1. 서 론
2. 비점오염입자의 정화층 침투에 관한 폐색이론
2.1 인공 오염수의 모래 정화층 침투 모사
2.2 폐색이론과 Lumped parameter
3. 시험 시료
3.1 인공 오염수 제조용 시료
3.1.1 해성점토
3.1.2 비점오염원 건조시료
3.2 정화층 모래 시료
3.3 모래 정화층 시료의 상, 하수도시설기준 검토
4. 실내 챔버시험
4.1 시험 장비의 구성과 시험 방법
4.2 시험 결과
4.2.1 점토를 함유한 오염수에 대한 모래 정화층의 정화효율 평가 결과
4.2.2 비점오염원을 함유한 오염수에 대한 정화층의 정화효율 평가 결과
5. 모래 정화층의 폐색특성
5.1 실내 챔버시험 종료 후 정화층의 폐색 상태
5.1.1 점토가 혼합된 가상의 인공 오염수에 의한 정화층 폐색
5.1.2 비점오염원을 함유한 인공 오염수에 의한 정화층 폐색
5.2 실내 챔버시험 결과와 이론해 비교
6. 결 론
1. 서 론
최근 도시지역의 비점오염원 관리와 원활한 물순환 체계를 확보하기 위해 정부는 환경부, 소방방재청, 국토교통부 등의 관련 부처를 통해 빗물의 재활용 및 우수유출 저감시설의 보급을 노력하고 있고, 현재 저영향개발(LID: Low Impact Development)기법의 도입을 적극 검토하고 있다. LID 기법은 자연의 물순환 체계에 미치는 영향을 최소화하여 개발하는 것을 의미하며, 개발 대상지역에 대한 종합적인 토지계획과 저류, 침투, 여과, 증발산 등의 기능을 구현할 수 있는 개별 기술요소 적용에 의한 불투수면 감소를 통해 빗물의 표면유출을 억제하고 토양 침투를 증진시켜 물순환 체계의 개선과 오염저감을 동시에 달성하는 것을 목표로 한다(Ministry of Environment, 2013). 정부는 2012년 제2차 비점오염원 관리종합대책에서 LID 기법 적용 확대를 추진과제로 발표하였고, 환경부는 LID 기법과 관련된 각종 지침과 매뉴얼을 제시하였다(Ministry of Environment, 2010a; Ministry of Environment, 2013). 그리고 2013년 4월에는 LH(한국토지주택공사)에서 환경부의 권고를 받아들여 평택 고덕신도시 8만 2,000m2의 부지를 대상으로 LID 기법의 도입 방안을 발표하였다.
인공 빗물 저류조는 이러한 LID 기법 중 빗물 저류와 빗물 침투의 기능을 겸비한 친환경 우수 저감시설로 도시지역의 수자원을 효율적으로 이용하고 관리하기 위한 목적으로 현재 활발한 연구 및 개발이 추진되고 있다. 그러나 지면에 내린 빗물을 다양한 목적으로 활용하기 위해서는 도심지의 초기 세척효과(first flushing effect)에 의한 초기 강우 유출수에 다량 함유된 비점오염물질을 효과적으로 제거해야 한다. 초기 세척효과란 강우가 시작된 최초 30분에서 1시간 사이에 강우 유출수에 포함된 비점오염물질의 농도가 최대로 높아졌다가 시간이 지날수록 점차 오염물질의 농도가 낮아지는 특성을 의미한다. 많은 선행 연구들에서 도심지의 초기 강우에 비점오염물질이 다량 함유되어 있는 것으로 밝혀졌으며(John and Steven, 1997; Michael et al., 1998; Torben et al., 1998; Roh et al., 2004), 인공 빗물 저류조를 이용한 빗물의 재활용을 위해서는 빗물의 침투 및 저류 이전 단계에서 초기 강우 유출수에 포함된 비점오염원을 일정 농도 이하로 저감시킬 수 있는 정화시설이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 인공 빗물 저류조에 최적화된 비점오염원 정화시설을 선정하기 위해 비점오염물질의 처리를 위해 제안되는 다양한 방법 중 토양여과기술을 적용하여 초기 강우 유출수에 포함된 비점오염원의 제거효율을 평가하였다. 토양여과기술은 여러 선행 연구결과로부터 경제성과 정화효율의 우수성이 입증되었다(Bahgat et al., 1999; Cho et al., 2009; Hsieh et al., 2005; Rodgers et al., 2004; Seigrist et al., 1987). 특히 토양여과기술에서 여과기술의 핵심 설계인자인 오염물질의 입도분포에 적합한 최적의 간극 크기를 갖는 여재 선정이 중요하며, 이를 위해 다양한 입경으로 구성된 모래 정화층을 대상으로 실내 챔버시험을 수행하여 모래 정화층의 비점오염원에 대한 정화효율을 대표적인 비점오염원 평가지표인 TSS(총 부유물질)와 COD(화학적 산소 요구량)를 측정하여 평가하였다. 또한 모래 정화층에 비점오염원이 함유된 강우 유출수의 유입과 유출이 반복됨에 따라 비점오염입자는 여과와 흡착 현상에 의해 모래 정화층의 간극 내에 점차 퇴적하게 된다. 퇴적이 지속됨에 따라 모래 정화층의 간극은 비점오염입자로 폐색되어 간극률이 저하되고, 이로 인하여 지반의 투수계수가 감소되어 단위 시간당 침투량도 현저하게 감소하게 된다(Kim et al., 2009). 이러한 모래 정화층의 폐색특성은 비점오염원에 대한 정화성능과 밀접한 관련이 있기 때문에 모래 정화층의 비점오염원에 대한 정화 메커니즘을 이론적으로 규명할 필요가 있다. 이를 위해 폐색이론으로부터 모래 정화층의 입도분포에 따른 특성과 투수계수와 간극률의 변화를 고려하여 이론적으로 모델을 제시하였다. 그리고 작은 입경의 미세입자로 구성된 해성점토와 실제 도로에서 채집된 비점오염원으로 제조된 인공 오염수를 이용하여, 아크릴 챔버에 조성된 5종류의 다양한 입자 크기와 구성이 다른 모래 정화층을 대상으로 실내 챔버시험을 수행하였다. 본 논문에서는 실내 챔버시험 결과와 이론해로부터 산출된 결과를 비교하여 폐색이론에서 제시된 Lumped parameter 
가 오염입자의 폐색현상에 미치는 영향을 고찰하고, 이러한 모래 정화층의 폐색특성을 이론적으로 평가하여 현장 인공 빗물 저류조를 위한 비점오염원 정화에 최적화된 모래 정화층을 제시하고자 한다.
