KR101129876B1 - 고농도 중금속 오염 토양의 복합적 정화방법 - Google Patents

고농도 중금속 오염 토양의 복합적 정화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법에 관한 것으로서, 상기 중금속 오염 토양을 정화하기 전에 상기 오염 토양을 밀링(milling)하는 전처리 단계; 및 상기 전처리 단계 후의 오염 토양을 진동 테이블(table)형 비중선별기에 의하여 물리적 선별하는 과정을 포함하는 1차 정화단계를 포함하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법을 제공한다.

Description

고농도 중금속 오염 토양의 복합적 정화방법{COMPLEX METHOD FOR REMEDIATION OF SOIL BEING CONTAMINATED BY HIGHLY CONCENTRATED HEAVY METAL}
본 기술은 오염 토양의 정화방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 고농도의 중금속에 오염된 토양을 법적정화목표를 달성할 수 있도록 효율적으로 정화할 수 있는 방법에 관한 것이다.
국내 중금속오염토양의 토양세척 정화법에 대한 연구는 휴폐광산과 연관된 오염에 주로 집중되어 왔다. 사격장 오염과 휴폐광산 등 모암 유래의 오염은 존재형태 등 오염 특성에 있어 많은 차이를 보이고 있고, 세척 등 정화효율에 영향을 미칠 수 있다.
국내 중금속오염토양의 정화연구는 산세척에 의한 화학적처리법에 집중되어 왔는데, 사격장, 폐탄처리장 중금속은 입자상으로 존재하는 형태가 많아 산세척으로는 제거에 한계가 있다. 또한 광산 활동과 관련한 중금속 오염토에 대한 정화기술은 물리적선별법을 중심으로 연구가 진행되어 왔다. 그러나 물리적선별법만으로는 화학적 결합이 강한 오염토 및 고농도 오염토에 대해서는 법적정화목표 달성에 한계가 있다. 한편, 부유선별 등 고도선별 처리방법을 사용할 경우에는 처리속도의 한계로 인하여 장시간, 고비용이 소요되는 문제점이 있다.
현재 국내에서는 오염 토양 내 중금속을 처리하기 위하여 토양 세척법, 화학적 처리, 동전기법, 식물정화법 등의 다양한 처리기술 등이 시도되고 있으나, 아직까지 사격장, 폐탄 처리장, 광산 및 주변 농경지, 산업단지 등에서 발생되는 고농도의 중금속 오염토양에 대한 정화실적이 많지 않은 상태이다(오염토양정화방법 가이드라인, 2007, 환경부). 이러한 상황을 감안할 때 사격장 관련 중금속오염 정화연구 및 기술개발은 시급한 상황이라 하겠다.
본 발명은 군부대 폐탄 처리장, 사격장, 산업시설 등 고농도의 중금속을 포함하는 오염 토양의 정화를 위하여 다양한 크기의 토양입자들을 포함한 고농도의 중금속 오염 토양을 연속된 단일 공정에 의하여 효율적으로 정화하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법은 중금속 오염 토양을 정화하기 전에 상기 오염 토양을 밀링(milling)하는 전처리 단계, 및 상기 전처리 단계 후의 오염 토양을 진동 테이블(table)형 비중선별기에 의하여 물리적 선별하는 과정을 포함하는 1차 정화단계를 포함한다.
그러나 상기 2mm 이하의 전 오염토를 밀링(milling)하기보다 상대적으로 비중선별 효과가 낮은 0.5mm 이하의 오염토에 한하여 밀링 전처리함으로써 토성변화 및 미세토 추가 발생을 최소화 하는 것이 바람직하다.
상기 1차 정화단계는 오염 토양의 입자 크기 및 처리량에 따라 스파이럴(spiral)형 비중선별기에 의한 물리적 선별과 병행하여 연속적으로 이루질 수 있다.
상기 스파이럴 비중 선별기의 처리속도는 2 내지 3ton/hr로써, 0.5 내지 1.2ton/hr인 진동 테이블형 비중선별기 보다 처리속도가 빠르다. 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기 순으로 연계 처리함으로써 비중선별 효과 및 처리속도를 높일 수 있다.
상기 전처리 단계 전에, 비중선별 및 산세척 정화효과를 높이기 위하여 입도체분리, 습식세척, 입경 0.1mm 미만의 미세토 분리의 물리적선별 공정이 선행되어야 한다. 상기 오염 토양 내 2mm 이상의 조대 입자제거 및 2mm 미만 오염토의 입도분리를 위하여 진동체 또는 트롬멜(Trommel) 등의 체선별 방법을 사용할 수 있다. 0.1mm 이하의 미세 입자일 경우, 수중 사이클론(cyclone)을 통해 분리 후 침전, 및 탈수 후 폐기물 처리할 수 있다. 한편, 분리된 입자 중 입경 2mm 초과 입자에 대해서는 건식 자력선별을 수행하고, 입경 2mm 미만의 입자에 대해서는 습식 자력선별을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 중금속 오염 토양의 정화 후에, 고비중 산물은 분리되어 재활용될 수 있고, 경제성 및 효율성 검토에 따라서는 폐기 처리될 수 있다.
