KR102066160B1 - 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼 및 이의 제조방법 - Google Patents

접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼 및 이의 제조방법에 관한 것으로 표면이 코팅된 다수개의 담체; 상기 담체의 표면에 도포되어 다수개의 담체를 상호 접합시키는 접착제층; 및 상기 접착제층이 형성된 담체가 서로 결합되어 형성된 바이오스톤볼의 표면에 다공성 구조로 형성된 유·무기 코팅층을 포함하여, 상기 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들을 통해 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하도록 함으로써, 미세한 공극을 통해 지속적으로 생장 및 증식하는 미생물들을 통해 오염수의 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행한다.

Description

접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼 및 이의 제조방법{Bio stone ball having contact oxidation function and manufacturing method}
본 발명은 미세한 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들을 통해 오염수의 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
가정이나, 축산농장 또는 공장 등에서 배출되는 폐수 등의 오염수에는 각종 유기물들이 포함되어 있어 이들을 그대로 하천 등의 자연수역에 방류하게 되면 생태계가 파괴되거나 수계전염병 등이 발생할 우려가 있는바, 이러한 오염수는 물리화학적 내지는 생물학적 정화처리방법을 통해 정화시킨 후 자연수역에 방류시켜 환경을 보호할 수 있다.
한편, 하천 등의 자연계에는 돌 등에 부착되어 있으면서 유기물을 분해하거나 제거하는 미생물들이 많이 존재한다. 이러한 미생물은 산소가 존재하는 상태에서 유입되어 오염수의 유기물을 분해하는 자정작용을 하게 되는데, 이러한 호기성 미생물을 이용하는 생물학적 정화처리방법으로 가장 널리 사용되는 것으로 활성슬러지법이 있다.
오염수에 공기를 불어넣고 교반시키면, 상기와 같은 호기성 미생물이 오염수
중의 미생물을 이용하여 증식하고 활성슬러지라는 응집성의 플록을 형성한다. 활성슬러지를 산소와 혼합하면, 오염수 중의 유기물은 활성슬러지에 흡착되고, 미생물의 대사기능에 따라 산화 또는 동화되며, 일부는 활성슬러지로 전환되고 침전 및 농축된 활성슬러지는 침전지에서의 고액분리 과정을 거친 후 잉여슬러지로 처리된다.
따라서 활성슬러지법을 이용하는 경우에는 기본적으로 폭기, 침전, 슬러지 수거 및 처리 등의 과정을 위한 장소 및 설비를 기본으로 하며, 질소 등의 제거를 위한 별도의 공정을 추가시켜야 하기 때문에 많은 건설비용과 설비를 운영하기 위한 전문기술자를 필요로 한다는 점에 문제점이 있다.
이와 더불어 상기한 호기적 처리방법에서는 많은 슬러지가 발생하게 되는데, 이러한 슬러지 처리를 위한 비용은 경우에 따라서 전체 오염수처리 경비의 50%이상을 차지하기도 하며, 더욱이 2012년 1월부터 해양투기가 전면 금지되어 상기 슬러지의 발생을 줄이는 것 역시 오염수정화처리의 중요한 과제의 하나라고도 할 수 있다.
또 다른 생물학적 처리방법으로는 산소를 필요로 하지 아니하는 미생물을 이용한 혐기적 처리방법이 있다. 혐기성 처리방법은 세포합성에 필요한 탄소와 에너지를 유기물질로부터 얻어내고, 발효에 의하여 ATP를 생산하거나, 분자 내에 결합된 산소를 산화제로 이용하는 혐기성 종속계 세균의 물질대사를 이용하는 방법이다. 이러한 혐기성 처리방법은 산소공급을 필요로 하지 않으며, 슬러지 발생량이 적고, 병원성 미생물이 사멸될뿐 아니라, 반응 최종물질로서 메탄가스, 산화탄소, 암모늄, 황화수소등이 방출되며 이러한 가스는 에너지원으로 사용될 수 있다는 점에서 호기성 처리방법에 비해 유리하다고 할 수 있다.
다른 한편으로, 상기한 호기성 미생물만을 이용한 방법만으로는 고농도 폐수 또는 난분해성 물질들을 효과적으로 처리할 수 없는 문제점이 있다.
그래서 최근에는 기존의 호기성 처리방법과 혐기성 처리방법을 병행하여 사용하는 방법에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
도 1은 호기적 처리방법과 혐기적 처리방법을 하나의 공정 안에서 이루어지도록 한 대한민국 등록특허 제0798349호의 유기성 폐기물 처리장치를 전체적으로 도시한 것이다. 상기한 유기성 폐기물 처리장치는 혐기적 처리와 호기적 처리를 반복적으로 진행시킬 수 있도록 하기 위하여 제1, 2, 3 혐호기복합처리조(21, 22, 23)가 연속된 혐호기복합처리조(20)를 설치하되, 상기 각복합처리조(21, 22, 23)에는 내부에 미생물이 고정된 고정상 접촉여재(24)와 외부공기를 도입하여 내부에 분사하는 산기관(25)을 각각 구비하고 있다. 상기한 복합처리조(21, 22, 23)는 산기관(25)의 상부에서는 호기적 처리가 이루어지고, 산기관(25)의 하부에서는 혐기적 처리가 이루어지도록 하는 것이다. 그러나 상기의 종래기술과 같이 산소공급을 억제하여 혐기의 여건을 부여한다고 하여 모든 유기물이 분해될 수 있는 것이 아니므로 오염수의 처리에 한계가 있다.
미생물은 용해 가능한 형태의 유기물질만을 섭취할 수 있기 때문에 불용성 상태의 유기물을 가용성의 유기물로 변화시키는 과정을 필요로 한다. 따라서 혐기성 처리에 의한 유기물의 분해는 탄수화물, 지방, 단백질 등 불용성 유기물이 혐기성 미생물이 방출하는 세포외분비효소(extracellular enzyme)에 의해 가용성 유기물로 분해되는 가수분해단계(hydrolysis)를 가지게 되며, 산 생성 물질이 유기물질을 분해시켜 유기산과 알콜을 생성하는 산생성단계(acidogensis), 산생성단계에서 생성된 유기산과 알콜이 초산생성미생물에 의해 분해되어 초산, CO₂, H₂로 변화되는 초산 생성단계(acetogensis), 및 메탄형성 미생물과 전자공여체에 의해 메탄이 생성되는 메탄생성단계(methanognsis)가 순차로 진행됨으로써 이루어진다.
