KR101780672B1 - 분리형 세척수단을 포함하는 오염토양 정화장치 및 정화방법 - Google Patents

분리형 세척수단을 포함하는 오염토양 정화장치 및 정화방법 Download PDF

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Abstract

오염물질에 의해 오염된 토양을 정화시키는 오염토양 정화장치 및 정화방법이 개시된다.
상기 오염토양 정화장치는, 오염물질이 토양으로부터 용출되도록 오염토양과 용매를 함께 혼합하는 용출수단과; 상기 용출조에서 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고, 토양을 입자크기별로 분리하는 고압세정선별수단; 을 포함할 수 있다.

Description

분리형 세척수단을 포함하는 오염토양 정화장치 및 정화방법 {SYSTEM AND METHOD FOR PURIFYING CONTAMINATED SOIL WITH SEPARATING TYPE WASHING MEANS}
본 발명은 고농도의 소수성 유기오염물질에 의해 오염된 토양을 정화하기 위한 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 오염된 토양의 정화에 있어 원유에 의해 고착된 오염 토양을 추출 용매 및 마모성 교반(attrition)에 의해 토양과 원유로 분리 용출시키기 위한 용출수단과, 분리된 오염물질을 토양으로부터 제거하기 위해 물을 이용하여 세정하고 선별하는 고압세정선별수단을 포함하는 분리형 세척수단을 적용하여 고농도로 오염된 토양의 처리 용량과 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
일반적으로, 토양오염이란 땅속으로 침투한 오염물질이 토양을 오염시키는 현상으로, 산업 발전과 함께 특히 공장에서 배출되는 연기, 폐수 등에 의한 토양오염이 심각해지고 있다.
대부분의 경우 대기오염물질의 낙하, 폐기물 투기, 농약이나 비료의 살포 등에 의해서 토양이 오염되는데, 토양의 오염이 곧 지하수의 오염원, 하천수의 오염원이 될 염려가 있다.
또, 각종 산업이나 가정에서 연료로 사용되거나, 석유화학제품의 생산을 위해 원유, 석유 등의 소비량이 계속해서 증가하고 있는데, 이러한 원유나 석유 등의 유류를 생산, 가공, 저장 및 운반하는 과정에서 토양의 오염이 빈발하고 있어, 유류로 인한 토양오염을 정화하기 위한 기술 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
유류에 의해 오염된 토양을 정화하는 기존의 방법으로, 물 또는 계면활성제를 이용하여 오염물질을 토양의 표면으로 분리시키는 토양 세척법(Soil washing), 오염된 토양에 열을 가하여 유류 오염물을 휘발시킨 뒤 휘발된 오염물을 연소실에서 태우는 공정에 의해 토양을 정화하는 열탁착법(Thermal desortion) 등의 기술이 제안되어 있다.
유류로 인한 토양오염을 정화하기 위한 종래의 토양 정화장치 중 토양 세척법에 대한 구체적인 것으로서는 다음과 같은 것들이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2003-0005713호(2003년 1월 23일 공개, 문헌 1)에 제시된 토양 정화장치는, 외부로부터 오염토양과 계면활성제를 공급받아 1차적으로 세척하기 위한 전세척조와, 이 전세척조에서 1차적으로 세척된 오염토양을 세척수와 함께 공급받아 2차적으로 세척하기 위한 주세척조를 포함한다. 전세척조는 이송 스크류를 가지며, 이송 스크류에 의해 전세척조에서 세척 및 교반되는 동시에 이송되는 오염토양은 연속적으로 주세척조에 공급된다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0146678호(2014년 12월 29일 공개, 문헌 2)에 제시된 토양 정화장치는, 물을 저장하는 물 저장부와, 토양으로부터 기름을 분리하도록 작용하는 분리제를 저장하는 분리제 저장부와, 기름에 의해 오염된 토양, 물, 및 분리제를 함께 투입하여 혼합하는 믹싱부와, 이 믹싱부에서 혼합된 혼합물을 공급받아 물과 토양을 분리해 내는 토양 분리부를 포함한다. 토양 분리부에서는 밀도 차이에 의해 물, 분리제 및 토양을 각각 분리한다.
대한민국 공개특허 제10-2003-0005713호(2003년 1월 23일 공개) 대한민국 공개특허 제10-2014-0146678호(2014년 12월 29일 공개)
본 발명에서 처리 대상으로 하는 고농도의 소수성 유기오염물질로서는, 예컨대 원유를 들 수 있는데, '원유'란, 땅속에서 뽑아낸, 정제하지 아니한 그대로의 기름을 의미하는 것일 뿐 아니라, 가솔린, 등유, 경유, 중유 등으로 분별증류가 이루어지지 않은 상태의 석유를 포함하는 것으로서, 다양한 탄화수소성분을 주성분으로 하여 황, 질소, 산소 화합물 따위가 섞인 혼합물을 말한다.
이러한 원유에 의해 고농도로 오염된 토양이 긴 기간, 예컨대 수년에서 수십 년에 걸쳐 풍화를 겪게 되면, 원유에 포함된 성분들 중 상대적으로 휘발성이 강한 성분들은 휘발하고 상대적으로 휘발성이 약한 성분들만 남아 토양에 고착된다.
휘발성이 약해 토양에 고착될 수 있는 원유의 성분들은, 예컨대, 윤활유, 중유, 아스팔트, 피치(pitch) 등을 들 수 있다. 이러한 성분들은 점도가 높아 오염토양 내에 낮은 농도로 존재하더라도 제거가 어렵다. 특히, 일반적인 유류(예컨대 휘발유, 등유, 경유 등과 같이 탄소수가 적고 휘발성이 상대적으로 강한 성분)의 정화에 효과를 보이는 계면활성제 등의 세척제로는 이를 거의 제거할 수 없다.
