KR100901366B1 - 수중의 고효율 불소 및 칼슘 제거장치 - Google Patents

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Abstract

수중의 고효율 불소 및 칼슘 제거장치가 개시된다. 개시된 수중의 고효율 불소 및 칼슘 제거장치는 불소제거제 및/또는 칼슘제거제 주입량 조절장치를 구비한다.

Description

수중의 고효율 불소 및 칼슘 제거장치{High-Efficient equipment for removing fluorine and calcium in water}
수중의 불소 및 칼슘 제거장치가 개시된다. 개시된 수중의 불소 및 칼슘 제거장치는 불소제거제 및/또는 칼슘제거제 주입량 조절장치를 구비한다.
전자 및 제철 등의 산업 분야에 있어서는 불화수소를 사용하거나 이를 발생시키는 공정을 포함하고 있어 일반적으로 폐수에 불소가 다량 함유되어 있다. 불소가 폐수 중에 고농도로 존재하여 외부로 배출될 경우에는 생태학적 균형을 깨뜨리게 되므로 불소제거를 위한 폐수처리 설비는 산업적 관점에서 매우 중요시되고 있다. 불소제거를 위한 폐수처리 설비에는 일반적으로 수산화칼슘 등의 칼슘염이 사용됨으로써 불소를 난용성의 불화칼슘으로 전환시키게 된다. 이때, 칼슘염의 낮은 용해도 때문에 칼슘염을 폐수에 다량 주입하여야 하며, 이로 인하여 처리수에는 칼슘농도가 높게 유지된다.
그런데, 최근 국내외에서는 물 부족 현상이 심화되면서, 폐수처리장에서 발생하는 처리수를 공정수로 재이용하고자 하는 노력이 가속화되고 있다. 폐수의 재이용 시 폐수는 일반적으로 다양한 멤브레인 여과공정을 거치게 되는데, 폐수 중의 칼슘 농도가 높을 경우에는 멤브레인의 표면에 스케일이 형성되게 되며, 심지어 석회화(calcification) 현상에 의해 멤브레인이 심하게 손상되는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 폐수를 정제하여 반도체 제조공정 등에 재사용하기 위해서는 불소 제거과정에서 함유된 칼슘 역시 제거하여야 한다.
폐수 중에 함유된 칼슘은 흔히 탄산경도 및 비탄산경도의 형태로 존재한다. 탄산경도의 형태로 존재하는 칼슘은 단순히 폭기(에어주입)시키고 이에 의하여 수중의 용존성 칼슘을 칼사이트 형태의 탄산칼슘 입자로 전환시켜 쉽게 제거할 수 있다. 그러나, 칼슘이 비탄산경도 형태로 존재하는 경우에는 탄산나트륨을 투입하여 칼슘과 결합되어 있는 음이온을 나트륨염과 결합시키고 양이온인 칼슘을 탄산이온과 결합시켜 칼사이트의 입자상 형태로 전환시킨 다음, 이 칼사이트 입자를 별도의 약품 침전조에서 분리시켜 제거하게 된다. 종래에는 유입수 중의 칼슘 농도의 최대치에 맞춰 탄산나트륨을 일정한 유량으로 주입하였다.
따라서, 칼슘제거 공정에서 탄산나트륨은 항상 과잉 주입되고 있는 실정이며, 이로 인하여 공정에 심각한 스케일 문제를 초래할 뿐 아니라 폐수처리 약품 중 상대적으로 단가가 높은 탄산나트륨의 사용량이 증가하여 폐수처리 비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 구현예는 불소제거제 및/또는 칼슘제거제 주입량 조절장치를 구비하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
불소를 함유하는 유입수 및 칼슘염이 유입되고, 상기 유입수 중의 불소와 상기 칼슘염에 함유되어 있는 칼슘이 반응하여 콜로이드성 불화칼슘을 형성하는 제1 불소제거조;
상기 제1 불소제거조로부터의 유출수와 칼슘제거제가 유입되며, 상기 유출수 중의 칼슘과 상기 칼슘제거제가 반응하여 칼사이트(calcite)를 형성하는 칼슘제거조;
상기 칼슘제거조로부터의 유출수 및 제1 응집제가 유입되며, 상기 제1 응집제를 매개로 하여 상기 불화칼슘 및 칼사이트를 응집시키는 제1 응집조;
상기 제1 응집조 내용물 중의 칼슘 농도를 측정하여 상기 칼슘제거조로 주입되는 상기 칼슘제거제의 양을 조절하는 칼슘제거제 주입량 조절장치; 및
상기 제1 응집조로부터의 유출수가 유입되고, 이를 고액 분리함으로써 상기 유출수 내의 불화칼슘 및 칼사이트를 침전시키는 제1 침전조를 구비하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 제공한다.
상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는, 칼슘 농도를 측정하는 칼슘 센서, 칼슘제거제 주입 펌프 및 상기 칼슘 센서에서 발생한 전기신호에 따라 상기 칼슘제거제 주입 펌프를 제어하여 상기 칼슘제거제의 주입을 중단하거나 이의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 제공할 수 있다.
