KR102112732B1 - 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템 - Google Patents

토양식 고도처리 순환 재이용 시스템 Download PDF

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Abstract

토양식 고도처리 순환 재이용 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템은 화장실로부터 공급되는 오수를 정화 처리하는 원수조; 원수조를 거친 처리수가 공급되며, 혐기조건하에서 처리수를 정화하되 악취와 스컴(scum) 및 슬러지 발생을 억제하는 침전분리조; 침전분리조를 거친 처리수가 공급되며, 호기조건하에서 산기관과 미생물담채를 이용하여 처리수를 정화하는 접촉폭기조; 접촉폭기조를 거친 처리수가 공급되며, 부유물질을 여과하고 고산소농도의 반송수를 원수조로 반송하는 여과침전조; 여과침전조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수를 탈색 및 살균하는 탈색살균조; 탈색살균조를 거친 처리수가 공급되는 유량조정조; 유량조정조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 토양처리조; 토양처리조를 거친 처리수가 공급되는 집수조; 및 집수조에 저장된 처리수를 화장실로 공급하는 급수장치를 포함한다.

Description

토양식 고도처리 순환 재이용 시스템{Soil type Advanced Purification Circulation Reuse System}
본 발명은 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 상하수도 관로가 설치되어 있지 않은 산속의 산장 혹은 사찰, 등산로, 강변, 해변, 산책로, 기타 야영지 등에 설치된 공중 화장실은 변기 세척수 공급이 어렵고 오수 배출에 따른 악취 및 수질 등의 환경오염 문제가 있어 독립적인 정화 처리능력을 갖춘 무방류 순환 수세식　화장실의 필요성이 대두되고 있다.
그러나 보급되어 있는 대부분의 화장실은 천연발효 급취식으로 여름철에는 심한 악취와 해충 번식 등에 시달리고 있다. 이는 한정된 공간에 많은 처리조가 설치되므로 유입 오수량에 대한 처리조의 용량 부족으로 인해 처리효율이 저하되기 때문이다. 따라서 최종 처리수의 수질이 저하되고 악취가 잔존하며 처리수의 색상도 나쁘다.
이러한 화장실에서 배출되는 배출수는 계곡이나 하천의 수질을 오염시킬 우려가 있을 뿐만 아니라 사용자에게 불쾌감을 주기 때문에 사용자가 화장실 이용을 기피하게 되므로 최종적으로 화장실 가동을 중지하거나 폐쇄하는 실정이다.
따라서 공중 화장실에서 배출되는 분뇨 및 오수를 처리하는데 있어서 유기물, 질소, 인 및 악취를 효율적으로 제거해 청정한 처리수를 확보할 수 있는 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-0727577호(2007.06.05. 공고)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 공중 화장실에서 배출되는 분뇨 및 오수를 효율적으로 정화 처리하고 유지관리가 용이한 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 화장실로부터 공급되는 오수를 정화 처리하는 원수조; 상기 원수조를 거친 처리수가 공급되며, 혐기조건하에서 처리수를 정화하되 악취와 스컴(scum) 및 슬러지 발생을 억제하는 침전분리조; 상기 침전분리조를 거친 처리수가 공급되며, 호기조건하에서 산기관과 미생물담채를 이용하여 처리수를 정화하는 접촉폭기조; 상기 접촉폭기조를 거친 처리수가 공급되며, 부유물질을 여과하고 고산소농도의 반송수를 상기 원수조로 반송하는 여과침전조; 상기 여과침전조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수를 탈색 및 살균하는 탈색살균조; 상기 탈색살균조를 거친 처리수가 공급되는 유량조정조; 상기 유량조정조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 토양처리조; 상기 토양처리조를 거친 처리수가 공급되는 집수조; 및 상기 집수조에 저장된 처리수를 상기 화장실로 공급하는 급수장치를 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템이 제공될 수 있다.
상기 침전분리조는 내부에 설치되되 하부가 처리수에 잠기는 그레이팅(grating); 상기 그레이팅의 내부에 처리수에 접촉되게 마련되되, 처리수의 악취를 흡수하고 스컴 및 슬러지 발생을 억제하는 피복토양층; 및 상기 그레이팅의 내부에 상기 피복토양층을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포를 포함할 수 있다.
상기 피복토양층은 상기 침전분리조 내의 처리수에 5 ~ 8Cm 잠길 수 있다.
상기 피복토양층은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어질 수 있다.
상기 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이고, 상기 마사토의 함수율은 11∼14%일 수 있다.
상기 피복토양층의 경도는 산중식 토양경도계 기준으로 11.0∼15.0mm일 수 있다.
상기 여과침전조는 처리수의 pH조정을 위해 조개류 껍질을 여재로 사용할 수 있다.
상기 토양처리조는 상기 유량조정조로부터 공급된 처리수를 하방으로 균일하게 살수하는 살수관; 상기 살수관의 하부에 배치되어 처리수가 침투되며, 수평방향으로 상호 이격되고 나란하게 배치되고 높이방향으로 상호 이격되고 다단 적층되어 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 토양블록들; 및 상기 토양블록들 사이에 배치되어 처리수가 통과하는 통수층을 포함할 수 있다.
상기 토양블록은 토양블록 프레임; 상기 토양블록 프레임의 내부에 처리수에 접촉되게 마련되되, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 처리토양층; 및 상기 토양블록 프레임의 내부에 상기 처리토양층을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포를 포함할 수 있다.
상기 처리토양층은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어질 수 있다.
상기 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이고, 상기 마사토의 함수율은 11∼14%일 수 있다.
상기 처리토양층의 경도는 산중식 토양경도계 기준으로 11.0∼15.0mm일 수 있다.
상기 토양처리조는 상기 토양블록들 사이에 배치되어 상기 토양블록들 사이에 공기를 공급하는 공기공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 토양처리조는 교대로 사용되게 복수 개 마련될 수 있다.
상기 원수조는 내부에 마련되어 내부공간을 복수의 수용공간들로 분획하는 복수의 격벽들; 상기 복수의 수용공간들에 각각 마련된 산기관; 및 상기 복수의 수용공간들의 상부에 각각 마련되어 상기 여과침전조에서 반송된 고산소농도의 반송수를 하방으로 살수하는 살수관을 포함할 수 있다.
상기 침전분리조에서 침전 분리된 슬러지가 수용되며, 오존을 공급하여 슬러지를 분해하는 슬러지 처리조를 더 포함하며, 상기 슬러지 처리조에서 분해된 슬러지는 상기 침전분리조로 공급될 수 있다.
