강우 시 미처리 하수

왜 배우는가: 합류식 하수관거를 운영하는 도시에서는 강우가 곧 미처리 하수 발생으로 이어지므로, 하수처리 계통을 다루는 기술사가 가장 먼저 설명해야 하는 문제이다. 원인과 배경을 정확히 알아야 월류 대책의 방향을 논리적으로 세울 수 있으며, 이 개념은 여러 차례 출제된 주제이다.

출제 이력: 제138회 2교시 3번, 제96회 2교시 1번, 제92회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

강우 시 미처리 하수는 합류식 하수관거에서 우천 시 유량이 처리장 처리용량을 넘어 처리되지 않은 채 공공수역으로 배출되는 하수이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 합류식 하수관거: 오수와 우수를 같은 관으로 모아 이송하는 하수관거이다. 강우 시 관거 유량이 급증하는 근본 원인이다.
• 합류식 월류수(CSO): 관거 내 수위가 월류 구조물 높이를 넘을 때 혼합 하수가 처리 없이 방류되는 물이다.
• 처리용량 초과: 강우로 처리장의 설계 처리능력을 넘는 유량이 들어오는 상태이다.
• 초기우수: 강우 초기에 도로와 관거에 쌓인 오염물질을 씻어 내리는 빗물이다.
• 혼합 하수: 생활하수, 산업폐수, 빗물이 한 관로에서 섞인 하수이다.
• 방류 수역: 처리된 물이나 월류수가 최종적으로 흘러드는 하천, 호소, 해역이다.
• 유량 변동: 강우 여부에 따라 하수 유량과 오염부하가 크게 달라지는 현상이다.

이 개념은 맑은 날의 하수량과 우천 시 유량의 차이가 커서 생긴다. 하수처리장은 설계 처리용량을 기준으로 시설을 짓고 운영하므로, 그 이상의 유량을 같은 효율로 처리할 수 없다. 따라서 이 개념은 처리장 용량, 관거 구조, 방류 수역의 수질을 함께 묶어 이해해야 한다. 같은 강우라도 지역마다 관거 용량과 처리장 여유분이 달라서 월류의 빈도와 규모는 지점별로 다르다. 그래서 답안에서는 지점별 차이를 전제로 원인, 결과, 영향을 순서대로 연결해 쓰는 것이 기본이다.

2. 개념 풀이

강우 시 미처리 하수는 합류식 하수관거에 우수가 섞여 들어와 유량이 처리장의 계획 처리용량을 넘을 때, 그 초과분이 처리되지 않고 방류 수역으로 배출되는 하수를 말한다. 처리장 용량 초과로 생기는 현상이므로, 하수관로의 막힘이나 파손으로 생기는 넘침과 구분해야 한다. 원인이 용량인지 관로 결함인지에 따라 대책의 방향이 달라진다.

원리는 유량의 시간 변화에서 출발한다. 합류식 관거는 평상시에는 생활하수 유량만 흐르지만, 강우가 시작되면 지표의 빗물이 맨홀과 유입구를 통해 관거로 들어와 유량이 급격히 커진다. 처리장으로 보내는 유량에는 처리 가능한 상한이 있으므로, 관거에는 일정 수위를 넘으면 혼합 하수를 방류 수역으로 우회시키는 월류 구조물이 설치된다. 이 구조물이 작동하면 초과분은 처리장을 거치지 않고 하천이나 바다로 빠지며, 이것이 미처리 하수가 발생하는 경로이다.

처리장 안에서도 유량이 설계값을 넘으면 체류시간이 짧아진다. 체류시간이 줄면 침전지에서 고형물이 충분히 가라앉지 못하고, 생물학적 처리에 필요한 접촉시간도 부족해진다. 그 결과 처리효율이 떨어져 방류수질이 나빠지므로, 처리장이 미처리 하수를 내보내는 것과 같은 효과가 생긴다.

미처리 하수의 수질은 시간에 따라 다르다. 강우 초기에 나오는 물은 건조 기간 동안 도로와 관거에 쌓인 오염물질이 씻겨 나오기 때문에 농도가 높고, 강우가 길어져 희석이 진행되면 농도는 낮아지는 경향이 있다. 이 때문에 오염부하의 대부분은 강우 초기에 집중된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 처리용량 초과 유량: 처리장 설계 처리능력을 넘어 유입되는 유량이다. 이 양이 월류 여부를 가르는 기준이 된다.
• 월류 구조물: 관거 수위가 일정 높이를 넘을 때 혼합 하수를 방류 수역으로 우회시키는 시설이다.
• 초기우수 세척 효과: 강우 초기의 높은 오염부하가 짧은 시간에 유출되는 현상이다. 초기 오염부하를 줄이는 대책의 근거가 된다.

세 용어는 처리용량 초과 유량이 월류 구조물을 통해 방류되고, 그 과정에서 초기우수의 오염이 수역으로 직접 들어가는 흐름으로 이어진다.

3. 등장 배경과 필요성

합류식 하수도는 하수와 빗물을 한 관으로 처리하므로 관거를 하나만 묻으면 되어 초기 도시 건설에서 널리 채택되었다. 이 때문에 오래된 도심에는 합류식 하수관거가 아직 많이 남아 있고, 분류식으로 전환하려면 많은 시간과 비용이 든다. 현재 운영 중인 시설 상당수가 이 구조 위에서 강우 대응을 하고 있다는 점이 문제의 출발점이다.

도시화가 진행되면서 아스팔트와 콘크리트 같은 불투수면이 넓어졌다. 빗물이 땅에 스며들지 못하고 지표를 따라 빠르게 관거로 모이므로, 강우 유출량이 커지고 최대 유량이 짧은 시간에 집중된다. 처리장은 계획 처리용량을 기준으로 설계되므로, 집중 강우 시 이 용량을 넘기 쉬워진다. 이것이 합류식 지역에서 월류가 반복되는 기본 배경이다.