KR20130107129A - 수질개선조성물 및 이를 이용한 수질개선방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고가의 비용과 장기간의 처리시간을 들이지 않고도 저비용과 처리방법으로 부영양화가 진행된 물속의 오탁물을 응집 및 침전시킴과 동시에 총인(T-P) 및 클로로필에이(Chlorophyll-a)를 제거시킴으로써, 영양염류의 유입으로 인한 오염된 수질을 개선함은 물론, 부영양화로 인한 녹조 및 적조를 제거하고, 이와 동시에 효과적인 생태보존과 환경보호를 달성할 수 있게 하는 한 수질개선조성물 및 이를 이용한 수질개선방법을 제공한다.
이에 본 발명은, PH는 7.5~9.5이며, 성분은 Fe2O3(삼산화이철) 25~45%, Al2O3(산화알루미늄) 15~25%, SiO2(이산화규소) 10~20%, TiO2(산화티탄) 4~10%, 그 외에 소량의 CaO(산화칼슘), MgO(산화마그네슘), Na2O(산화나트륨)가 함유되어 있는 6~10㎛ 입자크기의 적니(red mud) 60~68% 중량과, 5~10㎜ 입자크기의 황산알루미늄(aluminium sulfate) 15~25% 중량과, 250~350㎛ 입자크기의 제올라이트(zeolite) 2~5% 중량과, 150~200㎛ 입자크기의 SiO2(이산화규소) 5~10% 중량을 혼합한 분말상태의 조성물로 됨을 특징으로 하는 수질개선조성물과,
상기의 수질개선조성물을 부영양화가 진행된 물 1L당 0.5~1.5g을 투입하여 수질이 개선되도록 한 것을 특징으로 하는 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법을 동시에 제안한다.

Description

수질개선조성물 및 이를 이용한 수질개선방법{water quality improvement composite and using the water quality improvement method}
본 발명은 고가의 비용과 장기간의 처리시간을 들이지 않고도 저비용과 처리방법으로 부영양화가 진행된 물속의 오탁물을 응집 및 침전시킴과 동시에 총인(T-P) 및 클로로필에이(Chlorophyll-a)를 제거시킴으로써, 영양염류의 유입으로 인한 오염된 수질을 개선함은 물론, 부영양화로 인한 녹조 및 적조를 제거하고, 이와 동시에 효과적인 생태보존과 환경보호를 달성할 수 있게 하는 한 수질개선조성물 및 이를 이용한 수질개선방법을 제공한다.
수질오염이란 물이 지니고 있는 자연정화능력을 초과하여 오염물질이 자연수역에 배출됨으로써 더 이상 이용목적에 적합하지 않게 된 상태를 말하며, 이는 크게 부영양화와 독성물질에 의한 두 종류의 오염으로 구분할 수 있다. 최근에 각종 환경오염 중에서 가장 빈번하고도 중요하게 부각되고 있는 문제가 바로 부영양화에 의한 상수원의 수질저하일 것이다.
부영양화는 수계 내로 생활하수나 산업폐수, 가축의 배설물, 등의 유기물들, 즉 영양염류의 유입이 증가되면서 일어나는 현상으로, 조류 종(algal species)이 감소하게 되고, 특정 조류의 대량증식으로 수 표면에 조류의 덩어리(scum)를 형성한다. 부영양화에서 표층에 녹아 있는 산소의 양은 대게의 경우 과포화 상태이며, 투명도는 1.5 m 이하로 매우 낮아지게 된다.
이렇게, 조류의 덩어리, 즉 식물 플랑크톤이 대량 증식하게 되면 물의 색도(color)가 변화하게 되는데, 이를 담수(淡水, freshwater)에서는 수화(水華, algal bloom, water bloom) 또는 녹조(綠潮, green tide) 등 다양한 용어로 지칭하고 있다.
대부분 녹조의 원인종은 미크로시스티스(Microcystis), 아나베나(Anabaena), 그리고, 오실라토리아(Oscillatoria), 등으로 분류학상 원핵생물인 남조류에 속하는데, 수 표면에 덩어리를 형성하고, 식수에서 이취미(taste and odor)를 유발하며, 정수장의 침전사를 막는 등 여러 가지 환경문제를 일으킨다.
이러한, 부영양화에 의한 조류(algae)의 발생은 당해 연도의 수질을 오염시킬 뿐만 아니라, 시간이 지남에 따라 사멸된 조류가 가라앉게 되고, 가라앉은 조류는 호수 바닥에서 부패되어, 총인(T-P)을 호수 내로 방출시키며, 수온의 상승과 함께 부상하여 항구적인 부영양화를 유발하게 된다.
