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2020년 8월 석사학위 논문
비점오염원 제거를 위한 ABS 여재의 성능 평가 연구
조 선 대 학 교 대 학 원
토 목 공 학 과
오 성 경
비점오염원 제거를 위한 ABS 여재의 성능 평가 연구
A Study on the Performance Evaluation of ABS Filtering Media for the Non-point Source
Water Pollutants Removal
2020년 8월 28일
조 선 대 학 교 대 학 원
비점오염원 제거를 위한 ABS 여재의 성능 평가 연구
지도교수 김 성 홍
이 논문을 공학 석사학위 논문으로 제출함 2020년 5월
조 선 대 학 교 대 학 원
토 목 공 학 과
오 성 경
오성경의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 교 수 (인)
위 원 조선대학교 교 수 (인)
위 원 조선대학교 교 수 (인)
2020년 6월
목 차 ABSTRACT
제 1 장 서 론 ···1
1.1 연구 배경 및 목적 ···1
1.2 국내·외 연구 동향 ···2
1.3 연구내용 및 방법 ···4
제 2 장 이론적 배경 ···5
2.1 비점오염원 ···5
2.1.1 비점오염원의 정의 및 종류 ···5
2.2 비점오염원 관리제도 ···8
2.2.1 국내제도 ···8
2.2.2 국외제도 ···13
2.3 비점오염 관리시설 ···16
2.3.1 자연형 시설 ···18
2.3.2 장치형 시설 ···21
2.3.3 최적관리기법(BMP) ···25
2.3.4 저영향개발(LID) ···26
2.4 여과형 시설 ···27
2.4.1 여재의 특성 ···29
2.4.2 역세척 ···32
제 3 장 실험방법 ···33
3.1 실험장치 ···33
3.1.1 비점오염물질 대체물질 선정 ···33
3.1.2 여재의 구성 ···35
3.1.3 여과 장치 ···37
3.2 실험방법 ···40
3.2.1 여재 코팅실험 ···40
3.2.2 여과실험 및 역세척 실험 ···41
제 4 장 실험결과 ···42
4.1 여재 코팅실험 ···42
4.2 여과 실험 ···43
4.2.1 무부하 손실수두 실험 ···43
4.2.2 일반여재의 SS 제거실험 ···43
4.2.3 코팅여재의 SS 제거실험 ···48
4.2.4 입도 분포 변화 비교 ···57
4.3 역세척실험 ···58
4.3.1 일반여재의 역세척 실험 ···58
4.3.2 코팅여재의 역세척 실험 ···60
제 5 장 결 론 ···64
표 목 차
표 2.1 점오염원과 비점오염원의 비교 ···5
표 2.2 오염원그룹별 비점오염원 구분표 ···7
표 2.3 4대강 비점오염원관리 종합대책의 단계별 추진방향 ···9
표 2.4 비점오염원 설치신고 대상 사업장 및 개발사업 ···10
표 2.5 강우유출수 배출관련 NPDES 허가 규제 대상 ···14
표 2.6 일본의 폐쇄성 수역의 수환경 보전대책 ···15
표 2.7 비점오염저감시설 유형별 처리용량 산정 ···17
표 2.8 최적관리기법(BMP)의 종류 및 특징 ···25
표 2.9 여과 방향에 따른 여과시설의 분류 ···29
표 2.10 여재의 종류 ···31
표 3.1 비점오염저감시설의 시료 기준 ···33
표 3.2 비점오염물질 대체물질의 입도분포 비교 ···34
표 3.3 여재의 물리적 특성 ···36
표 3.4 여과조 구성 품목 규격 ···38
표 3.5 침전조 구성 품목 규격 ···39
표 4.1 여재 코팅 실험 후 무게 변화 ···42
표 4.2 무부하 운전에서의 여과속도에 따른 손실수두 변화 ···43
표 4.3 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 1차 SS 제거실험 ···44
표 4.4 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 2차 SS 제거실험 ···46
표 4.5 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 3차 SS 제거실험 ···47
표 4.6 코팅여재의 보통농도 유입수에 대한 SS 제거실험 ···49
표 4.7 코팅여재의 고농도 유입수에 대한 1차 SS 제거실험 ···51
표 4.8 코팅여재의 고농도 유입수에 대한 2차 SS 제거실험 ···53
표 4.9 코팅여재의 초고농도 유입수에 대한 SS 제거실험 ···55
표 4.10 일반여재의 보통농도 1차 여과실험 후 역세척 실험결과 ···59
표 4.11 코팅여재의 보통농도 여과실험 후 역세척 실험결과 ···60
표 4.12 코팅여재의 고농도 1차 여과실험 후 역세척 실험결과 ···62
표 4.13 코팅여재의 고농도 2차 여과실험 후 역세척 실험결과 ···63
그 림 목 차
그림 2.1 비점오염저감 국고보조사업 추진경위 ···12
그림 2.2 저류형 시설의 모식도 및 시공사례 ···18
그림 2.3 인공습지의 모식도 및 시공사례 ···19
그림 2.4 침투형 시설의 모식도 및 시공사례 ···20
그림 2.5 식생형 시설의 기본구조 및 시공사례 ···21
그림 2.6 여과형 시설의 기본구조 및 시공사례 ···22
그림 2.7 와류형 시설의 개념도 및 시공사례 ···23
그림 2.8 스크린형 시설의 모식도 및 시공사례 ···23
그림 2.9 응집·침전형 시설의 모식도 및 시공사례 ···24
그림 2.10 저영향개발기법(LID)의 종류 ···26
그림 3.1 비점오염물질 대체물질 ···33
그림 3.2 황토와 연마사의 입도분포 측정결과 ···34
그림 3.3 황토와 연마사의 입도분포 비교 ···35
그림 3.4 금형 사출 제작된 3중층 여재 ···36
그림 3.5 여과장치 처리계통도 ···37
그림 3.6 실험반응조 단면과 월류위어 ···38
그림 3.7 역세척 장치 처리계통도 ···39
그림 3.8 여과 실험장치의 구성 ···40
그림 4.1 여재 코팅실험 후 비교 ···42
그림 4.2 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 1차 SS 제거실험 ···45
그림 4.3 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 2차 SS 제거실험 ···46
그림 4.4 일반여재의 보통농도 유입수에 대한 3차 SS 제거실험 ···48
그림 4.5 코팅여재의 보통농도 유입수에 대한 SS 제거실험 ···50
그림 4.6 코팅여재의 고농도 유입수에 대한 1차 SS 제거실험 ···52
그림 4.7 코팅여재의 고농도 유입수에 대한 2차 SS 제거실험 ···54
그림 4.8 코팅여재의 초고농도 유입수에 대한 SS 제거실험 ···56
그림 4.9 유입수와 처리수의 입도분포 측정결과 ···57
그림 4.10 유입수와 유출수의 입도분포 비교 ···58
그림 4.11 보통농도 1차 실험의 역세척 유출수 SS 변화와 누적 SS 제거율59 그림 4.12 보통농도 실험의 역세척 유출수 SS 변화와 누적 SS 제거율 ···· 61 그림 4.13 고농도 1차 실험의 역세척 유출수 SS 변화와 누적 SS 제거율 62 그림 4.14 고농도 2차 실험의 역세척 유출수 SS 변화와 누적 SS 제거율 63
ABSTRACT
A Study on the Performance Evaluation of ABS Filtering Media for the Non-point Source Water Pollutants Removal
Oh, Seong Gyeong
Advisor : Prof. Kim, Sung Hong, Ph. D.
Department of Civil Engineering, Graduate School of Chosun University
In order to measure the filtration performance of a newly developed 3 layers ball shape filter, pilot-scale filtration experiments were carried out in this study. Fine abrasive sand was used as SS(Suspended Solids) surrogate material. Among the fine abrasive sand, particles of 63μm or less was more than 90% which satisfies the standard value of 80% or more. Two types of filter was used in this study. One is normal filter and the other is coated filter which is coated with fine abrasive sand.
Normal filter showed 70 – 92% of SS removal rate. On the other hand, the coated filter showed 87 – 98% of SS removal rate and was more effective than normal filter. Both filter showed effective.
The backwash function was excellent in both filters. 84 – 96% of the adsorbed SS on the filter was easily detached for the first 4 minutes of backwashing period and 98 – 100% of the residual SS was detached for the last 6 minutes.
Based on the particle size analysis, fine particles less than 63μm was effectively removed by the filters. This means that not only sieving effect but adsorption on the surface of the filter also occurs in this filtration experiments.
