KR101134099B1 - 잉여공기를 재이용하는 용존공기부상장치와 침지식 막여과 장치의 일체형 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용존공기 부상장치(DAF; Dissolved Air Flotation)에서 발생하는 잉여공기를 침지식 막여과 장치에 재이용하여 침지식 막의 막오염을 최소화하고 에너지를 절감함으로써 수처리 생산효율을 향상시킬 수 있는, 수처리 방법과 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 용존공기 부상 반응조(20)와; 침지식 모듈(32)을 구비한 수조로 이루어진 침지식 막여과 장치(30)와; 상기 침지식 막여과 장치(30)로부터의 처리수 중 일부를 용존공기부상 반응조(20)로 반송하여 순환시키는 반송배관(26)을 포함하며; 상기 반송배관(26)에는, 순환수에 압축공기를 주입하는 압축공기 주입장치(23)와, 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행되는 공기압축반응-기액분리조(24)가 구비되어 있고; 침지식 막여과 장치(30)에는 침지식 모듈(32)의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기(31)가 구비되어 있고; 공기압축반응-기액분리조(24)에서 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기는 공기공급관(34)을 통해 공기배출기(31)로 공급되어 침지식 모듈(32)의 막오염을 제거하는 세척에 이용되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 장치.

용존공기부상장치, 침지식 막여과 장치, 공기분리기

Description

잉여공기를 재이용하는 용존공기부상장치와 침지식 막여과 장치의 일체형 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법{Combined Dissolved Air Flotation and Submerged Membrane Device and Method using Waste Air Reuse and such Device}

본 발명은 잉여공기를 재이용하는 용존공기부상장치와 침지식 막여과 장치의 일체형 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용존공기부상장치에서 발생하는 잉여공기를 침지식 막여과 장치에 재이용하여 침지식 막의 막오염을 최소화 하고 에너지를 절감함으로써 수처리 생산효율을 향상시킬 수 있는, 용존공기 부상장치와 침지식 막여과 장치가 일체형으로 구성된 수처리 장치 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.

수처리 공정이나 해수 담수화 공정에서 원수에 포함된 부유물질들은 용수 및 음용수 기준에 적합하도록 제거해야 한다. 이를 위하여 부유성 입자 물질을 제거하기 위한 다양한 방법들이 제안되고 있는데, 크게는 부유물질의 특징에 따라 약품을 투입한 후 침전시켜 제거하는 방법과, 부상시켜 제거하는 방법으로 구분할 수 있다. 또한, 이러한 방법에는 후속공정으로서 모래여과나 막여과 공정 등이 적용되고 있다.

용존공기부상장치와 막여과 공정은 최근 해수담수화공정의 전처리 공정으로 적용되고 있는데, 해수에 포함된 조류 또는 오일 성분과 입자성 부유물질을 효과적으로 제거하는 것으로 보고되고 있다.

최근 호소수나 해수에서 조류 등의 영향 때문에 종전에 일반적으로 적용되고 있는 침전공정의 효율이 낮아지면서, 용존공기부상법 등이 새로운 대안으로 제시되고 있다. 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation; DAF)에서는, 가압상태에서 과포화된 물을 감압시키면 미세기포가 발생되어 상승하면서 수중의 콜로이드 물질과 충돌 및 부착되는 원리를 이용하여 수중 부유물질을 제거하여 수처리 하게 된다. 이러한 용존공기부상법은, 조류나 박테리아와 같이 매우 낮은 비중을 가지고 있어 침강하기 곤란한 입자들을 제거하는데 탁월한 기법으로 알려져 있다.

한편, 모래여과 공정을 대체하기 위한 공정으로써 막여과 공정이 새롭게 보급되고 있는데, 막여과 공정은 표면의 미세한 세공(약 0.01~1㎛ 크기의 구멍)을 이용하여, 세공보다 큰 입자성 물질을 걸러서 처리하는 방법이다.

이러한 용존공기부상법을 이용하기 위해서는, 부상처리를 위한 용존공기가 물속에 존재하여야 하고 이를 위해서 압축공기를 수중에 녹여야 한다. 예를 들어 공기압축반응조에 물을 담고 압축공기를 주입하여 물속에 압축공기가 녹아들어야 하는 것이다.