혐기성 처리는 슬러지의 감량과 안정화, 병원균 사멸 그리고 에너지원으로 메탄을 얻는 장점이 있다. 그러나 긴 체류시간(20~30일)으로 인한 대규모 시설투자비, 낮은 유기물 분해 효율(30~50%)로 제약을 받는데, 이는 주로 율속 단계인 가수분해에 기인한다.
이와 같이 일반적인 혐기적 처리방식에서는 호기성 처리와 비교하여 많은 체류시간을 요구하기 때문에 상기와 같은 혐기적 처리를 위한 설비에서는 유기물의 충분한 분해가 이루어지지 않게 되어 오염수처리의 효율이 떨어지게 된다. 또한, 생물막이 부착증식하는 종래방식의 담체를 충전하여 단일 반응조에서 질소와 인의 제거를 시도하였으나 제거효율은 저조하였다. 그 기작(Mechanism)을 설명하면, 담체에 부착증식되는 생물막의 두께는 통상 1~2 mm 정도이며, 그 중 표피층 약 0.1~0.2 mm는 호기성조건이고, 내부 생물막은 산소와 기질이 제대로 도달하지 못하는 혐기성조건이 된다. 이와 같이 생물막은 상이 다른 층으로 형성될 수 있으므로 표피의 호기성층에서는 유기물 분해와 질산화반응을, 혐기성층에서는 탈질반응을 기대할 수 있으나 기질(Substrate)이 호기성층을 통과하여 혐기성층에 도달이 어려우므로 탈질, 탈인 효율이 저조하였다.
상기 문제점을 개선하기 위한 종래의 대한민국 등록특허 제0274538호는 하폐수 중의 유기물질과 질소 및 인 등을 동시에 제거할 수 있는 담체에 관한 것으로, 다수개의 관상공극이 구비되고, 상기 관상공극의 내면에 생물막이 부착증식되어, 호기성 반응조 내의 반응액이 상기 관상공극 등을 통과하면서 각각의 관상공극의 깊이에 따라 관상 공극의 표면에 부착증식되는 생물막에서 호기성조건, 무산소조건 또는 혐기성조건으로 상이 분리 형성되도록 하여 유기물의 분해와 질소ㅇ인 제거효율이 개선되도록 하였다. 그러나 상기 기술에 따른 담체는 고가의 합성수지 또는 합성수지와 세라믹 분말의 혼합물을 가열하여 용융상태에서 사출금형의 내부에 주입하여 사출성형하거나, 또는 압출 성형기를 이용하여 압출성형 후 소정의 길이로 절단하여야 되는 구성이므로 금형과 성형기 등 고가의 제조장비가 소요되고 재료비와 제조경비가 과다 소요되어 비경제적이다. 또한, 상기 기술에 따른 세라믹 소재로 구성된 담체는, 관상공극이 형성되도록 세라믹 소재를 형틀에서 성형하거나, 또는 압출 성형기로 압출 성형하여 절단하고, 건조 후 고온에서 소결하여야 되므로 제조과정이 복잡하고 연료 소모가 과다하여 비경제적이다.
내부가 쇄석 등으로 가득 채워진 담체는 비표면적이 적기 때문에 생물막의 부착증식이 가능한 표면적이 작고, 외부와 상이 다른 반응조건을 형성할 수 있는 내부공간이 거의 없다. 따라서 반응조에 충전시 반응조의 대부분이 쇄석과 자갈로 채워진 것과 동일한 결과를 초래하고 담체에 의하여 반응기의 용량이 대부분 잠식되므로 반응조에서 단순 현탁증식하는 미생물 보다 담체를 충전하여 부착증식하는 경우의 미생물이 더 적을 수 있다.
또한, 상기 담체는 입상체로 내부까지 채워진 단순한 구형이므로 공극의 길이가 일정하지 않고 담체 표면 측 공극으로부터 담체 내부의 일정 깊이의 공극 까지는 미생물이 부착증식할 수 있으나, 담체 중심부의 깊은 공극에는 기질이 도달하지 못하므로 미생물의 부착증식에 활용되지 못하는 사구간이 될 수 있다.
대한민국 공개특허 제2003-0066880호(2003.08.14.) 대한민국 공개특허 제2000-0037315호(2000.07.05.)
본 발명의 목적은 미세한 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들을 통해 오염수의 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼은 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅층이 표면에 형성된 다수개의 담체; 상기 담체 코팅층으로 코팅된 담체의 표면에 도포되어 다수개의 담체를 상호 접합시키며, 다공성 구조로 형성된 접착제층; 및 상기 접착제층이 형성된 담체가 서로 결합되어 형성된 바이오스톤볼의 표면에 다공성 구조로 형성된 유·무기 코팅층;을 포함하여, 상기 유·무기 코팅층의 공극에 미생물이 충진되어 상기 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들로 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하도록 할 수 있다.
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상기 접착제층은 에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 0.1-0.3의 중량비로 혼합된 수지제 100 중량부에 대하여, 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.6-0.8의 중량비로 혼합된 경화제 40 내지 60 중량부, 카본블랙 0.5 내지 1 중량부, 이산화규소 5 내지 10 중량부, 산화알루미늄 1 내지 8 중량부, 플라이애시 1 내지 30 중량부, 메타카올린 0.01 내지 10 중량부, 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체 0.01 내지 10 중량부 및 소성된 하소백운석 0.01 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
상기 미생물은 복합유용미생물 및 박테리아로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유·무기 코팅층은 엘라스토머수지 100 중량부에 대하여, 슝기트 분말 1 내지 20 중량부, 해조류 분말 1 내지 10 중량부, 산화철 0.01 내지 10 중량부, 마그네사이트 1 내지 15 중량부, 알지네이트 1 내지 15 중량부, 돌로마이트 1 내지 15 중량부, 유기섬유 0.1 내지 5 중량부, 무기섬유 0.1 내지 5 중량부, 일라이트 1 내지 10 중량부 및 펄라이트 1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
또한, 상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼을 제조하는 방법은 (A) 다수개의 담체의 표면을 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅제로 코팅시키는 단계; (B) 상기 담체에 코팅된 담체 코팅층의 표면에 접착제를 도포하는 단계; (C) 상기 접착제가 도포된 코팅 담체를 성형틀에 충진하여 상기 접착제가 도포된 담체가 상호 접합되도록 성형 및 양생시켜 바이오스톤볼을 제조하는 단계; (D-1) 상기 제조된 바이오스톤볼을 성형틀에서 분리한 후 상기 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 도포하는 단계; 및 (D-2) 상기 유·무기코팅제가 도포된 담체를 미생물액에 침지시키는 단계;를 포함할 수 있다.
