강우시 효율적인 하수처리 방안 마련을 위한 연구

하지만 일부 지자체는 강우시 다량의 첨두유입유량(peak influent inflow)이 발생하고 있으며, 이는 기존의 생물학적 또는 고도처리 공정으로 처리할 수 있는 용량을 초과한다. 이러한 첨두 유량 조건하에서 하수처리시설의 손상을 막고 효율적인 운영을 위해 처리장 관리자들은 유량의 일부를 생물학적 단위공정 또는 고도처리 공정으로 우회하여 처리한다. 이러한 우회 유량은 생물학적 단위공정을 거친 유량과 다시 합쳐지거나 소독 후 수계로 방류된다. EPA는 하수처리시설 또는 수자원 재생 시설(water resource recovery facilities)과 같은 하수처리시설의 혼합 배출수(blended discharge effluent)의 영향을 이해하기 위하여 2014년 6월 19일부터 20일에 EPA는 공중보건 전문가 그룹을 구성하여 공공하수처리시설(POTW)에서 수로로 배출되는 혼합 유출수의 공중보건 영향을 논의하였다. 하수도시스템은 하수관로를 통해 오수(생활오수, 영업오수, 산업폐수, 기타오수 등) 및 우수(지표면 유출 배수)를 공공하수처리시설까지 이송하는 시스템을 의미한다. 청천시 하수도시스템은 생활오수, 영업오수, 산업폐수, 침입수 등을 공공하수처리시설까지 이송하는 역할을 수행하고, 강우시에는 하수도시스템 또는 공공하수처리시설의 용량을 초과하는 하수(월류수)가 발생할 수도 있다. 이러한 경우 합류식하수도시스템(Combined sewer system, CSS)은 호수, 하천, 연안 해역과 같은 인접 수계로 초과용량을 월류 시키도록 설계되어 있다. 합류식 하수도시스템 월류수(Combined sewer overflows, CSOs)라 정의된 이러한 월류는 수질 오염의 주요 원인이 될 수 있다. 합류식 하수도시스템 월류수에는 병원균, 산소 요구량이 높은 오염물질, 협잡물, 영양물질, 독성물질, 부유물질 등의 다양한 종류의 오염물질이 포함되어있다. 합류식하수도시스템 월류수는 인근 수계 지표수의 물리적 특성에 여러 악영향을 미치고 수중 산소공급을 저해하며 식수공급에 잠재적 위협을 가한다. 수계가 토착 수생태계 유지에 필요한 수준을 초과하는 지나친 영향부하를 받는 경우를 “영양오염(Nutrient Pollution)”이라 한다. 영양오염의 영향은 다양하고 광범위하다. 영양오염의 영향 중 가장 주요한 영향이자 가장 널리 알려져 있는 것이 바로 “부영양화(Eutrohphication)”로 인한 수질 영향이다. 질소(Nitorgen)와 인(Phosphorus)은 강우, 표면 유출수, 도시 및 농촌의 지하수, 지자체 및 산업체의 하수를 통해 수계로 이송된다. 수계에 유입된 질소와 인은 용존 유기물, 용존 무기물 또는 미립자의 형태로 존재하며, 이 형태들 간의 변화가 발생할 수 있다. 영양소는 여러 가지 형태로 순환하기 때문에 수계 내의 질소와 인 오염은 일반적으로 총질소(Total Nitrogen)와 총인(Total Phosphorus)의 측면에서 측정된다. 이와 관련하여 EPA의 영양오염 웹사이트에서 영양오염에 대한 추가적인 정보를 제공하고 있다. 하수관로의 경우에는 체계적인 오수관로 시설의 운영 및 유지보수가 가능하며 분류식 우수관로에서는 무단방류 배출원을 탐지하고 추적·조사하는 방법, 무단방류 배출원을 제거하는 방법을 통하여 우수가 아닌 오폐수가 무단방류되거나 폐기물의 불법투기로 인한 환경오염 사고의 피해를 최소화할 수 있다. 