KR101900274B1 - 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치는: 유입되는 우수 중의 이물질을 비중의 차이에 의해 분리하는 침전부; 상기 침전부로부터 유출되는 우수 중의 유기물을 제거하는 제1 생물막 처리부; 및, 상기 제1 생물막 처리부로부터 유출되는 우수 중의 질소 및 인을 제거하는 제2 생물막 처리부;를 포함하며,
상기 침전부는, 우수에 포함된 낙석 또는 협잡물을 스크리닝으로 분리하기 위한 것으로 내부가 중공이며 상부가 개구된 통형의 제1 침전조와, 상기 제1 침전조를 통과한 우수에 함유되어 있는 잔존 고형물을 침전시키는 제2 침전조를 포함하고,
상기 제1 침전조는, 내부공간을 가로지르도록 형성되어 전면공간부 및 후면공간부로 구획하는 구획격판과, 상기 후면공간부로 우수가 유입되도록 경사판으로 형성된 유입부와, 상기 유입부와 연결되며 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 개구된 상부에 설치되어 상기 유입부를 통해 유입되는 우수는 상기 후면공간부로 유입되고 우수 중의 낙석은 굴러내려 상기 전면공간부에 저장되도록 하향경사지게 형성된 스크린망과, 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 상부에 설치되어 상기 제2 침전조로 우수가 유출되는 제1 유출관을 포함하며,
상기 제1 생물막 처리부 및 상기 제2 생물막 처리부 중 적어도 어느 하나에는 초음파 진동방식에 의해 여재를 세척하는 초음파 진동부가 구비된 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 낙석이나 모래 등의 고형물은 침전시키고 유기물을 포함하는 콜로이드 물질은 자갈층을 이용한 생물막 공법으로 제거하며 제거되지 않은 질소나 인은 무산소, 호기조로 구성되는 생물학적 공정 수단을 통해 제거함과 동시에, 유기물을 제거하기 위한 자갈과 같은 여재의 표면에 고착되는 이물질이 떨어져 나가도록 여재를 비접촉식으로 세척함으로써 여재의 세척시 손상을 최소화하고, 여재를 자주 교체할 필요없이 교체 주기가 연장되도록 함으로써 최적의 여과효율을 유지하며 운영비용도 절감되도록 할 수 있는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치를 제공할 수 있다.
상기 침전부는, 우수에 포함된 낙석 또는 협잡물을 스크리닝으로 분리하기 위한 것으로 내부가 중공이며 상부가 개구된 통형의 제1 침전조와, 상기 제1 침전조를 통과한 우수에 함유되어 있는 잔존 고형물을 침전시키는 제2 침전조를 포함하고,
상기 제1 침전조는, 내부공간을 가로지르도록 형성되어 전면공간부 및 후면공간부로 구획하는 구획격판과, 상기 후면공간부로 우수가 유입되도록 경사판으로 형성된 유입부와, 상기 유입부와 연결되며 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 개구된 상부에 설치되어 상기 유입부를 통해 유입되는 우수는 상기 후면공간부로 유입되고 우수 중의 낙석은 굴러내려 상기 전면공간부에 저장되도록 하향경사지게 형성된 스크린망과, 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 상부에 설치되어 상기 제2 침전조로 우수가 유출되는 제1 유출관을 포함하며,
상기 제1 생물막 처리부 및 상기 제2 생물막 처리부 중 적어도 어느 하나에는 초음파 진동방식에 의해 여재를 세척하는 초음파 진동부가 구비된 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 낙석이나 모래 등의 고형물은 침전시키고 유기물을 포함하는 콜로이드 물질은 자갈층을 이용한 생물막 공법으로 제거하며 제거되지 않은 질소나 인은 무산소, 호기조로 구성되는 생물학적 공정 수단을 통해 제거함과 동시에, 유기물을 제거하기 위한 자갈과 같은 여재의 표면에 고착되는 이물질이 떨어져 나가도록 여재를 비접촉식으로 세척함으로써 여재의 세척시 손상을 최소화하고, 여재를 자주 교체할 필요없이 교체 주기가 연장되도록 함으로써 최적의 여과효율을 유지하며 운영비용도 절감되도록 할 수 있는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개발지역이나 도로변 공사중 또는 건축시 발생하는 잔여토사, 유기물, 중금속 등의 비점오염원과 개발사업의 공사완료 후에도 남아있는 다량의 비점오염원을 저감 및 제거하기 위하여 설치되는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치에 관한 것이다.
현재, 세계적으로 물부족 현상이 여러 국가의 주요한 이슈로 작용하고 있으며, 우리나라도 또한 이를 방치할 수 없는 국면에 이르렀고, 이러한 물부족 현상을 해결하기 위하여 다방면으로 효율적인 물의 관리와 확보 및 활용 방안을 찾고 있는 실정이다.
