전문가 기고 가뭄대응지하수활용연구단(GW-SMART) 세부별 대표 시공기술
“하천의 자정능력 보강한 In-Channel 전처리시스템”
전처리 효율 향상 외에도 하천 생태환경 및 이·치수 측면서 효과 기대 가능
정기 교체 필요한 여재 없고 무약품·무동력·자연유하 방식으로 유지비 저렴
㈜비룡 부설기술연구소 연구소장
1. 배경
가뭄대응지하수활용연구단(GW-SMART)에서는 현재 충청남도 홍성군 갈산면 부지에 테스트베드(Test-bed)를 설정해 지류의 중상류 지역에 분포하는 미고결층 및 풍화대의 주 대수층을 대상으로 강우, 지하수, 하천수 등 복합적인 함양수원을 확보해 함양, 취수 및 공급시설을 설치하고, 함양원수·함양원수 전처리·인공함양·취수·공급·재이용의 순환시스템을 구축 중에 있다([그림 1] 참조). 본고에서는 지하수 인공함양 순환과정 중에서 하천을 수원으로 하는 In-Channel 함양원수 전처리시스템을 소개하고자 한다.
2. In-Channel 함양원수
전처리시스템
In-Channel 함양원수 전처리시스템이란 함양원수의 오염물질을 제거해 목표수질로 정화하고, 처리된 물을 목표수량으로 공급하기 위해 수로 내에 설치되는 시설물의 설계, 시공 및 유지관리 과정을 말한다. 하천을 수원으로 해 수로 내에 설치되므로, 하천의 자정작용을 이해하는 것이 중요하며, 하천의 자정작용이 유지되거나 저하된 자정기능을 원상태로 복원시킬 수 있는 방법이 고려되어야 한다.
2.1 하천의 자정작용
하천은 수로의 형태와 다양한 흐름의 상태에 따라, 그곳에 살고 있는 생물에 의해 하천수중의 고형물이나 용해성 물질이 희석, 침전, 흡착, 분해, 산화 등 여러 가지 메커니즘(mechanism)에 따라 감소 또는 변화한다. 하천에서는 이들 메커니즘이 함께 작용해 하천수가 정화된다. 이와 같은 작용을 하천의 자정작용이라고 한다.
하천은 하상이 깊고 낮음이 반복되는데 깊은 곳에서는 유속이 현저하게 느려져 침전효과가 커진다. 그리고 낮은 곳에서도 자갈과 자갈사이 유속이 느린 장소에 침전효과가 나타나게 된다. 제방의 흙이나 하상토로부터 여과되어 흘러나와서 깨끗해진 복류수가 오염된 표류수에 혼입되면 희석효과를 가져오게 된다. 하상의 자갈이나 바위 등에 부착해 성장하는 생물막에 수중의 유기물 또는 무기물이 침전·흡착되며, 유기물은 생물막을 구성하는 생물군에 의해 산화·분해된다.
또한 수생식물의 식물체 표면에 부착한 미생물군이 흡착·분해하고, 뿌리에 의해 용해성 물질이 흡수됨에 따라 하천수와 복류수 중에 있는 질소와 인을 흡수하며, 결과적으로 용해성 물질이 감소하게 된다. 수생식물이 밀집된 지역에서는 유속이 느려져 물리적 침전이 이루어져 정화에 기여한다. 수로 내 수면 또는 낙차에 의해 대기 중 산소가 용해되어 물 속 용존산소가 유지되어, 자갈의 표면에 부착한 생물이나 물 속의 미생물이 정화기능을 유지할 수 있게 된다.
전처리시스템의 특징
In-Channel 함양원수 전처리시스템은 하천의 자정능력을 물리적·화학적·생물학적 방법을 이용해 보강함으로써, 자연조건 하에서의 단위 시간당 물질 전환속도가 향상되도록 착안되었다. 수로를 강자갈, 모래, 정화식물로만 채움으로써 오염물질과 하천의 접촉면적이 증가해 자연적 조건만으로도 하천의 자정기능이 지속적으로 유지된다.
