KR100901922B1 - 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수를 담수화하기 위하여 해소에 포함된 탁질, 조류 등의 이물질을 제거하는 전처리 기술로 종래의 응집-침전-여과 또는 응집-부상-여과와 같은 기술을 하나로 배열한 일체형 부상-여과 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 각각에 오리피스가 형성된 다수 개의 격판이 일정 간격으로 수직으로 설치된 응집조; 상기 응집조와 연접되어 일체로 설치되고, 연접된 부분의 하부가 연통되며, 전방 하방에서 상부로 가면서 후방으로 경사지게 설치된 가이드판이 설치되고, 상부에 스키머가 설치된 부상조; 상기 부상조에 연접되게 일체로 설치된 여과조; 상기 여과조와 연접되게 설치되고, 여과된 해수가 담기는 처리수조;를 포함하여 구성된, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치에 있어서, 상기 응집조와 가이드판의 사이에 형성된 공간의 하부에 배출관의 일측 단부가 기포를 발생시킬 수 있도록 설치되고, 타측 단부는 DAF 펌프에 연결되며, DAF 펌프에는 순환관에 의해 처리수조와 연결된 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치가 제공된다.

해수, 담수화, DAF(Dissolved Air Flotation)

Description

해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치{Apparatus of DAF as pretreatment for seawater desalination}

본 발명은 해수를 담수화하기 위하여 해수에 포함된 탁질, 조류 등의 이물질을 제거하는 전처리 기술로 종래의 응집-침전-여과 또는 응집-부상-여과와 같은 기술을 하나로 배열한 일체형 부상-여과 기술에 관한 것이다.

[문헌 1] 한국 특허등록 제0414581호, 2003.12.26

종래의 해수 담수용 역삼투압(SWRO : Seawater reverse Osmosis) 공정의 전처리 기술로는 응집-침전-여과 또는 응집-부상-여과와 같은 기술은 각 공정을 독립된 단위 공정으로 구성되어 있어 부지 면적을 많이 차지하여 초기 건설 비용이 많이 들며, 운영비도 많이 소요되는 문제가 있다.

이를 해소하기 위하여 부상 공정과 여과 공정을 하나로 묶은 일체형 전처리 공정이 개발되어 종래의 것보다 콤팩트하고 처리 효율도 우수한 기술이 개발되어 있다. 그러나 이러한 기술도 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 여과 방식의 설계와 운전이 복잡하다. 일반적으로 가압 부상공정과 중력식 모래 여과 공정은 설계와 운전에 있어서 기존의 정수처리 공정 중에서도 비교적 까다로운 공정으로 알려져 있다. 이러한 두 공정을 하나로 묶어 운전하기에는 매우 복잡한 운전 시스템이 요구된다.

둘째, 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 부하가 여과량에 의해 제어되므로 DAF 공정을 최적화시킬 수 없다. DAF의 표면부하는 10~20m/hr의 범위로 운전가능하나 급속 모래 여과의 경우 표면부하가 5~8m/hr로 운전되기 때문에 DAF 공정이 모래 여과의 부하 범위 내에서만 운전해야 하는 단점이 있다.

셋째, 부상 고형물 때문에 정수장 운전자가 정화된 물의 수질(여과지 유입수)을 육안으로 관찰이 어렵다. 부상 공정과 여과 공정이 분리된 시스템에서는 부상조에서 처리된 물이 모래 여과조로 유입되는 것을 육안으로 확인할 수 있으며, 이 때 처리 수질도 간접 평가 가능하여 부상조의 운전이 용이하나 부상조 하부에 설치된 모래 여과조로의 유입수질은 부상조 상부에 떠 있는 표면 부유물로 가려져 이를 확인하기 어렵다.

넷째, 각 응집조는 여과기와 짝을 이루어야 한다. 응집조에서 여러 개의 부상조로 유입이 되나, 모래 여과조가 같이 설치되어진 경우에는 한 여과조의 역세척이 진행될 때 다른 모래 여과조의 용량을 초과하게 되므로 응집조와 모래 여과조는 한 조로 설계되어야 한다.

상기와 같이 부상 공정과 여과 공정을 하나로 묶은 종래의 일체형 전처리 공정 또한 많은 문제점을 가지고 있는데, 본 발명은 상기의 문제점을 해소함과 동시에 보다 콤팩트하게 설비할 수 있는 구조를 제공함에 목적이 있다.

