3 .1 해 양 방 류 시 스 템 의 개 요
3 .1.1 해 양 방 류 의 수 질 기 준 및 종 류
해양 방류시스템은 오폐수 및 온배수를 처리하는 가장 경제적인 수단으로 각광받고 있으며 초기희석을 최대화하여 방류수역의 환경적 영향을 최소화하 는데 그 의의가 있다. 수중방류가 수중에서 해수면 쪽을 향해 플룸이 이동하 는데 비해 준설토 투기는 이와 반대로 해수면에서 해저면으로 행해지는 것이 다.
해양방류는 방류형태별로 표층방류, 해안선방류, 수중방류 등으로 나눌 수 있지만 연안에서의 환경적, 생태학적, 시각적 영향을 고려한다면 수중방류 즉 심해방류가 선호되고 있다. 기존의 해안선 방류는 1차 처리 후에 이루어지기 때문에 해수욕장과 연안역의 해양 생태계에 심한 오염을 야기해왔으므로 방류 전에 추가 처리(2차처리)가 요구된다. 그러나 기존 하수시설에 2차 처리를 위 한 부지의 확보가 어렵고 심해방류방안에 비해 자본비 및 운영비가 3～4배 정도로 높기 때문에 선호되지 않는다.
연안역 방류는 해안선과 심해 방류관 사이에 어느 정도의 길이를 가진 방 류관을 연결한 것으로 배출시 화학적 처리가 병행되지만 방류장의 플룸 형성 이 시각적으로 확인되는 결점이 있다. 심해방류는 이들에 비해 방류수가 충분 히 확산되고 희석되므로 해양생태계에 미치는 영향이 최소화되며 천해에서 문 제가 되는 영양염(營養鹽)이 오히려 해양생물의 영양분(營養分)이 된다는 점에 서 현재 세계적으로 가장 합리적인 방류방안으로 평가된다.
방류조건 및 주변해역의 여건에 따라 방류시스템의 확산이 결정되며 본 연 구는 오폐수 수중 방류 및 해안선 방류 시스템을 그 대상으로 한다.
오탁해석은 총유량계획을 근거로 하며 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질량(SS ) 등이 그 기준이 된다(Bishop, 1983). 수질, 방류 수역의 상황에 따라 부유물질량(SS ), 질소, 인 등도 중요한 기준이 되지 만 본 논문에서는 호소・해역에서의 오탁기준으로 가장 일반적으로 사용되는 화학적 산소요구량(COD), 특히 C ODM n에 대하여 검토하였다(이하 COD로 표 기).
T able 3.1 W at er quality st andar d
등 급
기 준
수소 이온 농도 (pH )
화학적 산소 요구량
(COD) (㎎/ ℓ)
용존 산소량
(DO ) (㎎/ ℓ)
부유 물질량
(SS ) (㎎/ ℓ)
대장균 군수 (MPN/
100㎖)
노말핵산 추출물질 (유분) (㎎/ ℓ)
총질소 T - N (㎎/ ℓ)
총인 T - P (㎎/ ℓ)
무기물질 등 (㎎/ ℓ)
Ⅰ
7.8-8.3 1이하 포화율
95이상 10이하 200 이하
검출 되어서는
안됨
0.05 이하
0.007 이하
6가크롬(Cr6 +): 0.05 이하
비소(As): 0.05이하 카드뮴(Cd): 0.01이하 연(Pb): 0.1이하 아연(Zn): 0.1이하 구리(Cu):0.02이하 시안(CN)・유기인・
수은(Hg)・포리크로 리네이티드비폐닐(P CB): 검출되어서는 안됨
Ⅱ
6.5-8.5 2이하 포화율
85이상 25이하 1,000이 하
검출 되어서는
안됨
0.1 이하
0.015 이하
Ⅲ
6.5-8.5 4이하 포화율
80이상 - - - 0.2
이하 0.03 이하
비고: 1. DO를 농도를 표시하는 경우에는 등급Ⅰ은 6㎎/ ℓ, 등급Ⅱ와 등급 Ⅲ 은 5㎎/ ℓ이상이어야 한다.
2. 등급Ⅰ은 수산생물의 서식, 양식 및 산란에 적합한 수질을 말한다.
3. 등급Ⅱ는 해수욕 등 해양에서의 관광 및 여가선용과 등급Ⅰ외의 수 산생물에 적합한 수질을 말한다.
4. 등급Ⅲ은 공업용수, 선박의 정박등 기타 용도로 이용되는 수질을 말한다.
5. 총질소는 NO2- N , NO3- N , NH3- N의 합계를 말한다.
6. 총인은 P O4- P 형태를 말한다.
