[논문]호소의 수질개선을 위한 원통형 여과장치의 평가

이선호; 김승현

[국내논문] 호소의 수질개선을 위한 원통형 여과장치의 평가
Assessment of Cylinder-Shaped Filter System for Improving Reservoir Water Quality 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.30 no.10, 2008년, pp.975 - 983

이선호 (영남대학교 환경공학과) , 김승현 (영남대학교 환경공학과)

초록
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다공매질을 이용한 여과에서 오염물은 바깥 부위에서 활발히 제거된다는 점을 고려하여, 새로운 여과장치인 폴리에스터 재질의 원통형 다공매질을 고안하여 이 장치가 호소수에서 오염을 제거할 수 있는지 경산시의 삼천지에서 실험하였다. 원수에 포함된 유기오염물은 여재에 포획된 후 시간을 두고 미생물에 의해 분해되는 것을 알 수 있었고, 오염물질 제거효율은 탁월하여 COD$_{Cr}$ 19$\sim$27%, COD$_{Mn}$ 37$\sim$43%, BOD$_5$ 67$\sim$81%, SS 99% 이상, 탁도 93% 등이었다. 본 연구로부터 이 장치가 호소의 수질개선책의 일환으로 활용될 수 있을 것으로 기대되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In view of previous investigations that the outermost zone of porous media displays the most vigorous removal of organic contaminant, a novel filtration apparatus of cylinder-shaped porous material (polyester fiber) was applied to the Samcheonji reservoir in Gyeongsan to assess its ability to remove contaminants from reservoir water. The apparent mechanism of purification is that organic pollutant dispersed in the water is collected by the matrix to be degraded by microbes in due course. Data obtained from the experiment appear promising; 19$\sim$27% decrease in COD$_{Cr}$, 37$\sim$43% reduction in COD$_{Mn}$, BOD$_5$ diminution between 67$\sim$81%, 93% decrease in turbidity, and 99% removal of Suspended Solids. The results suggest that this device may be a valuable supplementary means to ameliorate the quality of reservoir water.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 집수관의 일부인 짧은 유공관에 다공질 여재를 부착한 모형을 호소의 수질개선에 적용함으로써 본 연구에서 제안하는 공법이 호소수에 포함된 오염물의 제거에 적합한지 평가하고, 일정한 산출유량에서 여러 가지 오염물이 제거되는 정도를 정량적으로 분석하여 본 공법의 오염제거에 관한 특징을 파악하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 다공질 여재를 호소의 수질개선에 적용하는 방법으로 ‘원통형 여과장치’의 사용을 제안하며, 이는 보통의 상업용 파이프에 개공눈(slot)을 충분히 설치한 유공관 즉, 집수관을 토목섬유 등의 다공질 여재로 둘러싼 긴 원통형의 설비로, 이를 수평으로 설치하여 집수관의 한 쪽 끝을 집수실에 연결한 것이다.
측정항목은 수두, COD, DO, pH, TSS (Total Suspended Solids), VSS (Volatile Suspended Solids), FSS (Fixed Suspended Solids), NO3-N, NO2-N, NH4-N, T-N, T-P, PO4-P 등이며, 2∼3주 간격으로 2008년 5월 15일까지 1년간 분석하였다.
2 mm인 아크릴 파이프의 한쪽 면을 얇은 아크릴판으로 폐쇄하고, 폐쇄면에서부터 12 cm 구간에 톱으로 1 mm의 줄눈을 약 2 mm 간격으로 설치하여 개공율 약 20%인 집수관을 제작하였다. 폐쇄면을 바닥으로 하여 집수관을 연직으로 세우고, 집수관의 개공부 12 cm구간을 다공질 여재로 여러 번 감아서 그 외경이 120 cm가 되도록 하였다. 사용된 여재는 폴리에스터 재질의 섬유였으며, 섬유 올의 직경은 8.
