KR200408145Y1

KR200408145Y1 - 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조

Info

Publication number: KR200408145Y1
Application number: KR2020050032827U
Authority: KR
Inventors: 배현종; 신한기
Original assignee: (주)바이텍코리아
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2006-02-07

Abstract

본 고안은 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조에 관한 것으로서, 식물 및 생물학적 정화법이 적용되는 인공 습지 구조를 제공함으로써 적용 후 건설 및 제작 비용이 감소될 뿐만 아니라, 유지 보수 및 관리 비용이 절감되며, 동작을 위한 별도의 에너지가 필요치 않아 에너지 소모가 거의 없으며, 이로 인해 환경친화적일 뿐만 아니라, 다른 공법과의 접목이 용이하고, 수량에 따른 규모의 변경이 가능할 뿐만 아니라, 축산 폐수, 생활 하수, 광산 토양 및 침출수, 유가공 폐수, 해안 침출수, 하천 폐수 등의 폐수 및 양식장, 낚시터, 골프장, 군부대 등 오염 물질 및 환경에 따라 다양하게 적용가능한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조를 제공하기 위한 것으로, 그 기술적 구성은 수질을 정화하기 위한 인공 습지 구조에 있어서, 일측에 오, 폐수가 유입되기 위한 유입관과, 타측에 오, 폐수가 유출되기 위한 유출관을 갖는 제1 저장고; 상기 유출관에 연결되되, 그 내부에 자갈이 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 구비되는 제1 필터부; 상기 제1 필터부를 통하여 유입되는 오, 폐수가 유입되되, 하부에 자갈, 모래, 부엽토 등이 일정 비율로 구비되고, 그 상부에 습지 식물이 식재되며, 미생물이 존재하는 식물 및 생물학적 정화부; 상기 식물 및 생물학적 정화부를 통하여 정화된 정화수가 유입되되, 그 내부에 자갈이 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 구비되는 제2 필터부; 및 상기 제2 필터부를 통하여 여과된 정화수를 저장하고, 일측에 저장된 정화수를 배출하기 위한 배출구를 갖는 제2 저장고; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한 다.

식물 및 생물학적 정화법, 저장고, 필터부, 암석 필터, 습지 식물, 혐기성, 호기성

Description

식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조{CONSTRUCTED WETLANDS COMBINED PHYTO-BIOREMEDATION AND THE WATWER PURIFICATION}

도 1은 종래 기술에 따른 인공적 습지의 유형을 개략적으로 나타내는 도면,

도 2는 종래 기술에 따른 인공적 습지의 유형의 수질 정화 효과를 나타내는 도면,

도 3은 종래 기술에 따른 식물의 오염원 제거 방법을 개략적으로 나타내는 도면,

도 4는 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조를 개략적으로 나타내는 도면,

도 5는 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조에 따른 정화 방법을 나타내는 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 인공 습지 구조, 10 : 제1 저장고,

11 : 유입관, 13 : 유출관,

15 : 격벽, 17 : 연결공,

20 : 제1 필터부, 21 : 암석 필터,

23 : 유출공, 30 : 식물 및 생물학적 정화부,

31 : 습지 식물, 40 : 제2 필터부,

41 : 유입공, 43 : 배출관,

50 : 제2 저장고, 51 : 배출구.

본 고안은 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 식물 및 미생물에 의하여 오, 폐수를 정화시키기 위한 식물 및 생물학적 정화법이 적용되는 인공 습지를 제공함으로써 오, 폐수의 정화력을 향상시킬 수 있는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 수질 오염 방지에 대한 주된 처리는 오, 폐수의 처리를 위한 침전조, 여과기, 화학 약품 처리조, 미생물 분해조 등의 시설을 설치하고, 이를 통해 오, 폐수를 정화하는 구조로 이루어져 있으나, 오, 폐수의 처리를 위하여 침전조 등의 장치를 별도로 설치하여야 하고, 친환경적이지 않을 뿐만 아니라, 정화 작업을 위한 별도의 동력을 필요로 하는 등의 문제점이 있으며, 이로 인해 설치를 위한 소정의 공간을 필요로 하는 등 설치 비용의 증대 및 운영 비용의 증대라는 문제점이 있었다.

한편, 자연 습지는 수생 식물에 의한 자연 정화는 상류 지역에서 유입되는 수질의 정화 기능뿐만 아니라, 동/식물의 서식지 제공, 유속 조절, 토사 유출 방지 등 다양한 생태학적 기능을 동시에 제공할 수 있다.

이러한 자연 습지의 긍정적 기능에 착안하여 자연 습지가 갖는 장점 및 기능성에 수질 정화 기능을 보다 강화한 자연 친화적인 수질정화 방법으로서 새롭게 응용되고 있는 실정이다.

