이 글의 목적은 하·폐수 처리시설, 산업폐수, 하천 및 수질오염총량제 업무에서 유량과 수질 농도 자료를 활용하여 오염 부하량을 정확하게 산정하는 실무 방법을 정리하고, BOD·COD·SS·T-N·T-P 등 주요 항목의 부하량 계산 공식과 예시, 비점오염 부하량 산정 개요, QA/QC 시 유의사항을 제공하는 것이다.
1. 수질 부하량 산정의 기본 개념
수질 부하량(load)이란 특정 지점에서 일정 기간 동안 수체(하천, 호소, 바다 등)로 유입되거나 배출되는 오염물질의 양을 말한다. 일반적으로 단위는 kg/일(kg/day), t/년(t/yr) 등을 사용한다.
수질 부하량 산정은 다음과 같은 목적에서 필수적이다.
- 하·폐수 처리시설, 산업폐수 배출시설의 배출관리 및 설계·증설 검토에 활용한다.
- 수질오염총량제에서 목표수질 달성 여부, 할당부하량 준수 평가에 활용한다.
- 하천·호소에 유입되는 점오염원·비점오염원 오염 기여도를 비교·분석한다.
- 사고·비정상 배출 시 수생태 영향 평가와 대응계획 수립에 활용한다.
실무에서는 다음과 같이 오염원을 크게 구분하여 부하량을 산정한다.
- 점오염원 : 배출구가 명확한 하수처리장, 공공·민간 폐수처리시설, 공장 배출구 등이다.
- 비점오염원 : 도시·도로·농경지 등 넓은 면적에서 강우 시 유출되는 오염원이다.
| 항목 | 기호 | 대표 단위 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 유량 | Q | m³/일, m³/s, L/s | 배출되거나 유입되는 물의 양이다. |
| 수질 농도 | C | mg/L, µg/L | 물 1 L에 포함된 오염물질의 질량이다. |
| 부하량 | L 또는 Load | kg/일, t/년 | 유량과 농도를 곱하여 얻는 오염물질의 총량이다. |
2. 수질 부하량 산정 공식과 단위 변환
2.1 기본 부하량 산정식
가장 널리 사용하는 점오염원 부하량 산정 기본식은 다음과 같다.
부하량 L (kg/일) = 유량 Q (m³/일) × 농도 C (mg/L) × 10⁻³ 위 식의 의미를 단위 관점에서 풀어 쓰면 다음과 같다.
- 1 m³ = 1,000 L 이다.
- 농도 1 mg/L는 1 L에 1 mg이 포함되었다는 의미이므로 1 m³에는 1,000 mg이 포함된다.
- 따라서 Q(m³/일) × C(mg/L)를 계산하면 단위는 mg/일이 되고, 이를 kg/일로 바꾸기 위해 1,000으로 나누어 10⁻³을 곱한다.
즉,
Q × C (m³/일 × mg/L) = Q × C × 1,000 (mg/일) L (kg/일) = Q × C × 1,000 (mg/일) ÷ 1,000 (mg/kg) = Q × C × 10⁻³ (kg/일) 2.2 유량·농도 단위 변환
실무에서는 유량이 m³/s, L/s, 농도가 µg/L 등으로 주어지는 경우가 많으므로 다음과 같이 단위를 정리하여 사용한다.
| 항목 | 변환식 | 비고 |
|---|---|---|
| 유량 m³/s → m³/일 | Q(m³/일) = Q(m³/s) × 86,400 | 하루는 86,400초이다. |
| 유량 L/s → m³/일 | Q(m³/일) = Q(L/s) × 86,400 ÷ 1,000 | 1 m³ = 1,000 L이다. |
| 농도 µg/L → mg/L | C(mg/L) = C(µg/L) ÷ 1,000 | 중금속 항목에서 자주 사용한다. |
| 부하량 kg/일 → t/년 | L(t/년) = L(kg/일) × 365 ÷ 1,000 | 연간 총량 평가 시 사용한다. |
주의 : 유량과 농도의 단위가 서로 맞지 않을 경우 부하량이 1,000배 이상 틀어질 수 있으므로, 계산 전에 항상 단위를 m³/일, mg/L, kg/일 기준으로 통일해야 한다.
2.3 일평균 유량·농도 선택 기준
일단위 부하량을 산정할 때는 원칙적으로 다음과 같은 자료를 사용한다.
- 일평균 유량 : 하루 동안 배출된 총 부피를 일수로 나눈 값이다.
- 일평균 농도 : 하루 동안 채수·분석된 수질 농도의 대표값이다.
