KR19980067688A - 오폐수로부터 중금속 제거 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오염수를 공기와 함께, 석회석이 충진된 충진탑을 통과시키는 단계와, 불용화된 침전물을 침전시키고 상등액을 분리막을 통과시켜 여과시키는 단계로 이루어지는 오염수에서 중금속을 제거하는 방법 및 이러한 방법을 수행하는데 적합한 장치에 관한 것이다.

Description

오폐수로부터 중금속 제거 방법 및 그 장치

본 발명은 철분 등의 중금속이 많이 함유된 지하수, 지표수 또는 폐수의 처리 공정 및 이에 이용되는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 수용성 2가 철이온을 다량 함유하고 있는 오염수의 경우 공기와 접촉하여 불용성의 삼가 철이온을 형성하게 되어 퇴적물을 발생시키며 이 산화철로 인해 식수의 맛이 떨어지고 녹을 유발하며 수도관이 부식되는 등 식수원으로서 이용이 어려워진다.

철분과 같은 중금속을 제거하는 방법으로는 공기 포화에 이은 기계적 여과법, 염소 등의 화학 첨가물에 의한 산화 및 기계적 여과법, 양이온 교환 수지법, 그리고 망간 푸른 모래법 등이 알려져 있다. 이들 중 포기-여과법은 공기 또는 산소 포기(胞氣)에 의해 철을 산화시킨 후 여과법으로 침전물을 거르는 것으로, 원수의 특성에 따라 차이는 있으나, 일반적으로 산화를 위한 충분한 포기에 상당한 시간이 걸리고 낮은 pH 조건에서는 산화가 어려우며 초기 장치비가 비싸다는 단점을 갖는 한편 첨가물에 의한 운전 비용의 부담이 없고 철을 높은 농도로 함유하는 물을 처리할 수 있다는 장점이 있다. 이 방법에서는 원수의 pH가 반응에 중요한 변수로 작용하는 것으로 알려져 있으며 여과 방법으로는 일반적으로 모래와 무연탄을 혼합해서 가압하는 여과 장치를 이용한다. pH 조절을 위하여 생석회를 사용한 예가 있으나, 생석회를 제조하는데 많은 비용이 들며, 또한 생석회는 물에 대한 용해성이 높아 처리 공정 중 계속적으로 공급해 주어야 한다는 단점이 있다.

염소화-필터법은 화학 첨가물을 주입하고, pH를 조절한 후 여과하는 것으로 이루어진다. pH의 조절을 위해 가성 소오다(NaOH) 또는 생석회(Ca(OH)₂) 등을 이용할 수 있다. 염소 기체 또는 하이포클로라이드 등이 산화제로 이용될 수 있다. 이 방법은 화학 첨가물을 주기적으로 공급해 주어야 한다는 점과 충분한 산화 접촉시간을 보장해야 한다는 점 등의 단점을 가지고 있다.

양이온 교환 수지법은 사용 중에 주기적으로 수지의 재생을 위한 조작이 필요하고 사용에 따른 양이온 교환 수지 성능의 저하가 문제가 된다.

망간 푸른 모래 여과법은 푸른 모래의 완충 작용에 의한 안정된 수처리가 가능하나 염소화법과 유사한 문제점을 안고 있으며 주기적으로 과망간산칼륨이나 차아염소산나트륨 등으로 푸른 모래를 처리해야 한다.

이와 같은 대부분의 산화-여과 공정은 산화 공정에 있어 오랜 접촉 시간과 산화제의 첨가 등으로 인한 운전 비용 등이 문제가 되며 여과 공정에 있어서도 여과 과정에서 회수되는 침전물의 부피를 최소화시키는 문제가 남는다. 또한 후처리 공정 등에서 유래되는 부산물로 인해 이차적인 환경 문제가 우려되기도 한다.

