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문제 정의
- 본 연구에서는 관로 내부에 존재하는 오염물질들 중에 약하게 부착된 대표적인 침전물로 알려진 입자들인 활성탄 미세입자, 모래 미세입자 및 철 부식생성물 입자들의 크기에 따라 어느 시점에 이들 입자들이 이동하고, 부유해서 관 외부로 배출 및 제거가 가능한지 그 유속을 도출하고자 하였다. 이를 위하여 pilot plant규모의 상수관망 모형플랜트를 이용하여 관로 내부에서의 이동과 부유에 대한 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 상수관망 내 유입되는 입자들이 침전하지 않고 유출될 수 있는 유속, 즉 자가 세척 유속과 관 내부에 약하게 부착된 입자성 물질의 수리적인 거동 특성을 분석하기 위하여 약 300 m에 달하는 상수관망 모형플랜트를 설치하였다. 상수관망 모형플랜트는 지하에 매설된 주요 관종인 시멘트모르터 라이닝 닥타일주철관(CML-DCIP), 플라스틱관으로 폴리에틸렌 관(PE), 강관으로는 내면에폭시, 외면 폴리에틸렌으로 도복된 강관, 그리고 노후관으로 무라이닝 주철관종을 각각 설치하여 운전하였다.
- 본 연구에서는 상수관망에서 플러싱으로 제거가 가능하며, 약하게 부착된 침전물질을 제거하기 위해 유속에 따른 이동 및 부유유속을 평가하여 약하게 부착된 오염물질의 적정 플러싱 유속을 도출하고자 하였다. 또한 관 내부 오염물질의 축적을 최소화하기 위한 자가세척 유속을 평가하고자 하였고 연구결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 제어된 환경하에서 유속변화에 따른 입자의 거동 특성을 분석하여 입자들이 침전하지 않고 그대로 유출이 가능한 유속인 자가 세척유속에 대하여 평가하고자 하였다. 이를 위해 300 m 규모의 실증 관 모형 플랜트를 설치 및 운영하였다.
제안 방법
- Table 3에는 GAC의 각 입자크기별 수리적 조건에 따른 이동과 부유특성을 나타내었다. GAC 입자들에 대해서는 주로 미세입자인 PAC, 그리고 활성탄은 75 ㎛부터 최대 2,000 ㎛까지 입자를 5개의 크기로 구분하여 시험하였다. 각 입자는 상수관망 모형플랜트에 설치된 가압펌프로부터 약 8 m 이격된 탭을 이용하여 각 크기별로 나누어 순차적으로 각각 주입하여, 유량변화에 따라 각 입자의 크기에 따라 어떤 유속에서 유동이 시작되고, 부분적 또는 전체적으로 관 하부를 따라 유동이 발생되는지, 그리고 전체 입자가 어떤 유속에서 부유하여 유동을 시작하는지를 육안으로 조사하였다(Friedman et al.
- GAC 입자들에 대해서는 주로 미세입자인 PAC, 그리고 활성탄은 75 ㎛부터 최대 2,000 ㎛까지 입자를 5개의 크기로 구분하여 시험하였다. 각 입자는 상수관망 모형플랜트에 설치된 가압펌프로부터 약 8 m 이격된 탭을 이용하여 각 크기별로 나누어 순차적으로 각각 주입하여, 유량변화에 따라 각 입자의 크기에 따라 어떤 유속에서 유동이 시작되고, 부분적 또는 전체적으로 관 하부를 따라 유동이 발생되는지, 그리고 전체 입자가 어떤 유속에서 부유하여 유동을 시작하는지를 육안으로 조사하였다(Friedman et al., 2004). 관측 대상범위는 부드러운 관으로 구성된 시멘트모르터 라이닝 닥타일주철관(CML-DCIP)에서 강관(SP)까지이다.
- 모래는 작은 입자들(106 μm 이하에서 2,000 μm까지)을 6개의 샘플로 구성하여 각각 유량변화, 입자의 크기 및 어느 유속에서 유동을 시작하는지 관찰하였다. 그리고 부분적 또는 전체적으로 관하부를 따라 유동이 발생되는지 관찰하였으며, 전체 입자가 어떤 유속에서 부유하여 유동을 시작하는지를 관측하였다. 모래입자의 투여조건은 GAC 입자시험과 동일하였다.
- 그리고, 1회 시험이 완전 종료가 되면 이후 입자크기 및 입자 재질별로 반복하여 실험을 수행하였다.
