서 론

침전조와 산화조, 그리고 매질반응조는 광산배수, 산업폐수, 하수, 오염지하수 등에 대한 수처리 시설에서 흔히 적용되는 공정이다. 이들 조의 형태와 유로를 개선하면 실질체류시간을 증대시키고 사영역을 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 처리시설의 필요 부지 면적과 공사비를 절감할 수 있다. 우리나라는 산지가 차지하는 비율이 높으며 인구밀도가 OECD 회원국 중 대만과 함께 가장 높은 편이므로, 산간 지역에도 잠재적 환경 피해자인 거주민들이 분포하며, 좁은 면적에서 높은 처리효율로 광산배수 및 비점오염원 배수 등을 처리할 수 있는 기술의 적용이 필요하다.

광산배수 처리시설은 석탄광산, 금속광산 및 비금속광산 기원의 철, 알루미늄, 망가니즈, 아연, 비소와 부유물질 등을 처리하는 공정으로 구성되며, 국내에는 50여 개의 시설이 운영되고 있다. 운영인력이 일반적으로 상주하는 Active 처리시설은 슬러지를 짧은 주기로 인발해야 하는 원형침전조가 상향류식으로 적용되며 산화를 위한 폭기공정이 적용되기도 한다. 한편, 운영인력이 상주하지 않는 Semi-active 처리시설에서는 Active 처리시설과 유사한 공정으로 구성되지만 슬러지를 장기간 보관하기 위하여 장방형 침전조를 적용한다. 자연정화시설은 화학약품과 전력의 공급이 없이 운영되므로 일반적으로 자연유하와 매질 반응에 의해서 처리되며, SAPS, 산화침전조, 호기성 소택지, 슬래그반응조, 비소흡착조 등으로 구성된다(Younger et al., 2002; Kim, 2021).

침전조 중 특히 장방형 침전조는 정류벽 등이 효율적으로 반영된 처리시설도 있으나, 광산배수 처리시설 중 Semi-active 처리시설 침전조와 자연정화시설 산화침전조, 그리고 각종 사업장 및 개발 현장 등의 침사지에서는 단순한 연못 형태로서 처리 효율을 최적화하지 못한 경우가 많다. 광산배수 자연정화시설은 미국 등에서 적용된 기술을 도입하였으며 Semi-active 처리시설은 원칙적으로 자연정화시설 형태의 침전조를 적용하는데, 외국에서는 넓은 부지에서 면적 대비 비효율적으로 설계, 운영되는 경우가 많으며, 이와 여건이 상이한 우리나라에서는 면적 대비 효율적인 설계 적용이 필요하다. 비점오염원 부유물질(SS, suspended solids) 저감시설 또한 마찬가지로 장폭비(L/W ratio)를 3 이상으로 적용하는 것만 환경부에서 권장하고 있으나 이것도 반영되지 않는 경우가 많다(MOE, 2020). 즉, 단락류를 방지하고 침전 효율을 향상시키기 위한 배플의 배치와 유선이 충분히 효율적으로 설계에 반영되지 못하고 지그재그형 배플과 상부 배플에 대해서 장단점의 충분한 연구 없이 혼용되고 있는 실정이다. 자연정화시설 내 산화침전조는 이보다 더욱 단순한 형태로 설계되어, 유입부와 유출부에서는 위어조차 반영되지 않고 유입관 및 유출관만 설치되어 있으며 산화 효율 및 실질체류시간 증대를 위한 최적의 배플 배치가 대부분의 경우 반영되지 않고 있다.

