KR100296626B1 - 매립가스정제와침출수전처리를위한장치및그방법 - Google Patents

매립가스정제와침출수전처리를위한장치및그방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쓰레기의 매립가스 정제 및 침출수 전처리에 관한 것으로서, 침출수에 투여된 석회분함유 폐기물이 매립가스 중의 이산화탄소 일부를 고정하여 침전성 고형물을 형성함으로써 침출수중의 콜로이드성, 부유성 및 일부 용해성물질을 중축합반응과 공침현상에 의해 제거함과 동시에, 이러한 침출수 전처리과정에서 매립가스중의 이산화탄소를 제거하여 메탄함량을 증대시킴으로써, 매립가스의 에너지자원화가 용이하도록 하는 장치와 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 생석회 저장탱크(61)와; 하부 일측을 통하여 매립가스를 흡입받으며, 상단부에 배기홀이 형성되는 기액 반응조(63)와; 상기 기액 반응조(63)의 내부 중앙부를 횡방향으로 가로질러서 채워지는 접촉여재(64)와; 쓰레기 침출수와 생석회를 상기 기액 반응조(63) 상부를 통하여 공급하는 침출수 주입수단과; 상기 기액 반응조(63) 내에서 침출수와의 반응으로 이산화탄소가 제거된 매립가스를, 상기 배기홀(63a)을 통하여 흡입받고, 이 매립가스의 매탄성분을 연소시켜 열 에너지를 회수하는 열 교환기(65); 그리고, 상기 기액 반응조(63)로부터 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 침강 제거된 침출수를 흡입받고, 슬러지를 침강시켜 선별하는 침전조(68); 를 구비하는 장치 및 이 장치를 이용한 방법을 특징으로 한다.
이러한 구성을 통하여, 매립가스 중의 이산화탄소와, 석회분함유 폐기물(폐알칼리)를 함유하고 있는 침출수를 반응을 시키면, 탄산칼슘이 형성되고, 그 형성과정에서 침출수 중의 오염물질들과 반응하여 고액분리가 가능하게 되어 침출수의 수질이 대폭 향상될 수 있다. 아울러 매립가스 중의 이산화탄소를 현장에서 직접 제거함으로써, 메탄가스의 함량비도 증대되어 매립가스의 열량이 높아지게 되며, 이에 따라 매립가스의 재이용이 보다 용이해진다.

Description

매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법
본 발명은 쓰레기 매립가스 중의 이산화탄소 및 생석회(석회를 함유하는 페기물 포함하며, 이하 '생석회'로 약칭함)를 이용하여 침출수 중의 오염물실을 제거하는 메카니즘으로 쓰레기 매립장의 침출수를 전처리 또는 간이처리하는 방법에 관한 것으로서, 침출수에 투여된 생석회가 매립가스 중의 이산화탄소를 고정하여 침전성 고형물을 형성함으로써 침출수 중의 콜로이드성, 부유성 및 일부 용해성물질을 중축합반응과 공침현상에 의해 제거함과 동시에, 이러한 전처리과정에서 매립가스 중의 이산화탄소를 제거하여 메탄함량을 증대시킴으로써 매립가스의 에너지자원화가 용이하도록 하는 매립가스 정제과정이 수행될 수 있도록 한 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법(The System and Method for Refining Reclamation Gas and Pre-processing the Deposit)에 관한 것이다.
국내의 수도권 매립장에서 발생되는 침출수는 혐기성 소화조, 폭기식 라군조 그리고 펜톤산화를 거쳐 최종적으로 RBC로 처리하는 다단계 고도처리를 하여 방류하고 있으나, 처리에 소용되는 비용에 비하여 그 처리효율이 그다지 높지 않고, 또한 일반적으로 침출수에는 중금속과 같은 다종의 무기물 및 난분해성 물질이 고농도로 함유되어 그 처리에 복잡성을 더하고 있다.
한편, 쓰레기 매립장에서 발생되는 매립가스는, 대기중에 그대로 배출될 경우 대기를 심하게 오염시켜 환경을 파괴하는 요인이 된다. 따라서, 대부분의 쓰레기 매립장에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 매립장으로부터 발생되는 매립가스를 연소실(1)에서 연소시킨 후 배출파이프(2)를 통해 배출시킬 수 있도록 매립가스 연소시설을 설치함으로써, 매립가스에 의한 대기오염을 감소시키고 있다.
