KR100940514B1

KR100940514B1 - 다단계 응집여과 수처리 방법

Info

Publication number: KR100940514B1
Application number: KR1020090042179A
Authority: KR
Inventors: 강영배; 김규태; 박달준; 윤창한; 배시열
Original assignee: 주식회사 생
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-02-10

Abstract

본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 방법은 먼저, 응집경쟁반응에서 우세한 소수성 오염물질을 제거하며 다음 단계의 응집여과장치에서 상기 일 응집여과장치의 응집경쟁반응에서 열세였던 친수성 오염물질을 제거하도록 하여 응집제 투입양을 적절히 조절하고 이에 응집제 투입량에 대하여 효과적인 정수처리가 가능한 것이 그 특징이다.

수처리, 다단계, 응집직접여과, 수처리공정, 응집체, 역삼투압, 멤브레인

Description

다단계 응집여과 수처리 방법{mathods for multi-stage water filteration with coagulation}

본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 방법은 원수조의 대상수를 응집여과 처리하여 최종여과수 저장조로 배출시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 표류수, 복류수, 지하수나 오수, 하수, 폐수, 방류수 등에 포함된 부유물질 및 오염물질 등의 탁도 유발물질 및 조류원생동물 등과 같이 제법 그 크기가 큰 미생물 등의 불순물을 제거하기 위한 수처리 기술은, 화학응집침전 후 모래여과처리 기술, 화학응집침전 후 기계적 여과처리 기술, 화학응집 후 침전조 생략에 의한 직접 기계적 여과처리 기술이 있다. 이에 일반적으로 탁도 유발물질의 농도를 "수질"이라고 칭한다.

이와 같이 정화 대상수에 포함된 탁도유발 물질을 정화하는 수처리 기술은 용존된 무기염류를 제거하기 위해 사용되는 역삼투막법이나 이온교환수지법 등의 고도처리를 위한 전처리 공정으로서 그 효과를 또한 크게 볼 수 있다.

순수제조를 위해 무기염류 혹은 이온을 제거하는 기술은 일반적인 기술로서 그 표준화가 되어 있어 기술의 활용에 문제는 없으나, 막오염을 유발하는 성분의 제거는 필수적이다. 한 예로 역삼투압 기술을 사용할 경우 SDI 수치가 통상 5.0이하를 추천하고 있으며, 하수 방류수의 재활용시 역삼투막의 유입수 기준을 유지하기 위해 즉, 안정적인 역삼투막 운전을 위해 기존에는 통상 정밀 혹은 한외여과막을 전처리로 사용하고, 이 여과막의 전처리를 위해 전설한 침전조, 모래여과기, 기계식 여과기 등의 전처리공정을 통상 사용하여 왔다.

한편, 화학응집침전 후 모래여과처리 기술은 화학응집제를 사용하여, 상기된 바와 같은 불순물을 응집에 의한 플럭화한 후 침전조로 유입하여, 이들 플럭을 침전조에서 제거한 상징수를 후단의 모래여과기에 유입하여, 잔존한 탁도 유발물질을 제거하는 가장 일반적인 기술이다. 이 기술의 장점은 교과서적인 방법으로 일반적인 운전자에게 익숙한 공정일 뿐 아니라 현재까지는 대상수 수질 등 주변 환경 변화에 따른 운전조건이 가장 많이 확립되어 있는 까닭에 운전 불량 원인 및 그 원인을 제거하기 위한 조치가 일반화되어 있다는 것이다.

그러나 처리용량 대비 그 크기가 대단히 크기 때문에 즉, 설치 부지를 많이 차지하는 까닭에 건설비가 높을 뿐 아니라 응집된 플럭의 대부분이 침전되기 위해 플럭의 크기가 커야함으로 화학응집 시 응집제 사용량이 과다함에 따른 운전비 상승을 초래하게 된다. 그럼에도 불구하고 일반적인 적절한 크기의 장치에서는 처리된 물의 수질에도 그 한계가 있다.

화학응집침전 후 기계적 여과처리 기술은 대상수로 부터 화학응집 및 침전과 정이 상기된 화학응집침전 후 모래여과처리 기술과 동일하지만 모래여과기 보다는 그 크기가 일반적으로 1/4인 기계식여과기를 사용함으로써 전체적인 크기는 약간 줄일 수 있으나, 필요 부지의 대부분을 차지하고 있는 침전조가 존재하는 관계로 여전히 전체공정을 건설하기 위한 부지가 대단히 크고 침전에 소요되는 시간이 대단히 많이 걸린다. 한편, 탁도 유발물질 제거 성능에서는 일반적으로 모래여과기가 약 50%인 반면 막여과가 아닌 일반적인 기계식 여과기의 경우 85% 이상으로 모래여과기 보다 우수하다.

그리고 화학응집 후 침전조 생략에 의한 직접 기계적 여과처리 기술 중 최근에 개발된 기술인 일반적인 기계식여과기가 아닌 여과막인 1.0 이하의 정밀여과막 혹은 한외여과막을 이용하는 침지식 막여과기술은, 침전조 등의 전처리를 사용하지 않고도 50 NTU 이하의 대상수에 대해서는 운전이 가능하며 사용부지를 축소할 수 있고 처리수질 또한 0.2 NTU 이하로 그 수질 또한 대단히 우수하다.

