KR100383385B1 - 막 결합형 정수처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막 결합형 정수처리에 관한 것으로서, 기존 정수장에서 주요 오염물질로 대두되고 있는 암모니아성 질소, 용존유기물, 색도유발물질, 소독 전구물질 및 부산물질, 미생물 등을 효율적으로 제거하기 위해 생물산화 및 활성탄 흡착기술을 조합하여 시스템을 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 유기물 및 암모니아성 질소제거를 위한 생물산화공정과 활성탄을 막분리를 이용한 정수처리 장치에 도입하여 보다 안전한 수질을 제공하면서 콤팩트하여 부지 소요면적을 줄일 수 있으며 운전 및 유지관리가 용이한 정수처리 장치를 제공한다.

Description

막 결합형 정수처리장치{Apparatus for filtering water in a membraned-combining type}
본 발명은 막 결합형 정수처리장치에 관한 것으로, 특히 막분리후 잔존하는 암모니아성 질소, 용존유기물, 이취미 물질 및 색도유발물질 등을 제거하기 위해 막공정 전후 단계에 생물산화 및 활성탄 흡착기술을 도입하여 보다 안전한 수질을 제공하면서 콤팩트하여 부지 소요면적을 줄일 수 있으며 운전 및 유지관리가 용이한 정수처리 장치 및 방법을 제공하는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치에 관한 것이다.
종래의 정수기술은 청정한 원수를 고액분리하는 것을 기본으로 하여 보통 침전, 완속여과방식 및 약품침전법, 급속여과방식으로 이행하고 있다.
최근에는 점차 수질오염물질의 다양화와 복잡화되어 있는 용존유기물질의 제거를 위해 고도 정수시설을 도입하고 있는데, 고도 정수시설은 종래의 정수법으로는 제거시키기 어려운 악취유발물질(취기), 색도, 암모니아성질소, THM전구물질 등 미량 유기물질 그리고 계면활성제 등의 제거를 목적으로 사용되는 정수기술이다.
국내에는 현재 19개의 정수장에 고도 정수시설이 도입되거나 도입할 예정으로 주로, 오존처리, 입상 활성탄처리, 생물 활성탄 처리, ClO2에 의한 대체 살균처리 등의 공정을 적용하고 있다.
이런 고도 정수시설도 부영양화의 진행에 따라 악취발생 등의 수질 저하시에는 불연속성 전염소처리, 분말 활성탄의 투입 및 중간 염소처리로 수질개선에 노력을 기울이고 있으나 완전한 제거는 어려운 것이 현재의 설정이다.
따라서 각종 수질사고로부터 안전한 고품질의 음용수에 대한 수요급증과 음용수 수질기준의 강화 추세에 맞추어 컴팩트하고 조작이 용이한, 막분리 기술은 종래의 처리법을 대체할 수 있는 차세대 정수 기술로 대두되고 있다.
그러나 종래의 막분리 정수처리장치를 이용한 정수처리는 탁도유발물질 제거만을 위한 막 운전조건을 최적화 하는데 초점이 맞추어지고 있으며, 막분리후 미량의 유해물질, 색도유발물질 및 용존유기물 등을 제거하기 위한 별도의 공정이 포함되어 있지 아니하여 고도의 정수된 물을 얻는데 한계가 있다.
본 발명은 탁도제거 효율이 우수한 분리막 기술에 암모니아성 질소, 용존유기물, 이취미물질 및 색도유발물질 등을 동시에 제거하기 위해 생물산화 및 활성탄흡착기술을 조합한 하이브리드(Hybrid) 정수처리장치를 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,
본 발명은 원수를 유입하여 내부에 증식한 호기성 미생물군에 의해 약간의 유기물 제거와 암모니아성 질소의 질산화 과정이 일어나도록 하는 생물산화지와;
상기 생물산화지를 통과한 원수를 유입하며, 중공사형 한외여과막이 탱크내로 바로 침지되어, 흡입펌프에 의한 압력차를 이용하여 수중의 오염물질을 제거하기 위한 막여과조와;
상기 막여과조를 통과한 처리수중 미처 제거되지 않은 미량의 용존 유기오염물질과 이취미물질, 색도유발물질 등을 제거하는 활성탄 흡착조를 포함하여 구성함이 특징이다.