2. 비점오염입자의 정화층 침투에 관한 폐색이론
2.1 인공 오염수의 모래 정화층 침투 모사
일정한 농도를 갖는 현탁액 상태의 오염수를 정화층에 유입하여 오염수가 정화층 모래의 간극에 침투하였을 때, 전수두 차에 의해 모래 정화층 간극 내에 오염수의 흐름이 발생한다. 오염수에 포함된 미세한 오염물질이 모래 간극을 통과할 때, 미세입자들은 물리적인 힘과 화학적인 작용에 의해 간극 내에 흡착되어 점차 쌓이게 된다. Reddi and Bonala(1997)는 이러한 현탁액이 토양 필터층을 통과할 때 폐색되는 현상을 수학적 이론해로 규명하였으며, 본 연구에서는 Reddi and Bonala(1997)가 제안한 폐색이론과 기본물성 시험으로 산정한 실험값으로 폐색모델을 검토하였다. 시험 횟수 증가에 따른 모래 정화층 간극 내 퇴적되는 오염물질의 양을 폐색모델로 예측하고, 실내 챔버시험 결과와 비교하였다.
2.2 폐색이론과 Lumped parameter 
Lee et al.(2004)은 슬러리 쉴드 터널 굴착 시 슬러리가 지반으로 침투하는 현상으로부터 슬러리의 안정성을 평가하기 위해 폐색이론을 제시하였다. 또한 김종선은 폐색이론을 이용한 그라우트 침투 프로그램(Step-wise Numerical Calculation; SWNC)을 구성하여 시멘트 그라우트재의 침투 특성을 규명하였다(Kim et al., 2009; Kim, 2010). 본 연구에 적용된 폐색모델은 Lee et al.(2004)에서 제시된 지반 내 간극에 폐색된 입자의 총 무게를 산정하는 방법을 적용하여 수립하였고, 폐색이론으로부터 폐색된 입자의 양을 산정하는 과정은 다음과 같다.
일정한 초기농도를 갖는 현탁액이 다공질체로 구성된 필터층 상부에서 정상류에 의한 하방향 침투 현상이 발생한다고 가정하면 단위 부피에서 입자의 유동을 고려한 지배방정식은 편미분방정식 형태로 Gruesbeck and Collins(1982)에 의해 다음과 같이 표현할 수 있다.
(1)
여기서, 
=간극수 내 입자의 농도; 
=초기간극률; 
=입자퇴적후의 간극률; 
=단위간극부피당 퇴적된 입자의 양; 
=유출속도(discharge velocity); 
=공간; 
=시간이다.
식 (1)은 다음 식과 같이 간단하게 정리하여 나타낼 수 있다(Lee et al., 2004).
|
Fig. 1. Probability of particle capture in pore tube equivalent to fraction of total flow in annulus between r and (r-θa) (Rege and Fogler, 1988) |
(2)
여기서, 
= 간극 내 투수속도(seepage velocity, 
)이다.
식 (2)에서 세 번째 항인 
은 시간에 따른 흡착량과
흐름유체 내 입자 농도의 비례관계에 따라 식 (3)과 같이 표현할 수 있으며(Ives, 1987; Kim, 2010), 따라서 식 (2)는 다음의 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
(3)
(4)
여기서, 
= 필터계수(particle deposition coefficient)
식 (4)로부터 시간과 공간에 대한 함수로 표현한 필터층의 단위 간극부피당 세립분의 퇴적량 
을 구할 수 있고, 
에 단위 간극면적 
를 곱하고 적분하여 필터층에 퇴적된 세립분의 깊이별 총 무게를 다음 식 (5)와 같이 구할 수 있다.
(5)
여기서, 간극면적 
이다.
식 (5)를 정리하여 Lee et al.(2004)은 다음과 같은 필터층에 퇴적된 세립분의 깊이별 총무게를 구하는 식 (6)을 제시하였다.
(6)
식 (6)은 시간에 따른 필터층의 깊이별 폐색된 입자의 총 무게를 구하는 식으로, 
를 구하기 위해서는 필터계수 λ가 필요하다. λ는 흐름유체의 농도와 흡착량을 연관짓는 계수로서 흡착량은 λ에 민감하게 영향을 받는다(Kim, 2010). Reddi and Bonala(1997)는 ‘Particle capture probability approach'를 적용하여 이론적으로 필터계수 λ를 구하는 방법을 제시하였으며, λ는 식 (7)과 같이 표현할 수 있다.
(7)
여기서, 
는 간극튜브의 유효길이, m과 b는 간극반경 r에 대한 대수정규분포의 평균과 표준편차를 나타내며 
, 
, 
는 
, (
)와 같이 Lumped parameter 
와 유동입자의 크기 
로 표현되는 값이다.
식 (7)을 이용하여 간극튜브의 유효길이, 필터의 간극과 연관된 상수 m과 b, 유속 유동입자의 크기 및 Lumped parameter 
를 이용하여 상수 
를 구할 수 있다. 
는 입자의 퇴적량 산정에 중요한 인자이며, 
값에 따라서 거리에 따른 퇴적량 분포가 변화된다(Kim et al., 2009; Kim, 2010). 
를 식 (6)에 대입하여 시간에 따른 필터층의 깊이별 폐색된 입자의 총 퇴적량(무게)을 구할 수 있다.
