점오염원으로부터 발생하는 오염물질의 감소로 인하여 비점오염원으로부터 발생하는 오염물질의 수계오염에 대한 상대적인 기여도가 높아지고 있다(MOE, 2014). 최근 비점오염원에대한 중요성과 문제점을 인식하고 다양한 비점오염 처리공법을 모색하는 연구들이 진행되고 있다. 강우 유출수는 대표적인 비점오염원으로서 불규칙한 발생, 많은 종류의 유해물질의 함유, 극단적인 유량 변동 폭 등으로 기존 하수처리공법으로는 처리가 불가능하다(Lee et al., 2009). 장치형 비점오염 처리시설 중에서 오염물질 제거율이 상대적으로 높은 가장 확실한 여과형 장치는 적용성이 높다(Kim et al., 2010). 하향류식 입상 여과는 가장 많이 이용되고 있는 비점오염 처리시설로 처리효율은 높지만 여재 폐색, 여과층 내에 포획된 오염물 재유출 등의 문제점이 있다(Park et al., 2008; Kim et al., 2009). 하향류식 여과의 대안으로 제시된 상향류식 여과는 처리효율이 하향류식에 비해 낮고 일정한 운전시간이 경과하면 여재 내의 고형물질들이 돌파되어 유실 가능성이 있다. 따라서 여과형 비점오염 처리시설에는 적절한 전처리 시설이 필요하다(Lim et al., 2012).

비점오염 저감시설은 SS의 연간 제거효율 80% 이상을 목표로 하여 설계해야 하며 제거효율이 80%에 미치지 못할 경우 여러 시설을 조합하여 구성해야 한다. 2015년부터 설치되는 여과형 비점오염 처리시설은 강우가 종료되면 역세척을 실시하여 여재 내에 포획된 고형물을 제거하도록 규제하고 있다(MOE, 2014a). 비점오염 처리시설의 역세척 방법으로는 대부분 처리수를 여재에 순환시키는 역세방식을 사용하고 있다(Kim et al., 2010; Shimazu et al., 2008). 환경부는 여재 내에 포획된 고형물을 완전하게 제거하기 위해서는 공기세척+수세척의 방법을 권장하고 있다(MOE, 2014a). 여과형 비점오염 처리시설의 역세척 실시 전·후의 여재 세척효과, 처리효율의 변화, 고형물질 물질수지 등에 대한 연구는 현재까지 매우 미진하다. Kim et al. (2014)은 하수처리장 침사지 유출수를 대상으로 압축성 섬유여재 여과의 적용성을 검토하였는데, 입경분포 분석을 통하여 여재의 압축률이 증가할수록 유출수의 입경이 작아져 응집과 같은 추가 공정 도입 필요성을 보고하였다. 여과형 비점오염 처리시설에 적용되고 있는 여재들은 매우 다양하지만, 고농도 미세입자들을 가진 강우유출수를 여과만으로 처리함에 한계가 있다. Hydrocyclone은 높은 수면적부하율로 운전이 가능하고 구동부분이 없으며 운전 및 유지관리비가 적게 소요되어 미세입자물질 제거에 효과적인 장치로 다양한 산업분야에서 활용되고 있다(Neru et al., 2009; Pandic et al., 2009).

본 과제의 목표는 첫째, 도시지역의 대표적인 비점오염원인 강우 유출수내 함유된 미세입자를 처리하기 위한 전처리 시설로 hydrocyclone을 이용하여 고속 응집·응결·침전시킴으로서 여과지에 고형물질 부하를 최소화할 수 있는 기술을 개발함에 있다. 둘째, hydrocyclone응집을 극대화하기 위해 hydrocyclone 하부에 농축된 고형물질들을 유입수와 혼합하여 재순환시키는 밸러스트 응집, 응결 방식을 적용한 오염물질 처리특성을 분석하는데 있다. 셋째, 여과조 배수밸브 조작 모드와 공기와 물을 이용하여 역세척을 실시하고 물질수지를 적용하여 여재에 잔류하는 고형물질량을 산정하여 역세척 효과를 분석하는 데 있다.

