KR200270150Y1 - 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질제거장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 폐광산 갱내수의 주오염물질인 색도, COD, Fe, Al, Mn, Zn, 중금속 이온 등을 표면전기화학 반응을 이용해 처리하는 것에 관한 것으로, 폐광산 갱내수에 미량의 전류를 흘려 폐수내에 이온화 되어 있는 중금속과 철분이 전극표면에서 고농도의 수산기(OH^-)와 반응하여 금속수화물,무기염의 형태로 응집이 일어나 침전시키는 원리를 이용해 폐광산 갱내수를 처리하여 처리효율이 극대화됨으로 물론, 기존의 자연정화번에서와 같은 이차오염에 의한 색도유발뮬질을 제거하여 주변 하천의 시각적 위해감을 저감시키고, 전기에너지와 적은 약품사용량으로 인한 운영비의 감소와 적은 슬러지 발생으로 폐기물 처리비용을 현저히 절감시킬 수 있는 처리기술이다. 또한, 처리공정의 자동화 및 운전의 간편화로 인한 적은 인원의 운영으로 인건비를 대폭 줄일 수 있다. 그리고, 갈수기와 우수시의 갱내수 유량변화에 대응하고 표면전극의 효율을 최적화시키기 위해 반응조 크기를 규격화하고 이를 일정 반응조의 수만큼 병렬로 연결하고 이를 블럭화시켜 유량변화에 따라 가변적으로 가동하며, 전극표면에서의 분극 현상을 저감시킬 수 있는 유동화 공정 시스템으로써 경제적인 운전이 가능하고 유출수 처리 효과가 크다.

Description

표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치{APPARATUS FOR REMOVING POLLUTANTS IN OUTFLOW WATER OF ABANDONED MINE BY SURFACE ELECTROCHEMICAL REACTION}

본 고안은 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐광산 갱내수의 주오염원인 색도, COD, Fe, Al,Mn, Zn, 중금속 이온 등을 응집침전처리시켜 부유물질, COD, 중금속, 이온성 오염물질을 제거하며, 또한 색도를 제거하여 깨끗한 처리수가 방류되도록 한 기술이다.

일반적으로 폐광산에는 많은 량의 갱내수가 유출되고 있으며, 광업소별로 정확한 유량은 다르겠지만, 일례로 강원도의 한 광업소의 경우, 연평균 배출수가 19㎥/min, 일일 배출량 약 23,000㎥/day의 엄청난 갱내수가 배출되고 있다.

문제는 이런 폐광산이 한 지역에만 국한되어 있지 않고, 우리나라의 경우에는 비교적 광물자원이 풍부한 강원도 여러 지역에 골고루 분포되어 있다는 사실이며, 전국 곳곳의 폐광에서 납, 카드뮴 등 유해 중금속이 함유된 폐수가 인근 하천과 토양으로 스며들어 환경재앙을 불러일으키고 있는 상황이다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 종래에는 갱내수를 처리하는 방법으로 자연정화방법과 화학응집침전법을 주로 사용하였다.

자연정화방법은 큰 저류조를 건설하여 갱내수가 일정한 체류시간을 갖도록 하여 부유물질 및 일부 중금속이 물리적으로 가라앉아 침전되도록 하는 방법이며, 화학응집침전법은 갱내수에 NaOH, Alum 등을 투입하여 이온화되어 있는 중금속 및 철분들과 반응을 유발시킨 후, Polymer를 투입하여 응짐, 침점시키는 원리를 이용하여 갱내수를 처리하는 방법이다.

그러나, 이와 같은 종래의 방식은 다음과 같은 단점들이 있는데, 구체적으로 자연정화방법은 이온 및 콜로이드형 무기물의 침전이 어렵고, 퇴적된 침전물의 처분이 어렵다는 문제점이 있으며, 또한, 철의 함유량이 높아 발생하는 붉은 갱내수의 색도가 제거되지 않아 처리수가 불안정하고, 계절적인 요인에 영향을 크게 받으며, 넓은 부지를 필요로 하므로 인해 협소한 계곡에 위치한 광산에는 적용하기가 부적합하다는 문제가 있었다.

