KR20130048884A - 자연순환형 나무화분여과시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로지역 등 도시지역 불투수면에서 발생하는 비점오염원을 도시기반시설을 활용하여 저감하는 빗물 생태저류시설을 조성할 수 있는 시설로서 기존에 식재되어 있는 조경수, 가로수 등을 이용할 수 있을 뿐 아니라 새로이 조성되는 도시지역 설계에도 적용이 가능하고 시설을 설치 후에는 도시지역 및 도로에서 발생되는 비점오염원을 저감시키는 작용과 처리된 우수를 하수도로 이송을 시키는 것이 아닌 지면저류 및 토양 저류를 통하여 첨두유량과 유출용적을 저감시켜 지하수 고갈 문제 해결 및 홍수 재해 방지에 도움이 되는 기술로서 자연순환형 나무화분여과시스템에 관한 것이다. 발명의 구성은 나무상자와 여재필터 충수공간 식재공간 식생토 자갈 및 배수구로 이루어져 있다. 상부 식재공간에는 교목(가로수) 및 관목을 식재하여 도심조경을 자연스럽게 할 수 있으며 하부에는 충수공간에 담수되어있는 오염된 우수를 여과필터를 통해 일부는 식생토를 통해 식재된 수목에 공급이 되며 일부는 지하로 순환되는 구조를 가진 자연순환형 나무화분여과시스템이다. 이 시스템을 우수가 많이 발생되는 지역 등에서는 우수체류장치를 연결하여 더 많은 우수를 지하수로 환수 시킬 수 있으며 나무상자에 우수체류장치를 우수연결관으로 연결하여 활용할 수 있다. 우수체류장치 상부에는 식재공간을 두어 교목 등 초하류를 식재하여 화단의 형태로 사용 할 수 있으며 식생분리판으로 분리된 지하부에는 충수공간을 두어 오염된 우수를 저장시켜 상부에 식재된 교목 등 초하류 등에 공급되고 일부는 우수연결관을 통해 우수박스로 보내지어 가로수 및 지하수로 돌아가게 된다. 자연순환형 나무화분여과시스템 설치 시 우수의 비점오염원 제거 및 첨두유출량 감소로 홍수 예방 등의 효과가 있다.

Description

자연순환형 나무화분여과시스템{natural circulation tree filter box system}

본 발명은 도로지역 등 도시지역 불투수면에서 발생하는 비점오염원을 도시기반시설을 활용하여 저감하는 빗물 생태저류시설을 조성할 수 있는 시설로서 기존에 식재되어 있는 조경수, 가로수 등을 이용할 수 있을 뿐 아니라 새로이 조성되는 도시지역 설계에도 적용이 가능하고 시설을 설치 후에는 도시지역 및 도로에서 발생되는 비점오염원을 저감시키는 작용과 처리된 우수를 하수도로 이송을 시키는 것이 아닌 지면저류 및 토양 저류를 통하여 첨두유량과 유출용적을 저감시켜 지하수 고갈 문제 해결 및 홍수 재해 방지에 도움이 되는 기술로 자연순환형 나무화분여과시스템에 관한 것이다.

도시, 도로, 농지, 산지, 공사장 등 도시개발에 따라 불특정장소에서 불특정하게 수질오염물질을 도시개발에 따른 비점오염원(非點汚染源)이라 하는데 산업폐수, 축산폐수등 산업화 폐수와는 다른 오염물질로 한강권의 경우 발생되는 오염물질의 약 30% 정도(환경부 추산) 된다고 한다. 이러한 오염물질이 하수관로 등을 통해 처리될 경우 기존시설이 필요이상으로 거대해 지며 불특정 오염물질이 유입 시 처리가 곤란한 경우도 발생이 될 수 있다.

이러한 문제로 환경부에서는 2004년도부터 2020년 까지 3단계로 비점오염원을 처리하는 대책을 다단계로 수립하고 있는 실정이며 현재 여러 업체에서 비점오염저감기술을 가지고 처리하고 있는 실정이다. 그러나 종래의 기술은 발생되는 비점오염원을 산업폐수 등 점오염원 처리기법을 활용하여 식속하게 오염원과 함께 발생되는 우수도 하수관 또는 우수관을 통해서 배출 시키며 수자원보호는 도외시 되 왔던 것이 현실이다.

