KR101178451B1 - 생활하수 및 오,폐수처리용 황토담체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본원은 생활하수 및 오,폐수 처리용으로 사용되는 황토담체에 관한 것이다.
본원의 황토담체는 높은 압축강도와 겉보기 기공율을 갖도록 특정의 방법으로 얻을 수 있는바, 정제된 황토 40±10 v%와 건조 분쇄목 톱밥 50±10 v%을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하는 혼련단계; 상기 혼련단계를 거친 배합원료를 진공토련기에 넣고 원하는 규격의 성형품으로 성형하되 70±10 ㎝Hg 범위의 진공도를 유지하며 성형제품 중의 기포나 공기를 제거하여 성형제품을 얻는 성형단계; 상기 성형제품을 80~100℃ 범위의 저온 열풍으로 건조하는 건조단계; 상기 건조단계를 거친 성형제품을 소성하되, 소성조건을 예열존은 100~250℃, 가열존은 250~650℃, 소성존은 900~1000℃, 냉각존은 50℃이하로 서냉시키는 공정을 포함하는 소성단계; 를 거쳐 황토담체가 최대압축하중 10,000~20,000 N 범위로 제공되고, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖도록 제공되어 생활하수나 오,폐수 처리용으로 사용되는 황토담체에 관한 것이다.
본원에서 제공되는 황토담체는 높은 압축강도를 갖고 내구성이 반 영구적이며 사용원료가 황토나 숯이나 규조토나 펄나이트나 소성패각분말이 본래 자연에서 얻은 것으로 환경친화적이고, 이들 성분이 수중에 분산되는 경우가 발생하더라도 수중 생태계에 유해한 환경을 조성하지 않기 때문에 2차적 오염원 우려가 없이 생태하천에 바닥재나 호안블록을 대체하는 용도로 사용될 수 있다.

Description

생활하수 및 오,폐수처리용 황토담체 및 그 제조방법{loess carrier and the manufacturing method for treatment of wasted-waster}

본 발명은 본 발명은 오수나 폐수를 처리하는 데 사용되는 황토담체에 관한 것으로, 자연친화형 황토담체의 제조방법과 그를 생활하수나 폐수를 처리하기 위한 반응조나 수중에 내장하여 하수나 폐수 중의 유기물질과 질소, 인, 부유물질을 흡착하여 효율적으로 제거할 수 있는 황토담체의 이용방법에 관한 것이다.

담체(擔體:carrier)란 효소나 미생물을 이용하여 여러 가지 독물이나 악취물질을 제거하는 일종의 필터형태로 제공되는 것으로 본원에서는 황토의 특성을 이용한 황토담체를 제공하여 미생물을 고정시켜 수중의 악취물 제거가 가능하며 생태계에 위험한 독물이나 중금속 등을 미생물과 반응시킴으로써 흡착제거시키고자 하는 과제를 갖고 시작된 발명이다.

본원에서 제공되는 황토담체는 중간 중간에 미생물 서식공간을 제공하는 다공구조의 원형관이나 장축관 형상으로 제공될 수 있는바, 황토담체의 미생물 서식공간에 미생물을 부착시켜 오, 폐수 처리는 물론 자연친화적 환경을 조성하기 위해 본원의 황토담체가 하천이나 연못 등의 축대용으로 사용되어 수질을 정화하고, 자연환경(삼림, 토양, 초원, 해양 등)에서도 배출되는 VOCs(휴발성유기화합물)와 악취를 효과적으로 제거함과 동시에 배수를 원활하게 하여 수생식물이나 나무가 양호하게 생육할 수 있는 각종 배수재, 식물 육성용, 오폐수처리시설 등에서 사용할 수 있도록 하기 위한 것이다.

오,폐수 처리시설이나 수중 생태계를 회복시키기 위해 환경친화적 다공성 담체가 필요한바, 담체의 시장규모는 2000년에는 국내에 300억원, 세계적으로는 30억$, 2005년에는 국내에 400억원, 세계적으로는 60억$, 2010년에는 국내에 500억원, 세계적으로는 150억$로 추산되고 있으며, 그동안 년평균 10% 이상의 성장율을 나타내는 것으로 보고되고 있다.

국내에서는 4대강 개발사업이 시작되고, 앞으로 광역 상수원 보호구역이 확대될 것으로 예상됨에 따라 지역단위의 생태하천이나 하수처리장이 더욱 많이 설치될 것으로 예상되고, 또한 4대강 살리기 사업에도 오염된 지천의 정화능력을 살리기 위해 수중 생태계에 나쁜 영향을 주지 않으면서 미생물 활동을 왕성하기 이루도록 하기 위해 환경친화적 담체수요가 크게 늘어날 것으로 예견된다.

황토의 구조는 표면적이 매우 넓은 벌집구조로서 수많은 공간이 있는 복층 구조를 이루고 있으며 이러한 스폰지 같은 구멍 안에는 원적외선이나 수분을 다량 흡수 및 저장하고 있다가 열을 받으면 주변과의 조화를 이루기 위해 필요한 원적외선이나 수분 등을 발산하여 다른 주변환경에 영향을 줘서 분자활동을 자극하는 기능을 갖고 있음이 알려져 있다.

