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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 현장에서 설치되어 있는 침투형 빗물받이 시설에 정량적인 성능평가 및 강우강도에 따른 비점원오염물질 저감 효과를 평가하여 설치시 구체적인 기초자료로 활용하고자 한다.
- 필터부 하부에 침투구멍을 폐쇄한 후의 여과량을 조사하였다. 이와 같이 침투구멍을 폐쇄한 이유는 장기적으로 활용시 퇴적물에 의해 구멍이 막힐 경우의 여과능을 확인하기 위한 것이다. 3회 측정결과 평균 여과량은 9.
- 현장 침투형 빗물받이의 저류조에서 토양에 침투한 유량을 2차 시기에 조사하였는데 본 연구 1차 시작시점인 4월경 토양침투량 0.98 m3/hr 측정한 결과 값이 약 6개월이 지나고 유지관리 이후 침투량의 변화에 대해 알아보고자 하였다. 측정결과 평균 토양침투량은 1.
가설 설정
- 강우강도 5 mm/hr 시 유입부하량은 2.4 kg/hr이며 토양 침투부하량은 토양 침투유량 0.98 m3/hr와 필터부의 제거효율 99 %를 이용하여 유출 오염농도를 20 mg/L로 가정하여 0.02 kg/hr로 계산되었다. 하수관로 유출 부하량의 산정은 유량은 전체 유입유량인 1.
제안 방법
- 1) 초기 침투량을 조사하기 위해 플라스틱 통에 준비한 체적 100 L의 물을 빗물받이에 주입하고 육안으로 바닥이 보일 때까지의 침투한 시간을 초시계로 측정한다.
- 1) 초기 현장에 적용되는 필터부의 여과능을 파악하기 위해 60 L 용량이 반응조 내로 수돗물을 동시에 주입하고 여과되는 시간을 초시계로 측정한다. 이때 필터부의 실질적인 성능을 측정하고자 수위는 반응조의 최상부 수위부터 시작하여 필터통의 월류 지점까지 측정한다.
- 2) 인공시료(본 인공시료는 아스팔트 및 낙엽부산물들을 도로에서 빗자루로 쓸어 적당량을 채취하여, 원수 1은 오염물 800g, 원수 2는 오염물 1.6kg, 원수 3은 오염물 2.4kg을 100L 지하수에 주입하여 각각 조제)를 오염도를 다르게 조제하여 SS농도를 다르게 현장설치 방식과 동일한 저류조에 주입한다.
- 2) 필터내의 부직포의 유무에 따른 성능평가를 확인하기 위해 필터부내의 부직포를 제거한 후 1번과 동일하게 측정 한다.
- 3) 포화상태로 간주하고 3회에 걸쳐 연속으로 100 L 물을 주입하고 침투시간을 측정한다.
- 4) 침투시간이 유사한 것으로 판단되므로 정확한 최종 침투량을 확인하기 위해서 빗물받이 저류조 상부까지 호스로 물을 주입하여 물 주입을 정지한 후 바닥이 보일 때까지 침투한 시간을 2회 정도 측정한다.
- 4) 필터부의 침투능을 평균적인 수치를 측정하기 위해 동일 실험을 3회 반복하여 실험한다.
- 7과 같이 침투형 빗물받이의 빗물흐름도를 나타낼 수 있는데, 유입유량 = 침투량 + 유출량의 물질수지식을 고려하였다. 또한 반응조를 이용하여 인공시료를 주입시 누적 오염량에 따른 필터부의 여과량 측정을 통하여 비점원오염부하량 감량 평가 및 강우강도에 따른 비점원오염부하량 감량 평가를 하였다.
- 이는 강우 이후 빗물받이 내에 빗물이 고여 있는 문제에 대한 방안으로 제작되었다. 받침 부분의 미세 침투구멍이 필터부의 성능평가에 영향여부를 확인하기 위하여 침투 구멍의 유무에 따른 성능평가를 하였다.
- 본 연구는 현장에 설치된 침투형 빗물받이의 토양침투량의 측정과 실험실에서 반응조 실험을 통해 얻은 필터부의 부유물질 부하량을 근거로 침투형 빗물받이의 배수 특성과 비점오염물질 부하량의 감소율을 산정하였으며 그 결론은 다음과 같다.
