KR100818912B1 - 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수, 오수, 빗물폐수, 오염하천수 등을 수생초목을 이용하여 자연고도정화하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물리 생물학적 처리에 의한 기본공정과 수변수목 및 수경초목이 식재된 식물사여과 방법에 의한 생태학적 정화공정과 기본공정의 폐열과 주변의 자연열에너지를 활용할 수 있는 온실로서 구성되는 자연고도 정화장치로서 하수 등을 고사수초에 의한 재오염 현상없이 지속적으로 자연수에 가깝게 자연정화하는 장치에 관한 것이다.

자연정화, 광합성, 식물생태학, 목본(木本), 수목(樹木), 초본(草本), 수생식물, 수변수목(水邊樹木), 수경초목(水耕草木), 수생초목(수변수목 및 수경초목)

Description

수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치{Waste Water Natural Purgation System Using Aquatic Trees and Plants}

도1은 본 발명의 수생초목(水生草本)을 이용한 하수 등의 자연고도 정화장치의 원리를 설명하기 위한 개략적인 공정도이다.

도2는 도1에서 수생초목사 여과지(이하 '수생조'라 함)의 구성과 원리를 설명하기 위한 보다 상세한 종단면도이다.

도3은 도1의 정화공정이 배치될 수 있는 한 예를 보여주는 개략적인 단면도이다.

도4는 도1의 정화공정이 도3과 같이 배치되는 한 예를 보여주는 평면도이다.

도5는 도3에서 수생조(200)가 기본공정(100)의 위에 배치되는 한 예를 보여주는 개략적인 도면으로, (A)는 종단면이고 (B)는 횡단면도이다.

도6은 도3에서 수생조(200)가 기본공정(100)의 남향 등 어느 한쪽 방향에만 배치되는 예를 도시하는 개략적인 종단면도이다.

도7은 도3에서 수생조(200)와 온실(300)이 기존시설 또는 타방식의 기본공정(100) 등의 인근에 별도로 구성되는 예를 도시하는 개략적인 단면도이다.

도8은 도1에서 침전저류조(100)와 수생조(200)만 조성하여 빗물폐수, 오염하천수 등을 동력없이 자연고도 정화하는 예를 도시하는 개략적 횡단면도이다.

도9는 도3에서 별도의 수경재배지(245)를 본 발명의 시설 및 폐열이 있는 타방식에 의한 시설의 인근에 하나의 온실로서 구성하거나 별개의 온실로서 구성할 수 있는 예를 도시한 다면도로서, (A)는 한 실시예의 단면도이고 (B)는 다른 실시예의 단면도이다.

도10은 하수 등이 소용량인 경우에 본 발명의 시설을 원통형의 팩키지 타입으로 설치하는 한 예를 도시하는 도면으로, (A)는 평면도이고 (B)는 단면도이다.

* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *

100: 본 발명의 기본공정 100-1:타방식의 기본공정

110: 고액분리조 111: 스크린 112: ┣ 자 이송관

120: 제1 간헐포기조 130: 무산소조 132: 공기차단막

140: 제2 간헐포기조 150: 침전조 151: 디캔터(decanter)

160, 161, 162: 배플벽(baffle) 200: 수생조

201: 모래층 202: 큰모래 및 잔자갈층

203: 패각류 껍데기 204: 석회석(CaCO₃) 205: 여과층

206: 지지층 207: 분배층 208: 물층

210: 수변 수목류 220: 수경 수목류 221: 수경 초화류

230: 쇄석 231: 잔자갈 240: 수경재배판

250: 수로웨어(weir) 251: 수로뚜껑(cap) 252: 공기배출관

260: 분배조 270, 271: 유입밸브 280: 처리수조

281, 282: 유출밸브 290: 분사관 291: 가압펌프

292: 흡입펌프 300: 온실

산업화 이후 하수, 오수, 유기성폐수, 빗물폐수(이하 '하수'로 표기함) 등의 처리방법은 오랜기간 동안 주로 물리생물학적 처리방법이 연구되어 상용화되어 왔고 최근에야 식물생태학적 방법을 추가하거나 식물생태학적 방법만으로 시도되고 있다.

본 발명은 1998년도부터 동일 출원인에 의해 국내특허로 출원등록된 특허 제 223514호와 제232361호 및 제466330호 및 제490490호와 국제특허로 출원등록된 미국특허 제6190553 B1호 및 호주특허 제743448호 및 터어키특허 제TR200101526B호 및 중국특허 제166397호의 수생식물을 이용한 오폐수 자연정화 시스템을 개량하고 뒤이어 다른 정화기술을 보다 개량하고 진보시킨 자연고도 정화장치에 관한 것으로, 크게는 물리생물학적 공정을 개량하였고, 식물학적 생태정화의 원리와 문제점을 규명하여 공정의 구성 배치 운영에 관한 방법 등을 개량하였으며, 용도 면에서 빗물폐수 등 비점오염원의 폐수에도 적용될 수 있도록 진보시킨 것이다.

본 발명은 비교적 좁은 면적에서 하수를 빠르게 고도의 수질로 정화하기 위하여 물리생물학적 등의 방법으로 오염물질을 빠르게 전처리 한 다음 식물에 의한 생태적 자연정화로서 고도의 수질로 정화시키며 이용식물이 물을 재오염시키지 않으면서 정화기능을 지속하도록 고안된 것이다. 광합성을 하는 식물은 광합성의 부산물인 산소를 자신의 뿌리로 우선 방출하여 뿌리주변을 늘 호기성상태로 유지하며 서식한다. 조류가 광합성을 하는 반응은 다음과 같다.

위 반응식에서 조류는 수소이온(⑤)외 나머지성분(①, ②, ③, ④)을 모두 산소와 완전결합된 형태로 흡수하며 ⑥의 새로운 성분에는 산소가 없으며, 산소(⑦)의 생성량은 중량으로 4,800 kg이고 조류의 증식량은 1,708 kg으로 산소의 생성량이 조류의 증식량보다 2.81 배 더 많다. 통상 뿌리가 있는 식물은 광합성의 부산물인 위의 산소를 우선적으로 자신의 뿌리주변으로 보냄으로써 뿌리주변에는 늘 호기성 미생물이 서식하면서 식물이 보내준 산소를 이용 주변의 유기성물질을 분해하여 탄소 수소성분에서 필요한 생체에너지를 얻고 질소와 인은 증식세포를 만들 만큼만 체내에 흡수하고 나머지 질소 인 등은 남기게 된다. 이때 산소를 공급해준 식물은 호기성 미생물이 유기물질을 분해하고 남긴 질소와 인성분을 산소와 결합된 형태로써 흡수하고 물과 탄산가스를 더 흡수하여 빛을 촉매로 합성하여 식물의 생체조직을 성장시키는 것이다. 즉, 식물은 자신의 성장을 위하여 산소를 뿌리주변에 보내어 호기성 미생물과 상리(相利)공생을 하면서 성장한다. 이 같은 식물과 미생물간의 공생현상은 육상식물이나 수초 등 수생식물이나 버드나무류 등 수변식물 모두에게 있는 공통적인 생존수단인 것이다. 이와 같은 식물의 생존수단이 동물계에 속한 사람에게는 자연이 스스로 동물계의 환경을 정화해주는 것으로 보인다.

