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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.33 No.3 pp.177-190
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2019.33.3.177

Effect of infiltration/inflow by rainfall for sewerage facilities in the area with partially separate sewer system

Jungsub Shin1, Sangwon Han2, Junsu Yook2, Chungu Lee3, Seonhong Kang1*
1Department of Environmental Engineering, Kwangwoon University, 21, Gwangun-ro, Nowon-gu, Seoul, 01890
2Department of Sewerage, Korea Environmental Corporation, Hwangyeong-ro, Seo-gu, Incheon, 22689
3Cheil Engineering Corporation, 22-6, Gangnam-daero 16-gil, Seocho-gu, Seoul, 06779
Corresponding author: Seonhong Kang (E-mail: seonhong@kw.ac.kr)
07/02/2019 14/04/2019 19/04/2019

Abstract


The purpose of this study was to analyze the effects of sewerage facilities through I/I analysis by rainfall by selecting areas where storm overflow diverging chamber is remained due to the non-maintenance drainage equipment when the sewerage system was reconstructed as a separate sewer system. Research has shown that wet weather flow(WWF) increased from 106.2% to 154.8% compared to dry weather flow(DWF) in intercepting sewers, and that the WWF increased from 122.4% to 257.6% in comparison to DWF in storm overflow diverging chamber. As a result, owing to storm overflow diverging chamber of partially separate sewer system with untreated tributary of sewage treatment plant, rainfall-derived infiltration/inflow(RDII) has been analyzed 2.7 times higher than the areas without storm overflow diverging chamber. Meanwhile, infiltration quantity of this study area was relatively higher than that of other study areas. Therefore, it is necessary to reduce infiltration quantity through sewer pipe maintenance nearby river. Drainage equipment maintenance should be performed not to operate storm overflow diverging chamber in order to handle the appropriate sewage treatment plant capacity for rainfall because it is also expected that RDII due to rain will occur after maintenance. In conclusion, it is necessary to recognize aRDII(allowance of rainfall-derived infiltration/inflow) and to be reflected it on sewage treatment plant capacity because aRDII can occur even after maintenance to the complete separate sewer system.



불완전 분류식 하수처리구역의 강우에 의한 하수도시설의 침입수/유입수 영향 분석

신 정섭1, 한 상원2, 육 준수2, 이 춘구3, 강 선홍1*
1광운대학교 환경공학과, 서울특별시 노원구 광운로 21, 01890
2한국환경공단 하수도처, 인천광역시 서구 환경로 42, 22689
3(주)제일엔지니어링, 서울특별시 서초구 강남대로 16길 22-6, 06779

초록


    Kwangwoon University

    1. 서 론

    국내 신규 하수도시설은 2002년 이후 하수관거정비 임대형 민자사업(BTL) 및 하수관로 정비사업을 통하 여 가정에서 배출되는 오수와 강우에 의해 발생하는 우수가 혼합되지 않는 분류식 하수도(Sanitary Sewer) 를 설치하여 운영 중에 있다 (Ministry of Environment, 2005).

    그러나 설치된 하수관로의 운영 중 관로불량, 지하 수위 상승, 상수관의 누수 등에 의하여 지하수가 관내 로 유입되는 침입수(Infiltration)와 맨홀부의 접합 물 량, 우수받이, 지붕홈통 등이 하수관로로 연결되어 관 내로 강우가 유입되는 유입수(Inflow)가 발생하게 된 다 (WEF and ASCE, 1994).

    국내의 일부 분류식 하수처리구역은 기존 합류식 관로를 분류식 관로로 정비시 이송 및 처리단계를 고 려하지 않은 사업 추진으로 강우시 다량의 우수가 유 입되어 하수량 증가의 문제가 발생하고 있다. 즉 합류 식과 분류식이 혼재된 불완전 분류식 지역은 강우시 하천수위 상승에 따른 하천변 매설 차집관로 내부로 하천수의 추가 유입이 발생하며, 합류식 지역의 우수 토실에서 3Q이상 차집되어 공공하수처리시설로 이송 된 하수에 의하여 시설용량을 초과한 하수 유입이 발 생하고 있는 실정이다 (Ministry of Environment, 2014).

