* 고려대학교 건축사회환경공학부 석사졸업 (Korea University ․ [email protected]) ** 정회원 ․ 고려대학교 건축사회환경공학부 박사과정 (Korea University ․ [email protected]) *** (주)서영엔지니어링 상무 (Seoyoung Engineering ․ [email protected])
**** 정회원 ․ 교신저자 ․ 고려대학교 건축사회환경공학부 교수 (Corresponding Author ․ Korea University ․ [email protected]) Received January 2, 2014/ revised February 28, 2014/ accepted August 29, 2014
Copyright ⓒ 2014 by the Korean Society of Civil Engineers
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DOI: http://dx.doi.org/10.12652/Ksce.2014.34.5.1477
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분산형 빗물 저류조용 모래 여과층을 적용한 도심지 비점오염원의 TSS와 COD 정화효율에 대한 실험적 연구
안재윤*ㆍ이동섭**ㆍ한신인***ㆍ최항석****
Ahn, Jaeyoon*, Lee, Dongseop**, Han, Shinin***, Choi, Hangseok****
An Experimental Study on Filtration Efficiency of Sand Filter Layers to TSS and COD in Non-point Source Pollutant
ABSTRACT
Prevalent construction of impermeable pavements in urban areas causes diverse water-related environmental issues, such as lowering ground water levels and shortage of water supply for the living. In order to resolve such problems, a rainwater reservoir can be an effective and useful solution. The rainwater reservoir facilitates the hydrologic cycle in urban areas by temporarily retaining precipitation-runoff within a shallow subsurface layer for later use in a dry season. However, in order to use the stored water of precipitation-runoff, non-point source pollutants mostly retained in initial rainfall should be removed before being stored in the reservoir. Therefore, the purification system to filter out the non-point source pollutants is essential for the rainwater reservoir. The conventional soil filtration technology is well known to be able to capture non-point source pollutants in a economical and efficient way.
This study adopted a sand filter layer (SFL) as a non-point source pollutant removal system in the rainwater reservoir, and conducted a series of lab-scale chamber tests and field tests to evaluate the pollutant removal efficiency and applicability of SFL. During the laboratory chamber experiments, three types of SFL with the different grain size characteristics were compared in the chamber with a dimension of 20cm×30cm×60cm. To evaluate performance of the reservoir systems, the concentration of the polluted water in terms of TSS (Total Suspended Solids) and COD (Chemical Oxygen Demand) were measured and compared. In addition, a reduction in hydraulic conductivity of SFL due to pollutant clogging was indirectly estimated. The optimum SFL selected through the laboratory chamber experiments was verified on the in-situ rainwater reservoir for field applicability.
Key words : Rainfall runoff reduction, Soil filtration, Non-point source pollutant, TSS, COD 초 록
도심지 불투수성 포장의 증가로 지하수위 저하, 생활용수 부족 등의 물과 관련된 다양한 환경문제가 점차 심화되고 있으며, 이를 해결하기 위해
빗물 저류조가 설치되어지고 있다. 빗물 저류조는 지반 저류층에 강우 유출수를 저장하여 향후 갈수기에 이용할 수 있어 도심지의 원활한 물순환
에 도움이 된다. 그러나 도심지의 초기 강우는 다량의 비점오염물질을 포함하고 있으므로, 초기 강우를 빗물 저류조에 저류하기 전에 빗물에 포
함된 오염물질을 정화하기 위한 시스템이 필요하다. 본 연구에서는 초기 강우의 오염물질 정화를 위해 경제성과 비점오염물질 제거효율 측면에
서 우수한 토양여과기술을 적용한 빗물 저류조의 전처리시설인 모래 여과층에 대한 정화효율 및 적용성을 실내 시험과 현장 시험을 통해 평가하
Geotechnical Engineering
지반공학였다. 실내 시험은 20cm×30cm×60cm의 규격으로 제작된 챔버에 3종류의 각기 다른 모래 여과층을 조성한 후 인공 강우를 유입하는 과정으로 진행되었으며, 유출된 오염수의 TSS (총 부유물질)와 COD (화학적 산소요구량)를 측정하여 모래 여과층의 정화효율을 평가하였다. 또한 폐색 현상으로 인한 모래 여과층의 투수계수 변화를 간접적으로 평가하였다. 실내 시험을 통하여 비점오염물질 정화에 적합한 여과층을 제시하였으 며, 이를 현장 빗물 저류조에 시험 시공하여 선정된 여과층의 적용성을 검증하였다.
검색어 : 우수유출 저감시설, 토양 여과, 비점오염, TSS, COD
1. 서 론
도시지역의 개발로 인한 불투수성 포장의 증가는 강우 유출량 증가에 따른 도심지의 홍수 발생, 지하수위 저하, 생활용수 부족, 도시 열섬현상 등의 각종 환경문제를 심화시키고 있으며 이를 해소하기 위한 대책 마련이 국가적인 사안으로 부각되고 있다.
