10년 3회차

유동층 흡착장치는 흡착제 입자가 가스 흐름 속에서 계속 부유·충돌하기 때문에 오히려 흡착제의 마모가 크게 일어난다는 것이 단점이며, 마모가 적다는 설명은 옳지 않다.

반면 가스 유속을 상대적으로 빠르게 할 수 있고, 다단으로 구성해 가스와 흡착제를 향류로 접촉시킬 수 있다는 점은 유동층의 실제 특징에 해당한다.

직렬로 연결된 집진장치의 총 효율은 각 단에서 통과하는 먼지 비율을 곱해 구한다.

$\eta = 1-(1-0.8)(1-0.9) = 1-0.2\times0.1 = 1-0.02 = 0.98$이므로 총 집진효율은 98%이다.

필요한 여과면적은 처리가스량을 겉보기 여과속도로 나누어 구한다.

$Q = \dfrac{1000\ \mathrm{m^3/min}}{60} \approx 16.67\ \mathrm{m^3/s}$, 여과속도 $v=0.01\ \mathrm{m/s}$이므로 $A = \dfrac{Q}{v} \approx 1666.7\ \mathrm{m^2}$이다.

bag 1개의 표면적은 $\pi D L = \pi\times0.156\times3 \approx 1.47\ \mathrm{m^2}$이므로, 필요한 bag 수는 $\dfrac{1666.7}{1.47}\approx 1134\ \mathrm{개}$가 된다.

세정(Wet scrubber) 집진장치는 액적과 먼지 입자를 충돌·접촉시켜 포집하며, 그 원리는 관성충돌, 확산작용, 응집(액적에 의한 응결·차단)작용 등이다.

여과작용은 여재의 미세한 틈으로 먼지를 걸러내는 원리로, 이는 백필터 같은 여과집진장치의 작동 원리이지 세정집진장치의 포집 원리와는 거리가 멀다.

원심력 집진장치는 배기관경(내관 직경)이 작을수록 선회 원심력이 커져 미세한 입경의 먼지까지 제거할 수 있으므로, 배기관경이 클수록 작은 입경을 제거한다는 설명은 옳지 않다.

반면 한계 입구유속 내에서 입구유속이 클수록 효율은 높아지지만 압력손실도 함께 커지고, 고농도 처리 시 병렬연결, 응집성이 강한 먼지는 직렬연결(3단 이내)로 대응하며, 재비산 방지를 위해 스키머·회전깃을 두는 것은 실제 효율 향상 방법에 해당한다.

전기집진기에서 포집된 먼지의 전하가 적당한 속도로 중화되어 가장 이상적으로 집진이 이루어지는 비저항 범위는 대략 10⁵~10¹⁰ Ω·㎝ 수준이다.

비저항이 이보다 낮으면 먼지가 집진극에 닿자마자 전하를 빠르게 잃어 재비산이 일어나고, 비저항이 지나치게 높으면 전하가 잘 빠져나가지 못해 역전리가 발생해 오히려 집진효율이 떨어진다.

정지 공기 중 구형입자의 종말침강속도는 스톡스 법칙으로 구한다.

$V_t = \dfrac{d^2(\rho_p-\rho_a)g}{18\mu}$에서 $d = 3\ \mu\mathrm{m} = 3\times10^{-6}\ \mathrm{m}$, $\rho_p = 5.2\ \mathrm{g/cm^3} = 5200\ \mathrm{kg/m^3}$(공기 밀도는 입자에 비해 매우 작아 무시), $\mu = 1.85\times10^{-5}\ \mathrm{kg/m\cdot s}$이다.

$V_t = \dfrac{(3\times10^{-6})^2 \times 5200 \times 9.8}{18 \times 1.85\times10^{-5}} \approx 1.38\times10^{-3}\ \mathrm{m/s}$이므로, 단위를 바꾸면 약 0.138㎝/s가 된다.

임계입경은 사이클론(원심력 집진장치)에서 이론적으로 100% 집진될 수 있는 최소 입자 크기를 의미한다.

절단입경($d_{50}$)은 집진효율이 50%가 되는 입경을 뜻하므로 임계입경과는 다른 개념이며, 기하학적 입경이나 유체역학적 입경은 입자 크기를 정의하는 방식일 뿐 집진 효율과 직접 연결된 개념이 아니다.

중력 집진장치는 침강실 내 가스 속도를 느리게 해야 먼지가 충분히 가라앉을 시간을 확보할 수 있으므로, 처리가스 속도를 크게 한다는 설명은 집진효율 향상 조건으로 옳지 않다.

