KR102049239B1 - 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리시스템 및 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중금속과 미생물로 복합 오염된 지하수를 음용 가능한 수준으로 정화처리하기 위한 환경처리기술에 관한 것이다.
본 발명에서는 전기화학반응을 이용하여 2가 철을 용출시키고, 2가 철이 3가 철로 다시 산화되고 수산화물로 침전되는 과정에서 비소 등의 중금속을 흡착 및 공침시켜 제거한다. 특히, 전기화학반응이 수행되는 동안 지하수는 혐기성 환경이 조성됨으로써 대장균 등의 미생물이 함께 제거된다. 본 발명에서는 미생물을 제거한 후 산소를 공급함으로써 비소의 공침 및 흡착이 더욱 활성화되도록 하였다.
본 발명에서는 전기화학반응을 이용하여 2가 철을 용출시키고, 2가 철이 3가 철로 다시 산화되고 수산화물로 침전되는 과정에서 비소 등의 중금속을 흡착 및 공침시켜 제거한다. 특히, 전기화학반응이 수행되는 동안 지하수는 혐기성 환경이 조성됨으로써 대장균 등의 미생물이 함께 제거된다. 본 발명에서는 미생물을 제거한 후 산소를 공급함으로써 비소의 공침 및 흡착이 더욱 활성화되도록 하였다.
Description
본 발명은 환경 오염 저감기술에 관한 것으로서, 특히 중금속과 미생물에 의해서 복합 오염되어 있는 지하수를 처리하기 위한 지하수 처리기술에 관한 것이다.
비소는 인간을 비롯한 모든 생명체에 대하여 위해 물질로 작용한다. 예컨대 방글라데시와 베트남에서 비소로 오염된 지하수를 식수로 음용하여 문제가 된 사례가 있다.
비소는 산업폐수와 같은 인간의 인위적인 활동에 의해 발생하기도 하지만, 지질학적인 특성에 기인하여 자연적으로 발생하기도 한다. 비소는 독성이 강해서 수중 농도가 대략 10μg/L 수준으로 될 때까지 고도로 처리해야 한다. 또한 비소가 지질학적인 기원에 의해 자연적으로 지하수에 포함되는 경우 그 발생 범위가 매우 광범위하므로 처리하기 쉽지 않다.
비소는 일반적으로 수중에서 +3가와 +5가로 존재하는데 산화-환원 전위, pH, 토양 내 철 황화물 등과 같은 다양한 변수에 의해 비소가 존재하는 종의 형태가 달라진다.
pH 에 따른 각 비소종의 상대적인 비율은 도 1 및 도 2에 나타나 있다. 도 1 및 도 2는 pH 조건에 따른 각 비소종의 비율을 나타낸 표로서, 도 1은 3가 비소종에 대한 표이며, 도 2는 5가 비소종에 대한 표이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로 비소는 환원 조건에서는 +5가 비소로 존재하기 보다는 환원된 종인 +3가 비소로 존재하게 되어 상대적으로 흡착 에너지가 감소하게 된다. 더욱이 수중 pH 9.22 미만에서는 대부분 +3가 비소는 H3AsO3 의 형태로 존재하게 되어 전하를 띄지 않는다. 전하를 갖지 않는 +3가 비소 이온은 지하수 내 이동성(mobility)이 상대적으로 증가하여 흡착이 힘들어진다. 즉 +5가 비소는 토양이나 침전물에 강하게 흡착되는 반면, +3가 비소로 환원되면 흡착상태에서 쉽게 탈착되어 흡착처리하기 어렵게 된다. 더욱이 +3가 비소는 +5가 비소에 비하여 인체를 포함한 생명체에 미치는 독성이 높아 치명적이라는 특징이 있다.
