연구성과
연구보고서
보고서명
물환경 개선을 위한 점오염원 수준의 도시지역 하수월류수 및 강우유출수 관리 전략
보고서명(영문)Management Strategies for Urban Sewage Overflow and Stormwater Runoff at Point Source Levels to Improve the Aquatic Environment
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국문초록
- 1. 강우 시 도시지역 하수월류수 및 강우유출수 발생 현황
하수도 시스템은 크게 합류식과 분류식으로 구분된다. 합류식하수도 시스템에서는 <그림 1>과 같이 오수와 우수가 우수토실에서 합쳐져 차집관로를 통해 하수처리장으로 이송된다. 강우강도가 높아 차집관로가 하수 모두를 처리하지 못하는 경우 일부 하수가 우수토구를 통해 방류수역으로 배출되며 이것이 본 연구의 대상 중 하나인 합류식하수도 월류수(CSOs: Combined Sewer Overflows)이다. 분류식하수도 시스템에서 우수는 우수관으로 이동하여 우수토구를 통해 직접 방류수역으로 배출된다. 이렇게 배출되는 강우유출수(stormwater runoff)에는 초기 세척(first flush) 효과에 의해 다량의 오염물질이 포함되어 있어 물환경 관리의 중요한 대상이다.
1.1 합류식하수도 월류수 발생 현황
｢하수도법｣ 제19조 및 ｢하수도법 시행규칙｣ 제11조에 따라 시행 중인 미처리 하수의 수량·수질 측정자료 총 449건을 6개 특·광역시 및 48개 시군으로부터 정보공개청구를 통해 수집하여 분석하였다. BOD의 경우 전체 유량가중평균농도(EMC: Event Mean Concentration) 강우 시 채수한 여러 개의 샘플에서 측정한 오염물질의 농도를 유량 가중하여 평균한 값.
평균값이 44.6mg/L로, Ⅳ지역의 공공하수처리시설 방류수수질기준(10mg/L)을 크게 웃돌았다. 전체 BOD 측정값(EMC)의 약 30%는 간이공공하수처리시설의 방류수수질기준(40mg/L)을 초과하는 것으로 나타났다(그림 2 참조).
1.2 분류식하수도 강우유출수 발생 현황
2014~2017년 4대강 수계 비점오염물질 유출 모니터링 자료를 분석한 결과, 주거, 공업, 상업, 교통지역에서 BOD 농도(EMC) 중윗값은 하천 생활환경기준 ‘매우 나쁨’ 등급(10mg/L)을 초과하였다. 특히 상업지역의 평균 농도는 15.4mg/L로 ‘매우 나쁨’ 수준을 초과하였다. 상업지역 강우유출수 측정값의 47%(14/30)가 ‘매우 나쁨’ 기준을 초과하였으며, 최댓값은 ‘매우 나쁨’ 기준보다 약 6.8배 높았다(그림 3 참조). SS 농도(EMC) 중윗값은 상업지역에서 33.9mg/L, 교통지역에서 30.9mg/L로 ‘보통’ 기준(25mg/L)을 초과하였다.
1.3 합류식하수도 월류수 및 분류식하수도 강우유출수 발생 특성
국내 CSOs 및 강우유출수 수질 측정값은 지점이나 시기에 따라 편차가 크지만, 전반적으로 그간 보고된 국외 데이터와 오염도가 비슷한 수준으로 나타나고 있다. CSOs의 경우 BOD가 간이공공하수처리시설 방류수수질기준(40mg/L)을 초과하는 측정값이 빈번히 발생하였다. 다만 국내 강우유출수에서 측정된 SS 농도는 국외에서 보고된 것보다 낮은 수준이었다. 비점오염물질 측정망을 통해 강우 시 도시지역 하천의 수질이 악화하는 현상도 확인할 수 있었다. 서울시 도심하천의 수질 조사에서도 강우 시 BOD 및 T-P 농도가 청천 대비 수십 배 상승하는 현상이 관찰되었으며, 본류 하천보다는 지류에서 강우 시 수질이 더 현저하게 악화하였다.
2. 강우 시 도시 물환경 문제 및 관리 제도의 한계
2.1 도시 물환경 문제
강우 시 CSOs가 하천으로 유입되면서 수질이 악화하는 문제가 발생하며, 본류보다 지류에서 강우 시 수질이 더 큰 폭으로 나빠졌다. 2004년 미국 환경보호청(USEPA)이 국회에 제출한 보고서 USEPA(2004), pp.4-29.
