KR101041954B1 - 산성 폐수 처리용 반응기 및 이를 이용한 산성 폐수 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산성 폐수 처리용 반응기와 이를 이용한 산성 폐수 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기는 산성 폐수와, 산성 폐수를 중화시키기 위한 중화제 및 산성 폐수 내 오염물과 중화제가 반응하여 침전된 슬러지를 수용하며, 슬러지를 반출하기 위한 반출구와 슬러지의 상부에 위치한 상등수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응기 본체, 반응기 본체의 하부로부터 반응기 본체의 상부로 연장된 반송파이프라인과, 반송파이프라인에 설치되어 상기 침전된 슬러지를 반송파이프라인을 따라 상부로 이송시키는 구동력을 제공하는 구동원을 포함하는 반송유닛을 포함하며,
본 발명에 따른 산성 폐수 처리방법은 산성 폐수와 중화제를 반응기 본체에 유입시켜 중화반응 및 침전반응을 일으키며, 침전반응에 의하여 침전된 슬러지를 반출하여 반응기 본체의 상부로 다시 유입시켜 반송함으로써 침전반응을 가속화하는 반응단계, 산성 폐수와 중화제의 투입 및 슬러지의 반송을 중지하고 슬러지가 침전되어 고체와 액체를 상호 분리시키는 고액분리단계 및 고액분리단계에서 슬러지의 상부에 위치하며 처리가 완료된 상등수를 배출구를 통해 배출시키고, 슬러지의 일부를 반출구를 통해 인발시키는 방류단계를 구비하는 것에 특징이 있다.

Description

산성 폐수 처리용 반응기 및 이를 이용한 산성 폐수 처리방법{Acid waste water neutralization treatment apparatus and method for treating acid waste water using the same}

본 발명은 폐수 처리장치에 관한 것으로서, 특히 폐광에서 발생되는 광산배수 등과 같이 폐수가 산성이며 중금속이 많이 함유된 폐수에 적용되는 산성 폐수 처리용 반응기 및 산성 폐수 처리방법에 관한 것이다.

휴,폐광된 광산으로 인하여 발생되는 환경오염으로는 지반 침하, 폐석과 광미의 유실로 인한 하천 매몰 및 토양의 중금속 오염, 갱구 유출수와 폐석 침출수에 의한 수질오염 등을 들 수 있다. 특히, 지하 석탄광 폐석 더미나 채굴적으로부터 나오는 이른바 산성광산배수(AMD, Acid Mine Drainage)에 의한 주변환경 및 수계의 오염은 매우 심각하게 나타나고 있다.

산성광산배수는 대기 중에 노출된 황철석(FeS₂), 백철석(FeS) 등의 황화광물이 산소 및 물과 반응하여 산화되면서 형성되는데, pH가 낮아 산성을 띠고 있으며, 철, 알루미늄, 망간 등 중금속이 다량 함유되어 있다는 특징이 있다.

황철석의 산화반응은 다음 식들과 같다.

FeS₂ + 7/2O₂ + H₂O → Fe^{2 +} + 2SO₄ ^{2 -} + 2H⁺

Fe^{2 +} + 1/4O₂ + H⁺ → Fe^{3 +} + 1/2H₂O

Fe^{3 +} + 3H₂O → Fe(OH)₃(s) + 3H⁺

FeS₂ + Fe^{3 +} + 8H₂O → 15Fe^{2 +} + 2SO₄ ^{2 -} + 16H⁺

위 식에서 나타난 바와 같이, 황철석은 산화되면서 철 이온 및 황산 이온이 발생되고, 다량의 수소 이온을 형성함으로써 산성의 광산배수가 발생된다.

이러한 산성광산배수는 산도를 증가시킴으로써 수계의 산성화 자체로서도 주변 수계에 악영향을 끼치지만, 높은 산도에 의해 주변에 존재하는 중금속들을 용출시키고, 이 중금속들의 유동성을 증가시켜 주변 수계에 중금속을 부화시킨다.

또한 증금속 이온들이 산화되어 Fe(OH)₃등의 금속 수산화물로 침전되어 하천바닥에 적갈색(yellow boy 현상) 또는 백색의 침전물을 발생시켜 미관을 해치게 된다.

이러한 산성광산배수의 정화방법은 크게 적극적 처리법(actvetreatment)과 소극적 처리법(passive treatment)으로 나뉘어진다. 즉, 오염부하가 작은 경우 SAPS(Successive Alkalinity Producing System), 호기성 소택지 등을 혼합한 자연정화시설을 설치하여 소극적 처리법으로 갱내수 수질개선을 하고 있다. 그러나 오염부하가 큰 광산배수처리를 위해서는 부지확보의 어려움 등으로 전기화학적 방법 및 중화침전처리시설 등 적극적 처리법이 적용된다.

그러나 중화침전방식의 적극적 처리법은 수산화나트륨 등의 고가의 중화제가 사용됨으로써 유지관리에 있어 비경제적이라는 문제점이 있었는 바, 근래에는 중화제로서 비교적 저가이며 구입이 용이한 소석회(Ca(OH₂))가 많이 사용되고 있다.

도 1에는 종래의 소석회를 이용한 중화처리장치의 공정순서가 도시되어 있다. 소석회를 이용한 중화처리방법은 현장조건에 따라서 상당히 복잡한 공정으로 구성될 수도 있지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 중화제와 원수를 중화반응조에 투입하여 중화반응을 수행한 후, 침전조에서 슬러지를 침전시키고 상등수는 처리수로 반출하고 슬러지는 별도의 탈수공정을 거쳐 처리된다. 그러나 이와 같이 공정을 수행하게 되면 슬러지의 함수율이 높고 밀도가 낮아 슬러지의 처리에 문제가 있으며, 슬러지 내에는 소석회가 다량 함유되어 있어 중화제가 낭비되는 문제가 있었다.

