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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.49 No.3 pp.187-196
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2016.49.3.187

Explanation of Foaming Mechanism and Experimental Application of Foam Reduction Techniques in the Treated Wastewater Outlet of Wastewater Treatment Plant Connected to a Tidal River, Korea.

Jae-Ki Shin*, Youngsoo Cho, Youngsung Kim1, Bok-Gyoo Kang2, Soon-Jin Hwang3*
Center for Integrate Water Management of the Nakdong River, Korea Water Resources Corporation (K-water), Busan 49300, Republic of Korea
1K-water Research Institute, Korea Water Resources Corporation (K-water), Daejeon 34045, Republic of Korea
2Aquatic Ecosystem Conservation Division, Water Environment Management Bureau, Ministry of Environment, Sejong 30130, Republic of Korea
3Department of Environmental Health Science, Konkuk University, Seoul 05029, Republic of Korea
Corresponding author : +82-10-3870-6121, +82-51-529-3168, shinjaeki@gmail.com
Co-corresponding author: +82-2-450-3748, +82-2-456-5062, sjhwang@konkuk.ac.kr
July 26, 2016 September 28, 2016 September 29, 2016

Abstract

This study was performed to improve the foaming generated in the effluent of wastewater treatment plant from March 2015 to July 2016. The main cause of foaming was air entrainment by an impinging jet and the internal accumulation by the diffusion barrier. Particularly, the foam growth was most active when there is low tide and larger discharge. To solve this problem, we experimented after installing fine mesh screen and the artificial channel device with underwater discharging outlet in the treated wastewater discharge channel and the outlet, respectively. As a result, the effects of foam reduction by devices ranged 85.0~92.0% and 70.7~85.6%, respectively. In addition, the foam and the noise were easily solved, first of all look to contribute to the prevention of complaints. Our device studies were applied to a single wastewater treatment plant. However, it is considered to be able to apply in other similar cases of domestic sewage treatment plants.


감조하천에 연결된 하수처리장 방류구의 거품 형성기작 해석 및 거품발생 저감기술의 실험적 현장적용

신 재기*, 조 영수, 김 영성1, 강 복규2, 황 순진3*
한국수자원공사 낙동강통합물관리센터
1한국수자원공사 K-water 연구원
2환경부 수 생태보전과
3건국대학교 보건환경과학과

초록


    Korea Water Resources Corporation

    서 론

    거품 (foam) 현상은 우리들의 일상에서 시시각각 다양 한 형태로 접하고 있다. 그중에서 하폐수처리장의 수처리 후 공공수역으로 최종 배출되는 방류수로 인한 거품 발생 은 오래 전부터 생긴 일이다 (Shin et al., 2001; Shin et al., 2016). 특히, 수질오염을 방지하기 위하여 하수처리장은 반 드시 필요로 하지만 혐오시설로 취급되어 이러한 문제점 에 대해 등한시 되어 왔었다. 그러나 도시화의 확대로 인 해 하수처리장이 지역생활 공간의 중심지에 위치하게 됨 으로써 차츰 주목하게 되었다. 유역에서 발생하는 생하수 (untreated raw wastewater)를 집수하여 처리하는 단위 공 정에서 발생하는 거품현상은 수처리 저해, 악취발생 및 미 관장해 등의 주요한 원인으로 작용하여 전 세계적으로 주 요 연구의 대상이 되고 있다 (Berovic, 1990; Vardar-Sukan, 1998; Chung, 2000; Jang and Mun, 2005; Shin et al., 2016). 하수처리장 방류구의 거품은 마치 육상에 놓인 굴뚝의 연 기처럼 하루 중 지속적으로 하얗게 발생시키고 있어 막연 히 유해하다고 인식하고 있는 실정이나, 최종 처리수에서 발생하는 것이어서 미세조류를 이용한 생물검정 결과 특 이한 유해성은 없었다 (Shin et al., 2001). 반면에, 부유성 거 품이 대소 하천과 해양 연안으로 방류될 경우, 미관상 좋지 않을 뿐만 아니라 의문의 부정적 시각을 가지게 되어 불필 요한 민원 발생의 가능성은 충분히 상존하였다.

