1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 인공습지의 구성 및 운영 제원
2.2 인공습지 성능에 대한 통계 분석
3. 연구 결과
3.1 하수처리장 방류수 유입 인공습지 운영 결과
3.2 인공습지를 통한 오염물질 제거 효과 평가
3.3 인공습지 성능 기반 수처리 과정에서의 CO2 배출량 저감 효과 평가
4. 결론 및 향후 연구
1. 서 론
인공습지는 가정 폐수 또는 산업 폐수 처리를 위한 자연 정화를 위한 수처리 시설로 연구되어왔다(Vymazal, 2014). 또한 오늘날 습지는 수질 정화 효과를 넘어서 도심지 물순환 개선, 생태계 다양성 증진, 탄소 중립을 위한 흡수원 역할과 같은 다양한 기능을 수행할 수 있도록 연구되고 있다(Kim and Zoh, 2015; Zhang et al., 2020; Lu et al., 2018; Kim, 2024). 이에 미량오염물질과 같은 기존 생물학적 수처리공법으로 제거되지 않는 오염물질에 대한 추가적인 수질 정화, 탄소 흡수원 증대를 위해 하수처리장 방류수를 유입수로 인공습지가 연구되기도 한다(Hong et al., 2024; Hong and Gil, 2025). 특히 기후 위기가 심화되면서 탄소 배출 저감, 탄소 저장 등 탄소 중립을 위해 습지를 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다(Yang and Yang, 2024; De Klein and Van Der Werf, 2014; Rosli et al., 2017).
국가물관리위원회의 물 분야 2050 탄소 중립 이행을 위한 로드맵 구축 연구에 따르면, 물과 관련된 서비스 및 관리 분야를 물 공급, 물 환경, 수자원 관리로 구분하여 분야별 탄소 중립을 위한 목표를 제시했다(Presidential Water Commission, 2024). 구체적으로 수처리와 관련된 물 환경 분야의 경우 공정에서의 에너지 절감, 재생에너지 활용 등 수처리 과정에서 소모되는 에너지 관리를 주요 개선 방안으로 제시하고 있다. 또한 수자원 관리 분야에서 수변 녹지의 흡수 능력 증진 및 수변 녹지 공간 증대를 통해 탄소 흡수원을 증가시켜 탄소를 저감 하는 방안을 고려했다. 다수의 연구에서 하수처리장의 기술 개선을 통한 온실가스 배출 저감 방안을 고려하고 있다(Ahn and Kim, 2024; Ahmad et al., 2023; Ye et al., 2025).
인공습지는 자연적인 수처리 방법으로 수처리 과정에서 에너지 소모가 적은 저에너지 수처리 시설이다(Stathatou et al., 2019). 인공습지를 통한 수처리가 이뤄진다면, 수처리에 소모되는 에너지를 저감할 수 있으며, 동시에 탄소 흡수원으로 작용할 수 있는 이점이 있다. 부수적으로 인공습지를 통한 수처리는 기존 혐오시설로 인식되었던 하수처리시설을 인공습지 생태계 조성을 통한 생태계 학습의 장, 주민 친화적 시설로 활용될 수 있다는 장점 또한 내재한다.
이에 본 연구에서는 인공습지의 시설 단위 수질 정화 효과를 분석하고자 하였으며, 인공습지의 수처리 성능을 바탕으로 기존의 하수처리장을 통한 수처리 과정에서 배출되는 CO2 저감에 미치는 효과를 파악하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 인공습지의 구성 및 운영 제원
2.1.1 인공습지 제원
본 연구에 활용된 습지는 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지가 순차적으로 연결된 하이브리드형 습지이다. Fig. 1에 습지가 위치한 지역, 습지의 구성과 습지에서의 물 흐름 방향을 도식화 하였다. 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지 모두 폭 1.0 m, 길이 2.0 m, 깊이 1.0 m로 구성되어 있으며, 시료 채취를 위한 집수정이 각 습지의 유출부에 폭 1.0 m, 길이 0.5 m, 깊이 1.0 m로 배치되어 있다. 수직흐름형 습지의 경우 습지 전 구간에 유입수를 고르게 분배하여 습지 전 면적에 걸쳐 물의 흐름이 수직방향이 될 수 있도록 유공관을 설치하여 물을 유입하였으며, 수평흐름형 습지의 경우 수평흐름형 습지와 달리 유입 지점에도 자갈을 배치하여 유입 단면적에 물이 고르게 배분될 수 있도록 하였다. 수직흐름형 습지에는 부들(Typha orientalis)를 식재하였으며, 수평흐름형 습지에는 갈대(Pharagmite saustralis)를 식재하였다. 습지의 수리학적 부하량(Hydraulic loading rate, HLR)은 0.11 m3/m2/day로 운영하였다.
