"10조- 정화조"의 두 판 사이의 차이

2021년 12월 13일 (월) 21:56 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 상하수도 맨홀 내부 공기 공급 및 악취 저감

영문 : Air supply and Odor Reduction in Waterworks and Sewage Manholes

과제 팀명

정화조

지도교수

서울시립대학교 환경공학부 이상철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 강* (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 정**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 조**

서울시립대학교 환경공학부 20168900** 채**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 안전보건공단에서 밀폐공간으로 분류된 맨홀 내부에서 발생하는 질식 재해는 최근까지도 지속해서 발생하고 있음.
◇ 재해자 중 절반 이상이 사망하는 통계자료를 고려하였을 때 결코 무시할 수 있는 사안이 아니며 그 원인은 산소 부족과 황화수소에 의한 중독으로 알려져 있음.
◇ 하지만, 맨홀 내부의 산소 공급과 황화수소의 제어를 위해 현재 시행되고 있는 방책들은 또 다른 안전 재해를 유발할 가능성이 있으며, 작업자의 측면에서 봤을 때 비효율적인 점들이 존재함.
◇ 따라서, 설치가 간편하고 지속적인 공기 공급이 가능하며 황화수소의 직접적인 제거를 위한 약품 주입 기능을 갖춘 맨홀을 설계하였음.
◇ 설계물의 실현 가능성을 확인하고자 무선 모듈과 배터리를 통해 원격 제어가 가능한 시연물을 제작하여 작동을 확인하였음.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경

▷ 안전보건공단에서 발표한 ’밀폐공간 작업 안전 매뉴얼‘에 따르면 정화조, 저수조, 저장탱크를 비롯한 밀폐공간은 질식사고에 취약한 장소로서 특별한 관리가 필요, 그중에서도 맨홀은 건설 중에 콘크리트 양생 과정에서 소모되는 산소에 의한 산소 결핍이 주요한 위험원이며, 사망사고가 다발하는 장소임.
▷ 특히 맨홀의 경우, 하부에 하수관로를 따라 흐르는 오폐수의 미생물 번식에 의한 황화수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등 유해가스가 발생하여 작업자가 유해가스에 무방비 상태로 노출됨.
▷ 실례로, 작년 여름 부산 하수도 맨홀 공사장에서 근로자 3명이 황화수소로 의심되는 유독가스에 의해 질식하여 사망하였고, 안전보건공단 통계자료에 따르면 질식 재해 사망자는 ’11년부터 ‘20년까지 10 년간 168명으로, 재해자 중 사망자의 비율, 즉 사고 사망률이 53.2%에 달함.
▷ 그 질식사고의 원인으로는 황화수소 흡입의 비율이 28.9%로 가장 높은 비율을 차지하였고, 그 뒤로 산소 결핍(22.9%), 일산화탄소 및 질소 등의 기체가 사고의 원인임.
▷ 따라서 본 자료를 통해 질식사고 원인 비중을 1, 2위인 황화수소와 산소 결핍에 대한 문제를 해결한다면 질식 재해 원인을 제어하는 당위성이 부여됨.

◇ 기존 방식의 문제점

▷ 이러한 질식사고를 예방하기 위해 현재 블로워를 통해 내부 오염물질을 희석하는 작업이 수행되고 있지만, 블로워는 수십 킬로그램에 달하는 고중량이라 작업자가 설치 및 해체 과정에서 허리 등 근골격계에 부상을 입을 수 있음.
▷ 또한 맨홀 내부 보수작업 중간에 계속해서 열려 있는 맨홀 입구로 작업자가 추락할 위험이 존재하고, 실제로도 추락한 사례가 존재함.
▷ 무엇보다 오폐수가 계속해서 흐르는 맨홀 내부 환경 특성상 물리적 및 생물학적 반응으로 황화수소 농도가 언제든 급증할 수 있는 위험이 존재하지만, 현재 사용되고 있는 블로워를 통한 고농도의 황화수소 제어는 한계.

