합류식하수관거는 우수의 배제와 오수의 수송기능을 한다. 따라서 평상시에는 오수를 하수처리장으로 운반하며, 강우시에는 유역내 지표유출수를 집수하여 운반하는 것을 목적으로 한다. 

국내 합류식 지역의 하수처리장에서는 하수도 시설기준(1997년, 환경부)에 따라 1차 침전지에서 3Q처리 후, 2Q는 우회수로를 통하여 방류되고, 1Q는 하수처리공정에서 정상처리 되도록 설계, 시공되어 있으나, 현실적으로 1차침전지에서 침전물 부상 등의 문제로 인해 제대로 처리되지 못하고 방류되고 있다([그림 1] 참조).  

이때의 농도는 배수유역의 토지이용상황, 강우강도 및 강우시간 등에 따라 크게 차이가 있고 강우 초기에 발생되는 초기강우(First flush)현상으로 인해 건기하수에 비해 높은 오염도를 나타내고 있는 점을 감안할 때, 고농도의 합류식하수관거 월류수가 강우초기 방류될 경우 수질오염 및 수체 내 생태계파괴의 원인이 되고 있다. 

특히, 도시지역의 지속적인 개발로 불투수층의 면적이 증가함으로써 강우 유달 시간이 짧아지고 유출률이 증가하게 되어 강우초기에 고농도 오염물질이 다량 유출되는 현상이 나타난다. 일반적으로 합류식하수관거 월류수는 부유물질, 유기물질과 같은 오염물질뿐만 아니라 각종 Oil, 중금속, 방향족 탄화수소화합물 등의 유해물질도 다량 함유하는 것으로 알려져 있다. 

2. 개발의 필요성 및 목적 

합류식하수관거 월류수 처리와 관련하여 하수도 시설기준 상에는 ‘합류식하수도 우천시 방류부하량 저감계획’에 우천시 방류부하량의 저감계획으로써 차집관거의 용량증대, 우수체수지, 스월조절조, 실시간 제어방법 등 4가지의 방법을 제시하고 있다.

또한, 환경관리공단에서도 하수관거 월류수 및 우수 유출수 관리방안으로 기초자료의 지속축적 및 관리지침안 마련, 관거의 체계적 정비 및 강우의 하수처리장 적정 운영, 기존 우수토실의 구조·기능 개선, 유수지·빗물 배수펌프장의 이용, 기존 도시 밀집지역에 적합한 장치형 시설 운영을 제시하고 있다.

국내의 경우 합류식하수관거 월류수 처리의 중요성은 인식하고 있는 반면, 하수처리장으로 차집되어 유입되는 고농도의 CSOs는 도심지역의 경우에는 부지 때문에 저류조의 운영이 거의 불가능한 상태이다. 이 때문에, 하수처리장으로 유입되어 by-pass되는 2Q의 CSOs제어 및 처리 시설은 거의 전무한 실정이다. 하수처리장에서 발생되는 2Q의 CSOs를 처리하기 위해서는 by-pass 라인에 별도의 처리시설을 두어야 하며, 이때의 처리시설은 부지 및 처리효율을 고려하여 적정한 공법을 선정하거나 개발해야 한다.

이 외에도 지속적인 물 관리정책에 다양한 기술과 예산을 투입한 결과로 BOD를 중심으로 4대강 및 하천의 유기물 오염부하량은 감소하였으나, 영양염류 관련 대체소홀 등으로 총인(TP) 등이 증가해 하천의 부영양화 현상이 가중되고 있다.

통상 부영양화는 호소와 같은 정수역에서 발생하지만 우리나라는 하천에서도 부영양화가 심각한 실정이다. 갈수기 때 유속의 감소와 체류시간 증가의 영향도 있지만 농도가 높은 하수처리장 방류수에 의한 원인도 무시할 수 없어 2012년부터는 하수처리장 방류수중 총인농도를 0.2㎎/L ∼0.5㎎/L까지 규제하고 있는 실정이다. 

기존에 개발된 하수처리형 응집처리장치로는 URC(Ultra Rapid Coagulation) 방식, Actiflo 방식, 부상여재를 이용한 상향류식 방식, 무동력 응집 침전 방식 및 일체형 고효율 응집 침전 방식이 있다. 

URC 방식의 하수처리형 응집처리장치는 기존 응집 침전 방식의 장치에 비해 반응 및 침전시간을 10배 이상 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 이러한 시스템은 반응조의 개수가 많거나 다단으로 설치해야 해서 시설설치를 위한 부지면적이 넓어지거나 시설이 복잡하고 국외기술이거나 약품주입량이 과대하여 슬러지 발생량이 많고 유지관리비가 많이 드는 등의 문제점이 있다. 이에 이러한 시설의 단점을 보완하고 인라인 믹서와 응결조와 일체형 침전조를 고안하여 약품주입량을 최소화하고 유지관리를 편리하게 한 고속 고효율응집침전시스템을 개발하게 됐다. 

