KR19990064892A - 이산화탄소와 소석회의 화학반응을 이용한 나선식 흐름관형 폐수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학반응을 이용한 폐수처리 장치를 개발하는 기술이다. 본 발명에서 사용된 화학반응은 이산화탄소와 소석회를 이용한 폐수처리장치로서 설치비 및 운영비의 경제적비용 뿐만아니라 장비의 규모를 축소시킬 수 있는 공정을 개발하는데 특허출원 목적이 있다. 본 발명의 장치개발범위는 화학반응시간을 늘리고 응집물의 침강속도를 증진시켜야 하는 문제를 가지고 있는데 이러한 문제점을 해결하기 위해서 나선식 흐름관형 반응기를 개발하고 소량의 화학첨가제를 투여하여 기존 응집·침전방법에 비해 색도나 탁도가 현저히 증진되고 폐수내 부유물과 용존 유·무기물제거효율을 증진시키는 장치를 발명하는 데 있다. 즉, 응집물 침강속도의 증진으로 반응기내에서 화학반응과 응집·침전을 동시에 발생하도록 나선식 흐름관형을 반응기외부에 부착하여 화학반응시간을 늘리고 거대 응집물생성과 동시에 고속응집으로 고-액분리가 원활히 일어나도록 침전방식을 개량하고 장치규모를 축소시키는 데 주요착안점을 두었다.

Description

이산화탄소와 소석회의 화학반응을 이용한 나선식 흐름관형 폐수처리장치{Wastewater Treatment of Circular Plug-Flow Reactor using Chemical Reaction of Carbon Dioxide and Calcium-oxide}

본 발명은 유기성 오폐수를 침전정화처리하는 방법에 관한 것이다.

종래의 관련기술은 산,알칼리약제로 중화공정을 거치고 각종 유기 및 무기의 응집제를 사용하여 인위적으로 응집물을 형성시켜 폐수중의 BOD, COD 및 색도원인물질과 기타중금속물질 등을 흡착침전으로 제거하는 방법은 구조물이 대형화하고 운영상의 복잡성을 면치 못하고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 하는 것인데 이를테면, 1차침전조내에 나선식 흐름형 반응관(Plug flow tube reactor)을 장치하여 화학반응에 의한 침전을 유도함으로써 반응시간을 늘려야 하는 문제점을 해결하고 응집물의 침강속도를 조절함으로써 기존의 대규모 침전조를 없애고 원통형반응기내에서 부유물 및 용존 유기물을 제거하면서 고-액분리를 원할하게 침전분리하였다.

이를 위하여 종전의 응집·침전처리방법의 근원인 중화공정과 다양한 응집제투입공정을 본 발명에서는 기존의 자연침강속도에 따른 침전조의 대형화를 막고 소석회의 화학반응과 소량의 화학첨가제에 의한 중축합반응이 동시에 이루어 지도록 함으로써 폐수처리시 색도와 탁도를 현저히 줄이고 발생슬러지는 재활용이 훨씬 용이해 지도록 하였다.

본 발명의 처리방법은 폐수중의 부유되거나 용존상태의 유기물을 소석회와 이산화탄소의 화학반응을 일으키게 되면 pH 10.3에서 아래와 같은 화학반응식으로 탄산칼슘반응이 이루어지면서 소석회내로 이산화탄소의 유입시 주위의 오염원과 함께 소석회세공내로 빠르게 흡입이 일어나 반응물이 급작스럽게 생성될때 환경오염원이 소석회세공내 표면에 흡착된다. 나선식 흐름형관을 통해 이산화탄소와의 반응이 용해상태의 오염물질과 결합되면서 응집물이 흡착→입자화 → 응결 → 응집 → 축합 → 중축합 등의 복잡한 단계를 거치면서 거대 분자화한다. 오폐수에 용해(溶解)되어 있는 오염물질은 소석회와의 반응으로 빠른시간내에 슬러지로 변성되고 반응생성물은 화학반응조내 침전분리장치에서 고-액(固-液)분리된 후 상등액(上等液)은 오염물질이 극소한 물로 정화처리하는 것이다.