본 발명은 기존의 용존공기부상 공정의 일반적인 구성인 부상조, 순환펌프, 포화기 탱크, 공기압축기 등으로 구성된 것을 부상조, DAF 펌프로 매우 단순화시키고, 기존의 기계식 응집조를 동력이 필요없는 수리학적 응집조의 구조로 하여 동일한 체류시간과 혼화 강도를 제공하여 부상 제거 가능한 플럭(flock)을 형성시키도록한다.

그리고 부상 처리 후 처리수는 여과 공정을 거치는데 이러한 여과 공정은 부상 공정과 따로 분리되어 개별 공정으로 운영되므로, 부지면적을 많이 차지한다. 일반적인 여과 방식은 중력식 모래 여과조나 압력식 여과 탱크를 통해 처리되나 본 발명의 경우 재래식 모래여과 장치에 비해 표면 부하가 크고 설치에 소요되는 면적이 매우 작은(모래 여과조의 1/8) 중력식 섬유 여과기를 부상조 후단에 바로 설치하여 기존의 일체형 부상-여과공정보다 간단한 시스템으로 구성하여 상기 제기된 종래의 문제점들을 해소하게 된다.

본 발명에 의하면, 응집조와 부상조 및 중력식 섬유여과기가 인접되게 일체형으로 설비됨으로써 설치 면적을 축소할 수 있어 초기 공사 비용 및 운영비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 그리고 응집조를 구획하는 다수 개의 격판에 형성된 오리피스의 위치를 상하 번갈아 가면서 위치시키되 좌우 반대측에 위치됨으로써 유체의 흐름이 plug-flow 특성을 가지게 되어 양호한 플록이 형성된다. 또한 격판의 하단에 형성된 바이패스 홈에 의하여 격판 사이 저부에 플록이 쌓이지 않고 부상조까지 흘러갈 수 있게 됨으로써 해수 중의 탁질, 조류, 오일 등의 물질을 효과적으로 제거하여, 후속처리공정인 역삼투압 막여과 효율을 증대시키는 효과가 있다.

본 발명은 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치에 관한 것으로, 해수에 포함된 탁질, 조류 등의 이물질을 제거하여 후속공정인 역삼투압막의 막오염을 최소화하여, 투과 플럭스(permeate flux)를 향상시켜, 안정적으로 운영할 수 있는 해수담수화 전처리 장치이다.

이와 같이 본 발명은 응집조(1)와 부상조(2) 및 여과조(3)가 연접된 일체형으로 구성된다. 일체형의 기본적인 구성은 각각에 오리피스(4)가 형성된 다수 개의 격판(5)이 일정 간격으로 수직으로 설치된 응집조(1); 상기 응집조(1)와 연접되어 일체로 설치되고, 연접된 부분의 하부가 연통되며, 전방 하방에서 상부로 가면서 후방으로 경사지게 설치된 가이드판(6)이 설치되고, 상부에 스키머(7)가 설치된 부상조(2); 상기 부상조(2)에 연접되게 일체로 설치된 여과조(3); 상기 여과조(3)와 연접되게 설치되고, 여과된 해수가 담기는 처리수조(8);를 포함한다.

본 발명은 상기 응집조(1)와 가이드판(6)의 사이에 형성된 공간의 하부에 배출관(9)의 일측 단부가 기포를 발생시킬 수 있도록 설치되고, 타측 단부는 DAF 펌프(10)에 연결되며, DAF 펌프(10)에는 순환관(11)에 의해 처리수조(8)와 연결됨을 특징으로 한다.

그리고 본 발명은 인접된 격판(5) 중 어느 하나에는 상부에 오리피스(4)가 형성되고, 다른 하나에는 하부에 오리피스(4)가 형성되며, 동시에 상부의 오리피스(4)와 하부의 오리피스(4)는 좌우방향으로 서로 어긋나게 형성된다. 즉, 마주보는 두 개의 격판(5) 중 어느 하나에는 상부에, 다른 하나에는 하부에 오리피스(4)가 형성되고, 각각의 오리피스(4)는 상부 또는 하부에서 좌측 또는 우측에 어긋나게 형성되어, 해수의 흐름시에 와류가 형성되도록 하는 수리학적 구조를 가지도록 구성된다.

