KR20130075272A - Ａｏｄ 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법 - Google Patents

Abstract

광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 통과시켜 광산 폐수의 중금속을 제거하고, 이를 다시 중성화시키는 광산 폐수 처리 방법으로서, (a) 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 단계; 및 (b) AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂)를 투입하여 광산 폐수의 산도(pH)를 중화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여, 기존의 AOD 슬래그를 재활용하여 환경 문제도 해결하고, 계절에 관계 없이 일정하게 광산 폐수를 처리할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

ＡＯＤ 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법{METHOD OF PROCESSING FOR ORE INDUSTRY SEWAGE BY USING AOD SLAG AND EXHAUST GAS CONTAINING CO₂}

본 발명은 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 광산 폐수 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수의 중금속을 제거하고, 중금속이 제거된 광산 폐수에 이산화탄소를 함유하는 배기가스를 투입함으로써 중금속이 제거된 광산 폐수를 중화시키는 방법에 관한 기술분야이다.

광산에서 발생되는 폐수는 다른 산업에서 발생되는 폐수와는 달리, 광산이 폐쇄된 후에도 수년 동안 폐수가 발생되는 것이 특징이다. 광산의 폐 갱(坑) 내에서 발생하는 폐수는 pH가 3~6 정도의 산성이며, 광석에 함유되어 있는 철(Fe), 크롬(Cr), 망간(Mn), 아연(Zn) 구리(Cu) 등의 중금속 성분을 포함하는바 이들 중금속들을 인접 수계(水系)를 중금속으로 오염시키는 환경 오염 문제를 야기시켰다.

이러한 광산에서 흘러나오는 광산 폐수를 처리하기 위한 방법으로는 석회석을 이용하여 중화하고, 중금속 이온을 침전 제거하는 방법이 활용되어 왔으나, 석회석을 이용한 방법은 많은 양의 침전물이 발생하여 침전물 처리에 많은 비용 발생하는 문제점이 존재하였다.

또 다른 방법으로는 황환원박테리아(sulfur reduction bacteria)를 이용하여 산성의 광산 폐수를 환원시켜 중금속을 제거하는 방법이 있었으나, 이 방법은 계절의 온도 변화에 민감하여 온도 변화에 따른 폐수 처리 능력이 좌우되는 문제점이 있었으며, 특히 온도가 낮은 겨울에는 미생물의 성장 및 활동이 둔화되어 폐수 처리 효율이 급격히 낮아지는 문제점이 존재하였다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 상기한 바와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 온도에 민감하지 않으며, 많은 슬러지를 발생시키지 않는, 광산 폐수를 처리하는 방법을 제공하고자 한다.

둘째, 기존의 산업 폐기물을 재활용하여, 광산 폐수를 처리할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 상기의 해결하고자 하는 과제를 위하여 다음과 같은 과제 해결 수단을 가진다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 통과시켜 광산 폐수의 중금속을 제거하고, 이를 다시 중성화시키는 광산 폐수 처리 방법으로서, (a) 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 단계; 및 (b) AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂)를 투입하여 광산 폐수의 산도(pH)를 중화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 (b) 단계 후, 중화된 광산 폐수를 활성탄이 충전된 층을 통과시켜 광산 폐수의 색도를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법의 AOD 슬래그 충전층은, 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화망간(MnO), 이산화규소(SiO₂) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법의 (a) 단계는 광산 폐수를 상기 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시키는 유속은 4 내지 6 S.V(space velocity)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법의 (a) 단계는 광산 폐수가 상기 AOD 슬래그(slag) 충전층에 체류하는 시간은 1.5시간 내지 5시간인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법의 (a) 단계는 충전층의 충전 밀도가 0.8 내지 0.9kg/L인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법의 (b) 단계는 이산화탄소는 배기 가스 부피의 10% 내지 30% 부피를 가지며, 투입은 1L/분 단위로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 온도에 민감하지 않는, 광산 폐수 처리 방법을 제공하는바, 계절에 관계 없이 일정하게 광산 폐수를 처리할 수 있는 방법을 제공하는 효과를 가진다.

둘째, 기존의 AOD 슬래그를 재활용하는바, AOD 슬래그를 재활용하여 환경 문제를 해소할 수 있는 효과를 가진다.