위와 같이 식물과 호기성 미생물과의 상리공생 현상에 의해 본 발명의 여과층은 늘 호기성 미생물이 서식하는 호기성 상태가 지속되므로 여과층의 혐기화시 나타나는 폐쇄현상이 없고 본 발명의 여과층을 미세모래로써 구성할 수 있는 특성이 있다. 따라서 본 발명의 호기성 상태가 지속되는 여과층에서는 미세모래의 각 입자 표면에 호기성 미생물이 부착하여 서식하면서 여과층 전면적에서 저속 상향류로 흐르는 물속 유기물을 효과적으로 흡착할 수 있고 흡착유기물을 분해하면서 질소 인을 식물이 흡수할 수 있는 형태로 산화시켜주고 식물은 이 성분들을 흡수하여 생체로 재고정하므로 물속의 BOD와 COD와 SS와 수소이온(H⁺)과 질소 인 성분이 함께 낮아지는 것이다. 또한 박테리아, 대장균, 일반세균 등은 자신들보다 고등 미생물이며 여과층내 서식하는 호기성 미생물에 의해 포식당하여 대부분 감량되며 식재식물은 지속적으로 광합성에 필요한 탄산가스, 질소, 인, 수소이온, 칼슘 등 미네랄 성분까지 모든 물질을 현지의 수생조에서 공급받으므로 노지에서보다 빠른 성장을 지속할 수 있게 되는 것이다.

그런데 이 분야의 종래기술은 식물이 호기성 미생물과 상호 필요한 물질을 주고받을 수 있는 생태적 상리공생 여건이 적절하게 조성되어야 질소, 인을 보다 효과적으로 흡수할 수 있는 자정의 원리를 정화목적에 응용함에 있어 처리수와 수초의 뿌리가 반복하여 접촉하게 해주면 질소와 인의 흡수기능이 향상되는 것으로 이해하는데 그쳐 수초지대를 거치는 수류형태가 좌우방향의 지그재그식이거나 상하방향의 지그재그식으로 반복하여 흐르도록 수초지대를 여러칸으로 구획하여 구성하였으나, 동일면적을 여러개의 칸으로 구획하여 지그재그식으로 구성하면 수류의 단면흐름유속이 상대적으로 빨라져서 식물과 호기성 미생물이 본 발명의 원리와 같은 산소와 영양물질을 서로 주고받는 생태적 물질교환 반응이 상대적으로 낮아질 뿐만 아니라 수류의 통과저항이 커지며, 수류의 흐름방향이 상향류이거나 하향류이거나 횡향류에서도 1∼2년후 고사하는 수초부분이 물층에 가라앉고 여과층에 잔류하므로서 수류의 통과저항을 차츰 증가시키게 된다. 또한 이 분야의 종래기술은 이용하는 식물의 종류로서 물속에서 나고 전부 또는 일부가 물에 잠기는 수생식물인 갈대, 부들, 줄, 큰고랭이, 노랑꽃창포, 사깟사초, 골풀, 붓꽃, 창포, 꽃창포, 애기부들, 달부리풀, 여뀌, 미나리, 연 등 주로 다년생 정수식물이거나 말즘, 나사말, 붕어말, 검정말, 등의 1년생 내지 다년생의 침수식물이거나 부레옥잠, 물상추, 개구리밥, 마름, 노랑어리연, 수련 등 1년생 내지 다년생의 부엽식물을 국한하여 활용하는데 그쳤다.

위와 같이 종래에 사용되어온 수생식물인 수초류는 1년생인 경우 뿌리줄기 잎이 1년을 주기로 고사하므로 고사를 시작할 때부터 완전히 재분해될 때까지 수개월에 걸쳐 처리하고자 하는 물의 재오염 원인물질이 되어 처리성능이 크게 저하된다. 다년생의 경우에도 매년 1년 이상 된 잎이 고사하며 구근과 뿌리도 2년 이상 묵은 것은 서식지반 내부에서 고사하는데 이 현상이 위의 다년생 수초류의 공통적인 서식특성인 것이다. 따라서 다년생 수초를 식재한 정화시설 역시 3년차부터는 이용수초의 일부가 정화하려는 물의 또다른 유기성오염 물질이 되었던 것이다. 따라서 이들 고사부분을 인위적으로 제때에 제거해주어만 고사수초에 의한 정화성능이 저하되지 않을 수 있으나 이들 고사부분을 일일이 제거하는 작업은 매우 힘들고 불편하며 더욱이 식재기반 내부에서 고사하는 다년생 수초류의 묵은 구근과 뿌리를 적기에 제거하는 작업은 운전지속성이 요구되는 하수 등의 처리시설이 갖는 성격상 현실적으로 불가능하고 제거후 재식재까지 많은 비용과 인력과 시간이 소요되어 어떤 수초이용 정화시설에서도 시도되지 못하고 방치해두거나 고사하는 부분의 일부인 식재기반 위로 들어난 잎과 줄기만을 년1회 베어주는 수준의 소극적 관리가 시도되고 있을 뿐이다.

본 발명의 자연고도 정화장치에서는 위와 같이 고사부분 때문에 근본적인 재오염 문제를 해결할 수 없는 수초류 대신 수변수목류를 식재함으로써 위의 수초에서 발생하는 물의 재오염 문제를 해결하였다. 즉 수변수목인 왕버들, 능수버들, 수양버들, 갯버들 등의 버드나무류와 미루나무, 이태리포플러나무, 물싸리나무 등은 뿌리와 줄기의 구분되는 부위가 물위에 노출되는 식재환경이면 물이 있는 토양층이거나 물층에도 직접 뿌리를 내리고 서식하는 특성이 있으며 다년생 목본류로서 1년을 주기로 낙엽만 떨어지고 목질로 구성되는 줄기, 가지, 뿌리, 잔뿌리는 모두 고사하는 부분이 없이 계속하여 생체조직을 확대성장하는 서식특성이 있으며 본줄기를 잘라내도 밑동에 생장점이 많아 즉시 새줄기를 내며 뭍의 다른 나무들보다 목질은 연한편이나 성장속도가 빠른 특성이 있으며 능수버들은 초겨울까지도 푸른잎을 유지하며 대부분의 버드나무종류는 이른 봄에 생육을 시작하는 등 내저온성과 년중생육기간이 긴 특성도 지니고 있다. 따라서 1년을 주기로 떨어지는 낙엽만 물에 직접 닿지 않는 식재기반을 조성해주면 물의 재오염 장해현상이 없게 되므로 본 발명에서는 식재기반인 여과층에 이들 수변수목을 식재하고 그 여과층 위에 물층보다 높은 위치까지 쇄석 등의 자갈층을 조성해줌으로써 매년 떨어지는 낙엽을 몇 년씩 그냥 두어도 물의 재오염원이 되지 않게 함으로서 종래에 수초류 이용방식에서 해결할 수 없었던 물의 재오염 문제 및 어려운 관리요인을 해결하게 된 것이다. 또한 위와 같은 수목류는 입목체적을 계속 증가시키는 성장을 하므로 매년 베어주지 않아도 되며 온실을 씌우는 경우에도 몇년 주기로 윗가지 등 일부만 베어주면 되므로 관리가 용이하다. 본 발명의 식재수목은 공정내 호기성 미생물이 신진대사의 결과로 배출하는 탄산가스를 온실 내에서 바로 흡수하여 재고정하므로 성장된 수목이 목재료로 이용되면 최종 재분해될 때까지 오랜기간 동안 온실가스 저감기능도 함께 병행되는 특성이 더 있는 것이다. 또한 이들 수변수목류는 뿌리의 뻗는 깊이가 수초류보다 훨씬 더 깊은 곳까지 내리며 버드나무류는 가지뿌리에 수많은 털뿌리를 형성하므로 여과층(205) 전체와 깊은 곳까지 광합성산소를 공급하는 기능이 수초류보다 뛰어나므로 유기물질이 호기성으로 분해되어 질소 인으로 전환되는 기능성이 향상되어서 물의 정화성능도 향상되며 수생수목의 성장속도도 빨라지는 것이다. 이와 같은 원리를 이용하여 마을단위 하수처리장 또는 도시처리장에서 처리수중에 있는 질소 인 성분을 경제재로 활용하기 위하여 본 발명의 수생조 위에 또는 본 발명의 처리수를 이용한 처리장 인근에 조성하는 수경재배지에서 쇄석 등 잔자갈을 물층의 수위까지만 채우고 그 위에 수경재배판을 깔고 경제성 있는 약용 내지 식용식물종류나 화훼용 나무종류나 화훼용 초본류를 식재함으로써 물의 정화기능성과 경제적 효과를 함께 얻을 수 있다. 즉 단순한 물정화 목적만으로 조성한 식재기반에 수초를 식재하는 것이 아니라 물층의 수면까지만 자갈을 채우고 그 위에 수경재배판을 깔고 그 위에 두충나무, 오가피나무, 산뽕나무, 헛개나무, 두릅나무 등 약용 식용나무종류나 장미나무, 동백나무, 벤자민나무, 무궁화나무, 사철나무 등 화훼조경수목을 뿌리가 있는 묘목상태로 식재하면 앞의 버드나무류에서와 같이 여과층까지 뿌리를 내려 물정화 효과와 함께 가용한 경제재를 얻을수 있고 백합 튜울립 히야신스 수선화 아마릴리스 등 구근형 초화류를 식재하면 이들 초본류는 대부분 구근이 마늘쪽처럼 여러 쪽으로 갈라져 번식종자를 만들므로 꽃을 수확 후 매년 종자의 채취작업에 겸하여 묵은 잎과 뿌리를 제거할수 있어서 종래의 수초이용방법의 재오염원 문제를 해결할 수 있게 되며 물정화 기능성과 화훼성 경제재를 함께 얻을수 있게 된다.