이에 슬러지의 일부를 다시 중화반응조로 반송시켜 원수와 반응시키는 방식이 개발되면서, 반응의 가속화, 슬러지 밀도의 증대 및 중화제의 경제적 사용이라는 기술적 과제를 해결하였다.

그러나 종래의 슬러지 반송형 중화처리장치는 연속처리방식을 적용하여 가장 기본적인 형태에서도 원수유입조, 중화반응조 침전조 및 방류조 등 적어도 3,4개의 조가 요구되어 장치가 복잡해질 뿐만 아니라, 복잡한 장치들을 설치하기 위해서는 넓은 처리부지가 필요하여 입지조건에 많은 한계가 있었다.

또한 종래의 연속처리방식의 장치는 대규모 설비로서 광산배수의 양이 많은 경우에는 적합하지만, 하루 1000톤 이하로 광산배수의 양이 적은 경우에는 적합하지 않은데, 우리나라와 같은 산간 지형을 가지는 폐광에서는 1000톤 이하의 작은 용량의 광산배수가 다수의 영역에서 발생하는 바 기존의 대규모 처리방식으로는 대응이 곤란하다는 문제점이 있다.

또한 연속식 중화처리장치의 경우 대규모의 설비가 현장에서 만들어져야 하는데, 산악지형 조건에서 장치를 설비하는데 많은 어려움이 있었다.

이에 한국의 폐광과 같이 산악지형에 위치하면서, 오염부하는 크지만 배수량의 규모는 작은 조건에 적합한 광산배수 또는 산성폐수의 중화처리장치 및 중화처리방법의 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산성 폐수를 매우 빠른 속도로 중화처리할 수 있으면서도, 장치가 소형화 및 모듈화되어 산악지형과 같은 협소한 면적에서도 설치가 용이하며, 소규모 용량의 광산배수를 처리하기에 적합한 산성 폐수 처리용 반응기 및 산성 폐수 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기는 산성 폐수와, 상기 산성 폐수를 중화시키기 위한 중화제 및 상기 산성 폐수 내 오염물과 상기 중화제가 반응하여 침전된 슬러지를 수용하며, 상기 슬러지를 반출하기 위한 반출구와 상기 슬러지의 상부에 위치한 상등수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응기 본체를 구비한다. 그리고 상기 반응기 본체의 하부로부터 상기 반응기 본체의 상부로 연장된 반송파이프라인과, 상기 반송파이프라인에 설치되어 상기 침전된 슬러지를 상기 반송파이프라인을 따라 상부로 이송시키는 구동력을 제공하는 구동원을 포함하는 반송유닛이 마련된다. 또한 상기 배출구의 개방 정도를 조절하여 상기 반응기 본체에서 처리 완료된 상등수의 배출수위를 결정하도록 상기 배출구에 상하방향으로 이동되게 결합되는 셔터를 구비하며, 상기 침전된 슬러지를 교반하여 상기 슬러지가 고화되는 것을 방지하도록 상기 반응기 본체의 하부에 회전가능하게 결합되는 슬러지 혼합기와, 상기 산성 폐수와 중화제가 혼합되도록 상기 반응기 본체에 회전가능하게 결합되는 교반기 및 상기 산성 폐수와 중화제가 혼합된 영역에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치를 구비한다.

또한 본 발명에 따른 산성 폐수 처리방법은 상기한 산성 폐수 처리용 반응기를 이용하는데, 상기 산성 폐수와 상기 중화제를 상기 반응기 본체에 유입시켜 상기 산성 폐수와 상기 중화제 사이에 중화반응 및 침전반응을 일으키며, 상기 침전반응에 의하여 침전된 슬러지를 반출하여 상기 반응기 본체의 상부로 다시 유입시켜 반송함으로써 상기 침전반응을 가속화하는 반응단계와, 상기 산성 폐수와 중화제의 투입을 중지하고 상기 슬러지의 반송을 중지하고 상기 슬러지가 침전되어 고체와 액체를 상호 분리시키는 고액분리단계 및 상기 고액분리단계에서 상기 슬러지의 상부에 위치하며 처리가 완료된 상등수를 상기 배출구를 통해 배출시키고, 상기 슬러지의 일부를 상기 반출구를 통해 인발시키는 방류단계를 구비하는 것에 특징이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응단계에서 침전된 슬러지 중 반출되어 다시 상기 반응기에 유입되는 슬러지 총 부피는 상기 반응기 본체로 유입되는 폐수의 부피 대비 15~45%이며, 상기 반응단계에서 상기 폐수와 중화제가 혼합되어 있는 영역의 pH를 측정하며, 상기 pH가 8.0 ~ 9.0 사이를 유지하도록 한다.

또한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 고액분리단계가 완료된 후 상기 산성 폐수 처리용 반응기에는 상기 슬러지 위에 미세 부유물을 포함하고 있는 폐수가 위치한 중간층과, 상기 중간층의 상부에 폐수처리가 완료된 상등수가 위치한 상부층으로 분리되며, 상기 반응기의 배출구에는 상하방향으로 이동되며 상기 배출구의 개방 정도를 조절하는 셔터가 결합되며, 상기 방류단계에서는 상기 셔터의 하강 정도를 조절하여 상기 반응기의 상부층에 위치한 상등수만을 방류한다.