상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는, 적어도 일부가 상기 제1 응집조내에 배 치되어 상기 제1 응집조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 분리하는 침전 튜브를 추가로 포함하고, 상기 칼슘센서는 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉할 수 있다.
상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는, 상기 침전 튜브와 상기 칼슘 센서 사이에 배치되어 상기 침전 튜브의 상등액으로부터 고형물질을 제거하는 솔리드 트랩을 추가로 포함할 수 있다.
상기 수중의 불소 및 칼슘 제거장치는,
상기 제1 침전조의 하부로 배출된 칼사이트가 유입되고, 이들을 활성화시켜 상기 칼슘제거조로 이송하는 시드 활성화조; 및
상기 시드 활성화조와 연통되는 것으로, 상기 시드 활성화조의 칼사이트를 초미세화 및 구형화하여 이를 다시 상기 시드 활성화조로 반송하는 캐비테이션 생성기를 추가로 포함할 수 있고, 이 경우 상기 칼슘제거조로 이송된 상기 활성화된 칼사이트에 상기 칼슘제거조에서 생성된 칼사이트가 부착하여 성장한다.
상기 수중의 불소 및 칼슘 제거장치는,
상기 제1 침전조에서 침전되지 않은 처리수가 유입되고 불소제거제 및 중화제가 첨가되며, 상기 처리수 중의 불소와 상기 불소제거제가 반응하여 불화물(floride)을 형성하는 제2 불소제거조;
상기 제2 불소제거조로부터의 유출수가 유입되고 제2 응집제가 첨가되며, 상기 제2 응집제를 매개로 하여 상기 불화물을 응집시키는 제2 응집조;
상기 제1 침전조 상등액 또는 상기 제2 응집조 내용물 중의 불소 농도를 측 정하여 상기 제2 불소제거조로 주입되는 상기 불소제거제의 양을 조절하는 불소제거제 주입량 조절장치; 및
상기 제2 응집조로부터의 유출수가 유입되고, 이를 고액 분리함으로써 상기 불화물을 침전시키는 제2 침전조를 추가로 구비할 수 있다.
상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 불소 농도를 측정하는 불소 센서, 불소제거제 주입 펌프 및 상기 불소 센서에서 발생한 전기신호에 따라 상기 불소제거제 주입 펌프를 제어하여 상기 불소제거제의 주입을 중단하거나 이의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 상기 제1 침전조와 상기 제2 불소제거조 사이에 배치된 중계조 및 적어도 일부가 상기 중계조내에 배치되어 상기 중계조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 분리하는 침전 튜브를 추가로 포함할 수 있고, 이 경우 상기 불소센서는 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉한다.
상기 불소제거제 주입량 조절장치는 또한, 적어도 일부가 상기 제1 침전조 또는 상기 제2 응집조내에 배치되어 상기 제1 침전조의 상등액 또는 상기 제2 응집조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 더 분리하는 침전 튜브를 추가로 포함할 수 있고, 이 경우 상기 불소센서는 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉한다.
상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 상기 침전 튜브와 상기 불소 센서 사이에 배치되어 상기 침전 튜브의 상등액으로부터 고형물질을 제거하는 솔리드 트랩을 추가로 포함할 수 있다.
상기 칼슘 센서 또는 상기 불소 센서는 투과막을 포함하고, 상기 칼슘제거제 주입량 조절장치 및/또는 상기 불소제거제 주입량 조절장치는 상기 투과막을 세정하는 가스 블로잉 장치를 추가로 포함할 수 있다.
상기 수중의 불소 및 칼슘 제거장치는, 상기 제1 불소제거조의 전단에 배치되어 상기 칼슘염으로부터 철분을 제거하는 탈철기를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 침전조는, 깔대기형 본체, 상기 본체내에 상기 본체의 중심축을 따라 설치되어 상기 본체내에서 회전하는 회전축, 상기 회전축에 결합되어 상기 본체의 경사면을 따라 이에 근접하게 회전하는 스크레이퍼 및 상기 스크레이퍼와 인접하도록 상기 회전축에 결합되어 상기 본체의 좁은 단부 내부를 회전하는 교반 날개를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 불소제거제 및/또는 칼슘제거제 주입량 조절장치를 구비하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 제공함으로써 불소 및 칼슘이 고농도로 함유된 폐수에서 불소제거제 및/또는 칼슘제거제의 주입량을 최소화할 수 있다.
이어서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치(500)는 제1 불소제거조(1), 칼슘제거조(2), 제1 응집조(3), 칼슘제거제 주입량 조절장치(62 포함) 및 제1 침전조(4)를 구비한다.
유입수(21), 칼슘염(11) 및 제1 침전조(4)에서 분리된 칼사이트 슬러리의 일부가 제1 불소제거조(1)로 유입된다.
이러한 유입수(21)는 pH가 2~3으로서, 이에는 불소(불소 이온 포함)가 함유되어 있다.
