KR100968952B1

KR100968952B1 - 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100968952B1
Application number: KR1020080085504A
Authority: KR
Inventors: 권현호; 심연식; 장민; 지원현; 박현성; 이현주; 김지형; 최명찬; 임정현
Original assignee: 한국광해관리공단
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-07-14
Also published as: KR20100026484A

Abstract

본 발명은 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이는 금속광산 배수의 오염된 폐수를 석탄광산으로부터 획득가능한 슬러지를 사용하여 정화하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은, 석탄광산으로부터 획득가능한 슬러지의 분말을 제작하여(S10) 그 분말과 금속광산배수를 반응조(30)에서 교반시켜 금속광산배수의 금속물질을 석탄광산슬러지 분말에 고착시킨 다음으로(S20), 금속물질이 고착된 슬러리를 제2 침전조(40)에서 고액상태로 분리한 후에(S30) 분리된 액체를 샌드필터(50)로 통과시켜 여과하는 것(S40)을 특징으로 하여, 금속광산으로부터 유출되는 오염수를 정화할 수 있다.

슬러지, 금속광산, 석탄광산, 반응조, 침전조, 샌드필터

Description

석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PURIFING DRAINAGE OF A METAL MINE USING THE SLUDGE OF A COAL MINE}

본 발명은 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 석탄광산으로부터 획득된 슬러지를 분말화하여 그 분말과 금속광산 배수를 교반시킴으로써 금속광산 배수 내의 금속물질을 석탄광산 슬러지에 고착시켜 금속광산 배수를 정화할 수 있는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 광산이라함은 광물자원을 개발하는 작업이 실행되는 장소, 광석을 채굴하는 장소뿐만 아니라 선광, 제련 등이 이루어지는 작업장을 의미한다. 광산은 채굴되는 광물의 성질에 따라 크게 금속광산과 비금속광산으로 나뉘며, 비금속 광산의 대부분은 석탄을 생산하기 위한 탄광이 주류를 이루고 있다.

Item	pH	Cu (μg/L)	Zn (μg/L)	Cd (μg/L)	Cr (μg/L)	Pb (μg/L)	As (μg/L)	Ni (μg/L)
산성배수	3.3	25,500	44,040	132	4	1,626	14	108

표 1-일광 금속광산 배수의 화학적 특성

그런데 표 1과 같이 현재 채굴작업이 진행중인 금속광산이나 폐광된 금속광산으로부터 배출되는 수분에는 다량의 중금속 성분이 함유되어 있거나, 갱도와 채굴갱내에 산소의 유입과 물에 의한 광상의 산화로 수분이 pH4 이하의 산성을 띄고 있다. 이에 따라 금속광산배수는 강우 등에 의해 인근의 지하수를 오염시키고, 주변 토양을 오염시키는 주요 원인이 될 뿐만 아니라 금속광산 주변의 경작지에서 생산되는 농작물에 대한 오염을 유발시켜 결과적으로 사람과 동식물에 피해를 주고 있다.

한편으로 금속광산과 마찬가지로 석탄광산으로부터 유출되는 물이나 슬러지 또한 지하수, 하천, 토양 등의 오염원으로 인식되고 있어, 이에 대한 효율적인 처리가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 금속광산으로부터 배출되는 수분을 석탄광산슬러지와 반응시킴에 따라 그 금속광산 유출수 내 포함된 중금속을 석탄광산슬러지에 고착시켜 정화가능한 석탄광산 슬러 지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 석탄광산배수를 중화반응조에서 Ca(OH)2 및 소석회와 반응시킨 다음에 제1 침전조에서 고액분리시킴으로써 획득된 석탄광산슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 슬러지분말제작단계와; 상기 슬러지분말제작단계를 통해 획득된 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 반응조에서 교반시켜 슬러리화함으로써 상기 금속광산배수의 금속물질을 상기 석탄광산슬러지 분말에 고착시키는 금속물질고착단계와; 상기 금속물질고착단계를 통해 생성된 슬러리를 제2 침전조에서 고액상태로 분리하는 고액분리단계와; 상기 고액분리단계를 통해 분리된 액체를 샌드필터로 통과시켜 여과하는 액체필터링단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편으로 석탄광산배수를 전기정화반응조를 거친 다음에 제1 침전조에서 고액분리시킴으로써 획득된 석탄광산슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 슬러지분말제작단계와; 상기 슬러지분말제작단계를 통해 획득된 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 반응조에서 교반시켜 슬러리화함으로써 상기 금속광산배수의 금속물질을 상기 석탄광산슬러지 분말에 고착시키는 금속물질고착단계와; 상기 금속물질고착단계를 통해 생성된 슬러리를 제2 침전조에서 고액상태로 분리하는 고액분리단계와; 상기 고액분리단계를 통해 분리된 액체를 샌드필터로 통과시켜 여과하는 액체필터링단계;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

