KR100609837B1 - 인공습지용 여과사 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여과사 70 내지 90중량% 및 굴패각 10 내지 30중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 인공습지용 여과사에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 인공 습지용 여과사는 생활하수, 오염하천, 비점오염원 및 하/폐수의 후처리시설 등에 사용되어 오염수를 직접 유입시키는 경우에도 통수성을 확보하고, 여과사 입자간의 간극(공극)에 미생물이 성장할 수 있는 장소를 제공하며, 상부 정수식물의 뿌리와 하수 및 공기의 접촉을 최대화 할 수 있는 효과가 있다.

인공습지용 여과사, 여과사, 굴패각

Description

인공습지용 여과사 {Sands of Constructed Wetland for the Treatment of Wastewater}

본 발명은 인공습지용 여과사에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생활하수, 오염하천 정화, 비점오염원 및 하/폐수의 후처리시설 등에 다양하게 적용되어 미생물이 효과적으로 부착 성장할 수 있는 담체로 사용되는 인공습지용 여과사에 관한 것이다.

일반적으로 여과사로 사용되는 모래는 정수처리용과 하수처리용으로 구분할 수 있으며, 이 중 하수처리용 여과사의 대부분은 하수처리공정의 최종 말단부의 후처리시설로서 여과조에 적용된다. 이러한 정수처리용과 하수처리용 여과사는 그 입자의 균등계수 및 유효입경에 제한이 있으며, 그 처리목적에 따른 모래입자의 크기, 입도분포 및 특성 등도 잘 알려져 있다.

한편, 살수여상 방법은 유입하수 또는 폐수를 직접 처리하는 경우, 골재로서 모래 대신에 자갈이 주로 이용되는 대표적인 방법으로서, 유입 하수의 고형물로 인한 공극폐색과 이로 인한 통수성의 저하로 인한 하수처리과정에 심각한 문제가 유 발되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 인공습지의 경우는 자갈과 함께 모래가 사용되는 처리방식이다.

인공습지는 자연습지를 특별한 처리목적에 맞도록 개선 또는 개량한 형태로 주로 이용되며, 하수처리, 오염하천 정화 및 비점오염원 저감시설 등에 주처리시설로서, 폐수처리에서는 2차 또는 3차 처리시설로 활용되어질 수 있는 등 그 적용분야가 다양해지고 있다.

하수처리용 인공습지에 충진되는 담체로서 골재는 모래와 자갈이 대부분을 차지하고 있으며, 특별히 담체를 별도로 제작하는 경우도 있으나, 이러한 경우 경제성이 떨어지게 된다. 따라서, 모래, 쇄석 및 자갈 등의 형태가 그대로 적용되는 경우가 많다.

하수처리용 인공습지 처리시설에 적용되는 여과사는 그 형태나 크기에 있어 적절한 규격이나 특성 없이 일방적으로 사용되어 왔고, 이에 따라 하수처리시스템에서 효과적으로 하수의 오염물질을 제거하고, 향후에 문제가 될 수 있는 공극폐색 등을 극복할 수 있는 대안 없이 사용되어 왔다.

또한, 여과사 제조시설이 제대로 갖추어지지 않은 정수장에서는 자연산 규사를 사용하고 있으나, 일부 정수장에서는 석영질 함유량이 적은 일반 모래를 사용하여 정수 후에 철분 등의 불순물이 검출되는 문제점이 발생한다.

특히, 기존에 사용된 해사, 강사 및 산사 등 자연에서 채취하는 여재는 현재 법적 규제로 인해 채취가 어려울 뿐만 아니라, 입자의 형태도 균일하지 못하여 공극율이 일정하지 못하고, 이로 인해 여과사로서의 기능을 장기간 지속시키지 못할 뿐만 아니라, 필요한 경우 역세척 시설을 설치하여야 하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 하수 및 폐수를 처리함에 있어 1차 처리조와 2차 처리조로 이루어진 하수처리 시설이 개발되었다.

상기 하수처리 시설의 1차 처리조는 골재(여과사와 자갈)로 구성되면서, 상부 표면에 갈대가 식재되고 그 내부의 골재층에는 자연통풍방식에 의해 공기가 공급되고, 2차 처리조는 골재(여과사)로 구성되면서 그 상부 표면에는 각종 수생식물이 서식하고 그 내부의 골재층에는 공기가 공급되지 않는다.

