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문제 정의
- 본 연구에서는 이와 김의 연구에서15) 연구 수행시 관측되었으나 보고되지 않은 다공매질의 폐색도 진행을 정량적으로 해석하고, 산출유량을 단계적으로 증가시키면서 오염물질들의 제거정도와 매질의 폐색도 진행을 파악함으로써 본 장치를 실규모로 설계 및 운전하기 위해 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
가설 설정
- 지금까지의 논의에서 유량을 증가시킨 후 수질항목들이 안정되었다고 본 것은 폐색도의 진행속도가 매우 느려서 이를 유사정상상태로 가정한 것이다. 그러나 실제로는 산출유량이 일정한 범위 이내인 경우 유량증가에 따라 폐색은 증가할 것으로 판단된다.
제안 방법
- 6 L/min으로 높였으며, 3주 후인 2008년 6월 5일에 그 운전이 안정화 된 것으로 판단하여 약 7주 동안 1~2주마다 각 시료채취구에서의 수두, pH, COD, BOD, DO, SS, 탁도 등을 측정하였다. 2008년 7월 31일 산출유량을 다시 증가시켜 2.4 L/min로 운전하였으며, 한달 후인 2008년 9월 1일에 그 운전이 다시 안정된 것으로 판단하였고 10주 동안 1~2주마다 앞의 항목들을 측정하였다. 운전이 안정화되는 것을 파악하기 위해서는 COD과 DO, 수두, pH, 그리고 탁도를 주 1회씩 측정하였으며, 이들 항목들 특히 COD 제거율이 일정하게 수렴하는 경우 운전이 안정화된 것으로 판단하였다.
- 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 본격적인 측정을 실시하였다. 측정항목은 앞의 항목들 이외에도 SS(Suspended Solids), 질소, 인 등을 포함하였으며, 2~3주 간격으로 2008년 5월 15일까지 1년간 분석하였다.
- 그리고 COD는 CODmn으로 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.
- 이보다 더 중심부쪽으로는 거의 균일하게 매우 연한 갈색을 띠고 있었다. 본실험 시작 약 3개월 동안에는 수두측정을 성공적으로 수행하지 못하였고, 2007년 7월부터 정상적으로 측정하였다. Fig.
- 원수는 삼천지에서 취수하였고, 수조로 원수를 계속해서 공급하여 수조의 수위를 일정하게 유지하였다. 본실험 이전에 예비실험을 수행하였으며, 본실험에 사용된 실험장치를 실내에 설치하여 운전하였다. 예비실험에서는 삼천지의 호소수와 본 장치를 통과한 여과수를 혼합하여 그 혼합액을 원수로 공급하였다.
- 산출유량 0.8 L/min으로 약 1년 동안 가동한 후인 2008년 5월 15일 산출유량을 1.6 L/min으로 높였으며, 3주 후인 2008년 6월 5일에 그 운전이 안정화 된 것으로 판단하여 약 7주 동안 1~2주마다 각 시료채취구에서의 수두, pH, COD, BOD, DO, SS, 탁도 등을 측정하였다. 2008년 7월 31일 산출유량을 다시 증가시켜 2.
- 본실험 이전에 예비실험을 수행하였으며, 본실험에 사용된 실험장치를 실내에 설치하여 운전하였다. 예비실험에서는 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 호소 수질 개선이 가능한지 확인하고 부가적으로는 여재내부에 미생물막을 형성하기 위해서였다.
- 3에 나타내었다. 예비실험이 진행되면서 매질의 가장자리에서부터 갈색으로 변하는 것을 관찰할 수 있었으며, 본실험 시작시에는 갈색구간이 매질의 가장자리에서 약 15 cm까지 진행하였다. 이보다 더 중심부쪽으로는 거의 균일하게 매우 연한 갈색을 띠고 있었다.
- 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 본격적인 측정을 실시하였다.
- 6 μm이었고, 여재의 간극율은 약 97%이었다. 원통형 여재의 가장자리에서 집수관, 즉 중심방향으로 11 cm, 22 cm, 33 cm, 그리고 44 cm 지점에 시료채취구를 설치하여 시료채취와 수두측정에 이용하였다. 이 장치를 원수로 가득찬 수조의 바닥에 가라앉힌 후 여재의 중앙부에 있는 집수관에서 물을 양수하여 원수가 원통형 여재의 바깥(원주)면을 통해 유입되도록 하였다.
