KR101065274B1 - 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리, 악취제거와 지하수오염방지를 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 침출수유도벽체를 이용하여 축산매몰지로부터 발생한 침출수를 투수성반응벽체로 유도하는 단계와, 상기 투수성반응벽체의 전단부반응벽체를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 악취, NH₄-N, 유기물질을 처리하는 1차 처리단계와, 상기 1차 처리과정을 거친 침출수를 상기 투수성반응벽체의 후단부반응벽체를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 NO₃-N, 잔류 유기물질제거 및 멸균 처리하는 2차 처리단계로 이루어진 것으로, 상기 투수성반응벽체는 DS-BB; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 이루어지는 전단부반응벽체와, 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 이루어지는 후단부반응벽체로 이루어지는 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법에 관한 것이다.

Description

투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리, 악취제거와 지하수오염방지를 위한 방법{A TREATMENT METHOD OF LEACHATE OF SITE OF BURIED ANIMAL HUSBANDRY USING BM-PRBs}

본 발명은 악취, NH₄-N, 유기물질의 처리를 위한 B-PRB((Bio-Permeable Reactive Barrier)층과 NO₃-N, 잔류 유기물질제거 및 멸균을 위한 M-PRB(Multi-Permeable Reactive Barrier)가 각각 전단부와 후단부를 구성하여 이루어지는 투수성반응벽체(BM-PRBs)를 사용하여 축산매몰지로부터 발생하는 침출수처리와 악취를 처리하기 위한 방법 및 지하수오염을 방지하기 위한 장치에 관한 것이다.

구제역(Foot-and-Mouth Diesease;FMD)은 소, 양, 돼지, 염소, 산양 등 발굽이 둘로 갈라진 우제류 가축에 발생하는 바이러스 전염병으로 입, 코, 유도, 발굽 등에 수포가 형성되는 것이 특징이다. 이 질병은 가축 전염병 중에서 가장 전염력이 강한 것 중의 하나이며, 구제역에 걸린 가축은 더 이상의 바이러스 전염병의 확산을 방지하기 위해 살처분된다.

그러나, 가축 매몰시 일정한 처리시설을 갖춘 곳에 매몰하는 것이 아니라, 장소를 가리지 않고 구제역이 발생된 지역에서 일정 장소를 선정하여 매몰처분하게된다.

이와 같이 매몰처분된 가축들은 땅 속에서 부패과정을 거치게 되며, 이 과정에서 각종 세균 및 피가 지하로 흘러들게 된다. 더욱이 우천시에는 땅의 유실 등에 의해 가축의 사체가 떠내려가고, 매몰된 가축으로부터 발생한 각종 세균 및 유해물질들은 더욱 더 가속되어 지하로 흘러들어 지하수 및 토양을 오염시키게 된다.

또한, 오염된 지하수는 강이나 하천으로 흘러들어 강이나 하천을 오염시킴으로써 각종 생태계의 파괴 및 식수원 오염문제를 야기시킨다.

그리고, 오염된 물 등을 통해 각종 유해 병원균이 인체로 유입됨에 따라 제2의 전염병 발생문제가 대두될 수 있기 때문에 가축 매몰지로부터 발생하는 침출수를 효과적으로 처리하기 위한 방안이 시급하게 모색되어야 한다.

침출수를 처리하기 위한 방법으로써, 대한민국공개특허 10-2008-0012093(공개일자 2008.02.11), 대한민국등록특허 10-0726353(등록일자 2007.06.01), 대한민국등록특허 10-0636617(등록일자 2006.10.13), 대한민국등록실용 20-0401659(등록일자 2005.11.14), 대한민국등록특허 10-0218546(등록일자 1999.06.10) 등 다수의 특허기술이 개시된 바 있으나, 상기에 개시된 등록특허들은 가축 매몰지로부터 발생하는 유해 병원균 및 유기물 등을 효과적으로 차단할 수 없기 때문에 본 발명에서 이루고자 하는 목적에 부합되지 않는 기술들이다.

