강우시 효율적인 하수처리 방안 마련을 위한 연구

미국내 합류식 하수도는 약 853개의 지자체에서 총 616개의 하수처리시설이 운영 중이며, 연간 약 332톤의 CSOs가 발생하고 있는 것으로 추정되고 있다. 1972년 Federal Water Pollution Control Act를 개정하여 강우시 합류식 하수도 월류수(CSOs)의 규제를 시작하였으며, 1989년에 The Clean Water Act로 명칭을 변경하여 배수 유역이 포함된 공공수역 보전과 관리가 어렵다고 명시하였다. 국가오염물질 배출규제제도(NPDES : National Pollution Discharge Elimination System)를 만들어서 전 지역에 걸쳐 우수배출수에 대한 배출허가제도를 두고 토구에서 월류수 조절정책(Combined Sewer Overflow Control Policy,1994)에 기준한 월류수(CSOs) 배출허가를 실시하고 있으며 월류수 허가업무는 미국환경보전청(EPA) 지방사무소 및 주정부에서 실시하고, 하수도사업자는 CSOs 조절정책에 따라 허가기관에 CSOs대책에 대한 계획서를 제출하고 시설에 대한 모니터링을 의무적으로 시행하고 있다. 2000년 동경도 오다비아 해안공원에서 백색 오일볼이 발견되고, 이에 대한 원인으로 합류식 관로가 지목됨에 따라 합류식 하수도의 수질보전 및 공중위생 문제에 대해 인식하고, CSO 관리를 본격적으로 시작하였다. 이후 2001년 “합류식 하수도 개선대책 검토위원회”를 설치하고 2002년 “합류식 하수도 개선대책 지침과 해설”을 발행하였으며, 하수도기술개발 프로젝트 “SPRIT21(합류식 하수도 긴급개선사업 재정지원)”을 실시하였다. 본 프로그램에서는 ① 오일볼 감소 목표(‘06년까지), ② 오염 부하량의 저감방법, ③ 협잡물 삭감방안, ④ 공중위생상 안전 확보방안, ⑤ 방류처 수질 개선방법 등의 목표를 설정하여 본격적인 CSO 관리를 시행하였다. 이후 2003년도에는 “하수도법 시행령”을 개정하여 우수토실 내 적절한 높이의 월류벽을 설치하고(시행령 제5조의4), 강우시 방류수질을 설정(BOD 40㎎/L)(시행령 제6조) 하였다. 미국 캘리포니아주의 Hawthorne시는 로스앤젤레스 국제공항(LAX)의 남서부에 소형 중력식 하수도시스템을 설치하여 운영 중에 있었다. 이 하수도시스템 내에는 약 151km의 하수관로만 존재하였고 펌프장과 하수처리시설은 존재하지 않았으며 2명의 직원이 관리하고 있었다. 2006년 이전 Hawthorne시의 해당 하수도시스템에서는 1년 동안 약 10회의 월류가 발생하고 있었으며, 이와 관련된 벌금 및 청소비용, 법정비용 등으로 매년 약 40만 달러(약 4.5억원)가 소요되는 상황이었다. Hawthorne시는 월류수 문제를 해결하기 위하여 2006년 실시간 모니터링이 가능한 원격 수위계 50개를 주요지점에 설치하였다. 모니터링 데이터를 활용하여 어느 관로에 퇴적물이 쌓이고, 나무뿌리 등이 침입하여 통수능이 저하되었는지를 알려주는 알람 시스템도 구축하였다. 알람을 통해 해당 관로에서 월류 발생 이전에 선제적으로 대응할 수 있었다. 실시간 모니터링 시스템 도입 이후 Hawthorne의 월류 발생빈도는 연 10회에서 연 1회로 감소하였으며, 5년간 약 200만 달러(약 22.6억원)의 비용(벌금 및 청소비용, 법정비용 등)을 절감하였다. 관 폐색 및 막힘은 월류수 발생의 주요 원인 중 하나로써 관 폐색과 막힘에 대한 관리를 통해 월류수를 예방할 수 있다. 일반적으로 관 폐색이나 막힘은 하수관로 세척을 통해 제거, 예방할 수 있다. 이러한 관로 세척은 월류수 발생 가능성을 저감시켜 주지만 잦은 세척 작업은 높은 비용과 교통 혼란, 현장 직원의 위험, 관로의 마모 및 손상 등을 유발할 수 있다. 