    미국 환경청(US EPA)에서는 청천시 유입하수량 이 외에 강우시 분류식 하수관로에 추가적으로 유입되는 불명수(Rainfall-derived infiltration/inflow, RDII)를 장기 적인 모니터링과 전산모형을 구축하여 하수처리 용량 으로 산정하고 있다 (US EPA, 2008). 그리고 이러한 RDII는 강우량과 강우빈도와 밀접한 연관이 있는 것 으로 나타났다 (Zhang, 2007). 그러나 국내에서는 분류 식 하수 수리계산 및 하수처리시설 운영시 강우에 의 한 RDII 영향을 고려하지 않고 있으며, 하수처리구역 에 대하여 RDII를 정량적으로 분석할 계획 및 연구가 미흡한 실정이다 (Choi and Choi, 2016;Ministry of Environment, 2015(a)).

    하지만 분류식 하수처리구역의 RDII 유입은 하수도 시설 용량을 초과시키고, 하수처리시설 유입부 월류 발생으로 공공수역에 미처리된 하수가 방류되므로 설 계 및 시공시 그 양을 최소한으로 억제하도록 노력하 여야 한다. 그리고 기 분류식 정비지역은 수집 및 이 송단계에서 RDII 저감대책을 수립하여 발생원을 저감 하여야 할 필요가 있다 (Ministry of Environment, 2014).

    따라서 본 연구에서는 강우시 유입하수량이 하수처 리시설의 시설용량을 초과하여 발생하는 불완전 분류 식 하수처리구역을 대상으로 RDII 발생에 따른 하수 도시설의 영향을 정량적으로 분석하고 이를 저감할 수 있는 계획을 수립하는데 목적이 있다.

    2. 연구방법

    2.1 연구대상지역 및 현황

    본 연구지역의 전체 하수처리구역 면적은 13.63 ㎢ 으로 대부분의 처리분구는 군락형태로 시가지를 형성 하고 있으며, 그 중 분류식 지역은 59.9%(8.16 ㎢), 합 류식 지역은 40.1%(5.47 ㎢)로 하천별 하수배제방식은 Table 1과 같다. 이들 처리분구 내에 매설된 차집/오수 간선관로는 71.5 km로 하천매설이 75.5%, 육상매설이 24.5%로 8개의 주요 하천에 매설되어 있다.

    그리고 합류식 지역과 분류식 지역이 혼재되어 35 개의 우수토실이 존재하며, 하수처리구역 내 차집/오 수간선관로에 수직오리피스 형태로 연결되어 있다. 또한 하수처리구역 내 “N” 하수처리시설은 1995년 시 설용량 50,000 m3/일로 건설되었으며, 2009년으로 개 량되어 현재까지 운영 중에 있으며, 강우량에 따른 유 입하수량 분석결과는 Fig. 1과 같다.

    강우량이 상대적으로 적은 2015년을 제외하고는 2010~2016년의 유입하수량은 강우가 집중되는 7~9월 에 시설용량을 상회하는 양의 하수가 지속적인 증가 추세로 유입되고 있다. 또한 유입하수량은 2010년 대 비 2014년 약 31%, 2016년 약 15% 증가하였으며, 7~9 월 외의 유입하수량 또한 2010년 대비 2014년 약 38%, 2015년 약 18%, 2016년 약 29% 증가한 것으로 나타났다.

    또한 강우영향일을 포함한 평균 강우일수는 Table 2 와 같이 144일이며, 강우시 평균유입하수량(Wet weather flow, WWF)은 50,312 m3/일으로 시설용량 초과일수는 423일(평균 60일)이며, 청천시 평균유입하수량(Dry weather flow, DWF)은 42,237 m3/일로 시설용량 초과 일수는 205일(평균 29일)로 나타났다.

    이처럼 청천시는 시설용량 대비 84% 수준으로 하 수가 유입되어 안정적인 하수처리가 가능하나 이벤트 별 강우량에 따른 월류발생 강우량 분석결과 최소강 우량 10.9 mm, 최소 강우강도 1.87 mm/hr 발생시 3Q 이상의 하수 유입에 따른 시설용량 초과로 적정처리 가 어려운 것으로 분석되었다.

    또한 “N” 하수처리시설의 BOD 유입 설계수질은 150.7 mg/L이나, 강우가 적은 기간은 113.9 mg/L, 강우가 집중되는 7~9월은 98.0 mg/L로 평균 유입 BOD가 설계수 질 대비 저농도로 유입되고 있으며, 이는 비교적 균일한 패턴으로 매년 반복되고 있는 것으로 분석되었다.

