KR101830288B1 - 유류오염지하수 정화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유류오염지하수 정화장치에 관한 것으로, 고압수를 분사하는 제트노즐과 확장관을 포함하는 제트펌프를 이용함으로써 지하수와 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물을 동시에 추출할 수 있으며, 관정 내 수위조절 및 유지가 가능하며 지층 조건에 따른 적용에 제약이 적고, 관정 캡, 차수재와 샌드 팩을 이용하여 관정 내부의 진공을 유지할 수 있고, 적은 동력으로 많은 지하수의 회수가 가능하고, 필요 수위를 물리적으로 제어할 수 있고, 스미어 존 관리가 가능하도록 하며, 관정을 통해 오염 지하수의 추출 및 정화, 지하수 오염 응급확산방지 조치에 적용할 수 있는 다상추출(MPE)형 유류오염지하수 정화장치이다.
Description
본 발명은 관정 내 지하수와 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물을 동시에 추출할 수 있는 다상추출(MPE : Multi-Phase Extraction)형 유류오염지하수 정화장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 필요한 위치에 지하수위 조절 및 유지가 가능하며, 투수성 및 통기성 등의 지층 조건에 따른 적용에 제약이 적고, 관정 내부에 다소의 진공압을 유지할 수 있고, 기존 공법 대비 적은 동력으로 많은 지하수의 회수가 가능한 특징이 있어, 응급 지하수 오염의 확산방지에 적용할 수 있으며, 필요 수위를 물리적으로 제어함으로써 스미어 존(Smear Zone)의 관리를 가능하게 한 유류오염지하수 정화장치에 관한 것이다.
국제인구행동연구소(PAI : Population Action International)는 강우유출량을 인구수로 나누어 1인당 물 사용가능량이 1000㎥ 미만은 물기근국가, 1000㎥ 이상 1700㎥ 미만은 물부족국가, 1700㎥ 이상은 물풍요국가로 분류하고 있다.
우리나라는 1993년 1인당 물 사용가능량이 1470㎥로 물부족국가에 해당되었고, 2000년 1인당 물 사용가능량도 1488㎥으로 물부족국에 해당되었으며, 2025년에는 많게는 1327㎥, 적게는 1199㎥가 될 것으로 분석되는 등 갈수록 물 사정이 어려워질 것으로 전망하고 있다.
특히 우리나라는 연간 강수량이 세계평균인 973mm보다 많은 1283mm이지만, 국토의 70% 정도가 급경사의 산지로 이루어져 있고, 강수량의 대부분이 여름철에 집중되어 있어 많은 양이 바다로 흘러가는 한편, 높은 인구밀도로 인해 1인당 강수량이 세계평균의 12%에 지나지 않는 것으로 나타났다.
오랫동안 우리나라는 부족한 물 자원을 효율적으로 보존 및 활용하기 위하여 하천에 댐을 건설하여 지표수를 가두는 지표수 자원개발에 치중하여 왔으나, 지표수의 개발은 수몰지역이 발생하여 실향민을 발생시키는 등 사회적 문제를 유발하는 문제점이 있었으며, 국토의 넓은 면적을 수몰시키기 때문에 여러 가지 제약이 뒤따르는 문제가 있다.
최근 우리나라는 부족한 물 자원을 효율적으로 활용하기 위하여 지하수의 개발에 눈을 돌려 다양한 기술을 개발해 왔다.
그러나 산업이 발전하고 유류의 사용량이 증가하면서 토양은 물론 지하수까지 유류로 오염되어 지하수의 활용에도 문제가 발생하고 있다.
따라서 유류로 오염된 지하수를 정화하여 다시 지하에 저장함으로써 지하수를 안전하고 효율적으로 활용할 수 있도록 하는 기술이 개발되고 있다.
유류로 오염된 지하에는 지하수와 그 상층에 부유하는 경소수성 액체(輕疏水性 液體, LNAPL; Light Non-Aqueous Phase Liquid)층과 그 상층에 부유하는 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)이 혼재하게 된다.
종래의 오염지하수를 정화하는 공법은 지하수와 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물을 지상으로 끌어올린 후 정화처리하는 지상처리(Ex-situ)공법과, 오염된 지하수를 끌어올리지 않고 지중에서 처리하는 지중처리(In-situ)공법으로 구분되며, 지상으로 추출하여 물리적으로 처리 후 지중에 재주입하는 지상처리(Ex-situ)공법이 많이 사용된다.
지상처리공법으로는 지하수면에 떠있는 유동성 오염물질을 진공추출하여 처리하는 BS(Bio-Slurping)공법과, DPR(Dual Pump Recovery)공법이 있다.
상기 BS공법은 도 5에 도시한 바와 같이, 지중에 천공된 관정(10)과, 관정(10) 내에 삽입되며 하단이 대수면보다 낮은 위치에 이르는 슬러프 튜브(Slurp Tube)(11)와, 지상에 설치되며 흡입단(13)이 슬러프 튜브(11)에 연결되는 진공펌프(12)와, 진공펌프(12)의 토출단(14)에 연결된 유수분리기(16)를 포함하는 구조로서, 진공펌프(12)가 가동되면 지하수의 상층에 부유하고 있는 경소수성 액체(LNAPL)와 그 상층에 있는 휘발성 유기화합물이 공기와 함께 흡입되고, 공기는 진공펌프(12)의 배기단(15)으로 배출되고, 지하수와 경소수성 액체는 진공펌프(12)의 토출단(14)으로 토출된다.
이때, 공기 중에는 휘발성 유기화합물(VOCs : Volatile Organic Compounds)가 혼재하고 있는바, 배기단(15)으로 배출되는 공기는 별도의 휘발성 유기화합물 처리장치(미도시)에 의하여 처리된다.
한편, 진공펌프(12)의 토출단(14)으로 토출된 지하수와 경소수성 액체가 유수분리기(16)에 의하여 분리되며, 분리된 경소수성 액체는 별도의 처리장치에 의하여 처리되고, 정화된 지하수는 다시 지하로 투입된다.
