KR20100067161A - 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 그 장치에 관한 것으로, 강변여과수를 취수하기 위하여 대수층에 형성한 집수정(W) 근처에 상기 대수층 내부로 공기를 강제로 주입하기 위한 공기주입정(A)을 형성하고, 외부에서 상기 공기주입정(A)을 통해 공기를 주입하여 주입된 공기가 대수층 내 지하수와 접촉하여 지하수에 포함된 철과 망간이 산화되어 지층 내부에 잔류하고 철과 망간이 제거된 지하수만이 집수정(W)을 통해 취수될 수 있도록 한 방법이 제공되며, 그 장치는 집수정(W)의 근처에 지하수의 유동방향을 고려하여 설치되는 공기주입정(A)과, 상기 공기주입정(A)에 공기를 주입하기 위하여 압축공기를 생성시키는 콤프레셔(C) 및 상기 공기주입정(A)과 콤프레셔(C) 사이에 연결되는 공기공급관(P)을 포함하여 이루어진다.

지하수, 간접취수, 철, 망간, 산화, 공기, 주입, 산소, 과산화수소수

Description

공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 그 장치 {In-situ remediation of Fe and Mn in groundwater using oxygen zone}

본 발명은 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 그 장치에 관한 것으로, 상세히는 집수정 근처에 공기주입정을 형성하여 외부에서 대수층으로 공기를 주입함으로써 지하수에 포함된 철과 망간이 공기와의 접촉에 의해 산화되어 지층 내부에 잔류하고 철과 망간이 제거된 지하수만이 집수정을 통해 취수될 수 있도록 한 것이다.

현재 국내에서는 수자원의 수량과 수질의 문제가 국가적인 관심사로 대두되면서 양질의 수자원을 확보하기 위한 다양한 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히, 지하수/지표수의 연계 이용으로 그 활용성이 증대되는 간접취수방식 중의 하나인 강변여과(RBF; RiverBank Filtration) 취수에 대한 관심이 고조되면서 이에 관한 많은 연구가 수행되고 있다.

현재 국내 취수 방식인 지표수 취수는 계절별 수량 및 수질의 변화와 각종 수질사고에 민감하다. 특히, 낙동강 페놀 오염사고로 인하여 수돗물에 대한 국민의 불안감이 가중되고 있어 강변여과수 등 취수원 다변화에 대한 사회적인 요구가 높 다. 특히, 강변여과수의 경우 이러한 국내 상황이 반영되어 창원, 김해 등의 지자체에서 강변여과수를 활용한 상수원 확보를 진행 및 상용화하고 있으며, 최근 한반도 대운하와 관련하여 원수 수질 악화를 방지하는 대안으로 강변여과 취수방식이 관심을 받고 있다.

강변여과수는 장시간 동안 강변의 대수층에 체류한 물을 취수하는 방식으로 안정적인 수질확보가 가능하며, 지표수의 수질 및 수량의 변화에 큰 영향을 받지 않는 장점이 있다. 그러나 배후 지하수에 용존해 있는 철과 망간이 취수과정에서 산소와 접촉하여 용출되면서 배관 내부가 철과 망간 산화물로 막히거나 후속하는 정수과정에서 철과 망간을 제거하기 위한 설비와 비용이 추가로 소요되는 등의 여러 가지 문제점을 도출하고 있다. 따라서 양질의 원수를 확보하기 위하여 철과 망간의 제거 기술 개발이 급선무라고 할 수 있다.

도 1에는 종래기술에 의한 고온의 공기를 이용한 토양 오염 정화장치 및 정화방법이 도시되어 있는데, 이는 유류에 의해 고농도로 오염된 토양을 고온의 공기를 주입하여 단기간 내에 정화하여 복원할 수 있는 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 유류에 의해 오염된 토양(1) 내에 매설되어 토양(1)에 공기를 주입하는 주입정(11)과, 상기 주입정(11)의 입구에 연결되어 주입정(11)으로 공기를 공급하는 공기주입기(12)와, 상기 주입정(11)과 상기 공기주입기(12) 사이에 설치되어, 상기 공기주입기(12)로부터 상기 주입정(11)으로 흐르는 공기를 가열하는 공기가열 기(13)와, 토양(1) 내에 매립되어 상기 가열된 공기에 의하여 휘발된 유류 오염물을 외부로 안내하는 추출정(21)과, 상기 추출정(21)의 출구에 연결되어 유류 오염물을 배출시키는 공기추출기(23)를 포함하여 이루어져 있으며, 토양에 고온의 공기를 주입하여 토양 내에 존재하는 유류 오염물의 휘발성을 증가시킴으로써, 디젤유와 같은 저휘발성 유류 등도 짧은 기간 내에 손쉽게 제거할 수 있도록 되어 있다.

