바이오샌드 필터

Biosand filter
일리노이 대학의 국경 없는 엔지니어가 과테말라 소코로에서 구현한 바이오샌드 필터: 우르바나 샴페인

바이오샌드필터(BSF)는 기존의 느린 모래 필터에서 변형된 사용지점 수처리 시스템이다. 바이오샌드 필터는 바이오필름으로 덮인 모래기둥에서 발생하는 생물학적·물리적 공정을 이용해 물에서 병원균과 부유 고형분을 제거한다. BSF는 중금속, 탁도, 박테리아, 바이러스, 원생대를 제거하는 것으로 나타났다.[1][2] 또한 BSF는 변색, 냄새, 불쾌한 맛을 줄여준다. 연구는 BSF의 사용과 설사의 발생 감소 사이의 상관관계를 보여주었다.[3] 그것의 효과, 사용의 용이성, 그리고 반복적인 비용의 부족 때문에, 바이오스와 필터는 종종 개발도상국에서는 적절한 기술로 여겨지고 있다. 전 세계적으로 20만 개 이상의 BSF가 사용되고 있는 것으로 추정된다.[1]

역사

가정용 바이오샌드 필터는 1980년대 후반 캐나다 캘거리 대학에서 데이비드 맨즈 박사가 제안한 것이다.[4] 이 시스템은 1800년대부터 식수 정화 기술인 느린 모래 필터에서 개발되었다.[3] 초기 실험실 및 현장 테스트는 1991년에 실시되었으며, 시스템은 1993년에 특허를 획득하여 니카라과에서 현장에서 시행되었다. 캐나다 비영리기업인 CAWST(Center for Efficient Water and Sanitary Technology, CAWST)는 데이비드 맨즈와 카밀 다우베이커가 2001년 공동 설립해 이 기술을 활용한 정수 및 위생에 대한 교육과 훈련을 촉진하고 이를 지속적으로 개발하기 위해 설립됐다.[3] 개인 소유 회사인 Hidraid Biosand Water Filter는 필터에 대한 계획을 생산하고 배포한다.[5]

Biosand 필터 구성 요소

콘크리트 바이오샌드 필터의 기본도

바이오샌드 필터는 일반적으로 콘크리트나 플라스틱으로 만들어진다.[5] 필터 상단에는 뚜껑이 촘촘히 붙어 있어 오염과 원치 않는 해충이 필터 안으로 들어가는 것을 방지한다. 그 아래 디퓨저 판은 필터에 물을 부을 때 바이오필름의 교란을 방지한다. 그리고 나서 물은 모래 기둥을 통해 이동하는데, 이것은 병원균과 부유 고체를 제거한다. 모래기둥 아래에는 자갈층이 모래가 배수층으로 유입되어 출구 튜브가 막히는 것을 방지한다. 분리층 아래에는 배출구 튜브 바닥 부근의 막힘을 방지하는 석고 자갈로 구성된 배수층이 있다.[3]

여과 과정

병원균과 부유 고형물은 생물학자와 모래층에서 일어나는 생물학적, 물리적 과정에 의해 제거된다. 이러한 프로세스에는 다음이 포함된다.

  • 기계적 트래핑: 부유물질과 병원균이 모래알 사이 공간에 갇혀 있다.[1]
  • 포식: 병원균은 생물학자의 미생물에 의해 소비된다.[1]
  • 흡착: 병원균은 서로 흡착되고 물과 모래 알갱이의 부유물질에 흡착된다.[1]
  • 자연사: 병원균은 충분한 음식이나 산소가 없기 때문에 생명 주기를 끝내거나 죽는다.[1]

