KR200202174Y1 - 고율 모래여과법을 이용한 중수도 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템에 관한 것으로서, 고율 모래여과기와 생물학적 전처리부인 유량조정폭기조, 약품응집 반응기를 일련되게 구성함으로써, 전체적인 공정이 간단하고 효율적이 될 수 있도록 한 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템에 관한 것이다.

본 고안의 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템은, 원수에 함유된 이물질이나 협잡물을 침전 및 스크리닝으로 제거하는 침사 스크리닝 단계, 침사 스크리닝 단계에서 이물질이 제거된 원수의 유입부하를 완화함과 아울러 미생물 접촉여재 및 미생물 대사에 필요한 공기를 공급하여 미생물을 증식시킴으로써 유기물을 제거하는 유량조정폭기 단계, 유량조정폭기 단계에서 유기물이 제거된 유출수의 부유물질 및 콜로이드성 물질을 보다 큰 덩어리로 뭉치게 하는 응집 단계, 응집된 입자상 물질들을 깨끗하게 걸러주는 고율 모래여과 단계, 및 모래여과단계(ST400)를 통과한 유출수에 함유된 유해세균을 염소화합물로 멸균시키는 소독단계로 이루어진다.

Description

고율 모래여과법을 이용한 중수도 시스템 {Wastewater Reusing System Using High Efficiency Sandfilter}

본 고안은 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로, 고율 모래여과기와 생물학적 전처리부인 유량조정폭기조, 약품응집 반응기를 일련되게 구성함으로써, 전체적인 공정이 간단하고 효율적이 될 수 있도록 한 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템에 관한 것이다.

최근 들어 급속한 산업화와 도시화로 인해 물 수요가 급속히 증가하고 있는 반면, 수자원 고갈과 일부지역의 극심한 수질오염 등으로 인한 용수부족 사태는 갈수록 심화되고 있다. 또한, 수질오염에 대한 국민 의식의 향상에 부응하여 정부는 배출허용기준을 단계적으로 강화함은 물론, 일부 수계에 대해서는 수질총량규제를 시행하는 등 공공수역의 오염 부하량을 저감하기 위한 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나, 극심한 수질오염으로 인한 상수 정수비용의 증가는 수도세 인상의 원인이 되고 있으며, 이에 따라 정부는 쓰고 버린 물을 재사용하는 중수도의 보급을 위하여 세제 지원, 수도세 감면 등의 혜택을 부여하고 있는 실정이다.

이와 같이 수질개선과 더불어 수량 확보에도 많은 노력과 투자가 이루어지고 있는 것에 즈음하여, 용수의 절감과 재이용을 극대화할 수 있도록 한 본 고안의 중수도 시스템(Water Reclamation & reusing System)이 제안된 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

중수도 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 현재 상수도를 통하여 공급되고 있는 여러 용도의 용수 중에서, 음용수와 같은 정도의 높은 청정도를 필요로 하지 않는 청소, 조경, 화장실의 대/소변기 등의 용수에 대하여, 쓰고 버린 물을 시스템 자체에서 정화하여 재이용하는 시스템으로서, 이와 같은 중수도 시스템은 음용이 불가능한 수세식 화장실 용수, 냉각용수, 청소용수, 소방용수, 조경용수 및 세차용수 등과 같이 높은 청정도를 필요로 하지 않는 용수가 양적인 면에서는 전체 수돗물의 상당 부분을 차지하고 있는 현재의 물소비 행태에 근거를 두고 있다고 할 수 있다.

일반적인 중수도 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 모래 등의 이물질을 침전시켜 제거하는 침사조(1)와, 상기 침사조(1)의 유출수에 함유된 중 대형 협잡물을 스크리닝하여 제거하는 스크린조(2), 상기 스크린조(2)를 통과한 오수의 효과적인 생물학적 처리를 위해 오염물 부하변동을 완화하고, 과도한 원수 발생시에도 처리되는 오수량을 일정하게 유지시키기 위해 오수를 저류(低流)시키는 유량조정조(3), 상기 유량조정조(3)에서 유출되는 오수의 오염물을 미생물에 의한 산화, 분해작용을 이용하여 제거하는 폭기조(4), 상기 폭기조(4)에서 유출되는 처리수의 유기물이 분해되면서 증식된 미생물군인 오니를 침강시켜 깨끗해진 상등수는 다음 공정으로 이송하고, 하부에 침전된 오니는 생물학적 처리의 활성을 위하여 상기 폭기조(4)로 반송하며, 그 나머지는 분리, 농축 및 탈수하여 처분하게 되는 침전조(5), 침전조(5)에서 분리된 처리수를 다음 공정인 여과공정의 수행을 위해 집수하는 완충수조(6), 완충수조(6)를 통과한 처리수의 부유물질을 여과하여 제거하는 여과조(7), 여과조(7)를 통과함으로써 여과된 물의 미분해 유기물, 색도, 냄새 등을 흡착시켜 제거하는 활성탄 흡착조(8), 활성탄 흡착조(8)에서 미분해 유기물, 색도, 냄새 등이 제거된 물중 상기 여과조(7)와 활성탄 흡착조(8)의 역세정을 위해 일정량을 저장하는 역세수조(9), 및 역세수조(9)에서 오버-플로우(overflow)된 처리수를 염소화합물로 소독하여 유해세균, 대장균군 등의 유해균을 멸균하는 소독조(10)로 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 유량조정조(3)에는 저류된 오수를 후처리공정으로 이송하기 위한 펌프(P)가 설치됨과 아울러, 부유물질의 침전 및 오수의 부패 방지를 위해 폭기가 실시되는데, 폭기시 송기량은 통상 상기 유량조정조(3)의 용량 1㎥당 1㎥공기/시간 정도이다.

