KR20110055152A - 클레이 제거법에 의한 오염토양의 제염장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 클레이 제거법에 의한 오염토양의 효율적 제염장치에 관한 것이다. 오염토양에서 대부분의 오염물질은 비표면적이 넓은 클레이에 흡착되어 있으므로, 본 발명은 오염토양 중의 클레이를 제거하고, 필요시 클레이가 제거된 토양을 제염하는 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 적은 양의 물로 오염토양 중의 클레이를 손쉽게 제거할 수 있으며, 필요시 실시하는 제염으로 발생된 오염물은 제거된 클레이에 농축시켜 클레이만 폐기하게 된다. 따라서 제염시간 단축, 제염효율 증가, 제염제 양과 소모 전기량의 감소, 2차 오염폐액의 감소 및 처리 용이성 등의 장점과 오염토양의 처분비용이 현저하게 감소되므로, 원자력 발전소, 광산, 산업단지 등의 오염된 토양의 처리/처분 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.

오염토양, 클레이, 디캔터, 상등액, 화학적 제염, 동전기 제염

Description

클레이 제거법에 의한 오염토양의 제염장치{A Decontamination System of Contaminated Soils by Removing Clays}

본 발명은 오염토양 중의 클레이를 제거함으로써 오염토양을 제염하는 제염장치에 관한 것이다.

토양은 산업단지, 원자력발전소, 광산, 주유소, 군부대 등에서 오염물의 법적인 허용농도 이하를 배출하여도 장기간 토양에 누적되거나 또는 오염사고에 의하여 주변의 토양이 오염된다. 토양의 오염물은 크게 두가지로 분류할 수 있는데, 첫째 카드늄, 납, 크롬등과 같은 유해중금속(방사성 물질 포함)에 의한 오염이며, 둘째 발암물질이 포함된 화학적 물질과 오일 등에 의한 유기물질에 의한 오염이다. 유해중금속(방사성 물질 포함)으로 오염된 토양은 고정화하여 산업폐기물 매립지 또는 방사성폐기물 처분장에 격리하여 매립하여야 한다. 고정화의 경우, 시멘트 등과 같이 고정화 매질이 첨가되므로 폐기물의 부피는 실제보다 두배 이상으로 증가하며, 높은 처분비용도 문제이다. 특히, 방사성물질의 처분비용은 200ℓ 드럼 당 약 520만원의 처분비용이 소요된다. 또한, 산업폐기물의 매립지와 방사성폐기물의 처분장은 혐오시설로 분류되어 부지조성을 위해 많은 비용과 시간, 사회적 갈등 등의 국력소모를 통하여 어렵게 마련된 공간이므로, 국가적 차원에서도 절약하여 사용되어야 한다.

오염물질을 제거하기 위한 제염제로는 많은 연구문헌에 밝혀져 있으며, 각각의 제염제는 오염물의 종류(카드늄, 납, 수은, 코발트, 세슘, 우라늄, 유기물 등)에 따라 제염효율이 다르게 나타난다. 또한, 오염물의 형태와 성분에 따라 오염형태가 다르므로 제염방법도 다르게 적용된다. 예를 들어, 이온성 중금속은 토양의 클레이에 흡착되지만 입자성 중금속중 납, 수은, 우라늄 등은 비중이 매우 높아 오염물은 토양 속으로 가라앉으며, 유기물은 클레이에 많은 양이 흡착되지만 모래 등에도 부착된다. 따라서 대한민국 공개특허 제1997-7005822호 및 대한민국 공개특허 제1997-7005443호에 공개된 발명과 같이 암모니아수만으로 토양에 오염된 모든 중금속과 유기물질까지 제거할 수 있다는 것은 실질적으로 불가능한 일이다. 기존의 토양제염은 확학약품에 의한 화학적 제염과 동전기에 의한 동전기제염으로 구분된다. 화학적 제염은 많은 문헌에 기재된 바와 같이 특정 오염 중금속과 그 금속에 효과적인 화학 제염제에 의존한 제염으로 다음과 같은 단점이 있다. 제염제는 클레이가 흡착하고 있던 오염물의 일부를 탈착시키고 이는 물의 오염농도를 높이므로, 물의 재사용이 불가능할 뿐만 아니라 모래등의 다른 토양성분을 오염시키는 결과를 초래한다. 또한 클레이는 높은 흡착성 때문에 완전한 제염이 불가능 할 뿐만 아니라 일정 수준의 제염도 2차 오염물인 물이 많이 발생되므로 경제적이지 못하다. 동전기 제염의 원리는 토양속의 중금속을 물속에 이온화(Co^{2 +}, Cs⁺, Cd⁺, Cr^{2 +} 등)시켜 음극 주변의 용액으로 이동시켜 농축된 용액을 제거하는 방법으로 많은 연구가 이루어져 왔다. 동전기 제염장치는 수평형과 수직형이 있으나 수평형의 전기삼투 방향의 역류등의 단점으로 최근에는 수직형으로 바뀌는 경향이며, 이온의 이동수단인 물의 투수계수가 높아야 제거효율이 높고 처리시간이 단축된다. 투수계수를 높이고 클레이에서 중금속을 떼어내는데 필요한 많은 전기와 처리시간을 줄이기 위하여 토양내 클레이를 먼저 제거하는 것이 바람직하다. 따라서 토양내의 클레이를 먼저 제거한 후, 필요시 동전기에 의한 제염법을 실시하고 음극 주변에 농축된 중금속은 먼저 제거된 클레이와 접촉시켜 클레이에 흡착시키는 것이 효율적 이다.