또한, 황토 한 스푼에는 약 2억 마리 정도의 미생물이 살고 있어서 다양한 효소들이 순환작용을 일으키고 있으며, 황토의 효소성분에는 카탈라아제, 디페놀 옥시다아제, 사카라제, 프로테아제 등이 포함되어 있고 이들 효소들은 각각 독소제거, 유독물 분해능력을 갖고 비료작용 및 정화작용 등의 역할을 하므로 황토는 예로부터 살아 있는 생명체라 불리우며, 인체나 자연환경에 여러 가지 유용한 기능을 제공하는 것이 알려져 녹조제거 등 환경정화를 위한 분야에서도 많은 용도에 사용되어 왔다.

다공성 담체를 이용하여 오,폐수 중의 질소나 인 화합물을 제거하기 위한 선행기술로 황토담체를 이용하는 방법이 등록특허 제0537890호에 개시되어 있는바, 상기 특허에서는 유입폐수에 탄소원이 충분하고 질소 및 인성분을 제거할 때, 원수조 → 혐기조 → 호기조 → 무산소조 → 인흡착조 → 처리수조의 순서로 처리하는 시스템이, 유입폐수에 탄소원이 적고 질소 및 인성분을 제거할 때에는, 원수조 → 호기조 → 무산소조 → 인흡착조 → 처리수조의 순서로 처리하는 시스템이, 유입폐수에 인성분이 적고 탄소원 및 질소성분을 제거할 때에는, 원수조 → 혐기조 → 호기조 → 무산소조 → 처리수조의 순서로 처리하는 시스템이, 유입폐수에 탄소원 및 인성분이 적을 때에는, 원수조 → 호기조 → 무산소조 → 처리수조의 순서로 처리하는 시스템을 소개하면서 상기 공정에서 생물막 형성용 및 인흡착용으로 구형의 공 모양 황토볼을 이용하여 담체로 사용하는 실시예가 제시되어 있다.

그러나 상기 특허에서 제공되는 황토담체는 4~10㎜ 규격의 원형볼 형태로 제공되고 상기 특허의 황토담체 압축강도는 18~24.0 kgf로 측정되고, 겉보기 기공율이 28~37%에 머물고 있어서 오,폐수 중에 황토담체가 침적되어 사용되는 중에 황토담체의 압축강도가 낮은 상태에서 오폐수 중에 장기간 침적되어 에어레이션 (airation)되는 조건에서 황토담체가 쉽게 강도를 유지하지 못하고 깨져서 담체로서의 기능을 상실하는 문제점과 또한 상대적으로 겉보기 기공율이 낮아서 미생물의 활동영역을 충분히 담보해주지 못하므로 담체로서의 기능을 다하지 못하는 문제점을 갖고 있었다.

상기 특허 이외에도 종래기술에서 황토담체를 이용하여 수처리 용도로 제공된 담체제품이 있으나, 오폐수 처리시설의 처음 가동 때는 담체로서의 기능을 어느 정도 충족시킨다 하더라도 수개월 사용 후에는 담체의 압축강도가 급격히 낮아져서 깨지거나 크랙이 발생하여 담체로서의 기능이 훼손되는 결과로 인하여 오폐수 처리시설의 처리효율이 급격히 저하되는 문제점을 갖고 있었다.

본원은 기존에 제공되어온 황토담체의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 원은 자연친화적이며 독소제거, 분해력, 정화력을 갖고 토착 미생물을 증식시키면서 수중에서 영양물질 인자의 분해력 및 정화력을 갖고 질소, 인 및 부유 물질까지 제거하는 기능을 갖는 황토담체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본원은 높은 압축강도와 겉보기 기공율이 높은 황토담체를 제공하여 효율적인 생활하수나 폐수처리 공정, 생태하천에 바닥재나 호안블록을 대체하는 용도에 이용되는 황토담체를 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본원은 상기와 같은 과제와 목적을 달성하기 위하여 수 많은 시행오차법에 따른 실험과정을 거쳐 황토와 톱밥을 주성분으로 함유하고 규조토나 펄나이트나 제어라이트나, 소성패각분말을 선택성분으로 추가시켜 이루어진 황토담체를 통하여 생활하수나 오,폐수 처리에 이용될 수 있는 높은 압축강도와 겉보기 기공율이 높은 황토담체를 제공할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

본원의 황토담체를 축산 및 산업용 오, 폐수는 물론 각종 생활하수나 자연환경(삼림, 토양, 초원, 해양 등)에서도 배출되는 VOCs와 악취를 제거하고, 또한 미생물을 용이하게 부착, 성장시킬 수 있도록 황토와 톱밥을 주성분으로 함유하는 황토담체를 통하여 본원의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명은 간편한 공정으로 황토담체가 높은 압축강도를 갖고 겉보기 기공율이 큰 물성을 갖고 고강도 및 내수성을 만족시킬 수 있는 황토담체를 얻고 이를 오,폐수 처리시설이나 생태하천에 담체용도로 사용하여 황토의 특성에 의한 분해효과를 갖고 정화효율을 높이며 악취나 유해물질을 흡착 제거하는 용도에 내구성을 갖고 정화효율을 높이는데 이용할 수 있다.

본원에서 제공되는 황토담체는 황토를 40±10 v%, 건조 분쇄목 톱밥을 50±10 v%범위로 함유시켜 이루어진 황토담체가 높은 압축강도를 갖도록 제공되고, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖도록 하는 황토담체를 제공하거나 또는 주원료인 황토 및 톱밥 이외에 규조토나 펄나이트나 제어라이트나 소성패각분말 중에서 선택되는 성분을 10±5 v%범위로 함유시켜 이루어지는 조성을 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 황토담체에 관한 기술사상이다.

