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문제 정의
- 또한, 방류구가 위치한 지점의 양안 하천변은 시민 산책로와 자전거길이 조성되어 있고, 그 뒤편과 너머로 고층 공동주택이 밀집되어 있다. 따라서 외관상 좋지 않은 이미지가 제공되고 있어 구조적 또는 비구조적 측면에서 어떠한 형태든 방류구의 거품 발생량을 경감시키고자 하는 연구와 노력이 필요하였다. 거품의 발생을 완화시키기 위한 방법은 현재까지 화학물질 소포제 (defoamer)와 거품확산방지막을 주로 사용하고 있다.
- 선행 조사 및 진단 후 감조하천 특성과 유량 등 다양한 여건을 고려하여 최적 기술을 개발하였고, 실제로 현장에 적용한 실험적 사례로써 소개하였다. 따라서 이와 유사한 문제점을 가지고 있는 국내의 다른 하폐수 처리장에도 응용하여 사용될 수 있도록 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구의 목적은 공공하수처리장에서 하수처리수를 방류할 때 발생하는 거품현상의 기작을 파악하고 이를 경감시키기 위한 저감장치를 개발하여 현장에서 직접 실험 테스트하는 것이다. 선행 조사 및 진단 후 감조하천 특성과 유량 등 다양한 여건을 고려하여 최적 기술을 개발하였고, 실제로 현장에 적용한 실험적 사례로써 소개하였다.
제안 방법
- D 하수처리장의 방류구에서 발생하는 거품은 낙차에 의한 공기의 혼입과 난류작용이 직접적인 원인으로 작용하므로 이를 차단하는 목적으로 미세망목스크린과 수중방류 장치로써 개선하였다. 이렇게 하여 기존에 적용하고 있는 소포제와 거품확산방지막의 비구조적 및 구조적 문제점을 동시에 해결함은 물론 하수처리수의 거품에 대한 막연한 불신과 관련한 민원도 예방할 수 있을 것이다.
- 스크린의 상단과 하단은 망의 내부에 스테인레스 파이프를 각각 넣어서 박음질하였다. 그리고 수로에서 생긴 거품이 마찰 없이 유입되도록 상단은 양 끝과 중앙에 줄을 매달아서 바닥과의 높이 (h)를 250~330 mm 범위로 조절하여 경사를 두었고, 줄은 수로의 상부에 각각 고정시켜 설치하였다 (Fig. 3). 하단은 방류수로의 유속에 의해 탄력적으로 작동되도록 바닥에 그대로 눕혀 놓았다.
- 실제 방류구의 폭은 총 4,650 mm였으나, 비교실험을 위하여 축소형으로 제작하여 사용하였다. 낙차 제거와 거품 확산을 최소화하고 누수를 방지하기 위하여 상부, 하부 및 양 측면을 각각 밀폐시켰다. 이렇게 하여 폐쇄형 수로가 되도록 만들었다.
- 하천의 횡단 유속분포는 RiverRay ADCP (acoustic doppler current profiler) meter (Teledyne RD Instruments, USA)를 하천 양안에 횡단으로 미리 팽팽하게 설치해 둔 나일론 케이블에 매달아 일정한 속도로 천천히 왕복 이동하면서 연속 측정하였다 (Gordon, 1996). 밀물과 썰물을 고려하여 고조기와 저조기에 각각 2회씩 반복하였다.
- , UK)를 이용하여 중앙과 좌우측의 총 5개 지점에 동일한 간격으로 각각 측정하였다. 방류량이 다소 가변적이어서 측정시기를 최대, 중간 및 최소 때 각각 3회씩 선택하였다. 하천의 횡단 유속분포는 RiverRay ADCP (acoustic doppler current profiler) meter (Teledyne RD Instruments, USA)를 하천 양안에 횡단으로 미리 팽팽하게 설치해 둔 나일론 케이블에 매달아 일정한 속도로 천천히 왕복 이동하면서 연속 측정하였다 (Gordon, 1996).
- 하수처리수 방류수에서 발생하는 거품의 확산범위, 형태 및 양상 등 하천에서의 주요 특성을 파악하고, 저감장치를 천변에 설치할 때 수리학적 안정성을 사전에 검토하기 위하여 방류수로와 하천에서 유속 및 흐름 분포를 각각 조사하였다. 방류수로의 유속은 Valeport Model-802 ECFS(electromagnetic current flow sensors) meter (Valeport Ltd., UK)를 이용하여 중앙과 좌우측의 총 5개 지점에 동일한 간격으로 각각 측정하였다. 방류량이 다소 가변적이어서 측정시기를 최대, 중간 및 최소 때 각각 3회씩 선택하였다.
