KR101926090B1 - 액화 탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 중화 방법 및 그를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법 - Google Patents

액화 탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 중화 방법 및 그를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 액화 탄산가스(CO2)를 기화시키는 단계; (b) 상기 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계; (c) 상기 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계; (d) 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입시키는 단계; 및 (e) 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 상기 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스를 교반시켜 상기 알칼리성 폐수를 중화시키는 단계;를 포함하는 알칼리성 폐수의 중화 방법에 관한 관한 것으로, 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 중화 방법은 액화 탄산가스를 사용하여 알칼리성 폐수를 중화 처리함으로써 알칼리성 폐수의 수처리시 안정성을 확보하면서도 고체 또는 액체 중화제의 사용시 발생하는 2차 환경 오염의 문제를 개선하고, 설치 공간을 최소화하고 유지 관리비를 절감하는 효과가 있다.

Description

액화 탄산가스를 이용한 알칼리성 폐수의 중화 방법 및 그를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법{METHOD FOR NEUTRALIZING AKALIC WASTE WATER USING LIQUIFIED CARBONDIOXIDE AND METHOD FOR TREATING AKALIC WASTE WATER COMPRISING THE SAME}
본 발명은 액화 탄산가스(CO2)를 이용한 알칼리성 폐수의 중화 방법 및 그를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액화 이산화탄소를 기화시킨 후 이를 알칼리성 폐수 중화장치에서 알칼리성 폐수와 교반시켜 알칼리성 폐수를 중화시킴으로써 알칼리성 폐수에 대해 높은 효율로 중화 반응을 수행하고 알칼리성 폐수 처리 시설의 유지 관리를 용이하게 할 수 알칼리성 폐수의 중화 방법 및 그를 이용하여 알칼리성 폐수를 처리하는 방법에 관한 것이다.
알칼리성 폐수는 다양한 산업에서 발생하며 특히, 터널 공사 및 무기성 폐오수, 제지, 피혁 및 반도체 세정 공정에서 다량 발생하고 있다. 이때 발생하는 폐수는 다량의 알칼리도(alkalinity)를 함유하고 있으며, pH가 높게는 12~13에 이르기까지 강 알칼리성을 띄고 있다. 이에 이러한 폐수의 후속 처리 및 방류를 위해서는 pH를 중화시키는 공정이 반드시 필요하다.
이에 종래에는 알칼리성 폐수를 중화시키는 방법으로서 다량의 중화제, 즉 액체 또는 고체로 이루어진 다량의 중화제인 고농도(예; 98% 이상)의 황산을 이용하여 알칼리성 폐수를 중화시키도록 하였다.
그러나, 상기와 같은 황산은 화학물질관리법 시행에 따라 인허가 절차가 복잡하고 시간 소요가 크며, 고농도 황산 사용시 운반과 사용시의 위험요소를 가지고 있는 것으로, 유독성과 유해성이 많이 노출되는 등 그 유지 관리의 어려움이 존재하였으며, 특히 전체 수처리 비용의 70% 이상을 차지하면서 유지 관리비가 많이 소요되는 단점을 가지고 있었다.
이에, 화학물질관리법의 면제를 위해 저농도(10%미만) 황산을 사용하는 방법이 시도되었다. 그러나, 이와 같은 저농도의 황산을 중화제로 사용시에는 중화 공정에 소요되는 유지 관리비가 더욱 늘어나는 문제점이 있었다.
즉, 화학물질관리법의 면제를 위해 저농도(10%미만)의 황산 중화제를 사용시, 기존 고농도(98%)의 황산 사용시에 비해 약품 저장용기에 대한 용량이 약 10배 이상 증가되어 현장 시설비와 유지 관리비가 크게 증가되면서 그 유지 관리의 어려움이 따를 수 밖에 없는 것이다.