자체 개발된 인라인 믹서에서 급속교반 후 응결조에서 플록을 조대화하며, 경사관이 침지된 침전지에서 고액분리로 응집된 오염물질을 분리·제거하는 시스템이다(환경신기술 제407호, 마름모형 돌기가 장착된 인라인믹서와 응결조가 침지된 일체형 침전지를 이용한 고속응집 침전기술).

3.2 공정원리 및 구성  

고속응집침전시스템(PM&C System, Power Mixing&Coagulation System)은 강우유출수나 하수방류수에 포함된 오염물질을 응집제(Alum 등)와 반응시켜 화학적 침전물로 변화시켜 고액분리를 통해 제거하는 시스템이다. 효율적인 화학 응집반응을 위해서는 △응집제와 오염물질의 급속혼화효과 △미세플록의 조대화를 위한 교반 및 수리조건 유도 △고액분리시 고형물 회수율극대화를 중점적으로 고려해야 한다.

인라인 믹서는 응집제와 오염물질의 순간적인 혼화를 가능하게 해 적은 응집제 주입량으로도 효율적인 응집반응을 유도하고, 침전조내에 침지된 응결조에서 플록의 조대화반응이 일어난 후, 사방향으로 설치된 침전조로의 이동통로에 설치된 배플을 지나면서 수체의 수리학적 에너지가 감소되어 침전조에서 수체의 상승속도를 감소시켜 침전효율을 높이는 구조이다. 

3.3 단위공정별 운영 및 특징 

(1) 인라인 믹서  

유입펌프에 의해 유입된 하수원수 및 CSOs는 인라인 믹서에 의해 응집제인 Alum을 급속혼화 시키게 된다. 인라인 믹서는 유입수의 수두손실에 의해 그 효과를 평가하게 되므로 mixer의 앞단과 뒷단에 각각 압력계를 위치시켜 손실수두를 계측할 수 있도록 했다. 

(2) 완속교반조와 침전조 일체화(응결조+경사관침전조) 

인라인 믹서를 거쳐 응집제와 유입수의 오염물질이 수화반응을 일으켜 생성된 플록은 응집반응조로 유입되고, 교반기에 의해 완속으로 교반하여 플록들을 응집시키게 된다. 이때 응집보조제인 폴리머를 정량펌프에 의해 응집반응조로 유입된다. 응집보조제를 통해 응집된 플록들은 크기가 커짐과 동시에 무게도 증가하게 되어 침전조로 유입된다. 

침전조에 유입되기 전에 침전지에서 단락류가 발생하여 미세한 슬러지들이 침전조 상부로 유출되는 것을 방지하기 위하여 침전조 초입부에 배플을 설치했다. 설치된 배플은 수류를 안정화시켜 침전조 내부 단락류 발생을 방지함과 동시에 침전조 상부로의 상승유속을 균등하게 만든다. 

4. 기술적용효과 

강우사상별 항목에 따른 오염물질 제거효율은 다음 [표 2]와 같다. 항목별 오염물질의 제거효율은 BOD가 74.1%∼91.2%, COD는 42.1%∼88.1%, SS는 79.3%∼99.3%, TN는 2.9%∼42.3%, TP는 81.0%∼95.4%이고 약품응집으로 처리한계가 있는 TN을 제외한 모든 항목의 제거율은 우수했다. 

처리수의 수질은 BOD가 16.5㎎/L∼34.39㎎/L, COD는 24.4㎎/L∼42.9㎎/L, SS는 8.9mg/L∼16.5㎎/L, TN는 19.8㎎/L∼29.7㎎/L, TP는 0.24㎎/L∼0.36㎎/L로 나타났다. 일본의 하수처리장 월류수 수질 권고 기준은 BOD 40㎎/L, SS 40㎎/L인 점을 감안하면 이 권고치는 충분히 만족시킬 수 있는 범위임을 확인할 수 있었다. 

 5. 시설의 현장적용 방향 

다양한 현장의 하수처리장에 총인처리시설인 PM&C system을 적용하기 위해 목표 방류수 수질조건에 따라 응집제(Alum)의 농도를 조절하는 것은 시설의 유지관리 및 운영비에 중요한 인자로 작용하며, 경제적인 운전을 위해 시설로 유입되는 오염물질농도 및 표면부하율 슬러지 반송조건, 폐 슬러지 이송 등 다양한 인자를 고려해야 할 것이다.