- 원통형 여재의 가장자리에서 집수관, 즉 중심방향으로 11 cm, 22 cm, 33 cm, 그리고 44 cm 지점에 시료채취구를 설치하여 시료채취와 수두측정에 이용하였다. 이 장치를 원수로 가득찬 수조의 바닥에 가라앉힌 후 여재의 중앙부에 있는 집수관에서 물을 양수하여 원수가 원통형 여재의 바깥(원주)면을 통해 유입되도록 하였다. 양수시 집수관의 수위는 여재보다 항상 높게 유지하여 여재에 불포화대가 형성되지 않도록 하였다.
- 이와 김의 연구에서 사용한 실험방법은 일정한 직경과 길이의 원통형 다공매질 중심에 집수관을 설치하여 한가지의 산출유량만으로 양수하면서 여과거리에 따라 여러 가지 오염항목들이 제거되는 정도를 파악하였다.15) 그러나 이 장치를 실규모로 설치 및 운영하기 위해서는 산출유량에 따른 다공매질의 적정한 소요두께 즉 여재의 직경이 결정되어야 하고 장기간의 운전에 따른 다공매질의 폐색진행을 정량적으로 파악하여야 한다.
- COD와 DO의 농도분포로 보아 운전을 시작한지 약 2주 후에 운전이 안정된 것으로 판단되어 5월 15일부터 각 시료채취구에서의 시료에 대해 본격적인 측정을 실시하였다. 측정항목은 앞의 항목들 이외에도 SS(Suspended Solids), 질소, 인 등을 포함하였으며, 2~3주 간격으로 2008년 5월 15일까지 1년간 분석하였다. 실험의 후반부터는 BOD5와 탁도의 측정도 추가하였다.
대상 데이터
- 2007년 5월 1일 실험장치를 삼천지 인근의 가건물로 옮겨 본실험을 수행하였다. 본실험에서의 양수유량도 예비실험과 같은 0.
- 본 연구에 사용된 장치는, 폭 12 cm이고 두께 약 1 cm인 폴리에스터 재질의 토목섬유 띠를 외경 10 cm, 길이 40 cm, 그리고 두께 2.2 mm인 아크릴 원통(집수관)의 한쪽 끝에 감아서 직경이 120 cm인 얇고 넓은 원통형태로 만든 후 원통형 섬유여재의 양쪽 면을 아크릴판으로 접합한 것이다. 여재의 중심부에 설치된 집수관은 줄눈을 다수 설치하여 개공율이 약 20%가 되도록 하였고 집수관의 한쪽은 얇은 아크릴판을 접합하여 폐쇄하였다.
- 사용된 폴리에스터 섬유 올의 직경은 8.6 μm이었고, 여재의 간극율은 약 97%이었다.
- 실험장치는 경북 경산시에 소재한 저수지인 삼천지의 제방 동쪽 끝에 인접하여 설치한 가건물에서 가동하였고, 가건물은 온도를 조절하지 않았다. 원수는 삼천지에서 취수하였고, 수조로 원수를 계속해서 공급하여 수조의 수위를 일정하게 유지하였다.
이론/모형
- 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.
- 본 연구에서 BOD5와 탁도의 분석은 Stanadard Method 로17) 그리고 COD는 CODmn으로 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.
성능/효과
- 5 mg/L로 계절에 따라 달랐으며 CODcr에 비해 크게 낮은 편이었다.15) COD에서와 마찬가지로 BOD제거의 대부분은 10 cm의 여과에서 가장 활발하였으나 이보다 더 깊은 곳에서는 여재 단위 통과깊이당 제거율이 COD의 경우에 비해 더 낮았다. 이는 오염물질이 매질내에서 흡탈착을 동반하면서 이동함에 따라 체류시간이 증가하여 난분해성 유기물의 일부가 이분해성인 BOD로 전환되었기 때문으로 추정된다.
- 한편, 오염물이 매질내에 체류하는 시간은 흡탈착 반응으로 인해 수리학적 체류시간보다 더 클 것으로 판단된다.24) 이로부터 본 장치를 호소수질 개선에 사용하는 경우 낮은 유량의 높은 오염제거율로 운전하는 것보다 오염제거효율이 낮더라도 큰 유량으로 운영하는 것이 COD제거에는 더 유리함을 알 수 있다.
- 4 L/min로 증가시키는 경우 BOD 제거율은 약 80%, SS 제거 율은 95% 이상, 그리고 탁도 제거율도 90% 이상으로 거의 일정하였으나 COD 제거율은 44%에서 29%로 감소하였다. 그러나 산출유량이 증가하여 여과수의 여재내 체류시간이 감소할수록 오염물 단위농도를 제거하는데 필요한 체류시간은 감소하였으며, 1 mg-COD/L를 제거하는데 필요한 체류시간은 산출유량 0.8 L/min인 경우 83분이었고 2.4 L/min에서는 45분이었다. 이로부터 낮은 산출유량보다 높은 유량이 호소의 수질개선에는 더 유리함을 알 수 있었다.