상기 집수조에 저장된 처리수가 공급되며, 처리수에 잔존하는 색상성분을 흡착하여 다시 상기 집수조에 처리수를 공급하는 활성탄 여과통; 및 상기 집수조에서 잉여수가 공급되며, 잉여수를 증발시키는 증발조를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 가동 초기에는 맑은 물을 공급해야 하나 가동 개시후에는 별도의 급수가 필요없는 무급수방식이고, 유기물 등을 자체적으로 제거처리하므로 분뇨를 별도로 수거할 필요가 없으며, 분뇨 및 오수에서 발생하는 악취를 제거하고 오수의 색도를 맑은 물 수준으로 정화처리할 수 있으며, 최종처리수를 화장실의 세정수로 재활용하고 하천 등으로 방류하지 않으므로 하천 등의 오염을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는 토양 접촉식 침전분리조에 의해 스컴 및 슬러지 발생이 억제되므로 소량의 슬러지도 오존 등에 의해 분해되어 슬러지 방류를 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예는 토양처리조의 살수방식이 가압에 의하지 않는 중력 침투방식이므로 운영함에 있어서 에너지 절약성이 뛰어나고 유지관리가 용이하여 안정적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원수조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전분리조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조를 구성하는 마사토의 통과질량 백분률을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 생물학적 산소요구량(BOD) 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 화학적 산소요구량(COD) 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 부유물질농도(SS) 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 총인(T-P) 제거량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 총질소(T-N) 및 NH4 제거능을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 대장균 제거능을 나타낸 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원수조를 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 침전분리조를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조를 나타내는 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조를 구성하는 마사토의 통과질량 백분률을 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 생물학적 산소요구량(BOD) 제거량을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 화학적 산소요구량(COD) 제거량을 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 부유물질농도(SS) 제거량을 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 총인(T-P) 제거량을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 총질소(T-N) 및 NH4 제거능을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양처리조의 대장균 제거능을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템(100)은 원수조(10)와, 침전분리조(20)와, 접촉폭기조(30)와, 여과침전조(40)와, 탈색살균조(45)와, 유량조정조(50)와, 토양처리조(60)와, 집수조(70)와, 활성탄 여과통(75)과, 증발조(80)와, 슬러지 처리조(85)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템(100)은 가동초기에는 맑은 물을 공급해야 하나 가동개시 후에는 별도의 급수가 필요 없으며 오수에 포함된 유기물과 부영양화 원인물질인 질소와 인 및 악취 등을 제거하고 오수의 색도를 맑은 물 수준으로 정화할 수 있으며 아울러 최종처리수를 외부로 방류하지 않고 순환시켜 재이용하므로 하천 등의 오염을 방지할 수 있는 친환경적이다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템(100)에서 정화된 최종처리수의 수질은 수경용수 레벨을 달성할 수 있어 친환경적이다.
원수조(10)는 오수 발생원인 화장실(T) 내의 변기 등으로부터 공급되는 분뇨, 화장지 등을 포함하는 오수가 저장되며, 저장된 오수를 다음 프로세스에서 쉽게 처리할 수 있도록 하는 역할을 한다.
수세식 화장실의 보급과 함께 화장지의 사용량이 증가하고 있으며, 다량의 화장지가 뭉친 상태로 원수조(10)에 공급되는 경우에 시스템 내의 배관이 막히는 현상이 빈번하게 발생될 수 있다. 이에 본 실시예에 따른 원수조(10)는 화장실(T)에서 공급된 오수에 포함된 화장지 덩어리로 인해 시스템 내의 배관이 막히는 현상을 방지하고 아울러 오수에서 발산되는 악취를 제거 및 희석한다.
본 실시예에 따른 원수조(10)는 내부공간이 복수의 수용공간(S1,S2,S3)으로 분획되고, 각각의 수용공간(S1,S2,S3)에는 산기관(13)이 마련되며, 각각의 수용공간(S1,S2,S3)의 상부에는 살수관(14)이 마련된다.
도 2에서 도시한 바와 같이 원수조(10)는 내부에 마련되어 내부공간을 제1 내지 제3 수용공간(S1,S2,S3)으로 분획하는 제1 격벽(11) 및 제2 격벽(12)과, 제1 수용공간(S1) 및 제2 수용공간(S2)에 각각 마련되어 미세기포를 발생시키는 산기관(13)과, 산기관(13)에 연결되어 산기관(13)에 압축공기를 공급하는 블로워(미도시)와, 제1 내지 제3 수용공간(S1,S2,S3)의 상부에 각각 마련되며 여과침전조(40)에서 반송된 고산소농도의 반송수를 하방으로 살수하는 살수관(14)을 포함한다.
화장실(T)에서 원수조(10)로 오수와 함께 공급된 화장지 덩어리는 유입구(15)를 통해 제1 수용공간(S1)으로 공급되며 제1 수용공간(S1)의 바닥면에 마련된 산기관(13)에 의해 화장지 덩어리가 제1 수용공간(S1) 내에서 순환되면서 분산된다. 또한 여과침전조(40)에서 반송된 고산소농도의 반송수가 제1 수용공간(S1)의 상부에 마련된 살수관(14)에서 하방으로 살수되어 오수 내에 함유된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시켜 악취를 제거 및 희석한다.
그리고 제1 수용공간(S1)을 거친 오수 및 화장지는 제2 수용공간(S2)로 공급되며 제2 수용공간(S2)의 바닥면에 마련된 산기관(13)에 의해 화장지가 제2 수용공간(S2) 내에서 순환되면서 더욱 분산되고, 여과침전조(40)에서 반송된 고산소농도의 반송수가 제2 수용공간(S2)의 상부에 마련된 살수관(14)에서 하방으로 살수되어 연속하여 오수 내에 함유된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시켜 악취를 제거 및 희석한다.
그리고 제2 수용공간(S2)을 거친 오수 및 화장지는 제3 수용공간(S3)으로 공급되며 여과침전조(40)에서 반송된 고산소농도의 반송수가 제3 수용공간(S3)의 상부에 마련된 살수관(14)에서 하방으로 살수되어 연속하여 오수 내에 함유된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시켜 악취를 제거 및 희석한다.
그리고 제3 수용공간(S3)을 거친 오수는 배출구(16)를 통해 배출된다.
또한 원수조(10)에는 화장지를 분해할 수 있도록 화장질 분해균(Psuedomonasputida 등)과 유분 등을 분해할 수 있도록 유분 분해균(Alcanivorax, Rhodococcus 등) 등이 투입될 수 있다.
상기와 같이 원수조(10)를 거친 처리수는 침전분리조(20)로 공급된다.
본 실시예에 따른 침전분리조(20)는 혐기조건하에서 혐기성 미생물 등이 유기물을 제거하므로 슬러지 발생을 억제할 수 있다. 즉 침전분리조(20)에 의해 슬러지 발생량이 감축된다.
그리고 침전분리조(20)는 원수조(10)를 거친 처리수 내에 함유된 암모니아성 질소를 질산성 질소로 변화시켜 악취를 제거 및 희석한다.
또한 도 3에서 도시한 바와 같이, 침전분리조(20)는 상부에 피복토양층(25)을 구비함으로써 토양미생물에 의한 악취와 스컴(scum) 발생을 억제한다. 또한 침전분리조(20) 내에서 혐기성 미생물은 세포내의 인을 방출하고 탈질을 진행시켜 질소(N2)를 방출함과 동시에 유기물을 제거한다. 본 실시예에 따른 침전분리조(20)는 처리수량에 따라 복수 개 마련될 수 있다. 또한 침전분리조(20)에는 겨울철에 처리수가 동결되는 것을 방지하기 위해 보온용 난로가 설치될 수 있다.
침전분리조(20)는 내부에 설치되고 하부가 처리수에 잠기는 그레이팅(grating,21)과, 그레이팅(21)의 내부에 처리수에 접촉되게 마련되는 피복토양층(25)과, 그레이팅(21)의 내부에 피복토양층(25)을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포(23)를 포함한다.