또한, 상기와 같이 고농도 또는 저농도의 황산 중화제를 사용시 그 황산 반응물에 의해 비탄산 경도가 약200배 증가되면서, 방류 하천에 생태적 환경적 문제를 유발하고 있어 새로운 중화기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이에 가스 중화제를 이용한 알칼리성 폐수의 중화 처리 방법이 시도되고 있으나, 중화장치의 효율성 측면 및 처리 공정의 다양성 측면에서 아직 기술 개발의 정도는 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 효율적으로 알칼리성 폐수를 중화 처리할 수 있으며 유지 관리가 용이하고 환경 친화적인 알칼리성 폐수의 중화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 알칼리성 폐수의 중화 방법을 이용하여 유지 관리가 용이하고 처리 비용이 저렴하며 환경 친화적인 알칼리성 폐수의 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, (a) 액화 탄산가스(CO2)를 기화시키는 단계; (b) 상기 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계; (c) 상기 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계; (d) 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입시키는 단계; 및 (e) 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 상기 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스를 교반시켜 상기 알칼리성 폐수를 중화시키는 단계;를 포함하는 알칼리성 폐수의 중화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 알칼이성 폐수의 중화 방법에 있어서, 상기 알칼리성 폐수 중화장치는 밀폐형 반응조일 수 있다.
또한, 상기 밀폐형 반응조가 반응기 본체; 상기 반응기 본체의 일측에 구비되는 알칼리성 폐수 유입 라인; 상기 반응기 본체의 타측에 구비되는 중화수 배출 라인; 상기 알칼리성 폐수 유입 라인에 연결되는 탄산가스 주입 라인; 및 상기 알칼리성 폐수와 탄산가스를 교반하는 교반기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수 중화장치가 개방형 반응조일 수 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수 중화장치가 알칼리성 폐수 이송 펌프일 수 있다.
또한, 상기 펌프가 수중 펌프일 수 있다.
또한, 상기 펌프가 육상 펌프일 수 있다.
또한, 상기 펌프가 부스터(booster) 펌프일 수 있다.
또한, 상기 탄산가스가 상기 펌프의 흡입부로 유입될 수 있다.
또한, 상기 탄산가스가 상기 펌프의 토출부로 유입될 수 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수 중화장치 내부의 압력이 0.5~5 kgf/㎠일 수 있다.
또한, 상기 단계 (e)에 있어서 상기 교반 속도가 200~3300 rpm일 수 있다.
또한, 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스가 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 압력조절 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수가 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 냉각 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수 유량조절 밸브는 상기 알칼리성 폐수 중화장치 내 알칼리성 폐수의 pH에 연동하여 피드백(feed back) 제어될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 양상은, (a)알칼리성 폐수를 1차 유량 조정조에 저장하여 일정한 유량으로 다음 단계 공정으로 공급하는 단계; (b)상기 1차 유량 조정조에서 공급되는 알칼리성 폐수를 상기와 같은 중화 방법에 의해 중화시키는 단계; (c)상기 중화 방법에 의해 중화된 중화수에 포함된 고형분을 1차 화학 반응조에서 무기 응집제를 통해 1차 응집시키는 단계; (d)상기 1차 응집된 중화수 및 연수를 응집조에서 고분자 응집제를 사용하여 일정크기의 고형물로 응집시키는 단계; (e)상기 응집조에서 배출되는 일정크기의 응집된 고형물을 침전조에서 침전시킴과 동시에 고형물이 분리된 중화수 및 연수를 안정화조로 배출하는 단계; 및 (f)상기 침전조에서 배출되는 중화수 및 연수에 잔류하는 유기물을 안정화조에서 미생물을 이용하여 분해 처리한 후 방류하는 단계;를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 중화 방법은 액화탄산가스를 사용하여 알칼리성 폐수를 중화 처리함으로써 알칼리성 폐수의 수처리시 안정성을 확보하면서도 고체 또는 액체 중화제의 사용시 발생하는 2차 환경 오염의 문제를 개선하고, 설치 공간을 최소화하고 유지 관리비를 절감하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 처리 방법은, 상기와 같은 중화 방법을사용함으로써 유지 관리가 용이하고 처리 비용이 저렴하며 환경 친화적으로 알칼리성 폐수를 처리할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법을 구현하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법에 사용되는 알칼리성 폐수 중화장치의 정단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법에 사용되는 또 다른 알칼리성 폐수 중화장치의 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법을 구현하기 위한 또 다른 시스템의 일 예를 도시한 블록 다이어그램이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 "다른 구성요소 상에", " 다른 구성요소 상에 형성되어" 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 알칼리성 폐수 중화 방법의 블록 다이어그램이고, 도 2는 상기 알칼리성 폐수 중화 방법을 구현하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 블록 다이어그램이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 중화 방법은 (a) 액화 탄산가스(CO2)를 기화시키는 단계와, (b) 상기 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계와, (c) 상기 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계와, (d) 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입시키는 단계 및 (e) 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 상기 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스를 교반시켜 상기 알칼리성 폐수를 중화시키는 단계를 포함할 수 있다.
