KR100402556B1

KR100402556B1 - 막분리장치를 이용한 정수처리 방법

Info

Publication number: KR100402556B1
Application number: KR10-2001-0052338A
Authority: KR
Inventors: 지은상
Original assignee: 지은상
Priority date: 2001-08-29
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2003-10-17
Also published as: KR20030020052A

Abstract

본 발명은 무기성 및 유기성고분자물질로 이루어진 막을 사용하는 막분리장치를 정수처리 공정에 적용하여 정수처리를 함으로써, 보다 안전하고 깨끗한 물을 사용자에게 공급할 수 있으면서도 투자비용은 최소한으로, 실효치는 최대한으로 끌어올릴 수 있는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법에 관한 것으로서,

취수조에 집수된 원수가 스크린을 통과하면서 협잡물이 걸러지는 단계; 상기 원수는 공급펌프를 통해서 라인혼합기로 보내어져 소독물질과 혼합되는 단계; 상기 라인혼합기에서 소독물질과 혼합된 원수에 대하여 압력, pH, 그리고 유량이 보정되며, 특히 열교환기를 이용하여 온도를 보정함으로 여과과정에 적합한 환경이 조성되는 단계; 상기 원수가 막분리장치를 통과하면서 부유물질과 박테리아, 또한 각종 이온성물질 등이 여과되는 단계; 상기 원수는 처리수조에 일시보관된 후에 공급펌프를 통하여 살균시설로 들어가 소독제를 사용해 살균되는 단계; 상기 원수는 맥반석 및 은활성탄여과기를 통과하면서 미네랄과 물맛이 가미되어 최종처리된 후에 상수도로 공급되는 단계로 된 것을 특징으로 하는 발명임.

Description

막분리장치를 이용한 정수처리 방법{Water treatment method for using membrane separation device}

본 발명은 가정이나 업소로 공급되는 상수도의 정수처리에 무기성 및 유기성고분자물질로 이루어진 막을 사용한 막분리장치를 이용함으로써, 정수처리시 각종부유물질이나 이온성물질들을 선별적으로 제거하여 상수도 정화에 따른 막대한 비용투자를 최소화하고 그 실효치를 극대화 할 수 있는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 급속한 환경오염에 따른 국토의 황폐화로 사람들의 식수에 대한 불신과 더불어 식수가 인체에 해악을 미칠지도 모른다는 위협이 가중되고 있고, 이에 상수도의 품질향상을 위해 매년 막대한 예산을 투자하여 이를 극복하기 위해 노력하고 있다.

첨부한 도 2는 현재 행해지고 있는 일반적인 정수처리 공정을 나타내는 처리공정도로서, 우선 수원에서 취수된 물(이하 원수(原水)라함)은 취수탑으로 옮겨져 원수의 수위를 안정화시키고, 원수량을 조정하여 계속 이어지는 정수처리작업을 원활하게 하기 위한 착수정(着手井)을 거치게 되며, 원수와 정수약품이 잘 섞이도록 물을 흔들어서 섞어주는 시설인 혼화지(混和池)로 원수가 옮겨져 약품과 혼화된 후에, 응집지(凝集池)로 옮겨져서 원수 속의 응집된 부유물질 등이 잘 가라앉을 수 있도록 급속교반과 완속교반에 의해 콜로이드 입자들을 침전성이 양호한 후록(floc)으로 형성시키게 된다.

다음으로, 상기 응집지에서 크고 무겁게 성장된 후록의 대부분을 가라앉히기 위해서 정수약품을 주입하여 혼화 및 후록형성단계를 거쳐 응집된 침전물을 가라앉히는 시설인 침전지(沈澱池)를 거치게 되고, 상기 침전지에서 제거치 못한 아주 작은 응집물 등을 두꺼운 모래층을 통과 시켜서 제거시키기 위한 여과지(濾過池)를 거치게 되며, 여과된 원수에 대하여 염소 및 오존등의 산화성물질로 살균처리를 행하여 원수의 세균, 바이러스등의 미생물을 제거하여 무해화하게 된다.

상기의 과정을 거쳐 완전처리된 물은 저장소에 저장된 후에 일반가정으로 급수가 됨으로써 정수처리의 제반 과정이 완료되는 것이다.