실험장치 가동시 수조로 원수를 계속해서 공급하여 수조의 수위를 항상 일정하게 유지하였다. 원통형 여재의 가장자리에서 집수관, 즉 중심방향으로 11 cm, 22 cm, 33 cm, 그리고 44 cm 지점에 시료채취구를 설치하여 시료채취와 수두측정에 이용하였다. 실험장치의 개략도는 Fig.
2에 나타내었다. 본 장치를 운전하는 동안 수조와 각 시료채취구, 그리고 집수관에서의 수두를 측정하여 폐색이 발생하는지 점검하였다.
본 실험 이전에 예비실험을 수행하였으며, 본 실험에 사용된 실험장치를 실내에 설치하여 운전하였다. 소모되는 원수를 조달하기 어려워서 삼천지의 호소수와 본 장치를 통과한 여과수를 혼합하여 그 혼합액을 원수로 공급하였다.
본 실험 이전에 예비실험을 수행하였으며, 본 실험에 사용된 실험장치를 실내에 설치하여 운전하였다. 소모되는 원수를 조달하기 어려워서 삼천지의 호소수와 본 장치를 통과한 여과수를 혼합하여 그 혼합액을 원수로 공급하였다. 이때 양수유량은 0.
8 L/min이었다. 예비실험은 2006년 10월초부터 2007년 4월말까지 약 7개월간 지속하였으며, 다공질 여재를 이용한 호소수질 개선이 가능한지 확인하기 위함이었고, 부가적으로는 매질내에 미생물막을 형성하기 위해서였다. 예비실험에서는 각 시료채취구에서의 시료에 대해 COD, DO (Dissolved Oxygen), pH, 그리고 수두를 측정하였다.
예비실험은 2006년 10월초부터 2007년 4월말까지 약 7개월간 지속하였으며, 다공질 여재를 이용한 호소수질 개선이 가능한지 확인하기 위함이었고, 부가적으로는 매질내에 미생물막을 형성하기 위해서였다. 예비실험에서는 각 시료채취구에서의 시료에 대해 COD, DO (Dissolved Oxygen), pH, 그리고 수두를 측정하였다.
8 L/min이었다. 운전 시작 후 매주 원수와 각 시료채취구에서의 수두값과 시료의 pH, COD, 그리고 DO 등을 측정하였다. COD와 DO의 농도분포로 보아 운전을 시작한지 약 2주 후에 운전이 안정된 것으로 판단되어 5월 15일부터 각 시료채취구에서의 시료에 대해 측 정을 실시하였다.
운전 시작 후 매주 원수와 각 시료채취구에서의 수두값과 시료의 pH, COD, 그리고 DO 등을 측정하였다. COD와 DO의 농도분포로 보아 운전을 시작한지 약 2주 후에 운전이 안정된 것으로 판단되어 5월 15일부터 각 시료채취구에서의 시료에 대해 측 정을 실시하였다. 측정항목은 수두, COD, DO, pH, TSS (Total Suspended Solids), VSS (Volatile Suspended Solids), FSS (Fixed Suspended Solids), NO₃-N, NO₂-N, NH₄-N, T-N, T-P, PO₄-P 등이며, 2∼3주 간격으로 2008년 5월 15일까지 1년간 분석하였다.
측정항목은 수두, COD, DO, pH, TSS (Total Suspended Solids), VSS (Volatile Suspended Solids), FSS (Fixed Suspended Solids), NO₃-N, NO₂-N, NH₄-N, T-N, T-P, PO₄-P 등이며, 2∼3주 간격으로 2008년 5월 15일까지 1년간 분석하였다. 2007년 10월부터는 BOD5도 측정하였으며, 2008년 4월에는 탁도를 측정하였다.
본 연구에서 COD는 COD_Cr과 COD_Mn를 모두 측정하였으며, COD_Cr은 원수와 GF/C를 통과한 시료에 대해서 각각 분석하였다. BOD₅와 탁도의 분석은 Stanadard Method로,¹⁹⁾ 그리고 COD_Cr, COD_Mn, 질소, 인은 HS-3100 Water Analyzer(휴마스사, 대한민국)를 이용하였다.
BOD₅와 탁도의 분석은 Stanadard Method로,¹⁹⁾ 그리고 COD_Cr, COD_Mn, 질소, 인은 HS-3100 Water Analyzer(휴마스사, 대한민국)를 이용하였다. DO는 Multiparameter Analyzer C535(CONSORT사, 벨기에)로, 그리고 pH는 692 pH/Ion meter(Metrohm사, 스위스)로 측정하였다. SS는 수질오염공정시험법에 의해 측정했다.
여과거리가 증가할수록 수두는 감소하였으나 모 든 시료채취구에서 비슷하여 원수와 집수관에서 그 차이가 1 mm 이내이었다. 예비실험 결과로부터 본 연구에서 제안하는 원통형 여과장치가 호소수질을 개선할 수 있을 것으로 판단되어 삼천지에 인접하여 가건물을 설치한 후 본 실험을 수행하였다.
본 실험 결과 삼천지와 여과수의 수질은 계절별로 비교적 일정한 형태를 보였으므로 실험결과는 계절별로 정리하였다. 여과거리에 따른 COD의 농도변화를 Fig.

