KR100449169B1 - 퇴적 준설물의 경량화에 의한 난분해성 물질의 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하천, 해안 및 폐쇄성 수역의 오염 퇴적 준설물의 처리 장치에 관한 것으로, 오염 퇴적 준설물을 처리, 처분하기 위한 물리·화학적 처리장치와 생물학적 처리장치로 구성된 통합 처리 장치으로서, 퇴적 준설물을 경량화시켜 처리량을 감소시킴으로써, 오염물질의 특성에 따라 적절한 처리 공정을 거치도록 구성한 것으로, 이를 위하여 하이드로사이클론, 부상탑, 제 1 슬러리 생물반응기, 제 2 슬러리 생물반응기로 구성되며, 이를 다시 컨테이너 박스 2개를 사용하여 조립, 통합함으로써 이동식 장치로 제작 개발함으로써, 실제 현장의 퇴적오염물 성상에 탄력적으로 적용하여 처리시스템을 부분적으로 분해, 조립, 통합하는 것이 가능하게 되어 오염지역에 대한 긴급대처방안으로 활용할 수 있는 효과가 있을 뿐 아니라, 처리량이 많은 대형 현장의 경우에도 현장특성에 맞는 처리장치로 재구성하여 처리효율을 예측할 수 있는 효과가 있다.

Description

퇴적 준설물의 경량화에 의한 난분해성 물질의 처리 장치 및 처리 방법 {A Treatment System and Biological Treatment Method of Refractory Materials in Contaminated Sediment by Volume Reduction}

본 발명은 오염 퇴적 준설물의 경량화에 의한 난분해성 물질의 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 물리화학적 처리 장치와 생물학적 처리 장치로 구성된 통합 처리 장치으로서, 다양한 유기화합물, 중금속 등의 난분해성 물질의 처리를 목적으로 하며, 본 발명의 물리화학적 처리 장치는 하이드로사이클론과 부상탑으로 구성되고, 생물학적 처리 장치는 호기성 미생물을 이용하여 유기화합물을 처리하는 제 1 슬러리 생물반응기와 입자상 황과 황산화세균을 이용하여 퇴적 준설물 내의 중금속을 용출시키는 제 2 슬러리 생물반응기로 구성되는 통합 처리 장치에 관한 것이다.

하천, 해안 및 폐쇄성 수역은 이미 과거부터 축적된 오염물질과 자연생태계에서 발생된 오염물질, 그리고 지류와 지천에서 유입되는 오염물질에 의하여 오염이 진행되어 있는 상태로서, 하천, 해안 및 폐쇄성 수역의 오염된 토양 및 오염퇴적물은 수질오염의 근본적인 원인이 될 수 있으며, 특히 대다수 국민의 상수원인 강 또는 호수의 저부에 위치하고 있는 오염 퇴적물은 인체에 심각한 악영향을 줄 가능성이 내포되어 있다. 따라서, 선진국에서는 이미 오래 전부터 하천의 오염된 토양을 준설하여 왔으며, 국내도 최근 준설을 시작하여 준설된 오염 토양과 오염 퇴적물의 정화를 위한 신기술의 개발이 요구되어지고 있으며, 선진 외국에서는 이러한 기술들이 빠르게 개발, 발전되고 있는 실정이다.

한편, 국내에서는 오염된 퇴적물의 처리를 위하여 개발된 특별한 처리 방법은 거의 없는 실정으로, 대부분의 경우 퇴적 준설물을 약품처리하고, 중력침강시킨 후 상등수는 그대로 다시 하천으로 방류한 후 침전된 슬러지는 매립하고 있는 실정이다. 그러나 이러한 방법은 응집제 등의 화학약품을 사용함으로써 슬러지 생산량이 증가함에 따라 매립지 운반비 및 매립 비용이 증가하며, 매립지의 공간 부족을 초래하는 단점이 있다.

또한, 일반적으로 준설토 내에는 오니와 모래가 1:9(오니의 함유량이 전체 모래 중 100 체적% 당 10 체적% 함유)정도 섞여 있어, 준설토에 포함된 모래와 오니를 분리하지 않고 매립하는 경우 재활용이 불가능하므로, 자원 손실의 문제가 발생한다. 그리고, 적절하게 처리되지 않은 상등수는 각종 중금속, 난분해성 유기화합물, 인 등의 고도처리가 필요한 오염물질이 포함된 상태에서 그대로 방류되고 있기 때문에, 부차적인 환경오염을 유발하기도 하고, 활용 가능한 토양이 손실됨으로 인하여 생태계에도 막대한 영향을 미치는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 퇴적 준설물 내의 오염물질을 제거하는 효율적이며 경제적인 처리공정을 사용할 경우, 처리된 퇴적 준설물을 복토제 및 토양개량제로 재활용 할 수 있으며, 이에 따른 매립량의 감소로 인하여 매립지까지의 운반비가 절감되고 매립지 공간을 확보할 수 있는 등의 부수적 환경개선 효과를 가져올 수 있다.

현재, 외국의 경우에도 하천, 해안 및 폐쇄성 수역의 저질토에 있어서 오염도가 지속적으로 높아짐에 따라 준설이 진행되고 있으며 이에 따른 재활용장치의 개발이 진행되고 있는 실정이다. 일본에서는 가스미가우라호에서 오염퇴적물로부터 영양염류가 용출됨에 따라 호소의 부영양화가 가속되어 오염 퇴적물의 준설이 진행되고 있으며, 준설된 오염퇴적물을 일부 매립하거나 초고압탈수기를 이용하여 탈리액은 수처리 시스템에서 처리하고 탈수된 케익은 시멘트와 혼합하여 고화시켜 노반재로 재활용하는 시스템을 보유하고 있다. 미국에서는 토양세척의 개념을 도입하여 처리 용량 5.4 ton/day의 오염 퇴적준설물 처리시스템을 개발하여 시험 가동하여 이미 현장에서 사용 중이며, 이러한 퇴적 준설물의 물리화학적 처리 시스템은 복합토양성분의 유입 장치, 혼합기, 진동스크린, 부상조, 마찰기계, 하이드로사이클론, 나선형 분류기, 탈수장비, 생물학적 슬러리 반응조, 수처리 공정 등으로 구성되어 있다.