여기서, 수원에서 취수된 물의 수질이 기대 이하로 나쁠경우에는 여과지를 거친 후에도 맥반석여과기나 은활성탄여과기를 통하여 미세한 잔류물을 은활성탄 내부의 수많은 기공에 흡착시키거나 은활성탄 표면에 부착된 미생물에 의해 분해제거하여 깨끗한 물이 되도록 한 후에 공급하기도 한다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 종래의 정수처리 시스템은 화학약품에 의해 응집 및 소독에 의존하여 이로 인해 발암물질과 같은 유독물질 등이 발생하여 악순환이 계속되고, 또한 소독시의 냄새가 상수도로 공급되어도 여전히 잔존하여 가정이나 업소에서도 사람들이 식수용으로는 사용하기를 꺼리게 된다.

또한, 이러한 냄새와 발암물질의 생성을 억제하기 위해 오존이나 염소, 또는 불소등을 함유하여 정수처리를 하나, 이를 위해서는 막대한 비용투자가 수반되어야 하고, 더구나 상술한 바대로 정수처리를 한다 하더라도 정수효율이 그리 높지 않아 큰 효과를 보지 못하는 것이 현재의 실정이다.

결국, 현재의 정수처리가 안고 있는 문제점을 해결하고 더 나아가 경쟁력 있고 2차적 부산물이 발생되지 않도록 하는 새로운 대안이 요청된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 무기성 및유기성고분자물질로서 다양한 형태와 재질의 막을 사용하는 막분리장치를 정수처리 시스템에 적용함으로써 댐, 강, 하천이나 지하수등에 잔존하는 부유물질, 유기물질과 이온성물질 등을 선별적으로 제거할 수 있어 정수처리 효과를 극대화 하고자 하는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정수처리 공정도,

도 2는 종래의 정수처리 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 취수조 2 : 스크린

3 : 공급펌프 4 : 라인혼합기(line mixer)

5 : 막분리장치 6 : 탈기장치

7 : 처리수조 8 : 살균시설

9 : 맥반석 및 은활성탄여과기

이하, 예시도면에 의거하여 본 발명의 구성과 작용을 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 취수조(1)에 집수된 원수가 스크린(2)을 통과하면서 협잡물이 걸러지는 단계;

상기 협잡물이 걸러진 원수는 공급펌프(3)를 통해서 라인혼합기(4)로 보내어져 소독물질과 혼합되는 단계;

상기 라인혼합기(4)에서 소독물질과 혼합된 원수에 대하여 압력, pH, 그리고 유량이 보정되며, 특히 열교환기를 이용하여 온도를 보정함으로 여과과정에 적합한 환경이 조성되는 단계;

상기 보정된 원수가 막분리장치(5)를 통과하면서 부유물질과 박테리아, 또한 유기물질과 각종 이온성물질 등이 여과되는 단계;

상기 막분리장치(5)를 통과한 원수는 처리수조(7)에 일시보관된 후에 공급펌프(3)를 통하여 살균시설(8)로 들어가 소독제를 사용해 살균되는 단계;

상기 살균시설(8)을 통과한 원수는 맥반석 및 은활성탄여과기(9)를 통과하면서 미네랄과 물맛이 가미되어 최종처리된 후에 상수도로 공급되는 단계로 이루어진것을 특징으로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 정수처리 공정도를 나타낸 것으로, 먼저 미정화된 상태의 원수를 사용가능하게 정화처리하기 위하여 수원에서 채수하게 된다.

상기와 같이 채수된 원수를 취수조(1)에 모은 다음, 비교적 크기가 큰 불순물을 가려내는 스크린(2)에 통과시켜 자갈과 모래 또는 기타 협잡물을 걸러내게 되고, 상기 스크린(2)을 통하여 우선적으로 걸러진 원수는 공급펌프(3)를 통하여 이송관을 통해 라인혼합기(4) 쪽으로 이동되어진다.

상기 라인혼합기(4)는 소독물질과 원수를 혼합하기 위한 장치로서, 주입코자하는 소독물질을 적당농도로 용해하여 일정량이 주입되도록 정량펌프(metering pump)를 이용하여 원수가 라인혼합기(4)로 이송되는 이송관에 주입하면 원수와 소독물질이 섞이게 되고, 이에 원수와 소독물질은 라인혼합기(4) 내부에서 골고루 혼합된 상태로 되어 상기 라인혼합기(4)를 통과하게 된다.