한편, 토양은 자갈, 모래, 미세모래, 실트(silt), 및 클레이(clay)로 구성되며, 클레이의 경우 비표면적이 모래의 약 8만배에 이른다. 이와 같은 비표면적 때문에 오염토양 내에 존재하는 대부분의 오염물질은 토양중의 클레이에 흡착된 상태로 존재하게 된다. 따라서, 오염토양 중의 클레이를 완전히 제거할 수 있다면, 이는 곧 오염토양내의 오염물질 대부분을 제거하는 의미가 된다. 또한, 클레이는 일반토양에서 약 5 % 미만을 차지하므로, 제거되는 클레이의 처리비용은 원래 오염토양의 처리비용과 비교하여 현저히 감소되는 효과가 있다.

이에 본 발명자들은 오염토양 중 클레이만을 용이하게 제거하여 제염할 수 있는 장치를 연구하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 오염토양을 용이하게 제염할 수 있는 제염장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 오염토양과 물을 수용하는 수용조;상기 수용조 내의 공기 배출을 위한 공기 배출부를 포함하는 수용조 리드(lid); 상기 수용조 상부 측면에 상하 유동이 가능하도록 형성되어 상등액만을 통과시키는 디캔터(decanter); 상기 디캔터로부터 이동된 상등액 중 클레이(clay)를 침전시켜 물과 분리시키기 위한 침전조; 상기 침전조로부터 이동된 물을 저장하는 저장조; 펌프 및 필터를 포함하며, 상기 저장조로부터 물을 상기 수용조로 리사이클 하기 위한 리사이클관; 및 상기 수용조로 공기를 주입하기 위하여 수용조 하부에 연결된 공기 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 오염토양 중 대부분의 오염물질이 흡착되어 있는 클레이를 약 98 %까지 용이하게 제거할 수 있고, 클레이가 제거된 토양은 필요시 화학적 제염제를 사용한 제염 또는 동전기 제염을 실시할 수 있어, 효과적 이다. 이에 따라, 오염토양의 제염시간, 제염효율을 높여 처리비용을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 특징은 이온성 중금속 및 유기물질에 오염된 토양을 대상으로 하며, 대부분의 오염물질을 흡착한 클레이만을 분리하여 폐기물로 처리하고 사용된 물은 재사용이 가능하다는 점이다. 또한, 클레이가 제거된 토양은 필요시(예를 들어, 유기물의 오염 또는 토양의 환경배출 허용기준의 초과시), 화학적 제염제 또는 동전기제염을 사용하여 제염을 실시할 수도 있으며 화학적 제염제는 드레인 배관으로 배수하여 클레이와의 접촉을 피할 수 있고, 동전기제염으로 음극에 농축된 중금속은 제거된 클레이와 접촉시켜 클레이에 흡착시킬 수 있다. 배기구를 통하여 제염된 토양에 공기를 공급함으로써 토양내의 공극에 물과 함께 존재하던 클레이를 배수하여 클레이 제거효율을 높임과 동시에 토양을 건조시킬 수 있다. 또한, 제염된 토양의 제거가 용이하도록 수용조를 뒤집을 수 있도록 설계함을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 클레이 제거를 위한 회분식 오염토양의 제염장치를 제공한다.

