KR101126097B1 - 바이오 콘볼 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물과의 친화성, 우수한 내화학성을 갖춤과 함께 성형성 및 강도가 향상된 미생물 고정매체인 바이오 콘볼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 바이오 콘볼 제조방법은 골재, 시멘트, 물 및 기공 유도제를 혼합하여 혼련하는 단계와, 혼련물을 볼 형상의 담체로 성형하는 단계와, 상기 담체를 진공감압 처리하는 단계 및 상기 담체를 양생하여 바이오 콘볼을 제조하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 진공감압 처리는 진공 챔버 내에 상기 담체를 구비시키고 0.1～0.3 기압 하에서 진행하여 담체 내의 미세기공을 형성하는 것을 특징으로 한다.

바이오콘볼, 접촉여재, 하폐수처리장치, 바이오블록, 인공어초

Description

바이오 콘볼 및 그 제조방법{Bio-concrete ball and method for fabricating the same}

본 발명은 바이오 콘볼 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미생물과의 친화성, 우수한 내화학성을 갖춤과 함께 성형성 및 강도가 향상된 미생물 고정매체인 바이오 콘볼 및 그 제조방법에 관한 것이다.

산업의 발달과 인구의 도시집중 현상으로 수질오염 문제는 날로 심각해지고 있으며, 하폐수 내에 함유되어 있는 다량의 질소, 인 및 유기물은 더 이상 자연의 자정작용에 의한 처리에 의존할 수 없는 상황에 도달하게 되었다.

질소와 인과 같은 영양염류는 생물의 성장에 필수적인 영양요소이지만 처리가 미흡하여 수중에 다량 함유된 경우에는 부영양화 현상을 유발하여 수질 오염을 악화시키는 역할을 한다. 하폐수에 포함되어 있는 질소, 인 등을 제거하는 방법으로 A₂O 공법, 바덴포(Bardenpho) 공법 등의 생물학적 하폐수처리방법이 널리 이용되고 있다.

생물학적 하폐수처리방법의 특징 중 하나는 미생물을 이용하여 하폐수를 정화하는 것이며, 통상 이와 같은 미생물은 다공성 담체 내에 담지된다. 한편, 미생물을 담지할 수 있는 다공성 담체의 재료로는 천연재료, 고분자재료, 활성탄 또는 세라믹 등의 무기재료 등이 널리 이용되고 있다.

천연재료로 구성된 다공성 담체는 미생물의 서식환경을 증진시키고 초기 흡착 및 영양물질을 제공하여 탈취효과를 향상시키는 특성을 가진 반면, 시간의 경과에 따라 탄화 및 압밀에 의한 압력 손실이 증가하여 흡착 성능이 감소되는 단점이 있다. 또한, 고분자재료로 구성된 다공성 담체의 경우, 미세구조의 제어가 용이하고 미생물의 고정화 특성이 우수한 반면, 겔(gel)상으로 인한 압력손실이 크며 장기간 사용시 담체 자체의 팽윤이나 자화에 의해 특성이 변질되고, 경제적 측면에서도 무기재료 담체에 비해 불리하다. 활성탄의 경우, 초기에 우수한 물리화학적 흡착능에 의한 높은 충격부하 특성을 가진 반면, 주기적 교체에 따른 운전비용의 증가가 단점으로 지적되고 있다.

한편, 세라믹 등의 무기재료로 구성된 다공성 담체는 미생물과의 우수한 친화성 및 우수한 내화학성, 성형성, 강도 등의 특성이 있으며, 특히 무기재료 혼합상으로 구성된 다공성 담체의 경우 고분자재료 소재의 담체에 비해 미생물들이 안정적으로 증식되어 부하변동, 온도변화 및 독성물질의 유입 등 상대적으로 물리적 충격에 안정적으로 보호받을 수 있기 때문에 높은 제거효율과 안정적인 처리효과를 얻을 수 있다고 보고되고 있다. 이와 같은 장점에도 불구하고, 무기재료 다공성 담체는 제조비용이 높다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 미생물과의 친화성, 우수한 내화학성을 갖춤과 함께 성형성 및 강도가 향상된 미생물 고정매체인 바이오 콘볼 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오 콘볼은 직경 5～20mm의 골재, 시멘트 및 기공 유도제의 조합으로 이루어지며, 상기 골재와 시멘트는 4～6 : 1의 중량비로 혼합되며, 상기 기공 유도제는 시멘트 중량 대비 0.5～1.5% 첨가되는 것을 특징으로 한다. 상기 기공 유도제는 알루미늄 분말, 탄산수소나트륨, 중탄산나트륨, 황산알루미늄칼륨, 감수제 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.