칼슘염(11)은 유입수(21) 중의 불소를 제거하기 위한 것으로, 일반적으로 소석회(Ca(OH)2)가 사용되나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 불소제거조(1)의 전단에는 칼슘염(11)으로부터 철분을 제거하여 후술하는 캐비테이션 생성기(72)를 보호하는 탈철기(50)가 추가로 설치될 수 있다.
유입수(21) 중의 불소 이온(F-)은, 제1 불소제거조(1)에서, 칼슘염(11)과 침전조(4)로부터 배출된 칼사이트 슬러리로부터 해리된 칼슘 이온(Ca2+)과 반응하여 하기 화학식 1과 같이 콜로이드성의 불화칼슘(CaF2)을 형성한다.
Figure 112008089000256-pat00001
이 경우, 칼슘염(11)은 불소의 충분한 제거 및 후속 칼슘 제거를 위해 과량이 첨가되는 것이 일반적이므로, 제1 불소제거조(1)에는 불소 이온과 반응하지 않고 남아있는 칼슘이 탄산경도 또는 비탄산경도의 형태로 존재하게 된다. 구체적으로, 칼슘염(11)의 투입량은 제1 불소제거조(1)에 설치된 수소이온 센서(61), 칼슘 주입 펌프(41) 및 상기 센서(61)에서 발생하는 전기적 신호(전류 또는 전압)에 따라 상기 펌프(41)의 동작 및 펌핑량을 조절하는 컨트롤러(51)에 의해 조절되며, 예를 들어 제1 불소제거조(1) 내용물의 pH가 10~11로 유지되도록 조절된다. 탄산경도의 형태로 존재하는 칼슘은 교반 및/또는 공기주입에 의하여 용이하게 제거될 수 있으나 비탄산경도의 형태로 존재하는 칼슘은 교반 및/또는 공기주입에 의해서는 제거되기 어렵다.
칼슘제거조(2)는 비탄산경도의 형태로 존재하는 칼슘을 제거하기 위한 것으로, 제1 불소제거조(1)의 후단에 설치된다. 칼슘제거조(2)에는 제1 불소제거조(1)로부터의 유출수가 유입되고 칼슘제거제(12)가 첨가되며, 상기 유출수 중의 칼슘과 상기 칼슘제거제(12)가 반응함으로써 하기 화학식 2와 같이 칼사이트(calcite)(CaCO3)를 형성한다. 여기서, 칼슘제거제(12)로는 소다회(Na2CO3) 등이 사용될 수 있다.
Figure 112008089000256-pat00002
여기서, CaCO3는 콜로이드 상태의 칼사이트(calcite)이다. 이러한 칼사이트는 일반적으로 판형의 입자로 성장하기 때문에, 입자의 비표면적이 작아 칼슘 제거효율이 낮고 배관 또는 제1 불소제거조(1), 칼슘제거조(2) 및 제1 응집조(3)의 내벽, 및 교반기(32, 33) 등 장치에 쉽게 부착되어 스케일을 형성하므로 장치의 수명을 단축시키는 문제점이 있다. 그러나, 이러한 판형의 칼사이트는 후술하는 제1 침 전조(4)에 의해 분리된 후 시드 활성화조(71)로 유입되고, 시드 활성화조(71)의 판형 칼사이트는 후술하는 캐비테이션 생성기(72)에서 구형의 칼사이트로 전환되어 시드 활성화조(71)로 반송된 다음 칼슘제거조(2)로 유입될 수 있으며, 칼슘제거조(2)에서 새로이 형성되는 칼사이트 콜로이드는 상기 반송된 구형의 칼사이트 입자에 흡착되어 구형의 칼사이트 입자로 성장하게 된다. 이러한 구형의 칼사이트는 판형의 칼사이트에 비해 더 쉽게 침전되며, 입자의 비표면적이 높아 칼슘 제거효율이 높고 배관 등 장치에 잘 부착되지 않아 스케일을 형성하지 않는다. 따라서, 장치의 수명이 종래에 비해 증가될 수 있다. 한편, 내용물의 원활한 교반을 위하여 시드 활성화조(71), 제1 불소제거조(1), 칼슘제거조(2), 및 제1 응집조(3)에는 임의의 공지된 교반기(31, 32, 33 등)가 구비될 수 있다. 이러한 교반기(31, 32, 33) 외에 에어버블링 장치 등 다른 다양한 교반 장치가 사용될 수 있다.
제1 응집조(3)는 칼슘제거조(2)의 유출수에 함유되어 있는 불화칼슘 및 칼사이트를 응집시키기 위한 것으로, 칼슘제거조(2)의 후단에 설치된다. 제1 응집조(3)에는 칼슘제거조(2)로부터의 유출수가 유입되고 폴리머 물질(음이온성 고분자 물질) 등의 제1 응집제(13)가 첨가되며, 상기 제1 응집제(13)를 매개로 하여 상기 불화칼슘 및 칼사이트가 거대 입자화되어 응집된다. 제1 응집제(13)는 펌프(43)에 의해 제1 응집조(3)에 투입될 수 있다.
