KR100459503B1

KR100459503B1 - 오수처리를 위한 인공습지 시스템

Info

Publication number: KR100459503B1
Application number: KR1020040059653A
Authority: KR
Inventors: 권태영; 김형중; 김호일; 성현제; 신현범; 양영철; 윤춘경; 이광식; 이복자; 최경영
Original assignee: (주)자연과환경; 농업기반공사
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2004-12-03
Also published as: CN100497205C; CN1727291A

Abstract

본 발명의 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템은, 오수가 유입되는 오수 유입구와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구가 구비되며, 상기 오수 유입구가 설치되는 상류측으로부터 상기 처리수 배출구가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지는 복수개의 단을 갖도록 형성되는 바닥면과 상기 바닥면의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 측벽을 포함하는 구조물; 상기 복수개의 단의 상면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽; 상기 복수개의 제1격벽 중 이웃하는 제1격벽 사이에서 상기 단의 상면으로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의 제2격벽; 상기 구조물의 바닥면의 복수개의 단의 상부 중 적어도 일부에 각각 적층되는 배양토; 및 상기 배양토에 식재되는 식물;을 포함한다.

Description

오수처리를 위한 인공습지 시스템{CONSTRUCTED WETLAND SYSTEM FOR SEWAGE TREATMENT}

본 발명은 오수처리를 위한 인공습지 시스템에 관한 것이다.

인공습지(constructed wetland 또는 artificial wetland)란 토양, 식물, 또는 미생물과 같은 자연 자원들의 정화능력을 이용하여 오염된 환경을 개선하는 인공적으로 조성된 습지를 의미한다. 이러한 인공습지는 자연정화(natural treatment)의 대표적인 방법 중 하나이다.

인공습지를 이용하여 수질을 개선하는 방법은 기계적인 수질 개선방법에 비하여 에너지 소모가 적고 유지관리가 용이하며 소요경비가 낮고 2차 오염의 우려가 적은 장점이 있다. 따라서, 인공습지를 이용한 수질개선방법은 농촌지역과 같이 사용 가능한 공간이 상대적으로 넓은 지역에 유리하다.

종래의 인공습지는 크게 자유수면 처리형 인공습지(FWS; Free Water Surface treatment wetland)와, 지하흐름 처리형 인공습지(SSF; Subsurface Flow treatment wetland)로 나뉠 수 있다. 이러한 인공습지를 이용한 수질개선 방법은 미국이나 유럽 등지에서 하수 및 오수의 처리방법이나 비점오염원 제거를 목적으로 한 효과적이고 경제적인 친환경적 처리방법 중의 하나로 연구 및 적용되고 있다. 국내에서도 10여년 전부터 연구되고 있으며, 군부대 오수처리 및 농촌마을 하수 및 오수처리에 적용되기도 하였다. 특히, 방조제 건설에 의해 조성된 시화호나 화옹호와 같은 담수호의 유입하천 및 상류 부분의 비점오염원 처리를 위한 방법으로 널리 적용되고 있다. 종래의 인공습지에 의한 하수 및 오수처리 방법들은 대부분 자유수면 처리형 인공습지나 지하흐름 처리형 인공습지에 기초하고 있다. 특히, 활용부지를 충분히 확보하기 어려운 국내의 현실에는 자유수면 처리형 인공습지 보다는 단위면적당 효율이 상대적으로 뛰어난 지하흐름 처리형 인공습지의 응용적인 변형이 주를 이루고 있다.

이러한 종래의 인공습지에 의한 하수 및 오수처리 방법의 단점은 다음과 같다. 첫째, 장기적인 운전에 따른 모래나 자갈 등의 폐색 현상이 발생할 우려가 크다는 문제점이 있다. 둘째, 동절기에 식물고사에 따른 처리효율 저하의 문제점이 있다. 셋째, 안정적인 처리효율을 확보하기 위하여 기계적인 처리방법에 비하여 과다한 부지사용이 요구되는 문제점이 있다. 넷째, 처리과정에서 생산되는 식물을 제거하여야 하는 문제점이 있다. 다섯째, 모기의 발생 가능성이 커서 보건 위생상의문제가 발생할 수 있다.

이와 같은 문제점들을 개선하기 위하여, 여러 방안들이 소개된 바 있다. 예를 들어, 종래의 인공습지에 의한 하수 및 오수처리를 위한 발명들은 인공습지의 부유물질의 축적 및 내부의 부패를 개선하기 위하여, 인공습지 하부 및 내부에 인위적인 산기관의 설치나 인공습지 중간에 공기 공급을 위한 유공관을 매설하는 방법, 축적되는 부유물질 및 부패물질을 하부 및 배관 등을 통하여 외부로 배출시키는 방법, 또는 인공습지 처리 과정 중 일부에 수생처리를 도입하는 방법 등이 있다. 또 다른 예로, 인공습지의 가장 큰 단점인 모기 발생 문제를 해결하기 위하여, 모기 유충을 잡아먹는 어류를 적용하는 방법도 소개된 바 있다. 이와 같은 인공습지에 의한 하수 및 오수 처리과정에서 발생하는 문제점들을 해결하기 위한 다양한 노력들이 있었다. 다만, 일부 방법들은 인공습지 및 자연정화방법 등의 처리 원리에 기초하지 아니하고 기계적인 종래의 처리방법에 토양피복 및 식물을 일부 적용하면서 자연정화법 및 인공습지에 의한 처리방법으로 주장하는 경우도 있다. 이러한 방법들은 인공습지 처리방법의 장점인 에너지 절감 및 용이한 유지관리 등을 누릴 수 없는 방법이다.

