KR100319326B1 - 하천수의 현위치 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천이나 소규모 강의 오염된 물을 정화하기 위한 것으로써 좀더 자세히는 하천수나 강물을 현위치에서 혼화, 응집, 가압부상시킴으로써 수중에 존재하는 부유물질과 질소, 인 등의 영양물질을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

하천수의 현위치 정화 장치{An In-site River Purifying System}

본 발명은 하천이나 강의 수질정화장치에 관한 것으로써, 좀더 자세히는 현장(in site)에서 응집제를 투여하고 혼화, 응집하며 용존공기부상법 (DissolvedAir Floatation:DAF)을 이용하여 하천수의 오염물질 등을 제거할 수 있는 장치에 관한 것이다.

비료, 축산폐수, 생활하수 및 공장폐수 등에 포함된 질소, 인 등의 영양염류에 의한 수질악화가 심각해지고 있다. 이로 인하여 강이나 호수, 해양에서는 녹조, 적조가 발생하여 생태계를 파괴하고 있다. 하천수, 오폐수에 포함된 영양물질에 의하여 부영양화된 물은 조류의 번성을 야기시킨다. 조류가 수계 표면에 번성하면 광선의 투과를 막아 수중생물의 원활한 광합성을 막고, 수중의 산소용존률을 낮추어 수계의 자정능력을 상실하게 한다.

부영양화에 의해서 발생하는 녹조 및 적조는 수중에 산소공급을 차단하여 수중에 서식하는 어폐류를 폐사시킬 수 있다. 또한, 상수원지에 적조 현상이 발생했을 경우에는 조류에 의한 이취미 문제가 발생하여 고도정수처리를 해야 하며, 과다한 염소 소독으로 맹독성 물질인 트리할로메탄(THM)이 형성될 수 있다. 우리나라의 경우 해마다 봄과 가을 연례행사인 녹조 및 적조 발생에 의하여 매년 수백억원의 피해가 발생되고 있어 조류제거 외에도 비점오염원의 수질정화 대책이 절실히 요구되는 실정이다.

하천의 수질을 근본적으로 개선하기 위하여는 오염물질 배출원으로부터 수질을 정화하거나, 오폐수를 하폐수처리장으로 이송하여 처리하는 방법이 있다. 그러나, 수많은 오염물질 배출원마다 수질정화장치를 설치하거나 하폐수 처리장으로 이송하는 것은 막대한 예산이 소요된다. 또한, 점 오염원인 경우에는 상대적으로 문제가 적으나, 비점 오염원인 경우에는 별다른 수처리 대책이 없는 실정이었다.

특허공개 제93-23280은 목탄층과 자갈층을 이용하여 하천수를 정화하는 장치에 관한 것이며, 폐콘크리이트 또는 폐타이어를 이용한 생물막 하천정화장치에 관한 기술이 특허공개 제97-20976호, 제97-20977호에 개시되어 있다. 또, 특허공개 제99-24172호는 미생물 접촉재를 이용한 하천 정화방법에 대하여 기술하고 있다. 또한, 특허공개 제95-26882호 및 제95-24975호는 하천에 산소를 공급하여 하천의 생태계를 보존하는 장치에 대해 기술하고 있다. 그러나, 유속이 빠른 하천이나 수량이 많은 하천에서는 여과나 생물산화 또는 폭기에 의한 정화방법은 근본적으로 한계가 있다.

특허공개 제99-24236호는 수로를 이용한 수질정화시스템에 관한 것으로서 호수의 한쪽에 수로를 설치하여 호수 원수를 흡수파이프로 흡입하여 수로로 이동시키고 초미세기포를 발생시켜 정화시키는 시스템에 관하여 기술하고 있다. 그러나, 이 시스템은 응집약품과의 혼화 응집과정이 없이 초미세기포만을 이용하였으므로 미세한 부유물질이나 오염물질을 충분히 부상시키는데 어려움이 있으며, 원수를 흡수파이프로 흡입하여야 하므로 동력 또한 많이 소요된다. 뿐만 아니라, 이 시스템은 원수를 소형의 수로로 끌어들여 처리해야 하므로 처리대상 수계 전체를 처리하기에는 역부족이며, 수질의 급격한 변화 또는 수량의 증대시에는 정화효과가 미미해진다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하려는 것으로서, 대단위 토목공사를 필요로 하지 않고 간단히 설치할 수 있는 수질정화장치를 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 물리적인 여과나 미생물 여재를 이용한 정화방법보다 효율적인 수질정화장치를 제공하려는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 하수 수질의 급격한 변화에도 대처할 수 있는 수질정화장치를 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명 장치의 일 실시예를 도시한 개념도.

