"01분반 2조 컵이프린스"의 두 판 사이의 차이

2023년 12월 15일 (금) 23:29 판

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. 통상적으로 폐플라스틱에서 재생원료를 생산하기 위해 세척비용이 톤당 30만 원가량 요구된다. 일회용 플라스틱 컵은 대략 20 g/개로 하루 중앙도서관 내 일회용 플라스틱 컵 발생량인 168 개/일과 곱하면(168 개/일 * 20 g/개 = 3360 g/일 = 3.36 kg/일 = 100.8 kg/월 = 0.1 ton/월), 중앙도서관에서는 한 달에 0.1 ton의 플라스틱 일회용 컵을 배출한다는 것을 알 수 있다. 중앙도서관에서 세척되지 않은 일회용 컵으로 인한 세척비용은 0.1 ton/월 * 300,000 원/ton = 30,000 원/월이 소모되는 것을 알 수 있다. 이에 물 재이용 시 재활용의 세척 단계에서 저감할 수 있는 비용은 30,000 원/월이다.

- 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 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

@@ 197번째 줄: / 197번째 줄: @@
 ===개념설계안===
-내용
+'''◇ 올바른 분리배출을 돕는 컵 세척 및 음료 수거 시스템'''
+[[파일:음료 수거 시스템.png]]
+) 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.
+) 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.
+) 깨끗해진 컵을 인근 쓰레기통에 분리 배출한다.
+'''◇ 올바른 분리배출을 돕는 컵 세척 및 음료 수거 시스템'''
+) 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.
+) 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.
+) 화장실 근처에 설치하여 중수처리장치로 세면배수 유입과 하수관으로 오수 배출이 용이하도록 하고 정수기 근처에 설치하여 비상시 저장조의 수돗물 공급이 가능하도록 한다.
+) 중수처리장치의 유입관(세면배수 유입관)과 배출관(외부로 드러나는 배출관)은 PE 주름관을 사용하여 벽이나 바닥에 매설하기보다 몰딩이 가능하도록 하여 시공을 최소화한다.
+[[파일:유입배출설계.png]]
+'''◇ 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.
+) 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.
+) 중수처리 규모에 비해 처리하고자 하는 BOD의 부하가 높아 BOD 부하가 높은 시간대에는 세면 배수의 유입을 차단해 낮은 BOD의 중수도 원수만을 유입시키는 시스템을 추가한다.
+) 정밀여과로 제거되지 못한 유기물을 제거하기 위해 활성탄을 사용한다. 활성탄은 분말 활성탄, 입상 활성탄 중 선택하여 여과 필터나 세면배수 저장조에 배치시킨다.
+) 세척수 저장조 내에 UV 램프를 설치하여 소독과정을 통해 미생물을 중수도 수질기준 이하를 만족시킨다.
+[[파일:간이중수처리.png]]
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===