KR20050087948A - 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보방법 및 그 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 제방사면에 설치되고, 처리수가 유입되는 제1투수성 여재; 상기 제1투수성 여재를 통과한 처리수가 저장되는, 하천의 둔치 영역의 지하 일측에 설치되는 저류조; 및 상기 저류조로부터 방류된 처리수가 유출되는 하천 저수로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물을 개시하고, 처리할 처리수를 제방사면에 설치된 제1투수성 여재에 통과시키는 단계(S1); 상기 제1투수성 여재를 통과한 처리수를 둔치 영역의 지하 일측에 설치되는 저류조에 저장하는 단계(S2); 상기 저류조내에 저장된 처리수를 하천 저수로로 방류하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법을 개시한다. 본 발명의 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물에 따라, 우수를 이용하거나 혹은 오수를 하천으로 도수하여 재이용함으로써 갈수시 특히 유량 확보가 어려운 지역에 설치하여 양질의 유량을 확보하고,이를 안정적으로 공급함과 동시에 수질을 개선함으로써, 건천화에 따른 유량부족 및 수질오염 문제점 해결에 기여할 수 있다. 또한, 하천의 제방사면 및 둔치 공간, 저수로 호안등 공간을 효율적으로 이용함으로써, 부지 선정에 어려움이 없고, 넓은 부지를 필요로 하지 않는 등 비용 및 유지관리 측면에서도 적합하다.

Description

제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물{Method to assure maintenance streamflow of waterways using the slope of embankment and underground space of waterside and construction used therein}

본 발명은 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물에 관한 것으로, 상세하게는, 제방사면에 설치된 투수성 여재와 둔치지하 공간에 매설된 저류조를 통해, 갈천시 우수나 오수등을 활용하여 유지유량을 충분히 확보함으로써 하천의 건천화를 방지하고, 또한, 수질 개선 효과를 갖는, 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 하천 유지유량은, 하천의 유지관리상 주요한 지점에서 하천의 정상적인 기능 및 상태를 유지하기 위하여 필요한 유량을 의미한다.

본 발명에 있어서, 처리수란, 하천 유지유량의 확보를 위하여 유입되고, 하천 유지유량 확보를 위한 방법 및 그를 위한 구조물에 따라 처리되고, 그 처리후 하천으로 유출되는, 오수(汚水) 또는 우수(雨水)등의 대상수를 의미한다.

산업화, 도시화에 따른 녹지개발, 아스팔트화등은 불투수층 면적의 증가를 가져오며, 이는 수문학적인 측면에서 기존의 지하수량에 의해 보충되는 수량의 감소를 야기한다.

따라서, 강우사상이 발생되면 단기간 내에 하천의 모든 유량이 유출되어 버리고, 비가 오지 않는 기간에는 지하수량이 부족하여 하천이 고갈되는 현상이 발생하게 된다.

이와 같은 중, 소하천의 건천화에 따른 하천 유지유량의 부족은 하천을 중심으로 한 각종 농경지의 농업용수 및 산업용수의 부족을 초래하고 또한 수질오염을 가중시켜 하천수의 효율적 이용을 어렵게 만들며, 이로 인해 파생되는 2차적인 비용증가는 경제적인 측면에서 많은 손실을 유발한다.

더욱이, 중, 소하천의 건천화는 상기와 같은 경제적인 측면뿐만 아니라, 최근 지역주민의 관심이 증대되고 있는 친수기능에도 장애를 가져오고 있다. 즉, 하천의 건천화로 인하여 풍부한 수량에 의한 풍요로운 지역 이미지가 없어져 황량한 느낌을 주게 되며, 또한 건천화로 인하여 악화된 수질은 심한 악취를 풍겨 지역 주민에게 기피의 대상이 되고 있고, 각종 해충이 번식할 경우 공공의 보건에도 심각한 악영향을 미치게 된다.

이와 같은 건천화에 따른 문제점은 대도시 대부분의 중, 소하천에 상존하고 있다. 예를 들어, 대한민국 경기도 내 중, 소하천들은 농업용 저수지와 하류에 위치한 하수 처리장까지 관거를 통해 하수가 이송되는데, 중, 소규모 수문 순환 단계가 인위적으로 단절되어 현재 심각하게 건천화되어 있고, 나아가 평상시 유입되는 오염물질과 강우 시 유입되는 비점오염 물질의 영향 등으로 인하여 수질도 매우 열악한 상태에 있다.

따라서, 하천의 건천화에 기인한 상기한 문제점들을 해결하기 위하여는, 하천의 안정적인 유지용량 확보가 반드시 필요하다.

이와 같은 안정적인 유지용량의 확보를 위해서는, 중, 소규모의 댐 건설이 절실히 요구되며, 이는 특히 연도별, 지역별, 계절별로 강수량 차이가 심하고 변화의 폭이 커 수자원 관리에 매우 불리한 대한민국의 강우특성상 더욱 그러하다.

그러나, 환경 및 생태적인 측면과 사회적인 문제, 부족한 토지 등으로 인하여 중규모 이상 유역 차원의 수자원 확보는 실질적으로 어려운 상황에 직면해 있다.

따라서, 중, 소규모의 댐건설등이 없이도 유지유량을 확보할 수 있는 적절한 방안이 요구되며, 예를 들어, 하도저류시설, 하수처리장 이용, 지하수 이용, 역순환시설 등의 여러 가지 건천화 방지책을 통하여 하천 유지유량을 확보하고 있다.

종래 건천화 방지 시스템은, 유량의 공급 및 조절, 수질 개선등의 측면에서,일반적으로, 단순 이송을 통한 방류, 습지를 통한 방류, 산화 저류조를 통한 방류, 침투를 통한 방류 등으로 나눌 수 있다.

먼저, 단순 이송을 통한 방류는, 하수처리장으로부터 파이프를 통해 하수처리수를 상류부로 도수한 후 하천에 방류하는 방법으로 시스템이 단순하기 때문에 유지관리가 용이하지만, 수질개선 효과가 거의 없고, 하천 유입수의 수질이 하수처리장의 처리효율에 직접적인 영향을 받는 단점을 가지고 있다.

다음으로, 습지를 통한 방류는, 하수처리수를 상류로 도수 후 자연습지나 인공습지를 통하여 하수처리수의 수질을 한번 더 개선하여 하천으로 방류시키는 방법이다. 이 방법은 자연친화적이므로 생태계의 회복이 가능하다. 그러나 습지 조성을 위해 넓은 부지가 필요하고, 여름철 모기 등의 해충 서식으로 인한 문제점을 가지고 있다.

다음으로, 산화 저류조를 통한 방류는, 하수처리수를 상류로 도수하는 중간부에 지하 저류시설 및 산화처리조를 통과하게 함으로써 하수처리수의 수질을 개선하여 하천으로 방류하는 방법으로 하천 유입수 전체를 동일한 수질로 개선할 수 있다. 그러나 상류로 도수 중에 저류시설 및 산화처리조를 건설함에 따라 실제 하천으로 방류 시에는 유량 조절이 어렵고 시스템에 문제가 발생하였을 경우 유량 공급이 어려워진다는 단점을 가지고 있다.

다음으로, 침투를 통한 방류는, 하수처리장에서 처리되어 도수된 처리수를 하천에 직접 방류하지 않고, 땅속에서 토양을 통해 지하수나 하천으로 방류시키는 방법으로, 토양을 통해 처리수의 수질을 어느 정도 개선할 수 있다는 효과를 가진다. 그러나 토양의 유지관리가 어렵고, 방류량을 조절하기도 어렵다는 단점을 가지고 있다.