가스 흐름을 균일하게 하고, 침강실의 높이를 낮추고 길이를 길게 하며, 다단 구조로 단수를 늘리면 압력손실은 커지지만 효율은 높아진다는 설명은 실제 향상 조건에 해당한다.

건조한 대기의 화학적 구성에서 부피 비중이 가장 큰 성분은 질소(N₂)로, 약 78% 내외를 차지한다.

그 다음이 산소(약 21%), 아르곤(약 0.9%) 순이며, 이산화탄소는 미량(0.03~0.04% 수준)에 불과하다.

여과집진장치(백필터)는 여재가 습기나 점착성 먼지에 막히기 쉬워, 폭발성·점착성·흡습성 먼지 제거에는 오히려 적용이 제한되는 것이 실제 특징이며, 이에 매우 효과적이라는 설명은 옳지 않다.

가스 온도에 따라 사용 가능한 여재 재질이 제한되고, 수분이나 여과속도에 대한 적용성이 낮으며, 여재 교환으로 유지비가 많이 든다는 설명은 실제 여과집진장치의 특징에 해당한다.

불소화합물(HF)은 알루미늄 정제, 요업(세라믹·도자기), 인산비료 제조, 유리 제품 생산 등에서 주요 배출 오염물질이다. 알루미늄 공업에서는 전해정련 시 불소화합물이 발생하고, 요업과 유리공업에서는 원료 처리 및 가공 과정에서 HF가 배출되며, 인산비료 제조 시에도 불소를 함유한 부산물이 생긴다. NH₃는 비료·화학공업, Cd와 Pb는 금속제련·전자폐기물 처리 등 다른 업종이 주요 배출원이다.

여재층(모래여과지 등) 운전 중에는 진흙덩어리(머드볼)의 축적, 여재층의 수축(다짐), 공기결합(에어바인딩) 등이 대표적인 문제로 나타난다.

여재는 대부분 모래·자갈 같은 무기성 재료이므로 부패는 여과재 운전에서 발생하는 문제로 보기 어렵다.

살수여상법은 미생물을 여재(쇄석·플라스틱 등) 표면에 부착·성장시켜 폐수를 처리하는 대표적인 부착성장식 생물학적 처리 공법이다.

활성슬러지법은 미생물을 포기조 안에서 부유 상태로 키우는 부유성장식 공법이고, 이온교환법은 생물학적 처리가 아닌 물리화학적 처리이며, 임호프탱크는 침전과 슬러지 소화를 겸하는 시설이라는 점에서 살수여상법과 다르다.

스톡스(Stokes) 법칙은 균일한 밀도의 입자가 층류 상태에서 등속으로 가라앉는 독립입자 침전을 설명하는 식이다.

수처리 공정 중 이러한 독립입자의 자유침전 개념이 가장 잘 들어맞는 곳은 1차 침전지이며, 1차 소화조·살균조·포기조는 침전보다는 각각 생물학적 분해, 소독, 산소공급이 주된 기능이다.

HCl은 1가산이므로 노르말농도와 몰농도가 같고, 100% 이온화하므로 $[\mathrm{H^+}] = 0.05\ \mathrm{mol/L}$이다.

$\mathrm{pH} = -\log(0.05) = -\log(5\times10^{-2}) = 2-\log 5 \approx 1.3$이므로 이 용액의 pH는 약 1.3이다.

물은 4℃에서 밀도가 가장 크다는 특이한 성질 때문에 기온이 내려가면 표층수가 먼저 냉각되어 무거워져 가라앉고, 결국 4℃ 물이 바닥에 깔린 뒤 그보다 차가운 물이 표면에 남아 표면부터 얼음이 언다.

이처럼 온도에 따라 밀도가 달라지며 물이 상하로 뒤섞이는 현상이 호수의 전도(turnover)이므로, 이 현상들은 모두 물의 밀도 특성과 가장 밀접하다.

부유물질(SS)은 수질오염공정시험기준에 따라 시료를 유리섬유여지(GF/C 여지)로 여과한 뒤, 여지에 남은 물질을 건조시켜 무게로 정량한다.

배지나 배양기는 미생물 배양(생물학적 분석)에 쓰이는 기구이고, Gas Chromatography는 휘발성 유기물 분석에 쓰이는 장비로 SS 측정과는 관련이 없다.

오존은 산화력이 매우 강해 생물학적으로 분해되지 않는 난분해성 유기물도 산화·분해시킬 수 있다는 것이 상수처리에서 오존을 적용하는 장점이다.

