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빗물 유출수의 탁도를 감소시키기 위한 응고제의 성능 시험
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등록일2016-01-21
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| 리포트구분 | 기술리포트 | 콘텐츠구분 | 도로교통, 환경 |
|---|---|---|---|
| 출처 | Texas Department of Transportation | ||
| 원문제목 | Performance Testing of Coagulants to Reduce Stormwater Runoff Turbidity원문보기 | ||
| 언어 | 영어 | 국가 | 미국 |
| 등록일 | 2016-01-21 | 발행일 | 2014-05-00 |
| 첨부파일 | 등록된 첨부파일이 없습니다. | ||
□ 소개
지난 20년간, 건설 현장에서 퇴적물이 포함된 우수의 배출과 관련된 수질 저하 이슈에 대하여 정책결정자들의 관심이 증가하고 있음. 이러한 이슈는 1972년의 깨끗한 물에 관한 법(Clean Water Act of 1972)에 대한 여러 번의 수정과 업데이트로 이어졌음. 2009년 12월에 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)은 건설 현장의 우수 유출에 대한 새로운 배출 및 모니터링 기준을 발표하였음.
이러한 새 기준은 "건설 및 개발의 점 배출원 분류에 대한 유출 제한 지침서와 기준(Effluent Limitations Guidelines and Standards for the Construction and Development Point Source Category)"으로, C&G Rule(74 FR 62995)로 알려져 있음. 이 기준은 건설 현장에서 오염물질의 배출을 제어하기 위해서 최초로 비수치 및 수치적 유출 제한 지침서(effluent limitation guidelines, ELGs)와 새로운 배출원 성능 기준을 구축하였음. 또한, 이 새로운 규칙은 허용된 건설 활동의 소유자/운영자들은 다음의 내용을 수행해야 한다고 명시하고 있음:
- 침식 및 퇴적 제어를 실행
- 토양의 안정화
- 배수 활동의 관리
- 오염 예방 대책의 시행
- 특정한 배출량을 금지
- 하천 유역과 저수지로부터 배출을 위한 지표 유출구 활용
2009년의 C&G Rule은 한번에 20 에이커 이상의 토지를 교란하는 모든 지역이 280 NTU(네펠로메트릭 탁도 단위, nephelometric turbidity units, NTU)의 제한치를 준수할 것을 요구함. 2009년에 모든 주의 환경 유관기관들은 이들의 건설 일반 배출권(construction general permits)이 다시 발급될 때 건설 활동에 대한 "국가 오염물질 배출 제거 시스템(National Pollutant Discharge Elimination System, NPDES)"의 배출권에 새로운 기준을 포함시키도록 요청 받았음.
환경질에 대한 텍사스 위원회(Texas Commission on Envrionmental Quality, TCEQ)는 2013년에 텍사스 오염물질 배출 제거 시스템(Texas Pollutant Discharge Elimination System, TPDES)의 CGP를 새롭게 만들기로 하였고 수치적 ELGs를 그 배출권에 포함하기로 하였음. 이렇게 새로운 요구사항에 대해, 텍사스 교통부(Texas Department of Transportation, TxDOT)는 새로운 규제적 요구사항을 충족시키기 위해 준비하고 있었음.
수치적 기준을 통하여 탁도를 규제하기로 한 EPA의 결정은, 탁도가 지표적 오염물질(indicator pollutant)이라는 기관의 결론에 근거하고 있고, 이는 건설 현장에서 발생하는 다른 오염물질을 파악하는데 도움이 될 것임. EPA의 2009 C&G Rule에서 정해진 수치적 ELGs는 다음과 같은 내용으로 구성됨:
- 탁도 제한은 지역에서 2년 주기의 24시간 폭풍을 초과하는 폭풍에서의 우수 배출에는 적용되지 않음.
- 수치적 제한이 적용되는 건설 현장에서, 이 규칙은 계약자로 하여금 매번의 강우 중에서 모든 배출원으로부터 수치적 강우 유출 표본을 수집하고 NTU 수준을 측정하도록 요구함.
- 표본의 평균 NTU 수준이 특정 일에 280 NTU의 일일 최대 제한을 넘어선다면, 현장은 연방정부의 제한 요구사항을 침해함.
