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문제 정의
- 강우시 발생하는 CSOs와 SSOs의 강우유출수는 유출구조가 상이하기 때문에 비점오염물질 유출특성에도 영향을 미친다. 따라서, 본 연구에서는 경기도 남양주시에 위치한 합류식하수관거지역과 분류식하수관거지역을 선정하여 CSO와 SSO의 비점오염물질 유출특성을 비교･분석함으로써 유출특성을 분석하고, CSO와 SSO의 비점오염원 저감대책 수립시 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 2016년 5번의 강우사상을 대상으로 경기도 남양주시에 위치한 분류식 우수관거 유출수와 합류식 하수관거 월류수의 유출량 및 비점오염유출 특성을 비교하였다.
제안 방법
- 강우사상별 측정된 유량자료를 이용하여 총 유출량 및 유효우량을 비교･분석하였으며, 수질측정자료를 이용하여 유량가중평균농도(Event mean concentrion; EMC)와 단위면적당 부하량을 비교･분석하였다. 유량가중평균농도와 단위면적당 부하량은 각각 식 (1)과 식 (2)에 의해 산정하였다.
- 강우시 유량측정과 시료채취는 ‘강우유출수 조사방법’ (NIER, 2012)에 따라 유출시작 시점으로부터 2시간까지는 15분 간격, 2시간 이후부터는 1시간 간격, 유출지속시간이 6시간을 초과하는 경우에는 조사간격을 임의로 조정하여 실시하였으며, 최소 10개 이상의 시료를 채취하였다.
- 또한, 누적오염부하량과 누적유출량과의 그래프를 비교하여 초기세척효과를 분석하였으며, 비점오염부하량의 50%에 해당되는 유출량 비율을 산정하였다.
- 합류식하수처리구역과 분류식하수처리구역 말단의 유출관거에서 강우에 의해 발생하는 유출량과 수질농도를 모니터링 수행하였다. 2016년 5월에서 10월까지 총 5회에 걸쳐서 수행되었다(Table 2).
대상 데이터
- 합류식하수처리구역과 분류식하수처리구역 말단의 유출관거에서 강우에 의해 발생하는 유출량과 수질농도를 모니터링 수행하였다. 2016년 5월에서 10월까지 총 5회에 걸쳐서 수행되었다(Table 2). 강우량은 14.
- 1). 대상지역은 아파트가 밀집되어 있는 전형적인 고밀도 주거지역으로, 합류식하수처리구역과 분류식하수처리구역의 배수면적은 각각 63.51 km2과 5.98 km2이며, 하수관거의 길이는 각각 14.76 km와 1.81 km인 것으로 나타났다. 합류식 하수처리구역은 공공하수처리장으로 생활하수를 차집하여처리하기 때문에 상대적으로 배구수역이 크고 하수관거의 길이가 길며, 분류식하수처리구역은 강우유출수를 수계로 직접방류하기 때문에 배수구역이 상대적으로 작고 하수관거의 길이가 짧은 것으로 나타났다.
- 연구대상지역은 경기도 남양주시에 위치한 합류식하수처리구역과 분류식하수처리구역을 각각 선정하였다(Fig. 1). 대상지역은 아파트가 밀집되어 있는 전형적인 고밀도 주거지역으로, 합류식하수처리구역과 분류식하수처리구역의 배수면적은 각각 63.
이론/모형
- 강우시 유량측정과 시료채취는 ‘강우유출수 조사방법’ (NIER, 2012)에 따라 유출시작 시점으로부터 2시간까지는 15분 간격, 2시간 이후부터는 1시간 간격, 유출지속시간이 6시간을 초과하는 경우에는 조사간격을 임의로 조정하여 실시하였으며, 최소 10개 이상의 시료를 채취하였다. 전기전도도와 탁도는 현장에서 즉시 측정하였으며, BOD5, CODMn, TOC, SS, TN, TP 등 6개 수질항목을 수질오염공정시험기준(환경부, 2007)에 준하여 분석하였다.
성능/효과
- COD의 경우 국내 분석방법(CODMn)과 국외 분석방법(CODCr)이 상이하므로 비교･분석에서 제외시켰다. 국외 자료와 비교하여 합류식 하수관거 월류수의 경우 TN, TP, SS가 국외에서 축적된 유출수의 중간값보다 높은 농도를 나타내었으며, 분류식 우수관거 월류수의 경우, TN과 TP의 값이 높은 경향을 나타내었다.
