KR101720098B1 - 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치에 관한 것으로, 공기를 유입시키기 위한 대형 컴프레서를 사용하지 않고서도 대수층의 깊이가 깊은 경우에도 대기 중의 공기를 관정 내부로 흡입하여 오염지하수 중의 휘발성 유기화합물을 관정 내부(in-situ)에서 효과적으로 휘발시켜 분리할 수 있으며, 휘발성 유기화합물 가스와 혼합된 공기를 공기정화기에 의하여 정화하여 대기 중으로 배출함으로써 대기 오염도 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치{Apparatus for remediating polluted ground water by VOCs}

본 발명은 지하수 정화 분야 기술 중에서, 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 공기를 유입시키기 위한 대형 컴프레서를 사용하지 않고서도 대수층의 깊이가 깊은 경우에도 대기 중의 공기를 흡입하여 오염지하수 중의 휘발성 유기화합물을 효과적으로 휘발시켜 분리할 수 있으며, 휘발성 유기화합물 가스와 혼합된 공기를 공기정화기에 의하여 정화하여 대기 중으로 배출함으로써 대기 오염을 방지할 수 있도록 한 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치에 관한 것이다.

지하에 매립된 산업 폐기물 또는 지하로 유출된 기름 등 각종 요인에 의해 지하가 오염되고 있다. 이와 같은 원인에 의해 지하에 생성된 지하오염원으로부터 유출된 유기화합물에 의해 지하수가 오염되는 것을 억제하기 위하여 지하오염원으로부터 유기화합물의 유출을 차단하거나 정화시킬 수 있는 각종 방법이 시도되어 왔다.

오염된 지하수를 정화하는 방법에는 지중정화처리(in-situ)하는 방법과 지상정화처리(ex-intu)하는 방법이 있다.

지상정화처리방법은 지중의 유기화합물이 지상으로 재 누출시킨다는 문제와 지하수의 고갈 및 지반침하 문제 등에 대한 대책이 필요하다.

이에 대하여 지중정화처리방법은 지중에서 오염지하수 중의 유기화합물만을 제거하므로 지상정화처리방법보다 널리 사용되고 있다.

이러한 지중정화처리방법 중 하나는 미국 Wasatch Environmental Inc.의 DDC(Density Driven Convection) 기술이다. DDC 기술은 지하수 내의 TCE 등 VOCs(Volatile Organic Compounds; 휘발성 유기화합물) 처리기술로서 미국 EPA에서 인증한 기술이다.

DDC 기술은 지중정화처리와 관련한 지하수 복원 기술로서, 지하 대수층(帶水層; Aquifer)에 관정(well)을 설치한 후 관정의 지하수면 하부의 깊은 곳에 공기를 공급하면, 공급된 공기는 부력에 의해 관정의 상부로 이동하고 관정 내부에 공급된 공기의 부피만큼 관정 내부의 수압은 관정 외부 대수층의 수압보다 작아지며 그 수압의 차이에 상응하는 높이만큼 관정 내부의 수위가 상승하도록 하여 관정 내부에서 외부로 지하수의 유동이 발생하며, 유동에 의해 빠져나간 수량만큼 관정의 하부스크린(screen)으로 지하수가 공급되며, 공기가 공급되는 동안 관정 내부의 지하수는 연속적으로 순환되도록 하여 지하수를 정화하는 공법이다.

관정 내부에 주입된 공기는 상승하면서 지하수를 순환시키는 역할 이외에 지하수에 용존되어 있는 VOCs를 휘발시켜 지하수로부터 VOCs를 제거하는 기능을 한다.

이때 지하수로부터 제거된 VOCs는 활성탄에 함유된 공기는 지상으로 배출되며 활성탄 필터(Filter)를 통과하면서 VOCs는 공기에 함유되어 관정의 외부로 배출되며, 활성탄에 흡착되고 정화된 공기는 대기 중으로 배출된다. VOCs를 흡착한 활성탄은 폐기물로 처리된다.

그러나 상기 DDC 공법은 다음과 같은 문제점이 있다.

① 관정 내부로 공기를 공급해야 하며, 이때 공급된 공기는 지하수면 이래로 주입되어야 하는데 그 깊이에 따라 공기압이 증가하여 충분한 지하수 순환을 유도하기 위해서는 고압의 공기가 필요하다. 이로 인해 블로어(Blower)는 효율이 매우 낮은 컴프레서 타입(compressor type)의 장비가 필요하다는 문제점이 있다.

② 탈기작용이 효율적으로 실행되기 위해서는 물과 공기의 접촉 면적과 시간이 필요하며, 이로 인해 심부의 수압이 크게 작용하는 위치에서 공기를 주입해야 하므로 ①항과 같은 문제점이 있다.

③ 공기가 주입된 관정 내부의 지하수와 외부 지하수와의 밀도 차이에 의한 지하수 순환이 원활하지 않을 수 있으며, 이를 확인하기 위해서는 별도의 계측(piezometer)이 필요하다.