비소로 오염된 지하수를 정화하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔으며, 이들 중에서 흡착에 의한 제거 기술과 역삼투압 기술(RO, Reverse Osmosis)이 널리 활용되고 있다. 그러나 흡착 기술은 처리 수량이 크지 않고 비소 농도가 높아질수록 효율이 큰 폭으로 감소한다는 약점이 있다. 또한 역삼투압 기술은 역세수가 많이 필요하고 불순물이 있는 경우 효율이 감소한다는 단점이 있다. 이에 지하수 내 존재하는 비소를 보다 효과적으로 처리할 수 있는 기술의 개발이 요청되고 있다.
한편, 동남아시아나 아프리카와 같이 하수 시설이 잘 갖춰지지 않은 지역에서는 지하수가 비소 등의 중금속과 함께 미생물로 오염되어 있는 경우가 빈번히 발견된다. 하수시설이 충분하지 않은 관계로 사람과 가축의 활동에 의해서 발생한 폐수가 지하수로 유입되며 나타나는 현상이다. 미생물을 살균 처리하기 위해 필터를 설치하기도 하며, 태양광을 이용한 살균이 이용되기도 한다. 이러한 기술들은 미생물에 대한 대책으로는 기능할 수 있지만, 비소를 처리하기에는 한계가 있다.
결국, 비소와 미생물로 복합적으로 오염된 지하수를 정화처리하기 위해서는 복합 공정이 요구되는데, 복합 공정을 구현하기 위해서는 플랜트의 규모가 커져야 한다. 그러나 전력망이나 도로 등 인프라 시설이 충분하지 않은 지역에서는 중앙집중식의 대규모 플랜트를 설계하는 것은 용이하지 않다. 소규모이며, 에너지 투입이 최소화될 수 있는 처리설비가 요청된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비소를 포함한 중금속과 함께 미생물로 복합 오염된 지하수를 동시에 처리할 수 있으며, 간단한 공정을 통해 소규모 설비로 제작가능한 복합 오염수 처리시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 오염 지하수 처리시스템은,지하수를 수용하는 반응조와, 상기 반응조에 설치되는 음전극과 철 소재의 양전극 및 상기 양전극과 음전극에 전기를 인가하는 전원부를 포함하여, 상기 양전극에서는 철이 산화되어 용출되며, 지하수 내 용존산소가 2가 철을 3가 철로 산화시키며 혐기성 환경이 조성되는 전기화학반응조; 상기 전기화학반응조에서 배출된 지하수를 수용하며, 산소가 공급되어 상기 지하수에 포함되어 있는 철을 수산화물 형태로 침전시키며, 상기 수산화물 형태의 철은 지하수 내 중금속과 흡착 및 공침되는 폭기조; 및 상기 폭기조에서 배출된 지하수와 침전물을 상호 분리하기 위한 여과조;를 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 중금속은 특히 비소를 포함하며, 상기 미생물은 대장균을 포함한 호기성 세균이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 양전극과 음전극은 모두 철 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 여과조는 상향식 흐름을 형성하도록 유입구는 하부에 유출구는 상부에 형성되며, 상기 유입구와 유출구 사이에 침전물을 걸러내기 위한 필터가 개재되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 중금속 및 미생물로 복합 오염된 지하수를 처리하기 위한 방법은, (a)상기 지하수에 철 소재의 양전극과 음전극을 투입하여 전기화학반응을 수행하여, 지하수 내로 철이 용출되도록 하며, 지하수 내 용존산소가 철과 반응하여 혐기성 환경을 조성하여 미생물을 제거하는 단계; (b)상기 지하수에 산소를 공급하여 용존된 철이 수산화물 형태로 침전시키며, 철이 침전되는 과정에서 상기 지하수 내 중금속을 수산화물 형태의 철에 흡착 및 공침시켜 제거하는 단계; 및 (c)상기 지하수 내 침전물과 상등수를 상호 분리하는 단계;를 구비하는 것에 특징이 있다.
본 발명에서는 전기화학반응을 통해 비소를 제거하기 위한 물질인 철을 용출시키며, 이와 함께 용존산소가 제거되어 혐기성 환경이 형성되는 것을 이용하여 미생물을 제거하는 공정을 도입하였다.
