근래 국내 대부분의 호수들이 1980년대 후반에 들어 급격한 부영양화로 인하여 남조류의 물꽃현상과 수질악화를 겪고 있다. 특히, 사람이 살지 않는 산간의 소형 저수지들의 일부를 제외하고는 모두 유역에 농경지와 축산농가가 있어 호수를 부영양화시킬 정도로 인의 유출이 크다.
한국에서 인의 발생원을 비교해 보면 비료에 의한 발생량이 가장 크고, 가축에 의한 인의 배출이 사람에 의한 인의 배출보다 월등히 큰 것으로 추산된다. 특히 유역에 대도시가 없는 중상류의 호수에서는 주로 비료와 가축분뇨가 인의 공급원인 것으로 보고되고 있다. 축산이 인의 공급원으로 대두되는 것은 한국의 축산업이 대부분 수입된 사료에 의존하므로 유역 밖으로부터 많은 영양염류가 유역내로 유입된다는 것을 뜻한다. 가축분뇨는 농경지에 퇴비로 뿌려졌다가 폭우시에 유출되는 비점오염원의 성격을 가진다. 그러므로 한국내 저수지의 부영양화의 주요원인은 비료와 가축배설물이라고 볼 수 있다.
소양호 유역에는 인구가 적고 산업활동이 없으므로 점오염원의 기여도는 작으며 소규모 점오염원이 비점오염원의 성격을 띠고 산재하거나 면오염원의 형태를 띠고 있다. 이것은 한국에서 상류에 위치한 저수지의 전형적인 형태로 볼 수 있으며 소양호 유역의 비점오염원 유입 패턴은 우리나라 호수의 전형적인 형태이다.
한국내 하천의 유량은 강우에 따라 계절적으로 크게 변동하는 양상을 보인다. 폭우가 내리지 않은 때에는 유역으로부터의 유출수량이 매우 적어 연간 부하량에 기여도가 매우 작다. 지난 1991년부터 1994년까지는 큰 강우가 없었으므로 유출수량이 적은 기간이었다. 1995년 7월에는 강우량 100mm의 폭우가 내려 수년간 가뭄 이후에 내리는 비로서 강우의 초기유출에서 오염물의 농도가 높아졌다.
한국의 대형댐 유역에서는 농경활동에 기인하는 비점오염원으로부터 유출되는 인이 전체 인부하량의 대부분을 차지한다. 따라서 호수 부영양화를 막기 위해서는 하수처리 뿐만 아니라 보다 축산분뇨와 비료 등의 비점오염원 관리에 주력하여 야 한다.
축산분뇨가 유역의 중요한 오염원으로 평가되므로 축산분뇨를 수거하여 처리하는 체제가 수질개선을 위하여 최우선적으로 투자하여야 할 대상이며 수질개선을 위한 투자로서 가장 효과가 확실한 대안이 될 것이다. 소규모 농가에서 축산 분뇨를 수거하여 처리하는 것이 불가능하므로 정부와 지자체에서 분뇨의 수거와 분뇨처리장 건설을 지원하여야 한다. 이는 농가의 축산 분뇨처리를 위한 부담을 경감시켜주며 동시에 하류의 수질오염 피해부담을 경감시켜 주는 효과를 가져올 것이다.
현재까지 수질오염을 정화하고자 개발된 기술들을 개략적으로 살펴보면 크게 화학적 처리공법, 생물학적 처리공법 및 물리적인 처리공법과 최근에 개발된 전기분해 공법이 있다.
전기분해 공법의 대표적인 기술로서, 철 또는 알루미늄 전극을 사용하여 전기화학적 산화처리 및 부상(electroflatation)에 의해 폐수를 처리하는 것을 특징으로 하는, 전기분해를 이용한 농업용수 재활용 방법이 있다 (한국등록특허 제533,246호). 그러나, 상기 농업용수 재활용 방법은 철 또는 알루미늄 전극으로 이루어지는 전극의 극성을 교대로 변화시켜 운전하는 공정 및 전극의 오염을 세척하기 위한 세척 공정을 별도로 수행해야 하는 번거로움이 있다.
본 발명자도 폐수처리 공정에 전기분해 기법를 적용한, 철-석출장치를 이용한 농업용수 재활용 시스템을 개발한 바 있으나 (한국등록특허 제787,122호), 여전히, 전극의 극성을 인위적으로 교체해주어야 한다는 점과 전극의 오염 문제를 해결하지 못하였었다.