◇ 기대효과

▷ 따라서 공기 공급, 약품 주입 기능을 갖추어 맨홀 내부 공기 공급이 가능한 구조를 갖추고, 인체에 무해 하며 황화수소 제어에 효과적인 약품이 맨홀 내부로 고르게 분사되어 맨홀 내부의 황화수소 제어를 갖춘 일체형 맨홀 뚜껑을 설계함.
▷ 설계물은 부상과 작업 중 집중력 분산을 방지하기 위해 설치가 간편해야 할 것이며, 사용이 편리하고, 휴대성이 뛰어나야 함.
▷ 그리고 본 설계물을 통해 작업 중에도 지속해서 공기 공급을 함으로써 맨홀 내부 산소 결핍을 방지하고, 약품 주입으로 황화수소 방재 작업을 가능케 하고자 함.
▷ 최종적으로 설계물을 간편하게 설치 가능하게 하여 재해 위험에 대한 작업자의 불안을 해소함으로써 작업자의 작업 능률을 향상하고자 함.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 이러한 문제점들에 입각하여, 맨홀 뚜껑에 부착된 공기 공급 장치와 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작된 약품 주입관을 통해 밀폐공간인 맨홀 내부 공기 공급을 진행하고자 하며 질식 유발 물질인 황화수소를 적극적으로 방재하여 맨홀 내부 황화수소 농도를 일정 농도 이하로 유지하고자 함.
◇ 본 설계물의 완성을 위하여, 목표를 달성할 수 있는 설계물의 모습을 적절하게 구현하여야 함. 이는 각종 모델링 프로그램 및 손으로 그린 도면에 의해 실현하고자 하였으며, 프로토타입은 기존에 존재하는 제품 등을 참고하여 작성함.
◇ 맨홀 내부의 부피 및 송풍기의 용량 등 설계 요소가 가변적임을 감안하고, 맨홀 특성상 적절한 실험을 진행할 수 없기에 적절한 가정을 통해 각 제원의 용량 등 수치를 산정하였고 맨홀 부피, 송풍기 유량, 황화수소 제거를 위한 철 킬레이트 필요량 등이 그러하며, 각종 공식과 반응식 등을 고려해 각 제원의 표준값을 산출함.
◇ 설계물은 실제 맨홀에 적용 가능해야 하므로, 맨홀 내경 및 외경, 맨홀 깊이, 맨홀 설치 간격 등 설계 관련 제원들을 참고하여 적절한 설계물의 형상과 규격을 결정함.
◇ 실제 맨홀의 경우 그 크기가 커 구현하기가 쉽지 않기 때문에, 실물의 비율, 간격 등을 유지한 채로 축소된 모형을 제작하여 설계물의 구동을 확인하고자 함.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 배터리

▷ 현재 휴대용 전기제품에 사용되는 배터리의 경우 리튬-이온 배터리가 가장 많이 사용되고 있고, 성능과 기술적 약점을 보완한 응용 제품들도 많이 등장함.
▷ 가령 리튬-이온-폴리머(Lithium-Ion-Polymer Battery)의 경우 안전성이 입증되었고, 손상을 입어도 발화 및 폭발의 위험이 적고, 리튬-인산철 배터리(Lithium-Iron-Phosphate Battery)는 기존 배터리의 발화성 문제를 해결하고 비용 문제를 보완한 배터리로 차세대 배터리로 주목받음.
▷ 그 외에도, 최근 황 나노물질을 이용해 만든 고용량 2차 전지인 리튬-황 배터리와, 에너지 밀도가 크고 공기 중 산소와 리튬을 사용하는 리튬-에어 배터리 등이 개발됨.

◇ 송풍기

▷ 송풍기는 1,000mmAq를 기준으로 저압용 팬(FAN)과 고압용의 블로워(Blower)로 구분.
▷ 실내 대기오염 문제에 따른 실내 공기청정기 송풍기 관련 연구가 활발하게 진행, 가정용 공기청정기의 성능개선을 위해 원심팬을 적용하거나, 덕트 형상에 따른 원심팬의 성능을 분석하여 최적의 덕트 형상을 설계하는 기술 연구 또한 진행됨.
▷ 최근 IoT 기술에 기반한 송풍기 축류팬 감시 시스템이 개발되었고, 저전력 광역 IoT 통신을 의미하는 (Low Power Wide Area) 기술을 적용한 송풍기가 개발되어 송풍기와 통신기술을 결합한 새로운 기술 또한 개발됨.
▷ 또한 FANDAS CODE 같이 시로코팬, 터보팬 등의 설계를 위해 설계변수와 운전조건을 입력하여 유체의 흐름을 시뮬레이션하는 프로그램을 통한 최적의 송풍기 설계를 위한 연구 및 기술 개발 또한 활발하게 진행됨.

