[논문]마이크로버블과 자외선/과산화수소 산화공정을 이용한 광산배수의 중금속 처리 특성

정용준; 정재억

doi:10.5322/jesi.2017.26.3.303

마이크로버블과 자외선/과산화수소 산화공정을 이용한 광산배수의 중금속 처리 특성
The Treatment Properties of Heavy Metals in Acid Mine Drainage with Micro-bubble and UV/H2O2 Oxidation Process 원문보기

Journal of environmental science international = 한국환경과학회지, v.26 no.3, 2017년, pp.303 - 309

정용준 (부산가톨릭대학교 환경공학과) , 정재억 (부산가톨릭대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Aeration with low energy micro-bubble generation and $UV/H_2O_2$ processes was introduced to verify the possibility of oxidation treatment for acid mine drainage. During 10 hours of aeration with micro-bubbles, Fe and As concentrations were decreased to 18.1 and 61.8%, respectively, while Cu, Cd, Al were kept at influent concentrations. Other heavy metals such as Mn, Cr, Pb, Zn, and Ni concentrations fluctuated due to the repetition of oxidation and release. Twenty days of aeration indicated the oxidation possibility for Cu, Cd, and Al. With the employment of $UV/H_2O_2$ processes, more than 77% of Cu and Fe removed, whereas slightly more than 30% of Cd and Al removed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 pH 상승을 위한 별도의 화학약품 주입과 이에 따른 과다 슬러지 발생이 동반되는 화학적 처리 공정과 달리, 현재까지 국내·외 연구 진행이 부족했던 AMD의 산화 처리와 관련하여 저에너지 소요 마이크로버블과 자외선/과산화수소 고도산화공정을 이용한 처리 가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 마이크로버블을 발생시키는 침액식 스크러버 시스템(Dip Injection Wet Scrubber, DIWS)을 개발(Kim et al., 2015)하여 AMD의 산화 처리 가능성을 평가하였다. DIWS 장치는 배기능력 2.

제안 방법

DIWS 장치에서 발생하는 마이크로버블을 단기간(10시간)과 장기간(20일간)으로 구분하였고, 개별 운전 기간 동안 기본 인자로 DO, ORP, pH 및 온도를 모니터링 하였으며, 수질 항목으로는 중금속을 분석하면서 산화 처리 가능성을 평가였다
마이크로버블에 의한 산화 처리 이후 후속 산화 처리의 필요성을 검토하기 위해 UV+H2O2를 1시간과2시간 추가 운영하였다.
중금속 수질분석은 ICP-OES (Perkin Elmer Optical Emission Spectrometer, optima 7300 DV)로 분석하였는데, 구체적인 분석 조건은 Gas(Argon 99.9999% 이상),Plasma(15 L/min), Aux(0.2 L/min), Neb(0.65 L/min),Power(1300 Watts), 분석 온도(5,500 K~8,000 K),Sample flow rate(1.5 mL/min), Read parameters time(1~5 sec)로 하였다. 또한 색도는 수질오염공정시험기준의 아담스-니컬슨(Adams-Nickerson)의 색도 공식에 근거하였으며, 측정 결과는 정수로 나타냈다.

대상 데이터

본 연구는 1938~1945년에 국내 최고의 동광 생산실적을 기록한 후, 1967년까지 50 톤/일의 선광장을시설해 채광하였으나, 현재는 휴광중인 광산에서 배출되는 폐수를 사용하였다. 광산지역 일대는 경상계퇴적암류와 이를 후기에 관입한 불국사 화강암류 및 석영맥, 방해석맥 등으로 구성되어 있으며, 광산 주변의 토양은 고농도의 Fe와 Cu로 오염되어 있고(Ji etal., 2010), 유입수는 이곳에서는 배출되는 AMD로 선정하였다.
본 연구는 1938~1945년에 국내 최고의 동광 생산실적을 기록한 후, 1967년까지 50 톤/일의 선광장을시설해 채광하였으나, 현재는 휴광중인 광산에서 배출되는 폐수를 사용하였다. 광산지역 일대는 경상계퇴적암류와 이를 후기에 관입한 불국사 화강암류 및 석영맥, 방해석맥 등으로 구성되어 있으며, 광산 주변의 토양은 고농도의 Fe와 Cu로 오염되어 있고(Ji etal.

이론/모형

5 mL/min), Read parameters time(1~5 sec)로 하였다. 또한 색도는 수질오염공정시험기준의 아담스-니컬슨(Adams-Nickerson)의 색도 공식에 근거하였으며, 측정 결과는 정수로 나타냈다.
본 연구에서는 AMD의 마이크로버블 처리 이후 후속처리를 위해 UV/H₂O₂ 공법을 이용했으며 처리를 위해 설계한 UV 반응조는 아래 Fig. 1과 같다(Kim etal.

성능/효과

1. 마이크로버블 장치에 사용된 유입수의 초기 DO는 5.7mg/L이었으나, 1시간 경과 시점에 9.6mg/L을 나타낸 후, 3시간 경과 이후에는 11.1mg/L을 유지하였고, pH는 2.64~2.86, ORP는 490 mV를 유지하였다.
2. 마이크로버블로 10시간 폭기시켰을 때 Fe은18.1%, As는 61.8% 제거된 것으로 나타났지만, Cu,Cd, Al은 유입 농도를 유지하였고, Mn, Cr, Pb, Zn, Ni은 산화 및 용출을 되풀이할 만큼 농도 변화가 있었다.
4. UV+H2O2를 1시간과 2시간 추가 운영할 경우 개별 중금속 제거효율은 Cu 99.6%, Fe 77.9%, Cd37.1% 및 Al 32.5%로 나타났다.