여과형 비점오염 처리장치의 장치 공정도는 Fig. 1과 같다. 처리장치는 유입수 저류조 및 교반기, 가변식 유입펌프, 응집제 저류조 및 정량 주입펌프(Master FlexL/S, 17), hydrocyclone, hydrocyclone 하부배출수 재순환 펌프, 여과조, 역세척용 처리수 저류조, 여재 카트리지 및 공기, 물세척 노즐, 기타 밸브 및 배관 등으로 구성하였다. Hydrocyclone과 여과조의 설계 제원은 Table 1과 같다. Hydrocyclone의 내경은 50 mm, 전체 높이는 200 mm이고 하단 콘 높이는 150 mm, 상단 높이는 50 mm이며 전체 용적은 0.20 L이다. 여과조는 전체 용적과 높이는 각각 60.36 L, 600 mm이다. 유입수는 상단에서 유입하여 중앙 유입관을 통하여 하부 침전영역에 도달 후 상향류로 여재 카트리지를 통과하여 유출되는 구조이다. 여과조 하부에서는 와류형 침전으로 응결효과를 유도하도록 하였다. Fig. 2는 여과조 카트리지 높이를 4단, 면적으로 1/4로 분리하여 다양한 여재들을 조합, 교체 가능하도록 설계한 모습을 나타낸다. 카트리지 상단과 하단에 물분사 노즐과 공기분사 노즐을 장착하여 역세효과를 증가시키기 위한 구조로 설계하였다.

여과조 여재는 폴리에틸렌 재질의 비압축성 여재를 대상으로 하였다. 카트리지에 충진한 여재는 Fig. 3과 같이 폴리에틸엔 재질의 비압축성 여재로 1~2 mm의 직육면체 형태이며 비중은 약 0.5이다. 역세척 장치를 부착한 여과조의 설치된 모습을 Fig. 4에 나타내었다. 카트리지 상단에는 스파이럴 노즐을 4개 장착하여 물을 분사하도록 하였고, 4단 카트리지 하부에는 공기분사 노즐 4개를 장착하였다.

도시지역에서 비점오염 유출수를 모의하기 위해 실험에 사용한 입자들은 일평균 통행량 약 37,000대의 4차선 도로변 퇴적물질 중 미세입자들을 이용하였다(TMS, 2014). 퇴적물질 시료 10 kg을 채취하여 수돗물에 희석 후 체(sieve) 입경 200 µm를 통과한 입자와 물을 유입수로 하였다. 초기 충격부하에 대한 여재의 여과능력을 알아보고자 강우 초기 유출수의 농도를 높게 설정하였으며 실험 후반부에는 저농도 강우유출수를 모의하였다. 유입수 저류조는 용량 1,000 L이고 450 rpm으로 교반 혼합하여 슬러리 상태를 유지시켰다. 유입수 저류조에서 유량조절이 가능한 원심펌프와 바이패스 밸브를 이용하여 일정 유량을 hydrocyclone으로 유입시켰다. 응집제는 폴리염화규산알루미늄(polyaluminium chloride silicate, PACS)계열 응집제를 이용하였는데, 응집교반실험(Jar test) 결과를 기초하여 가장 응집효과가 우수한 KG-케미칼(주)(KG Chemical, 2014)에서 제조한 PACS-2 (이하 PACS로 표기)를 이용하였다. PACS 주입지점은 hydrocyclone 유입부 25 mm PVC 배관에 정량펌프를 이용하여 주입용 포트로 주입하였다. 하부 배출수는 정량펌프를 이용하여 hydrocyclone으로 재 유입시켜 응집효과를 높이는 밸러스트 응집을 유도하였다. 3 L용기를 이용하여 시간-용량법을 병행하여 유출수 유량을 측정하였다. 유입수, hydrocyclone 유출수와 하부배출수, 여과조 유출수 등 4지점에서 시료를 채수하여 pH, 탁도, SS를 분석하였다. Hydrocyclone 응집과 여과조 시스템의 운전인자는 여재의 종류, 탁도, SS 농도, 유량과 수면적부하율(surface loading rate, SOR), 그리고 역세척 전·후 수질변화에 대하여 분석하였다. 시료 채수는 유량의 변화를 주었을 때 여과조에서 약 3분 이상 경과한 후 안정된 상태에서 각 시료채수지점에서 동시 채수하였다. SS는 시료 120 mL를 채수하여 수질공정분석법(MOE, 2014b)에 준하여 분석하였고, 탁도는 HACH사 탁도계(측정범위 0~5,000NTU)를 사용하였다.