상술한 바와 같은 구조 및 효과를 갖는 자연 습지에 착안하여 최근 들어 식물을 식재하여 인공적으로 조성한 인공적 습지나 호안이 관심의 대상이 되고 있으며, 이러한 인공 습지나 호안은 정수성 수생 식물이나, 부엽성 수생 식물이 식재되고, 식재되는 수생 식물의 서식처와 영양 공급원을 위하여 자갈, 토양 등이 포함된다.

여기서, 인공적 습지 등을 통하여 수질을 정화하는 방법은 식물을 이용하여 환경 오염 물질을 제거하는 방법과 미생물을 이용하여 오염 물질을 제거하는 방법이 있으며, 전자를 식물 정화법(Phytoremediation)이라 명명하고, 후자를 생물학적 정화법(Bioremediation)이라고 명명하며, 통상 인공적 습지를 이용한 수질 정화 방법은 이러한 식물 정화법(Phytoremediation)과 생물학적 정화법(Bioremediation)을 혼용한 식물 및 생물학적 정화법(Phyto-Bio-Remediation)이라고 명명하는 방법을 이용한다.

상술한 바와 같이, 식물 및 생물학적 정화법이 적용되는 인공 습지 구조는 그 방식에 따라 침투 흐름 방식(Subsurface Flow System)과 지표 흐름 방식 (Surface Flow System)으로 구분된다.

도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 침투 흐름 방식이란 유입수가 하부층으로 흐르되 하부층은 전형적인 여러가지 크기의 자갈, 쇄석 또는 토양으로 이루어지고, 지표 흐름 방식이란 유입수가 대부분 하부 토향층의 위로 흐르되 하부 토양층은 원래의 토양으로 이루어져 있다.

이러한 침투 흐름 방식과 지표 흐름 방식의 수질 정화 효과를 도 2를 참조하여 상호 비교하여 보면, 침투 흐름 방식의 구조가 지표 흐름 방식에 비하여 수질 정화 효과가 월등히 높으나, 이러한 장점에도 불구하고 침투 흐름 방식의 구조가 폐쇄 현상적이라는 문제점으로 인해 지표 흐름 방식의 습지가 주로 이용되고 있다.

그러나, 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 공법에서는 도 3에 도시하고 있는 바와 같이, 이러한 폐쇄 현상을 구조 자체 내에서 활발히 작용되는 호기성 및 혐기성 미생물의 생물학적인 작용에 의해 제거함으로써 인공 습지의 수질 정화 효과를 극대화할 수 있다.

한편, 습지 식물의 기능은 물리적으로 물의 흐름을 방해하여 토사에 흡착된 인(P)과 같은 오염 물질의 침전을 유도하고, 생물학적으로 유기물을 분해하는 미생물(호기성 미생물)에 산소를 공급하고, 미생물의 먹이원(식물 뿌리에 흡착된 입자성 오염 물질)의 제공, 미생물 부착 공간 제공, 식물에 의해 합성된 대사산물의 미생물 분해 활동 촉진, 중금속 및 방사선 물질의 흡수, 영양 염류의 흡수 등이 가능하다는 장점으로 인해 지표 흐름 방식의 습지가 주로 이용되고 있다.

식물은 다양한 오염원 제거 방법을 가지고 있으며, 그림 3에서 도시하고 있 는 바와 같이, 식물에 의한 오염원 제거 방법을 나타낸 것으로서, 크게 다섯 가지 방법이 알려져 있다.

먼저, 식물정화(Phytodegration)는 식물 내부로 흡수된 오염원이 식물 단백질에 의해 분해되는 방법이고, 식물 추출법(Phytoextraction)은 오염원을 흡수하여 잎, 줄기와 같은 식물 조직 내에 저장하여 토양 및 수환경으로부터 오염원을 분리하여 제거하는 방법이며, 근분해(Rhizodegration)/식물촉진(Phytostimulation)은 식물의 근권역(호기성 지역)에서 자라는 미생물에 의하여 오염원이 분해되어 제거하는 방법이고, 근안정화(Phytostablization)는 식물의 뿌리에서 유기 화합물과 같은 독성 오염원이 비독성 물질로 전환되어 안정화시키는 방법이며, 식물 휘발(Phytovolatilization)은 식물에 의해 흡수된 오염원이 식물체 내부에서 안정화 과정을 거치면서 잎을 통해 방출되는 방법이다.

그 외에도, 식물 뿌리의 흡착성을 이용한 방법으로 근여과(Rhizofiltration)가 있다.

상술한 바와 같은 인공 습지나 호안은 수중 생태계와 육상 생태계가 접하는 지점에 위치함으로써 다양한 식생이 발달하고, 여러 종류의 수서 곤충과 미생물 등이 서식함으로써 수질을 정화하며, 이러한 인공적 습지와 호안은 담수의 부영양화를 억제하고, 수자원의 효율적인 관리와 사용에 많은 도움을 주도록 이루어진다.