2.1.2 인공습지 유입수 제원
본 연구에서는 하수처리장 방류수를 활용하여 습지를 운영하였다. 본 연구에서 활용된 하수처리장의 제원과 특성을 Table 1에 정리하였다. 두 하수처리장 모두 방류수 수질기준 III 지역에 해당하는 하수처리장으로 BOD 10.0 mg/L 이하. TOC 25.0 mg/L 이하. SS 10.0 mg/L 이하, TN 20.0 mg/L 이하, TP 0.50 mg/L 이하의 기준을 만족해야 한다. 각 하수처리장의 방류수 농도를 Table 2에 정리하였다.
Table 1.
Specifications and feature of CWs influent source WWTPs
Table 2.
Average concentraion of WWTPs effluent (2024.01-2025.09)
| Label | BOD (mg/L) | TOC (mg/L) | SS (mg/L) | TN (mg/L) | TP (mg/L) |
| G WWTP | 1.50 ± 0.55 | 4.70 ± 0.89 | 1.60 ± 0.33 | 7.00 ± 1.28 | 0.10 ± 0.04 |
| J WWTP | 3.40 ± 1.12 | 4.60 ± 0.98 | 3.30 ± 1.18 | 7.2 ± 1.94 | 0.10 ± 0.03 |
2.2 인공습지 성능에 대한 통계 분석
인공습지를 통한 오염물질 제거 효율 산정을 위한 식은 다음과 같다.
여기서, Rr은 제거 효율(%), Ci는 인공습지 유입수 농도(mg/L), Ce는 인공습지 최종 방류수 농도(mg/L)이다. 인공습지에서 하수처리장 유입수 첨가량에 따른 유입수 유량 산정식은 다음과 같다.
Eq. (2)는 추후 하수 원수를 부분적으로 인공습지를 통해 처리했을 때 인공습지에 유입되는 유량을 산정하기 위한 식이다. 여기서, Qcwi는 인공습지 유입 유량(m3/day), WWTPi는 하수처리장 유입수 유량(m3/day), WWTPe는 하수처리장 방류수 유량(m3/day), Add는 유입수가 첨가된 백분율(%)이다. 유입수 첨가 비율에 따른 하수처리장 인공습지 유입수의 농도 산정식은 다음과 같다.
Eq. (3)은 추후 인공습지를 통한 하수 원수의 부분적 처리에서 인공습지로 유입되는 오염물질의 농도를 산정하기 위한 식이다. 여기서, Ccwi는 인공습지 유입수 농도(mg/L), CWWTPi는 하수처리장 유입수 농도(mg/L), CWWTPe는 하수처리장 방류수 농도(mg/L), Qi는 하수처리장 유입수 유량(m3/day) Qe는 하수처리장 방류수 유량(m3/day)을 의미한다. Qi는 Eq. (2)에서 WWTPi × Add로 산정되며, Qe는 Eq. (2)에서 WWTPe × (1-Add)로 산정된다.