또한, 문헌 1에 의한 종래기술의 토양 정화장치의 일례에 따르면, 전처리조 내에 설치된 이송 스크류를 이용하여 오염토양과 계면활성제를 교반시키는 동시에 오염토양을 주처리조 측으로 이송시키고 있음에 따라, 교반과 이송이 동시에 이루어지게 되고, 이에 따라, 오염토양과 계면활성제를 충분히 교반시키려면 전처리조의 길이가 지나치게 길어지는 문제가 있다. 전처리조의 길이가 길어지면 이송 스크류의 길이도 함께 길어지므로, 이송 스크류의 회전에 소비되는 에너지가 증가한다. 이송 스크류가 길어지는 것은 단순히 장치의 길이가 길어지는 것만이 아니라, 이송 스크류에 의해 이송시켜야 하는 오염토양의 양도 증가한다는 것을 의미하므로, 이송 스크류의 구동에 요구되는 에너지의 양은 이송 스크류의 크기에 따라 기하급수적으로 증가한다. 반대로, 에너지 절약을 위해 전처리조 및 이송 스크류의 길이를 짧게 하면, 교반이 충분히 이루어지지 않은 상태로 오염토양과 계면활성제가 주처리조 측으로 전달되어 버리게 된다. 따라서, 굳이 전처리조를 설치하여 사전에 오염토양과 계면활성제를 교반시키더라도 그로 인해 얻어지는 효과가 거의 없다는 문제가 있다.
한편, 문헌 2에 의한 종래기술의 토양 정화장치의 다른 예에 따르면, 오염토양과 분리제를 대량의 물과 함께 믹싱부 내에 투입하여 혼합 및 세척하고 있기 때문에, 대량의 물로 인해 분리제가 오염토양과 반응하는 것이 방해되어, 오히려 정화효율이 떨어지고 오염제거기준을 만족시키기 위해서 소비되는 시간과 에너지가 증가하는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로 통상의 토양 세척법으로 제거하기 어려운 고농도의 소수성 유기오염물질이 토양에 고착되어 있는 경우에도 탁월한 효과를 거둘 수 있는 정화장치 및 정화방법의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고농도의 소수성 유기오염물질로 오염된 토양의 효율적인 정화를 위해, 원유에 의해 고착된 오염 토양을 추출 용매 및 마모성 교반(attrition)에 의해 토양과 원유로 분리 용출시키기 위한 용출수단과, 분리된 오염물질을 토양으로부터 제거하기 위해 물을 이용하여 세정하고 선별하는 고압세정선별수단을 포함하는 분리형 세척수단을 적용함으로써 불필요한 에너지 소비 없이 용출수단에 의한 전처리 효과를 극대화한 정화장치 및 정화방법의 제공을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 추출용매를 사용함에 있어 소량의 물이 사용됨에 따라 추출용매가 오염토양과 반응하는 것이 방해받지 않고 정화효율이 향상된 정화장치 및 정화방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오염물질에 의해 오염된 토양을 정화시키는 오염토양 정화장치로서, 오염물질이 토양으로부터 용출되도록 오염토양과 용매를 함께 혼합하는 용출수단과, 상기 용출조에서 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고, 토양을 입자크기별로 분리하는 고압세정선별수단을 포함하는 오염토양 정화장치가 제공될 수 있다.
상기 용출수단은, 칸막이에 의해 구분된 복수의 챔버를 갖는 몸체와, 각각의 상기 챔버 내에 회전 가능하게 설치되는 교반수단과, 상기 교반수단을 구동시키기 위해 상기 몸체에 설치되는 구동 모터를 포함한 용출조일 수 있다.
복수의 상기 챔버는 상기 몸체 내에서 일렬로 연장되며, 상기 교반수단은 상기 챔버마다 하나씩 설치될 수 있다.
상기 교반수단은 상기 구동 모터에 의해 회전하는 회전축에 설치되어 함께 회전하는 한 쌍의 임펠러를 포함하며, 상기 한 쌍의 임펠러는 각각의 상기 챔버 내에서 상하로 배치되며, 동일한 챔버 내에 배치된 상기 임펠러들은 서로 상이한 크기 또는 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 용출수단에 공급되는 용매와 오염토양의 비는 중량비로 대략 1 : 5 내지 30 정도일 수 있다.
한편, 상기 용출수단 내에서의 오염토양의 교반이 원활하게 이루어지도록 상기 용출수단 내에 물을 더 공급할 수 있는데, 이때 상기 용출수단에 공급되는 용매와 물의 비는 중량비로 대략 1 : 2 내지 4 정도일 수 있다.
상기 고압세정선별수단은 물을 이용하여 상기 용출수단에서 용매에 의해 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리할 수 있다.
상기 고압세정선별수단은 복수개의 사이클론과 복수개의 스크린을 포함할 수 있다. 상기 사이클론은 멀티-사이클론일 수 있다.
상기 오염토양 정화장치는, 상기 고압세정선별수단에 의해 오염토양으로부터 분리된 세립토를, 물 혹은 용매를 포함하는 물을 이용하여 2차적으로 세척하는 교반세정수단을 더 포함할 수 있다.
