요약문 Ⅰ. 연구개요 하수처리기술은하수의질적, 양적변동에대해서처리수의수질은안정한수준으로유지하기위해인위적인조작과제어를통하여하수중의오염물질을제거하는과정으로, 일반적으로물리적, 화학적및생물학적처리가단독또는병행해서실시된다. 굴껍질을하수처리의여재로이용할경우살수여상의문제점중하나인막힘현상을다소감소시킬수있으며, 공극이크기때문에반응기내에공기를원활하게공급할수있다. 일라이트는전세계적으로발견된역사가짧지만그특징은산소결핍보충, 유해원소흡착성능, 반도체작용, 인체면역력강화, 바이러스성질병예방, 중금속해독등의작용으로환경호르몬제거, 음이온원적외선발생으로세포노화방지, 인체노폐물제거등의특징을지닌매우유용한광물자원이다. 특히, 수질정화에탁월한것으로보고되고있다. 따라서굴껍질과일라이트를여재로사용한다면운전및유지관리용이하고, 수질정화효과가높은수처리시설을하수처리장을설치할수없는도서지역이나농 어촌의간이처리시설로이용할수있어경제적으로하수를처리할수있을것으로판단된다. 본연구는어촌폐기물인굴껍질과수질정화에탁월한천연일라이트광물을충전한수처리시설을개발하여하수를처리하여굴껍질과천연일라이트가수처리시설의여재로서사용가능한지그리고간이하수처리시설로적용할수있는지를검토하고자수행하였다. Ⅱ. 연구의목적및필요성 산업화에따른도시의성장과인구의밀집화로인해물의수요가증가하고그에따른각종오염원유입이증가됨에따라적절한수질관리의필요성이대두되고있다. 또한, 산업이다양화되면서배출되는하 폐수의특성이다양해져기존처리장에서효율적으로처리하는데많은어려움이존재한다. 이렇게미처
리된오염물질이하천이나호소를비롯한기타수원에유입됨에따라효율적수질관리에많은문제점을야기하고있다. 특히질소와인과같은영양염류물질은부영양화를유발시키는주원인물질로서관리의중요성이요구된다. 본연구의목적은폐기물인폐굴껍질의재활용과수질개선효과가높은천연일라이트를활용하여수처리시설을개발하고, 개발된시설의유기물질, 질소및인제거를통하여수질개선효과를평가하고자하는것이다. Ⅲ. 연구의내용및방법 1) 연구내용 2) 연구방법연구방법은 pilot test를실시한후패각과천연일라이트의수질정화효능을살펴보고 pilot test 실험장치를 scale up하여현장적용성을평가하고자하였다. 현장적용성실험결과를바탕으로본연구의최종목표인수처리시설개발을하고자하였다. 가 ) pilot test 본실험에사용된 pilot test 실험장치는아크릴상자를이용하여 3 단으로제 작하였으며, 3 단모두모래, 일라이트볼, 패각을순차적으로포설하였다.
수처리장치를개발하기위하여패각과일라이트볼을선정하였다. 패각은전라남도장흥군부산면적치장에서가지고왔으며, 염분제거를위하여 10-15일정도세척작업을실시한후건조하였다. 건조한패각은자동분쇄기로 2-3cm크기로분쇄하여사용하였으며, 일라이트볼은소성온도 1,000 에서 3시간소성하였으며, 크기는 6-7mm내외이다. < 그림 Ⅲ-1> Pilot test 장치디자인 < 그림 Ⅲ-2> 와같이원수를유입하여각단에서유출수를수질분석후원 수와비교하여수질개선효과를분석하였다. < 그림 Ⅲ-2> Pilot test 장치
나 ) pilot test scale up pilot test 실험장치를 scale up 하여현장적용성을평가하고자하였다. pilot test scale up 실험장치는 PE( 폴리에틸렌 ) box를이용하여 3단으로제작하였으며, 3단모두모래 (15cm), 일라이트볼 (20cm), 패각 (20cm) 을순차적으로포설하였다. < 그림 Ⅲ-3> Pilot test scale up 장치디자인 다 ) 수처리시설개발 pilot test와 scale up 실험장치의실험결과를바탕으로현장에서효율적으로사용가능한 ( 효능, 유지관리등 ) 수처리시설을개발하기위하여여재의높이를조절할수있는수처리시설을개발하였다. 개발된수처리시설은하단에 20cm모래를살포하고그위에 10cm높이의여재 box안에담채를채워놓은것으로처리수용량에따라담채의높이를조절할수있도록하였으며, 유지보수를위하여바로교체가가능하도록설계하였다.
