하천, 호소의 수질특성은 크게 환경기초시설 방류수 유입등의 점오염원, 유역의 토지 이용과 관련된 비점오염원, 하천 호소 내 조류 증식 등의 내부 생성물질에 따라 결정된다. 이 중 점오염원 관리는 가장 효율적인 수질 제어방법으로써 지속적인 환경기초시설 확충 및 하수도 정비사업을 통해 공공수역의 수질 개선이 이루어졌다. 최근 20년간 하수처리인구는 1,728만명에서 4,490만명으로, 처리율은 38.8%에서 86.5%로 증가되었다(MOE, 2014). 또한 공공하수처리시설 유입수의 총인, 총질소 농도가 해마다 높아지고 있는 것으로 보고되고 있다(Um et al., 2011). 앞으로 분류식 하수관거 오접 개선, 누수 및 불명수 차단 등의 문제를 해결한다면 공공하수처리시설의 오염부하율은 더욱 커질 것으로 예상된다.

한편 공공하수처리시설 처리수를 재이용하여 하천유지용수를 안정적으로 확보하거나 하천생태계 복원 및 수변휴식 공간제공, 수자원의 효율적 이용 등의 목적으로 공공수역에 방류되는 사례가 늘고 있다. 그러나 공공하수처리시설 처리수는 수용하천보다 높은 수준의 농도로 배출되어 유입 이후 유기물질 및 질소염류의 농도상승이 나타났으며 특히 무기질소 중 NH₃-N (암모니아성 질소)가 높은 농도를 보이면서 하천 수질에 영향을 주는 것으로 나타났다(Shin et al., 2000; Sung et al., 2010).

NH₃-N는 pH에 따라 NH₃, NH₄⁺ 형태로 나타나는데 자연수계에서는 대부분 NH₄⁺ 형태로 존재하고 있으며 수중 초기오염물질 유입의 지표인자로 이용된다. 자정능력이 탁월한 하천의 경우, NH₃-N의 유입 이후 물리적, 화학적, 생물학적인 자정작용에 의해 질산성 질소로 산화되거나 생물체로 동화되어 그 농도가 낮아지지만 지속적으로 오폐수 등 오염원 유입이 일어난다면 하천에서의 NH₃-N 농도가 높게 유지될 수 있다. NH₃-N의 취기한계는 0.04mg/L로 악취를 유발하고 pH에 따라 어류 독성을 나타낸다(Han and Seh, 1986; Park, 2010). 또한 남조류의 동화작용시 다른 무기질소화합물보다 선택성이 높은 것으로 보고되고 있다(Maeng, 1982). 질소화합물의 산화 과정에서 산소 소모로 인해 DO농도에 영향을 준다. 특히 생물학적 수처리를 통한 하수처리시설의 방류수에는 질산화균이 다량 포함되어 있어 NOD (질소화합물의 산화 분해에 의한 산소 소모, nitrogenous oxygen demand)가 발생할 가능성이 크다. 따라서 NH₃-N가 높은 농도로 존재할 경우 방류수의 BOD 기준을 초과할 우려가 있으며 이는 수용하천에도 영향을 미친다(Min et al., 2011).

최근 우리나라는 하천의 부영양화 문제 해결을 위해 영양염류에 대한 기준을 점차적으로 강화시켜 나가고 있다. 그 동안의 하수처리기술 발전 등으로 인하여 겨울철에도 총질소, 총인 처리에 큰 어려움이 없는 것으로 조사되었다(Um et al., 2011). 그러나 질소화합물 형태에 따른 NOD 발생과 방류수 기준 초과 문제가 제기되고 있어(Jang et al., 2007; Kang, 2009) 이로 인한 하천 영향을 간과할 수 없다. 미국과 유럽연합 국가 등 선진국에서는 하수처리시설에 대한 방류수 수질 기준 BOD5를 CBOD로 규정하거나 Table 1과 같이 NH₃-N의 방류수 수질 기준 및 하천 수질 기준을 설정하여 관리하고 있다(MOE, 2010; NIER, 2000).

