미국·독일·일본·네덜란드 등 환경선진국
간접취수방식 도입 맑은물 공급 성공
유기물질·병원성 미생물·중금속 제거 탁월

▲ 정진섭 의원이 변주대 낙동강유역환경청장 등과 함께 경남 창원시에 설치된 강변여과수시설을 둘러보고 있다.

■ 글 싣는 순서 ■
① 상수원 관리와 문제점
② 간접취수방식 해외사례
③ 간접취수방식 국내 적용사례
④ 수돗물 취수원 이전
⑤ 결론 및 제언

▲ 정진섭 의원

간접취수, 자연정화방식 운영

‘간접취수’란 기존 지표수에서 직접 취수해 정수장에 공급하는 취수방법이 아닌 주변 자연환경 즉 하상 및 강변 둑을 이용한 자연정화하는 방식으로, 직접취수에 비해 보다 양질의 원수를 공급받을 수 있다.

이는 기존의 모래여과 공정과 같은 원리를 가지는 자연적인 정화방식으로서 하천수 또는 지하수 등을 토양을 이용해 자연 여과하는 형태로 운영된다. 이를 통해 용존성 유기물질 및 병원성 미생물 그리고 중금속 등을 제거할 수 있으며, 최근 부각되고 있는 내분비장애물질까지 제거가 가능하다.

특히 원수 중의 용존성 유기물질을 제거함으로써 염소 소독 시 발생되는 소독부산물질들을 현저히 줄일 수 있으며, 약품비의 절감뿐만 아니라 슬러지의 발생도 저감시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 취수 가능지역을 폭넓게 적용할 수 있기 때문에 물 부족에 대한 방안으로 고려할 수 있다.

일반적으로 알려진 간접취수 방식은 수직정 방식과 방사형 수평 집수관을 이용한 수평집수정에 의한 방식으로 구분된다. 이러한 취수방식의 선정은 지질조건, 취수량, 원수수질, 활용가능 부지여건 등에 따라 결정된다.

▲ [그림 1] 간접취수의 기본 개념도

유기오염물질·질소 등 제거

간접취수를 통한 원수 중의 오염물질의 제거원리는 물리적인 기작과 화학적·생물학적인 기작으로 구분될 수 있다. 물리적인 기작은 하상(하천바닥)의 모래 및 자갈의 공극(입자사이)을 통과하면서 발생되는 자연여과 현상이다. 하상입자의 공극보다 큰 부유 물질들은 공극을 통과하지 못하고 하상에 침전이 된다.

이렇게 침전된 물질들은 하상에 폐색(막힘)층으로 생성되면서 하천수가 하상에 유입되는 것을 막을 수 있다. 그러나 계절적인 강우 또는 홍수로 인한 하천의 유속이 증가할 경우 하상세굴(패임)로 인해 폐색층은 자연적으로 씻겨진다.

하천의 세굴은 하천 유속이 0.45㎧ 증가 시에 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하상의 매립층의 공극보다 작은 크기의 오염물질들은 모래나 토양 입자 사이의 인력 또는 전하의 차이로 인한 정전기인력에 의해 흡착되게 된다. 이러한 물리적인 제거 기작들은 기존의 모래여과와 같은 원리라고 볼 수 있다.

생물학적인 제거는 장기적으로 일어나는 기작으로 모래입자에 흡착된 오염물질들이 미생물의 작용에 의해 무기성 물질로 분해되는 것을 말한다. 흡착되지 않은 오염물질도 충적층을 오랜 시간 통과하면서 충적층에 다양하게 존재하는 미생물로 분해된다.

양수(퍼올린 물)에 의해 하천수가 하상에 유입되면, 유기오염물질들은 전자공여체(Electron Donor)로 그리고 산소 및 질산성 질소는 전자수용체, 즉 전자 공여체로부터 전자를 받아들이는 원자로 기능하면서 미생물반응에 분해되고 만다. 따라서 하상의 물리적 특성에 맞는 운전조건으로 양수할 경우, 유기오염물질과 질산성 질소를 동시에 제거할 수 있다.

▲ [그림 2] 물리적인 제거 및 하상폐색층의 생성

호기성 미생물 도입 활용  

하상의 표층 부근은 용존산소(DO)가 잔존하는 깊이에서 호기성 미생물의 작용이 일어나고, 용존산소가 고갈된 깊은 층에서는 미생물에 의한 탈질 반응이 일어난다. 이 방법의 운전 초기에는 미생물의 증식에 의해 많은 오염물이 처리되지만, 시스템이 정상상태에 도달하면 미생물 증식에 의한 오염물 처리는 거의 없어지고, 공급되는 오염물은 분해된다. 그리고 이미 증식된 많은 양의 미생물이 생존하는데 필요한 에너지가 공급되면서 제거가 이뤄진다.

