KR200355476Y1 - 활성적니를 이용한 식생정화 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 활성적니층을 이용하여 하천이나 호소의 부영양화를 초래하는 영양 염류인 질소 및 인, 특히 수 중의 인을 효율적으로 제거하는 동시에, 상기 활성적니층 위에 식재된 수생식물에 의한 물의 정화가 이루어지도록 한 활성적니를 이용한 식생정화 장치에 관한 것이다.

본 고안은 하수, 오수, 폐수 등의 처리수나 오염된 하천수를 유입시켜 조목 스크린으로 거른 후 다음 공정으로 분배하면서 부유물이 침전되도록 하고, 수생식물이 식재된 배양토층과 활성적니층이 적층 구비된 수생식물반응조에 의해 물을 정화 및 안정화시키기 위한 장치로서, 조목 스크린(11)이 설치된 유입분배수로(10)와; 여재가 적치된 침전조(20)와; 활성적니층(31)과 수생식물이 식재된 배양토층(32)이 적층 적치된 수생식물반응조(30)와; 안정조(40)로 구성된다.

본 고안의 장치는 수생식물의 생육기간과 관계 없이 오염된 물 속의 영양염류를 효율적으로 제거할 수 있으며, 환경친화적인 시설인 장점이 있다.

Description

활성적니를 이용한 식생정화 장치{The water purification system of aqua plant using activated red mud}

본 고안은 활성적니를 이용하여 오염된 물을 식생정화하는 장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 펠렛(pellet)상의 활성적니를 적층한 활성적니층에 하수, 폐수, 오수 등의 처리수나 오염된 하천수를 통과시켜 오염된 물에 함유되어 하천이나 호소의 부영양화를 초래하는 영양 염류인 질소와 인, 특히, 인을 효율적으로 제거하는 동시에, 부식토나 사질토 중의 적어도 어느 하나와 활성적니를 혼합하여 상기 활성적니층 위에 적치한 배양토층에 수생식물을 식재하여 수생식물에 의한 물의 정화가 이루어지도록 한 활성적니를 이용한 식생정화 장치에 관한 것이다.

급속한 경제 발전과 고도 산업사회로의 전환 및 국민 생활 수준의 향상에 따라 공장 등에서 발생되는 각종 유독성 오염 물질과 생활하수의 방류량이 증가하게 되었고, 이로 인해 하천의 수질이 점차 악화되고 있을 뿐 아니라, 인구 집중화와 대규모의 산업단지가 곳곳에 조성됨으로써 하천과 호소의 수질 오염이 심각할 정도로 가중되고 있으나, 기초 환경시설에 대한 투자는 부족하여 시간이 경과할수록 수질 오염이 심화되고 있는 실정이다.

또한, 상하수도 분리 시스템과 분류식 하수관거를 적용하고 있는 도시의 하천은 치수를 목적으로 하는 제방이나 호안 블록화 등 친환경적이지 못한 각종 시설들 때문에 다양한 종류의 생물들이 서식할 수 없는 환경이 조성될 뿐만 아니라, 도시내 하천의 유지용수 부족 등과 같은 많은 환경문제를 야기하고 있다.

그러나, 최근들어 삶의 질을 향상시킨다는 측면에서 여가 시설을 확충함과 동시에 하천 생태계의 복원에 대한 필요성이 대두되면서 자연형 하천 정비사업이 활성화되고 있으며, 그에 따라 하천의 생태계 보전과 수질 정화를 목적으로 하는 다양한 하천 정화 방법이 연구, 개발되고 있다.

하천의 정화 방법은, 하천으로 유입되기전의 오염된 물을 수처리장에서 처리한 후 하천으로 흘려보내는 간접적인 방법과, 하천에 자연적인 정화 기능을 갖도록 하여 하천으로 유입되는 물이 자연적으로 정화되도록 하는 직접적인 방법으로 구분할 수 있다.

