하수도시설 확충사업의 타당성 평가를 위한 계층분석 및 편익추정 기법 적용에 관한 연구

정동환 中央大學校 2005 국내박사

하수도시설 확충사업과 같은 정책 또는 공공사업은 공공재 또는 환경재로서 비시장성 재화이다. 이러한 공공재적 성격을 띠는 하수도시설 확충사업을 추진할 때 편익과 비용을 계량화하기 어렵다. 어떤 사업의 경제적 타당성을 평가하기 위해서는 그 사업을 실시 및 완성함으로써 얻는 편익을 측정하여 비용?편익분석을 실시하여야 한다. 공공사업의 경우 편익 대 비용의 비율이 1이하로 경제성이 떨어지기 때문에 그 사업의 타당성이 부족하다고 할 수 없으며, 정책적?기술적 타당성을 평가하여 종합적으로 검토하여야 한다. 이러한 정책적?기술적 타당성을 평가하기 위하여 계층분석기법을 적용한다. 편익분석을 위해 가장 많이 이용하는 기법중 하나인 조건부가치측정법이며, 이를 적용하여 지불의사 및 지불의사액을 추정한다. 그리고 예산 및 관련 자료의 부족으로 편익추정을 위한 지불의사액을 현장에서 직접 조사하기 어려운 경우 연구지역에서 지불의사액 추정치를 분석하여 정책집행 대상지역의 유사 사업에 대하여 편익전환기법을 적용하여 편익(지불의사액) 전환 추정치를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 하수도 사업에서는 계층분석기법, 조건부가치측정법 및 편익전환기법을 적용하였다. 본 연구의 결과들을 요약하면 다음과 같다. 충주댐 상류지역의 하수도시설 통합관리체계 구축사업 계획에 대한 타당성 평가를 위해 경제적, 정책적, 기술적 타당성을 분석하였다. 계층분석기법(AHP)을 적용하기 위한 브레인스토밍 방식의 회의를 통해 미리 선정한 계층구조도를 사용하여 전문가 50명을 대상으로 설문 조사를 수행하였다. 그 결과, 기술적 타당성의 중요도는 0.4743로 가장 높았고, 정책적 타당성(0.3171)이 경제적 타당성(0.2086)보다 중요한 것으로 평가되었다. 본 타당성조사에서 ‘수질에 대한 유역관리 효율(0.1512)’, 그 다음으로 ‘시설의 운영 및 유지관리 효율성(0.1101)’, ‘지자체의 사업의지(0.1015)’ 등이 중요한 요인으로 평가되었다. 결론적으로, 계층분석기법을 이용한 상위수준에서의 중요도(가중치)를 고려하여 대안을 평가한 결과 ‘민간투자사업에 의한 통합관리시스템 구축’에 대한 중요도(0.6153)가 ‘지자체 주도의 개별관리시스템 구축’에 대한 중요도(0.1761)보다 크게 높은 것으로 평가되었다. 안동?임하댐 상류지역의 하수도시설 확충사업에 대한 편익(지불의사액)추정은 조건부가치측정법을 이용하여 편익추정모형을 제시하기 위하여 수행하였다. 단일양분선택형 질문방법을 이용하여 선형로지스틱 모형(로짓모형)을 통하여 두 회귀계수를 구하여 지불의사액을 추정하였는데, 전체유역에서는 3,086원으로 추정되었다. 그리고 댐 상류지역의 경우 지불의사액이 2,489원, 댐 하류지역의 경우 지불의사액은 3,267원으로 추정되었다. 이는 상류지역보다 하류지역의 지불의사액이 큰 것은 인접지역에 두 댐을 건설함으로써 주민의 피해의식이 크기 때문이며, 댐 하류지역의 소득수준, 교육수준, 환경교육수준이 상류지역보다 높은 때문인 것으로 판단되며, 하류지역 응답자보다 상류지역의 응답자의 나이가 더 많은 것과도 관련성이 있는 것으로 보인다. 편익전환기법을 적용하여 안동?임하댐, 소양강댐, 대청댐, 남강댐, 합천댐 상류지역 하수도시설 확충사업(통합관리체계 구축)에 대한 주민의 지불의사액(편익) 전환 추정치를 모사하기 위해 조건부가치측정법에 따라 SPSS 프로그램을 이용하여 로짓모형(logit model)에 대한 회귀식의 계수 값을 구하였으며, 정책집행 대상지역에 위치한 안동?임하댐, 대청댐, 소양댐, 남강댐, 합천댐 상?하류지역의 지불의사액 추정치를 구하였다. 또한, 구한 로짓모형 회귀식을 통하여 모형 1 ~ 모형 5에 적용한 편익전환 추정치와 조건부가치측정법에 의해 구한 지불의사액 추정치를 비교하였는데, 안동?임하댐 유역의 지불의사액 전환 추정치는 모형 1에서 모형 5까지 로짓모형을 적용한 결과 절대오차는 6.1~47.1%로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 사용한 로짓모형을 이용한 지불의사액 추정을 통한 편익전환기법을 적용하기에 적합한 것으로 판단되었다.