그레이팅(21)은 내부에 피복토양층(25)이 수용되는 공간을 제공한다. 본 실시예에 따른 그레이팅(21)은 상부가 개방된 직육면체 형상으로 도시되었으나 본 발명의 권리범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니며 다양한 형상을 가질 수 있다.
침전분리조(20)에 처리수가 수용되는 경우에 그레이팅(21)의 하부는 처리수의 상부표면 일영역에 침수된 상태를 유지한다.
그리고 그레이팅(21)의 내부에 부직포(23)를 마련하고 부직포(23)가 피복토양층(25)을 감싸도록 함으로써 피복토양층(25)이 그레이팅(21)의 외부로 유실되는 것을 방지한다.
침전분리조(20) 내의 처리수는 부직포(23)를 투과하여 피복토양층(25)에 접촉된다.
그리고 피복토양층(25)은 침전분리조(20) 내의 부직포(23)에 의해 감싸진 상태에서 처리수의 상부표면에 5~8Cm 잠긴상태를 유지한다. 즉 피복토양층(25)의 하부영역이 처리수에 항상 침수된 상태를 유지한다.
처리수의 상부표면과 피복토양층(25)의 경계면에서 발생되는 스컴(scum)은 피복토양층(25)에 서식하는 토양미생물의 영양분으로 포착되어 분해되므로, 침전분리조(20) 내의 스컴발생이 억제된다. 또한 피복토양층(25)에 서식하는 토양미생물은 산소공급이 없는 혐기조건에서 혐기성 미생물이 유기물을 분해할 때 발생되는 악취의 주원인물질인 황화수소를 섭취하여 악취를 제거한다.
피복토양층(25)은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어질 수 있다. 그리고 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이고 마사토의 함수율은 11∼14%일 수 있다. 그리고 그레이팅(21)에 매립된 피복토양층(25)에 대해 다짐작업을 실시하여 피복토양층(25)의 경도가 산중식 토양경도계 기준으로 11.0∼15.0mm를 만족시키도록 한다. 피복토양층(25)은 약 40 Cm 이상의 두께를 가질 수 있다. 참고로 피복토양층(25)은 후술할 토양블록(65)을 구성하는 처리토양층(67)과 동일한 구성을 갖는다.
침전분리조(20)를 거친 처리수는 접촉폭기조(30)로 공급된다.
본 실시예에 따른 접촉폭기조(30)는 질산화 미생물의 대사에 있어서 요구되는 유기물산화에 필요한 산소를 공급한다. 접촉폭기조(30)는 질산화 미생물의 대사에 의해 암모니아성 질소(NH4 ＋)가 질산성 질소(NO3 ―)로 질산화될 수 있도록 질산화 과정을 촉진한다.
접촉폭기조(30)는 내부에 질산화 미생물의 대사에 요구되는 산소를 공급하도록 미세기포를 발생시키는 산기관(미도시)이 마련되며, 산기관에 압축공기를 공급하는 블로워가 설치된다. 또한 접촉폭기조(30)의 내부에는 유기물 포착성이 좋은 미생물담채가 수용되어 질산화 미생물의 활성화를 촉진한다. 여기서 미생물담채는 표면이 거칠고 미세홈이 다량으로 형성된 발포담채로 구성될 수 있다.
접촉폭기조(30)를 거친 처리수는 여과침전조(40)로 공급된다.
본 실시예에 따른 여과침전조(40)는 접촉폭기조(30)를 거친 처리수에 함유된 미세 부유물질을 여과시킨다. 또한 여과침전조(40)는 처리수에 함유된 슬러지를 침전 안정화시킨다. 또한 여과침전조(40)는 고형물을 제거하는 역세척기능을 수행할 수 있다.
그리고 여과침전조(40)는 고산소농도의 반송수를 원수조(10)의 살수관(14)으로 반송한다.
그리고 여과침전조(40)는 접촉폭기조(30)를 거친 처리수의 pH를 조정한다. 여과침전조(40)는 조개류껍질을 여재로 수용하며, 조개류의 칼슘에 의해 처리수의 pH를 조정한다. 접촉폭기조(30) 및 여과침전조(40)에서 질산화 반응이 진행되면 알칼리도가 소비되어 처리수의 pH가 낮아지므로 여과침전조(40)에 수용된 조개류의 칼슘이 처리수에 알칼리도를 보충하여 산성화를 방지한다.
여과침전조(40)를 거친 처리수는 탈색살균조(45)에 공급된다.
본 실시예에 따른 탈색살균조(45)는 여과침전조(40)에서 공급된 처리수를 일정시간 저장하는 동안 오존을 공급하여 저장된 처리수에 포함된 유해 병원균을 살균시킨다.
이를 위해 본 실시예에서는 오존발생기(미도시)와 오존용존기(미도시)를 이용하여 처리수에 마이크로 버블을 공급하여 처리수 내의 오존의 용해도를 높여 탈색살균조(45) 내에 저장된 처리수 내의 유해 병원균을 효과적으로 살균함과 동시에 처리수에 대한 탈색작용을 수행한다.
탈색살균조(45)를 거친 처리수는 유량조정조(50)로 공급된다.
본 실시예에 따른 유량조정조(50)는 탈색살균조(45)에서 공급된 처리수를 저장하면서 후술할 토양처리조(60)의 처리수량에 상응하는 일정량을 토양처리조(60)에 간헐적으로 공급한다.
본 실시예에 따른 토양처리조(60)는 유량조정조(50)를 거친 처리수를 고도처리하는 하는 것으로서, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질을 효과적으로 저감할 수 있다. 또한 토양처리조(60)는 처리수에 포함된 색상성분을 흡착한다. 또한 토양처리조(60)는 가압에 의한 다단막 처리방식이 아닌 중력 침투방식이기 때문에 에너지절약성이 뛰어나고, 유지관리가 용이하다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 토양처리조(60)는 유량조정조(50)로부터 처리수가 공급되는 살수관(61)과, 살수관(61)의 하부에 배치되어 처리수가 침투되며 처리수를 정화처리하는 토양블록(65)들과, 토양블록(65)들 사이에 배치되어 처리수가 통과하는 통수층(通水層, 63)과, 토양블록(65)들에 의해 정화처리된 처리수가 배출되는 배출구(69)를 포함한다.
살수관(61)은 토양처리조(60)의 상부에 배치되어 펌프(미도시)에 의해 유량조정조(50)로부터 공급된 처리수를 하방으로 균일하게 살수한다. 살수관(61)은 중공의 관형태로 형성되며 유량조정조(50)에서 공급된 처리수가 하방으로 낙하될 수 있도록 복수의 배출홀이 길이방향을 따라 소정간격 이격되게 형성된다.
살수관(61)은 최상부에 위치한 토양블록(65)들의 상부에 수평방향인 가로 및 세로로 상호 이격되고 나란하게 복수 개 배치될 수 있다. 또한 살수관(61)은 높이방향으로 적층된 토양블록(65)들 사이에 수평방향인 가로 및 세로로 상호 이격되고 나란하게 복수 개 배치될 수 있다.
상기한 살수관(61)에서 살수된 처리수는 하부에 배치된 토양블록(65)들을 투과하면서 정화된다.