- 3에서 운전이 계속됨에 따라 매질은 폐색되지만 가장자리에서의 폐색도가 최대 약 40%에 도달한 후에는 가장자리에서의 매질의 폐색율이 더 이상 증가하지 않고 폐색이 여재의 중심부로 점차 진행해 들어감을 알 수 있었다. 또한, 가장자리와 내부에서의 폐색도가 비슷한 것으로 보아 여재의 표층에 슬러지 케익이 형성되지는 않은 것으로 판단되었고, 이는 육안관측이나 손으로 만져서도 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 하상여과나 강변여과에서 매질의 표층에 생성되는 슬러지 케익에 의한 폐색이 매질의 내부 폐색에 비해 더 큰 수두손실을 발생시키는 것과는 대조적이라 할 수 있으며,22) 본 연구에 사용된 여재인 섬유올이 매우 가늘고 간극도 클 뿐 아니라 그 간극율이 97% 정도로 보통의 토양에 대한 값인 30~40%에 비해 매우 크기 때문으로 판단되었다.
- SS는 수질오염공정시험법에 의해 측정했다. 모든 시료의 분석은 3회 반복 수행하였으며, 그 평균을 취하였다.
- 본 연구에 원수로 사용된 삼천지의 수질은 이와 김의 연구에서 상술되어 있듯이 저수지를 거의 완전히 덮고 있는 연잎으로 인해 조류의 생장이 억제되고, 이분해성 유기물의 함량도 낮은 특징이 있다.15) 그러나 조류가 발생하여 수질특성이 삼천지와 다른 경우에 본 장치를 적용할 때에는 이에 대한 고려가 필요하다.
- 실험 전체에 걸쳐서 pH는 7.2~8.3이었으며, 원수보다 여과수에서 0.10~0.15 더 낮았고 이는 미생물 활동에 의한 생분해가 발생했음을 나타낸다고 볼 수 있다.23) 산출유량을 초기의 0.
- 실험장치 제작 직후 수돗물을 이용하여 측정한 깨끗한 매질의 투수계수는 5 cm/sec로 굵은 자갈에 해당하는 상당히 큰 값이었다.21) 1년간의 본실험 동안 측정된 매질의 폐색도는 Fig.
- 삼천지는 수심이 얕고 연이 빽빽히 자라고 있으며 실험을 위한 원수의 취수위치가 삼천지의 유입부에서 가장 먼 곳에 위치하여 여름철의 홍수기에도 탁도가 높지 않아 원수의 SS농도와 탁도는 실험기간 동안 큰 변화가 없었다. 여과시 유량이 증가해도 그 분포곡선의 형태가 거의 같았으며, SS나 탁도 모두 여재 약 10 cm의 통과에서 가장 많이 제거되었고, 55 cm의 통과에서 SS의 대부분과 탁도의 90% 이상이 제거됨을 알 수 있었다.
- 이러한 현상은 하상여과나 강변여과에서 매질의 표층에 생성되는 슬러지 케익에 의한 폐색이 매질의 내부 폐색에 비해 더 큰 수두손실을 발생시키는 것과는 대조적이라 할 수 있으며,22) 본 연구에 사용된 여재인 섬유올이 매우 가늘고 간극도 클 뿐 아니라 그 간극율이 97% 정도로 보통의 토양에 대한 값인 30~40%에 비해 매우 크기 때문으로 판단되었다. 여재의 가장자리에서 중심부로 22 cm 지점의 폐색도는 본실험 시작 약 6개월 후 폐색도가 40%로 증가하며, 33 cm 지점의 폐색도는 1년간의 본실험에서도 그 폐색도가 22%를 넘지 않는 것을 알 수 있었다. 그러나 점차 느려지기는 하지만 1년간의 본실험 동안 여재의 중심부 방향으로 폐색이 계속 진행하는 것을 알 수 있으며, 유량과 원수의 오염도가 일정한 경우 이러한 폐색은 일정한 깊이까지 진행하다가 멈출 것으로 예상되고 그 깊이는 여과수에 포함되어 공급되는 오염물과 여재의 내부에서 생장하면서 오염물을 기질로 사용하는 미생물의 양이 평형을 이루면 더 이상 증가하지 않을 것으로 판단된다.
- 오염된 물이 짧은 깊이의 다공매질을 통과하면서도 그 수질이 크게 개선되었다는 여러 연구결과를 응용하여,10~14) 기존 호소수질 개선공법들의 단점을 보완하기 위한 방안으로‘원통형 여과장치’가 개발되었으며, 이에 관한 첫번째 연구인 이와 김의 연구에서는 실험을 통해 이 장치가 BOD와 SS 그리고 탁도의 제거에 큰 효과가 있고 COD의 제거에도 효과가 상당하며 2년 가까운 운전에도 폐색으로 인한 유량감소가 없어 호소수질개선에 사용될 수 있음을 확인하였다.
