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문제 정의
- 대상 오염물은 유기오염물과 질산성 질소 및 아질산성 질소, 그리고 암모니아성 질소로 한정하였다. 또한, 칼럼에는 여러 가지의 수두차를 적용하여 통과유속을 조절하고 이의 오염 물질 제거에 대한 영향을 조사함으로써 양수정 건설 및 운 영에 도움이 되고자 한다.
- 본 연구에서는 미생물 생장과 투수계수 감소의 관계를 분석한 안 등의(2) 연구에 이 어 하상여과를 모사하는 칼럼 실험을 통해 미생물에 의한 내부폐색 및 표층 슬러지 케익 의 발달과 여과수의 수질개선과의 관계를 분석하였다. 대상 오염물은 유기오염물과 질산성 질소 및 아질산성 질소, 그리고 암모니아성 질소로 한정하였다.
가설 설정
- Dam- kohler수의'a 감소에 따라 발생하는 이와 같은 현상은 유사한 다른 실험에서도 일반적으로 발견된다.09) 칼럼에서의 COD 제거율은 모든 칼럼에서 약 17%이었다. 원수의 COD 중 많은 부분은 생분해가 어려운 것으로 볼 수 있어서, 이를 BCOD(Biodegradable COD) 제거율로 환산하면 약 22%의 제거율이 된다.
제안 방법
- 여기서 정상상태는 유량이 일정한 상태가 아니고 칼럼내부에 미생물량이 더 이상 증가하지 않음을 일컫는다.'2)이 상태에서도 슬러지 케익의 발달로 인해 칼럼의 유량은 지속적으로 감소하였으며, 슬러지: 케익 의 제거 직후 즉, 유량이 회복된 직후부터 유량이 다시 완전히 감소할 때까지의 약 30일 동안 유량감소에 따라 4가 지의 서로 다른 유량에 대해 각 칼럼에서의 수질분석을 실시하였다. 이들 4가지 유량은 최대유량과 최저유량 사이의 유량으로 슬러지 케익 제거 후 각각 3, 10, 16, 그리고 25 일 후의 유량이었다.
- 시료채취구에는 3-방향 밸브가 부착되어 있어서 시료채취와 필요한 경우 수두측정을 동시에 수행할 수 있도록 하였다. 4조의 칼 럼 상하단에 서로 다른 수두차를 적용하였고, 수두차는 각각 160, 120, 80, 그리고 40 cm이었으며, 원수가 상향으로 흐르도록 하였다. 이들 칼럼은 적용된 수두차의 순서대로 A, B, C, 그리고 D로 명명하였다.
- 시료의 양은 채취구당 30 mL씩 이었고 상류의 시료채취가 하류에 영향을 주지 않도록 하기 위해서 하류로부터 채취하였다. COD는 3중으로, 그리고 질산성 질소와 아질산성 질소는 2중으로 측정하였으며, 암모니아성 질소는 1개의 시료만 측정하였다. 시료채취 지 점은 유입구, 유출구를 포함하여 11개 지점이었다.
- 이들 4가지 유량은 최대유량과 최저유량 사이의 유량으로 슬러지 케익 제거 후 각각 3, 10, 16, 그리고 25 일 후의 유량이었다. 수질분석은 칼럼의 각 시료채취구에서 용존산소, pH, 그리고 Eh를 측정하였으며, 물 시료를 채취 한 직후 질산성 질소, 아질산성 질소, 암모니아성 질소, 그리고 COD를 측정하였다. 시료의 양은 채취구당 30 mL씩 이었고 상류의 시료채취가 하류에 영향을 주지 않도록 하기 위해서 하류로부터 채취하였다.
- 슬러지 케익 제거 후 25일 경과시에 각 수질항목을 측정하였다. 이때의 유량은 칼럼 A, B, C, 그리고 D에 대해서 각각 26, 26, 21, 그리고 20 mL/min이었고, 이는 슬러지 케 익이 충분히 발달하여 더 이상 감소하지 않는 최소유량(2)의 약 3배였다.