상기 하천의 직접 정화란, 하천으로 유입되어 하천이 본래 가지고 있는 정상적인 정화 기능을 감소시키는 역할을 하는 각종 무기물과 유기물 등의 원인물질을 제거함으로써 하천의 정화 기능을 회복 증대시켜 하천으로 유입된 오염된 물이 자연적으로 정화되도록 하는 것인 바, 하천의 정화 기능을 손상시키는 원인물질에 따라 물리·화학적 방법이나 생물학적 방법을 단독 또는 조합하여 정상적인 정화 기능을 회복 또는 증대시키게 된다.

즉, 하천의 직접 정화 방법은 하천이 본래 가지고 있는 자연적인 정화 기능을 바탕으로 하여 그 기능을 인위적으로 보강, 보완함으로써 하천의 정화 기능을 증대시키는 기술로서, 하천의 직접 정화 방법을 구현하기 위한 정화 시설에 대한 설계 조건이 어느 정도 확립되어 있으며 실제적으로도 비교적 많이 보급되고 있는 방법으로는 자갈층 접촉산화법과 끈상 접촉산화법을 들 수 있고, 이 외에도 플라스틱 여재를 사용한 접촉산화법, 박층류법 등이 적용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 직접 정화법들에 사용되는 정화시설보다 미나리, 갈대, 부레옥잠, 부들줄 등 다양한 종류의 수생식물을 이용한 식생정화시설은 하천의 주변 경관을 향상시키고 생태적 서식처로서 역할을 겸할 수 있는 환경친화적인 시설로서, 여타의 다른 정화시설에 비해 바람직하며, 식생정화법에 이용되는 수생식물은 하천수 중의 오염 물질을 직접적으로 흡수하거나 분해함으로써 하천의 자정 능력을 개선한다는 점에서 매우 중요한 바, 근래에 들어 그 필요성이 더욱 커지고 있다.

상기 식생정화법은 침전, 흡착 등의 물리화학적 작용과 저습지의 생태계에 의한 생물·화학적 작용을 정화 원리로 하고 있으며, 기본적으로는 입자상 영양염류의 침전·흡착 및 인의 불활성화와, 저질중에 서식하는 탈질균에 의한 아질산성 질소와 질산성 질소의 탈질화, 그리고 유수, 저질 표면, 수생식물 등의 표면에 서식하는 종속 영양세균에 의한 유기물의 무기화학적 작용 등의 세가지로 요약될 수 있는 식생정화방법은 자연식생을 그대로 이용함으로써 환경보호와 복원에 매우 적합하며, 질소화합물의 질산화와 인의 토양흡착이 가능하고 빛의 차단에 의한 식물 플랑크톤의 발생을 억제할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그러나, 상기 식생정화법은 정화기간이 식물의 생육기간으로 제한되며 넓은 수(水) 면적이 필요하고 토양에서 COD(화학적 산소요구량)나 NH4-N 등이 용출될 수 있는 가능성이 있는 단점이 있다.

또한, 식생정화법은 유입수 중에 포함된 용존산소를 이용하여 정화가 이루어지기 때문에 고농도의 유기물이 함유된 하천수가 유입되면 시설 내부가 혐기성 상태가 되어 수생식물의 뿌리가 부패됨으로써 정화능력이 저해될 가능성도 있다.

일반적인 사례에서는 상당한 고농도의 폐수를 대상으로 체류시간을 1일∼6일로 하는 실험도 있으나, 일본의 경우 하천수를 대상으로 한 실제 시설에서는 BOD(생화학적 산소요구량)를 20㎎/L이하를 대상으로 하고 있다.

따라서, 하천의 직접 정화법 중 가장 환경친화적인 상기 식생정화법을 확대 적용하기 위해서는 그 단점을 해소할 수 있는 추가적인 연구가 더욱 수행되어야 하나, 특히 수생식물의 생육기간이 제한되기 때문에 수생식물에 의한 정화효과를 볼 수 없는 겨울철에 수중에 포함되어 있는 영양염류의 효율적인 제거가 가장 시급히 선결되어야만 하는 과제이다.

