KR101048806B1 - 생물여과장치 및 이를 이용한 호소수질의 개선방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물여과장치에 관한 것으로, 제작 및 운반이 용이하고, 설치하고자 하는 호소의 형태와 수질 그리고 목표로 하는 처리수의 수질에 따라 그 길이를 자유롭게 선택할 수 있는 호소에 직접 설치하여 수질을 개선하기 위한 생물여과장치를 제공하는 것이 목적이다.

여재를 통과하며 처리된 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과, 집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 그 내부에 미생물이 서식하도록 하여 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와, 여재의 양단을 외부와 차단하며 여재를 고정하는 지지원판을 포함하는 것으로 다른 유닛(unit)과 연결되어 집수실로 연결되는 것을 특징으로 하는 생물여과장치.

생물여과장치, 호소 수질, 유공관, 다공성 여재

Description

생물여과장치 및 이를 이용한 호소수질의 개선방법{bio-filter system and method of improving reservoir water quality using the same}

본 발명은 생물여과장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장치의 길이가 짧아 제작 및 운반이 용이한, 댐이나 저수지 등 호소의 수질개선에 특히 적합한 생물여과장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 생물여과장치를 호소에 직접 설치하거나 호소 부근에 저류지를 만들고 거기에 설치하여 호소수질을 개선하는 방법에 관한 것이다.

우리나라는 강수가 짧은 기간에 집중되는 특징이 있어 수해를 방지하고, 수자원을 효율적으로 활용하기 위해 크고 작은 댐을 많이 건설하여 운영하고 있다. 그런데 많은 경우, 댐의 상류에도 사람이 거주하며 경제활동을 하고 있어 물이 오염되고 있는데 주요 오염원으로는 논, 밭 등의 경작지와 가축분뇨 등이 있다.

그리하여 한국수자원공사에서는 댐 상류지역을 상수원 보호구역이나 상수원 수질보전 특별대책지역으로 지정하여 감시 및 규제를 하고 있는데 오염원에 폐수처리시설을 설치하여 운영하는 외에 수생식물을 재배한다든지 수중에 폭기시설을 설치한다든지 조류를 제거하는 등의 방법을 통해 댐의 수질개선을 꾀하고 있다.

그러나 이와 같은 규제와 노력에도 불구하고 우리나라 대부분의 다목적댐의 수질은 COD가 1.0 ~ 4.0mg/L, BOD는 0.5 ~ 2.5mg/L, 그리고 총질소는 0.5 ~ 3.2mg/L로 (수자원공사, 다목적댐수질정보, 2005), 수질이 2- 3급수에 불과하여 수질개선을 위한 추가적인 노력이 요구된다.

호소의 수질개선방법 중 현장에 설치하여 물을 정화하는 하는 것으로, 대한민국 실용신안 제251919호에는 생물막을 이용한 호소수질 정화장치가 개시되어 있는데 이는 오염된 호소의 물을 호소 바깥으로 퍼내서 처리한 후 다시 호소에 유입시키는 것으로, 시설을 위한 부지가 따로 필요하고 폭기와 역세척 등 지속적인 관리가 필요한 단점이 있다.

대한민국 특허 제292426호에는 소형의 이동식 수처리 설비가 개시되어 있는데 이는 통상의 폐수처리 원리를 적용한 것으로, 많은 양의 약품이 소요되고 슬러지가 발생할 뿐 아니라 그 운영에 전문 인력이 필요하다는 단점이 있다.

상기 단점들을 보완하는 공법으로, 대한민국 실용신안 제394153에는 동력식 코코넛 활성탄 접촉산화부도를 이용한 호소수질 정화장치가 개시되어 있는데 이는 부도(浮島) 형태로 필요에 따라 이를 호소에 여러 개 설치할 수 있고, 오염된 호소의 물을 수면에서 바로 처리하므로 부지가 따로 필요치 않고, 화학약품을 사용하지 않으므로 슬러지의 발생이 없다는 장점이 있다. 그러나 그 구성요소로 세심하게 유지 관리해야 하는 산기관이 포함되어 있고, 집수와 배수, 그리고 공기 공급 등을 위한 배관이 상당히 복잡하여 고장의 우려가 높다는 단점이 있다.