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상기 미생물액에 침지시키는 단계에서는 미생물액에 10 내지 20분 동안 침지시키며, 상기 미생물액의 미생물 농도는 1.0X1010 내지 9.0X1010 CFU/L일 수 있다.
본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼은 다공성 구조로 형성된 유·무기 코팅층 및 접합된 담체 사이에 형성된 공극 등 바이오스톤볼에 형성된 공극에 미생물들이 다량 충진되어 미생물들을 안정적으로 생장 및 증식시킴으로써 오염수에 대한 COD, SS, Chl-a, T-N 및 T-P의 처리효율이 우수하다. 특히, 유·무기 코팅층의 공극에 미생물이 충진된 바이오스톤볼의 오염수 정화능력이 우수하다.
또한, 본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼은 압축강도가 우수한데, 구체적으로는 일반적으로 요구되는 3.8 MPa 이상 보다 월등히 높은 4.3 내지 4.6 MPa이다.
또한, 본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼은 친자연적 재료 사용으로 반영구적 사용 가능하며, 수처리시설로 활용 시 심미적 영향과 경관적 효과를 가질 수 있다.
도 1은 호기적 처리방법과 혐기적 처리방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바이오스톤볼의 공극을 통해 고형유기물을 분해하는 과정을 나타낸 상태도이다.
도 3은 본 발명의 바이오스톤볼을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 바이오스톤볼 중 하나의 담체의 단면도를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바이오스톤볼의 평균직경에 따른 표면적 및 공극을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 미세한 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들을 통해 오염수의 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼(BSB) 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바이오스톤볼의 공극을 통해 고형유기물을 분해하는 과정을 나타낸 상태도이며, 도 3은 본 발명의 바이오스톤볼을 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명의 바이오스톤볼 중 하나의 담체의 단면도를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 바이오스톤볼의 평균직경에 따른 표면적 및 공극을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼은 일 구현예로 담체 코팅제로 표면이 코팅(담수 코팅층, 120)된 다수개의 담체; 및 상기 담체 코팅층의 표면에 도포되어 다수개의 담체를 상호 접합시키는 접착제층(130);을 포함한다.
또한, 다른 구현예로 바이오스톤볼은 담체 코팅제로 표면이 코팅(담수 코팅층, 120)된 다수개의 담체; 상기 담체 코팅층의 표면에 도포되어 다수개의 담체를 상호 접합시키는 접착제층(130); 및 상기 접착제층이 구비된 담체가 상호 접합하여 형성된 바이오스톤볼의 표면에 코팅되며 다공성 구조로 형성되어 상기 공극에 미생물이 충진된 유·무기 코팅층(140);을 포함하여 상기 유·무기 코팅층의 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들로 오염수의 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행한다. 이때, 상기 유·무기 코팅층은 바이오스톤볼의 내부에는 코팅되지 못하고 표면에만 코팅되며, 다수개의 공극(다공성)과 다수개의 관통홀이 함께 형성되어 있어, 상기 유·무기 코팅층의 공극에서는 충진된 미생물들이 생장 및 증식뿐만 아니라 유출도 된다.
상기와 같이 유·무기 코팅층을 형성하는 경우에는 접착제층에 비하여 공극이 1.3 내지 2배로 많이 형성되어 유·무기 코팅층에 의해 미생물들이 충진되는 양이 증가하고 이에 의해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물의 양이 많을 뿐만 아니라 미생물이 유출되는 시간도 길어지므로 자정능력이 향상된다. 또한, 유·무기 코팅층을 형성하는 경우가 유·무기 코팅층을 형성하지 않는 경우보다 더욱 장시간 동안 미생물들을 유출시킬 수 있다.
삭제
또한, 유·무기 코팅층에 형성된 공극은 미생물을 충진시켜 미생물을 생장, 증식 및 지속적인 유출의 역할 외에도 오염수에 함유된 슬러지 및 유기물질들을 흡착시켜 정화시키는 역할도 수행한다.
담체 코팅층(120)
상기 담체 코팅층은 담체의 표면에 코팅되어 담체와 접착제층의 결합을 향상시킴으로써 담체가 접착제층에서 분리되는 것을 방지한다.
상기 담체 코팅층의 두께는 0.01 내지 1 mm, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 mm이다. 담체 코팅층의 두께가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 담체 코팅층과 접착제층의 결합력이 저하될 수 있다.
상기 담체 코팅층은 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부; 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량부; 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 1 중량부를 포함한다.
상기 석유수지는 담체 코팅층과 접착제층의 결합력을 향상시켜주는 물질로서, 구체적으로 로진수지, 테레펜 수지 또는 이들의 혼합 수지를 들 수 있으며, 바람직하게는 로진수지를 들 수 있다.
또한, 상기 유기산은 담체와 담체 코팅층 간의 결합력을 향상시킴으로써 담체에 직접 접착제층이 형성되는 경우에 장기간 사용 시 접착제층이 담체로부터 탈락되는 현상을 방지하는 물질로서, 구체적으로 아디픽산, 퓨마릭산, 스테아린산, 올레인산, 필미틱산, 라우릴산, (무수)말레인산 및 (무수)테레프탈산로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
유기산의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 담체와 담체 코팅층 간의 결합력이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 담체와 담체 코팅층 간의 결합력은 향상되지만 담체 코팅층과 접착제층 간의 결합력이 저하될 수 있다.
또한, 상기 시클로헥실아민아질산염은 유기산과 함께 사용되어 담체와 담체 코팅층 간의 결합력을 향상시킬 뿐만 아니라 담체 코팅층의 강도를 향상시키는 물질이다.
시클로헥실아민아질산염의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 담체와 담체 코팅층 간의 결합력 및 담체 코팅층의 강도가 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 추후 경화과정에서 크랙이 발생할 수 있다.
