본 연구는 여과와 침투기작을 이용한 개선된 여과형 시설의 비점오염물질 처리효율을 평가하고자 수행되었다. 저감시설은 지리학적 기후학적인 인자를 고려하여 기존의 저감시설의 단점을 보완하여 설계되었다. 저감시설의 처리효율 평가는 실험실 규모로 수행되었으며, 3가지 유형의 유속[초기강우(120 mL/min), 일반적인 강우(242 mL/min), 집중호우(500 mL/min)]을 적용하여 실험을 진행하였고, 이를 통하여 수질 분석 및 물수지를 산정하였다. 실험결과, 저감시설의 입자상 물질 제거 효율은 90%이상으로 높게 분석되었다. 3가지의 유속변화 실험 중, 집중호우의 경우에서 11~91% 범위로 낮은 제거효율을 보였는데, 이는 다른 유속에 비해 짧은 체류시간을 갖기 때문으로 판단된다. 또한 저감시설의 물수지 산정결과 침투량은 유출량의 약 1%에 불과하여 향후 저감시설 설계 시, 침투를 증가시키기 위해서 시설하부의 토양치환 등을 통한 침투량 및 저류량을 증가시킬 수 있는 기술적 접근이 필요하며, 이는 오염물질의 저감에 크게 기여할 것으로 판단된다.
본 연구는 여과와 침투기작을 이용한 개선된 여과형 시설의 비점오염물질 처리효율을 평가하고자 수행되었다. 저감시설은 지리학적 기후학적인 인자를 고려하여 기존의 저감시설의 단점을 보완하여 설계되었다. 저감시설의 처리효율 평가는 실험실 규모로 수행되었으며, 3가지 유형의 유속[초기강우(120 mL/min), 일반적인 강우(242 mL/min), 집중호우(500 mL/min)]을 적용하여 실험을 진행하였고, 이를 통하여 수질 분석 및 물수지를 산정하였다. 실험결과, 저감시설의 입자상 물질 제거 효율은 90%이상으로 높게 분석되었다. 3가지의 유속변화 실험 중, 집중호우의 경우에서 11~91% 범위로 낮은 제거효율을 보였는데, 이는 다른 유속에 비해 짧은 체류시간을 갖기 때문으로 판단된다. 또한 저감시설의 물수지 산정결과 침투량은 유출량의 약 1%에 불과하여 향후 저감시설 설계 시, 침투를 증가시키기 위해서 시설하부의 토양치환 등을 통한 침투량 및 저류량을 증가시킬 수 있는 기술적 접근이 필요하며, 이는 오염물질의 저감에 크게 기여할 것으로 판단된다.
The objective of this study was to evaluate the efficiency of a modified filtration system treating non-point source (NPS) pollutants. The developed Best Management Practice (BMP) technology was designed based on the geographical and climatic characteristics of the site. A lab-scale test experiment ...
The objective of this study was to evaluate the efficiency of a modified filtration system treating non-point source (NPS) pollutants. The developed Best Management Practice (BMP) technology was designed based on the geographical and climatic characteristics of the site. A lab-scale test experiment was conducted using three different hydraulic loading rates representing the first flush flow, average flow and overflow conditions during a rainfall event. Water quality analysis was performed on the water samples taken at the inflow, outflow and infiltration during the test experiment of the lab-scale BMP. Also, the water and mass balance at different hydraulic loading rates was determined. Results from the lab-scale test experiment showed that the lab-scale BMP had a high removal efficiency of 80-90% for all NPS pollutants. The overflow test condition obtained the lowest removal efficiency among the hydraulic loading rates because it gave less opportunity for the pollutants to be filtered and retained inside system. The infiltration ratio was approximately 1 % of the inflow and outflow. Increasing the infiltration ratio requires technical approach of soil amendment where the BMP is installed.