또한, 상기 폭기조(4)에서는 폭기에 의해 미생물과 오염물이 지속적으로 혼합되는 동시에 미생물 증식에 필요한 산소가 공급되는데, 수중의 유기 오염물은 미생물의 산화, 흡착, 동화 등의 작용에 의해 분해되어 일부는 에너지로 소모되고 나머지 일부는 미생물의 자기증식에 이용된다. 이와 같은 폭기조(4)의 처리효율은 유기물의 부하량, 폭기시간, 공기량 등의 설계조작 조건과 수온, pH 등 생육환경상의 조건에 의해 영향을 받게 된다. 폭기조(4) 내에는 오염물과 미생물이 혼탁하게 혼합된 활성오니(activated sludge)가 배양되는데, 활성오니가 양호한 상태로 배양될 경우, 미생물이 유기물을 분해시켜 미립 분자화하면서 산화력과 침강분리성이 뛰어난 플록(floc)을 형성시키게 된다.

여과조(7)에서는 여과재를 이용하여 부유물을 걸러주게 되며, 압력 또는 시간에 따라 주기적(1일 1회∼2회)으로 역세정이 실시된다. 이때, 역세정은 여과된 처리수를 이용하며, 역세정에 의해 세척된 여과재는 다시 여과 기능을 수행하게 된다.

활성탄 흡착조(8)는 다공성 세공을 가지고 있어서 특유의 흡착기능을 지니는 활성탄(Activated Carbon)을 이용하여 수중의 미분해 유기물, 색도, 냄새 등을 흡착시켜 제거한다. 활성탄 흡착조(8)도 여과조(7)와 마찬가지로 역세정이 실시되는데, 이것은 물 흐름상의 기능 회복을 위한 것으로, 상기 여과조(7)와는 다른 의미를 가진다. 즉, 여과조(7)가 역세정에 의한 세척을 통하여 반영구적으로 사용되는 반면, 활성탄은 역세정을 실시한다 하더라도 흡착의 역가가 점점 떨어지기 때문에 주기적(6개월∼1년)으로 교체하여야 한다.

한편, 상기 소독조(10)에서 소독되어 방류되는 유출수의 잔류염소는 0.5㎎/L 이상, 접촉시간은 15분 이상이 되도록 한다.

이상과 같은 중수도 시스템은 한번 사용한 물을 어떠한 형태로든 여러 번 반복하여 재사용할 수 있도록 함으로써, 공단, 공장 등의 시설확장시, 필요한 용수를 확보하기 위해 원거리 수원에서부터 새로운 수도관을 매설하는 경우 소요될 시설비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 용수 수요량을 감소시키는 효과를 가져올 수 있으며, 배출되는 하수량을 감소시켜 오염물질에 의한 환경오염도 줄일 수 있게 된다.

상기와 같은 중수도 시스템을 설치하여 필요로 하는 상수의 수요량을 줄일 수 있게 되면, 물을 많이 사용하는 대형 건축물과 대단위 시설물이 증가하면서 발생되는 용수 공급량의 한계를 극복할 수 있게 됨은 물론, 그 잉여 이익을 깨끗한 수돗물 생산을 위한 시설투자 비용에 투입할 수 있게 됨과 아울러, 갈수시의 물부족 상황에 효과적으로 대처할 수 있게 된다.

이와 같은 목적을 위하여, 이미 대한민국 특허공개 제 1997-65438호에는 하수처리수를 중수처리 원수로 하고, Floc 형성지, 침전지, 안정화조 등을 일련으로 하여 구성되는 중수도 시스템을 개시한 바 있으며, 대한민국 특허등록 제 164580호에는 접촉산화조와 한외여과막을 이용한 중수도 시스템이 개시된 바 있고, 대한민국 특허공개 제 1999-83743호에는 모세관과 사이펀관의 원리를 이용한 중수도용 여과장치가 개시된 바도 있다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 중수도 시스템들은 생물학적 처리 후에 여과 또는 흡착 등을 수행하는 방식으로서, 주처리 공정인 생물학적 처리부의 처리상태에 따라 처리 수질이 달라지게 되므로, 안정적인 처리수질을 기대할 수 없을 뿐만 아니라, 클로이드성 물질이 잘 제거되지 않게 되어 미제거된 부유물 및 콜로이드성 물질들이 활성탄 흡착조의 흡착공정을 방해하게 됨으로써 활성탄의 역가가 급격히 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 상기와 같은 일반적인 중수도 시스템의 문제점을 해결하기 위하여, 생물학적 처리 후 부유물질 및 콜로이드성 물질을 별도로 제거함으로써, 안정적인 처리수질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 미생물 유출 방지로 인한 생물학적 처리부의 효율 상승도 가져올 수 있는, 한외여과막(ultra filtration: UF)을 이용한 중수도 시스템이 제안되어 사용되고 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