이를 방지하기 위해, 하천이나 호소(이하 '호소'라 함)에 대한 직접 처리기법으로써 사행화(蛇行化)하거나, 인공습지를 조성하는 등, 자정작용을 극대화하는 방법이 적용되고 있으나, 사행천 또는 인공습지의 조성은 막대한 건설비가 소요될 뿐 아니라 유의한 효과를 얻기까지 장기간이 소요되는 문제점이 있다.
다른 방법으로, 호소에 다양한 황토와 같은 천연물질을 투입하고 있으나, 처리효율 대비 투입되는 양이 과도하여 댐이나 하천 바닥에 두껍게 퇴적되는 문제가 있으며, 특히 석회계 수처리제를 살포하는 방법, 등이 개발되어 적용되고 있으나, 강알칼리성인 석회계 수처리제의 살포는 수생생물의 서식환경을 파괴할 수 있는 심각한 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 종래와 같이, 막대한 건설비나 장기간의 처리시간 소요, 또 다른 환경오염, 서식환경파괴, 등을 하지 않으면서도 효과적으로 부영양화에 의한 수질을 개선할 수 있게 함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, PH는 7.5~9.5이며, 성분은 Fe2O3(삼산화이철) 25~45%, Al2O3(산화알루미늄) 15~25%, SiO2(이산화규소) 10~20%, TiO2(산화티탄) 4~10%, 그 외에 소량의 CaO(산화칼슘), MgO(산화마그네슘), Na2O(산화나트륨)가 함유되어 있는 6~10㎛ 입자크기의 적니(red mud) 60~68% 중량과, 5~10㎜ 입자크기의 황산알루미늄(aluminium sulfate) 15~25% 중량과, 250~350㎛ 입자크기의 제올라이트(zeolite) 2~5% 중량과, 150~200㎛ 입자크기의 SiO2(이산화규소) 5~10% 중량을 혼합한 분말상태의 조성물로 됨을 특징으로 하는 수질개선조성물과,
상기의 수질개선조성물을 부영양화가 진행된 물 1L당 0.5~1.5g을 투입하여 수질이 개선되도록 한 것을 특징으로 하는 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법을 동시에 제안한다.
상기와 같이 된 본 발명은, 수질개선조성물을 호소에 단순하게 살포만 하여도, 물속의 산(pH)도 조절과 동시에 각종 오탁물을 응집, 침전시켜 탁도를 크게 개선시키고, 동시에 총인(T-P)과 클로로필에이(Chlorophyll-a)를 제거하여 부영양화를 사라지게 함으로써,
종래와 같이 막대한 건설비나 장기간이 소요되지 않으면서도 저비용과 처리방법으로 신속히 부영양화에 의한 수질을 개선할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 천연광물질을 사용하나 대량살포를 하지 않기 때문에 종래와 같은 또 다른 환경오염이나 서식환경을 파괴하지 않는 효과도 있다.
따라서, 본 발명은 수생태계의 서식환경개선은 물론, 수변경관의 확보 및 친수환경 조성효과와, 처리시설의 증설 없이도 용수(用水)의 취수원 자체를 정화함으로써, 각종 수 처리시설의 처리부하를 경감하고, 관련시설의 건설 및 유지관리비용을 대폭 절감하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법을 나타낸 간략도이다.
이하 본 발명을 실현하기 위한 구체적인 예를 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명하기에 앞서 선행기술 또는 통상의 기술에 대한 구조, 작용, 효과 등은 본 발명의 요지를 흐릴 수 있어 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 수질개선조성물(이하 '조성물'로 함)은, 적니(red mud), 황산알루미늄(aluminium sulfate), 제올라이트(zeolite), SiO2(이산화규소)를 혼합한 분말상태로 된다.