전형적인 철분 제거 공정은 공기 포화, 산화제의 첨가, 응집제의 첨가, 침전, 여과로 구성된다. 그 예로 Montegomery의 산화슬럿지의 재순환에 의한 산화, 침전 및 여과 공정(미국 특히 제 4,288,328 호)을 들 수 있다. 이 특허에서 전체적인 공정은 크게 백반 첨가, 공기 포화, 생석회의 첨가 및 혼합, 염소의 첨가에 이은 응집 공정, 침전 및 슬럿지의 재순환, 여과 공정으로 구성되어 있으며, 특히 산화된 슬럿지의 재순환은 염소의 이용을 대폭 줄여 운전비용을 절감하는 효과를 보였다.

본 발명에서는 산화제 및 응집제의 첨가를 배제하고 공정을 간단하면서도 효율적으로 구성하고자 일반적으로 이용되는 생석회 대신에, 안전하며 물에 대한 용해성이 생석회보다 낮아 계속적으로 공급할 필요가 없고, 비용이 저렴한 자연산 석회석을 탑에 충진시켜 사용함으로써 효율적인 산화가 이루어지도록 하였으며 침전조에 분리막을 내장시켜 전체 처리공정을 단순화시키고자 한다.

따라서 본 발명의 목적은 생석회를 비롯한 산화제와 응집제를 별도로 첨가할 필요없이, 오폐수로부터 철분을 제거하는 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 연속적으로 오폐수로부터 철분을 제거하는 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 석회석을 충진시킨 충진탑과 여과막이 내장된 침전조로 이루어지는, 연속적으로 오폐수로부터 철분을 제거하는 장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 중금속 오염수 처리의 공정도.

도 2 는 액위조절에 의한 주기적 역류 시스템을 포함한 중금속 오염수 처리의 공정도.

도 3 은 침전조내의 공기 유입에 의한 주기적 역류 시스템을 포함한 중금속 오염수 처리 공정도.

본 발명은 철분 등으로 오염된 오폐수로부터 중금속을 제거하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법은 석회석을 충진시킨 충진탑에 오폐수를 공기와 함께 통과시키는 단계와, 불용화된 침전물을 침전시키고 상등액을 분리막을 통과시켜 여과시키는 단계로 이루어진다.

상기 충진탑에서는 지하수의 효율적인 산화를 위해 석회석을 이용한 알칼리화와 포기를 토한 산화가 동시에 수행된다. 오폐수속의 중금속 산화는 pH에 크게 의존하며, 알칼리 분위에서서 산화가 촉진된다. 본 발명에서는 석회석에 의한 적정 pH가 유지(7.5-8.0)되며, 기존에 pH 조절을 위해 사용되었던 생석회는 물에 대한 용해도가 크므로 오염수 처리 공정동안 주기적으로 공급하여야 하였음에 비해, 석회석은 물에 대한 용해도가 낮아 서서히 용출되므로 한 번 충진시킨 후 공정중 추가로 공급할 필요가 없다. 또한 공기의 흐름에 의해 석회석 표면의 산화물 퇴적을 지속적으로 차단시켜 장기적인 석회석 이용이 가능하다.

본 발명의 방법에서 오폐수 중 제거하고자 하는 중금속을 효과적으로 산화시키고, 산화철 등의 산화물이 석회석층 내에 퇴적되는 것을 방지하기 위해 공기와 오염수를 상향식으로 공급하는 것이 바람직하다. 상향식 공기 포기에 의해 산화가 촉진되므로 별도의 산화제 첨가나 산화 후처리 없이도 높은 속도의 중금속 처리가 가능하다.

산화의 결과로 나온 산화 침전물은 침전조에서 일차로 침전을 거친 다음 침전조 상단에 설치된 분리막을 통과시켜 부유 침전물을 여과함으로써 제거된다.

또한 본 발명의 방법은 추가로, 장기적인 운전을 가능하게 하기 위해 분리막에 주기적인 역흐름을 주는 단계를 포함할 수 있다. 이와 같이 주기적으로 분리막에 역흐름을 줌에 의해, 막의 표면에 생기는 케이킹 및 막힘을 방지하는 동시에 분리막에 퇴적된 침전물을 침전조 바닥으로 효과적으로 떨어뜨려 높은 처리효과를 유지하면서 장기 운전이 가능하다.