매질반응조는 여과매질, 흡착매질, 산화매질, 환원매질, 알칼리공급매질 등의 매질을 고정상(fixed) 또는 유동상(fluidized)으로 적용하는 반응조로서 수처리 공정 중 하나이다(Young and Dahab, 1983; Fadillah et al., 2024). 이는 주로 수직흐름식 또는 수평흐름식 등으로 적용되며, 폐수처리에서 가장 흔한 형태는 수직흐름식의 원통형 고정상 반응조이다(Fadillah et al., 2024). 산업폐수 등의 처리시설에서는 모래 등이 적용된 여과기 및 활성탄 등이 적용된 흡착조, 망간사 등이 적용된 철-망간 제거 반응기 등이 상향류 탱크 형태 등으로 반영되고 있다. 그러나 광산배수 자연정화시설 중 SAPS, 여과지와 최근 반영되고 있는 슬래그반응조, 흡착조 등에서는 다량의 광산배수를 효율적으로 반응시키는 구조 및 필요 수두차에 대한 고찰과 적용이 부족한 실정이다.

따라서 본 해설 논문에서는 광산배수 처리시설 등의 수처리시설을 대상으로 장방형 침전조와 산화조의 유로 및 배플 설계 방안과 매질반응조의 구조에 대한 기존 연구 결과들로부터 설계에 대한 적용 방안을 제시하고자 한다.

침전공정 및 산화공정 효율화를 위한 구조 고찰

침전조 내 배플의 적용

광산배수 처리시설 중에서는 자연정화시설에서 산화침전조, 그리고 Semi-active 처리시설에서 산화조, 폭기조 또는 장방형 침전조가 적용되어 왔는데, 이 형태가 적용되어 온 이유는 상부 유입, 상부 유출 구조로서 조 하부에 슬러지를 장기간 저장할 수 있기 때문이기도 하다. Wolkersdorfer(2011)는 캐나다 Nova Scotia 소재 광산의 산화침전조 내에 지그재그형 배플을 설치한 후 실질체류시간이 11~19시간으로부터 35시간으로 증가하였다고 보고하였다. Angeloudis et al.(2016) 및 Bruno et al.(2021) 또한 소독용 접촉식 탱크에서 지그재그형 배플을 설치하여 실험과 모델링을 수행한 바 있다. 이와 관련하여 지그재그형 배플은 비교적 최근에 함백(자미갱) 및 동양탄광을 비롯한 자연정화시설 산화침전조와 삼보광산 Semi-active 처리시설 등의 침전조에 설치되어 왔다(MIRECO, 2014). 한편, 유입부가 하부에 있는 폐수처리시설 침전조에서는 하부 배플이 설치되기도 한다(Tamayol et al., 2008; Asgharzadeh et al., 2011; Saeedi et al., 2020). 그러나 이 경우는 슬러지가 빈번하게 제거되어야 하는 제약을 가진다. 이와 반대로 자연정화시설과 Semi-active 처리시설의 침전조에서는 슬러지를 수년 간 축적시키기 위해 유입부가 상부에 위치한다. 이때 적용할 수 있는 배플 배치는 앞서 언급한 지그재그형 배플 외에도 상부 배플(hanging baffle)이 효과적인 것으로 보고되었다(Yoon et al., 1999; Oh, 2003; MIRECO, 2011; Liu et al., 2016). 유입수의 수온이 침전조 내 수온보다 높은 경우에는 표면류가 형성되는데(Hudson, 1972), 상부 배플이 SS의 제거 효율을 증대시키는 것으로 보고되었다(Yoon and Lee, 2000; Goula et al., 2008). 반면에 지그재그형 배플은 침전조 내 열적 성층(thermal stratification) 현상으로 인해 SS 처리효율을 높이지 못하는 사례도 보고되었다(Pedahzur et al., 1993). 또한, 유선을 골고루 분포시키는 것만으로도 지그재그형 배플을 설치하는 것과 유사하게 효율을 높일 수 있다는 연구 결과도 보고되었는데(He et al., 2015), 이는 상부 배플을 설치하고 유입부와 유출부에 월류위어 등을 설치하여 유선을 고루 배치하는 것의 효과를 시사한다.