여기서 부산물로 발생되는 이산화탄소와 질소 등의 가스는 물에 녹아 여과수에 용존된 상태로 양수된다. 따라서 이 방법을 이용하면 유기오염물 뿐만 아니라 전자 수용체로 질산성질소도 동반 제거할 수 있다는 장점이 있다.

여과수가 하상 깊이 이동할수록 여러 기작으로 인해 유입되는 원수에 포함한 유기오염물은 더욱 많이 제거되지만, 이에 따라 전자수용체도 많이 소모된다. 전자수용체의 경우 산소, 질산성질소 순서로 소모된 뒤 망간과 철이 환원되므로 유기물의 산화가 많아질 경우 질산성 제거에는 유리하지만 망간과 철이 용출돼 새로운 오염원이 될 수 있다. 이러한 오염원의 발생지를 막기 위해서는 지역, 집수관의 깊이 그리고 하상에서의 이동거리 및 체류시간을 사전에 파악해 볼 필요가 있다.

지표수 공정보다 기능 우수
 
그러나 대부분 간접취수를 이용하고 있는 정수장에서는 후속공정과 철과 망간 제거를 위한 산화고정이 설치돼 있다. 이렇게 물리적인 원리와 화학적·생물학적인 원리로 유입되는 유기오염물질들의 제거뿐만 아니라 새로운 환경문제로 부각되고 있는 환경호르몬 그리고 원생동물 즉, 지아르디아(Giardia) 및 크립토스포르디움(Cryptosporidum)에 대한 제거 및 가능성에 대한 연구가 해외에서 많이 보고 및 발표되고 있다.

미국 오하이오주에 위치한 Greater Cincinnati Water Work에서 2003년 AWWA(Water Quality Technology Conference and Exposition)가 발표한 연구에 의하면, 간접취수를 통해서 지아르디아·크립토스포르디움 유입을 상당하게 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 아울러 Alage(조류), 호기성 포자 제거의 경우, 기존 지표수 처리공정보다 훨씬 우수하게 기능하는 것으로 보고됐다.

다양한 취수 방법으로 활용  

강변여과 취수방법은 강변에 자연적으로 존재하는 충적층의 오염저감 능력을 이용해 하천 표류수를 장기간 강변의 하상 바닥 또는 측면으로 침투시켜 오염물질이 여과·제거된 물을 취수하는 방법이다.

퇴적층의 분포가 양호한 지역에서 매우 효용성이 있다. 이는 오염된 하천 표류수를 직접 취수하는데 따른 정수처리문제 및 하천 수질오염사고의 취약성 등을 개선하기 위한 간접 취수방법이다.

강변여과수 취수방법에는 강변 둔치(고수부지)에 깊이 20∼40m 정도의 취수정을 일정 간격으로 설치해 물을 취수하는 방식인 수직정 방법과, 취수정을 수직으로 설치하지 않고 20도 기울기로 설치해 수직정보다 좀 더 많은 용량을 취수할 수 있는 경사정 방법이 있다.

그리고 방사형으로 제작한 스크린에 수평집수관을 밀어 넣어서 대용량을 취수할 수 있는 수평집수정 방식이 있다. 이 방법들은 설치현장의 지형 및 지질특성에 따라서 좌우되며, 다수의 간접취수 현장에서는 이 두 가지 방식을 혼합해 사용하기도 한다.
수평집수정(horizontal Collector Well)은 [그림 3]의 왼편에 보이는 것처럼 땅속에 원형집수정을 설치하고, 집수정에 연결된 스크린을 수평방향으로 밀어 넣은 후, 스크린을 통해 들어오는 여과수를 집수정에 모아서 취수하는 방법이다. 수평집수정 방법에는 스크린의 위치가 하상으로 연결된 방식과 강변둔치에서 일정한 거리를 두어 체류시간을 늘리는 방식이 있다.

 수평집수정은 강이나 호수바닥의 충적층이 얇거나 취수시설의 부지면적이 부족하면서 대용량이 필요할 경우에 많이 사용되는 방식이다. 특히 이 방식은 여러 취수 방법 중 가장 많은 양의 물을 공급할 수 있는 방식으로 미국 켄사스주 니어맨 정수장에 설치된 단일 수평집수정은 세계 최대 규모로 하루 1만5천 톤을 생산이 가능한 것으로 알려져 있다.

