2.1. 침투형 빗물받이의 침투량 측정

침투형 빗물받이의 침투량 측정을 위해 대전시 상수도사 업본부 유성사업소의 협조로 물탱크(3 Ton)와 대형 플라스 틱 통을 준비하고 빗물받이의 Screen 및 필터부를 제거하 여 현장에서 조사를 실시하였다.

빗물받이의 개략적인 모형은 Fig. 1과 같으며 저류조의 크기는 내부 0.72 m × 0.72 m × 0.5 m로 약 260 L이고, 외부 는 저면 25 cm, 옆면 25 cm 두께로 쇄석이 깔려있으며 저 류조 바닥과 쇄석 밖은 투수시트(부직포)로 쌓여있다. 침투 량 측정을 위한 실험절차로는 아래와 같은 순서와 방법으 로 진행하였다.

Fig. 1. Infiltration grate inlet installed on a road.

Fig. 2는 KAIST 앞 침투형 빗물받이가 설치된 현장 위 치를 나타냈다. 측정 지점은 3개 빗물받이 중 가운데에 위 치한 빗물받이로 하였다. 새로 건설되는 융합의 다리로부터 KAIST 담을 끼고 정문 방향으로 약 30 m 간격으로 3개가 2015년 12월에 설치되었다.

Fig. 2. Field site of surveying for infiltration grate inlet near Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).

2.2. 침투형 빗물받이의 필터부 여과량 측정

침투형 빗물받이의 필터부는 강우시 지표면에서 유입되 는 유출량의 오염물질을 필터부의 필터(부직포 재질)에 의 해 1차적으로 부유물질 등을 걸러주는 역할을 한다. 유입 된 빗물은 수리학적으로 필터부 바깥 쪽부터 수집되어 상 승되면서 4개의 원통형 관으로(직경 4 cm) 유입되고, 필터 통(직경 12 cm)으로 월류되어 하부 필터를 통과하여 여과 된 물은 저류조에 배수된다. 이 여과된 빗물은 저류조에 저류되면서 동시에 바닥 및 옆면에 설치된 모래 및 쇄석을 통과되어 토양으로 침투된다. 이 경우에도 쇄석 안팎으로 투수시트(부직포 재질)을 깔아 오염물질이 토양을 통해 지 하수로 유입되는 것을 차단하고 있다.

Fig. 3은 필터부의 여과성능을 평가하기 위해 제작한 반응 조이다. 크기는 0.4 m × 0.3 m × 0.6 m이며 현장에서 적용되는 필터부가 반응조 내부에 장착이 가능하도록 설계하였다. 하 수관로 유출구는 직경 300 mm의 크기로 필터부 장착시 필 터부 Head로부터 약 20 cm 정도 이격된 높이로 제작하였다. 필터부의 여과량 측정은 아래와 같은 방법으로 진행하였다.

Fig. 3. Reactor for the performance of the filter part.

2.3. 침투형 빗물받이의 오염제거효율 측정

토양으로 침투되는 비점오염부하량의 저감을 평가하기 위해 현장용 침투형 빗물받이의 유량과 수질을 측정하였으 며 그 절차는 아래와 같다.

3.1. 저류조의 토양침투량 산정

Fig. 4은 현장 침투형 빗물받이의 저류조에서 토양에 침 투한 침투량을 경과시간에 따른 토양 침투량의 변화를 그 림으로 나타내고 있다(1차). 현장 침투형 빗물받이의 주입 용량에 대한 침투량이 일정함에 따라 침투된 토양이 포화 된 것으로 예측하고, 경과시간 5분 이후에 물 100 L를 3회 주입시 침투량은 매우 일정하게 나타났다. 정확한 저류조의 침투량을 산정하기 위해 다량의 물(260 L, 저류조 만수위) 을 주입하여 2회 측정한 결과 평균 0.98 m³/hr로 측정되었 다. 만수위시 침투량이 일반적으로 바닥부위의 침투량 보다 더 큼을 알 수 있었다. 이는 저면 부위보다 저류조의 측면 으로 토양에 의해 침투량이 많았기 때문으로 사료된다. 경 과시간 5분 이후부터 25분까지는 저류조에 100 L 주입시 침투량이 약 14 L/min (0.85 m³/hr)로 나타났으며 35분과 55분의 경우 침투량이 16 ~ 17 L/min (0.98 m³/hr)로 더 큼 을 알 수 있는데 이는 저류조의 저면부위보다 측면부위로 침투량이 많이 발생하였기 때문으로 사료된다.

