KR200195178Y1 - 합류식 하수도의 침사지 - Google Patents

Abstract

본고안 은 합류식 하수처리장의 침사지에 관한것으로서 본고안의 목적은 우천시에 침사지에 평상시 처리량의 약 3배에 달하는 많은양의 하수가 유입되어도 하수중에 섞여서 함께 들어온 모래는 전부 제거되고 유입펌프에는 모래가 포함되지않은 하수만 공급되게 하기위한 침사지를 제공하는 것이다.

이러한 목적달성을 위하여 하수가 유입되는 수로부에는 세목제진기 와 미세목 제진기를 차례로 설치하여 하수중의 협잡물을 먼저 제거하고수로부의 끝에 접속된 펌프흡수정에는 입구부에 원형의 정류공을 가진 정류벽을 설치하고 우천시 유입 하수량에 대하여 충분한 침전시간을 가진 침전부를 형성하고 침전부에서 유입펌프의 흡입구 로 나가는 부분에 원형의 정류공을 가진 정류벽을 설치하므로서 균등한 흐름을 유지하여 유입하수중에 포함된 모래가 여기서 전부 침전되게 하고 이침전된 모래는 침사제거기로 인양후 세척하여 외부로 반출처분하고 모래를 세척한 세척수는 펌프의 흡입구 부근에 되돌아가도록하고 침사부와 펌프흡수정을 공용하게 하도록 침사지를 구성하였다.

본고안의 침사지는 우천시 다량의 하수가 유입되어도 하수중의 모래는 완전제거되어 기계설치 및 후단의 하수 처리시설의 마모 및 폐색등에 의한 고장방지효과가 있고 침사지와 펌프정으로 이루어지는 침사지의 전체크기를 줄일수 있어 매우 경제적이다.

Description

합류식 하수도의 침사지 { Grit removal basins in combined sewerage.}

본 고안의 목적은 합류식 하수처리장에서 우천시에는 평상시 시간 최대처리량의 약 3배 에 달하는 많은양의 하수가 유입되게 되는데 이때에도 하수에 포함된 모래를 완전하게 제거하고 유입수로에는 협잡물제거설비만 설치하고 펌프흡수정의 공간을 모래침전부와 펌프흡수정의 완충공간부를 공용하게 하여 하수중의 모래를 완전히 제거하고 침사제거를 위한 공간을 최소화 할 수 있는 침사지를 제공하는 것이다.

본고안은 하수처리장에서 합류식 하수배제방식을 채택한 하수처리장의 침사지에 관한 것이다.

우리나라의 하수배제 방식은 주로 합류식을 채택하고 있으며 합류식 하수처리장에는 우천시에 평상시 시간최대처리량의 약 3배가 되는 많은양의 하수가 유입되는데 현재의 하수도 시설기준에서는 침시지내의 최대유속을 0.3m/s로 규정하고 있으나 우천시에는 침사지의 표면 부하율을 평상시의 2배로 높이도록 하고있어서 우천시에는 이 속도도 빨라져서 침사지에서 하수중에 포함된 모래가 침전이 잘 않되고 대부분의 모래가 하수와 함께 유입펌프정으로 들어가서 펌프에 의하여 후단의 물처리 및 슬러지처리시설로 이송되므로서 유입펌프의 임펠러가 조기에 마모되고 침전지 및 슬러지 처리시설이 마모되거나 폐색되어 하수처리장운영에 큰 지장을 초래하였고 펌프흡수정에는 모래가 다량 퇴적되어 정기적으로 퇴적된 모래를 제거하기위하여 하수처리장의 운전을 중단해야만 하는 불편이 있었다.

더군다나 합류식하수도의 하수관은 우천시 하수량에 대비하여 관지름이 정해져있기 때문에 평상시하수량일때는 하수관내의 유속이 느려서 지름이 큰 모래등 무거운 물질은 하수관내의 바닥에 가라앉아 있다가 우천시에 많은양의 하수가 유입되면 하수관내의 유속도 빨라지므로 그동안 가라앉아서 퇴적되었던 모래등이 하수와 함께 일시에 하수처리장으로 유입되어 강우 초기에는 특히 많은 모래가 유입되는데 침사지에서 제대로 제거 하지 못하므로서 처리장으로의 모래유입량은 우천시에 급증하는 경향이 있다.

본인의 선고안( )은 이러한 문제점을 해결하기 위한 유용한것이나 유입수로에 침사제거기를 설치하고 또 펌프 흡수정에도 침사제거기를 설치하므로서 기계설비 및 처리용 구조물을 2중으로 시공하여 경제적으로 고가이고 펌프가동과 유입유량과의 연관이 고려되지 못한 문제가 있었다.