상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는 침전 튜브(65), 시료 이송튜브(67), 솔리드 트랩(69), 시료 이송펌프(48), 칼슘농도 측정조(9), 칼슘 센서(62), 컨트롤러(52), 칼슘제거제 주입 펌프(42) 및 가스 블로잉 장치를 포함할 수 있다. 칼슘 센서(62)는 투과막(미도시)을 구비할 수 있으며, 상기 가스 블로잉 장치는 공기 또는 질소(28)를 사용하여 칼슘 센서(62)의 투과막을 세정함으로써 칼슘 센서(62)에 오염물질이 부착되는 것을 방지하는 것으로 가스 주입 펌프(47) 및 가스 이송관(20a)을 포함할 수 있다. 본 구현예에서 가스 이송관(20a)은 칼슘농도 측정조(9)와 연통되도록 설치된다.
침전 튜브(65)는 적어도 일부가 제1 응집조(3)내에 배치되어 제1 응집조(3)의 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 분리하는 것으로, 예를 들어 도 2에 도시된 것과 같은 구성을 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 침전 튜브(65)는 본체부(101), 시료 이송관(102), 덮개(103) 및 수위표시선(104)을 구비할 수 있다. 덮개(103)는 강우시에도 칼슘농도의 측정치에 영향을 주지 않도록 하기 위한 것이고, 수위표시선(104)은 침전 튜브(65)를 제1 응집조(3)의 소정 깊이에 정확히 설치할 수 있도록 하기 위한 것이다.
침전 튜브(65)는 본체부(101)를 고정시키는 높이 조절대(105) 및 높이 조절대(105)가 탈부착되는 고정 지지대(106)를 추가로 구비할 수 있다. 높이 조절대(105)를 고정 지지대(106)의 서로 다른 위치에 고정시킴으로써 침전 튜브(65)의 설치 높이를 조절할 수 있다.
침전 튜브(65)의 상등액은 시료 이송펌프(48)의 작동에 의하여 시료 이송튜브(67)를 거쳐 칼슘농도 측정조(9)로 연속적으로 이송되며, 시료의 이송 시 침전 튜브(65)에서 미처 침전되지 않은 미세 고형물질은 시료 이송튜브(67)의 중간에 설 치된 솔리드 트랩(69)에서 완전히 제거되어 미세 고형물질에 의한 칼슘센서(62)의 오염을 사전에 방지한다. 또한, 이송된 시료는 칼슘 센서(62)와 접촉한 후 시료 배출라인(29)을 통해 배출된다.
컨트롤러(52)는 이송된 시료와의 접촉시 칼슘센서(62)에서 발생한 전기적 신호(전류)를 컨트롤러(52)의 설정치와 비교한다. 상기 설정치는 칼슘농도에 따라 캘리브레이션된 전류 또는 전압의 크기이다. 컨트롤러(52)는 칼슘센서(62)에서 발생한 전기적 신호(전류 또는 전압)가 상기 설정치 보다 작을 경우에는 칼슘제거제 주입 펌프(42)를 정지시키며, 설정치 보다 클 경우에는 상기 설정치와의 편차 정도에 따라 칼슘제거제 주입 펌프(42)의 회전속도를 자동으로 조절하여 칼슘제거제(12)의 주입량을 조절한다.
제1 침전조(4)는 제1 응집조(3)로부터의 유출수가 유입되어, 상기 유출수 중의 불화칼슘 및 칼사이트를 침전시키기 위한 것으로 제1 응집조(3)의 후단에 설치된다. 이러한 제1 침전조(4)는, 예를 들어 도 3과 같은 구성을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 침전조(4)는 깔대기형 본체(201), 본체(201)내에 본체(201)의 중심축을 따라 설치되어 본체(201)내에서 모터(204)에 의해 회전하는 회전축(205), 회전축(205)에 결합되어 본체(201)의 경사면을 따라 이에 근접하게 회전하는 스크레이퍼(202) 및 스크레이퍼(202)와 인접하도록 회전축(205)에 결합되어 본체(201)의 좁은 단부(206) 내부를 회전하는 교반날개(207)를 구비할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 제1 침전조(4)는 본체(201)의 좁은 단부(206)내에서 슬러지의 압축 및 석회화 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 회전 축(205)에 설치된 스크레이퍼(202) 및 교반날개(207)를 연속적으로 회전시킴으로써 본체(201)의 좁은 단부(206) 및 슬러지 이송관(203)의 막힘 현상을 방지할 수 있다.
제1 침전조(4)에서 배출된 칼사이트 슬러리의 일부는 슬러리 반송라인(24)을 통해 제1 불소제거조(1)로 이송되고, 다른 일부는 슬러지 배출라인(25)을 통해 외부로 배출되며, 제1 침전조(4)의 상등액은 후술하는 중계조(5) 또는 제2 불소제거조(6)로 유출된다.
본 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치(500)는 시드 활성화조(71) 및 캐비테이션 생성기(72)를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 침전조(4)에서 배출된 칼사이트 슬러리의 일부는 슬러지 반송라인(23)을 통해 시드 활성화조(71)로 이송된다.
