FFFFFF조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 장치형 비점오염저감시설을 이용한 초기강우 오염부하 개선

영문 : Improvement of Initial Rainfall Pollution Load using Device Type Non-point Pollutant Reduction Facilitues

과제 팀명

Team # FFFFFF

지도교수

문영일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 3개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2015860032 정민우(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2013860008 김준성

서울시립대학교 토목공학과 2013860038 정민엽

서울시립대학교 토목공학과 2014860020 박선량

서울시립대학교 토목공학과 2015860017 박수한

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

경제적, 사회적가치가 있는 비점오염저감시설 장치를 고안하여 강우 발생 시 합류식 하수도 월류수(CSOs, Combined Sewer Overflows)와 분류식 우수관거 우수유출수(stormwater)에 의한 하천의 초기오염부하를 개선한다.

개발 과제의 배경

가. 강우 발생 시 초기세척효과에 의한 하천 수질약화

우리나라 하수도는 과거부터 꾸준히 체계를 갖추어 보급을 넓혀 왔다. 표 1을 통해서 우리나라의 급격한 도시화에 따라 하수도의 보급률 또한 지속적으로 도시지역이 농어촌 지역에 비해 높은 경향을 보인다.

표 1. 통계청, 하수관로 보급현황(%)

하지만 하수도 시설의 확장과 함께 각종 하수관거를 통한 비점오염원의 유출수의 통제가 힘들어지고 있는 추세이다. 비점오염원의 경우, 발생 및 배출경로가 다양하고 강우 시 대량 발생하므로 적절한 대책마련이 시급한 실정이다. 그 중 합류식 하수도 시스템과 분류식하수도 시스템에서는 강우 시 지표면의 비점오염원이 하수관거를 통해 이송되어 하수처리시설로 차집되지 못하는 합류식 하수도 월류수(CSOs)와 분류식 우수관거 우수유출수(Stormwater)의 형태로 하천과 같은 공공수역으로 방류된다는 문제점이 존재한다. 표 2에서는 강우 발생 시 합류식 하수도 월류수(CSOs)의 처리장 방류 허용기준에 비해 그 농도가 2~70배가량 높은 것을 확인 할 수 있으며, 청천시와 비교 하였을 때도 2~10배가량 오염물질의 농도가 큰 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 강우 발생 시에 발생하는 비점오염원의 문제의 심각성을 파악할 수 있다.

표 2. 도심지 CSOs, SSOs 오염부하 기초조사 연구. 환경관리공단, 2004

이러한 합류식 하수도 월류수(CSOs)와 분류식 우수관거 우수유출수는 건조 상태의 지표면을 씻어 내리는 강우 초기 시에 오염도가 가장 높은 것으로 조사되고 있으며 이를 초기세척 효과라고 한다. 즉, 초기세척효과(First flush)는 강우 초기에 유량의 증가와 함께, 건기 일반하수 오염물질 농도에 비하여 급격히 농도가 상승하는 현상을 말한다. 강우 발생 시 초기세척효과의 정확한 범위에 대해서는 명확히 한정하고 있다. 예를 들면, 강우시작이후 30분까지를 First flush라고도 하며, 건기시의 하수농도로 저하되는 시점까지로 보는 견해도 있다. 다만, 여기서 중점적으로 파악해야할 것은 강우 발생 시 초기세척효과에 의해 공공수역으로 방류되고 있는 비점오염원을 관리해야한다는 사실이다. 그림 1을 통해서 강우 발생 후 약 50분 내에 발생되는 유출되는 오염물의 농도가 전체 오염물의 농도에 비해서 매우 큰 것을 확인 할 수 있다.

그림 1. 강우 발생 시간에 따른 오염물(TSS, BOD, COD)의 유출농도

국내의 경우 도시지역 우기오염부하 관리에 대한 중요성이 인식되어진 것은 최근의 일로써, 별개의 처리시설로 월류수 및 우수유출수 처리시설을 구분할 만큼 방안이 시행되지 못하고 있다. 또한 선진국의 제어 및 처리기술의 국내 적용은 시기상 장래에 도입하는 것이 바람직할 것이라는 견해도 있으나 지금부터라도 합리적인 하수관거 월류수 및 우수유출수 제어 방안을 준비하지 못한다면 장래 방류수의 목표수질 달성은 요원할 수밖에 없다.

나. 국내 하수관거의 분류식화 사업 진행

우리나라의 하수도 시스템은 6.25동란 이후 청계천 하수종말처리장을 준공한 이후 지속적으로 보급이 시작되었다. 초기에는 우수와 오수를 함께 처리할 수 있는 합류식 관거 위주로 10,000km의 관거가 보급되었으며, 분류식 하수관거는 1980년대에 이르러서 약 300km가량 보급되기 시작되었다. 2000년대에 이르러 더 이상 합류식 관거 연장이 포화된 상태에 이른 것으로 판단하였으며, 또한 2002년 이후부터 우수와 오수를 분리하여 오수만을 하수처리장에서 처리할 수 있는 분류식 하수관거 시스템의 효율성이 제고되자 국내 하수관거의 분류식화 사업이 대두되기 시작하였다. 그림 2를 통해서 2000년대에 이르러 합류식 하수관거에 비해 분류식하수관거의 비율이 역전한 것을 확인 할 수 있다. 또한 분류식화사업의 한 형태로 기존 합류식 하수관거로 운영되던 지역에 오수관만을 추가 매설하여 오수만을 따로 분류하는 사업 또한 지속적으로 진행되고 있다. 이럴 경우 기존 합류식하수관거는 우수만을 배제하는 우수관의 역할을 수행하게 된다.

