부분 침지형 수직류식 인공습지공정은 20×12×20cm 크기로 제작하였으며 반응조 총 용적은 4.8L(유효용적 4.3L)이다. 인공습지 충진 여재는 생초액비 폐잔류물과 황토 및 점토를 혼합하여 지름 5~10mm의 크기로 제조한 황토볼을 사용하였으며, 반응조 하부로부터 높이 13.5cm(유효용적 대비 75%)까지 황토볼을 충진 하였다. 그리고 그 위에 모래를 반응조 높이 20cm 까지 충진 하였다. 모래는 지하흐름형 수직류식 인공습지공정의 식물 식재 및 뿌리의 기공확보를 위하여 사용 하였으며, 식물로 갈대를 반응조내 식재 가능한 만큼 충분히 식재하였다. 본 연구에서는 수직류식 반응조 단일공정에서 Oxic, Anoxic 공정이 존재하도록 Zone을 구분한 상태에서 tidal flow 방식으로 운전하였다. 체류시간은 96hr로 운전을 실시하였으며, 침지율 25% 지점에서 반송을 실시하였으며, 반송률은 1Q, 2Q, 4Q로 변화시켜가며 반송률에 따른 유기물 및 영양염류 제거효율을 살펴보았다. 처리수는 pH, SS, CODMn, T-N, T-P를 분석하였으며, 유입수의 평균농도는 pH 6.6~6.8, SS 7.0mg/L, COD 44.22mg/L, T-N 35.81mg/L, T-P 0.67mg/L 이었다. 그 결과 pH는 반송률에 관계없이 6~8사이로 유지되는 것으로 나타났으며, SS는 모든 반송률 조건에서 유입수 유입시 모래층을 거쳐 반응조 내부로 유입되기 때문에 부유물질이 거의 없는 수준까지 제거되는 것으로 나타났다. COD는 반송률 1Q 보다는 2Q 이상으로 운전할 때 COD 제거에 있어 더 좋은 것으로 나타났으며, T-N은 반송률 2Q 이상의 조건에서 T-N 농도가 약 4~5mg/L 수준까지 감소하여 그 농도수준으로 계속 유지되는 것으로 나타났다. 따라서 반송률은 2Q 이상으로 반송을 실시하여야 COD 및 T-N의 제거효율이 더 증가되는 것으로 나타났으며, 반송률 2Q에서는 제거효율이 COD 70%, T-N 87%, 4Q에서는 COD 73%, T-N 89%로 나타나 2Q 이상의 반송률에서는 반송률 증가에 따른 처리효율 변화가 미미한 것으로 나타났다. T-P는 반송률에 관계 없이 매우 낮은 농도로 유출되어 반송률별 처리효율 비교가 큰 의미를 가지지 않는 것으로 나타났다. 하지만 반송률을 2Q 이상으로 실시할 경우 1Q의 반송률 보단 T-P가 좀 더 제거되는 것으로 나타났다. 따라서 2Q 이상의 반송률에서는 반송률 증가에 따른 COD, T-N 처리효율 변화가 미미하여 경제성 등을 고려할 때 최적 반송률은 2Q인 것으로 판단된다. 부분 침지형 수직류식 인공습지공정 최적 반송률(2Q) 조건에서 처리수의 유기물 및 영양염류 농도는 SS 5.1mg/L, COD 14.6mg/L, T-N 4.71mg/L, T-P 0.32mg/L로 나타났다. 이는 하수도법 시행규칙 공공하수처리시설 방류수수질기준(1일 하수처리용량 500㎥ 미만 50㎥ 이상) SS 10mg/L, COD 40mg/L, T-N 20mg/L, T-P 2mg/L 농도에도 만족하는 것으로 나타났다.