▲ [그림 3] 수평집수정 및 수직정의 개념도

국내 하상여과공법 유리

수직정(Vertical Well)은 [그림 3]의 오른편에 보이는 것처럼 관정(둥근우물)을 대수층(지하수가 있는 지층)이나 하천과 호수의 바닥 아래까지 수직으로 뚫어 내린 후 충적층을 통과해 여과된 물을 수직정의 스크린을 통해 취수하는 방법이다.

체류시간은 평균 40일에서 60일 정도이며, 하천에서 일정구간 떨어진 지점에 설치된다. 수직정의 경우는 체류시간들을 고려한 부지확보가 필요하다. 또, 주변지역의 지하수 유입으로 인한 오염물질이 유입 및 지반침하가 발생되지 않아야 하며 충적층이 잘 발달돼 있어야 한다.

 경사정(Angle Well)은 관정을 수직이 아닌 20도 기울기 있게 뚫어서 설치하는 방법으로서 수직정에서의 단점인 유량부족을 보완하는 방법으로 넓은 스크린을 장착하고 있다. 이 방식은 기존 수직정에 비해 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

일반적으로 수평집수정을 이용한 간접취수 방법은 미국에서 가장 널리 상용화되고 있으며, 하상여과 공법으로 일반적으로 통용되고 있다. 반면, 수직집수정을 이용한 방법은 독일을 중심으로 한 유럽에서 중점적으로 사용되고 있다.

두 공법 사이의 특징은 일반적으로 강변여과 공법이 수리학적 체류시간이 수십 배 이상 큰 것이 주된 차이라고 할 수 있다. 하상여과 공법의 경우 시공성이 양호하고, 지하수의 유입이 적어 2차 오염발생 가능성이 상대적으로 적다는 장점을 가지고 있다. 때문에 국토가 협소한 우리나라와 같은 곳에서 적용이 유리한 특징이 있다.

미국 등 환경선진국 도입 활발

우리나라보다 먼저 산업화 과정을 거친 라인 강변의 서유럽 국가들을 포함한 미국, 일본 등의 선진국은 물론, 상대적으로 수자원에 대한 관심도가 높은 중동 지역의 쿠웨이트, 이란 등의 국가에서는 오래 전부터 간접취수방식을 이용해 오염된 상수원을 개선하고, 효율적 취수방안을 마련해왔다. 수질사고에 의한 지표수 오염과 같은 비상시 대비를 위한 각종 방법들이 연구됐으며, 실제 많이 활용되고 있다.

■ 미 국  미국에서는 유럽보다는 늦게 간접취수 방법이 도입됐지만, 현재 점차 확산되고 있는 추세이다. 현재 18곳의 도시에서 수직정 및 수평정을 이용해 강변여과를 이용한 간접취수를 하고 있으며, 설계 및 시공 중인 곳들도 많이 있다.

▲ 경사정(Angle well) 시공 현장.

① 니어만정수장 1997년에 캔사스에 완공된 정수장으로 미주리강을 수원으로 이용하고 있으며 단일 수평집수정으로 전 세계에서 가장 크며 하나의 수평집수정에서 최대 일 15만㎥ 유량을 양수할 수 있다.

▲ 미국 니어만정수장에 설치된 수평집수정.

② 링컨시 네브라스카에 위치한 링컨시에는 East Water Treatment Plant(50 MGD) 그리고 West Water Treatment(60MGD)에서 플라테강을 수원으로 시민들에게 용수를 공급하고 있다. 1950년경부터 수직정을 이용한 간접취수를 도입하여 취수하고 있다.
East Water Treatment Plant의 경우 철과 망간 유입으로 후속공정을 오존공정 그리고 West Water Treatment Plant의 경우 Air/Chlorine 산화공정을 도입하여 사용하고 있다. 현재 Lincoln시에는 52개의 수직정과 2개의 수평정이 운영되고 있으며 일 42만㎥의 용수를 공급하고 있다.

③ 루이스빌시 켄터키주에 위치한 루이스빌시는 LWC(Louisville Water campany)에서 정수장을 관리해 루이스빌 시민에게 수돗물을 공급하고 있다. LWC회사에서 운영하고 있는 두 곳의 정수장 중 B.E. Payne 정수장은 현재 강변여과를 통한 간접취수를 도입하기 위한 1단계 사업으로 2년 동안 수원으로 이용하고 있는 오하이오강에서 하루 7만6천㎥ 규모의 수평정을 시범시설로 운영했다.