또한, 종래 매립가스 처리설비의 다른 형태로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 매립가스가 필터(11)와 탈황기(12)를 먼저 거치면서 응축, 여과 및 흡착 등의 방식으로 1차 정제된 후에, 보일러(13) 내에서 연소되도록 구성된 매립가스 정화처리장치가 있다. 즉, 상기 매립가스 정화처리장치는, 필터(11)와 탈황기(12)를 거치면서 매립가스 내에 포함되어 있던 분진 등의 고형물과 황화합물이 먼저 걸러지게 되고, 이와 같이 선 정제된 매립가스가 보일러(13) 내에서 연소된 후 대기중으로 배출되며, 이러한 연소과정에서 발생되는 열 에너지를 회수하여 이용하도록 구성되는 것이었다.
그러나, 대부분의 매립장에서 발생되는 매립가스는 연소가스인 메탄함량은 40∼50%로 낮은 반면, 이산화탄소의 함량은 50∼60%로 높아서, 매립가스가 충분히 연소되지 못하게 되며, 이에 따라 종래의 매립가스 처리장치에 있어서는 연소과정을 거친 후에도 많은 량의 메탄과 이산화탄소가 그대로 대기중으로 배출되어 대기를 오염시키는 문제점이 있었다. 또한, 각 매립장에서 발생되는 매립가스 내의 메탄함량은 시간이 경과됨에 따라 20%에서 70% 까지 크게 변동되는데, 이러한 메탄함량의 큰 변동폭도 매립가스를 에너지자원으로 이용하는데 큰 장애요인이 되었다.
또한, 종래의 매립가스 정화처리장치의 경우, 분진 등의 고형물이나 황화합물 등을 어느 정도 제거할 수 있으나, 필터 및 탈황기에 포집된 분진과 황화합물을 별도로 수거하여 매립 등의 방법으로 폐기시켜야 하므로 2차적인 환경오염의 문제점을 갖는 것이었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 쓰레기 매립장에서 발생되는 매립가스를, 생석회가 혼합된 쓰레기 침출수로 수세(水洗)하여 매립가스중의 이산화탄소를 침강 처리하여 제거함으로써, 매립가스 내의 메탄함량을 증대시켜서 매립가스의 에너지자원화가 용이하도록 함과 동시에, 매립가스의 연소율을 향상시켜 대기중으로 오염물질이 배출되는 것을 방지할 수 있도록 한 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 주된 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 쓰레기 매립가스를, 생석회가 혼합된 쓰레기 침출수를 수세(水洗)하는 과정에서, 침출수 중의 오염물질이 침강 처리되어 제거되도록 구성함으로써, 쓰레기 침출수의 전처리과정이 동시에 수행될 수 있도록 한 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
제1도는 종래의 쓰레기 매립가스의 처리방법의 예시도
제2도는 종래의 쓰레기 매립가스 정제공정의 예시도
제3도는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 구성도,
제4도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 구성도,
제5도는 본 발명에 따른 매립가스 정제 및 침출수 전처리방법의 흐름
도.
제6도는 시간에 대한 Ca2+(aq)의 반응 전환율를 나타낸 그래프
제7도는 반응기내의 각 성분의 농도를 나타낸 그래프
제8도는 시간에 대한 반응속도의 변화를 나타낸 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
51, 61 : 생석회 저장탱크 52 : 혼합기
53 : 펌프 54a : 분사노즐
55, 63 : 기액 반응조 56, 64 : 접촉여재
57, 65 : 열 교환기 58, 68 : 침전조
62 : 산기파이스 66 : 보조 응집제 공급기
67 : 교반기
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 생석회가 저장되는 생석회 저장탱크와; 하부 일측을 통하여 매립가스를 흡입받으며, 상단부에 배기홀이 형성되는 기액 반응조와; 상기 기액 반응조의 내부 중앙부를 횡방향으로 가로질러서 채워지며 다수의 공극을 갖는 접촉여재와; 매립장 침출수와 상기 생석회가 상기 접촉여재의 공극에 채워지도록, 상기 침출수와 생석회를 상기 기액 반응조 상부를 통하여 공급하는 침출수 주입수단과; 상기 기액 반응조 내에서 상기 생석회가 혼합된 침출수와의 반응으로 이산화탄소가 제거된 매립가스를, 상기 배기홀을 통하여 흡입받고, 이 매립가스의 메탄성분을 연소시켜 열 에너지를 회수하는 열 교환기; 그리고, 상기 기액 반응조 내에서의 반응으로 생석회가 침강 제거되고 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 응집되어 상기 접촉여재에 침강 제거된 침출수를 흡입받고, 이 침출수에 포함되어 있는 슬러지를 침강시켜 선별하는 침전조; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 침출수 주입수단을 이용하여, 매립장 침출수와 생석회를 기액 반응조에 공급하여 접촉여재의 공극에 채워지도록 하는 침출수 공급단계와; 상기 침출수 공급단계 다음에, 기액 반응조의 하부틀 통하여 기액 반응조 내부로 매립가스를 공급하는 매립가스 공급단계와; 상기 매립가스 공급단계 다음에, 기액 반응조로 공급된 매립가스가 접촉여재를 통과하면서 생석회가 혼합된 침출수와 반응하여, 매립가스 내의 이산화탄소가 고형화되어 분리되고, 상기 생석회는 소석회화된 후 수중의 알칼리드와 결합하여 접촉여재로 침강 분리되며, 상기 침출수의 콜로이드싱, 부유성 및 용해성 물질이 접촉여재로 침강 분리되는 반응단계; 그리고, 상기 반응단계 다음에, 이산화탄소가 제거된 매립가스를 기액 반응조로부터 열 교환기로 공급받은 후, 연소시켜서 열 에너지를 발생시키는 연소단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 생석회 저장탱크(51), 기액 반응조(55), 접촉 여새(56), 침출수 주입수단, 열 교환기(57) 및 침전조(58)를 포함하여 구성된다.
