KR100614742B1

KR100614742B1 - 감람석소재를 이용한 수질정화방법

Info

Publication number: KR100614742B1
Application number: KR1020040018219A
Authority: KR
Inventors: 이용환; 조진규
Original assignee: 이용환; 주식회사 신립; 최인호; 허순철; 조진규; 임수빈
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2006-08-21
Also published as: KR20050093013A

Abstract

본 발명은 건설산업에서 골재로 이용되는 감람석을 이용하여 하ㆍ폐수처리장의 고도처리 또는 오염하천에 있어서 문제점으로 대두되어 온 인(P)을 효율적으로 제거하므로서 수질을 정화시키고, 수질정화 후 회수된 인(P)자원을 재활용할 수 있도록 한 감람석소재를 이용한 수질정화방법에 관한 것이다.

수질 정화용으로 사용하는 감람석의 크기는 원석을 파쇄시켜 적용방법 및 장치에 따라 #100체를 통과하고 #200체에 잔류하는 정도의 입경 혹은 1.0 ~ 50.0mm 정도의 입경으로 하여 하ㆍ폐수처리공정의 2차 처리수를 대상으로 주류(Main stream)에 적용하거나 또는 슬러지 처리공정으로부터의 반류수(Side Stream)에 별도의 장치 즉, 완전혼합형장치, 고정상 여과 반응장치 혹은 오염하천을 대상으로 한 역간접촉산화법을 이용하여 인(P)을 제거 및 회수할 수 있도록 한 수질정화방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

감람석소재를 이용한 수질정화방법{A method of water purification using olivine}

도1은 본 발명에 따른 감람석 소재를 반응조에 투입하여 일정기간 수질정화 후 회수된 감람석 소재를 대상으로 한 XRD분석 결과도.

본 발명은 하ㆍ폐수처리공정에서 주류(Main stream) 및 반류수(Side Stream) 또는 오염하천의 인(P)을 흡착회수 및 제거하기 위한 소재 즉, 감람석 소재를 이용한 수질정화방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감람석을 일정한 입경을 갖도록 파쇄·선별하여 이와같이 일정한 입경을 갖는 감람석 소재를 적정량 하ㆍ폐수처리공정에 투입하여 수중의 인(P)을 효율적으로 제거하고, 상기와 같이 인(P)이 흡착제거된 소재를 재활용(자원화) 할 수 있도록 함에 주안점을 둔 것이며, 나아가 오염하천에 적용되는 역간접촉산화법의 접촉재로 이용하여 수중의 인(P)을 제거하는 기능을 갖도록 한 것이다.

기존의 하ㆍ폐수처리장은 대부분 유기물과 부유물질을 제거하기 위한 시스템으로 설계 및 시공해왔다. 그러나 공공수역에서의 부영양화현상이 크게 문제가 되면서 근래 들어서는 하수 중에 함유된 질소(N)와 인(P)의 영양염류를 제거하기 위한 고도처리가 시행되고 있기도 하다.
그러나 기존의 하ㆍ폐수처리장에서 하수나 폐수를 고도로 처리하기 위하여 보완공사를 시행하려면 처리장의 부지확보 문제 및 막대한 예산 확보 등 여러가지 문제로 어려움을 겪고 있는 실정이다.
따라서 기설치된 하ㆍ폐수처리장에서 하수나 폐수를 고도로 처리하기 위해서는 무엇보다도 적은 예산으로 추가 설비를 갖추고 유지관리가 용이한 방향으로 새로운 모색을 강구해야 될 것이다.

한편, 오염하천의 하천내 수질정화에 적용되어온 역간접촉산화법은 접촉재로 주로 자갈을 이용하고 있는데, 이 처리방법은 수중의 유기물과 부유물 제거를 목적으로 하고 있어 인(P)의 제거에는 효과를 기대하기 어려운 단점이 있다.

