KR101327809B1

KR101327809B1 - 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템

Info

Publication number: KR101327809B1
Application number: KR1020130002099A
Authority: KR
Inventors: 이종열; 이석영; 이광표; 박원석; 공효영; 박영도; 이애리; 이주원
Original assignee: 아름다운 환경건설(주)
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2013-11-11

Abstract

본 발명에 따른 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은 지하수를 양수하는 양수부; 상기 양수부로부터 양수된 지하수에 포함된 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 제거하고, 탈침전된 지하수는 열교환부로 배출하는 침전부; 히팅부에서 공급되는 가열 지하수를 이용하여 상기 침전부를 통과한 탈침전 지하수를 예열시키는 열교환부; 상기 열교환부를 통과한 예열된 지하수에 열에너지를 공급하여 휘발성 오염물질을 기화시켜 배출하고, 가열된 지하수는 상기 열교환부로 공급하는 히팅부; 상기 히팅부에서 배출되는 기체를 포집하여 처리하는 가스처리부를 포함하여 구성된다.

Description

휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템 {Heating treatment system of underground water contaminated by volatile organic contaminants}

본 발명은 TCE, PCE, CCl4, Chloroform, VC 등의 DNAPL 또는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등의 유류오염물질과 같은 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 정화를 위하여 열처리하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 휘발성 유기오염물질의 물리적 특성을 활용한 열처리 공정을 통해 오염 지하수로부터 휘발성 유기오염물질을 기화 분리시키고, 가열된 처리수의 열에너지는 시스템 내에서 재사용하는 시스템에 관한 것이다.

유기용제의 사용 과정, 액체연료의 사용ㆍ수송ㆍ저장 과정, 그리고 이동배출원에서의 연료 사용에 의해 주로 발생하는 휘발성 유기오염물질에는 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 크실렌(Xylene) 등의 유류오염물질과 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethene), 트리클로로에틸렌(Trichloroethene), 사염화탄소(Carbon tetrachloride), 클로로포름(Chloroform) 등의 염소계 유기화학물질을 포함하는 DNAPL이 있으며, 이러한 휘발성 유기오염물질은 아래와 같이 헨리 상수 값이 높아 대기 중에서 휘발성이 높은 특징이 있다.

휘발성 유기오염물질		상온에서의 헨리 상수 범위 (mol/L·atm)
유류오염물질	Benzene	(1.2 ∼ 2.2) × 10^-1
	Toluene	(1.3 ∼ 2.1) × 10^-1
	Ethylbenzene	(1.1 ∼ 1.7) × 10^-1
	o-Xylene	(1.9 ∼ 2.9) × 10^-1
	m-Xylene	(1.3 ∼ 1.7) × 10^-1
	p-Xylene	(1.2 ∼ 2.3) × 10^-1
염소계 유기화합물(DNAPL)	PCE	(0.34 ∼ 1.2) × 10^-1
	TCE	(0.75 ∼ 2.4) × 10^-1
	CCl₄	(2.8 ∼ 5.1) × 10^-1
	Chloroform	(1.5 ∼ 9.1) × 10^-1

특히, [지하수의 수질보전 등에 관한 규칙]의 제7조 제1항 제1호에 의한 지하수의 수질기준에 따르면, 지하수가 생활용수로 사용되기 위해서는 휘발성 유기오염물질, 즉, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 크실렌은 각각 0.015 ppm 이하, 1 ppm 이하, 045 ppm 이하 및 0.75 ppm 이하의 농도조건을 만족하여야 하며, 테트라클로로에틸렌 및 트리클로로에틸렌은 각각 0.01 ppm 이하 및 0.03 ppm 이하의 농도조건을 만족해야 한다.