도 2는 본 발명 장치의 다른 실시예를 도시한 개념도.

* 도면 부호의 간단한 설명 *

12: 하천수 유도판 13: 안내 플로트

20: 약품탱크 21: 약품펌프

22: 약품 분사장치 23: 고압수 분사장치

30: 가압펌프 31: 컴프레서

32: 가압탱크 33: 가압수 분사장치

40: 스컴수거장치 41: 탈수장치

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 하천(이하에서 "하천"이라 함은 하천 및 강 등 흐름이 있는 수계를 총칭하는 의미로 사용함) 양안 사이에 하상이나 수면으로부터 1∼5m정도 아래쪽 수중에 위치하도록 양안을 가로지르며 유수방향에 직각인 수중 구조물을 설치하되 구조물의 상류쪽에는 응집약품을 분사시키는 약품분사장치와, 응집약품과 피처리수를 교반시키는 교반장치 또는 고압수 분사장치를 설치하고, 하류쪽으로는 용존공기를 함유하는 가압수 분사장치를 설치한다. 또한, 가압수 분사장치의 하류쪽으로 안내 플로트를 설치하며 안내 플로트와 연장되게 스컴수거장치 및 탈수장치가 설치된다.

본 발명의 장치에 대하여 좀더 자세히 설명한다. 즉, 본 발명의 장치는 응집약품을 저장하는 약품탱크(20), 응집약품을 약품분사장치로 공급하는 약품펌프(21), 피처리수 또는 처리수의 일부를 가압탱크로 공급하는 가압펌프(30), 가압탱크에 압축된 공기를 공급하는 컴프레서(31), 가압펌프에 의하여 공급된 물과 컴프레서에 의해 압축된 공기를 혼합, 용해시키고 용존공기를 함유하는 가압수를 저장하는 가압탱크(32), 조류 등의 부유물질을 함유하는 피처리수에 응집제를 분사하는 약품분사장치(22), 응집제와 부유물질을 혼합시켜주기 위한 교반장치 또는 고압수 분사장치(23), 공기가 용존된 가압수를 토출시키는 가압수 분사장치(33), 수면에서의 스컴의 확산을 방지하는 안내 플로트(13), 스컴을 흡입하는 스컴흡입장치 또는 스크레이퍼 등의 스컴수거장치(40), 물을 함유하는 스컴을 탈수시키고 부유물질이 제거된 처리수를 하천으로 환원시키는 탈수장치(41)로 구성되어 있다.

본 발명의 장치의 구성과 작용을 도면을 참조하여 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

전원 및 약품탱크, 약품펌프, 가압탱크, 가압펌프, 컴프레서를 하안 또는 수중구조물 상단 수면 위에 위치시키고, 양안 사이에 유수의 흐름에 견딜 수 있는 수중 구조물, 바람직하게는 철재 파이프로 된 구조물을 설치한다. 구조물에는 약품분사장치, 고압수 분사장치 또는 교반장치, 가압수 분사장치를 설치한다. 하류쪽으로 안내 플로트를 설치하며, 안내 플로트로부터 연장되게 스컴수거장치 및 탈수장치가 설치된다.

