KR100356365B1 - 광산 폐수 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광산 폐수 처리 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부를 포함하는 분리막모듈을 포함하는 침전물 분리조를 포함한다. 이 광산 폐수 처리 장치는 종래의 처리 장치에 비하여 경제적으로 광산 폐수를 정화할 수 있다.

Description

광산 폐수 처리 장치 및 처리 방법{DEVICE FOR TREATING MINE SEWAGE AND METHOD OF TREATING MINE SEWAGE}

[산업상 이용 분야]

본 발명은 광산 폐수 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 자연력인 물의 수두차를 이용하여 경제적으로 광산 폐수를 정화하는 광산 폐수 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

석탄산업의 부산물로 발생하는 산성 광산 폐수를 깨끗한 물로 정화 및 복원하기 위한 방법으로 종래에는 약산성의 혐기성 조건에서 황산염 환원 박테리아(Sulfate-Reducing Bacteria)를 이용하는 자연 정화 방식을 이용하여 왔다.

상기 자연 정화 방식은 우선 폐탄광의 유출수를 많은 양의 유기 탄소(organic carbon)를 제공할 수 있는 폐유기물질과 함께 소택지에 모은다. 이때, 호기성, 혐기성 섬유소 분해균(주로 발효성 박테리아(fermentative bacteria))이 활동하여 산화·환원 전위차를 낮추고 자연계에 널리 분포되어 있는 혐기성 세균인 황산염 환원 박테리아가 이용할 수 있는 분해 중간산물을 생성한다.

황산염 환원 박테리아 자체는 독자적으로 글루코스나 셀룰로즈와 같은 복잡한 유기 화합물을 분해할 수 없다. 따라서 섬유소 분해균에 의해 분해된 분해 중간산물인 아세테이트나 락테이트와 같은 저분자 유기 탄소를 에너지원으로 이용한다. 이 에너지원에 따라 황산염 환원 박테리아는 황산염을 최종 전자받게로 하고 수소분자를 전자주게로 이용하는 이화학적 황산염 환원(dissimilatory sulfate reduction), 즉 황산염 호흡(sulfate respiration)을 하여 H₂S(혹은 HS^-)와 HCO₃ ^-을생성하여 갱내 유출수를 정화한다. 이 과정은 산을 소모하는 과정이며 이 반응에서 생성된 H₂S는 HS^-로 해리되어 유출수에 함유되어 있는 철과 결합하여 환원과 침전 과정을 거쳐 FeS 형태로 제거된다.

상기 자연정화법은 유지비가 적고 특별한 관리기술이 불필요하다는 장점이 있으나, FeS의 침전과정에 의해 기간이 장기화됨에 따라 처리효율이 낮아지며, 처리기간이 장시간 필요한 단점이 있다. 또한 계절의 영향에 따라 박테리아의 활동성이 떨어져 처리효율이 계절에 따라 변화됨에 따라 수질에 대한 신뢰도가 낮다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 분리막을 처리공정 내에 직접 침적(浸績)시켜 운전하는 기술이 시도되고 있는데 부유 고형물로부터 막의 오염 방지 및 지속적인 투과유량을 확보하는 것이 중요한 문제라 할 수 있겠다. 그러나 현재 주로 적용되고 있는 폴리설폰(polysulfone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 소수성 유기성 고분자막의 경우 고형물질 및 유기물에 의한 오염 때문에 실적용에 한계를 갖고 있다.

또한 이러한 문제를 해결하기 위하여 막 하부에서 공기를 주입하거나 교반기를 이용하여 막을 흔들어 주는 방식 등이 도입되고 있는데 별도의 산기장치, 교반기 등 기타 장치가 필요하여 구성이 복잡하게 되고 이로 인해 운전 방법이 까다롭게 되며 운전에 필요한 동력이 소모되므로 동력원인 전원이 공급되기 어려운 지역에서는 적용하기 어려워 유지관리에 애로점이 있고 컴팩트한 장치의 구성도 어렵게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 처리 효율이 우수하고 간단하게 폐수를 처리할 수 있는 광산 폐수 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유지관리가 어려운 산지 등에서 자연력인 물의 수두차 및 상기 광산 폐수 처리 장치를 이용한 광산 폐수 처리 방법을 제공하는 것이다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 광산 폐수 처리 장치의 개략도.