- 수질분석은 칼럼의 각 시료채취구에서 용존산소, pH, 그리고 Eh를 측정하였으며, 물 시료를 채취 한 직후 질산성 질소, 아질산성 질소, 암모니아성 질소, 그리고 COD를 측정하였다. 시료의 양은 채취구당 30 mL씩 이었고 상류의 시료채취가 하류에 영향을 주지 않도록 하기 위해서 하류로부터 채취하였다. COD는 3중으로, 그리고 질산성 질소와 아질산성 질소는 2중으로 측정하였으며, 암모니아성 질소는 1개의 시료만 측정하였다.
- 각 칼럼에는 27개의 시료채취구를 설치하였으며, 상 류 10 cm에는 1 cm 간격, 다음 50 cm에는 5 cm 간격, 그리고 마지막 100 cm에는 10 cm 간격이었다. 시료채취구에는 3-방향 밸브가 부착되어 있어서 시료채취와 필요한 경우 수두측정을 동시에 수행할 수 있도록 하였다. 4조의 칼 럼 상하단에 서로 다른 수두차를 적용하였고, 수두차는 각각 160, 120, 80, 그리고 40 cm이었으며, 원수가 상향으로 흐르도록 하였다.
- 시료채취 지 점은 유입구, 유출구를 포함하여 11개 지점이었다. 실험을 완료한 후 미생물량을 측정하였으며 직경 1.1 cm, 길이 9.0 cm인 원통형 색대를 이용하여 미생물이 포함된 유러알 시료를 채취하여 미생물량을 측정하였다.'" COD는 COD&으 로 Standard Method에15) 의했고, 미생물량은 550℃로 2시간 동안 소각처리하기 전과 후의 질량차로 보았다.
- 칼럼운전시 표층의 슬러지 케익 형성으 로 인하여 유량은 지수적오로 줄어들었으며, 이 슬러지 케 익을 제거하면 유량이 다시 회복되었다. 이 과정을 반복하였으며, 케익을 제거할 때마다 회복된 첨두유량은 조금씩 줄어들었고, 케익을 제거하여도 더 이상 회복유량이 줄어들 지 않을 때까지 운전을 지속하였다. 이때를 정상상태로 보 아 수질분석을 실시하였으며, 칼럼운전 시작으로부터 약 8 개월이 경과했을 때였다.
- 이 과정을 반복하였으며, 케익을 제거할 때마다 회복된 첨두유량은 조금씩 줄어들었고, 케익을 제거하여도 더 이상 회복유량이 줄어들 지 않을 때까지 운전을 지속하였다. 이때를 정상상태로 보 아 수질분석을 실시하였으며, 칼럼운전 시작으로부터 약 8 개월이 경과했을 때였다. 여기서 정상상태는 유량이 일정한 상태가 아니고 칼럼내부에 미생물량이 더 이상 증가하지 않음을 일컫는다.
- 칼럼에서 미생물이 생장하면 간극율과 투수계수가 감소하여 유량이 감소하지만 미생물생장에 오염물이 이용되므로 수질정화 능력은 커진다. 칼럼의 운전 시작으로부터 238일에 마지막으로 슬러지케익을 제거하였고, 이로부터 3일 경과 후 4조의 칼럼에 대해서 수질을 분석하였다. 이때의 유량은 A, B, C, 그리고 D칼럼에 대해서 각각 134, 102, 91, 그리고 67 mL/min이었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 미생물 생장과 투수계수 감소의 관계를 분석한 안 등의(2) 연구에 이 어 하상여과를 모사하는 칼럼 실험을 통해 미생물에 의한 내부폐색 및 표층 슬러지 케익 의 발달과 여과수의 수질개선과의 관계를 분석하였다. 대상 오염물은 유기오염물과 질산성 질소 및 아질산성 질소, 그리고 암모니아성 질소로 한정하였다. 또한, 칼럼에는 여러 가지의 수두차를 적용하여 통과유속을 조절하고 이의 오염 물질 제거에 대한 영향을 조사함으로써 양수정 건설 및 운 영에 도움이 되고자 한다.
