[이슈&트렌드] 분류식 하수도 시설·유지보수기준 개선방안 / 박규홍 교수(중앙대 토목공학과)

분류식 전환시 하수처리장에 미치는 영향 검토 필수       
농어촌 소규모 하수도 설치 계획시 가축 폐수량도 고려해야 
분뇨, 단독·공동정화조 설치 대신 하수도 직투입 방식되어야

   
▲ 박규홍 교수(중앙대 토목공학과)
하수의 배제방식은 크게 합류식과 분류식, 그리고 합병식으로 구분한다. 분류식에는 우수관, 오수관을 완전히 별도의 계통으로 매설하는 ‘완전분류식’과 오수는 암거화한 오수관 계통으로 배제하되, 우수는 도로 측구 및 기존(재래) 수로를 활용하여 주로 배제하는 ‘오수 분류식’(또는 ‘불완전 분류식’으로도 부름)의 두 가지 종류가 있다.

■  분류식 하수관거 시설기준

오수 분류식은 완전 분류식에 비하여 유지관리 면에서 다소 불리하지만, 건설비가 훨씬 적게 들어가면서도 공공수역의 수질보전 목적도 조기에 달성할 수 있는 배제방식으로써 우리나라 농어촌을 포함한 지방도시의 하수도정비 모델로 이 오수 분류식의 채택을 적극 검토할 가치가 있다.

오수 분류식을 택하는 경우 현재 하수구로 사용 중인 도로 측구(U자구 등)는 우수거로 전용할 수 있어 대단히 경제적으로 하수도 정비가 가능하나, 우수배제 계통 오수관을 잘못 연결시키는 소위 ‘오접’을 적극 방지해야 하며 정기적으로 청소를 해야 하는 등 유지관리에 세심한 주의가 필요하다.

 우리나라의 기존 대도시에서 대부분 채택하고 있는 합류식 하수도의 경우도 그 개선을 전제로 새로운 시각으로 합류식을 평가하고 있는 점도 유의할 필요가 있다. 합류식 하수도의 개선책은 구체적으로 차집관거(Intercepting Sewer)의 정비로 청천 시 오수를 하수처리장으로 전량 차집하여 처리한 후 방류토록 하며, 초기우수도 저류시설을 설치하여 강우초기 노면세정 등으로 인한 오탁부하량이 매우 큰 초기 우수는 일시 저류 후 처리하여 방류하며, 우천 시를 대비한 차집유량의 처리를 포함한 하수처리 공정의 개선 등이 주요 내용이며, 이러한 개선을 하면 분류식에 뒤지지 않는 공공수역의 수질보전 기능을 발휘할 수 있는 것으로 알려져 있다.

하나의 도시(처리구역) 내에서도 지역 형편에 의하여 합류식과 분류식을 부분적으로 병용하는 경우도 있으며, 이 경우를 합병식(合倂式)으로 부르기도 한다. 자연배수 시스템(NDS)은 기존의 우수관거 중심의 우수관리 방법과는 기본적으로 다른 혁신적인 대안이다.

기존의 우수관거(pipes and ditches)를 이용한 배수 시스템의 경우 유분, 페인트, 비료 성분, 중금속 등 우수 중의 미량 유해성분 물질이 곧바로 하천이나 호소 등으로 유출되어 버려 방류수역의 수질을 저하시키고, 하천 및 해양 먹이사슬을 교란시키는 등 수생 생태계의 보전에 많은 문제를 야기하였던 것이 사실이다.

자연배수 시스템(NDS)은 신도시나 신규 단지의 조성 시 분류식 하수도로 정비하면서, 지금까지 해 온 별도의 우수관거의 매설 방법 대신에 빗물을 가운데가 낮게 설계된 화단 등의 자연배수로를 이용하여 될 수 있는 대로 자연 지표면(나무, 풀 등의 식물, 인공낙차공, 소형 습지 등을 이용)과 많이 접촉한 후 배수한다.

