KR100964877B1 - 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치에 관한 것으로서, 유입원수 및 염화나트륨(NaCl) 용액을 공급받아 이온교환방식에 의해 유입원수 내에 존재하는 음이온성 오염물질을 제거하는 이온교환막 반응조; 이온교환막 반응조에 이온교환 작용을 위해 공급되는 염화나트륨 용액을 저장하는 염화나트륨 용액 저장조; 이온교환막 반응조로부터 이온교환 작용을 거친 처리수를 공급받아 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 제거하는 정밀여과막 반응조; 이온교환막 반응조에 침지식으로 설치되며, 유입원수와 염화나트륨 용액 간의 이온교환 작용을 통해 유입원수 내의 음이온성 오염물질을 염화나트륨 용액쪽으로 전달하는 이온교환막 모듈; 및 상기 정밀여과막 반응조에 침지식으로 설치되며, 상기 이온교환막 반응조로부터 공급된 처리수를 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 걸러내는 정밀여과막 모듈을 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 이온교환막을 직접 반응조에 침지시킨 형태의 이온교환막 공정과 침지식 정밀여과 공정을 결합함으로써 유입원수에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.

정수처리, 음이온성, 이온교환, 여과막, 오염물질

Description

정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치{Apparatus for removing anionic pollutants and particulates in water purifying treatment}

본 발명은 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치에 관한 것으로서, 특히 이온교환막 공정과 정밀여과 공정을 결합함으로써 유입원수에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 제거할 수 있는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치에 관한 것이다.

질산성 질소는 산소와 유기질소가 박테리아에 의하여 산화되면서 생성되며, 토양, 물, 식물 등 자연계에 다량 존재하고 있다. 특히 소규모 정수처리 시설의 상수원으로 사용되는 지하수에는 질산성 질소의 농도가 높게 나타나는 경우가 많은데, 이는 지질학적 요인, 인공비료의 사용, 축산폐기물의 유입, 하수관거(下水管渠)의 불량 등에 기인한다. 질산성 질소는 체내에 흡수되어 헤모글로빈과 산소의 결합력을 떨어뜨려 산소결핍을 야기시켜 유아의 피부색이 청색으로 변하는 청색증을 유발하는 것으로 알려져 있기 때문에 정수처리 과정에서 반드시 제거되어야 한다. 현재 국내 처리수 수질기준에서는 정수처리수 내 질산성 질소의 농도를 10 mg/L 이하로 정하고 있다.

퍼클로레이트는 군사용 폭발물과 로켓추진체의 기폭제, 성냥, 윤활유, 반도체의 세정제 등으로 사용되고 있는 물질이다. 퍼클로레이트는 자연계로 유출되면 지하수나 지표수 등을 오염시키게 되며, 화학적 안정성이 높아서 생물학적으로 잘 분해되지 않아서 자연계에서 장기간 존재하게 된다. 퍼클로레이트는 호흡기와 피부 등을 자극하고 갑상샘 장애를 유발하는 독성 물질로 알려져 있기 때문에 정수처리 과정에서 제거할 필요성이 있으나, 아직까지 정수처리 수질기준에 반영되어 있지는 않다.

입자성 물질은 부유성 고형물, 콜로이드, 박테리아, 병원성 원생동물 등을 포함하며, 인체에 유해한 영향을 줄 수 있기 때문에 정수처리 과정에서 반드시 제거되어야 한다. 입자성 물질의 수질기준은 보통 탁도로 표시하며, 병원성 원생동물의 처리효율까지 높게 유지하기 위해서는 0.1 NTU(nephelometric turbidity unit) 이하의 처리수 탁도를 유지하는 것을 권장하고 있다.

정수처리에서 질산성 질소나 퍼클로레이트 등 음이온성 오염물질을 제거하기 위해서는 이온교환수지를 사용하거나, 나노여과, 저압역삼투, 전기투석 등의 방법이 적용되고 있다. 그러나 이온교환 수지는 처리비용이 높고 주기적인 재생이 필요하기 때문에 유지관리가 까다롭다는 문제점이 있으며, 나노여과나 전기투석은 처리비용 및 전력소모량에 비하여 처리효율이 높지 않다는 단점을 지닌다. 저압역삼투 공정은 나노여과와 유사한 6∼10 기압의 작동압력에서 질산성 질소나 퍼클로레이트를 높은 효율로 제거할 수 있으나 공정 자체의 한계 때문에 처리수의 회수율을 80% 이상으로 향상시키는 것이 어려우며, 혼화-응집-침전기술에 기반한 기존 정수처리 공정에 비해서는 처리비용이 높은 편이다.

