KR101444264B1 - 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 현장의 각종 오폐수폐기물을 슬러지와 폐수로 분리시켜 폐수를 열원으로 함에 있어 지하수와 폐수의 온도 교환이 가능하게 하여 열원인 폐수의 항온성을 유지시키고, 폐수에서 얻는 열에너지로 슬러지를 건조시켜 고형 연료화 하고, 정화식물 온실 하우스 및 작업장 등에 난방공급이 가능하게 하는 한편, 열원으로 쓰인 폐수는 정화식물 재배를 거쳐 정화된 물로 재활용 하게 되는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템에 관한 것으로,
오폐수폐기물을 투입시켜 폐수와 슬러지로 분리 배출되게 하는 탈수장치(10)와, 탈수장치에서 배출되는 폐수가 저장되는 폐수조(21)와, 지하수가 저장되어 폐수조(21)와 열교환이 이루어지도록 마련된 지하수조(23)를 포함하는 하나 이상의 항온열원조(20)와, 탈수장치(10)에서 배출되는 슬러지를 건조시키게 되는 건조장치(30)와, 항온열원조(20)와 열교환이 이루어져 건조장치(30)에 열을 공급하게 되는 히트펌프(40)와, 건조장치(30)에서 배출되는 수증기를 폐수조(21)에 전달하여 공급하는 수증기주입부(52)와, 폐수조(21)에서 배출되는 폐수와 히트펌프(40)에서 발생되는 열을 이용하여 정화식물의 재배가 이루어지는 정화식물 온실하우스(60)를 포함하는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템을 제공하고자 한다.

Description

항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템{Waste Water recycling system using constant temperature heat source tank}

본 발명은 오폐수폐기물 처리에 관한 것으로, 특히 오폐수폐기물의 정화과정에서 폐수를 열원으로 활용하면서 지하수에 의하여 열원의 항온성이 유지될 수 있는 항온열원조를 갖는 오폐수폐기물 재활용 시스템에 관한 것이다.

최근, 화석연료의 고갈과 지구 온난화 문제등에 대처하기 위하여 친환경 에너지원을 전력 생산 등에 응용하려는 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 친환경 에너지원 중에서도 저등급 에너지원은 풍부한 개발 가능 자원에 비하여 관심과 기술의 부족으로 아직 많이 이용되지 못하고 있는 실정이다. 특히, 산업체에서 발생되는 에너지의 50% 이상으로 추산되는 저등급 에너지원은 재활용 되지 않고 버려지고 있으며, 이는 열공해에 의한 환경문제도 일으키고 있다.

이와 같은 세계적인 위기 속에 유럽과 미국, 일본 등의 선진국은 지속가능한 국가발전의 원동력을 에너지로 규정하고 지속가능하면서 경쟁력 있는 에너지 확보를 목표로 기후변화협약과 연계한 신재생에너지 정책을 강력하게 추진하고 있다. 우리나라 역시 에너지부족과 환경파괴의 위기상황을 극복하고 세계적으로 추진되고 있는 기후변화협약 및 런던협약 등에 대처하기 위한 주요 방안으로서 폐기물을 이용한 재생에너지의 개발 및 실용화에 박차를 가하고 있다. 폐기물을 이용한 에너지의 확보방안으로는 슬러지와 축분, 음식물류 폐기물 등 유기성 폐기물의 바이오가스화 그리고 바이오매스와 슬러지, 생활폐기물 등의 고형연료화 등이 있다.

하지만, 이러한 폐기물을 이용하는 재생에너지 개발 설비 구축에는 현재까지는 많은 비용이 소요되어 소기업들이 쉽게 접근하기는 힘든 영역인 것이 실정이다. 소기업들은 비자동화 및 안전설비 미비로 인한 열악한 근무환경으로 인하여 오히려 인건비상승이 불가피하다. 또한 해양투기금지 등 환경관련 정책 변화에 따른 오폐수폐기물 처리비용 상승이 예상되어 제조원가는 상승될 수밖에 없게 되며 이러한 제조원가의 상승은 경쟁력 감소요인이 되어 투자여력이 부족한 소기업이 재생에너지 사업에 접근하기에는 힘든 실정이다. 따라서, 전지구적인 위기에 발맞춰 소기업들도 친환경적인 에너지 생산, 오폐수폐기물 처리에 관여하려면 소기업들도 충분히 감당할 수 있는 비용 범위내의 모델들이 제시될 필요가 있게 된다.

친환경 에너지 개발 사례들을 보면 아직까지는 많은 비용이 소요되는 것을 볼 수 있다. 예를 들어 오폐수폐기물을 이용하는 방식은 아니지만, 공개특허공보 제10-2011-0109352호 ‘지열을 이용한 히트펌프 시스템식 냉난방 및 온수 공급장치’에서 볼 수 있듯이 지열을 이용하는 난방시스템의 경우 친환경 에너지 개발이란 점에서는 장점이 있으나 지열을 이용하기 위해서는 깊이 100M당 온도가 섭씨 2내지 3도로 상승하는 지하 온도분포를 고려할 때 지하로 최소 80M에서 200M 이상의 깊이로 공사를 해야 하는 점에서 많은 비용이 소모되게 된다.