는 필터층을 구성하는 흙의 간극 반경, 현탁액 내 유동입자의 입경, Lumped parameter 
에 의해 결정되며 
는 유동입자에 작용하는 중력, 관성력, 유체역학적 힘, 전기 이중층 및 Van der Waals 힘과 관련된 계수로 Gruesbeck and Collins(1982), Rege(1988), Rege and Fogler (1988)에 의하여 연구되었다. 
의 크기가 클수록 Fig. 1과 같이 간극 튜브에서 유동입자가 퇴적할 수 있는 점선으로 된 경계의 범위가 커지므로 입자의 퇴적량이 증가된다. 반대로 
의 크기가 작아질수록 입자의 퇴적량은 작아진다. Rege and Fogler(1988)는 Lumped parameter 
를 구하기 위해 KCl의 농도가 0에서 0.01 M의 범위를 갖는 벤토나이트 현탁액을 적용한 시험을 수행하여 
가 1에서 10까지 변화하는 것을 제시하였고, 이 값을 실내실험에 의해 예측할 수 있다고 밝혔다.
본 논문에서는 모래 정화층 시료에 대한 실내 챔버시험 결과로부터 
를 구하기 위한 인자들의 값을 정한 후, 식 (6)에 대입하여 산정한 유동입자의 누적무게와 챔버시험에서 측정된 모래 정화층에 폐색된 오염입자의 누적무게를 비교 및 분석하여 Lumped parameter 
를 추정하였다.
3. 시험 시료
3.1 인공 오염수 제조용 시료
3.1.1 해성점토
실내 챔버시험에서 정화층의 정화효율을 평가하기 위하여 가상의 인공 오염수의 제조에 사용된 시료는 부산 신항에서 채취한 해성점토이며, 200번 체를 통과한 0.075mm 이하 크기의 입자로 구성되어 있다. 부산 신항 해성점토를 물과 혼합하여 실내 챔버시험을 위한 인공 오염수를 제조하였다.
점토 시료의 기본물성은 Table 1과 같이 비중이 2.72, 소성지수는 43.4%의 고소성을 나타내며 통일분류법상 CH로 분류된다.
3.1.2 비점오염원 건조시료
실제 비점오염원에 대한 모래 정화층의 정화특성을 규명하기 위해 서울시 도로현장에서 채취한 비점오염물질을 이용하여 오염수에 함유될 비점오염원 시료를 제조하였다. 시내도로에서 채집한 비점오염물질을 직경 10mm 체와 직경 0.25mm 체로 2회로 나누어 체가름하여 입경 0.25mm 이하의 비점오염원 건조시료를 준비하였다.
1차 체가름된 비점오염물질의 입도분포 결과로부터 비점오염원 건조시료의 최대입경은 약 7%의 누적통과율을 보이는 입경 0.25mm로 결정되었다. 2차 체가름 후 채집된 전체 비점오염원 중량의 약 4% 정도에 해당되는 양의 비점오염원 건조시료를 얻었고, 이를 점토 시료의 경우와 같이 물과 혼합하여 정화층에 유입하기 위한 오염수의 제조에 사용되었다. Fig. 2는 점토와 1차 체가름과 2차 체가름된 비점오염원 시료의 입도분포 곡선을 나타낸 그래프이다.
기본 물성시험을 통하여 비점오염원 건조시료는 비중이 2.49이며, 통일분류법에 의해 입도가 불량한 모래인 SP로 판정되었다. 또한 비점오염원 건조시료에 포함된 비점오염 성분을 파악하기 위한 다양한 성분 분석시험이 수행되었다. 비점오염원 건조시료의 성분 분석대상을 대표적인 비점오염군인 다환 방향족 탄화수소, 페놀, 유기염류인 질소와 인, 중금속으로 크게 5종류의 항목으로 분류하여 세부 성분들의 함량을 측정하였다.
성분분석 시험결과, 기존 문헌자료에서 조사된 대부분의 비점오염 성분들이 검출되었으며, Table 2에 비점오염원 건조시료의 성분에 따른 검출량과 성분분석에 사용된 방법 및 장비명을 정리하였다. TSS와 COD와 같은 무기염류는 실내 챔버시험의 측정인자이기 때문에 무기염류를 제외한 나머지 비점오염 인자들을 대상으로 성분분석을 수행하였다.
도시지역의 강우 유출수에서 검출되는 다환 방향족 탄화수소 화합물(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)은 피부접촉과 섭취에 대한 독성물질로 극소량의 농도에서도 암을 유발할 수 있으며, 9.7 × 10-4mg/L의 농도에서 10-6의 암이 발생할 수 있는 위험성을 갖고 있다(Choi and Shin, 1997). 미국 EPA의 음용수로서 사용되는 지표수 내 PAHs에 대한 일반적인 기준은 0.0028mg/L이며(U.S. EPA, 1983), 비점오염원 건조시료의 성분 분석결과 일반적인 PAHs인 Benzo(a) pyrene(2.565mg/kg), Fluoranthren(0.855mg/kg), Pyrene(0.75mg/kg)이 EPA의 기준보다 약 260배∼900배 정도 많은 양이 검출되었다.
폐놀계 화합물은 석탄 변환, 나무 보존, 금속 주조, 제지 제조 등의 산업 전반에 걸쳐 배출되는 독성 물질이며 위험 오염물로 분류된다(Caza et al., 1999). 페놀에 대한 유전과 면역 독성 효과, 발암성을 나타내는 연구 결과들이 보고되었으며, 이로부터 페놀은 자연환경은 물론 인간의 건강에도 치명적인 영향을 미치는 것을 알 수 있다(Hori et al., 2006). 환경부의 음용수 수질기준에 의하면 페놀의 농도를 0.005mg/L로 제한하고 있으며, 비점오염원 건조시료의 Phenol은 4mg/kg, Pentachlorophenol은 1.79mg/kg로 측정되어 기준치의 최대 약 800배의 양이 검출되었다.