도 1은 본 발명의 전체 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 생물산화조 구성도.
도 3은 본 발명의 막여과조 구성도.
이하에서 도면을 참조로 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 전체 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 생물산화조 구성도.
도 3은 본 발명의 막여과조 구성도로써,
원수를 유입하여 내부에 증식한 호기성 미생물군에 의해 약간의 유기물 제거와 암모니아성 질소의 질산화 과정이 일어나도록 하는 생물산화지와;
상기 생물산화지를 통과한 원수를 유입하며, 중공사형 한외여과막이 탱크내로 바로 침지되어, 흡입펌프에 의한 압력차를 이용하여 수중의 오염물질을 제거하기 위한 막여과조와;
상기 막여과조를 통과한 처리수중 미처 제거되지 않은 미량의 용존 유기오염물질과 이취미물질, 색도유발물질 등을 제거하는 활성탄 흡착조를 포함하여 구성한다.
상기와 같이 구성하는 본 발명에 있어서 먼저, 취수된 원수는 생물산화지로 유입되어 생물산화지내 증식한 호기성 미생물균에 의해 약간이 유기물 제거기작과 암모니아성 질소의 질산화 과정이 일어나며, 막여과조로 들어가게 된다.
본 발명의 막여과조는 0.035㎛ 중공사형 한외여과막이 탱크내에 바로 침지되었다. 막여과조는 흡입펌프에 의한 압력차를 이용하여 수중의 오염물질을 제거한다. 이때 주기운전법을 도입하여 장시간 동안 안정한 투과성능을 얻을 수 있었으며 펌프의 on, off 시간을 15분 싸이클(14분 가동: 1분 역세: 1분 정지)로 설정함이 적합하였다. 이는 펌프가 off될 때 삼투압 작용에 의해 여과액에서 농축액쪽으로 소량의 역류가 발생하여 막면을 세척해주는 효과를 이용한 것이다.
막투과수를 향상시키기 위해 막여과조내 하부에 산기관을 설치하고 블로워를 이용하여 공기를 불어넣는 방식을 취했으며 일정시간 주기로 막내부로부터 차아염소산나트륨을 이용한 화학세정을 병행하였다.
막투과수는 활성탄 흡착조로 유입된다. 활성탄 흡착조는 앞에서 미처 제거되지 않은 미량의 용존 유기오염물질과 이취미 물질 및 색도유발물질 등을 제거하기 위해 설치하였다.
활성탄 흡착조는 장기간 사용함에 따라 역세를 실시해야 하는데 온라인 입자분석기(on-line particle counter)를 유출부에 설치하여 유출수내 입경분포를 모니터링하므로써 역세 주기와 역세 지속시간을 조정하였다.
단위공정별 특성은 다음과 같다.
먼저 생물산화를 설명하고자 한다.
생물산화는 암모니아성 질소, 조류, 이취미물질, 철, 망간 등에 의해 오염된 원수를 사용하는 경우에 주로 사용되는 방법으로서 기존의 정수장에서 일반적으로 사용되는 전염소처리는 암모니아성 질소를 100% 제거할 수 있으며 동시에 부수적으로 많은 기타물질(철, 망간)을 산화시킬 수 있다. 그러나 이 방법은 수중의 암모니아성 질소양의 약 10배 정도의 염소를 주입해야 하므로 THMs(TriHaloMethanes)등 소독부산물 생성 가능성이 높은 단점이 있다.
따라서 보다 안전하게 암모니아성 질소를 제거하기 위한 방법으로 요즘 대두되고 있는 생물산화법는 회전원판이나 하니쿰 튜브(Honeycomb tube) 또는 입상접촉재에 미생물을 증식시켜 미생물에 의해 오염물질이 분해되도록 하는 방법이다.