이러한 BS공법은 지하 매질의 투수계수가 보통 이상인 지층 조건에서 효과적이며, 생물학적 호기성 분해 및 생분해 효율이 증대되고, 기액분리기에서 액상 추출시 동력과 자동제어 장치가 필요하며, 큰 동력으로 많은 기상(vapor) 추출, 바이오 벤팅(vio-venting) 효과가 크다는 장점이 있으나, 투수성이 큰 지반이 지표면에 피복되어 있는 지층 조건에서는 기밀 유지가 어렵게 되어 진공반경이 매우 작게 되어 다수의 추출정이 필요하게 되며, 통기성이 작은 지층 조건에서는 Dead Head 및 시스템 고장의 우려가 크고, 설비의 동력 소요량이 크며, 기액분리기에서 액상분리시 별도의 동력(펌프) 및 자동제어 설비가 필요하고, 수위 조절이 어렵고(1m 이내 수준), 장기적 수위변화에 대한 대응이 곤란하다는 문제점이 있다.
상기 DPR공법은 도 6에 도시한 바와 같이, 지중에 천공되는 관정(20)과, 관정(20) 내에 설치되어 지하수를 흡입하는 지하수펌프(21)와, 관정(20) 내에 설치되어 경소수성 액체를 흡입하는 경소수성 액체펌프(22)와, 지하수펌프(21)의 토출단에 연결되어 지상으로 연장되는 지하수추출관(23)과, 경소수성 액체펌프(22)의 토출단에 연결되어 지상으로 연장되는 경소수성 액체추출관(24)과, 지하수추출관(23)에 연결되는 정화탱크(25)와, 경소수성 액체추출관(24)에 연결되어 경소수성 액체를 저장하는 저장탱크(26)와, 정화탱크(25)에 연결되는 에어 스트리퍼(Air Stripper)(27)를 포함하는 구조로서, 지하수펌프(21)가 가동되면 지하수가 흡입되어 지하수추출관(23)을 통해 추출되고 정화탱크(25)에 의하여 정화된 후 다시 에어 스트리퍼(27)에 의하여 처리되어 처리된 공기는 대기 중으로 방출되고, 처리된 지하수는 다시 지중으로 투입된다.
이러한 DPR공법은 투수성이 큰 지반에서 적용성이 우수한 장점이 있으나, 과도한 지하수위 저하는 스미어 존(Smear Zone)의 확대를 초래하여 토양오염을 가중시킬 수 있으며, 투수성이 낮은 매질에서는 적용성이 매우 낮으며, 경소수성 액체가 적은 현장 조건에서는 경제성 및 현장 적용성이 낮고, 설비가 복잡하다는 문제점이 있다.
따라서 관정 내 수위조절 및 유지가 가능하며 지층 조건에 따른 현장적용 제약이 적고, 지하수, 경소수성 액체 및 기상(氣相)의 휘발성 유기화합물을 동시에 추출 가능하며, 다소의 진공을 유지할 수 있고, 적은 동력으로 많은 지하수의 회수가 가능하여 지하수 오염의 확산을 방지할 수 있으며, 필요 수위를 물리적으로 제어함으로써 스미어 존(Smear Zone) 관리가 가능하게 되는 기술의 개발이 요구되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 지하수와 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물을 동시에 추출할 수 있으며, 필요한 위치에 지하수위 조절 및 유지가 가능하며, 투수성 및 통기성 등의 지층 조건에 따른 적용에 제약이 적고, 관정 내부에 다소의 진공압을 유지할 수 있고, 기존 공법 대비 적은 동력으로 많은 지하수의 회수가 가능하여 응급 지하수 오염의 확산방지에 적용할 수 있으며, 필요 수위를 물리적으로 제어함으로써 스미어 존(Smear Zone)의 관리를 가능하게 한 유류오염지하수 정화장치를 제공하려는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은 지반에 상시지하수위보다 깊게 천공되는 굴착공과; 상기 굴착공에 삽입되는 관정케이싱과; 상기 관정케이싱의 내부에 삽입되는 제트펌프와; 상기 제트펌프의 상단에 연결되어 지상으로 연장되는 추출관과; 상기 추출관에 연결되는 기액분리기와; 상기 제트펌프에 고압수를 공급하는 고압수공급수단과; 상기 기액분리기에 연결되는 유수분리기; 및 상기 유수분리기에 연결되는 방류조;를 포함하여 구성되며, 상기 관정케이싱은 상반부를 구성하며 상단이 지표면에서 돌출되며 하단이 상시지하수위보다 상부에 위치하는 관정케이싱본체와, 상단이 상기 관정케이싱본체의 하단에 결합되며 하단이 상시지하수위보다 하부에 위치하는 관정스크린과, 상기 관정스크린의 하단을 폐쇄하는 관정플러그와, 상기 관정케이싱본체의 상단을 폐쇄하는 관정캡과, 지표면의 높이에서 상기 굴착공과 관정케이싱본체 사이에 삽입되는 제1 차수재와, 상기 관정케이싱본체의 하단부근에서 상기 굴착공과 원통부의 사이에 삽입되는 제2 차수재와, 상기 제1 차수재와 제2 차수재 사이 및 제2 차수재의 하부에 충전되는 샌드 팩을 포함하여 구성되고, 상기 제트펌프는 상하단이 개방되고 하단이 상시지하수위의 하부에 위치하며 하단과 확장관을 결합하는 제트펌프본체와, 상기 제트펌프본체의 상단에 연결되며 상부로 가면서 점차 확장되는 테이퍼형 확장관과, 상기 제트펌프본체 내에서 상기 확장관의 하단을 향해 고압수를 상향분사하는 제트노즐 및, 상기 제트노즐에 고압수를 공급하는 고압수공급관을 포함하여 구성되며, 상기 추출관은 상기 확장관의 상단에 연결되고, 상기 기액분리기는 상기 추출관에 연결되는 3상 혼합물 유입부와, 상기 고압수공급수단에 연결되는 지하수유출구와, 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부 및, 지하수와 경소수성 액체를 이송하는 2상 혼합물 이송부를 포함하여 구성되며, 상기 고압수공급수단은 토출단이 상기 고압수공급관에 연결되고, 흡입단이 기액분리기에 연결되는 부스트펌프를 포함하여 구성되고, 상기 유수분리기는 상기 기액분리기의 2상 혼합물 이송부에 연결되는 유입부와, 분리된 경소수성 액체를 배출하는 경소수성 액체 배출부와, 잔존하는 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부 및, 분리된 지하수를 배출하는 지하수 배출부를 포함하여 구성되며, 상기 방류조는 상기 유수분리기의 지하수 배출부에 연결되는 유입부와, 유입된 지하수를 방류하는 방류부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유류오염지하수 정화장치를 제공한다.