제 1 장 서 론 1.1 연구 배경 및 목적
계속되는 택지개발 및 도로개발과 지역의 도시화로 인하여 지면의 불투수층 면적이 확대되었고 그 결과 짧아진 강우유출수 유달시간으로 강우유량이 증가되었다. 대표적 인 불투수성의 특성을 갖는 도로와 같은 포장지역은 집중폭우시 차량활동으로부터 발 생되는 오염물질의 배출량이 높고 이는 근처 수질에 직접적인 영향을 미친다(Yun et al., 2010). 지면의 오염물질과 함께 강·하천으로도 유입되어 수환경의 오염을 유발시키 는 오염물질의 대부분은 비점오염물질로 점오염물질과 달리 강우유출특성과 부하량이 다양하여 관리하기가 어렵다. 점오염원은 가정하수, 공장·축산페수와 같이 오염 배출원 의 유출경로가 명확하여 차집관거에 의한 수집과 제어가 용이하고 계절에 따른 영향이 적으므로 발생량의 예측이 가능해 분뇨·하수처리시설과 산업·축산폐수처리시설 및 방 류수 수질기준 강화를 통한 관리가 쉽게 이루어진다. 하지만 비점오염원은 도시, 산지, 대지, 도로 등의 지면에 광범위하게 분산되어 오염물질을 방출하며 축적된 오염물질들 이 강우 시에 우수에 씻겨 유출되므로 하천의 오염이 가중된다. 또한 도시·농촌 등 지 역에 따라 다양한 특성을 보이며 점오염원과 달리 계절과 기상조건의 영향을 받아 오 염물질의 배출량이 크게 변동된다. 그러므로 비점오염원으로부터의 수환경 보전을 위 해 비점오염물질 저감에 대한 대책방안이 마련되어야 한다.
오염물질 저감을 위해 정부차원의 제도적인 방안과 저감시설의 설치방안이 시도되 고 있으며 특히 저감시설에 대해 많은 연구가 수행되어왔다. 토지개발과 대규모 산업 단지로 인하여 부지확보와 설치비용에 제약이 있는 도시지역의 경우 자연형 시설보다 는 장치형 시설에 대한 방안이 마련되고 있다. 장치형 시설 중에도 다양한 종류의 시 설이 있지만 그 중 여과형 시설이 가장 보편적이고 효율적으로도 높이 평가되어 이와 관련된 많은 연구가 수행 되어지고 있다. 하지만 여과형 시설에 사용되는 여재에 대하 여 아직까지 여과효율대비 유지관리적인 부분에 어려움이 있어 유지관리의 편리성과 함께 오염물질 제거에도 높은 효율을 낼 수 있는 여재의 적용이 필요한 실정이다.
1.2 국내·외 연구 동향
비점오염저감과 관련하여 국내에서도 많은 연구자들이 비점오염원에 대한 연구를 수 행해왔다. 비점오염저감에 관련된 국내 연구는 시설형 장치들이 주류를 이루며 그 중 김형준(2005)은 발포프로필, 입상활성탄, Zeolite에 대한 통수능과 부유물질(Suspended Solid, SS), Cu 및 Zn 제거실험을 수행하였으며, 마찬가지로 송교신(2005)도 활성탄, 발포프로필, 다공성 스폰지, Zeolite에 대해 SS, COD(Chemical Oxygen Demand), Zn, Cu 처리효율 실험을 수행하였다. 송현근(2009)은 침투도랑의 전처리 시설로 사용되는 침강지에 대한 저감효율을 평가하였으며 여재 Anthracite, Vemiculte, Zeolite를 가지고 실험을 수행한 결과 SS, TP(Total Phosphorus), TN(Total Nitrogen) 항목에서 평균 70%의 제거율을 확인하였다. 최원석 등(2008)은 도로노면 유출수의 오염물질에 대해 여과재 발포고분자여재(Expanded Polypropylene, EPP), GAC(Granular Activated Carbon), Zeolite, Perlite에 대해 여과실험을 수행하였으며 최지연(2010)은 침투도랑을 이용하여 여재 Perlite, Zeolite, Sponge, Woodchip에 대한 여과시험을 수행하였다. 윤 상린 등(2017)은 EPP에 대해 도로노면의 유출수 SS 제거실험과 역세척 실험을 수행하 였으며 하신영과 김인수(2018)는 피트모스를 혼합한 유입수에 대해 Zeolite를 적용한 상향류식 여과실험과 역세척 실험을 실시하엿다. 송광철(2014)은 수목여과상자와 흡착 여재를 이용해 침투형과 여과형이 결합된 형태의 시설에 관한 연구를 수행하였으며 TSS 제거 효율에서 70%이상의 처리효율을 확인하였다. 채진병(2013)은 소규모 지역에 서 발생하는 강우유출로 인한 오염물질 제거를 위해 기존 유수지시설과 맨홀 등 우수 관로의 개량을 통해 소규모 장치형 시설의 기술개발 연구를 수행하였으며 Zeolite, 활 성탄, 자갈에 대해 여과실험을 수행해 TP, TN, SS에 대한 저감효과를 확인하였다. 김 희진(2018)은 도로노면 유출수에 포함된 비점오염물질 제거실험을 수행하였으며 여재 층 4가지(bottom ash-sand, sand-bottom ash, woodchip-sand, sand-woodchip)중 bottom ash-sand 층의 여과 성능을 확인하였고 이후 역세척 실험을 통하여 물＋공기 세척의 효과를 확인하였다. 박승도(2018)는 여과재의 제조원가와 강도적 측면의 문제점 을 해결하기 위한 무기물 여과재 개발연구를 수행하였고 연소재와 식품폐기물로부터 발생하는 산업부산물을 이용하여 친환경 바이오연료(palm kernel sheel + woodchip)와 석탄의 조합으로 구성된 여과재를 개발 하였다.
국외에서도 비점오염원에 대한 관리 및 오염물질 저감을 위한 다양한 연구들이 수행
되었다. Iwasaki et al.(1937)은 모래층에 대해 부유물질 여과실험을 수행하여 모래층의 크기와 물의 깊이의 조건에 따른 여과효율을 확인하였으며 Whipple and Hunter(1981) 은 도시지역내 발생하는 강우유출수의 비점오염물질 분석과 관내 침전에 의한 오염물 질 제거실험을 수행하였다. Deletic and Maksimovic(1998), Charbeneau and Barrett(1998)은 도시화된 지역에 발생하는 강우에 대해 유출량과 부유물질의 상관관계 를 유량가중평균농도(Event Mean Concentration, EMC)를 통하여 나타내었으며 이를 통하여 비점오염물질에 대한 저감방안을 제안하였다. Hatt et al.(2007)과 Siriwardene et al.(2007)은 자갈 침투장치를 통해 SS와 중금속의 저감실험을 수행하였으며 표면여 과로 인한 오염물질의 제거를 확인하였다. Yang et al.(2015)은 식생형 필터 스트랩의 SS, TP, TN 제거 효율을 평가하였으며 그 결과 평균 80%이상의 높은 제거율을 확인 하였는데 이는 식생형 필터스트랩의 주된 기능인 유출속도 저감기능과 침전물의 여과 기능이 오염저감효과를 보이기 때문이라고 판단하였다.
비점오염저감과 관련한 국·내외 연구동향은 국내의 경우 비점오염저감시설 중 여과 장치형 시설에 대한 연구가 주류를 이루었으며, 그 결과로는 여과효율과 역세척 효율 에 대한 성능평가만을 나타내었다. 국외는 오염물질 저감효율에 대한 성능을 평가함에 있어 모래와 자갈, 식생 체류지와 같은 다양한 여재의 적용과 관련된 연구가 수행되어 왔다. 이와 같은 연구 동향으로 보아 현재 장치형 시설에 적용되는 각종 여재들의 성 능은 우수한 것을 알 수 있다. 그러나 이후 시설의 지속적인 사용을 위한 유지관리적 인 측면에서는 아직까지 어려움이 있는 것으로 판단되며 이를 보완할 수 있는 새로운 여재의 적용이 필요한 것으로 사료된다.
1.3 연구내용 및 방법
비점오염원 저감시설 중 여과형 시설에서 사용되는 여재에 대한 성능평가 중 SS 제 거효율에 대한 기준을 가지고 판단하였다. SS는 물의 오염도를 평가하는데 중요한 지 표로서 슬러지 생성량과 직접적인 관계가 있으며, 여과지에 일정량의 시료를 여과시켜 건조한 후 여과지에 걸린 고형물의 무게를 측정하여 구하는 수질오염지표를 말한다.
SS 수중의 고형물 입자들은 크기에 따라 분류할 때 직경이 10nm 이하의 입자를 용존 물질, 1μm 이상의 입자를 부유물질, 그 중간의 것을 콜로이드 물질이라고 정의하며 단 위는 mg/L로 나타낸다. 이에 대해 환경부(2016)에서 제시한 여과형 시설에 대한 설계 기준은 SS 제거효율이 80% 이상을 보이며, 이후 역세척에 대한 가능여부와 손실수두 의 회복여부이다. 실험장치를 설계함에 있어 여과선속도와 침전조의 규격, 여재층의 두 께 등 구체적으로 제시된 기준에 따라 여재의 적합여부를 판단하였다.
