KR101245787B1 - 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템 - Google Patents

오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

광산배수의 처리시 오존과 침전조에서 침전된 슬러지를 사용하여 응집보조제를 제외한 사용되는 약품 없이 광산배수중 중금속을 응집시켜 약품(응집제)투입 및 슬러지 발생의 감소로 인한 유지관리의 용이성과 비용의 최대로 절감할 수 있는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 구요구성은, 광산배수가 유입되는 유량조정조(10)와; 상기 유량조정조(10)에서 유입된 광산배수를 공급받고 오존과 접촉용해시켜 광산배수에 포함된 중금속을 산화시키는 오존접촉산화용해조(20)와; 상기 오존접촉산화용해조(20)에서 산화된 산화수와 침전조(50)에서 침전된 슬러지 및 응집보조제(31)를 급속교반시켜 혼합하는 급속교반조(30)와; 상기 급속교반조(30)에서 산화수, 반송슬러지, 응집보조제(31)의 혼합수를 제공받아 완속으로 교반하여 혼합수에서 응집이 일어나도록 유도하며 응집되어 형성되는 플럭의 크기를 증대시키는 완속교반조(40)와; 상기 완속교반조(40)에서 응집된 플럭을 침전시키는 침전조(50)와; 상기 침전조(50)에서 고액분리된 처리수를 제공받아 미세한 부유물질을 제거하기 위한 모래여과조(70)와; 상기 모래여과조(70)에서 배출되는 용해된 중금속의 제거를 위한 활성탄조(80)와; 상기 침전조(50)에서 고액분리되어 침전된 슬러지를 급속교반조(30)로 제공하는 반송펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템{Mine Drainage treatment System by Ozone oxidation with Return Sludge}
본 발명은 광산배수의 처리시 오존과 침전조에서 침전된 슬러지를 사용하여 응집보조제를 제외한 사용되는 약품 없이 광산배수중 중금속을 응집시켜 약품(응집제)투입 및 슬러지 발생의 감소로 인한 유지관리의 용이성과 비용의 최대로 절감할 수 있는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템에 관한 것이다.
국내의 광산은 1930년 이후 광산은 총 2,006개이며 이중 1,276개는 폐광되었고, 2006년말 기준으로 730개 광산이 가행중에 있다. 가행광산 730개중 669개가 비금속광산이며, 이중 석회석과 고령토 광산이 전체의 59%인 395개를 차지하고 있다. 이중 광물을 생산중인 광산은 약 530여개이며 나머지 광산은 개발 준비 또는 조업이 불규칙한 영세광산이다. 비금속광산은 여타 광종에 비해 비교적 부존량이 풍부하고 매장상태가 양호하여 개발은 활발한 반면, 금속광산과 석탄광산은 대부분 경제성 및 채산성 문제로 개발이 어려운 여건이며 전체 광산의 90%이상이 휴광 또는 폐광된 상태로서 자연방치되어 있는 경우가 대부분이다. 전국적으로 분포하는 2,006개 중 상당수의 광산에서 개발하는 과정에서 뿐만 아니라 광산이 휴지하거나 폐광한 후에도 지속적으로 광해를 발생시키는 것으로 추정되고 있다.
광산과 관련된 환경문제 중에서 가장 대표적인 문제는 광산배수이다. 갱구를 통해 유출되는 갱내수와 광산폐기물 적치장에서 유출되는 침출수 등을 광산배수로 규정할 수 있다. 광산 주변 또는 갱구로부터 유출되는 광산배수는 주로 황화광물의 산화작용에 의한 산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD)에 해당하며 중금속성분 함량이 높아서 주변 환경을 심각하게 오염시킬 수 있다.
광물을 채광하기 위하여 지하암반을 굴착하는데 이러한 암반 내에는 황화광물을 포함하고 있다. 또한 황화광물이 다량 분포하는 광산 채굴적 혹은 방치된 광산폐기물은 산성광산배수를 형성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 황화광물이 산소 및 물에 노출되면 산화작용에 의해서 주변 자연수의 pH를 낮추게 되면 이러한 산성수와 접하게 되는 물질들로부터 철, 알루미늄, 망간, 아연, 카드뮴, 납 등의 중금속을 용출시켜 중금속으로 오염된 광산배수가 발생하게 된다. 황화광물 중 공산배수의 산성화에 가장 크게 기여하는 것은 황철석(Pyrite, FeS2)이다. 황철석은 국내 대부분의 금속광산에서 흔히 관찰될 뿐만 아니라, 석탄광산의 함탄층 상하부의 흑색세일에 많이 분포하고 있다.
