KR100915541B1 - 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법에 관한 것으로, 홍수터에 하천수를 공급함에 있어 손실되는 물의 양을 줄이고, 주변 환경을 오염시키지 않을 뿐만 아니라 에너지가 적게 드는 하천수 침투를 촉진하는 하천수 분배체계를 가져 처리량이 크고, 여과된 하천수를 하천으로 유입시키지 않고 다른 용도로도 사용할 수 있는 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.

하천수를 양수하여 하천수 도수관에 공급하는 하천수 양수실(11)과, 하천수 양수실에 연결되어 양수실에서 공급되는 하천수를 각 하천수 분배관(13)에 공급하는 하천수 도수관(12)과, 하천수 도수관에 일정 간격으로 연결되어 하천수 도수관(12)에서 공급되는 하천수를 출수대(14)에 공급하는 다수의 하천수 분배관(13)과, 하천수 분배관(13)에 일정 간격으로 설치되어 하천수를 월류식으로 토양표면에 공급하는 출수대(14)와, 지하수 아래의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관(21)과, 각 여과수 집수관(21)에 연결되어 역시 지하수면 아래의 지중에 설치되며 각 여과수 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정(23)으로 모으는 여과수 도수관(22)과, 여과수 도수관(22)에 연결되어 집수된 여과수를 최종적으로 수집하여 하천에 방류하는 여과수 집수정(23)을 포함하는 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치로,

하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 월류식으로 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층의 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하여 여과수 집수정에 모아 하천으로 방류하는 단계에 의하여 하천수의 수질을 개선한다.

Description

토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법{equipment for improvement of river water quality using soil filtration and method for the same}

본 발명은 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하천수를 하천 주변의 홍수터에 관개하여 토양층을 통과시켜 유기물 등 오염물이 제거되도록 한 후, 깨끗해진 여과수를 관개지점 부근에서 회수하여 하천으로 유입시킴으로써 하천수의 수질을 개선하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

하천수는 수량이 많고 오염물 농도가 낮은 것이 특징으로, 하천수 수질을 개선하는 가장 보편적인 방법은 하천의 바닥이나 하안에 미생물이 부착할 수 있는 담체를 설치하여 하천수에 포함된 오염물의 생분해되도록 촉진하는 방법이다. 그러나 이 방법들은 공법에 따라 여러 가지 특징이 있지만 공통적으로 효율이 낮고, 홍수 시 쉽게 유실되거나 폐색된다는 단점이 있다.

다음으로 보편적인 방법은 하천수를 하천주변의 홍수터(고수부지)로 끌어내어 적당한 공법으로 처리한 후, 처리수를 하천에 다시 방류하는 방법이다. 구체적으로는, 폐타이어를 이용한 하천수질 정화장치 및 방법 (한국특허등록 10-0161768), 폐 콘크리트를 이용한 하천수질 정화장치 및 방법 (한국특허등록 10-0161767), 하천변 자연제방과 둔치를 이용한 생물접촉 산화식 하천수질 정화설비 (한국특허등록 10-0423662), 침전 및 준설에 의한 하천수질 정화장치 및 방법 (한국특허등록 10-0298244) 등이 있다. 이 밖에, 홍수터에 인공습지 또는 산화지 등을 설치하여 오염수를 자연 처리하는 방법도 있다.

그러나 이 공법들 역시 각 공법에 따라 차이가 있지만 저농도로 오염된 다량의 하천수 처리를 처리하기에는 효율이 높지 않고, 처리장치가 홍수터 위에 설치되어 홍수 시 유실될 염려가 크거나 이를 방지하기 위해서는 별도의 부지가 필요하다는 단점이 있다.