(a) 액화 탄산가스(CO 2 )를 기화시키는 단계
본 발명의 알칼리성 폐수 중화 방법은, 액체 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화의 산성 공급원으로 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서 액체 탄산가스는 상용화된 액체 탄산가스 저장탱크에 저장된다. 이때 상기 탄산가스의 함량은 통상적으로 약 98 중량% 이상일 수 있다.
상기 액체 탄산가스 저장탱크에서 공급되는 액체 탄산가스는 기화기를 거치면서 기화된다. 본 발명에 있어서, 상기 기화기로는 증기 기화기 또는 전기 기화기를 사용할 수도 있으나, 바람직하게는 주변 공기에서 열을 얻는 대기 기화기를 사용하는 것이 좋다. 본 발명에 따른 상기 대기 기화기는 어레이당 최대 40,000 scfh의 속도로 기화하는 여러 핀 튜브 어레이로 구성된다. 이때 추가 장치를 부착해 기화 속도를 높일 수도 있다.
(b) 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계
본 발명에 따르면, 상기 기화기 후단에서 탄산가스의 압력을 감압하는 감압단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 기화기에서 공급되는 탄산가스는 액화상태에서 기화기를 거치면서 가스의 부피가 약 520배 팽창하여 압력은 통상적으로 10~70 kgf/㎠정도에 이른다. 따라서 이를 감압장치를 이용해 5~6 kgf/㎠로 감압하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 감압장치는 단수 또는 복수의 수동 밸브를 포함하여 구성될 수 있다.
(c) 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계
이어서 상기 감압장치에서 감압된 탄산가스는 탄산가스 유량조절 밸브로 유입된다. 본 발명에 따르면, 상기 알칼리성 폐수 중화장치에는 pH 센서가 설치된다. 상기 pH 센서는 알칼리성 폐수 중화장치 내 중화수의 pH를 감지하여 PLC(programmable logic controller)로 전송한다. 상기 PLC에서는 미리 계산된 프로그램에 의해 상기 중화수의 pH에 연동하여 탄산가스 유량조절 밸브의 개도를 조절함으로써 알칼리성 폐수 중화장치로 공급되는 탄산가스의 유량을 피드백(feed back) 제어할 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 탄산가스 유량조절 밸브로는 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 유량의 자동 제어가 가능한 공지의 유량조절 밸브를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 탄산가스 유량조절 밸브의 후단에서 압력조절 장치에 의해 알칼리성 폐수 중화장치로 공급되는 탄산가스의 압력을 조절하는 압력 조절단계를 추가로 포함할 수 있다. 이에 의하여 알칼리성 폐수 중화장치로 공급되는 탄산가스의 압력을 정밀하게 조절하는 것이 가능하다. 상기 압력조절장치는 단수 또는 복수의 수동 밸브를 포함하여 구성된다. 상기 압력조절장치의 후단에는 압력계 및 유량계가 구비되어 알칼리성 폐수 중화장치로 공급되는 탄산가스의 압력 및 유량을 모니터링하고 제어할 수 있다.