또, 상기 오염토양 정화장치는, 상기 교반세정수단에서 배출되는 폐수를 처리하는 폐수처리수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기된 바와 같이 구성된 오염토양 정화장치에 의해 오염토양을 정화시키는 오염토양 정화방법이 제공될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 소수성 유기오염물질, 예를 들어 원유 등의 유류에 의해 오염된 오염토양을 정화시킬 수 있는 정화장치 및 정화방법이 제공될 수 있다. 그에 따라 본 발명의 정화장치 및 정화방법에 의하면, 오염물질이 토양에 고착화된 상태의 오염토양이나 오염물질의 농도가 높은 오염토양의 경우에도 오염물질을 확실하게 정화할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 정화장치 및 정화방법에 의하면, 용출수단과 고압세정선별수단을 포함한 분리형 세척수단이 제공됨에 따라 불필요한 에너지 소비 없이 용출수단에 의한 전처리 효과를 극대화할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 정화장치 및 정화방법에 의하면, 추출용매를 사용함에 있어 소량의 물이 사용됨에 따라 추출용매가 오염토양과 반응하는 것이 방해되지 아니하고 정화효율이 향상될 수 있게 된다.
오염토양과 용매를 용출수단에 공급한 후 실행하는 마모성 교반(attrition)은 원유성분 중 저휘발성 잔여유류의 고착으로 인해 단단하고 덩어리진 형태로 존재하는 오염토양의 물리적 분쇄를 가능하게 한다.
그리고, 본 발명의 정화장치 및 정화방법에 의하면, 용출 효율을 극대화 함과 동시에 소수성 유기오염물질 제거에 사용되는 용출수단에서의 물 함량을 최소화할 수 있고, 용출 후 고압세정선별수단에서는 오염물질의 단순 분리만을 위한 최소한의 물만을 사용함에 따라 전체적으로 공정수의 사용량을 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치에 포함된 용출수단의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 3은 용출수단 내에서 오염토양이 정화되는 메카니즘에 대해 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치에 포함된 고압세정선별수단과 농축수단의 개략 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치는, 예를 들어, 고농도의 소수성 유기오염물질에 의해 오염된 토양을 정화시키기 위해 사용될 수 있다. 소수성 유기오염물질로서는, 원유를 예로 들 수 있다. 본 명세서에서 '원유'란, 땅속에서 뽑아낸, 정제하지 아니한 그대로의 기름을 의미하는 것일 뿐 아니라, 가솔린, 등유, 경유, 중유 등으로 분별증류가 이루어지지 않은 상태의 석유를 포함하는 것으로 간주될 수 있다.
본 명세서에서 '고농도로 오염된 토양'이란, TPH가 5,000mg/kg을 초과하는 경우를 의미한다. 본 발명의 실시예에 의하면 TPH가 40,000mg/kg을 초과하는 고농도 오염의 경우에도 탁월한 효과를 거둘 수 있다. TPH란, 총 석유계 탄화수소(Total Petroleum Hydrocarbon)의 약자로서, 수치가 높을수록 유류에 의한 오염도가 심각한 것을 의미한다.
본 명세서에서 '오염물질이 고착된다'라는 표현은, 토양에 오염물질이 스며든 상태에서 시간이 흐름에 따라 상대적으로 휘발성이 강한 성분들은 휘발되고 상대적으로 휘발성이 약한 성분들만이 남아 토양에 부착되어 있는 상태를 의미한다. 오염물질이 고착됨에 따라 오염된 토양은 덩어리진 형태로 단단하게 응집된 형상을 취하게 된다.
본 명세서에서 '마모성 교반(attrition)'이라는 표현은, 원유의 저휘발성 잔여유류 성분이 토양과 오랜 기간 풍화되면서 고착되어진 오염토양의 물리적 분상화를 위해 적용된 용출수단 내의 교반 방법을 의미하며, 이를 통해 덩어리진 형태로 고착화된 오염토양의 물리적 분상화 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 오염토양과 추출용매 및 필요한 경우 소량의 수분을 함유한 혼합물을 믹싱하여 오염물질의 추출을 극대화한 용출수단과 물을 이용하여 추출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고 크기별로 선별하는 고압세정선별수단을 각각 포함함으로써 뛰어난 정화 효율을 달성할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명에서는 용출수단으로서 먼저 고농도로 오염된 토양을 처리하고 그 후 고압세정선별수단에 의한 세정과 선별을 수행하는 분리형 세척형태로 함으로써 탁월한 정제 효과를 얻어낼 수 있다.
오염물질에 의해 오랜 시간 고착된 토양은 물이나 계면활성제 등에 의한 단순한 세정에 의해 제거될 수 없으므로 먼저 용출수단에 의해 사전에 오염물로 고착된 토양을 추출 용매 및 믹싱방법을 사용하여 응집된 토양(agglomerated soil) 입자로 분상화하고 그 표면 및 내부에 존재하는 원유 등의 오염물질이 분리될 수 있는 상태로 될 수 있도록 하는 것이 필요하다. 본 발명에서는 먼저 용출수단에서 추출 용매 및 믹싱방법을 사용하여 원유에 의해 응집된 토양(agglomerated soil) 입자를 분상화하고 토양 표면 및 내부에서 고착된 원유를 분리할 수 있다. 본 발명의 용출수단에서는 용매 및 믹싱(즉, 마모성 교반)에 의해 주된 분리가 이루어짐에 따라 종래 계면활성제 등에 의해 세정할 때에 비해 물의 사용량을 필요 최소한으로 할 수 있게 된다.
