KR20220128540A - Water infiltration system having improved denitrification effeciency - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 지하로 침투하는 지표의 물로부터 질산성질소가 제거되도록 만들어진 침투 매질을 포함하는 물 침투 시설에 관한 것으로, 석회석, 패각, 백운석, 산호 등과 같은 탄산염 물질을 이용함으로써 질산성질소의 탈질 효율이 향상된 물 침투 시설에 관한 것이다.The present invention relates to a water infiltration facility including a permeation medium made to remove nitrate nitrogen from surface water penetrating underground. It relates to an improved water infiltration facility.
질산성질소는 지하수에서 가장 흔하게 관찰되는 오염물질로서, 비료에 포함된 암모니아성 질소 성분 또는 토양 중에 포함된 유기물의 분해로 발생하는 암모니아성 질소가 산화되어 생성된다. 따라서, 산소와 접하고 있던 지표의 물은 질산성질소를 많이 포함하고 있을 수 있고, 이들이 왕성하게 침투되는 저영향 개발(Low Impact Development, LID) 시설, 인공 함양 시설 등을 통하여 함양된 지하수는 높은 질산성질소 농도를 보일 가능성이 높다.Nitrate nitrogen is the most commonly observed pollutant in groundwater, and is produced by oxidizing ammonia nitrogen generated by decomposition of ammonium nitrogen components contained in fertilizers or organic matter contained in soil. Therefore, surface water in contact with oxygen may contain a lot of nitrate nitrogen, and groundwater cultivated through low-impact development (LID) facilities and artificial cultivation facilities, where they penetrate vigorously, have high quality It is likely to show an acid nitrogen concentration.
LID란 현대의 도시개발에 있어 흔히 적용되는 친환경적인 기술로, 개발지역의 물순환이 개발이전과 마찬가지로 빗물의 침투가 잘 일어나도록 함으로써, 비점오염원 제거, 홍수억제, 하천의 건천화 방지, 지하수 확보 등의 효과를 거둘 수 있는 신개념의 도시개발 기술이다. LID 시설이나 지하수 함양 시설을 통하여 산소와 질산성질소가 풍부한 물이 혐기성 조건 하에 있는 대수층에 들어가게 되면 대수층이 산화되어, 지하수의 산성화, 대수층 공극 막힘 등과 같은 대수층의 교란이 야기될 수 있다. 따라서, 지하수 수질의 보호와 대수층의 교란을 방지하기 위해서는 산소 및 질산성질소가 제거된 물을 침투시키는 것이 유리하다.LID is an eco-friendly technology that is commonly applied in modern urban development. It allows the water circulation in the development area to infiltrate rainwater as well as before development, thereby removing non-point pollutants, suppressing floods, preventing the drying of rivers, securing groundwater, etc. It is a new concept of urban development technology that can achieve the effect of When water rich in oxygen and nitrate nitrogen enters an aquifer under anaerobic conditions through an LID facility or groundwater cultivation facility, the aquifer is oxidized, causing disturbance of the aquifer, such as acidification of groundwater and clogging of pores in the aquifer. Therefore, in order to protect the quality of the groundwater and prevent disturbance of the aquifer, it is advantageous to permeate the water from which oxygen and nitrate nitrogen have been removed.
LID 시설 등에서는 침투되는 빗물에서 질산성질소를 제거하기 위하여 우드칩, 건초, 나뭇잎과 같은 유기물을 이용하기도 한다. 이들 유기물은 전자공여체로 작용함으로써, 가장 먼저 물에 포함된 산소를 소모시키고, 이후 질산성질소를 질소 가스로 전환시키면서 스스로는 산화·분해된다.LID facilities use organic materials such as wood chips, hay, and leaves to remove nitrate nitrogen from infiltrating rainwater. These organic materials act as electron donors, first consuming oxygen contained in water, and then oxidizing and decomposing themselves while converting nitrate nitrogen into nitrogen gas.
질산성질소가 미생물에 의하여 환원되어 질소 가스로 전환되는 과정을 탈질(denitrification)이라고 한다. 질산성질소는 약한 환원환경에서 탈질되어 제거되기 때문에, 유기물은 질산성질소의 탈질을 유도함에 있어 유용하다. 이처럼 유기물이 분해(산화)되면, CO2(이산화탄소)가 발생하고 이것이 물에 녹으면 다음 화학반응식에 의하여 물의 pH가 낮아질 수도 있다.The process in which nitrate nitrogen is reduced by microorganisms and converted into nitrogen gas is called denitrification. Since nitrate nitrogen is denitrified and removed in a weak reducing environment, organic matter is useful in inducing denitrification of nitrate nitrogen. As such, when organic matter is decomposed (oxidized), CO 2 (carbon dioxide) is generated, and when it is dissolved in water, the pH of water may be lowered by the following chemical reaction equation.
CO2 + H2O → HCO3 - + H+ CO 2 + H 2 O → HCO 3 - + H +
이산화탄소가 물에 녹아 발생하는 탄산(H2CO3)은 약산이기는 하나, 유기물이 왕성하게 분해되면 많은 양의 이산화탄소가 발생되고, 이로 인하여 빗물과 같이 알칼리도가 낮은 물은 pH가 5 이하까지도 낮아질 수 있다. 통상적으로 탈질에 적합한 pH는 7.5 ~ 8.5 정도로 알려져 있으나, 유기물분해로 발생되는 이산화탄소로 인한 탈질 효율저하 가능성과 이를 저감하는 기술은 제시된 바 없다. Carbonic acid (H 2 CO 3 ), which is generated by dissolving carbon dioxide in water, is a weak acid, but when organic matter is actively decomposed, a large amount of carbon dioxide is generated. have. In general, a suitable pH for denitrification is known to be about 7.5 to 8.5, but the possibility of a reduction in denitration efficiency due to carbon dioxide generated by decomposition of organic matter and a technique for reducing it have not been suggested.
