정수 및 하수처리에 있어서 형상 및 기능이 같은 여러 개의 단위 반응조들이 병렬로 연결되어 운전되는 경우가 아주 많다. 그 예로 정수처리에서는 혼화 공정의 유출수가 병렬로 배치된 여러 개의 응집･침전조로 개수로인 분배 수로를 통해 유입되고, 침전 공정으로부터 유출된 침전수가 병렬로 배치된 여러 개의 여과지로 개수로 및 위어(weir)를 통하여 분배되는 경우가 그렇다. 하수처리에 있어서는 생물 반응조의 유출수가 관수로인 분배 관로를 통해 여러 개의 2차 침전지로 유입시키는 경우가 그러하다[1].

수처리에 이용되는 침사지와 침전지는 중력을 이용하여 고액분리를 한다는 측면에서는 동일하다. 침사지의 경우 일반적으로 유량조정조의 역할도 하면서 하수 중의 모래와 흙을 가라앉혀 제거한다. 침전지보다는 체류시간이 30~60초로 상대적으로 짧다. 이에 비해 침전지(2차 침전지)의 경우 생물 반응조(예를 들어 포기조)에 유입된 미생물이 부착된 침전물인 슬러지와 물을 분리하는 역할을 담당하고 3~5시간 정도의 상대적으로 긴 체류시간을 가진다[2].

수처리에 이용되는 침전지는 유입부와 유출부 사이의 주된 흐름(main flow) 거동을 고려하여 수평류 장방형 침전지(Horizontal Rectangular type), 상향류식 침전지(Upflow Type), 또는 경사판이 설치된 침전지(Inclined baffle or tube settler) 등으로 구분된다[3,4]. 통상 국내의 정수처리에는 장방형 침전지가 많이 사용되고, 하수처리 2차 침전 공정으로는 상향류식 침전지가 많이 사용되고 있다[3].

병렬로 배치된 침사지 및 침전지로의 분배수로는 일반적으로 관수로나 개수로로 이루어진다. 그런데 각 병렬 배치된 침사·침전지로의 유량 분배가 균등하지 못한 경우 침전 효율이 악화된다. 유량이 적게 유입되는 지에서는 지내 유속이 느려지고 체류시간이 길어지게 되어 슬러지의 퇴적, 부패 및 혐기화 등이 발생할 수 있으며, 반면 유량이 많이 유입되는 지는 유속이 빨라져 체류시간이 단축됨으로써 슬러지의 재부상 및 침전 효율의 악화가 유발될 수 있다[5].

다음 Fig. 1 은 병렬로 설치된 여러 개의 수평류 장방형 침사·침전지에 처리수를 유입시키는 경우 유량의 균등화를 도모할 목적으로 분배 개수로의 단면적을 변화시키는 방법을 소개한 것(Fig. 1(a)참조)이다. 이러한 개수로 형식의 분배수로 설계 및 최적화에 관한 연구가 많지 않지만, 1980년 Chao와 Trussel이 제안한 “Step method”를 널리 이용하고 있다. 이 방법은 흐름 특성을 하류에서 상류방향으로 분배수로의 폭을 확대함으로써 유출 유량을 제어하는 방안으로 혹의 확대에 따라 발생하는 수위 저하는 Froude Number를 충분히 작게 하여 모든 유입 위어의 유량계수가 동일하게 유지하도록 하는 방법이다. Larry 등은 이후에 분배수로에서의 불균등 분배를 최소화하기 위해 위어 수위 변화방법(changing the weir elevation), 수로폭 저감방안(tapering channel)을 제안하였다[6]. 분배 수로의 폭이 감소하는 각도(Fig. 1(a)에서 α)는 분배수로 유입 유량과 유출 유량, 수위의 함수로 결정된다. 그러나 실제 분배수로 유입 유량과 유출 유량, 수위는 시간에 따라 일정하지 않아(unsteady) 이러한 방법의 적용은 한계를 가지는 것으로 나타났다. 이후 Park 등은 개수로 형태의 분배수로에 이중 격벽을 설치하여 CFD(전산유체역학; Computational Fluid Dynamics) 기법과 실증 실험을 통해 병렬로 설치된 침사·침전지로의 유입 유량의 균등성과 침전 효율의 제고를 확인하였다[7].