수질 변동이 크지 않은 시설의 경우에는 동일 일자의 수질 측정치에 대한 산술평균을 일평균 농도로 사용할 수 있다. 그러나 유량에 따라 농도가 크게 변하는 경우(예: 시간대별 부하 변동이 큰 산업폐수)는 유량가중 평균(flow-weighted mean)을 사용하는 것이 부하량을 더 정확히 반영한다.
주의 : 최대유량 시점의 농도 값 하나만으로 하루 전체 부하량을 대표시키면 부하량을 과대 추정할 수 있고, 반대로 한가한 시간대의 농도만 사용하면 과소 추정될 수 있다.
3. 하·폐수 처리시설 배출부하량 산정 절차
3.1 필요한 기본 자료
하수처리장이나 폐수처리시설의 배출부하량을 산정하려면 다음 자료가 필요하다.
- 방류구별 일평균 배출유량 Q(m³/일)
- 방류수 수질 분석결과 C(mg/L) – BOD, COD, SS, T-N, T-P, 총대장균군, 중금속 등
- 분석·계측일자, 측정 횟수 및 분석 방법
- 우천/갈수 등 유황 상태 구분(필요 시)
3.2 일별 배출부하량 산정 예시
예를 들어 어느 하수처리장의 특정 일자 방류수 자료가 다음과 같다고 가정한다.
- 배출유량 Q = 5,000 m³/일
- BOD 농도 CBOD = 10 mg/L
- T-N 농도 CTN = 8 mg/L
- T-P 농도 CTP = 0.5 mg/L
이때 배출부하량은 다음과 같이 계산한다.
BOD 부하량 L_BOD (kg/일) = Q × C_BOD × 10⁻³ = 5,000 (m³/일) × 10 (mg/L) × 10⁻³ = 50 kg/일
T-N 부하량 L_TN (kg/일)
= 5,000 × 8 × 10⁻³
= 40 kg/일
T-P 부하량 L_TP (kg/일)
= 5,000 × 0.5 × 10⁻³
= 2.5 kg/일
위와 같이 각 항목별로 동일한 공식을 적용하면 된다.
3.3 월·연간 배출부하량 집계
월별 또는 연간 배출부하량은 보통 다음 두 방법 중 하나로 산정한다.
- 일별 부하량의 합계
각 일자별로 계산한 L(kg/일)을 단순 합산하여 월 또는 연간 총부하량을 구한다. - 평균 부하량 × 일수
일별 부하량의 평균값에 해당 기간의 일수를 곱하여 총부하량을 구한다.
자료가 충분히 확보되어 있고 결측이 적다면 1번 방법(합계)이 더 정확하다. 측정일이 제한적인 경우에는 2번 방법을 사용할 수 있으나, 측정일이 대표성을 가지도록 선정했는지 검토해야 한다.
| 날짜 | 유량 Q (m³/일) | BOD 농도 (mg/L) | BOD 부하량 (kg/일) |
|---|---|---|---|
| 1일 | 4,800 | 9 | 43.2 |
| 2일 | 5,000 | 10 | 50.0 |
| 3일 | 5,200 | 11 | 57.2 |
위 예시에서 3일간 BOD 총배출부하량은 43.2 + 50.0 + 57.2 = 150.4 kg 이다. 월별·연간 부하량도 동일한 방식으로 일별 부하량을 합산하면 된다.
주의 : 월평균 농도와 월평균 유량을 곱해 부하량을 구할 때, 농도와 유량의 상관관계가 강하면(예: 고유량 시 저농도) 평균값을 곱한 부하량이 실제 일별 합계와 차이가 날 수 있다. 가능하면 일별 부하량을 직접 합산하는 것이 좋다.
3.4 최대부하량·평균부하량 평가
일부 규제·평가에서는 평균부하량 외에 최대부하량도 중요한 지표로 사용한다.
- 평균부하량 : 기간 내 일별 부하량의 산술평균 또는 유량가중 평균이다.
- 최대부하량 : 기간 내 일별 부하량 중 최대값이다.
하수처리장 설계·증설 검토 시에는 평균부하량을 기준으로 기본용량을 설정하고, 최대부하량을 고려하여 예비용량·우수배제계획 등을 검토한다.
4. 비점오염 부하량 산정 개요
4.1 EMC(사상평균농도) 기반 강우사상 부하량
강우 시 도시지역·도로·농경지 등에서 유출되는 비점오염 부하량은 강우사상별 유출유량과 사상평균농도(EMC, Event Mean Concentration)를 활용하여 산정하는 경우가 많다.
기본식은 점오염원과 동일하다.
강우사상별 부하량 L (kg/사상) = Q_runoff (m³/사상) × EMC (mg/L) × 10⁻³ 여기서 Q_runoff는 해당 강우사상 동안 특정 배수구역에서 유출된 우수유출량이다. 이를 강우·유출모형, 유량계측 또는 유역면적·유출계수 등을 이용해 산정한다.