그리하여 상기 단점들을 극복하는 방안으로 하천 주변의 홍수터와 하상을 구성하는 토양의 탁월한 투수성과 그 물리적, 화학적, 그리고 생물학적 오염제거능력을 이용하는 자연친화적인 공법들이 개발되어 있다. 이의 예로 한국특허등록 제0291223호에는 하천수를 하천 바닥의 퇴적층에 통과시켜 자연 정화되도록 하는 토양여과에 의한 하천의 수질개선방법이, 한국특허등록 제0447342호에는 하천주변의 홍수터에 불포화 물 흐름을 발생시켜 하천수에 함유된 오염물을 제거하는 기술인 홍수터를 이용한 하천수의 유기물과 질소제거 방법이 각각 개시되어 있다.

그러나 한국특허등록 제0291223호의 토양여과에 의한 하천의 수질개선방법을 적용하기 위해서는 하천바닥에 충적층이 약 5m 이상의 상당한 두께로 형성되어 있어야 하고, 하천수의 유속이 상당하여 과다한 폐색층이 토양표층에 형성되지 않도록 하는 기작이 가능해야 하는 등의 조건이 필요하다. 또한, 지층이 큰 입자를 포함하거나 세립질 모래로만 구성된 경우 여과정의 시공이 매우 어렵거나 그 비용이 크게 증가한다는 단점이 있다. 우리나라의 큰 하천과 그 지천의 상당한 부분이 이러한 조건들에 해당되어 토양여과의 높은 효능에도 불구하고 이를 널리 보급하여 하천수질을 개선하기에는 한계가 있다.

한편, 한국특허등록 제0447342호의 홍수터를 이용한 하천수의 유기물과 질소제거 방법은 우리나라의 하천 특성상 하천의 주변에 넓게 분포되어 있는 홍수터를 이용하여 하천수에 포함된 유기물과 질소뿐 아니라 다른 미량 오염물을 높은 효율로 제거할 수 있는 좋은 방법이다. 이 방법은 넓은 홍수터에 하천수를 살포하여 토양에 침투시킴으로써 지하수위를 상승시키고, 상승한 지하수위와 하천수위의 차이에 의해 침투한 하천수가 중력에 의해 다시 하천으로 흘러들게 하여 이 과정에서 토양이 오염물이 제거되도록 하는 것이다. 우리나라의 자연하천은 지하수 유입천이어서 지하수는 홍수터에서 하천으로 흐르므로 주변 환경에 대한 영향이 최소화될 수 있으며, 토양을 이용하여 오염을 제거하므로 그 효율이 높을 뿐 아니라 경제적인 방법이라 할 수 있다.

그러나 이 방법은 홍수터 표면에서 하천수 공급 시 불포화 흐름을 유지해야 하는데 하천수를 홍수터에 골고루 살포하여 홍수터 토양에 불포화흐름을 형성하는 것은 기술적으로 어려우면서 효율이 낮고, 홍수터에 살포된 하천수가 여과되어 상당히 먼 거리에 있는 하천까지 다시 되돌아가는데 이 과정에 작용하는 힘은 오로지 중력뿐이므로 그 처리량이 작으며, 오염된 하천수를 상당한 높이의 공중까지 분수로 뿜어야 균등한 크기의 물방울이 형성되므로 골고루 살포하기 위해서는 에너지가 많이 들고, 오염된 하천수를 살포하므로 비산되는 물방울이 냄새 또는 다른 환경오염원이 되며, 살포된 물은 지표면의 식물체에 의해 차단되거나 증발이 촉진되어 물의 낭비가 많아진다는 단점이 있다. 또, 홍수터 토양을 통과하면서 깨끗해진 하천수가 지하수로 함양되어 중력에 의해 하천으로 유입되므로 하천수의 수질은 개선되지만 깨끗해진 여과수를 활용할 수 없다.