부분 침지형 수직류식 인공습지공정은 20×12×20cm 크기로 제작하였으며 반응조 총 용적은 4.8L(유효용적 4.3L)이다. 인공습지 충진 여재는 생초액비 폐잔류물과 황토 및 점토를 혼합하여 지름 5~10mm의 크기로 제조한 황토볼을 사용하였으며, 반응조 하부로부터 높이 13.5cm(유효용적 대비 75%) 까지 황토볼을 충진 하였다. 그리고 그 위에 모래를 반응조 높이 20cm 까지 충진 하였다. 모래는 지하흐름형 수직류식 인공습지공정의 식물 식재 및 뿌리의 기공확보를 위하여 사용 하였으며, 식물로 갈대를 반응조내 식재 가능한 만큼 충분히 식재하였다. 본 연구에서는 수직류식 반응조 단일공정에서 Oxic, Anoxic 공정이 존재하도록 Zone을 구분한 상태에서 tidal flow 방식으로 운전하였다. 체류시간은 48, 96hr로 운전을 실시하였으며, 각각의 체류시간동안 운전을 실시한 후 처리수 유출은 침지율 25% 및 50% 지점에서 실시하여 pH, SS, CODMn, T-N, T-P를 분석하였다. 유입수의 평균농도는 pH 6.6~6.8, SS 7.0mg/L, COD 44.22mg/L, T-N 35.81mg/L, T-P 0.67mg/L 이었으며, 부분 침지형 수직류식 인공습지공정에서 체류시간 및 침지율에 따른 반응조 운전효율을 살펴보았다. 그 결과 pH는 운전기간동안 6~8사이로 안정적으로 운전되어졌으며, SS는 모든 운전조건에서 유입수 유입시 모래층을 거쳐 반응조 내부로 유입되기 때문에 부유물질이 거의 없는 수준까지 제거되는 것으로 나타났다. 침지율에 따른 COD 및 T-N 제거효율을 비교하여 본 결과 침지율 25%가 50% 보다 COD는 12%, T-N은 14% 더 높은 제거효율을 보여주었다. 그리고 같은 침지율 조건에서 체류시간에 따른 COD 및 T-N 제거효율을 비교해 본 결과 체류시간 48hr 보다는 96hr에서 COD가 8%, T-N이 11% 더 높은 제거효율을 보여주었다. 따라서 COD 및 T-N은 인공습지 운전시 침지시키는 범위가 작을수록, 체류시간은 48hr 보다는 96hr에서 제거효율이 더 나은 것으로 나타났다. 이를 통해 질소제거는 인공습지 반응조에서의 호기성 상태를 유지하는 범위가 클수록 질산화에 있어 더욱 효과적인 것으로 나타났으며, 반응조를 침지시킬 경우 상부는 호기성 상태를 유지하나 하부에서는 혐기성 상태의 환경이 조성되어 호기성 및 혐기성 환경 하에서 질산화 및 탈질에 의한 질소제거 기작이 발생한 것으로 보여진다. T-P는 모든 운전조건에서 큰 차이를 보이지 않았으나 체류시간 96hr에서 침지율 25%로 운전한 조건이 다른 조건들에 비해 좀 더 나은 인 제거효율을 보였다. 따라서 부분 침지형 수직류식 인공습지공정에서의 체류시간 및 침지율 변화에 따른 반응조 운전효율을 살펴본 결과 체류시간은 96hr, 침지율은 25%로 실시하는 것이 유기물 및 영양염류 제거에 있어 더 효과적인 것으로 나타났다.

A manufacturing method is proposed for a sorbent material comprised of functional ceramic loess balls mixed with food waste and regenerated activated carbon. The physical characteristics and adsorption performance were also evaluated. Adding activated carbon improved the porosity and increased the specific surface area of the balls. The iodine-adsorbing capacity was evaluated with different mixing ratios of activated carbon. The capacity was improved as the mixing ratio was increased. The activated carbon was regenerated through a high-temperature burning process after reaching the breakthrough point. A column test was conducted to examine the methylene blue adsorption, and the adsorption rate also increased with the activated carbon mixing ratio. At mixing ratios of above 5%, the adsorption rate showed a high increase in the early stage and reached equilibrium after 6 minutes of reaction. However, it was impossible to reach the equilibrium state without activated carbon in the loess balls. Thus, it is apparent that activated carbon plays an important role in improving the adsorption efficiency. The optimum mixing ratio of activated carbon was 5%. At this ratio, the iodine adsorption rate showed a moderate rise, the adsorption efficiency was relatively high, and the methylene blue adsorption reached equilibrium.

