침전지
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1. 개요
침전지는 인공적으로 조성된 풀 형태의 시설로, 물 속의 부유 고형물을 중력에 의해 침전시켜 제거하는 역할을 한다. 견고한 철근 콘크리트 구조로 만들어지며, 유입부와 유출부가 있는 직사각형 연못 형태를 기본으로 한다. 침전 시간, 표면 부하율, 체류 시간 등의 설계 요소를 고려하여, 수처리, 하수 처리, 광업, 양식업 등 다양한 분야에서 폐수 처리 및 고형물 분리 목적으로 사용된다. 침전지는 간단하고 저렴한 설계와 유지 보수의 용이성을 가지지만, 조류 번식 및 작은 입자 제거의 한계가 있다.
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침전지 | |
---|---|
개요 | |
종류 | 하수 처리 구조 |
목적 | 하수에서 침전 가능한 고형 물질 제거 |
작동 원리 | 중력 침강 |
상세 정보 | |
설계 고려 사항 | 유입수 유량 입자 크기 분포 침전 속도 |
일반적인 형태 | 사각형 또는 원형 탱크 긴 수로 |
주요 구성 요소 | 유입구 침전 구역 슬러지 수집 시스템 유출구 |
유지 보수 | 정기적인 슬러지 제거 |
작동 원리 | |
유입 | 하수가 침전지로 유입됨 |
침전 | 중력에 의해 고형 물질이 바닥으로 가라앉음 |
유출 | 정화된 물은 침전지 상단에서 배출됨 |
슬러지 처리 | 침전된 슬러지는 정기적으로 제거되어 처리됨 |
추가 정보 | |
적용 분야 | 하수 처리장 산업 폐수 처리 빗물 관리 |
장점 | 간단한 설계 및 작동 낮은 유지 보수 비용 효과적인 고형 물질 제거 |
단점 | 넓은 부지 면적 필요 슬러지 처리 문제 |
기타 | |
관련 용어 | 침전 응집 플록 형성 슬러지 |
참고 문헌 |
2. 구조
침전지는 인공적으로 조성 및 정비된 풀 형태를 띠며, 주로 견고한 철근 콘크리트 구조로 만들어진다. 퇴적물은 직사각형 연못에 가라앉히고, 연못 양쪽에는 유입부와 유출부가 있어 물의 흐름을 조절한다. 맑은 물만 배출하기 위해 수면 아래에는 둑을 설치한다. 유지보수를 위해 여러 개의 연못을 갖추기도 하며, 추운 지역에서는 동결을 막기 위해 지붕을 설치하는 경우도 있다.[16]
2. 1. 기본 구조
인공적으로 조성 및 정비된 풀 형태의 침전지는 다음과 같은 구조를 가진다. 이러한 인공적인 시설 외에도 기존 자연물을 이용한 경우도 있다.
- 견고한 철근 콘크리트 구조로 만든다.
- 퇴적물을 가라앉히기 위한 직사각형 연못이 주요 구조이다.
- 유입부와 유출부가 연못의 양쪽에 있으며, 연못 내 흐름이 한쪽으로 치우치거나 역류하지 않고 층류를 이루도록 폭이 서서히 넓어지거나 좁아진다.
- 맑은 물만 내보내기 위해 내부 수면 아래에 둑을 설치한다.
- 청소, 점검, 보수를 쉽게 하기 위해 여러 개의 연못을 갖춘 경우가 많다.
- 추운 지역에서 동결이 예상되는 경우, 지붕을 설치하기도 한다.[16]
2. 2. 형태
인공적으로 조성 및 정비된 풀 형태의 침전지는 다음과 같은 구조를 가진다. 이러한 인공 시설 외에도 기존 자연물을 이용한 경우도 있다.
- 견고한 철근 콘크리트 구조로 한다.
- 주요 구조는 퇴사를 위한 직사각형 연못이다.