오염원을 종합적으로 이용하고자 하는 종래기술을 구체적으로 살펴보면, 도1에 도시되어 있는 등록특허공보 제10-0887280호(등록일자 : 2009년 02월 27일)의 ‘히트펌프를 이용한 고농도폐수처리장의 폐열 재이용장치’가 있다.

상기 종래기술은 고농도 폐수처리장, 축산폐수 처리장, 분뇨 처리장과 같이 유기물 농도가 높은 처리장에서, 히트 펌프를 이용하여 처리장에서 발생하는 폐열을 유용하게 이용하기 위한 폐열 재이용장치에 관한 것이다. 이를 위하여 CO2(탄산가스)를 냉매로 하고 흡열부(1-4), 방열부(1-2), 압축기(1-1), 팽창밸브(1-3)로 히트펌프(1)를 구성하고, 흡열부(1-4)에는 폐수처리장용 송풍기(3)의 토출공기를 통하게 하여 토출 공기로부터 열을 흡수하고, 방열부(1-2)에 물을 순환시키면서 고온으로 압축된 냉매의 열로 물을 가열하여 온수를 생산하게 된다.

이렇게 탄산가스를 냉매로 하는 히트펌프를 이용하여 송풍기의 폐열을 회수하여 얻은 온수를 급탕(14), 슬러지 건조(19), 난방(15), 지렁이 사육(16) 등의 열에너지로 이용하고, 히트펌프의 특성상 적은 에너지 투입으로 약 3∼5배의 열에너지를 회수하여 유용하게 사용할 수 있고 송풍기 토출 공기의 온도를 낮춤으로써 미생물 반응조의 과열을 방지하여 생물학적 처리가 안정되는 장점이 있다.

다만, 상기 종래기술은 열원을 오로지 폐수처리장용 송풍기의 토출공기 폐열에만 의존하며 그것도 직접적으로 폐수 자체의 열원을 활용하는 것이 아니라 간접적으로 폐수처리과정에서 발생되는 열풍에만 의존하게 되어 열원의 용량에 현저한 한계가 있게 되는 점과, 열원에서 생산되는 열로 폐수 내의 슬러지를 처리할 수 있는 수단이 부재하며, 폐수 자체를 정화시킬 수 있는 수단이 부재하여 폐수를 종합적으로 처리할 수 있는 시스템으로서는 한계가 있게 된다.

이처럼, 아직은 폐수를 열원으로 활용하여 슬러지를 건조시켜 고형연료화 시키고 열원으로 사용된 폐수를 정화식물 재배과정을 통해 폐수 자체가 정화되게 하는 수단들이 유기적으로 결합되어 오폐수폐기물인 폐수와 슬러지, 열에너지를 재활용하는 오폐수폐기물 재활용 시스템은 부재한 상황이다.

공개특허공보 제10-2011-0109352호(공개일자: 2011년 10월 6일)

등록특허공보 제10-0887280호(등록일자 : 2009년 02월 27일)

이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 각종 산업현장, 농공단지, 주택지역의 오폐수를 지하수와 열교환이 가능하게 하여 효과적인 열원으로 활용하여 재배현장이나 작업장등에 필요한 열원을 공급하는 한편 상기 열원으로 오폐수폐기물에서 발생되는 슬러지를 고형연료화 하며 오폐수폐기물에서 분리되는 폐수는 열원으로 쓰인 후에 클로렐라 등의 정화식물 재배에 활용되어 최종적으로 정화시켜 방류 할 수 있는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템은, 각종 현장의 오폐수폐기물이 투입되어 폐수와 슬러지로 분리 배출하는 탈수장치와, 상기 탈수장치에서 배출되는 폐수가 저장되는 폐수조와, 지하수가 저장되어 상기 폐수조와 열교환이 이루어지도록 마련된 지하수조를 포함하는 하나 이상의 항온열원조와, 상기 탈수장치에서 배출되는 슬러지를 건조시키게 되는 건조장치와, 상기 항온열원조와 열교환이 이루어져 상기 건조장치에 건조열을 공급하게 되는 히트펌프와, 상기 건조장치에서 배출되는 수증기를 상기 폐수조에 전달하여 공급하는 수증기주입부와, 상기 폐수조에서 배출되는 폐수와 상기 히트펌프에서 발생되는 열을 이용하여 정화식물의 재배가 이루어지는 정화식물 온실하우스를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 수증기주입부는 상기 건조장치에서 뜨거운 수증기를 포집하는 포집기와, 포집기에서 상기 폐수조 내부까지 연장되는 수증기관과, 수증기관 끝단의 수증기주입구를 포함하여 이루어지며, 수증기주입구는 상기 폐수조 내부에서, 폐수조와 상기 지하수조 사이의 열교환이 일어나는 열교환면에 밀착되게 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히트펌프는 상기 항온열원조에서 열에너지를 얻는 증발기를 포함하며, 증발기는 지하수조 내부에서 상기 열교환면을 사이에 두고 상기 수증기주입구에 밀착되게 배치되게 된다.