본 고안은 종래 식생정화방법이 가지고 있는 문제점, 즉 겨울철과 같은 수생식물의 비생육기간에 정화가 이루어지기 어려운 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 영양염류의 제거에 탁월하면서도 겨울철과 같이 식물 생육기간이 아닌 저수온기에도 수중의 영양염류를 효율적으로 처리할 수 있는 식생정화방법을 구현할 수 있는 장치를 제공함에 본 고안의 목적이 있다.

도 1은 본 고안 장치에 의한 일실시예 식생정화 방법의 공정 블록도.

도 2는 본 고안 일실시예 장치의 구성도.

도 3은 본 고안 다른 실시예 장치의 구성도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

10. 유입분배수로 11. 조목 스크린

20. 침전조 21. 드레인관

22. 여재적치망 23. 여재

24,34. 다공격막 30. 수생식물반응조

31. 활성적니층 32. 배양토층

33. 수생식물 35. 자갈층

40. 안정조 50. 활성적니조

본 고안의 상기 목적은 활성적니층과, 활성적니가 혼합된 배양토층에 식재된 수생식물에 의하여 달성된다.

본 고안의 활성적니를 이용한 식생정화 장치는, 상기 활성적니가 적치된 활성적니층으로 오염된 물을 통과시켜 저수온기에도 물 중에 함유된 인이 효율적으로 제거되며, 활성적니가 혼합되고 상기 활성적니층 위에 적층 적치되는 배양토층에 수생식물을 식재하여 활성적니에 의한 영양염류의 흡착 제거와 함께 수생식물에 의한 정화가 동시에 이루어질 수 있도록 함에 기술적 특징이 있다.

상기와 같이 본 고안 장치의 핵심 구성 요소로 사용되는 활성적니는 보오크사이트 원광석에서 알루미나 또는 수산화알루미늄을 선광하는 과정에서 발생되는 무기 부산물인 적니를 물리화학적으로 전처리하여 pH 8 정도로 중화시킨 후 200∼600℃의 온도 범위에서 소성하여 펠렛(pellet) 형태로 만든 것으로, 산을 중화시키고 독성의 중금속 원소들을 흡착함으로써 각 종 환경오염 인자들을 환경 친화적이며 영구적으로 처리하는 역할을 수행한다.

상기의 활성적니를 이용하는 본 고안의 장치에 의해 이루어지는 일실시예 식생정화 단계를 살펴 보면 다음과 같다.

본 고안의 장치로 유입되는 오수, 하수 및 폐수 등의 처리수나 오염된 하천수에 함유되어 있는 협잡물, 조대 부유물 등을 조목 스크린으로 걸러 제거하는 스크리닝 단계와; 스크리닝 단계를 거친 물에 잔류하는 부유물질 등을 흡착 침전시키는 침전 단계와; 침전 단계를 거친 물을 수생식물이 식재된 배양토층과 활성적니층이 적층된 수생식물반응조에 통과시켜 수생식물에 의한 정화와 활성적니층에 의한 영양염류의 흡착 제거가 이루어지도록 하는 정화 단계와; 정화가 완료된 물을 배출하기전 안정화시키는 단계와; 로 이루어진다.

그리고, 상기와 같이 이루어지는 식생정화 과정을 구현하기 위한 본 고안의 장치는, 오염된 물 중의 협잡물이나 조대 부유물 등을 조목 스크린으로 스크리닝 제거하는 유입분배수로와; 유입분배수로를 오버플로우 하여 통과한 물에 함유된 부유물질을 침전시키기 위하여 여재가 적치되며 여재에 의해 흡착 침전된 부유물질을 배출하기 위한 드레인관이 바닥에 구비된 침전조와; 침전조의 상부로부터 하부측으로 통과한 물이 유입되어 그 내부에서 수평 방향으로 흐르게 되며 활성적니층과 수생식물이 식재된 배양토층이 적층된 수생식물반응조와; 수생식물반응조를 통과하면서 정화가 이루어진 물을 하부로 공급받아 하천이나 호소로 최종 배출하기전에 안정화시키기 위한 안정조와; 로 구성된다.