도시 물순환 문제해결을 위해 환경부 및 소방방재청, 국토교통부 등의 관련 부처에서는 빗물 재활용 및 우수 유출 관리기준 및 매뉴얼을 제작 보급하여 왔으며, 이러한 지침에 제시된 우수유출 저감시설은 기존 자연환경의 물순환 체계를 구현할 수 있는 친환경 적 공법으로 도시지역에 적용시 물순환 문제 해결에 많은 도움을 줄 수 있다. 제시된 다양한 우수유출 저감시설 중 빗물 저류시설은 물 부족과 침수피해에 대처하기 위하여 강수시에 빗물을 저장한 후 생활용수, 청소용수, 소방용수, 조경용수 등으로 사용할 수 있게 하는 토목시설물이며 가뭄과 건천시에도 저류된 빗물을 이용할 수 있으므로 가뭄피해를 최소화할 수 있는 시설이다. 그리고 이러한 빗물 저류시설은 대규모 빗물 저류시설보다는 분산형 소규모 빗물 저류 시설로 설치 후 운영할 때 첨두유출 저감에 더 효과적이다(Han et al., 2012). 또한 복잡한 도심에서 저류시설의 설치 장소 및 비용 등을 고려시 분산형 소규모 빗물 저류시설을 설치하는 것이 현실적이다.
하지만 일반적으로 도시지역 강우 유출수는 강우시 지표면에 산재하는 비점오염원에 의해 다양한 오염물질을 포함하고 있으며, 중금속 물질과 유기 독성물질의 농도도 높다(Pitt et al., 1995;
Song and Rhee, 2012). 또한 도시지역에서 강우 유출수는 초기 세척효과(First Flushing Effect)로 인하여 도심지의 초기 30%
유출수에서 35~80%의 비점오염물질이 유출된다(John and Steven, 1997; Michael et al., 1998; Torben et al., 1998; Roh et al., 2004; Kim, 2003). 따라서 도심지의 강우 유출수를 이용하기 위해서는 빗물 침투 및 저류 단계 전에 초기 강우 유출수에서 비점오염물질의 제거가 가능한 빗물 저류조의 전처리 시설에 대한 연구가 필요하다.
비점오염물질의 처리를 위해 제안되는 다양한 방법 중, 경제성과 오염물질 제거효율 측면에서 우수한 최적처리기법(BMP: Best Management Practice)으로 최근 큰 관심을 받고 있는 토양여과기
술은 투수성이 양호한 Loamy sand, 자갈, 부식토 등의 자연 여재 내에서의 여과, 흡착 및 미생물 대사 작용에 의해 강우 유출수 내 부유고형물, 총인, 중금속 등에 대해 탁월한 제거효과를 보이는 것으로 알려져 있다(Hsieh and Davis, 2005; Cho et al., 2009a;
Cho et al., 2009b). 본 연구에서는 분산형 빗물 저류조의 비점오염 물질 정화시설로 토양여과기술을 선정하여, 여과기술의 핵심 설계 인자인 오염물질의 입도 분포에 적합한 최적의 공극 크기를 갖는 여재 선정에 초점을 맞춰 실내 시험과 현장 시험을 수행하였다.
실내 시험 시, 챔버에 입도와 구성이 다른 모래 여과층을 조성하 고 이 여과층에 실제 비점오염물질로 제조된 오염수를 유입시켜, 여과층을 통과하고 유출된 오염수의 TSS (총 부유물질)와 COD ( 화학적 산소 요구량)를 측정하여 여과층의 정화효율을 평가하였 다. 또한 실내 시험으로 선정된 최적의 여과층을 현장 빗물 저류조에 시험 시공하여, 초기강우 5mm 유출수량에 대한 비점오염 정화효율 평가 및 현장 적용성 검증을 수행하였다.
2. 실내 시험을 통한 여과층 정화효율 평가
2.1 대상 시료
2.1.1 비점오염 시료 특성
비점오염에 대한 여과층 정화효율을 평가하기 위해 서울시 도로 현장에서 실제로 채취한 비점오염물질을 이용하여 오염수에 함유 될 비점오염 시료를 제조하였다. 시내도로에서 채집한 비점오염물 질을 1차로 직경 10mm 체로 걸러 일반쓰레기 및 낙엽과 구분하고 건조 후 2차로 60번 체(직경 0.25mm)에 체가름 하여 입경 0.25mm 이하의 비점오염 건조시료를 준비하였다.
준비된 비점오염 건조시료는 채집된 전체 비점오염물질 중량의 약 4% 정도에 해당되는 양이며, 이를 물과 혼합하여 인공 오염수를 제조하였다. Fig. 1은 도로에서 채집된 비점오염물질의 상태와 비점오염 건조시료의 준비과정을 나타낸 사진이다.
준비된 비점오염 시료의 체분석 시험과 기본물성 시험을 수행하 였다. Table 1은 비점오염 건조시료의 기본물성 시험결과이며, Fig. 2는 1차 체가름과 2차 체가름 된 비점오염 시료의 입도분포 곡선이다.
