KR101270087B1 - 친환경 물 재이용시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 친환경 물 재이용시스템에 관한 것으로서, 우폐수에 함유되어 있는 조대협잡물을 분리하는 조대협잡물분리조와; 상기 조대협잡물분리조로부터 유입된 1차 처리수의 오염물질을 제거하는 자연식생분해조와; 상기 자연식생분해조로부터 유입된 2차 처리수를 저장하는 처리수저장조와; 상기 처리수저장조로부터 유입된 3차 처리수를 여과한 후 세정하여 배출하는 막여과세정조를 포함하며, 상기 조대협잡물분리조는, 서로 다른 공극을 가지며 서로 이웃하게 적층 배치되어 우폐수에 함유된 침전성오염물질을 제거하는 복수개의 거름망과; 상기 거름망의 후단측 상부에 배치되어 부유성오염물질을 수집하는 수집박스와; 우폐수의 유동경로에 수직하게 배치되어, 상기 부유성오염물질이 상기 수집박스 측으로 이동되도록 유도하는 슬러지부상유도판과; 상기 수집박스의 테두리영역에 배치되어 우폐수의 유동방향을 조절하는 월류배플을 포함하며, 상기 자연식생분해조는, 일측에 집수로가 형성된 분해조본체와; 상기 분해조본체의 하부에 구비되며, 100~150㎜의 잡석으로 형성되는 잡석층과; 상기 잡석층의 상부에 적층형성되는 다공성흡착재층과; 상기 다공성흡착재층의 상부에 적층형성되며, 20~40㎜의 잔골재로 형성되는 잔골재층을 포함하며, 상기 처리수저장조는, 상기 자연식생분해조와 이웃하게 배치되어 상기 집수로를 통해 2차 처리수가 유입되는 저장조본체와; 일단부는 상기 저장조본체 내부에 침지되고 타단부는 외부로 노출되어 상기 저장조본체의 2차 처리수를 연속적으로 자연배출시키는 고밀도섬유충진관과; 상기 처리수저장조 내에 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류유기성오염물질을 제거하는 산화전극챔버와; 상기 산화전극챔버와 이웃하게 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류질소를 제거하는 환원전극챔버를 포함하며, 상기 산화전극챔버 및 상기 환원전극챔버에는 5 내지 10mm 입경을 갖는 미세다공성메디아와, 2 내지 5mm 입경을 갖는 그라파이트메디아가 충진되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 친환경 물 재이용시스템에 관한 것으로서, 보다 자세히는 우수, 하폐수를 친환경적으로 처리한 후 물을 재활용할 수 있는 친환경 물 재이용시스템에 관한 것이다.
최근 급속한 기후변화와 생활패턴의 변화로 오염부하발생량이 증가하고 있으며, 그 오염물질도 다양해지고 있다. 더불어 교통량의 증가, 도시지역 토지이용형태, 시가지 청결정도의 변화로 강우시 지표 유출량이 급격히 증가하고 있다.
특히 초기 우수유출수는 상대적으로 고농도의 오염물질을 함유하고 있다. 이러한 초기 우수유출수가 정화되지 않은 미처리된 상태로 하천에 방류됨에 따라 수계오염도를 더욱 높이고 있다. 나아가 우수유출수는 방류하천 부영양화 원인물질 축적을 초래하여 여름철 녹조발생의 원인으로도 작용할 수 있다. 이에 우수의 발생초기단계에서 다양한 형태로 발생되는 비점오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 기술이 요구된다.
또한 최근 강우패턴이 기후변화로 인해 특정 기간에 집중화되고 있어, 이에 따른 침수피해를 방지하기 위한 방안이 시급히 요구되는 실정이며, 가뭄빈발과 수질오염도 증가에 따른 사용가능한 물의 양이 줄어들고 있어 향후 물 부족 문제가 더욱 심화될 것으로 예상되는 상황이나, 이에 대응한 기술은 미미한 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 등록특허 제10-0842880호 "초기우수 처리용 필터카트리지 및 초기우수 처리장치"와, 공개특허 제2009-0033680호 "우수처리시스템 및 우수처리방법" 및 등록특허 제10-1176360호 "친환경 물 재이용 처리시스템"이 개시된 바 있다.
종래 우수처리 및 물재이용장치는 유입되는 원수에 응집제를 투입하여 슬러지를 침전분리시키고, 전처리된 처리수 중 미처리된 유분은 스컴형태로 상부배출시키는 구조를 가진다. 또한, 별도의 세라믹담체층을 구비하여 역세기능을 추가한 방법이 있다. 이러한 종래 기술은 약품투입을 위한 동력 투입이 불가피하고 공정이 복잡하며, 화학약품 주입에 따른 방류수의 2차 오염원으로 작용할 수 있는 문제가 있다.
