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문제 정의
- 교반기는 최대 350rpm의 회전속도로 최대 1t의 물과 오염물을 교반할 수 있도록 설계하였다. 고형물 부하 실험에서 사용할 오염물에 가장 적합한 회전 속도를 결정하기 위하여 교반기의 신뢰성을 검토하였다. 교반기의 회전속도를 변수로 두어 수행하였고, 교반기의 회전속도를 300rpm으로 설정하였을 때 혼합수의 목표 농도와 실제 농도가 가장 근접함을 확인하여, 본 실험은 300rpm으로 진행하였다.
- 본 연구에서는 연안재해 방지 및 해안가 비점오염원 유출저감을 위해 소성황토를 여재로서 채운 투수블록을 전체 면적 대비 설치 면적을 달리하여 투수지속성과 비점오염원의 저감 효율을 분석하였다. Lab-scale에서는 4가지의 투수 면적비에 따른 투수계수와 TSS 제거효율의 경향성을 분석하였고, Pilot-scale에서는 3가지의 투수 면적비에 따른 투수지속성 및 TSS 제거효율을 분석하였다.
- 본 연구의 목표는 연안재해 방지 및 해안가 비점오염원 유출 저감을 위해 탈부착과 분리가 용이한 투수블록에 소성황토를 여재로서 채워 전체 면적 대비 설치 면적에 따른 투수지속성과 비점오염원의 제거효율을 분석하여, 시공 시의 우수유출 저감 효율과 비용 경제성을 고려한 투수블록 설치의 최적의 비를 찾는 데 있다. Lab-scale 실험에서는 투수 면적비에 따른 투수계수와 Total suspended solid(TSS) 제거효율의 경향성을 분석하였고, Pilot-scale 실험에서는 실제 시공 시에 적절한 전체 면적 대비 투수블록의 설치 면적을 찾고자 투수 면적비에 따른 투수지속성 및 TSS 제거효율을 분석하였다.
제안 방법
- 20cm×20cm 면적의 test-bed를 대상으로 청수를 1시간 동안 유입시켜 RL 25, RL 50, RL 75, RL100의 4개의 Case를 비교 분석하였다(Fig. 10).
- Lab-scale 실험과 동일하게 먼저 청수를 이용한 무부하실험과 고형물 부하실험을 진행하였다. 무부하 상태의 경우, 시간당 유출량은 RP2.
- 본 연구의 목표는 연안재해 방지 및 해안가 비점오염원 유출 저감을 위해 탈부착과 분리가 용이한 투수블록에 소성황토를 여재로서 채워 전체 면적 대비 설치 면적에 따른 투수지속성과 비점오염원의 제거효율을 분석하여, 시공 시의 우수유출 저감 효율과 비용 경제성을 고려한 투수블록 설치의 최적의 비를 찾는 데 있다. Lab-scale 실험에서는 투수 면적비에 따른 투수계수와 Total suspended solid(TSS) 제거효율의 경향성을 분석하였고, Pilot-scale 실험에서는 실제 시공 시에 적절한 전체 면적 대비 투수블록의 설치 면적을 찾고자 투수 면적비에 따른 투수지속성 및 TSS 제거효율을 분석하였다.
- 1667s 간격으로 측정하여 실험이 진행됨에 따라 나타나는 유출유량을 파악하였다. TSS 제거효율을 평가하기 위해, Lab-scale 실험과 동일하게 10분 간격으로 유입수와 유출수의 샘플을 채수하여 부유물질 농도를 측정하였다.
- 고형물 부하 실험에서 사용된 유입수는 ‘매뉴얼’의 고형물의 입도 분포 특성을 고려하여 Lab-scale과 같이 ‘P1’과 ‘P2’시료를 8:2의 구성 비율을 갖도록 혼합하여 300ppm(mg/L)의 유입농도로 Test-bed에 약 20m/h의 선속도로 공급하였다.
- 교반기는 최대 350rpm의 회전속도로 최대 1t의 물과 오염물을 교반할 수 있도록 설계하였다. 고형물 부하 실험에서 사용할 오염물에 가장 적합한 회전 속도를 결정하기 위하여 교반기의 신뢰성을 검토하였다.