대한민국공개특허 10-2008-0012093(공개일자 2008.02.11) 대한민국등록특허 10-0726353(등록일자 2007.06.01) 대한민국등록특허 10-0636617(등록일자 2006.10.13) 대한민국등록실용 20-0401659(등록일자 2005.11.14) 대한민국등록특허 10-0218546(등록일자 1999.06.10)

본 발명은 가축 전염병에 걸리거나, 여러가지 요인에 의해 매몰되는 가축 매몰지로부터 발생하는 침출수에 포함되어 있는 각종 유해균, 유기물질, 악취, NH₄-N, NO₃-N를 효과적으로 처리하기 위하여, 바이오블럭(이하, 'DS-BB'라 함); 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질의 혼합으로 이루어지는 전단부반응벽체(B-PRB)와, 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 이루어지는 후단부반응벽체(M-PRB)에 의해 이루어지는 투수성반응벽체(BM-PRBs)를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 침출수유도벽체를 이용하여 축산매몰지로부터 발생한 침출수를 투수성반응벽체로 유도하는 단계와,

상기 투수성반응벽체의 전단부반응벽체를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 악취, NH₄-N, 유기물질을 처리하는 1차 처리단계와,

상기 1차 처리과정을 거친 침출수를 상기 투수성반응벽체의 후단부반응벽체를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 NO₃-N, 잔류 유기물질 처리 및 멸균 처리하는 2차 처리단계로 이루어진 것으로,

상기 투수성반응벽체는 DS-BB; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 이루어지는 전단부반응벽체와, 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 이루어지는 후단부반응벽체로 이루어지는 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법을 주요 기술적 구성으로 한다.

그리고, 상기 투수성반응벽체는 DS-BB 10 ~ 35wt%; 숯 또는 활성탄 10 ~ 35wt%; 왕겨 10 ~ 35wt%; 톱밥 10 ~ 35wt%; 광물질인 제올라이트 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된 혼합물을 프레임(frame)을 이용하여 팩(pack) 형태로 제작된 전단부반응벽체와,

영가철 68 ~ 85wt%, 제강슬래그 2 ~ 20wt%, 폐타이어 박편 10 ~ 30wt%의 혼합으로 조성된 혼합물을 프레임(frame)을 이용하여 팩(pack) 형태로 제작된 후단부반응벽체로 이루어지는 것임을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수처리 및 악취제거와 지하수오염방지를 위한 방법은 다음의 효과를 갖는다.

첫째. DS-BB; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 이루어지는 B-PRB인 전단부반응벽체에 의해 침출수에 포함되어 있는 각종 악취, 유기물, NH₄-N를 효과적으로 처리할 수 있고, 또한 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 이루어지는 M-PRB인 후단부반응벽체에 의한 유해균의 처리, NO₃-N 및 미처리 유기물이 효과적으로 처리됨에 따라 축산매몰지로부터 발생하는 침출수를 효율적으로 처리할 수 있다.

둘째. 저가(Low Cost)의 비용으로 투수성반응벽체를 축산매몰지에 설치할 수 있어 저비용으로도 축산매몰지 침출수 처리가 가능하다.

셋째. 침출수 처리에 있어 이송 및 수처리를 위한 추가 장치를 필요로 하지 않는다.

넷째. 투수성반응벽체를 설치한 이후의 운영 및 유지관리(Operation & Maintenance)에 필요한 비용이 적게 든다.

다섯째. 지중에 설치되는 관계로 지상에서의 토지사용에 제약이 없으며, 오염된 침출수 및 지하수의 흐름을 그대로 유지한 채로 원위치(In-Situ)에서 정화할 수 있으므로 별도의 후처리 및 정화과정에 따른 동력이 필요 없다.

도 1은 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리과정을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리과정을 보인 다른 도면.
도 3은 침출수의 흐름방향에 따라 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리과정이 이루어지는 것임을 보인 도면.
도 4는 본 발명에 따른 축산매몰지 침출수 처리를 위한 장치 구성을 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 바이오블럭(DS-BB)을 도시한 사시도.

상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 도면과 함께 살펴보고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리과정을 보인 도면이다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 축산매몰지에서는 매몰된 가축들로부터 발생하는 핏물 및 각종 유해균들이 지하로 지속적으로 스며들어 지하수를 오염시키게 되며, 더욱이 우천 등에 의한 축산매몰지의 붕괴 및 유실에 의해 이러한 현상은 더욱 가속화되게 된다.

축산매몰지로부터 발생하는 침출수에는 병원균에 의해 감염된 가축들로부터 전파되는 살모넬라균, 식중독균, 탄저균, 대장균, 바이러스가 다량 포함되어 있으며, 이와 같은 유해균이 오염된 지하수를 통해 인체를 전염시키게 될 경우에는 심한 고열, 출혈, 폐혈증, 장티푸스, 식중독 등 제2의 전염병을 발생시키게 된다.

또한, 상기 침출수 내에 포함되어 있는 유기물 및 질산성 질소는 호소로 유입될 경우 부영양화를 야기시키고, 생태계의 pH변화를 이끌어 생태계의 혼란을 야기시키게 된다.