따라서, 물부족 현상을 해결하기 위하여 자연적으로 내리는 우수를 효율적으로 이용하는 방법들이 다양하게 연구 개발되고 있다.
그러나, 이러한 우수는 대기중의 여러 오염물질에 노출되어 이를 포함한 채 내리게 되며, 지표면에서도 각종 오염물질과 함께 하천 등으로 스며들게 되므로, 이러한 우수에 포함된 오염물질을 제거하여 상기 하천 등의 수질 향상을 도모하기 위한 우수정화시설이 요구되는 실정이다.
일반적으로 오염물질은 생활우수, 산업폐수 및 축산폐수 등과 같이 배출지점이 뚜렷하고 한정된 점오염원(點汚染源)으로부터 배출되는 점 오염 물질과 농경지, 목초지, 산림지, 건축현장, 광산, 벌채지, 폐기물처리장, 쓰레기매립장, 도심지, 도로 및 산업현장 등과 같이 배출지역이 광범위한 비점오염원(非點汚染源)으로부터 배출되는 비점오염물질로 나눌 수 있다.
전술한 바와 같은 오염원으로부터 배출되는 오염물질로는 중금속, 병원성 미생물, 유기화합물, 방사성 물질, 유독물질 및 기타 염류 등 매우 다양한 형태로 분포되어 있다. 이러한 오염물질들은 통상 우천시에 빗물에 쓸려 빗물과 함께 하천, 내만, 호소 등의 공공 수역이나 지하수로 흘러들어가게 되어 수질오염을 일으킴은 물론, 이로 인한 생태계의 파괴와 함께 최종적으로는 인간에게까지 매우 큰 폐해를 주게 된다.
비점오염원 주변의 우수 처리시설에 아무런 조치도 취하지 않거나 비점오염원에서 제공되는 각종 낙석, 오일, 중금속만을 제거할 경우에는 처리되지 않은 유기물질이 하천으로 유입되어 하천을 오염시키는 주요한 원인으로 작용한다.
따라서, 비점오염원을 처리하기 위한 방지시설의 설치가 요구되고 있다. 개발사업 중에 비점오염원 계획으로는 강우에 노출되는 면적과 기간이 최소화하고 비점오염물질의 유출 가능성이 높은 구역이나 경사면은 표토 교란작업을 최소화하도록 하고 있다. 또한, 현장에 보관되는 토사, 골재채취 공정에 사용하기 위한 되메움용 흙은 강우에 노출되지 않도록 덮개를 하고 가 배수로를 설치하여 강우시 유출되는 토사를 차집, 비점오염원 시설로 유입되도록 하고 있다.
오염물질 가운데 점오염물질의 경우에는 가정이나 공장, 축산농가 등에 별도의 정화장치나 폐수처리시설이 설치되어 오염물질의 정화가 어느 정도 이루어지고 있으나, 비점오염물질의 경우에는 배출지역이 광범위할 뿐만 아니라 대부분 지표면에 잔존해 있다가 우천시 빗물과 함께 하천, 내만, 호소 등의 공공 수역이나 지하수로 유입되어 수질오염을 일으키는 주원인이 되고 있다.
이런 비점오염원을 처리하기 위한 종래의 기술로는 저류시설, 인공습지, 침투시설, 식생형 시설 등의 자연형 시설과 여과형 시설, 와류형 시설, 스크린형 시설 등의 장치형 시설이 있다.
저류조의 경우 여름에 집중호우가 내리면 대규모의 토지나 장치가 필요하게 되고 처리되지 않는 물이 계속 유지될 경우 파리나 모기 등의 해충이 발생하게 되므로 위생학적인 문제점이 발생하게 된다. 침투형은 공사중 발생하는 토사나 부유물질이 유입되어 공극의 막힘 현상이 발생하게 되고 식생형은 일정규모 이상의 토지가 요구되고 식생을 유지하기 위한 조건이 필요하나 우리나라처럼 사계절을 가지고 있는 경우에는 어려움이 있다.
최근에는 하수관거가 분류관으로 되어 있어 우수 시에 유출되는 비점오염원에 대한 처리가 요구되어 개발시와 우수 시에 발생하는 비점오염물질을 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.
종래기술에 따른 비점오염원 처리장치의 일 예가 대한민국 특허등록번호 제10-0779513호(2007년11월20일자 등록, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다.