국내는 아직 공공수역이나 공공하수처리시설 방류수에 대해 NH₃-N를 규제항목으로서 적용하고 있지 않으며 현재 발표되고 있는 방류수 수질자료만으로는 관련 기초자료를 충분히 확보할 수 없는 실정이다. NH₃-N 및 NOD 발생에 관련된 기존 국내 연구는 하수처리장의 효율적 운영을 위한 자료 제시를 목적으로 수행되어 하천 영향까지 고려한 자료는 부족한 상황이다. 특히 경기도 지역은 인구가 과밀집된 도심지역이 많아 하수도 보급률이 높고 그에 따라 도심지를 통과하는 하천은 대규모 공공하수처리시설 방류수에 대한 의존도가 높으므로 수질 변화가 다른 지역보다 크게 나타날 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 경기도 지역을 대상으로 공공수역의 주요한 생활계 오염원인 공공하수처리시설 방류수의 NOD 배출 특성 뿐 아니라 방류수에 의한 하천 영향과 관련 물질의 농도 분포를 파악하고자 하였다. 본 연구를 통해 NH₃-N에 대한 새로운 오염물질 지표로서의 가능성을 확인하여 하천의 효율적인 수질관리 방안을 제시하고자 하였다.

공공하수처리시설의 방류수 및 경기도 내 주요 하천에 대한 수질 및 NOD 발생특성을 파악하기 위해 3개 공공하수처리시설 및 4개 하천 15개 지점을 선정하여 연구를 수행하였다. 공공하수처리시설의 경우, 우리나라에서 주로 이용하고 있는 고도처리공법을 도입한 시설을 공법별로 선정하였으나 본 연구에서는 유기물 및 존재형태별 질소염류에 대한 농도분포를 파악하는데 목적이 있으므로 공법별 수질 특성은 비교하지 않았다. 각 시설 현황(NIER, 2014)은 Table 2와 같으며 세 시설 모두 분류식 관거로 유입, 지하에서 처리된다.

대상 하천은 공공하수처리시설의 방류수가 유입되는 경기도 내 주요 하천으로 환경부에서 지정한 국가수질측정망으로 운영되고 있으며, 각 하천의 대상지점 및 하천에 위치한 공공하수처리시설 현황을 Table 3에 나타냈다. 공공하수처리시설 방류수의 영향을 직접 받는 지점은 Bokha 2, Anyang 3, Osan 3, Tan 1, 4지점이다. 공공하수처리시설 방류수의 영향을 비교하기 위해 Tan 1지점에서 1.3 km 상류 지점을 Tan 1-1로 지정하여 조사 연구하였다.

대상 공공하수처리시설에 대해서는 2014년 3~8월까지 1, 2주 간격으로 샘플링하였다. 수온에 따른 처리효율을 고려하여 방류 수온이 낮은 3~4월에는 일주일 간격으로 조사하였고 5월 이후에는 2주 간격으로 모니터링 하였다. 주요하천 15지점에 대해서는 2014년 4~8월까지 매달 샘플링하여 수질오염도를 조사하였다.

채취 시료는 유기물 관련 항목으로 BOD, CBOD, TOC와 질소염류 항목으로 T-N, NH₃-N, NO₃-N, NO₂-N를 분석하였다. 모든 항목은 수질오염공정시험기준(MOE, 2011)에 따랐으며, BOD 시험시 질산화균 억제제로 ATU(1-Allyl-2 thiorea) 40 mg/L을 첨가 후 식종하여 CBOD값을 구하고, BOD에서 CBOD값을 차감하여 질산화에 의한 산소요구량 NOD를 구했다.

하천의 유기물 및 질소염류의 수질 분포를 파악하고자 국가수질측정망 수질자료를 통계분석하였다. 본 연구에 활용된 자료는 매월 1회 측정하고 있는 국가수질측정망의 대상 하천 지점 중 경기도 내에 위치한 58개 하천, 124개 지점에 대한 최근 5년간(2009년~2013년)의 측정결과로 총 6604개 데이터를 이용(GIHE, 2014)하였다. 통계 분석시에는 평균(Mean) 및 표준편차(SD; Standard Deviation)에 따른 변동계수(CV; Coefficient of Variation, CV(%) = S(표준편차)/X(평균)×100)를 구하였다. 또한 이상치의 영향을 받는 평균값을 보완하기 위해 중앙값(Median)과 백분위수(Percentile, 10%, 25%, 75%, 90%)를 구하여 하천에서의 물질별 농도 분포를 파악하였다.

