KR101881995B1

KR101881995B1 - Co2 가스를 이용한 알칼리성 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 처리 방법

Info

Publication number: KR101881995B1
Application number: KR1020170153659A
Authority: KR
Inventors: 이종열; 박원석; 공효영; 안훈기
Original assignee: 아름다운 환경건설(주)
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-08-24

Abstract

본 발명은 알칼리성 폐수를 처리하기 위한 시스템 및 알칼리성 폐수처리 방법으로서, 알칼리성 폐수를 유입하는 폐수유입부와 상기 유입된 폐수에 CO₂ 가스를 주입하는 CO₂가스공급부, 상기 주입된 CO₂ 가스로 폐수의 pH를 조절하고 부유물질을 가압부상시키는 pH조절부, 상기 CO₂가스공급부에서 pH조절부로 주입하는 CO₂ 가스에 압력을 가하는 압력부, 상기 알칼리성 폐수에서 배출되는 슬러지를 처리하는 슬러지 처리부 및 상기 pH가 조절된 폐수를 배출하는 배출부를 포함한다. 본 발명은 상기 pH조절부에서 배출되는 폐수를 한번 더 여과하는 재활용부를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 압력부 내 가압펌프를 통하여 가압탱크 내압이 3bar가 되도록 압력을 가해, 단위주입량 11 ~ 12 cc/min의 양으로 CO₂ 가스를 주입하므로 CO₂ 가스의 용해도가 높아져 반응효율이 증가하며, 상기 pH조절부에서 방출되는 CO₂가스를 재순환시켜 폐수유입부에서 폐수의 전처리로 이용하므로 전체적인 공정 시간을 단축시키고 시스템의 효율을 높일 수 있다.

Description

CO2 가스를 이용한 알칼리성 폐수 처리 시스템 및 이를 이용한 처리 방법{Alkali waste neutralization system and neutralization method using carbon dioxide gas}

본 발명은 폐수를 정화 처리하는 시스템 및 이를 이용한 폐수 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 구조물을 이용한 공정에서 발생되는 알칼리성 폐수를 온실가스(CO₂)를 이용하여 중성의 정화수로 중화 처리하고 가압부상을 적용하여 이물질을 제거하는 시스템과 방법을 제공한다.

PC(Precasting Concrete) 생산공장에서는 콘크리트 구조물의 제작 및 가공 공정에서 pH 12 ~ 13의 알칼리성 폐수가 발생되고 있으며, 터널 공사 현장에서도 터널의 굴착 및 내부 터널 구조 콘크리트 구조물 설치 과정에서 알칼리성 폐수가 다량으로 발생되고 있다.

이러한 알칼리성 폐수에 대해서는 중화 처리를 하고 정화된 폐수를 재활용하거나 배출해야 하나, 현재 폐수 처리공정에서는 알칼리성 폐수의 높은 pH농도를 낮추기 위해 공업용 황산을 사용하고 있는 것이 실정이다. 알칼리성 폐수를 pH 5.8 ~ 8.6 범위의 배출농도로 중화하기 위해서는 공업용 황산의 과잉투입이 이루어지는 경우가 많으며, 이 경우 다시 가성소다로 재중화해야 하는 경우가 발생하기도 한다. 또한, 운영과정에서 운영요원의 운영방법 미숙지 및 약품의 반입과정 등에서 강산성 약품에 의한 누출 사고 등이 발생되기도 한다.

그 외에도 알칼리성 폐수처리를 위해 대한민국에서 1일 사용되는 공업용 황산은 약 220톤에 이르며, 이런 공업용 황산을 이용한 중화공정은 공정에서 야기되는 부식 문제 및 독극물로서 취급상의 어려움 등의 문제점이 많아 폐수처리의 장애요인으로 작용한다.

한편, 상기 문제점들을 해결하기 위해 지구온난화의 원인으로 알려져 있는 온실가스(이산화탄소 가스)를 이용하여 알칼리성 폐수를 중화하는 연구가 진행되고 있고, CO₂를 활용한 환경 복원처리 기술 개발의 일환으로 탄산화 처리를 통한 오염수 처리 기술이 사용되고 있다.

도 1은 이산화탄소 가스와 알칼리 용액이 반응하는 반응식 및 각 pH에 따른 carbonate 이온들의 분포를 표시한 것으로서, 높은 pH에서는 이산화탄소가 CO₃ ^2-이온의 형태로만 존재하다가 pH가 점점 떨어지면서 CO₃ ^2-이온의 분율(fraction)은 점점 감소하는 대신 HCO₃ ^-이 점차 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, (1)이산화탄소가 알칼리 용액에 용해되면서. (2) 용액 내 수산화이온과 중화반응하여 중탄산 이온(HCO₃ ^-)이 되고, (3) 상기 중탄산 이온(HCO₃ ^-)이 수산화이온과 다시 중화반응하여 탄산염 이온(CO₃ ^2-)과 물이 된다. 이 반응이 반복될수록 용액의 pH는 중성에 가까워지고, 중화가 완료된 이후에도 CO₂의 주입이 계속되면 용액은 점점 더 산성이 된다.

