Advanced
A Study on the Evaluation for Operations of Public Sewage Treatment Plants Using Statistics Technique
A Study on the Evaluation for Operations of Public Sewage Treatment Plants Using Statistics Technique
Journal of Korean Society on Water Environment. 2014. Sep, 30(5): 524-531
Copyright © 2014, Korean Society on Water Environment
  • Received : May 17, 2014
  • Accepted : September 16, 2014
  • Published : September 30, 2014
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Share
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
인철 최
태웅 안
순주 유
현미 정
오상 권
원기 김
익태 염
대희 손
dhson@skku.edu

Abstract
Korea has been trying to manage water quality of rivers and lakes in many ways. Ministry of Environment is making continuous efforts of operation control improvement such as strengthening effluent standards in sewage treatment plants and expanding Tele-Monitoring System (TMS). However, evaluation method for operations of sewage treatment plants and establishment system of effluent standards are inadequate. The objective of this study is to evaluate for operations of sewage treatment plants using statistics technique such as frequency analysis, percentile, normal distribution analysis. We used the effluent data (BOD, COD, SS) collected at 299 plants in 2012. The values were very low by comparison with standards. The Data followed a normal distribution. We think that distribution characteristics are closely related with effluent standards, especially T-P and BOD. Statistics technique attempted in this study can be used to evaluate for operations of sewage treatment plants and assess the appropriateness of effluent standards based on TBEL(Technology-based effluent limitation). And, this technique can be used to figure out the overall level of plants, the status of each plant and the favorable treatment process for each item (BOD, COD etc.). Data acquired through this method can be used to improve facilities and operation techniques and decide on a sewerage policy.
Keywords
1. Introduction1
전국에서 운영중인 공공하수처리시설은 2011년 말 기준으로 496개소(500 m 3 /일 이상)이며, 처리량은 24,987천 m 3 /일이다( MOE, 2012a ). 고도처리공법이 적용된 시설은 443개소(89%)이며, 시설용량 10만 m 3 /일 이상 시설이 390개소(78.7%)를 차지하고 있다. 하수처리시설 방류수 수질은 수질기준의 강화, 고도처리 전환 및 운영기술 발전 등으로 인하여 평균 BOD 방류수 농도가 2010년 5.2 mg/L에서 2011년에 4.9 mg/L으로 5.7% 개선되었으며, 제거효율도 BOD 기준으로 2010년에 96.3%에서 2011년 96.5%로 개선된 것으로 보고되고 있다( MOE, 2012b ). 2012년 1월부터 Table 1 에 나타낸 바와 같이 공공하수처리시설의 방류수 수질기준을 용량별, 지역별(I ~ IV)로 차등하고 기준값을 강화하였다( MOE, 2012c ). 하수처리시설 운영관리 측면에서도 TMS(Tele-Monitoring System)을 확대하는 등 방류수의 수질 개선을 위한 노력을 지속적으로 기울이고 있다. 그러나 하수처리장 운영실태 평가 및 하수처리시설 방류수 수질기준의 설정을 위한 체계와 기법은 매우 열악한 실정이다. 현재 「환경정책기본법」 상의 수질 및 수생태계 보호를 위한 환경기준은 모니터링 대상항목 선정, 모니터링 실시, 위해성 평가, 기준후보물질 선정, 기준 결정 등의 기준 설정체계가 갖추어져 있고, 산업폐수 분야에 해당되는 「수질 및 수생태계 보전에 관한 법률」의 배출허용기준은 공공수역에 미치는 인체 및 생태 위해성 평가를 통한 수질근거기준과 기술적, 경제적 타당성을 고려한 기술근거기준을 비교하여 설정하는 체계를 적용하고 있다( Yu et al., 2013 ).
