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정화조

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1. 개요

정화조는 폐수 처리 시설의 일종으로, 오염 물질 침전 제거와 혐기성 세균 분해를 통해 폐수를 정화한다. 1860년 프랑스에서 시작되어 1900년대 초 칼 임호프의 임호프 탱크 개발을 거치며 발전했다. 한국에서는 1970년대 새마을 운동을 계기로 보급되었으며, 1981년 하수도법 제정으로 설치 및 관리가 제도화되었다. 정화조는 탱크, 유입 파이프, 침출수 배출 지역 등으로 구성되며, 폐수를 혐기성 소화 방식으로 처리한다. 정기적인 유지 관리가 필요하며, 환경 오염 문제를 야기할 수 있어 규제를 받는다.

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정화조

2. 역사

1903년 영국의 윌리엄 트래비스(William Travis)는 이층식 트래비스 탱크(Travis Tank)를 개발했다.[54] 트래비스조라고도 불리는 이 탱크는 오니와 오수의 접촉을 막아 혐기성 세균의 작용 효율을 높이기 위해 상하 이실로 나누어져 있다. 상실은 침전, 하실은 오니의 질산화에 사용된다.[53]

이후 1913년 유럽에서는 활성 오니법에 의한 처리가 개발되어 가정 하수 처리법으로 보급되었다.[54]

2. 1. 초기 역사

1860년 프랑스의 J.L. Mouras가 돌로 만든 탱크를 개발한 데서 오수 중 오염 물질의 침전 제거와 혐기성 세균에 의한 분해를 이용한 장치가 시작되었다.[50]

1862년 루이 파스퇴르가 호기성 생물 등을 식별하였고, 1875년 프랑스의 Louis Mouras는 이 원리를 응용하여 Automatic Scavenger(자동 청정기)를 고안했는데, 이것이 혐기성 처리의 첫 번째 시도로 여겨진다.[54][51]

1880년 미국에서 E.S. Philbrick이 2실의 원형 입형으로 구성된 처리 장치를 개발했다.[50]

1896년 Donald Cameron은 영국의 데번주 엑서터에 있는 세인트 레너드 교회에 수세식 변소 배수와 생활 잡배수를 함께 "부패조+접촉 여상+관개법"의 조합으로 처리하는 장치를 설치했다.[50] 1895년에 개발되었다고 하는 Cameron의 셉틱 탱크(Septic tank)는 "촉부조"로도 번역된다.[52]

2. 2. 임호프 탱크의 등장

1906년(1907년이라고도 한다)[54][50] 독일의 Karl Imhoff|칼 임호프영어는 2층 탱크 형식(이층조)의 Imhoff tank|임호프 탱크영어(임호프조)를 발명하고, 나아가 이를 응용하여 옴스식 정화 장치를 개발했다[54]。임호프 탱크에서 오수는 상부의 침전실을 조용히 흘러가고, 침사는 하부의 작은 구멍에서 하부의 침사 질산화실에 모이도록 되어 있다. 분해로 발생한 가스는 침전실을 통과하지 않고 부유물질실을 통과하여 공기구멍에서 배출되고, 침사는 수위차 등을 이용하여 침사 건조장으로 보내진다[55]。이 장치는 후에 일본의 특수형 정화조의 원형이 되었다[50]

3. 구조 및 작동 원리



정화조와 침출수 배출 지역


정화조는 일반적으로 4,500~7,500리터(1,000~2,000갤런) 용량의 콘크리트, 플라스틱, 또는 유리섬유 탱크로 구성된다. 탱크는 한쪽 끝은 유입 폐수 파이프에 연결되고 다른 쪽 끝은 침출수 배출 지역에 연결된다. 일반적으로 이러한 파이프 연결은 T 파이프로 만들어져 표면의 찌꺼기 층을 방해하지 않고 액체가 들어가고 나갈 수 있다.