일반적으로 통용되고 있는 인(P) 회수 및 제거 방법은 세계적으로 범용되고 있는 생물학적 처리(BNR) 방법과, 응집제를 사용하는 화학적 방법으로 대별되고 있으며, 근래 일부에서는 물리화학적 방법인 정석 탈인법(Crystallization)이 시도되고 있다.

한편, 상기한 생물학적 처리방법은 미생물을 이용, 그 미생물이 혐기상태와 호기상태로 오가며 인(P)의 방출과 인(P)의 흡수를 통하여 슬러지를 인출함으로서 인(P)이 제거되는데, 처리효율이 불안정하고 슬러지 발생량이 많은 것이 단점이다.

또한, 인(P)을 제거하기 위하여 응집제를 이용하는 응집침전법이 보편적으로 이용되고 있는데, 이 방법은 처리비용이 높고 슬러지가 과다하게 발생하는 등의 이유때문에 실제로 하수처리장에 대한 적용을 꺼리는 경향이 있다.

그래서 최근에는 정석반응에 대한 관심이 늘어가는 추세다. 그 이유는 효과적으로 인(P)을 제거할 수 있고 동시에 회수된 인(P)을 자원화할 수 있기 때문이다. 그러나 이 정석반응에는 정석반응을 유발하는 정석재가 필수적이며, 정석재의 종류에 따라 처리성능과 경제성이 크게 달라질 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 더 있어야 한다.

국내에서도 제철폐기물인 제철폐광재나 제강전로슬래그를 이용한 인(P) 회수 및 제거 공법이 개발되었으나, 재료의 특성상 약품의 주입이 필수적으로 수반되는 문제점을 가지고 있다

본 발명은 기존의 생물학적 인(P) 제거의 경우 안정적인 인(P) 제거에 어려움이 많고, 약품 주입에 의한 화학적 인(P) 제거는 안정적이기는 하나 다량의 슬러지 발생 및 약품 사용에 따른 처리 비용 증가의 단점, 또한 기존의 제철폐기물을 이용한 인(P)의 회수 및 제거법은 별도의 약품을 주입해야 하며, 제철폐기물의 특성인 높은 pH로 인해 방류시 중화처리 과정을 거쳐야 하는 단점등을 감안하여 이를 해소시키고자 한 것으로, 본 발명은 별도의 약품주입 없이 안정적인 인(P) 제거가 가능하고, 폐 슬러지가 아닌 회수 가능한 인(P) 자원을 얻을 수 있는 하ㆍ폐수중의 인(P) 회수 및 제거가 효율적으로 이루어질 수 있는 감람석소재를 이용한 수질정화방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 천연광물인 감람석을 원재로하여 이를 파쇄하고 #100체를 통과하고 #200체에 잔류하는 정도의 입경 0.075 ~ 0.15mm(평균입경 약1.0mm정도) 혹은 1.0 ~ 50.0mm 크기의 소재를 얻고, 상기와 같이 일정 입경으로된 소재를 세척 및 완전건조한 후, 상기 소재를 별도의 처리장치에 투입시켜 수중의 인(P) 회수 및 제거용 소재로 사용하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에서 인(P) 회수 및 제거용 소재의 원재로 사용되는 감람석(Olivine)의 특성을 참고로 살펴보면, 감람석은 사방정계에 속하는 주요광물로서 굳기는 6.5 ~ 7.0, 비중은 3.2 ~ 3.4 정도이고, 대체로 주상결정을 이루지만 결정이 분명하지 않는 것도 있으며, 하기 표1과 같은 조성을 갖는다.