그리고 격판(5)에 형성된 오리피스(4)는 개구 면적이 조절될 수 있는 구조를 가지는데, 조절판(12)이 설치되어 가능하다. 즉, 조절판(12)이 오리피스(4)의 개구 면적을 조절할 수 있게 움직이는 구조를 가지면 되는데, 그 하나의 실시예로서 오리피스(4)의 좌우 또는 상하 양측에 가이드(13)가 설치되고, 상기 가이드(13)에 조절판(12)이 삽입되어, 미닫이 형식으로 조절판(12)이 거동하는 구조이다.

그리고 상기 격판(5)의 하단부에는 바이패스 홈(14)이 형성되어, 응집조(1)의 바닥에 플럭이 침전되는 것을 방지하고, 플럭이 부상조로 이동할 수 있도록 하는 구조가 가능하다.

그리고 상기 응집조(1)의 마지막 격판(5) 다음에 일정 간격을 두고 다공판(15)이 설치되어, 해수의 흐름이 균질하게 됨으로써, 플럭이 이동이 자유롭게 된다.

그리고 상기 여과조(3)에는 중력식 섬유 필터(16)가 설치되어, 표면 부하가 높아 적은 면적에서 큰 여과 능력을 가지게 된다.

상기와 같은 본 발명은 도 1에 전체 단면도가 도시되어 있고, 도 2에 사시도가 도시되어 있으며, 도 3에 응집조의 상세 사시도가 도시되어 있고, 도 4에 오리피스용 조절판이 도시되어 있다.

용존공기부상형 전처리 장치는 원수에 응집제를 가하여 플록(floc)을 생성시키고, 상기 플록에 미세 기포를 부착하여 수면 위로 부상시켜 스키머(7) 등으로 제거하는 장치이다. 플록의 부상에 필요한 미세 기포는 처리수의 일부가 DAF 펌프를 통해 부상조로 순환하게하며, 이때 DAF pump 내에서 공기가 과포화되어 부상조 유입부에서 노즐로 배출할 때 미세 기포가 발생하면서 수중의 플록이 수면 위로 부상하게 된다. 부상된 플록은 스키머(7)로 제거함으로써 해수 중에 포함된 입자상물질 및 유기물질 등이 제거된다.

전체적인 작용을 보면, 도 1에서 분배관(17)을 통하여 해수가 응집조(1)로 유입된다. 분배관 이전에 인라인 믹서(In-line static mixer)에서 응집제가 주입되어 급속혼화가 이루어지며, 수류식 응집조(1)에서는 부상가능한 크기의 작고 단단한 플록을 형성시킨다.

응집조(1)에서는 다수의 격판(5)에 형성된 오리피스(4)를 통해 해수가 이동하면서 플록을 형성하게 된다. 이 때 본 발명은 오리피스(4)의 구조에 의해 응집조의 혼화강도를 조절할 수 있으며, 응집조(1)에서의 체류시간이 종래와 같더라도 동력이 소요되지 않아 경제적인 운전이 가능하며, 유지보수가 쉬운 특성을 가진다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이 어느 하나의 격판(5)에 형성된 오리피스(4)를 통해 유입된 해수가 격판(5)의 사이 공간부로 흘러 다음의 격판(5)에 형성된 오리피스(4)로 흘러가게 되는데, 이 때 본 발명의 오리피스(4)의 위치가 상하, 그리고 좌우로 엇갈리게 형성되어 있으므로 해수가 흐를 때 응집제와의 혼화 과정이 잘 일어나게 된다. 이와 같이 다수 개의 격판(5)을 거치면서 해수는 완전하게 응집제와 반응하여 조류 등의 이물질이 플럭화된다.

응집조(1)에서는 응집제와 해수의 이물질이 반응하여 플럭이 생성됨과 동시에, 일정 밀도 이상의 플럭은 하부로 침전하게 된다. 종래의 경우는 격판(5)의 하단부가 응집조(1)의 하단부에 틈 없이 밀착되어 침전된 플럭이 쌓여 배출되지 못하는 문제점이 있었으나, 본 발명은 격판(5)의 하부에 바이패스 홈(14)이 형성되어, 해수의 흐름에 의해 침전된 플럭이 바이패스 홈(14)을 통해 바닥면을 따라 응집 조(1)의 최후단으로 이동할 수 있게 된다. 따라서 모든 플럭이 부상조(2)로 이동된다.