또한, 상기 규산칼슘은 석유수지와 함께 사용되어 담체 코팅층과 접착제층의 결합력을 향상시킨다.
규산칼슘의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 담체 코팅층과 접착제층의 결합력이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 담체 코팅층과 접착제층의 결합력이 저하될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 담체(110)는 쇄석, 자갈, 세라믹, 플라스틱, 유리 및 질석으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
접착제층(130)
상기 접착제층은 상기 담체 코팅층(120)의 상면에 형성되는 층으로서, 담체 코팅층으로 코팅된 담체의 표면에 도포되어 약간의 물리적인 힘만으로 다수개의 담체를 상호 접합시킨다.
상기 접착제층의 두께는 0.01 내지 1 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.8 mm이다. 접착제층의 두께가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 코팅된 담체들간의 상호 접합이 용이하지 않을 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 압축강도가 저하될 수 있다.
본 발명의 접착제층은 에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 0.1-0.3의 중량비로 혼합된 수지제 100 중량부에 대하여, 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.6-0.8의 중량비로 혼합된 경화제 40 내지 60 중량부, 바람직하게는 50 내지 60 중량부; 카본블랙 0.5 내지 1 중량부; 이산화규소 5 내지 10 중량부, 바람직하게는 6 내지 8 중량부; 산화알루미늄 1 내지 8 중량부, 바람직하게는 3 내지 5 중량부; 플라이애시 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 15 중량부; 메타카올린 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부; 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 3 중량부 및 소성된 하소백운석 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부를 포함한다.
상기 수지제는 에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 0.1-0.3의 중량비로 혼합된 것으로서, 에폭시 수지와 탄산칼슘이 상기 범위를 만족하지 못한 경우에는 8,000±1,000 cps 점도를 갖는 수지제를 수득할 수 없으며, 이에 따라 접착제층의 접착력이 저하될 수 있다.
또한, 상기 경화제는 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.6-0.8의 중량비로 혼합된 것으로서, 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 상기 범위를 만족하지 못한 경우에는 200±50 cps 점도를 갖는 경화제를 수득할 수 없으며, 이에 따라 접착제층의 접착력이 저하될 수 있다.
상기 경화제의 함량이 상기 바람직한 범위를 벗어나는 경우에는 접착제층의 접착력이 저하될 수 있다.
또한, 상기 카본블랙은 빛에 민감한 에폭시 수지를 빛으로부터 보호한다.
카본블랙의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 빛에 의해 에폭시 수지가 노화되어 시간이 흐를수록 결합력이 급격히 저하될 수 있다.
또한, 상기 이산화규소는 에폭시계 수지제와 사용 시 압축강도를 현저히 향상시키는 물질로서, 이산화규소의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 압축강도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 산화알루미늄은 에폭시계 수지제 및 이산화규소와 함께 사용되어 압축강도를 현저히 향상시키는 물질로서, 산화알루미늄의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 요구되는 압축강도(3.8 MPa)보다 낮아질 수 있다.
또한, 상기 플라이애시는 포졸란 특성을 가져 접착제층의 강도 및 내구성을 향상시키는 물질이다. 플라이애시의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 강도 및 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 메타카올린 역시 포졸란 특성을 가지는 것으로서, 상기 플라이애시와 함께 사용 시 접착제층의 강도 및 내구성을 현저히 향상시킨다. 메타카올린의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 강도 및 내구성이 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 강도 및 내구성이 오히려 저하될 수 있다.
또한, 상기 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체는 추후 경화시 접착제층에 크랙이 형성되는 것을 방지한다. 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 경화시 크랙이 발생할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 경화시 강도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 소성된 하소백운석은 탄산염 광물인 백운석을 900 내지 1,000 ℃로 소성(slaking)시킨 것으로 소성시킨 백운석의 전체 구성성분 중 산화마그네슘(MgO)이 32 내지 35 중량%, 산화칼슘(CaO)이 50 내지 55 중량% 포함되어 있다. 또한, 포졸란 반응에 필요한 칼슘이온의 공급원으로 사용되어 접착제층의 강도 및 내구성을 향상시키는데 기여할 수 있다.
삭제
상기 물질들로 이루어진 접착제는 110 내지 150 ㎏/㎠의 접착력을 가져 담체 코팅층과의 접착성이 우수하며, 접촉 가능한 가사시간은 30 내지 40분으로 상기 가사시간 내에서는 재접착이 용이하다.
유·무기 코팅층(140)
상기 유·무기 코팅층은 경화된 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 고압분사로 분사하여 바이오스톤볼의 외부에만 코팅(즉, 바이오스톤볼의 외부에서는 접착제층 상부에 코팅)되고, 내부에는 코팅되지 않는다.
본 발명의 유·무기 코팅층은 고압분사로 코팅되어 다수개의 공극과 다수개의 관통홀이 함께 형성된다. 이는 유·무기코팅제가 수지의 함량에 비해 고형물의 함량이 많은 형태이므로 고압분사로 코팅시 공극이 형성되고 또한, 접착제층의 상면에 부착되었다가 일부 고형물이 탈락하면서 관통홀이 형성된다. 상기 유·무기코팅제를 고압분사가 아닌 일반 스프레이분사 또는 침지 등의 방법으로 코팅시키는 경우에는 코팅층에 공극이 제대로 형성되지 않을 뿐만 아니라 관통홀이 전혀 형성되지 않는다. 상기 공극은 결합된 무기물 입자간 사이의 공간으로도 형성된다.
또한, 상기 유·무기 코팅층에 형성된 다수개의 공극에는 다량의 미생물이 충진(부착)될 수 있다. 상기 접착제층 및 유·무기 코팅층에 부착된 미생물은 오염수를 자정시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 복합유용미생물 및 박테리아로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
상기 유·무기 코팅층의 두께는 0.05 내지 1 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 mm이다. 유·무기 코팅층의 두께가 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 공극이 다량 생성되지 않으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 관통홀이 형성되지 않으며 고형물이 쉽게 탈락되어 오염수를 더욱 오염시킬 수 있고 자정능력이 저하될 수 있다.
