[수생태복원 우수기술] EBF와 GEF기술 활용한 도시 비점오염 저감기술

 

도시화로 인한 개발과 토지이용의 고도화는 유역의 변화를 야기하며, 불투수면의 증가를 초래한다. 불투수면의 증가는 자연적 물순환 시스템의 왜곡과 더불어 비점오염물질의 축적 및 유출에 기여하여 인근 수생태계를 파괴한다.

또한 강우시 첨두유량을 높여 침투보다는 유출을 급격하게 증대시키고 [그림 1]과 같이 강우초기 다량의 오염물질 유출이 발생시키는 초기강우 현상과 더불어 입자상 물질, 중금속류, 각종 유해화학물질 등의 유출을 증가시킨다.

토지이용의 고도화로 인한 비점오염물질 유출의 영향은 4대강의 수질변화에서도 나타나고 있다. 최근 들어 4대강의 수질변화를 살펴보면, 지속적 점오염원 관리로 BOD는 감소하고 있으나, COD는 증가하고 있는 추세로 이는 비점오염원으로부터의 난분해성 유기물질의 유출이 증가하고 있다는 것을 의미한다.

환경부와 7개 부처 공동으로 작성중인 ‘제2차 비점오염 관계기관 종합대책(2012)’에 의하면 4대강 수계의 비점오염물질은 2010년 하천 오염부하량의 약 67%를 차지하고 있으며 2020년에는 약 72%를 차지할 것으로 예상하고 있다.

이러한 비점오염물질 유출 저감을 위해 환경부는 개발사업 및 사업장별 비점오염원 관리에 대한 다양한 제도·정책을 수립했고, 그 중심에 수질오염총량관리제와 비점오염설치신고제도가 위치하고 있다.
특히, 수질오염총량제의 성공적인 시행을 위해서는 개발사업을 책임지고 있는 국토해양부, 농림수산식품부 등의 역할이 중요하기에 환경부는 2004년에 ‘관계기관 비점오염원관리 종합대책’을 수립했으며, 2012년에 제2차 종합대책을 수립하여 비점오염원 관리에 최선을 다하고 있다.

특히 2차 종합대책에는 유출유량저감을 통한 비점오염원 관리를 주요 내용으로 하면서 저영향개발(LID, Low Impact Development)을 주요 과제로 선정, 융합형·자연형 비점오염저감시설의 개발을 추진할 예정이다.

일반적으로 도시는 인간의 원활한 활동을 위하여 상업, 산업, 주거, 공공 등 다양한 토지이용이 수행되는 지역이다. 도시의 다양한 토지이용을 미시적으로 살펴보면 포장지역인 건물, 도로 및 주차장 공간과 비포장지역인 조경공간으로 구성되어 있다([그림 2] 참조).

특히, 포장공간은 자연적 물순환을 왜곡하고 비점오염물질을 유발하는 공간이기에 여기서 발생한 수문·환경학적 영향을 조경공간에서 복원·처리해야 한다. 따라서 환경부 수생태복원사업단의 연구비 지원을 통해 도시지역의 도로 및 도시 내 조경공간을 활용한 ‘비점오염저감 녹색공간 확대 및 녹색 생태벨트 조성기술’을 개발하고 있다.

Eco-Bio Filter(EBF) 및 Green Eco-Filter(GEF) 기술은 침투도랑, 침투 저류조 및 수목여과박스(Tree box filter) 등과 같은 침투 시스템의 한 형태이다. 이 기술이 가지고 있는 수문학적 특성은 강우 시 발생된 강우유출수의 유속을 저감시켜 체류시간을 증가시킴과 동시에 시설 내 저류 및 침투를 증가시켜 자연적 물순환을 구축하고 유출저감을 수행하는 것이다.

또한 환경적 오염물질 저감기작은 침전, 여과, 흡착, 미생물 활동 등을 융합적으로 활용하여 비점오염물질을 제거하는 기술이다. 이 기술은 2009년도에 개발되어 상용화되었으며, 실험실 및 pilot 실험을 통해 기술 검증이 수행되었다. 기술의 상용화에 앞서 효율검증을 위해 천안의 대학캠퍼스 내 도로·주차장 지역에 테스트베드(Test-bed)를 설치했으며, [그림 3]은 테스트베드 시설의 위치를 보여주고 있다.

[그림 4]와 [그림 5]는 개발된 EBF 및 GEF 기술의 검증을 위하여 설치한 test-bed를 보여주고 있다. 적용된 기술은 기술의 효율 검증을 위해 강우시 모니터링을 수행하고 있으며 협잡물, 퇴적물 및 식생관리 등의 유지관리가 진행되고 있다. 이 기술은 자연적 기작을 증폭시킨 융합기술이며 유지관리가 용이하게 개발되어 적용성이 매우 높다.