시드 활성화조(71)는 제1 침전조(4)와 칼슘제거조(2) 사이에 배치되어, 제1 침전조(4)에서 분리된 칼사이트를 활성화시켜, 활성화된 칼사이트 시드를 형성 한다. 시드 활성화조(71)의 칼사이트는 펌프(미도시)에 의해 가압되어 후술하는 캐비테이션 생성기(72)로 유입되며, 이 과정에서 초미세화 및 구형화, 즉 활성화 칼사이트로 변화한다. 여기서, 펌프로는 원심 펌프 등 임의의 공지된 것이 사용될 수 있다.
캐비테이션 생성기(72)는 시드 활성화조(71)로부터 유입된 칼사이트를 초미세화 및 구형화시켜 활성화시키는 장소이다. 이하, 도면을 참조하여 캐비테이션 생성기(72)가 칼사이트를 초미세화 및 구형화시키는 원리를 설명한다.
도 4를 참조하면, 칼사이트 슬러리(303)가 펌프(미도시)에 의해 가압되어 캐비테이션 생성기(72)의 유입관(72a)으로 유입된다. 이어서, 칼사이트 슬러리는 압력을 일정하게 유지하도록 고안된 분지관(72b)을 통하여 콘 모양의 볼텍스 노즐(72c)을 거치는데, 이때 고속의 선회류가 형성된다. 또한 이때, 수리역학적 공동화(cavitation)가 형성되어 고온 및 고압의 높은 에너지가 발생하고, 한 쌍의 서로 마주보도록 배치된 볼텍스 노즐(72c)로부터 고속의 선회류가 배출되어 서로 충돌하게 된다. 이 충격력에 의해 칼사이트 슬러리 내의 판형의 칼사이트가 파괴되어 구형의 칼사이트로 전환되며, 또한 미세화 된다. 이렇게 형성된 활성화 슬러지(304)는 캐비테이션 생성기(72)로부터 배출되어 시드 활성화조(71)로 이송된다. 본 실시예서는 한 쌍의 볼텍스 노즐(72c)만이 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이상의 볼텍스 노즐이 설치될 수도 있다. 이와 같은 캐비테이션 생성법을 수중 분사법이라고 한다.
본 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치(500)는 중계조(5), 제2 불소제거조(6), 제2 응집조(7), 불소제거제 주입량 조절장치(63 등) 및 제2 침전조(8)를 추가로 구비할 수 있다.
중계조(5)는 제1 침전조(4)와 제2 불소제거조(6) 사이에 배치된 것으로, 침전 튜브(66)를 설치하기 위한 장소이다. 이러한 중계조(5)는 생략될 수도 있는데, 이 경우에 침전 튜브(66)는 제1 침전조(4) 또는 후술하는 제2 응집조(7) 내에 배치될 수 있다. 침전 튜브(66)의 구체적인 구성은 도 2에 도시된 바와 같으며, 설치 장소에 따라 중계조(5)의 내용물, 제1 침전조(4)의 상등액 또는 제2 응집조(7)의 내용물을 상등액과 하층액으로 분리한다.
상기 불소제거제 주입량 조절장치는 전술한 침전 튜브(66), 시료 이송튜브(68), 솔리드 트랩(70), 시료 이송펌프(49), 불소농도 측정조(10), 불소 센서(63), 컨트롤러(53), 불소제거제 주입 펌프(44) 및 가스 블로잉 장치를 포함할 수 있다. 불소 센서(63)는 투과막(미도시)을 구비할 수 있으며, 상기 가스 블로잉 장치는 공기 또는 질소(28)를 사용하여 불소 센서(63)의 투과막을 세정함으로써 불소 센서(63)에 오염물질이 부착되는 것을 방지하는 것으로 가스 주입 펌프(47) 및 가스 이송관(20b)을 포함할 수 있다. 본 구현예에서 가스 이송관(20b)은 불소농도 측정조(10)와 연통되도록 설치된다.
침전 튜브(66)의 상등액은 시료 이송펌프(49)의 작동에 의해 시료 이송튜브(68)를 거쳐 불소농도 측정조(10)로 연속적으로 이송되며, 시료의 이송시 침전 튜브(66)에서 미처 침전되지 않은 미세 고형물질은 시료 이송튜브(68)의 중간에 설치된 솔리드 트랩(70)에서 완전히 제거되어 미세 고형물질에 의한 불소센서(63)의 오염을 사전에 방지한다. 또한, 이송된 시료는 불소 센서(63)와 접촉한 후 시료 배출라인(30)을 통해 배출된다.
컨트롤러(53)는 이송된 시료와의 접촉시 불소센서(63)에서 발생한 전기적 신호(전류 또는 전압)를 컨트롤러(53)의 설정치와 비교한다. 상기 설정치는 불소농도에 따라 캘리브레이션된 전류 또는 전압의 크기이다. 컨트롤러(53)는 불소센서(63)에서 발생한 전기적 신호(전류)가 상기 설정치 보다 작을 경우에는 불소제거제 주입 펌프(44)를 정지시키며, 설정치 보다 클 경우에는 상기 설정치와의 편차 정도에 따라 불소제거제 주입 펌프(44)의 회전속도를 자동으로 조절하여 불소제거제(14)의 주입량을 조절한다.