표 3. 통계청, 2000년대 하수관로 보급현황

이후 국가하수도 종합계획(2016~2025)에 의하면, 이전까지는 분류식 하수도의 수를 늘리는데 치중한 반면, 현재부터는 수질개선효과 및 하수도 유지관리 여건을 고려하여 비용-효과 대비 타당성이 있는 경우에 분류식화 사업을 추진함을 명시하고 있다.이는 기본적으로 분류식화사업을 진행하지만, 기존 합류식하수관거와 분류식하수관거 총체적으로 수질관리에 중점적으로 노력을 기울인다는 것을 확인할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과업에서는 초기세척효과에 의한 공공수역의 오염문제에 대비하여 보다 향상된 비점오염원 저감 시설을 고안한 뒤, 합류식하수도 시스템의 분류식화를 가정하여 우수토실과 같은 본래의 기능을 잃는 용지를 이용하여 경제적이며 사회적 가치가 있는 활용 방안을 제작하여 출품할 계획이다.

관련 기술의 현황

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

국내에서 비점오염원을 저감시키기 위해 사용하는 기술의 종류는 다음 표 4와 같이 크게 자연형, 장치형, 시설형으로 구분되어지며 자연형은 저류형, 침투형 그리고 식생형으로 분류된다.

표 4. 국내 비점오염원 저감 시설의 종류

가. 저류형

1) 정 의

저류형 시설은 자연형 비점오염저감시설의 한 종류로, 강우유출수를 집수, 저류하여 배수를 조절하는 시설이다. 강우유출수를 집수, 저류하여 비점오염원을 제거하는 방식에 따라 빗물정원, 저류조, 인공습지로 나누어진다.

2) 저류형 시설의 종류별 특징

빗물정원은 그림 6과 같이 풀, 초본식물, 나무 등의 다양한 식물들을 식재하여 조성한 정원으로, 생태저류시설로 기능하는 시설이다. 빗물정원은 옥상, 차도, 가로변 등에 좁고 오목한 지역에 식생들을 조성하며 강우유출수를 침투 및 여과 시켜 수질개선에 기여하며, 심미적인 효과를 주기도 한다.

그림 6. 빗물정원을 활용한 저류형 비점오염원저감시설

저류지는 그림 7에서와 같이 연못이나 지하지역에 저류되며 저류한 이후 중력에 의한 침전 및 생물학적인 과정으로 오염물질을 저감하는 방식이다. 그 특징으로서는 저류된 강우 유출수는 다음 강우에 의해 유출수에 의하여 교체되기 때문에 연중 내내 혹은 우기에 물을 보유하고 있는 인공 저류지 역할을 한다. 또한 수질처리용량을 초과하는 용량을 임시 저류한 후 방류하는 홍수 조절기능을 가지고 있다. 즉, 수질과 수량 모두를 조절할 수 있는 수단이다.

인공습지는 그림 7과 같이 자연습지의 형태와 기능을 모방하여 설계하며 강우 발생시 비점오염원을 침전 및 여과, 흡착과 미생물 분해 등의 기작을 통해 제거한다. 인공습지는 기본적으로 조성하는 재료가 자연재료들이기 때문에 조성비용이 저렴하며 특별한 전문지식이 필요 없으며 질소와 인을 비롯하여 금속이온과 같은 폭넓은 오염물질을 제거 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한 인공습지는 야생동물의 서식지를 제공하며 도시근교 녹지공간으로 활용되므로 그 활용도가 다양하다고 할 수 있다.

그림 7. 저류조와 인공습지를 활용한 저류형 비점오염원저감시설

나. 침투형

1) 정 의

침투형 저감시설은 자연형 비점오염원 저감시설 중 한 가지로 주로 도로, 노면, 지상표면 위 오염물질이 강우에 의해 쓸려나가는 비점오염물질을 대상으로 하는 저감시설이며 침투시설의 위치에 따라 유공성포장, 침투도랑, 침투저류지로 분류된다.

2) 침투형 시설의 종류별 특징

유공성포장은 그림 8과 같이 도시지역의 도보나 도로에 사용되는 불투수성 일반 콘크리트 블록과 다르게 블록 표면 전체에서 물을 투과시키는 포장 방법이다. 비점오염물질을 제거하는 방법으로는 포장체를 통해 하부지층으로 침투되는 과정에서 제거되는 방식을 사용한다. 유공성 포장의 특징으로는 다른 저류형 저감시설과 같은 자연형 저감시설과는 다르게 별도의 토지소요량이 없으며, 새로운 지역이나 기존 개발지에 모두 적용가능하다는 특징을 가지고 있다. 또한 기존 도시지역의 불투수성 아스팔트와 콘크리트 도보지역에서 여름철의 열섬현상을 개선시킬 수 있다는 추가적인 특징을 가지고 있다.

그림 8. 유공성 포장을 활용한 침투형 비점오염원 저감시설

침투 도랑은 그림 9와 같이 도보나 지상 표면 근처에 우수유출수를 수집할 수 있는 도랑을 구축하는 비점오염원저감시설로, 유공성 포장과 마찬가지로 도보나 지표면의 비점오염원을 제거한다는 공통적인 성질을 가지고 있다. 반면 침투도랑은 도보나 지표면 측면에 따로 도랑을 굴착하여 우수유출수를 수집한다는 차이점을 가지고 있다. 침투도랑의 특징으로는 주거지역이나 상업지역의 강우유출수를 처리하는데 적합하며, 강우 발생 시 지역의 범람을 감소시킬 수 있는 기능을 가지고 있다.

그림 9. 침투도랑을 활용한 침투형 비점오염원 저감시설

침투저류지는 그림 10과 같이 굴착이나 둑을 쌓아 형성한 저수지로 강우유출수를 얕은 수심의 저류지에 차집하여 임시저장 및 침투를 통해 빗물의 직접유출을 저감하는 동시에 오염물질이 제거되도록 설계한 시설로 저류형 저감시설과 유사하지만 저류형 저감시설은 우수유출수를 지속적으로 저류시켜가며 중력에 의해 오염물질을 저감시키며 때에 따라서는 수량을 조절할 수 있지만 침투저류지는 우수유출수를 하부 토양의 지속적인 침투를 통해 오염원을 제거하며 별도의 수량분배효과를 가지고 있지 않다는 차이점을 가지고 있다.