그러나, 종래의 인공습지를 이용한 하수 및 오수 처리 방법들은 다음과 같은 공통적인 한계를 가진다.

첫째, 기반재료의 선택이 단순하다. 인공습지의 기반재료는 식물의 생장 및 기반재료로서의 역할과 효율적인 미생물의 부착 생장을 유도하기 위한 역할을 동시에 수행하여야 하기 때문에 매질의 선택이 한정적일 수밖에 없었으며 또한 다양한연구개발이 부족하였기 때문에, 대부분 종래의 인공습지의 기반재료는 자갈, 모래, 쇄석, 토양 등에 한정되었다. 인공습지의 가장 주요한 정화원리인 여과를 위해서는 입자 사이의 공극이 상대적으로 작은 토양이나 모래를 선택해야 할 것이나, 이러한 재료가 사용되면 처리해야 할 하수 및 오수의 수리학적인 양을 처리하기 위하여 부지 및 시설이 비대해 지거나 처리 효율의 목표를 낮추어야 하는 단점이 있다. 수리학적인 양을 고려하여 공극이 큰 자갈이나 쇄석을 적용하면 처리 효율이 상대적으로 떨어지는 문제로 인하여 역시 부지 사용을 줄일 수 없었다.

둘째, 적용식물의 선택이 제한적이다. 국내의 인공습지에 관한 연구의 축적이 미비하여 다양한 식물의 적용이 이루어지지 않았다. 수중처리(aquatic treatment)에 적용되는 부레옥잠, 개구리밥, 수련 등을 제외하고 인공습지에 적용된 식물들은 갈대, 부들, 줄 등 외국에서 적용되어 제시된 비교적 생육이 왕성하고 주변 환경에 민감하지 않은 식물들 중에서 선택하여 단일 수종을 적용하는 것이 일반적이다. 이러한 현상은 식재기반 및 인공습지 조성환경이 극히 제한적이며 처리 효율을 식물의 생장 제거에 많이 의존하는데 원인이 있다고 할 수 있다.

셋째, 국내 현실 여건을 충분히 고려한 연구가 미비하다. 국내의 하수 및 오수 처리 현실은 도시 중심의 인구 밀집 현상으로 인하여 하수와 오수의 발생량도 도시 지역에 집중되어 있으며 하수관거의 정비도 도시 지역 위주로 되어 있어 고효율과 집약적인 처리가 불가피하다. 반면에 상대적으로 100톤/일 미만의 농촌마을을 중심으로 한 분산지역은 하수관거가 거의 부재하며 집약적인 처리를 하기 위해서는 경제적으로나 유지 관리면에서 불리한 점이 매우 많다. 이러한 곳은 하수 및 오수처리 특성과 주변환경 및 주민들의 특성이 도시 지역과는 많은 차이를 보이며 고려해야 할 문제점들도 다양하다. 그러므로, 자연정화에 의한 소규모 처리공법이 유리하나, 기존의 인공습지를 포함한 자연정화방법들의 공법들이 다양하지 못하였으며 안정적인 처리 효율에 문제점들이 나타나서 충분히 적용되지 못하고 있다. 그러므로, 자연정화의 근본원리에 충실하여 유지관리의 용이성, 소음 및 에너지 저감 등의 장점을 최대한 살리면서 처리 효율과 넓은 부지 사용의 문제를 해결할 수 있는 다양한 공법들의 연구가 필요하다. 나아가, 모기 발생과 악취 그리고 식물 부산물 문제를 개선하여 하수 및 오수 처리를 위한 처리시설 뿐만 아니라 다양한 주민 휴식공간이나 공동정원 또는 식물학습장으로 활용될 수 있도록 유도하여 자발적인 주민 참여를 통한 유지관리가 가능한 공법의 개발과 연구가 필요하다.

특히, 자유수면 처리형 인공습지의 경우에는 내부 기반재료가 대부분 토양으로 구성되며 토양의 표면에서 수위가 형성된다. 따라서, 이는 많은 양의 하수나 오수를 넓은 부지에서 처리할 수 있도록 개발된 시스템으로서, 그 설치 면적이 커서 경제성이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 오수가 토양표면으로 흐르는 관계로 악취 발생 및 모기 발생 문제가 있다.

또한, 지하흐름 처리형 인공습지의 경우에는 오수가 지하로 흐르면서 모래나 자갈, 및 식물의 뿌리에 존재하는 미생물에 의해 처리되므로 자유수면 처리형 인공습지와 비교할 때 처리 효율이 우수하고 사용부지의 면적을 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나, 지하흐름 처리형 인공습지의 경우에도 장시간의 운영에 따른 지하부에서 공극 패색의 가능성이 있으며, 오수 유입부는 상부에 위치하며 정화된 오수의배출구는 하부에 위치하므로 수두형성이 대각선에 가깝게 되므로 식물의 생장이 유입부에서 가까운 곳에 편중되고 배출구 쪽으로 갈수록 수심이 낮아져 상부쪽에는 처리에 직접적으로 사용되지 않는 공간이 발생하여 부지의 낭비가 발생한다.

