KR101903044B1 - 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템 - Google Patents
하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 인공습지 시스템을 이용하여 하·폐수 내 포함되어 있는 의약품, 미용물질 및 환경호르몬 등의 미량유해물질을 효과적으로 처리함으로써, 미량오염물질에 의한 생태계의 오염 및 인간의 건강을 해칠 수 있는 해로운 환경을 개선할 수 있도록 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 인공습지 시스템을 통해 수생식물과, 수생식물의 뿌리 등에 서식하는 미생물이 분비한 체외분비물질이 결합하여 형성된 생물막(biofilm)의 산화·분해 작용을 통해 하·폐수 내 포함되어 있는 의약품, 미용물질 및 과불화화합물 등의 미량유해물질을 효과적으로 처리함으로써, 미량오염물질에 의한 생태계의 오염 및 인간의 건강을 해칠 수 있는 해로운 환경을 개선할 수 있도록 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템에 관한 것이다.
현대 사회의 급속한 산업의 발달과 경제성장은 인간 생활환경 수준의 향상을 가져왔고, 도시화로 인한 인구집중은 다량의 하수발생을 초래하게 되어 주변 수질에 대한 오염부하량의 증가 및 축적으로 환경생태계에 영향을 주고 있다.
각 가정이나 동물사육, 양식장 등에서 사용되고 있는 항생제, 진통소염제 등의 의약물질, 미용물질과 과불화화합물은 기존의 하수처리과정이나 고도처리과정으로는 효과적인 제거가 어려워 상당량이 환경중으로 배출되고 있다. 하천 등으로 유입되는 이들 미량유해물질들에 의해 안정적인 수질 유지에 어려움이 따르고 있다. 미량만으로도 유해성이 있으며, 잔류성, 생물농축성이 있는 것으로 나타나 지속적, 만성적으로 노출시 생태계 및 인간의 건강에 심각한 영향을 끼칠 우려가 있다.
상기 의약물질에는 자기공명영상(MRI) 촬영이나 컴퓨터단층(CT) 촬영과 같은 방사선 검사시에 조직이나 혈관을 잘 볼 수 있도록 각 조직의 X선 흡수차를 인위적으로 크게 함으로써 영상의 대조도를 크게 해주는 약품의 조영제, 염증을 완화시키는 소염작용과 통증을 완화시키는 진통작용을 모두 갖는 약물인 소염진통제, 미생물에 의해 생성되어 다른 세포의 발육 또는 기능을 저지하는 물질인 항생제가 미량오염물질의 주를 이루고 있다.
PPCP는 pharmaceuticals and personal care products의 약자로써 처방전 없이 우리가 쉽게 구할 수 있는 두통약이나 진통제 등과 개인의 건강이나 미용 증진, 가축의 건강이나 성장 촉진하는 의약품과 또는 마약성분이 포함되어 있는 물질이 수중에 함유되어 인체에 영향을 미치는 것을 말한다.
PPCP는 폐의약품 등이 하수로 유입되거나 또는 산업체나 병원 등에서 방출되어 하수도로 유입될 경우, 폐수처리 설비공정을 거쳐 다시 상수나 산업, 농업 용수로 공급되는 순환과정에서 사람에게 까지 영향을 미치게 된다.
특히 엑스레이 조영제로 사용되는 iopromide의 PPCP가 가장 많은 농도로 검출되고 있다. 또한 항 염증제로 사용되고 있는 ibuprofen, 해열제로 사용되고 있는 acetaminophen 등 많은 PPCP 물질들이 분해되지 않고 그대로 하천에 방류되고 있는 실정이다.
한강, 영산강, 낙동강에서 검출되는 PPCP로는 Erythromycin, Sulfamethoxazole, TCEP, DEET, Oxybenzone, Estrone, Androstenedione, Iopromide, Hydrocodone, Acetaminophen, Trimethoprim, Pentoxifylline, Meprobamate, Naproxen, Ibuprofen, Diclofenac, Carbamazepine, Caffeine, Gemfibrizi이다.
상기 과불화화합물(PFCs)은 소수성(hydrophobic) 및 소유성(lipophobic)을 가지는 특성으로 인해 산업적으로 매우 다양한 용도로 사용되고 있는 물질로 중합체 첨가물, 방화제, 방오제, 반도체 세척용제, 계면활성제, 살충제, 윤활제, 페인트, 광택제, 식품포장재, 난연성 보온재, 부식억제제, 필름 등의 감광코팅제, 샴푸 및 개인위생용품 등 그 용도는 헤아릴 수 없을 만큼 다양하다.
상기 과불화화합물(PFCs)은 물에 대한 용해도가 매우 높아서 다른 과불화화합물에 비해 폐수, 지표수, 지하수, 수돗물 및 빗물에서 비교적 높은 농도로 검출된다.
이와 같은 난분해성으로 환경에 장기간 머물며 생물축적(bioaccumulation) 및 생물확대(biomagnification)의 원인이 되기 때문에 인간과 동물들에게 심각한 피해를 유발한다.