    한편 Lee (2019)는 분류식 하수관로의 I/I의 주요 원 인을 관로 연결부 파손, 관로 이음부 분량, 오수받이 불량 및 하천수 유입 등을 대표적인 원인으로 분석하 고, Chae et al. (2018)는 차집관로는 하천변에 매설되 어 관이 파손되거나 노후화 될 경우 불명수 유입 및 하천수가 관로로 유입된다고 제시하였다.

    이에 따라 금번 연구지역은 분류식 정비가 필요한 지 역이나 현재 합류식으로 배제하고 있는 지역의 배수설 비, 오수지선관로의 미정비 및 하천변에 매설된 차집/오 수간선관로의 노후화로 인하여 I/I가 유입되고 있는 것으 로 판단된다 (Korea Environmental Corporation, 2015).

    2.2 조사방법

    2.2.1 유량, 수질 및 수위조사

    유량조사는 2015년 7월 23일부터 2015년 10월 1일 까지 청천시 및 강우시 유량변동을 파악하고 강우량 에 따른 RDII 발생량을 정확하게 파악하기 위하여 2 개월 이상의 연속적인 동시다측점 조사방식을 적용하 여 실시하였다. 조사지점은 Fig. 2와 같이 강우에 따른 하수도시설의 특성을 파악하기 위하여 처리분구의 특 성을 대표하는 차집/오수간선관로 8개소(MS-1~MS-8) 와 우수토실 7개소(SC-1~SC-7) 및 하수처리시설 유입 부 등 총 16개 지점을 선정하고, 각 지점에 초음파식 유량계(ISCO 2150)를 설치하였다. 측정일수는 연속측 정을 위하여 1~10분 이내 간격으로 측정하였다.

    수질조사는 유량 측정기간 동안 강우시 수질분석 결과를 토대로 유량 및 수질의 증․감 여부를 검토하기 위하여 수행하였고, RDII 산정의 기초자료로 활용하 였다. 유량조사 지점과 동일한 16개 지점에서 2015년 8월19일과 9월17일 청천시 2회, 강우시 1회 2시간 간 격으로 12회 연속 채수하여 CODcr을 분석하였으며, 수질채수 및 분석은 수질오염공정시험법에 의해 수행 하였다 (Ministry of Environment, 2015(b)).

    또한 SC-6 지점에 위치한 농공단지의 영향을 분석 하기 위하여 SC-6-1 지점의 CODcr을 추가 분석하였고, 7개 지점(MS-1, MS-2, SC-1, SC-3, SC-4, SC-5, SC-6) 에서 2015년 8월 20일부터 8월 21일까지 강우량 52.2 mm 발생시 수질조사를 실시하였다.

    그리고 우수토실에서 월류의 발생실태를 조사하기 위해 우수토실 웨어 부분에 압력식 수위계를 설치하 여 월류누적시간, 월류누적수심, 월류량을 산출하였 다. 조사지점은 35개 우수토실 중 합류식 지역이 존치 하고 있는 비교적 큰 유역의 대표적인 우수토실 5개 소를 선정하였다.

    2.2.2 강우조사

    강우량 자료는 기상청의 30년 동안의 강우자료를 활 용하여, 조사대상 지역 내의 기상청 측정지점을 대상으 로 10분 누계자료를 수집하여 유입수 산정 및 우기시점 을 분석하였다. 이를 통하여 Fig. 3(a)와 같이 총강우량 변화양상을 조사하였으며, 30년 평균은 1,316 mm(최소 565 mm~최대 2,050 mm)으로 편차가 심하나 평균강우 량과 우기강우량 모두 증가하는 것으로 관측되었다. 시 간 최대강우량 변화양상을 검토한 결과 Fig. 3(b)와 같이 2010년 최고치인 72.5 mm로 나타났고 매년 증가되는 추세를 보이고 있는 것으로 나타났다.