이러한 중화반응을 통해 CO₂가스를 이용한 알칼리 폐수의 처리 기술의 개발이 활발해진 바, 폐수의 pH를 최대한 중성(pH 7±0.5)에 가깝도록 유지하고, 중화에 사용되는 CO₂ 가스의 양을 줄이는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 알칼리성 폐수를 CO₂ 가스를 이용하여 중화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 CO₂ 가스에 압력을 가한 상태로 폐수 내로 주입하여 중화 시간을 단축하고 사용되는 CO₂ 가스의 양을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 실제 폐수에는 부유물질, 침전물 등 pH 조절 외에 별도로 처리해야하는 오염물질들이 포함되어 있으므로 상기 폐수의 중화 과정에서 배출되는 슬러지를 처리하여 실제 폐수에 적용할 수 있는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 중화 과정에서 배출되는 CO₂ 가스를 재이용하여 경제성을 높이는 것을 목적으로 한다.

그리고 CO₂ 가스의 공급을 자동화하여 정화된 폐수의 pH를 일정하게 조절하는 것을 목적으로 한다.

또한, 알칼리성 폐수의 pH가 중성(pH 7±0.5)이 되도록 하며, 상기 중성상태를 유지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 가압부상공정과 pH 중화 공정을 일원화하여 폐수 처리 시간을 단축하고 처리 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시 태양은 알칼리성 폐수를 처리하는 시스템으로서, 콘크리트 구조물 제조 공정 등에서 배출되는 알칼리성 폐수에 CO₂ 가스를 주입하여 중화반응을 통해 폐수의 pH를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 알칼리성 폐수 처리 시스템은 알칼리성 폐수를 유입하는 폐수유입부, 상기 유입된 폐수에 CO₂ 가스를 공급하는 CO₂가스공급부, 상기 주입된 CO₂ 가스로 폐수의 pH를 조절하고 폐수 내 부유물질을 가압 부상하여 제거하는 pH조절부, 상기 CO₂가스공급부에서 pH조절부로 주입하는 CO₂ 가스에 압력을 가하는 압력부, 상기 알칼리성 폐수에서 배출되는 슬러지를 처리하는 슬러지 처리부 및 상기 pH가 조절된 폐수를 배출하는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 pH조절부에서 배출되는 폐수를 한번 더 여과하는 재활용부를 더 포함할 수 있다.

상기 폐수유입부는 폐수의 유량을 조절하는 유량조절조를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 재활용부는 상기 pH조절부에서 배출된 폐수를 침전시키는 침전조와 상기 침전조에서 배출된 폐수의 유량을 조절하는 배출수 유량조절조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CO₂가스공급부는 한 개 이상의 CO₂ 가스탱크를 포함하는 가스탱크부, 상기 가스탱크부에서 주입되는 CO₂ 가스의 양을 조절하는 한 개 이상의 밸브, 상기 pH조절부에서 유출되는 CO₂ 가스를 포집하여 상기 폐수유입부 또는 pH조절부로 재주입하는 가스재순환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 pH조절부는 상기 CO₂ 가스와 폐수를 중화하는 중화조를 포함하고, 상기 압력부는 가압탱크와 가압펌프로 이루어지며, 상기 가압펌프는 가압탱크의 내압이 3BAR가 되도록 압력을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 슬러지 처리부는 상기 pH조절부에서 부상된 슬러지를 포집하는 스키머와 상기 포집된 슬러지를 탈수하는 필터프레스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 CO₂ 가스를 이용하여 알칼리성 폐수를 정화하는 처리 방법으로는 알칼리성 폐수를 폐수유입부로 유입하여 폐수의 양을 일정하게 조절하는 1단계, 상기 유입된 알칼리성 폐수를 pH조절부로 이송하고 압력부의 압력탱크 내압이 3bar가 되도록 가압펌프로 압력을 가해 CO₂가스공급부로부터 CO₂ 가스를 주입하는 2단계, 상기 주입된 CO₂ 가스와 알칼리성 폐수를 pH조절부에서 중화 반응시켜 폐수를 정화하는 3단계, 상기 3단계에서 폐수 표면으로 유출되는 CO₂ 가스를 CO₂가스공급부로 주입하여 재활용하는 4단계 및 상기 pH조절부에서 중화된 폐수를 외부로 배출하는 5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 2단계에서 주입되는 CO₂ 가스는 알칼리성 폐수 1L당 주입량이 11 에서 12cc/min 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 4단계에서 재활용하는 CO₂ 가스를 폐수유입부에 주입하여 폐수를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 CO₂ 가스를 이용하여 알칼리성 폐수를 정화하는 처리 방법은 상기 pH조절부에서 부상된 슬러지를 스키머로 포집하고, 상기 포집된 슬러지를 필터프레스에서 탈수하여 처리하는 6단계를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 1단계는 폐수유입부에서 슬러지를 침전시켜 필터프레스로 슬러지를 탈수 및 배출한 뒤 2단계의 pH조절부로 알칼리성 폐수를 이송할 수도 있으며, 상기 3단계는 중화 후 폐수의 pH가 6.8보다 낮아지는 경우 중화조 내 폐수에 대기를 폭기하여 폐수의 pH를 상승시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 알칼리성 폐수의 처리에 황산이 아닌 CO₂ 가스를 이용함으로써, 산에 의한 공정의 부식을 막고 취급이 쉬운 효과가 있다.