다음으로, 소독물질과 혼합된 원수를 막분리장치(5)에 여과되기에 적합한 상태로 만들어 주기 위해 압력과 pH, 그리고 유량에 대한 보정과정을 거치게 되고, 특히 온도에 대한 보정이 중요시 되는데, 동절기에는 물의 온도가 낮아 여과효율이 제대로 이루어질 수 없기 때문에 반드시 여과되기에 적합한 온도로 보정해주어야 하며, 이를 위해 스텐레스스틸로 된 열교환기를 사용함으로써 동절기에도 일정한 온도를 유지시켜 줄 수 있게 된다.

여기서, 상기 열교환기는 수온을 안정화 시켜주기 위해 태양열, 지열, 폐열스팀 및 전기를 이용하는 것이 좋다.

상기와 같이 보정된 원수는 막분리장치(5)를 통과하여 여과처리되어지는데, 본 발명의 막분리장치(5)에 사용되는 막은 무기성과 유기성고분자물질로 중공사형, 나권형, 평판형 및 관형막을 사용하게 되고 그 제거 범위는 수십 미크론(㎛)에서 0.001미크론까지로서 부유물질, 색도, 박테리아, 유기물질 및 각종 이온성물질들을 선별적으로 제거하게 된다.

상기 막분리장치(5)에 대한 좀더 상세한 설명을 하면 다음과 같다.

우선, 상기 막분리장치(5)에 사용되는 막은, 1/2 ~ 1 inch의 내경과 5 ~ 10 ft의 길이를 가지면서 폴리에틸렌 입자를 연화점보다 약간 낮은 온도에서 소결시킨 다공성관과 유리섬유에 폴리에스테르 또는 에폭시 수지의 적당량을 함침시킨 다공성의 관, 벽에 구멍을 뚫은 스테인레스관 등으로 된 관형막(tubular type membrane), 폴리에틸렌 등의 합성수지입자를 연화점보다 낮은 온도에서 가압 중합해서 만든 다공판이나 스테인레스 입자의 소결판을 내면에 사용한 평판형막(plate and frame membrane), 평판형 모듈이 지니는 장점을 유지하면서 평판형막의 단점인 단위부피당 막면적을 향상시킨 나권형막(spiral wound membrane), 그리고 단위부피당 막의 넓이가 나권형막보다 17배정도 큰 중공사형막(hollow fiber type membrane)의 네가지로 분류된다.

또한, 상기 막은 폴리 프로필렌(PP), 폴리 아마이드(PA), 폴리 에틸렌(PE), 폴리 비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리슐폰(PS), 폴리 테트라 플루오르에틸렌(PTFE). 폴리 아크릴 니트릴(PAN) 등의 재질이 사용되어진다.

또한, 본 발명에 따른 막분리공정은 막의 세공크기(pore size) 및 분리에 필요한 구동력에 따라 크게 6개의 범주로 나뉘어지는 바, 그 각각의 원리와 특징을 살펴보면,

1. 역세용 정밀여과 및 한외여과(BMF 및 BUF)로, 막의 형태는 지름이 1-5mm 정도인 중공사형 막으로서 막표면으로 유체를 유입시켜 물만이 중공사 안쪽으로 투과하여 나오게 되며 일정기간 사용하면 부유물질 등이 막 표면에 부착되어 압력손실이 일어나게 되어 물과 공기를 중공사막의 안쪽으로 통과시켜 막 표면에 이물질을 탈리시키는 방법이다.

2. 진동형평막을 사용한 한외여과, 정밀여과 및 나노여과(VUF, VMF 및 VNF)로, 막의 형태는 평판형이고 원판을 나뭇잎 포개듯 쌓아서 한 묶음으로 하여 고정용기에 넣고 용기하부에 편심륜 모터로 진동판을 움직여 막표면에서 전단파가 일어나도록 좌우로 강렬하게 진동을 주어 오염을 최소화하는 특징이 있다.

3. 회전형평막을 사용한 정밀여과 및 한외여과(CRMF 및 CRUF)로, 막의 형태는 평판형으로 원판을 포개어 조립한 후 수직으로 세워서 365도 회전을 시키면서 측면에서 각 원판막 위로 처리하고자 하는 물을 유입시키면서 정수된 물은 막을 투과하여 나오며 제거치 못한 물질은 농축수로 유출된다.

4. 원판 튜브형 정밀여과 및 한외여과(DTMF 및 DTUF)로, 평판으로 된 원형막으로 중간에 튜브에 설치하여 막 표면으로 유압수를 공급시켜 처리하는 방법이다.