셋째, 기존의 이산화탄소를 함유하는 배기가스를 재활용하는바, 배기 가스를 재활용하여 환경 문제를 해소하는 효과도 가진다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 광산 폐수를 처리하는 공정을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, pH에 대한 금속 이온의 제거 효율을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 이산화탄소 함유 배기 가스 투입 시간에 대한 pH 변화를 도시한 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법을 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 광산 폐수를 처리하는 공정을 도시한 공정도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, pH에 대한 금속 이온의 제거 효율을 도시한 그래프이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 이산화탄소 함유 배기 가스 투입 시간에 대한 pH 변화를 도시한 그래프이다.

본 발명에 따른, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은, 광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 통과시켜 광산 폐수의 중금속을 제거하고, 이를 다시 중성화시키는 광산 폐수 처리 방법으로서, 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 단계; 및 AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂)를 투입하여 광산 폐수의 산도(pH)를 중화시키는 단계를 포함한다.

광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층에 통과시키는 체류 시간은 1.5 내지 5시간이 바람직하다. 또한 광산 폐수의 유속은 4 내지 6 S.V(Space Velocity)인 것이 바람직하다. 그리고 충전 밀도는 0.8 내지 0.9kg/L인 것이 바람직하다. 충전 밀도가 0.8kg/L미만이면 채널링 효과로 인해 광산 폐수와 AOD 슬래그의 접촉 효율이 저하되고, 0.9kg/L 초과하면 입자 크기가 너무 작아서 통수 저항이 크기 때문이다.

먼저, (a) 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 단계를 설명하면 다음과 같다.

단계 (a)에서의 AOD 슬래그는 통상의 AOD 슬래그를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로서 하기 표 1과 같은 화학 조성을 가지는 AOD 슬래그를 사용할 수 있다.

성분	CaO	SiO₂	Al₂O₃	T-Fe	MgO	MnO
조성	53.5~57.3	29.1~31.3	1.2~2.5	0.2~0.7	7.6~9.9	0.35~0.68

상기의 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, AOD 슬래그의 화학적 조성을 나타낸 것인데, 단위는 wt%이며, 나머지는 기타의 불순물을 포함한다. 다만, 표 1에서 나타난 AOD 슬래그로 한정할 것은 아니며, 본 발명의 목적에 맞게 광산 폐수를 처리하기 위하여, 광산 폐수에 포함된 금속 이온을 제거할 수 있는 AOD 슬래그이면 족하며, 이러한 AOD 슬래그를 사용한 것도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다고 볼 것이다.

단계 (a)는 광산 폐수에 포함된 철, 크롬, 망간, 아연 그리고 구리 등의 중금속 이온을 제거하기 위한 단계인데, 광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 통과시켜 산도를 pH 8 이상으로 알칼리성으로 바꾸고, 동시에 AOD 슬래그의 흡착성 물질인 산화알루미늄(Al₂O₃)과 공침전 유발물질인 산화망간(MnO), 이산화규소(SiO₂)에 의해서 철(Fe), 크롬(Cr), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 등의 중금속을 제거하는 단계이다.

표 1에서 알 수 있듯이 AOD 슬래그는 통상 50wt% 이상의 CaO를 함유하고 있는데, CaO가 알칼리성이므로 산성인 광산 폐수를 알칼리화하는 역할을 하게 된다.

단계 (a) 이후, 광상 폐수를 AOD 슬래그에 의한 2차 오염이 있을 수 있지만, AOD 슬래그에 의한 2차 오염 유무를 판단하기 위하여 AOD 슬래그를 통과한 광산 폐수, 즉, 투과수 중 중금속 이온 농도를 측정한 결과는 다음 표 2와 같다.

성분	F	Cd	Pb	Mn	Cr
배출허용기준 (청정 지역)	2이하	0.02이하	0.1이하	2이하	0.5이하
함량	0~0.05	0	0~0.01	0~0.01	0~0.01

(상기 표 2의 수치에 대한 단위는 mg/L이다)

상기 표 2에서 알 수 있듯이, AOD 슬래그를 통과한 투과수는 각 중금속 오염도가 배출허용기준 보다 낮으므로 AOD 슬래그가 광산 폐수 중화제 및 중금속 제거용으로 사용되는 경우, AOD 슬래그 자체에 의한 2차적 오염이 야기되지 않는 것으로 나타났다.

산성인 광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 약 20~40분간 통과시키면, 광산 폐수는 pH 3~6가 pH 8~9로 상승하게 된다. 이때 망간 이온을 포함한 중금속 이온을 수산화물로 침전 제거하게 된다.

도 2에서 도시된 바와 같이, pH 8~9에서 망간 이온의 제거 효율이 95%으로 거의 완전히 제거됨을 알 수 있고, 철 이온과 크롬 이온의 제거율은 pH 7 이상에서 제거 효율이 90% 이상으로 거의 완전히 제거됨을 알 수 있다.

