[논문]단방향 플러싱에 의한 입자성 물질의 제거에 관한 연구

김두일; 천수빈; 현인환

doi:10.11001/jksww.2015.29.3.371

[국내논문] 단방향 플러싱에 의한 입자성 물질의 제거에 관한 연구
A study on the removal of particulate matters using unidirectional flushing 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.3, 2015년, pp.371 - 380

김두일 (단국대학교 토목환경공학과) , 천수빈 (단국대학교 토목환경공학과) , 현인환 (단국대학교 토목환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Particulate matters in a water distribution system are main causes of turbidity and discoloration of tap water. They could be removed by conventional or uni-directional flushing in a water distribution system. The behaviors and required flow velocity of particles are not well known for their flushing. A model water main and hydrant were made from transparent acrylic pipe of 30mm and 16mm in diameter, respectively. We analyzed the effect of flushing velocity, particle density, and particle diameter. We found that the existence of break-though velocities at which particles begin to be removed, and which are affected by their physical properties. The removal efficiencies seemed to be influenced by resuspension capabilities related to their upward movement from the bottom. Heavy particles like scale were hard to remove through upflow hydrant because the falling velocity, calculated using Stokes' law, was higher. Particle removal efficiencies of upward hydrant and downward drain showed minor differences. Additionally, the length between hydrant and control valve affected flushing efficiency because the particulate matters were trapped in this space by inertia and recirculating flow.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

상수관망의 단방향 플러싱을 효율적으로 하기 위해서는 입자의 종류 및 물리적 성상에 따른 상수관망에서의 거동을 이해하여야 한다. 이 연구에서는 단방향 플러싱을 이용하여 관세척시 유속과 제거효율과의 관계에 대해 연구를 수행하였다. 특히, 입자의 제거가 시작하는 파과점 유속(Break-through Velocity) 이 존재하는데, 이것에 영향을 미치는 인자에 대해 연구하였다.
입자상 물질은 상수관망에서 탁질문제와 적수발생의 원인으로 알려져 있다. 이 연구에서는 입자상 물질의 밀도와 직경이 단방향 플러싱에 미치는 영향을 알아보기 위해, 밀도와 직경이 서로 다른 모래, 스케일, 안스라사이트 입자를 이용하여 실험을 수행하였다. 모래, 스케일, 안스라사이트 입자는 각각 파과점 유속 (Breakthrough Velocity) 이상이 되어야 제거되기 시작한다는 것을 알 수 있었다.
입자의 배출방향 (상향의 소화전 혹은 하향의 니토 밸브)이 단방향 플러싱의 효율에 미치는 영향을 연구하기 위해 실험을 수행하였다. Table 3에서 보는 것과 같이 소화전을 통해 상향배출하는 경우는 A관과 C관의 유속이 각각 1.
이 연구에서는 단방향 플러싱을 이용하여 관세척시 유속과 제거효율과의 관계에 대해 연구를 수행하였다. 특히, 입자의 제거가 시작하는 파과점 유속(Break-through Velocity) 이 존재하는데, 이것에 영향을 미치는 인자에 대해 연구하였다. 또한 플러싱에 사용된 물의 배출을 위해 상향인 소화전 또는 하향인 퇴수밸브가 이용되는데, 상향배출과 하향배출시 입자의 제거효율을 비교 하였다.

가설 설정

480 m/sec 이다. 이 때, 수온은 20 oC를 가정하였고 모래, 스케일, 안스라사이트 입자의 밀도는 각각 2.625 kg/L, 3.225 kg/L, 1.450 kg/L였다. Table 2 및 Fig.

제안 방법

그 다음 펌프를 정지하고 입자상 물질을 주입구를 통해 투입하였다. 다시 펌프를 가동하여 입자상 물질이 상/하향 배출관을 통해 회수되는 실험을 수행하였다. 펌프를 정지하고, 배출관(C 관)과 메인관(B 관)에 설치된 스트레이너로 탁질을 회수하여 건조한 후 중량을 측정하였다.
특히, 입자의 제거가 시작하는 파과점 유속(Break-through Velocity) 이 존재하는데, 이것에 영향을 미치는 인자에 대해 연구하였다. 또한 플러싱에 사용된 물의 배출을 위해 상향인 소화전 또는 하향인 퇴수밸브가 이용되는데, 상향배출과 하향배출시 입자의 제거효율을 비교 하였다.
상향배출 C관(1.3 m)을 통해 스케일 입자를 제거하는 경우, B관의 길이에 따른 제거율 비교하였다. Fig.
메인관에 설치된 소화전에서 차단밸브까지의 거리 (B관의 길이)는 입자상 물질의 단방향 플러싱에 영향을 미칠 수 있다. 상향배출 C관(1.3m)을 통해 입자를 제거하는 경우, B관의 길이에 따른 모래 입자의 제거 특성을 알아보았다. Fig.
실제 배관과 유사하게 투명한 아크릴을 이용하여 배관을 구성하였으며, 상향배출과 하향배출이 가능하도록 T자 모양의 분기관을 설치하였다. 실험장치는 Fig.
실험유속은 탁질을 투입하기 전에 먼저 펌프를 가동하면서 밸브를 조작하여 메인관(B 관)과 상향/하향 배출관(C 관)의 유속을 조절하였다. 그 다음 펌프를 정지하고 입자상 물질을 주입구를 통해 투입하였다.
다시 펌프를 가동하여 입자상 물질이 상/하향 배출관을 통해 회수되는 실험을 수행하였다. 펌프를 정지하고, 배출관(C 관)과 메인관(B 관)에 설치된 스트레이너로 탁질을 회수하여 건조한 후 중량을 측정하였다. 탁질 회수용 스트레이너는 200 mesh(74 μm)를 사용하였다.