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

CO₂+ Ca(OH)₂= CaCO₃+ H₂O

Ca(HCO₃)₂+ Ca(OH)₂= 2CaCO₃+ 2H₂O

위에서 열거한 폐수처리는 반응시간과 약품과의 혼화정도에 따라 달라지며 본 발명의 처리장치는 원수조로부터 유입된 유입수가 약품혼화조, 반응-침전조로 구성되며 반응장치의 특징은 반응시간을 늘리기 위하여 흐름관을 나선식으로 길게 하여 침전조주위에 부착시켜 연속적으로 이산화탄소와 화학반응시간을 증대시키는 장치의 개발이 중요하다.

산업체에서 주로 행하여지는 폐수응집침전방법은 응집제를 주입하여 혼화시키고 침전시키는 공정을 가지고 있으나 본 발명은 우선 응집제의 주입을 현저히 줄이고 소석회와 소량의 화학첨가제를 주입한 후, 이산화탄소와 반응시켜 화학반응물과의 축합반응으로 응집물의 형성속도를 빠르게 진행시키는데 목적이 있다. 그러나 이러한 공정은 소석회와 이산화탄소와의 반응시간을 정확히 조절하여 반응생성 응집물 형성이 제대로 일어나게 하는 것이 중요한데 이를 위해서 장치의 규모가 커질 수 있으나 본 발명장치는 나선식 흐름관형 반응기를 채택하여 반응시간을 임으로 조절하면서 반응과 응집물 침전이 동시에 이루어 지도록 장치구성하였다.

본 발명은 응집물의 침강속도의 증진과 더불어 용존 유·무기물의 제거를 효과적으로 달성하는데 일차적인 목적이 있고 운전비의 감소, 설치공간을 줄이는 데 부차적인 목적이 있다. 따라서 본 발명의 실험결과, 소석회를 폐수와 충분히 혼합한 후 이산화탄소와의 반응을 시키면 급격한 화학반응으로 침강속도가 증가하고 폐수내 COD와 BOD가 제거될 뿐만 아니라 색도, 악취 등이 크게 개선된다는 점이다. 현재의 폐수응집·침전장치에 문제시되고 있는 장치의 대형화를 축소시킬 수 있고 기존시설의 경제성과 기술적인 면 등을 현저히 개선시키는 데 궁극적인 목적이 있다.

오폐수는 계면활성제등이 세제류와 암모니아성질소 등의 유·무기물이 높아서 이의 처리가 문제점으로 대두되고 있다. 오폐수처리공정과 사용약품은 각 배출업소의 여건에 따라서 다양하지만 통상의 처리공정은 화학적인 처리와 물리적인 처리를 행하는 것이 보통이다. 지금까지 통상의 처리법은 다음과 같다.

1) 공정도

2) 처리방법

본 발명과 비교하기 위하여 기존의 폐수의 처리장치에 관한 설명은 다음과 같다.

종래의 관련기술은 산, 알카리약제 등으로 중화공정을 거치고 알럼이나 가성소다 및 소석회, 염화제이철, 황산제이철, 포리황산제이철 등의 제이철염을 주제로 한 것과 액체 유산반토, PAC, PAS 등의 알루미늄을 주제로 한 것 등의 다양한 종류의 각종 유기 및 무기의 응집제를 사용하여 인위적으로 뜬찌기(Scum)를 형성시켜 폐수중의 BOD, COD 및 색도원인 물질과 기타 중금속물질 등을 흡착침전으로 제거한다. 이 경우에 통상으로 1차침전조에서 오폐수에 유입되는 부유물질을 제거하기 위해 유입수량의 6시간분량 정도이상이 되어야 하기 때문에 장치의 구조가 대형화하여야 한다. 특히 폐수의 성상별로 응집제 등의 약품을 조제하고 체류시간 및 2차 침전조 등이 필요하므로 장치의 복잡성을 면치 못하고 있다. 이러한 문제점을 열거하면 아래와 같다.

① 응집·침전처리결과는 대개의 경우, COD 및 색도의 제거효율은 30∼40%정도이고 경우에 따라서는 여과장치 등으로 후처리를 통과하여야만 수질환경보전법상의 배출허용기준 수준으로 처리될 수 있다.