이와 같이, 상기 방법들은 유량의 공급 및 그 공급의 조절, 소요 부지 선정 및 확보등의 경제적 측면, 유지 관리 측면, 기타 수질 개선등에서 문제점이 있으며, 따라서, 종래의 유지유량 확보 방법과 달리, 건천화를 방지하기 위한 유지유량의 공급 및 그 공급의 조절이 용이하고, 부지 선정, 확보에 따른 비용이나 기타 유지 관리 비용을 최소화할 수 있으며, 나아가 적절한 여재를 활용할 경우에는 수질 개선까지 달성할 수 있는, 하천 유지유량 확보 방법 내지 그 구조물이 요구된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,

본 발명의 목적은, 종래의 하천의 건천화 방지 시스템과 달리, 용이하게 유지유량을 공급하고, 그 공급을 조절함에 따라, 하천의 건천화를 방지하면서도, 소요 부지 선정, 확보에 따른 비용 기타 유지 관리 비용을 최소화할 수 있고, 나아가 적절한 여재의 활용하기가 쉬워 수질 개선의 달성이 용이한, 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 제방사면에 설치되고, 처리수가 유입되는 제1투수성 여재; 상기 제1투수성 여재를 통과한 처리수가 저장되는, 하천의 둔치 영역의 지하 일측에 설치되는 저류조; 및 상기 저류조로부터 방류된 처리수가 유출되는 하천 저수로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물에 의해 달성된다.

그리고, 상기 하천 저수로는, 그 호안에, 상기 처리수가 통과하는 제2투과성 여재가 설치된 것이 바람직하고, 상기 구조물은, 상기 저류조에서 상기 하천 저수로로 처리수를 방류하기 위한, 둔치 영역의 지하에 매설된 방류관을 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 구조물은, 처리할 처리수를 저장하고, 상기 제1투수성 여재에 상기 저장된 처리수를 방류하는, 저장조;를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 구조물은, 오수원으로부터 오수를 상기 저장조로 도수하는 오수 도수관;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 구조물은, 상기 제1투수성 여재 또는 상기 제2투수성 여재가, 다공성 콘크리트, 식생 콘크리트, 또는 다공성 콘크리트 및 식생 콘크리트인 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 목적은 또한, 처리할 처리수를 제방사면에 설치된 제1투수성 여재에 통과시키는 단계(S1); 상기 제1투수성 여재를 통과한 처리수를 둔치 영역의 지하 일측에 설치되는 저류조에 저장하는 단계(S2); 상기 저류조내에 저장된 처리수를 하천 저수로로 방류하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법에 의해 달성된다.

그리고, 상기 S3 단계는, 상기 처리수가 하천 저수로로 방류되기전 호안에 설치된 제2투수성 여재를 통과시키는 단계(S3-1);를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 S1 단계는, 오수원으로부터 도수한 오수를 처리할 처리수로서 제1투수성 여재에 제공하는 것이 바람직하며, 상기 방법은, 제1투수성 여재 또는 제2투수성 여재로서, 다공성 콘크리트, 식생 콘크리트, 또는 다공성 콘크리트 및 식생 콘크리트를 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보 방법 및 그 구조물을 상술한다.

본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보 방법 및 그 구조물은, 하천의 둔치 영역 지하 공간에 설치된 저류조를 통해, 오수나 우수 즉 빗물을 저장하고 이를 하천의 저수로로 방류하며, 이때, 그 방류량을 조절함으로써, 하천의 유지유량을 용이하게 확보하여 하천의 건천화를 방지하고, 또한 제방사면 및/또는 저수로 호안의 공간에 처리수의 유입 유량 조절과 정화를 위한 투수성 여재를 설치함으로써, 유량 조절 및 수질 개선을 달성하며, 상기 오수 또는 우수의 유입시, 저장조내의 오수 또는 우수가 투수성 여재로 자연 유하되도록 함에 따라 도수를 위한 별도의 복잡한 설비를 배제할 수 있으며, 상기와 같이 제방사면, 둔치 지하 공간 및/또는 호안을 이용함으로써 건천화 방지를 위해 소요되는 부지 선정 및 확보에 필요한 비용과 기타 유지 관리 비용을 최소화할 수 있다는 기술적 사상을 바탕으로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보용 구조물에 대하여 상술한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보용 구조물을 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 구조물은, 크게, 하천의 제방사면 영역(10), 하천의 둔치 영역(20), 하천의 저수로 영역(30)을 갖는 구조물에 있어서, 제방사면(11)에 설치된 제1투수성 여재(12)와, 상기 제1투수성 여재(12)를 통과한 처리수를 저장하는 둔치 지하 공간에 설치되는 저류조(23) 및 상기 저류조(23)로부터 방류되는 처리수가 유출되는 하천 저수로(31)를 포함하며, 이에, 상기 하천 저수로(31)의 호안(33)에 설치되는 제2투수성 여재(32)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1투수성 여재(12)는 제방사면(11)에 설치되어 오수나 우수의 투과를 위한 1차 사면 접촉조를 형성한다.

상기 제1투수성 여재(12)는 특히 정화기능을 부가할 수 있고, 이를 위해 예를 들어 다공성 콘크리트나 식생 콘크리트를 사용할 수 있으며, 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트를 병용할 수 있다.

상기 다공성 콘크리트(porous concrete)는 굵은 골재에 페이스트(paste)를 부착시켜 만든 콘크리트로, 연속적인 공극구조(no-fines concrete) 특성 및 콘크리트의 일반적 성능과 기능을 만족시켜, 또한 환경 조화성 및 쾌적성을 보유한다. 또한 다공성 콘크리트는 투수성과 투기성이 우수하다는 것 외에 연속 공극부가 생물의 생식 공간에 이용되므로 생태계와의 조화 및 공생을 유지할 수 있어, 환경 부하 저감용으로도 적합하다.

상기 식생 콘크리트는, 다공성 콘크리트를 바탕으로 하는 것으로, 콘크리트 내에 식물이 성장할 수 있는 식생기능과 콘크리트의 기본적인 역학적 성질을 바탕으로 한다.

식생 콘크리트의 경우, 식물이 살아가기 위한 빛, 성장에 필요한 공간, 대기 및 토양 등 4가지의 조건이 반드시 요구되므로, 콘크리트에 직접 식물을 배양하기 위해서는 콘크리트에 토양과 동일한 기능을 부여하는 것이 필요하다.

이와 같이 식물의 씨앗이 발아하거나 식물이 뿌리를 내리고 성장할 수 있는 충분한 공간을 제공하기 위해서는 콘크리트 내부에 공극이 많고, 물이 통할 수 있는 연속공극이 형성되어 있어야 한다.

또한, 일반적으로 토양에는 식물이 성장할 수 있는 적정한 pH(보통 5 ~ 8, 높은 경우 9.5정도)의 수분이 함유되나, 콘크리트의 경우에는 시멘트가 수화되면서 생성되는 수화물의 영향으로 강알칼리성을 나타내므로, 식생 콘크리트 제조시에는 콘크리트의 중화처리가 수반되어야 한다.

식생 콘크리트는 다공성 콘크리트에, 표층 객토, 충전재로서의 배양토, 골재, 부직포, 흙등이 포함되며, 식생 콘크리트에는 잔디, 띠, 크로바, 코스모스, 채송화 등의 초본 식물들이 주로 사용된다.

상기 저류조(23)는 상기 제1투수성 여재(12)를 통과하여 처리된 처리수를 저장하며, 이후 하기하는 바와 같은 저수로(31) 또는 제2투수성 여재(32)에 그 저장되었던 처리수를 방류하는 것으로, 하천 둔치 영역의 일측 지하에 매설되도록 하면 지하 공간을 활용할 수 있게 되어 유용하다.