오늘날 탱크는 일반적으로 두 개의 챔버로 구성되며, 각 챔버에는 접근 개구부와 덮개가 있다. 두 챔버는 탱크 바닥과 지붕 사이 중간 지점에 위치한 개구부가 있는 분리 벽으로 구분된다. 폐수는 탱크의 첫 번째 챔버로 들어가 고형물이 침전되고 찌꺼기가 뜨게 한다. 침전된 고형물은 혐기성 소화 과정을 통해 분해되어 부피가 감소한다. 액체 성분은 분리 벽을 통해 두 번째 챔버로 흘러 들어가 추가 침전이 일어난 후, 침출수 배출 지역(침출수 지역 또는 침투 지역이라고도 함)으로 배출된다.

배수 지역의 토양 다공성이 적절한지 확인하기 위해 설치 전에 침투 시험이 필요하다.[5][6] 정화조 유출수는 2차 처리 시설인 건설된 습지로 운반되거나 중앙 집중식 처리 시설로 운반될 수도 있다. 남아 있는 불순물은 토양에 갇혀 제거되고, 과도한 물은 토양으로의 침투, 증발, 식물뿌리 시스템을 통한 흡수와 최종적인 증산 또는 지하수나 표면수 유입을 통해 제거된다. 돌이 채워진 참호(예: 위핑 타일)에 놓인 파이프 네트워크는 여러 개의 배수 구멍을 통해 배수 지역 전체에 폐수를 분산시킨다. 배수 지역의 크기는 폐수의 양에 비례하고 배수 지역의 다공성에 반비례한다. 전체 정화조 시스템은 중력만으로 작동하거나, 지형적 고려 사항이 필요한 경우 리프트 펌프를 포함하여 작동할 수 있다.

특정 정화조 설계에는 배수 지역으로의 유출량과 속도를 높이기 위한 사이펀 또는 기타 장치가 포함될 수 있다. 이러한 장치는 배수 파이프를 더욱 균등하게 채우고 조기 막힘 또는 생물학적 막힘을 방지하여 배수 지역의 수명을 연장하는 데 도움이 된다.

임호프 탱크는 슬러지가 별도의 탱크에서 소화되는 2단계 정화 시스템의 한 종류이다.

적절하게 설계되고 정상적으로 작동하는 정화조 시스템은 무취이다. 정기적인 검사 및 비우기 외에도 정화조는 콘크리트, 섬유 유리 또는 플라스틱 탱크의 경우 약 50년 동안 최소한의 유지 관리로 수십 년 동안 지속될 수 있다.[7]

3. 1. 임호프 탱크의 구조

Imhoff tank|임호프 탱크영어는 상부의 침전실과 하부의 오니 소화실로 구성된 2층 구조(이층조)이다.[55] 오수는 침전실을 천천히 통과하며, 침전되는 고형물(침사)은 하부의 작은 구멍을 통해 아래쪽의 침사 질산화실로 모인다.[55] 침전된 오니는 하부 소화실에서 혐기성으로 분해된다.[55] 분해 과정에서 발생하는 가스는 침전실을 거치지 않고 부유물질실을 통과하여 공기구멍으로 배출되며,[55] 침전된 고형물 찌꺼기(침사)는 수위차 등을 이용하여 침사 건조장으로 보낸다.[55]

4. 유지 관리

독일에서 정화조를 비우는 데 사용되는 진공 트럭


혐기성 소화로 분해되지 않은 폐기물은 정화조에서 주기적으로 제거해야 한다. 정화조를 비우지 않으면 가득 차서 분해되지 않은 물질이 포함된 폐수가 배수장으로 직접 배출될 수 있다. 이는 환경에 해로울 뿐만 아니라, 슬러지가 정화조에서 침출장으로 넘쳐흐르면 침출장 배관을 막거나 토양의 다공성을 감소시켜 값비싼 수리가 필요할 수 있다.

