KR102078387B1

KR102078387B1 - 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설

Info

Publication number: KR102078387B1
Application number: KR1020180166710A
Authority: KR
Inventors: 김영준
Original assignee: 김영준
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-02-18

Abstract

본 발명은 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설에 관한 것으로서, 한쪽 내부의 상부에 스크린조가 설치되고, 상기 스크린조의 위쪽으로 처리수 유입관이 제1 개폐밸브를 사이에 두고 외부에서 연결되며, 내부의 하부에 정체수 이송펌프가 설치되어 상기 스크린조와 오버플로워로 구획된 전처리조; 내부에 금속망으로 둘러싸인 복수의 섬유상 여재와 산기관이 설치되어 한쪽에서 상기 전처리조와 오버플로워로 구획되면서 하부에서 제2 개폐밸브를 사이에 두고 연결된 여과조; 상기 여과조의 외부에서 여과조 내부로 연결되어 설치된 자외선 살균장치; 및 상부의 한쪽에서 상기 여과조와 제3 개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 내부의 하부에 역세수펌프가 설치되며, 상부의 다른 쪽에서 방류관이 제4 개폐밸브를 사이에 두고 외부로 연결된 역세수조;를 포함하여, 스크린조, 전처리조, 여과조 및 역세수조의 순서로 구성된 비점오염 저감시설에서 상기 상기 여과조 내의 섬유상 여재를 여과의 효과가 탁월한 야자수 껍질을 사용함과 동시에, 상기 섬유상 여재를 금속망 내에 설치함으써 여재의 손실과 폐색을 방지하여 오염된 우수 등과 같은 처리수의 여과의 효율성이 아주 좋아지는 효과가 있다.

Description

섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설{Reduction facility of non-point pollutants using filter of fibrous filtration type}

본 발명은 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전처리조와 여과조 및 역세수조로 이루어진 비점오염 저감시설의 상기 여과조 내에 여과효율의 향상을 위해 금속망으로 둘러싸인 복수의 섬유상 여재를 설치한 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설에 관한 것이다.

비점오염원은 도시, 도로, 농지, 공사장 등의 불특정한 장소로부터 불특정하게 수계에 오염물질을 배출하는 오염원이다, 대부분이 강우 시 지표수와 함께 흘러 수계로 유입된다. 광범위한 장소에서 불특정하게 발생하며 시기에 따른 배출량의 편차가 심한편이다.

최근 이러한 비점오염 관리에 관한 관심이 높아지면서, 환경부 등 관련기관에서는 강우유출수를 포함한 비점오염원 현황조사 및 처리방안 수립에 노력하고 있다. 비점오염이 수계로 유입되는 것을 방지하기 위한 비점오염 저감시설에는 저류지, 식생수로, 침투도랑, 여과시설 등이 있으며, 오랜 기간 동안 가장 널리 이용되어 온 공정은 입상여과재를 이용한 여과형 처리시설이다.

구체적으로 비점오염 저감시설은 “수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행 규칙” 별표 6에 규정된 바와 같이 비점오염원으로부터 배출되는 수질오염 유발물질을 제거 혹은 감소시키는 시설을 말한다. 비점오염원 저감시설은 세가지로 나뉘며 저영향개발 기법, 자연형, 장치형이 있다. 자연형의 종류로는 저류시설, 침투시설, 인공습지, 식생시설이 있으며 장치형의 종류로는 여과형, 화류형, 스크린형, 응집, 생물학적 처리 시설이 있다.

이중 여과형 비점오염 저감시설의 여과는 도시화가 고도로 진행되어 불투수성이 높고, 부지가 제한적일 때 가장 많이 이용된다. 여과는 효율이 높으나, 운전 중에 여재층이 폐색되어 손실수두가 증가함과 동시에 집중강우 시에 고형물이 재유출되는 문제점이 있다. 이것은 여재의 역세척, 여재 교체 등의 유지관리 비용이 증가의 문제점을 초래할 수 있다. 따라서 요즘은 상향류식 여과시설을 많이 사용되고 있으며, 적합한 여재의 선정, 적합한 시스템의 구성 및 적절한 성능평가가 있어야 비점오염원의 저감을 달성할 수 있을 것이다.

비점오염저감시설의 처리 규모는 강우량을 누적유출고로 환산하며 최소 5mm의 강우량을 처리할 수 있어야 한다. 이 때, 누적유출고는 우수의 지하침투 및 증발산량을 제외한 실제 우수 유출량을 말한다.