그러나, 침지식 막여과기술의 경우 고가의 막을 사용하고, 여과 선속도 또한 일반 기계식 여과장치의 1/50 ~ 1/100 인 1.0 m/일로 그 규모가 커지는 탓에 기계식여과기에 비해 장치비가 약 4배 정도 고가이다. 또한, 여과수량을 일정하게 유지하기 위해 제거 대상인 불순물이 막표면에 점착하는 것을 방지하기 위해 상시로 블로워에서 공급되는 대량의 공기를 막표면에 공급하여야 하며, 막 기공을 막고 있는 불순물의 주기적 제거를 위해 통상 매 30분마다 최종 여과수로 역세를 해 주어야 할 뿐 아니라 최소한 연 1회 산/알카리 등에 의한 화학세정을 하여야 하기 때문에 직접운전비가 고가이다. 또한, 이러한 막오염 방지 기술을 적용한 경우에도 고탁도 의 대상수가 유입될 경우 역세주기가 대단히 짧아짐으로 인해 역세수 발생량과 직접운전비가 급속히 증가하여 유입 대상수의 탁도는 통상 50 NTU 정도로 제한되는 문제점이 있었다.

한편, 기계식 여과기의 1단 처리에 의해서는 수백 NTU의 고탁도 대상수 유입 시 처리수질이 통상 약 10 NTU 이상으로 음용수 수질의 일반적 기준인 0.5 NTU 를 훨씬 상회하는 문제가 있고, 이의 개선을 위해 고농도의 응집제를 사용할 경우 여과공극 막힘 현상이 심화되어 잦은 역세로 인한 역세수량이 크게 증가되는 문제가 있어 유입 대상수의 탁도가 50 NTU 이하로 한정되는 단점이 있었다.

이에 본 발명은, 여러 번에 걸쳐 응집제를 투입하여 대상수의 탁도뷰발 물질인 콜로이드를 효과적으로 제거하며, 이에 여과의 품질과 속도를 높이도록 하여 여과효율을 향상시킬 수 있는 다단계 응집여과 수처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은, 원수조의 대상수를 응집여과 처리하여 최종여과수 저장조로 배출시키기 위하여, 유입수를 응집시키는 응집장치와 그 후단에 연결구성되는 여과장치 및 여과수측정계, 그리고 별개의 유로를 선택적으로 개방할 수 있는 이송밸브로 이루어지는 단위 응집여과장치를 복수로 연결하여 마련되는 수처리 장치에 있어서, 원수조의 대상수를 유입수로 하는 제 1공정; 상기 유입수에 응집제를 가해 응집숙성시키는 제 2공정; 상기 제 2공정에서의 배출되는 응집수를 여과하는 제 3공정; 상기 제 3공정에서 배출되는 여과수의 수질판단을 하는 제4공정; 상기 제 4공정의 수질판단에 의해 그 수질판단이 합격인 경우, 최종여과수 저장조로 배출시키고, 불합격의 경우 제 2공정 내지 제 4공정을 반복 수행하는 제 5공정;으로 구성되되, 상기 5공정이 일 응집여과장치에서 이루어지며 그 수질판단이 불합격인 경우, 이행되는 제 2공정 내지 제 4공정은 다음 단계에 구성되는 별도의 응집여과장치에서 이행되는 것을 특징으로 하는 다단계 응집여과 수처리 방법을 제공한다.

삭제

또한, 상기 제 2공정에서의 응집숙성은, 선행되는 일 응집여과장치의 제 2공정의 경우, 응집경쟁반응에서 우세한 소수성 오염물질을 제거하며; 다음 단계의 응 집여과장치의 제 2공정의 경우, 상기 일 응집여과장치의 응집경쟁반응에서 열세였던 친수성 오염물질을 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 다단계 응집여과 수처리 방법을 제공한다.

본 발명은, 소수성 콜로이드과 친수성 콜로이드 간에 무기응집제와의 경쟁반응을 이용한 여러 번으로 나누어진 응집제 투입으로 인하여, 전체적으로 적은 양의 응집제를 사용하여 대상수에 포함된 탁도유발 물질인 콜로이드를 효과적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 여과의 품질 및 속도를 효율적으로 개선하며, 여과수의 일부를 여과장치의 역세척을 위해 활용할 수 있으며, 여과수를 필요에 따라 추출하여 활용할 수 있는 다양한 구성을 가능하도록 하여 여과 효율을 향상시킬 수 있는 기반을 제공할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 최적 응집제 주입량을 실시간 자동 조절하여 수처리 장치의 사용목적 및 환경에 따라 응집제 투입량을 설정치로 데이터화하고 이를 이용한 자동제어가 가능한 장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 각 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 원수조의 대상수를 응집여과 처리하여 최종여과수 저장조로 배출시키는 수처리 방법에 관한 것이다.