본원 발명자는 황토담체가 높은 압축강도를 가지며, 겉보기 기공율이 큰 물성을 갖도록 하는 황토담체를 제공하기 위한 수단으로, 정제된 황토 40±10 v%와 건조 분쇄목 톱밥 50±10 v%을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하는 혼련단계와, 상기 혼련단계를 거친 배합원료를 진공토련기에 넣고 원하는 규격의 성형품으로 성형하되 70±10 ㎝Hg 범위의 진공도를 유지하며 성형제품 중의 기포나 공기를 제거하여 성형제품을 얻는 성형단계와, 상기 성형제품을 건조하되 80~100℃ 범위의 저온 열풍으로 건조하는 건조단계를 거치고, 상기 건조단계를 거친 성형제품을 소성하되, 소성조건을 예열존은 100~250℃, 가열존은 250~650℃, 소성존은 900~1000℃, 냉각존은 50℃이하로 서냉시키는 공정을 포함하는 소성단계를 거쳐서 황토담체를 제조하는 경우 최대압축하중 10,000~20,000 N 범위로 제공되고, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖도록 제공되는 황토담체를 얻을 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

또한 본원의 기술사상은 상기의 혼련단계에서 사용하는 정제된 황토 40±10 v%와 건조 분쇄목 톱밥 50±10 v% 이외에 규조토나 펄나이트나 소성패각분말 중에서 선택되는 성분을 10±5 v%범위로 함유하는 조성을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하는 혼련단계로 적용하고 나머지 성형공정, 건조공정, 소성공정을 동일하게 적용하는 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

본원의 목적하는 결과를 얻기 위해 원료 선정과정에서 톱밥을 선정할 때 수분이 많은 톱밥은 압출성형시 자체입자의 부피를 유지하지 못하는 현상이 발생함으로 혼련단계에서 건조 분쇄목 톱밥은 0.8㎜ ~ 3.6㎜ 범위의 입도 크기로 사용되는 것이 바람직하고 무기물인 황토와 유기물인 톱밥은 가열존 및 소성존의 고온조건에서 톱밥이 탄화되어 흑연화되면서 본래의 성질과 다르게 기계적 성질에 있어서 경도 및 압축강도가 크게 증가되는 결과로 인하여 최대압축하중이 10,000~20,000 N 범위, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖는 황토담체로 제공될 수 있는 것으로 예측된다.

본원에서 제공되는 황토담체의 이용방법은 최대압축하중이 10,000~20,000 N 범위이고, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖는 특성으로 인해 생활하수나 오,폐수 처리시설이나 생태하천에 담체용도로 사용하는 경우 수중의 폭기나 변동요인에 의해 담체가 깨지거나 부서질 염려없이 장기간 사용할 수 있는 특성을 갖고 오폐수처리시설이나 하천이나 연못 등의 축대용으로 사용되어 수질을 정화하고, 자연환경(삼림, 토양, 초원, 해양 등)에서도 배출되는 VOCs(휴발성유기화합물)와 악취를 효과적으로 제거함과 동시에 배수를 원활하게 하여 수생식물이나 나무가 양호하게 생육할 수 있는 각종 배수재 용도로 사용하고자 하는 기술사상을 포함한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 적용예 등은 하기의 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'란 기재에서 상세하게 설명하기로 한다.

본원에서 제공되는 황토담체는 자연친화적이어서 2차적 오염물질을 남지기 않고 오수나 폐수 중의 독소제거, 분해력, 정화력을 갖고, 토착 미생물에는 오히려 증식을 도화주면서 수중에서 영양물질 인자의 분해력 및 정화력을 갖고 질소, 인 및 부유 물질까지 제거하는 효과를 갖는다.

본원에서 제공되는 황토담체는 국내에 무궁무진한 황토자원을 이용하여 간단한 제조공정으로 작업이 단순화 될 수 있고, 생산단가가 낮으므로 각종 수처리에 이용되는 바이오필터류의 수입대체효과와 상대적으로 우수한 독소제거능력, 분해력, 정화력을 갖는 상품으로 수출증대에 기여할 수 있는 황토담체를 제공하는 효과를 갖는다.

본원에서 제공되는 황토담체는 높은 압축강도를 갖고 내구성이 반 영구적이며 사용원료가 황토나 숯이나 규조토나 펄나이트나 소성패각분말이 본래 자연에서 얻은 것으로 환경친화적이고, 이들 성분이 수중에 분산되는 경우가 발생하더라도 수중 생태계에 유해한 환경을 조성하지 않기 때문에 2차적 오염원 우려가 없이 생태하천에 바닥재나 호안블록을 대체하는 용도에 사용하는 효과를 갖는다.

도 1 : 본원에서 제공되는 황토담체의 적용예시도.
도 2 : 본원의 황토담체 효능을 측정하기 위한 실험장치 예시도.
도 3a : 본원의 황토담체를 간략 오,폐수처리공정에 이용하는 예시도.
도 3b : 본원의 황토담체를 오,폐수처리공정에 이용하는 예시도.
도 4 : 본원에서 제공되는 황토담체의 최대압축하중곡선그래프.

본원의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 실시내용을 도면으로 제시하기에 앞서, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 본원발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이다.