본 발명에서의 고압세정선별수단에서는 오염물질과 토양을 물을 이용해 분리하는 1차 세정과 함께 세정된 토양을 처리완료된 조립토, 2차 세정 처리될 고농도 세립토 및 폐기 처리될 미세립토의 3종류 입자 크기별로 분리될 수 있다. 용출수단에 의해 처리 대상인 응집 토양(agglomerated soil)이 입자 상태로 분상화되고 토양 표면에 고착된 원유가 용출되어진 상태가 됨에 따라, 고압세정선별수단에서는 물의 고압분사 세정에 의해서 토양입자의 세척이 보다 완벽하게 달성될 수 있게 된다. 동시에 토양 입자의 크기별로 선별이 이루어지며, 선별된 입자의 크기에 따라 후속 공정에서 보다 정밀한 세척이 가능할 수 있다. 또한 선별과 세정이 이루어지는 단위공정 내에서 오염토양 및 물을 포함하는 슬러리가 순환되기 때문에 보다 정확한 입도선별이 가능하고 높은 세정효율도 달성할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치 및 정화방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 오염토양 정화장치는, 오염물질이 토양으로부터 용출되도록 오염토양과 용매를 함께 혼합하여 강한 교반에 의한 마찰로 오염물질 용출을 극대화하는 용출수단(10)과, 물을 이용하여 용출수단(10)에서 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고, 토양을 입자크기별로 분리하는 고압세정선별수단(20)을 포함한다. 또한 상기 고압세정선별수단(20)에서 분리된 세립토를 물 혹은 용매를 포함하는 물과 혼합하여 추가세척하는 교반세정수단(40)을 포함한다.
오염토양 정화장치는, 교반세정수단(40)에서 배출되는 폐수를 처리하는 폐수처리수단(60)과, 고압세정선별수단(20)에서 분리된 조립토와 교반세정수단(40)에서 추가 세척된 세립토를 혼합하여 배출하는 진동스크린(70)을 더 포함한다.
토양의 입자 크기에 따라, 입자가 상대적으로 큰 조립토는 입자가 상대적으로 작은 세립토에 비해 세척이 용이하다. 오염토양에 포함된 조립토와 세립토는 용출수단(10)과 고압세정선별수단(20)을 통과하면서 함께 세척 및 정화된 후 입자크기별로 분리되어, 오염토양 중 세립토는 계속해서 교반세정수단(40)을 통과하면서 2차적으로 세척 및 정화될 수 있다. 상대적으로 세척이 용이한 조립토는 용출수단(10) 및 고압세정선별수단(20)에 의한 1차 세척만으로 정화처리가 완료될 수 있다.
용출수단(10)에서 사용되는 용매로서는, 토양으로부터 원유 오염물질을 용출시킬 수 있는 강한 용해력을 가지는 석유계 용제(solvent) 중에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 예를 들어 용매는 원유로부터 얻어질 수 있는 유류들 중 휘발성이 상대적으로 강하고 탄소수가 낮은 탄화수소성분을 주성분으로 하는 것일 수 있고, 바람직하게는 가솔린, 디젤유, 케로신 등일 수 있다.
본 명세서에서 '조립토'는 입자의 직경이 대략 0.075mm보다 큰 토양을 의미하고, '세립토'는 입자의 직경이 대략 0.075mm 이하인 토양을 의미한다. 세립토 중에서도 입자의 직경이 대략 0.038mm 이하인 토양은 '미세립토'라고 별도로 호칭할 수도 있지만, 특별한 언급 없이 '세립토'라 할 때는 미세립토를 포함하는 것으로 간주하여야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 용출수단(10)은, 칸막이(13a~13c)에 의해 구획형성된 복수의 챔버(14a~14d)를 갖는 몸체(11)와, 각각의 챔버(14a~14d) 내에 회전 가능하게 설치되는 교반수단(15a~15d)과, 이 교반수단(15a~15d)을 구동시키기 위해 몸체 상부에 설치되는 구동 모터(19)를 포함한다.
용출수단(10)에서 용매는 오염물질을 토양으로부터 화학적으로 분리할 수 있고, 교반수단(15a~15d)으로 인해 야기되는 마모성 교반에 의해서 오염물질은 토양으로부터 물리적으로 분리될 수 있다.
복수의 챔버(14a~14d)들은 몸체(11) 내에서 일렬로 연장될 수 있다. 몸체(11)는, 일측에 형성되어 오염토양을 투입할 수 있는 투입구(11a)와, 타측에 형성되어 용출작업이 수행된 오염토양을 배출할 수 있는 배출구(11b)를 포함할 수 있다.
칸막이(13a~13c)는 각각의 챔버(14a~14d)를 완벽하게 구분하지는 않고, 위아래가 번갈아 개방될 수 있도록 몸체(11) 내에 배치된다. 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 4개의 챔버(제1 내지 제4 챔버(14a~14d))를 포함하는 용출조(10)의 경우에는 3개의 칸막이(제1 내지 제3 칸막이(13a~13c))를 갖는다. 여기서, 제1 챔버(14a)와 제2 챔버(14b) 사이에 배치된 제1 칸막이(13a)는 아래쪽에 개구를 가지며, 제2 챔버(14b)와 제3 챔버(14c) 사이에 배치된 제2 칸막이(13b)는 위쪽에 개구를 가지며, 제3 챔버(14c)와 제4 챔버(14d) 사이에 배치된 제3 칸막이(13c)는 아래쪽에 개구를 가질 수 있다. 도 2에는 4개의 챔버(14a~14d)를 포함하는 용출수단(10)이 예시되어 있지만, 챔버의 개수는 설계시 필요에 따라 증감될 수 있다.