본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 자연의 자정능력을 최대한 활용하고 인공습지의 기본 처리원리에 기반하고 상기한 종래 발명들의 부족한 부분과 인공습지의 문제점을 근원적으로 개선하여 효율성과 안정성 면에서 효과적인 오수처리 인공습지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 인공습지 시스템의 평면도이다.

도2는 도1의 A-A선을 따라 절개한 단면을 보여주는 단면도이다.

도3은 본 발명의 제2실시예에 의한 인공습지 시스템의 단면을 보여주는 단면도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템은,

오수가 유입되는 오수 유입구와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구가 구비되며, 상기 오수 유입구가 설치되는 상류측으로부터 상기 처리수 배출구가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지는 복수개의 단을 갖도록 형성되는 바닥면과 상기 바닥면의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 측벽을 포함하는 구조물;

상기 복수개의 단의 상면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽;

상기 복수개의 제1격벽 중 이웃하는 제1격벽 사이에서 상기 단의 상면으로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의제2격벽;

상기 구조물의 바닥면의 복수개의 단의 상부 중 적어도 일부에 각각 적층되는 배양토; 및

상기 배양토에 식재되는 식물;을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템은,

오수가 유입되는 오수 유입구와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구가 구비되며, 상기 오수 유입구가 설치되는 상류측으로부터 상기 처리수 배출구가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지도록 경사지게 형성되는 바닥면과 상기 바닥면의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 측벽을 포함하는 구조물;

상기 바닥면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽;

상기 제1격벽 사이에서 상기 바닥면으로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의 제2격벽;

상기 바닥면의 상부 중 적어도 일부에 적층되는 배양토; 및

상기 배양토에 식재되는 식물;을 포함한다.

상기 이웃하는 제1격벽 사이에 위치하는 상기 제2격벽의 상면은 그 양측에 위치하는 상기 제1격벽의 상면보다 높은 것이 바람직하다.

상기 이웃하는 제1격벽 사이에 위치하는 상기 제2격벽의 하면은 그 양측에 위치하는 상기 제1격벽의 상면보다 낮은 것이 바람직하다.

상기 바닥면 중 상기 복수개의 제1격벽 중 양끝단의 제1격벽의 외측에 위치하는 부분의 상부에는 자갈이 적층되는 되는 것이 바람직하다.

상기 배양토의 상부에는 인공소성토가 적층되는 것이 바람직하다.

상기 인공소성토는 상기 제1격벽의 상면보다 높은 위치까지 적층되는 것이 바람직하다.

상기 배양토는 다공질 입상배양토인 것이 바람직하다.

상기 다공질 입상배양토는, 부석, 규산질 퇴적암, 차콜 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 다공질 입상배양토는, 20~30 중량%의 부석과, 50~70 중량%의 규산질 퇴적암과, 10~20 중량%의 차콜을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템은 상기 오수 유입구를 통하여 유입되는 오수를 가열하는 오수 가열장치를 더 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템(100)의 평면도이고, 도2는 도1의 A-A선을 따라 절개한 단면을 보여주는 단면도이다.

오수는 생활하수, 정화조 배출수, 기타 잡배수 등 임의의 오염된 물을 포함하는 개념이다.

도1 및 도2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템(100)은, 상부가 개구된 박스형의 구조물(101)을 포함한다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 구조물(101)은 바닥면(103)과 이 바닥면(103)의 외측 모서리의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는측벽(105a, 105b, 105c, 105d; 105)을 포함한다. 따라서, 측벽(105a, 105b, 105c, 105d; 105)이 바닥면(103)을 둘러싸도록 형성된다. 즉, 구조물(101)은 그 상부가 개구된 박스형으로 형성되며, 그 상부에서 보면 직사각형으로 보이게 된다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 구조물(101)의 형상이 이에 한정되지 아니하고 다양한 변형이 가능하다는 것을 쉽게 알 수 있으며, 이러한 변형은 본 발명의 보호범위에 속하는 것은 자명하다. 구조물(101)의 크기가 클수록 오수처리 능력이 커질 것이나, 구조물(101)은 시공상의 어려움과 구조물의 안전상 0.3~2.0m 정도의 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.

구조물(101)의 양단에는 정화시킬 오수가 유입되는 오수 유입구(107)와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구(109)가 각각 구비된다.

도2에 도시된 바와 같이, 구조물(101)의 바닥면(103)은 오수 유입구(107)가 설치되는 상류측으로부터 처리수 배출구(109)가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지는 복수개의 단(step)(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)을 갖도록 형성된다. 구조물(101)의 바닥면(103)이 하류측으로 갈수록 낮아지는 복수개의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)을 갖도록 형성됨으로써, 최상류측에 위치하는 단(103a)과 최하류측에 위치하는 단(103e) 사이에 높이차(또는, 수두차)(h2)가 존재하게 되고, 그 결과 유입된 오수가 그 위치에너지에 의해 하류측으로 이동할 수 있게 된다. 즉, 구조물(101)의 바닥면(103)이 복수개의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)을 가지는 계단형으로 형성됨으로써, 오수가 높이차이에 의해 하류측으로 이동하게 된다. 상기한 높이차(또는, 수두차)(h2)는, 다공질 입상 배양토의 투수계수 및 오수의 흐름에서 발생하는 수두손실(headloss)을 고려하여 수리공학적인 계산에 의하여 결정되는 것이 바람직하고, 이 높이차가 복수개의 단으로 그 차이가 분배되도록 계단형으로 형성되는 것이다.