인과 질소는 자연상태에서 유기 화합물의 형태로 존재하며 심각한 부영양화와 물의 변색 및 부패로 인한 악취의 원인이 된다. 인 성분인 T-P는 199.125mg/kg로 측정되었고, 질소 성분인 T-N(1,967mg/kg), NH4-N(84mg/kg), NO3-N(11.2mg/kg), TKN(1,955.8mg/kg)으로 T-P와 함께 매우 높은 수치를 나타냈다.
대표적인 중금속 성분으로 알루미늄, 비소, 구리, 카드뮴, 수은, 니켈, 아연, 크롬, 납 등이 있으며 특히, 수은, 구리, 납은 인체에 심각한 건강상의 문제를 일으키는 것으로 알려져 있다. 중금속 성분에 대한 성분분석 결과, Al(알루미늄)이 약 5,826mg/kg과 Zn(아연)이 약 834mg/kg으로 매우 높은 수치를 나타내었고 Hg(수은), Pb(납), Cu(구리)의 성분도 높은 수치를 보였다. 다음 Table 3은 Pitt and Barron(1990)에 의해 조사된 미국 도시지역의 토지이용별 강우 유출수에서 검출된 중금속 평균농도를 정리한 표이다. 중금속은 주로 공업지역, 도로 및 주차장 등의 토지이용구역에서 다량 검출되는 것으로 조사되었으며, 비점오염 건조시료에 함유된 중금속의 양과 유사한 것을 확인하였다.
3.2 정화층 모래 시료
기본 물성시험과 체분석 시험을 통해 모래 정화층 조성에 사용된 유효입경이 다른 4종류 모래의 입도특성을 규명하였다. Table 4는 모래 정화층 시료의 기본물성 시험결과이며, Fig. 3은 모래 정화층 시료의 입도분포 곡선이다.
3.3 모래 정화층 시료의 상, 하수도시설기준 검토
시험에 사용된 모래 정화층 시료에 대해 환경부의 상수도시설기준(Ministry of Environment, 2010b)과 하수도시설기준(Ministry of Environment, 2011)에 제시되어 있는 여과용 모래에 대한 이용 기준을 검토하였다. 상수도와 하수도시설기준에 제시된 여과공정에는 급속여과와 완속여과 공정이 있으며, 본 연구에서 고려하는 것은 급속여과 공정에 해당한다. 급속여과란 원수 중의 현탁물질을 약품으로 응집시킨 후에 입상 여과층에서 비교적 빠른 속도로 물을 통과시켜 여재에 부착 및 체거름 작용으로 탁질을 제거하는 고액분리공정을 의미한다(Ministry of Environment, 2010b). 상수도시설기준에는 여재용 모래의 유효입경과 각종 기본 물성에 관한 범위가 상세히 제시되어 있으나, 하수도시설기준에는 사용자가 적절한 여재를 선정하도록 되어있고 기본 물성에 관한 자세한 범위는 제시되어 있지 않다. 상수도시설기준에 제시된 여과용 모래의 사용 기준을 요약 정리하면 다음과 같다.
(1)급속여과 모래의 유효입경은 0.45mm∼1.0mm의 범위에서 선정하여 사용해야 한다.
(2)급속여과 모래의 균등계수(Cu)는 1.7 이하로 제한한다. 균등계수가 큰 모래 사용 시 역세척을 하고 나면 조립자의 모래는 하층에 모이고, 세립자의 모래는 상층에 모여 폐색되기 쉬워져 충분한 여과지속시간을 유지할 수 없으므로 균등계수의 상한을 정해 균등계수 1.7 이하의 모래만을 사용하도록 한다. 여과 모래의 균등계수는 낮을수록 좋으나, 너무 낮은 경우 모래의 생산 원가를 상승시켜 모래 구입비용이 높아진다.
(3)급속여과 모래의 비중은 2.55∼2.65의 범위로 정한다. 자연 모래의 비중은 2.55∼2.65의 값을 가지며, 비중이 2.55 이하인 경우에 유기성 물질 및 다공성 모래가 혼입될 수 있다. 또한 비중이 2.65 이상인 경우에는 석회석, 중금속 류의 광석이 혼입될 가능성이 있다.
(4)급속여과 모래의 입경 범위는 최소입경 0.3mm 이상과 최대입경 2.0mm 이하이며, 오차범위 1% 이하의 기준을 지켜야한다. 이것은 입도분포 10%의 입경 이하와 입도분포 60%의 입경 이상의 한계 범위를 정해 분급의 경향이 극단적으로 커지는 것을 예방한다.
본 연구에 사용된 유효입경이 0.93mm인 모래의 비중은 2.74이며 유효입경이 1.49mm인 모래의 균등지수(Cu)는 2.01로 이는 상수도시설기준에 제시된 급속여과 모래의 적용 기준보다 다소 높다. 그러나 인공 오염수를 제조하기 위한 비점오염원 건조시료의 최대 입자크기인 0.25mm를 고려하였을 때, 유효입경 0.93mm와 유효입경 1.49mm의 모래 정화층의 시험결과 비교가 필요하다. 또한 본 연구의 목적은 초기 30분에서 1시간 동안 내린 우수 유출수에 포함된 비점오염 인자를 정화하기 위함이며, 이를 위해 인공 빗물 저류조에 적용된 모래 정화층의 짧은 저류기간이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 상수도시설기준에 제시된 범위보다 다소 큰 유효입경의 모래를 적용하여, 단일 정화층과 서로 다른 유효입경의 모래로 조성된 이중 정화층의 비점오염 정화효율 및 오염물질입자의 폐색 정도를 평가하였다.
4. 실내 챔버시험
4.1 시험 장비의 구성과 시험 방법
실내 챔버시험을 수행하기 위한 시험장비의 구성은 Fig. 4와 같고, 시험장비는 모래 정화층을 조성할 수 있는 아크릴 챔버, 오염수를 분산하여 정화층에 유입시키기 위한 플라스틱 통 및 펌프, 전자식 유량계, 오염수를 연속으로 교반시켜 일정한 농도로 공급하기 위한 2톤 용량의 FRP 물탱크와 교반기로 구성되어 있다.