산성광산배수가 미치는 환경영향으로는 광산 주변 수계에 대한 수질악화 및 수생생물상에 대한 서식처 파괴 등이고, 지표수 및 지하수를 포함한 물에 미치는 영향은 중금속 오염, 금속수산화물의 침전과 이로 인한 시각적 혐오감, 산도의 증가, 탁도 발생, 설비 또는 콘크리트 구조물의 부식 촉진 등을 들 수 있다. 이와 같이 황화광물의 산화과정으로부터 형성된 산성광산배수가 광산주변수계로 유입되면서 수로상에 노란색, 적갈색 등의 퇴적물(옐로우보이:Yellow-Boy)과 백색 침전물 현상이 발생된다. 특히 폐금속광산에서 유출되는 갱내수와 침출수에는 유해중금속이 다량 포함되는 경우가 많아 정화처리 없이 그대로 방출하는 경우 중금속이 하천 및 토양에 축적되고, 이러한 오염은 어류나 농작물로 전이되어 국민 건강에 악영향을 가져올 수 있다.
이러한 광산배수의 처리방법은 적극적 처리방식(Acitive Treatment)과 소극적 처리방식(Passive Treatment) 으로 구분할 수 있다. 적극적 처리방식은 물리화학적 처리방법이라고도 하는데, 집수지를 거쳐온 AMD를 생석회, 소석회, 석회석, 탄산나트륨 등의 중화제로 중화하여 처리한다. 이 때 대규모의 처리시설에서는 석회석을 많이 사용한다, 중화처리한 이후에는 2가철을 3가철로 산화시키기 위한 공기폭기과정을 거치면, 이 때 발생한 철 수산화물과 기타 부유물질을 제거하기 위해 침전지에서 침전처리하게 된다. 이러한 처리방법은 처리효율은 우수하지만 지속적인 관리 즉, 운영관리의 어려움과 약품사용에 따른 많은 비용이 소모된다는 단점을 지니고 있다.
또한 소극적 처리방식은 ALD(Anoxic Limestone Drain), SAPS(Successive Alkalinity Producing Systems), 인공소택지(호기성, 혐기성), OLT(Oxic Limestone Trench), DW(Diversion Well)의 방식이 있다. 이러한 소극적 처리방식은 화학물질의 첨가 등으로 인한 시설의 유지, 운영비가 들지 않아 경제적이나, 처리수에서 Yellow Boy가 서서히 발생하며, 정화효율이 불확실하며, 겨울철 박테리아 활동의 저하로 인한 중금속제거율이 저하되며, 초기 설치시 부지면적의 과다소요가 필요하는 단점을 가지고 있다.
도 1은 일반적으로 물리화학적 공법에 의한 광산배수 처리방식을 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 광산배수를 처리하기 위하여 pH 조정조(101), 산화조(102), 반응조(103), 응집조(104), 침전조(105) 및 방류조(106)를 구비하여 정화시킨 후에 방류시킨다.
pH 조정조(101)에서는 pH조정약품으로 황산제일철(FeSO4)을 투입하고, 산화조(102)에서는 공기폭기시킴으로써 Fe2+ 이온을 Fe3+ 이온으로 산화시키면서 수산화물인 Fe(OH)3의 침전물을 형성하는 것에 의해 Fe를 보다 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 반응조(103)에서 사용되는 반응제는 가성소다(NaOH)와 황산반토(Al2(SO4)3 를 사용하여 응집반응이 일어나도록 한다. 반응조에서 응집반응이 일어난 후 응집조(104)에서 응집보조제(폴리머)등을 투입하여 플럭의 형성을 크게하여 침전조(105)에서 침전이 원활하게 이루어지게 하는 공정이다.
