KR101270403B1

KR101270403B1 - 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101270403B1
Application number: KR1020120146396A
Authority: KR
Inventors: 공준; 조현희; 신정엽; 김희연
Original assignee: 코오롱워터앤에너지 주식회사
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-06-10

Abstract

본 발명은 굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별장치; 상기 선별장치로부터 분급된 오염토사에 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화 세척조; 상기 초음파 산화 세척조에서 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별장치; 후선별장치로부터 유입된 토사에서 미세토사를 버블에 의해 고액분리를 하는 부상장치;를 포함하여 구성되는 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법{Hybrid complexly contaminated soil washing system and method by ultrasonic oxidation-extraction}

본 발명은 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 초음파 산화 및 버블 고액분리를 하이브리드 화 하여 유류 및 중금속에 오염된 복합오염토양의 정화에 적합하며, 미세토사를 분급할 수 있도록 함으로써 슬러지 처리량을 감소시킬 수 있는 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 인구증가 및 산업 발달로 발생되는 폐기물과 유해화학물질로 인하여 토양 및 지하수 오염의 심각성이 고조되어 개발사업으로 영향 받게 되는 토양환경에 대한 중요성이 대두되고 있다.

특히 지속적인 경제발전과 소득수준이 향상되면서 산업활동과 더불어 자동차 보급으로 인한 유류사용량이 크게 증가하였다. 이에 따라 주유소의 유류저장탱크, 화학물질을 저장하고 있는 산업시설의 지하저장탱크 등에서 비수용상액체(NAPLs)로 분류되는 유류 및 유해화학물질의 유출로 인한 토양 및 지하수 오염 문제가 부각되고 있다.

또한, 토양오염의 인자로서 중금속에는 양전하를 띄는 납, 비소 카드뮴 등과 음전하를 띄는 비소 등이 포함된다. 2000년대부터 휴ㅇ폐광산이나 산업단지에서의 중금속 오염토양으로 인한 문제가 지속적으로 제기되면서 중금속 오염토양의 정화가 새로운 분야로 각광받고 있다. 중금속 오염토양은 취기나 색 변화가 전혀 없어 육안으로 확인이 불가능하다. 국내에서 대부분의 오염토양정화 사업은 주로 유류오염토양을 대상으로 시행되었으며, 중금속오염토양 정화사업은 극소수에 지나지 않는다.

한편 복합오염부지 중 매립 폐기물로 인한 산업단지의 특수성과 오염특성을 살펴보면 국가 및 지자체가 매립하여 조성한 산업단지는 토양환경보전법이 개정되기 이전부터 폐기물관리법 상 폐기물 재활용 촉진에 관한 법률에 의거하여 슬래그, 폐석고 등을 복토재로 재활용하여 산업단지 부지에 매립하거나 오랜 기간 불법적으로 매립된 폐기물로 인해 유류오염물질을 비롯하여 아연, 니켈, 납, 구리 등 복합 중금속오염물질, 불소, 비소등 표면전하가 음이온을 띄고 있는 오염물질들이 복합적이고 다양한 원인으로 조사된다. 특히 폐기물을 재활용하여 매립 조성된 산업단지는 부지를 활용하여 생산중인 공장의 업종 또한 다양하여 기존의 매립된 폐기물로 인한 오염과 산업활동으로 인한 인위적 오염 원인을 규명하고 파악하기가 매우 어려운 특성을 가지고 있다.

이와 관련 대한민국 특허등록 제10-0903593호에서는 오염토양에서 입자를 분리하는 건식 선별 단계, 입자가 분리된 오염토양을 투입호퍼를 통해 세척조로 투입하여 세척하는 세척단계, 세척된 토양을 초음파세척조로 투입하여 초음파에너지를 이용하여 세척시키는 단계 등을 포함하는 기술을 제시하고 있다.

그런데 상기 기술의 경우 초음파를 이용함에 따라 유류 및 중금속에 오염된 복합오염토양의 정화는 가능하나, 진동분리 등의 반복에 의해 토사를 입경에 따라 분급하도록 하고 있으나, 이러한 방법에 의해서는 미세토사를 충분히 분급할 수 없어 슬러지 처리량이 증가하는 문제가 있다.