상기 기액 반응조(55)는, 지상에 설치되는 통체로서, 하부 일측에 매립가스가 흡입되는 흡기홀(55a)이 형성되고, 상단부 일측에는 내부에 충만된 가스가 배출되는 배기홀(55b)이 형성되도록 구성된다. 상기 접촉여재(56)는, 다수의 공극(空隙)을 갖는 스펀지 등과 같은 거름부재로서, 상기 기액 반응조(55)의 흡기홀(55a)을 통하여 흡입된 매립가스가 상기 접촉여재(56)를 통과한 후에 배기홀(55b)을 통하여 배출될 수 있도록, 상기 기액 반응조(55)의 내부 중앙부에서 횡방향으로 가로질러 채워지는 방식으로 고정 설치된다.
상기 침출수 주입수단은, 생석회 저장탱크(51) 내에 저장되어 있는 생석회와 매립장 침출수가 혼합된 체 상기 접촉여재의 공극에 채워지도록, 상기 침출수와 생석회를 상기 기액 반응조(55)로 공급하도록 구성된다. 이러한 침출수 주입수단은, 도 3에 도시된 바와 같이, 혼합기(52), 펌프(53) 및 공급파이프(54)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 혼합기(52)는, 쓰레기 매립장으로부터 발생되는 침출수와 상기 생석회를 공급받고, 이들을 일정시간 동안 서서히 교반하여 충분히 혼합시키도록 구성된다.
상기 공급파이프(54)는 상기 혼합기(52)로부터 연장되어 상기 기액 반응조(55)의 상부 일측을 관통하여 설치되는데, 상기 기액 반응조(55) 내부로 연장된 공급파이프(54) 부위에는 다수의 분사노즐(54a)이 형성되도록 구성된다. 그리고, 상기 펌프(53)는 상기 공급파이프(54) 일측에 설치되며, 상기 혼합기(52) 내에서 생석회가 혼합된 침출수를 상기 기액 반응조(55) 측으로 압송시킴으로써, 상기 기액 반응조(55) 상부에 설치된 공급파이프(54)의 분사노즐(54a)을 통하여, 생석회가 혼합된 침출수를 분사시키며, 이에 따라, 생석회가 혼합된 침출수가 상기 접촉여재(56)의 공극에 채워질 수 있도록 구성된다.
상기 열 교환기(57)는, 상기 기액 반응조(55)의 배기홀(55b)을 통하여 매립가스를 흡입받아 연소시키며, 이 연소과정에 발생되는 열 에너지를 회수하도록 구성되는 보일러 등으로 구성된다. 이때, 상기 기액 반응조(55)의 배기홀(55b)을 통하여 배출되는 매립가스는, 상기 기액 반응조(55) 내에서 생석회가 혼합된 침출수와의 반응으로 이산화탄소가 제거된 상태이므로, 매우 높은 메탄함량을 갖게 된다. 따라서, 상기 열 교환기(57)에서의 연소가 원활하게 이루어지게 되어 열 에너지의 회수가 용이하게 됨과 동시에, 매립가스 내의 메탄성분이 완전 연소됨으로써 대기오염의 주범이 메탄 및 이산화탄소가 거의 남아 있지 않게 되므로 이러한 매립가스의 연소 후에는 대기중으로 배출하여도 대기오염의 염려가 없게 되는 것이다.
또한, 상기 접촉여재(56)의 공극에 채워져 있는 생석회와 침출수는, 접촉여재(56)를 하부로부터 상부로 통과하는 매립가스와 함께 반응하게 된다. 이때, 생석회는 소석회화된 후 고형화되어 접촉여재(56)에 침강 제거되고, 침출수에 포함되어 있던 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 또한 응집되어 상기 접촉여재(56)에 침강 제거되며, 나머지 침출수만이 기액 반응조(55)가 하단부에 설치된 배수구(55c)를 통하여 배수되게 된다. 즉, 매립가스로부터 이산화탄소를 제거하는 과정 중에, 침출수의 전처리과정이 자동으로 실행되게 되는 것이다.