이 과정에서 자연배수 시스템(Natural Drainage System, NDS)은 물이 침투가 되고, 유속을 느리게 하여 여러 가지 오염물질을 여과하는 친환경적인 기능을 하나 치수관리(홍수재해 방지)기능도 중요하므로 적용 시 충분한 여유율에 대한 검토가 필요하다. 미국 시애틀시에서는 주거지역의 생활환경 개선사업으로 2001년 이후 Natural Drainage Projects를 여러 곳에 추진하여 주민은 물론 방류수역의 수질보전에 큰 성과를 거두고 있다.

하수도 계획의 목표 년도는 시설의 내용연수 건설기간 특히 관거의 경우 수량의 증가에 따라 단계적으로 관거를 증설시킨다는 것은 곤란하며, 바이패스(by-pass)를 설치하든가, 또는 대구경으로 이설하지 않으면 안돼 원칙적으로 20년 후를 목표로 하여 계획을 수립하여야 한다.

분류식 하수관거의 계획구역을 결정할 때에는 도시계획 상 시가화 구역뿐 아니라 장래에 시가화 구역으로 될 가능성이 있는 구역은 도시계획 구역이 아니더라도 계획 구역에 포함해야 한다. 그리고 공공수역의 수질보전 및 자연환경 보전을 위하여 하수도 정비를 필요로 하는 지역과 장래 신시가지화 예정 지역도 포함한다.

관할 전체 행정구역 및 실질 하수처리 구역 단위로 설정하되, 필요한 경우 행정상의 경계에 구애됨이 없이 광역적·종합적으로 정해야 한다. 유역별 하수도정비종합계획이 정해져 있는 유역의 하수도계획 구역은 이에 준하도록 한다.

우수배수구역을 결정할 때에는 그 지역의 지형을 기초로 하여 지세, 빗물의 흐름 방향, 도로, 철도, 하천, 해역, 총량관리 단위유역 및 소유역 등 현황 및 장래 도시개발계획 등을 면밀히 검토 후 설정한다. 그리고 기본계획의 시행단계에 따라 단계별로 구분하고 필요한 경우 배수분구로 세분한다. 분류식 하수관거의 계획구역과 우수배수 구역을 정할 때에는 하수처리구역을 함께 고려해야 한다.

분류식 하수관거의 계획을 수립할 때에는 반드시 우수배제 계획을 오수배제 계획보다 우선하여 수립한다. 완전 분류식의 경우 우수관을 매설하는 등의 별도의 우수배제 시설을 갖추도록 계획해야 하며, 오수 분류식의 경우 기존 배수로 시설을 최대한 활용하여 계획할 필요가 있다.

우수관거 시설의 계획은 다음 사항을 고려해야 한다. 관거의 능력을 결정하는 경우에는 우수관거에 합류하는 계획우수량을 기초로 한다. 즉, 합류식 관거에 있어서는 계획우수량과 계획시간최대 오수량을 더한 값으로 한다. 관거는 자연유하를 원칙으로 하기 때문에 일반적으로 지형에 따라 배치계획을 하여야 한다.

지형, 지질, 도로폭 및 지하매설물 등의 상황을 충분히 고려하여 수두손실을 최소로 하도록 배치를 해야 한다. 암거(暗渠)의 경우는 개거(開渠)와는 달리 처음부터 매설 깊이만큼 수두가 손실되는 단점이 있으므로 더욱 그러하다. 따라서 우수를 수직으로 떨어뜨리는 계통이나 구조는 가능한 해야 한다. 그리고 관거 배치에 대한 제약이 많고 바람직한 계통이나 구조를 선택할 수 없는 경우라도 동수경사선이 지표면 위에 오지 않도록 해야 한다.

따라서 지표면 위에 오는 경우에는 관거의 단면을 크게 하는 등 필요한 방법을 강구해야 한다. 이와 같은 방법으로 처리할 수 없는 경우에는 방류점이나 접합점의 위치 변경 및 계통의 변경 등을 한다. 이상의 검토로도 불충분한 경우에는 압력관으로 함과 아울러 우수가 분출하지 않도록 필요한 대책을 강구해야 한다.

