01분반 2조 컵이프린스
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 폐기음료 수거 및 컵 세척장치: 소규모 중수처리기술을 이용한 물 재이용 시스템
영문 : Design of Waste Beverage Collecting and Disposable Cup Washing Device: Water Reuse System using Small-Scale Greywater Treatment
과제 팀명
컵이프린스
지도교수
오희경 교수님
개발기간
2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 20198900** 김*희(팀장)
서울시립대학교 환경공학부·과 20198900** 양*을
서울시립대학교 환경공학부·과 20198900** 조*린
서울시립대학교 환경공학부·과 20198900** 송*진
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
- 폐기 음료를 수거하여 하수도관으로 보내고, 중수 처리한 세면배수를 재이용하여 일회용 컵을 세척할 수 있는 장치를 설계한다.
개발 과제의 배경 및 효과
- 과제의 배경
- 카페 음료를 마신 뒤, 음료가 남아있는 컵을 쓰레기통이나 길거리에 버리는 모습을 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있다. 쓰레기통 근처에 남은 음료를 버릴 수 있는 시설이 마땅치 않기 때문일 것이다. 드물게 설치된 음료 수거통은 대부분 입구가 개방되어 있어, 악취와 벌레를 유발한다는 문제점이 있다. 또한, 환경부의 분리배출 가이드라인에 따르면, 플라스틱 용기 배출 시 내용물을 비우고 물로 헹구어 이물질을 제거한 후 배출해야 한다고 명시되어 있다. 하지만 화장실까지 가서 컵을 세척하는 것이 번거롭기 때문에 많은 사람들이 이 과정을 생략한다.
- 과제의 효과
- 폐기음료 수거 및 컵 세척장치를 통해 폐기 음료로 인해 발생했던 문제들(미관상 더러움, 악취 등)을 해결하여 쾌적한 환경을 조성할 수 있으며, 사람들이 번거롭다고 생각했던 부분들을 한 가지 장치로 해결했기 때문에, 올바른 분리배출을 실천하는 사람들이 증가할 것이다. 또한 올바른 자원순환과 물순환에 기여하고, 이 개념을 많은 사람들에게 홍보할 수 있음에 의의를 둔다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 중수도의 원수는 비교적 수질 오염이 덜한 세면배수로 하며, 이 세면배수를 간이 중수처리하여 컵 세척수로 재이용한다. 세척 후 나온 폐수는 폐기 음료와 함께 하수도관으로 이송된다. 이는 사람들이 올바르고 편리하게 음료 컵을 분리 배출할 수 있도록 돕는 것을 목적으로 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
◇ 전 세계적인 기술현황
[중수도 처리시설]
물 재이용시설 설계 가이드라인에 따르면, 중수도 처리시설은 원수 조정조, 스크린, 약품침전, 급속여과, 활성탄 흡착, 막분리, 오존산화, 소독 등의 공정을 단독으로 또는 몇 가지를 조합하여 구성하며, 필요에 따라서는 생물학적 처리의 적용도 검토할 수 있다.
1) 스크린
스크린은 원수 중에 부유하는 비교적 큰 물질을 제거하기 위해 설치한다. 스크린 눈금의 크기와 접근유속은 제거 대상물질의 성상 등을 고려하여 결정해야 한다.
2) 급속여과
급속여과는 모래, 모래와 안트라사이트, 섬유사, 폴리에틸렌 등의 여재로 이루어진 여층에 비교적 높은 속도로 유입수를 통과시켜 부유물을 제거하는 공법이다. 여과속도는 유입수량을, 여과면적은 계획여과수량을 고려해야 한다. 여재는 입도분포가 적절한지, 잘 마모되지 않는지, 안정적이고 효율적으로 여과 및 세척이 가능한지를 고려하여 선택해야 한다.
