껍질이 쌓이는 것으로 보고된 바 있다. 그러나 조사대상인 관거는 전구간 모두 구배가 0.6‰로 확보되어 휜 장소는 확인되지 않았다. 이에 A, B 맨홀 내의 인버트(직경 20cm)에 높이 7cm의 둑을 설치하여 인위적으로 퇴적물이 발생하기 쉬운 조건을 만든 후, 퇴적물의 상황을 관찰함과 동시에 퇴적물을 채취하여 분석해 보았다.

참고로 디스포저 배수의 유입전환에 앞서 합류지구에서의 디스포저 배수에 의한 영향을 고려하여, 저지펌프장의 펌프위치를 높여 오니퇴적 깊이를 400mm로 확보했다.


(1) 디스포저 배수유입 후 관거내부의 상황

디스포저 배수전환 전이나 전환 후를 기준으로 약 1개월이 경과되었을 때나 약 5개월이 경과되었을 때의 관거내부 상황은 사진 1과 같다. 촬영부위는 맨홀 C로서 유하하수 가운데 디스포저 설치세대에서 배출되는 배수가 차지하는 혼입률은 66%이다. 사진 1과 같이 관거 내부에서는 하수면과 닿는 부분에 하얀 부착물이 관찰되었는데, 디스포저 배수 유입전후에 부착물의 양 및 외관에 차이는 관찰되지 않았다. 또한 약 2년간 각 조사기점에서 육안으로 퇴적물의 상황을 조사한 결과, 둑을 설치한 맨홀 A를 제외하면 관거내부에 디스포저에서 유래된 것으로 추정되는 퇴적물은 관찰되지 않았다.

참고로 저지펌프장에 설치한 오니 퇴적장소에서는 당초 디스포저 배수 유입 후에 음식물 쓰레기 등이 쌓일 것으로 예상되었으나, 디스포저 배수전환 후에도 퇴적물량의 증가는 관찰할 수 없었다.

(2) 퇴적물의 조성조사

둑을 설치한 맨홀 A에서 퇴적물을 채취하여 조성을 조사했다. 맨홀 A에서 채취한 퇴적물은 사진 2, 3과 같다. 관거 바닥면에는 주로 계란껍질이 퇴적되는 것으로 확인되었다. 참고로 디스포저 배수의 혼입률이 0%인 맨홀 B의 퇴적물은 주로 분변, 휴지 등이었다. 맨홀 A의 퇴적물은 수면 측의 상부와 관거 바닥면 측의 하부로 나누어 채취하고 0.074mm의 체를 통과시킨 후, 가열처리하여 잔류물을 눈으로 보면서 모래, 계란껍질, 뼈 등으로 분류했다. 유기물량은 강열감량, 무기물은 강열잔류물에서 모래, 계란껍질, 뼈를 빼고 구했다.


퇴적물의 조성을 조사한 결과는 그림 4와 같다. 퇴적물 가운데 유기물은 5% 전후로 비교적 적었다. 음식물 쓰레기는 유기물 함유량이 높은데, 유기물이 둑을 넘어 흐르고 있는 것으로 관찰되었다. 또한 디스포저에서 유래된 무기물로서 가장 많이 혼입되어 있는 계란껍질은 퇴적물 상부에 많고 특히 계란껍질이 큰 파편은 표층에 퇴적되는 경향을 보였다. 즉 음식물 쓰레기 분쇄물이 관거에 유입되어도 관거 내에 퇴적되는 음식물 쓰레기는 계란껍질이 주를 이루며, 황화수소 발생을 조장하는 것으로 여겨지는 유기물은 본 조사대상구간과 같이 일정한 유속이 확보되는 경우에는 흘러내려가는 것으로 고찰된다.