실내 챔버시험은 물(tap water)과 점토를 혼합한 가상의 오염수를 적용한 시험과 물(tap water)과 비점오염원 건조시료를 혼합한 오염수를 적용한 시험으로 구분하여 수행하였다. 이를 위해 인공 오염수 제조에 사용된 오염물질 시료에 따라 규격이 서로 다른 2종류의 챔버를 제작하였으며, 1차 챔버는 점토로 제조된 오염수를 적용하였고, 2차 챔버는 실제 비점오염물질로 제조된 오염수를 적용하였다. 채집된 실제 비점오염물질로부터 구한 인공 오염수 제조용 비점오염원 건조시료의 양이 소량이기 때문에, 비점오염원을 함유한 인공 오염수의 모래 정화층 통과유량을 작게 축소하여 실내 챔버시험을 수행하였다. 이를 위해 비점오염원 건조시료를 혼합한 오염수를 적용한 실내 챔버시험은 1차 챔버의 규격인 40cm × 30cm × 60cm보다 작은 20cm × 30cm × 60cm 규격의 챔버가 제작되었다.
아크릴 챔버에 Table 5와 같이 입도와 구성이 다양한 정화층 모래를 40cm 높이까지 조성한 후 인공 오염수를 유입하였다. 오염수는 2톤 용량의 물탱크에 비점오염원 건조시료와 물을 150∼1,000ppm 농도로 혼합되도록 투입한 후, 오염수 내 점토와 비점오염원 입자의 침전을 방지하기 위하여 물탱크에 교반기를 설치하여 지속적으로 교반하였다. 두 시험에서 챔버에 조성된 정화층의 부피에 대한 오염수 유입량의 비율이 같도록 각각 정화층 단위체적(1cm3)당 8.33 × 10-4L의 오염수를 정화층에 10분 동안 유입시켰다. 즉, 모래 정화층에 점토를 혼합한 오염수를 4L/min의 유량과 비점오염원 건조시료를 혼합한 오염수를 2L/min의 유량으로 10 분 동안 유입 후 배수하였고, 이 과정을 1회로 하여 100회 이상을 반복하였다. 각 시험 횟수마다 유입되는 오염수의 농도와 시료 통과 후 유출되는 오염수의 농도를 TSS(Total Suspended Solids)와 COD(Chemical Oxigen Demand)를 측정하여 평가하였다. TSS는 수질오염공정시험법에 따라 공기펌프와 탈수장치를 이용하여 유출된 오염수가 여과지를 통과하며 여과되는 부유물질의 무게를 측정하여 산출하였고, COD는 HACH사의 COD LR kit을 이용하여 측정하였다.
4.2 시험 결과
4.2.1 점토를 함유한 오염수에 대한 모래 정화층의 정화효율 평가 결과
점토를 함유한 가상 오염수에 대한 정화효율 평가시험은 유효입경 0.27mm, 0.5mm, 0.93mm의 모래로 구성된 정화층 A, B, C에 4L/min의 유량으로 10분간 오염수를 유입하고 정화층을 통과 후 배출하는 것을 1회로 하여 200회 반복하였다. 1, 5회에서 유입, 유출되는 오염수의 TSS와 COD를 측정하였고, 10회부터 100회까지는 매 10회마다 측정하였다. 또한 100회 이후에는 매 20회마다 유입, 유출되는 오염수의 TSS와 COD를 측정하였다.
Fig. 5와 Fig. 6은 유입-유출 시험 반복에 따른 TSS와 COD의 제거효율을 비교하여 보여준다. TSS와 COD의 제거효율은 유입 오염수의 TSS와 COD에 대한 제거된 TSS와 COD의 비의 백분율로 산출하였다.
제거효율(Removalefficiency)
=
×100(%) (8)
정화층 A의 경우, TSS의 제거효율은 43.5%∼91.6%, COD의 제거효율은 44.7%∼72.5% 범위이며 TSS와 COD의 제거효율은 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 보였다. 정화층 A는 대상 정화층 A, B, C 중에서 TSS와 COD에 대해 가장 높은 정화효율을 나타내었다.
정화층 B의 경우, TSS의 제거효율은 5.0%∼50.6% 범위로 전반적으로 약 40.3%의 일정한 제거효율을 유지하였고, COD의 제거효율은 3.3%∼100.0% 범위로 시험이 반복됨에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 정화층 B는 TSS의 경우 다른 정화층들과 비교하였을 때 중간 정도의 정화효과를 기대할 수 있고, COD의 정화효과는 매우 미약한 것으로 판단된다.
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(a) Layer A | (b) Layer B | |
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(c) Layer C | ||
Fig. 6. Removal efficiency of COD with testing cycle | ||
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(a) Layer A | (b) Layer B | |
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(c) Layer C | ||
Fig. 7. Total removed TSS with testing cycle | ||
정화층 C의 경우, TSS의 제거효율은 7.1%∼44.0% 범위로 전반적으로 약 17%의 일정한 제거효율을 유지하였고, COD의 제거효율은 7.4%∼40.9% 범위를 나타내었다. COD의 제거효율은 100회까지 약 30%의 제거효율을 일정하게 유지하였으나 100회 이후 점차 감소하는 경향을 보여주었다. 정화층 C는 다른 정화층들 보다 TSS와 COD에 대해 상대적으로 낮은 제거효율을 나타내었다.
정화층 B와 C에서는 비교적 큰 간극 때문에 부분적으로 음(-)의 제거효율 값이 산출되었다. Fig. 5와 Fig. 6의 정화층 B와 정화층 C의 그래프에서 TSS와 COD의 제거효율이 음(-)의 값을 갖는 지점은 유입되는 오염수에 비하여 유출되는 오염수의 농도가 높은 것을 나타내며, 이것은 정화층 A보다 상대적으로 큰 간극 때문에 유입되는 오염수가 시료에 흡착되어 있던 오염물과 함께 유출되었기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 7은 유입-유출 시험 반복에 따라 제거되는 TSS의 누적무게(Total removed TSS)를 그램(g)단위로 나타낸 그래프이다. 제거되는 TSS의 누적무게는 다음 식으로 산정하였다.