고속도로의 전과정에 따른 환경부하 평가를 위한 데이터베이스 구축

박광호 中央大學校 2000 국내석사

고농도 질산성질소 활성슬러지 탈질 반응에서 불소, 칼슘 이온 및 이온 강도의 영향

하재인 中央大學校 2001 국내석사

스테인레스 스틸 생산과정에서 배출되는 산세액(acid rinse solution; HF + HNO3) 폐수는 고농도의 질산성 질소(200?3,000 mg-N/ℓ), 불소 이온(>500 mg/ℓ) 및 각종 중금속 이온(Ni, Cr, Fe, 등)을 포함하고 있으며, 이러한 폐수를 처리하기 위하여 전단에 화학적 처리 공정(Lime 첨가; 중금속 및 불소 제거), 후단에 생물학적 처리 공정(biofilter; 질산성질소 제거)을 연계하는 처리 방법이 제안되었다. 하지만 전단에서 불완전하게 처리된 불소 및 사고에 의한 고농도 불소의 유출은 후단 생물학적 탈질공정에 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대비한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 활성슬러지 탈질 미생물을 배양한 뒤, 단계별 불소 이온 농도(0?700 mg/ℓ) 및 불소 이온과 연계된 pH 조건에 따른 탈질반응 저해 영향을 살펴보았다. 단계별 불소 농도 실험에서는 300 mg/ℓ 이상의 불소 농도에서 탈질반응을 저해하기 시작하였으며, 불소 농도 700 mg/ℓ에서는 활성슬러지 탈질반응을 약 64%까지 저해하였다. 단계별 탈질반응(NO3- → NO2- → N2)에서 불소 이온에 의한 Nitrate reductase 및 Nitrite reductase에 대한 저해정도는 동일한 수준으로 작용되는 것으로 파악되었다. 200 mg/ℓ의 불소 이온을 투입한 후, 다양한 pH 조건에서 탈질반응 저해 정도를 살펴본 결과 최적의 탈질 pH 구간(7.0-7.2)과 비교하여 산성 pH 구간에서 알칼리 pH 구간보다 더 큰 저해 작용을 보여주었다. 그러한 이유로는 HF 형태로 세포질에 투과된 불소가 세포질 안에서 F-와 H+로 해리 됨으로써 세포 내?외부 Proton motive force의 소실(dissipation)이 발생하기 때문인 것으로 추론되었다. 또한 활성 슬러지를 이용한 산업폐수의 처리에 있어 유입되는 산업폐수의 성상에 생물학적 처리에 영향을 줄 수 있다(독성물질, 중금속등). 특히 철강 생산과정에서 배출되는 산세폐액(acid rinse solution)에는 고농도의 질산성 질소, 불소 이온 및 각종 중금속 이온을 포함하고 있으며, 이러한 폐수를 처리하기 위하여 전단에 화학적 처리 공정(Lime 첨가; 중금속 및 불소 제거), 후단에 생물학적 처리 공정을 연계하여 처리한다. 하지만 전단에서 불완전하게 처리된 불소 제거용 칼슘 및 이온 강도를 함유한 폐수의 유출은 후단 생물학적 탈질공정에 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대비한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 활성슬러지 탈질 미생물을 배양한 뒤, 단계별 칼슘 이온 농도(200-1500 mg/ℓ) 및 이온 강도 (0.137-0.219; 760-5435 mg/ℓ NaCl)에 의한 탈질반응 영향을 살펴보았다. 단계별 칼슘 이온 농도 실험에서 800 mg/ℓ 칼슘 농도에서 탈질반응을 10.87 % 저해하기 시작하였으며, 칼슘 농도 1500 mg/ℓ에서는 활성슬러지 탈질반응을 약 24.52%까지 저해하였다. 이것은 칼슘으로 유발된 이온 강도의 영향으로 탈질율을 저해하는 것 같다. 그리고 이온 강도 실험에서는 처음 이온 강도 0.137 (760 mg/ℓ NaCl)부터 탈질율의 상대적 효율을 25.5% 저하시켰다. 이로써 칼슘은 생물학적 탈질율에 미치는 영향은 500 mg/ℓ 까지는 그렇게 크기 않지만 800 mg/ℓ 이상에서는 영향을 주며 이온 강도의 변화 영향이 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 같은 이온 강도라고 하더라고 이온 강도를 조성하는 물질에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다.