연간 비점오염 부하량은 여러 강우사상별 부하량을 합산하거나, 연평균 강우량·유출계수·EMC를 이용해 직접 연간 부하량을 계산하는 방식을 사용한다.
4.2 면적·원단위 기반 비점오염 부하량
실측자료가 부족한 경우에는 토지이용별 비점오염 원단위(kg/ha·년)를 활용하여 비점 부하량을 추정한다.
비점 부하량 L (kg/년) = 원단위 (kg/ha·년) × 면적 A (ha) 예를 들어 도시지역의 BOD 원단위가 30 kg/ha·년, 유역 내 도시지역 면적이 100 ha라면 연간 BOD 비점 부하량은 3,000 kg/년이 된다.
주의 : 비점오염 원단위는 지역·기후·토지이용에 따라 변동성이 크므로, 국내 지침·유역별 연구결과를 참고하고 적용 시 불확실성을 고려해야 한다.
5. 수질오염총량제에서의 부하량 산정 구조
수질오염총량제에서는 유역 내 오염원을 그룹으로 묶어 다음과 같은 개념의 부하량을 구분하여 사용한다.
- 발생부하량 : 인구·산업·토지이용 등으로부터 잠재적으로 발생하는 오염물질의 총량이다.
- 삭감부하량 : 하·폐수처리시설, 비점저감시설 등에서 처리·저감되어 제거되는 부하량이다.
- 배출부하량 : 발생부하량에서 삭감부하량을 뺀 후 수체로 실제 배출되는 부하량이다.
- 유달부하량 : 배출된 부하량 중 하천 이동 과정에서 자정·침전 등을 거친 후 목표지점(단위유역 말단 등)에 도달하는 부하량이다.
개념적으로는 다음과 같이 정리할 수 있다.
배출부하량 = 발생부하량 - 삭감부하량 유달부하량 = 배출부하량 × 유달율 여기서 유달율은 특정 유역에서 배출된 부하량이 목표지점까지 도달하는 비율(0~1)로, 수질모델(예: QUALKO 등)을 통해 산정한다.
| 용어 | 의미 | 주요 활용 |
|---|---|---|
| 발생부하량 | 처리 전 잠재적으로 발생하는 총부하 | 감축잠재량 분석, 기본계획 수립 |
| 삭감부하량 | 처리시설·저감시설에서 제거된 부하 | 사업별 삭감효과 평가 |
| 배출부하량 | 실제 수계에 유입되는 부하 | 할당부하량 준수 여부 평가 |
| 유달부하량 | 목표지점에 도달한 부하 | 목표수질 달성 여부 판단 |
6. QA/QC와 실무에서 자주 발생하는 오류
6.1 단위 착오
- 농도 단위를 µg/L로 보고받았는데 mg/L로 착각하여 그대로 사용하여 부하량이 1,000배 과소 산정되는 경우가 있다.
- 유량 단위를 m³/일과 m³/s로 혼동하여 부하량이 86,400배까지 틀어지는 극단적인 오류도 발생할 수 있다.
주의 : 모든 계산 서식의 상단에 “유량 단위, 농도 단위, 부하량 단위”를 명시하고, 입력 자료를 받을 때도 단위를 반드시 함께 기록해야 한다.
6.2 유량·농도의 대표성 부족
- 주 1회, 특정 요일·시간대만 채수하여 일평균 농도처럼 사용하는 경우 실제 부하 변동을 반영하지 못한다.
- 시간대별 유량 변동이 큰 산업폐수의 경우, 하루 한 번 측정한 농도로 일평균 부하량을 계산하면 과대·과소 추정 가능성이 모두 커진다.
가능하면 유량·농도가 상대적으로 안정된 시간대를 피하고, 고·저부하 시간대를 모두 포함하는 대표 시점을 선정하거나, 자동수질측정자료를 활용하여 유량가중 평균을 적용하는 것이 바람직하다.
6.3 결측값 처리
- 분석장비 고장, 시료 분실 등으로 수질 자료가 누락된 날에 임의값을 넣어 계산하는 것은 피해야 한다.
- 결측이 발생한 경우에는 인접일·유사운영조건의 데이터를 참고하여 보수적으로 추정하거나, 해당 일자를 부하량 집계에서 제외하고 별도 표기하는 것이 좋다.
6.4 복수 방류구·우회유출 미반영
- 주방류구 외에 우수시 월류, 비상배수로, 공정별 개별배출구 등이 있는 경우, 모든 방류구의 부하량을 합산해야 실제 배출부하량이 된다.
- 특히 우·건기 배출경로가 달라지는 시설(합류식 관거 등)은 유황별 배출경로를 구분하여 부하량을 산정해야 한다.