본 발명에 따르면 중금속과 미생물에 의하여 복합 오염되어 있는 지하수를 음용 가능한 수준으로 정화처리할 수 있다는 이점이 있다.
특히 고체 상태의 철을 그대로 사용하지 않고 용출시키는 과정을 거침으로써 철의 비표면적이 증대하여 비소를 흡착 및 공침시키는데 매우 큰 이점이 있다.
또한 전기화학반응을 이용하면서 단지 비소만을 제거하는 것이 아니라, 혐기성 환경이 조성되는 것을 이용함으로써 한 번의 공정으로 미생물 제거라는 효과도 나타낼 수 있으므로 공정의 혁신 및 간소화가 가능하다는 이점이 있다.
이를 통해 상수 시설 등의 인프라가 충분하지 않은 지역에서 지하수를 깨끗하게 처리하여 음용수로 활용할 수 있는 계기를 마련할 것으로 보인다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1 및 도 2는 pH 조건에 따른 각 비소종의 비율을 나타낸 표로서, 도 1은 3가 비소종에 대한 표이며, 도 2는 5가 비소종에 대한 표이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리방법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리시스템의 개략적 모식도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명을 실험한 결과로서, 전류밀도에 따른 지하수 내 미생물 오염개체수 변화(도 5) 및 지하수 수질변화(도 6)를 나타난 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명을 실험한 결과로서, 폭기조건과 비폭기조건에서 반응시간에 따른 지하수 내 산소량의 변화(도 7), 산화환원전위의 변화(도 8) 및 미생물 제거율(도 9)를 나타낸 것이다.
도 10 내지 도 12는 전류밀도를 상승시켜서 앞의 도 7 내지 도 9와 같은 실험을 수행한 결과이다.
도 13 및 도 14는 본 발명을 실험한 결과로서 시간에 따른 지하수 내 비소 제거율(도 13)과 탁도의 변화(도 14)를 나타낸 것이다.
도 15 및 도 16은 원수 유입량을 증대시켜 도 13 내지 도 14와 동일한 실험을 수행한 결과이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리방법의 개략적 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리시스템의 개략적 모식도이다.
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도 10 내지 도 12는 전류밀도를 상승시켜서 앞의 도 7 내지 도 9와 같은 실험을 수행한 결과이다.
도 13 및 도 14는 본 발명을 실험한 결과로서 시간에 따른 지하수 내 비소 제거율(도 13)과 탁도의 변화(도 14)를 나타낸 것이다.
도 15 및 도 16은 원수 유입량을 증대시켜 도 13 내지 도 14와 동일한 실험을 수행한 결과이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 비소 및 미생물에 의해 복합 오염되어 있는 지하수를 정화처리하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 다만, 본 발명에서 제거하고자 하는 오염물질은 비소에 한정되는 것은 아니며, 비소와 유사한 물리적 및/또는 화학적 거동을 따르는 다른 중금속으로 확장될 수 있을 것이다. 또한 본 발명에서 처리하고자 하는 주요 대상은 지하수이지만, 반드시 지하수에 한정되는 것은 아니며 중금속과 세균으로 복합 오염된 다양한 형태의 수자원이 포함될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리방법 및 처리시스템에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리방법의 개략적 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리시스템의 개략적 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 오염 지하수 처리방법은 비소를 제거하는 과정과, 지하수 내 혐기성 환경을 조성하여 미생물을 제거하는 과정이 함께 이루어져야 한다. 또한 위 2개의 과정을 간단한 공정으로 수행해야 한다는 과제가 있다. 이를 위하여 본 발명에서는 전기화학반응을 도입하여 비소를 제거하며, 동시에 혐기성 환경을 조성함으로써 미생물을 제거하는 공정을 개발하였다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 처리방법은 크게 3가지 단계로 이루어지며 이를 위하여 시스템이 제공된다.