그리고, 상기와 같이 기액 반응조(55) 내에서 전 처리된 침출수는, 기액 반응조(55)의 배수구(55c)를 통하여 상기 침전조(58)로 공급되며, 상기 침전조(58)는 공급된 침출수에 포함되어 있는 슬러지를 침강시켜 선별 처리할 수 있도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 생석회 저장탱크(61), 기액 반응조(63), 접촉여재(64), 침출수 주입수단, 열 교환기(65), 보조응집제 공급기(66), 교반기(67) 및 침전조(68)를 포함하여 구성된다.
상기 기액 반응조(63)는, 지상에 설치되는 통체로서, 하단부에 쓰레기 매립가스를 흡입받아 산기시키는 산기파이스(62)가 관통되게 설치되며, 상단부 일측에는 배기홀(63a)이 갖도록 구성된다. 상기 접촉여재(64)는 상기 일실시예에서와 같이, 기액 반응조(63)의 내부 중앙부를 횡방향으로 가로지르는 방식으로 설치되나, 그 소재로서 모래층이 이용되며, 이 모래층의 일정높이 이하로 침하되는 것을 방지할 수 있도록 상기 기액 반응조(63)의 중하단부에 수평방향으로 세공막(64a)이 고정 설치된다. 상기와 같이 모래층으로 구성된 접촉여재(64)는, 매립가스중의 황산화물을 접촉 제거함으로써, 황산화물의 배출을 억제할 수 있도록 하는 장점을 갖는 것이다.
상기 침출수 주입수단은, 상기 생석회 저장탱크(61) 내의 생석회와 매립장 침출수를 상기 기액 반응조(63) 내에 상기 모래층이 충분히 잠기는 수위까지 채워주기 위한 수단으로서, 매립장의 침출수를 공급받도록 기액 반응조(63) 상부 일측에 연결되는 침출수 공급파이프(6O)와, 생석회 공급기(61a)로 구성된다. 상기 생석회 공급기(61a)는, 상기 침출수 공급파이프(60)를 통하여 기액 반응조(63) 내로 유입되는 침출수의 양에 따라 생석회를 기액 반응조(63)로 공급하도록 구성된다.
상기 열 교환기(65)는, 상기 기액 반응조(63)의 배기홀(63a)을 통하여 흡입된 매립가스를 흡입받아 연소시키면서 열 에너지를 회수하도록 구성된다. 이때, 상기 기액 반응조(63)의 산기파이스(62)를 통하여 기액 반응조(63) 하부에서 산기되는 매립가스 내의 이산화탄소가, 생석회와 침출수 및 모래층과 반응하여 제거된 상태이므로, 열 교환기(65)로 공급되는 매립가스 내의 메탄함량은 매우 높게 된다. 따라서, 상기 일실시예에서와 같이, 열 교환기(65)에서의 연소가 원활하게 이루어지게 되어 열 에너지의 회수가 용이하게 되며, 매립가스의 연소 후에는 대기중으로 배출하여도 대기오염의 염려가 없게 되는 것이다.
한편, 기액 반응조(63) 내부에 채워져 있는 침출수는, 첨가된 생석회 및 통과되는 매립가스에 반응하여 생석회를 고형화시켜 침강 분리시키고, 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 응집되어 상기 접촉여재(64)인 모래층에 침강 제거되고, 나머지 침출수단이 기액 반응조(63) 상부 일측에 결합된 배출파이프(63b)를 통하여 배출되게 된다. 즉, 상기 일실시예에서와 마찬가지로, 매립가스로부터 이산화탄소를 제거하는 과정 중에, 침출수의 전처리과정이 자동으로 실행되게 되는 것이다.
상기 교반기(67)는, 상기 기액 반응조(63)로부터 배출파이프(63b)를 통하여 배출되는 전 처리된 침출수가 상기 침전조(68)에 공급되기 전에 경유하도록, 상기 침전조(68) 일측에 설치된다. 그리고, 보조응집제 공급기(66)는 상기 전 처리된 침출수에 잔류된 미량의 부유성 및 용해성 물질을 응집시키기 위한 보조 응집제를 상기 교반기(67)로 공급하도록 구성된다. 즉, 상기 기액 반응조(63)의 배출파이프(63b)를 통하여 배출되는 전 처리된 침출수가 상기 교반기(67)에 머무르는 동안, 상기 보조 응집제 공급기(66)로부터 공급되는 보조 응집제와 함께 교반되어 진 후, 상기 침전조(68)로 공급되도록 구성되는 것이다. 이때 상기 보조 응집제로는 고분자 전해질, 활성규산 또는 중량제가 사용된다.
