비점오염은 강우유출수의 오염이 주원인으로 수질훼손은 유역내 인간의 활동에 의한 많은 확산 또는 분산된 오염원에 의해 초래된다.

 

개발행위는 이러한 비점원 오염물질의 유출량을 증가시킨다. 지표면을 따라 강수유출이 진행되면서 자연적·인위적 오염물질을 운송해 하천, 강, 저수지, 댐, 지하수에 침적시킨다. 비점오염 물질은 우리나라 수계의 수질을 저하시키는 주원인이 되고 있다.

최근 산업화가 급속히 이루어지고 지가상승으로 인하여 공사비 절감 및 토지이용을 효율적으로 이용하기 위한 목적으로 도로의 터널화·교량화가 이루어져 불투수층의 면적이 증가되고 있다. 이에 따라 불투수층에서 주로 배출되는 오일, 탄화수소, 중금속 등 유해물질의 유출이 늘어나고 있는 실정이다.

오일과 탄화수소의 경우 일부는 특정 물고기에게 발암성·기형성 돌연변이를 만들 수 있는 물질이며, 더 나아가 현재 우리가 먹는 수돗물에 영향을 주고 위락용수로서의 물의 가치를 저하시키고 있다. 중금속의 경우에는 다양한 독성물질이 함유되어 있으며 수생생물의 먹이사슬 과정에서 생물농축이 이루어진다. 또한 상수원의 수질을 악화시키며 사람의 건강에도 해를 끼치고 있다.

 

 

교량의 낙차에너지를 이용한 초기 강우유출수 처리기술은 ‘환경부 Eco-STAR Project 수생태복원사업’의 일환으로 ‘수생태 환경을 고려한 자연형 비점오염물질 저감기술’의 개발을 목표로 현재 기술특허(제10-1065370호)와 환경부의 녹색기술인증(제 GT-12-00043호)을 확보한 상태이며 향후 도로 및 교량의 강우시 오염물질을 효율적으로 처리할 수 있는 기술로 주목받고 있다.

 

비점오염원 관리기술의 선진국으로는 미국, 일본, 유럽 등이 있으며 대표적으로 미국의 경우 수질오염총량관리제(TMDL Program, Total Maximum Daily Load Program)를 통해 비점오염 관리를 추진하고 있으며, 미국 환경보호청(EPA, Environmental Protection Agency)은 기술 및 정책개발에 주도적 역할을 수행하며 설계형 기술개발에 중점을 두고 있다.

또한 기후변화와 각종 개발로 인해 훼손된 생태계와 왜곡된 물순환 시스템을 복원하기 위하여 비점오염 저감기술을 개발, 적용 중에 있다. 자연적 물순환 시스템의 구축은 자연적 물순환 기능인 침투와 저류 및 식생의 기능을 최대한 활용해 인간이 사는 곳과 생태계가 공존하는 모습으로 최종 모습이 나타나고 있다.

국제학술대회에서 소개된 사례를 보면, 도시지역의 불투수층 증대로 인한 환경 수리학적 변화를 최소화하기 위해 생태 저류지, 침투도랑, 인공습지 등의 시설을 적용하는 것으로 조사됐다.

 

 

국내 비점오염원 관련 연구개발은 도시지역과 농업지역의 비점오염원 유출 특성 및 오염물질별 부하량 조사 등과 같은 과학적 특성파악을 위한 기초연구를 수행하고 있으며, 한국건설기술연구원, 환경관리공단, 한국환경정책평가 연구원에서 비점오염원 관리에 대한 각종 정책·규정 정비에 관한 연구를 수행중인 것으로 조사됐다.

 

 

최근 개발된 기술은 교량의 배수받이나 배수구에 부착이 가능한 카트리지 형태의 필터가 주종을 이루고 있다. 이러한 기술은 강우유출수에 함유된 입자상 물질을 쉽게 분리할 수 있는 장점은 있으나 제거기작이 표면여과 방식이므로 폐색이 쉽게 이루어지는 단점을 가지고 있어 유지관리 비용이 높다.

 

또한 폐색이 발생될 경우, 강우시 배수받이나 배수구의 고유 기능을 상실해 노면 침수가 발생될 우려가 높다([그림 2] 참조).

 

국내에서 추진중인 처리계획은 최선단에 스크린을 설치, 후단에 침전지·여과지 형태의 시설을 구상하고 있다. 하지만 이 계획은 부지 확보와 유지관리 비용이 문제점으로 지적되고 있다.