3. 연구 결과
3.1 하수처리장 방류수 유입 인공습지 운영 결과
2025년 5월부터 10월까지 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지가 연결되어있는 하이브리드형 인공습지를 하수처리장 방류수를 유입수로 운영하였으며, 인공습지 유입수 및 방류수의 TN, TP에 대한 정량적 분석을 진행하였다. 본 연구에서 활용된 유입수의 수질 양상이 국내 공공하수처리시설의 전반적인 방류수 특성을 대표하는지 검토하기 위해 Table 3에 전국 규모의 수질 데이터와 비교 분석하였다. 2024년 하수도 통계에 근거하여 1일 하수 처리 용량 500 m3 이상인 하수처리장(총 724개소), 전체 하수처리장(총 4,469개소), 본 연구에 활용된 하수처리장 방류수(인공습지 유입수)에서의 TN, TP에 대한 평균, 최대, 최소 농도를 정리하였다(MCEE, 2025). 전체 하수처리장에서의 최대 농도의 경우 공공하수처리시설의 방류수 수질기준을 만족하는 수치 내에서의 최대 농도로 정리하였다. 공공하수처리시설 방류수 수질기준에서 1일 하수 처리 용량 500 m3 이상인 하수처리장은 수계와의 영향 등을 고려하여 지역을 구분하고 있으며, I에서 IV 지역까지 4개의 지역으로 구분하고 있다. TN의 경우 I에서 IV 지역 모두 20 mg/L 이하의 TN 농도를 만족해야 하며, TP는 I지역 0.2 mg/L 이하, II지역 0.3 mg/L 이하, III지역 0.5 mg/L 이하, IV지역 2 mg/L 이하로 규제하고 있다.
본 연구에 활용된 유입수의 TN은 전반적인 하수처리장 방류수의 농도 대비 소폭 낮게 나타났으나, TP의 경우 인공습지 유입수 및 1일 하수 처리 용량이 500 m3 이상인 하수처리장에서의 농도가 0.25 mg/L 내외로 유사한 양상을 나타냄을 확인할 수 있었다. 국내 하수처리장은 생물학적 수처리 공법을 주 공정으로 운영된다. TN의 경우 질산화 미생물과 탈질 미생물을 통해 유입되는 암모니아(NH4+)를 질소 기체(N2)로 환원하는 과정을 통해 제거된다. 미생물의 대사는 온도에 큰 영향을 받는다(Liao et al., 2019). 질산화 미생물의 성장에 온도가 미치는 영향이 크며, 국내 겨울철 온도 조건에서는 질산화 미생물의 성장 속도 둔화로 인한 영향으로 질산화 효율이 감소하게 되어 질소 제거에 영향을 미친다(Gwak, 2017). 인의 경우, 인 축적 미생물에 의한 생물학적 제거 방법과 응집제를 주입하여 침전 혹은 여과를 통한 물리, 화학적 제거 방법이 적용된다. 질소 대비 인의 수질기준이 낮으며, 미생물에 의한 인 제거 효율에 한계가 존재하기 때문에 물리, 화학적 방법을 통한 인 처리 공정이 적용되어 인을 제거한다(Seo, 2015). 인의 경우 물리, 화학적 제거로 인해 계절에 따른 제거 효율 차이가 크지 않은 반면, 미생물을 통해 제거되는 TN은 온도 조건, 미생물의 농도 등 다양한 요소에 의해 영향을 받는다. TP 대비 TN의 방류수의 농도 편차가 큰 이유는 본 연구는 동절기를 제외한 5월부터 10월간 실험이 진행되어 동절기 방류수 양상을 포함하지 않았기 때문으로 판단된다.
앞서 Table 3에서 확인된 전국 500 m3/day 이상 시설의 수질 분포를 바탕으로, Fig. 2에서는 본 연구의 유입수 및 습지 처리수 성상을 시각적으로 대비하여 수질 정화 효율의 통계적 위치를 확인하고자 하였다. Fig. 2(a)는 TN의 농도를 나타냈다. TN의 경우 방류수 수질기준에 해당하는 20 mg/L 대비 큰 폭으로 낮게 방류됨을 확인할 수 있다. 인공습지 방류수의 농도는 0.24 mg/L로 큰 폭으로 제거됨을 확인할 수 있었다. Fig. 2(b)는 TP의 농도를 나타냈으며, TP는 지역구분에 따라 방류수 수질기준이 상이하나, 1일 하수 처리 용량이 500 m3 이상인 하수처리장 기준 최대 농도인 2 mg/L과 최저 농도인 0.2 mg/L를 나타냈다. 인공습지 유입수와 하수처리장 방류수 평균은 0.25 mg/L 내외로 II, III 지역 기준에 해당하는 0.3, 0.5 mg/L 미만 수치를 충분히 달성함을 확인할 수 있다. 인공습지 방류수의 농도는 평균 0.13 mg/L로 습지를 통해 소폭 저감 됨을 확인할 수 있었다.
