KR100931121B1 - 정수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수처리 방법에 관한 것으로, 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용한 여과막 장치 운전시 막 오염이 집중되는 초기 운전 시간 동안 투과 유속을 정상 유속보다 낮게 운전한 후 정상 가동하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법에 대한 것이다. 본 발명에 따르면 초기 운전 시간 동안 낮은 투과 유속으로 막 장치를 운전함으로써, 막의 운전 압력 증가율이 감소되어 막의 전체 운전 시간을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

정밀여과막, 한외여과막, 투과유속

Description

정수처리 방법{WATER PURIFYING METHOD}

본 발명은 정수처리 방법에 관한 것으로, 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용한 여과막 장치 운전시 초기 운전 시간 동안 투과 유속을 정상 운전시보다 낮게 운전하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법에 관한 것이다.

막 제조기술과 막분리 공정의 발전으로 인하여 막분리 공정은 이미 다양한 분야에 적용되고 있다. 정수처리도 예외는 아니며, 현재 여러 곳에서 모형 또는 실증플랜트 규모의 운전이 진행되고 있다. 정수처리에 적용되는 분리막 공정의 목적은 탁질 제거는 물론이고, 미량 유기물, 미생물 그리고 일부 이온성 물질 등의 제거에 있다. 제거 대상 물질에 따라서 적용되는 막의 종류가 다르고 운전 방법 또한 다양하게 적용될 수 있다.

정수 처리하는 공정에서 사용되는 분리막으로는 한외여과막, 정밀여과막, 역삼투막, 나노막 등이 있다. 이 중에서, 한외여과막 및 정밀여과막의 경우는 수 마 이크로 범위의 공극 크기를 가지며, 탁질의 제거와 낮은 범위의 수중 유기물 제거를 기대할 수 있고, 90% 이상의 회수율이 가능하기 때문에 실제 공정의 적용에 효과적이다. 또한, 이들 한외여과막 및 정밀여과막은 막의 역세척이 가능하여 막의 세정 효율이 우수하므로, 원수의 수질 변동에 좌우되지 않고 일정 투과 수량을 장기간 지속시킬 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이러한 종래의 정밀여과막 또는 한외여과막을 이용한 정수처리 방법은 상기 막의 운전 시간이 경과됨에 따라 막 표면에 이물질이 축적되어 운전 압력이 증가되고, 투과유량이 줄어들기 때문에 여과막을 자주 세척하여야 한다. 이에 따라, 빈번한 막 세척으로 막 수명이 급격히 단축되어 막을 자주 교체하여야 하므로, 막의 운전 비용이 증가되는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 막 장치 운전시 막 오염이 집중되는 초기 운전 시간 동안 막 투과 유속을 정상 유속보다 낮게 운전한 후 정상 가동함으로써, 운전 시간 경과에 따른 막의 운전 압력 증가율을 감소시켜 막의 전체 운전 시간을 연장시킬 수 있는 정수처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원수(raw water)를 정밀여과막 또는 한외여과막의 외부에서 내부로 막면에 대해 수직하게 전량 여과시키는 외압형 전여과 방식에 의해, 급수하여 여과시키는 정수처리 방법에 있어서, 상기 원수를 정밀여과막 또는 한외여과막에 급수하는 초기 30분 내지 120분 동안은 상기 원수의 막 투과 유속이 25LMH(0.025㎥/㎡·h) 내지 40LMH(0.04㎥/㎡·h)가 되도록 급수하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법을 제공한다.

또한, 상기 원수를 정밀여과막 또는 한외여과막에 급수하는 초기 30분 내지 120분 이후에는, 상기 원수의 막 투과 유속이 41.7LMH(0.0417㎥/㎡·h) 내지 150LMH(0.15㎥/㎡·h)가 되도록 급수하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법을 제공한다.