한편, 토양 및 지하수 오염은 유류저장기지, 정유공장 등의 원유저장시설과 유류수송시설에서 누출되는 유류에 의해 주로 발생하며, 그 중에서도 특히 휘발유에 포함된 BTEX라고 하는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌은 지하수 및 토양 오염의 주원인이 된다. 일반적으로 누출된 BTEX의 60%는 공기 중으로 휘발되고, 10%는 토양입자에 잔류하며, 나머지 30%는 지하수에 용해되어 분포된다. 이러한 BTEX는 독성이 크며 상대적으로 용해도가 높아서 지하수의 주요 오염원이 되고 있어, 각각 별도의 항목으로 규제 관리되고 있다.

또한, 염소계 유기화합물 등의 DNAPL은 지하수와 접촉하게 될 때 수평이동보다 수직이동이 우세하여 수직적인 오염범위가 크고 토양 하부에 낮은 투수성을 가지는 층위경계면에 집적되는 특성이 있어 오염원의 잔류지역 및 이동경로 파악이 어려우며, 더욱이 석유화학공장이나 유류관, 탱크로부터 다량으로 유출되는 DNAPL이 아니면 대부분은 이동성이 있는 자유상 DNAPL 풀(free-phase DNAPL pools)로 존재하여 이동경로나 정도를 예측하기 어렵다. 또한, DNAPL은 지층의 구조에 의하여 유동성이 지배되는데 지층의 구조는 지상에서 쉽게 파악되지 않기 때문에 오염범위의 추정이 쉽지 않은 특징이 있다.

한편, 최근 지하수 처리를 위하여 계면활성제나 미생물을 주입하거나 토착 미생물의 활성화를 위한 영양물질 주입 등 다양한 원위치 처리 관련 기술들이 개발되어 적용되고 있다. 하지만 원위치 처리 공정은 지하 환경에서의 지하수 및 오염물질의 거동 파악이 어려우며, 투입되는 주입제들에 대한 컨트롤도 쉽지 않기 때문에 효용성이 많이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 미생물을 이용한 생물학적 처리나 오염물질을 분해하는 화학물질을 주입하는 화학적 처리는 지하수가 복합적으로 오염되어 있는 경우 각 타겟 물질에 대한 개별 공정을 도입하여야 하기 때문에 공정이 복잡해지는 단점이 있다.

따라서 위와 같은 DNAPL의 특성을 고려하여 DNAPL 등으로 오염된 지하수를 처리할 수 있고, 동시에 다양한 휘발성 물질이 복합적으로 오염된 지하수도 처리할 수 있는 시스템이 필요하다.

KR

10-0367293

B1

KR

10-2012-0121669

A

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 현지 외(ex-situ) 처리방법에 의한 휘발성 유기오염물질로 오염된 부지의 정화 시스템에 있어서, 끓는점이 낮고 휘발성이 높은 오염물질의 물리적 특성을 최대한 활용하여 처리효율이 높고, 기타 지하수 처리시스템의 전처리 장치로 활용할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은, (1) 지하수를 양수하는 양수부, (2) 상기 양수부로부터 양수된 지하수에 포함된 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 제거하고, 탈침전된 지하수는 열교환부로 배출하는 침전부, (3) 히팅부에서 공급되는 가열 지하수를 이용하여 상기 침전부를 통과한 탈침전 지하수를 예열시키는 열교환부, (4) 상기 열교환부를 통과한 예열된 지하수를 가열하여 휘발성 오염물질을 기화시켜 배출하고, 가열된 지하수는 상기 열교환부로 공급하는 히팅부, (5) 상기 히팅부에서 배출되는 기체를 포집하여 처리하는 가스처리부를 포함하여 구성된다.

