KR101156746B1 - 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물에 관한 것으로, 다공성의 부석을 복합유용미생물의 생식공간으로 제공하여 복합유용미생물에 의한 수질 정화를 도모함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트 조성물은, 시멘트 10.1~25.1중량%, 굵은골재 61.8~86.0중량%, 물 2.1~6.1중량%, 다공성 경량부석 1.3~8.4중량%, 혼화제 0.04~1.50중량%가 혼합되고 공극율이 10 ~ 30부피%로 이루어지며, 상기 경량부석은 100중량부에 대하여 복합유용미생물 5~22중량부가 내부의 다공부에 충진되어 이루어지고, 상기 복합유용미생물은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균이 부피비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합되어 이루어진다.

Description

복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물{POROSITY CONCRETE COMPOSITE USING COMPOSITION BENEFICIAL MICROORGANISMS}

본 발명은 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다공성의 부석을 복합유용미생물의 생식공간으로 제공하여 복합유용미생물에 의한 수질 정화를 도모할 수 있는 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물에 관한 것이다.

문명이 발달하고 사람들의 수준이 급격히 향상됨에 따라 사람들이 사용하는 물의 양도 급격히 증가하고 있다.

사람들이 사용하고 버리는 물은 가정에서 배출되는 하수와 공장 등에서 산업활동 후 버리는 폐수로 구분되는데, 이러한 하수와 페수속에는 유기물과 기타 무기물을 함유하고 있다.

인구가 도시로 집중하고 산업이 발달함에 따라 대규모의 인구밀집지역과 공장밀집단지가 형성되어 막대한 양의 하수와 폐수를 배출하게 되었으며 자연 스스로의 정화능력을 넘어서서 환경오염 문제를 초래하게 되었다.

자연의 자기정화능력을 초과하게 되어 부패하고 오염된 시냇물이나 하천수가 그대로 강을 오염시키며, 나아가 해양오염의 주범이 될 수 있으므로, 수질분야에서는 친수성 하천 공간 즉, 자연형 하천정비에 대한 논의가 활발해지고 있다.

이러한 자연형 하천정비에서는 수질 정화를 위한 환경기술의 개발이 가장 중요한 바, 최근에는 미생물을 고농도로 일정 매체에 고정화하여 안정적으로 배양하고 성장할 수 있도록 유지시켜주는 수질정화방법이 각광받고 있다.

미생물을 이용한 종래의 수질정화방법으로는 시멘트량의 30%정도가 되도록 시멘트와 수질정화용 미생물을 혼합한 시멘트 페이스트에 천연쇄석 및 물을 더하여 콘크리트 구조물을 혼합 성형 및 양생하는 일본특허 제04065402호, 호모균 등의 유용 미생물을 콘크리트의 혼화제로 사용하여 가정오수, 공장폐수 및 축산업 처리수의 정화시설에서 정화조의 벽면이나 바닥의 라이닝에 미생물균을 함유한 콘크리트를 사용하는 일본 특개평 10-113688 호 등이 있다.

상기와 같은 종래 기술은 미생물을 콘크리트 조성물에 첨가하는 것으로, 미생물의 첨가에 대해서만 고려하고 미생물의 생식과 활성화에 대한 고려가 전혀 이루어지지 않아 미생물의 활성화가 매우 낮아지므로 미생물에 의한 수질정화효과를 크게 기대할 수 없었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 항산화 물질의 생성 및 미생물의 대사작용에 의해 유기물질을 분해시켜 오염된 수질의 정화효과가 우수한 복합유용미생물의 생식 및 활성화를 유도하여 하천의 정화효율을 높이고, 하천식물과 생물의 서식공간을 제공하여 하천식물과 생물에 의한 수질 정화가 효과적으로 이루어질 수 있는 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물을 제공하려는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 조성물 내부에 다량의 연속공극과 넓은 비표면적을 형성하여 수질 정화를 도모하려는데 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성물은, 시멘트 10.1~25.1중량%, 굵은골재 61.8~86.0중량%, 물 2.1~6.1중량%, 다공성 경량부석 1.3~8.4중량%, 혼화제 0.04~1.50중량%가 혼합되고 공극율이 10~30부피%로 이루어지며, 상기 경량부석은 100중량부에 대하여 복합유용미생물 5~22중량부가 내부의 다공부에 충진되어 이루어지고, 상기 복합유용미생물은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균이 부피비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 복합유용미생물을 활용한 다공질콘크리트 조성에 의하면, 복합유용미생물에 의한 항산화 물질의 생성 및 대사작용에 의해 유기물질을 분해시켜 오염된 하천수를 정화할 수 있고, 특히, 천연재료인 경량부석의 매트릭스 구조(다공부)를 복합유용미생물의 서식지로 제공하여 복합유용미생물의 활성화가 가능해지므로 오랫동안 하천수를 정화할 수 있다.