3) 막분리
막분리법은 막을 이용하여 입자성 및 용존성 오염물질을 제거하기 위해 설치한다. 분리막의 분리 성능에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투(RO) 등으로 나눌 수 있다. 이 중 정밀여과는 제거 대상이 입자이기 때문에 제거 대상물이 현탁성분, 박테리아이고 역삼투막의 전처리로 사용되기도 한다. 이는 하폐수처리에 가장 많이 사용되고 있고, 가장 저렴하며 주로 폴리프로필렌, 아크로나이트릴, 나일론, 폴리테트라플루로에틸렌으로 만들어진다. 수요처의 수질 요구수준이 높은 경우, 나노여과와 역삼투 등의 추가 공정을 위해 그 전처리로서 잔류 부유물질이나 콜로이드 물질을 제거하는 데에 정밀여과를 이용하기도 한다.
4) 기타
[악취 저감 장치]
1) 3단계 약액세정식 탈취
쓰레기 자동집하시설의 악취저감 방법으로 복합악취에 가장 효과적이며, 액체에 대한 기체의 용해성을 이용해 악취성분을 액체로 흡수시켜 탈취하는 방법이다. 생활쓰레기와 음식물쓰레기 특성상, 주된 악취물질은 황화합물, 알데히드류이고, 암모니아와 황화수소, 메틸머캅탄 등은 상대적으로 낮은 농도였지만 악취방지법상 배출허용농도는 초과한다.
2) 미생물 포괄고정화담체
기존 바이오 필터의 문제점 보완 및 효율을 극대화할 수 있다. 충분한 SRT(Solid Retention Time) 유지 가능하며 유입부하, 온도, pH 변화 등에 대해 미생물의 활성을 유지시킬 수 있다.
3) 맨홀필터
맨홀 내부에서 올라오는 악취를 첨착활성탄을 이용해 흡착 제거 가능하다. 얇은 필터층으로 구분하여 다단 적체 가능 및 별도의 동력 공급이 필요없다.
4) 하수악취차단장치 - ㈜마루맨
부유식 악취차단장치로, 반영구적이다. 악취차단장치 바닥에 오물 정체 시 유입 구멍이 벌어짐 상태로 차단 기능을 상실한다.
5) 우수받이용 악취차단장치 - 생협
스프링 방식과는 달리 자중에 의해 닫히므로 장기간 사용해도 열화가 없다. 무게추에 의해 악취차단덮개가 닫혀있다가 물의 압력에 의해 열리는 방식이다.
◇ 특허조사 및 특허 전략 분석
[중수처리 기술]
1) 유량조정폭기조와 한외여과막방식 중수도 시스템
2) 정수기의 여과필터 설치장치
3) 음료 폐기물 수거장치
[악취 저감 기술]
1) 하수구 악취 방지장치
2) 역류성 악취 차단장치
3) 악취가 차단되는 배수 트랩
◇ 특허전략
[중수처리 기술]
1) 단순 음료 수거를 넘어서, 폐기음료를 하수관으로 이송시킬 수 있으면서 컵 세척도 가능하도록 설계한다.
2) 필요한 세척수량을 만족시킬 있으면서 소요면적을 최소화되도록 장치를 설계한다.
3) 세디먼트필터, MF필터, 카본필터(활성탄)을 순차적으로 배치하여 중수도 수질 기준을 만족시키며, 카세트형 필터를 사용하여 유지관리가 편하도록 한다.
[악취 저감 기술]
1) 기존 폐기 음료 수거장치에는 악취차단기술을 동시에 적용한 사례는 거의 없다. 이에 오수의 흐름을 방해하지 않으며, 가볍고 소형화된 차단막을 고안하여 폐기 음료 정수처리기술과 접합시켜 설계한다.
◇ 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
◇ 경쟁제품 조사 비교
◇ 마케팅 전략 제시
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
-“폐기음료 수거 및 일회용 컵 세척장치”에서는 중수(세면배수) 처리과정을 소형화하여 적용함으로써 공간의 크기에 구애받지 않고 배치⦁설치할 수 있다.