- 본 연구에 사용된 장치는 수직으로 세운 직경 10 cm, 길 이 160 cm, 두께 10 mm인 4조의 아크릴통과 유입수 저류 조, 수위 고정조, 그리고 펌프와 이들 장치를 연결하는 튜 브로 구성되었다. 아크릴통의 내부는 직경 0.
- COD는 3중으로, 그리고 질산성 질소와 아질산성 질소는 2중으로 측정하였으며, 암모니아성 질소는 1개의 시료만 측정하였다. 시료채취 지 점은 유입구, 유출구를 포함하여 11개 지점이었다. 실험을 완료한 후 미생물량을 측정하였으며 직경 1.
- 실험에 사용한 하천수는 경북 경산시 진량면을 통과하여 금호강 중류에 유입하는 오목천 하류에서 얻었다. 하천수는 필요시 수시로 채취하였으며, 이를 400번 체에 여과한 후 원수로 사용하였다.
- 실험에 사용한 하천수는 경북 경산시 진량면을 통과하여 금호강 중류에 유입하는 오목천 하류에서 얻었다. 하천수는 필요시 수시로 채취하였으며, 이를 400번 체에 여과한 후 원수로 사용하였다. 원수의 수질은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- '" COD는 COD&으 로 Standard Method에15) 의했고, 미생물량은 550℃로 2시간 동안 소각처리하기 전과 후의 질량차로 보았다.(6) 질산 성 질소, 아질산성 질소, 그리고 암모니아성 질소의 농도는 FIASTAR 5000 Analyzer(FOSS TECATOR, 스웨덴)로 분석 하였고, 용존산소는 Multi-parameter analyzer C535(CONSORT 사, 벨기에), 그리고 Eh는 692 pH/Ion meter(Metrohm사, 스 위스)로 측정하였다. 모든 실험은 20±l℃로 조절된 실험실 에서 수행하였다.
성능/효과
- 5 mg/L 로 감소하여 칼럼통과에 의해 COD 제거율은 약 50%로, 그리고 BCOD 제거율은 67%로 증가함을 알 수 있다. 그림 으로 나타내지는 않았지만 용존산소는 칼럼에 따라 20-40 cm에서 고갈되었고, 암모니아성 질소와 질산성 질소의 농 도는 칼럼입구에서는 약간 증가하다가 다시 감소하였으며 최대농도 발생깊이는 슬러지 케익이 발달할수록 점차 얕아 짐을 알 수 있었다.
- 앞의 16일 경과시의 경우와 유사한 농도분포를 보임을 알 수 있고, 칼럼출구에서 의 COD 농도도 더 이상 감소하지 않음을 알 수 있다. 모든 실험에서 칼럼입구 부근에서는 칼럼의 유량에 따라 COD 농도곡선이 약간의 차이를 보이지만 일정 깊이부터는 COD 농도곡선들이 서로 수렴하는 것을 알 수 있었다. 이 수렴 위치는 슬러지 케익이 발달과 상관없이 항상 약 40 cm이 었다.
- 10일 동안의 슬러지 케익 발달 이후에는 70 cm 깊이에서 용존산소가 고갈되어 탈질이 가능하였으며, 케익이 더욱 발달함에 따라 용존산소의 고갈 깊이가 20-40 cm까지 단축되었다. 본 연구의 결과로부터 우리나라에 널리 분포되어 있는 3 m 깊이 정도의 하상에서 하상여과를 통해 유기오염물은 충분히 제거할 수 있으나 탈질에 의한 질소 제거는 제한적임을 알 수 있었다.
- 하상여과에서 유기오염물을 제거하는 데 중요한 요소는 슬러지 케익의 발달임을 알 수 있었다. 본 연구의 조건에서 슬러지 케익이 거의 없는 경우 COD 제거는 17%에 불과했으나 케익이 완전히 발달한 경우에는 50%로 증가하였고, 이를 BCOD 제거율로 바꾸면 22%에서 67%로 증가하는 것이다. BCOD가 활발히 제거되는 구간은 슬러지 케익층과 약 40 cm 깊이까지의 하상층이었다.
