KR200329033Y1

KR200329033Y1 - 광산폐수 처리장치

Info

Publication number: KR200329033Y1
Application number: KR20-2003-0021946U
Authority: KR
Inventors: 김기연; 김경남
Original assignee: 상록환경(주)
Priority date: 2003-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2003-10-04
Anticipated expiration: 2013-07-08

Abstract

본 고안은 광산폐수 처리장치에 관한 것으로, 광산폐수 처리장치의 구성을 단순화시키고 저렴한 비용으로 처리효율이 높은 광산폐수 처리장치를 제공하는 것이다. 이를 위해 본 고안에서는 기존의 pH 조정조, 폭기조 및 중화조의 기능을 단일 반응조에서 수행하도록 하고, 이를 위해 산화제 사용 및 과잉폭기를 수행하지 않으며 중화제로 가성소다 또는 액상소석회를 사용하고 반응조 내에 수중 교반기를 설치하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치는, 광산폐수가 유입되고, 광산폐수의 수면 아래에 수중교반기가 설치된 반응조; 상기 반응조에서 나온 폐수가 유입되는 응집조; 상기 응집조에서 나온 폐수가 유입되는 침전조; 상기 침전조에서 나온 폐수가 유입되는 방류조를 포함하며, 수중교반기는 외부로부터 중화제가 투입되도록 상단이 광산폐수의 수면 위로 돌출되도록 설치된 중화제 투입관을 포함한다.

Description

광산폐수 처리장치 {A disposal plant of wastewater in mine}

본 고안은 광산폐수 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단순화된 구성을 가지면서 물리화학적 공법으로 광산폐수를 처리하는 장치에 관한 것이다.

현재 우리나라에서 전국적으로 분포하고 있는 350여 곳의 폐광에서는 갱외로 유출되는 폐수를 방지하는 시설을 가동시키지 않거나 또는 방지시설이 미비하기 때문에, 이러한 폐광으로부터 유출되는 광산폐수의 환경오염 문제가 심각하게 대두되고 있다.

폐광 뿐만 아니라 현재 가행탄광도 채산성 악화와 석탄의 수요감소 등으로 폐광되고 있는 실정이며, 이들 탄광의 갱내 폐수는 주변의 토양으로 중금속을 용출시키면서 황산염과 같은 유해물질을 하천으로 유출시켜 강바닥에 황갈색의 침전물을 발생시키는 등, 상수도, 지하수, 및 토양을 오염시키는 주범으로 인식되고 있다.

광산폐수는 pH 2-6 정도의 산성폐수로서 황화광물과 Fe, Al, Mn 등의 중금속을 포함하고 있고, 특히 폐수 중금속중 82 중량% 정도를 차지하면서 부유 또는 용존되어 있는 Fe 성분이 오염의 주범으로 작용하고 있다.

현재 폐광산에 적용되고 있는 광산폐수 처리공법으로는 인공소택지 공법 및 물리화학적 공법이 있으며, 이 중에서 인공소택지 공법이 주종을 이루고 있다.

인공소택지 방법은 일정한 장소에 인위적인 연못을 만들어 유입되는 광산폐수의 pH 변화에 따라 수산화물을 침전시키는 방식으로서 현재 유럽 등에서 널리 사용되는 공법이다. 그러나 우리나라에서는 계절에 따라 일조량, 강수량, 온도 등의 변화가 심하므로 처리효율이 일정하게 나타나지 않는다는 문제점이 있다. 또한, 장마철에 인공소택지에 침전되어 있던 슬러지가 다시 하천으로 유입된다는 큰 문제점이 있으며, 부지 소요 및 폐수의 처리효율 지속성 등의 단점으로 인해, 인공소택지 공법은 더 이상 적용되지 않고 있다.