이와 관련하여, 유기물을 활용하여 지하수내 질산성질소를 제거하는 방법을 개시하는 논문이나 특허는 많이 있었으나, 이들은 유기물이 분해되어 발생되는 이산화탄소에 의해 탈질 효율이 저감되는 것을 완화시켜주는 기술이 아니며, 본 발명과 같이 지표의 물을 땅속으로 침투시키는 시설에서 침투되는 물을 대상으로 하는 기술에 관해서는 개시하고 있지 않다.In this regard, there have been many papers or patents disclosing a method for removing nitrate nitrogen in groundwater using organic matter, but these are not technologies that alleviate the reduction in denitration efficiency by carbon dioxide generated by decomposition of organic matter, As in the present invention, there is no disclosure of a technology for infiltrating water from a facility that permeates surface water into the ground.
논문 Nitrate removal from groundwater and denitrification rates in a porous treatment wall amended with sawdust(Schipper LA and Vojvodic-Vukovic M, 2000. Ecological Engineering 14, 269-278)에서는, 질산성질소 오염지하수 처리를 위해 톱밥을 재료로 하는 투수성 반응 벽체(Permeable Reactive Barrier)를 만들어 사용하는 기술이 개시되어 있으나, 이는 침투되는 물이 아니라 이미 오염되어 대수층을 흐르는 지하수의 처리를 위한 것으로서, 탈질 과정에서 pH 저하로 인한 탈질 효율의 저하의 문제점이나 이의 해결방법에 대해서는 구체적으로 개시하고 있지 않다.In the paper Nitrate removal from groundwater and denitrification rates in a porous treatment wall amended with sawdust ( Schipper LA and Vojvodic-Vukovic M , 2000. Ecological Engineering 14, 269-278), sawdust as a material for the treatment of nitrate-contaminated groundwater Although a technology for making and using a permeable reactive barrier has been disclosed, this is not for infiltrating water, but for treating groundwater that has already been contaminated and flows through an aquifer. It does not specifically disclose a problem or a solution to the problem.
논문 Nitrate removal in a packed bed reactor using volatile fatty acids from anaerobic acidogenesis of food wastes(Lim SJ, Ahn YH, Kim EY, Chang HN, 2006. Biotechnology and Bioprocess Engineering 11, 538-543)에서는 음식물 폐기물에서 추출된 휘발성 지방산을 탄소원(유기물원)으로 하여 질산성질소를 제거하는 방법에 관해서 개시하고 있을 뿐, 상기 탄소원의 분해로 인한 pH 저하와 이로 인해 탈질 효율이 저하되는 문제점 및 이의 해결방법에 대해서는 개시하고 있지 않다.In the paper Nitrate removal in a packed bed reactor using volatile fatty acids from anaerobic acidogenesis of food wastes ( Lim SJ, Ahn YH, Kim EY, Chang HN , 2006. Biotechnology and Bioprocess Engineering 11, 538-543), It only discloses a method for removing nitrate nitrogen using a fatty acid as a carbon source (organic material source), but does not disclose a problem of a decrease in pH due to the decomposition of the carbon source and a decrease in denitrification efficiency due to this, and a method for solving the same. .
한편, 대한민국 등록특허 제10-0906402호는 고체 당밀 정화제, 이의 제조 방법 및 이를 이용한 질산성질소 오염 지하수 정화 방법에 관한 것으로서, 탈질 미생물이 유기물원으로 사용할 수 있는 당밀을 대수층에 직접 주입함으로써 질산염 오염 지하수가 정화되도록 하는 것이어서, 지표수가 토양을 침투하여 지하수로 함양되는 과정 중에 질산성질소를 제거하는 기술이 아니고, 이산화탄소 발생으로 인한 문제 및 이의 해결방법에 대해서도 개시하고 있지 않다.Meanwhile, Korean Patent Registration No. 10-0906402 relates to a solid molasses purifying agent, a manufacturing method thereof, and a method for purifying nitrate nitrogen-contaminated groundwater using the same. Since groundwater is to be purified, it is not a technique for removing nitrate nitrogen during the process of surface water infiltrating the soil and being cultivated into groundwater, nor does it disclose a problem caused by carbon dioxide generation and a solution therefor.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1924374호는 푸마레이트(fumarate)를 유기물원으로 사용하여 부지 현장에 서식하는 미생물을 이용하여 탈질을 유도하는 기술에 관한 것으로서, 푸마레이트 분해 과정에서 나타날 수 있는 탈질 효율 저하를 개선하는 기술에 대해서는 개시하고 있지 않다. 더구나, 상기 발명은 상기 푸마레이트를 대수층에 직접 주입하여 지하수를 정화하는 기술을 개시하고 있어서, 본 발명이 대상으로 하는 지표수의 침투시설을 통과하는 물에는 적용될 수 없다.In addition, Republic of Korea Patent No. 10-1924374 relates to a technology for inducing denitrification using microorganisms inhabiting site sites using fumarate as an organic material, and denitrification efficiency that may appear in the process of decomposing fumarate. A technique for improving deterioration is not disclosed. Moreover, since the invention discloses a technique for purifying groundwater by directly injecting the fumarate into an aquifer, it cannot be applied to water passing through a surface water infiltration facility targeted by the present invention.
미국 공개특허 2013/0112601나 국제공개특허 2003/074430 등은 미생물이 작용하지 않는 전기화학적인 방법이나 음이온 교환법을 이용하여 질산성질소를 제거하는 기술에 대해서 개시하고 있을 뿐이어서, 본 발명이 다루고 있는 유기물의 미생물 분해에 의한 탈질과 근본적으로 차이가 있다.U.S. Patent Publication No. 2013/0112601 and International Patent Publication No. 2003/074430, etc. only disclose a technique for removing nitrate nitrogen using an electrochemical method or an anion exchange method in which microorganisms do not act, so the present invention deals with It is fundamentally different from denitrification by microbial decomposition of organic matter.