따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 상기 축산매몰지로부터 발생하는 침출수를 효과적으로 처리하여 지하수 등의 식수원의 오염을 방지하고, 호소의 오염을 방지하여 생태계의 파괴를 예방하여야 한다. 특히 축산매몰지로부터 발생하는 유해균들은 사람들에게 전파되어 2차 전염병을 일으키게 되므로 축산매몰지로부터 발생하는 침출수의 처리는 매우 시급한 사안이다.

상기 도 1에 도시된 바와 같이, 축산매몰지로부터 발생한 침출수는 지하로 유입되어 지하수를 오염시키고, 또한 강, 호수로 유입되어 수질 오염을 확산시키게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 침출수 또는 오염된 지하수가 관통하는 지점에 설치하여 자연스럽게 침출수 또는 오염된 지하수가 흘러감과 동시에 수처리될 수 있도록 한다.(도 2)

즉, 본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법은 오염원 지중(Subsurface)내 침출수 또는 오염된 지하수 흐름길목에 오염물 처리에 효과적인 반응성 물질(영가철, 미생물 적용)을 벽체의 형태로 설치하여 침출수 내에 포함되어 있는 오염원을 흡착, 반응, 분해 및 탈염화 과정을 거쳐 처리하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법을 각 단계별로 구체적으로 살펴보고자 한다.

침출수 유도단계

축산매몰지로부터 발생하는 침출수를 효율적으로 처리하기 위하여 침출수를 투수성반응벽체(20)가 설치된 위치로 자연스럽게 유도하는 과정이다. 즉 침출수 또는 오염된 지하수의 흐름을 방해하지 않으면서 자연스럽게 투수성반응벽체(20)로 침출수 또는 오염된 지하수를 집수하게 된다. 이때 침출수 발생 주변으로 침출수유도벽체(10)를 설치하게 된다.

1차 처리단계

투수성반응벽체(20)로 유도된 침출수는 투수성반응벽체의 전단부에 설치되어 있는 전단부반응벽체(201)를 1차 통과하게 되며, 이때 침출수 내에 포함되어 있는 악취, NH₄-N, 유기물질의 처리과정이 일어난다.

상기 전단부반응벽체(201)는 DS-BB; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 조성된 혼합물을 프레임(frame)을 이용하여 팩(pack) 형태로 제작하게 된다.

상기 혼합물의 조성은 침출수의 오염도에 따라 그 혼합비율을 달리하는 것이나, 보다 구체적인 범위를 제시하자면, DS-BB 10 ~ 35wt%; 숯 또는 활성탄 10 ~ 35wt%; 왕겨 10 ~ 35wt%; 톱밥 10 ~ 35wt%; 광물질인 제올라이트 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된 혼합물을 사용한다.

상기 DS-BB는 침출수 내에 포함되어 있는 휘발성유기화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 사용하는 것으로써, 재생 폴리에틸렌 수지를 압출기에서 가열 및 용융시켜 압출 성형시에 2개의 노즐을 사용하여, 망형상을 가지는 원통형으로 가공되는 미생물 담체이다. 상기 DS-BB는 도 5에 도시된 바와 같이, 망형상의 원통구(100)의 내면과 외면으로 주름턱부(101)를 형성함으로써 미생물의 부착 및 번식을 용이하게 할 수 있도록 한다.

상기 DS-BB의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 휘발성유기화합물의 제거 효과를 기대하기 어렵고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 사용량이 줄어들어 악취, NH₄-N 등의 제거 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 DS-BB의 사용량은 10 ~ 35wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 숯은 목재를 공기의 공급을 차단하고 가열하거나, 또는 공기를 아주 적게 하여 가열하면 생기는 고체 생성물이며 목탄이라고도 한다. 숯의 재료로는 일반적으로 재질이 단단한 나무가 사용되며, 우리나라에서는 참나무류(갈참나무, 굴참나무, 물참나무, 줄참나무)와 대나무가 주로 사용된다.

숯의 내부는 기공의 크기와 구조가 수종에 따라 다소 차이가 있으나 일반적으로 기공의 내부표면적을 측정해 보면 숯 1g당 약 100평(약 300㎡)이고 대나무 숯은 약 50 ~ 300㎡ 정도로 알려져 있으며, 숯은 70 ~ 90%가 탄소의 결정체이다. 그런데 숯은 단순히 탄소로만 이루어진 것이 아니고 나무에 포함되어 있던 많은 미네랄이 포함되어 있다. 이런 입자들이 미로를 형성하고 있는데, 이것이 탄화되면서 숯의 기공이 되어 숯의 흡착능력을 만들어 주게 된다.

