[논문]침강에 의한 도시 강우 유출수 오염물질 저감 특성 분석

서동일; 김재영

doi:10.4491/ksee.2016.38.4.210

침강에 의한 도시 강우 유출수 오염물질 저감 특성 분석
Reduction of Pollutant Concentrations in Urban Stormwater Runoff by Settling 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.4, 2016년, pp.210 - 218

초록
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대전의 관평천에 설치된 1.8 m 높이의 침강 실험장치를 이용하여 총 4회에 걸쳐 강우 유출수를 채취하여 오염물질제거 효율 및 특성을 측정하였다. 오염물질 농도는 초기 4시간 동안 급격하게 감소하였으며 약 24시간 후 일정한 수준을 나타내는 경향을 보였다. 침전 실험 장치 내에서는 높이 별 농도가 크게 다르지 않은 것으로 관찰되었으며 이는 침전장치 내에서 대부분의 고형물질은 서로 방해하지 않고 독립적으로 침전하기 때문인 것으로 분석된다. 강우 유출수를 대상으로 분석한 입도는 $10{\sim}100{\mu}m$의 범위로 나타났다. 강우 유출수내에서 TP의 경우 입자성 물질이 평균 52.4%, TN의 경우 23.5%의 비율로 나타났으며 TN의 경우 침강에 의해 효율적으로 제거되기 어렵다는 것을 확인하여 주고 있다. 본 연구의 결과는 초기 강우 유출수에 포함되어 있는 TSS와 TP와 같은 오염물질이 단순한 침강에 의해 효과적으로의 제거될 수 있다는 것을 나타내고 있으며 하천수질을 보호하는데 적극적으로 활용될 수 있음을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The pollutant removal efficiencies of stormwater runoff by settling were analyzed using field samples collected in 4 different raining events in a test bed installed in the Gwanpyung-Cheon stream in Daejeon. A 1.8 m high with 30 cm diameter cylindrical settling device was used for the settling test by measuring concentration of TSS, TP and TN for time and height. The pollutants removal rate was relatively high in the first 4 hours while 24 hours seem to be necessary to reach steady state in pollutant concentrations. However, there were no considerable differences in concentrations for height at a given time. This indicates most of particulate pollutant in the test seems to show independent settling with no interference to each other. Much part of particle sizes were distributed in the range of $10{\sim}100{\mu}m$. Average particulate fractions of TP and TN were estimated as 52.4% and 23.5%, respectively. This results explain why TN is difficult to remove by simple settling. This study indicates that a simple settling can provide effective method to remove significant amount of TSS and TP effectively and this can be used to protect urban river water quality.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 본 연구진이 개발하고 있는 자연형 수질정화처리장치^15,16)의 침전조를 설계 및 운영하는 데 있어서 침강에 의한 오염물질 제거효과를 분석하기 위해 수행되었다. 본 논문에서는 자동 모니터링 및 채수 장치를 활용하여 강우시 시료를 채취하고 침강 장치를 이용한 총부유 물질(Total Suspended Solid, TSS) 제거효율 및 이에 따른 총질소(Total Nitrogen, TN)와 총인(Total Phosphorus, P) 농도의 저감 효과를 산정하기 위해 수행되었다. 본 연구의 결과는 도시지역의 강우에 의한 오염물질 하천 유입을 제어하기 위한 시설을 설계 및 운영함에 있어 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
¹⁴⁾ 따라서 하천에 유입되는 비점오염원에 의한 부하량을 효과적으로 제어하기 위한 실제로 시행 가능한 합리적인 방법이 개발되는 것이 바람직하며 특히 우리나라의 현실에 적절한 것이 매우 중요하다. 본 연구는 본 연구진이 개발하고 있는 자연형 수질정화처리장치^15,16)의 침전조를 설계 및 운영하는 데 있어서 침강에 의한 오염물질 제거효과를 분석하기 위해 수행되었다. 본 논문에서는 자동 모니터링 및 채수 장치를 활용하여 강우시 시료를 채취하고 침강 장치를 이용한 총부유 물질(Total Suspended Solid, TSS) 제거효율 및 이에 따른 총질소(Total Nitrogen, TN)와 총인(Total Phosphorus, P) 농도의 저감 효과를 산정하기 위해 수행되었다.
본 연구에서는 강우에 의한 비점오염물질 제어하는 장치를 개발하는 데 있어서 단순한 침강을 통해 제거 가능한 TSS, TN과 TP의 비율 및 제거 특성을 분석하였다. 대전의 관평천의 분류식 유역의 우수거 말단에서 강우시 유출수를 채수하여 실시하였다.

가설 설정

이 계산을 위해서 침전지의 수심은 1.5 m로 가정하였으며 동점성계수(kinematic viscosity)는 Crites and Tchobanoglous21)가 사용한 바 있는 1.014 × 10-6 m2/sec를 사용하였다.

