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문제 정의
- 14, 15) 특히, 동력을 이용한 역세척이 곤란한 비점오염물질 여과장치의 경우에는 여재층 상부에서 발생하는 폐색으로 인해 여재층 전체의 활용이 불가능하게 될 가능성이 있어, 폐색주기는 여과 장치의 수명을 결정하는데 중요한 인자라고 할 수 있다.13) 본 연구에서는 폐색 주기에 대한 수리학적인 조사를 위하여 몇 가지 EBCT에 해당하는 위치에서 압력과 유량의 변화를 조사 하였다. Darcy의 법칙에 의하면 동일 유량 조건에서 막힘 현상에 의해 여재의 공극 사이가 막히게 되어 투수계수가 줄어들게 되면 압력이 증가하게 됨을 알 수 있다.
- EPA)으로부터 비점오염물질에 대한 제거능과 경제성이 우수한 기술 및 다양한 여과재를 추천하고 있는데 그 중 고분자 합성여재는 탄화수소계 오염물질 및 박테리아에 대한 선택적 흡착능이 우수한 것으로 인정받고 있다.5) 본 연구의 목적은 상기 두 여재에 대한 연속 컬럼실험을 통해 오염물질 제거 특성과 여재 폐색 주기를 비교평가하고 여과장치 설계를 위한 기본 자료를 제시하는 데에 있다.
- 본 연구는 물리적 여과를 통한 오염물질의 제거가 주된 목적이었으나 일부 여재로의 흡착을 통한 오염물질의 제거 여부를 판단하기 위하여 두 여재의 흡착능력에 영향을 미칠 수 있는 제타전위 (Zeta-potential)와 양이온교환능력 (Cation Exchange Capacity, CEC)의 분석실험을 실시하였다. 우선 양이온 교환능력 측정은 암모늄 치환법을 이용하였는데 여재 1 g을 증류수로 세척한 후 1 M의 아세트산나트륨 용액을 이용하여 나트륨 이온으로 포화시켰다.
- 본 연구에서는 여과장치의 적용 가능성을 평가하고 설계인자를 도출하기 위하여 펄라이트와 합성여재에 대하여 강우유출수 내 오염물질 제거특성을 비교 실험 하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 여재 충전시 여재의 입경에 따른 영향을 최소화하기 위해서 두 여재의 입경 분포를 동일하게 맞추어주었다. 컬럼 운전을 통해 강우 유출수 내 미세 입자에 의한 여재 폐색주기를 확인하기 위해서 EBCT (empty bed contact time)을 기준으로 2.
제안 방법
- 그 후 95%의 에탄올을 이용하여 여재에 흡착되지 않은 나트륨 이온을 세척하고 다시 1 M의 아세트산암모늄으로 이온 교환시켜 용출된 나트륨 이온의 농도를 100배 희석 후 원자흡광광도계 (Z-8200, Hitachi, Japan)으로 분석하였다.7) 한편 제타전위는 각 여재를 0.15 mm 표준체로 거른 후 증류수에 20mg/L의 농도로 주입하고, pH를 3, 7, 9로 조정한 상태에서 제타전위 측정기(ZETASIZER -3000HSA, Malvern, UK)로 측정하였다.
- 우선 양이온 교환능력 측정은 암모늄 치환법을 이용하였는데 여재 1 g을 증류수로 세척한 후 1 M의 아세트산나트륨 용액을 이용하여 나트륨 이온으로 포화시켰다. 그 후 95%의 에탄올을 이용하여 여재에 흡착되지 않은 나트륨 이온을 세척하고 다시 1 M의 아세트산암모늄으로 이온 교환시켜 용출된 나트륨 이온의 농도를 100배 희석 후 원자흡광광도계 (Z-8200, Hitachi, Japan)으로 분석하였다.7) 한편 제타전위는 각 여재를 0.
