(51) Int. Cl. C02F 1/28 (2006.01) C02F 1/32 (2006.01) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2007 년 04 월 06 일 10-0703233 2007 년 03 월 28 일 (21) 출원번호 10-2005-0066512 (65) 공개번호 10-2007-0011876 (22) 출원일자 2005년07월22일 (43) 공개일자 2007년01월25일 심사청구일자 2005년07월22일 (73) 특허권자재단법인서울대학교산학협력재단서울특별시관악구봉천동산 4-2 (72) 발명자박승우서울강남구압구정동현대아파트 211 동 305 호 강문성서울관악구신림동서울대학교 김상민서울관악구신림동서울대학교 장태일대구수성구범물동보성맨션 206 동 1106 호 김학관서울관악구신림동 251-391 번지 (56) 선행기술조사문헌 JP2000237772 A KR1020020031133 A KR200331030 Y1 * 심사관에의하여인용된문헌 KR1020010000340 A KR1020030055513 A 심사관 : 강전관 전체청구항수 : 총 1 항 (54) 하수처리수의농업용수로의재이용시스템및그이용방법 (57) 요약 본발명은하수처리장으로부터하수처리수를집수하는공정 ; 집수된하수처리수를여과하는공정 ; 여과수를자외선으로소독하는공정 ; 소독된하수처리수를저류지에저장하는공정 ; 및저장된하수처리수를농업용수로공급하는공정으로이루어지며, 상기여과공정이완속모래여과장치를이용하여수행되고, 상기소독공정이내부에자외선램프가장착된지외선소독시설에의해수행되며, 상기저류공정은인공습지와저류조에의해수행됨을특징으로하는하수처리수를재처리하여농업용수로이용하는방법에관한것으로, 상기와같이구성되는본발명의하수처리수를농업용수로재이용하는 - 1 -
방법은간단하면서도저렴한비용으로하수의탁도를현저히낮게하며살균효과를증대시키고, 소독제가잔류하지않으며, 더욱이본시스템은저류를이용함으로, 종래의일반적인하수처리장과는달리토양식물, 미생물과같은자연요소들의자정능력을이용하는자연정화방법으로하수를처리함과동시에우수한처리수의저장효과도얻을수있으며, 또한저류에의한하수처리는구조가간단하고완충능력이크며슬러지발생이작아관리유지비가저렴하고, 높은미생물소독효율을나타내어보건위생상의문제를크게줄일수있어하수처리수를농업용수로안전하게재이용할수있는유용한발명이다. 대표도 도 1 특허청구의범위 청구항 1. 하수처리장으로부터하수처리수를집수하는공정 ; 집수된하수처리수를여과하는공정 ; 여과수를자외선으로소독하는공정 ; 소독된하수처리수를저류지에저장하는공정 ; 및저장된하수처리수를농업용수로공급하는공정으로이루어지며, 상기여과공정이완속모래여과장치를이용하여수행되고, 상기소독공정이내부에자외선램프가장착된지외선소독시설에의해수행되며, 상기저류공정은인공습지와저류조에의해수행됨을특징으로하는하수처리수를재처리하여농업용수로이용하는방법. 청구항 2. 명세서 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명은하수처리수를농업용수로재이용하는방법에관한것으로, 보다자세하게는하수처리장으로부터하수처리수를집수하는공정 ; 집수된하수처리수를여과하는공정 ; 여과수를자외선으로소독하는공정 ; 소독된하수처리수를저류지에저장하는공정 ; 및저장된하수처리수를농업용수로공급하는공정으로이루어지며, 상기여과공정이완속모래여과장치를이용하여수행되고, 상기소독공정이내부에자외선램프가장착된지외선소독시설에의해수행되며, 상기저류공정은인공습지와저류조에의해수행됨을특징으로하는하수처리수를재처리하여농업용수로이용하는방법에관한것이다 일반적으로, 우리나라의연간용수수요량은 1998 년기준생활용수, 공업용수, 농업용수, 하천유지용수등총 331 억 m 3 으로추정되고있으며, 용수수요량은계속증가하고있으며, 현재의추세라면 2006 년부터물부족이전국적으로시작되고 2011 년에는물부족량이 18 억 m 3 에이르게되어사회, 경제적손실과혼란이우려되고있다. 