KR100332923B1

KR100332923B1 - 매립가스를 이용한 매립장 침출수의 처리방법

Info

Publication number: KR100332923B1
Application number: KR1019990059508A
Authority: KR
Inventors: 강신경
Original assignee: 홍상복; 포스코신기술연구조합; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2002-04-20
Also published as: KR20010065009A

Abstract

본 발명은 매립가스를 이용하여 매립장 침출수를 처리하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 의하면,

침출수 및 침출수의 중량을 기준으로 황산 칼슘 0.2∼4%를 증발 농축기에 장입한 다음 매립 가스로 가열하여 증발된 순수한 물은 처리수로서 배출함과 동시에 잔류하는 과포화수는 분리기에서 상등수와 증발 잔류물로 분리하여 증발 잔류물은 제거하고, 그 상등수는 증발 농축기로 순환시키면서 무기 용존 물질을 황산 칼슘에 부착시킨 다음 분리기에서 증발 잔류물로서 제거하는, 침출수를 처리하는 방법이 제공된다.

본 발명의 방법에 의하면, 폐기물 매립장에서 발생하는 침출수를 매립 가스를 열원으로 사용하여 증발 농축한 결과, 처리수의 수질이 배출 허용 기준을 만족하므로 매립가스와 매립장 침출수를 동시에 경제적으로 처리할 수 있다. 이와 더불어 증발 농축기내에서 스케일 부착을 저감시킬 수 있다.

Description

매립가스를 이용한 매립장 침출수의 처리 방법{A TREATMENT METHOD OF LANDFILL LEACHATES USING LANDFILL GASES}

본 발명은 매립장에서 배출된 가스(Landfill gas, 이하 '매립가스'라 한다)를 이용하여 매립장 침출수를 처리하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증발 농축기의 열원으로 매립가스를 사용하여 침출수의 수질이 배출 허용 기준을 만족할 수 있도록 침출수를 처리하면서 사용되는 농축기내에 스케일이 부착되는 것을 저감시킬 수 있는 개선된 방법에 관한 것이다.

현재 일반적인 침출수처리의 경우 혐기성이나 호기성등의 생물학적 처리를 채택하고 있다. 그러나 매립장에서 발생하는 침출수내에는 난분해성 물질과 염분의 농도가 높아 생물학적인 처리 방법만으로는 처리하는데 한계가 있어 대부분의 침출수 배출수 수질은 법규 기준 이내로 처리하고 있지 못하고 있는 실정이다.

따라서 일부 매립장에서는 활성탄 흡착법, 펜톤 산화법등의 고도처리시설을 도입하고 있는데, 이 경우에는 유기물등의 제거 효율은 좋은데 반하여 침출수내에 함유되어 있는 암모니아성 질소등과 같은 용존 이온성 불순물을 강화된 배출 허용기준치내로 처리하지 못하고 있다.

여기서 국내 침출수 배출 허용 기준을 하기표 1에 나타내었다.

구분성분	2,000ton/일 이상	2,000ton/일 미만
	청정	"가"	"나"	청정	"가"	"나"
	현행	개정	현행	개정	현행	개정	현행	개정	현행	개정	현행	개정
COD^*(mg/ℓ)	50	400(90%)	80	600(85%)	100	800(80%)	50	400(90%)	100	600(85%)	150	800(80%)
BOD₅(mg/ℓ)	50	30	80	50	100	70	50	30	100	50	150	70
NH₃-N^**(mg/ℓ)	50(90%)
T-N^***(mg/ℓ)	150(85%)

주)*COD는 2001년 7월 1일부터 COD_Mn법에서 COD_Cr으로 변경.

침출 원수의 농도가 4,000mg/ℓ이상인 경우에는 처리효율 기준은 ( )내에 기재된 값 적용.

**NH₃-N은 99년 7월 1일자로, 그리고 T-N은 2001년 7월 1일부터 적용.

침출 원수의 농도가 1,000mg/ℓ이상인 경우에는 처리효율 기준은 ( )내에 기재된 값 적용.

***T-N(total nitrogens) : 총 질소 함량

이와 같은 점을 감안하여 최근에는 역삼투막을 이용한 분리막법의 도입을 시도하고 있는데, 이경우 또한 시설투자비와 운전비가 비싸고 역삼투막의 막오염 심화로 인해 많은 문제점을 안고 있는 것으로 조사되고 있다.