④ VOCs 중에는 밀도가 물보다 큰 DNAPL(Dense Non-Aqueous Phase Liquid) 계통이 많으며, DNAPL은 특성상 지하대수층의 깊은 곳에 위치하여 DDV 공법의 적용성이 낮아지는 문제점이 있다.

종래 지하수 정화장치와 관련한 선행기술로서 일본공개특허 특개2000-210656호 (2000.08.02. 공개) "지하수 정화장치 및 방법"이 알려져 있다.

상기 선행기술은 제1 실시예로서 지반의 표면으로부터 대수층을 향하여 관정을 굴삭하고, 관정에 관정 내부를 상하로 수밀하게 구획하는 지수체를 설치함과 아울러 지수체를 관통하는 양수파이프를 설치하며, 대수층의 지하수면보다 상방의 위치에 관정의 내외의 물의 이동을 허용하는 스크린을 설치하고, 관정의 내부에서 양수파이프의 하단에 양수펌프를 설치하며, 양수파이프의 상단에 수류저지부재를 설치하여 양수펌프에 의하여 양수된 지하수가 양수파이프를 통해 관정의 상단에서 분출되도록 하면, 지하수가 방해판에 충돌하면서 지하수 중에 함유된 휘발성 오염물질이 휘발하여 제거되고, 휘발성 오염물질이 휘발, 제거된 지하수는 관정의 주면에 설치된 스크린을 통하여 다시 대수층으로 복귀되도록 하며, 휘발한 오염물질은 관정 내부의 공기와 함께 관정의 상단에 연결된 집기관과 진공펌프에 의하여 집기되며, 활성탄흡착탑에 의하여 정화처리된 후 대기 중으로 방출되도록 하는 기술을 개시하고 있다.

그러나 상기 선행기술의 제1 실시예에서는 양수펌프에 의하여 양수되어 양수파이프를 통해 관정의 상부에서 분출되는 지하수가 단지 수류저지부재에 충돌하여 비산되면서 휘발성 오염물질이 휘발하여 제거되도록 한 것이므로 지하수 중에 함유된 휘발성 오염물질의 제거효율 면에서 미약하다는 문제가 있다.

한편, 상기 선행기술의 제2 실시예에서는 상기 제1 실시예의 구성에 더하여, 상단이 지표면에 위치하고 하단이 상기 양수파이프의 중간부에 접속되는 급기파이프와, 급기파이프의 상단에 연결되는 컴프레서를 더 포함하여 양수펌프에 의하여 양수되는 지하수에 컴프레서에 의하여 강제로 가압하여 주입되는 공기가 기포상태로 혼합되도록 함으로써 지하수 중의 휘발성 오염물질의 휘발이 효과적으로 일어나도록 한 것이다.

그러나 상기 선행기술의 제2 실시예의 경우 컴프레서를 이용하여 외부 공기를 주입하여 양수파이프를 통해 양수되는 지하수 중에 혼합되도록 하는 것이기 때문에 대수층의 깊이가 깊은 경우에는 대형 컴프레서를 사용해야 하므로 에너지 소모가 증가하고 설비비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

또한 상기 선행기술은 관정이 지중에 그대로 관입되는 것으로서 관정의 케이싱벽부의 외주면이 지중의 토사층 또는 암반층에 직접 접촉하며, 지하수가 흡입되는 하부스크린과 지하수가 순환하는 상부스크린도 지중의 토사층 또는 암반층에 직접 접촉하기 때문에 토사가 하부스크린을 통해 흡입되는 과정에서 지중의 토사 등의 이물질이 지하수와 함께 흡입되어 수중펌프에 심각한 기능고장을 일으킬 염려가 있게 되며, 공기와의 혼합 과정 및 탈기 과정을 거쳐 정화된 지하수가 상부스크린을 통하여 대수층으로 순환되는 과정에서 상부스크린을 통과한 지하수가 곧바로 지중의 토사층 또는 암반층에 접하기 때문에 정화된 지하수의 순환이 원활하게 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다.

따라서 공기주입용 컴프레서를 사용하지 않고서도 지하수를 펌핑하는 과정에서 대기 중의 공기가 흡입되어 지하수에 혼합될 수 있도록 함과 아울러 지하수와 공기의 혼합영역 및 혼합시간이 확장 및 연장되어 지하수 중에 함유된 오염물질의 정화효율이 향상되면서도 에너지 소모를 최소화하고 설비비용을 절감할 수 있도록 하는 기술의 개발이 요구되고 있다.

