한국지반공학회논문집 제32권 2호 2016년 2월 pp. 31 ～ 41 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.32, No.2, February 2016 pp. 31 ～ 41
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2016.32.2.31
강우유출수 처리시설 침투특성에 대한 필터여재 파쇄의 영향
Effects of Media Breakage on Infiltration Characteristics in Stormwater Management System
Segismundo, Ezequiel Q.1 구 본 홍2 Koo, Bon-Hong 김 이 형3 Kim, Lee-Hyung 이 병 식4 Lee, Byung-Sik
Abstract
For sand and zeolite filter media in stormwater BMPs, media breakage effects on infiltration were investigated.
Compaction effort and infiltration force were mainly examined for breakage sources. The 1-D column infiltration tests for un-compacted and compacted media filters were conducted to investigate the breakage effect on infiltration.
As a result, the following findings were deduced: 1) particle breakage due to filtration forces was found to be relatively minimal; 2) un-compacted media had lesser amount of crushed particles and permeability fluctuations compared to compacted media; 3) even without the presence of suspended solids in the influent, reduction in permeability was found, which resulted from rearrangement and re-entrainment of media particle itself; 4) only media particle breakage resistance is considered, sand was revealed to have better performance compared to zeolite media.
요 지
강우유출수 비점오염 침투처리시설에 사용되는 모래와 제올라이트 필터에서 여재 파쇄가 침투에 미치는 영향을 분석하였다. 여재 파쇄의 원인으로 다짐에너지와 침투력의 영향을 검토하였다. 여재 파쇄가 침투에 미치는 영향을 조사하기 위해 비다짐 및 다짐 침투층에 대한 일차원 컬럼 침투시험을 수행하였다. 시험결과로부터 다음 결론을 얻었 다. 1) 침투력에 의한 여재 파쇄량은 상대적으로 적은 것으로 분석되었다. 2) 다짐여재와 비교하여 비다짐여재는 파쇄 량이 적고 침투에 따른 투수성 변화도 작다. 3) 부유오염물을 함유하지 않는 침투수가 침투하는 경우에도 파쇄된 여재의 재배열, 재이동이 원인으로 추정되는 투수성 감소가 발생하였다. 4) 여재 파쇄의 영향만을 고려한다면 필터 재료로서 모래의 적용성이 제올라이트 보다 양호함을 확인했다.
Keywords : Infiltration, Filter, Porous media, Clogging, Stormwater management
1 비회원, 공주대학교 건설환경공학부 석사과정 (Graduate Student, Dept. of Civil & Env. Engrg, Kongju National Univ.) 2 비회원, 공주대학교 건설환경공학부 박사과정 (Graduate Student, Dept. of Civil & Env. Engrg, Kongju National Univ.) 3 비회원, 공주대학교 건설환경공학부 교수 (Prof., Dept. of Civil & Env. Engrg, Kongju National Univ.)
4 정회원, 공주대학교 건설환경공학부 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil & Env. Engrg, Kongju National Univ., Tel: +82-41-521-9309, Fax: +82-41-568-0287, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2016년 8월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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(a) Sphericity and roundness (b) Description of shape Fig. 1. Sphericity and roundness chart
1. 서 론
기후변화 대응과 청정 생활환경에 대한 관심이 고조 되어 비점오염 관리 및 도시 물순환 체계 개선의 중요성 이 날로 부각되고 있다. 도심지 비점오염관리를 위해서 는 장치형 및 자연형의 관리시설을 적용할 수 있다. 자 연형 침투시설은 비교적 저비용의 환경친화적 처리기 술로서 분산형으로 설치하므로 비점오염 관리에 효과 적이다(Kadlec and Wallace, 2008; MOLIT, 2014). 따라 서 인공습지, 침투저류지, 투수성 포장, 식생여과대 등 자연형 강우유출수 침투시설이 확대 적용되고 있다.
침투시설의 기능을 유지하기 위해서는 설계 시 지정 한 필터의 투수성을 유지하는 것이 중요하다. 투수성을 변화시키는 주요 원인 중의 하나는 공극 폐색현상이다. 폐색이 발생하면 시설의 투수성이 저하된다. 월류와 장 기 침수 현상 등 기능수행에 장애가 발생하고 수명이 예상보다 짧아질 수 있다(Hua et al., 2013; Kandra and Deletic, et al., 2014). 따라서 폐색 현상의 원인 규명과 대책 강구를 위한 연구가 꾸준히 수행되고 있다(Du et al., 2013; Du et al., 2014; Hua et al., 2013; Kandra and Deletic, et al., 2014; Kandra and McCarthy, et al., 2014;
Le Coustumer et al., 2012; Lee et al., 2014; Segismundo, 2016; Segismundo et al., 2016; Siriwardene et al., 2007;
Wang et al., 2012).
