海洋放流 시 스 템 의 最適設計 에 關 한 硏究

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工學博士學位論文

海洋放流 시 스 템 의 最適設計 에 關 한 硏究

A Study on Optimum Design of M arine Outfall Sy st em

指導敎授 李重雨

2 0 0 1년 2월

韓國海洋大學校大學院 港灣・運送工學科

金知姸

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本論文을 金知姸의 工學博士學位論文으로 認准함

主審工學博士李哲榮印

委員工學博士鄭明善印

委員工學博士金仁洙印

委員工學博士鞠承淇印委員工學博士李重雨印

2000年 12月 2 1日

韓國海洋大學校大學院

港灣・運送工學科

金知姸

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A S t u d y o n O p t i m u m D e s i g n o f M a r i n e O u t f a l l S y s t e m

K im, J i Y eon

D ep artm ent of P ort & T ransp ortation E ng ineering Graduate S chool of K orea M aritim e Univers ity

A b s tract

A dem and of m arine outfall sy st em hav e been much increased for the effectiv e disposal of the w ast ew at er due t o populat ion and indu strial dev elopm ent at the coast al ar eas . T he outfall sy st em discharges prim ary or secondary tr eat ed effluent int o coa stline or at the deep w at er , or bet w een t hese t w o.

T hu s t her e hav e been gr ow ing int er est s about plum e behaviour around t he outfall sy st em . Plum e or Jet dischar ged from single - port or m ulti- port diffu ser impact s seriou sly on coa st al envir onm ent . Near field mixing charact erist ics of dischar ged w at er field u sing CORMIX m odel has been studied for effect iv e outfall design and indicat ed the result that variou s condition s on am bient curr ent , depth , flow rat e, effluent concentr ation , diffu ser specification , port specificat ion et c. influence the near field dilution and mixing . T his r esult s m ight contribut e t o deal with serious w at er quality problem s cau sed by the ocean discharge.

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It has been founded the early dilution is import ant , especially for t he num erical simulation by a depth av eraged hy dr odynamic m odel of diffu sion m echanism at the exist ing flow field and applied it t o the Pu san Jungang Effluent Outfall Sy st em , w hich is planned t o be in the Gam chun harbour and w ill be complet ed in 2011. T he m odel output show ed the tr aject or al variation of near - filed dilut ion and mixing behaviour for four t emporary st ations locat ed coastline and deep w at er under 4 cases including flow r at e t he effect of different and port diam et er . T he v ariation of dilution , w ast efield thickness and rise height hav e been simulat ed and found the best dilution condition under the different displacem ent of out fall sy st em . On the ba sis of these output s w e pr oposed a pr ot o type of the optimum outfall sy st em type and t he location of the diffu ser .

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목 차

p ag e

A B S T RA CT ⅰ

N OM EN CLA T U RE ⅴ

LIS T OF T A B LE S ⅸ

LIS T OF F IGU RE S

1 . 서 론 1

1.1 연구의 배경 및 필요성 1

1.2 연구의 동향 4

1.3 연구의 목적 7

1.4 연구의 내용 7

2 . 처 리 수 의 해 양 방 류 사 례 분 석 9

2.1 국내의 해양방류 9

2.2 세계의 해양방류 13

3 . 해 양 방 류 시 스 템 설 계 의 기 초 이 론 26

3.1 해양방류 시스템의 개요 26

3.1.1 해양방류의 수질기준 및 종류 26

3.1.2 해양방류시스템의 구성 30

3.1.3 확산관의 종류 및 설계요건 31

3.1.4 방류공의 종류 및 설계요건 34

3.2 난류제트 이론 36

3.2.1 난류제트의 환경조건 및 기본 가정 36

3.2.2 원형 부력제트와 슬롯 부력제트 43

3.3 수중다공확산관 이론 49

3.4 근역혼합 및 희석의 특성 53

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4 . 해 양 방 류 시 스 템 설 계 인 자 의 분 석 59

4.1 수치모델의 구성 59

4.2 방류인자별 민감도 분석 66

4.3 해양방류 시스템의 현장적용 91

4.3.1 현장실험조건 91

4.3.2 현장적용 및 분석 108

5 . 해 양 방 류 수 의 확 산 실 험 분 석 144

5.1 해수유동 및 방류수 확산 모델 144

5.1.1 해수유동 모델 144

5.1.2 오염확산모델 148

5.2 수치모델의 구성 151

5.3 해양방류수의 확산 실험분석 154

5.3.1 해수유동실험 154

5.3.2 방류수 확산 실험 160

6 . 결 론 및 제 언 173

6.1 결론 173

6.2 제언 176

참 고 문 헌 178

감 사 의 글 187

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N OM EN CLA T U RE

A Plume cross- sectional area a T hicknes s of spr eading lay er a0 Port area

Entrainm ent coefficient B Equivalent slot width

b Jet lateral dimension where velocity is 37% of maximum

bl b / l

bT b

C Depth averaged concentr ation C_a Am bient concentration

Ce Effluent concentration C_f W ast e concentration

Cm T ime averaged centerline concentration D , D0 Port diamet er

D_{x ,} D_y Diffu sion coefficient s in x , y dir ection s E Ent rainm ent function

E Equilibrium t emper ature F A sour ce F roude num ber F_L Local Froude number Fs Safety factor

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f Darcy - Weisbach friction coefficient g Gravitational acceleration

g₀^' Reduced gravitational acceleration H T otal depth

h Mean depth

I_q Shape con st ant s of v olum e flux J0 Kinematic buoyancy flux

j0 Kinematic buoyancy flux per unit length K Velocity r atio (= u_j/ u_a)

L b Plume/ crossflow length scale L ^'b Plume/ stratification length scale L_D Diffuser length

LM Jet/ plume transition length scale Lm Jet/ crossflow length scale L_m^' Jet/ stratification length scale L Q Discharge geometric length scale l Port space

la Crossflow/ stratification length scale per unit length l^'_b Slot plume/ stratification length scale per unit length lM Slot jet/ crossflow length scale per unit length l_M^' Slot jet/ stratification length scale per unit length

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l_Q Characteristic length scale M , M₀ Kinematic momentum flux M ' Momentum flux

m0 Initial kinematic momentum flux per unit length

m_a In r alative t o ambient v elocity kinematic momentum flux per unit length

n Number of port s, Manning ' s coefficient p₀ Boundary flux

Q0 Volume flux

qm Discharge volume flux

q₀ Source discharge volume flux

r Lateral dimension in cylindrical polar coordinates S Dilution ratio

S_a Average dilution S_c Centerline dilution S_m Minimum dilution

U_m Mean centerline velocity

U, V Depth m ean v elocities in x , y direct ion s M , N F low r at es per unit - w idth x , y dir ections