< 그림 Ⅲ-4> Pilot test scale up 장치디자인 < 그림 Ⅲ-5> Pilot test scale up 장치디자인 2 < 그림 Ⅲ-6> 여재상자
< 그림 Ⅲ-7> 수처리장치
Ⅳ. 연구결과 1) 폐굴껍질과일라이트물성 폐굴껍질은다공질체로서표면적이불규칙하고비표면적이커서중금속이온과유기물에대한흡착효율이뛰어나며미생물이쉽게부착, 성장할수있는특성을가지고있어오염물질저감효과를기대할수있다. 2000년도한국해양연구원에서는굴패각을구성하고있는주성분을조사하기위해통영지역의굴패각야적장에서굴패각을채취하여 X-선형광분석 (XRF, X-ray fluorescence) 을실시하였으며, 그결과굴패각의 91.18% 가탄산칼슘 (CaCO 3 ) 으로이루어진것으로보고하고있다. 일라이트는점토광물로서평균두께 30A, 지름 0.1 0.3, 저면간격10A, 비중 2.6의물리적특성을지니며 SiO 2 와 AlO 3 를주성분으로한다. 특징으로는중금속흡착기능 (Ag, cd, pb, Fe, Cu와유독가스흡착 (NH3, SO 2, H 2 S, CL 2 ) 등이있으며원적외선방사, 음이온발생능력이탁월한광석이다. 현재널리쓰이고있는일라이트의일반적인정의는결정화학적특징을고려하여다음과같이규정된다. 일라이트는 " 입자의크기가 2 4 μm이하로서운모와비슷하며, 저면간격 (d-spacing) 은 10Å이고화학적으로는백운모에비하여 Si 4+, Mg 2+ 및 H 2 O가더풍부하나, 사면체자리의 Al 3+ 과층간 K + 의함량은더낮다. 2) 수질정화천연광물 황토는응집성, 흡착성이강하며다공성구조로되어있어비표면적이넓고, 산화규소 (Si0 2 ) 와알루미나 (AL 2 O 3 ) 가주성분으로이루어져있다. 황토의미생물학적효소성분에는카탈라아제 ( 흙의효소중가장높은활성-생물에대해독소를나타내는과산화수소를제거하여생물에게적절한토양환경을만들어주는역할 ), 디페놀옥시다아제 ( 토양산화력의지표 ), 사카라제, 프로테아제 ( 단백질속의질소가무기화할때단백질을아미노산으로가수분해시킴 ) 의 4가지가포함되어있다. 이효소들은각기독소제거, 분해력, 비료요소, 정화작용의역할을하고있다.