- 4 L/min로 운전하였으며, 한달 후인 2008년 9월 1일에 그 운전이 다시 안정된 것으로 판단하였고 10주 동안 1~2주마다 앞의 항목들을 측정하였다. 운전이 안정화되는 것을 파악하기 위해서는 COD과 DO, 수두, pH, 그리고 탁도를 주 1회씩 측정하였으며, 이들 항목들 특히 COD 제거율이 일정하게 수렴하는 경우 운전이 안정화된 것으로 판단하였다.
- 원통형 여과장치의 산출유량을 증가시켜도 오염제거효율이 크게 감소하지는 않았다. 유량을 0.8 L/min에서 2.4 L/min로 증가시키는 경우 BOD 제거율은 약 80%, SS 제거 율은 95% 이상, 그리고 탁도 제거율도 90% 이상으로 거의 일정하였으나 COD 제거율은 44%에서 29%로 감소하였다. 그러나 산출유량이 증가하여 여과수의 여재내 체류시간이 감소할수록 오염물 단위농도를 제거하는데 필요한 체류시간은 감소하였으며, 1 mg-COD/L를 제거하는데 필요한 체류시간은 산출유량 0.
- 4 L/min에서는 45분이었다. 이로부터 낮은 산출유량보다 높은 유량이 호소의 수질개선에는 더 유리함을 알 수 있었다. 여과장치의 폐색은 표층에서 집수관 방향으로 진행하며, 산출유량이 증가하면 폐색도도 증가하지만 2년 이상의 운전에도 폐색이 문제되지는 않아 본 장치가 호소의 수질개선에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대되었다.
- 이는 오염물질이 매질내에서 흡탈착을 동반하면서 이동함에 따라 체류시간이 증가하여 난분해성 유기물의 일부가 이분해성인 BOD로 전환되었기 때문으로 추정된다. 전체적인 BOD 제거효율은 75~85%로 산출유량에 따르지는 않았으며, 이는 오염물의 생분해특성이 계절에 따라 변했기 때문으로 판단된다.15) 한편, 1 mg/L의 BOD가 제거되기 위해서 필요한 여과수의 매질 체류시간은 유량증가에 따라 125분, 46분, 그리고 45분으로, 유량이 작을 때는 COD의 경우에 비해 오히려 더 크며, 이는 Fig.
후속연구
- 0 mg/L이었다. 그러나 호소수에 포함된 유기물의 특성은 계절에 따라 다르고,15) 초기유량에 대한 자료는 1년간의 평균치이지만 증가된 유량에 대한 자료는 각각 여름과 가을의 3개월 정도씩에 불과하여 계절적인 특성을 포함하고 있으므로 이 자료의 적용시 주의가 필요하다 할 것이다.
- 15) 그러나 조류가 발생하여 수질특성이 삼천지와 다른 경우에 본 장치를 적용할 때에는 이에 대한 고려가 필요하다. 또한, 사용된 여재와 장치의 직경에 따라서도 오염의 제거효율이 달라지므로 이에 대한 고려도 필요하다고 할 것이다.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 장치는 오염제거효율이 높아야 할 뿐 아니라 폐색에 의한 산출유량의 감소도 크지 않아야 한다. 오염된 물이 다공매질을 통과하면서 그 수질이 개선되는 과정에는 오염물의 포획이나 흡착과 함께 오염물을 기질로 사용하는 미생물의 부착생장이 포함되므로 필연적으로 간극의 폐색이 수반되고 이는 투수계수의 감소로 이어져 산출유량을 감소시키게 된다.
- 이로부터 낮은 산출유량보다 높은 유량이 호소의 수질개선에는 더 유리함을 알 수 있었다. 여과장치의 폐색은 표층에서 집수관 방향으로 진행하며, 산출유량이 증가하면 폐색도도 증가하지만 2년 이상의 운전에도 폐색이 문제되지는 않아 본 장치가 호소의 수질개선에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대되었다.
- 15) 그러나 이 장치를 실규모로 설치 및 운영하기 위해서는 산출유량에 따른 다공매질의 적정한 소요두께 즉 여재의 직경이 결정되어야 하고 장기간의 운전에 따른 다공매질의 폐색진행을 정량적으로 파악하여야 한다. 이러한, 집수관의 길이와 직경 그리고 개공율 등의 결정에는 본 장치와 수리학 및 수질학적으로 유사한 하상여과에서의 연구성과를 적용할 수 있다.16)
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