[논문]점착성 및 비점착성 고형물이 퇴적된 관로 내 하수흐름의 특성 조사

이태훈; 강병준; 박규홍

doi:10.22156/cs4smb.2020.10.07.153

점착성 및 비점착성 고형물이 퇴적된 관로 내 하수흐름의 특성 조사
Characteristics of Sewage Flow in Sewer Pipes Deposited with Cohesive and Non-cohesive Solids 원문보기

융합정보논문지 = Journal of Convergence for Information Technology, v.10 no.7, 2020년, pp.153 - 159

이태훈 (단국대학교 토목환경공학과) , 강병준 ((주)엔솔파트너스) , 박규홍 (중앙대학교 사회기반시스템공학부)

초록
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본 연구에서는 실제 하수관로 내 흐름상태를 파악하기 위하여, 건기동안 처리구역 최상부에 위치한 관로의 수위, 유속, 유량의 값을 실제 측정하여 추정된 하수의 전단응력을 조사하였다. 수세분뇨 및 토사를 모사하기 위해 점착성 및 비점착성 고형물(두부와 모래)을 따로 또 함께 투입한 후 흐름의 상태를 촬영하였는데, 본 실험대상관로에서는 큰 방해없이 침전물이 하수와 함께 씻겨 내려가는 것을 관찰하였다. 경사가 0.00319인 관로에서 주중 하수의 최소전단응력을 초과하는 빈도는 0이었고 0.00603의 기울기의 경우 10회였다. 현장조사기간 중 최소전단력을 초과하는 이벤트는 1회 발생하여 하수도에서 악취가 증가될 가능성을 시사하였다. 경사가 가파른 관로의 최대전단응력은 2.9~3.1N/㎡이었지만, 완만한 경사에서는 1.6~1.7 N/㎡으로 감소하였다. 강우시 합류식 관로로 유입될 수 있는 비응집성 입자를 포함한 하수는 최소전단응력 기준 이하로 유지되는 시간 간격이 주중에 비해 주말동안 증가하였다. 설계기준에 따라 설계된 본 실험대상 관로에서는 수세분뇨가 직투입되어도 관로내 침전물이 오래 퇴적상태로 머물지 않고 하수와 함께 흘러갈 수 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to find out the condition of flow in sewer pipes, this study investigated the characteristics of tractive force of sewage flow estimated using actual measured values of water level, velocity, and flowrate in sewers located at uppermost portion in a treatment area during dry weather periods. When the scene of sewage flow was taken by CCTV after cohesive and non-cohesive solids (tofu and sand) were put on the sewer invert, it was found that the solids could be flushed without significant interruption. In sewer with slope of 0.00319, the frequency exceeding the minimum tractive force of sewage during a weekday was zero, while it was 10 per day with slope of 0.00603. During the week of the field observation, the event to exceed the minimum tractive force occurred once, suggesting that sewer odor would potentially increase. Maximum tractive force in sewer with steep slope was 2.9-3.1 N/㎡, but with gentle slope it decreased to 1.6-1.7N/㎡. It was also observed that the interval of time maintained below the criterion of minimum tractive force increased, during weekends compared to weekdays and for the sewage including non-cohesive particles which could enter combined sewers during a storm period. This study found that the sewer sediments formed by direct feces input into sewers, through sewer pipes which were designed meeting the standard sewer design criteria, could be flushed without staying as deposited solids state for a long time.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Conceptual sketch and information of sewers and manholes used in this study
표 Table 1. Minimum tractive force criteria in designing sewers proposed in literatures[6]
표 Table 2. Information of sewers and manholes in this study
그림 Fig. 2. Temporal change of water level and flowrate measured in sewer pipeline 4142-200 on Friday, March, 10.
그림 Fig. 3. Temporal variation of tractive force in sewer pipeline 4142-0 with slope of 0.00603 on Friday, March, 10.
그림 Fig. 4. Temporal variation of tractive force in sewer pipeline 4142-0 with slope of 0.00603 on Saturday, March, 11.
그림 Fig. 5. Temporal variation of tractive force in sewer pipeline 4142-0 with slope of 0.00603 on Wednesday, March, 15.
그림 Fig. 6. Temporal variation of tractive force in sewer pipeline 4142-0 with slope of 0.00603
그림 Fig. 7. Temporal variation of tractive force in sewer pipeline 4142-200 with slope of 0.00319
표 Table 3. Variation of tractive force measured twice in pipeline 4142-0 with slope of 0.00603 and pipeline 4142-200 with slope of 0.00319

