KR101249009B1 - 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬 - Google Patents

부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자연 호소의 연안대에서 발달하는 습지의 생태계 복원 효과 및 수질개선 효과를 수면위에서 실현하여, 또 하나의 녹색공간, 생태적 동식물 서식처를 제공하는 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 인공식물 섬에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수생식물 식재용 매질과, 상기 식재용 매질의 하부에 형성되는 부력체와, 상기 수생식물 식재용 매질, 부력체 및 식재된 식물의 뿌리 주변을 둘러싸는 망형상의 폴리에틸렌 망체와, 식재되는 수생식물을 포함하여 이루어지는 수처리용 인공식물섬에 관한 것이다.

Description

부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬{LCK-SYSTEM}
본 발명은 미생물의 부착과 번식을 용이하게 할 수 있는 폴리에틸렌 망체를 사용하고, 또한 수생식물의 생장을 촉진할 수 있는 수생식물 식재용 매질을 사용함으로써 부착생물, 식물에 의한 N, P 흡수, 수생동물의 섭식, 어류의 섭식, 햇빛 차단, 침강, 흡착, 탈질 작용이 복합적으로 발생하여 수질정화에 효과적이며, 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬에 관한 것이다.
인공식물섬은 부력을 가진 재질로 만들어진 부력체 위에 정수식물을 착생시키는 생태공학 기술로, 생물서식공간 제공, 수질정화, 수경관 창출, 호안침식 방지 등 다양한 기능을 제공한다. 수변부의 경사가 급하거나 콘크리트 호안으로 조성된 호소나 댐의 경우 호안주변에 식재할 수 없으나 인공식물섬을 활용하여 식생기반을 제공할 수 있다.
인공식물섬에 식재된 수생식물은 수중에 뿌리를 뻗어 수중에 있는 질소, 인 등을 흡수하여 생장한다. 따라서 인공식물섬의 정수식물은 수중의 질소, 인을 호소로부터 제거하는 역할을 하여 호소의 수질을 개선할 수 있다.
습식타입의 인공식물섬의 경우, 식생 기반재인 야자섬유, 수지 형성품 등을 네트(net) 또는 시트(sheet) 등으로 덮어서 봉제한 것이다. 수면위에 띄우기 위한 부력체를 가지고 있으며, 식재한 식물이 직접 물에 접촉하고 있는 것이 특징이다.
식재된 식물은 수경재배와 유사한 상태에서 생장하며, 식물이 영양염류를 흡수하여 성장하므로 수질정화 효과를 기대할 수 있다.
인공식물섬 하부에 부착될 폴리에틸렌 망체는 비표면적이 넓은 거친 표면으로 이루어져 미생물의 부착과 번식이 용이하고 가벼운 재질로서 인공식물섬의 부력에 영향을 미치지 않으며 망사형이면서 파손의 우려가 없다. 망체의 내부 공간에 동물플랑크톤이나 저서성대형무척추동물의 증식, 서식을 유도할 수 있으며 또한 산소전달율과 용해율이 높아 부착 미생물의 대사가 활발히 발생하여 수질정화 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 인공식물섬과 관련하여,
대한민국 등록특허 10-0297876(등록일자 2001년05월25일) '담수호의수질정화용인공부도', 대한민국 등록특허 10-0438351(등록일자 2004년06월22일) '인공 식물섬을 이용한 수상생태공원', 대한민국 등록특허 10-0478735(등록일자 2005년03월15일) '비골격형 인공 식물섬', 대한민국 등록특허 10-0787149(등록일자 2007년12월12일) '수처리를 위한 인공습지'에 관련 기술이 개시된 바 있으나, 실질적으로 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지의 효과가 크지 않아, 실제 현장에서 적용하여 큰 효과를 기대할 수 있는 인공식물섬에 관한 기술 개발이 시급한 실정이다.
대한민국 등록특허 10-0297876(등록일자 2001년05월25일) 대한민국 등록특허 10-0438351(등록일자 2004년06월22일) 대한민국 등록특허 10-0478735(등록일자 2005년03월15일) 대한민국 등록특허 10-0787149(등록일자 2007년12월12일)
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 미생물의 부착과 번식을 용이하게 할 수 있는 폴리에틸렌 망체를 사용하고, 또한 수생식물의 생장을 촉진할 수 있는 수생식물 식재용 매질을 사용함으로써 실제 현장에 적용하여 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지에 대한 큰 효과를 기대할 수 있는 인공식물섬을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고자,
본 발명은 수생식물 식재용 매질과,
상기 식재용 매질의 하부에 형성되는 부력체와,
상기 수생식물 식재용 매질, 상기 부력체 및 식재되어 있는 수생식물의 뿌리를 둘러싸는 폴리에틸렌 망체와,
상기 식재용 매질과 부력체에 형성되는 식생공을 통해 식재되는 수생식물을 포함하여 이루어지는 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬을 주요 기술적 구성으로 한다.