상부 배플을 설치하는 세부 설계 조건으로는, 수심의 40%까지 설치하며 L:W=3:1의 침전조 기준으로 1/3 및 2/3 지점에 설치하여 각 셀을 정방형으로 나누는 구조가 가장 효율적인 것으로 보고되었다(Yoon et al., 1999; MIRECO, 2011). 이를 일부 반영하여 강원도 강릉 소재 영동탄광 1단계 Semi-active 처리시설과 강원도 태백 소재 연화(통기갱) Semi-active 처리시설 등에는 수심의 40%에 해당하는 배플이 침전조의 약 1/3 지점에 설치된 바 있다.

그리고, 상부 배플 설치 시 슬러지가 하부에 축적되는 경우 유속이 높으면 소류 현상이 발생하여 상부로 슬러지가 상승할 개연성이 있으므로, 현장 유속 등 상황에 따라 침전조의 50% 또는 그 이상이나 이하의 슬러지가 축적되었을 때 인발 처리할 필요가 있다. 체류시간이 짧고 유속이 빠른 조건에서는 슬러지고를 낮게 유지하는 것이 도움이 되는 반면, 체류시간이 길고 유속이 느린 조건에서는 오히려 슬러지와 접촉하는 과정에서 여과 및 표면 침전이 발생할 수 있으므로 SS 저감에 도움이 되는 효과도 함께 발생할 수 있다. 그러므로 현장 유속 등의 상황에 따라 슬러지고를 유지하는 높이가 증가하거나 감소한다.

위에서 언급한 상부 배플과 지그재그형 배플을 동일한 파일럿 규모 침전조에서 배플 설치를 변경하면서 상호 비교하여 효율을 평가한 결과가 보고되었다(Kim et al., 2022). SS 농도를 18~22 mg/L로 제거하는 유사 조건에서, 지그재그형 배플 적용 시 SS 처리효율 57~61%(SS 제거량 29~32 mg/L)에 필요한 체류시간은 72~81시간이었으나, 상부 배플 적용 시 SS 64~69% 제거(SS 제거량 32~46 mg/L)에 필요한 체류시간은 41~50시간으로서 체류시간이 51~69%로 저감되었다(Table 1).

지그재그형 배플은 수평 면적을 효율적으로 활용하지만 침전조 하부를 효율적으로 활용하기는 어려운 반면, 상부 배플은 하부에서의 유동도 유도한다. 또한, 상부 배플 설치 시 유입 및 유출부에 월류위어를 설치할 수 있어 수평면에 대하여 유선을 고루 분배하는 것이 가능하다. 특히, 갱내수는 연중 항온성이 높으므로 지그재그형 배플 적용 시 하절기에는 유입수 수온이 상대적으로 낮아 하부 유동이 가능하지만 동절기에는 유입수 수온이 상대적으로 높아 상부에서 유동하는 표면류가 단락류의 형태로 형성될 수 있다. 파일럿 실험 시기는 10~11월이었으므로 갱내수의 수온은 14.0~16.0℃로서 당시 기온인 6.9~12.8℃보다 높았으며, 동절기에는 더욱 큰 차이를 보일 것이다(Kim et al., 2022). 게다가 동절기에는 수온 강하에 따른 물의 점도 및 밀도 증가로 인하여 Stocks’ law에 따르면 침전 효율이 낮아지는 특징을 보인다. 그러므로 침전조의 전반적인 효율 향상과 특히 동절기의 SS 처리효율 저하 방지를 위해서는 지그재그형 배플이 아닌 상부 배플 적용이 필요한 것으로 판단된다.