추가적으로 상기 금속물질고착단계는 상온에서 10분 내지 5시간 동안 지속되고, 상기 고액분리단계는 2시간 내지 24시간동안 지속되며, 상기 슬러지분말제작단계 이전이나 상기 슬러지분말제작 및 금속물질고착단계 사이에는 상기 금속광산배수를 폭기시켜 상기 금속광산배수 내 Fe²⁺를 Fe³⁺로 하여 침전시킴으로써 제거하는 폭기단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 금속광산배수의 금속물질을 석탄광산슬러지 분말에 고착시키기 위해 상기 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수가 교반되어 슬러리화되는 반응조와; 상기 반응조 하부에 설치된 공급파이프를 통해 상기 반응조의 슬러리가 공급되어 고액상태로 분리되고, 분리된 액체를 외부로 배출하기 위한 복수개의 제1 배출파이프가 수직방향을 따라 복수개 설치되며, 분리된 고체를 외부로 배출하기 위한 제2 배출파이프가 하부에 설치되는 제2 침전조와; 상기 제2 침전조의 제1 배출파이프를 통해 배출된 액체가 통과됨으로써 정화되는 샌드필터;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편으로 상기 샌드필터에 사용되는 모래의 입자크기는 0.2mm 내지 7.0mm이 고, 상기 샌드필터의 저면에는 유리섬유막이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치는 석탄광산슬러지를 물리화학적 또는 전기정화 방식에 따라 분말화한 다음으로 이를 금속광산배수와 교반시켜 금속광산배수 내 중금속 성분을 석탄광산슬러지 분말에 고착시키고 침전조에서 별도로 분리된 액체를 다시 샌드필터를 통해 여과시킴으로써, 중화제 투입이 요구되지 않음과 동시에 단순한 프로세스로 금속광산배수를 정화할 수 있다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 및 장치를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법을 도시한 순차도이고, 도 2는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 중 중화반응조를 통해 석탄광산 슬러지분말을 제작하는 과정을 도시한 흐름도이며, 도 3은 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 중 전기정화반응조를 통해 석탄광산 슬러지분말을 제작하는 과정을 도시한 흐름도이다.

본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법은 기본적으로 석탄광산슬러지를 분말화하는 단계(S10 또는 SS10)와, 그 분말과 금속광산배수를 반응조(30)에서 교반시켜 석탄광산슬러지 분말에 금속광산배수의 중금속을 고착시키는 단계(S20)와, 금속물질고착단계(S20)를 통해 생성된 슬러리를 고액상태로 분리하는 단계(S30)와, 고액분리단계(S30)에서 분리된 액체를 샌드필터(50)로 여과시키는 단계(S40)로 구성된다.

상기 슬러지분말제작단계(S10 또는 SS10)는 물리화학적 단계와 전기정화단계에 따른 2가지 방식으로 구분될 수 있는데, 전자는 석탄광산배수를 중화반응조(10)에서 Ca(OH)₂및 소석회와 반응시킨 다음에 제1 침전조(20)에서 침전된 슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 단계이고, 후자는 석탄광산배수를 전기정화반응조(60)를 거친 다음으로 제1 침전조(20)에 침전된 슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 단계이다. 한편으로 석탄광산슬러지 분말은 단순히 슬러지를 수집하여 소정기간동안 건조시킨 후, 그 건조된 슬러지를 체를 통해 걸러냄으로써 일정크기의 슬러지 분말을 획득할 수도 있다. 상기된 바에 따라 얻어진 석탄광산슬러지 분말의 평균적인 화학적 특성은 표2와 같다.

