KR100920704B1 - 수갱을 이용한 갱내수 수질 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐광의 갱도에 수용된 갱내수를 정화하기 위한 갱내수 정화장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 갱내수 정화장치은 폐광산에 하방향으로 형성되어 있으며 갱내수를 수용하는 갱도(坑道)와, 갱도의 길이방향을 따라 이동가능하게 설치되는 이동부재와, 갱내수에 공기를 공급하도록 갱도의 외부에 배치되는 공기공급장치와, 일단은 이동부재에 결합되며 타단은 공기공급장치에 연결되어 공기공급장치로부터 공기를 갱내수로 가이드하는 폭기관과, 갱내수에 중화제를 공급하도록 갱도의 외부에 배치되는 중화제 공급장치와, 일단은 이동부재에 결합되며 타단은 중화제 공급장치에 연결되어 중화제 공급장치로부터 중화제를 갱내수로 가이드하는 중화제 투입관 및 이동부재에 회전가능하게 설치되어 중화제와 공기를 갱내수에 고르게 혼합시키는 교반기를 구비하여, 갱내수를 갱도 특히 수갱 내에서 정화처리하는 것에 특징이 있다.

Description

수갱을 이용한 갱내수 수질 정화장치{Mine drainage treatment apparatus using shaft}

본 발명은 폐광 후에 갱도를 통해 배출되는 갱내수를 지하에서 정화처리하기 위한 것으로서, 특히 갱도 내에서 중화제와 공기를 주입하여 갱내수에 대한 정화 처리를 시행하기 위한 갱내수 정화장치에 관한 것이다.

휴,폐광된 광산으로 인하여 발생되는 환경오염으로는 지반 침하, 폐석과 광미의 유실로 인한 하천 매몰 및 토양의 중금속 오염, 갱구 유출수와 폐석 침출수에 의하 수질오염 등을 들 수 있다. 특히, 지하 석탄광 폐석 더미로부터 나오는 이른바 광산배수에 의한 수질오염 문제는 1990년대 중반 이후 상당히 심각하게 대두되기 시작하였다.

광산배수는 황철석(FeS2), 백철석 (FeS) 등의 황화광물이 공기 및 물과 반응하여 산화되면서 형성되며, pH가 낮아 산성을 띠고 있으며, 황산염을 비롯한 철, 알루미늄, 망간 등 금속함량이 높은 것이 특징이다. 산성광산배수는 낮은 pH로 인해 독성 중금속의 이동도가 높아 주변 지표수와 지하수를 오염시켜 수중 생태계를 파괴시킬 뿐만 아니라, 금속 이온들이 산화되어 Fe(OH)3등의 금속 수산화물로 침전 되어 하천바닥에 적갈색 또는 백색의 침전물을 발생(yellow boy현상)시켜 미관을 해치게 된다.

이러한 산성광산배수의 정화방법은 크게 적극적 처리법(active treatment)과 소극적 처리법(passive treatment)으로 나뉘어진다. 적극적 처리법은 중화제를 이용한 pH조절, 이온교환과 흡착, 응집, 여과 등의 방식을 이용하는 방법으로서, 대표적인 적극적 처리법으로는 역삼투압법, 이온교환법, 전기투석법 등이 있다. 소극적 처리법은 유기물과 석회석 등을 이용하여 동력을 투여하지 않는 방식으로 대표적인 소극적 처리법으로는 SAPS(successive alkalinity-producing systems) 등이 있다. 소극적 처리법은 동력을 사용하지 않으므로 많은 장점이 있지만, 하루에수천톤의 갱내수를 배출하는 폐광에서는 적용하기 곤란하다. 이에 갱내수량이 큰 광산배수에 대해서는 적극적 처리법이 주로 사용되고 있다.