이하에서는 본원의 목적을 달성하기 위해 이용되는 황토담체의 제조방법에 관하여 먼저 기술하고, 상기 방법으로 제조된 황토담체가 오,폐수 중에서 BOD, COD, SS, 질소(N), 인(P)의 제거효과를 살펴보며, 본원의 황토담체가 산업현장에서 적용되는 예를 기술하여 본원의 기술사상을 설명하고자 한다.

황토담체 기본형의 제조 실시예

본원에서 제공되는 황토담체는 황토와 건조 분쇄목 톱밥으로만 제공될 수 있는바, 예를들면 정제된 황토 47v%와 건조 분쇄목 톱밥 53v%를 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15v% 범위로 혼합하는 혼련한 후 배합원료를 진공토련기에 넣고 원하는 규격의 성형품으로 성형할 수 있는바, 본원에서 사용하는 톱밥은 은 수분함수율에 따라 그 무게에 큰 편자를 가지므로 일정 크기용량의 그릇을 만들어 부피비율로 원료량을 산정하는 것이 제품의 품질을 높일 수 있으므로 본원에서 황토사용량과 톱밥사용량 기준은 부피비 기준으로 기술하고자 하였다.

상기와 같이 배합된 혼합물은 성형기에서 70±10 ㎝Hg 범위의 진공도를 유지하며 성형제품 중의 기포나 공기를 제거하는 공정을 거쳐 성형제품을 얻고, 상기 성형제품은 90℃ 범위의 저온 열풍으로 약 24시간 건조된 후 성형제품을 소성시키게 되는바, 소성조건은 예열존 100~250℃ 범위에서 3시간, 가열존 250~650℃ 범위에서 7시간, 소성존 900~1000℃ 범위에서 7시간, 냉각존 50℃ 이하로 서냉되기 까지 5~7시간의 서냉공정을 포함하는 소성단계를 거치는 경우 최대압축하중 10,000~20,000 N 범위, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖는 황토담체의 기본형을 얻을 수 있었고, 상기 제조공정 중에서 소성 조건을 약간씩 변형하는 조건으로 제공된 황토담체 중에서 시료 1, 시료 2, 시료 3을 취하여 한국화학시험연구소에 의뢰하여 압축강도 및 겉보기기공율, 원적외선 방사효과 실험을 의뢰하였는바, 아래의 표 1 및 표 2의 결과를 얻을 수 있었다.

표 1은 황토담체의 최대압축하중 및 겉보기 기공율 실험자료(근거자료)이다.

시험항목	단위	시료구분	결과치	시험방법
겉보기기공률	%	1	47.3	KS L 3114 : 2005
겉보기기공률	%	2	54.9	KS L 3114 : 2005
겉보기기공률	%	3	48.3	KS L 3114 : 2005
최대압축하중	N	1	18152	의뢰자제공(*)
최대합축하중	N	2	14220	의뢰자제공(*)
최대압축하중	N	3	11542	의뢰자제공(*)
S.E.M 사진	-	1	사진참조	KS D ISO 16700 : 2004

상기 황토담체의 최대압축하중곡선은 도 1d 에 나타내었다.

표 2는 본원에서 제공되는 황토담체의 원적외선 방사효과 실험결과이다.

시료명	방사율 (5-20)	방사에너지 (w/)	시험방법	비고
황토담체	0.918	3.70x102	KICM -FIR-1005	중심파장 9.3

황토담체 기능형의 제조 실시예

또한, 상기의 혼련단계에서 사용하는 정제된 황토 40v% 톱밥 50v%에 규조토나 펄나이트나 소성패각분말 중에서 선택되는 성분을 10v%를 추가하는 조성을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하여 상기 공정을 수행하는 경우에도 최대압축하중 10,000~20,000 N 범위, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖는 황토담체 기능형을 얻을 수 있다.

상기 황토담체 기능형에서 규조토를 사용하는 경우 미세한 기공을 유지하며 흡수력이 좋아서 여과용으로 유용하게 사용할 수 있는 특성을 주며 동시에 소성 후 강도유지에 도움을 주도록 작용할 수 있고, 펄나이트를 사용하는 경우 담체자체의 통기성을 높여주도록 작용할 수 있으며, 소성패각분말을 사용하는 경우 황토담체의 항균기능을 높이는 기능을 갖도록 제공될 수 있는바, 황토 40v% 톱밥 50v%에 소성패각분말 10v%를 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하여 상기 공정을 수행하는 얻은 황토담체의 경우 항곰팡이 실험결과를 도 3에 나타내었다.

표 3은 황토담체의 항곰팡이 실험결과이다

시험항목	항곰팡이 시험
	배양시험 기간
시험결과	1주후	2주후	3주후	4주후
	O	O	O	O
시험방법	ASTM G-21

상기의 제조공정으로 얻는 본원의 황토담체는 원형볼이나 하안블록 형태 등 적용하고자 하는 용도에 따라 다양한 실시형태로 제공될 수 있을 것이나, 도 1에서는 황토담체(10)는 수직관 타입의 관통공 구조를 갖는 황토담체 모형을 A, B, C 세 가지 타입을 도 1a, 도 1b, 도 1c의 형태로 제공될 수 있는 황토담체 적용예를 나타낸 것으로, 예를들어 본원의 황토담체는 적용대상에 따라 5~10㎜의 규격부터 5~10㎝, 5~10 M(미터)의 다양한 규격으로 제공될 수 있을 것인바, 본원의 황토담체가 오,폐수 수중에서 담체로 사용되기 위해서는 먼저 미생물 배양조 내부에 상기의 황토담체를 넣어 본원의 황토담체 몸체에 마련된 관통홀 뿐 아니라 관통홀 주변 몸체를 이루고 있는 각각의 황토입자의 벌집구조와 특히 황토담체 조성원료로 사용된 톱밥이 고온의 소성과정 중에 형성된 작은 기공에 미생물이 고착/충진되어 왕성한 미생물 활동을 보장하기 위해 접촉면적을 늘려주면서도 일정범위의 압축강도를 보지하는 황토담체로 제공될 수 있는 것이다.

