강우시 효율적인 하수처리 방안 마련을 위한 연구

봄철 청천시 평균 수질은 BOD 155mg/L로 일반적인 합류식 하수관로 지역에 비해 높은 수준을 보였다. 그 외 CODcr은 339mg/L, TOC도 84mg/L로 비교적 높은 농도를 보였다. 일반적으로 합류식 하수관로 구성된 도시지역의 경우에는 도시내 소하천을 하수관로로 사용 경우가 많아 청천시에도 계곡수의 영향이 큰 것으로 알려져 있다. 이로 인해 청천시에도 저농도의 하수(BOD 120mg/L 이하)가 유입되는 경우가 많다. 하지만 부천시 역곡처리구역의 경우에는 계곡수 형태로 유입되는 구간이 다른 합류식 지역에 비해 적고, 새롭게 조성된 택지지구가 100% 분류식 하수관로 지역으로 구성됨에 따라 유입수질이 높은 것으로 판단된다. 합류식 하수관로 지역 대부분의 관로에서는 관경의 약 10% 미만의 수위로 흐르고 있으며, 분류식 하수관로 지역의 경우에는 20~30% 수준의 수위로 하수가 흐르고 있는 것으로 분석되었다. 여름철 청천시 평균 수질은 BOD 90mg/L, CODcr 194mg/L, TOC 88mg/L로 강우 및 지하수 등의 영향으로 다른 계절에 비해 낮은 수준으로 떨어지는 경향을 보였다. 이는 직간접적으로 유입되는 빗물의 영향 때문이다. 분류식 하수관로 지역에서도 RDII의 영향으로 강우시 낮은 수질 농도를 보이며, 강우 종료 이후에도 지하수 형태로 지속적으로 유입되는 지연 유입수에 의해 수질이 낮은 경향을 보이고 있다. 이는 전체 분류식 하수관로 지역에서 발생하는 문제가 아닌 일부 개발진행 중인 택지지구에서 유입되는 문제로 택지개발이 완료되는 시점에서는 RDII의 영향이 현재보다는 적어질 것으로 판단된다. 합류식 하수관로 지역 대부분의 관로에서는 관경의 약 15% 미만의 수위로 흐르고 있으며, 분류식 지역의 경우에는 20~30% 수준의 수위로 하수가 흐르고 있는 것으로 분석되었다. 합류식 하수관로 지역에서는 강우의 영향으로 봄철에 비해 수위가 약 5%p 증가하는 경향을 보였다. 겨울철 청천시 평균 수질은 BOD 154mg/L, CODcr은 322mg/L, TOC는 65mg/L로 봄철과 가장 유사한 수준을 보였다. 이는 계절적 영향으로 강우발생 빈도 및 발생량이 가장 적은 겨울철 불명수 유입이 다른 계절에 비해 상대적으로 적게 발생함에 따라 하수에 포함된 순수 오수의 비율이 높기 때문인 것으로 판단된다. 일반적으로 하류식 하수관로 지역에서는 강우의 영향이 적은 겨울철 다른 계절에 비해 높은 수준의 수질농도를 보이는 것으로 알려져 있다. 또한 분류식 지역에서도 유입수의 영향이 감소함에 따라 고농도의 하수가 유입되고 있는 것으로 판단된다. 봄 및 가을철과 마찬가지로 합류식 지역 대부분의 관로에서는 관경의 약 10% 미만의 수위로 흐르고 있으며, 분류식 지역의 경우에는 20~30% 수준의 수위로 하수가 흐르고 있는 것으로 분석되었다. 유량 모니터링 결과, 하수처리분구별 계획오수량(시간최대 계획오수량) 대비 유량계에서 실측된 청천시, 강우시 시간최대 유량의 관측값과 설계값 대비 여유율을 검토한 결과 아래의 표와 같이 나타났다. 단, 합류식 지역의 경우 계획오수량 대비 실측오수량의 비교가 무의미하므로, 역곡하수처리구역 내 분류식 지역에 포함된 모니터링 지점 역곡 20~25번에 한하여 분석을 수행한다. 