KR100944988B1

KR100944988B1 - 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법

Info

Publication number: KR100944988B1
Application number: KR20090093388A
Authority: KR
Inventors: 이미란; 강경해
Original assignee: (주)대성그린테크
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-03-02

Abstract

본 발명은 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유입차단게이트를 통해 초기 강우의 비점오염수만을 유입한 후 차단하여, 상기 유입된 초기 강우에 함유되어 있는 협잡물, 토사, 부유물질을 침사스크린에 의해 차단하여 제거하는 스크린조와, 상기 스크린조를 거친 처리수를 수생식물과 상기 수생식물을 여재로 하여 공생하는 미생물에 의해 오염물질을 제거하는 식생저류조와, 상기 식생저류조의 저부에 설치되어, 다공성 여재를 이용하여 정밀여과처리하는 복합여과조와, 상기 복합여과조를 거친 처리수가 식생저류조가 평수위인 경우 다시 식생저류조로 순환시키고, 비점수위인 경우 수위조절밸브를 통해 하천방류되도록 구성되는 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법에 관한 것이다.

비점오염원, 복합여재, 자연형, 협잡물, 모래, 부유물질, BOD

Description

비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법{KM-RF SYSTEM}

본 발명은 시가지, 논, 밭/과수원, 초지,산지, 건설현장, 매립지 등 일반적으로 강수기간 중 빗물과 함께 유입되는 비점오염원을 처리하기 위해 비점오염원 저감시설 중 자연형 저감시설에 의해, 식물과 공생미생물에 의한 자정작용, 복합여재를 이용한 정밀여과 및 식생여과대를 통한 자연친화적인 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법에 관한 것이다.

수질오염에 대한 규제는 대부분 도시하수, 공장폐수 등의 점오염원(point sources)을 중심으로 이루어지기 때문에, 강수기간에 시가지, 논, 밭/과수원, 초지,산지, 건설현장, 매립지로 부터 유입되는 오염물질, 즉 비점오염물질은 그 처리가 미흡한 실정이다. 따라서, 점오염원과 같은 규제와 처리방안을 모색하여 비점오염원에 대한 관리가 시급하다.

상기 비점오염물질은 발생량 및 배출특성에 대한 파악이 쉽지 않고, 그 발생량 또한 매우 불규칙적이며, 또한 많은 종류의 오염물질을 포함하는 특징이 있다. 특히 시간에 따른 부하량 변동폭이 크며, 강우초기에 오염물질의 농도가 매우 높다.

정리하여 보면, 비점오염물질의 특성은, 주로 기후에 의해 간헐적이며, 분산된 형태로 지표수에 유입되는 점, 오염이 넓은 면적으로 발생되며, 지표수에 쓸려 유입되는 점, 발생지점이 관측되기 어렵고, 정확한 오염원을 추적하기 어렵다는 점, 비점오염 발생량을 배수규제로 제한하는 것은 불가능하다는 점, 비점오염 확산은 대부분 기상조건에 의해 결정되며, 장소와 시간에 의해서도 크게 변화한다는 점에 있다.

도시지역 비점오염물질의 유출량은 도심외 지역과 비교하여 볼 때, BOD와 SS농도가 각각 92배, 24배 이상 높게 유출되고, 공업지역의 경우 초기강우 유출수 농도가 폐수배출시설 배출허용기준의 최고 10배까지 높은 것으로 알려져 있다. 그리고, 불투수층 비율이 10%로 증가할 때마다 유출부하량이 10 ~ 50% 증가하는 것으로 보고되고 있다.

이와 같이 비점오염물질은 발생위치, 유출경로의 다양성으로 인하여 유출성상, 유출특성이 일정하지 않은 것으로, 이와 같은 비점오염원을 저감시키기 위한 저감시설로는 크게 장치형, 자연형, 식생형으로 나뉘게 된다.

상기 장치형은 물리/생물학적 장치를 이용하여 처리하는 시설로서 협잡물, TSS, 박테리아, 용존 유기물질 등의 제거에 효과가 있으며, 무동력 장치로서 우수관거 말단부 또는 집수정 등에 설치한다. 도로, 공항, 차량정비업소, 주차장, 아파트등 광범위한 장소에 설치 가능하며, 오염원의 직유입부나 하천, 호소의 유입말단부에 기존관로와 연계하여 설치할 수 있다. 이와 같은 장치형은 고농도의 초기 강우만을 처리하므로 효율적이고 경제적이며, 구조물이 지하에 매설되어 경관에 대한 영향이 적고, 적은 지표공간에도 설치 가능하다는 장점을 갖는 반면, 3 ~ 5년에 한번씩 메디아를 교체해야 하며, 설치시 자연 유하를 고려한 위치 선정이 필요하다는 단점을 갖고 있다. 이와 같은 장치형의 종류에는 여과형, 와류형, 스크린형이 있다.