이와 같은 문제점을 개선하고자 본 발명에서는 인공습지 시스템을 이용하여 하폐수 내에 포함되어 있는 미량유해물질을 효과적으로 제거할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 발명은 인공습지 시스템을 통해 수생식물과, 수생식물의 뿌리 등에 서식하는 미생물이 분비한 체외분비물질이 결합하여 형성된 생물막(biofilm)의 산화·분해 작용을 통해 하·폐수 내 포함되어 있는 의약품, 미용물질 및 과불화화합물 등의 미량유해물질을 효과적으로 처리함으로써, 미량오염물질에 의한 생태계의 오염 및 인간의 건강을 해칠 수 있는 해로운 환경을 개선할 수 있도록 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하고자,
본 발명은 하·폐수 집수조; 상기 하·폐수 집수조로부터 공급되는 하·폐수 내 미량유해물질을 처리하는 인공습지; 상기 인공습지를 거쳐 미량유해물질이 제거된 처리수를 배출하는 배출조를 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 인공습지는 모래, 발포유리 및 팽창질석을 동중량 비율로 혼합하여 제1식재층을 조성하고, 상기 제1식재층에 수생식물을 식재함으로써 구성되는 제1인공습지부와,
제올라이트로 적층 형성되는 하층부와, 상기 하층부 위로 세라믹이 적층 형성되는 중층부와, 상기 중층부 위로 발포유리가 적층 형성되는 상층부와, 상기 상층부에 식재되는 수생식물을 포함하여 구성되는 제2인공습지부와,
다공성세라믹층과, 상기 다공성세라믹층에 식재되는 수생식물로 구성되는 제3인공습지부와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈과, 상기 모듈 상부에 고정설치되는 천연황토세라믹 담체와, 상기 모듈의 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체와, 상기 천연황토세라믹 담체에 식재되는 수생식물로 구성되는 제4인공습지부와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈과, 상기 모듈 상부에 고정설치되는 다공성세라믹 담체와, 상기 모듈 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체와, 상기 다공성세라믹 담체에 식재되는 수생식물로 구성되는 제5인공습지부가 순차적으로 계단형 단차구조를 이루어 연속형성되되,
상기 제1인공습지부와 제2인공습지부의 경계면에 제1격벽,
상기 제2인공습지부와 제3인공습지부의 경계면에 제2격벽,
상기 제3인공습지부와 제4인공습지부의 경계면에 제3격벽,
상기 제4인공습지부와 제5인공습지부의 경계면에 제4격벽,
상기 제5인공습지부의 후단에 제5격벽이 형성되는 것으로서,
상기 제1격벽 내지 제4격벽에는 하부 양측에 통공이 형성되고, 상단 양측 또는 중앙부에 'U'자형 월류부가 형성되는 것임을 특징으로 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템은 제1식재층과 수생식물로 이루어지는 제1인공습지부; 제올라이트, 다공성 세라믹, 발포유리 및 수생식물로 이루어지는 제2인공습지부; 식생용세라믹층 및 수생식물로 이루어지는 제3인공습지부; 천연황토세라믹 담체, 폴리에틸렌 담체 및 수생식물로 이루어지는 제4인공습지부; 다공성세라믹 담체, 폴리에틸렌 담체 및 수생식물로 이루어지는 제5인공습지부에 이르는 인공습지의 다단 구성을 이룸으로써, 수생식물의 작용과, 수생식물의 뿌리, 식재층, 담체 등의 고체 표면에 부착한 미생물과 미생물이 분비한 체외분비물질이 결합하여 형성된 생물막(biofilm)의 산화·분해 작용 및 담체 등에 의한 흡착 작용이 일어나고, 이와 같은 생물학적, 화학적, 물리적 분해반응이 독립적 또는 복합적인 과정을 통해 효과적인 하·폐수 내에 포함되어 있는 미량유해물질을 효과적으로 제거된다.
구체적인 예로서, 원수에 포함되어 있던 acetaminophen, ibuprofen, caffeine 성분을 기준으로 살펴볼 때, 최종 처리수 내 acetaminophen의 제거율 91.5%, ibuprofen의 제거율 98.2%, caffeine의 제거율 98.9%로서 상당 부분 제거되는 효과를 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템의 전체구성도.
도 2는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 격벽을 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 제4인공습지부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 제5인공습지부를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 원통형 폴리에틸렌 담체를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 격벽을 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 제4인공습지부를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 제5인공습지부를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 인공습지 시스템을 구성하는 원통형 폴리에틸렌 담체를 도시한 사시도.