상기 하수처리 시설은 하수고도처리시설의 고도처리에 있어서, 인 제거의 경우 주로 식물에 의한 흡수, 여재에 기생하는 미생물과 부착조류에 의해 생성된 미생물막(biofilm)에 의한 흡착, 여재층에 존재하는 철, 칼슘 및 알루미늄 등의 양이온과 결합되어 제거된다.

이러한 일례로서 대한민국실용신안등록 제0190098호는 유입되는 하수를 순차적으로 통과시켜 정화시키는 갈대조 및 그 보다 낮은 위치에 설치된 수초조를 구성하고, 갈대조는 바닥과 둘레에 차수막을 깔고 그 상부에 잔자갈과 같은 골재를 채운 후 상부에 갈대를 심고, 골재의 하부에 다수개의 통기공 및 수직으로 동기 유도관에서 걸러진 하수를 수초조로 배수시킴과 동시에 골재 및 갈대에 산소를 공급하도록 하고, 수초조는 바닥과 둘레에 차수막을 깔고 그 상부에 모래와 같은 골재를 채우고 수초의 물이 충분한 시간동안 흐르면서 정화되도록 하수 유도막을 지그재그로 설치함과 아울러 상부에 다년생 수초를 심고, 또 정화된 정화수를 하천으로 방류시키는 방류관을 구비한 하수처리장을 개시하고 있다.

또한, 대한민국특허등록 제0375237호는 하수가 유입되는 집수조, 상기 집수조로 유입된 하수를 충분히 저수할 수 있는 용적을 갖고 상기 하수를 호기성 분위기에서 처리하는 호기성조 및 상기 호기성조의 바닥면 하단으로 혐기성 분위기를 갖는 혐기성조를 구성하고, 상기 호기성조는 바닥과 둘레에 오수가 누출되는 것을 방지하기 위한 제1차수막과 그 상부에 소정높이로 자갈 및 모래를 적층시킨 골재층, 상기 골재층의 상부에 심어져 있는 식물체, 상기 식물체가 심어져 있는 골재층의 하부로는 골재층을 통과하며 처리된 1차 처리수의 이동경로를 제공하고 상기 골재층 및 식물체에 산소를 공급하기 위해 매설한 적어도 한 개 이상의 수평통기관, 상기 수평통기관의 일측에 연결설치되고 대향되는 타측은 대기로 개방되어 대기로부터 공기가 유입되는 적어도 한 개 이상의 수직통기관, 상기 수평통기관에서 연결설치되어 상기 수평통기관 내부로 차집된 1차 처리수를 혐기성조로 이동시키기 위하여 처리수 유입관으로 구성하고, 상기 혐기성조는 상기 호기성조의 처리수 유입관을 통과한 1차 처리수를 혐기성조로 유도하는 처리수 배출관과 바닥과 둘레에 상기 처리수 배출관으로부터 배출된 1차 처리수가 누출되지 않도록 구비된 제2차수막, 상기 처리수 배출관으로부터 유입된 1차 처리수의 흐름경로를 유도하기 위한 격벽, 상기 격벽을 따라 이동하며 처리된 2차 처리수를 외부로 배출시키는 방류관으로 구성된 것을 특징으로하는 하수 처리장치를 개시하고 있다.

또한, 대한민국특허등록 제0379741호는 하수가 유입되는 집수조, 상기 집수조로 유입된 하수를 충분히 저수할 수 있는 용적을 갖고 상기 하수를 호기성 분위 기에서 처리하는 호기성조 및 상기 호기성조의 바닥면 하단으로 혐기성 분위기를 갖는 혐기성조를 구성하고, 상기 호기성조는 바닥과 둘레에 오수가 누출되는 것을 방지하기 위한 제1차수막과 그 상단에 소정높이로 자갈 및 모래를 적층시킨 골재층, 상기 골재층의 상단에 설치되어 상기 집수조로 유입된 하수의 이동경로를 제공하는 분배관, 상기 분배관에 연결설치되어 분배관 내부의 하수를 상기 호기성조로 분배시키기 위한 적어도 하나 이상의 최종 분배관, 상기 최종 분배관의 둘레에 포설된 굴패각층, 상기 골재층의 상단에 심어져있는 식물체, 상기 골재층 내부에 매설되어 상기 식물체 및 골재층에 산소를 공급하기 위한 적어도 한 개 이상의 산기관, 상기 산기관에 연결설치되어 집수된 1차 처리수를 혐기성조로 유도하는 처리수 배출관, 상기 혐기성조의 바닥과 둘레에 설치되어 상기 처리수 배출관으로부터 배출된 1차 처리수의 흐름경로를 유도하기 위하여 혐기성조의 내부에 설치되는 격벽 및 상기 격벽을 따라 이동하며 처리된 2차 처리수를 외부로 배출시키기 위해 혐기성조의 일측에 설치된 방류관을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수처리장치를 개시하고 있다.