첫 번째 단계는 전기화학반응을 통하여 비소를 제거하기 위한 물질로서 철을 용출해 냄과 동시에 지하수로부터 용존 산소를 제거하여 지하수를 혐기성 환경으로 조성한다. 첫 번째 단계는 본 발명에 따른 복합 오염 지하수 처리시스템(100)의 전기화학반응조(10)에 의해 구현된다.
전기화학반응조(10)는 지하수를 수용하기 위한 반응조로서, 그 내부에는 양전극(11)과 음전극(12)이 서로 이격되게 설치된다. 그리고 양전극(11)과 음전극(12)은 전원부(13)에 전기적으로 연결된다. 본 실시예에서 양전극(11)으로는 철 전극이 사용되며, 음전극(12)으로도 철 전극이 사용된다. 다만, 음전극은 철 이외의 다른 소재의 전극으로 사용하여도 무방하다.
전류가 인가되면 양전극(11)에서는 아래의 반응식1,2와 같이 고체 상태의 철이 산화되어 지하수로 용출되면서 전자가 발생된다. 전자는 음전극(12) 주변에서 반응식3과 같이 수소 이온을 환원시켜 기체로 전환시킨다. 산화반응은 반응식1과 같은 형태가 주류를 이루어, 지하수 내 용존된 철은 주로 2가를 띠게 된다.
Fe(s) = Fe2 + + 2e- (-0.44V) ... 반응식1(양전극)
Fe(s) = Fe3 + + 3e- (-0.04V) ... 반응식2(양전극)
H+ + e- = 0.5H2(g) (0.00V) ... 반응식3(음전극)
상기한 반응이 일어난 후, 2가 철은 아래의 반응식4~6과 같이 수산화물 형태로 전환되어 고체 상태로 침전하게 된다.
4Fe2 + + O2(g) + 2H2O = 4Fe3 + + 4OH- ... 반응식4
Fe3 + + 3OH- = Fe(OH)3 ... 반응식5
Fe(OH)3 = FeO(OH)(s) + H2O ... 반응식6
즉, 철은 FeO(OH) 형태로 괴타이트(goethite) 또는 레피도크로사이트(lepidocrocite)로 침전된다. 여기서 비소를 제거하기 위한 물질로서 철이 침전되었다는 점보다 더욱 중요하게 생각해야 할 부분은, 철이 용출 후에 다시 침전되었다는 점이다. 철은 오염물질의 흡착물질로서 많이 사용되고 있으며, 주로 고체 상태로 제조된 것, 예컨대 아이언볼이나 파우더를 사용한다. 그러나 본 발명과 같이 철을 용출시킨 후 수산화물 형태로 침전시키면 비표면적이 매우 넓어진다는 점이다. 비표면적이 넓어진다는 것은 비소가 흡착될 수 있는 면적 또는 비소가 철과 결합하여 공침될 수 있는 공간이 획기적으로 커진다는 것을 의미한다. 기존에 고체 상태의 철을 흡착제로 사용하는 것과는 비소 제거율에서 수십배 이상의 차이를 보일 것으로 기대한다.
또한 주목해야 할 점은 반응식4와 같이 지하수 내 용존 산소가 소모된다는 점이다. 더불어서 산화환원전위(ORP)가 급격하게 저하된다. 즉, 산소가 소모되고 ORP가 감소된다는 것은 전기화학반응조 내의 지하수가 혐기성 환경으로 조성된다는 것이며, 지하수 내 호기성 세균들은 혐기성 환경에서 활성을 잃고 제거된다. 본 발명에서는 비소를 제거하기 위한 물질로서 철을 용출시키는 과정에서, 산소가 소모되어 혐기성 환경이 조성된다는 점을 발견하였으며, 혐기성 환경하에서 대장균 등의 세균들이 사멸하는 것을 확인하였다. 본 발명에서 제거하고자 하는 미생물은 분원성대장균, 총대장균군 등을 포함하여 호기성 세균이 많으므로 논리적으로 타당성이 있다. 실험 결과에 대해서는 후술하기로 한다.