이 논문에서는 필터 폐색 가속화 원인 중의 하나로 추정되는 여재 파쇄 현상이 필터의 투수성 변화에 미치 는 영향을 분석하고자 한다. 분석대상 여재는 강우유출
수 비점오염 처리시설에서 자주 사용되는 모래와 제올 라이트이다. 이들 여재에 대해서 표준다짐시험과 일차 원 컬럼 침투시험을 수행하여 파쇄의 주요 원인으로 예 상되는 여재 다짐 및 침투력의 영향을 조사하고 폐색에 따른 필터의 투수성 감소 현상을 분석하였다.
2. 시험방법
2.1 시험대상 여재 특성
2.1.1 기본물성
시험 대상 필터 여재인 모래와 제올라이트에 대해 비중 및 입도분포시험을 수행하였다. 또한 여재의 형상 과 구성원소를 조사하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy)과 EDS(Energy Dispersive Spectroscope) 시 험을 수행하였다. SEM 이미지를 기반으로 Fig. 1에 보 인 도표를 이용하여 여재의 구형도(Sphericity) 및 둥글 기(Roundness) 값을 구하고 입자형상을 구분하였다. 또 한 XRD(X-Ray Diffraction) 시험을 수행하여 여재의 구 성화합물을 분석하였다.
시험결과로서 모래와 제올라이트의 기본 물성치를 Table 1에 정리하였다. 이들 여재의 실제 모양과 SEM 이미지는 Fig. 2와 같다. Fig. 2에 근거하여 모래의 구형 도와 둥글기 값을 각각 0.9와 0.3으로 결정하였다. 입자 형상은 원형(spherical)의 모난(angular)입자로 분류하 였다. 한편 제올라이트에 대해서는 구형도와 둥글기 값 을 각각 0.7과 0.5로 결정하였다. 입자형상은 약간 원형
Table 1. Physical properties of media
Properties Sand Zeolite
Specific gravity, GS 2.64 2.14
Initial particle size range (mm) 2 - 5 2 - 5
D60 (mm) 3.65 3.65
D30 (mm) 2.83 2.83
D10 (mm) 2.28 2.28
Uniformity coefficient, Cu 1.60 1.60 Coefficient of curvature, Cc 0.96 0.96
USCS classification SP SP
(a) Sand (b) Zeolite
Fig. 2. Actual photographs and SEM images of media
(a) Sand (b) Zeolite
Fig. 3. X-Ray diffraction pattern of media
(sub-spherical)의 약간 둥근(sub-rounded) 입자로 분류 할 수 있었다.
EDS 분석으로부터 모래의 주요 구성원소는 O(66%), Si(16%), Al(13%), K(2%)이고 제올라이트는 O(69%), Si(20%), Al(6%), Na(2%)인 것으로 나타났다. Fig. 3에 보인 XRD 시험결과로부터 모래의 구성 화합물은 Quartz, Albite, Grunerite, Zeolite X로서 상대적으로 안정하고 조 밀한 재료로 구분되었다. 제올라이트는 Mordenite, Zeolite L, Metaheulandite로 구성되어 경도와 안정성이 비교적
높은 재료로 구분되었다.
2.1.2 다짐에 의한 파쇄특성
강우유출수 처리시설의 시공 과정에서 공극비 혹은 건조밀도 설계값을 만족하는 필터를 조성하기 위해 여 재를 다짐하는 경우가 많다. 다짐과정에서 여재 파쇄가 발생하지만 파쇄량 예측이나 파쇄된 여재가 필터의 투 수성에 미치는 영향은 명확히 규명되지 않았다.
침투시험 대상 여재로 선택한 모래와 제올라이트에 대해서 다짐에 의한 파쇄 특성을 알아보기 위해 표준 A다짐(KSF 2312, ASTM698) 시험을 수행하였다. 다짐 시험으로부터 구한 각 여재의 기본다짐특성은 Table 2 와 같다.