그림 10. 침투저류지를 활용한 침투형 비점오염원 저감시설

다. 식생형

1) 정 의

식생형 시설은 자연형 비점오염원 저감시설의 한 종류로, 식생을 이용하여 강우유출수를 이송하는 과정에서 비점오염원을 제거하며, 주로 강우유출수를 이송하는 과정의 차이에 따라 식생여과대와 식생수로로 구별된다. 또한 기본적으로 식생을 사용하기 때문에 넒은 면적의 용지를 필요로 하며, 생태서식처를 제공하며, 심미적 효과를 준다.

2) 식생형 시설의 종류별 특징

식생여과대는 다음 그림 11과 같이 조밀한 식생으로 덮인 균등경사의 지표면을 통하여 강우유출수를 이송하는 시설로, 일반적으로 강우유출수를 주요 수질처리시설로 유입시키기 전 전처리 및 이송 목적으로 설치한다. 식생여과대에서 강우유출수가 표면박류흐름(Sheet flow)의 형태로 이송되기 때문에, 오염물질의 처리효율은 등분포 표면박류흐름의 유지여부에 좌우된다는 특징을 가지고 있다. 따라서 빠른 속도로 강우유출수가 이송되는 지역에 대해서는 적절하지 않다. 추가적으로 강우로부터 토양을 보호함으로써 토양침식을 감소시켜 토양유실을 줄일 수 있다고 한다.

그림 11. 식생여과대를 활용한 식생형 비점오염원 저감시설

식생수로는 그림 12와 같이 식생으로 덮인 개수로를 통하여 강우유출수를 이송시키는 시설로, 식생에 의한 여과, 토양으로 침투 등의 기작으로 강우유출수의 오염물질을 제거한다. 식생여과대와 마찬가지로 강우유출수를 주요 수질처리시설인 하수관거로 유입시키기 전의 전처리 및 이송목적으로 설치된다. 식생수로에서 발생하는 흐름은 얕은 흐름(Shllow flow)이며, 식생수로를 통해 우수유출수가 이송되는 동안 부유고형물과 금속 등의 오염물질을 효과적으로 제거 할 수 있으며, 침투기능을 통해 박테리아도 제거할 수 있으나, 용존성 영양물질의 제거효율은 낮다는 특징을 가지고 있다.

그림 12. 식생수로를 활용한 식생형 비점오염원 저감시설

라. 와류형 시설

1) 정 의

중앙회전로의 움직으로 와류가 형성되어 기름,그리스등 부유성 물질은 상부로 부상시키고, 협잡물은 하부로 침전, 분리시켜 비점오염물질은 저감하는 시설로써, 우수관으로부터 수질처리용량을 유입시켜 처리하며, 원심력을 이용하여 입자상 물질의 급속침전을 유도하는 시설이다.

2) 와류형 시설 특징

초기 강우 유출수의 고형물 처리에 효과가 있으며 특히 크고 비중이 높은 고형물 처리에 사용된다. 와류형 시설은 50~100㎛미만의 입자상 물질의 제거에서는 비효율적이므로 설계 시 제거대상 물질의 입자크기를 고려해야 한다. 다른 우수처리 방법과 비교하여 넓은 범위의 유량을 제어할 수 있고, 면적을 적게 차지하는 저에너지 침전 시스템으로 대두되고 있다. 와류형 시설만으로는 협잡물, 고형물 등으로 처리가능 오염항목이 제한되므로 보다 다양한 비점오염물질을 처리하기 위해서는 다른 비점오염저감시설과 조합하여 사용하는 것이 바람직하다.

3) 와류형 시설의 모형 및 처리단계

유출되기 전에 긴 나선통로를 통하여 오염물을 배출시키는 단일 중앙처리장치를 가지며, 중앙 부분에서 농축된 고형물질이 저장조 저부로 모인 후 재부상하지 않는 구조를 가지고 있다.

그림 13. 와류형 장치의 장치 개념도와 내부 모식도

오염물의 처리단계로는 먼저 우수가 중앙회전로에 점선방향으로 유입되면 와류를 이용하여 기름,그리스와 같은 부유성 물질은 상부에 뜨며 협작물은 바닥에 가라앉게 된다. 이후 중앙부분에서 농축된 고형물질이 저장조 저부로 모인 후 재부상하지 않는 상태로 유지되며, 지속적으로 우수가 와류형 장치 내부로 유입되면 와류형 장치 내부 웨어를 통해 처리수를 방류수체로 방류하게 된다.

4) 와류형 시설의 장,단점

장점으로는 대규모의 유량을 처리 할 수 있으며, 침전물과 부유물을 분리처리 가능하다는 점이다. 즉, 강우로 인하여 많은 유량이 장치내부로 들어오게 되면, 부유물질과 그리스는 상부에 뜨게 되며, 고형물과 협작물은 와류에 의해 저장조 저부로 모이게 된다. 와류형 시설의 가장 큰 장점은 장치형 시설임에도 불구하고 별다른 동력이 필요없다는 점이다. 따라서 전력소모가 없는 친환경적인 장치라 할 수 있겠다. 마지막으로 와류형 시설은 여재형 시설이나 다른 자연형 저감시설과는 다르게 유지관리면에서 용이하다는 장점을 가지고 있다.

단점으로는 우수가 장치내부로 유입되면 기름과 그리스와 같은 부유성 물질은 상부로 부상하기 때문에 제거가 어렵다는 점이 있다.

5) 시설 설치기준

장치 내부로 우수가 유입될 때에 0.2~3.0m/s이상의 유속으로 유입관경을 설계할 수 있도록 하여 와류가 적절히 형성될 수 있도록 한다. 유입속도가 낮으면 와류의 형성이 어려워 입자상 물질의 침전효과가 낮아질 수 있으므로 와류의 형성을 위해서 유입유속을 증가시킬 수 있으나, 이 경우 유입관의 손실수두 또한 증가되므로 유의하여야 한다. 따라서 유입부는 와류형 시설의 손실수두를 고려하여 통수에 문제가 없도록 하되, 단차가 최소 30cm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이후 우수의 체류시간이 클수록 침강성이 좋아지므로 충분한 체류시간을 확보하는 것이 중요하다. 만약 체류시간이 짧다면 와류형성을 위한 충분한 시간이 확보되지 않을 뿐 더러 내부에 발생하는 높은 유속에 의해 퇴사부에 퇴적된 침전물이 재 부유할 수 있다. 마지막으로 와류형 시설은 50~100㎛미만의 입자상 물질의 제거에서는 비효율적이므로 설계 시 제거대상 물질의 입자크기를 고려해야 한다.