    D 하수처리장을 포함한 국내 주요 하폐수처리장의 방류 구에서 내뿜는 거품의 발생실태는 실제로 심각한 상태로 볼 수 있었고, 이러한 현상은 크던 작던 전국적인 것으로 파악되었다 (Shin et al., 2016). 이러한 문제를 해결하기 위 하여 본 연구 대상지의 하수처리수 방류구 전단에 설치된 거품확산방지막은 공공수역 하천의 상하류 구간에서 유일 하게 눈에 띄는 비고정형 유동설비에 해당하였다. 또한, 방 류구가 위치한 지점의 양안 하천변은 시민 산책로와 자전 거길이 조성되어 있고, 그 뒤편과 너머로 고층 공동주택이 밀집되어 있다. 따라서 외관상 좋지 않은 이미지가 제공되 고 있어 구조적 또는 비구조적 측면에서 어떠한 형태든 방 류구의 거품 발생량을 경감시키고자 하는 연구와 노력이 필요하였다. 거품의 발생을 완화시키기 위한 방법은 현재 까지 화학물질 소포제 (defoamer)와 거품확산방지막을 주 로 사용하고 있다. 그러나 수질 및 수생태계의 2차적 환경 영향 (Jang and Mun, 2005; Maeng et al., 2013)과 부가 비 용 및 효과 측면에서 적극 권장할 만한 대응방법은 아니었 다 (Shin et al., 2016).

    미국의 경우, 국가 오염물질 배출규제 제도 (National Pollutant Dischage Elimination System, NPDES)에 거품에 관 한 규정과 조치권고 사항이 각각 포함되어 있고 (Shin et al., 2016), 일본의 경우, 별도의 규제는 없으나 예방 차원에서 자가 저감장치를 설치하고 있다 (Kang et al., 2005). 반면에, 우리나라는 거품에 관한 법과 제도를 아직까지 마련하지 않고 있다. 이러한 이유로 하수처리장 방류구의 거품에 관 한 연구는 거의 없는 실정이다 (Shin et al., 2016). 그러나 연안해양은 과거부터 어업피해와 환경영향의 우려에 대한 민원해결을 위하여 발전소의 방류구를 대상으로 한 지속적 인 연구가 있었다 (Lim and Bae, 1995; Jang and Mun, 2005; Kim et al., 2008; Oh et al., 2008; Oh et al., 2010; Maeng et al., 2013).

    본 연구의 목적은 공공하수처리장에서 하수처리수를 방 류할 때 발생하는 거품현상의 기작을 파악하고 이를 경감 시키기 위한 저감장치를 개발하여 현장에서 직접 실험 테 스트하는 것이다. 선행 조사 및 진단 후 감조하천 특성과 유량 등 다양한 여건을 고려하여 최적 기술을 개발하였고, 실제로 현장에 적용한 실험적 사례로써 소개하였다. 따라 서 이와 유사한 문제점을 가지고 있는 국내의 다른 하폐수 처리장에도 응용하여 사용될 수 있도록 기초자료를 제공 하고자 하였다.

    재료 및 방 법

    1.연구 대상지 개황

    본 연구는 2015년 3월부터 2016년 7월까지 거품발생의 원인분석과 저감기술 적용을 위해 부산광역시에 위치하고 있는 D 하수처리장을 대상으로 하였다 (Table 1). 2002년 12월에 착공하여 2006년 10월에 준공되었고, 행정구역상 처리범위는 대도시의 1개 구와 인근 구의 1개 동을 포함하 고 있다. 대상 거주인구는 약 220,000명 정도이다. 발생 하 수는 차집관로 (24 km, 350~1,650 mm diameter)를 통해 전 량 처리장으로 이송되고 있으며, 관로는 분류식 (50%)과 합류식 (50%)이 혼재되어 있어 강우에 의한 유량 증감 변 동에 매우 취약하다. 중계펌프장은 각 구역의 하류에 1개 씩으로써 총 2개가 있다. 하수처리장 면적은 28,900 m2이 고, 시설용량은 135,000 m3 day-1이다. 2015년 기준으로 현 재 처리량은 약 78,000 m3 day-1으로써 58,000 m3 day-1은 직접 방류하고, 20,000 m3 day-1은 유량이 빈약한 상류의 지천에 하천유지용수로 공급하고 있다. 수처리 계통은 침 사지-혼화지-침전지 (펌프장)-여과지-최종 방류 순으로 이 루어져 있고, 슬러지는 별도 계통으로 처리하고 있다 (Fig. 1). 처리공법은 경사판 침전지와 생물막 여과를 사용하고 있다. 최종 처리수는 1차 관로를 통해 방류토구의 수로까 지 이송되고, 방류구에서 배출되어 공공하천과 합류된다.