- 연못 양쪽에 유입부와 유출부가 있으며, 연못 내 흐름이 편류나 역류를 피하고 층류가 되도록 폭이 서서히 넓어지거나 좁아진다.
- 내부 수면 아래에 둑이 설치되어 맑은 물만 유출되도록 한다.
- 청소, 점검, 보수를 위해 여러 개의 연못을 갖춘 경우가 있다.
- 한랭지에서 동결이 예상되는 경우, 지붕이 설치되는 경우가 있다.[16]
2. 3. 추가 구조
인공적으로 조성 및 정비된 풀 형태의 침전지는 다음과 같은 구조를 가진다. 이러한 시설 외에도 기존 자연물을 이용한 경우도 있다.
- 견고한 철근 콘크리트 구조로 만든다.
- 퇴사를 위한 직사각형 연못이 주요 구조이다.
- 유입부와 유출부가 연못의 양쪽에 있으며, 연못 내 흐름이 한쪽으로 치우치거나 역류하지 않고 층류가 되도록 폭이 서서히 넓어지거나 좁아진다.
- 맑은 물만을 유출시키도록 내부 수면 아래에 둑을 설치한다.
- 청소, 점검, 보수를 위해 여러 개의 연못을 갖춘 경우가 있다.
- 추운 지역에서 동결이 예상되는 경우, 지붕을 설치하기도 한다.[16]
3. 설계 고려 사항
침전지의 설계에는 여러 요소를 고려해야 한다. 침전조의 기하학적 구조는 침전 효율에 큰 영향을 미친다. 침전조 내에서 물이 흐르는 동안 침전물이 충분히 가라앉을 수 있도록 유효 침전 시간을 확보해야 한다. 이때, 단락 회로, 바람, 바닥 침식, 유입구 및 월류 설계로 인한 난류 등도 고려해야 한다.[16]
침전조의 형태에 따라 침전 시간은 달라진다. 짧고 넓은 침전조는 길고 좁은 침전조보다 물이 빠르게 통과한다. 또한, 입구 근처에 월류 구조가 있으면 정체된 물이 많아지지만, 새로 유입된 물은 빠르게 월류 지점에 도달하여 침전 시간이 짧아질 수 있다.[16]
침전조 바닥에 쌓이는 퇴적물도 고려해야 한다. 퇴적물이 쌓이면 침전조의 유효 부피가 줄어들고, 특히 입구 근처에 퇴적물이 많이 쌓이면 물이 빠르게 흐르는 단락 채널이 형성될 수 있다. 또한, 침전조 바닥이 얕으면 난류가 발생하여 침전된 퇴적물이 다시 떠오를 수 있다. 따라서 바닥 침식을 방지하기 위해 최소 0.6m의 침전조 깊이를 유지하는 것이 좋다.[16]
침사지에서 퇴사 부분에 필요한 길이는 다음 계산식으로 구할 수 있다.[16]
:L = K (H/U x V)
- L: 연못 길이 (m)
- H: 유효 수심 (m)
- U: 제거해야 할 모래의 침강 속도 (cm/sec)
- V: 연못 내 평균 유속 (cm/sec)
- K: 계수(안전율) 1.5-2.0
3. 1. 표면 부하율 (Surface Overflow Rate)
하수는 침전조로 유입되고, 물 속의 매우 미세한 입자는 중력에 의해 분리된다. 원하는 입자 크기를 제거하려면 물이 침전조에 충분히 오래 머물러야 한다. 작은 입자를 제거하려면 더 오랜 시간이 필요하므로 더 큰 침전조가 필요하다. 일부 침전조에서는 작은 입자가 서로 뭉쳐 큰 입자를 형성하도록 돕기 위해 응집제를 첨가할 수 있다. 스토크스 법칙을 사용하여 원하는 입자 크기를 제거하는 데 필요한 침전조의 크기를 계산할 수 있다. 