본 고안의 기술적 과제는 우천시 많은양의 하수가 유입되어도 하수중에 포함된 모래를 효과적으로 제거하여 하수처리장의 운영효율을 높이고 침사를 위한 처리면적도 효과적으로 축소할 수 있는 침사지를 제공하는것이다.

도 1 은 본고안의 구성상태를 나타낸 평면도

도 2 는 본고안의 구성상태를 나타낸 종단면도

도면의 중요부분에 대한 부호의 설명

1. 유입수로

2. 세목협잡물제진기

3. 미세목협잡물제진기

4. 침시지 4-1.침사지 입구 4-2.모래침전부 4-3.모래퇴적부

5. 정류벽 5-1.원형 정류공 5-2.분배안내판

6. 정류벽 6-1.원형 정류공

7. 침사제거기 7-1.침사제거 바스켓

8. 유입펌프 8-1.유입펌프 흡입부

9. 하수유입유량계

10.수위계

11.가동제어기

12.침사세정콘베어 12-1.침사콘베어

13.연결배관

합류식 하수처리장에 있어서 유입수로(1)을 4각단면으로 하고 앞족에 세목협잡물 제진기(2)를 설치하고 그뒤에 미세목협잡물 제진기(3)을 설치하고 4각단면의 수로 끝에는 충분한 용량의 침사지(4)을 설치하되 유입수로(1)에서 침사지(4)으로 들어오는 침사지입구(4-1)에는 원형 정류공(5-1)을 가진 정류벽(5)을 설치하여 유입하수의 편류를 방지하고 균일한 유속을 가지게 하며 정류벽(5)의 앞쪽에는 유입수로폭에 균등한 폭으로 나누어진 분배안내판(5-2)를 설치하여 침사지(4)내로 하수가 균등하게 분포되어 흘러들어가게 하고 정류벽(5)의 후단에는 충분한 용량의 모래침전부(4-2)를 형성하여 하수중의 모래가 이곳에서 침전하게 하고 유입펌프(8)의 펌프흡입부(8-1)로 나가는 곳에도 원형정류공(6-1)을 가진 정류벽(6)을 설치하고 침사지(4)의 바닥에는 적당한 폭의 모래퇴적조(4-3)을 설치하고 여기에 기계식 침사제거기(7)을 설치하였다.

침사제거기(7)에서 제거된 모래는 침사세정콘베어(12)에서 깨끗하게 세척된후 외부로 반출처분토록 하였고 침사세정수 는 펌프흡입부(8-1)부근으로 흐르게 연결배관(13)으로 연결하였다.

또한 유입수로(1)의 앞쪽에는 하수유입유량계(9)를 설치하고 침사지(4)의 적당한 곳에는 수위계(10)을 설치하였고 하수유입유량계(9)와 수위계(10)의 신호를 받아서 유입펌프(8)의 가동순서를 정하는 펌프가동제어기(11)을 설치하였다.

펌프가동제어기(11)은 별도로 설치하지않고 중앙제어실이 있는 경우에는 중앙제어실에 있는 주제어용 컴퓨터에 가동용 프로그램을 설치할수도 있다.

본고안의 침사지의 작용을 설명하면 다음과 같다.

유입수로(1)에 유입된 하수는 세목협잡물제거기(2)와 미세목 협잡물제거기(3)에서 하수중에 포함된 부유성 고형물인 협잡물이 모두제거 되고 하수와 모래의 혼합물이 침사지(4)내로 흘러들어 오는데 분배안내판(5-2)에서 침사지(4)의 폭쪽에 대하여 균등하게 하수가 유입되고 정류벽(5)에서 유속이 균일하게 변하여 충분한용량을 가진 모래침전부(4-2)에서 모래가 침전제거되는 속도 이하로 흐르며 침전된 모래는 모래 퇴적조(4-3)에 모이고 이 모래는 기계식 침사제거기(7)에 의하여 외부까지 인양제거되어 침사세정콘베어(12)에서 깨끗하게 세정된후에 외부로 반출처분하고 모래를 세척한후의 침사세정액은 많은 유기물을 포함하고 있으므로침사지(4)에서의 재침전을 방지하기 위하여 연결배관(13)을 통하여 펌프흡입부(8-1)부근에 되돌려 보낸다

그런데 모래가 침전하기 위하여는 적당한 속도의 유속이 유지되어야 하고 이를 위하여는 침사지의 크기 및 침사지내의 수위가 적당히 유지되어야 하는데 모래가 침전하기 위한 조건은 다음과 같다.