관거는 우수가 항상 적정한 유속으로 지장 없이 흐를 수 있도록 단면적, 단면형상 및 경사 등을 정해야 하며, 특히 관거 내에 침전물이 퇴적하지 않도록 고려할 필요가 있다. 특히, 관거를 유수 저류관으로서 계획하는 경우에는 침전물이 퇴적하지 않도록 고려할 필요가 있다.   또한, 관거의 분·합류점, 굴곡부 및 맨홀 등에서의 에너지 손실을 가능한 작게 하도록 배려한다. 우수배제 계획구역 내에 기존의 배수로가 있는 경우에는 그 이용을 고려할 필요가 있다. 그 때에는 배수로의 계통, 능력, 구조 및 장래계획에 대하여 충분히 고려해야 한다.

특히 오수관거는 계획시간 최대오수량을 기준으로 계획해야 한다. 오수량 중에서 생활오수의 유출량은 계획 구역의 크기, 계절 및 기후 등에 의해 큰 차이가 있으며, 하루 중에도 시간에 따라 크게 변동한다. 또한 공장폐수에 대해서는 24시간 평균적으로 배출하는 경우, 주간에만 배출하는 경우 및 특정시간에 배출하는 경우 등 여러 가지로 일정하지가 않다. 따라서, 오수관거의 용량을 결정하는 경우에는 오수유입량의 변동에 대해 충분한 유하능력을 갖도록 하기 위하여 계획오수량 중 가장 큰 계획시간 최대오수량을 사용한다.

합류식에서는 우수토실이나 펌프장을 통과한 후, 하수의 차집관거의 용량은 방류수역의 허용오염부하량을 고려한 희석배율에 의해서 정하는 우천 시 계획오수량으로 한다. 또한 합류식에서 하수의 차집관거를 합류관거로 사용하는 것은 절대로 피해야 하며, 하수의 차집관거는 항상 우수토실이나 펌프장에서 방류수를 분리한 후 여러 가지 우천시 계획오수량만을 받아들이도록 계획해야 한다.

계획구역 내에 분류식 지역과 합류식 지역이 공존하는 경우에 분류식 지역의 오수를 합류관거에 유입시키는 것은 수질보전 상 분류식의 효과가 없어지는 결과가 되므로, 양 지역의 관거는 원칙적으로 처리장에 도달할 때까지 분리하는 것으로 하며, 부득이 합류시킬 경우에는 경제적, 기술적 검토를 하여 분류지역의 오수관거는 합류식의 우수토실이나 펌프장에서 우천시의 방류수를 분리한 후 하수의 차집관거에 접속시키는 방안을 강구할 필요가 있다.

“오수 분류식은 완전 분류식에 비해 유지관리 면에서 다소 불리하지만, 건설비가 훨씬 적게 들어가면서도 공공수역의 수질보전 목적도 조기에 달성할 수 있는 배제방식으로써 농어촌을 포함한 지방도시 하수도정비 모델로 채택 적극 검토할 가치 있어”


관거는 악취발생 등 환경위생상의 관점 및 주로 도로 밑에 매설되는 점등을 고려하여 우수관거 및 방류관거를 제외하고는 원칙적으로 암거로 해야 한다. 필요에 따라서 수밀성 시험을 하는 것이 바람직하다. 그리고 자연유하를 원칙으로 하므로 일반적으로 지형에 맞게 배치되도록 계획해야 한다.

특히, 간선 등의 대구경 관거에 대하여는 시공상의 문제가 있으므로 지형, 지질, 도로폭 및 지하매설물 등의 상황을 충분히 고려하여 그 배치를 결정한다. 오수가 항상 적당한 유속으로 유하하는데 지장이 없도록 단면적, 단면형상 및 경사 등을 결정하며, 특히 관거 내에 침전물이 퇴적하지 않도록 고려할 필요가 있다. 또한, 과거의 분·합류점, 굴곡부 및 맨홀 등에서는 에너지 손실을 가능한 작게 하도록 고려해야 한다.

관거의 역(逆) 사이펀은 침전물의 퇴적에 의한 관거의 폐쇄나 부패에 의한 가스 및 악취가 발생되기 때문에 유지관리상 좋지 않으므로 가능한 피하도록 계획하며, 부득이 역 사이펀을 설치해야 할 경우에는 충분한 유속이 확보되도록 함과 동시에 복수관으로 하는 등 유지관리가 쉽도록 구조 및 기능을 충분히 고려할 필요가 있다.