그러나, 종래기술에 따른 비점오염원 처리장치는 침전, 여과와 같이 물리적 처리방법을 이용하는 것으로만 한정되어 있기 때문에 우수 중에 함유된 각종 유기물은 제거할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 낙석이나 모래 등의 고형물은 침전시키고 유기물을 포함하는 콜로이드 물질은 자갈층을 이용한 생물막 공법으로 제거하며 제거되지 않은 질소나 인은 무산소, 호기조로 구성되는 생물학적 공정 수단을 통해 제거함과 동시에, 유기물을 제거하기 위한 자갈과 같은 여재의 표면에 고착되는 이물질이 떨어져 나가도록 여재를 비접촉식으로 세척하여 여재의 세척시 손상을 최소화하고, 여재를 자주 교체할 필요없이 교체 주기가 연장되도록 하여 최적의 여과효율을 유지하며 운영비용도 절감되도록 할 수 있는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치는: 유입되는 우수 중의 이물질을 비중의 차이에 의해 분리하는 침전부; 상기 침전부로부터 유출되는 우수 중의 유기물을 제거하는 제1 생물막 처리부; 및, 상기 제1 생물막 처리부로부터 유출되는 우수 중의 질소 및 인을 제거하는 제2 생물막 처리부;를 포함하며,
상기 침전부는, 우수에 포함된 낙석 또는 협잡물을 스크리닝으로 분리하기 위한 것으로 내부가 중공이며 상부가 개구된 통형의 제1 침전조와, 상기 제1 침전조를 통과한 우수에 함유되어 있는 잔존 고형물을 침전시키는 제2 침전조를 포함하고,
상기 제1 침전조는, 내부공간을 가로지르도록 형성되어 전면공간부 및 후면공간부로 구획하는 구획격판과, 상기 후면공간부로 우수가 유입되도록 경사판으로 형성된 유입부와, 상기 유입부와 연결되며 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 개구된 상부에 설치되어 상기 유입부를 통해 유입되는 우수는 상기 후면공간부로 유입되고 우수 중의 낙석은 굴러내려 상기 전면공간부에 저장되도록 하향경사지게 형성된 스크린망과, 상기 후면공간부가 위치한 상기 제1 침전조의 상부에 설치되어 상기 제2 침전조로 우수가 유출되는 제1 유출관을 포함하며,
상기 제1 생물막 처리부 및 상기 제2 생물막 처리부 중 적어도 어느 하나에는 초음파 진동방식에 의해 여재를 세척하는 초음파 진동부가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 낙석이나 모래 등의 고형물은 침전시키고 유기물을 포함하는 콜로이드 물질은 자갈층을 이용한 생물막 공법으로 제거하며 제거되지 않은 질소나 인은 무산소, 호기조로 구성되는 생물학적 공정 수단을 통해 제거함과 동시에, 유기물을 제거하기 위한 자갈과 같은 여재의 표면에 고착되는 이물질이 떨어져 나가도록 여재를 비접촉식으로 세척함으로써 여재의 세척시 손상을 최소화하고, 여재를 자주 교체할 필요없이 교체 주기가 연장되도록 함으로써 최적의 여과효율을 유지하며 운영비용도 절감되도록 할 수 있는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치의 사시도,
도 2는 도 1의 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치의 내부 구성을 도시한 측 단면도,
도 3은 도 2의 제1 생물막 처리부 및 제2 생물막 처리부 사이에 구비된 유동 결속부재를 확대 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제3 유출관을 확대 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제3 유출관을 확대 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치의 내부 구성을 도시한 측 단면도,
도 3은 도 2의 제1 생물막 처리부 및 제2 생물막 처리부 사이에 구비된 유동 결속부재를 확대 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제3 유출관을 확대 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제3 유출관을 확대 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 침전부(100)와, 제1 생물막 처리부(200)와, 제2 생물막 처리부(300)를 포함한다.
침전부(100)는 강우시 초기 우수가 최초 유입되어 우수 중에 포함된 낙석이나 중대 협잡물을 포함하는 비교적 입자가 큰 고형 이물질에서부터 토사류 등 비교적 입자가 작은 고형 이물질까지 비중의 차이에 의해 분리하고, 제1 생물막 처리부(200)는 침전부(100)를 통과한 우수 중에 함유된 유기물을 자갈층(220)을 이루는 자갈에 부착된 미생물막을 이용하여 제거하며, 제2 생물막 처리부(300)는 제1 생물막 처리부(200)에서 제거되지 않은 질소나 인을 생물학적 공정에서 제거한다.
좀더 구체적으로, 침전부(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 우수에 포함된 낙석이나 중대 협잡물을 포함하는 비교적 입자가 큰 고형 이물질을 분리하기 위한 제1 침전조(110)와, 제1 침전조(110)를 통과한 우수에 함유되어 있는 토사류 등 비교적 입자가 작은 고형 이물질을 침전시키는 제2 침전조(120)를 포함한다.
제1 침전조(110)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 중공이며 상부가 개구된 사각의 통형으로 형성된다. 그리고, 제1 침전조(110)는 내부공간을 가로질러 구획하는 구획격판(115)에 의해 전면공간부(111)와 후면공간부(112)로 분리된 구조를 가진다. 한편, 후면공간부(112)가 위치한 제1 침전조(110)의 상부에는 우수가 유입되도록 경사판으로 형성된 유입부(117)와, 유입부(117)를 통해 유입되는 우수 중의 낙석 등을 분리하기 위한 스크린망(118)이 경사지게 설치된다.