한편, 독일의 경우, 대형 META(Mechanical Treatment of Harbour Sediments)시스템을 개발하였고, 이 시스템의 주된 구성요소는 하이드로사이클론, 나선형분류기, 진공식 벨트필터로서 주로 물리적인 입자 분류를 통해 오염입자와 비오염입자를 구분해 매립 처분하거나 재활용하고 있는 실정이다.

오염 퇴적물 처리 기술로서, 현재 국내에서 신기술로 인정받고 있는 것은 양이온 고분자 응집제 또는 음이온 고분자 응집제를 이용한 응집침전기술인데, 상술한 바와 같이, 이는 오염 토양과 비오염 토양을 함께 처리하는 비선택적 처리 공정으로써 매립 용량의 증가, 처리 비용의 과다로 인한 비경제적인 측면 및 오염물질의 특성에 따라 응집 특성이 변화하게 되어 응집효율이 유동적인 점을 감안할 때, 대체기술 개발의 필요성이 대두되고 있다.

상기 종래 기술은 대체적으로 준설물 내에 포함된 수분과 고형물을 분리하는공정을 주 처리 공정으로 하여, 준설물에 포함된 오염물질의 종류 및 특성에 따른 적절한 처리 공정을 거치지 않은 상태에서 매립 또는 재활용에 이용함으로써, 이후 유기오염물질 또는 중금속의 용출 등의 부차적 문제가 발생하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 퇴적 준설물 내에 포함된 난분해성 오염물질과 중금속의 제거에 의하여 상기 종래 기술의 문제점을 개선하고자 한다. 본 발명의 주처리 목표 물질인 난분해성 물질에 속하는 다행방향족 탄화수소(PAH : polyaromatic hydrocarbon)는 질소, 황 및 산소 등의 다른 원소를 포함하는 여러 개의 링 구조의 화합물이 결합된 탄화수소를 포괄적으로 일컫는 것으로, 쓰레기, 석탄, 목재 및 휘발유 등 연료로 쓰여지는 탄화수소의 열분해 과정 중 반응성 있는 자유 래디칼의 생성에 의해 형성되며, 주로 산소의 공급이 불충분한 경우 형성된다. 이 화합물은 대기 중에서 먼지 입자와 쉽게 결합한 후 수질 및 토양으로 전달된다. PAH에 의하여 오염된 토양에서 재배된 식품을 섭취한 동물의 육질 및 오염된 채소나 야채로 만들어진 식음료들까지 오염되고 있어 그 피해가 심각하다.

또한, 다핵방향족 탄화수소는 물에서의 용해도가 낮고 유기용매에서의 용해도가 높은 지용성 물질로, 상피막 이동에 의한 피부 흡수가 가능하며, 대개 발암성 다핵방향족 탄화수소는 낮은 증기압으로 가스상보다는 입자상 물질에 흡착한 채 폐로 유입되어 호흡 조직과 반응을 일으킬 수 있으며, 암을 유발할 수도 있다. 특히 다핵방향족 탄화수소들 중 나프탈렌(naphthalene)과 같은 저분자량의 다핵방향족 탄화수소는 미생물에 의해 잘 분해가 되지만, 페난트렌(penanthrene)과 피렌(pyrene)과 같은 고분자량의 다핵방향족 탄화수소는 미생물에 의해 잘 분해되지 않아 자연적인 정화가 쉽지 않은 문제가 있어서, 퇴적 준설물의 처리에 있어서 이에 포함된 다핵방향족 탄화수소 및 기타 난분해성 오염물질을 처리하는 공정이 필요하다.

한편, 인구증가와 도시집중화, 산업화가 진전됨에 따라 물 소비량과 하수 발생량이 급격하게 증가하고 있으며, 세계적으로 매년 수천만 톤의 중금속 오염 물질이 발생되고 있다. 방류된 하·폐수에 포함된 중금속은 하천, 해안 및 폐쇄성 수역의 저질토에 침적됨으로써, 준설 퇴적물에 함유된 중금속량은 늘어가고 있는 실정이다. 오염 토양에 함유된 중금속은 식물에 의한 중금속의 흡착과 먹이사슬에서의 일련의 축적작용에 의해 인간을 포함한 동물에게 전달되고, 잠재적으로 생명을 위협할 여지가 있다.