침입수량이 과다하게 측정될 것으로 예상되는 역곡-22 지점의 경우 청천시에도 시설용량 대비 약 1.4배 많은 하수가 유입되고 있었으며, 역곡하수처리구역내 다른 모든 지점의 경우 설계용량 대비 5% 이상의 여유가 있는 것으로 분석되었다. 반면 강우시 시간최대 유량에 대한 여유율의 경우 신규 택지개발 지구에 포함되는 역곡-23, 역곡-24를 제외한 모든 지점에서 계획오수량 대비 100% 이상 차이가 나타나고 있다. 특히, 분류식 지역이나 역곡-22번 지점의 경우 500%를 넘게 첨두유량이 관측된 결과가 나타나고 있다. 실증지역 내 시간적인 변화를 확인하기 위해 전체 모니터링 지점에서 관측된 일평균 오수량 대비 월별 일평균 유량, 시간최소 유량, 시간최대 유량의 첨두계수를 검토하였다. 계절적인 요인으로 인하여 지하수위 변화에 따른 침입수량 변화로 인한 기저하수량의 증가가 시각적으로 나타나는 우기(여름, 가을)와 건기(봄, 겨울)를 구분하여 하수처리분구의 계획인구수 대비 오수원단위의 변화와, 일평균하수량 대비 침입수량의 변화 등 유입수량을 제외한 모든 설계인자에 대한 분석을 수행한다. 24개 지점에 대한 월별 유량 관측 결과 청천시 유량의 월별 변동폭은 2017년 10월 ~ 2018년 6월 까지 모든 기간 동안 매우 유사하게 관측되었으나, 강우 기간이 상대적으로 길게 관측된 5월, 7월, 9월의 경우 시간최소, 일평균, 시간최대에 해당되는 모든 하수량의 비율이 다른 기간에 비하여 상대적으로 높게 관측되고 있다. 선행연구에서는 건기/우기 기간에 따라 강우 사상 별 유량 실측값 대비 유입수량 비율의 최대값이 기간에 따라 서로 다르게 나타난다는 사실을 제시하였다(Baston, 2006). 해당 방법론에 따르면 강우사상 별 유입수량이 명확하게 반영된 유량 지표를 선정하기 위해 24시간 이동평균(MA)을 사용한 하수발생량을 활용하고 있으며, 동일한 기준으로 강우 역시 24시간 최대 유량 대비 24시간 최대 강우량의 비율을 지표로 사용하여 유효 강우사상을 선정하였다. 클러스터 분석은 유량 모니터링 지점별 K-means 알고리즘을 통해 건기/우기 강우 사상을 분류하였다. K-means 알고리즘은 자율학습(Unsupervised Learning)의 한 종류로서, 강우사상 별 x, y지표를 기준으로 파티션 분할한다. 그 후, 개별 파티션의 중심점(Centroid)과 파티션 내 모든 데이터의 SSE(Sum of the squared error)을 비용함수(Cost function)로 활용하여 최적화 연산을 통해 강우사상을 분류하게 된다. 초기 클러스터는 무작위(Random) 분할을 통해 선정되며, 최적화 연산을 통해 중심점이 업데이트 되는 과정으로 진행된다. 지중에 매설된 관로의 열화특성은 관주변의 지반 및 지하수 등의 상태와 관내에 흐르는 하수의 수질에 의하여 영향을 받는다. 지반 공동화의 원인은 수밀성이 부족한 부분(이음, 파손부 등) 관로시설에서 지하수 또는 강우침입수가 유입시 관로의 기초와 다짐 토양을 관내로 유입시킴으로써 발생한다. 이의 현황과 대책을 수립하기 위해서는 관로의 수밀성을 체크하는 것은 물론 지하수의 상태를 파악해 둘 필요가 있다. 지하수위와 유입수량의 관계는 지하수위가 관저보다 약 60cm 이상되면 침입수량이 급격하게 증가한다는 보고가 있다. 또한 관로(특히 콘크리트관)로 유입하는 오수는 그 성질에 따라 관로를 노후시키는 원인이 된다. 따라서 악성하수 유입여부를 처리장 및 관로시설의 수질조사를 통해 항상 검토할 필요가 있다.