(9)
각 정화층에서 제거되는 TSS의 누적 무게는 유입-유출 시험이 진행되면서 점차 증가하여 마지막 시험 후 정화층 A(120회)에서 3,201.2g, 정화층 B(200회)에서 3,048.5g, 정화층 C(200회)에서 1,421.9g이 산출되었다. 따라서 정화층 A에서 가장 많은 TSS가 제거되는 것을 알 수 있다.
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(a) Layer C | (b) Layer D | |
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(c) Layer E | ||
Fig. 8. Removal efficiency of TSS with testing cycle | ||
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(a) Layer C | (b) Layer D | |
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(c) Layer E | ||
Fig. 9. Removal efficiency of COD with testing cycle | ||
4.2.2 비점오염원을 함유한 오염수에 대한 정화층의 정화효율 평가 결과
비점오염원 건조시료의 입경은 0.075mm 입경 이하의 점토보다 3∼4배 더 크기 때문에 유효입경 0.27mm, 0.5mm의 모래 대신, 상대적으로 간극의 크기가 큰 유효입경 0.93mm, 1.49mm의 모래로 구성된 정화층 C, D, E를 대상으로 비점오염원이 함유된 오염수를 이용한 실내 챔버시험을 수행하였다. 모래 정화층에 유입-유출된 오염수의 TSS와 COD 측정을 위해 1, 5회와 이후 매 10회마다 시료를 채취하였다. 정화층 C는 초기에 발생된 폐색으로 인해 1, 5, 10, 20, 30회까지만 측정하였고, 정화층 D와 E는 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100회에서 측정하였다.
Fig. 8과 Fig. 9는 유입-유출 시험 반복에 따른 TSS와 COD의 제거효율을 비교하여 보여준다. 정화층 C에서 TSS 제거효율은 89.0%∼100.0%, COD 제거효율은 82.0%∼96.0% 범위이며 TSS와 COD의 제거효율은 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.
정화층 D의 경우, TSS 제거효율은 74.0%∼96.0% 범위로 시험이 반복됨에 따라 증가하는 경향을 나타내었고, COD 제거효율은 약 77.0%에서 100.0% 범위로 일정한 경향 없이 증가와 감소를 반복하며 변화하는 모습을 나타냈다. 따라서 비교적 큰 입자(유효입경 1.49mm)로 구성된 정화층 D의 경우에 충분한 COD 제거를 기대할 수 없는 것으로 판단된다.
정화층 E의 경우, TSS 제거효율은 70회까지는 89.0%∼98.0% 범위로 증가하다가 70회부터는 98.0%∼94.0% 범위로 약간 감소하였다. 유입수의 TSS가 70회부터 223 mg/L∼388mg/L의 범위로 다소 증가하며 이에 따라 유출수의 TSS도 다소 증가되었기 때문에 TSS의 제거효율이 미소하게 감소된 것으로 판단된다. 대부분의 시험 횟수에서 TSS 제거효율은 90% 이상을 유지하고 있으므로 정화층 E의 TSS 정화효과는 매우 양호한 것을 알 수 있다. COD 제거효율은 96.0%∼100.0% 범위이며 TSS의 경우처럼 대부분의 시험 횟수에서 매우 높은 제거효율을 보였다.
Fig. 10은 유입-유출 시험 반복에 따라 제거되는 TSS의 누적무게(Total removed TSS)를 그램(g)단위로 나타낸 그래프이다. 각 정화층에서 제거되는 TSS의 누적 무게는 유입-유출 시험이 진행되면서 점차 증가하여 마지막 시험 후 정화층 C(30회)에서 159.6g, 정화층 D(100회)에서 358.1g, 정화층 E(100회)에서 471.3g이 산출되었다. 따라서 정화층 E에서 가장 많은 TSS가 제거되는 것을 알 수 있다.
5. 모래 정화층의 폐색특성
5.1 실내 챔버시험 종료 후 정화층의 폐색 상태
5.1.1 점토가 혼합된 가상의 인공 오염수에 의한 정화층 폐색
정화층 A(유효입경 0.27mm)는 비교적 빠르게 폐색이 진행되어 시험 횟수 80회 이후부터 월류수량이 발생하여 시험을 반복할수록 월류수량은 급격히 증가하였으며, 정화층 상부로부터 침전되는 오염물의 양이 많아지면서 대부분의 오염물이 정화층 상부에서 폐색되었다.
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(a) Layer C | (b) Layer D | ||
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(c) Layer E | |||
Fig. 10. Total removed TSS with testing cycle | |||
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(a) Layer A | (b) Layer C | ||
Fig. 11. Clogging of clay particle after test completion | |||
정화층 B(유효입경 0.5mm)는 유효입경과 투수계수가 충분히 크기 때문에 유입-유출 200회 동안 점토입자의 폐색 정도가 크지 않아 시료 표면위로 오염수의 수위가 상승하지 않았다. 시험 종료 후 정화층을 육안으로 관찰한 결과, 정화층 B의 경우 정화층 A와는 달리 오염수 유입 후 오염물이 정화층 표면에 폐색되지 않고 정화층 하부에 주로 남아있었고, 이것은 오염물 입자들이 단지 일시적으로 정화층 시료의 상부에 흡착되었다가 오염수의 유입-유출이 반복됨에 따라 배수되는 오염수의 흐름에 의해 점차 하부로 이동되어 쌓인 것으로 판단된다.
정화층 C(유효입경 0.93mm)도 정화층 B와 마찬가지로 유효입경과 투수계수가 충분히 크기 때문에 시료 표면위로 오염수의 수위가 상승하지 않았다. 정화층 C에서도 Fig. 11과 같이 오염수 유입 후 오염물이 정화층 표면에 폐색되지 않고 시료 하부에 주로 남아있는 것을 관찰하였다. Fig. 11은 시험 종료 후 A와 C 정화층에서 점토 입자의 폐색된 상태를 보여준다.