도1 및 도2를 참조하면, 구조물(101)의 내부 공간에는 복수개의 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)과 적어도 하나의 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)이 설치된다. 단, 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e) 및 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 개수가 도면에 도시된 개수에 한정되지 아니함은 물론이다.

제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)은 복수개의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)의 상면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되며, 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)은 구조물(101)의 길이방향의 측벽(105a, 105c)을 가로질러 형성된다. 따라서, 오수가 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상면을 넘어서 하류측으로 이동할 수 있게 된다.

제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)은 이웃하는 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e) 사이에 위치하며, 구조물(101)의 길이방향의 측벽(105a, 105c)을 가로질러 형성된다. 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)은 구조물(101)의 바닥면(103)의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)의 상면으로부터 수직방향으로 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성된다. 즉, 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 하면과 바닥면(103)의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)의 상면 사이에는 소정거리의 틈(gap)이 존재하게 되고, 이 틈을 통해서 오수가 하류측으로 이동하게된다. 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 하면과 바닥면(103) 사이의 틈의 높이가 지나치게 큰 경우에는 상하향류의 효과에서 얻는 흐름속도 변화와 유하거리의 연장을 통한 처리효율의 향상을 기대하기 어려우며, 틈의 높이가 지나치게 작은 경우에는 유량조절의 폭이 줄어들어 오수의 원활한 흐름을 유도하기 어렵게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템(100)에서는 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 하면과 바닥면(103) 사이의 틈의 높이가 10~50㎝ 정도인 것이 바람직하다.

이때, 도2에 도시된 바와 같이, 이웃하는 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e) 사이에 위치하는 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 상면은 그 양측에 위치하는 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상면보다 낮게 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 최상류측에 위치하는 제2격벽(113a)의 상면은 그 양측에 위치하는 제1격벽(111a, 111b)의 상면보다 낮게 위치한다. 따라서, 오수가 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d) 위로 넘치는 것이 방지될 수 있다.

또한, 이웃하는 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e) 사이에 위치하는 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 하면은 그 양측에 위치하는 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상면보다 높게 위치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 최상류측에 위치하는 제2격벽(113a)의 하면은 그 양측에 위치하는 제1격벽(111a, 111b)의 상면보다 낮게 위치한다.

따라서, 오수가 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상부를 지나 아래 방향으로 이동하다가 제2격벽(113a, 113b, 113c, 113d)의 하부와 바닥면(103) 사이에 형성된 틈을 지나 다시 상부로 이동하여 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상부를 지나게 되어 도2에 도시된 화살표의 방향을 따라 이동함으로써 오수의 상하방향 흐름이 형성되게 된다.

즉, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템(100)에서는 오수가 상하방향으로 흐르면서 정화된다. 따라서, 오수 정화 능력이 향상되고, 종래의 지하흐름형 인공습지등에서 보이는 공간의 낭비가 없으며 전체공간을 모두 처리에 효율적으로 이용할 수 있으므로 단위면적당 처리효율을 높일 수 있다.

한편, 구조물(101)의 바닥면(103)을 형성하는 복수개의 단(103a, 103b, 103c, 103d, 103e)의 상부 중 적어도 일부에는 배양토(115)가 적층되며, 이 배양토(115)에는 적어도 하나 이상의 식물(117)이 식재된다.

식물(117)은 오수를 정화할 수 있는 임의의 식물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 인공습지에 사용되는 식물이 사용될 수 있다. 또한 깊이에 따라 습한 조건과 상대적으로 건조한 조건을 모두 가지고 있어 정화용 식물외에 경관 향상을 위한 식물의 도입이나 다양한 식물 도입을 가능케 한다.

그리고, 배양토(115)의 상부에는 본 발명에 따른 다공질 입상 배양토를 그대로 사용하여도 무방하나 보다 나은 경관 향상을 위한 조경용 인공소성토(119)로 적층되는 것이 바람직하다. 이러한 조경용 인공소성토(119)로는 하이드로볼, 입상소성황토, 난석, 조경용으로 쓰일 수 있는 3-5mm의 암석의 조각 등의 재료가 사용될 수 있으며, 하수슬러지와 점토광물을 혼합하여 소성가공한 재활용 재료가 사용될 수도 있다.

이때, 인공소성토(119)가 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상면보다 높은 위치까지 적층되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e)의 상부를 통과하는 오수가 외부로 누출되지 아니함으로써, 경관상의 쾌적함이 유지될 수 있고 악취발생을 줄이고 모기 발생의 문제가 해결될 수 있다. 인공소성토(119)는 3~10㎝ 정도의 두께로 충진되는 것이 바람직하다.

따라서, 구조물(101)의 내부 공간에 배양토(115)와 인공소성토(119)가 적층되고 여기에 식물(117)이 식재됨으로써 오수처리를 위한 복수개의 식생조가 형성되는 것이다.

한편, 구조물(101)의 바닥면(103) 중 복수개의 제1격벽(111a, 111b, 111c, 111d, 111e) 중 양끝단에 위치하는 제1격벽(111a, 111e)의 외측에 위치하는 부분의 상부에는 자갈이 적층된다. 따라서, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 오수 유입구(107)로부터 유입되는 오수가 일차적으로 저장되는 유입조(121)와 처리수 배출구(109)를 통해 배출되기 직전의 정화된 오수가 저장되는 배출조(123)가 형성된다. 유입조(121)와 배출조(123)가 상대적으로 공극이 큰 자갈로 충진됨으로써, 오수 및 처리수의 흐름이 양호하게 된다.