테스트베드에 설치된 EBF 기술의 강우유출 및 비점오염물질의 흐름를 살펴보면, 우선 불투수면으로부터 발생된 강우유출수는 협잡물, 나뭇잎 등과 같은 이물질로 인한 막힘 현상을 방지하기 위해 도로면 우회로를 따라 침사지로 이동된다.

이후 고농도의 초기강우 유출수를 적정수준 이하의 농도로 낮추기 위해 전처리 시설인 침강지(sedimentation tank)로 유입되며, 침강지에서 침전기작을 거친 강우유출수는 여재가 충진된 여재층으로 이동하여 여과·침투된다. 여재층을 통과한 강우유출수는 유공관으로 모아지며, 하수관거 시스템으로 배출되기 전에 후속 침강지를 거친다.

EBF 기술의 중요한 특징은 시설 바닥부에 연결된 작은 직경의 PVC관이 시스템 전반에 걸쳐 강우유출수의 침투를 가능하게 한다는 것이다. [그림 7]은 2010년 8월10일의 강우시 수행된 모니터링 결과를 이용하여 수리수문 및 오염물질 처리특성을 나타낸 것이다.

EBF 기술은 침투와 여과기능을 겸비한 융합형 비점오염저감 기술이기에 침투로 인한 유출저감과 여과기능에 의한 오염물질 저감이 동시에 수행된다. [그림8]은 EBF 시설의 강우계급별 물수지 및 비점오염물질 저감효율을 보여주고 있다. 10㎜이하의 소규모 강우가 발생할 시 유출수의 유출저감은 71%로 나타났으며, 오염물질의 저감효율은 매우 높게 나타났다. 모니터링 결과를 활용하여 EBF 시설의 기술검증을 실시한 결과 다음과 같은 기술의 특징이 도출되었다.

강우량은 물수지에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으나 상대적으로 물질수지에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 모니터링 결과, 22.5㎜ 이내의 강우량 발생시 평균 62±3%의 유량을 저감하는 것으로 나타났으며, 이 기술은 유량 및 첨두유량의 유출을 크게 저감시키는 효과를 가진 것으로 나타났다.

TSS, CODCr, TP 및 Total-Zn의 오염물질은 모두 1.5㎜이하의 강우량 발생시 시설로부터의 유출량이 없는 것으로 나타났으며, 10㎜ 이상의 강우에 비해 소규모 강우에 의한 오염물질의 저감은 15∼20% 정도 높게 나타났다. 특히 한국의 경우 대부분의 강우가 20㎜ 이하의 강우이기에 이 시설의 적용은 유출저감·비점오염물질 저감에 크게 기여할 수 있을 것으로 평가된다.

시설의 유지관리는 강우시 또는 강우가 끝난 후 시설과 시설주변의 정기적인 점검이 필요하며, 협잡물, 쓰레기 제거 및 식생관리 등을 실시해야 한다. 또한 비정기적으로 여재관리 및 부대시설 보수가 필요하며, 구조적으로 시설보수 및 재시공 등의 유지관리가 요구된다. EBF 기술은 다양한 형태로 적용가능하며, [그림 9]과 같이 자갈을 상층부로 할 수도 있고 식생을 조성할 수 있다.

Green Eco-Filter(GEF) 기술은 LID 기술 중 도로나 주차장의 가로수목 공간을 활용한 ‘Tree box filter 시스템’의 한 형태이며, 강우시 발생된 강우유출수를 시설 내에 일시적으로 저류시켜 시설 내 침전, 여과, 흡착, 침투 등에 기작에 의해 비점오염물질을 제거한 후 배출시키는 기술이다.

‘GEF-1’ 기술은 Tree-box-filter중 일부가 개방되어 가로수와 더불어 추가적인 조경의 식재가 가능한 형태이며, ‘GEF-2’는 Tree box filter만 단독으로 쓰여진 형태이다. 또한 여재부는 모래, 자갈, 우드칩이 충진되었으며, 여재충진 시 각각의 여재층 사이에 부직포를 설치하여 여재가 혼합되는 현상을 방지했다.
여재부 위에는 잔디와 메타세콰이아가 식재되었으며, ‘GEF-1’ 시설의 경우 추가적으로 창포가 식재되었다. 모니터링을 통한 기술의 효율은 [그림 10]과 같다. 10㎜이하의 소규모 강우가 발생할 시 유출저감은 평균 76%로 나타났으며, 저감효율은 매우 높게 나타났다.