6) 유지관리

와류형 장치 내부에 쌓인 침전물의 준설은 준설차량을 이용하여 연간 3회 이상으로 하는 것이 바람직하며 유입 및 유출 수로의 협잡물, 쓰레기 등을 수시로 제거하여야 하며 제거시기 결정은 육안점검이나 측량막대를 이용하여 실시한다.

마. 여과형

1) 정 의

여과형 장치시설은 다음 표 5와 같이 강우유출수를 집수조 등에서 차집한 후 모래, 토양, 기타여재 등의 여과재를 통해 여과하여 비점오염물질을 저감하는 시설로 대표적으로 M-Filter, Stormfilter, Stormsys 3가지 공법이 있다.

표 5. 여과형 장치시설의 종류

2) 여과형 장치의 처리단계

여과형장치의 처리단계는 다음 그림 14와 같이, 먼저 강우에 의한 우수가 분리시설을 통해 저장조에 차집이 된다. 이후에는 여과재의 종류에 따라 단계가 달라지게 되는데, 여과재의 종류에 따라 투수격자망과 모래여과의 과정을 걸칠수 있으며 여과기와 여재여과의 과정을 걸칠 수 있다. 이후 미생물여과과정을 거쳐 집수정에 모인 후 하천으로 상당수의 오염물이 제거된 우수가 배출된다.

그림 14. 여재형 장치의 처리단계

3) 여재형 장치의 장,단점

장점은 와류형장치와 동일하게 별도의 에너지 소비가 없는 무동력 정화시설이라는 점이며 다양한 범위의 오염물질을 제거할 수 있어 수질정화효가가 매우 높다. 또한 낙차를 이용하는 와류형 시설과 다르게 필터에 의한 정화시설이므로 손실수두가 작다는 장점이 있다.

단점으로는 유지관리면이 어렵다는 점이다. 지속적인 효율로 수질을 정화하기 위해서는 여재의 상태유지가 핵심적이므로, 정기적으로 여재를 교체해주어야 한다. 또한 토사 등이 다량 배출되는 공사현장,농촌,산지지역에서는 토사에 의해서 여재의 효율이 빠르게 떨어질수 있어 바람직하지 않다. 또한 대규모 배수지역에서는 부적합한 면을 보이고 있다. 즉, 여재형 장치는 수질정화능력이 매우 뛰어나지만 그 역할을 수행하는 여재의 관리가 정기적으로 이루어지지않는다면 오염물 처리에서 효율이 급격히 떨어질수 있는 단점을 보인다.

4) 시설 설치기준

여재형 장치의 침전조는 수질처리용량의 최소 25%를 저류하여 24시간에 걸쳐 여과시설로 배수시킬수 있도록 설계한다. 또한 불투수성 지역이 75% 이상인 경우 수질처리용량 전체를 저류 및 전처리할 수 있도록 설계하며, 침전조와 여과조의 저류용량은 수질처리용량의 최소 75%를 저류 할 수 있도록 설계한다.

5) 유지관리

여재형 장치의 적절한 운영을 위해서는 정기적인 점검과 청소가 중요하다. 따라서 제조업체의 운영 및 유지관리 지침에 따라 설계 유량 이하의 유량을 처리하고 오염물질 및 침전물 등을 제거해야 한다. 일반적인 유지관리로서 여과조에 축척된 오일과 그리스, 부유성 오염물질, 침전물 제거와 여과 카트리지의 교체 등이 포함된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

본 과업에서 적용한 와류형, 여재형의 일체형 비점오염원 저감시설은 협잡물,고형물과 더불어 넓은 범위의 비점오염원을 정화하여, 기존의 단일 장치형 저감시설보다 좀 더 효율적으로 비점오염원을 저감시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한 단순히 두 가지의 장치형 시설을 합친 것이 아닌, 와류형 분류기의 오염물 처리 범위의 단점을 여재형이 보완하며, 여재형의 필터 유지관리 측면은 청천시 역세척 기술이 적용되도록 각자의 단점을 보완하였기 때문에 유지관리의 측면에서도 문제가 없을 것으로 사료된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

비점오염원의 처리 효율만을 보았을 때 전반적으로 자연형 시설이 장치형 시설보다 효율이 높은 것으로 나타난다. 표 7을 통하여, 한당과 낙동강 수계의 모니터링 결과 자연형 시설은 TSS(67.1~93.7%), COD(50.0~94.3%)의 저감 효율을, 장치형 시설은 TSS(14.3~90.4%), BOD(2.5~79.1%), COD(8.1~78.3%)의 저감효율을 나타낸다. 장치형 중에는 여과형이 처리효울이 높은 것으로 나타났으나, 스크린형, 와류형의 처리효율은 50%미만(TSS기준)으로 나타났다.

표 7. 한강,낙동상 수계 자연형,장치형 시설의 처리효율

하지만, 비점오염저감시설을 설치하는 비용을 고려한다면 이야기가 달라지게 된다. 표 8은 자연형 시설의 단위용량 m3의 사업비 산정 자료이다. 기본적으로 포곡 삼계리 지역의 893m3 용량에 해당되는 인공습지형 저감시설을 설치하기 위해서는 사업비만 1억 7천만원 가량 소요되며, 전남 장성지역의 230m3 용량에 해당하는 저류형 저감시설의 사업비는 약 3억원 가량 소요되는 것으로 산정된다. 이에 따라 비록 장치형의 비점오염원의 처리 효율은 자연형에 비해 떨어지지만 설치비용 대비 효율은 장치형이 훨씬 경제적인 것으로 판단된다.