또한 본 발명의 일 실시예에서는 상기 방류단계에서는 상기 반응기에 침전된 총 슬러지 중 20 ~ 40% 부피의 슬러지만 인발하여 배출시키고, 나머지 슬러지는 후속적으로 유입되는 산성 폐수의 처리에 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기를 이용한 산성 폐수 처리방법에서는 중화와 침전이 함께 수행됨으로써, 중화와 침전이 다른 조에서 분리되어 진행될 수 밖에 없는 연속식 공정에 비하여 폐수 처리 속도가 현저하게 빠르다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기는 하나의 조 내에서 중화, 침전 및 방류의 모든 공정이 이루어지므로 폐수처리설비의 부지가 좁은 경우에도 효과적으로 설치가 가능하며, 폐수의 일일 발생량이 작은 지역에서도 경제적으로 설치할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 연속식 공정에 비하여 처리 완료되어 방류되는 폐수의 수질이 일정하게 유지되는 이점이 있으며, 이에 따라 공정관리가 매우 용이하다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 산성폐수 처리용 반응기는 소형으로 모듈화되어 공장에서 완제품으로 생산가능하며 현장에서는 설치만 하면 되며, 이동이 용이하다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 산성 폐수 중화처리장치의 공정 순서를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리용 반응기의 개략적 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 산성 폐수 처리용 반응기의 측면도로서 셔터의 개폐작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 반응기를 이용한 산성 폐수 처리방법의 개략적 흐름도이다.
도 5는 고액분리단계가 종료된 후의 처리 완료된 폐수가 반응기 내부에 수용된 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 함태탄광에서 배출된 산성광산배수를 대상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리방법을 적용한 실험의 결과가 나타난 표이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리용 반응기와 이를 이용한 산성 폐수 처리방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

우선, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리용 반응기의 기계적 구성에 대해서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리용 반응기의 개략적 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 산성 폐수 처리용 반응기의 측면도로서 셔터의 개폐작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리용 반응기(100)는 반응기 본체(10)와 반송유닛(20)을 구비한다.

반응기 본체(10)는 산성 폐수에 대한 중화처리가 이루어지는 곳으로서, 원통형으로 이루어지지만, 하부는 직경이 점차 작아지는 호퍼 형상이다. 반응기 본체(10)는 SS41 또는 STS304와 같은 스틸 재질로 제조된다. 반응기 본체(10) 내부로 산성 폐수와 중화제가 유입되어 상호 반응하면서 산성 폐수는 중화되고 산성 폐수 내의 중금속 등은 수산화물로 되어 슬러지 형태로 침전된다.

반응기 본체(10)의 최하단에는 후술할 슬러지(g)가 반출되기 전에 일시적으로 수용되는 수용부(11)가 형성되며, 수용부(11)에는 후술할 반송파이프라인(21)과 연결되는 반송구(13)와 후술할 인발파이프라인(22)과 연결되는 반출구(14)가 형성된다. 후술하겠지만 반송구(13)는 슬러지(g)를 다시 반응기 본체(10)의 상부로 유입시키기 위해서 슬러지(g)를 배출시키기 위한 출구며, 반출구(14)는 슬러지(g)를 인발하여 최종적으로 처리하기 위해서 배출시키기 위한 출구다.

본 실시예에서는 반송구(13)와 반출구(14)가 별도로 형성되어 있지만, 다른 실시예에서는 슬러지가 배출될 수 있는 하나의 출구만 형성하고, 이송파이프라인을 분기하여 하나는 슬러지의 반송을 위한 라인으로 사용하고 다른 하나는 반송라인으로 사용할 수도 있다.

또한 반응기 본체(10)의 상부에는 처리가 완료된 상등수를 배출하기 위한 배출구(15)가 형성된다. 배출구(15)는 반응기 본체(10)의 둘레방향을 따라 복수 개 마련되어 상등수의 배출 시간을 단축시킨다. 그리고 배출구(15)를 개방 및 폐쇄시키는 셔터(30)가 각 배출구(15)에 결합된다.

셔터(30)는 배출구(15)에 상하방향으로 이동가능하게 결합됨으로써 배출구(15)의 개방 정도를 결정한다. 산성 폐수와 중화제 사이의 반응이 완료된 후 슬러지가 최종적으로 침전되고 나면 반응기 본체(10)에는 3개의 층이 형성된다. 즉, 반응기 본체(10)의 하단부에는 슬러지(g)가 침전되어 있는 슬러지층(S1)과, 슬러지층의 상부에는 처리 완료된 폐수(이하 처리수라 한다)에 미세 부유물이 일부 포함되어 있는 중간층(S2)이 존재하며, 중간층(S2) 위에는 미세 부유물이 거의 포함되어 있지 않은 처리수인 상등수만 존재하는 상부층(S3)이 놓여진다.

후술할 본 발명에 따른 산성 폐수 처리방법에서는 폐수에서 침전이 완료되면 상부층(S3)에 있는 상등수만을 배출시키고 중간층에 있는 처리수는 잔존시킨다. 이에 셔터(30)가 중간층(S2)의 바로 위의 수심까지만 열려야 상등수만 배출될 수 있다. 이에 셔터(30)는 처리수가 배출되는 수위를 조절할 수 있도록 배출구(15)에서 상하방향으로 움직이게 구성된다. 셔터(30)를 상하방햐으로 움직이게 하는 구성은 다양할 수 있으며, 도시하지는 않았지만 예컨대 모터와 볼스크류에 의하여, 또는 유압펌프에 의하여 셔터(30)의 상하방향 이동량을 조절할 수 있다.

반송유닛(20)은 반송파이프라인(21)과 구동원을 구비한다. 반송파이프라인(21)은, 앞에서 설명한 바와 같이, 반응기 본체(10)의 하단에 있는 수용부(11)에 형성된 반송구(13)와 연통되며 반응기 본체(10)의 상부로 연장된다. 수용부(11)에 침전되어 있는 슬러지(g)는 반송파이프라인(21)을 통해 다시 반응기 본체(10)의 상부로 유입되는 구조이다.