비점오염저감시설에 대한 기준은 “비점오염저감시설 설치 및 관리, 운영 매뉴얼 (환경부, 2014)에 의해 정의되며 여과조의 선 속도를 20m/hr이하, 여재층의 두께 60cm 내외, 부유성 발포 섬유상 여재의 경우 30cm 내외를 권장하고 있으며 여재의 경우 역세척이 가능하며 역세척 후 손실수두가 최초의 값으로 환원될 수 있어야 한다. 또한 연간 SS제거 효율을 80%를 달성해야하며 손실수두는 10cm를 초과하지 않고 투수능이 선속도의 1.5∼2배 일 것, 고형물 부하 최대 8kg/m²의 경우에서도 막힘과 손실수두가 거의 없어야 한다. 역세척의 경우, 강우 종료 후 48시간 이내에 실시되어야 하며 누적강우량이 10mm인 경우에도 역세척이 실시되어야 한다. 방법으로는 공기세척+처리수 방식을 일반적으로 사용한다.(참고 비점오염저감시설 관련 기준 및 기술동향(2017), 한국수자원학회)

여과형 비점오염 저감시설은 장치형 시설의 한 종류로써 여과형 시설의 설계에는 시설의 제거효율, 공사비용 및 유지관리비용에 의해 저장용량과 체류시간, 여과재를 결정해야 한다. 또한 여과재의 통과수량을 고려해서 여과 면적 및 깊이(높이)를 설계한다. 그러나 세부 설계기준이 명확하지 않아 현장에서 적용하기에 쉽지 않은 실정이다. (참고 : Treatment Efficient of Non-Point Source Pollutants Using Modified Filtration System, 2011, 한국습지학회지, 강희만, 최지연, 김이형, 배우근)

2014년 “비점오염원 저감시설의 설치 및 관리, 운영 매뉴얼”이 개정됨에 따라 여과형 시설의 역세척 설비의 부착이 의무화되었다. 이에 따라 강우 종료 후 48시간 이내에 역세척을 실시해야 하며 역세척 후 폐수는 관 또는 합류식 관거와 연계처리를 실시한다. (참고 비점오염저감시설 관련 기준 및 기술동향(2017), 한국수자원학회)

비점오염 관련 연구는 주로, 다양한 여재를 이용하여 이루어져 왔다. 비점오염 저감을 위한 여과 장치의 설계 및 운전에 있어서 가장 큰 고려사항은 여재 폐색으로 인해 장치의 여과선속도가 현저히 감소하는 것이다 (Warnaars 등, 1999; Bouwer, 2002). 여재층의 폐색은 동력을 이용한 역세척이 곤란할 때, 여재의 수명을 결정하는 중요한 인자라고 할 수 있다 (Siriwardene 등, 2007). 또한, 손실수두의 증가는 처리하려는 SS의 양과 크기, 그리고 여재의 크기와 직접적으로 관계가 있다.(Boller와 Kavanaugh, 1995)

이에 따라, Jusoh 등(2007)은 여재층이 폐색되어 손실수두가 일정 수준 (240-300mm)까지 증가하는 시간 또는 유출수 탁도가 일정 수준 (1.00 NTU) 이상으로 증가하는 시간을 여과시설의 수명으로 판단하였다.

여과형 비점오염 저감시설의 여재로는 모래가 가장 많이 연구되었으며, 최근에는 다른 여재들도 시도되고 있다. 미국의 Northern filter media (www.northern filtermedia.com)에서는 sand, quartz, Mn green sand, zeolite 등의 여재를 비점오염 여과시설에 이용하고 있으며, 김태균 등(2009)은 Perlite와 Resin을, Ping 과 Yajun(2010)은 sand soil, slag, ceramsite 등을 여재로 하여 연구를 수행한 바 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 전처리조와 여과조 및 역세수조 등으로 비점오염 저감시설을 구성하여, 상기 전처리조로부터 유입되어 처리되는 처리수를 여과하고 역세수하는 과정을 거쳐 비점오염원 및 악취가 제거된 제거수를 방류하되, 상기 여과조 내에 금속망으로 둘러싸인 섬유상 여재를 설치함으로써 더욱 효율적으로 처리수의 여과가 이루어지도록 한 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설은, 한쪽 내부의 상부에 스크린조가 설치되고, 상기 스크린조의 위쪽으로 처리수 유입관이 제1 개폐밸브를 사이에 두고 외부에서 연결되며, 내부의 하부에 정체수 이송펌프가 설치되어 상기 스크린조와 오버플로워로 구획된 전처리조; 내부에 금속망으로 둘러싸인 복수의 섬유상 여재와 산기관이 설치되어 한쪽에서 상기 전처리조와 오버플로워로 구획되면서 하부에서 제2 개폐밸브를 사이에 두고 연결된 여과조; 상기 여과조의 외부에서 여과조 내부로 연결되어 설치된 자외선 살균장치; 및 상부의 한쪽에서 상기 여과조와 제3 개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 내부의 하부에 역세수펌프가 설치되며, 상부의 다른 쪽에서 방류관이 제4 개폐밸브를 사이에 두고 외부로 연결된 역세수조;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 섬유상 여재는 야자수 껍질로 구성하는 것이 바람직하다.

또 상기 전처리조는 제1 전처리조와 제2 전처리조의 2개로 분할구획되어, 상기 제1 전처리조와 제2 전처리조는 제5 개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 상기 제2 전처리조가 여과조와 오버플로워로 구획되면서 하부에서 제2 개폐밸브를 사이에 두고 연결되는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설에 의하면, 스크린조, 전처리조, 여과조 및 역세수조의 순서로 구성된 비점오염 저감시설에서 상기 여과조 내의 섬유상 여재를 여과의 효과가 탁월한 야자수 껍질을 사용함과 동시에, 상기 섬유상 여재를 금속망 내에 설치함으써 여재의 손실과 폐색을 방지하여 오염된 우수 등과 같은 처리수의 여과의 효율성이 아주 좋아지는 효과가 있다.