도 2는 종래기술에 의한 관 추진을 이용한 오염토양의 현장 세정 공법이 도시되어 있는데, 이는 중금속, 유해화합물 및 유류 등에 의하여 오염된 토양을 현장에서 세정하여 정화처리하는 방법에 관한 것으로, 오염원 인근에 굴착기지(99)를 구축하고 이 굴착기지로부터 관추진굴착공법을 통하여 오염원 하부 지반에 상부관입체(30) 및 하부관입체(40)를 형성한 후 상부관입체에 세정액을 투입함으로써, 투입된 세정액에 의하여 오염물이 세정될 수 있도록 되어 있다.

도 3에는 종래기술에 의한 오염 토양 및 지하수 복원을 위한 이중 구조의 복원정이 도시되어 있는데, 이는 지하의 비포화대와 대수층에 대한 공기주입 및 추출기능을 동시에 수행하는 이중 구조의 복원정은 서로 소정 거리만큼 이격되도록 설치되는 제1 이중정(10)과 제2 이중정(30)으로 구성되고, 제1 이중정(10)은 비포화대 내의 공기를 추출하는 비포화대 추출정, 비포화대 추출정의 하단에 연장 설치되고 대수층에 공기를 주입하는 제1 대수층 주입정 및 외부로부터 제1 대수층 주입정으로 공기를 공급하는 제1 공기 공급관을 포함하고, 제2 이중정(30)은 비포화대 내로 공기를 주입하는 비포화대 주입정, 대수층에 공기를 주입하는 제2 대수층 주입정 및 외부로부터 제2 대수층 주입정으로 공기를 공급하는 제2 공기 공급관을 포함 한다. 또한, 이중정에 의해 형성된 공기의 영향 반경 내에는 액상 물질을 주입하기 위한 고압 주입정이 추가로 설치되어 있다.

도 4에는 종래기술에 의한 오염토양 및 지하수 복원을 위한 차량 탑재형 산화제주입장치가 도시되어 있는데, 이는 하부에 고압의 약액과 공기를 분사하는 고압분사노즐(111)을 형성하여 관형태로 오염토양에 삽입되는 주입로드(112)를 형성하고, 주입로드(112)의 상부로 고압분사노즐(111) 측으로 약액을 공급하도록 약액주입관(114)에 연결된 약액주입부(113)을 형성하며, 주입로드(112)의 내부로 공기를 주입하도록 공기주입관(116)과 연결된 공기주입부(115)를 상부에 형성하고, 주입로드(112)의 중앙측으로 일정한 구역에 공기로 부피를 팽창시킬 수 있는 패킹튜브(117)를 형성한 토양공급부(110)와, 상기 토양공급부(110)의 공기주입부(115)로 공기를 공급하도록 발전기(121)와 에어콤프레셔(122)를 형성한 에어공급부(120)와, 상기 토양공급부(110)의 약액주입부(113) 측으로 산화제를 정량으로 공급하도록 다 이아프렘정량펌프(132)를 산화제가 저장된 공급탱크(131)에 연결시켜 산화제를 공급하는 산화제공급부(130)와, 상기 토양공급부(110)와 에어공급부(120) 및 산화제공급부(130)를 제어하는 콘트롤부(141)가 형성된 이송제어부(140)를 설치하고, 상기 각부를 적재하여 이동하는 이동차량(143)으로 구성되어 있다.