그리하여 본원발명의 발명자는 상기 발명들의 단점을 보완하기 위하여 호소 에 직접 설치하는 생물여과장치로서, 그 내부에 미생물이 부착서식하며 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와, 다공성 여재의 형태를 유지하며 집수실과 연결되어 여재를 통과한 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과, 여과수가 모이는 집수실과, 집수실에 모인 여과수를 퍼내는 펌프 등으로 이루어지는 호소 내에 직접 설치되는 생물여과장치를 발명한 바 있다. (한국특허등록공보 제766334호) 그러나 이는 설치하고자 하는 호소의 형태와 목표로 하는 처리수의 수질에 따라 그 길이가 수 미터에서 수십 미터에 이르기 때문에 제작 및 운반이 어렵다는 단점이 있다.

[문헌1] 수자원공사, 다목적댐수질정보, 2005

[문헌2] 한국등록실용신안공보 제251919호

[문헌3] 한국특허등록공보 제292426호

[문헌4] 한국등록실용신안공보 제394153호

[문헌5] 한국특허등록공보 제766334호

본 발명의 목적은 제작 및 운반이 용이하고, 설치하고자 하는 호소의 형태와 수질 그리고 목표로 하는 처리수의 수질에 따라 그 길이를 자유롭게 선택할 수 있는 호소의 수질을 개선하기 위한 생물여과장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 호소 내 또는 호소 부근에 별도의 저류지를 만들어 상기 생물여과장치를 설치하여 호소수질을 개선하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 호소의 수질을 개선하기 위한 생물여과장치는, 여재를 통과하며 처리된 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과, 집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 그 내부에 미생물이 서식하도록 하여 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와, 여재의 양단을 외부와 차단하며 여재를 고정하는 지지원판을 포함하는 것으로 다른 유닛(unit)과 연결되어 집수실로 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 생물여과장치에서 지지원판을 평판으로 제작하는 경우, 지지원판이 다공성 여재와 밀착되지 않으면 호소의 물이 처리되지 않은 채 집수관으로 흘러들어가기 때문에 지지원판의 다공성(多孔性) 여재와 접하는 면에는 내측 방향으로 동심원상의 철형(凸形) 돌기가 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 철형돌기가 다공성(多孔性) 여재를 파고들기 때문에 호소의 물이 여과되지 않은 채 집수관으로 흘러들어갈 우려가 없게 된다.

여재를 통과하는 물은 집수관의 집수공(集水孔)을 향하여 흐르기 때문에 집수공에서 먼 곳에는 물이 흐르지 않고 따라서 생물학적 분해 및 여과가 일어나지 않는 데드존이 생긴다. 따라서 집수공은 작은 사이즈로 골고루 분포되어 있는 것이 데드존(dead zone)을 최소화시켜 바람직하나 작은 집수공을 많이 만드는 것은 제작하기도 어렵고 구멍이 작으면 미생물 덩어리 등에 의해 막힐 우려가 있다. 그러나 집수관 둘레에 집수관과 간격을 두고 동심원상으로 격자철망을 설치하여 집수관과 다공성(多孔性) 여재 사이에 빈 공간을 두면 집수공이 크게 만들면서 데드존이 생 기지 않도록 할 수 있다. 이렇게 하면 다공성 여재의 바깥쪽과 안쪽 사이의 압력차가 균일해지기 때문이다.

다공성 여재는 스펀지와 같은 발포체로 제작할 수도 있지만 부직포와 같은 것을 집수관 또는 집수관을 둘러싼 격자철망에 감는 형태로 제작할 수도 있는데 이 경우 부직포가 풀리는 것 등을 방지하기 위하여 지지원반의 외주연부에 2-10개의 지지봉을 설치하면 다공성(多孔性) 여재를 안정감 있게 지지할 수 있다. 또, 지지봉은 2개의 지지원반이 흔들리지 않게 고정하는 역할도 한다.