반면에 이온교환막 공정은 나노여과나 역삼투, 전기투석에 비하여 에너지 소모량과 처리비용이 낮기 때문에 음이온성 오염물질을 제거하기 위한 대안으로서 제시되고 있다. 이온교환막은 보통 평막 형태로 제조되기 때문에 집적도를 높이기 위해서 스택(stack)을 구성하게 된다. 그러나 이러한 스택은 구조적으로 복잡하여 고가이기 때문에 현장에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 이온교환막에 의한 음이온성 오염물질의 제거과정에서 물질전달 속도가 처리효율과 밀접한 관계가 있으나 스택에서는 이러한 물질전달 속도를 높게 유지하기 어려운 문제가 발생하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 정수처리에서 이온교환막을 직접 반응조에 침지시킨 형태의 이온교환막 공정과 침지식 정밀여과 공정을 결합함으로써 유입원수에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치는, 정수처리에서 유입원수 내에 존재하는 음 이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 제거하기 위한 장치로서,

상기 유입원수 및 염화나트륨(NaCl) 용액을 공급받아 이온교환방식에 의해 유입원수 내에 존재하는 음이온성 오염물질을 제거하는 이온교환막 반응조;

상기 이온교환막 반응조에 이온교환 작용을 위해 공급되는 염화나트륨 용액을 저장하는 염화나트륨 용액 저장조;

상기 이온교환막 반응조로부터 이온교환 작용을 거친 처리수를 공급받아 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 제거하는 정밀여과막 반응조;

상기 이온교환막 반응조에 침지식으로 설치되며, 유입원수와 염화나트륨 용액 간의 이온교환 작용을 통해 유입원수 내의 음이온성 오염물질을 염화나트륨 용액쪽으로 전달하는 이온교환막 모듈; 및

상기 정밀여과막 반응조에 침지식으로 설치되며, 상기 이온교환막 반응조로부터 공급된 처리수를 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 걸러내는 정밀여과막 모듈을 포함하는 점에 그 특징이 있다.

더 나아가, 상기 이온교환막 반응조에 유입원수를 공급하기 위한 유입원수 공급펌프를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 염화나트륨 용액 저장조와 상기 이온교환막 반응조 간에 염화나트륨 용액을 순환 이동시키기 위한 염화나트륨 용액 순환펌프를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온교환막 반응조와 상기 정밀여과막 반응조에는 반응 촉진을 위한 기포를 발생시키기 위한 산기관이 각각 더 설치될 수 있다.

또한, 상기 염화나트륨 용액 저장조에는 상기 이온교환막 반응조를 거쳐 환수된 염화나트륨 용액과 저장조 내에 남아있던 염화나트륨 용액이 서로 잘 섞일 수 있도록 하기 위한 교반기가 더 설치될 수 있다.

또한, 상기 정밀여과막 모듈의 여과막에 의한 여과를 위한 압력을 제공하기 위한 감압펌프를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온교환막 반응조, 염화나트륨 용액 저장조 및 정밀여과막 반응조는 하나의 일체형 용기 내에 두 개의 격벽이 설치되어 형성된 3개의 실에 각각 마련되어, 전체적으로 하나의 장치를 이루는 구조로 구성된다.

또한, 상기 이온교환막 모듈은 2장의 평막 형태의 음이온 교환막과, 그 2장의 음이온 교환막 사이에 설치되는 그물형 스페이서를 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 이온교환막을 직접 반응조에 침지시킨 형태의 이온교환막 공정과 침지식 정밀여과 공정을 결합함으로써 유입원수에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자 성 오염물질의 제거장치는 이온교환막 반응조(20), 염화나트륨 용액 저장조(30), 정밀여과막 반응조(40), 이온교환막 모듈(21), 정밀여과막 모듈(41)을 포함하여 구성된다.

상기 이온교환막 반응조(20)는 유입원수 및 염화나트륨(NaCl) 용액을 공급받아 이온교환 방식에 의해 유입원수 내에 존재하는 음이온성 오염물질(예를 들면, 질산성 질소, 퍼클로레이트 등)을 제거한다.

상기 염화나트륨 용액 저장조(30)는 상기 이온교환막 반응조(20)에 이온교환 작용을 위해 공급되는 염화나트륨 용액(32)을 저장한다.

상기 정밀여과막 반응조(40)는 상기 이온교환막 반응조(20)로부터 이온교환 작용을 거친 처리수를 공급받아 정밀 여과하여 입자성 오염물질(예를 들면, 콜로이드, 박테리아 등)을 제거한다.

상기 이온교환막 모듈(21)은 상기 이온교환막 반응조(20)에 침지식으로 설치되며, 유입원수와 염화나트륨 용액 간의 이온교환 작용을 통해 유입원수 내의 음이온성 오염물질을 염화나트륨 용액쪽으로 전달한다.

상기 정밀여과막 모듈(41)은 상기 정밀여과막 반응조(40)에 침지식으로 설치되며, 상기 이온교환막 반응조(20)로부터 공급된 처리수를 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 걸러낸다.