구체적으로 상기 침전부는 (1) 상기 양수부로부터 지하수가 유입되도록 형성된 제1입구와 탈침전된 지하수가 상기 열교환부로 배출되도록 형성된 제1출구를 구비한 침전조, (2) 상기 침전조 내부의 수위를 감지하는 제1센서, (3) 상기 침전조의 제1출구로 탈침전 지하수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제1펌프, (4) 상기 제1센서에 의해 감지된 수위에 따라 상기 제1펌프의 작동을 제어하는 제1제어장치(240)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 열교환부는 (1) 상기 침전부에서 탈침전 지하수가 유입되도록 형성된 제2입구, 상기 히팅부에서 가열 지하수가 유입되도록 형성된 제3입구, 유입된 가열 지하수가 외부로 배출되도록 형성된 제2출구, 예열된 지하수가 상기 히팅부로 배출되도록 형성된 제3출구를 구비하고 내부에 상기 탈침전 지하수를 저류시키는 열교환조, (2) 상기 열교환조 내에서 상기 제3입구와 제2출구를 연결하고 코일 형상으로 형성된 열교환용 파이프를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 히팅부는 (1) 상기 열교환부로부터 예열 지하수가 유입되도록 형성된 제1유입구, 가열된 지하수가 배출되도록 형성된 제1배출구, 상기 가스처리부로 기체상 오염물질이 배출되도록 상단에 형성된 제2배출구를 구비한 히팅저수조, (2) 상기 히팅저수조에 저장된 지하수를 가열하는 히터, (3) 상기 히팅저수조에 저장된 지하수의 온도와 수위를 각각 감지하는 제2센서 및 제3센서, (4) 상기 히팅저수조의 내부 기압을 감지하는 제4센서, (5) 상기 열교환부로부터 상기 히팅저수조의 제1유입구로 예열 지하수를 유입시키기 위한 동력을 공급하는 제2펌프, (6) 상기 히팅저수조의 제1배출구로 가열 지하수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제3펌프, (7) 상기 히팅저수조의 제2배출구로 기체상 오염물질을 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제4펌프를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 히팅부는 상기 제2센서, 제3센서 및 제4센서에서 감지된 온도, 수위 및 압력에 따라 상기 제2펌프, 제3펌프, 제4펌프 및 히터의 작동을 제어하는 제2제어장치를 더 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 제2제어장치는 휘발성 유기오염물질에 따라 상기 히팅저수조에 저장된 지하수의 온도를 50 내지 80℃로 유지하도록 상기 히터의 작동을 제어한다.

또한, 상기 제4센서는 상기 히팅저수조 내의 상부에 설치된다.

또한, 본 발명에 따른 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은 상기 히팅부에서 가열된 지하수를 유입 받아 상기 열교환부와 외부로 분배 배출하는 분기부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 가스처리부는 활성탄 흡착탑을 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은 휘발성 유기오염물질의 물리적 특성을 최대한 활용하여 열처리하므로 휘발성 오염물질을 높은 처리효율로 제거할 수 있고, 산화제나 화학약품, 미생물 군집 등의 특별한 주입제를 첨가하지 않아 2차 오염에 대한 우려가 없다.

특히, 본 열처리 시스템의 히팅부에서 가열하여 휘발성 유기오염물질을 제거한 가열 지하수를 시스템 초입부나 동파방지를 위한 난방 시스템에 공급함으로써 에너지 재이용 효과를 거둘 수 있다.

또한, 지하수가 휘발성 유기오염물질로 분류되는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 크실렌 등의 유류오염물질이나 트라이클로로에틸렌(TCE), 테트라클로로에틸렌(PCE), 사염화탄소(CCl₄), 클로로포름(Chloroform) 등의 염소계 유기화합물 등에 의해 복합적으로 오염된 경우에도 효과적으로 처리할 수 있다.

또한, 본 발명은 차량을 통한 이동식으로 제조하기 용이하여 부지 내에 시스템을 설치할 공간이 협소하거나 설치가 불가능한 경우에도 적용할 수 있고, 다른 지하수 처리시스템의 전처리 장치로서도 활용할 수 있어 활용도가 높다.

도 1은 본 발명에 따른 열처리 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 열처리 시스템의 처리순서도.
도 3(a), (b)는 본 발명에 따른 열처리 시스템의 히팅부의 제어순서도.
도 4(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 열처리 시스템의 히팅부 내에서 가열 온도 및 시간에 따른 TCE의 농도 변화표와 그래프.
도 5(a), (b)는 본 발명에 따른 열처리 시스템의 처리유량의 변화에 따른 TCE의 농도 변화를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 명칭에는 동일 부호를 사용하기로 한다.