즉, 상기와 같이 조목 스크린과 여재 및 활성적니층 등에 의한 다단계의 스크리닝 및 필터링과 배양토층의 수생식물에 의한 정화 작용을 통하여 하천 유입수의 오염물이 제거되면서 하천수는 본래의 자정 능력을 회복하게 된다.

그러나, 겨울철과 같은 저수온기는 식물생육이 적합치 못하며, 그에 따라 수생식물에 의한 정화 효과 역시 미미하게 되는 바, 수생식물반응조와 안정조 사이에 활성적니만을 적치한 활성적니조를 구비하여 겨울철 이외에는 수생식물반응조를 통과한 물이 다시 한 번 상기 활성적니조를 통과한 후 안정조로 유입되도록 하고, 겨울철에는 침전조를 통과한 물이 수생식물반응조를 통과하지 않고 활성적니조를 통과한 후 안정조로 유입되도록 함으로써, 겨울철에는 수생식물반응조를 안정화시킬 수 있도록 하는 것도 바람직하다.

상기 본 고안의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한자세한 사항은 본 고안의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 1에 본 고안 장치에 의한 일실시예 식생정화 방법의 공정 블록도를, 도 2에 본 고안 장치의 구성도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 고안의 활성적니를 이용한 식생정화 장치에 의해 구현되는 식생정화방법은, 하수, 오수, 폐수 등의 처리수나 오염된 하천수를 유입시켜 조목 스크린에 의해 물 속의 협잡물이나 조대 부유물 등을 거른 후 다음 공정으로 분배하는 스크리닝 단계(100)와;

자갈과 같은 여재가 채워진 침전조의 상부에서 하부측으로 상기 스크리닝된 물을 통과시켜 물에 잔류하는 부유물질 등의 오염물을 침전 제거하는 침전 단계(200)와;

수생식물이 식재된 배양토층과 활성적니층이 상·하의 순으로 적층 적치된 수생식물반응조의 일측 단부로 상기 침전조의 하부를 통하여 배출되는 물을 유입시킨 후 타측 단부로 통과시키는 정화단계(300)와;

상기 수생식물반응조로부터 배출되는 물이 하부로 유입된 후 상부로 방류되도록 저류시키는 안정화 단계(400)로 이루어진다.

그리고, 상기와 같은 일련의 순차적인 단계를 통하여 이루어지는 식생정화방법을 실시하기 위한 본 고안의 장치는,

오염된 물을 받아 물 속의 협잡물이나 조대 부유물 등을 스크리닝 하기 위한 조목 스크린(11)이 설치되며, 다음 공정으로 물을 분배하기 위한 유입분배수로(10)와;

상기 유입분배수로(10)로부터 상부를 통하여 물을 공급받으며, 여재(23)에 의해 흡착 침전된 슬러지를 배출 제거하기 위하여 바닥에 구비된 드레인관(21)의 직상에 설치된 다공성 여재적치망(22)에 자갈이나 쇄석 등과 같은 여재(23)가 적치되고, 여재적치망(22) 직상의 벽체 하부에 물이 배출되는 다공격막(24)이 구비된 침전조(20)와;

상기 침전조(20)에 연결되어 그 하부 벽체의 다공격막(24)을 통하여 일측 단부 하부로 물이 유입되며, 펠렛상의 활성적니가 적치된 활성적니층(31) 위에 부식토와 사질토 중 적어도 어느 하나와 활성적니가 혼합된 배양토층(32)에 수생식물(33)이 식재되고, 타측 단부 하부에 물이 배출되는 다공격막(34)이 설치된 수생식물반응조(30)와;

상기 수생식물반응조(30)의 타측단부 다공격막(34)을 통하여 하부로 물이 유입되어 상부를 통하여 배출되기까지 일시적으로 머무르면서 상부를 통하여 오버플로우에 의해 정화된 물을 최종 배출시키는 안정조(40)로 구성된다.