Effluent standards of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Effluent standards of sewage treatment plant
Kim et al. (2004) 은 유역의 수질오염을 합리적이고 효율적으로 관리하기 위해서는 적절한 관망체계에서부터 하수처리시설 방류수질에 대한 평가, 주기적인 모니터링 등에 따른 종합적인 시스템의 구축 필요성을 강조하였으며, Yu et al. (2013) 의 연구에 따르면 공공하수처리시설 방류수 수질기준은 하천 및 호소 등의 공공수역 환경기준을 달성하기 위한 규제기준으로서, 환경기준과 체계적으로 연관되어 있어야 하며, 다양한 성상의 하수를 처리하기 위한 처리기술이 함께 고려되어야 한다고 하였다.
한편, Niku et al. (1980) 의 연구에서는 신뢰성 이론을 바탕으로 처리 수질과 설계 수질을 이용한 신뢰도 계수를 제시하였으며, 이를 근거로 방류수 수질이 설계기준을 초과할 확률을 도출함으로써 확률적인 설계기준 설정방법을 제안하였다. 이러한 통계적 해석은 전체 자료군에서 각각의 자료가 갖는 서열을 분명하게 나타낼 수 있고 확률분포를 통하여 그 자료가 발생할 수 있는 확률과 그것이 어느 정도의 신뢰성을 갖는가에 대하여 설명을 할 수 있다고 하였다. Franz et al. (1996) 의 연구에 따르면 하수처리공정의 운전효율을 평가하기 위하여 처리수질에 대한 확률분포함수(probability function)를 활용하였으며, 처리수 농도의 평균값과 99%의 확률 농도값을 기준으로 처리효율을 분석하여 나타내었다. 대부분의 공공하수처리시설의 방류수 수질과 관련된 기존 연구는 하수처리시설의 설계에 반영하거나 처리수질에 대한 평가를 통하여 설계기준을 설정하기 위한 것이었다.
미국 EPA는 일반적으로 배출수 가이드라인에 명시할 배출허용기준을 정하기 위해 통계를 이용한다. 통계 방법을 적용할 때 배출수 데이터와 그 분포를 살펴보고 상위 퍼센트 추정치를 이용하는 것도 포함된다. EPA는 일일최대배출 허용기준을 일일배출량 측정값 분포 범위에서 약 99퍼센타 일로 정의하고 있으며, 월평균 허용기준에 대해서는 일일배출량 측정값의 월평균값 분포 범위에서 95퍼센타일로 정의하고 있다. EPA가 배출허용기준을 결정할 때 백분위수(percentile)를 선택한 이유는 해당 시설을 규제하는 데 예상되는 변동 가능성을 감안하려면 배출허용기준이 장기 평균값보다 충분히 높아야 하기 때문이다. 통계 방식과 관련하여, EPA는 공학적 검토를 통해 해당 시설의 관리 기술, 공정 조건의 설계, 향후 운영 등에 비추어 보았을 때 배출허용기준이 합리적인지 판단한다. 이러한 배출허용기준은 시설에 발급하는 National Pollutant Discharge Elimination System (NPDES) 허가서의 배출허용기준이 되며, 해당 시설은 허가서에 명시된 배출허용기준을 항상 준수해야 한다( U.S. EPA, 2010 ).
본 연구에서는 공공하수처리시설의 운영자료를 이용한 방류수 수질의 빈도 분석, 정규분포 분석, 백분위수(percentile) 산정 결과를 토대로 방류수 수질기준과의 비교 등을 통해 하수처리시설의 운영실태를 평가하였다.
2. Materials and Methods
- 2.1. 평가절차 및 내용
통계기법을 이용하여 공공하수처리시설의 방류수질을 분석하면 처리성능을 평가할 수 있고, 확률분포를 통하여 분석된 처리시설 방류수질의 신뢰성과 확률을 파악할 수 있다고 알려져 있다( MOE, 2009 ). 이에 본 연구에서는 통계분석기법 중에서 각 변수의 분포특성을 찾아내는 분석기법으로 알려져 있는 빈도분석(Analysis of frequency)을 이용하여 도수분포표, 히스토그램을 구성하였다. 그리고 빈도분석결과를 통해서 정규분포(Normal distribution) 분석을 수행하였다. 평가 절차 및 세부내용을 Table 2 에 나타내었다.
