이 글의 목적은 우리나라 물환경 관련 법령에서 정하고 있는 총질소(T-N) 방류기준의 구조와 수치를 정리하고, 공공하수처리시설·폐수종말처리시설 등 현장 설비에서 총질소 기준을 안정적으로 달성하기 위한 설계·운전·모니터링 방법을 실무 관점에서 설명하는 것이다.
1. 총질소(T-N)의 정의와 규제 배경
총질소(T-N)는 물 속에 존재하는 모든 형태의 질소를 합산한 항목으로, 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 유기질소 등을 모두 포함한 값이다. 분석 시에는 시료를 산성 조건에서 분해한 뒤 질소 성분을 일정 형태로 전환하여 자외선 흡광법 등으로 측정한다.
질소는 수생태계에 필수 영양염이나, 농도가 높아지면 부영양화를 유발하여 조류 대발생, 용존산소(DO) 부족, 악취, 어류 폐사 등 다양한 문제를 일으킨다. 따라서 우리나라 물환경 관련 법령에서는 총질소를 수질오염물질 중 하나로 규정하고, 배출허용기준, 방류수수질기준, 수질환경기준 등 여러 단계에서 관리하고 있다.
특히 상수원수역이나 호소(호수·저수지)와 같이 체류시간이 긴 수체에서는 조류 발생과 수질 악화를 막기 위해 총질소와 총인의 농도 수준이 엄격하게 관리된다. 하천·호소의 생활환경 수질기준에는 총질소 항목이 포함되어 있고, 등급별로 목표 농도가 설정되어 있다.
2. 방류수수질기준과 총질소 규제 체계
총질소 방류기준을 이해하기 위해서는 먼저 “방류수수질기준”의 의미를 정확히 구분해야 한다. 일반적으로 개별 공장이나 사업장의 배출구에 적용되는 기준은 “폐수배출허용기준”이고, 하수·폐수·분뇨 등을 모아서 처리하는 종말처리시설(공공하수처리시설, 폐수종말처리시설 등)의 방류구에 적용되는 기준이 “방류수수질기준”이다.
요약하면 다음과 같이 이해할 수 있다.
- 폐수배출허용기준: 개별 폐수배출시설의 배출구에 적용되는 규제 기준이다. 총질소는 수질오염물질 항목 중 하나로, 지역구분(청정지역·가지역·나지역·특례지역)에 따라 기준이 달라진다.
- 방류수수질기준: 하수·폐수·분뇨를 종합 처리하는 공공하수처리시설, 폐수종말처리시설 등에 적용되는 기준이다. 대표적으로 BOD, COD(또는 TOC), SS, 총질소(T-N), 총인(T-P) 등이 관리 항목이다.
- 수질환경기준: 하천·호소·해역 등 공공수역 자체의 목표수질(환경기준)으로, 총질소·총인·COD·TOC 등 항목에 대해 등급별 목표값을 설정한다.
결국 한 사업장에서 총질소를 관리할 때는 “내 배출구에 적용되는 폐수배출허용기준”과 “유입·방류에 관여하는 종말처리시설의 방류수수질기준”, 그리고 “해당 유역의 수질환경기준 및 총량관리 목표”를 동시에 고려해야 한다.
3. 공공하수처리시설 총질소(T-N) 방류수수질기준
공공하수처리시설의 방류수수질기준은 물환경 관련 법령의 하위 고시에서 정하고 있으며, 처리용량 규모에 따라 기준이 달라진다. 대표적인 기준 구조는 다음과 같다.
| 구분 | BOD (㎎/L) | COD (또는 TOC)(㎎/L) | SS (㎎/L) | 총질소 T-N (㎎/L) | 총인 T-P (㎎/L) | 총대장균군수 (개/㎖) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1일 하수처리용량 50㎥ 이상 | 10 이하 | 40 이하 | 10 이하 | 20 이하 | 2 이하 | 3,000 이하 |
| 1일 하수처리용량 50㎥ 미만 | 10 이하 | 40 이하 | 10 이하 | 40 이하 | 4 이하 | 3,000 이하 |
실무적으로는 다음 사항을 중요하게 본다.