오염 퇴적 준설물, 슬러지 등의 폐기물에 함유되어 있는 중금속을 제거하기 위한 종래의 방법은 pH 1.5 ~ 2.0이 되도록 황산, 염산, 질산 등의 산을 처리하여 중금속을 용출시키는 방법과, 염소처리(chlorination), 이온교환, 착화합물(chelating agent)의 이용 등의 방법이 있다. 그러나, 이러한 화학적 처리 방법들은 고비용, 운전상의 문제, 중금속 제거효율의 저조 등의 문제가 있어 상용화시키는데 어려움이 있기 때문에, 상온, 상압에서 효율적으로 적용할 수 있는 생물학적 용출방법이 주목받고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술들의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 오염 퇴적 준설물의 처리량 및 처리 비용을 감소시키고 동시에 퇴적 준설물의 오염 성상에 따라 적절한 처리가 이루어지도록 하여, 매립량의 감소 및 오염 상태가 비교적 양호한 큰 입자의 토양 및 퇴적물을 건설 자재 등으로 재활용을 통하여 환경부하를 최소화할 수 있는 퇴적 준설물의 처리 장치를 제공하는 데 있다.본 발명의 다른 목적은 경량화된 퇴적 오니 내에 포함된 난분해성 유기 화합물과 중금속의 처리 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통합 처리 장치의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 통합 처리 장치를 나타낸 것서 도 2a는 처리 장치의 일부인 제 1 컨테이너의 평면도, 도 2b는 처리 장치의 일부인 제 2 컨테이너의 평면도,

도 3은 상기 제 1도의 하이드로사이클론의 구조도,

도 4는 상기 제 1도의 부상탑의 구조도,

도 5은 상기 제 1도의 슬러리 생물반응기의 개략적 구성도,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 TS를 기준으로 하이드로사이클론에 의한 입경 분리 효율을 나타낸 그래프,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 VS를 기준으로 하이드로사이클론에 의한 입경 분리 효율을 나타내는 그래프,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기/시료 주입비율의 변화에 의한 부상탑의 오염물 제거효율, 고형물 회수율 및 거품층의 높이를 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 생물반응기의 교반장치와 산기장치에 의한 생물반응기 내의 유체의 혼합특성을 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 생물반응기의 교반장치와 산기장치에 의한 생물반응기 내의 유체의 산소전달특성을 나타낸 그래프,

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 생물반응기를 통한 유기화합물 분해 과정 중의 퇴적 준설물 내의 PAHs 및 TPHs의 농도변화를 나타낸 그래프,

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 생물반응기를 이용한 퇴적 준설물 처리 결과를 TPHs 종류별 농도변화로 나타낸 그래프,

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬러리 생물반응기를 이용한 생물학적 중금속 제거 과정 중의 반응액의 pH, ORP 및 황산염 농도 변화를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1. 유입저장탱크 2. 하이드로사이클론

3. 제 1 슬러리 홀딩탱크 4. 부상탑

5. 제 2 슬러리 홀딩탱크 6. 제 1 슬러리 생물반응기

7. 제 2 슬러리 생물반응기 8. 원심탈수기

9. 중화조

상기한 첫 번째 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 오염 퇴적 준설물을 처리하기 위한 처리 시스템으로서, 유입되는 퇴적 준설물을 저장하고 고형물의 농도를 조절하는 유입저장탱크(1)와; 상기 유입저장탱크를 거친 퇴적 준설물의 오염 집중 입경 영역을 선별하는 하이드로사이클론(2)과; 상기 하이드로사이클론의 상부에서 유출되는 준설 슬러리를 저장하며 후단의 처리 용량을 조절하는 제 1 슬러리 홀딩탱크(3)와; 상기 제 1 슬러리 홀딩탱크를 거친 퇴적오니 중의 친수성 입자와 소수성 입자를 분리하는 부상탑(4)과; 상기 부상탑의 상부에서 유출되는 소수성의 준설 슬러리를 저장하는 제 2 슬러리 홀딩탱크(5)와; 상기 제 2 슬러리 홀딩탱크를 거친 준설 슬러리에 포함된 난분해성 유기물질을 제거하는 제 1 슬러리 생물반응기(6)와; 상기 제 1 슬러리 생물반응기를 거친 준설 슬러리에 존재하는 중금속을 생물용출공정을 통해 처리하는 제 2 슬러리 생물반응기(7)와; 상기 제 2 슬러리 생물반응기를 거친 준설 슬러리를 고액 분리 및 탈수하는 원심탈수기(8)와; 상기 원심탈수기에서 탈수된 시료를 중화시키기 위한 중화조(9)로 구성되는 것을 특징으로 하는 퇴적 준설물의 통합 처리 장치를 제공한다.그리고, 본 발명은 준설 슬러리 내에 포함되어 있는 생분해성 유기물과 일부의 무기염류, 난분해성 오염물질을 처리하기 위한 생물학적 처리방법으로서, 생물반응기에 TPHs(total polyaromatic hydrocarbons) 및 PAHs를 분해하는 미생물을 접종하고, 반응기 내의 pH를 5.5~8.5로 유지하는 공정을 포함하는 퇴적 준설물의 생물학적 처리방법을 제공한다. 또한, 퇴적 슬러리 내에 포함되어 있는 중금속을 처리하기 위한 생물학적 처리 방법으로서, 제 1 슬러리 생물반응기를 경유한 준설 슬러리에 남아있는 중금속에 대하여 황산화 속도가 빠르고, 유기물과 중금속에 대하여 가장 강한 내성을 지닌 황산화세균을 접종하고, 황입자를 첨가하여 공기를 주입하면서 준설 퇴적물 용액의 pH가 1.5∼2.5가 되도록 배양함으로써 중금속을 생물용출시키는 공정을 포함하는 퇴적 준설물의 생물학적 처리방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 오염 퇴적 준설물의 처리장치 및 오염물질의 처리방법을 상세히 설명한다.