일본공개특허 특개2000-210656호 (2000.08.02. 공개) "지하수 정화장치 및 방법"

따라서 본 발명의 목적은 공기를 유입시키기 위한 대형 컴프레서를 사용하지 않고서도 대수층의 깊이가 깊은 경우에도 대기 중의 공기를 흡입하여 오염지하수 중의 휘발성 유기화합물을 효과적으로 휘발시켜 분리할 수 있으며, 휘발성 유기화합물 가스와 혼합된 공기를 공기정화기에 의하여 정화하여 대기 중으로 배출함으로써 대기 오염을 방지할 수 있도록 한 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치를 제공하려는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 지표면에서 대수층의 지하수 상시 수위보다 아래로 굴착한 굴착공과; 상기 굴착공의 내경보다 작은 외경을 가지며 상기 굴착공의 내부에 관입되고 상단이 지표면에 위치하고 하단이 대수층 중에 위치하며 상단이 폐쇄된 관정과; 지표면 높이에서 상기 굴착공과 관정 사이에 삽입되는 상부차수재와, 상기 굴착공의 중단부 높이에서 상기 굴착공과 관정 사이에 삽입되어 하부의 지하수흡입공간과 상부의 지하수재주입공간을 구획하는 하부차수재와; 상기 지하수흡입공간과 지하수재주입공간 내에 충전되는 필터팩과; 상기 관정의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수를 흡입하여 상단의 토출관으로 상향 펌핑하는 수중펌프와; 상기 관정의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수를 흡입하여 상향 펌핑하여 대기 중의 공기가 흡입되도록 하는 제트펌프와; 하단이 상기 공기흡입구에 연결되고 상단이 지표면의 상부에 위치하는 공기흡입관과; 상기 지하수흡입공간 내에서 상기 관정의 주면에 설치된 하부스크린과; 상기 지하수재주입공간 내에서 상기 관정의 주벽에 설치된 상부스크린과; 상기 관정의 상단 폐쇄단을 관통하여 하단이 상기 관정의 상단 내부에 위치하고 상단이 지표면의 상부에 위치하는 배기관과, 상기 배기관의 상단에 연결 설치된 공기정화기가 구비된 공기정화수단;을 포함하여 구성되며, 상기 제트펌프는, 상기 토출관의 상단에 결합되는 제트펌프본체와; 상기 제트펌프본체의 상면에서 상기 관정의 내경보다 작은 외경으로 상향 연장되어 상기 공기흡입관에 연결되며 내부에 공기흡입통로가 형성되는 공기흡입관부와; 상기 관정의 내경보다 작은 외경과 상기 공기흡입관부의 외경보다 큰 내경을 가지며, 상기 공기흡입관부에 씌워지고, 하단이 상기 제트펌프본체의 상단에 결합되고 내주면과 공기흡입관부의 외주면 사이에 상향유동통로를 형성하는 상향유동관부와; 상기 제트펌프본체에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 토출관에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로에 연통되는 복수개의 지하수분사공과; 상기 제트펌프본체에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 공기흡입통로에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로에 연통되는 복수개의 공기흡입공을 포함하여 구성되고, 상기 지하수분사공과 공기흡입공은 각각 내측단이 낮고 외측단이 높은 상향경사를 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치를 제공한다.

상기 상부스크린은 중간부가 상시지하수위에 위치하도록 설치되거나, 상기 상부스크린은 상시지하수위보다 낮은 위치에 설치될 수 있다.

본 발명의 제트펌프를 이용한 지하수 정화 장치에 의하면, 관정, 수중펌프, 제트펌프, 공기흡입관, 공기정화수단을 포함하여 공기를 유입시키기 위한 대형 컴프레서를 사용하지 않고서도 대수층의 깊이가 깊은 경우에도 대기 중의 공기를 흡입하여 오염지하수 중의 휘발성 유기화합물을 효과적으로 휘발시켜 분리할 수 있으며, 휘발성 유기화합물 가스와 혼합된 공기를 공기정화기에 의하여 정화하여 대기 중으로 배출함으로써 대기 오염을 방지할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 제트펌프를 이용한 지하수 정화 장치의 바람직한 제 1 실시예를 보인 것으로,
도 1은 본 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치의 설치 상태를 보인 사시도,
도 2은 관정과 제트펌프의 결합 구조를 보인 반단면 사시도,
도 3은 관정과 제트펌프의 반단면 분해 사시도,
도 4는 오염지하수의 처리 및 정화지하수의 순환 과정을 보인 종단면도,
도 5는 본 발명에 의한 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치의 바람직한 제2 실시예를 보인 것으로, 오염지하수의 처리 및 정화지하수의 순환 과정을 보인 종단면도이다.

이하, 본 발명에 의한 제트펌프를 이용한 지하수 정화 장치를 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 바람직한 제1 실시예를 보인 것으로, 본 실시예는 대수층의 오염지하수를 흡입하여 지상에서 흡입되는 공기에 의하여 오염지하수 중의 휘발성 유기화합물을 분리시켜 정화된 정화지하수를 대수층의 자유수면으로 순환시키는 경우에 관한 것이다.

