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문제 정의
- 본 연구에서는 도로와 주차장 2개소에 대해서 강우 노면 유출수의 오염부하 및 입도분포 특성을 파악하고 EPP, EPS, Zeolite, Perlite 4종류의 여재에 대해서 950 m/day의 여과선속도에 대한 수두손실, TSS 처리효율, 처리전후 입도분포별 특성에 대한 여과성능을 평가하였다. 이상의 본 연구를 통한 주요 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 각 여재별로 상향류 시스템의 50 cm 높이 여재충전조에 여재부 바닥을 기준으로 10 cm간격으로 유출수를 채수하여 여재 높이변화에 따른 처리성능을 평가하였다.
- 각 여재별로 시간경과에 따른 유입수와 유출수의 TSS농도 및 입도분석 결과를 가지고 입경분포별 TSS 처리효율을 산정하였다. 입경분포별 TSS 처리효율 산정시 모든 입자는 구형으로 가정한 후 입자크기범위는 총 9단계 (100 ㎛이하 미세입자 : 6단계, 100 ㎛이상 3단계)로 구분하였으며, 입자크기에 따른 비중은 총 3단계 (30㎛이하 : 2.
- 따라서, 본 연구에서는 도로와 주차장 2개소에 대해서 강우 노면 유출수의 발생오염부하 및 입도분포 특성을 파악하고, 국내의 여과설비가 결합된 장치형 비점오염저감시설에서 주로 사용되고 있는 4종류의 여재 (EPP, EPS, Zeolite, Perlite)를 선정하여 Lab scale의 상향류 실험 장치를 통해 각 여재별로 시간경과에 따른 손실 수두변화, 처리전후 SS 농도변화 및 입도분포별 특성에 대해서 분석하였다.
- 실험장치는 Fig. 1과 같이 동일한 규격의 2종류로 각각 제작하여, 여재별 유입수 대비 유출수의 처리성능 및 여층높이 변화에 따른 유출수의 농도변화를 분석하였으며, 가급적 동일한 조건의 농도를 유지하기 위해서 2톤 용량의 물탱크 안에 별도의 교반장치를 두어 실험과정에서 지속적으로 분진이 유입수와 혼합되도록 하였다.
- 유입유량은 정량펌프 및 유량조절밸브를 이용하여 여과선속도 기준으로 950 m/day를 유지하였으며, 각 여재별로 한계손실수두로 산정한 40 cm 높이 도달시점까지 10분 간격으로 유입 수와 유출수에 대해서 TSS 분석을 실시하였으며, 30분 간격으로 입도분석을 실시하였다.
- 입경분포별 TSS 처리효율 산정과정은 먼저 입도분석결과를 통해 도출된 입경범위별 부피비를 해당 입경범위에 해당되는 비중을 적용하여, 무게비로 환산하였으며, 환산된 무게비에 TSS 농도를 적용하여 입경범위별 TSS 부하량(g) 및 처리효율을 산정하였다.
- 입경분포별 TSS 처리효율 산정시 모든 입자는 구형으로 가정한 후 입자크기범위는 총 9단계 (100 ㎛이하 미세입자 : 6단계, 100 ㎛이상 3단계)로 구분하였으며, 입자크기에 따른 비중은 총 3단계 (30㎛이하 : 2.14, 30 ∼ 60 ㎛ : 2.15, 60 ㎛이상: 2.6)로 분류하였다.
- 재현일수 산정시 각 여재별로 4회 반복하여 실험한 수두손실에 대해서 산정된 지수함수 회귀식(Table 2)에 의해 월류시점을 도출하였으며, 회귀식에 의해 도출된 월류시점까지를 기준으로 여재별 재현일수(Fig. 5)를 산정하였다.
대상 데이터
- 도로면 유출수의 여과성능 평가를 위해 사용된 원수는 도로에서 발생된 분진을 채집한 후 850 ㎛체로 거른 다음 수돗물과 혼합하여 제조하였으며, 상향류 시스템으로 제작한 실험장치의 여재표면적은 289 cm2 , 여층 높이는 50 cm, By-pass는 여층 상단부를 기준으로 40 cm, 여 재층 상·하부에 설치된 Mesh screen은 1 mm 로 각각 제작하였다.