② 상기에 언급하였듯이 응집침전을 원할히 하기 위해 pH를 조절하기 위한 화학처리를 하여야 하고 다양한 유기고분자 또는 염화제이철 등의 화학응집제를 투입하여 많은 비용의 유지비 지출은 물론 탈수처리된 슬러지는 농토환원이 불가능하고 토양오염이 되는 등 처치곤란으로 제2의 오염물질을 생성하게 된다.

기존의 폐수처리방법과는 달리 공기부상이나 오존을 이용한 폐수처리 공정은 간혹 실시되고 있으나 기술적이나 경제성으로 평가하여도 응집제를 줄이거나 일부 처리공정이 없어지는 것이 아니며 경제적으로 오히려 투자비가 증가하여 본 발명과 같은 이산화탄소를 폐수처리를 위해 사용한 예도 국내에서는 아주 드물다. 이산화탄소를 이용한 폐수처리 기술은 반응화학적인 측면에서 국내에서 연구된 적이 없으며 현재까지 이를 상업화한 예도 없다. 기초연구로서 공급기체인 이산화탄소를 소석회와 직접반응시켜 폐수내 유·무기물의 제거와 응집·침전을 통해 폐수처리효율을 증진시킬 수 있는 연구논문도 국내에서 발표된 적이 없다.

상기한 바와 같은 폐수의 응집·침전처리방법은 pH가 10이상인 경우, 황산등의 산을 첨가하여 응집·침전이 되도록 pH를 조절하여야 하나 본 발명은 폐수와 소석회를 적절히 혼합하여 폐수의 pH를 중성으로 조절하기 위해서는 이산화탄소와의 반응시간조절이 필요하다. 또한 기존의 응집·침전시설은 정상적인 가동이 되었다 하더라도 유기물질의 잔류함량이 BOD 20ppm이상 미처리 상태로 잔류되어 있어 이를 처리하기 위해서는 많은 양의 약품처리가 되어야 하나 본 발명은 이러한 약품사용을 줄이고 용존유기물의 처리효율을 증진시켜야 하는 과제를 안고 있다.

본 발명에서는 미량의 고분자화학제 첨가로 폐수 중에 용해되어 있는 오염물질의 입자화한 후 응집결합을 촉진하고 입자의 크기를 중축합 등의 복합적인 물리화학적 반응에 의해 거대분자화되어 효율적인 응집·침전이 이루기 위한 과제가 필요하다. 즉, 소량의 고분자응집제를 첨가하여 응결(Flocculation)에 의한 응집처리효과의 증진을 이루어야 한다.

제1도는 본 발명의 나선식 흐름관형 폐수처리를 위한 각 공정별 모식도

제2도 (가),(나)는 본 발명 제1도에서 화학반응침전조의 정단면도 및 평면도

제3도는 본 발명의 나선식 흐름형관내 이산화탄소 산기관의 확대단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 화학반응침전조, 2: 나선식 흐름형관, 3: 볼형 이산화탄소 산기관,