2014년 3~8월까지 공공하수처리시설 방류수에 대한 수질 조사 결과를 Table 4에 나타냈다. 대상 시설 방류수에 대한 NOD 평균 발생량은 각각 4.6 mg/L, 0.4 mg/L, 0.2 mg/L였으며 비율은 각각 53%, 47%, 17%로 조사되었다. Fig. 1~2 와 같이 BOD와 NOD의 농도변화는 비슷한 양상을 나타냈으며 NOD 발생과 관련하여 방류수 내 NH₃-N 농도와의 상관성을 Fig. 3과 같이 확인할 수 있었다. (r=0.81, p<0.05)

NH₃-N의 농도에 따른 NOD 발생에 대한 뚜렷한 경향을 나타낸 AS 시설의 경우, NH₃-N의 농도가 2.194 mg/L (0.129~8.566 mg/L)였으며 T-N에 대한 NH₃-N 비율이 평균 24%, 최대 70%를 차지하기도 하였다. 조사 기간 동안 AS 시설에서는 방류수의 T-N 기준을 준수하였으나 NOD 발생으로 인해 BOD 수질기준을 몇 차례 초과하였다. BM, CC 시설은 방류수 수질기준 이하로 양호한 수준을 나타냈다. 공공 하수처리시설의 방류수질은 공법 및 가동률 차이 등에 따라 효율이 달라질 수 있는데(GIHE, 2008) AS 시설은 처리 용량이 크고 평균 가동률이 95%를 유지되는 것으로 보아 공법의 영향보다는 유입량 과부하에 따른 처리효율 저하로 판단된다.

CBOD 및 TOC는 BOD보다 변동폭이 적게 나타났다. CBOD는 조사기간 동안 일정한 농도 수준을 보였는데 이로부터 하수 처리 과정에서 유기물질을 안정적으로 처리하였다 하더라도 불완전한 질산화로 인한 방류수의 NOD가 발생되어 BOD농도가 상승할 수 있음을 알 수 있다. TOC와 관련하여 같은 공공하수처리시설에서는 조사기간 내내 비슷한 CBOD 농도분포를 보였다. TOC는 난분해성 물질을 포함하는 유기물질 지표로서 우리나라는 2013년 하천의 생활환경기준이 신설되었으며 독성물질이나 화학적 산화물질의 영향을 받지 않고 다른 BOD, COD 등의 유기물질 지표보다 산화율이 높은 특성을 보인다. 이와 관련하여 하수처리시설의 TOC의 병행 적용 방안이 연구(Byun et al., 2010; Jeong et al., 2014)되고 있으며 하천수질과의 연계성있는 난분해성 유기물질 평가를 위해서 공공하수처리시설 방류수의 TOC 농도를 조사할 필요성이 제기되고 있다.

수온에 따른 NOD 비율의 영향을 파악하기 위하여 상관성이 가장 뚜렷하게 나타난 AS 시설에 대한 방류 수온과 NH₃-N 농도와의 상관관계를 분석하여 Fig. 4에 나타냈다. 3월에서 8월까지의 AS시설의 방류수온은 17~27℃로 동절기 기준 12℃이상이었다. 조사기간 동안 수온이 오르면서 NH₃-N와 NOD가 점차 낮아지는 음의 관계를 나타냈다. (r=0.84, p<0.01) 이는 수온 저하로 인한 질산화 및 탈질반응의 둔화 현상(Kim et al., 1997) 때문에 봄철 NH₃-N가 높게 배출된 것으로 판단된다.

주요 하천에 대한 NOD 발생특성을 파악하기 위해 2014년 4~8월에 월별 모니터링을 수행하였으며 분석결과는 Table 5 및 Fig. 5~6과 같다. 하천별 평균 NOD는 1.7~4.5 mg/L, NOD/BOD 비율이 26~55% 로 조사되었다.