- 중수 원수 중 세면배수에 특화된 중수 처리 과정을 적용하여 비교적 적은 처리공정으로 경제적으로 중수도 수질기준을 만족시키는 세척수를 생산할 수 있고, 생산한 세척수로 음료 찌꺼기 등의 이물질이 있는 일회용 컵을 세척하여 양질의 플라스틱 재활용품을 수거할 수 있다.
- 기존의 폐기 음료 수거통은 특정 시간 간격으로 무거운 수거통을 비우며 하루에 여러 번의 관리가 필요하다. 하지만, “폐기 음료 수거 및 처리 장치”를 사용할 경우, 무거운 음료 수거통을 이동시킬 필요 없이 내장된 오수관로 연결 시스템으로 즉각적인 처리가 가능하며, 기존 폐기 음료 수거통 사용 시 포함되어있던 찌꺼기 처리 과정도 생략할 수 있다.
- 화장실 세면대에서 발생하는 세면배수를 일회용 컵 세척수로 재이용함으로써 도시의 물순환 시스템 구축에 기여할 수 있다.
경제적 기대 및 파급효과
- 세면 배수를 중수 처리하여 일회용 컵 세척수로 재사용하므로 세척에 필요한 수돗물을 절감할 수 있다. 중앙도서관에서 예상되는 일일 사용 세척 수량은 42.84~71.4 L/day이며, 서울 상수도 사업본부에서 책정된 상수도 요금은 1,270 원/m³이다. 이에 중수 처리수를 세척수로 사용하여 저감되는 최대 비용은 1,270 원/m³ × 0.0714 m³/day = 2,720 원/월이다.
- 폐기 음료 속 음식 찌꺼기에 의한 세면대 배관, 변기의 막힘을 예방할 수 있다.
- 본 설계를 통해 일회용 컵을 세척한 뒤 분리수거 하므로 재활용센터에서 일회용 컵 세척에 필요한 비용 절감을 기대할 수 있다. 일회용 컵 배출 시 재활용 세척 단계에서 소모되는 비용 = 150-450원/개， 물 재이용 시 저감 세척 비용 = 150 ~ 450원/개 × 168개/일 = 25,200 ~ 75,600원/일이 계산된다． 이에 본 설계장치 이용 시, 재활용의 세척 단계에서 저감할 수 있는 비용은 최대 75,600 원/일이다.
- 고압 컵 세척기를 통해 일반적인 방법으로 세척 했을 때보다 세척수 사용량을 저감할 수 있다. 음료를 다 마신 일회용 컵을 일반적인 세척방법(헹굼)과 고압 세척기를 사용한 세척방법을 통해 동일한 청결 수준으로 세척하여 소요된 수량을 비교하였다. 아래의 그래프와 같이 초코 라떼의 경우, 670 mL에서 450 mL로 고압 세척기를 사용했을 때가 헹궈서 세척했을 때보다 세척 수량을 33% 저감할 수 있다는 것을 알 수 있다. 아이스 아메리카노의 경우, 550 mL에서 110 mL로 80%의 세척 수량을 저감할 수 있다.
사회적 기대 및 파급효과
- 공공기관 등에 설치함으로써 올바른 일회용 컵 분리배출에 대한 인식이 강화되어 시민의식의 향상을 기대할 수 있다.
- 폐기 음료 수거 및 처리 장치의 비용 대비 효용 가치가 높아 사회 전반적으로 상용화가 가능하다.