그러나, 수질 오염원의 부하량이 증가하고, 오, 폐수의 짧은 체류 시간으로 인해 오염 물질의 제거 효율이 감소됨으로써 인공적 습지 또는 호안을 통하여 배출되는 유출수의 수질이 오히려 저하되는 문제점이 있으며, 단위 면적 당 처리할 수 있는 수질 정화 효율에 한계가 있다는 문제점이 있었다.

또한, 인공적 습지나 호안을 이용하여 수질을 정화하기 위해서는 인공적 습지나 호안을 조성하기 위한 건설 및 제작 비용이 증대될 뿐만 아니라, 유지 보수 및 관리 비용이 상당하다는 등의 문제점이 있었다.

본 고안은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 식물 및 미생물에 의하여 오, 폐수를 정화시키기 위한 식물 및 생물학적 정화법이 적용되는 인공 습지를 제공함으로써 자연에 존재하는 미생물을 인공 습지에 정착되는 것을 수동적으로 기다리는 것이 아니라, 인공 습지에 대상 오염물질에 따라 인위적으로 필요한 미생물을 배양시킴으로써 본 고안의 인공 습지 내에서 공법 적용의 시작부터 생물정화가 가능하도록 하며, 인공 습지를 이용한 수질 정화시, 건설 및 제작 비용이 감소될 뿐만 아니라, 유지 보수 및 관리 비용이 절감되며, 동작을 위한 별도의 에너지가 필요치 않아 에너지 소모가 거의 없으며, 이로 인해 환경친화적일 뿐만 아니라, 다른 공법과의 접목이 용이하고, 수량에 따른 규모의 변경이 가능할 뿐만 아니라, 오염 물질의 종류에 따라 다양하게 적용가능하여 오, 폐수를 보다 효과적으로 정화시킬 수 있는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 수질을 정화하기 위한 인공 습지 구조에 있어서, 일측에 오, 폐수가 유입되기 위한 유입관이 구비되고, 타측에 오, 폐수가 유출되기 위한 유출관을 갖는 제1 저장고; 상기 유출관에 연결되되, 그 내부에 규칙 또는 불규칙적으로 다수개의 자갈이 구비되는 제1 필터부; 상기 제1 필터부를 통하여 오, 폐수가 유입되되, 하부에 자갈, 모래, 부엽토 등이 일정 비율로 구비되고, 그 상부에 습지 식물이 식재되며, 그 내부에 미생물이 존재하는 식물 및 생물학적 정화부; 상기 식물 및 생물학적 정화부를 통하여 정화된 정화수가 유입되되, 그 내부에 규칙 또는 불규칙적으로 다수개의 자갈이 구비되는 제2 필터부; 및 상기 제2 필터부를 통하여 여과된 정화수를 저장하고, 일측에 저장된 정화수를 배출하기 위한 배출구를 갖는 제2 저장고; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 저장고는 그 중심부에 구비되는 격벽에 의하여 내부 공간이 분할되되, 상기 격벽의 상부 적소에 연결공이 관통형성되어 분할된 내부 공간을 상호 연결시키도록 이루어진다.

더불어, 상기 제1 필터부는 내부에 수직방향으로 다수개의 암석이 적층설치되는 암석 필터가 구비된다.

한편, 상기 제1 필터부의 일측면 상, 하부 적소에 유입관을 통하여 유입되는 오, 폐수를 유출하기 위한 유출공이 다수개 형성된다.

여기서, 상기 식물 및 생물학적 정화부에 식재되는 습지 식물이 갈대이다.

바람직하게는, 상기 식물 및 생물학적 정화부에 존재하는 미생물이 호기성 미생물과 혐기성 미생물로 이루어진다.

여기서, 상기 식물 및 생물학적 정화부에는 질산화 작용에 적용되는 Nitrosomonas halophila, Nitorosomonas eutropha, Nitrosomonas sp., Nitosospira gracilis 및 Nitrosospira briensis로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용된다.

더불어, 상기 식물 및 생물학적 정화부에는 탈질소화 작용에 적용되는 Psuedomonas, Escherischia, Achromobacter, Bacillius 및 Micrococcus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용된다.

그리고, 상기 식물 및 생물학적 정화부에는 황산화 작용에 적용되는 Thiobacillus, Beggiatoa로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용된다.

또한, 상기 식물 및 생물학적 정화부에는 인 제거에 적용되는 Acinetobacter 및 Microlunatus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용된다.

그리고, 상기 식물 및 생물학적 정화부의 바닥면은 오, 폐수가 주변 환경으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 방수층으로 이루어진다.