종래의 응집조(1)는 기계적 에너지를 이용하여 부상가능한 플럭을 형성시켜 부상처리하였고, 혼화 강도는 일반적으로 1/50 ~ 1/100sec 의 범위 내에서 운전하였고, 혼화기는 수직축의 임펠러형이 주로 사용되었다. 이에 비하여 본 발명은 응집조(1)에서 기계적 에너지의 소요없이 유체의 수리학적 에너지를 이용하여 혼화가 일어나는 무동력 응집조(1)이다. 즉, 해수유입관(17)을 통해 유입된 해수는 다수의 챔버라인으로 유입되고, 각각의 챔버 라인으로 유입된 해수는 도 3에 도시된 전방의 챔버 라인에서와 같은 해수 흐름을 보인다.

응집제와 혼화된 해수는 상하좌우형의 오리피스(4)를 통해 이동하고, 이 때 발생되는 수리학적 난류에 의해 플럭이 형성된다. 혼화강도는 오리피스(4) 면적의 조정을 통해 조절가능하도록 구성되어 있는데, 이는 도 4와 같이 조절판(12)의 이동으로 오리피스(4)의 개구 면적을 조절하여 달성된다.

응집조(1)에서의 체류시간은 보통 5~15분이나, 본 발명의 구조에서는 10분 정도로 조절하면 된다.

응집조(1)의 후단에는 다공판(15)이 형성되어 있고, 응집조(1)의 마지막 부분 즉 부상조(2)와의 연결부분의 하단에는 해수가 흐르는 공간이 형성되어 있다.

따라서 플럭이 혼재된 해수는 다공판(15)의 구멍을 통해 부상조(2)로 이동하게 된다. 이 때 다공판(15)은 해수의 흐름 밀도를 균일하게 하는 작용을 하는 것으로, 부상조(2)로의 유입을 좋게 한다.

부상조(2)에는 가이드판(6)이 상부로 경사지게 설치되고, 하단부는 응집조(1)와 연결되는 공간부에 설치되어 있다. 그리고 DAF 펌프(10)에 연결된 배출관(9)의 단부가 가이드판(6)의 하부단부 부분에 설치되어 있다.

따라서 DAF 펌프(10)에 의해 공기가 혼합된 물을 분사하면, 물에 포함된 공기가 미세 기포로 나타나 부상하게 된다. 공기가 용존된 물은 가이드판(6)에 의해 응집조(1)에서 넘어오는 해수와 함께 유동하면서 반응하게 된다.

이 때 플럭에 미세 기포가 부착되어 부상조(2)의 수면 위로 부상되고, 수면 위로 부상된 플럭은 스키머(7)에 의해 제거되어 슬러지 배출관(21)을 통해 배출된다. 상기의 스키머(7)와 슬러지 배출관(21)은 종래의 구조와 같으므로 상세한 설명은 생략한다.

플럭이 제거된 해수는 부상조(2)의 바닥을 통해 여과조(3)로 이동된다. 부상조(2)와 여과조(3)의 사이에는 두 개의 수실이 형성되어 있는데, 부상조(2) 측에 가까운 제1수실(18)의 높이가 더 높다. 따라서 플럭이 제거된 해수는 부상조(2)의 하부와 제1수실(18)의 하부를 통해 제1수실(18)로 유입되고, 제1수실(18)의 상단을 넘어 제2수실(19)로 유입된다. 이와 같이 수실의 높이 차이에 의하여 해수는 제1수실(18)에서 제2수실(19)로만 흐를 수 있고, 역방향으로는 흐를 수 없는 구조이다. 이와 같은 구조는 여과조(3)의 필터를 역세척할 때, 세척된 물이 역류되어 부상조(2)로 넘어가는 것을 방지하게 된다.

역세척된 이물질 등이 포함된 물은 제2수실(19)의 바닥에 설치된 세척 슬러지 배출관(21)을 통해 배출된다.