제2 불소제거조(6)는 제1 침전조(4)의 상등액(처리수) 및 불소제거제(14)가 유입되는 곳으로, 제1 침전조(4)의 상등액에 함유된 불소의 추가적인 제거를 위한 것이다.
불소제거제(14)는 상기 상등액 중의 불소와 반응하여 불화물(fluoride)을 형성한다.
불소제거제(14)로는 액반(Al2(SO4)3)이 사용되지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 불소제거조(6)에서 제1 침전조(4)의 처리수 중의 불소 이온(F-)은 액반에서 해리된 알루미늄 이온(Al3+)과 반응하여 하기 화학식 3과 같이 불화알루미늄(AlF3)을 형성한다.
Figure 112008089000256-pat00003
이 경우, 상기 처리수 중의 불소 농도를 일정 수준 이하로 유지하기 위해서는 불소제거제(14)를 필요한 양 만큼 제2 불소제거조(6)에 주입하여야 한다. 또한, 불소제거제(14)의 효능을 최대한 발휘하기 위해서는 제2 불소제거조(6) 내용물의 pH를 적정하게 유지하여야 한다. 이와 같이, 제2 불소제거조(6) 내용물의 pH를 적정하게 조절하기 위하여 제2 불소제거조(6)에 중화제(15)를 더 첨가할 수 있다. 구 체적으로, 중화제(15)의 첨가량은 제2 불소제거조(6)에 설치된 수소이온 센서(64), 중화제 주입 펌프(45) 및 상기 센서(64)에서 발생하는 전기적 신호(전류 또는 전압)에 따라 상기 펌프(45)의 동작 및 펌핑량을 조절하는 컨트롤러(54)에 의해 조절되며, 예를 들어 제2 불소제거조(6) 내용물의 pH가 약 7로 유지되도록 조절된다. 중화제(15)로는 가성소다(NaOH) 또는 황산(H2SO4)이 사용되는 것이 일반적이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 불소제거제(14)가 중성이거나 불소제거제(14) 첨가후 제2 불소제거조(6) 내의 내용물이 적정 pH(예를 들어, 7)를 유지할 경우에는 이러한 중화제(15)가 첨가되지 않을 수도 있다.
제2 불소제거조(6)의 후단에는 상기 불화물을 응집시키기 위한 제2 응집조(7)가 더 설치될 수 있다. 제2 응집조(7)에는 제2 불소제거조(6)로부터의 유출수가 유입되고 폴리머 물질(음이온성 고분자 물질) 등의 제2 응집제(16)가 첨가되며, 상기 제2 응집제(16)를 매개로 하여 상기 불화물(예를 들어, 불화알루미늄)이 거대 입자화되어 응집된다. 제2 응집제(16)는 펌프(46)에 의해 제2 응집조(7)에 투입될 수 있다.
제2 응집조(7)의 후단에는 응집된 불화물을 침전시키기 위한 제2 침전조(8)가 더 설치될 수 있다. 제2 침전조(8)에는 제2 응집조(7)로부터의 유출수가 유입되어 고액 분리됨으로써 불화물이 침전된다. 제2 침전조(8)에서 침전된 불화물의 상부는 처리수(22)가 채우게 되고 이러한 처리수(22)는 외부로 배출되어 재이용된다. 제2 침전조(8)로부터 배출된 불화물의 일부는 제2 불소제거조(6)로 반송되고, 나머 지는 슬러지 배출라인(27)을 통해 외부로 배출된다.
한편, 제2 불소제거조(6) 및 제2 응집조(7)에는 임의의 공지된 교반기(34, 35)가 각각 구비될 수 있다. 이러한 교반기(34, 35) 대신에 에어버블링 장치 등 다른 다양한 교반 장치가 사용될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치는, 칼슘제거제 주입량 조절장치 및/또는 불소제거제 주입량 조절장치를 구비함으로써 칼슘제거제 및/또는 불소제거제의 투입량을 최소화하여 칼슘 및/또는 불소의 제거비용을 절감할 수 있다. 또한, 칼슘제거조(2), 제2 불소제거조(6) 및/또는 배관 내에 생성되는 스케일문제를 크게 완화시킬 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 폐수 처리 실험
도 1과 동일한 구성을 갖는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치(삼성엔지니어링㈜ 제작, 칼슘 센서: Orion社의 1820, 불소 센서: Orion社의 1709, 폐수 처리용량: 20 m3/d)를 사용하여 불소 함량이 438~518mg/L (평균 476mg/L) 인 폐수를 처리하였다. 이때, 칼슘염(11)으로는 소석회를, 칼슘제거제(12)로는 소다회를, 제1 응집제(13) 및 제2 응집제(16)로는 음이온 고분자 물질(아크릴아미드 및 아크릴산)을, 불소제거제(14)로는 액반을, 중화제(15)로는 가성소다를 사용하였다. 또한, 제1 불소제거 조(1) 내용물의 pH 및 제2 불소제거조(6) 내용물의 pH를 각각 10 및 7로 유지하도록 컨트롤러(51) 및 컨트롤러(54)의 설정치를 정하였다. 또한, 제1 응집조(3) 내용물 중의 칼슘농도 및 중계조(5) 내용물 중의 불소농도를 각각 30 mg/L 및 55 mg/L로 유지하도록 컨트롤러(52) 및 컨트롤러(53)의 설정치를 정하였다.
