KR200357173Y1

KR200357173Y1 - 산성 폐수 고농도 반송 처리 장치

Info

Publication number: KR200357173Y1
Application number: KR20-2004-0004204U
Authority: KR
Inventors: 박영구
Original assignee: (주)동양기계
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2004-07-23

Abstract

본 고안은 산성 폐수의 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원수유입조, 중화반응조, 침전조로 구성되고, 화학약품으로는 소석회를 사용하며 처리 공정에서 발생하는 고농도 침전 슬러지(sludge)는 중화반응조로 반송하여 유입수와 혼합 처리하는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 고농도 반송 처리 장치에 관한 고안이다.

Description

산성 폐수 고농도 반송 처리 장치{ACIDIC WASTE WATER TREATMENT APPARATUS BY MEANS OF SLUDGE FEEDBACK}

휴·폐광의 갱내 산성폐수(Acid Mine Drainage, AMD)는 주변의 암석층을 통과하면서 중금속을 용출함과 동시에 황산염과 같은 유해물질이 하천으로 유입되면 주변 수계를 황갈색 침전물로 오염시켜 외관뿐만 아니라 자연생태계 파괴, 상수원 및 지하수 오염, 지역 주민의 건강을 해치는 등 심각한 환경문제를 야기하고 있다.

현재 일부 폐광지역에서는 자연정화 공법으로, 가행 탄광에서는 수산화나트륨과 응집제를 첨가하여 갱내 산성폐수를 처리하고 있으나, 황산이온과 중금속 등의 제거효율에 문제점이 있고, 약품 가격이 고가이므로 처리 비용에도 어려움이 있다.

우리나라 전국에 산재한 수많은 휴·폐광지에서 발생된 산성폐수는 주변 하천으로 유입되어 하천 바닥에 적갈색 침전물과 백화현상을 유발하여 생태계에 큰 영향을 미치게 된다.

즉, 갱내 산성폐수는 철(Fe), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 황산염이온(SO₄ ^-2) 등이 일반 지역의 지표수나 지하수에 비해 고농도이며, 이들 이온종들이 유입된 하천수는 탁도 뿐만 아니라, 적갈색 및 흰색의 침전물이 하천 외벽과 하상에 생성되어 자연경관을 훼손시킨다

산성의 갱내수가 유입되는 하천 상류는 수소이온농도(pH)가 3∼6 정도 되는데, 갱내수가 하천에 유입되면 산도가 증가하고 탁도의 발생으로 하천 생태계의 파괴와 동식물의 생육에 큰 영향을 받는다. 수소이온농도가 4 이하에서는 하천에서 서식하는 물고기와 미생물의 생존이 어렵고, 하천에 설치된 콘크리트 구조물을 부식시키는 등 사회간접자본을 잠식하여 시설관리 유지비가 많이 든다.

AMD의 처리 장치를 크게 구분하면 인위적인 물리화학적 방법에 사용되는 적극적 처리방식(Active Treatment)에 의한 장치와 자연적인 정화를 이용하는 소극적 처리방식(Passive Treatment)에 의한 장치로 나눌 수 있다.

적극적인 처리방식은 화공약품(중화제, 응집제)과 기계력을 사용하여 정화하는 기술로서 정화 효율성은 우수하나, 동력/인력/화공약품이 지속적으로 소요되며, 처리공정(집수조, 혼합조, 응집조, 침강조 및 여과조 등)이 필요하다.

소극적 처리방식은 화학물질의 첨가나 운영비 및 유지비가 필요하지 않고, 다만 토지 수용비 정도가 비용의 대부분을 차지하는 장점이 있으나, 적극적 처리방식에 비해 오염물질의 제거 속도가 느린 편이며 처리 시간이 길고 오염물질의 방류 수준에 따라 토지사용 면적이 커질 수 있는 등 정화효율성 및 지속성이 불투명하다.