근본적으로 흡착은 흡착제 표면에 피흡착질 분자가 축적되는 것이며 흡착될 수 있는 물질의 양은 흡착제의 피표면적 크기에 달려 있다. 이러한 관계에서 외부표면적은 단지 2차적인 역할만 할 뿐이다. 흡착현상은 흡착물질과 흡착제 표면 사이의 상호관계에 의하여 나타나기 때문에 흡착물질 분자의 크기, 구조, 극성 및 입체 형태와 흡착제의 세공 구조, 표면적, 표면성질에 의하여 변화하게 되며 또한 온도, 압력(또는 농도) 그리고 pH등에 민감한 변화를 보이게 된다.

본 발명에서는 참나무를 재래식 숯가마에서 900 ~ 1,000℃의 온도로 탄화시킨 백탄과 대나무를 600℃의 간접가열 탄화방식에 의해 만든 대나무숯을 1:1 중량비율로 혼합한 다음, 100 ~ 110℃의 건조기에서 3시간 동안 건조시켜 불순물과 수분을 제거한 후 냉각시킨 숯을 사용한다.

악취물질을 제거하기 위한 탈취방법 중 흡착법이 가장 많이 이용되는데 활성탄은 다양한 세공구조를 가진 탄소재료로서 오래 전부터 대표적인 흡착제로 사용되어 왔다. 활성탄은 비표면적이 크고 세공구조가 미헤하게 발달되어 있으며, 표면의 화학적 특성이 소수성이기 때문에 수증기에 대한 흡착 친화도가 낮으며, 저농도 가스에 대해 흡착의 친화도가 높기 때문에 공기 중의 유해가스를 제거하는데 유리하다. 상기 활성탄의 원료로는 목재, 톱밥, 야자 등 다양하게 사용할 수 있으나, 보다 바람직하게는 왕겨를 탄화시킨 것을 사용한다.

즉, 본 발명에서는 왕겨를 공기를 차단시키고 질소 분위기에서 700℃에서 2시간 동안 탄화시킨 것으로 평균 탄화 수율이 30.3%, 비표면적이 220 ㎡/g인 것을 얻은 후, 순도 85%의 수산화칼륨과 탄화된 왕겨의 혼합비율을 중량비로 4:1로 하고, 질소 분위기에서 10℃/min으로 승온하여 850℃에서 3시간 활성화하여, 비표면적이 2,600 ~ 2,800 ㎡/g이고, 미세세공부피가 1.1 ~ 1.4 cc/g인 고성능 활성탄을 사용한다.

상기 숯 또는 활성탄의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 악취 제거 기능이 떨어질 수 있고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 사용량이 줄어들어 유기물 흡착 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 숯 또는 활성탄의 사용량은 10 ~ 35wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 왕겨는 벼를 도정하게 나오는 부산물로써, 셀룰로오스 32.24%, 헤미셀룰로오스 21.34%, 리그닌 21.44% 등으로 구성된 물질로 물에 녹지 않으며, 화학적 안정성이 높아 뛰어난 흡착특성이 뛰어나다. 그리고, 상기 왕겨는 pH 4 ~ pH 6 사이에서 높은 흡착률을 보인다. 그리고 Langmuir 모델에 따른 최대흡착량은 Pb 120.48 mg g^-1, Cu 31.85 mg g^-1 이다.

상기 왕겨의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 악취제거 기능성이 떨어질 수 있고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 유기물의 흡착 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 왕겨의 사용량은 10 ~ 35wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 톱밥은 리그닌(lignin), 셀룰로오스(cellulose), 헤미셀룰로오스(hemicellulose)와 같은 다양한 유기적 구조와 중금속 흡착이 가능한 폴리페놀기(polyphenolic group)를 가지고 있다. 상기 톱밥이 6가 크롬을 흡착하는 이유는 톱밥의 주 구성성분인 셀룰로오스와 리그닌이 알코올성과 페놀성, 히드록시기, 메톡시기를 관능기로 다량 가지고 있어 6가 크롬과 킬레이트를 형성하기 때문이며, 6가 크롬의 환원은 톱밥의 주 구성성분인 리그닌의 다른 관능기인 알데히드기에 의한 것이다.

참나무 톱밥은 6가 크롬에 대한 흡착능이 높고 6가 크롬을 환원시키는 능력은 낮으며, 전나무와 포플러나무 톱밥은 NaOH에 대한 높은 흡착량을 보이며, Langmuir 모델에 따른 최대흡착량은 포플러나무 톱밥의 경우에는 Cu 6.92 mg g^-1, Zn 15.83 mg g^-1이고, 전나무 톱밥은 Cu 12.70 mg g^-1, Zn 13.41 mg g^-1이다.