본 실시예에 따른 제트펌프를 이용한 지하수 정화 장치는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 지표면에서 대수층의 지하수 상시 수위보다 아래로 굴착한 굴착공(H)과; 상기 굴착공(H)의 내경보다 작은 외경을 가지며 상기 굴착공(H)의 내부에 관입되고 상단이 지표면(GL)에 위치하고 하단이 대수층(AQ) 중에 위치하며 상단이 폐쇄된 관정(100)과; 지표면(GL) 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정(100) 사이에 삽입되는 상부차수재(BR1)와, 상기 굴착공(H)의 중단부 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정(100) 사이에 삽입되어 하부의 지하수흡입공간(S1)과 상부의 지하수재주입공간(S2)을 구획하는 하부차수재(BR2)와; 상기 지하수흡입공간(S1)과 지하수재주입공간(S2) 내에 충전되는 필터팩(FP1, FP2)과; 상기 관정(100)의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수(GW1)를 흡입하여 상단의 토출관(220)으로 상향 펌핑하는 수중펌프(200)와; 상기 관정(100)의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수(GW1)를 흡입하여 상향 펌핑하여 대기 중의 공기가 흡입되도록 하는 제트펌프(300)와; 하단이 상기 제트펌프(300)에 연결되고 상단이 지표면(GL)의 상부에 위치하는 공기흡입관(400)과; 상기 지하수흡입공간(S1) 내에서 상기 관정(100)의 주벽에 설치된 하부스크린(SC1)과; 상기 지하수재주입공간(S2) 내에서 상기 관정(100)의 주벽에 설치된 상부스크린(SC2)과; 상기 관정(100)의 상단 폐쇄단을 관통하여 하단이 상기 관정(100)의 상단 내부에 위치하고 상단이 지표면(GL)의 상부에 위치하는 배기관(510)과, 상기 배기관(510)의 상단에 연결 설치된 공기정화기(520)가 구비된 공기정화수단(500);을 포함하여 구성된다.

상기 굴착공(H)은 통상적인 오거드릴을 이용하여 천공할 수 있으며, 미리 탐사된 대수층의 깊이와 지반의 상태에 따라 설계된 천공 깊이로 천공하는 것이 바람직하다.

상기 관정(100)은 하부케이싱(110)과 상부케이싱(120)으로 구성하고, 하부케이싱(110)의 하단에 하부스크린(SC1)을 연결하며, 하부케이싱(110)의 상단과 상부케이싱(120)의 하단 사이에 상부스크린(SC2)을 연결할 수 있다.

상기 하부케이싱(110)과 상부케이싱(120)은 완전히 분리된 상태로 구성하여, 하부케이싱(110)의 하단에 하부스크린(SC1)의 상단을 용접에 의하여 연결하고, 하부케이싱(110)의 상단과 상부케이싱(120)의 하단에 상부스크린(SC2)의 하단과 상단을 용접에 의하여 연결할 수 있다.

또한 상기 하부케이싱(110)과 상부케이싱(120)을 일체로 형성하고, 하부케이싱(110)의 하부와 하부케이싱(110)과 상부케이싱(120) 사이에 복수개의 통공을 형성하여, 통공이 형성된 부위에 하부스크린(SC1)과 상부스크린(SC2)을 감아서 용접할 수 있다.

본 실시예는 휘발성 유기화합물이 분리된 재주입지하수(GW2)를 대수층(AQ)의 자유수면 상으로 재주입시키는 경우를 보인 것이므로 상부스크린(SC2)이 상시지하수위(WL1)를 기준으로 상부와 하부에 걸쳐서 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 하부케이싱(110)의 하단, 즉 하부스크린(SC1)의 하단은 굴착공(H)의 바닥에 안착되는 것에 의하여 폐색되고, 상부케이싱(120)의 상단은 관정캡(130)에 의하여 폐색된다.

상기 관정캡(130)은 도시예와 같이 원판부(131)과, 상기 원판부(131)의 하면에서 하향 돌출 형성되는 원통부(132)로 형성하여 원통부(132)의 외주면에 수나사부를, 관정(100)의 상부케이싱(120)의 내주면에 암나사부를 형성하여 수나사부와 암나사부를 체결하는 것에 의하여 결합할 수 있다.

또한 상기 관정캡(130)은 원판부(131)만으로 형성하고, 원판부(131)의 주위를 관통하는 복수개의 볼트(미도시)를 상부케이싱(120)의 상단면에 형성된 복수개의 나사홀(미도시)에 체결하는 것에 의하여 결합할 수도 있다.

여기서 굴착공(H)의 내경과 관정(100)의 외경에 대하여 살펴보면, 굴착공(H)의 내경을 관정(100)의 외경에 일치하도록 천공한 경우, 관정(100)의 외주면과 하부스크린(SC1) 및 상부스크린(SC2)이 굴착공(H)의 내주면의 지반 또는 암반에 직접 접촉하게 되기 때문에 하부스크린(SC1)을 통해 오염지하수(GW1)이 흡입되는 과정에서 지반 또는 암반에 의하여 저항을 받게 되어 흡입이 원활하게 이루어지지 않을 염려가 있으며, 또한 유기화합물이 분리된 재주입지하수(GW2)를 상부스크린(SC2)을 통해 대수층(AQ)으로 재주입하는 과정에서 지반 또는 암반에 의하여 저항을 받게 되어 재주입이 원활하게 이루어지지 않을 염려가 있다.