도 1b는 도 1a에 나타낸 본 발명의 광산 폐수 처리 장치에서 사용되는 분리막 모듈의 저면도.

도 2는 태양광 발전을 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광산 폐수처리 장치의 개략도.

도 3은 소수력 수력 에너지를 이용하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광산 폐수 처리 장치의 개략도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 및 역세 공정시 분리막과 모듈내 유체흐름을 개략적으로 나타내는 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 및 역세 공정을 각각 나타낸 공정도.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광산 폐수 처리 장치에 있어서, U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부를 포함하는 분리막모듈을 포함하는 침전물 분리조를 포함하는 광산 폐수 처리 장치를 제공한다.

본 발명은 또한 광산 폐수를 중화 처리하는 단계; 및 상기 중화처리수를 U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막과, 상기 중공사 분리막의 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부와 상기 U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려 있는 링 모양의 분리막 지지부를 포함하는 분리막 모듈이 형성된 침전물 분리조에, 이 분리막 모듈에 1∼3m의 수두차가 부여되는 양으로 공급하는 단계를 포함하는 광산 폐수의 처리 방법을 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1a는 본 발명의 광산 폐수 처리 장치의 단면도이다. 도 1a에 있어서, 도면 부호 1은 중화조, 2는 분리막 모듈, 4는 침전물 분리조, 5는 슬러지 농축조, 6은 건조실을 나타낸다.

도 1a에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 광산 폐수 처리 장치는 금속류의 부유물 및 금속 이온을 제거·여과하는 기능을 갖는 분리막 모듈(2)이 설치된 침전물 분리조(4)를 포함하며, 산도가 높은 광산 폐수를 중화하기 위한 중화조(1)를 더욱 포함할 수도 있다.

본 발명의 침전물 분리조(4)에는 그 내부에 하나 또는 둘 이상의 분리막 모듈(2)이 길이 방향으로 설치되어 있다. 분리막 모듈(2)이 길이 방향으로 설치되어야 수두차를 이용하여 별도의 흡입 펌프없이 여과 공정을 실시할 수 있다. 분리막 모듈의 모양은 원통형, 사각형 또는 원추형일 수 있으며, 또한 처리 용량에 따라 하나 또는 둘 이상을 연결하여 설치할 수 있다.

분리막 모듈(2)은 다수의 분리막(23)을 포함하며 이 분리막(23)은 분리막 지지부(24)에 U자 형태로 걸려 양 말단이 상단부(22)에 고정되어 있다. 이 상단부(22)에는 투과 공정시에는 처리수를 배출하고 역세 공정시에는 역세 공기 및 물을 방출하는 처리수 배출 및 역세 공기 유입부(21)가 형성되어 있다.

분리막 모듈(2)에 사용되는 분리막(23)은 형태상 중공사막의 구조를 갖고 있으며, 이 중공사 분리막(23)은 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴 등의 고분자 재질 또는 세라믹 등의 무기질 재료로 형성되어 있다. 상기 중공사 분리막은 0.005∼1㎛의 유효 공경을 갖고, 1∼100㎡/모듈의 유효 막면적을갖는다. 상기 중공사 분리막의 유효 공경이 1㎛보다 큰 경우에는 현탁 부유물(suspended solid)이 투과되며, 유효 막면적이 100㎡보다 큰 경우에는 실효성이 적어 바람직하지 않다.