    2.거품발생 완화기술의 장치제작 및 적용방법

    거품발생 저감기술의 적용은 크게 2가지로 구분하였다 (Fig. 2). 첫째는 방류수로이고, 둘째는 방류구~거품확산방 지막에서 발생하는 거품을 줄이는 것이다. 전자는 수로 바 닥에 미세망목스크린 (fine sieve screen)을 깔아서 표면 거 품을 제거하는 것이고, 후자는 수위 변동에 따른 높이 차 이를 줄여주는 수중방류형 인공수로장치 (artificial channel device with submerged outlet)로써 낙차를 없애는 것이다. 이에 대한 주요 제원, 제작 및 실험방법은 다음과 같다.

    미세망목스크린은 개방수로 (L=2,400 mm)에 적용하기 위한 것으로써 크기는 4,650 (L)×2,400 (W) mm였고, 재질 은 폴리에스테르 나일론 (망목크기 5 (H)×5 (V) mm)으로 되었다 (Fig. 3). 스크린의 상단과 하단은 망의 내부에 스테 인레스 파이프를 각각 넣어서 박음질하였다. 그리고 수로 에서 생긴 거품이 마찰 없이 유입되도록 상단은 양 끝과 중앙에 줄을 매달아서 바닥과의 높이 (h)를 250~330 mm 범위로 조절하여 경사를 두었고, 줄은 수로의 상부에 각 각 고정시켜 설치하였다 (Fig. 3). 하단은 방류수로의 유속 에 의해 탄력적으로 작동되도록 바닥에 그대로 눕혀 놓았 다. 이렇게 하여 방류수로의 전단에서 발생되는 거품은 스 크린 내부를 통과하면서 망에 접촉 후 포획되도록 하였고, 거품을 제외한 하부의 물은 그대로 하천으로 원활하게 빠 져나가게 고안하였다. 장치 망에 강제로 잡혀서 걸린 거품 은 연속흐름의 반복되는 유속 충격에 의해 부서지거나 시 간이 지남에 따라 자연 소산되는 원리를 이용하였다. 효과 분석은 망 장치에 유입되기 전과 통과한 후의 시료를 각각 채수하여 거품 분포면적을 비교하였고, 채수한 후 인위적 인 손상을 줄이기 위하여 유동성을 최소화하였다.

    수중방류 인공수로장치는 방류구의 끝단과 확산방지막 의 전단 사이에 적용하는 것이다. 테스트용 장치의 크기는 각각 1,700 (L)×2,400 (W)×330 (H) mm였고, 재질은 합판 으로 하였다 (Fig. 4). 실제 방류구의 폭은 총 4,650 mm였으 나, 비교실험을 위하여 축소형으로 제작하여 사용하였다. 낙차 제거와 거품 확산을 최소화하고 누수를 방지하기 위 하여 상부, 하부 및 양 측면을 각각 밀폐시켰다. 이렇게 하 여 폐쇄형 수로가 되도록 만들었다. 인공수로장치의 상부 끝단은 방류수로의 끝단에 위치하도록 고정하였고, 하부의 끝단은 수중에 들어가도록 설치하였다 (Fig. 4). 이때 장치 가 수중에서 부상하지 않도록 중량 50 kg의 추 (weight) 2 개를 매달아 고정시켰고, 경사각은 45~55° 범위였다. 방류 수로의 배출수는 장치의 내부를 통과한 후 하천의 수중으 로 빠져나가도록 하였다.

    방류구 끝단과 인공수로장치의 연장거리는 약 2.5 m였 다. 기존에 거품확산방지막의 거리는 약 10 m였으나, 수중 방류 인공수로장치는 1/4 수준이었다. 또한, 감조하천에 적 용되기 때문에 조석의 영향을 최대한 고려하였다. 하천의 수위변동에 따라 외형적인 방류 형태가 변화될 수 있다. 특히, 밀물의 최고 조위 때 방류수로와 하천수위가 일치하 거나 그 이상 유지하기 때문에 인공수로장치의 내부가 하 천수로 높이 채워지게 되므로 이때 일시 저류되었다가 단 순하게 넘쳐서 자연 월류하도록 설계하였다. 저류될 때, 수로 내부에 역류가 될 수도 있지만 기존 수처리 관련 설 비에는 전혀 지장을 초래하지 않도록 하였다. 효과분석은 거품확산방지막의 내부공간을 유속방향으로 200등분 (10 (W)×20 (L))하여 방안지를 만들었고, 여기에 거품의 발생 과 소멸 양상을 기록하여 실험장치의 적용 전후 결과 (상대 비율, %)로써 비교하였다.