또한 맨홀 A에서 퇴적물을 채취하여 성분을 분석해 보았다. 분석항목은 함수율, 강열감량, CODCr, BOD, Ca, 황산이온, 황산염 환원세균으로 정하고, 분석방법은 하수시험방법을 따랐다. 참고로 전처리로서 시료에 대하여 중량비 5배인 정제수를 가해 흔든 후, 원심분리를 실시했다. 원심분리의 상등액을 분석에 이용했다. 성분분석 결과, 편차가 존재했으나 유기물과 관련된 강열감량, BOD, CODCr, 총질소, 총인의 함유량은 낮은 경향을 보였다. Ca의 값은 섞여 있는 계란껍질을 반영하고 있는 것으로 사료된다(표 1).

저지펌프장의 오니 퇴적장소에서 오니를 채취하여 성분을 분석했다. 분석항목, 분석방법은 퇴적물과 동일하게 실시했다. 성분 분석결과는 표 2와 같다. 디스포저 배수로의 전환 전후에 있어 강열감량의 변화를 살펴보면, 전환 후의 오니는 강열감량이 높아지는 경향을 보였다. 이로서 디스포저 배수 가운데 자연적으로 흘러내려 관거내부에는 퇴적되지 않는 유기물이 저지펌프장에 도달하여 체류하는 것으로 사료된다. 또한 BOD, CODCr, 총질소, 총인, n-Hex 추출물질의 경우도 전환 후에 높은 값을 나타내었다. 그러나 황화물의 경우는 증가되지 않았다.

3.3 황화수소의 농도조사

맨홀 A, B, C 및 압송 후 배출장소 맨홀의 4군데 지점에서 맨홀 공기의 황화수소 농도를 10분 간격으로 연속 측정했다. 황화수소계는 (주) 가스텍 제품으로서 확산식 황화수소 측정기인 GHS-7AT(온도측정기능 있음)를 사용했으며, 지시정밀도는 측정범위의 ±5%이다.

설치한 기기의 측정범위는 배출위치 맨홀이 0~500ppm, A 지점과 저지펌프장이 0~100ppm, B 지점이 0~50ppm이다. 측정기간은 2005년 2월부터 2006년 12월까지 1년 1개월간이다. 참고로 디스포저 배수의 혼입률이 0%인 맨홀 B는 대조구로서 계측했다.

또한 맨홀 A, B, C 및 압송 후의 배출위치 맨홀 등 4군데 지점의 기온, 저지펌프장의 수온을 측정했다. 월 평균치는 그림 5와 같다. 조사지구에서는 여름철에 하수관거 내부의 기온이 30℃ 정도이고, 하수의 수온은 27~28℃까지 상승하였고, 반대로 겨울철에는 15℃ 전후까지 저하되었다.

황화수소의 발생과정을 살펴보면 혐기성 세균인 황산염 환원세균이 유기물에서 에너지를 얻어 하수나 오니 중의 황산이온을 환원하여 황화물을 생성하고, 이것이 물리적인 교반작용에 의해 황화수소로서 기체 속으로 확산되는 것이다.

또한 황화수소 발생정도는 황산염 환원세균에 의한 황화물 생성속도에 기인하며, 수온과 혐기상태에 영향을 미친다. 수온(15~45℃)이 높을수록 빠르고, 하수나 오니의 체류시간이 길수록 용존산소가 소비되어 강한 혐기상태가 되며, 유기물이 가용화되어 황산염 환원세균이 쉽게 이용된다. 즉 황산염 환원세균의 활성이 높아지면 황화물 생성량이 증가한다. 이러한 조건에 따라 황화물이 잘 생성되는 부위는 하수가 고여 혐기상태가 되기 쉬운 압송관 안이나 복월관 등이라고 할 수 있다.

조사지구에서 디스포저 배수로 전환하기 전후의 황화수소 농도는 그림 6과 같다. 모든 조사지점에서 디스포저 배수로의 전환(2005년 9월 9일)에 따른 황화수소농도의 현저한 변화는 관찰되지 않았다. 맨홀 A는 디스포저 배수의 혼입률이 100%이며 둑이 설치되어 퇴적물이 관찰되는 부위이다.

