KR100766334B1 - 호소 수질개선을 위한 생물여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 댐이나 저수지 등 호소의 수질을 개선하기 위한 장치에 관한 것으로, 수중에 설치하여 별도의 부지가 필요치 않고, 약품을 사용하지 않아 슬러지 등이 발생되지 않으며, 구조가 간단하고 운전이 용이한 호소수질개선을 위한 생물여과장치를 제공하는 것이 목적이다.

집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 그 내부에 미생물이 부착서식하며 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와; 다공성 여재의 형태를 유지하며 집수실과 연결되어 여재를 통과한 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과; 집수관의 여과수가 모이는 집수실과; 집수실 외벽에 부착된 부력실과; 집수실에 모인 여과수를 퍼내는 펌프를 포함하는 것으로, 호소 내에 직접 설치되는 호소 수질개선을 위한 생물여과장치.

호소 수질, 댐, 상수원, 다공질 여재, 생물 여과

Description

호소 수질개선을 위한 생물여과장치 {bio-filter system for improving reservoir water quality}

도 1은 본 발명 생물여과장치의 개념을 도시하기 위한 단면도이다.

도 2는 본 발명 생물여과장치의 배치도의 일예이다.

도 3은 실시예에서 사용한 실험장치의 개요이다.

도 4는 실시예에서 여과수의 양수율을 달리하여 측정한, 여재를 통과하고 있는 물과 최종 여과수의 COD이다.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

10: 여재 11: 아크릴판

12: 시료채취구 20: 집수관

21: 도관 30: 집수실

40: 펌프 50: 부력실

60: 처리조

본 발명은 댐이나 저수지 등 호소의 수질을 개선하기 위한 장치에 관한 것으 로, 보다 상세하게는 호소에 직접 설치하여 가동함으로써 별도의 부지를 필요로 하지 않는 호소의 수질을 개선하는 생물여과장치에 관한 것이다.

우리나라는 강수가 짧은 기간에 집중되는 특징이 있어 수해를 방지하고, 수자원을 효율적으로 활용하기 위해 크고 작은 댐을 많이 건설하여 운영하고 있다. 그런데 많은 경우, 댐의 상류에도 사람이 거주하며 경제활동을 하고 있어 물이 오염되고 있는데 주요 오염원으로는 논, 밭 등의 경작지와 가축분뇨 등이 있다.

그리하여 한국수자원공사에서는 댐 상류지역을 상수원 보호구역이나 상수원 수질보전 특별대책지역으로 지정하여 감시 및 규제를 하고 있는데 오염원에 폐수처리시설을 설치하여 운영하는 외에 수생식물을 재배한다든지 수중에 폭기시설을 설치한다든지 조류를 제거하는 등의 방법을 통해 댐의 수질개선을 꾀하고 있다.

그러나 이와 같은 규제와 노력에도 불구하고 우리나라 대부분의 다목적댐의 수질은 COD가 1.0 ~ 4.0mg/L, BOD는 0.5 ~ 2.5mg/L, 그리고 총질소는 0.5 ~ 3.2mg/L로 (수자원공사, 다목적댐수질정보, 2005), 수질이 2- 3급수에 불과하여 수질개선을 위한 추가적인 노력이 요구된다.

호소의 수질개선방법으로, 대한민국 실용신안 제251919호에는 생물막을 이용한 호소수질 정화장치가 개시되어 있는데 이는 오염된 호소의 물을 호소 바깥으로 퍼내서 처리하여 다시 호소에 유입시키는 것으로, 시설을 위한 부지가 따로 필요하고 폭기와 역세척 등 지속적인 관리가 필요한 단점이 있다.

대한민국 특허 제292426호에는 소형의 이동식 수처리 설비가 개시되어 있는데 이는 통상의 폐수처리 원리를 적용한 것으로, 많은 양의 약품이 소요되고 슬러 지가 발생할 뿐 아니라 그 운영에 전문 인력이 필요한 단점이 있다.

상기 단점들을 보완하는 공법으로, 대한민국 실용신안 제394153에는 동력식 코코넛 활성탄 접촉산화부도를 이용한 호소수질 정화장치가 개시되어 있는데 이는 부도(浮島) 형태로 필요에 따라 이를 호소에 여러 개 설치할 수 있고, 오염된 호소의 물을 수면에서 바로 처리하므로 부지가 따로 필요치 않고, 화학약품을 사용하지 않으므로 슬러지의 발생이 없다는 장점이 있다. 그러나 그 구성요소로 세심하게 유지 관리해야 하는 산기관이 포함되어 있고, 집수와 배수, 그리고 공기 공급 등을 위한 배관이 상당히 복잡하여 고장의 우려가 높다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 수중에 설치하여 별도의 부지가 필요치 않고, 약품을 사용하지 않아 슬러지 등이 발생되지 않으며, 구조가 간단하고 운전이 용이한 호소수질개선을 위한 생물여과장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 호소 수질개선을 위한 생물여과장치는, 집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 그 내부에 미생물이 부착서식하며 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와; 다공성 여재의 형태를 유지하며 집수실과 연결되어 여재를 통과한 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과; 집수관의 여과수가 모이는 집수실과; 집수실 외벽에 부착된 부력실과; 집수실에 모인 여과수를 퍼내는 펌프를 포함하는 것으로, 호소 내에 직접 설치된다.