- 본 연구의 대상 여재는 펄라이트(Sunghyun, Korea)와 Polystyrene계열의 고분자 합성여재 (AbTech, USA)로 (Fig. 1) 두 여재의 물리적 특성을 알아보기 위하여 입경 분포, 공극률, 비중을 측정하였다. 입경 분포는 10단계의 표준체(6.
- 채수 주기는 15분으로 고정하고 운전시간 540분경과 후부터는 30분으로 증가시켰다. 분석 항목은 입자성 오염물질 제거 특성을 조사하기 위하여 TCODCr, 탁도로 하였고 용존성 오염물질 제거 특성을 조사하기 위하여 SCODCr를, 또한 중금속 제거 특성을 조사하기 위하여 납, 아연, 구리를 분석하였다. 대부분의 분석항목은 Standard Method에 준하여 분석하였고8) 탁도는 Turbidometer (Hach, USA)를 사용 하여 측정하였다.
- 45 um이하로 정의되고 있는 용존성 물질은 여재의 화학적 특성에 기인하는 흡착으로 제거될 것이라 예상하였다. 실험에 사용된 각 여재의 용존성 유기물에 대한 제거 효율을 조사하기 위하여 SCODCr에 대한 분석을 실시하였으며 그 결과는 Fig. 6에서 보여주고 있다. 두 여재 모두 기대했던 것과 달리 뚜렷한 제거 특성이 보이지 않았으며 제거 효율 또한 평균10% 내외로 매우 낮게 나타났다.
- 1) 두 여재의 물리적 특성을 알아보기 위하여 입경 분포, 공극률, 비중을 측정하였다. 입경 분포는 10단계의 표준체(6.35, 4.75, 2.0, 1.0, 0.85, 0.425, 0.3, 0.25, 0.18, 0.15 mm)를 이용한 체거름 실험을 통해 분석하였다. 각 여재의 공극률과 비중은 한국 암반공학회의 표준시험법6)에 준하여 수행하였다.
- 본 연구에서는 여재 충전시 여재의 입경에 따른 영향을 최소화하기 위해서 두 여재의 입경 분포를 동일하게 맞추어주었다. 컬럼 운전을 통해 강우 유출수 내 미세 입자에 의한 여재 폐색주기를 확인하기 위해서 EBCT (empty bed contact time)을 기준으로 2.5분, 7분, 12분이 되는 지점에서 수질, 압력 및 유량을 측정하였다. 채수 주기는 15분으로 고정하고 운전시간 540분경과 후부터는 30분으로 증가시켰다.
- 유출량 감소는 지속적으로 서서히 일어난 반면 압력은 유출량이 0에 가까워진 후 급격히 증가하는 것으로 관측되었다. 한편, 상기 시점에서 유량의 감소가 여재층 전체 폐색에 기인한 것이 아닌 유출 밸브 주변 여재의 폐색에 의해 발생했을 가능성을 고려하여 실험 경과 720분에 유출 밸브 주변에 누적된 고형물을 제거해 주었다. 그결과 급격히 압력이 저하되고 유출량이 증가하였으나 시간이 얼마 지나지 않아 EBCT 2.
대상 데이터
- 본 연구에서는 서울시 성북구에 위치한 내부순환로 월곡램프 지점에서 채수한 도로 강우 유출수를 이용하여 연속 컬럼실험을 실시하였으며 실험 유입수는 SS (Suspended Solids) 농도를 기준으로 하여 조절한 후 이용하였다. Fig.
데이터처리
- 대부분의 분석항목은 Standard Method에 준하여 분석하였고8) 탁도는 Turbidometer (Hach, USA)를 사용 하여 측정하였다. 분석 및 측정은 각각 3회씩 실시하여 평균값을 사용하였다.
- 7에 제시한 컬럼 깊이별 유출수의 평균 중금속 농도를 살펴보면 합성여재가 미세하게 높은 제거효율을 보여주었다. 즉, EBCT 7분과 12분에 해당하는 위치에서는 두 컬럼 유출수의 농도에 큰 차이가 없었지만 EBCT 2.5분에서는 통계적으로 유의한 차이가 관측되었고 이는 paired t-test를 통해 검증할 수 있었다. 그림에 제시한 p-value 는 일반적으로 0.