본 발명에 따른 인공섬의 고효율식생저류조 DS-API 공법은 발생한 비점오염수를 일정시간 저류할 수 있는 저류지에 부유 습지 조성기술인 인공식물섬을 적용하여 식재 면적을 극대화한 공법이다.
즉, 식물 및 공생미생물의 자정작용을 극대화한 공법으로서, 입자성 오염물질의 침강, 식물에 의한 식물자체의 오염물질 흡수, 식물 뿌리에 의한 여과/응집/침전, 뿌리 및 식생기반재를 여재로 이용하는 공생미생물에 의한 흡착, 분해 등의 정화기작이 발생하여 호소 등의 수질 개선에 매우 효과적이라는 장점을 갖는다.
인공식물섬에 사용하는 폴리에틸렌 망체는 비표면적이 넓은 거친 표면으로 이루어져 미생물의 부착과 번식이 용이하고 가벼운 재질로서 인공식물섬의 부력에 영향을 미치지 않으며 망사형이면서 파손의 우려가 없다. 그리고 식물섬하부 식물뿌리에 미생물 부착과 동물플랑크톤 증식, 저서성대형무척추동물의 증식, 서식을 유도할 수 있으며 더불어 하부망체 내부공간에도 미소생물이나 소형어류 등의 서식을 유도할 수 있다. 또한 망체의 산소전달율과 용해율이 높아 부착 미생물의 대사가 활발히 발생하여 수질정화 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 인공식물섬의 수질정화기작을 보인 도면.
도 2는 도 1의 수질정화기작을 통해 얻을 수 있는 인공식물섬의 효과를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 수처리용 인공식물섬을 보인 도면.
도 4는 본 발명의 인공식물섬을 구성하는 수생식물 식재용 매질을 보인 도면.
도 5는 본 발명의 인공식물섬을 구성하는 부력체를 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 플레이트형 폴리에틸렌 망체를 보인 도면.
도 7은 본 발명의 인공식물섬을 다수 결합시키기 위한 구성을 보인 도면.
도 8은 본 발명에 따른 수중고정닻이 설치된 수처리용 인공식물섬을 보인 도면.
도 9는 본 발명의 폴리에틸렌 망체 제조를 위한 제조장치를 보인 도면.
도 10은 도 9의 제조장치를 구성하는 성형노즐부를 보인 도면.
도 11은 도 9의 제조장치를 구성하는 진공 냉각부를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 따른 원통형 폴리에틸렌 망체를 보인 도면.
상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.
본 발명과 관련하여, 도 1은 일반적인 인공식물섬의 수질정화 기작을 보인 도면으로서, 식물에 의한 N,P 흡수, 현탁성 물질 흡수와, 수생동물, 어류의 섭식에 의한 오염물질 제거 등이 복합적으로 작용함을 확인할 수 있다.
일반적으로 수질정화는 기본적으로 식물흡수에 의해 주로 일어나게 되며, 식물뿌리 등에 부착한 세균, 플랑크톤이 유기물, N, P 등을 흡수한다.
그리고, 도 2는 도 1의 수질정화기작을 통해 얻을 수 있는 인공식물섬의 효과를 보인 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 수처리용 인공식물섬을 보인 도면으로서,
앞서 살펴본 바와 같이,
수생식물 식재용 매질(10)과,
상기 식재용 매질(10)의 하부에 형성되는 부력체(20)와,
상기 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20) 및 식재되어 있는 수생식물의 뿌리를 둘러싸는 폴리에틸렌 망체(30, 30')와,
상기 식재용 매질(10)과 부력체(20)에 형성되는 식생공을 통해 식재되는 수생식물(40)을 포함하여 이루어진다.
상기 수생식물 식재용 매질(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 식생공(101)이 형성되어 있으며, 상기 식생공(101)으로 수생식물(40)이 식재된다.
그리고, 수생식물 식재용 매질(10)의 외부에는 망형상의 폴리에틸렌 망체(30)가 둘러싸여 있으며, 상기 폴리에틸렌 망체(30)는 상기한 바와 같이, 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20) 및 식재되어 있는 수생식물의 뿌리를 포함하여 둘러싸게 된다.