다짐에너지가 동일하다면 여재 파쇄에 지배적인 영 향을 미칠 것으로 예상되는 인자는 다짐 함수비로 예상 되었다. 다짐에 의한 여재 파쇄 정도는 다짐 전 여재와 다짐 후 여재의 입도분포곡선을 비교하여 분석할 수 있 다. 따라서 각 여재에 대한 다짐시험에서 여러 함수비로 다져진 여재의 입도분포곡선을 각각 구했다. 이렇게 구
Table 2. Optimum moisture content and the maximum dry density of sand and zeolite
Media Optimum Moisture Content, ω (%) Maximum Dry Density, ρd,max (g/cm3)
Sand 7.5 1.51
Zeolite 14.1 1.00
(a) Sand (b) Zeolite
Fig. 4. Variations of particle size distribution curves after compaction according to the variation of water content
(a) Schematic diagram (b) Dimension of column
Fig. 5. Infiltration column test set-up
한 다져진 여재의 입도분포곡선을 다짐 전 여재의 입도 분포곡선과 비교하여 Fig. 4에 나타냈다.
Fig. 4에서 모든 다짐함수비 조건에 대해 다져진 여재 의 입도분포곡선이 다짐 전 여재와 비교하여 상향으로 이동한 것으로 나타났다. 이는 다져진 여재에서는 다짐 에 의한 파쇄가 발생하여 작은 입경의 파쇄된 여재량이 증가하였기 때문이다. Fig. 4에서 입도분포곡선이 가장 상향으로 이동하여 파쇄가 최대로 발생한 것으로 추정 할 수 있는 함수비 조건은 모래와 제올라이트에 대해서 각각 6%와 14.6%이다. 이들 함수비 조건은 Table 2에 정리한 각 여재의 최적함수비(모래 7.5%, 제올라이트 14.1%)와 유사하다. 또한, Fig. 4로부터 함수비가 최적 함수비 보다 낮은 조건(모래 4%, 제올라이트 10.8%)으
로부터 함수비가 증가함에 따라 파쇄량이 증가되어 최 적함수비에서 최대가 되고, 함수비가 더 증가되면(모래 9%와 11%, 제올라이트 20.7%과 25%) 파쇄량이 다시 감소하는 특성을 추론할 수 있다. 결론적으로 다짐에 의 한 여재 파쇄는 최적함수비 조건에서 최대로 발생하는 것으로 간주할 수 있다.
2.2 일차원 컬럼 침투시험
2.2.1 시험 장치
일차원 컬럼 침투시험 장치는 크게 구분하여 직경 8cm의 원형컬럼, 침투수 제조, 공급 및 살포장치, 수두 측정장치로 구성되어 있다(Fig. 5). 원형컬럼의 전체 높
Table 3. Compacted and un-compacted filter media properties for infiltration tests
Properties Sand Zeolite
Compacted Dry Density, ρd,comp (g/cm3) 1.41 0.89
Compacted Void Ratio, ecomp 0.879 1.418
Un-compacted Dry Density, ρd,un-comp (g/cm3) 1.34 0.87
Un-compacted Void Ratio, eun-comp 0.972 1.454
이는 110cm로서 Fig. 5에 보인 바와 같이 4개 연결부를 볼트 체결하여 침투층 제작 및 여재 시료 채취를 위한 조립 및 해체가 용이하도록 제작하였다. 원형컬럼의 벽 면에는 침투층의 각 높이에서 침투수 채취 및 수두 측정 을 위한 밸브를 설치하였으며, 바닥에는 유출되는 침투 수를 수집하기 위한 밸브를 설치하였다. 침투수는 튜브 연동식정량펌프(peristatic pump)를 사용하여 적정한 침 투유량을 침투층의 상단 표면에서 살포한다. 침투층 내 에서 발생하는 수두변화는 각 높이에 설치된 밸브와 연 결한 수두측정장치를 이용하여 측정한다.
2.2.2 시험 조건 및 방법
침투시험은 여재 파쇄 요인을 고려하여 1) 다짐조건, 2) 비다짐조건에서 모래와 제올라이트에 대해 각각 수 행한다.
첫째로, 다짐조건에 대한 침투시험은 시공 시 여재를 다짐하여 조성한 침투필터를 모사하기 위한 시험이다. 2.1.2절에서 기술한 바와 같이 다짐에 의한 여재 파쇄는 최적함수비에서 최대로 발생하므로 시험실에서 원형컬 럼 침투층을 이 조건에 상응하게 제작한다. 원형컬럼 침 투층 제작과정에서 시공 시 여재 다짐을 반영할 수 있는 다짐에너지를 가하기는 어렵다. 따라서 다짐시험 방법 을 준용하여 다짐몰드에 최적함수비 조건으로 여재를 다진 후 해체하여 오븐에 건조한다. 건조된 다져진 여재 를 사용하여 침투시험을 위한 원형컬럼 침투층을 제작 한다.