더불어, 상기 제2 필터부는 일측면 상부 적소에 유입공이 관통형성되고, 그 타측면 하부 적소에 정화된 정화수를 배출하기 위한 배출관이 구비되되, 상기 배출관이 상기 제2 저장고의 하부에 연설된다.

또한, 상기 제2 필터부는 내부에 수직방향으로 다수개의 암석이 적층설치되 는 암석 필터가 더 구비된다.

그리고, 상기 제1 저장고는 그 내부 하측에 침전되는 침전물을 배출하기 위하여 침전물 배출관을 통하여 침전물 저장소에 연결된다.

이하, 본 고안의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 4는 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5는 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조에 따른 정화 방법을 나타내는 흐름도이다.

도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조(1)은 제1 저장고(10)와 제1 필터부(20)와 식물 및 생물학적 정화부(30)와 제2 필터부(40) 및 제2 저장고(50)로 구성된다.

상기 제1 저장고(10)는 일측에 외부의 오, 폐수가 유입되기 위한 유입관(11)이 구비되고, 그 내부로 유입되는 오, 폐수를 유출하기 위한 유출관(13)이 구비된다.

여기서, 상기 제1 저장고(10)는 그 중심부에 격벽(15)이 구비되고, 상기 격벽(15)에 의하여 내부 공간이 각각 분할되며, 상기 격벽(15)의 상부 적소에는 분할된 각 내부 공간을 상호 연결하기 위한 연결공(17)이 관통형성된다.

상기한 바와 같은 구조에 의하여 외부의 오, 폐수가 유입관(11)을 통하여 제1 저장고(10) 내에 분할형성되는 내부 공간 중 일측 내부 공간으로 유입되고, 계속 적인 유입에 의하여 오, 폐수가 소정 높이까지 상승하며, 상승된 오, 폐수가 상기 격벽(15)의 상부 적소에 관통형성되는 연결공(17)을 통하여 그 타측 내부 공간으로 유입된 후 유출관(13)을 통하여 유출되도록 이루어진다.

여기서, 상기 제1 저장고(10)가 침전물 배출관(미도시)을 통하여 침전물 저장소(미도시)와 연결되어 유입되는 오, 폐수 중 상기 제1 저장고(10)의 내부 하측에 침전되는 침전물을 외부로 배출하도록 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 상기 제1 저장고(10)의 하부 적소에 침전물 배출관이 연통되되, 상기 침전물 배출관이 침전물 저장소에 연결됨으로써 제1 저장고(10)로 유입되는 오, 폐수에 섞여있는 침전물을 외부로 배출하도록 이루어지는 것도 가능하다.

한편, 상기 제1 필터부(20)는 상기 제1 저장고(10)와 유출관(13)으로 상호 연결되되, 그 내부에 소정 크기 및 형상을 갖는 자갈들이 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 구비된다. 한편, 상기 제1 필터부(20) 내부에는 수직방향으로 다수개의 암석이 적층설치되는 형상으로 이루어지는 암석 필터(21)가 구비된다.

상기한 바와 같은 구조에 의하여 상기 제1 저장고(10)의 유출관(13)을 통하여 제1 필터부(20) 내로 유입되는 오, 폐수가 자갈들에 의하여 1차적으로 여과되고, 수직방향으로 적층구비되는 암석 필터(21)에 의하여 2차적으로 여과되도록 이루어짐으로써 자생적인 수질 정화 효과를 기대할 수 있다.

한편, 상기 제1 필터부(20)의 일측면 상, 하부 적소에 상기 제1 저장고(10)의 유출관(13)을 통하여 유입되는 오, 폐수를 유출하기 위한 유출공(23)이 다수개 형성된다.

본 고안의 일 실시예에서는 상기 제1 필터부(20)의 내부에 수직방향으로 적층구비되는 암석 필터(21)가 하나의 열로 구비되어 있으나, 상기 암석 필터(21)가 소정간격 이격되어 다수개의 열로 구비되는 것도 가능하다.

또한, 본 고안의 일 실시예에서는 상기 제1 필터부(20)의 내부에 규칙 또는 불규칙적으로 다수개의 자갈이 구비되어 있으나, 자갈 이외에 부엽토 또는 모래 등이 일정 비율로 상기 제1 필터부(20)의 내부에 구비되는 것도 가능하다. 이때에는 상기 제1 필터부(20)의 내부에 구비되는 부엽토 또는 모래 등이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 별도의 스토퍼 부재가 부가되는 것이 바람직하다.

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)는 상기 제1 필터부(20)를 통하여 유입되는 오, 폐수를 정화하도록 이루어지되, 그 바닥면 상부에 자갈, 모래, 부엽토를 일정 비율로 구성하여 상부에 식재되는 습지 식물(31) 뿌리의 착상이 용이하도록 이루어진다.