    3.방류수로와 감조하천의 유속측정

    하수처리수 방류수에서 발생하는 거품의 확산범위, 형 태 및 양상 등 하천에서의 주요 특성을 파악하고, 저감장 치를 천변에 설치할 때 수리학적 안정성을 사전에 검토하 기 위하여 방류수로와 하천에서 유속 및 흐름 분포를 각각 조사하였다. 방류수로의 유속은 Valeport Model-802 ECFS (electromagnetic current flow sensors) meter (Valeport Ltd., UK)를 이용하여 중앙과 좌우측의 총 5개 지점에 동일한 간격으로 각각 측정하였다. 방류량이 다소 가변적이어서 측정시기를 최대, 중간 및 최소 때 각각 3회씩 선택하였다. 하천의 횡단 유속분포는 RiverRay ADCP (acoustic doppler current profiler) meter (Teledyne RD Instruments, USA)를 하천 양안에 횡단으로 미리 팽팽하게 설치해 둔 나일론 케 이블에 매달아 일정한 속도로 천천히 왕복 이동하면서 연 속 측정하였다 (Gordon, 1996). 밀물과 썰물을 고려하여 고 조기와 저조기에 각각 2회씩 반복하였다.

    결과 및 고 찰

    1.하수처리수 방류구의 거품발생 원인 및 특성

    D 하수처리장의 방류구는 감조하천과 인접해 있어 방류 시 발생되는 거품의 양은 하수처리수의 방류량이 많거나, 썰물 때와 같이 방류구의 낙차가 클 때 급격하게 증가하였 다. 하수처리수에서 발생하는 거품의 근원은 미처리된 생 하수에서부터 시작되지만, 하수처리수의 양이 많을 경우는 방류수 자체에 거품 양이 많았을 뿐만 아니라 처리장으로 부터 좁은 관로를 통해 폭이 넓은 방류수로에 배출 후 분 산되거나 최종적으로 하천수와 만나게 될 때 더욱 많은 거 품이 형성되었다. 거품은 수중에서 발생하는 것으로써 물 리적 작용에 의해 무수히 많은 미세한 기포로 구성되어 있 었다 (Vardar-Sukan, 1998). 그리고 하수처리장내에서 선행 하여 형성된 거품은 수로를 따라 수평으로 장거리 이동하 거나, 조건에 따라 낙수 후 수표면에 기포가 떠올라서 축 적되는 것이 파괴되는 것보다 빠를 때 거품이 큰 규모로 발생되었는데, 거품발생의 원인물질은 계면활성제, 점성 물질 및 수중 용존염 등이 포함될 수 있다 (Moeller et al., 2010). 또한, 거품이 안정된 상태로 되는 것은 작은 기포들 이 수중에 있는 미세 유기물질들을 흡착, 부상분리 및 농 축시키기 때문이다 (Kang et al., 2000). 따라서 인위적인 작 용을 가하지 않고는 좀처럼 쉽게 소멸되지 않는 특성을 보 였다.