이를극복하기위해용수수요관리, 연계운영, 친환경적신규개발, 대체수자원개발등이요구된다. 2002 년현재우리나라의하수처리장은 201 개소로연간 71.5 억 m 3 을처리할수있으며, 이는 1998 년연간수자원이용량의 21.6% 에해당하는양이지만하수처리장에서방류되는하수처리수는별도의목적으로이용되지않고하천으로방류되고있는실정이다. 세계적으로용수부족을극복하기위하여생활하수재이용에대한관심과노력이계속되고있으며우리나라에서도중수도이용량이증가하고있으며, 일부지방자치단체에서하수처리수를농사에이용하도록하고있으나아직재이용의수질기준조차마련되지못한실정이며하수재이용을위한기반기술이거의개발되지못하고있는실정이다. - 2 -
한편, 우리나라에서하수를재이용하는데이용되고있는중수도시스템은고도정수처리에버금가는수질을확보할수있으나고비용처리시설과높은운영비용으로농업용수로재이용하는데는경제성의문제로실용성이없어실질적으로사용되기힘든방법이다. 따라서농업생산성을고려할때경제적인농업용수재이용시스템의개발이요구되고있는실정이며, 또한하수처리수를농업용수로재이용하기위해서는하수를농업용수로재이용할수있는수질기준이제시되어야할필요가있다. 더욱이, 하수처리수를농업용수로재이용하기위해서는토양, 수질, 작물생육등에대한영향과보건, 위생상의안전성등이충분히검토되어야할필요가있다. 그러나, 종래하수를재이용하는데중수도시스템이주로이용하여왔으나상술한바와같은비용상의문제점이있으며, 이를해결하기위한또다른하수이용시스템및농업용수로이용가능한처리기준에대해서는명확하게제시된바가없는실정이다. 따라서본발명자등은상기한종래의문제점을해결하기위하여예의연구한결과특정한방법에의해하수를여과, 소독및저류함에의해농업용수로적절하게이용될수있는하수처리시스템을개발하고, 이와같이농업용수로이용될수있는처리기준을제시함으로본발명을완성하였다. 발명이이루고자하는기술적과제 따라서본발명의목적은낮은비용으로하수처리수를재처리하여농업용수로재이용할수있는하수처리수를농업용수로재이용하는방법을제공하기위한것이다. 발명의구성 상기목적을달성하기위한본발명의하수처리수를재처리하여농업용수로이용하는방법은하수처리장으로부터하수처리수를집수하는공정 ; 집수된하수처리수를여과하는공정 ; 여과수를자외선으로소독하는공정 ; 소독된하수처리수를저류지에저장하는공정 ; 및저장된하수처리수를농업용수로공급하는공정으로이루어지며, 상기여과공정이완속모래여과장치를이용하여수행되고, 상기소독공정이내부에자외선램프가장착된지외선소독시설에의해수행되며, 상기저류공정은인공습지와저류조에의해수행됨을특징으로한다. 이하, 본발명을첨부도면을참고로보다자세하게설명한다. 도 1 은본발명에따른하수처리수재처리방법을개략적으로나타내는구성도이다. 상기도 1 에나타난바와같이, 본발명에따른하수처리수재처리방법은통상의하수처리장으로부터집수한하수처리수를모래완속여과를통해여과하고, 여과된여과수를자외선소독에의해미생물으로소독하고, 마지막으로이를저류지에저장하여필요에따라농업용수로공급하게된다. 상기본발명에따른여과공정은특정한방법에한정되는것은아니지만, 여과장치로완속모래여과장치를이용하는것이바람직하다. 이는하수처리수를모래여재에통과시킴으로써탁도를매우낮게하여후속되는살균효과를증대시킬수있기때문이다. 다음으로, 본발명에따른소독공정에대해설명하면다음과같다. 하수처리수중에포함된병원성미생물을제거하기위한소독방법에는염소, 오존 (Ozone), 이산화염소 (ClO 2, chlorine dioxide), 클로라민 (chloramine), 자외선 (ultraviolet, UV) 등의다양한매체를사용하여실시할수있으나, 자외선소독방법이가장바람직하다. 염소소독방법이일반적으로가장널리사용되고있지만트리할로메탄 (trihalomethanes, THMs) 과같은유해물질을부산물로발생시키고관리가부족한경우수생생물및수질환경에악영향을미칠수있다는단점을가지고있어바람직하지않다. 반면, 자외선소독은소독제가잔류하지않고과잉주입의우려가없으며, 소독장치가단순하다는등의여러가지장점을가지고있어본발명의방법에가장바람직하게사용될수있다. 상기와같이본발명에따른자외선소독시설의모식도를도 2 에나타냈다. 도 2 에도시된바와같이, 본발명에따른자외선소독공정에는유수식 (flow-through type) UV 처리방식이사용될수있으며, 이를위한장치는, 외관은부식방지를 - 3 -