폴리에틸렌 여재를 카트리지 당 3 L씩 총 12 L를 충진하여 비점오염 처리특성을 분석하였다. 초기에 충진 여재로 2005년 3월 11일부터 2015년 4월 16일까지 8일 동안에 하루 1 hr씩 운전하여 총 8.19 hr을 연속 운전하였으며 8회 역세척을 실시하였다. 도로 퇴적물을 수돗물에 희석하여 원심펌프를 통해 hydrocyclone으로 유입시켰고, hydrocyclone 유입 전에 PACS응집제를 주입하였다. Hydrocyclone 하부 배출수는 펌프를 통해 유입관으로 반송하여 다시 주입하였다. Hydrocyclone 유출수는 침전 여과조로 이송하여 침전 후 상향류 방식으로 폴리에틸렌 여재 카트리지를 통과시켰다. 처리유량은 8.2~11.0 m³/day (평균 10.1 m³/day), 여과지 수면적 부하율을 기준한 SOR은 45.5~65.9 m³/m²/day (평균 55.7 m³/m²/day)로 운전하였다.

PACS주입농도는 14.0~31.5 mg/L (평균 21.4 mg/L as Al₂O₃, 이하 PACS mg/L)이다. 8회 역세척 실시했을 때 각각의 유입수, 유출수의 pH, 탁도, SS 농도 범위와 운전조건들을 Table 2에 정리하였다. Hydrocyclone응집과 침전 여과조 시스템에서 운전지속시간에 따른 수질항목별 유입수와 유출수 농도와 처리효율의 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 고형물에 대한 처리효율은 식 (1)을 이용하여 산정하였으며, 총 89개의 시료를 채수하여 분석한 결과 탁도 제거효율은 81.0~95.8% (평균 89.5%), SS 제거효율은 81.8~99.0% (평균 91.4%)로 분석되었다.

여기서, C_o는 유입수 농도, C는 유출수 농도이다.

상향류 여과형 비점오염원 저감에 관한 Choi et al. (2008)의 연구에서는 여과속도를 10~40 m/hr로 운전하였을 때 고농도 유입수로 인하여 여재의 막힘이 여과속도에 직접적인 영향이 있다고 하였다. 본 연구에서도 운전경과 시간이 1 hr 경과하였을 때마다 유출수 농도가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 도시지역에서 초기강우유출(first flush)은 강우 개시 후 30분 이내에 발생하는 것을 고려하여(Lee et al., 2002; U.S. EPA, 2010) 초기강우유출을 처리한 여과지는 역세척을 실시하는 것을 적합한 것으로 판단된다. 8회의 초기강우유출을 처리하였지만 역세척을 실시한 이후에는 유출수의 농도는 다시 안정된 유출수질을 나타내었다.

운전 경과시간 6 hr 이후 SS를 264~516 mg/L (평균 388.2 mg/L)로 감소시켰을 때 유입농도가 낮아짐에 따라 처리효율은 다소 감소하였으나 80% 이상의 효율을 유지할 수 있었다. 강우 유출수 수질농도는 토지용도 특성에 따라 다양한 분포를 가지고 있는데, 유입수 SS농도가 낮을 경우 여과지 운전 가능시간을 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다. ActiFlo와 같은 처리장치들은 100 µm 이하의 마이크로샌드와 같은 밸러스트(ballast) 입자들을 유입수에 첨가하거나 침전조 슬러지를 재순환하여 침전속도를 향상시키는 밸러스트 응결방식으로 침전조 월류부하량을 극대화시키고 있다(ActiFlo, 2015; DensaDeg, 2015; Ghanem and Young, 2007). 그러나, 마이크로샌드의 비용이 고가이며 회수하여 재이용하기도 쉽지 않은 문제점들이 있다. 본 연구에서는 별도의 밸러스트 입자를 사용하지 않고, hydrocyclone 하부 배출수에 PACS와 결합한 플럭 입자를 재순환시켜 응결효과를 향상시킬 수 있는 방안을 모색한 것이다. 여과조 하단 침전조에 퇴적된 슬러지를 연속적으로 인출시킬 경우 현재의 결과보다 안정적이고 높은 효율과 긴 운전시간 확보가 가능할 것으로 사료되어 추가적인 실험을 실시하고자 한다. PACS 주입농도를 운전경과 4 hr 이후에는 평균범위 25.3~27.4 mg/L에서 14.4 mg/L~17.7 mg/L로 감소시켜 운전하여도 처리효율과 pH에 미치는 영향을 없는 것으로 나타났다.