분리막에 역흐름을 주는 것은 예를 들어, 액위차에 의해 또는 분리막 앞부분에 직접 공기를 불어넣어 줌에 의해 수행될 수 있다.

분리막에 역흐름을 주는 한 예로서 액위 제어 컬럼을 사용하는 경우 도면을 참고하여 설명하면, 침전조를 빠져 나온 처리수를 액위 제어 칼럼(6)에 잠시 체류시키는데 솔레노이드 밸브(7)에 연결된 자동 타이머(8)가 일정한 시간이 경과한 후 액위 제어 칼럼(6) 상단부의 솔레노이드 밸브(7)를 열어 공기를 불어넣어 주고 액위 제어 칼럼의 배출구에 연결된 솔레노이드 밸브(7')는 차단시켜 액위를 낮춰 역흐름을 준다. 액위 제어 칼럼내에 저장되었던 처리수는 역방향으로 즉, 침전조의 배출구를 통해 침전조로 들어가 분리막(5)에 역흐름을 주어 분리막내에 있는 산화철을 분리 재침전시킨다.

분리막에 역흐름을 주는 또다른 예로서, 별도의 액위제어컬럼을 사용하는 대신, 침전조의 배출구 상단 분리막의 앞부분에 공기 주입구(11)를 설치하여 주기적으로 공기를 불어넣어 주면 분리막의 배출부위의 액위가 내려가 막 사이의 역류를 유발하여 막표면의 고형물을 제거할 수 있다.

침전된 산화철 슬럿지는 주기적으로 회수할 수 있다.

본 발명의 방법은 여타 첨가물이 필요가 없고 공정이 간단하므로 중소 단위의 정수 시설로 이용이 가능하며 대형 정수 시설에 대한 부가적 공정으로도 이용할 수 있다. 또한 기존의 이온 교환 수지나 역 삼투압 방식의 공정과는 달리 미네랄의 제거가 없이 양질의 음용수를 얻을 수 있고 부산물의 발생이 전혀 없다.

한편, 본 발명은 오염수로부터 중금속을 효과적으로 제거하는데 적합한 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는 도면을 참고로 설명하면, 석회석이 충진될 충진탑과, 내부 상단에 연결되어 수직으로 설치된 흐름 차단막(4)과 침전조의 방출구 부근에 설치된 분리막(5)을 가지는 침전조로 이루어진다.

상기 침전조에는 분리막 앞 부분에 공기를 공급할 수 있는 공기 주입구를 설치할 수 있다.

침전물이 적정 수준 이상으로 쌓이면 침전조 하단에 있는 밸브(9)를 열어 침전물을 빼낸다.

본 발명의 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 이들 실시예는 본 발명의 범위 중 일부를 보여주는 것으로서 본 실시예들로서 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

황산제일철을 증류수에 용해시켜 철분만의 농도가 20mg/L(20ppm)이 되도록 철분 오염수를 준비하였다. 직경 10cm에 높이 80cm인 원통형 칼럼(1)에 직경 1cm의 구형화된 석회석(2)(7.0kg)을 충전시키고, 앞에서 준비한 오염수를 상향식으로 100ml/min의 속도로 공급하였다. 산화되어 불용화된 산화철은 곧바로 상단의 나비가 70cm이고 높이가 55cm인 역삼각형의 침전조(3)로 주입시켰다. 침전조에서 일차적으로 산화물이 침전되었다. 처리수의 흐름에 따라 처리수는 주입구에 대해 흐름 차단막 반대편에 있는 방출구 부근에 설치된 분리막(5)(2000매시)을 통과하게 되므로, 부유물은 이 분리막에서 여과되었다.

