KR200340109Y1 - 산성배수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산악지형을 통과하는 도로 공사중에 배수되는 고탁도 배수는 물리화학적 방법으로 처리하고, 터널 공사후 터널 주변의 암반층에서 발생되는 암반 유출수는 소택지 설치와 같은 생물학적 방법으로 처리하는 간단한 공정을 수행함으로써 기존의 환경과 주변 생태계에 영향을 주지 않으면서 소정 수질기준 이상을 만족시킬 수 있는 산성배수의 처리장치에 관한 것이다.

본 발명은, 산악지형의 도로 공사시 발생되는 산성, 중금속, 부유물질을 포함하는 산성배수를 집수하되, 상기 산성배수에 포함된 일부 부유물질을 침강시켜 제거하기 위한 라임스톤(Limestone)층이 구비되며, pH를 중성으로 만들기 위한 집수조; 소정의 응집제를 투입하여 상기 집수조에서 처리되어 배출된 처리수에 포함된 잔여 고형물과 중금속 성분을 응집/침전시켜 제거하는 응집/침전지; 상기 응집/침전지를 통과한 처리수에 포함된 잔류 중금속 물질을 재차 제거하는 중금속 제거수단; 및 상기 중금속 제거수단을 통과한 처리수를 자연정화한 후, 하천으로 방류하기 위한 자연정화지를 포함하는 산성배수 처리장치를 제공한다.

Description

산성배수 처리장치{Apparatus for Control of Supply of Water with acidity}

본 고안은 산악지형을 통과하는 도로 공사시, 굴착과정에서 발생되는 암버럭중 황화광물의 산화작용에 의해 생성된 산성배수를 처리하는 장치에 관한 것이다.

우리나라의 산악지형에는 여러가지 유해성 중금속을 함유한 암석이 많이 분포되어 있는데, 이러한 지질층을 갖는 산악지형을 통과하는 도로 공사시에는, 산성배수의 악영향에 대비하여 충분한 처리방안이 요구되고 있다.

특히, 지면 또는 터널 굴착에 따른 절개사면과 사토장에서 발생되는 중금속을 함유하고 있는 암버럭중, 황을 포함한 광물질의 경우 지하수나 빗물속에 용해되어 있는 용존산소와 반응하여 황산으로 변하고, 상기 황산은 광물에 포함된 각종 중금속을 용해시켜 강산성수를 생성하고, 이 강산성수는 강우에 의해 절개사면을 따라 하천으로 흘러들어감으로써 수생 생태계에 많은 악영향을 야기시킬 뿐만 아니라, 인근주민의 생활을 위협하고 있어 강산성 배수의 적절한 처리대책이 요구되고 있다. 따라서, 고속도로 시공업자는 터널굴착에서 발생되는 암버럭과 지하수와의 접촉을 원천적으로 차단하고, 터널에서 발생되는 지하수는 이미 강한 산성수로 특성이 변화된 상태에서 터널 외부로 유출되므로 하천으로 유입되기 전에 적절한 처리를 하여야 한다.

일반적으로, 광산 산성수(AMD : acid mine drainage)는 pH가 6.0이하이고, 총산도(total acidity)가 총알칼리도(total alkalinity)를 초과하는 물로서 노천광이 가행되었던 지역, 가행중이거나 휴광 또는 폐광된 광산에서 유출되는 것으로 정의될 수 있으며, 또한 도로사면 절개부 및 터널 굴착시 노출된 지층, 도심지 지하철 터널에서 황철석(pyrite) 또는 백철석(marcasite)을 함유하는 지층이 공기중에 노출되면 산성수가 침출되어 나온다.

이러한 산성배수를 처리하는 방법으로는 알칼리제를 이용하여 수중의 산도를 중화하고 중화된 산성 침출수에 응집제를 주입함으로써 유해 중금속의 침전효과를극대화하는 물리화학적 방법과, 자연에서 일어나는 화학적 및 생물학적 반응을 이용하여 자연정화하며 현재 국내의 광산배수에 수 개소 도입하여 운영하고 있는 생물학적 방법으로 크게 나눌 수 있다.

전자의 물리화학적 처리방법은, 일반적인 산성폐수 처리방법과 같이 화학약품(예를 들면, 산 중화제)과 기계력을 사용하여 배수를 정화하는 기술로서, 집수조, 혼합조, 응집조, 침강조, 그리고 여과조 등의 처리공정으로 구성되며, 응집/침전법, 라임스톤 배수(Limestone Drains)법, 그라우팅 등이 있다.