또한, CO₂ 가스에 압력을 가하여 공급함으로써 폐수 내에서 용해도를 높여 중화에 소요되는 시간을 단축하고 사용되는 CO₂ 가스의 양을 감소시킬 수 있다.

또한, 처리 공정에서 발생하는 슬러지를 포집하여 탈수한 뒤 배출함으로써 실제 폐수에도 적용 가능하고, 중화된 폐수를 침전하여 거르는 과정을 반복함으로써 폐수의 재이용이 가능하도록 한다.

또한, pH조절조에서 폐수에 용해되지 못하고 배출되는 CO₂ 가스를 CO₂가스공급부로 보내 pH조절조에서 재활용하거나 폐수유입부에서 폐수의 전처리에 사용하여 처리 시스템의 비용을 절감하고 중화조에서의 처리시간을 단축시키며, 사용되는 CO₂ 가스의 총량을 감소시킬 수 있다.

그리고 CO₂ 가스를 공급하는 가스탱크마다 밸브가 연결되어 있고 상기 밸브는 중화조 내 pH에 따라 전류신호를 받아 자동으로 여닫는 자동 주입 밸브이므로 폐수의 pH를 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 목표 pH보다 폐수의 pH가 낮아지는 경우 대기 폭기를 통해 pH를 다시 상승시켜 폐수의 pH를 중성에 가깝도록 유지할 수 있다.

그리고 중화조에서 폐수를 중화함과 동시에 압력부 및 CO₂가스공급부에서 공급되는 압력으로 폐수의 부유물질을 부상시켜 분리하여 제거하는 바 가압부상공정과 pH 중화 공정을 일원화하여 처리의 효율은 물론 처리 시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 이산화탄소와 알칼리성 용액의 중화반응을 나타낸 반응식과 탄산염 이온분포도.
도 2 내지 4는 본 발명에 따른 알칼리성 폐수 처리 시스템의 일 실시례를 나타낸 도면.

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

본 발명은 이하에서 개시되는 실시례들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시례들은 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 실시례들을 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 실시례들을 참조하면 명확해질 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시례를 나타낸 공정으로서, 도 2를 참조하면 본 발명은 알칼리성 폐수를 유입하는 폐수유입부(100)와 상기 유입된 폐수에 CO₂ 가스를 공급하는 CO₂가스공급부(200), 상기 주입된 가스로 폐수의 pH를 조절하는 pH조절부(300) 및 상기 pH가 조절된 정화 폐수를 배출하는 배출부(400)를 포함한다.

상기 pH조절부(300)는 폐수에 CO₂ 가스를 주입하여 폐수를 중화하는 중화조(310)를 포함하며, 폐수의 pH를 측정하는 pH측정기를 중화조(310) 내부 벽면에 구비하여 실시간으로 pH를 확인할 수 있다.

상기 CO₂가스공급부(200)는 폐수에 용해되지 않고 기체상태로 배출되는 CO₂ 가스를 포집하여 상기 pH조절부(300) 또는 폐수유입부(100)로 다시 주입하는 가스재순환부(230)를 포함한다.

상기 폐수유입부(100)는 폐수의 유량을 조절하는 유량조절조(110)를 포함하며, 상기 유량조절조(110)에서는 알칼리성 폐수를 pH조절부(300)에서 중화하기 이전에 가스재순환부(230)를 통해 공급된 CO₂ 가스를 재이용하여 폐수의 전처리를 할 수 있다. 폐수를 전처리한 경우 pH가 약 7.89까지 하강하므로 전처리된 폐수를 pH조절부에서 처리하면 전체 공정시간이 단축되는 효과가 있다(하기 그래프 6 참조). 상기 전처리 방식으로는 pH조절부에서 중화반응을 하는 것과 마찬가지로 CO₂가스공급부로부터 재순환되는 CO₂ 가스를 주입받아 알칼리성 폐수와 중화반응 시키는 방식을 사용한다.