본 발명에서는 톱밥의 구성을 참나무, 전나무 및 포플러나무 톱밥의 혼합물을 사용하며, 보다 구체적으로는 참나무톱밥 30 ~ 50wt%, 전나무톱밥 20 ~ 30wt% 및 포플러나무톱밥 20 ~ 30wt%의 혼합으로 이루어진 톱밥 혼합물을 사용한다.

상기 톱밥의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 톱밥에 의한 유해물질 흡착기능성을 기대하기 어렵고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 다른 성분들의 사용량이 상대적으로 줄어들어 유기물 흡착기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 톱밥의 사용량은 10 ~ 35wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 광물질은 제올라이트(Zeolite), 벤토나이트(Bentonite), 논트로나이트(Nontronite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite), 베이델라이트(beidellite), 일라이트(Illite), 그라우코나이트(Glauconite), 디카이트(Dickite), 핼로이사이트(Halloysite), 메타핼로이사이트(Metahalloysite), 페니나이트(Penninite), 납석(Pyropyllite), 할로이사이트(Halloysite), 질석(Vermiculite), 안티고라이트(Antigorite), 새포나이트(Saponite), 헥토라이트(Hectorite), 베이델라이트(Beidellite), 스멕타이트(Smectite) 또는 포셀라나이트(Porcellanite) 중 선택되는 어느 1 종 이상의 광물을 사용하며, 보다 바람직하게는 제올라이트를 사용한다.

상기 제올라이트는 1 ~ 3mm의 입경을 갖는 것을 중화 또는 표면에 묻어있는 미립자나 불순물을 증류수로 세척하여 제거하고, 이를 100 ~ 110℃에서 건조하여 수분이 제거된 것으로, 총이온교환용량이 1.6 ~ 2.0meq/g, 물리적 강도 329 ~ 366g이고, 제올라이트의 재생을 위한 약품은 NaHCO₃인 것을 특징으로 한다.

제올라이트는 비석이라고도 하며 신생대 3기의 화산재가 속성작용을 받아 생성된 천연광물로 알칼리 및 알칼리토금속을 함유하면서 물 분자가 결정 수 형태로 구조 중에 존재하는 함수 알루미나 규산염광물이다. 결정 구조적으로 각 원자의 결합이 느슨하여, 그 사이를 채우고 있는 수분을 고열로 방출시켜도 골격은 그대로 있으므로 다른 미립물질을 흡착할 수가 있다. 이 성질을 이용해서 흡착제로 사용하며, 크기가 다른 미립물질을 분리시키는 분자체로 사용한다.

이와 같이 제올라이트는 흡수성, 흡착성, 촉매성, 이온교환성을 지니고 있어 구조 결정의 파괴 없이 가역적으로 탈수, 수화가 가능하므로 강력한 건조제로 사용되고 포어(pore), 채널(channel), 캐비티(cavity)가 있어 훌륭한 흡착제로도 사용하며, 이외에도 산업적 활용도가 높아 토양개량제, 비료 혼합제, 농약증량제, 적조현상 방지제, 석유정제 등에 이용되고 있으며 또한 이온교환 능력이 뛰어나 농업, 산업폐수에 함유된 각종 중금속이온, 암모늄이온, 질소, 인, 가스상 기체의 제거 등 환경오염물질의 제거에 응용되고 있다. 제올라이트는 Na, K, Ca, Mg, Sr 및 Ba 등의 양이온을 소량 함유하며, 결정구조상으로는 규산염광물의 기본단위의 하나인 (Si, Al)O₄ 사면체의 모든 산소들이 또 다른 사면체에 의해서 공유되면서 3차원적으로 연결되는 망상 규산염광물에 속한다. 같은 망상 규산염 광물인 석영과 장석군 광물들은 치밀한 구조(비중 : 2.6 ~ 2.7)를 이루는데 반해, 제올라이트는 공동(구경 2.3 ~ 7.5Å)이 형성될 정도로 엉성한 구조(비중 : 2.0 ~ 2.3)를 갖는다. 제올라이트 구조상의 공동 크기는 보통 4 ~ 12개의 산소들이 공동 입구에서 이루는 산소 고리의 형상과 산소의 숫자에 의해서 결정된다. 따라서 제올라이트 광물의 종류에 따라 공동의 크기는 서로 다르게 된다. (Si, Al)O₄ 사면체 내에서 Si₄ ⁺ 가 일부 Al₃ ⁺ 로 치환되면서 발생하는 전하 결손을 보상하기 위해서 양이온들이 흔히 구조 내에 유입된다. 장석류와는 달리 제올라이트는 광물 내에 구조상의 공동을 형성하고 여기에 양이온들이 존재하는 관계로, 이 양이온들은 주위의 다른 양이온들에 의해서 쉽게 치환될 수 있다. 또한 공동 내에서 높은 하전성을 갖고 존재하는 이 양이온들의 구성에 따라 많은 양(대개 10 ~ 18wt%)의 물 분자들이 공동 내로 유입된다.

