KR100672080B1 - 산성광산 폐수 처리시스템 - Google Patents

산성광산 폐수 처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산성광산 폐수 처리시스템에 관한 것으로서, 처리대상 산성 광산폐수를 저수할 수 있도록 형성된 정류조와, 정류조에 저수된 산성광산폐수가 하부를 통해 유입될 수 있게 정류조와 연결되어 있고 내부에 중화제용 굴 껍질이 충진된 중화조와, 중화조의 상부를 통해 월류된 처리대상폐수를 유입 받을 수 있게 상기 중화조와 연결된 침전조를 구비하고, 정류조, 중화조 및 침전조를 단위 연쇄 반응 유니트로 하되, 단위 연쇄반응 유니트가 직렬상으로 복수개 연속 형성된다. 이러한 산성광산 폐수 처리시스템에 의하면, 폐기되는 굴 껍질을 중화제로서 이용함으로써 자원을 재활용할 수 있고, 다단계의 중화처리에 의해 침전물이 분산됨으로써 중화처리효율의 저하를 최소화할 수 있으며, 유량 및 유입폐수의 성상 변동에 대한 처리 능력을 탄력적으로 대응할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

산성광산 폐수 처리시스템{acid mine waste water treatment system}
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 산성광산 폐수 처리시스템을 나타내 보인 측단면도이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 산성광산 폐수 처리 시스템을 나나태 보인 측단면도이고,
도 3은 도 2의 망사형 카드리지의 개략적인 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110a, 110b, 110c, 110d: 단위 연쇄반응 유니트
111: 정류조 115: 중화조
117: 침전조 120: 굴 껍질
130: 망사형 카트리지
본 발명은 산성광산 폐수 처리시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 굴 껍질을 이용하여 산성광산폐수를 다단계로 중화처리 하는 산성광산 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.
국내에는 산성광산폐수가 유출되고 있는 석탄광이 40여 개에 달하며 하루에 14만톤의 산성 광산폐수가 유출되고 있는 것으로 알려졌다. 광산에서 발생하는 광산폐수는 산도가 1 내지 4 정도로 낮고, 황산염을 비롯한 철, 알루미늄, 망간 등의 함량이 높으며, 경우에 따라서는 카드뮴, 구리, 납, 아연 등과 같은 유해 중금속도 함유되어 있다. 따라서, 이러한 산성광산폐수가 주변 하천으로 유입될 경우 하천의 생태계를 파괴하고, 인근 주거지역의 수자원을 오염시키는 문제점을 야기한다.
산성 광산폐수를 처리하기 위한 기술로서 중화제로서 슬래그를 이용한 국내 공개특허 제2000-0040926호, 중공사 분리막을 적용한 국내 공개특허 제2001-0069057호, 광산화 방법을 적용한 국내 공개특허 제2001-0026409호, 소택지에 자갈층, 석회석층 등을 적용하여 중화처리하는 국내 공개 특허 제2000-0051626호, 가성소다와 액상소석회를 적용하는 국내 공개 특허 제 2005-0006091호 등에 다양한 방법이 개시되어 있다.
그런데, 상기 종래 기술들은 중화제 또는 처리제로 이용되는 물질의 경제적 비용 손실이 매우 크고, 중화처리 이후 침전과정을 거친 다음 방류하도록 되어 있어 중화과정에서 생성된 침전물이 중화제 표면에 침적되면 중화제와 폐수와의 반응효율이 급격하게 감쇠 되는 문제점이 있다. 또한, 산성광산 폐수 내에 용존하는 금속들의 금속 종류에 따라 침전 및 흡착율이 산도(PH) 변화에 따라 달라지는데 종래에는 이러한 산도 변화가 단계적으로 이루어질 수 있도록 되어 있지 않아 중금속의 제거효율이 떨어지는 단점이 있다.