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 하수처리구역 상류부에 위치한 간헐적인 저유량이 흐르는 하수관로에서 하수침전물의 발생에 영향을 줄 수 있는 수심, 유속, 유량을 실측하여 하수흐름의 전단응력 크기의 변화를 조사하였다. 수세분뇨 및 토사가 관로 내에 존재할 경우를 모사하기 위해 두부와 모래를 관로에 투입하여 하수의 흐름상태를 촬영하여 관찰하였다.
본 논문에서는 하수처리구역 최상류부에서 간헐적으로 저유량이 흐르는 하수관로에서 하수의 수위, 유속,유량을 실측하여 하수흐름의 전단응력 크기의 변화를 조사하였다. 수세분뇨 및 토사가 하수관로 내에 퇴적되어 있는 것을 모사하기 위해 점착성 및 비점착성 고형물(두부와 모래)을 따로 또 함께 관로에 투입한 후 흐름의 상태를 촬영한 바, 본 실험대상관로에서는 큰 방해없이 침전물이 하수와 함께 씻겨 내려가는 것을 관찰하였다.

가설 설정

4142-0 관로에서 3월 10일 주중(금)에 측정된 수위및 유량의 변화를 Fig 2에 나타내었다. 분류식 오수관로이므로 으깬 두부를 투입함으로써 수세분뇨 등이 포함된 점착성 고형물의 침전물이 관로 내 존재하는 것으로 가정하여 관찰하였다. 으깨어진 상태의 비정형 형태와 크기의 두부는 하수가 흐름에 따라 작은 크기로부터 시작하여 조금씩 하수에 씻겨내려가다가, 하수량이 증가하여 흐를 때에 씻겨내려가는 양이 증가하면서, 1분내에 모두 씻겨 내려감을 관찰하였다.