근래 외국에서는 Oxic Limestone Drains, Anoxic Limestone Drains, Diversion Well, SAPS(Successive Alkalinity Production System) 및 장기적인 자연 정화식 처리인 소택지 등 다양한 장치들이 제시되었으며, 국내의 경우에는 삼척시, 태백시, 정선군 등의 일부 폐탄광을 대상으로 소택지를 이용한 자연적화 처리법에 의한 AMD를 처리하고 있으나, 각 지역의 지형, AMD의 수질 성상, 유출량 등이 다양하여 일률적으로 설치된 처리공정이 큰 효과를 나타내지는 못하는 것으로 알려져 있다.

일례로 석탄산업합리화사업단이 정선의 동원탄좌, 태백의 성원탄좌 등에 소택지를 이용한 자연정화 공법으로 갱내 산성폐수 처리사업을 실시하고 있지만, 이 자연정화 공법은 철 성분이 자연상에서 산화되여 생성된 적갈색 침전물 등은 유량이 적은 갈수기 때에 소택지 유출수에서 상당한 효과가 있으나, 황산이온과 중금속 등의 제거 효율에는 문제점이 있으며, 특히 갱내수의 유량이 많을 때에는 처리에 문제점이 많다.

이외에도 태백 석공 금천갱과 삼척 도계 흥전갱은 수산화나트륨(NaOH)으로 산성 갱내수를 중화법으로 처리하고 있다. 수산화나트륨으로 중화 처리된 방류수에서 황산이온과 중금속 등의 농도가 높고, 특히 수산화나트륨의 가격이 비싸서 처리비용에도 어려움이 있다.

본 고안은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 소석회[Ca(OH)₂]를 처리약품으로 사용하여 원수유입조, 중화반응조, 침전조의 3단계 시설로 갱내 산성 폐수를 처리하며, 처리된 침전 슬러지를 중화조로 반송하여 재사용하는 방식으로 약품비의 절감 및 슬러지의 함수율 감소, 시설 운영비 절감 등의 장점을 가지는 산성폐수 처리 장치를 제시하는 것을 주요한 목적으로 하였다.

도 1은 산성폐수 고농도 반송 처리 장치

도 2는 중화반응조에서 pH변화에 따른 침전조 배출수의 pH변화 도시

도 3은 중화반응조에서 pH변화에 따른 침전조 배출수의 부유물질농도(SS)의 변화 도시

도 4는 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 철(Fe) 농도 변화 도시

도 5는 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 망간(Mn) 농도 변화 도시

도 6은 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 황산염이온( SO₄ ^-2)의 농도 변화 도시

도 7은 배출 상등수의 알루미늄(Al) 농도 변화

도 8은 배출 상등수의 칼슘(Ca) 농도 변화

도 9는 배출 상등수의 구리(Cu) 농도 변화

<* 도면에 사용된 부호에 대한 설명*>

1 : 소석회 용해설비, 2 : 약액주입 펌프, 3 : 혼합희석탱크,

4 : 희석수탱크, 5 : 교반기, 6 : 약액주입펌프,

7 : 중화반응조, 8 : 원수유입조, 9 : 원수펌프,

10 : 교반기, 11 : 침전조, 12 : 슬러지펌프,

13 : 슬러지저장탱크, 14 : 처리수

도 1은 상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안의 산성폐수 고농도 반송 처리 장치이다. 이하 도 1를 이용하여 본 고안의 기술적 구성을 보다 상세히 설명한다.

도 1에서 소석회 용해설비(1)는 소석회를 용해시키는 장치이다. 상기 용해설비에서 용해된 소석회는 약액주입 펌프(2)를 통하여 혼합희석탱크(3)로 이송된다. 혼합희석탱크(3)에는 소석회 용액 외에도 희석수탱크(4)에서 희석수가 유입되며 이 두 용액은 교반기(5)로 교반되어 균일하게 혼합된다. 이때 소석회 용액과 희석수의 혼합 비율은 공정상의 필요에 따라 원하는 대로 조절 한다. 희석수과 혼합된 소석회 용액은 약액주입펌프(6)를 통하여 중화반응조(7)로 유입된다.