또한, 일본특허 2013-22494는 유황과 탄산칼슘을 이용하여 질산성질소로 오염된 지하수를 처리하는 기술에 관한 것으로, 상기 일본특허에서는 유황은 탈질과정 중 산화되어 황산을 형성할 수 있으며, 여기서 생성된 황산은 탄산칼슘에서 유래된 칼슘이온과 반응하여 황산칼슘이 형성되게 함으로써 처리수가 산성화되는 것을 방지하는 기술을 개시하고 있다. 상기 일본특허는 대수층에 유황과 탄산칼슘의 분말을 주입하여 오염된 지하수를 직접 처리하기 위한 것으로, 지표수 침투시설을 통과하는 물에 포함된 질산성질소를 유기물의 미생물 분해를 통하여 탈질·제거하려는 본 발명과는 차이가 있다.In addition, Japanese Patent 2013-22494 relates to a technology for treating groundwater contaminated with nitrate nitrogen using sulfur and calcium carbonate. In the Japanese patent, sulfur can be oxidized to form sulfuric acid during denitrification process, wherein the Sulfuric acid reacts with calcium ions derived from calcium carbonate to form calcium sulfate, thereby preventing the acidification of treated water. The Japanese patent is for directly treating contaminated groundwater by injecting powder of sulfur and calcium carbonate into an aquifer. It is different from invention.
본 발명은 LID 시설이나 지하수 함양 시설 등에서 빗물 등과 같은 지표의 물이 지하로 침투될 때, 침투되는 물에서 질산성질소 제거 과정에서 유기물 분해로 발생되는 이산화탄소로 인해 미생물의 탈질 효율이 저하되는 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.The present invention solves the problem of decreasing the denitrification efficiency of microorganisms due to carbon dioxide generated by decomposition of organic matter in the process of removing nitrate nitrogen from the infiltrated water when surface water such as rainwater penetrates underground in LID facilities or groundwater cultivation facilities. aim to solve
본 발명은 또한, 별도의 정수과정을 거치지 않고도, 지표의 물이 지하로 자연스럽게 침투되는 과정에서 탈질 과정을 수행하도록 함과 동시에, 탈질 효율이 향상된 물 침투 시설 또는 지하수 함양 시설을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention also provides a water penetration facility or a groundwater cultivation facility with improved denitrification efficiency while performing a denitrification process in a process where surface water naturally penetrates into the ground without going through a separate water purification process. do.
본 발명에 따른 물 침투 시설은 물이 지하로 침투되는 과정에서 유기물을 이용한 탈질 효율이 극대화될 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the water penetration facility according to the present invention is to provide a technology that can maximize the denitrification efficiency using organic matter in the process of water penetration into the ground.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예들에 따르면, 본 발명은 침투 매질을 포함하는 물 침투 시설로서, 상기 침투 매질은 유기물과 탄산염 물질을 포함한다.According to embodiments of the present invention for achieving the above object, the present invention is a water permeation facility comprising a permeation medium, wherein the permeation medium includes an organic material and a carbonate material.
상기 물 침투 시설은 지표수가 지하로 침투되는 경로에 위치할 수 있다.The water penetration facility may be located in a path through which surface water penetrates underground.
상기 물 침투 시설은 상기 침투 매질을 통과하는 물에 포함된 질산성질소를 탈질시켜 제거하는 것일 수 있다.The water permeation facility may be to denitrate and remove nitrogen nitrate contained in the water passing through the permeation medium.
상기 유기물은 상기 침투 매질로 유입되는 물에 포함된 질산성질소를 탈질시키는 전자공여체로 작용하고, 상기 탈질의 결과물로 이산화탄소가 생성되는 것일 수 있다.The organic material may act as an electron donor for denitrifying nitrate nitrogen contained in water flowing into the permeation medium, and carbon dioxide may be generated as a result of the denitrification.
상기 탄산염 물질은 상기 이산화탄소와 화학반응하여 상기 이산화탄소를 제거하는 것일 수 있다.The carbonate material may chemically react with the carbon dioxide to remove the carbon dioxide.
본 발명에 따르면, 유기물을 이용하여 질산성질소를 제거할 때, 유기물의 분해로 발생하는 이산화탄소를 석회석, 패각 등과 같은 탄산칼슘(CaCO3) 물질이나 백운석과 같은 탄산칼슘마그네슘((Ca, Mg)CO3) 물질과 반응시켜 제거함으로써, 물의 pH가 과도하게 낮아지는 것을 방지하는 효과를 가진다.According to the present invention, when nitrate nitrogen is removed using organic matter, carbon dioxide generated by the decomposition of organic matter is converted into calcium carbonate (CaCO 3 ) materials such as limestone, shell, etc. or calcium magnesium carbonate ((Ca, Mg) such as dolomite. CO 3 ) By reacting with the material and removing it, it has the effect of preventing the pH of water from being excessively lowered.
그리고, 본 발명은 물의 pH가 과도하게 낮아짐에 따라 탈질 미생물의 활성이 저하되는 것을 방지하여, 탈질 효율이 향상된 효과를 가진다.In addition, the present invention has the effect of improving the denitrification efficiency by preventing the activity of the denitrification microorganisms from being lowered as the pH of water is excessively lowered.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 물 침투 시설의 수직 단면 모식도이다.
도 2는 물 침투 시설을 모사하여 제조된 실험예 1의 실험장치 및 각 물 침투 시설 모사 컬럼의 수직 단면 모식도이다.
