KR101403550B1 - 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템 - Google Patents
비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 기존 인터체인지 주변에 설치되어 있는 가드레일, 중앙분리대의 방현망 등에 이산화탄소, 배기가스 등의 오염물질의 흡수 내지는 흡착력이 좋은 상수리나무나 신갈나무로 제작된 판넬을 부착하고, 해당 식물로 식생부를 조성하여, 흡착되어 있는 오염물질이 강우시 도로 비점오염물질과 함께 비점오염수(또는 초기우수)로써 유출될 때 이를 차집하여 생태습지를 통해 오염물질을 저감시킴으로써 인터체인지 주변의 비점오염, 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 저감기능을 갖는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 도로 중, 인터체인지(interchange, IC) 등지의 도로를 따라 설치되는 가드레일(guard rail) 및 중앙분리대 상부에 설치되는 방현망 및 차광판에 참나무류로 제작된 판넬을 부착함으로써, 차량으로부터 배출되는 이산화탄소 및 배기가스를 흡수ㆍ흡착시키고, 교차로 또는 나들목 내에 참나무류 식생부를 조성함으로써, 광합성을 통한 배기가스내 이산화탄소를 저감시키는 한편, 강우시 유출되는 도로 비점오염물질 및 상기 참나무류 판넬에 흡수·흡착된 후, 강우에 의해 유출되는 이산화탄소 및 배기가스 내의 오염물질을 처리 또는 이들에 의한 오염을 저감시킬 수 있는 습지를 조성함으로써, 인터체인지 주변 도로 비점오염물질 및 이산화탄소, 배기가스 등을 저감시킬 수 있는 교차로 및 나들목에서의 오염 저감 시스템에 관한 것이다.
도로의 여러 지점(node) 중, 인터체인지(Interchange = IC)란 상술한 바와 같이, 도로의 교차부가 입체교차로 되어 있어, 직진하는 자동차나 좌우회전하는 자동차가 뒤얽히지 않고 원활하게 진행되도록 연락로(連絡路)로 연결하는 시설을 말한다.
인터체인지는 자동차와 보행자의 기본적인 통행기능을 비롯하여 도로 주변시설물로의 출입, 자동차와 보행자의 체류기능 등 다양한 기능이 있다. 이러한 인터체인지는 시대의 변화에 따라 통행기능의 고속성, 안정성 및 도심공간기능 등에 대한 사회적 요청이 보다 강해지고 있는 실정이다.
그러나, 대부분의 인터체인지에는 많은 차량의 이동, 저속 및 가속운행 등에 의해 다른 구역보다 상대적으로 이산화탄소, 배기가스의 오염도가 심각하여 운전자는 물론 보행자의 건강에 좋지 않을 뿐만 아니라, 초기 우수에 의해 오염물질들이 지하수로 스며들어 비점오염물질에 의한 수질오염을 유발하는 문제를 일으키고 있다.
비점오염원의 처리에 대한 기술로서, 대한민국 등록특허 10-0981290(등록일자 2010.09.03) '비점오염원 처리시스템 및 이를 이용한 비점오염원처리방법', 대한민국 등록특허 10-0533596(등록일자 2005.11.29) '비점오염원 자연정화를 위한 정화 시스템', 대한민국 등록특허 10-0791965(등록일자 2007.12.28) '비점오염원에서 발생하는 비점오염수 처리장치', 대한민국 등록특허 10-1080636(등록일자 2011.11.01) '비점오염원 저감시스템', 대한민국 등록특허 10-0912458(등록일자 2009.08.10) '비점오염원 유출수 정화처리시스템'를 포함하여 다수의 기술이 개시된 바 있다.
이와 같이 개시된 대부분의 기술은 본 발명에서 해결하고자 하는 인터체인지 주변의 비점오염물질, 이산화탄소 및 배기가스 저감을 위한 기술로 활용하기에는 부적합하다는 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 인터체인지 주변의 비점오염물질, 이산화탄소 및 배기가스를 효과적으로 저감할 수 있는 시스템을 개발함으로써 본 발명의 완성에 이르게 되었다.