한편, 위에서 열거된 종래의 기술들은 화학약품 등을 사용하여 오염물질을 제거하며, 대수층에 공기를 주입하는 것은 주로 유류 오염 제거용으로 활용되었다. 따라서 본 발명과 같이 대수층 내의 지하수의 철과 망간을 제거하는 기술이 아닌 다른 용도로 활용되고 있으며, 대수층 내에 산화대를 형성하여 오염물질을 제거하 고 양질의 취수원을 확보하는 기술로 보기 어렵다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대수층 내에 산화대를 형성하여 지하수에 포함된 철 및 망간을 비롯한 오염물질을 취수 전에 제거하고 철과 망간이 제거된 지하수만이 집수정을 통해 취수될 수 있도록 함으로써 관로의 막힘현상이나 취수 후의 정수처리를 경제적으로 할 수 있도록 하는 양질의 취수원을 확보할 수 있는 방법 및 이 방법에 적합한 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 강변여과수를 취수하기 위하여 대수층에 형성한 집수정 근처에 상기 대수층 내부로 공기를 강제로 주입하기 위한 공기주입정을 형성하고, 외부에서 상기 공기주입정을 통해 공기를 주입하여 주입된 공기가 대수층 내 지하수와 접촉하여 지하수에 포함된 철과 망간이 산화되어 지층 내부에 잔류하고 철과 망간이 제거된 지하수만이 집수정을 통해 취수될 수 있도록 한 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법을 제공한다.

본 발명의 방법에 사용되는 장치는 집수정의 근처에 형성되는 공기주입정과, 상기 공기주입정에 공기를 주입하기 위하여 압축공기를 생성시키는 콤프레셔 및 상기 공기주입정과 콤프레셔 사이에 연결되는 공기공급관을 포함하여 이루어진다.

본 발명에서는 공기를 지층 내 대수층에 주입함으로써 산화대를 형성하고 지하수에 녹아있는 철과 망간을 제거함으로써 간접취수 기법 적용시 양질의 원수를 취수할 수 있으며, 철과 망간으로 인한 관정의 막힘현상 및 취수 후 정수처리과정의 단순화 및 정수처리비용을 절감할 수 있는 등의 유용한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 장치를 설명하기 위한 집수정 부근의 단면도이고, 도 5은 집수정 상부의 사시도이며, 도 7은 공기주입정의 상단부를 도시한 것이다.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명은 강변의 대수층에 체류한 물을 취수하는 간접취수방식의 집수정에 적용되는데, 본 발명이 적용된 간접취수방식에서 사용되는 집수정(W)은 도면에 도시된 바와 같은 방사형 집수정 외에도 대형 수직정, 경사정 등 다양한 방식의 집수정에 적용할 수 있으나, 이하에서는 방사형 집수정에 적용한 예에 대하여만 설명하기로 한다.

지상의 시설은 대부분 전기 공급 시설(도시 안 됨) 및 콤프레셔(C)가 위치하는데, 이는 지층 내부에 산화대를 형성하기 위해 공기를 주입하기 위한 장비이다.

본 발명에서 상기 집수정(W) 근처에는 산화대를 형성하기 위하여 연속 공압 파쇄 기법을 활용하여 공기를 주입할 수 있는 공기주입정(A)이 설치되는데, 이는 집수가 주로 이루어지는 구간을 선별하여 설치하며, 주입한 공기가 일정한 산화대를 형성할 수 있도록 스크린 구간을 조절하여 설치한다.

또, 본 발명에서 상기 공기주입정(A)을 통한 지층 내부로의 공기 주입시에는 공기의 원활한 지층내 주입을 위하여 도 7에 도시된 바와 같이 공기주입정(A) 상단은 패커(packer)의 원리를 활용하여 완전하게 밀폐한 상태에서 공기를 주입한다.

상기 공기주입정(A)은 대량의 공기를 일정한 지역에 동시에 공급하기 위하여 여러 개를 설치하여 콤프레셔(C)에서 생성된 압축공기를 분배할 수 있도록 매니폴드 형태로 이루어진 공기공급관(P)으로 연결한다.

본 발명에서 바람직하기에는 상기 공기공급관(P)에 공기 중의 산소농도를 높일 수 있도록 별도의 산소저장탱크를 연결하거나 산소를 다량 함유한 과산화수소수저장탱크를 연결하여 산소 또는 과산화수소수를 공기와 함께 대수층 내에 주입할 수 있도록 함으로써 지하수 중에 포함된 철과 망간을 더욱 효과적으로 산화시킬 수 있도록 한다.

상기 집수정(W)의 하부에서는 공기주입정(A)을 통해 공급된 공기가 지하수와 접촉하여 형성된 산화대(도면상에 표시요망)를 통과하여 철과 망간이 제거된 원수가 방사형 집수정(W)으로 취수되는데, 이 집수정(W)이 도면에 도시된 바와 같이 방 사형 집수정인 경우에는 집수정(W)의 하부에 방사상으로 다수의 수평정(W')이 설치되는바, 지하수 내 철과 망간의 함유량이 많을 경우에는 철과 망간이 이 수평정(W') 부분에 부착되어 막힘현상을 일으키게 되므로 철과 망간을 제거하기 위한 산화대는 수평정(W')이 설치되어 있는 지역을 중심으로 형성되어야 하며, 공기주입도 이 지역을 목표로 하여 수행하면 된다.

