KR20030003347A - 중금속 폐수 처리 시스템 및 그 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 종류의 중금속이 함유된 폐수를 처리하는 중금속 폐수 처리에 관한 것으로, 특히 중금속이 함유된 폐수를 자연산 황철석이 충진된 황철석탑과 염화 제2철이 투입된 응집조를 이용하여 처리하는 중금속 폐수 처리 시스템 및 그 방법을 제공한다.

Description

중금속 폐수 처리 시스템 및 그 처리 방법{The System and Method of Purifying Heavy Metal Wastewater}

본 발명은 다양한 종류의 중금속이 함유된 폐수를 처리하는 중금속 폐수 처리에 관한 것으로, 특히 중금속이 함유된 폐수를 자연산 황철석이 충진된 황철석탑과 염화 제2철이 투입된 응집조를 이용하여 처리하는 중금속 폐수 처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 폐수에 함유된 중금속 이온의 제거방법으로는 화학적 침전법, 흡착법, 이온 교환법, 전기 분해법 등이 널리 알려져 있다.

상기 흡착 처리법에는 활성탄, 활성 알루미나 및 지올라이트 등이 널리 사용되며, 처리 효율이 높은 반면에 비용이 많이 든다는 문제점이 있었다.

또한, 상기 이온교환법은 저 농도의 중금속 이온을 선택적으로 제거할 수 있는 장점은 가지고 있으나, 금속의 회수 및 재사용이 병행되지 않을 경우 다른 처리 방법에 비하여 비경제적이라 할 수 있다.

또한, 상기 전기 분해법은 폐수중의 중금속을 회수하거나 시안의 처리에 소규모로 사용되는 방법으로 시설과 운영이 간편하고 부산물이 생성되지 않으며 금속의 회수가 가능하다는 장점을 가지고 있는 반면에 반응속도가 느리며 운영비용이 과다하다는 문제점이 있다.

또한, 상기 화학적 침전법은 금속성 폐수를 처리함에 있어 염기 상태의 pH에서 폐수에 함유된 금속 이온을 금속 수산화물 형태로 침전시키고, 이 침전물을 간단히 침강 분리시켜 제거하거나 필요에 따라 여과하여 제거하는 방법으로, 설치가 용이하고 유지관리 비용과 에너지 소모가 상대적으로 낮은 장점을 가지고 있기 때문에 경제성이나 기술적인 면에서 가장 보편적으로 사용되는 중금속 처리 방법이다. 그러나 금속 수산화물 형태로의 화학적 침전 제거방법은 침전물의 입자가 너무 작아 여과에 문제가 있기 때문에 부가적인 여과공정을 필요로 하며, 금속의 종류에 따라 최소의 용해도를 갖는 pH 조건이 조금씩 다르다는 문제점이 있다. 또한더 큰 문제점은 최적 침전 조건에서도 금속 수산화물의 용해도가 높아서 완전한 침전이 이루어지지 않아 처리수 중에 잉여 금속 이온이 존재하게 된다는 것이다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 자연산 황철석 충진탑을 통한 황화물(sulfide) 공급과 3가 철이온을 함유한 응집제를 이용한 응집이 병행된 중금속 폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하여 단순한 염기 첨가에 의한 금속 수산화물 형태의 중금속 제거가 아닌 황화물 이온에 의한 불용성의 금속 황화물 형성을 통해 용존 중금속을 제거함으로써 반응시 pH 조절이 용이하고 잔여 중금속의 농도를 현저히 낮출 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 황화물을 화학약품이 아닌 자연산 황철석을 사용하여 조성함으로써 경제적이고 간단한 중금속 폐수 처리 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 자연산 황철석이 충진되며 하부에는 중금속 폐수 입수구와 상기 입수구로 공기를 주입하기 위한 공기 주입구가 형성되어 있으며 상부에는 화학 반응한 중금속 폐수를 방출하는 출수구가 형성되어 있고, 상기 입수구와 출수구에는 수산화기를 포함하는 물질을 투입하기 위한 투입구들이 형성되어 있는 황철석 충진탑과; 상기 충진탑에서 출수된 중금속 폐수에 3가 철이온 응집제 투입구와; 상기 황철석과 반응하고 상기 응집제가 공급된 중금속 폐수의 화합물들을 응집하기 위한 응집조와; 상기 응집조에서 응집된 중금속 폐수에 포함된 화합물들을 침전시켜 처리수와 분리하기 위한 침전조를 포함하는 중금속 폐수 처리 시스템을 특징으로 한다.