이하, 본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템의 구체적인 기술 내용을 도면과 함께 살펴보도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이,
본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템(1)은,
하·폐수 집수조(10); 상기 하·폐수 집수조(10)로부터 공급되는 하·폐수 내 미량유해물질을 처리하는 인공습지(20); 상기 인공습지(20)를 거쳐 미량유해물질이 제거된 처리수를 배출하는 배출조(30)를 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 인공습지(20)는 발포유리(211) 20 ~ 50 wt%와 모래(212) 50 ~ 80 wt%의 혼합으로 제1식재층(213)을 조성하고, 상기 제1식재층(213)에 수생식물(214)을 식재함으로써 구성되는 제1인공습지부(21)와,
제올라이트로 적층 형성되는 하층부(221)와, 상기 하층부(221) 위로 다공성 세라믹이 적층 형성되는 중층부(222)와, 상기 중층부(222) 위로 발포유리가 적층 형성되는 상층부(223)와, 상기 상층부(223)에 식재되는 수생식물(224)을 포함하여 구성되는 제2인공습지부(22)와,
식생용세라믹층(231)과, 상기 식생용세라믹층(231)에 식재되는 수생식물(232)로 구성되는 제3인공습지부(23)와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(241)과, 상기 모듈(241) 상부에 고정설치되는 천연황토세라믹 담체(242)와, 상기 모듈(241)의 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(243)와, 상기 천연황토세라믹 담체(242)에 식재되는 수생식물(243)로 구성되는 제4인공습지부(24)와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(251)과, 상기 모듈(251) 상부에 고정설치되는 다공성세라믹 담체(252)와, 상기 모듈(251) 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(253)와, 상기 다공성세라믹 담체(252)에 식재되는 수생식물(253)로 구성되는 제5인공습지부(25)가 순차적으로 계단형 단차구조를 이루어 연속형성되되,
상기 제1인공습지부(21)와 제2인공습지부(22)의 경계면에 제1격벽(41),
상기 제2인공습지부(22)와 제3인공습지부(23)의 경계면에 제2격벽(42),
상기 제3인공습지부(23)와 제4인공습지부(24)의 경계면에 제3격벽(43),
상기 제4인공습지부(24)와 제5인공습지부(25)의 경계면에 제4격벽(44),
상기 제5인공습지부(25)의 후단에 제5격벽(45)이 형성되는 것으로서,
상기 제1격벽 내지 제4격벽에는 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 양측 또는 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되는 것임을 특징으로 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템을 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이 인공습지(20)는 계단형 단차구조를 이루고 있어 상부에서부터 순차적으로 하부 방향으로 하·폐수가 이동하면서 5개의 인공습지부를 거침으로써 하·폐수 내의 미량유해물질이 제거된다.
이때 상기 인공습지의 경사각(θ)이 5°~ 15°를 이룸으로써 계단형 단차구조의 인공습지(20) 내에서 적정 유량속도를 유지하면서 하·폐수가 흐르도록 구성된다.
상기 적정 유량속도는 5개의 인공습지부를 통해 미량유해물질 제거효율을 최대화할 수 있는 속도를 의미한다.
상기 5개의 인공습지부는 생물막, 수생식물, 유용미생물, 흡착 등의 물리적, 화학적 복합처리과정을 거침으로써 하·폐수 내에 포함되어 있던 미량유해물질을 제거하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템(1)의 구성 중 주요 구성에 해당하는 인공습지(20)에 대해 각부 구성을 구분하여 구체적으로 살펴보도록 한다.
< 제1인공습지부 >
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 인공습지(20)의 제1인공습지부(21)는 모래(211), 발포유리(212) 및 팽창질석(213)을 동중량 비율로 혼합조성한 식재층에 수생식물(214)을 식재함으로써 구성된다.
하·폐수 집수조(10)는 스크린조와 침전조가 구비되어 있어 하·폐수에 포함되어 있는 조대협잡물 및 고형물을 스크린조에서 걸러낸 후, 상기 스크린조와 연결되어 있는 침전조에서 고형물 침전처리과정을 거치게 된다.
이와 같이 하·폐수 집수조(10)를 통해 조대협잡물 및 고형물 제거 및 고형물 침전과정을 거친 하·폐수는 상기 제1인공습지부(21)로 유입된다.
상기 하·폐수 집수조(10)를 거쳐 유입되는 하·폐수는 제1인공습지부(21)의 발포유리(211) 20 ~ 50 wt%와 모래(212) 50 ~ 80 wt%의 혼합으로 제1식재층(213)과 수생식물(214)의 작용에 의해 1차 미량유해물질 제거가 이루어진다.
모래(212)는 여과과정을 통해 부유성 고형물 및 유기물을 제거함으로서 후속공정에서의 처리 효율을 향상시켜 주는 역할을 하며, 상기 발포유리(221)는 수생식물(214)과 함께 COD, T-N 및 T-P 제거효율을 향상시키면서 수생식물(214)의 생장을 촉진하는 역할을 함으로써, 이에 따른 미량유해물질 제거효율이 증가한다.
상기 수생식물(214)은 개구리밥(Lemna minor), 검정말(Hydrilla verticillata), 노랑어리연꽃(Nymphoides indica), 물양귀비(Hydrocleys nymphoides), 마름(Trapa japonica), 큰부들(Typha latifolia), 애기부들(Typha angustata), 노란꽃창포(Iris pseudoacorus), 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 나도겨풀(Leersia japonica), 달뿌리풀(Phragmites japonica steud) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 수생식물(hydrophytes, water plants, aquatic plants)은 일반적으로 관속이 있는 고등식물로 수중에서 생육하는 식물들로서, 수중에서의 생활습성에 따라 고착성 수생식물(rooted aquatic plant)과 부수성 수생식물(free-flating aquatic plant)로 나누고, 다시 고착성 수생식물은 부엽식물(floating-leaved plant), 정수식물(emergent plant), 침수식물(submerged plant)로 세분된다.
수생식물을 폐수처리에 이용하는 것은 영양염류의 제거, 고농도의 유기물과 난분해성 미량 원소의 제거 기능을 낮은 비용으로 해낼 수 있는 경제적인 방법일 뿐 아니라 이때 별도로 수확한 식물을 새로운 단백질원이나 메탄가스의 생성 원료 및 동물사료로 이용할 수 있는 부가적인 장점까지 가지고 있다.