- 대부분의 중·대형 공공하수처리시설은 1일 처리용량 50㎥ 이상이므로 총질소 20㎎/L 이하를 기본 설계 목표로 잡는다.
- 소규모 하수처리시설(마을단위, 관광지 소규모 시설 등)에서는 총질소 40㎎/L 이하 기준이 적용될 수 있으나, 상수원 수계나 청정지역에서는 보다 엄격한 설계 기준을 자체적으로 적용하는 경우가 많다.
- 과거에는 겨울철(12~3월)에 총질소·총인 기준을 완화하는 과도기 규정이 있었으나, 현재는 대부분의 시설이 연중 동일 기준을 만족하도록 설계·운전하는 추세이다.
주의 : 같은 “공공하수처리시설”이라도 위치한 지역(상수원보호구역, 청정지역, 총량관리 유역 등)에 따라 추가적으로 더 엄격한 기준이나 개별 부과조건이 붙을 수 있으므로, 실제 적용 기준은 반드시 허가서·고시문·지자체 통보문을 통해 확인해야 한다.
4. 폐수종말처리시설 총질소(T-N) 방류수수질기준
농공단지, 산업단지 등에서 산업폐수를 모아 처리하는 시설은 “폐수종말처리시설”로 구분되며, 이들 시설에도 별도의 방류수수질기준이 적용된다. 환경부 안내자료 기준으로 대표적인 수치는 다음과 같이 정리할 수 있다.
| 구분 | BOD (㎎/L) | COD (㎎/L) | SS (㎎/L) | 총질소 T-N (㎎/L) | 총인 T-P (㎎/L) |
|---|---|---|---|---|---|
| 폐수종말처리시설(농공단지 포함) | 30 이하 | 40 이하 | 30 이하 | 60 이하 | 8 이하 |
핵심 포인트는 다음과 같다.
- 폐수종말처리시설은 산업폐수의 난분해성 유기물, 독성물질 등이 유입되므로, BOD·SS 기준은 공공하수처리시설보다 다소 느슨하지만 총질소·총인 기준은 수질보전을 위해 엄격히 적용된다.
- 농공단지와 같이 다양한 업종이 혼재된 경우에는 특정 사업장의 유입수 총질소 부담이 크지 않더라도, 단지 전체의 방류수 기준을 고려한 유입 관리가 필요하다.
- 폐수종말처리시설에서 방류수 총질소 기준을 초과하면, 개별 입주업체에 대한 유입수 제한 강화, 추가 전처리 요구, 분담금 부과 등의 조치로 이어질 수 있다.
5. 개별 사업장 배출허용기준(별표 13)과 총질소 방류기준의 관계
물환경 관련 시행규칙 별표 13에서는 수질오염물질의 배출허용기준을 정하고 있으며, 총질소 항목에 대해서도 지역구분에 따라 다음과 같은 구조를 가진다.
| 지역구분 | 총질소 배출허용기준 (㎎/L) |
|---|---|
| 청정지역 | 30 이하 |
| 가지역 | 60 이하 |
| 나지역 | 60 이하 |
| 특례지역 | 60 이하 |
실무 적용 시에는 다음 원칙을 기억해야 한다.
- 개별 사업장의 폐수배출구에는 위 표의 총질소 배출허용기준이 직접 적용된다.
- 공단 내 입주업체처럼 폐수종말처리시설로 유입되어 다시 방류될 구조라면, 업체 배출구에는 “배출허용기준”이, 종말처리시설 방류구에는 “방류수수질기준”이 각각 적용된다.
- 허가·신고 조건에서 특정 사업장에 별도 총질소 기준(예: 20㎎/L 이하)을 부과하는 경우, 법정 기준보다 더 엄격한 조건을 우선 충족해야 한다.