전술한 바와 같이 토양블록(65)들은 토양처리조(60)의 내부에 수평방향으로 상호 이격되고 나란하게 배치됨과 동시에 높이방향으로 상호 이격되고 다단 적층된다. 그리고 수평방향의 토양블록(65)들 사이 및 높이방향의 토양블록(65)들 사이에는 통수층(63)이 구비된다. 통수층(63)은 경석 또는 단립쇄석(單粒碎石)으로 구성될 수 있다.
한편 토양처리조(60)는 토양블록(65)들 사이에 배치되어 토양블록(65)들 사이에 공기를 공급하는 공기공급관(62)을 더 포함할 수 있다. 즉 높이방향의 토양블록(65)들 사이에 공기공급관(62)을 배치하여 외부공기를 공급하도록 함으로써 토양블록(65)들에 서식하는 호기성 미생물에 산소를 공급한다.
살수관(61)에서 살수된 처리수는 토양블록(65)들의 상부로 낙하된 후 높이방향으로 적층된 다단의 토양블록(65)들을 투과하면서 정화 처리된다.
토양블록(65)들에 서식하는 토양미생물들은 처리수에 잔존하는 유기물을 먹이로하여 결과적으로 생물학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질농도(SS)를 저감하고 또한 처리수의 색상성분을 흡착한다. 즉 토양블록(65)들은 여과작용에 의해 처리수 중의 유기물을 포착하여 토양미생물들에 먹이를 제공한다. 여과 또는 흡착작용은 후술할 토양블록(65)을 구성하는 처리토양층(67)의 혼합토양이 담당하고 있으나, 토양블록(65)의 주된 정화작용은 토양블록(65)에 서식하는 유기물의 분해기능을 담당하는 토양미생물이다.
토양블록(65)은 토양블록 프레임(66)과, 토양블록 프레임(66)의 내부에 마련되어 처리수를 정화처리하는 처리토양층(67)과, 토양블록 프레임(66)의 내부에 처리토양층(67)을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포(68)를 포함한다. 토양블록(65)은 처리토양층(67)이 블록화된 것이다.
토양블록 프레임(66)은 내부에 처리토양층(67)이 수용되는 공간을 제공한다. 본 실시예에 따른 토양블록 프레임(66)은 상부가 개방된 직육면체 형상으로 도시되었으나 본 발명의 권리범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니며 다양한 형상을 가질 수 있다.
그리고 토양블록 프레임(66)의 내부에 부직포(68)를 마련하고 부직포(68)가 처리토양층(67)을 감싸도록 함으로써 처리토양층(67)이 토양블록 프레임(66)의 외부로 유실되는 것을 방지한다.
또한 부직포(68)를 투과한 처리수는 해당 토양블록(65)의 하부에 마련된 별개의 토양블록(65) 또는 통수층(63)으로 전달된다. 이처럼 토양블록 프레임(66)이 준비된 상태에서 토양블록 프레임(66)의 내부에 부직포(68)를 마련하고 부직포(68)에 처리토양층(67)을 매립함으로써 토양블록(65)을 제조할 수 있다. 본 실시예에서 토양블록(65)은 토양처리조(60)의 내부에 높이방향으로 9층이 적층되게 도시되어 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
처리토양층(67)은 토양블록 프레임(66)의 내부에 부직포(68)에 의해 감싸진 상태에서 처리수에 접촉되게 마련되어 처리수를 정화처리한다. 처리토양층(67)은 처리수의 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질농도(SS), 총인 및 총질소를 저감하고 인분 및 색상성분을 흡착(즉, 탈색)한다.
토양블록(65)의 처리수량 및 토양블록(65)에 의한 생물학적 산소요구량(BOD), 화학적 산소요구량(COD), 부유물질농도(SS), 총인 및 총질소를 저감하고 인분 및 색상성분을 흡착을 효과적으로 하기 위해서는 처리토양층(67)의 조성과 처리토양층(67)을 이루는 마사토의 유효입경 및 함수율과 처리토양층(67)의 경도(硬度)가 최적화되어야 한다.
본 실시예에서 처리토양층(67)은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석을 포함한다.
마사토는 처리토양층(67)의 모체를 구성하는 구성요소이며, 통수성이 우수하고 입도관리가 용이하다.
부엽토는 토양미생물의 생장공간을 제공함과 함께 토양미생물의 먹이 역할을 한다. 부엽토는 2∼3개월이 경과되면 토양미생물에 의해 완전히 분해되며, 분해된 부엽토는 처리토양층(67)에 공극을 제공한다.
경석은 처리토양층(67)의 수분을 조정하는 역할을 한다. 경석은 풍부한 공극을 보유하고 있으며, 처리토양층(67) 내에 수분이 많을 경우 일정량의 수분은 경석에 저장되며, 처리토양층(67)이 건조한 경우 경석에 저장된 수분이 방출되어 처리토양층(67) 내의 수분을 일정하게 유지시킨다. 또한, 상기와 같은 경석의 기능을 통해 마사토가 질퍽거리는 현상을 회피할 수 있다.
목탄은 처리토양층(67)에 통수성 및 통기성을 제공하는 역할을 하며, 이와 함께 탈색, 탈취, 탈인의 기능을 갖는다.
처리토양층(67)은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어질 수 있다.
부엽토가 처리토양층(67)의 전체부피 대비 10% 미만이면 토양미생물에 의한 정화 효과가 미미하며, 15%를 초과하면 부엽토에 의한 공극이 과다 형성되어 처리토양층(67)이 침하될 수 있는 위험성이 있다.
또한 경석의 경우에는 처리토양층(67)의 평방미터당 하루 오수처리량(m3/m2·day) 즉, 처리토양층(67)의 단위오수처리량(m3/m2·day)을 고려하여 결정된다.
경석이 처리토양층(67)의 전체부피 대비 5%이면 단위오수처리량의 최저값에 해당되고, 10%이면 단위오수처리량의 최고값에 해당된다.
또한 목탄이 처리토양층(67)의 전체부피 대비 10% 미만이면 처리토양층(67)의 통수성 및 통기성이 저하됨과 함께 오수의 색상성분을 흡착하는 탈색, 탈취, 탈인이 효과적으로 진행되지 않으며, 15%를 초과하면 경제성이 떨어진다.
다음으로 마사토의 유효입경에 대해 설명하면 다음과 같다.
토양을 이용하여 오수를 정화함에 있어서, 오수 정화의 주체는 토양미생물이지만 오수 처리량을 결정하는 인자는 토양의 입경 및 간극율이다. 토양 간극을 통과하는 유체의 통수성은 토양의 입도분포에 큰 영향을 받는다. 토양의 유효입경(D10)은 통과질량 백분률의 10%에 해당하는 입경을 일컬으며, 토양의 투수계수는 유효입경(D10)에 의해 결정된다. 정확히 토양의 투수계수는 유효입경(D10)의 제곱값에 비례한다.
마사토의 유효입경(D10)은 1차적으로 오수의 수질, 계획처리량, 단위오수처리량을 고려하여 결정되어야 하고 이와 함께 처리토양층(67)의 배합조건, 토양블록(65)의 재질조건, 토양블록(65)의 적층수 조건 등 다양한 조건에서의 토양처리조(60)의 설계조건을 고려하여 결정되어야 한다.