Table 3.
TN, TP concentration of CWs influent and WWTPs effluent
3.2 인공습지를 통한 오염물질 제거 효과 평가
인공습지 운영 결과 오염물질 제거 효율을 Fig. 3에 나타냈다. 제거 효율은 Eq. (1)을 통해 산정하였다. TN의 제거율은 평균 94.7%, TP의 제거율은 61.4%로 나타났다. 인공습지에서의 TN은 습지 시스템을 통한 미생물 기반 질산화, 탈질을 주요 기작으로 제거되며, 식물 흡수 및 흡착의 영향으로 제거되기도 한다. 본 연구와 문헌 조사 사례에 적용된 하이브리드형 인공습지의 경우 수직 흐름 습지의 호기성 환경을 통해 질산화 효율을 높이고, 수평 흐름 습지의 무산소 조건에서 탈질을 통해 질소가 효과적으로 제거될 수 있도록 조성되었다(Vymazal, 2005). TP의 경우 흡착, 침전, 식물 흡수를 주요 기작으로 제거된다. 선행 연구에 따르면, TP의 제거율은 다양한 유형의 인공습지에서 40-60% 범위로 흡착 능력이 높은 여재를 사용하지 않는 경우 제거율이 낮음을 확인할 수 있었다(Vymazal, 2007). 문헌 조사 및 본 연구에서의 습지의 구성 특성을 Table 4에 정리하였다. Table 4에서 HLR은 수리학적 부하량(Hydraulic loading rate)을 의미하며, VF는 수직흐름형(Vertical flow), HF는 수평흐름형(Horizontal flow)를 의미한다. 문헌 조사 대상 인공습지는 본 연구의 습지 형태와 동일한 수직흐름형 습지와 수평흐름형 습지가 순차적으로 적용된 하이브리드형 습지이며, 하이브리드형 습지 이외 다른 시설이 포함되어있는 경우 수직흐름형 유입수와 수평흐름형 방류수를 토대로 제거 효율을 산정하였다. Case 1-4 모두 하수 원수 혹은 하수 원수와 합성 폐수를 섞어 인공습지 유입수로 하였다. Case 1에서는 부들(Typha angustifolia)을 식재하였으며, Case 2-4는 갈대(Phragmites australis)를 식재하였다. Case 1-4 모두 모래와 자갈을 활용하여 습지 토양을 구성하였으며, Case 2의 경우 바이오차를 추가적으로 활용하였다. TN의 경우 Case 1은 총 켈달 질소(Total Kjeldahl Nitrogen, TKN)을 기준으로 산정되었으며, 그 외의 연구에서는 모두 TN을 기준으로 산정되었다. 인공습지 유입수의 질소 농도는 Case 1의 습지에서 TKN 92.26 mg/L으로 가장 높았으며, TP는 Case 4의 습지에서 8.1 mg/L로 가장 높게 나타났다. Fig. 4는 선행 연구와 본 연구에서의 TN, TP별 제거율을 그래프로 나타냈다. TN의 경우 평균 88.8%의 제거율을 나타냈으며, Case 2 에서 최대 97.8%의 제거율을 보였으며, Case 1에서 75.3%의 가장 낮은 제거율을 나타냈다. TN의 경우 대체로 모든 습지에서 양호한 제거율을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구와 선행 연구(Case 1-4) 모두 하이브리드형 습지 구성을 통해 미생물의 질산화 및 탈질 작용을 극대화하여 높은 질소 제거율을 확보하였다. 