비점오염 건조시료에 포함된 비점오염 성분을 파악하기 위해
(a) Collection of Non-Point Source Pollutants (b) First Sieve Separation (c) Dry Sample of Non-Point Source Pollutant after Second Sieve Separation Fig. 1. Preparation of Dry Sample of Non-Point Source Pollutant
Table 1. Material Properties of Non-Point Source Pollutant Sample Effective size
(D10, mm)
Specific gravity (Gs)
Liquid limit (LL, %)
Plastic limit (PL, %)
Plastic index
(PI, %) Soil classification
0.085 2.49 NP SP
Fig. 2. Grain Size Distribution Curves for Non-Point Source Pollutant Samples
다양한 성분 분석시험이 추가 수행되었다. 비점오염 건조시료의 성분 분석대상을 대표적인 비점오염군인 다환 방향족 탄화수소, 페놀, 질소, 인, 중금속으로 크게 5개의 항목으로 분류하여 세부 비점오염 성분의 함량을 측정하였다.
Table 2에 비점오염 건조시료의 성분에 따른 검출량과 성분 분석에 사용된 방법 및 장비명을 정리하였다. 다음 Table 3은 Pitt and Barron(1990)에 의해 조사된 미국 도시지역의 토지이용별 강우 유출수에서 검출된 중금속 평균농도를 정리한 표이며, Table 3으로부터 토양분석시험으로 분석한 Table 2의 비점오염 건조시료 에 포함된 비점오염 물질의 중금속 성분들이 문헌자료에 제시된 도시지역의 강우 유출수에 포함된 중금속 성분들과 일치하며 각 중금속 성분의 구성 비율이 유사함을 확인할 수 있다.
2.1.2 여과층 특성
본 연구에서는 여과층을 구성하는 조립토의 유효입경에 따른 정화효율을 평가하기 위하여 체분석 시험을 통해 2가지 여과층용 시료의 입도특성을 규명하였다. Table 4는 여과층 시료 1과 2의 기본물성 시험결과이며, Fig. 3은 여과층 시료 1과 2의 입도분포 곡선이다.
2.2 시험장비 구성 및 시험방법 2.2.1 시험장비 구성
빗물 저류조에 적용 가능한 여과층의 정화효율을 평가하기 위하
여 가로 20cm, 세로 30cm, 높이 60cm의 실내 실험 규모의 아크릴
챔버를 구성하였다. 아크릴 챔버의 하부에는 오염수가 배출될 수
있도록 유출구를 설치하고, 챔버의 한쪽 벽면을 5cm 가량 낮게
Table 2. Component Analysis for Non-Point Source Pollutant Sample
Component Value (mg/kg) Analysis method Measuring equipment
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
Benzo(a) pyrene 2.565
EPA Method 8270 C GC-MSD (Gas Chromatography - Mass Selective Detector) 7890A/ 5975C (Agilent) Fluoranthren 0.855
Pyrene 0.750
Phenols Phenol 4
EPA Method 8041 GC-FID (Gas Chromatography - Flame Ionization Detector) 7890A (Agilent) Pentachlorophenol 1.790
P T-P 199.125 EPA Method 365.1 / Ascorbic Acid
UV-Vis (Ultraviolet-Visible) Lambda25 (Perkin Elmer) N
T-N 1,967
Standard Method 4500 - Norg
NO3-N 11.2
TKN 1,955.8
NH4-N 84 Standard Method
4500 - Norg / Titration -
Heavy Metals
Al 5,825.5
EPA Method 6010 B
ICP-OES (Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectra) Optima 7300 DV (Perkin Elmer)
As 2.496
Cu 121.902
Cd 1.364
Hg 0.505
Ni 19.319
Zn 833.795
Cr 55.028
Pb 77.644
Hg 0.505 EPA Method 7473 Direct Mercury Analyzer DMA-80 (Milestone)
Table 3. Average Concentration of Heavy Metals Observed in Stormwater in Urban Areas in the U.S. (Pitt and Barron, 1990) Pollutants
(mg/L)
Residence/Industry street
Industry area street
Residential area Parking lot
Commerce/Industry Parking lot
Industry/Unpave A, Parking lot
Industry/Unpave B, Parking lot
Al 181 4,520 2,500 558 11,600 3,140
Cd 0.46 55.7 35.3 2.6 - 1
Cr 3 11 290 19.6 1.5 6.5
Cu 10 410 285 39.3 390 13.3
Pb 15.8 56.3 66.7 45.4 65.5 28
Ni 2.23 19.9 35.3 33.1 30 73.3
Zn 37.5 67.5 64 178 81.5 28.3
Table 4. Material Properties of Sand Filter Layers (Sample 1 and Sample 2)
Soil properties Sample 1 Sample 2 Effective size (D10, mm) 0.93 1.49 Uniformity coefficient (Cu) 1.65 2.01 Gradation coefficient (Cc) 0.96 1.08 Specific gravity (Gs) 2.74 2.63 Hydraulic conductivity
(cm/sec) 0.16 0.29
제작하여 시험을 진행하면서 시료의 투수계수 감소로 인해 발생할 수 있는 월류수의 배출을 유도하였다. 아크릴 챔버에는 여과층 시료를 40cm 높이로 조성하고, 오염수 유입시 여과층 표층에 발생 할 수 있는 파이핑 현상을 방지하기 위해 유입부 플라스틱 통에 다수의 유공을 천공하여 오염수가 분산 유입되도록 하였다. 오염수 는 일정한 농도를 유지하면서 조절된 유량이 유입되도록 Fig.