- 5 mg/L인 것으로 나타났다. 국외자료와 비교한 결과 TN과 TP 항목에 있어서 합류식과 분류식 모두 본 연구에서 측정된 농도가 높게 나타났다. 이는 하수처리구역에서의 하수관 혹은 우수관에서 유출되는 비점오염물질은 수체의 부영양화에 취약한 것으로 판단된다.
- 에 대한 적절한 처리가 이루어져야 한다. 둘째, 도시에서의 비점오염물질 특성인 다량의 중금속 물질이 도로 노면에 입자성 물질로 존재하는 것을 감안할 때 관으로 유입되기 이전에 비점오염물질 발생을 저감시킬 수 있는 저영향개발기법이나 주기적인 도로에서의 진공흡입에 의한 청소가 이루어져야 한다. 마지막으로 현재 상수원 보호구역에서 도로뿐만 아니라 분류식 우수관거 유출수의 적절한 처리가 이루어져야 할 것이다.
- 합류식 하수관로는 시간최대계획오수량(1Qh)의 3배(3Qh)에 해당하는 용량을 이송처리할 수 있도록 용량을 설계하기 때문에 2Qh에 해당하는 강우유출수를 공공하수처리장으로 이송·처리한다. 따라서 설계대로 정상 운영한다면 합류식 하수관로 유출률이 분류식 우수관로 유출률보다 작아야 하지만 본 연구결과에서는 반대의 결과를 나타내었다. 이는 강우시 합류식하수관거에서 공공하수처리시설로 유입되는 3Qh를 차집하여 처리해야 하나, 대부분 시간최대계획오수량(1Qh)을 수문조작 등으로 하수유입을 사전에 차단·조절하기 때문이다(MOE, 2014).
- 이는 겨울철 토지와 우수/하수관에 축적된 오염물질이 봄철 여러 강우에 의해 지속적으로 유출되는 여름철 큰 강우에 의해 쓸려 나갔기 때문으로 판단된다. 따라서, 초기세척효과는 선행강우일수뿐만 아니라 계절적인 영향도 있는 것으로 나타났다. 그러나, 계절적인 영향은 장기적인 모니터링이 수행되어야 명확한 결론을 내릴 수 있을 것으로 판단된다.
- (2005)은 전세계에서 측정된 분류식 우수관거 유출수와 합류식 하수관거 월류수의 물수지 및 물질수지를 분석한 결과 유기물질 및 영양물질 관련 수질항목의 유량가중 평균농도 측면에서는 합류식 하수관거 월류수의 농도가 높은 것으로 나타났으나, 강우시 시간최대계획오수량(1Qh)의 2배에 해당하는 강우유출수를 공공하수처리장에서 처리하기 때문에 합류식 하수관거 월류수의 유출량이 분류식 우수관거 유출량보다 적으며 이 때문에 비점오염물질 부하량 또한 적게 나타났다. 또한, 유출량 분석결과 합류식 하수관거 월류수의 경우 강우시 2Qh를 공공하수처리장으로 이송하여 처리하지 못한 채 수체로 월류하는 것으로 분석되었다. 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도 뿐만 아니라 단위면적당 부하량 또한 분류식하수과거 유출수보다 높은 것으로 나타났으며, BOD, COD,TP 항목에 있어서 초기세척효과도 뚜렷하게 나타났다.
- 본 연구에서는 합류식 하수관거 월류수의 비점오염물질 부하량이 분류식 우수관거 유출수의 비점오염물질 부하량보다 크게 나타났다. 이는 국외의 연구결과와 상반대는 결과를 나타내었는데 이는 두 처리구역에서의 물수지의 차이가 원인이다.