그리고, 화학응집침전법의 경우에는 건설비가 적게 드는 반면 약품소요량이 많으며, 약품투입에 따른 이차오염의 발생과 약품소요량이 많은 만큼 탈수케익의 발생량도 많아지게 되어 이에 따른 처분비가 많아 결국 운영비가 많이 든다는 단점이 있다.

또한, 화학응집침전법의 특성상 조업을 위한 상주인원을 많이 필요로 하므로 인건비가 많이 들며, 동절기시 응집제의 공급이 원활치 않을 경우 처리효율에 막대한 영향을 끼친다.

따라서, 종래의 기술이 가지고 있는 처리수의 불안정, 높은 운영비, 계절별 불안정한 처리효율을 개선시킬 수 있는 혁신적인 기술이 필요하게 되었다.

본 고안은 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 폐광산 갱내수내의 색도유발물질, COD, Fe, Al, Mn, Zn, 중금속 이온을 표면전기화학 반응을 이용, 중금속 이온을 제거하여 안정된 처리수를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 다른 목적은 갱내수 처리시 소요되는 약품비, 인건비, 폐기물처리비 등의 많은 운영비를 절감하여, 민원의 대상이 되는 Fe, Ca, Mg, 중금속 이온 등의 색도유발물질까지 깨끗하게 제거하여 맑고, 기타 중금속에 의해 위해가 없는 처리수를 얻는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 고안에 따른 전체 처리공정을 나타내는 블럭도.

도 2a는 본 고안에 따른 표면전극 반응조를 위에서 본 평면도.

도 2b은 본 고안에 따른 표면전극 반응조의 단면도.

도 2c는 본 고안에 따른 표면전극 반응조의 측면도.

도 3은 본 고안에 따른 표면전기화학 응집침전방법을 나타내기 위한 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 표면전극 반응조 20: 침전조

30: 슬러지 PIT 40: 농축조

50: 탈수기 60: 여과장치

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 폐광산 갱내수의 오염물질을 제거하기 위한 셀방식의 표면전기화학 응집침전 장치는 사각의 셀 타입 표면전극 반응조내에 전원이 인가되는 전극판을 일정간격으로 설치하고, 상기 전극판이 반응조와 인접하는 부분에는 반응조로부터 일정한 간격을 갖도록 구성하여 갱내수의 흐름을 원활하게 하며, 소규모의 셀타입 표면전극 반응조의 유출수 용량에 따라 복수로 구성되는 표면전극 반응조;와, 상기 표면전극 반응조에서 처리된 갱내수를 인가받아 갱내수내의 슬러지를 침전시켜 제거되도록 하며, 응집 슬러지의 원활한 제거를 위해 원형의 형상을 갖는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 침전조의 하부에는 침전 슬러지의 유동성이 없도록 하기 위하여 0.05rpm이하의 스크레퍼를 사용하며, 상기 셀타입 표면전극 반응조에서 갱내수가 체류하는 시간은 유출수의 성질과 상태에 따라 대략 10∼20분이고, 전극판의 재질은 백금, 흑연, 티탄, 루테늄, 스테인레스스틸 및 복합 산화물이며, 전극판의 간격과 전극수는 갱내수의 유량과 농도에 따라 2㎝에서 10㎝, 5개에서 20개로 구성할 수 있으며, 전압은 셀타입 표면전극 반응조의 용적(㎥)당 1∼2.5kW를 제공한다.

그리고, 셀타입 표면전극 반응조의 하부에는 일정한 간격으로 공기방울에 의한 유동화 장치를 설치하여 전기화학 반응으로 생성된 콜로이드에 의한 분극현상, 스케일 성분이 전극표면에 부착되어 전류밀도의 저하현상을 방지하도록 구성된다.

그리고, 상기 침전조 후단에는 후술될 농축조에 펌핑이송을 위해 슬러지를 잠깐 저류시키기 위한 슬러지 PIT와, 슬러지 PIT 후단에 침전조와 마찬가지로 원형의 형상으로 구성되는 농축조가 더 포함될 수 있고, 농축조의 체류시간은 7일로 하고, 농축조에는 상기 침전조와는 달리 0.15 rpm이상의 스크레퍼가 사용된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 전체 처리 공정을 나타내는 블럭도로서, 도 1에 따르면 표면 전기화학 반응장치는 이 기술의 핵심인 사각의 셀타입(Cell Type) 표면전극 반응조(10)에 일정간격으로 설치되어 있는 전극판(11)에 전원을 공급하고, 이를 소규모의 셀타입 표면전극 반응조(10)를 유출수 용량에 따라 복수로 구성하여 대규모처리를 하는 시스템으로 구성돼 있으며, 전극판 양측면, 하부에는 일정간격을 두어 원수의 흐름이 원활하도록 한다.