비교예 1: 폐수 처리 실험
도 1의 구성을 갖는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치에서 칼슘제거제 주입량 조절장치 및 불소제거제 주입량 조절장치가 생략되고 칼슘제거제 및 불소제거제를 각각 100 ㎖/min 및 35 ㎖/min로 정량 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 장치 및 방법으로 폐수를 처리하였다
평가예
평가예 1: 시간별 처리수 중의 칼슘농도의 측정
실시예 1 및 비교예 1의 각각에서 얻은 처리수(22) 중의 칼슘농도를 시간별로 측정하여 도 5 및 도 6에 각각 그래프로 나타내었다.
실시예 1에서 얻은 처리수(22) 중의 칼슘농도는, 도 5에 도시된 바와 같이, 40mg/L 이하로서 20일 경과후에도 큰 변화없이 동일한 수준을 유지하였다. 반면에, 비교예 1에서 얻은 처리수(22) 중의 칼슘농도는, 도 6에 도시된 바와 같이, 10~100mg/L까지 변화가 매우 심한 것으로 나타났다.
평가예 2: 칼슘제거제 및 불소제거제의 주입량 평가
실시예 1과 동일한 장치 및 방법으로 폐수를 처리한 경우와, 비교예 1과 동 일한 장치 및 방법으로 폐수를 처리한 경우에 대하여 총 폐수 처리량 대비 칼슘제거제(12) 및 불소제거제(14)의 총 주입량(이를 각각의 주입농도라고 함)을 평가하여 도 7 및 도 8에 각각 나타내었다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 실시예 1의 경우는 비교예 1의 경우에 비해 칼슘제거제 및 불소제거제의 주입량이 크게 감소하였음을 알 수 있다.
평가예 3: 폐수 처리비용 평가
실시예 1과 동일한 장치 및 방법으로 폐수를 처리한 경우와, 비교예 1과 동일한 장치 및 방법으로 폐수를 처리한 경우에 대하여 처리비용을 각각 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 실시예 1 비교예 1
폐수 처리량(m3/d) 7,000 7,000
처리단가(\/m3) 1,270 2,200
처리비용 \/d 8,897,000 15,400,000
\/y 3,248,405,000 5,621,000,000
상기 표 1에서 처리단가에는 칼슘염(11), 칼슘제거제(12), 제1 응집제(13), 불소제거제(14), 중화제(15) 및 제2 응집제(16) 등의 약품비용이 포함된다.
이상에서 본 발명이 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 장치에서 침전 튜브를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 장치에서 침전조를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 장치에서 캐비테이션 생성기를 발췌하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 수중의 불소 및 칼슘 제거장치를 사용하여 폐수를 처리한 경우(실시예 1), 처리수 중의 칼슘 농도를 시간별로 도시한 그래프이다.
도 6은 불소제거제 주입량 조절장치와 칼슘제거제 주입량 조절장치가 생략된 도 1의 장치를 사용하여 폐수를 처리한 경우(비교예 1), 처리수 중의 칼슘 농도를 시간별로 도시한 그래프이다.
도 7은 상기 실시예 1 및 비교예 1 각각에서 총 폐수 처리량 대비 칼슘제거제의 총 주입량을 비교 형식으로 도시한 그래프이다.