- 본 연구는 하수처리수의 거품발생에 대한 해결방안으로써 각 부분별로 유하억제, 낙차와 공기연행을 최소화하는 저감방법으로 기술적 접근을 하였다. 기술적용 및 효과분석은 Table 3에 제시된 조건으로 비교하였다.
- 본 연구의 목적은 공공하수처리장에서 하수처리수를 방류할 때 발생하는 거품현상의 기작을 파악하고 이를 경감시키기 위한 저감장치를 개발하여 현장에서 직접 실험 테스트하는 것이다. 선행 조사 및 진단 후 감조하천 특성과 유량 등 다양한 여건을 고려하여 최적 기술을 개발하였고, 실제로 현장에 적용한 실험적 사례로써 소개하였다. 따라서 이와 유사한 문제점을 가지고 있는 국내의 다른 하폐수 처리장에도 응용하여 사용될 수 있도록 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 특히 썰물 때와 방류량이 많을 때에 거품성장이 가장 활발하였다. 이를 해결하기 위하여 방류수로와 방류구에 각각 미세스크린 망과 수중방류 인공수로장치를 각각 설치한 후 실험하였다. 거품 저감효과는 각각 약 85.
- 하천의 수위변동에 따라 외형적인 방류 형태가 변화될 수 있다. 특히, 밀물의 최고 조위 때 방류수로와 하천수위가 일치하거나 그 이상 유지하기 때문에 인공수로장치의 내부가 하천수로 높이 채워지게 되므로 이때 일시 저류되었다가 단순하게 넘쳐서 자연 월류하도록 설계하였다. 저류될 때, 수로 내부에 역류가 될 수도 있지만 기존 수처리 관련 설비에는 전혀 지장을 초래하지 않도록 하였다.
- 하수처리수 방류수에서 발생하는 거품의 확산범위, 형태 및 양상 등 하천에서의 주요 특성을 파악하고, 저감장치를 천변에 설치할 때 수리학적 안정성을 사전에 검토하기 위하여 방류수로와 하천에서 유속 및 흐름 분포를 각각 조사하였다. 방류수로의 유속은 Valeport Model-802 ECFS(electromagnetic current flow sensors) meter (Valeport Ltd.
- 방류량이 다소 가변적이어서 측정시기를 최대, 중간 및 최소 때 각각 3회씩 선택하였다. 하천의 횡단 유속분포는 RiverRay ADCP (acoustic doppler current profiler) meter (Teledyne RD Instruments, USA)를 하천 양안에 횡단으로 미리 팽팽하게 설치해 둔 나일론 케이블에 매달아 일정한 속도로 천천히 왕복 이동하면서 연속 측정하였다 (Gordon, 1996). 밀물과 썰물을 고려하여 고조기와 저조기에 각각 2회씩 반복하였다.
- 장치 망에 강제로 잡혀서 걸린 거품은 연속흐름의 반복되는 유속 충격에 의해 부서지거나 시간이 지남에 따라 자연 소산되는 원리를 이용하였다. 효과 분석은 망 장치에 유입되기 전과 통과한 후의 시료를 각각 채수하여 거품 분포면적을 비교하였고, 채수한 후 인위적인 손상을 줄이기 위하여 유동성을 최소화하였다.
- 효과분석은 거품확산방지막의 내부공간을 유속방향으로 200등분 (10(W)×20 (L))하여 방안지를 만들었고, 여기에 거품의 발생과 소멸 양상을 기록하여 실험장치의 적용 전후 결과 (상대 비율, %)로써 비교하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 2015년 3월부터 2016년 7월까지 거품발생의 원인분석과 저감기술 적용을 위해 부산광역시에 위치하고 있는 D 하수처리장을 대상으로 하였다 (Table 1). 2002년 12월에 착공하여 2006년 10월에 준공되었고, 행정구역상 처리범위는 대도시의 1개 구와 인근 구의 1개 동을 포함하고 있다. 대상 거주인구는 약 220,000명 정도이다.
- 2002년 12월에 착공하여 2006년 10월에 준공되었고, 행정구역상 처리범위는 대도시의 1개 구와 인근 구의 1개 동을 포함하고 있다. 대상 거주인구는 약 220,000명 정도이다. 발생 하수는 차집관로 (24 km, 350~1,650 mm diameter)를 통해 전량 처리장으로 이송되고 있으며, 관로는 분류식 (50%)과 합류식 (50%)이 혼재되어 있어 강우에 의한 유량 증감 변동에 매우 취약하다.