하수종말처리장에 유입하는 하수의 수질은 오탁부하량과 대응하는 오수량 으로 계산된다.
계획유입수질 ( mg / l) = 유입오탁 부하량 (g / 일) 대응하는 오수량 ( m3)
T able 3.2 St andar d of outflow m at erial in California
Mat erial Unit
Lim it ing Concentr ation s Monthly
(30day Av .)
W eekly (7day Av .)
Max . any tim e Gr ease and Oil
Su spended solids S ettleable solids T urbidity
PH
T oxicity Concent rat ion
m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 JT U unit s tu
25 40 75
75 P ercent Rem oval
1 1.5 3
75 100 225
w ithin limit s of 6.0 t o 9.0 at all tim es
1.5 2.0 2.5
T able 3.3 W at er quality st andar d aft er N .F .R in California
Mat erial Unit
Limiting Concent rat ion s 6- Mont h
Median
Daily Max .
In st ant aneou s
Max . Ar senic
Cadm ium
T ot al Chromium Copper
Lead Mercury Nickel Silv er Zinc Cy anide
Phenolic Com pounds T ot al Chlorine Residual
Amm onia (expressed as nitr ogen ) T oxicity Concentr ation
T ot al Chlorinat ed P esticides and P CB ' sRadiactivity
m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1 m g/ 1
tu m g/ 1
0.008 0.003 0.002 0.005 0.008 0.00014
0.02 0.00045
0.02 0.005
0.03 0.002
0.6 0.05 0.002
0.032 0.012 0.008 0.02 0.032 0.00056
0.08 0.0018
0.08 0.02 0.12
2.4 -0.004
0.08 0.03 0.02 0.05 0.08 0.0014
0.2 0.0045
0.2 0.05 0.3
6 -0.006 Not to exceed limit s specified in section
30269 of the California Administr ative code.
방류수의 배출기준은 국가 및 지역에 따라 다르며 국내의 계획방류수질 (2011년 기준)은 COD 20mg/ l, SS 18mg/ l, T - N 20mg/ l, T - P 2mg/ l 정도이다 (T able 3.1).
미국 캘리포니아주의 경우 수자원감독국 안 26조에 의하면 해양방류시스 템의 설계와 처리정도에 보다 체계적으로 접근되어 있는 규제를 확인할 수 있
다(T able 3.2, T able 3.3).
3 .1.2 해 양 방 류 시 스 템 의 구 성
방류시스템은 하수처리장의 하수관거 또는 차집관로를 통과한 각종 오폐수 가 도수관을 따라 방류지점으로 수송된 후, 확산관(diffu ser )을 통하여 수중에 서 확산, 혼합되도록 한다(F ig . 3 .1). 도수관에서는 처리장의 방류관로(放流管 路)와 연결하는 방류조(outlet chamber )가 설치되며 희석률을 달성하기 위해 방류공에서의 방류유속을 유지하기 위해 펌프장을 설치하기도 한다. 이는 방 류공과의 수두차(水頭差)가 충분히 확보되지 않아 자연방류로는 일정유속의 확보가 어려운 경우에 해당한다.
F ig . 3.1 S chem atic drawing of subm er ged mult i- port
2장의 국내외 해양 방류관의 제원에서 확인된 바와 같이 도수관의 길이가 1km 이상에 이르기도 하며 방류수심은 일반적으로 30 - 70m이며 보스톤의 경우처럼 120m에 이르기도 한다(T able 2.2). 방류관거는 육상 방류관거와 해
양 방류관거로 구성되며 육상 방류관거는 하수처리장 방류펌프장에서 처리수 를 외해로 수송하기 위한 것으로 중력식 터널구간과 역사이폰 구간으로 구성 되며, 해양 방류관거는 해양수질 기준에 부합되도록 충분한 혼합과 희석을 달 성하기 위해 설치되는 것으로 방류관과 확산관으로 구성된다.
방류관거의 길이는 유속, 수두손실, 구조물의 경제성 등을 고려하여 결정되 며 확산관은 일반적으로 조류와 수직방향으로 설치되며 수심 10m 이상에 매 설된다.
3 .1.3 확 산 관 의 종 류 및 설 계 요 건
확산관의 방향은 해역의 조류 방향에 따라 결정되며 조류의 방향이 해안과 평행하거나 직각인 경우 또는 조류의 방향이 다양한 경우에 따라 확산관의 방 향을 적절히 배치해 주어야 한다.