특히, 산성광산폐수가 유출되는 폐광산이 일반 주거지역으로부터 멀리 떨어 져 있어 관리가 어려운 점을 감안하면 장기간에 걸쳐 중화처리 효율을 일정 범위 내로 유지시킬 수 있는 처리기술이 요구되고 있다.
또한, 우리나라의 연중 강우량 분포가 여름철에 집중되어 있는 특성을 고려할 때, 산성광산폐수의 처리기술은 유동적인 유량의 변화에 대해 처리 능력이 크게 영향을 받지 않는 것이 요구된다.
그 밖에도 현장에 설치되는 시설은 운전 및 유지가 용이하여야 하나, 상기한 종래기술들은 중화제의 교환, 시설의 유지보수 등에 많은 비용과 인력이 투입되어야하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 중화 과정에서 발생되는 금속침전물에 의한 중화처리 효율의 저하를 억제시킬 수 있는 산성광산 폐수 처리시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐자원을 재활용하면서도 처리시설의 유지 관리가 용이한 산성광산 폐수 처리시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산성광산 폐수 처리시스템은 산성광산폐수를 중화처리하여 방류하는 산성광산폐수 처리시스템에 있어서, 상기 처리대상 산성 광산폐수를 저수할 수 있도록 형성된 정류조와; 상기 정류조에 저수된 상기 산성광산폐수가 하부를 통해 유입될 수 있게 상기 정류조와 연결되어 있고 내부에 중화제용 굴껍질이 충진된 중화조와; 상기 중화조의 상부를 통해 월류된 처 리대상폐수를 유입 받을 수 있게 상기 중화조와 연결된 침전조;를 구비하고, 상기 정류조, 상기 중화조 및 상기 침전조를 단위 연쇄 반응 유니트로 하되, 상기 단위 연쇄반응 유니트가 직렬상으로 복수개 연속 형성된다.
바람직하게는 상기 중화조에는 상기 굴 껍질이 담긴 망사형 카트리지를 더 구비한다.
더욱 바람직하게는 상기 망사형 카트리지는 상기 중화조의 바닥으로부터 상방으로 일정거리 이격되게 설치된다.
또한, 상기 망사형 카트리지의 상기 중화조의 바닥과의 이격거리는 상기 중화조의 저수 높이의 1/2 이상 이격된 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 상기 단위 연쇄 반응 유니트는 적어도 4개 이상 형성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산성광산 폐수 처리시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 산성광산 폐수 처리시스템을 나타내 보인 측단면도이다.
도면을 참조하면, 산성광산 폐수 처리시스템(110)은 단위 연쇄반응 유니트(110a)(110b)(110c)(110d)가 직렬상으로 다단으로 형성된 구조로 되어 있다.
집수조(103)는 단위 연쇄반응 유니트(110a)의 선단에 설치되어 있다.
집수조(103)는 처리대상 산성광산폐수를 유입받을 수 있도록 되어 있고, 부피가 큰 고형물의 유입을 차단할 수 있게 폐수 인입 경로상에 스크린(101)이 설치 되어 있다. 이러한 집수조(103)는 유입 패수 내에 존재하는 고형물질을 침전시켜 제거하는 기능을 한다. 도시된 예와 다르게 집수조는 생략될 수 있고, 스크린(101)이 후술되는 정류조(111)의 폐수 인입부 쪽에 설치하여도 된다.
집수조(103)를 거친 폐수를 처리하기 위한 이후의 처리시설로 4개의 단위 연쇄반응 유니트(110a)(110b)(110c)(110d)가 직렬상으로 순차적으로 형성되어 있다.
각 단위 연쇄반응 유니트(110a)(110b)(110c)(110d)는 정류조(111), 중화조(115) 및 침전조(117)로 되어 있다.
정류조(111) 중 최선단에 있는 정류조(111)는 집수조(103)와의 사이에 형성된 제1격벽(112) 보다 수위가 상승하면 월류되어 넘어 올 수 있게 집수조(103) 내벽(105) 보다 높이가 낮게 형성되어 있다.