이론/모형
- 15 mm)를 이용한 체거름 실험을 통해 분석하였다. 각 여재의 공극률과 비중은 한국 암반공학회의 표준시험법6)에 준하여 수행하였다.
- 분석 항목은 입자성 오염물질 제거 특성을 조사하기 위하여 TCODCr, 탁도로 하였고 용존성 오염물질 제거 특성을 조사하기 위하여 SCODCr를, 또한 중금속 제거 특성을 조사하기 위하여 납, 아연, 구리를 분석하였다. 대부분의 분석항목은 Standard Method에 준하여 분석하였고8) 탁도는 Turbidometer (Hach, USA)를 사용 하여 측정하였다. 분석 및 측정은 각각 3회씩 실시하여 평균값을 사용하였다.
- 본 연구는 물리적 여과를 통한 오염물질의 제거가 주된 목적이었으나 일부 여재로의 흡착을 통한 오염물질의 제거 여부를 판단하기 위하여 두 여재의 흡착능력에 영향을 미칠 수 있는 제타전위 (Zeta-potential)와 양이온교환능력 (Cation Exchange Capacity, CEC)의 분석실험을 실시하였다. 우선 양이온 교환능력 측정은 암모늄 치환법을 이용하였는데 여재 1 g을 증류수로 세척한 후 1 M의 아세트산나트륨 용액을 이용하여 나트륨 이온으로 포화시켰다. 그 후 95%의 에탄올을 이용하여 여재에 흡착되지 않은 나트륨 이온을 세척하고 다시 1 M의 아세트산암모늄으로 이온 교환시켜 용출된 나트륨 이온의 농도를 100배 희석 후 원자흡광광도계 (Z-8200, Hitachi, Japan)으로 분석하였다.
성능/효과
- 1) EBCT 2.5분을 기준으로 유량이 0으로 줄어드는 시간이 펄라이트의 경우 630분이며, 합성여재의 경우는 810분이었던 점으로 볼 때 동일한 조건에서의 합성여재가 펄라이트에 비하여 운전 수명이 보다 길어 효과적 이었다.
- 1 meq/100 g로 펄라이트보다 낮은 값을 보여주었지만, 일반 적으로 강우유출수 처리에 사용되는 토양여과시설에서 사질토양(sandy loam)의 CEC (20 meq/100 g 이하) 보다는 높은 것으로 나타났다.12) 따라서 본 여재에 사용된 두 여재 모두 강우유출수 내에 함유된 양이온계 오염물질의 흡착에 있어서 유리한 특성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 강우 시 발생하는 강우유출수의 입자성 물질의 표면전위는 기존 문헌에서 그 범위가 -13 mV에서 -30 mV안에서 매우 다양한 값을 보여주었다.19) 본 연구에 사용된 여재의 표면전위 값은 pH 7에서 펄라이트가 -59.2 mV, 합성여재가 -26.8 mV인 것으로 보아 미세 입자에 부착된 중금속의 제거는 여재의 양이온치환 능력보다는 여재 표면 전위에 기인하는 반발력에 더 영향을 받는 것으로 판단된다. 입자 및 여재의 표면 전위가 여과효율에 미치는 영향은 Leitschkis와 Rammensee20)에서 일부 보고된 바 있다.
- 1) 특히 수계에 인접하여 건설될 경우 노면에 축적된 비점오염물질과 더불어 유류 등 유독물 운반차량의 전복 등의 수질오염사고에 의한 수계오염이 발생 가능한 지역이다.2) 또한 포장지역은 불투수성 비율이 높아 강우 유출수의 유량과 수질의 변화가 빠르게 나타나며, 초기에 발생하는 유출수에 높은 비율의 오염부하가 집중되는 초기 세척현상이 나타나기도 한다.3) 따라서 비점오염물질에 의한 수질오염을 저감하기 위해서 최근 비점오염물질 발생 지역에 초기강우 기준이 접목된 저감시설을 설치하도록 권고하고 있다.