본 연구에서는 ABS 재질의 여재에 대한 여과성능을 평가하기 위해 실험장치를 설 계 및 설치하고 비점오염물질 대체물질을 유입시켜 여재에 대한 여과효율을 평가하였 다.
실험에 사용된 비점오염물질 대체물질 시료로는 연마사 혼탁액을 사용하였으며 유입 수는 청수에 연마사를 농도별로 혼합시켜 조제하였다. 여과장치내 여재를 충전하고 유 입수를 흘려보내 통과하는 시료의 SS 농도를 여재와 농도별로 분석하였으며, 이를 통 해 여재의 여과효율과 이후 역세척실험을 통한 역세척 효율을 판단하였다. 또한 ABS 여재의 여과 성능 향상을 위해 여재에 무기질 코팅 실험을 수행하고 코팅 여재에 대하 여 여과 성능 평가를 위한 여과실험을 동일하게 수행하였다.
제 2 장 이론적 배경 2.1 비점오염원
2.1.1 비점오염원의 정의 및 종류
비점오염원은 도시, 도로, 농지, 산지, 공사장 등과 같은 불특정장소에서 불특정하게 수질오염물질을 배출하는 배출원을 말하며(수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 제2조 제2호) 건기시에 지표면에 누적되어있는 다양한 오염물질들이 강우유출수와 함께 유출 되어 수질 및 토양오염을 일으키는 배출원을 지칭한다. 이러한 비점오염원은 특정한 장소에서 유출되는 점오염원과 구별되며, 발생하는 오염물질의 유출과 배출경로가 명 확하지 않아 차집이 어렵고 오염물질의 발생량과 배출량이 기상조건과 지역의 유역특 성에 많은 영향을 받으므로 관리의 불확실성이 높아 오염원을 관리하기 위해서는 전문 적인 접근을 필요로 한다(환경부, 2016).
구 분 점오염원 비점오염원
배출원 공장, 생활하수, 축산농가 등 대지, 논, 밭, 임야, 도로, 대기강하 물질 등
특 징
Ÿ 인위적으로 발생됨 Ÿ 배출기능만을 수행함 Ÿ 배출지점이 명확함
Ÿ 수역의 한 지점에 집중적으로 배출됨
Ÿ 차집이 용이하고 처리효율이 높음
Ÿ 자연적 영향이 적어 계절적인 변 화가 크지않음
Ÿ 인위적 및 자연적으로 발생됨 Ÿ 배출기능과 정화능력이 양면성을
가짐
Ÿ 배출지점이 명확하지 않음 Ÿ 확산되며 넓은 지역으로 배출됨 Ÿ 차집이 어렵고 강우의 영향을 받
기에 처리효율이 일정하지 않음 Ÿ 자연적인 영향을 받으므로
계절에 따른 변화가 심함 표 2.1 점오염원과 비점오염원의 비교(관계부처합동, 2004)
이러한 비점오염원의 종류를 환경부에서는 크게 8가지로 분류하고 있다. 그 중 토사 (sediment)는 강우유출수의 가장 많은 부분을 차지하는 오염물질로 수생생물의 광합성 과 호흡, 성장 및 생식에 장애를 일으키며 영양물질과 금속, 탄화수소를 비롯한 다른 오염물질들도 흡착되어 발생하게된다. 비료로 사용되며 주로 질소나 인과 같은 영양물 질(nutrients)은 주택 및 농경지와 도시노면의 하수도에서 유출된다. 박테리아와 바이 러스(bacteria & virus)는 동물의 배설물과 강우시 월류된 하수도의 배출수에서 많이 검출되며 기름과 그리스(oil & grease)는 수생생물에 치명적인 영향을 끼치는 물질로 누출과 차량전복과 같은 사고나 차량 세척으로부터 오염이 발생한다. 도시지역의 강우 유출수에서 흔히 검출되는 납, 아연, 카드뮴, 구리, 니켈 등의 중금속(metals)은 하천으 로 유입되는 총금속물질량 중 50% 이상이 토사를 매개체로 하여 배출된다. 유기물질 (organics)은 밭, 논, 산림과 주거지역 등 광범위한 장소에서 유출되며, 특히 합류식 관 거내 하수관거에서는 바닥에 침전되어 있어 강우시에 일시에 배출되기도 한다. 공업지 역에서 광범위하게 사용되는 인공유기 화합물도 부적절하게 관리되는 과정에서 배출되 기도 한다. 제초제, 살충제, 항곰팡이제와 같은 농약(pesticides)은 플랑크톤과 같은 수 생생물에 축적되고, 이러한 오염물질은 이후 먹이사슬을 통해 생물농축을 일으키며 어 류와 조류에게 치명적인 영향을 끼치게된다. 건축공사장과 사업장등에서 발생하는 쓰 레기와 잔재물, 부유물을 지칭하는 협잡물(gross pollutants)은 중금속과 살충제, 박테 리아 등을 포함하고 있으며 이 역시도 이후 수생생물에게 영향을 끼칠수 있다(국립환 경과학원, 2017). 국립환경과학원에서 발간한 “오염총량관리 기술지침”에서도 비점오염 원에 대해 오염원들을 관거월류수에 대해 그룹별로 구분하였다. 관거월류수는 우기시 에 관거용량 부족으로 발생하는 월류수로 합류식 관거의 월류수(Combined Sewer Overflows, CSO)와 분류식 관거의 월류수(Sanitary Sewer Overflows, SSO)로 구분된 다.
오염원
그룹 비점오염원 내 용
생활계 Ÿ 생활계 관거월류수
축산계
§ 개별배출수 – 개별축사로부터 자원화처리 또는 미처리되어 농 지에 살포된 후 주로 강우에 의 존하여 배출되는 고형물 성상의 축산계 배출수
§ 축산계 관거월류수
자원화 유형에는 ‘톱밥발효’, ‘퇴비’,
‘액비’, ‘위탁’이 있다.
산업계 § 산업계 관거월류수
토지계
§ 개별배출수 – 환경기초시설로 연결된 관거로 유입되지 않는 구역의 토지계 배출수
§ 토지계 관거월류수
토지계의 개별배출수란 환경기초시 설로 이송하는 배수설비로 유입되 지 않고 개별적으로 배출 또는 배 제되는 토지계의 유출수를 말한다.
양식계 § 양식계 관거월류수
매립계
§ 개별배출수 – 침출수처리시설 을 갖추지 않는 비위생매립지로 부터 공공수역으로 배출되는 매 립계 배출수
§ 매립계 관거월류수
표 2.2 오염원그룹별 비점오염원 구분표(국립환경과학원, 2019)
우리나라는 기상학적으로 한 해에 내리는 총강수량의 약 70%가 6∼9월의 여름철에 집중되는데 산업화, 도시화의 확대에 따른 불투수층의 증가로 강수량이 급증하여 유출 량이 변동되었고 강우초기 우수에 의한 지상의 오염물질이 하천으로 이동되어 수질오 염을 가중시키고 있다. 정부의 “4대강 물관리 종합대책(2004)”에 따르면 수계 전체오염 원 중 22∼37%를 비점오염원이 차지하고 있으며 팔당권 유역은 1999년말을 기준으로
또한 강우유출수는 강우의 규모가 커질수록 더욱 많은 부유물질을 발생시키게 되며 누적되는 비점오염물질 또한 강우강도에 따라 달라지게된다. 이는 강우유출시 발생하 는 비점오염물질이 강우와 해당 유역의 특성에 따라 크게 좌우됨을 뜻한다(Deletic and Maksimovic, 1998). 이러한 강우현상의 변화에 많은 영향을 받는 비점오염물질은 도시지역에서 주로 관찰되는데 이는 도시지역 내 수문현상이 강우 초기시 유량이 급증 하고 후반으로 갈수록 감소하여 비강우시의 상황으로 회복되는 특징을 갖고있기 때문 이다. 도시 중 합류식 하수도시설을 갖추게 된 경우 강우 초기 배출되는 first flush 현 상이 두드러지기에 우수 피크유출에 앞서 최대오염유출이 발생되고 이는 하천에 큰 영 향을 미치기도 한다. 지역내 곳곳에 쌓여있는 퇴적물 또한 비점오염원의 큰 영역을 차 지하며 이러한 퇴적물들은 일반적으로 유기성 부유오니, 기름, 중금속, 폐기물, 모래, 자갈 등으로 이루어져 있다.
산업지역에서는 각종 생산활동으로 인하여 비점오염물질이 발생하게 되며 특히 각종 유독성 오염물질을 함유하는 경우도 있다. 논이나 밭과 같은 농경지역은 종작물 경작 시 발생하는 표토의 교란과 토양 개량을 목적으로 한 인분 및 두엄의 살포 및 농작물 수확 이후 잔재물의 방치가 주된 비점오염물질이 되며 도시지역에 비해 오염물질의 농 도는 낮지만 발생지의 면적이 넓기에 마찬가지로 수질오염에 상당부분을 차지하고 있 다(최지용, 2002).