이러한 처리방법은 시설 운영비 및 화공 약품비, 그리고 인건비 등을 지속적으로 필요로 하는 문제점이 있다.

상기 물리화학적 처리방법 중 응집/침전법은 첫단계로서 수중의 입자들을 화학처리하여 점착성을 갖거나 불안정하게 하고, 두번째 단계로서 불안정하게 된 입자들을 서로 접촉시켜 응집물을 형성시키되 이 응집물을 침전이나 여과에 의해 제거하는 방법으로서, 지속적인 운전이 필요하고 그에 수반하는 경비가 많이 소요되는 문제점이 있다.

다음으로, 상기 라임스톤 배수(Limestone Drains)법은 석회석과 산성광산배수를 접촉시켜서 산성배수를 알칼리수로 변환시키는 방법으로서, 운영비가 저렴하여 대규모 산성배수를 배출하는 곳에 많이 이용되고 있으나 처리 효율이 낮은 문제점이 있다.

상기 그라우팅은 지하수 유출 지점으로부터 유출되는 배수 자체를 원천적으로 봉쇄하고자 하는 방법으로, 정화개념 보다는 배수량을 줄이는데 그 목적이 있는것이며, 이는 그라우팅을 통한 산성 배수 밀폐 시 암반 내의 특성 분석이 선행되어야 하며 다른 지층으로 누수가 되지 않도록 정밀한 지반조사와 함께 적정 그라우팅 재료 선정과 아울러 철저한 시공이 필요하다.

한편, 생물학적 방법에는 SAPS(Successive Alkalinity Producing System), 소택지법, 그리고 배수법 등이 있다.

먼저, SAPS를 이용한 처리법은 광산배수의 산도가 높고, 3가 철의 농도가 높아서 ALD(Anoxic Limestone Drains)나 Alkalinity를 공급하는 기존의 처리 시스템으로 광산배수를 처리하기 어려울 때 사용된다.

다음으로, 소택지법은 미생물의 생화학적 작용에 의해서 산성 배수를 정화하는 자연정화식 처리기술로서 인위적으로 소택지(늪지)를 조성하여 소택지 내부의 생화학적 반응을 통해서 광산배수를 정화한다. 소택지법은 물리화학적 방법에 비해서 정화효율의 조절이 어렵고 운영상 계절적인 요소에 제약을 받는다. 그러나, 물리화학적 폐수처리는 운영비 및 관리비가 지속적으로 소요되지만 자연정화식은 최소 유지비용이 소요되므로 현재 폐광지역에서 활용되고 있다.

다음으로, 배수법은 일종의 자연정화식으로 갱도 또는 광산배수 유로에 정화물질, 즉 석회석 등으로 배수층을 설치하여 광산배수를 흐르게 하면서 중화 또는 오염물질을 제거하는 방법이다. 배수법은 저렴하면서도 시공이 간단하나 시간이 경과되면서 철산화물 등에 의한 배수층 피복 때문에 정화효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 고안은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 산악지형을 통과하는 도로 공사중에 배수되는 고탁도 배수는 물리화학적 방법으로 처리하고, 터널 공사후 터널 주변의 암반층에서 발생되는 암반 유출수는 소택지 설치와 같은 생물학적 방법으로 처리하는 간단한 공정을 수행함으로써 기존의 환경과 주변 생태계에 영향을 주지 않으면서 소정 수질기준 이상을 만족시킬 수 있는 산성배수의 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 고안에 따른 산성배수 처리장치에 대한 일실시예 구성도.

도 2 는 본 고안에 따른 산성배수 처리장치에 대한 다른 실시예 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110 : 집수조 111 : 슬러지

112 : 시멘트 고형화 120 : 침전지

121 : 슬러지 122 : 시멘트 고형화

130 : 적니층 140 : 자연정화지(연못)

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 산악지형의 도로 공사시 발생되는 산성, 중금속, 부유물질을 포함하는 산성배수를 집수하되, 상기 산성배수에 포함된 일부 부유물질을 침강시켜 제거하기 위한 라임스톤(Limestone)층이 구비되며, pH를 중성으로 만들기 위한 집수조; 소정의 응집제를 투입하여 상기 집수조에서 처리되어 배출된 처리수에 포함된 잔여 고형물과 중금속 성분을 응집/침전시켜 제거하는 응집/침전지; 상기 응집/침전지를 통과한 처리수에 포함된 잔류 중금속 물질을 재차 제거하는 중금속 제거수단; 및 상기 중금속 제거수단을 통과한 처리수를 자연정화한 후, 하천으로 방류하기 위한 자연정화지를 포함하는 산성배수 처리장치를 제공한다.