이를 위해, 본 출원인은 아래의 [표 1]과 같은 조건으로 실험을 실시하였다. 아래의 [표 1]은 처리토양층(67)의 배합조건, 토양블록(65)의 재질조건, 토양블록(65)의 적층수 조건 등 다양한 조건 하에서 다양한 마사토 유효입경을 적용하여 실험을 실시한 것이다.
<마사토의 유효입경을 결정하기 위한 실험>
№ 실험명 기간 처리대상수 단위오수처리량
(㎥/㎡·day)		 유효입경
(mm)
1 처리토양층 배합실험 2000.5 ∼ 2000.8 하천수 4..0 0.08
2 실증실험 2000.12 ∼ 2001.11 하천수 8.0 0.15
3 토양블록 재질선정실험 2001.9 ∼ 2002.3 하천수 8.0 0.16
4 기능효과 추적조사 2004.6 ∼ 2004.10 하천수 4.0-8.0 0.16
5 토양블록 적층수 실험 2003.4 ∼ 2004.3 분뇨 2.0-4.0 0.15
6 하수처리장 처리수의 고도처리실험 2004.6 ∼ 2006.5 하수처리수 8.0 0.23
7 고도처리 하수처리장의 실증시설 2009.4 ∼ 2011.7 생활하수 6.0 0.18
8 세탁폐수의 고도처리 재이용시설 2016.11 ∼ 2017.10 세탁폐수 6.5 0.20
또한, 아래의 [표 2]는 마사토의 입경에 따른 통과질량(%)을 나타낸 것이다.
[표 2] 및 도 5를 참조하면, 통과질량은 10% 범위에 속하는 것이 바람직하며, 통과질량(%) 10% 범위에 해당되는 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이다. 따라서, 마사토의 최적 유효입경(D10)은 0.075∼0.250mm로 설계하는 것이 바람직하다.
<마사토의 통과질량 백분률(%)>
입경(㎜) 마사토의 통과질량 백분률(%)
하한치 상한치
9.50 99.83 99.80
4.75 94.53 88.00
2.00 72.10 56.00
0.85 47.71 30.00
0.425 30.01 16.00
0.250 19.55 10.00
0.106 11.24 5.00
0.075 9.81 4.00
0.045 8.32 3.00
0.02 6.13 2.00
0.002 4.20 1.00
다음으로, 본 실시예에 따른 마사토의 함수율에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 토양블록(65)을 구성하는 마사토는 11∼14%의 함수율을 갖는 것이 바람직하다. 마사토의 함수율이 11%보다 작거나 14%를 초과하면 마사토, 부엽토, 경석, 목탄의 일체화가 잘 이루어지지 않으며, 11∼14%의 함수율을 통해 처리토양층(67)의 일체화를 이룸과 함께 오수의 이동을 가능하게 하는 처리토양층(67) 내의 간극을 확보할 수 있다.
다음으로, 본 실시예에 따른 처리토양층(67)의 경도(硬度)에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 토양블록(65)을 구성하는 처리토양층(67)은 일정 수준의 경도가 요구된다. 처리토양층(67)의 경도는 처리토양층(67)의 다짐 작업의 결과로 얻어진다. 즉, 토양블록(65) 내에 처리토양층(67)을 구비한 상태에서 처리토양층(67)을 일정 강도로 다짐 작업을 실시하여 처리토양층(67)에 경도를 부여할 수 있다.
다짐 작업을 실시하지 않는 경우, 즉 처리토양층(67)의 경도가 낮은 경우에 자연 압밀에 의해 처리토양층(67)의 침하가 발생된다. 그리고 처리토양층(67)의 침하는 통수층(63)을 포함한 전체 토양처리조(60)의 침하를 유발한다. 반면, 다짐 작업이 과도하게 실시되어 처리토양층(67)의 경도가 기준값보다 크면 공극이 폐색되어 침투성 및 통기성이 악화되므로 수질 정화가 불가능하다.
이러한 점들을 고려하여, 본 실시예에 따른 처리토양층(67)의 경도는 산중식(山中式, Yamanaka Type) 토양경도계(土壤硬度計) 기준으로 11.0∼15.0mm로 설계되는 것이 바람직하다.
산중식 토양경도계를 이용한 처리토양층(67)의 경도측정은 산중식 토양경도계를 처리토양층(67)에 찌른 후 경도계에 관입된 처리토양층(67)의 눈금을 확인하여 측정할 수 있다. 참고로 산중식 토양경도계를 이용한 경도 측정방법은 토양의 경도를 측정하는 분야에서 널리 이용되고 있는 방법이다.
이하 토양블록(65)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 토양블록(65)을 제조하기 위해 처리토양층(67)을 준비한다. 처리토양층(67)은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석을 배합하여 준비한다. 그리고 처리토양층(67)을 구성하는 마사토의 유효입경(D10)은 0.075∼0.250mm이고 마사토의 함수율은 11∼14%의 조건을 만족하여야 한다.
그리고 토양블록 프레임(66)을 준비하고, 토양블록 프레임(66) 내부에 부직포(68)를 마련한 후 부직포(68)에 처리토양층(67)을 매립한다.
그리고 토양블록 프레임(66)에 매립된 처리토양층(67)에 대해 다짐 작업을 실시하여 처리토양층(67)의 경도가 11.0∼15.0mm를 만족시키도록 하여 토양블록(65)을 완성한다.
그리고 토양블록(65)들을 이용한 토양처리조(60)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
토양처리조(60)의 내부에 지지판(64)을 설치한 후 지지판(64)에 복수의 토양블록(65)들을 수평방향으로 상호 이격되게 배치한다. 그리고 복수의 토양블록(65)들을 모두 덮도록 일정높이의 통수층(63)을 매립한다. 그리고 통수층(63) 상에 재차 복수의 토양블록(65)들을 수평방향으로 상호 이격되게 배치한다. 이처럼 복수의 토양블록(65)들을 수평방향으로 상호 이격되게 배치하고 수평방향으로 배치된 복수의 토양블록(65)들 사이에 통수층(63)을 매립하는 작업을 반복 실시하여 토양블록(65)이 높이방향으로 다단 적층된 토양처리조(60)를 완성한다.
한편, 토양블록(65)들을 높이방향으로 다단 적층하는 동안 토양블록(65)들 사이에 공기공급관(62)을 매립할 수 있으며, 최상부에 위치한 토양블록(65)들의 상부에 처리수를 하방으로 균일하게 살수하는 살수관(61)을 설치할 수 있다. 또한 높이방향으로 적층된 토양블록(65)들 사이에 살수관(61)을 추가로 설치할 수 있다.
상기한 바와 같은 토양블록(65)들을 이용한 토양처리조(60)의 효과를 실험예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
<실험예 1 : 실험방법>
본 실시예에 따른 토양처리조(60)를 이용하여 원수에 대한 정화처리를 실시하여 생물학적 산소요구량(BOD) 제거능, 화학적 산소요구량(COD) 및 부유물질농도(SS) 제거능, 인 및 질소의 제거능, 대장균 제거능 등을 평가하였다.