또한 복수개의 굴착공에 상기 관정케이싱, 제트펌프, 추출관을 설치하고, 상기 고압수공급수단을 구성하는 부스트펌프의 토출단에 복수개의 제트펌프의 고압수공급관을 연결하며, 상기 기액분리기의 3상 혼합물 유입부에 복수개의 추출관을 연결하여 구성할 수도 있다.
본 발명의 유류오염지하수 정화장치에 의하면 고압수를 분사하는 제트노즐과 확장관을 포함하는 제트펌프를 이용함으로써 지하수와 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물을 동시에 추출할 수 있으며, 필요한 위치에 지하수위 조절 및 유지가 가능하며, 투수성 및 통기성 등의 지층 조건에 따른 적용에 제약이 적고, 관정 내부에 다소의 진공압을 유지할 수 있고, 기존 공법 대비 적은 동력으로 많은 지하수의 회수가 가능한 특징이 있어, 응급 지하수 오염의 확산방지에 적용할 수 있으며, 필요 수위를 물리적으로 제어함으로써 스미어 존(Smear Zone)의 관리를 가능하게 된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 유류오염지하수 정화장치의 바람직한 실시예를 보인 것으로,
도 1은 전체 계통도,
도 2는 굴착공, 관정, 관정캡, 제트펌프 및 추출관을 보인 반단면 사시도,
도 3은 지하수 추출 전의 다상(Multi-Phase)상태를 보인 종단면도,
도 4는 지하수 추출시의 다상(Multi-Phase)상태를 보인 종단면도이고,
도 5는 종래의 BS공법을 보인 계통도,
도 6은 종래의 DPR공법을 보인 계통도이다.
도 1은 전체 계통도,
도 2는 굴착공, 관정, 관정캡, 제트펌프 및 추출관을 보인 반단면 사시도,
도 3은 지하수 추출 전의 다상(Multi-Phase)상태를 보인 종단면도,
도 4는 지하수 추출시의 다상(Multi-Phase)상태를 보인 종단면도이고,
도 5는 종래의 BS공법을 보인 계통도,
도 6은 종래의 DPR공법을 보인 계통도이다.
이하, 본 발명에 의한 유류오염지하수 정화장치를 첨부도면에 예시한 바람직한 실시예에 따라서 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명에 의한 유류오염지하수 정화장치의 바람직한 실시예를 보인 것이다.
본 실시예에 따른 유류오염지하수 정화장치는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 지반에 상시지하수위보다 깊게 천공되는 굴착공(H)과; 상기 굴착공(H)에 삽입되는 관정케이싱(100)과; 상기 관정케이싱(100)의 내부에 삽입되는 제트펌프(200)와; 상기 제트펌프(200)의 상단에 연결되어 지상으로 연장되는 추출관(300)과; 상기 추출관(300)에 연결되는 기액분리기(400)와; 상기 제트펌프(200)에 고압수를 공급하는 고압수공급수단(500)과; 상기 기액분리기(400)에 연결되는 유수분리기(600); 및 상기 유수분리기(600)에 연결되는 방류조(700);를 포함하여 구성된다.
상기 굴착공(H)은 통상적인 오거드릴을 이용하여 천공할 수 있으며, 미리 탐사된 상시지하수위의 깊이와 지반의 상태에 따라 설계된 천공 깊이로 천공하는 것이 바람직하다.
상기 관정케이싱(100)은 하단부가 상시지하수위의 하부에 위치하고 상단부가 지상으로 돌출되도록 설치된다.
상기 관정케이싱(100)은 상반부를 구성하는 관정케이싱본체(110)와, 상기 관정케이싱본체(110)의 하단에 상단이 결합되는 관정스크린(120)과, 상기 관정스크린(120)의 하단을 폐쇄(밀폐)하는 관정플러그(130) 및, 상기 관정케이싱본체(110)의 상단을 폐쇄하는 관정캡(140)을 포함한다.
상기 관정케이싱(100)의 관정케이싱본체(110)와 관정스크린(120)의 외경은 상기 굴착공(H)의 내경보다 작게 형성하여 굴착공(H)의 내주면과 관정케이싱본체(110)와 관정스크린(120)의 외주면 사이에 간극이 형성되도록 구성된다.
상기 관정케이싱본체(110)는 상단이 지표면(GL)에서 돌출되며 하단이 상시지하수위보다 상부에 위치하도록 구성되고, 상기 관정스크린(120)은 상단이 상시지하수위보다 상부에 위치하고 하단이 상시지하수위보다 하부에 위치하도록 구성된다.
상기 관정케이싱본체(110)와 관정스크린(120)은 용접에 의하여 결합할 수 있으며, 상기 관정스크린(120)과 관정플러그(130)은 억지끼움 및 용접에 의하여 결합할 수 있고, 상기 관정케이싱본체(110)와 관정캡(140)은 관정케이싱본체(110)의 외주면에 형성되는 수나사부와 관정캡(140)의 내주면에 형성되는 암나사부에 의하여 나사식으로 결합할 수 있다.
