하천 수질정화를 위한 실험실 규모 다단식 토양여과 시스템에서 오염물질 제거에 미치는 운전인자의 영향 Effects of Operation Parameters on Pollutants Removal in a Lab-Scale Multi-Layered Soil Filtration System원문보기
본 연구에서는 하천의 수질오염물질을 처리하는 다단식 토양여과 시스템의 주요 운전인자인 여재 충전깊이, 선속도 및 연속 또는 간헐운전이 오염물질의 제거에 미치는 영향을 살펴보았다. 여재 충전깊이의 증가는 오염물질과 여재와의 접촉시간을 증가시켜 모든 항목의 제거효율을 증가시키는 역할을 하였다. 특히 물리화학적 제거에 기인하는 TP와 $NH_4$-N 항목의 제거효율이 상부의 생물학적 활성층에서의 제거에만 주로 기인하는 COD에 비하여 더 큰 증가를 보였다. 한편 선속도의 증가는 여재 내에서의 체류시간을 감소시키는 역할을 함에 따라 전반적인 제거효율의 저하를 가져왔으며, 특히 전체 여재층에 걸친 접촉시간에 영향을 받는 TP와 $NH_4$-N 항목에 비하여 표층부의 생물학적 제거에만 기인하는 COD의 경우는 상대적으로 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 오염물질의 효율적인 제거를 위해서는 체류시간을 증가시키는 방향으로 운전인자들을 조절하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 연속운전과 간헐운전으로 운전방법을 달리하는 것은 모든 항목에서 큰 영향을 미치지는 않았으나, 안정적 운전을 위해서는 생물학적 조건의 유지와 막힘 현상의 가속화 등을 고려할 필요가 있다.
본 연구에서는 하천의 수질오염물질을 처리하는 다단식 토양여과 시스템의 주요 운전인자인 여재 충전깊이, 선속도 및 연속 또는 간헐운전이 오염물질의 제거에 미치는 영향을 살펴보았다. 여재 충전깊이의 증가는 오염물질과 여재와의 접촉시간을 증가시켜 모든 항목의 제거효율을 증가시키는 역할을 하였다. 특히 물리화학적 제거에 기인하는 TP와 $NH_4$-N 항목의 제거효율이 상부의 생물학적 활성층에서의 제거에만 주로 기인하는 COD에 비하여 더 큰 증가를 보였다. 한편 선속도의 증가는 여재 내에서의 체류시간을 감소시키는 역할을 함에 따라 전반적인 제거효율의 저하를 가져왔으며, 특히 전체 여재층에 걸친 접촉시간에 영향을 받는 TP와 $NH_4$-N 항목에 비하여 표층부의 생물학적 제거에만 기인하는 COD의 경우는 상대적으로 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 오염물질의 효율적인 제거를 위해서는 체류시간을 증가시키는 방향으로 운전인자들을 조절하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 연속운전과 간헐운전으로 운전방법을 달리하는 것은 모든 항목에서 큰 영향을 미치지는 않았으나, 안정적 운전을 위해서는 생물학적 조건의 유지와 막힘 현상의 가속화 등을 고려할 필요가 있다.
In this study we investigated the effects of operational parameters of a multi-layered soil filtration (filter depth, filtration velocity, and continuous/intermittent operation) on removal of pollutants in river water. As filter depth increased removal of all the pollutants (COD, TP, TN, and $N...
In this study we investigated the effects of operational parameters of a multi-layered soil filtration (filter depth, filtration velocity, and continuous/intermittent operation) on removal of pollutants in river water. As filter depth increased removal of all the pollutants (COD, TP, TN, and $NH_4$-N) was increased because the increase in filter depth increased in contact time between media and pollutants. The removal of TP and $NH_4$-N more increased with the increase in filter depth, comparing to the biological COD removal which was performed only in the top layer, since the removal mechanism of TP and $NH_4$-N was physicochemical process occurring throughout the whole layers. However, the reduction in filtration velocity resulted in decrease of removal all the pollutants removal due to shorter retention time. Biological COD removal was more influenced with the reduction in filtration velocity (longer retention time), than the removal of TP and $NH_4$-N. Because biological process was occurred only in the top layer which has relatively shorter retention time, comparing with physicochemical process occurred throughout whole media. Therefore, it is desirable that the operation parameters be controlled toward increasing retention time, in order to achieve efficient pollutants removal. The change in operation mode (continuos vs. intermittent operations) did not provide significant effects on the pollutant treatment efficiency by the multi-layered soil filtration system. Our findings suggest that for stable long-term operation it should be considered keeping conditions for biological activity and accelerating clogging.