또 상기 구성의 비점오염 저감시설에서 전처리조 내에 스크린조를 설치함으로써 여과조에서의 여과 전에 처리수의 전처리 효과를 극대화 한 효과가 있다.

또한 여과조에서 처리수의 여과 중에 자외선 살균장치를 사용함으로써 여과된 처리수가 하수관로에 방류될 때에는 악취가 효율적으로 제거되어 방류되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 정면 단면도
도 2는 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 평면 단면도
도 3은 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설 중 여과조의 측면 단면도
도 4는 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설을 위한 실험장치의 모식도
도 5는 상기 도 4의 실험장치의 각 부분 실물사진
도 6은 여과선속도에 따른 여재층 깊이별 손실수두의 그래프
도 7은 여과시간에 따른 수두(여과선속도 10m/hr)의 그래프
도 8은 여과시간에 따른 손실수두(여과선속도 10m/hr)의 그래프
도 9는 여과시간에 따른 SS 제거율, 누적 SS 제거율, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 10m/hr)의 그래프
도 10은 여과시간에 따른 수두(여과선속도 15m/hr)의 그래프
도 11은 여과시간에 따른 손실수두(여과선속도 15m/hr)의 그래프
도 12는 여과시간에 따른 SS 제거율, 누적 SS 제거율, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 15m/hr)의 그래프
도 13은 여과시간에 따른 수두(여과선속도 20m/hr)의 그래프
도 14는 여과시간에 따른 손실수두(여과선속도 20m/hr)의 그래프
도 15는 여과시간에 따른 SS 제거율, 누적 SS 제거율, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 20m/hr)의 그래프
도 16은 역세척 전·후 시간에 따른 수두 및 손실수두(여과선속도 40m/hr, 역세척 여과수 20m/hr)
도 17은 역세척 전·후 시간에 따른 수두 및 손실수두(여과선속도 40m/hr, 역세척 공기(3회-1분) 10m/hr+여과수 10m/hr)

이하, 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 정면 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 평면 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설 중 여과조의 측면 단면도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설은 스크린조(1)를 포함하는 전처리조(2)와 여과조(3) 및 역세수조(4)를 차례로 배치하여 일렬로 연결한 것이며, 상기 여과조(3)에는 자외선 살균장치(5)가 별도로 연결되어 있다.

상기 전처리조(2)에는 내부의 한쪽 벽에 별도의 공간으로 스크린조(1)가 설치되며, 상기 스크린조(1) 위에는 제1 개폐밸브(7a)를 사이에 두고 유입관(6)이 외부에서 전처리조(2)의 한쪽 벽에 연결되어 오염된 우수 등과 같은 처리수가 스크린조(1)로 일단 유입되고, 유입된 처리수는 전처리조(2)와 오버플로워로 구획되어 상기 전처리조(2)로 넘어간다. 또한 상기 전처리조(2) 내부의 바닥에는 정체수 이송펌프(8)가 설치되어, 상기 정체수 이송펌프(8)에 의해 처리수가 더 이상 유입되지 않아 전처리조(2)에 남아있는 정체수를 외부로 이송하여 임시저장조(15)에 보관하거나 하수관로(16)로 방출하게 된다.

또한 상기 전처리조(2)는 전처리의 효율성을 높이기 위해 중간에 벽을 세워 2개의 제1 전처리(2a) 및 제2 전처리조(2b)로 분할구획되어 있고, 분할하는 구획벽의 상부에 제2 개폐밸브(7b)를 설치하여, 상기 제1 전처리(2a) 및 제2 전처리조(2b) 사이를 처리수가 이동할 수 있도록 하며, 이 경우 제1 전처리조(2a)의 바닥에 정체수 이송펌프(8)가 설치되면, 제2 전처리조(2b) 바닥에도 다른 정체수 이송펌프(9)가 설치된다.

이와 같이 전처리조(2)는 여과조(3)와 오버플로워로 구획되며, 상기 전처리조(2)가 제1 전처리(2a) 및 제2 전처리조(2b)로 분할구획되는 경우 상기 여과조(3)는 제2 전처리조(2b)와 오버플로워로 구획된다. 이러한 상기 제2 전처리조(2b)와 여과조(3)를 구획하는 구획벽의 하부에 제5 개폐밸브(7e)가 설치된다.

