[논문]굴패각과 천연광물질을 이용한 수목여과용 비점오염시설 장치 개발 연구

김정호; 구현우; 이영재

문제 정의

Pilot Test의 실험결과를 바탕으로 현장에서 효율적이고, 유지관리가 쉬운 수처리 시설을 개발 하기 위하여 담체의 높이를 조절할 수 있는 수처리 시설을 개발하였다. 개발된 수처리 시설은 3단 으로 구성된 필터에 효율이 좋은 혼합담체를 채워 놓았으며, 유지보수를 위해 바로 교체할 수 있도록 설계하였다.
본 연구의 목적은 폐기물인 굴패각의 재활용과 수질 개선 효과가 높은 천연 광물질을 활용하여 수처리 시설을 개발하고, 개발된 시설의 유기물질, 질소 및 인 제거를 통하여 수질 개선 효과를 평가하고자 하는 것이다.
하지만 기존에 설치된 수처리 시설은 유지보수 비용이 높고, 세라믹 볼이 단가가 높아 초기비용 역시 높게 책정되고 있으며, 세라믹 볼의 정화효율이 낮기 때문에 문제가 발생되고 있다. 이에 본 연구는 어촌폐기물인 굴패각과 수질정화에 탁월한 천연 광물질을 혼합한 담체를 개발하여 수처리 시설에 적용시켜 하수를 처리하여 굴 껍질과 천연 광물질이 수처리 시설의 담체로서 사용가능한지 그리고 간이하수처리시설로 적용할 수 있는지를 검토하고자 수행하였다.
연구 방법은 pilot test를 실시한 후 패각과 천연 광물질의 수질정화 효능을 살펴보고 pilot test 실험 장치의 결과를 바탕으로 현장 적용성을 평가하고자 하였다. 현장 적용성 실험 결과를 바탕으 로 본 연구의 최종 목표인 수처리 시설개발을 하고자 하였다. pilot test는 아크릴상자를 이용하여 수목여과박스의 형태로 제작하고, 내부에 3단으로 필터를 제작하였으며, 모래, 패각+제올라이 트, 패각+일라이트, 패각+황토를 포설하여 배치하였다.

제안 방법

현장 적용성 실험 결과를 바탕으 로 본 연구의 최종 목표인 수처리 시설개발을 하고자 하였다. pilot test는 아크릴상자를 이용하여 수목여과박스의 형태로 제작하고, 내부에 3단으로 필터를 제작하였으며, 모래, 패각+제올라이 트, 패각+일라이트, 패각+황토를 포설하여 배치하였다.
각 재료별 소성은 700-1,000℃에서 2시간가량 가열하여 Ø5-10mm크기의 볼 형태로 만들어 소성 을 실시하였다.
Pilot Test의 실험결과를 바탕으로 현장에서 효율적이고, 유지관리가 쉬운 수처리 시설을 개발 하기 위하여 담체의 높이를 조절할 수 있는 수처리 시설을 개발하였다. 개발된 수처리 시설은 3단 으로 구성된 필터에 효율이 좋은 혼합담체를 채워 놓았으며, 유지보수를 위해 바로 교체할 수 있도록 설계하였다.
연구 방법은 pilot test를 실시한 후 패각과 천연 광물질의 수질정화 효능을 살펴보고 pilot test 실험 장치의 결과를 바탕으로 현장 적용성을 평가하고자 하였다. 현장 적용성 실험 결과를 바탕으 로 본 연구의 최종 목표인 수처리 시설개발을 하고자 하였다.
폐굴패각과 천연 광물질(제올라이트, 일라이트, 황토)를 혼합하여 담체 상태로 소성하고, Pilot Test를 통하여 수실개선효과에 대한 평가를 실시한다.
혼합비율은 굴패각(10, 20 ,30, 50%), 제올라이트·일라이트·황토(90, 80, 70, 50%)로 실시하였다.

대상 데이터

수처리 장치를 개발하기 위하여 굴패각과 천연광물질(제올라이트, 일라이트, 황토)를 선정하였 다. 패각은 경남통영에서 제공받아, 전처리와 분쇄를 위해 충북 진천군 진천읍에 위치한 가공업체 서 분쇄되어 300mesh의 가루형태를 사용하였고, 천연 광물질은 경북 경산에 위치한 재료업체에서 200-300mesh 분말 크기로 된 제품을 사용하였다.
패각은 경남통영에서 제공받아, 전처리와 분쇄를 위해 충북 진천군 진천읍에 위치한 가공업체 서 분쇄되어 300mesh의 가루형태를 사용하였고, 천연 광물질은 경북 경산에 위치한 재료업체에서 200-300mesh 분말 크기로 된 제품을 사용하였다.