본 명세서에서 사용된 '준설 슬러리'라는 용어는 본 발명 장치에 포함된 공정을 하나 이상 거친 퇴적 준설물을 의미한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 통합 처리 장치의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 통합 처리 장치는 유입되는 퇴적 준설물을 저장하고 고형물의 농도를 조절하는 유입저장탱크와, 상기 유입저장탱크를 통과한 준설 슬러리를 입자 크기별로 선별하는 하이드로사이클론과, 상기 하이드로사이클론 내에서 분리되어 하이드로사이클론의 상부로 유출된 작은 입경 영역의 준설 슬러리를 저장하며 후단의 처리 용량을 조절하는 제 1 슬러리 홀딩탱크와, 상기 제 1 슬러리 홀딩탱크를 통과한 준설 슬러리 내의 친수성 입자와 소수성 입자를 분리하는 부상탑과, 상기 부상탑 상부에서 유출되는 소수성의 유기물을 함유한 준설 슬러리를 저장하는 제 2 슬러리 홀딩탱크와, 상기 제 2 슬러리 홀딩 탱크를 거친 준설 슬러리 내에 포함된 생분해성 유기물, 일부의 무기염류 및 PAH를 포함하는 난분해성 물질을 분해, 제거하는 제 1 슬러리 생물반응기와, 상기 제 1 슬러리 생물반응기를 거쳐 난분해성 유기물이 제거된 준설 슬러리 내에 불용성염의 형태로 존재하는 중금속을 생물용출시키는 제 2 슬러리 생물반응기와, 상기 제 2 슬러리 반응기를 거친 준설 슬러리를 고액 분리 및 탈수시키기 위한 원심 탈수기와, 고액분리 후의 액상 및 고형물을 라임(lime)을 이용하여 중화시키기 위한 중화조로 구성된다.

도 2a, 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이동식 통합처리 장치의 평면도이다. 이는 컨테이너 박스 2개를 이용하여 이동 가능한 모듈형으로 제작한 처리 장치로서, 제 1 컨테이너에는 하이드로사이클론, 제 1 슬러리 홀딩탱크, 부상탑, 제 2 슬러리 홀딩탱크를 장치하고, 제 2 컨테이너에는 제 1 슬러리 생물반응기, 제 2 슬러리 생물반응기, 원심탈수기, 중화조를 설치한 것으로서, 실제 현장의 퇴적 오염물의 성상 및 오염도에 따라 적절하게 대응할 수 있도록 각 반응기의 크기 및 개수를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 부분적으로 분해, 조립, 통합할 수 있음으로써, 오염지역에 대한 긴급대처방안으로 활용 가능하며, 처리량이 많은 대형 현장의 경우에는 현장 특성에 맞는 처리 장치 재구성을 위한 시험 장비로도 활용하기 위한 것이다.

상기 도 1, 도 2에 나타난 유입저장탱크, 슬러리 홀딩탱크, 원심탈수기, 중화조에서의 처리 공정은 간단하고, 일반적으로 알려져 있으므로, 이하에서는 본 발명의 주 처리 공정인 하이드로사이클론, 부상탑, 제 1 슬러리 생물반응기와 제 2 슬러리 생물반응기에서의 처리 공정을 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

호수, 하천 또는 폐쇄성 수역의 퇴적 준설물을 경량화하기 위한 방법으로 본 발명에서는 하이드로사이클론을 사용하는데, 도 3은 이러한 하이드로사이클론(2)의 구조도로서, 하이드로사이클론은 원추부에 실린더가 결합된 형태로 되어 있으며, 실린더 상단에 위치한 유입구(21)를 통하여 내주면의 접선방향으로 준설 슬러리가 유입된다. 유입된 준설 슬러리 중 미세입자를 포함한 부분은 하이드로사이클론의 중앙 상부에 고정되어 있는 볼텍스 파인더(22)를 통해 상부의 유출구(23)로 배출되고, 액상이나 굵은 입자를 포함하는 준설 슬러리는 원추부 아래쪽에 위치한 하부의 유출구(24)로 배출된다.

일반적으로 호수나 하천 또는 폐쇄성 수역에 퇴적된 토양 내의 오염물질은 입자의 크기가 작은 실트(silt)나 점토(clay)에 물리화학적으로 결합하여 실트나 점토가 다시 모래나 자갈과 결합된 형태로 존재한다. 또한, 단위 질량 당 오염물질의 흡착량은 실트나 점토의 경우가 모래나 자갈에 비하여 크며, 오염물질과의 결합력 또한 강한 특성이 있다. 따라서, 하이드로사이클론을 이용하여 준설 퇴적물의 입도 분포 중 차지율이 높은 모래 부분을 적절히 선별 처리하는 것은 후단의 연속적인 공정의 부하를 감소시켜 처리비용을 절감하고, 선별된 모래 부분을 재활용할 경우 용도에 따른 재처리 선별 공정이 불필요하다는 장점이 있다.

하이드로사이클론에 의한 입자 분리는 밀도차를 이용하는 것으로서, 그 공정은 다음과 같다. 유입저장탱크를 거친 준설 슬러리는 하이드로사이클론의 상부측 입구를 통해 내주면의 접선방향으로 유입되어 원심력을 일으키게 되고, 이 원심력에 의하여 하이드로사이클론 내부의 바깥측과 중심부에는 회전속도차가 발생하여 중심축선 상에는 상부로의 유동흐름이 발생하고, 이에 의하여 오염물질이 집중된 미세입자인 미사나 점토는 오염물질과 함께 상부로 부상하고, 이보다 무거운 모래 및 자갈은 하부의 배출구를 통하여 배출 분리되게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 통합처리장치의 주요 공정 중 하나인 부상탑(4)의 구조도로서, 부상탑 내부에는 상부의 유입구(41)로 준설 슬러리가 유입되어 하부로 흘러가는 동안 부상탑 하부에서 산기장치(42)를 통하여 주입되는 공기방울은 상부로 상승하는 양방향의 흐름(Countercurrent Flow)이 형성된다.

