[논문]비점오염저감을 위한 와류형 미필터 비점오염저감장치 개발과 검증

장석환; 이재경; 이해광; 황성규

문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 필터를 사용하지 않는 와류형 비점오염 저감장치를 제안하고 이에 대해 실험을 통해 저감장치의 비점오염 제거 효율을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 필터를 사용하지 않는 와류형 비점오염 저감장치로 기준을 충족하는 제거 효율을 나타낼 수 있음을 증명하여, 이에 비점오염을 저감할 수 있는 방안을 제시하였다.

가설 설정

또한 기존 저감장치 검증실험에서는 적용 면적에 대한 정확한 기준이 없고 합리식을 통해 유량을 산정하여 장치에 유입시키는 기존 연구결과가 없어, 본 연구에서는 유역면적을 0.002km2로 임의로 가정하였다.
본 연구에서는 보다 효율적인 와류형 미필터 비점오염저감장치를 개발하고 이를 검증하기 위해 유역면적(0.002km2), 강우 강도(2.5mm/hr, 3.395mm/hr, 6.870mm/hr), 오염물질(농도 150mg/L 이상 및 직경 2mm 이하) 등에 대해 실제 현장을 잘 모의할 수 있도록 가정하여 실험을 수행하였다.
오염물질 측정을 위해 두 가지 가정사항을 설정하였으며, 첫 번째로 장치가 설치된 직후이므로 장치에 유입수가 존재하지 않는 초기 상태이며, 두 번째로 장치가 설치된 후 유입량이 일정량 존재하는 운영상태이다.