한편, 구조물(101)이 유입조(121)의 상면과 처리수가 배출되는 지점 사이에 높이차(수두차)(h1)가 존재하도록 형성됨으로써, 오수 자체의 위치에너지에 의해 오수가 하류측으로 자동적으로 흘러가게 된다.

배양토(115)는 다공성 입상배양토인 것이 바람직하다. 예를 들어, 다공질 입상배양토는, 다공성 유리질, 알바이트, 감섬석, 흑운모 등을 구성광물로 하는부석(pumice)과, 회장석, 크리스토바라이트, 규조암 등을 구성광물로 하는 규산질 퇴적암과, 활성탄으로 주로 사용되는 차콜(charcoal)을 혼합하여 만들어 질 수 있다. 이때, 부석, 규산질 퇴적암, 및 차콜은 각각 2~10㎜의 입경을 가지도록 가공된 후에 혼합되는 것이 바람직하다. 또한, 부석을 20~30 중량%, 규산질 퇴적암이 50~70 중량%, 차콜이 10~20 중량%로 혼합되는 것이 바람직하다. 이러한 재료들은 매우 미세한 다수의 공극을 포함하고 있으며, 일반적인 토양, 모래, 및 자갈 등의 비중이 2.5~2.9임에 비해 1.3~1.8의 비중을 가져 매우 가볍다는 특징을 가진다. 다공질 입상배양토를 형성하는 재료들은 그 자체에 미세한 공극들이 존재하기 때문에, 동일한 조건에서 일반적인 토양, 모래, 및 자갈 등의 재료들의 공극율이 20~40% 임에 비하여 다공질 입상배양토의 공극율은 45~60%에 달하게 된다. 재료의 비중이 작기 때문에, 구조물(101)에 주는 압력이 상대적으로 낮아서 구조물(101)이 상대적으로 작은 강도를 지녀도 무방하고 이에 따라 구조물(101)을 제조하는 재료 선택의 폭이 커지는 장점이 있으며, 또한, 운반과 시공이 상대적으로 쉬워 작업의 편이성과 경제성을 확보할 수 있다. 또한, 전체의 공극율이 크면 많은 물을 담을 수 있으며 수리학적으로는 투수성이 좋고 비표면적이 커서 미생물의 부착생장이나 이온의 흡착력을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 사용되는 다공성 입상배양토는 천연재료로 구성되어 있고 다수의 식물생장 실험에서도 생장에 지장이 없음을 확인하였으며 적당한 양이온치환능력(CEC; Cation Exchacble Capacity)을 가지고 있어 하수나 오수 중의 영양물질을 흡착하고 서서히 식물이 이용할 수 있도록 해 줄 수 있어 천연 토양에 비해 부족함이 없다.

한편, 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템은, 오수 유입구(107)를 통하여 유입되는 오수를 가열하는 오수 가열장치(10)를 더 포함할 수 있다. 오수 가열장치(10)에 의해 오수를 적정한 온도로 가열함으로써, 겨울철에도 인공습지 시스템(100)의 식물이 생존할 수 있는 양호한 조건이 형성될 수 있다. 예를 들어, 오수 가열장치(10)는 전기적 에너지를 이용하는 가열장치로 할 수 있다.

이하에서, 첨부된 도3을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 의한 인공습지 시스템(200)에 대해 설명한다. 도3에 도시된 인공습지 시스템의 평면도는 도1과 동일하므로, 이에 대한 도시는 생략하였다.

본 실시예에서는 구조물(201)의 바닥면(203)이 오수 유입구(207)가 설치되는 상류측으로부터 처리수 배출구(209)가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지도록 경사지게 형성된다.

구조물(201)에는 바닥면(203)으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽(211a, 211b, 211c, 211d, 211e)이 설치된다. 또한, 복수개의 제1격벽(211a, 211b, 211c, 211d, 211e) 중 서로 이웃하는 제1격벽(211a, 211b, 211c, 211d, 211e) 사이에서 바닥면(203)의 가장자리로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의 제2격벽(213a, 213b, 213c, 213d)이 설치된다.

그리고, 구조물(201)의 바닥면(203)의 상부 중 적어도 일부에는 배양토(215)가 적층되고, 이 배양토(215)에는 적어도 하나 이상의 식물(217)이 식재된다.

배양토(215)의 상부에는 인공소성토(219)가 적층된다.

복수개의 제1격벽(211a, 211b, 211c, 211d, 211e) 중 양단의 제1격벽(211a, 211e)의 외측에 위치하는 바닥면(203)의 상부에는 자갈이 적층되어 형성되는 유입조(221)와 배출조(223)가 각각 형성된다.

배양토(215), 식물(217), 인공소성토(219), 유입조(221), 및 배출조(223)는 상기한 도1 및 도2의 실시예에서와 동일한 것이 사용될 수 있으므로, 이의 구성 및 작용에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 의한 오수처리를 위한 인공습지 시스템(200)은, 오수 유입구(207)를 통하여 유입되는 오수를 가열하는 오수 가열장치(20)를 더 포함할 수 있다. 오수 가열장치(20)에 의해 오수를 적정한 온도로 가열함으로써, 겨울철에도 인공습지 시스템(200)의 식물이 생존할 수 있는 양호한 조건이 형성될 수 있다. 예를 들어, 오수 가열장치(20)는 전기적 에너지를 이용하는 가열장치로 할 수 있다.