또한 도시개발로 인하여 포장율(서울시 평균포장율 87.6%, 2008년) 이 높기 때문에 비가 오면 토양으로 우수가 침투하기가 어렵고 침투가 되어도 그 양도 작은 반면 지표면으로 물이 고여 구두가 젖거나 때로는 옷을 걷고 가야 하는 도시 침수현상이 발생하며 이 때문에 도시 수해민은 물론 경제적·사회적 손실이 계산 할 수 없을 정도로 피해가 많이 나타나는 현상은 해를 거듭할수록 발생되고 있다.

그러므로 현재에는 오염원 유출 부하량을 최소화 시키며 동시에 강우 시 첨두유출 및 총유출량 등의 조절을 유도하며, 이러한 시설을 통해 최종적으로 개발이전의 자연상태의 수문순환 구조에 가깝도록 비점오염원을 처리하는 방식 즉 지표면 유출의 최소화, 비점오염원으로 인한 호소, 하천, 해역 등 방류수역의 비점오염원에 대한 오염영향을 최소화 하는데 그 목적이 있다

이러한 시설을 위해서는 최소한의 시설규모와 자연 경관 보존을 하며 그 기능을 재현하며 불침투면을 효율적으로 줄이는 기술이 필요하다 할 수 있다.

따라서 본 발명은 대단위로 이루어져있는 비점오염저감 기술을 소형화 하여 지하에 설치하고 처리된 우수를 자연순환식으로 처리하여 우수를 지하수로 보낼 수 있도록 설계되었으며 지상부에는 기존의 삭막한 도심의 환경을 식생을 통하여 자연스러운 생태공간으로 변화시킬 수 있는 기술을 통하여 도시거주민의 생활환경 향상에 도움을 줄 수 있는 시설을 설치하는데 있다.

도시개발로 인하여 포장율(서울시 평균포장율 87.6%, 2008년) 은 점점 높아지고 그에따라 전체 발생되는 오염물질의 약 30% 정도(환경부 추산) 가 비점오염원인 현 상황에서 기존의 비점오염저감장치들이 강우유출수의 신속한한 배제 및 대규모 공학적인 처리 개념에서 발생되는 여러 가지 문제 즉 대규모 처리시설의 부지확보에 따르는 자연환경 훼손 그리고 불특정 오염물지 유입에 따르는 오염부하량 증가와 유지관리비의 증가와 우수발생 후 처리과정에서 나오는 처리수(우수)를 산업폐수처럼 처리함으로서 그에대한 비용증가, 처리된 우수를 자연으로 돌려보내지 않고 우수관, 하수관등 산업기반시설로 보내 하천등으로 집중되어 보내지고 결국 첨두유출량 증가로 강물의 범람, 홍수피해 등 2차적 피해가 발생이 되고 있다.

상기 문제를 해결하기 위해서는 공원, 차도 등 도심지역에 비점오염원이 발생되는 지역에 자연순환형 나무화분여과시스템을 설치하여 오염된 우수를 스크린을 1차로 통과시켜 여재의 오염을 최소화시키고 스크린을 통과한 우수를 유입구를 통해 유입시켜 우수를 완속 여과시키기 위해서 일시 저장시킬 수 있는 충수공간을 가지고 있는 나무상자와 저장된 우수를 교환이 가능한 여과필터를 적층시킨 여과필터를 통해 우수에 포함된 오염물질을 처리하며 이러한 처리된 우수는 다시 식재공간으로 유입되어 근면미생물을 통하여 자연정화 되는 공정을 거친다. 이렇게 자연정화된 우수는 우수배출관 또는 하부배출구를 통해 지면으로 배출되게 되며 배출된 우수는 지하수로 환수되어 자연순환이 된다. 또한 자연순환형 나무화분여과시스템으로 유입되는 우수를 우수연결관을 통해 우수체류장치로 유입되도록 설계하고 유입되어진 우수는 나무화분여과시스템의 식생공간 및 우수체류장치의 식재공간을 통해 자연정화되고 지하수로 환수되는 구조를 지닌 시스템을 적용하여 문제를 해결할 수 있다.