반응기 본체(10)의 하부에 있던 슬러지(g)를 상부로 끌어 올리기 위한 구동원으로서 펌프 등 다양한 장치가 사용될 있으며, 본 실시예에서는 송풍기(23)를 사용한다. 즉, 송풍기(23)는 제1연결라인(25)을 통해 반송파이프라인(21)에 연결되는데, 제1연결라인(25)을 통해 반송파이프라인(21)의 내측으로 바람을 불어 넣으면 반송파이프라인(21) 내에 압력구배가 발생하여 슬러지(g)는 반응기 본체(10)의 상부쪽으로 이동되어 반응기 본체(10)의 내부로 유입된다. 송풍기(23)는 바람을 일정하게 발생시키므로 슬러지(g)도 계속 일정한 양으로 반송되어, 반응기 본체(10)로 유입된다.

또한 송풍기(23)는 제2연결라인(26)을 통해 인발파이프라인(22)과도 연결된다. 즉, 제2연결라인(26)은 제1연결라인(25)으로부터 분리되어 인발파이프라인(22)으로 연결되는데, 밸브(미도시)를 통해 송풍기(23)로부터 발생된 바람을 반송파이프라인(21)과 인발파이프라인(22)으로 선택적으로 공급할 수 있다. 송풍기(23)에서 나온 바람이 인발파이프라인(23)으로 향하게 선택하는 경우 슬러지(g)가 외부로 배출되며, 반송파이프라인(21)으로 향하게 선택하는 경우 슬러지(g)가 반응기 본체(10)의 상부로 향하게 된다.

본 실시예에서 송풍기(23)는 반송유닛의 구동원으로도 사용되지만 슬러지(g)를 외부로 인발하기 위한 인발유닛으로도 사용된다. 즉, 본 실시예에서 인발유닛은 송풍기(23)와 인발파이프라인(22)으로 구성된다.

한편, 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기(100)는 교반기(40)와 공기공급장치(50) 및 슬러지 혼합기(60)를 구비한다.

교반기(40)는 산성 폐수와 중화제를 반응기 본체(10) 내에서 고르게 혼합하기 위한 것으로서, 회전축(41)과 팬(42)을 구비한다. 회전축(41)은 외부의 모터(43)와 연결되어 정역방향으로 회전되며, 팬(42)은 회전축(41)의 단부에 결합되어 회전하면서 산성 폐수와 중화제를 교반한다. 본 실시예에에서 교반기(40)는 복수 개 마련되어 중화제와 산성 폐수의 혼합을 촉진시킨다.

공기공급장치(50)도 산성 폐수에 공기를 공급함으로써 중화반응을 촉진시키는 역할을 수행함과 동시에 공기가 불어 넣어지면서 산성 폐수와 중화제를 교반하는 역할도 수행한다. 공기공급장치는 공기공급라인(50)이 송풍기(23)와 연결되어 이루어진다. 즉, 공기공급라인(50)은 제1연결라인(25)과 연결되며, 송풍기(23)에서 제1연결라인(25)과 공기공급라인(50)을 통해 반응기 본체(10) 내부로 공기를 공급하는 구조이다.

폐수처리공정에서는 슬러지(g)의 반송과 공기의 공급은 함께 이루어져야 하므로, 이 경우에는 송풍기(23)에서 나온 바람이 인발파이프라인(22)으로 향하지 못하도록 인발파이프라인(22)의 밸브(미도시)를 폐쇄시키며, 공기공급라인(50)과 반송파이프라인(21)의 밸브는 개방시킨 상태로 사용하면 송풍기(23)의 바람은 공기공급라인(50)과 반송파이프라인(21)을 통해 주입된다. 역으로 슬러지(g)를 인발하는 경우에는 공기공급과 슬러지 반송이 중지되어야 하므로, 공기공급라인(50)과 반송파이프라인(21)은 폐쇄시킨 상태에서 인발파이프라인(22)의 밸브를 개방시켜 사용하면 된다.

슬러지 혼합기(60)는 반응기 본체(10)의 하부로 침전된 슬러지(g)가 고화되는 것을 방지하도록 슬러지(g)를 교반해주는 작용을 한다. 슬러지(g)가 고화되면 슬러지의 반송과 인발이 용이하지 않기 때문에 계속적으로 침전된 슬러지(g)를 휘저어 주어야 한다.

슬러지 혼합기(60)는 구동모터(61)와 구동축(62)과 교반체(63)를 구비한다. 구동모터(61)는 반응기 본체(10)의 외부에 설치되며, 구동축(62)은 수직하게 배치되어 상단은 구동모터(61)에 연결되며, 하단은 수용부(11)의 바닥에 설치된 베어링(b)에 회전가능하게 지지된다. 교반체(63)는 구동축(62)에 수평한 방향으로 결합되어 회전되면서 슬러지(g)를 휘저어준다.

상기한 구성의 산성 폐수 처리용 반응기(100)에서 산성 폐수의 유입, 중화제의 투입, 교반기(40)와 공기공급장치(50) 및 슬러지 혼합기(60)의 작동 등 모든 구동에 관련된 사항은 이들 구성요소들과 전기적으로 연결되어 있는 콘트롤러(미도시)에 의하여 조절된다. 콘트롤러에는 위 구성요소들의 작동조건들과 변수들에 대해서 프로그램되어 있어 설정된 조건에 맞게 각 구성요소들의 구동을 조절하게 된다.

한편, 반응기 본체(10)의 내부에는 pH센서(미도시)가 설치되어 폐수의 pH를 계속적으로 감지하여 외부의 콘트롤러에 전기적 신호를 송출한다. 처리하는 폐수의 종류에 따라 적정 pH는 다르게 정해지지만 일반적으로 국내의 산성광산배수의 조건에서는 대략 pH8.5 정도를 유지하도록 설정된다. 콘트롤러에서는 pH센서로부터 신호를 받아 pH가 설정된 값에 비하여 높은 경우 중화제가 상대적으로 적게 투입되도록 중화제 투입장치를 제어하며, 역으로 pH가 설정된 값에 비하여 낮은 경우 중화제를 상대적으로 많이 투입하게 한다.