한편 이 분야의 종래기술 중 물리적 생물학적 기본처리공정은 단순히 물리적인 침전기능과 단일 반응조에서 포기 또는 간헐포기를 하거나 유량조정시설을 따로 구성하였으며 최종 침전조를 종래의 팽이형태로 조성하였으나 본 발명의 동종시설은 다음과 같이 개량되고 진보된 것이다. 즉 하수가 처음 유입되는 단계에서 물리적인 고액분리의 기능성을 향상시키고 관리가 용이하도록 조의 모형은 내부가 원형이며 하단부가 팽이형태이며 설정된 물표면 위에 다수의 스크린이 수평으로 설치되게 하였으며 종래에는 한개의 반응조에서 간헐포기하던 것을 1차 간헐포기조 다음에 무산소 반응조를 두고 그 다음 2차 간헐포기조를 두어 질산화반응과 탈질반응이 향상되게 하였으며 침전지는 오니가 전량 앞의 반응조 쪽으로 자동반송되는 구조로 조성하여 잉여오니의 생성이 최소화되게 개량하였으며 생물반응조에서 침전조까지의 하단부는 모두 물이 통하도록 트여지는 구조로 하여 디캔터에 의해 수생조와의 수두차이만큼 유량조정기능을 겸할 수 있게 하였으며 종래에는 수초류를 식재하는 수생조를 기본공정의 상부에만 배치하였으나 본 발명의 수생초목류를 식재하는 수생조는 기본공정의 옆 또는 인근에 또는 부지가 협소한 경우 종래와 같이 상부에도 배치 구성되게 하였으며 종래의 동종기술은 주로 오수 하수 유기성폐수에만 적용이 국한 되었으나 본 발명은 빗물폐수에도 적용이 가능하게 하는 등 종래의 방식보다 개량된 것이다. 빗물폐수의 유입특성은 농도부하는 낮고 량적 변동부하는 크며 동절기에는 유입량이 극히 소량이다. 빗물폐수의 자연정화시설에 요구되는 특성은 상시관리 요인이 거의 없어야 하며 유량이 저류되고 자동조절될 수 있어야 하며 비가 그친 후에도 정화시설이 오랫동안 일정량씩 자동 운영될 수 있어야 하며 동력운영방식보다 무동력으로도 운영될 수 있는 방식이 적합하며 온실 등 외부에 노출구조물이 없는 것이 더욱 적합하다.

본 발명의 자연고도 정화장치는 위와 같은 빗물폐수에서 요구되는 정화특성을 만족할 수 있다. 즉, 빗물폐수인 경우 유기물의 농도부하는 낮고 토사 등 SS의 농도가 높아 본 발명의 정화시스템에서 포기기 교반기 등 기계를 생략할 수 있으며 동절기는 운전요인이 거의 없어 온실이 없어도 되며 기본처리 시스템(100)에서 물리적 침사기능과 디캔터에 의해 유량조절기능을 겸하므로 수생조(200)에 일정량씩 유입되게 자동 조절되며 수변수목(210)을 식재하고 그 물층 위에 노출되게 쇄석층(230)을 구성하므로 십수년을 그냥 두어도 물의 재오염원 제거작업 기계조작운영 등의 관리요인이 없으며 기본처리 시스템(100)에 많은 량의 토사가 침적되었을 경우에만 몇 년마다 준설하는 관리로서 무인운영이 가능하며 소용량은 팩케이지 타입으로 제작하여 시공하고 중대용량은 콘크리트와 각종의 차수막 소재 및 이를 혼용하여 모두 시공할 수 있도록 개량된 것이다.

위와 같이 종래의 이 분야 기술에서는 수생수초류만 이용하였을 뿐 본 발명의 수변수목 및 수경초목(이하 '수생초목'이라 함)을 하수, 오수, 폐수, 빗물폐수 등의 정화용도로 활용하는 방법과 기술을 개시한 예가 없었으나, 본 발명으로 물의 재오염원 및 관리가 어려운 문제점을 해결하는 새로운 고안을 제공 개시하게 되었으며 종래의 이 분야 기본처리 시스템도 기술의 내용이 크게 개량되고 진보한 것이다. 또한 이 분야의 종래기술은 수초의 식재기반을 2∼20 mm의 비교적 입자가 큰 사리와 자갈층으로써 구성하거나 다공질성 입상배양토 및 인공소성토를 활용하여 조성함으로 인하여 미세모래층으로 구성되는 본 발명의 식재기반에 비하여 체표면적이 적은만큼 식재기반에 부착서식하는 호기성 미생물의 절대량이 상대적으로 적고 공극이 큰 만큼 공극사이를 흐르는 물량은 많아서 흘러가는 유기물질이 부착미생물과 떨어져서 흐르게 되므로 유기물질의 흡착분해력이 저하된다. 또한 물층에 구성하는 다공질성 입상배양토는 미세기공이 많으나 너무 미세하여 미세기공에 미생물이 들어가면 수류가 막혀 산소공급이 안되어 혐기화되므로 호기성 미생물의 서식기반을 조성하는데 적합하지 않으며 운전초기에 미세기공이 다 막히기 전까지만 물리적 흡착현상에 의한 정화가 선행된 후 곧이어 기공이 폐색되므로 식물과 호기성 미생물이 함께 서식하며 물질교환에 의해 이루어지는 생태적 정화기작이 미세모래식생 여과층만큼 안정적으로 지속될 수 없게 된다. 또한 다공질성 입상배양토는 희귀하고 인공소성토는 고열의 소성로에서 성형한 흙을 구워내는 인위적 가공을 요하는 소재라서 자연소재인 모래, 자갈, 쇄석에 비하여 가격이 고가이므로 경제성도 저하된다.

위에서 보듯이 본 발명의 기술은 종래 이 분야의 기술방식에서 수초류만을 이용함으로써 물의 재오염 문제를 해결할 수 없었던 문제점을 수변수목 및 수경초목 이용방법으로 해결하였고 관리요인이 적어짐에 따라 사람이 수시로 관리할 수 없는 비점오염원인 빗물폐수의 정화에도 본 발명의 수생조를 적용할 수 있게 개량하였으며 기본적인 물리 생물학적 공정도 공정마다 효율성 및 기능성이 개량되었으며 수생조의 배치방법도 종래의 상부배치 외에 측면배치 또는 인근배치까지 가능하게 개량하였으며 물을 정화하는 단순한 수초류 대신 수변수목이나 수경재배판을 이용하여 물의 정화기능과 경제성 있는 식물을 함께 생산할 수 있게 하는 등 다수의 기술내용을 개량 진보시킨 것이다. 또한 수생조(200)를 모두 자연소재로써 조성할수 있게 함으로써 시공비용도 인공소재보다 저렴하게 개량한 것이다.