둘째로, 비다짐조건에 대한 침투시험은 시공 시 여재 를 다지지 않고 조성한 침투필터를 모사하기 위한 시험 이다. 여기서 얻은 시험결과를 다짐조건 침투시험 결과 와 대비하여 다짐에 의한 여재 파쇄가 침투에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 원형컬럼 침투층은 다짐에 의 한 파쇄를 경험하지 않은 원래의 여재로 제작한다.
한편, 다짐이나 침투와 상관없이 원형컬럼에 침투층 을 제작하고 해체하는 과정에서도 여재 파쇄가 발생할 수 있다. 이때 발생하는 파쇄량을 구하기 위한 기준컬럼
시험을 실시하였다. 이 시험에서는 비다짐 원형컬럼 침 투층을 제작한 후 침투시험을 거치지 않은 상태에서 다 시 해체하고 이 과정에서 발생한 여재 파쇄량을 측정한 다. 측정값은 다짐조건 및 비다짐조건 침투시험에서 순 수하게 침투에 의해 발생한 파쇄량 만을 구하기 위해 적용한다.
모든 시험조건에서 원형컬럼 침투층은 전체 깊이에 서 균질한 공극을 확보하기 위해 원형컬럼을 분리하여 아래 부분부터 단계적으로 여재를 채워 나가면서 제작 한다. 다짐조건 침투층 제작에서는 다짐시험에 상응하 는 공극비를 얻을 수 있도록 다져진 여재를 층별로 조절 하여 충진한다. 비다짐조건 침투층 제작에서는 다짐에 너지가 가해지지 않도록 적정 높이에서 여재를 원형 컬 럼 내에 자유낙하 방법으로 부어 넣어 충진한다. 일정한 물성치를 갖는 침투층을 반복 제작하기 위해서는 제작 방법의 연습과 표준화 과정이 필요하였다. 결과적으로 제작된 침투층의 물성치로서 Table 3에 보인 결과를 얻 었으며, 이 값을 침투층 제작에 있어서 목표값으로 설정 하여 관리하였다.
이 논문에서 수행한 침투시험의 목적은 파쇄된 여재 가 침투층의 폐색 및 투수성 변화에 미치는 영향을 평가 함에 있다. 따라서 침투층 내에서 발생하는 파쇄된 여재 만을 부유물질로 다루기 위해 순수한 물을 침투수로 사 용하여 외부에서 유입되는 부유물질은 없는 조건에서 시험한다. 침투시험의 수리조건은 정수위 조건으로, 원 형컬럼의 상단으로부터 두 번째 밸브를 열고 침투수를 이 높이에서 월류하도록 공급하여 일정 수두를 유지한 다(Fig. 5).
침투율을 단위시간 당 단위면적을 침투하는 침투유 량으로 정의할 때 침투율은 침투층 내 공극이 폐색되지 않으면 침투가 진행되어도 초기 값과 유사하게 유지된 다. 폐색이 진행되는 경우에는 침투층의 투수성 감소로 인해 침투율은 점차 감소한다. 침투시험에서 폐색도가 낮아 유출되는 침투유량이 크게 감소하지 않는 경우에 는 총침투유량을 설정하여 침투시험의 종료 시점을 지
(a) Height of layer (b) Layer designation Fig. 6. Layer designation of infiltration column
정할 필요가 있다.
총침투유량은 침투시설의 관리주기 동안 침투시설이 통과시키는 강우유출수량으로부터 정한다. 국내 년평균 강수량을 1,352mm/yr(Mercado et al., 2012), 침투시설 관리주기 월 1회, 강우유출수의 90%를 수집할 수 있는 이론적 유역면적 400m2, 시험실 침투층의 등가침투면 적이 실제 처리시설의 1/100이라고 가정할 때 총침투유 량은 0.406m3이다. 원형컬럼 침투층 단면적(50.27cm2) 에 대해 이 값을 높이로 환산하면 80m이고, 모래에 대 한 침투시험에서 침투율이 12m3/hr･m2로 유지되는 경 우 총침투유량을 통과시키기 위해서는 6.67 시간이 소 요된다. 폐색이 진행되면 침투율이 감소하므로 시험에 소요되는 시간은 증가된다. 한편 폐색도가 빠르게 증가 해 침투율이 감소되는 경우에는 총침투유량에 도달하 지 않았더라도 유출되는 침투유량이 초기값 대비 80%
이상 감소하는 시점에서 침투시험을 종료한다.
여재 파쇄량은 침투시험 시 침투층 밖으로 유출되는 양과 침투시험 종료 후 침투층 내에 잔류하는 양을 합한 것으로 볼 수 있다. 이들 파쇄량을 다음과 같이 측정한다.