표 8. 자연형 시설의 m3당 소요 사업비

자연형 저감시설은 도시지역에 생태계를 보존하며, 녹지지역을 창출하여 도시시민에게 쉼터를 제공한다는 장점을 제시하고 있지만, 그 실상은 정반대이다. 그림 15의 기사를 통하여 현재 인공습지와 같은 자연형 저감 시설의 유지관리가 잘 시행되지 않음에 따라 시민의 보건위생에 악영향을 미치는 결과를 보이고 있다.

그림 15. 광교 인공습지에 관한 신문기사

또한, 그림 16의 기사내용을 통해 자연형 저감시설과 같이 기본적으로 넓은 부지를 필요로 하는 시설들은 오히려 도시지역에는 부적합하여 오히려 장치형 비점오염원 저감장치시설로 변화하고 있는 것을 알 수 있다.

그림 16. 도심 지역의 자연형 비점오염원 저감장치에 대한 신문기사

종합적으로 정리하면, 비록 처리효율은 자연형 저감시설이 높지만, 부지사업비를 고려하면 장치형이 자연형보다 부지이용면에서 많은 비용을 절감할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 본 과업에서의 저감시설은 기존 우수토실 내부에 설치되기 때문에, 더욱이 부지에 대한 많은 비용을 절감하여, 설치비용에 대한 처리 효율적인 측면에서 기타 저감시설에 비해 확실히 경제적이라 단언 할 수 있다. 또한 기존 도시지역에 설치되었던 인공습지와 저류조의 실패사례를 통하여, 자연형 시설보다 장치형 시설이 도시지역에 있어서는 사회적인 측면에서도 잘 부합하는 형태임을 알 수 있었다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

표 9. 개발 일정

구성원 및 추진체계

가. 구성원

나. 추진체계

우리 팀은 개인이 할당량의 의견을 필수적으로 개진하여 다양한 방안을 고려하도록 하였습니다. 의견 개진 후 자료의 조사는 모든 조원이 동등하게 나누어 진행하고 수렴된 의견은 각 프로젝트의 대표를 통해서 취합되어 제출 자료에 기재토록 합니다. 제출 보고서는 대표를 제외한 각각의 조원에게 검수를 받은 뒤 업무를 종결하는 체계를 사용하여 모든 구성원의 충분한 참여를 이끌어 낼 수 있도록 하였습니다.

설계

설계사양

설계 사양

우리 팀은 세 가지를 중점으로 제품을 설계하였다. 첫째, 부품은 소형 조립식으로 시공이 용이하여야 한다. 둘째, 우수토실을 설치 위치로 활용하여 경제성을 담보할 수 있도록 한다. 셋째, 국가하수도 종합계획(2016~2025)의 분류식화 사업에 근거하여 국가계획과 연계성을 증대할 수 있도록 한다.

개념설계안

가. 개 요

설계 사양에서는 설계 제품의 개략적인 구성에 대해서 살펴본다. 장치는 와류를 이용한 시설과 여재를 이용한 시설의 혼합된 형태로 구성되어 있다. 우선 장치가 설치되는 환경을 설정하여 우수토실의 규격을 특정하고 와류형 시설과 장치형 시설의 개략적인 소요 사양을 언급한다.

나. 설치 환경의 선정

설치 공간의 크기와 장치의 소요 규격을 설정하기 위해 공간을 특정한다. 서울특별시의 성동구 중랑물재생센터의 우수토실을 대상으로 선정한다. 중랑물재생센터의 하수처리 구역은 서울시의 종로, 중구, 성동, 광진, 동대문, 중랑, 성북, 강북, 도봉, 노원 등 10개구 및 의정부시 일부에서 발생되는 생활하수와 서울시 14개구 (중구, 성동, 광진, 동대문, 중랑, 성북, 강북, 도봉, 노원, 서초, 강남, 강동, 송파, 종로)에서 발생되는 정화조와 분뇨를 병합하여 처리하고 있다. 2016년 하수도통계에 따르면 성동구 중랑물재생센터의하수처리시설용량은 1,630,0,000 cmd(cubic meter per day) 로 합류식 처리구역면적이 , 분류식 처리구역면적이 이며 합류식 우수토실은 249 개소가 설치되어 있다.

다. 설치공간 규격 결정

계획시간최대오수량은 0.0758 cms이기 때문에 3Q인 0.227 cms가 월류시작 유량에 맞추어 적절히 작성한 설치공간(우수토실)의 도면은 다음과 같다.

그림 17. 평면도

그림 18. A단면도

그림 19. B단면도

그림 20. 평면도

그림 21. A단면도

그림 22. B단면도

라. 제 품

1) 개 요

아래는 우리 팀이 오랜 시간동안의 토의를 거쳐 결정한 초기강우의 CSOs를 저감하기 위한 프로세스를 요약한 그림이다. 초기강우시 우수토실로 유입된 우, 오수는 와류형과 여재형 장치형 시설을 차례로 거쳐 오염 부하가 개선된 월류수를 하천으로 방류한다. 기존의 우수토실은 3Q까지를 하수처리장으로 수송하고 나머지 입력 유량을 월류수로 처리하는 구조를 가지고 있다. 우리 팀이 제시하는 제품은 우수토실로의 입력유량이 최소 2Q일 때부터 장치가 작동하기 시작한다.

그림 23. 개념설계안

마) 원리

1) 와류형 시설

계획시간최대오수량(Q)은 0.0758 cms이다. 2Q인 0.152 cms가 우수토실에 입력되었을 때 비로소 와류형 시설에 구동이 시작된다. 상세 설계에서는 이 유량에 대해 와류형 시설의 입력 관경과 위치를 특정해야 할 것이다.

와류형 분리기는 기체나 액체 속에 함유되어 있는 불순물을 분리시키는 장치이다. 불순물이 함유되어 있는 기체나 액체를 원뿔형 원통 위쪽에 원둘레의 접선 방향으로부터 유입시키면 고속으로 와류가 발생되는 원리를 이용하여 와류의 원심력으로 고형분은 원통 내면에 부딪치므로 운동 에너지가 감소되어 밑으로 떨어지며, 불순물이 여과된 기체나 유체는 중심에 설치되어 있는 관을 통하여 유출된다.