예를들어 도 1에 제시된 황토담체를 하천에 고여있는 물이 과중한 유기물로 부영양화상태에 이른 곳에 수중 생태환경을 복원시키기 위해 사용되는 경우라면 도 1에 제시된 관통공에 로프를 삽입하여 황토담체를 연속적으로 끼워서 하천의 한측 벽에서부터 바닥부를 거쳐 타측 벽까지 연속적으로 배열시키는 단순한 방법으로도 유기물로 부영양화를 막는데 효과적으로 이용될 수 있다.

본원의 황토담체는 생활하수나 오,폐수 등의 처리대상수의 성분 중 특히, 인, 질소 및 유황을 본원의 황토담체에 충진된 미생물을 이용하여 제거할 수 있으며, 또한 자연친화적 환경을 조성하기 위해 하천이나 연못 등의 축대용으로 사용되어 수질을 정화하고, 자연환경(삼림, 토양, 초원, 해양 등)에서도 배출되는 VOCs(휴발성유기화합물)와 악취를 효과적으로 제거함과 동시에 배수를 원활하게 하여 수생식물이나 나무가 양호하게 생육할 수 있는 각종 배수재, 식물 육성용, 오폐수처리시설 등에서 사용할 수 있다.

도 2에서는 상기의 제조방법으로 얻은 황토담체를 이용하여 기존에 공급되고 있는 세라믹담체와 비교하여 오,폐수 중에서 BOD, COD, SS, 질소(N), 인(P) 대상물에 얼마의 정화효과를 나타내는지 비교실험하기 위한 실험장치를 도 2와 같이 만들어 황토담체의 효과를 살피고자 하였는바, 각 처리조의 재질은 10 m/m 두께의 투명 아크릴을 사용하였으며, 실험장치(20)는 호기성조(21), 혐기성1조(22), 혐기성2조(23), 침전조(24) 형태를 취하도록 2개의 셋트의 실험장치를 각 조당 유효용적이 약 30 L 정도크기로 제작하여, 대조군에는 현재 생물학적 폐수처리공정에 사용되고 있는 기존 바이오세라믹 제품으로 상품명 'HICEM' 제품을 이용하였고, 실험군에는 본 발명에서 개발된 황토담체를 충진하여 운전하고자 하였다.

그 밖에 운전에 관련된 실험조건은 호기성조(21)에는 각각 여재를 충진하고 산기관 갖도록 하고, 혐기성 제1(22), 2조(23)에는 여재만을 충진하고 산기관을 갖지 않는 구조를 취하였고 침전조(24)에는 슬러지배출을 위한 인출밸브(25)를 갖는 구조를 취하고, 유입수는 생활오수로 평균 BOD 112.6 ppm짜리를 이용하고, 호기성조의 폭기량은 0.042 ㎥/h로 하고 각각의 조에서 오수 체류시간을 24시간으로 하여 4개조에 총 체류시간을 4일로 기준하여 실험하였으며, 상기와 같은 조건으로 실험한 후 다음과 같은 정량분석 및 결과를 나타내었다.

[실험방법]

탈질, 탈인의 정도를 측정하기 위하여 반응기로 유입되기 전과 후의 유출입 오수 내의 암모니아성 질소, 아질산성 질소, 질산성 질소, 총질소, 인산염 인 및 총인을 스탠다드 방법(APAH, 1995)의 분석 방법에 의거하여 정량 분석하였으며, 알고 있는 농도의 물질로 조제된 표준 시료로부터 얻어진 표준 검량선을 이용해서 농도를 측정하였으며, 암모니아성 질소는 페네이트(Phenate)방법을 이용하여 정량 분석하였고, 시료 10 mL에 0.4 mL의 페놀 용액과 0.4 mL의 소듐 나이트로푸르시드(sodium nitroprusside)용액, 1.0 mL의 산화제(oxidizing agent)를 첨가한 후 1 시간 정도 빛이 차단된 곳에서 발색시켜 암모니아가 하이포아염소산염 (hypochlorite)과 페놀의 촉매 하에 소듐 나이트로푸르시드와 반응하여 푸른색의 인도페놀을 형성하게 되며 이를 640 nm의 분광 광도계(spectrophotometer)로 측정하였다.