또 다른 종래 기술로는 미생물에 의한 생물학적 처리방식으로 잔류오염물질을 제거하는 기술이다. 그러나, 이러한 방식은 우리나라와 같이 부하변동이 급격히 변화되고, 비점오염물질 발생원 및 배출특성의 범위가 광범위하고 일시적으로 집중화되는 곳에서는 기대할 만큼의 오염물질처리 효과를 나타내기 위해서 장시간이 소요되므로 현장 적용에 상당한 애로점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 별도의 동력원 없이 우폐수 자체의 질량에너지를 이용하여 수위를 조절하며 처리가 진행될 뿐 아니라, 산화 및 환원전극챔버에서 전자의 전도 범위를 확장하여 챔버내 전체가 전도체로 연결된 구조를 가짐으로써 전자 발생량이 획기적으로 증가되는 친환경 물 재이용시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 친환경적으로 우폐수를 처리하여 자연에 가하는 영향을 최소화하는 친환경 물 재이용시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 처리과정을 통해 처리가 완료된 처리수를 저장하여 재이용할 수 있는 친환경 물 재이용시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명의 목적은 친환경 물 재이용시스템에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 친환경 물 재이용시스템은, 우폐수에 함유되어 있는 조대협잡물을 분리하는 조대협잡물분리조와; 상기 조대협잡물분리조로부터 유입된 1차 처리수의 오염물질을 제거하는 자연식생분해조와; 상기 자연식생분해조로부터 유입된 2차 처리수를 저장하는 처리수저장조와; 상기 처리수저장조로부터 유입된 3차 처리수를 여과한 후 세정하여 배출하는 막여과세정조를 포함하며, 상기 조대협잡물분리조는, 서로 다른 공극을 가지며 서로 이웃하게 적층 배치되어 우폐수에 함유된 침전성오염물질을 제거하는 복수개의 거름망과; 상기 거름망의 후단측 상부에 배치되어 부유성오염물질을 수집하는 수집박스와; 우폐수의 유동경로에 수직하게 배치되어, 상기 부유성오염물질이 상기 수집박스 측으로 이동되도록 유도하는 슬러지부상유도판과; 상기 수집박스의 테두리영역에 배치되어 우폐수의 유동방향을 조절하는 월류배플을 포함하며, 상기 자연식생분해조는, 일측에 집수로가 형성된 분해조본체와; 상기 분해조본체의 하부에 구비되며, 100~150㎜의 잡석으로 형성되는 잡석층과; 상기 잡석층의 상부에 적층형성되는 다공성흡착재층과; 상기 다공성흡착재층의 상부에 적층형성되며, 20~40㎜의 잔골재로 형성되는 잔골재층을 포함하며, 상기 처리수저장조는, 상기 자연식생분해조와 이웃하게 배치되어 상기 집수로를 통해 2차 처리수가 유입되는 저장조본체와; 일단부는 상기 저장조본체 내부에 침지되고 타단부는 외부로 노출되어 상기 저장조본체의 2차 처리수를 연속적으로 자연배출시키는 고밀도섬유충진관과; 상기 처리수저장조 내에 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류유기성오염물질을 제거하는 산화전극챔버와; 상기 산화전극챔버와 이웃하게 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류질소를 제거하는 환원전극챔버를 포함하며, 상기 산화전극챔버 및 상기 환원전극챔버에는 5 내지 10mm 입경을 갖는 미세다공성메디아와, 2 내지 5mm 입경을 갖는 그라파이트메디아가 충진되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성흡착재층은, 수지 50~75중량%, 무기질필러 10~25중량% 및 산화규소화합물 0.1~5중량%, 나노점토 5~10중량%, 전이금속 또는 전이금속 조성물로 이루어진 중합체 0.3~10중량%로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 집수로의 단부에는 상기 집수로에 저장된 2차 처리수의 배수를 조절하는 유출개폐부가 구비되며, 상기 유출개폐부는 내부에 오일이 충진되며, 우폐수의 압력에 의해 체적이 탄성적으로 가변되는 개폐주머니와; 상기 개폐주머니의 내부에 가로방향으로 구비되며, 일단부는 상기 개폐주머니와 고정되고 타단부는 외부로 연장형성되며, 상기 타단부의 판면에는 통수공이 관통형성된 개폐조절봉과; 상기 개폐주머니의 내부에서 상기 개폐조절봉에 회동가능하게 결합되는 회동판과; 상기 개폐주머니의 체적변화에 따라 상기 오일이 유출입되는 오일충진팩을 포함하며, 상기 개폐조절봉은 상기 개폐주머니의 체적변화에 따라 전후로 이동되며, 상기 집수로 벽면의 배출공과 상기 통수공이 동축상에 위치되면 상기 2차 처리수가 배출되고, 상기 배출공과 상기 통수공이 서로 어긋나게 위치되면 상기 2차 처리수의 배출이 차단된다.
일 실시예에 따르면, 상기 막여과세정조는, 우폐수가 유입되는 유입배관과, 처리가 완료된 처리수가 재활용을 위해 배출되는 처리수배관과, 우폐수를 처리하며 발생된 오염물이 배출되는 오염물배관이 각각 형성된 세정조본체와; 상기 세정조본체의 내부에 적층적으로 배치되며, 복수개의 중공사막이 조합되어 형성된 분리막모듈과; 초음파를 발생시켜 우폐수를 세정하는 초음파세정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템은 초기우수를 일시저류 및 침투시켜 유출 가능한 우수를 지연시키거나 감소시킴으로써 강우로 인한 홍수를 예방하는 효과와 초기우수에 다량 포함되어 있는 비점오염물을 물리적, 생물학적 처리과정을 통해 제거함으로써 수계오염부하량을 경감시키는 기능이 있다.