탈질 환경에서 투과 매질 내 생물벽체 형성 및 현장 규모 적용을 위한 기초 설계

최영화 中央大學校 大學院 2003 국내석사

오염물질 차단과 생물학적 저감을 수행할 수 있는 biobarrier 기술은 토양 내 미생물의 성장 및 활성에 의존하는 방법으로 대부분의 biobarrier에 관련된 연구는 주입 미생물 또는 토착 미생물 군의 성장을 촉진하기 위해 기질과 산소를 전자수용체로 하는 호기조건에서 수행되어졌다. 그러나, 호기성 조건을 형성하기 위해서는 별도의 산소 전달 방안이 고려되어야 하며, 경제적이지 못하다는 단점이 있다. 반면 산소를 대신하는 전자 수용체로서 질산성 질소는 용해도가 높고 토양 내에서 지체 현상 없이 전달할 수 있기 때문에 탈질 환경에서 biobarrier의 적용 가능성에 대해 확인해 볼 필요가 있다. 이에 본 연구는 탈질 환경에서 biobarrier 형성에 따른 기질대사 특성, 생물량 변화와 실제 투수계수 감소 영향에 대해서 분석하고자 하였으며, 이를 바탕으로 현장 적용 시 필요한 기초 설계인자 확보를 위해 기초 지반 및 지하수 특성을 조사하였고, MODFLOW를 활용하여 영양액 주입에 따른 지하수 및 영양액 거동에 대해 시뮬레이션을 수행하고자 하였다. 우선 실험실 규모의 실험은 모래 충진 컬럼에 활성슬러지를 식종하여, 탈질 환경에서 기질 부하량에 변화에 따라 biobarrier 형성특성에 대해서 관찰 하였다. 실험 결과 유출수의 pH는 약 알칼리성 특성을 보였고, ORP는 환원상태(음의 값)가 관찰됨에 따라 전반적으로 질산성 질소 주입에 의해 컬럼 내부 미생물이 탈질 반응이 진행됨을 예측할 수 있었다. 이러한 pH, ORP는 간단한 장비를 통해 쉽게 측정할 수 있는 방법으로 현장에서 탈질반응을 간접적으로 확인 할 수 있다는 장점이 있다. 또한, biobarrier에서 전자수용체인 질산성 질소는 지하수에서 오염원으로 작용할 수 있으므로, 사용에 있어서 엄격한 통제가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 질산성 질소를 이론적 반응식 보다 높은 C/N비로 기질용액을 주입함으로써 완전 탈질을 유도하였고, 이로 인해 지하수에서 잔류 질산성 질소에 의한 오염을 방지 할 수 있음을 알 수 있었다. 실험 기간 동안 각 기질 부하량 조건에 따라 초기 급격한 투수 계수 감소와 이후 정체기에 도달하는 특성에서 전형적인 생물막 형성 특성을 관찰할 수 있었다. 특히 저농도 기질 부하 기간동안, 컬럼 전반에 걸쳐 상대적인 투수 계수 감소가 유사하게 나타났으나, 고농도 기질 부하에서는 컬럼 유입부에서 추가적인 투수계수 감소를 보였으나, 수직거리에 따라 상대적인 투수 계수 감소가 다르게 나타났으며, 이를 통해 기질 부하량의 변화를 통해 biobarrier의 두께 및 투수계수 감소량의 조절이 가능하다고 짐작할 수 있었다. 실험실 규모 biobarrier 실험 종료 후에 컬럼 수직 거리에 따라 측정한 biomass와 해당 지점의 투수계수를 측정하였고, 이에 대한 상관관계를 분석한 결과 일정구간동안 연관성이 있으나, 이후 구간에서는 biomass 변화에도 투수계수가 일정하게 나타나 상관관계를 찾을 수 가 없었다. 이는 일정 구간 이후에는 투수 계수 감소에 생물량 외에 다른 요인(EPS, 화합물등)이 작용한 것으로 판단되며, 높은 투수 계수 감소율을 확보한다는 측면과 실제 현장 적용 이전에 운전 설계를 위한 biobarrier 모델 구축을 위해서는 기질 성분과 그에 따른 생물량의 변화, EPS의 생성량, 기타 생물막 형성 화합물에 대해서 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 본 연구에서는 현장 규모 biobarrier 기술 적용을 위해 사전에 수행한 기초 지반 조사 및 지하수 수리 특성 분석을 수행한 결과 전반적으로 점토질 지반으로 구성되어 있으나, 불규칙적으로 점토/모래질 지반이 형성되어 있는 성토부 지층 구조로 형성되어 있었으며, 지하수위는 biobarrier 설치 지점에 수직 방향으로 하향 경사로 구성되었다. 영양액 주입 농도와 지반 내에서 이동특성을 확인하기 위한 현장 규모 추적자 시험에 추출정의 검출농도는 추출정 주변의 지하수가 희석되어 주입 농도의 8?10%의 낮은 경향을 보였으며, 이를 고려한 영양액 주입 설계가 필요하다. 현장 조건 시뮬레이션을 위해 MODFLOW 모델을 적용하였으며, slug test에 의해 측정된 투수계수를 바탕으로 모델을 검증한 결과 실제값과 모델 계산값에서 높은 일치도를 보였으며, 각 추출정에서 양수에 의한 영향 반경이 투수계수가 높은 지역의 추출정에서 크게 나타났다. 특히 추출정을 중심으로 양쪽이 대칭되는 구조를 갖는 본 연구의 현장조건에서 동일한 유량으로 주입/양수를 시뮬레이션한 경우, 가운데 존재하는 두개의 주입정 사이에서는 영양액이 전달되지 못하고, 인근 추출정으로만 전달되는 경향을 확인 할 수 있었다. 따라서, 추출정에서 양수에 따른 영향반경이 다른 주입정까지 도달한다고 하여도, 인근 추출정에서 수두차가 상대적으로 크기 때문에 각 주입/추출정에서 다른 유량을 적용한 주입설계가 필요함을 확인하였다.

EPP(Expanded Polypropylene) 여재를 이용한 생물막여과공정의 처리특성에 관한 연구

김건협 中央大學校 大學院 2005 국내박사

본 연구에서는 국내에 아직 활성화되어 있지 않는 BAF(biological aerated filter)공법을 적용하여 고도처리, compact화 및 자동화 등을 만족시킬 수 있는 하폐수처리 기술로서의 가능성과 우리나라 원수 특성에 따른 중요한 영향인자를 규명함으로서 최적의 설계인자를 도출하는데 그 목적이 있다. 이에 흐름별, 여재종류별 생물막여과법의 처리특성을 Lab.실험장치를 통하여 비교/분석함으로서 최적의 운전효율을 도출할 수 있는 BAF형식 및 여재를 선정하였으며, EPP (expanded polypropylene) 부상식 여재를 적용한 Pilot Plant BAF장치를 이용하여 생물막여과반응기에서의 기본적인 처리특성, 질소제거특성, 효율적인 역세척의 조건 등을 분석함으로서 우리나라 실정에 맞는 운전인자 및 설계인자를 도출하였다. 또한 EPP BAF 반응기를 이용한 고도처리공정 실험을 통해 BAF 반응기의 역할 및 향후 기존 처리장의 공정개선시 BAF의 적용가능성에 대해 검토하였다. 여재의 비중에 따라 운전방식이 다른 BAF공정에 있어서 EPP를 이용한 upflow BAF반응기는 ceramic을 이용한 downflow BAF 반응기보다 약 5% 향상된 처리효율을 보이고 있는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 BAF의 운전방식 및 역세척방법의 차이라고 생각할 수 있다. BAF system에서의 SS제거효율의 경우에서는 흐름방향과 상관없이 안정적인 수질을 보여주고 있는데 이는 BAF 반응기의 가장 큰 장점이라고 할 수 있는 생물분해반응과 여과의 동시 처리능력을 잘 보여주고 있다. Pilot plant를 대상으로 EPP를 이용한 upflow BAF 실험결과에서는 처리효율 85% 이상을 유지할 수 있는 BOD 및 COD부하량은 각각 최대 6kg COD(BOD)/㎥day이었고, SS의 경우는 7kgSS/㎥day까지 처리효율 90% 이상을 유지하는 것으로 나타났다. 또한 BAF반응기는 체류시간 1시간에서 90%이상의 질산화율과 탈질효과를 보이고 있어 국내 하수와 같은 낮은 C/N조건하에서도 영양염류의 제거효과가 높을뿐만 아니라 질소제거시 민감한 요소로 작용하는 온도, 유기물부하 등과 상관없이 높은 질산화 및 탈질율을 보이는 결과를 나타내고 있다. 결론적으로 EPP를 이용한 BAF공법은 단일반응기에서 생물막에 의한 생물학적 처리와 물리적 여과처리가 동시에 이루어져 하폐수내 존재하는 유기성과 용존성 부유물질을 모두 제거할 수 있는 compact한 처리공법으로 활성슬러지법에 비해 높은 부하조건에서도 안정적인 처리효율을 보임과 동시 높은 질소제거효과를 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 자동화가 용이할 뿐만 아니라 기존 활성슬러지공법의 고도처리시설 개선시에도 매우 효과적임을 알 수 있었다.