- 본 연구는 2015년 3월부터 2016년 7월까지 거품발생의 원인분석과 저감기술 적용을 위해 부산광역시에 위치하고 있는 D 하수처리장을 대상으로 하였다 (Table 1). 2002년 12월에 착공하여 2006년 10월에 준공되었고, 행정구역상 처리범위는 대도시의 1개 구와 인근 구의 1개 동을 포함하고 있다.
- 본 연구는 감조하천과 연결된 하수처리장 방류구에서 발생하는 거품의 형성기작 해석과 저감기술의 실험적용을 위하여 2015년 3월부터 2016년 7월까지 수행하였다. 거품은 방류구와 하천 수면 사이의 낙차에 의한 공기연행과 거품확산방지막에 의한 내부축적이 원인이었다.
- 4). 실제 방류구의 폭은 총 4,650 mm였으나, 비교실험을 위하여 축소형으로 제작하여 사용하였다. 낙차 제거와 거품 확산을 최소화하고 누수를 방지하기 위하여 상부, 하부 및 양 측면을 각각 밀폐시켰다.
- , 2016). 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구 대상지의 하수처리수 방류구 전단에 설치된 거품확산방지막은 공공수역 하천의 상하류 구간에서 유일하게 눈에 띄는 비고정형 유동설비에 해당하였다. 또한, 방류구가 위치한 지점의 양안 하천변은 시민 산책로와 자전거길이 조성되어 있고, 그 뒤편과 너머로 고층 공동주택이 밀집되어 있다.
- 테스트용 장치의 크기는 각각 1,700 (L)×2,400 (W)×330 (H) mm였고, 재질은 합판으로 하였다 (Fig. 4).
성능/효과
- 5). 거품의 색깔은 방류구 끝단에서 초기에 흰색이었으나, 방지막 끝단에서는 탁하고 짙은 황색으로 변하였고, 건조 시에는 검은색으로 고형화되었다. 이것은 수중에 포함된 다양한 입자성 부유물질이 거품에 흡착되어 나타나는 것으로 볼 수 있었다.
- 이것은 감조하천에서 염분 밀도차이에 의해 상하층이 나누어지는 전형적인 기수역 특성의 일부로 볼 수 있었다. 결과적으로 낙차로 인해 한번 생긴 하수처리수의 거품은 수표면에서 잘 깨지지 않고 더욱 안정화되는 것으로 이해가 되었다. 밀물 때에는 해수가 저층을 통해 침투하여 하천의 수위가 높아졌고, 썰물 때에는 상부의 물이 바다 쪽으로 빠져나가는데 초기에는 그 흐름이 완만하게 느리다가 시간이 지날수록 육안으로 확인될 정도로 빨랐다.
- 이로 인해 수층에 빈산소 (hypoxia)가 발생하고 퇴적층으로부터 순간적인 영양염 용출이 가능해진다. 그 결과, 군체형 편모조류 (예, Eudorina elegans)와 대형 동물플랑크톤 (예, Daphnia sp.)이 혼합 밀생하여 단기간 반짝 대발생하였다 (unpublished data). 이러한 사실은 최근까지 영산강 (승촌보 상류)과 경안천, 황구지천, 안성천, 갑천, 소옥천, 양산천 및 조만강 등지에서 매년 4~5월의 봄 가뭄 때에 관찰되었는데 모두 하수처리장 하류수역이었고, 물질의 유해성보다 생태학적 교란이 수반되었다는 데서 그 심각성을 짐작할 수가 있었다.
- 거품확산방지막으로부터 누출된 거품은 약 20 m 이상 거리까지 띠를 이루거나 넓게 퍼져서 이송되기도 하였다. 또한, 축적 속도는 낙차가 없고 유량이 많은 밀물 때에 최대가 되었고, 거품의 양은 시간적으로 다양한 형태의 변동을 보였다. 썰물 때, 방류구 끝단에서 최대 0.
- 기술적용 및 효과분석은 Table 3에 제시된 조건으로 비교하였다. 미세스크린 망과 수중방류 인공수로장치를 테스트할 때 순간 방류량은 301~6,550 m3 s-1 범위로써 최대 및 최소값의 차이가 매우 컸고, 유량의 증감변동은 주간 (비심야, 06~24시)에 약 20~30분 간격으로 주기성을 가지고 있었다. 또한, 이때 유속은 0.