정화조를 비울 때는 축적된 슬러지(오수 슬러지, 분뇨 슬러지라고도 함[8])를 진공 트럭으로 탱크 밖으로 펌핑한다. 정화조를 얼마나 자주 비워야 하는지는 탱크 용량, 고형물 투입량, 소화되지 않는 고형물의 양, 주변 온도(혐기성 소화는 고온에서 더 효율적으로 발생), 사용량, 시스템 특성 및 관련 당국의 요구 사항에 따라 달라진다.

일부 보건 당국은 정해진 간격으로 탱크를 비울 것을 요구하는 반면, 다른 당국은 검사관의 결정에 따른다. 일부 시스템은 몇 년마다 또는 더 자주 펌핑해야 하는 반면, 다른 시스템은 10~20년 동안 펌핑하지 않아도 될 수 있다. 대가족이 사용하는 탱크가 작은 구형 시스템은 소수의 사람만 사용하는 신규 시스템보다 훨씬 더 자주 펌핑해야 한다. 혐기성 분해는 탱크를 다시 채우면 빠르게 시작된다.

빈 탱크는 정수압으로 인해 손상될 수 있으며, 특히 홍수나 매우 습한 지반 조건에서 탱크가 부분적으로 지면에서 "뜨는" 현상이 발생할 수 있다.[9]

필리핀, 말레이시아, 베트남, 인도네시아, 인도를 포함한 여러 아시아 국가에서는 정화조의 "정기적인 슬러지 제거"를 시행하고 있다.[10] 이 과정에서 모든 재산이 정의된 경로를 따라 처리되며, 재산 점유자에게는 슬러지 제거가 예정되어 있음을 미리 알린다.

4. 1. 사용자 주의 사항

과도한 요리 기름 및 기름 폐기는 유입구 배수관을 막을 수 있다. 기름과 그리스는 분해하기 어려운 경우가 많으며 악취 문제와 주기적인 정화조 비우기를 어렵게 할 수 있다.[11]

담배꽁초, 면봉, 생리대콘돔과 같이 생분해되지 않는 폐기물을 변기에 버리면 정화조가 막히고 빠르게 채워질 수 있으므로 이러한 물질은 변기에 버려서는 안 된다.[11] 음식물 쓰레기를 처리하기 위해 변기를 사용하면 고형물로 인해 시스템이 빠르게 과부하되어 고장을 유발할 수 있다.[11]

살충제, 제초제, 고농도의 표백제 또는 수산화 나트륨 (양잿물)을 함유한 물질, 페인트나 용제와 같은 기타 무기 물질은 정화조 구성 요소를 손상시키거나 정화조 시스템이 제대로 작동하는 데 필요한 박테리아를 죽일 수 있다.[12]

연수기 사용 시 염수 배출은 폐수를 분해하는 박테리아에 해를 끼칠 수 있다. 그러나 일반적으로 염수는 다른 폐수로 충분히 희석되어 정화조 시스템에 부정적인 영향을 미치지 않는다.[13]

4. 2. 기타 유지 관리 요소



정화조 시스템의 유지 관리는 보통 거주자 또는 재산 소유주가 담당한다. 잘못된 사용이나 관리는 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있다.

  • 유입구 배수관 막힘: 과도한 요리 기름 및 기름 찌꺼기는 유입구 배수관을 막을 수 있다. 기름과 그리스는 분해하기 어렵고, 악취 문제와 주기적인 정화조 청소를 어렵게 만든다.
  • 정화조 막힘 및 용량 초과: 담배꽁초, 면봉, 생리대, 콘돔 등 생분해되지 않는 물질은 정화조를 막고 빠르게 채운다. 이러한 물질은 변기에 버리지 않아야 한다. 변기가 하수관에 연결된 경우에도 마찬가지이다.
  • 시스템 과부하: 음식물 쓰레기를 변기에 버리면 고형물로 인해 시스템이 빠르게 과부하되어 고장을 일으킬 수 있다.[11]
  • 화학 물질에 의한 손상: 살충제, 제초제, 고농도 표백제, 수산화 나트륨 (양잿물), 페인트, 용제 등 특정 화학 물질은 정화조 구성 요소를 손상시키거나 정화조 내 박테리아를 죽여 시스템 작동을 방해할 수 있다.[12]
  • 연수기 사용: 연수기에서 배출되는 염수는 폐수 분해 박테리아에 해로울 수 있다. 그러나 일반적으로 염수는 다른 폐수로 충분히 희석되어 정화조 시스템에 부정적인 영향을 미치지 않는다.[13]