상기 생물여과장치는 호소 내에 직접 설치하여 별도의 부지를 필요로 하지 않는 것이 가장 큰 특징인데 생물여과장치를 연결하여 호소의 수중에 설치하고, 연결된 집수관을 집수실로 연결하여, 다공성 여재를 통과하며 정화된 물을 집수실로 모아 펌프로 퍼내는 방법에 의하여 호소수질을 개선할 수 있다.

집수실로 모인 물을 호소로 방류하면 본 발명이 목적하는 바 호소수질이 개선되지만 호소에 방류하지 않고 상수원수나 기타 공업용수 또는 농업용수 등으로도 사용할 수 있다.

호소 내에 직접 설치하면 선박운행 등 호소의 다른 이용이 제한되기 때문에 호소 부근에 부지가 있는 경우 저류지를 만들고 거기에 설치해도 된다. 이는 설치장소가 다를 뿐 다른 사항은 호소 내에 설치하는 것과 동일하다.

본 발명에 의하면 첫째, 제작 및 운반이 용이하여 설치해야 할 길이가 길더라도 다른 곳에서 제작하여 현장에서는 연결하기만 하면 된다. 둘째, 지지원판 내 측 면의 동심원상의 철형돌기를 설치하면 호소의 물이 여과되지 않은 채로 집수관으로 흘러들 우려가 없게 되며, 셋째 집수관과 다공성 여재 사이에 공간을 두면 집수공이 크더라도 다공성 여재에 데드존이 없게 되어 처리 효율이 좋다. 넷째, 호소 등에 직접 설치하여 가동함으로써 별도의 부지를 필요로 하지 않고, 호소의 모양이나 조건에 따라 설치길이 및 방식을 조정할 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 사용하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 생물여과장치의 절개사시도인데, 기본적으로 여과수를 모으는 집수관(11)과 미생물이 부착하여 물속의 유기물을 정화하는 다공성 여재(12)와 다공성 여재의 양단을 외부와 차단하는 지지원판(13)으로 이루어진다. 여기에 선택적으로 지지원판에는 철형돌기(14)가, 집수관 주위에는 격자철망(15)이, 그리고 다공성 여재 위에는 지지원반을 연결하는 형태의 지지봉(16)이 추가될 수 있다.

집수관(11)은 다공성 여재의 전체적인 형태를 유지하는 뼈대 역할과 다공성 여재를 통과하며 정화된 물을 다른 유닛(생물여과장치)의 집수관과 연결되어 집수실로 모으는 역할을 하는데 파이프에 구멍을 뚫은 유공관을 사용한다. 집수관의 양단에는 다른 집수관과 연결하는 연결수단 이를테면, 플랜지(17)를 설치한다.

다공성 여재(12)로는 내부 표면적이 넓어 미생물이 부착하여 살 수 있는 재질이면 어느 것이나 사용할 수 있는데 이를테면, 섬유나 스펀지, 활성탄 등을 사용한다. 스펀지를 사용하는 경우, 판형 스펀지를 집수관(11)을 감싸는 형태로 감아도 되고, 원통형의 괴상 스펀지에 구멍을 뚫어 집수관을 삽입하는 형태로 제작해도 된 다. 입상 활성탄을 사용하는 경우에는 섬유로 만든 포켓에 넣어 사용한다.

지지원판(13)은 다공성 여재(12)의 양단을 외부와 차단하는데 다공성 여재와 밀착되지 않으면 호소의 물이 아무런 저항 없이 집수관으로 흘러들기 때문에 다공성 여재를 통해서는 흐르지 않게 된다. 따라서 다공성 여재를 파고들어 물을 완벽하게 차단하도록 하기 위하여 철형돌기(14)를 동심원상으로 1이상 배치할 수 있다.