그리고, 콘크리트 구성시 잔골재를 사용하지 않고 일정 입도의 굵은골재와 결합재(시멘트 등)만을 활용하여 조성물 내부에 다량의 연속공극과 넓은 비표면적을 형성하여 하천식물 및 생물의 서식공간 제공과 접촉산화법의 원리에 의해 수질을 정화시키므로 하천 생태계의 복원 및 유지가 가능하다.

도 1은 본 발명의 하천생태복원용 다공질콘크리트 블록의 제조 공정도.
도 2는 본 발명에 사용된 복합유용미생물 배양액 사진.
도 3은 본 발명에 사용된 기능성 담체인 경량부석 사진.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 미생물 배양분리 결과 사진.
도 5는 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(CHB) Kit에 의한 미생물 분석결과.
도 6은 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(CHB) Kit에 의한 미생물 분석 사진.
도 7은 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(CHL) Kit 분석결과.
도 8은 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(CHL) Kit에 의한 미생물 분석 사진.
도 9는 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(20NE) Kit에 의한 미생물 분석결과.
도 10은 본발명의 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트의 API(20NE) Kit에 의한 미생물 분석 사진.

본 발명에 의한 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트 조성물은, 시멘트, 굵은골재, 물, 경량부석, 혼화제가 혼합되어 이루어지며, 공극률은 10 ~ 30부피%이다.

시멘트는 결합재로서 콘크리트 조성물에 사용되는 모든 시멘트가 사용 가능하며, 10.1 ~ 25.1중량%가 혼합된다. 10.1중량% 이하 혼합되면 굵은골재 등 재료의 결합력이 약하고 25.1중량% 이상 혼합되면 결합력이 너무 강하여 작업성이 떨어지며 다공질콘크리트에 형성되는 공극률이 극감된다.

굵은골재는 5 ~ 25mm의 입도로서, 5mm 이하이면 공극률을 맞추기 어렵고, 25mm 이상이면 단일 공극의 크기가 커서 강도가 떨어질 수 있다. 이러한 입도의 굵은골재는 61.8 ~ 86.0중량%혼합되며, 61.8중량% 이하 혼합되면 강도가 약하고 86.0중량% 이상 혼합되면 강도에 큰 변화가 없으며 재료간의 결합력이 약하다.

굵은골재는 부순골재, 부순골재와 순환골재의 혼합물, 부순골재와 철강슬래그의 혼합물, 부순골재와 석탄재골재의 혼합물 중 어느 한 가지가 사용될 수 있다.

물은 재료들의 혼합을 위하여 사용되며, 2.1중량% 이하 혼합되면 재료 혼합물의 묽기가 진하여 재료들의 혼합이 이루어지지 못하고 6.1중량% 이상 혼합되면 재료 혼합물의 물기가 너무 묽어 작업성이 좋지 못하다.

혼화제는 시멘트의 분산작용과 미세공기의 연행으로 단위수량 저감, 워커빌리티 내동해성을 개선시키는 폴리카본산계 고성능 AE감수제나 나프탈렌계 고성능 유동화제를 사용한다. 이와 같은 혼화제는 0.04 ~ 1.50중량%혼합되며, 0.04중량% 이하 혼합되면 시멘트 페이스트의 유동성이 급격히 저하되어 콘크리트의 소요 작업성을 확보할 수 없으며, 1.5%중량 이상 혼합되면 과도한 반죽질기로 인하여 콘크리트 제조시 시멘트 페이스트의 하부 침하로 인하여 강도가 저하된다.

경량부석은 화산이 폭발할 때 나오는 분출물 중에서 다공질의 지름이 4mm 이상의 암괴를 말하며, 본 발명에서는 다공성의 특성을 이용하여 복합유용미생물의 기능성 담체로 사용된다.