- 2) 탁도와 TCODCr의 제거효율을 살펴보면 EBCT 2.5분 만으로도 대부분의 오염물질의 제거가 가능하였으며, TCODCr의 제거효율이 급격히 감소하는 시점이 여재가 폐색된 시점과 거의 일치하는 것으로 볼 때 대부분의 오염물질의 제거는 여과를 통하여 이루어짐을 확인하였고, 오염물질 제거용량은 펄라이트에 비하여 합성여재가 우수하였다.
- 3) 용존성 오염물질의 지표인 SCODCr에 대해서는 두 여재 모두 뚜렷한 제거 특성이 보이지 않았으며 제거 효율 또한 평균 10% 내외로 매우 낮게 나타나, 용존성 오염물질의 제거는 거의 이루어지지 않았다.
- 기존에 강우유출수 내 중금속의 분포에 대한 문헌들을 살펴보면 아연, 납 구리는 50 μm 이하의 실트 크기의 입자에서 가장 높은 농도로 나타나는 것으로 보고된 바 있다.3, 18) Fig. 7에 정리한 세 종의 중금속에 대한 깊이별 유출수의 평균 농도를 살펴보면 EBCT 2.5분의 위치에서 대부분의 제거가 이루어졌던 SS, 탁도 등의 결과와는 달리 EBCT가 증가할수록 유출수 내 중금속 농도가 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 여재의 공극에 포획되기 어려운 미세입자들에 중금속이 많은 비율로 포함되어 있다는 간접적인 증거이기도 하다.
- 4) 안정화된 컬럼 내에서 중금속 제거효율은 평균 80%이상이었다. 하지만 각 여재의 양이온교환능력으로 인한 기대 했던 중금속 제거는 확인할 수 없었고 대부분 입자에 부착된 중금속류가 제거되는 것으로 나타났다.
- 5) 두 여재가 유사한 입경 분포로 조절되었음에도 오염 부하 삭감량에 4~5배 이상 차이가 있는 것으로 나타나 적정 여재의 선택에 있어 여재 내 투수 특성은 주요한 고려사항으로 보인다.
- 반대의 경우에는 제거효율은 상승하지만 폐색(clogging)이 더욱 빠르게 진행될 수 있다.9) 일례로 일반적인 정수장 급속 여과사의 설계기준은 유효 입경 0.45~0.7 mm, 균등계수 1.7 이하를 권장하고 있는데, 0.3 mm 이하의 여과사는 막힘 현상을 빨리 유발하고 2 mm 이상의 여과사는 통상 여과층에서 여과 효과에 기여하지 못하는 것으로 알려져 있다.10) 본 연구에서 입경분포를 동일하게 한 후 컬럼에 충전된 여재는 유효입경이 0.
- 5분 지점을 기준으로 유입 및 유출 부하량에 대한 간단한 물질 수지를 산정하여 Table 3에 제시 하였다. TCODcr에 대한 부하 저감량은 합성여재가 펄라 이트 보다 약 4배 이상 높았고 중금속의 경우에는 유입수에 포함된 종별 농도에 따라 4~5배 이상 높게 나타났다. 앞서 각 오염물질에 대한 농도 제거율은 거의 유사하게 나타난 것을 고려해 보았을 때 상기 결과는 여재 내 수리학적 특성에 기인한 것으로 보인다.
- Table 2에서와 같이 중금속의 제거에 있어서 여재의 특성이 미치는 독특한 영향을 찾아볼 수 있었는데 앞선 여재 특성 분석 결과를 통해 양이온계 용존성 중금속의 흡착에 있어 펄라이트가 더 유리할 것으로 기대하였다. 하지만 Fig.