산화조 내 배플의 적용

장방형 침전조에서의 효율적 배플 배치 방안으로서 상부 배플이 제시되었는데, 장방형 침전조의 수심은 일반적으로 4.0~4.5 m로서 상하부 방향에서의 효율적인 유동과 공간 활용의 중요성이 높다. 반면에, 산화조는 대기로부터 용해되어 공급되는 용존 산소(dissolved oxygen, DO) 농도를 유지하는 것이 효과적이며 수심이 깊은 경우 DO 농도가 감소하는 특징을 보이므로(MIRECO, 2015) 일반적으로 1 m 또는 그 미만의 수심을 가진다. 따라서 상하 유동의 중요성이 상대적으로 낮아진다. 게다가 상부배플 설치 시 하부로 유동하므로 DO 농도가 비교적 낮아지는 악영향이 있다. 또한, 상부 배플 설치 시 배플 하부의 수층은 0.6 m로서 얕으므로, 철 수산화물이 활발히 침전되는 구간의 경우 슬러지가 비교적 빠른 속도로 배플 높이까지 채워지므로 슬러지가 유수와 함께 유동하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 산화조의 경우 산화구(oxidation ditch)와 유사한 개념으로서 지그재그형 배플의 적용 타당성이 높다고 할 수 있다. 단, 자연정화시설 산화침전조 중 함백(자미갱) 시설을 평가한 결과 용존 철은 조 내 약 1/4 지점에서 1 mg/L 이하로 제거된 것으로 평가되었는데(KOMIR, 2024), 이에 따라서 조의 후반부는 침전조의 역할을 주로 수행하므로 지그재그형 배플보다는 상부 배플의 적용성이 높아진다. 이와 같이 산화조와 침전조의 역할을 순차적으로 수행하는 자연정화시설 산화침전조에서는 앞부분과 뒷부분 등 위치에 따라 배플 설치를 차별화하는 것이 효율적일 수 있다.

유선 길이 증가의 영향

Kim et al.(2022)은 지그재그형 배플 설치에 따른 유선 길이 증가의 효과를 비교하였다(Fig. 1). 부지의 면적을 동일하게 유지하면서 반응기의 L(길이)/W(폭) 비를 변화시킴에 따른 유선의 최단거리 변화를 평가하였는데, 이 중 두 가지의 반대 경우가 Fig. 1a와 c에서 대조적으로 나타난다. 사용된 배플의 총 길이를 동일하게 유지시키면서 배플의 설치 방향을 횡방향에서 종방향으로 변화시킨 결과, 유선의 최단 거리가 14.4(무단위)로부터 23.2로 1.6배 가량 증가하였다. 이 과정에서 L/W를 점차 증가시킬수록 유선의 최단 거리가 점차 증가하는 결과도 나타났다. 추가적으로는 유향이 바뀌는 빈도가 잦은 횡방향 설치(Fig. 1a, b)보다 그렇지 않은 경우(Fig. 1c)가 난류(turbulent flow)보다 층류(laminar flow)를 형성하는 데 유리할 것으로 추정된다. 따라서 이들은 지그재그형 배플을 종방향으로 설치하는 것이 유리함을 지시한다.

Fig. 1.

Change in the minimum length of the flow line according to the L/W ratio. Widths of the straight channel are 1, those at the corners are (a, c) 1, and (b) 0.5. L/W ratios are (a, b) 1/3 and (c) 3. The units are dimensionless (Kim et al., 2022).

또한, 배플을 설치하여 유선의 최단 거리가 증가한 비율과 실질체류시간이 증가한 비율은 추적자 시험 등으로 평가된 바 있다(Kim et al., 2022). 지그재그형 배플을 설치하여 유선의 최단 거리를 2.6배 증가시킨 벤치 규모 장치에서 추적자가 도달하는 시간이 약 2.8배 증가한 결과가 보고되었다. 이는 앞서 언급한 최단 유선 거리의 증가가 실질 체류시간 확보와 비례하는 영향을 줌을 지시한다.

매질반응조 설계를 위한 구조 고찰

매질반응조의 설계에는 실질체류시간 증대에 따른 효율 증가와 함께 자연유하 등에 따른 필요 수두차를 고려하여야 한다. 매질반응조는 SAPS에 적용되어 온 것과 같이 하부 유공관이 설치되어 수직흐름 구조를 가질 수 있으며, 또는 다수의 컬럼으로 구성된 수직흐름 구조를 적용할 수 있다(Fig. 2a). 수평흐름식으로는 상부에서 유입되어 반대편 하부에서 유출되는 구조가 있으며 여기에는 유입부의 월류위어와 유출부의 다공판이 설치되어야 유선의 고른 분배가 가능하다(Fig. 2b and c). 또는 수평흐름식 중 위어 대신 지그재그형 배플을 설치하여 수평 면적을 효율적으로 활용할 수 있다(Fig. 3).