특히 바람직하게는 상기 열교환면은 지하수조 측과 폐수조 측으로 번갈아 돌출되는 요철면을 가지되, 상기 증발기는 폐수조 내부로 돌출되는 부위에 삽입되며, 상기 수증기주입구는 지하수조 내부로 돌출되는 부위에 삽입되게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 건조장치는 길이방향으로 길게 경사지며 연장되는 하나 이상의 슬러지 이송수단과, 슬러지 이송수단의 구동모터 및 슬러지 이송수단을 진동시키는 진동모터와, 슬러지 이송수단의 하부 끝단에서 건조된 슬러지를 받아 슬러지를 건조장치 밖으로 배출시키는 스크류 및 스크류 구동모터와, 상기 히트펌프에서 전달받은 열로 슬러지 이동구간 전체에 걸쳐 열풍을 발생시키는 열풍발생기를 포함하여 이루어지며, 상기 하나 이상의 슬러지 이송수단은 상부에서 하부로 서로 경사가 엇갈리게 배치되고, 상부의 슬러지 이송수단의 하부 끝단은 하부 슬러지 이송수단의 상부 끝단에 이격을 두고 배치되어 슬러지가 지그재그 경로로 상부에서 하부로 이송되게 된다.

한편, 상기 항온열원조는 항온열원조 내의 각 지하수조에 설치되는 온도 계측기와, 지하수원에서 지하수를 각 지하수조로 공급시키는 공급펌프와, 상기 온도 계측기 및 공급펌프를 서로 연동시키는 제어기를 더 포함하며, 상기 온도 계측기의 계측 수치가 미리 세팅된 시기별 지하수 온도에 미달 될 경우 상기 공급펌프가 자동으로 일정시간 가동될 수 있게 된다.

본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템에는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 폐수가 히트펌프의 열원으로 이용가능하게 되고, 폐수가 지하수와 지속적으로 온도교환이 가능하도록 되어 열원인 폐수의 항온성이 최대한으로 유지될 수 있어 폐수에서 다량의 열에너지를 확보하여 재활용 할 수 있게 된다.

둘째, 폐수가 열원으로 이용가능하게 됨으로써 지열이 열원으로 이용되는 경우에 비하여 지하 공사비용이 필요 없게 되어 설비비가 대폭 절감될 수 있는 한편 지열의 영향을 지속적으로 받으면서 풍부한 수원을 가진 지하수가 열원으로 이용됨으로써 지열도 동시에 이용할 수 있는 효과를 가지면서도 토양 대비 열용량이 세배 가량 큰 물이 열원인 점에서 지열 이용 방식보다 에너지 이용 효율이 더욱 높아진다.

셋째, 오폐수폐기물에서 분리시킨 슬러지를 건조시켜 고형연료화 하여 버려질 수 있는 슬러지가 에너지원으로 재사용될 수 있어 환경개선, 에너지원 확보가 가능하며, 슬러지의 건조에 필요한 열을 폐수에서 얻게 함으로써 건조를 위한 별도의 연료 소모가 필요 없게 된다.

넷째, 오폐수폐기물에서 분리된 폐수는 열원으로 활용되는 한편, 열원의 기능을 다한 폐수는 클로렐라 등의 정화식물 재배에 쓰일 수 있으며, 재배 과정에서 폐수는 정화되게 되어 별도의 정화시설이 필요 없고 동시에 정화식물의 재배에 별도의 용수를 끌어들일 필요도 없게 되어 식수 절약 및 환경보존이 동시에 달성될 수 있다.

다섯째, 오폐수폐기물에서 분리된 슬러지의 건조과정에서 배출되는 수증기를 단순히 배출시키지 않고 다시 폐수로 주입시켜서 버려질 수 있는 열에너지를 다시 열원으로 재활용 시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 히트펌프를 이용한 고농도폐수처리장의 폐열 재이용장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템에서 항온열원조의 열교환면의 바람직한 실시예를 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템에서 건조장치를 나타내는 구성도,

본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템은 환경오염원인 산업체, 농가, 주거밀집지역에서 배출되는 오폐수폐기물 등의 오염원을 정화시키는 과정에서 오염원의 고형분인 슬러지는 건조 및 연료화 시키는 한편, 액체인 폐수는 고형분 건조과정에서의 열원으로 사용되게 하면서 클로렐라 등의 정화식물 재배에 이용되게 함으로써 폐수는 정화식물 재배 과정에서 정화될 수 있고, 정화식물의 재배로 바이오 디젤 연료의 생산도 가능해지며, 역시 폐수를 열원으로 하여 얻게 되는 열에너지의 나머지는 작업장, 주거공간, 작물재배하우스 등의 다양한 공간에 공급할 수 있게 하여 하나의 설비로 여러 가지 수입원이 창출됨과 아울러 환경오염 방지와 친환경 에너지의 개발에도 도움이 될 수 있는, 오폐수폐기물의 종합적인 재활용 시스템을 그 내용으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명에 의한 항온열원조(20)를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템의 기본 실시예의 전체 구성을 나타내는 구성도가 도시되어 있다. 먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 전체 구성을 간략히 설명하고, 각 세부 구성을 상세히 살펴본 다음, 나머지 도면을 참조하여 시스템의 작동을 설명하면서 각 구성간의 유기적인 결합관계를 상세하게 살펴보기로 한다.

