KR20100106721A

KR20100106721A - 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법

Info

Publication number: KR20100106721A
Application number: KR1020090024825A
Authority: KR
Inventors: 김승현
Original assignee: 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-04

Abstract

본 발명은 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것으로, 상수원수를 확보함에 있어서 충분한 양으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라 그 질에 있어서도 철과 망간 등 무기질 함량이 낮은 상수원수를 확보할 수 있는 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는 것이 목적이다.

하천수를 양수하여 하천수 도수관에 공급하는 하천수 양수실과, 하천수 양수실에 연결되어 양수실에서 공급되는 하천수를 각 하천수 분배관에 공급하는 하천수 도수관과, 하천수 도수관에 일정 간격으로 연결되어 하천수 도수관에서 공급되는 하천수를 출수대에 공급하는 다수의 하천수 분배관과, 하천수 분배관에 일정 간격으로 설치되어 하천수를 월류식으로 토양표면에 공급하는 출수대와, 홍수터의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관과, 각 여과수 집수관에 연결되어 역시 지중에 설치되며 각 여과수 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정으로 모으는 여과수 도수관과, 여과수 도수관에 연결되어 집수된 여과수를 수집하는 여과수 집수정을 포함하는 것으로,

하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층에 의한 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되 는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하여 여과수 집수정에 모아 상수원수로 사용하는 홍수터를 이용한 여과 시스템.

강변여과공법, 홍수터 여과, 상수원수, 집수정, 간헐

Description

상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법{filtration system using sedimentary layer of flood-plain for production of raw water for tap water supply and operation method of the same}

본 발명은 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천수로부터 상수원수를 확보함에 있어서 하천수를 직접 취수하는 것이 아니라 하천 주변의 홍수터를 이용하여 여과한 후, 취수함으로써 양질이면서도 수질변화가 거의 없는 안정적인 상수원수를 확보하여 수돗물 생산비용을 절감할 뿐 아니라 수돗물에 대한 수요자의 인식까지도 개선할 수 있는 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법에 관한 것이다.

수돗물은 통상적으로 강(하천)에서 직접 취수하거나 댐 등의 호소에서 상수원수를 취수하여 응집제에 의한 침전, 모래여과, 염소나 오존 등에 의한 소독과정을 거쳐 생산하는데 강이나 호소에서 취수하는 상수원수에는 부유물질이 많고 BOD, COD가 높아 처리비용이 많이 든다.

그리하여 보다 양질의 상수원수를 확보하는 방법으로 강변에 형성되어 있는 투수층 이를테면, 홍수터에 우물을 파서 상수원수를 확보하는 소위, 강변여과공법 이 개발되었는데 이 공법에 의하면 하천수가 투수층으로 스며들어 흐르면서 부유물질, BOD, COD가 여과된 양질의 상수원수를 확보할 수 있으나 확보할 수 있는 수량이 적고, 우물이 하천에서 먼 경우에는 토양의 중금속 등 무기질이 상수원수로 용출되는 등 다른 문제가 야기된다.

강변여과공법에 관한 발명으로 대한민국 등록특허 10-486168에는 수직 집수정을 시공하고 이로부터 수평으로 수평집수관을 시공한 "상수원수 확보를 위한 하이브리드형 지하여과수 수평집수관 설치방법 및 그 장치"가 개시되어 있는데 이 방법은 단순한 우물(수직집수정)보다는 많은 상수원수를 확보할 수 있으나 집수정이 하천수로부터 멀리 떨어져 있는 경우에는 역시 충분한 양을 확보하기 어려우며 여과되는 과정에서 무기질이 용출되는 것은 피할 수 없다.

한편, 우리나라 하천의 대부분은 주변에 투수성이 큰 토양이 퇴적되어 넓은 홍수터가 형성되어 있으며 체육공원 등으로 특별히 관리되고 있지 않은 경우에는 지표에 잡초가 자라는 식생을 이루고 있다.

