KR100387299B1 - 철강슬래그를 이용한 하수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철강의 생산시 발생하는 슬래그를 여재로 이용하여 수로에서 자연정화시키는 철강슬래그를 이용한 하수처리장치에 관한 것이다.

본 발명은 수로내의 생태계에 의존한 생물학적 처리를 기본으로 하는 수로정화법의 개념을 도입한 하수처리장치로, 수로내에 자정작용의 강화를 도모하기 위하여 접촉 여재로서 철강슬래그를 재활용하였고, 자연친화적 환경의 조성과 자정작용의 극대화를 위한 미생물의 활성화를 위해 수로 위에는 덮개로 복개한 후 복토부를 형성하였으며, 내부에는 주기적으로 압축공기를 공급해 주는 에어공급장치를 설치하여 호기성 미생물의 활동이 활성화되도록 구성된다.

그러므로 본 발명은 값비싼 세라믹 여재 대신 폐기처분되던 제강슬래그를 여재로 재활용함으로써 환경친화적인 정화장치를 제공하며, 폐기물의 처리비용 및 정화장치의 설비비용이 대폭적으로 감소하는 효과가 있다.

Description

철강슬래그를 이용한 하수처리장치{A sewerage system steel slag utilized}

본 발명은 하수처리장치에 관한 것으로, 특히 철강의 생산시 발생하는 슬래그를 여재로 이용하여 수로에서 자연정화시키는 철강슬래그를 이용한 하수처리장치에 관한 것이다.

산업이 날로 발전해 가면서 환경문제가 매우 심각한 문제로 대두되고 있다.

모든 분야에서 발생하고 있는 산업폐기물은 그 자체가 원료 물질을 포함하고 에너지를 함유하고 있기 때문에 폐기시의 환경문제와 더불어 재활용 가치 등 제품의 원가에 직접적 영향을 미치게 되는데, 이러한 폐기물 문제의 해결책으로는 원천적으로 폐기물의 발생을 극소화시키는 방법과 배출된 폐기물을 적절히 처리하여 재활용하는 방법이 사용되고 있고 그 연구 또한 활발하게 진행되고 있다.

철상산업의 가장 대표적인 폐기물은 바로 고로슬래그와 제강슬래그로 대별할 수 있는 슬래그인데, 이중 고로슬래그는 고온에서 철광석으로 부터 선철을 제조하는 과정중에 발생하는 것으로 시멘트 원료 등으로 사용되고 있다. 그리고 제강슬래그는 선철을 전로에서 정련하여 불순물인 탄소,인,유황을 제거하여 강을 제조하는 과정중에 발생하는 것으로, 다양한 제조 강종에 따라 슬래그의 조성도 일정하지 않으므로 고로슬래그 만큼 다른 제품의 제조를 위한 부원료 등으로 널리 사용할 수가 없고 건축용 골재나 잡석 등으로 사용되고 있는 정도이다.

그러나 이러한 철강슬래그는 대량의 발생량 중 일부만이 재활용되고 있는 실정이며, 앞으로 철강산업의 전망을 볼때 그 발생량은 철강의 생산 방식이 혁신적으로 발전하지 않는 한 점점 더 늘어날 것으로 보인다. 그러므로 현재에도 이의 처리에 많은 어려움을 겪고 있을 뿐만 아니라 환경오염 및 원가상승에 많은 영향을 미치고 있으며, 앞으로도 이의 재활용 방법에 많은 연구가 필요할 것이다.

한편, 제강슬래그와 같은 고형의 폐기물 외에 일반가정, 축산농가, 공업단지 등에서 발생하는 각종 오폐수는 하천을 심각하게 오염시키고 있으며, 오염된 물을 용수로 정화하기 위해 드는 제반 비용과 사회적 노력은 현재 모든 산업의 원가에 직접 영향을 미치는 요인이 되고 있다.

현재 우리나라는 식수원 및 대형 하천으로의 오염물질의 유입을 적절히 관리하지 못해 대부분이 부영양 및 중영양 상태에 이르고 있는 실정으로 시간이 흐를수록 더욱 악화되고 있는바, 오염물질이 식수원 및 대형 하천으로 유입되기 전에 정화시켜 주어 근본적으로 수질을 개선해 나가야 할 필요성이 크게 대두되고 있다.