상기 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법은 상기 1차 정화단계 후에 중금속을 토양으로부터 용액 상으로 추출해내는 추출용매를 이용한 화학적 추출과정을 포함하는 2차 정화단계를 더 포함할 수 있다. 추출용매로는 유, 무기산(Acid) 및 킬레이트제를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법은 2mm 이하의 입경을 갖는 토양 입자들과 2mm 초과 입경을 갖는 토양입자들을 분리하기 위하여, 1차 체선별 하는 단계; 2mm 이하의 입경을 갖는 토양 입자들에 대하여, 습식자력선별 과정을 수행한 후 수중 사이클론 과정을 통하여 0.1mm 미만의 미세토를 분리하는 단계; 상기 미세토가 분리된 0.1mm 내지 2mm의 입경을 갖는 토양입자들에 대하여 2차 체선별을 수행함으로써 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양입자들을 분리해 내는 단계; 상기 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양입자들을 밀링 전처리하는 단계; 및 상기 밀링 처리된 토양입자들에 대하여 스파이럴형 비중선별기 및 진동 테이블형 비중선별기를 이용하여 순차적으로 비중선별하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법에 의하면, 다양한 입경의 오염토에 대하여 효율적으로 중금속을 정화할 수 있고 조대입자나 미세입자 중금속에 상관없이 정화처리가 가능하다. 또한, 물리적선별(PS)와 화학적추출(CE)을 연속된 단일 공정에 의하여 중금속의 정화처리가 가능하고, 물리적 선별에 의한 1차 오염 저감으로 인하여 산세척 과부하량을 해소할 수 있다.
이러한 정화방법에 의하여 고농도의 중금속 오염토에 대하여도, 효율적으로 법적정화목표를 달성할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법은 친환경적이고 경제적인 정화처리기술로서, 산 등의 화학약품 소모량을 절감할 수 있고 폐수처리 등 2차 환경오염 문제를 해소할 수 있다.
한편, 본 발명은 토양의 중금속 오염 정도와 오염 토양의 특성에 따라 선택적인 정화방법(물리적 또는 화학적 또는 복합적 정화방법)을 제공함으로써 다양한 오염 환경에 대응할 수 있는 유연한 오염토양의 정화기술을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기가 연결된 모습을 보여주는 사진이다.
도 3은 도 2의 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기의 세부 연결부위를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법을 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 테이블형 비중선별기의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법에 대하여 설명하도록 한다. 그러나 하기 설명은 본 발명의 일 태양에 대한 예시적인 기재일 뿐 하기 설명에 의하여 본 발명의 기술사상이 국한하여 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법을 도시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법은 중금속 오염 토양을 정화하기 전에, 상기 오염 토양을 입도체분리, 습식 세척하는 제1 사전 단계(S112), 0.1mm 미만의 입경을 갖는 미세토양을 분리하는 제2 사전 단계(S114)를 거친다. 상기 제1 사전 단계(S112)에서는 2mm 초과 입자가 분리되며, 남은 2mm 이하의 입경을 갖는 토양 입자들은 제2 사전 단계(S114)를 통하여 부유물, 미세토양 등 0.1mm 미만의 입경을 갖는 입자들이 부리될 수 있다. 제2 사전 단계(S114)는 수중 사이클론 장치를 이용하여 수행될 수 있다.
제1 및 제2 사전 단계를 거친 0.1mm 내지 2mm의 입경을 갖는 토양입자들은 밀링(milling) 처리에 의한 전처리 단계(S120)를 거치게 된다. 이 때, 상기 전처리 단계(S120) 단계 전에 추가적인 체선별 과정을 거쳐 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양 입자들만 별도로 분리하여 전처리 단계(S120)를 수행할 수도 있다. 상기 전처리된 중금속 오염 토양은 비중선별(Gravity Separation) 단계(S130) 및 상기 물리적으로 선별된 오염 토양을 화학적 추출(Chemical Extraction, CE)에 의하여 중금속을 제거하는 단계 화학적 추출단계(S140)를 거친다.
상기 "고농도 중금속 오염 토양"이란 사격장(소화기, 중화기), 폐탄 처리장 등 중금속에 의하여 반복적으로 노출되어 중금속이 누적된 토양을 의미한다.
비중선별의 영향인자는 입자의 크기(Size), 모형(Shape), 비중, 마찰력 등으로써, 상기 사전 단계 및 전처리 단계(S112, S114, S120)들을 통하여 비중만의 차이를 향상시켜 비중선별효과를 높일 수 있다.
상기 전처리 단계(S120), 즉 밀링 단계는 물리적 선별 방법 중 비중선별의 효과를 극대화시킬 수 있도록 입자 원마도 증가, 입도 균일화 및 입도 분급의 기능을 수행한다. 특히 상대적으로 비중선별 효율이 낮은 0.5mm 이하의 평균입경을 갖는 오염토양에 적용할 경우 비중선별의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다. 상기 전처리 단계(S120)는 비중선별 효율을 높임과 동시에 미세토 증가를 최소화할 수 있는 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 전처리 단계(S120)는 토성의 변화와 미세토 증가를 유발할 수 있으므로 2mm이하의 오염토 전체를 대상으로 하기보다 오염특성에 따라 적당한 입도를 대상으로 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 비중선별효과가 낮은 0.5mm 이하의 오염토를 대상으로 수행하였다. 또한, 상기 전처리 단계(S120)의 밀링은 분쇄효과 외에 스크러빙(scrubing) 효과를 나타내어 토양에 물리적으로 강하게 결합되어 있거나 흡착된 중금속이 탈착되도록 한다. 상기 밀링은 분쇄된 입자의 최대입경이 0.3mm 정도 되도록 최소화 하는 것이 바람직하며, 이는 토양의 토성 변화를 방지하기 위해서이다.