분류식의 구역에서 오수관거 우수관거가 교차하여 역 사이펀을 피할 수 없는 경우에는 일반적으로 오수관거를 역사이펀으로 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 우수관거는 시가지의 침수방지시설로서의 중요한 역할을 하는 것이므로 유수의 유하 상황을 고려하여 우수배제를 우선적으로 다루는 것을 기본으로 하기 때문이다. 그러나 지형상 문제, 침수가 발생하는 경우는 피해상황, 매설관거의 시공 및 유지관리상의 문제를 충분히 고려하여 우수관거를 역 사이펀으로 하는 경우도 있다.

■  오수관거 규모 설정 요령

계획인구는 하수도계획에서 시설규모와 계획유입수질 산정에 기포가 되는 것으로써 계획구역에 관한 도시계획 및 기타 장기계획을 참고로 하여 계획구역 내의 계획총인구 및 그 분포상황으로 추정한다. 또한 과거 및 장래의 인구동향을 정확하게 파악하여 인구가 과대하게 산정되지 않도록 유의해야 한다.

하수도계획의 대상이 되는 오수는 계획구역 내의 일반가정, 사무소, 공장 및 사업장 등에서의 생활, 영업 및 생산활동에 의해 발생하는 오수, 폐수, 지하수 및 기타 배수량으로 분류되므로 계획오수량을 정확히 결정한다는 것은 매우 어려운 문제이나 신중을 기하는 것이 필요하다.

또한, 오수는 시간 및 계절에 따라 변동하므로 이러한 변동은 시설 설계 시에 중요한 변수가 된다. 특히, 온천·해수욕장 및 행락지 등의 관광지에서는 변동이 현저하기 때문에 매우 신중해야 한다. 계획오수량은 생활오수량(가정오수량 및 영업오수량), 공장폐수량 및 지하수량으로 구분해 정한다. 또한, 농어촌의 소규모하수도 계획시는 필요한 경우 가축폐수량을 고려할 수 있다.

계획오염부하량은 계획수질, 계획오수량과 함께 하수도계획의 기본이 되는 값이므로 처리구역의 실태를 근거로 하여 가능한 한 실측한 값을 기본으로 구한다. 계획오염부하량은 생활오수, 영업오수, 관광오수 및 기타오수의 오염 부하량으로 구분하여 결정한다.

수리시설 설계에 쓰이는 계획설계수질은 계획유입수질에 슬러지 처리단계부터의 반송수 등을 고려한 수치이다. 계획수질은 계획오염부하량, 계획오수량과 함께 하수도계획의 기본이 되는 값이므로 처리구역의 실태를 근거로 하여 가능한 실측한 값을 기본으로 구한다. 계획유입수질은 계획오염부하량과 계획 하루평균 오수량을 기초로 정한다. 계획유입수질 처리장에 유입하는 하수의 수질로 계획오염부하량을 계획 하루평균 오수량으로 나눈 값이다.

■  우수관거 규모 설정 요령

최대계획 우수유출량의 산정은 합리식에 의하는 것으로 하며, 유출계수는 토지이용도별 기초유충계수로부터 총괄유출계수를 구하는 것을 원칙으로 한다. 확률 연수는 5∼10년을 원칙으로 하되, 지역의 중요도 또는 방재상 필요성이 있는 경우는 이보다 크게 정할 수 있다.

우수관거는 계획우수량을 기초로 계획하며, 우수관거의 배치는 수두손실을 최소화하도록 고려하며 지형, 지질, 도로폭원 및 지하매설 등을 충분히 고려한다. 우수관거의 단면형상 및 경사는 관거 내에 침전물이 퇴적하지 않도록 적정한 유속이 확보될 수 있게 정하도록 하며, 기존 배수로의 이용을 고려해야 한다.

■  분류식 계획 시 유의 사항

첫째, 분류식 하수관거로 전환 시 하수처리장에 미치는 영향을 검토해야 한다. 합류식 하수관거 체계에서 분류식 하수관거 체계로 전환할 경우, 청천 시의 하수처리장의 유입수량은 동일하다. 우천 시에는 합류식 하수관거 체계의 차집관거 용량 이상의 우수는 하수종말처리장에 도달하기 훨씬 전에 우수토실을 통해 방류수역으로 방류되고, 차집관거 용량에 해당되는 우수만이 하수처리장에 유입된다.