The objective of this study was to evaluate the efficiency of a modified filtration system treating non-point source (NPS) pollutants. The developed Best Management Practice (BMP) technology was designed based on the geographical and climatic characteristics of the site. A lab-scale test experiment was conducted using three different hydraulic loading rates representing the first flush flow, average flow and overflow conditions during a rainfall event. Water quality analysis was performed on the water samples taken at the inflow, outflow and infiltration during the test experiment of the lab-scale BMP. Also, the water and mass balance at different hydraulic loading rates was determined. Results from the lab-scale test experiment showed that the lab-scale BMP had a high removal efficiency of 80-90% for all NPS pollutants. The overflow test condition obtained the lowest removal efficiency among the hydraulic loading rates because it gave less opportunity for the pollutants to be filtered and retained inside system. The infiltration ratio was approximately 1 % of the inflow and outflow. Increasing the infiltration ratio requires technical approach of soil amendment where the BMP is installed.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 기존 여과형 시설이 단일여재로만 구성되어 설치되었다면 다양한 여재를 여러 층으로 혼합하여 구성한 경우에 대한 처리효율을 평가하고자 하였으며, 여과형 시설의 하부에 침투 특성을 갖도록 개량한 침투여과형 비점오염 처리시설의 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 강우유출수를 제어하기 위한 기존의 여과형 시설의 단점을 보완하기 위하여 침투여과형 시설을 설계하였으며, 국내 현장에 적합한 비점오염저감기술을 개발하고자 다양한 유량조건에 대하여 실내실험을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
분석항목은 입자상물질, 유기물질, 영양염류 및 중금속으로 수질시험공정시험법에 준하여 분석하였다. 분석된 수질데이터와 유량을 고려하여 유량가중평균농도 (Event Mean Concentration, EMC)를 산정하였다. 산정된 EMC를 이용하여 제거효율법(Efficiency Ratio, ER, 식1)으로 제거효율을 구하였으며, 저감시설로의 유입량과 유출량 및 침투량을 측정하여 물수지(Water balance, 식2)를 산정하였다.
분석된 수질데이터와 유량을 고려하여 유량가중평균농도 (Event Mean Concentration, EMC)를 산정하였다. 산정된 EMC를 이용하여 제거효율법(Efficiency Ratio, ER, 식1)으로 제거효율을 구하였으며, 저감시설로의 유입량과 유출량 및 침투량을 측정하여 물수지(Water balance, 식2)를 산정하였다.
실내모형실험은 Siriwardene 등(2007)의 연구 방법을 바탕으로 막힘 현상(Clogging effect)으로 인해 유출유속이 유입유속의 10%가 될 때까지 수행되었으며, 다양한 유입유속에 적응 가능한 정도를 분석하기 위하여 [120 mL/min (TEST-1), 242 mL/min (TEST-2), 500 mL/min (TEST-3)] 로 나누어 진행하였다. 실험수행 중, 막힘 현상으로 인한 유속저하를 고려하고 초기 침강지에서의 일정한 수두 유지를 위해 TEST별 유입유속을 점차적으로 감소시키면서 실험을 수행하였다.
이는 우드칩의 경우 체가름을 통하여 얻어진 재료로서 입자의 크기가 모래와 자갈보다는 고르게 분포하기 때문인 것으로 사료된다. 실험 결과를 바탕으로 초기 침전지에는 FS와 SG, 여과지는 CWC, MS, SG 를 선정하였으며, 침투지에는 비교적 높은 투수계수 값을 가진 MG로 설치하였다.
실내모형실험은 Siriwardene 등(2007)의 연구 방법을 바탕으로 막힘 현상(Clogging effect)으로 인해 유출유속이 유입유속의 10%가 될 때까지 수행되었으며, 다양한 유입유속에 적응 가능한 정도를 분석하기 위하여 [120 mL/min (TEST-1), 242 mL/min (TEST-2), 500 mL/min (TEST-3)] 로 나누어 진행하였다. 실험수행 중, 막힘 현상으로 인한 유속저하를 고려하고 초기 침강지에서의 일정한 수두 유지를 위해 TEST별 유입유속을 점차적으로 감소시키면서 실험을 수행하였다. 저감시설의 효율평가 및 물질수지 분석을 위하여 저감시설 내 유출이 발생되는 시점을 시작으로 유입수, 유출수 및 침투수를 6시간 간격으로 채취하여 분석하였다.
저감시설의 세부 구성별 특징을 살펴보면, 초기 침전지의 경우 기존의 초기 침전지와는 달리 여과 기작이 적용된 형태로 지오텍스타일(Geotextile, GT)을 하부에 배치하였고, 그 위로 FS와 SG를 배치하여 초기 침전지에 여과 성능을 추가하였다. 여과지에서는 유지관리가 비교적 용이한 수직형태로 CWC 여재를 3겹 배치하여 초기침전지에서 통과된 오염물질을 저감시킴으로써 후단의 수평여재의 교체기간을 증가시킬수 있도록 하였으며, 수평여재의 경우 CWC, SG, MS여재를 혼합하여 배치함으로써 여과효율을 높이고자 하였다. 하부의 침투지에는 MG를 이용하여 침투를 용이하게 하였다.