한편 대한민국 특허등록 제10-0988047호에서는 오염토양에 혼합세척제를 투입하고 혼합하는 교반단계, 상기 교반된 오염토양을 세척하면서 토양입자를 분리하는 분급 및 세척단계, 토양에서 입도가 큰 토양입자를 분리하는 미립자 고액분리단계 등을 포함하는 기술을 제시하고 있다.

그런데 상기 기술의 경우는 단순히 혼합세척제를 투입하여 오염토양을 세정하는 것으로, 복합오염토양에 대해 충분한 정화효율을 기대할 수 없으며, 상기 고액분리단계에서 제시되는 기술로 하이드로싸이클론을 제시하고 있는 바, 상기 하이드로싸이클론의 경우도 충분히 미세토사를 분급할 수 없어 슬러지 처리량이 증가하는 문제가 여전히 상존한다.

대한민국 특허등록 제10-0903593호 대한민국 특허등록 제10-0988047호

본 발명은, 유류 및 중금속을 동시에 처리할 수 있어 복합오염토양에 적용이 가능하면서, 동시에 미세토사의 분급이 가능하여 슬러지 처리량을 감소시킬 수 있는 하이브리드 토양정화 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명인 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템, 굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별장치; 상기 선별장치로부터 분급된 오염토사에 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화 세척조; 상기 초음파 산화 세척조에서 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별장치; 후선별장치로부터 유입된 토사에서 미세토사를 버블에 의해 고액분리를 하는 부상장치;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

즉 본 발명은 탈위치(Ex-situ)에서 초음파 산화에 의해 유류 및 중금속으로 오염된 복합오염토양을 정화하도록 하는 것이며, 세척후에 버블에 의한 미세토사 부상에 의해 미세토사를 분급하도록 함으로써 슬러지 발생량을 줄일 수 있는 하이브리드 화 된 토양정화 시스템에 관한 것이다.

여기서 상기 후선별장치에는, 입경이 큰 토사를 배출시키는 하이드로싸이클론과, 상기 하이드로싸이클론으로부터 분급된 입경이 작은 토사를 침전시키는 침사조가 포함되도록 하여 세척된 토사가 입경 별로 분급이 되도록 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 부상장치로부터 고액분리가 완료된 토사를 응집제와 반응토록 하여 침전시키는 응집침전조가 포함되도록 하여 슬러지 화 된 미세토사를 처리하도록 한다.

한편 본 발명에서는 상기 부상장치의 예를 제시하고 있는 바, 상기 부상장치는 일측에 유입구와 타측에 배출구가 구성되며 하면이 경사구배가 형성되는 부상수조와, 상기 부상수조의 하부에 구성되며 복수의 분사노즐이 형성된 산기관과, 상기 부상수조의 상부에 메쉬형태로 형성되는 슬러지거름망이 구성됨에 특징이 있다.

더욱 바람직하게 상기 분사노즐은 상부에 복수의 토출공이 형성된 분사관과, 상기 분사관의 상단에서 복수의 산기공이 형성되는 반구형상의 산기구가 구성되어 상기 부상수조에서 넓은 영역에 걸쳐 마이크로 버블이 부상되도록 함이 타당하다.

한편 본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화방법은, 굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별단계; 분급된 오염토사를 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화단계; 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별단계; 버블에 의한 미세토사를 분급하는 부상고액분리단계; 슬러지를 처리하는 후처리단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법은 초음파 산화에 의해 유류 및 중금속을 제거할 수 있어 복합오염토양의 정화에 적합한 장점이 있다.