이와 같은 물리화학적 공법에 의한 광산배수 처리공법은 현재 운영 중인 광산배수 처리방법 중 처리효율이 가장 좋지만, 중화제, 반응제 등의 약품사용으로 인한 약품사용비의 과다 및 고농도의 슬러지를 침전조에 체류함에 따른 기계의 부하로 인한 고장대처 방안 등의 관리의 어려움, 약품사용에 따른 슬러지 발생량의 증가등의 단점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 특허등록 제10-0968272호에서 광산폐수가 유입되는 유량조정조(110)와; 유량조정조에 유입되어 저장되는 유입수와 오존을 혼합하여 유입수의 중금속을 산화시키는 오존교반기(112)와; 오존교반조에서 배출되는 산화수가 저장되는 산화조(113)와; 산화조의 산화수를 제공받아 슬러지를 여과하는 모래층의 제1여과부(114)와; 제1여과부에서 배출되는 여과수를 제공받아 미세슬러지를 여과하는 활성탄층의 제2여과부(115)와; 제2여과부에서 여과된 여과수가모여지는 방류조(116)를 포함하는 광산폐수 처리장치를 제시하였다.
그러나, 제10-0968272호의 광산폐수 처리장치는 오존주입후 생성된 플럭을 바로 여과조로 이송하여 중금속을 제거하였으나, 플럭이 형성되지 않아 모래층의 제1여과부로 유입된 산화수에 중금속의 농도가 매우 높아 모래여과조의 부하(load)로 인한 역세주기가 단시간에 이루어짐에 처리량 대비 역세량이 많이 소요되어 전체 처리량은 역세량을 포함하여 처리하여야 하는 문제점이 발생되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광산배수의 처리시 오존과 침전조에서 침전된 슬러지를 사용하여 응집보조제를 제외한 사용되는 약품 없이 광산배수중 중금속을 응집시켜 약품(응집제)투입 및 슬러지 발생의 감소로 인한 유지관리의 용이성과 비용의 최대로 절감할 수 있는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 해결과제는 광산배수의 응집시 형성되는 플럭의 크기를 최대로 할 수 있도록 완속교반조를 구비하여 침전조에서의 침전속도를 높여 유지관리를 단순할 수 있는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템은, 광산배수가 유입되는 유량조정조(10)와; 상기 유량조정조(10)에서 유입된 광산배수를 공급받고 오존과 접촉용해시켜 광산배수에 포함된 중금속을 산화시키는 오존접촉산화용해조(20)와; 상기 오존접촉산화용해조(20)에서 산화된 산화수와 침전조(50)에서 침전된 슬러지 및 응집보조제(31)를 급속교반시켜 혼합하는 급속교반조(30)와; 상기 급속교반조(30)에서 산화수, 반송슬러지, 응집보조제(31)의 혼합수를 제공받아 완속으로 교반하여 혼합수에서 응집이 일어나도록 유도하며 응집되어 형성되는 플럭의 크기를 증대시키는 완속교반조(40)와; 상기 완속교반조(40)에서 응집된 플럭을 침전시키는 침전조(50)와; 상기 침전조(50)에서 고액분리된 처리수를 제공받아 미세한 부유물질을 제거하기 위한 모래여과조(70)와; 상기 모래여과조(70)에서 배출되는 용해된 중금속의 제거를 위한 활성탄조(80)와; 상기 침전조(50)에서 고액분리되어 침전된 슬러지를 급속교반조(30)로 제공하는 반송펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 침전조(50)에서 고액분리된 처리수를 제공받아 저장하고 저장된 처리수를 모래여과조(70)로 제공하는 제1처리수조(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 활성탄조(80)에서 배출되어 처리수가 저장되는 제2처리수조(90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 제2처리수조(90)로 이송된 처리수는 모래여과조(70)와 활성탄조(80)의 역세수로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템은 광산배수 처리기술의 공정을 오존과 침전조의 슬러지를 반송시켜 사용함으로써 광산배수내의 철, 망간 등의 중금속을 급속산화처리하여 약품(응집제)투입 및 슬러지 발생의 감소로 인한 유지관리의 용이성과 비용의 최대로 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한 완속교반조에서 광산배수의 응집시 형성되는 플럭의 크기를 최대로 할 수 있기 때문에 침전조에서의 침전속도를 높여 유지관리를 단순할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래에 사용되고 있는 물리화학적 공법에 의한 광산배수 처리장치를 도시한 단면도.
도 2는 본 출원인의 선출원 등록특허 제10-0968272호의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템의 블록도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템을 자세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템은 유량조정조(10), 오존접촉산화용해조(20), 급속교반조(30), 완속교반조(40), 침전조(50), 제1처리수조(60), 모래여과조(70), 활성탄조(80), 제2처리수조(90)를 구비한다.