1은 개선된 침투여 과형 저감시설의 도면으로, 초기 침전지, 여과지, 침투지로 구성되어있다. 저감시설의 세부 구성별 특징을 살펴보면, 초기 침전지의 경우 기존의 초기 침전지와는 달리 여과 기작이 적용된 형태로 지오텍스타일(Geotextile, GT)을 하부에 배치하였고, 그 위로 FS와 SG를 배치하여 초기 침전지에 여과 성능을 추가하였다. 여과지에서는 유지관리가 비교적 용이한 수직형태로 CWC 여재를 3겹 배치하여 초기침전지에서 통과된 오염물질을 저감시킴으로써 후단의 수평여재의 교체기간을 증가시킬수 있도록 하였으며, 수평여재의 경우 CWC, SG, MS여재를 혼합하여 배치함으로써 여과효율을 높이고자 하였다.
실험수행 중, 막힘 현상으로 인한 유속저하를 고려하고 초기 침강지에서의 일정한 수두 유지를 위해 TEST별 유입유속을 점차적으로 감소시키면서 실험을 수행하였다. 저감시설의 효율평가 및 물질수지 분석을 위하여 저감시설 내 유출이 발생되는 시점을 시작으로 유입수, 유출수 및 침투수를 6시간 간격으로 채취하여 분석하였다. 또한 저감시설 실내모형 실험에 사용된 인공 강우유출수는 공주대학교 천안캠퍼스 교내에 차량운행이 빈번한 도로로부터 채취하여 사용하였다.
대상 데이터
저감시설의 효율평가 및 물질수지 분석을 위하여 저감시설 내 유출이 발생되는 시점을 시작으로 유입수, 유출수 및 침투수를 6시간 간격으로 채취하여 분석하였다. 또한 저감시설 실내모형 실험에 사용된 인공 강우유출수는 공주대학교 천안캠퍼스 교내에 차량운행이 빈번한 도로로부터 채취하여 사용하였다.
실내모형실험을 수행하기 위한 저감시설은 10cm×30cm×15cm (W×L×D)의 크기이며, 용량은 4,500 cm3로 하였다.
이론/모형
모니터링을 통해 채취된 시료는 수질오염공정시험법에 준하여 수질분석이 이루어졌다. 분석항목은 입자상물질, 유기물질, 영양염류 및 중금속으로 수질시험공정시험법에 준하여 분석하였다.
모니터링을 통해 채취된 시료는 수질오염공정시험법에 준하여 수질분석이 이루어졌다. 분석항목은 입자상물질, 유기물질, 영양염류 및 중금속으로 수질시험공정시험법에 준하여 분석하였다. 분석된 수질데이터와 유량을 고려하여 유량가중평균농도 (Event Mean Concentration, EMC)를 산정하였다.
여재의 입도분포와 크기는 여과효율에 큰 영향을 미치므로 본 실험에 사용될 5가지 여재[우드칩(Crushed wood chip, CWC), 중간모래(MediumSand, MS), 가는 모래(Find Sand, FS), 중간 자갈(Medium Gravel, MG), 가는 자갈(Small Gravel, SG)]에 대하여 한국산업규격인 KS F 2302에 근거하여 체 분석을 수행하였다. 투수계수는 침투시설의 중요한 기작으로, LID 기술 중 침투시설에서 중요하게 고려되는 설계인자이므로 적정 투수계수(k) 산정을 위하여 정수위 투수시험(한국산업규격 KS F 2322 근거)을 실시하였다.
여재의 입도분포와 크기는 여과효율에 큰 영향을 미치므로 본 실험에 사용될 5가지 여재[우드칩(Crushed wood chip, CWC), 중간모래(MediumSand, MS), 가는 모래(Find Sand, FS), 중간 자갈(Medium Gravel, MG), 가는 자갈(Small Gravel, SG)]에 대하여 한국산업규격인 KS F 2302에 근거하여 체 분석을 수행하였다. 투수계수는 침투시설의 중요한 기작으로, LID 기술 중 침투시설에서 중요하게 고려되는 설계인자이므로 적정 투수계수(k) 산정을 위하여 정수위 투수시험(한국산업규격 KS F 2322 근거)을 실시하였다.
