KR101671751B1 - 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포화대 (Saturated Zone)의 자유면 대수층에 용존된 오염원 (Dissolved Plume)이 존재하는 경우 지하수를 지상으로 끌어 올린 다음 pH조절용 황산, 산화제인 H2O2, 촉매제인 철염을 투입하여 OH라디칼을 발생시켜 오염물질을 제거하는 펜톤산화처리를 거친 후, 펜톤산화과정에서 발생된 슬러지를 여과하여 정화시키고, 다시 대수층으로 주입시키거나 후속 여과 및 슬러지 처리하여 정화할 수 있는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템에 관한 것이다.

Description

지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템{Remediation system of groundwater contaminants by oxidation treatment}

본 발명은 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포화대 (Saturated Zone)의 자유면 대수층에 용존된 오염원 (Dissolved Plume)이 존재하는 경우 지하수를 지상으로 끌어 올린 다음 pH조절용 황산, 산화제인 H2O2, 촉매제인 철염을 투입하여 OH라디칼을 발생시켜 오염물질을 제거하는 펜톤산화처리를 거친 후, 펜톤산화과정에서 발생된 슬러지를 여과하여 정화시키고, 다시 대수층으로 주입시키거나 후속 여과 및 슬러지 처리하여 정화할 수 있는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템에 관한 것이다.

최근, 토양 및 지하수 오염은 유류저장기지, 정유공장 등의 원유저장시설과 유류수송시설, 산업공단, 화학공단, 군부대에 의해 누출되는 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethylbenzene), 크실렌(Xylene) 등의 유류오염물질인 TPHs(Total Petroleum Hydrocarbon; 석유계 총탄화수소)와 페놀류(Phenols) 및 테트라클로로에틸렌(Tetrachloroethene), 트리클로로에틸렌(Trichloroethene), 사염화탄소(Carbon tetrachloride), 클로로포름(Chloroform) 등의 염소계 유기화학물질을 포함하는 DNAPL에 의해 주로 발생하고 있다.

특히, 상기 BTEX, TPH와 페놀류 등은 독성이 크며 상대적으로 용해도가 높아서 지하수의 주요 오염원이 되고 있으므로 이를 정화시키는 것이 무엇보다도 중요하다.

현재, 사용되고 있는 오염 토양 및 지하수 정화방법은 생물학적 처리방법, 물리·화학적 처리방법과 열처리방법 등으로 나눠지며 처리 위치에 따라서는 원위치 처리기술(in-situ)과 굴착이나 추출후 처리기술(ex-situ)로 구분되어 진다. 이러한 처리 방법들은 각각 다른 장단점을 가지고 있다.

여기서, 원위치 처리기술(in-situ)은 오염지역이 외부와 격리된 상태가 아닐 뿐 아니라 지속적인 이송 및 확산이 이루어지기 때문에 균일한 정화처리가 근본적으로 불가능하여 오염지역 전체에 대한 균일한 정화가 어려운 문제가 있으므로 최근에는 오염지하수 추출관정을 통하여 오염지하수를 추출하여 정화처리하는 기술이 많이 개발되고 있다.

아울러, TPHs와 페놀류같은 오염물질은 분자량이 크고 용해도가 낮으며, 강한 흡착력 때문에 정화처리가 쉽지 않은 문제가 있다.

따라서, 최근에는 이러한 오염물질처리를 위하여 고도산화 정화처리방법으로서 펜톤 산화 반응을 이용한 정화처리기술이 널리 사용되고 있다.

상기 펜톤 산화 반응을 이용한 오염물의 정화 처리는 과산화수소(H2O2)와 황산철(FeSO4)과 같은 철염을 이용하여 수산화 라디칼(OH-: hydroxyl radical)을 발생시킴으로써 유기 화합물 등의 오염물을 분해하는 것을 말한다.

이러한 펜톤 산화 반응을 이용한 처리는 하·폐수 처리, 토양 오염 처리 및 지하수 오염 처리에 적용될 수 있으며, 통상 하·폐수 처리와 같은 수처리의 경우 수조에 저류된 원수에 펜톤 산화 반응에 필요한 처리제를 투입하는 등의 방식으로 진행되는 반면, 토양 오염 처리 및 지하수 오염 처리에 있어서는 수처리와 달리 처리 대상물을 격리할 수 없으므로 오염 추정지역에 처리제를 투입하는 방식으로 진행된다.