(d) 알칼리성 폐수 및 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 유입시키는 단계
상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스 및 별도의 공급원으로부터 공급되는 알칼리성 폐수는 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리성 폐수 중화장치는 밀폐형 반응조일 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 밀폐형 반응조의 정단면도이다. 도 3을 참조하면, 상기 밀폐형 반응조(100)는 반응기 본체(10)와, 상기 반응기 본체(10)의 일측에 구비되는 알칼리성 폐수 유입 라인(20)과, 상기 반응기 본체(10)의 타측에 구비되는 중화수 배출 라인(40)과, 상기 알칼리성 폐수 유입 라인(20)에 연결되는 탄산가스 주입 라인(30) 및 상기 알칼리성 폐수와 탄산가스를 교반하는 교반기(80)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 반응기 본체(10)의 외측에는 미반응 탄산가스를 순환시키기 위한 순환 라인(60)이 더욱 구비될 수 있다. 즉 반응기 본체(10)의 상부에는 미반응 탄산가스가 모여들 수 있는데, 상기 순환 라인(60)에 의해 미반응 탄산가스가 반응기 본체(10)로 재투입되게 된다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 알칼리성 폐수 중화장치는 개방형 반응조로 이루어질 수도 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 밀폐형 반응조의 정단면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 밀폐형 반응조(100')는 반응기 본체(10')와, 상기 반응기 본체(10')의 일측에 구비되는 알칼리성 폐수 유입 라인(20')과, 상기 반응기 본체(10')의 타측에 구비되는 중화수 배출 라인(30')과, 상기 알칼리성 폐수 유입 라인(20')에 연결되는 탄산가스 주입 라인(40') 및 상기 알칼리성 폐수와 탄산가스를 교반하는 교반기(50')를 포함할 수 있다. 이때, 상기 반응기 본체(10')의 외측에는 미반응 탄산가스를 순환시키기 위한 순환 라인(70')이 더욱 구비될 수 있다. 본 구현예에 따르면 교반기(50')가 반은기 본체(10')의 하부에 위치하는 것이 아니라 반응기 본체(10')의 중앙부에 위치하는 점에서 도 3의 구현예와 차이가 있다.
또한, 상기 알칼리성 폐수 중화장치는 도 5에 도시된 바와 같이 알칼리성 폐수 이송 펌프로 이루어질 수도 있다. 상기 펌프는 수중 펌프일 수 있다. 또한, 상기 펌프는 육상 펌프일 수 있다. 본 발명에 있어서 상기 펌프는 크로스 타입 또는 오픈 타입 임펠라 펌프일 수 있으며, 바람직하게는 다단 크로스 타입 또는 오픈 타입의 부스터(booster) 펌프를 사용할 수 있다. 도 4의 예시에서는 탄산가스가 상기 펌프의 흡입부로 유입되는 것으로 도시되었으나, 상기 탄산가스는 상기 펌프의 토출부로 유입될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리성 폐수 이송 펌프의 양정(total head)은 용도에 따라 2m 내지 100m 범위에서 운전될 수 있다. 또한 펌프의 용량 역시 용도에 따라 0.1~100 m3/min 범위에서 다양하게 선정될 수 있다.
본 발명에 있어서, 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되는 알칼리성 폐수는 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 냉각장치에 의해 냉각되는 냉각단계를 추가로 포함할 수 있다. 일반적으로 탄산가스는 혼합되는 유입수의 온도가 낮을수록 용해도 및 효율이 증가한다. 따라서 본 발명에 따르면, 상기 유입되는 폐수의 온도를 25 ℃ 이하로 유지하기 위한 냉각장치를 구비하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 상기 냉각장치로는 수냉식 및 공냉식 등 공지의 냉각장치를 사용할 수 있다.
