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===EQPS 공정도 및 물 재이용 시스템 CAD 설계=== | ===EQPS 공정도 및 물 재이용 시스템 CAD 설계=== |
2023년 12월 9일 (토) 06:10 판
목차
- 1 프로젝트 개요
- 2 서론
- 3 설계
- 3.1 제품의 요구사항
- 3.2 개념설계안
- 3.3 평가 및 분석
- 3.4 이론적 계산 및 시뮬레이션
- 3.4.1 집수면 면적 계산
- 3.4.2 빗물 집수량 계산
- 3.4.3 수직 우수관 관경 설정
- 3.4.4 수직 우수관 개수 산정
- 3.4.5 수평 우수관 관경 설정
- 3.4.6 인공 연못 용적 계산
- 3.4.7 인공 연못 면적 및 깊이 설정
- 3.4.8 수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 급속혼화지1
- 3.4.9 수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 플록형성지1(완속 혼화지)
- 3.4.10 수처리시설(EQPS프로그램) - 디스크 필터
- 3.4.11 수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 급속혼화지2
- 3.4.12 수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 플록형성지2 (완속 혼화지)
- 3.4.13 이론적 결과(EQPS) 원수 수질
- 3.4.14 이론적 결과(EQPS) 처리수 수질
- 3.5 EQPS 공정도 및 물 재이용 시스템 CAD 설계
- 3.6 자재소요서
- 4 결과 및 평가
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 우수 저류 연못 활용한 공장 내 물 재이용 시스템 활성화
영문 : System of water reuse by rainwater retention pond
과제 팀명
3조 RE-WATER
지도교수
오희경 교수님
개발기간
2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 20188900** 류*혁(팀장)
서울시립대학교 수학과 20175400** 배*준
서울시립대학교 환경공학부·과 20178900** 심*한
서울시립대학교 환경공학부·과 20208900** 정*형
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
- 최근 우리나라에서도 기후 변화로 인한 가뭄의 장기화가 국내 공장에서의 공업용수 부족으로 이어지고 있으며 대응책이 필요해짐
- 이에 대응하기 위하여 공업용수의 사용량을 부분적으로 줄이고 있지만, 장기적 관점에서 지속가능성이 있는 시스템이 요구됨
- 빗물이 최종 방류구를 거치지 않고, 재이용 시설로 이동할 수 있도록 용수에 대한 규제가 완화됨에 따라 우수저류시설 활용 가치가 높아짐
- 공장 내 우수저류시설을 설치하여 가뭄으로 인한 공업용수 부족 사태를 해결하고, 인공 연못으로 구현함으로써 공장 내 녹지 공간 조성
- 공업용수 수질 기준을 만족하기 위한 처리 단계에서 발생하는 역세척수를 다시 처리하여 시설을 도입하여 재이용 비율을 증가시키고자 함
- 빗물을 공업용수로 재이용하기 위한 우수 처리 기술 및 인공 연못 설계 기술에 대하여 조사
- 인공 연못 설치로 인한 수질 문제를 해결하기 위하여 수질 정화 기술 조사
- 선정한 기술을 해당 공장 내 기존 시설에 적용될 수 있도록 적합하게 개선 및 보완
개발 과제의 배경 및 효과
- 기후 변화로 인한 강수량 증가로 피해가 급격하게 증가함에 따라 우수 활용의 필요성이 중요한 문제로 대두되고 있음
- OECD 환경전망 2050 보고서에서 대한민국을 심각한 물 스트레스 국가로 분류함에 따라 물 재이용의 필요성이 부각되고 있으며, 최근 들어 국내 물 재이용 산업이 활성화되고 있음
- 가뭄 시 우수 재이용 시설 이용이 제한되는 문제점 해결을 위해 공장 자체적 공업용수 재이용 시설을 도입하여 보완