여기서, 상기 이온교환막 반응조(20)에 유입원수를 공급하기 위한 유입원수 공급펌프(11)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 염화나트륨 용액 저장조(30)와 상기 이온교환막 반응조(20) 간에 염화나트륨 용액을 순환 이동시키기 위한 염화나트륨 용액 순환펌프(22)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온교환막 반응조(20)와 상기 정밀여과막 반응조(40)에는 각 반응조에서의 반응 촉진을 위한 기포를 발생시키기 위한 산기관(51)(52)이 각각 더 설치될 수 있다. 이와 같은 산기관(51)(52)이 설치될 경우, 이들 산기관(51)(52)은압축 공기를 불어넣어 줌으로써 산기관(51)(52)으로부터 미세한 기포를 발생시킬 수 있도록 하는 폭기용 컴프레셔(50)와 기계적으로 연결된다.

또한, 상기 염화나트륨 용액 저장조(30)에는 상기 이온교환막 반응조(20)를 거쳐 환수된 염화나트륨 용액과 저장조(30) 내에 남아있던 염화나트륨 용액이 서로 잘 섞일 수 있도록 하기 위한 교반기(31)가 더 설치될 수 있다.

또한, 상기 정밀여과막 모듈(41)의 여과막에 의한 여과를 위한 압력을 제공하기 위한 감압펌프(42)를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 이온교환막 반응조(20), 염화나트륨 용액 저장조(30), 및 정밀여과막 반응조(40)는 하나의 일체형 용기(예컨대, 상면이 개방된 직육면체의 박스형 구조체) 내에 두 개의 격벽(25a)(25b)이 설치되어 형성된 3개의 실에 각각 마련되어, 전체적으로 하나의 장치를 이루는 구조로 구성된다.

도 1에서 참조번호 10은 유입원수 취수부, 12는 유입원수 공급관, 23은 염화나트륨 용액 공급관, 24는 염화나트륨 용액 배출관, 43은 처리수 공급부, 44는 농축수 밸브, 45는 농축수 처리부를 각각 나타낸다.

도 2는 이온교환막 반응조의 구성을 보여주는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이온교환막 반응조(20)는 침지식 이온교환막 모듈(21)과 NaCl 용액의 공급관(23) 및 배출관(24), 그리고 상기 침지식 이온교환막 모듈(21) 하단에 존재하는 산기관(51)으로 구성된다.

여기서, 상기 이온교환막 모듈(21)은 도 3에 도시된 바와 같이, 2장의 평막 형태의 음이온 교환막(26)과, 그 2장의 음이온 교환막(26) 사이에 설치되는 그물형 스페이서(27)로 구성된다. 이와 같이 이온교환막 모듈(21)은 2장의 음이온 교환막(26) 사이에 그물형 스페이서(27)를 개재시킴으로써 NaCl 용액이 순환될 수 있도록 하며, 상기 음이온 교환막(26) 두 장을 접착하여 막의 외부와 내부에 있는 용액이 직접 접촉하지 않도록 구성된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치의 동작에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하면서 설명해 보기로 한다.

먼저, 유입원수는 취수부(10)를 통하여 유입원수 공급펌프(11)의 흡입력에 의하여 장치(본 발명의 장치) 내의 유입원수 공급관(12)으로 유입되어 이온교환막 반응조(20)로 유입된다.

상기 유입원수는 소정의 체류시간 동안 상기 이온교환막 반응조(20)에 머물게 되며, 그 과정에서 상기 이온교환막 반응조(20) 내에 침지되어 있는 이온교환막 모듈(21)에 의하여 상기 유입원수 내에 존재하는 질산성 질소 및 퍼클로레이트 등의 음이온성 오염물질이 음이온 교환막(26) 내부로 전달된다. 이때 이온교환막 모듈(21) 내부에는 고농도의 NaCl 용액이 NaCl 용액 순환펌프(22)에 의하여 흐르게 되고, 유입되는 음이온성 오염물질의 농도와 비례하여 염소 이온이 상기 이온교환막 모듈(21) 내부에서 외부로 전달된다. 그 결과 상기 반응조(20) 내부에서 음이온성 오염물질의 농도는 감소하고 염소 이온의 농도는 증가한다.

이때 음이온성 오염물질과 염소 이온의 교환은 상기 음이온 교환막(26) 표면의 물질전달 효율과 밀접한 관계가 있는데, 여기서는 폭기용 컴프레셔(50)에 의하여 압축된 공기를 불어넣음으로써 이온교환막 모듈(21) 하단에 위치한 산기관(51)으로부터 미세한 기포를 발생시키고, 이를 이용하여 상기 이온교환막 모듈(21) 표면에 전단력을 발생시킨다. 그 결과 음이온 교환막(26) 표면의 농도분극 현상이 감소하게 되어 물질전달 효율이 증가하게 되며, 그 결과 음이온성 오염물질과 염소이온의 교환속도가 빨라져, 음이온성 오염물질의 제거효율이 높게 유지된다.