하수처리장에서 설비보호를 위하여 제거를 목표로 하는 모래의 최소 직경은 0.2mm이나 최근에는 이 보다 작은 모래도 제거하는 경향이 있으므로 모래의 최소직경을 0.15mm로 가정한다면 모래의 침전속도는 다음과 같다.

v = g ×( rw - rs ) × d² / (18 ×μ)

여기서 , v : 모래의 침전속도 ; cm/s

g : 중력가속도 ; 980 cm/s²

rs : 모래의 비중 ; 2.65 g/cm³

rw : 물의 비중 ; 1.0 g/cm³

d : 모래의 직경 ; 0.015 cm

μ : 물의 점성계수 ; 0.0015 g/cm .s(5℃)

= 1.35 cm/s = 0.0135 m/s

위와 같은 방법으로 다른 직경의 모래에 대하여 침전속도를 계산하여 다음과 같다.

또한 침전된 모래가 다시 떠오르지 않는 한계유속은 다음과 같다.

vc = ( 8 ×β×g ×( rs - 1 ) ×d / f ) ^0.5

여기서, vc : 한계유속, m/s

β: 상수 ( 0.06 )

f : 마찰계수 ( 0.03 )

d : 모래직경, 0.00015 m

= 0.197 m/s

위와 같은 방법으로 다른 모래직경에 대한 한계유속을 계산하면 다음과 같다.

위 계산결과로부터 하수중의 모래를 바닥까지 침전시키기 위하여는 모래의 침전속도로 물 깊이를 나눈숫자 만큼의 체류시간과 그모래 직경에 해당하는 한계유속 이하로 침사지의 유속을 제한해야 함을 알수 있다.

하나의 실시예로서 일최대 40,000 ㎥를 처리하는 하수처리장을 예로든다면 시간최대유량은 56,000 ㎥ 이고 우천시 최대유입량은 168,000 ㎥ 일 때 위의 유량을 각 시간단위로 환산하면 다음과 같다.

만일 침사지(4)를 펌프흡수정기능을 부여키위하여 공용으로 사용하기 위하여 유효깊이(H)를 4.0m로하고 직경 0.15mm의 모래까지 제거한다면 모래가 바닥까지 침전하여 도달하는 시간은 t = H ÷v = 4.0 ÷0.0135 = 296.3 초(=5분) 가 필요하다.

그런데 펌프흡수정의 용량은 보통 펌프의 동력에 따라 필요한 최소 가동주기에 따라 정해지며 위 실시예의 용량에 대하여 펌프흡수정의 용량은 820㎥로서 우천시최대 유량의 약 7분 용량으로 되어있어 펌프흡입구의 용량을 고려 하여도 모래의 침전에 충분한 것을 알수 있다.

또한 침사지(4)의 폭은 18m 이고 길이는 약 10m로서 표면적은 180㎡이므로 우천시유량에 대한 표면적 부하는 168,000÷180 =933㎥/일 로서 하수도 시설기준의 3,600㎥/일보다 작고 평상시 표면적부하 1,800 ㎥/일 보다도 작아서 모래의 침전에는 전혀 문제가 없다.

하수가 통과하는 단면은 수심과 관계가 있으며 한계유속인 0.197 m/s를 유지하기 위한 최소 수심은 다음과 같다.

hmin = Qmax ÷침사지폭 ÷한계유속 = 1.944 ÷18 ÷0.197 = 0.548 m

따라서 침사지내의 수심은 0.548 m 이상만 유지하면 유속에는 아무런 문제가 없다.

그러나 모래의 침전속도와 관련하여 한계유속과 체류시간,수심이 평형을 이루는 조건을 구하면 다음과 같다.( 예;침사지폭18m,길이10m,유효수심4m)

* 침전여유율 은 체류시간을 침전시간으로 나눈값임.

위의 계산결과 모래의 침전에 필요한 침전시간보다 체류시간이 항상 더 크고 침사지를 통과하는 통과유속은 항상 한계유속 0.197 m/s보다 작으므로 침사지내의 수심을 어느정도(0.548 m )이상만 유지하면 하수중의 모래는 침사지에서 효과적으로 제거될수 있음을 알 수 있다.

그러나 위의 계산결과는 수위가 줄거나 일정하게 유지될때의 결과이고 만약에 최저수위에서 펌프가 정지되어있고 우천시유량이 유입될때와 같이 수위가 빠른속도로 상승하는경우에는 수위상승속도와 모래의 침전속도가 비슷하므로 모래는 침전이 되지 않는다.