상기한 구성의 산성 폐수 처리용 반응기(100)는 하나의 반응기 내에서 중화 및 침전이 함께 이루어진다. 기존의 연속식 반응기의 경우 중화반응조, 침전조 및 방류조가 각각 설치되어서 연속적으로 공정이 수행되었으나, 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기(100)는 배치(batch) 형태로 하나의 반응기 내에서 모든 공정이 이루어진다. 하나의 반응기에서 모든 공정을 수행할 수 있다고 하는 것은 부지가 좁은 경우에도 설치가능하다 것과, 폐수의 배출용량이 작은 조건에서도 소규모로 적합하게 사용될 수 있다는 것을 의미한다.

즉, 연속식 반응기의 경우 여러 개의 조를 설치하여야 하므로 설비면적이 넓게 필요한데, 국내의 폐광들은 대부분 산악지형에 있으므로 넓은 부지를 확보하는 것이 용이하지 않다. 또한 국내의 환경에서는 일일 배출되는 산성 폐수의 양이 소용량인 지역이 많기 때문에 대규모의 시설이 필요하지 않은 경우가 대부분이다.

결국, 대규모 용량의 폐수 처리에 적합하고 설비면적도 넓게 요구되는 기존의 연속식 반응기는 국내의 환경에서는 적합하지 않으며, 본 발명과 같이 배치형 타입으로 하나의 반응기에서 모든 공정이 이루어지는 반응기가 적합하다고 할 것이다. 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기는 일일 폐수 발생량이 1,000톤 이하의 소규모에 적합한 규격으로 제조된다.

그리고 폐수의 발생량이 큰 일부 지역에서는 본 발명과 같은 배치형 반응기를 병렬적으로 복수 개 배치하면 되므로, 본 발명은 대용량에도 효과적으로 대처할 수 있다.

또한 기존의 연속식 반응기의 경우 복수의 조들 중 하나가 고장나는 경우 모든 공정이 중지될 수 밖에 없으며, 부지의 한계 때문에 예비적으로 연속식 반응기를 설치할 수는 없다는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명에서는 반응기의 용량이 소규모이고 하나의 반응기에서 모든 공정이 처리되는 바, 예비적으로 반응기를 설치해 놓을 수 있으며, 유지관리가 용이하다는 이점이 있다.

한편 기존의 연속식 반응기는 복수 개의 조를 상호 연결하고, 복수의 조들 사이에 설치 조건들을 맞추어야 했으나, 본 발명에서는 하나의 반응기에서 모든 공정이 이루어지므로 모든 조건들을 공장에서 조정한 후 반응기가 출시되므로 현장에서 별도의 설치조건을 맞출 필요가 없다는 이점이 있다. 즉 반응기가 모듈화 되어 제조되므로 작동조건을 공장에서 세밀하게 조절한 후 출시되고, 현장에서는 단지 설치만 하면 된다.

이하, 도면을 참조하여, 상기한 구성으로 이루어진 산성 폐수 처리용 반응기(100)를 이용한 산성 폐수 처리방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 도 4는 도 2에 도시된 반응기를 이용한 산성 폐수 처리방법의 개략적 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 폐수 처리방법(M100)은 반응단계(M10), 고액분리단계(M20) 및 방류단계(M30)를 구비한다.

반응단계(M10)에서는 처리 대상이 되는 원수, 즉 산성 폐수를 반응기 본체(10)로 유입시킨다. 산성 폐수는 제철 폐수, 제강 폐수, 산성광산배수(AMD, Acid Mine Drainage) 등의 폐수가 적용될 수 있으며, 본 실시예에는 산성광산배수를 처리 대상으로 한다. 산성광산배수는 배경기술에서도 설명한 바와 같이, 황철석, 백철석 등의 황화광물이 산소 및 물과 반응하여 산화되면서 형성되는데, pH가 낮아 주변의 중금속이 산성광산배수 내로 용출됨으로써, 일반적으로 산도가 높고 중금속을 많이 함유한 성질을 띠게 된다. 우리나라에서 배출되는 산성광산배수는 pH가 매우 낮게 나타나지는 않고 대략 pH 6~7 정도이지만 철과 황산염을 많이 내포한 형태로 나타난다.

중화제로는 생석회(CaO) 또는 소석회(Ca(OH)₂) 등 다양한 재료가 사용될 수 있다. 소석회는 생석회에 수증기를 첨가한 형태로서 분말상으로 제조되는 것이 일반적이다. 소석회와 생석회 중 중화 효율은 생석회가 우수한 것으로 알려져 있지만 소석회는 물과 반응하여 열을 발생시키는 문제점이 있고, 소석회가 생석회에 비하여 쉽게 구할 수 있는 바, 본 실시예에서는 소석회를 중화제로 사용한다.

소석회 중화제는 분말 상태로 직접 반응기(100)에 투입될 수도 있지만, 반응기 내에서의 반응속도와 반응효율이 높아지도록 중화제 투입장치를 통해 물에 용해된 형태로 투입한다.

산성 폐수와 중화제는 상호 반응하여 산성 폐수는 중화되고, 산성 폐수 내의 중금속은 수산화물 형태로 침전되어 슬러지(g)를 형성한다. 대표적인 반응은 아래와 같다.

Ca(OH)₂ + FeSO₄ ↔ Fe(OH)₂ + CaSO₄

Ca(OH)₂ + HCO₃ ^- ↔ CaCO₃ + H₂O + OH^-

위 반응식에 나타난 바와 같이, 소석회는 황상제일철과 반응하여 철수산화물과 석고(CaSO₄)가 형성되어 슬러지로 침전된다. 또한 소석회는 탄산이온과 반응하여 탄산칼슘을 형성하며 OH^-는 산성 폐수의 산도를 중화시켜 pH를 상승시킨다.