유량조정조(10)는 광산에서 배출된 광산배수가 유입되어 저장되고, 광산배수의 처리시 사용된다. 유량조정조(10)로 유입된 광산배수는 가압펌프(11)에 의해 오존접촉산화용해조(20)로 공급된다.
오존접촉산화용해조(20)는 유량조정조(10)로부터 공급받는 광산배수와 외부의 오존발생장치(21)으로부터 공급받은 오존을 급속교반시켜 광산배수에 오존이 접촉용해시킨다. 오존접촉산화용해조(20)에 의하여 오존과 광산배수를 급속하게 혼합하기 때문에 광산배수에 포함된 철 및 망간을 급속산화시킬 수 있다.
급속교반조(30)는 오존접촉산화용해조(20)에서 오존이 급속교반된 산화수가 유입되고, 응집보조제(31)가 약품펌프(32)에 의해 급속교반조(30)로 같이 유입되어 급속교반된다. 급속교반조(30)에서는 산화수, 응집보조제, 반송슬러지가 완전혼합을 이루게 된다. 이때 응집보조제(31)는 후술하는 완속교반조(40)에서 플럭의 형성을 크게하기 위해 첨가되며 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 급속교반조(30)에는 최초 응산화수의 응집을 위해 응집제가 사용되지만 침전조(50)에서 침전된 슬러지가 공급되면 더 이상 사용되지 않는다.
완속교반조(40)는 급속교반조(30)에서 제공받은 산화수, 반송슬러지, 응집보조제의 혼합수를 완속으로 교반하여 혼합수에서 응집이 일어나도록 유도하며 응집되어 형성되는 플럭의 크기를 증대시킨다. 완속교반조(40)에서 응집되는 플럭은 약 5mm 이상인 정도인 것이 바람직하다. 이와 같은 완속교반조(40)를 사용하지 않으면 급속교반조(30)에 의해 광산배수와 반송슬러지, 응집보조제가 완전혼합을 이루게 되더라도 플럭이 형성되지 않아 침전조(50)에서 침전이 발생되지 않는 문제가 있다.
침전조(50)는 완속교반조(40)에서 생성된 플럭과 혼합수를 제공받아 고액분리시켜 완속교반조(40)에서 생성된 플럭을 슬러지로서 하부로 침전시킨다.
침전조(50)에서 고액분리된 상등수는 제1처리수조(60)로 공급되어 저장된 후에 여과기 공급펌프(61)를 통해 모래여과조(70)로 제공되며, 모래여과조(70)를 통과하면서 처리수에 함유된 미세한 부유물질이 제거된다. 또한 모래여과조(70)를 통과한 처리수는 활성탄조(80)로 제공되며, 활성탄조(80)를 통과하면서 처리수에 함유된 미세부유물질의 중금속 및 용해된 중금속이 제거된다. 활성탄조(80)에서 배출되어 처리수는 제2처리수조(90)에 저장된다. 이때, 제2처리수조(90)에 이송된 처리수는 방류되거나 또는 모래여과조(70)와 활성탄조(80)에서 여과흡착된 중금속을 역세펌프(91)로 역세하기 위한 역세수로 사용된다. 또한, 역세된 역세수는 유량조정조(10)로 유입시켜 재처리하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 침전조(50)에서 침전된 슬러지는 반송펌프(51)에 의해 급속교반조(30)로 일부 이송되고, 잔여 슬러지는 슬러지펌프(52)에 의해 탈수기(53)로 이송되어진다. 침전조에서 침전된 광산배수의 슬러지는 오존이 급속교반되어 F, Na2O, MgO, Al2O3, SiO2, P2O5, SO3, CL, K2O, CaO, MnO, Fe2O3, NiO, ZnO, SrO 등을 함유하고 있으며, 침전된 슬러지의 Fe2O3의 양이 70%이상을 차지하고 있다. 이러한 Fe2O3은 광산배수에 대량 함유된 SO4 -이온과 응집하여 황산제2철(Fe2(SO4)3)을 형성하여 침전되기 때문에 천연 응집제로 사용할 수 있다.
먼저, 광산에서 배출된 광산배수는 유량조정조(10)로 유입되어 저장된 후에 가압펌프(11)에 의해 오존접촉산화용해조(20)로 공급된다. 오존접촉산화용해조(20)는 유량조정조(10)로부터 공급받는 광산배수와 오존을 급속교반시켜 광산배수에 오존이 접촉용해시켜 광산배수에 포함된 철, 망간 등의 중금속을 급속산화시킨다.