특히 우리나라 수계에서 암모니아성 질소에 의한 오염이 문제시 될 때 효과적으로 적용할 수 있는 방법이다.
본 발명의 생물산화법은 담체를 이용하여 미생물균을 고정화시켜 증식능이 낮은 질화균 등을 효과적으로 포집하여 활용하여, 질화반응에 뛰어난 효능을 발휘하도록 하였다.
먼저, 처리하고자 하는 원수는 생물산화조에 설치된 수위계(Level Switch)에따라 일정유량으로 유입되도록 한다.
그리고, 생물산화조 상부에는 과도한 조류증식을 막고자 태양광선을 차단할 수 있는 지붕(뚜껑)을 설치한다.
그리고, 생물산화조 내부에는 직경이 대략 20mm 내외인 입상형 담체(통상 구형)들로 채워지고 그 상단부 및 하단부에는 물은 통과시키면서 입상형 담체들의 누출을 방지하는 통수받침판들이 각각 설치되는 기술구성이다.
상기 입상형 담체들은 비중이 1내외 정도의 경량골재 및 세라믹 매질 등에서 선택적으로 사용되는 것이 바람직하다.
그리고, 입상형 담체에 형성된 미생물층은 호기성 미생물로서 미생물의 성장과 증식을 위하여 생물산화조 저부에는 산소공급을 위한 산기관을 설치한다.
이때 산소공급방식에 따라 처리효율이 다르게 나타날 수 있는데 본 발명에서는 블로워를 이용한다.
블로워에서 발생된 공기는 유입수를 생물산화 반응조내에서 미생물과 접촉을 증대시키고 물순환을 위해서도 필요하다. 따라서 블로워 용량결정시 유의해야 한다.
그리고, 입상형 담체 표면에 과다하게 증식한 조류나 미생물에 의하여 생물산화조내에 손실수두가 발생하고 폐색현상이 발생되었을 때에는 역세를 실시한다.
역세는 처리수 저장탱크내의 처리수 일부를 담체표면 세척수로 사용한다. 이때 발생된 역세척 배수 및 슬러지는 생물산화조 집수부에 모여진 후 회수조로 들어간다.
그리고, 생물산화조 집수부에는 슬러지의 침강성을 높이고자 하부에 60°경사각으로 구성된 복수개의 경사판을 설치하며, 생물산화조 상단에서 유입된 원수는 담체내 부착된 생물막에 의해 산화처리된 후 생물산화조 하단의 웨어를 통과한 후 상승한 처리수는 생물산화 처리수조에 저장되어 후속공정인 막여과공정에 유입된다.
이하에서 막여과처리에 대한 구성 및 효과를 설명하고자 한다.
수처리에 일반적으로 사용되는 막여과공정은 반투과성 경계막을 이용하여 체거름기작(Sieve Mechanism)에 의하여 오염물질을 제거하며 원수 수질조건에 따라 정밀여과(Micro Filtration : MF), 한외여과(Ultra Filtration : UF)막으로 대별할 수 있다.
MF막은 토사 및 점토가 주요 제거대상이며 이것에 반해 분획사이즈가 1-10nm인 UF막에서는 바이러스, 휴믹산까지가 제거 대상이다.
뿐만 아니라 최근 문제가 되고있는Giardia, Crystosporidium등과 같은 병원성 미생물이나 입자성 콜로이드성 물질을 완벽하게 제거하여 안전한 수질을 보장할 수 있다.
이러한 막분리 시스템이 재래식 공정에 비교하여 다음과 같은 장점이 있어 점차 정수처리에 막분리기술이 도입되고 있다.
1) 막분리 설비는 재래식 설비에 비해 작은 공간을 필요로 하며 시설확충이 용이하다.
2) 자동화되어 있어 운전이 용이하며 원격조정이 가능하다.
3) 원수의 수질변화에도 안정적인 처리수를 얻을 수 있다.