상기 수생식물 식재용 매질(10)은 식생기반재로서, 야자섬유와 펄라이트, 왕겨, 코코피트의 혼합물을 압축 성형하는 것으로서,
더욱 상세하게는 야자섬유 70~85wt%와, pH 5.9~6.3의 펄라이트 2~10wt%와, 왕겨 2~10wt%와, 코코피트 2~10wt%의 혼합물을 압축 성형한다.
상기 야자섬유의 함량이 70wt% 미만인 경우에는 수생식물을 식재하기 위한 기본적인 식생 기반재의 기능을 수행하기 어렵고, 85wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 함량이 줄어들어 수생식물의 생장촉진 기능성이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 야자섬유의 사용량은 수생식물 식재용 매질(10)의 전체 중량에 대해 70~85wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 펄라이트는 규산질 화산암의 일종인 진주암을 870~1,100℃로 가열하여 원래 부피보다 10~20배 팽창시켜 매우 가볍고 많은 기포를 가진 입자로 만든 배지이다. 펄라이트는 공극률이 높아 가밀도가 0.2g·m-3 이하를 나타내며 가볍고, 총공극률이 93% 이상으로 높아 다른 배지의 통기성과 배수성을 증진시키는데 유용하다. 다른 배지와의 혼합이나 더 작은 입자크기를 갖는 펄라이트를 사용하여 보수력을 증진시킬 수 있으며, 펄라이트의 pH는 5.9~6.3으로 일반적인 작물의 생육에 적합하다.
이와 같은 펄라이트의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 수생식물의 생육 촉진에 큰 영향을 미칠 수 없고, 10wt%를 초과하게 되는 경우에는 수생식물의 생육 촉진의 변화가 미미하여 무의미하므로, 상기 펄라이트의 사용량은 수생식물 식재용 매질(10)의 전체 중량에 대해 2~10wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 왕겨는 벼의 도정 과정에서 다량으로 생산되는 농업부산물로서 균일성이 높은 유기물 재료로 비료 3요소 함량이 비교적 적고, 규산함량이 매우 높으며 구조적으로 분해에 안정하여 혼합 배지의 재료로서 적합한 특성이 있다.
이와 같은 왕겨의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 수생식물의 생육 촉진에 큰 영향을 미칠 수 없고, 10wt%를 초과하게 되는 경우에는 수생식물의 생육 촉진의 변화가 미미하여 무의미하므로, 상기 왕겨의 사용량은 수생식물 식재용 매질(10)의 전체 중량에 대해 2~10wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 코코피트는 야자나무 열매의 껍질에 해당하는 coconut husk 부위에서 섬유질인 coconut fiber를 추출한 다음에 생기는 coconut dust에 물리화학적 처리를 하여 생산되는 것으로서, 보수력과 보비력이 높고 통기성이 높으며 용적밀도가 낮고 양이온교환용량이 높고 분해에 대한 저항성이 있으며, 잡초 종자와 병원균이 없고 풍부한 양분이 있고 장기간 부패하지 않아 상토의 물리성을 개선한다.
이와 같은 코코피트의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 수생식물의 생육 촉진에 큰 영향을 미칠 수 없고, 10wt%를 초과하게 되는 경우에는 수생식물의 생육 촉진의 변화가 미미하여 무의미하므로, 상기 코코피트의 사용량은 수생식물 식재용 매질(10)의 전체 중량에 대해 2~10wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 부력체(20)는 10~30mm의 두께를 갖는 다공성의 폴리스티렌 판으로서, 수생식물 식재용 매질(10)의 하부에 형성되어, 수처리용 인공식물섬이 수면 위에 뜬 상태를 유지시켜 준다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 부력체(20)에는 상부에 적층되는 수생식물 식재용 매질(10)에 형성되어 있는 다수의 식생공(101)과 동일 지점에 다수의 식생공(101)이 형성됨으로써 식생된 수생식물의 뿌리가 수중으로 뻗을 수 있도록 한다.
상기 폴리에틸렌 망체(30, 30')는 도 6에 도시된 플레이트 형과 도 12에 도시된 원통형을 이용하는 것으로서,
상기 도 6에 도시된 플레이트 형 폴리에틸렌 망체(30)를 이용하여 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20) 및 식재되어 있는 수생식물의 뿌리 둘레를 둘러쌀 수도 있으나, 설치의 용이성을 위해서, 상기 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20)는 상기 플레이트 형 폴리에틸렌 망체(30)를 이용하여 둘러싸고, 상기 수생식물의 뿌리 둘레는 도 12에 도시된 원통형 폴리에틸렌 망체(30')를 이용하여 둘러싼다.