특히, 유입수에 응집제를 투입하는 응집장치와 응집수측정계 그리고 상기 응집된 응집수를 여과시켜 여과수로 변환시키는 여과장치와 이에 대한 수질을 판단하는 여과수측정계와 서로 다른 별개의 유로로 안내하는 이송밸브로 이루어지는 단위 응집여과장치를 최소 2단 이상의 다단으로 마련하고, 유입되는 대상수의 유량을 측정하는 수량계, 여과수를 최종여과수 저장조에 직결 가이드 하는 최종관, 다음 단계의 응집여과장치의 응집장치로 이송 가이드 하는 이송관 및 원수조로 반송 가이드 하는 반송관을 포함하여 구성되는 다단계 응집여과 수처리 방법에 관한 것이다.

먼저, 첨부된 도면을 살펴보면, 도 1은 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 개략적인 구성을 보여주는 장치 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 일 실시예로서, 2단의 응집여과장치로 구성된 수처리 장치의 구성도이다.

한편, 도 3a 와 3b 각각은 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치에 있어, 이송밸브의 서로 다른 구성을 비교하여 보여주는 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 구동방법의 일 실시예로서, 2단의 응집여과장치로 구성된 수처리 장치의 흐름도이다.

그리고 도 5는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치에 마련되는 제어장치의 응집제 주입량의 판단의 일 실시 구성도이다.

도 1 내지 도 2 각각에서 보이는 것과 같이, 본 발명의 수처리 방법에 사용되는 장치는 크게, 원수조(10)와 최종여과수 저장조(20) 사이에 구성되는 최소의 2단 이상의 단위 응집여과장치(100)(100-1, 100-2, 100-n)와, 원수조(10)로 부터의 정화 대상인 대상수(a)의 유량을 측정하는 수량계(210) 및 수질을 측정하는 측정계(220)와, 최종관(300), 이송관(400), 반송관(500)으로 구성되는 배관들로 구성된다.

또한, 이에 더하여 상기 수량계(210), 측정계(220) 및 단계별 각 응집수측정계(116)와 여과수측정계(130)에서 얻어지는 측정값들을 수신하고, 상기 수신된 측정값으로 단계별 각 응집제 주입장치(115)의 응집제 주입량 및 상기 이송밸브(140)의 여과수(b) 배출 유로를 결정하는 제어장치(600) 그리고 역세척 공정을 위한 역세관(700), 역세펌프(710), 블로워(720)로 구성된다.

도 1과 도 3a, 3b에서와 같이, 이러한 단위 응집여과장치(100)는 여러 단으로 최소 2이상의 구성으로 마련되며, 응집제를 유입수에 투입하여 응집반응을 행하여 응집수(c)에 응집장치(110)와 배출되는 상기 응집수(c)의 수질 판단을 하는 응집수측정계(116) 및 상기 응집수(c)을 받아 여과시키는 여과장치(120) 그리고 상기 여과장치(120)로부터 유출되는 여과수(b)의 수질을 판단하는 수질측정계(130), 상기 여과수(b)의 이동(배출)시 이동 경로(유로)를 선택할 수 있는 이송밸브(140)로 구성된다.

이러한 상기 단위 응집여과장치(100)는 통상적으로 정수처리 시설에 마련되는 응집조, 숙성조, 여과조 등의 구성으로 이루어지면 충분하다. 상기 응집조, 숙성조는 응집장치(110)에, 그리고 여과조는 여과장치(120)가 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 응집장치(110)에 마련된 응집장치(115)에 의해 유입수에 투입되는 응집제는 통상의 정화시설에 사용되는 것이면 충분하며 이는 유입수에 투입되어 오염물질을 포집하는 것이면 충분하다.(도 3 참조)

응집제 주입율은 원수수질과 처리량에 따라 제어장치(600)에 의해 자동으로 조절하되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 제어장치(600)에 전달하는 응집수(c)의 측정값을 판별하는 응집수측정계(116)가 구성되도록한다. 이러한 응집수측정계(116)는 통상의 제타 포텐셜 측정기나 SCD(Streaming Current Detector, 유동전류계)가 구성되면 충분하다.

도 1과 도 3에서 보이는 것과 같이 각단의 응집여과장치(100)의 여과장치(120)로부터 유출되는 여과수(b)의 수질을 판단하는 수질측정계(130)가 구성된다. 수질측정계(130)에 의한 수질판단 자료는 데이터 처리되어 제어장치(600)에 전송되도록 하며, 전송방법은 유선 또는 무선으로 가능하며 인터넷 망과 같은 통신망을 매개로 하여 원격으로도 그 구성이 가능하다.

한편, 상기 수질측정계(130)를 통과한 여과수(b)는 이동 경로(유로)를 선택 할 수 있는 이송밸브(140)로 유입된다. 도 3a에서와 같이, 이송밸브(140)는 제어장치(600)의 판단에 의한 지시에 의해 상기의 여과수(b)를 최종여과수 저장조(20) 또는 다음 단계의 응집여과장치(100)로 유출시키는 장치이다.

그리고 3b에서와 같이 해당 이송밸브(140)가 속한 응집여과장치(100)가 구성된 마지막 단계의 단위 응집여과장치(100-n)라면 제어장치(600)의 판단에 의한 지시에 의해 상기의 여과수(b)를 최종여과수 저장조(20) 또는 최초의 원수조(10)로 유출시키도록 한다.