본 발명은

오염토양과 물을 수용하는 수용조;

상기 수용조 내의 공기 배출을 위한 공기 배출부를 포함하는 수용조 리드(lid);

상기 수용조 상부 측면에 상하 유동이 가능하도록 형성되어 상등액만을 통과시키는 디캔터(decanter);

상기 디캔터로부터 이동된 상등액 중 클레이(clay)를 침전시켜 물과 분리시키기 위한 침전조;

상기 침전조로부터 이동된 물을 저장하는 저장조;

펌프 및 필터를 포함하며, 상기 저장조로부터 물을 상기 수용조로 리사이클 하기 위한 리사이클관; 및

상기 수용조로 공기를 주입하기 위하여 수용조 하부에 연결된 공기 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치를 제공한다.

본 발명의 수용조는 오염토양과, 이로부터 클레이를 제거하는 수단으로 사용되는 물을 수용하기 위한 구성이다. 수용조의 재질은 오염토양에 의한 2차 오염 및 물에 의한 부식을 방지하기 위하여 스테인레스강, 코팅된 주철강, 및 폴리에틸렌으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

상기 수용조의 상부에는 수용조 내의 공기 배출을 위한 공기 배출부를 포함하는 수용조 리드(lid)가 구비된다. 회분식 제염장치의 경우, 수용조에 오염토양을 투입하고, 리드를 닫은 후, 제염처리가 완료되면, 리드를 열고, 수용조를 회전시켜 제염된 토양을 제거하게 된다.

상기 수용조의 하부에는 공기 주입부가 연결되어 있으며, 상기 공기 주입부를 통하여 주입되는 공기는 오염토양을 교반하여, 이로부터 클레이가 용이하게 분리되도록 한다. 또한, 상기 수용조의 하부에는 리사이클관이 연결되어 있으며, 상기 리사이클관을 통하여 저장조의 물이 수용조로 리사이클되어, 사용되는 물의 양을 최소한으로 유지할 수 있음과 동시에, 리사이클되는 물에 의하여 오염토양을 교반함으로써, 클레이가 용이하게 분리되도록 한다.

오염토양의 제염과정에서 사용되는 물은 오염물질에 의한 2차 오염의 대상이 되므로, 그 사용량을 최소한으로 유지하는 것이 바람직하며, 본 발명은 사용되는 물을 리사이클하므로 사용되는 물을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

상기 수용조의 상부 리드 상에는 수용조 내의 공기 배출을 위한 공기 배출부가 형성된다. 상기 공기 배출부는 오염토양의 제염처리가 완료된 후, 처리된 토양내 공극에 물과 함께 존재하는 클레이를 배수하여 클레이 제거효율을 높임과 동시에, 토양의 건조를 위하여 공기를 주입하는 기능을 병행할 수 있다.

본 발명에 따른 수용조의 상부 측면에는 상하 유동이 가능하도록 형성된 디캔터가 구비된다. 상기 디캔터는 오염토양과 물이 수용된 수용조에서 상등액만을 분리하여 클레이 침전조로 이동시키는 역할을 수행한다.

상기 디캔터는

디캔터의 상부에 위치하며 디캔터가 물에 부유하도록 하는 부표;

디캔터의 하부에 위치하며 상등액만을 통과시키기 위한 망; 및

망에 의하여 통과된 상등액을 침전조로 이동시키되, 디캔터가 상하 유동하는 것이 가능하도록 유연한 재질로 구성되는 배관을 포함한다.