Evaluation procedures using statistics technique
PPT Slide
Lager Image
Evaluation procedures using statistics technique
- 2.2. 데이터 수집
데이터 수집(step 1)은 현재 운영중인 공공하수처리시설의 방류수질을 운영실태 평가에 이용하기 위하여 방류수 수질기준 항목별로 최소 1년 이상의 장기적인 측정 데이터를 필요로 한다. 평가에 이용한 데이터는 공공하수처리시설의 운영자료로 2,000 m 3 /일 이상 299개 시설의 방류수질자료를 이용하였으며, 조사대상 항목은 BOD, COD, SS로 2012년 1~12월까지 측정된 일평균 데이터를 이용하였다. 항목별 데이터수는 BOD 13,361개, COD 118,130개, SS 131,490개로 총 262,981개였다.
- 2.3. 지역 구분 및 수질현황 분석
지역 구분(step 2)은 1일 하수처리용량 500 m 3 이상 시설에 대하여 「하수도법 시행규칙」 제3조 제1항에 명시된 방류수 수질기준의 적용대상 지역별(I~IV 지역)로 구분하였다. I 지역은 상수원보호구역 등 보다 엄격한 수질관리가 필요한 지역이며, II 지역과 III 지역은 유역상황에 맞게 정부가 지정한 지역이다. IV 지역은 그 외의 지역을 말한다.
지역별 수질현황 분석(step 3)은 현재 운영 중인 공공하수처리시설을 대상으로 방류수질의 경향성을 파악하기 위한 단계이다. 수질 현황은 최대값, 최소값, 평균값, 표준편차 등을 파악한다. 특히 방류수질의 최대값과 최소값은 방류수질에 대한 빈도분석(step 4)에서 수질 범위를 설정하는데 적용되며, 수질 범위를 이용하여 수질-빈도수 관계 그래프를 작성하기 때문에 수집된 공공하수처리시설의 데이터를 지역별, 항목별로 정확하게 산정해야 한다.
공공하수처리시설을 지역 구분한 후, 운영실태 등 평가에 사용한 항목별 적용 데이터 수를 Table 3 에 나타내었다.
Data amount used to evaluate
PPT Slide
Lager Image
Data amount used to evaluate
- 2.4. 빈도분석(Analysis of frequency)
빈도분석(Analysis of frequency)은 분류형 변수에 대한 빈도표를 작성하고 그에 적절한 바 차트, 파이 차트 등의 그래프를 그리는 분석 방법이다. 본 연구에서는 공공하수처리시설의 항목별 방류수질 자료와 수질 범위를 이용하여 빈도 분석을 수행하였다. 지역별 방류수질 자료를 이용하여 도수분포표, 히스토그램을 구성하여 나타내었다. 도수 분포표(Frequency distribution table)는 데이터의 분포를 파악하거나 분석하기 위해 작성된 표로서 데이터의 수치별 빈도수와 데이터의 일정한 구간별 빈도수를 나타낸 것이다. 또한 히스토그램(Histogram)은 도수 분포의 상태를 기둥 모양의 그래프로 나타낸 것이고 통계를 통하여 여러 계급으로 나누어서 각 계급에 속하는 도수 분포표로 표현하는 것이다.
공공하수처리시설의 지역별(I~IV 지역), 조사 대상 항목별(BOD, COD, SS) 방류수질 자료를 이용하여 도수분포표를 작성하고 히스토그램을 구성하여 수질-빈도수 관계 그래프를 작성하여 수질분포도를 나타내었다. 빈도분석 결과는 공공하수처리시설 방류수질의 농도 분포를 파악한 결과를 그래프로 확인할 수 있고 현재 방류수질의 처리 수준을 확인할 수 있다.
