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문제 정의
- 본 연구에서는 하수처리장으로 유입되는 CSOs의 유입성상을 분석하고, CSOs의 초기세척현상에 의한 오염물질의 유입을 Vortex separator와 연속식 섬유사 여과기를 이용하여 초기우수 및 CSOs처리 가능성을 알아보고자 하였다. 또한 건기 및 우기시 실험을 통해 우리나라의 하상계수가 큰 것으로 고려하여 건기 및 우기시 실험을 통해 1차침전지 대체성 평가를 실시하였다.
- 일반적인 와류분리기의 처리효율은 CSOs의 특성이나 장치의 구성형태, 크기, 수리학적 부하, 처리대상물질, 방류수계의 수질오염기준에 따라 차이가 있을 수 있지만 TSS의 제거효율은 약 40~50%정도이다(Geiger, 1998). 따라서 안정적인 수질을 확보하기 위하여 와류형 분리장치의 유출수를 섬유사 여과장치로 최종 처리하여 CSOs의 효과적인 처리 대안을 제시하고자 하였다. 기존의 필터 여재를 이용한 여과장치는 정지된 상태에서 여재를 역세척하기 때문에 장치의 운영에 있어서 비가동시간(down time)이 존재하기 때문에 유량과 농도의 변화가 큰 강우시에는 월류수의 처리속도 및 처리량이 감소한다는 문제점이 있다.
- 본 연구는 특정지역을 대상으로 합류식 하수관거 월류수에 포함되어 있는 오염물 성상을 분석하여 CSOs 유출특성 및 Vortex separator와 섬유사 여과를 이용한 CSOs의 처리효율을 비교하였다. 또한 하수처리장 내의 1차침전지와의 비교를 통하여 건기시에 CSOs의 처리장치의 대체이용 가능성을 연구하였다.
- 본 연구는 특정지역을 대상으로 합류식 하수관거 월류수에 포함되어 있는 오염물 성상을 분석하여 CSOs 유출특성 및 Vortex separator와 섬유사 여과를 이용한 CSOs의 처리효율을 비교하였다. 또한 하수처리장 내의 1차침전지와의 비교를 통하여 건기시에 CSOs의 처리장치의 대체이용 가능성을 연구하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 하수처리장으로 유입되는 CSOs의 유입성상을 분석하고, CSOs의 초기세척현상에 의한 오염물질의 유입을 Vortex separator와 연속식 섬유사 여과기를 이용하여 초기우수 및 CSOs처리 가능성을 알아보고자 하였다. 또한 건기 및 우기시 실험을 통해 우리나라의 하상계수가 큰 것으로 고려하여 건기 및 우기시 실험을 통해 1차침전지 대체성 평가를 실시하였다.
- 대상 원수는 침사지 유출수를 이용하였으며 저류조에 저장한 후 실험에 사용하였다. 유입수 저류조에는 입자성 물질들을 부유상태로 유지하기 위하여 교반기를 이용하여 완전혼합상태가 유지되도록 교반해 주었으며, Vortex separator의 유입 유량은 유량계를 이용하여 측정하면서 밸브로 제어하였다.
- 또한 본 연구에 사용된 월류수 처리장치는 국내 유효강우일수가 50일 내외인 기상학적 특이성을 고려하여 1차침전지 대체가능성 평가를 위하여 입경범위를 1∼100㎛에 중점을 두어 분석하였다.
- 기존의 필터 여재를 이용한 여과장치는 정지된 상태에서 여재를 역세척하기 때문에 장치의 운영에 있어서 비가동시간(down time)이 존재하기 때문에 유량과 농도의 변화가 큰 강우시에는 월류수의 처리속도 및 처리량이 감소한다는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에 사용된 여과장치는 독립적으로 9개의 여실이 구성되어 있어서 하나의 여실에서 역세가 이루어지는 동안 나머지 8개의 여실에서는 여과가 일어나게 되어 연속적인 운전이 가능하도록 하였다.