- 한편 여재의 제타전위의 경우 모든 pH에 대하여 펄라이트가 더 높은 음의 전위를 갖는 것으로 측정되었으며 그 차이는 매질의 pH가 증가할수록 더 커졌다. 결과적으로 펄라이트의 CEC가 큰 값을 보이며 표면전위 역시 합성여재보다도 더 큰 음의 전하 값을 가지고 있는 것으로 보아 강우유출수 내의 양이온 또는 양의 전하를 띈 콜로이드 상 물질에 대하여 높은 흡착능을 가질 것으로 예상된다.
- 5분 지점과 달리 변화한 상태를 상당기간 유지하는 경향을 보여주어 이 지점까지의 여재층 폐색은 일어나지 않았음을 추측할 수 있었다. 결론적으로 펄라이트는 630분, 합성여재는 810분이 경과하였을 때 EBCT 2.5분의 지점까지 전 깊이에 대해 막힘 현상이 발생하여 여재의 한계 여과량이라고 할 수 있었다.
- 한편, 상기 시점에서 유량의 감소가 여재층 전체 폐색에 기인한 것이 아닌 유출 밸브 주변 여재의 폐색에 의해 발생했을 가능성을 고려하여 실험 경과 720분에 유출 밸브 주변에 누적된 고형물을 제거해 주었다. 그결과 급격히 압력이 저하되고 유출량이 증가하였으나 시간이 얼마 지나지 않아 EBCT 2.5분 지점에서 다시 압력의 증가와 유량의 감소가 나타나 상기 시점에 여재층 전체의 폐색이 발생하였다는 것을 확인하였다. 반면 EBCT 7.
- 6에서 보여주고 있다. 두 여재 모두 기대했던 것과 달리 뚜렷한 제거 특성이 보이지 않았으며 제거 효율 또한 평균10% 내외로 매우 낮게 나타났다. 즉, 여재 내 이온교환 또는 전기적 인력을 통한 용존성 유기물의 흡착이 거의 발생하지 않았으며, 이는 여재층 내에서의 접촉시간이 흡착이 이루어지기에는 충분하지 않았기 때문인 것으로 추측된다.
- 등의 제거 경향과 유사하였다. 따라서 강우유출수 내에 존재하는 중금속에 대한 제거는 주로 입자에 부착된 상태에서 여과에 의존하는 것이 대부분이라는 것을 추론할 수 있었다. 기존에 강우유출수 내 중금속의 분포에 대한 문헌들을 살펴보면 아연, 납 구리는 50 μm 이하의 실트 크기의 입자에서 가장 높은 농도로 나타나는 것으로 보고된 바 있다.
- 본 연구에서 컬럼 실험 시 오염 물질이 제거되는 방법은 주로 여재의 공극에 의한 여과 방법과 일부 입경크기가 0.45 um이하로 정의되고 있는 용존성 물질은 여재의 화학적 특성에 기인하는 흡착으로 제거될 것이라 예상하였다. 실험에 사용된 각 여재의 용존성 유기물에 대한 제거 효율을 조사하기 위하여 SCODCr에 대한 분석을 실시하였으며 그 결과는 Fig.
- 세 종류의 중금속(Pb, Zn, Cu)에 대한 제거 경향을 살펴보면 초반의 안정화 이후 약 80%의 제거효율을 유지하다가 후반에 증가하는 경향을 보였으며, 이는 탁도, TCODCr 등의 제거 경향과 유사하였다. 따라서 강우유출수 내에 존재하는 중금속에 대한 제거는 주로 입자에 부착된 상태에서 여과에 의존하는 것이 대부분이라는 것을 추론할 수 있었다.
- 5분인 지점에서 펄라이트의 경우 630분, 합성여재는 810분에 유출량이 0에 가까워졌다. 유출량 감소는 지속적으로 서서히 일어난 반면 압력은 유출량이 0에 가까워진 후 급격히 증가하는 것으로 관측되었다. 한편, 상기 시점에서 유량의 감소가 여재층 전체 폐색에 기인한 것이 아닌 유출 밸브 주변 여재의 폐색에 의해 발생했을 가능성을 고려하여 실험 경과 720분에 유출 밸브 주변에 누적된 고형물을 제거해 주었다.