도 2에 나타난 본 발명에 의한 항온열원조(20)를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템은 각종 현장의 오폐수폐기물을 투입시켜 폐수와 슬러지로 분리 배출되게 하는 탈수장치(10)와, 탈수장치(10)에서 배출되는 폐수가 저장되는 폐수조(21)와, 지하수가 저장되어 상기 폐수조(21)와 열교환이 이루어지도록 마련된 지하수조(23)를 포함하는 하나 이상의 항온열원조(20)와, 탈수장치(10)에서 배출되는 슬러지를 건조시키게 되는 건조장치(30)와, 항온열원조(20)와 열교환이 이루어져 건조장치(30)에 열에너지를 공급하게 되는 히트펌프(40)와, 건조장치(30)에서 배출되는 수증기를 폐수조(21)에 전달하여 공급하는 수증기주입부(52)와, 폐수조(21)에서 배출되는 폐수와 히트펌프(40)에서 발생되는 열을 이용하여 정화식물의 재배가 이루어지는 정화식물 온실하우스(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 각종 현장의 오폐수폐기물은 공업단지에서 배출되는 공업 폐수 뿐만 아니라 농장이나 목장등의 농업 시설에서 배출되는 분뇨 등을 포함하며, 주거지역에서 배출되는 오폐수 등을 포괄적으로 포함한다. 다만, 상기 오폐수폐기물에서 분리되는 슬러지는 건조시킬 경우 고형연료화 될 수 있어야 한다는 점과, 상기 오폐수폐기물에서 분리되는 폐수는 종국적으로 클로렐라 등의 정확작물재배에 쓰일 수 있어야 하므로 중금속 등의 무기물질이 주성분이거나 화학약품이 주성분인 폐수의 경우는 해당되지 않게 된다.

탈수장치(10)는 오폐수폐기물을 슬러지와 폐수로 분리시키는 장치이다. 탈수의 구체적인 방법은 여러 가지일 수 있다. 처리해야 할 오폐수폐기물의 양이 대량이고 지속적으로 배출 되는 경우에는 탈수가 급속히 진행되어야 하므로 이런 경우에는 강제 탈수로서 대표적인 원심 탈수의 방식으로 처리될 수 있으며, 처리해야 할 오폐수폐기물이 소량이고 배출량이 많지 않아 신속한 탈수 처리가 필요 없을 경우에는 에너지 절약형인 중력 탈수의 방식으로 처리될 수 있다. 산업단지나 대규모 주택단지의 경우에는 원심탈수가 적당할 수 있을 것이며, 소규모 농축산 시설에서는 중력탈수가 적절할 수 있을 것이므로 탈수의 방식은 본 발명이 실시되는 지역과 환경에 따라 적절히 선택되어질 수 있을 것이다.

탈수장치(10)에서 배출되는 슬러지는 일차적으로 수분이 제거된 습한 고형분이며 완전히 습기가 제거되기 전까지는 연료로 사용될 수 없으므로 건조장치(30)로 보내어진다. 그리고, 탈수장치(10)에서 배출되는 폐수는 후술하게 될 히트펌프(40)의 열원으로 사용되어야 하므로 항온열원조(20) 내부의 폐수조(21)로 보내어진다. 이때 탈수장치(10)에서 폐수조(21)로 폐수를 이송시키는 방식은 바람직하게는 자중에 의하여 이송되도록 한다. 하지만, 탈수장치(10)가 폐수조(21) 보다 낮은 위치에 설치되어야 하는 특수한 경우에는 탈수장치(10)에서 폐수조(21)로 폐수를 강제이송 시킬 수도 있다.

한편, 탈수장치(10)에서 배출되는 폐수는 항온열원조(20)로 모이게 된다. 항온열원조는(20) 지하수와 폐수가 온도교환이 가능하되 서로 섞이지 않도록 별도의 지하수조(23)와 폐수조(21)에 분리되어 저장되며, 온도교환이 활발히 진행될 수 있도록 지하수조(23) 또는 폐수조(21) 둘 중의 하나가 나머지 하나에 그 일부 또는 전부가 잠길 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다. 폐수조(21)가 지하수조(23)에 잠기도록 배치될 경우 폐수조(21)를 이루는 용기 벽은 폐수조(21)와 지하수조(23)의 열교환면을 이루게 된다. 물론 지하수조(23)가 폐수조(21)에 잠기게 될 경우에는 지하수조(23)의 용기 벽이 열교환면을 이루게 됨은 자명하다. 이하에서 폐수조(21)와 지하수조(23) 중 한쪽에 잠기게 되는 다른 쪽의 용기 벽을 ‘열교환면’이라 하기로 한다.

지하수조(23)는 지하의 지하수원에서 강제 이송되는 지하수가 저장되게 되며 가능한한 지하수의 항온을 유지시킬 수 있도록 지하에 설치되는 것이 바람직하다.