    그리고 Table 3과 같이 유량 및 수질조사 기간 중 총 10회의 강우사상이 발생하였고, 유입수량 분석은 일누 적 강우량 3 mm 이상인 날을 대상으로 하였으며, 강우 영향일은 2일로 산정하였다 (Ministry of Environment, 2008). 일별/시간별 강우량 분석은 기상청 자동관측시 스템(AWS) 자료를 인용하여 강우일 및 강우 영향일을 판단하였다.

    또한 과거 30년간 강우량 3 mm 이상인 2,102개의 강우자료를 통하여 일누적확률 강우량분석 결과는 Table 4와 같으며, 일누적확률이 약 95%에 해당하는 강우량은 60 mm로 나타났다. 즉, 연구지역의 30년간 60 mm 이상의 강우가 내릴 확률은 약 5%로 분석되 었다.

    2.2.3 침입수 및 유입수(I/I) 산정

    침입수 및 유입수량 산정은 하수관로 침입수 및 유 입수 산정 표준 매뉴얼에 제시된 산정방법을 적용하 였다 (Ministry of Environment, 2009). 침입수량은 야간 생활하수평가법을 기준으로 분석하였으며, 하수처리 구역 전체의 야간 오·폐수 발생량을 수질로 추론하는 방법인 일 평균 최저 유량–수질 평가법을 적용하여 야간 오·폐수 발생량을 산정하였다. 본 방법은 조사지 점의 총 부하량을 이용하여 산정하는 방법으로 I/I의 수질은 “0”으로 하고 I/I 발생량은 24시간 일정하며, 유 입하수량의 수질은 일정하다는 가정 하에 대상 조사지 점의 유량 및 수질을 실측하고 일평균 일최저 유량 및 수질자료를 이용하여 식1과 같이 야간생활 하수량을 산정한 후 침입수량을 산정하였다 (WPCF, 1969).

    침입수량(m3/day) = 일단위 최소발생하수량(평균값) - 야간오폐수발생량 (공장폐수량 + 야간발생하수량)
    (1)

    유입수량은 식2와 같이 강우시 유량에서 청천시 유 량을 차감하여 차이를 산정한 후 잔차의 합을 구하여 최종 유입수량을 산정하였다. 유입수 발생기간(강우 일 및 강우영향일) 전․후일과 동일한 요일의 청천시 평균유량(기저유량)을 산정하고, 유입수 발생기간 전․ 후일의 청천시 유량과 기저 유량의 잔차가 가장 적게 발생하도록 기저유량을 상하로 이동하여 최적 위치를 산정한 후, 유입수 발생기간의 유량에서 기저유량을 차감하여 최종 유입수량을 산정하였다.

    유입수량(m3) = 강우시 측정유량 (직접유입수 + 지연유입수 + 하수) - 비강우시 평균유량
    (2)

    3. 연구결과

    3.1 청천시 유량 및 수질 분석

    수질조사를 통해 유량자료 중 유효데이터를 대상으 로 지점별 유량발생 특성을 파악하기 위해 scatter graph, 일간, 주간, 월간 및 계절별 변화를 분석하였고, 청천시 와 강우시를 포함한 유량자료 전체에 대하여 시계열 그 래프를 도시하여 조사기간 동안 수위, 유속, 유량의 변 동을 파악하고 유량속성인자의 관계를 검토하였다.

    8개 하천의 하류부 지점에서 Fig. 4와 같이 청천시 와 강우시를 모두 포함한 분석결과 대부분 지점에서 청천시와 강우시의 수위, 유속, 유량 발생특성이 구분 되는 형태를 보이는 것으로 분석되었다.

    지점별 수질조사 결과는 Table 5와 같으며, 지점별 유입하수의 특성에 따라 조사지점(MS-1, MS-2)에서 수질농도가 급변하는 특이값이 발생하였는데, 이는 해당 조사당시 상황을 재현하고 조사지점의 특성을 나타내므로 평균값 산정에는 포함하였으나, 침입수 분석 자료는 일반적인 상황을 대상으로 산정하므로 특이값이 발생한 채수시간 전후의 값을 통해 보정을 실시하여 반영하였다.

    Table 5의 청천시 측정된 전체자료를 대상으로 유 량의 일변동 특성을 검토하여 하루 동안 발생하는 유 량 변동추이를 분석한 결과 8개 하천의 하류부에서 발생하는 일평균 유량 대비 최대-최소 유량변화비는 평균 88.7~122.3%로 나타났다.