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 인터체인지 내의 도로를 따라 설치된 플라스틱 또는 철재류의 가드레일에 참나무류로 제작된 판넬을 부착하고, 또한 인터체인지 구역 내에 참나무류의 수목 식생을 통해 식생부를 형성함으로써, 참나무류의 이산화탄소, 배기가스의 흡수·흡착을 유도하고,
상기 흡수·흡착된 이산화탄소는 강우와 함께 유출되어 제1집수정으로 유도되어 생태습지의 미세조류에 의해 처리되고, 제2집수정을 통해 외부로 배출됨으로써, 인터체인지 주변 비점오염물질, 이산화탄소 및 배기가스를 효과적으로 저감 처리할 수 있는 시스템을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 인터체인지(IC) 내에 참나무류를 식생하여 차량으로부터 발생하는 이산화탄소(CO2), 배기가스를 흡수·흡착하는 식생부와,
인터체인지(IC)의 도로 가장자리를 따라 설치된 가드레일에 부착하거나, 도로의 중앙분리대에 따라 설치된 방현망에 부착하는 참나무류의 가드레일 흡착판과,
강우에 의해 상기 식생부, 상기 가드레일 및 방현망에 설치된 흡착판에 흡수·흡착된 이산화탄소(CO2) 및 배기가스가 강우에 의해 비점오염물질로서 지면으로 유출되는 비점오염수와 인근 도로에서 유출되는 비점오염수를 함께 집수하는 제1집수정과,
상기 제1집수정으로부터 유입된 오염수에 포함되어 있는 이산화탄소를 미세조류의 이산화탄소 고정화 작용에 의해 저감시키는 미세조류 서식형의 생태습지와,
상기 생태습지에서 처리된 처리수를 집수하였다가 방류하는 제2집수정을 포함하여 이루어지는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 인터체인지 생태조성 시스템은 인터체인지 주변의 비점오염물질, 이산화탄소, 배기가스를 효과적으로 저감시켜 줌으로써, 인터체인지 주변 공기의 청결성을 유지시켜 주고, 또한 지하수 및 인근 수계의 오염을 방지하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템의 전체 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템의 전체 구성을 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 흡착판이 설치된 도로 가드레일(guard rail)을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 흡착판이 설치된 도로 중앙분리대를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템의 측면을 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 미세조류의 회분식 배양(Batch cultivation) 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템의 전체 구성을 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 흡착판이 설치된 도로 가드레일(guard rail)을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 흡착판이 설치된 도로 중앙분리대를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템의 측면을 보인 도면.
도 6은 본 발명에 따른 미세조류의 회분식 배양(Batch cultivation) 장치를 보인 도면.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템(1)은 인터체인지(IC) 내에 참나무류를 식생하여 차량으로부터 발생하는 이산화탄소(CO2), 배기가스를 흡수·흡착하는 식생부(10)와,
인터체인지(IC)의 도로 가장자리를 따라 설치된 가드레일에 부착하거나, 도로의 중앙분리대에 따라 설치된 방현망에 부착하는 참나무류의 흡착판(20)과,
강우에 의해 상기 식생부(10), 상기 가드레일 및 방현망에 설치된 흡착판(20)에 흡수·흡착된 이산화탄소(CO2) 및 배기가스가 강우에 의해 비점오염물질로서 지면으로 유출되는 비점오염수와 인근 도로에서 유출되는 비점오염수를 함께 집수하는 제1집수정(30)과,
상기 제1집수정(30)으로부터 유입된 오염수에 포함되어 있는 이산화탄소를 미세조류의 이산화탄소 고정화 작용에 의해 저감시키는 미세조류 서식형의 생태습지(40)와,
상기 생태습지(40)에서 처리된 처리수를 집수하였다가 방류하는 제2집수정(50)을 포함하여 이루어진다.