상기 관정케이싱본체(110)와 관정캡(140) 사이에는 오링(OR1)을 끼워 기밀을 유지할 수 있도록 구성된다. 이를 위하여 상기 관정캡(140)의 내주면에는 복수개(도면에서는 2개)의 오링홈(141)이 형성된다.
상기 관정케이싱본체(110)의 외주면과 굴착공(H)의 내주면 사이에는 제1 차수재(160)와 제2 차수재(170)가 삽입된다.
상기 제1 차수재(160)는 지표면(GL)의 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정케이싱본체(110) 사이에 주입되고, 제2 차수재(170)는 관정케이싱본체(110)의 하단부근에서 상기 굴착공(H)과 관정케이싱본체(110)의 사이에 삽입된다.
상기 제1 차수재(160)는 시멘트 그라우트(Cement Grout)로 구성할 수 있으며, 제2 차수재(170)는 벤토나이트(Bentonite)로 구성할 수 있다.
또한 상기 제1 차수재(160)와 제2 차수재(170) 사이 및 제2 차수재(170)의 하부에는 샌드 팩(Sand Pack)(180)이 충전된다.
여기서, 시멘트 그라우트로 구성된 제1 차수재(160)는 지반과 관정 Casing을 고정하는 역할을 하며, 벤토나이트로 구성된 제2 차수재(170)는 관정 외부의 지표수, 오염물 및 공기가 관정 굴착면 주면을 통하여 관정 내부로 유입되는 것은 차단하고 관정 스크린 주변의 통기대를 통하여 관정내부로 공기가 유입되도록 유도하여 산소 공급과 기상의 휘발성 유기화합물 제거가 동시에 이루어져 궁극적으로 바이오벤팅(Bio-venting)을 발생시키는 기능을 수행하게 되고, 샌드 팩(180)은 필터재로 작용하여 관정 스크린을 통한 토사 유입을 차단하여 굴착공(H)의 유실을 방지하는 역할을 하게 된다.
상기 관정캡(140)의 상면에는 맨홀(190)이 구비된다. 상기 맨홀(190)은 상기 관정케이싱본체(110)의 내부와 연통되게 설치되는 맨홀관(191)과, 상기 맨홀관(191)의 개폐하는 맨홀덮개(192)로 구성된다.
상기 맨홀관(191)과 맨홀덮개(192)는 상기 맨홀관(191)의 외주면에 형성되는 수나사부와 맨홀덮개(192)의 내주면에 형성되는 암나사부에 의하여 나사식으로 결합될 수 있다.
상기 제트펌프(200)는 제트펌프본체(210), 테이퍼형 확장관(220), 제트노즐(230) 및 고압수공급관(240)으로 구성되며, 상기 제트펌프본체(210)의 상단에 연결되며 상부로 가면서 점차 확장되는 테이퍼형 확장관(220)과, 상기 제트펌프본체(210) 내에서 상기 확장관(220)의 하단을 향해 고압수를 상향분사하는 제트노즐(230) 및, 상기 제트노즐(230)에 고압수를 공급하는 고압수공급관(240)을 포함한다.
상기 고압수공급관(240)은 상기 관정캡(140)의 상면을 관통하여 지상과 관정케이싱(100)의 내부에 걸쳐서 설치된다.
상기 제트펌프본체(210)의 하단부에는 체크밸브(250)가 설치되어 제트펌프본체(210)의 하단에서 흡입되는 지하수, 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물이 상 방향으로 유동할 수는 있지만, 역방향인 하 방향으로는 유동할 수 없도록 구성된다.
상기 체크밸브(250)는 도시예와 같이, 제트펌프본체(210)의 내주면에서 돌출된 밸브시트부(251)와, 상기 밸브시트부(251)의 상면에 접촉하는 밸브판(252)으로 구성할 수 있으나, 기성 제품 중 하나를 채용할 수도 있다.
상기 밸브판(252)의 하면에는 하향 돌출되는 가이드부(253)를 일체로 형성하여 밸브판(252)의 작동이 원활하게 이루어질 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 추출관(300)은 상기 확장관(220)의 상단에 연결된다.
상기 추출관(300)은 상기 관정케이싱(100)의 관정캡(140)을 관통하여 지상으로 연장된다.
상기 기액분리기(400)는 추출관(300)을 통하여 추출된 3상 혼합물로부터 지하수와 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물을 분리하는 통상적인 기액분리기를 사용할 수 있다.
상기 기액분리기(400)는 상기 추출관(300)에 연결되는 3상 혼합물 유입부(410)와, 상기 고압수공급수단(500)에 연결되는 지하수유출구(420)와, 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부(430) 및, 지하수와 경소수성 액체를 이송하는 2상 혼합물 이송부(440)를 포함한다.
상기 고압수공급수단(500)은 토출단이 상기 고압수공급관(240)에 연결되고, 흡입단이 기액분리기(400)에 연결되는 부스트펌프(510)를 포함하여 구성된다.
상기 부스트펌프(510)의 흡입단은 기액분리기(400)의 지하수유출구(420)에 연결된다.
여기서 기액분리기(400)에 저류되는 지하수와 경소수성 액체는 비중의 차이에 의하여 경소수성 액체는 상층을 형성하고, 지하수는 하층을 형성하게 되는데, 하층을 형성하는 지하수는 고압수공급수단(500)에 의하여 제트펌프(200)의 제트노즐(230)에 고압수로서 공급된다.
최초 작동시에는 기액분리기(400) 내에 지하수가 저류되어 있지 않으므로 기액분리기(400)에 미리 마중수를 채워두어 이 마중수를 고압수공급수단(500)의 고압수공급관(240)을 통해 제트펌프(200)의 제트노즐(230)에 공급함으로써 가동을 시작할 수 있다.
또한 상기 부스트펌프(510)를 마중수 충수장치가 구비된 것을 사용할 수도 있다.
상기 관정캡(140)의 상면에는 상기 고압수공급관(240)이 관통하는 고압수공급관 관통공(H11)과, 상기 추출관(300)이 관통하는 추출관 관통공(H12) 및 맨홀관(191)이 설치되는 맨홀 설치공(H13)이 천공된다.