본 실시예서는 구조물(201)의 바닥면(203)이 경사지게 형성됨으로써, 오수 자체의 위치에너지에 의해 오수가 도3의 화살표 방향으로 이동하면서 정화되게 된다.

이하에서, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템의 특징을 비교예들과의 비교를 통해 살펴본다.

(비교실험예1) 본 발명의 실시예에 의한 다공질 입상배양토와 모래의 비교실험

본 비교실험예1은 인공습지의 기반재료로 주로 사용되는 모래와 본 발명의 실시예에 의한 다공질 입상배양토의 비교를 위하여 실시되었다.

본 실험은 동일하게 구성된 직육면체 컨테이너(폭:1m, 길이:8m, 높이:1m) 형태의 지하흐름 처리형 인공습지 시작품에 한쪽에는 모래를 60㎝ 깊이로 채우고 다른 한쪽은 본 발명의 실시예에 의한 다공질 입상배양토를 같은 깊이로 채우고 유입부와 배출부에는 길이 1m 씩 자갈을 채운 후에, 나머지 공간에 노랑꽃 창포를 150본 씩을 식재한 후 수행되었으며, 실험 결과를 표1에 나타내었다.

[표1]식재기반 재료에 따른 지하흐름 처리형 인공습지 처리효율 비교 결과

구분	BOD처리효율(%)	SS처리효율(%)	T-N처리효율(%)	T-P처리효율(%)
다공질 입상배양토를 충진한 지하흐름 처리형 인공습지	92.6	91.9	52.4	62.5
모래를 충진한 지하흐름 처리형 인공습지	80.2	88.5	28.4	38.3

1)유입량: 1.5 ㎥/day

2) 평균 유입농도: BOD-138.7㎎/L, SS-92㎎/L, T-N-68㎎/L, T-P-32㎎/L

표1에 표시된 결과에 따르면, 양쪽 모두 식물의 생장면에서는 특별한 문제는 발생하지 아니하였으며, 다공질 입상배양토가 모든 항목에서 높은 처리효율을 나타냈으며 영양물질인 총질소(T-N)와 총인(T-P)에 대해서는 특히 큰 차이를 보였다. 상대적으로 큰 공극을 가지고 있는 다공질 입상배양토는 제한적인 공간에서 더욱 많은 유입량을 보유할 수 있으므로 모래에 비하여 동일한 조건에서 체류 시간을 길게 가질 수 있기 때문에 전반적인 처리효율이 높은 것으로 판단되며, 깊이가 60㎝로 제한된 지하흐름 처리형 인공습지임을 고려한 결과로 볼 때 일반 모래에 비하여 상대적으로 여재로서의 효율이 높음을 알 수 있다. 하지만, 규모가 더욱 커지고 장기적인 운전 조건이라면 일반적인 지하흐름형 인공습지와의 차이는 더욱 커질 것으로 판단된다. 본 비교실험예에 의해 나타난 결과를 유추해 볼 때 동일한 목표 수질농도를 설정한다면, 본 발명의 실시예에 의한 다공질 입상배양토를 사용하는 경우에는 부지면적을 상당히 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

(비교실험예2) 일반적인 지하흐름 처리형 인공습지와 비교한 유량변화에 따른 처리효율 변화

본 발명의 제1실시예에 의한 상하흐름이 형성되는 인공습지 시스템과 일반적인 지하흐름 처리형 인공습지 시스템의 시작품을 폭 2m, 길이 10m, 높이 1m의 규격으로 제작하여 유량변화에 따른 처리효율의 변화를 실험하였다. 내부에는 모두 본 발명에서 사용된 다공질 입상배양토를 사용하여 같은 면적과 부피에서의 시스템 운영방식의 효율 차이를 살펴보고자 실험을 행하였으며, 실험결과는 표2에 나타나 있다.

[표2]

방법구분	분석항목	시료구분	오수유입량 변화
방법구분	분석항목	시료구분	2㎥/day평균농도	5㎥/day평균농도	10㎥/day평균농도
본 발명의제1실시예에 의한인공습지시스템	BOD(㎎/L)	유입수	132.5	121.8	148.2
	BOD(㎎/L)	처리수	6.8	9.2	11.6
	SS(㎎/L)	유입수	88.3	72.4	95.6
	SS(㎎/L)	처리수	5.2	6.8	8.8
	T-N(㎎/L)	유입수	46.5	42.3	61.5
	T-N(㎎/L)	처리수	4.1	6.4	8.8
	T-P(㎎/L)	유입수	18.7	14.4	20.2
	T-P(㎎/L)	처리수	1.2	0.8	1.4
일반적인지하흐름처리형인공습지시스템	BOD(㎎/L)	유입수	132.5	121.8	148.2
	BOD(㎎/L)	처리수	7.8	15.8	22.2
	SS(㎎/L)	유입수	88.3	72.4	95.6
	SS(㎎/L)	처리수	8.6	10.5	18.8
	T-N(㎎/L)	유입수	46.5	42.3	61.5
	T-N(㎎/L)	처리수	10.4	11.2	25.8
	T-P(㎎/L)	유입수	18.7	14.4	20.2
	T-P(㎎/L)	처리수	2.5	3.5	4.8