와류형은 본질적으로 유체의 운동을 하는 입자 시스템이기 때문에 몇 가지 가정을 통해 그 원리를 설명할 수 있다. 먼저 분리기 내 와류에서 움직이는 어떤 물체의 형상이 구형이며 와류형의 회전반경이 이고 유체의 초기속도가 이라고 가정한다. 물체에 작용하는 힘은 크게 3가지로 항력, 원심력, 부력이 있으며 나선형으로 움직이는 물체의 운동을 간단하게 표현하기 위해 속도를 접선 방향의 속도 와 구심 방향의 속도 로 분리한다.

따라서 유체의 밀도가 입자의 밀도보다 크면 와류형의 중심부로 이동하게 되고 유체의 밀도가 입자의 밀도보다 작으면 와류형의 바깥으로 이동하게 된다.

2) 여재형 시설

와류형 시설을 거쳐 처리된 처리수와 혹여 입력유량 중 위어를 월류하는 유량은 여재형 시설을 거쳐 하천에 방류한다. 우리 팀은 기존의 분류기처럼 단순히 여재를 사용해 부하를 감소시키는 것이 아닌 역세척의 원리를 사용해 여재의 장기적인 사용을 가능케 하였다. 장기간 팀원들의 의견을 모아 시설의 형태를 결정하여 다음과 같은 개략적인 그림을 얻었다.

강우시 교체가 용이하고 표면적을 극대화할 수 있는 돌출형 탈출수 여재를 사용하여 하천으로 방류되는 월류수와 1차적으로 와류형 분류기로를 통과한 처리수의 수질을 개선한다. 강우가 종료되면 여재형 분류기 내부의 수위가 낮아지며 여재를 역세척하는 효과를 가져온다. 오염물은 관을 따라 차집관으로 보내진다.

그림 24. 여재형 분류기 Scratch

그림 25. 여재형 분류기 배치도

그림 26. 여재형 분류기 Scratch

그림 27. 여재형 분류기 배치도

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 수리실험

1) 실험의 목적

와류형 분류기를 실제 제작하여 제작한 분류기의 사이클론 이론에 의한 이론적 효율과 실제 실험을 통해 측정한 효율을 비교한다. 그리고 이 두 효율을 비교하여 얼마나 다른지, 그리고왜 달라지게 되었는지를 알아봄으로써, 설계에서 고려해야할 장치효율감소요인을 결정하고, 장치효율을 어느 정도로 보수적으로 설계해야할지를 결정한다.

2) 와류형 분류기 규격

그림 28. 와류형 분류기 규격

3) 실험용 입자

3.a) 자갈 및 사질토가 섞인 토사를 체거름하여 남은 일정 범위 내 입경의 자갈을 실험에 사용하기로 한다. 이때 사용한 체는 #8과 #4번체이며 따라서 두 체 사이에 남은 입자의 분포는 다음과 같다.

그림 29. 실험용 입자 체가름 실험

최대직경: 4.75mm 최소직경: 2.38mm

3.b) 저울을 이용하여 입자의 무게를 측정하고, 물이담긴 비커를 이용하여 입자의 부피를 측정한다. 그리고 이를 통해 입자의 밀도를 측정한다. 와류형 분류기에서 입자가 이동할 때 입자는 표면포화상태이므로 표면포화상태의 밀도를 측정하기로 한다.

그림 30. 실험용 입자 무게 및 부피 측정

입자의 비중: 3.5 입자의 표면포화상태 밀도: 3.5g/cm^3

4) 실험장치 구조

그림 31. 수리실험 개략도

그림 32. 실제 수리실험 배치도

와류형 분류기로의 유입수에 입자물질을 혼합하여 유입시킨 뒤, 와류형 분류기에서 유출되는 유출수를 수조에 집수하여 수조에 남아있는 입자의 질량을 측정한다.

이때 분류기의 제거효율은 다음과 같다.

5) 장치 유입유속 측정

실험을 수행하기 전, 장치를 통과하는 물의 유속, 즉 와류형 분류기에 유입되는 물의 유속을 측정하기 위해 입자를 유입하지 않은 상태로 장치를 가동한다. 수조에 물이 가득 찰 때까지 장치를 가동한 뒤, 걸리는 시간을 측정한다. 이를 통해 시간별 통과 유량을 계산한 뒤 장치의 관 단면적으로 나누어 유속을 산정한다.

그림 33. 수리실험 수조 단면

6) 수리실험

6.a) 실험진행순서

6.a.1) 저울로 장치에 유입할 입자의 무게를 측정한다. 이번 실험에서는 120g, 60g, 30g의 표면포화 상태의 입자를 유입하는 경우에 대해 실험하였다.

그림 34. 유입입자무게 측정

6.a.2) 와류형 분류기 유입관에 입자를 넣는다.

그림 35. 실험 유입입자량 설정

6.a.3) 장치를 가동하여 물과 함께 입자가 장치를 통과하도록 한다.

그림 36. 관내 유량 입력

6.a.4) 장치를 통과한 유출수와 남은 입자가 수조에 쌓인다.

그림 37. 장치 상단 입자배출

6.a.5) 수조에 저류된 유출수를 체로 걸러 남은 입자를 모은 뒤 무게를 측정한다.

그림 38 . 장치 상단 입자배출량 측정

6.a.6) 와류형 분류기 내부에 남아있는 제거된 입자들을 빼낸다.

그림 39. 장치 하단 입자배출량 측정

6.a.7) 와류형 분류기의 효율을 계산한다.

6.b) 실험 결과

실험 시 장치에 유입한 입자의 중량이 약 120g인 경우에는 장치효율이 평균적으로 약 48.4%, 유입한 입자의 중량이 약 60g인 경우에는 장치효율이 평균적으로 약 59.3%이며 유입한 입자의 중량이 약 30g인 경우에는 장치효율이 약 62.51%이다.