4: 봉형 이산화탄소 산기관, 5: 이산화탄소탱크, 6: 약품혼화조, 7: 교반기

8: 이산화탄소 부상조, 9: 약품주입기, 11: 약품주입 자동제어기,

12: 슬러지 배출구, 13: 상등액 배출구, 14: 약품주입구, 15: 원수유입조,

17: 화학반응조내 침전슬러지, 18: 침전조내 배플(baffle), 19: 유입수 가름판,

20: 약품혼화수 유입관

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명자는 폐수원수를 가장 경제적이면서 응집·침전을 효과적으로 개선하기 위한 연구를 오랜동안 행하여 왔다. 그 결과 본 발명처리방법은 ① 원폐수를 공기부상시키고 혼화조에 이산화염소를 첨가한 후에 석회석을 넣고 혼합한 후 이산화탄소를 주입하게 되면서 pH는 중화되고, ② 이산화탄소와 소석회의 화학반응이 격(激)하게 일어날 때 이산화탄소의 소석회세공내로 흡입되는 과정에서 오염원의 흡입이 빠르게 일어나고 탄산칼슘화되는 과정에서 주위의 입자들과의 흡착이 일어나면서 고분자 음이온계 화학첨가제의 투여로 고분자축합반응이 동시에 일어나게된다. 이 경우에 폐수내 용존유·무기물이 제거가 기존의 응집·침전보다 처리효율이 높아진다. ③ 이 경우에 BOD, COD가 기준치 이하로 감소하고 색도도 크게 저하되면서 악취가 전혀 발생하지 않는 놀라운 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명자는 다년간 이산화탄소와 소석회반응에 의한 처리방법으로 생활오수, 염색폐수, 의정부 하수 등을 처리하였으며 동두천 하수처리 수질은 표1과 같다

표1: 하수처리수 운전결과 평균수치

도면 1도는 본 발명의 공정도를 표시하며 이하는 공정도의 상세한 설명이다.

본 발명에 의한 화학반응장치의 실시 계통도를 보인 일례를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 화학반응침전조(1)는 약품혼화조 (6)와 이산화탄소 부상조(8)가 이산화탄소 산기관(3,4) 등이 구비된 통상의 화학반응기로 구성되며, 이 화학반응조의 저면에는 이산화탄소탱크(5)를 설치하여 이산화탄소가 나선식흐름관 내부에 산기되도록 하였다. 기체유입관(3)은 볼모양의 산기관이 이산화탄소 압력탱크(5)에 연결하여 간헐적으로 이산화탄소가 화학반응침전조(1)에 나선식으로 둘러싸인 흐름형관(2)에 유입되도록 연결되어 있으며 압력계(10)를 설치하여 이산화탄소의 분출속도를 임으로 조절하면서 주입량을 조절하였다. 약품혼화조(6) 앞에는 폐수유입조(15)를 설치하여 폐수의 유입이 이루어지며 반드시 약품혼화조(6)와 봉모양 산기관(4)으로 분산되는 이산화탄소 부상조(8)를 거친다음 화학반응침전조(1)에 유입하도록 하였다. 반응조내부의 약품의 주입은 교반기(7)를 사용하여 일정하게 약품주입구(9) (소석회와 화학첨가제)로부터 혼화되어 약품주입구(14)를 통하여 약품혼화조내로 유입이 이루어지며 약품의 유입은 자동조절될 수 있는 자동제어판(11)에 연결하여 약품주입을 임으로 제어하도록 연결하였다.

이산화탄소와 석회석이 반응된 후 침전되는 침전물은 반응조하부(17)로 모여서 펌프(P4)에 의해 배출구(12)로 빠져나가도록 장치하였으며 약품주입과 이산화탄소의 주입은 탄산칼슘의 침전과 상호 연속성이 있도록 순서대로 주입후 반응, 침전이 일어나도록 반응조내에서 제어되었다. 응집침점물의 원할한 분리를 위해 반응조내로 유입되는 유입수는 유입수가름판(19)을 수직단면으로 15°정도 반응기 상부 반응기벽면 쪽으로 경사를 주어 유입구(160로부터 유입되는 처리수를 통과하고 반응기에 설치된 배플(18)을 거친 후에 효과적인 분리가 이루어지면서 침전물이 반응침전조 하부(17)에 수집이 용이해 지도록 하였으며 이와같은 침전방법으로 고-액분리조작은 상등수를 배출구(13)로 극소의 오염원을 가지며 배출되도록 구성하였다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.

실시예 1

도면 제1도에 있어서 오폐수는 원수유입펌프(P1)을 통해 유입되는 원수는 도면 제1도에는 묘사되고 있지 않지만 압축공기를 0.5HP의 동력으로 분당 1.1m³의 속도로 공기부상된 유입수이다. 원수유입조(15)에 유입된 폐수는 약품혼화조(6)로 반송되며 교반기(7)로 150rpm의 속도로 교반하면서 제어판에 연결된 약품주입조(9)(소석회와 화학첨가제)가 주입된다. 주입되는 약품의 중량백분율농도는 소석회의 경우 4.0wt%와 응집제의 경우 0.1wt%와 이산화염소 4.8wt%가 주입되며 사용된 고분자응집제는 Sulfon산 음이온계 유기고분자응집제이다.