F ig . 3.2 Diffu ser type and flowfield
(a ) coflow ing (b ) T ee (c ) st aged (d) alt ernating
희석을 최대화하기 위하여 주 조류(net current s ) 방향에 직각으로 설치하 는 것이 원칙이나 해역의 조건과 혼합 특성, 경제성 및 시공성(施工性) 등을 고려하여 이를 변형하기도 한다. 조류방향이 교차하는 경우는 변형형태인 Y자 모양의 확산관을 채택하여 확산관이 조류방향에 대하여 직각을 유지할 기회를 부여하기도 한다(김, 1997).
조류방향에 대한 확산관의 배치에(Fig . 3.2) 따른 설계요건은 다음과 같으 며 4장의 민감도 분석 및 현장적용에서 이에 대한 실험이 포함된다.
1) 공류형 혹은 일방향확산관(coflow ing diffu ser , unidir ectional diffu ser ) 확산관의 축이 우세한 조류방향과 수직이며, 방류공은 확산관의 축에 수직 이며, 방류공은 일방향이다(Fig . 3.2(a )). 흐름의 유속이 거의 없는 해역 혹은 조류의 방향이 일방향인 경우에 가장 효과적이다. 방류방향으로 조류가 흐를 때는 좋지만 반대방향의 조류를 무시하게 되는 단점이 있다. 외해의 운동량 성분이 부족하여 해안선으로 방류수의 재순환(recirculation )이 발생할 수도 있 으므로 큰 수체보다는 강, 호소 등에 일차적으로 적용된다(서 등, 1998b ).
2) 경사형 확산관(oblique diffu ser )
공류형 확산관이 조류방향에 대해 0°～ 90° 각도로 기울어진 형태이며 확산관의 축이나 조류방향에 수직으로 방류공이 부착되는 형태이다. 다른 확 산관과는 달리 횡흐름 방향에 상사성이 아니며 양(+)의 조류방향일 때는 효과 적이지만 음(- )의 조류방향에는 효과가 덜하다.
3) T ee형 확산관(T ee diffuser )
조류방향에 평행이며 방류공은 확산관 축에 수직이다(Fig . 3.2(b )). 조류가 있는 경우에 한 방류공으로부터 방류는 유하(流下)로 연행되는 경향이 있으며 조류속도가 증가하면 확산관의 기능이 약해지게 된다. T ee형과 경사형 확산관 은 흐름이 없거나 보통인 경우에 가장 적절하다. 이 확산관은 외해의 큰 운동
량 성분을 생산해내지만 조류속도가 증가하면서 희석이 떨어지는 단점이 있 다. 다른 확산관에 비해 도수관의 길이가 근역의 초기 혼합에 미치는 영향이 크며 도수관의 길이는 확산관의 길이 만큼을 취해야 초기희석률에 대한 해안 선의 영향을 줄일 수 있다(Lee, 1984). 특히 배면연행(back entrainment )을 막 기 위해 해안선에서 멀리 떨어져야 한다.
4) 축방향확산관(st aged diffuser )
확산관의 축은 조류방향에 수직이며 개개의 방류공은 방류축에 평행이거나 축에 각도를 가지고 평행으로 배열된다(Fig . 3.2(c)). 외해방향으로 운동량을 발생시키며, 조류방향에 관계없이 대칭적인 흐름을 발생시킨다. 이 확산관은 강한 조류에 효과적이다.
정체조건(停滯條件)에서도 희석이 이루어지지만 같은 길이의 T ee형 확산관 에 비하면 효과가 덜하며 대부분의 경우 양방향확산관보다는 효과가 좋다. 양 방향확산관의 장점(증가하는 조류크기에 대해 개선)에 T ee형 및 경사형의 단 점(외해운동량 성분의 자가유발)을 보완한 형태이며 조류속도가 낮은 경우를 제외한 모든 경우에 대해 바람직한 양방향확산관의 한 형태이다.
5) 양방향 확산관(alt ernating diffu ser )
이 확산관 축은 우세한 조류방향에 수직이며 각 방류공은 확산관의 축에 수직이다. 외해방향으로 운동량이 발생하지 않으며 방류유속이 크지 않아도 된다. 양방향확산관의 희석은 T ee형 확산관과는 달리 조류속도가 증가할수록 개선되는 경향이 있다. 강하지 않은 보통의 규칙조류를 나타내는 현장에 주로 사용되며 느린 조류의 경우에 긴 확산관의 길이가 요구된다(Fig . 3.2(d)).
확산관의 형태별 효율성을 평가하면 T able 3.4와 같다. 이는 4장의 민감도 분석 및 현장적용시 검증하였다.
확산관의 설계에서는 설계유량, 관경, 관로 경사, 관 재질에 따른 마찰저항, 방류수의 밀도, 오폐수의 밀도, 방류수심, 운영수두(operating head) 등의 물리
적 요소에 의해 확산관의 형태와 설치위치, 도수관 및 확산관의 크기 및 길이, 연직유도관과 방류공의 형상 및 직경 등이 결정되어야 한다.
