KR101689960B1 - 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폐정수 슬러지에 함유된 유효성분인 알루미늄을 추출 및 농축하여 불순물의 함량을 최소화하고 고농도를 가진 재생 응집제를 제조함으로써 폐정수의 처리효율을 향상함과 아울러 정수 처리시설의 환경부하를 저감하도록 하는 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법 {PROCESS OF PREPARATION FOR RECYCLING COAGULANT BASED ON ALUMINIUM IN WASTE PURIFICATION SLUDGE}

본 발명은 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폐정수 슬러지에 함유된 유효성분인 알루미늄을 추출 및 농축하여 불순물의 함량을 최소화하여 적정농도가 함유된 슬러지로 재생 응집제를 제조함으로써 폐정수의 처리효율을 향상함과 아울러 정수 처리시설의 환경부하를 저감하도록 하는 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 정수장에서 물을 정수하기 위해서는 응집과 침전의 과정을 거치게 되는데, 즉, 폴리염화알루미늄이나 황산알루미늄과 같은 금속염 응집제를 이용하여 수중에 포함된 부유물질과 유기물을 응집하여 큰 입자(floc)를 형성하고 이를 침전하여 정수하게 된다.

상기 정수 처리과정에서 발생되는 정수 슬러지에는 유효자원이라 할 수 있는 알루미늄이 10~15% 정도 함유되어 있는데, 이는 대부분 자연 상태에서 생성되는 것이 아니라 염소계인 폴리염화알루미늄(PAC)과 같은 응집제로부터 발생된 것으로서, 종래에는 이러한 알루미늄을 자원으로 재활용하지 못하고 토양 매립, 해양 투기에 의해 처리하거나 시멘트 원료로 사용하는 등 특정 산업분야에서 제한적으로 이용되고 있을 뿐만 아니라 그 처리를 위하여 막대한 비용을 필요로 한다는 문제점이 있었다.

또한, 정수 슬러지는 하수 처리과정에서 발생되는 하수 슬러지에 비해서 양이 많은 편은 아니지만, 최근 들어 정수장 시설의 대형화, 하천의 유량 감소, 매립 부지 확보의 어려움 외에도 런던협약의 발효와 같이 국내외로 환경규제가 점차적으로 강화됨에 따라 종래와 같이 정수 슬러지를 토양에 매립하거나 하천이나 해양에 투기하는 직접적인 배출이 엄격히 규제되면서 정수 슬러지에 대한 처리가 심각한 환경문제의 하나로 대두되고 있다.

이를 위하여 정수 슬러지의 양을 줄이면서 이를 활용하기 위한 여러 가지 방법이 연구되고 있으며, 그 예로서 정수 과정에서 응집제로 사용된 알루미늄을 재생 응집제로서 재활용하기 위하여 염산을 이용하여 정수 슬러지로부터 알루미늄을 선택적으로 회수하는 방법이 사용되었다.

그러나, 이러한 방법을 통해 얻어진 알루미늄은 농도가 낮고 망간과 같은 불순물이 고농도로 함유되어 있기 때문에 정수 분야에서의 재이용에 한계가 있었다.

이에 따라 정수 슬러지에 산 처리와 액막법 등의 방법을 통해 정수 슬러지 중에 다량 함유되어 있는 알루미늄을 회수하여 다시 응집제로 재활용하는 기술이 개발되고 있으며, 본 발명은 이러한 추세를 지속하여 정수 슬러지로부터 고농도, 고순도의 알루미늄을 수득하여 재생 응집제로 제조하는 방법을 제시하고자 하였다.

한국 특허등록 제1460731호의 "정수슬러지로부터 재생 응집제를 고농도로 회수하는 방법 및 그 장치" (2014.11.05) 한국 특허등록 제523518호의 "알루미늄 응집제의 회수 및 탈수 케익의 매립 복토재로의 재활용을 통한 정수 슬러지 처리 시스템" (2005.10.17) 한국 특허등록 제1441647호의 "정수장 슬러지로부터 응집제를 제조하는 방법" (2014.09.11) 한국 특허공개 제2014-105289호의 "정수 또는 하ㆍ폐수처리용 응집제 제조방법 및 이의 의하여 제조된 응집제" (2014.09.01)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐정수 슬러지로부터 알루미늄을 추출하되, 농도와 순도가 높은 알루미늄을 얻어 재생 응집제로 재활용하도록 함과 아울러 정수 처리효율을 향상하도록 하는 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법은, 정수 슬러지가 자연 건조 또는 온도 90~100℃에서 건조되어 슬러지 케이크가 형성되는 건조단계; 상기 슬러지 케이크와 7% 농도의 황산 수용액이 혼합 후 교반 추출되어 알루미늄 용액이 얻어지는 산 추출단계; 상기 알루미늄 용액에 가성소다가 투입되어 pH 상승 후, 이로부터 얻어지는 침전물이 원심분리에 의해 분리되어 불순물이 제거됨과 아울러 2~3% 농도의 알루미늄 용액이 얻어지는 정제단계; 및 상기 2~3% 농도의 알루미늄 용액이 가열 증발되고, 이로부터 발생되는 증기가 포집 후 응축 냉각되어 6~7% 농도의 알루미늄 용액이 얻어지는 증발농축단계;를 포함함을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 산 추출단계에서, 상기 슬러지 케이크와 7% 농도의 황산 수용액은 중량기준 1 : 1.5의 비율로 혼합됨이 바람직하다.