적극적 처리법에서는 갱내수에 중화제와 공기를 투입하여 갱내수 내의 용존 금속을 금속수산화물로 침전시켜 갱내수를 정화처리한다. 금속수산화물이 침전되어 발생되는 슬러지는 농축 및 탈수시켜 별도로 처리하게 된다. 이러한 적극적 처리를 행하기 위해서는 갱도를 통해 외부로 배출된 갱내수를 중화시키기 위한 중화조와 폭기조가 각각 필요하며, 갱내수의 유량을 조절하기 위한 유량조절조 및 중화에 의하여 발생된 슬러지가 농축되는 슬러지 농축조, 슬러지를 탈수하여 배출하기 위한 슬러지 탈수조 등의 많은 시설을 필요로 한다.

이에 적극적 처리시설을 위한 넓은 부지가 필수적이지만, 부지의 확보가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 특히 이러한 처리시설은 혐오시설로 인식되고 미관상의 문제가 있어 부지확보가 더욱더 어려운 실정이다.

또한, 갱내수를 처리함으로써 발생하는 슬러지는 재활용율이 극히 낮아 이를 처리하는데 상당한 비용이 소모되는바 경제성에 있어서도 많은 문제점을 노출하고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 갱내수를 적극적 방법으로 처리하는데 시설을 위한 부지확보의 문제가 없을 뿐만 아니라 발생되는 슬러지의 처리문제를 해결할 수 있는 갱내수 정화장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 갱내수 정화장치은 폐광산에 하방향으로 형성되어 있으며 갱내수를 수용하는 갱도(坑道, 특히 수갱), 상기 갱도의 길이방향을 따라 이동가능하게 설치되는 이동부재, 상기 갱내수에 공기를 공급하도록 상기 갱도의 외부에 배치되는 공기공급장치, 및 일단은 상기 이동부재에 결합되며 타단은 상기 공기공급장치에 연결되어 상기 공기공급장치로부터 공기를 갱내수로 가이드하는 폭기관을 구비하여, 상기 갱내수를 상기 갱도내에서 정화처리하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 갱내수에 중화제를 공급하도록 상기 갱도의 외부에 배치되는 중화제 공급장치와, 일단은 상기 이동부재에 결합되며 타단은 상기 중화 제 공급장치에 연결되어 상기 중화제 공급장치로부터 중화제를 갱내수로 가이드하는 중화제 투입관을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 이동부재에 회전가능하게 설치되는 교반기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 갱내수 정화장치은 갱도 자체를 중화처리를 위한 수조로 사용함으로써 부지확보의 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 중화에 의하여 발생된 슬러지가 갱도의 하부로 침전됨으로써 별도의 슬러지 처리비용이 발생하지 않아 경제성이 탁월하다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갱내수 정화장치을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 폐광의 갱도를 설명하기 위한 개략적 도면이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갱내수 정화장치의 개략적 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 갱내수 정화장치의 A부분에 대한 개략적 확대 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갱내수 정화장치(100)은 갱도(10), 이동부재(20), 공기공급장치, 폭기관(30), 중화제 공급장치, 중화제 투입관(40) 및 교반기(50)를 구비한다.

상기 갱도(10, 坑道)는 광물을 채굴하기 위하여 형성해 놓은 것으로서, 지면에 대하여 수직한 방향으로 형성된 수갱(11, 수직갱), 지면에 대하여 수평한 방향 으로 형성된 수평갱(12) 및 지면에 대하여 경사진 방향으로 형성된 사갱(13)으로 분류한다. 수갱은 직경 4m ~ 6m의 크기로 형성되며 매우 큰 규모의 광산인 경우에 설치하는 것이 일반적이다.

이렇게 채굴을 위하여 형성된 갱도(10)는 폐광 후에 별도의 처리 없이 광산 내에 존치하게 되는데, 시간의 경과에 따라 지하수나 빗물이 갱도(10)로 유입되어 갱내수(坑內水)가 갱도에 차오르게 된다. 된다. 갱내수는 최종적으로 갱도의 외부로 유출되어 지표로 방류되는데, 수갱이 형성되어 있는 대규모 폐광의 경우 유량이 하루 평균 수천 톤 내지 수만 톤 정도이다.