본 발명의 유·무기 코팅층은 엘라스토머수지 100 중량부에 대하여 슝기트 분말 1 내지 20 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부; 해조류 분말 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 내지 8 중량부; 산화철 0.01 내지 10 중량부, 바람직하게는 2 내지 8 중량부; 마그네사이트 1 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부; 알지네이트 1 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부; 돌로마이트 1 내지 15 중량부, 바람직하게는 5 내지 10 중량부; 유기섬유 0.1 내지 5 중량부, 바람직하게는 2 내지 4 중량부; 무기섬유 0.1 내지 5 중량부, 바람직하게는 1 내지 3 중량부; 일라이트 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 내지 8 중량부; 및 펄라이트 1 내지 10 중량부, 바람직하게는 5 내지 8 중량부를 포함한다.
상기 엘라스토머수지는 바이오스톤볼에 탄성을 부여하여 오염수에 의해 바이오스톤볼이 손상되는 것을 방지할 뿐만 아니라 무기물들을 서로 연결 및 고정시킨다.
또한, 상기 슝기트 분말은 자체로 오염수를 정화시키고 항균작용을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 미생물을 다량으로 부착시킬 수 있다. 슝기트 분말의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 미생물의 부착량이 저하될 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 경도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 해조류 분말은 미생물을 다량으로 부착시킬 수 있을 뿐만 아니라 부착된 미생물을 생장시켜 오염수에 대한 자정효과를 높일 수 있는 물질로서, 구체적으로 녹조류, 갈조류 및 홍조류로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 상기 녹조류로는 가시파래, 청태, 해캄, 파래, 청각, 구슬청각, 옥덩굴, 염주말 등이 사용될 수 있으며; 상기 갈조류로는 미역, 다시마, 미역쇠, 감태, 곰피, 대황, 모자반, 지충이, 톳 등이 사용될 수 있고; 상기 홍조류로는 김, 우뭇가시리, 불등가시리, 코토니, 개새우, 참풀가사리, 꼬시래기 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 해조류분말은 해조류를 정제수로 세척하는 세척단계와, 세척된 해조류를 8~9시간 건조하는 건조단계와, 상기 건조된 해조류를 용매로 40~90 ℃에서 4~5시간 추출한 후 감압농축하여 엑기스를 수득하는 단계와, 상기 수득된 엑기스를 8~9시간 열풍건조하는 열풍건조단계와, 상기 건조된 해조류를 50~100 mesh로 분말화하는 단계를 거쳐 만든다.
상기 해조류 분말의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 미생물의 부착량이 저하되고 미생물이 성장할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 해조류 분말에 의해 오염물질이 발생할 수 있다.
또한, 상기 산화철은 오염수에 함유된 미량의 유해물질을 제거할 수 있으며 다수의 공극을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 코팅층의 강도를 향상시키는 것으로서, 내부다공율 22%, 외부공극률 37%, 표면적 20 ㎡/g인 것을 사용한다.
상기 산화철의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 형성되는 공극의 수가 줄어들 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 강도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 마그네사이트 역시 오염수에 함유된 미량의 유해물질을 제거할 수 있으며 다수의 공극을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 산화철과 함께 사용 시 코팅층의 강도를 더욱 향상시키는 것으로서, 내부다공율 75%, 외부공극률 45%, 표면적 200 ㎡/g인 것을 사용한다.
상기 마그네사이트의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 형성되는 공극의 수가 줄어들 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 쉽게 크랙이 발생할 수 있다.
또한, 상기 알지네이트는 미생물에 독성이 없으며 다수의 공극을 형성할 수 있다. 상기 알지네이트의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 형성되는 공극의 수가 줄어들 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 오히려 공극의 형성을 방해할 수 있다.
또한, 상기 돌로마이트는 엘라스토머수지와 함께 사용하여 유·무기 코팅층의 강도를 향상시키는 물질로서 최외각에 구비되는 유·무기 코팅층이 쉽게 탈락되는 것을 방지한다. 상기 돌로마이트의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 유·무기 코팅층의 강도가 저하되어 시간이 흐름에 따라 코팅층이 탈락되어 오염수를 더욱 오염시킬 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 코팅층의 강도가 저하되고 공극의 형성을 방해할 수 있다.
또한, 상기 유기섬유는 유·무기 코팅층의 부착강도를 증진시키고 내충격성을 향상시키는 것으로서, 구체적으로 섬유질 상태로 파쇄한 종이 분쇄물, 목재분 및 식물성 화이버로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
상기 유기섬유의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 강도 및 내충격성이 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 부착강도가 저하될 수 있다.
또한, 상기 무기섬유는 유기섬유와 함께 사용 시 압축강도 또는 인장강도를 더욱 증가시킬 뿐만 아니라 코팅층의 탄성을 유지시키는 물질로서, 구체적으로 암면, 글라스울, 현무암면 및 세라믹울로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
상기 무기섬유의 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 압축강도 또는 인장강도가 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 더 이상 효과가 향상되지 않아 경제적이지 못할 수 있다.
또한, 상기 일라이트 및 펄라이트는 함께 사용되어 코팅층의 압축강도를 향상시킬 뿐만 아니라 다수의 공극을 형성할 수 있다. 상기 일라이트 및 펄라이트의 각 함량이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 압축강도가 향상되지 못할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 오히려 압축강도가 저하될 수 있다.
본 발명에 사용되는 담체는 평균직경이 2 내지 3 cm인 것을 사용하며, 상기 크기의 다수개의 담체가 접합되어 수득된 바이오스톤볼은 평균직경이 8 내지 12 cm, 바람직하게는 9 내지 10 cm이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 바이오스톤볼의 평균직경이 상기 바람직한 범위를 만족해야 표면적과 공극이 모두 우수한 범위 내에 있다. 평균직경이 상기 바람직한 범위의 하한치 미만인 경우에는 표면적이 높지만 공극률이 낮아 좁은 공극으로 인해 오염수의 흐름 저항이 증가되어 폐색현상(clogging)이 발생할 수 있으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 공극률이 높지만 표면적이 낮아 자정효과가 저하될 수 있다.
또한, 본 발명의 바이오스톤볼은 최대 유효수심이 5 m인 접촉산화조에 사용되는데, 일반적으로 접촉산화조에 적용 시 바이오스톤볼의 최대 적층수는 55 ea이고, 바이오스톤볼의 중량은 0.6-0.7 kg/ea이며, 바닥층의 바이오스톤볼에 가해지는 힘이 365 내지 375 N임을 고려하면 바이오스톤볼에 요구되는 압축강도는 3.8 MPa 이상이어야 한다. 본 발명의 바이오스톤볼의 압축강도는 4.3 내지 4.6 MPa이므로 요구되는 압축강도 이상의 우수한 압축강도를 보인다.