또한, 하·폐수 처리에 있어서는 반응의 핵심 요소인 과산화수소와 철염을 모두 투입하는 반면, 토양 및 지하수의 경우 대상 지역에 자연적 또는 인위적으로 존재하는 철염을 고려하여 철염의 투입량을 조정하거나 과산화수소의 단독 투입을 실시하기도 한다.

현재까지 개발된 펜톤 산화 반응을 이용한 정화처리에 관한 종래기술을 살펴 보면, 한국등록특허 10-1066336에 펜톤(Fenton) 산화를 이용한 오염 지하수 처리 장치에 있어서, 펜톤 산화반응이 이루어지는 반응조(60)의 전단에, 유류에 흡착된 미세 콜로이드 입자에 대하여는 전기 분해하여 부상시키고, 밀도가 1을 초과하는 입자물질에 대하여는 자연 침강시키는 전처리조를 구비하는 오염 지하수처리 장치가 공지되어 있는데, 상기 장치는 오염지하수를 추출하여 펜톤 산화 반응을 이용한 정화처리기술이기는 하지만, 펜톤 산화공정에 의해 발생된 슬러지를 제거하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 한국공개특허 10-2010-0069729에는 유기 오염물이 존재하는 토양 및 지하수 중 적어도 어느 한 곳에 과산화수소를 포함하는 처리제와 함께 아세테이트를 투입하는 단계; 상기 처리제 또는 상기 토양이나 지하수 중의 금속염과 상기 과산화수소의 반응으로 수산화 라디칼과 금속산화물이 생성되어, 상기 수산화 라디칼이 상기 유기 오염물을 분해하고 상기 금속산화물은 상기 아세테이트와 착화합물을 형성하는 단계; 및 상기 착화합물에 의해 상기 과산화수소와 상기 금속염의 반응 속도가 지연되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 처리방법이 공지되어 있으나, 상기 방법은 원위치 처리기술(in-situ) 기술로서 앞서 언급한 바와 같이, 오염지역이 외부와 격리되지 않아 오염지역 전체에 대한 균일한 정화가 어려운 문제가 있을 뿐만 아니라 상기 착화합물이 과산화수소와 금속염의 반응 속도를 지연시키므로써 과산화수소의 분해 속도를 지연시키는 안정제 역할을 하여 과산화수소 소가 급격하게 소모되는 것이 방지되기는 하나, 그 만큼 정화속도가 느리다는 문제점이 있었다.

또한, 한국공개특허 10-2009-0021749에는 유기 오염물이 존재하는 토양 및 지하수 중 적어도 어느 한 곳에 과산화수소를 포함하는 처리제와 함께 음이온계면활성제를 투입하는 단계; 상기 처리제 또는 상기 토양이나 지하수 중의 금속염과 상기 과산화수소의 반응으로 수산화 라디칼과 금속산화물이 생성되어, 상기 수산화 라디칼이 상기 유기 오염물을 분해하고 상기 금속산화물은 상기 음이온 계면활성제와 착물을 형성하는 단계; 및 상기 착물에 의해 상기 과산화수소와 상기 금속염의 반응 속도가 지연되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염 처리방법이 공지되어 있으나, 이러한 기술 역시 앞서 언급한 바와 같이, 원위치 처리기술(in-situ) 기술로서 오염지역이 외부와 격리되지 않아 오염지역 전체에 대한 균일한 정화가 어려운 문제가 있을 뿐만 아니라 상기 착화합물이 과산화수소와 금속염의 반응 속도를 지연시키므로써 과산화수소의 분해 속도를 지연시키는 안정제 역할을 하여 과산화수소 소가 급격하게 소모되는 것이 방지되기는 하나, 그 만큼 정화속도가 느리다는 문제점이 있었다.