본 발명은, 산화 및 환원전극에서 미세다공성메디아 사이에 그라파이트메디아가 충진되는 구조를 갖기 때문에, 챔버 전체공간에 전도체가 모두 연결되어 전자의 전도가 잘 이루어지고 미세다공성메디아를 통해 유기성오염물질의 흡착이 이루어진다. 또한 종래의 산화전극봉만 있는 구조에서는 산화전극봉에 부착된 미생물에 의해서만 전자가 전도되었으나, 본 발명은 상기 구조로 인해 전자의 전도 범위를 확장하여 챔버내 전체가 전도체로 연결된 구조를 가짐으로써 전자 발생량이 획기적으로 증가되는 효과를 가져온다.
이와 더불어 우폐수를 자연친화적 공정으로 처리하여 그 처리수를 재이용함으로써 수자원확보 및 생태보전 기능을 갖는다.
이는 안정적인 대체 수자원확보 및 고급수질확보를 통한 한정된 수자원의 효율적 이용으로 기후변화에 따른 충격을 최소화 및 국내 독창적 물 재이용 처리기술의 개발에 따른 전 세계적 물관련 시장에서 차별적 경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이고,
도 2는 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 조대협잡물분리조의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 자연식생분해조의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 4a와 도4b는 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 유출개폐부의 구성과 동작과정을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 막여과세정조의 구성을 도시한 단면도와 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 조대협잡물분리조의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 자연식생분해조의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 4a와 도4b는 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 유출개폐부의 구성과 동작과정을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템의 막여과세정조의 구성을 도시한 단면도와 사시도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템(1)의 전체 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템(1)은 우폐수에 함유된 조대협잡물을 분리하는 조대협잡물분리조(100)와, 조대협잡물이 분리된 1차 처리수에 함유된 오염물질을 제거하는 자연식생분해조(200)와, 자연식생분해조(200)로부터 유입된 2차 처리수를 처리하여 저장하는 처리수저장조(300)와, 처리수저장조(300)로부터 유입된 3차 처리수를 여과한 후 세정하여 배출하는 막여과세정조(400)를 포함한다.
이 때, 조대협잡물분리조(100)로 유입되는 유입수는 우수이다. 우수의 유입량이 많을 경우 조대협잡물분리조(100)의 처리능력에 따라 또는 우수의 상태에 따라 도 1에 도시된 우수우회관로를 통해 바이패스시킬 수 있다. 하폐수처리수는 조대협잡물분리조(100)의 후단으로 바로 유입된다. 또한, 처리수저장조(300)와 연결된 비상방류 배관을 설치하여 처리수저장조(300)에서 처리수의 일부를 비상방류할 수도 있다.
도 2는 조대협잡물분리조(100)의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다. 조대협잡물분리조(100)는 우폐수에 포함된 조대협잡물을 분리한다. 조대협잡물분리조(100)는 조대협잡물의 자연식생분해조(200)로의 유입을 차단하고, 다종의 토양미생물과 식생을 통해 용존성유기물질(DOC), 영양염류(N, P 등), 부유물질(SS), 중금속류 등을 자연친화적인 정화방식으로 제거한다.
도시된 바와 같이 본 발명의 조대협잡물분리조(100)는 우폐수가 유동되는 분리조본체(110)와, 분리조본체(110)의 하부에 일정길이 형성되어 침전성 조대협잡물을 분리하는 거름망(120)과, 거름망(120)의 후단 상부에 형성되어 부유성 조대협잡물을 분리하는 부상슬러지수집부(130)와, 부유하는 부상슬러지를 부상슬러지수집부(130)로 유도하는 슬러지부상유도판(140)과, 부상슬러지수집부(130)의 테두리영역에 배치되어 우폐수의 유동방향을 조절하는 월류배플(133)을 포함한다.
분리조본체(110)는 일정 직경을 갖는 관 형태로 형성된다. 분리조본체(110)는 지면(G)의 하부에 매설된다. 거름망(120)은 침전성 조대협잡물을 걸러낼 수 있도록 구비된다. 거름망(120)은 서로 다른 공극을 갖는 거름망(120)이 다단으로 적층 형성된다. 본 발명에 따른 거름망(120)은 제1거름망(121), 제2거름망(123), 제3거름망(125)이 순차적으로 배치된다. 우폐수가 유동되는 방향으로 전방에서부터 공극이 점차 작아지도록 배치된다.
부상슬러지수집부(130)는 거름망(120)의 후단 상부에 배치된다. 부상슬러지수집부(130)는 부상슬러지가 내부에 수용되는 수집박스(131)과, 수집박스(131)의 입구쪽 테두리영역에 배치되는 월류배플(133)을 포함한다. 월류배플(133)은 수집박스(131)로 부상슬러지가 유입되도록 유동방향을 조절한다.
슬러지부상유도판(140)은 우폐수의 유동방향에 수직하게 배치되어 우폐수에 포함된 부상슬러지가 부상슬러지수집부(130)로 이동되도록 유도한다.