Item	pH	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	TiO₂	MnO	P₂O₅
석탄 광산 슬러지	8.3	6.65	0.52	64.74	8.60	0.32	0.13	0.08	0.02	0.38	0.11

표2-석탄광산 슬러지 분말의 화학적 특성(단위: 중량%)

상기 금속물질고착단계(S20)는 슬러지분말제작단계(S10 또는 SS10)를 통해 획득된 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 교반기가 구비된 반응조(30)에서 상온에서 10분 내지 5시간동안 교반하여 슬러리화함으로써 그 금속광산배수에 포함된 중금속 성분을 석탄광산슬러지 분말에 고착시키기 위한 단계이다.

상기 금속물질고착단계(S20)에서 이루어지는 석탄광산 슬러지 분말의 흡착력을 평가하기 위하여 회분식 실험을 통해 Freundlich 등온 흡착식의 상수를 얻고자 비표면적(Specific surface area) 151 m²/g, 공극직경(Average pore diameter) 67.9246 Å, 공극체적(Pore volume) 0.25651 cm³/g, pH 8.3, 수분함량(Moisture content) 40.85%인 석탄광산 슬러지를 사용하여 등온 흡착력을 확인하였다(슬러지 양: 500 mL 오염수/ 5, 10, 20, 30, 40g 슬러지). 상온에서 1L 용기에 동일한 양의 시료를 넣고 슬러지를 5-40g 의 범위에서 첨가하여 24시간동안 일정 시간 간격으로 시료를 채취하여 Cu, Cr, Ni Pb, As, Zn, Cd 등의 중금속을 분석하였고, 슬러지의 투입량을 5g에서 40g 의 범위가 되도록 하였을 때 초기 Cu 의 경우 초기농도 25,500 ppb에서 2시간 후에는 74 ppb, 3 ppb, 2 ppb, 1 ppb, 1 ppb로 나타났고, Zn의 경우 초기 농도 44,040 ppb에서 2시간 후에는 15,830 ppb, 30 ppb, 8 ppb, 0 ppb, 0 ppb로 나타났다. 다른 중금속의 경우도 5시간 내에 모두 0 ppb로 나타났다. 이에 따라 농도가 높은 Cu, Zn를 대상으로 Freundlich 등온 흡착 방정식을 적용하여 흡착능을 평가하였다. 슬러지 흡착 실험 결과 평형도달 시간은 약 2시간이었으며 등온흡착방정식은 Freundlich식을 적용하였다. 아래 식은 Freundlich식을 나타낸 것으로 이때 k값이 커지면 흡착능이 커지고, 1/n의 값이 0.1-0.5일 때 흡착이 용이하며, 1/n값이 2보다 크면 흡착이 어렵다고 보고되어 있다.

여기서 X: 흡착된 기질의 양; 단위: mg

M: 슬러지의 양; 단위: g

C: 기질의 평형도달 농도: mg/L

k, n: 상수

Cu의 경우 도 3에서 k값은 9.063, 1/n 값은 0.432이었고, Zn의 경우 도 4에서 k값은 2.233, 1/n 값은 0.154 이었다. 도 5를 참조로 하면, Cd과 Pb의 초기 농도는 각각 0.124 mg/L 및 1.626 mg/L 이었으나 슬러지 주입량 40g/L wastewater 일 때, 반응시간 20분만에 Cd가 0.001 mg/L, 반응시간 10분만에 Pb가 0 mg/L 로 제거되었다.