그리고, 상기 침전조(68)에서는 공급된 침출수를 일정시간동안 잔류시키면서 슬러지 성분을 침강시켜 선별 제거할 수 있게 하는데, 이때, 상기 보조응집제에 의하여 침출수에 잔류하고 있던 미량의 부유성 및 용해성 물질을 고형화시켜 침강시킴으로써, 침출수 처리효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 방법은, 도 5에 도시된 바와 같이, 침출수 공급단계, 매립가스 공급단계, 반응단계 및 연소단계를 포함하여 구성되며, 이를 도 4의 구성을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
이때, 각 공정단계별 운전조건은 표 1과 같이 하였다.
[표 1]
상기 침출수 공급단계는, 매립장 침출수와 생석회를 기액 반응조(63) 내부로 공급하여 접촉여재(64)인 모래층을 충분히 잠기게 되는 수위까지 채워주는 단계이다. 이때, 상기 매립장 침출수는 공급파이프(60)를 통하여 기액 반응조(63)로 유입되며, 기액 반응조(63)로 유입되는 상기 침출수의 양에 따라 생석회가 생석회 저장 탱크(61)로부터 기액 반응조(63)로 공급됨으로써, 생석회가 혼합된 침출수가 상기 기액 반응조(63) 내에 채워지게 된다.
이와 같이 기액 반응조(63) 내부를 생석회가 혼합된 침출수로 채운 다음에는, 상기 기액 반응조(63)의 하부에 설치된 산기파이스(62)를 통하여 매립가스를 산기 공급하는 매립가스 공급단계가 실행된다.
그리고, 상기 매립가스 공급단계 다음에, 기액 반응조(63)의 하부로부터 산기된 매립가스가 상승하면서, 생석회가 혼합된 침출수에 수세(水洗)되면서 화학적 반응을 일으키는 반응단계가 실행된다.
이 반응단계에서는, 상기 매립가스 중의 이산화탄소가 생석회를 혼합하고 있는 침출수와 반응하면서 탄산칼슘이 생성되고, 이 탄산칼슘의 형성과정에서 침출수중의 콜로이드성, 부유성 및 일부 용해성물질과 반응하여 고액분리된 후, 상기 접촉 여재(64)인 모래층에 침강 분리되게 된다. 또한, 침출수에 혼합되어 있던 상기 생석회는 소석회화된 후 수중의 알칼리드와 결합하여 접촉여재(64)인 모래층으로 침강됨으로써 침출수로부터 분리 제거된다.
상기 반응단계에서 발생되는 화학적 반응식은 아래와 같다.
기액 반응조(63)에 주입된 생석회는 침출수 중의 알칼리도와 결합하여 침강하게 되며, 이러한 침전반응시, 콜로이드성 물질(유기성, 무기성), TDS(Total Dissolved Solids) 및 TFS(Total Fixed Solid)등이 침출수중의 오염물질과 공침하여 침출수를 처리하게 된다.
CaO + H2O ↔ Ca(OH)2
Ca(OH)2+ Ca(HCO)3)2↔ 2CaCO3+ 2H2O
Ca(OH)2+ Mg(HCO3)2↔ Mg(CO3)(liq) + CaCO3↓ + 2H2O
MgCO3+ Ca(OH)2↔ Mg(OH)2+ CaCO3
매립가스중의 이산화탄소는 미반응된 소석회와 탄산칼슘과 다음의 반응을 거치게 되고, 이 과정에서 생석회의 주입에 의해 상승된 pH는 저하되며 매립가스중의 메탄함량은 증가하게 된다.
Ca(OH)2+ CO2↔ CaCO3+ H2O
CaCO3+ CO2+ H2O ↔ Ca(HCO3)2
본 발명은 생석회가 저장되는 저장탱크(51), 생석회와 침출수 그리고 매립가스가 최적의 반응을 위한 기액 반응조(55), 기액반응조의 내부 중앙부를 횡방향으로 가로질러서 채워지며 다수의 공극을 갖는 접촉여재(56), 침전조(58), 매립가스의 메탄성분을 연소시켜 열 에너지를 회수하는 열 교환기(57) 등으로 구성되는 것으로서, 이들 각 구성요소들은 다음의 수치해석 결과를 바탕으로 그 형태와 운전조건들을 결정하였다.
물 속에 수산화 이온과 칼슘이온이 용해되어 있을 때, 이산화탄소 가스를 불어넣어 용해된 이산화탄소와의 반응은 반응 1)과 반응 2)와 같다.
