KR20190042146A - 갱내수 처리 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 갱내수 처리 공법에 관한 것으로서,
갱내수 처리에 요구되는 각각의 공정을 유관 공정끼리 통합하여,
갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우,
산화 공정과 중화 공정을 하나의 공정으로 통합하고, 침전 공정과 여과 공정을 하나로 통합하는 한편,
갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우에는,
침전 공정과 여과 공정을 하나의 공정으로 통합함으로써,
이들 공정이 개별적으로 각각 이루어지던 종래의 수질 정화 처리 공법에 비하여,
처리 공정의 통합에 따른 공정 단축과 설비 자재 및 소요 부지 등의 감소가 가능해지고,
그에 따른 설치 및 가동비를 크게 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

갱내수 처리 공법{Acid Mine Drainage Treatment Process}

본 발명은 갱내수 처리 공법에 관한 것으로,

갱내수를 보다 안정적으로 처리하여 수질을 정화시킬 수 있는 수질 정화 처리 공법과, 이에 효과적으로 적용할 수 있는 수질 정화 시설을 개선함으로써,

오염된 광산 폐수로 인한 적화 및 백화 현상 등의 각종 폐해를 제거하고,

수질 정화 시설의 설치를 위한 소요 부지를 최소화하여, 설치 및 가동비를 크게 절감할 수 있도록 하는 갱내수 처리 공법에 관한 것이다.

일반적으로 광산 개발에 의한 지하 광물의 채굴시,

지하에 묻혀 있던 다양한 광물들이 지표 환경에 노출되면서,

지하에서는 안정한 형태로 있던 황화광물이 물과 산소와 반응하며 산화 작용을 일으켜, 금속이온과 황산염이온으로 각각 분리되어 산성수가 발생하게 된다.

FeS₂ + 7/2O₂ + H₂O → Fe^{2 +} + 2SO₄^2- + 2H⁺

FeS₂(ｓ) + 14Fe^{3 +} + 8H₂O → 15Fe^{2 +} + 2SO₄^2- + 16H⁺

이렇게 발생된 산성수는 다시 주변 광물과 반응하여, 광물에 따라, 철이나 알루미늄, 망간, 아연 등과 카드뮴이나 납 등의 중금속을 용출시켜, 중금속으로 오염된 광산 폐수를 발생시키게 되고,

이는 결국 주변 하천으로 유입되어, 강물의 pH가 높아지면서 산성수에 용존되었던 중금속 성분이 외부로 석출되어, 도 1 에서와 같은 적화 또는 백화 현상을 일으키게 된다.

이와 같은 하천의 적화 또는 백화 현상은 하천 주변의 환경을 오염시켜, 생태계를 교란 및 파괴시키고 자연 경관을 훼손시킴으로써, 인근 주민들로부터 끊임없이 민원이 제기되는 등의 여러 부정적 문제를 야기시키고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 광산에서 발생되는 갱내수를 처리하기 위한 여러 공법이 개발되어 시행되고 있으나,

갱내수의 안정적 처리를 위한 수질 정화 처리 공법의 미흡과, 공법에 적용된 시설 기자재의 결함 및 수질 정화 시설의 설치를 위한 가용 부지의 제한 등으로 인하여 효과적으로 운용되지 못하고 있는 실정에 있었다.

즉, 이를 구체적으로 살펴보면,

갱내수의 수질 정화는 기본적으로 철이온이 함유된 경우,

2가 철이온을 3가로 산화하여 석출 pH 를 조절하는 산화 과정과,

용존된 중금속의 용해도를 낮추어 석출시키는 pH 보정 과정과,

석출된 중금속을 제거하는 고액 분리 과정과,

잔여 중금속을 제거하는 최종 여과 과정을 거쳐 처리되는데,

pH 변화에 따른 금속이온의 농도는 다음 표 1 과 같이 변화하게 된다.