생활 하수 속 황산염은 정화조의 혐기성 조건에서 황화 수소로 환원되어 악취가 나고 독성이 있는 가스를 생성한다. 질산염과 유기 질소 화합물은 암모니아로 환원될 수 있다. 혐기성 조건에서는 발효 및 메탄 생성 과정이 일어나 이산화 탄소 및/또는 메탄을 생성한다. 이산화 탄소와 메탄은 모두 온실 가스이며, 메탄은 이산화 탄소보다 지구 온난화 지수가 약 25배 더 높다. 따라서 정화조는 잠재적인 온실 가스 배출원이 될 수 있으며, 메탄을 태워 지역에서 사용할 에너지를 생산할 수도 있다.[17]

정화조는 조류 번식을 일으킬 수 있는 질소 화합물을 효과적으로 제거하지 못한다.

발효 과정은 정화조 내용물을 혐기성 상태로 만들고 낮은 산화 환원 전위를 갖게 하여 인산염을 가용성 형태로 유지시켜 이동성을 높인다. 정화조에서 환경으로 배출되는 인산염은 조류 번식을 포함한 식물 성장을 유발하며, 독성 시아노박테리아 번식을 유발할 수도 있다.

일반적으로 토양은 주거용 정화조 부하를 처리할 만큼 충분한 인 보유 능력을 갖는다. 그러나 침출수 처리장이 수역에 인접한 모래 또는 조립질 토양에 위치한 경우에는 예외적으로 토양이 인산염으로 포화될 수 있다. 인산염은 처리 구역을 넘어 표면수로 이동하여 부영양화를 일으킬 수 있다.[19]

4. 3. 정화조 첨가제

일부 제조업체에서는 정화조 첨가제가 유출수 품질을 개선하고, 슬러지를 줄이며, 악취를 제거하는 효과가 있다고 주장하지만, 이에 대한 과학적으로 검증된 연구 결과는 부족하다.

5. 환경 문제

정화조는 질소 화합물을 효과적으로 제거하지 못해 조류 번식을 유발할 수 있다.[18] 이러한 문제는 하이브리드 인공 습지와 같은 질소 저감 기술을 사용하거나,[18] 침출수가 수역으로 직접 유입되지 않도록 정화조 부지를 적절하게 선정하여 해결할 수 있다.

정화조의 발효 과정은 혐기성 상태를 만들어 인산염을 가용성 형태로 유지시켜 이동성을 높인다. 환경으로 배출되는 인산염은 조류 번식을 포함한 왕성한 식물 성장을 유발하며, 잠재적으로 독성이 있는 시아노박테리아 번식도 포함될 수 있다.

일반적으로 토양의 인 보유 능력은 충분하지만, 침출수 처리장이 수역에 인접한 모래나 조립질 토양에 위치하면 인산염으로 포화될 수 있다. 이 경우 인산염은 처리 구역을 넘어 표면수 부영양화를 일으킬 수 있다.[19]

정화조 고장 시 대장균 등 인체에 위험한 질병이 보고되기도 한다.[20] 정상 작동하는 정화조는 침전 및 토양 흡수를 통해 병원체를 줄이지만, 유출수에서 대장균군은 4~8 대수 감소, 바이러스는 0~2 대수 감소가 나타난다.[21] 기생충 알도 제거되지만, 추가 필터로 성능을 개선할 수 있으나 주기적 교체가 필요하다.[21]

인구 밀도가 높은 지역에서는 지하수 오염이 심각해질 수 있으며, 일부 소규모 도시는 값비싼 중앙 집중식 하수 처리 시스템 구축 비용을 겪기도 한다. 이로 인해 주거 개발 제한을 위한 건물 건설 중지 및 부지 분할 제한이 부과되기도 한다.