또한, 상기 시스템을 이용하여 중금속 폐수를 황철석 충진탑에 공기와 함께 상향식으로 주입하면서 수산화기를 포함하는 물질을 투입하는 단계와; 상기 수산화기 포함 물질 및 공기와 함께 입수된 중금속 폐수를 황철석 충진탑을 통과시켜 미세의 금속 황화물이 생성되도록 하는 단계와; 상기 금속 황화물이 생성된 폐수에 3가 철이온을 갖는 응집제와 폐수의 산도를 조절하기 위한 수산화기를 갖는 물질을 투입하여 금속 황화물을 응집 시키는 단계와; 상기 단계에 의해 응집된 금속 황화물을 침전 분리하여 처리수를 배출하는 단계를 포함하는 황철석을 이용한 중금속 폐수 처리 방법을 특징으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 중금속 폐수 처리 시스템을 나타낸 블럭도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 황철석 충진탑20 : 공기 주입구

30 : 수산화기 포함물질 투입구40 : 3가 철이온 응집제 투입구

50 : 응집조60 : 침전조

본 발명은 중금속 폐수에 황철석 충진탑을 통해 황화물을 공급하여 수산화 금속보다 훨씬 낮은 범위의 용해도를 가지는 금속 황화물을 형성시킨 다음, 이 미세 입자들을 3가 철이온을 포함하는 응집제를 사용하여 거대 플럭으로 응집시켜 최종 처리수와 고속 침전 분리시키는 시스템과 방법에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명에 따른 중금속 폐수 처리 시스템을 나타낸 것으로, 자연산 황철석이 충진되며 하부에는 중금속 폐수 입수구와 상기 입수구로 공기를 주입하기 위한 공기 주입구(20)가 형성되어 있으며 상부에는 화학 반응한 중금속 폐수를 방출하는 출수구가 형성되어 있고, 상기 입수구와 출수구에는 폐수의 pH를 조절하기위하여 수산화기 포함물질인 가성소다를 투입하기 위한 투입구(30)들이 형성되어 있는 황철석 충진탑(10)과; 상기 충진탑(10)에서 출수된 중금속 폐수에 3가 철이온 응집제인 염화 제2철을 투입하기 위한 응집제 투입구(40)와; 상기 황철석과 반응하고 염화 제2철이 공급된 중금속 폐수의 화합물들을 응집하기 위한 응집조(50)와; 상기 응집조(50)에서 응집된 중금속 폐수에 포함된 화합물들을 침전시키기 위한 침전조(60)로 구성된다.

상기 황철석 충진탑에 채워지는 황화물 이온을 공급하기 위한 재료는 경제성을 고려하여 황화물 계의 화학약품 투입을 배제하고 천연 광석중의 하나인 황철석(Pyrite, FeS₂)을 자연산 원석 그대로 1.2 ~ 2.0mm 크기로 분쇄하여 충진한다. 상기와 같이 자연산 황철석이 충진된 충진탑에 상향식으로 공기와 함께 주입하여 충분히 혼합하면서 폐수중의 금속 양이온과 황화물 이온의 반응을 유도하여 불용성 금속 황화물을 형성시킨다. 이때, 중금속 폐수의 금속 이온과 황화물 이온의 반응을 촉진하기 위하여 pH를 중성으로 유지하여야 하며, 이를 위해 수산화기를 포함하는 물질인 가성소다를 충진탑에 입수되는 중금속 폐수에 투입한다.

상기와 같이 충진탑에서 형성된 미세 금속 황화물들은 불용성이지만 낮은 침전성의 문제가 여전히 존재하기 때문에 침전성을 향상시키기 위하여 이들 미세 입자들을 상호 가교결합 및 응집시키는 역할을 하도록 3가의 철이온 응집제인 염화 제2철을 투입하고, 중성의 pH를 유지하기 위해 가성소다를 투입한 후 응집조로 이동시켜 응집반응을 유도한다. 상기 3가의 철이온들이 주위의 미세 황화합물 입자의 표면에 흡착되어 표면전하를 중화시키고 이로 인해 이온층 감소 및 정전기 전위가 사라져 입자들 간의 상호 흡착 및 응집반응이 일어난다.

상기 응집조에서 응집반응이 완료되면 고 침전성인 수산화철(Fe(OH)₃) 형태의 거대 플럭이 형성되어 침전조에서 침전하게 된다. 이때, 이 입자들이 무정형의 수산화 철에 포함되어 함께 침전하게 된다. 또한 투입된 3가 철이온의 일부는 금속 황화물 형성 반응 후 미 반응된 황화물 이온과 결합하여 철 황화물을 형성함으로써 처리수 중에 잔여 황화물 이온의 유출을 방지할 수 있다.

상기와 같이 침전조에서 고체의 침전물과 중금속이 제거된 처리수를 분리하여 배출함으로써 중금속 폐수의 처리를 완료한게 된다.

본 발명의 한 실시예로서, 10mg/l의 농도를 가지는 구리 폐수를 가성소다를 이용하여 pH 6.0으로 적정시킨 후, 1.2~2.0 mm 크기의 황철석 알갱이들이 충진되어 있는 원통형 황철석 충진탑에 상향식으로 입수시켰다. 이때, 상기 충진탑내에서 중금속 이온과 황철석에서 공급되는 황화물 이온과의 효과적인 반응을 유도하기 위하여 상향식으로 공기도 함께 공급시켰다. 또한, 황철석 충진탑을 통해 금속 황화물이 형성된 폐수는 응집조로 유입되며, 이곳에 3가 철이온을 가지는 염화 제2철을 공급하고, 적정 pH를 유지하기 위해 수산화기를 가지는 가성소다를 투입하여 금속 황화물들의 응집이 이루어지도록 하였다. 응집공정은 pH7.0에서 가장 효과적으로이루어졌다. 응집 단계를 마친 처리수는 침전조로 공급되어 자연침강이 유도되었고, 침전물과 침전조 상부로 배출되는 최종 처리수와의 분리가 성공적으로 이루어 졌다.