U₀ Port discharge velocity ua Current speed

u_j Jet velocity

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v_e Entrainm ent v elocity v_t Eddy viscosity coefficient w Wastewater field lateral width x Streamwise Cartesian coordinate

xl x / l

y T ranver se coordinate in plane jet or plume z Vertical coordinate

0 Initial buayancy flux per unit length

2

b Bott om frict ion coefficient Ambient buyancy gradient

Vertical angle of discharge bet ween the port centerline and a horizontal plane

Measure of the difference in the spread of velocity and concentration

Fluid density

0 Density of jet or plume

m Mean cent erline den sity

a Ambient density

Horizontal angle of discharge measured counterclockwise for the ambient current direction to the plan projection of the port centerline

W at er surface elev at ion

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L IS T OF T A B LE S

T able 2.1 Int roduction of dom estic sew age diffu ser 9 T able 2.2 Int roduction of int ernational sew age diffu ser 15 T able 3.1 W at er quality st andar d 27 T able 3.2 St andar d of outflow m at erial in California 28 T able 3.3 W at er quality st andar d aft er N .F .R in California 29 T able 3.4 Qulit ativ e perform ance of subm erged diffu ser s 34 T able 3.5 Summ ary of pr operties for turbulent j et (Koh & F an , 1970) 48 T able 3.6 Spr eading r atio with proces sing m erging

(aft er W ood et al. 1993) 51

T able 3.7 T he spread con st ant s for a t w o- dim en sional and axisym m etric flow (aft er W ood et al. 1993) 51 T able 4.1 Length scale for single port subm erged dischar ges 61 (u sed in CORMIX1 and CORMIX2) 61 T able 4.2 Dynamic lengt h scales for multiport diffu ser (CORMIX2)

in the t w o dim en sional slot dischar ge repr esent ation 61 T able 4.3 Summ ary of input dat a 67 T able 4.4 Discharge char act eristics 92 T able 4.5 W at er quality st andar d of COD 92 T able 4.6 Densit y distribution 92 T able 4.7 Summ ary of input dat a (CORMIX 1 / CORMIX2) 96 T able 4.8 Maximum and Minim um dilution (S ) in r elation t o design

condition for St ation A , B , C, D 97 T able 4.9 (a ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 1 98 T able 4.9 (b ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 1 99 T able 4.10(a ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 2, St ation A 100 T able 4.10(b ) Summ ary of out put dat a for CORMIX 2, St at ion A 101 T able 4.11(a ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 2, St ation B 102 T able 4.11(b ) Summ ary of out put dat a for CORMIX 2, St at ion B 103

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T able 4.12(a ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 2, St ation C 104 T able 4.12(b ) Summ ary of out put dat a for CORMIX 2, St at ion C 105 T able 4.13(a ) Sum m ary of output dat a for CORMIX 2, St ation D 106 T able 4.13(b ) Summ ary of out put dat a for CORMIX 2, St at ion D 107 T able 5.1 Ob serv ed t idal dat a (Pu san , 1990) 156

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L IS T OF F IGU R E S

F ig . 1.1 Principle activities of Agenda 21 on the m arine envir onm ent 2 F ig . 2.1 Location of outfall, Ma san 10 F ig . 2.2 Layout of outfall, Nok san, Bu san 11 F ig . 2.3 Diffu ser arrangem ent of Noksan effluent outfall 12 F ig . 2.4 Diffu ser arrangem ent of Ulsan effluent outfall 13 F ig . 2.5 T he outfall alignm ent , Bost on 16 F ig . 2.6 T he outfall alignm ent , Sand Island, Haw aii 17 F ig . 2.7 Layout of outfall, S andiego- Maxico 18 F ig . 2.8 Location of outfall, S andiego- Maxico 18 F ig . 2.9 Location of outfall, Sydney 19 F ig . 2.10 Layout of outfall, Sydney 19 F ig . 2.11 Location of outfall, HongKong 21 F ig . 2.12 Layout of outfall, HongKong 21 F ig . 2.13 Location of outfall of Shanghai sew age 22 F ig . 2.14 Bathym et ry in Bailong Gang ar ea, Sanghai 23 F ig . 2.15 Layout of outfall t unnel structures 23 F ig . 2.16 Location of outfall, T urkey 24 F ig . 3.1 S chem atic drawing of subm er ged mult i- port 30 F ig . 3.2 Diffu ser type and flow field 31 F ig . 3.3 P ostulat ed a t w o dim en sional flow field induced at the cent er of

diffu ser in a st agnant ambient fluid (Jirka and Halm an, 1979) 37 F ig . 3.4 F low r egim es for a plum e of infinit e length in a perpendicular

curr ent 38

F ig . 3.5 Clas sification of zone of flow est ablishm ent and zone of

est ablished flow 40

F ig . 3.6 Effect s of the environm ent al conditions on the jet behavior 42 F ig . 3.7 S chem atic of round buoy ant jet and schem atic of slot

buoyant j et 43

F ig . 3.8 Jet s m erging from the unidirect ional diffu ser 50

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F ig . 3.9 Ex am ples of near - field st ability and in st ability condition

for subm er ged discharges in the limit ed w at er depth 55 F ig . 3.10 Gener al st ability diagram for line buoyant dischar ges int o

st agnant ambient 57

F ig . 3.11 Gener al st ability diagram for line buoyant dischar ges int o

confined depth comprising st agnant and flowing ambient 58 F ig . 4.1 Com ponence of CORMIX m odel 63 F ig . 4.2 (a ) Definit ion of symbols and (b ) limit ation of application

for CORMIX 65

F ig . 4.3 P ort type in r elation t o port angle 73 F ig . 4.4 Diffu ser type in r elation t o port number (EA ) 76 F ig . 4.5 Diffu ser type in r elation t o port displacem ent 77 F ig . 4.6 Dilution , w ast efield thickness , height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the velocity of ambient 79 F ig . 4.7 Dilution , w ast efield thickness , height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of dischar ge depth 80 F ig . 4.8 Dilution , w ast efield thickness , height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of flow rat e 81 F ig . 4.9 Dilution , w ast efield thickness , height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of effluent

concentration 82

F ig . 4.10 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of diffu ser length 83 F ig . 4.11 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of dischar ge angle 84 F ig . 4.12 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX1 m odel according t o the variation of port diam et er 85 F ig . 4.13 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX2 m odel according t o the variation of port diam et er 86 F ig . 4.14 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of port spacing 87 F ig . 4.15 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

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CORMIX m odel according t o the variation of port num ber 88 F ig . 4.16 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of port height 89 F ig . 4.17 Dilut ion , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by

CORMIX m odel according t o the variation of diffu ser type 90 F ig . 4.18 Location s of St ation A , B , C, D 93 F ig . 4.19 Dilut ion , w ast efield w idth , w ast efield thicknes s, height of rise

comput ed by CORMIX1 accor ding t o the design Case 1～6 for

St ation A 117

F ig . 4.20 Dilut ion , w ast efield w idth , w ast efield thicknes s, height of rise comput ed by CORMIX1 accor ding t o the design Case 1～6 for

St ation B 118

St ation C 119

St ation D 120

St ation A 121

St ation B 122

St ation C 123

F ig . 4.26 Dilut ion , w ast efield w idth , w ast efield thicknes s, height of rise 124 F ig . 4.27 Dilut ion dist ribution in relation t o St ation for CORMIX 1,