- 소규모 물 재이용 기술의 발전을 기대할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
◇ 공통 분담
1) 주제 선정을 위한 자료 조사 및 선정
2) 관련 기술 조사 및 분석과 주제의 경쟁력 분석
3) 상세 설계
4) 재료 선정과 모형 제작
5) 최종 설계
◇ 개별 분담
김진희: 경쟁력분석보고서 발표, 상세설계 보고서 작성, 설치 위치 조사 및 선정, 필요 세척수 유량 및 용량 선정, 소규모 중수처리의 수리학적·구조적 설계 및 연결 수로관 설계, 적정 펌프·밸브 선정, 포스터 발표
양가을: 최종 발표, 상세설계 발표, 상세설계 (PPT 제작, 활성탄 흡착능 조사, 자료 정리 및 요약), 시연물 전기 회로 및 아두이노 코드
조예린: 과제제안서 발표, 시연물의 3D 프린트를 위한 최종 부품도 및 조립도 캐드 제작, 여과필터 투과유속 및 투과저항 조사, 여과장치 제품 조사, 적정 펌프 조사, 소규모 중수처리 구조적 설계 및 연결 수로관 설계
송예진: 개념설계보고서 발표, 여과필터 고유막저항 및 여과장치 제품 조사, 여과조 및 펌프에 필요한 압력 계산, 상세설계 조립도 및 부품도 발표자료 제작, 포스터 제작
설계
설계사양
제품의 요구사항
설계 사양
개념설계안
◇ 올바른 분리배출을 돕는 컵 세척 및 음료 수거 시스템
1) 사용자는 남은 음료를 ‘폐기 음료 투입구’에 버린다. 버려진 폐기 음료는 하수도관으로 이송된다. 투입구에는 악취 저감 장치가 설치되어 있다. 이 장치는 평소에는 닫힌 상태로 악취를 차단하고, 액체가 투입되면 그 무게로 인해 열려서 액체를 내보낸다.
2) 빈 컵을 ‘고압 자동 컵 세척기’로 헹군다. 사용자의 물 접촉을 최소화하기 위해, 컵을 뒤집어서 놓으면 고압수가 분사되어 자동으로 세척되는 장치를 사용하였다. 세척수는 중수처리를 마친 저장조에서 공급받고, 세척 후 나온 폐수는 ‘폐기 음료 투입구’로 배출된다.
3) 깨끗해진 컵을 인근 쓰레기통에 분리 배출한다.
◇ 올바른 분리배출을 돕는 컵 세척 및 음료 수거 시스템
1) 중수처리를 위한 세면배수의 흐름은 검은색 화살표이며 중수처리장치로의 유입을 위해 기존 세면배수관을 T자 관으로 바꾸고 전동 밸브를 설치한다. 시간대별(14~17시)이나 원수 저장조의 수위 저하 시 밸브를 조정하여 원수 저장조로 세면배수가 유입될 수 있도록 한다.
2) 폐기 음료 투입구로 유입된 폐기 음료와 세척 오수는 파란색 점선 관을 통해 이동하여 기존의 화장실 배수관으로 유입시켜 하수처리 시설로 이송한다. 또한, 이러한 오수 이송관에 원수 저장조나 저장조의 by pass관을 연결하여 월류되는 유량도 해결한다.
3) 화장실 근처에 설치하여 중수처리장치로 세면배수 유입과 하수관으로 오수 배출이 용이하도록 하고 정수기 근처에 설치하여 비상시 저장조의 수돗물 공급이 가능하도록 한다.
4) 중수처리장치의 유입관(세면배수 유입관)과 배출관(외부로 드러나는 배출관)은 PE 주름관을 사용하여 벽이나 바닥에 매설하기보다 몰딩이 가능하도록 하여 시공을 최소화한다.
◇ 소규모 중수처리
중수도는 개별 시설물이나 개발 사업 등으로 조성되는 지역에서 발생하는 오수를 공공하수도로 배출하지 아니하고, 재이용할 수 있도록 개별적으로 또는 지역적으로 처리하는 시설을 의미한다. 중수도의 설치 목적은 물 절약으로 연결되는데 일반적인 건물에서의 중수도 설치에 따른 절수 효과는 약 20% 정도이다. 중수도는 용도별로 수질 기준이 달라지는데, 이중 청소 및 화장실 용수는 BOD 5 mg/L, 탁도 2 이하, 냄새는 불쾌하지 않을 것, 색도는 20 이하를 만족해야 한다.