한외여과막을 이용한 중수도 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 유입수에 함유된 협잡물과 모래를 제거하는 침사조(11) 및 스크린조(12), 침사조(11)와 스크린조(12)를 차례로 통과한 오수 생물학적 처리의 효율을 위해 오염물 부하변동을 완화하고 과도한 원수 발생시에도 처리하는 오수량을 일정하게 유지하기 위해 오수를 저류(低流)시키는 유량조정조(13), 유량조정조(13)에서 유출되는 오수의 오염물을 미생물의 산화, 분해작용을 이용하여 제거하는 폭기조(14), 폭기조(14)에서 유출되는 처리수중 유기물이 분해되면서 증식된 미생물군인 오니를 침강시켜 깨끗해진 상등수는 다음 공정으로 이송하고 하부에 침전된 오니의 일부는 폭기조의 활성을 위하여 폭기조로 반송하며 그 나머지는 분리, 농축 및 탈수함으로써 처분하는 침전조(15), 침전조(15)에서 분리된 처리수를 다음 공정인 여과공정을 위해 집수하는 완충수조(16), 완충수조(16)의 유출수에 포함된 부유물질을 제거하기 위한 20∼50㎛ 정도의 카트리지 형태로 구성된 마이크로 필터(17), 마이크로 필터(17)에서 부유물이 제거된 유출수중 용존성 유기물을 제외한 콜로이드성 물질 이상의 오염물을 모두 제거하는 한외여과부(18), 한외여과부(18)의 역세정을 위해 일정량의 처리수를 저장하는 역세수조(19), 및 역세수조(19)에서 오버-플로우(overflow)된 처리수를 염소화합물로 소독함으로써 유해세균, 대장균군 등의 유해균을 멸균하는 소독조(20)로 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 폭기조(14)에서는 폭기에 의해 미생물과 오염물이 지속적으로 혼합되는 동시에 미생물의 증식에 필요한 산소가 공급되는데, 수중의 유기 오염물은 미생물의 산화, 흡착, 동화 등의 작용으로 분해되어 일부는 에너지로 소모되고 나머지 일부는 미생물의 자기증식에 이용되게 된다. 이와 같은 폭기조(14)의 처리효율은 유기물의 부하량, 폭기시간, 공기량 등의 설계조작 조건과 수온, pH 등 생육환경상의 조건에 의해 영향을 받게 된다. 폭기조(14) 내에는 오염물과 미생물이 혼탁하게 혼합된 활성오니(activated sludge)가 배양되는데, 활성오니가 양호한 상태로 배양될 경우, 미생물이 유기물을 분해시켜 미립 분자화하면서 산화력과 침강분리성이 뛰어난 플록(floc)을 형성시키게 된다.

상기 완충수조(16)는 생물학적 처리수의 한외여과막 여과를 위한 중간 집수조로서, 여기에는 레벨 센서가 내장되어 있어서 원수 유입량에 따라 한외여과막장치(한외여과기)를 제어하게 된다.

마이크로 필터(17)는 한외여과 공정의 원활한 운전과 UF막의 보호를 위해 부유물질을 제거하는 장치로, 오염 정도에 따라 주기적(오수처리의 경우 1∼2주에 1회)으로 교체하게 된다.

상기 한외여과부(18)는 매우 정밀하여 용존성 유기물을 제외한 콜로이드성 물질 이상의 오염물을 모두 제거하게 되며, 나선형, 중공사형, 판틀형 또는 관형 모듈을 이용할 수 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

나선형(spiral wound) 모듈은 사각형 평막을 소정간격 이격되게, 또한 막의 활성층 표면이 서로 반대가 되게 샌드위치 식으로 쌓은 후 감는 것으로, 실제 공정에서는 보통 2개에서 6개까지의 모듈을 한 개의 압력용기 내에 직렬로 연결하여 압력용기(pressure vessel) 내에 넣어 사용하게 된다.

중공사형(hollow fiber) 모듈은 원통형의 압력용기 내부에 수천에서 수만 개의 중공사를 배열시킨 형태로서, 가압된 원수는 중앙의 튜브를 통해 공급되어 중공사의 법선 방향으로 흐르고 투과수만이 중공사 내부에서 외부로 여과되어 빠져나간다. 상기 나선형 모듈과의 가장 큰 차이점은 단일 용기 내에 중공사 모듈을 연속해서 연결할 수 없다는 점이다. 중공사 모듈은 높은 충진밀도로 인해 단위 부피당 막표면적이 가장 넓다는 장점이 있으나, 다른 모듈에 비해 오염되기 쉬우므로 더 엄격한 전처리 과정을 요한다.

상기 판틀형(plate & frame) 모듈은 평막 두 장의 비활성층 부분을 소정간격 이격시켜 서로 마주보게 한 후 끝을 접착하여 만들어진 원형 또는 일정한 형태의 막을 기계적 지지체 역할을 하는 판 위아래에 놓고 샌드위치 식으로 쌓은 후 틀에 장착시킨 형태이다. 이러한 판틀형 모듈은 고농도의 용액 처리에 적합하며 구조가 간단하여 조립, 분해가 용이하고 평막 자체만 교체할 수 있는 장점이 있는 반면. 유효 막면적이 작아 시스템의 부피가 커지게 된다.

