2024년 5급 공채 기술 2차 상하수도공학
문제 3개 · 100점. 참고 답안·채점 기준은 앱에서 볼 수 있습니다.
제1문 (35점)
모래만을 여재로 하여 80cm의 두께로 여층을 구성하여 120m/일의 여과속도(v)로 운전하는 정수장이 있었다. 최근 급수구역의 용수 수요가 증가하여 생산수량을 늘리기 위해 여과속도를 증가시키고자 하였으나, 여과지 구조상 여과속도의 증가에 따른 여과지 수두손실을 확보하기 위한 필요 사상수심을 높이는데 제한이 있었다. 이에 기존의 여층(모래층) 50%를 모래에서 안트라사이트로 교체함으로써 이중여재로 개량하여 여과지 수두손실을 감소시킴으로써 여과속도를 높여 생산수량을 증가시킬 수 있었다. 여재 및 여과지 등에 대한 정보가 아래와 같을 때, 다음 물음에 답하시오. (단, 물의 점성계수(\mu)는 1.0×10-3Paㆍs, 물의 밀도(\rho)는 1,000kg/m3, 중력가속도(g)는 9.8m/s2이며, 여과지 수두손실(h_{L} \,)은 h_{{L}} = k_{{v}} \, \frac{{\left( 1 - \varepsilon \right)^{{2}}}}{{\varepsilon^{{3}}}} \frac{{\mu L}}{{\rho g \, d^{{2}}}} v \,이다) (총 35점)
| 구분 | 유효경 (d, mm) | 여층 내 공극(\varepsilon) | 여층깊이(L \,, cm) | 계수(k_{{v}}) | |
| 개량 전 | 개량 후 | ||||
| 모래 | 0.5 | 0.40 | 80 | 40 | 110 |
| 안트라사이트 | 1.0 | 0.48 | 40 | 220 | |
- (1) 여과지 개량 전ㆍ후에 발생하는 여과지 수두손실(h_{{L \,}})을 각각 구하시오. (단위: m) (15점)
- (2) 여과지 개량 후의 수두손실이 개량 전과 동일한 수두손실이 일어나도록 여과지 운전을 하는 경우의 여과속도를 구하시오. (단위: m/일) (10점)
- (3) 여과지 운영에 대한 제어방식은 정속여과방식과 정압여과방식이 있다. 그중 정속여과방식에 대하여 설명하고, 정속여과 제어를 위한 유량제어형, 수위제어형, 자연평형형의 세 가지 방식에 대하여 설명하시오. (10점)
제2문 (35점)
하수의 유기물은 호기성 상태에서 산화될 수도 있고, 탈질반응의 탄소원으로 사용될 수도 있다. 고도처리과정에서의 하수 유기물의 변화를 화학양론식으로 구성할 수 있는데, 주요 반쪽반응식은 아래와 같다. 다음 물음에 답하시오. (총 35점)
①\frac{{1}}{{4}} O_{{2}} + H^{{\, +}} + e^{{-}} \ - > \ \frac{{1}}{{2}} H_{{2}} O
②\frac{{1}}{{5}} NO_{{3}}^{{\, -}} + \frac{{6}}{{5}} H \,^{{\, +}} + e^{{-}} \ - > \ \frac{{1}}{{10}} N_{{2}} + \frac{{3}}{{5}} H_{{2}} O
③\frac{{1}}{{50}} C_{{10}} H_{{19}} O_{{3}} N + \frac{{9}}{{25}} H_{{2}} O \ - > \ \frac{{9}}{{50}} CO_{{2}} + \frac{{1}}{{50}} NH_{{4}}^{{\, +}} + \frac{{1}}{{50}} HCO_{{3}}^{{-}} + H^{{\, +}} + e^{{-}}
②\frac{{1}}{{5}} NO_{{3}}^{{\, -}} + \frac{{6}}{{5}} H \,^{{\, +}} + e^{{-}} \ - > \ \frac{{1}}{{10}} N_{{2}} + \frac{{3}}{{5}} H_{{2}} O
③\frac{{1}}{{50}} C_{{10}} H_{{19}} O_{{3}} N + \frac{{9}}{{25}} H_{{2}} O \ - > \ \frac{{9}}{{50}} CO_{{2}} + \frac{{1}}{{50}} NH_{{4}}^{{\, +}} + \frac{{1}}{{50}} HCO_{{3}}^{{-}} + H^{{\, +}} + e^{{-}}
- (1) 반쪽반응식을 이용하여 호기성 상태에서 유기성분의 산화반응식을 구하시오. 또한, 전자수용체로서 질산성질소가 사용되었을 때의 산화반응식(탈질 반응식)을 구하시오. (단, 하수의 유기성분 실험식을 C_{{10}} H_{{19}} O_{{3}} N \,이라고 가정한다) (10점)
- (2) 1)에서 구한 탈질 반응식을 토대로 1kg의 질소를 제거(탈질)하는데 필요한 유기성분의 양을 계산하시오. (단위: kg) (10점)
- (3) 질산화－탈질공정은 널리 사용되는 생물학적 질소 제거 공법이지만 질산화를 위한 소요에너지 과다 및 필요 탄소원의 제한 등의 문제로 총질소 제거율 상승에 한계가 있다. 최근 이를 해결하기 위한 신기술로서 Sharon(Single reactor system for High Ammonia Removal Over Nitrite)-Anammox 연계공정에 대한 활발한 연구가 진행 중에 있다. Sharon공정과 Anammox공정의 반응식을 각각 기술하고, Sharon-Anammox 연계공정이 일반적인 질산화－탈질공정과 비교할 때 가지는 차이점을 설명하시오. (15점)
제3문 (30점)
펌프장 시설에 대한 다음 물음에 답하시오. (총 30점)
- (1) 급수시스템의 설계 시 가장 중요한 고려사항의 하나는 적절한 펌프의 선택이다. 펌프가 설계유량에 대하여 최고효율을 갖는 점에서 운전되고, 전체 운전조건의 범위에서 무리 없이 작동되도록 신중하게 선택되어야 한다. 펌프의 운전 시 최고효율 상태에서의 효과를 얻기 위해 사용되는 펌프특성곡선에 대하여 설명하시오. (5점)
- (2) 펌프의 전양정이 30m이며 펌프의 가용유효흡입수두가 7.8m일 때, Thoma의 계수에 의한 방법을 이용하여 공동현상 유무를 결정하고자 한다. 이때, 공동현상이 발생하지 않는 Thoma의 공동계수 범위를 구하시오. (10점)
- (3) 안지름 20cm, 길이 100m의 원형 주철관으로 분당 1.8m3의 정수를 10m 높이까지 양수할 때, 펌프의 소요 축동력은 몇 마력(HP)인지 계산하시오. (단, 손실은 마찰 손실만 고려하고, 마찰 손실계수 f＝0.04, 중력가속도 g＝9.8m/s2, 펌프 효율＝80%, 1HP＝0.75kW이다) (15점)