수중 부유물질은 응집제 분사장치에 의하여 공급되는 응집제와 반응하여 플록을 형성한다. 응집제의 주입은 약품탱크(20)로부터 약품펌프(21)를 이용하여 약품 분사장치(22)에서 응집제를 공급한다. 응집제 분사에 의하여 형성된 플록은 용존공기의 미세기포에 의하여 부착되어 수계의 표면으로 떠오르게 된다. 즉, 가압탱크(32)에 피처리수 또는 처리수의 일부를 가압펌프(30)를 통해 주입한 후 컴프레서(31)를 이용하여 물을 3기압 이상의 압력, 바람직하게는 4∼7기압으로 가압하여 수중에 용존공기를 충분히 포화시킨다. 그 후 가압수 분사장치(33)를 통하여 상기 용존공기가 포화된 가압수를 공급함으로써 미세공기방울을 발생시킨다. 즉, 가압수에 용존되어 있던 공기는 대기압 하로 급격히 방출됨으로써 미세한 공기방울을 형성하여 수중의 플록, 부유물질, 조류 등을 부착하고 수면 위로 떠오르게 된다. 수면으로 부상된 스컴(이하 본 명세서에서 "스컴"이라 함은 수면으로 부상된 조류, 부유물질, 오염물질 등을 통칭하는 의미로 사용됨)은 스컴수거장치(40)에 의해서 수집되어 탈수장치(41)에 의해서 탈수된 후 처리된다.

고압수 분사장치(23)는 피처리수 내의 부유물질이 응집제와 원활히 혼화되도록 하는 역할을 한다. 고압수 분사장치 대신 교반장치를 이용할 수 있으며, 또는 약품분사장치에서 응집제와 고압수를 동시에 분사시킬 수도 있다. 고압수 분사장치는 가압탱크로부터 공급된 공기가 용존되어 있는 가압수를 분사시키거나 컴프레서 또는 별도의 수중펌프에 의하여 피처리수를 고압으로 분사시킨다.

고압수 분사장치는 약품 분사장치와 별도로 존재할 수도 있으나, 하나의 분사장치를 통해서 동시에 고압수와 응집약품을 분사시킬 수 있다.

이와 같이, 고압수의 압력 또는 교반장치에 의하여 응집제와 급속혼화된 피처리수는 하천수의 흐름에 따라 자연적으로 완속교반되어 플록을 성장시키게 된다. 또는 부가적으로 하천수의 흐름에 직각으로 다수의 배플을 설치하여 물이 배플을 통과하는 사이에 플록이 성장할 수 있도록 한다.

응집제에 의하여 형성되고 물의 흐름에 의하여 성장된 플록은 가압수 분사장치(33)에서 분사되는 가압수에 의하여 생성되는 10∼100㎛ 가량의 미세 공기방울의 표면에 부착되어 수면 위로 부상하게 된다. 가압수 분사장치는 약품 분사장치나 교반장치 또는 고압수 분사장치의 하류측에 위치하며, 한 개 이상 다수개의 분사장치를 설치할 수도 있으며, 하천의 유속에 맞추어 상·하류로 이동시킬 수도 있다. 또, 처리해야 할 부유물질 또는 조류의 양이 많은 경우에는 다수개의 가압수 분사장치를 작동시킴으로써 처리효율을 높일 수 있다.

피처리수의 수면으로 부상한 스컴은 하천의 흐름에 따라 하류측의 안내 플로트에 의해 모아지고 스컴수거장치에 의해 수거되어 탈수장치에 의해서 고액분리된 후 처리된다. 스컴수거장치와 탈수장치는 하안에 설치하거나 소형 선박, 바지선, 하상에 고정된 수중 구조물 또는 부표 등의 상단에 설치할 수 있다. 처리수는 다시 피처리부 즉, 하천으로 환원 배출된다.

상기 본 발명의 장치에는 수질감지 센서와 약품주입량 제어장치를 부가하여 더욱 효과적으로 수질을 정화시킬 수 있다.

약품주입량 제어장치는 조류, 콜로이드성 입자 등의 부유물질 및 질소, 인 등의 영양물질을 포함하고 있는 유입수의 수질 또는 응집제 처리수의 수질을 수질감지센서로 측정하여 응집약품의 주입량을 결정하는 기능을 수행한다. 약품주입량 제어장치는 수질감지센서에 의해 측정된 유입수의 탁도, 알칼리도, 수온 및 pH 등을 독립변수로 하고, 응집약품 주입량을 종속변수로 하였다.