Fig. 4. Soil-infiltration flow according to the elapse time.

현장 침투형 빗물받이의 저류조에서 토양에 침투한 유량 을 2차 시기에 조사하였는데 본 연구 1차 시작시점인 4월 경 토양침투량 0.98 m³/hr 측정한 결과 값이 약 6개월이 지나고 유지관리 이후 침투량의 변화에 대해 알아보고자 하 였다. 측정결과 평균 토양침투량은 1.04 m³/hr로 측정되어 청소를 통한 유지관리를 하였으므로 토양 침투량의 크기는 거의 유사하였다. 다만 바닥 하단부분에 미세한 이물질이 침전되어 바닥으로 침투가 원활하지 않아 측면부의 침투가 원활하게 이뤄지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 본 침투형 빗물받이의 바닥으로 침투가 안 될 경우 측면으로 침투가 되어서 원활한 침투가 지속적으로 유지할 수 있는 것으로 볼 때 매우 큰 장점으로 볼 수 있다.

3.2. 여과필터의 여과량 및 누적오염량에 따른 성능 평가

Fig. 5는 필터부 받침대의 침투 구멍과 필터부의 사진이 다. 필터부의 받침 부분에는 측면(20개) 및 바닥부분(8개) 에 직경이 1 mm 정도 되는 미세 침투구멍이 총 28개가 있 다. 이는 강우 이후 빗물받이 내에 빗물이 고여 있는 문제 에 대한 방안으로 제작되었다. 받침 부분의 미세 침투구멍 이 필터부의 성능평가에 영향여부를 확인하기 위하여 침투 구멍의 유무에 따른 성능평가를 하였다.

Fig. 5. Infiltration hole and filter part.

필터부 하부에 침투구멍을 폐쇄한 후의 여과량을 조사하 였다. 이와 같이 침투구멍을 폐쇄한 이유는 장기적으로 활 용시 퇴적물에 의해 구멍이 막힐 경우의 여과능을 확인하 기 위한 것이다. 3회 측정결과 평균 여과량은 9.43 m³/hr이 므로 여과량이 저류조 침투량 1 m³/hr 보다 크므로 필터에 의해 유량이 통과하는데 방해요소가 없는 것으로 판단된다. 한편, 침투구멍을 폐쇄하지 않은 경우 필터부의 침투량은 13.33 m³/hr이었고 필터부 내부에 부직포 유무에 따른 차이 는 거의 없었다.

필터부의 하부까지 빗물이 수집되어 필터부로 통과되지 않고 하수관로로 유출되는지를 확인한 결과, 최대 침투량 13.33 m³/hr 정도까지는 필터에 의해 통과되므로 그 이상의 유량이 유입되지 않는 한 필터부 막힘 현상에 의해 하수관 로로 유출량은 발생되지 않을 것으로 판단된다.

침투형 빗물받이의 필터부 수리학적 성능평가시 수압에 의한 여과량의 변화 차이가 있다고 판단하여 일정 유량을 유입시켜 일정수위를 유지시킨 후(일정수위는 뚜껑의 윗부 분으로 그 이상의 수위에서는 하수관로로 유츨된다) 20 L 용량의 물을 수위가 올라오지 않도록 천천히 유입시켜 여 과시간을 측정하여 3회 여과량을 계산한 결과 여과량은 평 균 2.99 m³/hr이었다. 수압이 전혀 없는 상태에서의 여과량 은 약 3 m³/hr로 측정되었으며 측정된 여과량은 저류조의 침투량 1 m³/hr 보다 크기 때문에 필터부에 의한 저류조의 영향은 없다고 판단된다. 침투구멍을 설치함으로써 추가적 으로 3.9 m³/hr(13.33 m³/hr - 9.43 m³/hr)의 침투량을 증가시 키는 것으로 나타나 침투형 빗물받이의 필터 하부에 침투 구멍을 설치함으로써 침투량 증가를 기대할 수 있었다.