종래에도 기술인 도로비점오염저감을 위한 생태확장형 트리 박스 필터 시스템인 기존의 특허도 자연순환형 나무화분여과시스템과 유사하나 도로변에 트리박스를 설치하고 유입공을 통하여 유입되는 우수를 식생토양, 우드칩 등 배수층을 통과시켜 집수공을 통해 배출시키는 장치로 구성되어 졌다. 이러한 고안은 오염된 우수를 배수층을 통과시켜 처리하는 여과시설을 변형한 시설로서 유입되는 오염물이 축척 시 성능이 떨어지고 집수공이 막히는 등의 문제가 발생하여 종래에는 여과의 기능을 원활하게 하지 못하는 문제가 발생될 수 있다. 또한 여재 교체 시 여재와 식생토가 혼합이 되어 여재의 교체가 어렵고 우수를 담수 시킬 수 있는 충수공간이 없어 여재, 식생토, 자갈등의 공극에만 충수공간을 확보가 가능함으로 우수의 저류량은 상당히 적을 수 밖에 없다. 그러므로 발생되는 우수의 대부분이 외부로 유출이 되며 도로 주변의 비점오염원의 제거가 원활하지 않을 수 있다. 또한 기존의 나무여과식 비점오염저감시설은 식재된 나무를 들어 올린 후 여재 교체가 가능함으로 여재교체가 어렵고 여재교체 후 재 식재된 나무가 고사되는 경우도 발생 될 수 있는 문제가 있다

저영향개발(Low Impact Development) 공법인 자연순환형 나무화분여과시스템을 통해 기존 생활환경과 밀접하고 주변에서 쉽게 볼 수 있는 화단, 가로수, 생태시설 등 활성화 되어있는 기반시설을 자연순환형 나무화분여과시스템으로 대체하여 또는 개선하여 최소한의 시설규모를 구획별로 설치함으로서 도시개발에 따라 오염원 유출 부하량 최소화 시키며 동시에 강우 시 첨두유출 및 총유출량 등의 조절을 유도하며, 이러한 시설을 통해 최종적으로 개발이전의 자연상태의 수문순환 구조에 가깝도록 비점오염원을 처리하는 방식 즉 지표면 유출의 최소화, 비점오염원으로 인한 호소, 하천, 해역 등 방류수역에의 영향이 없도록 최대한 자연 상태의 강우-유출 양상을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

.

각 도면들은 자연순환형 나무화분여과시스템을 제품구성 및 조합에 따라 나타낸 도면이다.
도 1은 자연순환형 나무화분여과시스템의 각 부품별 조합 방법을 나타낸 사시도
도 2는 자연순환형 나무화분여과시스템이 차도와 인도 사이에 설치가 됨을 나타낸 설치도로서 우수배출관을 통해 외부로 우수가 유출됨을 나타내는 설치도
도 3는 자연순환형 나무화분여과시스템이 차도와 인도 사이에 설치가 됨을 나타낸 설치도로서 우수배출관 타입이 아닌 하부배출구가 형성되어 비점오염저감시설로서 일반 가로수와 같은 형식을 나타낸 설치도
도 4는 자연순환형 나무화분여과시스템의 여과필터부에 대한 조립도
도 5는 자연순환형 나무화분여과시스템에 우수체류장치를 연결시켜 확장형 설치를 나타낸 사시도
도 6은 자연순환형 나무화분여과시스템에 우수체류장치를 연결시켜 확장형 설치한 제품의 평면도 및 단면도

