KR100473849B1 - 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 철 이온과 중금속 이온을 함유한 폐수의 pH를 7 내지 8로 조절하여 자성 슬러지를 생성시켜 자력에 의해 제거함으로써 별도의 화학처리제 없이 폐수 속의 철과 중금속을 제거할 수 있는 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치는 철과 금속을 함유한 폐수를 처리하는 장치에서, 처리할 폐수를 공급하는 폐수 공급관; pH를 7 내지 8로 조절하기 위해 알칼리를 공급하는 알칼리 공급관; 상기 폐수 공급관으로부터 공급된 폐수와 상기 알칼리 공급관으로부터 공급된 알칼리를 교반하여 자성 슬러지를 생성시키는 반응조; 및, 상기 반응조에서 처리된 폐수로부터 자성 슬러지를 자력발생부에서 발생된 자력에 의해 분리하여 제거하는 분리조; 를 포함하여 구성된다.
본 발명의 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법은 응집제, 중화제 등의 제2의 오염물질을 사용할 필요가 없으므로 운전비를 절약할 수 있으며 별도의 중화제를 사용하지 아니하여 슬러지 양이 감소하게 되므로 슬러지 처리비용도 감소시키고, 슬러지의 하천 유입에 따른 환경오염도 감소시킬 수 있다.

Description

자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법{Wastewater with iron and heavy metal disposal plant using magnetic force and disposal method}
본 발명은 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 철 이온과 중금속 이온을 함유한 폐수의 pH를 7 내지 8로 조절하여 자성 슬러지를 생성시켜 자력에 의해 제거함으로써 별도의 화학처리제 없이 폐수 속의 철과 중금속을 제거할 수 있는 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
오·폐수, 지하수, 산성 광산배수(이하 "폐수"라고 한다)는 하천으로 유입되기 전에 적절한 pH를 갖도록 중화 및 산화되어야 하고 다량으로 녹아있는 철과 여러 중금속을 제거하여야 한다.
이러한 폐수의 중화 및 산화에는 수동처리방식과 강제처리방식이 있다. 수동처리방식은 산성 광산 배수를 대규모의 집수장 및 식물이 생장하는 습지를 조성하여, 자연적으로 산화 및 중화되게 하는 방법이다. 수동처리 방식은 다른 방법에 비해 월등히 저렴하다는 장점은 있으나, 배수의 유입량이 상대적으로 적어야하며, 완만한 경사를 갖는 비교적 넓은 면적이 필요하다는 단점이 있다.
강제처리방식은 산성 광산 배수에 인위적으로 화학 약품을 첨가하고, 기계적인 교란을 통해 중화 및 산화를 촉진시키는 방법으로 비교적 좁은 공간에서도 효과적으로 처리할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 여러 단계의 처리 공정이 필요하고, 화학약품비 등의 운전비가 많이 소요된다는 단점이 있다.
폐탄광이나 가행광산에서 산성 광산 배수를 처리하기 위해 국내의 경우 산성 광산 배수의 처리에 Ca(OH)2(수산화칼슘)이나 NaOH(수산화나트륨)를 이용한 물리화학적 처리방법을 사용하거나, 휴·폐광산의 경우 ALD, SAPS, 소택지 등의 처리방법을 이용하고 있다. 그러나, 각각의 경우 산성 배수를 처리하기 위해 다량의 처리제(중화제, 응집제 등)를 사용하므로 많은 양의 슬러지 발생으로 인한 슬러지 처리비용 증대 및 생성된 슬러지의 강이나 하천으로의 유입으로 인해 주변 환경에 많은 영향을 미치는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 응집제나 침전제 등의 화학처리제를 사용하지 아니하고 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수로부터 자력에 의해 철과 중금속을 분리할 수 있는 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응집제를 투여하지 아니하여 슬러지를 감소시킴으로써 슬러지 처리 비용을 감소시키고, 슬러지의 하천유입으로 인한 환경오염을 감소시킬 수 있는 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 철과 금속을 함유한 폐수를 처리하는 장치에서, 처리할 폐수를 공급하는 폐수 공급관; pH를 7 내지 8로 조절하기 위해 알칼리를 공급하는 알칼리 공급관; 상기 폐수 공급관으로부터 공급된 폐수와 상기 알칼리 공급관으로부터 공급된 알칼리를 교반하여 자성 슬러지를 생성시키는 반응조; 및, 상기 반응조에서 처리된 폐수로부터 자성 슬러지를 자력발생부에서 발생된 자력에 의해 분리하여 제거하는 분리조; 를 포함하여 구성되는 폐수 처리 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 철과 중금속을 함유한 폐수를 처리하는 방법에서, 폐수에 알칼리를 첨가하여 pH를 7 내지 8로 조정하여 자성 슬러지를 생성시키는 반응단계; 및, 상기 반응단계에서 처리된 폐수로부터 자력에 의해 자성 슬러지를 제거하여 처리수를 얻는 분리단계; 를 포함하는 폐수 처리방법을 제공한다.