오염준설퇴적물 감량화 및 재활용을 위한 물리화학적-생물학적 연계처리공정

이성재 中央大學校 大學院 2003 국내박사

최근 국내의 퇴적오니 오염문제가 부각되고 있으며, 이에 따라 퇴적오니 오염의 정화를 위한 기술의 필요성이 증대되고 있다. 하천, 호수 및 항만 등에 존재하는 오염된 준설퇴적물은 수질오염의 근원이며 인간건강을 위협한다. 침강된 오염물질은 일단 수중으로부터 제거되어 퇴적물 속에 축적되었다가 확산, 재부유, 생물교란 등의 물리.화학.생물학적 과정에 의해 다시 수중으로 용출되어 수질 및 수생태계에 직.간접적인 악영향을 미칠 수 있게 된다. 국내에서는 준설퇴적물을 준설물 전량에 응집제를 투입하여 응집.침전 후 탈수하여 처리한 후 매립 또는 해양투기하고 있다. 그러나, 응집제 등의 화학약품 첨가에 의한 과도한 슬러지 발생과 매립지의 남용 및 운반비용에 따른 운송비 부담 등으로 인해 경제성이 떨어져 새로운 처리.처분방법의 필요성이 대두되고 있다. 준설퇴적물 내 오염물질은 큰 입자(sand and gravel)에 비하여 작은 입자(silt and clay)에 강하게 흡착되어 있어 입자별로 분리하면 처분량 및 처분비용을 상당량 감소시킬 수 있고, 후속처리 공정에 매우 효율적이다. 또한, 오염상태가 비교적 낮은 큰 입자들은 노반재 및 건설용 자재로 재활용 할 수 있다. 다환방향족탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs)와 총석유계탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbons, TPHs)는 준설퇴적물 내 주요한 오염원으로 보고되고 있다. PAHs는 화석연료의 사용, 기름 유출 및 자연적인 공정 등에 의하여 발생되는데, PAHs 화합물 중 일부는 동물에게 발암물질이며 인간에게 발암가능물질로 규정하고 있다. 자연 상태에 방출된 PAHs는 대기 및 수로를 통하여 폭 넓게 확산되며, 토양 및 퇴적물에 축적되기도 한다. 석유관련산업의 성장을 통하여 유조차 누유 및 주유소 지하유류탱크에서의 휘발유 누출사고 등으로 인하여 TPHs의 오염문제가 확산되고 있다. PAHs 및 TPHs로 오염된 준설퇴적물의 처리에 슬러리 반응조를 사용하는데, 슬러리 반응조는 농약, 석유연료, PCP, PCBs 및 유기성 오염물의 분해 및 독성제거를 위하여 전자수용체와 영양분의 공급에 의한 미생물의 활성증진을 이용하며, 교반으로 물질전달율의 향상과 오염원/미생물의 접촉증가를 통한 빠른 오염물 분해율로 환경적 및 기술적 측면에서 유리하다. 본 연구는 (1) 준설퇴적물의 분류를 위한 하이드로사이클론의 운전, (2) MAP 공정을 이용한 영양염류의 제거, (3) 슬러리 반응조를 사용한 PAHs 및 TPHs로 오염된 준설퇴적물의 처리, (4) 슬러리 반응조 효율의 극대화를 위한 최적가동조건의 산정 및 (5) 준설퇴적물 처리를 위한 운전설계 자료와 연계처리공정의 확립에 그 목적이 있다. 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 준설퇴적물 분류 및 오염물질의 물리화학적 전처리 본 연구는 하이드로사이클론, 침전 및 부상법 등의 전처리기술을 이용하여 준설퇴적물 처리의 적합성을 파악하고 이를 통한 pilot 규모 처리설비의 설계인자를 제시하고자 수행하였다. 준설퇴적물의 입자분리를 위하여 하이드로사이클론을 운전한 결과 고형물함량과 유입압력이 분리효율에 큰 영향을 미쳤다. 미세준설토는 응집제 주입을 통하여 침강특성을 파악하였는데, Al2SO4.18H2O 40 mg/L에서 최적의 제거효율을 나타내었다. 준설토 침출수 내 질소와 인의 동시제거를 위한 MAP 실험결과 최적 주입몰비는 마그네슘의 몰비를 암모늄 및 인산염의 2.0-3.0배 주입하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 부상시스템의 부상농축 효율은 가압수 주입비 30% > 40% > 20%의 순으로 나타났다. (2) 생물학적 슬러리 반응조를 이용한 PAHs로 오염된 퇴적오니의 처리성 연구 PAHs (naphthalene과 phenanthrene)로 오염된 퇴적오니의 처리성 연구를 위하여 실험실 규모의 생물학적 슬러리 반응조를 운전하였다. 