    2.하수처리수 방류구의 거품발생 실태 및 기작 패턴

    D 하수처리장의 처리수를 방류하는 단계에서 거품발생 은 크게 방류수로와 방류구에서 각각 1차 및 2차적으로 이 루어졌고, 거품확산방지막에 축적되어 부피가 커지는 형 태가 반복 또는 연장되었다 (Fig. 5). 또한, 방류되는 수역은 감조하천으로써 그 특성상 조석주기의 영향을 직접적으로 받는 구조였다 (Table 2). 밀물 때, 하천의 수위는 방류구의 끝단 높이만큼 높아졌다. 이때 낙차에 의한 와류현상은 없 었고, 여울현상만 관찰되었다. 방류수로에서 생긴 거품은 물 흐름에 의해 수면을 따라 그대로 이동하였고, 거품확산 방지막 끝단에 도달한 후 거품의 축적현상이 현저하였다 (Fig. 5). 거품은 표면에만 분포하기 때문에 상부의 거품만 솜사탕을 만들 때처럼 자연스럽게 감기는 듯 포획되었고, 하부의 수체는 방류 유속에 의해 전진하는 형태를 보였다. 거품은 최고 약 0.9 m 높이로 과도하게 누적된 후 월류하 거나 누출되었다 (Fig. 5). 월류는 포말형성 후 하구역의 바 람이 순간적으로 강하게 불 때 날려서 방지막을 넘어가기 도 하였다. 누출은 유속에 의해 방지막의 하부로 일부 빠 져나가 와류가 생겨서 수표면에 재부상하였다 (Fig. 5). 거 품확산방지막으로부터 누출된 거품은 약 20 m 이상 거리 까지 띠를 이루거나 넓게 퍼져서 이송되기도 하였다. 또한, 축적 속도는 낙차가 없고 유량이 많은 밀물 때에 최대가 되었고, 거품의 양은 시간적으로 다양한 형태의 변동을 보 였다. 썰물 때, 방류구 끝단에서 최대 0.69~0.85 m 높이로 낙차가 형성되었다 (Fig. 5). 이로 인해 마치 인공거품발생 기를 연상케 할 정도로 강한 포기가 발생되었다.

    낙차로 인해 생긴 낙수거품은 수표면으로 부상하여 빠 른 속도 (평균 1.25 m s-1)로 거품확산방지막의 내부 전체 에 골고루 퍼져갔고, 방지막의 끝단에서 더 이상 밀려가 지 못하여 벽면에 고립되어 축적되었다. 이러한 현상은 방 지막의 좌우측 면에서도 유사한 결과를 보였는데 1차적으 로 측면벽에 축적되었고, 물 흐름에 의해 방지막의 끝단으 로 이동된 후 스컴 형태로 성장하는데 직접적으로 기여하 였다 (Fig. 5). 거품의 색깔은 방류구 끝단에서 초기에 흰색 이었으나, 방지막 끝단에서는 탁하고 짙은 황색으로 변하 였고, 건조 시에는 검은색으로 고형화되었다. 이것은 수중 에 포함된 다양한 입자성 부유물질이 거품에 흡착되어 나 타나는 것으로 볼 수 있었다. 축적된 거품은 밀물 때처럼 방지막의 하부로 누출되거나 바람에 의해 포말형태로 날 아갔다. 밀물과 썰물 때 공통적인 현상으로써 방류구로부 터 나오는 거품이 많을수록 낙차 후 거품확산방지막 내에 서 생기는 거품의 양이 크게 증가하였고 축적되는 속도도 빨랐다. 이것은 하수처리수에서 생긴 거품이 그 만큼 쉽게 파괴되지 않음을 시사하였다. 거품이 자연적으로 소산되는 데 걸리는 시간은 약 90초 (n=10) 정도였다. 따라서 낙차 가 전혀 없는 상태의 표면 방류를 할 때 거품이 자연 소멸 하기 위한 수로의 길이는 최소한 약 113 m 정도로 확보되 어야만 가능하였는데, 이것은 공공하천에서 실현되기에 다 소 어려움이 있다.

    거품은 유체에 기체가 인입되어 발생하는 것이므로 그 발생기작은 공기유입 (air entrainment)의 관점에서 설명되 어질 수가 있다 (Wood, 1991; Kim et al., 2008; Shin et al., 2016). 수표면 폭기는 낙수부와 같은 고유속의 개수로 흐 름에서 강한 난류와 주변 공기의 전단력에 의해서 수표면 에 교란이 발생하여 3차원적인 와류가 형성되면서 공기유 입이 일어나는 것으로써 수표면 전체에서 광범위하게 발 생한다. 낙수 (impinging jets)에 의한 폭기는 수표면과 떨어 지는 자유 낙하수 (free jet)의 교차 면에서 발생하는 것이 다. 낙수가 수표면에 도달하기 이전에 난류가 발달하는 제 트 표면부에서 거품층이 형성되었을 때 공기의 연행은 보 다 증가하고, 흐름방향과 직각을 이루는 소용돌이 (vortex) 가 발생되며, 이에 의해 기포가 포획되어 표면으로 이송되 어지는 것이다. 담수에서 거품의 부상속도는 약 0.3 m s-1 정도이다 (Wood, 1991). 수중에서 발생한 거품은 그만큼 이 송 및 확산되기 쉽다. 또한 수표면보다 깊은 곳까지 균일 하게 분포되어 수중 체류시간이 길기 때문에 많은 현탁성 유기물의 흡착이 가능하여 거품은 쉽게 소멸되지 않는 성 질을 가지게 된다 (Lim and Bae, 1995). 따라서 거품은 단 위 부피당 표면적이 커서 기포 막에 많은 부유물을 흡착시 켜 고밀도화 됨으로써 외부 충격과 수온 변화 등에 대처할 수 있는 물리적 완충작용도 우수하다.