또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 발명의 기타 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 휘발성 오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 양수부(100), 침전부(200), 열교환부(300), 히팅부(400) 및 가스처리부(500)를 포함하여 구성된다.

상기 양수부(100)는 오염된 지하수를 양수하여 침전부(200)로 배출하는 구성으로서, 추출정과 양수 펌프를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 침전부(200)는 상기 양수부(100)로부터 양수된 지하수에 포함된 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 제거하고, 부유물질이 제거된 탈침전 지하수(이하 “탈침전수”라고 함)는 열교환부(300)로 배출하는 구성으로서, 통상적으로 사용되는 저수조로 구성될 수 있다.

구체적으로 상기 침전부(200)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 양수부(100)로부터 지하수가 유입되도록 형성된 제1입구(211)와 부유물질이 침강 제거된 탈침전수가 상기 열교환부(300)로 배출되도록 형성된 제1출구(212)를 구비하며, 일정 시간 동안 지하수를 저장하면서 부유물질을 자연 침강시키는 침전조(210); 상기 침전조(210) 내부의 수위를 감지하는 제1센서(220); 상기 침전조(210)의 제1출구(212)로 탈침전수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제1펌프(230); 상기 제1센서(220)에 의해 감지된 수위에 따라 상기 제1펌프(230)의 작동을 제어하는 제1제어장치(240)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 침전부(200)는 유량 조절계와 수위조절계를 추가로 구비할 수 있다.

상기 열교환부(300)는 상기 침전부(200)를 통과한 탈침전수를 일정 시간 동안 저류시키고, 상기 히팅부(400)로부터 공급되는 가열 지하수(이하 “가열수”라고 함)를 이용하여 저류시킨 탈침전수에 열에너지를 공급하여 예열시키고, 예열된 탈침전수(이하 “예열수”라고 함)는 히팅부(400)로 공급하는 구성이다. 즉, 상기 열교환부(300)를 통해 가열수와 탈침전수 간에 열교환이 일어나며, 이에 따라 탈침전수는 예열된 상태에서 히팅부(400)로 유입된다.

구체적으로, 상기 열교환부(300)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 침전부(200)로부터 탈침전수가 유입되도록 형성된 제2입구(311), 상기 히팅부(400)로부터 가열수가 유입되도록 형성된 제3입구(312), 가열수가 외부로 배출되도록 형성된 제2출구(313), 예열수가 상기 히팅부(400)로 배출되도록 형성된 제3출구(314)를 구비하고, 일정 시간 동안 탈침전수를 저장하면서 예열시키는 저수조인 열교환조(310); 상기 열교환조(310) 내에서 상기 제3입구(312)와 상기 제2출구(313)를 연결하며 코일 형상으로 형성된 열교환용 파이프(320)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 히팅부(400)로부터 상기 제3입구(312)를 통해 유입되어 상기 열교환용 파이프(320)를 따라 이송되는 가열수는 상기 히팅부(400)에서 가열된 지하수로서, 상기 가열수의 열은 상기 열교환용 파이프(320)를 통해 상기 열교환조(310) 내에 저장된 탈침전수(이하 “저류수”라고 함)로 열교환에 의해 전달되어 저류수를 예열시킨다.

특히, 상기 열교환조(310)는 세로방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하고, 상기 열교환용 파이프(320)는 열전도율이 높은 동관으로 상기 열교환조(310)의 세로방향을 따라 감겨진 코일 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 저류수와 상기 열교환용 파이프(320) 간에 접촉면적 및 접촉시간을 늘려 상기 가열수와 저류수 간에 보다 효과적으로 열교환이 일어나도록 유도할 수 있다.