제안 방법

본 연구 장치인 와류형 비점오염 저감장치의 검증을 위해 기존 관련 실험결과들과 환경부 매뉴얼을 참조하였다. 검증실험에서는 크게 3단계이며, 1단계에서는 모의유입량 산정으로 강우 강도와 임의의 면적을 선정하여 유량을 산정하였다. 2단계에서는 오염물질 채취 및 투입으로 오염물질 투입을 위해서는 도로에서 가장 흔히 볼 수 있는 모래를 채취하여 입도분석 후 실험을 진행하였다.
특히 불특정지역에서 불특정하게 발생되는 비점오염원의 부하량이 점차 증가하고 있는 추세이므로(환경부, 2016), 비점오염관리 저감장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 국내에서 사용되는 비점오염저감장치는 자연형 시설과 장치형 시설로 구분되어지는데, 자연형 시설은 저류시설, 인공습지, 침투시설, 식생형 시설 등이고, 장치형 시설은 여과형 시설, 와류형 시설, 스크린형 시설로 등이며, 본 연구에서는 장치형 시설 중 와류형 시설에 초점을 맞추었다.
두 번째 가정사항인 운영상태의 경우, 물이 채워져 있기에 장치 체류시간 만큼 오염물질을 투입시킨 후, 5분 간격으로 유출수를 채취하였다.
또한 장치에 유입수가 존재하지 않는 초기 상태와 유입량이 일정량 존재하는 운영상태로 나누어 수행하였다.
2단계에서는 오염물질 채취 및 투입으로 오염물질 투입을 위해서는 도로에서 가장 흔히 볼 수 있는 모래를 채취하여 입도분석 후 실험을 진행하였다. 마지막으로 오염물질 제거 효율 측정이며, 오염물질 측정방법으로 수질공정시험법 중 유리섬유여과방법을 통해 유입 시 유입수의 농도와 장치에서 유출 직후 5분 간격으로 유출수를 채취하여 유입수 대비 유출수의 오염물질 제거 효율을 도출하였다. Fig.
본 연구 장치인 와류형 비점오염 저감장치의 검증을 위해 기존 관련 실험결과들과 환경부 매뉴얼을 참조하였다. 검증실험에서는 크게 3단계이며, 1단계에서는 모의유입량 산정으로 강우 강도와 임의의 면적을 선정하여 유량을 산정하였다.
본 연구에서 개발한 와류형 비점오염 저감장치는 1단으로 구성된 장치이며(Fig. 1 참조), 작동단계는 1차로 원심력을 이용하여 유입수에서 오염물질(부유물)을 분리하는 단계와 2차에서 중력을 이용하여 오염물질을 침전시키는 단계로 구성된다(Fig. 1(d) 참조).
본 연구에서는 앞서 언급한 바와 같이 강우 강도를 2.5mm/hr, 3.395mm/hr, 6.870mm/hr로 나누어 진행하였으며, 각 강우 강도에 대한 결과는 다음과 같다.
부유물을 일정시간에 일정한 양을 지속적으로 투입하기 위하여 스테인리스로 호퍼를 제작하였으며, 투입되는 흙의 양은 호퍼 유출부의 크기를 조절하여 비점오염 저감장치에 유입하도록 하였다. 호퍼의 작은 유출부에서 나오는 양은 초당 4.
앞서 언급한 바와 같이, 본 연구의 저감장치는 장치형 시설에 해당하여 환경부 규모설계 기준인 수질처리유량을 적용하여 모의시나리오를 설정하였으며, 수질처리유량은 합리식을 적용하였다.
채취한 유입수와 유출수에 대해 겉보기 비중과 오염물질의 농도를 측정하기 위해 수질공정시험법 중 유리여과시험방법을 이용하여 유입수 대비 유출수의 제거 효율에 대해 실험하였다.
오염물질 측정을 위해 두 가지 가정사항을 설정하였으며, 첫 번째로 장치가 설치된 직후이므로 장치에 유입수가 존재하지 않는 초기 상태이며, 두 번째로 장치가 설치된 후 유입량이 일정량 존재하는 운영상태이다. 첫 번째 가정사항인 초기 상태의 경우, 유량 조건 별로 유수가 장치로 유입되었다가 유출되는 체류시간만큼 오염물질을 장치에 투입시킨 후, 유출되는 시점으로부터 5분 간격으로 유출수를 채취하였다. 두 번째 가정사항인 운영상태의 경우, 물이 채워져 있기에 장치 체류시간 만큼 오염물질을 투입시킨 후, 5분 간격으로 유출수를 채취하였다.
상세히 살펴보면, 1차 단계에서 강우의 발생으로 오염수가 유입부로 유입되면 깔때기 형태인 유입부의 줄어드는 반경으로 인해 원심력이 형성되고, 원심력이 형성됨으로 오염물질과 오염물질을 둘러싼 유입수 간의 밀도차를 이용하여 오염물질을 제거한다. 특히, 침전과정을 1차 단계의 원심력을 이용하여 가속화 하였다. 2차 단계는 오염물질이 있는 현탁액을 가만히 두면 밀집한 오염물질은 중력의 영향으로 서서히 가라앉게 되는 침전과정이며, 장치에 유입된 강우는 2차적으로 밀도차로 인해 가벼운 물질은 부상하고, 무거운 물질은 침전되어 강우에 포함된 오염물질을 제거할 수 있는 장치이다.

대상 데이터

5mm/hr를 제시하고 있으므로 이를 이용하였다. 추가적으로 본 연구에서는 한서대학교와 국립환경과학원(2013)에서 산정한 서울지점 강우유출수 80% 처리 설계유량 산정과정에서의 기준강우 강도로 선정된 6.870mm/hr와 서울 지점 강우 강도 발생빈도를 통한 설계유량 산정과정에서 산정된 3.395mm/hr를 강우 강도로 사용하였다. 또한 기존 저감장치 검증실험에서는 적용 면적에 대한 정확한 기준이 없고 합리식을 통해 유량을 산정하여 장치에 유입시키는 기존 연구결과가 없어, 본 연구에서는 유역면적을 0.
앞서 언급한 바와 같이, 본 연구의 저감장치는 장치형 시설에 해당하여 환경부 규모설계 기준인 수질처리유량을 적용하여 모의시나리오를 설정하였으며, 수질처리유량은 합리식을 적용하였다. 합리식에서 중요한 변수인 강우 강도는 환경부(2016)에서 장치형시설의 수질처리유량을 적용할 경우에 강우 강도를 2.5mm/hr를 제시하고 있으므로 이를 이용하였다. 추가적으로 본 연구에서는 한서대학교와 국립환경과학원(2013)에서 산정한 서울지점 강우유출수 80% 처리 설계유량 산정과정에서의 기준강우 강도로 선정된 6.

