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1. 개요

a. 매립시설 설치, 운영현황
1999년말 현재 사용중인 매립시설은 294개소로 면적이 16,631천㎥이고, 용량은 232,607천㎥이며, '99까지 41.9%인 97,447천㎥를 기준으로 향후 약 10년간사용이 가능한 것으로 조사되었다.
시설수로는 1996년도의 496개소에 비해 40.7%인 202개소가 감소하였는데 이는 지속적인 비위생 매립시설의 폐쇄조치가 상당한 효과를 나타낸 것으로 볼 수 있다.

<연도별 매립시설 설치ㆍ운영현황 총괄>

구분 개소 면적(천㎡) 용량(천㎥) '99까지 매립량(천㎥) 잔여용량
(천㎥) 당해년도
매립량(천㎥)
당해년도 이후사용가능 년수

'96 496 12,765 190,088 80,185 109,890 13,051 8년

'99 294 16,631 232,607 97,447 135,160 13,376 10년

b. 침출수 발생 및 처리현황
1999년말 현재 294개소의 매립시설 중 침출수가 발생되고 있는 곳으로 집계된 매립시설은 전체의 84.7%인 249개소이며, 이들 매립시설에서 발생되는 침출수량은 1일 15,445㎥으로 이중 15,434㎥이 처리되고 있다.

< 시,도별 침출수 처리시설, 침출수발생 및 처리현황>

구분 매립시설(개소) 침출수 처리시설 침출수 발생량
(㎥/일)

개소 처리용량(㎥/일)

계 294 133 23,798 15,445

수도권 1 1 10,700 5,899

부산 1 1 1,700 1,600

대구 1 . . 910

인천 2 2 28 1

광주 1 1 412 400

대전 1 1 200 396

울산 1 1 200 150

경기 12 9 839 358

강원 43 23 1,984 759

충북 13 10 890 342

충남 30 12 992 455

전북 19 7 620 577

전남 68 21 1,197 934

경북 58 12 956 803

경남 31 27 2,740 1,545

제주 12 5 340 316

'96년도의 발생현황(496개소 중 57.7%인 286개소, 1일 처리량은 9,788㎥)에 비해 시설수는 감소하였으나 침출수량은 증가 하였는 데, 침출수량의 증가는 차수시설의 설치시설 증가에 따른 침출수 차집량이 그만큼 증가하였기 때문인 것으로 보인다.
침출수가 발생되는 249개소 중 246개소는 침출수를 처리(15,434㎥/일)하고 있으며, 처리방법은 자체처리후 하수종말처리장 등에 이송ㆍ처리하는 곳이 124개소(4,621㎥/일)이다.

<침출수 발생 및 처리현황>

침출수발생량 처 리 방 법 기타

계 자체 자체 ＋ 이송 이송

15,445
(100) 15,434
(99.9) 6,469
(41.9) 4,344
(28.1) 4,621
(29.9) 11
(0.1)

※ 1996년도에는 자체 처리 후 이송 처리하는 곳이 23개소(2,642㎥/일), 자체 처리후 방류하는 곳이 208개소(11,546㎥/일), 단순 이송 처리하는 곳이 55개소(790㎥/일)이다.

수도권 매립지는 1일 약 5,500㎥이 발생되고 있으나, 호우시에는 평상시보다 많이 발생되어 일부는 저류하고, 일부는 이송하면서 처리하였으나, 2000년부터는 전량 자체 처리할 계획으로 이송처리는 하지 않고 있다.
수도권 매립지는 2개소의 침출수 처리장에서 1일 10,200㎥을 처리할 수 있는 규모를 갖추고 있으며, 2000. 10월부터 2매립지의 사용이 개시되면 침출수는 현재보다 증가할 것으로 예상된다.