화학반응침전조(1)에 유입된 오폐수는 이산화탄소를 10ℓ/min 속도로 나선식 흐름형관(2)과 이산화탄소 폭기조(8)를 전처리함으로써 혼화조에서 유입되도록 하였다. 이경우에 소석회와 충분히 교반혼합 반응시키게 함으로써 pH는 중성으로 변하면서 탄산칼슘의 반응물을 생성을 유도하도록 충분한 반응시간이 필요하다. 이같은 반응생성물은 용해상태의 오염물질과 부유물들이 응집, 결합 및 첨가된 고분자의 응집제 등으로 중축합반응을 일으켜 거대분자화가 되면서 빠르게 침전되어 고-액분리가 유도되며 응집된 슬러지는 펌프(P4)를 이용하여 정기적으로 배출된다. 이같은 화학반응침전조는 종래의 응집침전조에 비해 적은 양의 응집제를 주입하면서 유기물을 반응과 응집에 의해 침전시키므로써 처리효율이 우수하고 악취가 거의 없고 탁도가 개선되는 효과를 갖는 것이 특징이다.

화학반응침전조(1)는 거대분자화된 용해성 물질의 고형물과 물(상등수)로 분리시킴으로써 신속히 침전되고 침강된 슬러지는 자동조작펌프에 의해 탈수액은 원수집수조(표시하지 않았음)에 반송되고 고형물은 제거된다.

실시 예 2

폐수 10톤/시간의 양을 본 발명의 방법으로 처리하는데 실시예1에서 투여된 화학첨가제를 사용할 경우에 10ℓ/min의 이산화탄소를 30초정도 화학반응시켜야 오폐수의 pH는 7로 중화가 된다. 이산화탄소와 화학반응이 이루어진 폐수는 급격한 화학반응으로 인해 용존유기물이 탄산칼슘의 침전물과 함께 부착제거되면서 주위의 부유물질 등과 함께 응집·침전되면서 20초내외로 빠르게 침전된다.

본 발명에서 경기도 양주군소재에서 발생하는 화학공장폐수를 나선식 흐름형관을 사용하여 처리한 결과, BOD, COD 및 색도의 제거효율은 아래 표2와 같이 기존의 처리효율보다 20∼30%이상 제거효율이 뚜렷하게 나타났다.

표2: 폐수의 운전결과 평균수치

표3은 의정부 하수종말처리장에서 수집된 생활하수의 샘플을 본 발명품을 사용하여 처리한 결과, 80%이상의 처리효과가 나타났다.

표3: 생활하수의 운전결과 평균수치

상기의 표에서 보듯이 본 발명의 방법으로 처리한 폐수의 방류수는 BOD, COD 및 색도에 있어서 그 정화정도가 윌등히 개선됨을 알 수 있다.

이렇게 생성된 탄산칼슘은 용해도가 큰 물질이며 응집·침전을 위해 보조제로써 주로 사용하여 왔으나 이산화탄소와 반응을 통한 응집·침전방법은 직접적으로 사용하지 않아 왔다. 본 발명자는 이와같은 이산화탄소와 소석회를 이용하여 화학폐수 뿐만아니라 피혁폐수, 염색폐수 등에서도 COD와 BOD가 현저히 개선된다는 놀라운 사실을 발견하였다.

실시 예 3

나선식 흐름형관(2)은 4m³/hr을 처리하는 경우 2인치 파이프관을 1.5m지름의 화학반응침전조장치 바깥면에 나선식으로 감아 폐수를 흐르게 하였다. 나선형 흐름관의 총길이는 23m이고 이산화탄소 부상조(8)와 흐름형관(2)내에서 30초이상 체류시킨 후 원형 화학반응조내로 유입되는 경우에 화학반응조(1) 하부에서 응집침전이 이루어 지도록 유도하였다. 30초이상 이산화탄소와 소석회의 반응을 시켰을 경우에 pH는 6∼7로 중화되고 응집물의 생성이 육안으로 구분이 가능하였다.