항온열원조(20)는 하나 이상이 마련될 수 있다. 항온열원조(20)가 여러 개 구비되는 경우에는 각 항온열원조(20)를 구성하는 폐수조(21)와 지하수조(23)는 인접되는 폐수조(21)와 지하수조(23)에 연결되어 폐수조(21)는 폐수조(21)끼리, 지하수조(23)는 지하수조(23)끼리 서로 연결될 수 있다. 이때, 폐수조(21)는 폐수관(22)에 의하여 서로 연결되며, 지하수조(23)는 지하수관(24)에 의하여 서로 연결되게 된다. 이 경우 바람직하게는 폐수관(22)과 지하수관(24)은 강제이송 보다는 중력에 의한 이송 방식을 취하는 것이 에너지 절약에 유익하다. 즉, 폐수관(22)의 경우 최초로 폐수를 공급받는 폐수조(21)는 최상부까지 폐수가 차게 되면 최상부에 마련되는 폐수관(22)을 따라 인접 폐수조(21)로 폐수가 자중에 의하여 흐르도록 되는 것이다. 이렇게 하여 여러개의 폐수조(21)에 폐수가 채워지게 된다. 지하수조(23)의 경우 최초에 지하수를 공급받는 지하수조(23)는 지하수원 자체의 위치 때문에 지하수 공급펌프(27)에 의하여 지하수를 강제이송 받게 되지만, 인접되는 지하수조(23)로는 폐수조(21)와 마찬가지로 자중에 의하여 지하수가 흐르도록 설치되게 함이 바람직하다.

항온열원조(20)는 후술하게 될 히트펌프(40)의 증발기(41)가 위치하게 되므로 열교환면은 폐수조(21)와 지하수조(23)가 가장 활발하게 서로 열교환이 이루어질 수 있는 구조를 취할 수 있는 것이 좋다.

열교환이 활발해 지기 위해서는 열교환이 이루어지는 면적이 넓을수록 좋다.

열교환이 이루어지는 면적을 확대하기 위하여 도3에는 도2의 기본 실시예보다 폐수조의 표면적을 대폭 확대할 수 있는 변형 실시예의 구성도가 도시되어 있다. 여기서는 열교환면은 보다 효율적인 열 교환을 위하여 요철 형상을 띠게 될 수 있다. 이때의 요철형상은 원기둥이 서로 들쭉날쭉하게 되는 형상일 수도 있고 판형상이 서로 들쭉날쭉 하게 되는 형상일 수도 있다. 따라서 구체적인 형상에 제한은 없으며, 열교환면은 변형 실시예의 폐수조(210)를 향하여 돌출되는 부분(214)과 변형 실시예의 지하수조(230)를 향하여 돌출되는 부분(212)이 서로 번갈아가며 위치되게 되어 서로 반대방향을 향하는 돌출부가 반복되는 형상이 되면 되는 것이다.

그리고, 건조장치(30)는 도 4에 도시된 구성도를 참조하여 설명하기로 한다. 건조장치(30)에 대하여 간략히 설명하면, 길이방향으로 길게 경사지며 연장되는 하나 이상의 슬러지 이송수단(311)과, 슬러지 이송수단(311)의 구동모터(312) 및 슬러지 이송수단(311)을 진동시키는 진동모터(313)와, 슬러지 이송수단(311)의 하부 끝단에서 건조된 슬러지를 받아 슬러지를 건조장치(30) 밖으로 배출시키는 스크류(321) 및 스크류 구동모터(322)와, 히트펌프(40)에서 전달받은 열로 슬러지 이동구간 전체에 걸쳐 열풍을 발생시키는 열풍발생기를 포함하여 이루어지며, 하나 이상의 슬러지 이송수단(311)은 상부에서 하부로 서로 경사가 엇갈리게 배치되고, 상부의 슬러지 이송수단(311)의 하부 끝단은 하부 슬러지 이송수단(311)의 상부 끝단에 이격을 두고 배치되어 슬러지가 지그재그 경로로 상부에서 하부로 이송되게 된다.

이때, 최상부에 위치되는 슬러지 이송수단(311)의 상부 끝단에는 자세히 도시되지는 않았지만, 탈수장치(10)에서 탈수되어 배출되는 슬러지가 투입될 수 있는 투입구가 형성된다. 투입되는 슬러지는 구동모터(312)에 의하여 진행되는 슬러지 이송수단(311)에 의하여 건조장치(30)의 가장 하부에 위치되는 스크류(321)까지 이송된다. 이때, 건조되는 슬러지가 슬러지 이송수단(311)에 들러붙거나 혹은 슬러지가 굳어지면서 외부만 건조되고 내부는 건조가 되지 않는 현상을 방지시킬 수 있도록 진동모터(313)가 구비되어 슬러지가 덩어리지지 않게 하면서 내부까지 모두 건조될 수 있도록 된다. 슬러지가 최대한 건조될 수 있도록 슬러지 이송수단(311)의 속도는 조절 가능하며 슬러지의 종류에 따라 진동모터(313)의 진동의 정도도 조절 가능함이 바람직하다.