2. 침출수의 특징 및 농도

a. 침출수의 특징
매립지로 침투한 우수가 복토재의 보수용량과 폐기물의 함유 함수율이 초과되어 불균질한 쓰레기 층을 통과하면서 각종 오염물질을 용출시키며, 매립지 내부 쓰레기의 분해로 이 현상이 가속화되면서 침출수가 발생하게 된다.
이러한 침출수는 매립폐기물의 성분, 폐기물층의 수분함량, 매립후 경과년수, 강우량, 매립지 설계조건 등에 따라 성상이 크게 달라지게 된다.
침출수의 일반적인 특징은 다음과 같다. 침출수는 쓰레기 매립 후 2~3년이 지난 후에 그 농도가 최대치를 보이며, 이후에는 점차 감소하는 경향이 있다. 즉, 매립 후 2~3년이 경과한 시기에 침출수 내의 유기물질이 농도가 높아 COD는 대략 10,000~30,000㎎/ℓ이며, BOD/COD비율도 0.4~0.8 가량으로서 이 시기에는 비교적 생분해가 용이하다. 이 후 매립 경과 년수가 증가할 수록 매립지 내부의 조건이 혐기성 상태가 되며 COD는 1,000~3,000㎎/ℓ 가량으로 낮아지고, BOD/COD 비율도 0.4 이하가 되어 생분해가 용이치 않다.
특히, 침출수내의 질소성분이 높아져 처리가 되지 않는 문제가 발생한다. 따라서 매립 후 오랜 시간이 경과된 후에는 생물학적인 방법으로 처리할 수 있는 성분이 거의 없게 되어 방류수역에 크게 영향을 미치게 된다.
일반적으로 침출수 성상은 시간경과에 따른 매립지 내부 상태(호기성, 준호기성, 혐기성 분해단계)에 따라 크게 변화되고, 특히 난분해성 COD 유발 물질들을 다량 함유하고 있다.
다음은 매립지 내부 상태별 침출수 특성이다.　

<매립지내 침출수 특성>

단계 특 성

산생성단계
(준호기성,혐기성상태) ㆍCellulose와 기타 부패성 물질의 가수분해 및 발효로
VFA(Volatile Fatty Acids) 생성
ㆍ높은 BOD 발생 (보통 10,000 ㎎/ℓ)
ㆍ산성 경향의 pH (pH 5 - 6)
ㆍ다량의 금속염 함유 (Fe, Mn, Zn, Ca, Mg 등)
ㆍ COD 범위 0 - 10,000 ㎎/ℓ

안정화 단계
(메탄생성 단계) ㆍ낮은 BOD 및 낮은 BOD/COD 비율
ㆍAcetogenic process 진행
ㆍ무기물질의 용존 (Fe, Na, K, S, Cl)
ㆍHumic 및 Fulvic Acids에 포함된 Hydroxyl Aromatic Compounds가
상대적으로 높은 비율로 나타냄

※ Humic Acids (Yellow Acids)
ㆍ 식물체가 분해되면서 생성되는 고도의 난분해성 물질
ㆍ 인간이나 육상동물의 배설물 속에 가용성 난분해성 유기물질들이 존재
ㆍ 분자량이 크고(103-105) 페놀과 유사한 성질을 가진 고분자
ㆍ 토양성 유기물인 부식토(Humus)와 유사물질

b. 침출수의 오염물질 농도
침출수 수질의 가장 큰 특성은 각종 오염물질이 고농도로 포함되어 있으며 매립시간 경과에 따른 수질변화가 크다는 점이다. 우리나라 매립지 침출수의 농도변화를 살펴보면 유기물 농도는 매립초기에 매우 높고 시간이 경과하면서 낮아지지만 난 분해성 물질의 비율은 오히려 시간의 경과에 따라 증가하게 된다. 이것은 생물학적인 처리가 매립 초기에 매우 효과적일 수 있지만 시간의 경과에 따라 비효율적으로 될 수 있음을 의미한다.
아래표는 시간경과에 따른 매립지내의 물리ㆍ화학적, 생물학적 반응에 의해 침출수의 성상이 변화함을 알 수 있는 것으로 안정화 단계에 따른 주요변수 농도 변화의 범위를 나타내었다.