- 또한 각 관종마다 관 내부에서 발생되는 상황을 모니터링하기 위해 투명 아크릴관(약 30 cm)을 각각 2개씩 총 8개 지점에 설치하였으며, 내부 수질변화를 모니터링 할 수 있도록 총 8개 이상의 샘플링 탭을 설치하였다. 운영은 실험방법에 따라 저수조 탱크로부터 펌프를 통하여 공급 되는 물이 관 내부를 지나 다시 저수조 탱크로 유입될 수 있는 순환구조와 순환하지 않고 바로 원수가 공급되는 착수정 또는 배출수지로 바로 유출이 되는 형태로 설계하였다.
- 이를 위하여 pilot plant규모의 상수관망 모형플랜트를 이용하여 관로 내부에서의 이동과 부유에 대한 특성을 평가하였다. 또한 상수관망 내부로 유입된 입자들이 침전하지 않고 그대로 배출될 수 있는 자가세척 유속조건에 대해서도 평가하였다.
- 철 부식 생성물은 TY 지역에 매설된 무라이닝 닥타일주철관 내부에 존재하는 결절을 수집하여 사용하였다. 또한 수집한 활성탄, 모래, 철 부식 생성물에 대해서는 입자별 이동과 부유유속, 즉 세척이 가능한 유속을 평가하기 위해 체거름을 통하여 입자의 크기별로 분류하였다. 각 입자의 비중은 KS M 0610(2010)에 준하여 측정하였다(Table 2).
- 모래는 작은 입자들(106 μm 이하에서 2,000 μm까지)을 6개의 샘플로 구성하여 각각 유량변화, 입자의 크기 및 어느 유속에서 유동을 시작하는지 관찰하였다.
- 철 부식입자는 작은 입자들(75 ㎛ 이하에서 425㎛까지)을 4개의 샘플로 구성하여 유량변화에 따라 각 입자의 크기 및 어느 유속에서 유동을 시작하는지 관찰하였다. 부분 또는 전체적으로 관 하부를 따라 유동이 발생되는지, 그리고 전체 입자가 어떤 유속에서 부유하여 유동을 시작하는지를 관측하였다.
- 또한 각 관종마다 관 내부에서 발생되는 상황을 모니터링하기 위해 투명 아크릴관(약 30 cm)을 각각 2개씩 총 8개 지점에 설치하였으며, 내부 수질변화를 모니터링 할 수 있도록 총 8개 이상의 샘플링 탭을 설치하였다. 운영은 실험방법에 따라 저수조 탱크로부터 펌프를 통하여 공급 되는 물이 관 내부를 지나 다시 저수조 탱크로 유입될 수 있는 순환구조와 순환하지 않고 바로 원수가 공급되는 착수정 또는 배출수지로 바로 유출이 되는 형태로 설계하였다. 세부적인 상수관망 모형플랜트의 설치내용과 관망구조를 Table 1과 Fig.
- 유속변화에 따른 약하게 부착된 입자들의 크기별로 적정 부상유속을 평가하기 위해 상수관망 모형플랜트에 입자 주입을 위한 별도의 탭을 펌프 후단에 설치하였다. 탭을 통해 입자를 주입하기 용이하도록 체거름으로 분류된 입자들을 수돗물에 혼합하여 슬러리 행태로 제조하였다.
- 본 연구에서는 관로 내부에 존재하는 오염물질들 중에 약하게 부착된 대표적인 침전물로 알려진 입자들인 활성탄 미세입자, 모래 미세입자 및 철 부식생성물 입자들의 크기에 따라 어느 시점에 이들 입자들이 이동하고, 부유해서 관 외부로 배출 및 제거가 가능한지 그 유속을 도출하고자 하였다. 이를 위하여 pilot plant규모의 상수관망 모형플랜트를 이용하여 관로 내부에서의 이동과 부유에 대한 특성을 평가하였다. 또한 상수관망 내부로 유입된 입자들이 침전하지 않고 그대로 배출될 수 있는 자가세척 유속조건에 대해서도 평가하였다.
- 탭을 통해 입자를 주입하기 용이하도록 체거름으로 분류된 입자들을 수돗물에 혼합하여 슬러리 행태로 제조하였다. 이후 관로 내로 유입된 입자들은 약 1시간 동안 정체를 시켰고(Fig. 3), 이후 펌프를 0.0 m/sec 에서 순차적으로 0.03 ~ 0.05 m/sec씩 유속을 증가하여 목표 유속에 도달하면, 각 관 재질별로 설치된 관찰경을 통해서 입자의 움직임과 부유 상태를 확인하였다. 입자의 각 크기별로 구분 하여 관측을 하였으며, 각각의 유동 형태에 대한 유속을 영상으로 촬영하고 기록하였다.