- 축적된 거품은 밀물 때처럼 방지막의 하부로 누출되거나 바람에 의해 포말형태로 날아갔다. 밀물과 썰물 때 공통적인 현상으로써 방류구로부터 나오는 거품이 많을수록 낙차 후 거품확산방지막 내에서 생기는 거품의 양이 크게 증가하였고 축적되는 속도도 빨랐다. 이것은 하수처리수에서 생긴 거품이 그 만큼 쉽게 파괴되지 않음을 시사하였다.
- 유량이 적을 때에 더 나은 효과가 있었고, 망을 통과한 후에는 크기가 큰 거품은 전혀 없었다. 방류수로에서 거품을 완화시키는 방법으로써 미세스크린 망 장치는 비용 대비 매우 효과적인 것으로 확인되었다. 이것은 수표면 거품이 망에 연속적으로 부착되어 걸리게 되고 유속 흐름에 의해 압착되어 그 형태가 깨어지는 것으로 볼 수 있었다.
- 그러나 유량이 급증하여 유속이 빠를 때는 망에 축적되는 거품이 일부 생겼고, 망을 통과하는 다수의 기포들도 관찰되었다. 스크린 장치를 통과하기 전후에 표층수를 각각 채수하여 비교한 결과 약 85.0~92.0% 정도로 감소하였다 (Table 3). 유량이 적을 때에 더 나은 효과가 있었고, 망을 통과한 후에는 크기가 큰 거품은 전혀 없었다.
- 하천의 수심이 얕은 썰물 때보다 밀물 때 효과가 더욱 좋았다. 장치를 설치하기 전의 수표면이 개방된 상태와 장치 설치한 후 폐쇄된 상태에서 각각 거품 발생과 저감효과는 비교도 안 될 정도로 차이가 컸다. 그리고 동일하게 낙차가 발생하더라도 폐쇄형 인공수로장치에서는 거품의 성장이 없었다.
- 6). 조석과 유량 조건으로 구분할 때 장치의 적용효과는 각각 71.4~85.6%, 70.7~82.8% 범위로 감소하였다 (Table 3). 방류수로에서 유입되는 거품은 장치 내부에서 포획되었고, 혼합되면서 작은 크기의 기포형태로 변화되어 배출되었다 (Fig.
- 인공수로장치의 배출구 부근은 마치 저수지에 설치된 산기식 수중폭기장치를 운영할 때 나타나는 현상과 유사하였다. 하천의 수심이 얕은 썰물 때보다 밀물 때 효과가 더욱 좋았다. 장치를 설치하기 전의 수표면이 개방된 상태와 장치 설치한 후 폐쇄된 상태에서 각각 거품 발생과 저감효과는 비교도 안 될 정도로 차이가 컸다.
- 밀물 때에는 해수가 저층을 통해 침투하여 하천의 수위가 높아졌고, 썰물 때에는 상부의 물이 바다 쪽으로 빠져나가는데 초기에는 그 흐름이 완만하게 느리다가 시간이 지날수록 육안으로 확인될 정도로 빨랐다. 하천의 횡단 유속분포를 실제로 측정한 결과, 하천의 유속은 0.5 m s-1 이하로써 방류수의 유속보다 훨씬 작았기 때문에 몬순 (홍수)과 태풍의 시기를 제외하고는 장치의 안전성에는 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다. 그러나 홍수기에 조석주기에 따른 유속과 장치의 안정성에 대한 구체적인 비교검토는 별도로 필요하였다.
후속연구
- 이렇게 하여 기존에 적용하고 있는 소포제와 거품확산방지막의 비구조적 및 구조적 문제점을 동시에 해결함은 물론 하수처리수의 거품에 대한 막연한 불신과 관련한 민원도 예방할 수 있을 것이다. 끝으로, 본 연구는 D 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 6% 범위였다. 또한, 거품뿐만 아니라 소음 등 부가적인 문제점도 해결할 수 있었고, 무엇보다도 민원예방에 기여할 것으로 본다. 본 연구는 단일 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 또한, 거품뿐만 아니라 소음 등 부가적인 문제점도 해결할 수 있었고, 무엇보다도 민원예방에 기여할 것으로 본다. 본 연구는 단일 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
- D 하수처리장의 방류구에서 발생하는 거품은 낙차에 의한 공기의 혼입과 난류작용이 직접적인 원인으로 작용하므로 이를 차단하는 목적으로 미세망목스크린과 수중방류 장치로써 개선하였다. 이렇게 하여 기존에 적용하고 있는 소포제와 거품확산방지막의 비구조적 및 구조적 문제점을 동시에 해결함은 물론 하수처리수의 거품에 대한 막연한 불신과 관련한 민원도 예방할 수 있을 것이다. 끝으로, 본 연구는 D 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
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