이론/모형

본 연구에서 유입량을 산정하기 위해 도시수문 해석에 널리 사용되고 계산과정이 간단한 합리식을 사용하였으며, 미국에서 수질처리유량(Water Quality Flow, WQF)을 합리식을 통해 도출한다(환경부, 2016). 앞서 언급한 바와 같이, 본 연구의 저감장치는 장치형 시설에 해당하여 환경부 규모설계 기준인 수질처리유량을 적용하여 모의시나리오를 설정하였으며, 수질처리유량은 합리식을 적용하였다.

성능/효과

강우 강도 2.5mm/hr를 적용한 경우와 마찬가지로 강우유입과 유출이 지속됨에 따라 제거 효율은 증가하여 장치 초기 상태의 경우 89%, 운영상태의 경우 92%를 상회하는 것으로 나타났다.
강우 강도별로 분석한 결과, 모든 강우 강도에서 초기 상태 및 운영상태 모두 오염물질 농도가 감소하였으며, 유입수 대비 유출수 부유물질 제거 효율에서도 오염물질을 80% 이상 제거하는 결과를 보였다.
또한 강우유입과 유출이 지속됨에 따라 제거 효율은 증가하여 장치 초기상태의 경우 90%, 운영상태의 경우 91%를 상회하는 것으로 나타났다.
2차 단계는 오염물질이 있는 현탁액을 가만히 두면 밀집한 오염물질은 중력의 영향으로 서서히 가라앉게 되는 침전과정이며, 장치에 유입된 강우는 2차적으로 밀도차로 인해 가벼운 물질은 부상하고, 무거운 물질은 침전되어 강우에 포함된 오염물질을 제거할 수 있는 장치이다. 본 연구에서 개발된 와류형 비점오염저감장치의 가장 큰 장점은 기존 저감장치와 달리 오염물질 제거를 위한 필터를 이용하지 않는 것이며, 이는 유지관리 측면에서도 유리하다.
시간이 지날수록 효율은 증가하였으며, 15〜20분경 운영상태에서 처리효율이 낮아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 실험자의 시료채취과정에서의 오차발생으로 판단하였으며, 장치 초기 상태와 운영상태 모두 유출 후 제거 효율이 80% 이상으로 환경부 기준(2016)에 만족하는 것으로 나타났다.
운영상태에서 오염물질 농도는 1467.6mg/L이었으나 121.2mg/L까지 낮아졌으며, 유입수 대비 유출수 오염물질 제거 효율은 최소 80.62%, 최대 92.4%로 나타났다.
운영상태에서 오염물질 농도는 939.6mg/L 이었으나 70mg/L까지 낮아졌으며, 유입수 대비 유출수 오염물질 제거 효율은 최소 85.14%, 최대 94.34%로 나타났다.
장치 초기 상태를 살펴보면, 오염물질 농도는 1066mg/L에서 최종적으로 112.4mg/L까지 낮아졌으며, 유입수 대비 유출수 오염물질 제거 효율은 최소 80.30%, 최대 89.46%로 나타났다.
장치 초기 상태를 살펴보면, 오염물질 농도는 1535.6mg/L에서 156.4mg/L까지 낮아졌으며, 유입수 대비 유출수 오염물질 제거 효율은 최소 77.70%, 최대 90.70%로 나타났다.
장치 초기 상태를 살펴보면, 오염물질 농도(Ini_con)는 904.8mg/L에서 시작하여 시간이 지남에 따라 최종적으로 110mg/L까지 낮아지는 것으로 나타났으며, 유입수 대비 유출수 오염물질 제거 효율(Ini_eff)은 최소 82.67% 에서 최대 87.84%로 나타났다.
장치 초기 상태의 경우 장치 내부에서 유수의 와류에 의한 흐름이 존재하지 않아 운영상태의 경우보다 제거 효율이 조금 낮게 나오는 경향을 볼 수 있었으며, 장치 초기 상태와 운영상태 모두 유출 후 제거 효율이 80% 이상임을 확인하였다.
특히 강우유입과 유출이 지속됨에 따라 제거 효율은 증가하여 장치 초기 상태의 경우 87%, 운영상태의 경우 90%를 상회하는 것으로 나타났다.
특히 제거 효율이 시간이 지남에 따라 서서히 증가하여 약 90%를 상회하였으며, 초기 상태보다 운영상태에서 오염물질 제거 효율이 더 높은 것으로 나타났다.
002km2로 임의로 가정하였다. 합리식을 통해 유량을 산정한 결과 환경부 기준인 강우 강도 2.5mm/hr에 대해서 유량은 0.0014m3/s, 3.395mm/hr, 6.870mm/hr에 해당하는 유량은 각각 0.0019m3/s, 0.0038m3/s로 산정되었다(Table. 1 참조)