- Table 4는 강우강도에 따른 오염부하량 및 오염부하 감소율을 나타내었다. 상기 수질자료에서 필터부와 토양 침투시 투수시트에 의한 제거율을 고려하여 부하량을 산정하였다. 일정한 유역면적(240 m2 가정)에 강우강도별 유입량을 고려하고 토양 침투부하량은 최대 0.
- 지금까지의 실험 자료는 오염되지 않는 물을 이용하여 필터부의 수리학적인 특성을 유량적인 측면에서 파악하였지만 실제적인 상황인 오염물질을 유입시켜 필터부의 막힘을 고려한 수리학적인 성능을 파악하였다.
- 침투형 빗물받이의 침투량 측정을 위해 대전시 상수도사업본부 유성사업소의 협조로 물탱크(3 Ton)와 대형 플라스틱 통을 준비하고 빗물받이의 Screen 및 필터부를 제거하여 현장에서 조사를 실시하였다.
- 침투형 빗물받이의 토양으로의 침투량과 우수관로 배출량의 비율 산정은 Fig. 7과 같이 침투형 빗물받이의 빗물흐름도를 나타낼 수 있는데, 유입유량 = 침투량 + 유출량의 물질수지식을 고려하였다. 또한 반응조를 이용하여 인공시료를 주입시 누적 오염량에 따른 필터부의 여과량 측정을 통하여 비점원오염부하량 감량 평가 및 강우강도에 따른 비점원오염부하량 감량 평가를 하였다.
- 크기는 0.4 m × 0.3 m × 0.6 m이며 현장에서 적용 되는 필터부가 반응조 내부에 장착이 가능하도록 설계하였다.
- 토양으로 침투되는 비점오염부하량의 저감을 평가하기 위해 현장용 침투형 빗물받이의 유량과 수질을 측정하였으며 그 절차는 아래와 같다.
- 필터부 하부에 침투구멍을 폐쇄한 후의 여과량을 조사하였다. 이와 같이 침투구멍을 폐쇄한 이유는 장기적으로 활용시 퇴적물에 의해 구멍이 막힐 경우의 여과능을 확인하기 위한 것이다.
- 02 kg/hr로 계산되었다. 하수관로 유출 부하량의 산정은 유량은 전체 유입유량인 1.2 m3/hr에서 토양 침투 유량인 0.98 m3/hr를 제외한 0.22 m3/hr로 산정하였으며, 유입 오염농도 2,000 mg/L에 65 %를 곱하여 1,300 mg/L로 가정하여 약 0.28 kg/hr 정도로 SS 오염부하량을 산출하였다. 전체유입되는 오염 부하 2.
대상 데이터
- 2는 KAIST 앞 침투형 빗물받이가 설치된 현장 위치를 나타냈다. 측정 지점은 3개 빗물받이 중 가운데에 위치한 빗물받이로 하였다. 새로 건설되는 융합의 다리로부터KAIST 담을 끼고 정문 방향으로 약 30 m 간격으로 3개가2015년 12월에 설치되었다.
- 6 m이며 현장에서 적용 되는 필터부가 반응조 내부에 장착이 가능하도록 설계하였다. 하수관로 유출구는 직경 300 mm의 크기로 필터부 장착시 필터부 Head로부터 약 20 cm 정도 이격된 높이로 제작하였다. 필터부의 여과량 측정은 아래와 같은 방법으로 진행하였다.
이론/모형
- 3) 인공시료 원수 및 처리수를 채수하여 수질오염공정시험법(MOE, 2016)에 의거하여 분석한다. 주요 수질항목은 COD, BOD, SS, TP이었다.
성능/효과
- 1) 현장에서 설치된 침투형 빗물받이의 저류조 하부에서 토양으로 침투되는 토양침투량을 조사한 결과 토양이 물로 포화된 상태에서 약 1 m3/hr으로 조사되었다.
- 2) 실험실 반응조에 빗물받이를 넣어 필터부의 받침대에 침투구멍을 폐쇄하고 필터부 상부와 높이가 동일한 하수관로 유출지점까지의 침투량을 연속 측정한 결과 3 m3/hr였으며, 필터부 받침대 침투구멍을 폐쇄하지 않는 경우 침투량은 3.9 m3/hr로 측정되어 침투형 빗물받이의 필터 하부에 침투구멍을 설치하는 것은 침투량을 증가시키는 것으로 나타났다.