지금까지의 실험 자료는 오염되지 않는 물을 이용하여 필터부의 수리학적인 특성을 유량적인 측면에서 파악하였 지만 실제적인 상황인 오염물질을 유입시켜 필터부의 막힘 을 고려한 수리학적인 성능을 파악하였다.

Table 1은 인공시료를 이용한 원수를 일정유량 유입 후 시간간격을 둔 후 각 유입시간마다 여재 통과후의 여과량을 측정한 결과이다. 초기 저농도로(SS 2,600 mg/L) 2분 30초 동안 인공시료를 유입시킨 뒤 측정한 여과량은 3.2 m³/hr이 며, 마지막 고농도로(SS 4,950 mg/L) 6분 동안 유입시킨 뒤 측정한 여과량은 0.56 m³/hr으로 오염물질의 변화에 따른 필터부의 여과능이 저감됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 6은 누적 SS 부하에 따른 여과량의 변화를 나타내 었다. 누적 SS 부하 초기에는 약 3 m³/hr의 여과량을 나타 내며 양호한 속도로 침투됨을 확인할 수 있으나 누적 SS 부하 1.71 kg 시에 여과량은 1.0 m³/hr로 현장에서 측정한 저류조 침투량(0.98 m³/hr)과 유사한 값임을 확인할 수 있 었다.

Fig. 6. Variation of the filter flow according to the accumulated suspended solid (SS) load.

저농도 2차는 별도의 실험을 통해 누적 SS 부하량에 대 한 여과량을 산정하였는데 총 1.38 kg SS 부하량이 필터부 내로 유입되었으며 이때 1.62 m³/hr로 산정되었다. 2차 실 험시 인공폐수의 오염물질 성상이 상이하여 1차 실험보다 부유물질 폐쇄현상이 빨리 발생하였다. 동일한 SS 부하량 이 유입되었을 때 침투량을 얻기 힘들었지만 기존 1차 실 험에서 얻은 결과 값과 큰 차이는 없었다. 즉, 필터부에 1.71 kg 이상의 부유물질이 퇴적되었을 때 저류조에서의 침 투량보다 필터부의 여과량이 낮아지기 때문에 침투형 빗물 받이의 침투효과가 저하되는 한계치로 판단된다.

3.3. 토양 침투 오염부하량 감소효과

Table 2는 유입농도가 다른 원수를 이용하여 여재 통과 후의 처리수를 측정하여 오염물질 제거율을 나타냈다. SS 와 유기물질 감소는 확연이 나타남을 알 수 있으나, 총인 의 감소는 대부분 이루어지지 않았다. 이는 시료자체에 용 존성 인이 대부분이었을 가능성이 큼으로 여과재에 의한 인제거가 이뤄지지 않았다고 사료된다.

Table 3은 필터여과부의 유량과 수질오염분석 결과로서 원수의 SS가 약 300 mg/L 이하 저농도 유입시의 결과이다. 원수 유입에 따라 필터 여과후 처리수의 SS는 약 7 ~ 41 mg/L으로 제거효율이 약 86 ~ 98 %이었으며 오염량이 누적 될수록 여과성능이 좋아짐을 알 수 있다. 이는 필터부의 공극이 유입 SS에 의해 막힘 현상으로 여과성능은 더욱 좋 아지는 것으로 판단된다.

유사한 형태인 침투여과 빗물받이(Filter Box)의 경우 (^{Kang, 2014}) 평균 저감효과를 보면 BOD 77 %(69 ~ 85 %), COD 88 %(69 ~ 94 %), SS 86 %(78 ~ 94 %), T-N 73 %(56 ~ 93 %), T-P 60 %(39 ~ 83 %)나 본 침투형 빗물받이가 여과역 할을 하는 부직포에 의해 처리효율이 높은 편이다. 여러 종 류의 여재를 사용한 초기우수저류시설의 경우(^{Yoon, 2009}) 에도 SS 처리효율은 유입수 230 mg/L에서 처리수 27 mg/L 로 82%, COD는 116 mg/L에서 21 mg/L로 82 %로 나타나 침투형 빗물받이가 SS 처리효율이 매우 높은 것으로 나타 났다.