주의 : 총질소 기준을 검토할 때 “어떤 지점에 적용되는 기준인지(개별 배출구 vs 종말처리시설 방류구 vs 공공수역 환경기준)”를 먼저 구분하지 않으면 설계·운전 목표를 잘못 잡을 수 있다.
6. 총질소 방류기준 달성을 위한 처리공정 설계·운전 전략
총질소 방류기준을 만족시키기 위한 대표적인 공정 구성은 생물학적 질산화·탈질(BNR, Biological Nutrient Removal) 공정이다. 일반적인 개념은 다음과 같다.
- 질산화 단계: 호기조에서 암모니아성 질소(NH₄-N)를 아질산성·질산성 질소(NO₂-N, NO₃-N)로 산화한다.
- 탈질 단계: 무산소조에서 질산성 질소를 질소가스(N₂)로 환원하여 대기로 방출한다. 이때 외부 또는 내부 유기탄소를 전자공여체로 사용한다.
- 조합: 혐기(Anaerobic)–무산소(Anoxic)–호기(Aerobic) 구간을 적절히 배치하고, 내부반송(질산성 질소를 무산소조로 재순환)과 슬러지 반송을 통해 영양염을 제거한다.
총질소 기준을 안정적으로 맞추기 위해 현장에서 관리해야 할 주요 운전 인자는 다음과 같다.
| 관리항목 | 권장 관리범위(예시) | 총질소에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 호기조 DO | 1.5 ~ 3.0 ㎎/L | 너무 낮으면 질산화 불완전, 너무 높으면 탈질조로 산소 유입되어 탈질 저해 |
| 무산소조 DO | 0.2 ㎎/L 이하 유지 | 산소 존재 시 탈질 미진, 질산성 질소 제거 실패 |
| MLSS (혼합액 부유물질) | 2,500 ~ 4,000 ㎎/L 수준에서 공정별 최적 설정 | 질산화 세균 유지에 필수, 과도하면 산소 전달 저하·슬러지 팽화 우려 |
| SRT(슬러지 체류시간) | 질산화가 충분한 최소 SRT 이상(보통 8일 이상) 확보 | SRT 부족 시 질산화균 wash-out로 암모니아 질소 잔류 |
| 내부반송비(Qint/Q) | 2.0 ~ 4.0 배 수준 | 질산성 질소를 무산소조로 충분히 보내야 탈질이 완결됨 |
| 외부탄소원 주입 | 필요 시 메탄올·아세트산·외부 COD 등 적정 C/N 비 확보 | 탄소원 부족 시 탈질률 저하, NOx 잔류 |
| 온도 | 10℃ 이하에서 질산화 속도 급격히 저하 | 동절기에는 공정 여유 확보, SRT 증가, 산소공급 강화 필요 |
주의 : 총질소 농도만 보고 탄소원 주입량을 과도하게 늘리면 방류수 COD·TOC, 총인, 생태독성 등의 다른 기준을 초과할 수 있다. 항상 다른 항목과 병행해 최적점을 찾는 것이 중요하다.
7. 총질소 방류수 모니터링 및 분석 실무
총질소 기준을 준수하려면 정기적인 모니터링 체계를 갖추는 것이 필수이다.
7.1 시료 채취 방법
- 유량 가중 합성시료: 방류유량이 시간에 따라 크게 변하는 시설에서는 24시간 유량 가중 합성시료를 채취하는 것이 이상적이다. 순간 시료만으로는 실제 하루 평균 농도를 대표하지 못하는 경우가 많다.
- 자동채수기 연계: 수질TMS가 설치된 방류구의 경우, 자동채수기와 연계하여 총질소 합성시료를 확보하면 데이터 신뢰성이 높아진다.
- 채수 위치: 방류수수질기준은 통상 방류구 직전 또는 직후(혼합이 충분히 이루어진 지점)에 적용되므로, 채수 위치를 허가조건과 일치시켜야 한다.