상기 광물질의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 NH₄-N의 처리효율이 떨어지는 문제가 있고, 35wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 사용량이 줄어들어 악취 제거 등의 효율성이 떨어질 수 있으므로, 상기 광물질의 사용량은 10 ~ 35wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

2차 처리단계

상기 1차 처리과정을 거친 침출수를 상기 투수성반응벽체의 후단부에 설치되어 있는 후단부반응벽체(202)를 2차 통과하게 되며, 이때 침출수 내에 포함되어 있는 NO₃-N, 잔류 유기물질제거 및 멸균 처리가 된다.

상기 후단부반응벽체(202)는 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 조성된 혼합물을 프레임(frame)을 이용하여 팩(pack) 형태로 제작한다.

상기 혼합물의 혼합비율은 침출수의 오염도에 따라 달라지나, 구체적인 범위를 제시하자면, 영가철 70 ~ 85wt%, 제강슬래그 2 ~ 20wt%, 폐타이어 박편 10 ~ 30wt%의 혼합으로 조성된 혼합물을 사용한다.

상기 영가철은 기계 선반 작업에서 철 가공시 부산물로 생성되는 철 입자를 사용하고, 이때 철 입자의 최대 직경은 7.0 ~ 10.0㎜이고, 비 표면적은 0.57 ~ 0.65 ㎡/g이다. 상기 철 입자는 철 가공시 생성되는 부산물이므로 그 철 입자 표면에는 각종 기계유 및 절삭유가 묻어 있으며, 이와 같은 이물질을 제거한 후 사용하는 것이 바람직하다. 이물질의 제거는 철 입자를 알코올(메탄올, 에탄올 등), 벤젠, 톨루엔, 에테르 중 선택되는 어느 1종 이상의 유기용매로 세척하여 표면에 묻은 각종 유분을 제거하고, 철 입자를 풍건 시킨 다음 그 표면을 산 처리함으로써 이루어진다.

이와 같이 처리된 철 입자는 침출수 내에 존재하는 염소계 유기화합물과 접촉하게 되면 다음 화학식 1에서와 같은 반응을 거쳐 탈 염소화 반응이 일어나고,

화학식 2에서와 같이 영가철이 물과 반응하여 생성되는 OH라디칼의 강한 멸균작용이 일어나게 된다.

[화학식 1]

Fe⁰ = Fe^{2 +} + 2e^- (산화반응)

RCl + 2e^- + H⁺ = RH + Cl^- (환원반응)

Fe⁰ + RCl + H⁺ = Fe²⁺ + RH + Cl^- (전체반응)

[화학식 2]

Fe⁰ + 2H₂O → Fe^{2 +} + H₂ + 2OH^-

또한 철 입자에 의한 중금속의 제거는 중금속의 침전(precipitation)과 흡착(adsorption)의 과정에 의하여 이루어지는 것으로, 침출수 내에 존재하고 있는 많은 중금속들은 이온형태로 존재하며, pH에 따라 그 존재형태가 매우 다양하게 변화한다.

상기 화학식 1의 반응을 살펴보면, 중성의 pH를 나타내는 침출수가 철 입자와 반응할 경우 수소 이온의 소모에 의하여 pH가 상승하고, pH가 상승함에 따라 침출수 내 이온형태로 존재하던 중금속들은 OH기와 결합하여 비결정질(amorphous)의 침전물을 형성하여 철 입자 표면에 흡착되어 침출수 내에서 제거된다. 침출수 내의 질산염(NO^{3 -})은 철 입자와의 반응에 의하여 각각 환원되어 질소가스(N₂)로 변환되어 탈기되고, 인산염(PO₄ ^3-)은 침출수 중의 칼슘(Ca) 또는 다른 중금속과 결합하여 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)를 형성하여 침전 제거된다.