그러나 황화수소의 농도에 변화가 관찰되지 않는 것은 3.2와 같이 이 지점의 퇴적물이 계란껍질 등의 무기물이 주를 이루고 있으며 유기물은 하류로 흘러 들어갈 가능성이 있기 때문으로 생각된다. 또한 하수 자체가 고이는 조건이 아닌 항상 자유수면을 유지하여 호기상태가 유지되기 때문으로 사료된다. 단 통상적인 하수에도 일정량의 황산염이 포함되어 있어, 콘크리트 표면 등에서 관찰되는 유기물 피막 등의 부착물이 황산염 환원세균의 생식영역이 될 수 있다. 이러한 부착물 등에서 생성된 황화물이 하수의 흐름이나 시간변동에 따른 교반에 의해 저농도의 황화수소를 발생시키는 것으로 추정된다.


하수가 고이므로 최대 10ppm 정도의 황화수소가 확인되는 저지펌프장에서는 디스포저 배수로의 전환 후, 오니 퇴적장소의 오니 속 유기물이 증가하는 경향을 보였으나 황화수소의 농도변화까지는 관찰되지 않았다.

압송 후의 배수위치 맨홀에서는 펌프 압송구간 중간이 강한 혐기상태가 되기 때문에 통상적으로는 50~100ppm 정도, 높은 경우에는 200ppm에 달하는 황화수소가 발생하게 된다. 이 지점에서도 디스포저 배수의 혼입률이 저지펌프장과 마찬가지로 8.4%로 낮아 배수전환 후의 황화수소 농도에 현저한 변화는 관찰되지 않았다.


4. 맺음말

디스포저 배수의 유입에 따라 하수 중의 유기물량과 관거 내부의 퇴적물량, 펌프장의 오니량 증가를 비롯하여 각각의 성분변화를 초래할 가능성이 있다. 또한 이러한 영향은 관거 내의 부식요인이 되는 황화수소의 발생을 조장할 가능성이 있다.

본 조사에서는 실제규모의 관로시설에서 약 2년간 디스포저 배수를 유입시킨다는 조건 하에서의 영향을 평가하고 있다. 조사결과에 따르면 하수성상의 경우는 디스포저 설치주택에서 배출되는 하수와 일반주택의 하수를 지점에서 비교해 볼 때, 디스포저에서 유래된 영향은 확인이 불가능했다. 또한 관거 내에 둑을 설치하여 퇴적물이 발생하기 쉬운 조건을 설정한 경우에도 둑의 상하류에는 무기물인 계란껍질의 퇴적이 관찰되는데, 퇴적물의 유기물 함유량은 낮았다. 다시 말해 황화수소의 발생 조장요인인 유기물은 퇴적되지 않는다고 할 수 있다.

실제로 이 지점의 황화수소 농도를 장기간 연속 측정한 결과에서도 디스포저 배수를 유입시킨 전후에 있어 농도차이를 관찰할 수 없었다. 계란껍질이 주로 퇴적된다면 황화수소 발생을 조장할만한 상태에는 이르지 않는 것으로 판단된다.

또한 이번 조사에 있어 황화수소 발생 위험부위라고 할 수 있는 펌프장이나 압송관의 토출구는 디스포저 배수의 혼입률이 8.4%로 낮아 황화수소 농도의 실측결과에서도 디스포저 배수의 영향은 파악이 불가능했다. 그러나 관거의 부식은 펌프장이나 압송관의 토출구 등과 같은 황화수소 발생 위험부위에서 실제로 문제가 되고 있다.

따라서 앞으로는 이와 같은 황화수소 발생 위험부위를 대상으로 더욱 검토해 나가야 할 것이다. 더욱이 디스포저 배수에 의한 황화수소 농도의 상승과 관거내부 부식(콘크리트 부식)속도와의 관계를 밝혀, 디스포저 도입 후의 적절한 황화수소 대책과 관거의 효율적인 유지보수 계획을 제안하는 것이 중요하다고 할 수 있다.


자료출처 : 환경관리연구소