다음으로, 상기 시설형은 넓은 유역의 비점오염 저감을 위하여 대규모로 설치하는 것으로, BOD, SS, T-P에 대해서는 신속한 처리 효과가 있으며, 기술의 신뢰성 확보가 가능하다는 장점을 갖는 반면, 유지관리인 확보 및 상시 관리가 필요하고, 약품비, 동력비, 슬러지 처리 등 운전비 소요가 되는 단점이 있다. 상기 시설형의 설치조건으로는 자동화로 인적 관리 최소화 유지 및 슬러지 발생에 대한 처리 계획이 필요하고, 강우특성, 유량, 수질의 부하 및 처리의 안전성 및 경제성이 고려되어 설치되어야 한다. 상기 시설형의 종류로는 응집침전형 시설, 생물학적처리형 시설이 있다.

그리고, 본 발명에 적용되는 자연형은 다시 둘로 나눌 수 있는데, 저류형과 식생형으로 나뉘게 된다.

상기 저류형의 경우, 우수유출수의 오염부하를 줄이기 위해서 우수를 저류한 후 수량을 조절해서 공공수역으로 방류하여 하천으로 유입량을 조절하는 것으로, 대규모 유량발생지역에 적합하며 주변의 하천과 조화로운 환경 조성에 유리하고, 침전물과 침전물에 흡착된 오염물질의 제거에 효과가 있는 반면, 수심이 얕고, 비교적 넓은 면적의 토지를 필요로 하므로 토지 비용이 고가인 지역에는 적용 곤란하다는 단점을 갖고 있다. 또한, 상기 저류형은 지하수 수위를 유지하기 위해서 최소한 40,000㎡ 이상의 배수구역이 필요하고, 홍수 발생 위험이 없는 곳에 위치하여야 하며, 하류의 하천이 낮은 수온을 유지하는 경우에는 바람직하지 않다.

상기 식생형의 경우, 수로에 식생을 도입하는 것으로 강우유출수가 식생수로로 유하할 때 유출속도가 감소되고 침전물과 오염물질은 여과, 흡착, 중력 침전 과정을 통해 제거되는 것으로, 지표면 유수속도 감소, 집수 시간 증가, 침투증가에 의해 강우 유출 수량 감소와, 유속이 감소됨에 따라 여과, 흡수, 중력침전으로 부유성 침전물 제거와 자연 환경 개선에 효과적이나, 동절기 식생 동사로 인한 유지 관리비 과다소요되며, 정화기간이 식생의 생육기간에 한정되고 배수시스템의 정비 빈도가 잦다는 단점이 있다. 상기 식생형은 설치조건으로서, 계획된 강우유출수를 적절히 처리하기 위해 길이 방향의 경사가 5% 이하이어야 하며, 식생 및 토양층과 강우유출수의 접촉시간을 최대화하여야만 처리 효율을 높힐 수 있다. 또한 종류로는 식생여과대, 식생수로가 있다.

본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법은 비점오염원 저감시설 중 자연형으로서, 처리가 용이하지 않은 비점오염원을 효율적으로 처리하기 위한 것으로, 비점오염원의 처리에 관한 기술로는 공개특허 10-2009-0088763(공개일자 2009.08.20)의 '비점오염원 저감장치 및 이를 이용한 비점오염원 처리시설', 공개특허 10-2009-0075292(공개일자 2009.07.08)호의 '비점오염원 처리시스템 및 이를 이용한 비점오염원처리방법', 등록특허 10-0453194(등록일자 2004.10.06)호의 '비점오염원 제거장치', 등록특허 10-0533596(등록일자 2005.11.29)호의 '비점오염원 자연정화를 위한 정화 시스템', 등록특허 10-0912458(등록일자 2009.08.10)호의 '비점오염원 유출수 정화처리시스템', 등록특허 10-0444972(등록일자 2004.08.09)호의 '생태공원으로 활용가능한 점.비점 오염원 처리용 다단계셀인공습지 시스템 및 오염원 처리 방법'이 개시된 바 있다.

상기 공개특허 10-2009-0088763, 공개특허 10-2009-0075292, 등록특허 10-0453194의 경우, 본 발명에 따른 자연 친화적인 자연형 비점오염물질 저감방법에 적용하기에 부적합하고, 상기 등록특허 10-0533596, 등록특허 10-0912458, 등록특허 10-0444972의 경우 자연형의 비점오염물질 저감시설의 한 형태이기는 하나, 본 발명에서 목표로 하는 방류수질을 얻기에는 부적합하다는 문제가 있었다.