본 실시예의 토양블록(65)은 스테인리스강 재질의 토양블록 프레임(66)을 이용하였고, 부직포(68)로 처리토양층(67)을 감쌌다. 토양블록(65)은 W200 x L400 x H50mm의 크기를 갖도록 설계하고, 토양처리조(60)의 전체크기는 W1.30 x L0.80 x H2.00m로 설계하였다. 그리고 토양블록(65)들 사이에는 통수층(63)으로 경석을 배치하였다. 여기서 토양블록(65)은 높이방향으로 9층이 적층된다.
본 실시예에 따른 처리토양층(67)은 전체 부피대비 마사토 75%, 부엽토 10%, 목탄 10%, 경석 5%로 구성하였다.
원수는 BOD 20.0mg/L, SS 10.0mg/L, T-P 3.0mg/L, T-N 18.3mg/L의 성상을 갖는 원수를 이용하였다. 실험기간은 2017년 8월 20일∼12월 16일이었으며, 토양처리조(60)에 200m3/day의 원수를 공급하였다. 또한, 토양처리조(60)에 7.0L/m2·min의 공기를 24시간 동안 연속하여 공급하였다.
<실험예 2 : 단위오수처리량>
108일 동안 토양처리조(60)를 운전한 결과, 토양처리조(60)의 하루 평균 처리량, 즉 단위오수처리량은 8.4m3/m2·day 이었다. 토양처리조(60)의 기간별 처리수량은 아래의 [표 3]과 같다.
<토양처리조의 기간별 단위오수처리량(m3/m2·day)>
기간 경과일 토양처리조의 단위오수처리량
(m3/m2·day)
8/27∼9/13 17 7.55
9/18∼10/16 50 8.70
10/21∼11/11 76 10.10
11/11∼11/14 휴지기
11/18∼12/16 108 6.98
평균 8.4
<실험예 3 : 일반항목에 대한 수질분석>
수온, pH, ORP(Oxidation-Reduction Potential)는 원수와 처리수 모두 비슷한 수치를 보였다. 용존산소량(DO)은 원수보다 처리수가 높은 값을 나타냈으며, 이는 토양처리조(60)에 7.0L/m2·min의 공기를 24시간 동안 연속하여 공급한 것에 기인한 것으로 판단된다.
<실험예 4 : 생물학적 산소요구량(BOD) 제거능>
아래의 [표 4]는 토양처리조(60)의 BOD 제거능을 나타낸 것이다.
<토양처리조의 BOD 제거능>
채수일 부하량 원수 온도 원수 BOD 토양처리조
ｍ3/㎡·day ℃ ㎎/L BOD 제거율
9/4 7.5 29.6 15.2 0.54 96.45%
9/11 7.5 28.8 38.65 0.56 98.55%
9/19 8.5 24.6 14.20 1.13 92.04%
9/23 8.5 26.5 11.15 0.45 95.96%
10/1 8.5 26.0 13.20 1.45 89.02%
10/7 8.5 24.2 25.55 1.55 93.93%
10/14 8.5 25.4 18.05 0.82 95.46%
10/21 10.0 22.7 22.0 1.37 93.77%
10/29 10.0 21.9 11.6 0.61 94.72%
11/4 10.0 18.0 24.2 1.16 95.20%
11/11 10.0 17.8 17.5 1.37 92.15%
평균 19.2 1.00 94.79%
11/18 7.0 13.5 33.6 4.83 85.60%
11/25 7.0 15.5 26.7 5.78 78.35%
12/2 7.0 14.4 28.2 6.64 76.45%
12/10 7.0 9.5 20.0 7.50 62.50%
12/16 7.0 13.5 27.3 6.3 77.00%
[표 4] 및 도 6을 참조하면, 초기에 7.5ｍ3/㎡·day의 부하량으로 가동한 결과 토양처리조(60)는 안정적인 BOD 제거능을 보였다. 이후, 9/19일에 부하량을 8.5ｍ3/㎡·day로 증가시켜 약 5주간 실험을 계속한 결과, BOD 제거능은 2㎎/L 이하로 나타나 목표값(5mg/L)을 만족시켰다. 이어, 10/16일에 부하량을 10ｍ3/㎡·일로 늘려 4주간 실험을 계속한 결과 BOD 제거능은 2㎎/L 이하로 나타나 목표값(5mg/L)을 만족시켰다.
한편, 원수의 온도와 BOD 제거능 사이의 관계를 살펴보면, 여름에서 가을 사이의 기온 및 수온이 비교적 높고 토양의 생물학적 활성이 높게 유지된 조건에서는 부하량이 10ｍ3/㎡·day이고 원수의 BOD가 20mg/L를 초과하더라도 처리수의 BOD가 5mg/L 이하를 만족시켰다. 그리고 수온이 15℃보다 낮은 겨울철의 경우에는 토양처리조(60)의 생물 활성이 저하되어 처리수의 BOD가 목표값인 5mg/L를 초과하는 결과를 나타냈다. 그러나, 겨울철의 경우에도 원수의 BOD가 20mg/L로 유지된다면 처리수의 BOD를 목표값에 맞출 수 있을 것으로 추정된다. 또한, 토양처리조(60)가 지하에 매립되어 외부온도에 의한 영향이 작아지는 경우에는 겨울철에도 처리수의 BOD를 목표값에 맞출 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 부하량과 BOD 제거능 사이의 관계를 살펴보면, 부하량이 7.5 ~ 10ｍ3/㎡·day로 증가해도 BOD 제거율은 90% 이상을 유지함을 확인하였다.
부하량을 10ｍ3/㎡·day로 설정한 후 11월 하순까지는 BOD 제거능에 큰 영향은 없었고 안정적인 처리수질을 유지하였다. 그러나 12월에 들어 BOD 제거능이 저하되는 경향을 보이기 시작했는데 이는 주로 저온에 의한 생물 활성의 저하가 원인으로 판단된다.
<실험예 5 : 화학적 산소요구량(COD) 및 부유물질농도(SS) 제거능>
도 7은 화학적 산소요구량(COD) 제거능을 나타내며, 원수의 화학적 산소요구량(COD)은 30~40mg/L 정도였으며, BOD 제거능과 마찬가지로 겨울철에 제거효율이 낮았다.
도 8을 참조하면, 운전 후 11/11일까지 원수의 부유물질농도(SS)가 90%이상 제거되었으며, 겨울철의 경우 원수의 부유물질농도(SS)가 약 70%정도 제거되었다.
부하량과 COD 및 SS 제거능 사이의 관계를 살펴보면, BOD제거능과 마찬가지로 부하량이 7.5 ~ 10ｍ3/㎡·day로 증가해도 안정적인 COD 및 SS 제거능 특성을 나타내었다.
<실험예 6 : 인 제거능>
아래의 [표 5]는 부하량에 따른 토양처리조(60)의 총인(T-P) 제거율을 나타낸 것이고, 도 9는 기간에 따른 토양처리조(60)의 총인(T-P) 제거량을 나타낸 것이다.
<부하량에 따른 토양처리조의 총인(T-P) 제거율>
부하량 원수 T-P 처리수의 T-P
ｍ3/㎡·day ㎎/L ㎎/L 제거율
7.5 2.92 2.49 14.90%
8.5 3.26 2.86 12.50%
10.0 2.71 2.66 1.85%
7.0 2.99 2.84 5.02%
[표 5]를 참조하면, 부하량이 8.5ｍ3/㎡·day 미만인 경우 총인(T-P) 제거율이 10∼20% 이었으나, 부하량이 10.0ｍ3/㎡·day 이상인 경우 총인(T-P)이 거의 제거되지 않았다.