• 트리할로메탄(THM) 생성은 주로 염소 소독에서 문제가 되는 현상이다.
• 오존은 물속에 잔류하는 시간이 짧아 잔류성이 작으므로, 소독 후 미생물 재증식에 의한 2차 오염 우려가 있다.
• 오존 발생·주입 설비는 구조가 복잡하고 고도의 운전기술이 필요하다.

먼저 $\mathrm{BOD_5}$로부터 최종(전량) BOD인 $L_0$를 구한다.

$\mathrm{BOD_5} = L_0\left(1-10^{-k\cdot5}\right)$에서 $10^{-0.15\times5}=10^{-0.75}\approx0.178$이므로 $L_0 = \dfrac{200}{1-0.178}\approx 243.2\ \mathrm{ppm}$이다.

2일 후 남아있는 BOD는 $L_0\times10^{-kt} = 243.2\times10^{-0.3}\approx 243.2\times0.501\approx 122\ \mathrm{ppm}$이 된다.

오염물질의 부하량은 유량과 농도를 곱해 구한다.

$3{,}000\ \mathrm{m^3/day}\times0.1\ \mathrm{g/m^3} = 300\ \mathrm{g/day} = 0.3\ \mathrm{kg\,Cr/day}$이므로, 유입되는 크롬량은 0.3kgCr/day이다.

부유물질(SS)은 시료를 일정한 공극의 여지로 여과했을 때 여지 위에 남는(분리되는) 고형 물질을 측정 대상으로 한다.

용매에 녹아 있는 용존성 물질이나 기름상 물질, 생물학적으로 분해되는 유기물 여부는 SS 측정의 기준이 아니며, 여과 가능 여부(입자성 여부)가 핵심 기준이다.

부상(Flotation)은 미세기포를 입자에 부착시켜 띄워 올리는 방식이므로, 침전속도가 느린 작거나 가벼운 입자도 비교적 짧은 시간 안에 수면으로 분리해낼 수 있다는 점이 침전보다 유리한 점이다.

반대로 침전속도가 빠르고 무거운 입자는 오히려 침전 방식으로 처리하는 것이 효율적이므로, 그러한 입자에 부상이 유리하다는 설명은 맞지 않다.

수중 유기물질이 많아지면 미생물이 이를 분해하는 과정에서 산소를 소모하므로, 용존산소(DO) 값은 오히려 작아진다 — 유기물질이 많을수록 DO가 커진다는 설명은 옳지 않다.

온도가 높을수록 기체의 용해도가 낮아져 DO는 감소하고, 난류처럼 물과 공기의 접촉이 활발할수록 산소 용해도는 높아지며, 일반적으로 DO 값이 클수록 수질이 양호한 것으로 판단한다는 설명은 맞는 내용이다.

혐기성 소화조에서는 유기산(VFA)이 축적되어도 pH가 급격히 떨어지지 않도록 완충 작용을 하는 능력이 중요한데, 이를 나타내는 지표가 알칼리도이다.

탁도·경도·응집도는 각각 물의 탁함, 경수 정도, 응집 특성을 나타낼 뿐 소화조의 pH 완충능력과는 관련이 없다.

침사지는 모래·자갈 등 비중이 큰 무기성 물질을 가라앉혀 제거함으로써 뒤따르는 펌프나 배관, 산기관의 마모·막힘을 방지하는 것이 주된 목적이다.

입자 크기가 매우 작아 쉽게 가라앉지 않는 콜로이드 물질의 제거는 침사지의 단순 침강 방식으로는 이루어지기 어려워, 응집·침전 등 별도의 공정이 필요하다.

에탄올(C₂H₅OH)의 완전산화 반응식은 $\mathrm{C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O}$이다.

에탄올 1몰(46g)을 완전산화하는 데 필요한 산소는 $3\times32=96\ \mathrm{g}$이므로 이것이 $\mathrm{ThOD}$이고, 같은 1몰에 들어있는 탄소량(TOC)은 $2\times12=24\ \mathrm{g}$이다.

따라서 $\dfrac{\mathrm{ThOD}}{\mathrm{TOC}} = \dfrac{96}{24} = 4$가 된다.

화학적산소요구량(COD)은 강한 산화제를 이용해 시료 중의 유기물을 화학적으로 산화시켜 소모된 산소량으로 나타내는 지표로, 미생물이 분해하지 못하는 난분해성 유기물까지도 산화시킬 수 있다는 것이 특징이다.