제안 방법

유량, 수위, 유속, CCTV 관측 등의 측정시험은 총 2회에 걸쳐 각각 1주일동안 수행하였다. 1차156 융합정보논문지 제10권 제7호시험은 3월 9일부터 3월 16일까지 약 160시간에 거쳐촬영한 데이터를 관찰하였으며, 2차 시험은 4월 27일부터 5월 8일까지 약 250여 시간동안 유량측정을 1분간격으로 실시하였다. 특히, 시험기간 중 맨홀 하류부 2개 지점에서 유속, 수위를 관측값을 24시간동안 30분간격으로 측정하였다.
1과 같이 현장에 CCTV, 유량계, 수위계를 설치하였다. CCTV를 이용해 촬영한 영상을 분석하여 하수에 포함된 고형물의 퇴적 및 세굴과정을 모니터링하였다. 점착성 입자 및 비점착성 고형물이 퇴적되어 있는 경우의 흐름을 관찰하기 위해, 각각 두부와 모래를 맨홀에서 투입하여 하수의 흐름에 따라 전단응력의 변화가 어떻게 발생하는지 관찰하였다.
두부를 투입할 때는 손으로 으깨면서 투입하여 비정형의 형태 및 크기로 사용되었다. 또한, 실험에 사용한 모래는 잔골재 체가름 시험방법에 근거하여 시험을 수행하였다. 체가름 시험에 사용한 체의 종류는 2.
수세분뇨 및 토사가 관로 내에 존재할 경우를 모사하기 위해 두부와 모래를 관로에 투입하여 하수의 흐름상태를 촬영하여 관찰하였다. 또한, 주중과 주말, 관경사, 유량과 수심의 차이에따른 하수흐름의 전단응력 산정하여 비교, 분석하였다.
본 논문에서는 하수처리구역 상류부에 위치한 간헐적인 저유량이 흐르는 하수관로에서 하수침전물의 발생에 영향을 줄 수 있는 수심, 유속, 유량을 실측하여 하수흐름의 전단응력 크기의 변화를 조사하였다. 수세분뇨 및 토사가 관로 내에 존재할 경우를 모사하기 위해 두부와 모래를 관로에 투입하여 하수의 흐름상태를 촬영하여 관찰하였다. 또한, 주중과 주말, 관경사, 유량과 수심의 차이에따른 하수흐름의 전단응력 산정하여 비교, 분석하였다.
본 논문에서는 하수처리구역 최상류부에서 간헐적으로 저유량이 흐르는 하수관로에서 하수의 수위, 유속,유량을 실측하여 하수흐름의 전단응력 크기의 변화를 조사하였다. 수세분뇨 및 토사가 하수관로 내에 퇴적되어 있는 것을 모사하기 위해 점착성 및 비점착성 고형물(두부와 모래)을 따로 또 함께 관로에 투입한 후 흐름의 상태를 촬영한 바, 본 실험대상관로에서는 큰 방해없이 침전물이 하수와 함께 씻겨 내려가는 것을 관찰하였다. 경사도 0.
유량계는 초음파 담지식 유량계와 플룸식 유량계를이용하였다. 유량, 수위, 유속, CCTV 관측 등의 측정시험은 총 2회에 걸쳐 각각 1주일동안 수행하였다. 1차156 융합정보논문지 제10권 제7호시험은 3월 9일부터 3월 16일까지 약 160시간에 거쳐촬영한 데이터를 관찰하였으며, 2차 시험은 4월 27일부터 5월 8일까지 약 250여 시간동안 유량측정을 1분간격으로 실시하였다.
유량계는 초음파 담지식 유량계와 플룸식 유량계를이용하였다. 유량, 수위, 유속, CCTV 관측 등의 측정시험은 총 2회에 걸쳐 각각 1주일동안 수행하였다.
CCTV를 이용해 촬영한 영상을 분석하여 하수에 포함된 고형물의 퇴적 및 세굴과정을 모니터링하였다. 점착성 입자 및 비점착성 고형물이 퇴적되어 있는 경우의 흐름을 관찰하기 위해, 각각 두부와 모래를 맨홀에서 투입하여 하수의 흐름에 따라 전단응력의 변화가 어떻게 발생하는지 관찰하였다. 두부를 투입할 때는 손으로 으깨면서 투입하여 비정형의 형태 및 크기로 사용되었다.
1차156 융합정보논문지 제10권 제7호시험은 3월 9일부터 3월 16일까지 약 160시간에 거쳐촬영한 데이터를 관찰하였으며, 2차 시험은 4월 27일부터 5월 8일까지 약 250여 시간동안 유량측정을 1분간격으로 실시하였다. 특히, 시험기간 중 맨홀 하류부 2개 지점에서 유속, 수위를 관측값을 24시간동안 30분간격으로 측정하였다.
합류식 지역에서 우천시 지표면의 토사 등이 하수관로에 유입되어 퇴적되기 쉬운 여건임을 감안하여 동일한 실험대상 오수관로에 으깬 두부와 함께 두세 줌의 모래를 맨홀에서 간헐적으로 투입하면서 유량, 수위 등의 측정을 하였다. 으깬 두부가 모래와 함께 퇴적되어 있는 경우에 으깬 두부만 퇴적되어 있을 때보다 하수흐름으로 씻겨내려가는 속도가 느려지는 것을 관찰할 수 있었다.

대상 데이터

MDT-Ⅰ지역의 오수관에는 수세분뇨를 포함한 생활오수가 유입되어 흐르다가 하류부에서는 차집관로로 합류해 공공하수처리시설에 유입되어 처리된다. MDT-Ⅰ지역에서의 실험을 위하여 GIS데이터를 확보하여 실제현장의 데이터와 비교하였으나 일부 상이한 현황을 나타내어 재측량을 실시하였고 이렇게 측량된 관저고와 지반고를 실험에 사용하였다. 현장의 재측량 현황은 Table 2와 같다.
본 연구 대상지역인 S시는 합류식 지역이지만, Q시의MDT-Ⅰ지역은 부분적으로 분류식 지역으로 계획, 건설되었다. MDT-Ⅰ지역의 오수관에는 수세분뇨를 포함한 생활오수가 유입되어 흐르다가 하류부에서는 차집관로로 합류해 공공하수처리시설에 유입되어 처리된다.
또한, 실험에 사용한 모래는 잔골재 체가름 시험방법에 근거하여 시험을 수행하였다. 체가름 시험에 사용한 체의 종류는 2.5mm, 5mm, 10mm, 15mm를 이용하였으며 2.5mm 체와 5mm 체에 남은 모래를사용하였다. 이렇게 체가름된 모래의 중간크기 입자(\(d \)₅₀)는 각각 3.