상기의 적니(red mud)는, 보오크사이트(Bauxite)로부터 수산화알루미나를 추출한 후, 발생되는 사업장폐기물인 PH13에 달하는 페기적니를 물리화학적으로 변형시켜 PH7.5~9.5되면서, 산 중화능력은 4.5~9.0 moles of acid/kg, 금속 흡착능력은 1000meq/kg 이상, 그리고 성분은 Fe2O3(삼산화이철) 25~45%, Al2O3(산화알루미늄) 15~25%, SiO2(이산화규소) 10~20%, TiO2(산화티탄) 4~10%, 그 외에 소량의 CaO(산화칼슘), MgO(산화마그네슘), Na2O(산화나트륨)로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 황산알루미늄(aluminium sulfate)은 고상으로 수산화알루미나를 17% 함유하고 있고, 산(PH)도가 3.0 이상이고, 비중이 1.62로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 제올라이트(zeolite)는 국내에도 매장량이 풍부한 제올라이트로서, 결정과 기공이 발달하여 양이온교환기능(CEC)이 90meq 이상/100g 이상으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
상기의 이산화규소(SiO2)는 비중이 크면서도 수생생태계에 무해한 광물로서, 진비중은 2.6 그리고 겉보기비중은 1.5로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명 조성물의 바람직한 혼합은, 적니(red mud) 60~68% 중량에, 황산알루미늄(aluminium sulfate) 15~25% 중량, 제올라이트(zeolite) 2~5% 중량, SiO2(이산화규소) 5~10% 중량으로 혼합함이 이상적이다.
그리고, 본 발명 조성물의 바람직한 분말크기는, 적니(red mud) 6~10㎛, 황산알루미늄(aluminium sulfate) 5~10㎜, 제올라이트(zeolite) 250~350㎛, SiO2(이산화규소)는 150~200㎛으로 됨이 이상적이다.
상기의 혼합비율과, 분말크기는 제조, 생산, 원가 대비 물리화학적으로 가장 효과적인 능력을 발휘하는 수치이긴 하지만, 그렇다고 이를 한정하지는 않는다. 즉, 상기의 혼합비율과 분말크기는 처리하고자 하는 대상의 정도나 상태, 등에 따라 달라질 수 있는 것임으로 이러한 수치변환을 위한 기본수치를 제공하는 것이며, 이를 응용하여 여건에 맞는 최적의 상태로 제조 및 조합할 수 있다.
이하, 본 발명 조성물의 작용원리를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 조성물을 부영양화가 진행된 물에 투입하게 되면, 적니의 주 구성성분인 Fe2O3(삼산화이철)과 Al2O3(산화알루미늄)의 Fe(철)-Al(알루미늄) 이온들의 활성도를 높여주어 이 물속의 총인(T-P) 및 클로로필에이(Chlorophyll-a)와 이온교환반응이 일어나고 적니 내 함유되어 알칼리광물질의 해리에 의해 물속의 PH가 상승하게 된다.
이때, 상기의 반응들로 PH가 지속적으로 상승하게 되는데, 이것을 조성물에 혼합된 황산알루미늄(aluminium sulfate)에 의해 PH가 8 부근으로 조절되고, 나머지, 제올라이트와 SiO2(이산화규소)가 응집물의 비중을 증가시켜 물속의 총인(T-P) 및 클로로필에이(Chlorophyll-a), 그리고 각종 오탁물을 응집하여 흡착(adsorption) 및 침전(precipitation) 시키게 된다.
본 발명의 조성물은, 친환경광물질의 조합으로 매우 미세한 입자의 크기를 가지는 분자들이 부피 비(volum ratio) 대비 높은 표면영역을 가지고, 대부분의 분자들은 질량비(mass ratio) 대비 높은 표면 전하를 가져 조성물의 표면을 극도로 활발하게 하여 전하 입자들 혹은 극성의 분자들을 당기고 보유하는데 탁월한 능력을 가지게 되는데, 본 발명 조성물의 구성에서 단순한 다른 미세한 입자의 물질들도 이런 능력이 있으나, 본 발명의 조성물은 20여 가지의 다양한 광물질로 구성되어 활성도가 매우 높은 광물질들의 혼합물이라는데 있다.
이렇게, 활성도가 매우 높은 광물질들의 혼합물은, 넓은 범위의 PH환경들(PH 3~10)에 걸쳐서 일부는 음성적으로 전하를 띨 것이며, 반면에 다른 것들은 양성적으로 전하를 띠게 되는데, 이러한, 전하들은 대개 극성의 분자들보다 좀 더 강하게 지속 되어 더 큰 분자들은 더 작은 분자들보다 더 강하게 지속 된다. 대부분 부영양화를 일으키는 생활하수나 산업폐수, 가축의 배설물 등의 유기물들은 극성, 혹은 물에서 전하 입자들의 형태를 보이기 때문에 넓은 범위의 PH환경에 걸쳐서 부영양화를 일으키는 극성, 혹은 전하 입자들이, 본 발명 조성물의 광물입자표면(solid mineral particles)에 흡착이 이루어져 침전되는 것이다.