부상탑에 의한 처리 공정은 미사나 점토에 부착된 유기오염물 입자의 소수성(hydrphobic) 성질을 이용하는 분리 공정으로서, 소수성 유기물 입자가 부착된 미세입자들은 하부에서 유입되는 공기방울에 부착하여 부상탑 상부로 이동한 후 거품층을 형성하여 부상농축류로 상부의 유출구(43)를 통해 배출되고, 상대적으로 오염이 심하지 않은 친수성(hydrophilic)입자는 부상탑 상부에서 주입되는 세척수에 용해되어 비부상류(tailings)로서 하부의 유출구(44)를 통해 배출되게 된다.

상기의 두 공정을 거친 준설 슬러리는 두 종류의 생물반응기를 통하여, 준설 슬러리 내에 포함된 난분해성 유기물질과 중금속 처리 공정을 거치게 된다. 도 5는 본 발명에 의한 슬러리 생물반응기의 개략적 구성도로서, 난분해성 유기물의 분해 공정 및 중금속의 생물용출공정이 상기 생물반응기 내에서 이루어진다. 본 발명의 통합 처리 장치 내에 장치된 슬러리 생물반응기는 반응기의 상부표면에 준설 슬러리가 유입되는 유입구(101)가 형성되어 있고, 반응기의 측면 상부에 반응기 내부에서 처리된 준설 슬러리가 유출되는 유출구(106)가 형성되어 있는 직육면체 형태의 하우징과; 상기 하우징 내에 유입된 준설 슬러리의 원활한 흐름을 유도하는 배플(102)과: 상기 유입된 준설 슬러리의 상부에 설치된 거품제거장치(103)와; 상기 거품제거장치의 하부에 설치된 교반장치(105)와; 상기 하우징의 바닥에 위치하는 산기장치(104)를 포함하여 구성된다.

상기 슬러리 생물반응기에 유입된 준설 슬러리는 교반 장치에 의한 기계적 교반과 산기장치에서 공급되는 상승기포에 의하여 유동화되고, 반응조 내에 설치된 배플은 유동화된 준설 슬러리의 흐름을 균일하게 유지하여 신속한 액체순환을 도모하고 고형물 현탁 및 막힘현상 등을 방지하는 기능을 한다. 또한, 교반장치에 의한 교반은 미생물과 준설 슬러리의 접촉 면적 및 접촉 효율을 향상시키고, 물질 전달율을 증가시킴으로써, 오염물질 분해효율을 향상시키는 기능을 한다.

미생물에 의한 난분해성 오염물질의 제거 과정과 중금속의 생물용출공정은 다음과 같다. 토양 및 준설 슬러리 내의 오염물질을 생물학적 방법에 의하여 처리하기 위해서는 온도, pH, 용존산소 농도 및 미생물량 등의 제반 사항이 모두 고려되어야 한다. 미생물에 의한 유기오염물질의 생물학적 분해작용은 대상 오염물질에따라 편차가 존재하지만, 일반적으로 15∼45 ℃에서 활발히 이루어지며, 20∼30 ℃ 범위에서 더욱 활발한 분해 작용이 이루어진다. 토양 및 슬러리 내에서 미생물의 생물학적 분해 작용에 효과적인 pH 범위를 유지하여야 하는데, 이 때 pH 5.5∼8.5의 범위로 유지하는 것이 바람직하며, pH 5.5~7.5의 범위로 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 난분해성 유기오염물질의 대표적 물질인 탄화수소 화합물은 호기성 박테리아에 의해 가장 효과적으로 분해되므로, 반응기 내의 용존산소 농도는 생물학적 처리를 위한 중요한 제한요소로 작용하게 되기 때문에, 미생물의 활성 유지를 위해서는 용존 산소의 농도를 2.0 ppm 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 난분해성 유기오염물질의 제거 효율을 높이기 위해서 미생물의 기질에 대한 초기 적응 기간의 단축시키고, 유기물 부하량을 적정 수준으로 유지하기 위하여, 순응미생물의 투여와 같은 생물강화공법(bioaugmentation)의 사용이 바람직하다.

준설 슬러리 내에 존재하는 중금속을 제거하기 위한 제 2 슬러리 생물반응기에서의 처리 공정은 다음과 같다. 준설 슬러리에 황산화세균을 접종하고, 이 균주의 에너지원으로 입자상의 황을 퇴적물 고형물/입자상 황의 비를 1/0.4(w/w) 이상으로 유지하도록 첨가한 후 공기를 주입하면서 배양하면, 황산화세균에 의해 입자상 황은 황산염으로 산화되고, 이 때 생성되는 황산염에 의해 생물 반응기 내의 pH가 저하됨으로 인하여 퇴적오니 내에 함유된 불용성 중금속이 가용화되어 용출되는 공정을 거친다.

생물용출기술은 경제성이 높고 이차오염물질의 발생량이 적은 환경친화적 기술로서, 고체상의 불용성 황화물 형태로 존재하는 중금속을 산화하는 과정에서 발생하는 에너지로 신진대사를 하는 황산화세균을 이용하여 중금속을 제거하는 기술로 그 원리는 매우 간단하다. 황산화세균들이 폐기물 중에 함유된 고체상의 불용성 황화물 형태인 중금속들의 표면에 부착한 후 효소를 분비하여 중금속을 산화시켜 수용상으로 녹여 내거나, 대사 부산물인 황산염에 의해 수용상으로 녹여내는 과정이다. 중금속의 생물용출에 사용 가능한 황산화 세균들로는Thiobacillus ferrooxidans, T. thiooxidans, T. neapolitanus, T. versutus, Thiobacillusspp., Beggiatoaspp., Sulfolobus acidocaldarius등이 있는데, 이 중에서 생물용출에 가장 폭넓게 사용되는 미생물은T. ferrooxidans와T. thiooxidans이다. 본 발명에서는 황산화세균인T. thiooxidans와 값싼 기질인 입자상 황을 이용하여, 퇴적물로부터 중금속을 용출시켜 제거하는데, 입자상 황화합물은T. thiooxidans에 의해 산화되며(아래 반응식), 그 산화물인 황산은 반응액의 pH를 감소시키고 중금속을 수용상으로 용해한다.

