KR100330334B1 - 자연수를 이용한 산성폐수 정화방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석회암지대에서 발원한 자연수를 이용하여 산성폐수를 정화시키는 방법에 관한 것이다.
종래의 산성 광산폐수의 정화방법은 NaOH 등 화학약품을 사용한 물리화학적 처리를 하는 적극적(Active) 방법과, ALD (Anoxic Limestone Drain), SAPS (Successive Alkalinity Producing System), 소택지(Wetland) 등을 이용하는 소극적(passive) 방법이 있다. 물리화학적 처리방법은 정화효율이 우수한 반면 지속적인 관리와 운영비가 필요하다는 점에서 가행광산에 주로 적용되는 방법이고, 소극적 처리방법은 유지관리 비용이 저렴하여 주로 휴·폐광산에 적용되나 처리수의 경도를 증가시키고, 슬러지 처리와 정화효율의 지속성에 관련된 문제점이 있다.
이에 본 발명은 석회암지대를 흐른 자연수인 석회암수를 광산배수와 적절한 비율로 혼합시키는 단계; 상기 혼합된 광산배수의 산도를 조절하여 함유된 성분을 침전시키는 단계; 및 상기 침전된 성분을 제거하여 정화된 처리수를 얻는 단계가 순차적으로 수행되는 자연수를 이용하여 산성 광산폐수를 정화시키는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 자연수를 이용하여 산성폐수를 정화시키는 방법에 관한 것으로서 특히, 석회암지대에서 발원한 자연수를 이용하여 산성폐수를 정화시키는 방법에 관한 것이다.
석탄광 개발에 따른 채굴적과 폐석더미로부터 나오는 산성 광산배수(Acid Mine Drainage: AMD)에 의한 수질오염은 환경에 대한 관심이 고조되면서 심각한 문제로 대두되기 시작하였다. 이 산성 광산배수는 황화광물이 대기에 노출되면서 산소 및 물과 반응하여 형성되며, 그 특징은 pH가 낮고, 철(Fe), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 황산이온(SO4 2-) 등과 같은 유해한 중금속의 함량이 높다. 최근의 조사결과에 따르면, 국내의 경우 152개의 탄광에서 하루에 4만 8천여톤의 광산폐수가 배출되고 있다. 광산배수 및 휴·광폐수가 하천이나 농경지로 유입될 경우 환경재해를 유발할 뿐만 아니라, 미관상 좋지 않은 관계로 유해원소 배출허용기준치 이하로 정화처리하여 배출되어야함으로 효율적이고 종합적인 대처방안의 수립이 시급히 요청되고 있다.
이에 낮은 pH와 높은 Fe, Al, Mn, SO4 2-의 함량을 보이는 산성 광산폐수의 정화방법은 pH를 높이고, 용존금속의 함량 특히, 철과 알루미늄의 함량을 줄이는 것이다. 처리방법은 크게 두가지로 나눌 수 있는데, NaOH 등 화학약품을 사용한 물리화학적 처리를 하는 적극적(Active) 방법과, ALD (Anoxic Limestone Drain), SAPS (Successive Alkalinity Producing System), 소택지(Wetland) 등을 이용하는 소극적(passive) 방법이 있다. 각각의 방법은 장단점을 가지고 있는데, 물리화학적 처리방법은 정화효율이 우수한 반면 지속적인 관리와 운영비가 필요하다는 점에서 가행광산에 주로 적용되는 방법이고, 소극적 처리방법은 유지관리 비용이 저렴하여 주로 휴·폐광산에 적용되나 처리수의 경도를 증가시키고, 슬러지 처리와 정화효율의 지속성에 관련하여 문제점이 있다.
국내의 경우, 산성 광산배수의 처리에 일부 광산에서 NaOH를 이용한 물리화학적 정화방법을 사용하기도 하나, 대부분의 휴·폐광산은 위치와 경제적인 문제 때문에 다단계로 ALD, SAPS, 소택지 등을 복합적으로 사용하는 자연정화식 처리방법을 많이 도입하고 있다.
자연정화식 처리방법은 pH를 높이는 물질로 구하기도 쉽고, 값이 싼 석회암을 사용하고 있으나, 석회암의 경우 침전물에 의해 표면이 피복되면 중화능력이 급격히 떨어지는 단점이 있다.