이와 같은 유로의 선택이 가능한 이송밸브(140)는 그 구성의 일예로 유입구 및 2개의 서로 다른 배출구로 이루어진 3개의 유로를 가변 개폐하는 3방변 등으로 이루어진 것이면 충분하다.

한편, 도 1에서 와 같이, 원수조(20)에서 최초의 1단 응집여과장치(100-1)로 유입되는 경로에는 유입되는 대상수(a)의 유량을 측정하는 수량계(210) 및 수질을 측정하는 측정계(220)가 구성되고 상기 수량계(210)와 측정계(220) 또한 제어장치(600)로 그 판단 측정값을 데이터 하여 전송하도록 구성한다.

이러한 테이터의 전송은 매초의 간격으로 실시간 제공되어지고 디지털화 되어 프로그램가능한 논리 제어장치(PLC, Programmable Logic Controller), 노트북, 퍼스널 컴퓨터로 구성되는 제어장치(600)에 전달되도록 함이 바람직하다.

상기 제어장치(600)는 도 4와 도 5의 흐름도에서 보이는 판단기준을 포함하 도록하여, 수량계(210), 측정계(220) 및 단계별 각 여과수측정계(130)에서 얻어지는 측정값을 수신하고, 상기 수신된 측정값으로 단계별 각 응집제 주입장치(115)의 응집제 주입량 및 상기 이송밸브(140)의 여과수(b) 배출 유로를 결정하도록 구성되도록 함이 바람직하다.

한편, 최초로 유입되는 대상수는 도면에는 도시되지 않았으나 통상 1mm 정도의 미세망을 형성하는 스크린에 의해 상대적으로 그 크기가 큰 부유물질 등의 이물질이 걸러진 상태로 유입되는 것이 바람직하다.

이러한 제어장치(600)의 판단 논리는 미리 설정된 기준 값에 대한 대소비교의 산술판단은 물론 공지된 인공지능 논리(퍼지이론) 등과 같은 최적 결과 값을 출력할 수 있는 논리판단이 적용될 수 있음은 물론이다.

이에, 도 4 및 도 5에서와 같이, 1단계의 여과수의 수질은 1단계 여과수측정계(130-1)에 의해 실시간 측정되며, 측정된 1단계 여과수의 수질이 사전에 설정된 최종 여과수 수질의 설정치 이내(합격)인 경우, 1단계 여과수는 이송밸브(140-1)의 조절에 따라 2단계의 응집장치(110-2) 및 2단계 여과장치(120-2)를 우회하여 최종여과수 저장소(130)로 안내되도록 상기 제어장치(600)가 이송밸브(140-1)를 제어한다.

그러나, 1단계 여과수의 수질이 최종 여과수 수질의 설정치를 초과한(불합격) 경우 2단계 응집장치(110-2)로 유입되도록 제어장치(600)가 상기 이송밸브(140-1)를 제어하고, 1단계 응집제 주입장치(115-1)의 응집제 최적 주입량 조절 을 위하여

여러 측정장치(210, 220,116-1,130-1)에 의해 제공되는 대상수(a)의 유량 변화, 대상수의 수질 변화 및 1단계 여과수의 수질 변화 정보를 제어장치(600)의 인공지능논리에 대입하여 1단계 응집제 주입장치(110-1)의 응집제 주입량을 증감하게 된다.

이 경우 통상 주입되는 응집제의 증감량은 이전 주입량의 10% 내지 50%, 바람직하게는 20% 이내이거나 3회 이상의 연속으로 하는 이전 주입량의 평균을 적용하여 얻은 수치의 10% 내지 50%, 바람직하게는 20% 이내로 하는 것이 좋다.

최초 응집제 주입량은 원수 탁도에 따라서 이미 결정된 량을 주입하고 일정 시간 후 응집제 주입량을 20%이내에서 하향조절한다. 응집제 주입변화 전후 여과수의 수질 측정값을 비교하여 전보다 낮아지면 20%이내에서 하향조절하되, 전보다 높아지면 20%이내에서 상향조절 한다. 응집제 하향조절후 응집제 상하조절은 상기와 같으나 상향조절후는 여과수 수질값이 낮아지면 응집제 주입량을 상향 조정하고 높아지면 하향조절한다.

한편, 도 2와 도 6 각각을 참조하여 상기 제어장치(600)를 설명하면 다음과 같다.

상기 제어장치(600)는 각 응집여과장치(100-1)의 투입되는 응집제량을 판단하는데, 이 경우 응집제 주입장치(115)에 의해 주입되는 응집제를 조절하여, 일 응 집여과장치(100-1)에서 응집경쟁반응에서 우세한 소수성 오염물질을 제거한다.