분리막 모듈(2)은 중공사 분리막(23)의 오염을 방지하기 위해 그 중심에 분리막 세척용 내부 산기 장치(25)를 더욱 포함할 수 도 있다. 분리막 세척용 내부 산기 장치(25)는 원통형, 사각형 또는 원추형의 형태를 가지며, 고분자, 금속, 세라믹 등의 재질로써 모듈의 중앙에 위치한다. 이 내부 산기 장치(25)에 공기 또는 산소를 주입하여 투과 공정에서 분리막(25)을 세척하는 작용을 한다.

분리막 지지부(24)는 분리막을 지지하는 역할을 한다. 또한, 도 1b에 나타낸 분리막 지지부(24)의 저면도를 보면 알 수 있듯이, 전체 원형 부분이 바퀴 모양으로 분할되어 있어 분리막이 그 분활된 부분 내에서만 움직일 수 있어 분리막이 엉키는 것을 방지할 수 있다. 또한, 분리막 모듈(2)이 분리막 세척용 내부 산기 장치(25)를 더욱 포함할 경우 중앙에 상기 내부 산기 장치(25)와 결합할 수 있는 결합공을 더욱 포함할 수 도 있다. 아울러, 이 분리막 지지부(24)에 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍을 형성할 수 도 있다. 이 구멍들을 통해 분리막(23)에 산소 또는 공기를 주입하여 분리막(23)을 세척할 수 도 있으므로, 이 분리막 지지부는 분리막 세척용 링 산기 장치로서의 역할도 한다.

상기 분리막 세척용 내부 산기 장치(25)나 분리막 지지부(24)에 산소 또는 공기 주입은 블로우어(blower)를 이용하거나 컴프레서(compressor)를 이용하여 주입할 수 있다. 본 발명에 있어서, 산소 또는 공기 주입에 필요한 에너지는 도 2에나타낸 것과 같은 태양광 발전이나 도 3에 나타낸 것과 같은 소수력의 낙차를 이용한 수력 발전을 이용할 수 있다. 태양광 발전이나 수력 발전을 이용하는 경우에는 발생된 전기 에너지를 주변 조명의 전원으로도 사용할 수 도 있다.

이와 같이 형성된 분리막 모듈(2)을 이용하여 투과 및 역세 공정을 실시할 때 모듈(2) 내 유체 흐름을 도 4에 나타내었다. 도 4의 나에 나타낸 것과 같이, 막외부로부터 투과된 투과수는 중공사 분리막을 내부에서 화살표 방향의 흐름을 형성하면서 도 4의 가에 나타낸 것과 같이 분리막 모듈 상단부를 지나 투과수 배출부 및 역세 공기 유입부를 통과한다. 역세 공기는 투과수 배출부 및 역세 공기 유입부를 통해 유입된 공기는 도 4의 다에 나타낸 것과 같이 투과수 흐름과 반대 흐름을 형성하면서 도 4의 라에 나타낸 것과 같이 중공사 분리막 내부에서 외부로 투과하면서 막 외부에 부착된 부유 고형물을 탈착시키거나 막표면에 형성된 겔(gel)층을 표면에서 제거한다.

본 발명의 광산 폐수 처리 장치는 침전물 분리조(4)로부터 발생되는 슬러지의 수분을 감소시켜 슬러지 발생량을 줄일 수 있는 슬러지 처리조(5)를 더욱 포함할 수 있다. 이 슬러지 처리조(5)에도 침전물 분리조(4)와 동일한 분리막 모듈(2a) 및 경사판(3a)이 설치되어 있다. 또한, 슬러지 처리조(5)에서 처리된 슬러지를 건조하는 건조실(6)을 더욱 포함할 수 있다. 건조실(6)은 자연의 태양에너지를 이용하기 위하여 투명한 재질로 상부를 구성하고 공기의 원활한 흐름을 위하여 통풍구를 두었다.