T. thiooxidans

2S ^ o + 3O sub 2 + 2H sub 2 O ----------------> 2H sub2 SO sub4

슬러리 생물반응기에서 황산화세균의 활성을 높게 유지하기 위해서는 반응기의 온도를 20-35 ℃ 범위로 유지하는 것이 바람직하므로, 기온이 낮은 동절기에는 가온 설비를 이용하여 반응기 온도를 조절하는 것이 바람직하다. 또한, 황산화세균의 황산화 활성을 높이기 위해서는 주입하는 공기의 양을 0.1-1 v/m로 조절하는 것이 바람직하다. 중금속 용출 효율과 반응액의 pH는 밀접한 상관 관계를 가지고 있는데, 중금속 종류에 상관없이 90%이상의 제거 효율을 얻기 위해서는 반응액의pH가 2이하가 되도록 조업하는 것이 바람직하다.

상기의 과정을 거쳐 중금속을 수용성의 형태로 용출시키는 반응을 거친 준설 슬러리를 원심분리 혹은 필터에 의해 고액 분리한 후, 이 과정을 통해 분리한 중금속이 함유된 액상은 라임을 첨가함으로써 중화시켜 중금속을 제거하고, 고액분리에 의해 분리한 고형 퇴적오니에 라임을 첨가하여 중화하는 공정을 거쳐 처리된다.

이하 본 발명의 구체적인 구성을 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정하지 않고, 이들 구성의 단순한 변경, 수치의 한정에도 포함됨은 물론이다.

실시예 1 : 하이드로사이클론에 의한 준설 퇴적토의 입자분리

하이드로사이클론에 의한 입자 분리 특성을 알기 위한 실험을 수행하였다. 하이드로사이클론으로의 유입압력에 따라 측정된 압력별 분리효율을 TS(total solid)를 기준으로 도 6에, VS(volatile solid)를 기준으로 도 7에 나타내었다. 유입 압력이 각각 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 kg/cm²일 때 본 실시예에 사용된 하이드로사이클론의 분리효율은 각각 45.8, 46.8, 52.7, 51.0%로, 유입 압력 1.5 kg/cm²까지는 압력이 증가할수록 분리효율도 증가하지만, 2.0 kg/cm²에서는 분리효율이 감소하는 추세를 보인다. 이는 유입 압력이 증가함에 따라 상대적으로 무거운 토양입자들 즉, 모래나 자갈이 하부 유출구에 침적되는 속도가 분리된 조대 토양입자의 하부 유출구에서의 배출속도를 초과하게 되어, 토양입자들이 하부로 유출되지 못하고,상부로 재비산하게 되는 막힘현상(blocking)의 발생에 의한 것으로 보인다. VS의 제거율은 각각 84.2, 85.6, 87.5, 96.6% 로 나타나며 유입 압력의 증가에 따라 상부유출시료의 유기물 함량이 높아짐을 알 수 있다. 이는 준설 퇴적물의 유기오염물질이 후단의 공정으로 연결되는 상부 유출시료에 많이 포함되어 있음을 보여준다.

실시예 2 : 부상탑을 이용한 오염 입자의 분리

하이드로사이클론의 상부 유출시료를 저장하는 제 1 슬러리 홀딩 탱크(3)를 거친 준설 슬러리를 부상탑(4)에 유량 1L/min 로 주입하였고 부상탑 내부는 직경 3/8", 길이 1cm 의 Tygon 재질의 관을 이용하여 공극률 75%로 충전하였다. 컴프레서를 이용하여 발생된 부상공기를 산기관을 통하여 부상탑 하부에서 유량 1L/min, 3L/min, 5L/min 로 변화시켜 가면서 주입하였고, 부상탑 상부에서 거품층을 안정하게 형성시키기 위해 계면활성제의 일종인 소듐 도데실 설페이트(Sodium Dodecyl Sulfate : SDS)를 100mM/L의 농도로 조제하여 준설 슬러리가 부상탑에 유입되기 전에 혼합될 수 있도록 하였다. 부상탑의 운전시 오염된 소수성입자와 편승하여 부상하던 친수성 입자가 세척수와 함께 다시 하강하여 부상탑 하부에서 배출될 수 있도록 세척수를 유량 100ml/min 로 부상탑상부에서 주입하였다.

부상탑의 공기/시료 주입비율의 변화에 따른 부상탑의 오염물 제거효율과 고형물 회수율 그리고 거품층의 높이를 도 8에 도시하였다. 공기/시료 주입비율은 부상탑 운전에 있어 가장 중요한 변수이며 공기/시료 주입비율이 1인 경우 부상탑 상부를 기준으로 하여 56.5cm의 거품층이 형성되었고, 약 9% 정도의 낮은 고형물 회수율 및 40% 의 오염물 제거효율을 얻을 수 있었다. 공기/시료의 주입비율을 3으로 높이는 경우 47cm 의 안정된 거품층이 형성되었으며 40% 정도의 고형물 회수율 및 70% 정도의 오염물 제거율을 얻을 수 있었다. 그러나 공기/시료의 주입비율을 5로 높이는 경우 4.5cm의 비교적 불안정한 거품층이 형성되어 오염되지 않은 입자의 부상이 발생하고 이로 인해 70%정도의 고형물 회수율을 보이며 오염물 제거효율이 급격히 감소하여 40% 전후의 오염물 제거효율을 얻었다.