상기 여과조(3)는 상부에 2줄로 나란히 금속망(10)으로 둘러싸인 복수개의 섬유상 여재(11)를 설치하고 있어, 상기 섬유상 여재(11)와 모양을 유지하면서 손실되는 일 없도록 하며, 전처리조(2)로부터 넘어오는 처리수는 복수개의 상기 섬유상 여재(11)를 통해 여과된 후에 여과조(3)에 저장된다. 이와 같이 여과 후에 오염물질이 제거되어 저장되는 처리수는 외부에서 상기 여과조(3)의 바닥으로 연결되어 산기관(12)으로부터 공급되는 기포공기에 의해 추가적으로 여과된다. 즉 상기 산기관(12)은 여과조(3)의 하부에서 기포형태로 공기를 발생시켜 상기 여과조(3)에 저장된 처리수의 추가여과 및 흡착된 오염물질을 탈리시키고, 이를 상기 여과조(3)의 상부로 부유시킨다. 상기 금속망(10)은 철망 또는 알루미늄망으로 구성하게 된다.

또한 상기 여과조(3)의 내부로는 외부에 설치된 자외선 살균장치(5)가 연결되어 있어, 섬유상 여재(11)에 의해 여과되어 여과조(3)에 저장되는 처리수의 악취 등을 자외선으로 제거하게 된다.

상기 역세수조(4)는 여과조(3)와 구획되는 한쪽의 구획벽에 설치된 제3 개폐밸브(7c)를 사이에 두고 연결되며, 반대쪽의 역세수조(4) 벽에는 제4 개폐밸브(7d)를 사이에 두고 방류관(14)이 연결되어, 상기 방류관(14)을 통해 오염원이 제거된 처리수를 최종적으로 하수관로(16)에 흘려 보낸다. 이러한 역세수조(4)의 바닥에는 여과조(3)에서 여과되어 넘어온 처리수의 역세수를 위한 역세수펌프(13)가 설치되어 있다.

다음은 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설의 비점오염 여과과정에 대해 설명하도록 한다.

먼저 우천 시에 비점오염원인 오염물질이 포함된 우수 등의 처리수가 유입관(6)을 통해 스크린조(1)로 유입되면, 모래 등의 무거운 오염물질이 1차로 침전되어 제거된 처리수가 오버플로워에 의해 전처리조(2)의 제1 전처리조(2a)로 넘어간다.

이후 제1 전처리조(2a)로 넘어온 처리수는 한번 더 오염물질을 2차로 침전시켜 제거하고, 오염물질이 제거된 처리수는 제2 침전조(2b)로 제2 개폐밸브(7b)를 통해 넘어간다.

이후 제2 침전조(2b)에서 다시 한번 더 오염물질을 3차로 침전시켜 제거하고, 오염물질이 제거된 처리수는 오버플로워에 의해 여과조(3)로 넘어간다.

여기서 상기 제2 전처리조(2b)에 처리수가 남아 정체된 정체수는 정체수 이송펌프(9)에 의해 제1 전처리조(2a)로 이송되고, 상기 제1 전처리조(2a)에 처리수가 남아 정체된 정체수는 정체수 이송펌프(8)에 의해 이송되어 임시저장소(15)에 저장되거나 하구관로(16)를 통해 방류되는 것은 상기한 바와 같다.

이후 여과조(3)로 넘어온 처리수는 금속망(10)으로 둘러싸인 복수개의 섬유상 여재(11)에서 오염물질이 1차적으로 여과되어 제거되고 산기관(12)에서 공급되는 공기기포에 의해 2차적으로 제거되어, 거의 오염물질이 없는 처리수로 된 상태에서 제3 개폐밸브(7c)를 통해 역세수조(4)로 넘어간다. 이때 오염물질이 거의 제거된 처리수에 남아있는 악취는 상기 여과조(3)와 연결된 자외선 살균장치(5)에 의해 추가적으로 제거된다.

이후 역세수조(4)로 넘어온 처리수는 역세수펌프(13)에 의해 다시 여과조(3)로 넘어가 다시 한번 더 완벽하게 오염물질을 제거한 상태에서 상기 역세수조(4)로 다시 넘어오면, 최종적으로 오염물질이 거의 완벽히 제거된 처리수는 제4 개폐밸브(7d)를 열어 방류관(14)을 통해 하수관로(16)로 흘려보낸다.

한편 전처리조(2)에 남아있는 정체수는 물론 여과조(3)나 역세수조(4)에도 정체수가 남아있는 경우, 상기 역세수조(4)는 역세수펌프(13)와 제3 개폐밸브(7c), 상기 여과조(3)는 제2 전처리조(2b)와 여과조(3) 사이의 제5 개폐밸브(7e)를 통해 전처리조(2)로 돌려보내, 상기한 바와 같이 정체수 이송펌프(8)(9)에 의해 임시저장조(15)와 하수관로(16)로 이송한다.

다음은 본 발명의 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설를 이용하여, 특히 금속망으로 둘러싸인 야자수 껍질 섬유를 이용한 섬유상 여재를 적용한 비점오염 저감시설을 이용하여 우수와 같은 처리수를 여과한 결과를 보여주는 실시예를 설명하도록 한다.

먼저 본 발명에서 사용된 여재는 섬유상 여재를 사용하여 테스트를 하였다. 섬유상여재는 부유성 섬유여재로 야자수 껍질의 섬유를 이용하여 시트(Sheet)로 제작한 여재이다.