즉, 해당 응집여과장치(100-1)의 응집장치(110)에서 주입된 응집제에 의해 유입수(b)는 통상의 급속 교반과 숙성을 거치며, 이 경우 포함된 소수성 오염물질의 플럭 크기가 커지고 이후 이어지는 여과장치(120)에 의해 소수성 오염 물질이 걸려져 제거되는 것이다. 다음으로는 이후 단계의 응집여과장치(100-2)에서는 상기 일 응집여과장치(100-1)의 응집경쟁반응에서 열세였던 친수성 오염물질이 응집제에 의해 제거되도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 수처리 장치는 도 1과 도 2 각각에 보이는 것과 같이, 다수로 마련되는 여과장치(120)에 대한 역세척 공정이 가능하도록 상기 단계별 응집여과장치(100)의 여과장치(120) 각각에는 그 다음 단계의 응집여과장치(100)의 여과장치(120)와 연결된 역세관(700)과, 상기 다음 단계의 응집여과장치(100)의 여과장치(120)의 여과수(b)를 역세수로 하고 이를 이송시키기 위한 역세펌프(710) 및 공기를 공급하기 위한 블로워(720)가 더 마련되도록 한다.

특히, 마지막 단계의 응집여과장치(100)의 여과장치(120)와 연결된 역세관(700)은 최종여과수 저장조(20)와 연결된 되도록 한다.

한편, 상술한 역세척은 가동되었던 응집여과장치(100)들만이 역세수 공급 동작이 일어나도록 함이 바람직하다. 즉, 간단한 예로서 5단계의 응집여과장치(100)들이 구성된 경우 제어부(600)의 판단에 따라 주 동작하는 응집여과장치(100)가 최초단에서 3단계 까지만 사용되는 경우 역세공정은 나머지 4단과 5단의 응집여과장 치 각각에는 역세수 공급을 하지 않도록 함이 바람직하다.

그리고 본 발명은 상기 최종여과수 저장조(20) 후단에는 후처리 공정인 멤브레인 필터정치(membrane)를 더욱 구성할 수 있다. 특히, 상기 멤브레인(membrane) 필터장치에는 정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane), 한외여과막(UF; Ultrafiltration Membrane), 나노여과막(NF; Nanofiltration Membrane), 역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane) 중 일 선택되거나 또는 그 조합으로 마련되어 다양한 수처리 고정에 적합하도록 한다.

한편, 상기 멤브레인(분리막)은 삼투작용이 일어나는 반투막과 같이 아주 작은 구멍이 형성되어 있는 삼투막을 인공적으로 구성하는 것으로서, 이러한 역삼투압 방식으로 대상수를 정화할 경우, 그 구멍의 크기가 워낙 작아서 대상수 안에 들어있는 각종 미네랄, 미생물뿐 아니라 소금까지 정화시켜 버리며 이런 원리를 이용하여 해수담수화에 이용할 수 있다.

이러한 멤브레인의 분류별 특성은 보통 4-5단계까지의 필터가 있으며 다음과 같다. 먼저, 정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane)은 0.1 ~ 2.0 마이크론미터의 이물질을 제거할 수 있으며, 한외여과막(UF; Ultrafiltration Membrane)은 0.01 ~ 0.1 마이크론미터의 이물질을 제거, 나노여과막(NF; Nanofiltration Membrane)은 0.001 ~ 0.1 마이크론미터의 이물질을 제거, 역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane)은 0.0001 마이크론미터의 이물질을 제거할 수 있도록 구성된다.

한편, 상술한 다단계 응집여과 수처리 장치에 대한 수처리 방법은 다음과 같다. 먼저, 상기와 같이, 원수조(10)의 대상수(a)를 응집여과 처리하여 최종여과수 저장조(20)로 배출시키기 위하여, 유입수를 응집시키는 응집장치와 그 후단에 연결구성되는 여과장치 및 여과수측정계, 그리고 별개의 유로를 선택적으로 개방할 수 있는 이송밸브로 이루어지는 단위 응집여과장치를 복수로 연결하여 마련되는 수처리 장치가 마련된다.

먼저, 원수조(10)의 대상수(a)를 유입수로 하는 제 1공정, 그리고 상기 유입수에 응집제를 가해 응집숙성시키는 제 2공정, 그리고 상기 제 2공정에서의 배출되는 응집수를 여과하는 제 3공정, 그리고 상기 제 3공정에서 배출되는 여과수의 수질판단을 하는 제4공정, 그리고 상기 제 4공정의 수질판단에 의해 그 수질판단이 합격인 경우, 최종여과수 저장조(20)로 배출시키고, 불합격의 경우 제 2공정 내지 제 4공정을 반복 수행하는 제 5공정으로 구성되도록 한다.

특히, 상기 5공정이 일 응집여과장치에서 이루어지며 그 수질판단이 불합격인 경우, 이행되는 제 2공정 내지 제 4공정은 다음 단계에 구성되는 별도의 응집여과장치에서 이행되도록 한다.

한편, 상기 제 2공정에서의 응집숙성은, 도 6에서와 같이, 선행되는 일 응집여과장치의 제 2공정의 경우, 응집경쟁반응에서 우세한 소수성 오염물질을 제거하며, 다음 단계의 응집여과장치의 제 2공정의 경우, 상기 일 응집여과장치의 응집경쟁반응에서 열세였던 친수성 오염물질을 제거하도록 하도록 한다.