상기 관정캡(140)의 상면에는 상기 고압수공급관 관통공(H11)에 대응하는 고압수공급관 관통공(H21)과, 상기 추출관 관통공(H12)에 대응하는 추출관 관통공(H22) 및 맨홀 설치공(H13)에 대응하는 맨홀 설치공(H23)이 형성된 누름판(150)이 결합된다.
상기 관정캡(140)의 상면과 누름판(150)의 하면 사이에는 상기 고압수공급관(240)의 외주면에 끼워지는 오링(OR2)과, 상기 추출관(300)의 외주면에 끼워지는 오링(OR3)이 삽입되며, 누름판(150)을 관정캡(140)에 대하여 조이는 것에 의하여 오링(OR2, OR3)가 압착되면서 고압수공급관(240)의 외주면과 고압수공급관 관통공(H11, H21)의 내주면 사이와, 추출관(300)의 외주면과 추출관 관통공(H12, H22) 사이의 기밀이 유지된다.
상기 관정캡(140)의 상면에 대한 누름판(150)의 누름작용을 위하여 상기 관정캡(140)의 상면과 누름판(150)을 관통하는 복수개의 볼트(B)와, 상기 볼트(B)에 체결되며 상기 누름판(150)의 상면에 밀착되는 복수개의 너트(N)가 구비된다.
이때, 상기 볼트(B)의 머리부와 관정캡(140)의 하면 사이와 상기 너트(N)의 하면과 누름판(150)의 상면 사이에는 기밀유지를 위한 패킹 또는 오링을 삽입할 수 있다.
상기 기액분리기(400)는 지하수와 경소수성 액체 및 기상 휘발성 유기화합물의 혼합물로부터 지하수와 경소수성 액체를 분리하는 통상적인 기액분리기를 사용할 수 있다.
예컨대, 본 출원인의 선등록특허 제10-1672698호의 "기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치"를 기액분리기로 사용할 수 있다.
상기 유수분리기(600)는 상기 기액분리기(400)의 2상 혼합물 이송부(440)에 연결되는 유입부(610)와, 분리된 경소수성 액체를 배출하는 경소수성 액체 배출부(620)와, 잔존하는 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부(630) 및, 분리된 지하수를 배출하는 지하수 배출부(640)를 포함한다.
상기 방류조(700)는 상기 유수분리기(600)의 지하수 배출부(640)에 연결되는 유입부(710)와, 유입된 지하수를 방류하는 방류부(720)를 포함한다.
여기서 하나의 굴착공(H)에 관정케이싱(100), 제트펌프(200), 추출관(300)을 설치하고, 기액분리기(400)와 고압수공급수단(500)을 제트펌프(200)와 추출관(300)에 연결하여 운용할 수도 있으나, 복수개의 굴착공(H)에 상기 관정케이싱(100), 제트펌프(200), 추출관(300)을 설치하고, 상기 고압수공급수단(500)을 구성하는 부스트펌프(510)의 토출단에 복수개의 제트펌프(200)의 고압수공급관(240)을 연결하며, 상기 기액분리기(400)의 3상 혼합물 유입부(410)에 복수개의 추출관(300)을 연결하여 운용할 수 있다.
이때, 하나의 부스트펌프(510)에 복수개의 제트펌프(200)의 고압수공급관(240)을 연결하기 위하여 메니폴드(520)를 사용하고, 하나의 기액분리기(400)의 3상 혼합물 유입부(410)에 복수개의 추출관(300)을 연결하기 위하여 메니폴드(310)를 사용할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 유류오염지하수 정화장치의 작용에 대하여 설명한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 유류오염지하수 정화장치가 작동하기 전에는 지하수의 수위가 상시지하수위를 유지하게 된다.
이 상태에서 지하수층(W)의 수면에 경소수성 액체층(L)이 형성되어 있고, 그 상층에는 휘발성 유기화합물층(V)이 형성되어 있다.
이 상태에서 부스트펌프(510)에 마중수를 충전하고, 부스트펌프(510)를 가동시키면, 마중수가 가압토출되어 고압수공급관(240)을 통하여 제트노즐(230)으로 공급되고, 제트노즐(230)에서 고압수가 분사된다.
이 과정에서 고압수는 고속으로 분사되어 확장관(220)의 하단을 통과하고, 내부로 유입되어 확장관을 따라 확장되면서 속도가 급격히 감소하게 되고, 이에 따라 동적에너지 감소와 이에 상응한 확장관(220)의 하단에서의 흡입력 증가(압력 감소)와 확장관(220) 상부에서의 압력 증가가 발생되어 지하수와 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물을 포함하는 3상 혼합물이 제트펌프본체(210)의 하단을 통하여 흡입되며, 흡입된 3상 혼합물은 확장관(220)의 상부로 가면서 3상 혼합물이 제트노즐(230)에서 분사되는 고압수와 함께 확장관(220)의 상단에 연결된 추출관(300)을 통해 지상으로 추출된다.
여기서, 제트펌프(200)는 고압수공급수단(500)으로부터 가압 공급되는 고압수가 제트노즐(230)에서 확장관(220)의 하단을 향해 상향 분사될 때 고속의 유속을 가지며 확장관(220)을 통과할 때는 단면적 비율에 따라 급격한 유속저하가 발생하며 이에 따른 동적에너지 변환작용에 의해 제트펌프(200)의 하단에서는 강력한 흡입력이, 추출관(300) 방향으로는 압력이 발생하게 되어 3상 혼합물의 흡입 및 추출이 효과적으로 이루어고 마중수와 추출물은 지상으로 배출이 이루어지게 된다.