본 발명자들은 응집제 등의 화학약품을 사용하지 아니하면서 처리효율과 슬러지 회수율이 우수한 폐수 처리장치 및 처리방법에 대하여 연구하던 중, 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수의 pH를 7 내지 8로 조정한 결과, 자성을 지닌 철과 금속의 화합물인 자성 슬러지가 발생되어 간단하게 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수를 처리할 수 있음을 확인하고, 이를 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치의 블록도이다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 폐수 처리장치의 바람직한 실시예는 폐수탱크(10), 폐수공급관(12), 알칼리탱크(20), 알칼리 공급관(22), 제어장치(30), 반응조(40), pH센서(42), 분리조(50), 및 자력발생부(60a, 60b)를 포함한다. 처리가 필요한 폐수는 폐수탱크(10)에 저장되고, 폐수 탱크(10)에 저장되어 있는 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수는 폐수 공급관(12)에 의해 반응조(40)에 공급된다. 폐수의 pH를 7 내지 8의 중성으로 조정하기 위해 필요한 알칼리는 알칼리 탱크(20)에 저장되어 있고, 알칼리 공급관(22)에 의해 알칼리 탱크(20)에 저장되어 있는 알칼리는 반응조(40)로 공급된다. 폐수공급관(12)에 의해 폐수탱크(10)로 부터 공급된 폐수와 알칼리 공급관(22)에 의해 알칼리 탱크(20)로 부터 공급된 알칼리는 반응조(40)내에서 혼합된다. 반응조(40)내에서 폐수의 pH가 알칼리에 의해 pH가 7 내지 8의 중성으로 조정됨에 따라 자성을 지닌 철과 금속의 화합물인 자성슬러지가 발생하게 된다. 반응조(40)내에는 자력발생부(60b)가 구비되어 있어 반응조내 반응에 의해 생성된 자성슬러지는 자력에 의해 1차적으로 제거된다. 자력발생부는 전자석 또는 영구자석에 의해 자력이 발생하며, 발생된 자력에 의해 자성슬러지를 제거하게 된다. 이러한 자력발생부는 반응조 내부 또는 반응조 외부에 설치될 수도 있고, 분리조 내부 또는 분리조 외부에 설치될 수도 있다.
본 발명에서 철과 중금속의 제거는 철의 자성특성을 이용하였다. 생성된 슬러지는 철수산화물과 다른 금속 산화물의 화합물로 그 결정구조의 차이에 따라 spinel 형, Garnet 형, 또는 육방정계 Ferrite 등이 있으나, 중금속계 폐액처리에 이용되는 것은 spinel형 Ferrite이다. 광물명인 첨정석(spinel, M·Al2O4)과 결정학적으로 같은 구조를 가지는 화합물로 M이 Fe인 경우가 자철광(magnetite, Fe3O4)으로 잘 알려진 자성을 지닌 철화합물이다. 철염은 일반적으로 MO·Fe2O3로 표시되는 복합 산화물의 총칭으로 정의되고 spinel 구조를 갖는 경우가 많다. M은 2가의 금속이온으로서 Zn, Cd, Fe, Ni, Cu, Co, Mg, Mn 등이 포함된다. 이 2가의 금속이온을 포함한 철(Ⅱ)염 수용액에 알카리를 가하고 pH를 중성으로 조정하여 산화시키면 spinel 형 Ferrite(Mx Fe3-xO4의 큰 입경 0.01㎛이상)의 침전이 얻어지고, 이러한 침전은 자성특성을 가지게 된다. 즉, 응집제 등의 별도의 화학처리제의 첨가 없이 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수의 pH를 7 내지 8로 조정함으로써 자성을 지닌 철과 중금속의 화합물인 자성 슬러지를 발생시키고, 이를 자력에 의해 간단하게 제거함으로써 폐수를 처리할 수 있게 된다.
