KR100647752B1 - 이단 이층 복합여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이단(two-stage) 이층(dual media) 복합여과장치에 관한 것으로서, 상단의 전처리용 여과층과, 하단의 2층 여재로 이루어진 본처리용 여과층으로 구성되는 본 발명에 따른 이단 이층 여과장치는, 모래여과를 중심으로 하는 기존의 여과장치의 여과성능 향상을 위한 여과지의 개량시 활성탄 공정 시설 등의 증설이나 분리막 공정 등으로 인한 추가적인 부지확보 없이 기존의 정수처리 시스템을 그대로 활용할 수 있어 매우 경제적일 뿐만 아니라 맛· 냄새 유발물질, 병원성 원생동물, 내분비계 장애물질, 용존성 유기물질 등과 같은 오염물질의 제거효율이 매우 높다.

이단 이층 복합여과장치, 중간 및 하부 집수장치, 급속여과, 입상활성탄, 생물활성탄

Description

이단 이층 복합여과장치{THE COMBINED FILTRATION SYSTEM HAVING TWO-STAGES AND DUAL-MEDIA}

도 1은 급속여과 공정을 이용하는 기존의 표준식 정수처리 공정의 개략도.

도 2는 기존의 표준식 정수처리 공정에 오존 및 활성탄 공정을 추가한 고도 정수처리 공정의 개략도.

도 3은 급속여과 공정 대신 막(membrane) 분리 공정을 도입한 고도 정수처리 공정의 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 이단 이층 복합여과장치의 개략적인 모식도.

도 5는 본 발명의 이단 이층 복합여과지를 이용하는 고도 정수처리 공정의 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1: 원수 유입부 2: 모래 또는 안트라사이트층

3, 8: 다공판 4: 중간집수부

5: 제1단 유출수 유입부 6: 활성탄층

7: 모래층 9: 하부집수부

본 발명은 이단 이층 복합여과장치에 관한 것으로, 구체적으로는 모래여과를 중심으로 하는 기존의 정수처리 공정의 여과성능 향상을 위한 개량시 활성탄 여과공정 등을 위한 추가적인 부지확보나 막(membrane) 분리 공정의 추가 도입 없이 기존 정수처리 시스템을 그대로 사용할 수 있으면서도 용존 유해물질 등을 효과적으로 제거할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.

여과는 정수처리 공정 중 침전지에서 제거되지 못한 현탁물질 및 세균, 일부 유·무기물질 등을 제거하는 최종 처리공정으로 안정적인 양질의 정수생산을 위한 가장 중요한 공정 중의 하나이다. 특히, 지난 1993년 미국의 밀워키에서 크립토스포리디움(Cryptoporidum) 누출사건은 여과공정에서의 소독 내성 미생물 및 탁질입자의 제어에 대한 문제를 보다 심도있게 접근하는 계기가 되면서 여과성능 향상에 대한 관심이 높아지게 되었다.

미국 등 선진국에서는 1960년대 이후 기존 모래여과지에서 이층 여재 및 다층 여재를 충전한 급속여과지의 실용화가 본격적으로 추진되면서 정수장을 조밀화(compact)하고 수리학적 부하율 및 수두손실의 영향 그리고 역세척 후의 초기탁도 누출저감 등 운영상의 기법 개발도 연구되고 있다. 여기서, 이층 여재는 대부분 입상활성탄/모래(GAC/sand), 안트라사이트/모래(anthracite/sand) 등이며, 흡착 및 생물학적 분해 등에 의해 유·무기 유해물질, 맛·냄새 유발물질 등을 제거할 수 있다.

크라스너(Krasner) 등은 활성탄, 재생활성탄/모래, 안트라사이트/모래 등의 여과효율을 비교하기 위해 파일럿(pilot) 규모의 실험을 행하였는데, 그 결과 입상활성탄(GAC)이 안트라사이트보다 제거대상 물질을 50 내지 80% 정도 빠르게 제거함을 알아내었다. 또한, 이들은 GAC가 안트라사이트보다 염소 또는 오존 등과 같은 산화제에 저농도로 노출될 경우 운전 안정성이 더 우수하다는 사실을 관찰하였다. 이러한 사실들로부터, 안트라사이트도 GAC처럼 유기물을 제거하지만 보다 긴 순양시간을 필요로 하며 고장과 같은 공정의 전복에 보다 민감하다는 결론을 얻을 수 있었다(Krasner, S.W. et al ., "Testing Biologically Active Filters for Removing Aldehydes formed during Ozonation" J. AWWA., 85(5), 62(1993)).