In this study we investigated the effects of operational parameters of a multi-layered soil filtration (filter depth, filtration velocity, and continuous/intermittent operation) on removal of pollutants in river water. As filter depth increased removal of all the pollutants (COD, TP, TN, and $NH_4$-N) was increased because the increase in filter depth increased in contact time between media and pollutants. The removal of TP and $NH_4$-N more increased with the increase in filter depth, comparing to the biological COD removal which was performed only in the top layer, since the removal mechanism of TP and $NH_4$-N was physicochemical process occurring throughout the whole layers. However, the reduction in filtration velocity resulted in decrease of removal all the pollutants removal due to shorter retention time. Biological COD removal was more influenced with the reduction in filtration velocity (longer retention time), than the removal of TP and $NH_4$-N. Because biological process was occurred only in the top layer which has relatively shorter retention time, comparing with physicochemical process occurred throughout whole media. Therefore, it is desirable that the operation parameters be controlled toward increasing retention time, in order to achieve efficient pollutants removal. The change in operation mode (continuos vs. intermittent operations) did not provide significant effects on the pollutant treatment efficiency by the multi-layered soil filtration system. Our findings suggest that for stable long-term operation it should be considered keeping conditions for biological activity and accelerating clogging.
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문제 정의
앞에서 살펴 본 영향인자인 충전깊이 외에도 다단식 토양 여과 시스템의 오염물질 제거에 영향을 미치는 중요한 영향 인자의 하나는 선속도이다. 따라서 본 절에서는 중요한 영향인자의 하나인 선속도가 오염물질의 제거에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.
다단식 토양여과 시스템의 운전에 있어서 연속적인 운전을 하는 경우 지속적인 유기물의 공급은 토양여과층에서의 미생물의 활동을 활성화시켜 생물학적 clogging 현상을 유발할 수 있을 뿐만 아니라 미생물 활동의 활성화로 산소공급 등에 영향을 미쳐서 오염물질의 제거에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 연속운전과 간헐운전으로 운전방법을 달리하였을 때의 오염물질의 제거 특성을 살펴보았다. Fig.
본 연구에서는 다단식 토양여과 시스템의 영향인자 중 중요한 인자인 선속도와 충전깊이 그리고 연속 및 간헐운전의 변화가 오염물질의 제거에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 위하여 본 연구에서는 운전조건을 Table 2와 같이 변화시키며 실험을 진행하였다.
본 연구의 목적은 다단의 토양층을 이용하여 수질오염물질을 처리하는 다단식 토양여과 시스템에서 오염물질의 제거에 미치는 중요한 운전인자들의 영향을 살펴봄으로서 다단식 토양여과의 설계 및 운전에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
다단식 토양여과 시스템의 운전에 있어서 다양한 운전인자가 오염물질의 제거에 영향을 줄 것으로 예상된다. 그러한 운전인자 중 하나인 여재 충전깊이의 영향을 살펴보기 위하여 충전깊이가 50 cm (Run-1)와 100 cm (Run-2)로 서로 다른 충전깊이를 갖는 토양여과 시스템을 운전하며 오염물질들의 제거효율을 비교하여 보았다. Fig.