따라서 상기 가스재순환부(230)는 재이용하는 CO₂ 가스를 CO₂가스공급부(200)로 보내 다시 pH조절부(300)에서 사용되도록 하거나, 폐수유입부(100)의 유량조절조(110)에서 폐수의 전처리에 사용되도록 할 수 있다.

상기 pH조절부(300)에서 중화 처리를 할 때에는 중화조(310)와 CO₂가스공급부(200)를 직접 연결하여 내부에 CO₂ 가스를 바로 주입할 수도 있으나, 도 2와 같이 순환펌프를 통해 중화조(310)내 폐수를 CO₂ 가스와 함께 순환시키는 방식을 택할 수도 있다. 상기 순환펌프를 이용한 중화는 폐수를 전처리 하는 경우에도 이용될 수 있어, 유량조절조(110) 내 폐수를 재이용되는 CO₂ 가스와 함께 순환시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시례를 나타낸 공정으로서, 도 3을 참조하면 본 발명은 상기 CO₂가스공급부(200)에서 pH조절부(300)에 주입하는 CO₂ 가스에 압력을 가하는 압력부(500)를 더 포함한다.

본 발명의 상기 압력부(500)는 가압탱크(510)와 가압펌프(520)로 이루어지며, 상기 가압탱크(510)는 CO₂가스공급부(200)에서 주입된 CO₂ 가스에 압력을 가해 중화조(310)로 주입하고, 가스재순환부(230)에서 재순환된 CO₂ 가스를 수집하여 다시 중화조(310) 또는 유량조절조(110)로 주입하기도 한다. 또한, 상기 압력부(500)에서 CO2가 가스에 압력을 가하여 중화조(310)로 주입하는 바, 중화조(310)에서 폐수를 중화함과 동시에 압력이 가해진 CO₂ 가스로 폐수의 부유물질을 가압부상 분리하여 제거할 수도 있다.

상기 가압펌프(520)는 가압탱크(510)의 내압이 3BAR가 되도록 압력을 가하며, 가압탱크로부터 주입되는 CO₂ 가스는 폐수 5L를 기준으로 150cc/min의 주입량을 갖는다. 상기 가압탱크(510)는 상기 압력을 견디도록 스테인레스 재질로 이루어지는 것이 일반적이다. 또한, 상기 가압탱크(510)에서의 가압을 통해 CO₂ 가스의 용해도가 높아져 폐수에 빠르게 용해될 수 있고, 기포의 사이즈가 미세하게 분사되어 표면적이 넓어지므로 슬러지의 응집과 부상을 용이하게 만든다.

상기 가스 주입량은 폐수의 양이 증가함에 따라 달라질 수 있는데, 알칼리성 폐수 1,300L에 대하여 CO₂ 가스 주입량은 15L/min (단위주입량 11.54 cc/min) 정도가 가장 pH 변화 효율이 좋은 주입량으로서 실제 폐수 처리 공정에서는 상기 주입량이 적용될 수 있다(하기 그래프 3 참조).

도 4는 본 발명의 다른 일 실시례를 나타낸 공정으로서, 도 4를 참조하면 본 발명은 상기 pH조절부(300)에서 배출되는 슬러지를 처리하는 슬러지 처리부(600)와 상기 배출부(400)로 폐수를 배출하기 이전에 pH조절된 폐수를 재활용할 수 있도록 한 번 더 처리하는 재활용부(700)를 더 포함한다.

또한, 상기 슬러지 처리부(600)는 중화조(310)에서 부상된 슬러지를 포집하는 스키머(610)와 상기 포집된 슬러지를 탈수하여 배출하는 필터프레스(620)를 포함한다.

상기 재활용부(700)는 상기 중화조(310)에서 배출된 폐수를 침전시켜 슬러지를 한번 더 분리하는 침전조(710)와 상기 침전조(710)에서 배출된 폐수의 유량을 조절하는 배출수 유량조절조(720)를 포함한다. 상기 배출수 유량조절조(720)에는 내부에 활성탄 층을 구비하여 정화된 폐수를 외부로 배출하기 이전에 활성탄에 의해 여과하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 슬러지 처리부(600)의 필터프레스(620)는 스키머(610)에서 포집된 슬러지에 압력을 가하여 걸러진 탈수 케익을 배출한다. 그리고 상기 슬러지가 탈수되고 남은 탈수여액을 재활용부(700)로 이송하여 침전조(710)에서 다시 침전시킨 후 슬러지를 배출한다. 상기 침전조(710)에서 배출된 슬러지는 다시 필터프레스(620)로 이송되어 탈수를 반복하는 바, 이러한 과정을 통해 슬러지가 더 이상 형성되지 않을 때까지 폐수의 침전을 반복하며 폐수를 정화한다.