- 3) 인공시료를 이용하여 실험실에서 동일한 필터부로 실험한 경우 필터부에 침투량 1.0 m3/hr, SS 부하 1.71 kg 이상으로 누적량이 발생되면 필터의 여과효과가 저하되기 시작하는 한계치로 제시되었다.
- 4) 강우강도별 필터부에 의한 SS 부하량 감소율은 5 mm/hr에서 약 87 %, 10 mm/hr에서 약 61 %로 나타나 초기강우시 비점원오염 부하량 감소에 매우 효과가 있으며 강우강도에 따른 비점원오염 감소율은 SS 부하량이 유량에 의한 것보다 높은 편이다.
- 6은 누적 SS 부하에 따른 여과량의 변화를 나타내었다. 누적 SS 부하 초기에는 약 3 m3/hr의 여과량을 나타내며 양호한 속도로 침투됨을 확인할 수 있으나 누적 SS부하 1.71 kg 시에 여과량은 1.0 m3/hr로 현장에서 측정한 저류조 침투량(0.98 m3/hr)과 유사한 값임을 확인할 수 있었다.
- 04 m3/hr로 측정되어 청소를 통한 유지관리를 하였으므로 토양 침투량의 크기는 거의 유사하였다. 다만 바닥 하단부분에 미세한 이물질이 침전되어 바닥으로 침투가 원활하지 않아 측면부의 침투가 원활하게 이뤄지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 본 침투형 빗물받이의 바닥으로 침투가 안 될 경우 측면으로 침투가 되어서 원활한 침투가 지속적으로 유지할 수 있는 것으로 볼 때 매우 큰 장점으로 볼 수 있다.
- Table 3은 필터여과부의 유량과 수질오염분석 결과로서 원수의 SS가 약 300 mg/L 이하 저농도 유입시의 결과이다. 원수 유입에 따라 필터 여과후 처리수의 SS는 약 7 ~ 41mg/L으로 제거효율이 약 86 ~ 98 %이었으며 오염량이 누적될수록 여과성능이 좋아짐을 알 수 있다. 이는 필터부의 공극이 유입 SS에 의해 막힘 현상으로 여과성능은 더욱 좋아지는 것으로 판단된다.
- 상기 수질자료에서 필터부와 토양 침투시 투수시트에 의한 제거율을 고려하여 부하량을 산정하였다. 일정한 유역면적(240 m2 가정)에 강우강도별 유입량을 고려하고 토양 침투부하량은 최대 0.98 m3/hr의 유량으로, 필터부의 SS 제거율은 토양 침투량에서 측정된 99 %, 하수관로 유출시 SS 제거율은 상기 자료를 이용하여 35 %로 산정할 수 있다.
- 28 kg/hr 정도로 SS 오염부하량을 산출하였다. 전체유입되는 오염 부하 2.4 kg/hr에서 약 12 % 정도의 SS 오염오염량이 비점오염원으로 배출되고 필터부에서 87% 정도 SS 부하량이 주로 감량되는 역할을 하는 것으로 볼 수 있다. 강우강도 10 mm/hr의 경우를 동일한 방법으로 산정하면 SS 부하량 감소가 61 %로 나타났으며 이에 대한 자세한 자료는 관련 문헌(Lee, 2017)에 설명되어 있다.
- 현장 침투형 빗물받이의 주입용량에 대한 침투량이 일정함에 따라 침투된 토양이 포화된 것으로 예측하고, 경과시간 5분 이후에 물 100 L를 3회주입시 침투량은 매우 일정하게 나타났다. 정확한 저류조의 침투량을 산정하기 위해 다량의 물(260 L, 저류조 만수위)을 주입하여 2회 측정한 결과 평균 0.98 m3/hr로 측정되었다. 만수위시 침투량이 일반적으로 바닥부위의 침투량 보다 더 큼을 알 수 있었다.