- 본 연구에서 사용한 대상여재는 비부양성 여재인 Zeolite와 부양성 여재인 발포폴리프로필렌(EPP), 발포폴리스티렌(EPS), Perlite 총 4가지이며, 각 여재별 물리적 특성은 Table 1과 같다. 도로면 유출수를 분석하기 위해 중금속의경우 질산으로 전처리후 ICP-MS를 이용하였으며, 입도분포는 Malvern Mastersizer 2000E 의 기기를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 대상여재는 비부양성 여재인 Zeolite와 부양성 여재인 발포폴리프로필렌(EPP), 발포폴리스티렌(EPS), Perlite 총 4가지이며, 각 여재별 물리적 특성은 Table 1과 같다. 도로면 유출수를 분석하기 위해 중금속의경우 질산으로 전처리후 ICP-MS를 이용하였으며, 입도분포는 Malvern Mastersizer 2000E 의 기기를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 도로 및 주차장의 강우유출수에 대한 수질분석결과 모든 항목에 대해서 도로가 더 높은 농도를 나타내었으며, 도로지점의 SS는 3,004 mg/L로 주차장의 5.6배 중금속 항목 중 Pb의 경우는 0.428 mg/L로 주차장에 비해 최대 20배 높은 농도가 검출되었다. 각 지점별 입도분석 결과 100 ㎛ 이하의 미세입자 부피비는 도로가 89.
- 6) 여재별 입경분포 범위에 따른 TSS 평균 처리효율 산정결과 100 ㎛ 이상의 입경범위에서는 여재의 종류에 관계없이 95 % 이상의 높은 처리효율을 나타낸 반면, 100㎛ 이하의 입경범위에서는 입자크기가 작아질수록 처리효율이 감소하는 경향이 나타났으며, Zeolite와 EPS가 EPP 및 Perlite에 비해 입자크기 감소에 따른 처리효율 감소폭이 더 크게 나타났다. 100 ㎛ 이하의 미세입자에 대한 TSS 평균처리효율은 EPP(82.4 %) › Perlite(76.1 %) › EPS(66.2 %) › Zeolite (65.2 %)순으로 나타나 EPP 여재가 타 여재에 비해 상대적으로 오염부하가 높은 미세입자의 처리에 가장 유리한 것으로 확인되었다.
- 2) 여과선속도 950 m/day, 한계 수두손실 40 cm 기준으로 여재별 수리적 부하에 의한 영향을 실험한 결과, Zeolite › Perlite › EPS › EPP순으로 나타나 EPP가 수리적부하의 영향이 가장 적은 것으로 나타났으며, TSS 719 ∼ 901 mg/L의 범위로 제조된 유입수와 손실수두 회귀식에 의해 도출된 월류시점을 가지고 여재별 누적재현일수를 산정한 결과 EPP › EPS › Perlite › Zeolite로 나타나 EPP 여재의 수명이 가장 긴 것으로 확인되었다.
- 3) 여재별 시간경과에 따른 TSS 평균 처리효율 산정결과 EPP 89.0 %, EPS 85.3 %, Perlite 88.5 %, Zeolite 84.9 %로 나타나 여재의 종류에 관계없이 80 % 이상의 양호한 수준을 나타내었으며, 처리수의 SS 수질도 71.9 ∼ 116.7 mg/L 범위로 대체로 일정한 농도범위를 나타내었다.
- 4) 50 cm의 여재층에 대해서 10 cm간격으로 여재 높이에 따른 처리수의 SS 수질에 대한 1차 선형회귀식 분석결과 상관계수 R2값은 EPP › Perlite › Zeolite › EPS 순으로 나타나 여재층 전체가 고르게 입자성 물질을 흡착하여 TSS를 제거하는 기작이 EPP가 가장 우수하고 EPS가 가장 떨어지는 것으로 확인되었다.
- 5) 여재별 처리수의 입경분포특성 분석결과 Perlite와 EPS가 Zeolite와 EPP에 비해 처리수의 입자크기가 상대적으로 크게 나타났으며, 시간경과에 따라서는 90 % 부비피에 해당되는 D(0.9)가, 여재별로는 EPS가 증가폭이 가장 크게 나타났다.
- 6) 여재별 입경분포 범위에 따른 TSS 평균 처리효율 산정결과 100 ㎛ 이상의 입경범위에서는 여재의 종류에 관계없이 95 % 이상의 높은 처리효율을 나타낸 반면, 100㎛ 이하의 입경범위에서는 입자크기가 작아질수록 처리효율이 감소하는 경향이 나타났으며, Zeolite와 EPS가 EPP 및 Perlite에 비해 입자크기 감소에 따른 처리효율 감소폭이 더 크게 나타났다. 100 ㎛ 이하의 미세입자에 대한 TSS 평균처리효율은 EPP(82.