또한, 상기 원수를 급수하는 방향과 반대 방향으로 물을 주입하는 물 역세척 과정과 공기를 주입하는 공기 세척 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법을 제공한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 발명의 실시를 위한 구체적인 내용 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 정수처리 방법은 막 장치 운전시 막 오염이 집중되는 초기 운전 시간 동안 막 투과 유속을 정상 유속보다 낮게 운전한 후 정상 가동함으로써 운전 압력의 증가율을 감소시켜 막의 전체 운전 시간(수명)을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 정수 처리 방법은 원수(raw water)를 외압형 전여과 방식으로 정밀여과막 또는 한외여과막에 급수하여 여과시키는 여과 단계; 및 상기 정밀여과막 또는 한외여과막을 역세척하는 역세척 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에서 이용된 외압형 전여과 흐름 방식이란 원수(raw water)가 막의 외부에서 내부로 막면에 대해 수직으로 전량 여과되는 방식을 말한다. 자세히 설명하면, 압력에 의해 원수가 막의 내부에서 외부로 여과되는 방식을 내압형이라고 하는 반면에 외압형은 원수가 막의 외부에서 내부로 여과되는 방식이다. 외압형 흐름 방식은 교차 흐름 방식(cross-flow)과 전여과 흐름 방식(dead-end flow)으로 나눌 수 있는데 교차 흐름 방식은 원수가 막면에 흐르면서 원수의 일부는 흐름 방향에 대해 직각으로 여과되고 일부는 막면에 평행으로 흘러 통과 유속에 의해 막면에 전단력을 발생시키는 방식이고, 전여과 흐름 방식은 원수 전체가 막면에 대해 수직으로 흘러 전량 여과가 진행되는 방식을 의미한다.

본 발명에 따른 정수처리 방법은 정밀여과막 또는 한외여과막으로 원수(raw water)를 여과할 때, 초기 운전 시간 동안 정상 투과 유속보다 낮은 투과 유속으로 운전하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의한 경우, 막 장치의 초기 운전 시간 동안 막 투과 유속을 낮게 함으로써 막의 수명에 크게 영향을 주는 초기 막 오염을 줄일 수 있으므로, 막의 전체 운전 시간이 길어지게 할 수 있다.

여기에서, 상기 초기 운전 시간으로는 30분 내지 120분인 것이 바람직하다. 초기 운전 시간이 30분 미만인 경우에는 본 발명의 효과가 미미한 수준에 그치므로 바람직하지 않다. 또한, 120분을 초과하는 경우에는 장시간을 낮은 투과 유속으로 운전하게 되어 막의 운전 효율이 낮아지므로 바람직하지 않다.

상기 초기 운전 시간 동안에는 상기 원수의 여과막 투과 유속(이하, '낮은 투과 유속'이라 한다)은 일반적인 막 투과 유속(이하, '정상 투과 유속'이라 한다)보다 낮은 25LMH(0.025㎥/㎡·h) 내지 40LMH(0.04㎥/㎡·h)의 범위인 것이 바람직하다. 상기 낮은 투과 유속은 투과 유속이 낮을수록, 즉 정상 유속과의 차가 클수록 유리하지만, 투과 유속이 25LMH 이하인 경우에는 막 운전 비용 및 운전 효율 등을 감안할 때 바람직하지 않고, 40LMH를 초과하는 경우에는 정상 유속과의 차가 적어져 본 발명의 효과가 미미하므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는, 상기 낮은 투과 유속은 35LMH(0.035㎥/㎡·h) 내지 40LMH(0.04㎥/㎡·h)의 범위인 것이다. 상기 낮은 투과 유속이 상기 범위인 경우 초기 막 오염을 줄임으로 인한 막의 전체 운전 시간의 연장 효과가 우수하므로 바람직하다.

상기 초기 운전 시간 이후에는, 여과막의 투과 유속은 정상 투과 유속인 41.7LMH(0.0417㎥/㎡·h) 내지 150LMH(0.15㎥/㎡·h)의 범위인 것이 일반적이며, 75LMH(0.075㎥/㎡·h)인 것이 가장 일반적이다.