• 측정에 5일이 걸리는 것은 COD가 아니라 생물화학적산소요구량(BOD)의 방법이다.
• COD와 BOD는 측정 원리가 달라 일반적으로 서로 다른 값을 나타낸다.
• 호기성 미생물의 증식·호흡으로 소비되는 용존산소량을 측정하는 것은 BOD의 정의이다.

포기조 부피는 BOD 용적부하로부터 구한다.

$V = \dfrac{BOD_{\text{총량}}}{\text{용적부하}} = \dfrac{250\ \mathrm{kg/day}}{0.4\ \mathrm{kg/m^3 \cdot day}} = 625\ \mathrm{m^3}$

체류시간은 $t = \dfrac{V}{Q} = \dfrac{625\ \mathrm{m^3}}{1{,}765\ \mathrm{m^3/day}} \approx 0.354\ \mathrm{day} = 8.5\ \mathrm{hr}$로, 포기조 체류시간은 약 8.5시간이다.

유기질소의 질산화는 유기질소(Org-N) → 암모니아성질소(NH₃-N) → 아질산성질소(NO₂-N) → 질산성질소(NO₃-N) 순으로 진행된다.

암모니아화 이후 아질산화균이 NH₃-N을 NO₂-N으로, 질산화균이 NO₂-N을 NO₃-N으로 산화시키므로 질산성질소가 가장 늦게 생성되는 최종 산화 형태다.

지역침전(zone settling)은 입자 농도가 높아 입자들이 서로 간섭하면서 침전물과 상등수 사이에 뚜렷한 경계면을 이루며 집단으로 가라앉는 침전 형태로, 방해침전이라고도 부른다.

• 독립침전은 입자가 서로 영향을 주지 않고 개별적으로 가라앉는 형태다.
• 응집침전은 입자끼리 응집하며 크기와 침강속도가 점차 커지는 형태다.
• 압축침전은 침전물이 바닥에 쌓여 자체 무게로 눌려 농축되는 형태다.

퇴비화 대상 유기물 중 리그닌은 방향족 고분자 구조로 미생물 분해 효소의 접근이 어려워 분해 속도가 가장 느리다.

반면 글루코오스 같은 단당류와 아미노산, 탄수화물은 미생물이 곧바로 이용할 수 있는 형태라 상대적으로 빠르게 분해된다.

폐기물관리법령상 부식성폐기물 중 폐알칼리는 액체 상태로서 수소이온농도(pH) 12.5 이상인 것으로 한정하며, 수산화칼륨·수산화나트륨을 포함하는 것으로 규정한다.

낮은 pH 기준(2.0 이하)은 폐산에 해당하는 기준이므로 폐알칼리 기준과는 구분된다.

회전로(로타리킬른) 방식은 구조상 열손실이 크고 열효율이 상대적으로 낮으며, 완전연소를 위해 과잉공기비를 충분히 확보해야 하는 특성을 가진다.

반면 예열·혼합 등 전처리가 거의 필요 없고, 드럼이나 대형용기를 파쇄 없이 그대로 투입할 수 있으며, 습식 가스세정시스템과 연계하기 쉬운 점은 로타리킬른의 실제 장점이다.

고형폐기물 파쇄 과정에서는 먼지·소음 및 진동·폭발 발생이 대표적인 문제로 꼽힌다.

침출수는 매립지에서 강우와 폐기물이 접촉해 발생하는 것으로, 파쇄 공정 자체의 직접적 문제점은 아니다.

폐기물 시료의 축소에는 구획법·원추4분법·교호삽법 등이 표준적으로 사용된다.

"면체분할법"은 폐기물 공정시험기준상의 시료 축소 방법에 해당하지 않는다.

연료가 잘 연소되려면 적절한 공기연료비, 공기와 연료의 원활한 혼합, 충분한 체류시간이 확보되어야 한다.

완전연소를 위해서는 오히려 체류시간이 충분히 길어야 하므로, 체류시간이 짧아야 한다는 설명은 연소 조건과 맞지 않는다.

화격자식·유동상식·회전로식은 대표적인 소각로 형식이다.

소화식(Digestion)은 혐기성 소화조에서 유기물을 분해하는 생물학적 처리 방식으로, 소각로 형식에 해당하지 않는다.

쓰레기의 저위발열량은 단열열량계에 의한 방법, 추정식(경험식)에 의한 방법, 원소분석에 의한 방법으로 구한다.

흡착식은 발열량 측정과 관련이 없는 방법으로, 저위발열량 측정 방법에 해당하지 않는다.

폐기물 선별은 크기·비중·자성 같은 물리적 성질의 차이를 이용하며, 공기선별·자석선별·스크린선별이 대표적인 방법이다.