또한, 정류조(111)와 중화조(115)를 구획하는 제2격벽(114)에는 하부에 유입홀(113)이 형성되어 있다.
이러한 구조의 정류조(111)는 집수조(103)로부터 유입된 폐수를 유입홀(113)을 통해 중화조(115)의 바닥면으로부터 상방으로 폐수의 흐름을 유도하는 역할을 한다. 또한 다음 차수의 단위 연쇄반응 유니트(110b)(110c)(110d)의 정류조(111)는 중화조(115)와 침전조(117) 사이에 설치되어 있어 중화반응으로 발생되는 금속 수산화물이 정류조(111)의 격벽에 충돌함으로써 침전을 가속화시키는 기능도 한다.
중화조(115)에는 굴껍질(120)이 충진되어 있고 일정 수위 이상이 되면 침전조(117)로 넘쳐 이송될 수 있게 침전조(117)와의 구획용 제3격벽(116)이 정류조(111)와의 구획용 제2격벽(114)보다 낮은 높이로 형성되어 있다.
따라서 중화조(115)의 하부를 통해 유입된 폐수는 상부로 이동하면서 중화조(115)에 충진된 굴 껍질(120)과 접촉하고, 이 과정에서 굴 껍질(120)의 탄산칼슘이 용해되면서 폐수의 산도가 증가하고, 용존된 중금속은 굴 껍질(120)의 표면에 흡착되어 제거된다.
침전조(117)는 중화조(115)를 거쳐 유출된 폐수가 상부 월류에 의해 유입될 수 있게 형성되어 있고, 다음 차수의 정류조(111)와 구획하기 위한 제4격벽(118)이 제3격벽(116) 보다 낮게 형성되어 있다. 이러한 침전조(117) 내에서는 산도의 증가에 의해 발생되는 금속수산화물이 침전조(117)에서 침전된다.
이후 다음 차수의 연쇄반응 유니트(110b)(110c)(110d)는 침전조(117)를 거친 폐수에 대해 앞서 설명된 정류조(111), 중화조(115) 및 침전조(117)를 통해 단계적으로 중화 및 금속수산화물을 제거시키는 역할을 한다.
최종단의 단위 연쇄반응 유니트(110d)의 침전조(117)의 상등액은 상부 월류에 의해 방류된다.
이러한 시스템(100)은 정류조(111), 중화조(115) 및 침전조(117)를 단위 유니트로 하여 직렬상으로 반복 형성되어 있어, 각 조의 폐수 처리에 대한 역할 부담을 완화시 킬 수 있어, 침전물의 분산에 따른 처리효율저하를 억제할 수 있다. 또한, 금속 종류에 따라 침전 및 흡착율이 산도(PH) 변화에 따라 달라지는데 각 조에서 단계적인 산도 변화가 이루어지기 때문에 금속 용출 효율을 더욱 높일 수 있다.
한편, 중화조(117)에 충진되는 굴 껍질(120)은 주성분인 CaCo3를 90% 이상 함유하고 있고, 남해안 일대에서만 연간 28만톤이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 굴 껍질 중 약 10%만이 종패 부착용 및 비료용으로 가공 처리될 뿐 나머지는 주로 폐기되어 진다.
따라서 이러한 폐기처리되는 굴 껍질을 이용하게 되면, 폐기에 따른 소요비용을 줄일 수 있을 뿐만아니라 자원을 재활용할 수 있으며 산성폐수 처리 비용을 절감할 수 있는 장점을 제공한다.
굴 껍질(120)은 수산물 가공과장에서 내용물이 회수된 후 폐기되는 형태 그대로 사용하면 된다. 통상적으로 굴 가공 공장으로부터 폐기되는 굴 껍질은 굴의 회수를 위해 반경 2 내지 3센티미터의 굵은 입자 크기로 파쇄된 형태로 폐기되며, 굴 가공과정에서 세척과정을 거치므로 별도의 세척과정 없이 그대로 사용하면 된다. 다만, 장기간 방치로 인해 굴 껍질 표면의 생물막 형성 또는 부패 등이 심한 경우에는 물로 세척하여 사용하면 된다.