이를 위해 폐수처리 과정 중 약품소모가 적고 운전비용이 적게 드는 생물학적 처리방법이 유리하며 이에 미생물의 증식처로 다공질 세라믹 여재를 이용할 수 있다. 다공질의 세라믹 여재는 표면적과 세공용적이 크기 때문에 미생물의 부착증식이 우수하며 세균과 용액의 종류, PH, 온도 등의 영향을 잘 받지 않는다. 따라서 생물할적 처리 효율을 높이고 미생물 증식량을 높게 유지해 폐수처리 부지를 줄일수 있는데, 이러한 목적으로 하천이나 지천 등에 세라믹 여재를 적용하기 위해서는 막대한 양이 투입되어야 하므로 어마어마한 비용이 소요될 것이다. 또한 그 대체 소재로서 천연 골재 등을 이용할 경우는 골재를 채취한 곳에 또 다른 환경파괴를 초래하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 문제를 감안하여 창출된 것으로, 철강 제조공정에서 부산물로 대량 발생하는 슬래그를 생물학적 폐수 처리용 여재로 활용하여 하수를 정화함으로써 수질 환경을 개선할 수 있는 철강슬래그를 이용한 하수처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하수를 정화처리하기 위한 장치에 있어서, 상부가 개방된 벤치형 플륨관을 다수 연결하여 그 내부로 하수가 배수되도록 길게 형성한 수로와; 수로의 일측벽을 따라 길게 배치된 에어공급파이프와, 일단이 상기 에어공급파이프의 길이방향을 따라 50cm~1m 정도의 등간격 위치에서 가지를 치듯이 각각 측벽을 경유하여 바닥면의 중간지점까지 연장형성되는 에어분배파이프와, 상기 에어분배파이프의 끝단에 형성되고 에어공급파이프와 에어분배파이프를 경유하여 공급되는 에어를 수로 내측으로 내뿜는 블로워로 이루어진 에어공급장치와; 수로의 바닥면에서부터 70~100mm 직경 크기의 고로슬래그와 70~100mm 직경 크기의 제강슬래그와 13~40mm 직경 크기의 다른 제강슬래그가 각각 40%와 30%와 30%의 높이 비율로 상측까지 충진되어 이를 통해 배수되는 하수를 자연정화하도록 이루어진 여재부와; 수로의 시작부 및 길이방향을 따라 등간격으로 수로의 중간 중간에 설치되어 오버플로 방식으로 하수의 유량을 조절하고 그 저면부에는 수로내에서 여재부에 의해 정화되는 부유물질을 축적하는 맨홀 역할을 하는 공지의 유량조절조와; 수로 내부로 통풍 및 빗물의 유입이 가능토록 다수의 구멍이 형성되고 수로의 개방된 상측을 복개하는 덮개와; 상기 덮개의 상측에 복토된 표토와 표토에 심어지는 식수로 이루어진 복토부로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기의 구성으로 이루어진 본 발명은 값비싼 세라믹 여재 대신 폐기처분되던 제강슬래그를 여재로 재활용함으로써 환경친화적인 정화장치를 제공하며, 폐기물의처리비용 및 정화장치의 설비비용이 대폭적으로 감소하는 효과가 있다.

도 1은 수로와 에어공급장치의 모습을 보이는 부분 절개 사시도

도 2는 여재부가 충진되고 덮개가 복개된 모습을 보이는 부분 절개 사시도

도 3은 본 발명에 의한 철강슬래그를 이용한 하수처리장치의 바람직한 일실시예 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 수로 20 : 에어공급장치

21 : 에어공급파이프 22 : 에어분배파이프

23 : 블로워 30 : 여재부

31 : 고로슬래그 32, 33 : 제강슬래그

40 : 덮개 41 : 구멍

50 : 복토부 51 : 표토

52 : 식수

이하 도면을 참조한 상세한 설명으로 본 발명의 구체적인 특징과 이점은 더욱 명확해 질 것이다.

도 1은 수로와 에어공급장치의 모습을 보이는 부분 절개 사시도이고, 도 2는 여재부가 충진되고 덮개가 복개된 모습을 보이는 부분 절개 사시도이며, 도 3은 본 발명에 의한 철강슬래그를 이용한 하수처리장치의 바람직한 일실시예 단면도이다.