성분	SiO₂	CaO	MgO	FeO₃	Al₂O₃
함량(%)	39	3.3	35.0	11.2	1.5

또한, 감람석은 pH 9.1 ~ 9.5정도의 알칼리성을 나타내며, 다량의 MgO성분을 함유하고 있고, 미분쇄된 감람석은 표면적이 넓어서 인(P)을 제거하는 능력이 매우 우수하여 하ㆍ폐수처리과정의 인(P) 제거재로 이용시 인(P)을 고효율로 제거할 수 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 특성을 갖는 감람석을 소정의 방법으로 소재를 얻고, 이와 같이 얻어진 소재를 이용하여 하ㆍ폐수로부터 인(P)을 회수 및 제거할 수 있도록 한 것으로서, 하ㆍ폐수 처리공정의 2차 처리수를 대상으로 주류에 적용하거나 또는 슬러지처리 공정으로부터 반송되는 반류수를 대상으로 적용하는 완전 혼합형 반응조 또는 고정상 여과반응조 그리고 역간접촉산화장치에 소재를 투입하여 수중의 인(P)을 제거하게 되는 것으로, 본 발명에서 제공된 감람석소재를 이용한 하ㆍ폐수 및 하천수의 수질정화방법을 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기와 같이 미립자로 파쇄시킨 감람석소재를, 하ㆍ폐수 처리과정에서 생물학적 처리(2차처리)의 최종침전지 유출수 또는 슬러지 처리공정으로부터의 반류수를 원수로 하되, 완전혼합형 반응조에 적정량 투입하여 일정기간 운전한다.

이와 같이 일정기간 동안 운전하게 되면 도1의 XRD분석 결과에서 나타난 바와 같이 감람석소재의 표면에 Mg₃(PO₄)₂ㆍ22H₂O, Fe₃(PO₄)₂(OH)₂, MgHPO₄ㆍ3H₂O, Fe(PO₄)등의 형태로 입자가 성장하게 되고, 일정 크기 이상으로 성장하게 되면 성장된 입자를 인함유 광석으로 하여 장외로 반출하고, 다시 새로운 감람석 소재를 교체 투입하여 운전하는 것을 반복함으로써 하ㆍ폐수 중의 인(P)을 저농도, 예를 들면 0.1 ~ 1.0mg/ℓ이하까지 제거됨은 물론 인(P) 자원으로 회수하여 이용할 수 있게 된다.

즉, 하ㆍ폐수 처리장에서 2차 처리 공정의 최종 침전지 유출수 또는 슬러지 처리 공정으로부터의 반류수를 완전 혼합형 반응조의 하단부로 유입시키고, 반응조 내부의 벽체에 적정크기의 완전 혼합을 돕기 위한 2개 이상의 베플이 대칭적으로 부착된 원형 또는 다각형의 반응조에 입경 0.1mm 내외의 분말 감람석 소재를 1 ~ 20w/v% 정도로 투입하고, 반응조 상단 중앙에 설치된 혼화기(믹서)를 구동시키면서 1 ~ 2시간 정도의 수리학적 체류시간(HRT)을 가지도록 하며, 반응조 상부를 격벽으로 구분하여 침전부로 이용하여도 감람석 소재의 한계 침강 속도가 11 ~ 25cm/sec 정도로 되어 운전 초기부터 하부의 완전혼합 운전 중에도 고액 분리에 문제가 없게 된다.

또한, 입상의 감람석을 이용한 고정상 여과반응조에서도 입경 1.0 ~ 50.0mm의 입상 감람석 소재를 충진시킨 여과탑에 최종 침전지 유출수 또는 슬러지 처리 공정으로부터의 반류수를 유입 원수로 하여 공탑속도(space velocity) 2.0 ~ 6.0(hr^-1)로 통과시켜 운전하면, 수중의 인(P)이 감람석 표면에 Mg₃(PO₄)₂ㆍ22H₂O, Fe₃(PO₄)₂(OH)₂, MgHPO₄ㆍ3H₂O, Fe(PO₄)등의 형태로 입자 성장하게 되며, 일정 크기 이상으로 성장한 후 이를 반출하여 회수된 인(P)을 다시 재활용 할 수 있게 되는 것이다.