오존접촉산화용해조(20)에서 오존이 급속교반된 산화수는 급속교반조(30)로 공급되며 침전조(50)에서 침전된 슬러지와 응집보조제(31)를 함께 첨가하여 완전 혼합된다. 이때 급속교반조(30)에는 침전된 슬러지가 유입되지 전에 최초 유입된 산화수의 응집을 위해 응집제가 사용되지만 침전조(50)에서 침전된 슬러지가 공급되면 더 이상 사용되지 않는다.
급속교반조(30)에서 혼합된 산화수, 반송슬러지, 응집보조제는 완속교반조(40)에서 완속으로 교반되면서 응집이 발생하며 발생된 플럭의 크기가 증대된다. 예를 들면, 응집되는 플럭은 약 5mm 이상인 정도인 것이 바람직하다.
완속교반조(40)의 플럭과 혼합수는 침전조(50)로 제공되어 고액분리되며 응집된 플럭을 슬러지로서 하부로 침전된다.
침전조(50)에서 고액분리된 상등수는 제1처리수조(60)로 저장되고, 모래여과조(70)로 공급되어 슬러지가 걸러지게 되고, 다시 활성탄조(80)로 공급되어 미세부유물질의 중금속 및 용해된 중금속을 제거되어 제2처리수조(90)로 이송하여 저장된다. 제2처리수조(90)에 이송된 처리수는 방류되거나 또는 모래여과조(70)와 활성탄조(80)에서 여과흡착된 중금속을 역세펌프(91)로 역세하기 위한 역세수로 사용된다. 이때 역세된 역세수는 유량조정조(10)로 유입시켜 재처리하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 침전조(50)에서 침전된 슬러지는 반송펌프(51)에 의해 급속교반조(30)로 일부 이송되고, 슬러지펌프(52)에 의해 탈수기(53)로 이송되어진다. 탈수된 슬러지는 별로도 처리되어 외부로 반출되고, 분리된 물은 다시 유량조정조(10)에 반송되어 재처리된다.
이와 같이, 본 발명은 광산배수에 포함된 철, 망간, 알루미늄 등의 중금속을 산화시켜 침전시키면서 침전된 슬러지를 응집제로 사용하기 때문에 응집제를 사용에 따른 약품비를 절감할 수 있으며, 슬러지의 일부를 재활용하기 때문에 슬러지의 처리비용도 최소화할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예(들)에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 유량조정조 11 : 가압펌프
20 : 오존접촉산화용해조 21 :오존발생장치
30 : 급속교반조 31 : 응집보조제
32 : 약품펌프 40 : 완속교반조
50 : 침전조 51 : 반송펌프
52 : 슬러지펌프 53 : 탈수기
60 : 제1처리수조 70 : 모래여과조
80 : 활성탄조 90 : 제2처리수조
91 : 역세펌프

Claims (4)

  1. 광산배수가 유입되는 유량조정조와;
    상기 유량조정조에서 유입된 광산배수를 공급받고 오존과 접촉용해시켜 광산배수에 포함된 중금속을 산화시키는 오존접촉산화용해조와;
    상기 오존접촉산화용해조에서 산화된 산화수와 침전조에서 침전된 슬러지 및 응집보조제를 급속교반시켜 혼합하는 급속교반조와;
    상기 급속교반조에서 산화수, 반송슬러지, 응집보조제의 혼합수를 제공받아 완속으로 교반하여 혼합수에서 응집이 일어나도록 유도하며 응집되어 형성되는 플럭의 크기를 증대시키는 완속교반조와;
    상기 완속교반조에서 응집된 플럭을 침전시키는 침전조와;
    상기 침전조에서 고액분리된 처리수를 제공받아 미세한 부유물질을 제거하기 위한 모래여과조와;
    상기 모래여과조에서 배출되는 용해된 중금속의 제거를 위한 활성탄조와;
    상기 침전조에서 고액분리되어 침전된 슬러지를 급속교반조로 제공하는 반송펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 침전조에서 고액분리된 처리수를 제공받아 저장하고 저장된 처리수를 모래여과조로 제공하는 제1처리수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 활성탄조에서 배출되어 처리수가 저장되는 제2처리수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 제2처리수조로 이송된 처리수는 모래여과조와 활성탄조의 역세수로 사용되는 것을 특징으로 하는 오존산화와 슬러지 반송에 의한 광산배수 처리 시스템.
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