한편, 상기 가열수로부터 상기 열교환용 파이프(320)를 통해 전달된 열은 상기 저류수 안에서 대류현상에 의해 사방으로 퍼지게 된다. 따라서 대류현상에 의해 충분히 열이 전달되도록 상기 저류수를 일정 시간 동안 상기 열교환조(310)에 저장하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 저류수의 온도를 확인할 수 있도록, 상기 열교환부(300)는 상기 열교환조(310) 내에 온도센서(330)를 구비하고, 상기 열교환조(310) 외부에 상기 온도센서(330)에서 감지된 수온을 표시하는 온도표시장치를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 히팅부(400)는 상기 열교환부(300)를 통과한 예열수를 가열하여 휘발성 오염물질을 기화시켜 배출하고, 오염물질이 기화 제거된 가열수는 상기 열교환부(300)로 공급하는 구성이며, 특히 본 발명에 따른 휘발성 오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은 상기 가열수가 상기 열교환부(300) 외에도 본 발명을 제외한 기타 시스템으로 공급될 수 있도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 히팅부(400)에서 가열수를 유입 받아 상기 열교환부(300)와 외부로 분배하여 배출하는 분기부(600)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 휘발성 오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템은 상기 히팅부(400)에서 배출되는 가열수를 자연상으로 방류하기 전에 상기 열교환부(300)나 기타 시스템을 거쳐 방류하도록 함으로써, 상기 열교환부(300)의 저류수를 1차로 예열하기 위한 교환열과 기타 시스템의 동파방지를 위한 난방열 등을 제공할 수 있다.

구체적으로 상기 히팅부(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 열교환부(300)로부터 예열수가 유입되도록 형성된 제1유입구(411), 가열수가 배출되도록 형성된 제1배출구(412), 상기 가스처리부(500)로 기체상 오염물질이 배출되도록 상단에 형성된 제2배출구(413)를 구비하며, 내부에 예열수를 저장하여 가열시키는 히팅저수조(410); 상기 히팅저수조(410)에 저장된 예열수를 가열하는 히터(420); 상기 히팅저수조(410)에 저장된 예열수 및/또는 가열수의 온도 및 수위를 각각 감지하는 제2센서(430) 및 제3센서(440); 상기 히팅저수조(410)의 내부 기압을 감지하는 제4센서(450); 상기 열교환부(300)로부터 상기 히팅저수조(410)의 제1유입구(411)로 예열수를 유입시키기 위한 동력을 공급하는 제2펌프(460); 상기 히팅저수조(410)의 제1배출구(412)로 가열수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제3펌프(470); 상기 히팅저수조(410)의 제2배출구(413)로 기체상 오염물질을 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제4펌프(480)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 히팅부(400)는 상기 제2센서(430), 제3센서(440) 및 제4센서(450)에서 각각 감지된 온도, 수위 및 압력에 따라 상기 제2펌프(460), 제3펌프(470), 제4펌프(480) 및 히터(420)의 작동을 제어하는 제2제어장치(490)를 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 상기 제2제어장치(490)는 휘발성 유기오염물질에 따라 상기 히팅저수조(410)에 저장된 예열수 또는 가열수의 온도를 50 내지 80℃로 유지하도록 상기 히터(420)의 작동을 제어하며, 상기 히팅저수조(410)에 저장된 지하수가 일정한 온도에 이르게 되면, 상기 제2펌프(460), 제3펌프(470), 제4펌프(480) 및 상기 히터(420)의 가동 중지상태를 계속 유지하여, 상기 히팅저수조(410)에 저장된 지하수의 등온 상태를 일정 시간 동안 유지시킨다. 이에 따라, 상기 히팅저수조(410) 내에서는 지하수에 포함된 휘발성 유기오염물질의 기화가 충분히 이루어진다.