수질정화는 하천의 자정기능이 극대화될 수 있도록 침전, 흡착, 여과, 산소의 용해, 퇴적물 제거, 생물산화, 식생정화의 물리, 화학, 생물학적인 방법이 복합적으로 작용된다. 즉, 상류에 강자갈로 채워진 자갈접촉산화수로를 매트형으로 설치해 침전, 흡착, 자연폭기 및 생물산화 작용으로 부유물질(SS), 생물화학적산소요구량(BOD)을 중점 제거하고, 강자갈조, 식생수로, 돌망태 보를 순차적·연속적으로 설치해 영양염류와 총질소(T-N), 총인(T-P) 등을 연속적으로 제거한다.
또한 경사진 산악지형에 다단식으로 구성함으로써, 수리학적 체류시간(HRT)을 확보해 정화효율이 향상된다. 하상 하부의 복류수를 집수하고 돌망태 보 하부에 유공취수관을 설치함으로써 복류수와 처리수의 간접취수가 가능하다. 또 수질정화를 위한 약품과 정기적인 교체가 필요한 여재 등을 사용하지 않고, 동력장치가 없으며, 처리된 물은 자연유하식으로 공급되는 자연친화적인 자연생태형 하천수 정화시설로 설계됐다([그림 2] 참조).
전처리시스템의 요소기술
하천의 자정 메커니즘은 수로의 형태와 흐름 상태에 따라 변화하므로, In-Channel 함양원수 전처리시스템의 주요 시설인 자갈접촉산화수로를 자갈 다공성매질로 간주해 수리거동과 수리분산 특성을 정량화·계수화하면 설계와 유지관리에 유용하게 활용될 수 있다. 본 연구에서는 자갈 다공성매질의 입자크기, 형상과 배치상태와 같은 기본적인 물리적 특성을 수리량(수리평균반경)으로 표현하고, 흐름과 분산거동 매개변수와의 상관성 실험을 통해 경험식으로 개발했다([그림 3] 참조). 경험식은 자갈접촉산화수로에서의 유량-수심 관계식 산출과 오염물 분산거동 해석에 적용해 결과로부터 수로의 제원과 채움재의 종류 및 크기를 결정했다([그림 4] 참조).
상기와 같이 자연생태형인 In-Channel 함양원수 전처리시스템의 특징으로 인해 전처리 효율 향상 외에 하천의 생태환경과 이·치수 측면에서 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 전처리효율은 물리적·화학적·생물학적 복합 정화작용으로 80% 이상의 BOD, SS 제거효율이 기대된다.
하천수가 자갈접촉산화수로 및 돌망태 보를 통과하면서 공기와 물이 접촉하는 폭기효과가 발생하며, 이로 인해 미생물의 생장환경이 조성되고 하천의 부영양화를 억제하게 된다. 생태환경측면에서는 강자갈, 모래, 정화식물로 채워져 생태종의 안식처, 피식처가 되어 수생태계를 보호해 준다. 특히 강자갈로 채워진 투수성 돌망태는 작은 어류의 상하류 간 이동을 가능하게 해 수생태계가 보전된다.
치수 측면에서는 강자갈, 모래, 정화식물과 돌망태 보에 의한 유속제어로 하천의 저류성이 향상되어, 홍수 유출수를 저류함으로써 지체시간을 확보해, 하류에서의 범람을 예방할 수 있다. 이수 측면에서는 불투수성 콘크리트 낙차공과는 달리 강자갈로 채워진 투수성 돌망태 보를 통해 퇴적물이 배출되어 토사퇴적으로 인한 건천화를 방지한다.
경제성으로는 레미콘 타설에 의한 수조형의 구조물 대비 시공이 간편하고, 유역의 강자갈을 사용할 경우, 설치비가 절감된다. 정기적인 교체가 필요한 여재가 없고, 무약품, 무동력, 자연유하식이기 때문에 유지비가 저렴하다. 그리고 개발된 경험식을 활용해 기본적인 수리량인 수리평균반경 정보만으로 수리매개변수와 수리분산매개변수를 구할 수 있다. 이는 실험값이 없는 사용자가 간편하게 매개변수를 결정함으로써 자갈접촉산화수로에서의 흐름 및 분산이동에 대한 경제적이고 효율적인 해석이 가능하다.
In-Channel 함양원수 전처리시스템은 현재 테스트베드(Test-bed)에서 실증시설물을 구축 중에 있으며, 2022년까지 모니터링과 분석을 통한 성능검증을 완료하고, 설계, 시공, 유지관리에 대한 매뉴얼을 작성할 계획이다.
[『워터저널』 2021년 6월호에 게재]