[논문]하수처리장 분산방류에 의한 방류수역의 수질개선효과

김용구; 조동진; 진영훈; 박성천

[국내논문] 하수처리장 분산방류에 의한 방류수역의 수질개선효과
Effect of Water Quality Improvement for Dispersion Discharge by Discharge Waters of Sewage disposal plant 원문보기

김용구 (유량조사사업단) , 조동진 (동신대학교 토목공학과) , 진영훈 (호남대학교 산업기술연구소) , 박성천 (동신대학교 토목공학과)

본 연구대상 구간인 극락교 지점은 월별로 BOD 기준 $6{\sim}13mg/L$의 농도를 유지하고 있어 등급외의 수질을 나타내고 있다. 이러한 수질의 현황으로 인하여 극락교 상 하류구간에서의 생태계의 훼손은 과히 짐작할 수 있을 것이다. 더 나아가 영산강 상 하류간에 대해 비구조적 생태단절이 진행되고 있는 상황으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 영산강의 상 하류구간의 수생태계의 연결통로를 확보하고 생태계 훼손의 진행을 차단하여 다양한 수생태의 확보를 위하여 현재 집중식으로 방류되고 있는 광주 제1하수처리장의 방류방식을 개선한 분산방류 방식을 도입하고, 본 연구에서 제안한 시나리오별 조건들을 수질모형에 적용하여 방류수역 부근의 수질개선효과를 분석한다. 적용결과, CaseIII-TypeI의 시나리오가 가장 적정한 것으로 판단되며, CaseIII-Type I의 시나리오를 적용하여 수질을 예측한 결과 하류부인 영본B지점은 집중방류의 경우보다 BOD 농도0.07mg/L 미미하게 증가하는 것으로 예측되나 수질악화구간에서는 $0.24{\sim}2.87mg/L$ 정도의 수질개선 효과가 있는 것으로 예측되었다.

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문제 정의

본 연구에서는 영산강 수질악화구간에 대해 수생태계의 연결통로를 확보하고 생태계 훼손의 진행을 차단하여 다양한 수생태의 확보를 위하여 수질악화 원인의 규명과 다양한 수질개선의 시나리오를 설정하여 QUAL2E 모형에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 수질악화구간에 대해 수질을 개선하여 비구조적 생태단절을 완화시킬수 있는 가장 현실적인 방안은 본 연구에서 제안한 광주 제1하수처리장의 방류체제를 개선하여 방법이 가장 타당할 것으로 판단되며, 본 연구에서 제시한 시나리오별 검토 결과 Case HI-Type I 이 가장 적정한 것으로 판단된다.

제안 방법

이러한 비구조적 생태단절을 완화시키기 위해서는 여러가지 방안이 제안될 수 있겠으나, 주요오염원으로 판단되는 광주 제1하수처리장의 방류체제를 개선하는 방안이 그 중 가장 타당할 것으로 판단되는 바 본 연구에서는 광주 제1하수처리장의 방류체제를 현 집중식에서 분산방류로 개선할 경우 방류수역의 수질개선효과를 분석한다.
수리입력계수의 산정은 각 지점별로 유속과 유량을 산정하여 동일 제 구간 내에서의 수심-유량 관계, 유속-유량관계를 회귀분석에 의하여 구간(reach)별로 수심-유량계수와 유속-유량계수를 표 5.1 과 같이 산정하였으며, 계수의 유량적용범위는 구간별로 2~1000m7sec로 7개의 구간 모두 동일하게 분석하였고 조도계수는 0.030을 적용하였다.
제 1단계 방류구가 위치하여 집중식으로 방류되고 있다. 이러한 집중식 방류체제를 개선하기 위해 그림 3.3과 같이 Case별로 방류구를 등분포 시키고, Type별로 유량조건을 다르게 적용하여 수질개선 시나리오를 작성하여 수질개선효과를 분석한다.
수질자료 등을 QUAL2E 모형에 적용하였다. 수질예측시 광주 제1하수처리장과 광주 제2 하수처리장을 점오염원으로 간주하고 광주 제1하수처리장의 평균방류량은 7.56m3/sec, 광주 제2 하수처리장의 평균방류량은 1.16m3/sec를 적용하였고, 수질농도는 BOD농도 8mg/L을 적용하였다.

대상 데이터

갈수기의 유출량을 감안할 때 하류 하천의 수질은 하수처리장의 방류량 및 방류수질에 지대한 영향을 받을 것이다. 본 연구의 연구대상 구간은 영산강 중류부로서 영산강의 전 구간에 대한 수질은 BOD 기준으로 상류 지역인 담양지점이 월별로 l.Omg/L 정도, 중류구간인 나주지점이 월별로 3.
활용하였다. 유량은 실측자료를 이용하였다. 그 결과 그림3.
모형의 보정에 사용된 수질자료는 2006년 11월 27일 ~ 2006년 12월 27일 5회 자료 중 강우 시에 측정한 1회 자료를 제외하고 2, 3회 자료를 평균하여 보정 자료로 4, 5회 자료를 평균하여 검증자료로 활용하였다. 유량은 실측자료를 이용하였다.

