01분반 3조 RE-WAT3R

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

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: Image width exceeds user limit in IHDR `/var/www/capstone/env/images/e/e9/(3).png' @ warning/png.c/MagickPNGWarningHandler/1672.
convert: Image height exceeds user limit in IHDR `/var/www/capstone/env/images/e/e9/(3).png' @ warning/png.c/MagickPNGWarningHandler/1672.
convert: Invalid IHDR data `/var/www/capstone/env/images/e/e9/(3).png' @ error/png.c/MagickPNGErrorHandler/1646.
convert: corrupt image `/var/www/capstone/env/images/e/e9/(3).png' @ error/png.c/ReadPNGImage/4095.
convert: no images defined `/tmp/transform_f329d816637b.png' @ error/convert.c/ConvertImageCommand/3210.

Error code: 1

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.