- 2.5. 백분위수(percentile) 산정
백분위수 산정(step 5)은 통계적으로 방류수질의 수준을 파악하는데 필요한 단계이다. 95 th 백분위수(percentile)를 단순히 설명하면, 공공하수처리시설 방류수를 측정한 횟수가 100회라면 낮은 값부터 계산하여 95번째 값을 말한다. 공공하수처리시설의 방류수질에 대한 산정 결과를 이용하여 운영실태 등을 판단하는데 활용할 수 있다.
- 2.6. 정규분포 분석
미국 EPA는 오염물 배출시설의 배출허용기준을 설정하기 위해 통계학적 방법을 제시하고 있으며, 일반적으로 배출시설로부터 배출되는 오염물질에 대한 측정값이 많으면 그 값들은 확률적으로 대부분 로그정규분포를 따르는 것으로 알려져 있다( U.S. EPA, 1987 ). 장기간 수질모니터링 자료를 이용하여 수질기준을 설정하거나 평가할 때 로그정규분포 혹은 정규분포를 많이 이용한다( Alberta Environmental Protection, 1995 ).
정규분포는 어떤 범위가 주어졌을 때 그 범위에 해당하는 확률 또는 비율을 보기 쉽게 표현할 수 있고 좌우대칭이다. 정규분포 곡선(Normal distribution curve)은 평균치에서 최고점을 갖고 곡선아래 전체면적은 100%이다. 정규분포의 특징은 평균을 중심으로 많은 데이터가 분포되어 있는 것을 확인할 수 있고 평균값 근처에 관측된 값이 몰려있고 평균에서 멀어질수록 그 빈도가 급격하게 줄어드는 경향을 통해 수치에 대한 평가가 가능한 것이다. 이는 정규분포 중심의 확률밀도가 가장 높고, 중심에서 멀어질수록 확률밀도가 급격히 줄어드는 것으로도 표현할 수 있다. 정규분포의 확률밀도함수는 확률변수 X의 확률밀도함수가 다음과 같다면 X는 정규분포 분석이 가능하다.
PPT Slide
Lager Image
여기서, μ = E(X) : 분포의 평균, σ 2 = Var(X) : 분포의 분산, π = 3.1416, e = 2.7183.
정규분포의 확률밀도함수식에서 평균 μ와 분산 σ 2 를 제외하고는 모두 상수이기 때문에 정규분포의 모양을 결정하는 것은 분포의 평균과 분산이다. 따라서 정규분포의 모양은 평균(-∞ 〈 μ 〈 ∞) 과 분산(0 〈 σ 2 〈 ∞) 에 따라 다양하게 결정되어진다. 정규분포하는 확률변수는 정규확률변수(Normal random variable)라고 하며, 정규확률변수는 -∞부터 ∞까지의 어떤 실수값이라도 취할 수 있다. 그리고 정규확률밀도함수 fX ( x )는 연속이며, x의 모든 값들에 대해 양의 함수값을 갖는다. 확률변수 X가 평균 μ 그리고 분산 σ 2 인 정규분포라면, 다음과 같이 표기한다.
X ~ N ( μ , σ 2 )
분포의 평균은 분포의 중심위치를, 그리고 분포의 분산은 분포의 흩어진 정도를 측정한다. 즉, μ σ 2 의 값에 따라 분포의 모양이 다른데 μ 의 값이 클수록 분포의 중심위치는 오른쪽으로 그리고 σ 2 의 값이 클수록 분포가 평균을 중심으로 넓게 흩어진다. 예를 들면, 수집된 방류수질에 대한 평균 농도는 정규분포의 중심에 위치하게 되며, 방류수 수질기준과 비교하여 표현하면 방류수질에 대한 평가를 할 수 있게 된다.
따라서 현재 운영되고 있는 공공하수처리시설을 대상으로 지역별, 항목별 방류수질 데이터를 이용하여 정규분포분석을 하면, 현재 운영중인 시설의 방류수질과 방류수 수질기준에 대한 비교를 그래프로 표현함으로써 방류수질의 수준을 확인할 수 있다. 그리고 정규분포 곡선(Normal distribution curve)에서의 평균치는 최고점으로 표현되기 때문에 지역별 공공하수처리시설의 항목별 처리 실태 및 방류수질의 농도 수준을 확인할 수 있다.