상기 방류시 방류관(24)을 이용하도록 하는데, 상기 방류관(24) 역시 둔치 영역(20)의 지하에 매설하도록 한다.

상기 제2투수성 여재(32)는 상기 저류조(23)로부터 방류된 처리수를 2차 정화 처리하기 위한 것으로, 호안(33)에 설치되어 2차 사면 접촉조를 형성한다.

상기 제2투수성 여재(32)는 상기 제1투수성 여재(12)가 동일한 것을 사용할 수 있으며, 정화 기능의 부가를 위해, 특히 다공성 콘크리트 및/또는 식생 콘크리트를 사용하도록 한다.

그리고, 상기 제1 및 제2투수성 여재의 사용시에는, 특히 구조물의 운전을 조기에 정상화하기 위하여, 투수성 여재를 하천에 소정 시간동안 우선 침지시켜, 부착 조류에 의한 부착막이 형성되도록 한 후 사용할 수 있다.

유지 유량 확보를 위하여 특히 오수를 이용하는 경우 오수원(45)으로부터 오수를 도수하기 위한 도수관(46)을 더 구비할 수 있으며, 이와 같이 도수관(46)에 의해 도수된 오수는 상기 제1투수성 여재(12)를 갖는 1차 사면 접촉조에 공급되기 전, 일시적으로 처리수의 저장조(47)에 저장될 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보 방법에 대하여 상술한다.

본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보 방법은, 오수나 우수등을 도수 또는 직접 유입 방법을 통해, 이를 처리수로서 저장조에 일시적으로 저장한 후, 자연 유하 방식에 의해, 그 처리수를 제방사면(11)에 설치된 제1투수성 여재(12)에 통과시키도록 한다(S1),

상기 제1투수성 여재(12)는 제방사면(11)에 설치된 것이고, 앞서 설명한 바와 같이 다공성 콘크리트 및/또는 식생 콘크리트로 구성되어 적절한 유량의 투수를 위한 기능뿐만 아니라 그 정화 효율을 높일 수 있으므로, 특히 오수를 이용하더라도 수질 개선을 달성할 수 있다. 즉, 이 경우, 상기 제1투수성 여재(12)가 설치된 제방사면(11)은 여과지로 이용된다.

상기 저장조에 특히 오수를 유입하여 처리수로서 저장하는 경우, 예를 들어 하수처리장등의 오수원(45)에서 처리된 최종 방류수를 제방사면(11)의 상류부로 정량펌프등을 이용하여 도수관(46)을 통해 도수하고, 이를 일시적으로 오수 저장조(47)에서 일시적으로 저장한 후, 일정한 시간동안 자연 유하시켜 제1투수성 여재(12)에 통과시킨다.

이와 같이 제1투수성 여재(12)를 통과하여 처리된 처리수는 둔치 영역(20) 지하에 매설된 저류조(23)에 저장된다(S2).

상기 저류조(23)에 저장된 후, 그 저장된 처리수의 방류를 제어하면, 하천으로 유출되는 유량의 공급 및 그 조절을 용이하게 할 수 있다. 이와 같이, 상기 저류조(23)에 저장되어 있던 처리수는 필요시 그 방류가 제어된 상태에서 방류되며, 이때, 방류는 둔치 영역 지하에 매설된 방류관(24)을 통하여 이루어진다(S3).

상기 방류는 하천의 저류조(23)로 직접 이루어질 수 있으며, 특히 오수의 경우 그 정화율을 더욱 높이기 위하여 상기 처리수가 하천 저수로(31)로 방류되기전 호안(33)에 설치된 제2투수성 여재(32)를 2차로 통과시켜 2차 정화 효과를 달성한다(S3-1).

이와 같은 본 발명에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보 방법 및 그 구조물은, 하천의 둔치 영역, 제방사면, 저수로, 호안의 형태에 따라 다양한 규모와 형상으로 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것이 아니고 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있으며, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.

[실시예]

본 실시예에서는 제방사면 영역, 둔치 영역, 저수로 영역을 갖고, 제방사면(11) 및 호안(33)에 각각 투수성 여재(12, 32)를 가지며, 둔치 지하 공간에 저류조를 갖는 하천을 모델로 하는, 연속 흐름 반응조를 제작하였다.

도 2는 본 실시예에 따라 제작된 연속 흐름 반응조를 나타내는 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 연속 흐름 반응조는 유입되는 유입수의 저장조, 제1투수성 여재가 설치된 제방사면에 해당하는 제1사면 접촉조, 저류조, 제2투수성 여재가 설치된 호안에 해당하는 제2사면 접촉조 및 저수로를 포함하는 연속 흐름 반응조로서, 길이 1m 30cm, 폭 50cm, 높이 58cm(총 용량 90ℓ)를 갖는다.

상기 연속 흐름 반응조는 경희대학교 교내 하수처리장내에서 실제 현장조건과 동일하게 설치되었으며, 강우 등 인위적 조건을 배제시킬 수 있고 햇빛이 투과할 수 있는 지붕을 설치하였다.

운전은 각각 10일동안 실시하였으며, 그 체류시간을 35분으로 조절하였다.

상기 유입된 오수의 시료는 경희대학교 내 하수처리장의 최종 침전조로부터 정량펌프를 사용하여 유입시켰으며, 유출수가 안정된 시점부터 매일 일정한 시간에 채수를 실시하였다.

상기 제1 및 제2투수성 여재(12, 32)로서는 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트를 이용하였으며, 연속 흐름 반응조의 운전을 조기에 정상화시킬 수 있도록 하천에 12일간 침지시킨 후, 부착조류에 의한 부착막이 형성된 것을 사용하였다.

도 3은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 나타내고, 도 4a 및 4b는 본 실시예에 따른 식물이 식재된 식생 콘크리트의 예들을 나타낸다.

상기 다공성 콘크리트 및 이를 기초로 하는 식생 콘크리트를 제작하는 과정은 다음과 같다.

다공성 콘크리트의 경우, 골재 자체가 형성하는 총 공극율(골재의 공극율)에 대해 시멘트 풀(Cement paste)이 이에 충진됨으로써 형성되는 공극율을 이론 공극율(배합 상 설계된 공극율)이라 하였다.

다공성 콘크리트의 제작을 위하여, 골재측량 과정, 시멘트 측량 과정, 배합과정, 몰드과정, 채우기 과정, 다지기과정, 건조과정을 거쳤다. 즉, 골재와 시멘트를 측량한 후 물을 혼합하여 배합하였고, 몰드(20×10×5cm)에 채운 후 30회씩 다짐을 실시하여 제작한 후 측정재령일(7일)까지 표준 습윤 양생을 실시하여, 도 3에 도시된 바와 같은, 다공성 콘크리트를 제조하였다.

표 1은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트의 배합비를 나타낸다.

이론적 공극률(%)%)	W/C	P/A	W	단위 부피(kg/m3)		단위 부피(kg/m3)
				C	A	C	A
30	25	12	32	43	625	135	1,588

W:물(water), P:풀(paste), C:시멘트(cement), A:집합물(aggregate)

시멘트는 비중 3.15의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement)를 사용하였고, 쇄석은 비중이 2.54이고, 평균 크기가 9 ~ 13 mm이었다.