이와 같은 침출수 처리 방법에 대한 종래 기술로는 "감압증기압축, 증발 압축 방식을 이용한 분뇨, 축산폐수, 산업쓰레기 침출수 처리기술(대한민국특허 공개 제94-10031호)", "쓰레기 매립지에서 발생하는 침출수 처리방법(대한민국특허 공개 제94-6146호)", "매립지의 침출수 처리방법(일본 특허 공개 평7-116639호)", "폐기물 최종 처분장의 침출수 처리설비(일본 특허 공개 평9-225452호)", "침출수 처리설비(일본 특허 공개 평10-5792호)"등이 있지만, 이들은 열원으로서 대부분 전기나 열에너지를 사용하기 때문에 높은 운전비를 요한다.

이중 대한민국 특허 공개 제94-10031호는 본 발명에서와 동일하게 증발법을 사용하고 있으나, 증발기의 형식이 다르고 특히 사용하는 에너지원이 다르다는 차이가 있다. 상기 방법에서 사용되는 증발법은 간접 증발 방식으로 외부 열원으로부터 스팀을 생산한 다음 이 스팀을 이용하여 침출수를 증발시키게 된다. 증발기 내부는 감압 상태로 유지하며, 증발된 증기는 취입기등으로 압축하여 이를 다시 열원 스팀으로 사용하는 방식으로 통상의 증발기보다는 에너지를 절약할 수 있다. 그러나 이같은 간접 증발 방식을 수행하기 위해서는 설비가 대형화되어야 하므로 초기 시설투자비가 비쌀 뿐만 아니라, 증발된 증기를 압축하는 상변화가 수반되기 때문에 많은 에너지가 소요되는데 일반적으로 증발농축기 운전비중 약50∼90%는 열에너지를 생산하는 비용이 차지할 정도로 많은 전력을 필요로 하는 단점이 있다.

한편, 쓰레기 매립장에서는 상술한 침출수이외에도 음식물 쓰레기 및 유기 물질등이 혐기성으로 부패됨에 따라 매립 가스가 발생하게 되는데, 그 주요 성분은 메탄과 이산화탄소이며, 발열량은 5,000Kcal/m³정도이다. 이같은 매립가스는 매립장 조기 안정화에 저해 요인으로 작용할 뿐만 아니라 연소성이 뛰어나므로 악취와 화재 발생의 주요인이 되기도 하므로 일반적으로는 매립가스 차집시설에 의해 가스를 포집한 다음 대기로 배출하거나 태우는 별도의 공정을 거친다.

이에 본 발명의 목적은 침출수의 수질을 배출 법규 기준치를 만족하도록 처리할 수 있는 방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 매립장에서 발생되는 매립가스를 열원으로 사용함으로써 매립가스를 효과적으로 제거하면서 증발 농축기에 대한 열원 생성 비용을 최소화할 수 있는 방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 증발 농축기내에 스케일이 부착되는 문제를 해결할 수 있는 방법을 제공하려는데 있다.

도 1은 본 발명의 방법에 의하여 증발 농축기의 열원으로 매립가스를 사용하여 침출수를 처리하는 공정을 개략적으로 도시한 도면이며,

도 2는 도 1중 증발 농축기에서 매립 가스를 이용하여 침출수를 처리하면서 농축기내 스케일 부착을 저감하는 공정을 도시한 도면이다.

*도면의 주요한 부위에 대한 간단한 설명*

1... 공급 펌프 2... 증발 농축기

3... 매립가스 저장 탱크 4... 버너

5... 순환 펌프 6... 열교환기

7... 시딩제 저장조 8... 분리기

9... 분리기 밸브

본 발명에 의하면,

침출수 및 침출수의 중량을 기준으로 황산 칼슘 0.2∼4%를 증발 농축기에 장입하는 단계;

상기 증발 농축기를 매립 가스로 가열하여 증발된 순수한 물은 처리수로서 배출하고, 잔류하는 과포화수는 분리기에서 상등수와 증발 잔류물로 분리하여 증발 잔류물은 제거하는 단계; 및

분리된 상등수는 증발 농축기로 순환시키면서 무기 용존 물질을 황산 칼슘에 부착시킨 다음 분리기에서 증발 잔류물로서 제거하는 단계;로 이루어지는 매립가스를 이용한 매립장 침출수를 처리하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 도 1의 본 발명에 의한 공정개략도에 나타낸 바와 같이 증발농축법을 이용하여 침출수를 처리하되 그 열원으로서 도 2에 나타낸 바와 같이 매립장에서 발생하는 매립 가스를 사용함으로써 매립가스와 침출수를 모두 효과적으로 처리할 수 있다. 본 발명에서 증발 농축은 일반적인 방법으로 행하여진다.

본 발명에서 증발 농축기 2에 유입되는 침출수로는 종래 매립장에서 음식물 쓰레기등과 같이 분해가 가능한 폐기물이 매립되어 있을 경우 우수나 지하수등에 의해 발생하는 침출수를 이용한다. 이들 침출수는 침출수 저장조로부터 공급 펌프 1에 의해 스크린 처리를 거쳐 조잡한 이물질들이 제거된 상태로 유입되게 된다.