혐기조, 무산소조 및 폭기조 중 적어도 어느 한 조에 고정형 여재를 구비하는 생물학적 하폐수처리장치에서, 상기 고정형 여재로 상기 바이오 콘볼이 사용될 수 있다. 또한, 바이오 블록의 고정형 여재 또는 인공어초의 고정형 여재로 상기 바이오 콘볼이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 콘볼 제조방법은 골재, 시멘트, 물 및 기공 유도제를 혼합하여 혼련하는 단계와, 혼련물을 볼 형상의 담체로 성형하는 단계와, 상기 담체를 진공감압 처리하는 단계 및 상기 담체를 양생하여 바이오 콘볼을 제조하는 단 계를 포함하여 이루어지며, 상기 진공감압 처리는 진공 챔버 내에 상기 담체를 구비시키고 0.1～0.3 기압 하에서 진행하여 담체 내의 미세기공을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바이오 콘볼 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

투수성 콘크리트 담체를 이용하여 바이오 콘볼이 형성됨에 따라, 미생물과의 친화성, 내화학성, 성형성 및 강도가 우수하며, 생물학적 하폐수처리장치나 바이오 블록, 인공어초 등에 바이오 콘볼을 적용하는 경우 하폐수 내에 포함되어 있는 질소, 인 및 유기물을 효과적으로 제거할 수 있고 해초나 식물의 식생 환경을 개선할 수 있게 된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 명세서에 있어서, 바이오 콘볼(bio-concrete ball)이라 함은 본 발명의 일 실시예에 의해 제작된 투수성 콘크리트 재질의 볼(ball) 형상의 고정상 접촉여재를 의미한다. 또한, 본 발명에 따른 바이오 콘볼은 생물학적 하폐수처리장치 내에 구비되어 미생물을 담지하는 역할을 하며, 바이오 콘볼 내에 담지된 미생물은 질산화 반응 등을 통해 하폐수를 정화하는 역할을 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼은 1) 배합 및 혼련, 2) 성형, 3) 진공감압, 4) 양생을 과정을 거쳐 제조된다. 먼저, 배합 및 혼련 과정(S101)(S102)을 살펴보면 다음과 같다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼은 골재, 시멘트, 물 및 기공 유도제의 조합으로 이루어진다.

상기 골재는 직경 5～20mm 크기의 부생골재, 순환골재를 사용하는 것이 바람직하며, 일 실시예로 직경 13mm의 석산쇄석골재가 사용 가능하다. 참고로, 아래의 <표 1>은 편석골재(R)와 임팩팅 골재(I)의 크기에 따른 공극율과 압축강도의 변화를 나타낸 것이다.

<표 1>

골재의 직경이 20mm를 초과하면 기공율이 증가하여 물빠짐 현상은 좋으나 강도가 낮아지며, 골재의 직경이 5mm 이하인 경우에는 강도는 향상되나 기공율이 낮아 물빠짐 계수가 작아지는 단점이 있다. 또한, 상기 시멘트는 통상의 포틀랜드시멘트를 사용할 수 있으며, 바이오 콘볼에 미세기공이 형성되는 것을 유도하는 상기 기공 유도제로는 알루미늄 분말, 탄산수소나트륨, 중탄산나트륨, 황산알루미늄칼 륨(명반), 감수제(AE, air-entraining agent) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

바이오 콘볼의 적정 강도를 구현하기 위해 상기 골재와 시멘트는 4～6 : 1의 중량비로 혼합되는 것이 바람직하며, 물은 골재와 시멘트의 혼합물 중량에 대비하여 4～6% 혼합되는 것이 바람직하다. 이와 같은 배합비를 만족하는 일 실시예로, 골재-1600g, 시멘트-320g, 물-100g이 혼합될 수 있다.

