하수이송시스템

왜 배우는가: 하수이송시스템은 하수를 발생지에서 처리장까지 옮기는 방식의 선택 문제라 하수도 계획의 출발점이다. 지형, 매설심도, 인구밀도에 따라 중력식·압력식·진공식·펌프식 중 무엇을 쓸지가 공사비와 유지관리비를 좌우한다. 그래서 비교 설명과 선정기준 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제122회 3교시 6번, 제103회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하수이송시스템은 발생한 하수를 자연유하 또는 펌프·압력·진공 동력으로 처리장까지 모으고 옮기는 관거·펌프장 체계를 말한다.

• 하수이송시스템
• 중력식 하수관거
• 압력식 하수관로
• 진공식 하수도
• 중계펌프장
• 매설심도
• 자연유하

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 하수를 집에서 처리장까지 끌고 가는 길과 그 길을 밀어 주는 힘을 정하는 것이다. 가장 흔한 길은 기울기를 이용해 흘려보내는 중력식이다. 땅이 평탄하거나 지하수위가 높아 관을 깊게 묻기 어려우면 펌프나 압력, 진공의 힘을 빌린다.

정식으로는 하수를 수송하는 방법을 동력원과 관로 형태에 따라 분류한 체계를 뜻한다. 동력원이 중력인지, 펌프 압력인지, 공기압 차이인지에 따라 관로 구조와 유지관리 부담이 달라진다.

자연유하은 중력만으로 흐르는 상태를 말한다. 하수는 가능하면 자연유하로 처리장까지 이송되는 것이 바람직하다. 지형 조건이 나빠 관거가 지나치게 깊어지면 그 구간부터 펌프장을 둔다.

중력식 하수관거는 관 경사로 흐르는 방식이다. 동력비가 들지 않아 가장 널리 쓰인다. 다만 매설깊이가 커지면 굴착비가 급증한다.

압력식 하수관로는 펌프로 가압된 하수를 압력관으로 보내는 방식이다. 관경을 작게 할 수 있지만 펌프 운전과 정전 대비가 필요하다.

진공식 하수도는 중앙 진공스테이션에서 관로 내부를 부압으로 만들어 하수를 빨아들이는 방식이다. 관로 기울기 제약이 작지만 진공밸브와 중앙설비의 관리가 중요하다.

중계펌프장은 오수를 자연유하로 처리장까지 보내기 어려운 경우에 설치하는 펌프장이다. 펌프장은 하수도시설에서 에너지를 많이 쓰는 시설에 속한다.

3. 등장 배경과 필요성

도시가 커지고 생활수준이 높아지면서 하수량이 늘었다. 하수를 방치하면 수질이 오염되고 위생 문제가 생긴다. 그래서 하수를 모아 처리장으로 보내는 관로망이 필수 기반시설이 되었다.

모든 지역을 중력식으로만 연결하면 관거가 깊어져 공사비가 커진다. 인구가 드문 지역, 지하수위가 높은 지역, 암반이 많은 지역이 그렇다. 이런 조건에서 소구경 중력관, 압력관, 진공관 같은 대안이 필요해졌다.

펌프장도 배경이 같다. 저지대 우수를 배제하거나 처리장 방류 수면고를 맞추려면 펌프가 필요하다. 그래서 중력식 위주의 관로에 펌프장과 압력관을 조합하는 혼합 이송이 일반적이다.

이송방식의 선택은 공사비, 유지관리비, 에너지비, 정전·고장 대비 능력을 함께 따져야 한다. 한 방식만으로 모든 지역을 해결하기 어렵기 때문에 지역별 선정기준이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

하수이송시스템은 하수를 발생지에서 처리장까지 옮기는 관로와 부속 시설의 조합이다. 이송 방식은 중력식, 소구경 중력식, 압력식, 진공식으로 나뉘며, 지형과 지반 조건에 따라 선택한다. 가능하면 자연유하를 우선하고, 자연유하가 어려운 구간에만 펌프장을 둔다.

중력식은 관거 경사로 흐름을 얻는다. 흐름은 Manning식으로 계산한다. 평균유속 V=\frac{1}{n}R^{2/3}I^{1/2} 이고, 유량은 Q=AV 이다. 여기서 n은 조도계수, R은 경심(m), I는 경사, A는 통수 단면적(㎡)이다. 유속이 너무 느리면 토사가 쌓이고, 너무 빠르면 관벽이 손상되므로 허용 범위 안에서 경사를 정한다.

소구경 중력식은 관경을 줄이고 맨홀 수를 줄여 비용을 낮춘다. 대신 유지관리 접근성과 청소 방법을 미리 정해야 한다.

압력식은 집수조에 모은 하수를 펌프로 가압하여 관로로 보낸다. 관로는 가압에 견디는 플라스틱관을 쓰며, 지표 가까이에 얕게 매설할 수 있다. 펌프가 고장나면 이송이 멈추므로 개별 펌프의 점검과 예비 전원이 중요하다.

진공식은 중앙 진공스테이션의 회전익 진공펌프가 관로에 부압을 만들고, 진공밸브가 열리면서 하수가 흡입되어 이동한다. 부압은 -0.4~-0.6bar 범위에서 유지한다. 집수조는 보통 2~6호 단위로 공공 구역에 설치한다. 진공변기를 쓰는 경우 1회 세척에 쓰는 물이 0.25L 미만이라 물 사용량이 적다.

펌프장은 세 가지로 나눈다. 강우 시 저지대 우수를 배제하는 우수펌프장, 자연유하가 어려운 오수를 처리장으로 올리는 중계펌프장, 처리장 유입단에서 수면고를 맞추는 처리장내 펌프장이다. 펌프장은 하수도시설 중 에너지 소비가 큰 시설이다.

이송시스템 선정 절차는 다음과 같다.

• 대상지역의 지형, 지하수위, 암반 깊이, 인구 밀도를 조사한다.
• 중력관거의 매설깊이가 경제적 범위를 넘는지 검토한다.
• 자연유하 가능 구간과 펌프 필요 구간을 구분한다.
• 구간별로 중력식, 소구경, 압력식, 진공식을 비교한다.
• 건설비, 운전·유지관리비, 에너지 비용을 합산하여 방식을 확정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수관로 설계의 기준은 하수도 설계기준이며, 현행 명칭은 KDS 61 00 00 하수도 설계기준(기후에너지환경부)이다. 이송 방식별 기준값은 아래 표와 같다. 중력식 값은 설계기준에 따른 일반값이고, 진공식 값은 진공 시스템 기술 자료에 근거한 값이다.

위 표에서 최소 유속은 토사 퇴적을 막는 하한이고, 최대 유속은 관벽 마모를 막는 상한이다. 진공식의 연장 한계는 마찰과 정수압 손실 때문에 생긴다. 따라서 장거리 구간은 진공관로를 길게 잇기보다 중계 구간을 두어 처리장으로 옮기는 편이 낫다.

압력식 관로의 기준은 관로 설계 압력과 펌프 양정으로 정한다. 세부 수치는 설계기준과 제조사 자료를 함께 적용한다.

관련 기준 체계는 중력식 설계를 기본으로 하고, 특수 방식은 지형과 비용 조건에 따라 보완 적용한다.

6. 유형과 비교

하수이송방식은 중력식, 압력식, 진공식으로 크게 나뉜다. 중력식은 자연유하를 이용하고, 압력식은 펌프로 가압하며, 진공식은 중앙 진공스테이션의 부압을 이용한다. 세 방식은 적용 지형과 설비 규모에서 차이가 크므로 비교표로 정리한다.