물리화학적 공법은 알칼리성 물질인 중화제를 첨가하여 광산폐수를 중화시키고 중금속을 제거하는 방법으로서, 현재 우리나라에서 2개소 정도에서 운영되고 있다. 도 1은 현재 사용되고 있는 물리화학적 공법에 의한 광산폐수 처리장치를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 광산폐수는 pH 조정조(1), 폭기조(2), 중화조(3),응집조(4), 침전조(5), 및 방류조(6)를 순차적으로 거치면서 정화된 후 방류된다.

상기 pH 조정조(1)에서는 산화제로서 황산제일철(FeSO₄)을 투입하고, 폭기조(2)에서는 과잉 폭기시킴으로써 Fe²⁺이온을 Fe³⁺이온으로 산화시키면서 수산화물인 Fe(OH)₃의 침전물을 형성하는 것에 의해 Fe를 보다 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 중화조(3)에서는 중화제로서 가성소다(NaOH) 또는 액상소석회(Ca(OH)₂) 를 사용한다.

이와 같은 물리화학적 공법에 의한 광산폐수 처리장치는 현재 운영 중인 광산폐수 처리방법 중 처리효율이 가장 좋기는 하나, 산화제와 같은 약품사용에 따른 비용문제와 과다한 관리비 등으로 활용도가 매우 낮은 단점이 있다.

본 고안은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 광산폐수 처리장치의 구성을 단순화함으로써 소요부지, 최초투자비 및 유지비가 적게 소요되는 광산폐수 처리장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 기존의 유독물질 황산제일철(FeSO₄)과 가성소다(NaOH) 또는 토양 계량제인 액상소석회(Ca(OH)₂)을 사용하는 광산폐수 처리장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 저렴한 비용으로 처리효율이 높은 광산폐수 처리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 광산폐수 처리장치를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치를 도시한 단면도이며,

도 3은 도 2에서 반응조를 확대도시한 단면도이고,

도 4 내지 도 6은 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치를 적용한 결과로서 각각, pH 분포, SS 함량, 및 용존성 Fe 함량을 나타내는 그래프이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에서는 기존의 pH 조정조, 폭기조 및 중화조의 기능을 단일 반응조에서 수행하도록 하고, 이를 위해 산화제 사용 및 과잉폭기를 수행하지 않고 반응조 내에 수중 교반기를 설치하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치는, 광산폐수가 유입되고, 광산폐수의 수면 아래에 수중교반기가 설치된 반응조; 상기 반응조에서 나온 폐수가 유입되는 응집조; 응집조에서 나온 폐수가 유입되는 침전조; 침전조에서 나온 폐수가 유입되는 방류조를 포함하며, 수중교반기는 외부로부터 중화제가 투입되도록 상단이 광산폐수의 수면 위로 돌출되도록 설치된 중화제 투입관을 포함한다.

이 때 수중교반기는, 회전축을 중심으로 회전운동하는 임펠러와, 회전운동의 동력을 제공하는 모터와, 광산폐수가 유입되도록 상방이 개방된 폐수유입구와, 임펠러의 회전운동에 의해 폐수유입구로부터 유입된 광산폐수가 반응조 내의 수중교반기 외방으로 유출되도록 설치된 폐수유출구를 더 포함하는 구성이다.

중화제 투입관의 직경은 중화제의 노즐 직경보다 크거나 같은 것이 바람직하며, 중화제로는 가성소다 또는 액상소석회(Ca(OH)₂)를 사용한다.

이하, 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치에 대해 상세히 설명한다.

탄광에는 황화광물이 다량 포함되어 있는데, 황화광물은 산소에 노출되면 산화작용에 의해 황산과 철 화합물로 변하게 되며, 이 때 발생된 산은 물에 용해되어서 주변 자연수의 pH를 낮춘다.

따라서 광산폐수는 pH 2-6 정도의 산성 폐수이며, 이러한 산성수와 접하게 되는 물질은 지질물질들로부터 중금속원소를 용출시키게 된다. 산성의 광산폐수는 접촉하는 지질물질에 따라서 철, 망간, 아연, 카드뮴, 납 등 각종 유해 이온 등을 함유한다.