    한편 SC-1 지점은 청천시에도 유입부가 항시 만관으 로 오수지선관로에서 다량의 불명수 유입으로 유량변 화가 적고, 저농도의 하수가 하수처리시설로 지속적으 로 유입되고 있는 것으로 나타났다. 반면 SC-6 지점이 존치하는 “C” 하천구간은 농공단지가 운영되는 지역으 로 해당 농공단지의 하수발생 영향을 조사하기 위하여 차집/오수간선관로 내 “C” 하천 상류 지점인 SC-6-1 지 점의 CODcr 분석결과 1차 73.6 mg/L(27.2~94.6), 2차 129.5 mg/L(38.1~237.5)로 나타났다. 이를 고려할때 SC-6 지점은 농공단지 내 산업폐수 영향으로 수질변화 패턴이 다소 차이가 나타난 것으로 판단된다.

    3.2 강우시 유량 및 수질 분석

    강우시 유입하수량은 Table 5와 같이 유량조사 결 과 모든 지점에서 증가하였으며, 유입수질은 SC-1 지 점을 제외한 지점에서 감소하였다. SC-1 지점은 청천 시 항시 만관에 따라 월류가 발생하는 우수토실로 하 수가 유입되는 지점으로 강우 초기 합류식 존치 지역 의 하수관로 월류수에서 초기세척효과에 따른 비점오 염물질의 유입에 의한 영향으로 판단된다 (Shin and Jeon, 2017). 그리고 SC-1 지점을 제외한 나머지 SC-3~SC-6 지점은 청천시 월류가 되지 않고 강우시 차집/오수간선관로로 하수가 유입되는 우수토실로 강 우에 의한 하수 희석으로 유입수질이 낮아진 것으로 나타났다.

    3.3 하수관로 영향 분석

    3.3.1 청천시 침입수 및 강우시 유입수(RDII) 분석

    침입수량은 1차, 2차 수질조사 기간인 2015년 8~9월의 청천시 유량 및 수질조사 결과를 활용하여 Table 6과 같이 분석되었다. 침입수량은 총 측정유량의 39.3~85.3% 로 하천별 평균관경 및 관로연장 적용시 0.1424~1.1543 m3/일-mm-km으로 산정되었다. 이는 기존 분류식 하수 관로 정비지역에 대한 침입수량을 조사한 Choi (2008) 의 0.04383 m3/일-mm-km, Seo (2009)의 0.24 m3/일 -mm-km 및 Lim et al. (2015)의 0.029 m3/일-mm-km과 비교할 때 대상지역의 침입수 발생량은 상당히 높은 것으로 나타났다. 이는 불완전 분류식 지역의 미정비 배수설비, 오수 및 우수관로의 오접과 차집/오수간선 관로의 대부분이 하천변에 매설되어 있어 다량의 불 명수가 유입되어 나타난 결과로 판단된다.

    강우시 유입수량(RDII)은 Table 7과 같이 분석되었 고, 일부 구간에서 유량계 이상 및 미설치에 따른 강 우시 유량계측 불가로 인하여 유입수 분석에서 제외 하였다. 이에 따라 “A”(MS-1 지점)와 “B”(MS-2 지점) 하천구간은 강우량 67.2 mm인 10차 분석결과를, “C”~“H”(MS-3~MS-8 지점)하천구간은 강우량 52.2 mm인 4차 분석결과를 유입수량으로 산정하였다.

    유입수량을 분석한 결과 강우 1 mm 발생시 유역면적 1ha 당 0.0384~1.7119 m3의 유입수가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 1 ha 유역에 100 mm의 강우 발생시(즉, 1,000톤의 강우량 발생시) 약 3.84~171.19 m3의 우수가 분류식 하수관로로 유입되고 있는 것으로 분석되었다. 관로연장 당 평균 유입율은 0.0030~0.2231 m3/mm-km로 Kim et al. (2014)의 0.660 m3/mm-km와 Chang et al. (2009)의 국내 주요 15개 광역시·도의 평균 유입율 5.208 m3/mm-km과 비교할 때 상대적으로 낮은 것으로 나타났 다. 이는 연구지역에서 가옥 내 지붕수의 오수관로 유입 을 방지하기 위하여 배수설비 오접가구 정비 등을 지속 적으로 수행한 효과로 판단된다.