상기 밀링단계는, 신속히 원하는 입도로 분쇄 할 수 있는 로드밀(rod mill) 장비 또는 롤링밀(rolling mill) 장비를 이용하여 이루어질 수 있으며, 상기 밀링 장치는 기존 토양세척 정화시스템에 연결하여 연속공정으로 동시에 사용될 수 있다.
전술한 전처리 단계(S120) 전에 2mm 초과 입경을 갖는 조대입자와 2mm 이하 오염토양의 입도분리를 위하여 진동체선별, 습식세척 단계(S112)가 선행되어야 한다. 2mm 초과 입경을 갖는 조대입자의 오염토는 다시 자력선별(건식 자력선별)과 습식세척을 거쳐 정화처리 후 매립될 수 있다. 입자가 큰 2mm 이상의 중금속 파편은 비교적 분리가 용이한 건식 자력선별 및 육안 선별로 선별해 낼 수 있고, 2mm 이하의 중금속 파편은 습식자력선별을 거쳐 분리 선별하는 전처리 과정을 거칠 수 있다.
0.1mm 미만의 미세 오염토, 특히 0.075mm 미만의 미세오염토는 부유 거동하는 특성이 있고, 중금속은 미세토에 흡착율이 높아 비중선별로는 저감 효과가 낮다. 또한, 다른 입도의 오염토에 비해 상대적으로 미세토(0.1mm 미만) 부분에서 중금속 농도가 다소 높게 나타난다. 따라서 미세오염토는 수중 사이클론(Cyclone)을 이용하여 분리 후 침전, 탈수하여 폐기물로서 처리될 수 있다.
상기 사전 단계 및 전처리 단계(S112, S114, S120)를 거친 오염 토양은 비중선별 단계(S130)를 통하여 오염 토양으로부터 중금속이 정화될 수 있다.
상기 비중선별기의 종류는 스파이럴(spiral)형 비중선별기 및 진동 테이블(table)형 비중선별기를 포함한다. 오염토양 내 입자의 입경이 0.5mm 이상인 경우, 진동 테이블형 비중선별기에 의한 비중선별만으로도 중금속 제거 효과가 우수할 수 있으나 평균입경이 0.5mm 미만의 오염 토양의 경우, 밀링 전처리 단계(S120)를 거친 후 상기 스파이럴형 비중선별기 및 진동 테이블형 비중선별기를 연속공정으로 병행하여 사용함으로써 처리속도 및 저감효과를 향상시켜 중금속 정화목표를 달성할 수 있다. 상기 비중선별기는 스파이럴형 비중선별기, 진동 테이블형 비중선별기 순으로 순차적으로 운용된다.
상기 스파이럴형 비중선별기는 유입된 토양이 자연 유하하는 과정에서 비중에 의한 침강속도와 원심력 차이에 따라 선별되도록 하는 장치이며, 상기 진동 테이블형 비중선별기는 스트로크(stroke)와 테이블의 기울기를 이용하여 비중의 차이에 따라 토양을 선별하는 장치이다. 진동 테이블형 비중선별기의 유효처리입경은 2~0.02mm, 스파이럴형 비중선별기는 0.3~0.03mm로써, 진동 테이블형 선별기가 보다 다양한 입도의 오염토를 처리할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기가 연결된 모습을 보여주는 사진이다. 도 3은 도 2의 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기의 연결부위를 보여주는 사진이다.
도 2를 참조하면, 1차적으로 스파이럴형 비중선별기에 의하여 비중이 선별된 오염토양은 2차적으로 진동 테이블형 비중선별기에 의한 비중선별 과정을 거치게 된다. 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기를 연속 연계하여 비중선별 처리함으로써 처리속도 및 비중저감 효과를 향상시킬 수 있다. 본 실시예에서, 상기 스파이럴 비중 선별기의 처리속도는 2 내지 3ton/hr이고, 진동 테이블형 비중선별기의 처리속도는 0.5 내지 1.2ton/hr이다.
도 3을 참고하면, 스파이럴형 비중선별기는 비중선별이 완료된 토양의 유출구로서, 제1 토양 유출구(410), 제2 토양 유출구(420) 및 제3 토양 유출구(430)을 포함한다.
상기 제1 토양 유출구(410)는 후속 운용되는 상기 진동 테이블형 비중선별기와 연결되어 있고, 고비중의 중금속 오염 토양을 상기 진동 테이블형 비중 선별기로 유출한다. 상기 제2 토양 유출구(420)는 저비중의 중금속 오염 토양을 배출한다. 상기 제3 토양 유출구(430)는 슬러지 또는 부유물을 배출한다. 상기 제2 토양 유출구(420)를 통하여 유출된 저비중 오염토는 오염정도에 따라 법적 우려기준 이하일 경우에는 매립처리 하고, 법적 우려기준 이상일 경우에는 산세척 정화처리(산세척조) 과정을 거친다. 한편, 상기 제3 토양 유출구(430)로부터 유출된 슬러지 또는 부유물등은 침전조를 통하여 침전물은 탈수 후 폐기물처리하고, 처리수는 공정수로 재활용하여 사용한다.
보다 정밀한 스파이럴형 비중선별기 장비의 경우, 도시하지는 않았으나, 스파이럴 섹션 최 내측의 작은 홈을 통해 고비중의 중금속 집적물을 회수 할 수 있다. 이렇게 수거된 중금속 집적물은 유가자원으로 활용하거나 폐기물처리 할 수 있다. 진동 테이블형 비중선별기는 스파이럴형보다 정밀한 선별기로서 스파이럴형 비중선별 후 2차적으로 비중선별하는 데 사용된다. 진동 테이블형 비중선별기의 저비중 오염토는 우려기준 이하일 경우 매립처리하고, 이상일 경우 산세척 정화처리 과정을 거친다. 고비중 산물은 유가자원으로 활용하거나 폐기물처리 할 수 있다.
이러한 비중선별기를 이용한 물리적 선별의 효과는 사전 단계(S112, S114) 및 전처리 단계(S120)를 거친 오염토양의 경우 극대화될 수 있으며, 전처리 단계(S120), 즉 밀링 공정을 거친 오염토양은 전처리 단계(S120)를 거치지 않은 2 내지 0.5mm의 오염토양 및 0.5mm 미만의 오염토양 대비하여 매우 향상된 비중선별의 효율을 나타낸다. 입도별 비중선별 적용효과는 아래 수학식 1에 표시된 바와 같다.
[수학식 1]
밀링 처리 오염토양 > 2~0.5mm의 오염토양 > 0.5mm이하의 오염토양