성능/효과
1. 실내실험 결과, 유입부하가 증가할수록 유출 농도 또한 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 유입부하량이 증가함에 따라 시설 내에 체류시간이 감소하였으며, 오염물질과 여재가 충돌할 기회 또한 감소하여 시설의 주된 제거기작인 침전, 여과, 흡착작용이 저해된 결과로 판단된다.
2. 저감시설에 대한 효율은 입자상물질에서 91∼97%로 매우 높게 나타났으며, 영양염류및 중금속물질 또한 비교적 높은 저감효율을 보이는 것으로 나타났는데, 이는 여재 사용 시 모래 및 자갈만을 이용하지 않고 높은 흡착성을 가진 우드칩을 적용한 결과로 판단된다.
3. 침투시설의 설계시 중요한 인자인 침투량은 유출량의 0.92∼1.10%의 범위로 발생하였다. 향후 침투시설의 설계시 침투를 증가시키기 위해 시설 하부의 토양치환을 이용한 침투율 및 물의 저류량을 증가시키는 기술적 접근이 필요한 것으로 사료된다.
2~4는 3가지 유입조건 별로 운전시간에 따른 오염물질 및 유량 변동 곡선을 나타낸 것이다. TEST-1과 TEST-2의 경우, 대부분의 오염물질에서 유입부하 변동에도 불구하고 처리수의 농도는 일정하게 유지되는 것으로 나타났으나 운전 시간이 경과될수록 처리수의 오염물질 농도가 꾸준히 증가하는 것으로 나타났다. 특히 유기물의 경우 초기 유출농도에 비해 3배 이상 높게 유출되었는데 이는 운전시간이 경과됨에 따라 여재 공극 속에 포집된 부유물질이 일부 돌파되었기 때문인 것으로 사료된다.
개선된 여과시설에 대하여 3가지 유입조건 (TEST-1~3)에 따른 실험 결과, 평균 유입 EMC 는 TSS가 115.1 mg/L, BOD는 7.1 mg/L, TN은 3.1 mg/L, TP는 0.4 mg/L, Total Zn는 0.9 mg/L, Total Pb는 0.2 mg/L로 나타났으며, 유출 EMC는 TSS는 8.6 mg/L, BOD는 5.3 mg/L, TN 은 1.6 mg/L, TP는 0.1 mg/L, Total Zn는 0.1 mg/L, Total Pb는 0.04 mg/L로 나타나 입자상물질과 중금속류의 농도저감이 비교적 높은 것으로 나타났다.
435 cm/sec의 범위로 분석되었다. 공극률의 경우 여과 재로 사용된 모래와 자갈은 42.1~44.4%로 나타나 미국의 공극률 설계기준인 30%에 비하여 다소 높게 나타났으며, 수직여재로 사용된 우드칩의 공극률은 75.2%로 매우 높은 것으로 분석되었다. 이는 우드칩의 경우 체가름을 통하여 얻어진 재료로서 입자의 크기가 모래와 자갈보다는 고르게 분포하기 때문인 것으로 사료된다.
여재별 입도범위를 살펴보면, 모래는 0.25~0.84 mm, 자갈은 0.84~9.51 mm 범위로 나타났으며, 이는 미국환경청(EPA)에서 제시한 여과재 기준입도 0.5~1.0 mm와 비교할 때 모래 및 자갈은 유사한 입도인 것으로 나타났으나 우드칩은 입도가 매우 큰 것으로 평가된다. 저감시설의 운영시간과 효율에 밀접한 관계를 미치는 유효경(Effective size, D10)을 살펴보면, 모래의 경우 0.
전체 운전조건에서의 평균처리효율을 살펴보면, TSS 94%, BOD 52%, TN 57%, TP 79%, 중금속류 71~92%의 범위로 조사되었으며 해외 모래여과 시설의 전형적인 처리효율에 비하여 대부분 높은 것으로 평가된다(EPA 1999). 이는 일반적인 여과형 시설의 여과기능 이외에 침투기작에서 저감되는 침투기능, 시설 내 저류기능으로 인하여 오염물질이 추가적으로 제거되었기 때문인 것으로 사료된다.
후속연구
, 2007). 따라서 여과형 비점 저감시설의 경우 모래 이외에도 여과와 흡착 기능이 있는 우드칩, 제올라이트, 활성탄 등의 사용이 가능할 것으로 판단된다.