상기와 같이 구성되는 본 고안의 장치에서 각 구성 요소의 역할을 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

유입분배수로(10)는 침전조 이후의 시설이 다수로 구성될 경우 유입수를 각 시설별로 분배 공급하게 되며, 침전조(20)는 자연 침강 형태로 침전조내 여재로 유입되는 물 속에 함유된 부유물질을 흡착 및 침전 제거하는 동시에 후단의 수생식물반응조(30)에 충진된 활성적니층의 폐색을 저감시키는 역할을 한다.

그리고, 정화된 물을 하천으로 최종 방류하게 되는 안정조(40)는 수생식물반응조(30)의 후단에 설치되어 다공격막을 통해 유입되는 처리수를 저류시키기 위한 목적을 가지며, 현장 여건에 따라 특히, 미관을 위해 수로형의 설치도 가능하며, 수면에 부유하는 수초를 생육시킬 수도 있다.

또한, 상기 침전조에서는 그 내부에 적치된 여재에 서식하게 되는 미생물에 의한 유기물의 산화작용이 동시에 이루어지는 바, 침전조에 사용되는 여재로는 다양한 종류의 것들이 있으나, 쉽게 구할 수 있으며 상대적으로 가격이 저렴한 자갈이나 쇄석이 바람직하며, 상기 수생식물반응조(30) 내부 바닥에 순차적으로 적층 적치되는 활성적니층(31)과 배양토층(32)의 적층 두께 비율은 처리 대상인 물과 처리 용량 및 수생식물의 종류 등에 따라 변화될 수 있으나, 1.5∼2.5 : 1의 비율이 가장 바람직하다.

이때, 상기 활성적니층의 적층 두께 비율이 1.5에 미치지 못하면 투과단면적의 감소로 영양 염류의 제거효율이 떨어지게 되며, 2.5를 초과하게 되면 물의 pH가 높아져 수생식물의 생육에 바람직하지 못하게 된다.

그리고, 배양토층에의 수생식물 식재는 일반적인 식생정화법의 수생식물종 및 식재 원리와 동일하며, 단지 수생식물의 생육을 위해 활성적니층(31)에 사용된 활성적니에 식생토로서 부식토와 사질토 중 적어도 어느 하나를 적정 비율로 혼합하는 바, 활성적니 30∼50vol%와 식생토 70∼50vol%의 비율이 바람직하며, 이 범위 내에서 처리하고자 하는 물에 함유되는 인의 농도에 따라 최적 혼합 비율을 조절한다.

상기와 같은 배양토층의 혼합 비율에서 활성적니의 비율은 물에 함유된 인 농도가 상승할수록 증가시키고, 농도가 낮을수록 감소시키게 되나, 활성적니의 혼합 비율이 50vol%를 초과하게 되면 물의 pH가 높아져 수생식물의 생육에 나쁜 영향을 줄 수 있고, 경제성이 떨어지게 된다.

또한, 식생에 의해 유기물질 및 질소등을 추가로 제거하기 위하여 수생식물반응조의 면적이 커질 경우 하부의 활성적니층도 동시에 넓어져 활성적니층을 이루는 활성적니 펠렛의 양이 증가하게 되어 비용이 증가하게 되는 바, 이러한 경우에는 활성적니 펠렛과 유사 입경의 자갈을 혼합하여 사용할 수도 있으며, 이때에는 활성적니 30∼60vol%와 자갈 70∼40vol%의 비율 범위 내에서 처리대상수의 인 농도에 따라 조절한다.