본 발명은 시가지, 논, 밭/과수원, 초지,산지, 건설현장, 매립지 등 일반적으로 강수기간 중 빗물과 함께 유입되는 비점오염원을 효율적으로 처리하기 위하여, 식생저류조와 복합여과조의 복합구성을 통해 이루어지는 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 유입차단게이트를 통해 초기 강우의 비점오염수만을 유입한 후 차단하여, 상기 유입된 초기 강우에 함유되어 있는 협잡물, 토사, 부유물질을 침사스크린에 의해 차단하여 제거하는 스크린조와,

상기 스크린조를 거친 처리수를 수생식물과 상기 수생식물을 여재로 하여 공생하는 미생물에 의해 오염물질을 제거하는 식생저류조와,

상기 식생저류조의 저부에 설치되어, 다공성 여재를 이용하여 정밀여과처리하는 복합여과조와,

상기 복합여과조를 거친 처리수가 식생저류조가 평수위인 경우 다시 식생저류조로 순환시키고, 비점수위인 경우 수위조절밸브를 통해 하천방류되도록 구성된 다.

상기 식생저류조는 바닥면에 다공성세라믹층을 형성하고, 상기 다공성세라믹층에 갈대(Phragmites communis), 줄, 고랭이, 부들(Typha orientalis), 꽃창포(lris ensata var. spontanea), 노랑꽃창포(lris pseudoacorus), 창포(Acorus calamus var. angustatus), 털부처꽃(Lythrum salicaria), 석창포(Acorus gramineus), 부레옥잠(E. crassipes), 종려방동사니(C. alternifolius L,), 골풀(J. effuses), 물상추(P. straiotes), 물앵무새깃(A.fischeri), 물칸나(T. dealbata) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상이 식재되어 구성된다.

상기 복합여과조는 폐합성수지인 폴리에틸렌을 용융처리하여 제작한 폴리에틸렌 담체를 충진하여 구성되는 것으로, 상기 폴리에틸렌 담체는 망형상의 원통형으로 하나, 필요에 따라 다양한 형태로 변형이 가능하다.

상기 폴리에틸렌 담체는 폴리에틸렌수지를 120 ~ 150℃에서 전기히터에 의하여 가열 용융시켜 형성되는 폴리머를 압출기를 통하여 토출시킨 후 냉각시켜 제조한다.

그리고, 상기 폴리에틸렌 담체는 표면에 미세한 주름이 형성되어 있어, 미생물의 부착 및 번식을 용이하게 한다.

상기 다공성세라믹층은 수산화아파타이트세라믹, 황첨가세라믹, 황토세라믹, 패각첨가세라믹, 규조토세라믹, 은첨가세라믹 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 세라믹이 식생저류조 바닥면 상부로 적층되어 형성된다.

상기 수산화아파타이트세라믹은 수산화아파타이트 95 ~ 99.5wt%와 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형한 다음 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시 켜 제조된다.

상기 수산화아파타이트와 관련하여, 아파타이트의 구조는 일반적으로 A₁₀(MO₄)₆X₂의 기본식을 가지고 있으며, 여기서 A는 1, 2, 3가 등의 양이온인 Ca, Ba, Mg, Sr, Pb, Cd, Zn, Ni, Fe, Al, La이며, M은 P, As, V, S, Si이고, X는 F, OH, Cl, O등의 원소가 단독으로 또는 복수로 들어가 아파타이트를 형성한다. 그 중에서, 수산화아파타이트는 아파타이트 중에서도 가장 널리 사용하고 있는 것으로, 화학식은 Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂이다. 상기 수산화아파타이트는 환경오염원을 감소시키고 오염된 환경을 정화하는 기능을 가진 환경소재로서의 특징와 생체친화력이 우수하고 이온교환능이 우수하다. 또한, 수산화아파타이트는 패각, 폐석고, 참치뼈, 소뼈와 같은 폐자원을 쉽게 합성할 수 있어 폐기물 재활용 측면에서 친환경적이다.

그리고, 상기 수산화아파타이트의 사용량이 95wt% 미만인 경우에는 정화기능이 떨어질 수 있고, 99.5wt%를 초과하게 되는 경우에는 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 수산화아파타이트는 바인더와의 총중량에 대해 95 ~ 99.5wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 바인더는 PW(paraffin wax), PEG(polyehylene glycol), EVA(ethylene vinyl acetate copolymer), PS(polystyrene), PP(polypropylene), LDPE(low density polyethylene), POM(polyoxymethylene), HDPE(agarose and high density polyethylene) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용하는 것으로, 후술하는 바인더에도 동일하게 적용된다.