대상 데이터

사용된 여재는 폴리에스터 재질의 섬유였으며, 섬유 올의 직경은 8.6 µm이었고, 여재의 간극율은 약 97%이었다.
양수시 집수관의 수위는 여재보다 항상 높게 유지하여 여재에 불포화대가 형성되지 않도록 하였다. 실험장치는 경북 경산 시에 소재한 저수지인 삼천지의 제방 동쪽 끝에 인접하여 설치된 가건물에서 가동하였으며, 원수의 취수구는 제방 끝에서 저수지 중심방향으로 약 5 m, 수면하 약 50 cm 깊이에 위치시켰다. 실험장치 가동시 수조로 원수를 계속해서 공급하여 수조의 수위를 항상 일정하게 유지하였다.
2007년 5월 1일 실험장치를 삼천지 인근의 가건물로 옮겨 본 실험을 수행하였다. 본 실험에서의 양수유량도 예비 실험과 같은 0.
본 연구에서는 외경 10 cm, 길이 40 cm, 두께 2.2 mm인 아크릴 파이프의 한쪽 면을 얇은 아크릴판으로 폐쇄하고, 폐쇄면에서부터 12 cm 구간에 톱으로 1 mm의 줄눈을 약 2 mm 간격으로 설치하여 개공율 약 20%인 집수관을 제작하였다. 폐쇄면을 바닥으로 하여 집수관을 연직으로 세우고, 집수관의 개공부 12 cm구간을 다공질 여재로 여러 번 감아서 그 외경이 120 cm가 되도록 하였다.

이론/모형

은 원수와 GF/C를 통과한 시료에 대해서 각각 분석하였다. BOD₅와 탁도의 분석은 Stanadard Method로,¹⁹⁾ 그리고 COD_Cr, COD_Mn, 질소, 인은 HS-3100 Water Analyzer(휴마스사, 대한민국)를 이용하였다. DO는 Multiparameter Analyzer C535(CONSORT사, 벨기에)로, 그리고 pH는 692 pH/Ion meter(Metrohm사, 스위스)로 측정하였다.
DO는 Multiparameter Analyzer C535(CONSORT사, 벨기에)로, 그리고 pH는 692 pH/Ion meter(Metrohm사, 스위스)로 측정하였다. SS는 수질오염공정시험법에 의해 측정했다. 모든 시료의 분석은 3회 반복 수행하였으며, 그 평균을 취하였다.