◇ 황화수소 제거

▷ 공정에서 흔히 사용되는 황화수소 제거 방법은 크게 건식탈황과 습식탈황으로 구분된다.
▷ 건식탈황은 활성탄 등을 이용하여 황 성분을 화학적, 물리적으로 흡착하는 방식이다. 건식탈황은 폐액의 발생이 없어 유지관리가 쉽고 광범위한 악취가스 제거에 효과적이지만, 설비를 주기적으로 교체해줘야 하여 고가의 비용이 소요된다는 단점 또한 존재한다.
▷ 습식탈황에는 크게 알칼리 세정과 액상 철킬레이트 방식이 있으며, 처리하고자 하는 가스를 황 제거능력이 뛰어난 물질을 수용액 상태로 만들어 세정하는 방식으로 고체황의 회수가 가능하다는 장점이 존재한다.

기술 로드맵

그림. 기술 로드맵

특허조사

그림. 공기흐름 유도구를 구비한 맨홀

그림. 하수관과 연결되는 맨홀의 냄새방지장치

특허전략

◇ 하우징을 통해 다양한 송풍기의 탈부착이 가능하고, 맨홀 뚜껑에 보조장치를 부착하여 표준 1호 ~ 5호 맨홀까지 다양한 맨홀 내경을 포괄하는 맨홀 뚜껑을 제작하여 기존 특허에 존재하지 않는 본 설계의 범용성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
◇ 맨홀 뚜껑에 송풍기와 철킬레이트 분사 노즐이 함께 존재하는 all-in-one 방식을 이용하여 간편한 설치 및 원활한 외부 공기 공급이 가능함으로, 본 설계의 효율성을 강조하여 특허 출원을 진행함.
◇ 외부 전원 공급이 아닌 배터리를 송풍기 외부 덮개에 부착하여 감전 및 안정적인 전력 공급을 가능하게 하는 점을 참고, 본 설계의 독창성을 부각시켜 특허 출원을 진행함.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존의 블로워로 내부를 환기하며 진행하는 공정의 경우 연장선을 이용해 외부에서 전기를 끌어와 내부에까지 전선을 연결한 형태인데, 이는 자칫 근로자의 작업에 방해가 될 뿐만 아니라 전선에 얽혀 작업자가 전도(넘어짐)하거나 추락할 위험이 존재하며, 다습한 내부 작업 환경상 화재의 가능성 또한 존재함.
◇ 배터리를 동력원으로 사용함으로써 작업환경을 보다 쾌적하고 안전하게 운영할 수 있으며, 간편하게 전원을 통제할 수 있기에 작업의 편리성 또한 보장될 것.
◇ 또한 이는 대체연료 시장 변화에 맞추어 ESS 전지 및 수소연료전지, 태양광 전지 등 친환경적 동력을 활용한 공기주입장치 개발에 기폭제가 될 수 있을 것.
◇ 작업환경의 변화로 인해 맨홀 내부에 급속도로 황화수소 농도가 증가하였을 때는 기존의 송풍 방식을 활용한 환기만으로는 작업자의 안전을 보장하기가 어려음. 따라서 인체에 무해한 수용액 상태의 철 킬레이트를 작업 공간 내로 직접 분사함으로써 황화수소의 직접 제어가 가능하여 적극적으로 황화수소를 제거할 수 있을 것.

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

그림. 추진체계

◇ 강건 : 설계 관련 연구동향 조사 및 보고서 작성, 시연물 기초토대 제작, 멘토교수 및 업체 컨택, 포스터 제작
◇ 정규헌 : 3D 모델링 및 회로도 제작, 발표자료 작성, 설계 아이디어 제시 및 설계 흐름 총괄, 특허 출원서 작성
◇ 조예훈 : 관련 특허 및 지적재산권 조사, 특허 출원서 작성, 무선 모듈 및 리드박스 조립, 보고서 작성, 소 
◇ 채명균 : 관련 이론 및 기술 내용 조사, 시연물 모터부 제작 및 발표자료 작성, 포스터 제작, 설계 관련 자문