후속연구

본 연구에서는 필터를 사용하지 않는 와류형 비점오염 저감장치로 기준을 충족하는 제거 효율을 나타낼 수 있음을 증명하여, 이에 비점오염을 저감할 수 있는 방안을 제시하였다. 하지만 본 연구는 단순히 오염물질 제거 효율만을 기준으로 하였으므로 향후 질소/인 등 영양염류에 대한 실험도 진행되어야 할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 와류형 비점오염 저감장치의 한계점은 무엇인가?	이호선 등(2013)은 체류시간에 따른 와류형 비점오염저감시설의 효율변화에 대해 연구하였으며, 실제 유입되는 강우와 현장설치조건을 반영하여 실험한 결과, 저감시설 설치 시에 1분 30초의 체류시간을 유지할 수 있도록 실시 설계가 이루어져야 한다고 제시하였다. 하지만 대부분의 기존 와류형 비점오염 저감장치들은 필터를 사용하여 비점오염을 저감하였으며, 필터로 인해 오염원을 제거함으로서 저감 효율성은 높으나, 지속적인 필터교체와 유지관리 등의 한계점이 존재한다.
	저감장치 검증실험 2단계에서는 어떠한 과정이 진행되는가?	검증실험에서는 크게 3단계이며, 1단계에서는 모의유입량 산정으로 강우강도와 임의의 면적을 선정하여 유량을 산정하였다. 2단계에서는 오염물질 채취 및 투입으로 오염물질 투입을 위해서는 도로에서 가장 흔히 볼 수 있는 모래를 채취하여 입도분석 후 실험을 진행하였다. 마지막으로 오염물질 제거효율 측정이며, 오염물질 측정방법으로 수질공정시험법 중 유리섬유여과방법을 통해 유입 시 유입수의 농도와 장치에서 유출 직후 5분 간격으로 유출수를 채취하여 유입수 대비 유출수의 오염물질 제거효율을 도출하였다.
	자연형 시설과 장치형 시설들 각각 어떠한 것들이 있는가?	특히 불특정지역에서 불특정하게 발생되는 비점오염원의 부하량이 점차 증가하고 있는 추세이므로(환경부, 2016), 비점오염관리 저감장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 국내에서 사용되는 비점오염저감장치는 자연형 시설과 장치형 시설로 구분되어지는데, 자연형 시설은 저류시설, 인공습지, 침투시설, 식생형 시설 등이고, 장치형 시설은 여과형 시설, 와류형 시설, 스크린형 시설로 등이며, 본 연구에서는 장치형 시설 중 와류형 시설에 초점을 맞추었다.

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