"산화선별"은 화학반응을 뜻하는 용어일 뿐 폐기물 선별방법으로는 존재하지 않는다.

수분함량은 건조 전후 무게 차이를 건조 전 무게로 나누어 구한다.

$\dfrac{1{,}000 - 550}{1{,}000} \times 100 = 45\%$로, 수분함량은 45%이다.

직접계근법은 수거 차량 자체를 계량해 폐기물 발생량을 산정하는 방법으로, 정확도가 높은 대신 개별 차량을 일일이 계근해야 해 작업량이 많고 번거롭다는 단점이 있다.

적재차량 계수분석법이나 물질수지법은 상대적으로 간편하지만 정확도는 떨어진다.

압축비는 압축 전후의 밀도 비로 구한다.

$CR = \dfrac{\rho_{\text{압축후}}}{\rho_{\text{압축전}}} = \dfrac{850}{450} \approx 1.89$로, 압축비는 약 1.89이다.

1일 폐기물 발생 질량은 $180{,}000\ \text{명} \times 2.5\ \mathrm{kg/day} = 450{,}000\ \mathrm{kg/day}$다.

이를 밀도로 나누면 $\dfrac{450{,}000\ \mathrm{kg/day}}{500\ \mathrm{kg/m^3}} = 900\ \mathrm{m^3/day}$로, 발생량은 900m³/day이다.

고형폐기물 파쇄의 목적은 특정 성분의 분리, 겉보기 밀도 증가, 비표면적 증가 등이다.

파쇄 자체가 부식(부패) 효과를 방지하는 것은 아니므로 이는 파쇄처리의 목적에 해당하지 않는다.

0℃ 기준 수증기의 응축열(잠열)은 관행적으로 약 600kcal/kg로 사용된다.

소각 시 활용 가능한 열량은 총발열량에서 이 응축열만큼을 뺀 값(저위발열량)으로 산정한다.

옥탄(C₈H₁₈)의 완전연소 반응은 $C_8H_{18} + 12.5\,O_2 \rightarrow 8CO_2 + 9H_2O$이다.

연료 1mol(114g)당 필요한 산소는 $12.5 \times 32 = 400\ \mathrm{g}$이고, 공기 중 산소의 질량비(약 23.2%)로 환산하면 필요 공기량은 $\dfrac{400}{0.232} \approx 1{,}724\ \mathrm{g}$이다.

$AFR = \dfrac{1{,}724}{114} \approx 15$로, 질량기준 공기연료비는 약 15이다.

RDF(폐기물 고형연료)는 조성이 균일하고 재의 양이 적으며 칼로리가 높아야 안정적으로 연소·저장·운반할 수 있다.

함수율은 낮아야 발열량이 높고 저장·연소 효율이 좋으므로, 함수율이 높아야 한다는 조건은 RDF의 구비조건과 맞지 않는다.

호이겐스 원리는 하나의 파면 위 모든 점이 각각 새로운 파원이 되어 2차 구면파를 발생시키고, 이 구면파들의 공통 접선면이 다음 순간의 새로운 파면을 이룬다는 원리다.

도플러 효과는 파원과 관측자의 상대운동에 따른 진동수 변화, 마스킹 효과는 한 음이 다른 음의 청취를 방해하는 현상, 비트(맥동) 효과는 주파수가 근접한 두 음이 간섭해 세기가 주기적으로 변하는 현상으로 모두 호이겐스 원리와는 다른 개념이다.

음압레벨은 기준음압 $p_0 = 2\times10^{-5}\ \mathrm{Pa}$에 대해 다음과 같이 구한다.

$SPL = 20\log_{10}\dfrac{p}{p_0} = 20\log_{10}\dfrac{1}{2\times10^{-5}} \approx 94\ \mathrm{dB}$

따라서 측정음압 1Pa의 음압레벨은 약 94dB이다.

사람이 들을 수 있는 가청주파수 범위는 약 20~20,000Hz이다.

이보다 낮은 대역은 초저주파음(가청 이하), 높은 대역은 초음파(가청 이상)로 구분한다.

사람의 청각기관은 외이·중이·내이로 구분되며, 외이는 귓바퀴와 외이도, 그리고 그 끝의 고막까지를 포함한다.

이소골(추골·침골·등골)과 이관은 중이, 와우각은 내이에 속하는 구조다.

파동의 전파속도는 주파수와 파장의 곱으로 구한다.

$v = f\lambda = 10\ \mathrm{Hz} \times 5\ \mathrm{m} = 50\ \mathrm{m/sec}$로, 이 파동의 전파속도는 50m/sec이다.