6.c) 결론

이론적 제거효율은 99.7%이나 실제 실험결과 약 48.4~62.51%의 효율이 나왔다. 효율이 감소한 원인을 고찰해보면 다음과 같다.

6.c.1) 장치를 가동하면서 장치 내부에 입자가 쌓이므로 장치의 효율이 점차 감소하였고 또한 쌓인 입자가 유출관을 통해 유출되었을 가능성이 있다.

6.c.2) 사이클론 분류기 표준설계법에 따르면 와류형분류기는 길이가 직경보다 4배정도 긴 길쭉한 모양이여야 하는데, 우리는 우수토실의 공간적 제약 때문에 길이를 축소하여 표준설계법보다 짧은 형태로 제작하였다. 따라서 설계공식으로 산정한 이론적인 효율보다 실제 효율이 적을 수 있다.

6.c.3) 실제 현상에서는 입자성 물질이 강우를 통해 우수토실에 유입될 때는 비교적 긴 시간간격에 따라 낮은 농도로 천천히 유입된다. 이번 실험에서는 실험 장치 구조상의 제약 때문에 관에 입자를 넣은 상태로 바로 물을 유입시키는 방법을 사용했는데, 이런 실험방법 때문에 짧은 시간에 한 번에 입자가 와류형 분류기로 유입되었을 가능성이 있다. 단시간에 높은 농도의 입자가 유입되어서 장치가 제대로 된 기능을 발휘할 수 없었을 가능성이 있다.

우리는 설계에 있어, 와류형 분류기의 효율을 감소시킬 수 있는 이러한 여러 요인들을 고려하여야 하므로, 실제 소요되는 장치효율보다 다소 보수적으로 설계할 필요성이 있다.

나. CFD 시뮬레이션

전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 본 과업에서 제시하는 와류형 비점오염원 저감장치의 시뮬레이션을 실시하였다. 상세설계를 통하여 설정한 와류형 저감장치 단면, 오염입자 특성, 하수 유입유속을 수치해석 프로그램에 적용하였다.

1) 해석단면

1.a) 와류형 장치 해석단면

본 해석에서 적용한 와류형 장치의 해석단면은 [상세설계 보고서_2.5 와류형 분류기의 설계]에 제시된 해석단면과 일치한다. 다음 그림은 CFD 시뮬레이션 프로그램 내부에 적용한 도면이다.

그림 40. 와류형 장치 CFD 프로그램 해석단면

2) 하수 물성치

와류형 저감장치에 유입되는 하수에는 다량의 오염물이 포함되어 있다. CFD 해석 시뮬레이션을 실시하기 위하여 하수를 유체와 입자의 혼합체로 가정하였다. 유체는 증류수()로, 오염입자는 추가적인 변수 제거를 위하여 유체속에서 화학적인 반응을 일으키지 않는 물질인 inert-particle로 모델링 하였다. 오염입자의 밀도는 [상세설계 보고서_2.2 비점오염원 설계]에서 제안한 입자의 밀도를 적용하였다.

3) 해석조건

해석조건으로 와류형 비점오염저감장치에 유입되는 유속을 변수로 지정하여 Parameter Study를 실시하였다. [상세설계 보고서_2.3 하수유입관]에서 제시한 0.8~3m/s를 적용하기 위해 1.0m/s, 2.0m/s, 3.0m/s의 유입유속에 대한 CFD 시뮬레이션을 실시하였다.

4) 해석 프로그램

CFD 수치해석을 위하여 본 과업에서는 ANSYS CFD FLUENT STUDENT VERSION 19.2를 사용하였다. ANSYS FLUENT는 유한요소해석을 기반으로 하는 프로그램으로 여러 제품 내부의 유체의 흐름과 폐수 처리장에 이르는 업계 응용 사례에서 흐름, 난류, 열전달 및 반응을 모델링하는 데 필요한 광범위한 물리적 모델링 기능을 포함하고 있다.

5) 해석결과

5.a) 최대유속설계에 대한 결과

그림 41. 와류형 장치 거동

a) 하수의 유선과 오염물의 이동경로 b) 와류형 장치 표면 발생 수압 c) 생성된 와류 모형

그림 41은 최대 설계 유속(3M/S)이 와류형 비점오염원 저감장치 내부에 유입될 시 발생하는 하수와 오염입자의 거동특성이다.

그림 41-a)는 시간에 따른 하수의 유선과 오염물 입자의 이동경로를 나타낸다. 와류형 장치에 하수가 유입되면 와류가 발생하며, 이는 유선을 통해 확인 할 수 있다. 또한 오염물 입자는 주로 장치 하부로 빠져 나가는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 유입된 하수가 장치 내부로 유입되어 오염물 입자와 일부 하수가 하부로 유출되며, 나머지 오염물입자가 제거된 하수는 장치 상부로 유출된다는 것을 확인 할 수 있다.

그림 41-b)는 하수가 3로 와류형 저감장치 내부로 유입 시, 장치 표면에 발생하는 압력 contour이다. 수치해석 결과, 최대 압력은 16.372kPa로 산정되었다. 최대 압력 발생 위치는 유입하수가 처음 장치 표면에 반사되는 위치부분이다. 최대압력발생 위치를 기준으로 멀어졌을 때 압력이 감소하는 것을 확인 할하였으며, 유출구에서 압력이 가장 작게 산정되는 것을 확인하였다.

그림 41-c)는 와류형 저감 장치 내부로 하수 유입 시 생성되는 와류 모형이다. 와류형 장치에 하수가 유입되면 장치 중앙부분에 와류가 형성이 된다. 하수의 유입량이 감소되면 점차 와류의 형상이 작아지며, 유입이 중단될 시에는 와류의 형태도 점차 약화되며 소멸하게 된다.