또한, 한국등록특허 10-0856676에는 방향족 카르복실산 함유 폐수가 유입되고 오존주입구 및 배오존장치와 연결된 오존 배기구를 구비하며 폐수 저장 및 오존에 의한 산화처리가 이루어지는 오존 반응조; 상기 오존 반응조에서 처리된 처리수를 공급하는 공급 펌프, 상기 공급펌프를 통해 유입된 처리수의 일부가 순환펌프에 의해 순환되는 순환라인, 오존발생기와 연결된 오존주입부 및 과산화수소 주입부를 상기 순환라인 상에 구비하고 오존 및 과산화수소에 의한 산화처리가 이루어지는 오존 및 과산화수소 반응조; 상기 오존 및 과산화수소 반응조에서 처리된 처리수를 공급하는 공급펌프, 상기 공급펌프를 통해 처리수가 유입되는 유입부, 및 상기 유입부 상에 철촉매 주입부 및 과산화수소 주입부가 구비되며, 상기 유입부를 통해 유입되고 철촉매 및 과산화수소가 주입된 처리수를 광펜톤산화처리하는 UV관형반응기; 및 상기 UV관형반응기에서 처리된 처리수가 유입되고 저장되는 집수조;를 포함하는 방향족 카르복실산 함유 폐수 처리 장치가 공지되어 있으나, 상기 기술은 과산화수소 및 철염 외에도 오존 및 UV를 추가로 사용해야 하고, 방향족 카르복실산을 함유하는 오염수 처리에만 효과가 있는 문제점이 있었다.

따라서, 오염지역이 외부와 격리되지 않아 오염지역 전체에 대한 균일한 정화가 어려운 원위치 처리기술(in-situ)의 문제점을 극복하면서 분자량이 크고 용해도가 낮으며, 강한 흡착력 때문에 정화처리가 쉽지은 TPH와 페놀류같은 오염물질을 펜톤 산화 반응을 이용하여 정화처리하기 위하여 오염된 지하수 및 토양을 추출관정을 통하여 양수처리한 후 지상에서 펜톤산화 정화처리하여 다시 대수층으로 주입시키거나 후속 여과 및 슬러지 처리하여 정화할 수 있는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템 개발이 필요하였다.

한국등록특허 10-1066336(등록일자 2011년09월14일) 한국공개특허 10-2010-0069729(공개일자 2010년06월25일) 한국공개특허 10-2009-0021749(공개일자 2009년03월04일) 한국등록번호 10-0856676(등록일자 2008년08월29일)

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 오염된 지하수를 지상으로 끌어 올린 다음 pH조절용 황산, 산화제인 H2O2, 촉매제인 철염을 투입하여 OH라디칼을 발생시켜 오염물질을 제거하는 펜톤산화처리를 거친 후, 펜톤산화과정에서 발생된 슬러지를 여과하여 정화시키고, 다시 대수층으로 주입시키거나 후속 여과 및 슬러지 처리하여 정화할 수 있는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 오염지하수를 추출하기 위한 복수의 오염지하수 추출관정으로부터 추출되어 유입되는 유입수를 황산, 과산화수소 및 황산철염을 이용하여 강력한 산화력으로 오염물질을 산화분해시키기 위한 펜톤산화조와, 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수에 소석회를 투입하여 중화시키기 위한 중화조와, 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집되어 Floc을 형성하고 부상을 쉽게 하도록 하기 위해 응집제(폴리머)가 투입되어 응집반응시키는 응집조와, 상기 응집조로부터 유입되는 유입수 중의 응집된 거대오염물질(Floc)을 우유빛을 띤 미세기포를 이용하여 Floc과 충돌 및 부착되어 미세기포의 부상력으로 Floc을 수면위로 부상시키는 가압부상조 또는 거대오염물질(Floc)을 침전, 제거시키기 위한 침전조와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 발생된 Floc을 수집한 후 저장하기 위한 스컴저장조와, 상기 스컴저장조로부터 이송되어 스컴에 포함된 슬러지를 농축하기 위한 농축조와, 상기 농축조로부터 배출되는 농축슬러지를 여과막이 설치된 여러 장의 여과판 사이에 주입하여 압축 탈수하기 위한 필터프레스와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 Floc이 제거되어 유입된 처리수를 중성의 pH로 조정하기 위한 pH조정조와, 상기 pH조정조에서 유입되는 유입수를 저장 후, 다층여과필터(MMF)로 이송하기 위한 중계조와, 상기 중계조로부터 유입되는 유입수의 미세 잔류물질을 여러 입경의 여과재를 층별로 쌓은 필터를 통과시켜 제거하기 위한 다층여과필터(MMF)와, 상기 다층여과필터(MMF)를 통과한 유입수를 재차 여과하기 위한 백필터(Bag Filter)와, 상기 백필터(Bag Filter)를 통과한 처리수를 대수층으로 주입하거나, 후속적으로 역삼투막여과처리장치로 이송하기 위하여 저장하기 위한 펜톤처리수조를 포함하여 구성되는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 펜톤산화조는 유입수의 pH를 3.5 ~ 4.5로 조정하도록 pH센서에 의하여 황산, 과산화수소 및 황산철염 주입장치와 연동하여 자동 운전되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 중화조는 소석회주입장치와 연동하여 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수의 pH를 8.0~9.0으로 조정하도록 소석회가 주입되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 응집조는 응집제(폴리머) 주입장치와 연동하여 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집반응하도록 응집제(폴리머)가 주입되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

