2.1. 파일럿 장치 구성

본 연구를 위해 제작한 파일럿 장치는 처리유량 480 m³/day 규모로 Fig. 1과 같이 원수조와 유입분배조, 여과조 및 처리수 저류조로 구성하였다. 파일럿 장치는 280,000 m³/day 규모를 가진 청주시 하수처리장 유입동 침사지 옆에 설치하였다. 강 우 시 CSO를 모의하기 위해 침사지 저류수와 200 μm이하 도 로퇴적물을 혼합하여 10.0 m³용량의 원수조에서 공기와 교반 기로 혼합하여 처리장치로 펌프 이송하도록 하였다. 원수는 여과조 하부로 유입되어 상향류 방식으로 면적 1.0 m²의 여과 조에서 처리된다. 여과조 하부에는 역세척 공기 공급을 위한 조대폭기형 볼형 산기관(bowl diffuser)를 장착하였다. 볼형 산기관은 막힘이 적고, 유지관리가 용이한 특성을 가졌으며 공기크기는 큰 편이다. 여과된 처리수는 저류조에 저장 후 역 세척수로 사용될 수 있도록 공급펌프를 설치하였다. 처리유 량과 역세척 공기량은 전자식 유량계를 통해 측정된다. 원수 조, 여과조, 처리수조의 수위는 초음파 센서로 측정되어 자동 운전을 통해 무인운전이 가능하도록 구성하였다. Table 1에 파일럿 장치의 설비제원을 나타내었다.

Fig. 1. Installation of filter type ofthe non-point treatment pilot device.

2.2. 여과형 비점오염저감시설의 설계기준

여과형 비점오염저감시설은 환경부 매뉴얼에 의하면 여재 는 손실수두가 10 cm를 초과하지 않고 고형물 부하 4 ~ 6 kg/m²에서도 막힘현상이 발생하지 않으며, 역세척 후 손실수 두를 회복할 수 있는 것을 사용해야 한다. 이를 바탕으로 여 과선속도 20 m/h 조건에서 연간 SS제거효율 80 %를 달성를 목표로 시설을 구성해야 한다. 역세척 공기량은 50 m³/m²/h 내외로 제시하고 있으나 본 연구에서는 여과컬럼에 의한 실 험으로 도출된 최적유량 10 m³/m²/h를 적용하였다.

2.3. 파일럿 장치 운전 및 분석방법

파일럿 장치는 2016년 7월부터 2018년 6월까지 9회를 운 전하였고 매회 운전시간은 약 80분 동안 진행하였다. 5 ~ 10 min 간격으로 유입수와 처리수 시료를 채수하였으며, 운전 시간에 따른 수두손실변화를 초음파 수위계를 이용하여 측 정하였다. PP media를 600 mm 충진한 여재부피는 600 L이 며, 여과속도는 환경부에서 제시된 기준치인 20.0 m/hr로 일 정하게 유지하였다. 역세척은 운전종료 후 여과조 하부의 잔 류수를 여재층의 70 % 높이까지 배출시킨 후, 역세척 공기 주입속도 10.0 m³/m²/hr로 5분 동안 1차로 실시하였으며, 2 차로 1차 역세척 잔류수를 배출시킨 후 역세척수를 여과조 에 1.5 m³를 공급한 후 역세척 공기 주입속도 10.0 m³/m²/hr 로 5분 동안 실시하였다. 1차, 2차 역세척 후 운전시점의 수 두손실을 측정하였고, 배출된 역세척 수량과 시료를 분석하 여 여과조 내에 잔류된 고형물량 물질수지를 산정하였다.