관형(tubular) 모듈은 원통형으로 성형된 30개 까지의 관형막들을 각각 스테인레스 금속 튜브 내에 장착하여 상호 연결한 장치로서, 단순한 전처리로도 운전이 가능하고, 유속이 커지므로 막표면에 스케일의 형성이 적은 반면, 막면적에 비해 많은 공간을 필요로 하고 에너지 소모가 많다. 관형 모듈은 시스템의 세척과 소독이 용이하기 때문에 식품공업 분야에서 많이 이용되고 있다.

상기와 같은 중수도 시스템에서 한외여과부(18)를 그냥 투과할 수 있는 용존성 유기물은 생물학적 처리부인 폭기조(14)에서 제거되고, 비교적 입자가 큰 부유물질은 마이크로 필터(17)에 의해 제거되며, 그 외의 오염물질은 한외여과부(18)에 의해서 제거된다.

상기 한외여과부(18)는 박테리아 등의 미생물들도 투과시키지 않기 때문에 처리수와 함께 미생물이 유출되는 것을 방지함으로써 생물학적 처리부의 효율도 더욱 상승시키게 된다. 또한, 한외여과막을 이용한 중수도 시스템은 전 단계인 생물학적 처리부의 효율 변화에 큰 영향없이 양호한 처리수질을 얻을 수 있게 된다. 따라서, 한외여과막을 이용한 중수도 시스템은 안정적인 처리수질을 얻을 수 있으며 생물학적 처리부의 효율을 상승시키는 장점을 가진다고 할 수 있다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 한외여과막을 이용한 중수도 시스템은 중수 원수의 특성에 대한 고려 없이 생물학적 처리와 한외여과막을 단순히 조합하여 구성함으로써, 시스템이 복잡함은 물론 점유면적이 크게 요구되어 시설비가 상승하는 문제점을 가지고 있었다. 또한, 종래의 한외여과막을 이용한 중수도 시스템은 부유물질을 제거하기 위한 마이크로 필터를 주기적으로 교체해 주어야 함으로써 유지 및 관리비용이 높다는 문제점도 가지고 있었다.

이와 같은 단점들을 극복하기 위하여, 중수 원수의 면밀한 분석을 통하여 생물학적 처리부와 한외여과장치를 효과적으로 구성하여 중수도 시스템을 간략화한 공정이 본 출원인에 의해 출원된 바 있는데(대한민국 특허등록 제 247380호), 그 공정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

여기에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 협잡물과 모래를 제거하기 위해 침사조(21) 및 스크린조(22)를 통과한 원수를 유량조정폭기조(23)에 모으는데, 이 유량조정폭기조(23)에서는 후처리 공정에서 일정량의 물을 연속적으로 처리 할 수 있도록 오수를 저류시키는 동시에 미생물 접촉여재(230)를 충진하여 용존성 유기물을 미생물 작용에 의해 산화 분해시키게 된다. 이렇게 용존성 유기물이 분해된 물은 조, 대형 부유물질을 제거하여 한외여과막을 보호하기 위해 PUMP를 통하여 일정량씩 전처리 여과장치(24)를 통과한 후, 중간집수조(25)에 모이게 된다. 중간집수조의 물은 한외여과장치(26)를 통과하면서 부유 및 콜로이드상 물질이 완벽하게 제거되며, 그 처리수는 UF의 분리능 회복을 위한 역세 공정을 수행하기 위해 일부 역세수조(27)에 저장되고, 나머지는 월류되어 소독조(28)로 이송된 후 염소화합물에 의해 유해세균, 대장균 등을 사멸시키고 중수로써 재이용 되는 것이다. 상기 한외여과막 중수도 시스템은 종래의 한외여과막을 이용한 중수도 시스템에 비하여 비교적 시스템이 단순화되어 간단하게 구성되어 있다.

그러나, 이러한 Compact형 중수도 시스템 역시 다음과 같은 문제로 경제적인 시스템 운영에 어려운 점이 있다.

1) 한외여과막의 가격이 높아, 초기 투자비가 크므로 투자 회수기간이 길어진다.

2) UF Module의 수명이 평균 2년 정도로 교체에 따른 비용손실이 크다.

3) UF Module 손상시 수질이 급격히 악화되고, 손상 부위를 찾기가 매우 어렵다.

4) UF 교체 비용 및 높은 운전 압력에 따른 동력비 등의 유지관리비가 높아 경제성이 떨어진다.

본 고안은 중수도 시스템을 구성함에 있어, 종래의 기술이 지니는 공정의 복잡성, 유지관리의 난해함, 높은 중수 생산비용 등의 문제점들을 해결함과 동시에, 전술한 한외여과막 방식 중수도 시스템의 높은 초기 투자비, UF Module의 파손 및 교체에 따른 높은 운전비용 등의 문제를 해결함으로써, 공정 구성이 간단하며, 초기 투자비용이 저렴하여 투자회수 기간이 짧고, 유지관리비가 간편하며, 그 비용 또한 저렴한 경제적인 중수도 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 침사·스크린조, 유량조정폭기조, 고율 모래여과기, 및 소독조가 일련되게 구성되고, 고율 모래여과기 전단에 응집을 위한 약품이 투입되도록 구성되는, 고율 모래여과법을 이용한 중수도 시스템을 제공하는 것으로 이루어진다.

도 1은 일반적인 중수도 시스템의 적용을 보인 예시도.

도 2는 일반적인 중수도 시스템의 구성을 보인 계통도.

