KR101972548B1 - 지반모사장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지하 토양층을 모사한 지반모사장치를 구현함에 있어서 유입수의 성상에 따른 미생물의 생장, 공극 변화를 영상을 통해 확인 가능하도록 함으로써 지반모사장치의 신뢰성을 향상시킴과 함께 지하수 함양 기술을 고도화할 수 있는 지반모사장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 지반모사장치는 지하의 토양층을 모사한 지반모사모듈; 상기 지반모사모듈에 유입수를 공급하는 유입수 공급조; 상기 지반모사모듈의 인공토양층을 촬영하는 카메라; 및 상기 카메라에 의해 취득된 영상정보를 바탕으로 인공토양층에서의 미생물 생장 상태 및 인공토양층의 공극 변화를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지며, 상기 지반모사모듈은, 외부 환경과 격리된 내부 공간을 구비한 투명부재와, 상기 투명부재의 내부 공간에 구비된 유체흐름 매질층과 지반모사 필름층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 지반모사장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하 토양층을 모사한 지반모사장치를 구현함에 있어서 유입수의 성상에 따른 미생물의 생장, 공극 변화를 영상을 통해 확인 가능하도록 함으로써 지반모사장치의 신뢰성을 향상시킴과 함께 지하수 함양 기술을 고도화할 수 있는 지반모사장치에 관한 것이다.
최근, 지하수 함양 기술(aquifer storage and recovery)이 고도화되고 있다. 지하수 함양은 빗물 등의 다양한 수원이 지하수 포화대에 흡수되어 지하수량이 증가되는 것을 의미하며, 지하수 함양 기술은 지하수량을 증가시키고 이를 활용하는 기술을 일컫는다.
종래의 경우, 빗물 등을 집수하여 농업용수로 이용함에 지하수 함양 기술이 대표적으로 활용되었으나, 최근에는 지표수의 수질 개선 및 하수 재이용수의 고도처리를 위해 지하수 함양 기술이 적용되고 있다. 지표수 및 하수 재이용수가 지하수 포화대로 이동되는 과정에서 지표수 및 하수 재이용수에 포함되어 있는 유기물, 중금속 등의 오염물이 토양층에 서식하고 있는 미생물에 의해 정화되는 효과를 얻기 위해 지하수 함양 기술을 이용하고 있는 것이다.
유입수에 포함되어 있는 유기물, 중금속 등의 오염물이 미생물에 의해 정화되는 효과를 정확히 파악하기 위해서는 토양층에서의 원수 흐름 파악, 대수층 내에서의 생지구화학적 반응에 대한 예측이 필요하며, 이를 위해 다양한 지반 모사 연구가 수행되고 있다.
지반 모사를 위해 컬럼, 박스, 개미집 형태 등의 지반모사장치가 활용되고 있으며, 유입수 수질에 따른 지반모사장치의 생지구화학적 반응을 확인하기 위하여 유출수의 수질 변화를 측정하는 방식을 사용한다. 그러나, 이러한 방식은 유입수 수질에 따른 유출수 수질 변화를 측정할 수 있을 뿐, 반응이 일어나는 위치 및 시간에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 지하 토양층을 모사한 지반모사장치를 구현함에 있어서 유입수의 성상에 따른 미생물의 생장, 공극 변화를 영상을 통해 확인 가능하도록 함으로써 지반모사장치의 신뢰성을 향상시킴과 함께 지하수 함양 기술을 고도화할 수 있는 지반모사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반모사장치는 지하의 토양층을 모사한 지반모사모듈; 상기 지반모사모듈에 유입수를 공급하는 유입수 공급조; 상기 지반모사모듈의 인공토양층을 촬영하는 카메라; 및 상기 카메라에 의해 취득된 영상정보를 바탕으로 인공토양층에서의 미생물 생장 상태 및 인공토양층의 공극 변화를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지며, 상기 지반모사모듈은, 외부 환경과 격리된 내부 공간을 구비한 투명부재와, 상기 투명부재의 내부 공간에 구비된 유체흐름 매질층과 지반모사 필름층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 지반모사 필름층은, 투명재질의 지반모사필름과, 상기 지반모사필름의 일면 또는 양면 상에 고정된 인공토양층을 포함하여 구성된다.
상기 투명부재는 일정 거리 이격된 채로 합착되는 상부 투명판과 하부 투명판으로 이루어지며, 상기 상부 투명판과 하부 투명판 사이의 공간에 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층이 구비되며, 상기 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층을 외부 환경과 격리시키기 위해 상기 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층이 구비된 영역 이외의 상부 투명판과 하부 투명판 사이의 공간에는 고무층이 구비된다.