Fig. 2.

Examples of (a) cross-section of column-type reactor, (b) plan view and (c) cross-section of weir-type reactor. The unit of dimension is m (Kim et al., 2022).

Fig. 3.

(a) Plan view and (b) cross-section of baffle-type reactor. The unit of dimension is m (Kim et al., 2022).

앞서 언급한 3가지의 매질반응조(컬럼형, 위어형, 배플형)를 파일럿 규모 슬래그반응조로 구성하여 광산배수 내 Mn의 처리효율을 평가한 결과, 배플형>컬럼형>위어형의 순서로 처리효율이 높게 나타난 것으로 보고되었으며, SAPS 형태도 배플형보다 실질체류시간이 짧은 것으로 나타났다(Kim et al., 2022). 이는 유선 분배 및 실질체류시간 증대의 효과가 이와 같이 다르게 나타남을 시사한다.

한편, 반응조의 형태별로 필요 수두차는 Darcy’s law를 적용하여 계산할 수 있다(식 1).

(Q: 유량(m³/d), K: 수리전도도(m/d), A: 단면적(m²),

Δh: 수두차(m), Δx: 이동거리(m))

매질의 수리전도도는 직경 2~5 mm 가량의 제강슬래그와 직경 2~5 cm 가량의 석회석을 혼합한 매질을 반응기를 약 1년 간 운영하여 자연적인 침전물이 축적된 것을 대상으로 도출한 결과 0.03 cm/s로서 균질한 모래 수준으로 나타나, 이를 이와 유사한 매질반응기에 대한 수리전도도로 적용할 수 있다. 이를 적용하여 Kim et al.(2022)에서 3종의 반응기 및 SAPS 형태의 반응기를 동일한 체적 기준으로 비교한 결과를 Fig. 4a에 제시하였다.

Fig. 4.

Applicable types of reactors according to flow rate and (a) difference in hydraulic head and (b, c) hydraulic conductivity. The hydraulic conductivity in (a) was assumed to be 0.03 cm s^-1. Differences in the hydraulic head were assumed to be 1.5 m for the weir-type and baffle-type reactors and 2.5 m for the column-type reactor in (b) and were assumed to be 10 m in (c) (Kim et al., 2022).

이에 따르면 현장에서의 자연유하를 위한 수두차가 1.5 m만큼 확보되더라도 위어형으로 처리 가능한 유량은 19 m³/d, 컬럼형은 8 m³/d, 그리고 배플형은 2 m³/d에 불과하게 된다. 반면에 면적이 넓으면서 유로 길이가 짧은 수직흐름식인 SAPS 형태는 그 이상의 유량을 처리할 수 있다. 이는 흐름 방향에 수직인 면적(A)은 SAPS 형태에서 최대, 배플형에서 최소가 됨과 함께, 흐름 방향의 이동 거리(Δx)는 SAPS 형태에서 최소, 배플형에서 최대가 되는 등의 차이에 기인한다. 매질의 입경이 커서 수리전도도가 증가하는 경우 0.2 cm/s 조건에서는 위어형 반응조의 처리유량이 100 m³/d 이상으로 증가할 수 있으나 이는 자갈 정도의 조건에 해당한다(Fig. 4b). 따라서, 반응 효율을 높이기 위해 배플형, 컬럼형 및 위어형을 적용하고자 하는 경우에는 펌프를 사용하여 수두차를 압력으로 가하면서 상향류식으로 적용할 수 있다. 10 m의 수두차에 해당하는 수압이 가해지는 경우 다양한 반응조 형태별로 수백 m³/d의 유량을 처리할 수 있는 것으로 계산되었다(Fig. 4c).

