부분적 폐쇄가 발생한 여과지에서는 여과속도가 균일하지 않으며, 여과속도가 매우 빠른 부분이 생겨서 여과수의 수질이 악화되고 여과지속시간이 감소된다. 역세척시에 균등한 유량 배분이 달성되기 위해서는 하부집수장치의 설치과정에서 작업의 어려움이나 기타 이유로 인한 불완전한 시공이나 설치중 하부집수장치의 파손이 없어야 하며 여과지 운전에 따른 열화현상으로 인한 손상이 없어야 한다.
하부집수장치는 물의 여과과정에 있어서는 수두손실을 적게 하고 여과지의 전 면적에서 수압의 균일화를 달성하여 균등한 여과가 이루어지도록 설계되어야 된다. 따라서 하부집수장치는 작은 수두손실로써 균등여과를 확보할수록 장치로서는 우수하지만, 물의 여과에 의한 저항이 적으므로 반대로 여과수거 등 유출측에서의 수위나 압력의 변동이 여과지 내에 전달되어 여과조건을 교란시키기가 쉽다. 그러므로 손실수두가 적은 하부집수장치를 채택하는 경우에는 여과지 이후의 구조물과 수리적으로 연속되지 않도록 하는 것이 필요하다.
수리적 조건이외에는 하부집수장치는 내식성 및 내구성이 큰 재질로 만들어져 저판에 견고히 고정되어야 한다. 즉 장치는 항상 물에 잠겨있으며, 역세척시에는 염소와 접촉되므로 내식성이 큰 것이라야 한다. 또한 여재의 중량에 견뎌야 하고 세척 시에는 급격한 수압에 견딜 수 있는 역학적 강도를 가지고 있어야 한다. 하부집수 장치가 파손되면 세척이 불균등하게 되며 모래가 압력실을 통과하여 집수거까지 유출하고 여러 가지 문제점 발생의 원인이 된다. 반면 하부집수장치는 여상 하부에 설치되어 검사와 수리가 쉽지 않으므로 강도, 기능성 및 내식성에서 신뢰도가 높은 것을 사용하여야 한다.
■하부집수장치의 요구 특성
여과시의 집수와 역세척수의 분배가 균일하게 될 것
손실수두가 그다지 크지 않을 것
지지사리층의 두께가 얇아도 기능상 큰 장애가 없을 것
scale 등에 의하여 폐색되지 않을 것
내구성이 좋을 것
시공성이 좋을 것
충분한 강도를 지닐 것
하부집수장치 유형별 특성
일반적으로 활용되고 있는 여과지의 하부집수장치는 스트레이너형, 자구형(wheeler형), 유공블록형 등이 있다. 구체적인 하부집수장치의 종류와 특성은 다음과 같다.
휠러형(Wheeler Ball Type) 자구형(wheeler형)은 <그림 1-1>과 같은 구조이며 중심간 간격은 약 30cm이다. 자구형은 개구부의 콘크리트 타설과 압력수실의 시공이 매우 난이하므로 여과지 바닥판상에 지주를 설치하고 그 위에 콘크리트 성형품을 고결시킨 것이 많다. 성형품과 저판의 사이는 역세척시 압력수 실이 되므로 상판을 지지대 위에 거치할 때는 세척수압에 의해서 성형품이 부상되는 일이 없도록 볼트, 너트로 완강하게 정착되도록 하여야 한다. 또한 성형품 사이의 틈새를 메우는 이음매는 시간이 경과됨에 따라 노화되어 균열이 생기는 경우가 있다. 이러한 균열의 발생은 점차 역세척수의 불균등한 분배를 유발하므로 이음매는 균열이 발생되지 않도록 시공되어야 한다. 성형품의 상면은 도각추형의 요부로서 그 중에 대소 5개 또는 4개의 자구를 놓은 것이다. 도각추형의 중심간격은 지금까지의 경험으로 20∼30cm 정도가 적당하며 중앙부의 분출구의 총 단면적은 여과면적의 0.25∼0.4% 정도가 좋다. 도각추형부에 들어가는 구는 재질이 견고하고 정확한 형태라야 하며 보통 잘 소성된 경질자구가 사용된다.
압력수실의 세척관을 연결할 때는 세척수가 균등하게 압력수실에 충분히 분포되도록 고려하여야 한다. 이와 같은 사항이 이행되지 않으면 세척수의 수류가 부딪치는 부분에서는 속도수두가 압력수두로 변화하여 그 부분의 여과상에 특히 많은 물이 올라와 세척의 불균형을 일으킬 뿐더러 급격한 역세척 수압에 의하여 여과 자갈이 떠올라서 여상을 손상시키는 일이 발생할 수 있다.
스트레이너형 스트레이너 형은 저판상에 매설된 관 또는 지지판에 <그림 1-2>와 같은 스트레이너를 부설하여 스트레이너의 틈새를 통과하여 여과수가 집수되거나 역세척수가 분배되도록 하는 것으로 매설상황은 <그림 1-3>에 표시한 바와 같다.