- Table. 1은 Vortex separator와 여과장치의 설계인자를 나타내었으며, Vortex separator의 유입유량, 유출유량 및 하부배출량을 각각 5.6m3/hr, 4.4m3/hr, 1.2m3/hr로 고정한 후 실험을 진행하였다. 여과기의 역세는 총 5분으로 설정하였으며, 세 단계로 구성되어 있다.
- 대상지역의 수질을 분석하기 위하여 건기시 5회와 우기시 4회에 걸쳐 시료를 채취하였으며, 채취된 시료는 4℃이하로 보관하여 24시간 이내에 실험실로 운반하여 분석하였다. 우수는 선행건기일수 4일 이상, 강우량 10mm이상일 강우를 대상으로 하였으며, 30분 간격으로 채수하였다.
- 또한, Vortex separator와 연속식 섬유사 여과장치의 처리효율을 평가하기 위하여 대상원수를 200ℓ의 저장 탱크에 저류한 후 정량펌프를 이용하여 공정에 주입하였다. 또한 본 연구에 사용된 월류수 처리장치는 국내 유효강우일수가 50일 내외인 기상학적 특이성을 고려하여 1차침전지 대체가능성 평가를 위하여 입경범위를 1∼100㎛에 중점을 두어 분석하였다.
- 분석항목은 CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS, 입경분석, 중금속, 탁도 등을 분석하였으며, CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS는 공정시험법과 Standard Methods에 준하여 분석하였고 입경분석은 입자분석기(SBSS-C, Pamas)를 이용하였다. 중금속은 ICP(ICPE-9000, Shimadzu)를 이용하였고, 탁도는 Portable Turbidimeter (2100P, Hach)를 사용하여 분석하였다.
- Vortex separator와 섬유사 여과장치의 효율을 평가하기 위하여 우기시의 원수를 이용하여 실험을 진행하였다. 장치의 운전은 강우가 시작된 후 초기세척현상이 예상되는 2시간 후부터 시작하였다.
- 여과장치에서 중요한 인자가 되는 여재로는 구형의 섬유사 여재를 사용하였다. 섬유사 여과장치에 구형의 섬유사 여재를 여실에 약 80%충진 후 여실의 40% 이내로 압축하여 공극을 최소화하였으며, 역세척 시에는 압축을 풀고 공기와 여과수에 의해 세척이 원활히 이루어지도록 하였다. 공정에서의 장치별 처리 효율은 Fig.
- 이러한 불규칙적이고 한 계절에 집중되는 강우를 대상으로 본 처리공정을 적용하기에는 유지관리 및 운영상에 어려움이 있기 때문에 입자제거가 주목적인 하수처리장 내의 침사지와 1차침전지의 비경제적인 부분을 대체가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 Vortex separator와 섬유사 여과장치를 하수처리장내의 1차침전지와 비교평가를 하였다.
- • Vortex separator와 연속식 여과장치를 이용한 CSOs 처리장치의 입경별 효율분석 결과 역세주기는 총 5분으로 공기와 여과수로 여재 세척 2분, 여실세척 2분, 휴지 1분으로 운전하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 실험에 사용된 공정의 개략도로 공정은 저류조, 와류형 처리장치, 하부배출수조, 연속식여과장치로 구성되어 있다. 대상 원수는 침사지 유출수를 이용하였으며 저류조에 저장한 후 실험에 사용하였다.
- 1은 본 실험에 사용된 공정의 개략도로 공정은 저류조, 와류형 처리장치, 하부배출수조, 연속식여과장치로 구성되어 있다. 대상 원수는 침사지 유출수를 이용하였으며 저류조에 저장한 후 실험에 사용하였다. 유입수 저류조에는 입자성 물질들을 부유상태로 유지하기 위하여 교반기를 이용하여 완전혼합상태가 유지되도록 교반해 주었으며, Vortex separator의 유입 유량은 유량계를 이용하여 측정하면서 밸브로 제어하였다.
- 각 단계를 살펴보면, 공기와 여과수를 동시에 이용하여 2분 동안 역세한 후에 여과수를 이용하여 여실을 2분 동안 세척하고 부하를 줄이기 위하여 1분간의 휴지기로 구성하였다. 실험에 사용된 여재는 작은 구형의 섬유사 여재로 밀도 16kg/m3 , 직경은 3cm이며, 외부에서 작용하는 압력에 따라서 여재사이의 공극과 압축률이 달라지는 장점을 가지고 있다.
