2.1. 실험장치의 구성

본 연구에 사용된 실험장치는 벤치스케일 배수구보호 필 터(이하 배수구 필터)로 Fig. 1에는 실험장치의 모식도를 나타내었다. 실험장치는 유입원수 공급탱크와 수로형 필터 모듈로 구성되어 있다.

유입원수 탱크는 가로 1.0 m, 세로 1.0 m 높이 1.0 m의 1.0 m³ 규모이며, 수로형 필터모듈은 가로 0.32 m, 세로 0.12 m 높 이 0.20 m의 크기로 아크릴을 이용하여 제작하였다. 실험장 치의 핵심인 수로형 필터모듈 내부에는 자갈과 섬유여재를 충진하였고 내부에 정류벽을 설치하여 여재가 수류에 의해 움직이지 않도록 고정시켰다.

2.2. 합성섬유 여재 및 운전조건

본 실험에 적용된 유연성 여재는 나일론 재질의 내심에 1100 데니아 폴리프로필렌 다섬사를 엮어 만든 선형구조의 섬유여재로 Fig. 2(a)와 같은 형태로 연구목적에 부응하도 록 설계 주문 제작하였으며 Fig. 2(b)에는 여재의 SEM 이 미지를 제시하였다. Bundle 형태의 여재는 다양한 배수구 구조에 맞도록 틀을 제작하여 쉽게 탈-부착할 수 있는 장 점을 가지고 있다.

합성 섬유여재의 표면은 (-) 성질의 전하를 띠고 있으며 여재의 직경은 약 4 cm, 공극율은 약 90%, 여재의 비표면적 은 1.0-1.6 m²/m 범위를 나타내었으며 Fig. 1의 시험용 수로 에 장착했을 때 겉보기 충진밀도는 약 100-107 g/L 이었다.

본 실험에 사용된 유입원수는 50 μm 이하의 황토를 지하 수와 희석하여 제조한 인공탁수(흙탕물)를 사용하였다. Fig. 3 에는 필터운전에 사용된 황토분말과 입도분포를 분석한 결 과를 제시하였다. 입도분석 결과 전체 입자의 80% 이상이 12 μm 이하의 미세한 입자로 구성되어 있다. 유입원수의 농도는 100 NTU (TSS≒300mg/L)가 되도록 조제하였다.

Fig. 4에는 여재를 충진한 후의 필터 사진을 제시하였다. 수로의 선단에는 잔자갈을 이용한 정류벽을 설치하여 대형 입자상 물질의 유입을 차단하고 유입 에너지를 소산시키면 서 필터로 유입되는 유량이 균등하게 분배될 수 있도록 하 였다. 자갈의 유효경 d₁₀은 1.17 cm, 누적분포 60% 입경 d₆₀ 는 1.37, 균등계수는 1.17이었으며 공극율은 약 40%이었다.

여과속도는 800-1,500 m/day 범위에서 운전을 실시하였다. 필터의 성능평가를 위하여 매 10분마다 유입수 및 유출수 의 유량 및 탁도, 수두손실, 여과속도를 측정하였고 매 20 분 간격으로 채취된 시료에 대해서는 입도분석(AccuSizer 780A model)을 실시하였다. 필터의 운전시간은 실험실에서 고속으로 운전하는 관계로 원수 저수탱크의 용량 및 1톤의 물을 채웠을 때 발생하는 건물의 하중문제로 60분을 기본 으로 하였다.

여과성능의 재현성을 검증하기위해 연속적으로 3회의 반 복시험을 실시하였으며 운전조건에 따라 총 9회의 여과시 험을 수행하였다. 여과시험은 여과장치의 성능을 파악할 수 있도록 여재의 깊이(5, 10, 15 cm), 여과속도(800, 1,150, 1,500 m/day), 여재의 종류(섬유, 자갈) 등의 조건을 변화시켜 실 험을 수행하였다.

2.3. 세척

여과가 종료되면 여과모듈 내부의 체류수를 완전히 배출 하였다. 그 후 여재를 꺼내어 세척탱크에서 세척을 수행하 고 또한 섬유필터에 남아있는 입자상 물질을 세척하였다. 여재가 자유롭게 유동할 수 있을 정도의 크기에 세척탱크 에 세척수를 채우고 여재를 좌우로 흔들어 여재에 부착된 토사를 털어내는 방법으로 세척을 수행하였다. 세척수의 용 량은 5-15L를 사용하였으며 이 때 세척수의 탁도를 측정하 고 입도분석을 실시하였다.