4) 응집제 등의 화학제 첨가를 없애거나 그 양을 줄여줌으로써 슬러지 처리를 할 필요가 없거나 있어도 발생량이 작기 때문에 처리비용이 감소된다.
본 발명에서 사용한 한외여과막(UF)은 polysulfon 재질, 비대칭성 막으로 안쪽에는 여과되는 입자의 크기를 결정하는 두께 0.5㎛ 정도의 얇은 스킨 레이어 (skin layer)가 있고 이 주위에 두께 약 100㎛ 정도인 거대 공극성 스폰지층에 의해 지지되고 있다 . 본 공정에 적용한 UF 막은 MF막과 달리 스킨 레이어(skin layer)가 얇아서 입자에 의해 막힐 염려가 적으며 백플러싱(back flushing) 등에 의해 쉽게 씻어 낼 수 있다.
막 모듈은 대용량을 콤팩트한 설비로 처리하기 위한 시스템 개발에 적합한 단위 부피당 가장 큰 유효 투과면적을 가지고 있는 중공사형 모듈을 사용하였다.
이하에서 막여과공정의 특징을 설명하고자 한다.
1) 전공정에서 처리된 생물산화 처리수조는 막여과조보다 상단에 위치하고 있으며, 막여과조에서 여과된 막투과수조는 막여과조 하단부에 위치하고 있어서 전체적으로 생물산화 처리수조와 여과수조의 수위차를 막차압으로 이용하여 (싸이론 방식) 동절기 수온 저하 등에 의한 막차압 상승시에 대비할 수 있게 하였다.
이에 따라 완전 흡입여과에 의한 방식보다 전력비를 다소 감소시킬 수 있도록 하였다.
2) 막여과조는 한외여과막이 탱크내에 바로 침지되어 흡입펌프에 의한 압력차(1∼6psi)를 이용하여 수중의 오염물질을 제거한다.
이때 주기운전법을 도입하여 장시간 동안 안정한 투과성능을 얻을 수 있었으며 펌프의 on, off 시간을 15분 싸이클(14분 가동 : 1분 역세 : 1분 정지)로 설정함이 적합하였다.
이는 펌프가 off될 때 삼투압 작용에 의해 여과액에서 농축액쪽으로 소량의 역류가 발생하여 막면을 세척해주는 효과를 이용한 것이다. 역세는 처리수 저장탱크내의 처리수 일부를 이용하여 막내부에서 외부로 가압하므로써 막표면에 붙어있는 오염물질을 밀어내도록 하였다.
3) 막여과조 하단에는 블로워에 연결된 산기관을 설치하여 막여과조내 물을 순환시키고 막표면에 부착된 오염물질을 떨어내기 위한 세정용으로 사용하였다.
4) 일정시간 가동후에 흡입압력이 10%이상 증가하거나, 플럭스가 90%이하 감소하였을 경우 화학세정을 실시한다. 화학세정에 사용되는 약품으로는 차아염소산 나트륨을 이용하여 지방 및 단백질을 용해시키며 스케일 유발물질들은 미네랄산 또는 EDTA를 이용하여 세정한다.
5) 막여과조내에서 발생되는 농축액은 일정유량으로 유출시킨후 처분하며 세정배수 또한 회수조로 보내어 처분한다.
이하에서 활성탄 흡착처리 공정에 대해 상세 설명하고자 한다.
본 공정에서는 생물산화나 막여과와 같은 이전 공정에서 제거되지 않은 악취물질 및 미량의 유기물질을 제거하는 방법으로, 입상활성탄을 어떤 일정한 층의 두께로 채워놓은 탱크내로 통수하는 동안 오염물질이 활성탄의 흡착작용에 의해 제거되는 원리를 이용한다.
본 공정에서는 8 ×30mesh 석탄계 활성탄을 이용하였으며, 접촉시간 10-40분, 선속도 16-20m/h, 공탑속도 5ℓ/h 이하, 고정층 하향류방식으로 운전하여 양질의 수질을 확보할 수 있었다.