본 발명은 도시하는 바와 같이 수로내의 생태계에 의존한 생물학적 처리를 기본으로 하는 수로정화법의 개념을 도입한 것으로 수로(10)내에 자정작용의 강화를 도모하기 위하여 접촉 여재로서 철강슬래그를 이용하였고, 자연친화적 환경의 조성과 자정작용의 극대화를 위한 호기성 미생물과 임의성 미생물의 활성화를 위해 수로(10) 위에는 복토부(50)를 형성하였으며, 수로(10)의 내부에는 주기적으로 압축공기를 공급해 주는 에어공급장치(20)를 설치되는 바, 그 자세한 구성은 다음과 같다.

먼저, 수로(10)는 도 1에서 도시하는 바와 같이 상부가 개방된 벤치형 플륨관을 다수 연결하여 이루어지고, 그 내부로 하수가 배수되며, 그 전체 길이는 일반적으로 150m~250m정도로 형성하여야 효과적인 하수의 정화작용을 할 수 있다. 그리고 하수의 원활한 배수를 위해서는 수로(10)의 전체 길이에 걸쳐 1%~2% 정도의 구배를 형성하여 주는 것이 바람직하다.

그리고 수로(10) 내에는 도 1에서 도시하는 바와 같이 에어공급장치(20)가설치되어 수로(10)내로 배수되는 하수에 주기적으로 압축공기를 불어 넣어 주게 된다. 즉, 에어분배파이프(22)의 일단이 상기 수로(10)의 일측벽을 따라 길게 배치된 에어공급파이프(21)의 길이 방향을 따라 약 50cm~1m 정도의 등간격 위치에서 가지를 치듯이 하측으로 수로(10)의 측벽을 경유하여 바닥면의 중간지점까지 밀착된 상태로 연장형성된다. 이렇게 연장형성된 에어분배파이프(22)의 끝단부에는 압축공기를 잘게 부수어 넓은 면적으로 내뿜는 블로워(23)가 형성된다. 그리고 도시하지는 않았지만 에어공급파이프(21)의 시작되는 단부에는 압축공기발생기(미도시)가 설치되어 주기적으로 압축공기를 발생하여 에어공급파이프(21)와 에어분배파이프(22)를 경유한 후 블로워(23)를 통해 수로(10)내의 하수로 압축공기를 분사해 주게 된다.

이렇게 주기적으로 수로(10)내에 분사되어 공급되는 압축공기는 플륨관 하단부의 슬래그의 혐기성화를 예방하고, 슬래그 입자간의 공극폐쇄 현상을 예방할 수 있어 하수의 흐름을 원활히 하는 역할을 하게 된다. 그리고 자연적으로 하수내에 산소를 강제주입하는 효과가 발생하게 되어 용존 산소의 부족으로 인한 부영양화를 방지하고 미생물의 활성화를 꾀하게 되어 수로의 자연정화 능력을 더욱 증가시켜 주게 된다.

또한, 에어공급장치(20)가 설비된 수로(10)의 내측에는 도 2에서 도시하는 바와 같이 고로슬래그(31)와 제강슬래그(32,33)가 차례로 충진되어 여재부(30)를 형성하게 되는데, 수로(10)의 바닥면에서부터 70~100mm 직경 크기의 고로슬래그(31)와 70~100mm 직경 크기의 제강슬래그(32)와 13~40mm 직경 크기의 다른 제강슬래그(33)가 충진되되, 각각 40%와 30%와 30%의 높이 비율로 상측까지 충진되어 이를 통해 배수되는 하수를 자연정화하게 된다.