도 3은 실험예 1에 따른 실험장치들의 시간 경과에 따른 질산성질소 농도 변화 및 질산성질소의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험예 1에 따른 실험장치들의 시간 경과에 따른 pH, 알칼리도(Alkalinity), 칼슘이온의 농도 및 용존 무기 탄소량의 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a vertical cross-sectional schematic view of a water infiltration facility according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a vertical cross-sectional schematic view of the experimental apparatus of Experimental Example 1 and each water infiltration facility simulating column manufactured by simulating the water infiltration facility.
3 is a graph showing the change in the concentration of nitrate nitrogen and the removal rate of nitrate nitrogen according to the lapse of time of the experimental apparatus according to Experimental Example 1.
4 is a graph showing changes in pH, alkalinity, calcium ion concentration and dissolved inorganic carbon amount over time in experimental apparatuses according to Experimental Example 1. FIG.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily carry out, but this is only an example, and the scope of the present invention is defined by the following contents Not limited.
본 발명은, 빗물, 호소수, 하천수 등과 같은 지표의 물을 땅으로 침투시키는 시설에 관한 것으로서, 물이 땅속으로 침투되는 과정에서 침투 매질을 통과하는 물에 포함된 질산성질소가 탈질 과정에 의하여 효율적으로 제거되도록 하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a facility for penetrating surface water such as rainwater, lake water, river water, etc. How to get it removed.
지표의 물이 왕성하게 땅속으로 침투되는 LID 시설이나 지하수 인공 함양 시설에서는 지표오염물질의 유입에 의한 지하수의 오염이 우려되는 바, 이를 방지하거나 저감하는 기술에 대한 필요성이 증가하고 있다.In LID facilities or artificial groundwater cultivation facilities where surface water actively penetrates into the ground, there is a concern about contamination of groundwater due to inflow of surface pollutants, and the need for technologies to prevent or reduce this is increasing.
지하수의 질산성질소 오염이 발생되는 주된 원인은 비료, 가정용 오폐수, 축산 폐수 등이 땅으로 침투되어 지하수로 함양되면서 발생된다. 따라서, LID 시설이나 지하수 인공 함양시설에서와 같이 지표의 물이 왕성하게 침투되면 지하수는 질산성질소로 오염될 개연성이 크다.The main cause of nitrate nitrogen contamination of groundwater is that fertilizer, household wastewater, livestock wastewater, etc. are infiltrated into the ground and cultivated as groundwater. Therefore, if surface water penetrates vigorously as in LID facilities or artificial groundwater cultivation facilities, there is a high probability that groundwater will be contaminated with nitrate nitrogen.
본 발명은, 이러한 문제를 해결하고자, 지표수 침투시설에서 침투되는 물이 유기물과 탄산염 물질을 포함하는 침투 매질을 통과함으로써 질산성질소를 제거하고, 나아가, 탈질 효율을 증가시켜, LID 시설 유출수 또는 지하수의 질산성질소 오염율을 저감시키는 기술을 제공한다.In order to solve this problem, the present invention removes nitrate nitrogen by passing the water permeating from the surface water infiltration facility through the permeation medium containing organic matter and carbonate material, and furthermore, by increasing the denitrification efficiency, LID facility effluent or groundwater It provides a technology to reduce the nitrate nitrogen pollution rate of
더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 물 침투 시설은 지표수가 지하로 침투되는 경로에 위치하고 있어, 상기 침투 매질을 통과하는 물에 포함되어 있는 질산성질소를 탈질시켜 제거할 수 있다.More specifically, since the water infiltration facility according to the present invention is located in a path through which surface water penetrates underground, nitrate nitrogen contained in the water passing through the infiltration medium can be removed by denitrification.
이때, 상기 유기물은 전자공여체로 작용하여 상기 침투 매질로 유입되는 물에 포함된 질산성질소와 화학반응하여 상기 질산성질소를 탈질시키는 역할을 한다.In this case, the organic material acts as an electron donor and chemically reacts with nitrate nitrogen contained in water flowing into the permeation medium to denitrate the nitrate nitrogen.
한편, 이러한 화학반응의 결과물로 이산화탄소가 생성되는데, 이렇게 생성된 이산화탄소는 물에 녹으면서 물의 pH를 감소시킬 수 있고, 이 때문에 물 침투 매질 내의 토착 탈질미생물의 활성이 저하될 수 있고, 그 결과 질산성질소의 탈질 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생할 수 있다.On the other hand, carbon dioxide is produced as a result of such a chemical reaction, and the carbon dioxide produced in this way can reduce the pH of water while being dissolved in water. There may be a problem in that the denitrification efficiency of the nitrogenous substance is lowered.
본 발명에 따른 탄산염 물질은 상기 이산화탄소와 화학반응하여, 이산화탄소를 제거시킬 수 있고, 이로써, 물의 pH가 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과, 물 침투 시설 내의 토착 탈질미생물의 활성 저하를 방지함으로써 질산성질소의 탈질이 효율적으로 일어날 수 있다.The carbonate material according to the present invention can chemically react with the carbon dioxide to remove carbon dioxide, thereby preventing the pH of water from being excessively lowered, and as a result, reducing the activity of indigenous denitrification microorganisms in the water infiltration facility. By preventing it, the denitrification of nitrate nitrogen can occur efficiently.