하천에서 CBOD와 TOC는 일정한 값을 보이거나 그 변동폭이 적었으나 NH₃-N 농도가 높은 하천과 각 지점에서는 상대적으로 높은 NOD값과 NOD/BOD 비율을 보이면서 BOD 농도에 영향을 주었다. 인구과밀 지역의 도심하천인 안양천에서 NOD 비율이 가장 높게 나타났으며 NH₃-N 농도가 전 지점에서 높은 수준으로 조사되었다. 복하천의 경우 하수처리시설 방류수의 영향을 받는 Bokha 2지점 뿐만 아니라 Bokha 3지점에서도 높은 NH₃-N 농도를 나타냈는데 이는 도농 복합지역을 포함하고 있어 유역특성상 비점 오염원의 유입이 이루어지기 때문으로 판단된다. 탄천은 공공하수처리시설 방류수 유입 이후 Tan 1에서 상류보다 농도가 높아졌다가 Tan 3까지 점차 개선된 수질을 보였다. 그 이후 공공하수처리시설의 방류수가 다시 유입되자 직접 영향을 받는 Tan 4에서 수질이 저하되었다.

하천별 농도분포는 하천유역 특성에 따라 다르게 나타났으나 대체로 상류에서 하류로 갈수록 오염도가 높아졌으며 특히 공공하수처리시설 방류수 유입 이후 하류 측정지점에서 유기물 및 NH₃-N의 큰 농도변화를 보였다. 각 하천의 공공하수처리시설 방류수 유입 전 NH₃-N의 평균농도가 2.639 mg/L에서 유입 후 4.961 mg/L로 높아졌고 T-N에 대한 NH₃-N가 차지하는 비율 또한 Fig. 7에서와 같이 처리수 유입 후 22%에서 45%로 2배가량 높아졌다. 동시에 NOD 농도 및 NOD/BOD 비율의 평균값이 각각 처리수 유입전의 1.4 mg/L, 32%에서 하류지점 4.4 mg/L, 51%로 증가 특성을 보이면서 공공하수처리시설 방류수가 NOD 증가에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 이는 공공하수처리시설에서 방류수 기준 준수 뿐만 아니라 완전 질산화 효율을 높여 NOD 발생을 최소화할 수 있는 공정 개선의 필요성을 시사해준다.

하천의 월별 수질특성을 살펴보면 조사기간 중 여름철에는 전체적인 유기물질 및 질소염류와 관련된 수질이 개선된 것으로 나타났다. 전체적으로 7월까지는 수질의 큰 차이가 없다가 8월에 BOD를 비롯한 유기물질 및 질소염류의 농도가 크게 낮아졌다. 특히 방류수의 영향을 받지 않는 하천수에서 NH₃-N가 4월의 4.266 mg/L에서 점차 낮아져 8월의 0.280 mg/L의 낮은 수준을 나타냈고 NOD/BOD 비율의 경우 4월의 33%에서 8월의 25%로 변화되었다. 반면 처리수 유입 이후 하류 지점에서는 NH₃-N가 낮아지긴 했으나 4월의 7.866 mg/L에서 8월의 1.980 mg/L로 여전히 높은 수준을 유지했으며 NOD/BOD 비율 또한 전체적으로 50%~51%를 나타내 큰 차이를 보이지 않았다(Fig. 8). 이처럼 계절에 따른 수질개선 효과를 기대할 수는 있으나 도심 하천의 수질을 근본적으로 개선하기 위해서는 공공하수처리시설 방류수의 NH₃-N 농도를 관리하는 것이 가장 효율적인 방법이라고 판단된다.

경기도 내 하천의 유기물과 NH₃-N 농도 분포를 파악하고자 최근 5년간 국가수질측정망 수질자료(2009년~2013년)를 이용하여 통계학적 특성을 분석하였고 그 결과를 Table 6과 Fig. 9~11에 나타냈다.

NH₃-N 농도분포는 Fig. 11과 같이 낮은 농도값이 높은 빈도로 검출된 왼쪽으로 많이 치우친 모양의 그래프로 나타났다. NH₃-N의 평균값은 1.183 mg/L이지만 중앙값은 0.238 mg/L로 변동성이 매우 컸으며 90%에 해당하는 값이 3.516 mg/L로 높은 농도의 NH₃-N가 빈번하게 발생하는 것으로 조사되었다.