한편, 바이오 콘볼에 미세기공이 형성되는 것을 유도하는 기공 유도제로 전술한 바와 같이, 알루미늄 분말, 탄산수소나트륨, 중탄산나트륨, 황산알루미늄칼륨(명반), 감수제(AE, air-entraining agent) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으나, 실험 결과 감수제(AE)가 미세기공 형성에 가장 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 상기 기공 유도제 즉, 감수제는 시멘트 중량 대비 0.5～1.5% 첨가되는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.5% 이하일 경우 미세기공이 잘 형성되지 않으며, 1.5% 이상인 경우에는 콘크리트 강도가 급격히 감소되는 현상이 발생하기 때문이다.

상기 물을 제외한 골재, 시멘트 및 기공 유도제가 혼합된 상태(S101)에서, 해당 혼합물을 1분간 건식 혼련하고, 이어 물을 상기의 배합비를 만족하도록 혼합한 후 습식 혼련한다(S102). 그런 다음, 볼(ball) 형상의 담체를 성형한다(S103).

그런 다음, 상기 담체의 기공율 증가를 위해 상기 담체를 진공감압 처리한다(S104). 구체적으로, 0.1～0.3 기압 하의 진공 챔버 내에 담체를 구비시킨 상태에서 1～5분간 탈진공처리한다. 상기 진공감압처리에 의해 담체 내의 미세 공기가 외부로 배출되며 이에 따라, 담체 내에 미세기공이 형성된다. 도 3은 진공감압 처리된 담체의 표면을 나타낸 것인데, 도 3에 도시한 바와 같이 담체 표면에 다수의 미세기공이 형성된 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 진공감압처리시의 시간이 1분보다 짧거나 챔버 내의 기압이 0.3 기압보다 높게 되면 담체 내의 미세 기포가 표면으로 도출되지 않으며, 시간이 5분보다 길거나 기압이 0.1 기압보다 낮게 되면 담체 내의 미세 공기가 과다하게 도출되어 담체의 강도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 종래의 경우 담체를 고주파로 가열하여 미세 기포를 도출하는 방법을 제시하고 있으나, 실험 결과 진공감압 처리하는 방법이 고주파를 이용하는 방법에 비해 보다 효과적인 것으로 나타났다.

상기 진공감압 과정이 완료된 담체를 30℃의 온도와 습도 90% 하에서 28일 정도 양생(S105)하면 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼의 제조가 완료된다(도 2 참조).

이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼 및 그 제조방법을 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼이 적용된 생물학적 하폐수처리장치를 설명하기로 한다.

생물학적 하폐수처리장치에서 이용되는 미생물은 크게 반응조 내에 부유, 성장하는 부유성장형 미생물과, 고정형 여재에 부착되어 성장하는 부착성장형 미생물로 구분된다. 부유성장형 미생물로는 인 축적 미생물이 대표적이며, 부착성장형 미생물로는 질산화 미생물이 해당된다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오 콘볼에 담지 되는 미생물은 부착성장형 미생물이라 할 수 있으며, 상세하게는 질산화 미생물이 바이오 콘볼 내에 담지되는 것을 일 실시예로 할 수 있다.

한편, 본 발명의 바이오 콘볼이 적용되는 생물학적 하폐수처리장치는 혐기조, 무산소조, 폭기조를 기본적인 구성으로 한다. A₂O 공법, 바덴포 공법 등 공법에 따라 혐기조, 무산소조, 폭기조의 배열 순서 및 그 개수에 차이가 있으나, 질산화, 탈질, 인 축적 등의 공정을 이용하는 생물학적 하폐수처리장치는 기본적으로 혐기조, 무산소조, 폭기조를 구비한다. 참고로, 상기 혐기조는 인 방출을, 무산소조는 탈질화를, 폭기조는 질산화 및 인 섭취 역할을 한다.