따라서, 다양한 구조의 반응조는 높은 처리효율을 보이는 반면 광산배수 자연정화시설에서는 일반적으로 적용성이 낮으며, 산업폐수 및 오염지하수를 처리하기 위한 흡착반응조 등 가압식 반응조로 적용 가능하다. 광산배수 자연정화시설의 경우 일반적으로 SAPS 형태로 설계를 수행하되, 필요 체류시간과 현장 면적, 그리고 Darcy’s law에 따라 매질의 두께를 0.3~1.0 m 등으로 산정해야 할 것이다(Kim, 2021).

결 론

국내 광산배수 처리시설 및 비점오염원 SS 저감시설 등 다양한 수처리시설에 적용되는 장방형 침전조는 슬러지를 하부에 장기간 보관하면서 SS 처리효율이 높아야 한다. 여러 문헌에서의 연구 결과를 종합하면 지그재그형 배플과 상부 배플의 적용성이 높으며, 이중 특히 상부 배플이 지그재그형 배플보다 높은 효율을 가진다. 특히 광산배수의 경우 동절기에 표면류가 흔히 발생하므로 상부 배플의 필요성은 더욱 높다고 판단된다. 따라서 장방형 침전조는 3:1 이상의 장폭비를 가지며 유입부와 유출부에 월류위어를 설치하고 상부 배플들을 설치하는 설계를 적용할 필요가 있다. 산화조의 경우 수심이 1 m로 얕으며 공기와의 접촉이 중요한 인자인 것을 고려하여 지그재그형 배플의 적용성이 높다. 특히 지그재그형 배플은 횡방향보다 종방향으로 배열하는 경우 동일한 양의 재료 및 동일 면적 조건에서 처리 효율이 높아진다. 그러므로 유선 길이를 늘이는 형태의 종방향 지그재그형 배플이 산화조 설계에 적용될 필요가 있다. 이들을 고려하여 필요 부지 면적을 절감하면서 처리 효율이 높은 수처리시설 설계가 이루어지기를 기대한다.

한편, 매질반응조의 경우 SAPS, 슬래그반응조, 비소흡착조 등 광산배수 자연정화시설에서는 자연유하 적용을 위해서 필요 수두차가 가장 낮은 SAPS 형태의 반응조 설계가 필요하다. 즉, 광산배수 자연정화시설에서 매질반응조의 구조에 폐수처리시설 등에서 적용하는 다양한 매질 탱크 등의 구조를 적용하기에는 필요 수두차가 과다하므로, 기존의 SAPS처럼 수직흐름형 반응조 구조를 적용하면서 필요 체류시간을 확보하기 위한 충분한 면적으로 설계에 적용하여야 한다. 흡착제 또는 제강슬래그 매질은 약 0.5 m 또는 그 이하로 설계하는 것이 일반적으로 바람직할 것으로 판단되며, 설계 시 Darcy의 법칙에 따라 매질의 두께와 수위조절장치(Stop-log) 내 수위차를 면밀히 계산하여 설계에 반영하여야 한다.

SAPS 형태 매질반응기 구조를 적용할 때의 단점은 시간 경과에 따라 채널링이 발생하기도 하여 단락류가 발생할 수 있다는 것인데, 이는 특히 매질의 수리전도도가 낮거나 침전물 축적에 따라서 낮아진 경우에 발생하기 쉬우며, 이를 구조적으로 개선하기 위한 추가적인 연구의 필요성이 있다. 그리고 흡착시설과 여과시설, 슬래그반응기 등을 자연정화시설이 아닌 (Semi-)Active 처리시설에서 적용하여 펌프를 적용한 상향류 형태로서 적용한다면 배플형, 위어형 및 컬럼형 반응기를 다양하게 적용할 수 있으며, 특히 양수능은 높으며 유량은 낮은 경우 배플형의 처리 효율이 가장 높다는 실험 결과를 적용할 수 있을 것이다.