이에, 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 음극의 역할을 하는 철판과 양극의 역할을 하는 티타늄판으로 구성된 철 이온화 전극을 이용하여 철이온화 모듈을 구성하고, 상기 철 이온화 모듈에 전극 세척장치를 부착한 농업용수 재활용 시스템을 이용하여, 하수처리장의 방류수를 처리한 결과, 상기 철 이온화 전극의 극성을 인위적으로 교체할 필요가 없고, 방류수 처리 공정 중에 전극을 동시에 세척함으로써 전극의 오염을 방지하여 전극의 수명을 연장시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 일 관점에서, (a) 하수 처리장의 방류수가 유입되는 유입조(1); (b) 상기 유입조(1)로부터 유입된 방류수를 폭기시키는 폭기조(2); (c) 상기 폭기조(2)의 상단에 삽입되어 설치되며, 상기 폭기조(2) 내부의 방류수에 함유된 인을 제거하는 철 이온화 모듈(3); (d) 상기 철이온화 모듈(3)에 전력을 공급하는 태양광 발전장치(4); 및 (e) 상기 폭기조(2)에서 인 제거 처리되어 유입된 처리수에 함유된 부유물질을 제거하는 침전조(5)를 포함하되, 여기서, 상기 철 이온화 모듈(3)은 그 내부에 장착된 업/다운 유닛(3A); 철판(음극)과 티타늄판(양극)으로 구성된 철 이온화 전극(3B); 및 철이온화 모듈(3) 하단에 부착된 전극 세척장치(3C)를 포함하는 농업용수 재활용 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 농업용수 재활용 시스템은 주로 농촌인근마을 하수처리장의 방류수에 함유되어 있는, 부영양화 유발물질인 인을 제거하여 농업용수로 재활용할 수 있도록 하는 장치를 가리키는 것이다.
본 발명에서 방류수란, 주로 농촌인근마을에 위치한 하수처리장 방류수를 의미하는 것으로, 농촌에서 발생할 수 있는 축산폐수, 농업폐수, 일반가정의 생활폐수 등을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른, 철 이온화 모듈을 포함하는 농업용수 재활용 시스템의 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른, 철 이온화모듈의 개략도이다.
유입조(1)는 농촌인근마을 하수처리장의 방류수가 유입되는 수조로서, 유입조(1)로 유입된 방류수는 상기 유입조(1)와 연결된 폭기조(2)로 이동한다. 이때, 유입조(1)와 폭기조(2)의 연결이라 함은, 각각의 수조가 칸막이로 구별되어 있음을 의미한다.
폭기조(2)는 상기 유입조(1)로부터 방류수가 유입되는 수조로서, 상기 폭기조(2)의 내부 하단에는 산기관(2A)이 설치되어 있고, 폭기조의 상단에는 철 이온화 모듈(3)이 삽입되어 설치되어 있다.
상기 산기관(2A)은 폭기조(2)에서 인 제거작용이 진행될 때, 폭기(aeration) 현상을 촉진시킴으로서, 인 제거공정이 보다 효율적으로 진행되도록 한다.
철 이온화 모듈(3)은 상기 폭기조(2)의 상단에 삽입되어 브라켓에 의하여 고정 및 설치되어 있고, 철 이온화 모듈(3)를 포함하되, 바람직하게는 5~10개의 전기분해모듈(3A)이 포함될 수 있다.
상기 철 이온화 모듈(3)은 태양광 발전장치(4)로부터 전력을 공급받아 작동하기 시작하며, 철이온화 모듈(3)의 내부에 장착된 업/다운 유닛(3A); 상기 업/다운 유닛(3A)에 장착되어 있는, 철판(음극)과 티타늄판(양극)으로 구성된 철 이온화 전극(3B); 및 상기 철 이온화 모듈(3A) 하단에 부착된 전극 세척장치(3C)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 업/다운 유닛(3A)은 철이온화 모듈(3)의 외형박스 내부에 세로방향으로 설치된 가이드(3D)를 따라 상·하로 움직이며 작동하는 장치이며, 일반적으로, 가이드(guide)란 기계의 운동 부분이 정확히 운동을 하도록 유도하는 안내장치를 의미하는 용어로서, 본 발명에서는 업/다운 유닛(3A)이 상·하 운동을 할 때 운동 경로의 탈선이나 전복을 방지하는 장치이다.
상기 가이드(3D)의 형상은 막대형상으로서 철이온화 모듈의 외형박스 내부에서 상하 방향으로 장착되어 있으며, 막대형상의 양 말단이 브라켓으로 고정되어 있다.
상기 철 이온화 전극(3B)은 철판(음극)과 티타늄판(양극)으로 구성되고, 상기 업/다운 유닛(3A)의 말단에 부착되어 결합되며, 업/다운 유닛(3A)이 상·하 운동을 함에 따라 폭기조(2) 내의 방류수에 침지되거나 또는 침지상태에서 벗어나게 되어 방류수에 침지상태에 있을 때에는 방류수에 함유된 인을 제거하는 기능을 수행한다.