성능/효과

본 시험에서 사용된 입자의 크기(\(d \)₅₀)는 각각 0.36mm,0.64mm로 각각의 입자 크기에서 평균 전단응력은 표준편차를 고려하였을 때, Raths와 McCauley(1962)가 8inch(205㎜)관에서 0.15～7.9 ㎜, 비중이 대략 2.7인 입자를 이용해 하수침전물의 이송능력을 평가해 제안한 식 (2)가 나타내는침전물 이송곡선과 크게 차이나지 않음을 알 수 있었다[3].
분류식 오수관로이므로 으깬 두부를 투입함으로써 수세분뇨 등이 포함된 점착성 고형물의 침전물이 관로 내 존재하는 것으로 가정하여 관찰하였다. 으깨어진 상태의 비정형 형태와 크기의 두부는 하수가 흐름에 따라 작은 크기로부터 시작하여 조금씩 하수에 씻겨내려가다가, 하수량이 증가하여 흐를 때에 씻겨내려가는 양이 증가하면서, 1분내에 모두 씻겨 내려감을 관찰하였다. Fig.
합류식 지역에서 우천시 지표면의 토사 등이 하수관로에 유입되어 퇴적되기 쉬운 여건임을 감안하여 동일한 실험대상 오수관로에 으깬 두부와 함께 두세 줌의 모래를 맨홀에서 간헐적으로 투입하면서 유량, 수위 등의 측정을 하였다. 으깬 두부가 모래와 함께 퇴적되어 있는 경우에 으깬 두부만 퇴적되어 있을 때보다 하수흐름으로 씻겨내려가는 속도가 느려지는 것을 관찰할 수 있었다. 전단응력의 변화를 Fig.
0시간동안 최소전단응력 미달시간이 지속되었다. 이는 앞서 4.1절에서 나타낸 점착성 고형물만존재하는 경우의 최소전단응력 미달시간 6.5시간보다 약간 길어진 값으로, 비점착성 고형물이 하수에 포함될경우 하수침전물의 퇴적이 더 발생함을 확인하였다. 하지만, 주말에 점착성 고형물만 하수에 유입되는 경우의최소전단응력 미달시간 14.
7N/㎡로 감소하는 것으로 나타났다.주말에는 주중에 비해, 그리고 모래 등의 비점착성 고형물이 하수에 포함될 경우, 최소전단응력값 미달시간이 증가하는 현상을 확인하였다. 최소유속기준에 입각한 하수도설계기준을 준수하여 설계된 본 실험대상지역의 관로에서는 수세분뇨의 직투입이 이루어져도 관로내 침전물이 오래 퇴적상태로 머물지 않고 하수와 함께 흘러갈수 있음을 확인할 수 있었다.
주말에는 주중에 비해, 그리고 모래 등의 비점착성 고형물이 하수에 포함될 경우, 최소전단응력값 미달시간이 증가하는 현상을 확인하였다. 최소유속기준에 입각한 하수도설계기준을 준수하여 설계된 본 실험대상지역의 관로에서는 수세분뇨의 직투입이 이루어져도 관로내 침전물이 오래 퇴적상태로 머물지 않고 하수와 함께 흘러갈수 있음을 확인할 수 있었다.
24시간동안 최소전단응력값을 초과한 값을 보인 횟수는 4회에 불과하였다. 한편, 최소전단응력값에 미달되는 시간간격중 최대값은 859분, 즉 14.3시간으로, 주민들의 활동이감소한 주말에는 하수사용량 감소에 따른 전단응력 감소 경향이 뚜렷이 나타남을 알 수 있었다.

후속연구

실제 토사 등이 유입되는 합류식 하수관로에서 수세분뇨가 직투입될 경우의 실험 조건을 만들기가 현실적으로 어려워 본 연구의 실험방법을 사용하였으나, 더 실제상황에 맞는 실험연구를 통한 많은 데이터로 분석해 볼 필요가 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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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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