- Table 1은 인공시료를 이용한 원수를 일정유량 유입 후 시간간격을 둔 후 각 유입시간마다 여재 통과후의 여과량을 측정한 결과이다. 초기 저농도로(SS 2,600 mg/L) 2분 30초 동안 인공시료를 유입시킨 뒤 측정한 여과량은 3.2 m3/hr이며, 마지막 고농도로(SS 4,950 mg/L) 6분 동안 유입시킨 뒤 측정한 여과량은 0.56 m3/hr으로 오염물질의 변화에 따른 필터부의 여과능이 저감됨을 확인할 수 있었다.
- 98 m3/hr 측정한 결과 값이 약 6개월이 지나고 유지관리 이후 침투량의 변화에 대해 알아보고자 하였다. 측정결과 평균 토양침투량은 1.04 m3/hr로 측정되어 청소를 통한 유지관리를 하였으므로 토양 침투량의 크기는 거의 유사하였다. 다만 바닥 하단부분에 미세한 이물질이 침전되어 바닥으로 침투가 원활하지 않아 측면부의 침투가 원활하게 이뤄지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
- 수압이 전혀 없는 상태에서의 여과량은 약 3 m3/hr로 측정되었으며 측정된 여과량은 저류조의 침투량 1 m3/hr 보다 크기 때문에 필터부에 의한 저류조의 영향은 없다고 판단된다. 침투구멍을 설치함으로써 추가적으로 3.9 m3/hr(13.33 m3/hr - 9.43 m3/hr)의 침투량을 증가시키는 것으로 나타나 침투형 빗물받이의 필터 하부에 침투구멍을 설치함으로써 침투량 증가를 기대할 수 있었다.
- 침투형 빗물받이의 필터부 수리학적 성능평가시 수압에 의한 여과량의 변화 차이가 있다고 판단하여 일정 유량을 유입시켜 일정수위를 유지시킨 후(일정수위는 뚜껑의 윗부분으로 그 이상의 수위에서는 하수관로로 유츨된다) 20 L용량의 물을 수위가 올라오지 않도록 천천히 유입시켜 여과시간을 측정하여 3회 여과량을 계산한 결과 여과량은 평균 2.99 m3/hr이었다. 수압이 전혀 없는 상태에서의 여과량은 약 3 m3/hr로 측정되었으며 측정된 여과량은 저류조의 침투량 1 m3/hr 보다 크기 때문에 필터부에 의한 저류조의 영향은 없다고 판단된다.
- 필터부의 하부까지 빗물이 수집되어 필터부로 통과되지 않고 하수관로로 유출되는지를 확인한 결과, 최대 침투량 13.33 m3/hr 정도까지는 필터에 의해 통과되므로 그 이상의 유량이 유입되지 않는 한 필터부 막힘 현상에 의해 하수관로로 유출량은 발생되지 않을 것으로 판단된다.
- 하수관로 유출수는 초기에 SS 제거율 93 ~ 95 %로 하수관로로 유출되는 SS량은 거의 없었으나 필터부의 막힘 현상이 생기며 여과속도가 느려짐에 따라 필터 바닥부의 부유물질이 상승되어 SS 제거율이 급격히 낮아졌는데 이는 필터부의 막힘 현상에 의해 큰 영향을 받는 것으로 보여진다. 침투형 빗물받이와 같은 필터부가 설치된 비점오염저감장치는 필터부의 필터교체와 같은 유지관리가 필터부의 성능에 매우 중요한 요소로 사료된다.
- 4은 현장 침투형 빗물받이의 저류조에서 토양에 침투한 침투량을 경과시간에 따른 토양 침투량의 변화를 그림으로 나타내고 있다(1차). 현장 침투형 빗물받이의 주입용량에 대한 침투량이 일정함에 따라 침투된 토양이 포화된 것으로 예측하고, 경과시간 5분 이후에 물 100 L를 3회주입시 침투량은 매우 일정하게 나타났다. 정확한 저류조의 침투량을 산정하기 위해 다량의 물(260 L, 저류조 만수위)을 주입하여 2회 측정한 결과 평균 0.
후속연구
- 상기 강우량에 따른 오염물질 저감 효과는 실험실 규모의 인공적인 기초자료로 활용되었으나, 실제 강우를 토대로 오염부하 감소량의 검증이 필요하며 성능평가시 부유물질뿐만 아니라 필터부 부직포의 개선을 통하여 도로 비점오염물질인 누유 및 중금속에 의한 오염제거에 대한 연구 내용의 보완이 향후 필요할 것으로 사료된다.
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