5. 튜브형 정밀여과 및 한외여과(TMF 및 TUF)로, 지름 5mm - 25mm정도 크기의 튜브형으로 처리하고자 하는 유체를 튜브 안으로 유입시키면서 빠른 유속으로 통과 시키면 물만이 튜브의 내부에서 외부를 통과하게 되는 특징이 있다.

6. 나권형의 나노여과 및 한외여과(SWNF 및 SWUF)로, 막의 형태는 나권형으로서 막의 측면에서 막 표면 투과된 물은 안쪽의 구멍이 있는 파이프를 통해서 유출되고 투과치 못한 농축된 물은 반대측면으로 나오게 하는 방법이다.

따라서, 위와같이 분류된 막분리공정 중 한가지를 선택하여 라인혼합기(4)를 통과하여 온도와 압력등이 적합하게 보정된 원수를 여과시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 막분리장치(5)에는 막접촉기(Membrane contactor) 또는 탈기탑(Degasifier)이 설치되어 있는 바, 두가지 모두 원수에 함유된 이산화탄소와 같은 불필요한 기체류를 제거하기 위하여 사용되는 탈기장치(6)로서, 막접촉기는 중공사형막으로 되어 있어 이 미세관 내부로 진공을 가하거나 질소가스 등을 흐르게 한 상태에서 미세관 외부로 처리코자하는 원수를 통과시키면 용해된 기체류만 막표면에서 투과되어 제거가 되는 원리이고, 탈기탑은 수직으로 된 원통형관 내부에 물의 접촉이 많게 하기 위하여 여재(낙타등 형상이나 구형)를 적층하고 상부에서 원수를 살포하면서 탑의 하부에서 송풍을 하면 기체류는 대기로 빠지고 물만이 하부로 떨어지게 되는 원리이다.

따라서, 상기 막분리장치(5)를 통과한 원수는 부유물질이나 각종 이온성물질 등이 걸러짐과 동시에 불필요한 기체류도 탈기장치(6)에 의해 제거되는 것이다.

한편, 상기한 막분리장치(5)와 탈기장치(6)를 통과하여 여과된 원수는 일단 처리수조(7)에 일시저장이 되고 다시 공급펌프(3)에 의해서 살균시설(8)로 옮겨지게 되는데, 상기 살균시설(8)은 자외선, 오존 및 염소와 같은 소독제를 사용하여 원수에 잔존하는 미생물을 제거하기 위한 시설로서, 막분리장치(5)에서 투과된 원수를 직접 사용할 때에는 상기 살균과정 없이 사용하여도 무방하나, 처리수조(7)에 일시저장한 것을 이송하여 사용할 때에는 이 과정을 거쳐야 한다.

그리고, 상기 살균과정 후에는 맥반석 및 은활성탄여과기(8)를 통과하게 되는 바, 맥반석은 처리된 원수에 따라 미네랄이나 물맛을 위해 적용되는 것이고 은활성탄은 항균성을 가지고 있어 원수에 혼합되는 것이다.

따라서, 상기와 같이 스크린(2), 열교환기, 라인혼합기(4), 막분리장치(5), 살균시설(7), 그리고 맥반석 및 은활성탄여과기(8)와 같은 일련의 정화처리과정을 통하여 정화된 원수는 일반가정이나 업소에 식용이나 생활용, 공업용으로 공급되어지는 것이다.

아래 표는 본 발명의 진동막분리장치로 정수처리를 한 실험예이다.

<표>

측정항목

침지형

진동형

역세형(지상)

튜브형

회전형

원판튜브형

나권형

프리코트형

BMF

BUF

VMF

VUF

VNF

BMF

BUF

TMF

TUF

CRMF

CRUF

DTMF

DTUF

SWNF

SWUF

IOM

유기물질

-

90-95%

-

95%

99%

-

95%

-

95%

-

98%

-

98%

99%

98%

70%

부유물질

99%

불검측

불검출

85%

탁도

99%

불검출

95%

일반세균

99%

불검측

90%

대장균

99%

불검출

불검측

불검출

불검측

90%

전도도

-

60-80%

-

60-80%

-

10-20%

(실험조건)

원수(시료) : 팔당댐

pH : 7.24 부유물질(ss) : 65ppm

탁도 : 7.4 일반세균 : 셀수없이 많음

대장균 : 셀수없이 많음 전도도 : 148 - 187 micro ohm-cm

표에서 보는 바와 같이, 본 실시예는 오염물질(측정항목)을 6항목으로 하여 각각의 막분리장치(5)의 종류에 대하여 실험을 한 것이다.

