하수배제방식

왜 배우는가: 하수배제방식은 빗물과 오수를 하나의 관로로 보낼지 따로 보낼지를 정하는 가장 기본적인 설계 결정이며, 관거 규모, 처리장 부하, 우천 시 월류와 방류 수질에 직접 영향을 준다. 그래서 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에 반복해서 출제된다. 합류식과 분류식의 차이를 정확히 구분해 두면 하수관거 배치와 우수 처리 문제로 자연스럽게 이어진다.

출제 이력: 제128회 1교시 6번, 제124회 3교시 2번, 제121회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

하수배제방식은 하수(오수)와 우수를 하나의 관로로 배제할지 두 개의 관로로 나누어 배제할지를 정한 방식으로, 합류식과 분류식으로 나뉜다.

• 하수배제방식
• 합류식 하수도
• 분류식 하수도
• 오수관거
• 우수관거
• 차집관거
• 우천 시 계획오수량
• 월류(Combined Sewer Overflow)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 비가 올 때 빗물을 하수관에 같이 흘리느냐, 아니면 빗물용 관을 따로 두느냐를 정하는 방식이다. 하수배제방식은 오수와 우수를 한 관에 함께 흘리는지 여부에 따라 나뉜다.

정식으로는 가정과 산업 시설에서 나오는 폐수(오수)와 노면·지붕의 빗물(우수)을 어떻게 수거하여 이동시키는지를 정한 체계를 말한다. 하수도 계획에서는 우수 배제, 오수 배제, 처리 기능을 함께 갖추는 것을 기본 요건으로 하고, 배제방식은 그중 수거 방법을 결정하는 항목이다.

합류식 하수도는 오수와 우수를 함께 이동시키는 하수도다. 청천 시에는 오수만 흐르고 우천 시에는 오수와 우수가 섞여 흐른다. 우리나라에서는 특수한 경우를 제외하고 대부분 합류식 관거를 채용해 왔다. 우천 시 관거 용량을 넘는 혼합 하수는 하천이나 공공수역으로 월류되므로, 월류 저감이 합류식의 핵심 과제가 된다.

분류식 하수도는 오수를 수거하는 관로와 우수를 수거하는 관로를 따로 두는 방식이다. 우수는 우수관으로 바로 방류하고, 오수는 오수관으로 처리장에 보낸다. 분류식에서는 오수관거 설계를 계획 시간 최대 오수량 기준으로 하고, 우수관거는 계획 우수량 기준으로 한다.

합류식 관거의 설계 유량은 계획 시간 최대 오수량과 계획 우수량을 더한 값으로 잡는다. 차집관거는 우천 시 계획오수량, 즉 계획 시간 최대 오수량의 3배 를 기준으로 한다. 이 차집 개념은 합류식 하수도에서 우천 초기의 오염된 혼합수를 처리장으로 보내는 장치로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 도시 하수도는 빗물과 생활 오수를 한 관으로 흘리는 합류식으로 만들어졌다. 관을 하나만 묻으면 되므로 공사비와 설치 면적이 적게 들었기 때문이다. 많은 도시가 하수처리장보다 관거를 먼저 설치했고, 이후에도 관거 체계를 바꾸지 못한 경우가 많다.

합류식 방식에서는 강우 시 유량이 급증하면 오수가 희석되어 처리장 처리 효율이 떨어진다. 관거 용량을 넘는 혼합 하수는 월류로 공공수역에 방류되어 수질 오염의 원인이 된다. 이 문제를 줄이기 위해 일부 도시는 오수만 따로 모으는 분류식 하수관거를 별도로 깔았다.

분류식은 오수 처리 효율과 방류 수질을 높이기 위해 도입이 늘었다. 다만 두 개의 관을 매설해야 하므로 비용과 시공 부담이 크다. 그래서 배제방식 선택은 강우 특성, 처리 비용, 기존 관거 상태를 함께 검토하여 정한다. 이 배경은 4절 관거 구성, 5절 관련 기준과 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

하수배제방식은 하수관거 안으로 오수와 빗물을 어떻게 나누어 흘려보내는지에 따라 합류식과 분류식으로 구분된다. 두 방식은 관거의 구성, 설계유량, 처리장 유입량이 서로 달라서 시공 비용과 유지관리 방향을 결정한다.