상기한 바와 같이, 전기화학반응조(10)를 이용하여 철을 수산화물 형태로 침전시키고, 지하수 내 미생물을 제거한 후에는 본격적으로 비소를 제거하기 위한 공정을 수행한다.
두 번째 공정은 지하수 내 비소를 철 수산화물에 흡착시키거나 또는 철 수산화물과 함께 공침시켜 제거하는 과정이다. 이러한 공정은 폭기조(20)에서 이루어진다. 전기화학반응조(10)에 수용된 지하수와 일부 침전물은 모두 폭기조(20)로 이송한다. 그리고 폭기조(20)에 산소를 공급한다.
하기의 반응식7~반응식9에는 비소가 철 수산화물과 공침되는 반응(반응식7,8)과, 흡착되는 반응(반응식9)이 나타나 있다.
2FeO(OH)(s) + H2AsO4 - = (FeO)2HAsO4 - + H2O + OH- ... 반응식7
3FeO(OH)(s) + HAsO4 2 - = (FeO)3AsO4(s) - + H2O + 2OH- ... 반응식8
FeO(OH)3(s) + AsO4 3 - = (Fe(OH)3AsO4 3-)(s) ... 반응식9
위 반응식7 내지 반응식9를 참고하면, 수산화물 형태의 철이 비소와 흡착 및 공침하여 고체 상태로 침전하는 것을 알 수 있다. 비소를 제거하기 위해서는 철이 수산화물 형태로 침전되는 것이 먼저 선행되어야 하며, 침전되는 철 수산화물이 많을수록 비소가 함께 공침하거나 흡착되는 양이 많으므로, 비소 제거율은 철 수산화물의 침전량에 의존하게 된다.
앞의 반응식4를 참고하면, 철이 수산화물로 침전되기 위한 중요 조건 중 하나는 산소의 존재이다. 철 전극으로부터 용출된 2가 철은 산소와 만나 3가 철로 변환되면서 수산화물로 침전되기 때문이다. 그렇다면 앞의 전기화학반응조에 공기를 공급함으로써 철의 침전을 가속화시킬 수 있다. 그러나 산소를 공급한다는 것은 미생물의 제거와 관련하여 호기성 환경을 형성하는 것이 되므로 바람직하지 않다. 이에 본 발명에서는 전기화학반응조(10)에서는 지하수 내 용존 산소에 의하여 2가 철을 산화시키고, 미생물 제거에 중점을 둔다. 혐기성 조건이 형성되어 미생물이 모두 제거된 상태에서는 이제 폭기조(20)에서 산소를 공급하여 철의 침전을 가속화시키며 이 과정에서 비소를 제거하는 것이다.
이제 비소를 포함하는 침전물과, 액체 상태의 지하수를 상호 분리하는 세 번째 공정이 남는다. 세 번째 공정은 여과조(30)에서 수행한다. 액체 상태의 지하수와 고체 상태의 침전물을 상호 분리하는 기술은 다양하지만, 본 실시예에서는 상향식 여과조를 사용한다. 즉, 폭기조(20)에서 지하수와 침전물이 함께 여과조(30)로 이송되는데, 지하수와 침전물은 여과조(30)의 하부에 형성된 유입구(31)를 통해 유입되어 여과조(30)의 상부에 마련된 유출구(32)를 통해 배출된다. 그리고 여과조(30)의 중간에는 필터(33)가 마련된다. 비소를 포함하고 있는 고체 상태의 침전물은 이 필터(33)를 통과하지 못하고, 비소가 제거된 액체 상태의 지하수만 필터(33)를 통과할 수 있다. 또한 상향식 흐름을 형성하기 때문에 고체 침전물은 자중에 의하여 하향 힘을 받으므로 이송이 제한된다. 침전물들이 서로 응집시켜 자중을 늘리도록 응집제 등을 선택적으로 투입할 수도 있다.