3.1. 배수구 섬유필터의 운전

Fig. 5에는 평균 여과속도 800 m/day - 1,500 m/day 범위에 서 유입원수의 탁도 100 NTU, 여재의 깊이 15 cm (수직형 태로 충진) 조건에서 운전한 결과를 나타내었다. 여과속도 의 증가에 따라 수두손실이 증가하였다. 여과개시 후 공극 내에 토사입자의 억류량이 증가함에 따라 수두손실은 증가 하기 시작해 여과종기에 800 m/day의 여과속도에서 2.7 cm, 1,150 m/day에서 3.4 cm, 1,500 m/day에서 4.2 cm로 나타났다.

여과속도가 증가함에 따라 손실수두가 증가한 이유는 수 두손실은 속도에 비례하기 때문이다. 매우 빠른 고속 여과 속도와 비교하여 본 섬유여과에서 발생한 수두손실은 일반 적인 입상(모래 등)여과에서 발생되는 수두손실 2.5-3.0 m (^{Kawamura, 2000})와 비교하면 극히 미미하였다. 이는 섬유 필터의 공극율은 40-50% 사이의 공극율을 갖는 입상여재 와 비교하여 90% 이상으로 매우 컸기 때문이다. Table 1.

한편 여과속도에 따른 여과수의 탁도변화를 살펴보면 800 m/day에서 38-58 NTU, 1,150 m/day에서 47-67 NTU, 1,500 m/day에서 52-84 NTU를 보였다. 필터 유출수의 탁도는 800 m/day와 1,150 m/day에서와 달리 1,500 m/day의 여과속 도에서 여과개시 직 후 부터 증가하기 시작하였는데 그 이 유는 여재 내부에 토사 억류량이 급속히 증가하여 수두손 실이 배가되었기 때문이다.

여과 지속시간 동안 평균 여과효율은 800 m/day에서 51%, 1,150 m/day에서 42%, 1,500 m/day에서 34%이었다. Fig. 6 에는 여과시간에 따라 촬영된 필터사진을 나타내었다. 그림 에서 보는 바와 같이 여과 시작과 동시에 여재 전 영역에서 서서히 여과가 시작되어 전체 여재 층에서 심화되는 심층 여과(depth filtration)가 진행되었음을 보여주고 있다.

세척은 Fig. 5에 제시한 바와 같이 60분 간격으로 수행하 였으며 90-92%의 입자상 물질 회수율을 보였다. 또한 세척 후 2차, 3차 여과시험에서 1차 여과시험과 마찬가지로 여 과수의 탁도가 유사한 수준을 나타내어 여재의 손상은 미 미한 수준으로 생각된다.

3.2. 여과지 운전변수에 따른 여과성능

Fig. 7(a)에는 서로 다른 여재 두께에서 여과속도에 따른 여과효율을 비교하여 제시하였으며 Fig. 7(b)에는 수두손실 에 따른 여과효율의 변화를 나타내었다. 여과속도가 낮을수 록 여재의 두께가 증가할수록 여과효율이 증가하는 전형적 인 여과곡선을 보이고 있다. 한편 여재두께가 작을수록 여 과속도 증가에 따른 수두손실의 변화에 여과효율은 민감한 반응을 보였다.

Fig. 8에는 세척시 입자상 물질의 회수율을 비교하여 제 시하였다. 그림에 나타난 바와 같이 입자상 물질의 회수율 은 여과속도의 증가에 따라 미약한 수준이었지만 감소하였다.

그 이유는 여과속도가 증가할수록 여재에 억류되는 입자 의 양도 증가하기 때문에 여재로부터 세척 분리할 수 없는 입자의 양이 컸던 것으로 판단된다. 또한 큰 여과속도 조 건에서 관성력의 영향으로 선형여재의 깊숙한 사이트까지 파고들어 분리가 이루어졌기 때문으로 사료된다. 그러나 고 형물 회수율은 90-92% 범위로 양호하였으며 유사한 회수 율을 나타내었다.

3.3. 섬유필터의 성능과 여과속도 및 여재두께와의 관계

지난 100년이 넘는 기간 동안 널리 적용되어 온 모래와 같은 입상여재를 적용하는 필터의 성능예측 및 설계에 대한 수많은 모델 및 공식이 제안되었다. 그러나 수처리를 위한 비직조(non-woven) 섬유여재의 도입은 2000년대 이후 시작 되어 성능평가 모델에 대한 연구는 매우 빈약한 형편이다.