하수관로 유출수는 초기에 SS 제거율 93 ~ 95 %로 하수 관로로 유출되는 SS량은 거의 없었으나 필터부의 막힘 현 상이 생기며 여과속도가 느려짐에 따라 필터 바닥부의 부 유물질이 상승되어 SS 제거율이 급격히 낮아졌는데 이는 필터부의 막힘 현상에 의해 큰 영향을 받는 것으로 보여 진다. 침투형 빗물받이와 같은 필터부가 설치된 비점오염저 감장치는 필터부의 필터교체와 같은 유지관리가 필터부의 성능에 매우 중요한 요소로 사료된다.

3.4. 강우강도에 따른 비점원오염 부하량 감소율 산정

침투형 빗물받이의 토양으로의 침투량과 우수관로 배출 량의 비율 산정은 Fig. 7과 같이 침투형 빗물받이의 빗물 흐름도를 나타낼 수 있는데, 유입유량 = 침투량 + 유출량 의 물질수지식을 고려하였다. 또한 반응조를 이용하여 인공 시료를 주입시 누적 오염량에 따른 필터부의 여과량 측정 을 통하여 비점원오염부하량 감량 평가 및 강우강도에 따 른 비점원오염부하량 감량 평가를 하였다.

Fig. 7. Flow diagram of filter part in infiltration grate inlet.

Table 4는 강우강도에 따른 오염부하량 및 오염부하 감 소율을 나타내었다. 상기 수질자료에서 필터부와 토양 침투 시 투수시트에 의한 제거율을 고려하여 부하량을 산정하였 다. 일정한 유역면적(240 m² 가정)에 강우강도별 유입량을 고려하고 토양 침투부하량은 최대 0.98 m³/hr의 유량으로, 필터부의 SS 제거율은 토양 침투량에서 측정된 99 %, 하수 관로 유출시 SS 제거율은 상기 자료를 이용하여 35 %로 산 정할 수 있다.

Fig. 8는 강우강도 5 mm/hr 강우시 유입 부하량, 하수관 로 유출부하량, 토양 침투부하량을 산정하여 부하량의 감 소율을 이해하기 쉽도록 물질수지에 의한 모식화로 나타내 었다.

Fig. 8. Mass balance of the suspended solid (SS) Load at 5 mm/hr of rainfall intensity.

강우강도 5 mm/hr 시 유입부하량은 2.4 kg/hr이며 토양 침투부하량은 토양 침투유량 0.98 m³/hr와 필터부의 제거효 율 99 %를 이용하여 유출 오염농도를 20 mg/L로 가정하여 0.02 kg/hr로 계산되었다. 하수관로 유출 부하량의 산정은 유량은 전체 유입유량인 1.2 m³/hr에서 토양 침투 유량인 0.98 m³/hr를 제외한 0.22 m³/hr로 산정하였으며, 유입 오염 농도 2,000 mg/L에 65 %를 곱하여 1,300 mg/L로 가정하여 약 0.28 kg/hr 정도로 SS 오염부하량을 산출하였다. 전체 유입되는 오염 부하 2.4 kg/hr에서 약 12 % 정도의 SS 오 염오염량이 비점오염원으로 배출되고 필터부에서 87 % 정 도 SS 부하량이 주로 감량되는 역할을 하는 것으로 볼 수 있다. 강우강도 10 mm/hr의 경우를 동일한 방법으로 산정 하면 SS 부하량 감소가 61 %로 나타났으며 이에 대한 자 세한 자료는 관련 문헌(^{Lee, 2017})에 설명되어 있다.

상기 강우량에 따른 오염물질 저감 효과는 실험실 규모 의 인공적인 기초자료로 활용되었으나, 실제 강우를 토대로 오염부하 감소량의 검증이 필요하며 성능평가시 부유물질 뿐만 아니라 필터부 부직포의 개선을 통하여 도로 비점오 염물질인 누유 및 중금속에 의한 오염제거에 대한 연구 내 용의 보완이 향후 필요할 것으로 사료된다.