여기서, 기존 하폐수종말처리장(미도시)에서 물리화학적 또는 생물학적으로 1차 처리된 하폐수처리수는 조대협잡물분리조(100)를 거치지 않고 직접 자연식생분해조(200)로 유입된다.
자연식생분해조(200)는 조대협잡물분리조(100)에서 조대협잡물이 제거된 1차 처리수의 오염물질을 제거한다. 자연식생분해조(200)는 1차 처리수 중에 함유된 유기물질, 영양염류, 중금속류 및 입자상물질을 처리한다.
도 3은 자연식생분해조(200)와 처리수저장조(300)의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다. 도시된 바와 같이 자연식생분해조(200)는 분해조본체(210)와, 분해조본체(210)의 하부에 구비되는 잡석층(220)과, 잡석층(220)의 상부에 배치되는 다공성흡착재층(230)과, 다공성흡착재층(230)의 상부에 형성되는 잔골재층(240)을 포함한다.
분해조본체(210)의 일측에는 자연식생분해조(200)에서 처리가 완료된 2차 처리수가 배출되는 집수로(211)가 형성된다.
여기서, 잔골재층(240)을 형성하는 잔골재는 20~40㎜ 크기로 구비되는 것이 바람직하며, 잡석층(220)을 형성하는 잡석은 100~150㎜ 크기로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 다공성흡착재층(230)을 형성하는 다공성흡착재는 수지 50~75중량%, 무기질필러 10~25중량%(5~10㎛ 7~30중량%, 3㎛ 이하 3~15중량%) 및 산화규소화합물 0.1~5중량%, 나노점토 5~10중량%, 전이금속인 크롬, 구리, 아연, 망간, 철, 니켈, 구리 및 상기 조성물로 이루어진 중합체 0.3~10중량%로 혼합제조된다. 이 때, 다공성흡착재의 형상은 구형이나 타원형, 혹은 직육면체의 판 형태로 형성된다.
한편, 잔골재층(240)에는 활엽수(250)가 식생된다.
처리수저장조(300)는 자연식생분해조를 통과한 2차 처리수를 집수하여 저장한다. 처리수저장조(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 2차 처리수가 저장되는 저장조본체(310)와, 집수로(211)와 접하는 영역에 형성되어 저장조본체(310)로 유입되는 처리수의 양을 조절하는 월류웨어(320)와, 복수개의 고밀도섬유충진관(330,350)과, 처리수의 오염물질을 추가적으로 제거하는 전극챔버부(340)와, 집수로(211)로부터 저장조본체(310)로의 처리수의 유입을 조절하는 유출개폐부(360)를 포함한다.
저장조본체(310)는 분해조본체(210)와 이웃하게 배치된다. 월류웨어(320)는 집수로(211)와 연결되게 형성된다. 도 2에 도시된 월류웨어(320)는 단면이 사각형 형태로 형성되었으나 경우에 따라 삼각형 형상으로 형성될 수 있다. 월류웨어(320)는 자연식생분해조(200)를 통해 여과되어 배출되는 2차 처리수와 함께 유실되는 미세입자성물질(M)이 하부에 침전분리되도록 한다. 이에 의해 월류웨어(320)의 상부에 위치한 상등수만 저장조본체(310)로 유입되게 된다.
이 때, 집수로(211)의 말단부에는 2차 처리수의 배수를 위한 유출개폐부(360)가 구비된다. 도 4a와 도 4b는 유출개폐부(360)의 구성과 동작과정을 도시한 개략도이다.
도시된 바와 유출개폐부(360)는 내부에 오일이 충진되며 2차 처리수의 압력에 의해 탄성적으로 체적이 가변되는 개폐주머니(361)와, 개폐주머니(361)의 내부에 배치되는 개폐조절봉(363)과, 개폐주머니(361)의 내부에 결합되는 회전판(362)과, 오일이 충진되는 오일충진팩(364)과, 개폐주머니(361)와 오일충진팩(364)을 연결하는 연결관(365)을 포함한다.
여기서, 월류웨어(320)의 일측에는 처리수가 유출되는 유출공(P)이 형성되고, 개폐조절봉(363)의 단부에는 통수공(363a)이 관통형성된다. 개폐조절봉(363)은 일단부가 개폐주머니(361)의 단부에 고정핀(362a)에 의해 고정된다.
개폐주머니(361)는 외부의 압력에 의해 체적이 가변된다. 개폐주머니(361)는 고무, 실리콘과 같은 탄성력을 갖는 재질로 형성된다. 개폐주머니(361)는 처리수의 수위가 높지 않은 경우 내부에 오일이 충진되어 도 4a와 같이 타원형의 형상을 유지한다. 이 때, 개폐조절봉(363)의 통수공(363a)은 유출공(P)과 어긋나게 배치되어 처리수의 배출이 이루어지지 않는다.