격자철망(15)은 집수관과 다공성 여재 사이에 공간을 형성하기 위하여 설치하는데 다공성 여재가 집수관에 밀착되면 집수공이 있는 방향으로만 물이 흘러 다공성 여재 내부에 데드존이 생기기 때문이다. 따라서 격자철망으로 집수관과 다공성 여재 사이에 공간을 형성하면 다공성 여재의 외측면과 내측면 사이의 압력차가 균일해져 데드존이 생기지 않게 된다.

지지봉(16)은 2개의 지지원판(13)을 안정감 있게 고정하면서 다공성 여재를 외부의 충격으로부터 보호한다.

호소의 물은 다공성 여재를 통과하면서 여재 내부에 부착하여 서식하는 미생물에 의해 유기물이 분해되는데, 기하학적 특성상 중심부에 가까워질수록 유속이 빨라지므로 일반적인 컬럼(column) 형태의 반응기에서 측정한 데이터를 사용하여 설계할 때는 이를 감안하여 다공성 여재의 직경을 결정해야 한다.

도 2는 상기 도 1의 생물여과장치를 호소에 설치하여 호소수질을 개선하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

각 생물여과장치 유닛의 다공성 여재(12)를 통과하며 정화된 물은 집수 관(11)으로 흘러들고, 다시 연결된 집수관을 통하여 집수실(20)로 모여드는데 이를 펌프(21)로 퍼내 호소로 방류하는 것이다. 이 때 전체적인 물의 흐름은 호소 수면과 집수실 내의 수면의 높이차(수두차) h에 의하여 형성된다. 이는 역으로, 여재 내에서의 물의 유속 (또는 여재 내에서의 체류시간)은 수두 h를 조절함으로써 조절할 수 있음을 의미한다.

집수실(20)은 호소의 바닥에 고정시키거나 떠 있는 형태로 할 수 있는데 호소의 수위가 변하는 것을 감안하면 떠 있는 형태가 바람직하다. 또 호소의 수온은 통상 수면 쪽이 높은데 이를 활용하기 위해서는 유기물 분해반응이 일어나는 다공성 여재가 너무 깊이 잠기는 것은 바람직하지 않기 때문이다.

이를 위해서는, 도 2에서와 같이, 집수실(20)은 외벽에 부력실(22)을 장착하여 일정 깊이 이상으로 잠기지 않도록 하고, 생물여과장치 유닛은 부이(buoy) 등을 사용하여 일정 깊이 이상으로 잠기지 않도록 할 수 있다.

펌프(21)는 집수실 내부의 수중이나 집수실의 상단, 또는 육상에 설치하며, 집수실에서 퍼낸 여과수는 다시 호소로 방류할 수도 있고, 상수원수로 사용할 수도 있다.

<실시예>

본 발명의 장치는 너무 크므로 본 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 짧은 길이(12cm)의 집수관 및 여재를 제작하여 실험하였다.

그리고 다공성 여재를 얼마나 두껍게 해야 하는가를 가늠하기 위해 최종 처 리수의 COD 외에 여재를 통과 중에 있는 물의 시료 채취구를 4 군데 설치하여 여재를 통과하면서 그 진행 거리에 따라 COD가 제거되는 정도를 측정하였다.

A. 실험 장치

실험 장치의 규격은 다음과 같다.

1) 집수관(11)은 외경 10cm, 두께 3mm의 PVC 파이프를 사용하여 제작하였으며, 여재가 둘러싸는 12cm는 폭 1mm, 길이 5mm의 줄눈(slot)을 개공율이 20%가 되도록 형성하였다.

2) 미생물의 담체가 되는 다공성 여재(12)는 조밀도(cell size) 80ppi(pores per inch)의 폴리우레탄 스펀지를 사용하였으며, 그 두께는 55cm, 간극률은 약 80%이다.

3) 다공성 여재의 양단의 지지원판(13)은 아크릴판으로 제작하였으며 여재의 가장자리에서 중심 쪽으로 11cm, 22cm, 33cm, 및 44cm가 되는 지점에 4개의 시료 채취구(31)를 설치하였다.