상기 실시예에서 구현된 실험장치에 있어서, 공급펌프(3)는 원수탱크에 원수가 있을 경우에만 작동되도록 하고 원수유입은 원수탱크의 수위에 따라 자동으로 유입되도록 하였으며, 유량, 전도도, 압력 및 온도차가 측정되도록 계측기를 부착하였다.

또한, 원수는 각각의 막분리장치(5) 공히 동일한 수질로 실시하였고 처리수질은 막분리장치(5)를 투과한 물을 측정 및 분석한 것으로서, 상기 실험을 통하여 각종 오염물질이 획기적으로 저하되어 제거처리된 것을 알 수 있을 뿐만 아니라, 본 실험에 사용된 각종 막분리장치(5)의 처리유량과 막오염성에 대한 상대비교를 할 수 있는 바, 정수처리하고자 하는 원수에 가장 적합한 막분리장치를 선별하여 사용할 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 막분리장치를 이용한 정수처리 방법에 의하면 무기성 및 유기성고분자물질로 이루어지면서 다양한 형태와 재질로 된 막을 사용한 막분리장치를 정수처리과정에 적용하여 각종 부유물질과 박테리아, 또한 이온성물질들을 선별적으로 제거할 수 있어 상수도 정화에 따른 막대한 비용투자를 최소화함과 동시에 그 실효치를 극대화 할 수 있어 안전하게 정수처리된 물을 상수도로 공급할 수 있는 장점이 있다.

Claims

취수조(1)에 집수된 원수가 스크린(2)을 통과하면서 협잡물이 걸러지는 단계;

상기 협잡물이 걸러진 원수는 공급펌프(3)를 통해서 라인혼합기(4)로 보내어져 소독물질과 혼합되는 단계;

상기 라인혼합기(4)에서 소독물질과 혼합된 원수에 대하여 압력, pH, 그리고 유량이 보정되며, 특히 열교환기를 이용하여 온도를 보정함으로 여과과정에 적합한 환경이 조성되는 단계;

상기 보정된 원수가 막분리장치(5)를 통과하면서 부유물질과 박테리아, 또한 각종 이온성물질 등이 여과되는 단계;

상기 막분리장치(5)를 통과한 원수는 처리수조(7)에 일시보관된 후에 공급펌프(3)를 통하여 살균시설(8)로 들어가 소독제를 사용해 살균되는 단계;

상기 살균시설(8)을 통과한 원수는 맥반석 및 은활성탄여과기(9)를 통과하면서 미네랄과 물맛이 가미되어 최종처리된 후에 상수도로 공급되는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법
제 1 항에 있어서, 상기 막분리장치(5)는 관형막(tubular type membrane), 평판형막(plate and frame membrane), 나권형막(spiral wound membrane), 중공사형막(hollow fiber type membrane)중 어느 하나의 막을 사용한 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 막분리장치(5)는 폴리 프로필렌(PP), 폴리 아마이드(PA), 폴리 에틸렌(PE), 폴리 비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리슐폰(PS), 폴리 테트라 플루오르에틸렌(PTFE), 폴리 아크릴 니트릴(PAN) 중 어느 하나로 이루어진 막을 사용한 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법
제 1 항에 있어서, 상기 막분리장치(5)는 역세용 정밀여과 및 한외여과(BMF 및 BUF); 진동형평막을 사용한 한외여과, 정밀여막 및 나노여과(VUF, VMF 및 VNF); 회전형평막을 사용한 정밀여과 및 한외여과(CRMF 및 CRUF); 원판튜브형 정밀여과 및 한외여과(DTMF 및 DTUF); 튜브형 정밀여과 및 한외여과(TMF 및 TUF); 그리고 나권형의 나노여과 및 한외여과(SWNF 및 SWUF) 중 어느 하나의 막분리공정에 적용된 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 열교환기는 태양열, 지열, 폐열스팀 및 전기 중 어느 하나를 이용하여 적합한 여과온도를 유지시켜 주는 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 막분리장치(5)에는 원수에 함유된 불필요한 기체를 제거하기 위하여 막접촉기나 탈기탑과 같은 탈기장치(6)가 설치된 것을 특징으로 하는 막분리장치를 이용한 정수처리 방법.