본 발명은 오·폐수를 자연정화하는 종래의 수초이용 정화방법에서 수초류 대신 수변수목 및 수경초목을 이용하여 물이 재오염되지 않는 식생 정화장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 초기강우에 의한 악성폐수 등 비점오염원의 폐수를 동력과 온실없이 다년생 수변수목이 식재된 수생조(200)에서 일정량씩 정화하며 정화기능이 지속적으로 유지되는 정화장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 처리하수 중에 오염성분으로서 잔류하는 식물의 영양물질에서 수경재배하는 작물이 사람이 먹기에 혐오감을 느끼는 상추 미나리 등 채소류나 벼와 같은 작물이였으나 이 같은 혐오감이 보다 적고 물정화 목적에도 보다 적합한 초화류와 목본류인 약용식물 등을 수경재배함으로써 처리하수를 가용한 경제재로 활용되게 하면서 물은 더 맑게 할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 기본처리 시스템에서 폐열에너지가 발생하는 다른 처리방식의 기존시설 또는 신규시설에서 본 발명에 의한 수생조(200)나 수경재배지(245) 또는 수생조 및 수경재배지를 함께 후단시설로서 추가 조성하여 자연 고도정화할 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 수생조(200)의 내부를 충진하는 물질이 모두 인공소재가 아닌 자연소재의 것으로 정화목적을 보다 효과적으로 달성할 수 있게 구성하므로써 인공소재에 의한 것보다 시공 내지 교체 등 경제적 비용이 보다 저렴한 자연 고도정화장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 종래의 물리 생물학적 공정을 보다 개량 진보시켜서 고형물질의 분리성 및 관리성 질산화 및 탈질성 유량의 자동조절성 및 잉여오니의 감량성 등 기본처리 시스템의 효율성이 모두 향상된 자연 고도정화 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또 하수 등 정화대상 용량이 소용량인 경우 시공소재를 가벼운 소재로서 팩키지 타입으로 제작시공할 수 있게 하며 중대용량은 철근콘크리트나 차수막 또는 방수용 진흙소재로 시공하거나 이들을 혼용하여 용량에 관계없이 시공이 가능하며 대상시설의 여건에 따라 수생조 공정을 기본처리 시스템의 옆이나 인근이나 상부에도 구성할 수 있는 방법 등 다양한 적용 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적들은 이하 본 발명의 구성 및 상세한 설명으로 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 수생초목을 이용한 하수, 오수, 유기성폐수, 빗물폐수(이하 '하수'로 표기함)의 자연고도 정화장치는 도1 내지 도4에서 보듯이 물리생물학적 처리 등으로 이루어지는 기본처리 시스템과 여과층(205) 위에 수변수목(210) 수경초목(220, 221)이 식재되어 생태적 자정현상이 이루어지는 수생조(200)로 구성되며 하수등 사계절 정화대상 시설에서나 초화류 생산목적 등 폐열 및 자연열의 활용이 요구되는 경우에 위 공정의 외곽을 덮는 온실(300)이 더 구성된다. 기본처리 시스템(100)은 오염도가 높은 물을 좁은 공간에서 신속히 처리하는 공정으로서 물리적인 고액분리조(110)와 생물학적 반응조(120, 130, 140)와 물리적인 침전조(150)로 구성된다. 고액분리조(110)는 유입하수의 고형물질을 1차 여과하여 분리해주는 한개 이상 다수의 스크린(111)이 병렬로 물층 위에 물이 닿지 않는 위치에 수평으로 구성되며 하수는 스크린 위로 유입되어 물은 스크린을 통과하여 밑으로 빠지고 이물질은 스크린 위에 남아 하수와 분리되며 스크린위의 이물질은 하수의 유입이 중단되는 시간에 물이 빠지고 건조되므로 이때 용이하게 제거할 수 있다. 스크린을 통과한 하수는 스크린하부의 L자 이송관을 위에서 아래로 통과하여 원형으로 조성하는 고액분리지의 벽쪽으로 배출되므로 고액분리지의 물은 회전수류가 형성된다. 이때 침전물질은 회전수류의 바깥쪽보다 이동거리가 짧아 유속이 낮은 중심부로 모이므로 같은 유속의 수평수류로 흐르는 장방형 침사지보다 상대적으로 빠르게 분리되어 침전된다. 또한 스크린을 통과한 미세한 부유성 물질은 다음지와 연결하는 ┣ 자 이송관(112)이 하부로 물만 유입되는 구조이므로 고액분리조의 물표면에 떠서 남게 된다. 고액분리조의 하단부는 팽이모형이므로 그 저부에 침전물이 모이고 그 저부에 펌프의 흡입관이 연결되어 일정한 주기로 작동하도록 설정된 타이머에 의해 침전물질을 농축조나 오니운반차량 등 외부로 쉽게 뽑아낼 수 있다.

위와 같이 고액분리지(110)에서 고액이 분리되어 제1 간헐포기조로 이송된 하수는 내장된 수중포기기(121)의 간헐작동에 의해 포기시에는 호기성 미생물에 의해 유기물이 흡착분해되고 암모니아성 질소는 질산화되며 질산화된 질소는 비포기시간 대에 탈질미생물에 의해 질소가스(N₂)로 탈질된다. 이때 노쇠오니를 포함하는 잔류유기물의 일부는 탈질미생물의 탈질반응 영양원으로 소비되어 함께 감량된다. 포기시간과 비포기시간은 유입하수의 농도와 체류시간을 고려하여 시운전 과정에서 적절한 시간대로 설정하는 타이머에 의해 자동으로 작동과 정지를 반복하는 수중포기기(121)로써 통상 60분 포기와 60분 정지에서 유기물의 분해와 질산화율과 탈질율이 모두 효율적이므로 이 시간을 기준하여 유입부 하량에 따라 가감조정한다.

한편 제1 간헐포기조와 다음 공정인 무산소조를 구획하는 벽체의 하단부는 바닥으로부터 15∼25cm 높이만큼 트인 상태로 조성되며 이 틈새로 하수와 오니가 다음조로 이송되는데 수중포기기(121)의 작동시 발생하는 직접수류와 분사기포가 무산소조로 유입하지 못하도록 벽체의 트인 높이보다 약간 높거나 같은 높이의 배풀벽(160)이 무산소조(130)쪽으로 구성된다. 무산소조(130)의 하부로 유입된 하수는 수중교반기(131)에 의해 교반되면서 탈질미생물과 질산성질소와 잔류유기물의 접촉성이 향상되며 수면위에는 공기접촉차단막(132)이 있어 교반수류가 외부공기와 접촉이 차단되어 산소의 재용해가 억제되므로 유입하수의 잔류용존산소가 소비되는 즉시 무산소 상태로 전환되어 효과적인 2차 탈질이 진행될 수 있게 된다. 작동중인 수중 교반기가 작동하다 잠시 정지하여도 회전하던 수류는 한동안 수류흐름을 지속하므로 탈질율이 저하되지 않는 선에서 5분 동안 가동 5분 동안 정지 또는 5분 동안 가동 10분 동안 정지 등 최소작동 시간단위로 교반기가 작동되도록 타이머로 설정할 수 있다. 무산소조(130)와 제2 간헐포기조(140) 사이의 벽체도 앞에서처럼 벽체의 하단부가 15∼25cm 높이로 트여지게 구성되며 하수와 오니는 이 틈새로 이송되어 제2 간헐포기조(140)로 유입된다. 제2 간헐포기조(140)는 제1 간헐포기조(120)와 같은 원리와 기능으로 작동하는 수중포기기(141)의 간헐식 작동에 의해 잔류유기물의 분해와 질산화와 탈질반응 및 탈질영양원의 감량화가 반복하여 이루어지며 조(140)의 유입쪽과 유출쪽에 배플벽(161, 162)이 각각 구성되어 수중포기기(141)의 직접수류와 분사기포가 좌우 옆의 조에 영향을 주지 않도록 차단해 준다. 제2 간헐포기조(140)와 침전조(150) 사이의 구획벽체는 오니가 미끄러져 내리도록 침전조쪽으로 약 30°내외로 경사지게 하며 하단부는 역시 15∼25cm 높이만큼 트여지게 구성된다. 침전조(150)의 하부로 유입된 하수는 위로 상승이동하면서 오니는 침전분리되고 배플벽(162) 높이 이상 쌓이다가 일정높이에 이르면 수중포기기(141)가 정지되는 시간대에 제2 간헐포기조(140)로 밀려 이동하여 반송이 자동으로 이루어지며 그 량이 많으면 제1 간헐포기조(120)까지도 자동으로 반송되므로 본 발명의 침전지(150)는 별도의 반송기기나 반송조작관리가 불필요한 것이다. 이처럼 이송과 반송을 반복한 오니중 일령을 다한 노쇄한 오니는 신생오니와 탈질미생물의 영양원으로 자체분해 되므로 본 발명의 침전 및 반송시스템에서는 오니의 잉여발생량을 거의 없게 하거나 극소량으로 감량해 주는 효과로 작용하는 것이다.