상기한 과정을 거쳐 지하수에서는 비소와 미생물이 모두 제거될 수 있으며, 지하수는 정화처리가 완료되어 테스트를 통해 식수로 음용가능할 것으로 기대된다.
이하에서는 본 발명에 따른 중금속 및 지하수 복합 오염 지하수 처리방법과 처리시스템에 대한 실험예를 설명하기로 한다.
실험에 사용된 시료는 베트남에서 채취한 것으로서 비소를 포함한 중금속과 대장균 등의 세균으로 복합오염된 것이었다. 전기화학반응조를 설치하고 전류밀도에 따른 지하수 시료의 수질을 조사하였으며, 그 결과가 도 5 및 도 6의 그래프에 나타나 있다. 도 5 및 도 6의 실험은 시료 370ml에 대해서 10분 동안 전기화학반응을 시킨 결과이다.
도 5 및 도 6의 결과를 살펴보면, 전류밀도가 증가함에 따라 총대장균(total coliforms), 대장균(E.coli) 및 호기성 박테리아(aerobic bacteria)는 점차 감소하며, 대략 1.145mA/cm2 수준에서 거의 대부분의 미생물이 사멸되는 것을 확인하였다. 동시에 지하수의 수질을 측정한 도 6을 참고하면, pH는 일정하게 유지되는 반면, 산화환원전위(ORP)와 산소량(DO)는 현저히 감소됨을 알 수 있다. 즉, 산소가 소모되고 산화환원전위가 낮아지면서 지하수 내 혐기성 조건이 형성되고, 이에 따라 미생물이 사멸하고 있는 것으로 추정할 수 있다.
도 7 내지 도 9는 전류밀도를 대략 0.114mA/cm2으로 고정하고 반응시간에 따른 수질특성 및 미생물 제거효율을 실험한 것으로서, 별도를 산소를 공급하지 않는 조건(파란색)과 폭기조건(초록색)으로 나누어 실험한 것이다.
도 7 내지 도 9의 결과를 살펴보면, 폭기를 수행하지 않은 경우의 결과는 앞의 도 5 및 도 6의 결과와 유사하지만, 폭기를 수행하게 되면 미생물 제거율이 현저히 저하되는 것을 확인하였다. 마찬가지로 산화환원전위와 산소량도 폭기조건과 그렇지 않은 경우에 있어서 극명한 대비를 보인다.
도 10 내지 도 12에서는 전류밀도를 0.343mA/cm2으로 고정한 결과이다. 도 10 내지 도 12에서도 도 7 내지 도 9에서와 동일한 결과를 확인할 수 있었다.
실험 내용을 정리하면, 폭기를 수행하지 않은 경우 전기화학반응조 내 용존 산소가 제거되고 산화환원전위가 낮아지면서 혐기성 조건이 형성됨을 확인하였다. 그리고 혐기성 조건에서 미생물이 제거되는 것도 확인하였다.
위와 같이 미생물 제거를 확인한 후에 본 발명에 따라 전기화학반응조, 폭기조 및 여과조를 활용하여 비소제거와 미생물 제거 효과에 대해서 실험하였다. 실험 조건은 원수 유입량을 0.5ton/day로 하였다.
먼저 도 13에는 비소제거율과 탁도에 대한 결과가 나타나 있다. 도 13을 참고하면, 초기 비소농도가 376μg/L에서 10분이 경과한 시험에서 음용수 기준인 10μg/L 이하로 저하되는 것을 확인하였으며, 지하수의 탁도 역시 현저히 저하되는 것을 확인하였다. 도 14를 참고하면, 대장균과 호기성 미세물도 반응시간이 100분을 경과하는 시점에서 거의 완전히 제거됨을 알 수 있다.
도 14 및 도 15의 실험결과는 앞의 실험을 반복하되, 원수 유입량을 1.1ton/day로 증가시킨 것이다. 도 14 및 도 15의 결과도 앞의 비소제거율, 탁도저감율 및 미생물 제거율과 동일한 결과를 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 전기화학반응을 통해 비소를 제거하기 위한 물질인 철을 용출시키며, 이와 함께 용존산소가 제거되어 혐기성 환경이 형성되는 것을 이용하여 미생물을 제거하는 공정을 도입하였다.