잦은 관로 세척으로 인한 문제점을 해결하고, 월류수 발생도 저감시키기 위해 미국 텍사스주의 San Antonio시는 10개 세척 지점에 시범 프로젝트를 실시하였다. 시범 프로젝트는 모니터링 지점의 유량을 통해 관로내 하수 흐름패턴을 파악하여 유량의 급격한 변화를 감지하는 것이었다. San Antonio시 하수도국은 일정에 따라 주기적으로 하수관로를 세척하던 과거의 방식과 달리 모니터링 지점에 대해서는 모니터링 데이터를 통해 세척이 필요한 하수관로를 선별하여 세척을 실시하였다. 그 결과 세척 빈도는 94% 감소하였으며, 월류수 발생 위험도는 이전과 유사한 수준을 보였다. 특히 이 프로젝트를 수행하는 기간 중 1주일 동안 약 400mm의 강우가 발생하였음에도 월류가 발생하지 않았다. San Antonio시 하수도국은 각 모니터링 지점마다 세척비용으로 연간 약 440만원을 절감하였다. 합류식 하수도시스템의 경우에도 모니터링을 통해 실측되지 않은 강우발생 조건에서 하수도시스템의 수리적 거동(하수발생량, 우수유출량, CSO 발생량)을 예측할 수 있으며, 이를 바탕으로 하수도시스템에서 나타날 수 있는 문제점을 예측할 수 있다. 특히 합류식하수도월류수(CSOs)의 발생 강우조건을 보다 정밀하게 도출할 수 있으며, 연간강우에 대해 연간 CSO 발생빈도, 발생량, 부하량을 파악하여 월류수 저감 대책 및 처리시설의 개선․개량 대책(CSO처리시설 신설/증설, 신규택지개발지역 오수간선과로 분리)과 범위를 설정하는데 활용이 가능하다. 또한, 도출된 개선대책의 적용에 따른 사업효과(RDII 저감량, CSO/SSO 저감량)를 평가하여 비용효과적인 사업계획을 수립할 수 있다. 최신 설계기법 외, 도시침수 예방을 위해 지역특성을 고려한 정비기준과 정비모델을 제시하였다. 정비기준은 집중강우에 대한 하수관로의 통수능을 확보하기 위하여 관로 신설 및 교체 시 병렬관로를 부설하여 유속향상 및 통수능 부족을 해소할 수 있도록 하였다. 또한, 상류지역의 유역을 변경하여 우수유출량을 감소시키고 분리벽 및 복합단면 관로를 통해 구형암거내 토사퇴적과 하수 침전방지, 최소 유속확보가 가능한 단면을 계획할 수 있도록 하였다. 구조적으로 불량한 관로에 대해 관로 합류 시 접속각도 60° 이하로 설치 또는 단차를 두어 우수의 유하흐름을 확보할 수 있도록 하였다. 이외에도 시가화 밀집지역의 도로하부에 터널형 하수저류시설을 설치하여 침수를 예방할 수 있도록 하였다. 지역 특성별 정비모델의 경우에는 도시규모, 하수배제방식 등의 지역특성을 반영한 정비 방향 및 모델 수립을 할 수 있도록 하였다. 전국적으로 발생하는 집중호우에 의한 단시간에 내수 범람에 이루는 도시형 수해는 기존의 하수도와 도시하천의 개량만으로 빗물을 완전히 배제하는 완벽한 대처를 할 수 없으며, 빗물을 일시적으로 저류 하거나 지하에 침투시킴으로써 하수도나 하천에 유입하는 시간을 지연(Time Lag)시키는 방법(Green Infra, Low Impact Development 등)으로의 확대가 이루어지고 있으며, 이를 통해 도시화와 개발에 의해 단절되었던 과거 자연계의 물순환을 원래대로 회복시키는 순기능을 기대한다. 그래도 근본적으로는 도시의 방재성능을 향상시키는 신속한 배제 중심의 하수도시스템 개량 사업은 매우 중요하며, 환경부에서는 빗물 배제능력 부족으로 상습 침수피해가 발생한 지역에 대해 ‘하수도정비중점관리지역(하수도법 제4조의3)’으로 지정․공고 후 계획수립과 사업시행을 실시하여 국가의 재정적, 기술적 지원을 집중하여 ‘30년 빈도’ 강우에 대응할 수 있는 하수도 시스템을 2013년부터 지금까지 지원․구축하고 있다.