침전조를 빠져 나온 처리수를 직경이 5cm이고 높이가 80cm인 원통형 액위 제어 칼럼(6)에 잠시 체류시키는데 솔레노이드 밸브(7)에 연결된 자동 타이머(8)에 의해 50분을 주기로, 액위 제어 칼럼(6) 상단부의 솔레노이드 밸브(7)를 열어 공기를 불어넣어 주고 액위 제어 칼럼의 배출구에 연결된 솔레노이드 밸브(7)는 차단시켜 액위를 낮춰 30초씩 25l/min으로 액위 제어 칼럼에 공기를 불어넣어 주어 역흐름을 발생시켰다.

처리 후 물의 평균 철분 농도는 0.03ppm으로 음용수 기준치인 0.3ppm을 크게 밑돌았으며 칼슘 이온 농도 또한 20에서 25ppm으로 양질의 물을 얻을 수 있었다.

[실시예 2]

주기적 역흐름 장치로 액위 제어 칼럼(6)을 사용하는 대신 침전조에 직접 공기를 불어넣어 역흐름을 유발하는 새로운 침전조(10)(도 3)를 이용하여, 실시예 1 의 방법에 따라 수처리 실험을 수행하였다. 즉, 침전조의 배출구 상단에 공기 주입구(11)를 설치하여 자동 타이머(8)와 솔레노이드 밸브(7)를 이용하여 주기적으로 공기를 20l/min의 유량으로 3초동안 불어넣어 주어 막 사이의 역류를 유발하여 막표면의 고형물을 제거하였다. 20일동안 운전하였을 때 처리 후 철분의 평균 농도가 0.01ppm인 뛰어난 정수 처리 능력을 나타내었다.

[실시예 3]

처리수로 강원도 삼척시 오십천 부근에서 채취한 철분 농도 290ppm, pH 6.18의 약산성 폐광산 산성 오염 폐수 150리터를 이용하였다. 유량을 20ml/min으로 하는 것을 제외하고는 실시예 2 와 동일한 방법에 의해 수처리 실험을 수행하였다.

125시간 동안 20ml/min의 유량으로 처리하였을 때 처리 후 평균 철분 농도는 0.22ppm이었으며, 처리된 오폐수의 수소 이온 농도 또한 pH 7.11로 중성화되었다.

본 발명에서는 기존의 생석회 대신 값싸고, 계속적인 공급이 필요없는 석회석을 사용하여 오폐수를 중성에 가까운 pH 7-8의 범위로 유지함으로써 산화에 좋은 조건으로 유지할 수 있다.

본 발명의 방법은 공정이 간단할 뿐 아니라 부산물의 발생이 없고, 기존의 이온 교환 수지나 역 삼투압 방식의 공정과는 달리 미네랄의 제거가 없이 양질의 음용수를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 오염수를 공기와 함께, 석회석이 충진된 충진탑을 통과시키는 단계와, 불용화된 침전물을 침전시키고 상등액을 분리막을 통과시켜 여과시키는 단계로 이루어지는, 오염수에서 중금속을 제거하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 오염수와 공기를 상향식으로 공급하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 공기를 주기적 펄스로 공급하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 추가로, 상기 분리막의 막힘을 방지하기 위해 주기적으로 상기 분리막에 역흐름을 주는 것으로 이루어지는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 석회석이 충진탑에서 오염수의 pH를 pH 7-8의 범위로 유지시키는 방법.
6. 석회석을 충진시킨 충진탑과, 상기 충진탑과 연결되며 내부 상단에 연결되어 수직으로 설치된 흐름 차단막과 내부 배출구 부분에 부유물을 여과할 수 있는 분리막을 갖춘 침전조로 이루어지는, 오염수로부터 중금속을 제거하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 분리막에 역흐름을 주기 위해 추가로, 상기 침전조의 분리막 앞부분에 공기 주입구가 설치된 장치.
8. 제 6 항에 있어서, 분리막에 역흐름을 주기 위해 추가로, 상기 침전조에 액위제어칼럼이 연결된 장치.