5.1.2 비점오염원을 함유한 인공 오염수에 의한 정화층 폐색
정화층 C(유효입경 0.93mm)는 상대적으로 낮은 투수계수로 인하여 시험 초기부터 오염수의 수위가 상승하였고, 이로 인하여 정화층 상부에 오염물이 쌓이기 시작하면서 대부분의 오염물이 정화층 상부에서 폐색되었다. 또한 32회부터는 오염수가 정화층을 통과하지 못하고 정화층 위로 정체되었고, 시험 종료 후 정화층 상부에서 대부분의 폐색이 발생했다.
정화층 D(유효입경 1.49mm)는 비점오염원 입자들이 정화층 모래 사이에 고르게 퍼져 부분적으로 폐색되었다. 이것은 정화층 D의 입경과 투수계수가 상대적으로 크기 때문에 오염수의 흐름이 원활하여 비점오염원 입자들이 정화층에 전체적으로 여과된 것으로 보인다.
정화층 E(유효입경 1.49mm(상부), 유효입경 0.93mm(하부))의 경우, 비점오염원 입자들은 상부 유효입경 1.49mm 모래 정화층 내부에 고르게 퍼져서 부분적으로만 폐색이 되었다. 이것은 상부 시료를 통과한 오염물이 하부시료를 통과할 때, 정화층 C의 시험 시와 마찬가지로 하부 정화층의 상대적으로 낮은 투수계수로 인하여 오염수가 원활히 통과하지 못하고 하부와 상부 정화층의 경계로부터 폐색이 시작되어 오염물질 입자들이 상부 정화층 모래입자 사이에 고르게 퍼져 쌓이기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 12는 시험 종료 후 각 정화층의 비점오염원이 폐색된 상태를 보여준다.
실내 챔버시험 종료 후, 모래 정화층 표면에 폐색된 비점오염입자의 상태를 FE SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope) 전자현미경으로 확대하여 촬영하였다. FE SEM의 확대 배율을 50배에서 1,500배까지 늘려가며 비점오염입자의 폐색된 상태를 순수 모래입자와 비교하였다. Fig. 13(a)는 유효입경 1.49mm의 모래를 600배율로 촬영한 사진이고, Fig. 13(b)는 비점오염입자가 유효입경 1.49mm의 모래 정화층에 폐색된 상태를 600배율로 촬영한 사진이다. Fig. 13의 사진들로부터 미세 비점오염입자가 모래 정화층 간극 내에 폐색된 양상을 미시적으로 확인할 수 있다.
5.2 실내 챔버시험 결과와 이론해 비교
폐색이론에서 
는 필터층의 간극 내 입자의 퇴적량 계산에 매우 중요한 계수이며, 
가 클수록 필터층의 간극 내 입자의 퇴적량이 증가하여 필터층의 간극이 폐색될 가능성이 크다(Kim et al., 2009). 
는 식 (7)로부터 간극튜브의 유효길이, 모래 정화층 내 간극 크기 대수분포의 평균 m과 표준편차 b, 유동입자의 크기, Lumped parameter 
를 대입하여 구할 수 있으며, 다른 인자들과 달리 
는 유동입자에 작용하는 다양한 힘과 관련된 계수로서 실험결과로부터 추정해야 한다(Reddi and Bonala, 1997).
(cm)전술한 폐색이론을 적용하여 정화층 모래의 초기 투수계수 값에서부터 유입 횟수가 반복될 때 간극률과 투수계수의 변화를 예측하였다. 현탁액을 정화층에 유입하는 횟수가 반복됨에 따라 폐색현상에 의해 간극률은 저하되며, j+1번째 단위시간 동안 변화되는 지반의 간극률과 투수계수를 Kim et al.(2009)와 Kim(2010)에서 제안된 다음의 식 (10)과 식 (11)을 이용하여 구할 수 있다.
(10)
여기서, i는 일차원 공간 상에 i번째 위치를 의미한다. 투수계수의 변화는 Kozeny-Carman 식을 근간으로 하고 있으며(Kim, 2010), 간극비의 변화만을 고려하였을 때 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
(11)
식 (10)과 식 (11)에서 각 단계마다 변화된 간극률과 투수계수의 값을 구할 수 있으며, 변화된 간극률과 투수계수의 값을 식 (6)에 대입하여 폐색되는 현탁액 입자의 무게를 산정한 후 각 오염수 유입횟수 마다 산출된 입자의 무게를 더하여 누적무게를 산정하였다. 또한 폐색모델에서 간극에 폐색된 입자의 누적무게를 구하기 위해 필요한 인자들은 실내 챔버시험을 위한 각 정화층의 기본물성 시험결과를 적용하였고, 
값을 얻기 위해 필요한 모래 정화층의 간극과 관련된 상수 m과 b는 다음과 같은 과정으로 구할 수 있다.
흙 입자의 반경으로부터 간극 반경으로 변환하기 위해 Arya and Dierolf(1989)는 다음과 같은 식 (12)를 제시하였다.
(12)
여기서, 
=간극의 반경; 
=흙입자의 반경; 
=간극비; 
=간극튜브의 유효길이
Arya and Dierolf(1989)는 실험을 통해 간극튜브의 유효길이 
를 0.911cm로 가정할 때 실험값과 잘 일치함을 보였다. 따라서 본 논문에서도 
를 0.911cm을 적용하였다.
정화층 모래의 입도분포를 식 (12)를 이용하여 간극반경의 분포로 변환할 수 있으며 간극 반경을 ln(r)로 표시한 대수분포도에서 m은 ln(r)의 평균값이고, 표준편차 b는 다음 식으로 산출할 수 있다.
(13)
다음 Table 6에 각 모래 정화층 시료에 대한 폐색모델에 적용된 인자들을 정리하였다.