식물은 태양으로부터 흡수한 빛에너지를 이용하여 CO2와 같이 간단한 분자로부터 녹말과 같은 복잡한 분자를 합성하는 광합성과정을 거치며 생장과 함께 무기형태의 양분을 흡수하여 식물체를 구성하는 포도당과 같은 유기형태의 물질로 전환하게 된다. 이러한 동화작용에 의하여 생성된 탄수화물은 산소를 이용하여 유기물(포도당)을 분해하여 열에너지형태로 전환되어 생장과 번식 등 생활에너지를 만들어내고 다시 CO2와 H2O을 배출하는 호흡작용을 하게 된다. 이때 광합성으로 고정한 CO2의 1/4~1/3 가량이 다시 광호흡으로 방출되며, 낮에 일어나는 광호흡은 야간에 일어나는 호흡보다 2~3배가량 더 빠른 속도로 진전된다. 이는 광호흡을 일으키는 효소(RuBP carboxylase)의 친화력이 O2보다 CO2에서 더욱 강하기 때문이다. 즉, 식물은 생장하면서 그 성장한 만큼 식물은 그 내부에 에너지를 축적하게 되므로 광합성에 의해 흡수한 CO2량이 호흡에 의한 배출한 CO2량보다 많게 된다.
이와 같은 이유로 산림은 광합성을 통하여 바이오매스에 저장되거나 토양으로 유기물을 공급하는 이산화탄소의 흡수원으로서 기후변화 대응을 위한 중요한 대책 중 하나로 인식되면서 현재 그 중요성이 부각되고 있다
상기 식생부(10)는 인터체인지에서의 이산화탄소, 배기가스의 흡수·흡착을 위한 것으로서, 수목 중에서도 연간 이산화탄소 흡수량이 뛰어난 참나무류 중에서 선택된 상수리나무, 신갈나무, 잣나무, 낙엽송 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 수목을 포함하여 이루어진다.
상기 상수리나무(Quercus acutissima Carruther)는 참나무과(fagaceae)에 속하는 낙엽교목으로 한국, 중국, 일본 등의 동아시아가 원산지이다. 전국의 800m 이하의 산기슭 양지에 야생하며 높이가 20~25m이다. 잎은 밤나무 잎과 비슷하게 생긴 긴 타원형으로 잎 가장자리에 뾰족한 톱니들이 있으며, 잎 뒷면에는 털이 있다.
상기 상수리나무의 연간 이산화탄소 흡수량(kg/tree/y)은 수령에 따라 변하면 그 수치는 다음과 같다.(산림과학원, '우리나라 산림수종의 표준탄소흡수량' 참고)
10년 6.65, 20년 14.11, 30년 14.62, 40년 15.54, 50년 16.18, 60년 16.59이다. 수령이 늘어날수록 연간 이산화탄소 흡수량도 함께 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 연간 이산화탄소 흡수량이 해마다 증가함에 따라 이산화탄소 저감효율도 함께 증가함을 예상할 수 있다.
상기 신갈나무(Quercusmongolica)는 높이 약 30m,지름 1m에 달하는 낙엽활목교목이다. 참나무과에 속하며 수피는 흑갈색이고 세로로 깊게 갈라진다. 잎은 도란형에 길이 7~20cm이고 6~14개의 측맥이 있으며 앞면은 털이 없다. 잎자루는 거의 없으며 가장자리에 물결모양으로 톱니가 있다. 우리나라, 일본, 중국 등에 분포하며 5월에 꽃이 핀다.
상기 신갈나무의 연간 이산화탄소 흡수량(kg/tree/y)은 수령에 따라 변하면 그 수치는 다음과 같다.(산림과학원, '우리나라 산림수종의 표준탄소흡수량' 참고)
10년 0.96, 20년 5.81, 30년 6.96, 40년 9.20, 50년 11.20, 60년 12.79이다. 상수리나무와 비교하여 볼 때 연간 이산화탄소 흡수량이 떨어지기는 하나, 상수리나무와 같이 수령이 늘어날수록 연간 이산화탄소 흡수량도 함께 증가함을 알 수 있다. 이와 같이 연간 이산화탄소 흡수량이 해마다 증가함에 따라 이산화탄소 저감효율도 함께 증가함을 예상할 수 있다.
상기 잣나무(Pinus koraiensis Siebold et Zucc)는 소나무과에 속하는 상록교목으로 해발고도 1,000m 이상에서 자라며 높이 30m, 지름 1m 정도까지 자라는 나무로 수피는 회갈색이고 얇은 조각이 떨어진다. 잎은 짧은 가지 끝에 3~5개씩 달리며, 뒷면에는 하얀 기공선이 있어 연한 초록색을 띠고, 가장자리에 잔 톱니가 있다.