< 매립경과 년수에 따른 침출수의 특성변화 >

항목 수치, ㎎/ℓ

2년 이내의 새로운 매립지 10년 이상의
오래된 매립지

범 위 전형적인 수치

생화학적산소요구량(BOD₅) 2,000~30,000 10,000 100~200

총 유기탄소(TOC) 1,500~20,000 6,000 80~160

화학적산소요구량(COD_Cr) 3,000~60,000 18,000 100~500

총 부유물질(Total suspended solids) 200~2,000 500 100~400

유기질소(Organic nitrogen) 10~800 200 80~120

암모니아성질소(Ammonia nitrogen) 10~800 200 20~40

질산성 질소(Nitrate) 5~40 25 5~10

총 인(Total phosphorus) 5~100 30 5~10

정 인산(Ortho phosphorus) 4~80 20 4~8

알카리도(Alkalinity as CaCO₃) 1,000~10,000 3,000 200~1,000

pH 4.5~7.5 6 6.6~7.5

총 경도(Total hardness as CaCO₃) 300~10,000 3,500 200~500

칼슘(Calcium) 200~3,000 1,000 100~400

마그네슘(Magnesium) 50~1,500 250 50~200

칼륨(Potassium) 200~1,000 300 50~400

나트륨(Sodium) 200~2,500 500 100~200

염소(Chloride) 200~3,000 500 100~400

황산염(Sulfate) 50~1,000 300 20~50

총 철분(Total iron) 50~1,200 6 20~200

위 표의 질소농도와는 달리 암모니아성 질소는 유기물과 달리 시간이 경과하면서 점차 높아지며, 매립이 종료된 후에도 높게 유지되는 경향을 보인다. 이와 같은 현상은 특히 우리나라와 같이 음식물쓰레기의 구성비가 높은 경우에 흔히 발생한다.
따라서 침출수처리는 매립초기에는 유기물이, 그 이후에는 질소가 중심이 될 것이며, 미관 또는 심리적인 이유로 색도제거가 필요하다.

< 매립경과 년도에 따른 침출수 특성 >

구 분 매립 후 5년 이내 매립 후 5-10년 매립 후 10년 이상 비 고

COD/TOC > 2.8 2.8 ~ 2.0 < 2.0 .

BOD/COD > 0.5 0.1 ~ 0.5 < 0.1 .

COD_Cr > 10,000 ㎎/ℓ 500 ~ 10,000 ㎎/ℓ < 500 ㎎/ℓ .

T-N 100 ~ 500 ㎎/ℓ 100 ~ 1,000 ㎎/ℓ 500 ~ 5,000 ㎎/ℓ .

C. 침출수 처리기준

< 각국의 침출수 처리기준 비교 >

　 BOD₅ COD_Mn COD_Cr SS NH₃-N NO₃-N TKN 기준년도

단 위 ㎎/ℓ ㎎/ℓ ㎎/ℓ ㎎/ℓ ㎎/ℓ ㎎/ℓ ㎎/ℓ .

한국(2천톤이상) 청정지역 30 50 400(90%) 30 50(95%) 150(85%) . 1999.6.30
(COD_Cr은 2001)

가지역 50 80 600(85%) 50 100(90%) 200(80%) .

나지역 70 100 800(80%) 70 100(90%) 300(70%) .

미국(Pensylvenia) 100 - - - 35 - - 1996

일본 하천 160 - - 200 - - - 1996

해양 - 160 - 200 - - -

영국(Bennadrave) 60 - - 100 80
(NH₄-N) - - -

독일 20 - 200 20 50
(NH₄-N) 10 - 1989

스위스 20 - - 20 - 0.3 - 1989

오스트리아 25 - 90 30 - 1.5 - 1981

< 주 > ( )안의 수치는 처리효율을 표시한 것이며, 침출수 원수의 화학적산소요구량이 4,000 ㎎/ℓ을 초과하는 경우에는 ( )안에 표기한 처리효율 이상이 되도록 처리하여야 함.

< 수도권 매립지 침출수 처리농도 >

(단위:ppm)

구 분 유입원수 처리수 기준

BOD 1,841 18 70

COD 4,580 241 800

NH₃-N 1,945 8 100

< 주 > 2000.9 현재

3. 침출수 처리공정

a. 국내 매립지의 주요 침출수 처리현황

매립지명 위 치 침출수발생량(㎥/d) 침출수 처리 비 고

자체 자체 ＋ 하수처리장 기타

S 인천ㆍ서구
검단동 5,900 4,200 1,700 - 원수→혐기성소화→포기식라군→펜톤산화 →RBC→방류
용량 초과분은 4개 하수처리장으로 이송 처리 중