상기 영가철의 사용량이 70wt% 미만인 경우에는 멸균 기능 외에 질산염 등의 유해물질의 제거가 용이하게 이루어지지 않고, 85wt%를 초과하게 되는 경우에는 잔류 유기물의 처리가 용이하지 않을 수 있으므로, 상기 영가철의 사용량은 70 ~ 85wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 제강슬래그는 오염된 침출수 내에 존재하는 니켈, 아연과 같은 중금속은 철 입자의 반응만으로는 제거하기 어려운 문제점이 발생하여, 본 발명에서는 철 입자와 함께 제강슬래그를 사용한다. 이 같은 제강슬래그는 매우 높은 pH를 가지고 있어, 다양하고 많은 중금속을 침전시켜 흡착 제거할 수 있으며, 특히, 제강슬래그에서 제공되는 칼슘은 오염된 침출수 내에 다량 함유된 인산염을 더욱 빠르게 제거하도록 한다.

상기 제강슬래그의 사용량이 2wt% 미만인 경우에는 중금속 입자의 제거 기능성이 떨어지고, 20wt%를 초과하게 되는 경우에는 상대적으로 다른 성분들의 사용량이 줄어들어 유기물 흡착 등의 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 제강슬래그의 사용량은 2 ~ 20wt%의 범위 내를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 폐타이어 박편은 산업의 발달과 자동차 보급의 증가로 인하여 매년 꾸준히 증가하는 것으로, 이러한 폐타이어는 대부분이 소각으로 처리되고 있으며, 원형이용이나 가공은 미미한 실정이다. 이러한 폐타이어의 처리 문제 중에서 가장 큰 문제는 미처리된 다량의 폐타이어가 매립되거나 방치되고 있어 해충의 서식지가 되고 화재의 위험성이 있으며 도시 미관에도 나쁜 영향을 주는 등 환경오염 및 사회적 문제를 발생시키고 있다는 것이다.

폐타이어는 통상의 분쇄기를 사용하여 원하는 크기로 분쇄할 수 있으나, 지하수 흐름을 방해하지 않고, 미생물에 의해서도 막히지 않는 직경을 고려하여 5.0 ~ 7.0㎜ 크기로 가공하여 사용하는 것이 바람직하다.

폐타이어 박편의 표면에는 미생물의 성장을 저해하고 폐타이어 박편의 공극을 막는 이물질들이 많이 묻어 있기 때문에 이들을 제거하고, 폐타이어 박편에 미생물을 부착시키기 위한, 폐타이어 박편 표면을 친수성 처리하기 위해서는 5.0 ~ 7.0mm 크기의 폐타이어 박편을 증류수로 세척한 후 0.01 ~ 0.3N HNO₃의 약산에 24시간 동안 침수시킨 후 다시 증류수로 pH가 중성이 될 때까지 여러 번 세척한다.

상기 약산은 0.01N 이하의 HNO₃을 사용할 경우에는 폐타이어 박편 내부 공극 활성화가 잘 이뤄지지 않으며, 0.3N 이상의 HNO₃을 사용할 경우에도 역시 활성화가 잘 이뤄지지 않으므로, 0.01N ~ 0.3N의 HNO₃을 사용하고, 특히 0.1N의 HNO₃을 사용하는 것이 바람직하다.

이 같은 폐타이어 박편의 친수성 처리는 미생물이 잘 부착될 수 있도록 함은 물론 폐타이어 내부에 많은 공간을 형성하여 많은 미생물이 부착될 수 있도록 한다.

그리고, 상기 친수성 처리된 폐타이어를 반응용기에 담고 하수처리장의 혐기성 또는 호기성 슬러지를 영양액과 함께 넣은 후 25℃의 조건에서, 28 ~ 32일간 배양하면 폐타이어 표면 및 내부공극에 많은 미생물이 부착하여 생물막(biofilm)을 형성함으로써 생물학적 담체가 제조된다.

상기 영양액은 1L의 용량플라스크에 50%로 증류수를 채운 후, 소디윰 아세테이트(Sodium Acetate) 2.126g과, 글루코스(Glucose) 1.857g과, 누트리언트 4ml를 첨가하고, 증류수를 1L에 맞도록 채워 제조한 것을 사용한다.

상기 폐타이어 박편의 사용량이 10wt% 미만인 경우에는 유기물의 처리가 완벽하게 이루어지지 않을 수 있고, 30wt%를 초과하게 되는 경우에는 다른 성분들의 사용량이 상대적으로 줄어들어 멸균 및 NO₃ 제거 기능성이 떨어질 수 있으므로, 상기 폐타이어 박편의 사용량은 10 ~ 30wt%의 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.