스토크스 법칙은 유효 침전조 깊이를 결정하는 침강 속도를 제공하므로 고형물 제거는 유효 침전조 표면적에 따라 달라지며, 침전조 부피의 깊이 요소는 침전된 고형물 저장을 위해 중요하다.필요한 침전 시간 표면적을 침전조 기하학으로 변환하려면 단락 회로 및 바람, 바닥 침식 또는 유입구 및 월류 설계로 인한 난류를 고려해야 한다. 침전조 기하학은 침전조 내의 유효 침전 시간이 침전조 월류에 도달하기 전에 물의 부피가 비난류 조건에서 소요되는 시간이 되기 때문에 중요하다. 중앙값 시간은 항상 사용 가능한 부피를 예상 유량으로 나누어 계산한 평균 시간보다 짧다. 짧고 넓은 침전조를 통과하는 중앙값 시간은 길고 좁은 침전조를 통과하는 시간보다 훨씬 짧을 수 있다. 입구 지점 근처에 월류 구조가 있는 침전조는 많은 양의 정체된 물을 담을 수 있는 반면, 새로 유입된 물은 침전이 일어나기 전에 빠르게 월류 지점에 도달할 수 있다. 침전의 유효 표면적은 배플이 설치되지 않는 한 침전조 입구에서 월류까지의 유선 거리의 10분의 1 이상 수직으로 확장되지 않는다. 유효 표면적과 기하학은 축적된 퇴적물이 원래 건설된 부피의 일부를 채우면서 변경될 수 있다. 입구 근처의 더 무거운 퇴적물 축적을 통해 빠른 단락 채널이 형성될 수 있다. 침전조의 얕은 부분을 통과하는 흐름은 침전조 바닥에서 퇴적물을 재부유시키는 난류를 일으킬 수 있다. 바닥 침식을 피하기 위해 0.6m가 최소 침전조 깊이로 권장된다.[16]
3. 2. 체류 시간 (Detention Time)
하수는 침전조로 유입되고, 물 속의 매우 미세한 입자는 중력에 의해 분리된다. 원하는 입자 크기를 제거하려면 물이 침전조에 충분히 오래 머물러야 한다. 작은 입자를 제거하려면 더 오랜 시간이 필요하므로 더 큰 침전조가 필요하다. 일부 침전조에서는 작은 입자가 서로 뭉쳐 큰 입자를 형성하도록 돕기 위해 응집제를 첨가할 수 있다.[16]스토크스 법칙을 사용하여 원하는 입자 크기를 제거하는 데 필요한 침전조의 크기를 계산할 수 있다. 스토크스 법칙은 유효 침전조 깊이를 결정하는 침강 속도를 제공하므로 고형물 제거는 유효 침전조 표면적에 따라 달라지며, 침전조 부피의 깊이 요소는 침전된 고형물 저장을 위해 중요하다.[16]
필요한 침전 시간, 표면적을 침전조 기하학으로 변환하려면 단락 회로 및 바람, 바닥 침식 또는 유입구 및 월류 설계로 인한 난류를 고려해야 한다. 침전조 기하학은 침전조 내의 유효 침전 시간이 침전조 월류에 도달하기 전에 물의 부피가 비난류 조건에서 소요되는 시간이 되기 때문에 중요하다. 중앙값 시간은 항상 사용 가능한 부피를 예상 유량으로 나누어 계산한 평균 시간보다 짧다. 짧고 넓은 침전조를 통과하는 중앙값 시간은 길고 좁은 침전조를 통과하는 시간보다 훨씬 짧을 수 있다. 입구 지점 근처에 월류 구조가 있는 침전조는 많은 양의 정체된 물을 담을 수 있는 반면, 새로 유입된 물은 침전이 일어나기 전에 빠르게 월류 지점에 도달할 수 있다. 침전의 유효 표면적은 배플이 설치되지 않는 한 침전조 입구에서 월류까지의 유선 거리의 10분의 1 이상 수직으로 확장되지 않는다. 유효 표면적과 기하학은 축적된 퇴적물이 원래 건설된 부피의 일부를 채우면서 변경될 수 있다. 입구 근처의 더 무거운 퇴적물 축적을 통해 빠른 단락 채널이 형성될 수 있다. 침전조의 얕은 부분을 통과하는 흐름은 침전조 바닥에서 퇴적물을 재부유시키는 난류를 일으킬 수 있다. 바닥 침식을 피하기 위해 약 0.61m가 최소 침전조 깊이로 권장된다.[16]