이에 대하여 본 실시예에서는 굴착공(H)의 내경을 관정(100)의 외경보다 크게 형성되어 관정(100)의 외주면과 하부스크린(SC1) 및 상부스크린(SC2)이 굴착공(H)의 내주면이 지반 또는 암반에 직접 접촉하지 않고, 굴착공(H)과 관정(100) 사이에 형성된 지하수흡입공간(S1)과 지하수재주입공간(S2)에 충전된 필터팩(FP1, FP2)에 접촉하기 때문에 하부스크린(SC1)을 통한 오염지하수(GW1)의 흡입과 상부스크린(SC2)을 통한 재주입지하수(GW2)의 재주입이 원활하게 이루어지게 될 수 있다.

또한 오염지하수(GW1)가 흡입되는 과정에서 필터팩(FP1)에 의하여 1차 여과되고 하부스크린(SC1)에 의하여 다시 여과되므로 오염지하수(GW1) 중에 혼재하는 이물질을 보다 충분히 차단할 수 있어 이물질에 의한 수중펌프(200)의 기능 고장을 보다 확실하게 방지할 수 있게 된다.

상기 수중펌프(200)은 하단부에 흡입부(210)가 구비되고, 상단부에 토출관(220)이 구비된 통상적인 수중펌프 중에서 선택하여 사용할 수 있으므로 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.

상기 제트펌프(300)는 상기 토출관(220)의 상단에 결합되는 제트펌프본체(310)와; 상기 제트펌프본체(310)의 상면에서 상기 관정(100)의 내경보가 작은 외경으로 상향 연장되어 상기 공기흡입관(400)에 연결되며 내부에 공기흡입통로(321)가 형성되는 공기흡입관부(320)와; 상기 관정(100)의 내경보다 작은 외경과 상기 공기흡입관부(320)의 외경보다 큰 내경을 가지며, 상기 공기흡입관부(320)에 씌워지고, 하단이 상기 제트펌프본체(310)의 상단에 결합되고 내주면과 공기흡입관부(320)의 외주면 사이에 상향유동통로(331)를 형성하는 상향유동관부(330)와; 상기 제트펌프본체(310)에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 토출관(220)에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로(331)에 연통되는 복수개의 지하수분사공(340)과; 상기 제트펌프본체(310)에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 공기흡입통로(321)에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로(331)에 연통되는 복수개의 공기흡입공(350)을 포함하여 구성된다.

상기 제트펌프본체(310)의 하면과 상면에는 각각 상기 토출관(220)에 결합되는 하부결합관부(360)와 상기 상향유동관부(330)에 결합되는 상부결합관부(370)가 형성된다.

상기 하부결합관부(360)와 상부결합관부(370)의 외주면에는 각각 수나사부(361, 371)가 형성되고, 상기 토출관(220)과 상향유동관부(330)의 내주면에는 각각 수나사부(361, 371)에 대응하는 암나사부(362, 372)가 형성되어 상기 수나사부(361, 371)과 암나사부(362, 372)를 체결하는 것에 의하여 하부결합관부(360)과 상부결합관부(370)가 토출관(220)과 상향유동관부(330)에 결합된다.

여기서 상기 수중펌프(200)의 토출관(220)에서 토출되는 지하수가 지하수분사공(340)을 통하여 상향유동통로(331)로 분사되는 과정에서 압력 차이에 의하여 공기흡입관부(320)과 공기흡입공(350)을 통하여 공기가 흡입되는데, 상기 지하수분사공(340)과 공기흡입공(350)을 각각 내측단이 낮고 외측단이 높은 상향경사를 가지도록 형성함으로써 상기 지하수분사공(340)을 통한 지하수 분사에 따른 공기흡입공(350)을 통한 공기흡입이 보다 효율적으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 지하수분사공(340)과 공기흡입공(350)을 수평으로 형성하는 경우 지하수분사공(340)에서 분사되는 지하수가 수평으로 분사된 다음 상승유동통로(331)에 이르러서 비로소 상향유동하게 되며, 압력 차이에 의하여 흡입되어 상승유동통로(331)로 유입되는 공기가 수평으로 흡입되기 때문에 지하수 분사에 따른 공기흡입 효과가 저하되는바, 지하수분사공(340)과 공기흡입공(350)을 내측단이 낮고 외측단이 높은 경사를 가지도록 형성할 경우 지하수분사공(340)에서 분사되는 지하수가 상승유동통로(331)을 향하여 상향경사지게 분사되고 공기흡입공(350)에서 흡입되는 공기가 상승유동통로(331)을 향하여 상향경사지게 흡입되므로 지하수 분사에 따른 공기 흡입이 효과적으로 이루어지게 된다.

또한 상기 공기흡입관부(320)의 주면 두께는 지하수분사공(340)의 외측단에서 상부로 가면서 점차 두꺼워지다가 다시 얇아지도록 이중 테이퍼 형태로 형성함으로써 상향유동통로(331)의 단면적이 점차 증가하게 되어 지하수분사공(340)에서 상향유동통로(331)로 분사되는 지하수의 유속이 점차 감소하고 단면적이 작은 목(thoat)부의 압력이 저하되도록 함으로써 공기흡입공(350)을 통한 공기의 흡입이 더욱 효과적으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

따라서 본 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치에 의하면 별도의 공기주입을 위하여 대형의 컴프레서를 구비하지 않고서도 깊은 대수층 지하수를 정화하기 위한 공기를 대기 중에서 흡입할 수 있게 된다.