유입펌프(8)의 가동제어는 일반적으로 펌프흡입부(8-1)내의 수위를 4∼5단계로 나누어서 최저수위에서 모든펌프는 정지하고 1단계수위에서는 하수용펌프가 1대 가 가동되게 하고 2단계수위에서 하수용펌프가 2대 가동되게 하며 3단계 수위에서 우수용펌프가 1대 가동되게 하고 최고수위에서 오수용펌프가 2대 가동되게 하는 식으로 펌프를 가동제어 하는데 본고안에서는 유입수로(1)의 입구쪽에 설치한 하수유입유량계(9)의 유량신호가 우천시 유량 또는 미리정한 유량값(예를 들어 우수용펌프가 2대인경우는 우천시유량의 1/2 유량) 이 되면 유량신호에 따라 침사지(4)의 수위가 최고수위(펌프가동시작수위)가 아니더라도 유입펌프(8)중 우수용의 펌프를 가동시키고 가동대수도 결정하도록 하고 유입유량과 가동펌프의 토출유량의 차이가 침전시간에 대한 체류시간의 여유인 25％ 보다 작게 되도록 우수용 펌프와 오수용 펌프를 동시에 가동하여 펌프별로 가동대수를 제어하도록 가동제어기(11)가 지령을 하고 이에 따라 해당펌프가 가동되면 침사지내의 수위는 거의 일정하게 유지되고 이에 따라 체류시간이 확보되고 통과유속은 한계유속 이내로 유지되어 하수중의 모래가 침시지(4)에서 효과적으로 침전제거 된다.가동제어기(11)은 현장에 독립적으로 설치하거나 중앙제어컴퓨터(도시되지않음)에 소프트웨어로 내장하는 것으로 한다.

또 다른 실시예에서는 유입펌프(8)의 대수를 여러대로하여 펌프1대의 용량이 우천시 최대유량의 15％ 정도 가 되게 설계하는 경우가 있는데 이때에는 평상시의 시간최대유량까지는 펌프흡수정의 수위에 연동하여 유입펌프(8)를 가동하고 평상시 시간최대유량 이상의 유입하수가 유입되면 유입유량이 15％씩 변할때마다 유입펌프(8)를 차례대로 1대식 더 가동하고 유입하수량이 감소할때도 역시 위와같이 유량이 15％감소할때마다 유입펌프(8)가 1대씩 더 가동을 정지하도록 하면 수위 상승(하강)속도는 항상 최대상승(하강)속도의 15％정도가 되어 침전시간에 대한 체류시간의 여유분인 25％ 보다 작게 유지되므로 수위의 상승,하강에 관계없이 침사지(4)에서 하수중의 모래는효과적으로 침전이 된다.

위와같이 침사지(4)에서 하수중의 모래를 침전제거 하기위하여 유입하수량과 침사지내 수위를 함께 측정비교하여 위에서 설명한것과 같은 방법으로 유입펌프(8)의 가동순서 및 가동시간을 제어하므로서 유입하수량이 변동하더라도 침사지(4)에서 효과적으로 모래를 침전제거할수 있다.

오히려 문제는 침사지내의 유속이 너무려서 하수중의 유기성 고형물이 침사지(4)내에 쌓이는 것인데 이 문제는 펌프흡수정에서는 어디에서나 일어나는 문제로서 지금까지는 특별한 대책없이 정기적으로 펌프흡수정을 준설하는 것에 그치고 있었다.

본고안에서는 침사지(4)바닥에 퇴적된 모래와 유기성 고형물을 침사제거기(7)로 인양하여 침사세정콘베어(12)에 이송하고 여기에서 모래와 유기성고형물이 세척분리되게 하고 세척된 모래는 저장조에 일시저장한후 외부로 반출처분하게 하고(저장조는 도시하지않았음) 분리된 유기성고형물을 다량 포함한 침사세정액은 연결배관을 통하여 펌프흡입부(8-1)로 되돌려 보내도록 하여 침사지(4)에서 다시 유기성 고형물이 침전되는 것을 방지하였다.