침투층 밖으로 유출되는 파쇄된 여재는 침투시험 시 침투층 하단에서 유출되는 침투수를 일정시간 간격으 로 수집하여 침투수에 포함된 파쇄량을 측정한다. 수집 한 물 시료로부터 부유물질 수질오염공정시험기준(ES 04303.1b)과 Coulter Counter(Beckman Coulter LS230
Laser Diffraction Particle Size Analyzer)를 이용하여 부 유물질 농도로 나타낸 여재 파쇄량과 입도분포를 각각 구한다.
침투층 내에 잔류하는 파쇄된 여재는 침투시험 종료 후 원형컬럼 침투층을 해체하고(기준컬럼시험에서는 침 투시험을 실시하지 않고 제작한 원형컬럼 침투층을 바 로 해체) 침투층의 상단, 중단, 하단에서 여재 시료를 채 취한다. Fig. 6(a)와 (b)에 각각 컬럼층 높이와 시료채취 위치 및 편의상 부여한 명칭을 보였다. 기준컬럼시험과 비다짐조건 침투시험에서는 채취한 시료를 오븐에 건 조한 후 체가름하여 입경 2mm(No. 10체)를 기준으로 통과백분율을 구해 이를 여재 파쇄율로 정한다. 즉, 입 경이 2mm 보다 작은 여재들을 파쇄된 여재로 가정한 다. 다짐조건 침투시험에서 채취한 여재 시료에 대해서 는 여재 파쇄량이 상대적으로 많으므로 2.1.2절의 다짐 파쇄시험의 경우와 동일하게 오븐 건조 후 체가름시험 으로 새로운 입도분포곡선을 구해 비교한다.
침투시험에서 공극 폐색 진행에 따른 침투층의 투수 성 변화를 규명하기위해 투수계수를 측정한다. 투수계 수는 Fig. 6(b)와 같이 침투층을 깊이 별로 5개 구간으로 구분하여 구한다. 침투시험 전 과정 중 임의 시간에 대 한 구간 별 투수계수를 구하기 위해 각 구간에 설치한 수두측정장치를 사용하여 압력수두를 측정한다. 이 때 침투층으로부터 유출되는 시간 당 침투유량을 측정한
Table 4. Amount of particle breakage developed in sand and zeolite during sample preparation and the end of infiltration test
Percent finer #10 Sieve (< 2 mm) Sand Zeolite
Top Middle Bottom Top Middle Bottom
Standard column test 1.41 2.37 2.14 0.96 0.93 0.80
After infiltration test 1.75 2.78 2.45 1.25 1.23 1.20
% Change due to infiltration 0.34 0.41 0.31 0.30 0.31 0.41
(a) Sand (b) Zeolite
Fig. 7. Variation of particle size distribution curves after infiltration test for compacted media
다. 임의 시간에 대한 구간 별 투수계수는 측정한 압력 수두와 침투유량, 구간 별 침투거리, 원형컬럼 침투 단 면적을 Darcy의 법칙에 대입하여 구한다. 동일한 방법 을 반복하여 침투시험 지속시간 중 시간에 따른 구간 별 투수계수 변화를 구한다.
3. 시험 결과 분석
3.1 시료제작 및 침투에 의한 여재 파쇄
원형컬럼 침투층 제작 및 해체 시 발생한 여재 파쇄 량을 측정하는 기준컬럼시험 결과를 Table 4에 정리하 였다. 같은 표에 비다짐조건 침투시험 후 구한 여재 파 쇄량을 함께 나타냈다. 이들 결과에서 순수하게 침투력 에 의해 발생한 파쇄량은 기준컬럼시험과 침투시험 후 에 측정된 파쇄량의 차이값으로 볼 수 있다. Table 4에 이들 차이값을 함께 정리하였다.
기준컬럼시험 결과에서 시료제작 및 해체 과정에서 발생한 여재 파쇄는 모래(1.41%-2.37%)에서 제올라이트 (0.80%-0.96%)의 경우보다 약간 많이 발생한 것으로 나 타났다. 이는 제올라이트 대비 모래의 비중(Table 1에서 각각 2.64와 2.14)이 크고, 또한 둥글기(2.1.1절에서 각 각 0.3과 0.5)가 작은 모난 입자들로 구성되어 있기 때문 으로 추정되었다. 한편, 침투시험 중 모래와 제올라이트
에 대해 침투력에 의해 발생한 파쇄량은 0.30%-0.41%
정도로서 매우 적은 양으로 유사하게 나타났다. 시험 전 후 여재 시료에 대한 입도분포곡선 비교에서는 파쇄로 인한 입경 변화가 작아 입도분포 변화가 거의 발생하지 않는 것으로 확인되었다.