상기 pH조정조는 황산주입장치와 연동하여 상기 가압부상조 또는 침전조에서 유입된 처리수의 pH를 7.5~8.5로 조정하도록 황산이 주입되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.

본 발명에 따른 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템은 오염된 지하수를 지상으로 끌어 올린 다음 pH조절용 황산, 산화제인 H2O2, 촉매제인 철염을 투입하여 OH라디칼을 발생시켜 오염물질을 제거하는 펜톤산화처리를 거친 후, 펜톤산화과정에서 발생된 슬러지를 여과하여 정화시키고, 다시 대수층으로 주입시키거나 후속 여과 및 슬러지 처리하여 정화함으로써 원위치 처리기술(in-situ)의 문제점을 극복하면서 분자량이 크고 용해도가 낮으며, 강한 흡착력 때문에 정화처리가 쉽지 않은 TPHs와 페놀류같은 오염물질을 물리, 화학적으로 정화처리할 수 있는 효과가 있으며, 지하수 정화처리장치의 간편화 및 소형화를 통하여 경제적 및 효율적으로 정화처리할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 산화처리 정화시스템의 전체 공정 구성도
도 2는 본 발명의 산화처리 정화시스템의 펜톤산화조 공정구성도
도 3은 본 발명의 산화처리 정화시스템의 중화조 및 응집조 공정구성도
도 4는 본 발명의 산화처리 정화시스템의 가압부상조(침전조) 공정구성도
도 5는 본 발명의 산화처리 정화시스템의 pH조정조 및 중계조 공정구성도
도 6은 본 발명의 산화처리 정화시스템의 다층여과필터(MMF) 및 백필터(Bag Filter) 공정구성도
도 7은 본 발명의 산화처리 정화시스템의 스컴저장조 공정구성도
도 8은 본 발명의 산화처리 정화시스템의 농축조 및 필터프레스 공정구성도
도 9는 본 발명의 산화처리 정화시스템의 필터프레스 구성도

본 발명은 오염지하수를 추출하기 위한 복수의 오염지하수 추출관정으로부터 추출되어 유입되는 유입수를 황산, 과산화수소 및 황산철염을 이용하여 강력한 산화력으로 오염물질을 산화분해시키기 위한 펜톤산화조와, 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수에 소석회를 투입하여 중화시키기 위한 중화조와, 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집되어 Floc을 형성하고 부상을 쉽게 하도록 하기 위해 응집제(폴리머)가 투입되어 응집반응시키는 응집조와, 상기 응집조로부터 유입되는 유입수 중의 응집된 거대오염물질(Floc)을 우유빛을 띤 미세기포를 이용하여 Floc과 충돌 및 부착되어 미세기포의 부상력으로 Floc을 수면위로 부상시키는 가압부상조 또는 거대오염물질(Floc)을 침전, 제거시키기 위한 침전조와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 발생된 Floc을 수집한 후 저장하기 위한 스컴저장조와, 상기 스컴저장조로부터 이송되어 스컴에 포함된 슬러지를 농축하기 위한 농축조와, 상기 농축조로부터 배출되는 농축슬러지를 여과막이 설치된 여러 장의 여과판 사이에 주입하여 압축 탈수하기 위한 필터프레스와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 Floc이 제거되어 유입된 처리수를 중성의 pH로 조정하기 위한 pH조정조와, 상기 pH조정조에서 유입되는 유입수를 저장 후, 다층여과필터(MMF)로 이송하기 위한 중계조와, 상기 중계조로부터 유입되는 유입수의 미세 잔류물질을 여러 입경의 여과재를 층별로 쌓은 필터를 통과시켜 제거하기 위한 다층여과필터(MMF)와, 상기 다층여과필터(MMF)를 통과한 유입수를 재차 여과하기 위한 백필터(Bag Filter)와, 상기 백필터(Bag Filter)를 통과한 처리수를 대수층으로 주입하거나, 후속적으로 역삼투막여과처리장치로 이송하기 위하여 저장하기 위한 펜톤처리수조를 포함하여 구성되는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 펜톤산화조는 유입수의 pH를 3.5 ~ 4.5로 조정하도록 pH센서에 의하여 황산, 과산화수소 및 황산철염 주입장치와 연동하여 자동 운전되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 중화조는 소석회주입장치와 연동하여 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수의 pH를 8.0~9.0으로 조정하도록 소석회가 주입되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 응집조는 응집제(폴리머) 주입장치와 연동하여 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집반응하도록 응집제(폴리머)가 주입되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