가장 하부에 위치되는 슬러지 이송수단(311)의 하부 끝단에는 슬러지를 밖으로 밀어서 배출시킬 수 있는 스크류(321)가 구비된다. 스크류(321)는 스크류 구동모터(322)에 의하여 회전 구동되며, 스크류 구동모터(322)에 의하여 구동되는 스크류(321)에 의해 조금씩 건조장치 외부로 밀려나가는 슬러지는 도시되지는 않았지만 스크류(321) 끝단에 위치되는 성형장치(미도시)에 의하여 적당한 모양으로 성형배출 될 수 있다. 건조된 슬러지를 고형 연료로 소비하는 용도는 난방이나 소규모 화력발전 일 수도 있고, 기타 다른 용도일 수 있으므로 용도에 맞는 성형이 필요하다. 따라서 성형장치에서는 건조된 슬러지가 쓰일 용도에 맞게 건조된 슬러지를 큰 원통형상의 케이크 형태로 배출시킬 수도 있고, 비교적 폭이 작은 펠릿 형상으로 뽑혀나오게 할 수도 있다.

한편, 건조장치(30)는 히트펌프(40)에서 공급받는 열을 팬 등의 장치에 의하여 건조장치(30) 내부로 열풍의 형태로 불어넣게 된다. 열풍은 건조장치(30) 내에서 슬러지가 이동하는 전 구간에 걸쳐서 열풍을 받을 수 있도록 됨이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 양쪽 벽면 또는 사방의 벽면 전체에서 열풍이 마주 불어와서 모든 슬러지가 빠짐없이 열풍을 받을 수 있도록 사방의 벽면에 열풍관(332)이 설치될 수 있도록 한다. 도 4에서는 열풍관(332)이 세로로만 설치된 것으로 도시되어 있지만, 열풍관(332)의 설치 형태에는 특별한 제한은 없으며, 따라서 열풍관(332)이 가로방향과 세로방향으로 설치되는 격자형상을 취할 수도 있다. 그리고 열풍관(332)에는 복수개의 열풍구(331)가 설치되어 열풍을 고르게 분사시킬 수 있도록 된다.

건조장치(30)에서 발생되는 기체는 수증기와 건공기가 혼합된 것이다. 이때, 발생되는 수증기는 수증기 주입부에 의하여 폐수조(21) 내부로 투입되게 된다. 수증기주입부는 포집기에서 상기 폐수조 내부까지 연장되는 수증기관(52)과, 수증기관(52) 끝단의 수증기주입구(미도시)를 포함하여 이루어지며 수증기주입구는 폐수조 내부에 배치된다. 그리고, 수증기관(52)은 수증기주입부를 이루는 하나의 구성요소이나, 수증기관(52)은 실질적으로 수증기주입부의 대부분을 이루므로 이후 편의상 수증기관과 수증기주입부 모두 같은 도면부호인 ‘52’를 공유하는 것으로 표기하기로 한다.

폐수조(21)를 포함하는 항온열원조(20)는 히트펌프(40)의 열원으로 이용되므로 항온열원조(20) 내부에는 되도록 버려질 수 있는 열에너지가 더 많이 회수되어 모이는 것이 바람직하다.

그리고, 히트펌프(40)의 증발기(41)는 폐수조(21) 내부에 설치될 수도 있고, 지하수조(23) 내부에 설치될 수도 있는데, 도2의 실시예에서는 지하수조(23) 내부에 설치된 것으로 도시되어 있다. 이는 지하수조(23)가 지하수 수원의 풍부함과 지열로 인하여 항온 유지가 더욱 용이하기 때문이다. 하지만, 경우에 따라서는 폐수조(21) 내부에 증발기(41)가 설치될 수도 있다. 이하에서는 히트펌프(40)의 증발기(41)가 편의상 지하수조(23)에 설치되는 경우로 한정하여 서술하기로 한다. 그리고, 폐수조(21)가 지하수조(23)내부로 잠기게 되므로 지하수와 폐수 간의 열교환이 일어나는 열교환면은 폐수조(21)의 용기 벽과 일치되게 되므로 열교환면을 지칭할 때에도 동일한 도면부호인 ‘21’을 사용하여 ‘열교환면(21)’이라 표기하기로 한다.

지하수조(23) 내부에 증발기(41)가 설치되는 경우, 건조장치(30)에서 포집된 수증기의 열기가 증발기(41)에 보다 직접적으로 열에너지를 전달할 수 있도록 하기 위해서는 수증기주입부(52) 끝단의 수증기주입구는 폐수조(21) 내에 배치되되, 바람직하게는 폐수조(21)와 지하수조(23) 사이의 열교환면(21)에 밀착되도록 배치되게 한다. 밀착되는 경우의 구체적인 배치는 수증기주입구가 열교환면(21)을 향하여 수직으로 밀착되기 보다는 열교환면(21)의 보다 넓은 면적에 건조장치의 수증기의 열에너지가 분산되도록 열교환면(21)에 나란하게 수증기주입구를 배치하여 배출되는 수증기가 일정시간 동안 열교환면(21)을 따라 이동될 수 있도록 함이 바람직하다.

