KR101266939B1 - 초기우수배제, 역세척, 폭우 시 월류 기능이 있는 무동력 빗물여과 및 포집장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초기우수배제, 역세척, 폭우 시 월류기능이 있는 무동력 빗물여과 및 포집장치에 관한 것으로 초기우수배제 모듈, 초기우수 저장탱크, 빗물여과기, 빗물 저장탱크로 구성되며, 초기우수배제 모듈은 초기우수 집수용 위어, 스크린, 오염물질 차단용 파이프가 장착되어 초기우수를 효과적으로 배제함은 물론, 구동부품 없이 초기우수 중의 오염물질이 포집대상빗물에 확산되는 것을 방지할 수 있도록 고안되었으며, 빗물여과기는 폭우 시 월류 위어, 침전 공간, 여재층, 역세척수 저장 공간, 역세척밸브로 구성되어 효과적인 여과와 함께 무동력 초고속 하향 역세척이 가능하여 전기 공급이나 구동장치 없이 깨끗한 빗물을 포집할 수 있도록 한 기술이다.

Description

초기우수배제, 역세척, 폭우 시 월류 기능이 있는 무동력 빗물여과 및 포집장치{Rain water filtration and collection equipment with waste of first catchment, backwashing and heavy rain overflow functions without power}

본 발명은 초기우수배제, 역세척, 폭우 시 월류 기능이 있는 무동력 빗물여과 및 포집장치에 관한 것으로 전기 공급이나 구동장치 없이 오염된 초기우수를 배제하고 여과과정을 거침으로써 깨끗한 빗물을 포집하고자 한 기술에 관한 것이다.

초기우수배제 모듈에서는 초기우수를 효과적으로 배제함은 물론, 구동부품 없이 저장된 초기우수 중의 오염물질이 포집대상빗물에 확산되는 것을 방지하는 기능이 있으며, 빗물여과기에서는 침전, 여과 및 역세척이 전기 공급이나 펌프 없이 간편하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.

물 부족 문제의 해결, 강우 시 유출량 저감에 의한 침수피해 방지, 도시 물 순환의 건전성 확보 등 다양한 목적으로 빗물이용의 중요성이 강조되고 있다. 종합운동장, 실내체육관, 공공청사, 아파트, 학교, 공장, 대규모상가와 같이 넓은 지붕면적을 갖는 건축물로부터 단독이나 다가구 주택과 같은 소규모 건축물까지 빗물을 이용할 수 있는 건축물은 다양하다. 또한, 조경용수, 청소용수, 살수용수, 화장실용수, 냉각수, 친수용수, 습지용수, 지하수 충전 등 이용목적에 따라 요구되는 수량과 수질도 다르다.

강우패턴도 시간당 수 mm의 낮은 강우강도로부터 시간당 수십 mm의 폭우까지 넓은 분포를 보이며, 통상 5mm 이상의 강우가 있을 경우 포집하여 이용 가능한 유효강우로 본다. 강우의 시점이 불규칙한 측면을 고려할 때 빗물포집시설은 가급적 관리자의 상시 감시나 펌프, 센서 등 복잡한 장치가 없고 비가 오면 별도의 조작 없이 자연적으로 처리되고 포집되도록 하는 것이 응용성 측면에서 중요하다.

강우 전 지붕면에 쌓인 낙엽, 먼지, 조류의 분변 등 다양한 오염물질이 강우 초기에 씻겨 내려오게 되므로 이러한 초기우수는 깨끗한 빗물과 분리 배출하는 것이 바람직하다. 선행기술에서는 밸브의 조작에 의해 초기우수로 간주되는 일정유량을 수동 또는 유량계나 타이머 등에 의한 전동 수단으로 배출시키거나 초기우수 저장탱크를 구비하여 구동부품에 의해 물리적으로 포집대상빗물과 차단하는 방법이 사용되어 왔다. 수동밸브 조작방식은 관리자가 강우 초기에 밸브조작을 하여야하므로 비현실적이며, 유량계, 센서 등의 장치를 이용할 경우 비용이 높고 고장 등 유지관리의 어려움이 수반되는 단점이 있다.