화학적 처리나 물리학적 방법을 이용한 수질정화기법은 설치비 뿐 아니라 유지 및 관리 비용을 처리 때마다 들여야 하는 부담이 매우 크지만 생물학적 처리는 처음 설치비를 제외하고는 관리비가 거의 들지 않으며 그 중에서도 수생식물을 이용한 하천 및 저수지의 수질정화는 생태계의 복원이라는 부대 효과와 함께 수중동물들의 활동과 번식에 도움을 주어 수중생태계를 건강하게 유지시켜줌으로서 전체적인 수중 환경의 정화에 크게 기여하게 된다.
상기 발포유리(221)는 폐유리를 롤밀(roll mill)을 이용하여 파쇄하고, 파쇄한 폐유리와 알루미나 볼을 1 : 7의 부피비로 혼합하여 20 ~ 30 시간 동안 볼밀분쇄하여 평균입도 6 ㎛의 폐유리 분말을 제조하고,
상기 폐유리 분말 60 ~ 80 wt%; 제올라이트 15 ~ 30 wt%; 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 산화철(FeO3) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 발포제 1 ~ 10 wt%;를 혼합하여 제1혼합물을 조성하고,
상기 제1혼합물 98.5 ~ 99.6 wt%와 물(water) 0.4 ~ 1.5 wt%의 혼합으로 조성된 100 wt%의 제2혼합물과 알루미나볼을 1 : 7의 부피비로 혼합하여 20 ~ 40 분 동안 볼밀 분쇄한 후,
전기로에서 발포하되, 5 ℃/min 속도로 750 ℃까지 올린 다음, 750 ℃에서 30 분간 유지 후 서냉함으로써, 발포제에서 발생된 가스가 유리 내부에 포집되어 독립 발포 기공을 형성하여 제조된다.
더욱 구체적으로는 다음의 과정을 거쳐 제조한다.
1. 폐유리를 롤밀(roll mill)을 이용하여 파쇄하고, 파쇄한 폐유리와 알루미나 볼을 1 : 7의 부피비로 혼합하여 25 시간 동안 볼밀분쇄하여 평균입도 6 ㎛의 폐유리 분말을 제조한다.
2. 상기 폐유리 분말 80.0 wt%, 제올라이트 15.0 wt%, 탄산칼슘(CaCO3)의 발포제 5.0 wt%;를 혼합하여 제1혼합물을 조성한다.
3. 상기 제1혼합물 99.0 wt%, 물(water) 1.0 wt%의 혼합으로 조성된 100 wt%의 제2혼합물과 알루미나볼을 1 : 7의 부피비로 혼합하여 30 분 동안 볼밀 분쇄한다.
4. 전기로에서 5 ℃/min 속도로 750 ℃까지 올린 다음, 750 ℃에서 30 분간 발포한 후 자연냉각한다.
상기 제1인공습지부(21)와 후단의 제2인공습지부(22)의 경계면에는 제1격벽(41)이 설치된다.
상기 제1격벽(41)의 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되어 상기 제1인공습지부(21)에서 1차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수가 제2인공습지부(22)로 유입된다.
< 제2인공습지부 >
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 인공습지(20)의 제2인공습지부(22)는 제올라이트로 적층 형성되는 하층부(221)와, 상기 하층부(221) 위로 다공성 세라믹이 적층 형성되는 중층부(222)와, 상기 중층부(222) 위로 발포유리가 적층 형성되는 상층부(223)와, 상기 상층부(223)에 식재되는 수생식물(224)을 포함하여 구성된다.
상기 하층부(221)를 구성하는 제올라이트는 신생대 3기층의 화산재가 속성 작용을 받아 생성된 미세한 다공성 물질로 물리적 흡착력과 화학적 양이온 치환 작용 뛰어나 수분 이외 다른 가스상 물질 등을 20 배까지 흡수 및 흡착하여 보관하고 있다가 서서히 배출하는 특이한 특성을 지니고 있다.
상기 제올라이트는 결정수 함량이 높고 다공성 구조로 되어 있으며 알칼리 금속을 함유하고 있고 비표면적, 양이온 교환용량, 암모니아의 선택적 흡착능, 수분흡수력, 가스 흡착력 및 탈취능이 뛰어나다.
상기 제올라이트는 SiO2 68.0 ~ 72.0 wt%, Al2O3 9.0 ~ 14.0 wt%를 차지하고 나머지 CaO, MgO, K2O, Na2O, Fe2O3의 성분으로 이루어진 것을 사용한다.
상기 발포유리는 제1인공습지부의 발포유리와 동일한 것을 사용한다.
상기 다공성 세라믹은 광미 40 ~ 60 wt%와, 폐유리 분말 40 ~ 60 wt%의 혼합물을 알루미나 용기에 넣어 볼밀 분쇄하되, 상기 혼합물과 알루미나 볼을 1 : 6 부피비로 하여 분쇄하여 150 ~ 300 ㎛의 제1혼합분말을 제조하고,
상기 제1혼합분말 85.0 ~ 95.0 wt%와 물(water) 5.0 ~ 15.0 wt%의 혼합으로 조성된 100 wt%의 제2혼합분말과 알루미나 볼을 1 : 6의 부피비로 혼합하여 20 ~ 40 분 동안 볼밀 분쇄하여 슬러리를 제조하고,
상기 슬러리를 알루미나 볼과 동 부피비로 알루미나 용기에 넣은 후, 500 ~ 800 rpm으로 1 ~ 3 시간 동안 밀링(milling)하여 분쇄슬러리를 제조하고,
상기 분쇄슬러리에 음이온 계면활성제인 쇼듐 라우릴 설페이트(Sodium Lauryl Sulfate, SLS, CH3(CH2)11OSO3Na) 1.0 ~ 7.0 wt%로 첨가하여 5 ~ 20 분 동안 발포 공정을 거쳐 발포슬러리를 제조하고,
상기 발포슬러리에 에폭시를 첨가하여 겔캐스팅(Gel-Casting)하고,
상기 발포슬러리가 굳기 전에 펠렛(pellet) 성형기를 이용하여 다공성형체를 제조하고,
상기 다공성형체를 180 ~ 220 ℃에서 건조하고, 550 ~ 650 ℃에서 탈지한 후 850 ~ 1,075 ℃에서 2 ~ 4 시간 소성하여 제조한 것을 사용한다.