상기 폴리에틸렌 망체(30, 30')의 망을 이루는 각 가닥에는 미생물의 부착과 번식을 용이하도록 하기 위하여 미세한 주름(301)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 폴리에틸렌 수지는 특성상 성형시 표면이 매우 매끄럽게 성형이 이루어진다. 표면이 매끄러운 경우에는 미생물의 부착, 번식이 용이하게 이루어지지 않기 때문에, 미생물의 부착, 번식이 용이하게 이루어질 수 있도록 하기 위하여 폴리에틸렌 망체에 미세한 주름을 형성하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 인공식물섬의 면적을 넓히기 위한, 인공식물섬 간의 연결구조를 보인 것으로서,
STS(스테인리스 강) 클립보드(50)를 이용하여, 서로 이격되어 있는 인공식물섬 상호간을 연결하고, 연결된 인공식물섬 둘레에는 STS(스테인리스 강) 와이어로프(60)가 형성됨으로써 2개 이상의 인공식물섬을 일체화시킨다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 인공식물섬이 설치된 위치에서 크게 위치가 변경되지 않도록 하기 위하여, 수중고정닻(70)을 설치하게 되며, 상기 수중고정닻(70)은 다른 STS 와이어로프에 연결되고, 상기 수중고정닻에 연결되어 있는 STS 와이어로프는 인공식물섬을 고정하고 있는 STS 와이어로프에 감긴 후 STS 클립보드로 고정하게 된다.
이하, 상기 폴리에틸렌 망체(30, 30')의 제조에 대해 살펴보면,
상기 폴리에틸렌 망체는 도 9에 도시된 폴리에틸렌 망체 제조장치를 이용하는 것으로서, 상기 제조장치는 폴리에틸렌수지를 120~150℃에서 전기히터에 의하여 가열 용융시켜 형성되는 폴리머를 토출시키는 압출기(150)와; 상기 압출기(150)의 측으로 외주면에 도 10에 나타낸 것과 같은 다수의 반원형 토출공(112a)이 형성되는 내측노즐(112)과, 내주면에 상기 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 상응되도록 다수의 반원형 토출공(114a)이 형성되는 외측노즐(114)이 결합되어 상호 반대방향으로 회전되는 성형노즐부(110)와; 상기 성형노즐부(110)에서 토출되는 폴리머를 냉각수를 이용하여 냉각 고화시키는 수냉 냉각부(160)와; 상기 수냉 냉각부(160)를 거쳐 원활하게 배출될 수 있도록 설치되는 인취부(170)와; 상기 인취부(170)를 거친 성형물을 필요로 하는 크기로 절단하는 절단부(180)가 순차적으로 설치되고; 상기 성형노즐부(110)와 수냉 냉각부(160) 사이에 진공 냉각부(120)가 구성된다.
도 10에는 상기 도 9에 도시된 제조장치를 구성하고 있는 성형노즐부(110)를 도시한 도면으로서, 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 외측노즐(114)의 토출공(114a) 내면에 다수의 미세한 턱(112a')(114a')을 형성하고, 상기 내측노즐(112)은 화살표 방향으로, 상기 외측노즐(114)은 상기 내측노즐(112)의 회전방향과 반대 방향의 화살표 방향으로 회전되는 것을 도시한 도면이다.
도 11은 상기 도 9에 도시된 제조장치를 구성하고 있는 진공 냉각부(120)를 보인 도면이다. 상기 진공 냉각부(120)는 상기 내측노즐(112)의 축에 결합되어 회전되는 맨드릴(122)과 그 외측으로 다수의 배기공(124a)이 형성된 지지부재(124)가 설치되며, 상기 지지부재(124)의 외측에는 진공펌프(126)가 설치되어 구성된다.
상기 맨드릴(122)은 일측에 다수의 배기공(124a)이 형성된 타원형의 지지구(121)가 설치되어 있다.
압출기(150)를 거쳐 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 외측노즐(114)의 토출공(114a)이 상호 반대 방향으로 회전되는 성형노즐(110)을 통하여 압출 성형되는 과정에서 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 외측노즐(114)의 토출공(114a)이 만나는 부분에서 각각의 폴리머가 교차되면서 융착된 후, 진공 냉각부(120)와 수냉 냉각부(160)를 거쳐 냉각 및 고화되면서 인취부(170)를 통하여 인취되면서 절단부(180)에 의하여 원하는 크기로 절단된 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')(도 12)가 형성되며, 이와 같은 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 직경은 성형노즐부(110)의 내측노즐(112)과 외측노즐(114)의 크기를 조절함으로써 조절이 가능하다.