EPA는 이러한 기준이 첨단 처리 시스템보다는 수동적인 처리 기술로 충족될 수 있도록 제한하였음.
EPA에 의해 강제된 ELGs는 모든 배출권자들이 따르도록 요구되었음. 앞에서 언급된 것처럼, 각각의 개별 규제기관들은 그들의 재발급된 건설 일반 배출권에 최소 성능 기준을 포함하도록 요구되었고, 보다 적극적인 요구사항을 채택하도록 촉구되었음.
EPA가 새로운 규칙을 효과적으로 만들기 위해 준비함에 따라, 이들은 미국 주택건설자 협회(National Association of Home Builders, NAHB), 상하수도 활동 그룹(Utility Water Act Group), 그리고 위스콘신 건설자 협회(Wisconsin Builders Association)로부터 이 규칙을 재고하도록 청원을 받았음. 이러한 청원은 수치적 제한의 계산에서 잠재적 오류를 지적하였음. 280 NTU 제한의 기저에 있는 데이타셋을 살펴본 후, EPA는 데이타를 부적절하게 해석하였고 ELG를 구축하도록 사용된 원래의 계산이 280 NTU의 수치적 유출 제한을 지원하기에 더 이상 적절하지 않다고 결론하였음.
□ 응고제에 대한 통제 시험 결과
⊙ 침식 제어를 위한 폴리아크릴아미드(polyacrylamide, PAM)
이 평가에서 사용된 PAM은 1:3 사면을 가진 점토 토양에서 탁도나 토양 유실을 상당히 감소시키는데 효과적이지 않았음. 시험된 침식 제어 블랭킷(erosion control blankets, ECB) 처리의 최대 탁도는 매우 높았음(3,450 - 9,037 NTU). 일반 토양에서의 유출수 탁도는 52,857 NTU에 달했음. 평균 건조 토양의 유실은 전반적으로 탁도 결과와 일치하였음.
높은 수준의 탁도로 인하여 PAM의 효율성은 결정될 수 없었음. PAM은 일반 토양에서 더 낮은 탁도와 평균 건조 토양의 유실을 보였지만, 그 차이는 무시될 수 있는 수준이었음. 게다가, 황마와 밀짚으로 된 침식 제어 블랭킷이 적용될 때, 탁도의 감소는 줄어들었음. 1:3 점토 토양에서 밀짚 ECBs는 일반적으로 우수한 성능을 보이는 것으로 고려되었기 때문에, 이러한 결과는 의외였음. 이러한 결과는 <표 1>과 <표 2>에서 나타남.
<표 1> 통제된 침식 제어 테스트에서의 최대 탁도(단위: NTU)
|
표면 상태 |
PAM 처리가 없는 경우 |
PAM 처리가 있는 경우 |
차이 |
|
일반 토양 |
52,857 |
51,987 |
-870 |
|
황마 ECB |
4,040 이상 |
4,040 이상 |
NA |
|
대팻밥 ECB |
3,603 |
3,450 |
-153 |
|
밀짚 ECB |
4,180 |
9,037 |
+4,857 |
<표 2> 통제된 침식 제어 테스트에서 평균 건조 토양 손실(단위: 파운드, lb)
|
표면 상태 |
PAM 처리가 없는 경우 |
PAM 처리가 있는 경우 |
차이 |
|
일반 토양 |
175.50 |
163.10 |
-12.40 |
|
황마 ECB |
17.25 |
19.05 |
+1.80 |
|
대팻밥 ECB |
6.97 |
5.43 |
-1.54 |
|
밀짚 ECB |
0.40 |
10.17 |
+9.77 |
⊙ 퇴적물 제어를 위한 폴리아크릴아미드
퇴적물 유보 장치(sediment retention devices, SRD)의 처리 상태에 따른 퇴적물 제거 효율성을 비교하기 위해서, 나무섬유 욋가지(wood fiber wattles)가 SRD 테스트 수로에 설치되었음. 1분 단위로 측정된 흐름율과 탁도를 사용하여 유출수의 질량 부하가 추정되었음. 제거 효율성을 결정하기 위해서 다음과 같은 데이타가 기록되고 계산되었음:
- 통과율(cfs)
- 최대 흐름율(gpm)
- 저류량(gal)
- 유입구 및 유출구에서의 탁도(NTU)
- 유입구 및 유출구에서의 부유성 퇴적물 농도(suspended sediment concentration, SSC)(mg/L)
- 질량 부하(lb)
- 제거 효율성(%)
테스트 결과에 의하면, PAM 처리된 퇴적물 제어장치는 PAM 처리되지 않은 SRDs보다 퇴적물이 함유된 물에서 퇴적물을 감소시키는데 있어 상당히 더 성공적이었음. PAM 처리된 욋가지의 제거 효율성은 8 ？ 18%의 개선을 보였음. <표 3>이 이러한 결과를 보여줌.