경량부석의 다공부에 복합유용미생물을 충진하는 방법은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균을 질량비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합된 복합유용미생물 배양액 10리터에 경량부석 20kg을 15～28℃의 온도조건에서 24시간 이상 자연 침지시켜 복합유용미생물 배양액을 경량부석의 다공부에 충진시킨다. 여기에서 각각의 미생물의 혼합조건(락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균을 질량비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1혼합)은 미생물의 생육 및 배양에 영향을 미치는 요인인 환경적 요인(온도, 산소, pH, 배양시간)과 각 미생물 상호간의 성장 및 배양에 미치는 영향 및 콘크리트 복합체 내부에서 미생물이 원활이 생육할 수 있는 조건 등을 복합적으로 고려한 최적의 혼합조건을 도출하여 적용한 것이다.

경량부석은 1.3중량% 이하 혼합되면 복합유용미생물의 양이 적어짐에 따라 수질 정화의 효과를 도모할 수 없고 8.4중량% 이상 혼합되면 다른 재료들의 양이 적어져 강도 저하 등의 문제점이 도출된다.

복합유용미생물 배양액은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균을 질량비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합될 수 있고, 경량부석 100중량부에 대하여 5 ~ 22중량부가 사용된다. 5중량부 이하이면 수질 정화율이 낮고 22중량부 이상 혼합되면 수질 정화율에 큰 변화가 없다.

상기 복합유용미생물 배양액을 구성하는 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균 각각의 특징은 다음과 같다.

락토바실러스(Lactobacillus)균은 일반적으로 발효에 이용되어온 대표적인 미생물이라 할 수 있으며, Lactobacillus breve 간균으로서 L. bulgaricus, L. acidophilus, L. helveticus, L. casei 등이 있으며 요구르트나 발효유 제조에 이용되는 유산균의 일종이다. 락토바실러스균은 45℃이상의 온도에서는 생존 할 수 있는 것이 있으며, pH 4.0 전 후의 산성에서 증식할 수 있는 것이 있고, 산소의 유무에 무관하게 증식하며, indole, phenol, skatole, amine 등을 생성하지 않고 부패를 방지하는 등 유익한 작용을 하는 것을 특징으로 한다. 그리고 혐기 상태에서 유해한 미생물의 증식이나 유기산의 부패 및 분해를 억제하며 리그닌이나 셀룰로오스 등의 나분해성 유기물의 가용화, 미분해 유기물의 장해 방지 등 유기물을 발효 분해시키는 중요한 역할을 한다.

슈도모나스(Pseudomonas = Sphingomonas paucimobilis)균은 진정세균류 슈도모나스과의 한 속으로서 토양, 담수, 바닷물 속에 서식하며, 150종에 이르는 많은 종을 포함하는 속으로, 세포는 단모 또는 속모를 가지고 운동하는 것, 비운동성인 간균으로 흔히 형광성을 가지거나 녹색, 청색, 보라색, 황색 등의 색소를 내는 것, 또 불용성인 선홍색, 황색 색소를 가진 것도 있다. 호기성미생물로 탈질소작용이나 질산호흡을 하는 것은 무산소적으로도 생장하며 질소고정은 하지 않으나, 지방족 탄화수소, 페놀류, 테르펜, 스테로이드 등 광범위한 유기물을 분해하는 것을 특징으로 한다. 또한 이와 같은 슈도모나스균은 sideropore(Fe수송체) 생산으로 뿌리표면의 철분과 결합하여 유해세균의 생장을 방해하며 용균효소(chitinase)분비로 병원균 세포벽을 용해하고, 항생물질(pyrrolnitrin, pyoluteorin, phenazines)분비로 병원균을 억제하는 것을 특징으로 한다.

효모균(yeast)은 진핵미생물 중에서 통상 존재 형태가 단세포인 균류를 일반적으로 효모라 총칭한다. 이와 같은 효모는 호기성 균으로 발효력이 있으며 광합성 세균이 생성하는 아미노산이나 당류, 기타 유기물을 기질로 하여 유효한 물질을 합성한다. 특히 호르몬 등의 생리활성물질은 식물세포 분열을 활성시키며 또한 유산균이나 방선균을 증식시키는데 필요한 기질을 생성시켜 자연환경에 유익한 균의 생육을 도모하는 것을 특징으로 한다.

바실러스 서브틸르스균은 바실러스(Bacillus)균의 일종으로서 속명으로 막대균이며 호기성(aerobic, 산소를 좋아하는) 세균이다. 바실러스균 서브틸르스는 일반적으로 토양을 포함한 다양한 환경에 존재하고 곡류와 두류에 존재하기도 하며 유해세균을 생장을 억제하는 발효균의 일종이다.