이들 침출수를 유입한 다음 침출수의 중량 대비 황산 칼슘을 0.2∼4%를 증발농축기 2에 유입시킨다. 상기 황산 칼슘은 시딩제(seeding agent)로서 작용(후술됨)하는 것으로 그 함량은 0.2∼4중량%인 것이 바람직하다. 침출수에 대한 황산칼슘의 용해도값인 0.2중량%이하에서는 침출수를 효과적으로 처리할 수 없으며, 4중량%이상에서는 황산칼슘이 증발기내에서 증발 잔류물로 배출되기 때문에 슬러지의 발생량이 증대된다.

또한 본 발명에서 증발 농축기의 열원으로 사용하는 가스는 반응계외 물질이 아니라 처리하고자 하는 매립장 상부에서 배출되는, 95.5%이상이 메탄과 이산화탄소로이루어진 매립 가스를 이용하는 것으로, 배출 가스를 가스 차집시설을 이용하여 매립가스 저장 탱크 3으로 보낸 다음 이 저장 탱크에서 필요량만큼씩 공급한다.

상기 가스 사용량은 매립가스의 발열량을 고려하여 하기식 1에 의해 결정한다.

매립 가스 사용량(m³) = M(Kg) ×[C×ΔT+증발잠열(cal/g)] / 가스 발열량(Kcal/m³)

(여기서 M은 침출수 중량(Kg)이고, C는 비열(cal/℃ㆍg)이고, 물의 증발 잠열은 540cal/g이다)

예를 들어, 매립가스 발열량이 5,000Kcal/m³일 때, 10℃ 침출수 1Kg을 증발시키는데 필요한 매립가스량은

1Kg ×[1Cal/℃ㆍg×(100-10)℃+540cal/g] / 5,000Kcal/m³= 0.126m³인 것이다.

그런 다음 매립 가스를 증발 농축기 2의 하부에 설치된 증발 농축기 가열 장치를 통해 발화시켜 증발농축기내에 유입된 침출수중 순수한 물만 증발시킨다. 발생된 증기는 열교환기 6에 의해 냉각되어 응축된 후 자체 압력에 의해 외부로 배출되게 되는데, 이것이 처리수가 된다.

이때 증발농축기 2내로의 침출수 유입량은 원수 펌프를 가동시켜 증발 농축기 2내의 수위를 일정하게 유지시킴으로써 자연적으로 조절한다.

이같은 방식으로 계속 증발 농축시키면, 침출수중의 용존 무기이온들은 포화되어 결정 형태로 석출되며 일부는 증발기 벽면에서 스케일을 형성하여 증발 농축 효율을 떨어뜨리게 된다. 이에 본 발명에서는 과포화된 순환수중 일부를 분리기 밸브 9에 의하여 분리기 8에 유입한 다음, 분리기 8에서 분리한 상등수를 순환 펌프 5를 이용하여 증발 농축기 2로 재유입함으로써 하부의 농축된 스케일을 유동시킴으로써 이같은 스케일의 발생을 억제하게 된다.

상기 상등수를 분리하는 원리는 과포화된 순환수를 분리기내에 체류시키면 황산칼슘등 다른 무기염이 결정화되어 결정 형태로 분산되기 때문에, 물과 증발 잔류물의 비중차로 인하여 증발 잔류물과 상등수로 분리되게 된다. 이때 분리 효율을 개선시키기 위해서는 최소 1시간이상 체류하는 것이 바람직하다.

상기 증발 잔류물은 외부로 배출시키고, 상등수는 다시 증발농축기내로 유입시켜 증발 농축 공정을 반복한다.

한편, 증발 농축기 2내에 황산 칼슘(CaSO₄)이 존재할 경우에는 상기 고농도의 용존 무기 이온 결정들은 반응기의 벽보다는 황산 칼슘의 표면에 석출되게 되므로 벽면에 스케일이 발생되는 현상을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

이와 같은 방식으로, 매립가스를 열원으로 사용하여 침출수를 증발 농축시킴으로써 침출수와 매립가스를 동시에 효과적으로 처리할 수 있다. 이같이 처리하면, 침출수내에 존재하는 황산칼슘, 부유 물질(suspended solids), 총 질소(total nitrigens) 및 총 용존 고형 물질(total dissolved solids)를 포함하는 무기 용존 불순물이 상술한 배출 허용 기준을 만족시키면서 대부분 제거된다. 따라서 처리수는 수질이 현저하게 개선되며 그 잔부는 고형분으로서 안전하게 매립시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명을 이에 한정하려는 것은 아니다.