빗물의 침전, 여과 처리를 위해 중력식 침전지, 사이클론식 침전조, 입자상 여재에 의한 하향중력식 여과, 스테인리스스틸 스크린여과, 마이크로 필터에 의한 여과, 막여과 등 다양한 방법이 사용된다. 처리효율에 있어서는 비교적 크기가 큰 협잡물의 제거로부터 음용 가능한 수준까지 매우 광범위한 처리능력을 가질 수 있으나 구조의 복잡성, 건설비, 유지관리의 불편성 및 비용 등이 제한요소이다.

여과는 여재의 공극 또는 구멍보다 큰 입자상물질이 물리적인 걸림(Mechanical straining) 기작에 의해 제거되거나 여재표면에 부착(Attachment)되어 제거된다. 빗물여과에 많이 사용되는 스크린여과는 입자상물질이 물리적인 걸림 기작에 의해 제거되므로 제거효율은 낮으며, 입상여재를 사용하는 전통적인 중력식 하향 여과는 물리적인 걸림과 부착 기작 모두 작용하게 되어 제거효율은 높으나 역세척 시 빠른 상향류를 얻기 위하여 펌프 등의 역세척수 공급 수단이 필요하고, 역세척수도 여과지 외부에 확보되어야 하는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0990196의 “세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지”는 본원 출원인에 의해 출원, 등록된 것으로 상기 여과지는 여재층, 여재층 하부 공간, 여재층 상부 공간이 형성되어 침전지와 여과지, 역세척수 저류지를 확보함으로써 침전 및 여과를 효율적으로 수행함과 동시에 역세척용 밸브를 장착하여 여재층 상부 공간에 저류된 처리수를 중력에 의한 자연유하방식의 하향류로 여재층을 역세척하는 특징을 갖는 기술로서 빗물처리를 위해 개량, 응용할 경우 매우 효과적인 기술이다.

상기의 선행기술은 전력 공급, 구동부품, 펌프, 센서 등의 부품들로 구성되어 있어 고가의 복잡한 장치들로 구성되어 있으나, 본 발명은 고가의 장치를 사용하지 않고 침전, 여과를 효율적으로 수행하며, 특히, 역세척을 간편하게 한다.

본 발명은 본 발명자의 선행기술인 “세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지”(등록번호 10-0990196)에 초기우수배제 장치와 결합시켜 폭우 시 대응될 수 있도록 구조를 수정 보안 및 개량하여 본 발명을 완성하였다.

선행기술의 단점을 해소하기 위하여 본 발명에서는 초기우수배제 모듈, 초기우수 저장탱크, 빗물여과기, 빗물 저장탱크로 빗물여과 및 포집장치를 구성하고, 초기우수배제 모듈에는 초기우수 집수용 위어, 스크린, 오염물질 차단용 파이프를 장착하여 강우 초기에 지붕으로부터 흘러 내려오는 오염된 빗물을 초기우수 저장탱크로 보내고 포집대상빗물의 오염을 차단한다.

초기우수 저장탱크는 초기우수를 분리, 저장, 배출하고 흐름유지용 소형밸브를 장착하여 오염물질 차단용 파이프 내에서 하향류의 흐름을 유지하도록 하는 기능을 수행하도록 한다.

빗물여과기는 폭우시월류 위어, 침전 공간, 여재층, 역세척수 저장 공간, 역세척밸브로 구성하여 침전 및 여과를 통해 빗물을 처리하고 역세척을 간편하게 할 수 있도록 한다.

전력 공급, 구동부품, 펌프, 센서가 없어 건설비가 저렴하고 고장요인이 없으며 유지관리가 편리한 효과가 있다. 또한, 여재의 종류에 제한을 받지 않고 여과가 자연유하식으로 효율적으로 이루어지며, 외부 역세척수의 공급 없이 자체처리수로 역세척이 이루어지는 효과가 있다.