본 연구 결과, 공공하수처리시설 방류수 및 그 영향을 받는 하천에서 NOD가 발생되었으며 공공하수처리시설 방류수의 경우 수중 NH₃-N 농도와의 상관성을 확인할 수 있었다. 공공하수처리시설별 방류수의 NOD/BOD 비율이 17~53%,하천별 NOD/BOD 비율이 26~55%로 나타났다.

공공하수처리시설 방류수의 NOD/BOD 비율과 관련된 국내 연구결과를 살펴보면 Jang et al. (2007)은 AS 처리법의 경우 81%, 고도처리공법에서는 75.6%의 조사결과를 발표하였고 Min et al. (2011)의 고도처리공법을 이용한 하수처리장에 대한 연구에서는 45~56%로 조사되었다.

연구간 차이는 연구수행기간의 차이에 따른 계절 영향 및 시설별 특성에 따른 것으로 보인다. 본 연구에서는 수온이 낮은 봄철에 NH₃-N 농도가 높게 검출되었다가 수온이 오르면서 점차적으로 질산화율이 개선되는 것으로 나타났다. 최근에는 공공하수처리시설의 악취 민원 발생을 해결하고 토지이용 효율 향상 등의 목적으로 복개방식의 시설을 지하화 방식으로 전환하는 사례가 늘고 있어 낮은 유입수온에 따른 불완전 질산화의 개선효과도 함께 기대할 수 있을 것으로 보인다.

또한 시설별 특성에 있어서 하수처리시설에서 도입 공법이나 운전 인자에 따라 방류수질의 차이를 보일 수 있다. 특정 고도처리공법의 경우 점감식 포기방식으로 인해 불완전 질산화 및 침전성 저하 등의 문제가 발생하고 BOD 방류수 수질기준을 초과할 우려가 있는 것으로 보고되었다(GIHE, 2008). 또한 Kang (2009)의 연구에서는 SRT가 낮아질수록, F/M비가 높아질수록, MLSS가 높아질수록 NOD/BOD 비율이 감소되는 것으로 나타나 NOD 발생과 처리장 운영인자와의 상관관계가 확인되었다.

이와 같이 공공하수처리시설을 적정 관리함으로써 발생원에서의 NH₃-N 농도 저감을 통해 수용하천의 수질개선을 유도할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 공공하수처리시설 운영시 현재 수질기준 준수에 대한 관심 뿐만 아니라 완전 질산화와 탈질 효율을 높일 수 있는 시설 개보수 및 운전방법을 도입하여 NH₃-N농도를 저감할 수 있도록 노력할 필요가 있다.

하천과 관련된 Min et al. (2011)의 연구에서 방류수의 영향을 받지 않는 하천수의 NOD는 3%, 영향을 받는 지점은 평균 23%로 조사되어, 본 연구보다는 낮은 값을 보였다. 이는 하천의 유역특성, 하천에 대한 공공하수처리시설 방류수의 유량비 및 질소염류 존재형태별 농도 차이라고 할 수 있다. 본 연구의 대상 하천은 생활계 오염원의 비율이 큰 도심하천으로 유역의 오염물질 농도가 높고 대규모의 공공하수처리시설의 방류수가 유입되면서 NH₃-N 및 NOD/BOD비율이 높아진 것으로 보인다. 하천에서의 NH₃-N 유출 특성을 비교한 Park et al. (2014)의 연구결과에서도 상류 농촌 유역, 도농복합 유역 등보다 대도시 유역에서 가장 높은 수준을 보이는 것으로 나타났다.

현재 국내에서는 NH₃-N의 농도가 규제 대상이 아니지만 EU를 비롯한 선진국에서는 환경기준을 설정하여 관리하고 있다. 경기도 내 하천의 NH₃-N 농도 분포는 국외 기준과 비교했을 때 약 28%의 자료가 독일의 일반적 수질요구기준(NIER, 2000) 1 mg/L을 초과하는 것으로 나타났다. 엄격한 등급별 하천 기준을 적용한다면 더 많은 하천의 수질등급이 낮아질 것으로 예상된다. 이와 같이 NH₃-N의 하천영향과 낮지 않은 수준의 농도분포를 고려한다면, 하천 수질을 판단하는 기준으로서 NH₃-N의 등급별 기준체계를 마련하여 관리하는 것이 합리적이라고 판단된다.