이에 더하여 도 3에 관하여 상세히 설명하면, 소수성 오염물질과 친수성 오 염물질 간에 응집제와의 경쟁반응이란 소수성 오염물질이 일반적으로 응집제와의 반응성이 친수성 오염물질보다 훨씬 크기 때문에 소수성 오염물질이 다수 포함되어 있는 대상수의 경우 오염물질의 크기를 크게 하기 위해 응집제를 주입하여도 주입된 대부분의 응집제가 소수성 오염물질의 크기만 크게 하는 데에 소모되고 친수성 오염물질은 크기가 커질 수 있는 기회가 적게 되는 원리를 의미한다.

즉, 두 개의 여과장치(1단계와 2단계)를 직렬연결하여 대부분의 소수성 오염물질과 일부의 친수성 오염물질을 1단계 응집여과장치(100-1)에서 제거한 후 2단계 응집여과장치(100-2)로 대부분의 친수성 오염물질과 잔여 소수성 오염물질을 제거하게 되면 적은 양의 응집제를 사용하여 대상수에 포함된 탁도 유발 물질인 오염물질을 대단히 효과적으로 제거할 수 있다.

따라서, 이러한 경우에 사용되는 총 응집제의 소모량을 줄이기 위해 1단계 여과장치(130)에서 소수성 오염물질을 제거함으로써 최종적으로 제거되어야 할 친수성 오염물질이 응집제와 반응을 할 수 있는 환경을 만들어 주게 되고 응집제와의 반응에 의해 그 크기가 커진 친수성 오염물질을 2단계 여과장치(130)에서 제거함으로써 친수성 오염물질의 응집에 필요한 응집제의 사용량을 대폭 줄일 수 있게 된다.

특히, 도 5에서와 같이, 본 발명에 따른 2단계 응집여과장치를 사용하는 경우에도 각 여과장치(1단계, 2단계)의 전단에 위치한 응집장치에 주입되는 응집제의 농도에 따라 여과성능에서 큰 차이가 있게 되는 것이다.

이하, 상술한 본 발명에 대하여 종래 기술과의 비교분석한 자료를 살펴보기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 다단계 응집직접여과 수처리 장치(2단계로 구성)를 전처리로 하고 후처리로 멤브레인(특히, UF, MF)을 채택한 정수공정을 비교하였다.

아래 첨부된 <표 1>은 정수공정에서 멤브레인 전처리장치 비교로서, 종래의 전처리장치인 응집침전방식보다 장치의 부지가 감소되고 여과수질이 우수하여 멤브레인의 설치수량을 줄이거나 교환주기를 연장할 수 있는 이점이 있는 것을 알 수 있다.

한편, <표 1>의 약품주입량과 여과수질은 원수탁도가 평시에서 높은 강우강도까지 즉, 10 NTU에서 300 NTU에 이르기까지를 기준으로 한 예상치이다. (체류시간: 상수도 시설기준 (1997년도판) 참조 / 원수탁도 10 ~ 300 NTU기준)

구분		2단 응집직접여과	응집+침전
체류시간	응집	순간 ( Line mixer )	15분
	숙성	5분 ( 2.5분 * 2단 )	15분
	침전	-	240분
	여과	5분 ( 2.5분 * 2단 )	-
	합계	10분 ( 1 )	270분 ( 27 )
약품주입량		5 ~ 10 mg/l	30 ~ 50 mg/l
여과수질		0.1 ~ 0.5 NTU	1.0 ~ 2.5 NTU

다음으로, 본 발명에 따른 다단계 응집직접여과 수처리 장치(2단계로 구성)를 전처리로 하고 후처리로 역삼투막(RO)을 채택한 하수방류수재활용이나 해수담수화 공정의 경우 아래의 <표 2>와 같이 최근의 일반적 RO전처리장치인 멤브레인(UF, MF)방식보다 투자비와 운전비가 감소할 수 있게 됨을 알 수 있다.

한편, <표 2>는 RO전처리장치 비교-응집+RSF(급속모래여과)+UF/MF와 2단 응집직접여과장치이다.(설치비 : 물가자료 2009.02월 p.830/832 참조(유량 : 150m³/일)

구분		2단 응집직접여과	응집+RSF+UF/MF
투자비	설치비(백만원)	46.2	73.0
투자비	투자원단위(천원/m³/day)	308 (1)	487 (1.6)
운전비	전력비 (원/일, 55원/kw)	963.6	2304.1
	약품비 (원/일, 250원/l 17% PAC)	750.0 (20mg/l)	1125.0 (30mg/l)
	운전원단위 (원/m³)	11.4 (1)	22.9 (2.0)

상술한 예에서와 같이, 수처리 공정 등에 있어서 기존의 표준방식은 그 공정 소요시간이 응집(15분)-숙성(15분)-첨전(240분)-여과(30분)등으로 개략 300분정도로 장시간이 소요되어 설치부지와 건설비용이 많고 운전동선도 매우 큰것을 알 수 있다.

이에 본 발명 따른 다단계 응집여과 수처리 장치를 설치하여 5~15분 정도의 단시간에 처리되도록 개선하고, 대상수의 수질변동폭이 큰 상황(평시:30NTU이하, 강우시:30~300NTU, 폭우시:300NTU이상)에서 기존의 표준방식은 처리유량감소나 응집제 주입량 증가, 흡착공정 추가운전 등으로 대처하나 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치를 설치하고 상황에 따라 적정 처리단계가 자동으로 선택되고 약품량도 자동 조절되도록하여 여과수가 늘 설정치 이내로 처리될 수 있는 수처리공정을 제공하도록 함이 바람직하다.