- 교반기에 들어갈 ‘P1’과 ‘P2’의 유입농도는 ‘매뉴얼’의 여과형 시설의 실험방법에 근거하여 300ppm(mg/L)의 농도로 투입하여 교반하였다.
- 고형물 부하 실험에서 사용할 오염물에 가장 적합한 회전 속도를 결정하기 위하여 교반기의 신뢰성을 검토하였다. 교반기의 회전속도를 변수로 두어 수행하였고, 교반기의 회전속도를 300rpm으로 설정하였을 때 혼합수의 목표 농도와 실제 농도가 가장 근접함을 확인하여, 본 실험은 300rpm으로 진행하였다.
- Lab-scale 실험 평가에서는 비교적 작은 면적에서의 투수 면적비를 고려한 평가였다면, Pilot-scale 실험 평가에서는 실제 시공 시에 적절한 투수 면적비를 산정하였다. 따라서, Table 2와 같이 대면적에서의 투수 면적비에 따른 투수성능 및 TSS 제거효율을 파악하기 위해, 식 (4)를 따라 투수 면적비를 산정하여, 전체 면적에서 2.7%, 4.0%, 5.3%의 면적에 투수블록을 각각 설치한 3개의 Case를 실험하였다(Fig. 9). 투수성능은 모든 Case동일한 유량을 유입시켜, 투수 면적비에 따른 유출유량의 차이를 분석하였다.
- 먼저 무부하 상태에서 투수 면적비에 따른 투수계수 값을 확인하기 위해 청수를 이용하여 실험을 수행하였다. 20cm×20cm 면적의 test-bed를 대상으로 청수를 1시간 동안 유입시켜 RL 25, RL 50, RL 75, RL100의 4개의 Case를 비교 분석하였다(Fig.
- 무부하 시험은 약 20m/h의 선속도로 청수를 60분 동안 공급하였고, 유출유량을 측정하였다. 고형물 부하 실험에서 사용된 유입수는 ‘매뉴얼’의 고형물의 입도 분포 특성을 고려하여 Lab-scale과 같이 ‘P1’과 ‘P2’시료를 8:2의 구성 비율을 갖도록 혼합하여 300ppm(mg/L)의 유입농도로 Test-bed에 약 20m/h의 선속도로 공급하였다.
- 투수기층(Base layer)은 균등계수 10 이상, 곡률계수 1~4 범위의 골재를 15cm 높이로 설치하였다. 받침안정층과 투수기층의 경계를 유지하기 위하여 층 사이에 토목 섬유(Geo-textile)를 배치하였다. 실험의 목적인 투수 면적비의 영향을 분석하기 위해 투수블록을 각각의 Case에 따라 설치하고, 그 외의 면적은 불투수지역(Impermeable area)으로 설정하여 실험을 진행하였다.
- 교반기에서 유출된 혼합수는 정수위 투수계수 시험체로 공급된다. 본 연구에서는 시험체의 표층과 기층의 투수성이 높고, 사질토로 이루어져 있어, 정수위 투수시험법을 적용하였다. 시험체는 20cm×20cm 정사각형 단면의 4개 층을 결합하여 제작하였다.
- 시험체는 ‘투수블록 포장 설계, 시공 및 유지관리 기준(Ver.2.0)’을 따라 표층(Surface layer)부터 6cm 높이의 투수블록(Permeable block) 및 보도블록을 설치하였고, 받침안정층(Stable layer)은 3cm 높이의 규사를 다짐하여 설치하였다.
- 받침안정층과 투수기층의 경계를 유지하기 위하여 층 사이에 토목 섬유(Geo-textile)를 배치하였다. 실험의 목적인 투수 면적비의 영향을 분석하기 위해 투수블록을 각각의 Case에 따라 설치하고, 그 외의 면적은 불투수지역(Impermeable area)으로 설정하여 실험을 진행하였다.
- 이후, 동일한 Test-bed에 고형물을 교반한 실험수를 부하하여 실험을 수행하였다(Fig. 11). 투수계수는 무부하 상태와 달리 1시간 동안 고형물이 부하됨에 따라 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다.