상기한 구조를 갖는 본 발명의 광산 폐수 처리 장치를 이용하여 광산 폐수를 처리하는 방법을 도 1a를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

광산 폐수를 분리막 모듈(2)이 설치된 침전물 처리조(4)에 투입한다. 배출수의 투입량은 분리막 모듈(2)에 1∼3m 수두차가 가해질 수 있는 양만큼 투입한다. 이와 같이, 수두차가 가해지도록 투입하면, 자연적인 수두차에 의하여 배출수는 분리막 모듈(2)를 통과하여 처리수 배출 및 역세 공기 유입부(21)로 배출된다. 광산 폐수를 상기 침전물 처리조(4)에 투입하기 전에 중화조(1)에 투입하여 중화시키는 공정을 더욱 실시할 수 도 있다. 중화조에서 중화 공정에 사용되는 환원제는 산성 폐수를 중화시킬 수 있는 어떠한 화합물도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로는 석회석 및 소석회 등이 있다.

또한, 도 5의 (가) 및 (나)에 나타낸 것과 같이, 중화된 배출수를 분리막 모듈(2)에 투입하면서 분리막 모듈(2)를 세척하기 위해 분리막 모듈(2)에 블로우어를 이용하여 세척 공기를 더욱 주입할 수 도 있다. 세척 공기를 주입하는 방법은 분리막 모듈(2)의 분리막 지지부(24)를 통해 세척 공기를 주입할 수도 있고, 또한, 막의 요동에 의한 분리막 세척을 하기 위해 내부 산기 장치(25)를 통해 세척 공기를 주입할 수 있다. 세척 효과를 더욱 증진시키기 위하여 동시에 실시할 수 도 있다. 또한 도 5의 (나)에 나타낸 것과 같이, 처리수 배출 및 역세 공기 유입부(21)를 통해 역세 공기를 주입하여 투과율을 증진시킬 수 도 있다.

이 공정에서 발생되는 슬러지는 슬러지 농축조(5)로 이송된다. 이 슬러리 농축조(5)에도 분리막 모듈(2a)이 설치되어 있어, 이 슬러지를 분리막 모듈(2a)이 상단부로부터 1∼3m 수두차가 되도록 투입하면, 자연적인 수두차에 의하여 분리막모듈을 통과하여 여과된다. 침전물 처리조(4)와 슬러리 농축조(5)에서 처리된 배출수는 방류되거나 재활용되며, 발생된 슬러지는 자연식 건조대로 이송되어 건조하여 폐기한다.

[실시예]

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 하기한 일실시예 일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

1000ℓ의 반응조 내에 분리막 모듈을 침적하고 하기의 성상을 갖는 광산폐수를 5ℓ/min의 유량으로 공급하여 수두차가 2m로 하여 900㎜Hg의 압력으로 운전하여 4.5ℓ/min의 투과수를 얻었다(도 5a).

공급된 광산 폐수의 성상

pH : 2∼6

Fe : 30∼300, Mn : 10∼20,

Al : 20∼400, SO₄ ^2-: 200∼6000

(실시예 2)

1000ℓ의 반응조 내에 분리막 모듈을 침적하고 광산폐수를 5ℓ/min의 유량으로 공급하여 700㎜Hg의 압력으로 운전하여 4.5ℓ/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부인 분리막 세척용 링 산기장치에서 150ℓ/min의유량으로 공기를 공급하여 운전 중에도 막의 세척이 진행되도록 하였다.

(실시예 3)

1000ℓ의 반응조 내에 분리막 모듈을 침적하고 광산폐수를 5ℓ/min의 유량으로 공급하여 800㎜Hg의 압력으로 운전하여 4.5ℓ/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부인 분리막 세척용 링 산기 장치에서 150ℓ/min의 유량으로 공기를 공급하여 운전 중에도 막의 세척이 진행되도록 하였고 분리막 세척용 내부 산기 장치에서 100ℓ/min의 유량으로 공기를 공급하여 막의 요동에 의한 분리막 세척을 시행하였다.