상기 pH조정조는 황산주입장치와 연동하여 상기 가압부상조 또는 침전조에서 유입된 처리수의 pH를 7.5~8.5로 조정하도록 황산이 주입되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.

우선 [도 1]을 참조하여 설명하면, 본 발명의 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템은 펜톤산화조와, 중화조와, 응집조와, 가압부상조 또는 침전조와, pH조정조와, 중계조와, 다층여과필터(MMF)와, 백필터(Bag Filter)와, 펜톤처리수조와, 농축조와, 필터프레스를 포함하여 구성된다.

먼저, 본 발명은 오염지하수를 추출하기 위한 복수의 오염지하수 추출관정으로부터 추출되어 유입되는 유입수를 황산, 과산화수소 및 황산철염을 이용하여 강력한 산화력으로 오염물질을 산화분해시키기 위한 펜톤산화조를 구비한다.

상기 펜톤산화조는 [도 2]를 참조하면, 오염지하수를 추출하기 위한 복수의 오염지하수 추출관정으로부터 추출되어 유입되는 유입수를 황산, 과산화수소 및 황산철염을 이용하여 강력한 산화력으로 오염물질을 산화분해시키기 위한 것이며, 유입수의 pH를 3.5 ~ 4.5로 조정하도록 pH센서에 의하여 황산, 과산화수소 및 황산철염 주입장치와 연동하여 자동 운전되도록 한다. 상기 펜톤산화조에는 산화반응이 원활하고 균일하게 일어나도록 유입수 및 황산, 과산화수소 및 황산철염을 균일하게 혼합 교반하는 복수의 교반기가 설치되며, 유입수중으로 공기를 불어 넣도록 링브로워가 구비된다.

또한, 상기 황산철염은 과산화수소의 산화반응을 촉진하는 촉매로서 FeSO4를 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 황산, 과산화수소 및 황산철염에 의한 펜톤산화반응 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.

펜톤산화반응은 2가 철염의 펜톤시약과 과산화수소(H2O2)혼합용액을 사용하여 반응중 생성되는 OH 라디칼(-OH)의 산화력으로 오염물질을 산화처리하는 방법이다.

과산화수소(H2O2)는 취급하기가 용이하고 현장에서 저장이 가능하고 다양한 오염물질과의 반응성이 높으며 독성물질이나 색도물질을 유발하지 않는 비교적 경제성이 있는 산화제이다.

H2O2와 Fe2+를 이용하여 OH 라디칼을 간편하게 실험실에서 만들 수 있는 방법으로 H2O2-FeSO4 촉매 System을 선택할 수 있으며 H2O2와 FeSO4는 따로 떨어져서는 오염물질을 효과적으로 산화시킬 수 없으나, 혼합되었을 때에는 H2O2가 FeSO4와 반응하여 OH 라디칼을 생성시키기 때문에 오염물질을 효과적으로 분해제거할 수 있다.

펜톤산화반응으로 알려진 H2O2와 Fe2+ 의 반응은 매우 빨리 진행이 되며, 이 반응의 과정중에 오염물질을 공격할 수 있는 OH 라디칼 중간체가 형성된다.