위의 결과들을 종합적으로 판단할 때 침투층 제작 및 침투에 따른 침투력이 원인으로 발생하는 여재 파쇄량 은 무시할 수 있을 정도의 비교적 적은 양으로 발생함을 규명하였다.
3.2 파쇄된 여재의 이동특성
다짐조건의 침투시험 전후 Fig. 6(b)에 보인 침투층의 상단, 중단, 하단에서 채취한 여재 시료에 대해 체가름 시험으로 구한 입도분포곡선을 서로 비교한 결과는 Fig.
7과 같다. 한편, 다짐 및 비다짐조건 침투시험에서 유출 되는 부유물 농도를 측정한 결과, 부유물은 침투 시작 후 15분 이내에서 최대로 유출되고 이후 급격히 감소하 여 전혀 유출되지 않는(0mg/L) 현상을 보였다. 침투 15 분 이내에 부유물 농도의 최대값을 초기유출농도로 정 의할 때, 이 값은 모래와 제올라이트에 대해 다짐조건에 서 각각 784mg/L와 1,928mg/L, 비다짐조건에서 각각 352mg/L와 1,100mg/L로 측정되어 다짐 여부에 상관없 이 제올라이트의 초기유출농도가 모래의 경우보다 2.5-3
Fig. 8. Initial outflow TSS concentration of un-compacted and compacted sand and zeolite
Fig. 9. Distribution of particle size of TSS in initial outflow by the percentage of weight
배 높게 나타났다(Fig. 8).
Fig. 7의 결과에서 침투시험 종료 후 여재의 입도분포 곡선이 전체적으로 하향으로 변화하여 2mm(No. 10체) 보다 작은 입경을 가진 여재의 중량비가 감소하는 경향 을 나타냈다. 감소현상은 모래보다는 제올라이트에서 다소 크게 발생했다. 감소된 중량비에 상응하는 여재 입자들이 침투층 밖으로 유출되어 Fig. 8에 보인 바와 같이 제올라이트의 초기유출농도가 모래보다 높게 나 타났다. 한편, 유출된 입자와 유사한 크기의 일부 입자 들은 유로 이동 중 공극을 폐색하면서 침투층 내에 잔 류하여 침투층의 투수성을 빠르게 감소시킬 것으로 추 정된다.
또한 Fig. 7에서 모래의 경우 2mm-0.85mm(No. 20체), 제올라이트의 경우 2mm-0.425mm(No. 40체) 구간의 입 경을 가지는 입자량 감소가 침투층의 중, 하단부보다는 상단부에서 크게 발생하였다. 이 원인을 분석하면 우선, 상단부 입자는 중, 하단부와 비교하여 상대적으로 작은 구속응력 상태에 있어 입자 이동이 수월하다. 따라서 상 단부 입자는 침투가 진행함에 따라 활발히 이동하여 재 배치되면서 공극을 막고 투수성을 감소시킨다. 일부 입 자는 중, 하단부까지 이동하여 입도분포곡선 변화에서 알 수 있는 바와 같이 유사한 입경의 입자량이 증가되었 다. 반면, 0.85mm 미만 입경의 모래 입자, 0.425mm 미 만 입경의 제올라이트 입자에 대한 감소량은 층별로 차 이가 거의 없다. 이들 입자는 앞서 논의한 바와 같이 침 투시험 초기에 공극을 막아 이동을 멈추거나, 침투층 밖 으로 유출되는 것으로 추정된다.
결과적으로 침투로 인한 침투층 내 여재 입자의 이동 특성을 추론하면, 첫째 입경이 상대적으로 큰 입자는 침 투가 진행함에 따라 이동 및 재이동 현상이 지속적으로 발생하여 투수성 감소의 원인이 되고, 이런 현상이 발생
할 가능성은 침투층의 상단부에서 가장 높다. 둘째, 상 대적으로 입경이 작은 입자는 침투 시작 후 초기에 공극 을 막아 투수성 감소에 기여하거나, 빠르게 이동하여 침 투층 외부로 유출되고, 이 현상은 침투층의 전 깊이에서 균등하게 발생한다고 추론할 수 있다.