즉, 본 발명의 인공식물섬에 식재된 식물의 뿌리 주변을 둘러싸는 원통형의 폴리에틸렌 망체를 상기 망형상의 원통구를 그대로 이용하여 설치하거나 또는 상기 망형상의 원통구를 세로방향으로 절단하여 도 6에 도시된 플레이트 형태로 제작하여 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')를 이용하여 인공식물섬에 식재된 식물의 뿌리 주변을 둘러싸고, 플레이트형의 폴리에틸렌 망체(30)를 사용하여 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20)의 전면을 둘러싼다.
상기 미세한 주름(301)의 형성된 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 제조공정에 대해 보다 구체적으로 살펴보면,
먼저, 압출기(150)에서 가열 용융된 폴리에틸렌수지의 폴리머가 성형노즐부(110)로 유입되어 압출되는 과정에서 성형노즐부(110)의 내측노즐(112)과 외측노즐(114)이 상호 반대 방향으로 회전되면서 각각의 토출공(112a)(114a)으로 압출되는 폴리머가 상기 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 외측노즐(114)의 토출공(114a)이 만나는 부분에서 교차되면서 융착되어 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')를 형성하게 된다.
상기에서 내측노즐(112)의 토출공(112a)과 외측노즐(114)의 토출공(114a)의 내면에는 미세한 턱(112a')(114a')이 형성되어 있는 관계로 압출되는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 내면 또는 외면으로 미세한 주름(301)이 형성되면서 압출되어진다.
그리고, 상기 성형노즐부(110)의 내측노즐(112)과 외측노즐(114)의 크기에 따라 압출 성형되는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 크기를 원하는 치수로 성형시킬 수 있다.
상기와 같이 압출 성형되는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')는 다시 진공 냉각부(120)의 맨드릴(122) 지지구(121)의 외주면과 지지부재(124)의 내주면 사이로 유입되면서 지지부재(124)의 외부로 설치된 진공펌프(126)에 의하여 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')가 유입되면서 유입된 공기를 외부로 배기하게 되는 데, 이때, 맨드릴(122)의 지지구(121)는 내측노즐(112)과 같은 방향으로 회전하고 있으므로 그 회전력과 진공펌프(126)에 의하여 각각의 배기공(124a)으로 배기되는 공기 간에 와류가 발생하면서 압출되는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 내면 또는 외면으로 상기 토출공(112a)(114a)에서와 같이 미세한 주름(301)이 형성되면서 1차적으로 냉각이 이루어진다.
상기와 같이 진공 냉각부(120)를 통하여 1차적으로 냉각되어 성형되는 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')는 다시 냉각수를 분사노즐에 의해 분사시키거나, 또는 수조 등에 냉각수가 담수된 수냉 냉각부(160)를 거치면서 2차적인 냉각이 이루어지면서 완전한 형태의 성형물로 냉각이 이루어지고, 이 성형물은 수냉 냉각부(160)를 거친 후, 인취부(170)에 의하여 인취되면서 그 후방으로 설치된 절단부(180)에 의하여 필요로 하는 크기로 절단된다.
상기에서, 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 내면과 외면으로 미세한 주름(301)을 형성시키는 것은 폴리에틸렌 수지의 특성상 성형이 이루어진 상태에서는 표면이 매끄럽게 성형 되며, 표면이 매끄럽게 성형 될 경우에는 미생물의 부착 및 번식이 용이하게 이루어지지 않기 때문에 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 내면과 외면에 미세한 주름(301)을 형성시켜 미생물의 부착 및 번식을 용이하게 할 수 있도록 하기 위함이다.
상기에서, 원통형의 폴리에틸렌 망체(30')의 내면과 외면으로 미세한 주름(301)을 형성시키는 방법은 첫째, 압출기(150)를 통하여 성형노즐부(110)로 압출되는 폴리머에 직접적으로 성형될 수 있도록 성형노즐부(110)의 내측노즐(112)과 외측노즐(114)의 토출공(112a)(114a)에 미세한 턱(112a')(114a')을 형성시켜 압출시키는 방법과, 둘째, 진공 냉각부(120)를 이용하여 내부로 유입되는 공기를 외부로 배기시키는 과정에서 맨드릴(122)의 지지구(121) 회전력과 진공펌프(126)의 배기과정에서 배기되는 배기압으로부터 발생하는 기류에 의하여 미세한 주름(301)을 형성시킬 수 있는 방법, 두 가지로 설명되어 있으나, 상기와 같은 방법을 병행하여 사용할 수 있고, 각각의 방법으로 형성시켜 사용할 수도 있다.