표2의 결과에서 나타났듯이 처리양이 작을 때는 그 차이가 크지 않았으나, 유입량이 증가할수록 일반적인 지하흐름 처리형 인공습지에서는 처리수의 농도가 상승되었다. 특히, BOD와 T-N에서의 차이가 두드러졌는데 같은 면적과 부피에서도 운영 방식에 따라 효율성의 차이를 보였는데, 일반적인 지하흐름 처리형 인공습지는 유출부의 상부에 직접적인 처리에 관계되지 않는 공간이 존재하여 실질적으로는 같은 면적과 부피를 적용하더라도 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템에 비하여 처리에 사용되는 공간이 작게 적용되는 결과가 나타난다. 처리 결과의 차이에서도 유량이 많아지면 그 만큼 처리시간이 짧아지고 충분한 처리가 되지 못한 채 배출되는 처리수가 발생하게 되는 것이다. 또한, 질소의 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 인공습지는 상부에서는 식물 뿌리를 통한 호기 조건이 형성되고 하부에서는 혐기조건이 형성되어 상부에서는 질산화가 진행되고 하부에서는 탈질이 진행되어 질소 처리의 효율이 높아지지만, 일반적인 지하흐름 처리형 인공습지의 경우에는 유입부에서 배출부 쪽으로 대각선으로 수두가 형성되어 유입부 상부에서만 호기조건이 형성되고 하부로 갈수록 지하흐름을 통하여 배출되므로 혐기조건을 거치며 배출된다. 반면, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템은 상하류 흐름이 반복되면서 호기조건과 혐기조건이 교차적으로 형성되어 효율적인 질소 제거가 가능하게 된 것이다.

(비교실험예3) 1차 처리한 처리수 공급에 따른 영양물질 중심의 처리 효율 검증 실험

본 비교실험예3은 인공습지의 장기적이고 안정적인 운전과 영양물질의 효율적인 처리를 위하여 유기물 및 부유물질의 간편한 처리를 가능하게 하는 호기성 바이오필터 장치에서 처리된 처리수를 본 발명의 제1실시예에 의한 인공습지 시스템에 공급하여 추가 제거 효과를 살펴 보았으며, 실험결과는 아래의 표3에 나타나 있다.

1차 처리를 위한 호기성 바이오필터는 5㎥/day 용량의 것을 사용하였으며, 적정용량에서는 BOD, SS의 안정적인 처리를 나타내었다. 또한, 소량의 질소, 인 등의 영양물질 처리도 되었으나 주로 암모니아 질소를 질산성 질소로 변환하는 질산화 과정만을 수행할 뿐 전체적인 처리결과는 미흡하였다. 하지만, 처리수를 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템에 연계 공급하여 처리한 결과, BOD, SS 항목에서 용량 증가에 관계없이 5㎎/L 미만의 수질을 나타내었다. 특히, 영양물질의 처리 결과를 보면, 총질소는 평균 2㎎/L 이하를 나타내었으며 총인의 농도는 1㎎/L미만으로 처리되어 하천 및 저수지 부영양화의 주요 원인 물질인 총인을 효과적으로 처리한 결과이고, 강화되는 수질 기준 중 특정지역의 수질기준이 2㎎/L 인 점을 감안하면 매우 만족할 만한 처리 결과이다. 호기성 바이오필터는 적정용량을 넘어서는 처리에는 효율이 저하되어 처리수의 BOD, SS 농도가 증가하였으며, 적정처리 수준의 두 배인 10㎥/day 부터에서는 BOD, SS, TN, TP의 모든 항목에서 급격히 처리수질이 증가하였다. 하지만, 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템과 연계 처리된 처리수의 수질은 매우 안정적이었다.

[표3]호기성 바이오필터에 의한 1차 처리수 공급을 통한 연계처리에 따른 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템의 효율 검증 실험 결과

방법구분	분석항목	시료구분	오수유입량 변화
방법구분	분석항목	시료구분	5㎥/day평균농도	10㎥/day평균농도	15㎥/day평균농도
호기성 바이오필터	BOD(㎎/L)	유입수	157.2	135.8	142.4
	BOD(㎎/L)	처리수	8.8	18.8	39.2
	SS(㎎/L)	유입수	97.6	80.6	88.2
	SS(㎎/L)	처리수	5.8	15.2	30.5
	T-N(㎎/L)	유입수	72.4	48.5	51.7
	T-N(㎎/L)	처리수	58.2	36.4	44.6
	T-P(㎎/L)	유입수	21.5	16.6	18.2
	T-P(㎎/L)	처리수	19.4	13.6	16.7
본 발명의 제1실시예에 의한 인공습지 시스템	BOD(㎎/L)	유입수	8.8	18.8	39.2
	BOD(㎎/L)	처리수	1.8	2.5	3.2
	SS(㎎/L)	유입수	5.8	15.2	30.5
	SS(㎎/L)	처리수	1.2	1.4	2.5
	T-N(㎎/L)	유입수	58.2	36.4	44.6
	T-N(㎎/L)	처리수	1.4	1.6	2.5
	T-P(㎎/L)	유입수	19.4	13.6	16.7
	T-P(㎎/L)	처리수	0.2	0.3	0.6