구성요소를 보면 두 방식 모두 가정과 사업장에서 나온 하수를 모으는 소구경 관로, 도로 아래의 간선 관거, 차집관로, 펌프장, 처리장으로 이어진다. 차이는 빗물이 어느 관으로 들어가는지에 있다. 합류식은 빗물이 오수관과 같은 관거로 들어가고, 분류식은 빗물이 별도의 우수관으로 들어간다.

표를 보면 합류식은 관거 수가 적어 매설 비용이 낮지만, 강우 시 관거 용량이 커져 관경과 펌프 규모가 커진다. 분류식은 관거를 따로 매설하므로 초기 비용이 높지만 처리장 유입량이 일정하다.

합류식의 원리는 우천 시 오수와 빗물이 섞인 하수를 차집관로로 끌어올려 처리장에 보내고, 일정량을 넘는 강우는 방류부를 통해 공공수역으로 월류시키는 것이다. 이를 월류(Combined Sewer Overflow, CSO)라 하며 방류부에 월류수 차집과 제어 설비를 둔다. 분류식의 원리는 오수관은 오수만, 우수관은 빗물만 흘리므로 각 관거의 유속과 경사를 독립적으로 설계하는 것이다.

합류식 설계 절차는 다음과 같다.

• 계획 구역의 배수 면적과 토지 이용을 정한다.
• 계획 강우강도와 유출계수로 계획 우수량을 산정한다.
• 계획 시간 최대 오수량을 산정한다.
• 두 값을 합한 계획 하수량으로 관거 경사와 관경을 정한다.
• 차집관로와 월류 방류부의 위치와 용량을 정한다.

분류식 설계 절차는 다음과 같다.

• 계획 구역별로 오수 배제 구역과 우수 배제 구역을 나눈다.
• 계획 시간 최대 오수량으로 오수관 관경을 정한다.
• 계획 우수량으로 우수관 관경을 정한다.
• 두 관거의 합류 지점과 방류 지점을 정한다.

핵심 공식은 관거 유량 계산의 Manning 식이다.

$Q = \frac{1}{n} A R^{2/3} I^{1/2}$

여기서 Q는 유량(㎥/s), n은 조도계수, A는 통수 단면적(㎡), R은 경심(m), I는 경사다. 관거 설계에서는 이 식으로 관경과 경사를 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수도 설계는 「하수도법」과 「하수도법 시행령」, 그리고 하수도 시설기준에 따른다. 하수도법 시행령은 공공하수도의 사용을 공고할 때 합류식인지 분류식인지의 구분을 공고 사항으로 정하고 있다. 이 구분은 관리청이 처리 대상과 방류 방식을 공개하는 기준이 된다.

설계 기준은 다음과 같다. 관거의 기본 설계는 오수관은 계획 시간 최대 오수량 기준이고, 우수관은 계획 우수량 기준이다. 합류식 관거는 계획 시간 최대 오수량과 계획 우수량의 합 기준으로 설계한다. 차집관거는 우천 시 계획오수량을 계획 시간 최대 오수량의 3배 기준으로 설계한다.

표의 기준은 관거 설계의 기본이다. 합류식은 우천 시 유량이 크게 늘어나므로 차집관거의 용량이 중요하다. 분류식은 오수관과 우수관을 각각 기준에 따라 설계한다.

합류식 관거는 오수와 우수를 합산한 유량으로 설계한다.

관련 법령의 연혁을 보면, 하수도법 시행령의 사용 공고 조항은 2012년과 2014년에 개정되었고 하수저류시설 항목이 추가되었다. 이 개정으로 공공하수도의 방식 구분과 저류시설 정보를 공고하도록 정리되었다.