처리 대상 산성폐수인 오염원은 일차적으로 원수유입조(8)에 포집된 후 원수펌프(9)를 통하여 중화반응조(7)로 이송된다. 중화반응조(7)는 용해된 소석회가 산성폐수와 반응하는 곳이며 교반기(10)가 구비되어 있다.

중화반응조(7)를 거친 산성폐수는 침전조(11)에서 침전 처리 된다.침전조(11)에서는 슬러지가 발생되며 발생된 슬러지는 슬러지펌프(12)를 통하여 슬러지 저장탱크(13)로 이송되고 일부는 중화반응조(7)로 반송된다.

슬러지가 침전된 산성폐수는 처리수(14)로서 하천에 방류된다.

이하 다음 실시예를 통하여 본 고안을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1] 산성 폐수의 정화예

산성 폐수 처리 장치에 유입되는 폐수를 중화반응조에 일정한 유량으로 공급하였다. 중화반응조에서 수소이온농도(pH)를 7.0∼11.0까지 0.5단위로 변화 시키면서 약품을 투입하고, 급속교반(180rpm)과 완속교반(90rpm)을 약 15분 동안 실시하였으며, 침전조 설계 체류시간인 약 4시간 경과 후 침전조 상등수(배출수)를 채수하여 분석하였다.

도 2는 중화반응조에서 pH변화에 따른 침전조 배출수의 pH변화를 나타낸 것이다.

중화반응조 pH가 7.0일 때 배출수의 pH는 6.8이고, 중화반응조 pH가 8.0일 때 배출수 pH가 7.5으로 0.5의 차이를 보였다. 중화반응조 pH가 11.0일 때 배출수의 pH가 10.35로 0.65의 차이를 보였다. 중화반응조 pH7.5∼11.0까지 구간에서 침전조 배출수 pH가 중화반응조 pH보다 0.5∼1.0정도 낮게 나타났다.

오염물질 배출허용기준치가 pH5.8∼8.6이므로 중화반응조에서 pH9.5일 때 침전조 상등 배출수 pH가 8.4이기 때문에 중화반응조에서 pH값은 9.5가 적정하다고판단된다. 이 때 소석회 약품주입율은 0.295g/L이다.

도 3은 중화반응조에서 pH변화에 따른 침전조 배출수의 부유물질농도(SS)의 변화를 나타낸 것이다.

중화반응조 pH가 7.0일때 배출수의 SS는 33mg/L이고, pH가 9.5일때 SS는 15mg/L로 약품투입량의 증가에 따라 배출수의 SS도 낮아지고 있다. 그러나 pH9.5-11.0까지 배출수의 SS는 16mg/L 정도로 거의 같았다.

pH가 9.5이상에서는 갱내 폐수 중에 용존된 이온성분이 수산화물 형태로 침전하지만, 중화약품과 반응에 의해 형성된 플록(floc)중 미세 floc이 체류시간내에 처리되지 않았기 때문이며, 폐수에 함유된 콜로이드 성분과 토사질의 탁질 물질은 상당 부분 침강되지 않은 것으로 판단된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 약간의 응집제 투입을 고려해 보아야할 것으로 판단된다.

도 4는 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 철(Fe) 농도 변화를 나타낸 것이다. 중화반응조 pH가 7.0일 때 배출수의 Fe는 17.3mg/L이고, pH가 11.0일 때 Fe은 6.30mg/L로 약품투입량의 증가에 따라 배출수의 Fe의 농도가 낮아지고 있다. 중화반응조 pH9.5에서 배출수의 Fe 농도는 9.52mg/L로 오염물질 배출허용기준치인 10.0mg/L이하로 나타났다.

도 5는 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 망간(Mn) 농도 변화를 나타낸 것이다.