도 3은 종래 한외여과막을 이용한 중수도 시스템 구성을 보인 계통도.

도 4는 본사에서 기 개발된 Compact형 한외여과막 구성을 보인 계통도.

도 5는 본 고안이 적용된 중수도 시스템의 공정 순서도.

도 6은 본 고안이 적용된 중수도 시스템의 구성을 보인 계통도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

31: 침사조 32: 스크린조

33: 유량조정폭기조 34: 고율 연속 모래여과기

35: 소독조 36: 약품응집 반응기

330: 미생물 접촉여재 360: 약품 주입장치

이하, 기술적 사상에 따른 도면을 참고로 하여 본 고안 고율모래여과법을 이용한 중수도 시스템을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 고안이 적용된 중수도 시스템의 공정 순서도이고, 도 6는 본 고안이 적용된 중수도 시스템의 구성을 보인 계통도이다.

본 고안의 고율모래여과법을 이용한 중수도 시스템은, 도 5에 도시된 바와 같이, 원수에 함유된 이물질이나 협잡물을 침전 및 스크리닝으로 제거하는 침사 스크리닝 단계(ST100)와, 상기 침사 스크리닝 단계(ST100)에서 이물질이 제거된 원수의 유입부하를 완화함과 아울러 미생물 접촉여재 및 미생물 대사에 필요한 공기를 공급하여 미생물을 증식시킴으로써 유기물을 제거하는 유량조정폭기 단계(ST200), 유량조정폭기 단계(ST200)에서 유기물이 제거된 유출수의 부유물질 및 콜로이드성 물질을 보다 큰 덩어리로 뭉치게 하는 응집 단계(ST300), 응집된 입자상 물질들을 깨끗하게 걸러주는 고율 모래여과 단계(ST400), 및 상기 모래여과단계(ST400)를 통과한 유출수에 함유된 유해세균을 염소화합물로 멸균시키는 소독단계(ST500)로 이루어진다.

본 고안의 고율 모래여과기를 이용한 중수도 시스템은, 도 6에 도시된 바와 같이, 침사조(31), 스크린조(32), 유량조정폭기조(33), 고율 모래여과기(34), 소독조(35) 및 약품 응집 반응기(36)가 일련 되게 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

유량조정폭기조(33)에는 미생물이 부착 증식하여 유기물을 산화 분해 시킬 수 있는 미생물 접촉여재(330)가 충진되고, 약품응집 반응기(36)에는 수중의 일부 용존물질 및 콜로이드상 물질을 큰 입자로 뭉치게 하는 약품들을 투입하기 위한 약품저장조(360)가 장착된다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 고안에 대해 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 고안을 설명하기 위한 것으로, 본 고안의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

침사조(31) 및 스크린조(32)는 후공정의 배관, 펌프 등의 기계장치를 보호하는 전처리 공정으로서, 침사조(31)에서는 모래와 같은 이물질을 침전시켜 제거하고, 스크린조(32)에서는 중 대형 협잡물을 제거한다.

유량조정폭기조(33)는 종래 기술의 유량조정조와 폭기조의 기능을 통합하여 수행하는 장치로서, 유입수의 부하변동을 완화하여 효과적인 생물학적 처리가 이루어질 수 있도록 유입 원수를 저류시킴과 아울러, 상기 원수에 함유된 유기물을 접촉여재에 부착된 미생물의 대사작용을 이용하여 미생물 생명활동을 위한 에너지원이나 증식에 소비되도록 함으로써, 용존성 BOD를 제거하는 장치로 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 유량조정폭기조(33)에서는 고율 모래여과기에서 응집, 여과를 통하여 제거할 수 있는 콜로이드성 물질을 제외한 고율 모래여과기에서 제거할 수 없는 용존성 BOD를 빠른 시간에 제거할수 있도록 유효수심 1/2 이하 지점에 미생물 접촉여재(330)가 충진됨과 아울러 미생물 대사작용에 필요한 공기가 폭기된다. 이때, 상기 유량조정폭기조(33)의 1/2 이상 상부측은 유량조정 역할을 수행하게 되는데, 불특정적으로 발생하는 원수를 가변적인 수위변동을 통하여 완충하고 농도변화를 완화하여 이후 공정에서는 일정량씩 처리할 수 있도록 해준다. 반면, 1/2 이하 하부측은 생물학적 산화 분해조인 폭기조의 역할을 수행하게 되는데, 이때 유량조정폭기조로 공급되는 공기는 원수의 교반 역할과 미생물의 산소공급 역할을 동시에 수행하게 된다.

고율 모래여과기(34) 및 응집반응기(36)는 수중의 부유 물질 및 콜로이드성 물질을 물과 분리한다. 고율 모래여과기(34)는 원래 한외여과막의 분리성능에 비하여 여과성능이 떨어지기 때문에 저분자 콜로이드 물질을 제거할 수 없으나, 본 고안에서는 응집반응기(36)를 이용하여 이러한 저분자 콜로이드 물질을 응집시켜 거대 분자화 함으로써, 한외여과막에 상응하는 분리효과를 달성 할 수 있도록 구성되었다.