또한 광산의 폐수와 석회암이 반응하여 어느 정도까지 pH(보통 pH 6이상)를 높이기 위해서는 폐수와 석회암이 충분히 반응할 수 있도록 접촉시간을 늘려야 하는데, 이것은 반응조의 면적과 직결되어 광산 배수처리장을 처리하기 위해서는 넓은 면적의 대지가 필요하게 된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 주 목적은 석회암지대에서 발원한 자연수를 이용하여 철, 알루미늄, 망간, 황산이온 등의 유해원소 함량이 높은 강산성의 광산폐수를 정화처리하는 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 열린계에서의 pH 및 Fe, Al, Mn, SO4 2-의 감소양상을 나타낸 그래프,
도 2는 닫힌계에서의 Eh-pH 변화를 나타낸 그래프,
도 3은 닫힌계에서의 Fe 함량 변화를 나타낸 그래프,
도 4는 닫힌계에서의 Al 함량 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 산성 광상폐수를 정화시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 좀더 상세히 설명하면 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산성 광산폐수를 정화시키는 방법은 석회암지대를 흐른 자연수(이하 석회암수라 칭함)를 광산배수와 적절한 비율로 혼합시키는 단계; 상기 혼합된 광산배수의 산도를 조절하여 함유된 성분을 침전시키는 단계; 및 상기 침전된 성분을 제거하여 정화된 처리수를 얻는 단계가 순차적으로 수행하도록 구성된다.
또한 상기 함유된 성분을 침전시키는 단계에서, 필요한 금속을 회수시키기 위하여 선택적으로 침전시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 하기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 다음의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
석회암수를 광산배수와 적당한 비율로 혼합시키고(S2), 광산배수의 pH를 조절하여 함유된 성분을 침전제거시킨(S4) 후 정화된 처리수를 얻는다(S6).
이때 광산수와 석회암수의 혼합비율을 조절하여 pH를 조절함으로서 금속을 선택적으로 침전시켜 필요한 금속성분을 회수할 수도 있다.
야외 현장실험에서 광산폐수와 석회암수를 혼합시켰을 때, 혼합수내의 용존 중금속원소들의 함량이 급격하게 줄어드는 것이 확인되었다. 이는 원소의 용해도에 영향을 미치는 pH의 변화(자연수중의 HCO3 -가 중요한 역할)에 따라 금속성분이 포화되어 흡착 내지 침전 작용을 통해 하천수로부터 제거되기 때문이다.
도 1은 열린계에서의 pH 및 Fe, Al, Mn, SO4 2-의 감소양상을 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 합수지점으로부터 100m이내에서 하천수내의 금속원소의 함량은 급격하게 줄어드는데, 감소되는 비율은 Fe, Cu, Al 등은 약 90, SO4 2-, Zn, Pb, Cd, Co, Ni, Mn, V, Li 등은 약 75, Cr, Mg, Ac, Sr 등은 약 50정도 제거되는 것이 확인되었으며, 이 중 Al은 거의 오염되지 않은 일반 하천수의 수준까지 감소되고, Mn만이 폐수 배출기준치(청정등급)를 다소 초과할 뿐이다.
자연수중의 성분과 광산수와의 혼합비에 따른 원소의 거동을 알아보기 위해 실내에서 편마암지대에서 발원한 자연수(이하 편마암수라 칭함)와 석회암수를 광산수와 각각 5:1, 3:1, 1:1, 1:3, 1:5의 부피비율로 혼합시킨 후 밀폐된 용기에서 충분히 섞은 다음 0.45μm의 박막여과지를 이용하여 여과한 후 pH, Eh 및 전기전도도(EC)를 측정하였다. 또한 각 시료에 대한 화학분석도 실시하였다. 혼합실험에 사용한 석회암수와 산성광산배수 및 이들을 이용한 혼합시료에 대한 측정값과 분석값만을 표 1에 나타내었다.
| 항목 | 혼합 비율 | pH | Eh(mV) | HCO3 -(mg/l) | Al(μg/l) | Fe(μg/l) | Mn(μg/l) | SO4 2-(mg/l) |
| 측정값 | 석회암 원수(L) | 7.61 | 236 | 420 | 103 | 11 | 2 | 8.48 |
| 5L:1A | 7.11 | 97 | 243 | 218 | 221 | 2889 | 154.72 | |
| 3L:1A | 6.76 | 126 | 157 | 144 | 294 | 4164 | 229.09 | |
| 1L:1A | 4.76 | 338 | 11 | 9328 | 681 | 8125 | 466.42 | |
| 1L:3A | 3.52 | 497 | 0 | 31462 | 5216 | 11905 | 712.47 | |
| 1L:5A | 3.32 | 521 | 0 | 36158 | 13681 | 12994 | 793.96 | |
| 산성광산배수(A) | 3.06 | 544 | 0 | 43952 | 27984 | 16214 | 972.55 | |
| 계산값 | 석회암 원수(L) | 103 | 11 | 2 | 8.48 | |||
| 5L:1A | 7411 | 4673 | 2704 | 169.16 | ||||
| 3L:1A | 11065 | 7004 | 4055 | 249.50 | ||||
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| 1L:3A | 32989 | 20990 | 12161 | 731.53 | ||||
| 1L:5A | 36643 | 23321 | 13512 | 811.87 | ||||
| 산성광산배수(A) | 43952 | 27984 | 16214 | 972.55 | ||||
| 제거율() | 5L:1A | 97.1 | 95.3 | -6.5 | 8.5 | |||
| 3L:1A | 98.7 | 95.8 | -2.7 | 8.2 | ||||
| 1L:1A | 57.7 | 95.1 | -0.2 | 4.9 | ||||
| 1L:3A | 4.6 | 75.2 | 2.1 | 2.6 | ||||
| 1L:5A | 1.3 | 41.3 | 3.8 | 2.2 |
상기 표 1의 항목중 측정값은 혼합용액의 실제 측정값과 분석값이며, 계산값은 두 원수가 혼합되었을 때 어떠한 반응도 일어나지 않았다고 가정했을 때의 이론적인 계산값이며, 제거율은 두 원수의 혼합에 의해 제거된 비율로 100-(측정값/계산값*100)으로 계산한다.