다양하게 가정된 Lumped parameter 
를 적용한 폐색모델과 실내 챔버시험에서 산정된 폐색 입자들의 누적무게를 비교하여 각 정화층에 대한 적합한 Lumped parameter 
를 추정하였다. Fig. 14는 점토를 함유한 오염수 적용 시, 정화층 A, B, C에 대한 폐색모델과 실내 챔버시험에서 얻어진 입자의 누적무게를 비교한 그래프이고, Fig. 15는 비점오염원을 함유한 오염수 적용 시 정화층 C, D, E에 대한 폐색모델과 실내 챔버시험에서 구한 입자의 누적무게를 비교한 그래프이다.
폐색모델과 실내 챔버시험을 비교한 결과로부터 점토를 함유한 가상 오염수를 적용한 경우에 Lumped parameter 
는 정화층 A에서 1∼2, 정화층 B에서 2.5∼3.2, 정화층 C에서 2.4∼3.3의 범위를 나타냈다. 한편, 비점오염원을 함유한 오염수를 적용한 경우에 Lumped parameter 
는 정화층 C에서 3, 정화층 D에서 4.5, 정화층 E에서 3(하부)과 4.5(상부)로 추정되었다. 폐색모델에서 Lumped parameter 
는 모래 정화층의 유효입경이 클수록 증가하는 것을 확인하였다.
두 층으로 구성된 정화층 E의 경우 이론식으로 구한 값과 실험 결과값에서 다소 차이를 보였는데, 이는 상부와 하부의 입도분포가 다른 이중층으로 구성된 정화층의 폐색현상을 이론적으로 규명하기 위해서는 향후에 다층으로 구성된 정화층의 폐색이론에 관한 연구가 보완되어야 할 것으로 사료된다.
6. 결 론
본 연구에서는 빗물의 재활용이 가능한 인공 빗물 저류조의 비점오염원 제거 시스템으로 모래 정화층을 적용하여, 모래의 입도와 구성이 다른 5종류의 정화층을 대상으로 입경 0.075mm 이하의 해성점토와 입경 0.25mm 이하의 비점오염원 건조시료로 제조된 2종류의 인공 오염수를 이용한 실내 챔버시험을 수행하였다. 실내 챔버시험 결과로부터 비점오염입자에 대한 폐색특성과 폐색이론에 의한 비점오염원 제거 예측 모델에 관한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1)본 연구에 적용된 유효입경 0.93mm와 유효입경 1.49 mm의 모래 정화층 시료는 환경부의 상수도시설기준에 제시된 급속여과 모래의 적용 기준보다 다소 높으나, 비점오염원 건조시료의 최대 입자크기와 초기 강우를 정화하기 위한 짧은 저류기간을 고려하여 다양한 유효입경의 모래 정화층 시료와 함께 실내 챔버시험에 적용되어 비교, 분석되었다. 실내 챔버시험 결과, 유효입경 0.93mm와 유효입경 1.49mm의 모래 정화층은 실제 비점오염원에 양호한 정화효율을 나타내었다.
(2)실내 챔버시험 동안 유입-유출된 오염수의 TSS와 COD를 측정하여 각 정화층의 비점오염원 제거효율을 평가한 결과, 미세입자인 점토를 함유한 오염수를 적용한 시험에서 오염수의 유입-유출이 120회까지 진행된 모래 정화층 A(D10=0.27mm)는 TSS 제거효율 43.5%∼91.6%, COD 제거효율 44.7%∼72.5%의 범위를 나타내었다. 그리고 비점오염원을 함유한 오염수를 적용한 시험의 경우 오염수의 유입-유출이 100회까지 진행된 이중층으로 구성된 모래 정화층 E(D10=1.49mm(상부), D10=0.93mm(하부))는 TSS 제거효율 89.0%∼98.0%, COD 제거효율 96.0%∼100.0%의 범위를 나타내었다. 정화층 A와 정화층 E는 모두 100회 이상의 시험 횟수를 진행하여 충분한 사용 기간을 확보할 수 있으며, 초기 강우 내 비점오염입자의 입도 특성에 따라 인공 빗물 저류조의 정화층으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
(3)폐색모델에서 폐색되는 비점오염입자의 양을 구하기 위해 필요한 계수 Lumped parameter 
를 실내 챔버실험 결과와 비교하여 추정한 결과, 정화층 모래의 유효입경이 0.27mm∼1.49mm의 범위로 증가함에 따라 Lumped parameter 
는 1∼4.5의 범위로 증가하였다. 또한 모래 정화층의 간극 내에 폐색되는 비점오염입자의 양은 Lumped parameter 
가 커질수록 증가하여, Lumped parameter 
는 모래 정화층에 폐색되는 오염입자의 양에 많은 영향을 주는 것으로 나타났다. 실내 챔버시험으로부터 적절한 Lumped parameter 
를 적용한 폐색모델은 현장 인공 빗물 저류조의 모래 정화층을 이용한 비점오염 저감시설의 용량 산정 및 사용기간 예측을 위하여 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
(4)실내 챔버시험 결과, 유효입경 0.93mm(하부), 유효입경 1.49mm(상부)의 모래로 이층으로 구성된 정화층 E가 가장 많은 양의 비점오염입자를 제거하는 것으로 나타났다. 이는 유효입경이 같은 모래로 구성된 단일 정화층의 폐색현상은 주로 정화층 표면 부근에서 관찰된 반면, 정화층 E의 폐색현상은 유효입경이 큰 상부 정화층 모래의 간극에 고르게 퍼져 부분적으로 내부에 폐색된 것이 관찰되어 이로부터 정화층 E는 상부 정화층의 내부 간극을 이용하여 많은 양의 비점오염입자를 제거할 수 있는 것을 알 수 있었다. 따라서 유효입경이 다른 모래로 이층으로 구성된 이중 정화층은 현장 인공 빗물 저류조를 위한 비점오염원 정화시설로 적합한 정화층 형식인 것으로 판단된다.