또한, 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법은 초음파를 사용함에 따라 산화제의 사용량을 줄일 수 있어 화학약품의 사용에 의한 2차 오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템 및 방법은 기존 시스템 및 공법에서 분급이 용이하지 않았던 미세토사를 버블에 의한 부상분리가 가능하도록 함에 따라 슬러지 과다발생에 따른 2차 오염 및 비용의 증가를 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템을 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템의 예를 나타내는 사시도이고,
도 3은 본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템의 일 구성인 부상장치의 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 4는 본 발명의 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화방법을 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명인 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화 시스템은, 도 1에서 보는 바와 같이 굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별장치(110); 상기 선별장치(110)로부터 분급된 오염토사에 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화 세척조(120); 상기 초음파 산화 세척조에서 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별장치(130); 후선별장치로부터 유입된 토사에서 미세토사를 버블에 의해 고액분리를 하는 부상장치(140); 및 응집침전조(150)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 선별장치(110)는 자갈, 쓰레기 등 오염토양에 있어 입경이 큰 입자를 건식에 의해 선별하는 것으로, 이러한 선별장치(110)는 스크린 등 그 종류를 한정하지 않는다. 개략적으로 오염토양에 있어 0.2mm이하의 토사를 선별하여 상기 초음파 산화 세척조(120)로 유동토록 하는 것이다.

이렇게 입자가 1차적으로 선별된 오염토사는 상기 초음파 산화 세척조(120)로 유동토록 하여 초음파와 산화제에 의해 유류 및 중금속이 분리되도록 하는 것이다. 상기 초음파 산화 세척조(120)에서는 세척수, 산화제, 1차적으로 선별된 오염토사가 혼합되어 초음파에 의해 유류 및 중금속의 세척공정이 진행되는 것이다.

상기 초음파 산화 세척조(120)에서의 초음파 공정은 인간의 가청주파수에 비해 높은 (> 18 kHz) 초음파를 이용하는 공정이다. 초음파가 압축/팽창을 반복하면서 액체에 조사되면 액체 분자간 거리가 좁아졌다가 넓어짐을 반복하는데, 분자간 거리가 액체를 유지할 수 있는 거리에 비해 커지면 공동(cavity), 즉 공기방울이 형성된다. 공동은 초음파의 에너지를 공기방울에 농축시키는 역할을 하게 되는 것이며, 이렇게 형성된 공기방울이 붕괴될 때 고온 고압이 발생하여 화합물을 분해할 수 있게 되는 것이다. 또한, 초음파로 형성된 기포가 붕괴하면서 발생하는 충격파에 의해 중금속 탈착이 촉진될 수 있다. 그러므로 초음파는 중휘발성 유류 등 유기물 제거 및 중금속 탈착 효율 향상에 크게 기여할 수 있는 바, 휘발성 유류 및 중금속에 오염된 복합오염토양의 정화에 적합한 것이다.

또한, 초음파의 적용에 기해 오염토사를 포함하는 수용액에서 OH 라디칼이 발생하며, 이에 의해 중휘발성 유류 등이 산화분해되는 것이고, 다른 산화제와 함께 사용하면 OH 라디칼 생성이 촉진되거나 다른 산화제를 재생시켜 산화효율이 향상되고 산화제 주입량을 절감할 수 있게 되는 것이다. 이렇게 초음파를 적용함에 따라 산화제 주입량을 절감할 수 있어 과다 산화제 사용에 의한 2차적 오염도 방지하게 되는 것이다.

상기 산화제는 그 종류를 한정하지 않으며, 오존, 이산화티탄, 철 등이 사용될 수 있다.

상기 초음파 산화 세척조(120)에서 세척된 토사는 상기 후선별장치(130)로 유동하는 바, 상기 후선별장치(130)에서는 미세토사를 포함하는 토사를 분급하여 배출토록 하는 것으로, 상기 후선별장치(130)에 구성된 토사배출라인(131)을 통해 분급된 토사가 배출되도록 하는 것이다.

상기 후선별장치(130)는 본 발명의 일 예로서 도 1에서 보는 바와 같이 하이드로싸이클론(132)이 구성되고, 이에 연하여 침사조(133)가 구성되도록 한다.