본 발명의 구성을 본 발명 생물여과장치의 개념을 도시한 도 1을 사용하여 물의 흐름을 따라가며 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 호소 수질개선을 위한 생물여과장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 호소에 잠기는 형태로 설치되는데 호소의 물은 집수실(30)에 형성된 수두차 h에 의해 흐름이 형성되며, 다공성 여재(10)로 스며들어 집수관(20), 집수실(30)을 거쳐 펌프(40)로 배출된다.

다공성 여재(10)로는 내부 표면적이 넓어 미생물이 부착하여 살 수 있는 재질이면 어느 것이나 사용할 수 있으며 이를테면, 스펀지나 활성탄 등을 사용한다. 다공성 여재로 스펀지를 사용하는 경우에는 판형 스펀지를 집수관(20)을 감싸는 형태로 감아도 되고, 원통형이나 정방형의 괴상 스펀지에 구멍을 뚫어 집수관을 삽입하는 형태로 제작해도 된다. 입상 활성탄을 사용하는 경우에는 섬유로 만든 포켓에 넣어 사용한다.

호소의 물은 다공성 여재를 통과하면서 여재 내부에 부착하여 서식하는 미생물에 의해 유기물이 분해되는데, 기하학적 특성상 중심부에 가까워질수록 유속이 빨라지므로 일반적인 컬럼(column) 형태의 반응기 데이터를 사용하여 설계할 때는 이를 감안하여 다공성 여재의 직경을 결정한다.

집수관은 다공성 여재의 전체적인 형태를 유지하는 뼈대 역할과 다공성 여재를 통과한 물을 집수실로 모으는 역할을 하는데 통상의 상업용 파이프에 구멍을 뚫거나 줄눈(slot)을 형성한 유공관을 사용한다.

집수관을 통하여 집수실로 모인 물은 펌프(40)로 퍼내는데 이 때 형성되는 수두차 h에 의하여 전체적인 물의 흐름이 형성된다. 이는 역으로, 여재 내에서의 물의 유속 (또는 여재 내에서의 체류시간)은 수두 h를 조절함으로써 조절할 수 있음을 의미한다.

집수실은 호소의 바닥에 고정시키거나 떠 있는 형태로 할 수 있는데 호소의 수위가 변하는 것을 감안하면 떠 있는 형태가 바람직하다. 호소의 수온은 수면 쪽의 온도가 높기 때문에 이를 활용하기 위해서는 유기물 분해반응이 일어나는 다공성 여재가 너무 깊이 잠기는 것은 바람직하지 않기 때문이다. 집수실이 떠 있는 형태로 설치되는 경우, 본 발명의 장치가 호소 내의 물의 흐름에 따라 표류하지 않도록 닻(anchor)으로 고정한다.

이를 위해서는, 도 1에서 보는 바와 같이, 집수실(30) 외벽에 부력실(50)을 장착하여 일정 깊이 이상으로 잠기지 않도록 한다.

이와 마찬가지로, 다공성 여재와 집수관도 부이(buoy)를 사용하여 일정 깊이 이상으로 잠기지 않도록 할 수 있다.

펌프(40)는 집수실 내부의 수중이나 집수실의 상단, 또는 육상에 설치하며, 집수실에서 퍼낸 여과수는 호소로 방류할 수도 있고, 상수원수로 사용할 수도 있다.

본 발명의 호소 수질개선을 위한 생물여과장치는 전체적으로, 하나의 집수실에 다수의 집수관(다공성 여재)을 방사형으로 장착하는 형태로 설치해도 좋고, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 집수관을 평행하게 배치하고 집수관의 양단이 도관(21)에 연결되어 여과수가 도관에 의해 집수실로 연결되는 형태로 설치해도 좋다.

<실시예>

본 발명의 장치는 너무 커서 본 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 짧은 길이(12cm)의 집수관 및 여재를 별도로 제작하여 실험하였다. 도 3의 실험 장치는 도 1에서 A-A' 만큼만 제작하여 양단을 아크릴판으로 막은 것이다. 또, 집수관을 둘러싸는 여재의 적당한 두께를 가늠하기 위해 최종 처리수의 COD 외에 여재를 통과 중에 있는 물의 시료 채취구를 4 군데 설치하여 여재를 통과하면서 그 진행 거리에 따라 COD가 제거되는 정도를 측정하였다.

A. 실험 장치

도 3의 장치는, 위에서 언급한 바와 같이, 도 1에서 A-A' 부분만을 제작한 것인데 그 규격은 다음과 같다.

1) 집수관(20)은 외경 10cm, 두께 3mm인 PVC 파이프를 사용하여 제작하였으며, 여재가 둘러싸는 12cm는 폭 1mm, 길이 5mm의 줄눈(slot)을 전체적으로 개공율이 20%가 되도록 형성하였다.

2) 미생물의 담체가 되는 여재(10)는 조밀도(cell size) 80ppi(pores per inch)의 폴리우레탄 스펀지를 사용하였으며, 그 두께는 55cm, 간극률은 약 80%이다.