따라서, 부영양화가 진행된 물에 본 발명의 조성물을 투입하게 되면, 본 발명의 조성물과 부영양화물질의 이온교환반응으로 부영양화물질을 흡착 및 침전시켜 제거할 수 있게 되는데, 이는 녹조 및 적조의 원인이 되는 부영양화물질이 사라짐으로써, 결과적으로 녹조 및 적조가 제거되고, 이로 인해 수질이 개선되는 것이다.
이하, 본 발명의 조성물을 이용한 수질개선방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 조성물을 이용한 수질개선방법은, 부영양화가 진행된 물 1L당 본 발명의 조성물을 0.5~1.5g 정도 투입하면 된다.
상기의 수치 한정은 단순히 부영양화가 진행된 호소에 본 발명의 조성물을 투입만 하여도 되지만, 그 적정량을 제한한 것으로 써, 이는 투입량이 너무 많으면 황토 과다살포와 같은 부작용이 일어나거나, 또 너무 적으면 실효성이 떨어지기 때문에, 부작용이 없어 면서도 가장 실효성 뛰어난 기준수치를 제공한 것이다.
상기에서 투입방법은 호소의 량이나, 녹조지역의 면적을 감안하여 선박이 돌아다니면서 단순 살포할 수도 있다.
그러나, 본 발명 조성물의 보다 정확한 투입방법의 일 예로, 선박에 펌프와, 정량공급기를 구비하고, 상기 선박을 부영양화가 진행된 지역에 정박한 다음, 부영양화가 진행된 물을 펌프를 이용하여 펌핑 후, 다시 방류하는 과정에서 펌핑량을 감안하여 본 발명의 조성물을 정량공급시켜 투입되도록 함이 바람직하다.
상기에서 조성물을 투입한 후, 물속에 물리적 반응의 활성화를 도모하면, 더욱 신속하고 효율적인 처리를 달성할 수 있다.
상기의 바람직한 물리적 활성화 방법은, 폭기나, 교반 등을 들 수 있다.
상기의 폭기는 인위적으로 산소를 공급하는 방법으로써, 수중폭기장치 등을 이용하여 실현 가능하고, 상기의 교반은 인위적으로 물을 휘젓는 방법으로써 교반장치 등을 이용하여 실현 가능하다.
상기에서, 살포에 의한 물리적 활성화의 일 예로, 폭기는 선박에 수중폭기장치를 구비하고, 상기 수중폭기장치의 출배관을 본 발명 조성물을 투입하는 호소의 물속으로 침강시켜 산소를 공급하면 되고, 교반은 상기의 수중폭기장치 대신 교반장치를 이용하면 될 것이다.
다음으로, 펌핑의 물리적 활성화의 일 예로, 선박에 별도의 반응조를 구비하여, 상기 반응조에 폭기장치 또는 교반장치를 부설한 다음, 펌핑하는 물을 반응조를 거쳐 방류되도록 하면 더욱 이상적이다.
상기에서 살포에 의한 방법은 비상시에 적합하고, 펌핑에 의한 방법은 보다 안정적인 수질개선을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명 조성물의 투입을 분말형태로 투입하는 것에 한정하지 않는다.
즉, 본 발명 조성물을 그대로 용융시켜 젤 타입으로 투입할 수도 있고, 물의 량에 대비하여 희석시켜 액상으로 살포할 수도 있다.
이렇게 하면, 단순 살포시에도 정확한 양으로의 살포가 가능해짐은 물론, 동시에 선박에서 멀리 까지 살포할 수 있어 작업이 용이하다.
이하, 본 발명을 이용한 실시한 예가 아래와 같다.
하기의 표1은, 경상북도 영천시에 소재한 호소이며 부영양화가 진행되어 연한 녹색을 띠는 호소수를 채수하여 각각 1L 비이커에 채우고 실시 예에서 제조된 본 발명 조성물을 나타내었고,
구 분 적니
중량%
Aluminium sulphate
중량%
Zeolite
중량%
SiO2
중량%
실시 예 1 63 20 5 5
실시 예 2 63 25 5 5
실시 예 3 60 25 5 5
실시 예 4 60 30 5 5
실시 예 5 68 20 5 5
실시 예 6 68 15 5 5
하기의 표2는, 전술한 표1의 실시 예1~6을 경상북도 영천시에 소재한 호소에 물 1L 당 각각 1g 투입하고 교반기의 속도를 60rpm으로 조정하고 30초 동안 교반한 후, 4시간 동안 중력침전시킨 후, 상등액을 채수하여 총인(T-P)과 클로로필에이(Chlorophyll-a)를 분석한 결과를 나타내었다.