상기 잣나무의 연간 이산화탄소 흡수량(kg/tree/y)은 수령에 따라 변하면 그 수치는 다음과 같다.(산림과학원, '우리나라 산림수종의 표준탄소흡수량' 참고)
10년 1.60, 20년 8.48, 30년 12.23, 40년 13.81, 50년 13.77, 60년 13.03이다. 수령이 늘어날수록 연간 이산화탄소 흡수량이 40년 수령까지 증가하다가 이후부터 다소 떨어지기는 하나 다른 수정과 비교하여 볼 때 높은 연간 이산화탄소 흡수량을 보이고 있기 때문에 인터체인지 이산화탄소 저감 효율을 높일 수 있다.
상기 낙엽송(Larix leptolepis(Sieb. et Zucc.)Gordon)은 일본잎갈나무라고도 불리는 일본 원산의 낙엽 침엽교목으로, 수고 30m, 지름 1m까지 자라는 주요한 우리나라 조림 수종 중의 하나이다. 현재 우리나라에서는 표고 1,250m 이하의 해변을 제외한 중부이남 지역에 식재되고 있다.
상기 낙엽송의 연간 이산화탄소 흡수량(kg/tree/y)은 수령에 따라 변하면 그 수치는 다음과 같다.(산림과학원, '우리나라 산림수종의 표준탄소흡수량' 참고)
10년 2.34, 20년 9.01, 30년 13.38, 40년 15.55, 50년 15.79, 60년 15.32이다. 수령이 늘어날수록 연간 이산화탄소 흡수량이 50년 수령까지 증가하다가 이후부터 다소 떨어지기는 하나 다른 수정과 비교하여 볼 때 높은 연간 이산화탄소 흡수량을 보이고 있기 때문에 인터체인지 이산화탄소 저감 효율을 높일 수 있다.
상기 흡착판(20)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 기존의 플라스틱 또는 철재의 가드레일 또는 중앙분리대에 부착설치하는 것으로서, 이산화탄소 등의 오염물질의 흡수 내지는 흡착력이 좋은 상수리나무, 신갈나무, 잣나무, 낙엽송 중에서 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 수목을 절단 가공하여 제작된 판넬이다.
이와 같이 흡착판(20)을 설치하는 방법 외에, 기존의 기존 플라스틱 또는 철재의 가드레일의 표면에 이산화탄소 흡착제를 코팅 처리함으로써, 차량으로부터 발생하는 이산화탄소를 흡수, 흡착함으로써 인터체인지 주변의 이산화탄소를 저감시키도록 한다.
상기 이산화탄소 흡착제의 코팅의 경우, 제올라이트와 염화마그네슘(MgCl2)의 용융염의 배합으로 조성된 조성물을 이용하여, 상기 플라스틱 또는 철재 가드레일을 침지코팅방식으로 코팅처리함으로써, 이산화탄소의 흡수·흡착 기능성을 부여하게 된다.
상기 이산화탄소 흡착제는 SiO2 47.2%, Al2O3 8.85%, Fe2O3 2.03%, MgO 1.42%, CaO 25.9%의 화학조성을 가지며, 비중 2.49, 분말도 8,313 ㎠/g의 제올라이트와,
SiO2 63.7%, Al2O3 16.2%, Fe2O3 3.53%, MgO 1.69%, CaO 4.18%의 화학조성을 가지며, 비중 2.36, 분말도 4,799 ㎠/g의 제올라이트와,
SiO2 59.2%, Al2O3 0.54%, Fe2O3 1.27%, MgO 26.9%, CaO 3.12%의 화학조성을 가지며, 비중 2.79, 분말도 13,245 ㎠/g의 제올라이트 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 제올라이트 70~90wt%와,
760℃에서 용해한 염화마그네슘(MgCl2)의 용융염 10~30wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 한다.