퇴적오니(고형물 함량 10%)는 PAH 분해 균주를 담고있는 호기성 슬러리 반응조로 처리하였고, PAHs 농도와 PAH 분해 미생물은 soxhlet추출-GC분석과 수정된 MPN방법을 이용하여 각각 관찰하였다. 또한, 휘발되는 PAHs는 XAD-2 resin 컬럼을 이용하여 수집되었다. 그 결과 운전개시 23일 경과 후, 고형물 시료 중 naphthalene은 초기농도 100 mg/kg이 82.7±2.9%가 제거되었으며, phenanthrene은 초기농도 172 mg/kg이 92.6±0.5%가 제거되었다. 퇴적오니 중 naphthalene은 40.0%, phenanthrene은 10.3%가 각각 휘발되었다. 두 화합물 모두 액상단계에서는 운전개시 3일 경과 후부터 검출되지 않았으며, MPN방법에 의한 미생물 증식은 3일 경과 후 최고치를 보였고, 그 후 지속적으로 감소하였다. 상기 결과를 통해 생분해는 퇴적오니 내 PAHs의 용해에 의해 제한 요소를 가지고 있음을 알 수 있었다. (3) 실험실 규모 슬러리 반응조를 이용한 수력학특성 및 PAHs, TPHs등 난분해성 화합물의 처리 본 연구에 사용된 36 L 용량의 슬러리 반응조는 상향류와 하향류의 원활한 흐름을 위하여 크게 교반장치와 산기장치로 구성되었다. 슬러리 반응조의 혼합시간, 기체체류량 및 산소전달계수 등의 수력학 특성을 검토한 결과는 다음과 같다. 산기장치 가동에 따른 혼합시간은 공탑기체속도 0.154 cm/s에서는 23초, 0.308 cm/s 이상에서는 4초를 각각 보였고, 교반장치에 따른 혼합시간은 1,500 rpm에서 7초를 나타내었다. 그리고, 공탑기체속도의 증가에 따라 기체체류량 및 산소전달계수는 선형적으로 증가하였는데, 이는 반응조 내 gas holdup fraction이 상승하여 기체/액체간 계면면적이 증가했기 때문이라 판단된다. 슬러리 반응조를 사용하여 퇴적준설물을 처리한 결과 운전개시 11일 이내에 2.3개의 고리로 연결된 PAHs는 85-95% 제거되었다. Naphthalene의 분해율(94.05%)이 phenanthrene의 분해율(87.07%)보다 더 높게 산출되었는데, 이는 용해도 차이라고 판단된다. PAHs중 액상 내 naphthalene과 phenanthrene의 시간에 따른 농도변화를 보면 7일 경과 후 두 화합물 모두 검출되지 않았다. 11일 경과 후 고형물 내 TPHs의 농도는 46% 감소하였으며, 액상 내 농도는 선형적으로 증가하였다. 이러한 결과는 초기에 급격한 감소와 시간경과에 따라 느린 분해율을 보이며 좀처럼 완전분해가 일어나지 않는 탄화수소의 persistence한 특성 때문이라 사료된다. (4) 이동식 통합처리 시스템을 이용한 퇴적준설물 내 PAHs 및 TPHs의 처리 본 연구의 목적은 PAHs 및 TPHs등과 같은 난분해성 화합물을 함유한 퇴적준설물의 처리를 위하여 이동식 통합처리시스템 내 슬러리 반응조를 설계, 제작 및 성능을 평가하는 것이다. 총 용량 1,400 L의 슬러리 반응조를 사용하여 인천 남동공단 유수지의 퇴적준설물을 처리하였는데, 혼합 PAH 분해 미생물을 퇴적준설물 내 유기물 및 PAHs에 순응시켰다. 반응조 운전 개시 20일 후, 순응된 PAH 미생물이 첨가된 반응조에서 고형물 내 PAHs 화합물 중 indeno(1,2,3-cd)pyrene이 73%가 제거되었으며 액상 내 indeno(1,2,3-cd)pyrene은 고형물 탈착율 등의 영향으로 운전개시 3일 이후 더 이상 검출되지 않았다. 또한, 운전기간 중 고형물 내 TPHs의 농도는 탄화수소미생물의 생물학적 분해로 56%가 감소하였고, 액상 TPHs의 경우 운전개시 15일 이후부터 검출되었는데, 이는 반응조에 주입된 PAH 분해 미생물이 반응조 내에서 슬러리와 결합하여 생물계면활성제와 같은 생리활성 물질 등을 분비하여 탈착을 촉진시키는 역할을 수행한 결과라 판단된다. 상기결과를 통해 이동식 통합처리 시스템은 난분해성 화합물로 오염된 하천이나 호소의 준설퇴적물 처리뿐 만 아니라 근래에 자주 발생하는 유조차 누유 및 주유소 지하유류탱크에서의 휘발유 누출사고 등의 토양에 효율적으로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