상기와 같은 효과를 내기위해서는 공원, 차도 등 도심지역에 비점오염원이 발생되는 지역에 자연순환형 나무화분여과시스템을 설치하고 오염된 우수를 스크린에 1차로 통과시켜 여재의 오염을 최소화시키고 스크린을 통과한 우수를 유입구를 통해 유입시켜 우수를 완속 여과시키기 위해서 일시 저장시킬 수 있는 충수공간을 가지고 있는 나무상자와 저장된 우수를 교환이 가능한 여재를 적층시킨 여과필터를 통해 우수에 포함된 오염물질을 정화하며 이러한 정화된 우수는 다시 식재공간으로 유입되어 근면미생물을 통하여 다시한번 자연정화 되는 공정을 가진 시스템을 설치해야하고 이렇게 자연정화된 우수는 나무상자 상부의 식재공간에서 식재된 나무등에 공급이되어지고 일부는 우수배출관 또는 우수배출구를 통해 지면으로 배출되게 되며 배출된 우수는 지하수로 환수되어 자연순환이 된다.

또한 자연순환형 나무화분여과시스템 단독으로 사용이 가능하나 다수의 자연순환형 나무화분여과시스템을 가지고 여러 조합을 이룰 수가 있으며 이렇게 조합되어진 시스템에서는 유입되는 우수를 우수연결관을 통해 우수체류장치로 유입되도록 설계하고 유입되어진 우수는 여과필터를 통해 정화되고 일부는 나무화분여과시스템의 식재공간 및 우수체류장치의 식재공간을 통해 식물의 생육을 위한 영양분이 될 수 있으며 이러한 기작으로 오염물은 자연정화되고 우수는 지하수로 환수되는 구조를 지닌 시스템을 적용하여 상기와 같은 효과를 나타낼 수 있다.

이하, 이와 같은 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 자연순환형 나무화분여과시스템의 사시도이며 도 2~5는 각 사용처별 설치도이고 도 6~7은 자연순환형 나무화분여과시스템과 우수체류장치의 조합을 나타낸 설치도 및 사시도이다.

도심의 비점오염원이 발생되는 지역에서 우수가 발생이 되면 오염원의 농도가 가장 높은 우수발생 후 강우량 5mm의 초기우수가 발생이 되는데 이렇게 오염된 초기우수는 차도의 경계석을 따라 모아져서 흘러가게 되면 기존의 배수시스템에 따라 우수는 하수도 및 우수도로 배출되어 진다. 이렇게 배출되어지는 우수는 지하수로 환수되지 못해 지하수 고갈 등으로 이루어지고 첨두유출량의 증가로 홍수 등 2차 피해로 이어지는 경우도 있다. 이러한 문제를 해결하고자 차도와 인도의 경계에 설치된 자연순환형 나무화분여과시스템은 상부에는 식재를 하여 조경의 역할을 하며 지하부는 오염된 우수를 처리하여 지하로 배수시켜주는 시설을 갖추고 있다. 자연순환형 나무화분여과시스템은 도1에 도시된 바와 같이 각 부품의 구성을 다음과 같이 나타낼 수 있다. 오염된 지역에 우수가 발생하면 우수는 나무상자(10)의 유입구(11)로 들어오게 된다. 이때 협잡물(쓰레기 등)이 시설에 들어갔을 경우 폐쇄된 공간 안에서 혐기화 되어 악취 등 2차 오염이 발생 될 수 있음으로 유입구(11) 내부에 스크린망(12)을 설치하여 오염원을 사전에 손쉽게 제거 할 수 있도록 하고 스크린망(12)은 탈부착을 쉽게 하여 유지관리를 쉽게 한다.

유입구(11)로 유입된 초기우수는 나무상자(10)와 여과필터(30)사이에 위치한 충수공간(20)으로 유입이 되며 이는 기존의 비점오염저감시설에서 충분한 담수공간을 확보하지 못하여 초기우수 중 미량만 유입이 되고 나머지는 저장을 할 수 있는 공간이 없어 그대로 우회되어 배출 되는 문제점을 해결하기위한 방법으로 우수발생 시 오염도가 가장 높은 초기우수를 충분하게 저류함으로서 도심지역 비점오염 물질들을 효율적으로 제거하며 비점오염저감시설에서 처리물량 부족으로 우회로 배출되는 우수를 최소화하여 지하수로 우수를 최대한 배출시키기 위한 시설이 나무화분여과시스템의 충수공간(20)이라 할 수 있다.