Q=1.39m³/ s ec 125

F ig . 4.28 Dilut ion dist ribution in relation t o St ation for CORMIX 1,

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Q=2.78m³/ s ec 126 F ig . 4.29 Dilut ion dist ribution in relation t o St ation for CORMIX2,

Q=1.39m³/ s ec 127

F ig . 4.30 Dilut ion dist ribution in relation t o St ation for CORMIX2,

Q=2.78m³/ s ec 128

F ig . 4.31 Output diagram s of CORMIX 1 (St ation A , Case 4) 129 F ig . 4.32 Output diagram s of CORMIX 1 (St ation D, Case 4) 130 F ig . 4.33 Output diagram s of CORMIX2 (St ation A , Case 18) 131 F ig . 4.34 Output diagram s of CORMIX2 (St ation B, Case 18) 132 F ig . 4.35 Output diagram s of CORMIX2 (St ation C, Case 18) 133 F ig . 4.36 Output diagram s of CORMIX2 (St ation D, Case 18) 134 F ig . 4.37 CORMIX1 dilution v ariation at N .F .R (St at ion A , Ca se 4) 135 F ig . 4.38 CORMIX1 dilution v ariation at N .F .R (St at ion D, Ca se 4) 135 F ig . 4.39 CORMIX2 dilution v ariation at N .F .R (St at ion A , Ca se 18) 136 F ig . 4.40 CORMIX2 dilution v ariation at N .F .R (St at ion B, Ca se 18) 136 F ig . 4.41 CORMIX2 dilution v ariation at N .F .R (St at ion C, Case 18) 137 F ig . 4.42 CORMIX2 dilution v ariation at N .F .R (St at ion D, Ca se 18) 137 F ig . 4.43 3- dim en sional plum e behavior at N .F .R of CORMIX 1

(St ation A , Case 4) 138

F ig . 4.44 3- dim en sional plum e behavior at N .F .R of CORMIX 1

(St ation D, Case 4) 139

F ig . 4.45 3- dim en sional plum e behavior at N .F .R of CORMIX2

(St ation A , Case 18) 140

(St ation B , Case 18) 141

(St ation C, Ca se 18) 142

(St ation D, Case 18) 143

F ig . 5.1 St ation for t idal ob serv ation 152 F ig . 5.2 F init e differ ence grid (coar se grid) 153

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F ig . 5.3 Applied w at er depth for coar se 153 F ig . 5.4 F init e differ ence grid (den se grid) 154 F ig . 5.5 Calculat ed m ax . flood tide and m ax . ebb tide 157 F ig . 5.6 Calculat ed m ax . flood tide and m ax . ebb tide 158 F ig . 5.7 F low patt ern near the outfall sy st em 159 F ig . 5.8 Diffu sion from point sour ce

(150m , aft er 1 tidal cycle and 5 tidal cycle) 163 F ig . 5.9 Diffu sion from point sour ce

(150m , aft er 10 tidal cycle and 15 tidal cycle) 164 F ig . 5.10 Diffu sion from point source

(150m , aft er 10 tidal cycle and 15 tidal cycle) 168 F ig . 5.14 Concent rat ion variation in relation t o initial mixing

for 1 tidal period 169

F ig . 5.15 Concent rat ion variation in relation t o initial mixing

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1. 서론

1 .1 연구의 배경 및 필요성

환경보전에 대한 관심이 전세계적으로 고조되면서 80년대 이후의 무분별한 개발행위에 따른 환경오염문제 해결의 일환으로 나이로비선언(1982), 리오선언 (1992) 등을 통해 구체적이며 보다 적극적인 환경보전의 대안을 제시하게 되 었다. 리오환경선언에서 채택된『Agenda 21』은 소위 지속가능한 개발 (su st ainable dev elopm ent ) 을 위한 구체적 실천지침으로, 경제성장과 환경보전 의 양자택일적 구시대 패러다임에서, 건전성・다양성・지속성을 유지해야 하 는 환경과의 조화와 균형을 지향하고자 했다. 그 중 해양환경 부분은 Fig . 1.1 의 Agenda 17 요약부분에서와 같이 해양환경 오염방지에 사후적 해결보다는 사전적 예방조치가 필요하다는 차원에서 폐쇄해, 반폐쇄해 및 연안을 포함한 전해양의 보호 그리고 해양생물자원의 보호와 합리적 이용 및 개발을 위해 하 수에 관하여 각 국이 우선적으로 고려해야 할 조치를 포함하고 있다(Agenda 21, 1992).

이와 관련하여 환경부(1997)에서 오염물질이 수질에 미치는 영향 및 대책, 공사 시 부유물질 확산범위, 농도예측 및 저감대책, 해수유동상태의 변화 및 그에 따른 수질예측과 저감대책, 해저지형 및 수심의 변화정도에 따른 영향 및 대책(준설토 처리 및 처분대책 포함) 그리고 해안생태계 및 동・식물에 미치는 영향 및 대책 등 을 고시한 바 있다.

특히 연안수역은 인간을 포함한 생태계의 정주, 발전 및 생존에 필요한 다양하 고 생산적인 서식처를 포용할 뿐만아니라 세계인구의 절반 이상이 해안에서 60Km 이내에 살고 있다는 점에서 해양 및 연안자원의 관리 대책이 제시되지 않을 경우

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Fig. 1.1 Principle activities of Agenda 21 on the marine environment

수자원 환경의 오염 뿐만아니라 인간생활의 황폐화를 가져올 수도 있다.

해양오염 유입원은 육상의 광범위한 활동으로부터 기인한 것이 70%, 해상 운송과 해양폐기물로 인해 각각 10%, 기타 근해 유류 탐사 및 생산활동으로 부터 나머지 부분을 차지한다. 국내의 경우 전체 육상으로부터 방류되는 오폐 수는 약 22,072,000(톤/ 일)이며 그 중 생활하수가 14,638,000(톤/ 일)로서 전체의 66.3%를 차지한다(국립환경연구원, 1996).

우리나라는 지방자치제도 시행 이후 임해산업입지와 배후 연안도시의 증가로 인한 도시하수, 공장폐수 등과 하천으로부터 유출되는 하수, 임해 발전소로부터 방 출되는 온배수 등이 급증하고 있으며 이로 인해 연안 수질환경도 급격히 악화되고 있다. 광양만의 광양공단, 울산만의 각종 중공업단지, 영일만의 맘모스 포항공단 등 에서는 불가피하게 어떤 형식으로든 막대한 오염물질을 배출하고 있으며 부산, 인

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천 등 기존의 대규모 항들도 주변 연안개발의 가속화로 광범위한 해양오염이 발생 되고 있다.