3. Results and Discussion
- 3.1. 방류수 수질현황 분석 결과
공공하수처리시설의 지역별(I~IV) 방류수 수질현황 분석결과를 방류수 수질기준과 비교하여 Table 4 Fig. 1 에 나타내었다.
Water quality for effluent of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Water quality for effluent of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Comparison of limits and levels of water quality items.
BOD 수질현황 분석 결과, BOD의 지역별(I~IV) 방류수 수질(평균)은 I 지역 1.2 mg/L, II 지역 1.8 mg/L, III 지역 2.2 mg/L, IV 지역 2.5 mg/L로서 수질기준에 비해 지역별로 각각 3.8 mg/L, 3.2 mg/L, 7.8 mg/L, 7.5 mg/L 낮은 값을 보였다. 이것은 각 지역별 방류수 수질기준의 24%, 36%, 22%, 24%에 해당하는 값이다. BOD 방류수 농도의 범위는 I 지역이 0.2~7.8 mg/L, II 지역은 0.1~5.4 mg/L, III 지역은 0.2~6.3mg/L, IV 지역은 0.1~12.0 mg/L로 나타났다. BOD의 수질기준 준수율은 99.02~100.00%로서 양호하였다.
COD 수질현황 분석 결과, COD의 지역별(I~IV) 방류수 수질(평균)은 I 지역 7.9 mg/L, II 지역 7.2 mg/L, III 지역 7.6 mg/L, IV 지역 8.8 mg/L로서 수질기준에 비해 지역별로 각각 12.1 mg/L, 12.8 mg/L, 32.4 mg/L, 31.2 mg/L 낮은 값을 보여 BOD에 비해 많은 차이가 있는 것으로 나타났으며, 이것은 각 지역별 방류수 수질기준의 40%, 36%, 19%, 22% 수준이다. COD 방류수의 농도 범위는 I 지역이 0.6~24.9 mg/L, II 지역은 0.1~51.0 mg/L, III 지역은 0.1~27.4 mg/L, IV 지역은 0.1~34.0 mg/L를 보였다. COD의 수질기준 준수율은 98.56~100.00%로서 양호하였다.
SS 수질현황 분석 결과, SS의 지역별(I~IV) 방류수 수질(평균)은 I 지역 2.1 mg/L, II 지역 2.0 mg/L, III 지역 2.2 mg/L, IV 지역 2.5 mg/L로서 수질기준에 비해 지역별로 각각 7.9 mg/L, 8.0 mg/L, 7.8 mg/L, 7.5 mg/L 낮은 값을 보였다. 이것은 각 지역별 방류수 수질기준의 21%, 20%, 22%, 25% 수준이다. SS의 방류수 농도 범위는 I 지역이 0.1~10.5 mg/L, II 지역은 0.1~9.8 mg/L, III 지역은 0.1~17.5 mg/L, IV 지역은 0.1~11.3 mg/L로 나타났다. SS의 수질기준 준수율은 99.98~100.00%로서 가장 양호한 것으로 나타났다.