P 부산ㆍ강서구 생곡동 700 - 700 - 자체처리 후 감전위생처리장 → 장림하수처리장 → 방류

T 대구ㆍ당설군 다사면 방천리 248 248 - - 원수 → 1,2차폭기 → 약품침전 → 활성탄 → 방류

K 광주ㆍ북구 운정동 　384 - 384 - 자체처리 후 하수처리장 이송 → 폭기식라군 → RBC → 응집 → 하수처리장

T 대전ㆍ유성구 금고동 184 - 140 - 소화조 → 포기조 → RBC → 모래/활성탄 여과 → R/O
용량초과분은 대전시 하수처리장 이송처리

B 충북ㆍ보은군 보은읍 용암리 15 - 15 - 자체처리 후 보은 하수처리장 유입처리

C 전북ㆍ장수군 장계면 금곡리 42 42 - - 자체처리 후 방류

M 전남ㆍ목포시 대양동 200 200 - - 자체처리 후 방류

P 경북ㆍ포항시 구룡포읍 35 35 - - 응집처리 → R/O　

D 전남ㆍ광양시 금호동 120 120 - - 물리화학적 처리 → R/O

J 경남ㆍ진주시 내동면 400 - 200 200 200 ㎥/d 반송, 하수처리장 유입처리

G 경남ㆍ거제시 신현읍 장평리 20 - - - pH조정 → R/O

위에서와 같이 매립지 침출수 처리는 매립경과년도 매립폐기물 특성에 의한 침출수의 양과 오염농도의 불균일에 의한 처리의 곤란 등에 의해 전처리 ＋ 하수 병합처리가 적용되고 있다.
대규모 매립지 및 지역 여건상 하수 합병처리가 곤란한 매립지의 경우 생물학적처리, 물리화학적 처리 및 AOP, R/O 등 다양한 단위공정을 조합하여 침출수가 처리되고 있으며 현재 국내 매립지 침출수 처리시설의 경우 질소, 인 등에 대한 규제 강화로 고도처리를 도입하여 안정적인 수질 확보를 목표로 하는 추세이다.

b. 침출수 처리 단위공정
침출수 처리는 다양한 단위공정 및 조작을 조합하여 설치되므로써 각종 제거 대상물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 적용되어야 한다.
침출수의 생물, 물리, 화학적 처리 공정을 요약하면 다음과 같다.

< 각종 침출수 처리 단위 공정 >

생물학적 처리공정 ㆍ Aerobic & Anaerobic Digestion
ㆍ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
ㆍ Aerated Lagoon
ㆍ Conventional Activated Sludge Process
ㆍ RBC (Rotating Biological contactor)
ㆍ Aerobic & Anaerobic Fixed Film Biological reactor

물리적 처리공정 ㆍ Activated Carbon Adsorption
ㆍ Granual Media Filtration
ㆍ Membrane Separation (MF, UF, NF, R/O)
ㆍ Electrodialysis

화학적 처리공정 ㆍ Ion Exchange                 ㆍ Ozonation
ㆍ Chemical Oxidation      ㆍ UV Irradiation
ㆍ Wet Oxidation                 ㆍ Chemical Precipitation
ㆍ Photocatalytic Oxidation (UV/H₂O₂, UV/O₃, EB)

c. 결론
침출수를 처리하는 기술은 크게 생물학적 처리법과 물리, 화학적인 처리법으로 대별할 수 있으며 매립지 및 침출수의 특성에 따라 이들을 적절히 조합, 운영하게 된다.
생물학적 처리로는 활성슬러지법, 접촉포기법, 회전원판법, 혐기성처리법 또는 이들의 변형공정이 있으며, 전단부에는 혐기성처리를 두고 있고 특히 최근에는 질소를 제거하기 위한 공정으로의 변형이 이루어지고 있다. 그러나 침출수는 고농도이며 독성물질의 함량이 많기 때문에 용적부하를 낮게 유지하여야 하므로 대규모의 처리부지가 소요되고 점차로 처리효율이 감소하는 문제가 있으며, 또한 일정시기 이후에는 혐기조 부분의 역할이 감소하는 문제가 있다.
물리, 화학적 처리법에는 응집침전법, 오존산화법, 모래여과, 활성탄 흡착, Fenton산화, 분리막법 등이 있다. 화학적인 방법으로는 응집침전 또는 Fenton산화가 가장 일반적으로 사용되나 약품비가 다량 소요되고 운전에 주의를 요해야 한다. 물리적인 방법으로는 주로 역삼투막(R/O : Reverse Osmosis membrane)을 사용하며 상당한 실적이 있으나 초기 투자비가 많이 소요되고, 유기 또는 무기물에 의한 foluing 방지를 위해 전처리에 상당한 주의가 필요한 문제가 있다. 즉 R/O 전단부에 모래여과, 정밀여과 등의 설비를 두는 경우가 있으나 이 경우 R/O로 유입되는 수질기준을 만족시키기 어려우며, 그외 Scale 형성방지 및 미생물 성장방지 등을 위한 약품설비를 추가해야 한다. 또한 전처리 설비 및 R/O 설비의 고압 운전으로 인해 높은 전력비가 소요되는 문제가 있다.
이와 같이 현재의 침출수 처리공정은 생물학적 공정과 물리, 화학적 공정을 조합하고 있으나 그 처리효율에 한계가 있어 안정적인 수질을 얻지 못하고, 공정과 설비가 지나치게 복잡해지며, 약품비 및 운전비용이 큰 문제점을 가지고 있다. 이러한 침출수 특성에 따른 공정 효율을 비교하면 다음과 같다.