더욱 구체적으로는 다음의 과정을 거쳐 제조한다.
1. 광미 50 wt%와, 폐유리 분말 50 wt%의 혼합물을 알루미나 용기에 넣어 볼밀 분쇄하되, 상기 혼합물과 알루미나 볼을 1 : 6 부피비로 하여 분쇄하여 평균입도 200 ㎛의 제1혼합분말을 제조한다.
2. 상기 제1혼합분말 95.0 wt%와 물(water) 5.0 wt%의 혼합으로 조성된 100 wt%의 제2혼합분말과 알루미나 볼을 1 : 6의 부피비로 혼합하여 30 분 동안 볼밀 분쇄하여 슬러리를 제조한다.
3. 상기 슬러리를 알루미나 볼과 동 부피비로 알루미나 용기에 넣은 후, 800 rpm으로 2 시간 동안 밀링(milling)하여 분쇄슬러리를 제조한다.
4. 상기 분쇄슬러리에 음이온 계면활성제인 쇼듐 라우릴 설페이트(Sodium Lauryl Sulfate, SLS, CH3(CH2)11OSO3Na) 5.0 wt%로 첨가하여 10 분 동안 발포 공정을 거쳐 발포슬러리를 제조한다.
5. 상기 발포슬러리에 에폭시를 첨가하여 겔캐스팅(Gel-Casting)하고, 상기 발포슬러리가 굳기 전에 펠렛(pellet) 성형기를 이용하여 다공성형체를 제조한다.
6. 상기 다공성형체를 200 ℃에서 건조하고, 600 ℃에서 탈지한 후 1,000 ℃에서 3 시간 동안 소성한다.
상기 수생식물(224)은 개구리밥(Lemna minor), 검정말(Hydrilla verticillata), 노랑어리연꽃(Nymphoides indica), 물양귀비(Hydrocleys nymphoides), 마름(Trapa japonica), 큰부들(Typha latifolia), 애기부들(Typha angustata), 노란꽃창포(Iris pseudoacorus), 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 나도겨풀(Leersia japonica), 달뿌리풀(Phragmites japonica steud) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 제2인공습지부(22)와 후단의 제3인공습지부(23)의 경계면에는 제2격벽(42)이 설치된다.
상기 제2격벽(42)의 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 양측에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되어 상기 제2인공습지부(22)에서 2차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수가 제3인공습지부(23)로 유입된다.
< 제3인공습지부 >
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 인공습지(20)의 제3인공습지부(23)는 식생용세라믹층(231)과, 상기 식생용세라믹층(231)에 식재되는 수생식물(232)로 구성된다.
상기 식생용세라믹층(231)은 식생용세라믹층(231)은 황토분말 90 ~ 96.5 wt%와 탄산칼슘 2 ~ 5 wt%, paraffin wax(PW), polyethylene glycol(PEG), ethylene vinyl acetate copolymer(EVA),polystyrene(PS), polypropylene(PP), low density polyethylene(LDPE), polyoxymethylene(POM), agarose and high density polyethylene(HDPE) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 바인더 0.5 ~ 5 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 900 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 50 분간 소결시켜 제조한 100 wt%의 황토세라믹(a) 40 ~ 60 wt%;
규조토 82 ~ 90 wt%, 패각분말 2 ~ 7 wt%, 탄산칼슘 0.1 ~ 3 wt%, paraffin wax(PW), polyethylene glycol(PEG), ethylene vinyl acetate copolymer(EVA),polystyrene(PS), polypropylene(PP), low density polyethylene(LDPE), polyoxymethylene(POM), agarose and high density polyethylene(HDPE) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상의 바인더 0.5 ~ 5 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 900 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 50 분간 소결시켜 제조된 100 wt%의 규조토세라믹(b) 40 ~ 60 wt%;의 혼합(a+b)으로 조성되는 것을 사용한다.
더욱 구체적으로는 다음의 과정을 거쳐 제조한다.
1. 황토분말 95.5 wt%와 탄산칼슘 2.5 wt%, paraffin wax(PW)의 바인더 2.0 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 1,000 ℃에서 50 분간 소결시켜 황토세라믹을 제조한다.
2. 규조토 90.0 wt%, 패각분말 5.0 wt%, 탄산칼슘 3.0 wt%, paraffin wax(PW)의 바인더 2.0 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 1,000 ℃에서 50 분간 소결시켜 규조토세라믹을 제조한다.
3. 상기 황토세라믹 50 wt%와 상기 규조토세라믹 50 wt%를 혼합한다.