- 물 순환 시스템 도입을 통하여 장기적으로 공장 운영 비용 절감 등 경제적 효과를 발생시킬 수 있으며, 물 스트레스로 인한 오염 및 재난 피해를 방지
- 새로운 공장 모델 제시하여 기업 및 국가적 차원에서의 자연적ㆍ사회적ㆍ경제적 안정성을 도모함
개발 과제의 목표 및 내용
- 공업용수 수질 기준을 만족하는 우수처리시설 설계
- 우수 및 공업폐수를 이용한 물 재이용 순환시스템 설계
- EQPS 프로그램을 이용한 처리수 수질 확인 및 평가
- 설계한 시스템의 경제적 효과 및 환경적 효과 확인
- CAD를 이용하여 물 순환 시스템 모형 구축
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 기술 로드맵
- (1980년대) 독일, 일본 등에서 빗물에 대한 법령 체계 및 제도를 구축하여 빗물 관리 체계 도입
- (1990년대) 국내에서도 ‘빗물 재이용’이 환경친화적 개념으로 주목을 받으며, 공동주택단지 내 빗물 관리 시설 계획 및 설계 등장하기 시작
- (2000년대) 수도법 개정에 따라 일정 면적 이상의 운동장, 실내체육관 빗물이용시설의 설치 의무
- (2010년대) 물재이용법 빗물이용 통합, 민간시설까지 빗물이용시설 설치 의무화
- (2020년대) 강수량이 불규칙해짐에 따라 하수 및 우수 재이용 기술 연구 활성화
- 특허조사
- 빗물 재활용 장치, 공개번호 10-2013-0021433
- 빗물저류시설, 공개번호 10-2010-0039673
- UF와 RO멤브레인을 이용한 하폐수 방류수 재이용 고순도 공업용수 공급 시스템, 출원번호 10-2015-0141122
- 높은 회수율의 공업용수를 얻기 위한 재이용수 생산방법, 공개번호 10-2012-0115061
- 우수처리 재활용 시스템, 공개번호 10-2015-0018452
- 녹색 건축물용 우수 재이용 시스템, 공개번호 10-2012-0156063
- 친환경 활성 천연광물 수질개선제 및 그 제조방법, 출원번호 10-8009-0051413
- 하수 방류수 재이용 시스템에서 배출되는 농축수 처리 시스템 및 그의 처리방법, KR20150085983A
- 특허전략
- 공장에 재이용 시설을 설치하기 위해 적절한 방식을 선택
- 빗물 과다, 부족한 경우를 대비하여 대안 방안을 개발
- 우수처리공정 및 산업폐수처리 공정 확립
- 우수 및 처리수 수질관리체계 확립
- 농축수 재이용 처리공정 확립
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
- - 현대차 울산, 인도 공장 폐수 재이용 시스템 https://www.hankyung.com/article/202308216267i
- - 코웨이 엔테크 무방류 시스템 http://www.cowayentech.com/kor/solutions/zero_liquid_discharge.asp
- - SK 에코플랜트 무방류 시스템
https://news.skecoplant.com/for-earth/2283/
- 마케팅 전략 제시
- - 지속 가능성 강조 : ‘RE-WAT3R’ 만의 우수-농축수 재이용 시스템을 부각하여 환경 보전에 대한 긍정적인 영향성을 강조하고, 기업의 지속 가능성을 환기시킴
- - 물 가격 분석 및 최적화 : 물 가격을 분석하고 최적화하여 비용을 절감하며, 물 가격이 높은 지역에서는 효율적인 사용과 재이용을 더욱 강조함
- - 정부 지원 활용 : 정보의 환경 보호 정책 및 재정 지원 프로그램을 활용하여 프로젝트를 지원을 받아 프로젝트의 규모를 확장하고 비용을 절감 할 수 있음
- - SWOT 분석으로 기업의 강/약점, 환경적 기회, 위기를 열거하여 효과적인 기업 경영전략을 수립함
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
- 버려지는 빗물을 재이용하여 물 사용량 절감
- 공업용수를 공장 내에서 자체적으로 재이용하여 3R 사이클을 구현
- 지하수 이용률 감소 및 광역상수도 취수량 감소로 인한 수도요금 감소
- 농축수 재이용을 통한 재이용률 증가
경제적, 사회적 파급효과