3.3 침투층의 부유물 제거 능력
초기유출 침투수에 포함된 부유물의 입경 분포를 Coulter Counter 분석으로 구한 결과를 Fig. 9에 나타냈다. 그림 의 결과에서 알 수 있듯이 유출된 부유물은 50μm 보다 작은 크기를 가지는 것으로 나타났다. 원형컬럼 침투층 바닥에 설치한 토목섬유의 AOS(apparent opening size) 를 상용 부직포에 대한 값인 150μm로 가정하면 다짐조 건에 상관없이 모래와 제올라이트 여재 침투층이 제거 할 수 있는 부유물의 최소입경을 약 50μm로 추정할 수 있다. 만약 강우유출수 처리시설로서 침투시설을 적용 하여 50μm 보다 작은 크기의 부유물을 제거하기 위해 서는 공극 크기를 줄일 수 있거나 흡착성이 높은 여재를 적용하는 등의 적절한 대책을 적용할 필요가 있다.
3.4 침투층의 투수성 변화
다짐조건 및 비다짐조건 침투시험에서 모래와 제올 라이트 침투층에서 발생한 투수성 변화를 분석하기 위 해 시간에 따른 침투율 변화를 초기침투율에 대해 정규 화하여 Fig. 10에 나타냈다. 침투가 진행함에 따라 파쇄 된 여재들이 공극을 폐색하여 침투층의 투수성이 감소 되고 따라서 정규화침투율이 시간에 따라 감소하는 현 상을 Fig. 10에서 볼 수 있다. 비다짐 침투조건에서 모래 와 제올라이트의 초기침투율은 총침투유량이 침투되었
Fig. 10. Variation of the normalized infiltration rate with time
(a) Un-compacted sand (b) Un-compacted zeolite
(c) Compacted sand (d) Compacted zeolite
Fig. 11. Variation of the relative permeability at different layers of media column with time
을 때 각각 2.6%와 5.1% 감소하였다. 다짐 침투조건에 서는 모래의 경우에 4.8%, 제올라이트의 경우에 50.1%
감소하였다. 다짐조건 제올라이트의 경우를 제외하고는 여재 파쇄를 원인으로 발생하는 침투층의 투수성 감소 는 침투시설의 관리주기 내에서 5.1% 이하로 비교적 작 게 발생했다.
투수성 변화 특성을 보다 상세히 조사하기 위해서 침 투층을 Fig. 6(b)에 보인 바와 같은 5개 층으로 구분하고
각 층에 대해 시간에 따른 투수계수 변화를 검토하였다. 모래와 제올라이트에 대해 시험조건 별, 층별로 시간에 따른 투수계수의 변화를 초기투수계수에 대해 정규화 하여 Fig. 11에 나타냈다. Fig. 11의 결과를 보완하기 위 해 침투시험의 시작과 종료 시 측정한 투수계수를 정리 하여 Table 5에 나타냈다. 같은 표에 침투시험 전후 투 수계수 변화량을 시작 시의 투수계수에 대한 백분율로 환산하여 함께 정리하였다.
Fig. 11과 Table 5의 결과에서 투수계수는 침투층의 상단부(모래의 경우 Layer 5, 제올라이트의 경우 Layer 4 와 Layer 5)에서 감소하였다. 이 결과는 3.2에서 추론 한 바와 같이 침투층 상단부에서 파쇄된 여재 입자들의 이동 및 재배열이 가장 활발히 진행돼 공극의 크기가 감소되었기 때문으로 추정된다. 모래의 경우에 이 현상 이 지배적으로 발생하여 투수계수 감소가 장시간에 걸 쳐 서서히 감소한 것으로 나타났다. 한편, 제올라이트의 경우에는 투수계수 감소가 모래의 경우보다 빠르게 진 행되었으며 감소량도 매우 큰 것으로 나타났다. 제올라 이트는 3.2절에서 본 바와 같이 작은 입자들을 모래보다
Table 5. Percent change in permeability experienced by media after infiltration test
Experimental Condition Permeability (cm/sec) Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4 Layer 5
Sand Un-compacted
Initial 0.03 10.90 12.27 16.36 4.09
Final 0.03 15.92 11.94 15.92 1.54
% Change 0.0 46.1 -2.7 -2.7 -62.3
Zeolite Un-compacted
Initial 0.019 3.34 4.30 2.87 1.67
Final 0.018 4.76 5.71 2.11 0.98
% Change -5.3 42.5 32.8 -26.5 -41.3
Sand Compacted
Initial 0.03 2.19 6.16 4.69 2.59
Final 0.03 2.41 5.86 4.47 0.96
% Change 0.0 10.0 -4.9 -4.7 -62.9
Zeolite Compacted
Initial 0.03 3.81 3.81 2.78 0.86
Final 0.02 3.81 1.43 0.14 0.16
% Change -33.3 0.0 -62.5 -95.0 -81.4
다량 함유하고, 입자들이 빠른 시간에 이동하여 공극을 막아 투수계수 감소가 빠른 시간 내에 크게 발생했다. 또한 이 현상이 상단부에서 가장 크게 발생한 이유로는 Fig. 7에 보인 입도분포곡선 변화에서 알 수 있듯이 작 은 입자들의 공극 폐색 및 이동 현상이 상단부에서 가장 크게 발생하였기 때문으로 추정된다.
