다층여과지

왜 배우는가: 다층여과지는 기존 급속여과지의 탁질 누출과 여과 능력 한계를 개선하는 대표 방안이라, 정수장 개량과 고도화 문제에서 반복해 출제된다. 여재를 밀도와 입경에 따라 층상으로 배열하는 원리를 이해해야 보통여과지와의 차이를 답안에 정확히 쓸 수 있다.

출제 이력: 제129회 1교시 6번, 제90회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

다층여과지는 밀도와 입경이 깊이 방향으로 감소하도록 여러 층의 여재를 배열하여 탁질을 깊이 방향으로 포착하는 입상 심층여과지이다.

핵심 키워드

• 다층여과(Multi-media Filtration)
• 심층여과(Depth Filtration)
• 여재의 밀도·입경 배열
• 안트라사이트·모래·가넷(Garnet)
• 역세척 후 층 재배열(재층화)
• 탁질 누출(Break Through)
• 보통여과지(Slow Sand Filter)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 여과지 안에 크기와 무게가 다른 모래와 알갱이를 층으로 쌓아, 위에서는 큰 탁질을 잡고 아래에서는 작은 탁질을 잡도록 만든 여과지다. 단일 모래층 급속여과지는 표층에서 대부분의 탁질을 잡아 빨리 막히지만, 다층여과지는 여재 전체 깊이를 활용하므로 같은 면적에서 더 많은 탁질을 저장할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 다층여과(Multi-media Filtration)는 입상 여재를 두 종류 이상 사용하여 여재의 밀도와 입경이 깊이에 따라 감소하도록 배열한 심층여과 방식이다. 여재가 하나면 단층여과, 둘이면 이층여과, 셋 이상이면 다층여과로 나눈다.

심층여과는 여재 내부 깊은 곳까지 입자가 포착되는 여과 방식이다. 표면에 케이크가 쌓이는 표면여과와 구분된다. 보통여과지는 모래층 표면에 생물막이 형성되어 유기물을 제거하는 표면여과 성격의 완속여과지를 가리킨다.

원리는 다음과 같다. 상부의 가벼운 여재는 입경이 커서 큰 탁질을 먼저 잡고, 하부의 무거운 여재는 입경이 작아 미세한 탁질을 잡는다. 여재 간 공극률이 깊이에 따라 달라 손실수두가 고르게 증가하고, 탁질이 깊이 방향으로 분산 저장된다. 그 결과 여과 속도를 높여도 유출수 탁도를 낮게 유지할 수 있다.

여재 배열의 기준은 상부 저밀도·세립, 하부 고밀도·조립이다. 역세척 시 밀도 차이에 따라 여재가 다시 층을 이루므로 배열 순서가 유지된다. 이 특성이 다층여과의 성립 조건이다.

3. 등장 배경과 필요성

단층 급속여과지는 여과 속도를 120~150m/day 수준으로 높여 면적을 줄였지만, 여과층 표층에 탁질이 집중되어 여과 지속시간이 짧고 누출이 빨리 일어나는 한계가 있었다. 표층이 막히면 손실수두가 급격히 증가하고, 역세척 빈도가 늘어나 물 손실과 운전 부담이 커진다.

이를 해결하기 위해 여재 깊이 전체를 탁질 저장 공간으로 쓰는 방향이 나왔다. 여재 종류를 늘리고 입경을 깊이에 따라 달리하면, 표층의 부하를 나누고 하부 여재까지 탁질을 포착하게 된다. 기존 급속여과지를 증설하지 않고 여재만 바꿔 처리 능력을 높일 수 있어, 정수장 개량 방안으로 채택된다.

또한 원수 수질이 나빠져 탁도 변동이 커진 경우, 다층여과는 여과 효율의 여유를 제공한다. 보통여과지는 완속 여과로 세균 제거에는 강하지만 면적과 건설비가 크다. 다층여과는 급속 여과의 속도를 유지하면서 여과 성능을 높이는 방향이므로, 두 방식의 장점을 비교하는 출발점이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

다층여과지(Multi-media Filter)는 입자 밀도와 입경이 깊이 방향으로 감소하도록 여러 층의 여재를 배열한 여과지다. 상층에 가볍고 큰 입자의 여재를, 하층에 무겁고 작은 입자의 여재를 둔다. 이렇게 하면 탁질이 여층 표면에만 쌓이지 않고 깊이 전체에 걸쳐 포집되어 여층 전체 이용이 가능해진다. 보통여과지의 단층 모래 여층에 비해 같은 여과 속도에서 손실수두 증가가 느리고 여과 주기가 길어지는 것이 기본 원리다.