- 투수 면적비에 따른 TSS의 제거효율을 평가하기 위해, 고형물 부하실험 시, 10분 간격으로 유입수와 유출수의 샘플을 채수하였고, 수질오염 공정실험기준(ME, 2017)에 따라 부유물질의 농도를 분석하였다. TSS 제거효율(ΔC)은 식 (3)과 같이 계산하였다.
- 투수 면적비의 영향을 살펴보기 위해, 전체면적 대비 투수블록 설치 면적을 25%, 50%, 75%, 100%로 나누어 case에 따른 경향을 살펴보았고, 투수 면적비는 식 (1)을 따라 산정하였다(Fig. 6).
- 9). 투수성능은 모든 Case동일한 유량을 유입시켜, 투수 면적비에 따른 유출유량의 차이를 분석하였다.
대상 데이터
- 5와 같이 분리와 탈부착이 용이하도록 제작하였다. 보도용 투수 블록포장 설계 규정에 따라 높이 6.0cm로 제작하고, 일반 보도블록과 동일하게 가로 23.2cm, 세로 11.5cm로 제작하였다.
- 시험체는 20cm×20cm 정사각형 단면의 4개 층을 결합하여 제작하였다.
- , 2004). 이러한 선행 연구를 참고하여, 여재로서 소성황토블록의 파편을 선정하였으며, 여재의 화학성분 함량은 Fe2O3 75.7%, MnO 1.29% 등으로 구성되어있다(Lee et al., 2017). 또한, 여재의 입도분포는 오염원 저감 효율에 있어 중요한 설계인자이다(Jung et al.
이론/모형
- Lab-scale과 같이, 본 시스템은 교반기와 유량탱크가 있으며, ‘투수블록 포장 설계, 시공 및 유지관리 기준(Ver. 2.0)’ (Seoul Metropolitan Government, 2017)에 따라 1m×1m 면적의 정사각형 단면의 Test-bed를 제작하여 설치하였다.
- 4). 시료의 입도분석은 Sympatec GmbH사의 QICPIC 입도분석기(PSA, Particle size Analyser) 장비로 유동영상분석법을 사용하여 분석하였다. 교반기에 들어갈 ‘P1’과 ‘P2’의 유입농도는 ‘매뉴얼’의 여과형 시설의 실험방법에 근거하여 300ppm(mg/L)의 농도로 투입하여 교반하였다.
성능/효과
- (1) Lab-scale 실험 결과, 고형물을 부하한 상태에서의 정수위 투수계수는 모든 Case 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다. 투수 면적비가 25%일 때 폐색 후의 투수계수 감소율은 11.
- (2) 투수 면적비에 따른 TSS 제거효율을 분석한 결과, 모든 Case에서 평균 71.7 ~ 82.0%의 제거효율을 보였고, 투수 면적비가 증가할수록 TSS 제거효율은 감소하였다. 또한, 시간이 지남에 따라 제거효율은 약소하게 상승하였다.
- (3) Pilot-scale 실험 결과, 고형물을 부하한 상태에서의 시간당 유출량은 Lab-scale과 동일하게 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다. 초기 유출량에 비해 투수성능은 각각 9.
- (4) 투수 면적비에 따른 TSS 제거효율을 분석한 결과, 모든 Case에서 80% 이상의 높은 제거효율을 보였다. 실험이 진행됨에 따라, Test-bed의 공극 폐색으로 인해 제거효율은 10~15%가 상승하였다.
- 이는 유입된 TSS가 Test-bed에 여과되면서 공극이 점차 막히는 폐색이 진행되었고 이에 따라 TSS 제거효율이 점차 높아지는 현상이다. 3.1절의 Lab-scale 실험에서의 제거효율보다 월등히 뛰어남을 알 수 있는데, 실제 시공에 적합하도록 투수 면적비를 작게 설정하여 TSS 제거효율이 큼을 알 수 있다.
- 6 Experiment set-up according to permeability area ratio cases in Lab-scale. Note that RL 25 is Permeable area ratio of 25% over surface area, RL 50 50 % , RL 75 75 %, and RL 100 100 %.
- Note thatRL 25 is Permeable area ratio of 25 % over surface area,RL 50 50 %, RL 75 75 %, and RL 100 100 %.