상기 바인더의 사용량이 0.5wt% 미만인 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어지고, 5wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹을 통한 정화기능이 떨어질 수 있으므로, 상기 바인더는 수산화아파타이트와의 총중량에 대해 0.5 ~ 5wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 황첨가세라믹은 수산화아파타이트 65 ~ 75wt%와, 황분말 20 ~ 30wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형한 다음건조한 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조된다.

상기 황첨가세라믹은 탈질기능을 갖는 것으로, 황산화미생물로서 Genus Thiobacillus 중 탈질균은 황 화합물을 수중에 용출시켜 황산염이온으로 산화시키면서 동시에 외부탄소원(methanol, acetate, ethanol등) 없이 NO₃ ^-를 질산성 질소로 전화시켜 질소를 제거한다.

상기 황분말의 사용량이 20wt% 미만인 경우에는 탈질기능이 떨어지고, 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 황분말은 황첨가세라믹 전체 혼합량에 대해 20 ~ 30wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 황토세라믹은 황토분발 90 ~ 96.5wt%와 탄산칼슘 2 ~ 5wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조 한다.

상기 황토세라믹은 칼슘이온 등 미생물활성에 필요한 필수 미네랄을 수중에 용출시켜 미생물활성을 촉진시킴으로서 유기물 산화분해 능력을 증진시키며 수생식물에 자랄 수 있는 토양 역할을 수행하게 되며 정수식물의 활착, 토양 미생물 및 식물뿌리에 서식하는 미생물의 활성화 공간으로서의 기능을 수행하게 된다.

상기 탄산칼슘의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 황토세라믹의 유기물 산화분해능력이 떨어지고, 5wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 탄산칼슘은 황토세라믹 전체 혼합량에 대해 2 ~ 5wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 패각첨가세라믹은 수산화아파타이트 80 ~ 85wt%와 패각분말 5 ~ 12wt%, 황토 1 ~ 5wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 패각첨가세라믹은 중금속 흡착과 난분해성 유기물의 흡착. 산화, 분해 능력이 뛰어나며 슬러지 용적지수를 낮게 하여 고액분리를 용이하게 하는 것으로, 상기 패각분말의 사용량이 5wt% 미만으로 사용하는 경우에는 중금속 흡착과 난분해성 유기물의 분해능력이 떨어질 수 있고, 12wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 패각분말의 사용량은 패각첨가세라믹 전체 혼합량에 대해 5 ~ 12wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 규조토세라믹은 규조토 82 ~ 90wt%, 패각분말 2 ~ 7wt%, 탄산칼슘 0.1 ~ 3wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조된다.

상기 규조토세라믹은 유기물의 흡착, 분해 및 고농도 미생물의 화성 유지 기능과 사상균의 증식 억제, 규조입자에 의한 미생물 플록(floc) 형성에 핵을 제공함으로서 침강성을 증진시킨다.

규조토는 단세포 식물인 규조류의 유해가 호수나 바다에 가라앉아 형성된 퇴적물로서, 퇴적되는 과정에서 유기물질, 모래 및 산화철 등이 포함되고 있으며, 규조류의 종류와 퇴적 당시의 상황에 따라 산지별로 성분의 차이가 있다. 규조토의 화학조성은 SiO₂ 96.16 ~ 96.80%, Al₂O₃ + Fe₂O₃ 1.2 ~ 1.8%, 결합수 1.92 ~ 1.98%로서 SiO₂가 주성분이다.

규조토는 매우 가볍고 연하며, 많은 기공을 가지고 있어서 부피의 5배 정도의 액체를 흡수할 수 있다. 양질 규조토의 참비중은 2.05 ~ 2.15이고, 겉비중은 0.2 ~ 0.3이며, 용적 기공율은 77 ~ 80%으로 저온에서 하소한 일반 점토의 6 ~ 8배나 된다. 투수율은 1cm 두께의 층에서 0.0957ml/㎠, 열전도율은 100 ~ 900℃에서 0.00015g.cal/㎠.sec.℃, 비열은 0.2정도이다. 규조토는 거의 비정질(non-crystal)이지만, 1,000 ~ 1,600℃로 가열하면 Cristallite 또는 tridymite가 된다. 음용수 처리에 사용하는 일반적인 규조토의 입자크기는 5 ~ 64㎛이다.

상기 규조토의 사용량이 82wt% 미만인 경우에는 유기물의 흡착, 분해 기능이 떨어지고, 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 규조토는 규조토세라믹의 전체 혼합량에 대해 82 ~ 90wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 은첨가세라믹은 수산화아파타이트 85 ~ 90wt%, 은(Ag)나노분말 2 ~ 10wt%, 바인더 0.5 ~ 8wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조된다.

상기 은첨가세라믹은 은(Ag)을 포함한 소결체로 접촉에 의해 대장균군과 일반세균의 살균작용을 한다.