식생 콘크리트의 경우, 식물이 성장하기 위해서는 적당한 pH(보통 5 ~ 9, 높은 경우 9.5정도)를 필요로 하므로, 제작된 다공성 콘크리트를 흐르는 수돗물에 1주일간 방치하여 알칼리 성분을 제거한 후, 노랑 꽃창포를 일정한 크기의 용기 아래에 다공성 콘크리트를 깔고 그 위에 노랑 꽃창포를 놓아, 뿌리가 다공성 콘크리트를 관통하여 식물이 콘크리트 내에 정착하도록 하여, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같은, 식생 콘크리트를 제작하였다.

본 실시예에서는 상기 제작된 다공성 여재 및 식생 콘크리트의 현장 적용 가능성 판단의 기초가 되는 물리적, 화학적 특성 평가를 목적으로 압축강도, 중화처리 유무에 따른 알칼리 용출(pH) 특성을 측정하였다.

우선, 중화 처리 효과 측정을 하였는데, 콘크리트는 시멘트가 수화되면서 생성되는 수화물의 영향으로 강알칼리성을 나타내므로 식물성장을 위해서는 희석된 염산용액등의 첨가와 같은 중화처리가 동반되어야 한다.

본 실시예에서는 다공성 콘크리트에 있어서, 중화처리 유,무에 따른 pH 변화를 알아보기 위하여, 1N의 염산용액을 수돗물에 희석하여 중화처리를 한 경우 및 상기 중화 처리를 하지 않았을 경우 총 2가지 조건에서, 다공성 콘크리트를 침지시키고 수돗물을 흘려보낸 후 시간에 따른 수소이온농도(pH)를 KS M 0011의 방법으로 측정하였다.

도 5는 시간에 따른 수소 이온농도의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 중화처리를 하기전의 pH는 12 이상이었으나, 중화처리 후, pH는 8.25로 급격히 감소하였고, 재령 경과에 따라 pH 9 전후로 증가하였다가 28시간 후 pH 는 7.0으로 안정화되는 것으로 나타났다.

그리고, 상기 중화처리를 하지 않았을 경우, 시간에 따른 pH 감소속도는 상기 중화처리를 한 경우 보다 느리지만, 28시간 후 pH는 7.5로 나타났고, 따라서 식물의 성장에 장해가 없으로 것으로 나타나 실제 하천 적용에 적합함을 알 수 있었다. 한편, 상기 중화처리를 한 경우, 초기에 pH 값을 크게 낮출 수 있음을 알 수 있었다.

식물이 성장하기에 적합한 pH는 보통 5 ~ 8 또는 높은 경우 9.5인 것으로 알려져 있으므로, 본 실시예에서는, 상기와 같은 중화처리 유,무에 관계없이, 다공성 콘크리트를 흐르는 물에 일정 시간(약 28시간)동안 침지시킨다면 용출되는 알칼리 성분이 물에 세척되어 pH가 낮아지므로, 그 이용시에도 식물의 성장에 크게 영향이 없음을 알 수 있었다.

그리고, 압축강도에 대한 측정을 다음과 같이 하였다.

제작된 공시체의 압축강도는 7일 재령 후 3개를 임의로 추출하여 실시하였다. 28일 강도는 콘크리트 설계기준에 규정된 재령별 압축강도 추정식을 사용하여 추정하였다. 하기 수학식1은 28일 압축강도의 추정식을 나타낸다.

상기 수학식1에서, f ₂₈ 은 28일 설계기준 압축강도를 나타내고, f _cu(t)는 t일에서의 압축강도를 나타내다.

그리고, β _cc(t)=exp[ β _SC(1-)]를 나타내고, 상기 β _SC 는 0.2인 경우 3종 시멘트를 나타내고, 0.25인 경우 1종, 5종 시멘트를 나타내고, 0.38인 경우 2종 시멘트를 나타낸다.

표 2는 상기 식으로 측정된 다공성 콘크리트 압축강도 결과를 나타내는 것이다.

수	이론적 공극률(%)	f cu(7)(kgf/cm2)	f 28(t)(kgf/cm2)
1	30	179	218
2		165	202
3		159	194

다공성 콘크리트의 28일 압축강도를 측정한 결과, 194 ~ 218 (평균 205)kgf/㎠의 강도를 보여주었다. 위와 같은 결과는 구조용 보통 콘크리트의 최저 압축강도 수준으로 알려진 180 kgf/㎠를 상회하는 것이며, 따라서 본 실시예에 있어서 하천의 투수성 여재로서 충분히 이용될 수 있음을 보여준다.

다음으로 배취 시험(Batch Test)를 통한 여재의 정화효율을 검토하였다.

다공성 콘크리트와 식생 콘크리트에 의한 유기물 제거 효율을 조사하기 위해 두 종류의 여재를 하천에 침지시켜 콘크리트 내부, 외부에 미생물을 부착시킨 후, 실험실로 옮기고, 그 각각을 별도로 제작된 배취 반응조에 넣고 배치 테스트를 수행하였다.

상기 배취 반응조로 유효용량이 5ℓ인 아크릴 반응조를 이용하였고, 배양실 조건(20℃, 8,000 ~ 10,000 Lux)에서 온도와 빛을 일정하게 유지하면서 수돗물과 Glucose를 혼합하여 유입수의 초기 DOC 농도를 약 30 mg/l로 조절하였으며, 반응조 내에 유입된 총 유량은 4 ℓ였다.

일정 시간간격으로 시료를 채취하여 여과한 후, DOC를 측정하여 두 여재에 부착된 미생물 군집량에 따른 유기물 제거효율을 조사하였다. 또한, 여재 종류에 따른 질소와 인의 제거효율을 알아보기 위해 일정시간 동안 채취한 시료를 여과한 후, 소정 항목 및 방법에 따른 측정 결과를 분석하였다.

표 3은 분석 항목과 분석 방법을 나타내는 것이다.

항목	분석 방법
NH4-N	Phenate Method
NO3-N	Ultraviolet Spectrophotometric Screening Method
PO4-P	Ascorbic Acid Method
DOC	Total Organic Carbon Analyzer(SHIMADZU : TOC-5000A)

도 6은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트의 유기물(DOC) 농도변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트의 유기물(DOC) 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트의 천체 평균 유기물 제거효율은 75%로 나타났으며, 다공성 콘크리트의 전체 평균 유기물 제거효율은 73%로 나타나 큰 차이를 보이지 않았다.

또한, 시간별로는 식생 콘크리트가 10시간 경과 후 30 mg/L의 유기물 농도가 4.2 mg/L로 나타나 제거효율이 86%로 가장 높게 나타났다. 다공성 콘크리트의 경우 12시간 경과 후 유기물 농도가 5.6 mg/L로 나타나 81%의 제거효율을 보였으며, 상대적으로 식생 콘크리트의 유기물 제거 속도가 빠른 것으로 나타났다.

이와 같이 측정된 유기물제거효율은 자연처리공법 설계 시 중요한 인자가 되는데, 즉, 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트를 이용한 접촉산화공정의 체류시간 결정 시 중요한 인자로 사용된다.

도 8은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 NH₄-N 농도변화를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 NO₃-N 농도변화를 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 PO₄-P 농도변화를 나타내는 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 질소 및 인 제거효율에 있어서, NH₄-N 농도의 경우 다공성 콘크리트의 제거효율은 10.96 ㎎/ℓ에서 5.88 ㎎/ℓ로 46%, 식생 콘크리트의 제거효율은 10.58 ㎎/ℓ에서 3.39 ㎎/ℓ로 68%인 것으로 나타나 식생 콘크리트의 제거효율이 약 22% 높게 나타났다.

또한 추세선의 기울기가 다공성 콘크리트 보다 식생 콘크리트에서 더 큰 것으로 나타나 시간에 따른 암모니아의 제거효율이 높음을 보여주었다.