특히 처리수내에 활성탄에서 형성되는 미생물 및 활성탄 미분 유출을 최소화 하기 위해 온라인 입자분석기(on-line particle counter)를 설치하여 양질의 처리수를 얻도록 한다.
입자분석기(particle counter)는 액체내에 부유하고 있는 미립자들의 농도를 측정하여 입경별로 입자수를 표시하는 개수 농도 측정기기로, 특히Cryptospordium 및 Giardia등 병원성 미생물의 개수측정을 목적으로 한다.
본 실시예에서, 입자분석기(particle counter)는 자체내 세척기능을 보유하고 있는 기종을 사용하였으며 감지된 신호를 디지털 신호로 변환시키는 인버터와 상기 인버터에 연결되어서 인버터에서 나오는 디지털 신호를 컴퓨터 프로그램에 연결하여 측정장소에서 필요한 감시기능을 수행할 수 있도록 하였다.
상술한 바와 같이 본 발명은 탁도유발물질 제거를 위한 막여과공정후 잔존하는 암모니아성 질소, 용존유기물, 이취미 및 색도유발물질 등을 제거하기 위해 생물산화 및 활성탄 흡착기술을 도입하여 보다 안전한 수질을 제공하면서 콤팩트하여부지 소요면적을 줄일 수 있으며 운전 및 유지관리가 용이한 효과를 제공한다.

Claims (13)

  1. 원수를 유입하여 내부에 증식한 호기성 미생물군에 의해 약간의 유기물 제거와 암모니아성 질소의 질산화 과정이 일어나도록 하는 생물산화지와;
    상기 생물산화지를 통과한 원수를 유입하며, 중공사형 한외여과막이 탱크내로 바로 침지되어, 흡입펌프에 의한 압력차를 이용하여 수중의 오염물질을 제거하기 위한 막여과조와;
    상기 막여과조를 통과한 처리수중 미처 제거되지 않은 미량의 유기오염물질과 이취미 물질, 색도 물질 등을 제거하는 활성탄 흡착조를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물산화지의 상부에는 과도한 조류증식을 막기 위한 태양광선 차단용 지붕이 설치되고, 내부에는 미생물층이 형성되는 입상형 담체를 형성하며, 상기 미생물에 산소를 공급하기 위해 하부에는 산소공급용 산기관을 형성하고, 저부에는 슬러지의 침강성을 높이기 위해 복수개의 경사판을 설치한 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 입상형 담체와 경사판 사이에는 입상형 담체들의 누출을 방지하기 위한 통수받침판을 더 설치한 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 입상형 담체는 직경 20mm내외, 비중은 1내외 정도의 구형의 경량골재 또는 세라믹 매질인 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 산소공급용 산기관은 블로워를 통해 산소가 제공되는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 막여과조는 폴리술폰재질, 공극 0.035㎛인 중공사형 한외여과막인 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    한외 여과막은 비대칭성 막으로 안쪽에는 여과되는 입자크기를 결정하는 두께 0.5㎛ 정도의 스킨 레이어(skin layer)가 형성되는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스킨레이어는 두께 100㎛ 정도의 거대 공극성 스폰지층에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    막여과조 전단에는 생물산화 처리수조를 설치하고, 막여과조 후단에는 막투과수조를 설치하며 전후 반응조의 설치 높이를 달리하여 수위차에 의한 자연여과 및 펌프흡입에 의한 전량여과가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    막여과조의 흡입펌프 운전주기는 13분 가동: 1분 역세: 1분 정지에 의한 15분 싸이클인 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    활성탄은 8 ×30메쉬의 석탄계 활성탄인 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  12. 제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 활성탄은 접촉시간 10∼40분, 선속도 16∼20m/h, 공탑속도 5ℓ/h 이하, 고정층 하향류 방식으로 운행되는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
  13. 제 1 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 활성탄 흡착 공정을 거친 처리수의 유출구 전단에 입자분석기를 설치하여 활성탄 흡착조에서 형성된 미생물 및 활성탄 미분의 누출을 감지하는 것을 특징으로 하는 막 결합형 정수처리장치.
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