본 고안에서는 광산폐수 속의 오염물질이 가장 존재하기 어려운 환경을 인위적으로 만들어줌으로써 오염원들이 수체로부터 제거되도록 하는 환경공학적인 원리를 이용한다. 물리화학적 공법에서는 폐수특성 및 처리 목표에 따라 공정단위가 결정된다. 따라서 광산폐수 중에서 문제가 되는 것들, 예들 들면 철, 망간 및 알루미늄에 대한 화학적 특성을 고려하여 가장 효율적인 처리공정을 설계하는 것이 중요하다.

도 2는 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에서 반응조를 확대도시한 단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치는 반응조(21), 응집조(22), 침전조(23), 및 방류조(24)로 이루어져 있어서, 광산폐수가 반응조(21), 응집조(22), 침전조(23), 및 방류조(24)를 순차적으로 거치면서 정화된 후 방류된다.

기존의 물리화학적 공법을 적용한 광산폐수 처리장치와 비교해 보면, pH 조정조, 폭기조, 및 중화조가 본 고안에서는 단일 반응조(21)로 대치된다는 점이 특징이다. 즉, 본 고안에서는 pH 조정, 산화 및 중화반응이 하나의 반응조에서 수행된다. 이와 같이 기존의 3개 조가 본 고안에서는 1개 조로 대치됨으로써 소요되는 부지 면적이 40-50% 정도 절감되며, 처리장치에 대한 광산폐수의 수리학적 체류시간이 짧아 보다 짧은 시간에 많은 양의 광산폐수 처리가 가능하다.

반응조(21)의 내부에는 수중교반기(30)가 설치되는데, 수중교반기(30)는 회전축(31)을 중심으로 회전운동하는 임펠러(32)와, 회전운동의 동력을 제공하는 모터(33)와, 광산폐수가 유입되는 폐수유입구(34), 외부로부터 중화제가 투입되도록 상단이 광산폐수의 수면 위로 돌출되도록 설치된 중화제 투입관(35), 임펠러의 회전운동에 의해 폐수유입구로부터 유입된 폐수가 반응조(21) 내의 수중교반기(30) 외방으로 유출되도록 양측방에 설치된 폐수유출구(36)로 이루어져 있다.

이러한 수중교반기(30)는 반응조(21) 내의 광산폐수(10) 수면 아래에 설치되어 임펠러(32)의 회전운동에 의해 폐수를 유입 및 유출시키면서 반응조 내의 폐수를 교반시킨다.

중화제 투입관(35)의 상단에는 중화제 노즐을 연결하여 폐수 내로 중화제를 투입하는데, 이 때 중화제 투입관(35)의 직경은 중화제 노즐보다 크거나 같도록 한다. 만약, 중화제 투입관(35)의 직경을 중화제 노즐보다 크게 하면 임펠러의 회전운동에 의해 노즐 외방의 중화제 투입관(35)을 통해 대기 중의 공기가 함께 빨려들어간다.

따라서 중화제와 함께 유입된 공기가 산화제 역할을 하여 중금속을 산화시키는 역할을 한다. 예를 들어 광산폐수에 가장 많이 존재하는 철의 경우, Fe²⁺이온을 Fe³⁺이온으로 산화시키고, 이로써 수산화물인 Fe(OH)₃의 침전물을 형성하는 것에 의해 용존성 Fe를 보다 효과적으로 제거한다.

중화제로는 가성소다를 사용할 수도 있고, 가성소다 대용으로 액상소석회를 사용할 수도 있다.

가성소다 대용으로 액상소석회를 사용할 경우에는, 본 발명에서는 기존의 광산폐수의 물리화학적 공법에 사용되는 황산제일철(FeSO₄)과 같은 유독성 산화제와 가성소다(NaOH)와 같은 유독성 중화제의 대용으로서 액상소석회(Ca(OH)₂)를 사용하므로 유독성 화학물질 사용에 따른 2차 환경오염을 방지할 수 있다.