대상 데이터

체에 남은 각 입자의 비율(%)을 Table 1에 보이고 있다. 노후관의 스케일 물질은 A 시에서 관망교체 공사에서 나온 폐관에서 직접 채취하였다. 실제 관으로부터 채취한 스케일을 Grinder로 갈아서 사용하였으며, 스케일 입자의 비중은 3.
단방향 플러싱에서 유속에 따른 입자의 거동을 보기 위해, 밀도와 입경이 서로 다른 모래, 스케일, 안스라사이트를 이용하였다. 메인관(B관)의 제수밸브는 각각 소화전으로부터 흐름방향으로 0.
실험에 사용된 입자성 물질은 모래, 안스라사이트, 및 실제 노후관에 생성된 스케일 물질을 그라인더를 이용하여 파쇄 한 것이다. 모래는 주문진 표준사를 사용하였으며, 비중은 2.6 에서 2.65 정도이다. 체에 남은 각 입자의 비율(%)을 Table 1에 보이고 있다.
5 m 로 하였다. 본관의 관경은 30 mm이며 소화전 및 니토관의 관경은 16 mm였다.
노후관의 스케일 물질은 A 시에서 관망교체 공사에서 나온 폐관에서 직접 채취하였다. 실제 관으로부터 채취한 스케일을 Grinder로 갈아서 사용하였으며, 스케일 입자의 비중은 3.2에서 3.25였다. 스케일 입자의 입도분포는 150 μm ~ 2.
실험에 사용된 입자성 물질은 모래, 안스라사이트, 및 실제 노후관에 생성된 스케일 물질을 그라인더를 이용하여 파쇄 한 것이다. 모래는 주문진 표준사를 사용하였으며, 비중은 2.
관망에서 유체가 안정상태에서 흐를 수 있도록 아크릴 관과 동일한 직경의 튜브를 약 3 m 통과 후, 아크릴 실험장치로 유입시켰다. 유속의 측정은 Kometer 사의 GSA-500 의 초음파 유량계를 사용하였다. 소화전에 의한 상향배출의 경우 배출관(Fig.

이론/모형

독립입자의 침강속도(us)는 식 (3)과 같은 Stokes’s Law를 이용하여 구할 수 있다.
비중이 큰 스케일 입자를 소화전을 통해 제거하는 경우 소화전에서 유지해야 하는 최소 한계유속을 Stokes’s Law를 통해 계산이 가능하였다.