하수관거 보수방법선정을 위한 최적화 및 CSOs 대책시설 용량산정에 관한 연구

이재훈 中央大學校 2007 국내박사

Urban sewer system consists of sewer network, wastewater treatment plant(WWTP), and receiving body of waters. They are interconnected together to perform organically their roles to maintain water circulation, to preserve water system, and to improve water quality. The purpose of this research was to establish the ways of selecting sewer rehabilitation methods for sewer maintenance and of utilizing the existing detention ponds to control contaminants loads in CSOs to a water body under wet-weather conditions in urban areas. Included in the study were: 1) Identification of the relation between the cause of sewer defection and the infiltration and inflow(I/I), 2) Establishment of regression equation to evaluate the volume of infiltration and then to predict an infiltration treatment cost, 3) Formulation of optimization problem on selecting sewer repair methods in implementing sewer rehabilitation to minimize the sum of the infiltration treatment cost and sewer rehabilitation cost, 4) Characterization of urban stormwater runoff, and 5) Suggestion of control alternatives for controlling CSOs using existing detention ponds during wet-weather. Bivariate and partial correlation analysis was performed to identify the collinearity and multicollinearity between the independents, the cause of sewer defection and the dependents, I/I. From the results of correlation analysis, several independents showed severe collinearity and the exact estimates of I/I couldn't be predicted by the least square method. Multivariate regression technique was used to establish an regression equation to evaluate the volume of infiltration and to predict the cost to treat infiltration. Optimization problem on selecting sewer rehabilitation methods in implementing sewer rehabilitation was formulated to minimize the sum of the infiltration treatment cost and sewer rehabilitation cost. The various causes of sewer defects were considered in the optimization model developed in this study, which could be more applicable to short-term rehabilitation program than the existing sewer rehabilitation optimization models. As a result of application of the optimization model, the sum of the costs of infiltration and rehabilitation decreased by about 4.3% comparing with when applying the existing criteria of sewer repair methods (defect ratio of 0.2). Rehabilitation cost could be saved by 13% when applying the optimization model. The characteristics of runoff and CSOs during rainfalls were measured and model prediction was also conducted. Three types of rainfall analysis were conducted for modeling. The first type of rainfall was predicted using the IDF (Intensity-Duration -Frequency) curve, the second type was the representative single rainfall event, which was analyzed by SYNOP in SWMM using the concept of IETD(Inter event time definition), and the third type of rainfall analysis was to use the whole yearly precipitation data for actual continuous simulation. In this study, three scenarios were considered to use the detention reservoir as CSOs storage and treatment facilities based on the annual outflow results of XP-SWMM at Han-Nam subcatchment. The first scenario was to use the whole volume (35,000m³) of the detention pond to store the CSOs. The second was to use only about a half (15,000m³) of the reservoir as two storage tanks of 7,500m³. The third was to separate the second scenario's volume into storage (7,500m³) and sedimentation treatment facility (7,500m³). Sedimentation treatment facility was suggested to use as storage tank as well, in case of insignificant CSOs occurrence. The flowrate of sedimentation tank was assumed as 1.0m³/sec and the removal efficiencies of COD, BOD, TS, and TSS were as 30%, 30%, 60%, and 60%, respectively. The sewage stored during rainfall was assumed to send to sewage treatment plant after rain stopped, meaning that all the contaminants in it could be removed in CSOs control facilities. The scenario study using the representative single rainfall and the continuous simulation by the actual precipitation data of 2005 showed similar results. In case of scenario 1, CSOs volume could be removed up to 39% and contaminants from 36% to 58%. Among three scenarios, scenario 1 seemed the best alternatives for CSOs control. However, replacement of the whole detention pond for flood control with CSOs control facility could raise questions on how to pacify the anxiety of inhabitants as well as the economical issue to purchase additional pumps to control flood. Scenario 3 looked better than scenario 2 as the contaminant loading reduction rate was improved significantly and CSOs volume improved a little by using storage tank and sedimentation tank simultaneously. 본 연구에서는 하수관거정비사업에 있어 전체보수 및 부분보수 등의 보수방법을 선정하는 경우 하수관거정비비용과 침입수처리비용을 최소화하면서 침입수를 많이 유발하는 다양한 하수관거의 불량원인을 고려할 수 있는 최적화 모델을 제시함으로서 설계변수로서 하수관거의 보수방법을 제시할 수 있는 단기적인 하수관거정비를 위한 비용 최적화 모델을 제시하였다. 최적화 모델의 적용에 있어 모델의 적용대상지역내에서 발생하는 침입수량의 예측과 이를 처리하기 위한 비용의 정량화를 위한 목적으로 하수관거의 결함원인에 따른 침입수 발생량을 추정할 수 있는 회귀식을 제시하였다. 또한 도시지역의 강우유출로 인해 발생하는 합류식하수관거의 월류수를 제어하기 위해 기존에 설치된 유수지에 대해 침수피해방지의 원래 목적을 유지하면서 유수지 일부의 체적에 대해 저류 또는 저류-처리시설의 운영 가능성 및 오염부하의 저감효율의 변화에 대해 예측함을 목적으로 하였다. 대상유역내 유수지로 유입되는 하수의 실측조사를 통하여 대상지역 하수도시스템의 현황을 파악하고 이를 토대로 합류식하수관거 월류수 오염저감 방안을 도출하였으며, 관리대안의 적용효과에 대해서는 강우유출 모델을 이용하여 모의한 결과를 비교 분석하였으며, 본 연구의 결과들을 요약하면 다음과 같다. I/I발생에 영향을 미치는 관거 불량원인에 대한 상관분석결과 독립변수들 상호간의 공선성의 존재로 인해 통계적으로 유의미한 회귀식을 추정할 수 없었으며, 합류식 하수관거에 있어 침입수발생량은 연결관 결함 및 기타 관거 결함 발생 개소수에 비례하여 1차함수식(선형)으로 증가한다고 할 수 있다. 관거결함원인에 따른 침입수발생량에 대한 회귀분석을 통한 예측모형을 구축하고 그 결과를 이용하여 실제 하수관거 정비대상지역내 우선적 보수가 필요한 관거 55개를 대상으로 적용하였다. 예측된 침입수 발생량을 하수관거내 결함의 가중치를 이용하여 배분하여 보수방법의 선정에 따른 침입수 저감비용 및 보수비용의 최소화를 목적함수로 하는 최적화 모델을 제시하였다. 최적화 모델을 이용하여 보수방법을 결정하는 경우 기존의 불량비를 기준으로 보수방법을 결정하는 경우에 비해 총 비용에 있어 4.3% 비용효과적인 보수방법의 선정이 가능한 결과를 얻었으며, 관거전체를 전체보수 또는 부분보수하는 경우에 비해 13% 비용개선효과가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과는 전체보수 및 부분보수의 내구연한의 결정에 따른 공사 후 침입수 발생율의 결정에 따라 크게 다른 결과를 얻을 수 있으며, 이에 대한 후속연구가 반드시 필요하다고 할 수 있다. 또한 본 연구에서는 CSOs 대책시설의 하나로 유수지의 활용가능성을 제시하기 위해 다양한 강우사상에 대한 CSOs발생량을 SWMM을 이용하여 예측하고 이를 유수지활용의 시나리오에 따라 월류수제어효율에 대해 제시하였으며, 월류수량의 삭감과 월류수내 오염부하량 삭감 측면에서 볼 때 유수지 용량 전체를 사용하는 것이 가장 효율적이지만, 유수지 용량 전체를 CSOs오염저감대책으로 사용할 경우 침수방지를 위한 펌프용량의 증대를 위한 펌프 구입비용을 고려한 경제성 분석 뿐 아니라, 침수피해에 대한 예측이 무엇보다 필요하며, 펌프용량을 증대시키면서 부분적으로 유수지 용량을 사용할 경우에는 저류조만으로 사용하기보다는 저류조와 저류침전조를 병행하여 사용하는 것이 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 CSOs 대책시설에 대한 연구결과는 각 유역에서 총량오염관리 개념이 도입되면서 오염원에 대한 총체적 관리가 체계화 되고 있는 현재의 실정에서 방류수역의 목표수질에 적합한 수준으로 강우유출 오염부하를 관리하고 제어할 수 있는 통합관리 방안을 수립하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