- 한편 합성여재의 경우 펄라이트보다 초기 미세입자의 유출이 발생되지 않는 안정화 상태를 좀 더 빨리 유지하였으며, 두 여재 안정화 후 탁도 제거효율과 TCODCr 제거효율은 각각 67%~91%, 70%~92%로 유지되었다. 이 결과는 건설교통부(2007)에서 권고하는 필터방식의 장치형 처리효율인 COD 40~70%를 만족할 뿐만 아니라,3) 기존의 유사 강우유출수 여과장치16)보다 우수한 처리 성능임을 확인할 수 있었다.
- 6에서 제시한 용존성 오염물질의 제거경향도 흡착으로 인한 오염물질의 제거는 큰 의미를 갖지 않는다는 점에서 상기 해석을 뒷받침할 수 있다. 이 결과를 토대로 각 여재의 TCODCr 제거 용량은 펄 라이트가 단위 질량(g)당 121.5 mg, 합성여재가 501.8 mg 정도임을 알 수 있었다.
- 5에서는 탁도와 TCODCr를 각각 제시하였다. 펄라이트를 충전한 컬럼에서는 탁도, TCODCr 모두 초기에 유출수의 농도가 오히려 유입수의 농도보다 높은 것으로 관측되었다. 이는 펄라이트의 입경 조절 과정에서 발생한 미세입자들이 유출되면서 발생한 것으로 판단되며 실제 유출수의 탁도 및 TCODCr의 결과가 과도하게 높은 경우에는 유출수 안에서 미세한 펄라이트 입자를 육안으로 확인이 가능 하였다.
- 4) 안정화된 컬럼 내에서 중금속 제거효율은 평균 80%이상이었다. 하지만 각 여재의 양이온교환능력으로 인한 기대 했던 중금속 제거는 확인할 수 없었고 대부분 입자에 부착된 중금속류가 제거되는 것으로 나타났다.
- 한편 안정화된 두 컬럼에서 EBCT가 가장 짧았던 EBCT 2.5분 지점의 제거효율이 EBCT가 더 길었던 EBCT 7분과 EBCT 10분의 지점에서 제거효율과 거의 비슷한 제거 효율을 보여주었다. 즉, 초기 2.
- 한편 여재의 제타전위의 경우 모든 pH에 대하여 펄라이트가 더 높은 음의 전위를 갖는 것으로 측정되었으며 그 차이는 매질의 pH가 증가할수록 더 커졌다. 결과적으로 펄라이트의 CEC가 큰 값을 보이며 표면전위 역시 합성여재보다도 더 큰 음의 전하 값을 가지고 있는 것으로 보아 강우유출수 내의 양이온 또는 양의 전하를 띈 콜로이드 상 물질에 대하여 높은 흡착능을 가질 것으로 예상된다.
- 이는 펄라이트의 입경 조절 과정에서 발생한 미세입자들이 유출되면서 발생한 것으로 판단되며 실제 유출수의 탁도 및 TCODCr의 결과가 과도하게 높은 경우에는 유출수 안에서 미세한 펄라이트 입자를 육안으로 확인이 가능 하였다. 한편 합성여재의 경우 펄라이트보다 초기 미세입자의 유출이 발생되지 않는 안정화 상태를 좀 더 빨리 유지하였으며, 두 여재 안정화 후 탁도 제거효율과 TCODCr 제거효율은 각각 67%~91%, 70%~92%로 유지되었다. 이 결과는 건설교통부(2007)에서 권고하는 필터방식의 장치형 처리효율인 COD 40~70%를 만족할 뿐만 아니라,3) 기존의 유사 강우유출수 여과장치16)보다 우수한 처리 성능임을 확인할 수 있었다.
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