도 1에 제시된 것처럼, LID 시설이나 인공 함양시설은 지표수를 한 곳으로 모으거나 고이게 하고, 모래나 자갈, 돌멩이 등 투수성이 높은 매질을 통과하여 땅으로 침투되도록 한다. 침투되는 물에 포함된 질산성질소를 탈질시켜 제거하기 위해서는 적절한 전자공여체로 작용할 수 있는 탄소원, 즉 유기물이 있어야 한다. 이러한 목적을 위해서 나뭇잎, 우드칩, 건초 등과 같은 유기물을 섞어 침투 매질을 만들 수 있다. 또는, 투수성 침투 매질의 상부를 이들 유기물로 덮어줌으로써, 유기물층을 거쳐 물이 침투되게 할 수도 있다. 본 발명의 물 침투 시설에서, 물이 유입되는 유입부는 물이 유입되어 침투 매질로 침투될 수 있는 형태라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 침투시설의 형태나 크기, 그 유입부의 형태나 면적 등은 필요에 따라 적절히 구성될 수 있으며, 다양하게 변화될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the LID facility or the artificial cultivation facility collects or pools surface water in one place, passes through a medium with high permeability such as sand, gravel, or stones, and penetrates into the ground. In order to denitrify and remove nitrogen nitrate contained in the permeated water, there must be a carbon source that can act as an appropriate electron donor, that is, an organic material. For this purpose, organic matter such as leaves, wood chips, hay, etc. can be mixed to form the permeation medium. Alternatively, by covering the upper portion of the permeable permeation medium with these organic materials, water may be permeated through the organic material layer. In the water permeation facility of the present invention, the inlet through which water is introduced is not particularly limited and may be used as long as it is in a form capable of permeating into the permeation medium through which water is introduced. The shape or size of the infiltration facility, the shape or area of the inflow part, etc. may be appropriately configured as needed, and may be variously changed.
물 침투 시설로 유입되어 침투 매질을 통과한 물은 지하수면에 도달하여 지하수가 될 수도 있고, 지하수면에 도달하기 전에 중간 유출되거나 유공관을 통하여 배수될 수도 있다. 침투 매질에서는 물에 포함된 질산성질소가 유기물을 탄소원으로 하는 토착미생물에 의해 탈질되고, 이러한 화학반응의 결과물로 생성된 이산화탄소는 탄산염 물질과 반응하여, 물의 pH가 과도하게 저하되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.Water flowing into the water infiltration facility and passing through the infiltration medium may reach the water table and become groundwater, or it may be discharged in the middle before reaching the water table or drained through a perforated pipe. In the permeation medium, nitrate nitrogen contained in water is denitrified by indigenous microorganisms using organic matter as a carbon source, and carbon dioxide produced as a result of this chemical reaction reacts with carbonate material, preventing the pH of water from being excessively lowered will do
즉, 상기 침투 매질은 유기물과 탄산염 물질을 포함하고 있으며, 부가적으로, 모래, 자갈 등, 일반적으로 땅에 존재하고 있는 물질들을 더 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.That is, the permeation medium includes an organic material and a carbonate material, and additionally, sand, gravel, and the like, may further include materials generally present in the ground, but the present invention is not limited thereto.
상기 유기물은 질산성질소의 탈질을 유도하는 전자공여체의 역할을 하고, 상기 유기물을 탄소원으로 하는 토착미생물에 의해 분해되면서 질산성질소는 탈질되고 이산화탄소가 발생된다. 이때, 유기물분해의 결과물로 생성된 이산화탄소는 상기 탄산염물질과 반응하여 제거된다.The organic material serves as an electron donor for inducing denitrification of nitrate nitrogen, and as the organic material is decomposed by native microorganisms using the organic material as a carbon source, the nitrate nitrogen is denitrified and carbon dioxide is generated. At this time, carbon dioxide produced as a result of decomposition of organic matter is removed by reacting with the carbonate material.
CaCO3나 (Ca, Mg)CO3 등과 같은 탄산염 물질들은 산성조건에서 잘 용해되며, 이들이 용해되면 물의 알칼리도는 높아지고, 그 결과, 물은 높은 pH 완충능력을 갖게 되어, 물의 pH가 급격히 변화되는 것을 막아준다. 다음은 이산화탄소가 물에 용해되어 수소이온이 생성됨으로써, pH가 낮아지는 것을 보여주는 화학반응식이다.Carbonate substances such as CaCO 3 and (Ca, Mg)CO 3 are well soluble in acidic conditions, and when they are dissolved, the alkalinity of water increases, and as a result, water has a high pH buffering ability, which prevents rapid changes in the pH of water. it blocks The following is a chemical reaction formula showing that the pH is lowered by dissolving carbon dioxide in water to produce hydrogen ions.
이산화탄소 용해: CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3 - Carbon dioxide dissolution: CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3 → H + + HCO 3 -
탄산칼슘이 존재하는 환경에서는 이산화탄소가 용해되어도 발생되는 수소이온(H+)이 탄산칼슘이 용해되어 발생되는 탄산이온(CO3 2-)과 반응하여 중탄산이온(HCO3 -)으로 전환되기 때문에 물의 pH가 크게 저하되지 않는다.In an environment where calcium carbonate exists, hydrogen ions (H + ) generated even when carbon dioxide is dissolved react with carbonate ions (CO 3 2- ) generated when calcium carbonate is dissolved and are converted into bicarbonate ions (HCO 3 - ). The pH is not significantly lowered.
이산화탄소에 의한 탄산칼슘의 용해: CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2+ + 2HCO3 - Dissolution of calcium carbonate by carbon dioxide: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca 2+ + 2HCO 3 -
이러한 원리를 이용하여 LID 시설이나 인공 함양 시설에서와 같이 지표의 물을 침투시키는 시설에서 질산성질소의 제거를 위하여 침투 매질에 유기물을 사용할 경우, 여기에 탄산염 물질을 포함시키면, 유기물분해로 발생되는 이산화탄소에 의해 탈질 효율의 저하를 막아줄 수 있다.Using this principle, when organic matter is used in the permeation medium for the removal of nitrate nitrogen in a facility that permeates surface water, such as in an LID facility or an artificial cultivation facility, if a carbonate material is included here, carbon dioxide generated by organic matter decomposition This can prevent the deterioration of the denitrification efficiency.