- 가뭄 및 기술적 문제로 공업용수가 부족해지는 긴급한 수급 문제에 대한 공장 내 자체 리스크 대응 및 관리 가능해지고, 생산 중단 비용을 감소시킬 수 있음
- 우수저류 인공연못을 통하여 저장한 물의 양에 따라 공업용수 사용 비용을 절감할 수 있음
- 우수저류 인공연못 설치를 통하여 도시 환경 개선 및 쾌적한 환경 제공함으로써 사회적 통합을 촉진하고, 사회적 유대감을 형성할 수 있음
SWAT 분석
SWAT 분석: 기업의 강/약점, 환경적 기회, 위기를 열거하여 효과적인 기업 경영전략을 수립함
Strengths(강점)
- 빗물과 농축수를 함께 재이용하여 효과적인 물 보전 및 지속가능성 증대
- 물 재이용률이 증가시킴으로써 최종적으로 ‘물 중립’ 을 달성하여 기업 이미지 제고 가능
- 공업용수 부족 리스크에 대한 대응 및 관리를 통하여 손실 최소화
Weaknesses(약점)
- 초기 시설 투자금이 기존 공장에 비해 높음
- 기존 기술 적용 사례가 부족하여 설계 및 시공 과정에서의 리스크 존재
Opportunities(기회)
- 국내 공업용수 부족 사태에 대한 리스크관리가 미흡함에 따라, 빗물 재이용 기술 및 설계 도입은 국내 공장의 리스크 관리 방안을 발전시킬 수 있음
- 기업의 물 재이용 시스템 도입에 의한 기업에 대한 소비자들의 인식 변화를 인지하여 다른 기업들의 관련 기술 적용을 확대할 수 있음
Threats(위협)
- 빗물이 제한적으로 내릴 때 우수 저류량 부족 가능성 존재
- 해수 담수화 기술 등의 물 재이용 기술 및 솔루션이 개발될 시, 경쟁에서 밀릴 가능성 존재
설계
제품의 요구사항
개념설계안
- 집수 시설 : 지붕을 통해 집수한 우수를 ‘빗물을 효과적으로 모으는 시설’을 이용하여 우수관을 통해 저류시설에 송수
- 초기빗물 처리시설 : 오염도가 높은 초기빗물을 처리
- 저류시설 : ‘빗물 저류 연못 설계’ 그리고 ‘수질자동측정시스템’과 수질개선풍차’를 이용한 물 관리
- 송수 및 배수시설 : 저류한 물을 공장에 송수 및 배수
- 용수처리시설 : 우수 수처리 시설 기반으로 응집제, 약품투여, 여과막을 통한 처리 방안 고안
- 역세척수처리시설 : 여과막에서 생성되는 역세척수를 다시 재이용을 하기위해 고도산화, 응집제, 약품투여, 여과막을 통한 처리 방안 고안
평가 및 분석
- 평가 기준 : 실현 가능성, 경제성, 기술 범용성, 기능성
- 평가내용 : 시공 가능 여부, 타 공장 적용 가능 정도, 절수량과 설계비용을 고려한 경제성 고려, 처리수 공업용수 및 중수도 수질 기준 충족
이론적 계산 및 시뮬레이션
집수면 면적 계산
- 집수면 면적(m^2) = 공장(1) + 공장(2) + 공장(3) + 공장(4) + 공장(5) = 17283.30 + 28402.65 + 29894.06 + 10569.06 + 15047.44 (m^2) =101196.51 (m^2)
빗물 집수량 계산
- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)에 따르면, 집수가능량(m^3/year) = 유출계수 * 강수량(m/year) * 집수면적(m^2) = 0.9 * 1.1584 * 101196.51(m^3/year) = 105503(m^3/year)
수직 우수관 관경 설정
- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)의 관경별 수직배관 최대집수면적을 고려하여, 집수면 2700m^2당 관경 200mm인 우수관 1개로 설정
수직 우수관 개수 산정
- 우수관 개수 = 집수면 면적(m^2) / 2700(m^2) 이므로
- 공장(1)의 우수관 개수 = 17283.30/2700 = 6.40 (8개 설치)
- 공장(2)의 우수관 개수 = 28402.65/2700 = 10.52 (12개 설치)
- 공장(3)의 우수관 개수 = 29894.06/2700 = 11.07 (12개 설치)
- 공장(4)의 우수관 개수 = 10569.06/2700 = 3.91 (4개 설치)
- 공장(5)의 우수관 개수 = 15047.44/2700 = 5.57 (6개 설치)
수평 우수관 관경 설정
- SWMM을 이용하여 수평우수관의 관경을 설정할 것임.