[그림 2]와 같은 교량 강우유출수 처리기술을 검토한 결과 설치에 필요한 부지확보 문제를 감안해 시설의 용량을 대폭 감축시킬 수 있는 처리기술의 개발이 필요하다. 또한 강우 유출수 배출시 교량이라는 구조물이 제공하는 자연적인 에너지를 활용하여 효율적인 초기강우유출수의 포착하고 지속 강우 유출수는 바이패스(By-pass) 시킬 수 있는 기술과 전처리 개념으로 후속 처리시설의 유지관리를 최소화할 수 있는 전처리 기술의 개발이 필요하다.

 

이 기술은 크게 3개의 독립적인 요소기술로 구성되어 있다. ‘요소기술 1’은 전동밸브(solenoid valve)와 압력계나 우적계(rainfall sensor) 또는 우량계(rainfall gauge)와 연동한 초기 강우유출수 포착기술이다.

‘요소기술 2’는 포착된 초기 강우유출수에 함유된 입자상 오염물질의 분리제거를 담당하는 무동력 하이드로 사이클론 전처리 기술이며, ‘요소기술 3’은 전처리 이후 처리수준을 향상시키기 위한 후속처리시설(침전 및 습지)이다.

초기강우 포집장치인 ‘요소기술 1’은 강우개시 후 유량이 증가하고 배수관로 내부 압력이 증가하면서 분리장치가 구동되기 시작하며 압력이 일정 수준(Test Bed의 경우 3m)에 도달 이후 30분이 경과되면 초기 강우유출수의 유출이 종료되는 것으로 판단하고 전동밸브가 열리면서 초기 강우 이후의 지속강우 유출수는 By-Pass시키게 된다.

기존 기술의 경우 대부분의 강우유출수를 차집하기 위해 취입보를 설치하고 월류웨어를 적용하고 있으므로 강우유출수량이 증가하면 수위상승으로 포착, 차집되는 강우 유출수량이 증가한다. 이로 인해 후속 처리시설에 과부하가 걸려 저감효율의 감소뿐만 아니라 유지관리문제를 야기하고 있다.

 

‘요소기술 2’는 입자상 오염물질의 분리·제거를 위한 하이드로 사이클론이다. 주요 구성요소 및 명칭은 다음과 같다. 사이클론의 직경은 실린더 형태의 분리실(원통)의 내경을 지칭한다. 유입구와 사이클론 분리실 유입지점의 면적은 사이클론 축과 평행하게 설치되는 유입구의 크기는 사이클론 직경을 기준으로 일정비율로 결정한다.

내통경 길이(vortex finder)는 입구의 주된 기능은 분리 및 사이클론을 떠나는 수량을 관리하는 기능을 담당한다. Vortex finder는 분리하고자 하는 물질이 단회로에 의해 상부유출수와 함께 유출되는 것을 방지할 수 있도록 유입지점 하부에 위치하도록 설계한다.

원통부(cylindrical section)는 유입부(feed chamber)와 원추부(conical section) 사이에 위치하며 유입부의 직경과 동일하게 설계된다. 주요 기능은 사이클론 기능을 확장해 체류시간을 연장시키는 기능을 수행한다. 길이는 사이클론의 직경과 동일하게 설계한다.

원추부(conical section)는 원심력에 의하여 몸체내부에 충돌침강하는 입자상 물질을 원활하게 이동하도록 유도함과 동시에 상부에서 제거되지 않은 미세입자가 제거될 수 있도록 선화류의 접선속도가 증가되도록 설계한다.

하부 출구(apex orifice)는 하부배출수가 방출되는 지점의 내경을 지칭한다. 출구의 크기는 분리·제거되는 입자상 물질에 의해 막히지 않을 정도로 커야하며 보통 사이클론 원통부 직경을 기준으로 일정 수준에서 결정한다.

 

분리장치에 탄젠트 방향으로 주입된 유체는 상승류를 형성하여 장치내부에서 원심력을 발생시키며, 발생된 원심력을 이용해 빠른 속도로 입자를 분리시킨다. 비중이 물보다 큰 무거운 입자는 원심력에 의해 장치의 내벽과 부딪쳐 장치의 하부에 설치된 출구로 방출되며 이를 Underflow(하부 배출수, 입자상 오염물질 농축수)라고 한다.