또한, 본 고안의 다른 장치는, 산악지형의 고속도로 공사시, 갱내에서 유출되는 유출수에 포함된 슬러지를 침강시켜 제거하는 라임스톤 드레인; 상기 라임스톤 드레인에서 배출된 처리수를 저류하되, 우기시나 수리지질학적인 현장여건(대수층)등으로 인하여 다량의 갱내 지하수가 유출될 경우를 감안하여 일정량이 유입되면 방류하는 저류조; 및 상기 저류조에서 방류된 방류수에 적니파우더를 혼화시켜 산성배수를 음용수 수질기준으로 처리하는 반응조를 포함하는 산성배수 처리장치를 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도1 은 본 고안에 따른 산성배수 처리장치에 대한 일실시예 구성도이다.

본 고안은 도면에 도시된 바와 같이, 산악지형의 터널이나 도로공사시 발생되는 유출수(산성, 중금속, 그리고 부유물질 등을 포함하는 산성배수)를 집수하되, 폭기기를 이용하여 산소를 공급하여 철을 산화시킨 후, 소정시간동안 라임스톤(Limestone)층에 통과시켜 침강성이 양호한 일부 부유물질(SS)을 제거하고, pH를 중성으로 만드는 집수조(110)와; 상기 집수조(110)에서 처리되어 배출된 처리수에 포함된 잔여 고형물과 중금속 성분을 응집/침전시켜 제거하는 응집/침전지(120)와; 상기 침전지(120)를 통과한 처리수에 포함된 잔류 중금속 물질을 재차 제거하는 적니(Red Mud)층(130); 및 상기 적니(Red Mud)층(130)을 통과한 처리수를 자연정화한 후, 하천으로 방류하기 위해 마련된 자연정화지(연못)(140)를 포함한다.

여기서, 상기 적니(Red Mud)층(130)은 적니에 의한 중금속 제거기술을 이용한 것으로서, 상기 기술은 정화(Cleaner) 및 방출(Release)이라는 기본개념으로 산을 중화시키고 독성의 중금속 원소들이 적니에 흡착된 후 해리되지 못하도록 하는 일종의 현장 중성화(Neutralization)/ 안정화(Stabilization)/ 고형화(Solidification)기술로 토양과 수중에 있는 산성(Acid), 비소(Arsenic), 시안화물(Cyanide), 그리고 유독 중금속류 등과 같은 환경오염 인자들을 환경친화적이며 영구적으로 처리할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 고안에서, 산악지형의 고속도로 공사에 따른 산성배수의 처리는 공사 중일 경우, 다량의 부유물질이 포함된 산성배수가 유출될 것이며 공사가 완료된 연후에는 일반적인 지하수와 같이 부유물질은 없고 중금속이 포함된 산성수만 유입되기 때문에, 공사의 진행 유무에 따라 별도로 구분하여 처리한다.

그러면, 공사의 진행 유무에 따른 산성배수 처리방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 공사 중 처리방법이다.

공사 중에는 고농도의 부유물질(SS)과 중금속 물질을 동시에 처리해야 한다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유출수가 집수조(110)에 집수되면 폭기기로 충분한 산소를 공급하여 철을 산화시킨 후, 라임스톤(Limestone)층을 통과시켜 침강성이 양호한 일부 부유물질을 제거시키고 pH를 중성으로 만든다.

다음으로, 잔여 고형물과 중금속 성분은 응집/침전지(120)에 PAC 응집제를 투입하여 제거한다. 또한, 상기 응집/침전지(120) 후단에 설치된 적니층(130)을 통과시켜 잔류 중금속 물질을 재차 제거하고, 최종적으로 자연정화지(연못)(140)에서 자연정화 과정을 거친 후 하천으로 방류된다.

여기서, 상기 집수조(110)의 라임스톤층을 통과하는 시간은 통상 10분 내외로 하며, 집수조(110) 전체에서 침전시키는 시간은 2시간 이상으로 한다. 상기 라임스톤층을 통과하는 과정에서 침전된 슬러지(sludge)(111)와 응집/침전지(120)에서 침전된 슬러지(121)는 전량 시멘트 고형화(112, 122)에 포함시키며, 상기 적니층(130)을 통과한 처리수는 공사현장의 공정수로 재이용할 수 있다.