또한, 상기 증발농축단계에서 상기 2~3% 농도의 알루미늄은 열교환에 의해 50~90℃로 온도 상승 후 증발되도록 하며, 상기 증발에 의해 생성되는 증기가 20~45℃로 응축 냉각되는 것을 특징으로 하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 정수 처리 후에 발생되는 정수 슬러지를 산 처리를 통해 알루미늄을 함유하는 여액과 농축 슬러지로 분리한 후 상기 여액으로부터 적정 농도 및 고순도의 알루미늄을 회수하여 재생 응집제를 제조함으로써 단순하고 용이한 방법을 통해 알루미늄의 재활용성을 증대함과 아울러 정수의 처리효율을 향상할 수 있으며, 나아가 정수 처리공정에서의 환경부하를 저감하고 처리비용을 절감할 수 있으므로 경제적이라는 장점을 가진 것이다.

도1은 본 발명에 따른 재생 응집제를 제조하는 공정을 도시한 흐름도
도2는 정수 슬러지로부터 회수한 응집제를 이용하여 정수 처리장의 총인을 제거하는 공정을 도시한 흐름도

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 폐정수 슬러지로부터 산 추출법을 이용하여 추출한 알루미늄을 농축하여 재생 응집제를 제조하는 것으로서, 정수 슬러지를 건조하여 슬러지 케이크를 형성하는 단계; 상기 슬러지 케이크에 산을 가한 후 이를 교반하여 알루미늄을 추출하는 단계; 상기 알루미늄에 가성소다를 혼합하여 pH 조정에 의해 불순물을 제거하고 알루미늄을 정제하는 단계; 및 상기 알루미늄을 가열 후 증기를 농축하여 고농도의 알루미늄을 얻는 단계;를 포함하는 것이다.

이에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명은 Al⁺³ + H₂SO₄ → Al₂(SO₄)₃의 반응식에 의해 정수 슬러지로부터 고농도의 알루미늄을 수득하여 재생 응집제로 사용하도록 하는 것이다.

[1] 슬러지 건조(탈수)

정수 슬러지의 취급이 용이하도록 정수 슬러지의 함수율을 저감하는 단계이다.

폐정수장의 정수 과정에서 발생되는 정수 슬러지를 자연 건조하거나 또는 온도 90~100℃에서 건조하여 45~70%의 슬러지 케이크를 만든다.

[2] 산 추출

상기 슬러지 케이크에 산을 첨가하여 알루미늄을 추출하는 단계이다.

상기 [1] 단계에서 얻어진 슬러지 케이크와 7% 농도의 황산 수용액(중량기준)을 1 : 1.5의 비율로 1~2시간 동안 교반하여 반응을 진행함에 따라 슬러지 케이크 내에 존재하는 알루미늄을 추출한다.

이러한 산 추출에 의해 pH 2 이하의 알루미늄 용액(황산알루미늄 : 1차 응집제)이 얻어지며, 이때, 상기 알루미늄 용액에는 알루미늄 외에도 여러 가지 중금속이 포함된 상태이다.

[3] 정제

상기 알루미늄 용액의 pH를 조정하여 알루미늄의 추출율을 높이고 순도를 향상하는 단계이다.

알루미늄 이온은 pH에 따라 용출되거나 착이온을 형성하는 정도가 다른바, pH에 따른 용해도 차이에 의해 알루미늄과 철, 망간, 크롬과 같은 불순물을 분리하기 위하여 상기 [2] 단계에서 얻어진 1차 응집제인 알루미늄 용액의 pH 수치를 높인 후 알루미늄을 석출하여 정제한다.

즉, 상기 1차 응집제에 증류수를 첨가하여 희석하고, 여기에 10% 가성소다와 같은 염기성 물질을 투입하여 pH 수치가 4~6이 되도록 조정한다.