1) 해당 설계에서는 중수 원수로 세면 배수를 사용할 예정이다. 세면 배수는 BOD가 6-15 mg/L, 색도 0-18로 중수도의 색도 기준은 만족시키지만, BOD 기준은 초과하고 있어 중수도 처리 과정으로 BOD 농도를 저감 시킬 필요가 있다. 해당 설계에서는 간이 스크린, 원수 저장조, 정밀여과, 세척수 저장조로 구성되어 있어 작은 면적에서 중수도 원수를 간이 처리할 수 있도록 한다.
2) 중수처리 규모에 비해 처리하고자 하는 BOD의 부하가 높아 BOD 부하가 높은 시간대에는 세면 배수의 유입을 차단해 낮은 BOD의 중수도 원수만을 유입시키는 시스템을 추가한다.
3) 정밀여과로 제거되지 못한 유기물을 제거하기 위해 활성탄을 사용한다. 활성탄은 분말 활성탄, 입상 활성탄 중 선택하여 여과 필터나 세면배수 저장조에 배치시킨다.
4) 세척수 저장조 내에 UV 램프를 설치하여 소독과정을 통해 미생물을 중수도 수질기준 이하를 만족시킨다.
이론적 계산 및 상세설계 내용
세척수 저장조 용량
1) 하루 동안 발생하는 일회용 컵의 수
하루에 발생하는 컵의 개수를 파악하기 위해, 중앙도서관에서 설문조사를 진행하였다. 중앙도서관 1층 출입구 앞에서 36시간 동안 조사한 결과, 도서관에 음료를 가지고 온 학생 수는 337명이었다. 음료를 들고 온 학생 수를 발생할 일회용 컵의 수라고 생각하고 이 값을 2 day로 나누어 1일 발생 컵 개수를 168개로 하였다.
2) 필요 세척수
상기 1) 에서 구한 일회용 컵의 수와 설계에 사용할 고압 자동 컵 세척기의 사양을 통해 하루 동안 필요한 세척수를 구할 수 있다. 고압 자동 컵 세척기의 유량은 평균 5.1 L/min이고 컵 세척 시 소요 시간은 3~5 sec 이다.
∴ 하루동안 필요한 세척수= 5.1L/min∙개 × min/60sec × 3∼5sec × 168개
= 42.84 ~ 71.4 L
중수도 시설 설계 가이드라인에 따라 1일 최대급수량을 설계 기준으로 하지만, 단시간에 71.4 L가 요구되지 않을 것이며, 장치의 소형화를 위해 1일 최대급수량의 1/2에 해당하는 35.7 L로 용량을 설정하였고 원수 저장조를 1일 최대급수량인 71.4 L로 설정하여 1일 최대급수량 공급에 문제가 없도록 하였다.
3) 세척수 저장조의 규격
세척수 저장조의 월류관 설치 및 여유율을 고려하여 세척수 저장조의 높이를 24 cm에서 30 cm로 설정하였다. ∴ 세척수 저장조의 폭*길이*높이= 30*50*30 cm
4) 세척수 저장조의 월류관
과도한 세척수 생성으로 인한 overflow를 방류하기 위해 세척수 저장조 상단에 관경 2 cm의 월류관을 두어 일정 수위 이상으로 상승 시, 자연유하되도록 하며 월류관은 오수관에 연결하여 방류되도록 설계하였다.