후속연구

11까지 소폭 상승하였다. 이는 장기 폭기에 의한 산화공정이 화학적 AMD처리에서 필요한 인위적 pH 상승을 대체할 수 있는 공정으로도 적용할 수 있을 것으로 판단할 수 있다.
이에 따라 10시간의 단시간 폭기 보다는 20일간의장기 폭기에 의한 반응조의 기본 인자 및 중금속의 산화 가능성에 대한 분석이 필요하게 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중금속의 특성은 무엇인가?	중금속은 비중이 4 5 g/cm3 이상의 모든 금속류로, 수계에 노출될 경우 인체는 물론 환경에까지 심각한 영향을 미치게 되어 수질관리를 위해서는 배출원 뿐만 아니라 발생 지점까지 관리가 필요하다.
	산성광산배수처리는 어떤 기술을 주로 이용하는가?	AMD는 유지관리비가 적게 소요되는 자연정화 처리와 정화 효율이 좋은 물리·화학적 처리 기술이 주로 이용되고 있지만, 일반적으로는 pH 상승에 의한 중화 및 이로 인한 침전물 발생에 따른 금속 이온 제거가 주요 기작이므로, 발생되는 현장의 지형 여건, 수질 특성, 배수량, 기후, 유지관리에 필요한 비용 및 효율성 등을 전반적으로 고려한 적정 처리 기술의 개발이 연구되고 있다(Jo et al., 2007).
	산성광산배수는 무엇인가?	산성광산배수(Acid Mine Drainage, AMD)는 광업활동으로 발생된 지하공동에 산소를 내포한 외부의 빗물이나 지하수가 유입된 후 독립영양미생물에 의해황철석(FeS2)과 같은 광물질 성분의 산화 촉진으로 생성된 유출지표수 및 지하수로서 pH 2-4 정도의 강산성이고, 철, 알루미늄 등의 중금속 이온뿐만 아니라 고농도의 SO42-를 다량 함유하고 있기 때문에 적화현상과 백화현상 및 주변의 농경지 오염까지 초래한다(Oh and Park, 2005).

참고문헌 (11)

Choi, S. W., Jang, Y. D., Kim, Y. H., Kim, J. J., 2010, Studies on purification of mine drainage with NaOCl and $H_2O_2$ , Econ. Environ. Geol., 43(1), 21-31.
Duran, A., Monteagudo, J. M., Sanmartin, I., Garcia-Pena, F., Coca, P., 2009, Treatment of IGCC power station effluents by physico-chemical and advanced oxidation processes, Journal of Environmental Management, 90(3), 1370-1376.

상세보기
Ji, M. K., Yoon, H. S., Ji, E. D., Lee, W. R., Park, Y. T., Yang, J. S., Jeon, B. H., Shim, Y. S., Kang, M. H., Choi, J. Y., 2010, Development of control technology for acid mine drainage by coating on the surface of pyrite using chemicals, J. Soil. Ground. Env., 15(4), 46-52.
Jo, Y. D., Kim, H. S., Ahn, J. W., 2007, Precipitation characteristics of heavy metal ions in coal mine drainage, J. Miner. Soc. Kor., 20(2), 125-134.
Jung, J. O., Jung, Y. J., 2016, Industrial wastewater treatment containing high concentration of ammonia with low energy micro-bubble reactor, J. Wet. Res., 18(3), 286-291.

원문보기 상세보기
Kim, T. K., Moon, B. R., Kim, T., Kim, M. K., Zoh, K. D., 2016, Degradation mechanisms of geosmin and 2-MIB during UV photolysis and UV/chlorine reactions, Chemosphere, 162, 157-164.

상세보기
Kim, Y. J., Jung, J. O., Jung, Y. J., 2015, Complex mal-odor treatment of foodwaste with micro-bubble generated from enhanced wet scrubber, J. Env. Sci. Int., 24(1), 73-79.

원문보기 상세보기
Oh, J. I., Park, S. W., 2005, Settling characteristics of AMD (Acid Mine Drainage) sludges produced by difference alkali-neutralizer use, Kor. Soc. Civ. Eng., 25(4B), 309-315.
Park, Y. G., Park, J. S., Hong, S. J., 2005, Neutralization treatment of acid mine drainage using $Ca(OH)_2$ , J. Kor. Ind. Eng. Chem., 16(3), 391-396.
Seo, S. H., Ahn, K. H., Lee, J. K., Kim, G. J., Chu, K. H., Ra, Y. H., Ko, K. B., 2010, Removal of dissolved heavy metals in abandoned mine drainage by ozone oxidation system, J. Kor. Soc. Wat. Qual., 26(5), 723-731.
Sung, I. J., Pak, S. I., Yang, J. K., Bae, S. D., Jin, H. J., Choi, S. I., 2014, Field-scale treatment of acid mine drainage by hybrid electrolysis process, J. Soil. Groundw. Environ., 19(3), 142-152.

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