[문헌1] 대한민국 등록특허 10-486168

본 발명의 목적은 상수원수를 확보함에 있어서 충분한 양으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라 그 질에 있어서도 철과 망간 등 무기질 함량이 낮은 상수원수를 확보할 수 있는 홍수터를 이용한 여과 시스템 및 그의 운전방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템은, 기본적으로 하천수를 양수하여 넓은 면적의 홍수터의 지표면에 공급하고, 지표면에 공급된 하천수가 홍수터의 토양층에 스며들어 하강하면서 물리적으로 여과되고 생화학적으로 유기물이 분해되어 깨끗해진 여과수를 모아 상수원수로 사용하는 것이다.

상기 개념을 보다 구체화하면, 하천수를 양수하여 하천수 도수관에 공급하는 하천수 양수실과, 하천수 양수실에 연결되어 양수실에서 공급되는 하천수를 각 하천수 분배관에 공급하는 하천수 도수관과, 하천수 도수관에 일정 간격으로 연결되어 하천수 도수관에서 공급되는 하천수를 출수대에 공급하는 다수의 하천수 분배관과, 하천수 분배관에 일정 간격으로 설치되어 하천수를 월류식으로 토양표면에 공급하는 출수대와, 홍수터의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관과, 각 여과수 집수관에 연결되어 역시 지중에 설치되며 각 여과수 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정으로 모으는 여과수 도수관과, 여과수 도수관에 연결되어 집수된 여과수를 수집하는 여과수 집수정을 포함하는 시스템으로,

하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층에 의한 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하 여 여과수 집수정에 모아 상수원수로 사용하는 것이다.

가장 전형적이며 이상적인 예로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 하천수 분배관(13)이 하천수 도수관(12)에 직각으로 연결되어 하천수 분배관(13)끼리 서로 평행하고, 각각의 여과수 집수관(21)이 여과수 도수관(22)에 직각으로 연결되어 여과수 집수관(21)끼리 서로 평행한 경우일 것이나 홍수터의 형태 및 지질조건에 따라 얼마든지 달리 시공할 수 있을 것이다. 여과수 집수관(21)이 하천수 분배관(13)의 하방의 지중에 있기만 하면 된다.

본 발명의 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템에 의해 하천수가 정화되는 과정을 도 1을 사용하여 물의 흐름을 따라가며 보다 상세히 설명한다.

먼저, 하천수 양수실(11)에서 퍼 올려진 하천수는 하천수 도수관(12)을 거쳐 하천수 분배관(13)으로 분배되어 출수대(14)를 통하여 홍수터 지표면에 공급되는데 공중에 비산시켜도 상관없으나 월류시키는(flooding) 것이 바람직하다.

지표면에 공급된 하천수는 낙하지점에서 주변지역을 적시면서 토양 내로 스며들어 하강하면서 토양층의 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화된다. (본 발명의 명세서에서는 편의상 '여과'라는 용어를 사용하였으나 실제로는 생물에 의한 유기물 및 질소제거도 많이 일어난다.)

이어서 정화된 하천수(여과수)는 여과수 집수관(21)에 집수되어 여과수 도수관(22)을 통하여 여과수 집수정(23)에 모이게 되는데 이 여과수를 상수원수로 사용하면 되는 것이다.

또, 도 1과는 달리, 하천수 분배관(13)이 하천수 도수관(12)을 거치지 않고 하천수 양수실(11)에 직접 연결되거나, 여과수 집수관(21)이 여과수 도수관(22)을 거치지 않고 여과수 집수정(23)에 직접 연결되어도 무방하다. 그러나 그렇더라도 여과수 집수관(21)은 하천수 도수관(12)의 하방에 위치시키는 것이 바람직하다.