상기의 원리에 의하여 음이온성 오염물질이 제거된 유입원수는 격벽(25a)을 넘어 이온교환 반응조(20)에서 정밀여과막 반응조(40)으로 이송된다. 그러면 정밀여과막 반응조(40)에서는 정밀여과막 모듈(41)의 작용에 의해 콜로이드 및 박테리아와 같은 입자성 물질과 병원성 미생물 등을 제거하게 된다. 이때 정밀여과막에 의한 여과를 위한 구동압력은 감압펌프(42)을 이용하게 된다. 또한 여과과정 중에서 여과막 표면에서의 전단력을 발생시키기 위하여 정밀여과막 모듈(41) 하단에 위치한 산기관(52)으로부터 미세한 기포를 발생시킨다. 이렇게 하여 최종적으로 처리된 물은 처리수 공급부(43)로 이송된다. 일정 시간 동안 여과를 수행한 후에는 정밀여과막 반응조(40) 하단에 위치한 농축수 밸브(44)를 개방하여 농축수를 배출하고, 배출된 농축수는 농축수 처리부(45)로 이송한다.

이상에서와 같이, 본 발명의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치는 하나의 장치에서 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 연속적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 이온교환막을 직접 반응조에 침지시킨 형태의 이온교환막 공정과 침지식 정밀여과 공정을 결합함으로써 유입원수에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 보다 효과적으로 제거할 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치에서의 이온교환막 반응조의 구성을 보여주는 도면.

도 3은 도 1의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치에서의 이온교환막 모듈의 구성을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10...유입원수 취수부 11...유입원수 공급펌프

12...유입원수 공급관 20...이온교환막 반응조

21...침지식 이온교환막 모듈 22...NaCl용액 순환펌프

23...NaCl용액 공급관 24...NaCl용액 배출관

26...음이온 교환막 27...그물형 스페이서

30...NaCl용액 저장조 31...교반기

32...NaCl 용액 40...정밀여과막 반응조

41...침지식 정밀여과막 모듈 42...감압 펌프

43...처리수 공급부 44...농축부 밸브

45...농축수 처리부 50...폭기용 컴프레셔

51,52...산기관 25a,25b...격벽

Claims (8)

1. 정수처리에서 유입원수 내에 존재하는 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질을 제거하기 위한 장치로서,

   상기 유입원수 및 염화나트륨(NaCl) 용액을 공급받아 이온교환방식에 의해 유입원수 내에 존재하는 음이온성 오염물질을 제거하는 이온교환막 반응조;

   상기 이온교환막 반응조에 이온교환 작용을 위해 공급되는 염화나트륨 용액을 저장하는 염화나트륨 용액 저장조;

   상기 이온교환막 반응조로부터 이온교환 작용을 거친 처리수를 공급받아 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 제거하는 정밀여과막 반응조;

   상기 이온교환막 반응조에 침지식으로 설치되며, 유입원수와 염화나트륨 용액 간의 이온교환 작용을 통해 유입원수 내의 음이온성 오염물질을 염화나트륨 용액쪽으로 전달하는 이온교환막 모듈; 및

   상기 정밀여과막 반응조에 침지식으로 설치되며, 상기 이온교환막 반응조로부터 공급된 처리수를 정밀 여과하여 입자성 오염물질을 걸러내는 정밀여과막 모듈을 포함하며,

   상기 이온교환막 반응조와 상기 정밀여과막 반응조에는 반응 촉진을 위한 기포를 발생시키기 위한 산기관이 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이온교환막 반응조에 유입원수를 공급하기 위한 유입원수 공급펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 염화나트륨 용액 저장조와 상기 이온교환막 반응조 간에 염화나트륨 용액을 순환 이동시키기 위한 염화나트륨 용액 순환펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 염화나트륨 용액 저장조에는 상기 이온교환막 반응조를 거쳐 환수된 염화나트륨 용액과 저장조 내에 남아있던 염화나트륨 용액이 서로 잘 섞일 수 있도록 하기 위한 교반기가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 이온교환막 반응조, 염화나트륨 용액 저장조 및 정밀여과막 반응조는 하나의 일체형 용기 내에 두 개의 격벽이 설치되어 형성된 3개의 실에 각각 마련되어, 전체적으로 하나의 장치를 이루는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 정밀여과막 모듈의 여과막에 의한 여과를 위한 압력을 제공하기 위한 감압펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 이온교환막 모듈은 2장의 평막 형태의 음이온 교환막과, 그 2장의 음이온 교환막 사이에 설치되는 그물형 스페이서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정수처리에서의 음이온성 오염물질과 입자성 오염물질의 제거장치.

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