10%의 범위로 조사되어 개선된 여과형 저감시설의 경우 대부분의 유입수를 유출수로 내보내는 것으로 조사되었다. 따라서 향후 침투형 비점저감시설의 설계 시 침투량을 증가시킬 수 있도록 시설 하부의 토양을 개량하거나 치환하는 방법 등을 강구해야 될 것으로 사료된다.
10%의 범위로 발생하였다. 향후 침투시설의 설계시 침투를 증가시키기 위해 시설 하부의 토양치환을 이용한 침투율 및 물의 저류량을 증가시키는 기술적 접근이 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대부분의 강우유출수가 가지는 특징은?
특히 우리나라의 경우, 좁은 국토면적과 더불어 국토의 70%가 산지로 형성되어 있다. 대부분의 강우유출수는 이러한 지세를 따라 빠르게 이동되기 때문에 지표로 침투되기 어려우며, 급속한 도시화로 인한 불투수층의 증가는 물의 저류 및 침투를 더욱 힘들게 만들고 있는 실정이다. 또한 불 투수층 증가는 첨두 유량의 증가, 기저 유출 감소, 퇴적토 부하량 변화, 다양한 종류의 오염물질 유출 등을 야기하게 되며, 이러한 영향은 인근 수계의 자정작용을 악화시키면서 심각한 수생태계 파괴를 유발하게 된다(EPA, 1997).
여과형 비점오염저감시설의 설계요소는 무엇인가?
여과형 비점오염저감시설의 설계요소는 최소여과층의 두께 및 표면적, 공극율 및 투수계수 등이며, 각각의 기준은 처리 강우량이 결정되면 간단한 식을 이용하여 계산할 수 있다(EPA, 1999). 그러나 국내 비점오염처리를 위한 여과형 시설의경우 비점저감시설의 설치 및 관리 운영 매뉴얼 (환경부, 2008)을 참고하여 설계하고 있으나, 세부 설계기준이 명확하지 않아 현장에서 적용하기에 어려운 실정이다.
본 연구에서는 기존 여과형 시설이 단 일여재로만 구성되어 설치되었다면 다양한 여재를 여러 층으로 혼합하여 구성한 경우에 대한 처리효율을 평가하고자 하였으며, 여과형 시설의 하부에 침투 특성을 갖도록 개량한 침투여과형 비점오염 처리시설의 적용 가능성을 평가하고자 한 이유는?
또한 국내에서 적용되는 침투형 시설의 설계기준 중 침투속도의 경우 13 mm/hr 이상이 되도록 권고하고 있으며, 미국의 설계기준과 동일하게 적용되고 있다(Caltrans 2009). 그러나 현실적으로 국내 토양의 경우 침투속도 13 mm/hr 이상을 만족하기 어려운 실정이다.
참고문헌 (14)
김이형, 21세기 친환경 건설을 위한 Low Impact Development(LID) 기술, 물과 미래, 41(6), 47-57, 2008.
환경부, 관계부처합동 [물관리 종합대책]의 추진 강화를 위한 4대강 비점오염원관리 대책, 2004.
환경부, 비점오염저감시설의 설치 및 관리 운영 매뉴얼, 2008.
Bell, W., L. Stokes, L. J. Gavan., T. N. Nguyen, Assessment of the Pollutant Removal Efficiencies of Delaware Sand Filter BMPs, Department of Transportation and Environmental Services. Alexandria, VA., 140, 1995.
California Department of Transportaion (Caltrans), Infiltration Trenches Design Guidance, CTSW-TM-07-172-05, 2009.
City of Austin, Evaluation of nonpoint source controls an EPA/TNRCC section 319 grant report, Water Quality Report COA-ERM-97-04, 1997.
Environmental Resource Management Division, Removal Efficiencies of stormwater control structures, Final Report, Austin, TX, 36, 1999.
Hatt B.E., Fletcher T.D., Deletic A., Treatment performance of gravel filter media: Implications for design and application of stormwater infiltration systems, Water research, 41, 2513-2524, 2007.
Horner R.R., and Horner C.R., Design, Construction, and Evaluation of a Sand Filter Stormwater Treatment System. Part II. Performance monitoring, Report to Alaska Marine Lines, Seattle WA, 1995.
Siriwardene N.R., Deletic A., Fletcher T.D., Clogging of stormwater gravel infiltration systems and filters: Insights from a laboratory study, Water research, 41, 1433-1440, 2007.
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