에 따르면 CSOs는 발생량 비율(4%)은 낮지만, 분원성 대장균군 배출부하량의 76%를 차지하였다. 강우유출수는 발생량 비중(45%)도 높고 TSS 배출부햐량의 56%, 분원성 대장균군 배출부하량의 21%, BOD₅ 배출부하량의 19%를 차지하였다.
강우 시 CSOs와 강우유출수를 통해 하천으로 유입되는 플라스틱이나 물티슈 등의 쓰레기는 생물체의 서식지를 변형하고, 야생동물이 쓰레기에 걸려들거나 섭취하는 문제를 일으킨다. Bradley et al.(2023)이 미국 21개 도시 지점에서 강우유출수를 분석한 결과 유·무기 화학물질이 총 500종 검출되었으며, 강우유출수 토구 인근 지점에서 이들 화학물질의 농도는 어류, 저서생물, 식생 등에 상당한 수준의 급성 독성을 일으킬 수 있는 수준이었다. 또한 강우 시 수계로 유입되는 용존성 및 입자성 영양물질은 하천·호소 및 하구에서의 남조류 대발생과도 관련이 있다. 량오염물질도 주요 관심 대상이다. 카페인, ibuprofen(소염·진통제), 다환방향족탄화수소(PAH) 등 생활계 오염물질의 연간 오염부하량 중 30~95%가 CSOs를 통해 배출되며, CSOs는 하수처리수와 함께 내분비계 장애물질(EDCs: Endocrine Disrupting Chemicals), 개인관리용품(PCPs: Personal Care Products), 휘발성유기화합물(VOCs: Volatile Organic Compounds)의 주요 배출원으로 알려져 있다.
2.2 하수월류수 및 강우유추수 관리 제도 한계
물환경 관리 제도 측면에서 현행 공공수역 수질 측정·평가 방식으로는 강우 시 하천의 수질 악화 문제를 포착하기 어려운 한계가 있다. 총량관리계획 수립 시 CSOs에 해당하는 생활계 관로월류수 오염부하량을 반영하지만, 실측값이 아니라 누수량과 월류량 비율을 이용하여 부하량을 산정하고 있었다. 총량계획 수립 시 BOD에 대해서는 기준유량으로 저수량(Q275)을 적용하기 때문에 강우 시 수계로 배출되는 오염부하량을 반영하는 것에 근본적인 한계도 있다.
공공하수도 관리 제도 측면에서 2014년에 간이공공하수처리 규정을 신설한 것을 시작으로 강우 시 하수관리가 강화되고 있지만, 미처리 하수의 월류보다 강우 시 처리장으로 유입되는 초과 하수량의 적정 처리 및 방류수수질기준의 준수가 가장 중요한 사안이다. 2022년부터 대표 우수토실을 대상으로 미처리 하수를 측정하지만, 미처리 하수가 방류되는 수체의 수질을 측정하지 않는 한계도 존재한다.
비점오염원 관리 정책수단 대부분이 국고보조와 같은 지원책 위주로 설계되어 관리 제도의 강제성이 약하거나 이행이 담보되지 못하는 문제가 있다(표 1 참조). 현재 CSOs에 대한 모니터링 의무만 부과될 뿐, CSOs 발생 횟수나 오염도에 대한 규제는 없는 상황이다. 개발사업과 폐수배출사업장에서 발생하는 강우유출수에 대해서는 허가에 준해 운용되는 비점오염원 설치신고제도를 통해 관리되고 있지만, 신고 대상이 아닌 건물, 도로 등 일반 도시에서 발생하는 강우유출수에 대해서는 관리 제도가 별도로 마련되어 있지 않다. 무엇보다 CSOs와 강우유출수는 지자체가 관리하는 우수토실이나 하수관로 등 하수도시설을 통해 수계로 유입되는데, 이들 하수도시설의 설치 및 운영관리 주체인 공공하수도관리청, 즉 지자체에 부과되는 책임이나 의무의 수준이 개발사업 시행자나 폐수배출사업장에 부과되는 수준보다 약하다는 문제가 있다.