상기 제올라이트는 알루미노 규산염광물로 물리적 구조는 다공질로, 서로 연결된 공동(cavity)이 그 안에 나트륨, 칼슘, 칼륨과 같은 알칼리와 알칼리토류 금속을 물과 함께 그 입자, 골격구조에 포함되어 있다. 제올라이트의 선택적 흡착능력과 성향은 이 광물의 세공구조의 특성뿐 아니라 여기에 작용하는 분자형태, 크기 및 극성 정도에 따라서 지배된다. 단독으로는 모두 흡착반응이 가능한 분자들이 서로 섞여서 반응할 경우, 제올라이트는 이들 중에서, 더 극성인 분자만을 선택적으로 흡착하는 특성이 있다.
상기 제올라이트의 사용량이 70wt% 미만인 경우에는 이산화탄소 흡수·흡착 기능성이 떨어지고, 90wt%를 초과하게 되는 경우에는 담지방법에 의한 코팅이 제대로 이루어지지 않아 역시 이산화탄소 흡수·흡착 기능성이 떨어지기 때문에 상기 제올라이트의 사용량은 70~90wt%의 범위 내로 한정하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 염화마그네슘(MgCl2)의 용융염의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 코팅이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 제올라이트의 이산화탄소 흡수·흡착 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 염화마그네슘(MgCl2) 용융염의 사용량은 10~30wt%의 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 식생부(10), 가드레일 흡착판(20) 및 이산화탄소 흡착제에 의해 흡수·흡착된 이산화탄소(CO2), 배기가스는 우수와 함께 지반으로 스며들게 되며, 이와 같은 이산화탄소, 배기가스를 포함한 비점오염물질은 우수와 함께 유출되어 오염수를 이루게 된다.
이와 같은 오염수는 그대로 방치하게 되면 지하수 등의 오염으로 인한 수질오염 피해를 유발하게 되기 때문에, 본 발명에서는 제1집수정(30)을 통해 인터체인지 구역 내에서 발생하는 비점오염물질을 포함한 오염수를 집수하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1집수정(30) 내에는 와류형스크린(301)이 설치되어 있어 인터체인지 주변의 비점오염물질, 식생부(10)와 가드레일(20)을 통해 흡수·흡착된 이산화탄소를 포함하는 초기우수에 포함되어 있는 이물질을 제거한다.
상기 와류형스크린(301)은 수동력학적 와류현상(vortex)을 이용한 중력침강, 스크린(Screen) 및 Filter를 이용한 처리기작으로서, 협잡물(Gross Pollutants), 침전성물질, Oil & Grease, 부유물질(SS) 등이 제거된다.
이와 같이 와류형스크린(301)를 통과한 오염수는 펌프를 이용하여 후단의 생태습지(40)로 이송된다.
상기 제1집수정(30)으로부터 유입된 오염수는 생태습지(40) 내의 미세조류에 의해 이산화탄소 고정화 작용을 통한 이산화탄소 저감이 이루어진다.
이산화탄소가 물에 용해(hydration)될 때는 용존 이산화탄소(free carbon dioxide, CO2), 중탄산이온(carbonic acid, HCO3), 그리고 탄산이온(carbonate ion, CO3 2)의 세 가지 성분으로 이루어진다.
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3 - ↔ 2H+ + CO3 2 -
각 성분의 농도는 용액의 pH에 따라 결정된다. 조류는 종류에 따라 광합성에서 사용되는 탄소의 형태가 다르다.
미세조류는 광합성을 하는 광독립영양생물로 탄소동화작용을 하며 무기물을 유기물로 변화시키는 생물군이다. 그 종류로는 약 3만 종이 넘으며 사는 환경에 따라 담수성과 해수성으로 나뉘고, 클로로필의 종류에 따라 규조강, 녹조강, 황색편모조강, 남조강, 갈조강, 홍조강으로 나눈다. 미세조류는 에너지원으로 태양광을 사용하여 이산화탄소를 고정화하는 탄소 동화기능이 있으며 이를 통해 생리활성물질과 같은 다양한 유용물질을 생산하여 이산화탄소의 저감과 대체연료의 생산이라는 두 가지 장점을 갖는다. 미세조류 배양의 가장 큰 장점은 작물 생산에 적합사지 않은 염도 농도가 높거나 강한 알칼리 등의 극한환경에서도 성장이 가능하다는 점이다. 또한 수중에서 태양광, 이산화탄소 등을 이용하여 비교적 적은 비용으로 대량배양이 가능하며 환경조건에 따라 폭발적인 증식력을 가지고 있다.