반응 1)
반응 2)
각 성분을 A는 Ca2+(aq), B는 OH-(aq), C는 CO2(aq), D는 CaCO3(s), E는 H2O(l)로 정의하면, 임의의 시간 t에서 각 성분의 몰수는 다음과 같다.
여기서 NA0는 A의 초기몰수, XA는 A의 전화율이고, FC0는 C가 물소에 녹는 속도(mol/sec)이다. FC0는 물에 대한 이산화탄소의 용해도에 도달하면 더 이상 녹지 않고, 이산화탄소 가스는 그대로 방출된다. 만일 반응 부피(V)가 일정하면,
다시 정리하면,
임의의 시간, t에서 농도와 반응속도는 다음과 같다.
식(5)를 하기 표 2에 나타낸 조건의 값을 이용하여 수치해석적 방법을 이용하여 적분을 하여 전환율을 계산하였고, 식(6) 내지 식(10)으로부터 반응기내의 시간에 대한 농도 및 반응속도를 계산하였다. 그리고 계산한 결과는 도 6 내지 도 8에 나타내었다.
도 6은 시간에 대한 Ca2+(aq)의 반응 전환율를 나타낸 그래프로 약 1200sec(20min) 이후로 전화율이 거의 일정하게 나타내고 있다. 도 7은 반응기내의 각 성분의 농도를 나타낸 그래프로 1200 sec 이후로 OH-(aq)의 양이 거의 없어 반응이 일어나지 않아 Ca2+(aq)를 제외한 다른 성분의 농도가 일정하게 된다. CO2(aq)는 물에 대한 용해도까지 농도가 증가하고 용해도에 도달하면 CO2가스는 물에 녹지 않고 그대로 방출된다. 도 8은 시간에 대한 반응속도의 변화를 나타낸 그래프로 반응기내의 반응물의 감소로 인해 반응속도는 감소한다.
[표 2]
이상의 결과에서, 온도 8℃, pH 12.56, Color, 306(357)PtCo, Ca2+2,201 mg/ℓ, Mg2+1.58 mg/ℓ의 조건에서 semi-batch reactor에 이산화탄소를 200㎖/min로 주입할 때 약 20분 이후에 전환율이 거의 일정하게 나타났다. 이를 이용하여 반응기 내에서의 시간에 따른 칼슘이온의 전화율과 각 성분의 농도, 반응속도의 변화를 계산함으로써 반응에 필요한 반응시간과 반응물의 양을 결정할 수 있다.
따라서 위의 수치해석 결과와 Jar test를 통해 침출수와 생석회의 주입율, 주입량 그리고 주입방법들을 결정하였다. Jar test에서의 주입량 변화는 침출수 중의 Ca2+, Mg2+의 농도를 알칼리도로 환산하고, pH가 중성일 때 모든 알칼리도는 중탄산이온(HCO3 -)으로 존재한다고 가정하여 중탄산 이온(HCO3 -)의 양을 구한 후, Rossum과 Merrill의 방법에 의해 평형상수를 계산하고, 이온화 분율 등을 고려하여 구한 이론적인량을 기준으로 하여 주입하였다.
다음은 하나의 예로서, 하기 표 3의 특성을 지니는 침출수에 본 발명을 적용할 경우, 결정된 최적운전조건들이다. Jar test의 결과를 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9는 분말상 주입시 주입량에 따른 처리효율을 실험결과를 나타냈으며, 도 10은 슬러리상 주입시 주입량에 따른 처리효율을 나타낸 것이다.
그림에서 알 수 있듯이 약 80%의 처리효율을 얻기 위해 분말상은 약 26g/L이 주입되었지만, 슬러리상은 약 16g/L가 주입되었다. 따라서 생석회를 슬러리상으로 기액반응조에 주입하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있었다.
[표 3]
(단위 : mg/ℓ except pH & xolor(PtCo))
하지만 생석회의 경우 물에 대한 용해도가 굉장히 낮기 때문에 슬러리 형태로 반응조에 주입을 하기 위해서는 교반이 필요하다. 따라서 생석회 0.51b0를 1gal 침출수에 주입한후 5분간 300rpm으로 급속교반시킨 후, 6% 슬러리를 만들어 반응조에 주입되기 전까지 100-200rpm으로 완속교반을 해 준다.