또한, 도 9를 참조하면, 10/16일부터 부하량을 10.0ｍ3/㎡·day로 증가시켜 4주 처리한 후 다시 부하량을 7ｍ3/㎡·day로 감소시켜 처리를 실시하였으나 인이 거의 제거되지 않았다.
<실험예 7 : 질소 제거능>
토양처리조(60)의 질소 제거능에 대해 분석을 실시하였다. 아래의 [표 6]은 토양처리조(60)의 질소 제거능을 나타낸 실험결과이며, 분석대상 질소항목으로는 총질소(T-N), NH4, NO3로 설정하였다. 도 10은 기간에 따른 토양처리조(60)의 총질소(T-N) 및 NH4 제거능을 나타낸 실험결과이다.
<토양처리조의 질소 제거능>
채수일 T-N NH4 NO3
원수 처리수 원수 처리수 제거율 원수 처리수 변화율
9/4 12.92 12.79 5.12 0.03 99.4% 7.2 12.7 1.76
9/11 16.32 14.28 1.76 0.07 96.0% 8.3 10.0 1.21
9/19 15.91 15.78 0.29 0.09 69.0% 8.1 8.9 1.10
9/23 14.96 13.87 1.12 0.06 94.6% 9.5 10.8 1.14
10/1 15.64 15.50 0.43 0.07 83.7% 10.7 11.6 1.08
10/7 17.54 16.32 0.92 0.13 85.9% 8.0 8.6 1.08
10/14 17.54 16.59 0.92 0.10 89.1% 13.6 13.8 1.01
10/21 16.32 16.86 0.81 0.11 86.4% 10.3 11.2 1.09
10/29 18.09 17.95 0.79 0.10 87.3% 10.8 11.9 1.10
11/4 18.09 15.37 1.37 0.19 86.1% 9.7 10.4 1.07
11/11 17.27 15.64 3.30 1.79 45.8% 10.2 11.4 1.12
11/18 17.68 15.78 5.68 0.76 89.6% 8.6 12.4 1.44
11/25 20.26 20.26 6.70 1.50 77.6% 8.4 11.5 1.37
12/2 24.21 19.99 14.90 1.03 91.3% 6.5 13.2 2.03
12/10 23.90 24.20 11.15 0.65 94.2% 6.2 15.0 2.42
12/16 26.70 25.30 11.30 0.11 99.0% 7.5 15.9 2.12
평균값 18.33 17.28 4.16 0.44 89.4% 8.98 11.83 1.26
토양처리조(60)에 대한 질소 제거능 실험을 진행한 결과, [표 6] 및 도 10을 참조하면, 원수 내의 암모니아성질소(NH4-N) 및 아질산성질소(NO2-N)는 대부분 질산성질소(NO3-N)로 변환됨을 확인하였다.
원수 내의 암모니아성질소(NH4-N) 및 아질산성질소(NO2-N)는 질산성질소(NO3-N)로의 질산화반응을 거치고, 질산성질소(NO3-N)는 질소(N2)로의 탈질반응을 거치게 되는데, 본 실험에서 질산화반응이 안정적으로 진행됨은 확인하였으나, 질산성질소(NO3-N)의 질소(N2)로의 탈질반응은 미미하여 처리수에 질산성질소(NO3-N)가 다량 포함되어 있음을 확인하였다.
이에 따라, 원수와 처리수의 총질소(T-N)는 부하량과 관계없이 비슷한 수치를 나타내었다.
[표 6] 및 도 10에 나타낸 바와 같이, NH4 제거율은 89.4%로 매우 높은 수치를 나타내었다. 이는 처리수의 용존산소량(DO)이 7mg/L 이상인 것에 기인하며, 토양처리조(60)의 운전조건이 공기공급관(62)에 의해 외부공기가 공급되어 강한 호기조건임에 따라 질산화반응이 활발히 진행된 것으로 판단된다.
한편, 질산성질소(NO3-N)가 질소(N2)로 탈질되기 위해서는 혐기성미생물에 의한 탈질반응이 요구되는데, 탈질반응을 위해서는 토양처리조(60)의 운전조건이 혐기조건을 이루어야 하며 탈질에 필요한 탄소원(수소공여체)이 필요하다.
실험 중반기까지는 호기조건을 이루고 원수의 유기물 농도가 낮아 탈질반응에 필요한 조건이 충족되지 않아 질산성질소가 그대로 유지되어 총질소의 농도는 거의 변하지 않았다. 실험 후반기 즉, 겨울철에 접어들면서 기온과 수온이 저하되어 원수의 BOD가 높아지고 부하량이 10.0ｍ3/㎡·day로 증가됨에 따라 10∼15%의 총질소 제거가 진행되었다.
실험 후반기에 탈질반응이 일정 부분 진행된 이유는 다음과 같이 추정된다.
겨울철의 경우 수온 저하에 의해 원수의 BOD가 증가하고, 처리되지 않은 BOD가 탈질반응에 필요한 수소공여체로 이용된 것으로 추정된다. 또한, 원수의 SS가 토양처리조(60)의 내부에 축적됨으로써 부하량이 증가됨에 따라 토양처리조(60)의 내부가 일부 혐기조건으로 변환된 것으로 판단된다.
<실험예 8 : 대장균 제거능>
도 11은 기간에 따른 토양처리조(60)의 대장균 제거능을 나타낸 실험결과이다. 도 11을 참조하면, 원수의 대장균수는 300∼3600개/ml 였으나, 토양처리조(60)의 처리수 내 대장균수는 100∼1000개/ml로 나타나 방류수 처리기준에 부합하였다.
한편, 전술한 토양처리조(60)를 장시간 운영하는 경우에 막힘이 발생할 수 있으므로 교대식으로 사용하여야 한다. 즉, 본 실시예에서는 토양처리조(60)를 복수 개 마련하여 상호 교대로 사용한다.
예를들어, 아래의 [표 7]에서와 같이 3개의 토양처리조(60)를 사용하는 경우에 각각의 토양처리조(60)는 2개월 운전되고 1개월 정지되는 방식으로 교대로 운전된다.
<토양처리조의 운전방식>
월(月) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
토양처리조 1 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지
토양처리조 2 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전
토양처리조 3 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전 운전 정지 운전
또한 처리수량이 많은 경우 또는 겨울철에는 집수조(70)에 순환펌프(미도시)를 설치하여 집수조(70) 내에 저장된 처리수를 토양처리조(60)로 순환시켜 처리수를 재차 정화 처리하고 아울러 처리수의 동결을 방지한다.
또한 겨울철에 토양처리조(60)의 처리능이 저하되는 것을 방지하도록 토양처리조(60)의 외벽에 단열재(미도시)를 설치하여 토양미생물의 활성이 저하되는 것을 방지한다.
토양처리조(60)를 거친 처리수는 토양처리조(60)의 하부에 마련된 배출구(69)를 통해 집수조(70)로 공급된다.