여재의 설계 물리적 특성은 다음과 같다.

- Bulk Density : 222334.8g/㎡

- 투수계수 : 61.82m/hr

또한 본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치는 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 sampling port와 piezometer가 설치된 아크릴 column(50×50×300mm, 150×50×800mm)을 이용하였다. Column은 유입유출 단차를 유지하기 위하여 유입 column과 여과 column으로 나누어 설치하였다. 기타 부대장치로 sampling port, piezometer, 유입 pump, 역세척 pump, 원수 tank(200L) 및 교반기, 역세척수 tank(200L) 등을 이용하였다.

처리수를 정해진 여과선속도로 유입 column에 주입하고, 섬유상여재는 30cm 깊이로 충진되어 있고, 여과 column의 하부로 처리수를 유입시킨 후, 여과 column의 여재층 상부에서 유출수를 배출시켰다. 이때, 유입 column의 수위와 여과 column의 유출 수위를 일정하게 유지하였다. 운전중에 정해진 시간에 따라 여재층 깊이별로 piezometer 수위를 기록하였다. 여과선속도 10, 15 그리고 20m/hr에서 각각 50분간 동일한 실험을 반복하여, 여과선속도에 따른 무부하 손실수두를 구하였다.

본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치를 이용하여 처리수의 여과실험의 결과는 다음과 같다.

분석결과, 섬유상 여재의 투수계수는 61.82m/hr(1.717cm/sec)이었다.

도 6에 도시한 바와 같이, 섬유상여재의 초기 여과선속도를 10, 15 그리고 20m/hr로 설정하여, 각각 50분 간 운전하였다. 여과선속도가 10, 15 그리고 20m/hr 일 때, 섬유사여재의 경우 여재층 깊이 30cm 에서의 손실수두는 각각 0.1, 0.2 그리고 0.2cm 이었고, 여과선속도가 증가함에 따라 손실수두가 증가하였다.

다음은 본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치를 이용한 운전조건에 따른 손실수두 및 SS제거율를 설명하도록 한다.

퇴적물은 인근의 강우유출수 배수로에서 채취하여 150μm 이하의 입자를 선별하여 이용하였다.

본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치는 도 5에 도시한 것과 같은 동일한 장치를 이용하였다. 유입수 tank에 준비된 퇴적물 을 SS 농도 150mg/L가 되도록 시상수와 혼합하고, 이를 정해진 여과선속도로 유입 column에 주입하여, 여재가 충진된 여과 column의 하부로 유입시킨 후, 여과 column의 여재층 상부에서 유출수를 배출시켰다. 이 때, 유입 column의 수위와 여과 column의 유출 수위를 일정하게 유지하였다. 조건에 따라, 총 600분간 운전하였으며, 정해진 시간에 따라 여재층 깊이별로 piezometer 수위를 기록하고, 유출유량을 측정하였으며, 유입수 및 유출수 시료를 채취하여 SS 농도를 수질오염공정시험기준(환경부, 2011)에 따라 분석하였다.

적용된 실험 조건은 <환경부, 2014> 비점오염저감시설 설치 및 관리·운영 매뉴얼에서 권고사항인 섬유상여재의 경우 여재층의 깊이 30cm로 여재층의 깊이 조건을 제시하였고 각각의 여재 조건에서 여과선속도 10, 15,과 20m/hr를 실험 조건으로 제시했다.

SS 제거율은 다음 수학식 1에 의해 산정하였다.

여기서, Rt는 여과시간 t에서의 SS 제거율(%), Co는 여과시간 동안의 평균 유입 SS 농도(mg/L), 그리고 Ct는 여과시간 t에서의 유출 SS 농도(mg/L)를 나타낸다.

유출유량과 유출수 SS 농도를 검토하면, 여재의 폐색 여부를 파악할 수 있다. 여재층에 포획된 SS가 증가하면 여재층이 폐색되어 손실수두가 증가하고 유출유량이 감소하게 된다. 또한, 일반적으로 여재층 내부에 SS가 축적되면서 이들이 여재 역할을 하여 SS 제거효율이 높아진다. 그러나, 축적된 SS 양이 여재층의 SS 포획 용량 이상으로 증가하면, 유입 SS와 포획되었던 SS가 유출수와 함께 유출되는 파과점 (breakthrough)에 도달하여, 여재층을 역세척하거나 교체해야 한다.

실험결과는 다음과 같다.

-손실수두 및 SS제거율(여과선속도 10m/hr)

600 분의 운전기간 동안, 여재층의 수두는 도 7에 도시한 바와 같이, 여재층 전반에서 약간 변화하였다. 전체 손실수두는 도 8에 도시한 바와 같이, 0.1cm에서 180분 후 0.2cm로 약간 증가하였다가, 360분 이후 0.4cm로 지속되다가 600분에 0.6cm로 변화하였다.