습지 내 생물학적 질소 제거는 온도 의존성이 높으며, 일반적으로 미생물 및 식생 활성이 원활한 15℃ 이상에서 최적의 효율을 보인다(Akratos and Tsihrintzis, 2007). Case 1의 연구 기간 동안의 대기온도는 15-28℃, Case 2는 방글라데시 다카에 구성된 습지로 방글라데시 다카는 연평균 최저기온 약 21.5±5.01℃, 최고기온 30.6±2.65℃로 고온 다습한 조건으로 식생과 미생물의 활성이 높은 조건을 갖추고 있다. Case 3, 4의 경우 연구 기간 동안 수온이 약 20℃ 내외로 나타났다. 본 연구가 진행된 5-10월 동안의 평균 기온은 16.5-28.8℃로 나타났다. 본 연구와 선행 연구 모두 20℃ 내외의 온도 조건을 유지하였으며, TN 제거율이 가장 높았던 Case 2의 경우 고온 다습 조건으로 미생물 활성이 높아져 질소 제거에 효과적임을 확인할 수 있었다. 한편, 동절기를 포함한 국내 장기 운영 연구(Kim et al., 2016)에 따르면, 하절기 질소 제거율(약 75%) 대비 동절기 제거율(약 66%)의 감소폭이 약 10% 내외로 크지 않았다. 따라서 기온 조건에 따라 질소 제거율이 소폭 감소할 수는 있으나 동절기에도 질소의 안정적인 제거가 가능할 것으로 판단된다. TP의 경우 평균 62.9%의 제거율을 나타냈으며, Case 2에서 100%의 가장 높은 제거율을 나타냈으며, Case 3에서 28.8%로 가장 낮은 제거율을 나타냈다. TP의 경우 습지에 따른 제거율 편차가 크게 나타났다. 이는 미생물에 의한 제거가 주요 기작인 질소와 달리 TP의 경우 여재 흡착에 의한 제거가 주요하기 때문에 습지를 구성하는 여재에 따른 영향이 크게 작용한 것으로 판단된다(Martín et al., 2013; Shen et al., 2020). TP의 제거율이 가장 높았던 Case 2의 경우 다른 선행 연구와 달리 여재에 바이오차를 포함하고 있는데, 바이오차와 같은 다공성 구조의 여재를 습지에 추가적으로 배치하였을 때 더 높은 수질 정화 효과를 나타냈다(Gupta et al., 2016; Abedi and Mojiri, 2019). TP의 경우 습지를 구성한 여재에 큰 영향을 받으나 식생의 유무, 종류에도 영향을 받는 것으로 나타났다. 식생의 유무, 식생의 종류에 따른 인 제거 효과를 연구한 선행 연구(Maucieri et al., 2020; Kadlec, 2016)에 따르면 식생을 식재했을 때의 인 제거율이 그렇지 않은 경우 대비 더 높게 나타남을 확인했다. 식생의 종류에 따른 제거율에서는 부들(Typha latifolia)이 습지 유입수 내 인을 제거하는데 가장 적합한 종으로 나타났으며, 동일한 양상을 타 선행 연구에서도 확인할 수 있었다(Akratos and Tsihrintzis, 2007). Case 1에서는 별도의 다공성 여재를 사용하지 않았으나 부들을 식재하였고 양호한 인 제거율을 보임을 확인할 수 있었다. 본 연구에서도 저농도의 인이 유입되었음에도 양호한 제거율을 보임을 확인할 수 있었으며, 이는 저농도 유입수 조건에서 물리적 흡착 동력이 감소함에도 식생에 의한 직접적인 영양염류 흡수 기작이 효율적으로 작용했음을 시사한다. 인 제거에 있어 계절적 영향에 대한 의견은 분분하나, 계절성을 나타낸 연구 결과에서는 식생의 성장이 활발한 봄-여름 기간에 높은 제거율을 보이는 것으로 나타났다(Mesquita et al., 2017; Zhai et al., 2016).
Table 4.