- 최대 유속 3m/s를 넘지 않도록 우수관의 관경을 70cm으로 설정
- 여기서 우수관의 구배는 1.42로 설정 (Manning 공식)
- 최대 부하 관로의 최대유속은 1.33m/s가 출력되어 기준 만족함을 알 수 있음
(그림)
인공 연못 용적 계산
- 빗물이용시설 설치 및 관리(환경부, 2010)에 따르면, 저류량(m^3) = 집수면적(m^2) * 0.05 이상이 되어야함.
- 연못1의 용적(m^3) = (공장(1) + 공장(3) + 공장(4) + 공장(5)) * 0.05 (m^3) = 72793.86 * 0.05 (m^3) = 3639.639 (m^3)
- 연못2의 용적(m^3) = 공장(2) * 0.05 (m^3) = 28402.65 * 0.05 (m^3) = 1420.1325 (m^3)
인공 연못 면적 및 깊이 설정
- LID-설계.시방.유지관리 지침서에 따라, 수심 2.4m로 설정
- 연못1의 면적(m^2) = 3639.639 / 2.4 (m^2) = 1516.52 (m^2)
- 연못2의 면적(m^2) = 1420.1325 / 2.4 (m^2) = 591.72 (m^2)
수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 급속혼화지1
- (1지 1단) 각 계열 1지당 유량 32787.7m^3/day = 0.38m^3/s
- 요구 용적 = 0.38m^3/s * 30s = 11.4m^3
- V = w * I * d = w * w * 1.5w 경험식을 통하여 w = 2.0m
- (체류시간) : 20 ~ 30 s / (속도경사) : G = 1000/s
수처리시설(EQPS프로그램) - 우수처리 플록형성지1(완속 혼화지)
- (1지 3단)
- 체류시간 : 각 단별 10분 총 30분
- 속도경사 : 1단 60/s, 2단 45/s, 3단 30/s
- 총 용적 = 0.38m^3 * 60s/min * 30min = 684m^3
- 단계별 용적 = 684m^3 / 3 = 228m^3 = 2*11*11m^3
수처리시설(EQPS프로그램) - 디스크 필터
- 고형물 처리효율은 90%로 설정
- 역세 유량 유입 원수 유량의 2%에 해당하는 유량
수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 급속혼화지2
- (1지 1단) 각 계열 1지당 유량 660m^3/day = 0.0076m^3/s
- 요구 용적 = 0.0076m^3/s * 30s = 0.228m^3
- V = w * I * d = w * w * 1.5w 경험식 사용하면 w = 0.60m
- (체류시간) : 20 ~ 30 s
- (속도경사) : G = 1000/s
수처리시설(EQPS프로그램) - 역세척수 처리 플록형성지2 (완속 혼화지)
- (1지 3단)
- 체류시간 : 각 단별 10분 총 30분
- 속도경사 : 1단 60/s, 2단 45/s, 3단 30/s
- 총 용적 = 0.0076m^3/s * 60s/min * 30min = 13.68m^3
- 단계별 용적 = 13.68m^3 / 3 = 4.56m^3 = 0.6*3*3m^3
이론적 결과(EQPS) 원수 수질
- 유입유량 : 32787.7m^3 (표)
이론적 결과(EQPS) 처리수 수질
EQPS 공정도 및 물 재이용 시스템 CAD 설계
EQPS 시뮬레이션 공정도
(그림)
물 재이용 시스템 CAD 설계
(그림)
자재소요서
(표)
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진
(사진)
포스터
(사진)
개발사업비 내역서
(표)
완료작품의 평가
(표)
참고문헌
- 과학기술 지식인프라 ScienceON(사이언스온), scienceon.kisti.re.kr
- 키프리스, www.kipris.or.kr
- 기상청. 충남 부여군 강수량 분석, https://data.kma.go.kr/stcs/grnd/grndRnList.do
- 김철경, (2011), “빗물 집수 및 저장 시스템 개선과 수질 분석 모니터링”, 목원대학교.
- 환경부. 물 재이용시설 설계 가이드라인
- 안상수, 위환, 윤상훈, 장서은, 정숙경, 조영관, 김은선, (2016). “광주지역 빗물이용시설의 수질특성에 관한 연구”, 광주광역시 보건환경연구원 환경연구부.