<실시예>

본 실시예는 증발농축법을 사용하여 침출수를 처리하는 경우 처리수의 수질 개선 효과 및 증발농축기내에 스케일의 부착이 저감되는 효과를 알아보기 위한 것이다.

본 실시예에서 사용되는 증발 농축기 2는 20ℓ용량의 스테인레스제를 사용하였으며, 그 하부에는 버너를 설치하였다.

상기 증발 농축기에 10℃의 침출수 1Kg을 스크린 처리한 다음 공급 펌프 1을 통해 공급하였다. 매립 가스 저장 탱크 3의 밸브를 열어 매립 가스를 0.126m³흘리면서 버너 4를 점화시켜 증발 농축기 2를 가열하였다. 20분이상 경과후 순환 펌프 5를 가동하여 증발 농축기 2내의 과포화수를 분리기 8로 유입하고 분리기 8에서 분리해낸 상등수를 50ℓ/hr의 유량으로 증발농축기 2내로 순환시킴으로써 육안 관찰 결과, 스케일이 증발기 벽체에 거의 부착되지 않았다.

증발 농축기 2내의 침출수는 110℃정도부터 끓기 시작하였으며, 증발된 증기는 열교환기 6을 거쳐 냉각시킨 후 처리수로 배출시켰다. 증발이 계속되면 증발기내의 레벨 스위치에 의하여 원수 펌프가 가동되도록 하여 증발기내에 수위를 일정하게 유지시켰다. 이때 시딩제 저장 탱크 7로부터 4% 황산칼슘 용액을 0.1ℓ/hr의 유량으로 증발기내에 주입하였다.

약10시간 경과후부터 증발농축기 2내의 침출수를 분리기 8의 유입 밸브 9를 열어 1ℓ/hr의 유량으로 분리기 8로 유입시켰다. 1시간이상 체류시킨 다음 분리기에서 증발 잔류물과 상등수가 분리되면 상등수는 증발 농축기 2로 재유입시키고, 증발 잔류물은 분리기 8의 하부에서 외부로 배출하였다.

상기와 같은 방법으로 운전된 침출수의 수질 변화를 측정하고 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.

	침출수 원수	처리수	증발 잔류물
SS^*(㎎/ℓ)	518	2	5,736
COD(㎎/ℓ)	2800	15	18,700
T-N^**(㎎/ℓ)	3,170	20	14,950
TDS^***(㎎/ℓ)	4,580	12	70,000

^*SS(suspended solids): 부유 물질 함량

^**TDS(total dissolved solids): 총 용존 고형물질 함량

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 직화식 증발 농축기를 이용하여 침출수를 처리함으로써 침출수중에 존재하는 부유 물질, 총 질소 및 총 용존 고형물질이 배출 허용 기준치내로 처리되므로 불순물을 확실하게 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.

따라서 간접식 증발 농축기를 사용한 경우에 비하여 보다 경제적이면서 보다 확실하게 불순물을 제거할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 폐기물 매립장에서 발생하는 침출수를 매립 가스를 열원으로 사용하여 증발 농축한 결과, 처리수의 수질이 배출 허용 기준을 만족하므로 매립가스와 매립장 침출수를 동시에 경제적으로 처리할 수 있다. 나아가 증발 농축기내에서 스케일의 부착량 또한 저감시킬 수 있다.

Claims

침출수 및 침출수의 중량을 기준으로 황산 칼슘 0.2∼4%를 증발 농축기에 장입하는 단계;

상기 증발 농축기를 매립 가스로 가열하여 증발된 순수한 물은 처리수로서 배출하고, 잔류하는 과포화수는 분리기에서 상등수와 증발 잔류물로 분리하고, 증발 잔류물은 제거하는 단계; 및

분리된 상등수는 증발 농축기로 순환시키면서 무기 용존 물질을 황산 칼슘에 부착시킨 다음 분리기에서 증발 잔류물로서 제거하는 단계;로 이루어지는 매립가스를 이용한 매립장 침출수의 처리 방법
제1항에 있어서, 상기 매립 가스 사용량은 하기식에 의해 구함을 특징으로 하는 침출수처리방법

[수학식 1]

매립 가스 사용량(m³)=M(Kg)×[C×ΔT+증발잠열(cal/℃ㆍg)]/가스 발열량(Kcal/m³)

(여기서 M은 침출수 중량(Kg), C는 비열(cal/℃ㆍg)이고, 물의 증발 잠열은 540cal/g이다)
제1항에 있어서, 상기 무기 용존 물질은 황산칼슘, 부유 물질, 총 질소, 및 용존 고형물질을 포함함을 특징으로 하는 침출수처리방법