또한, 응집/침전지(120)에 유입된 고탁도의 유출수를 처리하기 위해 투입되는 응집제는 고형물의 농도 1000mg/L당 3 ∼ 5mg/L의 폴리염화알루미늄(PAC:Poly Aluminum Chloride)을 사용하되, 혼화시간은 혼화지에서 대략 5분 정도 교반하며, 터널 굴착공정의 진행에 따라 주간 혹은 격주 간격으로 단지에 담아 테스트를 거침으로써 응집제 주입량에 대한 조건표를 작성하여 이용한다.

상기 라임스톤과 적니파우더의 교체시기는 유입되는 갱내 지하수의 pH 및 중금속 농도에 따라 차이가 있으나, 상기 라임스톤의 경우 외관 및 pH 상승치를 기준으로 하고, 상기 적니파우더의 경우는 처리수의 중금속 농도가 음용수 수질을 초과하기 전까지를 교체시기로 정한다.

상기 적니층(130) 후단에 조성된 상기 자연 정화지(140)는 처리장 인근의 수서 동·식물의 성장상태를 관찰할 수 있는 기능도 함께 수행하게 되는데, 이는 산성배수 처리도를 간접적으로 확인할 수 있는 생물 지표(Indicator)로 활용하게 되며, 연못내의 동·식물 성장상태를 관찰하여 미처리 유무가 확인되면응집/침전조(120)로 반송하여 재처리한다.

상기 집수조(110), 응집/침전조(120) 및 적니층(130)은 처리수가 산성수임을 감안하여 스테인레스 346(sus316)이상의 내산성 재료를 이용하며, 상기 자연 정화지(140)의 바닥은 수밀성 재료를 이용하여 누수되지 않도록 한다.

또한, 본 고안의 실시예에서는 동절기 결빙과 강우시 안전을 고려하여 상기 집수조(110)에서 적니층(130)까지 보온장치(도시하지 않음)를 설치하여 외부의 기상변화에 대비할 수 있도록 한 구조로 되어 있다.

처리공정의 운전은 공사의 공정도에 따라 연속운전 대신 회분식(Batch System)으로 하는 것이 바람직하다. 공사 초기에는 처리수량이 상대적으로 적으므로 집수조(110)에 저류시켜 충분한 수량이 확보된 후에 응집/침전 및 후속 공정을 가동한다.

처리 수량은 공사가 끝날 무렵에 최대가 되므로 집수되는 수량에 따라 집수조의 크기를 늘릴 수 있게 가변적 구조로 설계한다. 이때, 집수조는 조정도의 역할을 한다.

한편, 공사중의 배수 처리에 대한 수질 모니터링은 일일 지하수 배출량과 부유물질, pH, 수온, 그리고 처리수조의 외형 및 동/식물 상태이다. 기기분석에 의한 중금속류의 항목별 모니터링 주기는 최소한 월별 또는 반기 단위로 기록하며 공사가 완료될 때까지 보관하여 공사 후 수질 처리공정 구성에 이용할 수 있도록 한다.

도1에 도시된 산성배수 처리장치를 운전할 경우, 배수의 처리수는 수생 동/식물의 성장유무에 따라 수시로 판단할 수 있으므로 기기분석에 의한 수치적 자료에 앞서 오염물질의 처리 유무를 쉽게 판단 할 수 있다.

다음으로, 공사 후 처리 공정에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

공사가 완료된 후에는 탁도는 없고, 중금속이 함유된 산성배수만 유입된다. 따라서, 공사 중에 이미 알려진 터널 유출수의 양과 pH, 그리고 중금속의 상세한 종류와 농도를 고려하여 공사 마감단계에서는 공사 후 산성배수 처리 공정 사양과 처리 방법을 구체적으로 결정할 수 있다.

공사 후 처리 공정은, 도 1에 도시된 산성배수 처리장치에서 부유물질 제거 목적으로 설치한 부분만 제외한 형태가 기본이 된다.

처리장치의 운전은 유출수의 양이 특별히 많지 않을 경우에는 연속 운전 대신 회분식(Batch System)으로 한다. 즉, 공사 종료 후에는 유출될 산성배수의 양이 많지 않으므로 안전한 처리수질을 확보하기 위해서 무인 자동화의 연속 운전대신 일정량만큼의 배수를 집수한 다음 처리장 관리인이 입회한 상태에서 처리하는 것이 바람직하다.

도2는 본 고안에 따른 산성배수 처리장치에 대한 다른 실시예 구성도로서, 적니(Red Mud)를 이용한 산성배수 처리장치를 나타낸다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 현장에 갱내 지하수 유출량을 바탕으로 적당한 크기의 소택지를 조성하고, 여기에 산성배수를 저류한 후, 상기 적니 파우더(Red Mud Powder)를 단순 살포처리하는 방법으로서 산을 중화시키고 중금속 원소들은 상기 중금속 제거 물질에 흡착된 후 해리되지 못하도록 하는 중성화/안정화/고형화 기술이다.