위해스테인리스스틸로만들어질수있고, 그내부에자외선램프 (11) 이장착되고, 석영관 (12) 가이램프 (11) 을감싸는구조로된다. 또한본발명에따른자외선소독시설은그상부에석영관세척장치 (13) 이설치되어석영관 (12) 의자동세척이가능하도록설계된다. 본발명의하수처리수의재처리방법에따른다음공정으로저류공정을거치게되는데, 이는하수처리장에서방류되는하수처리수는하수처리장의처리용량에따라연간일정한양이하천으로방류되는반면, 이를이용하게될농업용수는 5 월부터 10 월까지의관개기간에만이용될뿐만아니라관개기간중에도영농방법이나강우에따라단속적 ( 斷續的 ) 으로농업용수를공급하게되기때문에아주중요한공정이다. 이와같이본발명에따른저류공정은하수처리수의공급과이용에따른수량의차이를극복하고산재되어있는관개지역에적절하게공급하기위하여, 상기와같은여과및소독된하수처리수를재처리하여저장, 공급하기위한저류공정은필수적인공정이다. 또한, 본저류공정은용수의공급을조절할뿐만아니라저류에의한침전으로유입수의수질을개선시키는효과도있다. 상기와같이구성되는본발명에따른하수처리수의재처리방법은완속모래여과장치를이용함으로서하수의탁도를현저히낮게하여후속되는살균효과를증대시키고, 자외선소독에의해소독제가잔류하지않고과잉주입의우려가없으며소독장치가단순하여하수처리비용이저렴하다. 더욱이, 저류공정을거침으로써, 종래의일반적인하수처리장과는달리토양식물, 미생물과같은자연요소들의자정능력을이용하는자연정화방법으로하수를처리함과동시에저장효과를얻을수있다. 또한저류공정에의한하수처리는구조가간단하고완충능력이크며슬러지발생이작아저렴한관리유지비와, 높은미생물소독효율을나타내어보건위생상의문제를크게줄일수있으며, 하수처리수를농업용수로재이용함에있어가장적절한저장처리시설이될수있는작용효과를갖는다. 이하본발명을실시예에의해보다자세히설명하지만본발명의범위가여기에한정되는것은아니다. 실시예 1. 본발명에따른간헐분사방식의완속모래여과장치의처리효과를분석하기위하여유입유량 0.6m 3 /day 을처리할수있는직경 1.1m, 높이 1.1m 의원통을 3 개의층으로구분한완속모래여과장치를설치하였다. 상기장치의바닥으로부터 5cm 에는자갈을깔고그위에입경 1 ~ 2mm 의굵은모래를 10cm 높이로채웠고그위의부분은입경 0.1 ~ 0.3mm 의잔모래를 45cm 높이로채웠으며, 완속모래여과의유입장치는모래여재전표면에균등한유량이공급될수있게설계하여실험을수행하였다. 상기와같이완속모래여과시설을이용한하수처리수의처리효율을탁도, SS, BOD 5, COD, TN, TP 등의수질항목에대 하여분석하여그결과를다음표 1 에나타냈다. [ 표 1] - 4 -
상기표 1 에서알수있는바와같이탁도와 SS 는각각평균 46.7%, 50% 의처리효율을보였으며, BOD 5 와 COD 는각각평 균 55.1%, 26.5% 의처리효율로양호한결과를보였으나 TN 과 TP 는처리효과가미미한것으로나타났다. 이와같이본발명에따른완속모래여과배출수의탁도와 SS 가저감됨에따라모래여과후소독과정이이어질때처리효율을높일수있는주요한요소가된다. 또한, 상기와같이완속모래여과처리에의한미생물에대한처리효율을분석하여그결과를다음표 2 에나타냈다. 그결과평균 95% 이상의높은처리효율을보였다 [ 표 2] 실시예 2 상기본발명의시스템중일공정인자외선살균에의한하수의미생물처리능을알아보기위해다음과같이하수를처리하여그소독결과를알아보았다. 본실시예에서처리한하수는경기도양평군소재연립주택가구의생활하수를대상으로하였으며사용한자외선소독시설은유수식 UV(flow-through type) 으로서호기성바이오필터 (biofilter) 를사용하였다. 본소독시설의외관은부식방지를위해스테인리스스틸로만들어졌으며외관의내경이 96mm, 길이 860mm 이고, 램프를감싸고있는석영관은외경 24.5mm, 그리고길이는 860mm 이다. 두개의 UV 램프를직렬로연결하는구조이며, 석영관안에램프를배치하는형식으로되어있고소독량을조절하기위한유입유량조절밸브를설치하였다. 석영관에파울링 (fouling) 이발생하는것을방지하기위하여타이머를설치하여시간간격에의해석영관의자동세척이가능하도록설계하였다. 본실시에에사용된램프는저압형램프 (low-pressure lamp) 이고, 그제원은다음과표 3 과같다. [ 표 3] 상기소독시설에의한소독을실시한결과, UV 사용램프 17W, 25W, 40W 에대해 10m 3 /day 의유량에대한자외선조사량과노출시간과이에따른미생물생존율을분석하여그결과를다음표 4 에나타냈다. - 5 -