(e) 알칼리성 폐수 중화장치에서 알칼리성 폐수와 탄산가스를 중화시키는 단계
알칼리성 폐수 중화장치로 유입된 알칼리성 폐수와 탄산가스는 교반기에 의해 서로 교반되어 중화반응이 일어난다. 이때 교반기의 회전속도는 100 rpm ~ 4000 rpm 의 범위일 수 있다. 상기 교반기의 교반 속도는 빠를수록 효율적인 혼합을 일으킬 수 있으나, 바람직하게는 200 rpm 내지 3300 rpm, 더욱 바람직하게는 평균적으로 약 1000 rpm의 속도를 유지하는 것이 좋다. 교반 속도가 200 rpm 미만일 경우에는 교반 효과가 미미하며, 3000 rpm 이상인 경우 모터에 과부하가 걸릴 수 있다. 상기 교반기(80)는 변속 모터(미도시)에 의해 속도가 제어된다. 이때 상기 밀폐형 반응조(100) 내의 압력은 0.5~5 kgf/㎠의 범위에서 유지될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되는 알칼리성 폐수의 pH는 통상적으로 9 내지 14 범위이다. 탄산가스에 의한 알칼리성 폐수의 중화 및 연수화 반응의 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.
즉, 알칼리성 폐수에 존재하는 알칼리 성분은, Ca(OH)2 = Ca+2 + 2(OH)-로서,
상기 탄산가스가 상기 알칼리성 폐수에 들어가게 되면,
2CO2 + 2H2O = 2H2CO3 = 2H+ + 2HCO3 - 와 같은 수화반응이 일어나고,
다음으로, 중화반응으로서,
Ca(OH)2 + 2CO2 + 2H2O = Ca+ 2 + 2(OH)- + 2H+ + 2HCO3 - = 2H2O + Ca(HCO3)2
이 일어나면서, 최종적으로는, Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 + 2H2O 와 같은 연수화 반응이 일어나게 된다.
이때, 알칼리성 폐수의 pH가 12인 경우, 상기 탄산가스의 주입량은,
H+ x OH- = 10-14
12 = -Log(H+) = -Log(10-14/OH-)
10-14/OH- = 10-12
OH- = 10-2 mole/l 이고,
따라서, Ca(OH)2 = 0.005 mole/l로서, 상기 반응식에서 연수화 반응을 유도하기 위해서는 0.0025mole/l 의 Ca(OH)2를 중화시켜야 하는 것이다.
이때, 중화 반응식은,
Ca(OH)2 + 2CO2 + 2H2O = 2H2O + Ca(HCO3)2
0.0025 Ca(OH)2 + 0.005 CO2 + 0.005 H2O = 0.005 H2O + 0.0025 Ca(HCO3)2
그러므로, 하루 1000㎥ 의 폐수를 처리할 경우 탄산가스 주입량은,
0.005mole/l = 0.22g/l = 0.22kg/㎡ = 220kg/1,000㎥ 로서, 이를 비용적으로 계산하게 되면(CO2 = 100원/kg)
'220kg CO2/일 × 100원/kg = 22,000원/일'로 계산되어 그 유지 비용이 대폭적으로 절감될 수 있는 것이다.
일예로, 종래 황산 중화제를 통해 중화공정을 진행하는 경우는, 알칼리성 폐수에 존재하는 알칼리 성분은,
Ca(OH)2 = Ca+2 + 2(OH)-
황산이 폐수에 들어가는 경우의 수화반응은
H2SO4 = 2H+ + SO4 -2
그리고, 중화반응은
Ca(OH)2 + H2SO4 = Ca+ 2 + 2(OH)- + 2H+ + SO4 -2 = 2H2O + CaSO4
0.05 Ca(OH)2 + 0.005 H2SO4 = 0.01 2H2O + 0.005 CaSO4
0.005 mole/l = 0.49g/l = 4.9g 10% H2SO4 /l = 4,900kg 10% H2SO4 /1,000㎥ 으로서,
그 비용계산은(10% H2SO4 = 50원/kg)
"4,900kg/일 × 50원/kg = 245,000원/일" 로 계산되어, 본 발명의 탄산가스를 사용하는 중화공정 대비 그 비용이 약 10배 정도 차이가 나이가 날 수 있는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 중화 방법은 액화탄산가스를 사용하여 알칼리성 폐수를 중화 처리함으로써 알칼리성 폐수의 수처리시 안정성을 확보하면서도 고체 또는 액체 중화제의 사용시 발생하는 2차 환경 오염의 문제를 개선하고, 설치 공간을 최소화하고 유지 관리비를 절감하는 효과가 있다.