상기 철 이온화 전극(3B)의 구성을 보다 상세히 살피면, 철 이온화 전극(3B)은 브라켓에 의해 업/다운 유닛(3A)의 말단에 결합되어 있으며, 철판은 음극과 연결되고, 티타늄과 양극과 연결되어 있는데, 상기 음극과 양극은 철 이온화 모듈(3)과 연결된 제어판넬(4A)에 의해 전력이 공급되면 결정되는 것이다. 여기서, 음극의 역할을 하는 철판과 양극의 역할을 하는 티타늄판은 가로방향으로 일체형 방식에 의해 결합된 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 양극과 음극으로 구성된 통상적인 전극의 형태와 같이 철판과 티타늄판이 연결되어 있다.
상기 철 이온화 전극(3B)의 기능을 보다 상세히 살피면, 철 이온화 전극(3B)이 업/다운 유닛(3A)의 상·하 운동에 의해 폭기조(2)의 방류수에 침지되면 철판에서 철 이온이 용출되어 방류수에 함유된 인 이온과 결합하여 불용성 침전물을 생성시킴으로써 인을 제거하는 기능을 수행하게 된다.
여기서, 상기 불용성 침전물은 침전조로 이동하여, 침전된 후, 침전조에 구비된 배관을 통하여 배출됨으로써 제거될 수도 있고, 별도로 침전조에 미생물 오니를 첨가하여 상기 불용성 침전물을 분해시킴으로써 제거할 수도 있다.
철 이온과 인 이온의 반응은 기본적으로 1:1로 이온 교환을 하면서 반응을 한다. 예를 들어, 유입되는 인의 농도가 4ppm일 때, 이에 상응하여 필요한 철의 농도는 4ppm이 되는 것이다. 따라서, 철 이온화 전극으로부터의 철 이온 농출량은 폭기조로 유입되는 방류수에 함유된 인의 농도에 비례하므로, 이와 같이 인의 농도에 따라 철 이온 농출량을 조절할 수 있어 철 이온화 전극의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 철 이온화 전극(3B)의 효과를 보다 상세히 살피면, 상술한 바와 같은 철 이온화 전극(3B)의 기능에 의해, 방류수 내에 함유된 인을 제거할 수 있다. 또한, 상기 철 이온화 전극(3B)은 음극인 철판과 양극인 티타늄판으로 구성되어 있으므로, 전기분해를 이용하여 방류수를 처리하는 종래기술에서 불가피하게 실행하여야 했던, 전극의 극성을 인위적으로 교체할 필요가 없으며, 철판의 수명은 2년까지 사용할 수 있고, 티타늄판의 수명은 반영구적으로 사용할 수 있어, 비용면이나 공정의 효율면에서 효과적이다.
본 발명에 있어서, 상기 전극 세척장치(3C)는 표면이 너링(knurling)된 세척롤러를 포함하며, 여기서, 상기 세척롤러는 철이온화 모듈(3A)의 하단에 부착되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전극 세척장치(3C)의 구성을 보다 상세히 살피면, 상기 전극 세척장치(3C)는 철이온화 모듈(3)의 하단의 브라켓과 세척롤러를 포함하며, 상기 브라켓에 의해 세척롤러가 철이온화 모듈(3)의 하단에 부착되어 있고, 세척롤러는 회전이 가능하도록 브라켓에 결합되어 있다.
상기 전극 세척장치(3C)의 기능을 보다 상세히 살피면, 상기 철 이온화 전극(3B)이 업/다운 유닛(3A)에 의해 상·하 운동을 할 때, 세척롤러가 회전하면서 전극판을 세척하게 되고, 세척롤러 표면의 너링에 의해 미끄러짐이 방지된다.
한편 상기 세척롤러는 두 개의 롤러가 병렬식으로 양 말단이 결합된 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 두 개의 롤러 사이를 철 이온화 전극이 상·하 운동을 하게되고, 상·하 운동과 동시에 전극 세척이 이루어진다.
상기 전극 세척장치(3C)의 효과를 보다 상세히 살피면, 철 이온화 모듈(3)이 작동을 하면서 동시에 전극을 세척할 수 있으므로 세척을 위한 별도의 공정이 필요하지 않고, 전극의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 전극의 세척은 인 농도에 따라 적합한 양의 철 이온 농출이 이루어지기 위해서도 필요하며, 결국, 전극 세척장치에 의해 철 이온화 전극의 효율까지도 향상시키는 효과를 확인할 수 있다.