아질산성 질소는 열량계 방법(calometric method)을 이용하여 정량 분석하였으며, 우선 시료 50 mL를 pH가 5 내지 9 사이에 있도록 HCl 또는 NaOH로 보정하여 보정된 시료에 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)

-ethylenedia mine dihydrochloride:NED) 시약 1 mL를 넣은 후 10 분 동안 발색시키고, 2 시간 내에 분광 광도계를 이용하여 543 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 질산성 질소는 UV-분광 광도계 스크린(spectrophotometric screening) 방법을 이용하여 정량 분석하였고, 시료 25 mL에 1 N HCl 용액을 첨가하여 시료의 pH를 2에서 3 사이가 되도록 맞춘 후 UV-가시 분광 광도계(visible spectrophotometer)를 이용하여 220 nm와 275 nm에서의 흡광도를 각각 측정하였다. 측정된 값은 A 220 nm - 2 (A 275 nm)의 식에 대입, 계산하여 실제 질산성 질소의 농도를 정량적으로 분석하였고, 총 질소는 퍼설페이트(Persulfate) 방법을 이용하여 시료 안에 있는 모든 질소성분을 질산염으로 산화시킨 후 정량 분석하였는바, 시료 mL 당 5 mL의 소화 시약 (digest ion reagent)을 첨가한 후 오토클레이브(autoclave)에서 30 분간 가열하면 시료의 질소성분이 질산염 형태로 산화되는데 이를 다)항의 질산염 측정법을 이용하여 정량하였다.

또한 인산염 인은 스탠뉴어스 클로라이드(Stannous chloride) 방법을 이용하여 정량 분석하였는바, 20 mL의 시료에 1 mL의 몰리브데이트 시약(molybdate reagent)과 2방울의 스탠뉴어스 클로라이드 시약을 첨가하면 스탠뉴어스 클로라이드 시약이 시료 안의 인산염 인과 반응하여 파란색 침전을 만드는데, 이를 690 nm의 UV-가시 분광 광도계 (visible spectrophotometer)를 이용하여 정량하였으며 이때 발색반응이 온도와 시간에 따라 차이가 나므로 상온에서 스탠뉴어스 클로라이드

시약을 넣은 후 정확히 10 내지 12 분 사이에 흡광도를 측정하였으며, 총 인은 퍼설페이트 소화(Persulfate digestion) 방법을 이용하여 정량 분석하였으며, 시료 50 mL에 페놀프탈레인 지시약(phenolphthalein indicator)을 한 방울 넣고 붉은 색이 나타나면 황산용액을 무색이 되도록 첨가한 후, 1 mL의 황산용액을 추가로 첨가하였고 여기에 0.5 g의 과황산 칼륨(potassium persulfate)를 넣고 오토클레이브에서 30분간 가열하여 소화(digest)하면 시료의 모든 인 성분이 인산염 형태로 산화되고, 이를 인산염 인 정량분석 방법에 준하여 분석하였다.

또한, 생화학적 산소 요구량(BOD; Biochemical Oxygen Demand) 측정은 3개의 BOD병에 시료를 담고 그 중 하나의 병에서 아지드 수정(azide modification)방법을 이용하여 초기 용존산소량(DO initial)을 측정하고, 다른 두 병을 20 ℃ 배양기에 넣고 빛이 없는 상태에서 5일간 배양시킨 후 최종 용존산소량(DO final)을 측정하여, 초기 용존산소량과 최종 용존산소량의 차이로부터 생화학적 산소 요구량(BOD)을 측정하였으며, 아지드 수정(Azide modifica tion) 방법에서는 BOD병에 담겨있는 시료에 황산 망간(manganous sulfate) 용액과 알칼리-아이오다이드-아지드 시약(alkali-iodide-azide reagent)을 각각 1 mL씩 넣은 후 흔들어 섞으면 갈색 침전이 형성되는데 침전이 반쯤 가라앉았을 때, 진한 황산용액을 1 mL 넣어 흔들어 섞어 완전히 녹였으며, 이 시료 중 200 mL를 다른 플라스크에 부은 후 지시약으로 전분(starch) 용액을 몇 방울 떨어뜨리면 푸른색이 나타나는데 티오설페이트 (thiosulfate) 적정액으로 무색이 될 때까지 적정하였으며, 이 때 사용된 적정액의 양이 시료의 용존산소량(mg/L)을 얻을 수 있다.

또한, 화학적 산소 요구량(COD; Chemical Oxygen Demand)은 수중의 유기물을 화학적으로 산화시킬 때 소비되는 산소량으로 정의하며 단위는 mg/L로 표시하는바, 본 실험에서는 오픈 리플럭스(open reflux) 방법을 사용하였으며 그 방법은 우선 500 mL 환류 플라스크에 50 mL의 시료를 담고 황산 수은(mercuric sulfate) 1 g을 넣은 후 황산 시약 (sulfuric acid reagent) 5 mL를 천천히 가하여 차갑게 식힌 후, 니크롬산 칼륨(potassium dichromate) 용액을 25 mL 넣고 70 mL의 황산 지시약(sulfuric acid reagent)을 넣은 후, 끝이 열려있는 컨덴서(condenser)를 연결하고 2 시간 동안 가열기에서 끓인 다음 식히고, 페로인(ferroin) 지시약을 0.15 mL 넣은 후 철 황산염 암모늄(ferrous ammonium sulfate(FAS)) 적정액으로 적정하였으며 이 때 소비된 적정액의 양을 하기의 계산식에 대입하여 화학적 산소요구량(mg/L)을 구하였다.