- BCOD가 활발히 제거되는 구간은 슬러지 케익층과 약 40 cm 깊이까지의 하상층이었다. 수두차가 커서 유량이 커지면 칼럼 입구에서 COD가 완만하게 제거되었으나 일정 깊이(약 40 cm) 이상에서는 COD 농도 곡선이 유량에 따라 다르지 않고 모두 일정하게 수렴함을 알 수 있었다. 10일 동안의 슬러지 케익 발달 이후에는 70 cm 깊이에서 용존산소가 고갈되어 탈질이 가능하였으며, 케익이 더욱 발달함에 따라 용존산소의 고갈 깊이가 20-40 cm까지 단축되었다.
- 이상의 결과로부터 하상 깊이가 3~4 m 정도의 얕은 곳이 많은 우리나라의 하천°에 대해서 하상여과를 통한 유기오염물과 질소의 제거 가능성을 판단해 볼 ' 수 있다. 수평 집수관과 기반 암 사이의 이격거리와 수평집수관 자체의 유효직경을 제외하면 하상 표면과 수평집수관 사이의 여과거리 즉, 하상의 유효깊이가 2 m 정도에 불과할 경우가 있을 것으로 예상된다.
- 이러한 결과는 강변여과시 주로 하상의 표층에서 많은 양의 오염물과 병원성 미생물이 제거된다는끄2327)연구결과 와도 일치된다. 칼럼의 출구에서 COD 농도는 약 7.5 mg/L 로 감소하여 칼럼통과에 의해 COD 제거율은 약 50%로, 그리고 BCOD 제거율은 67%로 증가함을 알 수 있다. 그림 으로 나타내지는 않았지만 용존산소는 칼럼에 따라 20-40 cm에서 고갈되었고, 암모니아성 질소와 질산성 질소의 농 도는 칼럼입구에서는 약간 증가하다가 다시 감소하였으며 최대농도 발생깊이는 슬러지 케익이 발달할수록 점차 얕아 짐을 알 수 있었다.
후속연구
- 다만, 하상의 깊이가 충분하여 체류시간이 5일 이상이 되는 경우에는 토양입자로부터의 유기물용출과 이를 이용한 탈질도 상당할 것으로 계산된 바 있다.11) 하상에 슬러지 케익이 발달한 경우에 양수율을 너무 높이면 하상에 불포화대가 형성되어 여과수 생산이 크게 감소할 수 있으므로 주의가 필요할 것이다.30)
- 하류에서의 퇴적작용은 하상에 상당한 깊이 의 충적층을 발달시키기도 한다.2)유럽에서 100년 이상 사 용되어온 강변여과강원 및 경북지역의 복류수 취수, 그리고 포항시 유강리 취수장의 경험에서4)알 수 있듯이하 상의 충적층은 물리적, 화학적, 그리고 생물학적 오염정화 능력이 매우 커서 우물을 설치하여 하상여과를 실시할 경우 비교적 쉽게 하천수질을 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 이 공법이 가지는 여러가지 장점은 성 등에5,6) 논의되어 있다.
- 수평 집수관과 기반 암 사이의 이격거리와 수평집수관 자체의 유효직경을 제외하면 하상 표면과 수평집수관 사이의 여과거리 즉, 하상의 유효깊이가 2 m 정도에 불과할 경우가 있을 것으로 예상된다. 본 연구의 결과 2 m의 여과 깊이에서는 수질조절을 위한 유량 조절이 큰 의미가 없으며, 하상 표면에 슬러지 케익이 발달한 경우 어떠한 유량(혹은 양수정에서의 수위)에서도 충분한 BCOD제거를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 강변여과에서 대부분의 생분해는 하상 1~2 m에서 일어난다는 보고나 대부분의 생분해는 하상 2.
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