반응조(40)에서 처리된 폐수는 분리조(50)로 공급되며, 분리조에 구비된 자력발생부(60a)의 자력에 의해 자성 슬러지는 분리되어 제거됨으로써 최종적으로 철이온과 중금속 이온이 제거된 처리수를 얻을 수 있게 된다. 반응조(40)내에는 pH 값을 측정할 수 있는 pH센서(42)가 구비되어 있고, pH 센서(42)는 반응조내 폐수의 pH를 측정하여 측정값을 신호로 제어장치에 보내게 된다. 제어장치(30)는 반응조내 폐수의 pH를 7 내지 8로 유지될 수 있도록 반응조내 폐수의 pH가 7 미만일 경우 알칼리 공급관으로부터 공급되는 알칼리의 양을 증가시키고, 반응조내 폐수의 pH가 8 이상일 경우 폐수 공급관으로부터 공급되는 폐수의 공급량을 증가시킨다. 즉, 반응조내 폐수의 pH는 제어장치(30)에 의해 피드백(feedback)으로 조절된다.
이하, 본 발명에 따른 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 폐수 처리방법은 폐수에 알칼리를 첨가하여 pH를 7 내지 8로 조정하여 자성 슬러지를 생성시키는 반응단계; 및, 상기 반응단계에서 처리된 폐수로터 자력에 의해 자성 슬러지를 제거하여 처리수를 얻는 분리단계; 를 포함한다. 2가의 금속이온(Zn, Cd, Fe, Ni, Cu, Co, Mg, Mn 등)을 포함한 철(Ⅱ)염 수용액에 알카리를 가하고 pH를 중성으로 조정하여 산화시키면 spinel 형 Ferrite(Mx Fe3-xO4의 큰 입경 0.01㎛이상)의 침전이 얻어지고, 이러한 침전은 자성특성을 가지게 된다. 즉, 철이온과 중금속 이온을 함유한 폐수에 알칼리를 첨가하여 pH를 7 내지 8로 조정하면 자력이 있는 spinel 형 Ferrite(Mx Fe3-xO4의 큰 입경 0.01㎛이상)의 침전, 즉 자성 슬러지가 발생하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 폐수 처리방법은 별도의 응집제, 중화제의 화학처리제 없이 자성 슬러지를 생성시켜 자력에 제거함으로써 폐수내 철이온과 중금속 이온을 제거할 수 있게된다. 반응에 의해 생성된 자성 슬러지는 자력에 의해 제거되어 철이온과 중금속 이온이 제거된 처리수를 얻을 수 있게된다. 폐수에 첨가되는 알칼리는 수산화나트륨(NaOH), 소석회(Ca(OH)2) 및 생석회(CaO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 시험예를 기재한다.
그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
황산제일철을 증류수에 용해시켜 철이온의 농도가 100mg/L(100ppm)이 되도록 폐수를 준비하였다. 4L용기의 반응조에 폐수를 유입한 후 NaOH(수산화나트륨)을 이용하여 pH를 조절하고 30분간 반응시킨 후, 직경 8cm, 높이 34cm인 원통형 칼럼에 직경 2.5cm, 높이 20cm인 영구자석을 장착하고 생성된 자성슬러지를 원통형 칼럼에 원심펌프를 이용하여 주입하여 자성슬러지를 제거하였다. 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.
pH 6.0 pH 6.5 pH 7.0 pH 7.5 pH 8.0
NaOH 투입량(mg) 40 60 90 108 126
총 슬러지양(g) 0.0425 0.0477 0.062 0.0988 0.1227
슬러지 제거율(%) 0 0 97.7 99.1 99.7
처리수의 철이온 농도(ppm) 52 36 19 5.9 8
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, pH 7 내지 8에서 슬러지 발생량이 많았으며, 슬러지 제거율이 높아 pH 7.5에서는 처리수 내 평균 철이온 농도는 6ppm이하로 낮아졌다.