한편 침전조(150)의 상부로 이송된 상징수는 유출설비인 웨어부분까지만 일정하게 물에 잠겨서 침전지의 수위에 따라 자동으로 상하 이동하는 디캔터(151)에 의해 수로에 모아져서 다음 공정으로 이송된다. 부력체와 수로 웨어와 플렉시블 튜브(flexible tube)로 구성되는 이 디캔터(151)는 유출밸브(270, 271)를 여는 만큼 조절된 물량을 침전지(150)의 수면부위에서 다음 공정으로 자동 배출시켜주므로 유입하수량의 변동 폭이 적은 평소에는 수생조(200)의 설정 수위에서 약간 높은 수위까지 상하로 조금씩만 작동하면서 운영되다가 우수 유입시 또는 명절 애경사 등 행사시에 하수량이 갑자기 증가하게 되면 차츰 수위가 상승하여 최대 설정 수위에 이르게 되며 상하이동 중에도 일정한 양의 처리수를 계속 유출되게 하므로 기본처리 시스템(100)의 수류형태는 배치식과는 달리 연속흐름식으로 운영된다. 이때 제1 간헐포기조(120)로부터 침전조(150)까지의 공정은 하부벽체가 모두 트여지게 구성되므로 각조(120, 130, 140, 150)의 수위는 모두 같은 수위로 상하 변동된다. 따라서 디캔터(151)의 최대 수위와 최저 수위 차이 만큼의 용적에 해당하는 유량을 자동조절할 수 있게 되므로 이 특성에 따라 본 발명의 장치에서는 별도의 유량조정지와 이송펌프 등의 시설을 구성하지 아니하여도 유량조정기능을 겸할 수 있게 되는 것이다. 이 일정한 부력을 가지는 디캔터(151)는 속이 빈 파이프의 양 끝단을 막아 부력을 가지게 제작하거나 상당한 두께의 스치로폼 판 위에 수로 웨어를 장착하고 수평이 되는 위치로 고정하며 물을 유출하는 이송관을 일정길이 만큼 부드러운 가변형 튜브로 연결하여 용이하게 제작할 수 있는 것이다. 디캔터(151)에서 물을 유출하는 플렉시블 튜브의 끝은 철재관과 연결되고 철재관은 T자로 분기하여 분기배관에는 수생조로 유입하는 밸브(270, 271)가 구성되어 수생조(200)의 여과수류방향을 상향류 또는 하향류로 전환할 수 있으며 유입량도 조절할 수 있게 된다. 즉 유입밸브(270)를 닫고 밸브(271)을 열면 하수는 수생조의 분배조(260)로 유입하여 분배조에 투여한 석회성분 물질인 석회석(204) 패각류껍데기(203)를 거쳐 수생조의 하단부 분배층(207)으로 유입된다. 앞 침전공정까지 처리된 하수에는 질산화 미생물의 질산화 반응으로 생성된 수소이온과 호기성 미생물이 신진대사로 배출하여 물에 용해된 탄산가스에 의한 탄산이 존재하므로 천연석회 성분(203, 204)의 칼슘성분과 반응하여 탄산수소칼슘을 생성하여 용해되고 유기물질에서 분해되어 용존하는 인(P)과 최종 결합하여 인산칼슘으로 침전하게 된다. 마을단위 하수의 대략적인 총인(T-P)농도는 약 3∼8mg/L의 낮은 수준이므로 약 90％의 천연칼슘함량을 지닌 석회석 및 패각류 껍데기를 약 4∼5톤 정도 넣으면 1일 100m³의 하수에서 인성분을 방류수질 기준이하로 처리하는데 약 10여년 동안 사용할 수 있으며 본 발명의 수생조에서는 여과층의 최저부인 큰 자갈층에도 위의 석회석(204)이나 패각류 껍데기(203)를 함께 넣어 구성하며 또한 위의 분배조는 상부가 트여서 상시 투여할 수 있는 구조이므로 여과층에 투여한 칼슘성분이 모두 소진되는 10 여년 후에는 분배조에 추가 투여하여 부족량을 용이하게 계속 보충해 줄 수 있는 방식이다.

위와 같이 인성분이 침전감량된 하수는 여과층(205)을 상부로 천천히 통과 하면서 여과층의 자갈과 미세모래의 표면에 부착서식하는 호기성 미생물에 의해 잔류하는 유기물질이 흡착분해되고 유기물질에서 분리된 질소성분은 여과층에 서식하는 질산화 미생물에 의해 질산화된다. 이때 위의 유기물질 분해과정 및 질소성분의 질산화 및 인성분의 인산화에 소요되는 산소는 여과층까지 내린 수생초목의 뿌리를 통하여 지속적으로 공급되고 식물은 뿌리를 통하여 최종 산화된 형태의 질소 인 성분과 물과 수소이온과 칼슘이온까지 흡수하므로 이 같은 식물과 미생물의 생태적 물질교환의 결과로 물은 맑아지고 공기중의 탄산가스도 식재식물이 흡수하여 생체조직으로 재고정시키므로 공기질도 함께 정화되며 식재식물은 노지나 타방식에서 보다 빠른 성장을 지속하게 되고 많은 산소를 다시 여과층에 공급하므로 여과층에 서식하는 미생물도 빠른 반응을 할수 있는 여건조성이 지속될수 있는 것이다. 이처럼 호기성 상태가 지속되는 여과층은 식물이 서식하는 숲의 토양이나 화분의 흙이 썩지 않듯이 혐기화 현상이 발생되지 않으므로 여과층을 미세모래로 조성하여도 썩거나 폐쇄되지 않는 것이다. 여과층의 맨위쪽의 모래층(201)에는 비교적 얕은 물층(208)이 형성되게 하는 다수의 V 자 홈을 가진 수로 웨어(250)가 구성되고 물층의 수면보다 약 6∼12cm 가량 더 높게 쇄석(230)층이 더 구성되며 수로 웨어(250) 위에는 파이프의 단면 절반을 절개하여 만든 수로뚜껑(251)이 씌워진다. 쇄석층(230)에는 다수의 수변수목(210)이 일정한 간격으로 식재되거나 쇄석대신 물층 높이까지만 잔자갈(231)을 채우고 그 위에 수경재배판(240)을 깔고 수경가능한 수목(220)이나 수경가능한 초화류(221)를 식재할 수 있다. 여과층을 하부에서 상부로 서서히 통과한 물은 쇄석층의 틈새로 이동하여 수로 웨어(250)의 가까운 V자 홈으로 유입하여 처리수조(280)로 흘러나간다. 쇄석은 수로뚜껑(251)에 의해 수로 웨어(250) 내부로 빠지지 아니하며 수변수목(210)에서 떨어지는 낙엽은 쇄석층(230) 위에 쌓이므로 물과 6cm 이상 12cm 가량 이격되어 썩지 아니하고 자연건조되므로 물의 재오염원이 되지 않게 된다. 이 쇄석층(230)에는 뿌리와 줄기부분이 구분되는 부위가 물층 위에 노출되는 식재 환경이면 뿌리가 물층 또는 물이 있는 흙 모래층에 잘 뻗어 내리며 서식할 수 있는 수목(이들 수목을 '수변수목'이라 함) 종류인 버드나무, 포플러나무, 물싸리나무 등을 식재한다. 이들 수변수목은 뿌리가 곧은 뿌리와 가지뿌리를 깊은 곳까지 뻗어 내리며 가지뿌리에 수많은 잔뿌리를 만들므로 본 발명에서 수생조의 여과층 저부까지 골고루 광합성산소를 공급하는 중요한 기능성이 뿌리를 얕게 내리는 수초류에 비하여 탁월한 특징으로 작용하는 것이다. 목본류에 비하여 강풍에 견뎌야할 깊은 뿌리의 필요성이 적은 초본류인 물정화용 수초는 필요로 하는 영양물질이 풍부하게 흐르는 물정화시설의 식재기반에서 그 표층에만 얕은 뿌리를 내리고 깊은 뿌리를 내리지 않는 현상을 공통적인 서식특성으로 나타내기 때문이다.