본 발명의 또 하나의 양상은, (a)알칼리성 폐수를 1차 유량 조정조에 저장하여 일정한 유량으로 다음 단계 공정으로 공급하는 단계; (b)상기 1차 유량 조정조에서 공급되는 알칼리성 폐수를 상기와 같은 중화 방법에 의해 중화시키는 단계; (c)상기 중화 방법에 의해 중화된 중화수에 포함된 고형분을 1차 화학 반응조에서 무기 응집제를 통해 1차 응집시키는 단계; (d)상기 1차 응집된 중화수 및 연수를 응집조에서 고분자 응집제를 사용하여 일정크기의 고형물로 응집시키는 단계; (e)상기 응집조에서 배출되는 일정크기의 응집된 고형물을 침전조에서 침전시킴과 동시에 고형물이 분리된 중화수 및 연수를 안정화조로 배출하는 단계; 및 (f)상기 침전조에서 배출되는 중화수 및 연수에 잔류하는 유기물을 안정화조에서 미생물을 이용하여 분해 처리한 후 방류하는 단계;를 포함하는 알칼리성 폐수의 처리 방법에 관한 것이다.
이하 상기 공정들을 단계별로 상세하게 설명한다.
(a)1차 유량 조정 단계
이는, 유입되는 알칼리성 폐수를 유량 조정조에 1차 저장하여 일정한 유량으로 다음 단계 공정으로 공급하는 공정이다. 본 공정은 유량 및 수질의 변동에 따른 안정성을 유지하고 수질의 균등화 및 안정화(유입부하의 균등화)를 도모하기 위함이다. 이때 유량 조정조의 크기는 유입폐수의 변동형태에 따라 정하며, 계획일 최대수량을 넘는 유량을 일시적으로 저류할 수 있어야 한다. 한편 유량 조정조의 형상은 폐수의 농도를 되도록 균일화할 수 있도록 직사각형 및 정사각형이 바람직하다. 또한 유량 조정조는 철근 콘크리트 구조로 하여 부력에도 안정성을 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
(b)중화 단계
이는, 상기 1차 유량조정조에서 공급되는 알칼리성 폐수를 알칼리성 폐수 중화장치에서 탄산가스를 이용하여 중화시키는 공정이다. 이때 본 발명에 따른 알칼리성 폐수 처리 방법은 전술한 바와 같은 알칼리성 폐수의 중화 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다. 중화 공정에 대하여는 상기 알칼리성 폐수의 중화 방법에서 설명한 바와 같으므로 추가적인 설명은 생략한다.
(c)1차 화학반응 단계
이는, 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 배출되는 중화수에 포함된 고형분을 1차 화학 반응조에서 무기 응집제를 통해 1차 응집시키는 공정이다. 본 공정에 사용되는 무기 응집제이 예로는 황산알루미늄(Al2(SO4)3, Alum), 황산제1철(FeSO4·7H2O), 염화제2철(FeCl3·6H2O), 폴리알루미늄(PAC) 등을들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 응집제 주입 직후에는 응집제와 수중 미세입자의 접촉 효과를 높혀 주기 위해 급속교반을 실시하고 응집이 진행됨에 따라 완속교반으로 플록을 조대화시키는 것이 바람직하다.
(d)응집 단계
이는, 상기 1차 화학반응조에서 배출되는 1차 응집된 중화수를 응집조에서 고분자 응집제를 사용하여 일정크기의 고형물로 응집시키는 공정이다. 즉, 본 공정에서는 1차 응집된 슬럿지를 더욱 크게 응집시켜 침전조에서의 침전을 용이하게 하기 위함이다. 응집 공정은 응집제의 수중 첨가, 수중에서의 응집제의 확산, 응집제와 탁질 입자와의 접촉을 위한 교반, 입자를 성장시켜 크고 무거운 플록(floc)으로 하기 위한 교반 및 완속교반으로 침강성 확보의 순서로 진행된다. 본 공정에서 사용되는 고분자 응집제의 예로는 폴리아크릴아미드, 폴리아민, 폴리아크릴에스텔, 폴리에틸렌이민 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
(e)침전 단계
이는, 상기 응집조에서 배출되는 일정크기의 응집된 고형물을 침전조에서 침전시킴과 동시에 고형물이 분리된 중화수를 안정화조로 배출하는 공정이다. 즉, 중화수의 부유물질 중에서 중력에 제거될 수 있는 침전성 고형물을 제거하는 것으로 2차 처리의 처리효율 증가 및 처리시간 단축, 최종 유출수의 수질 향상을 도모하기 위함이다.