상기 수생식물(232)은 개구리밥(Lemna minor), 검정말(Hydrilla verticillata), 노랑어리연꽃(Nymphoides indica), 물양귀비(Hydrocleys nymphoides), 마름(Trapa japonica), 큰부들(Typha latifolia), 애기부들(Typha angustata), 노란꽃창포(Iris pseudoacorus), 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 나도겨풀(Leersia japonica), 달뿌리풀(Phragmites japonica steud) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 제3인공습지부(23)와 후단의 제4인공습지부(24)의 경계면에는 제3격벽(43)이 설치된다.
상기 제3격벽(43)의 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되어 상기 제3인공습지부(23)에서 3차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수가 제4인공습지부(24)로 유입된다.
< 제4인공습지부 >
도 1, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인공습지(20)의 제4인공습지부(24)는 망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(241)과, 상기 모듈(241) 상부에 고정설치되는 천연황토세라믹 담체(242)와, 상기 모듈(241)의 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(243)와, 상기 천연황토세라믹 담체(242)에 식재되는 수생식물(243)로 구성된다.
원통형 모듈(241)은 망형상의 원통구로 형성되어 내면과 외면에는 다수의 미세한 주름이 형성된 주름턱부(241a)를 폴리에틸렌으로 이루어지되, 종방향의 상·하 공간을 분리하기 위한 메쉬구조의 폴리에틸렌 분리판이 형성된다.
또한 상기 원통형 폴리에틸렌 담체(243)는 망형상의 원통구로 형성되어 내면과 외면에는 다수의 미세한 주름이 형성된 주름턱부(253a)를 갖는 것이다.
상기 원통형 모듈(241)과 원통형 폴리에틸렌 담체(243)는 상기 주름턱부(241a, 253a)를 통해 미생물 고착이 용이하여 미생물에 의한 수처리 기작이 이루어진다.
상기 천연황토세라믹 담체(242)는 황토분말 54 ~ 60 wt%와, 제철슬래그 15 ~ 30 wt%와, 제지슬러지와 톱밥을 동 중량비율로 혼합조성한 기공형성제 10 ~ 30 wt%와, 물(water) 1 ~ 10 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 900 ~ 1,000 ℃에서 45 ~ 50 분간 소결시켜 제조한 것을 사용한다.
더욱 구체적으로는,
황토분말 55.0 wt%와, 제철슬래그 23.0 wt%와, 제지슬러지와 톱밥을 동 중량비율로 혼합조성한 기공형성제 15.0 wt%와, 물(water) 7.0 wt%를 혼합하여 성형 건조 후 1,000 ℃에서 50 분간 소결시켜 상기 천연황토세라믹 담체(242)를 제조한다.
상기 수생식물(243)은 개구리밥(Lemna minor), 검정말(Hydrilla verticillata), 노랑어리연꽃(Nymphoides indica), 물양귀비(Hydrocleys nymphoides), 마름(Trapa japonica), 큰부들(Typha latifolia), 애기부들(Typha angustata), 노란꽃창포(Iris pseudoacorus), 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 나도겨풀(Leersia japonica), 달뿌리풀(Phragmites japonica steud) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 제4인공습지부(24)와 후단의 제5인공습지부(25)의 경계면에는 제4격벽(44)이 설치된다.
상기 제4격벽(44)의 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 양측에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되어 상기 제4인공습지부(24)에서 4차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수가 제5인공습지부(25)로 유입된다.
< 제5인공습지부 >
도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인공습지(20)의 제5인공습지부(25)는 망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(251)과, 상기 모듈(251) 상부에 고정설치되는 다공성세라믹 담체(252)와, 상기 모듈(251) 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(253)와, 상기 다공성세라믹 담체(252)에 식재되는 수생식물(253)로 구성된다.
상기 다공성세라믹 담체(252)는 분쇄기에 100 ~ 300 ㎛의 지르코니아 분말 70 ~ 85 wt%; 그라파이트(Graphite) 10 ~ 20 wt%; 페놀수지(phenolic novolac resin) 5 ~ 10 wt%를 투입한 후, 지르코니아 볼과 함께 20 ~ 30 시간 동안 볼밀링(ball-milling)하여 원료를 분쇄 및 혼합하여 혼합분말을 조성하고,
이와 같이 조성된 혼합분말을 직경 25 mm의 disk형 몰드에 넣고 20 MPa의 압력으로 일축가압 예비성형 후 1.2 ton의 압력으로 냉간정수압성형 (Cold Isostatic Pressing, CIP)한 후, 성형체를 100 ℃의 드라이 오븐(dry oven)에서 24 시간 건조시킨 후 1,000 ℃ 질소 분위기에서 3 시간 동안 소성하여 다공성 세라믹으로 제조한 것을 사용한다.
더욱 구체적으로는 다음의 과정을 거쳐 제조한다.
1. 분쇄기에 200 ㎛의 지르코니아 분말 80.0 wt%; 그라파이트(Graphite) 15.0 wt%; 페놀수지(phenolic novolac resin) 5.0 wt%를 투입한 후, 지르코니아 볼과 함께 25 시간 동안 볼밀링(ball-milling)하여 원료를 분쇄 및 혼합하여 혼합분말을 조성한다.