Experiments were conducted to propose manufacturing methods to make loess ball using food wastes. Food wastes were used to improve porosity and increase specific surface area of loess ball. Red clay, food wastes and clay were used as main raw materials in making loess ball and these were mixed with varying ratio in order to find out optimum mixing ratio. The optimum mixing ratio of food wastes is evaluated to amount to 30%. In this case, 33.61 kg/cm2 of compressive strength, 65.13% of porosity, 50.04% of absorbing ratio, and 6.302 m2/g of specific surface area are obtained. When evaluating cross section and the appearance of red clay ball made up of 30% food wastes through a visual inspection and SEM photograph, it can be observed that a lot of pores are formed across the red clay ball due to the volatilization of moisture and organic matter in food wastes during the high-temperature burning. Taking into account compressive strength, porosity, absorbing ratio, specific surface area, and SEM photograph altogether, the optimum mixing ratio of loess, food wastes, and clay in the loess ball were 30%, 50%, and 20%, respectively. When evaluating the cross-section and outer appearance of the loess ball that comprise 30% of food wastes by SEM photography, it can be concluded that the optimum mixing ratio of loess, food wastes, and clay in the loess ball amounts to 30%, 50%, and 20%, respectively. Compressive strength of the manufactured loess ball amounts to 42.52 kg/cm2, which is 26.5% higher than the values obtained in the condition when the loess ball made without food wastes. However, the values of porosity, absorbing ratio, and specific surface area are somewhat lower than the corresponding values obtained in the condition when the loess ball was manufactured without food wastes.

음식물쓰레기의 적정 혼합비를 결정하기 위하여 음식물쓰레기 혼합량을 10, 20, 30, 40 및 50%로 혼입하여 반죽 후 구형으로 성형한 것을 약 24시간동안 자연 건조시키고 2시간 동안 105℃ dry oven에서 열풍건조, 900±10℃ 전기로에서 1시간동안 소성하여 제조･완성하였다. 적정 음식물쓰레기 혼합량에서 기계적 강도를 향상시키기 위하여 황토와 점토의 혼합비를 6:1, 5:2, 4:3 및 3:4로 혼입하여 황토볼을 제조하였다. 각 제조 조건에서 제조된 황토볼의 물성 평가를 위해 압축강도, 공극율, 흡수율, 비표면적을 측정하였다. 또한, 제조된 황토볼의 표면 및 내부의 형상은 주사전자현미경(Scanning electron microscope: SEM, DSM940A, Germany) 촬영을 통하여 관찰하였다. 황토와 점토의 주성분은 SiO2, Al2O3 및 Fe2O3로 분석되었는데, 특히, SiO2와 Al2O3가 전체 화학조성 중 높은 비율을 차지하고 있는 것으로 나타났다. SiO2의 경우 황토 및 점토에 대해 각각 약 45.28 및 60.38%로 점토가 약 15% 정도 더 높았으며, Al2O3의 경우 황토 및 점토에 대해 각각 약 21.98 및 20.35%로 비슷한 함량을 보였다. Fe2O3의 함량은 황토와 점토에 대해 각각 12.76 및 6.34%로 황토가 점토에 비해 약 2배 정도 더 높았다. SiO2의 경우 성형성, 결합성 및 건조강도를 좋게 하고, Al2O3는 압축강도와 내한성을 좋게 한다. 반면, Fe2O3의 경우 소성시 융제역할을 하여 기공률을 좋게 하지만 소성온도가 낮을 경우 기계적 강도가 낮아지는 것으로 보고되고 있다. 음식물쓰레기 혼합량이 증가함에 따라 압축강도가 감소하는 경향을 나타내었는데, 음식물쓰레기 함량 30%까지는 완만한 감소경향을 보이다가 이후 음식물쓰레기 혼합량이 증가함에 따라 직선적으로 급격한 감소 경향을 보였다. 공극율은 압축강도와는 상반되게 음식물쓰레기의 혼합량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었는데 음식물쓰레기 함량 30% 까지는 직선적으로 증가하는 경향을 보였으나, 음식물쓰레기 혼합량 30% 이상에서는 증가 경향이 상대적으로 낮게 나타났다. 음식물쓰레기 혼합량 변화에 따라 제조된 황토볼의 흡수율과 비표면적은 음식물쓰레기 함량이 증가함에 따라 흡수율 및 비표면적 모두가 증가하는 경향을 나타내고 있는데, 흡수율은 공극율과 유사한 경향을 보이고 있는데 음식물쓰레기 혼합량 40% 까지 거의 선형적으로 증가하다가 이후 다소 완만한 증가를 보이고 있다. 비표면적은 음식물쓰레기 혼합량이 증가함에 따라 거의 비례적으로 증가하는 경향을 나타내었다.