그리고, 본 고안의 장치가 상기와 같이 구성되는 경우, 전술한 바와 같이, 겨울철과 같은 저수온기에는 식물생육이 적합치 못함에 따라 수생식물에 의한 정화 효과가 떨어지게 되는 바, 겨울철에 수생식물반응조를 안정화시키면서 활성적니에 의한 인의 제거를 가능토록 하기 위하여 수생식물반응조와 안정조 사이에 활성적니만을 적치한 활성적니조를 구비할 수도 있다.

즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 활성적니층(31)이 아닌 자갈층(35)이 적치된 수생식물반응조(30')와 안정조(40) 사이에 수생식물반응조(30')와 일측 격벽(W)으로 분리되고 타측 벽체 하부의 다공격막(34)을 통하여 안정조(40)와 연결되며 활성적니가 채워지는 활성적니조(50)를 추가적으로 설치하고, 침전조(20)와 수생식물반응조(30')를 배관으로 연결하는 동시에 이 배관으로부터 분기하여 활성적니조(50)에 배관 연결함으로써, 겨울철 이외에는 수생식물반응조를 통과한 물이 상기 활성적니조(50)를 통과한 후 안정조로 유입되도록 하고, 겨울철에는 침전조에서 수생식물반응조로 가는 배관을 막아 침전조로부터 수생식물반응조를 거치지 않고 직접 활성적니조를 통하여 안정조로 유입되도록 하는 것도 바람직하다.

또한, 활성적니조를 추가 설치하는 경우, 본 고안의 장치를 통과하는 물이 활성적니만이 채워진 상기 활성적니조(50)를 통과하게 되는 바, 상기 수생식물반응조(30)의 하부에는 활성적니층(31)이 아닌 자갈층(35)을 적치한 후 그 위에 배양토층(32)을 적층 적치하는 것이 좋으며, 이때 상기 자갈층과 배양토층의 비율 역시 1.5∼2.5 : 1 이 적당하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안의 활성적니를 이용한 식생정화 장치는 하수, 오수, 폐수 등의 처리수 및 오염된 하천수에 함유된 인을 식물의 생육기간과 관계 없이 제거할 수 있기 때문에 하천 및 호소의 부영양화 방지에 효과적이며, 수생식물에 의한 정화와 함께 생태계가 복원되는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 조목 스크린(11)이 설치되며, 다음 공정으로 물을 분배하기 위한 유입분배수로(10)와;

   상기 유입분배수로(10)로부터 물을 공급받으며, 바닥의 침전 슬러지 배출용 드레인관(21)의 직상에 설치된 다공성 여재적치망(22) 위에 자갈 또는 쇄석 중의 하나인 여재(23)가 적치되고, 여재적치망(22) 직상의 일측 벽체 하부에 물이 배출되는 다공격막(24)이 구비된 침전조(20)와;

   상기 침전조(20)에 연결되어 다공격막(24)을 통하여 일측 단부 하부로 물이 유입되며, 수생식물(33)이 식재된 배양토층(32)과 활성적니층(31)이 1 : 1.5∼2.5의 두께 비율이 되도록 상·하로 적층되고, 타측 단부 하부에 물이 배출되는 다공격막(34)이 설치된 수생식물반응조(30)와;

   상기 수생식물반응조(30)의 타측단부 다공격막(34)을 통하여 하부로 물이 유입되어 일시적으로 머무르면서 상부를 통하여 오버플로우에 의해 정화된 물을 최종 배출시키는 안정조(40)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 활성적니를 이용한 식생정화 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 활성적니층(31)은 활성적니로 이루어진 것을 특징으로 하는 활성적니를 이용한 식생정화 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 활성적니층(31)은 활성적니 30∼60vol%와 자갈 70∼40vol%가 혼합된 것을 특징으로 하는 활성적니를 이용한 식생정화 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 배양토층(32)은 활성적니 30∼50vol%와 식생토로서 부식토와 사질토 중의 적어도 어느 하나 70∼50vol%가 혼합된 것을 특징으로 하는 활성적니를 이용한 식생정화 장치.