상기 OH 라디칼이 오염물질과 산화반응에 관여하는 반응 메커니즘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

RH + OH· → H2O + R·(연쇄 전파 반응)

R· + H2O2 → ROH + OH·

R· + O2 → ROO·

상기 펜톤산화 반응에 의해 오염물질이 산화 분해될 때 철 이온은 Fe2+와 Fe3+ 사이를 순환한다. 촉매 기능을 가진 Fe2+는 과산화수소에 의해 Fe3+로 산화되면서 OH 라디칼을 생성시키고 이렇게 생성된 OH 라디칼은 오염물질에 전파되어 오염물질 라디칼(R·)을 만들며 이 라디칼은 Fe3+을 다시 Fe2+로 환원시키면서 자신은 결국 산화 분해된다.

그러나, 라디칼에 의해 Fe3+이 Fe2+로 환원되지 않는다면 Fe3+의 농도가 높아져 Fe2+를 추가적으로 공급하지 않을 경우 산화 반응이 중단된다. 이에따라 펜톤산화는 다음 주요 설계인자를 고려해야 한다.

(1) 반응 pH

펜톤시약을 이용한 산화는 수용액 중의 pH 변화에 따라 지배적인 이온종이 바뀌고 OH 라디칼이 생성되는 산화 환원 반응의 전위가 바뀌기 때문에 펜톤산화반응에서 가장 큰 영향을 미치는 인자 중의 하나가 반응 pH이다. pH가 적정 범위를 벗어나면 주입된 철 이온은 Fe(OH)3(s)로 침전되어 제거되거나 Fe(Ⅲ) 착물이 형성되므로 순환되는 철 이온의 양이 감소하게 되고, 따라서 펜톤산화 반응의 효율은 급격히 떨어지게 된다. 이 경우 철 이온은 촉매로서의 기능이 떨어지고 촉매의 자산화 반응이 일어나 과산화수소 및 촉매의 손실을 야기시킨다.

(2) 과산화수소 및 Fe2+의 주입량

과산화수소는 촉매가 존재하면 O-O 결합이 파괴되어 라디칼이 생성되고 활성화되어 여러 가지 물질을 산화 분해시키는데, 이러한 OH 라디칼을 발생시키는 방법으로 산화 상태의 2가 금속으로서 철 촉매를 이용하는 것이 펜톤산화법이다. 펜톤산화의 반응 메카니즘에 의하면 펜톤산화 반응에서 Fe2+은 촉매로 작용하며 적정량 이상에서는 오히려 OH 라디칼을 소모하게 되므로 Fe2+ 가 효과적으로 작용하기 위해서는 철과 불포화탄화수소(Fe2+/RH)의 비가 중요하다. 이 값이 클 때 OH 라디칼은 Fe2+의 산화에 많이 소모되고 반대로 이 값이 작을 때 OH 라디칼은 RH의 산화 분해에 많이 이용되기 때문이다. 또한, 과산화수소의 주입량이 철염에 비해 상대적으로 많을 경우 과산화수소의 분해속도가 늦어져 반응시간이 길어지게 되며 철염제거 공정에서 반응하지 못하고 잔류해 있는 과산화수소가 분해되어 기포상태의 산소를 방출하면서 슬러지가 부상하여 침전에 방해를 주는 인자로 작용할 수있다. 반대로 철염의 주입량이 과산화수소에 비해 상대적으로 많을 경우 반응에 역효과를 미치며 펜톤산화의 단점이라고 할 수 있는 슬러지 발생이 증가하여 처리에 장애를 주게 된다. 결과적으로 과산화수소의 주입량과 Fe2+의 주입량을 증가시키면 어느 한계까지 처리효율은 상승하지만, 과산화수소의 주입량이 많을 경우 약품 비용이 제한 요소가 될 수 있으며, Fe2+의 주입량이 많을 경우 철염에 의해 생성되는 슬러지의 처리비용이 높아지므로 반응시간, 반응속도, 과산화수소의 잔류량, 총 처리비용 등을 고려하여 과산화수소와 Fe2+의 주입량을 결정하여야 한다.

(3)반응시간

펜톤산화의 적정 반응시간을 결정할 경우 유기물의 제거효율뿐만 아니라 과산화수소의 잔류량도 고려되어야 한다. 이는 반응 후 잔류하는 과산화수소가 펜톤산화 공정 중의 철염제거 과정에서 슬러지의 부상을 초래할 수 있기 때문이다.