본 발명에 따르면 중금속과 미생물에 의하여 복합 오염되어 있는 지하수를 음용 가능한 수준으로 정화처리할 수 있다는 이점이 있다.
특히 고체 상태의 철을 그대로 사용하지 않고 용출시키는 과정을 거침으로써 철의 비표면적이 증대하여 비소를 흡착 및 공침시키는데 매우 큰 이점이 있다.
또한 전기화학반응을 이용하면서 단지 비소만을 제거하는 것이 아니라, 혐기성 환경이 조성되는 것을 이용함으로써 한 번의 공정으로 미생물 제거라는 효과도 나타낼 수 있으므로 공정의 혁신 및 간소화가 가능하다는 이점이 있다.
이를 통해 상수 시설 등의 인프라가 충분하지 않은 지역에서 지하수를 깨끗하게 처리하여 음용수로 활용할 수 있는 계기를 마련할 것으로 보인다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
100 ... 미생물 및 중금속 복합 오염 지하수 처리시스템
10 ... 전기화학반응조, 20 ... 폭기조, 30 ... 여과조
10 ... 전기화학반응조, 20 ... 폭기조, 30 ... 여과조
Claims (7)
- 중금속 및 미생물로 복합 오염된 지하수를 처리하기 위한 시스템으로서,
지하수를 수용하는 반응조와, 상기 반응조에 설치되는 음전극과 철 소재의 양전극 및 상기 양전극과 음전극에 전기를 인가하는 전원부를 포함하여, 상기 양전극에서는 철이 산화되어 용출되며, 지하수 내 용존산소가 2가 철을 3가 철로 산화시키며 혐기성 환경이 조성되는 전기화학반응조;
상기 전기화학반응조에서 배출된 지하수를 수용하며, 산소가 공급되어 상기 지하수에 포함되어 있는 철을 수산화물 형태로 침전시키며, 상기 수산화물 형태의 철은 지하수 내 중금속과 흡착 및 공침되는 폭기조; 및
상기 폭기조에서 배출된 지하수와 침전물을 상호 분리하기 위한 여과조;를 구비하며,
상기 미생물은 호기성 세균으로서, 상기 전기화학반응조에서 지하수 내 용존산소가 소모되면서 상기 호기성 세균이 제거되는 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리시스템. - 제1항에 있어서,
상기 중금속은 비소를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 음전극도 철 소재인 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리시스템. - 제1항에 있어서,
상기 여과조는 상향식 흐름을 형성하도록 유입구는 하부에 유출구는 상부에 형성되며, 상기 유입구와 유출구 사이에 침전물을 걸러내기 위한 필터가 개재되는 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리시스템. - 중금속 및 미생물로 복합 오염된 지하수를 처리하기 위한 방법으로서,
(a)상기 지하수에 철 소재의 양전극과 음전극을 투입하여 전기화학반응을 수행하여, 지하수 내로 철이 용출되도록 하며, 지하수 내 용존산소가 철과 반응하여 혐기성 환경을 조성하여 미생물을 제거하는 단계;
(b)상기 지하수에 산소를 공급하여 용존된 철이 수산화물 형태로 침전시키며, 철이 침전되는 과정에서 상기 지하수 내 중금속을 수산화물 형태의 철에 흡착 및 공침시켜 제거하는 단계; 및
(c)상기 지하수 내 침전물과 상등수를 상호 분리하는 단계;를 구비하며,
상기 미생물은 호기성 미생물로서 상기 (a)단계에서 지하수 내 용존산소가 소모되면서 혐기성 환경이 되면서 상기 호기성 미생물이 제거되는 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리방법. - 제6항에 있어서,
상기 중금속은 비소를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 및 미생물 복합 오염 지하수 처리방법.
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