스트레이너의 간격은 너무 넓으면 균등한 여과와 세척이 되지 않는다. 또 너무 좁으면 비경제적이 된다. 지금까지의 경험으로 보면 약 20cm 내외가 적당하다. 그리고 스트레이너 상부의 높이가 동일하도록 설치하는 것이 필요하다. 스트레이너 장치가 오랜기간 동안 올바른 기능을 유지하기 위하여는 스트레이너의 부식과 폐색을 방지하여야 한다. 부식방지를 위하여는 내식성이 강한 금속이나 합성수지재료를 사용하고, 폐색방지를 위하여는 스트레이너 틈새의 크기에 적합한 직경과 두께의 자갈층을 유지하고 또 스트레이너의 형상치수를 모래가 유입되어도 틈새가 폐색되지 않는 것을 선택하는 것이 좋다.
유공블록형 바닥판 상에 분산실과 송수실을 갖는 성형블록을 병렬 연결한 것으로 초기 유공블록의 부설후 도면은 <그림 1-4>에 표시된 바와 같다.
유공블록형은 역세척시에 송수실로부터 오리피스공을 통과한 역세척수나 공기가 분산실에서 균압을 이루어 블록 상부에 배열된 다수의 통수공을 통하여 분출됨으로써 균등한 역세척 효과를 기대하는 것으로서 휠러형에 비해 시공이 쉽고 구조물의 깊이를 줄일 수 있고 평면적으로 유량의 분배를 균등하게 만들기가 쉬운 장점이 있다. 송수실 단면의 크기가 클수록 물 수송과정에서의 균등압력이 유지되므로 집수공의 공경을 크게 하여도 물 분산의 평면적 균일성을 유지할 수가 있어 결과적으로 하부집수장치에 있어서의 손실수두를 감소시킬 수 있다.
유공블록의 형상은 다양하게 있을 수 있으나 재질은 내식성, 내구성 및 내압성이 큰 것으로 수압이나 하중으로 인한 변형이 없는 것이라야 한다. 도자기로 만든 경우에는 성형시의 불량품이나 시공시의 파손에 주의할 필요가 있다. 또 여과지의 중앙이나 관 외곽측에는 집수거를 설치하여 블록과의 사이에 물이 유출입을 하게 한다. 보통 사용되는 유공블록의 개구비(집수공 총면적에 대한 비)는 거형 표준형 0.61%, 거형 저수두형에서 0.36%, 삼각형표준형에서 0.57%이다.
블록의 포설 길이가 너무 길면 위치에 의한 압력의 불균형이 크기 때문에 일반적으로는 15m 정도가 한도라고 평가되고 있으며 물이나 공기가 중앙에서 유입되는 경우에는 30m 까지 연장될 수 있다. 또한, 역세척시에는 블록의 일부에 상향력이 작용하기 때문에 적당한 간격으로 anchor를 설치해 고정해야 하며 블록사이는 누수되지 않도록 시공해야 한다.
유공블록형 하부집수장치의 종류와 특성 유공블록형 하부집수장치는 다양한 형태가 있을 수 있지만 현재 활용되고 있는 하부집수장치는 Roberts Filter사의 TILE Block, Leopold사의 Universal Type S Underdrain, SEVERN TRENT사의 자회사의 하나인 TETRA Technology사의 TETRA U Block과 LP Block, EIMCO사의 Flexscour Underdrain 등이 있다.
Roberts Filter사의 TILE Block은 다양한 형태를 지니고 있는데 재질은 도기(ceramic)제품이어서 시공시에 무겁고, 경도가 강하여 오랜 사용 후에는 균열이 생길 가능성이 있다.
Leopold 사는 일찍이 1940년대부터 이중 횡방향 분배실(Dual Lateral)의 점토재질 유공블록을 고안하였다. 이 유공블록은 이중의 분배구조로 인하여 역세척수와 공기를 전 구간에 걸쳐서 균등하게 분배할 수 있다고 평가받고 있다.
Universal Type S Block이라는 하부집수장치는 High Density Polyethylene(HDPE) 재질로 제조되었으며 폭 270mm, 높이 320mm, 길이 1220mm의 형상을 지니고 있다. Type S Block은 Leopold 사의 기존 제품과 비교하여 블록과 블록을 LEOFLEX sealer를 이용한 tongue-and-groove 방식으로 결합하며, 상부판의 중앙에 물회수 통로(water recovery channel)를 횡방향으로 설치하고 있다.
Leopold 사는 특히 횡방향으로 설치한 물 회수통로는 공기 역세척시 연속적으로 균일한 공기의 흐름을 가능하게 하여 함으로 공기의 유량범위가 기존의 제품의 0.9-1.5 m/분에 비하여 0.3-1.5 m/분으로 훨씬 증가하였다고 하고 있다.
또한 Type S Block은 역세척시 송수실 내에서 역세척수의 이동속도를 낮추어서 횡방향으로의 유량분포를 균등하게 하기 위하여 송수실 내부면적을 0.032m2 이상으로 하였다. Leopold Universal Type S Block는 상판에 플라스틱 구슬을 융착하여 제조한 공칭공극 700 m, 두께 25mm의 IMS(integrated media support) cap을 설치하면 여과자갈 지지층을 포설하지 아니하도록 되어 있어 여과지의 개선시 여과재의 충전깊이를 증대시키는데 도움이 되는 것으로 알려져 있다.
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