    하수처리수에 의한 거품발생, 이송 및 확산은 강우시나 비강우시에 큰 차이가 없어 기후적 영향에 덜 민감하였다. 이러한 현상은 D 하수처리장뿐만 아니라 다른 하수처리장 들도 동일하였다 (unpublished data). 또한, 상공에서 관찰한 결과 방류수가 하천의 표층에 쫙 깔려서 멀리까지 이송 및 확산되어 분포하였다. 이것은 감조하천에서 염분 밀도차이 에 의해 상하층이 나누어지는 전형적인 기수역 특성의 일 부로 볼 수 있었다. 결과적으로 낙차로 인해 한번 생긴 하 수처리수의 거품은 수표면에서 잘 깨지지 않고 더욱 안정 화되는 것으로 이해가 되었다. 밀물 때에는 해수가 저층을 통해 침투하여 하천의 수위가 높아졌고, 썰물 때에는 상부 의 물이 바다 쪽으로 빠져나가는데 초기에는 그 흐름이 완 만하게 느리다가 시간이 지날수록 육안으로 확인될 정도 로 빨랐다. 하천의 횡단 유속분포를 실제로 측정한 결과, 하천의 유속은 0.5 m s-1 이하로써 방류수의 유속보다 훨씬 작았기 때문에 몬순 (홍수)과 태풍의 시기를 제외하고는 장 치의 안전성에는 큰 문제가 없는 것으로 판단되었다. 그러 나 홍수기에 조석주기에 따른 유속과 장치의 안정성에 대 한 구체적인 비교검토는 별도로 필요하였다. 하천이 범람 하는 시기에는 거품에 대한 문제보다 흙탕물 성향의 탁수 (turbid water)에 의한 영향이 보다 지배적일 것으로 예상 되었다.

    하수처리수가 최종 방류되는 감조하천에서 썰물 때 배 수로와 수면 사이에 큰 낙차가 생기는데 이때 거품이 특히 많이 발생하였다. 전술한 바와 같이 거품 형성의 직접적인 원인은 공기유입이었고, 낙차가 있고 고유속의 난류상태에 서 일어나며, 낙수량의 약 15% (v/v)에 해당하는 기체가 수 중에 확산된다 (Wood, 1991; Shin et al., 2016). 따라서 공 기유입경로의 차단과 난류저감이 거품제어에 중요한 변수 가 될 수 있겠다. 그 외에 수온과 생물 기원성 유기물질도 관련되어진다. 이와 같이 다양한 거품형성의 영향요인을 고려할 때, D 하수처리장에서 거품의 발생량을 근본적으로 저감하기 위해서는 방류수로와 방류구의 구조적 문제점을 개선할 필요성이 제기되었다.

    3.하수처리장 방류구의 거품발생 저감기술 실험적용 효과

    본 연구는 하수처리수의 거품발생에 대한 해결방안으 로써 각 부분별로 유하억제, 낙차와 공기연행을 최소화하 는 저감방법으로 기술적 접근을 하였다. 기술적용 및 효과 분석은 Table 3에 제시된 조건으로 비교하였다. 미세스크 린 망과 수중방류 인공수로장치를 테스트할 때 순간 방류 량은 301~6,550 m3 s-1 범위로써 최대 및 최소값의 차이가 매우 컸고, 유량의 증감변동은 주간 (비심야, 06~24시)에 약 20~30분 간격으로 주기성을 가지고 있었다. 또한, 이때 유속은 0.66~1.55 m s-1 범위였고, 평균값은 1.16 m3 s-1이 었다 (Table 4). 반면에, 야간 (심야, 24~05시)에는 유량변동 의 폭이 크게 줄어서 차이가 작았고, 유속도 주간의 낮은 값 수준이거나 그 이하였다.