상기와 같은 반응단계 다음에는, 상기 기액 반응조(63)의 배기홀(63a)을 통하여 배출되는 매립가스가 열 교환기(65)로 공급되고, 상기 열 교환기(65)에서 상기 매립가스를 연소시켜 열 에너지를 회수하는 연소단계가 실행된다. 이때, 상기 열 교환기(65)로 공급되는 매립가스는, 상기와 같은 화학적 반응으로 이산화탄소가 제거되어 높은 메탄함량을 갖고 상태이므로, 열 교환기(65)에서의 완전 연소가 가능해지며, 따라서, 열 에너지의 회수가 원활하게 이루어질 수 있게 되며, 매립가스의 연소후에는 대기중으로 배출하여도 대기오염의 염려가 없게 되는 것이다.
그리고 상술한 화학 반응식에 나타난 바와 같이, 기액 반응조(63) 내부에 채워져 있던 침출수는, 기액 반응조(63) 내에서의 화학적 반응으르 콜르이드성, 부유성 및 용해성 물질을 응집시켜 침강 분리시킨 상태에서, 기액 반응조(63)의 배출파이프(63b)를 통하여 배출되게 된다. 즉, 매립가스로부터 이산화탄소를 제거하는 과정 중에, 침출수에 포함되어 있는 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질을 제거하는 침출수 전처리과정이 자동으로 실행되게 되는 것이다.
또한, 상기 반응단계 다음에는, 보조응집제 첨가단계와 슬러지 침전단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서 보조응집제 첨가단계는, 기액 반응조(63)에서 미쳐 선별 분리되지 않은 미세입자의 슬러지를 보조응집제에 의해 제거하는 단계이다. 이 단계에서는 기액 반응조(63)내에서의 반응으로 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 제거된 침출수를 이송받은 후, 보조응집제를 첨가하여 침출수내에 포함되어 있는 슬러리 성분을 침전시켜 선별 분리한다. 이때 이용되는 보조응집제는, 응집반응이 진행되는 동안 응결효과를 향상시킴으로서 결합력을 강하게 하고 보다 침전이 잘 되도록 한다.
이같은 보조응집제들로서는, 활성규산, 중량제 및 흡착제, 그리고 고분자 전해질 등이 사용된다. 활성규산은 플록을 강하게 해서 플록이 깨지는 것을 방지해 주며, 형성된 플록은 크고 밀도가 높으며 침강속도가 빠르게 된다. 또한 색도제거 효과를 높이고 저수온에서도 플록형성이 양호하게 되는 효과를 얻을 수가 있다. 중량제는 플록형성능력을 향상시키는 부수적인 입자를 형성시키는 물질이다. 고분자 전해질은 천연고분자 전해질과 합성고분자 전해질의 두가지가 있으며 분자량이 매우 커서 물에 용해되면 크케 대전된 이온을 생성한다. 고분자 전해질에는 양이온성 그분자전해질, 음이온성 고분자전해질, 비온성 고분자전해질 등이 있다.
그리고, 상기 슬러지 침전단계에서는, 상기 보조응집제 첨가단계를 통하여 보조응집제가 첨가된 침출수를, 침전조(68)로 공급받고 일정시간동안 수용시킴으로써, 침출수 내에 포함되어 있는 슬러지 성분을 침전시켜 선별 분리할 수 있도록 한다.
한편, 상기 침출수 공급단계에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 쓰레기 매립장으로부터 공급되는 침출수와 생석회를 혼합기에서 공급받아, 이를 교반하여 혼합시킨 후, 상기 기액 반응조로 공급되도록 하는 혼합단계가 더 포함될 수 있음은 물론이다.
상기 일 실시예에 의하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명을 따른 매립가스 정세와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법에 의하여, 쓰레기 매립가스로부터 이산화탄소를 제거하여 매립가스중의 가연분인 메탄농도를 고농도로 일정하게 유지시킬 수 있게 됨으로써, 매립가스의 완전연소가 가능해지며, 이에 따라 고열량의 매립가스를 안정된 에너지원으로 활용할 수 있으며, 온실가스인 이산화탄소와 메탄가스의 배출을 근원적으로 제거하여 매립가스에 의한 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다. 이러한 매립가스의 정화는, 이산화탄소 및 메탄가스의 배출을 엄격히 규제하고 있는 국제 온실가스규제에도 효과적으로 대응할 수 있는 장점을 갖는 것이다.
또한, 쓰레기 침출수가 생석회와 반응됨과 동시에, 매립가스의 이산화탄소를 수세(水洗)하는 과정 중에, 침출수에 포함되어 있던 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 응집된 후 접촉여재에 침강 처리됨으로써, 침출수중의 오염물질을 제거하는 침출수 전처리공정이 자동으로 수행되며, 이에 따라, 침출수의 오염부하가 저감됨으로써 침출수 후처리공정이 간편해지는 효과가 있다.