2.3 국내외 하수월류수 및 강우유출수 관리 제도 비교
미국과 영국은 CSOs가 배출 허가를 받아야 하는 점오염원임을 명확하게 규정하며, CSOs 방류로 인해 방류수체의 수질기준이 초과하지 않도록 포괄적이고 면밀하게 CSOs를 관리하고 있다. 2024년에 EU는 하수처리인구가 많은 도시부터 CSOs를 포함한 ‘도시하수 통합관리계획’을 수립하도록 도시하수처리지침(UWWTD)을 개정하였다. 일본과 한국은 방류수역의 수질기준 달성·유지보다는 하수도 정비 차원에서 CSO 관리 대책을 추진하고 있다. 일본은 2000년 초부터 CSO 관리에 착수하였고, 이후 중요 수역에 대해 CSO 관리를 촉진하는 정책 개선안을 2000년대 말에 발표하였다. 한국은 2010년대 들어 내수침수에 대응하여 관로 용량 확대, 하수관로 준설 등이 진행 중이며, 수질관리 관점에서는 2014년에 발표된 ‘강우시 하수관리 정책방향(안)’에 따라 간이공공하수처리시설 설치 및 미처리 하수 모니터링이 이행되고 있다. Wang et al.(2024), pp.1050-1069.
국내에서도 CSO 관리 필요성에 대한 인식이 높아지고 있지만, CSOs 관리기준이 설정되어 있지 않고, CSOs 관리계획 수립 의무도 부재하므로 미국, 영국 등 선진국에 비해 CSOs 관리 제도의 완결성이 부족한 상황이다.
미국과 영국에서 강우유출수는 CSOs처럼 하천으로 배출되는 경우 환경청의 허가를 받아야 하는 점오염원에 해당한다. 특히 미국은 방류수체에서 수질기준이 달성·유지되도록 강우유출수에 포함된 오염물질의 농도나 부하량의 상한을 규제하는 정교한 허가 제도를 채택하고 있었다. 그 외 독일을 비롯해 대부분 유럽 국가에서는 도시계획 차원에서 지자체 단위로 LID의 적용을 유도 또는 강제하고 있었다. 한편 중국은 도시가 갖춘 빗물의 침투·저류 능력을 키우는, 스펀지 도시(Sponge City)에 관한 시범 사업과 연구를 활발하게 진행하고 있다. 한국은 2000년대 비점오염원 설치신고제 등이 도입되면서 비점오염원 관리 차원에서 도시지역 강우유출수의 관리가 진행되었으며, 2010년대에 들어 저영향개발(LID) 및 그린빗물인프라(GSI)에 관한 인식이 높아지면서 도시 물순환 회복 관점에서 강우유출수 관리로 확장되었다. 그러나 비점오염원 설치신고 대상인 개발사업과 폐수배출시설(사업장)을 제외하고는, 높은 오염도의 강우유출수가 발생하여 수계로 배출되는 지역을 관리하는 강제성 있는 제도가 없는 점은 한계로 판단된다.
3. 점오염원 수준의 하수월류수 및 강우유출수 관리 방안
3.1 공공수역 수질관리 제도 개선 방안
강우 시 수질 악화는 인간의 물이용보다 수생태계에 더 큰 악영향을 미친다. 따라서 어류폐사를 방지하려면 BOD나 DO의 수질을 평균값이 아니라 백분위수처럼 악영향을 유발하지 않는 상한값으로 평가하고 관리 목표를 정해야 한다. 어류폐사와 관련성이 높은 부유물질(SS)의 생활환경기준도 재검토해야 한다. 현재 하천의 SS 기준은 매우 좋음(Ⅰa)부터 보통(Ⅲ) 등급까지 모두 25mg/L이며, 약간 나쁨(Ⅳ) 등급의 기준은 100mg/L로 등급 간 기준값의 차이에 일관성이 없어 개정이 필요하다.
WHO, 미국, 영국 등은 친수활동이 이루어지는 수체에 대해 분원성 대장균군, 조류독소 등에 대한 수질 가이드라인을 설정하고 친수활동 시기 수질을 감시한다. 현재 생활환경기준에 총대장균군과 분원성 대장균군 각각에 대한 기준(군수/100mL)이 등급별로 설정되어 있지만 목표기준으로 설정되지 않아 수질 평가가 이루어지지 않는다. 보건학적 관점에서 기준값(magnitude)과 기준 초과 기간(duration) 및 빈도(frequency)가 결정되어야 한다. 한편, 전체 하천·호소에서 물과 접촉하는 친수활동이 이루어지는 것은 아니므로, 친수활동 수질기준을 설정하더라도 전체 수체가 아니라 수상레저, 강수욕장이나 야외수영장처럼 물과 접촉할 가능성이 있는 수체를 대상으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
3.2 점오염원 수준의 합류식하수도 월류수 및 강우유출수 관리 방안
CSOs에는 유기물질과 미생물이 고농도로 존재하며 때에 따라 중금속 등 유해물질이 포함되어 있으므로 ｢물환경보전법｣ 제15조(배출 등의 금지)의 연장선에서 미처리 하수를 공공수역으로 배출하는 행위 또한 원칙적으로 금지하는 것이 타당하다고 판단된다. 목표강우량을 초과하는 수준의 강우 사상을 CSOs가 발생할 수밖에 없는 ‘정당한 사유’로 정의하고 공공하수도를 운영하는 지자체(공공하수도관리청)가 목표강우량 이내 강우 시에 CSOs를 공공수역으로 방류하는 행위는 원칙적으로 금지할 필요가 있다. 비점오염원 설치신고 대상 개발사업 및 사업장을 대상으로 강우유출수에서 배출 금지 기준을 초과하는 수준의 SS가 측정되는 경우 환경청에 보고하도록 의무화할 수 있다.