4 의 시험장치 구성도와 같이 2톤 용량의 FRP 물탱크에 교반기를
부착한 후 유량계와 펌프를 연결하여 시험을 수행하였다. 유량계는
오염수의 비점오염 입자의 크기를 고려하여 입자가 큰 부유물이
Fig. 3. Grain Size Distribution Curves for Sand Filter (Sample 1 and Sample 2)
Fig. 4. Schematic Diagram of Lab-Scale Chamber Test System
Table 5. Three Filter Layers with Different Effective Particle Size and Composition
Layer 1 Layer 2 Layer 3
Effective size
(D10, mm) 0.93 1.49 1.49 (Upper Layer), 0.93 (Lower Layer)
혼합된 유체의 유량 측정이 가능한 전자식 유량계(E-MAG-I)를 사용하였다.
2.2.2 시험방법
Table 5와 같이 유효입경에 따라 다르게 구성된 3종류의 여과층 에 2L/min의 유량으로 10분간 오염수를 유입하고 여과층을 통과 후 배출하는 것을 1회로 하여 유입-유출 과정을 100회 반복하였으 며, 각 시험 횟수마다 유입되는 오염수의 농도와 시료 통과 후 유출되는 오염수의 농도를 TSS (Total Suspended Solids)와 COD (Chemical Oxigen Demand) 로 평가하였다. 또한 챔버에 조성한 시료 위에 2cm 구간을 표시하여 시험을 반복하면서 감소되는 여과층의 투수성을 간접적으로 평가하였다. 유입 및 유출된 오염수 의 TSS와 COD는 여과층 1의 경우 1, 5, 10, 20, 30회에서 측정하고, 여과층 2와 3은 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100회에서 측정하였다. TSS 분석은 47mm GF/C를 사용하여 수질오염공정시
험법에 제시되어 있는 SS 분석방법을 적용하여 분석하였으며, COD의 경우에는 시험의 재현성을 높이기 위해서 HACH사의 COD LR kit 을 이용하여 CODcr법으로 분석하였다.
2.3 실내 시험 결과 2.3.1 TSS와 COD 변화
유입된 오염수와 여과층 통과 후 유출된 오염수의 TSS와 CODcr 을 비교하여 대상 여과층의 정화능력을 평가하였다. Figs. 5 and 6 은 유입-유출 시험 반복에 따른 유입 및 유출수의 TSS와 COD를 나타낸 그래프이며, 챔버시험 특성상 유입 오염수의 농도를 완전히 일정하게 유지하기 어렵기 때문에 유입시 측정된 TSS와 COD의 평균값을 Figs. 5 and 6에 표시하였다.
여과층 1은 유입시 오염수의 TSS는 222mg/L∼314mg/L(유입 수 평균 TSS = 275.7mg/L)의 범위와 COD는 62.5mg/L∼
78mg/L( 유입수 평균 COD = 68.9mg/L)의 범위로 측정되었다.
시험 횟수를 반복함에 따라 유출되는 오염수의 TSS는 약 23.5mg/L 에서 점차 감소되었고, COD는 약 13mg/L에서 3mg/L으로 점차 감소되었다.
여과층 2의 경우, 유입시 오염수의 TSS는 159mg/L∼294mg/L (유입수 평균 TSS = 214.2mg/L)의 범위와 COD는 32mg/L∼
90mg/L( 유입수 평균 COD = 66.3mg/L)의 범위로 측정되었다.
시험 횟수를 반복함에 따라 유출되는 오염수의 TSS는 약 42mg/L 에서 10mg/L으로 전반적으로 감소되었고, 유출수의 COD는 전체 적으로 20mg/L 이하로 측정되었으나 시험 횟수 반복에 따른 유출 수 COD의 감소 경향은 뚜렷하지 않았다.
여과층 3의 경우, 유입시 오염수의 TSS는 168mg/L∼538mg/L ( 유입수 평균 TSS = 276.7mg/L)의 범위와 COD는 18mg/L∼
110mg/L(유입수 평균 COD = 66.8mg/L)의 범위로 측정되었다.