이는 암모니아성 질소가 식물과 미생물에 용이하게 섭취되어지고, 식물 뿌리에 부착된 미생물이 유기질소를 분해하기 때문에 제거효율이 더 높게 나타난 것으로 보인다.

도 9에 도시된 바와 같이, NO₃-N 농도의 경우, 다공성 콘크리트의 제거효율은 2.65 ㎎/ℓ에서 0.08 ㎎/ℓ로 97%, 식생 콘크리트의 제거효율은 2.16 ㎎/ℓ에서 0.21 ㎎/ℓ로 90%로 나타나 다공성 콘크리트의 경우가 제거효율이 약 7% 높게 나타났다.

이는 식물 종에 따라 암모니아성 질소와 질산성 질소의 흡수 선호도가 다르기 때문으로 보이며, 식생 콘크리트의 경우, 초기에 NO₃-N 농도가 빠르게 감소하는 것으로 조사되었다.

도 10에 도시된 바와 같이, PO₄-P 농도의 경우, 다공성 콘크리트의 제거효율은 0.63 ㎎/ℓ에서 0.39 ㎎/ℓ로 38%, 식생 콘크리트의 제거효율은 0.62 ㎎/ℓ에서 0.36 ㎎/ℓ로 42%의 제거효율을 보였다.

이와 같이 식생 콘크리트에 의한 제거효율은 인보다 질소가 다소 높게 나타났는데, 이는 식물이 일반적으로 인보다 질소를 빠른 속도로 흡수하기 때문으로 보인다.

표 4는 24시간후의 상기 측정 결과를 나타낸 것이다. 표 4에서 단위는 mg/m³/day이다.

실험항목여재	유기물 제거	NH4-N	NO3-N	PO4-P
다공성 콘크리트	3,850	847	428	40
식생 콘크리트	3,733	1,198	325	43

표4에서 알 수 있듯이, 단위체적당 유기물 제거농도는 다공성 콘크리트의 경우 3,850 mg/m³/day로 조사되었고, 식생콘크리트의 경우 3,733 mg/m³/day로 나타났다.

NH₄-N의 제거농도는 다공성 콘크리트의 경우 847 mg/m³/day로 조사되었고, 식생콘크리트의 경우 1,198 mg/m³/day로 나타났다. NO₃-N의 제거농도는 다공성 콘크리트의 경우 428 mg/m³/day로 조사되었고, 식생콘크리트의 경우 325 mg/m³/day로 나타났다. PO₄-P의 제거농도는 다공성 콘크리트의 경우 40 mg/m³/day로 조사되었고, 식생콘크리트의 경우 43 mg/m³/day로 나타났다.

이와 같은 결과로부터 식생 콘크리트가 다공성 콘크리트에 비해 NH₄-N 제거능력이 눈에 띄게 월등함을 확인 할 수 있었으며, 다른 항목의 제거능력에서는 유사하거나 조금 낮게 나타나 식생 콘크리트가 여러 측면에서 수질정화에 보다 유리한 접촉 여재임을 알 수 있었다.

한편, 본 실시예에서는 상기한 바와 같이 제작된 연속 흐름 반응조에 적용한 경우의 수질 분석을 실시하였으며, 수질 분석은 일정시간에 유입수와 1차 사면 접촉조, 2차 사면 접촉조에서 채취하였고, 소정 분석 항목과 분석 방법에 따라 실험하였다.

표 5는 본 실시예의 수질 분석 항목 및 방법을 나타내는 것이다.

분석 항목	분석 방법
온도	pH Meter(WTW 330)
pH	pH Meter(WTW 330)
EC	EC Meter(HANNA)
DO	Azide Modification
SS	Vacuum Filtration(Glass Fiber Filter, GF/C)
BOD	Azide Modification
COD	Closed Reflux, Titrimetric Method(Standard Method)
T-N	Ultraviolet Spectrophotometric Screening Method
NH4-N	Phenate Method
NO2-N	Ultraviolet Spectrophotometric Screening Method
NO3-N	Ultraviolet Spectrophotometric Screening Method
T-P	Ascorbic Acid Method
PO4-P	Ascorbic Acid Method

한편, 표 6은 본 실시예에서 다공성 콘크리트를 적용한 경우의 운전기간 동안 조사된 유입수의 성상을 나타낸다.

항목	유입 농도 범위	평균
Temp(℃)	19.2 ~ 22.9	20.9
pH	7.7 ~ 8.3	7.95
EC(㎲/㎝)	778 ~ 817	803
DO(mg/L)	7.4 ~ 9.7	8.5
BOD(mg/L)	4.16 ~ 9.32	6.6
COD(mg/L)	8.8 ~ 10.8	9.8
SS(mg/L)	5.7 ~ 13	9.5
T-N(mg/L)	25.6 ~ 39	33
T-P(mg/L)	8 ~ 9	8.5

도 11은 본 실시예의 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전 기간동안의 pH 변화를 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 실시예의 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 DO의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 13은 본 실시예의 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 수온의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 14는 본 실시예의 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 EC의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우 평균 pH는 유입수 7.95(8.25 ~ 7.73), 1차 사면접촉조 8.33(7.97 ~ 8.62), 2차 사면접촉조 8.55(8.1 ~ 9.2)로 나타났고, DO의 경우 유입수 평균 8.5(7.4 ~ 9.7)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 9.1(8.7 ~ 9.9)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 11(8.9 ~ 15.4)mg/L로 나타났다.

수온의 경우 유입수 평균 20.9(19.2 ~ 22.9)℃, 1차 사면접촉조 평균 22.8(20 ~ 26.9)℃, 2차 사면접촉조 평균 22.4(19.7 ~ 26.8)℃의 값을 나타내었고, EC의 경우 유입수 평균 803(778 ~ 817)㎲/㎝, 1차 사면접촉조 평균 798(736 ~ 836)㎲/㎝, 2차 사면접촉조 평균 806(744 ~ 817)㎲/㎝의 값을 나타내었다.

2차 사면접촉조의 DO와 pH가 유입수에 비해 높은 수치를 나타내었는데, pH의 상승은 콘크리트 내부 및 외부에 부착되었던 조류가 실험기간동안 광합성 활동을 하여 수중에 CO₂를 소비하기 때문에 공기 중에서 물 속으로 유입되는 CO₂ 량 보다 조류에 의한 소모량이 크기 때문이다.

수중 CO₂는 조류의 광합성 활동이 극대화되면서 점차 감소하게 되는데, 이러한 CO₂ 감소는 물 속의 알카리도 형태를 HCO₃ ^-에서 CO₃ ^2- 과 OH^- 형태로 변화시키고, pH를 상승시키는 요인이 된다.

또한, DO의 상승요인은 사면접촉에 의한 폭기와 광합성 미생물 및 부착성 조류 등에 의한 광합성 활동이 큰 영향을 미쳤을 것으로 생각된다.

도 15는 본 실시예의 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우 SS농도 변화와 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 16은 본 실시예의 다공성 콘크리트 적용 시 BOD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 17은 본 실시예의 다공성 콘크리트 적용 시 COD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 18은 본 실시예의 다공성 콘크리트 적용 시 T-N 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 19는 본 실시예의 다공성 콘크리트 적용 시 T-P 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 먼저, SS농도 변화와 제거효율의 경우, 유입수 평균 9.5(5.7 ~ 13)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 5.6(4.3 ~ 6.2)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 4.4(2 ~ 5)mg/L로 나타나, 1차 사면접촉조에서 제거율은 38.6%였으며 전체 제거효율은 53%로 나타났다. SS의 제거효율은 유입수의 SS 농도와 기타 유량에 따라 변화폭이 크게 나타났다.