일반적으로 철강슬래그는 CaO와 SiO₂를 주성분으로 하여 MgO, FeO, Fe₂O₃, MnO 등을 함유하고 있고, 철금속 보다는 비중이 작고 마치 현무암과 같이 다공성을 띠는 특성이 있다. 그리고 특히 제강슬래그(32, 33)는 pH가 높으므로 폐수의 pH를 완충시킬 수 있고, 중금속의 제거 효과도 훌륭한 것으로 보고되고 있으며, 철강슬래그의 성분 중 CaO는 탈인효과가 있어 세라믹 여재를 대체하는 훌륭한 대체 여재로 사용될 수 있어 본 발명은 생물학적 폐수처리를 위한 여재로 철강슬래그를 이용한 것이다. 이러한 철강슬러그는 생물학적 폐수처리를 위한 미생물 부착 여재로서의 특성과 부유물질의 물리적 및 기계적 여과를 위한 여과재로서의 특성, 그리고 화학반응에 의한 인 제거를 위한 정석재로서의 특성을 가지고 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 수로(10)의 시작부 및 길이방향을 따라 등간격으로 그 중간 중간에는 공지의 유량조절조(미도시)를 설치하는 것이 바람직하다. 유량조절조는 오버플로 방식으로 하수의 유량을 조절하고, 수로(10)내에서 여재부(30)에 의해 정화되는 부유물질을 그 저면부에 축적하는 맨홀 역할을 하게 된다. 이러한 유량조절조에 부유물질이 많이 축적된 후 정기적으로 청소를 해 주게 되면 수로(10)의 부유물질 제거능력을 더욱 높일수 있는 것이다. 이렇게 설치되는 유량조절조의 용량은 하수의 시간당 최대 발생량을 기준으로 6시간분량 정도로 하는 것이 바람직하다.

그리고 여재부(30)가 충진된 수로(10)의 상측에는 덮개(40)로 복개되는데,상기 덮개(40)는 폴리에틸렌(polyethylene)수지의 플라스틱 재질로된 판재로 구성하는 것이 바람직하며, 수로(10) 내부로 통풍 및 빗물의 유입이 가능하도록 다수의 구멍(41)이 형성된다.

또한, 수로(10)의 상측에 복개된 덮개(40)의 상측에는 도 3에서 도시하는 바와 같이 표토(51)가 복토되고 그 복토된 표토(51)위에는 개나리 등의 조그만 식수(52)를 심는다. 이렇게 표토(51)를 복토하고 식수(52)를 심는 것은 환경친화적인 아름다운 주변환경을 조성하기위한 목적도 있지만, 표토(51)내의 미생물의 활동을 활성화시켜 줌으로써 그 하측 수로(10)내의 자연 정화능력을 배양시켜 주고, 동절기에는 일종의 보온작용을 통해 미생물의 활성화를 꾀하기 위함이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 철강슬래그를 이용한 하수처리장치는 일차적으로 유량조절조로 유입된 하수를 비롯한 오폐수가 일정한 유량으로 수로(10)로 유입되면서, 수로(10) 내부에 충진된 여재부(30)의 고로슬래그(31) 및 제강슬래브()의 공극 사이를 통하여 배수되면서 다음과 같이 정화된다.

먼저 하수 중에 떠다니며 이동하는 부유물질은 여재부(30)를 구성하는 철강슬래그의 표면에 흡착하거나 거친 표면의 작은 돌기에 걸려서 운동에너지를 잃고 멈추게 된다. 즉 부유물질은 일차적으로 물리적 흡착이나 기계적 여과를 통해 거의 제거되는 것이다.

이렇게 여재부(30)에 축적되는 부유물질의 양은 매우 많아서 이는 미소동물과 수서생물의 생태계가 형성되더라도 쉽게 제거될 수 있는 양은 아니므로 이것이 여재부(30)의 공극을 막지 않도록 하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 주기적으로에어공급장치(20)를 통해 압축공기를 불어 청소를 해주는 것이 바람직하며 이것은 배수되면서 유량조절조의 저면부에 축적되게 된다. 압축공기는 상기한 바와 같이 하수내의 용존산소량을 늘여 호기성 미생물을 활성화 시킴으로서 자연정화 능력을 배양하는 역할도 함께 수행한다.

일반적으로 하수 및 오폐수는 산성을 띠는 경우가 많은데 여재부(30)를 거쳐 정화된 하수는 철강슬래그가 알칼리성을 띠고 있으므로 pH를 다소 상승시켜 중화시키는데 이는 철강슬래그에 포함된 CaO 성분이 물과 반응하여 Ca²⁺와 OH^-를 형성하기 때문이다.

그리고 철강슬래그의 CaO 성분은 인과 반응하는데, 정석탈인(晶析脫燐) 과정을 거쳐 수산화인회석(hydroxyapatite, Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆결정을 석출시킴으로써 하수에서 인성분을 제거하여 정화하게 된다.