시험 횟수를 반복함에 따라 유출되는 오염수의 TSS는 70회까지는 약 53mg/L∼4.5mg/L의 범위로 점차로 낮아지다가 70회 이후부터 는 약 4.5mg/L∼25mg/L 범위로 다소 높아지는 경향을 나타내었 다. 여과층 3의 유출수 TSS는 전반적으로 여과층 1과 여과층 2 의 유출수 TSS 측정값의 중간 정도로 평가되었다. 유출수의 COD 는 4mg/L 이하로 매우 낮고 일정하여 대부분의 COD가 여과층 3 을 통과하면서 제거된 것을 알 수 있다.
하지만 본 연구에서 사용된 COD LR kit의 측정범위가 3~
150mg/L 이므로 여과층 2와 여과층 3에서 유출된 오염수의 3mg/L 이하 CODcr의 측정값은 측정범위를 벗어나기 때문에CODcr의 정밀한 측정에는 다소 어려움이 있다.
Figs. 7 and 8은 유입-유출 시험 반복에 따른 TSS와 COD의 제거효
율(Removal efficiency(%)= 유입농도 유출농도 × 유입농도 )을
나타낸 그래프로써, 여과층 1에서 TSS 제거효율은 89% 이상이며
(a) Layer 1 (b) Layer 2 (c) Layer 3 Fig. 5. Measurement of TSS with Testing Cycle
(a) Layer 1 (b) Layer 2 (c) Layer 3
Fig. 6. Measurement of COD with Testing Cycle
(a) Layer 1 (b) Layer 2 (c) Layer 3
Fig. 7. Removal Efficiency of TSS with Testing Cycle
(a) Layer 1 (b) Layer 2 (c) Layer 3
Fig. 8. Removal Efficiency of COD with Testing Cycle
Fig. 9. Time Required for 2cm Drawdown of Contaminated Water with Testing Cycle (Layer 1)
Table 6. TSS and COD Measured in Each Filter Layer during Lab-Scale Chamber Tests
TSS and COD value Layer 1 Layer 2 Layer 3
TSS
TSSinfⓐ
(mg/L)
Minimum 222.0 158.5 168.0 Maximum 314.0 294.0 538.0 Average 275.7 214.2 276.7
TSSeffⓑ (mg/L)
Minimum 1.0 10.0 4.5
Maximum 23.5 84.5 53.0
Cycle 10 14.0 42.0 34.0
Cycle 30 ND 55.0 9.0
Cycle 50 - 22.5 8.5
Cycle 80 - 12.5 10.0
Removal of TSS (%)
Minimum 89.0 74.0 89.0
Maximum 99.9 96.0 98.0
Cycle 10 94.6 78.4 89.1 Cycle 30 99.9 81.3 96.5
Cycle 50 - 86.7 95.9
Cycle 80 - 93.3 95.9
COD
CODinfⓐ
(mg/L)
Minimum 62.5 32.0 18.0
Maximum 78.0 90.0 110.0 Average 68.9 66.3 66.8
CODeffⓑ
(mg/L)
Minimum 3.0 1.0 1.0
Maximum 13.0 20.0 4.0
Cycle 10 12.0 3.5 ND
Cycle 30 3.0 7.0 ND
Cycle 50 - 2.0 ND
Cycle 80 - 3.0 2.5
Removal of COD (%)
Minimum 82.0 77.0 96.0
Maximum 96.0 99.9 99.9
Cycle 10 82.1 95.4 99.9 Cycle 30 95.5 90.9 99.4
Cycle 50 - 95.1 99.9
Cycle 80 - 95.0 96.5
Total test cycle 30 100 100
Note; ⓐ : influent, ⓑ : effluent, ND : Non Detected
COD 제거효율은 82%∼96% 범위로 TSS와 COD의 제거효율은 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타냈다.
여과층 2의 경우, TSS 제거효율은 74%∼96% 범위로 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타내었고, COD 제거효율은 77% 이상이지만 일정한 경향 없이 증가와 감소를 반복하며 변화하 는 모습을 나타내었다. 따라서 비교적 큰 입자(유효입경 1.49mm) 로 구성된 여과층 2의 COD 제거능력은 충분하지 않다고 사료된다.
여과층 3의 경우, TSS 제거효율은 70회까지는 89%∼98%
범위로 증가하다가 70회부터는 98%∼94% 범위로 약간 감소하였 다. 유입수의 TSS가 70회부터 223mg/L∼388mg/L의 범위로 다 소 증가하며 이에 따라 유출수의 TSS도 다소 증가되었기 때문에 TSS 제거효율이 미소하게 감소된 것으로 판단된다. 대부분의 시험 횟수에서 TSS 제거효율은 90% 이상을 유지하고 있으므로 여과층 3의 TSS 정화능력은 매우 양호한 것을 알 수 있다. COD 제거효율은 96% 이상이며 TSS의 경우처럼 대부분의 시험 횟수에서 매우 높은 제거효율을 나타냈다. 여과층 1, 2, 3에 대한 TSS와 COD 측정 결과를 Table 6에 정리하였다.