반면, 처리수의 수위가 높아져서 개폐주머니(361)의 상하에서 압력이 인가되면, 내부에 결합된 회전판(362)은 상하 압력에 의해 내부에서 회동되고, 이에 의해 내부에 충진된 오일이 연결관(365)을 통해 오일충진팩(364)으로 유입된다. 따라서, 개폐주머니(361)의 형상이 도 4b에 도시된 바와 같이 줄어들게 되고, 개폐조절봉(363)이 상대적으로 후단으로 밀리면서 통수공(363a)과 유출공(P)이 동축상에 위치하게 된다. 따라서, 처리수가 월류웨어(320) 밖으로 배출되어 저장조본체(310)로 유입된다.
여기서, 개폐주머니(361)가 초기상태로 복원되는 과정은 즉시 일어나지 않고 1~2분의 간격을 두고 일어난다. 이를 위해 개폐주머니(361) 내부의 오일은 점성이 높은 것으로 구비되고, 연결관(365)은 직경이 작은 스트롱형태로 형성된다. 충진되는 오일의 밀도는 0.9kg/㎤가 바람직하다.
한편, 처리수저장조(300) 내부에는 복수개의 고밀도섬유충진관(330,350)이 배치된다. 고밀도섬유충진관(330,350)은 일단부는 처리수저장조(300) 내부의 처리수에 침지되도록 배치되고, 타단부는 처리수저장조(300)의 외부로 노출되게 배치된다. 이 때, 외부로 노출된 고밀도섬유충진관(330,350)의 단부 주위에는 점질토사를 포설, 다짐하여 처리수저장조(300) 내부의 저류수가 연속적으로 자연배출되도록 한다. 이에 의해 여름철 건기시에 처리수저장조(300) 내부에 저장된 처리수를 조경용수로 재활용할 수 있다.
전극챔버부(340)는 처리수의 오염물질을 추가적으로 제거한다. 전극챔버부(340)는 그라파이트를 주성분으로 하는 산화전극봉(344)이 구비된 산화전극챔버와 환원전극봉(346)이 구비된 환원전극챔버로 구분된다. 산화전극챔버와 환원전극챔버에는 5 ~ 10mm의 입경을 갖는 미세다공성메디아와, 2 ~ 5mm의 입경을 갖는 그라파이트메디아가 충진되어 있다.
산화전극챔버는 우수 혹은 오수 및 하/폐수처리수중 잔류유기성오염물질을 추가적으로 제거한다. 환원전극챔버는 잔류 질소(NO3 -)를 제거하기 위해 고안된 것으로, 각 챔버내 반응기작은 다음과 같다.
산화전극챔버 및 환원전극챔버는 내부에 산화환원매개체(Redox Mediator)로 양도체인 그라파이트(graphite, 흑연)를 주성분으로 하는 산화전극봉(344)과 환원전극봉(346)이 각각 삽입된다. 전극봉(344,346)의 상하좌우에는 저농도유기성오염물질 부착능이 탁월한 미세다공성메디아(342,347)와 산화환원매개체(Redox Mediator) 혹은 전자운반체(Electron Shuttle)로 그라파이트메디아(343,348)가 충진된다.
여기서, 미세다공성메디아(342,347)와 그라파이트메디아(343,348)의 충진비율은 1:2가 바람직하다. 또한, 미세다공성메디아(342,347) 입경은 5~10㎜가 바람직하며, 그라파이트메디아(343,348)의 입경은 2~5㎜가 바람직하다.
산화 및 환원전극에서 미세다공성메디아가 충진되고, 미세다공성메디아는 그라파이트메디아 보다 상대적으로 입자가 크기 때문에, 미세다공성메디아 사이에 그라파이트메디아가 충진되는 구조를 갖는다. 이는 전도체인 그라파이트메디아를 통해서 전자를 전도하기 위한 것이며, 이를 통해 산화 또는 환원전극봉과 연결된다. 따라서, 챔버 전체공간에 전도체가 모두 연결되어 전자의 전도가 잘 이루어지고 미세다공성메디아를 통해 유기성오염물질의 흡착이 이루어진다. 종래의 산화전극봉만 있는 구조에서는 산화전극봉에 부착된 미생물에 의해서만 전자가 전도되었으나, 본 발명은 상기 구조로 인해 전자의 전도 범위를 확장하여 챔버내 전체가 전도체로 연결된 구조를 가짐으로써 전자 발생량이 획기적으로 증가되는 효과를 가져온다.
산화전극챔버에서 미생물의 유기물산화공정에서 발생하는 수소이온(H+)은 이온교환수지를 통과하여 환원전극챔버로 이동하게 되며, 상술한 공정에서 발생되는 전자(e+)는 산화전극봉(344)에 전도되며 도선을 통해 환원전극챔버로 이동된다. 본 발명에 있어서 암모늄이온(NH4+)의 산화를 목적으로 산소를 공급하는 별도의 환원전극챔버도 선택적으로 적용할 수 있다.
한편, 산화전극챔버와 환원전극챔버 사이에는 이온교환막(345, AMI-7001S, Membranes International Inc., USA)을 구비하여 반응조를 구분하였다. 각 챔버에 장착된 산화전극봉(344)와 환원전극봉(346)은 상호 도선을 연결하여 회로를 구성하였다.
한편, 아래 사진은 본 발명의 전극챔버부(340)에 일반적인 하폐수처리수 수질을 기준으로 시약을 조재하여 주입하여 시간의 경과에 따른 처리결과를 나타낸 실험사진이다. 이때, BOD는 10/l, T-N은 15/l을 선정 하였다.