또한 정상적인 동작 시에는 대기 중의 공기가 공기공급관(400)과 공기흡입관부(320)을 통해 흡입되어 지하수와 혼합되면서 지하수 중의 휘발성 유기화합물을 제거하게 되고, 휘발성 유기화합물을 제거한 공기는 휘발성 유기화합물과 함께 배출되어 공기정화수단(500)에 의하여 정화된 후 대기 중으로 방출되어야 하는데,

지하수분사공(340)으로 분사된 지하수가 제트펌프(300)의 상향유동통로(331)로 확산유동(diffuser flow)되어야 목부에서의 흡인력이 발휘되어 공기를 흡입할 수 있으나, 수중펌프(200)의 가동 초기에는 목부에서의 흡인력이 불충분하여 지하수분사공(340)으로 분사된 지하수가 공기공급관(400)으로 역류하여 공기의 공급이 원활하지 않을 수 있다.

따라서 상기 제트펌프(300)는 상기 공기흡입관부(320)의 상단과 공기흡입관(400)의 하단 사이에 연결되는 체크밸브(380)를 더 포함한다.

상기 체크밸브(380)는 상기 공기흡입관부(320)의 상단과 공기흡입관(400)의 하단 사이에 연결되는 밸브본체(381)와, 상기 밸브본체(381)의 내주면 중간부에 돌출 형성된 밸브시트부(382)와, 상기 밸브시트부(382)의 하면에 대향하는 밸브판(383)과, 상기 밸브판(383)의 상면에 돌출 형성되어 상단에 상기 밸브시트부(382) 상단면에 걸리는 걸고리(385)가 형성된 복수개의 지지각(384)을 포함하여 구성된다.

상기 체크밸브(380)는 자유상태에서는 자중에 의하여 하강하여 밸브판(383)이 밸브시트부(382)의 하면에서 이격되며, 지지각(384)의 걸고리(385)가 밸브시트부(382)의 상단면에 걸려서 밸브판(383)이 밸브본체(381)로부터 완전히 이탈하지 않은 상태로 유지된다.

한편, 또한 공기주입관부(320) 측 압력이 대기압보다 작을 경우에는 압력차에 의하여 밸브판(383)이 하강하여 밸브판(383)이 밸브시트부(382)의 하면으로부터 하강하여 체크밸브(380)가 개방되며, 반대로 공기주입관부(320) 측 압력이 대기압보다 클 경우에는 압력차에 의하여 밸브판(383)이 상승하여 밸브시트부(382)의 하면에 밀착되고 체크밸브(380)가 폐쇄되어 분사된 지하수가 역류하는 것을 방지하게 된다.

따라서 체크밸브(380)의 작동에 의해 지하수분사공(340)으로 분사된 지하수가 상향유동통로(331)로 유입되어 제트펌프(300)에 의한 공기흡입과 관정(100) 내부로 공기의 공급이 가능하게 된다.

상기 체크밸브본체(381)의 상단과 하단은 각각 상기 공기흡입관(400)의 하단과 공기흡입관부(382)의 상단에 형성된 소켓부(401, 386)에 삽입되어 결합된다.

또한 상기 체크밸브본체(381)과 소켓부(401, 386)는 체크밸브본체(381)의 외주면 상하단부에 형성된 수나사부와 소켓부(401, 386)의 내주면에 형성된 암나사부를 체결하는 것에 의하여 결합될 수 있다.

상기 공기흡입관부(320)의 외주면과 상향유동관부(330)의 내주면 사이에 형성되는 상향유동통로(331)를 유지하기 위하여 공기흡입관부(320)의 내주면과 상향유동관부(330)의 외주면 사이에 형성되는 복수개의 방사상 리브(337)를 더 포함할 수 있다.

상기 공기흡입관(400)의 상단에는 하향만곡부(410)가 형성된다.

상기 공기정화수단(500)의 공기정화기(520)는 활성탄(521)이 내장된 활성탄흡착탑으로 구성할 수 있으며, 공기정화기(520)의 상단에는 정화공기배출관(522)이 구비된다.

상기 공기흡입관(400)과 배기관(510)은 상기 관정캡(120)을 관통하여 설치된다.

한편, 지상에는 컨트롤박스(CB)가 설치되며, 컨트롤박스(CB)와 수중펌프(200)는 전원공급 및 제어신호 전송을 위한 전선(C)으로 연결된다.

상기 전선(C)은 상기 관정캡(120)을 관통하여 설치되는 전선보호관의 내부를 통하여 배선될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치의 작용에 대하여 설명한다.