또한, 입상의 감람석을 접촉재로 이용한 역간접촉산화장치에서는 입경 1.0 ~ 50.0mm 의 입상 감람석소재를 충진시킨 역간접촉산화시설에 오염된 하천수를 유입시켜 체류시간 1.0 ~ 6.0시간으로 통과시켜 운전하면, 수중의 인(P)이 감람석 표면에 Mg₃(PO₄)₂ㆍ22H₂O, Fe₃(PO₄)₂(OH)₂, MgHPO₄ㆍ3H₂O, Fe(PO₄)등의 형태로 제거되는 것이다.

한편, 상기 실시예에서는 감람석소재의 입경크기를 0.1mm 내외 또는 1.0 ~ 50.0mm 로 한정하여 설명하고 있으나 이는 바람직한 실시예이고, 필요에 따라 감람석소재의 입경크기를 적절히 조절하고, 이와 같은 크기로 된 감람석소재를 반응조내에 투입 또는 충진하여 하ㆍ폐수중의 인(P)을 제거할 수도 있는 것으로, 이는 본 발명의 범주내에 속한다 할 것이다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에서 사용하는 감람석소재는 기존의 제철폐기물을 이용한 인(P) 제거 기술에 비해 천연광물이므로 소재의 확보와 유해성 문제에서 안전하며, 기존의 제철폐기물을 이용하는 완전혼합형 인(P)제거 기술이나 고정상 정석 탈인 기술에서 전처리 단계로 통상 쓰이고 있는 탈탄산 공정 및 중화처리 공정을 생략할 수 있어 처리공정의 단순화가 가능하므로 경제적으로 인(P)을 제거할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

또한, 기존의 역간접촉산화법에서는 제거가 어려웠던 인(P)을 제거하는 부수적인 효과를 갖게 되는 것이다.

Claims

감람석 원재를 입경 1.0mm ~ 50.0mm의 크기로 파쇄시켜 감람석소재를 얻고,

상기 감람석소재를 하ㆍ폐수 처리공정의 2차 처리수를 대상으로 주류에 적용하거나 슬러지 처리공정으로부터 반송되는 반류수를 대상으로 적용하는 완전혼합형 반응조, 고정상 여과반응조 또는 역간접촉산화장치에 투입하여 수중의 인(P)을 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 감람석소재를 이용한 수질정화방법.
제1항에 있어서,

완전혼합형 반응조에 투입되는 감람석 소재는 입경 0.1mm의 크기로 1 ~ 20w/v%로 충진하고, 하ㆍ폐수의 인(P) 제거를 위한 체류시간을 1 ~ 6시간으로 하는 것을 특징으로 하는 감람석소재를 이용한 수질정화방법.
제1항에 있어서,

하ㆍ폐수처리를 위해 반응조에 투입된 감람석소재는 표면에 Mg₃(PO₄)₂ㆍ22H₂O, Fe₃(PO₄)₂(OH)₂, MgHPO₄ㆍ3H₂O, Fe(PO₄)등의 형태로 입자를 성장시킨 후, 이와 같이 형성된 정석 입자를 인(P) 함유광석으로 장외로 반출하고, 다시 새로운 감람석소재를 교체 투입하여 운전하는 것을 반복함으로써, 하ㆍ폐수중의 인(P)을 1mg/ℓ 이하로 제거할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 감람석소재를 이용한 수질정화방법.
제1항에 있어서,

감람석소재가 투입된 고정상 여과반응조는 최종 침전지 유출수 또는 슬러지 처리공정으로부터의 반류수를 원수로 하되 공탑속도(space velocity) 2.0 ~ 6.0(hr^-1)로 통과시켜 인(P)을 제거할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 감람석소재를 이용한 수질정화방법.
제1항에 있어서,

역간접촉산화장치의 접촉재로 사용되는 입상의 감람석소재는 입경 1.0mm ~ 50.0mm 크기의 소재가 충진 사용되며, 수중의 인(P) 제거를 위한 체류시간을 1 ~ 6시간으로 하는 것을 특징으로 하는 감람석소재를 이용한 수질정화방법.