- EPP와 EPS의 경우 Perlite처럼 높은 여과선 속도에 의한 여재의 파쇄현상은 확인되지 않았으나, 두 여재의 공극률, 비표면적 및 미세공분포 등에 의한 물리적 특성 차이에 의해서 EPS에 비해 EPP가 시간경과에 따른 수두손실 증가현상이 가장 적게 나타난 것으로 판단된다.
- EPS의 경우 실험초반인 10분 경과시점에서 TSS 평균처리효율이 78.4 %로 가장 나타났는데, 이는 아직 여재층이 안정화 되지 않아서 일시적으로 효율이 낮게 나타난 것으로 판단되며, EEP의 경우 시간경과에 따른 처리효율의 뚜렷한 증감현상없이 지속적으로 85 % 이상의 안정적인 처리효율을 나타내었다.
- Fig. 10과 같이 여재의 종류에 관계없이 100㎛ 이상의 입경범위에서는 95 % 이상의 높은 처리효율이 나타난데 반하여, 100 ㎛ 이하의 입경범위에서는 입자크기가 작아질수록 처리효율이 감소하는 경향을 나타내었으며, 여재별로는 Zeolite와 EPS가 EPP 및 Perlite에 비해 입자 크기 감소에 따른 처리효율 감소폭이 더 크게 나타난 것으로 확인되었다.
- Fig. 11은 여재별 100 ㎛ 이하의 미세입자에 대한 TSS 평균처리효율을 나타낸 것으로 EPP(82.4 %) › Perlite(76.1 %) › EPS(66.2%) › Zeolite(65.2 %) 순으로 나타나 EPP 여재가 타 여재에 비해 상대적으로 오염부하가 높은 미세입자의 처리에 가장 유리한 것으로 확인되었다.
- Zeolite의 경우 수리적 부하에 의한 월류시점도 가장 빠르고 SS 평균처리효율도 84.9 %로 타 여재(85.3 % ∼ 89.0 %)에 비해 상대적으로 낮기 때문에, 3개의 표본에 대한 유출수의 입도분석결과를 토대로 미세입자 처리에 가장 유리하다고 판단하기는 어렵다고 사료되며, Zeolite를 제외한 3종류의 여재 가운데에서는 EPP가 가장 작은 입자크기를 나타내어 미세입자 처리에 그만큼 유리한 것으로 확인되었다.
- Zeolite의 경우 여재하단부에서만 입자상 물질의 흡착에 의한 폐색현상이 빠르게 진행되어, 여재층 10 cm 높이의 SS 유출수의 농도가 798.8 mg/L로 동일한 높이의 타 여재 농도범위인 361.3 ∼ 410.0 mg/L에 비해 약 2배가량 높기 때문에 상대적으로 1차선형 회귀식에서 도출된 a값이 가장 크게 나타났으며, EPS의 경우 Zeolite를 제외한 EPP, EPS와 유사한 범위의 여재층 10 cm 높이의 SS 유출수 농도범위를 나타내었으나, 1차 선형회귀식에서 도출된 음의 기울기 a값이 50.03으로 가장 적어 여재높이별 TSS 처리효과가 가장 낮은 것으로 확인되었다.
- 각 여재별 누적재현일수를 산정한 결과 EPP 163일, ESP 100일, Perlite 60일, Zeolite 43일로 나타났는데, 상기의 결과는 여과선속도 및 유입원수의 농도차이에 따라 다르게 산정될 수 있으나, EPP 여재가 타 여재에 비해 수리적부하의 영향이 가장 적어 여재의 수명이 가장 긴 것으로 확인되었다.
- 각 여재별로 살펴보면 TSS 평균 처리효율이 가장 낮게 나타난 Zeolite의 경우에는 950 m/day의 높은 여과선속도에 의해서 실험개시 후 40분 및 70분 경과시점에서 여재층에 포집된 미세입자가 일시적으로 유출되어 순간적으로 처리효율이 80 % 미만으로 나타난 것으로 판단되며, Perlite의 경우에는 시간이 경과될수록 지속적으로 여재가 조금씩 파쇄되어 높은 처리효율을 유지하다가 수두손실이 급격히 증가하는 80분을 기점으로 처리효율이 점차 감소하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.