상기 은나노분말의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 살균기능이 떨어지고, 10wt%를 초과하게 되는 경우에는 세라믹의 내구성이 떨어질 수 있으므로, 상기 은나노분말은 은첨가세라믹의 전체 혼합량에 대해 2 ~ 10wt%의 범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법은 물리화학적 기계장치, 식물과 공생미생물의 자정작용, 식생여과대등을 이용한 자연 친화적 고효율 저감기술로서, 초기 우수(비점오염수) 유입 시 전처리 시설에서 협잡물, 모래, 부유물질을 제거한 후 식생 저류조로 유입시켜 식생기반재를 여재로 이용하는 공생미생물에 의해 BOD, N, P를 동시에 흡착 분해하고, 이때 순환 설비를 가동하여 저류조내 물을 순환시켜 오염물질을 연속적이고 안정적으로 처리할 수 있다.

그리고, 상기 저류조내 수위를 평수위 및 비점수위로 구분하여 수위 조절 밸브를 개방하면 1차 처리된 물이 복합여재처리조를 통해 SS 85%, BOD 60%, T-N 30%, T-P 70% 이상으로 처리하여 하천으로 여과 방류되므로 비오염물질에 대한 처리효율 극대화 및 수생태 보전 효과가 우수하다.

또한, 단순한 침전/여과 등의 물리적인 분리 방법이 아닌, 생물반응적 흡착 및 분해, 정밀한 여과 등이 복합적으로 결합된 고효율 기능성 처리과정을 갖는다.

상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법은 스크린조(10)와, 식생저류조(20)와,

상기 식생저류조(20)의 저부에 설치되어, 다공성 여재를 이용하여 정밀여과처리하는 복합여과조(30)와,

상기 복합여과조(30)를 거친 처리수가 식생저류조(20)가 평수위인 경우 다시 식생저류조(20)로 순환시키고, 비점수위인 경우 수위조절밸브(40)를 통해 하천방류되도록 구성된다.

상기 스크린조(10)의 침사스크린에 의해 협잡물, 토사, 부유물질을 차단하여 제거하고, 유입차단게이트는 초기 강우의 비점오염수만을 유입한 후 차단함으로써 초기 우수에 포함되어 있는 고농도의 비점오염수를 효율적으로 처리하도록 한다.

상기 식생저류조(20)는 상기 스크린조(10)를 거친 우수에 대해 수생식물 및 수생식물에 공생하는 미생물에 의한 오염물 처리과정을 거치게 된다.

수생식물에 의한 수처리는 습지시스템(wetland system)과 수중시스템(Aquatic system)으로 구분할 수 있다. 습지시스템은 수생식물 중 정수 식물을 이용하며 그 구성요소는 수생식물(정수식물), 매체, 미생물 등이 있다. 여기서 매체(media)는 돌, 자갈, 토양 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있는데 직접적으로는 여과, 침전, 흡착작용을 통하여 오염물을 처리하며 동시에 식물의 생장에 필요한 매체의 역할과 뿌리에 부착된 미생물을 지지하는 역할을 함으로써 수질 정화작용에 기여한다.

상기 식생저류조(20)는 인공습지는 갈대, 줄, 부들 등의 습지식물과 미생물 부착의 매체인 자갈, 토양, 그리고 미생물로 구성된다. 습지에서의 수질정화는 무생물적인 요인(침전과 흡착)과 생물적 요인(생물에 의한 흡수)으로 구분된다. 침전과 흡착에 의한 오염물질처리는 입자형태의 물질이 저층으로 가라앉거나 식물체의 표면에 부착되어 처리되는 형태로서 습지에서 가장 중요한 정화기작이며, 이렇게 처리된 오염물질들은 수생식물에 의해 직접 흡수되지 않고 미생물에 의해 분해과정을 거쳐 이용된다. 습지에서 처리되는 오염물질은 유기물, 부유고형물, 영양염류, 병원성 미생물과 중금속 등이다.

질소는 인과 함께 식물생장에 필수요소이며, 유기태 질소와 무기태 질소의 형태로 자연계에 존재한다. 인공습지를 이용한 하수처리장에서 질소의 처리 경로는 크게 수초와 여재에 부착한 미생물에 의한 흡수, 암모니아 휘산, 그리고 질산화 및 탈질 등이다.

인공습지에서 질소의 처리는 식물에 의한 흡수보다 질산화와 탈질화가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 따라서 질산성 질소의 처리는 질산염을 최종 전자공여체로 하는 미생물에 의해 탈질과정이 일어나며, 그 결과 N₂와 N₂O로 휘산되어 질소의 제거가 일어난다.