버크홀데리아 세파시아균(Burkholderia cepacia)은 그람음성, 호기성 미생물이며 하나의 편모를 가진 길이는 1.5～5.0㎛, 지름은 0.5～1.0㎛의 굽은 막대모양의 형상을 갖는다. 이와 같은 버크홀데리아 세파이사균의 Colony는 한천배지에서 서서히 자라며 주름이 잡힌 집락이 자츰 시간이 경과되면서 Unbonae의 형태로 집락되는 것을 특징으로 한다. 또한 버크 홀데리아 세파시아는 자연환경에 있는 톨루엔(유기용매로 사용 되는 수용성 유기 용매로 페인트희석제, 매니큐어 제거제, 접착제로 사용됨)을 분해 하는 특징을 갖고 있다.

이와 같은 조성물은 내부에 다량의 연속공극이 형성되며, 공극률은 부피로 10 ~ 30%이다. 공극률은 사용되는 시멘트량, 수량 및 굵은골재량의 사용비율을 조절하여 형성되며, 이와 같은 다공질콘크리트는 시멘트 페이스트로 피복된 굵은골재의 연속 접점구조로 이루어짐으로서 복합체 내부에 넓은 비표면적이 자연적으로 형성된다. 따라서 다공질 콘크리트 내부로 유입되는 하천수는 일반 자연하천의 자갈층에 의한 수질정화원리인 접촉산화법과 동일한 수질정화 효과를 발현할 수 있는 것을 특징으로 하며, 이에 각종 유해한 세균의 분해와 유익한 세균을 활성화시킬 수 있는 복합유용미생물을 충진시킨 경량부석을 활용함으로서 오염된 하천수를 보다 조기에 정화시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

<실시예>

상기와 같은 본 발명에 따라 제조된 복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트 조성물과 종래의 다공질콘크리트를 비교한 데이터는 다음과 같다.

표 1은 실시예 및 비교예의 배합구성비와 다공질콘크리트 조성물의 배합표를 나타낸 것이다.

비교예 및 실시예에 사용된 시멘트는 밀도 3.14g/cm³, 분말도 3,200cm²/g인 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 굵은골재는 5~13mm의 단일입도로 밀도 2.65g/cm³인 부순돌을 사용하였다. 또한 경량부석은 복합유용미생물 배양액을 함침하여 5~13mm의 단일입도로 선별한 것으로 밀도 1.5g/cm³인 것을 사용하였으며, 혼화제는 밀도 1.2g/cm³, pH 8의 액상으로 고형분 함량이 45 중량%인 폴리카본산계 혼화제를 사용하였다.

상기의 경량부석은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균을 질량비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합하여 복합유용미생물 배양액을 제조하고, 이 복합유용미생물 배양액에 경량부석을 침지시켜 복합유용미생물이 경량부석의 다공부에 충진되도록 하였다.

전술한 비율로 혼합된 혼합물을 성형틀에 넣고 완전 경화(경화 조건, 온도, 시간 등)시켜 블록을 제조하였다.

2. 실험.

아래의 표 2는 비교에 및 실시예의 공극률 및 압축강도 시험결과를 나타낸 것이다.

구 분	공극률(%)	압축강도(MPa)	구 분	공극률(%)	압축강도(MPa)
비교예1	10.5	21.4	실시예1	10.2	23.5
비교예2	20.2	14.9	실시예2	19.7	16.7
비교예3	29.6	8.5	실시예3	28.9	10.4

상기 실시예 및 비교예의 공극률시험은 일본콘크리트공학협회 『포러스콘크리트의 설계?시공법 확립에 관한 연구위원회』의 공극률 시험방법(안)에 준하여 측정하였으며, 압축강도 시험은 φ100× 200mm의 원주형 공시체를 제작하여 KS F 2405『콘크리트의 압축강도 시험방법』에 준하여 측정하였다.

상기 결과를 고찰하여 보면 복합유용미생물 배양액에 담채한 경량부석 골재를 혼입함에 따라 공극률은 0.3~0.7%정도 감소하였으며, 공극률이 증가할수록 그 차이는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 부순돌의 골재보다 경량부석의 골재가 단일입도(5~13mm) 사이에 골재가 골고루 분포하고 있기 때문에 경량부석의 작은 입자가 다공질콘크리트 조성물의 공극 사이를 채워주는 Filler 역할을 하기 때문으로 판단되며, 이로 인하여 복합유용미생물 배양액에 담채한 경량부석 골재를 혼입한 실시예의 경우 이를 혼입하지 않은 비교예에 비하여 압축강도가 약 9.81~22.35% 정도 크게 향상되었다.