그러나 용존공기부상법에서는 압축공기를 100% 수중에 녹일 수 없다는 기술 적인 한계가 있다. 따라서 물속에 주입된 전체 압축공기의 5% 이상이 부상처리용용존공기로 존재하지 못하게 되고 결국 무의미하게 외부로 방출되고 있다. 압축공기 생산을 위해서는 대략 전체 장치 운전비의 약 50%가 소요되는 것으로 보고될 만큼 많은 비용이 소요됨에도 불구하고 상당량의 압축공기가 물속의 용존공기로 존재하지 못하고 버려지고 있는 것이다.

한편, 막여과 장치의 경우 운전이 지속됨에 따라 막 표면에 막오염이 진행되면서 운전에 영향을 미치기 때문에 이를 방지하기 위하여 물리적인 역세척 공정이 필요하며, 물 또는 공기 등을 이용하여 주기적인 역세척을 해줘야 하기 때문에 막오염 증가는 결국 운전효율 저하와 에너지 비용 상승이라는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 수처리 및 담수화 공정에 요구되는 전처리 공정에 이용되는 수처리 장치에서, 용존공기 부상장치(구체적으로는 용존공기 부상반응조)와 침지식 막여과 장치를 일체형으로 구성함에 따른 부지절감 효과와, 용존공기 부상장치에서 잉여되는 공기를 막여과 장치에 적용함으로써 에너지 절감 및 막오염을 저감시킬 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여, 용존공기가 함유된 물이 공급되어 과포화된 용존공기가 감압되면서 발생하는 미세 공기방울과 유입수의 오염물질 입자가 반응하여 부상시키게 하는 수조로 이루어진 용존공기 부상 반응조와; 상기 용존공기부상 반응조에서 오염물질의 부상처리가 이루어진 1차 처리수에 포함된 미세 입자를 제거하기 위한 침지식 모듈을 구비한 수조로 이루어진 침지식 막여과 장치와; 상기 침지식 막여과 장치로부터 배출되는 2차 처리수 중 일부를 용존공기부상 반응조로 반송시켜 순환시키는 반송배관을 포함하여 구성되며; 상기 반송배관에는, 침지식 막여과 장치로부터 배출되는 2차 처리수 중 반송배관으로 공급된 순환수에 압축공기를 주입하는 압축공기 주입장치와, 상기 압축공기 주입장치와의 용존공기부상 반응조 사이에 배치되어 압축공기 주입장치에 의해 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행되는 공기압축반응-기액분리조가 구비되어 있고; 상기 침지식 막여과 장치에는 침지식 모듈의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기가 구비되어 있으며; 상기 공기압축반응-기액분리조와 상기 공기배출기 사이에는 공기공급관(34)이 연통되어 있어, 상기 공기압축반응-기액분리조에서 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기는 상기 공기공급관을 통해 공기배출기로 공급되어 침지식 모듈의 막오염을 제거하는 세척에 이용되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 장치가 제공된다.

또한 본 발명에서는 목적 달성을 위한 수단으로서, 수조로 이루어진 용존공기 부상 반응조에 용존공기가 함유된 물을 공급하여 과포화된 용존공기가 감압되면서 발생하는 미세 공기방울과 유입수의 오염물질 입자가 반응하여 부상시켜 제거하 고; 침지식 모듈을 구비한 수조로 이루어진 침지식 막여과 장치에 의하여, 상기 용존공기부상 반응조에서의 오염물질 부상처리가 이루어진 1차 처리수에 포함된 미세 입자를 제거하며; 상기 침지식 막여과 장치로부터 배출되는 2차 처리수 중 일부를 반송배관에 의하여 용존공기부상 반응조로 반송시켜 순환시키되; 상기 반송배관에 압축공기 주입장치를 설치하여 침지식 막여과 장치로부터 배출되는 2차 처리수 중 반송배관으로 공급된 순환수에 압축공기를 주입하며; 상기 압축공기 주입장치와의 용존공기부상 반응조 사이에 공기압축반응-기액분리조를 배치하여 압축공기 주입장치에 의해 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행되도록 하고; 상기 침지식 막여과 장치에는 침지식 모듈의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기를 설치하고, 상기 공기압축반응-기액분리조와 상기 공기배출기 사이에 공기공급관이 연통되도록 설치하여, 상기 공기압축반응-기액분리조에서 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기를 상기 공기공급관에 의해 공기배출기로 공급하여 잉여공기를 침지식 모듈의 막오염을 제거하는 세척에 이용하는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 방법이 제공된다.