또 그 밖에, 홍수터의 자연토양을 굵은 입자의 자갈로 치환하여 여기에 오염된 하천수를 통과시켜 자갈입자에 부착하여 자라는 미생물의 오염처리능력을 이용하는 역간접촉산화법이나 이와 유사한 공법들이 시도되었으나 홍수에 의한 폐색과 발생된 슬러지의 처리 등에 어려움이 있어 실제로 널리 보급되지는 못하고 있는 실정이다. (환경관리공단, 하천자연정화시설부지 및 수질현황조사서, 1999년 4월)

[문헌1] 한국특허등록공보 10-0423662

[문헌2] 한국특허등록공보 10-0298244

[문헌3] 한국특허등록공보 제0291223호

[문헌4] 한국특허등록공보 제0447342호

[문헌5] 하천자연정화시설부지 및 수질현황조사서, 환경관리공단, 1999년 4월

본 발명의 목적은 홍수터에 하천수를 공급함에 있어 손실되는 물의 양을 줄이고, 주변 환경을 오염시키지 않을 뿐만 아니라 에너지가 적게 드는 하천수 침투를 촉진하는 하천수 분배체계를 가져 처리량이 크고, 여과된 하천수를 하천으로 유입시키지 않고 다른 용도로도 사용할 수 있는 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치 및 방법을 제공하는 것이 목적이다.

[과제의 해결 수단]

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치는, 하천수를 양수하여 하천수 도수관에 공급하는 하천수 양수실(11)과, 하천수 양수실에 연결되어 양수실에서 공급되는 하천수를 각 하천수 분배관(13)에 공급하는 하천수 도수관(12)과, 하천수 도수관에 일정 간격으로 연결되어 하천수 도수관(12)에서 공급되는 하천수를 출수대(14)에 공급하는 다수의 하천수 분배관(13)과 하천수 분배관(13)에 일정 간격으로 설치되어 하천수를 월류식으로 토양표면에 공급하는 출수대(14)와, 지하수면 아래의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관(21)과, 각 여과수 집수관(21)에 연결되어 역시 지하수면 아래의 지중에 설치되며 각 여과수 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정(23)으로 모으는 여과수 도수관(22)과, 여과수 도수관(22)에 연결되어 집수된 여과수를 최종적으로 수집하여 하천에 방류하는 여과수 집수정(23)을 포함하는 것으로, 하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 월류식으로 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층의 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하여 여과수 집수정에 모아 하천으로 방류하는 단계에 의하여 하천수의 수질을 개선한다. 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 것이다.

본 발명의 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치에 의해 하천수가 정화되는 과정을 물의 흐름을 따라가며 보다 상세히 설명한다.

먼저, 하천수 양수실(11)에서 퍼 올려진 하천수는 하천수 도수관(12)을 거쳐 하천수 분배관(13)으로 분배되어 지상에 노출되어 설치된 출수대(14)를 통하여 홍수터 지표면에 공급되는데 이 때, 하천수를 공중으로 비산시키지 않는 것이 본 발명의 첫 번째 특징이다. 여기에서, 하천수 도수관(12)과 하천수 분배관(13)은 지중이나 지상 어디에 위치해도 좋으나 홍수 시 피해와 시각적인 미감을 감안하면 지중에 설치하는 것이 바람직하다.

지표면에 공급된 하천수는 낙하지점에서 월류(flooding)하여 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.) 이 때, 하천수는 넓은 토양표면을 골고루 적시면서 스며들기 때문에 지중에서 공급되는 것과는 달리 오염물 과부하에 의한 폐색이 일어나지 않게 되고, 따라서 처리속도도 크게 할 수 있다.