    미세스크린 망 장치를 방류수로에 설치하였을 때 흐름 에 의해 이송되던 거품은 거의 포획되어 파괴되었다 (Fig. 6). 방류수로 끝단으로 빠져나가는 물의 표면에서 거품은 거의 보이지 않았다. 그러나 유량이 급증하여 유속이 빠를 때는 망에 축적되는 거품이 일부 생겼고, 망을 통과하는 다 수의 기포들도 관찰되었다. 스크린 장치를 통과하기 전후 에 표층수를 각각 채수하여 비교한 결과 약 85.0~92.0% 정도로 감소하였다 (Table 3). 유량이 적을 때에 더 나은 효 과가 있었고, 망을 통과한 후에는 크기가 큰 거품은 전혀 없었다. 방류수로에서 거품을 완화시키는 방법으로써 미세 스크린 망 장치는 비용 대비 매우 효과적인 것으로 확인되 었다. 이것은 수표면 거품이 망에 연속적으로 부착되어 걸 리게 되고 유속 흐름에 의해 압착되어 그 형태가 깨어지는 것으로 볼 수 있었다. 이렇게 방류수로에서 인위적으로 거 품이 제거된 방류수는 다음 단계의 낙차에 의해 거품이 재 발생되는 현상이 나타났다.

    인공수로장치를 방류수로 말단에 설치하여 장치의 배출 구를 수심 깊은 곳에 두었을 때 기존에 표면에서 낙차와 와류에 의해 만성적으로 형성되던 스컴성 거품은 전혀 없 었다 (Fig. 6). 조석과 유량 조건으로 구분할 때 장치의 적 용효과는 각각 71.4~85.6%, 70.7~82.8% 범위로 감소하였 다 (Table 3). 방류수로에서 유입되는 거품은 장치 내부에서 포획되었고, 혼합되면서 작은 크기의 기포형태로 변화되어 배출되었다 (Fig. 6). 감조하천의 수위에 따라 장치 내 상부 에서 진행 유속과 전단마찰력에 의해 거품은 표면에서 회 전하였고, 후속되는 연속흐름에 의해 밀려서 배출되었는데 배출구에서 기포가 부상하면서 잘 흩어져 짧은 시간에 소 산되었다. 유량이 많고 유속이 빠를 때 전단마찰력은 보다 컸고, 부상하는 거품이 더욱 많았다. 인공수로장치의 배출 구 부근은 마치 저수지에 설치된 산기식 수중폭기장치를 운영할 때 나타나는 현상과 유사하였다. 하천의 수심이 얕 은 썰물 때보다 밀물 때 효과가 더욱 좋았다. 장치를 설치 하기 전의 수표면이 개방된 상태와 장치 설치한 후 폐쇄된 상태에서 각각 거품 발생과 저감효과는 비교도 안 될 정도 로 차이가 컸다. 그리고 동일하게 낙차가 발생하더라도 폐 쇄형 인공수로장치에서는 거품의 성장이 없었다.

    하수처리장의 처리수에 대한 문제점은 국내에서 다양 하게 제시되고 있다 (Shin et al., 2001). 그중에서 가장 으 뜸으로 손꼽는 것은 수질 부영양화였고, 그 결과로써 담 수의 녹조 (green-tide)와 해수의 적조 (red-tide)현상 그리 고 이로 인한 직간접적 피해까지 확대시키면 매우 광범위 한 영향을 미치게 된다. 거품 그 자체만 국한해서 보면, 단 순한 외형적 현상만 관찰될 수 있으나 하천에 방류된 후 하류로 유하하면서 유속이 매우 느리거나 수심이 얕은 곳 의 가장자리에서 수표면에 기름층 띠처럼 길고 넓게 얇은 수막을 형성하여 수중에 공기 기체교환을 차단시키는 악 영향을 초래하게 된다. 이로 인해 수층에 빈산소 (hypoxia) 가 발생하고 퇴적층으로부터 순간적인 영양염 용출이 가 능해진다. 그 결과, 군체형 편모조류 (예, Eudorina elegans) 와 대형 동물플랑크톤 (예, Daphnia sp.)이 혼합 밀생하여 단기간 반짝 대발생하였다 (unpublished data). 이러한 사실 은 최근까지 영산강 (승촌보 상류)과 경안천, 황구지천, 안 성천, 갑천, 소옥천, 양산천 및 조만강 등지에서 매년 4~5 월의 봄 가뭄 때에 관찰되었는데 모두 하수처리장 하류수 역이었고, 물질의 유해성보다 생태학적 교란이 수반되었다 는 데서 그 심각성을 짐작할 수가 있었다. 일반적으로 하 수처리장의 방류구에서 발생하는 문제점으로 거품 이외에 도 소음에 대한 문제도 제기될 수 있었다. 순간적으로 지 나칠 때는 물이 흐르는 소리로써 자연스럽게 들리지만 정 지된 상태에서 지속적으로 들을 때는 저소음에 해당할 수 도 있었다. 이러한 현상은 썰물 시기의 수위차가 클 때 더 욱 컸고, 주간보다 야간에 강하게 느낄 수 있었다.