상기 사진은 산화전극봉(344)과 환원전극봉(346)을 주자전자현미경(scanning electron microscope, SEM)(Hitachi, Japan)으로 분석한 것으로, 왼쪽에서부터 실험초기단계, 20일 경과후, 30일 경과후를 보여준다. 본 실험에서 종간전자이동 수단인 단량체 단백질 또는 산화환원 반응을 촉매하는 효소복합체인 나노와이어는 발견되지 않았으나 높은 결합력으로 방출전자의 이동이 원활히 이루어졌으며, 그 결과는 다음과 같다.
상기 분석에서 도출할 수 있는 사실은, 처리대상수의 유기물부하가 극히 낮은 원인으로 미생물의 활성도가 다소 낮게 유지되어 결과적으로 산화환원 전위차가 크지 않았음을 보여준다. 본 분석을 통해 본 발명의 전극챔버부(340)가 낮은 부하조건에서도 부착성전자발현미생물에 의해 유기물 및 질소를 제거하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 전극챔버부(340)의 잔류유기물 및 질소제거과정에서 전력생산이 가능함을 확인할수 있다.
도 5와 도 6은 본 발명에 따른 막여과세정조(400)의 구성을 도시한 단면도와 사시도이다. 막여과세정조(400)는 처리수저장조(300)로부터 유입된 3차 처리수를 최종적으로 여과하고 세정하여 재활용할 수 있도록 외부로 배출한다.
막여과세정조(400)는 막여과세정과정이 진행되는 세정조본체(410)와, 세정조본체(410) 내부에 배치된 분리막모듈(420)과, 세정조본체(410)의 상하에 배치되어 초음파를 발생시켜 처리수를 세정하는 초음파세정부(430)를 포함한다.
세정조본체(410)는 처리수저장조(300)와 유입배관(411)에 의해 연결된다. 처리수저장조(300)에 저장된 처리수는 공급펌프(440)에 의해 세정조본체(410) 내부로 유입된다. 유입배관(411)과 대향되는 방향으로 처리수배관(413)과 오염물배관(415)이 각각 구비된다. 처리수배관(413)은 세정조본체(410) 내부에서 처리가 완료된 처리수를 재활용을 위해 외부로 배출시킨다. 오염물배관(415)은 세정조본체(410)에서 처리수의 처리 후에 발생된 오염물을 외부로 배출시킨다.
처리수배관(413)의 관로상에는 유량계(417)와 입도분석기(419)가 각각 배치된다. 유량계(417)는 현재 배출되는 처리수의 유량을 관측한다. 입도분석기(419)는 현재 처리수의 상태를 분석한다. 제어부(미도시)는 유량과 처리수의 상태를 모니터링하여 막 투과속도를 제어한다.
분리막모듈(420)은 세정조본체(410) 내부로 유입된 처리수의 미세오염물질을 정화한다. 분리막모듈(420)은 중공사막 방식으로 처리수를 정화한다. 처리수는 분리막모듈(420) 내부로 분산되어 유입되고 복수개의 분리막 사이를 유동하며 미세오염물질이 분리된다. 이 때, 분리막모듈(420)은 처리수의 재이용 용도에 따라 RO, MF, Sand Filter를 조합 또는 선택적으로 적용할 수 있다.
초음파세정부(430)는 초음파를 발생시켜 처리수를 정화한다. 초음파세정부(430)는 분리막모듈(420)의 상부와 하부에 각각 구비된다. 초음파세정부(430)는 초음파진동판(431)과, 초음파진동판(431)의 판면에 결합되어 초음파를 발생시키는 초음파소자(433)를 포함한다. 초음파소자(433)는 서로 다른 초음파를 생성하는 동시다중파조사로 구비된다. 초음파소자(433)는 두 개의 BLT구조를 가지며, 여러대역의 다양한 주파수를 생성하여 높은 세정효율을 구현한다.
이 때, 주파수는 케비테이션(Cavitation) 강도가 강한 20kHz ~ 500kHz 내외 또는 침투력이 강하여 초정밀세정이 가능한 1.0MHz 이상의 초고주파를 병행하는 것이 바람직하다.
여기서, 수온상승은 케비테이션(Cavitation) 강도를 감소시키는 인자로 작용한다. 이에 본 발명에 의한 막여과세정조(400)는 공급펌프(440) 또는 자연유입으로 처리수를 연속으로 세정조본체(410)로 주입하여 분리막모듈(420) 내부 수온상승을 방지한다. 따라서, 막여과세정조(400)는 열에 의한 케비테이션(Cavitation) 강도의 감소를 최소화한 상태로 운영될 수 있다.
한편, 초음파는 매질에 의해 굴절 및 변형이 발생하므로 초음파세정부(430)는 여러 겹의 중공사막으로 구성된 분리막모듈(420) 상하단에 각각 설치된다. 이에 의해분리막모듈(420) 전면이 초음파에너지 영향권에 있도록 한다. 이때 초음파진동판(431)과 분리막모듈(420)은 근거리로 배치하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템(1)의 우폐수처리과정을 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.