[ 표 4] 상기표 4 에서알수있는바와같이 40W 램프에서는유량을변화시켜도실시범위에서는모든경우에서 100% 소독이이루어졌으며, 25W 와 17W 램프의경우에도유량변화에따라조금씩차이는있으나모두 97% 이상의매우효과적인소독이이루어지는것으로나타났다. 실시예 3 본실시예에서는본발명에따른저류의효과를알아보기위해건국대학교내에인공습지와저류조를설치하여저류에의한처리효과를분석하였다. 본실시에이용된저류장치는인공습지와연못을연계하여운영하는장치로인공습지는폭 2m, 길이 9m, 높이 1m 의콘크리트박스에모래를 0.6m 를채우고갈대를식재하였으며저류조는폭 2m, 길이 2m, 높이 1m 의콘크리트박스 2 개에각각 0.4m 의모래를바닥에채웠다. 인공습지의오수유입량은 1m 3 /day, 처리조내체류기간은약 3.5 일로설계하였다. 습지에서처리된하수처리수를저류탱크로보낸후자연유하방식으로두개의저류조에 0.5m 3 /day 씩유입하고저류조에서의체류기간은약 9 일, 저류조의유출은상층부에서일어나도록설계하였다. 인공습지와저류조를조합한저류시설에대한하수처리실험을하여유입수와배출수의샘플을분석한평균수질과제거율은다음의표 5 와같다. [ 표 5] 상기표 5 에나타난바와같이 BOD 5 와 SS 의제거율은각각평균 77.1%, 74.8% 로비교적높은처리효율을보였으며 TN 과 TP 의처리효율은각각평균 24.1%, 46.2% 의처리효율을나타냈다. 또한, 지표미생물에대한인공습지와저류조에서의처리효율을분석하여그결과를표 6 에나타냈다. 표 6 은유입수, 배출수의대장균군, 분원성대장균군, 대장균수를나타낸다. 인공습지에유입된하수의평균미생물수는인공습지를거치면서상당히감소되었으며다시저류조를거치면서더더욱감소하였다. - 6 -
[ 표 6] 실시예 4 하수처리수재이용시스템 본발명에따른하수처리수를재이용하기위한시스템의각요소기술인완속모래여과, UV 소독, 저류기술을하나의시스템으로하여조합하여하수를처리하여하수처리효율을분석하여그결과를다음표 7 에나타냈다. [ 표 7] 상기표 7 에서알수있는바와같이통상의 BOD, COD, SS,TN, TP 값을갖는하수를처리한결과, SS 3.8mg/L, BOD 0.6mg/L 로양호한결과를나타냈으며, TN 36.1mg/L, TP 2.3mg/L 로영양물질은다소높은값을나타내어농업용수로유용하게이용될수있는농업용수기준에적합한것으로판정되었다. 발명의효과 상기와같이구성되는본발명의하수처리수의재처리방법은간단하면서도저렴한비용으로하수의탁도를현저히낮게하며살균효과를증대시키고, 소독제가잔류하지않으며, 더욱이본시스템은저류를이용함으로, 종래의일반적인하수처리장과는달리토양식물, 미생물과같은자연요소들의자정능력을이용하는자연정화방법으로하수를처리함과동시에우수한처리수의저장효과도얻을수있으며, 또한저류공정에의한하수처리는구조가간단하고완충능력이크며슬러지발생이작아관리유지비가저렴하고, 높은미생물소독효율을나타내어보건위생상의문제를크게줄일수있어하수처리수를농업용수로안전하게재이용할수있는유용한발명이다. 도면의간단한설명 - 7 -
도 1 은본발명에따른하수처리수를농업용수로재이용하는시스템을개략적으로나타내는사진이고, 도 2 는본발명의일실시형태에따른자외선소독시설의모식도이고, 도 3 은도 2 의모식도에따라실제제작된소독시설의사진이다. < 도면의주요부분에대한부호의설명 > 11 : 자외선램프 12 : 석영관 13 : 석영관세척장치 도면 도면 1 도면 2-8 -
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