2. 상기 혼합분말을 직경 25 mm의 disk형 몰드에 넣고 20 MPa의 압력으로 일축가압 예비성형 후 1.2 ton의 압력으로 냉간정수압성형 (Cold Isostatic Pressing, CIP)한 후, 성형체를 100 ℃의 드라이 오븐(dry oven)에서 24 시간 건조시킨 후 1,000 ℃ 질소 분위기에서 3 시간 동안 소성하여 다공성 세라믹을 제조한다.
상기 수생식물(253)은 개구리밥(Lemna minor), 검정말(Hydrilla verticillata), 노랑어리연꽃(Nymphoides indica), 물양귀비(Hydrocleys nymphoides), 마름(Trapa japonica), 큰부들(Typha latifolia), 애기부들(Typha angustata), 노란꽃창포(Iris pseudoacorus), 부레옥잠(Eichhornia crassipes), 나도겨풀(Leersia japonica), 달뿌리풀(Phragmites japonica steud) 중 선택되는 어느 1종 또는 2종 이상인 것을 사용한다.
상기 제5인공습지부(25)의 후단에는 제5격벽(45)이 설치된다.
상기 제5격벽(45)의 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되어 상기 제5인공습지부(25)에서 5차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수가 후단의 배출조(30)로 유입된다.
이와 같이, 상기 제1인공습지부(21) 내지 제5인공습지부(25)는 제1식재층(213)과 수생식물(214); 제올라이트(221a), 다공성 세라믹(222a), 발포유리(223a) 및 수생식물(224); 식생용세라믹층(231)과 수생식물(232); 천연황토세라믹 담체(242), 폴리에틸렌 담체(243), 천연황토세라믹 담체(242) 및 수생식물(243); 다공성세라믹 담체(252), 폴리에틸렌 담체(253) 및 수생식물(253);로 구성됨으로써, 수질정화기작은 환경조건에 따라 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 분해반응이 독립적 또는 복합적인 과정을 통하여 이루어지고, 이로 인해 하·폐수 내에 포함되어 있는 미량유해물질을 효과적으로 제거하게 된다.
상기 제1격벽(41) 내지 제5격벽(45)에는 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 양측 또는 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되는 것으로서, 계단형 다단 구조를 이루고 있는 상부의 제1인공습지부(21)에서 부터 하부의 제5인공습지부(25)에 이르기까지 월류되는 하폐수의 흐름이 양측면에서 중앙부, 중앙부에서 다시 양측면으로 흐르도록 함으로써 제1인공습지부(21) 내지 제5인공습지부(25)에서의 미량유해물질 제거를 위한 체류시간을 최대한 확보할 수 있는 구조를 이루고 있다.
즉, 하·폐수 집수조(10)를 통해 인공습지(20)로 유입된 하·폐수는 제1인공습지부(21)에서의 1차 미량유해물질 제거과정을 거친 후 제1격벽(41) 하부 양측에 형성된 통공(100a)을 통하거나 또는 상단 양측에 형성되어 있는 'U'자형 월류부(100b)를 통해 제2인공습지부(22)로 넘어가게 된다.
제2인공습지부(22)에서의 2차 미량유해물질 제거과정을 거친 하·폐수는 제2격벽(42) 하부 양측에 통공(100a)을 통하거나 또는 상단 중앙부에 형성되어 있는 'U'자형 월류부(100b)를 통해 제3인공습지부(23)로 넘어가게 된다.
이와 같이 제1격벽(41)의 상단에는 양측에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되고, 그 후단에 있는 제2격벽(42)의 상단에는 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성된다. 그리고 제3격벽(41)은 제1격벽(41)과 동일 구조를 이루고, 제4격벽(44)은 제2격벽(42)과 동일 구조를 이루게 된다.
본 발명에 따른 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템은 제1식재층과 수생식물로 이루어지는 제1인공습지부; 제올라이트, 다공성 세라믹, 발포유리 및 수생식물로 이루어지는 제2인공습지부; 식생용세라믹층 및 수생식물로 이루어지는 제3인공습지부; 천연황토세라믹 담체, 폴리에틸렌 담체 및 수생식물로 이루어지는 제4인공습지부; 다공성세라믹 담체, 폴리에틸렌 담체 및 수생식물로 이루어지는 제5인공습지부에 이르는 인공습지의 다단 구성을 이룸으로써, 물리적, 화학적, 생물학적 분해반응이 독립적 또는 복합적인 과정을 통하여 이루어지고, 이로 인해 하·폐수 내에 포함되어 있는 미량유해물질을 효과적으로 제거할 수 있어 수질 분야에 있어 산업상 이용가능성이 크다.