또한 동적에너지 변환작용에 의해 발생된 제트펌프(200)의 흡입력은 흡입구 주변의 물질을 흡입하게 되며, 이때 흡입되는 유체는 지하수, 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물 등의 성상에 따른 제약이 없다. 즉 제트펌프(200)의 하단 흡입구가 물에 완전히 잠겨있다면 물만 흡입될 것이며, 물만 흡입되면 지하수위가 저하되어 제트펌프(200) 흡입구가 노출되고, 제트펌프(200) 흡입구가 노출되면 지하수나 경소수성 액체 보다는 기상의 휘발성 유기화합물 위주로 흡입되고 지하수의 흡입량이 감소되어 지하수위는 다시 상승하게 된다. 상기의 과정이 반복되면 제트펌프(200)의 흡입구로 유입되는 지하수, 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물이 관정의 수리지질학적 특성에 따라 적정한 비율로 혼합되어 흡입, 배출될 것이며, 지하수위는 제트펌프(200) 흡입구 설치 Level에 물리적으로 유지된다. 제트펌프(200)의 흡입력은 고압수공급수단(500)으로부터 구동 유체를 공급받아 제트펌프(200)에서 구동유체의 동적에너지가 변환작용에 의해 전환되어 생성되므로 흡입유체의 구성비와 무관하게 항상 일정한 크기가 유지됨을 특징으로 하며, 기상의 휘발성 유기화합물 또는 지하수만이 양수되는 경우에도 전체 시설계통에 과열, 과부하를 초래하지 않아 연속가동이 가능한 장점이 있다.
Bio-Slurping 공법의 추출시스템 구성의 일예는 기액분리기(3m3), Roots(or Ring) Blower(15kW), 이송펌프(1.5 kW×2대), 활성탄 필터(1m3, 기상용) 및 유수분리장치 등으로 구성된다. Blower(15kW) 1대로 12개의 추출정(추출속도 : 기상 0.4m3/min)에서 동시에 추출이 가능하며 이는 Blower의 송풍능력 15m3/min(5000 mm aq.)의 약 30% 정도를 유용하는 수준이다. Blower의 가동 시간은 과열이 발생할 수 있어 1회(또는 1일) 4시간 이내로 관리함이 일반적이다. Bio-Slurping 공법의 주요 추출 대상은 기상의 휘발성 유기화합물이며, Slurp Tube의 선단이 지하수위면 하부에 1m 이상 잠기게 되면 dead head가 발생될 수 있으며, 통기성이 낮은 지반 즉 공기추출압(Air Emergence Pressure)이 5000 mm aq. 이상인 지반(silty clay loam : 5,000mm aq., clay : 20,000mm aq.)에서는 상기 Blower를 적용한 BS 공법을 적용할 수 없다.
DPR(Dual Pump Recovery) 공법의 경우 1개의 추출정 내부에 2대의 수중펌프를 배치하고 Level Switch 등 자동제어 장치를 설치하여 하부의 지하수펌프(21)는 지하수를 양수하여 관정 주변의 지하수위를 낮추어 수면에 경소수성 액체 층이 형성되도록 유도하며, 상부 지하수펌프(22)는 경소수성 액체 관정 외부로 양수하는 역할을 한다. DPR 공법은 매 관정마다 각각의 지하수펌프를 2대씩 배치하므로 최소한의 지하수 양수량이 확보되어야 하므로 지하수량이 많은 조건에서 적용성이 우수하나 경소수성 액체 두께가 얇은 경우 상부 지하수펌프(22)에 의한 경소수성 액체 추출이 이루어지지 않거나 효율이 불량하여 적용성이 저하된다. 따라서 투수성이 낮은 지반조건 및 경소수성 액체 두께가 얇은 현장조건에서는 DPR 공법은 적용성이 없고, 과도한 지하수위 저하는 스미어 존(Smear Zone)을 확대시켜 토양오염대를 확대시킬 수 있는 단점이 있다.
제트펌프(200)의 구동 에너지는 고압수공급수단(500)으로부터 부여 받으며, 고압수공급수단(500) 내의 마중수(고압수)는 기액분리기(400), 고압수공급수단(500, 제트펌프(200)를 연속적으로 순환하며, 기상은 기액분리기(400)에서 대부분 제거되고 액상만 고압수공급수단(500)에 공급되므로 마중수는 항시 일정한 압력과 일정한 송수량을 유지하며 이는 제트펌프(200)에서 일정한 흡입력과 송수 능력을 유지하게 할 뿐만 아니라 흡입되는 대상이 지하수, 경소수성 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물 등의 성상 또는 혼합비에 무관하게 일정한 성능을 유지하므로 본 발명은 3상추출(MPE)을 가능하게 하고, 적용지반의 투수성 또는 통기성에 제약을 받지 않게 되는 장점이 있다.
또한 본 고안은 지상에서 고압펌프(Booster Pump)를 이용하여 지하수면 주변의 유체를 위주로 추출하므로 적은 동력으로 많은 액상을 회수할 수 있다. 이는 Bio-Slurping 공법에서 15kW의 동력으로 관정 12개를 동시 추출(1.25kW/과정)하는 것 대비 본 고안은 2.3 kW 펌프 1대로 관정 5개를 동시 추출(0.46kW/관정) 할 수 있어 동력 소모량이 BS 공법의 36.8% 수준으로 에너지 소비량이 적을 뿐만 아니라 액상 위주로 추출하므로 관정의 간격을 BS 공법의 수m 에서 본 고안의 십수m로 넓게 적용할 수 있어 관정시공을 적게 할 수 있고, 넓은 면적을 포괄할 수 있는 친환경적 공법이다. 또한 본 고안은 고압수공급수단(500)에 의한 물을 구동유체(마중수)로 사용하고 마중수는 기액분리기(500)를 통해 공급되므로 추출되는 피 구동유체의 성상에 관계없이 항상 일정한 구동에너지를 보유하고 마중수가 냉각 기능을 하므로 설비 가동에 따른 고열문제 및 dead head 문제에 제약 없이 일일 24시간 가동도 가능하다. 지하수정화나 지하수오염 응급확산방지 조치 등은 통상 최하 10개월 이상 현장운영을 하게 되며, 지하수위는 계절에 따른 변동 및 정화 시설 운영에 따른 변동이 발생할 수 있으며, 지하수위의 승강이 반복되는 불포화대가 발생하는데 이러한 구간을 스미어 존(Smear Zone) 이라고 한다. 스미어 존(Smear Zone)에서의 지하수위 변동과 이에 따른 경소수성 액체의 승강을 함께 반복하여 유류에 의한 토양오염대가 스미어 존(Smear Zone)에 형성될 수 있으므로 스미어 존(Smear Zone)의 관리가 필요하다. 본 고안은 제트펌프(200) 흡입구 아래로는 지하수위가 강하되지 않으므로 지하수위에 따른 제트펌프(200) 설치 위치를 적절히 관리하면 스미어 존(Smear Zone)의 관리가 가능하게 된다.