상기 유체흐름 매질층은 상부 유체흐름 매질층과 하부 유체흐름 매질층으로 구분되며, 상기 투명부재의 내부 공간에 하부 유체흐름 매질층, 지반모사 필름층, 상부 유체흐름 매질층이 순차적으로 적층된 형태를 이루며, 상기 유입수 공급조로부터 지반모사모듈로 공급된 유입수는 상부 유체흐름 매질층, 지반모사 필름층, 하부 유체흐름 매질층을 거쳐 처리수 저장조로 배출된다.
상기 인공토양층은 자연 모래, 인공 입자, 점토, 토사(silt), 다공성 입자 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 구성된다.
상기 영상분석장치는 적외선 영상분석을 통해 인공토양층에서의 미생물 생장 상태를 분석함과 함께 인공토양층 입자들 사이의 간격 측정을 통해 인공토양층의 공극 변화를 분석한다.
상기 광원은 자외선과 적외선 사이의 파장을 갖는 빛을 조사한다.
본 발명에 따른 지반모사장치는 다음과 같은 효과가 있다.
지반모사필름에 인공토양층을 고정시켜 지반모사모듈을 구성하고, 인공토양층에 대한 영상분석을 통해 인공토양층 내에서의 미생물 생장 상태 및 인공토양층의 공극 변화를 실시간으로 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반모사장치의 구성도.
도 2는 지반모사모듈의 사시도.
도 3은 지반모사모듈의 분리 사시도.
도 4a 및 도 4b는 지반모사필름 상에 인공토양층이 고정된 상태를 나타낸 사진.
도 2는 지반모사모듈의 사시도.
도 3은 지반모사모듈의 분리 사시도.
도 4a 및 도 4b는 지반모사필름 상에 인공토양층이 고정된 상태를 나타낸 사진.
본 발명은 유입수가 토양층을 거쳐 지하수 포화대로 이동하는 과정에서 유입수의 토양층에서의 성상 변화를 모사하여 파악할 수 있는 기술에 관한 것이다.
토양층에서의 유입수 성상 변화는 유입수 내에 포함되어 있는 유기물, 중금속 등의 오염물이 토양층에 서식하고 있는 미생물에 의해 정화됨을 의미하며, 반대로 유입수가 토양층의 미생물에 의해 오염되는 것 또한 유입수 성상 변화라 할 수 있다.
토양층에서의 유입수 성상 변화와 토양층의 미생물은 밀접한 상관관계를 갖고 있으며, 또한 토양층 미생물의 생장은 토양층의 공극 변화에 영향을 미친다.
본 발명은 시각화가 가능한 지반모사장치를 통해, 미생물의 생장 상태 및 토양층의 공극 변화를 영상을 통해 실시간으로 확인하는 기술을 제시하며, 이를 통해 지반모사장치에서의 생지구화학적 반응에 대한 신뢰성을 높임과 함께 지하수 함양 기술을 고도화할 수 있는 기반을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 지반모사장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반모사장치는 유입수 공급조(10), 지반모사모듈(100), 광원(30), 카메라(40), 영상분석장치(50) 및 처리수 저장조(20)를 포함하여 이루어진다.
상기 유입수 공급조(10)는 지반모사모듈(100)에 유입수를 공급하며, 상기 처리수 저장조(20)는 상기 지반모사모듈(100)로부터 배출되는 처리수를 저장한다.
상기 지반모사모듈(100)은 지하의 토양층을 모사한 것으로서, 세부적으로 다음과 같은 구성을 갖는다. 상기 지반모사모듈(100)은 외부 환경과 격리된 내부 공간을 구비한 투명부재(110), 상기 투명부재(110)의 내부 공간에 장착되는 유체흐름 매질층(130)과 지반모사 필름층(120)을 포함하여 구성된다.
상기 투명부재(110)는 일정 거리 이격된 채로 합착되는 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112)으로 이루어지며, 상기 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112) 사이의 공간에 유체흐름 매질층(130) 및 지반모사 필름층(120)이 구비된다. 상기 유체흐름 매질층(130) 및 지반모사 필름층(120)을 외부 환경과 격리시키기 위해 상기 유체흐름 매질층(130) 및 지반모사 필름층(120)이 구비된 영역 이외의 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112) 사이의 공간에는 고무층(113)이 구비된다.
달리 표현하여, 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112)은 고무층(113)을 매개로 합착되며, 상기 고무층(113)은 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112)의 테두리부를 따라 구비되며, 고무층(113)이 구비되지 않은 상부 투명판(111)과 하부 투명판(112) 사이의 공간에 상기 유체흐름 매질층(130) 및 지반모사 필름층(120)이 구비된다.