^{Yu et al. (2013)}과 ^{Yu et al. (2015)}은 본 연구에서 사용된 비직조(non-woven) 끈상 여재와 동일한 여재를 이용한 탁 수차단 실험을 바탕으로 이론적, 경험적인 설계모델을 제안 한 바 있다. 그의 경험적인 모델은 무차원 수리학적 인자. 온도인자, 여재인자, 농도인자, 입자인자가 포함되어 있으며 이들은 탁수 확산차단에 복합적인 영향을 끼치는 것으로 가정하였다.

그러나 ^{Yu et al. (2013)}과 ^{Yu et al. (2015)}이 제안한 모델 은 압력변화가 거의 없는 자유수면 수로에 설치된 수평 흐 름형 여과매트에서 충격탁수 유입에 의해 일어나는 여과현 상을 바탕으로 개발된 것으로 본 연구의 하향류, 압력식 연속 운전되는 고속필터에 적용하기에는 거리가 있다.

본 연구에서는 고속필터 여과수의 탁도를 예측하기 위해 ^{Hudson and Sawyer (1961)}에 의해 입상여재를 충진한 여 과지를 대상으로 개발된 모델을 적용하였다. Hudson이 제 안한 모델의 형태는 아래 식과 같다. 이 모델은 여과속도 인자, 여재의 특성인자, 수두손실인자, 여재의 깊이인자를 포함하고 있다.

여기서, C_e = 여과수의 탁도(NTU)

C₀ = 유입원수의 탁도(NTU)

V = 여과속도(m/day)

d = 유효경(mm)

p = 공극율

H = 여과장치의 수두손실(m)

S = 수두손실의 범위

L = 여재의 깊이(m)

본 연구에서는 상기식에서 수두손실 인자 H와 S는 0-5 cm 로 매우 작으므로 전체적인 효율에 미치는 효과는 제한적 이므로 무시하였다. 또한 공극율은 90% 이상으로 모든 여 과 실험과정에서 동일하였으므로 배제하였다. 배수구 보호 목적의 필터 실험결과를 바탕으로 여과성능 C/C₀ 는 다음 과 같이 여재의 두께와 여과속도 만의 함수로 보고 다음과 같은 Log-Log 관계식을 제안하였다.

여기서 k_f 는 경험적 여과상수를 나타낸다. 유입수 및 유 출수의 탁도, 여재깊이(L), 여과속도(V)를 변수로 운전한 필터 운전자료를 바탕으로 Excel Solver 를 이용하여 모델 상수 a, b, k_f 를 산출한 결과 다음 식과 같았다.

한편 본 연구를 통하여 제안된 섬유필터 모델에 27세트 의 운전자료를 적용하여 실측값과 계산값의 Zero-interception 선형 상관관계를 분석한 결과 Fig. 9와 같았다. 그림에 나타난 바와 같이 선형회귀직선의 기울기가 0.99로 자료의 증감이 잘 반영되고 있으며 측정값과 계산 값이 일치하고 있음을 알 수 있다.

한편 본 연구에서 제안하고 있는 섬유필터를 현장에 적 용하고자 할 경우 설계 목표효율을 달성하기 위한 필터의 두께(두께) L, 필터의 면적(A)을 결정할 수 있도록 식 (4)를 다음과 같이 변형하였다.

건설사업장 배수계통의 여건에 따라 두 가지 형태의 설 계방식이 가능하다. 먼저 식 (5)를 통해서 설계 목표효율 (C_e/C₀)과 여과속도(V)가 결정되면 요구되는 필터의 두께 L 을 산출할 수 있으며 필터의 단면적 A는 설계 유출유량을 바탕으로 계산할 수 있다. 한편 설계 목표효율(C_e/C₀)과 필 터의 두께(L)을 결정한 후 여과속도 V를 산출하여 이 값을 바탕으로 필터의 단면적 A를 산출할 수 있다.

3.4. 자갈필터와 섬유여재 필터의 효율비교

현재 일반적으로 국내외 건설사업장에서는 흙탕물 처리 를 위하여 임시 침강지를 설치하고 Fig. 10(a)와 같이 유출 부에 자갈필터를 설치하여 운영하고 있다. 본 절에서는 자 갈필터 대신에 Fig. 10(b)와 같이 유출부에 본 연구에서 제 안하고자 하는 섬유필터 설치를 상정하여 자갈필터와 섬유 필터를 비교 평가하였다.