한편, 본 실시예에서, 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 상대적으로 미립자의 오염토는 법적정화 수준을 만족하기 위하여 상기 밀링 공정을 필수로 거치는 것이 바람직하다.
상기 물리적 선별(PS) 단계를 통하여 고농도의 중금속 오염토양을 법적정화목표 이하로 저감시키지 못하였을 경우, 화학적 추출단계(S140)를 더 수행할 수 있다. 상기 화학적 추출단계는 전술한 물리적 선별단계와 연속공정에 의하여 이루어진다. 화학적 추출단계(S140)는 유기산 또는 무기산, 또는 킬레이트제를 이용한 화학적 추출과정을 포함한다. 상기 화학적 추출단계(S140)의 산세척에 사용될 수 있는 추출용매로는 HCl, HNO3, H2SO4 등을 들 수 있다. 이 중, 염산(HCl)이 제거효과 및 경제적 측면에서 적합하다. 또한, 경우에 따라서는 상기 추출용매에 제거효과를 높이기 위하여 환원제(Na2S2O4), 산화제(H2O2), 염(salt) 등 첨가제를 포함할 수 있다. 추출된 중금속 및 산은 중화, 응집, 침전하여 탈수 슬러지로 제거될 수 있다. 한편, 처리수는 공정수로 재활용하거나 처리효율이 떨어질 때 주기적으로 폐수 처리된다.
한편, 화학적 추출단계(S140)를 거친 오염토에 대해서 경우에 따라서는 추가적인 비중선별 과정을 반복적으로 수행함으로써, 중금속 제거효율을 증대시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법을 구체적으로 도시한 순서도로써 본 실시예에 따른 중금속오염토양의 최적 정화 프로세스이다.
도 4를 참조하면, 굴삭기에 의하여 대략 100mm 이하의 평균입경을 갖는 고농도 중금속 오염토를 수집한다. 수집된 중금속 오염토는 호프 및 벨트컨베이어를 통하여 체선별을 위한 진동스크린 또는 트롬멜(trommel)(PS1)로 이동된다.
진동스크린(PS1)에서 1차적으로 2mm의 입경을 기준으로 2mm 초과의 입경을 갖는 입자들로 이루어진 오염토와 2mm 이하의 입경을 갖는 입자들로 이루어진 오염토가 분리된다. 분리된 오염토 중 2mm 이상의 조대입자는 자력선별과 습식세척(PS2)을 거쳐 오염토를 분리 후 매립 처리한다. 이 중 0.1 mm 이하의 미세 오염토는 부유 거동하는 특성이 있고 중금속의 흡착률이 높아 후행될 비중선별로는 저감 효과가 낮다. 따라서 상기 0.1mm 이하의 미세 오염토, 적어도 0.75mm 미만인 미세 오염토에 대해서는 수중 사이클론(PS3)를 이용하여 분리 후 침전조로 이동시켜 침전, 탈수하여 폐기물로서 처리한다.
0.1mm 이하의 미세오염토가 제거된 2mm 이하 오염토에 대해서는 다시 진동스크린(PS1-1)을 이용하여 0.5mm 내지 2mm의 입경을 갖는 입자와 0.1 mm 내지 0.5mm의 입자들을 분리한 후, 0.5mm 내지 2mm의 입자에 대해서는 진동 테이블형 비중선별기에 의한 비중선별(PS4)을 수행한다. 비중선별된 오염토 중 고비중 집적물에 대해서는 폐기물로서 처리한다. 0.5mm 내지 2mm의 입자로 이루어진 오염토에 대해서는 밀링 과정을 적용하지 않아도 비중선별, 및 산세척 등의 화학적 추출단계를 거칠 경우 요구되는 정화 수준을 거의 만족할 수 있다. 그러나 0.1mm 내지 0.5mm의 입자에 대해서는 비중선별 및 산세척 과정을 거치더라도 요구되는 정화 수준을 만족하기 어려운 문제가 있다.
도 4를 다시 참조하면, 미세오염토가 제거된 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 오염토에 대해서는 밀링공정(PS3)을 수행한다. 밀링공정(PS3)은 로드밀 또는 롤밀 등의 장비를 이용하여 이루어질 수 있다. 상기 밀링공정을 거친 0.5mm 이하의 오염토는 비중선별(PS4) 과정을 거친다. 0.5mm 이하의 오염토에 대한 비중선별(PS4) 과정은 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기를 순차적으로 연속공정에 의하여 병행 사용함으로써 이루어진다. 비중선별이 완료된 오염토 중, 고비중 집적물에 대해서는 폐기물로서 처리하고, 발생된 0.1mm 미만 미세토에 대해서는 세척수와 함께 혼합하여 침전조(재활용이용수조)로 이동시킨다.
비중선별(PS4) 과정을 거친 각각의 오염토들은 산세척(CE1) 과정을 거침으로써 중금속을 추가적으로 저감시킬 수 있다. 특히, 0.5mm 미만의 오염토의 경우 산세척 과정을 거치는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 산세척을 위한 추출용매로서는 HCl를 사용하였으며 추출효과를 증대시키기 위하여 환원제로 Na2S2O4, 산화제로 H202를 첨가하여 사용할 수 있다.
산세척 후 세척용액은 세정조를 거쳐 중화, 침전조 포함하는 수처리시스템으로 이송된다. 탈수스크린에서 수집된 2 내지 0.1mm의 오염토에 대해서는 분리하여 매립처리한다. 나머지 세척용액은 pH 조정조, 중화반응조, 응집침전조를 포함하는 수처리시스템을 통과한 후, 침전조로 이동된다. 침전이 완료된 후 상층은 공정수로서 재활용될 수 있다. 상기 침전조에서 생성된 침전물 및 슬러지(0.1mm 이하)는 필터 프레스를 거쳐 폐기물 처리한다.
이하에서는 구체적인 실험결과 또는 작업 수행 후 분석결과 등을 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 중금속 오염토양의 정화방법에 대하여 설명하도록 한다. 그러나 하기 내용들에 의하여 본 발명의 기술사상이 제한되는 것은 아니다. [입도 분리에 의한 비중선별 공정설계 조건 및 결과]
1. 비중선별 공정설계 조건
구분
 대상토양
 적용 선별기
 산출물
 산출량
(kg/hr)
=처리속도
 산출율
(분율%)
 고액비
(Solid:Water)
비교예
1
오염토
초기 오염토
 800