(4) 중화 및 철염제거 공정

산화 반응 후 촉매로 이용된 철염을 제거하기 위한 공정으로 중화 단계에서는 일반적으로 NaOH를 이용하여 Fe3+의 용해도가 낮은 pH 범위인 7.5∼8.0으로 조정하고 응집 침전을 통하여 처리수와 슬러지를 고액 분리하여야 한다.

한편, [도 3]을 참조하면, 상기 중화조는 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수에 소석회를 투입하여 중화시키기 위한 것으로, 소석회주입장치와 연동하여 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수의 pH를 8.0~9.0으로 조정하도록 소석회가 주입되며, 균일하게 혼합 중화되도록 중화교반기가 구비된다.

또한, [도 3]을 참조하면, 상기 응집조는 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집되어 Floc을 형성하고 부상을 쉽게 하도록 하기 위해 응집제(폴리머)가 투입되어 응집반응시키키 위한 것으로, 응집제(폴리머) 주입장치와 연동하여 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집반응하도록 응집제(폴리머)가 주입되며, 균일하게 혼합 응집되도록 응집교반기가 구비된다.

다음으로, 상기 응집조로부터 유입되는 유입수 중의 응집된 거대오염물질(Floc)을 우유빛을 띤 미세기포를 이용하여 Floc과 충돌 및 부착되어 미세기포의 부상력으로 Floc을 수면위로 부상시키는 가압부상조 또는 거대오염물질(Floc)을 침전, 제거시키기 위한 침전조가 구비된다.

상기 가압부상조는 [도 4]에 도시된 바와 같이, 가압탱크, 이젝터, 교반기 및 가압순환펌프를 포함하여 구성된다. 상기 가압탱크 및 이젝터는 우유빛을 띤 미세기포가 용존된 가압수를 생성시키고, 가압수를 가압부상조에 공급하면, 용존 공기가 아주 미세한 기포로 방출되는데 이때 슬러지는 미세한 기포가 부착되어 위로 부상하게 되므로, 이를 수집 및 제거하여 처리하는 것이다. 상기 가압순환펌프는 상기 가압부상조에 유입되는 압력을 균일하게 조정하는 역할을 하게 된다.

아울러, 상기 가압부상조 상부에는 스컴수집장치가 구비되어 상기 가압부상조에 부상된 Floc을 수집하여 스컴저장조로 이송하게 되고, 상기 스컴저장조에 저장된 스컴은 농축조로 이송하게 된다. 또한, 상기 가압부상조에는 유입수와 미세기포의 균일한 혼합을 위하여 교반기가 구비된다.

상기 침전조는 [도 4]에 도시한 바와 같이, 상기 가압부상조의 변형된 형태로 거대오염물질(Floc)을 침전, 제거시키기 위한 것으로, 상기 가압부상조의 가압탱크, 이젝터 및 가압순환펌프는 사용하지 않게 된다.

상기 pH조정조는 가압부상조 또는 침전조에서 Floc이 제거되어 유입된 처리수를 중성의 pH로 조정하기 위한 것이고, 상기 중계조는 상기 pH조정조에서 유입되는 유입수를 저장 후, 다층여과필터(MMF)로 이송하기 위한 중간저장소이다.

[도 5]를 참조하면, 상기 pH조정조는 황산주입장치와 연동하여 상기 가압부상조 또는 침전조에서 유입된 처리수의 pH를 7.5~8.5로 조정하도록 황산이 주입되며, 균일한 pH로 혼합 교반하기 위하여 교반기가 구비된다.

상기 다층여과필터(MMF)는 [도 6]을 참조하면, 상기 중계조로부터 유입되는 유입수의 미세 잔류물질을 여러 입경의 여과재를 층별로 쌓은 필터를 통과시켜 제거하기 위한 것으로 역세척펌프가 구비되어 필터를 역체척하도록 구성되고, 탁질누출현상, 여재누출여부, 여재교란여부를 점검하여야 한다.

또한, 상기 백필터(Bag Filter)는 다층여과필터(MMF)을 통과한 유입수를 재차 여과하기 위한 것으로 포대형 필터로서 다층여과필터(MMF) 직후 공정에 구비되며, 탁질누출현상, Bag 파손상태를 확인하여야 한다.

최종적으로, 펜톤처리수조는 상기 백필터(Bag Filter)를 통과한 처리수를 대수층으로 주입하거나, 후속적으로 역삼투막여과처리장치로 이송하기 위하여 저장하기 위한 것이다.