상기 응집반응기(36)에는 수중의 일부 용존 물질 및 콜로이드성 물질을 응집시켜 거대 플록을 형성할 수 있도록 해주는 약품의 주입장치(360)가 장착되는데, 이때 사용되는 약품으로는 응집반응을 유도하는 응집제로써 알루미늄염, 철염 등의 금속염 및 PAC(Poly Aluminium Chloride) 등이 있으며, pH 조정을 위한 가성소다와 응집제에 의해 응집된 미세 플록을 보다 더 큰 덩어리로 뭉치게 하는 응집 보조제로써 Polymer 등이 있다.

이와 같은 응집반응기(36)는 일정한 체류시간을 지니는 반응조를 설치하여 교반, 접촉, 반응시키는 형태로 구성할 수 있으며, 유량조정폭기조(33)에서 고율 모래여과기(34)로 이송되는 Pump line 중에서 약품이 교반, 접촉, 반응 될 수 있도록 한 Line-Mixer로도 구성할 수 있다.

소독조(35)에서는 상기 고율 모래여과기(34)를 통과한 유출수에 액체, 분말 또는 정제로 된 염소화합물을 투여하여 유해세균, 대장균군 등을 멸균시키게 되는데, 이때 소독조(35)에서의 접촉시간은 15분 이상이 되도록 하여야 하며, 소독이 수행된 후 방류되는 방류수의 잔류염소는 0.5㎎/L이상 이어야 한다.

이상과 같은 본 고안의 중수도 시스템을 전체적으로 살펴보면, 용존성 유기물은 유량조정폭기조(33)에서, 비교적 입자가 큰 부유물질은 고율 모래여과기(34)에서 제거되고, 그 외의 오염물질은 약품 응집을 통해 거대 분자화된 후 고율 모래여과기(34)에서 제거되는 것으로 정리할 수 있다.

다음 표 1은 경기도 부천의 'L' 백화점 중수처리장의 원수와 생물학적 처리없이 원수를 직접 고율 모래여과 및 응집 고율 모래여과한 처리수의 수질을 시험한 결과이다.

중수도의 유입원수 및 고율 모래여과 처리수의 수질 변화

일시	구분	BOD	SS
		원수	고율모래여과	응집,고율모래여과	원수	고율모래여과	응집,고율모래여과
'98. 8월	최대	134.6	81.6	26.8	172.2	68.4	5.2
	최저	42.5	24.4	12.2	101.7	38.9	1.0
	평균	80.6	46.4	22.7	142.7	49.4	2.3
9월	최대	152.6	92.6	31.9	186.7	70.4	4.6
	최저	66.3	31.6	14.8	111.7	39.5	0.2
	평균	102.2	54.7	25.7	158.4	50.6	1.1
10월	최대	98.7	58.5	24.3	169.6	52.8	7.1
	최저	52.9	32.1	11.3	89.4	33.7	0.8
	평균	68.0	40.3	19.2	121.2	40.8	3.4
11월	최대	99.8	58.9	20.6	153.8	54.7	6.7
	최저	33.4	20.8	8.2	66.2	22.5	1.2
	평균	62.3	35.0	16.2	104.7	31.7	2.5
12월	최대	145.5	74.2	29.9	166.5	58.4	4.9
	최저	76.1	41.1	21.6	127.4	42.5	0.4
	평균	89.6	52.5	25.4	139.5	43.4	2.2

원수를 응집, 고율 모래여과 할 경우, 표 1에 도시된 바와 같이, SS(Suspended Solid; 부유물질)는 거의 완벽하게 제거되는데 반해, 용존성 BOD(Biological Oxygen Demand; 생화학적 산소요구량)는 중수의 수질기준인 10ppm을 약간 초과하게 된다. 따라서, 본 고안과 같이 일단 상기 용존성 BOD를 미리 적정수치 이하로 제거하는 과정을 거치게 되면, 중수도로서 필요한 처리수질을 유지할 수 있게 된다.

일반적인 생물학적 처리의 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 미생물 반응조인 폭기조(14)의 유입유량, 유입농도 및 부하변동을 최소화하기 위해 시스템의 전단부에 유량조정조(13)를 구비하고 그 하부에 침전 및 부패를 방지할 수 있도록 교반용으로 폭기를 수행한다. 이때, 유량조정조에서 수행되는 폭기는 미생물을 위한 산소공급이 목적이 아니고 단순히 교반용으로 사용되는 것이다.

본 고안 중수도 시스템의 경우, 표 1에 도시된 바와 같이, 유입되는 중수의 용존성 BOD 농도가 비교적 낮을 뿐만 아니라 생물학적 처리부인 유량조정폭기조(33)에서 상기 용존성 BOD가 신속하게 분해되기 때문에, 종래의 유량조정조(13)에 생물학적 분해기능을 부가하여 교반용으로 공급되던 공기를 미생물 분해용으로 함께 사용할 수 있게 하였다.

상기와 같은 중수도 처리방법은 후단에 구비된 응집반응기(36) 및 고율 모래여과기가(34) 콜로이드 물질 이상의 오염물을 효과적으로 제거하여 일정하게 처리수를 생산할 수 있음으로써 가능하게 되는 것으로, 이는 상기 응집, 고율 모래여과기(34)의 분리특성에 맞게 생물학적 처리부인 유량조정폭기조(33)를 최적화한 것이라고 할 수 있다. 결론적으로, 생물학적 처리부의 최적화를 위하여 유량조정폭기조(23)의 하부에 미생물 접촉여재를 충진함과 아울러 상기 접촉여재에 미생물을 부착시켜 생물학적 처리를 수행하도록 함으로써, 유량조정기능과 용존성 BOD의 분해제거를 동시에 수행할 수 있게 된 것이다.