이렇게 충수공간(20)으로 유입된 초기우수는 도심지역에서 발생되는 도로상의 타이어분진, 도로먼지, 매연속의 중금속 등 각종 오염물질로 오염되어 유입이 되는데 이러한 물질들은 도4에 도시된 오염원을 흡착하여 처리시키는 효과가 뛰어난 여재(31)를 충진한 여과필터(30)을 거치며 오염물질을 저감시키게 된다. 여과필터(30)는 스테인리스의 사각 구조체로 산화방지가 될 수 있는 재질의 구조이며 내부에 적층공간을 두여 여재(31)를 넣을 수 있으며 하나씩 쌓여진 여재(31)는 개별 포장으로 패키지화하여 손쉽게 설치 해체가 가능한 구조로 이루어져 있고 여과필터 내외부는 식생토(33)와 충수공간(20)을 분리할 수 있도록 여과다공판(35)을 설치하여 충수공간(20)과 구획을 분리하였다 여기서 여재(31)는 여과에 사용하는 다공질의 재료로 물 속에 있는 불순물을 여과 또는 흡착하는 데 쓰이는 재료이며 기존의 수처리 시설에서 다양한 종류가 사용이 되고 있다. 본 특허인 자연순환형 나무화분여과시스템에서는 오염물질을 여과 흡착 시키는 효과가 좋은 펄라이트나 제올라이트 제품을 사용하였으며 이 제품은 오염원제거에 효과가 검증되고 국내에서 손쉽게 구입이 가능한 기성제품을 사용한 것이며 향후 나무상자(10) 상부의 수목보호판(13)을 개방하여 여재에 대한 유지관리 및 교체가 쉽도록 하였다. 이러한 여재를 이용한 비점오염저감 시설은 기존의 시설에서도 많이 활용되는 방법이이다. 그러나 여과필터를 독립적으로 설치하지 않은 기존의 나무여과 시설은 여재를 나무(가로수)의 하부에 두어 여재 교체 시 시설의 설치를 다시 하여야 하는 문제점이 있고 여재의 교체가 필요한 경우 나무를 들어 올린 후 여재를 교체해야 함으로 들어 올린 나무를 재식재 후 나무의 고사 등 문제가 발생할 수 있다. 또한 일부는 제품은 나무상자의 식재공간(32) 상부에 우드칩등을 포설하여 오염원을 처리한다고 하고 있으나 우드칩의 주요한 기능은 수분증발을 억제하는 기능, 지반침식방지, 햇빛의 투과량 감소로 주변 잡초발생 억제 등 으로서 수질정화보다는 조경의 재료로서 의미가 크며 일부 역할 중 미생물 번식으로 인한 오염원이 제거 된다고 하나 그 역할은 미비하다 할 수 있다. 이렇게 기존의 단순한 여재의 적층 방식이 아닌 여재(31)를 충진한 여과필터(30)을 거치며 오염물질을 저감시킨 우수는 나무상자(10)의 식생토(33)에서 일부 흡수되어 식재공간(32)에 식재되어 있는 나무 또는 초하류 등에 공급이 되며 일부는 자갈층(34)을 거치며 도2에 표시된 우수배출관(14) 또는 도3에 표시된 나무상자(10) 하부의 하부배출구(15)를 통해 지하로 투수되어 지하수로 돌아가게 된다. 도3에 표기된 하부 배출형식은 기존의 자연형 비점오염저감시설에 다수 적용이 되었으나 대다수가 완전개방형이 아닌 다수의 구멍을 형성시켜 처리수를 배출 시키는 방식이었다. 이러한 방식은 오랜 시간이 경과 후 구멍의 폐색이 진행되며 유출이 되지 않는 현상이 나타날 수 있다. 본 특허는 이러한 문제를 해결 하고자 자연에 나무를 심는 것과 같은 방식을 적용하여 하부를 완전개방하여 나무상자(10)의 하부배출구를 적용하였다. 이러한 구성을 가진 자연순환형 나무여과시스템을 독립적으로 설치하여 개별적으로 우수처리가 가능하나 도4에 표시한바와 같이 나무상자를 다수로 연결하여 사용도 가능하며 도6에 나타난 것과 같이 나무상자(10)중간에 우수를 저장할 수 있는 우수체류장치(40)를 만들어 다량의 우수를 보관하여 처리할 수 있는 복합적인 시스템도 구성이 가능하다. 도6에서 우수체류장치(40)는 다수의 유입구(41a,41b,41c) 및 나무상자(10)의 우수유입구(11)를 통하여 들어온 우수를 우수체류장치(40) 내부의 충수공간(42)에 저장시킬 수 있으며 저장된 우수의 일부는 우수체류장치(40)의 식재공간(44)에 식재된 초하류 등 식생물에 공급이 되며 일부는 우수연결관(44a,44b)을 통해서 나무상자(10)로 유입이 되어 나무상자(10)의 충수공간(20)에 유입이 된다. 이렇게 나무상자(10)에 유입된 우수는 나무상자(10)의 식재공간(32)에 식재된 나무에 공급되고 나머지는 나무상자(10)의 하부배출구(15) 또는 우수배출관(14)을 통해 우수를 지하로 보내게 된다. 상기에 나타난 것과 같이 자연순환형 나무화분여과시스템은 발생된 우수를 자연순환형 나무화분여과시스템을 통해 지하수로 순환시키는 구조를 가지고 있다. 도6에 명기된 우수체류장치는 충수공간(42)을 충분하게 확보하여 나무화분시스템을 여러개 설치를 하지 못하는 지역 또는 화단 등이 구성되어져 있는 지역등에 설치가 가능하다. 도7은 나무상자와 체류장치등을 복합적으로 설치한 예시도로서 상단에는 화단을 구성하여 자연스러운 조경을 형성하였다.