    D 하수처리장의 방류구에서 발생하는 거품은 낙차에 의 한 공기의 혼입과 난류작용이 직접적인 원인으로 작용하 므로 이를 차단하는 목적으로 미세망목스크린과 수중방류 장치로써 개선하였다. 이렇게 하여 기존에 적용하고 있는 소포제와 거품확산방지막의 비구조적 및 구조적 문제점을 동시에 해결함은 물론 하수처리수의 거품에 대한 막연한 불신과 관련한 민원도 예방할 수 있을 것이다. 끝으로, 본 연구는 D 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하 수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료 된다.

    적 요

    본 연구는 감조하천과 연결된 하수처리장 방류구에서 발생하는 거품의 형성기작 해석과 저감기술의 실험적용을 위하여 2015년 3월부터 2016년 7월까지 수행하였다. 거품 은 방류구와 하천 수면 사이의 낙차에 의한 공기연행과 거 품확산방지막에 의한 내부축적이 원인이었다. 특히 썰물 때와 방류량이 많을 때에 거품성장이 가장 활발하였다. 이 를 해결하기 위하여 방류수로와 방류구에 각각 미세스크 린 망과 수중방류 인공수로장치를 각각 설치한 후 실험하 였다. 거품 저감효과는 각각 약 85.0~92.0%, 70.7~85.6% 범위였다. 또한, 거품뿐만 아니라 소음 등 부가적인 문제점 도 해결할 수 있었고, 무엇보다도 민원예방에 기여할 것으 로 본다. 본 연구는 단일 하수처리장을 대상으로 하였으나, 국내 다른 하수처리장의 유사한 사례에도 응용될 수 있을 것으로 사료된다.

    사 사

    본 연구는 한국수자원공사 낙동강통합물관리센터의 창 의혁신과제 “하수처리수 거품발생저감 개선” 현장기술지 원에 의해 수행되었습니다. 현장조사 및 기술테스트에 도 움을 주신 D 하수관리사업소 직원들께 감사드립니다.

    Figure

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    Schematic diagram showing the unit processes of wastewater treatment in D wastewater treatment plant. Five hatched parts indicate major foaming area such as arrival point of raw wastewater (1), overflow point of sedimentation pond (2), filtration pond (3), water channel (4) and dischaging outlet (5).

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    Schematic diagrams suggested the reduction measures for foaming occurred at the treated wastewater outlet of the D wastewater treatment plant (Unit: mm).

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    Schematic diagram showing the micro-screen device as reduction tool for foaming occurred at the treated wastewater outlet of the D wastewater treatment plant (Unit: mm).

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    Schematic diagram showing the artificial channel device (A: side view, B: plan view and C: view of inlet and outlet) with submerged outlet as reduction tool for foaming occurred at the treated wastewater outlet of the D wastewater treatment plant (Unit: mm).

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    Schematic diagram illustrated the process mechanism of foaming in the treated wastewater outlet of D wastewater treatment plant.

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    Schematic diagram illustrated the experiment of fine sieve screen and artificial channel device in the treated wastewater outlet and foam diffusion barrier of the D wastewater treatment plant.

    Table

    Simple description of D wastewater treatment plant located in Busan metropolitan city, Korea.

    Comparison of major properties between determination stations according to the tidal condition near the outlet of treated wastewater of D wastewater treatment plant.

    Expected and experimental results for application of foam reduction techniques in the part of water channel and diffusion barrier discharged treated wastewater from D wastewater treatment plant.

    *: tidal condition,
    **: discharge condition

    Comparison of mean specific currents according to fluctuations of discharge in the treated wastewater outlet of D wastewater treatment plant.

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