지금까지 우리나라의 하수처리는 유기물 제거를 주목적으로 한 활성슬러지 공 법에 의존하여 왔다. 그러나 질소와 인 등의 영양염에 의한 하천과 호소 및 해양의 부영양화 문제가 심각하게 대두되어 1996년부터 배출수 허용기준에 질소와 인의 기준을 추가하여 시행하고 있다. 그러나 기존 하수처리장의 시설부족과 예산 및 부 지확보 문제 등으로 인해 3차 고도 처리시설의 도입이 늦어지고 있으며 질소와 인 의 제거 기술 또한 정립되지 못한 상태이다. 이러한 문제를 해결하는 방안으로 기 존의 2차 처리수를 해양방류관을 통해 희석과 확산이 용이한 심해에 방류하는 방 법을 제시할 수 있다. 특히, 우리나라의 동해안은 수심여건이 좋고 태평양에 접해 있기 때문에 심해 해양방류에 좋은 여건을 갖추고 있다고 본다.

육상의 오폐수 처리방안으로서 1970년대 이후 미국, 캐나다 등과 같은 해양선진 국에서 수중 혹은 심해 방류관을 통해 방대한 양의 오폐수를 해양방류하는 방안이 검토되어 현재 시공 및 운영되어 오고 있다. 그 중 호주 시드니의 경우 1990년 방 류관을 사용하기 전에는 하수처리장의 방류수로 인한 수질오염과 어종의 중금속 오염이 심각하였으나 방류관을 설치한 이후 수질개선의 효과 뿐만아니라 오히려 방 류수역의 주변 해양생산성을 높여 풍부한 수산자원이 집적되는 긍정적인 효과를 얻고 있다. 또한 영국의 테임즈강 하구역은 산업폐수에 의한 오염에서 방류구의 정 비, 수로 준설 등으로 용존산소를 증가시켜 연안생태를 복원시킨 예로 알려져 있 다.

국내의 경우에는 수중다공확산관에 대한 연구가 90년대 초반 이후 발전소 주변 의 온배수 방류에 관한 연구를 중심으로 진행되어 왔으며 하수확산관에 대한 연구 가 최근 몇 년간에 보고되고 있으나 우리나라의 여건에 맞는 방류 시스템의 최적 설계 방안 및 다양한 방류방안에 관한 연구가 미흡한 실정이다.

본 연구는 표면방류, 해안선방류, 심해수중방류 등으로 대별되는 해양방류방법

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들 중 비교적 수질환경에 영향이 적은 수중방류를 중심으로 한 해양방류시스템 (ocean outfall system )의 최적설계 방안을 연구하였다. 특히 방류량의 증가에 따라 초기희석을 최대화하기 위해 주변수 조건, 확산관 조건, 방류조건 등 다양한 파라 메타의 적용에 의해 최적설계인자의 도출을 시도하였다.

또한 다양한 수질환경의 변화를 규명하고 개선하기 위해 연안 해수유동 및 오 염물질의 확산현상에 대한 연구도 중요하므로(이, 1999a) 본연구는 기존의 연구에 서 간과되고 있는 해양방류의 초기희석에 따른 농도변화를 고려함으로서 보다 현 실적인 오염물 확산 수치실험에 기여할 것으로 생각되며 2001년에 완공될 녹산하 수처리장 및 2011년의 부산 중앙하수처리장 등 장래 설치될 국내의 주요 오폐수 해양방류시스템의 설계에 보다 합리적이며 경제적인 모델기법을 제공하므로서 이 지역의 연안수질환경의 보호에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

1 .2 연구의 동향

초기 해양방류시스템에 관한 연구는 주로 수리모델 실험에 의존하였으며, 해양 방류시스템의 기본철학과 기준은 Rawn et al.(1960), Brooks(1960), Koh & Fan(1970), Brooks & Koh (1975) 등의 연구에서 광범위하게 다루어져왔고 최근에 이르러 국내 연구도 두드러지고 있다.

수치 모델링에 있어서는 컴퓨터 분야의 발전에 따라 유한차분법(FDM) 및 유한 요소법(FEM)과 같은 수치해석 기법이 진보되어 이를 통해 오폐수 방류의 혼합 및 이송 문제까지 해석하는 것이 가능해졌다.

수심평균의 2차원 수동역학 모델은 방류 전후의 확산장을 파악하기 위해 유한 차분요소법을 사용하며 수동역학적 모델은 Fan (1967)의 접근을 기초로 하였다. 연 안 및 해수모델은 크게 조류 속도 및 해수밀도를 전체 수심에 일정하게 적용하여 2차원화 하는 단일층 모델, 특정수심에 따라 여러 개의 층으로 나누어 각 층의 내

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부에서 일정한 수평속도를 적용하고 수직속도는 0으로 보는 다중층 모델, 수직방향 의 좌표변환을 3차원식으로 구하는 3차원 모델이 있다.

오폐수 방류와 관련하여 미환경국 USEPA에서 전문가 시스템으로 발표한 CORMIX 모형(Cornell Mixing Zone Expert System )은 실험결과 및 길이 축척을 이용하여 개발한 모형으로, 다른 RSB(Robert s- Snyder - Baumgartner), UM 등의 근 역모형은 모두 초기혼합특성만을 모의하지만, 이 모형은 근역과 원역까지의 확산 및 혼합거동을 모의할 수 있다.

특히 Fan and Brooks (1969)는 난류성 부력제트를 1) 균질 환경하의 원형 부력 제트, 2) 선형 밀도성층화된 환경하의 원형부력제트, 3) 균질 환경하의 슬롯 부력 제트, 4) 선형 밀도성층화된 환경하의 슬롯 부력 제트 등 네 가지로 분류하여 상사 성 및 연행가정에 근거한 적분해석을 수행하므로서 초기조건의 넓은 범위를 수용 할 수 있게 하고 보다 현실적인 접근이 가능하도록 하였다.

온배수 및 적절히 처리된 하수를 해양으로 방류하여 희석시키는 방법(Harleman and Stolzenbach, 1972, Koh and Brooks, 1965)은 1960년대부터 미국 등 선진국을 중심으로 많은 연구와 적용이 이루어져왔다.

Stolzenbach et al.(1972)도 온배수 3차원 표면방류에 대해 기본 지침을 제시하 였는데 중심선 속도가 일정하고 온도상승이 거의 없는 코아영역(core region), 중심 선 속도 및 온도가 급격히 떨어지는 연행영역(entrainment region ), 희석 및 중심선 온도는 거의 일정하게 유지되나 중심선 속도는 횡방향으로 급격히 떨어지는 안정 단계, 안정영역의 끝에 나타나며 다시 온도가 떨어지는 열손실 단계, 희석과정에는 크게 영향을 주지 않고 방류를 휘어지게 하는 방출 단계 등 다섯 단계로 온배수의 표면방류 과정을 설명하였다. 특히 표면 열전달 영역을 기하학적으로 네 영역으로 나누어 지배방정식을 해결한 점이 두드러진다. 또한 근거리장에서는 희석의 범위를 넓히는데 방류 구조물의 형태를 다양하게 변화시키는 것이 주효하다고 하였다.