[계산식]

화학적 산소요구량 = (바탕시험에 사용된 FAS양-시료에 사용된 FAS양) ⅹ FAS의 몰농도 ⅹ 8000(변환인자) / 시료의 부피(mL)

또한, 부유물질(SS)은 우선 사용할 여과지(glass fiber filter, 90 mm dia., 0.7 um pore size)로 증류수를 여과한 후, 103 내지 105 ℃의 건조기에서 일정시간 건조시키고 이를 황산 데시케이터에서 식히고 무게를 정량하고 그 다음 여과지로 일정량의 시료를 여과하고, 이를 건조기에서 일정시간 건조한 후 앞의 방법에 따라 무게를 측정하여 여과 후 여과지의 무게와 여과 전 여과지의 무게의 차이로부터 부유물질의 양(mg/L)을 측정하였다.

상기의 실험방법에 따라 얻은 실험결과는 표 4와 같다.

분석항목	평균유입수 (단위:mg/L)	평균유출수 (대조군)	평균유출수 (실험군)	제거율 (대조군)	제거율 (실험군)
S.S	59.7	3.8	3.3	93.7	94.5
BOD	112.6	9.7	7.1	91.4	93.7
COD	197.6	19.2	14.2	90.3	92.8
Total N	35.3	14.5	5.2	58.7	85.3
Total P	3.35	1.9	0.15	43.3	95.5

상기 실험결과의 비교분석으로부터 부유물질(SS), BOD, COD의 경우 대조군과 실험군에서 모두 90 % 이상의 유사한 제거율을 나타내나 본 발명의 황토담체가 기존의 바이오세라믹(H) 여재제품 보다 우수한 효능을 나타내는 결과를 확인할 수 있다.

도 3은 본원의 황토담체가 실제적으로 오,폐수처리시설에서 적용될 수 있는적용예를 나타내고자 한 것으로, 도 3a에서는 본원에서 제공되는 황토담체(10)가 비중처리조(31), 접촉산화조(32), 생물여과조(33)를 거치는 간단한 오폐수 처리시스템에 적용되는 경우를 나타내고자 한 것인바, 접촉산화조(32) 및 생물여과조(32)에 가벼운 재질로 반응조의 로스톨 위에 스텐망을 깔고 놓고 본원의 황토담체(10)를 내장하는 방법으로 쉽게 설치하여 사용할 수 있는바, 원수 펌프조에서 유입된 오수를 삼중 차단막을 설치하여 비중에 의하여 상승, 하강하는 부유 협잡물을 침전, 분리시켜 처리하는 비중처리조(31)를 먼저 거쳐서 접촉산화조(32)로 보내고, 접촉산화조(32)의 저부에는 산기관(32a)이 마련되고 산기관 상부에서 본원의 질소, 인 제거용 황토담체(10)가 충전되고 용존산소를 공급하여 하수 중의 질소, 인을 질산화 과정과 화학적 침전에 의해 분리공정을 수행하고 생물여과조(33)로 보내질 수 있으며, 생물여과조(33)는 접촉산화조와 연결되어 있으며 다시 슬러지와 과잉 증식된 미생물을 처리하며 탈질과정을 유도하는 혐기성의 생물여과조에는 슬러지인발관(33a)를 갖는 간략구성의 오폐수 처리공정에 적용될 수 있음을 나타내고 있다.

도 3b에서는 본원에서 제공되는 황토담체가 오,폐수 시스템에 적용되는 경우를 나타내고자 한 것으로, 침사지(41), 스크린조(42), 원수펌프조(43), 비중처리조(44), 제1차 생물여과조(45), 제1차 접촉산화조(46), 제2차 생물여과조(47), 제 2차 접촉산화조(48), 접촉여과조(49)를 갖는 오,폐수 처리공정에 본원의 황토담체(10)가 적용되는 예를 설명하여 보면, 먼저 하ㆍ폐수는 침사조(41)와 스크린을 거쳐 원수펌프조(43)에 유입되고 유입된 오수는 설치된 칸막이에 의해 협잡물을 침전시킨 다음 걸러진 오수는 펌프에 의해 비중처리조(44)로 이송되며, 비중처리조에는 부유협잡물 차단막이 설치되어 오수가 빠른 속도로 유입되면서 비중에 의해 상승, 하강하는 부유물질을 단시간 내에 침전,분리시켜 유입수량 및 농도를 조정하는 유량조정조 역할을 대신하도록 제공될 수 있으며, 비중처리조(44)를 통과한 오수는 하ㆍ폐수의 2차 처리에 해당하는 제1차 생물여과조(45)에 유입되며 상기 생물여과조에는 본원의 황토담체(10)가 충전되어 있어 황토담체에 의해 여과 및 유기물의 혐기성 분해 탈질에 의한 질소제거, 인의 방출 등이 진행되고 다음 공정인 제1차 접촉산화조(46)로 보내지고, 접촉산화조는 상기 생물여과조와 연결되어 있고 터널형의 호기성조로 적용되어 저부에 산기관(46a)이 있고 그 상부로 쇠 격자가 연속으로 설치되어 있고 그 위에 본원의 황토담체(10)가 충전되어 사용될 수 있으며, 쇠격자 모듈사이에 산기관이 설치되어 접촉산화조로 유입된 하ㆍ폐수는 황토담체의 공극속을 이동하면서 생물막에 접촉하고 호기성 미생물군에 의하여 흡착, 산화, 분해가 이루어지며 인 섭취작용 및 초화반응도 이루어지며, 황토담체 표면에 생긴 생물막은 오수와 접촉하여 비후되고 오래되면 탈락하여 공극이 막히므로 정화기능을 높이 유지하려면 오수와 신선한 생물막과 항시 접촉하는 것이 바람직하며, 또한 상기 접촉산화조의 하부는 퇴적 슬러지가 잘 모여 배출되고 청소가 용이한 구조로 제공되는 것이 바람직하다.