상기 CO₂가스공급부(200)는 한 개 이상의 CO₂ 가스 탱크를 보유하는 가스탱크부(210)와 상기 가스탱크에서 주입되는 CO₂ 가스의 양을 조절하는 밸브(220)를 포함하는데, 상기 밸브(220)는 중화조(310) 내 pH 수치에 따라 CO₂ 가스 주입을 자동으로 조절하는 자동 주입 밸브일 수 있다. 구체적으로 상기 자동 주입 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 이용하며, 중화조 내 pH 수치를 감지하는 별도의 제어부에 연결되어 있어, 목표 pH에 도달하게 되면 제어부에서 전류를 받아 밸브 내 전자 코일의 전자기력을 이용해 밸브를 닫는다. 이를 통해 관리자가 상시 관리하지 않아도 상기 밸브(220)를 통해 공정을 자동화할 수 있다.

일 예로, 알칼리성 폐수의 목표 pH를 7.5로 설정한 경우, 중화조(310) 내에 pH가 7.5 이상일 때에는 밸브(220)가 항상 열려 있어 CO2 가스의 주입이 연속적으로 이루어지지만, 중화조(310) 내의 pH가 7.5 이하로 내려갈 때에는 제어부에서 전류를 보내 밸브 내 전자 코일에 전자기력이 발생하므로 밸브(220)가 자동으로 닫혀 CO2 가스의 주입이 중단된다.

또한, 상기 CO₂가스공급부(200)는 체크밸브(check valve)를 통해 폐수의 역류를 방지하고 CO₂ 가스만을 pH조절부(300)에 주입할 수 있다.

본 발명에 의한 알칼리 폐수 정화 방법은 먼저 알칼리성 폐수를 유랑조절조로 유입하고 유입된 폐수의 유량을 일정하게 조절하는 1단계와, 상기 유입된 알칼리성 폐수를 중화조로 이송하고 CO₂가스공급부로부터 CO₂ 가스를 주입하는 2단계; 상기 주입된 CO₂ 가스와 알칼리성 폐수를 중화조에서 중화 반응시켜 폐수를 정화하는 3단계; 상기 중화 단계에서 폐수 표면으로 유출되는 CO₂ 가스를 CO₂가스공급부로 주입하여 재활용하는 4단계 및 상기 중화조에서 정화된 폐수를 외부로 배출하는 5단계로 이루어진다.

상기 2단계에서 가압탱크의 내압이 3BAR가 되도록 가압펌프로 압력을 가하고 상기 가압탱크로부터 CO₂ 가스를 중화조로 주입할 수 있으며, 이 경우 CO₂ 가스의 용해도가 높아져 폐수와의 반응효과가 높아지고 폐수 표면으로 배출되는 CO₂ 가스의 양도 감소한다.

또한, 상기 2단계에서 CO₂가스공급부는 복수개의 CO₂ 가스 탱크와 각각의 밸브로 이루어지고, 상기 밸브는 중화조의 pH에 따라 전류신호를 받아 자동으로 여닫는 자동 주입 밸브일 수 있다.

또한, 상기 4단계에서 재활용하는 CO₂ 가스를 유량조절조에도 주입하여 폐수를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 5단계는 정화된 폐수를 외부로 배출하기 이전에 활성탄에 의해 여과하는 단계를 거칠 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 알칼리 폐수 정화 방법은 폐수의 슬러지를 처리하는 6단계를 더 포함할 수 있는데, 상기 6단계는 중화조에서 부상된 슬러지를 스키머에서 포집하고, 상기 포집된 슬러지를 필터프레스에서 탈수하여 배출한다.

본 발명은 상기 2단계 이전에 1단계의 유량조절조에서 슬러지를 먼저 처리할 수도 있다. 상기 1단계에서 슬러지를 처리하는 경우 슬러지를 침전시켜 필터프레스로 탈수 및 배출하고 유수분리조를 통해 폐수 중에 녹아있는 유분(기름)을 분리 배출한 뒤 중화조에서 폐수를 정화하는 방식을 택한다. 이 경우 상기와 마찬가지로 중화조에서 정화된 폐수의 슬러지를 처리하는 6단계를 포함할 수 있어, 폐수의 중화 전후로 슬러지를 2번 처리할 수 있다.

다음은 본 발명의 최적 실시례를 찾기 위하여, CO₂ 가스를 이용하여 상온에서 pH 12.65(±0.25)인 임의의 알칼리성 폐수를 중성(6.8 내지 7.5)의 pH를 갖도록 중화할 때에 주입방법, 주입량, CO₂ 가스 재활용효율 등을 실험한 데이터이다.