< 침출수의 특성에 따른 처리공정의 상재적 효율(WSDE, 1987) >　

침출수 특성 처리공정별 효율

COD_Cr/
TOC BOD/
COD_Cr 매립경과기간 COD_Cr(㎎/ℓ) 생물적
처리 활성탄
흡착 화학적
산화 화학적
침전 습식
산화 이온
교환 역삼투 스트
리핑

> 2.8 > 0.5 > 5년 > 10,000 매우
좋음 나쁨 나쁨 나쁨 나쁨 나쁨 좋음 매우
좋음

2.0~2.8 0.1~0.5 5~10년 500~10,000 좋음 좋음 좋음 좋음 좋음 좋음 매우
좋음 좋음

< 2.0 < 0.1 < 10년 < 500 나쁨 매우
좋음 좋음 나쁨 좋음 좋음 매우
좋음 나쁨

매립지의 연령이 낮거나 중간일 경우(0~10년 이내)에는 높은 농도의 유기물 제거를 위하여 혐기성 처리 공정을 활용한다. 혐기성 처리조의 수리학적 체류시간은 20일 이상을 유지할 수 있는 크기여야 하므로 혐기성 반응조는 또한 침출수 유량조절 역할도 병행할 수 있다. 혐기성소화 처리된 침출수는 잔존하는 유기물 제거와 NH₄⁺-N의 질산화를 위하여 호기성 생물학적 처리를 하게 된다. 생물학적 처리는 난분해성 유기물질 제거와 독성물질의 영향을 최소화하기 위하여 장기폭기 공정이 타당할 것으로 사료된다.

침출수 내에 존재하는 중금속의 대부분은 혐기성 상태에서 metal sulfide로, 호기성 상태에서 metal hydroxide로 형성, 침전될 것으로 예상되며, 생물학적 처리공정을 위하여 중금속을 제거하는 전처리 공정은 필요하지 않을 것으로 사료된다.

폭기조는 침출수의 유기물질 농도와 유량변화에 대응하기 위하여 한 두개의 큰 폭기조 대신 여러 개의 작은 크기의 폭기조를 설치하여 필요에 따라 적절히 운영하는 것이 바람직하며, 공기 주입량은 질산화 과정시 요구되는 산소량을 포함한 충분한 양이어야 한다. 또한 침전물의 발생으로 산기관이 막힐 우려가 있으므로 fine bubble system 보다 medium 또는 coarse bubble system이 유리할 것으로 사료된다.

처리수의 총질소 농도의 저하를 위하여 장기폭기 처리된 침출수는 탈질화 공정을 거쳐 방류되어야 할 것이다. 매립지의 연령이 높아짐에 따라 처리시설은 생물학적, 물리학적, 화학적 처리를 위해 개조될 것이며, 그 중 혐기성 소화조는 계속 유입수의 유량조정조로서 혐기성 처리반응조로 사용되고, 장기 폭기조는 응집제를 이용한 응집, 침전지로 개조되며, 암모니아는 air stripping 처리로 제거할 것이다. 탈질화 시설은 recarbonation과 pH 조정조로 유용될 수 있도록 개조할 수 있다. 만일 배출허용기준이 더욱 엄격해져 TDS와 난분해성 유기물의 제거가 요구되면 활성탄을 이용하거나 역삼투(reverse osmosis)또는 한외여과(ultra filtration) 공정을 고려할 수 있겠다.

침출수는 특성상 단일 처리공정만으로는 안정적으로 처리하기 어렵고 최근 유기물질 이외에 질소가 새로이 배출허용기준에 추가되어 적정처리가 더욱 어려운 실정이다. 침출수에 함유된 유기물질과 질소를 동시에 처리하기 위해서는 생물학적처리공정과 물리ㆍ화학적 공정으로 처리하는 것이 효과적이다.

질소처리를 위한 생물공정은 대개의 국내 매립장 침출수 처리공정의 활성슬러지 혹은 포기식라군으로 설치ㆍ운영 중인 것을 고려할 때 신규 처리시설을 증설하기 보다는 기존 생물학적처리공정을 질산화 및 탈질시설로 전환하여 사용하는 것이 바람직하며, 잔류유기물질은 응집, 산화, 전기분해, 막공법 등으로 처리하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
소규모 매립지의 경우 경제적 및 기술적인 제약으로 인해 단독 처리장을 운영하기보다는 하수와 합병처리를 적극적으로 검토하고 전처리 방안 등을 모색해야 할 것이다.



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