(f)안정화 단계
이는, 상기 침전조에서 배출되는 처리수에 잔류하는 유기물을 안정화조에서 미생물을 이용하여 분해 처리한 후 방류시키는 공정이다. 유기물 분해에 사용될 수 있는 미생물군의 예로는 단세포 원생동물의 경우, Paramecium, Euglena, Vorticella, Amoeba 등이 있고, 다세포의 경우, 선충류, Vorbox, 환형동물, 원형동물 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 상기 미생물에 의해 유기물이 분해된 중화 처리수는 최종적으로 외부로 방류되게 된다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 알칼리성 폐수의 처리 방법은 (a)1차 유량 조정 단계 (b)1차 화학반응 단계 (c)응집 단계 (d)침전 단계 (e)중화 단계 (f)안정화 단계 방류의 순서로 진행된다.
본 구현예에서는, 중화 단계가 침전 단계 후단에서 진행되는 것을 제외하고는 전술한 구현예와 모든 단위 공정은 동일하게 수행된다. 본 구현예의 경우 침전 단계 이후에 중화 단계가 진행됨으로써 폐수의 슬럿지가 제거되어 순수한 알칼리성 폐수를 중화하는 관계로 탄산가스의 소모량을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 모래와 같은 무기성 입자가 교반기 등과 마찰을 일으켜 기계의 마모가 빨리 진행되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 알칼리성 폐수의 처리 방법은 (a)1차 유량 조정 단계 (b)탈수 단계 (c)탈리액 저장 단계 (d)중화 단계 (e)안정화 단계 방류의 순서로 진행된다. 이하에서는 전술한 구현예들에서 설명되지 아니한 탈수 단계 및 탈리액 저장 단계에 대하여 설명한다.
(b)탈수 단계
이는, 1차 유량 조정조에서 공급되는 알칼리성 폐수를 탈수기조에서 탈수시켜 슬러지를 제거하는 공정이다. 즉, 알칼리성 폐수에 포함된 고형분은 탈수기에 의해 슬럿지 케익 형태로 제거하며, 고형분이 제거된 알칼리성 폐수(탈리액)를 배출하게 된다.
(c)탈리액 저장 단계
이는, 상기 탈수기조에서 배출되는 고형분이 제거된 탈리액을 탈리액조에 저장하는 공정으로, 탈리액 저장조에 저장된 탈리액은 이어서 일정 유량으로 후단의 중화 공정으로 도입되게 된다.
본 구현예의 경우 여러가지 화학 반응조를 거치지 않고 탈수기를 이용해서 고형물인 슬럿지를 제거하고 원수한 알칼리성 맑은 원수를 이산화탄소 가스를 이용하여 중화함으로써 중화를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다. 또한 부유물이 없고 단순히 pH가 높은 폐수의 경우 알칼리성 폐수를 직접 본 발명에 따른 중화 및 연수화 시스템에 유입시켜 처리할 수도 있다.