침사지에서 퇴사 부분에 필요한 길이는 대략 다음 계산식으로 구할 수 있다.[16]
:L = K (H/U x V)
- L: 연못 길이 (m)
- H: 유효 수심 (m)
- U: 제거해야 할 모래의 침강 속도 (cm/sec)
- V: 연못 내 평균 유속 (cm/sec)
- K: 계수(안전율) 1.5-2.0
3. 3. 단락류 방지
하수는 침전조로 유입되고, 물 속의 매우 미세한 입자는 중력에 의해 분리된다. 침전조의 기하학적 구조는 침전조 내의 유효 침전 시간이 침전조 월류에 도달하기 전에 물의 부피가 비난류 조건에서 소요되는 시간이 되기 때문에 중요하다. 중앙값 시간은 항상 사용 가능한 부피를 예상 유량으로 나누어 계산한 평균 시간보다 짧다. 짧고 넓은 침전조를 통과하는 중앙값 시간은 길고 좁은 침전조를 통과하는 시간보다 훨씬 짧을 수 있다. 입구 지점 근처에 월류 구조가 있는 침전조는 많은 양의 정체된 물을 담을 수 있는 반면, 새로 유입된 물은 침전이 일어나기 전에 빠르게 월류 지점에 도달할 수 있다.침전의 유효 표면적은 배플(baffle)이 설치되지 않는 한 침전조 입구에서 월류까지의 유선 거리의 10분의 1 이상 수직으로 확장되지 않는다. 유효 표면적과 기하학은 축적된 퇴적물이 원래 건설된 부피의 일부를 채우면서 변경될 수 있다. 입구 근처의 더 무거운 퇴적물 축적을 통해 빠른 단락 채널이 형성될 수 있다. 침전조의 얕은 부분을 통과하는 흐름은 침전조 바닥에서 퇴적물을 재부유시키는 난류를 일으킬 수 있다. 바닥 침식을 피하기 위해 0.6m (2피트)가 최소 침전조 깊이로 권장된다.
3. 4. 난류 방지
하수는 침전조로 유입되고, 물 속의 매우 미세한 입자는 중력에 의해 분리된다. 침전조 기하학은 침전조 내의 유효 침전 시간이 침전조 월류에 도달하기 전에 물의 부피가 비난류 조건에서 소요되는 시간이 되기 때문에 중요하다. 짧고 넓은 침전조를 통과하는 시간은 길고 좁은 침전조를 통과하는 시간보다 훨씬 짧을 수 있다. 입구 지점 근처에 월류 구조가 있는 침전조는 많은 양의 정체된 물을 담을 수 있는 반면, 새로 유입된 물은 침전이 일어나기 전에 빠르게 월류 지점에 도달할 수 있다.침전의 유효 표면적은 배플이 설치되지 않는 한 침전조 입구에서 월류까지의 유선 거리의 10분의 1 이상 수직으로 확장되지 않는다. 유효 표면적과 기하학은 축적된 퇴적물이 원래 건설된 부피의 일부를 채우면서 변경될 수 있다. 입구 근처의 더 무거운 퇴적물 축적을 통해 빠른 단락 채널이 형성될 수 있다. 침전조의 얕은 부분을 통과하는 흐름은 침전조 바닥에서 퇴적물을 재부유시키는 난류를 일으킬 수 있다. 바닥 침식을 피하기 위해 0.6m가 최소 침전조 깊이로 권장된다.