채수된 시료의 SS는 0.5 L를 채수하여 수질공정분석법에 준 하여 분석하였으며, 탁도는 HACH사 탁도계(측정범위 0 ~ 4,000 NTU)를 사용하였다. 입경분포는 입도분석기(particle size analyzer)를 이용하여 평균입경, 10 %, 60 %, 90 % 입경을 분석하였다(SALD-2101, Schmadzu). 2018년 운전 시에는 채 수된 31개 시료에 대해서는 COD, TP 항목을 추가하여 수질오 염공정시험법에 준하여 분석하였다(^{Rice et al., 2017}). 파일럿 장치 운전 전·후 PP media의 표면특성, 공극, 조직 치밀성 등을 관찰하기 위해 주사전자현미경사진(scanning electron microscope, SEM)을 측정하였다.

2.4. 파일럿 장치 처리효율 및 수두손실 측정방법

파일럿 장치의 처리효율은 유입수 농도와 유출수 농도를 바탕으로 식 (1)을 이용하여 산정하였다. 무부하시 수두손실 은 수돗물을 원수저류조에 채운 후 여과조에 유입시켜 유입 분배조, 여과조, 처리수 저류조의 수두를 측정하여 산정하였 다. 여재를 제외한 장치의 수두손실은 2016년 환경부 비점오 염저감시설 매뉴얼을 참고하여 마찰수두손실(h_L1)는 식 (2), 기타 수두손실(h_L2)은 식(3)를 적용하여 총 수두손실을 산정 하였다(^{ME, 2016}).

여기서, f=손실수도계수, L=관 길이, D=관경, v=유속, K=기 타 수두손실계수이다.

3.1. 파일럿 장치 무부하시 수두손실

평균여과속도 20.6 m/hr에서 총 90 min 동안 총 21회 측정 한 수두손실은 0.3 ~ 1.0 cm(평균 0.59 cm)로 산정되었다. 파 일럿 장치의 배관 마찰손실, 유입·유출 손실, 밸브 및 곡관 손실을 합한 총 수두손실은 6.9 cm로 산정되어 환경부 기준 값인 10.0 cm 이하를 만족하였다.

3.2. PP여재의 특성

PP여재는 polypropylene과 polyethylene를 혼합한 섬유여 재이며, 유효입경 5.5 mm, 균등계수 1.5, 겉보기 밀도 0.068 g/cm³, 공극율 91.2 %의 물리적 특성을 보인다. 변수위 투수 계수 산정법으로 측정한 pp여재의 투수속도는 50.2 m/hr로 파일럿 장치 여과속도 20.0 m/hr의 2.5배 이상을 나타내었다.

3.3. 파일럿 장치의 CSO 처리특성 분석

파일럿 장치의 여과조 평균체류시간은 4.4분으로 나타났으 며, 고형물부하량, 여과선속도, 수두손실의 평균값은 각각 6.8 kg/m², 19.6 m/h, 5.3 cm로 측정되었다. 운전기간 유량, 여과선속도, 체류시간, 수면적부하율, 고형물부하량, 수두손 실의 범위와 평균 등을 Table 2에 정리하였다.

위와 같은 운전조건에서 파일럿 장치의 CSO 처리효율은 탁 도 0.4 ~ 76.1 %(평균 49.0 %), SS 51.4 ~ 91.6 %(평균 77.8 %), COD 22.2 ~ 59.4 %(평균 38.3 %), TP 14.5 ~ 52.6 %(평균 38.1 %) 범위로 나타났다. 유입수와 유출수 농도범위와 입경범위, 제거효율 등을 Table 3에 정리하였으며, 운전시간에 대한 유입 수, 유출수 농도 및 처리효율을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2. The variation of influent and effluent turbidity, SS, COD, TP concentration, and removal efficiency with operation time.