하지만, 산소가 존재하는 조건에서 독립영양미생물에 의한 질산화(nitrification) 과정은 과량의 알칼리도(alkalinity)를 감소하게 되는데, 이러한 알칼리도는 질산화 과정에서 수소이온의 발생에 따른 pH의 저하를 막고, 효과적인 질산화 과정이 지속적으로 유지되기 위한 필수적인 요소이다. 상기 인용문헌에서 제공되는 유입하수 및 골재에 의한 알칼리도 제공이 가능하나 이 양은 장기간 운전에 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 통수성을 향상시켜 공극폐색 방지 및 처리시설의 장기간 운전을 가능하게 하고, 유기물의 제거를 위한 미생물 담체로서의 역할뿐만 아니라, 질산화를 위한 알칼리성 물질 제공 및 하수 중의 인 성분의 고효율 제거를 위해 표준화 및 규격화된 여과사 및 굴패각을 포함하는 인공습지용 여과사를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

본 발명은 여과사 70 내지 90중량% 및 굴패각 10 내지 30중량%로 이루어진 인공습지용 여과사를 제공한다.

본 발명에 따른 여과사는 오염수를 처리하기 위해 설치되는 인공습지에 범용적으로 적용될 수 있는 사(沙)를 의미하는 것으로서, 통상적인 오염수 처리를 목적으로 하는 인공습지 등에 적용되는 사(沙)라면 어떠한 것에 적용하여도 무방하지만, 바람직하게는 물리, 화학적 및 생물학적 작용에 의해 오염수를 처리하는 인공습지, 더욱 바람직하게는 골재층에 오염수를 공급하여 상기 골재층의 상부표면으로부터 하부로 수직이동하면서 상기 골재층에 존재하는 미생물에 의하여 오염수가 처리되는 인공습지용 처리시설에 이용될 수 있는 사(沙), 즉 모래를 의미한다.

본 발명에 따른 여과사는 내마모성이 뛰어나고, 일정한 공극률을 갖고, 여과사 내부로 유입된 오염수의 투수율을 높여 통수성을 유지시킬 수 있으며, 체류시간 을 일정하게 유지시킴으로써 여과기능 향상 및 생물학적 처리공정의 담체로서의 역할을 수행할 수 있도록 하는 것으로서, 그 형태는 입경 2 내지 5mm의 입자가 90% 이상을 차지하는 왕사규격으로 유효경(

) 2.0mm, 균등계수(

) 1.5 이하, 35 내지 45%의 간극율, 바람직하게는 40%의 간극율을 갖는 것이 좋고, 그 재질은 강사 및 해사 등의 자연사 또는 인공적으로 암석을 파쇄하고, 원하는 규격의 체 거름에 의하여 얻어지는 모래를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 암석의 재질로는 쉽게 깨어지거나 부수어지지 않는 것이면 어떠한 암석이라도 무방하지만, 바람직하게는 화강암 계열의 암석을 사용하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 따른 여과사는 불순물의 포함 정도가 여과사 총 중량에 대하여 5중량% 미만, 바람직하게는 1중량%인 것을 사용하는 것이 좋으므로, 필요에 따라 세척과정을 거쳐 여과사에 포함된 불순물 함유량을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 굴패각은 오염수 중의 인성분에 대한 흡착 및 불용성 화합물 형성을 유도하여 인을 제거하기 위한 것이다.

통상적으로 굴패각은 약 35 내지 40%의 칼슘으로 구성되어 있는데, 굴패각의 총 중량에 대하여 90중량% 이상이 탄산칼슘(

)인 것으로 이루어져 있다.

또한, 굴패각은 비표면적이 (

) 이상으로 일반 여과사에 비해 넓기 때문에 흡착능력이 뛰어나고 미생물이 부착생장 할 수 있는 장소를 제공하여 미생물 부착성장공정을 유리하게 지속시킬 수 있다.