상기 유체흐름 매질층(130)은 상부 유체흐름 매질층(131)(130)과 하부 유체흐름 매질층(132)로 구분되며, 상기 투명부재(110)의 내부 공간에 하부 유체흐름 매질층(132), 지반모사 필름층(120), 상부 유체흐름 매질층(131)(130)이 순차적으로 적층된 형태를 이룬다. 상기 유입수 공급조(10)로부터 지반모사모듈(100)로 공급된 유입수는 상부 유체흐름 매질층(131)(130), 지반모사 필름층(120), 하부 유체흐름 매질층(132)를 거쳐 상기 처리수 저장조(20)로 배출된다. 상기 상부 유체흐름 매질층(131)(130)의 일측에는 유입수 공급구가 구비되고, 상기 하부 유체흐름 매질층(132)의 일측에는 처리수 배출구가 구비된다.
상기 상부 유체흐름 매질층(131)(130)과 하부 유체흐름 매질층(132)는 유입수의 유량을 조절함과 함께 유입수의 흐름을 분산시키는 역할을 하며, 스펀지, 코르크 등의 비반응성 다공성 소재로 구성할 수 있다. 상기 지반모사 필름층(120)은 지하 토양층을 모사한 것으로서, 세부적으로 지반모사필름(121)과 지반모사필름(121) 상에 구비된 인공토양층(122)으로 이루어진다.
상기 지반모사필름(121)은 상기 투명부재(110)와 마찬가지로 투명재질로 이루어지며, 일 실시예로 투명재질의 고분자필름 또는 투명재질의 무기물필름으로 구성될 수 있다. 투명재질의 고분자필름으로는 폴리에스테르, 셀룰로오스 트리아세테이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리설폰 중 어느 하나를 이용할 수 있으며, 투명재질의 무기물필름으로는 석영 또는 유리를 이용할 수 있다.
상기 지반모사필름(121) 상에 구비되는 인공토양층(122)은 지하 토양층을 모사한 것으로서, 지반모사필름(121)의 일면 또는 양면 상에 구비되며, 미생물의 생장 및 토양층의 공극 변화를 영상으로 관찰하기 위해 토양층은 적절한 밀도로 구비된다. 지반모사필름(121) 상에 구비되는 토양층의 밀도는 투수계수 등을 고려하여 설계할 수 있다. 또한, 상기 인공토양층(122)은 자연 모래, 인공 입자, 점토, 토사(silt), 다공성 입자 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 구성할 수 있으며, 인공토양층(122)의 입자는 0.45㎛∼1m이다. 이와 함께, 상기 인공토양층(122)은 접착제를 매개로 상기 지반모사필름(121)에 고정되거나 화학적 분자결합, 유기물 결합, 열처리, 플라즈마 처리 등을 통해 지반모사필름(121)에 고정될 수 있다. 여기서, 상기 인공토양층(122)은 지하의 토양층을 모사하는 것을 일 예로 설명하였으나, 유체의 흐름이 상대적으로 빠름과 함께 유체가 흐르는 공간이 넓은 암반층, 규격화된 지하 복원용 여재 등을 모사할 수도 있으며, 이 경우 인공토양층 입자의 크기는 커질 수 있다.
종래의 경우, 지반모사장치를 설계함에 있어서 토양층을 컬럼 형태로 적층하는 형태로 구성함에 따라 토양층의 밀도 및 투수계수를 제어함에 어려움이 있으나, 본 발명의 경우 지반모사필름(121) 상에 인공토양층(122)이 고정, 구비되는 형태임에 따라 투수계수 등을 고려하여 토양층의 밀도를 선택적으로 조절할 수 있다.
상기 광원(30), 카메라(40) 및 영상분석장치(50)는 상기 지반모사모듈(100)의 인공토양층(122)을 실시간 촬영하여 인공토양층(122)에서의 미생물 생장 상태 및 토양층의 공극 변화를 분석하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 광원(30)은 지반모사모듈(100)의 일면을 향해 빛을 조사하며, 상기 카메라(40)는 상기 지반모사모듈(100)의 다른 일면을 촬영한다. 상기 영상분석장치(50)는 상기 카메라(40)에 의해 취득된 인공토양층(122) 영상정보를 분석하는 역할을 하며, 세부적으로 적외선 영상분석 등을 통해 미생물의 생장 상태를 확인함과 함께 인공토양층(122) 입자들 사이의 간격 측정 등을 통해 인공토양층(122)의 공극 변화를 분석한다. 여기서, 상기 광원(30)에 의해 조사되는 빛은 자외선과 적외선 사이의 파장을 갖는다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 지반모사장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 상기 유입수 공급조(10)의 유입수는 지반모사모듈(100)의 유입수 공급구를 통해 상부 유체흐름 매질층(131)(130)에 공급되며, 공급된 유입수는 상부 유체흐름 매질층(131)(130)에 의해 유량이 조절됨과 함께 상부 유체흐름 매질층(131)(130)의 전 영역으로 분산된다. 여기서, 상기 유입수는 다양한 성상의 유입수가 사용될 수 있으며, 미생물 생장 및 공극 변화를 관찰하기 위해 유입수의 성상을 임의로 설정할 수도 있다.