본 발명의 바이오스톤볼은 오염수가 바이오스톤볼을 통과하면 바이오스톤볼에 형성된 다수개의 공극(접착제층에 형성된 공극, 유·무기 코팅층에 형성된 공극, 접착된 담체 사이에 형성된 공극 등)에서 오염 물질의 확산, 분리, 접촉, 침전 및 인력 등의 물리적 작용을 수행하여 고형물을 제거할 뿐만 아니라, 상기 공극에 부착된 미생물이 오염수와 접촉하면 미생물에 의해 오염수에 함유된 유기물 및 질소 성분 등도 제거된다.
본 발명의 바이오스톤볼은 여울형 하상매트에 적용할 수 있다. 즉, 하천 하상에 미생물 코팅된 바이오스톤볼 지반층에 포설한 하상 정화매트에 적용하여 하천수를 관통시킴으로써 미생물에 의한 유기물 분해 등으로 오염물질을 정화하고, 공극률이 높은 바이오스톤볼로 인한 정화효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 홍수 시 세굴을 방지할 수 있고, 하상부 난류를 조성하여 자연폭기 유발로 인한 산소를 공급하여 정화 기능을 더욱 높일 수 있다. 특히, 바이오스톤볼이 설치된 여울에 산소를 별도로 공급하는 동시에 오염수의 유입의 입구와 유출의 출구 단차를 주어 산소를 통해 미생물의 활성화를 꾀하여 정화능력을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바이오스톤볼을 제조하는 방법은 일 구현예로 (A) 다수개의 담체의 표면을 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅제로 코팅시키는 단계; (B) 상기 담체에 코팅된 담체 코팅층의 표면에 접착제를 도포하는 단계; (C) 상기 접착제가 도포된 코팅 담체를 성형틀에 충진하여 상기 접착제가 도포된 담체가 상호 접합되도록 성형 및 양생시켜 바이오스톤볼을 제조하는 단계; 및 (D) 상기 제조된 바이오스톤볼을 성형틀에서 분리한 후 미생물액에 침지시키는 단계;를 포함한다.
또한, 다른 구현예로 본 발명의 바이오스톤볼을 제조하는 방법은 상기 (D)단계 이후에 (E) 미생물액에 침지시킨 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 도포하는 단계; 및 (F) 상기 유·무기코팅제가 도포된 담체를 미생물액에 침지시키는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 또 다른 구현예로 본 발명의 바이오스톤볼을 제조하는 방법은 (A) 다수개의 담체의 표면을 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅제로 코팅시키는 단계; (B) 상기 담체에 코팅된 담체 코팅층의 표면에 접착제를 도포하는 단계; (C) 상기 접착제가 도포된 코팅 담체를 성형틀에 충진하여 상기 접착제가 도포된 담체가 상호 접합되도록 성형 및 양생시켜 바이오스톤볼을 제조하는 단계; (D-1) 상기 제조된 바이오스톤볼을 성형틀에서 분리한 후 상기 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 도포하는 단계; 및 (D-2) 상기 유·무기코팅제가 도포된 담체를 미생물액에 침지시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 미생물액에 침지시켜 미생물을 공극이 충진시키는 단계에서, 미생물액의 미생물 농도는 1.0X1010 내지 9.0X1010 CFU/L이며, 침지시간은 10 내지 20분이다.
상기 미생물액의 미생물 농도가 상기 하한치 미만인 경우에는 미생물이 충분히 충진되지 못하여 자정작용을 수행할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 더 이상의 효과를 기대할 수 없다.
또한, 미생물액에 침지시키는 시간이 상기 하한치 미만인 경우에는 미생물이 충분히 충진되지 못하여 자정작용을 수행할 수 없으며, 상기 상한치 초과인 경우에는 더 이상의 효과를 기대할 수 없다.
본 발명의 양생(경화)과정은 30 내지 40 ℃의 스팀으로 30 내지 60분 동안 양생시킬 바이오스톤볼이 구비된 성형틀에 제공하는 양생시킨 후 성형틀과 분리하여 상온에서 20 내지 25시간 방치하는 자연 양생을 수행한다. 이와 같이 자연 양생된 바이오스톤볼을 미생물액에 침지시켜 미생물을 부착시킨다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
실시예 1. 쇄석->담체 코팅층->접착제층->성형 및 양생->미생물 침지
담체 코팅제의 제조
로진수지 100 중량부, 올레인산 8 중량부, 시클로헥실아민아질산염 2 중량부, 및 규산칼슘 0.6 중량부를 포함하여 담체 코팅제를 제조하였다.
접착제의 제조
에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 0.3의 중량비로 혼합된 수지제 100 중량부, 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.7의 중량비로 혼합된 경화제 60 중량부, 카본블랙 1 중량부, 이산화규소 8 중량부, 산화알루미늄 4 중량부, 플라이애시 11 중량부, 메타카올린 2 중량부, 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체 2 중량부 및 소성된 하소백운석 3 중량부를 포함하여 접착제를 제조하였다.
바이오스톤볼의 제조
다수개의 쇄석의 표면에 상기 담체코팅제를 스프레이 분사로 코팅시켜 담체 코팅층을 형성한 후 40 °기울어진 교반기에 상기 담체 코팅층이 형성된 쇄석과 상기 접착제를 1 : 1의 부피비로 투입하여 40 rpm의 속도로 10분 동안 교반시켜 담체 코팅층 상면에 접착제층을 코팅시킨 다음 접착제층이 코팅된 쇄석을 성형틀에 충진하고 상기 성형틀에 40 ℃의 스팀으로 30분 동안 분사한 후 24시간 동안 양생시켜 바이오스톤볼을 수득하였다.
상기 수득된 바이오스톤볼을 복합유용미생물 농도가 1.6X1010 CFU/L인 미생물액에 10분 동안 침지시켜 미생물을 충진시켰다.