제안 방법

각 경우의 강우시 시료는 강우시 연구 대상 지역의 우수관거 유출구에서 정량 펌프를 사용하여 1시간 간격으로 3회 채수되었으며 총 12회 실험이 수행되었다.
높이에 따라 15 cm 간격으로 총 12곳에서 채수가 가능하도록 하였으며 본 연구의 1, 2차 실험에서는 하단에서부터 30 cm 간격으로 6개의 포트를 사용하였고, 3, 4차 실험에서는 45 cm 간격으로 4개의 포트를 사용하였다.
대전의 관평천의 분류식 유역의 우수거 말단에서 강우시 유출수를 채수하여 실시하였다. 매 강우시 시료는 1시간 간격으로 3회 채수되었으며 1.8 m 높이의 침전 실험 장치를 이용하여 시간 및 높이에 따른 TSS, TP, TN 농도를 측정하였다.
이와 같은 가정을 확인하기 위해 본 연구의 시료를 대상으로 TP 및 TN 중 고형성분과 용존성분의 비율을 분석하기 위해 강우시 채취한 시료와 1.2 μm 유리 섬유 필터를 이용하여 얻은 여액에 대해 각각 TN과 TP를 재차 분석하였다.

대상 데이터

2015년 7월부터 11월 사이 강우량 10 mm 이상인 경우의 강우에 대해 총 4회 실험이 수행되었다. 각 경우의 강우시 시료는 강우시 연구 대상 지역의 우수관거 유출구에서 정량 펌프를 사용하여 1시간 간격으로 3회 채수되었으며 총 12회 실험이 수행되었다.
본 연구에서는 강우에 의한 비점오염물질 제어하는 장치를 개발하는 데 있어서 단순한 침강을 통해 제거 가능한 TSS, TN과 TP의 비율 및 제거 특성을 분석하였다. 대전의 관평천의 분류식 유역의 우수거 말단에서 강우시 유출수를 채수하여 실시하였다. 매 강우시 시료는 1시간 간격으로 3회 채수되었으며 1.
관평동 일대는 2005년 경 조성된 주거 및 상업지역에 해당하며 지역에 대한 자세한 설명은 Seo and Fang의 논문¹⁷⁾에 수록된 바와 같다. 본 연구진은 Fig. 1에 나타난 바와 같이 2009년부터 관평동의 수변공원에 설치된 유수지 입구 우수거에 빗물 자동 모니터링 시스템을 설치하여 운영해 오고 있으며 추가적인 실험이 가능하도록 2015년 하절기에 위 모니터링 시스템을 전면 확대 개편한 바 있다.^16~18)
2와 같은 실험 장치를 제작하였다. 침전 실험 장치의 총 높이는 180 cm이며 직경은 30 cm이다. 높이에 따라 15 cm 간격으로 총 12곳에서 채수가 가능하도록 하였으며 본 연구의 1, 2차 실험에서는 하단에서부터 30 cm 간격으로 6개의 포트를 사용하였고, 3, 4차 실험에서는 45 cm 간격으로 4개의 포트를 사용하였다.