10:나무상자
11:유입구
12:스크린
13:수목보호판
14:우수배출관
15:교목(가로수)
16:관목
20:충수공간
30:여과필터
31:여재
2:식재공간
33:식생토
34:자갈
35:다공판
40:우수체류장치
41a~c:유입구
42:충수공간
43:식생분리판
44:식재공간
44a~b:우수연결관

Claims (3)

1. 콘크리트 구조물 또는 그에 맞는 강도를 지닌 나무상자(10)와 여재((31)를 설치할 수 있는 여과필터(30), 우수가 유입 시 이물질 제거를 위한 스크린망(12)이 설치된 유입구(11), 유입구(11)를 통하여 들어온 우수를 일정시간 체류 시킬 수 있는 충수공간(20)과 관목, 교목 또는 초하류 등 식재 할 수 있는 식생공간(32), 식생토(33) 및 투수속도를 높일 수 있는 자갈층(34), 여과된 우수를 배출 시키기 위한 우수배출관(14)을 가지고 있는 자연순환형 나무화분여과시스템(natural circulation tree filter box system)
   
2. 제1항의 구조물에 자연배수 기능을 강화시킨 시설로 유수배출관(14)을 설치하지 않고 나무상자(10)의 하부를 개방형으로 하여 하부배출구(15)를 형성시켜 우수배수 기능을 강화한 자연순환형 나무화분여과시스템
   
3. 제1항, 제2항의 청구항의 구조물과 우수연결관(44a, 44b)으로 연결되어 설치되고 다수의 유입구(41a,41b, 41c)과 식생분리판(43)이 설치되어 상부에는 관목, 교목, 초하류 등을 식재할 수 있는 식재공간(44)을 가지고 있으며 하부에는 일정량의 우수를 담수할수 있는 충수공간(42)을 가지고 있는 우수저장식생체류장치(40)를 포함한 자연순환형 나무화분여과시스템

Images