구성요소는 여재, 지지층, 집수장치, 세척설비로 나눈다.

각 층 상단 탁질 포집 특성은 여재 밀도 차이에 의해 결정된다. 밀도가 낮은 무연탄은 입경이 커도 상층에 머물고, 밀도가 높은 석류석은 하층에 가라앉는다. 역세척 후에도 밀도 차이로 층이 다시 분리되어 원래 배열로 돌아간다(Re-stratification).

여과 원리는 다음과 같다.

• 탁질은 여재 공극의 체거름과 여재 표면의 부착으로 제거된다.
• 응집된 플록이 여재 입자 표면에 부착 응집하여 제거된다.
• 탁질 포집량이 늘면 공극이 좁아져 손실수두가 증가한다.
• 손실수두가 설정값에 도달하거나 탁도가 누출되면 역세척한다.

여과 속도와 손실수두 관계는 Carman–Kozeny 식으로 설명한다.

$h_L = \frac{f\,(1-\varepsilon)}{\varepsilon^3}\cdot\frac{L}{d}\cdot\frac{v^2}{g}$

여기서 h_L은 손실수두(m), \varepsilon은 공극률(-), L은 여층 두께(m), d는 여재 입경(m), v는 여과 속도(m/s), g는 중력가속도(9.8m/s²)다. 여층을 여러 층으로 나누면 층별 d와 L이 달라져 전체 손실수두 증가가 완만해진다. 다층여과지의 장점은 이 식에서 \varepsilon을 깊이 방향으로 크게 유지하는 데서 나온다.

다층여과지의 운전 절차는 다음과 같다.

• 응집·침전 처리수를 여과지 상부 유입부에 유입한다.
• 여층을 통과하며 상층 무연탄에서 큰 탁질을 먼저 포집한다.
• 중층과 하층에서 미세 탁질을 포집하고 지지층을 거쳐 집수장치로 배출한다.
• 손실수두 또는 유출 탁도가 설정값에 도달하면 운전을 정지한다.
• 표면세척 후 하부에서 역세수를 공급하여 여층을 팽창시킨다.
• 역세척 후 밀도 차이로 층이 재배열되면 여과를 재개한다.

다층여과지는 여층 전체를 깊이 방향으로 이용하여 여과 주기를 길게 한다

5. 관련 법령·기준·표준

다층여과지의 설계 기준은 「수도법」과 상수도 설계기준(환경부 고시)에 따른다. 여과 속도와 여층 구성의 대표 기준은 아래 표와 같다. 보통여과지와 급속여과지의 기준을 나란히 두어 다층여과지의 설계 범위를 비교한다.

완속여과지와 급속여과지의 여과 속도와 여재 기준은 수도 설계 기준의 대표값이다. 다층여과지의 여과 속도는 급속여과지와 같은 범위에서 적용하되 단층보다 높게 잡을 수 있다. 다층여과지의 층별 두께는 0.6~1m를 기준으로 하고, 한 층이 1m를 넘으면 손실수두 증가가 커진다.

다층여과지 여재의 밀도 조건은 다음과 같다.

• 무연탄: 밀도가 낮아 상층에 배치한다.
• 모래: 중간 밀도로 중층을 구성한다.
• 석류석·일메나이트: 밀도가 높아 하층에 배치한다.

역세척 기준은 지지층 팽창률과 세척 시간으로 관리한다. 여층 팽창률과 세척 시간은 여재 종류와 수온에 따라 달라지므로 설계 기준의 값을 적용한다.

6. 유형과 비교

다층여과지는 여재를 두 층 이상 쓰는 여과지로, 여재 구성에 따라 이중여과지(이층여과지, dual-media filter)와 다층여과지(다층여과지, multi-media filter)로 나눈다. 보통 여과지인 단층 모래여과지와 비교하면 구조와 여과 방식이 달라진다.