- 10). RL 25는 투수계수가 256mm/s, RL 50은 250mm/s, RL 75는 275mm/s, RL100은 273mm/s로 1시간 동안 일정하게 나타났다. 투수계수는 투수 면적비가 RL 25와 RL 50, 그리고 RL75와 RL100이 각각 큰 차이 없이 유사한 값이 나타났고, 50%에서 75%로 투수 면적비가 상승할 때 투수계수의 차이가 약 20mm/s 생기는 것을 확인할 수 있다.
- 8%까지 상승하였다. RL 75는 유입수 평균농도 269.2mg/L에서 초기 제거효율 64.7%에서 79.8%까지 상승하였고, RL 100은 유입수 평균농도 271.0mg/L에서 초기 제거효율 65.2%에서 72.7%까지 상승함을 볼 수 있다. 모든 case에서 유입 TSS에 의해 공극이 폐색됨에 따라 여과작용이 더 뚜렷하게 나타나 TSS 제거효율이 약소하게 증가하는 현상으로 보여진다.
- 15). RP2.7은 유입수 평균농도 288.0mg/L로 초기 제거효율은 83.2%에서 최종 제거효율은 95.3%로 상승하였고, RP4.0은 유입수 평균농도 284.9mg/L로 초기 제거효율은 78.8%에서 최종 제거효율은 93.3%로 상승, RP5.3은 유입수 평균농도 282.4mg/L로 초기 제거효율은 81.0%에서 최종 제거효율은 94.2%로 상승하였다. 이는 유입된 TSS가 Test-bed에 여과되면서 공극이 점차 막히는 폐색이 진행되었고 이에 따라 TSS 제거효율이 점차 높아지는 현상이다.
- ‘매뉴얼’에 따르면, 장치형 시설 기준 TSS 제거효율이 80% 이상이 되도록 설치해야하며, 이 실험의 경우 장치형이 아닌 침투시설임에도 불구하고 투수 면적비와 상관없이 모든 Case가 기준을 충족하였다. TSS의 평균 제거효율은 RP2.7에서 92.8%, RP4.0에서 90.2%, RP5.3에서 90.8%로 나타났고, RP 2.7이 제거효율이 가장 크게 나타났다(Fig .15). RP2.
- 고형물 부하실험에서의 초기 시간당 유출량은 RP2.7, RP4.0, RP5.3의 3가지 Case 순서대로 각각 7.76L/min, 9.90L/min, 10.85 L/min으로 나타났으며, 고형물 부하에 따른 폐색으로 인해 실험 종료 시의 시간당 유출량은 각각 7.03L/min, 9.17L/min, 10.72L/min으로 나타났다(Fig. 14). 초기 유출량에 비해 투수성능이 각각 9.
- 5%에 비해 급격히 감소함을 확인하였다. 또한, 무부하 상태와 같이 투수 면적비는 50%에서 75%로 상승할 때 투수지속성의 차이가 생김을 확인하였다.
- 전체적인 투수계수 감소율은 투수 면적비가 증가할수록 각각 38%, 35%, 30%, 그리고 24%로 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 투수계수가 급격히 저하하기 시작하는 시점인 20분부터의 투수계수 감소율은 RL 25의 경우 11.0%로, RL 50, RL 75, RL 100의 6.5%에 비해 급격히 감소함을 확인할 수 있다. 이는 투수 면적비가 25%일 때 폐색이 빠른 속도로 진행되어 투수 지속성이 현저히 낮아지는 현상이며, 투수 면적비가 증가할수록 고형물이 더 넓은 면적에 천천히 폐색되기에 투수지속성이 뛰어난 것으로 보여진다.
- 7%까지 상승함을 볼 수 있다. 모든 case에서 유입 TSS에 의해 공극이 폐색됨에 따라 여과작용이 더 뚜렷하게 나타나 TSS 제거효율이 약소하게 증가하는 현상으로 보여진다. 또한, 투수 면적비가 작을수록 TSS 초기 제거효율이 뛰어남을 알 수 있으나, 폐색 현상이 더 빠른 속도로 진행되어 장기적인 공용 성능을 보장할 수 없다는 문제가 있다.
- 또한, RL 25와 RL 50, 그리고 RL 75와 RL 100은 투수계수 값이 각각 유사하게 나타났다. 무부하 상태에서의 실험과 동일하게 투수 면적비가 50%에서 75%로 상승할 때 투수성능의 차이가 생긴다는 것을 확인할 수 있다.