입자가 제거된 처리된 물은 장치 중앙의 공기 대를 타고 올라 장치상단의 출구를 통해 배출되는데 이는 Overflow(상부 월류수, 처리수)라고 부른다. 수리동력학적 분리장치는 이미 대기오염물질 배출시설이나 각종 산업에서 널리 적용되고 있는 기술로 단위용적 기준으로 입자상 오염물질을 가장 효율적으로 분리하는 기술로 알려져 있으나 가장 큰 단점은 처리원리의 핵심인 원심력을 발생시키는데 외부동력을 공급해야 한다는 점이다.

하지만 이 기술은 분리장치 내부 원심력을 발생시키는데 외부동력공급 대신에 교량이 제공하는 낙차에너지를 활용한다는 점이 기술의 핵심이다.

 

[그림 8]의 실험은 연구기관인 한서대학교 계단에서 자유수두를 이용해 실험을 실시했다. 분리장치와 상부 공급탱크 수위와의 낙차는 최소 1.6m(15.7Kpa)에서 최대 6.7m(65.7Kpa)였다. 연구결과를 바탕으로 현장적용 가능성을 확인하고 테스트 베드 공사계획에 착수했다.

실증 테스트 베드는 충남 서산시 해미면 대곡리에 소재한 한국농어촌공사 관할 저수지를 관통하는 국도 45호선 교량 직 하단에 설치했다. 이 시설은 분리장치와 초기강우 유출수 차집을 위한 압력계·전동밸브, 바이패스 및 비상 바이패스 관로, 후속 블럭 조립형 습지시설로 구성되어 있다.

 

 

처리대상 교량의 노면면적은 길이 50m, 폭 10m로 배수면적은 약 500㎡이었다. 지면으로부터 교량까지의 낙차는 약 15m였다. 수리동력학적 분리장치는 직경 7.5㎝인 스테인리스 재질로 제작했고 기본적으로 선별효율 기준(Rietema, 1961)과 일부 본 연구자에 의해 수정된 형태로 제작했다.

실증목적의 테스트 베드는 총 33회의 강우 사상에 대하여 강우량, 유량, 압력수두, 오염물질 농도에 대한 모니터링이 이루어졌다. 강우량은 이동식 우량계를 이용해 분석했으며 추가적으로 선행건기일수(ADD, advanced dry days)를 조사했다.

 

테스트 베드 설치 후 주어진 강우조건에서 압력계와 연동하여 작동하는 전동밸브의 작동을 평가했다. 전동밸브의 개폐로직은 if p(압력) > 3m for 30 min, 바이패스 밸브열림(open), 그리고 if p<3m, 바이패스 밸브닫힘(close)이 정상적으로 이루어지고 있는지를 평가했다.

초기강우 유출은 강우시작 후 30분 정도 진행되는 것으로 판단했으며 개폐조건은 강우사상에서 관 내부압력이 3m이상 상승하게 되면 30분 후(초기강우 경과시점으로 판단) 자동으로 전동밸브가 열려 바이패스가 이루어지도록 하고, 이후 24시간 동안 밸브가 열려있도록 설계했다. 33회에 걸친 실제 강우사상에서 수행된 작동시험결과 예외 없이 원활한 작동을 보였다.

 

수리동력학적 분리장치에서 유량분율은 장치내부에서 분리되는 오염물질의 농축비로 정의할 수 있다. 분리장치에서는 상부 배출관을 통하여 유출되는 상부 배출수가 처리수의 형태로 수계로 배출되므로 그 양은 극대화하고 오염물질이 농축 배출되고 추가적인 후속처리공정으로 유입되는 하부배출수의 양을 최소화하는 것이 가장 이상적인 운전조건이다.

[그림 11]에는 분리장치에서 유량과 내부압력이 하부유출수와 상부유출수의 유량 분율에 미치는 영향을 나타냈다. 내부압력과 유량이 증가할수록 상부 배출수의 양은 증가하고, 하부압력 반대로 내부 압력과 유량이 증가할수록 하부배출수의 양은 감소했다. 펌프를 이용하여 실험실 조건에서 수행한 결과와 대체로 일치하고 있으나 유량 분율에는 차이가 있었다.

 

 

실험실에서 수행한 연구 결과에 따르면 하부 배출수 유량은 감소 하부배출수이가 10% 미만이었는데, 그 이유는 일정한 압력조건에서 운전되는 실험실 분리장치와 달리 현장에서는 강우초반에 유출량이 적은 경우 압력조건이 충족되기 이전까지는 대부분의 유입수가 하부 배출수로 배출되었기 때문이다.