운전시간에 따라 유출 SS 농도는 초기 높은 농도로 유출되다가 곧바로 낮아져 지속적으로 낮아지는 경향을 보였다<도 9(a)>. 운전기간 동안 유입 SS 농도는 151.8±1.8mg/L이었고, 유출 SS 농도는 평균 22.1mg/L(표준편차 11.5, 최고 53.0mg/L, 최소 10.0mg/L)를 나타내었다. SS 제거율은 평균 85.5%(표준편차 7.5, 최고 93.3%, 최소 65.8%)이었다.

운전시간 240분일 때, 단위 여과면적당 누적 유입 SS 부하는 6.0kg/㎡이었으며, 이 때 누적 SS 제거율은 82.27% 이었다<도 9(b)>.

운전 종료 후(600분) 여재층에 포획된 총 누적 SS는 13.2kg/㎡이었으며, 이 때의 여재층 전체 손실수두는 0.6cm이었다 <도 9(c)>.

-운전시간에 따른 유입 누적 SS 부하, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 10m/hr)

항목	운전시간 (분)
항목	10	20	30	60	90	120	180	240	300	360	420	480	540	600
유입 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.1	0.4	0.6	1.4	2.1	2.9	4.4	6.0	7.5	9.0	10.5	12.0	13.5	15.0
여재층 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.1	0.3	0.5	1.2	1.7	2.3	3.6	4.9	6.3	7.7	9.1	10.4	11.8	13.2
손실수두 (cm)	0.0	0.0	0.0	0.1	0.1	0.1	0.2	0.2	0.2	0.4	0.4	0.4	0.5	0.6

-손실수두 및 SS제거율(여과선속도 15m/hr)

600 분의 운전기간 동안, 도 10에 도시한 바와 같이, 여재층의 수두는 여재층 전반에서 약간 변화하였다. 전체 손실수두는 도 11에 도시한 바와 같이, 0.1cm에서 420분 후 0.4cm로 약간 증가하였다가, 600분에 0.5cm로 변화하였다..

운전시간에 따라 유출 SS 농도는 90분에 높은 농도를 보이다가 낮아지고, 420분이 지나면서 조금씩 유출농도가 상승하는 경향을 보였다<도 12(a)>. 운전기간 동안 유입 SS 농도는 150.1±3.7mg/L 이었고, 유출 SS 농도는 평균 27.4mg/L(표준편차 7.6, 최고 44.0mg/L, 최소 11.0mg/L)를 나타내었다. SS 제거율은 평균 81.7%(표준편차 5.3, 최고 92.8%, 최소 70.1%)이었다.

운전시간 180분일 때, 단위 여과면적당 누적 유입 SS 부하는 6.5kg/㎡이었으며, 이 때 누적 SS 제거율은 79.4%이었다<도 12(b)>.

운전 종료 후(600분) 여재층에 포획된 총 누적 SS는 18.5kg/㎡이었으며, 이 때의 여재층 전체 손실수두는 0.5cm이었다<도 12(c)>.

-운전시간에 따른 유입 누적 SS 부하, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 15m/hr)

항목	운전시간 (분)
항목	10	20	30	60	90	120	180	240	300	360	420	480	540	600
유입 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.2	0.6	1.0	2.1	3.2	4.3	6.5	8.8	11.1	13.3	15.4	17.8	20.1	22.3
여재층 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.1	0.5	0.8	1.7	2.5	3.3	5.2	7.2	9.3	11.2	12.9	14.9	16.8	18.5
손실수두 (cm)	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.0	0.1	0.2	0.4	0.4	0.4	0.5

-손실수두 및 SS제거율(여과선속도 20m/hr)

600 분의 운전기간 동안, 여재층의 수두는 도 13에 도시한 바와 같이, 여재층 전반에서 상승하였다. 전체 손실수두는 도 14에 도시한 바와 같이, 0.6cm에서 300분 후 1.0cm로 증가하였다가, 600분에 1.1cm로 변화하였다.

운전시간에 따라 유출 SS 농도는 초반 높은 농도에서 180분까지 조금씩 낮아지는 경향을 보이다가 그 이후부터 조금씩 상승하여 운전이 종료되는 600분일 때 가장 높은 농도를 보였다<도 15(a)>. 운전기간 동안 유입 SS 농도는 151.8±2.7mg/L이었고, 유출 SS 농도는 평균 28.6mg/L(표준편차 7.3, 최고 45.0mg/L, 최소 14.0mg/L)를 나타내었다. SS 제거율은 평균 81.2%(표준편차 4.9, 최고 91.0%, 최소 70.0%)이었다.

운전시간 120분일 때, 단위 여과면적당 누적 유입 SS 부하는 5.8kg/㎡이었으며, 이 때 누적 SS 제거율은 81.8%이었다<도 15(b)>.

운전 종료 후(600분) 여재층에 포획된 총 누적 SS는 24.6kg/㎡이었으며, 이 때의 여재층 전체 손실수두는 1.1cm이었다<도 15(c)>.