본 발명에 따른 굴패각은 인공습지용 여과사 총중량에 대하여 10 내지 30중 량%인 것이 좋으며, 바람직하게는 15 내지 20중량%인 것이 좋고, 국내 연안에서 발생하는 굴 양식 후 얻어지는 굴패각이라면 어떤 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 사용 전 2 회 이상 세척하여 불순물을 제거하는 것이 좋다.

또한, 본 발명에 따른 굴패각은 파쇄, 선별하는 과정을 거쳐 여과사와 혼합 할 경우, 통수성에 영향을 주지 않는 정도의 크기가 좋으며, 바람직하게는 2 내지 3mm 크기가 좋다.

본 발명에 따른 여과사에 포함된 굴패각에 존재하는 다량의 칼슘이온은 유입된 오염수 중에 포함되어 있는 용해성 인산염[

]과 결합하여 불용성의 인산염[

,

]으로 전환되어 제거할 수 있어, 유입수 중의 총인 (T-P)의 제거에 효과적이며, 이로 인하여 유입수 중의 총인을 최소 60% 이상 제거하는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 굴패각에 존재하는 칼슘이온이 오염수와 혼합되는 경우, 다음과 같은 반응식 1의 반응 메카니즘을 갖는다.

[반응식 1]

+

+

+

또한, 굴패각에 포함되어 있는 칼슘이온은 산성 강우에 함유되어 있는 수소이온과 결합하여 pH를 조절하여 다음과 같은 반응식 2의 화학 반응으로 인공습지 시설내에 오염수 처리과정에서 완충 작용을 일으켜 미생물과 수생식물의 생장에 미 치는 산성의 영향을 최소화 할 수 있다.

[반응식 2]

+

+

또한, 본 발명에 따른 굴패각은 호기성 영역에서 질산화 과정으로 과도하게 소모되는 알칼리도를 보충시켜 줄 수 있는 알칼리도의 공급원으로 제공되어 효과적인 질산화 과정이 진행될 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 여과사 및 굴패각으로 이루어진 인공습지용 여과사는 지표면으로부터 일정 깊이로 형성되며, 바람직하게는 지표면 상부로부터 0.2 내지 1.5m, 보다 바람직하게는 0.5 내지 1.0m의 깊이로 단독 또는 필요에 따라 자갈층과 함께 형성되며, 상부 또는 측면에서 오염수가 직접 유입되어 접촉되는 수직 또는 수평흐름에 의한 1차적인 오염수 처리 과정을 거치는 공간을 제공하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 인공습지용 여과사는 하수의 처리를 위해 사용되는 생활하수, 오염하천, 비점오염원 또는 하/폐수의 후처리시설 등의 인공습지형 처리시설에 적용할 수 있는 것으로서, 여과사와 여과사간의 간극(공극)에 미생물이 부착되어 생존할 수 있는 장소를 제공하며, 상부 정수식물의 뿌리와 하수 및 공기의 접촉을 최대화할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에 기술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 인공습지용 여과사는 생활하수, 오염하천, 비점오염원 및 하/폐수의 후처리시설 등에 사용되어 부유물질 등 다양한 오염원이 존재하는 오염수를 직접 유입시키는 경우에도 통수성을 확보하고, 여과사 입자간의 간극(공극)에 미생물이 부착되어서 생존할 수 있는 조건을 지니며, 상부 정수식물의 뿌리와 하수 및 공기의 접촉을 최대화 할 수 있다.

또한, 상기 인공습지용 여과사에 포함된 굴패각은 오염수 중의 총인을 화학적 결합에 의해 제거시킬 수 있는 다량의 칼슘이온을 제공하여 pH의 조절과 호기성영역에서 알칼리성 물질 제공 등의 역할을 한다.

Claims (4)

1. 여과사 70 내지 90중량% 및 굴패각 10 내지 30중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 인공습지용 여과사.
2. 제1항에 있어서,

   여과사는 입경이 2 내지 5mm이고, 유효경 2.0mm이고, 균등계수 1.5 이하이고, 간극률이 35 내지 45%인 것을 특징으로 하는 인공습지용 여과사.
3. 제1항에 있어서,

   굴패각은 여과사의 통수성에 지장이 없도록 2 내지 3mm 크기로 파쇄, 선별하는 과정을 거친 것을 특징으로 하는 인공습지용 여과사.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 인공습지용 여과사가 생활하수, 오염하천, 비점오염원 또는 하/폐수의 후처리시설 등에 사용되는 것을 특징으로 하는 인공습지용 여과사.