러닝 중

흡입구 저장 구역의 높은 수위(유압 헤드)는 물을 확산기와 필터를 통해 밀어낸 후 모래를 통해 물이 고르게 흐를수록 감소한다. 여과기를 통해 물을 억지로 통과시켜야 하는 압력이 적기 때문에 유속이 느려진다. 흡입수에는 용해된 산소, 영양소, 오염물질이 함유되어 있다. 바이오필름 내 미생물이 필요로 하는 산소를 공급한다. 부유된 큰 입자와 병원균이 모래 윗부분에 갇혀 모래 알갱이 사이의 모공 공간을 부분적으로 막는다. 이것은 유량을 감소시킨다.[1]

일시 중지 기간(공회전 시간)

유휴 시간은 일반적으로 일일 주기의 80% 이상으로 구성된다. 이 시간 동안 미생물 감쇠 프로세스는 상당할 것으로 보인다. 대부분의 제거는 물이 바이오필름과 접촉하는 곳에서 일어난다. 바이오필름에서 발생하는 공정은 확인되지 않았다.[1] 입석수층이 배출관 수위에 도달하면 유량이 정지한다. 이상적으로는 이 값이 모래 층의 바이오 필름을 습기로 유지하고 산소가 체수를 통해 바이오레이너로 확산될 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다.[1] 일시정지 기간은 바이오레이어에 있는 미생물이 물속의 병원균과 영양분을 섭취할 수 있게 한다. 필터를 통과하는 유속은 소비될 때 복원된다. 일시정지 기간이 너무 길면 바이오레이어가 병원균과 영양소를 모두 소비해 사망하게 돼 필터의 다시 사용할 때의 효율이 떨어진다. 일시정지 기간은 1시간에서 48시간 사이여야 한다.[1] 비생물학적 영역에 있는 병원균은 영양소와 산소의 부족으로 죽는다.[1]

유지 관리

시간이 지남에 따라 필터의 모래 알갱이 사이에 입자가 축적된다. 더 많은 물이 쏟아질수록 디퓨저 플레이트 상단을 따라 바이오 필름이 형성된다. 이 두 가지 발생 모두 유량의 감소(클러깅 및 생체 로깅)를 야기한다. 일반적으로 유속이 느려지면 유휴시간[APS1]으로 인해 물 여과가 개선되지만, 사용자의 편의에 비해 너무 느려질 수 있다. 유량이 0.1리터/분 미만으로 떨어지면 CAWST에서 유지보수를 실시할 것을 권고한다.[2] "스월 앤 덤프" 또는 습식 해로우 클리닝 기법은 유량을 회복하는 데 사용된다. 약 1 US 갤런(3.8 l)을 세척하기 전에 필터에 붓는다(필터가 비어 있다고 가정함). 그리고 나서 모래의 윗층은 원형 운동으로 소용돌이친다. 소용돌이치는 곳에서 나오는 더러운 물은 버려지고 모래는 윗부분에서 매끄럽게 처리된다. 이 과정은 유속이 복원될 때까지 반복된다.[2] 필터의 디퓨저 플레이트, 출구 튜브, 뚜껑 및 외부 표면을 정기적으로 청소하는 것도 권장된다.[2] 바이오샌드 필터의 장기적 지속가능성과 효능은 박식한 지원요원의 교육과 지원에 달려 있다.[6]

아이티의 비영리단체인 클린워터 포 아이티(Clean Water for Iti)는 바이오샌드 필터 설치 후 교육 및 사후관리 프로그램을 시행한다. 프로그램에는 설치일로부터 5년 후 1개월, 3개월, 12개월 후, 또 다른 수급자 가정을 방문하는 내용이 포함된다. 방문 시마다 수혜자는 안전한 물 사용법 및 필터 관리 방법에 대한 반복적인 교육을 받는다. 2010년 이후 수집된 데이터를 바탕으로 설치 후 12개월이 지난 지금도 94~99%의 필터가 정기적으로 사용되고 있다.[7]