설계

설계사양

제품 요구사항

그림. 제품 요구 사항

1) 공기 공급 장치의 송풍 능력 : 공기 공급 장치를 통해 맨홀 내부에 충분한 양의 공기를 공급할 수 있어야 함.
2) 약품의 효율성 및 안전성 : 맨홀 내부 황화수소를 효과적으로 제거할 수 있어야 하고 인체에 무해한 약품을 선정해야 함.
3) 설계물의 조립 및 부착 방법 : 맨홀 내부 체적에 따라 공기 공급 장치가 달라지기 때문에 설계물을 간편하게 탈부착 할 수 있어야 함.
4) 설계물의 범용성 : 다양한 규격을 가지는 맨홀 뚜껑을 모두 포괄할 수 있도록 보조장치를 부착함.
5) 설계물의 휴대성 : 설계물을 편하게 들고 다닐 수 있도록 가벼워야 함.
6) 설계물의 내구성 : 맨홀 뚜껑 하단에 장치들을 부착하기 때문에 이를 지탱할 수 있어야 함.
7) 설계물의 경제성 : 기존 제품들과의 경제성을 위해 저렴한 재질로 설계물을 제작해야 함.

목적 계통도

그림. 목적계통도

QFD

그림. QFD 분석

개념설계안

그림. 정면도

그림. 평면도

◇ 맨홀 뚜껑은 '공공하수도 중 맨홀의 표준도'에서 가장 작은 제 1호 맨홀인 내경 900mm를 기준으로 설계함.
◇ 약품 주입관은 맨홀 뚜껑과 일체형으로 제작함.
◇ 맨홀 뚜껑 하단에는 모터의 회전축에 부착된 팬, 즉 공기 공급 장치가 하우징 내부에 결합된 상태로 부착됨.

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

그림. 조립도 및 부품

조립순서

내용

부품도

그림. 보조장치 3D 도면

◇ 보조장치는
◇
◇
◇

그림. 맨홀뚜껑 3D 도면

◇ 맨홀 뚜껑은
◇
◇
◇

그림. 약품 주입관 3D 도면

◇ 약품 주입관은
◇
◇
◇

그림. 하우징 3D 도면

◇ 하우징은
◇
◇
◇

그림. 모터 및 팬 3D 도면

◇ 모터는 BLDC 모터를 사용함.
◇ BLDC 모터는 전기적, 기계적 소음이 적고 brush가 없기 때문에 마모가 없어 반영구적으로 사용 가능하며 고속회전에 무리가 없음.
◇ 모터 측부의 Lead Box에는 배터리와 원격 조종을 위한 아두이노가 포함됨.
◇ 팬은 모터의 회전축에 부착되어 회전하면서 공기를 공급함.
◇ 팬이 부착된 모터는 공기 공급 장치로써 하우징 하단에 결합됨.

제어부 및 회로설계

그림. 아두이노 회로 및 코드

자재 소요서

그림. 자재소요서

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진

그림. 시연물 윗면

그림. 시연물 옆면

그림. 시연물 밑면

그림. 시연물 회로 및 배선

포스터

그림. 포스터

개발사업비 내역서

그림. 개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

그림. 완료 작품의 평가

◇ 공기 공급 장치는 안전보건공단의 밀폐장소 환기량 기준에 부합해야 하는데 평가결과는 실험적 데이터가 없기 때문에 중으로 함.
◇ 모터 무선 제어는 외부 리모컨을 통해 무선으로 1초 이내에 작동해야 하는데 이는 시연물 제작을 통해 확인했기 때문에 평가결과를 상으로 함.
◇ 맨홀 보조장치는 맨홀의 규격을 조절할 수 있으면 되기 때문에 이는 시연물을 통해 평가결과를 상으로 함.
◇ 배터리 용량은 일일 작업시간 약 7시간 동안 모터에 동력을 공급해 주어야 하는데 이는 실험을 하지 못해 실험 결과가 없기 때문에 평가결과를 하로 함.
◇ 휴대성은 성인 남성이 혼자서 부담없이 들어야 하는데 설계물의 전반적인 무게를 조사했을 때 알루미늄 합금의 무게가 충분히 가벼워 평가결과를 상으로 함.

향후평가

내용

특허 출원

출원번호통지서

그림. 출원번호통지서

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용