C₆H₁₂O₆ + 4NO₃ --> 6CO₂ + 6H₂O + 2N₂

또한 인공습지에서 질소는 식물 뿌리 공간에서 일어나는 질산화와 탈질로도 처리되며, 인공습지 오염용수처리장의 뿌리 공간에서의 질산화와 탈질은 농업요수 중에 포함되어 있는 질소화합물이 인공습지 오염용수처리장의 식물 뿌리 공간에서 질산화와 탈질을 거쳐 처리되며, 뿌리 가까운 부분에 호기성 지역이 형성되며, 뿌리와 떨어진 곳은 혐기성을 나타나게 된다. 이와 같은 뿌리 공간에 질소화합물을 함유한 하수가 유입되면 여재표면에 부착되어 있는 호기성 박테리아인 Nitrosomonas의 작용으로 암모니아성 질소가 아질산성 질소로 되고, 이들은 호기성 박테리아인 Nitrobacter의 작용으로 질산성 질소로 된다. 이때 생성된 질산성 질소는 뿌리공간의 무산소 상태에서 혐기성 박테리아에 의해 질산성 질소를 전자 수용체로 하여 질소기체로 공기 중으로 처리되는 것이다. 뿌리공간에서 호기성과 혐기성의 공존은 계속적인 탈질을 자극하게 되고 따라서 기체 형태로 질소의 처리가 가능하게 된다.

식재된 수생식물은 유기물을 흡수하고 뿌리는 미생물접촉여재로서 기능을 하여 수질정화가 이루어진다. 수생식물은 식물뿌리와 같이 미생물의 매질로 이용되고 주변의 많은 영양염류를 농축하여 식물에게 영양분을 제공할뿐만 아니라, 식물의 뿌리는 통기조직을 통해 산소를 식물뿌리로 전달시켜 미생물의 유기물 분해를 촉진시킨다.

또한 수생식물에 부착한 많은 세균은 수체 내 유기물 분해와 빠른 물질순환을 야기시켜 동물플랑크톤의 먹이로 작용할 수 있다.

식재되는 수생식물은 수질정화능력이 탁월한 수종, 질소·인 등의 오염원별 수질 개선 목표에 따라 특정 오염원의 제거효율이 뛰어난 수종, 구입 및 유지관리가 용이한 수종, 환경조건에 잘 적응하며 월동이 가능한 수종 그리고 설치목적에 적합하고 전체적인 분위기에 조화되는 수종을 선택해야 한다.

상기 수생식물은 갈대(Phragmites communis), 줄, 고랭이, 부들(Typha orientalis), 꽃창포(lris ensata var. spontanea), 노랑꽃창포(lris pseudoacorus), 창포(Acorus calamus var. angustatus), 털부처꽃(Lythrum salicaria), 석창포(Acorus gramineus), 부레옥잠(E. crassipes), 종려방동사니(C. alternifolius L,), 골풀(J. effuses), 물상추(P. straiotes), 물앵무새깃(A.fischeri), 물칸나(T. dealbata) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상으로 사용한다.

수생식물(aquatic plants, hydrophyte)은 일반적으로 관속이 있는 고등식물로서 수중에 생활하는 식물을 말하며, 식물체의 구조가 살기에 적합하게 진화되었고 줄기와 뿌리 잎 등이 주위의 환경과 생활의 방식에 따라 다르게 변형 발전되었다. 생활습성에 따라 크게 고착성 수생식물(Hydrophyte attached to the substrate, Rooted aquatic plants), 수중이나 수면에 떠다니며 생활하는 부수성 수생식물(Free-floating Aquatic Plant)로 나뉘며, 다시 고착성 수생식물은 수표면에 잎을 뻗히고 뿌리를 물속에 토양에 부착하여 생활하는 정수식물(Emerged aquatic plants), 뿌리를 토양에 부착하지 않고 수면을 떠다니며 생활하는 부유식물(Flating aquatic plants), 영양기관이 물속에 잠겨 있는 침수(Submerged aquatic plants)로 나뉜다.

상기 식생저류조(20)에서의 유기물, 질소, 인의 제거에 따른 기작을 살펴보면 다음과 같다.

유기물 처리

수생식물 내부로 유입되는 유기물은 입자상 유기물과 용존성 유기물로 나누어진다. 이중 입자상 유기물은 침전, 여과, 생물막 흡착, 응집/침전 등의 물리적인 작용에 의해 수생식물 내부에 옮겨져 이후 가수 분해를 통해 용존성 유기물로 전환되면서 생물학적인 분해 및 변환 과정을 거친다. 탈질과정에서 유기탄소가 무기탄소로 변환되는 과정을 통하여 각 원소의 순환은 다른 원소의 순환과 맞물려 순환한다.