(실시예 2)
철이온과 각각의 중금속이온이 용존되어 있을 경우에 대하여 상기의 실시예 1과 동일하게 시험하였다. 각 철 수용액에 혼합된 중금속의 농도는 10ppm이였다. 다음 표 2 및 표 3에 그 결과를 나타내었다.
pH 6.0 pH 6.5 pH 7.0 pH 7.5 pH 8.0
NaOH 투입량(mg) 40 52 86 104 128
총 슬러지 양(g) 0.0576 0.0617 0.0850 0.1058 0.1224
슬러지 제거율(%) 0 0 99.3 95.0 87.3
처리수의 철 이온농도(ppm) 48.0 32.0 23.0 5.0 0.7
처리수의 Zn 이온농도(ppm) 10.00 9.29 3.13 0.69 0.47
pH 6.0 pH 6.5 pH 7.0 pH 7.5 pH 8.0
NaOH 투입량(mg) 40 60 84 100 128
총 슬러지 양(g) 0.0241 0.0456 0.0790 0.0828 0.1030
슬러지 제거율(%) 0 0 98.07 98.69 96.53
처리수의 철 이온농도(ppm) 51.0 39.0 29.0 15.0 0.0
처리수의 Cu 이온농도(ppm) 3.84 3.56 0.18 0.14 0.10
상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 철 수용액에 아연을 혼합한 경우, pH 7 내지 8에서 자성슬러지의 양이 많았으며, pH 7 내지 8에서 슬러지 제거율이 높아 아연과 철의 농도는 3.2ppm이하로 낮아졌으며 생성된 자성슬러지의 제거는 pH 7 에서 99%이상이었다. 또한 상기 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 철 수용액에 구리를 혼합한 경우에도 pH 7 내지 8에서 자성슬러지의 양이 많았으며, pH 7 내지 8에서 슬러지의 제거율이 높아 구리와 철의 농도는 0.2ppm이하이고, 슬러지 제거 효율은 pH 7에서 98%이상이었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치 및 처리방법은 금속이온의 수산화물 플럭을 물리적인 방법인 자력으로 제거하므로, 응집제, 중화제 등의 제2의 오염물질을 사용할 필요가 없으므로 운전비를 절약할 수 있다. 또한 자성 슬러지 생성시 pH 중성으로 중화되므로, 별도의 중화제를 사용할 필요가 없고, 별도의 중화제를 사용하지 아니하여 슬러지 양이 감소하게 되므로 슬러지 처리비용도 감소시키고, 슬러지의 하천 유입에 따른 환경오염도 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자력에 의한 철과 중금속을 함유한 폐수의 처리장치의 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 폐수탱크 12: 폐수 공급관
20: 알칼리탱크 22: 알칼리 공급관
30: 제어 장치 40: 반응조
50: 분리조 60a, 60b: 자력발생부

Claims (6)

  1. 철과 금속을 함유한 폐수를 처리하는 장치에서,
    처리할 폐수를 공급하는 폐수 공급관;
    pH를 7 내지 8로 조절하기 위해 알칼리를 공급하는 알칼리 공급관;
    상기 폐수 공급관으로부터 공급된 폐수와 상기 알칼리 공급관으로부터 공급된 알칼리를 교반하여 자성슬러지를 생성시키는 반응조; 및,
    상기 반응조에서 처리된 폐수로부터 자성슬러지를 자력발생부에서 발생된 자력에 의해 분리하여 제거하는 분리조;
    를 포함하여 구성되는 폐수 처리 장치.
  2. 제1항에서, 상기 알칼리 공급관으로부터 공급되는 알칼리의 양과 상기 폐수 공급관으로부터 공급되는 알칼리의 양은 상기 반응조내에 설치된 pH 센서에 의해 측정된 값이 pH 7 내지 8로 유지될 수 있도록 제어장치에 의해서 조절되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리 장치.
  3. 제1항에서, 상기 반응조내에는 자력을 발생시키는 자력발생부가 더 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 자력발생부는 전자석 또는 영구자석에 의해 자력이 발생되는 것을 특징으로 하는 폐수 처리장치.
  5. 철과 중금속을 함유한 폐수를 처리하는 방법에서,
    폐수에 알칼리를 첨가하여 pH를 7 내지 8로 조정하여 자성슬러지를 생성시키는 반응단계; 및,
    상기 반응단계에서 처리된 폐수로부터 자력에 의해 자성슬러지를 제거하여 처리수를 얻는 분리단계;
    를 포함하는 폐수 처리방법.
  6. 제5항에서, 상기 반응단계에서 첨가되는 알칼리는 수산화나트륨, 소석회 및 생석회로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 폐수 처리방법.
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