2.2 비점오염원 관리제도 2.2.1 국내제도
비점오염원을 관리하기 위한 정부의 계획은 1997년에 수립된 ‘물관리종합대책(국무 조정실 수질개선기획단)’을 통해 처음 도입되었다. 이후 2004년에 국무총리실과 환경부 외 6개의 부처가 “4대강 비점오염원관리 종합대책“을 수립, 제도를 개선하여 저감시설 을 시범설치 하였고 계속되는 관리와 연구를 통해 비점오염원에 대한 국가차원의 체계 적인 관리가 추진되었다. 그 후로도 환경부는 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률의 개정을 통하여 비점오염원 설치신고제도와 관리지역 지정제도 도입을 추진하였으며 이 후에도 계속되는 비점오염원에 대한 국가차원의 정책현황과 개선방향은 ”비점오염저감 국고보조사업(국립환경과학원, 2020)“, ”오염총량관리 기술지침(국립환경과학원, 2019)’
등을 통해서도 제시되고 있다.
비점오염원 관리를 통해 물관리 종합대책상의 목표수질을 달성하기 위한 4대강 비점 오염원관리 종합대책의 관리기간은 2004년부터 2020년까지 되어있으며 16개년 동안 3 단계로 구분하여 추진하도록 하였다. 주된 내용으로는 비점오염원 관리체계를 수립하 며 조사연구를 통한 법적근거를 마련하는 것이다. 또한, 지역의 개발사업에 대한 법령 및 규정을 정비하고 비점오염원에서의 오염물질 발생예방과 저감방안을 마련하여 도 시·농촌지역의 비점오염원과 배출사업장의 관리 및 정비와 같은 내용을 담고 있다.
1단계(`04년∼`05년)
비점오염원 관리 제도 마련
§ 비점오염원 관리를 위한 법령 및 규정 마련과 정비 - 국가와 지자체의 계획 수립 등 관리의무를 부과 - 신규·정비사업시 비점오염 예방 및 관리
§ 비점오염원 기초연구 및 시범사업
§ 비점오염원관리 교육 및 홍보를 통한 국민인식 제고 2단계(`06년∼`11년)
비점오염원 관리 기반 구축
§ 주요 사업장에 비점오염물질 관리의무를 단계적으로 부과
§ 관리분야별 저감시설 설계 및 유지관리요령 정립
§ 비점오염원 관리대책을 반영한 개발 및 정비사업 시행
§ 4대강 상수원 대표유역 비점오염원 최적관리사업 추진 - 지자체 최적관리사업 방향제시 및 시행체계 구축
§ 모니터링 기법 및 GIS기반 유역관리모델 개발
- 지자체의 독자적인 계획수립과 추진위한 기반구축 지원 3단계(`11년∼`20년)
비점오염원 최적관리사업 정착
§ 국민과 사업자의 비점오염원 관리책무 확대
§ 지자체별 비점오염원 관리사업 본격적으로 추진
§ 비용과 효율성을 고려한 최적관리기술 개발 및 보완 표 2.3 4대강 비점오염원관리 종합대책의 단계별 추진방향(관계부처합동, 2004)
1) 비점오염원 설치신고제도
비점오염원 설치신고 제도는 수질환경보전법상(`07년 이후의 수질 및 수생태계 보전 에 관한 법률)의 기존 수질오염원에서 비점오염원을 별도로 구분하여 일정한 규모 이 상의 개발사업지와 오염물질 배출량이 많은 대규모 사업장(10,000m2 이상)을 대상으로 하는 제도로 시설 설치시 비점오염원을 사전에 신고하고 비점오염방지시설을 설치하거 나 비점오염저감계획을 수립하여 이행하도록 하는 것을 말한다. 설치신고 대상으로는 산업단지 및 도시개발사업에 관련된 16개 사업과 10,000m2 이상의 부지면적내 폐수배 출시설을 설치하는 사업장 13개 업종이 있다.
사 업 장
폐수배출시설을 설치하는 다음 사업장 중 부지면적 1만m2 이상인 사업장
§ 목재 및 나무제품 제조업
§ 펄프, 종이 및 종이제품 제조업
§ 코크스, 석유정제품 및 핵연료 제조업
§ 고무 및 플라스틱 제품 제조업
§ 비금속 광물제품 제조업
§ 제1차 금속산업
§ 석탄, 원유 및 우라늄 광업
§ 금속광업
§ 비금속광물 광업
§ 음·식료품 제조업
§ 전기업, 가스업 및 증기업
§ 도매업 및 상품 중개업
§ 하수처리업, 폐기물처리업 및 청소관련 서비스업
개 발 사 업
<환경영향평가법 시행령> 별표 3의 제1호로부터 제17호까지 해당하는 사업
§ 도시의 개발사업
§ 산업입지 및 산업단지의 조성사업
§ 에너지 개발사업
§ 항만의 건설사업
§ 도로의 건설사업
§ 공항의 건설사업
§ 수자원의 개발사업
§ 철도(도시철도포함)의 건설사업
§ 하천의 이용 및 개발사업
§ 개간 및 공유수면의 매립사업
§ 관광단지의 개발사업
§ 산지의 개발사업
§ 특정지역의 개발사업
§ 체육시설의 설치사업
§ 폐기물·분뇨처리시설 및 축산폐수 공공처리시설의 설치
§ 국방·군사시설의 설치사업
§ 토석·모래·자갈·광물 등의 채취 사업
표 2.4 비점오염원 설치신고 대상 사업장 및 개발사업(국립환경과학원, 2011)
2) 비점오염원 관리지역 지정제도
비점오염원 관리지역 지정제도는 수질환경보전법령의 개정으로 비점오염원 설치신고 제도와 함께 처음 도입된 제도이다. 개정된 내용에 따르면 비점오염원내 강우유출수의 유출로 인한 하천·호소의 이용제한과 주민의 건강·재산 및 자연생태계에게 위해가 가 해질 우려가 있는 지역을 비점오염원 관리지역으로 지정하여 관리하도록 한다. 하천과 호소의 수질환경기준이 미달되고 비점오염기여율이 50% 이상인 지역을 포함한 도시·
지방산업단지 중 비점오염원 관리가 필요한 지역이 지정될 수 있으며 실제로 환경부는 2007년을 시작으로 총 8개 지구(2,22979km2)를 비점오염원 관리지역으로 지정하였다 (환경부, 2016).
3) 비점오염저감 국고보조사업
비점오염저감시설 설치관련 국고보조사업의 계획을 수립하고 시설에 대해 설치 및 유지·관리를 통하여 수질개선과 수생태계의 건강성 확보를 목적으로 시행되고 있다.
「물환경보전법」의 비점오염저감 국고보조금 지원대책 제 3조(책무), 제 53조의 2(상 수원의 수질보전을 위한 비점오염저감시설 설치), 제 57조(예산 등의 지원), 제 69조(국 고보조)에 근거하여 예산이 편성 및 집행되며 2020년까지의 계속되는 개정을 통하여 관리가 이루어지고 있다.
‘08년 비점오염저감 국고지원
↓
‘09년 3월 비점오염저감사업 예·결산 지침 개정
↓
‘12년 비점오염관리지역 국고보조율 상향 (50 → 70%)
↓
‘12년 5월 「제 2차 비점오염원관리 종합대책」수립
↓
‘13년 11월 비점오염저감시설(국고보조사업)의 설치 및 관리 지침 제정
↓
‘16년 1월 비점오염저감시설(국고보조사업)의 설치 및 관리 지침 일부개정
↓
‘17년 4월 비점오염저감 국고보조사업 추진지침 일부개정
↓
‘18년 10월 비점오염저감 국고보조사업 추진지침 일부개정 그림 2.1 비점오염저감 국고보조사업 추진경위(환경부, 2020)
4) 수질오염총량제도
수질오염총량제도는 하천을 관리하기 위한 목표수질을 설정하고 이를 달성 및 유지 하기 위한 수질오염물질의 허용부하량을 산정해 배출되는 오염물질 부하량을 허용량 이하로 규제하거나 관리하는 제도를 말한다(국립환경과학원, 2011). 수립 전 생활하수 와 산업폐수와 같은 개별오염원에서 배출되는 오염물질들은 배출허용기준을 정하여 관 리해왔으나 지역이 도시화, 산업화 되어감에 따라 오염물질의 유입량이 증가되어 수질 환경기준을 초과하게 되었고 제도적 한계에 따른 개선방안 마련을 위해 도입하게 되었 다. 수질오염총량제도는 수질 모델링 기법과 같은 과학적인 수단을 이용하여 유역내 오염물질 배출량을 산정하게 되는데 이와 같은 기법을 바탕으로 수질을 관리하기 때문 에 획일적인 배출농도의 규제나 건축면적의 규제에서 발생하는 모순과 부작용을 최소 화 할 수 있고 이는 환경규제를 보다 효율적으로 운영할 수 있도록 하기에 광역적인 유역도 효율적으로 적용될 수 있다.