전면공간부(111)는 스크린망(118)에 의해 걸러진 낙석(10)이나 비교적 큰 자갈 등이 스크린망(118)을 따라 굴러 내려와 저장된다. 이 경우 대부분의 우수는 후면공간부(112)로 유입되나, 전면공간부(111)로도 일부의 우수가 유입되는 경우를 대비해서 우수가 전면공간부(111)에 채워지면 후면공간부(112)로 월류할 수 있도록 구획격판(115)에는 월류공(116)이 형성될 수 있다.
그리고, 후면공간부(112)는 스크린망(118)을 통과한 우수가 유입되며, 유입된 우수 중에 포함된 중대 협잡물, 입자 크기가 작은 고형물 등이 비중의 차이에 의해 물과 분리되어 바닥에 침전된다. 한편, 물보다 비중이 작은 이물질인 먼지, 오일 등의 부유물질은 수면 위로 부상하게 한다. 이 경우, 제1 침전조(110)의 후면공간부(112)의 상부 측에는 흡착포(미도시)가 설치되어 오일 등을 포함하는 부유물질이 제거된다.
제1 침전조(110)의 측벽(113) 상부 측에 형성된 제1 유출관(119)을 통해 우수가 제2 침전조(120)로 유입된다.
제2 침전조(120)는 상부가 개구되고 내부에 일정크기의 공간을 가지는 사각의 통형으로 형성된다. 이 경우, 제2 침전조(120)는 상단이 제1 유출관(119)보다는 다소 낮도록 형성됨이 바람직하다.
제2 침전조(120)로 유입된 우수는 제1 침전조(110)에서 제거되지 않은 흙, 모래, 중금속 등 비교적 입자가 작은 이물질(20)을 바닥면으로 침강시킨다. 따라서, 본 발명에서는 연속으로 처리되는 2개의 침전조를 구성함으로써 비중에 따라 이물질을 효과적으로 분리하게 된다.
제2 침전조(120)를 통과한 우수는 제2 침전조(120)의 측벽(113) 상부 측에 형성된 제2 유출관(121)을 통해 제1 생물막 처리부(200)로 유입된다.
제1 생물막 처리부(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 접촉조(210)와, 접촉조(210)의 하부에 형성되며 표면에 미생물이 부착된 다수의 자갈로 이루어진 자갈층(220)을 구비한다. 바람직하게는 자갈층(220)을 이루는 자갈은 크기가 20 mm 내지 200 mm 인 것을 사용한다. 이러한 자갈층(220)은 부가적으로 여과기능을 구비할 수 있다. 특히, 바람직하게는 상기 제1 침전조(110)의 전면공간부(111)에 저장된 자갈을 활용한다.
접촉조(210)는 상부가 개구된 사각의 통 형상으로서, 상단이 제2 침전조(120)의 제2 유출관(121)보다 더 낮도록 형성된다. 제1 생물막 처리부(200)에서는 제2 유출관(121)을 통해 유출되는 우수가 중력에 의하여 자연낙하하여 접촉조(210)로 유입되어 자갈에 부착된 미생물막에 의해 BOD5, COD, TSS, TN, TP 등 유기물질이 분해된다. 이 경우 미생물로는 Vorticela, Aspidisca 및 Rotaria, Euplotes, Amphileptus 등이 이용될 수 있다.
상기 제1 생물막 처리부(200)를 통과한 우수는 제2 생물막 처리부(300)로 유출된다. 제2 생물막 처리부(300)는 유입수가 없어 수위가 일정 이하이면 가동이 중지되며 미생물은 자산화가 일어나고 활동이 저하되면서 휴지기간을 갖게 되며, 다시 오염원을 포함한 우수가 유입될 경우 유기물질 등을 제거할 수 있도록 미생물의 활동이 활성화된다.
제2 생물막 처리부(300)는 접촉조(210)의 측면에 설치되는 사각의 통형으로 형성되며 내부에는 일정 크기의 공간을 가진다. 그리고, 내부공간은 바닥에서 형성되어 수직으로 연장되는 2개의 격벽(301)에 의해 폭기조(310)와, 무산소조(320), 배출조(330)로 구획된다. 이때, 격벽(301)의 상단은 제2 생물막 처리부(300)의 상판에서 일정 거리 이격되도록 형성된다.
폭기조(310)에는 접촉조(210)의 측벽(113) 하부에 설치된 제3 유출관(230)을 통해 우수가 하부로 유입된다. 그리고, 폭기조(310)의 하부에는 우수 중으로 공기를 폭기하기 위한 산기관(313)이 설치된다. 산기관(313)은 외부로 연장되는 공기공급라인(315)과 연결되고, 도시되지 않았지만, 공기공급라인(315)은 블로어(blower)를 통해 일정한 압력의 공기가 이송된다. 그리고, 공기공급라인(315) 상에는 공기량을 조절하기 위한 유량계 및 밸브가 설치될 수 있다.