르 세발리에르(Le Chevallier) 등은 안트라사이트/모래, GAC/모래, 심층 GAC 등의 TOC(Total Organic Carbon) 제거 효율을 비교한 결과, TOC 제거율은 안트라사이트/모래, GAC/모래, 심층 GAC 여과에 대해 각각 26, 51, 56%이었으며, 이들 여재에 부착된 미생물수의 증가에 따라 TOC 제거 효율이 높아짐을 발견하였다. 이러한 사실들로부터, GAC 여재는 다른 여재보다 많은 양의 미생물을 부착시킬 수 있어 보다 많은 양의 TOC 제거가 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다(Lechevallier M.W. et al ., "Evaluating the Performance of Biologically Active Rapid Filters", J. AWWA., 84(4), 136(1992)).

또한, 국내에서도 급격한 산업화와 더불어 지난 10여년간 계속된 수질오염사고로 수돗물에 대한 불신이 지속되고 있다. 이같은 수돗물 불신을 해소하기 위해 정부에서는 혁신적인 수도정책의 제도개선, 수돗물 안전성에 대한 적극적인 홍보전략 수립, 정보공개 등을 통해 안심하고 마실 수 있는 안전한 수돗물을 공급할 계획 이 포함된 수돗물 수질개선대책 방안을 발표한 바 있고, 그 주요 내용은 주로 정수장 이후 공급계통인 상수관망 관리에 초점을 맞추었다. 그러나, 상수관망 관리를 아무리 잘해도 정수장의 수질을 개선시키지 못하면 만족할만한 수질을 얻을 수 없으므로 정수처리의 개선방안이 필요하다. 그러나, 기존 여과성능 향상을 위한 국내 여과지 개량 기술은 유공블럭형 하부집수장치 기술 외에는 거의 전무한 상태이다.

국내 대부분의 정수장은 도 1에 나타낸 바와 같은, 모래여과를 중심으로 하는 급속여과지를 이용한 표준식 정수처리 공정을 채택하고 있다. 그러나, 이와 같은 공정은 용존 유해물질을 제거하기에는 한계가 있고, 유량의 균등 분배 및 유출수량 제어의어려움이 있어 특히 봄, 가을철의 조류번식에 따른 여과지 폐쇄 등의 문제가 있다.

최근에는 보다 개선된 정수처리를 위해 급속여과지 후단에 오존 및 활성탄 공정을 추가한 도 2에 나타낸 바와 같은 고도 정수처리 공정, 또는 막 분리 공정을 도입한 도 3에 나타낸 바와 같은 고도 정수처리 공정에 대한 연구가 진행되고 있다.

그러나, 상기와 같은 정수처리 공정 개선 방안은 급속여과지 대신 분리막(membrane)을 도입하거나 추가적인 활성탄 분리 공정 등의 여과시설 증설을 위한 부지를 확보해야 하는 등 경제적 부담이 클 뿐만 아니라 여과성능 향상을 위한 복잡한 조치가 필요하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 모래여과를 중심으로 한 급속여과 공정을 이용하는 기존의 정수처리 시스템의 여과성능 향상을 위한 여과지 개량시 별도의 부지 확장이나 막 공정 도입 없이 기존의 정수처리 시스템을 그대로 사용할 수 있으면서도, 봄, 가을철 조류 성장 및 여름철 장마 시 폭우 등으로 인한 원수의 고탁도에 따른 여과지 폐쇄 문제가 없고 맛·냄새 유발물질, 병원성 원생동물, 내분비계 장애물질, 용존성 유기물질 등과 같은 유해물질의 제거효율이 우수한 여과장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 모래 또는 안트라사이트(anthracite)층을 포함하는 제1단; 상기 제1단의 여과수를 집수하기 위한 중간집수부; 활성탄층 및 상기 활성탄층 하부의 모래층을 포함하는 제2단; 및 상기 제2단의 여과수를 집수하기 위한 하부집수부를 포함하는 이단 이층 복합여과장치를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 복합여과장치의 특징은, 조대입자 탁도 물질 제거를 목적으로 하는 전처리용 여과층인 모래 또는 안트라사이트(anthracite)층을 포함하는 상단과; 유해물질의 흡착 및 생물학적 분해 공정 수행을 위한 활성탄층, 및 상기 활성탄층에서 누출되는 플록(floc)을 차단하기 위한 모래층의 2층 여재로 이루어진 본처리용 여과층을 포함하는 하단으로 구성되는 이단(two-stage) 이층(dual media) 복합여과시스템이라는 데 있다.

본 발명에 따른 이단 이층 복합여과장치는 추가적인 여과지의 증설 없이 기존의 모래여과를 중심으로 하는 급속단일여과지를 2단으로 나누어 상단에는 침전지에서 제거되지 않은 조대입자 탁도물질 제거를 위한 입경이 큰 급속여과사 또는 안트라사이트층을 형성시키고; 하단에는 용존 유해물질의 흡착 및 생물학적 분해를 위한 활성탄층과, 활성탄층에서 탈리되는 미세 활성탄 및 병원성 미생물이 유출되는 것을 방지하기 위한 모래층을 상기 활성탄층 하부에 형성시킴으로써 제작할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 여과장치는 도 4에 도시한 바와 같이, 모래 또는 안트라사이트(anthracite)층(2)을 포함하는 상부의 제1단과; 활성탄층(6) 및 상기 활성탄층 하부의 모래층(7)의 이층 여재층을 포함하는 하부의 제2단으로 구성되어 있다.