원수 저장조 용량
1) 원수 저장조의 용량 및 규격
원수 저장조의 용량은 1일 최대급수량인 71.4 L로 한다. 원수 저장조도 월류관 설치 및 여유율을 고려하여 높이를 48 cm에서 54 cm로 설정하였다. ∴ 원수 저장조의 폭*길이*높이= 30*50*54 cm
2) 3층 화장실에서의 중수도 발생량
해당 설계의 원수인 세면배수를 항시 중수처리장치로 공급하는 것이 아닌, 수질이 비교적 깨끗한 시간대를 위주로 공급할 것이기 때문에 세면배수 중에서도 부하가 높을 것으로 예상되는 양치물의 유입은 피하고 손 씻는 물만 원수로 사용하기로 하였다. 따라서, 많은 사람들이 양치하는 점심·저녁식사 시간대를 피하고, 오후 2~5시 사이의 세면배수를 중수도 원수로 사용할 것이다. 해당 시간대에 발생하는 세면배수의 양을 추정하기 위해, 중앙도서관 3층 여자 화장실에 출입하는 사람의 수를 추정하였고, 그 결과, 1시간 동안 27명의 사람이 화장실에 출입하였다. 서울 상수도사업본부에 따르면 수도꼭지를 통해 10초간 손을 씻을 시 발생하는 수량은 2.4 L이다. 화장실에 출입한 사람은 모두 한 번씩 10초 동안 손을 씻는다고 가정해보면, 1시간 동안 여자 화장실에서 발생하는 세면배수는 64.8 L이다. ∴ 오후 2~5시 동안 발생하는 세면배수의 양 = 2.4 L/회 × 27 회/hr × 3 hr = 194.4 L 다른 화장실을 통해서도 세면배수가 발생하므로 194.4 L보다 많이 발생할 것으로 예측할 수 있고, 이는 1일 최대급수량인 71.5 L이상이므로, 충분한 세척수 공급이 가능할 것이라고 예상한다. 만약, 사용자의 급증으로 저장 및 처리된 중수의 양이 부족하다면 세척수 저장조에 연결된 상수도관으로 세척수를 추가 공급할 것이다.
3) 원수 저장조의 월류관
과도한 세면배수 유입으로 인한 overflow를 방류하기 위해 원수 저장조 상단에 관경 2 cm의 월류관을 두어 일정 수위 이상으로 상승 시, 자연유하되도록 하며 월류관은 오수관에 연결하여 방류되도록 설계하였다.
목표수질 달성을 위한 여과조 설계
1) 목표수질
문헌조사에 따르면 세면배수 및 욕실 배수의 BOD는 15 mg/L, 탁도는 1~7.9 NTU, pH 6.5~7.6, 색도 8.2~50도임을 알 수 있다. 위의 수질기준 중에서 해결해야 할 지표는 BOD, 탁도이며 추가로 색도를 해결하려 한다. 색도는 활성탄 흡착을, 탁도는 정밀여과막(MF)을 적용하려 한다.
2) 활성탄 적정 투입용량
Freundlich 흡착등온선 실험식을 통해 목표수질 달성을 위해 필요한 활성탄의 양을 도출하였다. 관련 연구 논문에 따라 K = 0.0374 mg/mg (=L/mg), 1/n = 1.4를 사용하였고 활성탄 처리수의 BOD는 기준치보다 낮은 4 mg/L를 목표로 설정하였다.
설계의 변수를 대입하여 도출된 활성탄 주입량(M)은 42.23 mg/L (= 42.23 g/m³)이고, 이는 중수도 가이드라인의 활성탄 주입량 기준범주인 24~48 g/m³ 안의 값이므로 적절함을 알 수 있다.
3) 탁도
정밀여과 처리의 연구 결과에 따르면, 평균탁도의 농도가 각각 13.0±26.4 NTU를 함유한 가압식 정밀여과 장치의 원수는 평균수온 14.8±8.3℃로 유입되었다. 가압식 정밀여과 장치에 의한 처리수 탁도는 0.028±0.01 NTU이다. 이를 통해 설계의 원수인 세면배수를 정밀여과 처리로 목표수질을 달성할 수 있음을 예측해볼 수 있다.
4) 색도
연구 결과에 따르면, 정밀여과 공정 유입수의 평균 색도는 11도이며, MF막필터와 활성탄의 조합공정으로 처리 시, 평균 색도는 4도로 저감되었고, 이때의 색도 평균제거율은 60.7%이다.
여과조의 펌프 및 관경 설정
1) 중수필터의 요구사항
설계 장치의 용량이 정수기와 유사하고, 정수기필터가 설계의 중수처리의 여과조와 유사하여 적절한 정수기필터를 선정하여 참고하려 한다. 선정한 필터는 ‘워터피아 골드필터 세트’로 필터의 사양은 아래의 표와 같다.