산기관(313)의 상방에는 폭기조(310)를 수평으로 가로질러 상하로 일정거리 이격되어 설치되는 상부의 다공 패널(317)과 하부의 다공 패널(317)이 설치된다. 상부 및 하부의 다공 패널(317)에는 우수가 통과할 수 있도록 다수의 통공이 형성된다. 그리고, 상부 및 하부의 다공 패널(317) 사이에는 제1 담체(311)가 충전된다. 이 경우, 제1 담체(311)는 설치현장의 조건에 따라 폭기조(310)의 총 부피의 5 내지 30 % 정도 차지하도록 충전된다.
바람직하게 제1 담체(311)는 펄라이트와 소석회 및 물을 혼합하여 형성된다. 제1 담체(311)는 펄라이트 100 중량부를 기준으로 소석회 80 내지 120 중량부, 물 200 내지 400 중량부를 혼합하여 골고루 교반한 다음 상기 혼합물에 물 200 내지 400 중량부를 넣어 반죽한다. 상기 반죽을 경단 또는 로드(rod) 형태로 성형하여 상온에서 건조시켜 만든 다음 증류수로 수회 세척하여 50 ℃의 건조기에서 15시간 건조시킨 후 질산화 미생물을 고정시킨다. 이외에도 제1 담체(311)는 질산화 미생물이 고정된 통상의 담체를 이용할 수 있음은 물론이다.
질산화 미생물로는 니트로소모나스(Nitrosomonas)와 니트로박터(Nitro-bacter) 등을 이용할 수 있고, 환경조건으로 온도 15 ~ 20 ℃, 용존 산소가 3 내지 5 ppm으로 유지될 수 있도록 공기를 폭기시킨다.
상기의 폭기조(310)에서는 생물화학적 산소요구량(BOD) 및 화학적 산소요구량(COD)의 유기물뿐만 아니라 질산화 미생물이 증식할 수 있도록 BOD의 유기물질을 20 ppm 이하로 유지하여 암모니아성 물질과 유기 질소를 질산성 질소로 질산화시킨다. 또한, 미생물이 혐기조건에서 방출된 인을 과잉으로 섭취하도록 하여 인을 제거한다.
폭기조(310)를 거친 우수는 격벽(301)의 상단을 넘어 오버플로우(over flow)되어 무산소조(320)로 유입된다.
무산소조(320)는 질산성 질소를 환원시켜 질소가스로 탈질처리를 하기 위한 것으로서, 무산소조(320)의 내부에는 제2 담체(321)가 충전된다.
제2 담체(321)는 황과 펄라이트와 소석회 및 물을 혼합하여 형성된다. 제2 담체(321)는 황 100 중량부를 기준으로 펄라이트 50 내지 70 중량부, 소석회 30 내지 50 중량부를 균일하게 혼합시킨 후 상기 혼합물에 물 200 내지 400 중량부를 첨가하여 충분히 반죽한 다음 경단 또는 로드 형태로 제조하고, 10일 이상 건조시킨 다음 0.3 M의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 용액에서 4시간 정도 침지시킨다.
상기와 같이 수산화칼슘용액에 침지시킴으로써 담체의 생성 과정 중 담체의 내부 공극 사이에 분말형태로 존재하는 입자들을 제거하여 기공률을 높이고 담체의 내부에 형성된 공극 표면에까지 충분히 알칼리를 보충하기 위한 것이다. 침지시킨 후 증류수로 수회 세척하여 50 ℃의 건조기에서 15시간 건조시킨 후 황산화미생물을 고정시킨다.
황은 황산화미생물을 이용한 탈질반응을 위한 기질로 작용하며, 펄라이트는 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화칼슘(CaO), 산화철(Fe2O3), 산화인(P2O5), 산화마그네슘(MgO), 산화니켈(NiO) 등의 성분이 존재하여 황산화미생물이 성장하는데 필수적인 영양염류 역할을 한다.