또한, 히트펌프(40)의 증발기 역시 열원에서 최대한의 열에너지를 얻을 수 있도록 증발기(41)의 증발관 위치는 수증기주입구에 가능한한 가깝게 배치되도록 함이 바람직하다. 그러므로 수증기주입구가 열교환면에 밀착되는 경우에는 증발관은 열교환면(21)을 사이에 두고 수증기주입구에 밀착되도록 수증기주입구가 위치되는 열교환면(21)에 증발관이 밀착되도록 배치되게 한다. 따라서, 폐수조의 용기 벽에 해당되는 열교환면(21)을 사이에 두고 수증기주입구는 폐수조(21)내에 배치되고, 증발관은 지하수조(23) 내에 배치되며 수증기주입구와 증발관이 모두 열교환면(21)에 근접되게 된다.

한편 앞서 설명한 도 3에 도시된 변형 실시예에서는 수증기주입구와 증발관의 위치도 바로 앞에서 설명한 기본 실시예에서와는 다른 독특한 배치 형태를 가질 수 있다.

도 3의 변형 실시예에서는 열교환면을 이루는 폐수조(21)의 표면이 열교환 면적의 확대를 위해서 요철 형상을 띠게 된다. 도 3에는 평면 구성도로만 묘사되어 있으므로 요철의 구체적인 형상이 표현되어 있지는 않은데 앞서 설명한 것처럼 돌출과 함몰이 서로 반복되는 형상이기만 하면 돌출부의 단면이 원기둥 형상을 띠든, 혹은 판형상을 띠게 되든 무관하다. 또한 돌출부위와 함몰부위가 서로 나란하게 배치될 수도 있고, 혹은 폐수조(21)의 표면의 일정부분 혹은 전부에 걸쳐 교차하며 반복될 수도 있다.

이 경우 특히 바람직하게는 건조장치 에서부터 수송되는 수증기가 변형 실시예의 수증기관(520)을 따라 이송되면서 변형 실시예의 수증기관(520)의 끝단부인 수증기주입구가 여러 갈래로 분기되도록 하여 복수의 수증기주입구(522)로 형성되도록 한다. 이 각각의 수증기주입구(522)들은 변형 실시예의 폐수조(210) 표면에 형성된 요철 중 지하수조(230) 내부로 돌출되는 돌출부위(212)에 각각 삽입되도록 한다. 이때 절곡되어 형성되는 증발관(410) 접힘 부위는 변형 실시예의 폐수조(210) 표면의 요철 중 폐수조 내부로 돌출되는 부위, 즉 폐수조 표면의 함몰부위(214)에 각각 삽입되도록 한다.

이렇게 됨으로써 건조장치(30)에서 회수되는 수증기의 열에너지의 손실을 최소화 하면서 가장 효과적으로 히트펌프에 전달할 수 있게 되는 것이다.

히트펌프(40)의 설치 위치에는 제한이 없다. 히트펌프(40)의 냉매로는 일반적으로 열원이 저온일 때 통상적으로 사용되는 유기냉매가 사용될 수 있으며 항온열원조(20)를 열원으로 하여 증발되는 냉매가 응축기(미도시)를 통과하면서 응축될 때 발생되는 열을 열에너지를 필요로 하는 곳에 공급하도록 된다.

그런데, 히트펌프(40)의 증발기(41)는 폐수조(21) 내에 설치되나 증발기(41)에 냉매를 공급하는 공급관과 증발기(41)에서 냉매가 배출되어 나오는 배출관은 외부로 노출되는 구간이 있을 수 있다.

한편, 지하수조(23)에는 지하수의 온도가 항시 체크될 수 있는 온도 계측기(26)가 구비되며, 지하수의 온도가 해당 시기의 계절 온도의 하한선에 미달될 경우에는 일정시간 동안 자동으로 지하수 공급펌프(27)가 가동되어 지하수가 공급될 수 있게 하는 제어부(70)가 구비될 수 있다. 제어부(70)는 도면상에 도시되지는 않았지만, 지하수 공급펌프(27) 외에도 히트펌프(40)와 건조장치(30)가 모두 제어부(70)에 의하여 제어될 수 있게 됨이 바람직하다.

그리고, 열에너지로 충분히 활용되었거나 혹은 새로운 폐수가 계속 공급되는 경우에는 기존의 폐수는 클로렐라 등의 정화식물 재배용 용수로 활용될 수 있도록 정화식물용 온실하우스(60)로 이동되게 된다. 클로렐라 등의 정화식물은 폐수를 소비하는 것으로 알려져 있으며 따라서 정화식물의 재배는 바이오 디젤 원료 및 식품으로의 생산 뿐만 아니라 폐수의 정화수단의 효과도 동시에 발생될 수 있는 것이다.

이하에서는 상기에서 설명한 본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템의 각 구성요소가 어떻게 유기적으로 상호작용 하는지에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템의 가장 큰 특징은 폐수와 지하수가 서로 섞이지 않으면서 두 열의 상호 전달 메커니즘을 통하여 히트펌프(40)로 열에너지를 확보하여 재활용하는 것이라고 할 수 있다.