실시예 3 : 슬러리 생물반응기의 수력학 특성

슬러리 생물반응기는 도 5와 같이 1cm 두께의 투명아크릴로 제작하였고, 크게 교반장치와 산기장치로 구성되었으며, 총 용량 55L, 작업용량 36L인 직육면체의 형태로 설계·제작되었다. 반응조에 주입되는 공기량은 컴프레서와 유량계를 이용하여 일정하게 조절하였고, 상향류와 하향류의 원활한 흐름을 위해 배플을 설치하였으며, 교반장치에는 직경 10 cm의 프로펠러 두 개를 일정한 간격을 두고 설치하였으며, 준설 슬러리 처리시에 발생하는 거품을 제거하기 위해 직경 15cm의 프로펠러를 반응기 내의 슬러리 상부에 부착하였다. 또한, 반응조 저부 중앙에 내부각도 60°의 경사를 두어 유체의 흐름을 원활하게 하였다

상기와 같이 구성된 슬러리 생물반응기의 혼합특성을 도 9에 도시하였다. 기계적 교반 없이 공탑기체속도(superficial gas velocity)를 증가시켰을 때 슬러리 생물반응기 내의 유체가 95 %이상의 균질성을 갖는 시간은 공탑기체속도가 0.00154 m/s에서는 23초, 0.00308 m/s에서는 4초로 각각 측정되었으며, 0.00308 m/s이상의공탑기체속도에서는 혼합시간이 폭기량의 증가에 큰 영향을 받지 않고 4초를 나타내었다. 또한, 폭기없이 기계적 교반을 통한 혼합시간은 1,500rpm 이상에서 7초가 소요되었고, 산기장치 가동 하에서는 교반속도에 상관없이 7초가 소요되었다.

슬러리 생물반응기 내 상승영역과 하강영역의 산소전달계수 값을 공탑기체속도의 증가에 따라 도 10에 도시하였다. 각 영역 모두 공탑기체속도의 증가에 따라 산소전달계수 값은 선형적으로 증가함을 보였고, 좌측과 우측의 상승영역 및 하강영역은 공탑기체속도에 따른 산소전달계수 값의 상관계수가 교반장치의 가동 유무에 따라 0.987∼1.013 및 1.008∼1.051의 범위를 각각 나타내었다.

실시예 4 : 슬러리 생물반응기를 이용한 PAHs 및 TPHs 제거

준설퇴적물 내 난분해성 물질 중의 일부인 PAHs 및 TPHs의 제거를 위한 슬러리 생물반응기는 상기 도 5에 도시한 슬러리 생물반응기를 총 용량 1,400 L 작업용량 1,200 L인 구형으로 제작하였다. 인천남동공단 유수지에서 준설한 퇴적물은 교란시료로서 충분히 균질화(homogenization)한 후, 조대고형물을 분리하기 위하여 스크린을 통과시켰다. 다음, 하이드로사이클론의 공정을 거친 후, 슬러리 생물반응기에 주입하였다. 식종미생물은 하수처리장 포기조 반송슬러지와 Bushnell-Haas broth, yeast-extract 및 glucose 및 무기염류로 조성된 배양액에 계대배양 중인 PAH 미생물을 접종하여 성장시킨 혼합균주를 사용하여 준설 슬러리 내 유기물 및 PAHs에 순응시켰다.

교반속도는 충진슬러리가 반응기 내에서 균일성을 유지할 수 있고, 침전물이형성되지 않도록 조정하였으며, 폭기량은 20∼40 LPM으로 운전하였다. 슬러리 생물반응기 운전기간 중 반응기 내의 pH를 5.5~7.5로 유지하여 미생물의 활성을 위한 최적의 조건을 충족시키기 위하여 NaOH를 주입하였다. 오염물질에 대한 미생물의 상대량을 유지하기 위하여 식종미생물의 배양에 사용한 배양액을 간헐적으로 주입하여 주었다. 준설퇴적물에 함유된 PAHs 및 TPHs의 초기 농도는 표 1에 정리하였다.

[표 1] 준설퇴적물의 초기 오염 특성

슬러리 생물반응기 내의 준설 슬러리에 포함된 PAHs 및 TPHs의 농도변화를 도 11에 도시하였다. 16개의 PAHs 화합물 중 인데노(1,2,3-cd)피렌(indeno(1,2,3-cd)pyrene)만이 검출되었고, 초기농도 247.9 mg/kg이 운전 20일째 70.3 mg/kg으로 저하되었다. TPHs 농도는 운전 20일째 초기농도의 55.9 %가 감소하였다. TPHs 종류별(C₁₂∼C₆₀) 제거변화는 도 12에 도시하였다. 본 발명에서 제공하는 슬러리 생물반응기를 활용한 생물학적 PAHs 및 TPHs 제거 공정은 준설 퇴적물로부터 PAHs 및 TPHs를 효율적으로 제거할 수 있는 공정임을 확인할 수 있었다.