위의 수변수목(210)보다 여과층에 산소를 공급하는 기능성은 다소 미흡하더라도 수초류보다는 장점이 많은 수목류로써 물의 오염성분에서 경제재를 얻으면서 물을 정화하고자 할 경우에 있어서 위의 쇄석층(230) 대신 잔자갈층(231)을 물층(208) 상단까지만 조성하고 그 위에 수경재배판(240)을 깔고 그 위에 일정한 간격으로 수경가능한 수목(220)으로서 경제성이 있는 두충나무, 오가피나무, 산뽕나무, 헛개나무, 두릅나무 등 약용 및 식용나무종류를 식재하거나 장미나무, 동백나무, 벤자민나무, 무궁화나무, 사철나무 등 화훼용나무를 식재하거나 초본류로써 백합 튜울립, 히야신스, 수선화, 아마릴리스, 등 초화류를 식재할 수 있다. 이 경우 수경재배지(245)를 별도로 크게 조성할 수 있으며 이 경우에도 본 발명에 의한 처리수 및 잔류영양물질과 기본처리 시스템에서 발생하는 폐열에너지를 온실로써 모두 활용할 수 있어서 생산원가가 인위적인 수경재배지에서보다 낮아지므로 가격경쟁력이 있는 수경재배를 물정화와 겸할 수 있는 것이다. 이들 수변수목(210)과 수경수목(220)은 일정한 크기로 성장된 뒤에 줄기의 밑동이나 윗부분을 잘라주면 곧 줄기의 새로운 생장점에서 새가지를 내어 성장을 지속하게 되며 뿌리와 줄기는 계속 증식하고 식재기반 내에서 고사하는 부분이 없으므로 물의 재오염 우려가 없게 된다. 또한 수경재배하는 초화류는 위에서와 같이 구근을 가진 초화류인 경우 꽃을 수확후 새로운 종자를 구근에서 마늘처럼 여러쪽을 만들므로 매년 종자채취 작업과정에서 묵은 잎과 뿌리를 제거하는 관리작업이 병행될 수 있으므로 초화류의 고사부분에 의한 물의 재오염 문제는 해결이 가능하여 본 발명에 의한 식물정화겸 경제재 생산의 한 방법이 될 수 있다. 따라서 본 발명의 수생식물 정화방법은 종래에 수초종류만 국한하여 이용함으로써 해결할 수 없었던 물의 재오염 문제를 해결하게 된 것이며 관리가 보다 쉽고 입목 체적량에 비례하여 탄산가스를 장기간 재고정시켜 둘 수 있고 경제성 있는 약용, 식용, 화훼용 식물도 함께 생산해낼 수 있는 방법의 기술을 제공하게 된 것이다.

수생조(200)에서 자연고도 정화된 물은 수로둑(250)에 모아져 플랙시블 튜브와 연결된 유출밸브(281)로 나와 처리수조(280)에 모여 다음공정(도시않음)인 소독계량공정을 통하여 수계로 유출된다. 이때 처리수조(280)의 물은 국내법 하천수질의 2급수질 수준으로 맑아져서 비단잉어 송사리 다슬기 등 어패류가 서식할 수 있으므로 처리수조에 이들 어패류를 식종하고 전기조작 시스템을 원격관리 시스템 및 폐쇄회로 카메라와 영상기기로 구성함으로써 유입 부하량과 처리수질을 수시로 모니터링하여 가동기기의 가동정지시간을 원격조절하고 수생조의 식생상태와 처리수조(280)의 어패류의 서식상태 등을 중앙제어실에서 확인 및 원격관리할 수 있는 시스템이 본 발명의 자연고도정화장치에 더 포함되어 구성된다. 따라서 마을단위 처리장인 경우 농가에서 농약 등 독극물의 유입여부를 현장까지 가지 않고 제어실에서 즉시 확인하여 대처할 수 있고 명절 애경사 등 마을행사나 큰 비올 때 등 유입량과 농도의 큰 변동 때에도 포기시간의 연장 등 적절한 운전조작을 중앙제어실에서 원격관리할 수 있는 방식의 자연고도정화장치인 것이다.

그러나 전력을 수전하기 어려운 부지여건에서 빗물폐수 등 비점오염원 폐수를 본 발명의 자연고도정화시스템으로 정화할 경우 위와 같은 포기기 등 가동기기나 원격제어설비를 할 수 없으나 비점오염원의 폐수는 하수 오수에 비하여 대부분 유기물질의 오염농도는 매우 낮고 부유성 물질과 질소 인 등 영양물질이 문제되는 경우이므로 위와 같은 동력기기가 구성되지 않는 본 발명의 자연고도 정화장치만으로 정화시설을 도1 또는 도8 또는 도10와 같이 구성하여도 유량의 자동조절이 가능하고 수초가 아닌 수목류를 식재하므로 수생조의 관리요인이 없고 동절기에는 강우량이 적어서 온실과 폐열에너지가 없어도 되므로 빗물폐수에서 제거하고자 하는 오염성분을 유량의 자동조절 이물질의 여과 및 침전 여과층내 호기성 분해 및 질소 인 흡수로써 만족한 수준으로 정화할 수 있으며, 시공소재도 소용량에서는 프라스틱류나 철재류를 이용하여 팩케이지 타입으로 대량 제작할 수 있고 중대용량은 철근콘크리트 및 차수막으로써 모두 시공할 수 있으며 저류지의 바닥을 방수용 진흙으로도 시공할 수 있다. 저류지의 바닥을 방수용 진흙으로 시공하거나 차수막을 깔고 그 위에 흙이 섞인 자갈모래층을 더 구성하는 경우 저류지에도 정화용 수변수목(210)을 식재할 수 있는 것이다.

한편 수생조(200)의 하단부(207)에는 동 시설을 장기간 운영시 분해되지 않는 비휘발성 물질(F.S)이 매년 소량씩 누적되므로 대략 5년을 주기로 이들 침적량을 확인하여 처리수조(280)의 맑은 물을 가압펌프(291)로 가압이송하여 분사관(290)으로 고압 분사시키고 세척된 침적물질은 이송펌프(292)로 흡입 오니 운반차량이나 준설차량 또는 시설내의 농축지(도시되지 않음)로 이송 처리될 수 있게 함으로써 동시설이 장기간 운영되어도 제 성능을 유지할 수 있게 구성하였다. 또한 위에서와 같이 전력설비가 없이 조성되는 빗물폐수정화시설인 경우에도 분사관을 구성하고 필요시 휴대용 엔진펌프를 연결하거나 준설차량에 의해 위와 같이 침적물의 청소와 외부반출이 가능하므로 토목구조체 등 시공소재의 내구연한만큼 장기간 운영가능한 방식인 것이다.