본 발명에 따른 알칼리성 폐수의 처리 방법은 또한 안정화조에서 미생물을 이용하여 분해 처리한 후 여과시설을 이용하여 여과하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 구현예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 반응기 본체
20 : 알칼리성 폐수 유입 라인
30 : 탄산가스 주입 라인
40 : 중화수 배출 라인
60 : 순환 라인
100 : 밀폐형 반응조

Claims (16)

  1. (a) 액화 탄산가스(CO2)를 기화시키는 단계;
    (b) 상기 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계;
    (c) 상기 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계;
    (d) 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입시키는 단계; 및
    (e) 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 상기 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스를 교반시켜 상기 알칼리성 폐수를 중화시키는 단계;를 포함하고,
    상기 알칼리성 폐수 중화장치가 밀폐형 반응조이고,
    상기 알칼리성 폐수는 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 냉각 단계를 추가로 포함하고,
    상기 알칼리성 폐수의 유량조절 밸브는 상기 알칼리성 폐수 중화장치 내 알칼리성 폐수의 pH에 연동하여 피드백(feed back) 제어되고,
    상기 밀폐형 반응조가 반응기 본체; 상기 반응기 본체의 일측에 구비되는 알칼리성 폐수 유입라인; 상기 반응기 본체의 타측에 구비되는 중화수 배출 라인; 상기 알칼리성 폐수 유입 라인에 연결되는 탄산가스 주입 라인; 및 상기 알칼리성 폐수와 탄산가스를 교반하는 교반기를 포함하고,
    상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스는 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 압력조절 단계를 추가로 포함하는 것인, 알칼리성 폐수 중화 방법.
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  11. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리성 폐수 중화장치 내부의 압력이 0.5~5 kgf/㎠인 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 중화 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)에 있어서 상기 교반 속도는 200~3300 rpm인 것을 특징으로 하는 알칼리성 폐수 중화 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. (1)알칼리성 폐수를 1차 유량 조정조에 저장하여 일정한 유량으로 다음 단계 공정으로 공급하는 단계;
    (2)상기 1차 유량 조정조에서 공급되는 알칼리성 폐수를 제1항에 따른 중화방법에 의해 중화시키는 단계;
    (3)상기 중화 방법에 의해 중화된 중화수에 포함된 고형분을 1차 화학 반응조에서 무기 응집제를 통해 1차 응집시키는 단계;
    (4)상기 1차 응집된 중화수 및 연수를 응집조에서 고분자 응집제를 사용하여 일정크기의 고형물로 응집시키는 단계;
    (5)상기 응집조에서 배출되는 일정크기의 응집된 고형물을 침전조에서 침전시킴과 동시에 고형물이 분리된 중화수 및 연수를 안정화조로 배출하는 단계; 및
    (6)상기 침전조에서 배출되는 중화수 및 연수에 잔류하는 유기물을 안정화조에서 미생물을 이용하여 분해 처리한 후 방류하는 단계;를 포함하고,
    상기 단계 (2)의 중화방법이,
    (a) 액화 탄산가스(CO2)를 기화시키는 단계;
    (b) 상기 기화된 탄산가스를 감압시키는 단계;
    (c) 상기 감압된 탄산가스를 탄산가스 유량조절 밸브로 유입시키는 단계;
    (d) 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스를 알칼리성 폐수 중화장치로 각각 유입시키는 단계; 및
    (e) 상기 알칼리성 폐수 중화장치에서 상기 알칼리성 폐수 및 상기 탄산가스를 교반시켜 상기 알칼리성 폐수를 중화시키는 단계;를 포함하고,
    상기 알칼리성 폐수는 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 냉각 단계를 추가로 포함하고,
    상기 알칼리성 폐수의 유량조절 밸브는 상기 알칼리성 폐수 중화장치 내 알칼리성 폐수의 pH에 연동하여 피드백(feed back) 제어되고,
    상기 밀폐형 반응조가 반응기 본체; 상기 반응기 본체의 일측에 구비되는 알칼리성 폐수 유입라인; 상기 반응기 본체의 타측에 구비되는 중화수 배출 라인; 상기 알칼리성 폐수 유입 라인에 연결되는 탄산가스 주입 라인; 및 상기 알칼리성 폐수와 탄산가스를 교반하는 교반기를 포함하고,
    상기 탄산가스 유량조절 밸브에서 공급되는 탄산가스는 알칼리성 폐수 중화장치로 유입되기 전에 압력조절 단계를 추가로 포함하는 알칼리성 폐수 중화 방법인 것인, 알칼리성 폐수 처리 방법.
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