소석회(Ca(OH)2)는 아래의 반응식과 같이 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성시키는데 독립영양 탈질시 질산성질소(NO3 --N)가 탈질 반응이 진행됨에 따라 환원 제거될 때 알칼리도가 소비되므로 소비되는 알칼리도를 보충함으로써 미생물들이 원활히 탈질을 일으킬 수 있는 pH조건을 만들어 준다.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
CaCO3 + H+ → Ca2 + + HCO3 -
상기와 같이 본 발명에서는 알칼리도를 공급하는 약품이나 패각, 석회석 등을 별도의 탄소원 및 알칼리원을 첨가하지 않고도 펄라이트(pearlite)와 알칼리도 유발물질인 소석회를 이용한 다공성의 제2 담체(321)를 만들어 담체 자체에서 알칼리도를 지속적으로 공급함으로써 미생물들이 원활히 탈질을 일으킬 수 있는 pH조건을 만들어주므로 수처리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 제1 담체(311) 및 제2 담체(321)에 고정되는 황산화 독립영양 미생물로는 티오바실러스 디나이트리피컨스(Thiobacillus denitrificans)(ATCC 23644 ; DSM 12475 ; JCM 3870 ; NCIMB 9548)를 이용하며, S-8 MEDIUM FOR THIOBACILLI의 배양 정보에 따라 배양된 티오바실러스 디나이트리피컨스를 이용한다(Domestic Sewage, Taxonomy of anaerobic thiobacilli, J.Gen.Microbiol, 47 ; 17-23, 1967, This strain was wrongly quoted as NCIB 8327 in Bergey's Manual of Systenatric Bacteriology, vol.3.,p.1855, 1989. Anaerobic). 티오바실러스 디나이트리피컨스 배양액에 제2 담체(321)를 침지시켜 30 ℃에서 고정시킨다. 고정화의 일 예로 대수성장기에 있는 성장배지에 담체를 혼합하여 30 ℃에서 80 rpm으로 배양한 후 성장 배지를 취하여 3600 rpm으로 20분간 원심분리하고 다시 기본 배지로 상기와 같이 수행하여 미생물을 고정시킨다.
무산소 조건하에서 황산화 독립영양 미생물은 황(S) 및 여러 가지 환원상태의 황화합물(S2 -, S, S2O3 2 -, S4O6 2 -, SO3 2 -)을 이용하여 NO3 --N을 N2 가스로 환원시켜 에너지를 얻는 대사 과정으로 우수 내의 질소를 제거한다.
황을 이용한 독립영양탈질 반응에 대한 반응식은 다음과 같다.
NO3 - + 1.1S + 0.76H2O + 0.4CO2 + 0.08NH4 + → 0.08C5H7O2N + 0.8N2 + 1.1SO4 2 - + 1.28H+
상기 반응식에서 보는 바와 같이 독립영양 탈질은 무산소 조건하에서 진행되며, 담체에서 질산성질소(NO3 --N)가 환원되어 질소가스(N2)가 발생하고, 황(S)은 황산염 이온으로 산화된다.
그리고, 탈질처리된 우수는 격벽(301)의 상단을 넘어 배출조(330)로 오버플로우되어 유입되며, 최종 처리수는 배출관(340)을 통해 외부로 배출되고, 슬러지는 슬러지 배출구(350)를 통해 처리될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제1 생물막 처리부(200) 및 상기 제2 생물막 처리부(300) 중 적어도 어느 하나에는 초음파 진동방식에 의해 여재를 세척하는 초음파 진동부(400)가 구비된다.
이에 따라, 낙석이나 모래 등의 고형물은 침전시키고 유기물을 포함하는 콜로이드 물질은 자갈층을 이용한 생물막 공법으로 제거하며 제거되지 않은 질소나 인은 무산소, 호기조로 구성되는 생물학적 공정 수단을 통해 제거함과 동시에, 유기물을 제거하기 위한 자갈과 같은 여재의 표면에 고착되는 이물질이 떨어져 나가도록 여재를 비접촉식으로 세척함으로써 여재의 세척시 손상을 최소화하고, 여재를 자주 교체할 필요없이 교체 주기가 연장되도록 함으로써 최적의 여과효율을 유지하며 운영비용도 절감되도록 할 수 있는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 진동부(400)는 제1 생물막 처리부(200)에 구비되어 자갈층(220)의 자갈에 고착되는 이물질을 초음파 진동방식으로 제거하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 초음파 진동부(400)는, 전원부에 연결되어 고주파수의 전기신호를 발생시키는 발진기(410)와, 발진기(410)에 연결되어 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 트랜스듀서(transducer)로서의 진동자(420)를 포함한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 생물막 처리부(200)와 제2 생물막 처리부(300)의 사이에는 탄성 재질로 마련된 유동 결속부재(240)가 구비된 것이 바람직하다.
유동 결속부재(240)는 양단이 제1 생물막 처리부(200)와 제2 생물막 처리부(300) 각각의 벽체 내로 구겨진 파형 형태로 마련됨과 동시에 맞물려 결합 되도록 구비되며, 우수의 유출이 발생 되지 않게 기밀구조를 이루도록 구비된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 초음파 진동부(400)의 작동에 의해 자갈층(220)이 진동되며 제1 생물막 처리부(200)의 벽체로 진동이 전달되더라도 제1 생물막 처리부(200)가 제2 생물막 처리부(300)에 대해 유동적으로 연결이 유지되도록 하는 유동 결속부재(240)에 의해 진동이 흡수 및 감쇄되도록 함으로써, 장치 전체가 손상되거나 파손되는 것이 방지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 유동 결속부재(240)는 제1 생물막 처리부(200)와 제2 생물막 처리부(300)의 사이에 구비된 것으로 도시되었지만, 침전부(100)와 제1 생물막 처리부(200)의 사이에도 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 유출관(230)의 내주면에는 녹조식물 해캄(Spirogyra)과 같은 형태로 다수의 섬모 돌기들로 이루어진 섬모 돌기 필터(231)가 구비될 수 있다. 이때, 섬모 돌기 필터(231)는 수지 재질 또는 탄소나노튜브 재질을 포함하여 마련될 수 있다.