이때, 셀타입(cell type)이라고 명명한 이유는 전극 반응효율을 극재화히기 위하여 전극의 크기,간극 및 단위 반응기의 규모를 최적화하였기 때문이며, 특히 복수 개의 전극들을 사용하는 전극 반응기에서 전류를 일정하게 유지시키기 위해서는 대형의 반응기가 아니라 최적화된 셀타입의 전기화학 반응조가 처리효율을 극대화시킬 수 있기 때문이다.

그리고, 셀타입 표면전극 반응조(10)의 처리효율을 좌우하는 중요한 인자로는 유출수의 체류시간, 전극판(11)의 특성, 전극의 크기, 전극판(11)사이의 간격, 전극수, 전류밀도 등이 있다.

셀타입 표면전극 반응조(10) 체류시간은 유출수의 성상에 따라 10∼20분이고, 전극판(11)의 재질은 백금, 흑연, 티탄, 루테늄, 스테인레스스틸 및 복합산화물이며, 전극판의 간격, 전극수는 갱내수의 유량과 농도에 따라 2cm에서 10cm, 5개에서 20개로 달리할 수 있으며, 전압은 셀타입 표면전극 반응조(10) 용적(m3)당 1∼2.5kW를 공급함을 원칙으로 한다.

또한, 셀타입 표면전극 반응조(10) 상부에는 집수조에서 펌핑되어온 원수가 원활한 흐름을 유지하도록 하고, 셀타입 표면전극 반응조(10) 하부에는 일정한 간격으로 공기방울에 의한 혼합장치(12)를 설치하여 전기화학 반응으로 인하여 생성된 응집반응에 의한 분극현상, 스케일 성분이 전극표면에 부착되어 전류밀도의 저하현상을 방지하도록 설계된다.

침전조는 응집되는 응집 슬러지의 원활한 제거를 위해 원형의 형상으로 형성되고, 하부는 슬러지가 중앙에 응집되도록 하기 위하여 측면이 경사진 형태의 콘(corn)형상으로 형성하고 침전효율을 높이기 위하여 일정구배를 두도록 하며, 침전 슬러지의 유동성이 없도록 0.05rpm이하의 스크레퍼를 달아 침전조 중심으로 슬러지가 모이도록 구성된다.

그리고, 침전조(20)에서의 갱내수 체류시간은 전기화학 응집침전방법의 특성상 6시간 이상으로 하며, 상부 월류웨어는 중심이 잘 맞도록 하여 원활한 상등수의 배출로 한쪽으로 슬러지가 유출되지 않도록 구성된다.

슬러지 PIT(30)는 침전조(20)에서 처리된 갱내수를 농축조(40)에 펌핑이송을 위해 슬러지를 잠깐 저류시키기 위한 구조물로 30분의 체류시간을 갖도록 구성되며, 이때 이송 펌프는 스테인리스 재질을 사용하여 pH 변화에 따른 펌프의 부식으로 막으며, 고농도, 점액질의 물질인 슬러지를 이송가능한 스프르트 펌프(Spurt Pump)를 일례로 사용한다.

농축조(40)는 침전조를 거쳐 응집, 침전되어 이루어진 슬러지로부터 수분을 제거하여 케익 형태로 만들어 배출시키기 위한 구성을 가지며, 체류시간은 7일로 하며, 침전조와 마찬가지로 원형의 형상으로 제작하되 0.15rpm 이상의 스크레퍼를 사용한다. 슬러지 이송펌프 또한 스테인리스 재질의 스프르트 펌프(Spurt Pump)를 사용한다.

탈수기(50)는 농축조(40)에서 인가되는 슬러지를 탈수시켜 탈수 케익 형태로 만들어 배출하기 위한 구성으로서, 슬러지의 형상에 따라 최대의 효율을 갖는 기기가 선정된다.