도 8은 상기 실시예 1 및 비교예 1 각각에서 총 폐수 처리량 대비 불소제거제의 총 주입량을 비교 형식으로 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 제1 불소제거조 2: 칼슘제거조
3: 제1 응집조 4: 제1 침전조
5: 중계조 6: 제2 불소제거조
7: 제2응집조 8: 제2 침전조
9: 칼슘농도 측정조 10: 불소농도 측정조
11: 칼슘염 12: 칼슘제거제
13: 제1 응집제 14: 불소제거제
15: 중화제 16: 제2 응집제
20a, 20b: 가스 이송관 21: 유입수
22: 처리수 23, 24, 26: 슬러리 반송라인
25, 27: 슬러지 배출라인 28: 가스
29, 30: 시료 배출라인 31, 32, 33, 34, 35: 교반기
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49: 주입펌프
50: 탈철기 51, 52, 53, 54: 컨트롤러
61, 64: 수소이온 센서 62: 칼슘센서
63: 불소센서 65, 66: 침전 튜브
67, 68: 시료 이송관 69,70: 솔리드 트랩
71: 시드 활성화조 72: 캐비테이션 생성기
500: 불소 및 칼슘 제거장치

Claims (13)

  1. 불소를 함유하는 유입수 및 칼슘염이 유입되고, 상기 유입수 중의 불소와 상기 칼슘염에 함유되어 있는 칼슘이 반응하여 콜로이드성 불화칼슘을 형성하는 제1 불소제거조;
    상기 제1 불소제거조로부터의 유출수와 칼슘제거제가 유입되며, 상기 유출수 중의 칼슘과 상기 칼슘제거제가 반응하여 칼사이트(calcite)를 형성하는 칼슘제거조;
    상기 칼슘제거조로부터의 유출수 및 제1 응집제가 유입되며, 상기 제1 응집제를 매개로 하여 상기 불화칼슘 및 칼사이트를 응집시키는 제1 응집조;
    상기 제1 응집조 내용물 중의 칼슘 농도를 측정하여 상기 칼슘제거조로 주입되는 상기 칼슘제거제의 양을 조절하는 칼슘제거제 주입량 조절장치; 및
    상기 제1 응집조로부터의 유출수가 유입되고, 이를 고액 분리함으로써 상기 유출수 내의 불화칼슘 및 칼사이트를 침전시키는 제1 침전조를 구비하고,
    상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는, 적어도 일부가 상기 제1 응집조내에 배치되어 상기 제1 응집조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 분리하는 침전 튜브, 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉하도록 배치되어 칼슘 농도를 측정하는 칼슘 센서, 칼슘제거제 주입 펌프 및 상기 칼슘 센서에서 발생한 전기신호에 따라 상기 칼슘제거제 주입 펌프를 제어하여 상기 칼슘제거제의 주입을 중단하거나 이의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘 센서는 투과막을 포함하고, 상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는 상기 투과막을 세정하는 가스 블로잉 장치를 추가로 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘제거제 주입량 조절장치는, 상기 침전 튜브와 상기 칼슘 센서 사이에 배치되어 상기 침전 튜브의 상등액으로부터 고형물질을 제거하는 솔리드 트랩을 추가로 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 침전조의 하부로 배출된 칼사이트가 유입되고, 이들을 활성화시켜 상기 칼슘제거조로 이송하는 시드 활성화조; 및
    상기 시드 활성화조와 연통되는 것으로, 상기 시드 활성화조의 칼사이트를 초미세화 및 구형화하여 이를 다시 상기 시드 활성화조로 반송하는 캐비테이션 생성기를 추가로 포함하고,
    상기 칼슘제거조로 이송된 상기 활성화된 칼사이트에 상기 칼슘제거조에서 생성된 칼사이트가 부착하여 성장하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 침전조에서 침전되지 않은 처리수가 유입되고 불소제거제 및 중화제가 첨가되며, 상기 처리수 중의 불소와 상기 불소제거제가 반응하여 불화물(floride)을 형성하는 제2 불소제거조;
    상기 제2 불소제거조로부터의 유출수가 유입되고 제2 응집제가 첨가되며, 상기 제2 응집제를 매개로 하여 상기 불화물을 응집시키는 제2 응집조;
    상기 제1 침전조 상등액 또는 상기 제2 응집조 내용물 중의 불소 농도를 측정하여 상기 제2 불소제거조로 주입되는 상기 불소제거제의 양을 조절하는 불소제거제 주입량 조절장치; 및
    상기 제2 응집조로부터의 유출수가 유입되고, 이를 고액 분리함으로써 상기 불화물을 침전시키는 제2 침전조를 추가로 구비하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 불소 농도를 측정하는 불소 센서, 불소제거제 주입 펌프 및 상기 불소 센서에서 발생한 전기신호에 따라 상기 불소제거제 주입 펌프를 제어하여 상기 불소제거제의 주입을 중단하거나 이의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 상기 제1 침전조와 상기 제2 불소제거조 사이에 배치된 중계조 및 적어도 일부가 상기 중계조내에 배치되어 상기 중계조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 분리하는 침전 튜브를 추가로 포함하고, 상기 불소센서는 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 적어도 일부가 상기 제1 침전조 또는 상기 제2 응집조내에 배치되어 상기 제1 침전조의 상등액 또는 상기 제2 응집조 내용물을 비중차이에 따라 상등액과 하층액으로 더 분리하는 침전 튜브를 추가로 포함하고, 상기 불소센서는 상기 침전 튜브의 상등액과 접촉하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 불소제거제 주입량 조절장치는, 상기 침전 튜브와 상기 불소 센서 사이에 배치되어 상기 침전 튜브의 상등액으로부터 고형물질을 제거하는 솔리드 트랩을 추가로 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 불소 센서는 투과막을 포함하고, 상기 불소제거제 주입량 조절장치는 상기 투과막을 세정하는 가스 블로잉 장치를 추가로 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 불소제거조의 전단에 배치되어 상기 칼슘염으로부터 철분을 제거하는 탈철기를 추가로 포함하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 침전조는, 깔대기형 본체, 상기 본체내에 상기 본체의 중심축을 따라 설치되어 상기 본체내에서 회전하는 회전축, 상기 회전축에 결합되어 상기 본체의 경사면을 따라 이에 근접하게 회전하는 스크레이퍼 및 상기 스크레이퍼와 인접하도록 상기 회전축에 결합되어 상기 본체의 좁은 단부 내부를 회전하는 교반 날개를 구비하는 수중의 불소 및 칼슘 제거장치.
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