상부 유체흐름 매질층(131)(130)을 통과한 유입수는 지반모사필름(121) 상에 구비된 인공토양층(122)으로 이동된다. 인공토양층(122)에 공급된 유입수는 인공토양층(122)의 공극을 따라 이동되어 최종적으로 하부 유체흐름 매질층(132)로 배출되는데, 유입수가 인공토양층(122)의 공극을 따라 이동하는 과정에서 유입수에 포함되어 있는 유기물, 중금속 등의 오염물이 인공토양층(122)에 서식하고 있는 미생물의 생장에 영향을 미치게 된다. 또한, 미생물의 생장 상태는 인공토양층(122)의 공극 변화를 유도한다. 예를 들어, 미생물이 활발히 생장하게 되면 인공토양층(122)의 공극은 작아지게 된다.
이와 같이 유입수의 인공토양층(122)으로의 공급을 통해 미생물 생장 상태 및 인공토양층(122)의 공극 변화가 유도되는데, 이와 같은 미생물 생장 상태 및 인공토양층(122)의 공극 변화는 지반모사모듈(100)의 일측에 구비된 카메라(40) 및 영상분석장치(50)를 통해 분석된다. 세부적으로, 적외선 영상분석 등을 통해 미생물의 생장 상태를 확인함과 함께 인공토양층(122) 입자들 사이의 간격 측정 등을 통해 인공토양층(122)의 공극 변화를 분석할 수 있다.
상기 인공토양층(122)으로부터 배출되는 유입수 즉, 처리수는 하부 유체흐름 매질층(132)를 거쳐 처리수 배출구를 통해 처리수 저장조(20)로 이동된다.
10 : 유입수 공급조 20 : 처리수 저장조
30 : 광원 40 : 카메라
50 : 영상분석장치 100 : 지반모사모듈
110 : 투명부재 111 : 상부 투명판
112 : 하부 투명판 113 : 고무층
120 : 지반모사 필름층
121 : 지반모사필름 122 : 인공토양층
130 : 유체흐름 매질층 131 : 상부 유체흐름 매질층
132 : 하부 유체흐름 매질층
30 : 광원 40 : 카메라
50 : 영상분석장치 100 : 지반모사모듈
110 : 투명부재 111 : 상부 투명판
112 : 하부 투명판 113 : 고무층
120 : 지반모사 필름층
121 : 지반모사필름 122 : 인공토양층
130 : 유체흐름 매질층 131 : 상부 유체흐름 매질층
132 : 하부 유체흐름 매질층
Claims (7)
- 지하의 토양층을 모사한 지반모사모듈;
상기 지반모사모듈에 유입수를 공급하는 유입수 공급조;
상기 지반모사모듈의 인공토양층을 촬영하는 카메라; 및
상기 카메라에 의해 취득된 영상정보를 바탕으로 인공토양층에서의 미생물 생장 상태 및 인공토양층의 공극 변화를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지며,
상기 지반모사모듈은,
외부 환경과 격리된 내부 공간을 구비한 투명부재와,
상기 투명부재의 내부 공간에 구비된 유체흐름 매질층과 지반모사 필름층을 포함하여 구성되며,
상기 지반모사 필름층은, 투명재질의 지반모사필름과, 상기 지반모사필름의 일면 또는 양면 상에 고정된 인공토양층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 지반모사장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 투명부재는 일정 거리 이격된 채로 합착되는 상부 투명판과 하부 투명판으로 이루어지며, 상기 상부 투명판과 하부 투명판 사이의 공간에 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층이 구비되며,
상기 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층을 외부 환경과 격리시키기 위해 상기 유체흐름 매질층 및 지반모사 필름층이 구비된 영역 이외의 상부 투명판과 하부 투명판 사이의 공간에는 고무층이 구비되는 것을 특징으로 하는 지반모사장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유체흐름 매질층은 상부 유체흐름 매질층과 하부 유체흐름 매질층으로 구분되며, 상기 투명부재의 내부 공간에 하부 유체흐름 매질층, 지반모사 필름층, 상부 유체흐름 매질층이 순차적으로 적층된 형태를 이루며,
상기 유입수 공급조로부터 지반모사모듈로 공급된 유입수는 상부 유체흐름 매질층, 지반모사 필름층, 하부 유체흐름 매질층을 거쳐 처리수 저장조로 배출되는 것을 특징으로 하는 지반모사장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 인공토양층은 자연 모래, 인공 입자, 점토, 토사(silt), 다공성 입자 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반모사장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 영상분석장치는 적외선 영상분석을 통해 인공토양층에서의 미생물 생장 상태를 분석함과 함께 인공토양층 입자들 사이의 간격 측정을 통해 인공토양층의 공극 변화를 분석하는 것을 특징으로 하는 지반모사장치.
- 삭제
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