Composition characteristics of constructed wetlands (Case study and this study)
| Type of wastewater | References | Plants | Substrate (Filter media) | HLR (m/d) |
|
Municipal wastewater (Case1) | Haydar et al. (2020) | Typha angustifolia |
garden soil, sand, fine gravel, coarse gravel |
VF – 0.14 HF – 0.10 |
|
Synthetic wastewater + domestic sewage (Case2) | Saeed et al. (2019) | Phragmites australis |
VF - Biochar, gravel HF - Sand |
VF – 0.68 HF – 0.03 |
|
Combined sewer system municipal wastewater (Case3) | Ávila et al. (2015) | Phragmites australis |
VF – Sand, siliceous gravel HF – stones, siliceous gravel | VF – 0.04 |
|
domestic wastewater (Case4) | Ávila et al. (2013) | Phragmites australis |
VF – Sand, gravel, stone HF – gravel, stone | 0.04 |
| This study |
VF - Typha orientalis HF - Pharagmite saustralis | Decomposed granite soil, sand, biochar, functional filter media, gravel | 0.11 |
문헌 조사와 본 연구에서의 인공습지 유입수와 방류수의 농도를 Fig. 5에 그래프로 나타냈다. Fig. 5(a)를 보면, Case 4를 제외한 모든 유입수의 농도가 국내 하수처리장 유입 농도 대비 높음을 확인할 수 있었다. 1일 하수 처리 용량이 500 m3 이상인 하수처리장 기준 TN의 하수처리장 유입 농도는 평균 41.76 mg/L로 나타났다. 방류수의 농도는 유입수의 농도가 92.26 mg/L로 가장 높았던 Case 1을 제외한 모든 경우에서 국내 하수처리장 방류수 수질기준에 해당하는 20 mg/L 이하의 수치를 만족함을 확인할 수 있었다. 국내 하수처리장의 유입수 농도와 유사한 Case 3의 경우 인공습지 방류수에서의 TN 농도는 본 연구의 유입수 즉 국내 하수처리장 유입수의 농도와 비슷한 농도를 보였다. 즉 인공습지를 통한 하수 원수의 질소 제거 성능이 현재 하수처리장에서의 효율만큼 가능할 것으로 예측할 수 있다. Fig. 5(b)를 보면 Case 3, 4를 제외한 Case 1, 2에서 국내 하수처리장 유입수 TP 평균 농도인 4.38 mg/L 대비 낮은 유입수 농도를 보임을 확인할 수 있었다. Case 1, 2의 경우 국내 하수처리장 방류수 수질기준 II 지역 (0.3 mg/L 이하)를 충분히 만족함을 확인할 수 있었다. TP의 경우 습지를 구성한 기질의 흡착 성능에 영향을 받기 때문에 인의 유입 농도가 높고, 인공습지의 운영 기간이 길어질수록 여재의 흡착성능이 떨어져 인의 제거 효과가 저감 된 것으로 판단된다(Ge et al., 2019; Zhao et al., 2024). 국내 하수처리장 유입수의 농도보다 높은 농도로 TP가 유입된 사례에서는 TP의 제거율이 낮게 나타났으나, 유입수 농도 대비 낮은 사례에서는 TP가 충분히 제거됨을 확인할 수 있으며, 적절한 여재 선정 및 습지 관리를 기반으로 인공습지를 통한 하수처리장 유입수 처리가 가능하다고 판단된다.
3.3 인공습지 성능 기반 수처리 과정에서의 CO2 배출량 저감 효과 평가
인공습지 운영 결과 및 문헌 조사에서의 질소, 인 제거 효율을 바탕으로 국내 하수처리장 유입수의 인공습지 적용을 통한 기존 수처리 과정에서의 CO2 배출량 저감에 미치는 효과를 파악하고자 하였다. Fig. 6(a)는 1일 하수 처리 용량 500 m3을 기준으로 이상과 미만 규모로 분류했을 때 유입 유량을 나타냈다. Fig. 6(b)는 국내 공공하수처리시설로 구분되는 처리장의 개소수를 1일 하수 처리 용량 500 m3을 기준으로 구분하여 나타냈으며, 1일 하수 처리 용량이 500 m3 이상인 하수처리장 총 724개소에서 공공하수처리장 방류수 수질기준 지역구분에 따른 지역구분 별 하수처리장 개소와 그 비율을 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 알 수 있듯, 국내 하수처리장의 다수가 1일 하수 처리 용량 500 m3 미만에 해당되지만, 하수처리량을 보았을 때, 대부분의 유입수는 1일 하수 처리 용량 500 m3 이상인 하수처리장에서 처리된다. 또한 그래프를 보면 알 수 있듯, IV 지역에 해당하는 하수처리장이 총 281개소로 가장 높은 비율을 차지하고 있다. 본 연구에서 활용된 인공습지 유입수의 경우 III 지역에 해당하는 하수처리장을 활용하였으며, III, IV 지역의 비율이 61.7%로 과반 차지하기 때문에 III 지역의 수질기준에 근거하여 CO2 배출량 저감 성능을 분석하고자 하였다.