따라서, 중수필터를 위한 요구압력을 2 (=20 m)로 설정하였으며, 필터 간의 연결관은 제품사양에 맞게 0.6 cm로 한다.
2) 적용할 펌프
ⅰ) 실양정= 흡입양정 + 토출양정 = -0.48 m
ⅱ) 마찰손실수두 = 0.039 m
(관경 6 mm, 마찰계수 0.0325, 관 길이 0.15 m, 유속 3.07 m/s)
ⅲ) 토출말단 잔류수두= 20 m
∴ 급수에 필요한 양정(전양정) = 실양정 + 마찰손실수두 + 토출말단
잔류수두(여유수두)
= 19.56 m (= 1.956 )
여유율과 최대사용압력을 고려하여 3.569 kgf/cm2의 작동압력을 가지는 펌프를 사용한다.
3) 연결관 관경
원수 저장조 배출관(펌프 유입관)과 필터 배출관(세척수 저장조 유입관)의 관경은 1.6 cm(15 A)로, 필터간의 연결관은 0.6 cm로 한다.
급수 펌프 및 급수관 설정
1) 급수에 필요한 압력
설계 장치에 설치할 ‘고압 자동 컵 세척기’의 최소요구압력은 150 kPa(= 15.3 m)이고 세척수 저장조에서 세척기까지의 높이는 1.10 m이다. 다른 손실수두도 고려하여 전양정을 구한 결과는 아래와 같다.
ⅰ) 실양정= 흡입양정 + 토출양정 = 1.10 m
ⅱ) 마찰손실수두= 2.03×10-3
(관경 16 mm, 마찰계수 0.0325, 관 길이 1.10 m, 유속 0.422 m/s)
ⅲ) 토출말단 잔류수두= 15.3 m
∴ 급수에 필요한 양정(전양정) = 실양정 + 마찰손실수두 + 토출말단
잔류수두(여유수두)
= 16.4 m (= 1.64 )
여유율을 고려하여 3.569 kgf/cm2 의 작동압력을 가지는 펌프를 사용한다.
2) 급수 관경
설계 장치에 설치할 ‘고압 자동 컵 세척기’의 연결부 관경은 1.6 cm(15 A)이므로 세척수 저장조 배출관(펌프 유입관)과 세척기 연결관(펌프 배출관)의 관경은 1.6 cm(15 A)로 한다.
시뮬레이션
조립도
조립순서
1) 관의 종류
- 보라색 관: 세면배수 유입관
- 하늘색 관: 비상급수관
- 분홍색, 파란색, 초록색 관: 중수필터 간의 연결관
- 주황색 관: 세척수 유입관
- 초록색 관: 세척수 배출관(세척기 연결관)
- 검은색 관: 오수관 및 월류관
2) 부품관의 연결 관계
① 원수 저장조
- 원수 저장조 상부에 세면배수 유입관을 연결하고 하부에는 필터부로 연결되는 원수 저장조 배출관을 연결한다.
- 원수 저장조 상부 벽면에 월류관을 연결하고 월류관은 오수관과 연결된다.
- 원수 저장조 배출관과 필터 유입관 사이에 펌프를 설치한다.
② 세척수 저장조
- 필터 배출관과 유입관을 연결하고 세척수 저장조 측면에 설치하여 중수처리된 세척수가 유입된다.
- 세척수 저장조 상부에 비상급수관을 연결하여 비상시에 상수도를 공급한다.
- 세척수 저장조 하부에 배출관을 연결하고 세척장치와 연결하여 세척수를 공급한다.
- 세척수 저장조 배출관에 펌프를 설치한다.
- 세척수 저장조 상부 벽면에 월류관을 연결하고 월류관은 오수관과 연결된다.
- 세척수 저장조 내부 상단에 UV램프를 설치하여 살균 소독한다.
③ 음료 투입부
- 음료 투입부의 가운데에는 악취 저감 장치가 설치된 음료 투입구가 있고, 투입부 판의 하측 좌편에 고압 컵 세척장치를 설치한다.