2년의 운전기간 동안 강변여과수에서는 크립토스포르디움, 지아르디아와 같은 원생동물들이 발견되지 않았다. 또, TOC(총유기물탄소량) 제거율은 50％가 넘었으며, 지하수의 희석을 배려해도 30％ 이상이 강변여과를 통해서 제거된 것으로 나타났다.

LWC사에서 발표된 1단계 시범시설 보고서에 의하면, 강변여과를 이용한 간접취수는 병원성 미생물에 의한 제거 및 소독부산물을 발생의 원인인 자연유기물의 제거에 매우 뛰어난 것으로 밝혀졌다. 간접취수를 통해 유입원수 수질변화에도 안정적인 취수원수를 확보할 수 있게 된 것이다.

이러한 시범시설의 결과를 바탕으로 2단계 사업에서는 B.E. Payne 정수장의 취수의 전량을 강변여과식으로 도입할 예정이며, 방식은 암반터널과 수직정을 조합해 지상돌출 펌프장을 최소화하는 방식으로 진행될 전망이다. 사업비는 300억 원으로 책정돼 있으며, 암반터널의 직경은 3m, 그리고 연장은 1천830m인 것으로 알려졌다.

▲ [그림 4] 암반터널과 수직정을 조합한 간접취수 방식

④ 콜럼부스시 오하이오주 콜롬부스시에서는 Water Plant #1과 Water Plant #2를 운영하고 있다. 1950년부터 간접취수를 Water Plant #1 8개의 집수정 그리고 1970년에는 Water Plant #2 11개의 집수정을 설치하여 운영 중에 있다고 한다.

▲ [그림 5] 오하이주 콜롬부스시의 정수처리 공정

독일·일본 성공 사례 이어져

■ 독 일  독일에서는 19세기부터 라인강을 따라 분포한 충적층에서 강변여과 방식을 이용해 필요한 용수원을 개발, 사용해 왔다. 독일에서 행해지고 있는 대표적인 강변여과 방식은 하천으로부터 50∼300m 떨어진 지점에서, 심도 30∼40m의 지하수를 음용수원으로 취수하는 방식이다.  

이는 오염된 하천수를 하천 주변의 토양과 지층을 통과시켜 인체에 유해한 오염 물질인 화학적 화합물과 세균이 침전되도록 하거나, 미생물의 기작에 의해 살균, 분해되도록 하는 현상을 이용한 방식이다.

이러한 방식에 의해 확보된 물은 20세기 초반까지만 하더라도 별도의 처리 과정 없이도 음용수원으로 활용될 정도로 수질이 양호했으나, 1950년을 전후로 점차 하천 수질이 악화됨에 따라 현재는 강변여과 방식을 이용해 취수되는 대부분의 취수장에서 입상 활성탄 여과처리를 거치도록 하고 있다. 또한 필요시에는 오전처리 등과 같은 정수 처리를 병행하고 있는 실정이다.

① 뒤셀도르프 정수장 독일 최대 공업지대인 루르지방의 중심에 위치하고 있는 뒤셀도르프 정수장은 상수도 수원으로 지하수(20∼30％)와 라인강 복류수(70∼80％)를 사용하고 있다. 상수도 수원으로는 자갈과 모래로 구성된 라인강 둑에서 50∼250m 떨어진 곳에 수직 및 방사형 취수정을 설치, 충적층지하수를 취수해 사용하고 있다.

▲ 독일 최대 공업지대인 루르지방의 중심에 위치하고 있는 뒤셀도르프 정수장은 상수도 수원으로는 자갈과 모래로 구성된 라인강(사진) 둑에서 50∼250m 떨어진 곳에 수직 및 방사형 취수정을 설치, 충적층지하수를 취수해 사용하고 있다.

② 두이스베르그-함보른 취수장 두이스베르그-함보른 취수장은 라인강 하류에 위치하고 있으며 강변여과시 라인강물의 체류시간은 20∼30일 정도로서 지하수에 의한 희석이 거의 일어나지 않는다.

염화물과 황산염의 농도는 강변여과되는 동안 거의 일정하게 나타나서 염화물과 황산염이 지하 경로의 영향을 받지 않는 반면, 다른 무기질 성분들은 강변여과 과정에서 대부분 제거된다.