운전조건은 동일하게 유입수의 평균탁도는 100 NTU, 여 재층의 두께는 15 cm, 평균 여과속도는 약 1,150 m/day이었 다. Fig. 11에 따르면 섬유여재 필터와 자갈필터의 운전초기 수두손실은 각각 1.5 cm와 0.5 cm 이하를 보여 섬유필터에 서 더 컸는데 그 이유는 섬유필터의 공극율이 90%로 자갈 필터의 40%에 비해 훨씬 컸지만 섬유필터의 간극 크기 및 공극의 구조가 작고 훨씬 복잡하기 때문이다.

여과가 진행되는 동안 섬유필터에서 수두손실은 점진적 으로 증가하여 여과종기에는 2.5cm에 이르렀지만 자갈필터 에서는 거의 변화가 나타나지 않았다. 섬유필터에서 여과가 진행되는 동안 수두손실의 점진적 증가는 억류되는 토사량 의 증가와 관련이 있다.

3회의 연속운전을 바탕으로 평가한 효율은 섬유여재 필 터에서 약 32%를 보였고, 자갈필터에서는 약 9%의 효율을 나타내었다. 자갈필터에서 나타난 여과기작은 대부분 수류 진행 방향으로 움직이는 토사입자가 자갈표면에 침적되는 현상이 주종을 이루었다.

3.5. 섬유필터의 효율향상 방안

앞서 제시한 섬유필터의 성능자료에 따라면 여과속도 기준 으로 800-1,500 m/일, 유입수의 탁도 100NTU(TSS = 300 mg/L) 조건에서 필터두께에 따라 약 10-60% 저감할 수 있는 것으 로 나타났다. 섬유필터의 면적을 늘려 여과속도를 줄이거나 필터두께를 증가시키면 당연히 효율을 향상시킬 수 있으나 현장 배수구의 형상이나 사업장 여건에 따라 어려울 수 있다.

이와 같은 경우에 여과효율은 여과보조제(응집제)의 주입 으로 크게 향상시킬 수 있다. 황토 콜로이드 입자의 (-) 전 하와 본 연구에 사용된 합성섬유여재가 갖는 전하가 (-)로 동일하므로 섬유여재와 입자사이에는 반발력이 우세하게 작용하게 된다.

따라서 일반적인 심층여과가 일어나는 필터의 간극이나 공극에서 일어나는 충돌(impaction), 침전(settling), 확산(diffusion), 차단(interception), 응결(flocculation) 등과 같은 기작 에 따르는 억류는 일어나지 않고 여과지로 유입되는 입자 중 여재가 제공하는 공극의 크기보다 큰 입자상 물질만이 우연한 접촉에 의해 강제 억류 제거되는 체거름(straining/ trapping) 기작만이 일어났기 때문에 여과속도가 크거나 여 재두께가 작은 경우에 낮은 효율을 보인 것으로 해석된다.

또한 입자와 섬유여재 사이에 존재하는 반발력은 공극에 억류된 입자의 부착력을 약화시키는 작용을 하므로 고속운 전조건에서 형성되는 수류의 전단력에 의해 파괴되어 유실 되므로 매우 작은 수두손실의 변화에도 여과수의 탁도가 크게 증가한 것으로 판단된다.

본 연구에서 사용한 섬유와 동일한 나이론 합사를 충진 한 하향류 압력여과시험에 따르면 여과보조제로 PAC 0.5 mg/L를 주입한 결과 주입하지 않은 경우와 비교하여 효율 을 30% 이상 향상시킬 수 있다고 보고하고 있다(^{Park et al., 2015}; ^{Niu et al., 2016}). 그러나 응집제의 투여는 여과효율 을 향상시키는 효과가 있는 반면에 단점으로는 응집제 주 입에 따른 운전비용의 상승과 슬러지 발생량이 증가한다는 점이다.

또한 응집제를 넣게 되면 단순한 여과로 제거된 토사가 일반 슬러지가 아니라 화학적인 슬러지로 전환되기 때문에 슬러지 처리/처분 비용이 크게 상승하게 된다. 따라서 섬유 필터를 이용한 토사입자 여과를 위한 응집처리는 도심지에 서 이루어지는 터파기 공사나 지하철 공사장에서 평상시 지하수 발생과 함께 발생하는 흙탕물을 처리하는 목적이 아니면 바람직하지 않다고 판단된다.