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도 1은 본 발명의 초기우수배제 모듈, 초기우수 저장탱크, 빗물여과기, 빗물 저장탱크로 구성된 빗물여과 및 포집장치 구조도
도 2는 본 발명의 초기우수 집수용 위어의 구조 및 기능 설명도
도 3은 본 발명의 폭우시월류 위어의 구조 및 기능 설명도
도 4는 본 발명의 초기우수배제 모듈, 초기우수 저장탱크, 빗물 저장탱크로 구성된 빗물포집장치 구조도

본 발명의 실시에 대한 구체적인 내용을 도 1 내지 도 4를 참조하며 상세히 설명한다. 도 1에 예시한 바와 같이 빗물여과 및 포집장치는 초기우수배제 모듈(1), 초기우수 저장탱크(2), 빗물여과기(3), 빗물 저장탱크(4)로 구성된다.

이를 구체적으로 살펴보면, 강우 시 지붕면을 흐르는 높은 위치에너지를 갖는 빗물은 홈통(5)을 통하여 내려오게 된다. 이때, 강우 전 지붕면에 쌓인 낙엽, 먼지, 조류의 분변 등 다양한 오염물질이 강우 초기에 씻겨 내려오게 되므로 이러한 초기우수는 깨끗한 빗물과 분리 배출하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 본 발명은 홈통(5)을 통하여 내려온 초기우수를 초기우수 집수용 위어(7), 스크린(6), 오염물질 차단용 파이프(8)가 설치된 초기우수배제 모듈(1)로 유입시킨다.

즉, 초기우수배제 모듈(1)로 유입된 빗물은 초기우수 집수용 위어(7)의 높이에 막혀 스크린(6)을 통하여 아래쪽의 오염물질 차단용 파이프(8)로 유입되면서 하향류로 흘러 초기우수배제 모듈(1)의 하단에 설치되어 있는 초기우수 저장탱크(2)로 유입된다. 상기의 초기우수 저장탱크(2)의 용량은 지붕 집수면적과 초기우수로 간주되는 수 mm 정도의 강우를 고려하여 결정된다. 초기우수의 유입이 계속되면서 초기우수배제 모듈(1)의 초기우수 집수용 위어(7) 상단 즉, 초기우수 만수위에 도달하면 이후 유입되는 빗물은 초기우수가 배제된 포집대상으로서 초기우수 집수용 위어(7)를 월류하기 시작한다.

상기의 초기우수 저장탱크(2)에는 흐름유지용 소형밸브(9), 초기우수 저장탱크 배수구(10) 및 초기우수 저장탱크 배기구(11)가 장착되고, 흐름유지용 소형밸브(9)는 소량의 물을 계속 배출되게 함으로써 오염물질 차단용 파이프(8) 내에서 하향류의 흐름을 유지하는 기능을 수행한다. 이 경우 밸브는 아주 조금 열어놓아 포집되는 빗물 유량의 극히 일부(1% 이내)만 배출되게 함으로써 손실수량은 최소화하면서 초기우수 중의 오염물질이 상부의 포집대상 월류수로 상향 확산되는 것을 방지한다. 초기우수 저장탱크 배기구(11)는 투명파이프나 호스로 제작하여 초기우수 저장 수위를 확인할 수 있도록 하였다.

초기우수 집수용 위어(7)를 월류한 빗물은 빗물여과기(3)로 유입되며 빗물여과기(3)는 폭우시월류 위어(12), 침전 공간(13), 여재층(14), 역세척수 저장 공간(15), 역세척밸브(16), 빗물여과기 유출구(17)로 구성된다.

상기 빗물여과기(3)로 유입된 빗물은 하부 공간에 위치한 침전 공간(13)에서 크고 무거운 입자상 오염물질이 중력에 의해 침전 제거된 후 여재층으로 유입된다. 상기 하부 공간에 위치한 침전 공간(13)을 거친 빗물이 상향류로 흐르면서 여재층(14)을 통과하고 여과(Filtration)가 이루어져 빗물에 함유된 입자상물질이 추가로 제거된다..