Table 5는 2024년 하수도 통계에 근거한 2019년부터 2024년까지의 1일 하수 처리 용량 500 m3 이상인 하수처리장 총 개소, 유입수 및 방류수 유량, 유입수의 처리 과정에서 배출되는 CO2를 정리하였다(MCEE, 2025). 하수처리장의 개소 및 유입수와 방류수의 유량은 해가 지나면서 조금씩 증가하나 수처리 유량 당 CO2 배출량은 2021년 가장 높은 0.241 kg CO2/m3을 나타낸 이후 0.210 kg CO2/m3 내외로 유지되고 있음을 확인할 수 있다. 2024년에 공개된 국가물관리위원회의 물 분야 2050 탄소중립 이행을 위한 로드맵 구축 연구에 따르면, 물 공급 관리, 물 환경 관리, 수자원 관리에 있어서 상하수도시설 전력 소비 및 하ㆍ폐수ㆍ가축 분뇨 처리가 주요 탄소 배출원으로 파악되었다(Presidential Water Commission, 2024). 2018년 기준 하ㆍ폐수ㆍ분뇨 처리로 인한 CO2 배출량은 4.69 백만 ton CO2 eq로 나타났다. 2024년의 배출량에 큰 차이가 없다고 가정했을 때, 하수 처리로 인한 CO2 배출량은 하ㆍ폐수ㆍ분뇨 처리로 인한 전체 CO2의 35.8% 기여하고 있다.
Table 5.
Number of WWTPs by year and CO2 emissions per WWTPs treated flow rate by year
문헌 조사와 본 연구 결과에 기반하여 TN, TP 제거 효율에 따라 방류수 수질기준 III 지역에 부합하는 유입수 첨가량을 산정하여 Table 6에 정리하였다. 문헌 조사 및 본 연구의 제거율 평균값, 본 연구에서의 제거율, 조사된 제거율 중 가장 높은 제거율로 값을 설정한 후, 2024년 하수도 통계에 발표된 유입수 및 방류수 유량을 바탕으로 Eq. (2)를 통해 인공습지 유입수의 유량을 계산하였으며, Eq. (3)을 통해 인공습지 유입수 농도를 산정하였으며, 제거율을 바탕으로 Eq. (1)을 통해 방류수의 농도를 역으로 산정하였다(MCEE, 2025). 수치를 대입해본 결과 TN의 경우 방류수 수질 기준이 20 mg/L로 높아 제거율 변화에 차이 없이 유입수 전부를 방류수 수질기준에 맞춰 방류할 수 있었다. 반면 TP의 경우 수질기준이 TN 대비 엄격 하기 때문에 유입수 첨가량 산정 시 TP를 핵심 요소로 두고 조정하였다. TP의 경우 평균 제거율은 62.9%로 나타났으며, 해당 제거율을 바탕으로 인공습지를 운영했을 때, 최대 25%에 해당하는 유입수를 첨가하여 인공습지를 수질기준에 맞춰 운영할 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서의 평균 제거율은 61.4%로 나타났으며, 최대 24%에 해당하는 유입수를 첨가할 수 있는 것으로 나타났다. 최대 제거율의 경우 100% 제거율을 보인 Case 2를 제외하고 가장 높은 제거율인 Case 1의 82.5%를 기준으로 산정하였다. 그 결과 최대 61%까지 하수처리장 유입수를 첨가할 수 있는 것으로 나타났다. Table 7은 산정된 유입수 첨가 비율에 따른 하수처리장에서의 CO2 배출량 산정 방법과 예시(24%)를 정리하였다. Table 6에서 산정된 인공습지에 첨가될 수 있는 하수 원수의 비율을 토대로, 하수처리장에서 처리해야하는 하수 유입수 유량을 산정하였으며, 해당 유량을 하수처리장에서 정화하는 과정에서 발생되는 연간 CO2 배출량을 산정하였다. Fig. 7는 산정한 CO2 배출량을 도식화하였다. 습지 적용이 없는 하수처리장의 경우 유입수 유량은 21,504,819.5 m3/day이며, 연간 최대 1.89백만 ton의 CO2를 배출하며 최소 1.68백만 ton의 CO2를 배출한다. 인공습지에서 하수처리장 유입수 24%를 함께 처리하는 경우 최대 1.44만 ton, 최소 1.23백만 ton의 CO2를 배출한다. 