다음에 도시된 표 2는 본 고안 중수도 시스템의 효과시험 결과를 나타낸 것이다.

본 고안 중수도 시시템의 효과시험 결과

일시	구분	BOD	SS
		원수	처리수	원수	처리수
'99. 2월	최대	100.4	6.2	158.7	4.2
	최저	32.7	1.3	68.6	0.2
	평균	66.5	2.2	100.7	1.2
3월	최대	132.4	8.2	162.3	5.3
	최저	75.8	2.7	128.2	0.6
	평균	94.5	5.4	142.6	1.5
4월	최대	126.5	6.8	159.8	3.2
	최저	51.3	1.5	90.9	0.7
	평균	72.4	3.8	111.4	2.1
5월	최대	142.6	7.9	184.5	4.8
	최저	62.3	1.6	99.3	0.3
	평균	97.5	4.8	124.7	2.8

본 고안에 사용되는 모래여과기(34)는 연속식 유동상 모래여과기로써 오염물질의 여과와, 여과재인 모래의 세척이 동시에 연속적으로 이루어지는 장치이다.

종래의 일반적인 모래여과기는 압력식 여과기로써 그 특징을 설명하면 다음과 같다. 압력용기에 여과재인 모래를 충진하고, 원수를 pump로 주입하여 여과시킨다. 충진된 모래의 표면 및 내부에 오염물질이 점차 축적되면서, 물의 투과 저항이 발생되고, 그에 따라 여과압력이 점차 높아진다. 여과압력이 일정 압력 이상이 되면 역세정이 실시되는데 여과 방향과 반대 방향으로 물을 주입하여, 오염물질을 분리, 배출시킨다.

이러한 압력식 모래여과기는 하기과 같은 문제점을 지니고 있다.

첫째, 여과재의 오염정도, 세척시간, 주기에 따라 처리 효율이 달라지므로 처리 결과가 불안정적이다.

둘째, 역세척이 불완전하여 이물질이 원활히 제거되지 않으므로 사용 시간이 늘어나면서 점차적으로 여과재가 오염되어 폐쇄현상이 유발된다.

셋째, 여과재의 일부 폐쇄로 인하여 물흐름이 한쪽으로 편중될 경우 수량부하를 가중시키며, 제거 효율이 떨어진다.

넷째, 압력에 의한 여과재의 파손, 오염에 의한 폐쇄 등의 위험을 안고 있으며, 장기운전시 여과재를 자주 교체해 주어야 한다.

이와 달리, 본 고안에 사용되는 고율 모래여과기(34)는 상기와 같은 기존의 압력식 여과기의 문제점을 해결한 모래여과기로써, 여과기 내부에 모래여과층, 모래이송장치, 세척장치, 및 재충진장치가 구비된다. 모래여과층에서 연속적으로 여과작용이 일어나는 동시에 오염된 모래는 모래이송장치에 의해 이송되면서 세척장치에 의해 세척되고 재충진되는데, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

여과기 내부에 일정량의 모래가 여과층으로 구비되고, 이 여재층은 여과가 수행되는 과정 중에서 하부로 서서히 이동한다. 여과기 하부는 콘 type으로 형성되어 모래가 한곳으로 모이도록 되어 있는데, 여과가 수행되면서 오염되어 하부로 모인 모래는 모래 이송장치에 의해 여과기 상부에 위치하는 세척 장치로 이송된다. 세척 장치에서는 모래가 세척되고, 세척되어진 모래는 재충진 장치를 통하여 여과층 상부로 이송되며, 세척된 더러운 물은 drain 구를 통하여 배출된다. 이와 같이 세척공정이 여과공정과 동시에 연속적으로 진행되는 것이다.

고율 연속 모래여과기(34)는 원수의 주입 및 여과 방향에 따라 상향류식과 하향류식으로 구분되는데, 상향류식은 원수가 여과기 하부로 유입되어 모래층을 통과하여 상부로 이동하는 과정에서 여과가 이루어지며, 하향류식은 반대로 원수가 여과기 상부로 이송되어 모래여과층을 통과하여 하부로 이동하는 과정에서 여과가 이루어지게 된다.

설명한 바와 같이 여과와 세척의 과정이 연속적으로 동시에 진행되기 때문에 모래층의 오염도는 일정 수준을 유지하게 되고, 여과재의 세척 효율이 우수하므로 기존의 압력식 모래여과기가 지니는 문제점을 해소하였다고 할 수 있다. 따라서, 기존의 압력식 여과기에서 시도하지 못했거나, 시도하였다 하더라도 많은 문제를 일으켰던 약품응집 후 침전조 없이 직접 여과하는 방식을 본 고율 모래여과기에서는 문제없이 적용할 수 있는 것이다.

다음에 도시된 표 3은 일본의 중수도 수질기준(주택단지에 관한 물 고도이용조사, 일본, 1972)과 본 고안의 처리수 수질을 비교하여 나타낸 것이다.

본 고안의 처리수는, 표 3에 도시된 바와 같이, 중수도로서 매우 적합한 것으로, 이와 같은 본 고안이 종래의 중수도 시스템과 비교하여 시설비 및 유지관리비용도 현저하게 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 하기와 같다.