Fig. 1(b)는 일반적으로 하수처리장 2차 침전지의 배열 형상을 예로 든 것이다. 생물 반응조(포기조)에서 반응이 끝난 원수를 다수의 2차 침전조로 균등하게 유입시키기 위해 유입관로 끝단을 중심으로 대칭적으로 배열함으로써 유량 분배의 균등화를 도모하고 있다. 즉 유입 관수로 끝단의 지관 사이의 각도(Fig. 1(b)에서 β)를 조정함으로써 각 지로의 유입 유량을 균등화할 수 있다.

그러나 상기 방법들은 상대적으로 체류시간이 짧은 수평류 장방형 침사지나 유량 균등조에 적용하기에는 무리가 있다. 침사지나 유량 균등조의 경우 약 1분 정도의 체류시간을 가지므로 병렬로 배치되어 있지만 지의 수가 적어 분배수로 및 관로가 짧고 지내 유속이 빨라 난류거동의 해석이 필요하다. 또한 병렬로 배치된 침사지 및 유량 균등조 유입 수로의 경우 형상의 복잡성으로 인하여 일반화된 방법론 수립이 어렵고, 특히 분배수로 내에서의 유동은 난류가 존재하는 3차원 유동을 보이기 때문에 이를 1차원 시간의 함수로 해석하거나 2차원 shallow water theory를 사용하여 해석하는 경우 그 결과를 신뢰하기 어렵다[8,9].

이에 본 연구에서는 국내 하수처리장에서 운영 중인 병렬로 배치되어 있는 실규모 4개 침사지(장방형) 유입 분배 수로를 대상으로 유량 분배 특성을 CFD 기법으로 모사하고, 모사 결과를 검증하기 위해 수위 관측을 통한 유량계로 각 침사지로 유입되는 유량를 실측하여 비교하였다. 그리고 기존 분배수로를 대상으로 수리 구조물의 변경을 통한 유입 유량의 균등성 제고 방안을 여러 수리 구조물 변경 case 별로 검토하여 제시하고자 하였다.

본 연구에서는 국내 하수처리장에서 운영 중인 병렬로 배치되어 있는 실규모 4개 침사지(장방형) 유입 분배 수로를 대상으로 유량 분배 특성을 CFD 기법으로 모사하고, 모사 결과를 검증하기 위해 수위 및 압력 관측을 통한 비만관 유량계로 각 침사지로 유입되는 유량를 실측하여 비교하였다. 그리고 기존 분배수로를 대상으로 수리 구조물의 변경을 통한 유입 유량의 균등성 제고 방안을 여러 수리 구조물 변경 case 별로 검토하여 제시하고자 하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 비만관 유량계를 이용한 실측과 CFD 모사 결과로부터 본 연구의 대상이 된 침사지 분배 수로 (4개의 outlet) 통과 유량은 편중 현상이 심각한 것으로 나타났다. 양 끝단 outlet 1과 4의 분배수로 통과 유량은 중앙부에 설치된 outlet 2와 3 수로에 비해 20% 이상 차이가 나타나는 것으로 측정되었다. 이러한 유량의 차이는 유량이 많이 유입되는 침사지의 경우 기준이 되는 체류시간을 만족할 수 없으며, 유량이 상대적으로 적게 유입되는 침사지의 경우 슬러지 퇴적량이 지나치게 많아 혐기 상태를 유지할 가능성이 있다.

2) CFD 기법을 이용하여 수위를 모사한 결과 실측에서는 1.250 m가 관측된 반면에서 기존 분배 수로 전단의 수위는 1.229 m로 모사되었다. 실측치와는 약 2.1 cm의 차이가 나타났다. 이는 모사 결과에서 보이듯 자유 수면이 일정하게 유지되지 않아 나타난 오차로 판단된다.

3) CFD 모사 결과로부터 수위, 유량 및 4개 분배수로 통과 유량의 백분율 데이터를 검토해 본 결과 case 4(양쪽 정류벽을 설치하는 안) 경우가 유량 균등 분배 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그런데 case 4와 case 6 의 수위를 비교한 결과 case 4의 경우 양쪽 정류벽이 저항체로써 영향이 손실 수두가 급격히 증가할 거라고 예상할 수 있다. 이에 본 연구에서 제시하는 가장 좋은 방법은 오리피스 직경이 0.4 m이고 하부를 개방하지 않은 양쪽 정류벽이 가장 좋은 수리 구조물 개선안으로 추천할 수 있다.