이 때, 본 발명에서 사용한 액상소석회(Ca(OH)₂)는 기존의 가성소다(NaOH)보다 반응시간이 크나, 본 발명에서는 수중교반기의 교반속도를 증대시켜 반응시간을 단축시킨다.

만약, 중화제 투입관(35)의 직경을 중화제 노즐과 동일한 치수로 할 경우, 대기 중 공기의 유입은 없으나 광산폐수의 처리효율은 큰 변함이 없다. 이는 수중 교반기의 교반속도를 증가시키면 7-9 ㎎/ℓ의 용존산소가 폐수 내에 존재하여 산화제 역할을 수행하기 때문이다. 예를 들어 Fe²⁺를 Fe³⁺로 산화시킬 때에는 철이온 7-9ppm 당 용존산소가 1ppm 필요하다. 대기 중의 공기 유입여부는 광산폐수 중의 금속의 농도에 따라 용이하게 결정될 수 있다.

기존의 물리화학적 공법의 광산폐수처리장치에서는 산화제 및 과잉폭기를 이용하여 Fe²⁺를 Fe³⁺으로 산화시키고 중화적정범위(폐수방류수 수질기준 이내) pH 7-8에서 금속수산화물을 형성하고자 하였으나 본 고안에서는 수중교반기의 중화제 투입관을 통하여 유입된 공기 또는 수중교반기의 교반에 의하여 생성된 용존 산소를 사용하므로 과잉폭기조를 필요로 하지 않는다. 따라서 과잉폭기조 사용으로 인한 전력비용을 절감할 수 있다.

예를 들어 광산폐수에 존재하는 금속 중 철은 Fe²⁺또는 Fe³⁺로 존재하는데 이중 Fe²⁺는 pH 8-10에서 수산화물을 형성하며, Fe³⁺는 pH 7-8에서 수산화물 형성이 용이하다. 이러한 철금속의 화학적 특성을 이용하여 광산폐수 내의 중금속 제거 효율을 극대화할 수 있다.

즉 중화제 투입관(35)을 통해 수중 교반기(30) 내로 직접 투입된 중화제는 최초 폐수의 pH를 9-10 정도의 적정범위로 유지시키며, 이로써 2가철 수산화물로 침전을 일으킨 후, 반응조내 폐수의 pH를 7-8 정도로 유지하므로, 이로써 3가철 수산화물로 침전을 일으킴으로써 폐수 중의 용해성 또는 용존성 중금속(Fe, Al, Mn, As)등이 침전될 수 있는 조건을 만들어준다.

중화제로는 가성소다 대용으로 액상소석회(Ca(OH)₂)를 사용할 수도 있으므로, 유독물질인 가성소다를 사용하지 않아서 2차 환경오염이 방지되는 장점이 있고, 또한 토양계량제인 액상소석회는 가격이 저렴하므로 전체적인 광산폐수 처리비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

액상소석회는 대기의 탈황시설에 사용되어 왔으나 수질정화 분야에서는 사용된 적이 없는 물질이며, 또한 액상소석회는 보조응집제 역할을 하기도 하고, 액상소석회를 사용하면 환경오염이 방지되는 장점이 있다. 액상소석회중 정제된 액상소석회는 중화반응이 빠르며 슬러지 발생량도 적어 바람직하다.

이와 같이 반응조(21)에서의 체류시간은 폐수의 성상에 따라 다르므로 충분한 산화 및 중화반응이 일어나도록 한다.

응집조(22)에서는 고분자 응집제 및 육상교반기를 이용하여 콜로이드 상태의 금속착화합물을 크고 무거운 플럭(floc)으로 형성시켜 침강성을 좋게 한다. 또한 상기 응집조(22)에서 광산폐수에 존재하는 부유물질(suspension solid; SS) 등이 제거된다.