유입수의 탁도 및 알칼리도는 응집제 주입량과 양의 상관관계를 나타낸다. 즉, 탁도와 알칼리도가 높은 경우에는 응집제 주입량이 많아지게 된다. 이와 반대로 유입수의 수온 및 pH는 응집제 주입량과 음의 상관관계를 가진다. 다시 말하여, 유입수의 수온이 낮거나 pH가 낮은 경우에는 응집제 주입량이 많아지고, 수온이 높거나 pH가 높은 경우에는 주입되는 응집제 양이 적어진다.

약품주입량 제어장치의 다른 예로서는 응집약품 처리수의 제타전위 또는 스트림 커런트(Stream Current)를 측정하여 이를 독립변수로 하고, 이 독립변수의 변화에 따라 종속변수인 응집약품의 주입량을 결정할 수 있다.

또 다른 예로서 상기 유입수의 수질에 따라 약품주입량을 제어하는 피이드 포워드 제어방식과, 응집약품 처리수의 제타전위 또는 스트림 커런트에 따라 약품 주입량을 결정하는 피이드백 제어방식을 조합하여 최적의 약품 주입량을 결정할 수 있다.

약품펌프는 상기 약품주입량 제어장치에 의하여 결정된 약품주입량에 따라 급속혼화조에 유기응집제 또는 무기응집제 등의 약품을 최적량 주입함으로써 응집제의 과다 또는 과소에 따른 응집효율의 저하를 막을 수 있다.

또한, 본 발명의 장치에는 미세기포의 표면에 부착되어 수면으로 부상되어 제거되는 부유물질의 처리과정에 있어서 본 발명은 부유물질의 밀도를 측정하여 밀도가 높은 경우에는 스컴을 수거하는 스크레이퍼의 구동속도를 높이고, 부유물질의 밀도가 낮은 경우에는 구동속도를 낮춤으로써 농축된 상태의 부유물질을 처리할 수 있게 하는 스크레이퍼 제어장치를 부가할 수 있다.

종래 가압부상법에서 일반적으로 채택되던 스컴 처리장치는 스컴의 농도나 양에 관계없이 일정한 구동속도로 작동한다. 그리하여 대량으로 스컴이 형성되는 경우에는 완벽한 처리를 할 수 없으며, 스컴의 농도가 낮은 경우에는 수분이 많이 포함된 상태로 처리하게 되어 후속공정인 탈수장치의 효율성이 떨어진다.

그리하여, 본 발명에서는 스컴회수장치의 한 예로서 상층으로 떠오른 스컴의 농도를 측정하는 부유물질 밀도 센서와 측정된 값을 독립변수로 하고 스크레이퍼의 구동속도를 종속변수로 하는 스크레이퍼 제어장치 및 스크레이퍼를 채택하였다. 본 발명의 스크레이퍼 제어장치는 스크레이퍼와 연계되어 있으며, 수온변화에 따른 조류의 대량 발생 및 폭우로 인한 부유물질의 대량 유입과 같은 상황변화에 적절히 대처할 수 있다. 또한, 부상되는 부유물질의 양이 적은 경우에는 스크레이퍼의 구동속도를 낮춤으로써 탈수장치의 부하를 줄여준다.

본 발명의 다른 실시예로서 상술한 장치를 응용한 장치 및 방법에 대하여 설명한다.

하천수의 유량이 많은 경우에는 하천의 측면으로 하천수의 일부를 유도하여 우회수로에서 상기 장치와 동일하게 응집제에 의한 혼화, 응집 및 용존공기부상법을 이용한 수질정화장치를 사용한다.

도 2와 같이, 하천수 유도판을 하상에 고정시킨다. 하천수 유도판은 하상으로부터 수면까지 연장된다. 그리하여 하천수의 일부를 측면으로 유도한다. 하천의 측면으로는 간단한 준설작업으로 우회수로를 형성한다.

하천수 유도판에 의하여 우회수로로 유도된 하천수에는 약품탱크의 응집제를 약품펌프를 통하여 약품 분사노즐로 분사시켜 혼화시킨다. 하천수와 응집제의 급속혼화는 고압수의 압력이나 교반장치를 이용한다. 그리하여 플록이 형성되며, 급속혼화된 물은 물의 흐름에 의하여 또는 다수의 교차되는 배플에 의하여 완속교반되어 플록이 성장하게 된다. 컴프레서와 가압펌프에 의하여 생성된 가압수는 가압탱크로부터 가압수 분사장치에 의해 수중에 분사되는데, 가압수에 용존되어 있던 공기는 대기압 하로 급격히 방출됨으로써 미세한 공기방울을 형성하여 수중의 오염물질 등을 부착하고 수면 위로 떠오르게 된다. 수면으로 부상된 스컴은 안내 플로트에 의하여 모아지고, 안내 플로트와 연장된 스컴수거장치에 의해서 수집되어 탈수장치에 의해서 탈수된 후 처리된다.