상기 제1차 접촉산화조(46)에서 반출되는 오수는 다시 제2차 생물여과조(47)를 통하여 제2차 접촉산화조(48)를 거쳐 배출될 수 있는바, 제2차 생물여과조 및 제2차 접촉산화조 전단계의 구조와 기본적으로 동일한 구조를 가지며 구조를 더욱 간단화시켜 이를 생략하거나 이를 더욱 추가하여 설치할 수 있다.

상기 제2 생물여과조(47)는 유입된 오수의 처리수 중에 남아있는 잔류 유기물의 최종 생물학적 분해가 진행되는 조로서 응집, 침전, 여과 기능을 수행하기 위해 슬러지침전물을 빼내기 위한 인발펌프(P)가 설치될 수 있으며, 제2 접촉산화조(48)는 오수중의 질소, 인을 고도로 제거하기 위한 반응조로서 구조 및 설비는 제1접촉산화조와 동일하게 설치되고, 상기 제2 접촉산화조에서 반출된 오수는 후처리조이자 소독조를 겸하는 접촉여과조(49)로 이동한다.

상기 접촉여과조의 하부구조는 슬러지가 모일 수 있는 구조로 설치되고, 여기에 모인 슬러지는 슬러지저류조로 인발관을 통한 에어 리프트(air left)나 인발펌프가 설치되어 슬러지농축조(50)로 이송되는 시스템으로 적용될 수 있는바, 이들 정화시스템의 운전기술은 기존의 오폐수 처리시스템이 그대로 준용되어 사용될 수 있으므로 더 이상의 설명이 필요 없다 할 것이다.

본원의 기술사상은 생물여과조나 접촉산화조의 수처리 공정 중에 기존에 제공되어온 세라믹담체가 고가임에도 내구성이 낮고 쉽게 파손되는 문제점을 감안하여 높은 압축강도를 유지하면서 저가인 황토담체를 제공하여 이를 대체하고자 하는 기술사상을 갖는 것으로, 본원은 자연친화적이며 독소제거, 분해력, 정화력을 갖는 황토의 특성을 이용하여 토착 미생물을 증식시키면서 수중에서 영양물질 인자의 분해력 및 정화력을 갖고 질소, 인 및 부유 물질까지 제거하는 기능을 갖는 황토담체를 제공하는 것이며, 상기의 적용예는 실제적으로 본원의 황토담체가 수처리 과정 중에 적용되는 예시를 기술한 것에 불과하며, 본원의 기술사상은 비단 오폐수처리장 뿐 아니라 하천의 바닥재나 호안블록으로 적용되어 수중생태계에 안정을 주면서 수중의 독극물이나 오염원을 제거할 수 있는 분야에 적용될 수 있음은 물론이며 하기의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 균등론적으로 적용되는 범위까지 그 효력이 미쳐야할 것이다.

10 : 황토담체 20 : 실험장치
21 : 호기성조 22 : 혐기성1조
23 : 혐기성2조 24 : 침전조
25 : 인출밸브 31 : 비중처리조
32 : 접촉산화조 33 : 생물여과조
41 : 침사지 42 : 스크린조
43 : 원수펌프조 44 : 비중처리조
45 : 제1차 생물여과조 46 : 제1차 접촉산화조
47 : 제2차 생물여과조 48 : 제2차 접촉산화조
49 : 접촉여과조

Claims (6)

1. 생활하수 및 오,폐수 처리용 황토담체의 제조방법에 있어서,
   정제된 황토 40±10 v%와 건조 분쇄목 톱밥 50±10 v%을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하는 혼련단계;
   상기 혼련단계를 거친 배합원료를 진공토련기에 넣고 원하는 규격의 성형품으로 성형하되 70±10 ㎝Hg 범위의 진공도를 유지하며 성형제품 중의 기포나 공기를 제거하여 성형제품을 얻는 성형단계;
   상기 성형제품을 80~100℃ 범위의 저온 열풍으로 건조하는 건조단계;
   상기 건조단계를 거친 성형제품을 소성하되, 소성조건을 예열존은 100~250℃, 가열존은 250~650℃, 소성존은 900~1000℃, 냉각존은 50℃이하로 서냉시키는 공정을 포함하는 소성단계;
   를 거쳐 황토담체가 최대압축하중 10,000~20,000 N 범위로 제공되고, 겉보기 기공율이 45~55 %의 물성을 갖도록 제공되는 것을 특징으로 하는 황토담체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기의 혼련단계에서 사용하는 정제된 황토 40±10 v%와 건조 분쇄목 톱밥 50±10 v% 이외에 규조토나 펄나이트나 소성패각분말 중에서 선택되는 성분을 10±5 v%범위로 함유하는 조성을 혼련기에서 배합하며 물을 공급하여 수분함수율을 15±5 w%범위로 혼합하는 혼련단계로 적용되는 것을 특징으로 하는 황토담체의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기의 혼련단계에서 사용하는 건조 분쇄목 톱밥은 0.8㎜ ~ 3.6㎜ 범위의 입도 크기로 사용되는 것을 특징으로 하는 황토담체의 제조방법.
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