실내 시험에서 입자상 오염물질 제거 효율 결과는 본 연구와 유사한 입도 분포 특성을 가지는 입자상 오염물질에 대한 장치형 비점오염 시설의 제거효율 결과와 유사하다(Roh et al., 2004).
따라서 입자상 오염물질 정화효율 측면에서는 본 실내 시험결과를 바탕으로 현장 시험을 수행하는 것이 적합할 것으로 사료된다.
2.3.2 수위 하강시간 측정을 통한 투수계수의 평가
실내 시험에서 오염수의 유입-유출 시험을 반복함에 따라 여과층 의 폐색(Clogging)이 발생할 수 있고 이는 여과층 시료의 투수계수 감소를 유발한다. 여과층 시료의 투수계수 감소를 간접적으로 평가 하기 위하여 오염수 유입 후 오염수의 수위가 시료 상부 약 4cm 위치에서 2cm까지 하강하는 시간을 측정하였다.
여과층 1은 시험 초기에 여과층이 비교적 충분한 투수성을 유지
하여 오염수의 수위가 상승하지 않았으나, 시험 횟수 20회 이후부터
오염수의 수위가 시료 상부 4cm 이상 상승하였다. 오염수의 수위가
2cm 하강하는데 소요되는 시간을 측정하여 Fig. 9에 나타냈으며,
오염수의 수위가 2cm 하강하는데 소요되는 시간은 시험을 반복할
수록 증가하는 경향을 나타냈다. 30회 유입-유출 시험 이후에는
오염수의 수위가 2cm 하강하는데 소요되는 시간이 급격하게 증가 하였다. 즉, 여과층 1은 시험 초기부터 오염물이 여과층 상부에 빠르게 폐색이 진행되어 유입-유출 30회 이후부터 여과층 상부의 오염물 폐색이 심화됨에 따라 투수계수가 급격히 감소하였다.
여과층 2는 유효입경과 투수계수가 충분히 크기 때문에 유입-유 출 100회를 반복하는 동안 비점오염의 폐색이 미미하여 여과층 표면 위로 오염수의 수위가 상승하지 않았다. 여과층 3에서도 유입- 유출 90회를 반복하는 동안 비점오염의 폐색 정도가 크지 않아 시료 표면 위로 오염수의 수위가 상승하지 않았으나, 유입-유출 시험 90회 이후부터 오염수의 수위가 여과층 표면 위로 점차 상승하 기 시작하였다. 이는 비점오염 입자가 상부의 유효입경 1.49mm 모래 여과층에서 1차적으로 정화되어 하부의 유효입경 0.93mm 모래 여과층이 비교적 작은 공극을 가지고 있음에도, 시험 반복에 따른 여과층 3의 투수능력 저하가 여과층 1에 비하여 상대적으로 지연된 것으로 판단된다.
2.4 실내 시험 결과분석
실내 시험에서는 초기강우 5mm이상(특히, 5∼10mm) 강우 유출수에 포함된 비점오염물질을 가장 효과적으로 처리할 수 있는 여과층을 선정하기 위하여 다양한 입도의 모래로 구성된 3종류의 여과층을 대상으로 정화효율을 평가하였다. 각각의 여과층에 대한 시험 결과를 다음과 같이 정리하였다.
(1) 여과층 1(D
10=0.93mm)의 비점오염에 대한 TSS 제거효율 은 89% 이상, COD 제거효율은 82%∼96% 범위로 비점오 염물질의 정화효율이 매우 높다는 장점이 있으나, 여과층이 빠르게 폐색되어 평가대상 여과층들 중 사용 수명이 가장 짧기 때문에 여과층의 빈번한 교체에 따른 경제적 손실과 사후관리 문제가 대두될 수 있다.
(2) 여과층 2(D
10=1.49mm)는 여과층의 사용 수명이 매우 길다 는 장점이 있으나, 비점오염에 대한 TSS 제거효율은 74%∼
96%, COD 제거효율은 77% 이상의 범위로 평가 대상 여과층들 중 비점오염물질에 대한 정화효율이 가장 낮았다.
(3) 여과층 3(D
10=1.49mm(상부), D
10=0.93mm(하부))의 TSS 제거효율은 89%∼98%, COD 제거효율은 96% 이상 의 범위로 여과층 2보다 오염수의 TSS와 COD 제거효율이 높았고 유입-유출 시험을 반복함에 따라 약간의 폐색이 발생하였으나, 유입-유출 시험 100회까지 비교적 양호한 투수성을 보였다. 따라서 일정기간의 사용성을 확보하면서 동시에 높은 정화효율을 기대할 수 있는, 상, 하부 서로 다른 입경의 모래로 구성된 여과층 3이 빗물 저류조의 전처 리시설에 가장 적합할 것으로 판단된다.
3. 현장 시험을 통한 여과층 적용성 평가
3.1 현장 개요
실내 시험을 통하여 선정된 유효입경 1.49mm 모래(상부)와 유효입경 0.93mm 모래(하부)의 2층으로 구성된 여과층을 현장 빗물 저류조에 시험 시공하였으며, 선정된 여과층을 대상으로 수행 한 현장 시험결과를 실내 시험결과와 비교, 분석하여 현장 적용성을 검증하였다.