미세조류로서 Botryococcus braunii, Chlorella sp., Nannochloris ocalata, Chaetoceros gracillis, Dunaliela salina, Isochrysis galbana, Navicula incerta, Pavlova lutheri, Tetraslemis suecica 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있으나, Botryococcus braunii를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 Botryococcus braunii는 담수에서 서식하는 미세조류 종 중에서 지질 축적비율이 가장 높은 것으로 알려져 있다(질량비 70%까지 축적 가능).B.braunii는 녹조류로서 다량의 탄화수소를 포함하고 있는 것으로 알려져 있으며 새로운 바이오 연료를 생산하는데 원료로서 많은 연구가 이루어지고 있다.
상기 B.braunii는 군체성 녹조류이다. B.braunii는 배양방법에 따라 세포 내에 축적되는 탄화수소의 함량 및 화학적 구조 또한 다르게 나타난다. 보고된 바에 의하면 14-75%가 biodiesel로 전환 가능한 지방질로 구성되어있고 자연 상태에서 algalbloom(수화)의 형성으로 인하여 대체에너지 자원으로서 연구되기 시작하였다.B.braunii에 의해 생산된 biodiesel의 연소시에 발생되는 배출가스는 기존의 디젤유와 비교하여 CO는 20%이하,NOx는 55%,총 매연은 5% 수준이고,SOx 방출은 거의 없는 것으로 알려져 있으며 생분해성이고 독성이 거의 없으므로 친환경적이다.
상기 미세조류에 의한 이산화탄소 고정화는 생태계에서 자연적으로 이루어지고 있는 탄소순환의 균형을 회복하기 위한 것으로서, 그 원리는 광합성 미생물이 빛 에너지와 물을 이용하여 이산화탄소를 환원시키며 유기물질을 생산하는 광합성작용이다. 이러한 광합성의 전체적인 산화-환원 반응식은 다음의 식과 같은 것으로, H2O는 전자(수소)를 주어 CO2를 탄수화물(CH2O)로 환원시킨다.
H2O + CO2 -------------------------> O2 + [CH2O]
상기 생태습지(40)를 형성한 초기에는 미세 조류를 배양한 후 생태습지(40)에서 서식하도록 함으로써, 오염수에 포함되어 있는 이산화탄소를 광합성에 의해 고정화도록 한다.
상기 미세조류의 배양은 회분식 배양(Batch cultivation)에 의해 이루어지는 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 광생물반응기(photobioreactor)(100)의 물의 흐름통로인 워터제킷(water jacket)(101)에 연결하여 30℃를 유지하면서 10%의 이산화탄소 함유 공기를 공급하여 8일간 배양한다.
미세 조류는 B.braunii로서, 물 1L를 기준으로 하여, K2HPO4 0.55mM/L, CaCl2·2H2O 0.5mM/L, Na2CO3 0.35mM/L, NaNO3 18.5mM/L, MgSO4·7H2O 0.06mM/L, 구연산(Citric acid)·H2O 0.07mM/L, 구연산 철 암모늄(Ammonium Ferric Citrate) 0.07mM/L, Na2EDTA·2H2O 0.006mM/L의 조성을 갖는 배지에 20mg의 B.braunii를 주입하여 pH 7의 조건에서 배양되는 것으로서, 광생물반응기(100) 내에서 배양되어 사용된다.
상기 광생물반응기(100)는 내부 조사형 관형 반응기로서, 전체 부피 4L인 것을 사용한다. 상기 광생물반응기(100)의 내부 온도를 조절하기 위하여 상기 광생물반응기(100)의 외부로 워터제킷(101)을 부착하고, 상기 광생물반응기(100)의 하부에는 산기관(102)이 설치되어 있어 작은 버블(bubble)로 균일하게 분사되도록 한다.