본 발명에서는 이와 같이 미세한 주름(301)이 형성된 폴리에틸렌 망체(30, 30')를 수처리용 인공식물섬에 그대로 사용하나,
다른 실시예로서,
미세한 주름이 형성된 망체의 표면을 점토성 물질과 접착제의 혼합물로 코팅한 후 건조과정을 거쳐 제조된 폴리에틸렌 망체를 사용할 수도 있다.
즉, 비중 20 ~ 80kg/㎥이고, 부피 0.1 ~ 100㎤의 폴리에틸렌 망체의 표면에는 납석, 점토 또는 펄프 중 선택되는 어느 1종 이상인 점토성 물질 60 ~ 80wt%과 전분, 송진, 해초의 점액, 아크릴 수지, 물유리 또는 실리카겔 졸 중 선택되는 어느 1종 이상의 접착제 20 ~ 40wt%를 혼합 교반한 것을 부착 코팅하고, 건조과정을 거침으로써, 미생물 망체가 완성된다.
이때, 상기 접착제의 사용량이 20wt% 미만인 경우에는 점토성물질이 폴리에틸렌 망체에 코팅이 잘 되지 않는 문제가 있고, 40wt%를 초과하게 되는 경우에는 점토성물질에 의한 활성이 잘 이루어지지 않는 단점이 있으므로, 상기 접착제의 사용량은 상기 점토성 물질에 대해 20 ~ 40wt%범위 내에서 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 인공식물섬에 추가 구성되는 수생식물은 상기 식재용 매질(10)과 부력체(20)에 형성되는 식생공을 통해 식재되는 것으로서, 그 종류로는 큰고랭이, 노랑꽃창포, 갈대, 애기부들, 줄, 달뿌리풀, 물억새, 부레옥잠화, 봄개구리밥, 마름류, 미나리, 연꽃, 검정말 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합인 것을 사용한다.
수생식물의 뿌리를 통한 무기염류의 제거는 흡수뿐만 아니라 흡착의 영향도 있다. 흡착이란 일반적으로 용액 안에 있는 용해물질을 적당한 경계면 위에 모이도록 하는 현상으로 경계면은 액체와 기체 사이, 액체와 고체 사이, 액체와 또 다른 액체사이에서 생길 수 있는 물리화학적 현상이다. 일반적으로 수생식물을 이용한 이온류의 제거의 경우 1차적으로 뿌리부분에 흡착을 한 후 뿌리 세포 내로 흡수되는 것으로 알려져 있다. 따라서 흡착과 흡수는 서로 분리되어 생각할 수 없으며, 서로의 상호관계에 의하여 이온류를 섭취, 제거하고 있다.
이와 같은 수생식물의 수질정화에서의 역할은 직접적으로 오염물질을 흡수한다는 점, 미생물이 부착할 수 있는 매체를 제공한다는 점, 대기로부터 수중으로 산소수송을 위한 통로를 제공하므로 뿌리에 부착된 호기성 미생물의 활동을 촉진시키고 용존산소를 증가시킨다는 점에 있다.
이하, 수생식물에 의한 질소 제거 기작과, 인 제거 기작에 대해 살펴보고자 한다.
[ 질소 제거 기작 ]
수생식물에 의한 질소의 제거는 식물과 부착미생물에 의한 흡수(uptake), 암모니아의 휘발(ammonia volatilization), 질산화/탈질반응(nitrification/denitrification)의 주로 3가지 기작에 의한다.
위 기작 중 식물에 의한 흡수가 가장 중요하다. 식물이 이용할 수 있는 질소의 형태는 NH4 +, NO3 -이며 특히 NO3 -를 선호하는 것으로 알려져 있다. 그러나 식물의 종류, 환경, 농도 등에 따라 달라지며, 식물의 뿌리에 부착된 미생물이 유기질소를 분해하여 식물이 이용할 수 있는 형태로 전환시킨다. 수생식물의 영양 염류 제거량은 수생식물 중의 영양염류 함량에 크게 좌우되는데 질소의 함량은 종에 따라 0.5~5%까지 다양하다.
질소가 미생물의 세포 증식이나 세포합성에 필요한 성분으로 이용되는 양이 작아 질소를 제거하기 위해서는 질산화/탈질화 현상을 이용하는 것이 효과적이다. 질산화의 원리는 수중의 질소가 암모니아(NH3) 형태로 존재하면 암모니아는 호기성 상태에서 질산화미생물에 의해서 NO2 -로 산화된다. 즉, 질산화는 호기성 상태에서 일어나며 미생물의 성장에 필요한 에너지를 질소화합물(일반적으로 암모니아)의 산화에의해 얻는 반응이다. 질산화는 단지 질소화합물의 형태만을 변화시킬 뿐 제거를 하는 것은 아니며, 이는 Nitrification과 Nitratification의 2단계 과정으로 이루어진다. 질산화의 반응기작은 다음과 같다.