교반수단(15a~15d)은 구동 모터(19)에 의해 회전하는 회전축(18)에 설치되어 함께 회전하는 한 쌍의 임펠러를 포함할 수 있다. 각각의 임펠러는 복수의 날개를 포함할 수 있다. 각각의 챔버(14a~14d) 내에는 한 쌍의 임펠러가 상하로 배치되며, 동일한 챔버 내에 배치된 2개의 임펠러는 서로 상이한 크기 및 형태의 날개를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 챔버(14a) 내에 배치된 교반수단(15a)은 제1 상부 임펠러(16a)와 제1 하부 임펠러(17a)를 포함하며, 제1 상부 임펠러(16a)의 날개 크기는 제1 하부 임펠러(17a)의 날개 크기에 비해 크다. 제2 챔버(14b) 내에 배치된 교반수단(15b)은 제2 상부 임펠러(16b)와 제2 하부 임펠러(17b)를 포함하며, 제2 상부 임펠러(16b)의 날개 크기는 제2 하부 임펠러(17b)의 날개 크기에 비해 작다. 제3 챔버(14c) 내에 배치된 교반수단(15c)은 제3 상부 임펠러(16c)와 제3 하부 임펠러(17c)를 포함하며, 제3 상부 임펠러(16c)의 날개 크기는 제3 하부 임펠러(17c)의 날개 크기에 비해 크다. 제4 챔버(14d) 내에 배치된 교반수단(15d)은 제4 상부 임펠러(16d)와 제4 하부 임펠러(17d)를 포함하며, 제4 상부 임펠러(16d)의 날개 크기는 제4 하부 임펠러(17d)의 날개 크기에 비해 작다.
제1 내지 제4 챔버(14a~14d) 내에서 회전하는 제1 내지 제4 상부 임펠러(16a~16d)는 오염토양을 아래쪽으로 가압할 수 있도록 구성되고, 반대로 제1 내지 제4 하부 임펠러(17a~17d)는 오염토양을 위쪽으로 가압할 수 있도록 구성될 수 있다.
그런데, 전술한 바와 같이, 동일한 챔버 내에 상하로 배치된 2개의 임펠러는 서로 상이한 크기의 날개를 갖기 때문에, 날개가 큰 임펠러가 더욱 큰 압력으로 오염토양을 가압할 수 있다. 그에 따라 오염토양은 용매와 혼합되는 동시에 상대적으로 날개가 작은 임펠러 쪽으로 이동한다.
예를 들어, 제1 챔버(14a) 내에 설치된 제1 상부 임펠러(16a)의 날개의 크기는 제1 하부 임펠러(17a)의 날개의 크기보다 크게 제작되어, 제1 상부 임펠러(16a)와 제1 하부 임펠러(17a)가 동일한 속도로 회전하면 오염토양은 조금씩 아래쪽으로 밀려 이동할 수 있다. 제1 칸막이(13a)는 아래쪽이 개구되어 있으므로 오염토양은 제1 칸막이(13a)의 아래쪽을 통과하여 제2 챔버(14b)로 조금씩 이동한다.
또한, 제2 챔버(14b) 내에 설치된 제2 상부 임펠러(16b)의 날개의 크기는 제2 하부 임펠러(17b)의 날개의 크기보다 작게 제작되어, 제2 상부 임펠러(16b)와 제2 하부 임펠러(17b)가 동일한 속도로 회전하면 오염토양은 조금씩 위쪽으로 밀려 이동할 수 있다. 제2 칸막이(13b)는 위쪽이 개구되어 있으므로 오염토양은 제2 칸막이(13b)의 아래쪽을 통과하여 제3 챔버(14c)로 조금씩 이동한다.
이러한 방식으로 오염토양은 용매와 혼합되는 동시에 이동하여, 각각의 챔버를 순차적으로 통과할 수 있다. 용출수단(10)의 설계 시, 챔버의 개수 및 크기, 임펠러의 회전속도, 날개의 크기 등의 변수를 조절함으로써 오염토양이 용출수단(10) 내에 머무르는 시간을 증감시킬 수 있다. 오염 토양이 용출수단에 체류하는 시간은 정화효율, 에너지 소비 정도 등에 따라 0.5 ~ 2 시간일 수 있다.
지금까지의 설명에서는 오염토양을 이동시키기 위해서 상부 임펠러와 하부 임펠러의 날개 크기를 서로 상이하게 하는 것을 예로 들어 설명하였지만, 본 발명은 이것만으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 날개가 회전축과 이루는 각도를 상이하게 하거나, 임펠러의 회전속도를 상이하게 하는 등 오염토양을 이동시킬 수 있다면 용출수단은 위에서 설명한 것 이외의 구조를 가질 수도 있다.
용출수단(10) 내에 공급되는 용매와 오염토양의 비는 중량비로 대략 1 : 5 내지 30 정도일 수 있다. 다시 말해서 오염토양에 비해 용매는 대략 중량비로 1/5 내지 1/30 정도의 매우 적은 양이 용출수단(10) 내에 투입된다.
오염토양에 비해 용매의 양이 매우 적기 때문에, 이들을 교반시키기 위한 임펠러 구동에 많은 에너지가 소요될 수 있다. 오염토양과 용매의 교반 및 혼합이 좀 더 원활하게 이루어질 수 있도록, 최소한의 물이 용출수단(10) 내에 공급될 수 있다. 용출수단(10) 내에 공급되는 용매와 물의 비는 중량비로 대략 1 : 2 내지 4 정도일 수 있다. 용매와 물의 비가 중량비로 1 : 2 미만이면 오염토양의 교반에 소요되는 에너지를 충분히 절감할 수 없어 바람직하지 않고, 용매와 물의 비가 중량비로 1 : 4 초과이면 물의 양이 지나치게 많아 물이 오염토양과 용매 사이의 접촉을 방해할 수 있어 바람직하지 않다. 상기 언급한 오염토양, 용매 및 물의 비율은 절대적인 값이 아니며, 처리대상 오염토양의 초기 함수율 및 고상반응물인 토양과 액상반응물인 물, 용매의 전체적인 고액비를 고려하여 결정하여야 한다.
용출수단(10) 내에 오염토양과 용매 외에 물이 공급될 경우, 용매, 물, 오염토양의 비는 중량비로 대략 1 : 2 내지 4 : 5 내지 30 정도일 수 있다.