2.2.2 국외제도
1) 미국미국의 경우 최초 The Federal Water Pollution Control Act of 1948의 수질보호법 을 시작으로 1972년 개정한 청정수법(Clean Water Act, CWA)를 통해 비점오염을 경 감시키기 위한 연구를 수행해오고 있다. 초기 연구는 비점오염원의 중요성과 도시지역 비점오염원의 심각성 정의를 목표로 수행되었으나 비점오염원의 수질오염기여도가 증 가됨에 따라 오염수준 및 오염관리 대책방안에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다.
그 중 미국환경보건국(Environmental Protection Agency, EPA)는 수질개선을 위한 방안 중 하나인 총최대일부하량(Total Maximum Daily Loads, TMDL)을 설정하였는 데 이는 지역에서 발생되는 오염물질을 계절적 변화에 따른 영향이 고려된 수질기준에 기준 달성을 목표로 한 오염원 관리체계 제도이다. TMDL은 수질목표를 미충족시키거 나 우려가 있는 수체구간에 대해서는 정부가 EPA에 승인을 받은 후 시행하도록 하며 수체의 수질환경기준이 기존의 관리방법에 의해 달성이 불가능하다고 판단될 때, 정부 가 주체가 되어 기준 달성을 위해 일간 허용오염물질의 1일 최대배출량(TMDL)을 결 정하고 이 배출량 이내에서 오염물질이 배출되도록 관리하는 제도다(이용길, 2007).
또한, EPA는 수질오염물질의 직접적인 방출을 통제하기 위해 CWA의 국가 오염원 방출 제거 시스템인 NPDES(National Pollutant Discharge Elimination System)으로 오염방출량과 수질보존 기준을 정하였으며 비점오염원은 최적관리기법(Best Management Practice, BMP)을 이용한 관리프로그램을 주 단위로 수행하도록 하였다.
NPDES는 강우유출수의 규제와 도시·공업지역 유출수에 대한 관리계획를 수립하도록 하는 내용을 담고 있고 초기 농업지역 관련대책에서 시작된 최적관리기법(BMP)은 각 종 비점오염원 저감 및 강우유출수에서의 오염물질을 관리하기 위한 방법들을 제시하 고 있다(Leszczynska, 1997).
구 분 허가 규제 대상
공업활동과 관련된 배출허가
§ 각종 공업활동이 강우유출수에 노출될 경우 규제대상이 될 수 있는 공업활동 10가지와 5Acre 이상의 시공현장을 포함 한 총 11개의 현장
§ 공업활동에 따른 자재 취급장비, 원자재, 중간산물, 최종산물, 폐기물, 부산물 또는 공업기계가 강우유출수에 노출된 곳에 서의 강우유출수만을 포함
§ 단, 사무실 건물, 부설주차장과 같은 시설이 공업활동으로부 터 떨어진 곳에 위치하여 공업지역으로부터 배수되는 강우유 출수와 혼합되지 않은 경우는 제외
도시지역에서의 배출허가
§ CWA의 규정에 따라 연방규정에서 소규모(50,000명 이상) 및 중규모(100,000명 이상, 250,000명 미만)와 대규모(250,000명 이상)도시로서 분류식 하수관거 시스템을 가진 도시에 대해 강우유출수 허가를 받도록 함
표 2.5 강우유출수 배출관련 NPDES 허가 규제 대상(김포시, 2015)
2) 일본
일본의 경우 1970년 “수질오탁방지법”을 중심으로 수질보전에 대한 행정이 진행되어 2010년 최종 개정되었다. 공장 및 사업장과 같은 점오염원에서 발생하는 오염물질에 관해서는 공공용수역으로 배출되는 물과 지하에 침투하는 물을 규제함과 동시에 생활 배수대책의 실시를 추진하였으며 공공용수역 및 지하수의 수질오탁을 방지하는 대책을 마련하였다.
호소(呼訴)나 저수지 같은 정체수역의 경우는 점오염원으로서 다양한 수질보전책이 취해졌음에도 수질이 개선되지 않아 점오염원 대책만으로는 불충분한 것으로 판단하여 비점오염원 대책을 시행하고 있으며 관련 사례로는 비점오염원에 의한 지하수오염 대 책, 지정호소에서의 비점오염원 대책, 일반적인 수질관리대책에서의 비점오염원 대책, 지하조절지에 관련된 대책이 있다. 여러가지 대책방안을 통하여 국민의 건강과 생활환 경을 보호 및 보전하고 공장 및 사업장에서 배출되는 오수로 인한 피해로부터 피해자 를 보호할 수 있는 내용들을 법률로서 제정하였다.
도시지역의 비점오염원 관리는 저감대책으로서 강우시 주택이나 도로등의 시가지에
서 공공수역으로 유입되는 오탁부하량 저감에 대해 CSO 관리 등과 같은 하수도 사업 을 추진하였고 이와 관련하여 환경성에서는 1978년 비점오염원 검토회를 설립하였다.
2004년에는 국토교통성이 “하수도법”을 개정하여 분류식 관거를 통한 대책을 추진하였 고 폐쇄성 수역의 수환경 보전 대책을 마련함에 있어 오염물질 기준을 화학적 산소 요 구량(COD)으로 설정하여 1979년의 1차 총량규제로부터 지속적으로 COD의 원인인 플 랑크톤의 증식에 영향을 주는 질소와 인의 부하량 삭감을 종합적으로 추진하고 있다 (김치곤, 2018).
대 책 내 용
호소에 대한 호소수질 보전계획
지정호소에 대하여 농업지역, 도시지역, 자연지역에 대한 대책 과 하천직접대책을 마련하여 시행하고 일부 지정호소에서는 비 점오염원 부하대책 검토회를 설치
대도시권의 바다재생 프로젝트
도쿄만, 오사카만 및 이세만에 대한 재생행동계획에 근거하여 내륙지역의 부하삭감대책 등을 추진, 부하삭감대책 중 간벌을 실시하고 복층림의 조성과 침투시설을 설치하는 등 비점오염부 하의 저감을 도모함
폐쇄성 해역의 수질총량삭감 대책
축산배수대책에 대한 지도 강화와 합류식 하수도를 개선하는 등 시가지 우수유출수에 대한 대책방안을 촉진하고 하천과 연 안 생태계의 보전과 회복을 통한 자연정화 기능을 유지하는 지 도 차원의 비점오염원 대책을 추진함
표 2.6 일본의 폐쇄성 수역의 수환경 보전대책
2.3 비점오염 관리시설
비점오염저감시설은 수질오염방지시설 중 비점오염원으로부터 배출되는 수질오염물 질을 제거하거나 감소하게 하는 시설을 말하며(물환경보전법 제2조 제13호) 자연형 시 설과 장치형 시설로 구분할 수 있다. 자연형 시설은 저류시설, 인공습지, 침투시설, 식 생형 시설 등이 있으며 장치형 시설은 여과형 시설, 와류형 시설, 스크린형 시설, 응 집·침전 처리형 시설, 생물학적 처리형 시설 등이 있다.
비점오염저감시설을 설계 및 설치하기 위해서는 2가지 사항이 공통적으로 검토되어 진다 .첫 번째는 시설의 안전성을 확보하고 홍수 발생의 위험이 없는 곳에 위치하는 등 침수를 방지할 수 있도록 구조물을 배치하였는지와 두 번째로 강우가 설계유량 이 상으로 유입되는 것에 대비하여 우회시설을 설치하였는지의 여부다. 시설의 규모에 대 하여는 자연형 시설의 경우 초기강우량을 누적유출고로 환산하여 최소 5mm 이상을 처리할 수 있도록 설계되었는지의 여부가 검토되어야 하며 장치형 시설의 경우 해당 지역의 강우사상의 확률빈도 80% 일때의 강우강도를 최소 기준으로 설계되었는지가 검토되어야 한다.
설치지역의 비점오염원 특성에 따라서도 적용되는 시설이 논의되어야 하는데 농촌지 역이나 저밀도로 개발된 지역의 경우는 비점오염물질의 구성 중 토사나 입자성 물질이 많기에 공극(空隙)이 많은 여과형 시설보다는 저류시설과 인공습지, 식생수로와 같은 자연형 시설이 적정하다. 반면 간선·고속도로와 같은 지형은 여유부지의 확보가 어렵 고 차량 흐름과 유동인구가 많으므로 안전성 확보에 주의가 필요하기에 지하에 매설할 수 있는 시설인 장치형 시설이 적정하다. 유독오염물질을 처리하는 공장과 같은 비점 오염원이 집중되어있는 지역도 장치형 시설이 바람직하다(국토교통부, 2015).