상기 초음파 산화 세척조(120)에서 유류 및 중금속이 분리된 토사를 포함하는 용액은 상기 하이드로싸이클론(132)으로 유동하여 회전력에 기해 일정 입경을 초과하는 토사가 배출되도록 하는 것으로, 상기 하이드로싸이클론(132)은 공지기술로서 그 자세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 하이드로싸이클론(132)과 연하여 도면에 도시된 바는 없으나 멀티 하이드로싸이클론이 더 구성되도록 하여 미세토사의 분급효율을 향상시키도록 할 수 있다. 이러한 하이드로싸이클론(132)의 경우 개략적으로 0.075mm이상으로 선별되어진 토사를 배출토록 하며, 멀티 하이드로싸이클론이 부가되는 경우 0.02mm이상으로 선별되어진 토사를 배출토록 하는 바, 0.02mm미만의 미세토사의 경우 분급이 되지 않아 하이드로싸이클론(132)(멀티 하이드로싸이클론)만을 사용하는 경우 슬러지 처리량이 증가하여 비경제적인 것이다. 이에 본 발명에서는 하기에서 설명할 부상장치(140)를 제시하고 있는 것이다.

또한, 상기 후선별장치(130)로서 상기 침사조(133)는 상기 하이드로싸이클론(132)에서 분급된 미세토사가 포함된 용액을 저장하면서 미세토사의 침적을 유도하는 구성에 해당한다. 단, 상기 침사조(133)의 경우도 미세토사의 비중이 작음으로 인해 침적의 유도가 용이하지 않은 바, 상기 부상장치(140)가 더 제시되는 것이다.

상기 부상장치(140)는 버블을 생성시킴으로써 버블의 부상에 기해 버블에 부착된 미세토사의 부상을 유도함으로써 토사배출라인(141)을 통해 미세토사를 분급할 수 있도록 하는 것으로, 이렇게 버블에 의한 고액분리를 통해 0.02mm미만의 미세토사의 경우도 분급이 가능하게 되는 것이다. 즉 후처리로서 슬러지 처리량을 그만큼 줄일 수 있으며, 정화효율도 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 상기 부상장치(140)의 예를 도 3에서 제시하고 있는 바, 상기 부상장치(140)는 부상수조(142), 복수의 분사노즐(144)이 형성된 산기관(143)으로 구성되어 상기 부상수조(142)로 유입된 미세토사를 포함하는 용액에 상기 분사노즐(144)을 통해 버블을 분사함으로써 미세토사가 버블에 부착된 상태로 부유하도록 하는 것이다.

상기 부상수조(142)는 일측에 유입구(142-1)가 형성되어 미세토사를 포함하는 용액을 유입하고, 타측에 배출구(142-2)가 형성되어 미세토사가 분급된 용액을 외부(응집침전조(150))로 배출토록 하는 것이다. 또한, 상기 부상수조(142)는 그 하면(142-5)이 경사구배를 형성토록 함으로써 미세토사가 분급된 용액에 있어서 비중이 비교적 큰 토사를 침적시켜 상기 부상수조(142)에 있어 하부에 형성된 침적토사배출구(142-4)를 통해 침적토사를 외부로 배출토록 한다. 또한, 상기 부상수조(142)의 상부에는 월류관(142-3)을 구성하여 부유된 미세토사를 외부로 배출토록 할 수 있다. 부유된 미세토사는 상기 월류관(142-3)을 통해 외부로 배출할 수도 있고, 기타 스컴 등을 이용해서 외부로 배출할 수도 있는 바, 이러한 부유된 미세토사의 추출은 다양한 구조(방법)에 의해 수행될 수 있음은 당연하다.

상기 산기관(143)은 상기 부상수조(142) 외부에서 브로워(145)에 연결되며, 상기 부상수조(142)의 하부에 구성되는 것으로, 산기관(143)을 통해 전달된 공기가 상기 산기관(143)의 상부에 형성된 복수의 분사노즐(144)을 통해 공기가 분사되도록 함으로써 버블이 형성되도록 하는 것이다.

또한, 상기 부상수조(142)의 상부로서 수면 하부에는 슬러지거름망(146)이 구성되는 바, 상기 슬러지거름망(146)은 메쉬(146-1)가 구성되어 용액에 포함되는 슬러지가 부유되는 것을 방지하도록 하는 것이며, 미세토사는 관통하여 부유되도록 하는 것이다. 상기 슬러지거름망(146)을 구성하는 이유는 슬러지가 버블과 함께 부유함으로써 부유된 미세토사와 혼합되는 경우 별도의 슬러지 제거공정을 거쳐야 하므로 이러한 불편을 없애기 위해 구성되는 것이다.