또한 본 발명의 시스템은 위와 같이 수생조(200)의 운영방식이 평소 상향류로서 운영되나 필요시 하향류로도 운영방식을 전환할 수 있다. 장마철 등 하천이 범람할 때에는 대부분의 하수처리장에 황토물이 함께 유입되며 특히 마을단위처리장에는 농가에서 흙이 묻은 농산물 농기구 신발 작업도구 등을 세척하므로 흙물이 유입되는데 이들 황토입자는 점성이 있고 침전이 잘 안되어 수생조(200)의 하부 분배층(207)에 유입되고 상부로 이동하다 자갈층(202)과 모래층(201)의 경계면에 조금씩 달라붙어 오랜기간 동안 붙으면 황토막을 형성하여 수류의 상향류 흐름에 큰 저항을 주는 문제점이 있다. 이 황토막을 종래의 다양한 수초이용 물정화방식에서는 용이하게 제거할 방법이 고안되지 않아서 3∼4년 이상 흙물이 유입된 동종의 처리장은 당초의 처리물량이 차츰 줄어들고 있다. 이처럼 점성을 가진 황토막은 하부에서 물을 빼내도 제거되지 않으므로 본 발명에서는 유입밸브(270, 271)와 유출밸브(281, 282)를 전환조작하여 수생조(200)의 운전방식을 하향류로 장시간 운영할 수 있게 함으로써 황토막의 제거를 가능하게 하였다. 즉 병렬로 구성된 수생조(200)의 한쪽 처리수조(280)에서 이송펌프(291)로 역세할 수생조의 물을 다른쪽 분배조로 이송하여 비운다음 유입밸브(270)을 열고 유입밸브(271)를 닫으며 유출밸브(281)를 닫고 밸브(282)를 열면 침전지의 상징수는 수생조의 수로 웨어(250)로 유입하여 여과층(205)을 하향류로 통과하게 된다. 이때 흡입펌프(292)를 작동하면 수생조(200)의 하단부(202, 203, 204, 205, 206, 207)가 모두 비어있으므로 모래층(201) 하단의 황토막층 위에 물층이 형성되어 차오르다가 황토막이 터지고 아래로 흘러내리게 된다. 황토막이 충분히 제거된 후에 분사관으로(290) 청소수를 분사하여 바닥을 세척하고 흙물은 이송펌프(292)로 오니처리공정으로 반출처리하게 된다. 하향류에 의한 역세척작업이 완료되면 다시 유입밸브(271)를 열고 밸브(270)를 닫고 유출밸브(281)를 열고 밸브(282)를 닫으면 역세청소된 수생조(200)는 상향류로서 정상운영되며 옆의 다른 수생조도 위와 같이 하향류로 조작하여 역세 청소한 후 상향류로 정상운영된다. 또한 위에서와 같은 황토흙물의 유입에 따른 식물식재기반의 막힘현상은 수초류만을 이용하는 종래의 방식에서는 수초류의 뿌리가 여과모래층아래 자갈층까지 깊게 뻗어 내리지 않으므로 황토막층이 형성됨과 동시에 수류통과 장해가 심한 편이나 본 발명의 수생목본류 이용방식에서는 목본류의 뿌리가 수초보다 훨씬 깊게 뻗어 내리는 서식특성상 곧은 뿌리와 수많은 가지 뿌리가 자갈층 아래까지 깊게 뻗고 이들 뿌리는 계속하여 새 뿌리를 만들며 길이와 굵기를 성장하므로 황토막을 뚫고 황토막과 뿌리사이에 미세한 틈새를 형성하므로 같은 여건에서 수초류 이용방식보다 통과저항이 훨씬 적으므로 같은 여건의 수초류 이용방식에서보다 역세 및 청소주기가 길어져서 그만큼 관리요인이 적어지는 특성으로 작용하는 것이다.

또한 상향류 여과지의 모래층(201)하부에는 각종의 미생물이 신진대사로 배출하는 가스와 유입수에 용존된 기체가 용출되어 공기층을 형성하여 수류통과에 또다른 저항을 주어 차츰 통과물량이 감소하는 장해현상이 있는데 본 발명은 다수의 공기배출관(252)을 일정한 간격으로 구성하여 이 같은 문제도 해결한 것이다. 본 발명에 의한 정화장치는 처리수와 폐열을 이용하고 본 방식의 수경재배방법을 이용하여 경제소득 목적에 보다 적극적으로 활용하기 위하여 도9와 같은 방법으로 본 시설(100 과 200)의 인근에 별도의 수경재배지(245)를 수심이 얕게 자갈층 또는 물층만으로 조성하고 본시설의 폐열이 직접 이용되도록 하나의 온실로 확장하여 씌우거나 2개 이상의 온실로 각각 따로 씌우고 폐열이송관을 연결하는 방법으로써 비료 등 양액을 사용하면서 별도의 난방비용이 필요한 인위적인 수경재배방법보다 저렴한 생산원가로써 경제재를 생산할 수 있으며 이와 같이 하수 등의 오염성분을 추가로 제거하면서 오염성분을 가용 경제재로 전환하는 본 정화방식은 폐열에너지가 발생하는 대부분의 다른 처리방식의 시설에서도 그 처리시설의 상부에 또는 인근에 본 발명의 수생조(200) 또는 별도의 수경재배지(245)를 도5 내지 도7에서와 같이 조성하면 본 발명에서와 같은 방법으로 폐열과 처리수의 잔류영양물질이 가용한 자원으로 재활용되어 가용한 경제작물을 지속적으로 수확할 수 있고 물도 더욱 맑게 할 수 있는 것이다. 즉 본 발명의 수생조(200)와 수경재배지(245)의 적용범위는 도5 내지 도9(B)에서와 같이 기본처리 시스템(100)을 다른 방식으로 하는 모든 신규 시설 및 운영되고 있는 기존시설까지 본 발명의 수생초목에 의한 자연고도 정화공정을 적용할 수 있는 것이다.

한편 본 발명의 기술로서 정화할 하수 등의 용량이 극히 소용량이면서 설치할 장소가 다수인 경우에는 현장의 시공성이 용이하도록 구조체(170)의 시공소재를 비교적 가볍고 운반 시공이 용이한 프라스틱 종류나 스테인레스 철판 등의 철재로써 팩키지(package) 타입의 일체형 또는 조립형으로도 제작할 수 있으며 도10 (A) 및 (B)에서와 같이 팩키지 시설도 본 발명의 주요한 기능을 모두 할 수 있는 구조로 구성되며 제작모형은 원통형 타원형 각형 등 다양하게 제작시공될 수 있다. 중대용량인 경우 도1 또는 도8과 같은 구조체(170)를 철근콘크리트 또는 철근콘크리크와 차수막 또는 방수용 진흙소재를 혼용하여 시공함으로써 용량에 관계없이 모두 적용할 수 있는 것이다. 위의 예에서 보듯이 기본처리 시스템(100)과 수생조(200) 수경재배(245)를 제작 배치 시공하는 방법 등은 본 발명에서 도시하지 않은 다양한 방법으로 당 업자에 의해 용이하게 조정될 수 있는 것이다. 또한 빗물폐수인 경우 겨울철에는 강우량이 적어 폐수량이 적고 통상 유기물 농도가 낮으므로 동력기기와 온실없이 나머지 공정만으로 도1과 같이 하거나 도8과 같이 하거나 도10와 같이 구성하여도 되며 온실이 없는 경우 식재수목은 십수년을 자라게 그냥 두어도 되므로 노지에서의 자연고도정화시설로서 관리요소를 최소화할 수 있는 것이다. 이와 같이 본 발명의 정화시스템을 장소와 용도와 용량과 처리대상에 따라 같은 원리로 일부를 가감하고 변경하는 것은 모두 당업자에게 용이한 것으로서 본 발명의 범주에 속하는 것이다.