-운전시간에 따른 유입 누적 SS 부하, 여재층 누적 SS 부하 및 손실수두(여과선속도 20m/hr)

항목	운전시간 (분)
항목	10	20	30	60	90	120	180	240	300	360	420	480	540	600
유입 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.3	0.8	1.3	2.8	4.2	5.8	8.9	12.0	15.0	17.9	21.0	24.1	27.1	30.1
여재층 누적 SS 부하 (kg/㎡)	0.2	0.6	1.0	2.2	3.4	4.7	7.6	10.2	12.7	15.2	17.7	20.1	22.5	24.6
손실수두 (cm)	0.6	0.7	0.7	0.7	0.8	0.8	0.8	0.9	1.0	0.9	1.0	1.0	1.0	1.1

다음은 역세척 효율에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치는 상기 도 5에서와 같은 동일한 장치를 이용하였고, SS는 상기한 바와 같이 150μm 이하의 강우유출수 배수로 퇴적물을 이용하였다.

역세척을 위한 여재는 섬유여재를 사용하였다. 여재층의 폐색을 유도하기 위해, 유입수 tank에 준비된 퇴적물을 SS 농도 2,000mg/L가 되도록 시상수와 혼합하고, 이를 여과선속도 40m/hr로 섬유상여재를 30cm 충진되게 하고, 실험장치에 주입하여 3cm 이상의 손실수두가 증가할 때까지 운전하였다. 손실수두 발생을 확인한 후, 각각 공기 및 물세척, 여과수를 이용한 물세척 등으로 역세척을 진행하였다.

공기 및 물세척 시 공기를 1분간 3회, 10m/hr의 공기를 여과 column에 주입한 여재층을 각각 세척한 후 여과 column 내부의 정체수를 배수하고, 10m/hr의 처리수를 여재층 상부에서 살수하여 여재층을 세척하였다. 여과수를 이용한 물세척 시에는 여과 column 내부의 정체수를 배수하고, 20m/hr의 여과수를 여재층 상부에서 살수하여 여재층을 세척하였다. 이후, 다시 SS 농도 2,000mg/L의 유입수를 여과선속도 40m/hr로 실험장치에 주입하여 3cm 이상의 손실수두가 증가할 때 까지 운전하여 역세척 후 손실수두를 검토하였다.

일반적으로, 여과 시스템의 역세척은 여재층이 물로 포화된 상태에서, 여재층 하부에서 고압의 공기를 주입하여 공기세척 후, 다시 고압의 물을 주입하는 수세척을 수행하여 이루어진다(환경부, 2014). 그러나, 본 발명의 비점오염 저감시설에서의 여과 시스템의 역세척은 공기세척 후 여재층의 물을 배수하고 여과수를 여재층 상부에서 하향류로 살수하여 수행된다. 이에 의해 고압펌프를 이용함에 따라 소요되는 전력비, 장비비 및 역세척 수량 등을 절감할 수 있다.

실험결과는 다음과 같다.

-역세척 후 손실수두(여과수 20m/hr)

역세척 전, 운전시간 5분에서 전체 여재층(30cm)의 손실수두는 0.9cm이었고, 운전시간 900분에서의 손실수두는 4.5cm로 증가하였다. 이후, 여과수 20m/hr의 조건에서 역세척을 실시하였을 때, 역세척 후 운전시간 5분에서 전체 여재층의 손실수두는 1.0cm로, 역세척 전의 초기 손실수두를 모두 회복하였다. 역세척 후, 운전시간 900분에서의 손실수두는 도 16에 도시한 바와 같이, 4.7cm로 나타나서 역세척 전 운전시간 900분에서의 손실수두와 근사한 값을 나타냈다.

-역세척 후 손실수두 (공기(3회) 10m/hr+여과수 10m/hr)

역세척 전, 운전시간 5분에서 전체 여재층(30cm)의 손실수두는 0.6cm이었고, 900분 후에는 3.1cm로 증가하였다. 이후, 공기 10m/hr을 1분간 3회 및 여과수 10m/hr의 조건에서 역세척을 실시한 후, 운전시간 5분에서 전체 여재층의 손실수두는 0.8cm로 역세척 전의 초기 손실수두를 거의 회복하였다. 역세척 후, 운전시간 900분에서의 손실수두는 도 17에 도시한 바와 같이, 3.5cm로 나타나서 역세척을 통하여 섬유상여재가 여과성능을 회복했음을 알 수 있었다.

본 발명의 비점오염 저감시설을 위한 실험장치를 이용한 여과실험의 결론은 다음과 같다.

-여재부 손실수두

유입수에 SS가 없을 때, 섬유상여재의 무부하 손실수두는 여과선속도 20m/hr에서, 각각 0.2cm이었다.

-설계유량 유입 시, 시설 전체 손실수두

설계유량 유입 시, 시설 전체 손실수두는 유입·유출관 및 여재층에 대한 손실수두의 합으로 산정하였다. 유입유속 0.3m/s 이하(‘비점오염저감시설의 설치 및 관리·운영 매뉴얼(환경부 2014.04)’의 여과형 시설 유입관 설계 기준)가 되도록 유입관을 설계할 경우 수리계산 결과 유입손실은 0.2cm이며, 유출관 또한 같은 관경으로 설계할 시 유출손실은 0.2cm가 된다. 여재층 손실수두는 실험결과 여과선속도 20m/hr일 경우 섬유상여재는 0.2cm 미만을 유지하였으므로 시설 전체 손실수두는 유입·유출관 및 여재층에 대한 손실수두의 합인 0.6cm로 예상할 수 있다.