Table :
1:4~5
Table
 저비중
(100cm~)
 2~0.5mm
(60%)
 440
55%
저비중
(50~100cm)
중비중
(0~50cm)
 292
36.50%
고비중
 68
8.50%
비교예
2
 오염토
초기 오염토
 1000

Spiral :
1:10


Table :
1:3~4
Spiral
 저비중
 0.5~0.1mm
(40%)
 433
43.25%
연속 Table
 저비중
(50cm~)
 196
19.64%
저비중
(25~50cm)
 226
22.62%
중비중
(0~25cm)
고비중
 58
5.75%
수중 사이클론
 슬러지
 0.1mm이하
87
8.73%
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 초기 오염토 중 체선별 등 물리적 선별법에 의하여 분리된 오염토 중 0.5 내지 2mmmm의 오염토에 대해서는 테이블형 비중선별기만을 이용하도록 하고(비교예1), 0.1 내지 0.5mm의 오염토에 대해서는 스파이럴형 비중선별기만을 단독 운용하는 조건과 스파이럴형 비중선별기와 테이블형 비중선별기를 연계하여 연속처리 하는 조건으로 구분하여(비교예2) 비중선별 공정을 설계하였다.
한편, 0.1mm 미만의 슬러지 등 미세 입자들에 대해서는 수중 사이클론을 이용하여 분리하도록 공정 조건을 설계하였다.
2. 비중선별 결과
대상토양
 적용 선별기
 산출물
 산출율
(분율)
 비중선별 후 중금속농도
(mg/kg)-개정전
 비중선별 후 중금속농도
(mg/kg)-개정후
Zn
 Cu
 Cd
 Zn
 Cu
 Cd
우려기준
 가
 1지역
 300
 50
 1.5
 300
 150
 4
우려기준
 나
 3지역
 2000
 200
 12
 2000
 2000
 60
2~0.5
mm
 초기 오염토
 43.80%
 1142.0
 88.28
 6.037
 1142.0
 516.33
 11.19
Table
 저비중
(100cm~)