질소 처리

수생식물에 의한 질소의 제거는 질산화/탈질, 암모니아의 탈기, 습지식물에의 흡수 등의 과정을 통해 무기 질소를 변환시켜 습지의 수체에는 비교적 낮은 농도의 무기질소의 농도를 유지할 수 있도록 한다.

상기 수생식물에 의한 질소의 제거는 주로 3가지 기작을 정리하여 보면 다음과 같다. 1. 식물과 부착미생물에 의한 흡수(uptake), 2. 암모니아의 휘발(ammonia volatilization), 3. 질산화/탈질화(nitrification/denitrification)이며, 이 중 식물에 의한 흡수가 가장 중요하다.

식물이 이용할 수 있는 질소의 형태는 NH₄ ⁺, NO₃ ^-로서 식물의 뿌리에 부착된 미생물이 유기질소를 분해하여 식물이 이용할 수 있는 형태인 NH₄ ⁺, NO₃ ^-로 전환시켜줌으로써 최종적으로 식물이 이를 흡수하게 되는 것이다. 이외에도 질산화(Nitrification)와 탈질화(denitrification)도 질소제거에 기여한다. 식물을 통하여 산소가 대기로부터 뿌리로 확산되면 뿌리부분에 호기성지역과 혐기성지역이 존재하게 되는데, 이들의 공존은 계속적인 질산화(nitrification)와 탈질화(denitrification)를 자극하게 되고 따라서 기체형태로의 질소제거가 가능하다.

습지에서 미생물 활동에 의한 오염물의 제거는 수온의 영향을 받게 된다. 암모니아의 질산화와 질산성질소의 탈질화는 20 ~ 25℃에서 높으며, 15℃ 이하와 30℃이상에서는 둔화된다. 따라서 20 ~ 25℃의 수온에서 습지의 질소 제거량이 상대적으로 높아진다. 탈질화 과정은 전자를 공급하여 주는 유기 탄소원이 필요하며 습지식물이 죽어 형성된 잔재물과 유기쇄설물이 탄소 공급원 역할을 한다. 탄소공급원이 원활하지 못하면 NO₃-N 제거량이 낮아지게 된다.

인 처리

수생식물에 의한 인의 제거는 습지식물에의 흡수, 미생물의 고정화, 수체내에서 침전물 형성과 같은 제거 기작을 통해 이루어진다.

식물이 흡수할 수 있는 인은 PO₄ ^-3, H₂PO₄ ^-, HPO₄ ^2-의 형태이며 질소의 경우와 마찬가지로 부착미생물이 유기인을 분해함으로써 식물이 흡수할 수 있도록 만들어 준다. 수생식물의 영양염류 제거량은 수생식물 중의 영양염류 함량에 크게 좌우되는데 수생식물 중 질소의 함량은 종에 따라 0.5 ~ 5.0%, 인의 함량은 0.1 ~ 1.25%까지 다양하다. 뿐만 아니라 수생식물의 성장은 물의 영양염류 조성에 의해 영향을 받게 되는데 식물이 인을 최대한으로 흡수하려면 일정량의 질소와 함께 공존해야 한다. 만약 질소가 부족하게 되면 식물은 조직 내 영양염류 함량의 균형을 맞출 수 없게 된다.

상기 식생저류조(20)의 바닥면에는 다공성세라믹층(201)을 형성하게 되고, 상기 다공성세라믹층(201) 상부로 수생식물이 식재되어 구성된다.

상기 다공성세라믹은 수산화아파타이트 세라믹, 탈질세라믹, 미생물활성세라믹, 중금속흡착세라믹 흡착세라믹, 살균세라믹 중 선택되는 어느 1종 이상을 사용한다.

상기 수산화아파타이트(Hydroxyapstite)세라믹의 제조에 대한 구체적인 예는, 수산화아파타이트 95㎏과 PW(paraffin wax) 5㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 황첨가세라믹 제조에 대한 구체적인 예는,

수산화아파타이트 70㎏, 황분말 25㎏, PW(paraffin wax) 5㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 황토세라믹 제조에 대한 구체적인 예는,

황토분발 95㎏, 탄산칼슘 2㎏, PW(paraffin wax) 3㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 패각첨가세라믹 제조에 대한 구체적인 예는,

수산화아파타이트 83㎏, 패각분말 7㎏, 황토 5㎏, PW(paraffin wax) 5㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 규조토세라믹 제조에 대한 구체적인 예는,

규조토 90㎏, 패각분말 2㎏, 탄산칼슘 3㎏, PW(paraffin wax) 5㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 은첨가세라믹 제조에 대한 구체적인 예는,

수산화아파타이트 89㎏, 은(Ag)나노분말 8㎏, PW(paraffin wax) 3㎏을 혼합하여 판형으로 성형한 다음 건조하고, 1,000℃에서 50분간 소결시켜 제조한다.