실시예 5 :슬러리 생물반응기를 이용한 중금속 제거

중금속 제거를 위한 슬러리 반응조는 높이 1.7m, 길이 0.9m의 반응기에 산소 공급을 위한 장치와 교반기, 그리고 반응조 내의 완전 혼합을 위한 배플로 구성되었으며, 거품제거 장치를 교반기 상부에 부착하였다. 유수지에서 준설한 퇴적물(고형물 농도 3%)을 제 1단계의 생물반응기에서 PAHs를 비롯한 TPHs가 제거된 준설 슬러리를 중금속 제거용 생물반응기에 주입한 후, SOB배지에서 전배양한T. thiooxidansAZ11 균주 배양액을 접종하였다(5% v/v). S⁰10g/L를 첨가한 후 교반기를 작동하여 운전하였다. 전체 working volume은 12,000 L이었고, 공기주입량은 40LPM로 설정하여 운전하였다. 준설 슬러리에 함유된 중금속의 초기 농도를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

중금속	농도(mg/kg)
Cd	34
Cu	4581
Cr	1175
Ni	1016
Zn	9080

중금속 제거용 슬러리 생물반응조내의 퇴적물 반응액의 pH, ORP 및 sulfate 농도 변화를 도 13에 도시하였다. 반응액의 초기 pH 5.42에서 운전 12일째 1.62로 저하되었으며, 산화 환원 전위는 404mV까지 증가하였다. 황산염 농도는 초기 3일 정도의 지연기가 관찰되었으나, 운전 12일째 19.4g/L까지 증가하였으며, 생성된 황산염의 농도를 기준으로 계산한T. thiooxidansAZ11에 의한 평균 황산화 속도는 0.46g-S·L^-1·d^-1이었다.T. thiooxidansAZ11에 의한 생성된 황산염에 의해 반응액의 pH가 저하되면서 준설 슬러리로부터 중금속이 용출되었는데, 중금속 종류별 제거효율을 표 2에 정리하였다.

[표 3]

중금속 제거 효율

Zn, Cu, Ni, Cd 및 Cr의 제거효율은 각각 93%, 87%, 82%, 75% 및 35%이었다. 본 발명에서 제공하는 슬러지 생물반응기를 활용한 생물학적 중금속 제거 공정은 준설 퇴적물로부터 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 공정임을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명을 이용하여 퇴적 준설물 내에 포함된 난분해성 유기화합물 및 중금속의 제거와 더불어 선별적인 입경 분리를 통한 처분 처리량의 감소효과를 도출할 수 있으므로, 각종 오염 준설 퇴적물의 처리 및 처분에 널리 활용될 수 있는 효과가 있다. 또한, 오염 상태가 비교적 양호한 큰 입자의 토양 및 퇴적물은 건설자재로 충분히 활용 가능하므로, 자원이 한정된 국내실정을 고려할 때, 자원의 재이용 및 효율적 활용 측면을 상당부분 만족시켜 줄 것으로 판단되며, 토양 및 준설오니의 입자별 분리에 의한 오염물량의 감소화와 더불어, 보건상의 문제와도 결부되어 반드시 처리되야 할 물질로 알려진 유류물질 및 유독성 중금속의 처리가 가능한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 오염 퇴적 준설물의 처리 장치에 있어서,

   유입되는 퇴적 준설물을 저장하고 고형물의 농도를 조절하는 유입저장탱크(1)와;

   상기 유입저장탱크를 통과한 퇴적 준설물에 포함된 조대입자와 미세입자를 분리하는 하이드로사이클론(2)과;

   상기 하이드로사이클론의 상부에서 유출되는 준설 슬러리를 저장하며 후단의 처리 용량을 조절하는 제 1 슬러리 홀딩탱크(3)와;

   상기 제 1 슬러리 홀딩탱크를 통과한 준설 슬러리 내의 친수성 입자와 소수성 입자를 분리하는 부상탑(4)과;

   상기 부상탑의 상부에서 유출되는 준설 슬러리를 저장하는 제 2 슬러리 홀딩탱크(5)와;

   상기 제 2 슬러리 홀딩탱크를 통과한 준설 슬러리 내의 난분해성 오염물질물질을 처리하는 제 1 슬러리 생물반응기(6)와;

   상기 제 1 슬러리 생물반응기를 통과한 준설 슬러리 내에 존재하는 중금속을 생물용출시키는 제 2 슬러리 생물반응기(7)와;

   상기 제 2 슬러리 생물반응기의 유출 시료를 고액 분리하는 원심탈수기(8)와;

   상기 원심탈수기를 통과한 준설 슬러리를 중화시키기 위한 중화조(9)로 구성되는 것을 특징으로 하는 퇴적 준설물의 통합 처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 퇴적 준설물의 오염 특성에 탄력적으로 대처하도록, 상기 유입저장탱크, 하이드로사이클론, 제 1 슬러리 홀딩탱크, 부상탑, 제 2 슬러리 홀딩탱크, 제 1 슬러리 생물반응기, 제 2 슬러리 생물반응기, 원심탈수기와 중화조를 각각 해체와 조립이 용이하고, 이동이 가능하도록 장치한 퇴적 준설물의 통합 처리 장치.
3. 제 1항에 있어서, 통합 처리 장치에 장치된 슬러리 생물반응기는

   반응기의 상부표면에 준설 슬러리가 유입되는 유입구(101)가 형성되어 있고, 반응기의 측면 상부에 반응기 내부에서 처리된 준설 슬러리가 유출되는 유출구(106)가 형성되어 있는 직육면체 형태의 하우징과;

   상기 하우징 내에 유입된 준설 슬러리의 원활한 흐름을 유도하는 배플(102)과:

   상기 유입된 준설 슬러리의 상부에 설치된 거품제거장치(103)와;

   상기 거품제거장치의 하부에 설치된 교반장치(105)와;

   상기 하우징의 바닥에 위치하는 산기장치(104)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 퇴적 준설물의 통합 처리 장치.
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