상기의 침출수 처리과정과 관련하여 도 3에서 투수성반응벽체에 의한 정화과정을 일목요연하게 보이고 있으며, 도 4는 투수성반응벽체의 구성을 보이고 있다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 축산매몰지로부터 발생한 침출수는 1차적으로 B-PRB인 전단부반응벽체를 통과하면서 악취, NH₄-N, 유기물질 제거 반응이 1차적으로 일어나게 되며, M-PRB인 후단부반응벽체를 통과하면서 전단부에서 미처리된 유기물질 및 NO₃-N 처리와 멸균 작용이 일어난다.

그리고, 축사매몰지로부터 발생하는 침출수를 처리하기 위해서는 일정범위 내에서의 발생량을 예측하여야 하며, 그 발생량 예측은 미 농무부 동식물 검역청 발표 자료를 활용함으로써 가능하며, 그 발생 예측량은 소의 경우 120L ~ 240L/마리/2개월이고, 돼지의 경우 12L ~ 24L/마리/2개월이다.

그리고, 다음의 표 1은 매몰지 면적에 따른 반응벽체의 수량을 나타낸 것이다.

	5M × 10M (50㎡)	10M × 10M (50㎡)	10M × 20M (50㎡)	10M × 30M (50㎡)
유도벽체	24M	28M	34M	44M
B-PRB	7M	8M	9M	10M
M-PRB	7M	8M	9M	10M

본 발명에 따른 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리방법은 DS-BB; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 이루어지는 B-PRB를 반응벽체의 전단에 둠으로써 축산매몰지로부터 발생하는 침출수를 효과적으로 처리할 수 있으며, 또한 반응벽체의 시공이 간단하기 때문에 산업상 이용가능성이 매우 높다.

그리고, 본 발명에 따른 침출수 처리방법은 축산매몰지로부터 발생하는 침출수 처리외에도 비위생(불량) 매립장의 침출수, 폐광산의 중금속으로 오염된 산성배수 및 사격장의 화약류 등과 같이 오염원에 대한 직접 처리가 어려운 경우에 적용할 수 있다는 장점을 갖는다. 그리고 침출수 또는 오염된 지하수의 흐름을 방해하지 않고 오염물질만을 제거함으로써 주변으로의 오염확산을 방지할 수 있다.

10: 침출수유도벽체
20: 반응벽체
201: 전단부 반응벽체
202: 후단부 반응벽체

Claims (5)

1. 침출수유도벽체(10)를 이용하여 축산매몰지로부터 발생한 침출수를 투수성반응벽체(20)로 유도하는 단계와,
   상기 투수성반응벽체(20)의 전단부반응벽체(201)를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 악취, NH₄-N, 유기물질을 처리하는 1차 처리단계와,
   상기 1차 처리과정을 거친 침출수를 상기 투수성반응벽체(20)의 후단부반응벽체(202)를 통과시켜 침출수 내에 포함되어 있는 NO₃-N, 잔류 유기물질 처리 및 멸균 처리하는 2차 처리단계로 이루어진 것으로,
   상기 투수성반응벽체(20)는 바이오블럭; 숯 또는 활성탄; 왕겨; 톱밥; 광물질;의 혼합으로 이루어지는 전단부반응벽체(201)와, 영가철, 제강슬래그, 폐타이어 박편의 혼합으로 이루어지는 후단부반응벽체(202)로 이루어지는 것에 있어서,
   상기 전단부반응벽체(201)는 바이오블럭 10 ~ 35wt%;와,
   왕겨를 공기를 차단시키고 질소 분위기에서 700℃에서 2시간 동안 탄화시킨 것으로 평균 탄화 수율이 30.3%, 비표면적이 220 ㎡/g인 것을 얻은 후, 순도 85%의 수산화칼륨과 탄화된 왕겨의 혼합비율을 중량비로 4:1로 하고, 질소 분위기에서 10℃/min으로 승온하여 850℃에서 3시간 활성화하여, 비표면적이 2,600 ~ 2,800 ㎡/g이고, 미세세공부피가 1.1 ~ 1.4 cc/g인 활성탄 10 ~ 35wt%;와,
   왕겨 10 ~ 35wt%;와,
   참나무톱밥 30 ~ 50wt%, 전나무톱밥 20 ~ 30wt%, 포플러나무톱밥 20 ~ 30wt%의 혼합으로 이루어진 톱밥혼합물 10 ~ 35wt%;와,
   광물질인 제올라이트 10 ~ 35wt%;의 혼합으로 조성된 혼합물을 프레임(frame)을 이용하여 팩(pack) 형태로 제작된 것임을 특징으로 하는 투수성반응벽체를 이용한 축산매몰지 침출수 처리, 악취제거와 지하수오염방지를 위한 방법.
   
   
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