- 3.2. 백분위수(percentile)를 이용한 분석
공공하수처리시설의 방류수 수질 자료를 이용, 지역별로 구분하여 방류수질에 대한 백분위수(percentile)를 산정하여 Table 5 에 나타내었다. 미국 EPA는 개별시설 배출수의 일최 대허용기준 설정시 일반적으로 일측정값 분포범위에서 99 th 백분위수로 정하고 있다( U.S. EPA, 2010 ). 이를 근거로 방류수질 수준과 하수처리장 운영실태를 파악하기 위해 99 th 백분위수를 기준으로 보면, BOD가 지역별(I~IV)로 각각 5.0, 4.7, 6.3, 6.2 mg/L로서 수질기준의 100%, 94%, 63%, 62% 수준이었으며, COD는 지역별(I~IV) 99 th 백분위수가 각각 20.3, 25.4, 16.5, 23.2mg/L로서 수질기준의 102%, 127%, 41%, 58% 수준이었고, SS는 지역별(I~IV) 99 th 백분위수가 각각 5.9, 5.3, 5.7, 6.4 mg/L로서 수질기준의 59%, 53%, 57%, 64% 수준을 보였다. 최상 운영상태로 간주할 수 있는 5 th 백분위수를 보면, BOD가 지역별(I~IV)로 각각 0.4, 0.5, 0.8, 0.6 mg/L로서 수질기준의 8%, 10%, 8%, 6% 수준이었으며, COD는 지역별(I~IV) 5 th 백분위수가 각각 3.9, 3.2, 3.0, 3.7mg/L로서 수질기준의 20%, 16%, 8%, 9% 수준이었고, SS는 4지역별(I~IV) 5 th 백분위수가 각각 0.5, 0.5, 0.5, 0.4 mg/L로서 수질기준의 5%, 5%, 5%, 4% 수준을 보였다.
Percentiles of water quality data for effluent of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Percentiles of water quality data for effluent of sewage treatment plant
미국 EPA에서 일최대허용값 설정 시 기준으로 하고 있는 99 th 백분위수와 방류수 수질기준을 비교해 보면, BOD의 I지역, COD의 I지역과 II지역의 99 th 백분위수가 수질기준을 초과하고 있어 다소 엄격한 것으로 평가되었으며, III 지역과 IV지역은 99 th 백분위수가 수질기준에 훨씬 미치지 못하여 다소 느슨한 것으로 평가되었다. SS의 경우는 I~IV 지역 모두 수질기준을 준수하는데 충분히 여유가 있는 것으로 평가되었다.
- 3.3. 방류수질의 빈도수를 이용한 정규분포 분석
방류수질의 빈도수를 이용한 히스토그램과 정규분포곡선을 Fig. 2 에 나타내었고, Table 6 에는 정규분포곡선의 특성값을 나타내었다. 하수처리시설 방류수의 BOD, COD, SS 측정값은 확률적으로 정규분포에 가까운 것으로 나타났다. 데이터수가 적은 BOD보다는 데이터수가 많은 COD와 SS가 정규분포에 더 가까운 것으로 확인되었다. 통계적으로 정규성 검증을 위해 Table 3 에 나타낸 각 그룹별 데이터(1,830~50,968개)에서 무작위로 30개의 측정값을 선택하여 수회 Shapiro-Wilky normality test를 수행한 결과, p-value가 0.05보다 크게 나오는 경우가 많아 통계적으로도 정규성이 있는 것으로 판단할 수 있었다.
Distribution characteristics of water quality data for effluent of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Distribution characteristics of water quality data for effluent of sewage treatment plant
PPT Slide
Lager Image
Distribution of water quality items for effluent of sewage treatment plant.
정규분포 곡선과 특성값을 분석해보면, BOD의 경우 평균과 분산이 각각 I 지역 1.2, 0.78, II 지역 1.8, 1.05, III 지역 2.2, 1.64, IV 지역 2.5, 1.89를 나타내었다. 수질기준(총인 포함)이 엄격할수록 특성값이 작아지는 경향을 보였다. 이것은 수질기준이 엄격할수록 평균값이 작고 평균값 주위에 방류수질이 몰려있는 것을 의미하는 것으로 특성값이 작을수록 수질이 더 잘 관리되고 있는 것으로 판단할 수 있다. 방류수질의 분포와 수질기준을 비교 분석해 보면, II 지역의 수질분포가 수질기준과 가장 근접한 것으로 나타나 상대적으로 수질기준을 초과할 가능성이 높은 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 수질현황 분석결과 및 백분위수를 이용하여 고찰한 결과와 일치하였다.