본 발명에서의 용출수단에서는 추출 용매 및 마모성 교반을를 사용하여 오염원에 의해 응집된 토양(agglomerated soil) 입자를 분상화하고 토양 표면으로부터 고착된 원유를 제거할 수 있다. 도 3에는 용출수단(10) 내에서 오염토양이 정화되는 메카니즘에 대해 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다. 도 3의 (a)에는 오염물질을 둘러싸고 있는 토양의 입자들이 용출수단 내 믹싱에 의해 분상화되어 내부의 오염물질이 드러나게 되는 메카니즘이 개념적으로 도시되어 있고, 도 3의 (b)에는 토양의 입자 외부표면에 고착되어 있는 오염물질이 용매에 의해 용출되는 메카니즘이 개념적으로 도시되어 있다.
용출수단(10) 내에서 오염토양과 용매를 혼합하여 오염물질이 용매에 의해 용출되면, 오염토양은 계속해서 고압세정선별수단(20)으로 공급된다. 고압세정선별수단(20)에서는 물을 이용하여 용출수단(10)에서 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고, 토양을 입자크기별로 분리한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고압세정선별수단(20)은, 복수개의 사이클론(22a, 22b, 22c)과 복수개의 스크린(24a, 24b, 24c)을 포함할 수 있다. 스크린은 토양을 세척하기 위해 세척노즐을 가질 수 있다. 도 4에서는 '세척노즐 및 스크린'으로 표시되어 있으며, 이어지는 설명에서 특별한 언급이 없는 한, 스크린은 세척노즐이 장착되어 있는 스크린을 의미하는 것으로 간주되어야 한다. 또한, 사이클론은 도 4에 예시되어 있는 바와 같이 다단-사이클론일 수 있다.
용출수단(10)에서 용출처리가 완료된 오염토양은 우선 첫 번째 스크린(24a)으로 공급되어, 세척노즐에서 분사되는 세척수에 의해 세척된다. 스크린(24a)의 상부에 남아있는 조립토 성분은 두 번째 스크린(24b)으로 공급되고, 스크린(24a) 하부의 세립토 성분은 사이클론(22a)으로 공급된다.
사이클론(22a)에 공급된 토양 중에서 미세립토는 농축수단(30)으로 공급되고, 세립토는 두 번째 스크린(24b)으로 공급된다. 또, 스크린(24a)에서 선별되지 못한 채 사이클론(22a)에 공급된 조립토 성분은 다시 스크린(24a)으로 공급된다.
두 번째 스크린(24b)에서도 세척노즐에서 분사되는 세척수에 의한 세척작업이 수행된 후, 스크린(24b)의 상부에 남아있는 조립토 성분은 세 번째 스크린(24c)으로 공급되고, 스크린(24b) 하부의 세립토 성분은 두 번째 사이클론(22b)으로 공급된다.
사이클론(22b)에 공급된 토양 중에서 미세립토는 농축수단(30)으로 공급되고, 세립토는 세 번째 스크린(24c)으로 공급된다. 또, 스크린(24b)에서 선별되지 못한 채 사이클론(22b)에 공급된 조립토 성분은 다시 스크린(24b)으로 공급된다.
세 번째 스크린(24c)에서도 세척노즐에서 분사되는 세척수에 의한 세척작업이 수행된 후, 스크린(24c)의 상부에 남아있는 조립토 성분은 정화토양으로서 배출되고, 스크린(24b) 하부의 세립토 성분은 세 번째 사이클론(22c)으로 공급된다.
사이클론(22c)에 공급된 토양 중에서 미세립토는 농축수단(30)에 포함된 미세립토 농축조(34)에 공급되고, 세립토는 농축수단(30)에 포함된 세립토 농축조(32)에 공급된다. 또, 스크린(24c)에서 선별되지 못한 채 사이클론(22c)에 공급된 조립토 성분은 다시 스크린(24c)으로 공급된다.
이와 같이, 각각의 스크린(24a, 24b, 24c)에서는 조립토로부터 오염물질이 분리되도록 세척수에 의한 헹굼 처리가 실시될 수 있다. 한편, 분리된 세립토 및 미세립토는 농축수단(30)에 공급될 수 있다.
본 실시예에서는 고압세정선별수단(20)이 3개의 사이클론(22a, 22b, 22c)과 3개의 스크린(24a, 24b, 24c)을 포함하는 것으로 예시되어 있으며, 오염토양은 복수개의 사이클론과 스크린을 통과하면서 입자의 크기별로 선별처리된다. 오염토양이 복수개의 사이클론(22a, 22b, 22c)과 스크린(24a, 24b, 24c)을 통과하면서 선별 처리가 반복적으로 실시되기 때문에, 오염토양을 더욱 정확하게 입자의 크기별로 선별할 수 있다.
또한, 오염토양, 특히 조립토는 복수개의 스크린(24a, 24b, 24c)을 통과하면서 반복적으로 물에 의해 세척되기 때문에, 조립토에 부착되어 있던 오염물질을 대부분 분리시킬 수 있다. 동일한 양의 물을 사용한다고 가정할 경우, 적은 양의 물로 여러 번 헹굼 처리를 반복하는 것이, 많은 양의 물로 한 번 헹굼 처리를 실시하는 것보다 뛰어난 세척효과를 거둘 수 있다.
복수개의 스크린(24a, 24b, 24c)을 통과하면서 오염물질이 분리된 조립토는 정화토양으로서 배출될 수 있다.
본 실시예에 따르면 사이클론(22a, 22b, 22c)으로서 멀티-사이클론을 사용할 수 있다. 멀티-사이클론은 2개의 사이클론이 직렬로 배치된 구조를 가지며, 오염토양은 이들 2개의 사이클론을 연달아 통과하면서 더욱 정확하게 처리될 수 있다. 사이클론(22a, 22b, 22c)이 멀티-사이클론 구조를 갖기 때문에, 세립토와 미세립토가 각각 분리될 수 있다. 사이클론(22a, 22b, 22c)에 의해 각각 분리된 세립토와 미세립토는, 전술한 바와 같이 농축수단(30)에 공급될 수 있다.