본 발명에 따른 디캔터가 수용조 내의 오염토양과 상등액 중, 상등액만을 효율적으로 분리하기 위하여, 디캔터는 상등액 상에 부유할 필요가 있으며, 상기 부표는 디캔터가 상등액 상에 부유할 수 있도록 한다. 또한, 상등액 중의 오염토양을 분리하기 위하여 디캔터의 하부는 망을 포함하며, 상기 망은 200 내지 1,000 메쉬(mesh)인 것이 바람직하다. 상기 망이 1,000 메쉬를 초과하는 경우 망이 너무 조밀하여 장치의 작동시간이 지나치게 길어지는 문제가 있고, 상기 망이 200메쉬 미만일 경우, 상등액 중의 오염토양을 여과하지 못하는 문제점이 있다. 나아가, 상기 망에 의하여 여과된 상등액을 침전조로 이동시키기 위한 배관은 상등액의 수위에 따라 디캔터가 상하로 유동하는 것이 가능하도록 유연한 재질로 구성되며, 상 기와 같은 배관의 재질은 폴리에텔렌(PE), 타이곤(Tygon), 및 고무로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 디캔터는 사이폰(syphon) 원리를 이용하여, 망에 의하여 여과된 클레이가 포함된 상등액을 침전조로 이동시킨다. 즉, 도 2에서 25번 밸브를 닫고 24번 밸브를 개방하고 미량의 물을 주입한 후, 24번 밸브를 차단하고 25번 밸브를 개방하면, 여과된 상등액이 사이폰 원리에 의하여 배관을 따라 침전조로 이동하게 된다. 이때, 수용조의 상등액 최저 수위는 배관에서 상등액이 배출되는 부분보다는 높아야 한다.

상기 디캔터를 통하여 여과된 상등액은 침전조로 이동된다. 침전조에서는 상등액에 포함된 클레이가 침전되어 물과 분리된다. 이때, 침전조에서 클레이의 침전을 용이하게 하기 위하여 당업자에게 자명한 황산알루미늄(명반), 염화제2철(녹반), 또는 고분자응집제(PAC)와 같은 침전제를 사용할 수 있다. 클레이가 모두 침전된 후 물은 저장조로 이동한다. 상기 침전조는 필요시 동전기 제염으로 음극에 농축된 폐액과 클레이가 접촉하여 폐액의 오염물이 클레이에 흡착되는 반응조를 포함할 수 있다.

클레이가 제거된 물은 저장조에 저장된다. 오염토양으로부터 클레이를 제거하기 위하여 사용된 물은 오염물질에 의하여 2차 오염될 가능성이 크므로, 사용 되는 물의 양을 최소화하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명은 저장조에 저장된 물을 리사이클관을 통하여 수용조로 리사이클한다. 상기 리사이클관은 저장조의 하부에 연결되고, 다시 수용조의 하부와 연결되어, 저장조의 물을 수용조의 하부를 통하여 공급한다. 이때, 물에 남아있을 수 있는 이물질의 제거를 위하여 리사이클관은 필터를 구비하는 것이 바람직하고, 수용조에 대한 물의 연속적인 공급 및 오염토양의 교반을 위한 수압 형성을 위하여, 리사이클관은 순환펌프를 구비하는 것이 바람직하다.

모래 및 자갈등에 붙어 있는 클레이를 분리하기 위하여 오염토양에 물리적인 힘을 가할 필요가 있으며, 이를 위하여 수용조의 하부에 외부에서 공기를 주입하기 위한 공기 주입부가 형성된다. 외부에서 주입되는 공기는 수용조 내에서 물과 혼합되어 있는 오염토양에 물리적인 힘을 가하여 오염토양으로부터 클레이가 분리되도록 한다. 상기 공기 주입부를 통하여 주입된 공기는 수용조의 상부에 형성된 공기 배출부를 통하여 배출된다. 또한, 상기 공기 배출부는 제염 후 토양내의 공극에 물과 함께 존재하는 클레이를 배수하여 클레이 제거효율을 높임과 동시에, 토양을 건조시키기 위하여 추가적으로 공기를 주입하기 위한 공지 주입부로서의 기능을 병행한다.