여기서, 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에 식재되는 습지 식물(31)은 갈대로 이루어진다. 즉, 상기 제1 필터부(20)를 통하여 식물 및 생물학적 정화부(30)로 유입되는 오, 폐수를 정화하기 위한 습지 식물(31)은 오염원의 조성 및 상태에 따라 그 종을 선별하여야 하며, 그 중 가장 중요한 조건은 식물의 성장 속도 및 뿌리의 발달이 빨라야 하고, 토양 속 깊이 자랄 수 있어야 하며, 폐놀과 같은 유기 화합물 및 중금속, 가령 납과 카드늄 등의 오염원에 대한 저항성이 높아야 한다.

상기한 바와 같은 조건을 만족시키는 습지 식물(31)로는 건조한 지역 뿐만 아니라, 염분에 대한 빠른 저항성을 가지고 있는 갈대가 가장 적합하며, 이로 인해 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 습지 식물(31)로서 갈대가 적용된다.

여기서, 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 미생물이 존재하고, 상기 미생물은 호기성 미생물과 혐기성 미생물로 이루어져 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)의 바닥면에 구비되는 자갈, 모래, 부엽토 등에 의하여 성장 공간을 제공받을 뿐만 아니라, 공생하는 미생물의 생물학적 반응 공간이 제공된다.

즉, 습지에서의 오염 물질 분해 및 제거는 식물의 뿌리 또는 침전 토양 내에서 대부분 일어나고, 이는 미생물과의 상호 작용을 통하여 이루어진다. 다시 말하면, 습지 식물(31)의 뿌리는 식재되는 토양층으로 산소를 공급함으로써 습지 식물(31)의 뿌리털 주위에 근권역(Rhizosphere)를 형성하여 호기성 미생물이 자랄 수 있는 환경을 제공하게 되며, 그 이외의 지역은 혐기성 상태로 존재함으로써 혐기성 미생물이 성장하는 공간을 제공한다.

상기한 바와 같은 환경은 다양한 미생물군을 형성하게 되며, 습지로 유입되는 오염 물질의 조성에 상관없이 탄력적으로 작용하여 수질 정화에 있어 그 효율성이 뛰어나게 된다.

한편, 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조(1)에 의한 수질 정화에 있어 미생물의 역할은 식물에 의한 정화 효과보다 더 높은 효율성을 가진다.

즉, 미생물은 그 종에 따라 먹이원을 달리 하기 때문에 습지에 서식하고 있는 미생물의 다양성을 유지함으로써 상호 보완적인 기능을 통하여 다양한 오염원의 제거가 가능하다.

여기서, 식물 근권역에서 성장하는 호기성 미생물과 그 이외의 지역에서 자라는 혐기성 미생물에 의한 암모니아성 질소의 질소 가스로 변환되는 과정을 그 일 예로 들 수 있다.

질산화 작용(호기성 질산화 미생물)

Ammonia Oxidation : NH₄ ⁺ → NO₂ ^-

Nitrite Oxidation : NO₂ ^- → NO₃ ^-

탈질소화 작용(혐기성 질소화 미생물)

C₆H₁₂O₆ + 12NO₂ ^- + 6CO₂ + 6H₂O + energy

C₆H₁₂O₆ + 8NO₂ ^- = 4N₂ + 2CO₂ + 4CO₃ ² ^- + 6H₂O + energy

상기한 바와 같이, 호기성 상태에서는 황과 인이 제거되고, 혐기성 상태에서는 탈질소화 작용을 유도하여 암모니아성 질소를 제거한다.

한편, 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)의 바닥면은 오, 폐수가 주변 환경으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 방수층으로 이루어진다.

상기 제2 필터부(40)는 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)를 통하여 정화되는 정화수가 유입되되, 그 내부에는 소정 크기 및 형상의 자갈들이 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 구비된다.

여기서, 상기 제2 필터부(40)의 구조는 기본적으로 상기 제1 필터부(20)와 동일하게 구성된다. 즉 상기 제2 필터부(40) 내에 다수개의 자갈만이 규칙 또는 불규칙적으로 다수개 구비되어 있으며, 상기 제2 필터부(40) 내에 상기 제1 필터부(20)에 적층구비되는 암석 필터(21)가 더 구비되어 수질 정화의 효율을 향상시키도록 이루어지는 것도 가능하다.

한편, 상기 제2 필터부(40)의 일측면 상부 적소에는 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)를 통하여 정화되는 정화수를 유입하기 위한 유입공(41)이 관통형성되고, 그 타측면 하부 적소에는 제2 필터부(40)를 통하여 정화 및 여과된 정화수를 배출하기 위한 배출관(43)이 구비된다.

그리고, 상기 제2 저장고(50)는 상기 제2 필터부(40)를 통하여 여과된 정하수를 저장하고, 저장된 정화수룰 배출하기 위하여 그 일측에 배출구(51)가 구비된다.