성능/효과

가루화된 담체를 제외한 나머지 혼합담체에 선행실험을 실시한 결과 굴 패각을 10%이상 치환 한 담체의 수질 검사결과 pH수치가 8.5-10이상의 강 알칼리화 되는 것을 확인하였다. 수질환경기 준은 환경정책기본법 제10조, 동법 시행령 제2조에 따라 pH농도는 6.
연구결과 굴패각과 천연광물질을 혼합한 담체의 경우 수질 정화능력이 환경부 저영향개발(LID) 기술요소 가이드라인 기준보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 굴 패각을 이용한 담체를 활 용할 경우 폐굴껍질을 수처리 원료로 사용하기 때문에 연간 수억 원의 비용을 절감시키는 효과 (세라믹담체의 수처리분야 사용은 대략 500억 원이며, 패각으로 10%를 대처할 경우 약 50억 원의 절감이 가능)와 자연경관 훼손 방지, 보건 위생상의 환경문제 해결, 현재 굴을 생산하는 어촌지역 에서 굴패각을 처리하기 위하여 지자체에서 지원금을 받고 처리하는 등에 들어가는 예산을 조금 은 줄일수 있을 것으로 판단된다. 그리고 기존의 수처리 시설의 단점을 보완한 간이수처리시설을 개발을 통해 가격이 저렴하면서 기존의 상품과 수처리 능력이 향상된 수목여과박스를 개발하여 유지관리가 용이하고 수처리시설이 설치하기 어려운 도서지역, 농어촌에 설치하여 활용될 수 있다.
혼합비율은 굴패각(10, 20 ,30, 50%), 제올라이트·일라이트·황토(90, 80, 70, 50%)로 실시하였다. 굴패각과 제올라이트, 황토를 혼합한 담체는 비율과 관계없이 볼모양을 유지하고, 어 느 정도의 강도를 가지고 있는 반면 일라이트를 50%이상 치환하게 될 경우 재료가 부서지고, 볼 모양을 유지하지 못하고 모두 가루가 되는 것을 확인하였다.
연구결과 굴패각과 천연광물질을 혼합한 담체의 경우 수질 정화능력이 환경부 저영향개발(LID) 기술요소 가이드라인 기준보다 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 굴 패각을 이용한 담체를 활 용할 경우 폐굴껍질을 수처리 원료로 사용하기 때문에 연간 수억 원의 비용을 절감시키는 효과 (세라믹담체의 수처리분야 사용은 대략 500억 원이며, 패각으로 10%를 대처할 경우 약 50억 원의 절감이 가능)와 자연경관 훼손 방지, 보건 위생상의 환경문제 해결, 현재 굴을 생산하는 어촌지역 에서 굴패각을 처리하기 위하여 지자체에서 지원금을 받고 처리하는 등에 들어가는 예산을 조금 은 줄일수 있을 것으로 판단된다.
5로 규정하고 있기 때문 에 규정이상의 pH농도를 보이는 10%이상의 굴패각을 치환한 담체는 강알칼리성을 띄기 때문에 사용하는데 문제가 있을 것으로 판단된다. 최대 수질 저감 효과를 나타낸 비율은 제올라이트 9: 굴패각 1과 황토 9: 굴패각 1비율이 BOD 66%, COD 55%, SS 68%, T-N 83%, T-P 87%, 총대장 균군 92%으로 나타내었고 황토보다 제올라이트가 약간더 우세한 것으로 나타났다.
천연 Zeolite의 산업부문에 서의 용용은 전적으로 이 광물들이 지니고 있는 독특한 응용광물학적 성질 즉 양이온교환능력 (CEC), 흡착 및 분자체(molecular sieve)특성, 촉매의 특성 그리고 탈수 및 재흡수특성들이 관련 산업에 효용가치가 있다는 것이 특성이다. 황토와 제올라이트는 자체 점성을 가지고 있기 때문에 비교적 점성을 가지고 있지 않는 굴패각과 잘 혼합이 되어 소성하는데 용이한데 반해, 일라이트는 점성을 가지고 있기 않기 때문에 점성이 없는 굴패각과 혼합으로 형태를 유지하지 못하고 부서지 는 것으로 나타났다.

후속연구

굴 패각을 이용한 담체를 활 용할 경우 폐굴껍질을 수처리 원료로 사용하기 때문에 연간 수억 원의 비용을 절감시키는 효과 (세라믹담체의 수처리분야 사용은 대략 500억 원이며, 패각으로 10%를 대처할 경우 약 50억 원의 절감이 가능)와 자연경관 훼손 방지, 보건 위생상의 환경문제 해결, 현재 굴을 생산하는 어촌지역 에서 굴패각을 처리하기 위하여 지자체에서 지원금을 받고 처리하는 등에 들어가는 예산을 조금 은 줄일수 있을 것으로 판단된다. 그리고 기존의 수처리 시설의 단점을 보완한 간이수처리시설을 개발을 통해 가격이 저렴하면서 기존의 상품과 수처리 능력이 향상된 수목여과박스를 개발하여 유지관리가 용이하고 수처리시설이 설치하기 어려운 도서지역, 농어촌에 설치하여 활용될 수 있다.
특히, 수질정화에 탁월한 것으로 보고되고 있다. 따라서 굴 껍질과 천연광물질을 담체 로 사용한다면 운전 및 유지관리 용이하고, 수질정화 효과가 높은 수처리 시설을 하수처리장을 설치할 수 없는 도서지역이나 농어촌의 간이처리시설로 이용할 수 있어 경제적으로 하수를 처리할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 기존에 설치된 수처리 시설은 유지보수 비용이 높고, 세라믹 볼이 단가가 높아 초기비용 역시 높게 책정되고 있으며, 세라믹 볼의 정화효율이 낮기 때문에 문제가 발생되고 있다.

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