본 발명은 종래 이 분야의 물정화장치에서 수초류를 이용하는 대신 수변수목 및 수경수목 등 목본류를 이용함으로써 수초류의 고사부분이 물을 재오염시키는 문제를 해결하는 효과와 고사수초를 매년 제거하는 관리적 문제도 해결하는 효과를 갖는다.
또한 물리생물학적인 기본처리 시스템의 구조 기능성 정화효율성 등을 개선하여 별도의 유량조정설비나 오니반송설비가 불필요해지는 효과 및 잉여오니가 경감되는 효과와 유기물질의 고농도에 서식성이 취약한 목본류가 수생조에서 서식가능하게 해주는 효과가 있다.
또한 비점오염원의 폐수는 동력기계와 온실없이 정화되게 함으로써 관리요인과 적용성이 개선되는 효과를 갖는다.
또한 소용량은 팩키지 타입의 가벼운 소재로써 중대용량은 콘크리트 차수막 또는 진흙으로도 시공될 수 있게 함으로써 시공성이 향상되는 효과 및 여과층을 모두 자연소재만으로 구성함으로써 인위적 소재보다 시공비용이 저렴해지는 효과가 있다.
나아가 기본처리 시스템의 폐열과 처리수 및 처리수의 잔류성분 모두를 자원화하여 약용 식용 화훼용 초목 등을 재배 생산할 수 있게 함으로써 종래 혐오감 때문에 가용성이 없었던 야채류 쌀 등에 비하여 경제재로서 가용성이 개선되는 효과가 있게되며, 이 방식을 폐열에너지가 발생하는 다른 처리방식의 시설에서도 적용될 수 있게 함으로써 수질개선과 가용경제재 생산을 겸하는 친환경방식의 적용성이 확대되는 효과를 갖는다.

Claims (9)

1. 오수를 고도정화함에 있어서 오염물질을 식물로써 고도정화할 수 있는 수준으로 신속하게 전처리하기 위한 물리적 방법 및 생물학적방법으로 이루어지는 기본처리 시스템(100); 및

   상기 기본처리 시스템의 상부나 옆 또는 인근에도 조성할 수 있고 석회석(204) 및 패각류 껍데기(203)를 조성하고 필요한 만큼 수시로 더 투여할 수 있도록 상부가 열려있고 유입된 물은 수생조의 하부로 이동하는 분배조(260) 및 분배조와 일체구조로 구성되며 아래에서부터 큰자갈, 석회석, 패각류 껍데기, 잔자갈, 모래층을 순차로 조성하는 여과층(205) 및 그 위에 웨어 높이 만큼 형성되는 물층(208)의 수면보다 높게 채우는 자연소재인 쇄석자갈(230) 및 그곳에 직접 식재하여 서식할 수 있는 수변수목(210) 및 자갈(231)을 수면까지 채우고 그 위에 수경재배판(240)을 깔고 수경재배판에 식재하여 서식할 수 있는 수경초목류(220, 221) 및 수생조(200)의 여과층(205) 전체 면적에서 물이 고르게 여과되게 하는 뚜껑(251)을 씌운 수로웨어(250), 다수의 공기배출관(252)으로써 조성하는 한 개 이상 다수의 수생조(200);

   상기 수생조(200)에서 처리된 물을 수용하며, 수생조(200)와 일체구조로 구성되는 처리수조(280); 및

   상기 기본처리 시스템 및 수생조(100, 200)의 외곽에 씌워지도록 조성하여 기본처리 시스템의 미생물반응조(120, 130, 140)에서 발생하는 폐열과 주변의 지열 및 태양열 중 적어도 하나를 본 발명의 기본처리 시스템에서는 미생물반응온도유지 및 수생조에서는 식물의 생태학적 정화효율 유지에 활용되게 해주는 온실(300);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기본처리 시스템(100)은 고액분리조(110), 미생물반응조(120, 130, 140) 및 침전조(150)로 구성되고, 상기 미생물반응조는 제1 간헐포기조(120), 무산소조(130) 및 제2간헐포기조(140)로 구성되며, 상기 제1간헐포기조(120)부터 최종 침전조(150)까지 각 조를 구획하는 벽체의 하단부가 일정한 높이만큼 트이게 구성되고, 이와 관련하여 침전조(150)의 수면부위에 설치되어서 변동수위에 따라서 상하로 움직이며 일정량씩 상징수를 유출시켜주는 디캔터(151)에 의해 고액분리조(110)를 제외한 기본처리 시스템(100)의 전체구간에서 변동수위의 용적만큼 유량을 조절하고, 침전조(150)의 슬러지가 상기 미생물반응조(140, 130, 120)로 자동으로 반송됨으로써 반송을 반복한 슬러지가 노쇠하면 신생오니와 탈질반응 미생물의 영양원으로 분해 소멸되어서 잉여오니의 생성량이 극소량으로 감량되는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 수생조(200)에는 버드나무류, 미루나무, 포플러나무, 또는 물싸리나무를 포함하는 수생초목을 식재하고, 수생조의 물층(208) 보다 높게 쇄석(230)이나 자갈(231)을 채우고, 직접 식재하여도 서식할 수 있는 수변수목(210)을 포함하고, 물층(208) 및 자갈층(231) 위에 수경재배판(240)을 깔고 그 위에 식재하여 서식할 수 있는 약용, 식용, 화훼용, 또는 조경용의 수목류(220) 및 초화류(221)를 식재하는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 수생조(200)는 유입밸브(270, 271) 및 유출밸브(281, 282)를 개폐 조작하여 처리수가 상향류로 운영되게 하거나 하향류로도 운영되게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 수생조(200) 하단부의 분배층(207)에는 침적된 이물질을 가압수로 세척할 수 있는 분사관(290)과 처리수조(280)의 물을 이송 가압해주는 펌프(291)와 세척한 물을 외부로 이송해주는 흡입펌프(292)가 더 구성되어 여과층(205)의 역세작업 및 분배층(207)의 침적물질을 용이하게 청소할 수 있어서 수생조가 반영구적으로 정화기능을 지속할 수 있는 방식인 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
6. 제1항에 있어서, 용량에 따른 현장의 시공성이 용이하도록 정화할 오수의 용량에 따라 자연고도 정화장치를 구성하는 구조체(170)의 시공소재를 플라스틱 종류나 철재종류로써 원통형이거나 또는 타원형 또는 각형인 육면체 모양의 팩키지 타입으로 제작하거나, 콘크리트 소재나 차수막 또는 방수용 진흙소재를 혼용하여 시공하고, 기본처리시스템에도 정화용 수변수목(210)을 직접 식재할 수 있는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 별도의 수경재배지(245)를 상기 시설(100, 200)의 인근에 따로 조성하고 폐열을 활용하도록 하나의 온실을 확장하여 짓거나 별도의 온실을 짓고 폐열이송관을 연결하는 방법으로 조성하고 폐열과 처리수의 잔류 영양물질을 활용하는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
8. 제1항에 있어서, 빗물폐수를 정화하는 경우 폐열이용 온실을 설치하지 아니하고 디캔터(151)가 구성된 기본처리 시스템(100)과 수생조(200)에 의한 정화시스템 만으로 비가 그친 후에도 일정량씩 장기간에 걸쳐 효율적으로 자연정화할 수 있는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 처리수조(280)에는 어패류를 식종하고 전기조작시스템을 원격관리 및 폐쇄회로 텔레비젼으로 구성하여 처리상태, 수생조의 식생상태, 어패류의 서식상태를 중앙제어실 또는 컴퓨터를 갖춘 어느 곳에서나 확인하고 가동기기를 조작할 수 있는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수생초목을 이용한 오수의 자연고도 정화장치.

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