농축수단(30)은 2단 농축조를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 농축수단(30)은, 고압세정선별수단(20)에서 선별 분리된 세립토가 공급되는 세립토 농축조(32)와, 고압세정선별수단(20)에서 선별 분리된 미세립토가 공급되는 미세립토 농축조(34)를 포함할 수 있다.
세립토 농축조(32)에 저장 및 농축된 세립토는 교반세정수단(40)에 공급된다. 미세립토 농축조(34)에 저장 및 농축된 미세립토는 폐수처리수단(60)에 포함된 침전조(62)에 공급되고, 미세립토 농축조(34) 상부의 상징액은 폐수처리수단(60)에 포함된 가압부상조(64)에 공급될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 세립토는 농축수단(30)을 통과하여 계속해서 교반세정수단(40)에 공급되며, 교반세정수단(40) 내에서 물, 또는 용매를 포함하는 물에 의해 세척될 수 있다. 용출수단(10)과 고압세정선별수단(20)을 통과하면서 1차적으로 세척된 오염토양은 추가적으로 세척이 요구되는 세립토와 세척이 완료된 조립토로 분리되며, 세립토는 교반세정수단(40)에서 2차적으로 세척될 수 있다.
교반세정수단(40)에서 세척이 완료된 세립토는 또 다른 농축기(50)를 통해 진동스크린(70)에 공급될 수 있다. 진동스크린(70)에서 세립토는 이미 세척이 완료된 조립토와 마찬가지로 정화토양으로서 배출될 수 있다.
교반세정수단(40)에서 세립토의 세척에 사용된 물은 폐수처리수단(60)에 공급되어 처리될 수 있다.
한편, 폐수와 함께 폐수처리수단(60)으로 유입된 미세립토는 중력농축기(66)를 거쳐 슬러지의 형태로 배출되어 최종 폐기처분될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 교반세정수단(40)은 침전조(62), 가압부상조(64), 중력농축기(66) 등을 포함할 수 있다. 침전조(62) 및 가압부상조(64)를 거쳐 정화된 물은 공정수 저장소(68)에 저장되어 재활용될 수 있다. 이때, 증발 등으로 부족해진 양만큼 외부로부터 물이 보충될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 분리형 세척수단을 사용한 구체적인 실험예를 제시하였다.
실험예 1 : 실시예
실시예에 사용된 오염 토양은 매우 높은 고농도로 오염된 것으로서, C10 ~ C90의 탄화수소 범위를 가지는 TPH의 농도가 44,896 mg/kg이었다. 용출수단인 용출조에 사용된 용매는 석유계 용제 중 강한 용해력을 가지는 케로진이 사용되었으며, 용출조에 투입된 용매와 오염 토양의 비는 중량비로 대략 1:20으로 조절되었다. 용매와 오염 토양의 반응이 방해되지 않도록 최소한의 물이 사용되었으며, 처리 대상 오염 토양의 초기 함수율 및 고상반응물인 토양과 액상반응물인 물 및 용매의 전체적인 고액비를 고려하여 용매와 물의 사용비는 중량비로 대략 1:3으로 조절되었다. 용출조에서 오염토양, 용매, 물이 혼합된 후 오염물질 용출을 위한 마모성 교발교반(attrition)이 이루어졌으며, 오염토양의 체류시간은 0.5 시간이다. 용출조에서 일차 정화된 오염토양은 3개의 사이클론과 3개의 스크린을 포함하는 고압세정분리수단으로 이동하여 사이클론과 스크린을 교대로 통과하면서 입자의 크기별로 선별처리되었고 고압 분사에 의해 세정이 이루어졌다. 세정공정에서 오염토양과 세정에 이용된 물의 중량비는 1:5로 조절되었으며 세정을 위한 총 소요시간은 1시간으로 조절되었다. 용출공정에서도 물이 일부 투입되었으나 세척공정에서 투입된 물 대비 3% 수준의 미량이므로 무시할 수 있다. 이후 측정된 정화 토양의 TPH의 농도는 2,209mg/kg으로 측정되었다.
실험예 2 : 비교예 1
TPH의 농도가 44,896 mg/kg인 고농도로 오염된 토양을 본 발명에서와 같은 용출수단과 고압세정선별수단을 사용하지 아니하고, 일반적인 토양세척 공법에서 사용하는 방법을 모사하여 물과 함께 세척조에 투입하여 세척 처리하였다. 오염토양과 물의 중량비는 실시예와 동일한 1:5이었고 세척조에서 오염토양의 체류시간은 1시간이었다. 세척 후 오염 토양의 TPH의 농도는 32,453mg/kg으로 측정되었다.
실험예 3 : 비교예 2
TPH의 농도가 44,896 mg/kg인 고농도로 오염된 토양을 본 발명에서와 같은 용출수단과 고압세정선별수단을 사용하지 아니하고, 물 및 계면활성제(Triton X-100)와 함께 세척조에 투입하여 세척 처리하였다. 실험조건은 비교예 1과 동일하였으며, 세척을 위한 물에 계면활성제를 100 mg/kg 농도로 희석하여 세척에 사용하였다. 세척조에서 오염토양의 체류시간은 1 시간이었고, 세척 후 오염 토양의 TPH의 농도는 30,911mg/kg으로 측정되었다.