상기와 같은 구리 폐수의 처리결과 최종 처리수의 구리 이온 농도는 0.002mg/l로 거의 불 검출(N.D.) 수준이었으며, 황화물은 검출되지 않았다.

또 다른 실시예로서 여러 중금속이 함유된 혼합 중금속 폐수를 본 발명에 의해 처리하였다. 상기 중금속 폐수로는 각각 10mg/l의 농도를 가지는 구리, 납, 카드뮴의 합 폐수를 사용하였으며 상기 실시예와 같은 방법으로 폐수내의 중금속 제거를 실시하였다.

그 결과로 처리수에서는 99.9% 이상의 중금속 제거율을 얻었으며, 최종 처리수 중에 함유된 중금속의 농도는 구리 0.03mg/l, 납 0.02mg/l, 카드뮴 0.04mg/l 이었다. 또한 상기 실시예와 마찬가지로 황화물은 검출되지 않았다.

본 발명의 중금속 폐수 처리 시스템 및 방법은 종래의 화학적 침전법에 의한 중금속 폐수 처리 시스템을 크게 바꾸지 않고 설치가 가능하여 설치비에 대한 경제적인 부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 단순한 염기 첨가에 의한 금속 수산화물 형태의 중금속 제거가 아닌 황화물 이온에 의한 불용성의 금속 황화물 형성에 의해 용존 중금속들이 제거되는 것이므로 반응시 pH 조절이 용이하고 잔여 중금속의 농도를 종래 방법에 비해 현저히 낮출 수 있다.

또한, 황화물 이온의 공급을 위해 황화물 계의 화학약품을 투입하는 방법이 아닌 반영구적인 자연산 황철석을 사용함으로써 경제적이고 간단한 중금속 폐수 처리방법을 제공할 수 있다.

또한, 금속 황화물 형성 반응 후 3가 철이온을 이용한 응집 단계를 거쳐 생성된 침전성 금속 황화물들이 고 침전성 플럭을 형성하게 됨에 따라 추가적인 여과공정이 필요없이 침전조에서 최종 처리수와 플럭을 용이하게 침전 분리시킬 수 있으며, 일부 3가 철 이온이 잉여 황화물 이온과의 반응에 의한 철 황화물을 형성함으로써 최종 처리수 중에 황화물 이온의 잔여 위험성도 함께 방지할 수 있다.

Claims (5)

1. 자연산 황철석이 충진되며 하부에는 중금속 폐수 입수구와, 상기 입수구로 공기를 주입하기 위한 공기 주입구가 형성되어 있으며 상부에는 화학 반응한 중금속 폐수를 방출하는 출수구가 형성되어 있고, 상기 입수구와 출수구에는 수산화기를 포함하는 물질을 투입하기 위한 수산화기 포함 물질 투입구들이 형성되어 있는 황철석 충진탑과;

   상기 충진탑에서 출수된 중금속 폐수에 3가 철이온 응집제를 투입하는 투입구와;

   상기 황철석과 반응하고 상기 응집제가 공급된 중금속 폐수의 금속 황화물들을 응집하기 위한 응집조와;

   상기 응집조에서 응집된 금속 황화물을 침전시켜 처리수와 분리키기기 위한 침전조를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 폐수 처리 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 황철석 충진탑에 충진되는 황철석은 자연산 황철석을 1.2 ~ 2.0mm 크기로 분쇄한 덩어리들인 것을 특징으로 하는 중금속 폐수 처리 시스템.
3. 제 1 항의 시스템을 이용하여 중금속 폐수를 황철석 충진탑에 공기와 함께 상향식으로 주입하면서 수산화기를 포함하는 물질을 투입하는 단계와;

   상기 수산화기 포함 물질 및 공기와 함께 입수된 중금속 폐수를 황철석 충진탑을 통과시켜 미세의 금속 황화물이 생성되도록 하는 단계와;

   상기 금속 황화물이 생성된 폐수에 3가 철이온을 갖는 응집제와 폐수의 산도를 조절하기 위한 수산화기를 갖는 물질을 투입하여 금속 황화물을 응집 시키는 단계와;

   상기 단계에 의해 응집된 금속 황화물을 침전 분리하여 처리수를 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 폐수 처리 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 중금속 폐수의 산도를 조절하기 위해 투입하는 수산화기를 갖는 물질은 가성소다인 것을 특징으로 하는 중금속 폐수 처리 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 3가 철이온 응집제는 염화 제2철인 것을 특징으로 하는 중금속 폐수 처리 방법.