상기 복합여과조(30)는 폐합성수지인 폴리에틸렌을 용융처리하여 제작한 폴리에틸렌 담체를 충진하여 구성된다. 그리고, 상기 폴리에틸렌 담체는 원통형의 망형상이나 필요에 따라 다양한 형태로 변형이 가능하다.

상기 자연형 시설의 처리대상 강우유출수량 계산방법은 식 (1.1)과 같이 계산된다.

V = 5mm × 4/1000

여기서, V = 처리대상 강우유출수량(㎥)

A = 처리대상면적(㎡)

본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법에 의한 방류수질(처리효율%)은 BOD 60%, SS 85%, T-N 30%, T-P 70%이다.

도 1은 본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 처리과정을 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 처리과정을 개략적으로 도시한 블럭도.

도 3은 본 발명에 따른 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 장치를 개략적으로 정면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 스크린조

20: 식생저류조

30: 복합여과조

40: 수위조절밸브

Claims

유입차단게이트를 통해 초기 강우의 비점오염수만을 유입한 후 차단하여, 상기 유입된 초기 강우에 함유되어 있는 협잡물, 토사, 부유물질을 침사스크린에 의해 차단하여 제거하는 스크린조(10)와,

상기 스크린조(10)를 거친 처리수를 수생식물과 상기 수생식물을 여재로 하여 공생하는 미생물에 의해 오염물질을 제거하는 식생저류조(20)와,

상기 식생저류조(20)의 저부에 설치되어, 다공성 여재를 이용하여 정밀여과처리하는 복합여과조(30)와,

상기 복합여과조(30)를 거친 처리수가 식생저류조(20)가 평수위인 경우 다시 식생저류조(20)로 순환시키고, 비점수위인 경우 수위조절밸브(40)를 통해 하천방류되도록 구성된 것에 있어서,

상기 식생저류조(20)는 바닥면에 다공성세라믹층(201)을 형성하고, 상기 다공성세라믹층(201)에 갈대(Phragmites communis), 줄, 고랭이, 부들(Typha orientalis), 꽃창포(lris ensata var. spontanea), 노랑꽃창포(lris pseudoacorus), 창포(Acorus calamus var. angustatus), 털부처꽃(Lythrum salicaria), 석창포(Acorus gramineus), 부레옥잠(E. crassipes), 종려방동사니(C. alternifolius L,), 골풀(J. effuses), 물상추(P. straiotes), 물앵무새깃(A.fischeri), 물칸나(T. dealbata) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상이 식재되어 구성되고,

상기 복합여과조(30)는 폐합성수지인 폴리에틸렌을 용융처리하여 제작한 폴리에틸렌 담체를 충진하여 구성되는 것으로, 상기 폴리에틸렌 담체는 망형상으로서 표면에 주름이 형성된 것임을 특징으로 하는 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법.
청구항 1에 있어서,

다공성세라믹층(201)은 수산화아파타이트세라믹, 황첨가세라믹, 황토세라믹, 패각첨가세라믹, 규조토세라믹, 은첨가세라믹 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 세라믹이 식생저류조(20) 바닥면 상부로 적층되어 형성된 것으로,

상기 수산화아파타이트세라믹은 수산화아파타이트 95 ~ 99.5wt%와 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형한 다음 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되고,

상기 황첨가세라믹은 수산화아파타이트 65 ~ 75wt%와, 황분말 20 ~ 30wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형한 다음건조한 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되고,

상기 황토세라믹은 황토분발 90 ~ 96.5wt%와 탄산칼슘 2 ~ 5wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%를 혼합하여 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되고,

상기 패각첨가세라믹은 수산화아파타이트 80 ~ 85wt%와 패각분말 5 ~ 12wt%, 황토 1 ~ 5wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되고,

상기 규조토세라믹은 규조토 82 ~ 90wt%, 패각분말 2 ~ 7wt%, 탄산칼슘 0.1 ~ 3wt%, 바인더 0.5 ~ 5wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되고,

상기 은첨가세라믹은 수산화아파타이트 85 ~ 90wt%, 은(Ag)나노분말 2 ~ 10wt%, 바인더 0.5 ~ 8wt%로 성형 건조 후 900 ~ 1000℃에서 45 ~ 50분간 소결시켜 제조되는 것임을 특징으로 하는 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법.
청구항 2에 있어서,

바인더는 PW(paraffin wax), PEG(polyehylene glycol), EVA(ethylene vinyl acetate copolymer), PS(polystyrene), PP(polypropylene), LDPE(low density polyethylene), POM(polyoxymethylene), HDPE(agarose and high density polyethylene) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것임을 특징으로 하는 비점오염원 처리를 위한 복합여재 활용 자연형 저감 방법.