오염물질 제거

탁도

탁도 감소 결과는 영향을 받는 물의 탁도에 따라 달라진다. 탁한 물에는 모래, 실트, 점토가 함유되어 있다.[2] 한 연구에서 공급 탁도는 1.86 - 3.9 NTU에 이르며, 연구용수는 3개 지역 저수지로부터 수처리장 견본을 채취하였다. 느린 모래 필터를 통해 쏟아져 나왔고, 그 결과 탁도가 평균 1.45NTU까지 감소했으며,[1] 지표수를 이용한 또 다른 연구에서는 탁도가 93% 감소하는 것을 관찰했다.[8] 모래 위의 바이오 필름이 무르익으면서 탁도 제거가 증가한다.[1] 바이오샌드 필터는 탁도를 많이 제거하지만 여과율이 느린 슬로우샌드 필터는 더 많이 제거한다.[1]

중금속

바이오스와 필터에 의한 중금속 제거에 관한 연구는 제한적이다. 남아프리카에서 행해진 연구에서, 필터는 약 64%의 철분과 5%의 마그네슘을 제거했다.[8]

박테리아

실험실 연구에서, 바이오샌드 필터는 약 98-99%의 박테리아를 제거하는 것으로 밝혀졌다.[8] 대장균 제거에서 바이오필름 형성으로 인해 약 2개월 이상 바이오스와 필터가 증가할 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 시간 이후의 제거는 일일 용수량과 첨가된 일차 배출량에 따라 97-99.99%에 이른다. 일차 배출물이나 폐수를 첨가하면 박테리아 분해를 돕는 바이오필름의 성장이 촉진된다.[1] 연구 결과에 따르면 현장에서 사용 중인 바이오스와 필터는 통제된 환경에서 사용하는 것보다 더 적은 수의 박테리아를 제거한다. 도미니카 공화국 보나오 55가구를 대상으로 실시한 연구에서 평균 대장균 감소량은 약 93%로 나타났다.[9]

바이러스

실험실 실험 결과 필터는 대장균을 상당량 감소시키지만 바이러스가 작기 때문에 훨씬 적은 수의 바이러스를 제거하는 것으로 나타났다. 박테리오파지를 사용한 연구에서, 바이러스 제거는 45일 후에 85%에서 95% 사이였습니다.[1] 최근 한 연구에 따르면 바이러스 제거는 시간이 지남에 따라 현저하게 증가하며 약 150일 후에는 99.99%에 이른다고 한다.[10]

원생동물

한 연구실 테스트에서 바이오스와 필터는 원생동물 99.9% 이상을 제거했다. 원생동물인 Giardia lamblia의 한 종류에 대한 테스트에서 필터는 29일 동안 100% 제거되었다. 또 다른 원생동물인 크립토스포리듐 sp의 난모세포의 99.98%를 제거했는데, 크기가 작아졌을 가능성이 있다. 이 제거는 느린 모래 필터와 비교해도 손색이 없었다.[11]

건강상의 이점

노스캐롤라이나 대학과 네바다 대학이 실시한 도미니카 공화국과 캄보디아에서의 연구는 BSF 사용이 모든 연령대에서 설사 질환 발생을 47% 감소시켰다는 것을 보여준다.[12] 아이티의 CAWST가 실시한 연구에서는 187가구 중 95%가 바이오스와 필터를 사용하여 수질을 청소한 이후 수질이 개선되었다고 생각했다. 이용자의 80%는 시행 이후 가족의 건강이 좋아졌다고 말했다. 바이오스와 필터 사용에 대한 이러한 건강 인식은 장기 사용자들에게 더 긍정적인 것으로 나타났다.[9]

바이오스와 필터의 종류

콘크리트

콘크리트 필터는 바이오스와 필터의 가장 광범위한 유형이다. 콘크리트는 저비용, 넓은 가용성, 현장 시공 능력 때문에 일반적으로 다른 재료보다 선호된다. 콘크리트 필터의 계획은 CAWST에 의해 공개적으로 배포된다. 몇 가지 버전이 개발되었다. CAWST 버전 9 biosand 필터는 더 높은 최대 로딩 속도로 구성된다. 여과된 물이 EPA 수질기준을 통과하기는 하지만 최적 수준은 아니다.[13] 최근의 연구는 물과 세밀한 물질의 접촉 시간이 물을 정화하는데 있어서 가장 중요한 결정 요인이라는 것을 밝혀냈다. CAWST 버전 10 biosand 필터는 이것을 고려한다; 저수지의 부피는 모래 층의 공극 공간 부피와 같다. 정체된 물이 미세한 물질과 지속적으로 접촉할 수 있도록 최대 적재량을 33% 줄였다.[13]