먼저, 폐수의 pH 변화를 산기관에 의한 CO₂ 가스 주입과 가압펌프를 이용한 이젝트 방식에 의한 CO₂ 가스 주입으로 비교하여 실험하였다.

<그래프 1 - CO₂ 가스 주입방식에 따른 pH변화>

산기관에 의한 방식과 가압펌프를 이용한 방식에 의한 방식 모두 알칼리성 폐수 5L에 150cc/min의 주입량으로 20분간 주입하였으며, 그래프 1을 참고하면 산기관에 의한 경우 pH 7에 도달하기까지 19분이 소요되었으며, 가압펌프를 이용한 방식에 의한 경우 9.5분이 소요되어 대략 절반의 시간이 단축되는 것을 확인할 수 있다.

따라서 산기관에 의한 가스 주입 방식보다 가압펌프를 이용한 주입 방식이 폐수 처리 공정 효율에 이득인 것을 알 수 있다.

다음으로, CO₂ 가스 주입량에 따른 주입효율을 실험하였다.

<그래프 2 - 5L 폐수의 CO₂ 가스 주입량에 따른 pH변화>

알칼리성 폐수 5L를 기준으로 150cc/min의 3배의 상하 주입량인 50cc/min과 450cc/min을 실험한 결과, 상기 그래프 2를 참조하면 주입량 50cc/min의 경우 pH 7.5 이하로 중화되지 않았으며, 150cc/min의 경우 pH 7에 도달하기까지 9.5분, 450cc/min의 경우 6분이 소요되었다. 따라서 CO₂ 가스의 주입량이 많을수록 시간은 단축되나, 과다한 양이 주입되는 경우에는 pH가 7 이하로 내려가나 일정 pH 이하로는 내려가지 않는 버퍼링 효과가 발생하므로, 폐수 5L를 기준으로 CO2가스의 주입량은 150cc/min이 최적의 조건인 것으로 판단되었다.

다음으로 알칼리성 폐수의 용량에 따른 중화효율을 검토하였다.

알칼리성 폐수의 용량을 5L에서 20L로 증가하고, CO₂ 가스의 주입량도 4배 증가하여 600cc/min 주입하여 실험한 결과 다음과 같다.

<그래프 3 - 처리용량에 따른 pH 변화>

상기 그래프 3을 참조하면, 5L의 폐수 용액에 CO₂ 가스를 150cc/min 주입한 경우 pH 7까지 도달하는 데에 9.5분이 소요되었으나, 20L의 용액의 경우 35분이 소요되었다. 한편, 20L의 용액에 600cc/min의 CO₂ 가스를 주입한 경우 pH 7까지 도달하는 데에 14분이 소요된 바, 용량의 증가로 처리시간이 증가함을 확인할 수 있었으며, 폐수의 증가량에 따라 CO₂ 가스의 주입량도 증가해야 하고 이때, 가압 방식에 따른 이젝트를 하기 위하여는 가압펌프의 용량의 검토도 함께 이루어져야 한다.

한편, 실제 폐수 처리 공정에서는 톤(ton)단위의 폐수가 처리되고 있는 바, 처리수량을 1,300L로 증가시켜 실험해보았다. 상기 실험 결과 폐수 용량의 증가량에 따라 CO2가스의 주입량도 증가해야 하는 바, 그 상승폭은 얼마인지 검토하였다.

<그래프 4 - 1,300L 폐수의 CO₂ 가스 주입량에 따른 pH변화>

알칼리성 폐수 1,300L에 대하여 CO₂ 가스를 5L/min 와 15L/min으로 주입하여 pH를 확인하여 본 결과 CO₂ 가스가 5L/min인 경우에는 처리 후 16분 만에 목표 pH에 도달하였으나, CO₂ 가스가 15L/min인 경우에는 처리 후 8분 만에 목표 pH에 도달하여 절반의 시간이 소요되었다.

알칼리성 폐수가 5L인 경우에는 CO₂ 가스의 단위주입량이 30.00cc/min이었으나, 상기 실험 결과 알칼리성 폐수가 1,300L인 경우에 단위주입량이 11.54cc/min으로 나와, 예상한 주입량의 1/2 수준으로도 동일한 pH 변화가 확인된다는 것을 알 수 있어, 실제 폐수처리 공정에서는 실험실에서의 값보다 더 적은 CO₂ 로 폐수 처리가 가능하여 공정 효율이 좋을 것으로 예상된다.