Nitrification: 3MH4 + + 2O2 (Nitrosomonas) -> 3NO2 - + 6H+ + 3H2O
Nitratification: 2NO2 - + O2 (Nitrobacter) -> 2NO3 -
질산염을 질소가스로 변환시켜 질소를 제거하는 것은 생물학적으로 준혐기성(anoxic) 상태에서 일어난다. 이 과정이 탈질화(denitrification)로 알려져 있다. 하지만 주요 생화학적 경로는 혐기성이 아니고 호기성 반응경로를 변경한 것으로서, 쉽게 제거 가능한 형태로의 질산성 질소의 변환은 여러 종의 세균에 의해 이루어진다.
Acromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas, Spirillum 등이 주요 균이다.
이들 세균은 자가 영양으로 질산염 환원의 2단계 작용을 할 수 있다. 첫 번째 단계가 질산염이 아질산염으로의 변환이고, 이와 동시에 산화질소(notirc oxide), 아질산화질소(nitro oxide) 그리고 질소가스(N2)가 생성된다. 이때 N2는 대기 중으로 방출된다. 탈질화 공정에서 용존산소의 농도는 결정적인 변수이다. 용존산소의 존재는 탈질화를 위한 효소체계를 억제한다. 질산염에서 질소가스로의 변환도중 알칼리도가 생성되며 그 결과 pH가 증가한다. 최적 pH는 미생물 종류에 따라 다르며, 온도는 질산염 제거와 미생물 성장에 영향을 미치게 되며, 탈질 미생물들은 온도변화에 민감하다. 결과적으로 식물을 통하여 산소가 대기로부터 뿌리로 확산되면 뿌리부분에 호기성 지역과 혐기성 지역이 존재하게 된다. 이들의 공존은 계속적인 질산화(nitrification)와 탈질화(denitrification)를 자극하게 되고 따라서 기체 형태로 질소의 제거가 가능하게 된다.
[ 인 제거 기작 ]
인은 질소와 함께 부영양화를 유발시키는 주요 영양소이며, 발생원이 다양하여 제어하기 어렵다. 우선, 입자상 인이 뿌리 주위에서 여과, 침전으로 제거되며, 식생은 매체역할을 하여 미생물 개체수를 유지하고 미생물의 세포합성에 의해 용존성 인이 제거된다. 식물의 사체가 분해될 경우에는 인을 용출하므로 수확을 통해 다시 부하 되는 것을 방지하는 경우도 있다. 인은 질소제거와 달리 기체형태로는 변형되지 않고 식물과 부착 미생물의 흡수에 의해서만 제거가 가능하기 때문에 인을 최대로 흡수하려면 일정량의 질소가 공존해야 한다.
만약 질소가 부족하면 식물은 조직내 영양염류 함량의 균형을 맞출 수가 없게 되므로 이용 가능한 인이라 할지라도 흡수를 할 수가 없다. 인은 식물과 부착 미생물의 흡수를 통해서 제거가 가능하며, 식물의 흡수할 수 있는 인은 PO4 -3, H2PO4 -, HPO4 -2의 형태로서 부착미생물이 유기인을 분해함으로써 식물체에 흡수되어 이용되며, 수생식물 중의 인의 함량은 종에 따라 0.1~1.25%까지 다양하다.
[수처리용 인공식물섬]
본 발명에 따른 수처리용 인공식물섬은 습식타입으로 유니트 형식으로 설계하였으며, 그 유니트의 규격을 1m×2m로 설계하였다.
부력체는 20mm 폴리스티렌 판을 사용하였으며, 폴리스티렌 판 위에 높이 90mm로 수생식물 식재용 매질을 쌓은 후, 상기 수생식물 식재용 매질, 폴리스티렌 판 및 수생식물의 뿌리가 내려오는 주변을 폴리에틸렌 망체로 둘러쌓았다.
그리고, 상기 수생식물 식재용 매질과 부력체에는 수생식물의 식생을 위한 식생공이 형성되며, 상기 수생식물 식재용 매질에는 직경 100mm의 식생공을 형성하고, 부력체인 80mm의 식생공을 형성함으로써 수생식물의 뿌리가 물속으로 내려갈 수 있도록 한다.
이때 식재하는 수생식물로는 큰고랭이 10㎡, 노랑꽃창포 40㎡, 갈대 50㎡, 애기부들 10㎡, 줄 10㎡의 면적범위로 식재한다.