시스템 전체의 작동을 투입과 배출관계로 설명하면, 각종 오폐수폐기물이 탈수장치(10)에서 슬러지와 폐수로 분리되어 폐수는 히트펌프(40)의 열원으로 제공되며 히트펌프(40)에 의하여 발생되는 열은 일부는 온실하우스(60)의 정화식물 등의 재배에 활용되고 일부는 작업장이나 주택의 난방에 활용되며 또한 오폐수폐기물에서 배출되는 슬러지를 공급받는 건조장치(30)에서 건조를 위한 열풍발생을 위한 열에너지로 재활용된다. 이때 건조장치(30)에서 발생되는 수증기는 다시 폐수조(21)로 주입되어 열원으로 재활용되고, 건조장치(30)에서 배출되는 슬러지는 고체연료화 되어 화력발전이나 난방 등을 위한 연료로 재활용될 수 있다.

히트펌프(40)에서 난방을 공급받는 클로렐라 등 정화식물 재배용 온실하우스(60)는 정화식물의 재배를 위하여 열원으로 활용되는 폐수를 공급받아 고농도의 인과 질소 화합물을 재배 과정에서 제거되게 하여 정화된 물로 재활용되게 만드는 한편 재배되는 정화식물은 바이오 디젤 연료로도 재활용될 수 있고 영양 식품으로도 사용될 수 있다.

그리고 항온열원조(20)는 공급받은 폐수와 지하수를 열원으로 활용 한 다음 폐수는 온실하우스(60)로 다시 공급하여 정화작물재배용수로 쓰이게 하며, 지하수는 상수도원으로 재활용 가능하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 탈수장치 20 : 항온열원조
21 : 폐수조, 열교환면 22 : 폐수관
23 : 지하수조 24 : 지하수관
26 : 온도 계측기 27 : 지하수 공급펌프
28 : 폐수 공급펌프 30 : 건조장치
40 : 히트펌프 52 : 수증기관, 수증기주입부
60 : 온실하우스 70 : 제어부
210: 폐수조 212 : 돌출부위
214: 함몰부위 230 : 지하수조
311: 슬러지 이송수단 312 : 구동모터
313: 진동모터 321 : 스크류
322: 스크류 구동모터 331 : 열풍구
332: 열풍관 410 : 증발관
520: 수증기관 522 : 복수의 수증기주입구

Claims (5)

1. 오폐수폐기물을 폐수와 슬러지로 분리 배출시키는 탈수장치(10)와;
   상기 탈수장치(10)에서 배출되는 폐수가 저장되는 폐수조(21)와, 지하수가 저장되어 상기 폐수조(21)와 열교환이 이루어지도록 마련된 지하수조(23)를 포함하는 하나 이상의 항온열원조(20)와;
   상기 탈수장치(10)에서 배출되는 슬러지를 건조시키게 되는 건조장치(30)와;
   상기 항온열원조(20)와 열교환이 이루어져 상기 건조장치(30)에 건조열을 공급하게 되는 히트펌프(40)와;
   상기 건조장치(30)에서 상기 폐수조(21) 내부까지 연장되는 수증기관(52)과, 수증기관 끝단의 수증기주입구를 포함하여 이루어지되, 수증기주입구는 상기 폐수조(21)내부에서 폐수조(21)와 상기 지하수조(23) 사이의 열교환이 일어나는 열교환면에 근접되게 배치되어, 상기 건조장치(30)에서 배출되는 기체를 상기 폐수조(21)로 공급하는 수증기주입부(52)와;
   상기 폐수조(21)에서 배출되는 폐수와 상기 히트펌프(40)에서 발생되는 열을 이용하여 정화식물의 재배가 이루어지는 정화식물 온실하우스(60); 를 포함하는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 히트펌프(40)는 상기 항온열원조(20)에서 열에너지를 얻는 증발기(41)를 포함하며, 증발기(41)는 지하수조(23) 내부에서 상기 열교환면에 밀착되게 배치되는 것을 특징으로 하는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 열교환면은 지하수조(23) 측과 폐수조(21) 측으로 번갈아 돌출되는 요철면을 가지되, 상기 증발기(41)는 폐수조(21) 내부로 돌출되는 부위에 삽입되며, 상기 수증기주입부(52)는 지하수조(23) 내부로 돌출되는 부위에 삽입되는 것을 특징으로 하는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 건조장치(30)는 길이방향으로 길게 경사지며 연장되는 하나 이상의 슬러지 이송수단(311)과, 슬러지 이송수단(311)의 구동모터(312) 및 슬러지 이송수단(311)을 진동시키는 진동모터(313)와, 슬러지 이송수단(311)의 하부 끝단에서 건조된 슬러지를 받아 슬러지를 건조장치 밖으로 배출시키는 스크류(321) 및 스크류 구동모터(322)와, 상기 히트펌프에서 전달받은 열로 슬러지 이동구간 전체에 걸쳐 열풍관(332)과 열풍구(331)를 통해 열풍을 발생시키는 열풍발생기를 포함하여 이루어지며, 상기 하나 이상의 슬러지 이송수단(311)은 상부에서 하부로 서로 경사가 엇갈리게 배치되고, 상부의 슬러지 이송수단(311)의 하부 끝단은 하부 슬러지 이송수단(311)의 상부 끝단에 이격을 두고 배치되어 슬러지가 지그재그 경로로 상부에서 하부로 이송되는 것을 특징으로 하는 항온열원조를 이용한 오폐수폐기물 재활용 시스템.
   
   

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