콘크리트 BioSand 필터는 일반적으로 강철 금형을 사용하여 제조된다. 강철 금형 계획은 CAWST에 의해 공개적으로 배포된다.

아이티 캠프 마리 소재 비영리단체인 클린워터 포 아이티(Clean Water for Iti)는 강철 금형을 변형해 바이오스와 필터를 제조한다.[14]

비영리단체인 오호리존스는 CAWST의 버전 10 필터를 기반으로 우드 몰드를 설계해 저비용 대안으로 기능할 수 있다. 우드 몰드에 대한 계획은 오호리존스 웹사이트에서 공개적으로 이용 가능하다.[15]

플라스틱

플라스틱 필터는 플라스틱 통으로 만들어지며, 보통 외부로 형성된다. 하이드레이드 바이오샌드 필터는 자외선 저항이 있는 의료용 등급 플라스틱으로 제작됐다.[5] 티바워터는 플라스틱 바이오샌드 필터의 최신 버전이며 몇 가지 중요한 개선사항이 있다.[16]

스테인리스강

인도 구루그램(옛 구르가온)에 본부를 둔 NGO인 S M 세갈 재단의 엔지니어들이 개발한 스테인리스강 바이오샌드 필터는 콘크리트 피복재단에 비해 성능이 우수하고 지리적 조건에서도 적용과 채택의 기회가 넓은 것으로 나타났다. 비싼 플라스틱 가격은 인도의 시골에서 플라스틱 사용을 방해한다. 잘칼프(JalKalp)라고 불리는 스테인리스 스틸 필터는 여과율 증가와 휴대성 향상(콘크리트 모델보다)과 생산 품질 관리 개선 등을 제공한다. 콘크리트 필터는 파손되기 쉽고 무게(65kg) 때문에 운반이 어려울 수 있어 특히 외딴 시골이나 구릉지에서는 부적합하다. 일반적인 품질 문제는 건설 자재의 변형과 제조상의 결함이다. 또한, 물에 있는 소금으로 인한 노폐성은 콘크리트 필터의 수명을 감소시킨다. 이번에 개발된 경량(4.5kg) 스테인리스 바이오샌드 필터는 콘크리트 필터보다 엣지가 있어 각각의 단점을 극복하고 보다 나은 품질관리를 제공한다. 스테인리스 스틸은 외관 개선 외에도 필터의 강도, 신뢰성, 내구성, 휴대성을 더한다. 수질검사 결과 잘칼프는 대장균, 총대장균류, 탁도, 철분오염 등에 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 필터는 구리의 발아성 성질을 기존의 여과와 통합한다. 잘칼프 필터의 배수 구역에 구리 호일을 도입해 총대장균과 대장균을 오염수에서 100% 제거하도록 했다. S M 세갈 재단은[17] 가능한 한 많은 시골 가정에 혜택을 주기 위해 동감 기관과의 파트너십을 통해 전기가 필요 없는 모델을 인도 전역에 홍보하고 있다.[18][19]

개발 도상국에서 바이오스와 물 필터를 만드는 데 어려움이 있다. 많은 사람들이 콘크리트를 붓기 위해 금속 형태를 만드는 전문적인 능력이 부족하다. 모래 층을 체로 걸러낼 수 있는 적절한 망사 크기를 찾는 것 또한 없을 수 있다. 니카라과에서는 가정 건축을 위한 철근 용접이 가능한 금속 작업자를 발견할 수 있지만, 금속 금형을 만들기 위한 판금 벤딩 장비를 찾을 수는 없을 것이다. 모래는 미국처럼 철물점에서 팔리지 않는다. 그것은 스트림베드나 구덩이에서 픽업 부하에 의해 구매될 가능성이 높으며 사용 가능한 메쉬는 너무 큰 1/4인치밖에 없다. 제3세계 국가를 여행할 때는 적절한 망사 스크린을 가지고 가는 것이 가장 좋을 것이다.