태양광 발전장치(4)는 상기 철 이온화 모듈(3)에 전력을 공급하여 작동할 수 있도록 하는 장치로서, 상기 태양광 발전장치(4)와 철 이온화 모듈(3)은 제어판넬(4A)을 통하여 연결되어 있다. 이때, 상기 제어판넬(4A)은 태양광 발전장치(4)에서 철 이온화 모듈(3)로 공급되는 전력의 양, 전력공급시간 등을 제어하는 기능을 수행한다.
이때, 태양광 발전장치과 제어판넬의 연결, 제어판넬과 철 이온화 모듈의 연결은 전력을 공급할 수 있는 일반적인 전선으로 이루어져 있으며, 이는 당업자에게 있어서 자명한 사항이라 할 것이다.
침전조(5)는 상기 폭기조(3)에 연결되어, 상기 폭기조(3)에서 인이 제거된 방류수인 처리수가 유입되는 수조이다. 침전조(5)에서는 상기 처리수가 체류하면서 내부에 함유된 부유물질이 침전되어 제거된다. 이때, 침전조에는 침전된 부유물질을 배출하도록 하는 배관이 설치되어 있을 수도 있고, 부유물질을 분해하여 제거하기 위해 미생물 오니가 첨가될 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른, 철 이온화 모듈을 종래 혐기조; 무산소조; 호기조; 및 침전조를 포함하는 농업용수 재활용 시스템에 적용한 형태를 나타낸 개략도이다.
본 발명에 따른 상기 철 이온화 모듈은, 혐기조; 무산소조; 호기조; 및 침전조를 포함하는 농업용수 재활용 시스템에 적용하여 사용할 수도 있다. 구체적으로는, 상기 호기조와 침전조의 사이에서 호기조 및 침전조 각각과 연결되고, 상기 침 전조로부터 유입되는 방류수를 폭기시키는 폭기조; 상기 폭기조의 상단에 삽입되어 설치되며, 내부에 포함된 철이온화 모듈(3)을 이용하여 상기 폭기조 내부의 방류수에 함유된 인을 제거하는 철 이온화 모듈(3); 및 상기 철이온화 모듈(3)과 연결되며, 상기 철이온화 모듈(3)에 전력을 공급하는 태양광 발전장치(4)를 포함하는 농업용수 재활용 시스템을 구현할 수도 있다.
즉, 종래의 시스템에 따라, 혐기조, 무산소조, 호기조 및 침전조의 순서대로 공정을 거친 방류수는 침전조에서 폭기조로 유입되고 폭기조에서 철이온화 모듈(3)에 의해 인이 제거된 후, 다시 호기조로 유입되어 인이 제거되므로, 인 제거효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 농업용수 재활용 시스템을 이용하여, 전극을 세척하는 동시에 방류수를 처리하는 것을 특징으로 하는 농업용수 재활용 방법에 관한 것이다.
구체적으로, 상기 농업용수 재활용 방법은 철판(음극)과 티타늄판(양극)으로 구성되는 철 이온화 전극(3B)을 이용하여, 철 이온 농출량을 조절하면서 인을 제거하는 동시에 전극 세척장치를 이용하여 상기 철 이온화 전극을 세척하면서, 방류수를 처리하는 방법이다.
결국, 상기 농업용수 재활용 방법은 종래기술에서 전극의 극성을 임의로 교체해 주어야 하는 공정과 전극의 세척공정을 별도로 수행하지 않고 방류수 처리공정과 동시에 진행함으로써, 방류수 처리효율을 높일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 철 이온화 모듈을 포함하는 농업용수 재활용 시스템의 방류수 처리효율 측정
도 1에 나타난 바와 같은 철 이온화 모듈을 포함하는 농업용수 재활용 시스템에 마을하수를 유입시켜 정화처리하였다. 처리 대상수로서 대구시의 마을하수를 사용하였고, 상기 농업용수 재활용 시스템으로의 마을하수 유입용량은 50 ton/day로 하였으며, 태양광 발전장치에 의해 공급되는 전력량을 1kW로 하여 농업용수 재활용 시스템을 운전하였다.
하기 실험에서는 농업용수 재활용 시스템으로 유입되는 마을용수를 유입수라 하고, 상기 농업용수 재활용 시스템에 의해 최종 정화처리된 마을용수를 농업 재이용수라 지칭한다.
1-1. 인 제거효율 측정
유입수에 각각 함유되어 있는 인의 농도(T-P, total phosphorus)를 측정한 결과, 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 농업용수 재활용 시스템에 의해 인 제거효율은 90% 이상인 것을 확인할 수 있었다.
유입수(T-P) |
농업 재이용수(T-P) |
제거율(%) |
4.47 |
0.26 |
94 |
4.07 |
0.29 |
93 |
4.09 |
0.29 |
93 |
4.06 |
0.26 |
93 |
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.