③ 펠헤정수장 1870년대부터 라인강의 강변여과수를 별다른 수처리공정 없이 식수로 공급해 오다 라인강 오염이 심해지자 오존과 활성탄을 이용한 처리공정을 도입하고 오염사고에 대비하여 지하수 보호구역을 지정하여 각종행위를 제한하고 있으며 관측정을 통해 상시 수질과 수량을 관측하는 등 수질관리에 신경 쓰고 있다.

■ 일 본  일본의 경우 동경도 키누타시모정수장에 수평집수정을 이용해 간접취수를 하고 있다. 1977년에 시공된 이 수평집수정은 직경이 6m, 집수관이 3단으로 20개 설치돼 있으며, 2003년에는 평균 1만 톤/일을 생산, 최대 2만4천만 톤/일 까지 생산할 수 있다.

 일본에서는 강변여과 방식을 용수의 직접적인 이용이라는 일반적인 측면의 접근보다는 지하수의 축열 이용, 지반 침하 방지 등의 목적으로 하는 인공함양이 부분적으로 이용되고 있다.

네덜란드, 사구여과방식 이용

■ 네덜란드  서부지역의 암스테르담, 헤이그, 하렘, 라이덴과 같은 도시들은 북해해안을 따라 사구에서 채취한 지하수를 음용수로 이용해 왔으나, 20세기 중반부터 사구의 지하수가 고갈되고, 사구에 설치돼 있는 정호로 염수가 침입하는 현상이 발생하면서 물 공급이 중단됐다.  

이에 따라 네덜란드에서는 그 대책의 일환으로 사구에 오염된 지표수를 인공적으로 함양시키는 방법(Sand Bank and Dune Filtration)을 강구하게 되었다. 사구 여과 방식이란 사구에 오염된 지표수를 인공적으로 함양하는 방법으로서, 독일과는 달리 10∼20m의 모래층으로 이루어진 얕은 대수층에서 실시된다.

또한 수질 향상과 대수층에서의 지하수 저장보다는 사구에서의 담수와 염수의 경계선을 평형 상태로 유지시키는데 주목적을 두고 있다.

■ 헝가리  체펠정수장의 경우 도나우강의 하류 수질이 좋지 않으므로 강변여과수의 선택이 불가피했던 것으로 판단되며 수직, 수평형으로 취수한 원수를 다시 고도정수처리과정을 거쳐 공급하고 있다. 수평정과 수직정의 규모면에서도 가장 많은 집수정을 확보하고 있다.

그리고 방사형 집수정의 수평 집수스크린을 강과 가까운 측은 많이 설치하고 먼 쪽은 적게 설치하여 지하수량을 적절히 고려하여 설계에 반영한 여러 가지 형태의 집수정을 보유하고 있었으며 현재 개발 중인 곳도 있고 기능을 다하여 폐공된 집수정도 많이 있다.

■ 오스트리아  오스트리아 빈정수장의 경우 수평집수정이 8공이 설치되어 있으며, 신도나우강과 구도나우강 사이의 폭 100m 정도의 기다란 섬을 따라 설치되어 양방향의 대수층을 모두 이용하여 취수하고 있다.

▲ 오스트리아 빈정수장은 수평집수정이 8공이 설치되어 있으며, 신도나우강(사진)과 구도나우강 사이의 폭 100m 정도의 기다란 섬을 따라 설치되어 양방향의 대수층을 모두 이용하여 취수하고 있다.

■ 체 코  체코의 프라하시의 경우 3개의 정수장에서 하천수, 댐수, 강변여과수 등 각각 3가지의 원수가 다양하게 이용되고 있다. 이중 가장 오래된 것이 강변여과수를 사용하는 카라니정수장으로 건설 당시부터 우물을 이용한 취수를 가장 안전한 원수로 신뢰해왔으나 최근 들어 상수도 사용량의 증가에 따른 강변여과수 개발량의 한계가 있으므로 댐수를 이용한 대규모 정수장이 건설되어 운영되고 있다.

카라니정수장의 주처리 대상은 철이며 강변여과수를 취수하는 자연침투라인과 하천수를 여과하는 인공함양한 후 재취수하는 인공침투 라인, 소량의 암반지하수 라인 등 3가지 라인이 운영되며, 최종적으로 3가지 라인을 혼합하여 폭기와 소독만으로 식수공급하며 암반지하수의 경우 수질이 좋아 병입 수돗물로 판매하고 있다.