이에 따라, 제1 생물막 처리부(200)에서 제2 생물막 처리부(300)로 유출되는 우수가 역류 되는 것을 섬모 돌기 필터(231)에 의해 방지함과 동시에 유출 과정 중에도 정화 작용이 일어나도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제3 유출관(230)의 내주면과 섬모 돌기 필터(231)의 사이에는 CNT 코팅 필터(233)가 구비될 수 있다.
CNT 코팅 필터(233)는 제3 유출관(230)의 내주면에 전하를 유지하는 탄소나노튜브를 코팅하여 마련된다.
좀더 구체적으로, CNT 코팅 필터(233)는 나노여과 박막과 고정된 전기적 전도성을 띠는 고분자 나노복합체(ECPNC: Electrically Conductive Polymer-nanocomposite)를 적용하여 마련되는 것으로서, 탄소나노튜브가 폴리아미드 내에 삽입되어 있으며, 폴리아미드의 단량체 중 하나인 트리메조일 트리염화물(Trimesoyl chloride)과 에스터 결합(Ester bond)을 형성하여, 높은 전기 전도성(400 S/m), 우수한 염화나트륨 배제 및 높은 투수성을 나타내고, 극심한 박테리아와 유기물 부하량 아래에서도 생물막 형성이 예방되도록 할 수 있다.
이에 따라, 제1 생물막 처리부(200)에서 제2 생물막 처리부(300)로 유출되는 우수 중의 박테리아를 비롯한 단백질, 염, 이온, 바이러스 등의 성분들이 고분자 점액을 분비하여 제3 유출관(230)이 점차 막히게 되는 것을 하전된 CNT 코팅 필터(233)에 들러붙지 못하게 함으로써, 제3 유출관(230)의 막힘 현상이 효과적으로 방지되도록 하여 제1 생물막 처리부(200)에서 제2 생물막 처리부(300)로 연계되는 비점오염물질의 처리가 원활하게 수행되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 CNT 코팅 필터(233)는 제3 유출관(230)의 내주면과 섬모 돌기 필터(231)의 사이에 구비된 것으로 설명하지만, 섬모 돌기 필터(231)의 구성이 없이 단독으로 제3 유출관(230)의 내주면에 구비되도록 할 수도 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 비점오염원 처리방법에 대해서 살펴본다.
본 발명의 비점오염원 처리방법은 크게 유입되는 우수 중의 이물질을 비중의 차이에 의해 분리시키는 침전단계와, 유기물 제거단계와, 질산화단계와, 탈질 단계로 이루어진다.
침전단계에서 스크린망을 통해 낙석 등의 이물질은 분리 저장되고, 우수는 고액분리에 의해 물보다 비중이 더 큰 이물질은 바닥에 침전되고 유분이나 부유물질은 수면으로 부유하게 된다. 그리고 상기 유분이나 부유물은 흡착포에서 제거되어 침전처리가 된다.
유기물 제거단계는 상기 침전단계에서 침전처리가 된 우수 중의 유기물을 제거한다. 이 과정에서 자갈층에 붙어있는 미생물막에 의해 BOD5, COD, TSS, TN, TP 등 유기물질이 분해된다.
질산화단계는 상기 유기물 제거단계 완료 후 질산화 미생물을 고정시킨 제1 담체에 의해 우수 중의 암모니아성 질소 및 유기 질소를 질산화시킨다.
그리고, 탈질 단계는 상기 질산화단계 완료 후 황 산화 미생물을 고정시킨 제2 담체에 의해 우수 중의 질산성 질소를 질소가스로 환원시켜 탈질시킨다.
상기와 같이 본 발명에 따른 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치는 사업개발시나 우수 시에 도로변, 임야, 개별축산농가에 야적되어 있는 비점오염원을 처리하기 위한 비연속식 반응기로 고액분리에 의한 침전과 생물학적 처리방법을 병행한 비점오염원 처리장치이다.