구체적으로는, 본 발명의 이단 이층 복합여과장치는 원수유입부(1)와, 원수유입부(1)에서 유입되는 원수에 함유된 조대입자 탁도 물질 제거를 위한 모래 또는 안트라사이트층(2)을 포함하는 제1단과; 상기 모래 또는 안트라사이트 등과 같은 여재를 지지하기 위한 다공판(3)이 부착된, 제1단의 여과수를 집수하는 중간집수부(4)와; 이 중간집수부에서 유출되는 유출수가 유입되는 유입부(5)와, 상기 제1단에서 전처리된 여과수에 용존되어 있는 유해물질을 흡착 및 생물학적 분해 공정에 의해 여과하는 활성탄층(6) 및 상기 활성탄층 하부에 설치되어 활성탄층에서 유출되는 플록(floc)을 억류하는 모래층(7)의 2층 여재층을 포함하는 제2단과; 이들 여재를 지지하기 위한 다공판(8)이 부착된, 제2단에서 여과된 정수를 집수하는 하부집 수부(9)로 구성된다. 여기서, 제1단, 중간집수부, 제2단 및 하부집수부는 위에서 아래로 차례대로 배치되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 복합여과장치의 제1단은 전처리용 여과층인 모래 또는 안트라사이트층을 포함하며, 상기 모래 또는 안트라사이트층은 입경크기 0.8 내지 2 mm 범위의 급속여과사 또는 입경크기 0.7 내지 1.5 mm 범위의 안트라사이트 등을 충전시켜 형성시킬 수 있다. 전처리용 여과층인 제1단은 여과지에 공급되는 원수에 함유된 큰 부유물을 여과 제거하여 본처리용 여과층인 제2단의 탁질 부하를 감소시키고 여과지속시간을 늘리는 역할을 한다.

제1단에서 전처리된 여과수는 제2단의 제1 여재층인 활성탄층을 통과하면서 용존 유해물질이 제거되고 연이어 제2단의 제2 여재층인 모래층을 통과하면서 제1 여과층에서 누출되는 플록이 억류됨으로써 기존 공정에서 제거하기 어려운 물질까지도 효과적으로 제거될 수 있다.

본 발명에서, 본처리용 여과층인 제2단은 활성탄층과 모래층의 2층 여재층으로 구성된다.

본 발명에 따른 여과장치 제2단의 활성탄층은 제1단에서 전처리된 여과수에 용존되어 있는 유기 오염물질을 흡착 및 생물학적 분해 공정을 통해 제거해 내는 역할을 한다.

본 발명에서 활성탄층은, 입상 활성탄(granular activated carbon, GAC)을 사용하여 형성시킬 수 있으며, 고정상(fixed bed) 또는 반고정상(semifixed bed) 흡착 공정 모두에 적용될 수 있다.

상기 활성탄층은 원수 중에 함유된 다양한 유해 물질, 예를 들면, TOC, DOC(dissolved organic carbon), THMFP(trihalomethane formation potential), THM(trihalomethane), 페놀, 유기인계 농약, 비스페놀 A 등과 같은 내분비계 장애물질, 휘발성 유기 오염물질, 유기염소계 농약, 맛·냄새 및 색도 유발물질 등을 흡착 제거해 낼 수 있다.

상기 입상 활성탄(GAC)층에 연속적으로 물을 통과시키면 활성탄 세공(pore)에 각종 물질이 흡착되어 일정 기간이 지난 후 활성탄의 흡착기능은 저하된다. 그러나, 활성탄 흡착조에 물을 통과시키면 활성탄 표면에 호기성 미생물이 번식하고 이들 미생물의 활동으로 활성탄은 흡착 기능뿐만 아니라 생물학적 활성기능도 할 수 있게 된다.

