An Experimental Study on Flocculation and Settling of Fine-grained Suspended Sediments

부유물질의 응접작용 및 침전특성에 관한 실험적 연구

A laboratory flume experiment, using turbulence-generating acryl tank and natural sediments, was conducted to investigate the effects of salinity, concentration of suspended sediment, turbulence and clay minerals on the flocculation and settling of fine-grained suspended sediments. While experiments were run, a sequence of water samples were taken near the bottom of the tank to analyze the variations of size distribution and relative contents of clay minerals. The results of the salinity experiment indicate that median settling velocity ($W_{50}$) increases linearly with salinity. Different settling processes of suspended sediments under variable concentrations appear to be predictable, depending upon the range of the suspension concentration. At concentrations less than 200 mg/l, $W_{50}$ is rarely varied with concentration probably because of the individual--grain settling mode. In the range of 200 to 13,000 mg/l show $W_{50}$ and concentration a good relationship following an empirical formula: $W_{50}=0.45C^{0.44}$. This relationship, however, no longer holds in concentrations exceeding 13,000 mg/l; instead, a more or less reverse one is shown. This result suggests an effect of hindered settling. The turbulence effect is somewhat different from that of concentration. Turbulence accelerates the flocculation and settling susepended sediments at low concentration (200 mg/l), whereas at high concentration turbulence breaks floes down and impedes the settling. Size distribution of suspended sediments sampled near the bottom of the tank tend to be more negatively skewed and leptokurtic in turbulent conditions compared to those in static conditions. The clay mineral analysis from the sequential water samples shows that over time the content of smectite decreases most rapidly with illite remaining concentrated in suspension. This means that smectite, among other clay minerals, plays the most effective role in the flocculation of fine-grained sediment in saline water.

염분도, 부유물질의 농도, 난류의 세기 및 점토광물의 함량이 세립질 부유물질의 응집과 침전특성에 미치는 효과를 규명하기 위하여 수조실험을 실시하였다. 염분도, 부유물질의 초기농도($C_o$) 그리고 난류의 세기를 변화시켜면서 시간에 따른 농도 및 침전속도의 변화를 관찰하였으며, 동시에 수조의 저층에서 일정간격으로 부유물질을 채취하여 입도분석 및 점토광물의 함량비 변화와 업자 덩어리(floc)의 형성과정을 관찰하였다. 일정한 부유물질의 $C_o$ 상태에서 염분도의 증가에 따라 중앙침전속도($W_{50}$)는 선형적언 증가를 보였다. 해수상태(33‰)에서 농도변화에 따른 침전특성은 $C_o$ 범위에 따라 3가지 경우로 다르게 나타났다. 200 mg/l 이하의 범위에서는 농도변화에 따른 침전속도의 변화가 거의 일어나지 않았으며, 200~13,000 mg/l 범위에서는 '$W_{50}=0.45C^{0.44}$' 의 상호관계식에 따라($W_{50}$이 농도의 증가에 비례하며 가속화되었다. 한편, 13,000 mg/l 이상의 높은 농도 범위에서는 농도가 증가할수록 침전속도는 오히려 감소함을 보였다. 난류의 세기가 부유물질의 침전과정에 마치는 영향은 부유물질의 농도에 따라 다르게 나타났다. 상대적으로 부유물질의 농도가 낮아(500 mg/l) 입자간의 상호간섭이 활발하지 않은 상태에서는 난류의 발생은 업자간의 충돌기회를 증가시켜 응집작용과 침전을 촉진시키는 한편, 자연적으로 입자간의 충돌이 충분히 이루어지는 높은 농도(800 mg/l)에서는 난류의 발생은 오히려 상호 입자간의 분산과 간섭침전(hindered settling)을 일으켜 침전을 지연시켰다. 부동 유체 및 난류 발생 상태에서 모두 시간이 경과함에 따라 부유물질의 입도분급이 일어나며 입도분포의 왜도는 감소하고 첨도는 증가하였다. 점토광물중에서 스멕타이트가 가장 빨리 침전되는 반면, 일라이트가 가장 느린 침전속도를 보였다.