이러한 하수 이송체계와 처리체계에서 분류식 하수관거로 전환될 경우 우수는 우수관거를 통해 흐르다가 방류수역으로 그대로 방류되는 우수관거 방류수가 되고, 오수는 오수관거를 따라 흘러 모두 하수종말처리장에 도달하게 되는 것이 원칙이다.

하수관거 정비사업 중 시공이 잘못되어 우수관거가 오수관거로 오접되는 경우 다량의 우수가 오수관거로 유입되어 하수처리 시설의 유입수량이 합류식을 분류식으로 전환한 경우에도 큰 차이가 없을 수 있으니 유의해야 한다.

“우수 저류시설은 우수토실, 펌프장, 처리장 주변에 설치해야 하며 우수체수지의 형식은 우천 시 방류량의 삭감효과, 입지조건, 방류수역 상황, 경제성 및 유지관리의 용이 등을 고려하여 종합적으로 선정해야 한다.”

오수관거의 용량과 하수종말처리장의 시설용량이 일치한 상태에서 집수 구역의 상류부의 맨홀이나 지하실의 침수현상 등으로 SSOs가 보고되는 경우의 원인은 특정 오수관거 구간의 통수용량 부족, 오수관거에 지방, 기름, 그리스(FOG)로 막혀 있거나, 나무뿌리의 오수관거 침입, 관거의 오접, I/I문제 발생, 관거시설에 대한 무분별한 파괴행위 등이므로 이에 관한 조사가 지속적으로 이행되어 필요한 조치를 취해야 할 것이다.

합류식 하수관거 체계에서 분류식 하수관거 체계로 전환할 경우, 하수종말처리장의 유입수질은 그 지역에 분뇨처리 시설이 별도로 설치되어 있는지 여부와 기존의 정화조가 완전히 폐쇄되어 있는지, 아니면 존치되어 있는지, 또는 부분적으로 정화조가 사용되고 있는지의 상황에 따라 매우 다양하게 변화할 수 있을 것이다.

분류식 하수관거 체계에서는 분뇨가 하수도에 직투입되는 것을 원칙으로 하므로 하수처리장의 유입 BOD는 더욱 증가하게 되고, 유입 BOD 부하량도 더 큰 값을 사용하여야 한다. 문제는 합류식 하수관거 체계를 분류식 하수관거 체계로 전화하는 과정에서 더욱 복잡하게 발생할 수 있다.

수세분뇨의 하수도 투입은 처리구역 내의 관거상태에 따라 그 시기를 결정하며, 수세분뇨의 하수관거 투입에 앞서 반드시 관거정비가 선행토록 하고 있다. 기존 시가지 등에서 하수 배재방식이 합류식인 경우에는 하수 운송체계가 완벽하게 정비될 때까지는 정화조를 설치한 채로 유지하는 것이 불가피할 것이다.

따라서 정화조 설치상태의 유지는 분류식화 사업이 마무리되기까지의 잠정적인 조치일 뿐이며, 정화조 설치를 위한 공사비 및 유지관리비 등에 따른 이중투자의 방지를 위해서도 처리구역 내에서 발생하는 분뇨는 하수관거를 통하여 하수처리장으로 유입하는 것이 원칙이다. 또한 처리구역 내에서 발생하는 수거식 분뇨도 하수처리장에서 전처리 후 합병처리하는 것을 원칙으로 해야 한다.

합류식에서 분류식 하수관거 체계로 전환할 경우의 방류수역의 수량은 총량개념으로 볼 때 분뇨가 정화조를 통해 수거되는 지와 분뇨발생 후 하수도에 직투입되는 지에 따라 약간의 변동이 있을 수 있으나, 대체로 방류수역에 미칠 정도의 큰 수량의 변동은 무시할 수 있는 정도로 추정된다.

합류식에서 분류식 하수관거 체계로 전환할 경우의 방류수역의 수질은 청천 시에는 두 체계가 모두 동일하다고 할 수 있다. 하지만 우천 시에 두 체계의 방류수역 수질에 대해서는 강우 특성에 따라 그 영향이 다르게 나타날 수 있다.