여과장치(60)는 침전조(20)의 상류수를 방류하기 전에 최종적으로 여과하는 장치이며, 방류수역의 수질기준 및 사용용도에 따라 적합한 사양이 선정된다.

이상과 같은 구성을 갖는 셀방식의 표면전기화학 응집침전 장치의 작용은 다음과 같다.

갱내수가 표면전극 반응조(10)에 유입되면, 반응조(10)에서는 표면전기화학반응에 의하여 산화반응과 환원반응이 동시에 일어나며, 용존 금속 양이온과 음이온이 반응에 의하여 금속수산화물이나 무기염을 형성시키게 되며, 갱내수가 이 반응조(10)를 지나면서 표면전기화학반응에 의하여 콜로이드 형태의 물질로 변화되어 다음 공정인 침전조(20)로 이동하게 된다.

침전조(20)에서는 콜로이드 형태의 무기물이 모든 원자와 분자들 사이에 작용하는 약한 단거리 인력인 반데르발스 힘(van der waals force)과 전기적 충전(charge)에 의한 인력(attractive gorce)에 의하여 응고(coagulation)와침전(flocculation)을 유발시키는 기능을 하며, 표면전극 반응조(10)를 거쳐서 침전조(20)로 유입된 콜로이드들은 10㎛ 내외의 큰 입자로 성장이 되며, 반경이 r인 구의 침강속도 Vs는 스토크스의 정리(stock's law) Vs=F/6πηrR(여기서 η는 물의 점성도, r은 입자의 반경, R은 표면저항, F는 물질의 무게와 그 부피에 적용되는 알키메데스 부력 차이)에 의하여 r의 크기에 비례하여 증가함을 알 수 있으며, 따라서, 콜로이드들의 침전속도에 따라 유출수의 분리와 정제 기능이 효과적으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

농축조(40)에서는 위에서 설명한 침전조(20)를 거쳐서 응집과 침전이 이루어져 생긴 슬러지로부터 수분을 제거하여 필터 케익(filter cake) 형태로 만들고, 기계적인 압착, 이송시스템을 통해 무기 고형분의 함량을 증가시켜 탈수기(50)로 배출시며, 탈수기(50)에서는 최종적으로 필터 케익의 수분을 제거하여 배출시킨다.

이상과 같은 셀 방식의 표면전기화학 응집침전 장치은 갱내수에 용존되어 있는 중금속 이온을 포함한 무기물이 별도의 화학 첨가제를 가하지 않고 전기 에너지만을 사용하여 갱내 유출수의 증금속 이온과 무기물을 응집, 분리공정을 통해 처리하므로, 갱내 유출수를 암반 음용수 수준의 물로 처리할 수 있으며, 화학 첨가제를 사용하지 않고 전기 에너지를 사용하므로 처리장치의 단순화, 처리비용의 저감, 작동의 자동화 및 유지보수 비용의 절감 등의 효과를 지닌 획기적인 기술이라 할 수 있다.

특히, 본 고안에 따른 장치는 지역여건상 설치면적의 최소화와 갱내수의 수질을 음용수 수준으로 향상시켜 직접적으로 지역사회에 공급할 수 있는 다목적 시공이 얼마든지 가능하다.

그리고, 도 3은 본 고안에 따른 폐광산 갱내수의 오염물질을 제거하기 위한 셀방식의 표면전기화학 응집침전 방법을 단계적으로 나타내기 위한 순서도로서, 도 3에 따르면 갱내수를 표면전극 반응조(10)에 유입시켜 산화반응과 환원 반응이 동시에 일어나도록 하여 용존 금속 양이온과 음이온이 반응에 의하여 금속 수산화물이나 무기염을 형성시킨다(단계 S1).

단계 S1의 과정은 대략적으로 10분에서 20분 정도의 과정으로 이루어지며, 단계 S1의 과정을 거쳐 갱내수내의 금속이온은 표면전극 반응조(10)에서 콜로이드 형태의 물질로 변하게 되며, 이 상태의 갱내수는 침전조(20)로 유입되어 응고 및 침전이 이루어 진다(단계 S2).