비점오염저감시설의 설계항목 중 처리용량은 수질처리용량(Water Quality Volume, WQV)과 수질처리유량(Water Quality Flow, WQF)을 통해 산정되어야하며 항목당 적 용되는 시설은 다음과 같다.
구 분 시설 유형
수질처리용량() 저류시설, 인공습지, 침투시설, 식생체류지, 나무여과상자, 식물재배화분
수질처리유량() 식생형 시설(식생도랑, 식생여과대), 여과형 시설, 와류형 시설, 스크린형 시설 표 2.7 비점오염저감시설 유형별 처리용량 산정(환경부, 2020)
수질처리용량()은 최소 5mm이상의 누적유출고를 처리할 수 있도록 산정하며 산정식은 다음 (2.1)과 같다.
×× (2.1)
여기서, : 설계강우량으로부터 환산된 누적유출고(mm)
: 배수면적(m2)
수질처리유량()는 최근 10년 이상의 분석된 강우자료에 대해 설계강우사상을 결정하고 강우유출모형을 이용하여 산정하게 된다. 부지 소요면적은 저감시설별로 처 리용량을 고려해 다음 식 (2.3)으로 산정하며 전처리 시설이나 기타 부대시설 등에 따 라 증감되기도 한다.
××× (2.2)
2.3.1 자연형 시설
1) 저류형 시설강우유출수를 저류시켜 부유물질을 침전시키는 등에 의해 오염물질을 감소시키는 시 설로서 하수관거, 저류연못, 이중목적저류지 등이 있다. 시설의 설치를 위해서는 강우 유출수가 유입·유출될 때 시설의 침식방지를 위한 유입·유출구 하단의 웅덩이 설치 및 사석(沙石)이 깔려있는지와 처리효율 향상을 위한 길이 대 폭 비율 1.5:1 이상 및 불규 칙한 유로(流路)의 설치여부가 검토되어야 한다. 강우유출수의 수질과 수량을 관리하는 시설 중 비용적인 측면에서 높은 효율을 보이며 침전물과 이에 흡착된 오염물질을 제 거하는데 효과적으로 사용된다. 하지만 시설설치를 위해 넓은 면적의 설치부지 및 유 지관리를 위한 유지관리용 도로설치를 필요로 하며 용존성 오염물질의 제거효율은 저 조한 결과를 보이기도 한다. 또한, 부유물질로부터 발생하는 침전물에 대한 관리가 미 흡할 경우 악취를 유발하며 관리하기 위한 침전물 준설작업에는 높은 비용이 소비된 다.
(a) 저류형 시설의 모식도 (b) 울산시 옥동 우수저류시설 그림 2.3 저류형 시설의 모식도 및 시공사례(환경부, 2016)
2) 인공습지
자연상태의 습지가 보유한 정화능력(침전, 여과, 흡착, 미생물 분해)을 인위적으로 향 상시킴으로서 오염물질을 줄이는 시설을 말한다. 효과적인 강우 저류를 위해 인공습지 전체면적 중 50%는 얕은 습지(0∼0.3m), 30%는 깊은 습지(0.3∼1.0m), 20%는 깊은 못 (1∼2m)으로 구성되어야 하며 적당한 수심유지와 수질정화 기능 향상을 위한 다양한
종류의 식생(5∼7종)이 계획되어야 한다. 부유물질로서 발생하는 고형물질 외에도 용존 성 오염물질 제거가 가능하며 조경적인 가치나 야생서식지로서의 역할과 같은 다양한 기능도 제공한다. 습지내 유체흐름에 따라서는 지표흐름형(free water surface)과 지하 흐름형(subsurface flow)으로 구분된다. 강우량의 변동에 대한 대응력과 입자상물질의 다량유입에 따른 관리의 용이성이 확보되어야 하는 인공습지의 특성상 지하의 토양층 을 사용하여 넓은 시설규모를 요구하는 지하흐름형에 비해 지표흐름형이 주류를 이루 며 지표흐름형 내 일부를 지하흐름형으로 설치하는 식의 설계가 주로 이루어진다. 자 연습지와 다르게 넓은 부지의 설치면적을 필요로 하며 지속적인 흐름과 수생식물의 성 장을 위한 일정한 수위유지나 침전물을 제거하는 준설과 같은 관리가 필요하다.
(a) 인공습지의 모식도 (b) 전북 진안군 인공습지 조감도 그림 2.3 인공습지의 모식도 및 시공사례(환경부, 2016)
3) 침투형 시설
침투형 시설은 강우시에 빗물이 지하로 침투되도록 유도하여 토양의 여과·흡착작용 으로 오염물질을 줄이는 시설로서 침투지, 침투트렌치, 침투도랑 및 투수성 포장 등이 있다. 초기강우를 지하토층으로 침투시켜 처리하므로 수질개선과 지하수 재충전의 효 과를 기대할 수 있으나 관리가 미흡할 경우 침전물에 의한 공극 폐색으로 기능이 저하 될 수 있다. 시설은 주로 침투율을 증가시키기 위하여 가정의 뜰과 공원 등 녹지를 이 용하고 보도나 주차장과 같은 불투수면에는 투수성이 높은 재질을 사용하여 침투가 가
리에 설치하는 것이 일반적이기 때문이다. 침투저류지(infiltration basin)는 굴착이나 둑을 쌓아 형성한 저류지로 강우유출수를 얕은 수심의 저류지에 차집시켜 저장 및 침 투작용으로 오염물질을 제거하는 시설이다.
(a) 침투도랑의 모식도 (b) 춘천시 투수블록 주차장 그림 2.4 침투형 시설의 모식도 및 시공사례(환경부, 2016)
4) 식생형 시설
토양의 여과·흡착작용 및 식물의 흡착작용으로 오염물질을 줄임과 동시에, 동·식물 서식공간을 제공하는 등 녹지경관으로서 기능도 작용되는 시설을 말하며 식생수로와 식생여과대 등이 있다. 식생수로(grassed swale)는 강우시 토양침식을 감소시키기 위 해 수로에 식생을 도입하는 것으로서 부유오염물질과 금속오염물질 제거에 효과적이 다. 침투과정으로 인해 박테리아도 제거되나 영양물질과 같은 용존성 오염물질은 제거 율이 미흡하다. 식생여과대(vegetated filter strips)는 강우유출수내 오염물질 제거를 위해 사용되며 침투조와 같은 다른시설들과 함게 사용된다. 제거원리로는 유입수가 식 생여과대를 통과할 때 감소하는 유출속도로 인한 침전물과 오염물질의 여과, 흡착, 중 력과 같은 침전과정으로 제거하게 되며 제거효율은 수역의 크기, 유속, 여과대의 길이 와 크기, 경사, 그리고 토양의 침투성 및 여과성에 의존하게 된다. 주로 대규모의 수역 을 처리하기 때문에 많은 설치면적을 필요로 하는 도시지역에는 설치가 어렵다.
(a) 식생형 시설의 기본구조 (b) 경기도 용인시 해곡동 식생여과대 그림 2.5 식생형 시설의 기본구조 및 시공사례(환경부, 2016)
2.3.2 장치형 시설
장치형 시설은 물리·화학적 및 생물학적 원리를 이용해 오염물질을 처리하는 시설로 서 각종 협잡물, 총부유물질(TSS), 용존유기물질 등의 제거에 효과가 있으며 제거원리 에 따라 다양하게 구분된다. 장치형 시설은 대부분 우수유출수의 물리적인 흐름을 이 용한 처리기작(여과, 흡착, 침전, 응집)으로 오염물질을 저감하기 때문에 입자성 물질의 제거에 유리하다. 자연형에 비해 적용가능한 장소가 다양한 장치형 시설의 특성상 유 지·관리적인 측면에서 용이하게 운영될 수 있도록 개발되어지고 있다.
1) 여과형 시설
여과형 시설은 집수조 등에서 차집한 강우유출수를 여과재에 통과시켜 여과작용으로 오염물질을 저감하는 시설을 말한다. 시설 내 고형물의 여과가 가능한 다양한 형태의 여재로 구성된 여재층을 초기강우가 통과하면서 여재층의 공극과 표면에 포획되는 작 용으로 오염물질을 저감시킨다. 모래와 같은 입상여재를 사용하며 특히 모래는 도로와 주차장같은 불투수층에서 발생하는 오염물질 제거에 높은 효율을 보인다(U. S. EPA, 1999).