여기서, 상기 제2 저장고(50)의 하부에는 상기 제2 필터부(40)의 배출관(43)이 연설되며, 상기 배출관(43)을 통하여 여과된 정화수가 제2 저장고(50)로 유입된다.

이하, 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조(1)에 따른 정화 방법을 설명한다.

먼저, 본 고안에 의한 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조(1)을 이용하여 수질을 정화하기에 앞서, 인공 습지 구조(1)을 설치하기 위한 장소 및 환경, 즉 오염원의 수질 분석(BOD, COD, 중금속, 질소, 인, 황 화합물, 페놀류 등의 유기 화합물)을 통하여 조건에 맞는 인공 습지 조성과 최적의 미생물과 식물을 선별하는 작업을 필요로 한다.

이를 위하여 수질 정화 대상에 따라 인공 습지 구조(1)으로 유입되는 수량을 결정하여야 하며, 특히 갈수기 및 풍수기에 따른 유입 수량의 변동량을 산정하여야 하며, 유입 수량에 따른 인공 습지 구조(1)의 규모를 결정하여야 하고, 주위 공간 및 환경과의 관계를 고려한 후 인공 습지 구조(1)을 적용하여야 한다.

상기한 바와 같은 고려에 따라 설치되는 인공 습지 구조(1)을 통한 수질 정화 방법은 먼저, 오, 폐수가 유입관(11)을 통하여 제1 저장고(10)로 유입된다(S1).

한편, 상기 유입관(11)을 통하여 제1 저장고(10)로 유입되는 오, 폐수가 격벽(15)에 의하여 구획되는 그 일측 공간으로 유입되고(S1-1), 상기 제1 저장고(10)의 일측 공간으로 유입되는 오, 폐수 중 찌꺼기가 하부면에 침전된 후(S1-2), 찌꺼기를 제외한 오, 폐수가 격벽(15)의 연결공(17)을 통하여 그 타측 공간으로 유입된다(S1-3).

그리고, 상기 제1 저장고(10)로 유입되는 오, 폐수가 유출관(13)를 통하여 제1 필터부(20)로 유출된다(S2).

상기 제1 필터부(20)로 유입되는 오, 폐수는 그 내부에 구비되는 다수개의 자갈을 통하여 여과된다(S3).

여기서, 상기 제1 필터부(20)로 유입되는 오, 폐수는 그 내부에 수직방향으로 적층구비되는 암석 필터(21)에 의하여 재차 여과된다(S3-1). 이렇게 상기 제1 필터부(20)의 내부에 적층구비되는 암석 필터(21)에 의하여 자생적인 수질 정화를 기대할 수 있다.

상기한 바와 같이 제1 필터부(20)를 통하여 여과된 오, 폐수는 유출공(23)을 통하여 식물 및 생물학적 정화부(30)로 유출된다(S4).

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)로 유출되는 오, 폐수가 분해되어 정화된다(S5).

여기서, 상기 제1 필터부(20)에서 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)로 배출되는 오, 폐수가 습지 식물(31)인 갈대에 의하여 정화되고(S5-1), 습지 식물(31)인 갈대의 뿌리에 존재하는 호기성 미생물에 의하여 정화되며(S5-2), 수생에 존재하는 혐기성 미생물에 의하여 정화된다(S5-3).

상기한 바와 같이, 제1 필터부(20)를 통하여 여과된 오, 폐수는 상기 식물 및 생물학적 정화부(30)를 통하여 정화수로 정화된 후 유입공(41)을 제2 필터부(40)로 유입된다(S6).

상기 제2 필터부(40)로 유입되는 정화수는 재여과된 후(S7), 배출관(43)을 통하여 제2 저장고(50)로 배출된다(S8).

이렇게 제2 저장고(50)로 배출되는 정화수는 그 적소에 구비되는 배출구(51)를 통하여 외부로 배출된다(S9).

상기한 바와 같이, 제1 필터부(20)와 제2 필터부(40)에 의하여 수질이 정화되고, 식물 및 생물학적 정화부(30)에 구비되는 습지 식물(31)인 갈대와 호기성 미생물 및 혐기성 미생물에 의하여 수질이 정화되도록 이루어짐으로써 수질 정화에 상당한 효율을 얻을 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 고안을 설명한다.

단. 하기 실시예는 본 고안을 예시하는 것일 뿐 하기 실시에에 의해 본 고안이 한정되지는 않는다.

< 실시예 1> 인공 습지 축조

본 고안의 인공 습지는 도 4와 같이 축조하였다.

플롯(plot)은 폭 5 m, 길이 10 m 및 깊이 0.6 m 그리고 바닥 경사도는 0.5% 로 수평상면고로 축조하였다. 2 가지 종류의 기질(숯이 혼합된 모래와 퇴비)이 사용되었고, 플롯에는 갈대(Phragmites australis)를 식재하였다.