한편, 상기 히팅저수조(410) 내부에서 기화된 휘발성 유기오염물질은 상기 히팅저수조(410) 내에 예열수 또는 가열수가 채워져 있지 않은 상부 공간에 분포하게 되며, 이에 따라 상기 제4센서(450)는 상기 히팅저수조(410) 내의 상부에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 가스처리부(500)는 기체상 활성탄 흡착탑을 포함하여 구성될 수 있으며, 기타 생물학적 처리시스템, 예를 들어 본 출원인이 출원번호 제10-2012-0009909호로 출원한 “DNAPL 오염 부지 정화를 위한 복합 처리 시스템”에 포함된 생물학적 처리시스템으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 히팅부(400)와 상기 가스처리부(500) 사이에는 상기 히팅부(400)에서 배출되는 기체의 역류를 방지할 수 있도록 체크밸브를 설치하는 것이 바람직하다.

이하, 도 2에 따라 본 발명에 따른 휘발성 오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템의 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다.

상기 양수부(100)가 지하 관정으로부터 오염 지하수를 추출하면, 상기 침전부(200)는 오염 지하수에 포함된 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 고액을 분리 제거하고, 처리된 탈침전수를 상기 열교환부(300)로 이송한다. 상기 열교환부(300)는 이송된 탈침전수를 일정 시간 동안 저류시키고, 상기 히팅부(400)로부터 배출된 가열수와 열교환을 통해 저류수에 열에너지를 공급하며, 이와 같이 1차 열처리된 예열수를 상기 히팅부(400)로 이송한다.

상기 히팅부(400)는 이송 받은 상기 1차 열처리된 예열수를 저장하고, 저장된 예열수에 상기 히터(420)를 통해 열에너지를 공급한다. 열에너지가 효과적으로 공급되도록, 상기 히팅부(400)는 상기 제1유입구(411) 및 상기 제1배출구(412)를 차단하여 지하수의 유입과 유출을 중지시킨 상태에서 상기 히터(420)를 가동한다.

특히, 상기 히팅부(400)는 타겟 휘발성 유기오염물질에 따라 상기 히팅저수조(410) 내의 수온을 50 내지 80℃까지 상승시킨 후 일정 시간 동안 등온 상태를 유지하게 되며, 이에 따라 지하수 내에 포함된 헨리상수값이 높은 휘발성 유기오염물질은 상기 히팅저수조(410) 내부에서 기화 분리되면서 상기 히팅저수조(410) 내의 상부에 수집된다.

이후 상기 히팅부(400)는 상기 제3펌프(470)를 가동시켜 가열수를 배출시키되, 상기 히팅저수조(410) 내의 히터가 공기 중에 노출되지 않는 수위까지만 배출시키고, 가열수가 일정수위까지 하강하면 상기 제2펌프(460)를 가동하여 상기 열교환부(300)로부터 다시 상기 1차 열처리 예열수를 이송 받게 되며, 이송 받은 상기 예열수가 일정수위까지 상승되면 상기 제2펌프(460)의 가동을 중지시킨다.

또한, 상기 히팅부(400)는 상기 히팅저수조(410) 내의 상부 공간에 수집된 휘발성 유기오염물질의 기체가 일정 이상의 압력이 되면 상기 제4펌프(480)를 가동시켜 상기 가스처리부(500)로 휘발성 유기오염물질의 기체를 배출시키며, 일정 이하의 압력이 되면 상기 제4펌프(480)의 가동을 중지시키게 된다.

이와 같이, 상기 히팅저수조(410) 내부의 수위, 온도 및 기압에 대한 정보는 각각 상기 제2센서(430), 제3센서(440) 및 제4센서(450)를 통해 감지되어 상기 제2제어장치(490)로 전달되며, 이에 따라 상기 제2제어장치(490)는 상기 제2펌프(460), 제3펌프(470), 제4펌프(480) 및 히터(420)의 작동을 상기와 같이 제어하여 상기 히팅저수조(410) 내의 지하수 유입과 배출 및 기체 배출을 조절하게 된다.

한편, 상기 히팅부(400)로부터 배출된 기체상 휘발성 유기물질은 상기 가스처리부(500)를 통해 최종적으로 처리되며, 상기 히팅부(400)로부터 배출된 휘발성 유기물질이 제거된 가열수는 앞에서 설명한 바와 같이 상기 분기부(500)를 통해 상기 열교환부(300)나 기타 시스템으로 이송되어 상기 열교환부(300)의 저류수와 열교환 후 최종적으로 방류되거나 기타 시스템의 겨울철 동파방지를 위한 난방열 공급원 등으로 사용된다.