초기 우수와 폐수는 조대협잡물분리조(100)로 유입된다. 조대협잡물분리조(100)는 다단형태의 거름망(121,123,125)이 배치되어 우폐수에 함유된 침전성 조대협잡물을 분리한다. 이 때, 거름망(121,123,125)은 서로 다른 공극을 갖도록 배치되어 효과적으로 조대협잡물을 걸러내게 된다.
거름망(121,123,125)의 후단 상부에는 부상슬러지수집부(130)가 구비되어 우폐수에 혼합된 부유성 조대협잡물을 제거한다.
조대협잡물분리조(100)를 경유하며 1차 처리가 완료된 처리수는 자연식생분해조(200)로 유입된다. 1차 처리수는 잔골재층(240), 다공성흡착재층(230), 잡석층(220)을 순차적으로 경유하며 오염물질이 흡착분해되며 제거된다.
조대협잡물분리조(100)에서 2차 처리가 완료된 처리수는 집수로(211)를 통해 배출되고 월류웨어(320) 내부에 저장된다. 월류웨어(320) 내부에서 수위가 상승되며 처리수에 포함된 미세입자성물질(M)이 하부에 침전분리되고, 상등수만 처리수저장조(300)로 유입된다.
이 때, 집수로(211)의 단부에는 유출개폐부(360)가 처리수의 압력에 의해 동작된다. 유출개폐부(360)의 동작에 의해 처리수가 처리수저장조(300)로 유입된다. 처리수저장조(300)로 유입된 처리수는 내부에 저장되고, 전극챔버부(340)에 의해 잔류유기성오염물질과 잔류 질소가 제거된다.
이렇게 3차 처리가 완료된 처리수는 유입배관(411)을 통해 막여과세정조(400)로 이동된다. 처리수는 분리막모듈(420)을 거치며 미세오염물질이 제거된다. 또한, 초음파세정부(430)에서 발생된 초음파에 의해 여과된다. 이렇게 4차 처리가 완료된 처리수는 처리수배관(413)을 통해 외부로 배출되어 재활용되게 된다.
한편, 처리도중 발생된 오염물질을 포함한 배출수는 오염물배관(415)을 통해 외부로 배출된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템은 별도의 동력 없이 우폐수의 질량에너지를 이용하여 조대협잡물분리조, 자연식생분해조, 처리수저장조 및 막여과세정조를 거치며 처리가 진행되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 물 재이용시스템은 화학적 약품처리 없이 자연친화적인 방식으로 우폐수를 처리하게 된다.
또한, 막여과세정조를 거치며 최종 처리가 완료된 처리수는 외부로 배출되어 재활용되므로 물 부족 문제를 해결할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 친환경 물 재이용시스템의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1 : 친환경 물 재이용시스템 100 : 조대협잡물분리조
110 : 분리조본체 120 : 거름망
121 : 제1거름방 123 : 제2거름망
125 : 제3거름망 130 : 부상슬러지수집부
131 : 수집박스 133 : 월류배플
140 : 슬러지부상유도판 200 : 자연식생분해조
210 : 분해조본체 211 : 집수로
220 : 잡석층 230 : 다공성흡착제층
240 : 잔골재층 250 : 활엽수
300 : 처리수저장조 310 : 저장조본체
320 : 월류웨어 330 : 제1고밀도섬유충진관
340 : 전극챔버부 341 : 챔버본체
342 : 미세다공성메디아 343 : 그라파이트메디아
344 : 산화전극봉 345 : 이온교환막
346 : 환원전극봉 347 : 미세다공성메디아
348 : 그라파이트메디아 350 : 제2고밀도섬유충진관
360 : 유출개폐부 361 : 개폐주머니
362 : 회전판 363 : 개폐조절봉
363a : 통수공 364 : 오일충진팩
365 : 연결관 400 : 막여과세정조
410 : 세정조본체 411 : 유입배관
413 : 처리수배관 415 : 오염물배관
417 : 유량계 419 : 입도분석기
420 : 분리막모듈 430 : 초음파세정부
431 : 초음파진동판 433 : 초음파소자
440 : 공급펌프 441 : 압력계
470 : 표시부 480 : 배출밸브
110 : 분리조본체 120 : 거름망
121 : 제1거름방 123 : 제2거름망
125 : 제3거름망 130 : 부상슬러지수집부
131 : 수집박스 133 : 월류배플
140 : 슬러지부상유도판 200 : 자연식생분해조
210 : 분해조본체 211 : 집수로
220 : 잡석층 230 : 다공성흡착제층
240 : 잔골재층 250 : 활엽수
300 : 처리수저장조 310 : 저장조본체
320 : 월류웨어 330 : 제1고밀도섬유충진관
340 : 전극챔버부 341 : 챔버본체
342 : 미세다공성메디아 343 : 그라파이트메디아
344 : 산화전극봉 345 : 이온교환막
346 : 환원전극봉 347 : 미세다공성메디아
348 : 그라파이트메디아 350 : 제2고밀도섬유충진관
360 : 유출개폐부 361 : 개폐주머니
362 : 회전판 363 : 개폐조절봉
363a : 통수공 364 : 오일충진팩
365 : 연결관 400 : 막여과세정조
410 : 세정조본체 411 : 유입배관
413 : 처리수배관 415 : 오염물배관
417 : 유량계 419 : 입도분석기
420 : 분리막모듈 430 : 초음파세정부
431 : 초음파진동판 433 : 초음파소자