이러한 굴 껍질(120)은 다공질체로서 표면적이 불규칙하고 비표면적이 커서 중금속과 유기물에 대한 흡착효율이 뛰어나며, 강산성의 광산 폐수내의 중금속 제거에 효과적이다.
한편, 단위 연쇄반응 유니트(110a)(110b)(110c)(110d)를 지나면서 산도가 단계적으로 변화하게 되는데 굴 껍질의 성분과 처리대상 광산폐수의 광물조성을 고려할 때 CaCO3 또는 MgCO3의 용해가 이루어질 수 있고, 이 경우의 용해반응식은 아래의 반응식 1 내지 4와 같다.
CaCO3 + H+ ---> HCO3 + Ca2 +
CaCO3 + 2H+ ---> H2CO3 + Ca2 +
MgCO3 + H+ ---> HCO3 + Mg2 +
MgCO3 + 2H+ ---> H2CO3 + Mg2 +
위 반응식 중 반응식 1 과 반응식 3은 산도가 6.3 이상일 때 일어나며, 반응식 2와 반응식 4는 산도가 6.3 미만일 대 일어난다. 그런데, 동역학적으로 마그네슘 탄산염광물에 비해 칼슘 탄산염광물의 용해속도가 빠르다는 것을 감안할 때 탄산칼슘의 용해가 주로 이루어진다. 따라서 굴 껍질(120)의 주성분인 탄산칼슘에 의해 산성광산폐수의 중화 처리가 이루어진다. 이러한 굴 껍질에 의한 중화처리에 의해 산성광산 폐수는 산도 6.5 내지 8.5 정도로 방류된다.
한편, 금속 이온의 경우 철(Fe)은 산도가 3.0 이상으로 증가하면서 철(Fe)이 Fe(OH)3의 형태로 침전하면서 제거된다. 또한, 유해 중금속의 경우 굴 껍질(120) 표면으로의 흡착, 형성된 철침전물에 의한 유해 중금속의 흡착반응과 함께 유해 중금 속 자체의 수산화물 형성으로 폐수로부터 제거된다. 이러한 처리과정을 거치게 되면 산성광산 폐수는 하천 및 호소에 대한 수질기준을 만족한 상태로 방류할 수 있다.
이러한 산성광산 폐수 처리에 있어서, 처리대상 산성광산 폐수의 성상 즉, 산도, 용존 금속 및 중금속의 농도 등에 따라 각 조 내에서 적절한 체류시간을 갖도록 조의 크기를 적용하면 된다.
한편, 처리대상 폐수 내의 용존 금속함유량이 높은 경우 도 2에 도시된 구조로 중화조를 구축하는 것이 바람직하다. 앞서 설명된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도 2를 참조하면, 중화조(115)는 망사형 카트리지(130)가 설치되어 있고, 망사형 카트리지(130) 내에 굴 껍질이 담겨있다.
망사형 카트리지(130)는 도 3에 확대 도시된 바와 같이 상부가 열린 망사통 형태로 형성된 것을 적용하면 되고, 망의 크기는 물의 흐름이 가능하면서도 적용대상 굴 껍질(120)의 이탈이 억제될 수 있는 크기의 것을 적용하면 된다.
망사형 카트리지(130)는 산에 부식되지 않는 금속 또는 고강도 플라스틱으로 제작한 것을 적용하면 된다.
또한, 크레인과 같은 장비를 이용하여 망사형 카트리지(130)를 용이하게 이송할 수 있도록 상부 프레임(131)상에는 고리(133)가 형성되어 있다.