자연에서 흔하게 나타나는 탄산염 재질의 광물로는 방해석과 백운석 등이 있으며, 방해석은 탄산칼슘(CaCO3)을 주성분으로 하며 석회암(석)의 주구성광물이다. 백운석은 (Ca, Mg)CO3의 성분을 가지며 탄산칼슘과 같은 역할을 할 수 있다. 백운석을 주구성광물로 하는 암석을 백운암이라고 한다. 따라서, 석회석과 백운석을 유기물분해로 발생되는 이산화탄소로 인한 탈질 효율 저하를 저감시킬 수 있는 탄산염물질로 사용할 수 있다. 이 밖에도 패각, 산호, 알껍데기 등도 탄산칼슘으로 구성되어 있어 방해석, 백운석과 같은 효과를 볼 수 있다. 즉, 해안폐기물로 연안에 방치되어 있는 패각류도 석회석과 백운석의 대용으로 활용할 수도 있다. Carbonate minerals commonly found in nature include calcite and dolomite. Calcite has calcium carbonate (CaCO 3 ) as its main component and is the main constituent of limestone (stone). Dolomite has a component of (Ca , Mg)CO 3 and can act like calcium carbonate. Rocks containing dolomite as the main constituent are called dolomite. Accordingly, limestone and dolomite can be used as carbonate materials capable of reducing the reduction in denitration efficiency due to carbon dioxide generated by decomposition of organic matter. In addition, shells, corals, and eggshells are also composed of calcium carbonate, so it has the same effect as calcite and dolomite. In other words, shellfish left on the coast as coastal waste can also be used as a substitute for limestone and dolomite.
본 발명에 따른 유기물, 탄산염 물질, 모래, 자갈 등의 혼합 형태나 배합비는 특정 혼합 형태나 배합비로 한정되지 않고, 다양한 혼합 형태와 배합비를 만족할 수 있다. 즉, 상기 물질들은 균일하게 혼합될 수도 있고, 불균일하게 혼합될 수도 있다. 나아가, 탄산염 물질을 유기물과 섞어 침투 매질을 형성할 수도 있고, 각각 분리된 층으로 침투 매질을 형성하는 것도 가능하며, 그 침투 매질의 형태는 제한되지 않는다. 다만, 본 기술은 양에 상관없이 유기물이 미생물의 탄소원으로 작용하여 탈질이 일어나는 경우에 한하며, 이때 포함되는 바람직한 탄산염물질의 양은 그 비율로 정해지지 않고, 침투 매질을 통과하면서 탄산염물질이 용해되어 알칼리도가 1 meq/L 이상, 더욱 구체적으로는 1 내지 10 meq/L 증가될 수 있다.The mixing type or mixing ratio of organic matter, carbonate material, sand, gravel, etc. according to the present invention is not limited to a specific mixing type or mixing ratio, and various mixing types and mixing ratios may be satisfied. That is, the materials may be mixed uniformly or may be mixed non-uniformly. Furthermore, the permeation medium may be formed by mixing the carbonate material with the organic material, and it is also possible to form the permeation medium in separate layers, and the form of the permeation medium is not limited. However, the present technology is limited to the case where denitrification occurs by acting as a carbon source for microorganisms regardless of the amount, and the amount of the preferable carbonate material included in this case is not determined by the ratio, and the carbonate material is dissolved as it passes through the permeation medium to increase the alkalinity. It may be increased by 1 meq/L or more, more specifically 1 to 10 meq/L.
알칼리도(alkalinity)는 중탄산이온, 탄산이온 및 수산이온의 노르말농도 합에서 수소이온의 노르말농도를 뺀 값(HCO3 - + CO3 2- + OH- - H+)으로 정의되며, 탄산칼슘의 용해에 의하여는 값이 증가되지만, 이산화탄소의 용해에 의하여는 값이 영향을 받지 않는다. 따라서, 본 발명에서 증가된 알칼리도는 녹아 들어간 탄산염물질의 양을 지시한다.Alkalinity is defined as the sum of the normal concentrations of bicarbonate ions, carbonate ions, and hydroxide ions minus the normal concentration of hydrogen ions (HCO 3 - + CO 3 2- + OH - - H + ), and the dissolution of calcium carbonate It increases the value, but the value is not affected by the dissolution of carbon dioxide. Thus, increased alkalinity in the present invention indicates the amount of dissolved carbonate material.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명의 탄산염 물질은 탄산칼슘과 같이 이산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 제거할 수 있는 물질로서, 석회석, 백운석, 패각, 산호, 알껍데기 등과 같이 탄산칼슘, 탄산칼슘마그네슘 재질의 물질들에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.On the other hand, as described above, the carbonate material of the present invention is a material capable of removing carbon dioxide by reacting with carbon dioxide, such as calcium carbonate, and a material made of calcium carbonate, calcium magnesium carbonate, such as limestone, dolomite, shell, coral, eggshell, etc. It may include one or more selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
상기 탄산염 물질의 용해도는 그 크기와 무관하게 발생된 이산화탄소량에 의해 결정되는 바, 다양한 크기의 재료들이 사용될 수 있다. 또한, 탄산염재질이 소량만 녹아도 충분한 pH 완충 효과를 낼 수 있기 때문에 침투 매질에서의 양은 소량이어도 상관이 없다. 바람직하게는 탄산염물질의 용해로 증가되는 알칼리도가 1 meq/L 이상은 되어야 물이 충분한 pH 완충 효과를 가질 수 있다. 침투 매질에서 탄산염재질이 반영구적으로 pH 완충제로써의 역할을 하려면 침투 매질 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상인 것이 바람직하다. 그리고, 그 크기는 직경(장경)이 10 cm 이하인 것이 바람직하다. 상기 크기보다 큰 경우에는 탄산염 물질의 용해속도가 과도하게 느려져 pH 완충 효과가 미미할 수 있다.Since the solubility of the carbonate material is determined by the amount of carbon dioxide generated regardless of its size, materials of various sizes may be used. In addition, the amount in the permeation medium does not matter even if the amount in the permeation medium is small because a sufficient pH buffering effect can be obtained even if only a small amount of the carbonate material is dissolved. Preferably, the alkalinity, which is increased by dissolution of the carbonate material, must be 1 meq/L or more so that water can have a sufficient pH buffering effect. In order for the carbonate material to semi-permanently serve as a pH buffer in the permeation medium, it is preferably 0.1 wt% or more based on the total weight of the permeation medium. And, the size is preferably 10 cm or less in diameter (major axis). If the size is larger than the above size, the dissolution rate of the carbonate material is excessively slowed, and thus the pH buffering effect may be insignificant.
