급속여과 여과사 기준

왜 배우는가: 급속여과는 대량 원수를 처리하는 상수도에서 널리 쓰이는 여과 방식이다. 여과재 입도 기준은 탁질 제거, 수두손실, 역세척 효율을 함께 좌우하므로 설계와 운전을 잇는 핵심 개념이다. 그래서 답안에서는 정의와 규제 이유를 함께 설명할 수 있어야 한다.

출제 이력: 제126회 4교시 5번, 제102회 2교시 3번, 제96회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

급속여과 여과사 기준은 여과재의 입도 분포를 유효경·균등계수·최소경·최대경으로 규정하여 탁질 제거와 역세척 효율을 함께 확보하는 기준이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 유효경: 여과재 질량의 10%가 통과하는 체눈 크기(D10)이다.
• 균등계수: D60을 D10으로 나눈 값이며, 입도 분포가 고른 정도를 나타낸다.
• 최소경·최대경: 여과재 입자 크기 분포의 하한과 상한이다.
• 급속여과: 응집과 침전을 거친 원수를 빠른 속도로 모래층에 통과시켜 탁질을 거르는 방식이다.
• 여과재: 여과층을 이루는 모래·무연탄 등의 입상 여재이다.
• 역세척: 여과층에 역방향으로 물을 흘려 포집된 탁질을 씻어내는 조작이다.
• 여과속도: 단위 면적을 통과하는 유량이며 m/day 또는 m³/m²·h로 나타낸다.

유효경과 균등계수는 공극 크기와 입도의 고르기를 나타내고, 최소경과 최대경은 입도 분포의 범위를 나타낸다. 따라서 네 값은 한 묶음으로 규정된다. 이 기준이 필요한 이유는 입도가 여과층 공극의 구조를 정하고, 공극 구조가 탁질 포집, 수두손실, 역세척 효율을 함께 결정하기 때문이다.

2. 개념 풀이

급속여과는 응집제를 주입해 콜로이드 입자를 큰 플록으로 만든 뒤, 침전지에서 제거되지 않은 미세 플록과 탁질을 여과재층에서 포집하는 방식이다. 여과재 사이의 공극이 탁질을 가두는 공간이 되므로 여과재 입도가 곧 여과 성능을 결정한다. 입도가 고르면 공극이 일정해져 흐름이 한쪽으로 쏠리지 않고, 여과층 깊이 방향으로 탁질이 고르게 포집된다.

유효경은 여과재 질량의 10%가 통과하는 체눈의 크기이며 D10으로 나타낸다. 식으로 쓰면 유효경 = D10이고 단위는 mm이다. 유효경이 작을수록 공극이 좁아져 탁질 포집 능력은 커지지만, 같은 여과속도에서 수두손실이 빠르게 증가한다.

균등계수는 여과재 질량의 60%가 통과하는 체눈 크기 D60을 유효경으로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 균등계수 = D60 ÷ D10이며 단위가 없는 값이다.

균등계수는 D60을 유효경으로 나눈 값이며, 1에 가까울수록 입경이 고르다.

균등계수가 크면 작은 입자가 큰 입자 사이 공극을 메워 역세척 때 여과층이 고르게 팽창하지 않는다. 이 때문에 균등계수는 역세 효율과 여과층 내부 흐름의 균일성을 함께 나타내는 지표가 된다. 여과재에 탁질이 포집되는 기작은 체거름, 접촉, 침강, 부착이 함께 작용하는 것으로 설명된다. 공극이 좁을수록 체거름 효과는 커지지만 공극이 쉽게 막히므로, 입도 기준은 포집 기작과 운전 기간의 균형을 맞추는 역할을 한다.

최소경과 최대경은 여과재 입도 분포의 하한과 상한이다. 미세 입자가 많아 최소경이 지나치게 작으면 역세척 때 씻겨 나가 여과재가 유실된다. 최대경이 지나치게 크면 공극이 넓어져 탁질이 깊이 통과하며 누출된다. 따라서 두 값은 여과 성능과 역세 효율을 함께 맞추는 범위로 규정한다.

급속여과 여과재의 유효경은 관련 기준이 정한 범위로 제시된다. 급속여과 여과재의 균등계수는 1.2~1.8 범위로 제시된다. 두 범위는 교육 자료의 값이므로 입도 설계의 대략적인 출발점으로 이해한다.

여과속도는 급속여과의 설계 조건이다. 3,000~6,000 L/h·m²는 3~6 m³/m²·h에 해당하며, 하루 24시간 기준으로 환산하면 3 × 24 = 72 m/day, 6 × 24 = 144 m/day가 된다. 따라서 급속여과의 여과속도는 약 72~144 m/day이며, 완속여과의 여과속도가 수 m/day 수준인 것과 비교하면 수십 배 빠른 셈이다. 이 값은 상식 범위의 설계 여과속도로 판단된다.

3. 등장 배경과 필요성

완속여과는 여과속도가 느려 넓은 부지와 긴 운전 기간이 필요하다. 따라서 대량의 원수를 처리해야 하는 상수도에서는 여과속도를 높인 급속여과가 주로 쓰인다. 급속여과는 응집과 침전으로 탁질을 미리 줄인 뒤 높은 속도로 처리하므로 설치 면적과 건설비가 작다는 장점이 있다.