상기의 여재층(14)의 두께는 여재의 종류와 빗물의 용도에 따른 요구 수질에 따라 달라질 수 있으나 하향류식 세척 시 손실수두를 최소화해야 세척유속의 극대화가 가능하므로 1cm ~ 30cm 정도가 적절하다

상기의 여재층(14)을 구성하는 여재의 종류는 제한을 받지 않는다. 모래, 자갈, 안스라사이트, 입상활성탄, 필터스펀지(Filter sponge), 스펀지(Sponge), 인공경량사, 폴리에틸렌 펠렛(PE pellet), 에이비에스 수지 펠렛(ABS pellet), 부직포, 섬유사, 극세사 직물, 폴리에스터솜, 목화솜, 아크릴 섬유, 초극세사 섬유, 다겹방충망과 같은 여재를 하나 또는 둘 이상을 조합하여 쌓아 여재층을 구성할 수 있다

여과가 진행되면서 빗물에 함유된 입자상물질이 여재층(14)의 여재표면과 공극에 억류되고, 여과에 따른 손실수두가 증가하게 된다. 여과속도가 빠를수록 손실수두도 커지게 되며, 강우 특성상 여과속도는 매우 큰 폭으로 변한다. 설계 여과면적에 따라 다르겠으나 강우강도가 작을 경우의 여과속도는 정수장에서의 완속여과보다 약간 빠른 정도가 되어 오염물질 제거율이 높은 반면, 폭우와 같은 높은 강우강도로 비가 내릴 경우 급속여과속도 정도가 되어 오염물질 제거율은 낮아질 수 있다.
또한, 빗물의 여과가 지속되면서 여재층(14)과 침전 공간(13)에 억류되거나 퇴적된 입자상 오염물질을 세척, 배출함으로써 침전과 여과기능이 회복된다. 이를 위해 빗물여과기(3)의 하부 바닥면에 역세척밸브(16)를 설치하고 역세척 필요 시 이 밸브를 개방함으로써 여재층(14) 상부의 역세척수 저장 공간(15)에 저류된 역세척수를 중력에 의한 자연유하방식의 하향류로 여재층(14) 사이를 빠르게 흐르게 하여 즉, 여재 팽창 없는 비팽창 세척방식으로 여재층(14)에 억류된 입자상물질을 세척하여 여재층 하부 공간의 침전 공간(13) 쪽으로 이동시키고, 침전 공간(13)에 쌓인 오염물질과 함께 역세척밸브(16)를 통하여 외부로 배출한다. 실험결과 역세척에 소요되는 시간 즉, 밸브의 개폐시간은 10초 내외면 충분하다. 수동이나 전동(공압)의 역세척밸브(16)를 선택, 장착할 수 있다. 상기의 여과된 빗물은 상향류로 흐르면서 역세척수 저장 공간(15)에서 저류를 거친 후 빗물여과기 유출구(17)를 통하여 빗물 저장탱크(4)로 이동시킨다. 그리고, 폭우시월류 위어(12)를 설치하여 폭우와 같이 매우 높은 강우강도로 비가 내릴 경우, 즉, 여과유량보다 빗물여과기(3)로의 유입량이 클 경우에는 폭우시월류 위어(12)로 월류되어 역세척수 저장 공간(15)의 상부로 우회하도록 한다. 월류 우회되는 빗물의 수질은 폭우 시의 유량과 지붕면의 세척도 등을 고려할 때 비교적 양호하다. 여과된 빗물은 상향류로 흐르면서 역세척수 저장 공간(15)에서 저류를 거친 후 빗물여과기 유출구(17)를 통하여 빗물 저장탱크(4)로 이동한다.