상기한 본 고안에 따른 적니 기술을 이용한 산성배수 처리장치는, 산악지형의 도로 공사시, 갱내에서 유출되는 유출수에 포함된 슬러지를 침강시켜 제거하는 라임스톤 드레인(210)과; 상기 라임스톤 드레인(210)에서 배출된 처리수를 저류하되, 우기시나 수리지질학적인 현장여건(대수층)등으로 인하여 다량의 갱내 지하수가 유출될 경우를 감안하여 일정량이 유입되면 방류하는 저류조(220)와; 상기 저류조(220)에서 방류된 방류수에 적니파우더를 혼화시켜 산성배수를 음용수 수질기준으로 처리하는 반응조(230)를 포함한다.

여기서, 상기 저류조(220) 및 반응조(230)는 단순 굴토하여 양 측벽과 바닥을 시멘트 벽체로 조성한 구조로 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 실시예에 따르면, 중화제와 같은 화학약품 투입이 불필요하고, 응집제의 투입과 같은 후속공정이 필요 없으며, 중금속 처리도를 음용수 수질기준까지 높일 수 있고, 기계장치가 필요없어 유지관리에 용이하다.

이상에서 설명한 본 고안은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같이 본 고안에 따르면, 산악지형을 통과하는 도로 공사중에 배수되는 고탁도 배수는 물리화학적 방법으로 처리하고, 터널 공사후 터널 주변의 암반층에서 발생되는 암반 유출수는 생물학적 방법으로 처리하는 간단한 공정으로 기존의 환경과 주변 생태계에 악영향을 주지 않으면서 산성배수를 일정 수질기준 이상의 용수로 만들 수 있는 효과가 있다.또한, 관리가 쉬우며 저류조의 용량과 현장의 운전 여건을 고려하여 처리장 가동 시기를 조절할 수 있어 산성배수를 처리하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있는 다른 효과가 있다.

Claims (8)

1. 산악지형의 도로 공사시 발생되는 산성, 중금속, 부유물질을 포함하는 산성배수를 집수하되, 상기 산성배수에 포함된 일부 부유물질을 침강시켜 제거하기 위한 라임스톤(Limestone)층이 구비되며, pH를 중성으로 만들기 위한 집수조;

   소정의 응집제를 투입하여 상기 집수조에서 처리되어 배출된 처리수에 포함된 잔여 고형물과 중금속 성분을 응집/침전시켜 제거하는 응집/침전지;

   상기 응집/침전지를 통과한 처리수에 포함된 잔류 중금속 물질을 재차 제거하는 중금속 제거수단; 및

   상기 중금속 제거수단을 통과한 처리수를 자연정화한 후, 하천으로 방류하기 위한 자연정화지

   를 포함하는 산성배수 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 집수조는 유출수내에 포함되어 있는 철을 산화시키기 위해 산소를 공급하는 폭기기를 더 포함하는 산성배수 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 집수조 및 응집/침전지의 하부에 설치되며, 그들의 하부에 침적되어 배출되는 슬러지를 고형화시키기 위한 시멘트 고형수단을 더 포함하는 산성배수 처리장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 응집/침전지에 투입되는 응집제가 폴리염화 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산성배수 처리장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 중금속 제거수단은,

   응집/침전지를 통과한 처리수에 분말형태의 적니 파우더를 혼화시켜 중성화(Neutralization)/안정화(Stabilization)/고형화(Solidification)시키기 위한 적니층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산성배수 처리장치.
6. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 집수조, 응집/침전지 및 적니층이 내산성/보온 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 산성배수 처리장치.
7. 산악지형의 고속도로 공사시, 갱내에서 유출되는 유출수에 포함된 슬러지를 침강시켜 제거하는 라임스톤 드레인;

   상기 라임스톤 드레인에서 배출된 처리수를 저류하되, 우기시나 수리지질학적인 현장여건(대수층)등으로 인하여 다량의 갱내 지하수가 유출될 경우를 감안하여 일정량이 유입되면 방류하는 저류조; 및

   상기 저류조에서 방류된 방류수에 적니파우더를 혼화시켜 산성배수를 음용수 수질기준으로 처리하는 반응조

   를 포함하는 산성배수 처리장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 저류조 및 반응조는,

   단순 굴토하여 양 측벽과 바닥을 시멘트 벽체로 조성하는 것을 특징으로 하는 산성배수 처리장치.