- 각 여재별로 크기가 거의 유사한 D(0.1)을 제외하고 유출수의 D(0.5)는 Perlite (25.7 ㎛) › EPS (21.6 ㎛) › EPP (18.9 ㎛) › Zeolite (14.4 ㎛), D(0.9)는 EPS (98.5 ㎛) › Perlite (89.3 ㎛) › EPP (70.9 ㎛) › Zeolite (68.6㎛)순으로 나타나 전체적으로 Zeolite가 가장 작은 입자크기를 나타냈으며, Perlite와 EPS의 경우 타 여재에 비해 입자크기가 크게 나타났다.
- 각 여재별로 평균 718.7 ∼ 901.3 mg/L 범위의 도로면 유입수에 대한 평균 TSS 유출수 농도는 EPP 71.9 mg/L, EPS 98.3 mg/L, Perlite 95.4 mg/L, Zeolite 116.7 mg/L로 나타났으며, 평균 처리효율은 EPP 89.0 %, EPS 85.3%, Perlite 88.5 %, Zeolite 84.9 %로 나타나 EPP가 가장 높고 Zeolite가 가장 낮은 처리효율을 나타내었다.
- 428 mg/L로 주차장에 비해 최대 20배 높은 농도가 검출되었다. 각 지점별 입도분석 결과 100 ㎛ 이하의 미세입자 부피비는 도로가 89.9 %, 주차장이 81.4 %로 각각 나타나 미세입자가 오염부하의 대부분을 차지하는 것으로 확인되었다.
- 도로 및 주차장의 발생지점에 대한 입도분석 결과는 Fig. 3과 같으며, 각 지점별로 D(0.5)의 경우 도로 21.99 ㎛, 주차장 31.55 ㎛로 나타났으며, D(0.9)의 경우 도로 102.34 ㎛, 주차장 184.34 ㎛로 나타나 주차장에 비해 도로가 미세입자가 더 많이 분포되어 있는 것으로 확인되었다. 100 ㎛ 이하의 미세입자 부피비는 도로가 89.
- 두 번째로 수리적부하의 영향이 크게 나타난 Perlite의 경우에는 1차 실험에서는 여재 높이가 증가될수록 일정하게 유출수의 농도가 감소 하는 경향을 나타내었으나, 2차와 3차 실험에서는 여재층 20 cm에서의 유출수가 10 cm에서의 유출수보다 더 높은 SS 농도를 나타내었다. Perlite의 경우에는 Zeolite와 달리 부양성 여재로 Zeolite처럼 여재층 하단부부터 빠르게 폐색이 진행되기 보다는 시간이 경과될수록 여재자체가 점차 파쇄되어 일정시간 경과 후, 채수시점에서 파쇄된 여재와 함께 입자성 물질이 일시적으로 유출되었기 때문이라고 판단된다.
- 먼저 Zeolite의 경우 최종 처리수 기준 SS 처리효율이 85.2 %로 나타났는데, 여재층 하단부인 30 cm 이전에서 대부분의 입자성 물질이 제거되어 SS 처리효율이 80 % 이상으로 나타났으며, 여재층 30 cm 이상에서는 여재높이의 증가에 따른 SS 처리효과가 평균 3.2 %로 매우 미미하게 나타났다.
- 상기의 결과로 미루어 볼 때, 총 4가지 여재에 대한 수리적 부하의 영향은 Zeolite › Perlite › EPS › EPP순으로 나타나 EPP 여재가 타 여재에 비해 수리적 부하에 의한 영향이 가장 적어 도로면 유출수 처리를 위한 비점저감시설에 가장 유리한 것으로 판단된다.
- 시간경과에 따른 입도분포 변화를 살펴보면, Zeolite를 제외한 3종류의 여재에서 모두 점차적으로 유출수의 입자크기가 증가되는 경향을 나타났는데, 이는 각 여재별로 여재의 공극에 미세입자가 흡착되어 폐색이 서서히 진행되기 때문인 것으로 판단되며, 입경사이즈별로는 90 % 부피비에 해당되는 D(0.9)가, 여재별로는 EPS가 증가폭이 가장 크게 나타났다.