- 유기오염물질인 BOD와 CODMn의 경우, 합류식 하수관거 월류수가 분류식 우수관거 유출수보다 초기세척효과가 뚜렷한 것으로 나타났으며, SS와 TOC, TN와 같은 부유물질과 영양물질에서는 분류식 우수관거 유출수에서 상대적으로 뚜렷한 초기세척효과가 나타났다. 분류식 우수관거 월류수의 T-P는 봄철 강우인 E1과 E2에서 뚜렷한 초기세척 효과를 나타낸 반면 여름이후의 강우인 E4와 E5에서 상대적으로 초기세척효과가 뚜렷하지 못했으며, 특히 E5는 선행강우일수가 가장 킨 강우사상임에도 불구하고 초기세척 효과가 상대적으로 약하게 나타났다. 이는 겨울철 토지와 우수/하수관에 축적된 오염물질이 봄철 여러 강우에 의해 지속적으로 유출되는 여름철 큰 강우에 의해 쓸려 나갔기 때문으로 판단된다.
- 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도 뿐만 아니라 단위면적당 부하량 또한 분류식하수과거 유출수보다 높은 것으로 나타났으며, BOD, COD,TP 항목에 있어서 초기세척효과도 뚜렷하게 나타났다. 분류식 하수관거 유출수의 경우 비록 유량가중평균농도와 단위면적당 부하량 측면에서 합류식 하수관거 월류수보다 낮게 나타났으나, 국외 측정자료와 비교한 결과 TN과 TP에서 상대적으로 높은 농도를 나타내었다. 이러한 현상은 합류식 하수관거 월류수에서도 동일한 결과를 나타내었다.
- 분류식 우수관거 유출수와 합류식 하수관거 월류수의 유량 가중평균농도 비교는 Table 4와 같다. 분석결과와 같이 대부분의 수질항목에 있어서 합류식 하수관거 월류수가 분류식우수관거 월류수보다 높은 농도의 값을 나타내었다. 그러나 E3의 결과에서 TN과 TP 항목에서 분류식 우수관거 월류수에서 높은 결과가 나타났는데, 이는 조사당시 선행무강우일 수가 0.
- 이는 합류식 하수관거관 시간최대계획오수량(1Qh)의 3배(3Qh)에 해당하는 용량으로 설계되어 강우시 2Qh에 해당하는 강우유출수가 공공하수처리장으로 이송되어 처리되지 못하고 토구에서 월류되는 것으로 판단되었다. 비점오염물질 유출특성을 비교한 결과 유량가중평균농도와 단위면적당 부하량 모두 합류식 하수관거 월류수에서 높게 나타났다. 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도는 BOD 15.
- 유기오염물질인 BOD와 CODMn의 경우, 합류식 하수관거 월류수가 분류식 우수관거 유출수보다 초기세척효과가 뚜렷한 것으로 나타났으며, SS와 TOC, TN와 같은 부유물질과 영양물질에서는 분류식 우수관거 유출수에서 상대적으로 뚜렷한 초기세척효과가 나타났다. 분류식 우수관거 월류수의 T-P는 봄철 강우인 E1과 E2에서 뚜렷한 초기세척 효과를 나타낸 반면 여름이후의 강우인 E4와 E5에서 상대적으로 초기세척효과가 뚜렷하지 못했으며, 특히 E5는 선행강우일수가 가장 킨 강우사상임에도 불구하고 초기세척 효과가 상대적으로 약하게 나타났다.
- 강우사상에 따른 분류식 우수관로 유출수와 합류식 하수관로 월류수의 유출특성은 Table 3과 같다. 유출율은 강우량에 직접적인 영향을 받는 것으로 나타나 강우량이 많을수록 유출율이 높은 것으로 나타났다. 이는 유역 내 불투수층에서 발생하는 유출수가 강우량에 비례하여 발생하기 때문으로 보여진다.
- 유출특성을 분석한 결과, 합류식 하수관거 월류수의 유출률이 분류식 우수관거 유출율보다 높게 나타났다. 이는 합류식 하수관거관 시간최대계획오수량(1Qh)의 3배(3Qh)에 해당하는 용량으로 설계되어 강우시 2Qh에 해당하는 강우유출수가 공공하수처리장으로 이송되어 처리되지 못하고 토구에서 월류되는 것으로 판단되었다.
- 이는 하수처리구역에서의 하수관 혹은 우수관에서 유출되는 비점오염물질은 수체의 부영양화에 취약한 것으로 판단된다. 초기세척효과를 분석한 결과 BOD와 COD항목에서는 합류식 하수관거 월류수에서, SS와 TOC, TN 항목에서는 분류식 우수관거 월류수에서 상대적으로 뚜렷한 초기세척 효과를 나타내었다. 특히 분류식 우수관거 월류수의 초기세척효과는 선행무강우일수뿐만 아니라 계절적인 영향도 있는 것으로 나타났다.