집수조(70)에 저장된 처리수는 급수장치(P)를 통해 화장실(T)로 공급된다.
한편, 집수조(70)에 저장된 처리수를 화장실(T)에 공급하기 전에 처리수의 색도를 더욱 향상시키기 위해 본 실시예에서는 집수조(70)에 저장된 처리수를 활성탄 여과통(75)으로 공급하고 활성탄 여과통(75)에서 처리수에 잔존하는 색상성분 및 부유물을 흡착 및 여과한다.
본 실시예에 따른 활성탄 여과통(75)은 처리수를 탈색한다. 처리수는 토양처리조(60)를 거치면서 처리수에 함유된 색상성분이 토양블록(65)들에 의해 흡착되어 탈색되나, 본 실시예에서는 처리수에 잔존하는 색상성분 및 부유물을 더욱 제거하여 처리수의 색도를 향상시키도록 활성탄 여과통(75)을 마련한다.
활성탄 여과통(75)은 활성탄 및 기타 여재가 채워지며, 처리수에 잔존하는 색상성분 및 부유물은 활성탄 및 기타 여재에 의해 흡착 및 여과된다. 활성탄 여과통(75)를 거친 처리수는 다시 집수조(70)로 공급된 후 급수장치(P)에 의해 화장실(T)로 공급된다. 활성탄 여과통(75)을 거친 처리수의 수질은 수경용수 레벨을 달성할 수 있다.
그리고 집수조(70)에서 처리수를 저장함에 있어서 집수조(70)의 저장용량을 넘는 처리수가 공급되는 경우에 집수조(70) 내에 설치된 수위감지기(미도시)는 잉여수 발생을 검출하고, 잉여수는 집수조(70)에서 증발조(80)로 공급된다.
그리고 증발조(80)는 전열용 증발기(미도시)를 이용하여 집수조(70)에서 공급된 잉여수를 증발시킨다.
한편, 침전분리조(20)에서 침전 분리된 슬러지는 슬러지 처리조(85)로 공급된다. 본 실시예에서는 침전분리조(20)의 처리수량의 약 40%정도를 정기적으로 슬러지 처리조(85)로 공급한다.
슬러지는 수분량이 95%이상이며 고체분은 거의 미생물의 사체로 구성되어 있고 5%이하이다. 슬러지 처리조(85) 내의 슬러지는 오존의 강력한 산화력을 이용하여 분해한다. 즉 슬러지 처리조(85)의 내부로 마이크로 크기의 오존 버블을 공급하여 오존이 분해될 때 생성된 수산화이온(OH-)의 강력한 산화력으로 미생물세포를 파괴하여 무기성물질로 변화시킨다.
그리고 슬러지 처리조(85)에서 분해된 슬러지는 펌프(미도시)에 의해 침전분리조(20)로 재 공급되어 호기성 미생물의 먹이로 되어 소화된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 원수조 20: 침전분리조
30: 접촉폭기조 40: 여과침전조
45: 탈색살균조 50: 유량조정조
60: 토양처리조 65: 토양블록
70: 집수조 75: 활성탄 여과통
80: 증발조 85: 슬러지 처리조

Claims (17)

  1. 화장실로부터 공급되는 오수를 정화 처리하는 원수조;
    상기 원수조를 거친 처리수가 공급되며, 혐기조건하에서 처리수를 정화하되 악취와 스컴(scum) 및 슬러지 발생을 억제하는 침전분리조;
    상기 침전분리조를 거친 처리수가 공급되며, 호기조건하에서 산기관과 미생물담채를 이용하여 처리수를 정화하는 접촉폭기조;
    상기 접촉폭기조를 거친 처리수가 공급되며, 부유물질을 여과하고 고산소농도의 반송수를 상기 원수조로 반송하는 여과침전조;
    상기 여과침전조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수를 탈색 및 살균하는 탈색살균조;
    상기 탈색살균조를 거친 처리수가 공급되는 유량조정조;
    상기 유량조정조를 거친 처리수가 공급되며, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 토양처리조;
    상기 토양처리조를 거친 처리수가 공급되는 집수조; 및
    상기 집수조에 저장된 처리수를 상기 화장실로 공급하는 급수장치를 포함하며,
    상기 토양처리조는,
    상기 유량조정조로부터 공급된 처리수를 하방으로 균일하게 살수하는 살수관;
    상기 살수관의 하부에 배치되어 처리수가 침투되며, 수평방향으로 상호 이격되고 나란하게 배치되고 높이방향으로 상호 이격되고 다단 적층되어 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 토양블록들; 및
    상기 토양블록들 사이에 배치되어 처리수가 통과하는 통수층을 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 침전분리조는,
    내부에 설치되되 하부가 처리수에 잠기는 그레이팅(grating);
    상기 그레이팅의 내부에 처리수에 접촉되게 마련되되, 처리수의 악취를 흡수하고 스컴 및 슬러지 발생을 억제하는 피복토양층; 및
    상기 그레이팅의 내부에 상기 피복토양층을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포를 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피복토양층은 상기 침전분리조 내의 처리수에 5 ~ 8Cm 잠기는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 피복토양층은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어지는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이고,
    상기 마사토의 함수율은 11∼14%인 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 피복토양층의 경도는 산중식 토양경도계 기준으로 11.0∼15.0mm인 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 여과침전조는 처리수의 pH조정을 위해 조개류 껍질을 여재로 사용하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 토양블록은,
    토양블록 프레임;
    상기 토양블록 프레임의 내부에 처리수에 접촉되게 마련되되, 처리수에 포함된 유기물과 화학물질 및 부유물질과 색상성분을 흡착하는 처리토양층; 및
    상기 토양블록 프레임의 내부에 상기 처리토양층을 감싸도록 마련되며 처리수가 투과되는 부직포를 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 처리토양층은 마사토, 부엽토, 목탄 및 경석이 혼합되어 이루어지는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마사토의 유효입경은 0.075∼0.250mm이고,
    상기 마사토의 함수율은 11∼14%인 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 처리토양층의 경도는 산중식 토양경도계 기준으로 11.0∼15.0mm인 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 토양처리조는,
    상기 토양블록들 사이에 배치되어 상기 토양블록들 사이에 공기를 공급하는 공기공급관을 더 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 토양처리조는 교대로 사용되게 복수 개 마련되는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 원수조는,
    내부에 마련되어 내부공간을 복수의 수용공간들로 분획하는 복수의 격벽들;
    상기 복수의 수용공간들에 각각 마련된 산기관; 및
    상기 복수의 수용공간들의 상부에 각각 마련되어 상기 여과침전조에서 반송된 고산소농도의 반송수를 하방으로 살수하는 살수관을 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 침전분리조에서 침전 분리된 슬러지가 수용되며, 오존을 공급하여 슬러지를 분해하는 슬러지 처리조를 더 포함하며,
    상기 슬러지 처리조에서 분해된 슬러지는 상기 침전분리조로 공급되는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 집수조에 저장된 처리수가 공급되며, 처리수에 잔존하는 색상성분을 흡착하여 다시 상기 집수조에 처리수를 공급하는 활성탄 여과통; 및
    상기 집수조에서 잉여수가 공급되며, 잉여수를 증발시키는 증발조를 더 포함하는 토양식 고도처리 순환 재이용 시스템.
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