확산관의 위치는 인근 어장 및 수산업 관련 지역에 대한 영향, 법적 규제 기준 등이 고려되어야 하며 확산관의 크기 및 형태는 운영방법에 따라 달라지 며 방류량, 관의 재질, 관내 토사, 공기, 유입해수 등을 기준으로 선정한다. 방 류가 이루어지고 있는 동안에는 방류공의 관내 프루드(Froude) 수를 1 이상 유지하면 해수의 침입을 막을 수 있다(Brook s, 1960).
T able 3.4 Qulit at iv e perform ance of subm erged diffu ser s
T y pe of diffu s er Coflow in g Obliqu e T ee S t ag ed A lt er n at in g N et offsh or e
m om ent u m N o Y es Y es Y e s N o
P er for m an ce in r eceiv in g
w at er cu rr en t s
Un i-dir ect ion al
L ow
speed Good Good Good F air P oor
M oder at e
speed Good Good F air Good P oor
High
speed Good F air P oor Good F air
Bi -dir ect ion al
L ow
speed F air F air Good F air P oor
M oder at e
speed P oor P oor F air Good P oor
High
speed P oor P oor P oor Good F air
3 .1.4 방 류 공 의 종 류 및 설 계 요 건
최근에는 연직유도관(riser )의 간격을 크게 하고(보통 10m 이상), 연직유도 관의 상단에 2개 이상의 방류공(port )을 설치하고 있으며 예를 들어 2개의 방 류공(울산), 4개의 방류공(마산/ 창원, 온산, 녹산), 6개(시드니) 및 8개의 방류 공(USA, 시드니/ 보스톤 항) 등이 있으며 이는 필요한 희석 요건을 만족시키 기 위한 것이다.
방류공은 확산관의 관 벽에 구멍을 뚫어 제작하거나 확산관의 상단에 상향 의 튜브를 붙여 이를 방류공으로 활용하기도 한다. 또한 관로가 바닥의 퇴적 에 의해 메워지는 것을 방지하거나 파랑에 의한 확산관의 파손을 방지하기 위 하여 확산관의 상단에 확산관보다 상대적으로 적은 직경의 연직유도관을 부착 하고, 그 상단에 임의의 방향의 방류공을 부착할 수도 있다. 방류공이 확산관 에 부착되는 간격은 다음과 같이 제한하고 있다.(Alm quist and Stolzenbach , 1976)
s/ L 0 . 20 (3.1)
= sH
ao 10 (3.2)
이 확산변수 를 통해 중심선 희석이 구해지기도 한다.
Sc= c (3.3)
방류공의 수평방류각도는 주변수와 방류수의 특성을 고려하여 결정되는데
일반적으로는 평행한 것보다는 약 20 내외의 상향을 유지하는 것이 희석효 과를 증대시킨다. 방류공의 수와 크기는 목표하는 희석률, 각 방류공의 방류량 의 균등분배 확보, 해수 침입과 방출, 그리고 침전물에 대한 세굴속도와 관련 되어 결정되어야 한다. 본 연구의 4장에서도 방류공의 배치형태 및 개수에 따 른 다양한 모의를 수행하여 보다 현실적인 해양방류관의 최적설계방안을 강구 하고자 한다.
주어진 유량에 대하여 방류공의 총단면적과 방류유속은 반비례하는데 즉, 방류공의 총단면적이 적을수록 방류유속이 커지므로 운동량도 커진다. 방류유 속이 커지면 방류구 부근의 근역 희석률을 증가시키는 장점이 있으나 바람직 하지 않은 흐름형태를 근역에서 발생시키기도 한다.
유속을 확보하기 위해 펌프시설의 경제성, 유속이 충분히 확보되지 못할 경우의 관내 침전 등 양자간의 조절이 필요하며 일반적으로 방류 유속은 3～
8m/ sec의 범위를 가지며 관내침전을 막기 위해 최소 0.5m/ sec 이상이 권고된 다.
이상에 근거하여 이후의 절에서는 해양방류와 관련한 수리학적 이론을 설명 하고자 한다.
3 .2 난 류 제 트 이 론
3 .2 .1 난 류 제 트 의 환 경 조 건 및 기 본 가 정
오폐수가 방류확산관을 통해 방류되면 혼합단계, 이송단계, 난류확산 및 이 류로 이어지는 세 단계의 난류혼합을 거치는데 초기에는 운동량 과잉에 의해 부력 플룸(buoy ant plum e)이 떠오르면서 주변수를 연행(entrainm ent )시키며