이로부터 얻어지는 침전물은 원심분리에 의해 상등액을 분리함과 아울러 잔류물을 제거하고, 여기에 다시 pH 수치가 2 이하를 유지하도록 5% 황산을 투입하여 2~3% 농도의 알루미늄 용액(2차 응집제)을 추출한다.

이러한 과정에서 순도가 높은 알루미늄이 얻어지게 되는데, 예컨대, 상기 알루미늄 용액에 포함된 망간의 농도의 경우, 산 추출에 의해 얻어진 1차 응집제는 100㎎/L이고, 정제 회수에 의해 얻어진 2차 응집제는 3~8㎎/L로서, 상기 [2] 단계에서 알루미늄과 함께 추출된 망간의 양이 상기 [3] 단계에서는 대폭 저감된다.

[4] 증발 농축

상기 알루미늄의 농도를 높이도록 증발 농축하는 단계이다.

우선, [3] 단계에서 추출된 2~3% 농도의 알루미늄 용액을 열교환에 의해 예열하여 50~90℃로 온도를 높인 후 증발장치를 이용하여 증발시킨다.

여기에서 생성된 증기를 증기분리기에 의해 분리 후, 이로부터 방출된 증기를 콘덴서에 의해 20~45℃에서 응축 냉각함으로써 6~7% 농도의 알루미늄 용액(재생 응집제)을 회수할 수 있게 된다.

상기와 같은 방법을 통해 얻어진 알루미늄 성분(액체 황산알루미늄)이 6~7% 함유된 재생 응집제를 이용하여 하,폐수 처리장의 인을 제거할 수 있으며, 이때 상기 재생 응집제를 구성하는 알루미늄의 농도 및 순도는 높은 편이어서 정수 처리효율을 증대하게 된다.

다음으로, 본 발명의 방법에 의해 정수 슬러지로부터 재생된 알루미늄 응집제(시험구)를 이용하여 정수 처리장의 총인을 제거하는 메커니즘의 예시를 도2에 도시하였으며, 이에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 폐정수 처리장의 폐정수를 처리하기 위하여 황산알루미늄이 포함된 응집제를 첨가하는데, 수중에 응집제가 확산하여 응집 대상 물질(미세입자)과 응집제가 원활하게 접촉하도록 10분 동안 120~180rpm으로 급속 교반을 한 후 다시 10분 동안 90~100rpm으로 정상 속도로 교반한다.

이어서, 교반속도를 줄여 폐정수를 30~60분 동안 30~60rpm으로 완속 교반하여 응집제에 의해 플록이 형성되면 10분 동안 방치하여 침전시킨 후 수질을 분석함과 아울러 기존의 응집제(대조구)와의 처리효율을 비교 검토한 후 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

상기 표1에서와 같이, 14일의 기간 동안 정수 처리장에 유입되는 유입수의 총인 농도를 측정한 결과에 따르면, 시험구의 경우 정수 슬러지의 처리를 위해 이미 사용된 응집제로부터 본 발명의 방법에 의해 알루미늄을 추출하여 얻어진 재생 응집제임에도 불구하고 대조구와 거의 유사한 정도의 총인 제거 효율을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

Claims (4)

1. 알루미늄 응집제가 포함된 정수 슬러지를 자연 건조하거나 또는 온도 90~100℃에서 건조하여 함수율 45~70%의 슬러지 케이크를 만드는 건조 단계;
   상기 슬러지 케이크와 7질량% 농도의 황산 수용액을 중량기준 1 : 1.5의 비율로 1~2시간 동안 혼합 교반하여 슬러지 케이크로부터 알루미늄을 추출하여 pH 2 이하의 알루미늄 용액을 얻는 산 추출 단계;
   상기 알루미늄 용액에 가성소다를 투입하여 pH 4~6으로 증가시킨 후 원심분리에 의해 알루미늄이 포함된 상등액으로부터 불순물을 침전 제거하고, 다시 pH가 2 이하를 유지하도록 5질량% 농도의 황산 수용액을 상기 상등액에 투입하여 2~3질량% 농도의 알루미늄 용액을 얻는 정제 단계; 및
   상기 2~3질량% 농도의 알루미늄 용액을 열교환에 의해 온도 50~90℃로 높여 증발시키고, 이로부터 생성된 증기를 분리 후 이중 알루미늄이 포함된 증기를 포집하여 응축 냉각함으로써 6~7질량% 농도의 알루미늄 용액을 회수하는 증발 농축 단계;를 포함함을 특징으로 하는 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 증발농축단계에서, 상기 증발에 의해 생성되는 증기가 온도 20~45℃로 응축 냉각되는 것을 특징으로 하는 폐정수 슬러지로부터 알루미늄 재생 응집제를 제조하는 방법.

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