    한편 비교적 분류식화가 진행된 “F”~“H”(MS-6~MS-8 지점) 하천구간의 평균 침입율과 유입율은 0.3930 m3/일 -mm-km, 0.4544 m3/mm-ha로 합류식과 분류식 지역이 공존하는 하수처리구역인 “A”~“E”(MS-1~MS-5 지점) 평균 침입율 및 유입율 0.4728 m3/일-mm-km, 0.6296 m3/mm-ha에 비하여 모두 낮게 나타났다.

    또한 강우시 누적강우량과 유입수 발생량과의 상관 관계를 도출하여 강우에 따른 유입수량의 민감도 분 석을 실시하였다. 강우에 따른 유입수 민감도 분석은 하수처리시설 유입부인 “A”하천(MS-1 지점)과 “B”하 천(MS-2 지점) 말단 지점을 대상으로 수행하였다. 분 석결과 Fig. 5과 같이 강우량이 증가할수록 유입수량 도 증가하는 것으로 나타났으며 유의확률은 모두 0.05 이하로 나타나 통계적 유의성을 확인하였다. 또한 “B” 하천 보다는 우수토실이 존치하고 있는 “A”하천 구간 에서 강우량에 따라 유입수량이 증가하였다. 이는 MS-2 지점이 하수처리시설 최하류 유입부의 펌프장 이 설치된 지점으로 펌프장 운영 여부에 따라 관로의 저류나 만관상태의 지속이 발생됨에 따라 20 mm 이하 의 강우시 유입수량 변동이 미비한 것으로 판단된다.

    3.4 우수토실 영향 분석

    Fig. 6과 같이 강우발생일 모두 우수토실 월류가 발 생한 것으로 나타났으며, “A”하천 SC-4 지점의 경우 웨어 부분의 수위조사를 통하여 월류발생 여부는 판 단이 가능하였으나 차집관로 및 우수토실 유입부에서 급경사로 인한 와류발생 및 곡관 등의 사유로 유량측 정이 불가하여 월류량 분석이 불가하였다. 그 외 4개 우수토실은 차집관로 유입부 및 우수토실 유입부의 유량조사 결과 및 웨어 부분의 수위조사 결과를 활용 하여 월류 발생실태를 분석하였다.

    또한 유량조사를 통하여 측정된 우수토실 월류량의 타당성 검토를 위해 수위조사를 통해 측정된 월류수심 을 활용하여 식3의 Francis 실험식의 유량산정식과 우수 토실 월류량을 비교 검토한 결과 높은 상관관계가 있는 것으로 분석되었다 (Korea Water and Wastewater works Association(KWWA), 2011).

    월류량 Q(m3/sec) = 1.8BH3/2 (B: 위어길이(m) H: 월류수심(m))
    (3)

    그리고 우수토실(SC-1~SC-7 지점)을 통하여 하수처 리구역 내 오수지선관로 별 침입수량과 유입수량을 Table 6 및 Table 7과 같이 분석하였다. 유입수량은 총 10차례 강우기간 중 SC-1 지점은 10차(67.2 mm)를, 그 외 지점은 4차(52.2 mm) 강우를 대표로 선정하여 분 석하였다. 연구지역 우수토실별 침입수량 분석결과 SC-1, SC-5, SC-6, SC-4, SC-3, SC-2, SC-7 순서로 침입 하수량이 많은 것으로 나타났으며 평균 58.8%의 침입 수가 유입되는 것으로 분석되었다. 그리고 강우시 유 입수량 분석결과 SC-3, SC-7, SC-4, SC-5, SC-6, SC-2, SC-1 순서로 유입수 비율이 높은 것으로 분석되었으며 평균 74.4%의 유입수가 발생하는 것으로 분석되었다.

    우수토실이 존치하는 “A” 및 “C”하천 구간의 SC-1 및 SC-3 지점의 평균 침입수 및 유입수는 0.8211 m3/ 일-mm-km, 1.0857 m3/일-mm-ha로, 우수토실 미존치 구간의 평균 침입수 및 유입수 0.3170 m3/일-mm-km, 0.3899 m3/일-mm-ha에 비하여 약 2.6~2.8배 높게 나타 났으며, 분류식 하수처리구역으로의 미정비 하수처리 구역이 있어 우수토실이 존치함에 따라 침입수 및 유 입수에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    그리고 오수지선관로의 영향을 분석하기 위해 유량 및 수질조사를 통해 실측된 7개의 우수토실을 통하여 검토한 결과, SC-1 지점의 우수토실에서 청천시에도 항시 월류가 발생하여 평균 유입하수량 및 침입수 비 율이 가장 높은 것으로 나타났다.