미처리 하수의 수량·수질을 측정하고 있지만 조사에만 그칠 뿐 수질 영향에 대한 평가로 이어지지 않는다는 문제가 있다. 모니터링 대상 우수토실의 판단기준을 구체적으로 규정하고, 지금까지 측정한 결과를 바탕으로 오염부하량이 높은 우수토실에 대해서는 방류지점의 하천의 수질을 측정하도록 하거나, 인접 수질측정망 자료와 연계 분석하도록 규정을 개정할 필요가 있다. 하수도정비기본계획의 수립·변경 시 시뮬레이션 결과를 포함하도록 계획수립 지침도 개정되어야 한다.
CSOs 발생 특성과 방류수체 영향이 처리구역마다 다르므로 타당성 검토가 필요한 저류시설 설치나 처리기술 적용보다는 관로의 유지관리 및 관로 시스템을 개선하는 대책을 먼저 추진해야 한다. 장마에 대비해 하수관로를 준설하여 통수 능력을 확보함으로써 도시침수 위험을 낮추고, 하수관로에 퇴적된 오염물질의 하천 방류로 인한 수질 악화를 예방하는 등 수질 개선 목적 외에 도시침수 등 현안이 되는 다른 분야의 대책과 연계하여 하수관로 정비를 확대할 수 있다.
3.3 점오염원 수준의 하수월류수 관리에 따른 영향 및 대응
CSOs를 관리하기 위해 저류시설과 우수토실 제어 시스템을 설치하는 대상 지역을 달리하여 비용을 추정하였다(표 2 참조). 사례 1은 전국의 합류식 처리구역에, 사례 2는 간이공공하수처리시설 설치 대상 지역인 방류수수질기준 Ⅰ·Ⅱ지역의 합류식 처리구역에 저류시설이나 우수토실 제어 시스템을 설치하는 경우를 가리킨다. 사례 3은 2022년 이후 미처리 하수의 수량·수질을 측정 중인 대표 우수토실이 속한 처리구역을 대상으로, 사례 4는 대표 우수토실에서 측정된 BOD 농도(EMC)가 간이공공하수처리시설 방류수수질기준(40mg/L)을 초과하는 처리구역에 한해 저류시설이나 우수토실 제어 시스템을 설치하는 시나리오이다.
전국의 합류식 처리구역에 CSOs 저류시설과 우수토실 제어 시스템을 설치하는 데 각각 3조 923억 원과 2,941억 원이 소요되는 것으로 추정되었다(표 3 참조). 기후에너지환경부 예산(국고)을 기준으로 2016~2025년 하수도 예산이 매년 2조 5,000억 원 수준임을 고려하면, 3조 원이 넘는 사업비는 상당한 수준이다. 그러나 사업비로 국고 외에 지방비가 투입되며, 여러 해에 걸쳐 예산이 투입되는 점을 고려한다면 추진할 수 없는 수준의 투자 규모는 아닌 것으로 판단된다. 월류수 수질이 간이공공하수처리시설 방류수수질기준을 초과하는 처리구역에 한정하여 저류시설을 설치한다면 사업비는 7,000억 원 수준으로 크게 낮아진다. 다만 전체 우수토실 중 극히 일부에 대해서만 월류수 수질·수량을 측정하고 있으며, 연 2회 수준의 측정으로는 오염도를 정확하게 파악하는 데 한계가 있다는 점을 고려한다면, 7,000억 원은 CSOs 관리가 시급한 지역에 대한 1단계 사업비로 간주해야 할 것이다.