다음으로 (b) AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂)를 투입하여 광산 폐수의 산도(pH)를 중화시키는 단계를 설명한다.

AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수는 앞서 설명한 바와 같이 알칼리성을 띈다. 따라서, 이를 그대로 배출하면 환경 오염 문제를 야기할 수 있는바, 이를 다시 중화시킬 필요가 있는데, 이와 같은 단계가 상기 (b) 단계이다.

AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂) 배기 가스가 투입되면, H₂CO₃를 거쳐서 H+ 이온과 HCO₃- 이온으로 되어 수소 이온을 증가시켜 pH를 낮추게 된다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 이산화탄소를 함유하는 배기 가스(20%)와 반응 후 1분이 내에 pH 7 이하로 낮아짐을 알 수 있다.

단계 (b)에서 이산화탄소를 함유하는 배기 가스의 반응 시간을 조절하여, AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수(투과수)의 산도를 중화한다.

배기 가스는 이산화탄소를 10% 내지 30% 부피비로 함유하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 20%인 것이다. 20% 부피의 이산화탄소를 함유하는 배기 가스는 도 3에서 도시된 바와 같이 1L/분 단위로 투입하면 2분 내에 pH를 8.5에서 5.5pH까지 조절할 수 있다.

본 발명에 따른, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은, 중화된 광산 폐수를 활성탄(active carbon)이 충전된 층을 통과시켜 광산 폐수의 색도를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예를 도시하는 도 1을 참조하면, 광산 폐수는 수집조(1)에 수집되어 있다가, 펌프(2)에 의해 펌핑되어 AOD 슬래그 충전 컬럼(3)으로 유입되게 된다. AOD 슬래그 충전 컬럼(3)에서, 광산 폐수는 중금속 이온들이 제거되며, 알칼리성을 띄게 된다. 이후 광산 폐수는 pH 조정조(4)로 들어가게 되며, pH 조정도에는 알칼리성을 띄는 광산 폐수에 이산화탄소를 함유하고 있는 배기가스가 투입되어, 알칼리성의 광산 폐수를 중성화시킨다. 이후 광산 폐수는 활성탄 충전 칼럼(5)로 유입된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 활성탄 충전 컬럼(5)은 활성탄을 포함하고 있으며, 활성탄 충전 컬럼(5)을 통과한, 갈색을 띈 광산 폐수는 색도가 제거되어, 최종적으로 처리수로 배출되게 된다.

본 발명에 따른 AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 결정되며, 특허 청구범위에 사용된 괄호는 선택적 한정을 위해 기재된 것이 아니라, 명확한 구성요소를 위해 사용되었으며, 괄호 내의 기재도 필수적 구성요소로 해석되어야 한다.

1: 광산 폐수 수집조
2: 펌프
3: AOD 슬래그 충전 컬럼
4: pH 조정조
5: 활성탄 충전 컬럼

Claims (7)

1. 광산 폐수를 AOD 슬래그 충전층을 통과시켜 광산 폐수의 중금속을 제거하고, 이를 다시 중성화시키는 광산 폐수 처리 방법에 있어서,
   (a) 광산 폐수를 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시켜 광산 폐수에 포함된 중금속을 제거하는 단계; 및
   (b) 상기 AOD 슬래그 충전층을 통과한 광산 폐수에 이산화탄소(CO₂)를 포함하는 배기 가스를 투입하여 광산 폐수의 산도(pH)를 중화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 방법은,
   상기 (b) 단계 후,
   상기 중화된 광산 폐수를 활성탄이 충전된 층을 통과시켜 광산 폐수의 색도를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 AOD 슬래그 충전층은,
   산화알루미늄(Al₂O₃), 산화망간(MnO), 이산화규소(SiO₂) 및 산화칼슘(CaO)을 포함하는 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
   상기 광산 폐수를 상기 AOD 슬래그(slag) 충전층을 통과시키는 유속은 4 내지 6 S.V(space velocity)인 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
   상기 광산 폐수가 상기 AOD 슬래그(slag) 충전층에 체류하는 시간은 1.5시간 내지 5시간인 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
   상기 충전층의 충전 밀도가 0.8 내지 0.9kg/L인 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
   상기 이산화탄소는 상기 배기 가스 부피의 10% 내지 30% 부피를 가지며, 상기 투입은 1L/분 단위로 이루어지는 것을 특징으로 하는, AOD 슬래그와 이산화탄소 함유 배기가스를 이용한 광산 폐수 처리 방법.
   
   

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