상기 본 발명에 따른 정수처리 방법에 사용되기 위한 여과막으로는 역세척이 가능한 전여과 방식의 외압형 정밀여과막 또는 한외여과막인 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정수처리 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

먼저, 상기 여과 단계에서는 V-01과 V-02만 열리고 다른 밸브들은 모두 닫혀있는 상태에서 전형적인 외압형 전여과 흐름방식으로 여과가 일어난다. 상기 여과 단계에서의 여과막(14) 투과 유속은 41.7LMH(0.0417㎥/㎡·h) 내지 150LMH(0.15㎥/㎡·h)인 것이 일반적이고, 75LMH(0.075㎥/㎡·h)인 것이 가장 일반적이다. 도 2는 인공원수와 증류수를 이용하여 시간 경과에 따른 운전 압력의 변화를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 2의 그래프에 나타난 수치로부터 Flux-step 방법(R. Chan, V. Chen and M. P. Bucknall, Ultrafiltration of protein mixtures: measurement of apparent critical flux, rejection performance, and identification of protein deposition, Desalination, 146(2002) 83-90)을 이용하여 여과막 장치를 운전하기 위한 최적 투과 유속을 구한 결과, 최적의 정상 투과 유속은 75LMH(0.075㎥/㎡·h)임을 알 수 있었다.

상기 여과 단계가 20분 내지 30분 정도 진행되면 역세척 단계로 넘어가게 되는데, 상기 역세척 단계는 물 역세척 공정, 공기 세척 공정, 배수 공정 및 통수 공정을 포함하여 이루어진다.

상기 물 역세척 공정은 V-03 및 V-06 밸브만 열리고 다른 밸브들은 모두 닫혀 있는 상태에서 처리수(19)의 일부를 정상 운전과는 반대로, 처리수조(15)로부터 역세펌프(20)를 이용하여 공기로 압력을 가하여 매우 짧은 시간(20초 내지 40초) 동안 여과막(14) 내부에서 외부로 물을 투과시킴으로써 공기 세척의 세척 효율을 증대시키고 공기 세척시의 여과막(14)의 안정성을 확보하게 된다. 상기 물 역세척 공정 및/또는 공기 세척 공정에는 화학약품 탱크(17)로부터 화학약품 펌프(21)를 이용하여 V-05 밸브가 열린 상태에서 차아염소산 나트륨이나 염소를 투입함으로써 세척 효율을 높일 수도 있다.

상기 물 역세척 공정이 종료되면 공기 세척 공정으로 넘어가는데, 이때에는 V-04 및 V-06 밸브만 열리고 다른 밸브는 모두 닫혀있는 상태로 외부에서 물을 흘려주지 않고 여과막(14) 외부로 공기를 공급하여 공기 세척을 실시한다.

상기 물 역세척 공정 및/또는 공기 세척 공정에는 화학약품 탱크(17)로부터 화학약품 펌프(21)를 이용하여 V-05 밸브가 열린 상태에서 차아염소산나트륨 또는 염소를 투입함으로써 세척 효율을 높일 수도 있다.

상기 공기 세척 공정이 끝난 후에는 농축수를 제거하기 위한 배수 공정이 진행된다. 이때에는 V-04와 V-06 및 V-07 또는 V-06과 V-07 밸브만 열리고 다른 밸브는 모두 닫혀 있는 상태에서, 여과막(14) 모듈에 공기를 주입함으로써 균일한 혼합상태로 탈착된 슬러지들이 제거되도록 빠른 유속으로 배수할 수 있다.

상기 배수 공정이 종료되면, 막을 투과하여 상기 배수 공정 이후에도 남아있을 수 있는 오염물질을 제거하고, 반복적인 여과 단계 이전에 여과막 모듈 내부에 물을 서서히 공급함으로서 갑작스런 가압으로 인한 여과막의 손상을 방지하기 위한 통수 공정이 이어진다. 이 경우, V-01 및 V-06 밸브만 열리고 다른 밸브들은 모두 닫혀 있는 상태에서, 모듈 내부의 압력 상승 없이 안전하게 여과 단계로 전환이 이뤄진다.

상기 물 역세척 및 공기 세척과 별도로 V-01 및 V-05 밸브만 열리고 다른 밸브들은 모두 닫혀 있는 상태에서, 화학약품 탱크(17)로부터 화학약품 펌프(21)를 이용해 화학약품을 투입하여 약품 세정을 실시함으로써 투과 수량을 증가시킬 수 있다.

[표 1: 각 공정별 밸브의 개폐]

구분	V-01	V-02	V-03	V-04	V-05	V-06	V-07
여과 단계	○	○	×	×	×	×	×
물 역세척 공정	×	×	○	○	×	×	×
공기 세척 공정	×	×	×	○	×	○	×
배수공정	×	×	×	(○)	×	○	○
통수공정	○	×	×	×	×	○	×

상기 표 1은 각 공정별 밸브의 개폐를 나타낸 것이다.