현장 실험결과에 따르면 압력이 3m 내외(유입유량 = 3∼4㎥/hr)로 조성될 때 하부배출수의 양은 전체 유입유량의 10∼20% 수준으로 농축할 수 있는 것으로 나타났다.

모니터링 자료를 바탕으로 작성된 분리장치에 대한 물수지 결과를 살펴보면, 초기강우 유출수 포착장치에 의해 전체 강우 유출수중 76%는 바이패스되고 24%의 초기강우 유출수는 분리장치에서 하부유출수로 40%, 상부 유출수는 60%로 분리되는 것으로 밝혀졌다.

한편, 초기 강우 유출수에 함유된 전체 오염물질 중 하부 배출수로 TSS 57.7%, COD 52.7%, TN 46.1%, TP 53.8%가 분리되고 상부유출수로 TSS 42.3%, COD 47.3%, TN 53.9%, TP 46.2%가 함유되는 것으로 분석됐다.

 

이 기술과 유사한 기술 수준을 비교하는 데는 설계 및 운전조건이 다르므로 한계가 있었다. 하지만 미국, 호주 등의 도시지역 포장면에서 발생되는 비점오염 저감을 목적으로 널리 이용되는 와류형 기술이 현재 국내에 적용되고 있어 비교대상으로 가장 적합한 시설로 선정했다.

 

와류형 시설의 자료는 환경부 비점오염 저감 시범사업의 일환으로 수행된 경기도 광주의 시설을 대상으로 2006년 6월부터 2008년 11월까지의 모니터링 자료를 원용했다.

시설용량은 와류형이 4.55㎥, 이 기술이 0.00057㎥으로 용량기준 약 8천배의 차이를 나타내고 있었다. 처리대상 면적 또한 약 60배정도 와류형 시설이 컸으며 단위면적당 소요되는 시설의 용량은 와류형 153㎥/ha, 하이드로 사이클론 0.011㎥/ha로 약 139배 차이를 보이고 있다.

 

모니터링 자료를 바탕으로 평가된 최대처리용량은 와류형 기술이 1만9천500㎥/일, 이 기술이 120㎥/일이었다. 최대용량 기준으로 162배 차이가 있으며 대략적으로 단위면적 당 소요된 면적 비 139배와 유사한 수치를 나타냈다.

이 기술로 동일한 저감효율을 달성한다고 하면 하이드로 사이클론시설에서 150배(평균치) 정도 적은 시설용량으로 달성할 수 있음을 의미하며, 그 만큼 효율적이라는 사실을 보여주게 될 것이다.

 

이와 같은 효율성은 와류형 시설에서와 같이 와류형 시설로 유입되는 강우유출수의 운동 에너지에 의해 구동되는 방식과는 달리 수리동력학적 분리장치(일명 하이드로 싸이클론)에서는 교량이 제공하는 낙차에너지(압력수두)에 의해 구동되기 때문이다.

이와 같은 결과는 지극히 당연한 귀결로 이미 많은 문헌을 통하여 보고되고 있으며 이 기술의 핵심적인 아이디어는 외부동력공급 없이 자연적인 에너지를 이용하여 효율성을 획득한다는 점이다.

저에너지·친환경형 비점오염물질 처리시스템

이 기술은 국내 최초로 교량의 위치에너지와 태양광 에너지를 이용한 저에너지·친환경형 비점오염물질 처리시스템으로, 교량하부의 비점오염저감시설의 설치를 위한 부지 부족문제의 근본적 해결책을 제공한다.

또한, 4대강 수질개선에 획기적으로 기여할 것으로 기대되며, 수생태 복원 및 생물서식환경을 향상시킬 수 있다. 최근 급증하는 교량형 도로에서 발생하는 비점오염물질의 혁신적인 저감에도 효과적이다.

궁극적으로는 하천의 수질 및 수생태복원을 추진함에 있어 가장 필요한 비점오염물질의 저감에 적합한 기술로서, 보호종이 서식하는 하천이나 호소를 관통하는 도로에서 발생하는 비점오염물질의 획기적인 개선에 기여하는 바가 크며, 오염물질 저감에 필요한 시설의 설치·유지관리에 필요한 경비를 절감할 수 있어 경제적인 효과도 클 것으로 기대된다.

[출처 : 『워터저널』 2012.10월호]