상기 홍수터를 이용한 여과 시스템은 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 하천수를 토양의 표면에 공급하는 단계에서 하천수를 간헐적으로 공급하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 이는 주기적으로 지표면을 건조시키기 위함인데 이유는 토양표면의 폐색을 예방하여 투수계수가 유지되기 때문이다. 관개와 건조는 토양의 여러 조건에 따라 그 주기가 다른데, 우리나라 하천주변의 홍수터 토양에서는 관개시간/건조시간의 비율을 대략 0.2 ~1.0 정도로 하는 것이 바람직하다. 관개와 건조를 교대로 반복하면 토양표면의 폐색방지뿐 아니라 갯벌의 호흡과 같은 메커니즘에 의하여 토양가스의 순환도 촉진되고, 이에 인해 오염물 분해도 촉진된다.

본 발명에 의하면 첫째, 홍수터의 토양층에 의해 정화된 물로 수돗물을 제조하기 때문에 약품 사용량 및 슬러지 발생량도 줄어 환경친화적이며, 수돗물 제조비용이 절감된다.

둘째, 하천수를 공기 중에 비산시키지 않으므로 가동하는데 에너지가 적게 들고 물이 낭비되지 않는다.

셋째, 출수대를 제외한 모든 설비가 지하에 설치될 수 있어 부지에 녹지를 조성할 수 있어 보기에도 좋고, 끝으로, 무엇보다도 우리나라 하천에 적합하다는 장점이 있다.

상기 [과제의 해결 수단]에서 설명한 바와 같이, 홍수터에 하천수가 흐르는 하천수 도수관(12)과 하천수 분배관(13)은 지상 또는 지하(이 경우, 출수대는 지상에 노출되어야 함)에, 여과수가 흐르는 여과수 집수관(21), 여과수 도수관(22)은 지하에 설치하는데 홍수터의 모양과 지질조건에 따라 달라지겠지만 전형적으로는 도 1과 같이 배치하면 될 것이다.

출수대와 여과수 집수관의 위치에 대하여 특별히 언급하면, 출수대(14)는 지표면에서 약 10-50cm 정도 높이에 설치하는 것이 적당하며, 여과수 집수관(21)은 지표면에서 50cm 이하의 적당한 깊이에 설치한다. 이는 보통의 우리나라 토양에서 지표면을 통해 침투된 하천수가 토양을 통과하면서 정화되는데, 소요되는 여과거리가 약 50cm 정도이고, 지하수면은 지표면에서 대략 2m 이상의 깊이에 위치한다는 정보에 근거한 것이다. (Chung, J-B., Kim, S-H., Jeong, B-R., and Lee, Y-D., "Removal of Organic Matter and Nitrogen from River Water in a Model Floodplain," J. of Environ. Quality, 33, pp. 1017 - 1023, 2004; 전국 충적층 지하수 조사 보고서, 한국수자원공사, 1996년 12월).

상기 문헌으로부터 추정한 적당한 여과수 집수관(21)의 매설 깊이는 다음 실시예에 의해서도 입증이 된다.

<실시예>

A. 실험장치

[도 2]에 도시한 실험장치를 사용하여 실험을 하였으며, 컬럼 내에 충진한 토양의 특성은 다음 [표 1]에 기재하였다.

[표 1] 충진토양의 특성

수소이온농도(pH)	5.39
입자밀도	2.56g/cm3
유기물함량	0.45%
CEC(양이온교환능력)	2.03cmol/kg
입자비율	모래 83.3%, 실트 16.4%, 진흙 0.3%

B. 실험

시료 하천수로 다음 [표 2]의 성분을 가지는 하천수를 유량을 4.1cm/day (Flow rate I), 5.4cm/day (Flow rate II), 6.8cm/day (Flow rate III)로 변경해가며 실험을 하였다.