-여재부 투수계수(투수속도)

섬유상여재의 투수계수는 61.82m/hr로 설계 여과선속도가 20m/hr일 때의 3.09배이었다.

-고형물 부하별 여재부 손실수두

본 여과 시스템의 섬유상여재 사용 시 여과선속도 10, 15, 20m/hr에서 누적 SS 부하량이 운전시간 600분에 각각 15.0, 22.3, 30.1kg/㎡일 때 손실수두는 0.6, 0.5, 1.1cm로 나타나서, 여과선속도가 증가할수록 손실수두가 비교적 크게 증가하였다.

-여과선속도별 SS 처리효율

본 발명의 비점오염 저감시설에서의 여과 시스템은 섬유상 여재 사용 시 여과선속도 10, 15, 20m/hr에서 운전시간 600분에서 각각 누적 유입 SS 부하 15.0, 22.3, 30.1kg/㎡로 평균 SS 제거율이 각각 85.5, 81.7, 81.2%으로 81.2% 이상의 SS 제거율을 달성할 수 있었다. 본 결과로 판단할 때, 사용된 여재 모두 장시간의 사용이 가능 할 것으로 판단되며, 이를 통해 연간 처리효율 80% 이상을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

-역세척 후 손실수두 환원

본 발명의 비점오염 저감시설에서의 여과 시스템은 여과수 20m/hr, 공기 1분간 3회 10m/hr+처리수 10m/hr의 2가지 조건의 역세척 시, 모든 조건에서 역세척 수행 후, 손실수두가 초기 손실수두로 환원되었다. 또한 역세척 후 운전시 역세척 전과 같은 오염물의 제거 효율 및 손실수두의 발생이 나타났다. 때문에 적절한 주기의 역세척이 이루어진다면, 연간 처리효율 80% 이상을 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

-최적 섬유상여과 시설의 설계 인자

위의 본 발명에 따른 연구결과를 종합하면 섬유상여재시설의 적합한 여과 조건은 여과선속도 20m/hr, 여재층 두께는 30cm이다.

섬유상 여재의 역세척 조건은 여과수 20m/hr를 3분간, 10m/hr의 공기 1분간 3회+10m/hr의 처리수 3분을 세척하는 것으로 모두 충분히 효과적인 역세척이 이루어질 수 있다. 그러나 안정적인 처리를 위해 여과선속도 20m/hr, 여재층 두께 30cm에서 운영비 등의 경제성을 고려하여 최적의 역세척 인자는 20m/hr의 처리수를 3분간 하는 것이 최적인 것으로 판단된다.

본 발명의 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 스크린조 2 : 전처리조
2a : 제1 전처리조 2b : 제2 전처리조
3 : 여과조 4 : 역세수조
5 : 자외선 살균장치 6 : 유입관
7a : 제1 개폐밸브 7b : 제2 개폐밸브
7c : 제3 개폐밸브 7d : 제4 개폐밸브
7e : 제5 개폐밸브 8,9 : 정체수 이송펌프
10 : 금속망 11 : 섬유상 여재
12 : 산기관 13 : 역세수펌프
14 : 방류관 15 : 임시저장조
16 : 하수관로

Claims

한쪽 내부의 상부에 스크린조가 설치되고, 상기 스크린조의 위쪽으로 처리수 유입관이 제1 개폐밸브를 사이에 두고 외부에서 연결되며, 내부의 하부에 정체수 이송펌프가 설치되어 상기 스크린조와 오버플로워로 구획된 전처리조;
내부에 금속망으로 둘러싸인 복수의 섬유상 여재와 산기관이 설치되어 한쪽에서 상기 전처리조와 오버플로워로 구획되면서 하부에서 제2 개폐밸브를 사이에 두고 연결된 여과조;
상기 여과조의 외부에서 여과조 내부로 연결되어 설치된 자외선 살균장치; 및
상부의 한쪽에서 상기 여과조와 제3 개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 내부의 하부에 역세수펌프가 설치되며, 상부의 다른 쪽에서 방류관이 제4 개폐밸브를 사이에 두고 외부로 연결된 역세수조;
를 포함하여 이루어지며,
상기 섬유상 여재는 야자수 껍질로 구성되되, 부유성 섬유여재로 야자수 껍질의 섬유를 이용하여 제작한 시트로 되어 있으며,
상기 전처리조는 제1 전처리조와 제2 전처리조의 2개로 분할구획되어, 상기 제1 전처리조와 제2 전처리조는 제5 개폐밸브를 사이에 두고 연결되고, 상기 제2 전처리조가 여과조와 오버플로워로 구획되면서 하부에서 제2 개폐밸브를 사이에 두고 연결된 것을 특징으로 하는 섬유상 여과형 여재를 이용한 비점오염 저감시설.
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