이하에서는, 실시예에 기초하여 발명을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위는 이에 제한되지 않고 다양한 변형이 가능하다.Hereinafter, the invention will be described in more detail based on examples, but this is only an example, and the scope of the present invention is not limited thereto and various modifications are possible.
실험예 1 - 수질 및 탈질 속도 평가Experimental Example 1 - Evaluation of water quality and denitrification rate
도 2는 하기 표 1을 참고하여, 물 침투 시설을 모사하여 만든 실험장치들을 보여준다. 본 실험장치들의 침투 매질을 다양한 재료(컬럼 A: 모래, 컬럼 B: 모래+우드칩, 컬럼 C: 모래+우드칩+석회석 모래)로 채우고, 질산성질소 농도(NO3-N)가 20 ppm인 용액으로 공극을 채운 다음 시간이 지남에 따라 농도변화를 관찰하였다.2 shows experimental devices made by simulating a water infiltration facility with reference to Table 1 below. The penetration medium of these experimental devices was filled with various materials (column A: sand, column B: sand + wood chips, column C: sand + wood chips + limestone sand), and the nitrate nitrogen concentration (NO 3 -N) was 20 ppm After filling the pores with a phosphorus solution, the concentration change was observed over time.
도 3은 실험장치들의 시간 경과에 따른 질산성질소의 농도 변화 및 질산성질소의 제거율을 보여주고, 도 4는 실험장치들의 시간 경과에 따른 pH, 알칼리도(Alkalinity), 칼슘이온의 농도 및 이산화탄소 분압의 로그값 (pCO2 = log (이산화탄소 분압))의 변화를 보여준다.3 shows the change in the concentration of nitrate nitrogen and the removal rate of nitrate nitrogen over time of the experimental devices, and FIG. 4 is the logarithm of pH, alkalinity, calcium ion concentration and carbon dioxide partial pressure over time of the experimental devices. The change in value (pCO 2 = log (partial pressure of carbon dioxide)) is shown.
(대조군)(control group)
도 3에서 나타난 것처럼 유기물이 포함되지 않은 컬럼 A의 조건에서는 오랜 시간이 지난 상태에서도 질산성질소의 농도가 크게 줄지 않았으며, 이를 통하여 질산성질소의 탈질에는 유기물이 필요하다는 것을 확인할 수 있다. 반면, 석회석(Limestone)과 유기물(우드칩)을 사용한 컬럼 C 조건의 경우가 유기물(우드칩)만 섞은 컬럼 B의 조건에 비하여 질산성질소 농도 저감이 약 2배 이상 빠르게 일어났다. 이는 석회석이 유기물분해로 발생되는 이산화탄소로 인한 탈질 속도 저하를 효과적으로 막아주었음을 의미한다.As shown in FIG. 3 , the concentration of nitrate nitrogen did not significantly decrease in the condition of column A that did not contain organic matter even after a long period of time, and through this, it can be confirmed that organic matter is required for denitrification of nitrate nitrogen. On the other hand, in the case of column C using limestone and organic matter (wood chip), the reduction in nitrate nitrogen concentration occurred more than twice faster than the condition of column B in which only organic matter (wood chip) was mixed. This means that limestone effectively prevented the reduction of the denitrification rate due to carbon dioxide generated by decomposition of organic matter.
위의 실험조건에서 같이 분석된 수질자료(도 4)를 보면, 우드칩만을 사용한 실험(컬럼 B)에서는 공극수의 pH가 6 내외의 값을 보였으며, 이는 대조군(컬럼 A)실험의 결과 보다 다소 작은 값이다. 컬럼 B가 대조군 실험에 비하여 작은 pH값을 보인 이유는 유기물의 분해로 발생된 이산화탄소 때문이며, 이는 컬럼 B의 실험결과가 대조군(컬럼 A)에 비하여 높은 pCO2값을 보인 것으로 알 수 있다.Looking at the water quality data analyzed under the above experimental conditions (FIG. 4), in the experiment (column B) using only wood chips, the pH of the pore water showed a value of around 6, which is slightly higher than the result of the control (column A) experiment. It is a small value. The reason that column B showed a small pH value compared to the control experiment was due to carbon dioxide generated by the decomposition of organic matter, and it can be seen that the experimental result of column B showed a higher pCO 2 value than the control (column A).