Fig. 2에서 운전시간 14.8 ~ 16.3 hr 구간에서 처리효율이 낮게 나타난 것은 7회 운전기간으로 역세척 하지 않은 상태 에서 다시 운전한 실험조건 때문으로 판단되며, 이는 여과형 비점처리장치에 역세척이 중요한 운전조건임을 나타내고 있 다. 7회 운전기간을 제외하면 SS 평균제거효율은 80 %이상 으로 환경부 처리효율기준을 만족하는 결과를 나타내었다. 운전시간과 역세척에 따른 누적고형물부하량 변화와 수두손 실을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 4는 수두손실 증가와 누적고 형물부하량 관계를 나타낸 것으로 상관계수는 0.85로 유의하 게 높은 것으로 분석되었다. 이와 같은 결과는 ^{Hwang et al. (2017)}의 세라믹 여재를 이용한 연구에서 제시한 누적고형물 제거율 및 공극률과 손실수두의 상관계수 0.898 ~ 0.951과 유 사한 결과로 나타났다.

Fig. 3. The variation of the cumulative loading rate and head loss with operation time.

Fig. 4. The relationship between the head loss and cumulative solid loading.

3.4. CSO 내 탁도와 SS의 상관관계 분석

탁도는 수중 부유 또는 콜로이드상 입자 빛의 산란광을 NTU 단위로 나타내며 실시간 모니터링이 가능하다. ^{Tchobanoglous et al. (2014)}은 생물학적 처리공정에서 침전된 2차 처리수와 입상여과처리수의 SS농도는 탁도의 각각 2.3 ~ 2.4, 1.3 ~ 1.6배 의 상관관계를 제시하였다.

여과형 파일럿 장치의 여재상태, 처리수 특성 등을 파악하 고 실시간 모니터링 가능성 파악을 위해 탁도와 SS의 관계 를 분석하였다. Fig. 5와 같이 유입수의 경우 SS는 탁도와 상관계수(R²)값 0.90, 비례 값이 2.8로 분석되었으며, 처리수 는 상관계수 0.81, 1.3 비례 값을 나타내어 두 경우 모두 유 의한 상관성을 나타내었다. 한편, Fig. 5에서 고탁도시(250 NTU 이상) 탁도와 SS와 상관도가 떨어지는 것은 탁도를 유 발하는 콜로이드성 미세입자에 비해 상대적으로 큰 입자물 질로 인해 SS 변화에 지배적인 영향을 미쳐 편차가 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 5. The relationship between turbidity and SS for the influent and effluent of the pilot device.

이와 같은 결과는 농도가 높을수록 SS와 탁도의 상관계수, 비례 값은 증가하는 것을 보여준다. 또한 Fig. 6과 같이 SS 제거율과 탁도제거율 상관계수는 0.82로 유의한 것으로 분석 되었다. 상기 결과를 종합할 때, 여과형을 비점오염 처리장 치 성능, 효율 등 운전상태 실시간 모니터링 항목으로 탁도 측정이 가장 적합한 것으로 판단된다.

Fig. 6. The relationship between the turbidity and SS removal efficiency.

3.5. PP여재의 입장성물질 처리특성 분석

파일럿 장치에 적용된 PP여재의 입자성물질 처리특성을 분석하고자 유입수와 처리수 시료의 입경을 분석하였다. Shimadzu SALD-2101 프로그램을 이용하여 입자 수는 부피를 기준하였고(^{Shimadzu Corporation, 2019}), 분포함수는 Rosin- Rammler로 설정하여 0.01 ~ 1000 μm까지 0 ~ 100.0 % 누적 입경분포를 산정하였다. 시료는 각각 유입수, 유출수 각 120 개로 총 240개의 자료를 분석하였다. Table 3에 정리한 바와 같이 유입수 평균입경 범위는 4.6 ~ 40.1 μm(평균 21.2 μm)이 고, 처리수는 0.9 ~ 24.5 μm(평균 6.4 μm)로 여재에 의해 입경 이 감소하는 특성을 나타내었다. CSO 처리 전·후의 평균입 경 누적분포와 표준편차를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. The particle size distribution(PSDs) for influent and effluent. Each of the influent and effluent data set is mean PSDs and standard deviation.