높은 수리학적부하의 조건에서 내부순환형 회전원판공정을 이용한 도시하수내 질소제거에 관한 연구

정근진 中央大學校 大學院 2001 국내박사

본 연구에서는 중·소규모 하수처리시설에 적합하고 질산화 및 탈질화 등의 고도처리시설로 적용이 용이한 생물막 공법의 일종인 회전원판법을 이용하여 실험을 수행하였다. 따라서, 도시하수처리를 목적으로 내부순환탈질공정을 이용한 회전원판법에서 질소제거에 대한 기초적인 설계 및 운전인자의 범위를 확립하기 위하여 RBC 질산화와 탈질실험을 각각 독립적으로 수행하고 RBC 탈질과 질산화를조합한 내부순환탈질 실험을 수행하였다. 질산화에 대한 기초적인 설계범위를 확립하기 위하여 RBC 질산화 실험은 동일 수리학적부하에서반송비에 따라 5가지 형태의 실험으로 수행하였으며 RBC 탈질/질산화 조합시스템은 반송비의 변화에따라 다양하게 변하는 수리학적부하에서 실험을 수행하였다. 반송은 SBOD5와 TOC로 측정된 유입 유기성탄소 농도를 감소시키며 반송비가 증가할수록 유입SBOD5 농도가 15㎎/L 이하로 감소하여 더 높은 질산화율을 나타냈다. 따라서, 내부반송에 의해 조절할 수 있는 유입 SBOD5 농도가 질산화의 중요한 조절요인(Controlling Factor)이다. 질소의 균형(물질수지식)으로부터 알 수 있는 중요한 결과는 탈질화가 진행되지 않는 상황에서 세포의 동화작용에 쓰이는 암모니아성질소의 소모율은 14.3±2.4 %이었다. 생물막의 두께는 질산화와 탈질화에 영향을 미치지 않는다는 것으로 나타났다. 또한 탈질화와 질산화는 같은 단에서 동시에 이루어지지 않으며 같은RBC System에서 일어났다. 반송을 사용함으로써 205 ℓ/㎡day(5 gpd/ft2), 318 ℓ/㎡· day(7.8gpd/ft2)의 높은 수리학적부하에서도 질산화가 이루어졌다. 따라서, 일반적으로 알려진 수리학적부하의범위를 초과하는 본 연구의 높은 수리학적부하에서도 반송을 사용함으로써 질산화가 가능하다는 것을보여주었다. 탈질에 대한 기초적인 설계범위를 확립하기 위하여 RBC 탈질 실험은 일정한 수리학적부하에서 반송비를 조절하여 다양한 SBOD5, NOx-N(Nitrate-Nitrite)부하의 변동이 탈질율에 미치는 영향을 구별하고 조사하기 위해 실험을 수행하였으며 RBC 탈질/질산화 조합시스템은 반송비의 변화에 따라 다양하게 변하는 수리학적부하에서 실험을 수행하였다. 정상상태에서 RBC내 탈질공정을 모의하기 위해 탄소원과 질산성질소 두개의 기질역학을 고려하여Kornegay(1975)와 Dixon과 Brown(1977)의 모델을 사용하였다. 이론적인 Kornegay의 모델을 기초로예측된 값과 측정값 사이에는 상관계수 0.375의 상당한 차이가 있었다. Dixon과 Brown의 경험식에실험결과를 대입하고 최소자승법을 이용하여 탈질율을 산정하였다. 경험모델을 이용하여 예측한 탈질율과 실험결과의 상관계수는 0.847로 나타났다. 또한 탈질/질산화 조합시스템에서 Dixon과Brown(1977)의 경험식을 이용하여 예측한 NOx-N 제거율과 본 연구의 탈질결과를 비교하면 상관관계r=0.903을 얻을 수 있는데 이는 경험식을 이용하여 탈질과정을 90 % 정도 예측할 수 있다는 것이다. 그러므로, 회전원판법을 이용하여 하수처리시설의 탈질조를 설계하는 경우 Dixon과 Brown의 모델을기초로 설계할 수 있다. 결과적으로 침적된 RBC 반응조내 탈질은 유입 유기물농도와 질산부하에 직접적인 영향을 받는 것을 알 수 있다. 추가의 RBC Pilot 장치(RBC B)를 병렬로 설치하여 pH 변화실험을 수행한 결과, RBC 탈질 연구의 적용 가능한 pH 범위는 6∼9, 최적 pH 범위는 6.5∼8.5로 나타났다. 또한 수리학적부하가 증가할수록 NOx-N 제거율이 감소한다. 이러한 사실은 암모니아성질소 제거율이 체류시간과 비례한다는 것과일맥상통한다. 따라서, 반송비의 증가로 인하여 수리학적부하가 증가하더라도 80 % 이상의 제거율을 얻기 위해서는 수리학적부하를 500 ℓ/㎡·day 이하로 유지해야 하는 것으로 나타났다.