- 분류식 우수관거 유출수와 합류식 하수관거 월류수의 단위면적당 비점오염부하 특성비교는 Table 6과 같다. 측정된 모든 수질항목에 있어서 합류식 하수관거 월류수가 분류식우수관거 월류수보다 높은 오염부하를 나타내었다. BOD5,CODMn, TOC와 같은 유기물질과 TP의 경우 3.
- 초기세척효과를 분석한 결과 BOD와 COD항목에서는 합류식 하수관거 월류수에서, SS와 TOC, TN 항목에서는 분류식 우수관거 월류수에서 상대적으로 뚜렷한 초기세척 효과를 나타내었다. 특히 분류식 우수관거 월류수의 초기세척효과는 선행무강우일수뿐만 아니라 계절적인 영향도 있는 것으로 나타났다. 이는 겨울철 다량의 오염물질이 축적된 후 봄철 강우에 유출되었기 때문으로 판단된다.
- 연구대상지역의 불투수 면과 투수면의 면적 비율은 Table 1과 같다. 합류식 처리구역의 경우 불투수면과 투수면이 차지하는 비율이 각각 65%와 35%로 나타났으며, 분류식 처리구역의 경우 각각 60%와 40%로 나타났다.
- 합류식 하수관거 월류수의 경우 BOD, COD, TP의 수질항목에 있어서 분류식 우수관거 유출수보다 비점오염물질의 50%를 보다 빨리 유추시켰으며, 분류식 우수관거 유출수의 경우 TOC, SS, TN 항목에서 합류식 하수관거월류수보다 부하량의 50%를 보다 빨리 유출시켰다. 합류식 하수관거 월류수는 COD 항목에서, 분류식 우수관거 유출수는 SS 항목에서 가장 뚜렷한 초기세척효과를 나타내었다.
- 하수관거별 전체 오염부하 중 50%의 오염부하량을 유출시키는데 필요한 유출량의 비율을 산정한 결과는 Table 7과 같다. 합류식 하수관거 월류수의 경우 BOD, COD, TP의 수질항목에 있어서 분류식 우수관거 유출수보다 비점오염물질의 50%를 보다 빨리 유추시켰으며, 분류식 우수관거 유출수의 경우 TOC, SS, TN 항목에서 합류식 하수관거월류수보다 부하량의 50%를 보다 빨리 유출시켰다. 합류식 하수관거 월류수는 COD 항목에서, 분류식 우수관거 유출수는 SS 항목에서 가장 뚜렷한 초기세척효과를 나타내었다.
- 또한, 유출량 분석결과 합류식 하수관거 월류수의 경우 강우시 2Qh를 공공하수처리장으로 이송하여 처리하지 못한 채 수체로 월류하는 것으로 분석되었다. 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도 뿐만 아니라 단위면적당 부하량 또한 분류식하수과거 유출수보다 높은 것으로 나타났으며, BOD, COD,TP 항목에 있어서 초기세척효과도 뚜렷하게 나타났다. 분류식 하수관거 유출수의 경우 비록 유량가중평균농도와 단위면적당 부하량 측면에서 합류식 하수관거 월류수보다 낮게 나타났으나, 국외 측정자료와 비교한 결과 TN과 TP에서 상대적으로 높은 농도를 나타내었다.
- 17 day로 조사시기 전 강우가 발생하여 오염물질의 일부가 이미 배출되었기 때문으로 보여진다. 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도는 BOD 15.9 mg/L, COD 22.4 mg/L, TN 44.223 mg/L, TP 1.571 mg/L, SS 775.5mg/L, TOC 30.5 mg/L로 나타났으며, 분류식 우수관거 월류수는 BOD 7.1 mg/L, COD 9.8 mg/L, TN 8.702 mg/L, TP0.511 mg/L, SS 135.2 mg/L, TOC 18.5 mg/L인 것으로 나타났다.