- 이는 투수면적이 증가할수록 시간당 유출량이 증가함을 알 수 있다. 무부하 상태의 경우 TSS에 의한 폐색이 일어나지 않으므로 유출량이 감소하지 않고 0.5L/min 오차 범위 이내로 일정한 값을 유지하여 충분한 투수성능을 발휘하는 것을 확인하였다.
- 실험이 진행됨에 따라, Test-bed의 공극 폐색으로 인해 제거효율은 10~15%가 상승하였다. 실제 시공 환경에 맞게 투수 면적비를 작게 설정하였을 때, 비점오염 제거 측면에서 뛰어남을 확인하였다.
- (4) 투수 면적비에 따른 TSS 제거효율을 분석한 결과, 모든 Case에서 80% 이상의 높은 제거효율을 보였다. 실험이 진행됨에 따라, Test-bed의 공극 폐색으로 인해 제거효율은 10~15%가 상승하였다. 실제 시공 환경에 맞게 투수 면적비를 작게 설정하였을 때, 비점오염 제거 측면에서 뛰어남을 확인하였다.
- 투수 가능한 면적이 증가할수록 고형물이 부하될 때에 투수지속성이 증가한다. 전면적의 5.3%를 투수면적으로 설정하였을 때 투수지속성 관점에서 가장 효율적임을 파악하였다.
- RL 50은 220mm/s에서 143mm/s로, RL 75는 250mm/s에서 175mm/s로, RL 100은 250mm/s에서 190mm/s로 각각 감소하였다. 전체적인 투수계수 감소율은 투수 면적비가 증가할수록 각각 38%, 35%, 30%, 그리고 24%로 감소하는 경향이 나타났다. 또한, 투수계수가 급격히 저하하기 시작하는 시점인 20분부터의 투수계수 감소율은 RL 25의 경우 11.
- (3) Pilot-scale 실험 결과, 고형물을 부하한 상태에서의 시간당 유출량은 Lab-scale과 동일하게 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다. 초기 유출량에 비해 투수성능은 각각 9.41%, 7.33%, 1.14% 감소함을 확인하였고, 투수 면적비가 증가할수록 투수지속성이 뛰어남을 확인하였으며, 실제 시공 시, 전면적의 5.3%를 투수면적으로 설정하는 것이 투수성능 및 경제성 관점에서 가장 효율적이라 판단된다.
- 14). 초기 유출량에 비해 투수성능이 각각 9.41%, 7.33%, 1.14%로 감소하였음을 확인하였다. 투수 가능한 면적이 증가할수록 고형물이 부하될 때에 투수지속성이 증가한다.
- (1) Lab-scale 실험 결과, 고형물을 부하한 상태에서의 정수위 투수계수는 모든 Case 점차적으로 감소하는 경향이 나타났다. 투수 면적비가 25%일 때 폐색 후의 투수계수 감소율은 11.0%로 다른 투수 면적비의 Case의 투수계수 감소율인 6.5%에 비해 급격히 감소함을 확인하였다. 또한, 무부하 상태와 같이 투수 면적비는 50%에서 75%로 상승할 때 투수지속성의 차이가 생김을 확인하였다.
- 투수 면적비에 따른 TSS 제거효율은 RL25에서 평균 79.4%, RL 50은 평균 82.0%, RL 75는 평균 71.7%, RL 100에서 평균 74.9%의 제거효율을 보였다(Fig. 12). 투수 면적비의 변화에 따른 제거효율은 앞의 투수성능과 같이 투수 면적비가 50%에서 75%로 상승할 때 차이가 생기는 것을 알 수 있다.
- 12). 투수 면적비의 변화에 따른 제거효율은 앞의 투수성능과 같이 투수 면적비가 50%에서 75%로 상승할 때 차이가 생기는 것을 알 수 있다. RL 25에서는 유입수 평균농도 272.
- 투수계수는 투수 면적비가 RL 25와 RL 50, 그리고 RL75와 RL100이 각각 큰 차이 없이 유사한 값이 나타났고, 50%에서 75%로 투수 면적비가 상승할 때 투수계수의 차이가 약 20mm/s 생기는 것을 확인할 수 있다.
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