- 대상지역의 수질을 분석하기 위하여 건기시 5회와 우기시 4회에 걸쳐 시료를 채취하였으며, 채취된 시료는 4℃이하로 보관하여 24시간 이내에 실험실로 운반하여 분석하였다. 우수는 선행건기일수 4일 이상, 강우량 10mm이상일 강우를 대상으로 하였으며, 30분 간격으로 채수하였다.
이론/모형
- 분석항목은 CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS, 입경분석, 중금속, 탁도 등을 분석하였으며, CODcr, BOD, TP, TN, TSS, VSS는 공정시험법과 Standard Methods에 준하여 분석하였고 입경분석은 입자분석기(SBSS-C, Pamas)를 이용하였다. 중금속은 ICP(ICPE-9000, Shimadzu)를 이용하였고, 탁도는 Portable Turbidimeter (2100P, Hach)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 약 40∼100㎛의 입경에서의 처리효율은 평균 99.7%였으며, 이 입경범위 이하에서의 처리효율은 55∼80%의 효율을 보였다.
- 4(b)는 TN과 TP는 물소비가 많은 약 13시에 최고 농도를 보인 후 감소하는 경향을 보였다. 유입수 중의 CODCr, BOD5, SS, TN, TP의 평균농도는 334, 193, 152, 49, 5mg/L로 각각 나타났다. Fig.
- Fig. 5(a)에서와 같이 CODCr, BOD5, SS의 평균농도는 379.8, 193.6, 367.6mg/L로 각각 나타났으며 강우시작 후 약 3시간 후에 농도가 급격히 증가한 후 일정시간 경과 후에 다시 감소하였다. 이는 초기세척 효과에 기인한 것으로 강우 시에 도로노면 및 합류식 하수관거 내 퇴적물들이 처리장으로 유입된 것으로 판단된다.
- 유기물과 고형물의 농도변화를 살펴보면 CODCr은 약 280∼390mg/L이 유입되어 vortex separator에서 약 215∼315mg/L의 저감효과를 나타내었고 최종적으로 여과 후 농도는 150∼200mg/L의 농도로 약 50%의 저감효과를 나타내었다.
- • CSOs 처리장치의 1차침전지 대체가능성을 검토한 연구에서는 유기물, SS, TN, TP의 처리효율이 우기시 운전 조건으로 운전한 CSOs처리장치에서 효율이 높게 나타났다.
- • 우기시 본 공정에서의 CODCr, SS, TN, TP의 제거효율은 각각 약 50%, 50%, 8%, 18%로 나타났다.
- 8은 1차침전지와 CSOs처리장치의 유기물과 SS의 유출수 농도와 효율을 비교하였다. CODCr, SS의 처리효율을 비교한 결과 CSOs 처리장치가 약 15%이상 높게 나타났으며, TN의 경우에도 1차침전지와 CSOs처리장치의 유출수 농도는 40mg/L, 11mg/L로 CSOs 처리장치의 효율이 높게 나타났지만 TP의 경우에는 제거효율은 높지만 제거 농도는 1차침전지와 CSOs처리장치가 유사하였다. 이는 입자성 물질만을 제거할 수 있는 공정의 특성상 CSOs의 처리장치가 우수한 CODCr 제거효율에 의해 SS의 제거효율이 보다 높은 것으로 판단되며 TN과 TP의 경우에는 TN이 TP보다 높은 제거효율을 보였다.
- CODCr, SS의 처리효율을 비교한 결과 CSOs 처리장치가 약 15%이상 높게 나타났으며, TN의 경우에도 1차침전지와 CSOs처리장치의 유출수 농도는 40mg/L, 11mg/L로 CSOs 처리장치의 효율이 높게 나타났지만 TP의 경우에는 제거효율은 높지만 제거 농도는 1차침전지와 CSOs처리장치가 유사하였다. 이는 입자성 물질만을 제거할 수 있는 공정의 특성상 CSOs의 처리장치가 우수한 CODCr 제거효율에 의해 SS의 제거효율이 보다 높은 것으로 판단되며 TN과 TP의 경우에는 TN이 TP보다 높은 제거효율을 보였다. 이는 비록 결과에 나타내지 않았지만 대상지역 내에 존재하는 다수의 자동차 관련 업소 등에서 사용된 인화합물 등이 입자성물질에 흡착된 상태로 유입되었기 때문에 처리장치에서의 TP제거효율이 TN의 제거효율보다 높은 것으로 판단된다.