중화반응조 pH가 7.0일 때 배출수의 Mn 농도는 6.27mg/L이고, pH가 8.5일 때 Mn 농도는 1.04mg/L이다. 약품투입량의 증가에 따라 배출수의 Mn 농도가 현격히 낮아지는 것을 볼 수 있다. pH가 8.5에서 청정지역의 오염물질 배출허용기준치 2.0mg/L 이하를 유지할 수 있다. 중금속류의 pH에 따른 Mn의 용해도적을 보면 pH8.0이상의 알칼리에서 급격히 Mn 농도가 감소하는 것을 알 수 이다.

도 6은 중화반응조 pH 변화에 따른 배출 상등수 황산염이온( SO₄ ^-2)의 농도 변화를 나타낸 것이다.

중화반응조 pH가 7.0일 때 배출수의 SO₄ ^-2농도는 663mg/L이고, pH11.0일 때 배출수의 SO₄ ^-2농도는 612mg/L이다. SO₄ ^-2농도는 약품주입량의 증가로 농도가 떨어지고 있으나, 중화약품 소석회에 의한 SO₄ ^-2의 제거효율은 매우 낮게 나타났다.

이론적 고찰에서 폐수에 함유된 SO₄ ^-2는 중금속과 결합하여 중금속 제거효과가 있는 것으로 기대 되었으나, 폐수에 함유된 중금속에 의한 농도 감소인지 중화약품에 의한 농도 감소인지 확인 할 수 없었다. 그러나 중화약품 증가로 인한 SO4-2 농도가 감소하고 있기 때문에 후자일 가능성이 높다.

SO₄ ^-2는 오염물질 배출허용기준의 적용을 받지는 않지만 방류수계의 산도가 높아 생태계에 미치는 영향이 클 것으로 판단된다.

우리나라의 상수도 원수는 대부분 하천수를 사용하고 있으며, 상수도에서SO₄ ^-2의 정수기준치가 200mg/L이하이기 때문에 기준치 이하를 유지하는 것이 바람직하다고 생각된다.

또한, 도 7 ∼ 도 9까지는 배출 상등수의 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 구리(Cu) 농도 변화를 각각 나타낸 것이다.

본 고안의 산성 폐수 처리 장치는 수산화나트륨(NaOH)과 응집제를 병행하여 사용하는 통상의 처리 장치에 비하여 매우 저렴하게 운영가능하다. 그 이유는 본 고안이 가격이 저렴한 소석회를 사용하는 장치이기 때문인데, 이로써 다른 화학적 처리 장치에 대비하여 유지관리비와 시설비를 각각 30% 정도 절감 시킬 수 있다. 또한 처리시설의 단순하여 인하여 인건비도 적게 소요된다.

본 고안의 실시 결과 폐광에서 배출되는 폐수 속 오염원의 절대 농도를 감소시킬 수 있었으며, 침전 슬러지를 중화조로 반송하여 재사용하는 방식으로 약품비의 절감 및 슬러지의 함수율 감소, 시설 운영비 절감 등의 효과가 있었다.

Claims

산성 폐수를 처리하는 장치에 있어서,

소석회를 미리 용해시키는 소석회 용해설비(1), 용해된 소석회를 일시적으로 저장하여 희석수와 혼합하는 혼합희석탱크(3), 소석회 용액의 농도를 조절하기 위한 희석수을 공급하는 희석수탱크(4), 희석수과 소석회 용액을 혼합하는 교반기(5), 처리 대상 산성폐수인 오염원를 포집하는 원수유입조(8), 포집된 오염원을 공급하는 원수펌프(9), 오염원을 소석회 용액과 오염원이 반응하는 중화반응조(7), 중화반응조에 설치되는 교반기(10), 침전조(11), 침전조에서 발생한 슬러지를 일부 중화반응조(7)로 반송하고 나머지 일부를 슬러지저장탱크(13)로 이송하는 슬러지펌프(12)로 구성되는 것을 특징으로 하는 산성 폐수 고농도 반송 처리 장치.
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