본 발명에 따른 제염장치는 제염이 완료된 수용조 내의 토양을 용이하게 제거하기 위하여 수용조 측면에 구비된 수용조 회전축 및 회전축 지지대를 더 포함할 수 있다. 제염처리가 완료된 토양은 회전축을 중심으로 수용조를 회전시킴에 의하여 수용조로부터 용이하게 제거될 수 있다. 상기와 같은 수용조의 회전을 가능하게 하기 위하여, 리사이클 관 중, 펌프에서 나와서 수용조로 연결되는 부분은 주름배관을 사용하여야 하며, 스테인렌스 스틸 주름배관을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제염장치에 의하여 클레이가 제거된 토양에 대한 추가적인 제염처리가 필요할 경우, 본 발명에 따른 제염장치는 제염된 토양의 추가적인 제염을 위한 제염조를 더 포함할 수 있다. 이때, 화학적 제염을 실시할 경우, 당업자에게 자명한 묽은 황산(H₂SO₄), 묽은 질산(HNO₃), 묽은 KMnO₄, 아세트산(Acetic acid), 구연산(Citric acid) 또는 이들의 적절한 조합에 의한 제염제가 사용될 수 있으며, 동전기 제염을 실시할 경우, 음극에 농축된 중금속은 제거된 클레이와 접촉시켜 클레이에 흡착시킬 수 있다. 동전기 제염의 경우, 물의 투수계수가 높아야 이온의 이동이 쉽고, 이에 따라 입자가 큰 토양의 제염에 유리하므로, 클레이를 제거한 토양에 대하여 제염 효율이 증가하고, 제염시간이 단축되는 효과가 있다. 오염물질의 대부분을 포함하고 있는 클레이가 제거된 토양에 대하여 제염처리가 이루어지므로 적은 양의 제염제 및 전기, 제염시간 단축, 제염효율 증가 등의 장점이 있다.

본 발명에 따른 제염장치는 분리된 클레이의 수분을 제거하기 위한 건조기를 더 포함할 수 있다. 상기 건조기는 열에 의한 건조 또는 공기에 의한 건조 방식이 가능하며, 이를 통하여 폐기되는 클레이의 중량 및 부피를 감소시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명에 따른 제염장치는 제염이 완료된 수용조 내의 토양을 용이하게 제거하기 위하여 수용조 측면에 구비된 수용조 회전축 및 회전축 지지대를 더 포함할 수 있다. 제염처리가 완료된 토양은 회전축을 중심으로 수용조를 회전시킴에 의하여 수용조로부터 용이하게 제거될 수 있다. 상기와 같은 수용조의 회전을 가능하게 하기 위하여, 리사이클 관 중, 펌프에서 나와서 수용조로 연결되는 부분은 주름배관을 사용하여야 하며, 스테인렌스 스틸 주름배관을 사용하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 회분식 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 회분식 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치에서 사용되는 디캔터에 대한 상세도이다.

<도면 부호에 대한 설명>

10 .............. 수용조

11 .............. 교반용 공기 주입부

12 .............. 공기 배출부

13 .............. 건조용 공기 주입부

20 .............. 디캔터

21 .............. 부표

22 .............. 망

23 .............. 배관

24 .............. 주입 밸브

25 .............. 배출 밸브

30 .............. 클레이 침전조

31 .............. 교반기

40 .............. 저장조

50 .............. 리사이클관

51 .............. 필터

52 .............. 순환펌프

Claims (7)

1. 오염토양과 물을 수용하는 수용조;

   상기 수용조 내의 공기 배출을 위한 공기 배출부를 포함하는 수용조 리드(lid);

   상기 수용조 상부 측면에 상하 유동이 가능하도록 형성되어 상등액만을 통과시키는 디캔터(decanter);

   상기 디캔터로부터 이동된 상등액 중 클레이(clay)를 침전시켜 물과 분리시키기 위한 침전조;

   상기 침전조로부터 이동된 물을 저장하는 저장조;

   펌프 및 필터를 포함하며, 상기 저장조로부터 물을 상기 수용조로 리사이클 하기 위한 리사이클관; 및

   상기 수용조로 공기를 주입하기 위하여 수용조 하부에 연결된 공기 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 공기 배출부는 수용조 내로 추가적으로 공기를 주입하기 위한 공기 주입부의 기능을 병행하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 디캔터는

   디캔터의 상부에 위치하며 디캔터가 물에 부유하도록 하는 부표;

   디캔터의 하부에 위치하며 상등액만을 통과시키기 위한 망; 및

   망에 의하여 통과된 상등액을 침전조로 이동시키되, 디캔터가 상하 유동하는 것이 가능하도록 유연한 재질로 구성되는 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제염장치는 클레이가 제거된 토양에 대하여 추가적으로 제염처리를 하기 위한 제염조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
5. 제 5항에 있어서, 상기 제염조에서 실시되는 제염처리는 화학적 제염 또는 동전기 제염인 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 제염장치는 수용조내 토양을 쉽게 제거하기 위한 수용조 회전축 및 회전축 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 제염장치는 제거된 클레이의 수분을 제거하기 위하여 공기에 의한 건조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클레이 제거를 위한 오염토양의 제염장치.

Images