이처럼 다공성 콘크리트가 높은 SS처리 효율을 보이는 이유는 기존 다른 접촉여재에 비해 비표면적이 크고, 내부에 공극을 가지고 있는 특성을 가지고 있어 여재외부 뿐 만 아니라 내부에서도 부유물질 처리효율을 보일 수 있기 때문인 것으로 보인다.

도 16에 도시된 바와 같이, BOD 농도 변화와 제거효율의 경우, 유입수 평균 6.6(4.16 ~ 9.32)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 4.4(3 ~ 5.9)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 3.9(2.8 ~ 4.9)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 제거율은 평균 33%, 전체 구간에서의 제거율은 평균 약 40%로 나타나 반응조 유입부터 1차 사면접촉조 후 구간 사이에 다공성 콘크리트를 포설하여 눈에 띄는 BOD 저감효과를 볼 수 있었다.

도 17에 도시된 바와 같이, COD 농도 변화와 제거효율의 경우, COD 농도는 유입수 평균 9.8(8.8 ~ 10.8)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 8.7(7.6 ~ 10.4)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 7.8(6.8 ~ 9.6)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 제거율은 평균 약 11%, 전체 구간에서의 제거율은 평균 약 20%로 나타났다.

다공성 콘크리트의 경우 다른 접촉여재보다 높은 처리효율을 나타내고 있는데, 이는 다공성 콘크리트가 다른 여재들에 비해 비표면적이 크고, 내부까지 연속한 공극이 형성되기 때문에 다양한 미생물이 내부까지 서식하고, 다양한 생물군이 형성되기 때문이다. 또한, 표면에는 호기성 미생물의 부착과 동시에 내부에는 혐기성 미생물의 서식공간이 형성되어 높은 유기물(BOD, COD) 처리효율을 나타내는 것으로 보인다.

도 18에 도시된 바와 같이, T-N농도 변화와 제거효율의 경우, T-N 농도는 유입수 평균 33(25.6 ~ 39)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 24.4(22.2 ~ 27.2)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 20.7(17.5 ~ 24.9)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 제거율은 평균 약 24%, 전체 구간에서의 제거율은 평균 약 37%로 나타났다.

이처럼 다공성 콘크리트를 이용한 경우 여재에 생물막이 잘 생성되어 생체 전환율이 높고, 여재 표면에서는 호기성 미생물의 부착과 여재 내부에는 혐기성 미생물의 부착이 이루어지는 특징으로 인해 질산화 미생물에 의한 질소의 제거가 나타나는 것으로 보인다.

도 19에 도시된 바와 같이, T-P농도 변화와 제거효율의 경우, T-P 농도는 유입수 평균 8.5(8 ~ 9)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 5.3(4.1 ~ 6.7)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 4.9(3.2 ~ 5.8)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 제거율은 평균 약 38%, 전체 구간에서의 제거율은 평균 약 42%로 나타났다.

T-N과 마찬가지로 T-P도 42%의 양호한 처리효율을 보여주고 있는데, 이는 미생물체 유기물로의 전환에 의한 제거, 유리되는 무기 인산염 즉 PO₄ ^3-가 여재에 함유 유리되는 Fe, Ca, Mg 등 양이온과 반응, 난용해성 염을 형성하고 이 염이 미생물 막 또는 여재에 흡착 흡수되어 제거될 수 있는 제거 기전이 동시에 발생할 수 있는 다공성 콘크리트의 특성에 의한 것으로 보인다.

또한, 본 실시예에서는, 식생 콘크리트의 경우, 다공성 콘크리트와 같은 체류시간 조건에서의 그 수질개선효과를 검토하여, 식생 콘크리트의 수질정화용으로서의 활용가능성을 평가하고자 하였다.

표 7은 본 실시예에서 식생 콘크리트를 적용한 경우의 유입수 성상을 나타낸다.

항목	유입 농도 범위	평균
Temp(℃)	17.4 ~ 19.5	18.4
pH	7.2 ~ 7.8	7.6
EC(㎲/㎝)	783 ~ 817	807
DO(mg/L)	6.7 ~ 8.6	8
BOD(mg/L)	3.6 ~ 7.5	5.6
COD(mg/L)	8.8 ~ 10.4	9.3
SS(mg/L)	10.8 ~ 22	15
T-N(mg/L)	24.2 ~ 36.5	29.8
T-P(mg/L)	5.2 ~ 6.7	5.9

도 20은 본 실시예의 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전 기간동안의 pH 변화를 나타내는 그래프이고, 도 21은 본 실시예의 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 DO의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 22는 본 실시예의 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 수온의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 23은 본 실시예의 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 EC의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 20 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트를 적용하였을 경우, pH는 유입수 7.6(7.2 ~ 7.8), 1차 사면접촉조 7.7(7.2 ~ 7.8), 2차 사면접촉조 7.7(7.4 ~ 8)로 나타났으며, DO의 경우 유입수 평균 7.99(6.7 ~ 8.6)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 7.79(6.4 ~ 8.2)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 8.16(7 ~ 8.6)mg/L로 나타났다.

수온의 경우 유입수 평균 18.4(17.4 ~ 19.5)℃, 1차 사면접촉조 평균 18.8(16.9 ~ 19.5)℃, 2차 사면접촉조 평균 18.4(17.1 ~ 20.5)℃의 값을 나타내어 유입수의 수온과 유출수의 수온이 거의 변화가 없이 안정적으로 나타났으며, EC의 경우 유입수 평균 807 (783 ~ 817)㎲/㎝, 1차 사면접촉조 평균 804 (796 ~ 810)㎲/㎝, 2차 사면접촉조 평균 804 (792 ~ 812)㎲/㎝로 나타났다.

도 24는 본 실시예의 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 SS농도 변화와 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 25는 본 실시예의 식생 콘크리트 적용시 BOD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 26은 본 실시예의 식생 콘크리트 적용시 COD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 27은 본 실시예의 식생 콘크리트 적용시 T-N 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이고, 도 28은 본 실시예의 식생 콘크리트 적용시 T-P 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 24에 도시된 바와 같이, SS농도 변화와 제거효율의 경우, 유입수 평균 15(10.8 ~ 22)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 9.5(6.3 ~ 14 , 2차 사면접촉조 평균 6.4(4.3 ~ 9.8)mg/Lmg/L로 나타났고, 전체 제거효율은 평균 57.3%로 나타났고, 1차 사면접촉조에서의 제거효율은 평균 36.4%로 나타났다.

식생 콘크리트를 적용하였을 경우 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우보다 제거효율이 약 5% 상승함을 보였는데, 이는 고형물질이 수생식물 뿌리 구간에서 여과현상에 의한 것과 수생식물이 수표면을 그늘지게 하여 물 표면으로 빛이 통과되는 것을 어느 정도 방지함으로써 조류(이끼류) 성장을 억제할 수 있는데, 조류 성장이 억제됨으로써 SS 농도가 감소된 것으로 보인다.

도 25에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트를 적용하였을 경우, 유입수 평균 BOD 농도는 5.6(3.6 ~ 7.5)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 4(2.6 ~ 5.4)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 3.3(1.6 ~ 5.1)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 BOD 제거율은 약 28%, 전체 제거율은 약 41%로 전체적으로 보았을 경우 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우보다 제거효율이 약 3% 증가하는 것으로 나타났다.