수변지역 관리방안 도출을 위한 의사결정지원에 관한 연구

권혁 중앙대학교 대학원 2009 국내박사

This study is conducted to propose decision support system on management schemes for riparian zone, considering the environmental, economic, and social functions. The first goal is to suggest perspectvie management schemes of riparian zone in terms of making policy, the second is to apply GIS to making decision for the substantial management of riparian zone, and the third goal is to propose the management methodology of riparian zone using goal programming. Following is the summary of this study result. (1) The Perspective Management Schemes of Riparian Zone The riparian zone management schemes to be implemented in Korea are proposed for the purpose of water quality improvement. The management schemes are based upon comprehensive reviews of management schemes applicable to riparian zone having conception of regional and functional properties to enable practically applicable implementation. The proposed management schemes are focusing on the three principal purposes such as preservation, ecological succession and restoration. The functional management schemes are subdivided into water quality improvement, people-friendliness, economic, and ecological efficiencies. For the application of management schemes, three determinants are suggested as physical and spacial characteristics including slope, altitude, and distance, characteristics of land use including land classification and regulation, and the environmental characteristics including forest, ecology and water quality. (2) Decision-making technique for the Management Schemes of Riparian Zone using GIS For the practical management schemes for riparian zone, decision-making technique using Arc-GIS was developed and applied to water source protection areas of young san river upstream. The decision-making technique is composed of three steps; first step is the survey and review of database using Arc-GIS, the second is the calculation of weight factors using AHP, and third step is to estimate of the implementation priority considering the physical conditions with the weights and to propose substantial management schemes. As results, it appeared that quantitative analysis is applied preferentially and this indicates the importance of the selection of physical factors and the accuracy of basic database for the entire study process. The optimal management scheme for water quality improvement is to make a Forest of 95% and ecological succession with 5% among the whole area. On the other hand, it is needed to improve in the application of qualitative and many other factors for practical uses. (3) Goal Programming for Management Schemes of Riparian Zone Goal programming is performed to propose management schemes of riparian zone considering, as decision factors, economic efficiency, people-friendliness and ecological functions in addition to physical conditions. In this study, the optimal management scheme for water quality improvement is to implement legal regulation in tems of land use with the weight of 75%, non-point source pollution control with 17%, and environmentally-friendly development with 6%. For the best economic value and people satisfaction, legal regulation of land use 100% is proposed as the optimal management plan. The sensitivity analysis confirmed that the restriction conditions are the most important elements and the effect of weight factor is limited. Overall, this study proposes a tool for decision-making tools, which can quantitatively consider various problems to meet in practice (including public complains, construction delay and opposition of local resident). The system is an innovative tool, widely applicable, and is beneficial not only for the economic values toward environment problems but also for the aspect of people-friendly land use and development. 본 연구는 수변지역의 다양한 기능을 고려한 관리방안과 적용을 위한 의사결정지원방안을 제안하고자 하였다. 본 연구의 3가지 목표는 (1) 수변지역에 적용 가능한 관리방안 제시 (2) GIS를 활용한 수변지역 관리방안 선정기법 제시 (3) 목표계획법을 활용한 수변지역 관리방안 선정기법 제시이며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 수변지역에 적용 가능한 관리방안 제시 본 장에서는 수질개선을 위해 국내에 적용 가능한 수변지역 관리방안을 도출하고자 하였다. 적용 가능한 방안들에 대한 폭넓은 검토를 실시하여 관리방안을 제시하였으며 현장적용을 위해 공간별 기능별로 구분하여 제시하였다. 연구결과 보전, 천이, 복원이라는 3가지 기본방향에서 각 관리방안들을 제시하였다. 기능별 구분을 위해 수질개선, 친수·주민친화, 경제성, 생태성에 대해 관리방안을 구분하였다. 관리방안 적용을 위한 요소로 경사도, 표고, 거리로 구분한 물리·공간적 특성과, 지목과 법적규제로 구분한 토지이용 특성, 산림·생태·수질로 구분하여 제시한 환경적 특성으로 결정인자를 제시하였다. 기능별 구분을 위해 수질개선, 친수·주민친화, 경제성, 생태성에 대해 관리방안을 구분하였다. 관리방안 적용을 위한 요소로 경사도, 표고, 거리로 구분한 물리·공간적 특성과, 지목과 법적규제로 구분한 토지이용 특성, 산림·생태·수질로 구분하여 제시한 환경적 특성으로 결정인자를 제시하였다. (2) GIS를 활용한 수변지역 관리방안 선정기법 제시 수변지역에 관리방안을 적용하기 위해 Arc GIS 프로그램을 사용하는 의사결정시스템을 제시하였고 시범지역에 대하여 적용하였다. 제시된 의사결정시스템은 3단계로 구성되며 1단계로 데이터 확보 및 GIS 프로그램을 활용하여 분석, 2단계로 인자 가중치를 AHP 분석을 실시하여 산정, 3단계로 대상지에 해당되는 물리적 조건에 가중치를 적용하여 우선순위를 산정하고 관리방안을 제시하였다. 연구결과 정량적 요소들이 우선적으로 반영됨을 알 수 있으며 이는 물리적 인자선정 및 기초 자료의 정확도가 매우 중요함을 나타낸다. 반면 정성적이며 사업추진에 영향을 미치는 다양한 요소들에 대한 반영이 미흡하여 실제 적용시 보완방안이 필요할 것이다. (3) 목표계획법을 활용한 수변지역 관리방안 선정기법 제시 목표계획법에 의한 의사결정시스템에서는 물리적 조건과 함께 경제성, 친수·주민만족, 생태기능 등을 추가적인 결정요소로 포함하여 제안하였다. 연구결과 수질개선을 위해선 비점오염원 관리 17%, 법적 토지이용규제 75%, 친환경적 개발 6%인 경우 최소의 비용으로 가장 최적의 관리방안이 구성되는 것으로 제안되었다. 경제적 가치 창출과 친수·주민만족을 위해선 법적 토지이용규제가 100%인 경우가 최적으로 제시되었다. 민감도 분석결과 제한조건이 가장 영향이 큰 인자이며 항목별 가중치의 영향은 제한적임이 확인되었다. 본 의사결정시스템의 의미는 실제 사업 수행시 다양한 문제(민원, 사업지연, 지역주민 반발)등을 정량적으로 고려할 수 있는 의사결정시스템을 제시하였다는 점이다 이는 환경문제의 경제적 가치 뿐 아니라 주민과 함께 해야 하는 국토이용의 측면에서 매우 획기적이고 폭넓게 적용할 수 있는 방법이라 할 수 있다.

吸着前處理를 利用한 限外濾過膜의 透過Flux 및 溶存有機物質 除去特性에 관한 硏究

이 웅 中央大學校 1997 국내석사