반면, 소량의 석회석을 포함하여 침투 매질을 준비한 실험(컬럼 C)에서는 유기물만을 포함하여 수행한 실험의 결과(컬럼 B)에 비하여 상대적으로 높은 pH 값을 유지하였다. 유기물(우드칩)이 포함된 컬럼 B와 컬럼 C의 실험에서는 이산화탄소의 발생으로 대조군(컬럼 A)에 비하여 높은 pCO2 (log(CO2분압))값을 보였지만, 컬럼 C의 경우, 발생된 이산화탄소가 매질에 포함된 석회석을 녹임으로써 컬럼 B의 경우보다 높은 pH값이 유지된 것이다. 컬럼 C에서 발생된 이산화탄소가 석회석을 녹였다는 것은 컬럼 B에 비하여 훨씬 높은 알칼리도와 Ca농도를 통하여 알 수 있다.On the other hand, in the experiment (column C) in which the permeation medium was prepared including a small amount of limestone, a relatively high pH value was maintained compared to the result of the experiment (column B) including only organic matter. In the experiments of column B and column C containing organic matter (wood chip), the pCO 2 (log(CO 2 partial pressure)) value was higher than that of the control (column A) due to the generation of carbon dioxide, but in the case of column C, the generated carbon dioxide By dissolving the limestone contained in the medium, the pH value was maintained higher than in the case of column B. It can be seen through much higher alkalinity and Ca concentration compared to column B that the carbon dioxide generated in column C dissolved limestone.
앞서 설명한 바와 같이, 알칼리도(alkalinity)는 중탄산이온, 탄산이온 및 수산이온의 노르말농도 합에서 수소이온의 노르말농도를 뺀 것으로 정의되는 바, 탄산칼슘의 용해에 의해서는 증가되고 이산화탄소가 단순히 물에 녹는 것만으로는 알칼리도값이 영향을 받지 않는다. 따라서, 컬럼 C의 실험에서 알칼리도와 Ca농도가 크게 증가된 것은 탄산칼슘이 녹아 발생된 것임을 증명한다. 이러한 실험결과는 침투 매질에 혼합된 석회석이 탈질에 상대적으로 유리한 공극수의 pH를 유지시킴으로써, 보다 효과적인 탈질이 일어나도록 역할을 하였음을 알 수 있다. 이 같은 결과는, 역으로, 유기물분해로 발생되는 이산화탄소에 의하여도 탈질 효율이 크게 방해를 받을 수 있음을 보이는 것이며, 개선된 효율을 얻기 위해서는 이산화탄소 발생으로 인한 영향을 저감하여야 함을 의미한다.As described above, alkalinity is defined as the sum of the normal concentrations of bicarbonate ions, carbonate ions, and hydroxide ions minus the normal concentration of hydrogen ions. Alkalinity alone is not affected. Therefore, the greatly increased alkalinity and Ca concentration in the experiment of column C proves that calcium carbonate was dissolved. These experimental results indicate that limestone mixed in the permeation medium played a role in maintaining the pH of the pore water relatively favorable for denitrification, so that more effective denitrification occurs. These results, conversely, show that the denitration efficiency can be greatly hindered even by carbon dioxide generated by decomposition of organic matter, and it means that the effect of carbon dioxide generation must be reduced in order to obtain improved efficiency.
본 명세서에서는 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 탈질 효율이 향상된 물 침투 시설은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.Although specific terms are used in this specification, they are only used in a general sense to easily describe the technical contents of the present invention and help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical spirit of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein. For example, those skilled in the art will appreciate that the water infiltration facility with improved denitrification efficiency of the present invention can be variously modified. Therefore, the scope of the invention should not be defined by the described embodiments, but should be defined by the technical idea described in the claims.
Claims (8)
상기 침투 매질은 유기물과 탄산염 물질을 포함하는 물 침투 시설.A water permeation facility comprising a permeation medium, comprising:
wherein the permeation medium comprises an organic material and a carbonate material.
상기 물 침투 시설은 지표수가 지하로 침투되는 경로에 위치하고 있는 물 침투 시설.According to claim 1,
The water infiltration facility is a water infiltration facility located in a path through which surface water penetrates underground.
상기 물 침투 시설은 상기 침투 매질을 통과하는 물에 포함된 질산성질소를 탈질시켜 제거하는 물 침투 시설.According to claim 1,
The water permeation facility is a water permeation facility for denitrifying and removing nitrate nitrogen contained in water passing through the permeation medium.
상기 유기물은 토착 탈질 미생물의 탄소원이고,
상기 침투 매질로 유입되는 물에 포함된 질산성질소를 탈질시키며,
상기 탈질의 결과물로 이산화탄소가 생성되는 물 침투 시설.According to claim 1,
The organic material is a carbon source of indigenous denitrification microorganisms,
Denitrification of nitrate nitrogen contained in the water flowing into the permeation medium,
A water penetration facility in which carbon dioxide is produced as a result of the denitrification.
상기 탄산염 물질은 상기 이산화탄소와 화학반응하여 탈질효율이 저감되는 것을 방지하는 물 침투 시설.5. The method of claim 4,
The carbonate material is a water permeation facility to prevent the denitrification efficiency from being reduced by chemical reaction with the carbon dioxide.
상기 탄산염 물질은 상기 침투 매질 전체 중량을 기준으로 0.1 중량% 이상인 물 침투 시설.According to claim 1,
wherein the carbonate material is at least 0.1% by weight based on the total weight of the permeation medium.
상기 물 침투 시설은 물이 상기 침투 매질을 통과하면서, 상기 탄산염 물질이 상기 물에 용해되어, 상기 물의 알칼리도(Alkalinity)가 1 내지 10 meq/L 증가되는 것인 물 침투 시설.According to claim 1,
In the water permeation facility, as water passes through the permeation medium, the carbonate material is dissolved in the water, so that the alkalinity of the water is increased by 1 to 10 meq/L.
상기 탄산염 물질은 직경이 10 cm 이하인 물 침투 시설.According to claim 1,
wherein the carbonate material has a diameter of 10 cm or less.
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