성능/효과

1) 경우에 따라서는 유역 내 빗물의 이동 경로 및 배수 속도가 변화함에 따라 침수 등의 재해를 유발할 수 있으며 장기적으로는 지하수위의 저하 등의 문제, 그에 따른 하천 건천화 문제 그리고 하천 생태계의 파괴 등이 발생할 수 있다.²⁾ 도시 유역에서 빗물로 인한 침수피해를 감소하기 위해 설치하는 우수관거는 유역에서 발생한 침식에 의한 토사 또는 고형 폐기물 등의 오염물질의 하천 유출을 오히려 쉽게 만드는 결과를 초래하여 오염물질의 유달율을 증가시키는 역할을 하기도 한다.
1) 실험 장치내의 TSS, TP 및 TN을 포함한 오염 물질 농도는 침강 실험 시작 약 4시간까지 급격히 감소하였다가 이후 일정해 지는 것으로 나타났다. 강우의 특성에 따라 채취된 시료별로 오염물질의 최고 농도 발생시간이 약간씩 차이가 있었으나 4번의 실험 중 3번의 경우 최초로 채취된 시료의 오염물질 농도가 가장 높은 경향을 나타내었다.
2) 침전 실험 장치 내에서는 높이 별 농도가 크게 다르지 않은 것이 관찰되었으며 이는 침전장치 내에서 대부분의 고형물질은 서로 방해하지 않고 독립적으로 침전하기 때문인 것으로 분석된다. 이러한 관찰 결과는 실제 침전 장치의 설계시 높이 또는 수심이 오염물질 제거 효과에 미치는 영향이 크지 않다는 것을 의미한다고 볼 수도 있다.
²⁾ 도시 유역에서 빗물로 인한 침수피해를 감소하기 위해 설치하는 우수관거는 유역에서 발생한 침식에 의한 토사 또는 고형 폐기물 등의 오염물질의 하천 유출을 오히려 쉽게 만드는 결과를 초래하여 오염물질의 유달율을 증가시키는 역할을 하기도 한다.³⁾ 강우 초기에 유역 표면을 청소하듯 발생하는 표면세척효과 (First Flush Effect)는 하천에 도달하는 오염 부하의 상당 부분을 차지한다.⁴⁾ 이렇게 유입된 오염물질들은 소하천에서 중규모 하천으로 흘러가고 점차로 더욱 큰 규모의 하천으로 이동하여 결국 4대강의 수질 문제를 유발하는 원인을 제공할 수 있다.
3) 침전장치 내에서 부유물질의 침전 유형을 파악하기 위해 도해법을 사용하여 분석하였을 경우에도 침전 속도가 큰 농도가 대부분을 차지하며 이는 침전을 간섭하는 요소가 없는 것으로 여겨지며 따라서 독립적으로 침전하는 현상이 주로 나타나는 것을 재차 확인해 주는 결과이다.
4) 4번째 강우 유출수를 대상으로 분석한 입도는 10~100μm의 범위로 나타났다.
4) 강우 유출수내에서 TP의 경우 입자성 물질이 평균 52.4%, TN의 경우 23.5%의 비율로 나타났다. 입자성 비율은 시간이 흐를수록 감소되는 경향을 나타내었으며 TN의 경우 침강에 의해 효율적으로 제거되기 어렵다는 것을 확인하여 주고 있다.
³⁾ 강우 초기에 유역 표면을 청소하듯 발생하는 표면세척효과 (First Flush Effect)는 하천에 도달하는 오염 부하의 상당 부분을 차지한다.⁴⁾ 이렇게 유입된 오염물질들은 소하천에서 중규모 하천으로 흘러가고 점차로 더욱 큰 규모의 하천으로 이동하여 결국 4대강의 수질 문제를 유발하는 원인을 제공할 수 있다. 따라서 대하천의 수질을 합리적으로 관리하기 위해선 유입하천의 수질관리가 중요하며 가장 근본적으로는 소하천이 포함되어 있는 소유역의 관리가 중요하다.
5) 본 연구의 결과는 간단한 침전에 의해 TSS, TP 및 TN 을 포함하는 강우 유출수의 오염물질이 효과적으로의 제거될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 향후 침전장치에서 축적되는 슬러지의 양적 질적 특성 및 제거 방법에 대해 후속 연구가 진행될 필요가 있다.
이는 강우 초기에 발생한 강우 유출수에서 입자성 물질의 비율이 높다는 것을 의미한다. TP의 경우 입자성 물질이 각각 평균 46.8%, 57.9%이고, TN의 경우 각각 24.2%, 22.8%로 나타났다. 특히, TN의 경우 초기 강우 유출수에 입자성 물질의 비율이 높고 이후 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.
1) 실험 장치내의 TSS, TP 및 TN을 포함한 오염 물질 농도는 침강 실험 시작 약 4시간까지 급격히 감소하였다가 이후 일정해 지는 것으로 나타났다. 강우의 특성에 따라 채취된 시료별로 오염물질의 최고 농도 발생시간이 약간씩 차이가 있었으나 4번의 실험 중 3번의 경우 최초로 채취된 시료의 오염물질 농도가 가장 높은 경향을 나타내었다.
특히, TN의 경우 초기 강우 유출수에 입자성 물질의 비율이 높고 이후 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 초기 강우 유출수의 TN은 입자의 크기가 상대적으로 큰 초기 강우시에만 침강으로 제거가 가능하다는 것을 알 수 있다.
6은 각 경우에 채취된 시료 중 가장 높은 농도를 나타내는 침강실험 장치 내에서(두 번째 시료인 (b)의 경우를 제외하고 모두 첫 번째 실험장치) 높이별 TSS 제거율이 큰 차이가 없다는 것을 재차 확인해 주고 있다. 따라서 침강장치의 오염물질 제거 효율은 실험에 사용한 1.8 m의 범위에서는 높이에 큰 상관이 없는 것으로 나타났으며 시간에 따라서만 제거 효율이 증가하는 특성을 보여 주고 있다.
5%의 비율로 나타났다. 입자성 비율은 시간이 흐를수록 감소되는 경향을 나타내었으며 TN의 경우 침강에 의해 효율적으로 제거되기 어렵다는 것을 확인하여 주고 있다.
여기서 특기할 만한 것은 4회의 실험 중에서 시간별로 채취한 오염물질의 농도 특성이 서로 다르다는 것이다. 즉 7월, 10월 및 11월에 채취한 시료는 최초로 채취한 시료의 오염 물질 농도가 가장 높은 반면, Table 1에 나타나 바와 같이 장시간 동안 강우가 지속되어 순간 및 평균 강우 강도가 작은 편인 8월의 경우에는 두 번째 채취한 시료의 오염물질 농도가 가장 높은 것으로 나타났다. Fig.