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강우가 종료된 후에는 초기우수 저장탱크(2)에 장착된 초기우수 저장탱크 배수구(10)를 개방하여 초기우수 저장탱크(2)에 저장된 물을 배수시켜 다음 강우에 대비한다. 초기우수 저장탱크(2)의 흐름유지용 소형밸브(9)는 항상 열려있어 소량이 상시 배출되므로 가까운 시일 내에 강우가 없는 경우에는 별도의 배수조작 없이도 초기우수 저장탱크(2)가 비워지게 된다.

도 4에 나타낸 바와 같이 포집된 빗물의 용도에 따라 요구되는 수질도 다를 수 있으므로 여과과정이 불필요한 용도의 경우에는 빗물여과기 없이 초기우수배제 모듈(1), 초기우수 저장탱크(2), 빗물 저장탱크(4)로 빗물 포집장치를 구성할 수도 있다.

1 : 초기우수배제 모듈 2 : 초기우수 저장탱크
3 : 빗물여과기 4 : 빗물 저장탱크
5 : 홈통(지붕) 6 : 스크린(낙엽 등 협잡물 제거용)
7 : 초기 우수집수용 위어 8 : 오염물질 차단용 파이프
9 : 흐름유지용 소형밸브 10 : 초기우수 저장탱크 배수구
11 : 초기우수 저장탱크 배기구(투명파이프 또는 호스, 초기우수 저장 수위 육안 확인용)
12 : 폭우시월류 위어(Weir) 13 : 침전 공간
14 : 여재층 15 : 역세척수 저장 공간
16 : 역세척밸브 17 : 빗물여과기 유출구
18 : 빗물 저장탱크 배출구(빗물사용 장소)
19 : 빗물 저장탱크 월류구

Claims (6)

1. 빗물여과 및 포집장치에 있어서,
   강우 시 지붕면을 흘러 홈통(5)을 통하여 내려온 초기우수는 초기우수 집수용 위어와 스크린 및 오염물질 차단용 파이프로 구성된 초기우수배제 모듈(1)을 통하여 초기 우수 저장탱크로 배수시키고, 초기우수저장탱크가
   만수위 시 초기우수 집수용 위어를 월류한 빗물은 빗물여과기(3)의 하부 공간에 위치한 침전 공간(13)에서 크고 무거운 입자상 오염물질이 중력에 의해 침전 제거되고, 상향류로 여재층(14)을 통과하면서 여과(Filtration)가 이루어져 빗물에 함유된 입자상물질을 추가로 제거한 후 여재층(14) 상부의 역세척수 저장 공간(15)을 거쳐 빗물저장탱크로 이송하는 것을 특징으로 하는 초기우수를 배제한 빗물여과 및 포집장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 초기우수 집수용 위어는 위어 상단 높이가 초기우수 만수위 높이와 같게 됨으로써, 초기우수가 초기우수 저장탱크에 채워지는 동안에는 초기우수 전량을 오염물질 차단용 파이프를 통하여 초기우수 저장탱크로 이송하고, 초기우수 만수위에 도달한 후에는 빗물을 위어 상단으로 월류시키는 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 초기우수를 배제한 빗물여과 및 포집장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기의 빗물여과기(3)에는 폭우 시 월류 위어를 설치하여 폭우 시에 유입되는 빗물이 여재층을 거치지 않고 직접 빗물여과기의 역세척수 저장 공간 상단으로 월류하도록 하는 것을 특징으로 하는 초기우수를 배제한 빗물여과 및 포집장치.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 여재층은 모래, 자갈, 안스라사이트, 입상활성탄, 필터스펀지, 스펀지, 인공경량사, 폴리에틸렌 펠렛, 에이비에스 수지 펠렛, 부직포, 섬유사, 극세사 직물, 폴리에스터솜, 목화솜, 아크릴 섬유, 초극세사 섬유, 다겹방충망과 같은 여재 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구성된 것을 특징으로 하는 초기우수를 배제한 빗물여과 및 포집장치.
6. 삭제

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