그리고 이러한 갱내수의 수질 정화 처리는 갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우에는,

갱내수 처리를 위하여, 산화, 중화, 응집, 침전, 모래여과 과정을 개별적으로 거쳐 수질 정화가 이루어지게 되고,

또한 갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우에는,

중화, 응집, 침전, 모래여과 과정을 개별적으로 거쳐 수질 정화가 이루어지게 되는데,

이러한 종래의 갱내수 처리 방식은 각각의 공정 처리를 위한 처리 공정과 설비 자재 및 소요 부지 등이 개별적으로 요구되어, 그에 따른 설치 및 가동비가 과다하게 요구되는 폐단이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 갱내수 처리 방식이 안고 있는 제반 문제점을 감안하여 연구된 것으로서,

본 발명의 목적은 갱내수의 안정적 처리를 위한 갱내수의 수질 정화 처리 공법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수질 정화 처리에 보다 효과적으로 적용할 수 있는 시설 기자재가 설치된 갱내수 처리 공법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수질 정화 시설의 설치를 위한 소요 부지를 최소화하여 설치 및 가동비를 크게 절감할 수 있는 갱내수 처리 공법을 제공하는 데 있다.

이를 위하여 본 발명은,

갱내수 처리에 요구되는 각각의 공정을 유관 공정끼리 통합하여,

갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우,

산화 공정과 중화 공정을 하나의 공정으로 통합하고, 침전 공정과 여과 공정을 하나로 통합하는 한편,

갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우에는,

침전 공정과 여과 공정을 하나의 공정으로 통합함으로써,

이들 공정이 개별적으로 각각 이루어지던 종래의 수질 정화 처리 공법에 비하여,

처리 공정의 통합에 따른 공정 단축과 설비 자재 및 소요 부지 등의 감소가 가능해지고,

그에 따른 설치 및 가동비를 크게 감소시킬 수 있는 갱내수 처리 공법을 제공할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 갱내수 처리 공법은,

갱내수 처리에 요구되는 각각의 공정을 유관 공정끼리 통합하여,

각각의 공정이 개별적으로 이루어지던 종래의 수질 정화 처리 공법에 비하여,

처리 공정의 통합에 따른 공정 단축과 설비 자재 및 소요 부지 등의 감소가 가능해지고, 그에 따른 설치 및 가동비를 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 갱내수에 의한 적화 또는 백화 현상이 발생한 하천의 사진,
도 2 는 종래의 갱내수 처리 공정의 흐름도,
도 3 및 도 4 는 종래의 갱내수 처리 공정의 계통도,
도 5 는 본 발명에 의한 갱내수 처리 공정의 흐름도,
도 6 및 도 7 은 본 발명의 바람직한 일실시예의 갱내수 처리 공정의 계통도,
도 8 은 본 발명에 적용된 슬러지 가압 부상 사여과기의 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하며 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 5 는 본 발명에 의한 갱내수 처리 공정의 흐름도로서,

본 발명의 갱내수 처리 공법은,

갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우와,

갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우,

다음과 같은 공정 흐름으로 각각 진행된다.

먼저, 갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우에는,

산화 + 중화 → 응집 → 가압 부상 + 모래 여과

과정으로 수질 정화 처리 공정이 진행된다.

그리고 갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우에는,

중화 → 응집 → 가압 부상 + 모래 여과

과정을 거쳐 수질 정화 처리 공정이 이루어지게 된다.

상기 흐름에서 산화 공정은 갱내수에 철이온(Fe²⁺,Fe³⁺)이 용존되어 있을 때, 중성의 pH 조건에서 석출이 가능한 Fe^{3 +} 로 Fe^{2 +} 을 산화시키는 데 필요한 공정으로,

표 2 에서와 같이,

산화 속도는 동일한 조건에서 수소 이온의 농도의 제곱에 반비례하여 pH를 1 증가시킬 때, 산화 속도는 100배 증가하게 되므로,

산화 속도를 증대시키기 위하여는 산화조와 중화조의 통합이 반드시 필요하다는 결론에 도달하게 된다.

(Rate Predictions of the iron-dependent mode.^a)

TEST	Rate constant, KFe, [minute-1mole L-1]	Fe2 + [mole/L]	O2, [mole/L]	pH	H+,e [mole/L]	H+,c [mole2/L2]	Predicted oxidation rate, [mole /L.min]	Predicted oxidation rate, [mole /L.min]
1	3.00E-12	1.40E-02	2.49E-04	6.05	8.91E-07	7.94E-13	1.32E-05	7.73E-01
2	3.00E-12	1.70E-02	2.25E-04	6.53	2.95E-07	8.71E-14	1.32E-04	7.38E+00
3	3.00E-12	2.00E-02	2.41E-04	7.44	3.63E-08	1.32E-15	1.10E-02	6.13E+02
4	3.00E-12	2.53E-02	2.45E-04	6.63	2.34E-07	5.50E-14	3.38E-04	18.9E-01
5	3.00E-12	4.42E-02	2.41E-04	6.91	1.23E-07	1.51E-14	2.12E-03	1.18E+02