현장 시험 위치는 경기도 양평군 지평면 송현리에 위치한 ○○체 육공원 주차장 부지이며 현장 시험 수행을 위해 4m×5m 규격의 분산형 빗물 저류조 1개소를 설치하였다. 저류조가 설치된 주차장 부지의 면적은 약 372m
2이고 시험장치는 주차장 부지를 둘러싼 U 형 측구에 연결된 침투정 1개소와 저류셀 21개로 구성되었다.
3.2 현장 시험 계획
3.2.1 빗물 저류조 및 침투정의 구성
현장 시험용 빗물 저류조는 Fig. 10의 구성도와 같이, 오염수를 유입시켜 여과층의 정화능력을 평가할 수 있는 침투정 1개소와 약 20ton 용량의 우수를 저장할 수 있는 저류셀 21개로 구성되어 있다. 침투정과 저류셀은 소형 콘크리트 BOX 구조물로써 침투정의 규격은 가로 1m, 세로 1m, 높이 2m이고, 저류셀 1개의 규격은 가로 1m, 세로 1m, 높이 1m이다. 또한 침투정과 저류셀은 동일한 콘크리트 재질로 제작되었으며, 각각의 저류셀은 연결된 부위를 반경 0.4m의 원형으로 천공하여 지표면에서 유입된 우수가 전체 저류셀의 내부를 자유롭게 유, 출입하도록 제작 하였다. 침투정의 단면은 Fig. 11과 같이 하부는 여과층, 상부는 유입 우수의 양을 조절하기 위한 부유장치로 구성하였다.
침투정 상부의 부유장치는 여과층에 설계유량 이상의 우수가 유입될 시, 여과층 내 우수의 수위 상승에 따라 부유장치 내부의 고무공이 중간부 오목한 통로를 막도록 하여 우수의 과도한 유입을 차단하도록 고안되었다(Fig. 11 참조). 하부의 여과층 프레임은 여과 층을 통과한 오염수가 배출될 수 있도록 바닥에 다수의 배수 구멍을 천공하였고, 유출된 오염수를 수집하기 위한 직경 30cm, 높이 15cm 의 철제 용기를 프레임 바닥부분에 용접하여 외부 지하수의 유입을 방지하도록 제작하였다. 유출된 오염수를 채취하기 위해 바닥 중앙을 직경 10cm 원형으로 천공하고 강관 파이프를 용접하였다.
3.2.2 오염수 유입량 결정
여과층을 통과하는 오염수의 유량은 현장 빗물 저류조의 목표
집수면적에 내리는 초기강우 5mm에 대한 강우 유출량과 동일하게
산정하였다. 즉, Song and Rhee(2012)이 비점오염 정화실험에서
필터 여과재의 통과 유량을 산정한 합리식으로 강우 유출량을
Fig. 10. Conceptual Diagrams of Field Rainwater Reservoir
Fig. 11. Infiltration Well with Sand Filter Layer and Floating Device
산출하였다.
(m
3/sec) (1)
여기서, C : 유출계수 I : 강우강도(mm/hr) A : 유역면적(km
2)
본 현장 시험에서 C는 도시지역의 최대 유출계수인 0.9, I는
초기강우 5mm에 대한 강우강도 5mm/hr, 그리고 유역면적 A는 주차장 부지 면적 372m
2중 빗물 저류조로 배수되는 면적 213m
2를 적용하였다. 1시간 동안 내린 초기강우 5mm에 대한 유출수량 Q는 0.960m
3(960L)이며, 이에 대한 총 10회 강우 유출량과 동일한 양의 비점오염을 포함한 오염수 9,600L를 1회에 192L씩 총 50회로 나누어 빗물 저류조에 유입하였다.
3.3 현장 시험 방법
현장 시험은 Fig. 12와 같이 침투정에 모래를 포설한 여과층
프레임 설치, 부유장치 및 파이프 설치, 비점오염 시료와 물 교반,
(a) Setting Sand Filter Layer into Infiltration Well
(b) Setting Floating Device and Outflow Pipe (c) Mixing Non-Point Source Pollutant Sample with Water
(d) Preparation of Non-Point Source Contaminated Water
(e) Pouring Contaminated Water into Infiltration Well
(f) Collecting of Outflow
Fig. 12. Field Test Procedure to Evaluate Filtration Efficiency of Sand Filter Layer
Fig. 13. Turbidity of Influent and Effluent Contaminated Water
비점오염 오염수 제조, 오염수 유입, 여과층을 통과한 유출된 오염수 채취의 순서로 진행되었다.