그리고, 미생물은 Nitrosomonas halophila, Nitorosomonas eutropha, Nitrosomonas sp., Nitosospira gracilis 및 Nitrosospira briensis로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물을 사용하였다.

본 실시예에서는 인공습지에 사용되는 미생물이 질산화 작용에 적용되는 Nitrosomonas halophila, Nitorosomonas eutropha, Nitrosomonas sp., Nitosospira gracilis 및 Nitrosospira briensis로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물을 사용하였으나, 탈질소화 작용에 적용되는 Psuedomonas, Escherischia, Achromobacter, Bacillius 및 Micrococcus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물을 사용하는 것도 가능하다.

또한, 황산화 작용에 적용되는 Thiobacillus, Beggiatoa로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물 및 인 제거에 적용되는 Acinetobacter, Microlunatus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물을 사용하는 것도 가능하다.

상기한 호기성 근권역(rhizosphere)과 혐기성 영역에 공존하는 미생물 군의 상호 보완으로 지속적인 생물학적 분해가 가능하다.

< 실시예 2> 인공 습지를 통한 수질정화도 측정

전체 14가지 변수(COD, BOD, NO₂NO₃, 페놀, Al, Cr, Fe, Hg, Pb, Zn, A.G.R., 황, 인산염 및 Mes)에 대해 시료 수집 후 1주일 내에 분석하였고 BOD와 COD는 표준방법으로(Greenberg et al., 1992) TM micro kit(Hath)를 사용하여 각각 측정하였다.

구체적으로 250 mL의 물(유입수 또는 유출수)을 핸드 펌프를 사용하여 1.2 GF 에서 0.45 m nucleopore Whatman filer를 통해 연속적으로 여과하여 오염 물질(particular matter), 매크로 콜로이드(macrocolloid) 및 용해 분획 각각에 따라 1.2, 1.2에서 0.45 및 0.45 ㎛ 크기 분획으로 나누었다. 분석을 위해 남은 물질은 필터 페이퍼 상태로 플라스틱 백에 봉해 약 섭씨 4℃ 에서 보관하였고 최종 여과액은 플라스틱 보관용기에 농축된 HNO₃ 몇 방울을 떨어뜨려 보관하였으며, 모든 분리된 분획은 금속 분석을 위해 남겨두었다.

화학적 분석(아질산-질소 및 화학적 산소 요구량(COD))은 본 고안의 인공 습지에서 나온 유출수에 대해 24시간 내에 세 번 측정하였다. 상기 분석은 Standard methods (APHA, 1980)에 기술된 방법대로 수행되었다.

T-test에 의한 통계 분석은 인공 습지 구조를 통한 화학물질 분해율의 유의한 차이를 측정하기 위해 수행되었다. SigmaPlot software(SPSS Inc., 2001)가 사용되었으며 결과는 확률이 P0.05 미만이며 유의하다고 판단하였다. 통계분석을 통한 화학물질 농도의 평균값은 분해 프로파일을 수득하는데 사용되었다.

상기와 같은 방법으로 본 고안의 인공 습지를 통한 수질정화 정도를 측정한 결과, 인공 습지 하류에서 화학물질 농도 변화는 Cr과 Hg이 정량한계(detection limit)이하로 검출되었고 소량의 Al, Pb, Fe 및 Zn 만이 검출되었다(표 1).

BOD와 COD 농도는 인공 습지를 지난 후에 각각 98.8%과 91.7% 크게 감소하여 평균 하구 배수 BOD와 COD 수준은 15 mg/L (범위: 10.9-19.1) 및 20 mg/L (범위: 13.6-24.1)로 측정되었다(표 2).

식물 및 생물정화 구조에 의한 중금속, 황화물, 인산염 및 Mes 제거율

	Phyto - Bioremediation
	Al mg/l	Cr mg/l	Fe mg/l	Hg mg/l	Pb mg/l	Zn mg/l	A.G.R Ug /l
Inflow	1.6	0.1	9.9	0	0.2	0.17	830
Outflow	0.2	0	7.0	0	0.05	0.04	210
Efficiency(%)	87.5	100	29.3	0.0	75.0	76.5	74.7
t-test probability level	0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)		0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)

	Phyto - Bioremediation
	Sulfures mg/l	Phosphate mg/l	Mes mg/l
Inflow	13	17	49.6
Outflow	0	2.5	6
Efficiency(%)	100	85.3	87.9
t-test probability level	0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)

여기서, Mes란, 2(N-Morpholino) ethane sulfonic acid, 유기 화합물을 의미함.