세라믹볼은다양한천연자연소재를혼합하여만들어음이온방출이뛰어나며, 다공성세라믹볼은넓은계면을가진다. 수처리에서는원적외선, 다량의음이온발생및물의분자클러스터를세분화하여물의활성화촉매제역할을하며미생물제거탁도개선효과가있다. 제올라이트의특징은열을가해서물을제거해도결정구조가파괴되지않으므로온도를낮추면공기중의물을다시흡수한다는것이다. 천연 Zeolite는천연의조건에서매우다양한광물상을이루고물리화학적으로또한광종에따라각기다른성질을나타낸다. 천연 Zeolite의산업부문에서의용용은전적으로이광물들이지니고있는독특한응용광물학적성질즉양이온교환능력 (CEC), 흡착및분자체 (molecular sieve) 특성, 촉매의특성그리고탈수및재흡수특성들이관련산업에효용가치가있다는것이특성이다. 3) 수질분석 수질분석결과 ph 농도변화는 6.8-7.2 사이를나타내었다. 최대수질저감효과는 BOD 59%, COD 55%, SS 82%, T-N 83%, T-P 91%, 총대장균군 95% 으로나타내었다. Ⅴ. 연구결과의기대성과및활용계획 1) 기대성과 가 ) 경제적효과 - 간이하수도처리시설설치에따른비용절감및처리비용절감 ( 기존시설용량 520 m3 / 일시설용량하수처리비용이 1년 48,214 천원이며, 약품및관리비용을 20% 절감할경우 1년 9,643 천원절감가능 ) 시설용량 520 m3 / 일경우하수처리비용은 48,214 천원소요되며, 전력비및약품비소요가없기때문에약 20% 점감할경우 1년 9,643 천원절감효과 ( 자료출처 ) 강원도소규모공공하수처리시설의관리실태및개선방향 ( 강원발전연구
원, 2010) - 폐굴껍질을수처리제원료로사용하여연간수억원에달하는처리비용을절감시키는효과 ( 세라믹담체의수처리분야사용은대략 500 억원이며, 패각으로 10% 대체할경우약 50 억원의절감가능 ) 폐수처리용세라믹담체 ( 박재구, 이태경, 정영, 2000) 소재개발백서 2011( 세라믹공정-다공성세라믹제조 ) - CO 2 저감효과 굴패각자원화시설운영톤당약 0.2797 tco 2 정도의 CO 2 감축 1년 100개소설치시 800톤 / 년 0.2797 tco 2 = 223.76톤감축 굴패각을이용한침강성탄산칼슘제조및자원화를통한온실가스감축량산정에관한연구 ( 박승철, 호서대학교박사학위논문, 2014) - 굴껍질처리를위한폐기물처리비용절감 ( 사업장폐기물인패각은 1톤처리단가가 67,000 원이며, 한해 100 개소설치시 800 톤의패각이소요되어약 53,600 천원절감효과발생 ) 처리공정별경제성비교 : 기존처리공정과연구개발된처리공정에따른경제성비교 ( 설치비, 유지관리비등 ) - 폐기물저감에따른경제성분석 : 폐기물의처리전, 후에따라처리단가적용하여경제적효과분석 - 매립대상사업장일반폐기물처리단가 : 67,000원 / 톤 - 1년 100개소설치시 800톤 / 년 67,000원 / 톤 = 53,600 천원 / 톤 ( 참고 ) 방치폐기물처리이행보증금산출을위한폐기물의종류별처리단가 ( 환경부고시제 2012-254호 )
나 ) 사회적효과 - 수처리제의원료사용으로자연경관훼손방지, 보건위생상의환경문제해결 - 유지관리가용이하여수처리시설설치가어려운도서지역및농 어촌에간이처리시설설치가능 - 대기질개선을통한환경문제해결 악취등의민원발생시피해배상액산정을통한사회적비용으로산정 - 악취에의한피해배상액산정 : 피해기간과악취농도 ( 복합악취물질, 지정악취물질 ) 을파악후배상액산정기준적용피해배상액 =1인당배상원가 / 월 피해기간 = 20,000 원 / 월 기간 ( 달 ) ( 자료출처 ) 환경피해평가방법및배상액산정기준의합리적조정방안연구 ( 환경부, 2007.10) 악취영향을고려한악취관리가이드라인마련 ( 한국환경정책평가연구원, 2013.06) 2) 활용계획 -수처리시설의처리능력을실험 평가하여, 오염원제거원리와기작을정립하고효율향상방안을마련하기위하여활용 -폐기물의형태로버려지는폐굴껍질의재활용측면과새로운수질정화제 ( 여재 ) 의개발에기초자료로활용 -지식재산권출원과등록으로사업화를통한매출증대와고용창출로활용