도 3은 본 발명에 따른 열처리 시스템의 구성요소인 상기 히팅부(400)의 제2제어장치(490)가 상기 제2펌프(460), 제3펌프(470), 제4펌프(480) 및 히터(420)를 제어하는 과정을 도시한 것이다. 이에 따르면, 열교환부(300)로부터 히팅저수조(410)로 예열수가 유입되어 설정 수위까지 채워지게 되면 제3센서(440)에서 감지된 수위정보를 받은 제2제어장치(490)는 제2펌프(460)의 가동을 중지시키고, 히터(420)를 가동시킨다. 히터(420)에 의해 히팅저수조(410) 내의 수온이 설정온도까지 도달하면 제2센서(430)에서 감지된 온도정보를 받은 제2제어장치(490)는 현재의 온도를 일정 시간 동안 유지시킨 후, 히터(420)의 가동을 중지시키고, 제3펌프(470)를 가동시켜 가열수를 배출시킨다. 지속적으로 가열수가 배출되어 히팅저수조(410) 내의 수위가 설정 수위까지 내려가게 되면 제3센서(440)에서 감지된 수위정보를 받은 제2제어장치(490)는 제3펌프(470)의 가동을 중지시키고, 동시에 제2펌프(460)를 가동시켜 열교환부(300)로부터 히팅저수조(410)로 다시 처리수를 유입시키게 되며, 상기 과정은 순환 반복된다.

한편, 상기 히팅저수조(410) 내에서 기체로 변화된 휘발성 유기오염물질은 상기 히팅저수조(410) 내의 상부에 포집되면서 기압이 점점 상승하게 되며, 설정 압력까지 기압이 도달하면 상기 제4센서(450)에서 감지된 압력정보를 받은 제2제어장치(490)는 제4펌프(480)를 가동시키고, 상기 히팅저수조(410) 내의 기압이 감소하면 다시 제4펌프(480)의 가동을 중지시키게 되며, 상기 과정은 순환 반복된다.

도 4의 (a), (b), (c)는 상기 히팅부(400) 내의 수온에 따른 휘발성 유기오염물질 중의 하나인 TCE의 농도 변화표와 그래프를 도시한 것이다. 이에 따르면, 1ppm의 TCE를 포함하는 지하수가 각각 25, 30, 40, 50℃의 온도에서 일정 시간 동안 유지될 경우, 상기 TCE는 시간에 따라 각기 다른 처리효율로 제거되며, 특히 50℃의 온도에서 TCE가 가장 효과적으로 제거됨을 확인할 수 있다. 이와 같이, 휘발성 유기오염물질들은 가장 효과적으로 제거되는 온도와 그 온도 유지 시간이 서로 다르지만, 일반적으로 50 내지 80℃로 30분 동안 유지하는 것이 가장 효율이 높다.

도 5는 휘발성 유기오염물질 중의 하나인 TCE가 각각 25℃와 30℃로 본 발명에 따른 열처리 시스템에서 처리될 경우(단, 도 5에서 control은 열처리 하지 않았을 경우), 처리되어 배출되는 평균 유량에 따른 TCE의 잔여 농도를 나타내는 그래프이다. 이에 따르면, 유량이 빨라질수록, 즉, 본 발명에 따른 열처리 시스템에서 휘발성 유기오염물질을 처리하는 시간을 단축할수록, 열처리 시스템 내에서 처리수의 체류시간이 짧아져 처리효율은 감소하지만, 휘발성 유기오염물질을 적절한 온도로 열처리함으로써 유기오염물질의 휘발성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 처리수의 체류시간이 짧더라도 처리효율이 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