5.b) 유입유속에 대한 해석결과

그림 42. 하수 유입유속에 따른 와류형 장치 압력 감소율

a) 유입유속 1m/s 적용 b) 유입유속 2m/s 적용 c) 유입유속 3m/s 적용

그림 42는 하수의 유입유속에 따른 와류형 장치의 압력 변화율이다. 유입유속 1, 2, 3 조건에 대한 결과가 각각 42-a), 42-b), 42-c)이다. 와류형 장치의 압력 변화율은 와류형 장치의 오염물 제거 효율과 비례관계의 연관성이 있다(참고문헌 추가). 따라서, 각 압력변화율 contour의 상호 비교를 위해, 유입유속 3 조건을 기준으로 최대값과 최소값을 정규화하였다. 결과적으로 하수의 유입유속에 따른 와류형 장치의 오염물 제거 효율을 비교 할 수 있으며, 유입유속이 클수록 오염물 제거효율이 증가하는 것을 확인 하였다.

다. Structural Finite Element Analysis

Structural Finite Element Analysis(이하, Structural FEA)는 구조물의 선형 정적 해석으로 응력 및 변형을 확인하거나 낙하 테스트, 비선형 해석 등 여러 하중에 대해 설계된 제품의 거동을 확인할 수 있는 CAE 시뮬레이션(Computer Aided Engineer) 방법론 중 하나로 꼽힌다. 우리 팀은 본 과업에서 일상에서 가해질 수 있는 하중에 대해 설계 제품의 구조적인 거동을 확인하고 최종적으로 안전계수를 검토하는 것을 본 지면의 목표로 한다.

1) 모델링 프로그램

유한요소 모델링은 Autodesk Inventor 2019를 사용하였다. 오토데스크 인벤터(Autodesk Inventor)는 미국 기업 오토데스크가 개발한 컴퓨터 지원 설계(CAD) 응용 소프트웨어의 하나로, 제품 설계, 시각화, 시뮬레이션에 사용 시 3차원 디지털 프로토타입의 개발에 사용한다. 자사의 사유 지오메트릭 모델링 커널인 셰이프매니저를 사용한다.

2) 해석 프로그램

해석 프로그램은 Dassault Systemes의 Solidworks 2018을 사용하였다. 솔리드웍스(영어: SOLIDWORKS)는 Dassault Systemes에서 제공하는 브랜드의 하나로 솔리드 모델링 컴퓨터 지원 설계(CAD) 및 컴퓨터 지원 공학(CAE) 컴퓨터 프로그램이다.

3) Solver

Solidworks는 RAM 및 CPU 코어 사용, 문제의 속성 및 크기, 재질 속성, 스터디 유형에 따라서 다양한 솔버를 제공한다. 그 중 학교 기자재의 성능과 알맞은 FFEPlus 솔버를 선택한다. FFEPlus 솔버는 큰 문제에 더욱 효과적인 고급 행렬 재조합 기법을 사용한다. 일반적으로 FFEPlus가 큰 문제를 더 빨리 풀며 문제가 커질수록 효율성이 더욱 높아진다.

4) 모델링

설계 제품을 CAE 시뮬레이션으로 모의하기 위해서 올바른 규격으로 도시한다.

그림 43. 모델링

5) Mesh 생성

분석 대상을 모의하기 위해서 요소 단위로 Mesh를 생성한다. 145,126개의 절점과 92,889개의 요소를 사용하여 모델로부터 요소망을 생성하였다.

그림 44. 모델링

6) 해석결과

6.a) 구속조건

장치와 우수토실이 접하는 모서리 부분을 완전구속조건으로 하여 구조해석을 실시하였다.

6.b) 정적 응력 해석

상수도 파이프로 사용된 PVC관의 일반적인 극한강도 10 MPa를 장치에 작용시킨다. 설계제품은 알루미늄의 항복강도를 기준으로 안전율을 계산하였고, 이외의 요소는 콘크리트를 재질로 적용하였다. 해석결과 장치 전구간에서 안전율은 10이상으로 나타났고, 최대 변위는 관과 우수토실 접합부에서 0.00348 mm로 나타난다.

그림 45. 정적 응력 해석 모델

6.c) Event Simulation

Solidworks에서는 특정 상황을 모의할 수 있는 해석 옵션을 제공한다. 우리 팀은 와류형 및 여재형 장치에 최대 관유속인 3 m/s의 충격이 가해지는 상황에서 설계 제품에 대해 구조해석을 실시하였다. Event Duration에 0.001초를 부여해 충격을 모의할 수 있도록 구성하였다. 해석결과, 최대 변형률와 0.00045 최대 변위 0.002745 mm를 확인할 수 있었다.

그림 46. Event Simulation 해석 모델

상세설계 내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

그림 47. 최종 와류형 장치 작품

그림 48. 최종 3D 프린트 작품

그림 49. 최종 모형도

포스터

파일:Soc.pdf

완료작품의 평가

CAE 모의를 통해 정적 응력 해석과 Event Simulation을 시행한 결과 안전계수, 응력 및 변형률 분포, 최대 변위 및 분포 등 모든 지표로부터 극한 상황에서의 설계 제품의 구조적 안정을 확인하였다.

향후계획

본 과업은 우수토실 내부에 설치될 장치형 비점오염저감장치의 설계라는 목적을을 통하여 궁극적으로 하천에 방류되는 비점오염원을 줄이는 목표를 가지고 있다. 이를 효과적으로 달성하기 위하여 기존 Cyclone 이론식을 이용하여 3D도면설계 진행하였으며, 설계의 타당성을 입증하기 위해 구조해석, 유체해석, 수리실험을 진행하였다. 결과적으로 현 장치형 시설의 처리효율을 능가한다는 결론을 내었다. 하지만, 설계도면에 있어서 여러 가지 선택의 폭이 있었으며, 실제 적용하였을 때 해석결과와 동일한 효율의 결과를 낼지는 미지수이다. 이를 확실시하기 위해 현장 실험이 필요된다고 판단된다. 따라서, 실제 장치를 설치할 수 있는 우수토실을 조사하여 모의 현장실험을 진행 할 예정이며, 병렬적으로 특허출원 절차를 거쳐서 본 과업의 장치의 적용성에 대해 지속적으로 심화적인 연구를 진행 할 예정이다.

FFFFFF조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

설계 사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

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