또한, 상기 단위주입량이 11cc/min 이하로 내려가는 경우에는 처리해야 하는 알칼리성 폐수의 양에 비해 CO2가스의 양이 적어 목표 pH(pH 7±0.5)에 도달하지 못하거나, 목표 pH에 도달하는 시간이 오래 걸리며, 단위주입량이 12cc/min 이상으로 올라가는 경우에는 목표 pH에 도달하는 시간은 단축될 수 있으나, 소모되는 CO2가스의 양이 많고 비용 또한 증가하게 된다.

한편, 본 실험을 하기 이전에 사전 테스트로 알칼리성 폐수를 대기 중에 방치하거나 대기를 폭기시킨 결과, 폐수의 pH가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 알칼리성 폐수를 처리하는 과정에서 CO₂의 과도한 투입으로 폐수의 pH가 6.8 이하로 내려가는 경우 다시 pH를 상승시키기 위한 조치로서 상기 폐수를 대기 중에 방치하거나 대기를 폭기하는 공정을 고려할 수 있다.

다음은 대기 폭기에 따른 pH 변화를 확인하기 위하여 상기 그래프 4에 대한 실험 후 폐수를 24시간 방치한 뒤에 20분간 대기를 주입하였다.

<그래프 5 - 대기 폭기에 따른 pH 변화>

상기 그래프 5를 참고하면, CO₂ 가스 주입량이 450cc/min 인 경우 폐수의 pH가 목표하는 pH 범위 밖인 6.8이하로 하강하여 pH의 보정이 필요하다. 상기 폐수를 대기 중에 24시간 방치한 결과 pH가 6.2에서 6.57까지 상승하였고, 20분간 대기를 폭기시킨 결과 약 pH 7.4까지 상승한 것을 확인할 수 있다. 따라서 실제 폐수 처리 공정에서 pH의 상승이 필요한 경우 폐수의 대기중 방치 및 대기 폭기를 이용하여 처리할 수 있다.

마지막으로 CO₂ 가스의 재이용 효율성을 확인하기 위하여, 중화조에서 폐수 표면으로 방출된 CO₂ 가스를 유량조절조로 주입하여 전처리를 한 결과 다음과 같다.

<그래프 6 - CO₂ 가스 재이용에 따른 pH 변화>

상기 그래프 6을 참고하면, 중화조에서 5L의 알칼리성 폐수에 CO₂ 가스를 150cc/min의 유입량으로 20분간 주입한 뒤 폐수의 표면에서 방출되는 CO₂ 가스를 포집하여 유량조절조에 순환시킨 결과 목표치 전까지 pH가 감소하는 것이 확인되었다. 따라서 폐수를 전처리한 뒤 중화조에 유입하면, 유입되는 폐수의 pH와 목표하는 pH까지의 차이가 감소하므로, 전체적인 공정 시간을 단축시키고, 사용되는 CO₂ 가스의 양도 줄일 수 있을 것이라고 볼 수 있다.

따라서 상기 6가지의 실험 결과, 본 발명에 의한 알칼리 폐수 처리 시스템의 일 실시례는 압력부에서 압력을 가해 CO2가스를 주입하고, 중화조에서 방출되는 CO2가스를 재순환하여 폐수유입부로 보내 전처리하는 방식을 이용하는 바, 폐수 처리 공정시간을 단축하고 사용하는 CO2 가스의 양을 감소시켜 공정 효율이 상승하는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 폐수 처리 시스템은 폐수 1,300L당 15L/min의 CO2 가스 주입량(단위주입량 11.54cc)을 갖도록 하여 실험실에서 폐수 5L를 기준으로 실험하여 도출된 값인 단위주입량 30.00cc보다 더 경제적인 방법으로 실제 현장에서 알칼리성 폐수를 처리할 수 있다. 그리고 목표 pH 값보다 폐수의 pH가 낮아지는 경우 대기중 방치 및 대기 폭기를 통하여 pH를 상승시킬 수 있어, 폐수의 pH를 일정하게 유지하며 처리할 수 있다.

100: 폐수유입부
110: 유량조절조
200: CO₂가스공급부
210: 가스탱크부
220: 밸브
300: pH조절부
310: 중화조
230: 가스재순환부
400: 배출부
500: 압력부
510: 가압탱크
520: 가압펌프
600: 슬러지처리부
610: 스키머
620: 필터프레스
700: 재활용부
710: 침전조
720: 배출수유량조절조