한편으로 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 교반시키기 이전에, 예로써 슬러지분말제작단계(S10 또는 SS10) 이전 또는 슬러지분말제작단계(S10 또는 SS10) 및 금속물질고착단계(S20) 사이에는 Fe, Mn 등과 같은 +2가 이온이 공기와 접촉하면 산화되어 수산화물로 생성 및 침전되는 원리를 이용하여 금속광산배수를 폭기시켜 그에 포함된 Fe²⁺를 Fe³⁺로, Mn²⁺를 Mn³⁺로 하여 침전시킴으로써 제거하는 폭기단 계(S50)가 더 포함될 수 있으며, 이러한 폭기단계(S50)는 2<pH<4.5 범위에서 이루어지는 것이 바람직한 것으로 공지되어 있다.

상기 고액분리단계(S30)는 금속물질고착단계(S20)를 거쳐 생성된 슬러리를 제2 침전조(40)에서 최소 2시간에서 최대 24시간까지 체류시킴으로써 고체 및 액체상태로 분리하기 위한 단계이다.

상기 액체필터링단계(S40)는 고액분리단계(S30)를 통해 분리된 액체상에서 부유중인 이물질을 이하 상세히 기술되는 샌드필터(50)로 통과시켜 제거함으로써 최종적으로 여과된 물을 배출하기 위한 단계이다.

도 4는 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 장치를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 장치는 석탄광산 슬러지 분말과 금속광산 배수를 슬러리화하기 위한 반응조(30)와, 반응조(30)에 생성된 슬러리를 고액상태로 분리하는 제2 침전조(40)와, 제2 침전조(40)로부터 배출되는 액체를 여과시키는 샌드필터(50)로 구성된다.

상기 반응조(30)는 이에 주입된 금속광산배수의 중금속 성분과 같은 금속물 질을 석탄광산 슬러지 분말에 고착시키기 위해 금속광산배수와 석탄광산 슬러지 분말을 슬러리화하도록 120rpm/min의 교반기로 교반하여 하부에 설치된 공급파이프(31)를 통해 제2 침전조(40)로 배출하기 위한 수단이다.

상기 제2 침전조(40)는 반응조(30)에 설치된 공급파이프(31)를 통해 슬러리를 공급받아 그 슬러리를 소정기간동안 제2 침전조(40)에 체류시킴으로써 고체 및 액체상태로 분리하여, 분리된 액체는 제2 침전조(40)에 수직방향을 따라 복수개가 설치된 제1 배출파이프(41)를 통해 샌드필터(50)로 배출되고 분리된 고체는 제2 침전조(40)의 하부에 설치된 제2 배출파이프(42)를 통해 외부로 배출된다.

상기 샌드필터(50)는 제2 침전조(40)의 제1 배출파이프(41)를 통해 배출된 액체를 여과시키기 위한 수단으로, 샌드필터(50)에 사용되는 모래의 입자크기는 0.2mm 내지 7.0mm으로 하여 샌드필터(50)에 모래가 충전된 부피와 동일한 체적을 갖는 제2 침전조(40)의 분리된 액체가 샌드필터(50)를 통과하는데 걸리는 시간은 최소 10초에서 최대 30분까지로 한다. 한편으로 샌드필터(50)를 통해 걸러진 미세한 여과물은 종래에 공지된 역세척(back washing)과 같은 방식을 통해 주기적으로 제거될 수 있고, 이에 따라 샌드필터(50)의 스로우 레이트를 지속적으로 일정수준 내에 있도록 유지할 수 있다. 추가적으로 내화, 내습성, 화학적 내구성 등이 우수하며, 직경이 40∼150μm인 유리섬유를 사용하여 제작된 유리섬유막(51)을 샌드필터(50)의 저면에 배치함으로써 샌드필터(50)의 여과 기능을 향상시킬 수 있다.

상기된 공급파이프(31)와 제1 및 제2 배출파이프(41, 42)에 각각 모터를 및 개폐밸브를 설치함으로써 기계적으로 슬러리나 이의 고액분리된 물질의 이동을 제어할 수 있고, 반응조(30) 하측에 제2 침전조(40)가 위치되도록 하고 제2 침전조(40)의 제1 배출파이프(41) 하측으로 샌드필터(50)를 배치함으로써 단순히 개폐밸브의 작동만으로도 중력의 작용에 따라 슬러지나 이의 고액분리된 물질의 이동을 제어하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법을 도시한 순차도.