비다짐 조건에서 모래와 제올라이트의 Layer 2와 다 짐조건에서 제올라이트의 Layer 2에서 침투 진행에 따 른 투수계수 증가가 발생하였다. 침투시험에서 침투층 하단부는 유효상재하중이 상단부 보다 크므로 입자들 의 이동 및 재배치의 가능성이 상대적으로 낮다. 따라서 큰 입자들이 이동하여 발생하는 공극 폐색으로 인한 투 수성 감소 가능성이 낮았고, 더불어 작은 입경을 가진 입자들이 쉽게 빠져나가면서 공극이 커져 투수성이 더 욱 증가되는 현상이 발생하였다.
이와 같이 침투층의 층별로 투수계수 증가 및 감소가 발생하였지만, 감소현상이 증가현상보다 크게 발생하여 전체 침투층의 등가투수계수는 감소되었다. 이 결과는 Fig. 10에 보인 바와 같이 전체 침투층의 침투율 감소현 상으로 나타났다.
4. 결론 및 제언
강우유출수 침투시설 필터에서 파쇄된 여재가 필터 기능 및 수명에 미치는 영향은 잘 알려지지 않아 간과되 는 경우가 많다. 하지만 파쇄된 여재가 공극을 막아 투 수성이 낮아지고 폐색에 의해 기능을 상실하는 등 필터 의 수명에 영향을 미칠 수 있다. 이 논문에서는 시공 중 다짐에너지와 공용 중 침투력에 의한 여재 파쇄 현상이
침투에 미치는 영향을 검토하기 위한 일차원 컬럼 침투 시험을 수행하여 다음과 같은 사실을 규명하였다.
(1) 다짐에 의한 파쇄는 여재의 최적함수비에서 가장 많이 발생하고, 모래는 제올라이트와 비교하여 큰 비중과 작은 둥글기를 가지므로 파쇄가 더 많이 발 생하였다.
(2) 침투시험에서 비다짐 침투층은 다짐 침투층과 비교 하여 투수성 변화가 적고 여재 파쇄도 적게 발생하 였다.
(3) 침투시험 시 침투수에 부유물이 없는 경우에도 여재 입자의 재배열, 재이동으로 인한 공극 막힘으로 투 수성이 감소하였고, 시험 조건에 상관없이 투수성은 침투층의 15% 깊이 이내에서 크게 감소하였다.
(4) 침투 후 입도분포곡선과 초기 유출 침투수의 부유 물 농도를 검토한 결과 모래와 제올라이트 여재가 제거할 수 있는 부유물의 최소입경은 50μm로 나타 났다.
(5) 다짐과 침투력으로 인한 여재 파쇄의 영향만을 고 려한다면, 침투시설 여재로서 모래가 제올라이트보 다 적용성이 높은 것으로 나타났다.
위의 사실에 근거하여 강우유출수 침투시설 설계 및 시 공, 유지관리와 관련하여 다음 사항을 제안할 수 있었다.
(1) 강우유출수 침투시설 필터 설계에 있어서 투수성을 충분히 유지하면서 오염물질을 잘 제거할 수 있는 상반된 조건을 함께 만족시킬 수 있도록 필터 재료 특성을 지정하는 지반수리구조물 필터 기준의 적용
을 고려할 수 있다.
(2) 입도분포가 양호하여 상대적으로 작은 입경의 입자 를 포함하는 여재는 오염물질 제거에 효과적이지만 여재의 이동, 재이동, 재배열로 인한 공극폐색으로 투수성이 감소될 가능성이 높으므로 적용에 주의를 요한다.
(3) 시공 시 과도한 다짐은 여재 파쇄 및 폐색으로 인한 투수성 저하의 원인이 되므로 가능한 배제한다.
(4) 폐색에 의한 침투시설의 기능저하를 방지하기 위한 유지관리 기법으로 관리 주기에 따라 침투층의 상부 깊이 15% 이내를 치환하는 방법을 제안할 수 있다.
감사의 글
본 연구는 BK21+ LID/GSI 인력양성사업팀과 국토교 통부 연구과제[13건설연구S04(13SCIP S04)]의 지원에 의해 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.
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Received : December 17th, 2015 Revised : January 28th, 2016 Accepted : February 3rd, 2016