(실시예 4)

1000ℓ의 반응조 내에 분리막 모듈을 침적하고 광산 폐수를 5ℓ/min의 유량으로 공급하여 800㎜Hg의 압력으로 운전하여 4.5ℓ/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부인 분리막 세척용 링 산기 장치에서 150ℓ/min의 유량으로 공기를 공급하여 운전중에도 막의 세척이 진행되도록 하였고 분리막 세척용 내부 산기 장치에서 100ℓ/min의 유량으로 공기를 공급하여 막의 요동에 의한 분리막 세척을 진행하였다. 1시간의 투과 공정 후 1분 정도 역세 공기 유입부를 통하여 600㎜Hg의 압력, 90ℓ/min의 유량으로 공기를 주입하여 역세 공정을 실시하고 다시 투과 공정을 지속하였다.

본 광산 폐수 처리 장치는 종래 자연 정화 방식을 이용하는 것에 비하여 광산 폐수 처리 효율이 우수하고 간단하게 처리할 수 있다.

본 발명은 광산 폐수 처리 장치에 사용되는 분리막 모듈을 광산 폐수에 직접 침적시킴으로써 종래의 소택지나 물리화학적 처리 기술에서 발생되던 슬러지의 엉김을 방지할 수 있고 소요 부지를 줄일 수 있다. 또한 폐수의 성상에 거의 영향을 받지 않고 고액 분리가 가능하여 항상 안정된 수질을 얻을 수 있고 특히 부유고형물은 거의 제거가 가능하고 폭기조 용량을 1/3∼1/5로 축소할 수 있는 효과를 가져올 수 있어 건설비 절감 등의 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 또한 막세정을 위한 세척장치를 막모듈 자체에 포함하여 기존의 침지 공정의 경우 막오염을 방지하기 위한 교반 장치 또는 산기 장치의 설치로 인해 장치의 구성이 복잡해지는 문제를 해결할 수 있다.

Claims (5)

1. (정 정)

   광산 폐수 처리 장치에 있어서,

   U자형의 다수의 중공사 분리막;

   상기 중공사 분리막의 양 말단이 고정되어 있으며, 상기 중공사 분리막으로부터 투과 공정시에는 처리수를 배출하고 역세 공정시에는 역세 공기 및 물을 방출하는 처리수 배출 및 역세 공기 유입부를 포함하는 상단부와;

   상기 U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양이고, 전체 원형 부분이 바퀴 모양으로 분할되어 있으며, 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍이 형성되어 있는 분리막 지지부를;

   포함하는 분리막모듈을 포함하는 침전물 분리조를 포함하는 광산 폐수 처리 장치.
2. (삭 제)
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 중공사 분리막의 유효 공경은 0.005∼1㎛이고, 유효막면적은 1∼100㎡/모듈인 광산 폐수 처리 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 침전조에서 발생되는 슬러리를 처리하기 위한 고분자 분리막 모듈을 포함하는 슬러리 농축조를 더욱 포함하는 광산 폐수 처리 장치.
5. (정 정)

   a) 광산 폐수를 중화하는 단계; 및

   b) 상기 중화한 폐수를 분리막 모듈이 형성된 침전물 처리조에, 상기 분리막 모듈에 1∼3m의 수두차가 부여되는 양으로 공급하는 단계;

   를 포함하는 광산 폐수의 처리 방법으로서,

   상기 분리막 모듈은 U자형의 다수의 중공사 분리막;

   상기 중공사 분리막의 양 말단이 고정되어 있으며, 상기 중공사 분리막으로부터 투과 공정시에는 처리수를 배출하고 역세 공정시에는 역세 공기 및 물을 방출하는 처리수 배출 및 역세 공기 유입부를 포함하는 상단부와;

   상기 U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양이고, 전체 원형 부분이 바퀴 모양으로 분할되어 있으며, 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍이 형성되어 있는 분리막 지지부를 포함하는 것인 광산 폐수의 처리 방법.