[표 2]

	평균	범위
pH	7.6	7.3-8.0
DO, mg/L	5.2	4.8-5.4
Eh, mV	295	287-302
COD, mg/L	17.1	16.5-18.1
BOD, mg/L	11.9	10.3-16.4
NO₃-N, mg/L	2.03	1.89-3.02
NO₂-N, mg/L	0.12	0.09-0.18
NH₄-N, mg/L	0.68	0.59-0.81

C. 실험결과 및 결론

각 유량별로 토양깊이에 따른 COD와 질산성 질소(NO₃-N)의 농도를 측정한 결과를 각각 [도 3]과 [도 4]에 기재하였다.

결론은 홍수터 토양에서 하천수에 함유된 유기물과 함께 질소도 제거되는데 표층으로부터 깊이 20-50cm에서 거의 제거되고, 60cm가 넘어도 제거율이 크게 증가되지 않으며, 상기 조건에서의 하천수의 적정 살포율은 대략 20-25cm/day라는 사실이다.

만약, 살포율을 높여 통과속도를 빠르게 한다면 적절한 분해시간을 확보하기 위하여 깊이 (즉, 집수관의 매설깊이)를 더 깊게 해야 할 것이다.

그리고 여과수 집수관은 개공율이 20% 이상으로 크고 그 직경은 약 30cm 정도로 작은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 개공율이 15% 이하로 작으면 집수관으로 지하수가 유입될 때 저항이 커져서 그 효율이 크게 감소하기 때문에 큰 값의 집수관을 사용해야 하고(Ground Water Manual, Water and Power Resources Service, US Dept. of the Interior, 1981), 집수관의 직경이 작아야 하는 이유는 집수관의 직경이 큰 경우 지표면과의 거리 즉, 여과거리가 감소하여 오염물 제거효율이 감소할 수 있기 때문이다.

도 1은 본 발명 상수원수를 확보하기 위한 홍수터를 이용한 여과 시스템의 평면배치도의 일예(청구항 2)이다.

도 2는 실시예에서 사용된 실험장치의 개요도이다.

도 3과 도 4는 깊이에 따른 COD와 질산성 질소(NO₃-N)의 농도변화이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

11: 하천수 양수실 12: 하천수 도수관

13: 하천수 분배관 14: 출수대

21: 여과수 집수관 22: 여과수 도수관

23: 여과수 집수정

Claims

하천수를 양수하여 하천수 도수관에 공급하는 하천수 양수실과, 하천수 양수실에 연결되어 양수실에서 공급되는 하천수를 각 하천수 분배관에 공급하는 하천수 도수관과, 하천수 도수관에 일정 간격으로 연결되어 하천수 도수관에서 공급되는 하천수를 출수대에 공급하는 다수의 하천수 분배관과, 하천수 분배관에 일정 간격으로 설치되어 하천수를 월류식으로 토양표면에 공급하는 출수대와, 홍수터의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관과, 각 여과수 집수관에 연결되어 역시 지중에 설치되며 각 여과수 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정으로 모으는 여과수 도수관과, 여과수 도수관에 연결되어 집수된 여과수를 수집하는 여과수 집수정을 포함하는 것으로,

하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층에 의한 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하여 여과수 집수정에 모아 상수원수로 사용하는 홍수터를 이용한 여과 시스템.
제1항에 있어서, 각각의 하천수 분배관이 하천수 도수관에 직각으로 연결되어 하천수 분배관끼리 서로 평행하고, 각각의 여과수 집수관이 여과수 도수관에 직 각으로 연결되어 여과수 집수관끼리 서로 평행한 것을 특징으로 하는 홍수터를 이용한 여과 시스템.
제1항에 있어서, 하천수 분배관이 하천수 도수관을 거치지 않고 하천수 양수실에 직접 연결되거나, 여과수 집수관이 여과수 도수관을 거치지 않고 여과수 집수정에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 홍수터를 이용한 여과 시스템.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 홍수터를 이용한 여과 시스템을 운전함에 있어서, 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 하천수를 토양의 표면에 공급하는 단계에서 하천수를 간헐적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 홍수터를 이용한 여과 시스템의 운전방법.