이때 광원은 둥근 형광등을 외부에 설치하여 상기 광생물반응기(100)에 직접 조사되도록 하며, 상기 광생물반응기(100) 내부로 유입되는 가스는 이산화탄소 탱크(200)에서 나오는 100% 이산화탄소와 에어 탱크(201)에서 나오는 공기를 가스혼합기(300)를 사용하여 1:9의 부피비로 하여 10% 농도를 만들어 주입한다.
상기 생태습지(40)의 수면으로는 유동상 또는 고정상의 생물막여과기(401)가 형성되고, 그 아래로 수생식물(402)이 식재된다. 이때 상기 수생식물은 여과층(403)에 식재되되, 상기 여과층(403)은 위로부터 자갈층(403a), 모래층(403b)이 순차적으로 적층된 적층구조를 이룬다.
상기 제1집수정(30)을 통해 생태습지(40)로 유입되는 오염수는 미세조류에 의한 이산화탄소 저감처리와 함께, 생물막여과기(401) 내의 미생물담체(401a)에 부착된 미생물에 의해 유기물 분해가 이루어진다. 그리고 수생식물(402)에 의해 무기염유, 이온류가 제거되며, 여과층(403)을 구성하고 있는 자갈층(402a)과 모래층(402b)에 형성된 간극에서의 침전작용에 의한 오염물 제거과정이 이루어진다.
상기 생물막여과기(401)는 그 내부에 미생물담체(401a)가 충진되어 있어 담체의 표면에 부착되어 있는 미생물에 의한 유기물 분해과정을 거치게 된다.
상기 미생물담체(401a)는 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 수생식물(402)은 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 조성된다.
갈대 등 정수식물은 통기조직을 가지고 있어 대기중의 산소를 뿌리로 전달할 수 있다. 여과습지에서 산소의 공급은 정수식물의 통기조직을 통하거나 대기와 습지표면과 접촉에 의해 일어난다.
영양염류가 식물체의 성장 영양분으로 이용되므로 그 제거경향은 곧 식물체의 성장을 의미한다고 볼 수 있다. 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 액체 사이에서 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.
수생식물은 직접적으로 오염물질을 흡수하고, 미생물이 부착할 수 있는 매체를 제공하며, 대기로부터 수중으로 산소수송을 위한 통로를 제공하므로 뿌리에 부착된 호기성 미생물의 활동을 촉진시키고 용존산소를 증가시키며, 영양물질과 광선에 대해 조류(alage)와 경쟁효과를 가지므로 조류성장을 억제하는 역할을 한다.
상기 여과층(402)의 자갈층(402a)은 적층 두께가 25 ~ 35㎝이며, 모래층(402b)의 적층 두께는 25 ~ 35㎝로 하여 여과층을 형성한다.
상기 여과층(402)은 자갈층과 모래층이 형성되어 있어, 상기 자갈층과 모래층의 내부의 생물막에 의한 흡착, 여과작용이 일어나고, 또한 자갈층과 모래층 간극에서의 침전작용에 의한 오염물질 제거과정을 거치게 된다.
이와 같이 인터체인지 내에 조성된 생태습지(40)는 자연수질 정화기법에 의한 수질정화 이외에도 야생생물 서식처 제공, 시민휴식 및 자연학습 공간 제공, 경관 개선 등 다양한 친환경적 기능을 갖는다.
상기 생태습지(40)를 통해 최종적으로 이산화탄소를 저감시킨 정화수는 제2집수정(50)에 저장되었다가 외부로 배출된다.
이로써 인터체인지 구역 내에서 발생하는 배기가스에 포함되어 있는 이산화탄소 등의 오염물질을 저감하여 대기중의 이산화탄소 농도 및 오염물질의 농도 저감효과를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템은 인터체인지 주변의 높은 대기오염도를 낮춰줌으로써 쾌적한 환경을 제공하여 줌으로써 환경친화적인 면과 함께 운전자들에게 신선한 공기를 제공하여 줄 수 있어 산업상 이용가능성이 크다.