상기 인공식물섬의 계류방식은 닻 식으로 반수위 때 수심 8m와 저수위 때 수심 5.5m에 인공식물섬이 떠있을 수 있도록 한다.
[시험예]
상기 실시예 1의 수처리용 인공식물섬을 다음의 장소, 기간 동안 설치하여 수질변화를 측정하였다.
·장 소 : 서울시립대학교 연못(배봉호)
·기 간 : 2010년 10월 ~ 2011년 9월
·설치 면적 : 1,100㎡의 연못에 120㎡의 인공식물섬 설치(약 10%)
·식재 수종 : 큰고랭이 10㎡, 노랑꽃창포 40㎡, 갈대 50㎡, 애기부들 10㎡, 줄 10㎡
결과 값
항목 DO BOD TN TP Chl.a SS
인공식물섬
설치 후		 제거율 증가 33% 22% 31% 40% 35%
비고 5mg/L 하절기 60%이상
상기 결과 값과 관련하여, 호소수질 법정기준(환경정책 기본법 시행령 별표 1)을 살펴보면, 다음의 표 1과 같다.

등급
상태
(캐릭터)
 기준
수소이온농도
(pH)
 화학적산소
요구량
(COD)
(㎎/L)
 부유
물질량
(SS)
(㎎/L)
 용존
산소량
(DO)
(㎎/L)
 총인
(T-P)
(㎎/L)
 총질소
(T-N)
(㎎/L)
 클로로필-a
(Chl-a)
(㎎/㎥)
 대장균군
(군수/100mL)
총대장균군 분원성
대장균군

매우
좋음
Ia
Figure 112012073297702-pat00001
 6.5～8.5 2 이하 1 이하 7.5 이상 0.01
이하		 0.2 이하 5 이하 50
이하		 10
이하

좋음
Ib
Figure 112012073297702-pat00002
 6.5～8.5 3 이하 5 이하 5.0 이상 0.02
이하		 0.3 이하 9 이하 500
이하		 100
이하

약간
좋음
II
Figure 112012073297702-pat00003
 6.5～8.5 4 이하 5 이하 5.0 이상 0.03
이하		 0.4 이하 14 이하 1,000
이하		 200
이하

보통
III
Figure 112012073297702-pat00004
 6.5～8.5 5 이하 15 이하 5.0 이상 0.05
이하		 0.6 이하 20 이하 5,000
이하		 1,000
이하

약간
나쁨
IV
Figure 112012073297702-pat00005
 6.0～8.5 8 이하 15 이하 2.0 이상 0.10
이하		 1.0 이하 35 이하 - -

나쁨
V
Figure 112012073297702-pat00006
 6.0～8.5 10 이하 쓰레기 등이 떠있지 아니할것 2.0 이상 0.15
이하		 1.5 이하 70 이하 - -

매우
나쁨
VI
Figure 112012073297702-pat00007
 - 10 초과 - 2.0 미만 0.15
초과		 1.5 초과 70 초과
상기 표 1에서, 총인, 총 질소의 경우 총인에 대한 총 질소의 농도비율이 7 미만일 경우에는 총인의 기준을 적용하지 아니하며, 그 비율이 16 이상일 경우에는 총 질소의 기준을 적용하지 아니한다.
본 발명에 따른 인공섬은 수면 위에 수생 식물 및 자연 천이 식물이 왕성하게 생장하여, 수면 위로 새로운 육상 생태계가 형성되고, 수중에는 식물 뿌리에 의한 수생생태계가 조성된다. 수생식물, 야생초화류, 곤충, 양서류, 파충류 등의 서식처가 조성되어 생태 복원 효과가 뛰어나다.
10: 수생식물 식재용 매질
20: 부력체
30, 30': 폴리에틸렌 망체
40: 수생식물

Claims (5)

  1. 수생식물 식재용 매질(10)과,
    상기 식재용 매질(10)의 하부에 형성되는 부력체(20)와,
    상기 수생식물 식재용 매질(10), 상기 부력체(20) 및 식재되어 있는 수생식물의 뿌리를 둘러싸는 폴리에틸렌 망체(30,30')와,
    상기 식재용 매질(10)과 부력체(20)에 형성되는 식생공을 통해 식재되는 수생식물(40)을 포함하여 이루어지는 것에 있어서,
    상기 수생식물 식재용 매질(10)은
    야자섬유 70~85wt%와,
    pH 5.9~6.3의 펄라이트 2~10wt%와,
    왕겨 2~10wt%와,
    코코피트 2~10wt%의 혼합물을 압축 성형한 것임을 특징으로 하는 부영양화 유발물질의 처리와 녹조방지를 위한 수처리용 인공식물섬.

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