국내의 광산에서 배출된 산성 폐수와 소석회의 반응에 의하여 침전되는 슬러지를 살펴보면 다양한 물질들이 발견되는데 특히 알루미늄, 황, 칼슘, 망간, 철이 높은 비중을 차지한다. 즉 국내 광산배수에는 황철석, 백철석 등의 황화광물에 의해 형성되는 바 황과 철의 비중이 높으며, 소석회에 의하여 칼슘 성분이 높은 비중을 차지하고, 국내 광산배수의 특성상 알루미늄과 망간 등이 많이 포함되는 것이다.

본 실시예에서는 반응단계(M10)를 30분간 유지하며, 산성 폐수는 30분간 총 2.5ton을 유입시키며, 소석회는 산성 폐수 1m³ 당 0.293g 정도를 투입한다. 소석회는 폐수를 기준으로 환산하면 총 유입되는 폐수 부피의 대략 30%의 부피이다. 다만 30%의 부피에 한정된 것은 아니며, 폐수 부피 대비 15~45%의 범위 내의 부피로 투입한다. 즉 소석회의 부피가 15% 미만이면 원하는 정도의 중화가 일어나지 않아 pH르 8.5 정도로 맞추기 어려우며, 또 소석회의 부피가 폐수 대비 45%를 초과하면 중화제의 낭비가 초래되므로 바람직하지 않기 때문이다.

소석회와 산성 폐수가 잘 혼합될 수 있도록 2대의 교반기(40)가 90rpm의 속도로 회전시키며 공기공급장치(50)를 통해 공기를 공급한다. 또한 pH 센서를 작동시켜, 산성 폐수의 pH를 8.0~9.0 정도, 정확하게는 8.5로 유지시킨다. 즉, 산성 폐수의 pH가 8.5를 초과하면 소석회의 투입량을 약간 줄이고, 역으로 pH가 8.0 미만이면 소석회 투입량을 증가시킨다.

반응단계(M10)에서 산성 폐수와 소석회가 투입되면 슬러지(g)가 침전되기 시작한다. 슬러지(g)가 일정한 양만큼 침전되면 송풍기(23)를 가동하여 슬러지(g)를 반송파이프라인(21)을 통해 반송시켜 반응기 본체(10)의 상부로 유입시킨다. 반송하는 슬러지의 부피는 대략 산성 폐수 유입량의 20% 정도이다. 또한 슬러지 혼합기(60)를 작동시켜 슬러지(g)가 고화되는 것을 방지한다.

슬러지(g)를 반송하면 폐수 내의 침전작용이 가속화된다. 즉, 이미 응집되어 침전된 슬러지가 폐수 내에서 다시 침전의 핵(core)으로 작용하기 때문에, 미세 입자들이 슬러지의 표면에 부착하면서 침전이 가속화된다.

또한 상기한 바와 같이 침전된 슬러지 내에는 반응하지 않은 소석회들이 함유되어 있으므로 슬러지를 반송하여 소석회의 투입량을 감소시킬 수 있다.

그리고 폐수 중에 부유하는 입자들이 슬러지에 부착되면서 슬러지의 밀도는 증가하므로 공정이 완료된 후 슬러지 처리시 부피가 감소되는 이점도 있다.

한편, 반응단계(M10)에서는 부유물의 침전을 촉진하도록 응집제를 투입할 수 있다. 수질환경보전법에서는 방류기준을 청정지역, (가)지역, (나)지역 등으로 나누어 놓고 있는데, 예컨대 청정지역 기준을 만족시키기 위해서는 방류수에 미세 부유물을 응집시켜야 하는 바, 본 실시예에서는 약간의 고분자폴리머를 이용하여 미세 부유물을 응집, 침전시킬 수 있다.

반응단계(M10)가 완료되면 폐수의 유입과 중화제의 투입을 중지하고 고액분리단계(M20)를 시작한다. 고액분리단계(M20)에서는 교반기(40), 공기공급장치(50) 및 송풍기(23)의 가동을 중지시키고 슬러지(g)의 반송을 중지시키면서 산성 폐수 중에 부유하고 있는 슬러지 등의 침전을 유도한다. 다만 고액분리단계(M20)에서도 침전된 슬러지(g)가 고화되는 것을 방지하고자 슬러지 혼합기(60)는 초반에 20분 정도 작동시킨다.

고액분리단계(M20)를 대략 60분 정도 수행하면 폐수로부터 더 이상의 침전이 발생하지 않는 상태가 된다. 이 상태가 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 반응기 본체(10)의 하단부에는 슬러지(g)가 침전된 슬러지층(S1)이 형성되고, 슬러지층(S1) 위에는 약간의 미세입자들이 부유해 있는 중간층(S2)이 형성되고, 맨 위에는 폐수처리가 완료된 상등수가 있는 상부층(S3)이 형성된다.

방류단계(M30)에서는 상부층(S3)에 있는 상등수만을 외부로 배출시킨다. 즉, 반응기 본체(10)의 배출구(15)를 막고 있던 셔터(30)를 중간층(S2)과 상부층(S3) 사이의 높이까지만 하강시켜 상부층(S3)에 있는 상등수만 외부로 배출시킨다.

그리고 송풍기(23)를 가동하여 슬러지층(S1)에 침전되어 있는 슬러지(g)를 인발파이프라인(22)을 통해 외부로 인발한다. 다만, 슬러지 인발량은 총 슬러지 부피의 20~40%의 부피만을 인발하며, 인발하지 않은 슬러지는 후속되는 폐수 처리에 활용한다. 인발된 슬러지는 탈수 등의 후속 공정을 거쳐 별도로 처리된다.