Iron.dependent model: -d[Fe^{2 =}]/dt = k_Fe[Fe][O₂]/[H⁺]²

k_Fe for 20℃

Fe = initial Fe concentration

O₂ = O₂ concentration at saturation

H⁼ concentration was calculated from pH

이와 같이 본 발명은 산화와 중화 공정이 동시에 이루어지게 함으로써,

산화 공정과 중화 공정이 이원화되어 행해지던 기존의 처리 공법에 비하여,

월등히 우수한 수질 정화 처리 결과가 도출되는데,

이를 표 2 에 비교하여 나타내었다.

	기존 방식	본 발명
공정	산화 → 중화	산화 + 중화
산화 조건 및 속도	산성pH의 산화조에서 산화 산화 속도 느림	중성pH의 동일조에서 산화 산화 속도 매우 빠름
조내 체류 시간	1시간 이상	25분
소요 부지	104m2	43m2

* 1일 처리 용량 10,000m³, 수심 4m 기준

상기 표 2 에서 보는 바와 같이,

본 발명은 산화 공정과 중화 공정이 동일조 내에서 동시에 진행되므로 산화 속도가 매우 빠르게 진행되고,

증대된 산화 속도로 조내 체류 시간이 25분 소요되는데 그쳐,

1일 10,000m³ 갱내수를 처리하는데 43m² 의 부지 면적이 소요되어 기존의 처리 방식에 비하여 수질 정화 시설의 설치 및 가동비를 크게 절감할 수 있게 된다.

이와 같은 산화 및 중화 공정을 거친 갱내수는 응집 과정을 거쳐, 다시 가압 부상 사여과조로 이송되어 갱내수에 포함된 침전물을 가압 부상시켜 제거하는 한편, 이물질을 모래로 여과시켜 정화하는 가압 부상 사여과 공정을 거치게 된다.

다시 상기 가압 부상 사여과 공정이 이루어지는 가압 부상 사여과조는,

유입수로(1)와 사여과지(3) 사이에 원수에 포함된 슬러지를 사전 응집시키기 위한 1조 이상의 슬러지 응집조(5)와, 슬러지가 가압 부상되는 슬러지 가압 부상조(7)가 설치되어 있고,

상기 슬러지 가압 부상조(7)의 바닥에는 가압수 노즐(9)이 설치되어, 슬러지 가압 부상조(7)의 가압탱크(13)에서 발생된 가압수가 갱내수에 포함된 슬러지를 분리 부상시켜, 슬러지 스키머(13)로 분리 수거시키게 되어 있다.

그리고 상기 사여과지(3)에는 이동식 역세 사여과기(21)가 설치되어, 이동대차(23)에 탑재된 후드(25)가 셀(29)을 따라 이동하면서 역세된 슬러지를 흡입 배출시켜, 갱내수에 포함된 불순물을 최종 여과시키게 되어 있다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 가압 부상 사여과 공정을 기존의 개별적으로 이루어지던 침전 공정 및 사여과 공정과 비교하였다.

	기존 방식	본 발명
공정	침전 공정 → 사여과 공정	가압 부상 사여과 공정
침전지 소요 부지	200m2 (표면 부하율 50m3/m2.d 적용시)	83m2 (가압 부상 사여과지) (표면 부하율 120m3/m2.d 적용시)
사여과지 소요 부지	83m2 (표면 부하율 120m3/m2.d 적용시)
총 소요 부지	283m2 (사여과지)	83m2 (가압 부상 사여과지) (표면 부하율 120m3/m2.d 적용시)
배출 수질	SS〈1mg/L 만족	SS〈1mg/L 만족

* 1일 처리 용량 10,000m³ 기준

표 4 에서 보는 바와 같이,

침전 및 여과 공정을 위한 시설 기자재가 동일 조에 설치 가능하게 되어, 소요 부지 면적이 종래 침전지와 여과지를 개별적으로 각각 구성하는 것에 비해 크게 감소하게 되는 효과가 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 갱내수 처리 공법은,

기존의 처리 방식에 비하여 갱내수를 보다 안정적으로 처리하여 수질을 정화시킬 수 있게 하고,

수질 정화 시설의 설치를 위한 소요 부지를 최소화하여, 설치 및 가동비를 크게 절감할 수 있도록 하는 갱내수 처리 공법을 제공할 수 있는 것으로,

그 전체적인 비교 결과를 표 5 에 나타내었다.