이러한 망사형 카트리지(130)는 저부가 중화조(115)의 바닥면으로부터 상방으로 일정거리 이격되게 중화조(115) 내에 설치되는 것이 바람직하다.
도시된 예에서는 중화조(115)와 정류조(111)를 구획하는 제2격벽(114)이 상반에서 제3격벽(116)의 높이 까지 단차져 안착턱을 갖게 형성하여 방사형 카트리지(130)의 상부 프레임으로부터 수평으로 연장된 안착 플랜지(136)가 안착턱 및 제3격벽(116)의 상단 사이에 안착될 수 있도록 된 구조가 적용되었고, 도시된 예와 다른 카트리지(130) 장착 구조가 적용될 수 있음은 물론이다. 예를 들면 중화조(115)의 구조는 도 1에 도시된 구조로 그대로 하고, 망사형 카트리지(130)의 저부에서 이격거리에 대응되게 4개의 다리가 연장된 구조의 것을 적용할 수도 있다.
중화조(115)의 바닥면으로부터 망사형 카트리지(130)의 저부의 이격거리는 중화조(115)의 저수 높이에 대해 1/2 이상 이격시키는 것이 바람직하다.
이러한 부상식 망사형 카트리지(130)를 중화조(115)에 적용하게 되면, 중화조(115)를 거치면서 산성광산 폐수 내의 용존 금속의 반응에 의해 발생되는 금속 수산화물이 망사형 카트리지(130)와 중화조(115)의 바닥면 사이의 이격 공간 내에 침전될 수 있어 굴 껍질(120)이 금속 수산화물에 의해 침적되는 것을 억제시켜 굴 껍질(120)의 중화 반응이 감쇠 되지 않게 하는 장점을 제공한다.
한편, 도시된 예와 다르게 망사형 카트리지(130)가 중화조의 바닥면에 접촉되게 설치할 수 있음은 물론이다.
이러한 망사형 카트리지(130)를 적용하게 되면, 굴 껍질(120)의 중화조(115) 내로의 투입 및 사용 경과에 따른 중화처리능력이 저하되어 교체가 필요한 경우에도 교체가 용이한 장점을 제공한다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 산성광산 폐수 처리시스템에 의하면, 폐기되는 굴 껍질을 중화제로서 이용함으로써 자원을 재활용할 수 있고, 다단계의 중화처리에 의해 침전물이 분산됨으로써 중화처리효율의 저하를 최소화할 수 있으며, 유량 및 유입폐수의 성상 변동에 대한 처리 능력을 탄력적으로 대응할 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 산성광산폐수를 중화처리하여 방류하는 산성광산폐수 처리 장치에 있어서,
    상기 처리대상 산성 광산폐수를 저수할 수 있도록 형성된 정류조와;
    상기 정류조에 저수된 상기 산성광산폐수가 하부를 통해 유입될 수 있게 상기 정류조와 연결되어 있고 내부에 중화제용 굴껍질이 충진된 중화조와;
    상기 중화조의 상부를 통해 월류된 처리대상폐수를 유입 받을 수 있게 상기 중화조와 연결된 침전조;를 구비하고,
    상기 정류조, 상기 중화조 및 상기 침전조를 단위 연쇄 반응 유니트로 하되, 상기 단위 연쇄반응 유니트가 직렬상으로 복수개 연속 형성되어 있고,
    상기 중화조에는 망사형 카트리지 내에 상기 굴 껍질이 담겨있는 것을 특징으로 하는 산성광산폐수 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 망사형 카트리지는 상기 중화조의 바닥으로부터 상방으로 일정거리 이격되게 설치된 것을 특징으로 하는 산성광산 폐수 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 망사형 카트리지의 상기 중화조의 바닥과의 이격거리는 상기 중화조의 저수 높이의 1/2 이상 이격된 것을 특징으로 하는 산성광산 폐수 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 단위 연쇄 반응 유니트는 적어도 4개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 산성광산 폐수 처리 장치.
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