위와 같은 본 발명에 있어서, 상기 용존공기 부상 반응조로 유입수가 공급되기 전에 약품이 주입될 수 있도록 상기 유입수에 약품을 주입하고 혼합하는 약품 혼화조와; 상기 용존공기부상 반응조에서 부상된 스컴을 제거하기 위한 상부 스컴제거기가 더 구비될 수 있으며, 침지식 막여과 장치의 수조는 상기 용존공기 부상 반응조의 수조의 측면에 일체로 결합되어 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 압축공기 중 물속에 용존되지 않고 남는 잉여공기를 침지식 모듈 즉, 막여과 장치로 공급하여 막의 세척에 재이용하게 되므로, 용존공기 형성을 위해 사용되던 에너지 중에서 용존공기를 만들지 못하고 버려지던 에너지가 본 발명에서는 막오염을 저감시키기 위한 에너지로 재활용된다. 따라서 막오염 저감을 위하여 소모되던 에너지 소비를 줄일 수 있어 에너지 비용을 절감할 수 있게 되며, 전체 수처리 장치의 운전효율과 에너지 활용 효율이 증가되는 효과가 발휘된다.

또한 본 발명에 따른 잉여공기 재이용 수처리장치에 있어서는, 용존공기 부상반응조와 침지식 막여과 장치를 일체식으로 구성할 수 있는데, 이와 같이 용존공기 부상반응조와 침지식 막여과 장치가 일체형으로 구성되면 부지면적 축소 효과를 얻을 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잉여공기 재이용 일체형 용존공기부상장치 및 침지식 막여과 장치를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉여공기 재이용 수처리장치의 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 잉여공기 재이용 수처리장치는, 약품 혼화조(10), 용존공기 부상반응조(20), 침지식 막여과 장치(30), 순환펌프(22) 및 공기압축반응-기액분리조(24)를 포함하여 구성된다.

상기 약품 혼화조(10)는, 유입수에 대한 오염물질의 부상처리가 효과적으로 이루어질 수 있도록, 유입수에 약품을 주입하여 유입수와 혼합하는 수조로서 필요에 따라 구비될 수 있다. 약품과 유입수의 혼합을 위하여 상기 약품 혼화조(10)에는 약품투입기(도면에 미도시)와 교반기(11)가 구비될 수 있다.

상기 용존공기부상 반응조(20)는, 과포화된 용존공기가 감압되면서 발생하는 미세 공기방울과 유입수의 오염물질 입자가 반응하여 부상시키게 하는 수조로서, 수면으로 부상된 스컴(scum)은 공지의 스컴제거기(21)에 의하여 순차적으로 제거된다. 상기 부상되지 않고 침전된 슬러지는 별도로 배출되는데, 이를 위하여 도면에는 도시되지 아니하였지만 용존공기부상 반응조(20)의 하부에는 슬러지 배출구가 형성될 수 있다. 용존공기부상 반응조(20) 자체는 공지된 것이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

상기 침지식 막여과 장치(30)는 침지식 모듈(32)을 구비한 수조로 이루어져 있으며, 상기 용존공기부상 반응조(20)에서 오염물질의 부상처리가 이루어진 1차 처리수에 포함된 미세 입자를 상기 침지식 모듈(32)에 의하여 제거하게 된다. 도면에서 부재번호 33은 1차 처리수가 침지식 막여과 장치(30)의 수조로 유입된 1차 처리수가 침지식 모듈(32)을 통과하도록 빨아들이는 압력을 발생시키도록 구비되는 막여과용 흡입 펌프(33)이다. 침지식 모듈(32)을 통과하지 못한 오염물질이 농축된 농축수는 침지식 막여과 장치(30)로부터 외부로 배출된다.