DO는 DO meter (YSI, USA)를 이용하여 측정하였으며, COD, T-N, T-P, NO3-N, PO4-P, NH4-N의 분석은 Standard methods12)에 준하여 실시하였다. 또한 선속도 변화에 따른 체류시간의 측정은 NaCl을 tracer로 이용하여 전기전도도의 변화를 모니터링하여 추정하였다.13)
1에 보는 바와 같다. 아크릴 재질의 가로 25 cm, 세로 10 cm, 높이 105 cm의 직사각형 반응조를 사용하였으며, 여재의 전체 충전 깊이는 실험조건에 따라 50 cm와 100 cm가 되도록 하였으며, 입경이 큰 여재로 이루어진 투수층과 입경이 작은 토양여재로 이루어진 혼합토양블럭층을 5 cm 높이로 교대로 쌓아서 여재층을 형성하였다. 충전되는 혼합 토양블록은 토양, 제올라이트, 슬래그가 2.
원수의 흐름은 상부에서 하부로 흐르는 하향류로 운전하였으며, 여재층 상부에 유입수 분배관을 설치하여 유입원수가 여재 전체에 잘 분포하여 흐르도록 하였다. 원수의 유입은 정량이송펌프(peristaltic pump)를 이용하여 일정 유량으로 유입하여 일정 선속도가 유지되도록 하였으며, 각 반응조의 선속도는 단위시간당 유출되는 유량을 측정하여 확인하였다.
투수층에 사용된 제올라이트와 슬래그는 2~5 mm 크기의 입경을 갖도록 선별하여 사용하였다. 원수의 흐름은 상부에서 하부로 흐르는 하향류로 운전하였으며, 여재층 상부에 유입수 분배관을 설치하여 유입원수가 여재 전체에 잘 분포하여 흐르도록 하였다. 원수의 유입은 정량이송펌프(peristaltic pump)를 이용하여 일정 유량으로 유입하여 일정 선속도가 유지되도록 하였으며, 각 반응조의 선속도는 단위시간당 유출되는 유량을 측정하여 확인하였다.
유입수 및 유출수는 각각의 컬럼에 대하여 하루에 한번 샘플링하여 분석을 수행하였다. DO는 DO meter (YSI, USA)를 이용하여 측정하였으며, COD, T-N, T-P, NO3-N, PO4-P, NH4-N의 분석은 Standard methods12)에 준하여 실시하였다.
아크릴 재질의 가로 25 cm, 세로 10 cm, 높이 105 cm의 직사각형 반응조를 사용하였으며, 여재의 전체 충전 깊이는 실험조건에 따라 50 cm와 100 cm가 되도록 하였으며, 입경이 큰 여재로 이루어진 투수층과 입경이 작은 토양여재로 이루어진 혼합토양블럭층을 5 cm 높이로 교대로 쌓아서 여재층을 형성하였다. 충전되는 혼합 토양블록은 토양, 제올라이트, 슬래그가 2.8 : 1 : 1의 비율로 혼합한 토양을 사용하였으며, 크기는 가로 10 cm, 세로 10 cm, 높이 5 cm가 되도록 성형하여 벽돌쌓기 형태로 투수층 사이에 교대로 배치되도록 하였으며 반응조 끝단에 위치하는 혼합토양블록은 가로 5 cm, 세로 10 cm, 높이 5 cm가 되도록 하였다. 혼합토양블록 사이의 투수층은 상부의 3개층은 제올라이트로, 하부의 3개 층은 슬래그를 여재로 충전하였다.
대상 데이터
실험에 사용한 유입원수는 Table 1에 제시된 바와 같이 실험실에서 유기물과 질소, 인 및 미량영양원소를 첨가하여 인공적으로 하천수를 제조하여 사용하였다. 실험에 사용된 유입원수의 농도는 물환경정보시스템 자동수질측정망의 1992~2009년 자료로부터 경안천 및 중랑천 수질을 기준으로 하였으며, 연간 측정 농도 중 가장 높은 농도의 평균 농도를 기준으로 COD 14 mg/L, TP 2 mg/L, TN 15 mg/L, NH4-N 10mg/L의 농도로 설정하였다.
실험에 사용한 유입원수는 Table 1에 제시된 바와 같이 실험실에서 유기물과 질소, 인 및 미량영양원소를 첨가하여 인공적으로 하천수를 제조하여 사용하였다. 실험에 사용된 유입원수의 농도는 물환경정보시스템 자동수질측정망의 1992~2009년 자료로부터 경안천 및 중랑천 수질을 기준으로 하였으며, 연간 측정 농도 중 가장 높은 농도의 평균 농도를 기준으로 COD 14 mg/L, TP 2 mg/L, TN 15 mg/L, NH4-N 10mg/L의 농도로 설정하였다.
