정속여과방식

왜 배우는가: 정속여과는 급속여과지를 유량 변동 없이 일정한 속도로 운전하는 방식으로, 정수장 여과공정의 기본 운전 개념이다. 여과지 간 유량 배분, 여과 속도 제어, 역세척 주기 설정을 이해해야 정수장 운영과 설계를 제대로 설명할 수 있다. 여과 방식은 상하수도기술사 시험에서 용어형과 논술형으로 반복해서 출제되는 주제다.

출제 이력: 제136회 1교시 6번, 제124회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정속여과방식은 여과지의 유량을 일정하게 유지하고 여과지 수위와 손실수두 변화를 조절하여 여과 속도를 일정하게 유지하는 급속여과 운전 방식이다.

• 급속여과지
• 정속여과
• 여과 속도
• 손실수두
• 유량 조절
• 역세척
• 여과지 수위
• 감쇠여과

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 여과지에 물이 들어가는 양을 일정하게 맞추고 여과지 안에 쌓이는 찌꺼기 때문에 생기는 막힘을 수위 상승으로 흡수하는 방식이다. 여과지가 막혀 손실수두가 커져도 유입량을 바꾸지 않으므로 여과 속도가 일정하게 유지된다.

정식 정의는 다음과 같다. 정속여과방식은 여과지의 여과 속도를 일정하게 유지하기 위하여 여과지 유출 측에 유량 조절장치를 두고, 여과 진행에 따른 손실수두 증가를 여과지 상부 수위 상승으로 보상하는 급속여과 운전 방식이다. 여과지 1지당 유량과 여과 면적으로 여과 속도가 정해지며, 여과 속도는 유량을 여과 면적으로 나눈 값이다.

정속여과는 여과 속도를 일정하게 두는 운전 방식을 가리킨다. 여과 속도가 일정하면 여과지 간 유량 배분이 쉬워지고 처리수 수질 편차가 줄어든다. 여과 속도는 단위 면적당 통과 유량으로, 급속여과지는 120~150m/day 범위를 쓴다.

손실수두는 여과층에 탁질이 쌓이면서 생기는 수두 손실이다. 정속여과에서는 손실수두가 커져도 유량이 일정하므로 여과지 수위가 올라가 이를 흡수한다. 역세척은 손실수두나 여과 시간 한계에 도달했을 때 여과층을 역방향으로 씻어 탁질을 배출하는 작업이다.

감쇠여과는 여과가 진행될수록 여과 속도를 줄이는 방식으로, 정속여과와 대비되는 개념이다. 두 방식은 여과지 유출 조절의 기준이 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

급속여과지는 약품 응집과 침전을 거친 물을 빠른 속도로 여과하므로 설치 면적이 작고 건설비가 낮다. 그러나 여과 속도가 빠른 만큼 여과층 막힘이 빨리 진행되고, 정수장 여러 개 지가 함께 운전될 때 유량 배분 문제가 생긴다.

여과 방식을 정속이나 감쇠로 나눈 이유는 이 문제를 제어로 해결하려는 데 있다. 유량을 일정하게 유지하면 여과지마다 처리 조건이 같아지고, 이후 공정인 소독과 정수지 운영도 안정된다. 정속여과는 여과지 수위 감시와 손실수두 측정이 전제이므로 계측과 자동제어 기술이 발전하면서 널리 쓰이게 되었다.

정수처리 설계에서 여과 속도는 처리 능력을 결정하는 핵심 인자다. 급속여과지의 표준 여과 속도 범위는 120~150m/day이다. 완속여과지의 4~5m/day와 비교하면 약 30배 가까이 빠르다.

4. 구성요소·원리·절차

정속여과방식(Constant Rate Filtration)은 여과지로 유입되는 유량을 일정하게 유지하면서 여과 속도를 일정하게 두는 방식이다. 여과지 수위와 여과 저항이 늘어나도 유량조절기(Rate Controller)가 유출 밸브 개도를 조절해 여과 속도를 유지한다. 이 방식의 핵심은 여과 손실수두가 커져도 여과 속도가 변하지 않게 하는 데 있다.

구성요소는 다음과 같다.

정속여과의 원리는 Darcy 법칙에 근거한다. 여과 속도 v는 손실수두 h_L과 여과층 두께 L, 투수계수 k로 나타낸다.

$v = k \frac{h_L}{L}$

여과가 진행되어 탁질이 쌓이면 h_L이 커진다. 정속여과에서는 v를 일정하게 두므로 유출 측 밸브를 조절해 유효 수두를 맞춘다. 여과 저항이 한계에 이르면 역세척을 한다.

정속여과의 절차는 다음과 같다.

• 여과지 유입 유량을 여과지 수에 균등 분배한다.
• 유출 밸브 개도를 조절해 설정 여과 속도를 유지한다.
• 손실수두와 탁도를 감시하며 여과를 계속한다.
• 손실수두가 설정 한계에 도달하면 여과를 정지한다.
• 배수, 공기세척, 수세척 순서로 역세척한다.
• 역세척 후 여과를 재개하고 여과 속도를 재설정한다.

정속여과는 감쇠여과와 비교해 제어가 복잡하다. 그러나 여과 속도가 일정해 처리 수질이 안정된다. 이 점이 채점에서 강조되는 특징이다.

정속여과는 여과 속도를 일정하게 유지하기 위해 유출 밸브를 조절하는 방식이다.

5. 관련 법령·기준·표준

정수시설의 여과 방식과 기준은 상수도 설계기준과 먹는물 수질기준에서 정한다. 급속여과의 기준 여과 속도는 120~150m/day이다. 이 값은 급속여과 전체에 적용되는 값이다. 정속여과 운전에서도 같은 여과 속도 범위를 쓴다.

고속여과지 개선 연구 자료는 이중 여재 여과의 여과 속도 개선을 다룬다. 이 자료는 정속여과 운전의 현행 기준 값을 바꾸는 근거로 쓰지 않는다.

관련 기준의 명칭은 다음과 같이 쓴다. 상수도 시설 기준은 「수도법」과 「수도시설의 기준」을 따른다. 먹는물 수질은 「먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙」을 따른다. 기준 조항 번호는 확인되지 않아 쓰지 않는다.

개정 연혁은 근거에 구체적으로 나오지 않는다. 현행 기준을 기준으로 정리한다.

6. 유형과 비교

정수장의 여과지는 여과속도를 일정하게 유지하는 방식에 따라 정속여과와 감쇠여과로 나뉜다. 정속여과는 여과지마다 유출 밸브 개도를 조절하여 유량을 일정하게 유지하고, 감쇠여과는 수위 차에 따라 유량이 줄어드는 방식이다. 두 방식은 여과 중 손실수두가 커질 때 유량이 어떻게 변하는지가 핵심 차이다.

위 표에서 보듯 정속여과는 유량 일정 조건을 유지하는 것이 목적이다. 감쇠여과는 설비가 단순하지만 여과 말기에 유량이 크게 떨어지는 단점이 있다.