확산과 관련하여 Christodoulou et al.(1976)은 수체의 성층화를 다루기 위해 저

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면경계 및 해수면 경계 등 이중으로 분리하여 모델을 구축하였고, Wheatcraft and Pet er son (1979)은 염수, 반염수, 청수 등 액상에 따라 농도값을 달리하여 오폐수 모 델링을 적용하였다.

국내에서는 발전소의 온배수 방류에 관해서는 최 및 이(1990), 정(1994), 정 및 이(1994), 정 및 이(1995), 이 및 서(1996, 1997) 김(1997), 서 등(1996a, 1996b, 1997) 등이 연구하였으며 특히 정 및 안(1997), 안(1998)은 성층화에 따른 연직 확 산계수의 시공간적 분포가 고려되어야 하며 대상이 된 고리발전소의 지역특성상 조류방향에 따른 제트의 확산 양상이 변화하므로 다양한 난류모형이 필요하다고 하였다.

마산 하수 처리장의 하수확산관의 근역 혼합특성에 대한 연구로는 김(1998), 강 등(1999a, 1999b, 2000) 등이 있으며 전자는 다공확산관의 설계시 병합의 가능성을 줄이는 방류공의 기하학적 형태에 대해 제안하였으며, 후자는 대・소조기로 나누어 주변해역의 유동장의 변화에 따른 희석의 효과를 논의하였다.

장파나 밀도성층화 등 현실적인 인자를 플룸의 상승이나 초기희석 문제에 도입 하는 문제 등에 대해서도 권 및 이(1997), 권(1997)이 연구하였다. 특히 확산관 양 측의 병합 및 재연행, 퍼짐층에서의 부가적인 혼합을 고려하기 위해 EPA에 의해 검증된 RSB 모델을 사용하였으며 균질한 흐름, 선형적 밀도 성층화, 직선형태의 확산관에만 한정되는 점의 개선안으로 UM 모델을 사용하였다. 이는 단일 방류공 혹은 다공방류공 등과 조류속도가 수직적으로 비균질한 경우, RSB에 적용할 수 없 는 방향 등에 대하여 모의가 가능함을 제안하였다. 조류 및 장파와 관련된 플룸의 거동을 분석하여 주야간의 온도차에 의한 플룸의 상승 및 초기희석에 대해서도 논 의하였다.

그 외에도 서 등(1998a) 등이 미환경국(USEPA)의 초기 CORMIX를 이용하여 오염물질의 초기거동을 예측하기도 하였다.

수중다공확산관에 관해서는 국내 일부 지역의 해양방류관의 설치계획과 더불어

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이 및 서(1994), 김(1998), 강(2000), 김(1999) 등 최근에 이르러 많은 관심을 끌고 있다.

1 .3 연구의 목적

본 연구는 도시하수의 해양방류시 환경적 영향을 최소화하는, 즉 희석의 효과를 극대화하는 수중방류관의 최적설계 방안을 찾아내고 이러한 결과를 부산 감천항에 인접한 중앙 하수처리장의 방류해역을 처리수의 방류에 따른 영향권으로 하여 하 수처리장에서 처리된 처리수의 해안선방류 및 수중방류에 있어서의 적절한 해저방 류관의 형태 및 배치를 적용한 후 이에 따른 방류수의 거동 및 주변환경에의 영향 등을 분석하고자 하였다. 본 연구의 결과는 추후 하수종말처리장의 실시설계에서 기본자료로 활용할 수 있을 것이며 해양방류와 관련하여 해양환경의 보호에 일조 할 것으로 기대된다.

아울러 방류수의 수직적, 수평적 영역을 나타내는 초기거동과 처리수의 해양 확 산 시뮬레이션을 실시하여 방류관 설치 전후의 해양오염물의 확산양태를 재현하고 처리수의 방류에 따른 영향을 평가하였다. 특히 해수유동 및 원역확산의 해석시 해양방류관거의 위치점에 대한 초기희석을 고려함으로서 수치해석시 모델의 결과 예측에 미치는 영향을 알아내고자 하였다.

1 .4 연구의 내용

본 연구의 2장에서는 외국의 해양방류에 대한 국가별 사례를 조사하고 특징을 분석하며, 나아가 국내의 해양방류 실태를 파악하여 이들 해양방류 시스템들간의 입지별 개발현황 및 사용실태 등을 비교, 분석하여 연구대상인 중앙 하수처리장에

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서의 방류 시스템 분석에서 참고자료로 활용하였다.

3장에서는 해양방류 시스템 설계의 기초이론으로서 해양방류 시스템의 기본개 념 및 구성, 난류 제트(turbulent jet )이론, 원형제트(round jet )와 슬롯제트(slot jet ) 의 기본가정, 수중다공확산관(submerged multiport dffuser)이론, 방류지점 부근의 근역 희석 및 혼합의 특징 등을 다루었다.

4장에서는 수치실험에 기존의 CORMIX 관련 연구 등을 토대로 하여 보다 나은 합리적인 설계 파라메타를 구하기 위하여 본 연구의 주관심 영역인 초기 혼합 및 희석영역과 관련하여 영향을 미치는 방류조건별 민감도를 추적하였다. 이를 위해 주변유속별, 수심별, 유량별, 방류수 농도별, 확산관의 길이별, 방류각도별, 방류공 직경별, 방류공의 개수별, 방류공의 간격별, 방류공의 높이별, 방류공의 배치형태별 변화를 각각 여름과 겨울, 단일확산관과 다공확산관에 대해 실험을 수행하였다. 본 논문은 설계는 물론 운영과정에서 발생할 수 있는 방류량의 가동률(50%와 100%) 에 따른 유량변화, 각 방류관 형태에 대해 각각 밀도성층화의 여부에 따라 여름과 겨울의 계절변화, 단일 및 다공확산관에 대해, 4개의 방류지점변화로 모의를 수행 하였다.

이를 토대로 중앙하수처리장(2011년 계획완공년도)의 방류관의 설계에 적용하고 분석하여 합리성 여부를 평가하였다.

적용대상인 중앙하수처리장의 방류확산관 제원과 계획지표 등은 부산 중앙하수 처리장 및 방류 시스템의 관련 보고서, 실시설계 보고서 등을 참조하였으며, 주변 해역의 해양학적 특성인 동적 요소 및 수질환경의 현황을 파악하기 위하여 관측기 록, 연구문헌 등을 조사하였다.

5장에서는 이러한 초기희석 이후 방류수의 농도변화를 원역의 확산실험에 도입 함으로서 보다 정확한 수질오염예측에 대한 대안을 제시하였다.

이상을 통하여 분석된 방류관의 최적위치 및 형태를 6장에서 선정하고 다양한 방류인자를 고려한 최적 설계방안을 평가하였다.

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2 . 처리수의 해양 방류 사례 분석

2 .1 국내의 해양방류

국내에서는 1980년대에 5개 공단도시(창원, 마산, 울산, 여천, 반월)의 하수처리 장 타당성 조사에서 처리된 하수를 다공확산관에 의해 해양으로 방류하는 방안이 검토되었고, 마산/ 창원, 온산, 울산하수처리장 등에서 현재 운영중에 있다(건설부 부산권수도건설사무소, 1993)(권 및 이, 1988).