<표 3> 처리되지 않은 욋가지와 PAM 처리된 욋가지의 퇴적물 제거 효율성
|
퇴적물 유보 장치 |
처리 횟수 |
유입 질량(파운드) |
유출 질량(파운드) |
제거 효율성(%) |
|
욋가지 ？ PAM 처리되지 않은 경우 |
1 |
1.3 |
0.69 |
46 |
|
2 |
1.4 |
0.79 |
45 | |
|
3 |
1.6 |
0.85 |
46 | |
|
욋가지 ？ PAM 처리된 경우 |
1 |
1.47 |
0.54 |
63 |
|
2 |
1.54 |
0.61 |
61 | |
|
3 |
1.47 |
0.67 |
54 |
⊙ 폴리아크릴아미드의 응고와 투입
응집을 촉진하는 토양의 특성, 폴리머 특성, 그리고 투입량을 이해하기 위해 응집 테스트(flocculation tests)가 수행되었음. 연구자들은 각각의 인공적 우수 유출에 첨가된 폴리머 투입량의 함수로, 탁도 곡선을 생성하였음. 이러한 곡선과 토양 특성에 대한 비교는 인공적 우수 유출에서 PAM과 입자들간의 상호작용에 대한 통찰력을 제공함.
입자간 연결(interparticle bridging)은 PAM이 토양과 상호작용하여 입자들을 불안정하게 만드는 매커니즘으로 일반적으로 받아들여짐. 입자들이 음극(-)으로 되기 때문에 이들은 서로 밀어냄. 폴리머가 두 입자간의 간격을 이어서 응집을 일으킨다면 입자간 연결이 이러한 반발력을 극복할 수 있음. 두 입자를 연결하는 폴리머의 능력은 맞잡음 거리(grappling distance)으로 알려져 있고, 이는 분자 중량의 함수임. 폴리머의 분자 중량이 더 클수록, 맞잡음 거리는 더 길어짐. 따라서, 더 높은 분자 무게를 가진 응집제는 응집을 촉진하는데 있어 더 효과적일 것으로 예상됨.
응집에 있어 전하 밀도(charge density)의 영향은 <그림 1>에서 보여줌. 비이온 PAM인 SF N300이 가장 효과적인 폴리머임. 16%의 전하 밀도를 가진 A-110은 비이온 PAM보다 덜 효과적이지만, 가장 높은 50%의 전하 밀도를 가진 A-150보다는 더 효과적임. 탁도 곡선에 의하면, 전하 밀도가 증가할수록, PAM의 효과성은 감소함. 이러한 추세는 테스트된 모든 인공적 유출 표본에서 발생하였음. 입자들이 음극(-)으로 대전되면 음이온 PAM의 첨가는 입자 표면의 음극 전하를 증가시켜 응집을 더욱 어렵게 만듦. PAM의 붙잡음 거리가 이러한 반발력을 극복할 수 있다면 응집이 발생할 것임. 그러나, 비이온 PAM의 첨가는 입자의 전하를 증가시키지 않아 가장 효과적인 것으로 예상됨.
< <그림 1> 전하 밀도가 응집에 미치는 영향 >
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초록(Abstract)
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[기획연구] 신소재를 이용한 무너지지 않는 제방 개발 기획2016년2016-01-05
ScienceON 연계정보 (※ 관련정보는 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 ScienceON 검색서비스를 통해 제공됩니다.)
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