아래의 표 3은 비교예 및 실시예의 하천 수질정화 시험결과를 나타낸 것이다.

(주1) T-N 제거율(%) = (표준수의 T-N 농도-재령 14일의 T-N 농도) / (표준수의 T-N 농도) × 100

(주2) T-P 제거율(%) = (표준수의 T-P 농도-재령 14일의 T-P 농도) / (표준수의 T-P 농도) × 100

복합유용미생물과 기능성 담체를 활용한 다공질콘크리트 조성물의 오염도를 평가하기 위하여 온도 23℃, pH 7.5, T-N 1.98㎎/ℓ, T-P 0.45㎎/ℓ인 하천수를 사용하고 본 발명에 의해 제작된 400×400×100mm의 다공질콘크리트 패널공시체를 실내수질정화 수로에 투입한 후 물을 2,000㎖/min으로 일정량 순환시켰으며, 일조량의 조절은 2,000lux의 인공조명을 12시간 주기로 점등과 소등을 반복하면서 T-N, T-P농도 측정을 실시하였다. T-N농도 측정시험은 과황산분해법(Persulfate Method)을 사용했으며 NO₂ ^- 표준용액(STD ; Standard Solution)을 제조하고 220㎚ 파장에서의 흡광도를 흡광분석기를 사용하여 표준용액의 흡광도를 분석한 후 검량선을 작성하고 측정일별 채취된 검사수를 흡광분석기에 의해 흡광도를 측정한 후 이 값을 검량선에 대입하여 검사수의 T-N(mg/ℓ) 농도를 구하였다. T-P 농도 측정시험은 아스코르빈산 환원법(Ascorbic Acid Method)을 사용했으며 KH₂PO₄ 표준용액(STD ; Standard Solution)을 제조하고 880㎚ 파장에서의 흡광도를 측정하여 표준용액에 대한 검량선을 작성한 후 채취된 샘플의 흡광도를 측정하여 검량선에 대입하여 T-P(mg/L)의 농도를 구하여 수질정화 특성을 평가하였다.

상기 결과를 고찰하여 보면 복합유용미생물 배양액에 담채한 경량부석 골재를 혼입함에 따라 하천수의 오염도로 평가되는 T-N, T-P의 제거율이 경량부석 골재를 혼입하지 않은 비교예에 비하여 각각 38.8~55.1% 및 44.7~49.8% 정도 크게 증대되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 공극률 증대될수록 T-N, T-P 제거율은 증대되는 결과를 나타내었으며, 공극률이 가장 큰 실시예3에서 그 효과가 극대화 됨을 확인할 수 있었다. 이는 복합유용미생물에 담채한 경량부석 골재를 다공질콘크리트 조성물에 포함함에도 불구하고 도 4～10에 나타낸 것과 같이 복합유용미생물이 시멘트를 주바인더로 사용하는 콘크리트 소재와 같이 높은 알칼리환경하에서도 복합유용미생물이 유효하게 작용될 수 있으며, 이러한 복합유용미생물은 항균활성 물질인 Bacteriocin을 생성하여 유해세균을 억제하는 효과가 있고 특히 복합유용미생물 중 바실러스 서브틸르스균은 엔도톡신이라는 특정한 작용을 행하여 단백질을 생성하고 이 작용으로 인하여 악취, 곰팡이균, 대장균 등을 분해하는 효과가 있어 하천수로 유입되는 폐수의 정화에도 효과를 나타냄으로서 T-N, T-P의 제거율이 크게 증대된다.

Claims (3)

1. 시멘트 10.1~25.1중량%, 굵은골재 61.8~86.0중량%, 물 2.1~6.1중량%, 다공성 경량부석 1.3~8.4중량%, 혼화제 0.04~1.50중량%가 혼합되고 공극율이 10 ~ 30부피%로 이루어지며,
   상기 경량부석은 100중량부에 대하여 복합유용미생물 5~22중량부가 내부의 다공부에 충진되어 이루어지고,
   상기 복합유용미생물은 락토바실러스균, 바실러스 서브틸르스균, 버크홀데리아 세파시아균, 슈도모나스균, 효모균이 부피비로 3 : 3 : 2 : 1 : 1로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 복합유용미생물을 활용한 다공질 콘크리트 조성물.
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