침전조(23)에서는 플럭을 중력에 의해 자연침강시켜 고액분리하고, 상등수는 최종 방류를 위해 방류조(24)로 유입시키고 침전조(23)에서 발생하는 슬러지는 반응조에 유입시키며, 탈수기에서 처리하여 탈수된 케이크(cake)는 시멘트 공장의 부원료로 재활용한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

1. 광산폐수(도계지역)

강원도 도계 지역의 갱외수를 2003년 1/14일, 2/7일 및 3/3일에 채수하여 원수로 사용하였다. 처리 원수의 pH는 6.2 정도였고(도 4), 부유물질(SS;suspension solid)은 80 내지 130 ppm 수준이었으며(도 5), 용존성 Fe의 함량은 3 내지 17 ppm 수준이었다(도 6).

2. 비교예 1: 기존의 광산폐수 처리장치

도 1에 도시된 pH 조정조(1), 폭기조(2), 중화조(3), 응집조(4), 침전조(5), 및 방류조(6)로 이루어진 처리장치(폐수 처리량이 18,720m³/일으로 설계)에 광산폐수를 순차적으로 체류시키면서 정화하였다. 상기 pH 조정조(1)에서는 산화제로서 황산제일철(FeSO₄)을 250kg/일 투입하고, 상기 폭기조(2)에서는 로타리 블로워(Rotary Blower:440V*55Kw*45㎥/min*4000mm Aq)를 이용하여 과잉폭기시켰고, 상기 중화조(3)에는 가성소다 750kg/일 투입하고 상기 응집조에는 음이온 고분자 응집제를 27kg/일 투입하였다.

처리장치의 체류시간은 pH 조정조에서 23.04분, 폭기조에서 105.30분, 중화조에서 23.04분, 응집조에서 23.04분 침전조에서 203.4분이었다.

도 1의 광산폐수 처리장치를 이용하여 처리한 경우 pH는 8-9였고(도 4), SS 함량은 15ppm 이하였으며(도 5), 용존성 Fe 함량은 5ppm 이하인 것으로 나왔다(도 6).

pH 조정조, 폭기조, 중화조, 응집조, 침전조 각각에서의 전력소모량을 표 1에 나타내었다. 표 1에는 본 고안에 따른 광산폐수 처리장치의 전력을 함께 나타내어, 기존장치와 본 고안 장치에서의 전력소모량을 비교하였다.

	비교예	실시예1
pH 조정조	440V, 11kW	440V, 5kW(반응조)
폭기조	440V, 55kW
중화조	440V, 11kW
응집조	440V, 11kW	440V, 11kW
침전조	440V, 22kW	440V, 22kW

3. 실시예 1: 본 고안의 광산폐수(도계지역) 처리장치

도 2에 도시된 반응조(21), 응집조(22), 침전조(23), 및 방류조(24)의 광산폐수 처리장치(폐수 처리량이 18,720m³/일으로 설계)에 상기 강원도 도계 지역의 광산폐수를 순차적으로 체류시키면서 정화하였다. 상기 반응조 내에는 도 3에 도시된 수중교반기를 설치하였다. 반응조에는 중화제로서 액상 소석회를 5600ℓ/일 투입하였고 응집조에는 음이온 고분자 응집제를 27kg/일 투입하였다.

처리장치의 체류시간은 반응조에서 50분, 응집조에서 50분, 침전조에서 230분이었다.

도 2의 광산폐수 처리장치를 이용하여 처리한 경우 pH는 8정도였고(도 4), SS 함량은 15ppm 이하였으며(도 5), 용존성 Fe 함량은 5ppm 이하인 유지되는 것으로 나왔다(도 6).

반응조, 응집조, 침전조 각각에서의 전력소모량을 표 1에 나타내었다. 앞에서 언급한 바와 같이, 표 1에는 기존의 광산폐수 처리장치의 전력소모량을 함께 나타내어, 기존장치와 본 고안 장치에서의 전력소모량을 비교하였다.