한편 도 3에서는 상기 분사노즐(144)의 실시 예를 도시하고 있는 바, 상기 분사노즐(144)은 상부에 복수의 토출공(144-1)이 형성된 분사관(144-2)과, 상기 분사관(144-2)의 상단에서 복수의 산기공(144-3)이 형성되는 반구형상의 산기구(144-4)로 구성된다. 상기 분사관(144-2)을 통해 유입된 공기가 상기 토출공(144-1)으로 배출되며, 이렇게 배출된 공기는 상기 산기구(144-4)에 형성된 복수의 산기공(144-3)을 통해 마이크로 버블로 배출되도록 하는 것이다. 즉 마이크로 버블이 형성되도록 함에 따라 발생 버블의 표면적을 크게 하여 그만큼 미세토사의 부유량을 늘릴 수 있게 되는 것이며, 상기 산기구(144-4)가 반구형상으로 구성되어 마이크로 버블은 다방향에서 발생이 되므로 넓은 영역에서 미세토사를 부유시킬 수 있도록 하는 것이다.

상기에서 언급한 바와 같이 상기 부상장치(140)에 의해 미세토사가 분급되어진 용액은 응집침전조(150)로 유동하도록 하며, 이렇게 유동된 응집침전조(150)의 용액에는 응집제를 투입하여 슬러지(콜로이드성 오염미세토사)를 침전하도록 하는 것이다.

상기 응집침전조(150)에서 침전된 슬러지는 도면에 도시된 바는 없으나, 농축조에서 농축이 되어지며 필터프레스 등에 의해 케이크화 되어 재활용이 되도록 할 수 있다.

한편 본 발명에서는 도 4에서 보는 바와 같이 초음파 산화-추출 하이브리드 복합오염토양 정화방법에 대해서도 제시한다. 본 발명의 정화방법은, 굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별단계(S10); 분급된 오염토사를 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화단계(S20); 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별단계(S30); 버블에 의한 미세토사를 분급하는 부상고액분리단계(S40); 슬러지를 처리하는 후처리단계(S50);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

110 : 선별장치 120 : 초음파 산화 세척조
130 : 후선별장치 140 : 부상장치
150 : 응집침전조

Claims

굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별장치;
상기 선별장치로부터 분급된 오염토사에 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화 세척조;
상기 초음파 산화 세척조에서 세척된 토사를 입경별로 분급하는 후선별장치;
후선별장치로부터 유입된 토사에서 미세토사를 버블에 의해 고액분리를 하는 부상장치;
를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 후선별장치에는,
입경이 큰 토사를 배출시키는 하이드로싸이클론과, 상기 하이드로싸이클론으로부터 분급된 입경이 작은 토사를 침전시키는 침사조가 포함됨을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 부상장치로부터 고액분리가 완료된 토사를 응집제와 반응토록 하여 침전시키는 응집침전조가 포함됨을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 부상장치는,
일측에 유입구와 타측에 배출구가 구성되며 하면이 경사구배를 형성하는 부상수조와, 상기 부상수조의 하부에 구성되며 복수의 분사노즐이 형성된 산기관으로 구성됨을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 부상수조의 상부에는 메쉬형태로 형성되는 슬러지거름망이 구성되어 메쉬로 버블은 통과되어 부유토록 하며, 슬러지는 걸러지도록 하는 것을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 분사노즐은 상부에 복수의 토출공이 형성된 분사관과, 상기 분사관의 상단에서 복수의 산기공이 형성되는 반구형상의 산기구가 구성됨을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양정화 시스템.
굴착된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 선별단계;
분급된 오염토양을 초음파 및 산화제를 이용하여 세척하는 초음파 산화단계;
세척된 오염토양에서 토사를 입경별로 분급하는 후선별단계;
버블에 의한 미세토사를 분급하는 부상고액분리단계;
슬러지를 처리하는 후처리단계;
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초음파 산화 하이브리드 토양 정화방법.