성능/효과

15 m/s 였다. 1.3 m 길이의 상향 소화전을 이용하여 모래를 회수할 때와 0.5 m 길이의 하향니토밸브를 이용하여 회수할 때의 최종회수율은 각각 95.9%, 99.8% 였다. 하향 니토밸브를 통한 배출이 약간 나은 제거율을 보였다.
211 m/sec 정도로 침강속도가 파과점 유속보다 대부분 작았지만, 이 파과점 유속 이하에서 제거된 입자는 없었다. 따라서 단방향 플러싱에서 입자를 배출 관을 통해 수직으로 이송하는 것은 파과점 유속에 영향을 거의 미치지 않은 것을 알 수 있었다. 파과점 유속에 영향은 없었지만, 일부 큰 스케일 입자의 경우는 입자의 침강속도가 회수율에 영향을 미쳤다.
이 연구에서는 입자상 물질의 밀도와 직경이 단방향 플러싱에 미치는 영향을 알아보기 위해, 밀도와 직경이 서로 다른 모래, 스케일, 안스라사이트 입자를 이용하여 실험을 수행하였다. 모래, 스케일, 안스라사이트 입자는 각각 파과점 유속 (Breakthrough Velocity) 이상이 되어야 제거되기 시작한다는 것을 알 수 있었다. 이 파과점 유속은 입자가 관망의 바닥으로 움직이는 시작하는 소류유속, 침강 속도 보다는, 입자를 난류확산에 의해 부상시키는 정도와 관련이 있었다.
따라서 소화전에서 제수밸브까지의 거리를 가능한 짧게 설계하는 것이 플러싱에 유리할 것으로 보인다. 상향 소화전을 통해 단방향 플러싱액을 배출하는 것과 하향 니토밸브를 통해 배출하는 것을 비교하면, 하향배출이 약간 더 나은 제거효율을 보였으나, 제거 효율 측면에서 큰 차이가 없었다.
이상의 결과에서 보는 것처럼 입자의 밀도와 입경은 C관을 통한 제거율에 영향을 미치는 것을 볼 수 있었다. 세 가지 입자 모두에 대해 A관에서 유속이 낮은 경우는 입자의 제거가 전혀 이루어지지 않고 있다가, 유속이 파점점(Break-through Point) 보다 증가하면 갑자기 입자의 제거가 시작되는 것을 볼 수 있었다.
0%였다. 스케일 입자와 안스라사이트 모두 상향배출에 비해 하향배출의 제거효율이 조금 더 우수하기는 하였으나, 차이가 크지 않음을 알 수 있었다. 니토밸브를 통한 하향배출의 효율이 조금 우수한 것은 관의 바닥에 형성된 입자의 이동양상(Movement Behavior)이 영향을 미치기 때문이다.
05 m/sec이다. 이 값들은 파과점 유속에 비해서는 매우 작은 값들이었기 때문에, 한계소류유속은 파과점 유속에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다. 그러나, <식 1>과 같은 한계소류유속의 계산법은 가상 하천에서 단일 입자층을 가정한 방법으로 구하는 것이기 때문에, 이 방법이 실제 관망에서 필요한 한계소류유속을 계산하기 적합한 방법이라고 판단하기는 어렵다.
안스라사이트의 경우는 모래나 스케일 입자보다 회수가 시작되는 시점의 유속이 낮을 것을 볼 수가 있었다. 이상의 결과에서 보는 것처럼 입자의 밀도와 입경은 C관을 통한 제거율에 영향을 미치는 것을 볼 수 있었다. 세 가지 입자 모두에 대해 A관에서 유속이 낮은 경우는 입자의 제거가 전혀 이루어지지 않고 있다가, 유속이 파점점(Break-through Point) 보다 증가하면 갑자기 입자의 제거가 시작되는 것을 볼 수 있었다.
파과점 유속의 결정에 중요한 역할을 하는 것은 소류유속이나 침강속도가 아니라 난류확산에 의해 입자를 부상(Lift)시키는 작용인 것을 알 수 있었다. 배 등 (2014)의 연구에 따르면 모형관망에서 직경 0.

후속연구

, 2014)로 이 실험에 사용된 모래의 파과점 유속보다 높은 값을 보였다. 상수관망에서 난류 확산에 의해 입자상 물질을 부상(Lift)시키는데 필요한 유속에 대한 연구는 많지 않았기 때문에 향후 이에 대한 연구가 더 필요 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재래식 플러싱의 장점은 무엇인가?	, 2002). 제수밸브를 조작하지 않기 때문에 작업이 간단하고, 플러싱 유속이 확보되는 경우에는 소수의 소화전 개방으로 보다 넓은 지역의 관망을 플러싱 할수 있는 장점이 있다. 그러나 재래식 플러싱은, 메인 수도관의 밸브를 차단하지 않은 상태에서 수행하기 때문에, 상수관망에서 유속이 낮아 플러싱에 필요한 유속을 충분히 얻지 못하는 경우도 있다.
	녹물의 발생원인은 무엇인가?	4%의 비중을 차지하고 있었다(Lee, 2014). 녹물의 발생원인은 상수관망 안에 존재하는 50 ~ 100 μm 사이즈의 침적된 입자상물질이 관망에서 용출되어 수도꼭지를 통해 나오는 것으로 알려져 있다(Barkatt et al., 2009, Boxall et al.
	상수관망에서 침적된 갈색의 침전물은 어떻게 구성되어 있는가?	, 2001). Echeverría 등(2009)은 상수관망에서 침적된 갈색의 침전물은 Alumino-silicates 화합물, 석영질(Quartz) 물질 및 유기화합물(휴믹산) 등으로 구성되어 있으며, 흰색의 침전물은 Calcite, 석영질 (Quartz) 물질, Alumino-silicates 화합물, 휴믹산 등으로 구성되어 있음을 FTIR분석을 통해 보였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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