3) 여재의 상하면에는 아크릴판(11)을 밀착시켜 부착하여 물이 흘러드는 것을 차단하고, 여재의 가장자리에서 중심 쪽으로 11cm, 22cm, 33cm, 및 44cm가 되는 지점에 4개의 시료 채취구(12)를 설치하였다.

위와 같이 제작된 여재를 직경 150cm, 깊이 40cm의 처리조(60)에 넣고, 실험 장치를 전체적으로 도 3과 같이 구성하였다.

B. 시료

호소수 시료는 경북 경산시에 소재하는 삼천지에서 채취한 호소 침전물 2L를 수돗물 20L에 섞어 격렬하게 교반한 후, 1시간 동안 방치하여 얻은 상등액을 희석하여 만들어 사용하였다. 시료의 수질은 다음 표 1에 기재하였다.

항목	pH	COD(mg/L)	NO3-N(mg/L)	NH4-N(mg/L)
측정값	7.1 ~ 7.8	5 ~ 10	2.0 ~ 3.4	0.3 ~ 0.6

C. 실험

양수율을 0.8L/min로 운전을 시작하고, 3일마다 여과수의 COD를 측정하여 여재에 생물막이 충분히 형성되어 정상상태(steady state)에 도달했다고 판단된 30일 후, 4개의 시료채취구에서 얻은 시료와 여과수의 COD를 측정하였다.

양수율을 1.6L/min과 2.4L/min로 변경하여 실험을 반복하였다.

D. 실험결과 및 고찰

각 양수율별로 여과 거리에 따른 여과수의 COD를 도 4에 기재하였다.

시료는 여재를 통과하면서 COD가 감소하는데 양수율이 적을수록 COD 제거율이 증가하였다. 이는 양수율이 적을수록 여재 내 체류시간이 길어지기 때문이다. 또 여과수가 여재의 중심부로 갈수록 여과거리에 따른 처리효율이 감소하는데 이는 기하학적 특성상 중심부로 갈수록 유속이 빨라져서 체류시간이 감소하기 때문이다.

여재에서 미생물의 부피를 무시하면 간극율이 약 80%이므로 양수율이 0.8, 1.6, 및 2.4L/min일 때의 여과수의 여재 내 체류시간은 각각 135, 67, 45분이 되고, 3가지의 체류시간에서 1mg/L의 COD를 제거하는데 필요한 체류시간은 약 36분임을 알 수 있다. 따라서 우리나라 댐의 보편적인 COD 3mg/L를 제거하기 위해서는 여재 내 체류시간을 110분 이상으로 설계할 필요가 있음을 알 수 있다.

기존의 호소수 정화방법은 정수 또는 하수처리장에서 사용되는 기술들을 그대로 사용하거나 개량한 것들이어서 그 장치가 복잡하고, 유지관리에 전문 기술인력이 필요하며, 약품투입이나 슬러지 처리 등의 추가적인 문제가 수반되기도 한다. 또한, 오염물의 농도가 낮은 호소수에 적용하는 경우 그 처리효율이 낮아질 우려가 있으며, 처리설비의 대형화로 인해 자연경관을 해칠 수 있다.

그러나 본 발명에 의하면 오염물질의 농도가 낮은 물을 대량으로 처리하는 공법으로 여러 가지 이점이 있다. 우선 유지관리에 특별한 전문기술이 필요치 않고, 생물여재에 부착한 미생물의 활동으로 오염물을 무기화하므로 약품투입이나 슬러지 발생이 없어 환경친화적이며, 집수실의 일부 이외에는 수표면 이하에 잠겨있게 되어서 미관을 해치지 않는다.

또한, 본 발명의 장치는 수온이 높은 표수층에 설치되므로 그 처리효율이 극 대화되며, 장치가 간단하여 대용량의 설비를 만들 수 있어서 아직까지는 시도되지 않았던 대형 댐이나 인공호수의 수질개선을 도모할 수 있다.

그 밖에, 운전을 계속하여 여재에 부착미생물을 증식시키다가 양수를 중단할 경우에는 산소공급이 중단되어 탈질반응이 일어나게 되므로 질소제거가 가능하다는 장점도 있다.

Claims (3)

1. 집수관을 둘러싸는 형태로 장착되어 그 내부에 미생물이 부착서식하며 유기물을 분해하는 다공성(多孔性) 여재와;

   다공성 여재의 형태를 유지하며 집수실과 연결되어 여재를 통과한 여과수를 집수실로 모으는 유공관(有孔管)으로 이루어지는 집수관과;

   집수관의 여과수가 모이는 집수실과;

   집수실 외벽에 부착된 부력실과;

   집수실에 모인 여과수를 퍼내는 펌프를 포함하는 호소 수질개선을 위한 생물여과장치.
2. 삭제
3. 다수의 다공성 여재 및 집수관이 평행하게 설치되고, 집수관의 양단이 도관으로 연결되어 도관에 의해 집수실로 연결되는 것을 특징으로 하는 제1항의 호소 수질개선을 위한 생물여과장치.

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