후속연구

향후 침전장치에서 축적되는 슬러지의 양적 질적 특성 및 제거 방법에 대해 후속 연구가 진행될 필요가 있다. 본 연구는 유수지 부지를 확보하지 못하는 지역에 대해 둔치의 지하에 설치하는 것을 제안하고 있으나 유수지를 이용하여 설치할 경우에도 충분히 효과를 나타낼 수 있을 것으로 추정된다.
본 논문에서는 자동 모니터링 및 채수 장치를 활용하여 강우시 시료를 채취하고 침강 장치를 이용한 총부유 물질(Total Suspended Solid, TSS) 제거효율 및 이에 따른 총질소(Total Nitrogen, TN)와 총인(Total Phosphorus, P) 농도의 저감 효과를 산정하기 위해 수행되었다. 본 연구의 결과는 도시지역의 강우에 의한 오염물질 하천 유입을 제어하기 위한 시설을 설계 및 운영함에 있어 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
5) 본 연구의 결과는 간단한 침전에 의해 TSS, TP 및 TN 을 포함하는 강우 유출수의 오염물질이 효과적으로의 제거될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 향후 침전장치에서 축적되는 슬러지의 양적 질적 특성 및 제거 방법에 대해 후속 연구가 진행될 필요가 있다. 본 연구는 유수지 부지를 확보하지 못하는 지역에 대해 둔치의 지하에 설치하는 것을 제안하고 있으나 유수지를 이용하여 설치할 경우에도 충분히 효과를 나타낼 수 있을 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우수관거 설치의 부작용은 무엇인가?	1) 경우에 따라서는 유역 내 빗물의 이동 경로 및 배수 속도가 변화함에 따라 침수 등의 재해를 유발할 수 있으며 장기적으로는 지하수위의 저하 등의 문제, 그에 따른 하천 건천화 문제 그리고 하천 생태계의 파괴 등이 발생할 수 있다.2) 도시 유역에서 빗물로 인한 침수피해를 감소하기 위해 설치하는 우수관거는 유역에서 발생한 침식에 의한 토사 또는 고형 폐기물 등의 오염물질의 하천 유출을 오히려 쉽게 만드는 결과를 초래하여 오염물질의 유달율을 증가시키는 역할을 하기도 한다.3) 강우 초기에 유역 표면을 청소하듯 발생하는 표면세척효과 (First Flush Effect)는 하천에 도달하는 오염 부하의 상당 부분을 차지한다.
	유역 내 빗물의 이동 경로 및 배수 속도가 변화할 경우, 발생하는 문제는 무엇인가?	도시유역에서는 주민 등의 생활과 활동에 필요한 도로와 건물들의 증가로 인해 표면에 도달한 빗물이 자연적으로 토양으로 스며들지 못하여 빠른 속도로 하천으로 이동하면서 도시표면에 축적된 오염물질 또한 이동시키면서 도시 하천의 건전성에 많은 문제점을 야기하고 있다.1) 경우에 따라서는 유역 내 빗물의 이동 경로 및 배수 속도가 변화함에 따라 침수 등의 재해를 유발할 수 있으며 장기적으로는 지하수위의 저하 등의 문제, 그에 따른 하천 건천화 문제 그리고 하천 생태계의 파괴 등이 발생할 수 있다.2) 도시 유역에서 빗물로 인한 침수피해를 감소하기 위해 설치하는 우수관거는 유역에서 발생한 침식에 의한 토사 또는 고형 폐기물 등의 오염물질의 하천 유출을 오히려 쉽게 만드는 결과를 초래하여 오염물질의 유달율을 증가시키는 역할을 하기도 한다.
	4대강과 같은 대하천의 수질을 관리하기 위해, 중요한 것은 무엇인가?	4) 이렇게 유입된 오염물질들은 소하천에서 중규모 하천으로 흘러가고 점차로 더욱 큰 규모의 하천으로 이동하여 결국 4대강의 수질 문제를 유발하는 원인을 제공할 수 있다. 따라서 대하천의 수질을 합리적으로 관리하기 위해선 유입하천의 수질관리가 중요하며 가장 근본적으로는 소하천이 포함되어 있는 소유역의 관리가 중요하다.5) Lee and Seo6)는 대전 갑천의 경우 유기물의 오염부하중 비점오염원의 비중이 50% 전후로 진단하고 이에 대한 적극적 관리가 필요하다는 것을 보고한 바 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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