즉, 미생물들이 활성탄 여과지 내로 유입되어 활성탄 표면의 세공에 안착하게 되며 정수처리 과정을 거치면서 수중 유기물질 및 활성탄에 흡착되어 있던 유기물질을 먹이로 하여 번식하게 되어 미생물이 서식하면서 GAC는 4∼8주 후 미생물의 활동이 평형상태에 이르면서 생물 활성탄(biological activated carbon, BAC)이 형성되면서 활성탄 고유의 흡착기능뿐만 아니라 생물활동의 효과를 공유하게 된다. 이와 같은 BAC는 수온이 25 내지 35 ℃ 정도일 때 생물학적 활동을 활발히 하며 페놀, 지오스민(geosmin), 살리실산, 암모니아 등과 같은 냄새 유발물질, 염소계 방향족 탄화수소 등과 같은 유해물질을 생물학적 산화에 의해 생분해시켜 수중 유기물 잔존량을 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 여과장치 제2단의 모래층은 입자 크기가 0.45 내지 0.7 mm 범위인 급속여과사를 충진시켜 형성시킬 수 있으며, 상기 활성탄층 하부에 위치하여 GAC에서 유출되는 유출수에 존재하는 병원성 미생물 및 미세 활성탄 등에 의한 수질저하와 활성탄만 단독으로 사용할 경우의 제2단층 깊이 증가를 막아주는 역할을 한다.

또한, 상기 제1단 및 제2단 여과지의 중간집수장치 또는 하부집수장치는 세정방식이나 여과방식에 의해 각각 달라질 수 있으며, 여과재의 지지, 여과수의 집수, 역세척수의 균등 배분 등의 기능을 모두 갖춘 집수장치를 설치해야 한다. 본 발명에서 사용가능한 집수장치로는 여과재의 지지를 위한 다공판이 부착된 휠러형, 스트레이너형 또는 유공블럭형 집수장치를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 여재를 충분히 세척하기 위한 물·공기 동시 역세척에 유리한 유공블럭형 집수장치를 사용할 수 있다(환경부 제정 상수도 시설기준 2004년 12월 개정, 관리주체 한국상하수도협회, p. 367 참조).

본 발명의 이단 이층 복합여과 장치는 도 5에 나타낸 바와 같이, 기존의 모래여과지를 이용하는 표준식 정수처리 시스템의 급속여과지를 대체함으로써 여과시설을 추가로 증설하지 않고 기존의 정수처리 시스템을 그대로 이용하면서도 정수처리 능력 및 여과성능을 향상시킬 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 본 발명의 복합여과장치는 여과성능 향상을 위해 기존의 모래 여과지를 사용하는 정수처리 시스템 개량시 정수장 부지확보나 추가적인 확장공사비 부담 등이 거의 없어 매우 경제적이며, 여과시설을 증설하지 않고도 여과속도를 높임으로써 여과 처리능력을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 여과장치는 전처리 공정과 여과공정 및 미세 활성탄 및 병원성 미생물의 유출 방지를 위한 플록의 제거까지 단일 여과지에서 수행할 수 있는 복합여과 시스템으로서 봄, 가을철 조류성장 및 여름철 장마시 폭우로 인한 상수원수의 고탁도에 따른 여과지 폐쇄 문제점을 해결할 수 있어 정수장 수질관리에 있어 선도적 역할을 수행할 것으로 기대된다.

본 발명에 따른, 전처리용 여과층인 급속여과사 또는 안트라사이트 층을 포함하는 상단과, 용존 유해물질의 흡착 및 생물학적 분해를 위한 활성탄층 및 활성탄층에서 누출되는 플록을 차단하기 위한 모래층의 이층 여재층을 포함하는 하단을 포함하여 구성되는 이단 이층 복합여과장치는 기존의 모래여과를 중심으로 하는 여과지의 여과성능 향상을 위한 개량시 추가의 여과 시설 증설이나 막 공정 도입 없이 기존 정수처리 시스템을 그대로 사용할 수 있어 매우 경제적일 뿐만 아니라 유해물질의 제거효율이 높다. 또한, 원수의 고탁도에 따른 여과지 폐쇄 및 과다한 약품 소요 등에 대처할 수 있어 실제 정수장에 적용되면 정수장 수질관리에 유리하게 이용될 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 모래 또는 안트라사이트(anthracite)층을 포함하는 제1단; 상기 제1단의 유출수를 집수하기 위한, 다공판이 부착된 유공블록형 중간집수부; 활성탄층, 및 상기 활성탄층 하부의 모래층을 포함하는 제2단; 및 상기 제2단의 유출수를 집수하기 위한, 다공판이 부착된 유공블록형 하부집수부를 포함하는 이단 이층 복합여과장치.
2. 제1항에 있어서, 제1단의 모래 또는 안트라사이트층이, 입자크기 0.8 내지 2 mm 범위의 급속여과사 또는 입자크기 0.7 내지 1.5 mm 범위의 안트라사이트로 이루어진 것임을 특징으로 하는 이단 이층 복합여과장치.
3. 제1항에 있어서, 제2단의 모래층이, 입자크기 0.45 내지 0.7 mm 범위의 급속여과사로 이루어진 것임을 특징으로 하는 복합여과장치.
4. 제1항에 있어서, 활성탄층이 입상 활성탄으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 이단 이층 복합여과장치.
5. 삭제

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