100 : 양수부 200 : 침전부
210 : 침전조 211 : 제1입구
212 : 제1출구 220 : 제1센서
230 : 제1펌프 240 : 제1제어장치
300 : 열교환부 311 : 제2입구
312 : 제3입구 313 : 제2출구
314 : 제3출구 310 : 열교환조
320 : 열교환용 파이프 330 : 온도센서
400 : 히팅부 410 : 히팅저수조
411 : 제1유입구 412 : 제1배출구
413 : 제2배출구 420 : 히터
430 : 제2센서 440 : 제3센서
450 : 제4센서 460 : 제2펌프
470 : 제3펌프 480 : 제4펌프
490 : 제2제어장치 500 : 가스처리부
600 : 분기부

Claims

지하수를 양수하는 양수부;
상기 양수부로부터 양수된 지하수에 포함된 부유물질을 중력에 의해 자연 침강시켜 제거하고, 탈침전된 지하수는 열교환부로 배출하는 침전부;
히팅부에서 공급되는 가열 지하수를 이용하여 상기 침전부를 통과한 탈침전 지하수를 예열시키는 열교환부;
상기 열교환부를 통과한 예열된 지하수를 가열하여 휘발성 오염물질을 기화시켜 배출하고, 가열된 지하수는 상기 열교환부로 공급하는 히팅부;
상기 히팅부에서 배출되는 기체를 포집하여 처리하는 가스처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 침전부는,
상기 양수부로부터 지하수가 유입되도록 형성된 제1입구와 탈침전된 지하수가 상기 열교환부로 배출되도록 형성된 제1출구를 구비한 침전조;
상기 침전조 내부의 수위를 감지하는 제1센서;
상기 침전조의 제1출구로 탈침전 지하수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제1펌프;
상기 제1센서에 의해 감지된 수위에 따라 상기 제1펌프의 작동을 제어하는 제1제어장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열교환부는,
상기 침전부에서 탈침전 지하수가 유입되도록 형성된 제2입구, 상기 히팅부에서 가열 지하수가 유입되도록 형성된 제3입구, 유입된 가열 지하수가 외부로 배출되도록 형성된 제2출구, 예열된 지하수가 상기 히팅부로 배출되도록 형성된 제3출구를 구비하고 내부에 상기 탈침전 지하수를 저류시키는 열교환조;
상기 열교환조 내에서 상기 제3입구와 제2출구를 연결하며 코일 형상으로 형성된 열교환용 파이프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 히팅부는,
상기 열교환부로부터 예열 지하수가 유입되도록 형성된 제1유입구, 가열된 지하수가 배출되도록 형성된 제1배출구, 상기 가스처리부로 기체상 오염물질이 배출되도록 상단에 형성된 제2배출구를 구비한 히팅저수조;
상기 히팅저수조에 저장된 지하수를 가열하는 히터;
상기 히팅저수조에 저장된 지하수의 온도와 수위를 각각 감지하는 제2센서 및 제3센서;
상기 히팅저수조의 내부 기압을 감지하는 제4센서;
상기 열교환부로부터 상기 히팅저수조의 제1유입구로 예열 지하수를 유입시키기 위한 동력을 공급하는 제2펌프;
상기 히팅저수조의 제1배출구로 가열 지하수를 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제3펌프;
상기 히팅저수조의 제2배출구로 기체상 오염물질을 배출시키기 위한 동력을 공급하는 제4펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제4항에 있어서,
상기 히팅부는,
상기 제2센서, 제3센서 및 제4센서에서 감지된 온도, 수위 및 압력에 따라 상기 제2펌프, 제3펌프, 제4펌프 및 히터의 작동을 제어하는 제2제어장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제2제어장치는,
휘발성 유기오염물질의 종류에 따라 상기 히팅저수조에 저장된 지하수의 온도를 50 내지 80℃로 유지하도록 상기 히터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제4센서는 상기 히팅저수조 내의 상부에 설치된 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 히팅부에서 가열된 지하수를 상기 열교환부와 외부로 분배 배출하는 분기부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스처리부는 활성탄 흡착탑을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기오염물질로 오염된 지하수의 열처리 시스템.