SiO2 함량이 비교적 높고, 점착성과 소성시 내구성이 매우 크며, 손쉽게 구할 수 있고, 황토와 유사한 입자로 구성된 점토를 부가하여 황토볼의 기계적 강도를 높이고자 본 실험을 수행하였다. 점토의 함량이 증가함에 따라 제조된 담체의 압축강도가 증가하는 경향을 보였고, 반면 공극율, 흡수율 및 비표면적은 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 황토와 점토 혼합량 변화에 따른 황토볼의 압축강도 변화를 보면 점토 혼합비 10% 이상 30%까지는 점토 혼합량이 증가할수록 압축강도가 선형적으로 증가하는 경향을 보였으나 이후 증가율이 다소 완만하게 나타났다. 이로 미루어 볼 때 SiO2 함량이 높은 점토가 황토볼 제조시 기계적 강도를 증가시켜 줄 수 있음을 확인할 수 있었다. 점토 혼합량 변화에 따른 공극율 변화를 보면 압축강도 변화와는 상반되게 점토 함량이 증가함에 따라 공극율이 감소하는 경향을 나타내었는데, 점토 혼합량 20%까지는 감소율이 다소 크게 나타나다가 20% 이상부터는 상대적으로 감소율이 미미하게 나타났다. 흡수율과 비표면적 변화는 점토 혼합량이 증가함에 따라 거의 직선적인 감소 경향을 보였다. 황토만 사용했을 경우에 비하여 점토를 30%를 혼합할 때 압축강도는 매우 향상된 것으로 나타났으나, 공극율, 흡수율 및 비표면적의 감소가 크게 나타나 적정 혼합비라고 판단하기는 어려울 것 같다. 최적 황토 혼합량을 결정하기 위하여 radar graph 상에 총괄적으로 나타내어 평가해본 결과 공극율, 흡수율 및 비표면적의 감소는 다소 나타나지만 어느 정도의 압축강도의 향상을 보이고 있으며 상대적으로 양호한 물성을 가진 것으로 판단되는 점토 혼합량 20%를 최적 혼합비로 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. SEM 촬영 사진을 보면 점토 혼합비가 비교적 적은 10% 및 20%의 경우는 박편이 작고 복잡하게 형성되어 있는 것으로 관찰되는데 반하여, 점토 혼합비가 상대적으로 많은 30% 및 40%는 박편이 다소 크게 형성되어 있는 것이 관찰되었다. 이상의 실험 결과, 기계적 강도를 나타내는 압축강도 및 결합구조 측면에서는 점토의 혼합량이 높은 것이 유리하나 공극율, 흡수율 및 비표면적이 작아지는 단점이 있으므로, 압축강도의 증가율이 크고, 공극율 및 비표면적의 감소율이 다소 작은 점토 혼합량 20%를 최적 혼합비로 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

음식물쓰레기의 혼합량 변화에 따라 제조된 황토볼의 단면 및 외관을 살펴본 결과 동일한 조건에서 소성하였음에도 불구하고 음식물쓰레기의 함량이 높을수록 내부에 탄화물의 잔량이 많은 것으로 나타났다. 또한, 음식물쓰레기의 함량이 상대적으로 높은 경우 외부에도 탄화물이 형성되어 있으며, 소성시 음식물쓰레기의 연소가스가 빠르고 많이 방출됨에 따라 황토볼의 외부표면이 갈라지는 현상이 발생하거나 가스 분출구가 명백히 나타난 것이 관찰되었다. 음식물쓰레기 혼입량이 30%의 경우 내부에 약간의 탄화물이 남아있지만 공극이 많이 관찰되고 외관도 양호한 것으로 나타났다. 10% 및 20%의 경우 외관은 아주 양호하였지만 음식물쓰레기의 함량이 낮아 내부 공극은 많이 형성되지 못한 것으로 관찰되었다. 따라서, 제조된 황토볼의 내부 공극 및 외관상 양호성으로 볼 때 적정 음식물쓰레기 혼합비는 30%인 것으로 판단되었다. 외관이 양호한 황토볼의 내부를 주사전자현미경을 이용하여 관찰해본 결과 음식물쓰레기 혼입량이 많을 경우 내부 기공형성이 매우 잘 되어 비교적 큰 공극이 형성되었을 뿐만 아니라 박편이 매우 작고 복잡한 구조가 형성되어 있음을 알 수 있었으나, 적정량 이하의 경우 박편이 상대적으로 크고 기공 형성이 잘 되지 않아 공극이 작은 것으로 관찰되었다. 이러한 이유는 음식물쓰레기 혼합량이 적으면 소성시 황토볼 내부로부터 방출되는 연소가스가 상대적으로 강도가 약한 부분으로만 방출되기 때문에 내부구조가 단순해지고 기공이 잘 형성되지 않는 것으로 판단된다. 현미경 관찰 결과로부터 본 연구의 기능성 황토볼 제조시 적정 음식물쓰레기 혼합비는 30%임을 재확인할 수 있었다.