또한, 투입되는 약품에 소비되는 연간비용을 다음의 표 2에 나타내었다. 표 2에는 기존의 광산폐수 처리장치인 비교예 1에서의 약품비용을 함께 나타내어 실시예 1과 비교예 1에서의 약품비용을 서로 비교하였고, 이 때 공통적으로 비슷한 양만큼 투입되는 고분자 응집제를 제외하고 서로 비교한 결과 약품비용이 약 51% 정도 절감됨을 알 수 있었다.

약품	실시예1	비교예1
황산제일철	-	270kg/일*150월/kg=40,500원/일≒1,215,000원/월≒14,580,000원/년
가성소다	-	750kg/일*550원/kg=412,500원/일≒12,375,000원/월≒148,500,000원/년
액상소석회	5600ℓ/일*40원/ℓ= 224,000원/일≒6,720,000원/월≒80,640,000원/년	-
합계(연간비용)	80,640,000원/년	164,080,000원/년

4. 실시예 2: 본 고안의 광산폐수(삼마지역) 처리장치

실시예 2에서는 강원도 삼마 지역의 갱외수를 원수로 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 정화시켰다. 삼마 지역의 광산폐수는 pH가 2-3 정도로서 비교적 낮은 pH를 가지는 광산폐수이다.

정화된 후 각종 금속 원소의 함유량을 측정한 결과를 표 3에 나타내었으며, 비교를 위해 원수의 금속 원소 함유량을 함께 나타내었다.

단위:ppm

	원수	정화 후
Al	43.30	1.02
Mn	18.51	0.56
Fe	208.44	6.88

상술한 바와 같이, 본 고안에서는 기존의 pH 조정조, 폭기조, 및 중화조를 단일 반응조로 대치하므로, 초기 투자비가 절감되고 기계설비가 단순하여 관리비가절감되며 유독물질을 사용하지 않으며 소요부지 면적이 절감되는 효과가 있다.

또한, 기존의 pH 조정조, 폭기조, 및 중화조를 단일 반응조로 통합시켜 폐수의 체류시간을 단축시켜 폐수처리 공정시간이 대폭 단축되는 효과가 있다.

그리고, 본 고안에서는 광산폐수의 특성인 pH 3 ~ 6 범위의 모든 광산폐수에 적용이 가능하며 기존에 사용하였던 유독성의 산화제를 사용하지 않고, 별도의 폭기장치를 사용하지 않기 때문에 약품사용에 따른 2차 오염을 방지하고 폭기에 따른 동력비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims

광산폐수가 유입되고, 상기 광산폐수의 수면 아래에 수중교반기가 설치된 반응조;

상기 반응조에서 나온 폐수가 유입되는 응집조;

상기 응집조에서 나온 폐수가 유입되는 침전조;

상기 침전조에서 나온 폐수가 유입되는 방류조

를 포함하며,

상기 수중교반기는 외부로부터 중화제가 투입되도록 상단이 상기 광산폐수의 수면 위로 돌출되도록 설치된 중화제 투입관을 포함하는 광산폐수 처리장치.
제 1 항에 있어서,

상기 수중교반기는, 회전축을 중심으로 회전운동하는 임펠러와, 상기 회전운동의 동력을 제공하는 모터와, 상기 광산폐수가 유입되도록 상방이 개방된 폐수유입구와, 상기 임펠러의 회전운동에 의해 상기 폐수유입구로부터 유입된 광산폐수가 상기 반응조 내의 수중교반기 외방으로 유출되도록 설치된 폐수유출구를 더 포함하는 광산폐수 처리장치.
제 1 항에 있어서,

상기 중화제 투입관의 직경은 중화제의 노즐 직경보다 크거나 같은 광산폐수처리장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 중화제는 가성소다(NaOH) 또는 액상소석회(Ca(OH)₂)인 광산폐수 처리장치.