24.09%

 904.7
 95.1
 6.125
 904.7
 494.22
 11.34
저비중
(50~100)
 816.0
 84.22
 5.56
 816.0
 489.78
 10.77
중비중
(0~50)
 15.99%
 878.0
 70.16
 5.13
 878.0
 339.67
 9.55
고비중
 3.72%
 1462.7
 142.2
 5.27
 1462.7
 493.0
 10.91
0.5~0.1
mm
 초기 오염토
 40.40%
 1309.8
 123.6
 6.94
 1309.8
 604.56
 13.07
Spiral
 저비중
 19.15%
 1133.0
 99.87
 6.31
 1133.0
 615.0
 12.29
연속
Table
 저비중
(50cm~)
 8.70%
 1126.0
 111.5
 7.08
 1126.0
 550.33
 12.50
저비중
(25~50)

10.01%

 1186.8
 93.38
 5.96
 1186.8
 484.89
 11.56
중비중
(0~25)
 1203.6
 89.17
 5.82
 1203.6
 463.22
 11.70
고비중
 2.54%
 1416.3
 159.3
 8.36
 1416.3
 618.5
 14.08
Cyclone
 슬러지
 15.8%
 1231.40
 172.00
 7.11
표 2에서 보는 바와 같이, 0.5mm 내지 2mm의 입자들에 대해서는 고비중 오염토를 분리 제거함으로써 유효한 토양정화 성능을 발휘할 수 있다. 0.1mm 내지 0.5mm의 토양에 대해서는, 스파이럴형 비중 선별기만을 사용한 경우와 스파이럴형 비중선별기와 테이블형 비중선별기를 연속 처리한 후 고비중의 오염토양을 분리하는 것만으로는 어느 정도의 오염토양 정화 성능을 보이긴 하나 0.5mm 내지 2mm의 토양 대비 정화 성능이 상대적으로 약화됨을 알 수 있다.
[밀링처리를 도입한 입도 분리에 의한 비중선별 공정설계 조건 및 결과]
1. 비중선별 공정 설계 조건
구분
 대상토양
 적용 선별기
 산출물
 산출량
(kg/hr)
=처리속도
 산출율
(분율%)
 고액비
(Solid:Water)
실시예1
 Milling 오염토
초기 오염토
 500

Table :
1:4~5
Table
 저비중
(50cm~)
 Rodmilling
0.5mm이하
 207
41.30%
저비중
(25~50cm)
 130
26%
중비중
(0~25cm)
 116
23.14%
고비중
 48
9.56%
실시예
2
Milling 오염토
 초기 오염토
 1000

Spiral :
1:10


Table :
1:3~4

Spiral
 슬러지
(제3토양유출구)
 Rodmilling
0.5mm이하
 99
9.87%
저비중
(제2토양유출구)
 413
41.29%
고비중
(제1토양유출구)
 483
48.33%
연속 Table
 저비중
(50cm~)
 157
15.73%
저비중
(25~50cm)
 132
13.18%
중비중
(0~25cm)
 140
13.97%
고비중
 60
5.96%
0.5mm 이하의 오염토에 대하여는 밀링 전처리를 수행하도록 공정을 설계하였다. 또한, 테이블형 비중선별기만을 단독으로 사용하는 공정 조건(실시예 1)과 스파이럴형 비중선별기 및 테이블형 비중선별기를 연속적으로 운용하는 공정조건(실시예 2)으로 구분하여 공정을 설계하였다. 밀링은 로드 밀링 방식에 의하여 수행되었다.
2. 비중선별 결과
대상토양
 조건
 산출물
 산출율
(분율%)
 비중선별 후 중금속농도(mg/kg)-
개정전
 비중선별 후 중금속농도(mg/kg)-
개정후
Zn
 Cu
 Cd
 Zn
 Cu
 Cd
우려기준
 가, 1지역
300
 50
 1.5
 300
 150
 4
우려기준
 나, 3지역
2000
 200
 12
 2000
 2000
 60

Milling
(분쇄)
0.5mm이하
 초기 오염토
 100.00%
 459.83
 58.85
 2.6
 459.83
 203.17
 3.2
Table
 저비중
(50cm~)
 41.30%
 266.74
 24.23
 2.49
 266.74
 77.91
 5.96
저비중(25~50cm)
 26.00%
 222.09
 19.65
 2.23
 222.09
 78.04
 5.77
중비중(0~25cm)
 23.14%
 385.67
 30.66
 2.64
 385.67
 127.56
 6.47
고비중
 9.56%
 963.5
 115.5
 4.04
 963.5
 692.89
 8.52