이 경우 CO2 배출량을 최대 약 0.66백만 ton에서 최소 0.24백만 ton 절감할 수 있다. 하수처리장 유입수 25%가 적용되는 경우 최대 1.42만 ton, 최소 1.26백만 ton의 CO2를 배출한다. 이는 CO2 배출량을 최대 약 0.63백만 ton에서 최소 0.26백만 ton까지 절감할 수 있다. 하수처리장 유입수 61%를 함께 처리하는 경우 최대 약 0.74백만 ton에서 최소 0.66백만 ton의 CO2를 배출하며, 이는 CO2 배출량을 최대 약 1.23백만 ton, 최소 0.94백만 ton까지 저감 할 수 있다. 인공습지를 통한 수처리를 통해 현재 하수 처리를 위해 배출되는 CO2에서 최소 0.24백만 ton에서 최대 1.23백만 ton까지 저감 가능한 것으로 산정된다.
Table 6.
Influent and effluent concentrations and ratio of partial influent treatment via CW according to the removal efficiency of CWs
Table 7.
Method for calculating CO2 emissions from wastewater treatment plants according to ratio of partial influent treatment via CW (%)
4. 결론 및 향후 연구
본 연구에서는 하수처리장 방류수로 운영되는 인공습지에서의 TN, TP에 대한 저감 효과를 파악하고자 하였으며, 인공습지를 통한 하수 처리를 통해서 저감 할 수 있는 CO2 배출량을 산정하였다.
하수처리장 방류수 기반 인공습지 운영 결과, TN의 경우 유입수 농도 평균 4.17 mg/L, 방류수 농도 평균 0.24 mg/L로 94.7%의 제거율을 보였으며, TP의 경우 유입수의 농도 평균 0.23 mg/L, 방류수 농도 평균 0.13 mg/L로 61.4%의 제거율을 보였다. TN의 경우 미생물에 의한 질산화, 탈질 과정 및 식물 흡수, 흡착을 통해 제거되는데, 선행 연구에서도 TN에 대한 높은 제거율을 확인할 수 있었다. TP의 경우 주로 여재를 통한 흡착으로 제거되기 때문에 여재의 종류, 농도 부하 등에 영향을 받아 제거율이 상이하나, 본 연구와 문헌 조사에 따르면 부들을 식재했을 때 높은 제거율을 보였으며, 식생의 성장이 활발한 봄-여름 기간에 높은 제거율을 보이는 것으로 나타났다.
인공습지를 통한 하수 처리에서, 방류수 수질기준을 만족하기 위해선 제거율이 더 낮으며, 기준이 엄격한 TP에 맞춰 하수 첨가량을 산정하였다. 그 결과 2024년 하수도 통계 기준 하수처리장 유입수의 최소 21%에서 최대 61%까지 수질기준에 맞춰 방류할 수 있음을 확인할 수 있었다. 자연적인 하수 처리를 통해 수처리 과정에서의 CO2 배출량은 최소 0.24백만 ton에서 최대 1.23백만ton까지 저감 가능하다.
본 연구에서는 자연적인 하수 처리를 통한 탄소 배출량 저감의 가능성을 시사한다. 본 연구는 하수처리장 방류수를 대상으로 진행되었기 때문에 추후 연구를 통해 유입수 농도별 습지의 효율을 평가하여 실질적으로 국내 하수의 습지 적용 가능성 및 습지의 효율을 판단할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 습지의 처리 유량에 따른 효과 분석을 통해 인공습지에 적용할 수 있는 최대 유량을 산정하는 연구를 수행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 본 연구를 기반으로 물의 수질 관리와 더불어 물 분야에서의 탄소 배출량 저감을 통해 탄소 중립 목표 달성에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