여과층 설치 완료 후, 비점오염 건조시료를 물과 혼합하여 TSS 농도가 100~400mg/L인 오염수를 제조하였다. 비점오염 입자가 침전되지 않고 물과 잘 혼합될 수 있도록 먼저 소형 교반기를 이용하여 건조시료를 3L의 물과 혼합하여 교반한 후, 200L 용량의 통에 교반된 고농도의 오염수와 물을 혼합하여 현장 시험용 오염수 를 제조하였다. 제조된 오염수를 부유장치에 천천히 유입하여 여과
층을 통과한 유출수가 수집장치에 모이도록 하였고, 수집된 유출수 는 펌프를 이용하여 채취하였다.
현장 시험은 여과층에 192L의 오염수를 유입하고 여과층을
통과 후 배출하는 것을 1회로 하여 50회 반복하였으며 각 시험
횟수마다 유입, 유출되는 오염수의 농도를 TSS와 COD로 평가하였
다. Fig. 13은 유입, 유출된 오염수의 탁도를 비교하기 위해 유리병
에 담은 오염수를 왼쪽부터 유입, 유출 순서로 나열해 놓은 사진이
다. Fig. 13에서 1~5회에서 유출된 오염수의 탁도가 다소 높은
(a) TSS (b) COD Fig. 14. Measurement of TSS and COD with Testing Cycle
(a) TSS (b) COD
Fig. 15. Removal Efficiency of TSS and COD with Testing Cycle
것은 유입된 오염수가 여과층을 통과하면서 초기 여재에 포함된
미세한 불순물들과 함께 유출되었기 때문으로 판단된다. 이것은 1~5 회 범위에서 유입된 오염수의 TSS보다 유출된 오염수의 TSS가 더 높게 측정된 결과(Fig. 14 참조)를 통해 확인되었다. 현장 시험이 반복됨에 따라 유출수의 탁도는 낮아졌으며, 이는 여과층이 비점오 염을 제거했다는 것을 의미한다.
3.4 현장 시험 결과
유입된 오염수의 TSS, COD와 여과층 통과 후 유출된 오염수의 TSS, COD를 비교하여 여과층의 비점오염 제거능력을 평가하였다 (Figs. 14 and 15). Fig. 14 는 유입-유출 시험 반복에 따른 유입 및 유출수의 TSS와 COD를 나타낸 그래프이다. 오염수 현장배합에 따른 오차로 인하여 유입시 오염수의 TSS는 114∼365mg/L 범위(유입 수 평균 TSS = 230.6mg/L), 유입시 COD는 54∼140mg/L 범위(유입 수 평균 COD = 105.1mg/L)로 측정되었다. 현장 시험 횟수를 반복함에
따라 유출되는 오염수의 TSS는 초기 5회 이후에 약 152mg/L에서 점차 감소되었고, 유출수의 COD는 초기에 약 37mg/L에서 점차 감소 되었다. Fig. 15는 유입-유출 시험 반복에 따른 TSS와 COD의 제거효율 (Removal efficiency(%)=
유입농도 유출농도 유입농도 × )을 나타 낸 그래프로 10회 이후부터의 TSS 제거효율은 60.8% 이상, COD 제거효율은 81.1% 이상이며 TSS와 COD의 제거효율은 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타냈다.
4. 요약 및 결론
본 연구에서는 실내 시험을 수행하여 빗물 저류 시스템에 적합한
여과층을 유효입경 1.49mm 모래(상부)와 유효입경 0.93mm 모래
(하부)의 2층으로 구성된 여과층으로 선정하였고, 이를 실제 빗물
저류조에 적용하여 현장 적용성을 검증하였다. 대상 여과층의 현장
정화효율 시험결과를 Table 7에 정리하였다.
Table 7. Comparison of TSS and COD Measured from Lab-Scale Chamber Test and Field Test
TSS and COD value Lab-scale chamber test Field test
TSS
TSSinfⓐ
(mg/L)
Minimum 168.0 114.0
Maximum 538.0 365.0
Average 276.7 230.6
TSSeffⓑ (mg/L)
Minimum 4.5 1.0
Maximum 53.0 152.0
Cycle 10 34.0 103.0
Cycle 30 9.0 5.0
Cycle 50 8.5 2.0
Cycle 80 10.0 -
Removal of TSS (%)
Minimum 89.0 60.8
Maximum 98.0 99.9
Cycle 10 89.1 60.8
Cycle 30 96.5 98.2
Cycle 50 95.9 99.0
Cycle 80 95.9 -
COD
CODinfⓐ (mg/L)
Minimum 18.0 54.0
Maximum 110.0 140.0
Average 66.8 105.1
CODeffⓑ
(mg/L)
Minimum 1.0 1.0
Maximum 4.0 37.0
Cycle 10 ND 13.0
Cycle 30 ND 6.0
Cycle 50 ND 1.0
Cycle 80 2.5 -
Removal of COD (%)
Minimum 96.0 81.1
Maximum 99.9 99.9
Cycle 10 99.9 89.4
Cycle 30 99.4 95.2
Cycle 50 99.9 99.0
Cycle 80 96.5 -
Total test cycle 100 50
Note; ⓐ : influent, ⓑ : effluent, ND : Non Detected