- 음료 투입구는 장치 내부의 오수관과 연결되며 건물의 하수관과 연결된다.
- 고압 컵 세척장치의 급수관은 세척수 배출관으로 중수처리된 세척수가 공급된다.
부품도
1) 원수 저장조 및 세척수 저장조
원수 저장조와 세척수 저장조의 재질은 스테인리스 테프론으로 한다.
- 원수 저장조
- 세척수 저장조
2) 악취저감장치
악취저감장치는 스테인리스 재질로 한다.
제어부 및 회로설계
1) 펌프
2) 밸브
소프트웨어 설계
1) Workflow
2) 아두이노 코드
① 펌프 작동 코드
② 전동밸브 작동 코드
③ 시연물 작동 코드
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
포스터
관련사업비 내역서
1) 자재소요서
2) 개발사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
- 설치 장소인 중앙도서관의 유입시간에 따른 실제 세면배수의 수질이 참고한 문헌과 차이가 있으므로, 시간에 따른 유입부하에 관한 추가 세부조사가 필요함
- 경제성 재고를 위해 MF(정밀여과) 필터를 대신해 활성탄 필터와 MF필터를 결합하는 등 본 설계에 적합한 필터부를 개발하여 단가를 낮춤
- 본 설계 대상 장소인 서울시립대학교 중앙도서관 이외에서의 사용을 위해 다른 기관이나 장소에도 적용 가능하도록 맞춤형 설계를 할 필요가 있음
특허 출원 내용
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부록
참고문헌 및 사이트
1) 한국농수산식품유통공사 식품산업통계정보시스템
2) 재활용품 분리배출 가이드라인, 환경부
3) 물 재이용시설 설계 가이드라인. 환경부, 2022
4) 김길태. 공동주택 잡배수의 분리 처리를 통한 재이용 방안 연구(Ⅰ). 서울: 토지주택연구원, 2015.
5) “중수도의 현황과 시설의 유지 및 관리”, 5pg
6) 생생활계 배수의 수질 특성 – 장인호. "외부순환형 MBR을 이용한 건물 내 중수처리 시스템 개발." 국내석사학위논문 고려대학교 대학원, 2009. 서울
7) 이경재. "정수처리를 위한 PAC(분말활성탄)-UF 막분리 공정을 이용한 유기물질의 제거." 국내석사학위논문 釜慶大學校 大學院, 2004. 부산
8) 김민국 ( Min Kuk Kim ),and 전양근 ( Yang Kun Chun ). "전오존과 중공사형 한외여과막을 이용한 간이정수처리시스템에 관한 연구." 한국물환경학회지 21.2 (2005): 196-204.
9) 특허정보검색서비스 키프리스, http://www.kipris.or.kr/khome/main.jsp
10) Inobus, “ReCUP 일회용컵 세척 수거기”, https://www.inobus.co.kr/blank-4-1-2-1, (2023.10.09. 접속)
11) 서울교통공사, “음료 수거함”, http://www.seoulmetro.co.kr/kr/board.do?menuIdx=547&bbsIdx=2208254, (2023.10.09. 접속)
12) SH텍, “컵집”, https://blog.naver.com/aprica_korea/222725647892, (2023.10.09. 접속)
13) 이현정 기자, “남은 음료는 저에게 주세요”...홍대 쓰레기통의 ‘유쾌한 반란’, 헤럴드 경제, 2017.08.23. https://biz.heraldcorp.com/view.php?ud=20170823000055
14) 김주연 기자, “하루 10번 씻어도 물값 월 1950원…손씻기의 경제학은 ‘돈보다 예방’”, 서울신문, 2020.02.19. https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20200219012017
15) 최현숙. "하수 재이용율 향상을 위한 모래여과/MF 및 활성탄여과 조합공정의 적용." 국내석사학위논문 서울시립대학교 도시과학대학원, 2013. 서울. 36p
16) 나노여과공정을 이용한 막여과 일체형 상용화 정수 시스템 개발. 2012. 189pg