매번 다른 특성을 갖는 강우, 배수유역의 지형적 특성과 유출계수, 관거의 설계, 시공 및 유지관리 상태, 방류수역의 상류부의 수량과 수질 등이 이에 대한 예측의 거의 불가능하게 만들고 있어 이를 규제하는 법령과 규칙을 제정하는 것도 매우 어려운 실정이다.

고도의 수리모델, GIS와 연계된 배수유역의 특성자료 수집과 업데이트, 하수관거의 유량과 수질에 대한 지속적인 모니터링 등이 연계된 조사와 연구작업을 통해 어느 정도의 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.

우천 시 우수관거로부터의 방류에 의한 방류수역의 수질은 다양한 물리적·화학적·생물학적 요인의 상호작용에 의해 복잡하게 얽혀 영향을 받는다. 하지만 방류수역의 규모가 클수록 그 영향은 더 작다. 단순 계산에 의해 하수관거 월류수체적이 방류수역에 어떤 영향을 주는지 결정할 수 있다.   

둘째, 우수관거와 합류식 하수관거의 초기우수 오염부하 삭감을 위한 설계요소는 △우수관거의 초기우수 오염부하 삭감을 위한 관리요소 △합류식 하수관거의 초기우수 오염부하 삭감을 위한 설계요소 등을 감안해야 한다.

먼저 우수관거의 초기우수 오염부하 삭감을 위한 관리요소의 경우, 관리 규모는 「수질환경보전법」상 기타 수질오염원 중 골프장 및 운수장비·정비 등 시설은 5㎜ 강우를 저류할 수 있는 시설을 설치해야 하며, 「낙동강수계 물관리 및 주민지원 등에 관한 법률」상 산업단지 등이 설치해야 하는 완충저류시설은 5㎜의 빗물·폐수가 2일 이상 체류할 수 있도록 하고 있다. 우선 초기 우수유출량(유효강우량) 5㎜ 정도이면 비점오염 발생량의 80% 이상을 관리할 수 있는 경제적인 규모로 기존 관리 규모와의 형평을 고려해 이 수준으로 함이 적정하다.

이와 함께 합류식 하수관거의 초기우수 오염부하 삭감을 위한 설계요소의 경우, 해결해야 할 수질문제에 따라 여러 형태의 합류식 하수관거의 월류수 오염 저감방법과 처리시설을 복합적으로 사용하거나 독립적으로 사용할 수 있다.

일차적으로 고려할 수 있는 우수저류시설은 우천 시 초기우수의 일부를 저류하고 강우 종료  후 처리시설에 송수하여 처리한다. 체수지 용량은 저류한 우수를 처리장에서 처리하는 우천시 방류부하량의 저감효과에 의해 결정한다. 우수 저류시설은 우수토실, 펌프장, 처리장 주변에 설치하며 우수체수지의 형식은 우천 시 방류량의 삭감효과, 입지조건, 방류수역의 상황, 경제성 및 유지관리의 용이 등을 고려하여 종합적으로 선정해야 한다.

한편, 처리시설은 유출수가 하수관거 시스템을 떠나 방류수역에 유입되는 어느 지점에서나 위치할 수 있다. 한 예로 배출수 수질을 개선하기 위해 기존, 또는 새로운 합류식 하수관거의 월류수를 처리하는 것이 가능하다.

만약 기존의 하수처리시설을 확장할 경우에는 기존의 처리기술을 사용하는 것이 경제적일 수 있다. 몇 가지 형태의 처리기술(스크린, 침전, 화학적 처리, 여과, 공기부상법, 소독 등)이 합류식 하수관거의 월류수 오염 저감 프로그램을 위해서 선택될 수 있다.

셋째, 정화조의 운영에 관해서는 2007년 1월 환경부에서 발표한 『하수도시설 설치사업 업무처리 일반지침』에 일부 나타나 있다. 이 지침의 주요내용은 분류식 하수처리 구역의 경우 단독정화조의 설치가 면제된다는 것이다.

따라서 앞으로의 경향은 단독 정화조 또는 공동 정화조를 설치하는 대신 기존의 정화조를 점진적으로 폐쇄하면서 미국이나 일본 등과 같이 하수도에 분뇨를 직투입하는 방식으로 운영되어야 할 것이다.


 

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