실시예 2. 쇄석->담체 코팅층->접착제층->성형 및 양생->미생물 침지->유·무기 코팅층->미생물 침지
유·무기코팅제의 제조
엘라스토머수지 100 중량부, 슝기트 분말 8 중량부, 해조류 분말(다시마 분말: 감태 분말=1:1의 중량비) 7 중량부, 산화철 5 중량부, 마그네사이트 8 중량부, 알지네이트 7 중량부, 돌로마이트 9 중량부; 유기섬유(목재분) 4 중량부, 무기섬유(암면:세라믹울=1:1의 중량비) 2 중량부, 일라이트 6 중량부 및 펄라이트 8 중량부를 포함하여 유·무기코팅제를 제조하였다.
바이오스톤볼의 제조
상기 실시예 1에 따라 제조된 미생물이 충진된 바이오스톤볼의 표면에 상기 유·무기코팅제를 고압분사로 1분 동안 분사하여 유·무기 코팅층을 형성한 후 유·무기 코팅층이 형성된 바이오스톤볼을 복합유용미생물 농도가 1.6X1010 CFU/L인 미생물액에 다시 10분 동안 침지시켜 미생물을 충진시켰다.
실시예 3. 쇄석->담체 코팅층->접착제층->성형 및 양생->유·무기 코팅층->미생물 침지; 접착제층에 미생물 충진하는 과정 생략
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 미생물이 충진되지 않은 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 코팅시켜 바이오스톤볼을 제조하였다.
비교예 1. 담체 코팅층 생략
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 담체 코팅층을 생략하여 바이오스톤볼을 제조하였다.
비교예 2. 접착제층_수지 및 경화제만 사용
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 접착제로 에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 3의 중량비로 혼합된 수지제 100 중량부, 및 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.5의 중량비로 혼합된 경화제 60 중량부를 혼합한 물질을 사용하여 바이오스톤볼을 제조하였다.
비교예 3. 유·무기 코팅층 스프레이 분사
상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 유·무기코팅제를 도포 시 고속분사가 대신 스프레이분사로 유·무기 코팅층을 형성하였다.
<시험예>
시험예 1. 압축강도 측정
KS F 2405 : 2010의 시험법을 이용하여 압축강도를 측정하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
압축강도
(MPa)		 4.3 4.6 4.6 3.9 3.6 4.2
위 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오스톤볼은 비교예 1 및 2에 비하여 압축강도가 우수한 것을 확인하였다.
비교예 2의 바이오스톤볼은 산업에 이용되기 위해 요구되는 압축강도인 3.8 MPa보다도 낮은 것을 확인하였다.
시험예 2. 생물량 및 효소활성도 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 바이오스톤볼의 표면에 부착된 미생물의 생물량과 활성도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 [표 2]에 제시하였다.
바이오스톤볼에 부착된 미생물을 탈리하기 위하여 초음파 처리를 수행하였다. 미생물로 코팅된 바이오스톤볼이 담긴 플라스틱 용기(2 L)를 Ultrasonic cleaner에 넣은 후, 10분 동안 초음파 처리를 하였다. 시료를 꺼낸 후 다시 증류수를 채우고 10분간 다시 초음파 처리를 하여 1차 처리시 획득한 시료와 섞어서 미생물 분석 시료로 사용하였다.
DNA의 농도는 미생물 시료로부터 DNA를 추출한 후 Quant-iT PiboGreen dsDNA Reagent kit(Invitrogen, USA)와 Rotor Gene-6000(Corbett Research, Australia)을 사용하여 정량하였다. 상기 kit는 DNA와 선택적으로 결합하는 형광 염색제인 PicoGreen을 시료에 첨가한 후, DNA와 염색제의 결합으로 인해 발생하는 형광도를 측정함으로써 DNA를 정량할 수 있다.
단백질의 농도는 Bradford method를 사용하여 측정하였다. 미생물 시료를 급속 해냉동(-70 ℃/60 ℃, 각각 15분) 처리를 3회 실시하여 세포를 파쇄한 후, Bradford reagent를 첨가하여 실온에서 5분간 반응시켰다. 시료를 원심분리(8,000 rpm, 10분) 후 595 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 표준 시료로 bovine serum alumin을 사용하여 작성된 검량선으로부터 시료 중 단백질 농도를 환산하였다.
종속영양세균수는 먹는 물 수질공정시험기준에서 제시된 저온일반세균-평판집락법에 따라 분석하였다. 전처리된 시료를 인산완충희석액으로 10-1~10-7까지 희석하고, 적정한 희석배수를 선택하여 희석액 1 mL을 사용하여 R2A 평판배지에 도말한 후 20 ℃ 저온배양기에서 2주 동안 배양된 후 형성된 집락을 계수하였다. 계수결과와 희석 비율을 사용하여 종속영양세균수의 농도를 계산하였다.
효소활성도는 dehydrogenase, glycosidase, lipase를 분석하였다. Dehydrogenase의 활성도는 효소에 의한 INT의 전환율을 측정하여 분석하였다. 미생물 시료에 INT(2-(4-iodophenyl)- 5-phenyl-tetrazolium chloride)를 가하여 혼합한 다음 20 ℃ 암소에서 20분간 반응시켰다. Dehydrogenase에 의해 변환된 INT-formazan을 추출하기 위하여 THF를 첨가한 후 원심분리(8,000 rpm, 10분)를 수행한 후 상등액을 취하여 465 nm에서 흡광도를 측정하여 형성된 INT-formazan을 정량하였다.
Glycosidase와 lipase의 활성도는 형광 기질인 MUF-butyrate, MUF-α-D-glucopyranoside, MUF-β-D-glucopyranoside의 MUF(4-methylumbelliferone)로의 전환율을 측정하여 계산하였다. 가수분해에 의해 생성된 MUF의 양은 형광광도계(Glomax Multi Jr, Promega)를 사용하여 측정하였다.
구분 미생물액 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
생물량 DNA 365.8 ug/L 46 ug/m2 55 ug/m2 48 ug/m2 21 ug/m2 16 ug/m2 18 ug/m2
단백질 100,697 ug/L 433 ug/m2 671 ug/m2 511 ug/m2 204 ug/m2 125 ug/m2 187 ug/m2
종속영양세균수 1.6X1010 CFU/L 2.8X109 CFU/m2 8.9X109 CFU/m2 4.2X109 CFU/m2 1.0X109 CFU/m2 0.1X109 CFU/m2 0.8X109 CFU/m2
효소활성도 Dehyrogenase 6.58 umol/L 2.06 umol/m2 4.28
umol/m2 		2.85
umol/m2 		1.03
umol/m2 		0.50 umol/m2 0.74
umol/m2
Glycosidase 0.05 uU/L 0.006 uU/m2 0.014
uU/m2 		0.008
uU/m2 		0.003
uU/m2 		0.002 uU/m2 0.002 uU/m2
Lipase 0.49 uU/L 0.156 uU/m2 0.309
uU/m2 		0.200 uU/m2 0.101 uU/m2 0.077 uU/m2 0.094 uU/m2
위 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오스톤볼은 비교예 1 내지 3에 비하여 생물량 및 효소활성화도가 높은 것을 확인하였다.