도 2는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 중 중화반응조를 통해 석탄광산 슬러지분말을 제작하는 과정을 도시한 흐름도.

도 3은 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법 중 전기정화반응조를 통해 석탄광산 슬러지분말을 제작하는 과정을 도시한 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 장치를 도시한 도면.

Claims

석탄광산배수를 중화반응조(10)에서 Ca(OH)₂ 및 소석회와 반응시킨 다음에 제1 침전조(20)에서 고액분리시킴으로써 획득된 석탄광산슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 슬러지분말제작단계(S10)와;

상기 슬러지분말제작단계(S10)를 통해 획득된 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 반응조(30)에서 교반시켜 슬러리화함으로써 상기 금속광산배수의 금속물질을 상기 석탄광산슬러지 분말에 고착시키는 금속물질고착단계(S20)와;

상기 금속물질고착단계(S20)를 통해 생성된 슬러리를 제2 침전조(40)에서 고액상태로 분리하는 고액분리단계(S30)와;

상기 고액분리단계(S30)를 통해 분리된 액체를 샌드필터(50)로 통과시켜 여과하는 액체필터링단계(S40);로 구성되며,

상기 금속물질고착단계(S20)는 상온에서 10분 내지 5시간 동안 지속되고,

상기 고액분리단계(S30)는 2시간 내지 24시간동안 지속되는 것을 특징으로 하는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법.
석탄광산배수를 전기정화반응조(60)를 거친 다음에 제1 침전조(20)에서 고액분리시킴으로써 획득된 석탄광산슬러지를 농축탈수하여 분말화하는 슬러지분말제작단계(SS10)와;

상기 슬러지분말제작단계(SS10)를 통해 획득된 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수를 반응조(30)에서 교반시켜 슬러리화함으로써 상기 금속광산배수의 금속물질을 상기 석탄광산슬러지 분말에 고착시키는 금속물질고착단계(S20)와;

상기 금속물질고착단계(S20)를 통해 생성된 슬러리를 제2 침전조(40)에서 고액상태로 분리하는 고액분리단계(S30)와;

상기 고액분리단계(S30)를 통해 분리된 액체를 샌드필터(50)로 통과시켜 여과하는 액체필터링단계(S40);로 구성되며,

상기 금속물질고착단계(S20)는 상온에서 10분 내지 5시간 동안 지속되고,

상기 고액분리단계(S30)는 2시간 내지 24시간동안 지속되는 것을 특징으로 하는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법.
삭제
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 슬러지분말제작단계(S10 또는 SS10) 이전이나 상기 슬러지분말제작(S10 또는 SS10) 및 금속물질고착단계(S20) 사이에는 상기 금속광산배수를 폭기시켜 상기 금속광산배수 내 Fe²⁺를 Fe³⁺로 하여 침전시킴으로써 제거하는 폭기단계(S50)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 방법.
금속광산배수의 금속물질을 석탄광산슬러지 분말에 고착시키기 위해 상기 석탄광산슬러지 분말과 금속광산배수가 교반되어 슬러리화되는 반응조(30)와;

상기 반응조(30) 하부에 설치된 공급파이프(31)를 통해 상기 반응조(30)의 슬러리가 공급되어 고액상태로 분리되고, 분리된 액체를 외부로 배출하기 위한 복수개의 제1 배출파이프(41)가 수직방향을 따라 복수개 설치되며, 분리된 고체를 외부로 배출하기 위한 제2 배출파이프(42)가 하부에 설치되는 제2 침전조(40)와;

상기 제2 침전조(40)의 제1 배출파이프(41)를 통해 배출된 액체가 통과됨으로써 정화되는 샌드필터(50);로 구성되며,

상기 샌드필터(50)에 사용되는 모래의 입자크기는 0.2mm 내지 7.0mm인 것을 특징으로 하는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 장치.
삭제
청구항 6에 있어서,

상기 샌드필터(50)의 저면에는 유리섬유막(51)이 설치되는 것을 특징으로 하는 석탄광산 슬러지를 사용하여 금속광산 배수를 정화하는 장치.