이어서 정화된 하천수(여과수)는 여과수 집수관(21)에 집수되어 여과수 도수관(22)을 통하여 여과수 집수정(23)에 모이게 되는데 여과수가 단지 지하수면과 하천수면의 수두차에 의해 먼 거리를 이동하지 않고, 여과수 도수관(22)을 통해 즉각적으로 여과수 집수정(23)으로 이동한다는 것이 본 발명의 두 번째 특징이다. 이를 부연하여 설명하면, 지하수에서 물흐름의 구동력은 유선(stream line)을 따라 형성된 수위(수두)차이이고 물흐름에 대한 저항은 주로 토양입자에 의한 마찰저항으로 지하수의 이동거리가 길어질수록 마찰저항은 이에 비례하여 커진다(Darcy의 법칙). 하천수가 함양되는 지점의 바로 아래쪽에 여과수 집수관이 설치되지 않은 경우에는 여과수가 지하수면 아래의 포화대에서 주로 수평으로 이동하여 하천수에 도달한다. 이때 물흐름의 구동력은 지하수위와 하천수위의 차이이며, 이 차이는 대부분의 경우에 2-3m를 넘지 않을 정도로 작은 반면에 물흐름에 대한 저항인 지하수의 이동거리는 홍수터에서 하천까지 수십-200m에 달하게 된다. 따라서 물흐름 속도가 느려 땅속에 체류하는 기간이 매우 길어진다. 이로 인해 처리속도가 느려지고, 토양입자로부터 유기물이 용출되고 산소가 고갈되어 혐기환경이 조성되어 철, 망간 등이 용출되어 수질이 나빠진다. 처리속도를 높이기 위해 원수를 토양표면에 더 많이 공급하면 공급부위의 지하수위가 더 상승하지만 우리나라에서 홍수터와 하천수위 사이의 높이 차이는 5m 정도에 불과하므로 처리속도의 증가는 미미하며 오히려 지하수위 상승으로 인해 주변토양이 습지화 하는 등의 부작용이 발생한다. 이에 반해 본 고안에서와 같이 하천수를 토양면에 뿌려주는 지점의 바로 아래쪽의 지중에 여과수 도수관을 설치하는 경우 물흐름의 거리는 대략 10m 정도로 짧게 할 수 있고, 물흐름의 구동력인 수위차도 10m 정도로 크게 할 수 있어 여과수 이동속도가 빨라 처리속도가 빠르고 여과수가 토양중에 체류하는 시간도 필요이상으로 길어지지 않게 된다. 토양여과를 통한 수질개선은 표면부근 수m 깊이에서 가장 활발하고 이보다 더 긴 여과거리에서 추가적인 수질개선은 크지 않고 오히려 장거리의 여과에서 산소가 부족한 경우에는 철과 망간이 용출되는 부작용이 발생하므로 본 고안에서와 같은 설비의 배치가 필요하다.

또, 여과수 집수관(21)은 도 1과는 달리, 여과수 도수관(22)을 거치지 않고 여과수 집수정(23)에 직접 또는 여과수 도수관(22)을 통하여 여과수 집수정(23)에 방사형으로 연결되어도 무방하다.

그리고 상기 본 발명의 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치는 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 하천수를 토양의 표면에 공급함에 있어서, 하천수를 간헐적으로 공급하는 것이 바람직하다. 여기에서, 간헐적이라 함은 ‘주기적’이라는 의미를 포함하는 것으로 기후와 날씨에 따라 하천수 급수주기가 달라진다는 것을 의미한다.

이는 주기적으로 지표면을 건조시키기 위함인데 이유는 토양표면의 폐색을 예방하여 투수계수를 유지하기 위함이다. 관개와 건조는 토양의 여러 조건에 따라 그 주기가 다른데, 우리나라 하천주변의 홍수터 토양에서는 관개와 건조의 지속기간 비율을 대략 0.2 ~1.0 정도로 하는 것이 바람직하다. 관개와 건조를 지속하면 토양표면의 폐색방지뿐 아니라 갯벌의 호흡과 같은 메커니즘에 의하여 토양가스의 순환도 촉진되고, 이에 인해 오염물 분해도 촉진된다.

본 발명의 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치는 하천수 대신 하수처리장 유출수를 공급하여 하수처리장 유출수를 하천에 방류하기 전에 한 번 더 정화하는데 사용할 수도 있는데 이렇게 하면 방류수의 수질이 추가로 개선될 뿐 아니라 하수처리에 사용된 침전제 등 화학약품이 토양에 의해 중화된다는 장점이 있다.