440 : 공급펌프 441 : 압력계
470 : 표시부 480 : 배출밸브
Claims (4)
- 친환경 물 재이용시스템에 있어서,
우폐수에 함유되어 있는 조대협잡물을 분리하는 조대협잡물분리조와;
상기 조대협잡물분리조로부터 유입된 1차 처리수의 오염물질을 제거하는 자연식생분해조와;
상기 자연식생분해조로부터 유입된 2차 처리수를 저장하는 처리수저장조와;
상기 처리수저장조로부터 유입된 3차 처리수를 여과한 후 세정하여 배출하는 막여과세정조를 포함하며,
상기 조대협잡물분리조는, 서로 다른 공극을 가지며 서로 이웃하게 적층 배치되어 우폐수에 함유된 침전성오염물질을 제거하는 복수개의 거름망과; 상기 거름망의 후단측 상부에 배치되어 부유성오염물질을 수집하는 수집박스와; 우폐수의 유동경로에 수직하게 배치되어, 상기 부유성오염물질이 상기 수집박스 측으로 이동되도록 유도하는 슬러지부상유도판과; 상기 수집박스의 테두리영역에 배치되어 우폐수의 유동방향을 조절하는 월류배플을 포함하며,
상기 자연식생분해조는, 일측에 집수로가 형성된 분해조본체와; 상기 분해조본체의 하부에 구비되며, 100~150㎜의 잡석으로 형성되는 잡석층과; 상기 잡석층의 상부에 적층형성되는 다공성흡착재층과; 상기 다공성흡착재층의 상부에 적층형성되며, 20~40㎜의 잔골재로 형성되는 잔골재층을 포함하며,
상기 처리수저장조는, 상기 자연식생분해조와 이웃하게 배치되어 상기 집수로를 통해 2차 처리수가 유입되는 저장조본체와; 일단부는 상기 저장조본체 내부에 침지되고 타단부는 외부로 노출되어 상기 저장조본체의 2차 처리수를 연속적으로 자연배출시키는 고밀도섬유충진관과; 상기 처리수저장조 내에 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류유기성오염물질을 제거하는 산화전극챔버와; 상기 산화전극챔버와 이웃하게 배치되어 2차 처리수에 함유된 잔류질소를 제거하는 환원전극챔버를 포함하며,
상기 산화전극챔버 및 상기 환원전극챔버에는 5 내지 10mm 입경을 갖는 미세다공성메디아와, 2 내지 5mm 입경을 갖는 그라파이트메디아가 충진되는 것을 특징으로 하는 친환경 물 재이용시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 다공성흡착재층은,
수지 50~75중량%, 무기질필러 10~25중량% 및 산화규소화합물 0.1~5중량%, 나노점토 5~10중량%, 전이금속 또는 전이금속 조성물로 이루어진 중합체 0.3~10중량%로 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 물 재이용시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 집수로의 단부에는 상기 집수로에 저장된 2차 처리수의 배수를 조절하는 유출개폐부가 구비되며,
상기 유출개폐부는 내부에 오일이 충진되며, 우폐수의 압력에 의해 체적이 탄성적으로 가변되는 개폐주머니와;
상기 개폐주머니의 내부에 가로방향으로 구비되며, 일단부는 상기 개폐주머니와 고정되고 타단부는 외부로 연장형성되며, 상기 타단부의 판면에는 통수공이 관통형성된 개폐조절봉과;
상기 개폐주머니의 내부에서 상기 개폐조절봉에 회동가능하게 결합되는 회동판과;
상기 개폐주머니의 체적변화에 따라 상기 오일이 유출입되는 오일충진팩을 포함하며,
상기 개폐조절봉은 상기 개폐주머니의 체적변화에 따라 전후로 이동되며, 상기 집수로 벽면의 배출공과 상기 통수공이 동축상에 위치되면 상기 2차 처리수가 배출되고, 상기 배출공과 상기 통수공이 서로 어긋나게 위치되면 상기 2차 처리수의 배출이 차단되는 것을 특징으로 하는 친환경 물 재이용시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 막여과세정조는,
우폐수가 유입되는 유입배관과, 처리가 완료된 처리수가 재활용을 위해 배출되는 처리수배관과, 우폐수를 처리하며 발생된 오염물이 배출되는 오염물배관이 각각 형성된 세정조본체와;
상기 세정조본체의 내부에 적층적으로 배치되며, 복수개의 중공사막이 조합되어 형성된 분리막모듈과;
초음파를 발생시켜 우폐수를 세정하는 초음파세정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 물 재이용시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020130014159A KR101270087B1 (ko) | 2013-02-07 | 2013-02-07 | 친환경 물 재이용시스템 |
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|---|---|
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| KR1020130014159A KR101270087B1 (ko) | 2013-02-07 | 2013-02-07 | 친환경 물 재이용시스템 |
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| KR (1) | KR101270087B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2013
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