필터 사용에 직면한 또 다른 문제는 채택이다. 많은 프로젝트들이 정수기 제작에 도움을 줄 수도 있고 심지어 일부는 이를 보급할 수도 있지만 주최국 국민들로 하여금 필터를 사용하도록 하려면 훨씬 더 많은 헌신이 필요하다. 사람들은 정수기 사용과 사용 습관을 들이기 위해 정수기 주인들과 연결될 필요가 있다. 그렇지 않으면 몇 개의 필터는 버려지고 도로에 방치된다. 단순히 필터를 배포하는 것은 채택하기에 불충분하다.

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p 엘리엇, M, 스토버, C, 콕살, F, 디지아노, F, M. 소브지(2008) 간헐적으로 작동되는 2개의 가정용 저속 모래 필터에서 대장균, 에코바이러스 타입 12, 박테리오파지 감소.물 연구, 제42권, 쟁점 10-11
  2. ^ a b c d e "CAWST Biosand Filter Manual 2008" (PDF).
  3. ^ a b c d "CAWST Biosand Filter".
  4. ^ a b "CAWST History".
  5. ^ a b c "Hydraid Biosand Technology".
  6. ^ Sisson, Andrew J; Wampler, PJ; Rediske RR; Molla AR (January 2013). "An assessment of long-term biosand filter use and sustainability in the Artibonite Valley near Deschapelles, Haiti". Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Development. 3 (1): 51–60. doi:10.2166/washdev.2013.092.
  7. ^ cleanwaterforhaiti.org
  8. ^ a b c Mwabi, J.K., F.E. Adeyemo, T.O. Mamba. "가정용 수처리 시스템: 안전한 음용 생산의 해결책." SAO/NASA ADS: ADS 홈 페이지 웹. 2011년 12월 22일. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011PCE....36.1120M
  9. ^ a b Sobsey, Mark; Christine Stauber; Lisa Casanova; Joseph Brown; Mark Elliott (2008). "Point of Use Household Drinking Water Filtration: A Practical, Effective Solution for Providing Sustained Access to Safe Drinking Water in the Developing World". Environmental Science and Technology. 43 (3): 970–971. doi:10.1021/es8026133.
  10. ^ 브래들리, 나, 스트라우브, A, 마라치니, P, 마르카지, 응우옌, T, (2011년) 산화철은 바이러스 제거를 위한 바이오스와 필터를 수정했다. 워터 리서치
  11. ^ "Biosand Filter".
  12. ^ Stauber, Christine; Gloria M. Ortiz; Dana P. Loomis; Mark D. Sobsey (2009). "A Randomized Controlled Trial of the Concrete Biosand Filter and Its Impact on Diarrheal Disease in Bonai, Dominican Republic". The American Journal of Tropical Medicine and Hygiene. 80 (2): 286–293. doi:10.4269/ajtmh.2009.80.286. PMID 19190228.
  13. ^ a b "CAWST Biosand Filter Manual 2010". {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  14. ^ "How Does the Filter Work? Clean Water for Haiti".
  15. ^ "OHorizons Wood Mold Construction Manual and Appendix". Archived from the original on 2017-11-29. Retrieved 2015-07-20.
  16. ^ tivawater.com
  17. ^ http://www.smsfoundation.org/
  18. ^ http://www.smsfoundation.org/wp-content/uploads/2016/02/Reinventing-the-biosand-filter.pdf
  19. ^ Bhaduri, Amita. "JalKalp: Water sands impurities". “India Water Portal” 13, November 2017.

외부 링크