실험예 4 : 비교예 3
TPH의 농도가 44,896 mg/kg인 고농도로 오염된 토양을 본 발명에서와 같은 용출수단과 고압세정선별수단으로 분리된 세척 수단을 사용하지 아니하고, 오염토양과 용매 및 물을 세척조에 함께 투입하여 세척처리 하였다. 용매, 오염토양, 물의 중량비는 1:20:100이었고, 토양과 물의 비율은 타 세척실험과 동일하게 1:5를 유지하였으며, 세척조에서 오염토양의 체류시간은 1 시간이었다. 세척 후 오염 토양의 TPH의 농도는 31.489mg/kg으로 측정되었다.
상기와 같이 본 발명의 분리형 세척수단을 이용한 경우, 종래와 같이 계면활성제를 이용하거나 물로써 세정한 경우 및 분리형 세척수단을 사용하지 아니하고 일체형 세척수단을 사용한 경우 등을 비교한 결과, 본 발명의 분리형 세척수단의 경우가 표 1과 같이 가장 우수한 정제 효과를 나타낸 것으로 확인되었다.
처리 공법에 따른 오염토양의 TPH 농도
처리 전 원 오염토양의 TPH 농도 44,896 mg/kg
실험예 1(본 발명의 분리형 세척 수단에 의한 세척)의 결과 처리 토양의 TPH 농도 2,209 mg/kg
실험예 2(물에 의한 세척)의 결과 처리 토양의 TPH 농도 32,453 mg/kg
실험예 3(계면활성제에 의한 세척)의 결과 처리 토양의 TPH 농도 30,911 mg/kg
실험예 4(일체형 세척)의 결과 처리 토양의 TPH 농도 31,489 mg/kg
본 발명은 상기에서 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.
10: 용출수단
11: 몸체
11a: 투입구
11b: 배출구
13a, 13b, 13c: 제1 내지 제3 칸막이
14a, 14b, 14c, 14d: 제1 내지 제4 챔버
15a, 15b, 15c, 15d: 교반수단
16a, 16b, 16c, 16d: 상부 프로펠러
17a, 17b, 17c, 17d: 하부 프로펠러
18: 회전축
19: 구동 모터
20: 고압세정선별수단
22a, 22b, 22c: 사이클론(다단 사이클론)
24a, 24b, 24c: 스크린(세척노즐 및 스크린)
26: 선별기
30: 농축수단
32: 세립토 농축조
34: 미세립토 농축조
40: 교반세정수단
50: 농축기
60: 폐수처리수단
62: 침전조
64: 가압부상조
66: 중력농축기
68: 공정수 저장소
70: 진동스크린

Claims (12)

  1. 오염물질에 의해 오염된 토양을 정화시키는 오염토양 정화장치로서,
    오염토양과 용매를 함께 혼합하여, 용매에 의한 오염물질의 화학적 용출 및 마모성 교반에 의한 입자간 마찰로 오염물질이 토양으로부터 제거되도록 하는 용출수단과;
    상기 용출수단에서 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하고, 토양을 입자크기별로 분리하는 고압세정선별수단;
    을 포함하며,
    상기 용출수단에 공급되는 용매와 오염토양의 비는 중량비로 1 : 5 내지 30이며,
    상기 용출수단은, 칸막이에 의해 구분된 복수의 챔버를 갖는 몸체와, 각각의 상기 챔버 내에 회전 가능하게 설치되는 교반수단과, 상기 교반수단을 구동시키기 위해 상기 몸체에 설치되는 구동 모터를 포함한 용출조이며,
    상기 교반수단은 상기 구동 모터에 의해 회전하는 회전축에 설치되어 함께 회전하는 한 쌍의 임펠러를 포함하며, 상기 한 쌍의 임펠러는 각각의 상기 챔버 내에서 상하로 배치되며, 동일한 챔버 내에 배치된 상기 임펠러들은 서로 상이한 형태 또는 크기를 가지며,
    동일한 챔버 내에 배치된 상기 한 쌍의 임펠러는 동일한 속도로 회전하며, 상하로 배치된 상기 한 쌍의 임펠러 중 상부 임펠러는 오염토양을 아래쪽으로 가압하는 한편 하부 임펠러는 오염토양을 위쪽으로 가압하며,
    상기 칸막이는 위쪽 또는 아래쪽에 개구를 가지며, 위쪽에 개구를 갖는 칸막이를 통하여 오염토양을 이동시키기 위해서는 상부 임펠러의 날개 크기보다 하부 임펠러의 날개 크기를 크게 구성하고, 아래쪽에 개구를 갖는 칸막이를 통하여 오염토양을 이동시키기 위해서는 상부 임펠러의 날개 크기보다 하부 임펠러의 날개 크기를 작게 구성하는, 오염토양 정화장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    복수의 상기 챔버는 상기 몸체 내에서 일렬로 연장되며, 상기 교반수단은 상기 챔버마다 하나씩 설치되는, 오염토양 정화장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 용출수단 내에서의 오염토양의 교반이 원활하게 이루어지도록 물을 더 공급하며, 상기 용출수단에 공급되는 용매와 물의 비는 중량비로 1 : 2 내지 4인, 오염토양 정화장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압세정선별수단은 물을 이용하여 상기 용출수단에서 용매에 의해 용출된 오염물질을 토양으로부터 분리하는, 오염토양 정화장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고압세정선별수단은 복수개의 사이클론과 복수개의 스크린을 포함하는, 오염토양 정화장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 사이클론은 멀티-사이클론인, 오염토양 정화장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압세정선별수단에 의해 오염토양으로부터 분리된 세립토를, 물 또는 용매를 포함하는 물을 이용하여 2차적으로 세척하는 교반세정수단을 더 포함하는, 오염토양 정화장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 교반세정수단에서 배출되는 폐수를 처리하는 폐수처리수단을 더 포함하는, 오염토양 정화장치.
  12. 청구항 1, 3, 6 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 오염토양 정화장치에 의해 오염토양을 정화시키는 오염토양 정화방법.
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