본 실시예는 정화처리된 지하수를 자유수면 상으로 순환시키기 위한 것이므로 설계시 상부스크린(SC2)의 중간부가 상시지하수위(WL1)에 위치하도록 설계하고, 설치시에도 상부스크린(SC2)의 중간부가 상시지하수위(WL1)에 위치하도록 설치한다.

컨트롤박스(CB)에서 전원스위치와 수중펌프(200)의 가동신호가 입력되면, 수중펌프(200)가 가동되고, 대수층(AQ) 중의 오염지하수(GW1)가 관정(100) 내부의 지하수흡입공간(S1)을 통해 수중펌프(200)의 흡입부(210)로 흡입된다.

이때, 흡입되는 오염지하수(GW1)는 필터팩(FP1)과 하부스크린(SC1)을 통과하면서 이중으로 여과되어 이물질이 수중펌프(200)로 흡입되지 않게 된다. 따라서 수중펌프(200)가 장기간에 걸쳐서 고장 없이 가동될 수 있게 된다.

수중펌프(200)의 흡입부(210)에 흡입된 오염지하수(GW1)는 수중펌프(200)에 의하여 가압되어 토출관(220)을 통해 제트펌프(300)로 토출된다.

토출된 오염지하수(GW1)는 제트펌프본체(381)를 향하여 토출되고, 복수개의 지하수분사공(340)을 통하여 공기흡입관(320)과 상향유동관부(330) 사이의 상향유동통로(331)로 분사되며, 이 과정에서 공기흡입공(350)에는 부압이 걸리게 된다.

이에 따라서 대기 중의 공기가 공기흡입관(400)과 공기흡입관부(320)을 통하여 흡입된다.

여기서 상기 지하수분사공(340)과 공기흡입공(350)은 내측단이 낮고 외측단이 높은 상향경사를 가지고 있으므로 지하수분사공(340)을 통한 지하수분사에 따른 공기흡입공(350)을 통한 공기의 흡입이 보다 효율적으로 이루어지게 된다.

또한 상기 공기흡입관부(320)의 주벽 두께는 지하수분사공(340)의 외측단에서 상부로 가면서 점차 두꺼워지다가 다시 얇아지도록 이중 테이퍼 형태로 형성되어 단면적이 좁아졌다가 다시 넓어지도록 구성되어 있으므로 단면적이 좁은 부분에서 오염지하수(GW1)과 공기의 유속이 증가하였다가 단면적이 넓어지는 부분에서 기포(BB)가 보다 활발하게 일어나게 되어 공기에 의한 휘발성 유기화합물의 휘발작용이 더욱 효과적으로 이루어지게 된다.

공기흡입관(400)과 공기흡입관부(320)를 통해 흡입된 공기는 공기흡입공(350)을 통해 상향유동통로(331)로 유입되어 상향유동하게 된다.

상향유동통로(331)을 상향유동한 오염지하수(GW1)와 공기는 관정(100) 내부의 지하수재주입공간(S2)로 상승하게 되고, 공기는 오염지하수(GW1) 중에 기포(BB)를 일으키면서 오염지하수(GW1) 중의 휘발성 유기화합물을 휘발시켜 오염지하수(GW1)로부터 분리되도록 한다.

이에 따라 오염지하수(GW1) 중에 용존되어 있던 휘발성 유기화합물은 가스 상태로 되어 지하수로부터 분리된다.

이에 따라 지하수재주입공간(S2) 내에는 휘발성 유기화합물이 분리된 재주입지하수(GW2)와 공기 및 휘발성 유기화합물 가스가 혼재하게 되며, 휘발성 유기화합물 가스와 공기는 지하수보다 비중이 작으므로 지하수재주입공간(S2)의 상단부로 부상하게 된다.

지하수재주입공간(S2) 내에서 오염물질이 분리된 재주입지하수(GW2)는 상부스크린(SC2)과 필터팩(FP2)을 통하여 다시 한번 여과된다. 이와 같이 정화된 정화지하수(GW3)는 대수층(AQ)로 순환된다.

도 4에서 WL2는 휘발성 유기화합물이 휘발하고 흡입된 공기가 기포(BB)를 일으킬 때의 수위를 보인 것이다.

지하수재주입공간(S2) 상단 내의 휘발성 유기화합물 가스와 공기는 배기관(510)을 통하여 배출되어 공기정화기(520)로 이송되고, 휘발성 유기화합물 가스는 공기정화기(520)의 활성탄(521)에 흡착되며, 이로써 정화된 공기는 공기배출관(522)을 통하여 대기 중으로 배출된다.

이러한 과정을 반복하면서 오염지하수(GW1) 중의 휘발성 유기화합물이 제거되어 대수층(AQ)의 지하수를 정화할 수 있게 되며, 배기관(510)을 통하여 휘발성 유기화합물 가스와 함께 배출되는 공기를 휘발성 유기화합물 가스가 공기정화기(520)의 활성탄(521)에 의하여 흡착됨에 따라 정화되어 공기배출관(522)을 통하여 대기 중으로 배출되므로 대기 오염을 방지할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 의한 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치의 바람직한 제2 실시예를 보인 것이다.