종래의 적극적 처리법에서는 갱도가 갱내수를 처리하는데 어떠한 작용도 하지 않았지만, 본 발명에서는 갱도(10)가 갱내수(w)를 처리하기 위한 중화반응조로 기능한다. 즉, 후술하는 바와 같이, 갱도(10) 내에서 갱내수(w)에 대한 중화처리가 이루어진다.

상기 이동부재(20)는 갱도(10)의 길이방향, 예컨대 수갱(11)의 경우 수직한 방향을 따라 왕복이동 가능하게 설치된다. 이동부재(20)는 갱도(10)를 따라 길게 설치되어 있는 연결관(25)의 하단에 결합되어 이 연결관(25)의 이동에 의하여 이동된다. 즉, 연결관(25)은 갱도(10) 외부에 배치된 거치대(m)에 회전가능하게 설치된 도르레(r)에 감겨진 상태로, 연결관(25)의 상단은 정역회전 가능한 모터(미도시) 등 구동원에 연결되어 있고 하단은 이동부재(20)에 결합되어 있어, 구동원의 작동에 따라 이동부재(20)는 갱도(10)의 심부(深部)로 인입되거나 외부로 인출될 수 있게 되어 있다. 상기 이동부재(20)의 내측에는 폭기관(30)과 중화제 투입 관(40)이 형성되어 있다.

폭기관(30)은 갱도(10) 외부에 설치되어 있는 공기공급장치(미도시)에 연결되어 있어 공기공급장치로부터 공급된 공기를 갱내수(w)로 가이드한다. 공기공급장치는 다양한 구성으로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 공기 탱크(미도시)와 공기 탱크로부터 나온 공기를 강제 이송시키기 위한 펌프(미도시)로 이루어진다.

폭기관(30)도 공기공급장치로부터 갱내수(w)로 공기를 공급할 수 있는 관 형상의 부재로서 다양한 형태로 구성될 수 있다. 즉, 본 실시예와 같이, 공기공급장치에 연결된 호스(미도시)가 연결관(25)의 내측에 삽입되어 있고, 이동부재(20)의 내측에 상기 호스와 연결되는 관을 직접 형성함으로써 호스와 이동부재(20)의 내측에 형성된 관을 하나의 폭기관(30)으로 형성할 수 있다. 또한, 공기공급장치에 연결된 호스를 이동부재(20)에 끼워서 설치하여 이 호스를 통해 공기가 직접 갱내수(w)로 공급되게 할 수도 있다.

중화제 투입관(40)은 중화제를 갱내수(w)로 공급하기 위한 중화제 공급장치(미도시)에 연결되어 중화제를 갱내수(w)로 가이드하기 위한 것이다. 중화제 공급장치도 다양한 구성으로 이루어질 수 있으나, 액상의 중화제를 저장하는 중화제 저장조(미도시)와 중화제를 강제 이송시키기 위한 펌프(미도시)로 이루어질 수 있다. 중화제 투입관(40)도 상기 폭기관(30)과 마찬가지로 관 형상의 부재로서 다양한 형태로 구성될 수 있다. 즉, 본 실시예와 같이, 중화제 공급장치에 연결된 호스(미도시)가 연결관(25)의 내측에 삽입되어 있고, 이동부재(20)의 내측에 상기 호스와 연결되는 관을 직접 형성함으로써 호스와 이동부재(20)의 내측에 형성된 관을 하나의 폭기관(30)으로 형성할 수 있다. 또한, 중화제 공급장치에 연결된 호스를 이동부재(20)에 끼워서 설치하여 이 호스를 통해 중화제를 직접 갱내수(w)로 공급되게 할 수도 있다. 본 발명에서 중화제로는 CaCO₃, Ca(OH)₂, CaO 등이 사용된다.