COD의 경우는 평균과 분산이 각각 I 지역 7.9, 12.28, II 지역 7.2, 12.50, III 지역 7.6, 9.55, IV 지역 8.8, 16.23를 나타내었다. I 지역, II 지역, III 지역의 분포특성값은 비슷하게 나타났으며, IV 지역은 다른 지역에 비해 다소 큰 값을 보였는데 수질기준의 영향으로 판단된다. 방류수질의 분포와 수질기준을 비교 분석해 보면, III 지역과 IV 지역의 수질분포가 수질기준에 비해 훨씬 낮게 분포하는 것으로 나타나 III 지역과 IV 지역의 수질기준이 기술적 측면에서 상당히 느슨하게 설정되어 있는 것으로 평가되었다.
SS의 경우는 평균과 분산이 각각 I 지역 2.1, 1.44, II 지역 2.0, 1.21, III 지역 2.2, 1.57, IV 지역 2.5, 2.29를 나타내었다. COD와 유사하게 I 지역, II 지역, III 지역의 분포특성 값은 비슷하게 나타났으며, IV 지역은 다른 지역에 비해 다소 큰 값을 보였다. 방류수질의 분포와 수질기준을 비교 분석해 보면, 수질분포가 수질기준에 비해 훨씬 낮게 분포하는 것으로 나타나 수질기준 준수에 여유가 있으며, BOD나 COD에 비해 안정적인 것으로 평가되었다. Table 1 의 수질기준과 Table 6 의 정규분포 특성값을 비교하여 앞의 고찰내용을 종합적으로 판단해 보면, 수질기준이 방류수 수질분포경향에 영향을 미치며 다른 기준항목에 비해 총인(T-P)과 BOD 기준이 영향을 많이 미치는 것으로 판단된다.
수질현황 분석, 백분위수를 이용한 분석, 데이터 분포특성 분석 등 통계기법을 이용하여 수질기준 준수율(98.56~100.00%), 수질기준 대비 평균값(19~40%), 백분위수, 정규분포 특성값 등을 종합적으로 평가한 결과, 전체적으로 조사대상 시설은 BOD, COD, SS에 대한 수질기준을 준수하기에 적합한 시설과 기술을 갖추고 있는 것으로 평가되었다.
- 3.4. 통계기법을 이용한 하수처리시설 평가 방법 검토
앞서 살펴본 바와 같이 방류수의 수질 측정값을 사용하여 데이터 분포특성 파악, 백분위수 산정, 통계량과 수질기준 비교 등의 통계기법이 하수처리시설 운영실태 평가 및 수질기준의 적정성 평가 등에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 방법을 이용하면 우선 전체적인 하수처리시설 운영실태, 그룹별(지역, 항목, 공법, 시설용량 등) 운영실태, 수질항목별 유리한 처리공법 등의 파악에 유용할 것으로 생각된다.
그리고, 전체시설 데이터에 대한 분포와 개별시설 데이터에 대한 분포를 시설, 공법 등을 고려하여 비교분석 하면 개별시설의 운영 수준 파악이 가능하며 이러한 결과를 이용하여 시설이나 운영방법 개선을 위한 판단 자료로 활용가능할 것이다.
또한, 기술측면에서 수질기준의 적정성 여부의 판단, 개별시설에 대한 방류수 수질기준 설정(수질오염총량제나 유역하수도 정비계획 수립시), 수질기준의 적용방법 변경(예를들어 1일, 7일, 30일 평균값 도입) 시 기술근거 수질기준(TBEL)의 설정 시 유용하게 활용 가능할 것으로 판단된다.
4. Conclusion
본 연구에서는 현재 운영 중인 공공하수처리시설의 운영자료를 이용, 방류수 수질의 빈도 분석, 정규분포 분석, 백분위수(percentile) 산정 등 통계적인 분석결과를 토대로 방류수 수질기준과의 비교 등을 통해 하수처리시설의 운영실태 평가를 수행하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
  • 1) 지역(I~IV)별 방류수 수질현황 분석결과, 처리수준(평균)이 수질기준 대비 BOD 22%~36%, COD 19%~40%, SS 20%~25%로서 방류수질 현황은 수질기준 대비 매우 양호한 것으로 평가되었다.