투수층의 두께는 최상층부는 4 cm로 하였으며 그 아래로는 3 cm 두께가 되도록 하였다. 투수층에 사용된 제올라이트와 슬래그는 2~5 mm 크기의 입경을 갖도록 선별하여 사용하였다. 원수의 흐름은 상부에서 하부로 흐르는 하향류로 운전하였으며, 여재층 상부에 유입수 분배관을 설치하여 유입원수가 여재 전체에 잘 분포하여 흐르도록 하였다.
이론/모형
유입수 및 유출수는 각각의 컬럼에 대하여 하루에 한번 샘플링하여 분석을 수행하였다. DO는 DO meter (YSI, USA)를 이용하여 측정하였으며, COD, T-N, T-P, NO3-N, PO4-P, NH4-N의 분석은 Standard methods12)에 준하여 실시하였다. 또한 선속도 변화에 따른 체류시간의 측정은 NaCl을 tracer로 이용하여 전기전도도의 변화를 모니터링하여 추정하였다.
성능/효과
1) 여재의 충전깊이 증가는 수질 항목에 관계없이 모든 항목의 제거효율을 향상시키는 것으로 나타났으나, 항목별로는 COD 보다는 TP와 NH4-N 항목의 제거효율 증가가 상대적으로 크게 나타나, 여재 충전깊이의 증가가 오염물질과 여재와의 접촉시간을 증가시키는 역할을 하게 되어 주로 생물학적인 활성이 높은 상부층에서 제거가 주로 이루어지는 생물학적 제거 보다는 접촉시간에 비례하는 물리화학적인 제거에 더 큰 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
이는 인의 제거기작은 주로 여재층에 존재하는 금속수화물 성분과 인의 화학적 결합에 의하여 제거되는 화학적 흡착에 의하여 이루어지기 때문으로 보인다.11) 한편 TN과 NH4-N은 증가량이 모두 49% 정도를 보여 TP에 비하여는 작지만 COD에 비해서는 높은 증가율을 보여주었다. 이러한 오염물질간의 충전깊이에 따른 제거 효율 변화는 오염물질의 제거 기작과 매우 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다.
2) 선속도의 증가는 체류시간을 감소시켜 전반적인 제거 효율을 저하시키는 역할을 하였으며, 특히 전체 여재층에 걸친 접촉시간에 영향을 받는 물리화학적인 기작이 중요한 TP와 NH4-N에 비하여 여재의 표층부에서 대부분의 제거가 이루어지는 생물학적인 제거에 주로 기인하는 COD의 경우는 더 큰 영향을 받음을 알 수 있다.
3) 연속운전과 간헐운전으로 운전방법을 달리하는 것은 모든 항목에서 큰 영향을 미치지는 않았으며, COD의 경우는 지속적인 생물학적 조건이 일정하게 유지될 수 있는 연속운전이 간헐 운전에 비하여 다소 유리한 것으로 보이나 안정적인 운전을 위해서는 막힘 현상의 가속화 등을 고려할 필요가 있다.
이러한 점을 보다 구체적으로 알아보기 위해 다단토양층 시스템에서의 물의 흐름에 대한 연구가 진행되었는데,11) 이 연구에서 수리학적 부하율(Hydraulic Loading Rates, HLR)에 따른 각 층별 유출량에 대한 정량적 평가를 수행하였다. 수리학적 부하율, 즉 선속도가 클수록 토양층을 통과하는 유량보다 투수층을 통과하는 유량이 점점 커지는 것을 알 수 있었다.
이러한 결과를 종합해볼 때 선속도의 변화는 토양여과에서 체류시간을 변화시켜 생물학적 기작뿐만 아니라 흡착 및 이온교환과 같은 물리화학적 제거기작에도 영향을 미치며 따라서 오염물질의 효율적 제거를 위해서는 운전인자로서 여재 내에서의 체류시간의 제어가 중요할 것으로 판단된다.