성능/효과

SS는 수질오염공정시험법에 의해 측정했다. 모든 시료의 분석은 3회 반복 수행하였으며, 그 평균을 취하였다.
예비실험을 종료할 때쯤(2007년 4월초) 여과거리에 따른 여과수의 COD_Cr, DO, pH의 농도를 측정하여 그 분포양상을 Table 1에 나타내었다. 여과수의 COD_Cr은 원수보다 약 0.8 mg/L 낮았고, DO는 약 0.2 mg/L 감소하였다. DO가 주로 생물학적 기작에 의해 소모되므로 이는 여재의 내부에서 생물학적 반응뿐 아니라 물리화학적 반응도 발생함을 시사하며, 여재가 갈색으로 변한 부분은 흡착된 오염물이나 부착서식하는 미생물로 판단되었다.
COD는 여재를 통과하면서 그 농도가 점차 감소하여 CODCr은 여과수가 원수보다 2.3∼3.5 mg/L만큼 낮아서 계절에 따라 19(봄)∼27(여름)%의 제거율을 보 였고, CODMn은 1.3∼2.3 mg/L만큼 제거되어서 37(가을)∼43(겨울)%의 제거율을 보였다.
여과거리 44 cm를 통과하면서 제거되는 용 존산소의 농도는 2.1∼2.7 mg/L이며, 여름철의 최종 여과 수에도 약 2 mg/L로 상당히 높은 농도가 잔존하여 여재의 내부는 항상 호기상태가 유지됨을 알 수 있었다.
본 장치에서 BOD5제거의 대부분은 COD나 DO와 같이 여재의 바깥부분 11 cm에서 발생하였고, 여재를 통한 전체 제거율은 67∼81%이었다.
삼천지의 DO도 계절에 따라 변했으나 COD 와 마찬가지로 여과거리에 따른 DO의 농도분포곡선은 매회 측정시마다 그 형태가 거의 일정하였으며, 오차범위가 넓은 것은 COD에서와 마찬가지로 그 계절 내에서도 삼천지의 DO가 상당히 변했음을 나타낸다. DO도 COD와 마찬가지로 최초 11 cm의 여과에서 가장 많이 감소하며, 그 이후에는 점차 덜 감소하다가 집수관에서 다시 증가하였다. 집수관에서 증가하는 이유는 집수관이 대기에 노출되었기 때문이다.
7 mg/L이며, 여름철의 최종 여과 수에도 약 2 mg/L로 상당히 높은 농도가 잔존하여 여재의 내부는 항상 호기상태가 유지됨을 알 수 있었다. 또한, 여재 통과시 발생하는 DO의 감소는 COD_Cr의 감소보다 항상 더 적었으며, DO는 주로 생분해반응에서 소모된다고 볼 수 있으므로 이로부터 COD_Cr은 생분해뿐 아니라 흡착 등의 다른 기작에 의해서도 제거되었다고 볼 수 있을 것이다.
본 장치에서 BOD5제거의 대부분은 COD나 DO와 같이 여재의 바깥부분 11 cm에서 발생하였고, 여재를 통한 전체 제거율은 67∼81%이었다. COD_Cr과 DO, 그리고 BOD₅ 측정치를 비교하면 삼천지의 호소수에는 유기오염물이 주로 생분해가 어려운 형태로 존재하고, 이것 이 여재를 통과하면서 흡착 등의 기작에 의해 일단 포획된 후 시간을 두고 생분해 되는 것으로 판단되었다.
6에 나타내었다. 삼천지의 SS농도는 COD와 마찬가지로 계절에 따라 변했으며, 여재 약 30 cm 통과에서 거의 100% 제거되어 본 장치가 SS제거에 매우 효과적임을 알 수 있었다.
7에 나타내었다. 삼천지의 탁도가 2.47 NTU이었음에 비해 여과수의 탁도는 0.17 NTU로 90% 이상의 제거율을 보였고 다른 오염물질들보다 더 많은 제거가 최초 11 cm의 여과에서 발생함을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 원수에 포함된 유기오염물은 여재에 흡착된 후 시간을 두고 점차 미생물에 의해 분해된다고 볼 수 있었다. 약 1년 7개월 동안 운전한 후 측정한 수두값은 원수와 여과수에서 2 mm 이내이어서 폐색에 의한 문제가 발생하지는 않았다.
이상의 결과로부터 원수에 포함된 유기오염물은 여재에 흡착된 후 시간을 두고 점차 미생물에 의해 분해된다고 볼 수 있었다. 약 1년 7개월 동안 운전한 후 측정한 수두값은 원수와 여과수에서 2 mm 이내이어서 폐색에 의한 문제가 발생하지는 않았다. 본 연구에서 적용한 양수율을 50 m 길이의 실규모 장치에 적용한다면 그 산출유량은 410 m³/일이 되며, 직경이 더 크거나 더 긴 장치를 사용하는 경우 산출유량은 더욱 증가해서 대규모의 호소에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
호소수에 포함된 유기오염물은 여재에 흡착된 후 시간을 두고 미생물에 의해 분해되는 것으로 판단되었으며, 오염물 제거효율은 계절에 따라 CODCr 19∼27%, CODMn 37∼43%, BOD5 67∼81%, SS 100%, 그리고 탁도는 93% 등이어서 본 연구에서 제안된 장치가 호소의 수질개선에 활용될 수 있을 것으로 기대되었다.
본 연구에서 제안한 원통형 여과장치가 오염된 호소의 수질정화에 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
2 mg/L 감소하였다. DO가 주로 생물학적 기작에 의해 소모되므로 이는 여재의 내부에서 생물학적 반응뿐 아니라 물리화학적 반응도 발생함을 시사하며, 여재가 갈색으로 변한 부분은 흡착된 오염물이나 부착서식하는 미생물로 판단되었다. 여과거리가 증가할수록 수두는 감소하였으나 모 든 시료채취구에서 비슷하여 원수와 집수관에서 그 차이가 1 mm 이내이었다.