첫째, 종래 중수도 시스템의 생물학적 처리부인 유량조정조(3) 및 폭기조(4)를 하나의 반응조인 유량조정폭기조(33)로 함축시킴으로써 시설규모가 40% 정도 감소되었다.

둘째, 종래 중수도 시스템에서는 유량조정조(3)에 교반용으로 공기를 공급하고, 폭기조(4)에서도 미생물 처리용으로 별도의 공기를 공급하는데 반해, 본 고안은 한 공정, 즉 유량조정폭기조에서의 폭기로 유량조정과 부하량 균일화를 위한 교반과 미생물 분해를 위한 폭기를 한번에 수행함으로써 공기공급 펌프인 송풍기의 용량이 반으로 감소하게 되며, 이에 따라 초기 투자비 및 유지관리비가 절감된다.

셋째, 정밀 분리용 한외여과막은 대부분 수입에 의존하는 형편이고, 여과막 자체의 금액이 고가이므로 초기비용과 교체비용이 높았으나, 본 고안의 고율 연속 모래여과기(34)는 반영구적으로 사용되며 비용 또한 저렴하다.

넷째, 응집, 고율 연속 모래여과기(34) 고유의 분리특성에 따라 침전조가 없을 뿐만 아니라, 생물학적 처리부를 용존성 BOD 제거 목적으로 운전함에 따라 운전관리가 매우 용이하여 활성제, 종균제, 벌킹방지제 등의 부대비용이 들지 않게 된다.

이상과 같이 본 고안이 완성됨으로써, 구성이 간단하고 효과가 크며, 이에 따라 실제 적용 가능성이 높은 중수도 시스템이 제공될 수 있게 되었다.

본 고안의 고율 모래여과법을 이용한 중수도 시스템은 유량조정조와 폭기조를 유량조정폭기조로 단일화 함으로써, 중수도 시스템의 구성을 간소화하게 되어 설치에 필요한 시스템의 소요면적 및 시설비용을 줄일 수 있었을 뿐만 아니라, 반영구적으로 사용할 수 있는 고율 연속 모래여과기를 유량조정폭기조에서 배출된 원수의 부유물질 제거에 이용함으로써, 시스템의 유지 및 관리를 위한 비용을 절감하는 효과를 가져올 수 있게 되었다.

본 고안의 중수도 시스템이 완성되고 이에 따라 물의 재활용을 통하여 상수의 수요량을 현저히 줄일 수 있게 됨으로써, 각 아파트, 빌딩, 호텔, 병원 등의 수요처에는 경제적 이익을 창출하고, 나아가 수질오염 발생량 저감으로 국가적 수질환경 개선에 일익을 담당할 수 있게 되었다.

Claims (7)

1. 중수도 시스템에 있어서,

   원수에 함유된 협잡물과 모래를 제거하는 침사조(31) 및 스크린조(32); 오염물 부하변동을 완화하여 효과적인 생물학적 처리가 이루어질 수 있도록 상기 침사조(31) 및 스크린조(32)로부터 유입되는 원수를 저류시킴과 아울러, 미생물의 대사작용을 이용하여 상기 원수에 함유된 용존성 BOD를 제거하는 유량조정폭기조(33); 상기 유량조정폭기조로부터 유출되는 유출수에 약품을 주입함으로써 용존성 유기물을 제외한 콜로이드성 물질 이상의 오염물을 큰 덩어리로 뭉치게 하는 응집반응기(36); 응집된 입자상 물질들을 걸러주는 고율 모래여과기(34); 및 상기 고율 모래여과기(34)로부터 유출된 유출수에 함유된 세균을 멸균시키는 소독조(35)로 이루어짐을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 유량조정폭기조(33)의 1/2 이상 상부측은 유량조정 역할을 수행하게 되며, 유효수심 1/2 이하 하부측에는 미생물 접촉여재(330)가 충진됨과 아울러 교반이 수행되고 미생물 대사를 위한 공기가 폭기됨을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 응집반응기(36)에는 약품의 저장 및 주입을 위한 별도의 약품 주입장치(360)가 장착됨을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   주입되는 약품은 응집제, pH 조정제 또는 응집 보조제중 하나 이상임을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
5. 제 4항에 있어서,

   응집제는 금속염 및 PAC(Poly Aluminium Chloride) 중 하나 이상이며, pH 조정제는 가성소다이고, 응집 보조제는 Polymer 임을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
6. 제 1항에 있어서,

   응집반응기(36)는 일정한 체류시간을 가지고 교반, 접촉 및 반응을 수행하는 반응조이거나, 또는 유량조정폭기조(33)에서 고율 모래여과기(34)로 이송되는 Pump line 중에서 약품이 교반, 접촉, 반응 될 수 있도록 한 Line-Mixer 임을 특징으로 하는, 중수도 시스템.
7. 제 1항에 있어서,

   고율 모래여과기는 여과기 내부에 모래여과층, 모래이송장치, 세척장치, 및 재충진장치가 구비됨으로써 모래 여과층에서 여과작용이 연속적으로 일어나는 동시에 하부의 오염된 모래는 모래이송장치에 의해 상부로 이송되면서 세척장치에 의해 세척되고 재충진되는, 연속식 유동상 고율 모래여과기 임을 특징으로 하는, 중수도 시스템.