상기 역세척 단계는 물 역세척 공정 20초~40초, 공기 세척 공정 20초~40초, 배수 공정 및 통수 공정 20초~40초로, 총 1분~2분의 짧은 시간 동안 이루어진다. 즉, 본 발명의 정수처리 방법은 20분 내지 30분의 여과 단계와 1분 내지 2분의 역세척 단계가 번갈아가며 수행되면서 이루어지는 것이다.

실시예 1: 초기 운전 시간 동안 투과 유속 제어에 따른 운전 압력 증가율

기공의 크기가 0.1㎛인 정밀여과막(코오롱사 제조; PVDF)을 이용하여, 각각 0분, 30분, 90분, 120분의 초기 운전 시간 동안 투과 유속을 37.5LMH로 한 후, 상기 초기 운전 시간이 지난 후의 정상 투과 유속을 150LMH로 한 실험 결과를 도 3에 나타내었다. 상기 실험에서 역세척 단계는 여과 단계 30분에 1회씩 1분 동안 이루어졌다.

상기 도 3에 나타낸 바와 같이, 운전 시간 4시간 이후부터 초기 운전 시간이 길수록 막의 운전 압력 증가율은 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 막오염이 집중되는 초기 운전 시간 동안 투과 유속을 낮게 한 후, 정상 투과 유속으로 운전함으로써 운전 압력 증가율이 감소되었다. 이러한 운전 압력의 증가율 감소는 막 수명이 연장되는 결과를 가져오므로, 운전 비용을 감소시킬 수 있다.

하기 표 1은 상기 실험의 운전 압력 증가율을 표로 나타낸 것이다.

[표 1: 초기 운전 시간 동안 투과 유속 제어에 다른 운전 압력 증가율]

운전조건	운전압력증가율
A(150 LMH))	9.24 kPa/hr
B(37.5 LMH, 30분 → 150 LMH)	7.38 kPa/hr
C(37.5 LMH, 90분 → 150 LMH)	5.38 kPa/hr
D(37.5 LMH, 120분 → 150 LMH)	2.75 kPa/hr

상기 표 1에서도 나타낸 바와 같이, 초기 운전 시간이 길수록 막의 운전 압력 증가율이 감소되었다. 상기 표 1에서, 초기 운전 시간이 120분일 때 막의 운전 압력 증가율은 2.75 kPa/hr로서 일정한 투과유속(150 LMH)으로 운전했을 때의 운전 압력 증가율인 9.24 kPa/hr보다 3.4배 낮은 운전 압력 증가율을 나타내었다. 즉, 초기 투과 유속이 막 장치의 전체 운전 시간(수명)에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정수처리 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 인공원수와 증류수를 이용하여 시간 경과에 따른 운전 압력의 변화를 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 3은 초기 운전 시간 동안 투과 유속 제어에 따른 운전 압력 증가율을 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

11... 원수 12... 원수저장조

13... 공급펌프 14... 정밀/한외여과막

15... 처리수조 16...공기

17... 화학약품탱크 18... 배수

19... 처리수 20... 역세펌프

21... 화학약품펌프 22... 압력계

23... 컴퓨터

Claims (3)

1. 원수(raw water)를 정밀여과막 또는 한외여과막의 외부에서 내부로 막면에 대해 수직하게 전량 여과시키는 외압형 전여과 방식에 의해, 급수하여 여과시키는 정수처리 방법에 있어서,

   상기 원수를 정밀여과막 또는 한외여과막에 급수하는 초기 30분 내지 120분 동안은 상기 원수의 막 투과 유속이 25LMH(0.025㎥/㎡·h) 내지 40LMH(0.04㎥/㎡·h)가 되도록 급수하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 원수를 정밀여과막 또는 한외여과막에 급수하는 초기 30분 내지 120분 이후에는, 상기 원수의 막 투과 유속이 41.7LMH(0.0417㎥/㎡·h) 내지 150LMH(0.15㎥/㎡·h)가 되도록 급수하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 원수를 급수하는 방향과 반대 방향으로 물을 주입하는 물 역세척 과정과 공기를 주입하는 공기 세척 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리 방법.

Images