공정		기자재		체류 시간 및 효율		소요 부지(m2)
기존방식	본 발명	기존방식	본 발명	기존방식	본 발명	기존방식	본 발명
산화	산화 + 중화	산기관	산기관 +믹서	1시간	30분	104	51
중화		믹서		5분		8
응집	응집	믹서	믹서	20분	20분	35	35
침전	가압부상 + 사여과	Clarifier	가압부상 사여과기	85-90% 중금속제거	99% 중금속제거	200	83
여과		사여과기		90% 중금속제거		83
합계				98.5% 중금속제거	99% 중금속제거	430	169

* 1일 처리 용량 10,000m³ 기준

표 5 에서 보는 바와 같이,

본 발명에 의한 갱내수 처리 공법은 수질 정화 처리에 소요되는 제반 부지를 약 60% 절감시킬 수 있는 효과를 보게 된다.

따라서 이와 같은 본 발명의 갱내수 처리 공법에 의하면,

갱내수 처리에 요구되는 각각의 공정을 유관 공정끼리 통합하여,

갱내수가 철 이온으로 오염되었을 경우,

산화 공정과 중화 공정을 하나의 공정으로 통합하고, 침전 공정과 여과 공정을 하나로 통합하는 한편,

갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염되었을 경우에는,

침전 공정과 여과 공정을 하나의 공정으로 통합함으로써,

이들 공정이 개별적으로 각각 이루어지던 종래의 수질 정화 처리 공법에 비하여,

처리 공정의 통합에 따른 공정 단축과 설비 자재 및 소요 부지 등의 감소가 가능해지고,

그에 따른 설치 및 가동비를 크게 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

1 : 유입수로
3 : 사여과지
5 : 응집조
7 : 가압 부상조
9 : 가압수 노즐
13 : 가압탱크
15 : 슬러지 스키머
21 : 이동식 역세 사여과기
23 : 이동대차
25 : 후드
29 : 셀

Claims (3)

1. 갱내수가 철 이온으로 오염된 경우,
   동일조 내에서 pH 중화와 동시에 산화시켜, 산화 속도가 빠르게 진행되게 하여, 조내 체류 시간이 단축되게 한 산화 중화 공정과;
   상기 산화 중화 공정에서 발생된 산화물을 응집시키는 응집 공정과;
   상기 응집 공정에서 응집된 침전물을 가압 부상시켜 제거함과 동시에, 잔여 이물질을 사여과시켜 정화하는 가압 부상 사여과 공정;
   으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 갱내수 처리 공법.
2. 갱내수가 철 이온 이외에 망간이나 알루미늄 등으로 오염된 경우,
   갱내수의 pH를 중성으로 중화시켜 중금속을 석출시키는 중화 공정과;
   상기 중화 공정에서 발생된 중금속을 응집시키는 응집 공정과;
   상기 응집 공정에서 응집된 침전물을 가압 부상시켜 제거함과 동시에, 이물질을 사여과시켜 정화하는 가압 부상 사여과 공정;
   으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 갱내수 처리 공법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가압 부상 사여과 공정은 유입수로와 사여과지 사이에 1조 이상 설치되어, 원수에 포함된 슬러지를 사전 응집시키는 슬러지 응집조와;
   상기 슬러지 응집조와 사여과지 사이에 설치되어, 슬러지가 가압 부상되는 슬러지 가압 부상조와;
   상기 슬러지 가압 부상조의 바닥 부근에 설치되고, 슬러지 가압 부상조의 가압탱크에서 생성된 가압수를 분사시켜 슬러지를 부상시키는 가압수 노즐과;
   상기 사여과지의 이동대차에 설치되어, 역세된 슬러지를 흡입 배출하는 후드;
   를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 갱내수 처리 공법.
   

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