또한, 북제주군 및 남제주군에서 하수종말처리장 계획과 함께 해양방류시설을 실시 설계하였으며, 최근에는 가덕 신항만 및 녹산/ 신호 산업단지와 연계시킨 녹산 하수처리시설에도 다공확산관이 도입된 실시설계를 완료하였다(부산광역시, 1997).

국내 하수처리장에서 해양방류관의 시설개요는 T able 2.1과 같다.

T able 2.1 Introduction of dom estic sew age diffu ser S ubj ect s M a san/ Ch an g -

w on Ulsan On s an N ok san

Disch ar g e v olu m e (㎥/ sec )

12.84 (plan n ed m ax im u m ,

2011)

8.24 (plan n ed m ax im u m ,

2011) Disch ar g e dept h

(m ) 13.0 35.0 27.0 6.5

F eeder pipe

dia .(㎜)/ len g .(m ) 2,000/ 680.0 2,200/ 4,500.0 1,800/ 2,000.0 2,500/ 126.0 Diffu ser pipe

dia .(㎜)/ len g .(m ) 2,000/ 210.0 2,000/ 1,300.0 1,800/ 180.0 2,200/ 56.0 Riser

dia .(㎜)/ spa .(m )/ n o. 1,350/ 10.0/ 20 200/ 10.01/ 130 1,350/ 18.0/ 9 1,200/ 9.0/ 6 P or t

dia .(㎜)/ n o. 200/ 80 200/ 260 250/ 36 500/ 24

n ozzle 150㎜

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마산의 해양방류 방안(Fig. 2.1)은 1차 처리 후 방류하며 처리장의 규모가 일일 평균 20만 톤(6 . 3 10⁷m³/ y ear)이며, 해안에서 650m 만입구 쪽에 해저 2m 아래 매 설 방류관을 매설하고, 수심 14m에서 방류하는 시스템이다. 기본 해양 방류관의 규 모는 도수관, 확산관 직경 2m, 연직유도관 직경 1.35m, 길이 200m, 수중 다공확산 관, 21개의 연직유도관 및 연직유도관 상단에 4개의 방류공(직경 0.2m)으로 수평방 류하도록 되어 있다. 양방향 확산관은 관축 조류방향에 대해 15도 편향하여 설치되 었고, 해저면에서 0.8m의 높이까지 매설하였다.

2011년의 계획시간 최대 방류량은 1,117,608 m³/ 일(12.84 m³/ sec, 마산)에서 711,545 m³/ 일(8.24 m³/ sec, 녹산) 정도로 주변의 개발지역을 포함하여 통합처리하

Fig . 2.1 Location of outfall, Masan

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고 해양으로 방류하는 체계를 취하고 있다.

마산항 방류시스템의 운영 방안은 해안선 방류로 방류구에서 배출된 처리수가 완전히 희석되기 전에 표면플룸을 형성하여 시각적으로도 배출이 나타나며 수질면 에서도 이전보다 악화되고 있음이 보고되고 있다. 최근의 모니터링으로 방류해역 해수 및 퇴적물의 중금속 오염도 조사에 따르면 처리수의 방류에 따른 방류해역 중금 속 농도의 증가는 거의 없으나, 방류지점의 표층 퇴적물의 중금속 농도가 급격히 증 가하고 있으므로 장기적 영향에 대한 지속적 관측이 필요한 실정이다.

한편, 가덕도 동쪽 해안까지 관로를 연장한 녹산 해양방류시스템은 Fig. 2.2 와 같이 직경 2.5m, 길이 183m의 도수관에 56m의 확산관을 연결하고 여기에 4개의 방류공을 가진 연직유도관을 6.5m 수심에 9m간격으로 6개를 설치하여 최대계획 방류량 8.24 m³/ s ec을 처리하도록 계획하고 있다. 도수관은 해저 1.5m 이하에 부 설하고, 연직유도관은 해저면에서 수중으로 높이 1.0～1.5m로 노출되도록 하였다.

Fig . 2.2 Layout of outfall, Noksan, Busan

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확산관의 상세도는 Fig. 2.3과 같다. 4개의 방류공은 확산관의 길이 방향에 대하 여 X자 모양으로 사방에 배치시킨 형태이다. 녹산의 경우 수심이 6.5m 정도로 매 우 낮아 방류수가 표면으로 쉽게 상승할 것으로 보이고, 이 지점의 조류가 미미하 므로 유동에 의한 확산효과는 극히 작을 것으로 예상되는데 이를 고려할 경우에는 확산관을 현재보다 외해로 연장하여야 할 것이다.

Fig. 2.3 Diffuser arrangement of Noksan effluent outfall

울산과 온산은 비슷한 수준이며 국내에서 수심이 35m까지 이르는 비교적 양호 한 편이나 최근 신항만 개발로 인해 이설(移設)의 문제를 안고 있다. 남제주군의 경우는 설치 수심이 21m로 비교적 폐쇄수역이 없어 쉽게 확산될 것이나 청정수역 에 공동어업구역이 있어 해안선에서 1km 떨어진 점에 방류하는 것으로 계획하고 있다.

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Fig . 2.4 Diffuser arrangement of Ulsan effluent outfall

방류관의 유형은 마산, 온산 및 녹산의 확산관은 Fig . 2.3과 같이 연직유도관 위 에 4개의 방류공을 설치한 형태이며, 울산 및 남제주군은 Fig. 2.4와 같이 방류방향 이 확산관 축에 평행한 T 형으로 2개의 방류공을 부착하였다.

국내에서는 아직 하수확산관의 법적혼합구역(legal mixing zone)이 정해져 있지 않아 방류수의 농도만을 규제대상으로 하고 있으나 주변 해역의 지형적, 해양학적, 수리학적 특성, 수질특성, 수역의 이용 및 생태계 현황, 연안의 현재 이용현황 및 장래 개발계획 등을 고려하여 확산관 주변의 수질기준을 설정할 필요가 있다.

2 .2 세계의 해양방류

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수중 혹은 심해 방류관을 통한 해양방류는 1970년대부터 미국, 캐나다, 호주, 뉴질랜드, 홍콩, 일본 등 각국에서 검토되어 현재 세계각국에서 시공 및 운영되어 오고 있다. 소위 해양선진국이라는 미국, 캐나다, 홍콩, 호주 및 뉴질랜드에서의 해 양방류 사례들은 본 연구, 나아가 국내 해양방류관의 앞선 모델을 제시할 수 있는 중요한 실마리가 된다. 이들 국가에서는 해양방류의 효과적인 실행을 위해 아래의 4가지 주요 환경보호 프로그램을 추진하고 있는데 이는 다음과 같다.