하수처리시설의 경우에는 강우시 하수처리시설로 유입되는 하수를 안정적으로 처리할 수 있는 하수처리시설의 처리가능 용량 검토 및 계절별 초기강우에 대한 운영관리방안, 하절기 집중강우에 대한 운영관리방안 등을 강우 준비단계, 강우시, 강우종료 후 등으로 구분하여 하수처리시설의 운영관리 계획을 수립함에 따라 이후에 발생되는 하수도 월류수(CSOs)에 대한 간이공공하수처리시설 또는 하수저류시설 등의 효율적인 운영관리가 이루어질 수 있다. 그동안의 하수관로시설은 계획, 신설, 보급위주의 하수관로정비로 청천시에는 정비 효과를 달성하고 있으나 강우시에는 하수 수집 및 이송단계에서 배수설비 미정비, 오접, 우수토실 미폐쇄로 인한 우수 및 불명수 유입으로 SSOs발생, 하수처리장으로의 과다유입 등의 문제가 있어 이의 개선이 필요하다. 본 개선방안에서는 강우시 하수관로시설의 이상 원인분석 및 해결을 위한 절차제시와 실증지역인 양주시 남방처리구역에 대한 블록구축 및 모니터링 결과를 분석하여 이상관로에 대한 정비우선순위를 선정, 향후 관로시설의 정비방안 수립시 참고할 수 있도록 하였고, 금회 계획오수량 산정기준 개선안에 따른 강우시 하수량의 증가를 반영한 오수관로의 용량을 검토하여 개선안에 따른 오수관로시설의 확관 비율을 제시 하였다. 또한, 공공하수도시설 유지관리실무지침서(2005)상의 하수관로시설의 주요 관리사항을 수록하여 강우시 하수관로, 우수토실, 펌프시설의 유지관리에 참고하도록 하였다. 합류식 하수도시스템의 강우시 월류량 및 월류부하량, 개선방안 적용효과 예측 등의 결과 산출을 위하여 도시 강우유출과 우, 오수관망 해석이 가능한 대표적인 강우유출 모델인 SWMM을 이용하였다. SWMM은 도시유출과 합류식 하수관로의 강우유출 유량 및 수질을 모의하기 위하여 1971년 미국 EPA의 주관하에 Metcalf & Eddy Inc., Florida university, Water Resource Engineerings Inc. 등이 공동연구를 통하여 개발된 모델이다. SWMM 모델은 도시유역에서 강우로 인하여 발생하는 유출량과 오염물질에 대한 지표면 및 지표하 흐름, 배수관망에서의 유량 추적, 저류량 산정, 오염물의 처리와 비용계산 등을 모의할 수 있는 종합적인 모형이다. 1981년에는 SWMM 모형내의 TRANSPORT BLOCK을 확장, 보완하기 위해 수공구조물의 월류, 배수, 압력류 등의 계산이 가능하도록 설계된 EXTRAN BLOCK(이하에서는 "BLOCK"을 "MODULE"로 지칭한다.)을 포함시켜 보완시켰다. 공간 및 시간에 따른 평균을 계산하여 시뮬레이션 모델은 CSO 양, 오염물질 농도, 기타 관심 변수를 예측한다. 이 평균의 범위는 모델 구조, 모델 적용 방법, 입력 데이터의 해상도에 따라 다르다. 모델의 공간 및 시간 해상도는 필요한 분석의 값과 일치해야한다. 예를 들어, 적용 가능한 수질기준은 1시간 평균 농도로 표현되어야하며, 주어진 농도를 평균 3년에 한번 이상 초과하지 않아야 한다. 공간 평균은 영향수계 혼합 구역의 평균된 농도로 표시되거나, 하천 기준 준수 여부를 확인하기 위한 모니터링 위치 지정에 의해 암묵적으로 나타난다. 어떤 경우든, 허가위원회는 모델 예측이 허가 또는 관련 수질기준에서 요구되는 것과 동일한 평균 척도를 사용하는지 주목해야 한다. CSO 제어 정책에 의해 제안된 것처럼 사건 시뮬레이션이 아닌 연속 시뮬레이션에 사용될 경우 시뮬레이션 모델은 수질 기준의 초과 횟수를 예측할 수 있다. 몬테카를로 시뮬레이션과 같은 확률론적 모델도 이러한 예측을 할 수 있다. 확률론적 모델에서 시뮬레이션은 강수량의 확률분포와 온도, 점오염원, 유량과 같은 기타 강제 기능으로 이루어져 있다. 두 경우 모두 모델러는 수질 기준 초과량에 대한 빈도 결과를 분석할 수 있다.