시료명 총인
(T-P)
클로로필a
(Chlorophyll-a)
호수 원수 0.105 mg/L 42.5 mg/
실시 예 1 0.026 mg/L 불검출
실시 예 2 0.025 mg/L 불검출
실시 예 3 0.030 mg/L 불검출
실시 예 4 0.031 mg/L 불검출
실시 예 5 0.029 mg/L 불검출
실시 예 6 0.031 mg/L 불검출
상기 표2에서의 결과와 같이, 본 발명에서 한정하는 범위인 표1의 실시 예 1~6 모두에서 총인(T-P)은 70%이상의 제거율을 보여주었고, 클로로필에이(Chlorophyll-a)는 모두에서 불검출로 측정되었다.
이는, 곧 수질의 정화가 월등히 향상되어 청정화되었음을 실험을 통해 증명되었다 할 수 있다.
또한, 동일한 실험조건에서 단지 교반기의 교반시간을 3분으로 늘린 후, 4시간동안 중력침전 후, 채수한 상등액에 대한 총인(T-P)을 분석한 결과, 실시 예 1~6 모두 원수농도 대비 93~99% 저감됨이 확인되었다.
이는, 본 발명의 수질개선제가 천연광물질로 구성되어 있어서 물리적인 교반을 증가시켜 주면, 그 활성도가 월등히 증가 된다는 것을 입증할 수 있었다.
하기의 표3은, 표2에서 전술한 실시 예 1~6 중, 실시 예 4와, 실시 예 6으로 처리한 상등액을 채수하여 물벼룩을 이용한 생태독성시험을 의뢰하여 얻은 결과를 나타내었다.
시료별 농도(%) 시험에 사용된
물벼룩 개체수
유영저해 개체수
실시 예 4 실시 예 6
6.25 20 0 0
12.5 20 0 0
25 20 0 0
50 20 0 0
100 20 0 0
상기의 표3에서 나타낸 바와 같이 실시 예 4와, 실시 예 6, 둘 다 모든 시료별 농도(%)에서 유영저해개체수가 0으로 나타나 수생생물에 대한 독성작용을 나타내지 않아 생태독성값(TU)은 0으로 나왔다.
이는, 본 발명의 조성물을 적용하면 수생생물에 대한 독성작용이 없으면서도, 클로로필에이(Chlorophyll-a) 와 총인(T-P)을 효과적으로 감소시켜 생태보존과 동시에 오염된 수질을 개선할 수 있다는 것을 입증할 수 있었다.
상기와 같이 본 발명을 실현하기 위한 바람직한 예 및 실시 예를 뒷받침하여 본 발명과 관련된 해당기술분야의 당업자라면 충분히 실현 가능할 것으로 보이고, 편의에 따라 다양하게 수정 및 변경시켜 사용가능할 것이다. 하지만 수정 및 변경의 범위가 본 발명이 추구하고자 하는 사상과 동일/유사하다면 본 발명에 모두 포함될 것이다.

Claims (4)

  1. PH는 7.5~9.5이며, 성분은 Fe2O3(삼산화이철) 25~45%, Al2O3(산화알루미늄) 15~25%, SiO2(이산화규소) 10~20%, TiO2(산화티탄) 4~10%, 그 외에 소량의 CaO(산화칼슘), MgO(산화마그네슘), Na2O(산화나트륨)가 함유되어 있는 6~10㎛ 입자크기의 적니(red mud) 60~68% 중량과, 5~10㎜ 입자크기의 황산알루미늄(aluminium sulfate) 15~25% 중량과, 250~350㎛ 입자크기의 제올라이트(zeolite) 2~5% 중량과, 150~200㎛ 입자크기의 SiO2(이산화규소) 5~10% 중량을 혼합한 분말상태의 조성물로 됨을 특징으로 하는 수질개선조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 수질개선조성물을 부영양화가 진행된 물 1L당 0.5~1.5g을 투입하여 수질이 개선되도록 한 것을 특징으로 하는 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기의 수질개선조성물을 부영양화가 진행된 물에 투입한 다음, 폭기 또는 교반 중 어느 하나로 물리적 반응의 활성화를 도모하는 것을 특징으로 하는 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기의 수질개선조성물을 부영양화가 진행된 물에 투입시, 상기의 수질개선조성물을 용융시켜 젤 타입으로 투입하거나, 물의 량에 대비하여 희석시켜 액상으로 투입하는 하는 것, 중 어느 하나로 함을 특징으로 하는 수질개선조성물을 이용한 수질개선방법.
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