상기 공기주입정(A)은 설치 대상 지역의 대수층과 상부 지층을 목표로 하여 설치되며, 주로 대수층의 위치에 스크린을 설치하여 공기주입정(A)으로 주입된 공기가 대수층 내 지하수에 직접적으로 영향을 미치도록 한다.

또한, 상기 공기주입정(A)은 지속적인 공기주입으로 산화대가 형성되어 집수정(W)에 취수되는 지하수에 영향을 미칠 수 있도록 주변 지하수의 유동 방향을 고려하여 설치하는 것이 바람직한데, 도면상으로도 지하수의 유동이 상대적으로 많은 강변 쪽에 설치되어 있다.

본 발명의 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법 및 그 장치에 있어서는 강변여과수 등의 원수를 취수하기 위하여 집수정을 설치하고, 산화대 형성을 위한 공기주입정을 설치하며, 콤프레셔를 집수정 상부의 전기시설에 연결하여 전원을 공급받아 구동시켜 공기를 연속적으로 상기 공기주입정을 통해 대수층으로 주입하되, 공기주입정 상단부에 패커를 설치하여 주입한 공기가 공기주입정 하부로 이동하여 대수층에 유입될 수 있도록 유도함으로써 주입된 공기가 지하수에 용존되어 있는 철과 망간과 접촉하여 산화시킴으로써 산화된 철과 망간은 지층 내에 잔류 하게 되고, 이에 의해 수평정(2a)으로 유입되는 원수에는 철과 망간의 함유량이 최소화 됨으로써 취수 수질을 개선하게 되는 것이며, 이에 의해 집수정(2) 하부로 수질이 개선된 원수가 취수되는 것이다.

도 1은 종래 고온의 공기를 이용한 토양 오염 정화장치의 예시도,

도 2는 종래의 관 추진을 이용한 오염토양의 현장 세정 공법의 예시도,

도 3은 종래 오염 토양 및 지하수 복원을 위한 이중 구조의 복원정 예시도,

도 4는 종래 오염토양 및 지하수 복원을 위한 차량탑재형 산화제주입장치도,

도 5는 본 발명에 의한 지하수 용존 오염물질의 제거방법을 도시한 단면도,

도 6은 도 5에 도시된 집수정 상부의 사시도,

도 7은 공기주입정 상단의 패커 설치상태도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

W : 집수정 W' : 수평정

C : 콤프레셔 A : 공기주입정

P : 공기공급관

Claims (5)

1. 강변여과수를 취수하기 위하여 대수층에 형성한 집수정(W) 근처에 상기 대수층 내부로 공기를 강제로 주입하기 위한 공기주입정(A)을 형성하고, 외부에서 상기 공기주입정(A)을 통해 공기를 주입하여 주입된 공기가 대수층 내 지하수와 접촉하여 지하수에 포함된 철과 망간이 산화되어 지층 내부에 잔류하고 철과 망간이 제거된 지하수만이 집수정(W)을 통해 취수될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기주입정(A)에는 공기와 함께 산소나 과산화수소수를 주입하는 것을 특징으로 하는 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거방법.
3. 청구항 1 또는 2의 지하수 용존 오염물질의 제거방법에 사용되는 장치로;

   집수정(W)의 근처에 형성되는 공기주입정(A)과, 상기 공기주입정(A)에 공기를 주입하기 위하여 압축공기를 생성시키는 콤프레셔(C) 및 상기 공기주입정(A)과 콤프레셔(C) 사이에 연결되는 공기공급관(P)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 공기주입정(A)은 복수로 이루어지고 하나의 콤프레셔(C)에서 매니폴드 형태로 이루어진 공기공급관(P)을 통해 공기가 공급되며, 상기 공기공급관(P)의 상단은 패커로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 공기주입정(A)은 집수정(W)에 취수되는 지하수의 유동 방향을 고려하여 설치되는 것을 특징으로 하는 공기주입에 의한 지하수 용존 철과 망간의 제거장치.

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