한편, 도 7은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 저탁도 대상수(15 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도에 따른 1단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 고탁도 대상수(300 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도에 따른 1단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 중탁도 대상수(100 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도를 10 mg/L으로 운전한 경우 2단 응집제의 주입 농도에 따른 2단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프이다.

상기 도 7 내지 도 9에서 나타난 바와 같이, 응집제의 주입농도가 낮은 경우 플럭의 크기가 너무 작아 여과성능이 당연히 저하되지만, 응집제의 주입농도가 너무 높을 경우에도 수용액의 Zeta 전위가 양전하로 치우치면서 오히려 플럭의 크기가 작아짐으로 인해 탁도 제거율이 저하될 뿐 아니라 과도한 응집제 주입에 따른 운전비의 상승과 수용액의 점도 상승에 의한 역세주기가 감소함에 따른 역세 농축수 발생량이 증가하는 등의 이중 손실을 보게 됨을 알 수 있다.

결론적으로 고탁도와 저탁도 사이를 급속히 변화하는 대상수를 다단계 응집여과 수처리 장치로 안정적으로 여과하기 위해서는 응집제의 실시간 자동 조절이 필수적으로 동반되어야 바람직하다.

다음 <표 3> 내지 <표 5> 각각은 도 7 내지 도 9의 결과를 정리한 것이다.

<표 3> 내지 <표 5> 각각에서 나타난 바와 같이, 탁도의 차이가 20배 차이가 나는 저탁도대상수(도 7)와 고탁도대상수(도 8)의 최적 응집제 주입 농도는 20 ppm으로 거의 동일한 반면, 저탁도 대상수(도 7)의 경우 약 10 ppm의 응집제 주입량 차이에 의해 여과수의 평균 탁도는 0.3 NTU 에서 2.39 NTU 까지 변하게 되고, 고탁도 대상수(도 8)의 경우 5 ppm의 응집제 주입농도 차이에 의해 7.5 NTU 에서 14.4 NTU 까지 여과수 탁도 차이를 보이고 있다.

또한 2단계 여과장치에서도 유사하게 5 ppm 의 응집제 주입농도 차이에 의해 0.33 NTU 에서 2.86 NTU 까지의 여과수 탁도 차이를 보이고 있다.

즉, 종래의 방법에 의하면 대상수의 탁도에 비례하여 응집제의 주입량을 비례 증감하는 피드 포워드 컨트롤(Feed Forward Control) 방법으로 실시간 응집제의 양을 조절하였는데, 만약 탁도의 변화가 급격히 일어나는 대상수에 이 방법대로 실시간 조절하였다면 응집제의 최적 주입량과는 너무나 동떨어진 운전에 의해 2단계 응집여과장치의 장점인 안정적 최종 여과수 수질의 확보가 어렵게 되지만, 본 발명은 이러한 문제점을 해결한다.

저탁도(15 NTU) 유입 시 응집제(17% PAC) 주입농도에 따른 1단계 여과수 탁도 및 역세주기.

고탁도(300 NTU) 유입 시 응집제(17% PAC) 주입농도에 따른 1단계 여과수 탁도 및 역세주기.

중탁도(100 NTU) 유입 시 응집제(17% PAC) 주입농도에 따른 2단계 여과수 탁도.

한편, 첨부된 도 10은 가상의 대상수 탁도 변화 그래프이고, 도 11은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 응집제 주입량을 도 10의 가상의 대상수 탁도 변화에 적용하였을 때 1단계 응집제 주입량의 변화를 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 그래프 및 도 12는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 응집제 주입량을 도 10의 가상의 대상수 탁도 변화에 적용하였을 때 1단계 여과수의 탁도 변화를 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 가상의 그래프이다.

도 10 내지 도 12 각각을 살펴보면, 비록 가상의 상황을 설정한 후 연산에 의해 나온 결과이나, 이 결과에 의하면 본 발명에서 제시한 방법이 종래의 방법보다 응집제 사용량이 적으면서도 1단계 여과수 수질이 종래의 방법보다 우수함을 알 수 있다.

도 13은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 역세주기별 대상수 평균 탁도 변화에 따른 각 단계별 응집제 주입량 및 역세주기의 변화를 나타낸 그래프 및 도 14는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 운전일자별 대상수, 1단계 여과수 및 2단계 여과수의 일 평균 탁도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 13과 도 14에 의하면, 역세주기별 평균 탁도가 1,800 NTU 까지 변화할 때 이에 대응하는 1차 응집제의 최적 주입량이 약 10 에서 23 ppm까지 실시간 자동 조절됨으로써 1차 여과수 일 평균 탁도는 약 4 에서 11 NTU 까지 조절(전체 평균 6.8 NTU)되었으며, 후속되는 2단 응집제 최적 주입량은 거의 5 ppm 수준에서 2단 여과수의 평균 탁도는 약 0.1 NTU 수준에서 매우 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 역삼투막(RO)이 마련되는 멤브레인 필터장치로 유입되는 2단계 여과수의 운전일자별 오염물질 지표지수(SDI; Silt density index) 변화를 나타낸 그래프이다.