3. 5. 스토크스 법칙 (Stokes' Law)
스토크스 법칙은 침전조에서 중력에 의해 분리되는 미세 입자들의 침강 속도를 계산하여, 유효 침전조 깊이 및 크기를 결정하는 데 사용된다. 이를 통해 고형물 제거 효율을 높일 수 있으며, 침전조 부피의 깊이는 침전된 고형물 저장에 중요한 역할을 한다.[16]4. 다양한 분야에서의 응용
침전지는 양식업, 채광업, 낙농업, 식품 가공, 알코올 생산, 와인 제조 등 다양한 산업 분야에서 폐기물 고형물을 관리하고 분리하는 데 사용된다.[7] 침전지의 성능 유지를 위해서는 정기적인 배수 및 준설 작업이 필수적이다.[7]
침전지는 유속을 감소시켜 액체와 함께 운반되는 고형물을 분리한다. 희석된 액체 슬러리에서 고형물의 약 35~60%가 제거되며, 체류 시간은 보통 30~60분 정도이다. 하지만 대부분의 침전조는 설계 기준을 제대로 고려하지 않아 과대 설계되어 효율이 낮은 경우가 많다.[10]
낙농 생산에서 침전조는 농장 유출수의 영양 부하를 줄이고, 라군(오수 처리장)의 부피를 감소시키는 역할을 한다. 또한 건초, 짚, 깃털 등 원치 않는 고형 물질을 제거하여 냄새를 줄이고 라군 표면에 덮개가 형성되는 것을 방지한다.[11] 고형물은 기계적 또는 유압식으로 제거하며, 유압식 제거 시에는 침전조가 절반 정도 찼을 때 펌핑을 시작하고, 프로펠러형 교반기나 교반 노즐이 있는 펌프를 사용하여 액체와 고형물을 혼합한다.[11]
4. 1. 수처리 및 하수 처리
침전지는 다음과 같은 곳에 설치된다.[1]- 댐 상류부 (댐 자체를 침사지로 간주하는 경우도 있다.)
- 수력 발전소, 공업 용수, 농업 용수 등의 취수 시설
- 정수장
- 하수 처리장
- 광산 - 일반적인 침사지와는 달리, 광산 배수의 중화 처리로 생성되는 침전물 (중금속이나 비소를 포함)의 회수가 목적이다. 또한 시크너 (농축조) 등 위와는 다른 방법에 의한 것도 있다.
4. 2. 광업
채굴 산업에서 발생하는 폐수는 수생 환경에서 산성도, 부유 물질, 용존 중금속 이온 농도를 높여 생물 생태계에 환경 문제를 일으키고 물의 색깔을 변화시킨다. 미국 아이다호 주 북부의 코르달렌 광산 지역(납, 아연, 은 생산으로 세계적으로 알려짐)에서는 폐수 처리에 침전지를 사용하여 광산 운영에서 배출되는 물의 품질을 크게 개선했다.[9] 광산에서는 일반적인 침사지와 달리, 광산 배수를 중화 처리하여 생기는 침전물 (중금속이나 비소 포함)을 회수하는 것이 목적이다. 또한 시크너 (농축조) 등 다른 방법을 사용하기도 한다.4. 3. 양식업
양식업에서 발생하는 폐기물에는 먹지 않은 사료, 배설물, 화학 물질 및 치료제, 죽거나 죽어가는 물고기, 탈출한 물고기, 병원체 등이 있다.[8] 현장 침전지는 양식장 하류에 굴착된 간단한 연못으로, 부유 고형물을 효과적으로 제거하고 정화된 유출수를 생성하며 슬러지를 최소 부피로 축적 및 농축하는 데 최적이다.[8] 이러한 기능 중 하나라도 손상되면 연못 성능에 큰 영향을 미쳐 과정의 효과를 손상시킬 수 있다.[8]4. 4. 기타 산업