1) 수심 70m 이상에 이르는 외해수역에 배출하여 배출물질이 확산되도록 하기 위한 터널형의 긴 배출구를 건설

2) 배출수의 수질을 향상시키기 위한 기존 하수처리시스템의 개선

3) 하수처리장으로 도시하수 및 산업폐수의 유입에 보다 효과적인 통제를 기하 고, 하수의 재활용을 유도

4) 해양환경에 대한 외해방류 시스템의 운영 및 배출효과에 관한 자료를 수집하 기 위한 종합적 환경감시 프로그램의 수립

이 네 가지 사항은 연안도시의 규모나 폐수의 유형 등에 따라 거주집단의 경제적, 기술적, 환경적인 관점에서 보다 조절이 필요하다. 세계의 해양방류관에 대한 제원 은 T able 2.2와 같다(Gunnerson & French, 1988).

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T able 2.2 Int roduction of int ernational sew age diffu ser

S u bj ect S an d

Islan d Bost on

S an Dieg o M ax ico

S y dn ey (N orthhead,

Bondi, Malabar )

H on g K on g

S h an g h ai

(Chin a ) T u r k ey 방 류 량

( m³/ s) 3.46 56 83.24 27.78/ 8.10/

26.04 확산관주변

수심(m ) 73 128 39 60/ 60/ 80 30

30～37m 25m (Balt alimi

) 도수관직경

(cm )/

길이(m )

/ 1030 3.2/ 150

0 7241.85

350,230,350 / 3300,1700,

4100

5/ 10000

/ 1500

1.6,1.7,1.2 / 1100,270,

300 확산관직경

(cm )/

길이(m )

76/ 250

0 3/ 602 / 765,510,72

0 / 2000

연직유도관 직경(cm )/

간격(m )/ 수

76/ 36/ 5 5

/ 21,20,25/

36,26,38 90/ / 16 / 40/

방류공직경

(cm )/ 수 200/ 8 / 6,4,8 25/ 6 / 4

비 고

y 자 형 확 산 기

(2m )

심 해 저 선형 확산기

2층 구조

보스톤 해양방류관(Fig . 2.5)은 외해에 국립해양공원이 위치하여 자연보호 차원 에서 기획된 것으로, Deer Island에 설치된 하수처리장에서 처리된 하수를 Massachusett s만 외해쪽인 대서양으로 최대 56㎥/ s로 방류하는 상당히 큰 시설이 다.

관로의 직경이 약 3.2m의 관로를 해저 128m 지점에 터널굴착방법으로 설치하 고, 길이 2km의 확산관에는 직경 76cm, 높이 76cm인 연직유도관을 간격 36m로 55개

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설치하였으며, 연직유도관의 상단에는 직경 20cm의 방류공 8개를 방사상으로 부착 시켰다. 이때, 확산관이 위치한 지점의 수심은 34m이다. 1990년에서 1991까지 약 18개월간의 관측자료 수집 및 모델실험결과와 비교하여 양호한 상태로 평가하였고, 1998년 말에 새 시스템이 가동하게 되었다.

Fig . 2.5 T he outfall alignment , Boston

오아후에서는 도시 오폐수를 방류하기 위해 섬 주변에 다수의 방류관이 있다.

호놀룰루 도심에 제공되는 Sand Island Outfall이 이들 중 가장 대규모이다. 이 방 류관은 오아후 섬의 남단에 위치하며 50년 설계수명으로 1970- 1972 기간에 걸쳐 건설되었다. 현재의 오폐수 총량은 초당 3.46 m³이다. 방류관은 위도 21 16' 54"

와 경도 157 54' 26", 수심 73 m에 위치한다. Sand 섬 WWT P의 시공전에는 12m 수심의 비처리 오폐수를 방류하는데 사용되었다.

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Fig . 2.6 T he outfall alignment , Sand Island, Hawaii

1960년대 섬 주위의 일반적인 오폐수 방류시설을 개선하고자하는 요구에 의해 특별연구 프로그램(Oahu 수질 프로그램)이 Honolulu 시 및 지역의 지원 하에 이루 어졌다. 급속히 증가하는 섬의 인구 수요 증가에 부응하기 위해 세 지점에 건설되 며 각각 최고의 인구밀집지역인 섬의 남동부분인 Sand 섬, 남서부인 Barbers 지점, 북동부인 Kailua 등에 위치한다. Sand 섬 폐기물 처리 및 방류는 세 지점 중 규모 가 가장 크다.

최종설계된 플랜 및 프로필은 Fig. 2.6과 같다. 이러한 서쪽 방류관 배치는 최선 의 지형학적 지점인 방류관 지점에 이르도록 그리고 인구밀집지역과 가장 활용도 가 높은 Waikiki지역으로, 즉 해안 쪽으로 향하는 이송을 줄이는 것이 필요한 경우 이다. 방류관은 대략 수심 72m, 길이 1030m인 지점에 위치한다.

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Fig . 2.7 Layout of outfall, Sandiego- Maxico

Fig. 2.8 Location of outfall, Sandiego- Maxico

샌디에고와 멕시코 사이에서 태평양으로 방류되는 경우는 국가간의 환경오염에 대한 합의점을 찾아낸 사례이며 산업폐수 및 도시하수의 혼합수를 처리하고 있다.

멕시코와 미국정부는 국경지대 Sandiego와 접해있는 Tijuana River를 통한 멕시코 산업지역의 오폐수를 국가간에 협의하여 이를 심해방류 시스템을 통해 처리하도록 하고, 바지를 이용하여 해저 파이프라인을 매설하였으며, 파랑으로부터 보호하기 위해 400,000톤의 돌로 해저 관로를 덮었으며 1998년 말에 완료하여 가동 중

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Fig. 2.9 Location of outfall, Sydney

Fig. 2.10 Layout of outfall, Sydney

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이다. 기본구조는 터널형이며 관로 규모가 해안에서 위치 약 3.5 mile 외해, 깊이 39m까지에 위치해있고, 해저 관로는 직경 3m Y자형 확산기(직경 2m )를 가지며, 확산관로가 길이 602m에 달한다.

해양방류관 시스템을 사용하여 수질개선의 효과를 보이고 있는 대표적 사례인 호주의 시드니는 1990년 방류관을 사용하기 전에는 3곳의 하수처리장의 방류수로 인해서 수질오염 뿐 아니라 어종의 중금속 오염이 심각하였으나 방류관의 설치 이 후에 수질개선의 효과 뿐 아니라 오히려 방류 수역의 주변 해양생산성을 높여 풍부 한 수산자원이 집적되는 긍정적인 영향을 얻고 있다.

시드니 하수는 현재 1차 처리후 Fig. 2.9와 같이 해안으로부터 2～5km 떨어져 수심 60～80m에 위치해있는 North Head, Bondi, Malabar 3곳의 수중방류를 통해 방류되고 있지만 초기에는 해안선 표면방류가 이루어져, 시드니 해수욕장과 수중생 물의 오염문제가 심각하게 대두되었던 1980년초에 호주의 산하 Clean Water Act (1970) 주 오염방지위원회에 의해 문제가 제기되었고 이와 함께 환경감시프로 그램도 수도국에 의해 제시되어 이에 따라 운영중이다. 이 방류시스템은 기존의 1차 처리시설을 그대로 이용하고 방류방식만 심해저 선형확산기(line diffuser )를 통하여 외해역의 빠른 유속을 가진 수역에서 희석과 확산이 이루어지도록 한 예이 다.