한편, 본 발명에 따른 갱내수 정화장치(100)은 갱내수(w)로 공급된 공기와 중화제가 갱내수(w)에 고르게 혼입될 수 있도록 교반기(50)를 구비한다. 이 교반기(50)는 이동부재(20)의 내측에 설치되어 구동원으로 작용하는 모터(51)와, 모터(51)의 회전축(52)에 설치되어 회전가능한 팬(pan)으로 이루어진다. 모터(51)에 전원을 인가하기 위한 전선(54)은 이동부재(20)와 연결관(25)의 내측을 통해 갱도(10) 외부의 전원장치와 연결되어 있다. 전원이 인가됨에 따라 팬이 회전하여 산소와 중화제 및 갱내수(w)가 고르게 혼입됨으로써, 정화처리가 가속화된다.

정화 작용은 종래의 적극적 처리법에서와 동일하며, 화학식으로 표현하면 다음과 같다. 공기 중의 산소에 의하여 산화가 이루어진다.

우선, 철수산화물의 침전기작을 살펴본다.

4Fe⁺ + O₂ + 4H⁺ → 4Fe^{3 +} + 2H₂O,

Fe^{3 +} + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺ 의 작용이 발생함으로, 철수산화물은 슬러지의 형태로 침전되어 갱도(10)의 하부에 쌓이게 된다.

또한, 중화제인 석회석(CaCO₃)이 용해될 때 양성자를 소모하고 HCO₃ ^-를 생성 시킴으로써 갱내수(w)를 중화시킨다. 화학식으로 표현하면 다음과 같다.

CaCO₃ + H⁺ → Ca^{2 +} + HCO₃ ^-

다만, 갱내수의 pH가 6.5 이상인 경우는 공기만 공급해도 갱내수 내 용존 철이온이 철수산화물로 잘 침전되지만, 갱내수의 pH가 4.5 이하인 경우는 공기만을 공급해서는 철이온이 철수산화물로 침전되는 것이 용이하지 않으므로 중화제를 투입하는 것이 바람직하다. 즉, 갱내수의 산도에 따라 중화제의 투입여부를 결정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 갱도(10)에 수용되어 있는 갱내수(w)에 공기와 중화제를 투입 및 교반함으로써 갱내수(w)가 갱도 외부로 유출되기 전에 정화처리를 행하게 된다. 이에 따라, 중화처리를 위한 별도의 부지가 필요없게 되며, 슬러지가 갱도의 하부로 침전되므로 슬러지를 외부로 반출하여 다시 처리하는데 소요되는 슬러지 처리비용이 발생하지 않는다. 특히, 일본의 경우 갱도 외부에서 광산배수에 대한 정화처리를 행한 후 슬러지를 탈수시켜 다시 갱도 내에 삽입하여 슬러지 처리비용을 줄이려는 시도가 있으나, 본 발명에서는 갱도에서 직접 슬러지의 침전이 이루어지므로 더욱 경제적이다.

본 발명에서 중화제를 투입하지 않고 공기만을 투입하였을 때의 중화작용의 효과를 알아보기 위한 실험을 실시하였다.

도 4는 본 발명의 효과를 실험한 사진으로서, 도 4a는 공기를 공급하기 전의 갱내수의 사진이며, 도 4b는 공기를 공급한 시간에 따라 변화된 갱내수의 사진이 며, 도 5는 도 4의 실험 결과를 나타낸 표이다. 도 4a의 사진에 나타난 바와 같이, 실험을 위해 7개의 비이커를 마련하여 각각 동일한 갱내수를 1000ml씩 담았다.

실험 전의 갱내수 즉, 도 5에 표시된 1번 시료의 pH는 6.82였으며, 전기전도도는 2.52mS/cm 였고, 탁도는 253NTU, 2가철이온(Fe2⁺)의 농도는 58mg/l였으며, 갱내수 내 총 철(total Fe)의 농도는 81.5mg/l 였다.

도 5에 나타난 바와 같이, 1번 시료를 제외한 6개의 시료에 대하여 각각 다른 시간 동안 공기를 주입하였다. 공기는 에어 펌프를 이용하여 분당 20리터를 주입하였다. 도 4b에 나타난 바와 같이, 실험 전 어두운 암색을 띠던 갱내수는 공기의 주입으로 인하여 붉은 색을 띠며 침전된 것을 확인할 수 있다.