침전지는 양식, 채광, 낙농, 식품 가공, 알코올 생산 및 와인 제조와 같은 다양한 분야에서 특정 크기 및 양의 폐기물 고형물 관리 전략을 위해 사용된다. 침전지의 정기적인 배수 및 준설 작업은 만족스러운 성능을 유지하는 데 필요하다.[7]유속을 줄여 빠르게 흐르는 액체와 함께 운반되는 고형물을 제한함으로써 분리가 일어날 수 있다. 희석된 액체 슬러리에서 고형물의 약 35~60%가 제거되며, 체류 시간은 10분이고 일반적인 체류 시간은 30~60분이다. 대부분의 침전조는 과대 설계되었고 효율이 낮았다.[10]
낙농 생산에 사용되는 침전조는 농장의 유출수에서 식생 여과대에 가해지는 영양 부하를 줄여, 새로운 시설에 필요한 라군(오수 처리장)의 부피를 감소시킨다. 게다가, 침전조는 라군으로 유입되기 전에 건초, 짚, 깃털과 같은 원치 않는 고형 물질을 폐기물 흐름에서 제거하는 데 유용하며, 냄새를 줄이고 라군 표면에 덮개가 형성되는 것을 방지하는 데 도움이 된다. 제거된 부유 고형물을 유지하기 위해 배플(방해판)을 사용할 수 있다. 고형물 제거 방법에 따라 두 가지 유형의 침전조가 있다. 한 유형은 고형물을 기계적으로 제거하며(자유수가 배수된 후), 보통 프런트 엔드 로더나 스키드 스티어 로더를 사용한다. 다른 유형은 고형물을 유압(펌프)으로 제거한다. 일반적으로 펌핑은 침전조가 고형물로 절반 정도 채워지고 나머지가 물일 때 시작된다. 액체와 고형물을 혼합하기 위해 격렬한 교반이 필요하며, 프로펠러형 교반기 또는 교반 노즐이 있는 펌프가 선호된다.[11]
5. 장점 및 한계
침전지는 다른 공정에 비해 설계가 간단하고 저렴하며 유지보수가 덜 필요하다는 장점이 있다. 하지만 바람에 날린 오염 물질 포집, 조류 번식, 작은 입자로 인한 탁도 감소에 효과적이지 않는 등 새로운 물 오염을 유발할 수 있다는 한계도 존재한다. 침전지는 일반적으로 모래(지름 2mm)에서 미사(지름 0.002mm)에 이르는 입자 범위만 제거할 수 있다.[12]
5. 1. 장점
침전지는 부유 고형물이 침전될 수 있도록 물을 충분히 오랫동안 유지하여 배출구에서 고순도 물을 얻고, pH 조절 기회를 제공하도록 설계되었다.[12] 이 분야에서 널리 사용되는 다른 공정으로는 농축기, 명징기, 하이드로 사이클론, 막 여과 등이 있다.[13] 이러한 공정에 비해 침전지는 설계가 더 간단하고 저렴하며, 움직이는 부품이 적어 유지보수가 덜 필요하다. 하지만 적어도 2주에 한 번은 정체 구역을 청소하고 진공 청소해야 한다.5. 2. 한계
침전지는 배출구에서 고순도 물을 얻기 위해 부유 고형물이 침전될 수 있도록 물을 충분히 오랫동안 유지하도록 설계되었으며, pH 조절의 기회를 제공한다.[12] 그러나 침전지는 새로운 종류의 물 오염을 유발할 수 있는데, 특히 수원지가 우물인 경우가 그렇다. 침전지는 바람에 날려온 오염 물질을 포집할 수 있으며, 물을 오랫동안 유지하면 연못에서 조류가 번식하여 더 큰 여과 문제를 야기한다. 또한 침전지는 브라운 운동에 의해 부유될 정도로 비중이 낮은 작은 입자로 인한 탁도를 감소시키는 데에도 효과적이지 않을 수 있다. 일반적으로 모래(지름 2mm)에서 미사(지름 0.002mm)에 이르는 입자 범위에서만 제거할 수 있다.참조
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