이론/모형

수리학적 입력계수는 QUAL2E 모형을 구성하는 기본방정식인 1차원 이류-확산 물질이동 방정식(1-dimensional advection dispersion mass transport equation)을 이용하여 물질수지를 계산하는데 필요하다.
다양한 수질개선 시나리오의 수질개선효과 분석을 위해 풍영정천 합류점 500m 상류 지점부터 지석천 합류점 부근까지 14km 구간에 대해 7개 구간(reach)로 구분하고, 구간 내 소구간 요소(element)는 하도길이 0.1km 간격으로 140개 요소로 구분하여 QUAL2E 모형에 적용하였다. 대상 구간의 모식도는 그림 3.
본 연구에서 제시한 시나리오별 수질예측을 위해 풍영정천 합류점 500m 상류부터 지석천 합류 전의 14km 구간을 7개의 하도구간과 140개의 소구간으로 설정하고 수리학적 입 력자료와 조사된 수질자료 등을 QUAL2E 모형에 적용하였다. 수질예측시 광주 제1하수처리장과 광주 제2 하수처리장을 점오염원으로 간주하고 광주 제1하수처리장의 평균방류량은 7.

성능/효과

수질악화구간에 대해 수질을 개선하여 비구조적 생태단절을 완화시킬수 있는 가장 현실적인 방안은 본 연구에서 제안한 광주 제1하수처리장의 방류체제를 개선하여 방법이 가장 타당할 것으로 판단되며, 본 연구에서 제시한 시나리오별 검토 결과 Case HI-Type I 이 가장 적정한 것으로 판단된다. CaselU-Type I 의 시나리오를 적용하여 수질을 예측한 결과 하류부인 영본B지점은 집중방류의 경우보다 BOD 농도 0.07mg/L 미미하게 증가하는 것으로 예측되나 수질악화구간에서는 0.24 ~ 2.87mg/L 정도의 수질 개선 효과가 있는 것으로 예측되었다. 본 연구를 통해 수질악화구간에 대해 생태단절을 최소화하여 현재보다는 더 다양한 생태가 형성될 수 있을 것으로 기대된다.
유량은 실측자료를 이용하였다. 그 결과 그림3.2에서와 같이 BOD농도 예측치가 실측치에 근접하여 증감의 형상이 유사하게 나타나 양호한 보정결과를 보여 주었다. 모형의 검증은 모형의 보정에 사용된 자료군으로 정의된 현상범위내에서 보정된 모형을 적적히 예측하는데 사용할 수 있는지의 여부를 판단하는 과정으로 실측치에 근접한 좋은 검증 결과를 보여주었다.
2에서와 같이 BOD농도 예측치가 실측치에 근접하여 증감의 형상이 유사하게 나타나 양호한 보정결과를 보여 주었다. 모형의 검증은 모형의 보정에 사용된 자료군으로 정의된 현상범위내에서 보정된 모형을 적적히 예측하는데 사용할 수 있는지의 여부를 판단하는 과정으로 실측치에 근접한 좋은 검증 결과를 보여주었다.
시나리오별 수질예측결과, 그림 4.1 과 같이 하류부인 영본B지점의 수질은 집중식 방류의 경우보다 BOD 농도는 약 0.1mg/L 로 미미하게 증가하는 양상으로 예측되나 수질악화구간은 BOD 농도 기준으로 0.24~2.87mg/L 정도의 수질개선효과를 보여 수질악화구의 비구조적 생태단절을 완화시킬 수 있는 수질개선에 효과적인 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제안한 시나리오별 검토 결과, 하류부의 BOD 농도 증가를 최소화 할 수 있고, 수질악화구간에 대해 최적의 수질개선 효과를 나타내는 CaselU-Type I 을 최적의 시나리오로 선정하였다.
87mg/L 정도의 수질개선효과를 보여 수질악화구의 비구조적 생태단절을 완화시킬 수 있는 수질개선에 효과적인 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서 제안한 시나리오별 검토 결과, 하류부의 BOD 농도 증가를 최소화 할 수 있고, 수질악화구간에 대해 최적의 수질개선 효과를 나타내는 CaselU-Type I 을 최적의 시나리오로 선정하였다. 그림 4.
설정하여 QUAL2E 모형에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 수질악화구간에 대해 수질을 개선하여 비구조적 생태단절을 완화시킬수 있는 가장 현실적인 방안은 본 연구에서 제안한 광주 제1하수처리장의 방류체제를 개선하여 방법이 가장 타당할 것으로 판단되며, 본 연구에서 제시한 시나리오별 검토 결과 Case HI-Type I 이 가장 적정한 것으로 판단된다. CaselU-Type I 의 시나리오를 적용하여 수질을 예측한 결과 하류부인 영본B지점은 집중방류의 경우보다 BOD 농도 0.

후속연구

87mg/L 정도의 수질 개선 효과가 있는 것으로 예측되었다. 본 연구를 통해 수질악화구간에 대해 생태단절을 최소화하여 현재보다는 더 다양한 생태가 형성될 수 있을 것으로 기대된다.

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