혼합 실험결과 편마암수를 섞은 경우의 pH는 거의 희석비율의 상용로그값에 해당하는 만큼 상승하나, 석회암수를 섞은 경우에는 같은 비율의 편마암수를 섞은 혼합용액에 비해 더 높은 pH값을 보여준다. 이는 두 원수(原水)의 성분차 특히,HCO3함량의 차에 기인한다.
도 2는 닫힌계에서의 Eh-pH 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 편마암수를 섞은 경우 혼합시료의 Eh는 거의 두 근원수의 Eh값을 잇는 직선상에 존재하나, 석회암수를 섞은 경우 혼합시료의 Eh는 거의 두 근원수의 Eh값을 잇는 직선상에서 이탈되어 나타나며, 그 정도는 석회암수의 비율이 증가할수록 증가된다. 석회암수를 섞었을 때 나타나는 Eh값을 볼 때 용기 내에서 산소를 소모하는 반응이 일어나는 것이다.
도 3은 닫힌계에서의 Fe 함량 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4는 닫힌계에서의 Al 함량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 용존 금속의 경우에 편마암수를 섞은 경우에는 철과 알루미늄을 비롯한 모든 원소의 함량이 두 원수의 희석비율에 따른 값을 알 수 있다.
이는 편마암수와 광산배수의 비율이 5:1인 경우에도 pH가 3.77로 모든 원소가 침전에 이를 정도로 pH가 상승하지 않았기 때문이다. 그러나 석회암수를 섞은 경우에는 혼합비율이 1:3인 경우에 pH는 3.52로 상승하고, 철은 75.2, 알루미늄은 4.6제거되며, 혼합비율이 1:1인 경우에는 pH는 4.76으로 상승하고, 철은 95.1, 알루미늄57.7제거된다. 혼합비율이 3:1인 경우에 pH는 6.76으로 상승하고, 철은 95.8, 알루미늄은 98.7가 제거된다.
철과 알루미늄이 제거되는 양상은 희석비율에 따라 즉, pH의 변화에 따라 다른데, pH가 3.52로 상승(희석비율 1:3)하는 경우에 철은 75이상이 제거되는데 반하여 알루미늄은 4.6만이 제거된다. 현장에서관찰된 결과와 종합해 고찰하면 pH가 4이하에서 철은 거의 모두 제거되나 알루미늄은 거의 제거되지 않고, pH 4이상에서 알루미늄의 침전이 시작된다. 따라서 석회암수의 희석비율을 조절하여 pH를 조절하면 두 금속을 분리하여 침전시킬 수 있다.
실내실험 결과인 닫힌 계(Closed System)에서는 황산이온과 망간의 제거가 희석에 의한 감소만 확인되었으나, 야외의 열린 계(Open System)에서의 실험결과는 이들 원소들도 수계에서 제거되는 것이 확인되었고, 여러 부유물이 많은 자연계에서는 실험실에서보다 훨씬 더 좋은 결과가 나타난다.
본 발명에서 제시된 그래프들은 펜티엄Ⅱ 컴퓨터에서 골든소프트웨어사의 그라퍼(GRAPHER, VER. 1.28)를 사용하였다.
상기한 바와 같은 본 발명은 일종의 물리화학적 처리방법으로서 정화효율이 우수하면서도 화학약품을 사용하지 않아 유지비용이 저렴하다.
뿐만 아니라, 광산폐수의 산도를 조절하여 용존 금속을 선택적으로 침전시킴으로서 발생되는 슬러지는 유용자원으로 이용할 수 있는 매우 유익한 발명임이 명백하다.
Claims (2)
- 석회암지대를 흐른 자연수인 석회암수를 광산배수와 적절한 비율로 혼합시키는 단계;상기 혼합된 광산배수의 산도를 조절하여 함유된 성분을 침전시키되, 필요한 금속을 회수시키기 위하여 선택적으로는 단계;상기 침전된 성분을 제거하여 정화된 처리수를 얻는 단계가 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 자연수를 이용하여 산성 광산폐수를 정화시키는 방법.
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| KR1019990016688A KR100330334B1 (ko) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 자연수를 이용한 산성폐수 정화방법 |
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