강우가 종료된 뒤에는 역세척을 실시하여 지속적으로 시설이 운영될 수 있도록 관리
여과형 시설은 강우특성에 따라 유입수의 특성이 크게 변화되는데 특히 초기강우 (first flush)시의 강우유출수는 유량이 집중되고 발생하는 오염물질 중 부유물질의 증 가로 인한 시설 내 오염부하량이 증가되는 경향이 있다(Li et al., 2006).
(a) Stormfilter의 기본구조 (b) 용인시 여과형 시설 Stormfilter 그림 2.6 여과형 시설의 기본구조 및 시공사례(환경부, 2016)
2) 와류형 시설
와류형 시설은 우수관으로부터 유입된 초기우수를 원형 와류조내 중앙회전로의 움직 임으로 와류를 형성시켜 원심력을 이용한 입자상물질의 분리를 통해 오염물질을 저감 하는 시설을 말한다. 유입된 우수안의 기름과 그리스(grease)등 부유성 물질은 상부로 분리되고, 침전가능한 토사, 협잡물 같은 입자상물질은 하부로 침전시킴으로 분리 및 처리하며 효과적인 분리를 위해 체류시간을 고려해 설계된다. 주로 조대입자물질의 제 거에 유효하므로 전처리 시설에 적용된다.
(a) 와류형 장치의 개념도
(b) 경기도 광주 도로변 와류형 시설 그림 2.7 와류형 시설의 개념도 및 시공사례(환경부, 2016)
3) 스크린형 시설
망의 여과 및 분리작용을 통해 비교적 크기가 큰 부유물과 쓰레기 등을 제거하는 시 설로 전처리에 주로 사용하는 시설을 말한다. 종류로는 고정스크린, 드럼스크린, 회전 스크린 및 microstrainers, CDS(Continuous Deflective Separatioin) 등이 있으며 이중 으로 된 microstrainers는 진흙과 같은 아주 작은 입자제거에 효과적이다. 제거방법은 일반적으로 다른 공정들의 부유성 폐기물을 제거하는 일차처리에 사용되며 크기에 따 라서는 부유 고형물 및 약간의 BOD도 제거할 수 있다. 시설 내 발생하는 슬러지와 협 잡물 등에 의해 막힘현상이 발생하지 않도록 주기적으로 세정하는 등의 관리가 필요하 다.
4) 응집·침전 처리형 시설
응집제를 사용하여 고형물을 응집한 후, 침강시설에서 오염물질을 침전 및 분리시키 는 시설로 약품투입부, 교반부, 응집부와 침전·부상분리 등의 공정으로 구성되어있다.
대표적인 시설로는 swirl concentrators, vertex solids separators, stormceptor, water quality inlets 등이 있으며 단기간에 발생하는 유량을 차집하기 위해 저감시설 전단에 저류조 설치를 필요로 한다. 발생하는 슬러지는 1년간의 운영자료과 현장조건을 고려 해 제거주기를 세운 후 유지관리주기를 결정해 처리하며 유입수의 농도 변화에 따른 적정응집제의 양을 쟈 테스트(Jar-test)를 통해 파악하여 최적의 운영이 될 수 있도록 한다. 쟈 테스트는 처리될 배수에 안정된 플록(floc)을 형성하기 위해 가장 적당한 응 집제의 종류, 첨가량, 첨가조건 등을 교반을 통해 테스트하는 응집시험이며 이와같은 화학적 방법을 이용해 처리하기에 인(phosphorus)과 같은 유기물질을 비롯한 중금속의 제거효율이 비교적 높을 수 있다.
(a) 응집·침전형 시설의 모식도 (b) 고속응집 침전설비 그림 2.9 응집·침전형 시설의 모식도 및 시공사례(환경부, 2016)
5) 생물학적 처리형 시설
생물학적 처리형 시설은 전처리 시설에서 토사와 협잡물 등을 제거한 후 미생물에 의해 콜로이드(colloid)성, 용존성 유기물질을 제거하는 시설을 말하며 오염물질 제거에 미생물을 이용한 처리가 이루어지므로 유기물질 처리에 효과적이다. 효과적인 운영을 위해서는 미생물에 영향을 끼칠 수 있는 강우유출수에 포함된 독성물질의 처리와 비강 우시에도 미생물이 활성화 될 수 있는 유지관리 방안이 마련되어야 한다.
2.3.3 최적관리기법(BMP)
최적관리기법은 논습지와 초생대 조성 등 주로 농업지역의 비점오염원을 줄이는 저 감방안으로 농경지에 살포된 퇴비로부터 초래되는 오염량을 수질목표에 도달하는 수준 으로 감소시키는 기법을 말한다. 농업의 공적기능과 생태계의 지속성을 유지할 수 있 는 기술적, 경제적, 행정적 방법 중 가장 효율적인 영농방법을 제안하며 논 지역과 밭 지역에 따라 구분되는 지역별 특징은 다음과 같다.
구 분 종 류 특 징
논 지역
물꼬관리 논의 담수심을 증가시켜 강우에 따른 비료성분의 유출 등 비점오염 유출 감소효과를 보임
시비관리 (완효성비료)
비료성분(질소, 인)이 서서히 용출되는 비료로 낙수로 인 한 비점유출을 저감하고 비료사용량을 감소시킴
논 습지 비료를 사용하지 않는 논으로 비점오염 유출을 최소화 하면서 농업활동을 통한 도농교류의 장으로 활용됨
밭 지역
지표피복
비닐 대신 볏집 등 농업부산물을 이용하여 피복하는 기 법으로 페비닐 발생이 없고 밭고랑에서 발생하는 토사유 출을 최소화함
침사구
밭의 유출흐름 말단부에 설치하는 침사용 구덩이로 강우 시 유출되는 토사를 포착, 토사와 함께 유출되는 비점유 출을 저감시킴
초생대 밭 외곽의 일정 폭을 잔디 등 지피식물로 피복하는 기법 으로 강우시 유출되는 비료성분 및 토사유출을 저감시킴 표 2.8 최적관리기법(BMP)의 종류 및 특징
2.3.4 저영향개발(LID)
도시지역에서는 물순환도시 시범사업, 행정중심복합도시 등 신도시 개발시 아스팔트 와 택지 등의 불투수면을 줄이는 저영향개발기법(Low Impact Development, LID)을 보급, 추진중에 있다. 불투수면에서 발생하는 강우유출수를 땅으로 침투, 여과 및 저류 하도록 하여 자연상태의 물순환 회복에 기여할 수 있는 기법으로 종류에는 토양에 의 한 여과 및 생화학적 반응과 침투 및 저류방식으로 유출을 저감시키는 식생체류지와 침투도랑 등이 있다. 도심의 녹지공간이나 수목이 식재된 화단 등의 공간을 활용한 우 수저류시설인 식물재배화분 및 가로수 하부에 여과부가 포함된 구조물을 매립시키는 나무여과상자도 포함한다.
(a) 식생체류지 (b) 침투도랑
(c) 식물재배화분 (d) 나무여과상자
그림 2.10 저영향개발기법(LID)의 종류(환경부, 2013)
2.4 여과형 시설
여과형 시설의 설치를 위한 조건은 유입농도 범위 150∼350mg/L 기준으로 연간 SS 처리효율이 80% 이상이 되어야 한다. 여과실험을 수행할 경우 여과장치 1주기의 유입 수와 처리수의 샘플링 및 수질 측정간격은 최소 30분 이하로 설정하고 유입 고형물 부 하가 4∼6kg/m2의 150%에 도달할때까지 실시하도록 한다.(환경부, 2016) 고형물 부하 량(L) 산정을 위해서는 측정간격에 따른 처리유량과 손실수두를 동시에 측정하여야 하 며 산정식은 다음 (2.3)과 같다.
××
(2.3)
여기서, : 유입유량(m3/min)
: 유입농도(mg/L)
: 지속시간(min)
: 여과면적(m2)
장치 내 여재층의 두께는 60cm 내외로 하며 여과조 유입수의 선속도는 운전중의 손 실수두롤 고려해 20m/hr 이하로 권장된다. 여과선속도(LV)는 처리유량에 따른 여과조 의 단면적을 설정하는데 지표로 사용되며 여재층과 무관하기에 여재의 형상과 배치형 태에 영향받지 않으며 다음 식 (2.4)을 통해 산정될 수 있다.
(2.4)
여기서, : 수질처리유량(m3/hr)
: 여과조의 단면적(m2)
여과형 시설에 사용되는 여과는 유체를 여과매체에 통과시켜 세공보다 큰 입자가 막
가하여 공급물을 예비처리하기도 한다(Ives, 1964).