- 05 m/sec씩 유속을 증가하여 목표 유속에 도달하면, 각 관 재질별로 설치된 관찰경을 통해서 입자의 움직임과 부유 상태를 확인하였다. 입자의 각 크기별로 구분 하여 관측을 하였으며, 각각의 유동 형태에 대한 유속을 영상으로 촬영하고 기록하였다.
- 이를 위해 300 m 규모의 실증 관 모형 플랜트를 설치 및 운영하였다. 자가 세척 기능은 상수관로 내부에 유입된 입자들이 침전하지 않고 그대로 유출될 수 있는 유속이므로 상수관망 모형플랜트의 저수조 유출지점부터 최종 유출지점까지 유속변화에 따른 탁도와 입자의 변화 거동을 탁도계 및 입자계수기(PC 2400PS, HEMTRAC system Inc.)를 이용하여 고찰하였다. 유속변화는 0.
- Table 5는 철 부식생성물의 입자크기별로 유속에 따른 이동 및 부유특성을 나타낸 것이다. 철 부식입자는 작은 입자들(75 ㎛ 이하에서 425㎛까지)을 4개의 샘플로 구성하여 유량변화에 따라 각 입자의 크기 및 어느 유속에서 유동을 시작하는지 관찰하였다. 부분 또는 전체적으로 관 하부를 따라 유동이 발생되는지, 그리고 전체 입자가 어떤 유속에서 부유하여 유동을 시작하는지를 관측하였다.
- 유속변화에 따른 약하게 부착된 입자들의 크기별로 적정 부상유속을 평가하기 위해 상수관망 모형플랜트에 입자 주입을 위한 별도의 탭을 펌프 후단에 설치하였다. 탭을 통해 입자를 주입하기 용이하도록 체거름으로 분류된 입자들을 수돗물에 혼합하여 슬러리 행태로 제조하였다. 이후 관로 내로 유입된 입자들은 약 1시간 동안 정체를 시켰고(Fig.
대상 데이터
- , 2004). 관측 대상범위는 부드러운 관으로 구성된 시멘트모르터 라이닝 닥타일주철관(CML-DCIP)에서 강관(SP)까지이다.
- 본 연구에서는 관로 내부에 약하게 부착된 입자성 침전물, 활성탄 미세입자, 모래 미세입자, 철 부식생성물 입자들에 대한 적정 세척유속을 평가하기 위해 활성탄 입자는 현재 고도정수처리공정에 사용 중인 입상활성탄(GAC)을 사용하였고, 모래입자는 정수처리공정에서 여과지에 사용 중인 모래를 사용하였다. 철 부식 생성물은 TY 지역에 매설된 무라이닝 닥타일주철관 내부에 존재하는 결절을 수집하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 상수관망 내 유입되는 입자들이 침전하지 않고 유출될 수 있는 유속, 즉 자가 세척 유속과 관 내부에 약하게 부착된 입자성 물질의 수리적인 거동 특성을 분석하기 위하여 약 300 m에 달하는 상수관망 모형플랜트를 설치하였다. 상수관망 모형플랜트는 지하에 매설된 주요 관종인 시멘트모르터 라이닝 닥타일주철관(CML-DCIP), 플라스틱관으로 폴리에틸렌 관(PE), 강관으로는 내면에폭시, 외면 폴리에틸렌으로 도복된 강관, 그리고 노후관으로 무라이닝 주철관종을 각각 설치하여 운전하였다. 관경은 지방상수도에서 배수관종 중 비율이 높은 100 mm로 하였다.
- 본 연구에서는 관로 내부에 약하게 부착된 입자성 침전물, 활성탄 미세입자, 모래 미세입자, 철 부식생성물 입자들에 대한 적정 세척유속을 평가하기 위해 활성탄 입자는 현재 고도정수처리공정에 사용 중인 입상활성탄(GAC)을 사용하였고, 모래입자는 정수처리공정에서 여과지에 사용 중인 모래를 사용하였다. 철 부식 생성물은 TY 지역에 매설된 무라이닝 닥타일주철관 내부에 존재하는 결절을 수집하여 사용하였다. 또한 수집한 활성탄, 모래, 철 부식 생성물에 대해서는 입자별 이동과 부유유속, 즉 세척이 가능한 유속을 평가하기 위해 체거름을 통하여 입자의 크기별로 분류하였다.