이는 뿌리에 부착 성장하는 박테리아가 유기물을 분해하고, 또한 수생식물은 통기조직(通氣組織)을 통해 광합성에서 유리되는 산소를 지하부로 수송하여 뿌리 표면이나 지상부 표면을 통하여 저토(底土) 또는 수체(水體)로 방출함으로써 유기물이 분해 되어 BOD가 감소된 것으로 보인다.

도 26에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트를 적용하였을 경우, 유입수 평균 COD 농도는 9.3(8.8 ~ 10.4)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 7.6(6.4 ~ 8.8)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 6.9(6 ~ 8.4)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 COD 제거율은 약 19%, 전체 제거율은 약 26%로 전체적으로 보았을 경우 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우보다 제거효율이 약 6% 증가하는 것으로 나타났다.

이는 수생식물은 환원상태의 수체 또는 저토에 산소를 방출함으로써 비로소 호흡을 하고 물질을 흡수하므로, 수생식물이 산소를 방출하면 유기물이 산화 및 분해 되어 COD 제거효율이 더 증가한 것으로 보인다.

도 27에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트를 적용하였을 경우, 유입수 평균 T-N 농도는 29.8(24.2 ~ 36.5)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 22(18.5 ~ 24.6)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 13.4(7 ~ 17)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 T-N 제거율은 약 26%, 전체 제거율은 약 55%로 전체적으로 보았을 경우 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우보다 제거효율이 약 9% 증가하는 것으로 나타났다.

이는 식물의 뿌리에 부착된 미생물이 유기질소를 분해하여 식물이 이용할 수 있는 형태인 NH₄ ⁺, NO₃ ^- 로 전환시켜줌으로써 최종적으로 식물이 이를 흡수함으로써 T-N의 제거효율이 더 증가한 것으로 보인다.

도 28에 도시된 바와 같이, 식생 콘크리트를 적용하였을 경우, 유입수 평균 T-P 농도는 5.9(5.2 ~ 6.7)mg/L, 1차 사면접촉조 평균 4.6(4.1 ~ 5)mg/L, 2차 사면접촉조 평균 2.8(2.5 ~ 3.7)mg/L로 나타나 1차 사면접촉조 구간에서의 T-P 제거율은 약 23%, 전체 제거율은 약 53%로 전체적으로 보았을 경우 식생 콘크리트를 적용하였을 경우에 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우보다 제거효율이 약 10% 증가하는 것으로 나타났다.

이는 질소제거와 달리 인은 기체 형태로는 변형되지 않고 식물과 부착미생물의 흡수에 의해서만 제거가 가능하다. 식물이 흡수할 수 있는 인은 PO₄ ^3-, H₂ PO₄, HPO₄ ^2-의 형태이며 질소의 경우와 마찬가지로 우선적으로 입자상 인의 뿌리 주위에서 여과 및 침전되어 얻어지고 식생을 매체로 하여 미생물 개체수를 유지하고 부착미생물의 세포합성에 의해 용존성 인이 제거되기 때문에 제거효율이 증가한 것으로 보인다.

표 8은 본 실시예의 연속 흐름 반응조에서의 각 여재에 따른 수질 정화효율을 유입수, 유출수와 대비하여 나타내는 것이다.

실험항목여재		SS(mg/ℓ)	BOD(mg/ℓ)	COD(mg/ℓ)	T-N(mg/ℓ)	T-P(mg/ℓ)
다공성 콘크리트	유입수	9.5	6.6	98	33	8.5
	유출수	4.4	3.9	7.8	20.7	4.9
	제거효율	53%	40%	20%	37%	42%
식생 콘크리트	유입수	15	5.6	9.3	29.8	5.9
	유출수	6.4	3.3	6.9	13.4	2.8
	제거효율	57.3%	41%	26%	55%	53%

표 8에서 알 수 있듯이, 여재로 이용된 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트의 1, 2차 사면접촉을 통한 연속 흐름 반응조의 비교 측정 결과 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 다공성 콘크리트 보다 SS 4.3%, BOD 1%, COD 6%, T-N 18%, T-P 11%의 제거효율 증가를 보였다.

이와 같은 결과로 식생 콘크리트는 수질 정화용 여재로 사용되는 다공성 콘크리트와 비교하여 수질 정화효율에서 조금 높은 것을 알 수 있었고, 따라서 수질 개선용 여재로 활용가능성이 높음을 알 수 있었다. 또한, 수질개선용 식생 콘크리트의 식재로 수중 및 수변생물의 서식처 제공과 수질정화에 의한 자정능력 증대 및 하천 경관 개선이라는 효과를 기대할 수 있을 것으로 보인다.

이와 같이, 본 발명의 방법 및 구조물에 따라, 우수 또는 오수의 효과적 이용을 통해 하천 유지유량 관리를 용이하게 하여 건천화를 방지하면서도, 최종 방류수의 수질정화 효율에 있어서 SS 57.3%, BOD 41%, COD 26 %, T-N 55%, T-P 53% 수준의 높은 수질정화 효과를 확인할 수 있었다.

표 9는 본 실시예의 연속 흐름 반응조를 실제 하천에 적용한 경우의 예상 수질 평가 결과를 나타내는 것이다(농도 : mg/L, 유량 : m³/day).

	갈수시 하수 처리장 수질 농도 및 배출 유량	여재의 적용 조건	여재 적용후 수질 개선 효과 추정	갈수시 하천 수질 농도 및 유량	최소 필요 유량(하천 경관 및 수생어류 서식 고려)
오산천(도시 하천)	SS: 6.0BOD: 12.7T-N: 11.1T-P: 0.98유량: 57,000	공극율 30%체류시간 35분두께 10분	SS: 2.5BOD: 7.4T-N: 0.4T-P: 0.46	SS: 37BOD: 4T-N: 6.6T-P: 2.27유량: 72,921	수면폭 : 12~15m유속 : 0.3m/s수심 : 0.3 ~ 0.35m유량 : 93,312~136,080
경안천(농촌하천)	SS: 9.0BOD: 23T-N: 38T-P: 10유량: 41,000	공극율 30%체류시간 35분두께 10분	SS: 3.8BOD: 13.5T-N: 17.1T-P: 4.7	SS: 9.6BOD: 6.7T-N: 4.1T-P: 0.15유량: 14,429	수면폭 : 8~9m유속 : 0.2~0.25m/s수심 : 0.2 ~ 0.3m유량 : 27,648~58,320

표 10은 본 실시예의 연속 흐름 반응조를 실제 하천에 적용한 경우의 예상 수질 평가 결과를 나타내는 것이다(하천 유지 유량을 최소로 한 경우, 농도 mg/L). 이 경우에는 별도의 저류조가 필요없다.

	여재 적용전 하천 수질 농도	여재 적용후 하천 수질 농도	수질 개선 효율(%)
오산천(도시하천)	SS: 23.4BOD: 7.8T-N: 8.5T-P: 1.70	SS: 21.8BOD: 5.4T-N: 3.8T-P: 1.48	SS: 6.6BOD: 29.7T-N: 54.7T-P: 13.4
경안천(농촌하천)	SS: 9.1BOD: 18.7T-N: 29.1T-P: 7.44	SS: 5.3BOD: 11.7T-N: 13.7T-P: 3.52	SS: 42.0BOD: 37.5T-N: 53.0T-P: 52.7

표 11은 본 실시예의 연속 흐름 반응조를 실제 하천에 적용한 경우의 예상 수질 평가 결과를 나타내는 것이다(하천 유지 유량을 최대로 한 경우, 농도 mg/L, 유량 : m³/day). 이 경우에는 유지유량을 최대로 한 경우이므로 저류조의 용량은 실제 이보다 작을 것으로 예상된다.