위와 같이 제작된 여재를 직경 150cm, 깊이 40cm의 수조(30)에 넣고, 실험 장치를 전체적으로 도 3과 같이 구성하였다.

B. 시료

호소수 시료는 경북 경산시에 소재하는 삼천지에서 채취한 호소 침전물 2L를 수돗물 20L에 섞어 격렬하게 교반한 후, 1시간 동안 방치하여 얻은 상등액을 희석하여 만들었다. 시료의 수질은 다음 표 1에 기재하였다.

항목	pH	COD(mg/L)	NO3-N(mg/L)	NH4-N(mg/L)
측정값	7.1 ~ 7.8	5 ~ 10	2.0 ~ 3.4	0.3 ~ 0.6

C. 실험

양수율을 0.8L/min로 운전을 시작하고, 3일마다 여과수의 COD를 측정하여 여재에 생물막이 충분히 형성되어 정상상태(steady state)에 도달했다고 판단된 30일 후, 4개의 시료채취구에서 얻은 시료와 여과수의 COD를 측정하였다.

양수율을 1.6L/min과 2.4L/min로 변경하여 실험을 반복하였다.

D. 실험결과 및 고찰

각 양수율 별로 여과 거리에 따른 여과수의 COD를 도 4에 기재하였다.

시료는 여재를 통과하면서 COD가 감소하는데 양수율이 적을수록 COD 제거율이 증가하였다. 이는 양수율이 적을수록 여재 내 체류시간이 길어지기 때문이다. 또 여과수가 여재의 중심부로 갈수록 여과거리에 따른 처리효율이 감소하는데 이는 기하학적 특성상 중심부로 갈수록 유속이 빨라져서 체류시간이 감소하기 때문이다.

여재에서 미생물의 부피를 무시하면 간극율이 약 80%이므로 양수율이 0.8, 1.6, 및 2.4L/min일 때의 여과수의 여재 내 체류시간은 각각 135, 67, 45분이 되고, 3가지의 체류시간에서 1mg/L의 COD를 제거하는데 필요한 체류시간은 약 36분임을 알 수 있다. 따라서 우리나라 댐의 보편적인 COD 3mg/L를 제거하기 위해서는 여재 내 체류시간을 110분 이상으로 설계할 필요가 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 생물여과장치의 절개사시도이다.

도 2는 본 발명 생물여과장치를 호소에 설치하여 호소수질을 개선하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3은 실시예에서 사용한 실험장치 개요도이다.

도 4는 실시예에서 여과수의 양수율에 따른 여재를 통과 중인 물과 최종 여과수의 COD이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10: 생물여과장치 11: 집수관

12: 다공성 여재 13: 지지원판

14: 철형돌기 15: 격자철망

16: 지지봉 17: 플랜지

20: 집수실 21: 펌프

22: 부력실 30: 수조

31: 시료채취구

Claims (6)

1. 외주면에 복수의 관통구멍이 형성된 집수관과,

   상기 집수관의 양단에 고정된 한 쌍의 플랜지와,

   상기 집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 내부에 미생물이 서식하도록 하여 유기물을 분해시키기 위한 다공성 여재와,

   상기 여재의 양단에 밀착되어 여재의 양단이 외부와 차단되도록 하며, 여재를 고정하기 위한 한 쌍의 지지원판과,

   상기 집수관의 외주면과 다공성 여재 사이에 공간이 형성되도록 상기 집수관의 둘레에 집수관과 일정한 간격을 두고 집수관의 중심선과 동심원상으로 설치된 격자철망과,

   양단이 상기 한 쌍의 지지원반의 외주연부에 고정되도록 설치되어 다공성 여재를 지지하기 위한 복수의 지지봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물여과장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 지지원반은 다공성 여재와 접하는 면에 각각 동심원상의 철형(凸形) 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 생물여과장치.
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