빗물의 자연적인 침투·저류 기능을 활용하는 그린 인프라를 ‘적정한 규모로, 적합한 위치에’ 적용한다면, 전통적인 회색 인프라와 비슷하거나 더 낮은 비용으로 하수월류수와 강우유출수를 관리할 수 있다. 미국 포틀랜드, 시애틀, 시카고, 워싱턴DC 등은 불투수면 개선 등 그린 인프라 대책을 적용하여 하수저류터널 건설비를 절감한 사례가 있다. 다만 그린 인프라 적용 시 경제성은 강우유출수 관리 비용 감소만으로는 확보되지 않으며, 오픈 스페이스 확보, 식생저류지 설치 등으로 인해 부지 조성 비용과 도로 포장 비용이 낮아져 개발 비용이 줄어드는 것으로 나타났다.
4. 결론
합류식 처리구역에서 발생하는 CSO의 BOD 농도(EMC)는 IV지역 방류수수질기준(10mg/L)을 대부분 초과하며, 간이공공방류수수질기준(40mg/L)을 초과하는 시료도 빈번하게 발생하였다. 분류식 처리구역에서 발생하는 강우유출수의 BOD 농도(EMC)는 CSO에 비해 낮은 수준이었지만, SS의 농도가 Ⅳ지역 방류수수질기준(10mg/L)을 대부분 초과하였다. 강우 시에 하천수질이 악화하는 현상은 본류보다는 지류에서 더 뚜렷하게 관찰되었다.
서울시나 부산시의 도심하천에서 강우 시 CSOs 유입으로 수질이 크게 악화하는 문제를 확인할 수 있었고, 특히 여름철 분원성 대장균군의 농도가 생활환경기준 Ⅲ등급(1,000군수/100mL)을 크게 초과하는 문제를 확인할 수 있었다. 오염도가 높은 CSOs나 SSOs가 하천으로 유입되면서 용존산소가 감소하여 어류폐사가 발생하며, 강우 시 높은 농도의 인이 빗물과 함께 하천으로 배출되면서 조류 대발생을 일으키는 등의 문제를 다룬 국외 논문을 확인할 수 있었다. 특히 CSOs는 미국과 유럽에서 수영용수의 미생물 기준을 초과하게 만드는 주요 원인으로 대두되고 있으며, 국내 해수욕장에서도 CSOs로 인한 미생물 수질오염 문제가 발생하고 있었다.
국내에서는 CSOs와 강우유출수를 비점오염원으로 간주하며 간이공공하수처리시설이나 비점오염원 설치신고제 등 일부 제도를 제외하면 의무적인 정책 수단이 아니라 지원을 통한 자발적인 수단으로 관리한다. 반면 미국과 영국은 CSOs나 강우유출수를 하천으로 방류하려면 사전에 환경청의 허가를 받아야 하는 점오염원으로 정의하고, 즉각 시행해야 하는 단기적 대책과 대규모 시설 개선이 수반되는 장기적인 대책을 병행하여 추진하고 있었다.
강우 시 CSOs와 강우유출수 방류로 인한 물환경 문제를 해결하려면 강우 시 어류폐사를 일으키는 용존산소와 부유물질에 관한 생활환경기준을 재정의하고 적절한 평가 방법을 마련할 필요가 있다. 물과 접촉하는 친수활동에 대해 미생물 수질기준을 설정하고, 생활환경기준으로 설정된 총대장균군 및 분원성 대장균군 수질을 평가하는 방안을 마련해야 한다. 특히 연구진은 ｢물환경보전법｣을 개정하여 미처리 하수의 공공수역 배출 금지를 명문화하며, 공공수역 토사 유출 행위에 대한 감시를 강화하는 것을 제안한다.
하수도 시스템 측면에서는 지금까지 구축된 미처리 하수 측정 자료를 이용하여 방류수체의 수질 영향을 평가하고, 하수도 유지관리기법 및 하수관로 시스템 개선 등 비구조적 대책을 먼저 추진할 필요가 있다. 이러한 하수관로 정비 대책으로 수질 개선 외에도 도시침수 방지, 하수악취 개선, 지반침하 예방 등 다방면에서 효과를 기대할 수 있다. CSOs 문제를 근본적으로 개선하려면 하수저류시설 설치와 같은 구조적 대책이 불가피하다고 판단되며, 연구진은 상수원을 중심으로 분류식 전환 계획이 없는 합류식하수도부터 CSOs 저류시설을 설치하는 방안을 제안하였다. 전국의 합류식 처리구역에 CSO 저류시설을 설치하는 비용은 대략 3조 1,000억 원이 필요하지만, 문제가 되는 지역에 한해 저류시설을 설치하거나 전통적인 대책과 그린 인프라를 적절하게 혼합하여 적용한다면 시설 투자 규모를 축소할 수 있을 것으로 판단된다.