홍콩은 영해에서 Fig . 2.11과 같이 Hongkong Island South, T seung Kwan O, Western & Eastern Buffer , Victoria Harbor 등을 연결하는 대규모 하수망을 계획 하고 2003년에는 1단계의 운영에 들어가는 것으로 되어있다. Fig. 2.12 는 Lamma Island에서의 해양방류시스템의 개념도이다. 수심 30m의 깊이에 도수관의 직경 및 길이가 5m 및 10km, 확산관 길이는 2km, 연직유도관은 해저면에서 지하로 깊이 180m에 직경이 90cm인 방류공을 매설하고, 연직유도관은 개수 16개, 방류공은 6개 에 직경이 25cm이다. 도수관 및 확산관은 1:500의 경사도를 두도록 계획하였다.

Lamma Island에서 차집하여 처리된 처리수는 해안에서 남쪽으로 10km 외해에 방류

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Fig. 2.11 Location of outfall, HongKong

Fig. 2.12 Layout of outfall, HongKong

하여 확산의 효과를 높였다.

중국의 상해에서는 세계은행의 지원과 호주, 캐나다, 덴마크, 프랑스, 노르웨이, 영국 등의 기술자문을 받아 양쯔강을 따라 대규모 하수처리시스템을 계획하고 해 양으로 방류하는 계획을 추진하여 제 1단계를 1995년에 완공하고 가동 중이며, 제

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F ig . 2.13 Location s of outfall of Shanghai sew age pr oj ect , phaces 1&2 (Bailong Gang )

2단계 사업에 착수하여 건설 중에 있다.

1단계는 인구 255만에 면적 70.57 k m²이지만, 2단계가 2020년에 끝나면 면적 332 k m², 인구 493만을 서비스할 수 있게 된다. Fig . 2.13의 Bailong Gang 인접해 역의 방류구의 위치는 Fig. 2.14에서와 같이 해군이 지정한 가항수로에서 100m 해 안 쪽으로 벗어나도록 계획하여 1500m 정도의 규모로 개발되었다.

방류시스템의 형태는 Fig . 2.15와 같이 40m 간격으로 연직유도관을 두고 4개의 방류공을 두고 있다. Fig . 2.16과 같이 Immersed Tunnel이며 수심 10～12m 지점 에 방류구가 위치하고, 실제 유도관은 해저면에서 다시 10m 아래에 위치한다.

한편, 영국의 테임즈강 하구역은 산업폐수에 의한 오염에서 방류구의 정비, 수 로 준설 등으로 용존산소를 증가시켜 생태를 복원시킨 예로 알려져 있다. 하구의 특성상 청수의 흐름과 조석의 효과가 용존산소량에 영향을 미치며, 회귀어족의 이

(40)

Fig . 2.14 Bathymery in Bailong Gang area, Sanghai

Fig. 2.15 Layout of outfall tunnel structures

동 등에 기여하는 산소요구량이 1070년대의 300- 400ton/ 일에서 개발 이후 최근에 이르러서는 절반 이하인 130ton/ 일로 감소되었으며 어종도 1970년도의 56개에 서 1990년도 113개로 바람직한 방류계획의 효과를 선명하게 보여준다.

(41)

Fig . 2.16 Location of outfall, T urkey

터키의 심해방류는 Fig. 2.16에서 보이는 바와 같이 흑해와 Marmama 해의 사 이인 약 31km 길이의 Bosporus 해역에 길게 남북을 지나는 특이한 지형적 특성을 가진 것이다. 남쪽 입구와 북쪽 입구가 조류, 바람, 염도, 계절적 영향이 크게 다르 며, 수심의 변화도 크다.

또한 이 해역의 조류 시스템이 상이한 이층 구조를 가짐으로 인해 오폐수 방류 의 방법 및 효과에서도 차이가 난다. 겨울에는 대기압, 상층온도, 흑해의 청수 유입 등에 의해 상층의 단면 두께가 절반으로 감소하는 효과를 가져오는데 이 두 층 사 이의 혼합 및 간극도 과학적, 환경학적 측면에서 주요한 관심사가 된다. 70, 80년대 의 도시산업화를 지나면서 오폐수량의 증가로 1995년에 Ahirkapi, Baltalimimani, Uskudar 등 3개소 2조의 방류관이 시공되었으며, 그 길이가 각각 1,100m, 270m, 300m이고 직경도 각각 1.6m, 1.7m, 1.2m의 규모로 수심 30～37m의 깊이에 설치하 되 Baltalimani에서는 수심이 75m에 이른다. 확산관은 해저면에서 2m 아래에 매설 하며 지리학적 특징에 의해 방류의 형태가 이층구조를 따르므로 방류에 따른 환경

(42)

적 영향도 각 층이 다른 양상을 보인다.

해수면 및 상층(저수심) 방류의 경우에는 주로 플랑크톤이나 해저생물의 구성이 나 분포에 영향을 준다. 양층 사이에는 청수의 유입 및 해수면 순환패턴에 따른 Coriolis 효과에 의해 안정된 경계가 존재하게 된다. 흑해의 하층(심해)에는 다량의 무기생물 및 생물자원이 존재하며 특히 방류 이후 중금속의 농도가 확인되었다는 점에서 심층에 대한 개선책이 필요하다고 하겠다.

그 외 태국은 해양방류시스템으로 생활하수와 산업폐수를 처리하여 기존의 표 면방류보다 영양염의 농도가 감소하는 수질개선의 효과를 보고하고 있으며, 캐나다 도 유사한 방법으로 활발한 진척을 보이고 있다. 삼면이 바다이고 태평양에 접해있 는 우리나라는 수심여건이 좋은 동해안에서의 수심을 이용한 심해방류시스템의 설 치가 경제적으로도 가치가 있으며 중국, 일본 등 인접국가 간의 연합 프로젝트도 한 대안이 될 수 있다. 또한 시드니의 경우처럼 기존의 방류시스템을 최대한 활용하고 방류방식만 개선하는 것도 고려할만하다.

(43)

3 . 해양방류 시스템 설계의 기초이론

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.

(44)

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 OD_{M n}에 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(Cr^{6 +}): 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-

85이상 25이하 1,000이 하

검출 되어서는

안됨

0.1 이하

0.015 이하

Ⅲ 6.5-

80이상 - - - 0.2

이하 0.03 이하

비고: 1. DO를 농도를 표시하는 경우에는 등급Ⅰ은 6㎎/ ℓ, 등급Ⅱ와 등급 Ⅲ 은 5㎎/ ℓ이상이어야 한다.

(45)

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

(46)

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

(47)

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

(48)

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

(49)

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

(50)

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

(51)

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

海 洋 放 流 시 스 템 의 最 適 設 計 에 關 한 硏 究