7.2 총질소 분석법 개요
- 알칼리성 퍼시황산칼륨 분해 후 자외선 흡광법(분해-UV법)이 실무에서 널리 사용된다.
- 암모니아성 질소, 질산/아질산성 질소, 유기질소를 각각 분석하여 합산하는 방식도 있으나, 시료특성과 장비구성에 따라 선택한다.
- 고농도 산업폐수의 경우, 희석배수·전처리 조건을 적절히 설계하지 않으면 검량선 범위를 벗어나 과소·과대 측정이 발생할 수 있다.
7.3 자가측정 및 TMS와의 연계
법령에서는 일정 규모 이상의 배출시설 및 종말처리시설에 대해 자가측정 의무와 원격감시체계(TMS) 부착 의무를 규정하고 있다. 총질소는 TMS 측정항목으로 지정되는 경우가 많으며, 이 경우 다음 사항을 점검해야 한다.
- TMS 실시간 데이터와 정기 자가측정 결과의 상관관계를 검증하여 보정계수를 관리한다.
- 분석실 시험법 변경 시, TMS와의 정합성이 유지되는지 사전 검토가 필요하다.
- 총질소 기준 근접 구간에서는 TMS 경보치(예: 80~90% 수준)를 미리 설정하여 조기 대응을 가능하게 한다.
8. 총질소 기준 초과 시 원인 분석 및 개선 체크리스트
총질소 방류기준을 초과하는 경우, 단순히 “질소가 높다”는 결과만 보고 대응하면 개선이 늦어진다. 다음과 같은 순서로 원인을 구조적으로 점검하는 것이 효율적이다.
8.1 유입수 측면 점검
- 유입 T-N 부하 증가 여부: 우천 시 우수 혼입, 특정 업종 증설, 야간 배출 집중 등으로 단기간에 부하가 증가하지 않았는지 확인한다.
- C/N 비 불균형: 고질소·저탄소 폐수가 유입되면 탈질에 필요한 탄소원이 부족해져 총질소 제거 효율이 떨어질 수 있다.
- 독성물질 유입: 용제, 중금속, 독성 유기물 등으로 질산화균이 저해되면 암모니아 질소가 그대로 방류될 수 있으므로, 유입수 특이성분을 점검한다.
8.2 공정 운전 조건 점검
- 호기조 DO, 무산소조 DO가 각각 목표 범위에 있는지 확인한다.
- MLSS, SRT가 너무 낮거나 높은지, 슬러지 유출이나 팽화가 발생하지 않았는지 점검한다.
- 내부반송펌프·슬러지반송펌프의 실제 운전량이 설계값을 충족하는지 확인한다(밸브 개도, 펌프 성능 저하 등).
- 외부탄소원 주입량을 최근 유입 T-N, 유입 COD 대비 적정하게 조정했는지 검토한다.
8.3 분석·샘플링 오류 가능성
- 채수시간, 채수지점, 합성비율 등 샘플링 절차가 규정과 일치하는지 확인한다.
- 시약 유효기간, 검량선 범위, 공blank 처리 등 분석 품질관리(QC) 항목을 점검한다.
- 미터기·유량계 이상으로 유량 가중 합성비율이 잘못 적용되지 않았는지 확인한다.
| 점검영역 | 세부 점검항목 | 주요 확인 포인트 |
|---|---|---|
| 유입부하 | 유입 T-N, 우수 혼입, 공정변경 | 단기간 이상부하 여부, 계절성 패턴 파악 |
| 공정조건 | DO, MLSS, SRT, 반송비, 탄소원 주입 | 설계·운전 목표 대비 편차, 조정 이력 |
| 설비상태 | 송풍기, 내부반송펌프, 계측기 | 점검·보수 이력, 출력 저하 여부 |
| 분석·샘플링 | 채수지점, 합성방법, 시험법 | 표준작업지침(SOP) 준수, QC 결과 |
주의 : 총질소 기준 초과가 반복될 경우, 단순 운전조정으로 해결이 어려운 구조적인 문제(체류시간 부족, 반응조 용량 부족, 공정구성 미흡 등)를 의심해야 하며, 필요하면 공정개선·증설을 포함한 중장기 대책을 검토해야 한다.