- 17 day로 조사시기 전 강우가 발생하여 오염물질의 일부가 이미 배출되었기 때문으로 보여진다. 합류식 하수관거 월류수의 유량가중평균농도는 BOD 15.9 mg/L, COD 22.4 mg/L, TN 44.223 mg/L, TP 1.571 mg/L, SS 775.5mg/L, TOC 30.5 mg/L로 나타났으며, 분류식 우수관거 월류수는 BOD 7.1 mg/L, COD 9.8 mg/L, TN 8.702 mg/L, TP0.511 mg/L, SS 135.2 mg/L, TOC 18.5 mg/L인 것으로 나타났다.
- 특히, 큰 강우가 발생한 E4의 경우에는 강우량보다 많은 유효우량을 나타내었으며, 이는 강우시 강우유출수와 함께 생활오수가 발생하였기 때문으로 보여진다. 합류식 하수관로 월류수는 분류식 우수관로 유출수보다 높은 유출량과 유출률을 나타내었다(Fig. 2). 합류식 하수관로는 시간최대계획오수량(1Qh)의 3배(3Qh)에 해당하는 용량을 이송처리할 수 있도록 용량을 설계하기 때문에 2Qh에 해당하는 강우유출수를 공공하수처리장으로 이송·처리한다.
- 81 km인 것으로 나타났다. 합류식 하수처리구역은 공공하수처리장으로 생활하수를 차집하여처리하기 때문에 상대적으로 배구수역이 크고 하수관거의 길이가 길며, 분류식하수처리구역은 강우유출수를 수계로 직접방류하기 때문에 배수구역이 상대적으로 작고 하수관거의 길이가 짧은 것으로 나타났다. 연구대상지역의 불투수 면과 투수면의 면적 비율은 Table 1과 같다.
후속연구
- 본 연구는 하나의 연구대상지역에서 유기물질과 영양물질, 부유물질을 분석한 결과로 제한되어 있어 연구 결과의 한계점을 가지고 있다. 도시지역의 비점오염물질 특성상 중금속 등이 주요한 오염물질이므로 추후 다양한 지점을 연구대상으로하여 중금속 등에 대한 모니터링이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
- 를 하천으로 직접 방류시키지 않고 공공하수처리장으로 이송하여 처리하거나 월류된 강우유출수를 간이공공하수처리장으로 이송하여 처리하도록 해야 할 것이다. 둘째, 유역에서의 강우유출수 발생을 저감시킬 수 있는 저영향개발기법 등을 적용하거나,도로에서의 주기적인 건식흡입 청소를 통한 비점오염물질 발생을 억제해야 할 것이다. 마지막으로 분류식 우수관거 유출수의 경우 중금속 등이 중요한 오염물질인 것을 감안해 볼 때, 식수원으로 이용되는 상수원보호구역내에서 도로의 유출수 뿐만 아니라 분류식 우수관거 유출수를 비점오염저감시설 등을 통한 추가적인 처리가 필요할 것이다.
- 둘째, 유역에서의 강우유출수 발생을 저감시킬 수 있는 저영향개발기법 등을 적용하거나,도로에서의 주기적인 건식흡입 청소를 통한 비점오염물질 발생을 억제해야 할 것이다. 마지막으로 분류식 우수관거 유출수의 경우 중금속 등이 중요한 오염물질인 것을 감안해 볼 때, 식수원으로 이용되는 상수원보호구역내에서 도로의 유출수 뿐만 아니라 분류식 우수관거 유출수를 비점오염저감시설 등을 통한 추가적인 처리가 필요할 것이다.
- 둘째, 도시에서의 비점오염물질 특성인 다량의 중금속 물질이 도로 노면에 입자성 물질로 존재하는 것을 감안할 때 관으로 유입되기 이전에 비점오염물질 발생을 저감시킬 수 있는 저영향개발기법이나 주기적인 도로에서의 진공흡입에 의한 청소가 이루어져야 한다. 마지막으로 현재 상수원 보호구역에서 도로뿐만 아니라 분류식 우수관거 유출수의 적절한 처리가 이루어져야 할 것이다.
- 본 연구는 하나의 연구대상지역에서 유기물질과 영양물질, 부유물질을 분석한 결과로 제한되어 있어 연구 결과의 한계점을 가지고 있다. 도시지역의 비점오염물질 특성상 중금속 등이 주요한 오염물질이므로 추후 다양한 지점을 연구대상으로하여 중금속 등에 대한 모니터링이 추가적으로 이루어져야 할 것이다.
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