시험예 3. 수처리 효율 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조된 바이오스톤볼을 통과하기 전 오염수와 통과한 후 오염수의 COD, SS, Chl-a, T-N 및 T-P를 측정하였으며, 그 결과를 하기 [표 3] 및 [표 4]에 나타내었다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3
유입수 유출수 처리효율(%) 유입수 유출수 처리효율(%) 유입수 유출수 처리효율(%)
COD
(mg/L)		 30.6 17.7 42.2 31.4 16.4 47.8 29.9 16.9 43.5
SS
(mg/L)		 76.0 15.8 79.3 75.4 13.2 82.5 76.2 15.4 79.8
Chl-a
(mg/m3)		 296.1 59.2 80.1 302.4 55.1 81.8 295.0 58.3 80.3
T-N
(mg/L)		 4.377 3.455 21.1 4.298 2.912 32.3 4.308 3.127 27.5
T-P
(mg/L)		 0.391 0.259 33.8 0.395 0.198 49.9 0.402 0.240 40.3
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3
유입수 유출수 처리효율(%) 유입수 유출수 처리효율(%) 유입수 유출수 처리효율(%)
COD
(mg/L)		 29.0 18.4 36.6 28.7 20.0 30.4 29.4 19.5 35.9
SS
(mg/L)		 75.5 19.2 74.6 66.6 23.4 64.9 76.0 22.1 71.0
Chl-a
(mg/m3)		 291.4 81.2 72.2 270.6 101.4 62.6 290.4 92.5 68.2
T-N
(mg/L)		 4.385 3.601 17.9 4.391 3.800 13.5 4.327 3.711 14.3
T-P
(mg/L)		 0.410 0.278 32.2 0.431 0.328 23.9 0.421 0.299 29.0
위 표 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 바이오스톤볼은 비교예 1 내지 3에 비하여 COD, SS, Chl-a, T-N 및 T-P의 처리효율이 높은 것을 확인하였다.
100: 바이오스톤볼 110: 담채
120: 담체 코팅층 130: 접착제층
140: 유·무기 코팅층

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅층이 표면에 형성된 다수개의 담체;
    상기 담체 코팅층으로 코팅된 담체의 표면에 도포되어 다수개의 담체를 상호 접합시킨 접착제층; 및
    엘라스토머수지 100 중량부에 대하여, 슝기트 분말 1 내지 20 중량부, 해조류 분말 1 내지 10 중량부, 산화철 0.01 내지 10 중량부, 마그네사이트 1 내지 15 중량부, 알지네이트 1 내지 15 중량부, 돌로마이트 1 내지 15 중량부, 유기섬유 0.1 내지 5 중량부, 무기섬유 0.1 내지 5 중량부, 일라이트 1 내지 10 중량부 및 펄라이트 1 내지 10 중량부를 포함하며, 상기 접착제층이 형성된 담체가 서로 결합되어 형성된 바이오스톤볼의 표면에 다공성 구조로 형성된 유·무기 코팅층;을 포함하여,
    상기 유·무기 코팅층의 공극에 미생물이 충진되어 상기 공극을 통해 안정적으로 생장 및 증식하는 미생물들로 유기물을 분해시켜 자정작용을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접착제층은 에폭시 수지와 탄산칼슘이 1 : 0.1-0.3의 중량비로 혼합된 수지제 100 중량부에 대하여, 에폭시 아민 어덕트와 폴리아마이드가 1 : 0.6-0.8의 중량비로 혼합된 경화제 40 내지 60 중량부, 카본블랙 0.5 내지 1 중량부, 이산화규소 5 내지 10 중량부, 산화알루미늄 1 내지 8 중량부, 플라이애시 1 내지 30 중량부, 메타카올린 0.01 내지 10 중량부, 폴리옥시에틸렌-폴리프로필렌글리콜 공중합체 0.01 내지 10 중량부 및 소성된 하소백운석 0.01 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼.
  5. 제3항에 있어서, 상기 미생물은 복합유용미생물 및 박테리아로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. (A) 다수개의 담체의 표면을 석유수지 100 중량부에 대하여 유기산 1 내지 20 중량부, 시클로헥실아민아질산염 0.01 내지 10 중량부 및 규산칼슘 0.01 내지 5 중량부를 포함하는 담체 코팅제로 코팅시키는 단계;
    (B) 상기 담체에 코팅된 담체 코팅층의 표면에 접착제를 도포하는 단계;
    (C) 상기 접착제가 도포된 코팅 담체를 성형틀에 충진하여 상기 접착제가 도포된 담체가 상호 접합되도록 성형 및 양생시켜 바이오스톤볼을 제조하는 단계;
    (D-1) 상기 제조된 바이오스톤볼을 성형틀에서 분리한 후 상기 바이오스톤볼의 표면에 유·무기코팅제를 고압분사로 도포하는 단계; 및
    (D-2) 상기 유·무기 코팅제가 도포된 담체를 미생물액에 침지시키는 단계;를 포함하되,
    상기 유·무기 코팅제는 엘라스토머수지 100 중량부에 대하여, 슝기트 분말 1 내지 20 중량부, 해조류 분말 1 내지 10 중량부, 산화철 0.01 내지 10 중량부, 마그네사이트 1 내지 15 중량부, 알지네이트 1 내지 15 중량부, 돌로마이트 1 내지 15 중량부, 유기섬유 0.1 내지 5 중량부, 무기섬유 0.1 내지 5 중량부, 일라이트 1 내지 10 중량부 및 펄라이트 1 내지 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 미생물액에 침지시키는 단계에서는 미생물액에 10 내지 20분 동안 침지시키며, 상기 미생물액의 미생물 농도는 1.0X1010 내지 9.0X1010 CFU/L인 것을 특징으로 하는 접촉 산화 기능을 갖는 바이오스톤볼의 제조방법.
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