인공 습지 구조의 BOD와 COD 수준 비교

	Phyto - bioremediation (7days)				Bioremediation (7days)
	COD mg/l	BOD mg/l	NO ₂ NO ₃ mg/l	Phenols mg/l	COD mg/l	BOD mg/l	NO ₂ NO ₃ mg/l	Phenols mg/l
Inflow	1700	180	2.2	0.58		3250	120	15
Outflow	20	15	0.6	0.12		100	40	8
Efficiency(%)	98.8	91.7	72.7	79.3		96.9	66.6	46.6
t-test probability level	0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)		0.001 (S)	0.001 (S)	0.001 (S)

여기서, Bioremediation은 미생물 처리 데이터(data)이므로 COD 값을 측정 않함.

이상에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 고안의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 고안의 실용신안청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 고안은 식물 및 생물학적 정화법이 적용되는 인공 습지를 제공함으로써 적용 후 건설 및 제작 비용이 감소될 뿐만 아니라, 유지 보수 및 관리 비용이 절감되며, 동작을 위한 별도의 에너지가 필요치 않아 에너지 소모가 거의 없으며, 이로 인해 환경친화적일 뿐만 아니라, 다른 공법과의 접목이 용이하고, 수량에 따른 규모의 변경이 가능할 뿐만 아니라, 축산 폐수, 생활 하수, 광산 토양 및 침출수, 유가공 폐수, 해안 침출수, 하천 폐수 등의 폐수 및 양식장, 낚시터, 골프장, 군부대 등 오염 물질 및 환경에 따라 다양하게 적용가능하여 오, 폐수를 보다 효과적으로 정화시킬 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims

수질을 정화하기 위한 인공 습지 구조에 있어서,

일측에 오, 폐수가 유입되기 위한 유입관(11)이 구비되고, 타측에 오, 폐수가 유출되기 위한 유출관(13)을 갖는 제1 저장고(10);

상기 유출관(13)에 연결되되, 그 내부에 규칙 또는 불규칙적으로 다수개의 자갈이 구비되는 제1 필터부(20);

상기 제1 필터부(20)를 통하여 오, 폐수가 유입되되, 하부에 자갈, 모래, 부엽토 등이 일정 비율로 구비되고, 그 상부에 습지 식물(31)이 식재되며, 그 내부에 미생물이 존재하는 식물 및 생물학적 정화부(30);

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)를 통하여 정화된 정화수가 유입되되, 그 내부에 규칙 또는 불규칙적으로 다수개의 자갈이 구비되는 제2 필터부(40); 및

상기 제2 필터부(40)를 통하여 여과된 정화수를 저장하고, 일측에 저장된 정화수를 배출하기 위한 배출구(51)를 갖는 제2 저장고(50);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 제1 저장고(10)는 그 중심부에 구비되는 격벽(15)에 의하여 내부 공간 이 분할되되, 상기 격벽(15)의 상부 적소에 연결공(17)이 관통형성되어 분할된 내부 공간을 상호 연결시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 제1 필터부(20)는 내부에 수직방향으로 다수개의 암석이 적층설치되는 암석 필터(21)가 구비되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 제1 필터부(20)의 일측면 상, 하부 적소에 유입관(11)을 통하여 유입되는 오, 폐수를 유출하기 위한 유출공(23)이 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에 식재되는 습지 식물(31)이 갈대인 것을 특징으로 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에 존재하는 미생물이 호기성 미생물과 혐기성 미생물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 질산화 작용에 적용되는 Nitrosomonas halophila, Nitorosomonas eutropha, Nitrosomonas sp., Nitosospira gracilis 및 Nitrosospira briensis로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 탈질소화 작용에 적용되는 Psuedomonas, Escherischia, Achromobacter, Bacillius 및 Micrococcus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 황산화 작용에 적용되는 Thiobacillus, Beggiatoa로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)에는 인 제거에 적용되는 Acinetobacter 및 Microlunatus로 이루어지는 미생물군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 미생물이 사용되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 식물 및 생물학적 정화부(30)의 바닥면은 오, 폐수가 주변 환경으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 방수층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법.
제1항에 있어서,

상기 제2 필터부(40)는 일측면 상부 적소에 유입공(41)이 관통형성되고, 그 타측면 하부 적소에 정화된 정화수를 배출하기 위한 배출관(43)이 구비되되, 상기 배출관(43)이 상기 제2 저장고(50)의 하부에 연설되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 제2 필터부(40)는 내부에 수직방향으로 다수개의 암석이 적층설치되는 암석 필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.
제1항에 있어서,

상기 제1 저장고(10)는 그 내부 하측에 침전되는 침전물을 배출하기 위하여 침전물 배출관을 통하여 침전물 저장소에 연결되게 이루어지는 것을 특징으로 하는 식물 및 생물학적 정화법을 이용한 인공 습지 구조.