한편, 상기 스컴저장조는 [도 7]을 참조하면, 상기 가압부상조에 부상된 Floc을 수집하여 저장하고 스컴이송펌프를 통해 스컴을 농축조로 이송하며, 상기 농축조는 [도 8]을 참조하면, 상기 스컴저장조로부터 이송된 스컴에 포함된 슬러지를 농축하기 위한 것으로 함수율 99%를 95%로 농축하고 농축된 슬러지는 필터프레스로 이송되어 탈수시킨다. 상기 농축조에는 균일한 농축을 위하여 농축조 교반기가 구비된다.

상기 필터프레스는 [도 8] 및 [도 9]를 참조하면, 상기 농축조로부터 배출되는 농축슬러지를 여과막이 설치된 여러 장의 여과판 사이에 주입하여 압축 탈수하기 위한 것으로 슬러지의 함수율이 약 75%되도록 탈수하며, 탈수슬러지 성상에 따라 탈수압력을 조절하게 된다. 이때, 탈수여액의 혼탁도가 증대될 경우에는 여과막의 파손을 확인하고 교체해야 하며, 탈수종료 후 탈수슬러지를 깨끗이 배출하고 여과막 표면에 탈수슬러지가 잔류하지 않도록 하여야 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 오염지하수를 추출하기 위한 복수의 오염지하수 추출관정으로부터 추출되어 유입되는 유입수를 황산, 과산화수소 및 황산철염을 이용하여 강력한 산화력으로 오염물질을 산화분해시키기 위한 펜톤산화조와, 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수에 소석회를 투입하여 중화시키기 위한 중화조와, 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집되어 Floc을 형성하고 부상을 쉽게 하도록 하기 위해 응집제가 투입되어 응집반응시키는 응집조와, 상기 응집조로부터 유입되는 유입수 중의 응집된 거대오염물질(Floc)을 우유빛을 띤 미세기포를 이용하여 Floc과 충돌 및 부착되어 미세기포의 부상력으로 Floc을 수면위로 부상시키는 가압부상조 또는 거대오염물질(Floc)을 침전, 제거시키기 위한 침전조와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 발생된 Floc을 수집한 후 저장하기 위한 스컴저장조와, 상기 스컴저장조로부터 이송되어 스컴에 포함된 슬러지를 농축하기 위한 농축조와, 상기 농축조로부터 배출되는 농축슬러지를 여과막이 설치된 여러 장의 여과판 사이에 주입하여 압축 탈수하기 위한 필터프레스와, 상기 가압부상조 또는 침전조에서 Floc이 제거되어 유입된 처리수를 중성의 pH로 조정하기 위한 pH조정조와, 상기 pH조정조에서 유입되는 유입수를 저장 후, 다층여과필터(MMF)로 이송하기 위한 중계조와, 상기 중계조로부터 유입되는 유입수의 미세 잔류물질을 여러 입경의 여과재를 층별로 쌓은 필터를 통과시켜 제거하기 위한 다층여과필터(MMF)와, 상기 다층여과필터(MMF)를 통과한 유입수를 재차 여과하기 위한 백필터(Bag Filter)와, 상기 백필터(Bag Filter)를 통과한 처리수를 대수층으로 주입하거나, 후속적으로 역삼투막여과처리장치로 이송하기 위하여 저장하기 위한 펜톤처리수조를 포함하여 구성되며,
   상기 펜톤산화조는 유입수의 pH를 3.5 ~ 4.5로 조정하도록 pH센서에 의하여 황산, 과산화수소 및 황산철염 주입장치와 연동하여 자동 운전되고,
   상기 중화조는 소석회주입장치와 연동하여 상기 펜톤산화조에서 산화처리된 산성 유입수의 pH를 8.0~9.0으로 조정하도록 소석회가 주입되며,
   상기 응집조는 응집제 주입장치와 연동하여 상기 중화조에서 중화된 유입수의 부유성 오염물질이 응집반응하도록 응집제가 주입되고,
   상기 pH조정조는 황산주입장치와 연동하여 상기 가압부상조 또는 침전조에서 유입된 처리수의 pH를 7.5~8.5로 조정하도록 황산이 주입되는 것을 특징으로 하는 지중 오염지하수의 산화처리 정화시스템
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