후속연구

김 등은¹⁷⁾ 오염도가 약 12 mg-BOD/L인 도시하수 처리장의 방류수를 불포화 흐름으로 토양을 통과시킨 실험에서 대부분의 BOD제거가 표층의 30 cm에서 이루어진다고 하였다. 이들 연구결과는 저농도로 오염된 물이 포화 또는 불포화 토양층을 통과할 때 토양미생물에 의한 오염물의 분해에 관한 것이지만 토양 이외의 다른 다공질 여재를 사용하여도 유사한 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대되며, 저농도로 오염된 호소의 수질개선에도 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
원통의 가장자리 부근에서 제거효율이 높은 것은 오염도가 가장 높을 뿐 아니라 통과유속이 가장 낮아서 체류시간이 길기 때문으로 판단된다. 또한, 여재의 중심부에 농도곡선의 기울기가 아직 남아 있어서 여재의 직경이 증가하는 경우 더 높은 제거율을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
약 1년 7개월 동안 운전한 후 측정한 수두값은 원수와 여과수에서 2 mm 이내이어서 폐색에 의한 문제가 발생하지는 않았다. 본 연구에서 적용한 양수율을 50 m 길이의 실규모 장치에 적용한다면 그 산출유량은 410 m³/일이 되며, 직경이 더 크거나 더 긴 장치를 사용하는 경우 산출유량은 더욱 증가해서 대규모의 호소에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지의 근린공원 등에서도 휴식공간 제공을 위한 소규모의 호소들이 제 구실을 하기 위해 가져야 할 특징은 무엇인가?	1) 또한, 도심지의 근린공원 등에서도 휴식공간 제공을 위한 소규모의 호소들이 많이 건설되어 있다. 이들 호소들이 제 구실을 하기 위해서는 수량이 안정적이어야 할뿐 아니라 그 수질도 좋아야 한다. 그러나 이들 호소는 여러가지 원인으로 인해 그 수질이 만족스럽지 못한 경우가 많다.
	호소의 수질개선을 위한 오염물 제어법으로 무엇이 있는가?	호소의 수질개선을 위해서는 오염물질이 유입되지 않도록 하는 것이 가장 효과적이지만 이를 위해서는 많은 시 간과 비용이 필요하고 때로는 오염의 유입이 불가피하므 로 수질이 문제되고 있는 호소에서는 오염물을 제어하거나 수질개선을 위한 공법의 적용이 병행되는 것이 바람직 하다. 오염물 제어법은 먹이의 연쇄조절이나 호수내의 유동제어를 통한 탁류의 배출 등을 들 수 있다. 6) 호소수질 개선공법은 여러 가지가 고안되었다.
	도심지의 근린공원 등에서도 휴식공간 제공을 위한 소규모의 호소들의 만족스럽지 못 한 수질은 어떠한 원인으로 인함인가?	그러나 이들 호소는 여러가지 원인으로 인해 그 수질이 만족스럽지 못한 경우가 많다. 호소수의 오염물질은 유역 에서 하천수를 따라 들어오며 호소바닥과 대기로부터도 유입될 수 있고, 호소 내부에서 조류성장으로 인해 2차적으로 생성되기도 한다. 특히 우리나라의 호소는 대부분 영 양염류의 농도가 조류의 성장에 필요한 한계농도 이상이고2) 또 대부분 그 수심이 얕아서 조류성장에 의한 2차오 염의 가능성이 매우 큰 것으로 알려져 있다. 3)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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