본 발명에 따른 산성 폐수 처리방법은 반응단계(M10), 고액분리단계(M20) 및 방류단계(M30)에 의하여 종료되고, 다시 폐수를 유입시켜서 처음부터 본 공정을 다시 수행한다. 연속식 공정에서는 복수의 조를 배치하여 유입조, 반응조, 침전조, 방류조 등에서 계속적으로 공정이 이루어지지만, 본 발명은 배치형 반응기를 사용하여 하나의 반응기에서 일련의 공정이 모두 수행되어 공정을 완료한 후, 다시 처음부터 공정을 수행하는 것이다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 함태탄광으로부터 배출된 광산배수에 본 발명에 따른 산성 폐수 처리용 반응기를 사용하였으며, 산성 폐수 처리방법을 적용하였다. 다만 pH 조건은 별도로 설정하지 않고 pH에 따라 중화제 투입량을 변경하지는 않았으며 정해진 양만 투입하였다.

도 6을 참조하면, 함태탄광에서 총 10번의 테스트를 수행하였다. 폐수는 매 시험마다 4l를 사용했으며, pH는 6.1~7.52까지 다양하였다. 부유물(SS)과 철, 망간의 함유량은 도 6에 표시되어 있다.

각 테스트에서 30분간 반응단계를 수행했으며, 고액분리단계는 매 테스트마다 20분, 40분, 60분씩 세 번을 수행하였다. 시험결과 모든 샘플의 상등수에서는 pH가 1정도 상승하였으며, 부유물과 철 망간은 모두 기준치 이하로 저감된 것을 확인할 수 있었다.

이렇게 본 발명에서는 종래의 연속식 공정이 아니라 배치형 반응기를 이용한 단일 공정을 수행하는데, 소규모의 배치형 반응기를 이용한 장점에 대해서는 앞에서도 설명하였지만, 공정의 측면에서도 연속식 공정에 비하여 배치형 반응기를 이용한 본 공정이 반응속도 및 효과가 훨씬 우월하다.

즉, 중화조와 침전조가 별도로 구비된 연속식 공정에서는 원수가 유입되면 중화조에서 대략 2.1시간을 체류한 후 침전조로 넘어가서 다시 12시간 정도 체류한 후 최종적으로 방류된다. 즉, 연속식 공정에서는 중화조와 침전조에서 대략 14시간 정도고 소요되는데, 본 발명에 따른 산성 폐수 처리방법에서는 동일한 유량에 대하여 단일한 반응기를 사용하여 1시간 30분 정도가 소요된다. 연속식 공정에 비하여 처리속도가 거의 8배 이상 빠르게 진행된다.

이렇게 단일한 반응기를 이용한 공정과 연속식 반응기를 이용한 공정에서 속도의 차이가 현저하게 나타나는 것은 다음과 같은 이유가 있다.

우선, 연속식 공정의 경우 중화조에서 반응과 함께 응집 및 침전이 시작되지만 중화조의 폐수를 침전조로 이송하는 과정에서 일부 침전되었던 슬러지들이 다시 폐수에 섞여 부유하게 되므로 침전조에서 다시 가라앉는데 시간이 소요된다.

또한, 중화조에서 응집되었던 입자들이 중화조에서 침전조로 이송되는 과정에서 다시 부서지므로 침전조에서 다시 응집 및 침전의 과정을 거쳐야 한다.

그러나 본 방법에서는 중화반응에 따른 입자의 응집과 침전이 동시에 일어나므로 연속식과 달리 응집입자들이 부서지거나 침전된 입자들이 재부유하는 등의 문제가 발생하지 않는다.

또한 본 발명에서는 중화단계에서 중화반응과 함께 침전이 일어나므로 처리시간이 단축되지만, 연속공정에서는 중화조에서는 중화반응만 일으키고 슬러지가 일부 침전되더라도 침전조로 이송되는 과정에서 다시 폐수에 섞여 부유하게 되므로 침전조에서만 침전이 일어나므로 시간이 많이 소요될 수 밖에 없다.

위와 같은 이유로 연속식 공정에 비하여 본 발명에 따른 방법이 폐수 처리속도가 8배 이상 빠른 것이다. 본 발명은 위에서도 언급한 바와 같이, 대규모 용량의 폐수를 처리하는 것보다 일일 발생되는 폐수의 양이 소규모인 경우에 적합하다고 설명하였으나, 상기한 바와 같이 처리속도가 빠르다는 것은 대규모 용량의 폐수처리에도 적합하다는 것을 나타낸다.

또한 연속식 반응공정에 비하여 본 방법은 공정 관리가 훨씬 용이하다는 장점이 있다. 즉, 연속식 공정에서는 폐수가 계속적으로 중화조로 유입되고 계속적으로 침전조로 이송되며, 침전조에서도 계속적으로 방류가 일어난다. 따라서 엄밀하게 살펴보면, 중화조로 유입된 폐수 중 중화제와 반응하지 않고 즉시 침전조로 넘어가기도 하며, 침전조에서도 침전이 완전히 이루어지지 않아 슬러지가 섞인 상태의 폐수가 방류될 수도 있다. 이에 연속식 공정에서는 원수의 유입속도 및 배출속도, 온도, 중화제의 투입량 등을 언제나 세밀하게 관리해서 최종 배출되는 처리수의 수질을 관리해야 한다.

그러나 본 발명은 연속식이 아니기 때문에 반응기에서 고액분리단계를 거친 후의 상등수는 처리가 완료된 상태일 수 밖에 없으며, 연속식 공정에서와 같이 일부 처리가 되지 않은 폐수가 섞여서 방류될 가능성은 없으므로, 공정관리가 매우 용이하다는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 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.