10: 하·폐수 집수조 20: 인공습지
21: 제1인공습지부 22: 제2인공습지부
23: 제3인공습지부 24: 제4인공습지부
25: 제5인공습지부 30: 배출조
41: 제1격벽 42: 제2격벽
43: 제3격벽 44: 제4격벽
45: 제5격벽 100a: 통공
100b: 월류부 211: 발포유리
212: 모래 213: 제1식재층
214: 수생식물 221: 발포유리
222: 팽창질석 223: 제2식재층
224, 232, 254: 수생식물 231: 다공성세라믹층
241, 251: 모듈 242: 천연황토세라믹 담체
243: 폴리에틸렌 담체 252: 다공성세라믹 담체
253: 폴리에틸렌 담체
21: 제1인공습지부 22: 제2인공습지부
23: 제3인공습지부 24: 제4인공습지부
25: 제5인공습지부 30: 배출조
41: 제1격벽 42: 제2격벽
43: 제3격벽 44: 제4격벽
45: 제5격벽 100a: 통공
100b: 월류부 211: 발포유리
212: 모래 213: 제1식재층
214: 수생식물 221: 발포유리
222: 팽창질석 223: 제2식재층
224, 232, 254: 수생식물 231: 다공성세라믹층
241, 251: 모듈 242: 천연황토세라믹 담체
243: 폴리에틸렌 담체 252: 다공성세라믹 담체
253: 폴리에틸렌 담체
Claims (9)
- 하·폐수 집수조(10); 상기 하·폐수 집수조(10)로부터 공급되는 하·폐수 내 미량유해물질을 처리하는 인공습지(20); 상기 인공습지(20)를 거쳐 미량유해물질이 제거된 처리수를 배출하는 배출조(30)를 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 인공습지(20)는 발포유리(211) 20 ~ 50 wt%와 모래(212) 50 ~ 80 wt%의 혼합으로 제1식재층(213)을 조성하고, 상기 제1식재층(213)에 수생식물(214)을 식재함으로써 구성되는 제1인공습지부(21)와,
제올라이트로 적층 형성되는 하층부(221)와, 상기 하층부(221) 위로 다공성 세라믹(222a)이 적층 형성되는 중층부(222)와, 상기 중층부(222) 위로 발포유리가 적층 형성되는 상층부(223)와, 상기 상층부(223)에 식재되는 수생식물(224)을 포함하여 구성되는 제2인공습지부(22)와,
식생용세라믹층(231)과, 상기 식생용세라믹층(231)에 식재되는 수생식물(232)로 구성되는 제3인공습지부(23)와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(241)과, 상기 모듈(241) 상부에 고정설치되는 천연황토세라믹 담체(242)와, 상기 원통형 모듈(241)의 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(243)와, 상기 천연황토세라믹 담체(242)에 식재되는 수생식물(244)로 구성되는 제4인공습지부(24)와,
망형상의 폴리에틸렌으로 이루어진 중공의 원통형 모듈(251)과, 상기 모듈(251) 상부에 고정설치되는 다공성세라믹 담체(252)와, 상기 모듈(251) 하부에 탑재되는 원통형 폴리에틸렌 담체(253)와, 상기 다공성세라믹 담체(252)에 식재되는 수생식물(254)로 구성되는 제5인공습지부(25)가 순차적으로 계단형 단차구조를 이루어 연속형성되되,
상기 제1인공습지부(21)와 제2인공습지부(22)의 경계면에 제1격벽(41),
상기 제2인공습지부(22)와 제3인공습지부(23)의 경계면에 제2격벽(42),
상기 제3인공습지부(23)와 제4인공습지부(24)의 경계면에 제3격벽(43),
상기 제4인공습지부(24)와 제5인공습지부(25)의 경계면에 제4격벽(44),
상기 제5인공습지부(25)의 후단에 제5격벽(45)이 형성되며,
상기 제1격벽 내지 제4격벽에는 하부 양측에 통공(100a)이 형성되고, 상단 양측 또는 중앙부에 'U'자형 월류부(100b)가 형성되는 것에 있어서,
상기 다공성 세라믹(222a)은 광미 40 ~ 60 wt%와, 폐유리 분말 40 ~ 60 wt%의 혼합물을 알루미나 용기에 넣어 볼밀 분쇄하되, 상기 혼합물과 알루미나 볼을 1 : 6 부피비로 하여 분쇄하여 150 ~ 300 ㎛의 제1혼합분말을 제조하고,
상기 제1혼합분말 85.0 ~ 95.0 wt%와 물(water) 5.0 ~ 15.0 wt%의 혼합으로 조성된 100 wt%의 제2혼합분말과 알루미나 볼을 1: 6의 부피비로 혼합하여 20 ~ 40 분 동안 볼밀 분쇄하여 슬러리를 제조하고,
상기 슬러리를 알루미나 볼과 동 부피비로 알루미나 용기에 넣은 후, 500 ~ 800 rpm으로 1 ~ 3 시간 동안 밀링(milling)하여 분쇄슬러리를 제조하고,
상기 분쇄슬러리에 음이온 계면활성제인 쇼듐 라우릴 설페이트(Sodium Lauryl Sulfate, SLS, CH3(CH2)11OSO3Na) 1.0 ~ 7.0 wt%로 첨가하여 5 ~ 20분 동안 발포 공정을 거쳐 발포슬러리를 제조하고,
상기 발포슬러리에 에폭시를 첨가하여 겔캐스팅(Gel-Casting)하고,
상기 발포슬러리가 굳기 전에 펠렛(pellet) 성형기를 이용하여 다공성형체를 제조하고,
상기 다공성형체를 180 ~ 220 ℃에서 건조하고, 550 ~ 650 ℃에서 탈지한 후 850 ~ 1,075 ℃에서 2 ~ 4 시간 소성하여 제조한 것임을 특징으로 하는 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템.
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| KR1020180048829A KR101903044B1 (ko) | 2018-04-27 | 2018-04-27 | 하·폐수 내 미량유해물질 처리를 위한 인공습지 시스템 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2018
- 2018-04-27 KR KR1020180048829A patent/KR101903044B1/ko active IP Right Grant
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