더불어 효율적인 수질개선을 위해서 공공하수처리시설 방류수에 대해서도 환경기준과 연계하여 NH₃-N를 규제하는 방향으로 나아가야 할 것이다. 현재 우리나라의 질소염류에 대한 방류수 수질기준은 T-N 기준만을 적용하고 있는 실정으로 공공하수처리시설에서의 질소 처리에 대한 질산화 정도를 파악하는데 어려움이 있다. NH₃-N를 관리 항목으로 규제한다면 NH₃-N 저감 뿐 아니라 불완전 질산화에 따른 NOD 발생 및 BOD 초과 우려의 문제를 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 선진국과 비교했을 때 우리나라는 공공하수처리시설의 방류수 수질기준에 대한 논리적인 기준설정체계가 부족한 상황이다. 미국은 하수처리시설의 방류수 수질기준을 별도로 설정하고 있는데 수온에 따른 처리효율을 고려하여 계절별, 월별 기준을 적용하기도 한다. 또한 일본을 비롯한 여러 선진국에서는 지자체별 방류수 수질기준을 별도로 설정하거나 처리인구별, 처리공법별등 세분하여 기준을 제시하고 있다(MOE, 2010). 반면에 현재 우리나라는 일률적인 규모별 수질기준을 적용하고 있어 합리적인 방류수 수질기준의 설정 방안을 도입해야 할 필요가 있다. 또한 2013년 수립한 환경부 유역하수도 정비계획 지침(MOE, 2013)에 따라 유역의 수질상황을 고려한 종합적인 하수도 정비계획과 연계하여 수질오염총량관리제에 따른 생활계 부문 삭감량 달성 및 공공수역의 허용부하량을 산정하도록 하고 이와 관련하여 유역별 방류수 수질기준을 별도 설정하는 연구가 필요할 것으로 보인다.

공공수역의 주요한 생활계 오염원인 공공하수처리시설의 방류수와 하천의 수질 및 NOD 발생특성을 분석하고 최근5년간 경기도 내 하천의 NH₃-N 농도분포를 파악하여 하천의 수질관리 개선방안을 제시하고자 하였다.

조사 대상 공공하수처리시설 방류수에서의 NOD/BOD 비율이 시설별 평균 17~53%로 나타났으며 몇 개 시료에서 불완전 질산화로 인한 BOD 기준 초과 문제가 발생하였다. 하수처리시설 방류수에서의 NOD 발생은 수중 NH₃-N 농도와 상관관계를 나타냈으며 NH₃-N 농도와 처리장 방류수 수온과의 상관성을 확인할 수 있었다.

하천수의 경우에는 NOD/BOD 비율이 하천별로 26~55%였으며 공공하수처리시설 방류수의 영향을 받는 하류 지점에서의 NOD/BOD 비율이 유입 전 32%에서 51%로 증가하였고 NH₃-N 농도도 크게 상승했다. 특히 도심하천의 경우는 공공하수처리시설 방류수에 대한 의존도가 높아 NOD발생이 더욱 큰 것으로 조사되었다.

경기도 내 하천의 국가수질측정망 지점에 대한 NH₃-N농도를 통계분석한 결과, 낮은 농도값이 높은 빈도로 검출되는 왼쪽으로 많이 치우친 모양의 그래프로 나타났으나 엄격한 국외 기준과 비교했을 때 낮지 않은 수준의 NH₃-N농도분포를 보였다.

수중 NH₃-N는 NOD를 비롯한 악취 및 생태계 독성을 유발하고 조류 선택성이 커서 녹조 발생으로 하천 수질에 영향을 주고 있다. 또한 하천에서의 낮지 않은 수준의 농도 분포를 고려한다면 하천 수질을 판단하는 새로운 기준으로서 NH₃-N의 등급별 기준체계를 마련하여 관리하는 것이 합리적이라고 판단된다. 이와 더불어 효율적인 수질개선을 위해서 공공하수처리시설 방류수에 대한 존재형태별 질소농도분포를 파악함으로써 완전 질산화 및 탈질을 유도하고 NH₃-N 농도에 대한 시설별, 규모별, 유역 특성 등에 따른 논리적인 기준설정 체계를 도입하여 규제하는 방향으로 나아가야 할 것이다.