자세한 실험의 결과가 도 5에 나타나 있으며, 도 6 내지 도 10에는 각 실험 데이터의 추이가 나타나 있다.

도 6에 나타난 바와 같이, 공기의 주입시간이 길어지면서 갱내수의 pH가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 6과 도 7에 나타난 바와 같이, 공기의 공급에 의하여 갱내수의 철이 수산화물로 침전되어 농도가 0으로 떨어진 것을 확인할 수 있었다.

갱내수 내 철이 수산화물 형태로 침전됨으로써, 도 9에 나타난 바와 같이 전기전도도가 실험 전 2.5에서 2.2로 떨어졌으나, 역으로 도 10에서 확인되는 바와 같이 침전물이 발생함에 따라 탁도가 급속히 상승함을 알 수 있다. 실제 갱도에서는 침전물이 갱도의 하부로 가라앉게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 갱내수 정화장치은 갱도 내에서 정화처리를 행함으로써 광산배수를 처리하는데 필요한 시설 확보의 문제를 해결하며, 폐광 지역의 미관을 향상시키는 효과도 발생시킨다.

또한, 많은 양의 슬러지를 처리하기 위한 처리비용을 절감할 수 있어 경제적이라는 장점이 있다.

미설명한 참조번호 b는 모터의 회전축(52)을 회전가능하게 지지하여 교반기(50)의 회전을 용이하게 하는 베어링이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 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 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 폐광의 갱도를 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갱내수 정화장치의 개략적 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 갱내수 정화장치의 A부분에 대한 개략적 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명의 효과를 실험한 사진으로서, 도 4a는 공기를 공급하기 전의 갱내수의 사진이며, 도 4b는 공기를 공급한 시간에 따라 변화된 갱내수의 사진이다.

도 5는 도 4의 실험 결과를 나타낸 표이다.

도 6 내지 도 10은 실험에 따른 각각의 데이터를 그래프로 나타낸 것으로서, 도 6에는 갱내수의 pH의 변화가 나타나 있으며, 도 7에는 갱내수 내 2가철이온 농도의 변화가 나타나 있고, 도 8에는 갱내수 내 총 철의 농도변화가 나타나 있으며, 도 9에는 갱내수의 전기전도도의 변화가 나타나 있고, 도 10에는 갱내수의 탁도 변화가 나타나 있다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ... 갱내수 정화장치 10 ... 갱도

20 ... 이동부재 30 ... 폭기관

40 ... 중화제 투입관 50 ... 교반기

w ... 갱내수

Claims (5)

1. 폐광산에 하방향으로 형성되어 있으며 갱내수를 수용하는 갱도(坑道);

   상기 갱도의 길이방향을 따라 이동가능하게 설치되는 이동부재;

   상기 갱내수에 공기를 공급하도록 상기 갱도의 외부에 배치되는 공기공급장치;

   일단은 상기 이동부재에 결합되며 타단은 상기 공기공급장치에 연결되어 상기 공기공급장치로부터 공기를 갱내수로 가이드하는 폭기관;

   상기 갱내수에 CaCO₃, Ca(OH)₂, CaO 중화제 중 적어도 하나의 중화제를 공급하도록 상기 갱도의 외부에 배치되는 중화제 공급장치; 및

   일단은 상기 이동부재에 결합되며 타단은 상기 중화제 공급장치에 연결되어 상기 중화제 공급장치로부터 중화제를 갱내수로 가이드하는 중화제 투입관;을 구비하여, 상기 갱내수를 상기 갱도내에서 정화처리하는 것을 특징으로 하는 갱내수 정화장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 갱도는 수직한 방향으로 형성된 수갱(竪坑)인 것을 특징으로 하는 갱내수 정화장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 이동부재에 회전가능하게 설치되는 교반기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 갱내수 정화장치.

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