- 실험과정에서 유입수에 혼합된 도로면 분진의 투입시기 및 양에 따라서 여재별로 경과시간에 따른 유입수의 농도차이가 Fig. 5와 같이 다소 크게 발생했음에도 불구하고, 여재의 종류에 관계없이 시간경과에 따른 처리수의 수질은 대체로 일정한 농도범위를 나타냈으며, 처리효율도 80 % 이상의 양호한 수준을 나타내었다.
- 여재 높이별 SS 처리수 농도를 가지고 산정된 1차 선형회귀식의 상관계수 R2값은 EPP(0.967) › Perlite(0.951) › Zeolite(0.808) › EPS(0.670) 순으로 나타나 50 cm 높이의 여재에서 일부분만 폐색이 진행되지 않고 여재층 전체가 고르게 입자성 물질을 흡착하여 SS를 제거하는 기작이 EPP가 가장 우수하고 EPS가 가장 떨어지는 것으로 확인되었다.
- 유입수 대비 여재에 의해 처리된 유출수의 입자크기가 작게 나타날수록 그만큼 미세입자의 제거에 유리하며, 그 이하의 입자크기에 대해서는 제거효율이 떨어진다고 간접적으로 판단할 수 있는데, 평균 입경분포별 D(0.5), D(0.9) 에 해당되는 입자크기가 각각 78.1 ㎛, 317.3 ㎛크기의 도로면 유입수에 대해서 각 여재별로 처리수에 대한 입도분석결과 D(0.1)은 2.6 ∼ 4.4㎛, D(0.5)는 14.4 ∼ 25.7 ㎛, D(0.9)는 68.6∼ 98.5 ㎛의 범위를 나타내었다.
- 총 4가지 여재 가운데 EPP의 경우 유입수의 농도차이에 따라 여재 높이별로 처리수의 수질이 다르게 나타난 것을 제외하고는 총 3회에 걸친 실험에서 모두 여재높이가 증가될수록 처리수의 SS 수질이 감소하는 경향이 가장 뚜렷하게 나타났는데, 이는 EPP 여재가 타 여재에 비해 수리적 부하에 의한 수두손실이 가장 적고, 950 m/day의 높은 선속도 조건에서도 여재자체의 파쇄현상 등이 발생하지 않기 때문에 여재층 하단부부터 상단부까지 고르게 입자성 물질을 흡착하여, 여재 높이별 입자성 물질의 감소 효과도 크고 처리효율도 가장 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 총 4가지 여재 가운데 Zeolite만 비중이 1보다 큰 미부양성 특성으로 인해 타 여재에 비해서 여재의 폐색으로 인한 수리적부하의 영향이 가장 크게 나타난 것으로 판단되며, 부양성 여재중 Perlite의 경우 시간이 경과될수록 여재자체가 파쇄되면서 미세입자가 여층 하단부에 점차 가라앉아 EPP 및 EPS보다 월류시점이 더 빠르게 나타난 것으로 판단된다.
- 편도 4차선 도로 및 주차장부지의 강우노면 유출수에 대해서 중금속을 포함한 5가지 항목에 대한 수질분석결과, Fig. 2와 같이 모든 항목에 대해서 도로가 주차장에 비해 높은 농도를 나타내었으며, 도로지점의 TSS는 3,004 mg/L로 주차장의 5.6배, 중금속 항목 중 Pb의 경우는 0.428 mg/L로 주차장 0.021 mg/L에 비해 최대 20배 높은 농도가 검출되었다.
- 평균 931.0 ∼ 1450.5 mg/L 범위의 도로면 유입수에 대한 1시간 경과 후 여재별 평균 처리효율은 85.2 % ∼ 91.1 %로 큰 차이 없이 유사한 범위를 나타내었으나, 여재 높이별 유출수 농도에 따른 처리효율 변화는 각 여재별로 서로 다른 경향을 나타내었다.
- 환경부에서 국내의 여과설비가 결합된 장치형 비점저감시설에서 허용하고 있는 최대 여과선속도 범위인 950 m/day 조건에 맞춰 최대 4시간 동안 실험한 결과는 Fig. 4와 같으며, 40 cm의 한계수두손실 도달에 의한 월류시점은 Zeolite가 90분, Perlite는 120분, EPS는 200분으로 각각 확인되었으며, EPP의 경우 4시간 경과후에도 수두손실이 평균 23 cm로 나타나 월류가 진행되지 않는 것으로 확인되었다.
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