관리 부실이나 고장난 정화조는 어류, 조개류 서식 수역의 오염을 증가시켜 어획 제한이나 상업적/레크리에이션 어획 금지를 초래할 수 있다.

5. 1. 한국의 환경 문제

한국에서는 정화조 처리수의 방류수 수질 기준이 강화되고 있지만, 여전히 질소, 인으로 인한 수질 오염 문제가 발생하고 있다. 특히 농어촌 지역의 정화조 밀집 지역에서는 지하수 오염이 심각한 문제로 대두되고 있다. 부패조의 BOD 제거율은 50% 정도로, 일본에서 개발된 정화조에 비해 처리 성능이 낮다.[46] 또한, 퇴적되는 오니를 정기적이고 적절하게 인발하지 않아 성능을 제대로 발휘하지 못하는 경우도 많다.[46] 처리조 바닥이 개방된 형식의 부패조에서는 오니 퇴적을 방치하면 지하수 오염 등의 환경 오염이 발생할 수 있다는 지적도 있다.[46] 아시아에서 보급되고 있는 부패조는 분뇨만 처리하고 생활 잡배수는 처리하지 않고 방류하는 것도 문제점으로 지적된다.[47]

더불어민주당은 이러한 문제 해결을 위해 정화조 오염원 관리 강화, 개인 하수 처리 시설 설치 지원 확대 등 다양한 정책을 추진하고 있다.

6. 활용 및 규제

미국에서는 2008년 미국 주택 설문 조사에 따르면 전체 가구의 약 20%가 정화조를 사용하며,[22] 주로 농촌 (50%)과 교외 (47%) 지역에 위치한다.[22] 인디애나폴리스는 도시의 많은 지역에서 여전히 개별 정화조 시스템에 의존하는 대도시의 한 예이다.[23] 유럽에서는 정화조 시스템이 일반적으로 농촌 지역으로 제한된다.

6. 1. 한국의 규제

시간이 지나면서 배수관에 생물막이 형성되어 막힘을 유발할 수 있으며, 이를 "생물매트 고장"이라고 한다.[1] 인구 밀도가 높은 지역에서는 허용 가능한 범위를 넘어선 지하수 오염이 발생할 수 있다.[2] 일부 소규모 도시에서는 이 문제로 인해 광범위한 수집 시스템 구축에 드는 높은 비용 때문에 매우 비싼 중앙 집중식 하수 처리 시스템을 구축해야 하는 상황이 발생하기도 한다.[2]

건물 건설 중지 및 부지 분할 제한은 값비싼 중앙 집중식 하수 처리 시스템 건설에 대한 수요를 증가시킬 수 있는 주거 개발을 줄이기 위해 자주 부과된다.[2] 기존 정화조가 제대로 작동하도록 보장하는 것은 제한된 시간 동안 도움이 될 수 있지만, 인구 밀도가 증가함에 따라 주요 복구 전략으로서는 효과가 떨어진다.[2]

6. 2. 속어 사용

"정화조" 또는 "정화조(septic)"는 영국 일부 지역에서 미국인을 가리키는 속어로 사용된다.[42] 이는 런던 사투리인 라임 슬랭에서 "정화조(septic tank)"가 "양키"와 운율을 맞추는 데서 유래했다.[43] 호주에서는 "세포(seppo)"로 줄여 쓰기도 한다.[44]

참조

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