Claims

알칼리성 폐수를 처리하는 시스템에 있어서,
알칼리성 폐수를 유입하는 유량조절조를 포함하는 폐수유입부;
상기 유입된 폐수에 CO₂ 가스를 주입하는 CO₂가스공급부;
상기 주입된 CO₂ 가스로 폐수의 pH를 조절하는 pH조절부;
상기 CO₂가스공급부에서 pH조절부로 주입하는 CO₂ 가스에 압력을 가하는 압력부;
상기 pH조절부에서 배출되는 폐수를 한번 더 여과하는 재활용부;
상기 알칼리성 폐수에서 배출되는 슬러지를 처리하는 슬러지 처리부;
상기 pH가 조절된 폐수를 배출하는 배출부;를 포함하며,
상기 CO₂가스공급부는 상기 pH조절부에서 유출되는 CO₂ 가스를 포집하여 상기 폐수유입부 또는 pH조절부로 재주입하는 가스재순환부를 포함하고,
상기 유량조절조는 상기 CO₂가스공급부로부터 상기 폐수유입부로 주입되는 CO₂ 가스를 이용하여 폐수의 전처리를 수행하고,
상기 재활용부는 상기 pH조절부에서 배출되는 폐수를 여과하여 슬러지가 배출되면 상기 슬러지 처리부로 이송하고 상기 슬러지 처리부는 상기 이송된 슬러지를 처리하고 탈수여액을 배출하여 상기 재활용부로 이송하며,
상기 재활용부가 상기 탈수여액을 여과하여 배출된 슬러지를 상기 슬러지 처리부로 이송하고 상기 슬러지 처리부가 탈수여액을 생성하여 상기 재활용부로 이송하는 과정을 슬러지가 더 이상 형성되지 않을 때까지 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 CO₂ 가스를 이용한 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 pH조절부에서 배출되는 폐수를 한번 더 여과하는 재활용부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CO₂ 가스를 이용한 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제2항에 있어서,
상기 재활용부는
상기 pH조절부에서 배출된 폐수를 침전시키는 침전조와;
상기 침전조에서 배출된 폐수의 유량을 조절하는 배출수 유량조절조;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 CO₂가스공급부는
한 개 이상의 CO₂ 가스탱크를 포함하는 가스탱크부;
상기 가스탱크부에서 주입되는 CO₂ 가스의 양을 조절하는 한 개 이상의 밸브;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 pH조절부는 상기 CO₂ 가스와 폐수를 중화하는 중화조를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압력부는 가압탱크와 가압펌프로 이루어지며, 상기 가압펌프는 가압탱크의 내압이 3bar가 되도록 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제6항에 있어서,
상기 슬러지 처리부는
상기 pH조절부에서 부상된 슬러지를 포집하는 스키머와;
상기 포집된 슬러지를 탈수하는 필터프레스;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 시스템.
제7항의 알칼리성 폐수 처리 시스템을 이용한 알칼리성 폐수를 정화하는 처리 방법으로서,
알칼리성 폐수를 유량조절조로 유입하여 폐수의 양을 일정하게 조절하는 1단계;
상기 유입된 알칼리성 폐수를 pH조절부로 이송하고 압력부의 압력탱크 내압이 3bar가 되도록 가압펌프로 압력을 가해 CO₂가스공급부로부터 CO₂ 가스를 주입하는 2단계;
상기 주입된 CO₂ 가스와 알칼리성 폐수를 pH조절부에서 중화 반응시켜 폐수를 정화하는 3단계;
상기 3단계에서 폐수 표면으로 유출되는 CO₂ 가스를 CO₂가스공급부로 주입하여 재활용하는 4단계;
상기 pH조절부에서 중화된 폐수를 외부로 배출하는 5단계; 및
상기 pH조절부에서 부상된 슬러지를 스키머로 포집하고, 상기 포집된 슬러지를 필터프레스에서 탈수하여 처리하는 6단계;를 포함하며,
상기 4단계는 상기 CO₂가스공급부가 상기 유량조절조로 CO₂ 가스를 주입하는 단계를 포함하고,
상기 4단계가 진행된 후 반복되는 2단계는 상기 CO₂가스공급부로부터 상기 폐수유입부로 주입되는 CO₂ 가스를 이용하여 폐수의 전처리를 수행하는 단계를 포함하고,
상기 6단계는 상기 슬러지가 탈수되고 남은 탈수여액을 재활용부로 이송하여 슬러지를 배출하고, 상기 재활용부에서 배출된 슬러지를 다시 상기 필터프레스로 이송하는 과정을 슬러지가 더 이상 형성되지 않을 때까지 반복하여 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 방법.
제8항에 있어서,
상기 2단계에서 주입되는 CO2 가스는 알칼리성 폐수 1L당 주입량이 11 에서 12cc/min 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 방법.
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제8항에 있어서,
상기 1단계는 유량조절조에서 슬러지를 침전시켜 필터프레스로 슬러지를 탈수 및 배출한 뒤 2단계의 pH조절부로 알칼리성 폐수를 이송하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 방법.
제8항에 있어서,
상기 3단계는 중화 후 폐수의 pH가 6.8보다 낮아지는 경우 pH조절부 내 폐수에 대기를 폭기하여 폐수의 pH를 상승시키는 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 처리 방법.