장치 내 유체의 흐름은 여과 전후 압력차에 의해 흐르기 때문에 여과장치는 상류측 의 압력을 대기압보다 높게 하고 하류를 낮게 해야하며 보다 높은 압력을 설정하기 위 해 유체에 중력, 펌프, 원심기와 같은 장치를 사용하기도 한다.(최원기, 2019) 또한 유 체 내 여과속도에 따라 여과방법들이 제안되며 급속여과법과 완속여과법으로 구분된 다. 급속여과법은 여과속도 120∼150m/day로 입상여재의 내부간극표면에 미소 플록 (floc)이 부착 및 응집되는 현상을 여과기능에 활용한 방법이며 적은 여과면적으로도 처리용량이 높아 대규모 처리에 유리하다는 장점이 있다. 여과층의 체거름 작용으로 오염물질을 제거시키므로 모래여재가 주로 사용되며 이와 관련해 김대호(2011)는 모래 를 입상여재로한 급속여과와 막여과의 정수처리 특성을 비교하는 연구를 수행하였으 며, TOC(Total Organic Carbon)와 DOC(Dissolved Organic Carbon) 등의 분석항목에 서 모래여과의 제거효능을 확인하였다. 완속여과법은 4∼5m/day의 여과속도로 침투 및 유하시키는 방법을 말한다. 장치가 아닌 중력의 힘으로 여과를 수행하기에 손실수 두가 낮고 유지비도 적다는 장점을 갖지만 고농도 여과에는 부적합하며 건설비가 높 다.
여과방향에 따라서는 상향류와 하향류로 구분된다. 최원석 등(2008)과 이준호 등 (2019)에 따르면 상향류는 처리용량제어가 용이하고 여과잔류물이 여층에 직접적인 영 향을 미치지 않아 많은 유량처리에 적합하며 하향류는 중력방향과 여과방향이 일치하 므로 여과와 침전이 동시발생하여 처리효율이 높은반면 고유량시 유입부에 퇴적된 잔 류물이 By-pass에 영향을 받아 유출될 우려가 있다.
구 분 하향류(downflow) 상향류(upflow)
방 향 여층의 하향 여층의 상향
구 성 상부에 무연탄
하부에 모래 여과모래
유 량 정속, 변속 일정
역세척수
여과수 사용
역세척시 여과를 중지해야하며 역세수량이 적게발생
원수 사용가능 역세척 수량이 많이 발생
운전방식 유출수질이 저하되면 흐름의 방향을 바꾸어 역세척 실시
유출수질이 저하되면 여과지 하부의 유량을 증대시킴
부지면적 부지면적 소요가 적음 부지면적이 많이 소요됨
설치비 상향류보다 적음 하향류에 비해 고가
처리기능 침전, 여과 일체 침전, 여과 분리
배수기능 중력에 의한 자연배수 인위적 자연배수 필요
과유량시 상류부 수위 상승 여층의 파괴 발생
표 2.9 여과 방향에 따른 여과시설의 분류(최원기, 2019)
2.4.1 여재의 특성
시설에 사용되는 여재의 선정 조건은 손실수두가 20cm를 넘지 않아야 하며 투수능 또한 여과선속도의 1.5∼2배 이상이어야 한다. 또한 장기간 수중에 잠겨있어도 강도의 변화가 없어야 하며 역세척으로 인한 파손 및 마모가 발생하지 않아야 하고 균등계수 를 확보할 수 있는 종류의 여재를 선정하는 것이 권장된다. 섬유볼 형태의 경우는 섬 유볼 입상여재의 경우 2∼6mm 정도로 적용하는 것이 타당하며 균등계수는 2 이하의 여재를 사용하는 것이 좋다.
층은 충분한 두께 또한 가져야 한다(환경부, 2016).
여과형 시설에 사용되는 여재들은 입상여재와 섬유사 형태의 여재들이 사용되며 구 성에 따라서는 단층여과와 다층여과로 구분된다. 단층여과는 주된 단일여재로 모래를 사용하며 상부에서 하부로 갈수록 굵은입자들을 분포시켜 사용하는데 여과가 지속됨에 따라 모래 필터 표면에 유기오염물질과 부유고형물질의 누적되어 표면여과현상으로 인 한 필터의 폐색이 발생할 수 있다(Rodgers et al., 2004). 다층여과는 단층여과의 개선 방안으로 사용되며 2층여과, 3층여과로 분류된다. 다층여과는 상부에 입자는 크지만 비 중이 작은 여재를 투입해 상부의 여상폐쇄를 방지하며 필터 전체 여재의 이용률을 높 이도록 고안된 방법이다. 입경이 작은 모래를 여재로 사용하게 될 경우 표면여과로 인 해 부하율이 증가되며 입경이 다른 여재들을 혼합할 경우 역세척시 서로의 간극에 끼 는 경향이 있다. 반대로 여재의 입경이 커지면 여재간의 공극이 커지므로 투수속도는 빨라지고 입자가 부착될 수 있는 여재의 표면적이 적어져 여과 효율은 감소하나 낮은 손실수두를 보이며 역세척시에는 여재 내 포집된 오염물질의 제거에 유리해진다(김성 순, 2016). 여재의 형태에 따라서도 여과와 역세척은 영향을 받으며 형태는 구형에 가 까울수록 효율이 좋은데 이는 여재의 비표면적과 손실수두는 비례하기 때문이며 구형 일수록 역세척시에도 인접인자와의 충돌로 인한 고형물 제거가 용이하다(정현식, 2018).
여 재 특 성
제오라이트 (Zeolite)
장석류 광물의 일종으로 화산재가 열수에 의한 속성작용을 받을 때 생성되며 다공질의 구조로 이루어짐. 물리적 흡착력과 화학적 치환 작용으로 오염물질을 흡수 및 흡착하며 보관 후 배출하는 특성을 가지고 있어 수질개선과 오수정화에 활용됨.
입상활성탄 (GAC)
유기물질로부터 처음 숯을 만들게 될 때 제조되며 800∼900℃의 고 온에서 증기에 노출될 때 입자가 활성화되며 증기는 활성탄 내부에 다공질의 구조를 형성시키게 됨. 활성탄 표면의 탄소원자가 가지는 관능기가 주위물질에 인력을 가함으로 흡착이 일어나게 되고 특성 상 흡착여재로 활용됨.
자갈
저렴한 비용으로 모래와 함께 정수·여과시설에 보편적으로 사용됨.
여재표면에 형성된 생물막에 오염물질을 접촉시킴으로 유기물을 흡 착시키고 미생물의 산화분해 작용을 이용한 여재로 활용됨.
나무여과상자
교목 및 관목을 식재한 박스를 매립해 식재 토양층의 여과와 나무 의 생화학적 반응으로 오염물질을 저감시킴. 도로와 주차장같은 불 투수층 주변 지역의 비점오염저감시설로 적용되고 있으며 퇴적물이 쌓이기에 제거를 위한 주기적인 유지관리가 필요함.
펄라이트 (Perlite)
자연석, 화산재 및 유리와 비슷한 구성으로 열간가공을 통해 경량화 와 다공성의 성질을 갖게 되며 거친 표면과 낮은 밀도, 높은 표면적 의 성질을 갖게됨.다공성이 가지는 특성으로 오염물질을 흡착제거하 기에 입자성 물질과 기름제거에 활용됨.
스톰필터 (Stormfilter)
내부의 필터를 이용한 여과·흡착공정으로 초기우수내 오염물질을 제 거하며 필터박스 카트리지로 구성되어있기에 간편한 교환이 가능함 협잡물과 토사유입에는 무방비하며 지속적인 필터의 교체가 필요하 기에 대규모 유량에는 시공·유지관리비가 많이 소비됨.
석탄의 연소과정에서 생성되며 탄소가 주성분이기에 부식에 대한 표 2.10 여재의 종류
2.4.2
역세척기본적으로 역세척은 강우가 종료된 후 48시간 내에 실시하는 것을 원칙으로 한다.
배출되는 폐수의 처리는 오수관 및 합류식 관거가 강우영향을 받지 않는 시점에 수행 되어야 하며 48시간이 지나도 강우영향을 받고 있다면 72시간 내에 역세척을 수행하여 야 한다. 초기강우 발생이후 강우 종료시 바로 역세척을 수행하여야 하지만 강우사상 이 작아 수질처리용량 기준의 우수가 발생하지 않는 경우 역세척을 생략할수도 있으나 누적강우량이 10mm 이상일 경우에는 실시하는 것이 바람직하다.
방법으로는 수세척 또는 수세척과 공기세척이 혼합된 방법을 사용한다. 여과형 시설 의 경우 여재 내에 고형물이 포획되어있어 수세척과 공기세척을 함께 사용하는 방법을 권장하며 일반적인 입상여재의 경우 공기세척은 50m3/m2/hr 내외로, 수세척은 40m3/m2/hr 정도로 하는 것이 좋다. 역세척 시간은 여재의 형상과 입경, 비중과 같은 여재 특성에 적합한 시간으로 설정하며 고형물의 제거로 인해 여재가 초기상태로 환원 되어 처리효율과 손실수두를 회복할 수 있도록 하는 것이 중요하다(환경부, 2016).