9. 행정·법적 리스크와 대응 전략
총질소 방류기준을 반복적으로 초과하면 개선명령, 과태료, 부과금, 조업정지 등 행정조치로 이어질 수 있다. 종말처리시설의 경우, 해당 시설뿐 아니라 유입하는 다수 사업장에도 영향이 확산될 수 있으므로, 다음과 같은 대응 전략이 필요하다.
- 사전관리: 주간·월간 T-N 추세를 관리지표로 사용하여 기준 대비 여유율을 모니터링하고, 기준의 70~80% 수준을 내부 경보치로 설정한다.
- 원인 분석 기록화: 기준 초과 또는 경계치 접근 시, 유입·공정·분석 측면 점검결과를 기록으로 남겨 향후 행정기관 설명자료로 활용한다.
- 대책 시행과 효과 검증: 탄소원 증량, 반송비 조정, SRT 조정 등 단기 대책을 실시한 뒤, 총질소 농도 변화를 데이터로 제시할 수 있어야 한다.
- 장기 설비개선 계획: 총질소 기준이 제도 변화로 더욱 강화되거나, 유입부하 증가가 지속될 것으로 예상되면, BNR 공정 증설·막여과(MBR) 도입·고도처리공정 추가 등 중장기 투자계획을 수립한다.
FAQ
Q1. 우리 사업장에서 적용되는 총질소 방류기준은 어떻게 확인해야 하나?
첫째, 사업장이 직접 공공수역으로 방류하는지, 아니면 공공하수처리시설·폐수종말처리시설로 유입되는지 흐름을 확인해야 한다. 둘째, 허가(또는 신고)서, 인허가기관의 기준 통보문, 관련 고시(방류수수질기준, 배출허용기준)를 확인하여 “배출구 위치별 적용 기준”을 구분해야 한다. 셋째, 상수원보호구역·청정지역·총량관리 유역 등 추가 지역지정 여부에 따라 더 엄격한 기준이 적용되는지 검토해야 한다.
Q2. 공공하수처리시설로 보내는 폐수에도 총질소 배출허용기준을 맞춰야 하나?
일반적으로 폐수배출시설로 지정된 사업장의 배출구에는 법정 총질소 배출허용기준이 적용된다. 다만 공공하수처리시설의 유입수 수질을 보호하기 위해, 하수도법·지자체 조례 등에서 별도의 유입수 수질기준을 정하거나, 개별 계약·협약을 통해 더 엄격한 총질소 기준을 부과하는 경우가 있다. 따라서 “하수관로 유입”이라고 해서 기준 적용이 면제되는 것은 아니다.
Q3. 겨울철에는 총질소 방류기준이 완화되는가?
과거에는 일부 공공하수처리시설에서 동절기 총질소·총인 기준을 한시적으로 완화하는 규정이 있었으나, 최근에는 고도처리시설 보급과 함께 연중 동일 기준을 적용하는 것이 일반적이다. 특정 시설에 동절기 특례가 남아 있는지는 해당 방류수수질기준 고시와 허가조건을 통해 개별적으로 확인해야 한다.
Q4. 총질소 기준을 빠르게 맞추기 위한 응급조치는 무엇인가?
단기적으로는 (1) 호기조 DO 확보로 질산화율을 최대한 끌어올리고, (2) 무산소조 DO를 낮춰 탈질 환경을 확보하며, (3) 외부탄소원을 적절히 증량하여 탈질률을 끌어올리는 것이 일반적인 접근이다. 다만 COD·TOC, 총인, 생태독성 등 다른 항목과의 상충을 고려해야 하며, 응급조치 이후에는 유입부하·공정용량 측면에서 구조적인 개선 필요성을 다시 평가하는 것이 바람직하다.