본고안의 침사지는 펌프흡수정의 저수 공간을 정류벽에 의하여 침사지와 펌프 흡입부 로 나누어 구성하되 양쪽의 공간이 정류벽에 의하여 관통되게하므로서 용량을 공유 하게하여 펌프흡입부(8-1)과 침사지(4)가 함께 펌프흡수정의 역할을 하게 하고 유입펌프(8)의 가동은 펌프흡수정의 수위와 하수유입유량을 종합판단하여 가동제어기(11)에서 자동적으로 제어하므로서 펌프흡수정의 크기를 늘이지 않고도 펌프흡수정의 일부에 형성한 침사지(4)에서 평상시나 우천시나에 관계없이 항상 하수중의 모래를 효과적으로 침전시킬수 있고 분배안내판(5-2)의 작용으로 침사지(4)에는 수위에 관계없이 침사지(4)폭 전체에 걸쳐 균등한 양의 하수가 유입되어 편류가 방지되므로 모래가 효과적으로 침전되며 침전된 모래는 기계식 침사인양기로 인양 제거하고 침사세정용액은 펌프흡입부로 되돌려 보내서 유기성고형물이 침사지에서 다시 침전하는 것을 방지할수 있게 하여 수질의 저하를 방지하고 하수중의 모래가 효과적으로 제거되었기 때문에 후단의 하수 처리시설의 마모 및 폐색등을 방지할수 있어 시설의 운영을 원활히 하는효과가 있고 펌프흡수정을 주기적으로 준설할필요가 없어서 운전관리가 용이하고 또한 유입수로(1)부에 침사지(길이 약 15∼20m)를 생략하므로서 전체 소요면적을 대폭줄일 수 있고 공사비도 함께 절감할수 있다.

Claims (3)

1. 합류식 하수처리장에서 유입수로(1) 쪽에 하수유입량계(9)를 설치하고 유입수로(1)의 압부분에는 세목협잡물제진기(2)를,뒤부분에는 미세목 협잡물제진기(3)를 설치하고 유입수로(1)가 끝나는 부분에는 직렬로 적절한 폭과 깊이 및 길이를 가진 펌프흡수정을 연결설치하되 펌프흡수정은 정류벽(6)으로 구분하여 침사지(4)와 펌프흡입부(8-1)로 나누어 구성하고 침사지입구(4-1)근처에는 등간격으로 분배안내판(5-2)과 정류벽(5)을 설치하고 그 후단에 충분한 용량의 모래침전부(4-2)를 형성하고 침사지(4)의 출구부에도 정류벽(6)을 설치하며 침사지(4)의 바닥에는 모래퇴적부(4-3)를 설치하고 여기에 기계식 침사제거기(7)를 설치하고 침사세정콘베어(12)로부터 나온 침사세정액은 펌프흡입부(8-1)로 연결배관(13)을 통하여 되돌아가게 하고 침사지(4)에 수위계(10)를 설치하고 수위신호와 하수유입유량신호를 받아서 이에 따라 유입펌프(8)의 가동순서,가동대수를 가동제어기(11)에서 제어할수 있게 한 것을 특징으로 하는 합류식 하수도의 침사지.
2. 청구항1 에있어서 유입펌프(8)은 오수펌프와 우수펌프로 구성하고 오수펌프 1대의 용량은 우천시 유량의 25％이하가 되게 하고 우수펌프1대의 용량은 우천시 유량의 1/2 이하가 되게 하며 침시지(4)의 수위를 몇단계로 나누고 최저수위일때는 모든 유입펌프(8)가 가동중지되게 하고 1,2단계수위에서는 오수펌프가 3,4단계에서는 우수펌프가 가동되게 하되 하수 유입유량이 우천시유량 또는 미리 설정한 유량 이상일 때에는 침사지(4)내의 수위에 관계없이 하수유입유량에 따라 정해진 유입펌프(8)가 가동 또는 정지되도록 제어하며 하수유입유량에 따라 그에해당하는 오수펌프와 우수펌프가 함께 가동되게 하여 하수유입유량과 유입펌프(8)의 총양수량과의 차이가 25％이하로 제한되게 하고 수위계(10)와 하수유입유량계(9)로부터의 수위 및 유량 신호를 받아서 이 신호를 판단하여 위와같은 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 가동제어기(11)
3. 청구항2 에 있어서 유입펌프(8) 1대의 용량이 우천시유량의 15％ 이하인 동일용량의 유입펌프(8)를 설치한 경우에 하수유입유량이 평상시의 시간최대 유량이하에서는 미리설정된 수위에 연동하여 유입펌프(8)가 가동되고 시간최대유량을 넘을때에는 유입펌프(8)1대의 용량만큼씩 유입하수량이 변동할때마다 유입펌프(8)를 1대씩 더 가동 또는 정지 시키도록 제어하는 것을 특징으로하는 가동제어기(11).