    3.5 하수처리시설 영향 분석

    Fig. 7과 같이 2014년 운영자료 분석결과 강우량 50~60 mm시 최대 유입하수량은 시설용량 대비 178% 인 89,140 m3/일이며, 3~10 mm일 경우에도 시설용량 의 164%인 81,920 m3/일로 유입되고 있는 것으로 나 타났다.

    그리고 실측을 통하여 산정한 “A” 하천 말단(MS-1 지점)과 “B” 하천 말단(MS-2 지점)의에서 최종 “N” 하수처리시설로 유입되는 침입수량은 26,952 m3/일 (Table 6), 유입수량은 10차(67.2 mm) 분석결과인 40,230 m3(Table 7)로 나타났다. 이는 Table 5의 청천시 및 강우시 평균 유입하수량인 41,383 m3/일 및 76,436 m3/일 대비 침입수량 발생율은 65%, 유입수량 발생율 은 53%로 분석되었다.

    그리고 67.2 mm 강우시 유입하수량은 시설용량의 153%로 2014년 운영자료 분석결과 동일하게 강우시 합류식 존치지역의 우수토실에서 3Q이상 차집되어 “N” 하수처리시설로 이송된 하수와 하천수위 상승에 따른 하천변 매설 차집관로의 하천수 추가 유입으로 시설용량을 초과하여 하수가 유입되고 있는 것으로 판단된다.

    또한 강우시 유입수량 분석을 위해 “N” 하수처리시 설 유입 지점인 MS-1과 MS-2 지점에 대한 분석결과 Table 8과 같이 강우강도가 높을수록 유입량이 증가하는 경향을 나타냈으며, 강우량 당 유입수는 337.5~2,257.6 m3/mm로 분석되었다.

    3.6 허용 RDII(aRDII) 산정

    67.2 mm 강우시 하수처리시설 유입하수량 76,436 m3/일 대비 RDII는 40,230 m3/일로 강우시 우수유입비 는 약 1.9로 산정되었다. 금번 연구지역의 우수유입비 는 일본 분류식 지역의 일최대 유입하수량의 1.5~3.5 및 미국 불완전 분류식 지역의 시설용량의 3.0~5.0에 비하여 낮게 분석되었다 (MLIT, 2002;US EPA, 2008).

    이와 같이 미국, 일본 등에서는 분류식 및 불완전 분류식 하수처리구역의 강우시 RDII를 하수처리시설 용량에 반영하고 있으나, 국내에서는 약 5%의 하수처 리시설에서만 강우시 유입하수량을 하수처리시설로 전량 유입하여 처리하고 있다 (Kim, 2008).

    금번 연구에서는 강우시 유입하수량을 전량 처리하기 위 하여 aRDII(allowance of Rainfall-derived infiltration/inflow) 를 Table 9와 같이 산정하고 이를 하수처리시설 증설이 필요한 용량으로 판단하였다. 이를 위해 불완전분류식 하수처리구역이 존치하는 지역의 우수토실 폐쇄 및 배 수시설 정비를 통한 차집/오수간선관로의 삭감 가능 침 입수량을 산정하고 강우량에 따른 유입수량에서 삭감 가능 침입수량을 제외하여 aRDII를 산정하였다. 그리고 하수도시설 개선 효율은 국내 하수처리시설 용량 산정 시 지하수량 최대 허용량인 20%를 반영하여 80%로 가 정하였다 (KWWA, 2011).