이론/모형
- 또한 수집한 활성탄, 모래, 철 부식 생성물에 대해서는 입자별 이동과 부유유속, 즉 세척이 가능한 유속을 평가하기 위해 체거름을 통하여 입자의 크기별로 분류하였다. 각 입자의 비중은 KS M 0610(2010)에 준하여 측정하였다(Table 2). Table 2에서 실험에 사용된 입자들의 비중은 Friedman et al.
성능/효과
- GAC 입자들은 입자크기 또는 유속에 따라 초기에 부분적으로 그룹을 형성하여 유동하다가 유속이 증가함에 따라 점차적으로 하나의 큰 그룹을 형성하여 관 바닥을 따라 유동하는 움직임을 보였다. 그리고 일정 유속에서는 부유해서 이동하는 형태를 보였다.
- 둘째, 상수관망 모형플랜트에서 관로로 유입되는 지점과 각 관종이 달라지는 위치에 설치된 샘플링 탭을 통해서 탁도와 입자개수에 대해 유속별로 그 변화를 측정한 결과, 0.17 m/sec 이상, 즉 0.35, 0.70, 1.00 m/sec에서는 각 지점에서 탁도, 입자개수 등이 저수조 유입수와 동등 수준으로 계속 유지가 되고 있는 것으로 나타났다. 이러한 유속에서는 관 내부에 입자들이 지속적으로 침전되기보다 계속해서 부유하여 이동하는 것으로 판단되었다.
- 88 m/sec 이상의 유속이 필요한 것으로 나타났다. 따라서 모래입자들의 크기에 관계없이 관 내부에서 이동 및 부유시켜 관 외부로 제거할 수 있는 적정유속은 최소 0.88 m/sec 이상은 되어야 할 것으로 판단되었다. 이 유속은 GAC 입자들을 제거하기 위한 적정 평균유속 보다 더 높은 유속이다.
- 9 m/sec 이상이면 이들 크기를 갖는 입자들에 대해서는 세척시 제거가 가능할 것으로 판단되었다. 또한 플러싱 자체가 관 표면에 약하게 부착된 입자들을 제거하는 것을 목표로 하는 것을 볼 때, 기존에 제시된 적정유속인 1.5 m/sec와 비교하여 2/3 수준의 유속으로도 이들 입자들의 제거가 가능하므로 세척에 따른 방류수량을 적어도 20 ~ 30% 이상 절감이 가능할 것으로 기대된다.
- 모든 입자크기에 따라 완전히 부유하기 위해서는 106 ㎛ 미만 입자들은 0.62±0.09 m/sec 이상, 600 ㎛ 미만의 입자들은 0.795±0.085 m/sec, 그리고 입자 크기가 600 ㎛ 이상인 경우에는 최소 0.88 m/sec 이상의 유속이 필요한 것으로 나타났다.
- 유속이 0.17 m/sec 이하에서 저수조부터 강관까지의 탁도 변화를 살펴보면, 저수조 유출부에서 강관까지의 탁도가 저수조 유출수 탁도에 비하여 낮게 나타나는 경향을 보였다. 이는 저수조 유출수에 탁도를 유발하는 입자성 물질들이 침전하여 감소하였기 때문으로 보인다.
- 첫째, 상수관망 모형플랜트에서 실험한 결과를 정리하면, 일부 유속의 차이는 있으나 GAC는 입자크기와 관계없이 0.5 m/sec(2 mm 이하), 모래입자는 0.88 m/sec(2 mm 이하), 철부식생성물은 0.425 ㎛ 이하에 대해서 0.88 m/ sec 이상에서 완전 부유해서 제거 가능한 것으로 나타났다. 최소한 0.
- 88 m/ sec 이상에서 완전 부유해서 제거 가능한 것으로 나타났다. 최소한 0.9 m/sec 이상이면 이들 크기를 갖는 입자들에 대해서는 세척시 제거가 가능할 것으로 판단되었다. 또한 플러싱 자체가 관 표면에 약하게 부착된 입자들을 제거하는 것을 목표로 하는 것을 볼 때, 기존에 제시된 적정유속인 1.
후속연구
- 또한 GAC, 모래, 그리고 철 부식생성물 등 약하게 부착된 침전물 등을 제거하기 위해서 과도한 유속을 발생시킬 우려도 존재한다. 물론 본 연구에서 도출된 결과보다 더 큰 유속에서 이들 물질의 제거에 대한 효과는 더 클 수도 있으나 세척으로 방류되는 정수가 그 만큼 더 증가하게 되므로 플러싱 수행시 합리적인 최소유속의 선택기준을 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.
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