이러한 추론은 Fig. 4에서 보듯이 NaCl을 tracer로 이용하여 전기전도도의 변화를 통하여 추정한 실제 체류시간이 선 속도가 5 m/d에서 10 m/d로 증가함에 따라 1.4시간으로 0.6시간으로 거의 1/2 이하로 감소하는 것으로 나타나고 있어 선속도의 증가가 체류시간의 감소를 유발하는 것을 알 수 있다. 이는 불포화 흐름조건에서 수리학적 부하율 즉 선속도가 증가함에 따라 함수율이 증가하였으며, 이로부터 수리학적 부하율과 체류시간은 반비례의 관계에 있다는 Sato 등11)의 연구결과와도 일치한다.
3 mg/L로 약 1 mg/L의 차이를 보이고 있는 점에서도 추론할 수 있다. 즉 선속도가 감소하면 체류시간이 증가하고 그에 따라 미생물에 의한 질산화가 증가하면서 산소 소모량이 증가하게 되어 유출수의 DO 농도가 낮은 값을 보이는 것으로 판단된다.
COD의 경우 연속운전이 간헐 운전에 비하여 제거효율이 다소 높은 값을 보이고 있으나 그 영향은 크지 않은 것으로 보이며, 이는 연속운전에 따라 지속적인 생물학적 조건이 일정하게 유지되어 보다 효과적으로 생물학적 기작이 일어나기 때문으로 판단된다. 특히 연속운전의 경우에는 1.5개월 연속운전이후 점차적인 막힘현상의 발생으로 투과유량의 감소현상을 관찰할 수 있었으나 간헐운전의 경우에는 동일한 기간 동안 막힘현상을 발견할 수 없어 막힘현상의 방지를 위해서는 간헐운전이 연속운전에 비하여 보다 유리할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 하천수질이 과거에 비해 많이 개선된 이유는 무엇인가?
수질규제의 강화와 하수처리장과 같은 환경기초시설의 꾸준한 확충으로 우리나라의 하천수질이 과거에 비하여 많이 개선되고 있다. 그러나 그동안 추진하여 온 점오염원 중심의 하천수질관리 만으로는 한계를 보이고 있어, 비점오염원에 대한 오염관리가 매우 중요한 문제로 대두되고 있다.
여재 충전깊이의 증가의 역할은 무엇인가?
본 연구에서는 하천의 수질오염물질을 처리하는 다단식 토양여과 시스템의 주요 운전인자인 여재 충전깊이, 선속도 및 연속 또는 간헐운전이 오염물질의 제거에 미치는 영향을 살펴보았다. 여재 충전깊이의 증가는 오염물질과 여재와의 접촉시간을 증가시켜 모든 항목의 제거효율을 증가시키는 역할을 하였다. 특히 물리화학적 제거에 기인하는 TP와 $NH_4$-N 항목의 제거효율이 상부의 생물학적 활성층에서의 제거에만 주로 기인하는 COD에 비하여 더 큰 증가를 보였다.
토양을 주요 정화재료로 활용하는 자연친화적인 수질정화 기술 중, 다단식 토양여과 기술의 목적은 무엇인가?
3~6) 이러한 자연친화적인 기술 중에서 토양여과는 하천변에 잘 발달되어 있는 홍수터의 토양층을 이용하여 하천수질을 정화하고자 하는 것으로서4,7,8) 자연적인 토양층을 이용할 뿐만 아니라 적극적으로 표층토양을 치환하거나 적절한 자연친화적인 여재를 대체하여 사용함으로써 처리효율과 처리속도를 증가시킬 수 있다.9) 이러한 토양여과의 처리용량 증대 및 처리효율 개선을 목적으로 시도하고 있는 방법이 다단식 토양여과 기술이다.10~12) 다단식 토양여과란 혼합토양층과 투수층(permeable layer)이 연속적으로 여러 단으로 구성되어 있는데, 혼합토양층은 토양과 다양한 기능성 첨가물질들을 섞어서 벽돌모양으로 만들어져 구성되어 있는 층을 말한다.
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