Fig. 7에서 90 % 누적분포 입경은 유입수, 유출수에 대해 각각 80 μm, 35 μm를 나타내고 있다. 60 % 누적분포 입경은 유입수, 유출수에 대해 각각 30 μm, 10 μm으로 여과에 의해 입경이 감소되는 경향을 보여준다. 표준편차 범위는 유입수 0.0 ~ 13.7 μm(평균 4.0 μm), 유출수 0.0 ~ 25.7 μm(평균 7.3 μm) 으로 유출수가 표준편차가 큰 값을 나타내었다. 여과 후 입경 은 감소하지만 여과 중에 여재에 축적되어 있던 입자들의 유 출되므로, 60 % 누적분포 입경이상의 표준편차가 크게 나타나 는 것으로 판단된다. Fig. 8은 여과 중, 여과 후 여재 모습을 촬영한 것으로 여과 후에 여재내 입자들이 축적된 모습을 나 타내고 있다. Fig. 9는 여과 전·후 PP media에 대한 400배율 SEM 측정 사진이다. 여과 후 PP media 내부 섬유표면 및 공극 에 입자물질이 부착되어 공극이 감소된 상태를 나타내고 있다.

Fig. 8. The experiment filter PP media.

Fig. 9. The SEM images of the filter PP media before and after filtration.

본 파일럿 장치에 적용된 PP여재의 입장성물질 처리특성 을 분석한 결과 유입수 평균입경 범위는 4.6 ~ 40.1 μm(평균 21.2 μm), 처리수는 0.9 ~ 24.5 μm(평균 6.4 μm)로 나타나 약 10 μm 이하의 입자는 대부부분 유출되는 것으로 나타나 미 세입자 물질이 주를 이루는 원수에 대해서는 이에 대한 보완 이 필요할 것으로 판단되었다.

3.6. 파일럿 장치의 역세척 특성 분석

역세척은 여과지내 여재기능을 재생하는 과정으로 여과장 치의 성패를 좌우하는 중요 공정이다. 역세척을 2회 반복하 여 물질수지를 산정하였으며, 이를 바탕으로 역세척에 의한 여과 회복력을 분석하기 위해 파일럿 장치에 대한 고형물 물 질수지 Fig. 10과 같이 적용하였다.

Fig. 10. The backwashing effect analysis with solids mass balance.

식(4)는 역세척 후 여재에 잔류된 고형물량(kg)을 산정한 식 으로, 운전시간 동안 유입된 고형물 총량에서 처리수와 역세척 후 하부로 배출된 고형물 총량에 대한 물질수지 식이며, 식 (5) 는 역세척 후 여재에 남아 있는 고형물질량을 유입 고형물질 총량으로 나누어 여재 여과 회복력(%)으로 표현한 것이다.

여기서, Q_I, Q_O=유입수와 유출수 유량(m³/day), C_I,C_O=유입 수와 유출수 SS농도(mg/L), ΔT=운전시간(hr), C_U1,C_U2=잔류 수의 SS농도(mg/L), V_U1,V_U2=여과조 잔류수 배출량(L) 이다.

유입수, 여과조, 여과조내 잔류수 배수, 역세척수 배수, 그 리고 유출수에 함유된 고형물질량 등 총 6회 역세척 분석자 료와 물질수지 산정 값 평균을 Table 4에 정리하였다. 1차 역세척 과정에서 유입수 SS(kg)에서 대한 잔류수 배수에 의 해 제거된 SS(kg)분율, SS_BW1/SS_IN(%)은 평균 39.0 %로 산정 되었다. 2차 역세척 과정에서 유입수 SS(kg)에서 대한 역세 척 잔류수 배수에 의해 제거된 SS(kg)분율, SS_BW2/SS_IN(%)은 평균 26.8 %로 산정되었다. 1차 역세척이 2차 역세척보다 여재내 고형물 제거가 많이 되는 것으로 분석되었다. 여과조 에 유입된 SS량(kg)에 대한 역세척 후 여과조내 SS잔량(kg) 백분율은 평균 15.5 %로 역세척 후 여재 여과 회복율은 84.5 %로 분석되었다.