    “N” 하수처리시설로 유입되는 침입수량은 26,951 m3/일으로 이중 삭감가능 침입수량은 21,561 m3/일로 산정되었고, 하수도시설 정비 후에도 5,390 m3/일의 침입수량이 발생하는 것으로 분석되었다. 여기서 강 우시 MS-1과 MS-2 지점의 강우별 유입하수량에서 정 비 후 침입수량을 제외하여 aRDII를 산정하였다.

    aRDII는 Table 4의 약 95% 확률강우량인 67.2 mm 에는 18,716 m3/일, 약 89% 확률강우량인 52.2 mm에 는 약 14,917 m3/일으로 산정되었으며, 이를 전량 하 수처리시설에서 처리하기 위해서는 이에 해당하는 용 량 증설이 필요한 것으로 예상된다. 그리고 약 40% 미만인 확률강우량 17.9 mm에는 하수도시설 정비를 통하여 aRDII가 발생하지 않는 것으로 분석되었다.

    4. 결 론

    그간 국내에서는 BTL 하수관거 정비사업을 통하여 분류식 사업을 진행한 지역에 하수처리구역의 말단부 에 유량계를 설치하여 I/I를 분석한 연구가 다수 수행 되었다. 그러나 시설용량을 초과하여 운영중인 하수 처리시설의 I/I에 의한 영향을 평가하기 위하여 하수 처리구역 별 유입하수량을 모니터링하고 I/I를 산정한 연구는 미비한 것으로 나타났다.

    이를 위해 본 연구에서는 분류식 하수처리구역으로 정비하였으나, 합류식 하수처리구역이 일부 존치되어 우수토실이 존치하는 지역을 연구지역으로 선정하여, 하수처리시설로 유입되는 모든 하수처리구역을 대상 으로 강우에 따른 하수도시설의 영향을 분석하였다.

    연구결과 차집/오수간선관로에서 강우시 유량이 청 천시에 비하여 106.2~154.8% 증가하였고, 우수토실에 서 강우시 유량이 청천시에 비하여 122.4~257.6% 증 가하였다. 이는 지역 여건 등으로 배수설비 미정비 가 옥이 남아 있는 우수토실 존치 지역의 침입수량 및 강우에 따른 유입수량이 우수토실 미존치 지역 대비 약 2.7배 높은 것에 기인하는 것으로 판단된다.

    그리고 연구지역은 기존 연구지역과 비교시 유입수 량에 비하여 침입수량이 상대적으로 높게 나타났으므 로 하수관로 정비를 통해 침입수 저감이 필요한 것으 로 나타났다. 또한 정비 후에도 강우에 의한 RDII가 발생할 것으로 예상되므로 강우시 적정 시설용량을 처리하기 위해 우수토실 폐쇄를 위한 배수설비 정비 가 지속적으로 수행되어야 한다. 이처럼 분류식 하수 처리구역으로 정비 후에도 강우시 RDII가 발생할 수 있으므로 aRDII를 인지하고 이를 관리하기 위하여 하 수처리시설의 증설 또는 하수저류시설의 설치가 필요 할 것으로 판단된다.

    한편 본 연구는 해당 하수처리구역에 대하여 단기 간의 청천시 및 강우시 유량 및 수질조사를 통하여 I/I 와 aRDII를 분석한 결과로 국한되어 있다. 따라서 불 완전 분류식 지역의 분류식화 사업을 추가 실시하기 전 청천시 I/I와 강우시 RDII 저감효과에 대한 장기적 분석이 추가적으로 이루어져야 하며, 장기간 강우량 당 유입수량 모니터링을 통하여 하수처리시설 증설을 위한 계획하수량 산정에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

    사 사

    이 논문은 2017년도 광운대학교 교내학술비 지원의 일환으로 수행되었으며, 지원에 감사드립니다.

    Figure

    JKSWW-33-3-177_F1.gif

    Influent sewage flow rate of sewage treatment plant.

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    The location map of flow rate and water quality survey.

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    Rainfall status of this study area.

    JKSWW-33-3-177_F4.gif

    Time series of sewage flow rate by river.

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    Characteristics of inflow by rainfall.

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    Discharge of storm overflow diversion chamber by rainfall.

    JKSWW-33-3-177_F7.gif

    Analysis of influent sewage flow by rainfall.

    Table

    Overview of selected study area

    Influent sewage flow rate and BOD5 of sewage treatment plant

    Rainfall during survey period

    Cumulative probability rainfall for 30 years

    Results of the influent sewage flow rate and water quality during dry and wet weather

    Analysis result of infiltration by survey point

    Analysis result of inflow(RDII) by survey point

    Analysis result for rainfall intensity and inflow(RDII) of STP

    RDII after improvement of sewerage facilities

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