100 ... 산성 폐수 처리용 반응기 10 ... 반응기 본체
13 ... 수용부 15 ... 배출구
21 ... 반송파이프라인 22 ... 인발파이프라인
23 ... 송풍기 30 ... 셔터
40 ... 교반기 50 ... 공기공급장치
60 ... 슬러지 혼합기 g ... 슬러지

Claims (11)

1. 산성 폐수와, 상기 산성 폐수를 중화시키기 위한 중화제 및 상기 산성 폐수 내 오염물과 상기 중화제가 반응하여 침전된 슬러지를 수용하며, 상기 슬러지를 반출하기 위한 반출구와 상기 슬러지의 상부에 위치한 상등수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응기 본체; 및
   상기 반응기 본체의 하부에 침전된 상기 슬러지를 반출하여 다시 상기 반응기의 상부로 유입시키기 위한 반송유닛;을 포함하여 이루어진 산성 페수 처리용 반응기를 이용하여 상기 산성 폐수를 처리하기 위한 것으로서,
   상기 산성 폐수와 상기 중화제를 상기 반응기 본체에 유입시켜 상기 산성 폐수와 상기 중화제 사이에 중화반응 및 침전반응을 일으키며, 상기 침전반응에 의하여 침전된 슬러지를 반출하여 상기 반응기 본체의 상부로 다시 유입시켜 반송함으로써 상기 침전반응을 가속화하는 반응단계;
   상기 산성 폐수와 중화제의 투입을 중지하고 상기 슬러지의 반송을 중지하고 상기 슬러지가 침전되어 고체와 액체를 상호 분리시키는 고액분리단계; 및
   상기 고액분리단계에서 상기 슬러지의 상부에 위치하며 처리가 완료된 상등수를 상기 배출구를 통해 배출시키고, 상기 슬러지의 일부를 상기 반출구를 통해 인발시키는 방류단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 반응단계에서 침전된 슬러지 중 반출되어 다시 상기 반응기에 유입되는 슬러지의 총 부피는 상기 반응기 본체로 유입되는 폐수의 부피 대비 15~45%인 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 반응단계에서 상기 폐수와 중화제가 혼합되어 있는 영역의 pH를 측정하며, 상기 pH가 8.0 ~ 9.0 사이를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 고액분리단계가 완료된 후 상기 산성 폐수 처리용 반응기에는 상기 슬러지 위에 미세 부유물을 포함하고 있는 폐수가 위치한 중간층과, 상기 중간층의 상부에 폐수처리가 완료된 상등수가 위치한 상부층으로 분리되며,
   상기 방류단계에서는 상기 상부층에 위치한 상등수만을 방류하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 배출구는 상기 반응기 본체의 둘레 방향을 따라 복수 개 형성되며,
   상기 배출구에는 상하방향으로 이동되며 상기 배출구의 개방 정도를 조절하는 셔터가 결합되며,
   상기 셔터의 하강 정도를 조절하여 상기 상등수만을 방류하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 산성 폐수 처리용 반응기는,
   상기 침전된 슬러지를 교반하여 상기 슬러지가 고화되는 것을 방지하도록 상기 반응기 본체의 하부에 회전가능하게 결합되는 슬러지 혼합기와,
   상기 산성 폐수와 중화제가 혼합되도록 상기 반응기 본체에 회전가능하게 결합되는 교반기와,
   상기 산성 폐수와 중화제가 혼합된 영역에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치를 더 구비하며,
   상기 반응단계에서는 상기 슬러지 혼합기와, 상기 교반기 및 상기 공기공급장치를 모두 작동시키며,
   상기 고액분리단계에서는 상기 슬러지 혼합기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 반송유닛은,
   상기 반응기 본체의 하부로부터 상기 반응기 본체의 상부로 연장된 반송파이프라인과,
   상기 반송파이프라인을 통해 상기 반응기 본체의 하부에 침전된 슬러지가 반출되도록 상기 반송파이프라인에 연결되어 송풍을 함으로써 압력구배를 발생시키는 송풍기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 방류단계에서는 상기 반응기에 침전된 총 슬러지 중 20 ~ 40% 부피의 슬러지만 인발하여 배출시키고, 나머지 슬러지는 후속적으로 유입되는 산성 폐수의 처리에 사용되는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 산성 폐수 처리용 반응기는 병렬적으로 복수 개 배치되며,
   상기 복수 개의 산성 폐수 처리용 반응기에 상기 산성 폐수를 순차적으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리방법.
10. 산성 폐수와, 상기 산성 폐수를 중화시키기 위한 중화제 및 상기 산성 폐수 내 오염물과 상기 중화제가 반응하여 침전된 슬러지를 수용하며, 상기 슬러지를 반출하기 위한 반출구와 상기 슬러지의 상부에 위치한 상등수를 배출하기 위한 배출구가 형성되어 있는 반응기 본체;
    상기 반응기 본체의 하부로부터 상기 반응기 본체의 상부로 연장된 반송파이프라인과, 상기 반송파이프라인에 설치되어 상기 침전된 슬러지를 상기 반송파이프라인을 따라 상부로 이송시키는 구동력을 제공하는 구동원을 포함하는 반송유닛;
    상기 배출구의 개방 정도를 조절하여 상기 반응기 본체에서 처리 완료된 상등수의 배출수위를 조절하도록 상기 배출구에 상하방향으로 이동되게 결합되는 셔터; 및
    상기 침전된 슬러지를 외부로 인발하기 위한 인발유닛;을 구비하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리용 반응기.
11. 제10항에 있어서.
    상기 침전된 슬러지를 교반하여 상기 슬러지가 고화되는 것을 방지하도록 상기 반응기 본체의 하부에 회전가능하게 결합되는 슬러지 혼합기;
    상기 산성 폐수와 중화제가 혼합되도록 상기 반응기 본체에 회전가능하게 결합되는 교반기; 및
    상기 산성 폐수와 중화제가 혼합된 영역에 공기를 공급하기 위한 공기공급장치;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 처리용 반응기.

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