부상조(2)와 제1수실(18) 및 제2수실(19)을 넘어온 해수는 여과조(3)에서 여과된다. 이 때 중력식 섬유 필터(16)을 사용하게 된다. 즉, 여과조(3)에는 다수의 중력식 섬유 필터(16)가 설치되어 있고, 이 필터는 종래의 모래 여과 필터보다 표면부하가 매우 높아 필터의 효율의 증대된다.

상기의 중력식 섬유 필터(16)는 일정 주기마다 역세척할 필요성이 있는데, 이 때에는 역세척용 송풍기(20)를 이용한다. 따라서 역세척용 송풍기(20)에 의해 중력식 섬유 필터(16)에 끼인 이물질이 외부로 배출되고, 배출된 이물질은 여과조(3)의 물과 함께 혼합되어 세척 슬러지 배출관(9)으로 배출된다. 물론 역세척시에는 전처리 과정은 중단되고, 세척된 물은 제1수실(18)로 역류하지 않음은 전술한 바와 같다.

여과조(3)에서 이물질이 걸러진 해수는 본격적인 담수화를 위해 처리수조(8)로 이동된다. 처리수조(8)의 해수 일부는 플럭을 제거하기 위한 기포를 생성하는데 사용된다. 즉, 처리수조(8)는 순환관(11)으로 DAF 펌프(10)와 연결되어 있어, DAF 펌프(10)의 작동은 처리수조(8)의 물에 공기를 혼합하여 부상조(2)로 송급하게 된다.

상기와 같은 일련의 단계를 거쳐 해수 담수화를 위한 전처리가 끝난다.

도 1은 본 발명의 전체 단면도

도 2는 본 발명의 전체 사시도

도 3은 본 발명의 응집조의 상세 사시도

도 4는 본 발명의 격판의 상세 사시도

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 응집조 2 : 부상조

3 : 여과조 4 : 오리피스

5 : 격판 6 : 가이드판

7 : 스키머 8 : 처리수조

9 : 슬러지 배출관 10 : DAF 펌프

11 : 순환관 12 : 조절판

13 : 가이드 14 : 바이패스 홈

15 : 다공판 16 : 중력식 섬유 필터

17 : 해수유입관 18 : 제1수실

19 : 제2수실 20 : 역세척용 송풍기

21 : 슬러지 배출관

Claims (6)

1. 삭제
2. 각각에 오리피스(4)가 형성된 다수 개의 격판(5)이 일정 간격으로 수직으로 설치된 응집조(1); 상기 응집조(1)와 연접되어 일체로 설치되고, 연접된 부분의 하부가 연통되며, 전방 하방에서 상부로 가면서 후방으로 경사지게 설치된 가이드판(6)이 설치되고, 상부에 스키머(7)가 설치된 부상조(2); 상기 부상조(2)에 연접되게 일체로 설치된 여과조(3); 상기 여과조(3)와 연접되게 설치되고, 여과된 해수가 담기는 처리수조(8);를 포함하여 구성되고, 상기 응집조(1)와 가이드판(6)의 사이에 형성된 공간의 하부에 배출관(9)의 일측 단부가 기포를 발생시킬 수 있도록 설치되고, 타측 단부는 DAF 펌프(10)에 연결되며, DAF 펌프(10)에는 순환관(11)에 의해 처리수조(8)와 연결되게 구성된, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치에 있어서, 상기 인접된 격판(5) 중 어느 하나에는 상부에 오리피스(4)가 형성되고, 다른 하나에는 하부에 오리피스(4)가 형성되며, 동시에 상부의 오리피스(4)와 하부의 오리피스(4)는 좌우방향으로 서로 어긋나게 형성됨을 특징으로 하는, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 격판(5)에는 오리피스(4)의 개구 면적을 조절할 수 있는 조절판(12)이 설치됨을 특징으로 하는, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 격판(5)의 하단부에는 바이패스 홈(14)이 형성됨을 특징으로 하는, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치.
5. 제 2항에 있어서, 상기 응집조(1)의 마지막 격판(5) 다음에 일정 간격을 두고 다공판(15)이 설치됨을 특징으로 하는, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치.
6. 제 2항에 있어서, 상기 여과조(3)에는 중력식 섬유 필터(16)가 설치됨을 특징으로 하는, 해수 담수화를 위한 용존공기부상형 전처리 장치.

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