	여재 적용전 하천수질농도 및 필요유량	여재 적용후 하천수질농도	수질개선효율(%)	갈수기간(day)	저류조 크기
오산천(도시하천)	SS: 22.6BOD: 8.0T-N: 8.6T-P: 1.67유량: 6,159	SS: 20.9BOD: 5.5T-N: 3.7T-P: 1.43	SS: 7.2BOD: 30.6T-N: 57.2T-P: 14.4	30	필요 저류조 용량(184,770m3)
경안천(농촌하천)	SS: 9.1BOD: 18.9T-N: 29.6T-P: 7.56유량: 2,891	SS: 5.2BOD: 11.8T-N: 13.8T-P: 3.57	SS: 42.8BOD: 37.7T-N: 53.1T-P: 52.7	30	필요 저류조 용량(86,730m3)

본 발명의 방법 및 구조물의 결과를 기존 하수 처리수 이용 방안의 수질개선효과 추정치와 단순 비교하여 평가할 경우, 그 수질개선 효과는 여타의 시스템 즉, 단순 이송을 통한 방류, 습지를 통한 방류, 산화저류조를 통한 방류, 침투를 통한 방류등의 시스템보다 높은 것으로 판단되며, 동시에 안정된 유지유량을 확보 및 유지 관리의 측면에서도 보다 우수하다.

또한, 본 발명의 방법 및 구조물은 기존 하천의 제방사면 및 둔치 공간, 저수로 호안을 효율적으로 이용하는 방안이므로 부지 선정에 어려움이 없고, 넓은 부지를 필요로 하지 않으며, 오수를 장거리 도수하지 않고 오수 저장조로부터 자연 유하식을 채택하고 있어 이에 필요한 동력비나 도수관 등이 필요 없기 때문에 비용면이나 유지관리 측면에 있어서 기존 방법보다 현저히 향상된 것이다.

결국 본 발명의 방법 및 구조물은 종래 건천화 방지를 위한 하수처리수 이용 방법보다도 높은 수질정화 효과와 안정된 유량을 확보하여 유량 부족을 해결할 수 있는 방법 및 구조물임을 알 수 있다.

나아가 본 발명의 방법 및 구조물에 따르면 저류조가 지하에 매설되므로 둔치 공간에 운동시설이나 기타 시설이 위치할 수 있으며, 나아가 투수성이 좋은 접촉 여제(다공성 콘크리트 및 식생 콘크리트)는 미생물의 생육공간을 제공함으로써 환경복원측면에서 우수하고, 하천주변 전체 녹화로 자연 친화적인 미관을 형성할 수 있는 등 여러 가지 장점을 갖는다.

한편, 접촉을 통한 수질개선 시 제방사면에 침전물 등이 발생될 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여, 제방사면과 호안을 주기가 다르게 사용하여 청소해 주거나 접촉 면적을 박스 형태로 제작하여 교체가 가능하도록 할 수 있다.

본 발명의 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법 및 그 구조물에 따라, 우수를 이용하거나 혹은 오수를 하천으로 도수하여 재이용함으로써 갈수시 특히 유량 확보가 어려운 지역에 설치하여 양질의 유량을 확보하고,이를 안정적으로 공급함과 동시에 여재를 적절히 활용하기가 쉽고, 특히 수질 개선에 적합한 여재의 활용이 용이함으로써, 건천화에 따른 유량부족 및 수질오염 문제점 해결에 기여할 수 있다. 또한, 하천의 제방사면 및 둔치 공간, 저수로 호안등 공간을 효율적으로 이용함으로써, 부지 선정에 어려움이 없고, 넓은 부지를 필요로 하지 않는 등 비용 및 유지관리 측면에서도 적합하다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지 유량 확보용 구조물을 나타내는 개략도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 연속 흐름 반응조를 나타내는 사진,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 나타내는 사진,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 식물이 식재된 식생 콘크리트의 예들을 나타내는 사진,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트의 중화처리 유,무에 따른 pH 변화를 알아보기 위한, 시간에 따른 수소 이온농도의 변화를 나타내는 그래프,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트의 유기물(DOC) 농도변화를 나타내는 그래프,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생 콘크리트의 유기물(DOC) 제거효율을 나타내는 그래프,

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 NH₄-N 농도변화를 나타내는 그래프,

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 NO₃-N 농도변화를 나타내는 그래프,

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트와 식생콘크리트에 의한 PO₄-P 농도변화를 나타내는 그래프,

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전 기간동안의 pH 변화를 나타내는 그래프,

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 DO의 변화를 나타내는 그래프,

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 수온의 변화를 나타내는 그래프,

도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 EC의 변화를 나타내는 그래프,

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트를 적용하였을 경우 SS농도 변화와 제거효율을 나타내는 그래프,

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 적용 시 BOD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 적용 시 COD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 적용 시 T-N 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 콘크리트 적용 시 T-P 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 20은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전 기간동안의 pH 변화를 나타내는 그래프,

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 DO의 변화를 나타내는 그래프,

도 22는 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 수온의 변화를 나타내는 그래프,

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트를 이용한 반응조의 운전기간동안의 EC의 변화를 나타내는 그래프,

도 24는 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트를 적용하였을 경우 SS농도 변화와 제거효율을 나타내는 그래프,

도 25는 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트 적용시 BOD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 26은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트 적용시 COD 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 27은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트 적용시 T-N 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프,

도 28은 본 발명의 실시예에 따른 식생 콘크리트 적용시 T-P 농도 변화 및 제거효율을 나타내는 그래프이다.

*주요 도면 부호의 간단한 설명*

10:제방사면 영역 11:제방사면

12:제1투수성 여재 20:둔치 영역

21:둔치 23:저류조

24:방류관 30:하천 영역

31:하천 저수로 32:제2투수성 여재

33:호안 45:오수원

46:도수관 47:저장조

Claims (8)

1. 제방사면(11)에 설치되고, 처리수가 유입되는 제1투수성 여재(12);

   상기 제1투수성 여재(12)를 통과한 처리수가 저장되는, 하천의 둔치 영역(20)의 지하 일측에 설치되는 저류조(23); 및

   상기 저류조(23)로부터 방류된 처리수가 유출되는 하천 저수로(31);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하천 저수로(31)는,

   그 호안(33)에, 상기 처리수가 통과하는 제2투과성 여재(32)가 설치된 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 구조물은,

   상기 저류조(23)에서 상기 하천 저수로(31)로 처리수를 방류하기 위한, 둔치 영역의 지하에 매설된 방류관(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 구조물은,

   처리할 처리수를 저장하고, 상기 제1투수성 여재(12)에 상기 저장된 처리수를 방류하는, 저장조(47);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 구조물은,

   오수원(45)으로부터 오수를 상기 저장조(47)로 도수하는 오수 도수관(46);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보용 구조물.
6. 처리할 처리수를 제방사면(11)에 설치된 제1투수성 여재(12)에 통과시키는 단계(S1);

   상기 제1투수성 여재(12)를 통과한 처리수를 둔치 영역(20)의 지하 일측에 설치되는 저류조(23)에 저장하는 단계(S2);

   상기 저류조(23)내에 저장된 처리수를 하천 저수로(31)로 방류하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 S3 단계는,

   상기 처리수가 하천 저수로(31)로 방류되기전 호안(33)에 설치된 제2투수성 여재를 통과시키는 단계(S3-1);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 S1 단계는,

   오수원으로부터 도수한 오수를 처리할 처리수로서 제1투수성 여재(12)에 제공하는 것을 특징으로 하는 제방사면 및 둔치 지하 공간을 이용한 하천 유지유량 확보 방법.