한편, 수로(10)위에 형성되는 복토부(50)는 동절기에도 수로(10)내의 온도가 급강하 하는 것을 방지하여 줌으로써 호기성 미생물 및 임의성 미생물의 활동이 저하되는 것을 방지하게 되므로 사철 일정한 정화능력을 발휘하게 된다. 그리고 표토(51)에 심어지는 식수(52)는 표토(51)내의 미생물의 활동을 활성화시켜 주게되어 덮개(40)를 경계로 그 하측에 형성된 수로(10)내에도 자연정화능력을 배양시켜주게 된다.

그러므로 상기한 바와 같이 본 발명에 의한 철강슬래그를 이용한 하수처리장치는 여재부(30)의 물리적, 화학적 작용 뿐만 아니라 호기성 미생물의 활발한 활동으로 하수내의 오염물질이 함께 분해되므로, 본 발명 철강슬래그를 이용한 하수처리장치를 거친 하수는 유해물질이 정화되고 BOD(Biochemical Oxygen Demand) 및 COD(Chemical Oxygen Demand)가 현저하게 감소된 후 대형 하천으로 방류되므로 자연 생태계에 해로운 영향을 전혀 끼치지 않게 된다.

그러므로 본 발명 철강슬래그를 이용한 하수처리장치는 값비싼 세라믹 여재 대신 폐기처분되던 제강슬래그를 여재로 재활용함으로써 이의 폐기처분에 필요한 막대한 처리비용을 줄일수 있고, 하수정화처리 시설의 설비를 위해 투자되는 비용 또한 대폭 감소시킬수 있는 경제적 유용성이 있을 뿐만 아니라 폐기처분으로 인한 환경오염의 염려가 없어 환경친화적인 정화장치를 제공하는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 의한 철강슬래그를 이용한 하수처리장치는 여재로 사용되는 철강슬래그의 특성에 의해 산성을 띠는 하수를 자연스럽게 중화시켜주고, 정석탈인 과정으로 인을 제거하여 주는 등 그 화학적 정화능력이 매우 우수하고, 부유물질의 흡착력이 좋아 물리적, 기계적 제거효과가 뛰어난 효과가 있다.

또한, 본 발명 철강슬래그를 이용한 하수처리장치는 배수되는 하수로의 상측으로 표토가 복토되므로, 동절기에도 보온효과를 발휘하게 되어 미생물의 활동이 현저하게 감소되지 않아 사철 일정한 정화능력을 유지할 수 있고, 표토위에 개나리등의 식수가 심어지므로 표토내의 미생물의 활동이 활발하게 됨으로써 그 하측의 수로 내의 자연정화능력을 배양시켜주게 되고, 한편으로는 주변환경을 아름답게 가꾸어주는 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 하수를 정화처리하기 위한 장치에 있어서,

   상부가 개방된 벤치형 플륨관을 다수 연결하여 그 내부로 하수가 배수되도록 길게 형성한 수로(10)와;

   수로(10)의 일측벽을 따라 길게 배치된 에어공급파이프(21)와, 일단이 상기 에어공급파이프(21)의 길이방향을 따라 50cm~1m 정도의 등간격 위치에서 가지를 치듯이 각각 측벽을 경유하여 바닥면의 중간지점까지 연장형성되는 에어분배파이프(22)와, 상기 에어분배파이프(22)의 끝단에 형성되고 에어공급파이프(21)와 에어분배파이프(22)를 경유하여 공급되는 에어를 수로(10) 내측으로 내뿜는 블로워(23)로 이루어진 에어공급장치(20)와;

   수로(10)의 바닥면에서부터 70~100mm 직경 크기의 고로슬래그(31)와 70~100mm 직경 크기의 제강슬래그(32)와 13~40mm 직경 크기의 다른 제강슬래그(33)가 각각 40%와 30%와 30%의 높이 비율로 상측까지 충진되어 이를 통해 배수되는 하수를 자연정화하도록 이루어진 여재부(30)와;

   수로(10) 내부로 통풍 및 빗물의 유입이 가능토록 다수의 구멍(41)이 형성되고 수로(10)의 개방된 상측을 복개하는 덮개(40)와;

   상기 덮개(40)의 상측에 복토된 표토(51)와 표토(51)에 심어지는 식수(52)로 이루어진 복토부(50)로 구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 철강슬래그를 이용한 하수처리장치.