즉, 본 발명은 도로변 공사나 건축, 산업입지 및 산업단지의 조성, 에너지 개발, 공항의 건설, 개간 및 공유수면의 매립, 관광단지의 개발, 산지의 개발, 국방군사시설의 설치, 토석 모래 자갈 광물의 채취 등 개발사업시에 발생하는 비점오염원과 개발사업의 공사가 완료된 후 비점오염 업장에서 발생하는 비점오염원을 처리하는 장치로 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 분류식 하수관거 지역에서의 초기강우 유출수내 비점오염물질 처리, 합류식 하수관거 지역의 월류수의 처리, 상수원이나 댐 상류에서 유입되는 비점오염물질의 제거, 공장 등 사업장 내 화재, 수질 오염사고시 비상저류조 기능을 복합적으로 가진 비점오염저감시설로 활용이 가능하며, 단지개발 등 다양한 개발사업시 발생 되는 비점오염물질 처리와 더불어 우수 저류조와의 복합적인 이용, 뛰어난 처리효율로 골프장 등에서의 용수 재이용 등에 적용이 가능한 활용성이 높은 기술이다.
상기에 의해 설명되고 첨부된 도면에서 그 기술적인 면이 기술되었으나, 본 발명의 기술적인 사상은 그 설명을 위한 것이고, 그 제한을 두는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술적인 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 이하 후술 될 특허청구범위에 기재된 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 침전부 110 : 제1 침전조
111 : 전면공간부 112 : 후면공간부
115 : 구획격판 117 : 유입부
118 : 스크린망 119 : 제1 유출관
120 : 제2 침전조 200 : 제1 생물막 처리부
300 : 제2 생물막 처리부 400 : 초음파 진동부
111 : 전면공간부 112 : 후면공간부
115 : 구획격판 117 : 유입부
118 : 스크린망 119 : 제1 유출관
120 : 제2 침전조 200 : 제1 생물막 처리부
300 : 제2 생물막 처리부 400 : 초음파 진동부
Claims (1)
- 유입되는 우수 중의 이물질을 비중의 차이에 의해 분리하는 침전부(100);
상기 침전부(100)로부터 유출되는 우수 중의 유기물을 제거하는 제1 생물막 처리부(200); 및
상기 제1 생물막 처리부(200)로부터 유출되는 우수 중의 질소 및 인을 제거하는 제2 생물막 처리부(300);를 포함하며,
상기 침전부(100)는, 우수에 포함된 낙석 또는 협잡물을 스크리닝으로 분리하기 위한 것으로 내부가 중공이며 상부가 개구된 통형의 제1 침전조(110)와, 상기 제1 침전조(110)를 통과한 우수에 함유되어 있는 잔존 고형물을 침전시키는 제2 침전조(120)를 포함하고,
상기 제1 침전조(110)는, 내부공간을 가로지르도록 형성되어 전면공간부(111) 및 후면공간부(112)로 구획하는 구획격판(115)과, 상기 후면공간부(112)로 우수가 유입되도록 경사판으로 형성된 유입부(117)와, 상기 유입부(117)와 연결되며 상기 후면공간부(112)가 위치한 상기 제1 침전조(110)의 개구된 상부에 설치되어 상기 유입부(117)를 통해 유입되는 우수는 상기 후면공간부(112)로 유입되고 우수 중의 낙석은 굴러내려 상기 전면공간부(111)에 저장되도록 하향경사지게 형성된 스크린망(118)과, 상기 후면공간부(112)가 위치한 상기 제1 침전조(110)의 상부에 설치되어 상기 제2 침전조(120)로 우수가 유출되는 제1 유출관(119)을 포함하며,
상기 제1 생물막 처리부(200) 및 상기 제2 생물막 처리부(300) 중 적어도 어느 하나에는 초음파 진동방식에 의해 여재를 세척하는 초음파 진동부(400)가 구비되고,
상기 제1 생물막 처리부(200)와 상기 제2 생물막 처리부(300)의 사이에는 탄성 재질로 마련된 유동 결속부재(240)가 구비되며,
상기 유동 결속부재(240)는 양단이 상기 제1 생물막 처리부(200)와 상기 제2 생물막 처리부(300) 각각의 벽체 내로 구겨진 파형 형태로 마련됨과 동시에 맞물려 결합 되도록 구비되고,
상기 제1 생물막 처리부(200)는, 상부가 개구된 사각의 통 형상으로 마련되며 상단이 상기 제2 침전조(120)의 측벽 상부 측에 형성된 제2 유출관(121)보다 더 낮도록 형성된 접촉조(210)와, 상기 접촉조(210)의 하부에 형성되며 표면에 미생물이 부착된 다수의 자갈로 이루어진 자갈층(220)을 구비하며,
상기 접촉조(210)의 측벽 하부에는 제3 유출관(230)이 설치되고,
상기 제3 유출관(230)의 내주면에는 녹조식물 해캄(Spirogyra)의 형태로 다수의 섬모 돌기들로 이루어진 섬모 돌기 필터(231)가 구비된 것을 특징으로 하는 생물학적 공정을 이용한 비점오염원 처리장치.
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