본 발명에 의하면 첫째, 홍수터의 토양층에 의해 정화된 물이 빨리 회수되므로 하천수 처리량이 늘어나고, 둘째, 하천수를 공기 중에 비산시키지 않으므로 가동하는데 에너지가 적게 들고 물이 낭비되지 않으며, 셋째, 두 번째와 동일한 이유로 냄새가 나거나 주변을 오염시키지 않아 혐오시설로 기피대상이 되지 않고, 넷째, 정화된 하천수를 하천으로 되돌리지 않고 농업용수 등의 다른 용도로도 으로 사용할 수도 있고, 다섯째, 약품을 사용하거나 슬러지도 발생하지 않아 환경친화적이며, 여섯째, 출수대를 제외한 모든 설비가 지하에 설치되므로 부지에 녹지를 조성할 수 있어 보기에도 좋고, 끝으로, 무엇보다도 우리나라 하천에 적합하다는 장점이 있다.

또한, 하천수가 아닌 하수처리장 방류수를 하천에 방류함에 있어 본 발명을 적용하면 하천수질개선에 더욱 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명 토양여과를 통한 하천수 수질개선장치의 평면배치도의 일예(청구항 2)를 도시한 것으로, 도 1은 평면배치도이고, 도 2는 수직단면도이다.

** 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

상기 [과제의 해결 수단]에서 설명한 바와 같이, 홍수터에 하천수가 흐르는 관은 지상에, 여과수가 흐르는 관은 지하에 설치하는데 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 지하수면 아래의 적당한 깊이에 설치한다. 이는 보통의 우리나라 토양에서 지표면을 통해 침투된 오염된 하천수가 토양을 통과하면서 정화되는데, 소요되는 여과거리가 약 50 cm 정도이고, 지하수면은 지표면에서 대략 2 m 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). 그리고 넓은 지역에 살포되어 토양으로 침투한 하천수가 수직으로 이동하여 지하수면에 도달하고 이 지하수가 다시 수평이동을 통해 하천까지 도달하기 위해서 토양중의 먼 거리를 이동하는 것은 여과수질 개선에 큰 도움이 되지 않고 그 처리속도만 늦춘다는 사실에 근거한 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. 집수관의 직경이 작고 금속제인 경우에는 그 시공이 쉬운 장점도 추가된다.

Claims (5)

1. 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, 지하수면 아래의 지중에 설치되어 토양여과를 통해 정화된 여과수를 포획하는 유공관으로 이루어지는 다수의 여과수 집수관과, 각 여과수 집수관에 연결되어 역시 지하수면 아래의 지중에 설치되며 각 집수관에 포획된 여과수를 여과수 집수정으로 모으는 여과수 도수관과, 여과수 도수관에 연결되어 집수된 여과수를 최종적으로 수집하여 하천에 방류하는 여과수 집수정을 포함하는 것으로,

   하천수를 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통하여 월류식으로 토양의 표면에 공급하는 단계와, 월류된 하천수가 토양에 스며들어 하강하면서 토양층의 여과 및 토양 내 미생물에 의한 생화학적 반응에 의해 정화되는 단계와, 토양에 의하여 정화된 여과수를 여과수 집수관과 여과수 도수관을 통하여 여과수 집수정에 모아 하천으로 방류하는 단계에 의하여 토양여과를 통한 하천수의 수질을 개선장치.
2. 제1항에 있어서, 각각의 하천수 분배관이 하천수 도수관에 직각으로 연결되어 하천수 분배관끼리 서로 평행하고, 각각의 여과수 집수관이 여과수 도수관에 직각으로 연결되어 여과수 집수관끼리 서로 평행한 것을 특징으로 하는 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치.
3. 제1항에 있어서, 여과수 집수관이 여과수 도수관을 거치지 않고 여과수 집수정에 직접 방사형으로 연결된 것을 특징으로 하는 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치.
4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항의 토양여과를 통한 하천수 수질개선 장치를 운전함에 있어서, 하천수 양수실, 하천수 도수관, 하천수 분배관을 거쳐 출수대를 통해여 하천수를 토양의 표면에 공급하는 단계에서 하천수를 간헐적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 토양여과를 통한 하천수 수질개선 방법.
5. 제4항에 있어서, 하천수 대신 하수처리장 방류수를 공급하여 하수처리장 방류수를 추가로 정화한 후, 하천에 방류하는 것을 특징으로 하는 토양여과를 통한 하천수 수질개선 방법.