Milling
(분쇄)
0.5mm이하
 초기 오염토
 100.00%
 459.83
 58.85
 2.06
 459.83
 203.17
 2.63
Spiral
 슬러지
(제3토양유출구)
 9.87%
 380.17
 46.28
 1.77
 380.17
 148.08
 2.38
저비중
(제2토양유출구)
 41.29%
 316.99
 29.02
 1.35
 316.99
 104.01
 1.81
고비중
(제1토양유출구)
 48.33%
 639.04
 82.84
 2.77
 639.04
 171.36
 2.97
연속 Table
 초기토(Spiral
제1토양유출구)
 41.29%
 639.04
 82.84
 2.77
 639.04
 171.36
 2.97
저비중
(50cm~)
 15.73%
 417.84
 35.6
 1.75
 417.84
 144.29
 2.56
저비중(25~50cm)
 13.18%
 421.84
 35.15
 1.66
 421.84
 145.56
 2.53
중비중(0~25cm)
 13.97%
 535.34
 46.41
 2.15
 535.34
 175.76
 3.37
고비중
 5.96%
 2070.7
 414.5
 4.33
 2070.7
 4130
 6.09
상기 표 4를 참고하면, 밀링 처리된 입자에 대하여 테이블형 비중선별기만을 운용하였을 때, 분리된 고비중의 오염토를 제거함으로써, 유효한 토양 정화성능을 나타냄을 확인할 수 있었고 이는 앞선 비교예 2의 테이블형 비중선별기를 사용한 것보다 훨씬 우수한 정화성능을 나타내는 것이다.
한편, 스파이럴형-테이블형 연속 연계 처리의 경우, 스파이럴형 비중선별기에 의하여 분리된 고비중의 오염토(스파이럴형 비중선별기의 제1토양 유출구로부터 유출된 오염토)를 다시 비중 선별하여 최종 고비중의 오염토를 분리 제거함으로써 테이블형 비중선별기를 단독 사용한 경우보다 신속한 처리와 정화효율을 높일수 있다.
[저비중 선별토에 대한 HCl 산세척처리 결과]
구 분
 중금속농도(mg/kg)-개정전
Zn
 Cu
 Cd
우려기준 가지역
 300
 50
 1.5
우려기준 나지역
 2000
 200
 12
Milling(분쇄)
저비중 오염토
 초기 농도
 281.14
 42.68
 2.49
산세척 정화토
 171.44
 40.20
 1.34
0.5mm 이하
저비중 오염토
 초기 농도
 874
 174
 5.01
산세척 정화토
 547.56
 137.43
 2.15
0.5mm 이상
저비중 오염토
 초기 농도
 542.47
 58.3
 4.54
산세척 정화토
 314.87
 52.57
 1.78
상기 산세척 조건은 다음과 같다.
- 농도 : 0.1M HCl
- 고액비 : 1 : 10
- 세척시간 : 20min
[중금속 정화 실험]
1. 비중선별 운전
현장에 설치된 스파이럴형 비중선별기와 진동 테이블형 비중선별기를 이용하여 오염토양을 선별 하였으며, 선별된 시료는 토양오염 공정시험법에 준하여 전처리를 실시한 후 ICP(Perkin-elmer optima DV2100, USA)로 중금속을 분석하였다.
스파이럴형 비중선별기의 경우 샌드펌프에 의해 유입된 토양이 자연유하 하는 과정에서 비중에 따라 토양이 선별되는 원리를 적용한 것으로 현장에 설치 된 선별기의 경우, 3개의 유출구로 되어있으며, 1번 출구에는 가장 고비중의 토양이 유출되는 곳으로 진동 테이블형 비중선별기로 유입된다. 2번 출구의 경우 저비중 토양이 유출되는 곳으로 진동 테이블형 비중선별기로 유입되며, 3번 유출구는 슬러지조로 유입된다.
진동 테이블형 비중선별기는 스트로크(stroke)와 테이블의 기울기를 이용하는 원리이다. 비중선별 후 도 5에 도시된 바와같이 비중선별된 토양의 구간을 선정하여 샘플링 하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동 테이블형 비중선별기의 개념도이다.
2. 진동 테이블형 비중선별기 운전조건
1) 제원
- 유형 : Wilfley Shaking Table
- 제조사 : Zhongzhou Yufeng Heavy Machinery Co.,Ltd
- 유효 입경 : 2-0.02mm
[Table형 비중선별기의 technical parameters ]
Type
 L-S(6-s)
 Water quantity(t/h)
 0.4-0.8
Stroke(mm)
 10-30
 Bed surface size (mm)
 152ㅧ1825ㅧ4500
Stoke frequency
(Times/min)
 240-360
 Motor(kw)
 1.1
Landscape orientation angel()
 0-8
 Capacity(t/h)
 0.5-1.2
Material selected
(mm)
 2-0.074
 Weight(kg)
 1012
Mine thickness
 15-330
 Dimension(mm)
 5454ㅧ1825ㅧ1242
2) 현장 적용 Stroke frequency : 250~330 times/min
3) 현장적용 Table 기울기(종, 횡경사도)
대상토양
(입도)
 3~0.5mm
오염토
 0.5mm이하
오염토
 밀링 오염토
0.5mm이하
종경사도
 4~5
 4
 4
횡경사도
 9~10
 8
 8
4) 현장 처리량 : 0.5~1ton/hr
5) 현장 적용 고액비(Soil : Water) : 1 : 3~5
3. 스파이럴형 비중선별기 운전조건
1) 제원
- 유형 : Humphrey Spiral Seperator
- 제조사 : Zhongzhou Yufeng Heavy Machinery Co.,Ltd
- 유효 입경 : 0.3-0.03mm
outer diameter
(mm)
 inner diameter
(mm)
 spiral distance
(mm)
 span ratio
 Tilt angle (o)
 head number
900
 900
 540
 0.4
 9
 2-3
Circle number
 feed-in mine granularity (mm)
 feed-in mine concentration(%)
 Capacity
(t/h -1)
 Occupy ground area
(m2)
 Height
(m)
5
 0.03-0.3
 30-50
 2-3
 1.2
 4.2
2) 현장 처리량 : 1~2ton/hr
3) 현장 적용 고액비(Soil : Water) : 1 : 10~15
4. 산세척 조건
1) 세척액 : HCl
2) 세척액 농도 : 0.1 M
3) 고액비(오염토:세척액) : 1:10
4) 세척시간(교반시간) : 15~20분
본 실험에서는 Jar-Tester(Changshin C-JT)를 이용하여 50 rpm으로 교반하였으며, 교반이 끝난 시료는 Whatman 사의 공극 크기F/C Membrane 여과지를 이용하여 감압 여과하여, 토양오염공정시험법에 준하여 전처리를 실시한 후 ICP(Perkin-elmer optima DV2100, USA)로 중금속을 분석하였다.
[입도 분석결과 참고]
Type
 L-S(6-s)
 Water quantity(t/h)
 0.4-0.8
Stroke(mm) 10-30
 Bed surface size (mm)
 15218254500
Stoke frequency
(Times/min)
 240-360
 Motor(kw)
 1.1
Landscape orientation angel()
 0-8
 Capacity(t/h)
 0.5-1.2
Material selected
(mm)
 2-0.074
 Weight(kg)
 1012
Mine thickness
 15-330
 Dimension(mm)
 545418251242