또한, 기액 반응조에 설치되는 접촉여재로 모래층을 이용할 경우, 매립가스내의 황산화물을 접촉 제거하게 됨으로써, 열 에너지 회수장치인 열 교환기로 황산화물이 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 열 교환기 및 그 주변장치의 기계적 수명을 길게 할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치 및 그 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 아니하며, 상기 순수한 생석회 대신에 생석회 성분이 다량 함유된 폐슬라그나 분진 등을 이용하는 등, 당업자라면 여러 가지로 그 변형과 응용이 가능할 것이다.

Claims (7)

  1. 생석회가 저장되는 생석회 저장탱크와;
    하부 일측을 통하여 매립가스를 흡입받으며, 상단부에 배기홀이 형성되는 기액 반응조와;
    상기 기액 반응조의 내부 중앙부를 횡방향으로 가로질러서 채워지며 다수의 공극을 갖는 접촉여재와;
    매립장 침출수와 상기 생석회가 상기 접촉여재의 공극에 채워지도록, 상기 침출수와 생석회를 상기 기액 반응조 상부를 통하여 공급하는 침출수 주입수단과;
    상기 기액 반응조 내에서 상기 생석회가 혼합된 침출수와의 반응으로 이산화탄소가 제거된 매립가스를, 상기 배기홀을 통하여 흡입받고, 이 매립가스의 메탄성분을 연소시켜 열 에너지를 회수하는 열 교환기; 그리고,
    상기 기액 반응조 내에서의 반응으로 생석회가 침강 제거되고 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 응집되어 상기 접촉여재에 침강 제거된 침출수를 흡입받고, 이 침출수에 포함되어 있는 슬러지를 침강시켜 선별하는 침전조; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 침출수 주입수단은, 쓰레기 매립상으로부터 발생되는 침출수와 상기 생석회를 일정한 비율로 공급받고, 이들을 교반시키는 혼합기와; 상기 혼합기로부터 연장되어 상기 기액 반응조의 상부 일측을 관통하여 설치되며, 상기 기액 반응조 내부로 연장된 부위에 다수의 분사노즐이 형성되는 공급파이프와; 상기 공급파이프의 일측에 설치되며, 상기 혼합기 내에서 생석회가 혼합된 침출수를 상기 기액 반응조 측으로 압송시키는 펌프; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 생석회가 혼합된 침출수는, 상기 접촉여재가 충분히 잠기도록 상기 기액 반응조의 하단부로부터 접촉여재 상부까지 채워지며; 상기 접촉여재는 모래층으로 이루어지고, 상기 기액 반응조의 중하단부에는 상기 모래층의 침하를 빙지하기 위한 세공막이 수평방향으로 고정 설치되며; 상기 기액 반응조 하부에는 상기 매립가스를 산기시켜 공급하기 위한 산기파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기액 반응조와 상기 침전조 사이에는 침출수가 경유하도록 교반기를 설치하고, 상기 교반기로 유입되는 침출수에 보조응집제를 혼합시키는 보조응집제 공급기를 구비하여, 상기 기액 반응조 내에서 매립가스와 반응된 후 배출되는 침출수 내에 잔류되는 미량의 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질을 응집 침하시켜 제거할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 장치.
  5. 침출수 주입수단을 이용하여, 매립장 침출수와 생석회를 기액 반응조에 공급하여 접촉여재의 공극에 채워지도록 하는 침출수 공급단계와;
    상기 침출수 공급단계 다음에, 기액 반응조의 하부를 통하여 기액 반응조 내부로 매립가스를 공급하는 매립가스 공급단계와;
    상기 매립가스 공급단계 다음에, 기액 반응조로 공급된 매립가스가 접촉여재를 통과하면서 생석회가 혼합된 침출수와 반응하여, 매립가스 내의 이산화탄소가 고형화되어 분리되고, 상기 생석회는 소석회화된 후 수중의 알칼리드와 결합하여 접촉여재로 침강 분리되며, 상기 침출수의 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 접촉여재로 침강 분리되는 반응단계; 그리고,
    상기 반응단계 다음에, 이산화탄소가 제거된 매립가스를 기액 반응조로부터 열 교환기로 공급받은 후, 연소시켜서 열 에너지를 발생시키는 연소단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 침출수 공급단계에는, 혼합기에서 상기 매립장 침출수와 상기 생석회를 공급받고, 이를 교반하는 혼합단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 반응단계 다음에는, 콜로이드성, 부유성 및 용해성 물질이 제거된 침출수를 교반기로 이송시키고, 고분자 전해질, 활성규산 또는 중량제를 보조 응집제로 첨가 한 후, 교반시키는 보조응집제 첨가단계와;
    상기 보조 응집제가 첨가된 침출수를 공급받고 슬러지 성분을 침전시키는 슬러지 침전단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매립가스 정제와 침출수 전처리를 위한 방법.
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