침전조(20)에서는 전기응집침전방법의 특성상 6시간 이상으로 체류하게 되며, 침전되어 슬러지가 형성된 후의 상류수를 방출하여 여과장치(60)로 인가한다(단계 S3).

여과장치(60)에서는 방류할 수역의 수질기준 및 사용용도에 따른 적합한 기준을 적용하여 유입되는 상류수를 최종적으로 여과한 뒤(단계 S4), 여과된 상류수를 방류한다(단계 S5).

그리고, 단계 S2에서 응고 및 침전에 의해 생성된 슬러지는 농축조(40)로 인가하여 1차적으로 수분을 제거하여 필터 케익을 형성하며(단계 S6), 단계 S6에서 형성된 필터 케익은 최종적으로 수분이 제거되어 배출된다(단계 S7).

이상과 같은 방법에 따르면, 위에서도 언급한 바와 같이 갱내수에 용존되어있는 중금속 이온을 포함하는 무기물을 별도의 화학첨가제를 가하지 않고서도 전기 에너지에 의해 응집, 분리하는 것이 가능해지며, 갱내 유출수를 암반 음용수 수준의 물로 처리할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 고안의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본 고안을 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이다.

이상과 같이, 본 고안은 폐광산 갱내수의 주오염물질인 색도, COD, Fe, Al, Mn, Zn, 중금속 이온 등을 표면전기화학 반응을 이용해 처리함으로써, 계절에 상관없이 안정된 처리수를 얻을 수 있으며, 다른 공정에 비해 현저히 낮은 운영비용과 유지보수와 노동력이 거의 불필요하여 인건비를 절감시킬 수 있으며, 발생되는 슬러지가 다른 공정에 비해 적으므로 폐기물 처리비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 고안은 다양한 폐광산 갱내수 처리에 폭넓게 적용할 수 있으며, 유사한 산업용 폐수와 복잡한 혼합오염물을 함유한 폐수의 처리에 매우 적합한 고안이며, 지역여건상 설치면적의 최소화와 갱내수의 수질을 음용수 수준으로 향상시켜 직접적으로 지역사회에 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 화학응집침전법의 경우와는 달리 약품소요량을 극소화시킬 수 있으며, 약품투입에 다른 이차오염이 발생하지 않아 환경적인 측면에서도 매우 유용한 기술이라 할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 사각의 셀타입 반응조내에 전원이 인가되는 일정크기의 전극판을 일정간격으로 설치하고, 상기 전극판이 반응조와 인접하는 부분에는 반응조로부터 일정한 간격을 갖도록 형성하여 갱내수의 흐름을 원활하게 하며, 갱내수의 용존 무기 금속양이온과 하이드록실 이온이 반응하여 금속수산화물이나 무기염이 형성되어 콜로이드 형태의 물질로 변환되도록 하는 표면전극 반응조;

   상기 표면전극 반응조에서 처리되어 콜로이드 형태의 물질을 함유한 갱내수를 인가받아 침전시키는 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 소규모의 셀타입 표면전극 반응조는 병렬 전극 반응 시스템으로 유출수 용량에 따라 복수 단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 침전조는 응집되는 슬러지의 원활한 제거를 위해 하부가 원뿔 모양의 원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 표면전극 반응조의 하부에는 일정한 간격으로 공기방울에 의하여 유동화장치가 더 구성되어, 전기화학 반응으로 생성된 물질의 산화, 환원반응에 의한 분극현상, 스케일 성분이 전극표면에 부착되어 전류밀도의 저하를 방지하는 것을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전극판의 재질은 백금, 흑연, 티탄, 루테늄, 스테인레스 스틸 및 복합 산화물임을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 침전조의 하부에는 침전슬러지의 재분산이 없도록 하기 위하여 0.05rpm이하의 스크레퍼가 더 구성됨을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 침전조에 침전된 슬러지를 잠깐 저류시키기 위한 슬러지 PIT;

   상기 슬러지 PIT를 통해 슬러지를 제공받아, 응집슬러지의 부피를 감소시키기 위해 수분을 제거하는 침전조 형상의 농축조; 및

   농축조에서 농축된 슬러지를 최종적으로 수분을 제거하여 탈수시키는 탈수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면전기화학반응을 이용한 폐광산 갱내수의 오염물질 제거장치.