Claims (12)

  1. 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법에 있어서,
    상기 중금속 오염 토양을 정화하기 전에 입경이 0.5mm 이하인 오염 토양에 대하여만 선택적인 밀링(milling)을 수행하는 전처리 단계; 및
    상기 전처리 단계 후의 오염 토양을 스파이럴형 비중선별기 및 진동 테이블형 비중선별기 순으로 순차적으로 연계 처리하는 물리적 선별을 수행하는 1차 정화단계를 포함하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스파이럴형 비중선별기는,
    상기 진동 테이블형 비중선별기와 연결되어 있고, 고비중의 중금속 오염 토양을 상기 진동 테이블형 비중 선별기로 유출하는 제1 토양 유출구;
    저비중의 중금속 오염 토양을 배출하는 제2 토양 유출구; 및
    슬러지 또는 부유물을 배출하는 제3 토양 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배출된 저비중의 중금속 오염 토양은 오염정도가 법적 우려기준 이하일 경우 매립처리 되고, 오염정도가 법적 우려기준 이상일 경우 산세척 처리되는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 단계 전에 후속되는 비중선별 단계 또는 산세척 단계의 정화효과를 높이기 위하여, 체선별 단계, 습식세척 단계, 미세토 분리 단계 및 자력선별 단계로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물리적 선별 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  6. 제5항에 있어서,
    중금속 오염 토양 내의 입경 2mm 초과 입자들은 1차 체선별 단계를 거쳐 분리되는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입경 2mm 초과 입자들이 분리된 후 중금속 오염 토양 내의 입경 2mm 이하의 토양 입자들을 포함하는 중금속 오염 토양에 대하여,
    습식자력선별 단계;
    입경 0.1mm 이하의 미세토를 분리하기 위한 수중 사이클론 단계; 및
    입경 0.5mm 내지 2mm의 토양 입자들과 입경 0.1mm 내지 0.5mm의 토양 입자들을 분리하기 위한 2차 체선별 단계를 포함하는 것을 특징으로 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양 입자들만 선택적으로 상기 전처리 단계를 거치도록 하는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  9. 제6항에 있어서,
    입경 2mm 초과 입자에 대해서는 건식 자력선별을 수행하고, 입경 2mm 이하 입자에 대해서는 습식 자력선별을 수행하는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고농도 중금속 오염 토양의 정화 후, 고비중 산물을 고도 선별하여 재활용 하는 것을 특징으로 하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 1차 정화단계 이후에,
    유기산, 무기산 또는 킬레이트제를 이용한 화학적 추출단계를 포함하는 2차 정화단계를 더 포함하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.
  12. 고농도 중금속 오염토양의 정화방법에 있어서,
    2mm 이하의 입경을 갖는 토양 입자들과 2mm 초과 입경을 갖는 토양입자들을 분리하기 위하여, 1차 체선별 하는 단계;
    2mm 이하의 입경을 갖는 토양 입자들에 대하여, 습식자력선별 과정을 수행한 후 수중 사이클론 과정을 통하여 0.1mm 미만의 미세토를 분리하는 단계;
    상기 미세토가 분리된 0.1mm 내지 2mm의 입경을 갖는 토양입자들에 대하여 2차 체선별을 수행함으로써 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양입자들을 분리해 내는 단계;
    상기 0.1mm 내지 0.5mm의 입경을 갖는 토양입자들을 밀링 처리하는 단계; 및
    상기 밀링 처리된 토양입자들에 대하여 스파이럴형 비중선별기 및 진동 테이블형 비중선별기를 이용하여 순차적으로 비중선별하는 단계를 포함하는 고농도 중금속 오염 토양의 정화방법.




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