Table 2에 제시된 SOR을 45.5~65.9 m³/m²/day, 여과조 체류시간을 4.5~6.5 min의 조건에서 추가적으로 운전한 결과를 정리하여 Fig. 6에 제거효율과의 관계를 도식하였다. 체류시간이 증가하면 SS와 탁도 제거효율이 상승하는 경향을 나타내는데 상관계수 R²는 각각 0.82, 0.76으로 분석되었다. SOR과 SS, 탁도 제거효율과의 상관계수는 각각 0.62, 0.56으로 SOR증가에 따라 처리효율은 증가하는 경향을 나타내었다.

강우 시 도시지역에서 발생하는 초기유출(first flush)현상은 지표면과 관거 퇴적물질의 90%가 초기유출 0.5 inch (13 mm)에 유실(washoff)된다(U.S.EPA, 2010). 일반적으로 초기유출이 발생한 시점이후에 오염물질농도는 희석되어 감소하는 특성을 나타낸다. 여과형 비점오염 처리시설은 고농도의 초기유출수를 처리했을 경우 미세 고형물질과 흡착된 오염물질들이 여재내 축적되어 다음 강우가 발생하는 경우 여재에서 돌파되어 배출된다(Kim et al., 2010; Lee et al., 2009). 고속여과를 이용한 도시비점오염 처리 연구에서도 유입수 탁도를 150 NTU로 운전하였을 때 90분마다 수돗물을 이용하여 역세척을 실시한 바 있다. 또한, 유입수 탁도를 300NTU로 운전하고 여과속도를 증가시키면 처리효율은 급격히 감소하는 결과를 보고한 바 있다(Park et al., 2008). 도시지역 강우 초기유출수 농도는 유역특성에 따라 다르지만 대체로 SS기준으로 200~600 mg/L의 범위를 가진 고농도이므로(Lee et al., 2002) 여재 막힘에 따른 처리효율 감소 발생시간이 매우 짧아질 수 있다. 본 연구에서는 일반적인 강우 초기유출수의 농도보다 높은 농도로 유입수를 모의하여 급격한 고농도 충격부하에 대해 여재의 미세입자 처리효율과 역세척 효율을 알아보고자 하였다.

여재형 비점오염 저감시설의 특성을 고려하여 2005년 3월 11일부터 2015년 4월 16일까지 8일 운전 시 운전이 종료된 시점 마다 역세척을 8회 실시하였다. 역세척은 Fig. 7과 같이 순서로 진행하였는데, 운전종료 후 여과조 하부밸브를 100% 개발하여 잔류수를 모두 역세척 저류조로 배출시켰다(역세척 1단계). 다시 밸브를 잠그고 처리수 저류조에 처리수를 여과조에 채우면서 역세수와 노즐을 사용하여 카트리지 상단과 내부를 세척하였다. 물세척과 병행하여 여재 카트리지 하단에는 공기 평균 48 L/min 유량으로 주입하여 공기세척을 실시하였다. 물세척과 공기세척을 5분 동안 실시한 이후에는 여과조 하부밸브를 50% 개방하여 잔류수를 배출시켰는데, 이때 카트리지 여재의 중앙부분이 솟아오르는 에어범프 현상이 발생하여 여재내 잔류, 세척되어 분리된 미세 입자들이 하부로 배출되도록 하였다(역세척 2 단계). 잔류수를 배수시킨 후 다시 정상적인 여과공정을 실시하였다.

처리시스템의 역세척후 여재 세척효과와 물질수지를 분석하고자 유입수, 역세척 1, 2단계 하부배출수, 유출수의 SS농도를 이용하였다. Table 3은 여과조 하부밸브를 100% 개방한 후 잔류수를 전량 집수하여 SS농도를 분석한 것이다. Table 4는 물세척과 공기세척을 5분 동안 실시한 이후에는 여과조 하부밸브를 50%개방하여 잔류수를 집수하여 분석한 것으로 역세척 1, 2 단계에 대해 시료는 3회 채수하여 평균값을 산정하였다.

역세척 1단계에서 수집한 잔류수는 평균 38.2 L이며 5 min 침전시킨 후 슬러지 부피는 평균 3.9L이다. 잔류수를 5 min 침전 후 슬러지 부피를 측정한 것은 역세척 저류조 설계 시 상등수는 유입수로 순환시킨 후 슬러지 저류량을 산정하기 위함이다. 탁도, SS농도 범위는 각각 906.7~5,000.0 NTU (평균 3,026.2 NTU), 1,498.3~6,952.5 mg/L (평균 4,249.8 mg/L)로 분석되었다. 역세척 2단계에서 수집한 잔류수는 평균 35.0 L이며 5 min 침전시킨 후 슬러지 부피는 평균 2.0 L이다. 탁도, SS농도 범위는 각각 279.7~1,762.5 NTU (평균 1,127.8 NTU), 616.7~2,645.0 mg/L (평균 1,810.3 mg/L)로 역세척 1단계 잔류수 SS농도는 약 50% 이하를 나타내었다.