주의 : “한 지점의 농도와 전체 유량을 곱해 부하량을 추정”하는 방식은 방류구가 여러 개인 시설이나 우수월류가 있는 시설에서는 심각한 과소 평가를 초래할 수 있다.
7. 실무 적용을 위한 부하량 계산 서식 예시
엑셀 등 스프레드시트를 이용하면 일별·월별·연간 부하량을 체계적으로 관리할 수 있다. 기본 구조 예시는 다음과 같다.
7.1 엑셀 계산식 예시
# A열 : 날짜 # B열 : 유량 Q (m³/일) # C열 : 농도 C (mg/L) # D열 : 부하량 L (kg/일)
D2 셀에 입력할 부하량 계산식
= B2 * C2 / 1000
월간 총부하량 (예: D2~D32 범위)
= SUM(D2:D32)
월평균 부하량
= AVERAGE(D2:D32)
연간 총부하량 (여러 시트 또는 범위 합산)
= SUM(월별_총부하량_범위)
7.2 여러 오염항목 동시 계산
BOD, COD, SS, T-N, T-P 등 여러 항목을 동시에 관리할 경우, 각 항목별로 농도와 부하량 열을 추가하면 된다.
- C열 : BOD 농도, D열 : BOD 부하량
- E열 : T-N 농도, F열 : T-N 부하량
- G열 : T-P 농도, H열 : T-P 부하량
각 부하량 열에는 동일한 형식의 계산식을 적용한다.
# 예: D2 셀 (BOD 부하량) = B2 * C2 / 1000
예: F2 셀 (T-N 부하량)
= B2 * E2 / 1000
예: H2 셀 (T-P 부하량)
= B2 * G2 / 1000
7.3 유입·유출 부하량과 제거효율
하수처리장의 성능평가에서는 유입·유출 부하량을 비교하여 제거효율을 산정한다.
제거효율(%) = (유입부하량 - 유출부하량) ÷ 유입부하량 × 100 예를 들어 BOD 유입부하량이 100 kg/일, 유출부하량이 20 kg/일이라면 제거효율은 80%가 된다.
주의 : 제거효율을 계산할 때 유입과 유출의 측정일·시간대가 일치해야 한다. 서로 다른 날의 유입·유출 데이터를 섞어 쓰면 처리효율 평가가 왜곡된다.
FAQ
BOD와 COD 중 어떤 항목으로 부하량을 관리하는 것이 좋은가?
BOD는 생분해성 유기물 부하를 반영하고, COD는 생분해성·비생분해성 유기물 부하를 모두 포괄한다. 하수처리장 등에서는 전통적으로 BOD가 많이 사용되지만, 산업폐수나 하·폐수 병합 처리시설에서는 COD가 더 유용한 경우도 많다. 부하량 관리 항목은 관련 법규에서 요구하는 항목과 수계 특성을 함께 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.
간헐 배출시설의 일평균 유량은 어떻게 산정해야 하나?
하루 24시간 중 일부 시간에만 배출이 이뤄지는 간헐 배출시설의 경우, 해당 일자 동안 배출된 총 부피를 합산한 후 하루(24시간)를 기준으로 나누어 일평균 유량으로 사용한다. 단순히 가동 시간 동안의 평균유량만을 일평균 유량으로 사용하면 실제 일별 부하량보다 과대 평가될 수 있다.
농도가 µg/L 단위로 보고된 중금속 부하량은 어떻게 계산하나?
먼저 농도를 mg/L 단위로 변환한 후 일반적인 부하량 공식을 적용한다. 예를 들어 C = 50 µg/L, Q = 10,000 m³/일이면 C(mg/L) = 50 ÷ 1,000 = 0.05 mg/L이고, 부하량 L(kg/일) = 10,000 × 0.05 × 10⁻³ = 0.5 kg/일이 된다.
복수 방류구가 있는 경우 총 배출부하량은 어떻게 산정하나?
각 방류구별로 유량·농도 자료를 이용해 부하량을 별도로 산정한 후, 모든 방류구의 부하량을 합산하여 시설 전체의 총 배출부하량으로 한다. 방류구마다 수질·유량 특성이 다를 수 있으므로 대표지점 하나의 농도로 전체 유량을 곱하는 방식은 피해야 한다.
하수처리장 유입·유출 부하량으로 처리효율을 평가할 때 최소한 어느 정도 자료가 필요하나?
일반적으로는 최소 월 1회 이상, 가능하면 주 1회 이상 유입·유출 수질과 유량을 같은 날·유사한 시간대에 동시에 측정하는 것이 바람직하다. 처리공정·유량 변동이 큰 시설은 더 높은 빈도의 측정이 요구될 수 있으며, 자동수질측정기와 유량계를 활용하여 일평균 또는 유량가중 평균 부하량을 산정하면 평가 신뢰도를 높일 수 있다.