  • 2) 백분위수(percentile)를 이용한 분석결과, 각 지역별 99th백분위수가 수질기준 대비 BOD는 100%, 94%, 63%, 62%, COD는 102%, 127%, 41%, 58%, SS는 59%, 53%, 57%, 64%로 나타났다. 미국 EPA에서 일최대허용값 설정시 기준으로 하고 있는 99th백분위수와 방류수 수질기준을 비교해 보면, BOD의 I지역, COD의 I지역과 II지역의 99th백분위수가 수질기준을 초과하고 있어 다소 엄격한 것으로 평가되었으며, III 지역과 IV지역은 99th백분위수가 수질기준에 훨씬 미치지 못하여 다소 느슨한 것으로 평가되었다. SS의 경우는 I~IV지역 모두 수질기준을 준수하는데 충분히 여유가 있는 것으로 평가되었다.
  • 3) 하수처리시설 방류수의 BOD, COD, SS 수질은 확률적으로 정규분포를 따르는 것으로 나타났다. 방류수질의 분포특성은 수질기준과 밀접한 관련성이 있으며, 특히 총인(T-P)과 BOD 기준에 영향을 많이 받고 있는 것으로 판단되었다.
  • 4) 수질현황 분석, 백분위수를 이용한 분석, 데이터 분포특성분석 등 통계기법을 이용하여 수질기준 준수율(98.56~100.00%), 수질기준 대비 평균값(19~40%), 백분위수, 정규분포 특성값 등을 종합적으로 평가한 결과, 전체적으로 조사대상 시설은 BOD, COD, SS에 대한 수질기준을 준수하기에 적합한 시설과 기술을 갖추고 있는 것으로 평가되었다.
  • 5) 본 연구를 통해 시도한 통계기법이 하수처리시설 운영실태 평가 및 수질기준의 적정성 평가 등에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 방법을 이용하면 전체적인 하수처리시설의 운영수준과 개별시설의 운영 수준 파악, 그룹별(지역, 항목, 공법, 시설용량 등) 운영실태 파악, 수질항목별 유리한 처리공법의 파악, 수질기준의 적정성 평가, 기술근거기준(TBEL)의 설정 시 유용하게 활용가능하며 이를 통해 얻은 자료는 시설 및 운영방법 개선과 하수분야 선진화 정책수립 등을 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
References
1995 Water Quality Based Effluent Limits Procedures Manual Alberta Environmental Protection
Franz A. , Nowak O. , Kroiss H. 1996 Modeling WWTP Treatment Efficiency and Relationship to Receiving Water Quality Water Science and Technology 33 (12) 47 - 55
Kim Y.C. , Lee J.S. , An I.S. 2004 Determination of Sampling Frequency for Operational Control of the Municipal Wastewater Treatment Plant Korean Society of Environmental Engineers 26 (1) 102 - 110
2009 Feasibility Study on Statistical Consideration of Effluent Quality Limits in Sewage Treatment Plants Ministry of Environment 97 - 99
2012 2011 Statistics of Sewerage Ministry of Environment
2012 Gong-gong-ha-su-cherri-si-seol-un-yeong-kwan-ri-sil-tae-pyeong-ga Ministry of Environment 1 - 5
2012 Ha-su-do-bub-bubryeong-jib. [Law and Ordinance of Sewerage] Ministry of Environment 163 -
1980 Performance of activated sludge processes and reliability based design Journal of Water Pollution Control Federation 51 1286 - 1294
1987 Development Document for Effluent Limitations Guidelines and Standards for Organic Chemicals, Plastics and Synthetic Fibers United States Environmental Protection Agency
2010 NPDES Permit Writers' Manual United States Environmental Protection Agency
Yu S.J. , Park S.M. , Kwon O.S. , Park S.J. , Yeom I.T. 2013 Improvement on Sewerage Effluent Standard of Public Sewerage Treatment plants Journal of Korean Society on Water Environment 29 (2) 276 - 287