본 실시예에 따른 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치는 휘발성 유기화합물이 분리된 지하수를 암반대수층으로 재주입시키는 것으로 상부스크린(SC2)가 상시지하수위(WL1)보다 낮은 위치에 설치한 것이며, 여타 구성은 상술한 제1 실시예와 동일하므로 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하고 구체적인 설명은 생략한다.

즉, 본 실시예에서는 상부스크린(SC2)이 상시지하수위(WL1)보다 낮은 위치에 설치되어 있으므로 휘발성 유기화합물이 분리된 재주입지하수(GW2)가 상부스크린(SC2)와 필터팩(FP2)을 통해 암반대수층으로 재주입되는 것이다.

또한 상기 관정(100)의 내주면과 상기 수중펌프(200)의 상단 외주면 사이에는 수팽창성 지수재(BR3)를 삽입하여 관정(100) 내부의 지하수가 역류하는 것을 방지할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 실시예들은 그 일 예로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 관정 110: 하부케이싱
120: 상부케이싱 130: 관정캡
200: 수중펌프 210: 흡입부
220: 토출관 300: 제트펌프
310: 제트펌프본체 320: 공기흡입관부
321: 공기흡입통로 330: 상향유동관부
331: 상향유동통로 340: 지하수분사공
350: 공기흡입공 360: 하부결합관부
370: 상부결합관부 380: 체크밸브
400: 공기흡입관 500: 공기정화수단
510: 배기관 520: 공기정화기
521: 활성탄 522: 공기배출관

Claims (3)

1. 지표면에서 대수층의 지하수 상시 수위보다 아래로 굴착한 굴착공(H)과;
   상기 굴착공(H)의 내경보다 작은 외경을 가지며 상기 굴착공(H)의 내부에 관입되고 상단이 지표면(GL)에 위치하고 하단이 대수층(AQ) 중에 위치하며 상단이 폐쇄된 관정(100)과;
   지표면(GL) 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정(100) 사이에 삽입되는 상부차수재(BR1)와, 상기 굴착공(H)의 중단부 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정(100) 사이에 삽입되어 하부의 지하수흡입공간(S1)과 상부의 지하수재주입공간(S2)을 구획하는 하부차수재(BR2)와;
   상기 지하수흡입공간(S1)과 지하수재주입공간(S2) 내에 충전되는 필터팩(FP1, FP2)과;
   상기 관정(100)의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수(GW1)를 흡입하여 상향 펌핑하는 수중펌프(200)와;
   상기 관정(100)의 하단 부근에 삽입 설치되어 오염지하수(GW1)를 흡입하여 상향 펌핑하여 대기 중의 공기가 흡입되도록 하는 제트펌프(300)와;
   하단이 상기 제트펌프(300)에 연결되고 상단이 지표면(GL)의 상부에 위치하는 공기흡입관(400)과;
   상기 지하수흡입공간(S1) 내에서 상기 관정(100)의 주벽에 설치된 하부스크린(SC1)과; 상기 지하수재주입공간(S2) 내에서 상기 관정(100)의 주벽에 설치된 상부스크린(SC2)과;
   상기 관정(100)의 상단 폐쇄단을 관통하여 하단이 상기 관정(100)의 상단 내부에 위치하고 상단이 지표면(GL)의 상부에 위치하는 배기관(510)과, 상기 배기관(510)의 상단에 연결 설치된 공기정화기(520)가 구비된 공기정화수단(500);을 포함하여 구성되며,
   상기 제트펌프(300)는,
   토출관(220)의 상단에 결합되는 제트펌프본체(310)와; 상기 제트펌프본체(310)의 상면에서 상기 관정(100)의 내경보다 작은 외경으로 상향 연장되어 상기 공기흡입관(400)에 연결되며 내부에 공기흡입통로(321)가 형성되는 공기흡입관부(320)와; 상기 관정(100)의 내경보다 작은 외경과 상기 공기흡입관부(320)의 외경보다 큰 내경을 가지며, 상기 공기흡입관부(320)에 씌워지고, 하단이 상기 제트펌프본체(310)의 상단에 결합되고 내주면과 공기흡입관부(320)의 외주면 사이에 상향유동통로(331)를 형성하는 상향유동관부(330)와; 상기 제트펌프본체(310)에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 토출관(220)에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로(331)에 연통되는 복수개의 지하수분사공(340)과; 상기 제트펌프본체(310)에 방사상으로 천공되며 내측단은 상기 공기흡입통로(321)에 연통되고, 외측단은 상기 상향유동통로(331)에 연통되는 복수개의 공기흡입공(350)을 포함하여 구성되고,
   상기 지하수분사공(340)과 공기흡입공(350)은 각각 내측단이 낮고 외측단이 높은 상향경사를 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부스크린(SC2)는 중간부가 상시지하수위(WL1)에 위치하도록 설치됨을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 상부스크린(SC2)는 상시지하수위(WL1)보다 낮은 위치에 설치됨을 특징으로 하는 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치.

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