이와 같이, 혐기조, 무산소조 및 폭기조를 구비하는 생물학적 하폐수처리장치에 있어서, 통상 고정형 여재는 폭기조에 구비되며, 폭기조 내의 고정형 여재는 부착성장형 미생물 즉, 질산화 미생물을 담지한다. 본 발명에 따른 바이오 콘볼은 상기 혐기조, 무산소조, 폭기조 중 적어도 어느 조에 구비될 수 있으나, 통상 질산화 미생물이 고정형 여재에 담지되는 바, 본 발명에 따른 바이오 콘볼은 상기 폭기조 내에 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 바이오 콘볼이 적용되는 생물학적 하폐수처리장치의 구체적인 실시예로 도 4와 같은 구성이 제시된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 유량조정조(401), 제 1 무산소조(402), 혐기조(403), 제 2 무산소조(404), 제 1 폭기조(405), 제 2 폭기조(406), 침전조(407) 및 소독 처리조(408)가 순차적으로 배열되며, 상기 제 1 폭기조 및 제 2 폭기조 내에 본 발명에 따른 바이오 콘볼이 구비 되는 구성이 제시된다.

상기 혐기조(403)는 하폐수 내에 포함되어 있는 인을 방출하는 역할을 하고, 상기 제 1 무산소조(401)와 제 2 무산소조(403)는 탈질의 역할을 하며, 상기 제 1 폭기조(405)와 제 2 폭기조(406)는 질산화 및 인을 섭취하는 역할을 한다. 이 때, 상기 제 1 폭기조(405)와 제 2 폭기조(406) 내에 구비된 바이오 콘볼은 질산화 미생물을 담지하여 하페수 내에 포함되어 있는 질소 성분을 질산화시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 바이오 콘볼은 상술한 바와 같은 생물학적 하페수처리장치 이외에 소정 형상을 갖는 바이오 블록 및 인공어초 내에도 적용 가능하다. 즉, 바이오 블록 또는 인공어초 내의 고정형 여재로 바이오 콘볼이 적용되어 해수 내에 포함되어 있는 질소, 인 및 유기물을 효과적으로 제거함으로써 해초나 식물의 식생 환경을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼 제조방법을 설명하기 위한 순서도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이오 콘볼의 사진.

도 3은 감압처리된 담체의 표면을 나타낸 사진.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 콘볼이 적용된 생물학적 하폐수처리장치의 구성도.

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5. 직경 5～20mm의 골재, 시멘트 및 기공 유도제의 조합으로 이루어지는 바이오 콘볼에 있어서,

   상기 바이오 콘볼은,

   골재, 시멘트, 물 및 기공 유도제를 혼합하여 혼련하는 단계;

   혼련물을 볼 형상의 담체로 성형하는 단계;

   상기 담체를 진공감압 처리하는 단계; 및

   상기 담체를 양생하여 바이오 콘볼을 제조하는 단계를 통해 제조되며,

   상기 진공감압 처리는 진공 챔버 내에 상기 담체를 구비시키고 0.1～0.3 기압 하에서 진행하여 담체 내의 미세기공을 형성하며,

   상기 기공 유도제는 시멘트 중량 대비 0.5～1.5% 첨가되며,

   상기 기공 유도제는 알루미늄 분말, 탄산수소나트륨, 중탄산나트륨, 황산알루미늄칼륨, 감수제 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하며,

   상기 골재의 직경은 5～20mm이며, 상기 골재와 시멘트는 4～6 : 1의 중량비로 혼합되며, 상기 물은 골재와 시멘트의 혼합물 중량에 대비하여 4～6% 혼합되며,

   상기 바이오 콘볼은 생물학적 하폐수처리장치에 장착되며,

   상기 생물학적 하폐수처리장치는 인 방출을 하는 혐기조와, 탈질화 과정이 진행되는 무산소조와, 질산화 및 인 섭취를 하는 폭기조를 포함하여 구성되며,

   상기 바이오 콘볼은 상기 폭기조 내에 구비되며, 상기 바이오 콘볼에 질산화 미생물이 담지되는 것을 특징으로 하는 바이오 콘볼.
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