상기의 도 15를 살펴보면, 염분을 함유한 하수처리장 방류수 재활용을 위해 도 1과 같이 전처리공정을 구성하고 멤브레인 필터(Membrain Filter) 유입수의 SDI(Silt Density Index)를 나타낸 것으로서, SDI가 통상 5이하면 RO 멤브레인으로의 유입이 가능하고 3이하면 적합한 전처리설비로 평가되는데, 3개월 이상 연속운전시에도 80%이상이 3이하로 평균 2.6의 안정적인 성능유지가 되었음을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시한 예를 위주로 상술하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 각 구성요소는 동일한 목적 및 효과의 달성을 위하여 본 발명의 기술적 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 개략적인 구성을 보여주는 장치 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 일 실시예로서, 2단의 응집여과장치로 구성된 수처리 장치의 구성도.

도 3a 와 3b 각각은 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치에 있어, 이송밸브의 서로 다른 구성을 비교하여 보여주는 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치의 구동방법의 일 실시예로서, 2단의 응집여과장치로 구성된 수처리 장치의 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 다단계 응집여과 수처리 장치에 마련되는 제어장치의 응집제 주입량의 판단의 일 실시 구성도.

도 6은 소수성 오염물질과 친수성 오염물질 간의 응집제와의 경쟁반응의 원리를 설명하는 도면.

도 7은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 저탁도 대상수(15 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도에 따른 1단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프.

도 8은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 고탁도 대상수(300 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도에 따른 1단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 중탁도 대상수(100 NTU) 유입 시 1단계 응집제 주입 농도를 10 mg/L으로 운전한 경우 2단 응집제의 주입 농도에 따른 2단계 여과수 탁도의 변화를 나타낸 그래프.

도 10은 가상의 대상수 탁도 변화 그래프.

도 11은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 응집제 주입량을 도 10의 가상의 대상수 탁도 변화에 적용하였을 때 1단계 응집제 주입량의 변화를 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 그래프.

도 12는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 응집제 주입량을 도 10의 가상의 대상수 탁도 변화에 적용하였을 때 1단계 여과수의 탁도 변화를 종래의 경우와 본 발명의 경우를 비교한 가상의 그래프.

도 13은 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 역세주기별 대상수 평균 탁도 변화에 따른 각 단계별 응집제 주입량 및 역세주기의 변화를 나타낸 그래프.

도 14는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 운전일자별 대상수, 1단계 여과수 및 2단계 여과수의 일 평균 탁도 변화를 나타낸 그래프.

도 15는 본 발명의 수처리 장치에 따른 실시예로서, 역삼투막(RO)이 마련되는 멤브레인 필터장치로 유입되는 2단계 여과수의 운전일자별 오염물질 지표지수(SDI; Silt density index) 변화를 나타낸 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10 : 원수조 20 : 최종여과수 저장조

110 : 응집장치 115 : 응집제 주입장치

116 : 응집수측정계 120 : 여과장치

130 : 여과수측정계 140 : 이송밸브

210 : 수량계 220 : 측정계

300 : 촤종관 400 : 이송관

500 : 반송관 600 :제어장치

700 : 역세관 710 : 역세펌프

720 : 블로워

a : 대상수 b : 여과수

c : 응집수 d : 반송수

Claims

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원수조(10)의 대상수(a)를 응집여과 처리하여 최종여과수 저장조(20)로 배출시키기 위하여, 유입수를 응집시키는 응집장치와 그 후단에 연결구성되는 여과장치 및 여과수측정계, 그리고 별개의 유로를 선택적으로 개방할 수 있는 이송밸브로 이루어지는 단위 응집여과장치를 복수로 연결하여 마련되는 수처리 장치에 있어서,

원수조(10)의 대상수(a)를 유입수로 하는 제 1공정;

상기 유입수에 응집제를 가해 응집숙성시키는 제 2공정;

상기 제 2공정에서의 배출되는 응집수를 여과하는 제 3공정;

상기 제 3공정에서 배출되는 여과수의 수질판단을 하는 제4공정;

상기 제 4공정의 수질판단에 의해 그 수질판단이 합격인 경우, 최종여과수 저장조(20)로 배출시키고, 불합격의 경우 제 2공정 내지 제 4공정을 반복 수행하는 제 5공정;으로 구성되되,

상기 5공정이 일 응집여과장치에서 이루어지며 그 수질판단이 불합격인 경우, 이행되는 제 2공정 내지 제 4공정은 다음 단계에 구성되는 별도의 응집여과장치에서 이행되는 것을 특징으로 하는 다단계 응집여과 수처리 방법.
제 6항에 있어서, 상기 제 2공정에서의 응집숙성은,

선행되는 일 응집여과장치의 제 2공정의 경우, 응집경쟁반응에서 우세한 소수성 오염물질을 제거하며;

다음 단계의 응집여과장치의 제 2공정의 경우, 상기 일 응집여과장치의 응집경쟁반응에서 열세였던 친수성 오염물질을 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 다단계 응집여과 수처리 방법.