1) 호기성 바이오필터 용량: 5㎥/day

비교실험예3의 결과로 살펴볼 때 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템은 종래의 유기물과 부유물질 중심의 처리시설과 연계되어 사용되는 경우에 처리시설 모두를 교체하는 경제적인 낭비없이 효과적으로 시설의 개보수를 통하여 영양물질의 처리와 처리효율의 향상을 가져올 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 시설지역에서도 인공습지의 장기적이고 효율적인 처리를 위해서는 고농도의 유기물질과 부유물질은 복잡한 기계장비나 전기장치를 필요로 하지 않는 간편한 호기성 바이오필터 장치와 결합하여 고도처리가 가능하며 인공습지는 악취와 부유물질이 상당 부분 제거된 처리수의 영양물질만을 중심으로 처리되어 부유물질 등에 의한 폐색현상을 원천적으로 방지하며 유량변동이 심한 농촌 마을 등의 하수 및 오수 발생 특성을 고려할 때 2중으로 처리수의 안정성을 보완할 수 있으며 또한 인공습지의 동절기 처리효율의 저하를 상호보완할 수 있어서 바람직하다고 할 수 있다. 본 발명의 실시예에 의한 인공습지 시스템은 식재기반이 모래나 자갈 등에 비하여 토양조건이 양호하여 다양한 정화식물 외에 관상식물의 적용이 가능하여 수생식물원이나 휴식시설, 마을 공동 정원 등 주민 편의시설로 활용될 수 있어서 하수 및 오수 처리시설이 혐오시설로만 인식되어지는 것이 아니라 주민의 자발적 참여로 가꾸어지는 편의시설로 인식되어 인공습지 식물의 관리 등이 자연스러운 주민 참여로 이어질 수 있다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경될 수 있으나 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 구조물의 바닥면을 계단형으로 형성하거나 경사지게 형성함으로써, 오수의 위치에너지에 의해 오수가 자연적으로 하류측으로 흐를 수 있게 된다. 특히, 종래의 지하흐름 처리형 인공습지에서 발생하는 불필요한 공간 낭비와 식물의 편중 생장의 문제를 근원적으로 해결할 수 있다.

또한, 제1격벽 및 제2격벽의 설치에 의해 오수의 상하방향의 흐름이 형성됨으로써, 오수의 정화 능력이 향상되고 인공습지의 공간의 효과적인 이용이 가능하게 된다. 따라서, 종래의 인공습지의 단점으로 인식되어진 과도한 부지사용의 문제를 획기적으로 개선할 수 있어 효율적인 하수 처리와 동시에 경제적 효율을 얻을 수 있다.

나아가, 배양토를 다공성 입상배양토를 사용함으로써, 배양토의 무게를 줄이는 동시에 효과적인 정화가 가능하게 된다.

더 나아가, 배양토 위해 인공 소성토가 적층되고 오수가 인공 소성토의 아래로 흐르게 됨으로써, 경관상 쾌적함을 유지할 수 있고 악취가 저감되고 모기 발생을 줄일 수 있다.

Claims

오수처리를 위한 인공습지 시스템으로서,

오수가 유입되는 오수 유입구와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구가 구비되며, 상기 오수 유입구가 설치되는 상류측으로부터 상기 처리수 배출구가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지는 복수개의 단을 갖도록 형성되는 바닥면과 상기 바닥면의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 측벽을 포함하는 구조물;

상기 복수개의 단의 상면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽;

상기 복수개의 제1격벽 중 이웃하는 제1격벽 사이에서 상기 단의 상면으로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의 제2격벽;

상기 구조물의 바닥면의 복수개의 단의 상부 중 적어도 일부에 각각 적층되는 배양토; 및

상기 배양토에 식재되는 식물;

을 포함하는 인공습지 시스템.
오수처리를 위한 인공습지 시스템으로서,

오수가 유입되는 오수 유입구와 정화된 오수가 배출되는 처리수 배출구가 구비되며, 상기 오수 유입구가 설치되는 상류측으로부터 상기 처리수 배출구가 설치되는 하류측으로 갈수록 낮아지도록 경사지게 형성되는 바닥면과 상기 바닥면의 가장자리로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 측벽을 포함하는 구조물;

상기 바닥면으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 복수개의 제1격벽;

상기 제1격벽 사이에서 상기 바닥면으로부터 소정거리 떨어진 지점으로부터 상방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나의 제2격벽;

상기 바닥면의 상부 중 적어도 일부에 적층되는 배양토; 및

상기 배양토에 식재되는 식물;

을 포함하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 이웃하는 제1격벽 사이에 위치하는 상기 제2격벽의 상면은 그 양측에 위치하는 상기 제1격벽의 상면보다 높은 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 이웃하는 제1격벽 사이에 위치하는 상기 제2격벽의 하면은 그 양측에 위치하는 상기 제1격벽의 상면보다 낮은 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 바닥면 중 상기 복수개의 제1격벽 중 양끝단의 제1격벽의 외측에 위치하는 부분의 상부에는 자갈이 적층되는 되는 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 배양토의 상부에는 인공소성토가 적층되는 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제6항에서,

상기 인공소성토는 상기 제1격벽의 상면보다 높은 위치까지 적층되는 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 배양토는 다공질 입상배양토인 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제8항에서,

상기 다공질 입상배양토는, 부석, 규산질 퇴적암, 차콜 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제9항에서,

상기 다공질 입상배양토는, 20~30 중량%의 부석과, 50~70 중량%의 규산질 퇴적암과, 10~20 중량%의 차콜을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공습지 시스템.
제1항 또는 제2항에서,

상기 오수 유입구를 통하여 유입되는 오수를 가열하는 오수 가열장치를 더 포함하는 인공습지 시스템.