총 8회 역세척 실시했을 때 각 역세척시 유입수, hydrocyclone, 여과조, 여과조 1차 역세척 배출수, 여과조 2차 역세척 배출수, 유출수에 특성을 SS기준 물질수지를 산정하여 Table 5에 정리하였다. Table 5에서와 같이 유입수 SS부하량 100%는 1차 역세척 시 61.83~64.04%, 2차 역세척시 18.53~27.51%가 배출되며, 유출수로 7.12~14.79%가 배출되고, 여과조 여재 내에는 2.26~5.00%가 잔류하는 것으로 분석되었다. 8회의 역세척 시 여과조 내의 여재 잔류고형물질 부하량 (%)과 SS제거효율 (%)과의 관계를 Fig. 8에 도식하였다. 여과조 내의 여재 잔류고형물질 부하량 (%)이 증가할수록 SS제거효율은 감소하는 특성을 나타내는데 이는 역세척 후 여재 내의 잔류고형물질 유실에 의한 것으로 판단된다. 8회 역세척 후 잔류고형물질 부하량이 5%로 증가된 것은 역세척을 실시하여도 여재 내 고형물질의 세척 효과가 감소하므로 여재의 교체시기와 관련되는 것으로 사료된다. 역세척 횟수별로 탁도와 SS 제거효율을 Fig. 9에 도식하였다. 전체적인 제거효율은 탁도 89.5%, SS 91.4%로 역세척 효과를 나타내었다.

본 연구의 목표는 도시지역 강우 유출수내 함유된 미세 입자를 처리하기 위한 전처리 시설로 hydrocyclone을 이용하여 고속 응집·응결·침전시켜 여과조에 고형물질 부하를 최소화할 수 있는 기술을 개발하고, 여과조 배수밸브 조작모드와 공기와 물을 이용하여 역세척을 실시하고 물질수지를 적용하여 여재에 잔류하는 고형물질량을 산정하여 역세척 효과를 분석하는데 있다. 강우유출수 모의 입자로 사용한 도로변 퇴적물질을 대상으로 PACS응집제를 이용하였다. 폴리에틸렌 여재를 충진하여 8일 동안에 하루 1 hr씩 운전하여 총 8.19 hr을 연속 운전하였으며 8회 역세척을 실시하였다. 처리유량은 8.2~11.9 m³/day (평균 10.1 m³/day), 여과지 수면적 부하율을 기준한 SOR은 45.5~65.9 m³/m²/day (평균 55.7 m³/m²/day), PACS 주입농도는 14.0~31.5 mg/L로 운전하였다. 탁도 제거효율은 81.0~95.8% (평균 89.5%), SS 제거효율은 81.8~99.0% (평균 91.4%)로 분석되어 환경부 매뉴얼 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

여과조 체류시간이 증가하면 SS와 탁도 제거효율이 상승하고 SOR증가하면 처리효율은 증가하는 경향을 나타내었다. 도시지역 강우 초기유출수 농도는 유역특성에 따라 다르지만 대체로 SS기준으로 200~600 mg/L의 범위를 가진 고농도이므로 여재 막힘에 따른 처리효율 감소 발생시간이 매우 짧아질 수 있다. 역세척 1단계는 배수, 2단계는 공기와 물을 이용한 역세척을 실시한 결과 유입수 SS부하량 100%는 1차 역세척 시 61.83~64.04%, 2차 역세척 시 18.53~27.51%가 배출되며, 유출수로 7.12~14.79%가 배출되고, 여과조 여재 내에는 2.26~5.00%가 잔류하는 것으로 분석되었다. 역세척 횟수별로 탁도와 SS 제거효율을 분석한 결과 탁도 89.5%, SS 91.4%로 역세척 효과를 나타내었다.

본 기술을 바탕으로 향후 장기간 실험을 통해 고형물 부하에 따른 처리효율과 수두손실 변화를 측정하여 여재의 역세척 시점을 파악하고, 물과 공기를 이용하여 역세척 효율을 극대화 시킬 수 있는 Collapsed-Pulsing 현상 유도와 규명연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 고형물과 더불어 oil, grease와 같은 기름성분 및 유기물에 대한 처리방안 연구도 함께 진행해야 할 것으로 사료된다.