실시 예 4

500m³/hr의 염색폐수처리를 위해 현재 투입되고 있는 응집제 등의 운영비와 이산화탄소를 이용한 응집처리결과와의 운영상의 비용을 비교한 결과는 아래 표4와 같다. 본 발명과 같은 처리 방법을 동두천내 염색회사에 1개월간 적용해 본 결과 기존의 처리방법에 투입되는 약품비용과 비교하였을 때, 상당한 비용의 절감이 일어나고 있음을 알수 있었다. 이는 기존의 응집제 첨가약품인 황산이철 등과 같은 약품의 사용이 줄어들기 때문이다,

표4 : 폐수의 처리비용비교

위 표4에서 볼 수 있듯이 1개월을 기준으로 하였을 경우에 운영비용은 기존처리 비용에 비해 1/3정도의 비용으로 처리가 가능한 것으로 경제성이 파악되었다.

종래의 오폐수를 정화처리함에 있어 오폐수중에 정화되어 있는 유기물 뿐만 아니라 응집제의 상시 투입 등으로 경제성과 운용상의 문제점을 갖고 있고 응집침강속도가 늦기 때문에 응집침전조의 크기가 거대해지고 이에 따른 초기설치비용이 많이 소요되었다. 특히 유기물 등의 처리가 어려워 수질이 불안정하여 이를 위한 2차처리시설을 추가로 설치하였다.

본 발명은 오폐수중에 용해되어 있는 오염물질들을 소량의 고분자응집제 그리고 소석회와 이산화탄소의 급격한 화학반응으로 용해성 유기물질을 결합, 응집, 중축합시킴으로서 거대분자화하여 고·액분리시키게 된다. 이 과정에서 오염물질과 응집-중축합반응은 고-액분리를 촉진시켜 오염물질을 정화시킬 뿐만 아니라 잔류슬러지는 안정화되어 2차오염을 유발시키지 않을 정도의 이상적인 정화를 추구하는 처리방법이다. 특히 응집침전속도의 증가로 인하여 기존의 응집·침전속도와 비교하여 6배이상 증가하므로 장치의 규모가 적어도 처리가 가능하며 무기·유기계통의 응집제의 소요량이 거의 없기 때문에 운영상의 비용을 훨씬 절감할 수 있다. 더욱이 COD와 BOD의 제거효율이 의정부 하수처리장의 오폐수를 이용하였을 경우, 83%이상 제거가 되었으며 탁도와 색도 역시 90%이상 제거 효과를 보이는 등 처리효과를 기존의 응집·침전 방식보다 증가시킬 수 있다. 특히 경제적인 측면에서도 기존의 처리비용과 비교하였을 경우에 운영비의 절감이 50%이상 절감되는 뚜렷한 처리비용효과를 나타내었다.

그러므로 본 발명은 처리공정의 효율성과 운영경비의 경제적인 면에서 만족할 만한 효과를 얻을 수 있었다.

Claims (3)

1. 이산화탄소 부상조(8)로부터 유입되는 유입수를 원통형 화학반응침전조(1)외부에 나선식으로 흐름형관(2)을 부착시켜 약품혼화조(6)내의 소석회와 나선식 흐름형관내 산기관 (3)에서 발생하는 이산화탄소와 접촉시켜 화학반응을 통해 응집·침전이 급격히 일어나도록 침강속도를 증가시키게 함을 특징으로 하는 폐수처리 방법
2. 청구 제 1항에 있어서 약품혼화조(6)로 유입되는 화학첨가제는 4.0wt% 소석회 투입시 0.1wt% 이산화염소와 4.8wt% Sulfon산 음이온계 유기고분자응집제로 구성하는 약품성분의 특징을 가지는 혼화방법
3. 청구 제 1항에서 나선식 흐름형관으로부터 유입되는 폐수를 화학반응후 침전이 동시에 이루어지도록 화학반응침전조 내부로 유입되는 유입수(16)는 반응기벽쪽으로 15°경사진 사선형 유입수가름판(19)을 거친 후 내부에 설치된 배플(18)을 통과하게 되면 무거운 응집물은 화학반응조(1)내 하부로 침전되고 상등수는 배출구(13)로 배출되는 화학반응과 침전이 동시에 이루어지는 특징을 가진 화학반응침전처리 방법