10: 식생부
20: 가드레일 흡착판
30: 제1집수정
40: 생태습지
50: 제2집수정
20: 가드레일 흡착판
30: 제1집수정
40: 생태습지
50: 제2집수정
Claims (5)
- 인터체인지(IC) 내에 참나무류를 식생하여 차량으로부터 발생하는 이산화탄소(CO2), 배기가스를 흡수·흡착하는 식생부(10)와,
인터체인지(IC)의 도로 가장자리를 따라 설치된 가드레일에 부착하거나, 도로의 중앙분리대에 따라 설치된 방현망에 부착하는 참나무류의 가드레일 흡착판(20)과,
강우에 의해 상기 식생부(10), 상기 가드레일 및 방현망에 설치된 흡착판(20)에 흡수·흡착된 이산화탄소(CO2) 및 배기가스가 강우에 의해 비점오염물질로서 지면으로 유출되는 비점오염수와 인근 도로에서 유출되는 비점오염수를 함께 집수하는 제1집수정(30)과,
상기 제1집수정(30)으로부터 유입된 오염수에 포함되어 있는 이산화탄소를 미세조류의 이산화탄소 고정화 작용에 의해 저감시키는 미세조류 서식형의 생태습지(40)와,
상기 생태습지(40)에서 처리된 처리수를 집수하였다가 방류하는 제2집수정(50)을 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
참나무류는 상수리나무, 신갈나무, 잣나무, 낙엽송 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 수목임을 특징으로 하는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
생태습지(40)는 제1집수정(30)으로부터 공급받은 오염수를 미생물담체(401a)의 미생물 작용에 의해 유기물을 분해하는 유동상 또는 고정상의 생물막여과기(401)와,
상기 생물막여과기(401)를 거쳐 유기물이 분해된 처리수가 생태습지(40) 측면 하단을 통해 제2집수정(50)으로 배출되기에 앞서, 상기 생물막여과기(401) 하단에 형성된 수생식물(402)과, 자갈층(403a)과 모래층(403b) 내부의 생물막에 의한 흡착·여과작용과, 자갈층(403a)과 모래층(403b)에 형성된 간극에서의 침전작용에 의한 오염물 제거과정을 거치도록 형성된 여과층(403)을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
미세조류는 B.braunii로서,
물 1L를 기준으로 하여, K2HPO4 0.55mM/L, CaCl2·2H2O 0.5mM/L, Na2CO3 0.35mM/L, NaNO3 18.5mM/L, MgSO4·7H2O 0.06mM/L, 구연산(Citric acid)·H2O 0.07mM/L, 구연산 철 암모늄(Ammonium Ferric Citrate) 0.07mM/L, Na2EDTA·2H2O 0.006mM/L의 조성을 갖는 배지에 20mg의 B.braunii를 주입하여 pH 7의 조건에서 배양되는 것으로서, 광생물반응기(50) 내에서 배양되는 것임을 특징으로 하는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
가드레일 또는 중앙분리대는 플라스틱, 철재의 표면에 이산화탄소 흡착제를 코팅처리한 것으로서,
상기 이산화탄소 흡착제는 SiO2 47.2%, Al2O3 8.85%, Fe2O3 2.03%, MgO 1.42%, CaO 25.9%의 화학조성을 가지며, 비중 2.49, 분말도 8,313 ㎠/g의 제올라이트와,
SiO2 63.7%, Al2O3 16.2%, Fe2O3 3.53%, MgO 1.69%, CaO 4.18%의 화학조성을 가지며, 비중 2.36, 분말도 4,799 ㎠/g의 제올라이트와,
SiO2 59.2%, Al2O3 0.54%, Fe2O3 1.27%, MgO 26.9%, CaO 3.12%의 화학조성을 가지며, 비중 2.79, 분말도 13,245 ㎠/g의 제올라이트 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 제올라이트 70~90wt%와,
760℃에서 용해한 염화마그네슘(MgCl2)의 용융염 10~30wt%의 혼합으로 조성된 것임을 특징으로 하는 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템.
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| KR20140048542A KR101403550B1 (ko) | 2014-04-23 | 2014-04-23 | 비점오염·이산화탄소·배기가스의 저감을 위한 인터체인지 생태조성 시스템 |
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| KR (1) | KR101403550B1 (ko) |
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2014
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