폭우 등으로 유량이 많아지고 처리해야 할 오염물질이 대량 유입되는 경우에는 하천의 우측면에 우회수로를 설치하여 상기 응용례의 장치를 설치하고, 하류측으로 하천의 좌측면에 우회수로를 설치하여 동일한 장치를 설치하는 방식으로 다수개의 장치를 설치하여 하천의 수질을 효율적으로 개선시킬 수 있다.

본 발명은 강이나 호소로 유입되는 하천수 내에 존재하는 부유물질과 질소, 인 등의 부영양화 원인물질을 제거함으로써 강이나 대규모 호소수 및 해양을 효과적으로 정화시킬 수 있다.

본 발명은 또한 상수원으로 이용되는 호소의 수질을 정화하여 고도정수처리가 필요 없으므로 정수장의 부하를 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 장치는 현위치 처리가 가능하므로 경제적으로 하천수를 정화시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 수온의 변화에 의한 하수의 수질 변화 및 폭우에 의한 부유물질의 대량 유입 등과 같은 수질의 변화에 따라 적절히 응집약품의 주입량을 조절하고 가압수를 대량 분사시킴으로써 수처리 효율이 저하되거나 수처리가 불가능했던 종래기술의 단점을 극복할 수 있다.

Claims (5)

1. 응집약품을 저장하는 약품탱크, 응집약품을 약품분사장치로 공급하는 약품펌프, 피처리수 또는 처리수를 가압탱크로 공급하는 가압펌프, 가압탱크에 압축된 공기를 공급하는 컴프레서, 가압펌프에 의하여 공급된 물과 컴프레서에 의해 압축된 공기를 혼합, 용해시킨 가압수를 저장하는 가압탱크를 하안 또는 수중 구조물의 상단 수면 위에 위치시키고,

   수중 구조물로서 피처리수에 응집제를 분사하는 약품 분사장치, 응집제와 부유물질을 혼합시켜주기 위한 교반장치 또는 고압수 분사장치, 공기가 용존된 가압수를 토출시키는 가압수 분사장치를 설치하며,

   하류측으로 스컴의 확산을 방지하고, 스컴을 모아주는 안내 플로트를 설치하며,

   스컴수거장치, 탈수장치를 상기 안내 플로트와 연결되게 설치하여 구성된 하천수의 현위치 정화장치.
2. 제1항에 있어서,

   상류측에 하상으로부터 수면까지 연장되며 하천수를 일측으로 유도시키는 하천수 유도판을 부가 설치하고, 하천의 측면으로 우회수로를 설치하며,

   우회수로 내에 상기 약품 분사장치, 고압수 분사장치 또는 교반장치 및 가압수 분사장치를 설치하고,

   하류측으로 스컴의 확산을 방지하고, 스컴을 모아주는 안내 플로트를 설치하며,

   스컴수거장치, 탈수장치를 상기 안내 플로트와 연결되게 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 하천수의 현위치 정화장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   교반장치 또는 고압수 분사장치와 가압수 분사장치의 사이에 다수의 배플이 설치되는 것을 특징으로 하는 하천수의 현위치 정화장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유입수의 수질 변화를 감지하는 수질감지센서, 센서에 의해 감지된 수질에 따라 응집약품 주입량을 제어하는 약품주입량 제어장치를 부가하는 것을 특징으로 하는 하천수의 현위치 정화장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스컴 수거장치는 부상된 부유물질의 고형분 함량을 감지하는 부유물질 밀도 센서, 고형분 함량에 따라 스크레이퍼 구동 속도를 조절하는 스크레이퍼 제어장치 및 부상된 스컴을 수거하는 스크레이퍼로 구성된 것을 특징으로 하는 하천수의 현위치 정화장치.