- 이는 비록 결과에 나타내지 않았지만 대상지역 내에 존재하는 다수의 자동차 관련 업소 등에서 사용된 인화합물 등이 입자성물질에 흡착된 상태로 유입되었기 때문에 처리장치에서의 TP제거효율이 TN의 제거효율보다 높은 것으로 판단된다. 따라서 CSOs 처리시설의 효율이 높아 1차침전지를 대체가 가능할 것으로 판단된다.
- Fig. 4(b)는 TN과 TP는 물소비가 많은 약 13시에 최고 농도를 보인 후 감소하는 경향을 보였다. 유입수 중의 CODCr, BOD5, SS, TN, TP의 평균농도는 334, 193, 152, 49, 5mg/L로 각각 나타났다.
후속연구
- 그러나 본 공정에서는 Vortex separator에서 미처리된 입자들은 후단의 여과장치에서 제거됨으로써 최종 유출수의 입경범위는 약 1∼8㎛를 보였으며 최종적인 처리효율이 약 99%이상으로 나타났지만 1차침전지의 대용으로 처리공정을 적용하기 위해서는 여과장치에서 여재의 종류에 따른 처리효율 증가효과에 대한 평가가 더 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 방류수역에 직접적인 영향을 주는 TN과 TP의 처리효율이 낮게 나타났으며 이는 본 연구에 사용된 공정이 물리적 처리로만 구성되어 있기 때문에 일정량의 입자성 N과 P만의 제거가 가능하며 월류수에 포함된 용존성 N과 P의 경우에는 제거되지 않았기 때문으로 판단되며, 보다 향상된 제거효율을 얻기 위해서는 추가적으로 화학적 응집제의 주입에 의한 처리효율의 변화와 관련된 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. Fig.
- 국내의 경우에는 대부분의 강우가 여름철에 집중되어 있으며, 유효강우일수가 약 50일 내외로 나타나고 있다. 이러한 불규칙적이고 한 계절에 집중되는 강우를 대상으로 본 처리공정을 적용하기에는 유지관리 및 운영상에 어려움이 있기 때문에 입자제거가 주목적인 하수처리장 내의 침사지와 1차침전지의 비경제적인 부분을 대체가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 Vortex separator와 섬유사 여과장치를 하수처리장내의 1차침전지와 비교평가를 하였다.
- 오염 물질의 제거효율은 Vortex separator가 섬유사 여과장치보다 효율이 낮지만 섬유사 여과장치를 단독으로 운전할 경우에고형물에 의한 섬유사 여재의 빠른 폐색에 따라 처리효율도 빠르게 저하된다. 때문에 안정적인 CSO의 처리를 위해서는 높은 고형물 제거를 위해 Vortex separator의 내부 cone의 각도 조절 등과 같은 추가 실험이 필요할 것으로 판단된다.
- 그러므로 1차침전지를 대체하기 위해서는 CSOs처리장치가 건기시에 효율적으로 운전될 수 있는 유량 및 시간에 대한 조절이 필요하다. 그리고 와류로 인해 제거되지 못한 하수는 점성이 있는 물질들을 포함하고 있어 여재를 빠르게 폐색 시키는 문제점을 안고 있으므로 공극이 작고 역세척이 효율적인 여재의 선정도 필요 할 것으로 사료된다.
- SS가 제거됨에 따라 질소와 인도 함께 제거될 것이라 기대하였지만 CSOs에 포함되어 있는 SS의 대부분이 무기물이며 질소와 인이 대부분 용존성으로 존재하기 때문으로 판단된다. 따라서 응집제와 같은 수처리제의주입을 통한 질소와 인의 제어와 관련된 추가연구가 필요한 것으로 판단된다.
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