추출관(300)을 통하여 추출된 고압수와 3상 혼합물은 유입부(410)을 통해 기액분리기(400)에 유입된다.
기액분리기(400)에 유입된 마중수와 3상 혼합물은 지하수와 경소수성 액체를 포함하는 2상 액체 및 기상의 휘발성 유기화합물로 분리되고, 휘발성 유기화합물은 기상의 휘발성 유기화합물 배출부(430)을 통해 배출되어 전용 처리시설로 이송되어 처리되며, 지하수와 경소수성 액체를 포함하는 2상 액체는 기액분리기(400)의 하부에 저류된다.
기액분리기(400)의 하부에 저류되는 2상 액체는 부스트펌프(510)에 의하여 가압되어 고압수공급관(240)을 통하여 제트노즐(230)에 고압수로서 공급된다.
이때, 기액분리기(400) 내에 저류되는 2상 액체는 비중의 차이에 의하여 지하수는 하층을 이루게 되고, 경소수성 액체는 상층을 이루게 되므로 제트노즐(230)에 공급되는 고압수는 대부분 지하수로 이루어지게 된다.
추출된 지하수를 마중수로 사용할 수 있으므로 추출일 일단 시작되면 더 이상의 마중수의 보충 없이 제트펌프(200)의 작동이 이루어지게 된다.
상기 기액분리기(400) 내에 저류되는 지하수와 경소수성 액체의 2상 액체의 수위가 일정 이상 상승하면 2상 혼합물 이송부(440)을 통하여 별도의 동력을 사용하지 않고도 중력의 작용만으로도 2상 액체가 유수분리기(600)로 이송된다.
한편, 기액분리기(400)로 유입된 3상 혼합물은 휘발성 유기화합물이 휘발성 유기화합물 배출부(430)을 통하여 배출되기는 하지만, 완전히 제거되지 않고 2상 내에 잔존할 수 있는바, 2상 혼합물 배출부(440)에서는 지하수와 경소수성 액체를 포함하는 2상 액체와 잔존하는 휘발성 유기화합물이 혼합된 3상 혼합물이 배출될 수 있다.
따라서 기액분리기(400)의 2상 혼합물 배출부(440)에서 배출되는 3상 혼합물은 유입부(610)을 통하여 유수분리기(600)로 유입되고, 유수분리기(600)에서는 3상 혼합물이 지하수와 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물로 분리되며, 분리된 경소수성 액체는 경소수성 액체 배출부(620)을 통하여 전용 처리시설로 이송되어 처리되고, 분리된 휘발성 유기화합물은 휘발성 유기화합물 배출부(630)을 통하여 전용 처리시설로 이송되어 처리되며, 분리된 지하수, 즉 정화된 지하수는 지하수 배출부(640)를 통하여 방류조(700)로 이송된다.
지하수 배출부(640)에서 배출된 지하수는 유입부(710)을 통하여 방류조(700)로 유입되고, 방류조(700)로 유입된 지하수는 방류부(720)를 통하여 방류, 또는 다시 지중으로 투입되어 지하수를 확충 또는 수리동력학적 지하수오염 확산방지에 사용된다.
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.
H : 굴착공 100 : 관정케이싱
110 : 관정케이싱본체 120 : 관정스크린
130 : 관정플러그 140 : 관정캡
150 : 누름판 160 : 제1 차수재
170 : 제2 차수재 180 : 샌드 팩
190 : 맨홀 200 : 제트펌프
210 : 제트펌프본체 220 : 확장관
230 : 제트노즐 240 : 고압수공급관
250 : 체크밸브 300 : 추출관
310 : 메니폴드 400 : 기액분리기
500 : 고압수공급수단 510 : 부스트펌프
520 : 메니폴드 600 : 유수분리기
700 : 방류조
110 : 관정케이싱본체 120 : 관정스크린
130 : 관정플러그 140 : 관정캡
150 : 누름판 160 : 제1 차수재
170 : 제2 차수재 180 : 샌드 팩
190 : 맨홀 200 : 제트펌프
210 : 제트펌프본체 220 : 확장관
230 : 제트노즐 240 : 고압수공급관
250 : 체크밸브 300 : 추출관
310 : 메니폴드 400 : 기액분리기
500 : 고압수공급수단 510 : 부스트펌프
520 : 메니폴드 600 : 유수분리기
700 : 방류조
Claims (2)
- 지반에 상시지하수위보다 깊게 천공되는 굴착공(H)과; 상기 굴착공(H)에 삽입되는 관정케이싱(100)과; 상기 관정케이싱(100)의 내부에 삽입되는 제트펌프(200)와; 상기 제트펌프(200)의 상단에 연결되어 지상으로 연장되는 추출관(300)과; 상기 추출관(300)에 연결되는 기액분리기(400)와; 상기 제트펌프(200)에 고압수를 공급하는 고압수공급수단(500)과; 상기 기액분리기(400)에 연결되는 유수분리기(600); 및 상기 유수분리기(600)에 연결되는 방류조(700);를 포함하여 구성되며,
상기 관정케이싱(100)은 상반부를 구성하며 상단이 지표면(GL)에서 돌출되며 하단이 상시지하수위보다 상부에 위치하는 관정케이싱본체(110)와, 상단이 상기 관정케이싱본체(110)의 하단에 결합되며 하단이 상시지하수위보다 하부에 위치하는 관정스크린(120)과, 상기 관정스크린(120)의 하단을 폐쇄하는 관정플러그(130)과, 상기 관정케이싱본체(110)의 상단을 폐쇄하는 관정캡(140)과, 지표면(GL)의 높이에서 상기 굴착공(H)과 관정케이싱본체(110) 사이에 삽입되어 지반에 관정케이싱(100)을 고정하는 제1 차수재(160)와, 상기 관정케이싱본체(110)의 하단부근에서 상기 굴착공(H)과 관정케이싱본체(110)의 사이에 삽입되어 관정 외부의 지표수, 오염물 및 공기가 굴착공(H)을 통하여 관정케이싱(100) 내부로 유입되는 것을 차단하고 관정스크린(120)을 통하여 관정케이싱(100) 내부로 유입되도록 유도하여 산소 공급과 기상의 휘발성 유기화합물 제거가 동시에 이루어져 바이오벤팅을 발생시키는 기능을 수행하는 제2 차수재(170)와, 상기 제1 차수재(160)와 제2 차수재(170) 사이 및 제2 차수재(170)의 하부에 충전되어 필터재로 작용하여 관정스크린(120)을 통한 토사 유입을 차단하여 굴착공(H)의 유실을 방지하는 샌드 팩(180)을 포함하여 구성되고,
상기 제트펌프(200)는 상하단이 개방되고 하단이 상시지하수위의 하부에 위치하는 제트펌프본체(210)와, 상기 제트펌프본체(210)의 상단에 연결되며 상부로 가면서 점차 확장되는 테이퍼형 확장관(220)과, 상기 제트펌프본체(210) 내에서 상기 확장관(220)의 하단을 향해 고압수를 상향분사하는 제트노즐(230)과, 상기 제트노즐(230)에 고압수를 공급하는 고압수공급관(240), 및 상기 제트펌프본체(210)의 하단부에 설치되어 제트펌프본체(210)의 하단에서 흡입되는 지하수, 경소수성 액체 및 휘발성 유기화합물이 상 방향으로만 유동되고 역방향인 하 방향으로는 유동할 수 없도록 하는 체크밸브(250) 을 포함하여 구성되며,
상기 추출관(300)은 상기 확장관(220)의 상단에 연결되고,
상기 기액분리기(400)는 상기 추출관(300)에 연결되는 3상 혼합물 유입부(410)와, 상기 고압수공급수단(500)에 연결되는 지하수유출구(420)와, 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부(430) 및, 지하수와 경소수성 액체를 이송하는 3상 혼합물 이송부(440)를 포함하여 구성되며,
상기 고압수공급수단(500)은 토출단이 상기 고압수공급관(240)에 연결되고, 흡입단이 상기 기액분리기(400)의 지하수유출구(420)에 연결되어 상기 기액분리기(400)의 하층을 형성하는 지하수를 고압수로서 상기 고압수공급관(240)을 통하여 상기 제트펌프(200)의 제트노즐(230)에 공급함과 아울러 최초 작동시 상기 기액분리기(400)에 미리 채워둔 마중수를 상기 고압수공급관(240)을 통해 상기 제트펌프(200)의 제트노즐(230)에 공급하는 부스트펌프(510)를 포함하여 구성되고,
상기 유수분리기(600)는 상기 기액분리기(400)의 3상 혼합물 이송부(440)에 연결되는 유입부(610)와, 분리된 경소수성 액체를 배출하는 경소수성 액체 배출부(620)와, 잔존하는 휘발성 유기화합물을 배출하는 휘발성 유기화합물 배출부(630) 및, 분리된 지하수를 배출하는 지하수 배출부(640)를 포함하여 구성되며,
상기 방류조(700)는 상기 유수분리기(600)의 지하수 배출부(640)에 연결되는 유입부(710)와, 유입된 지하수를 방류하는 방류부(720)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유류오염지하수 정화장치.
- 제1항에 있어서,
복수개의 굴착공(H)에 상기 관정케이싱(100), 제트펌프(200), 추출관(300)을 설치하고, 상기 고압수공급수단(500)을 구성하는 부스트펌프(510)의 토출단에 복수개의 제트펌프(200)의 고압수공급관(240)을 연결하며, 상기 기액분리기(400)의 3상 혼합물 유입부(410)에 복수개의 추출관(300)을 연결하여 구성됨을 특징으로 하는 유류오염지하수 정화장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170087876A KR101830288B1 (ko) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | 유류오염지하수 정화장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170087876A KR101830288B1 (ko) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | 유류오염지하수 정화장치 |
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| KR101830288B1 true KR101830288B1 (ko) | 2018-03-29 |
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ID=61907303
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| KR1020170087876A KR101830288B1 (ko) | 2017-07-11 | 2017-07-11 | 유류오염지하수 정화장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR101830288B1 (ko) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101952611B1 (ko) | 2018-07-20 | 2019-03-04 | 주식회사 효림 | Iot기반 오염지하수 정화장치의 실시간 모니터링 및 자동제어시스템 |
| KR101933631B1 (ko) * | 2018-06-12 | 2019-04-05 | 주식회사 성지엔지니어링 | 유류오염 지하수의 추출, 정화 및 재주입 시스템 |
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| KR102120402B1 (ko) | 2019-10-30 | 2020-06-08 | 한국건설기술연구원 | 배출도랑과 지하 다중벽체 구조물을 이용한 오염지하수의 확산방지 및 정화 시스템 및 방법 |
| KR102122772B1 (ko) | 2019-12-20 | 2020-06-15 | 셀파이엔씨(주) | 다중추출방법에 의한 오염토양 지하수정화 장치 |
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| KR101720098B1 (ko) * | 2016-12-28 | 2017-04-10 | 주식회사 성지엔지니어링 | 휘발성 유기화합물 오염 지하수 정화 장치 |
-
2017
- 2017-07-11 KR KR1020170087876A patent/KR101830288B1/ko active IP Right Grant
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