상기 침지식 막여과 장치(30)의 침지식 모듈(32)을 통과하면서 2차 처리된 2차 처리수는 안전하게 배출되는데, 2차 처리수 중 일부는 반송배관(26)을 통해 다 시 용존공기부상 반응조(20)로 반송되어 순환된다. 상기 반송배관(26)에는 2차 처리수중 일부를 용존공기부상 반응조(20)로 순환시키기 위한 순환펌프(22)와, 상기 반송배관(26)을 통해 반송되어 순환하는 순환수에 순환수에 공기를 주입하기 위한 압축공기 주입장치(23)가 존재한다. 또한, 순환펌프(22)와 압축공기 주입장치(23)에 후속하여 상기 반송배관(26)에는 공기압축반응-기액분리조(24)가 존재한다. 도면에서 부재번호 27은 압축공기 주입장치(23)로부터의 압축공기를 반송배관(26)에 주입하기 위한 압축공기 조절 밸브(27)이다.

한편, 본 발명에서 상기 침지식 막여과 장치(30)에는 침지식 모듈(32)의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기(31)가 구비되어 있는데, 상기 공기압축반응-기액분리조(24)와 상기 공기배출기(31) 사이에는 공기공급관(34)이 연통되어 있다. 도면에서 부재번호 35는 공기공급관(34)을 개폐하여 공기공급관(34)으로의 잉여공기 공급을 조절하는 잉여공기 배출밸브(35)이다.

위와 같은 본 발명의 구성에서는, 상기 용존공기부상 반응조(20)에서 오염물질의 부상처리가 이루어진 1차 처리수가 상기 침지식 막여과 장치(30)의 침지식 모듈(32)을 통과하면서 2차 처리되는데, 침지식 모듈(32)을 통과한 2차 처리수의 일부는 배출되지 않고 반송배관(26)으로 공급된다. 반송배관(26)에는 압축공기 주입장치(23)가 구비되어 있어 반송배관(26)으로 공급된 순환수에 압축공기를 주입하게 된다. 압축공기 주입장치(23)의 후방으로는 반송배관(26)에 공기압축반응-기액분리조(24)가 위치하는데, 상기 공기압축반응-기액분리조(24)에서는 압축공기 주입장치(23)에 의해 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행된다. 용존공기를 함유하게 된 순환수는 용존공기부상 반응조(20)로 공급되어 앞서 언급한 것처럼 미세 공기방울이 발생되면서 유입수의 오염물질 입자를 부상시키게 된다.

이 때, 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기는 상기 공기압축반응-기액분리조(24)에서 수면 위의 공간으로 분리되고, 공기공급관(25)을 통해 침지식 막여과 장치(30)에 구비된 공기배출기(31)로 공급되어 침지식 모듈(32)의 막오염을 제거하는 세척에 이용된다. 즉, 공기공급관(34)을 통해 공급되는 잉여공기를 이용하여 침지식 모듈(32)에 진동을 가하거나 막 표면에 직접 분사함으로써 침지식 모듈(32)의 막 표면에 형성된 오염물질을 제거하게 되는 것이다. 잉여공기에 의한 침지식 모듈(32)의 진동 발생을 위하여 상기 잉여공기 배출밸브(35)는 주기적으로 개폐될 수 있다.

이와 같이 본 발명에서는 압축공기 중 물속에 용존되지 않고 남는 잉여공기를 침지식 모듈(32) 즉, 막여과 장치로 공급하여 막의 세척에 재이용하게 된다. 즉, 용존공기 형성을 위해 사용되던 에너지 중에서 용존공기를 만들지 못하고 버려지던 에너지가 본 발명에서는 막오염을 저감시키기 위한 에너지로 재활용되는 것이다. 따라서 막오염 저감을 위하여 소모되던 에너지 소비를 줄일 수 있어 에너지 비용을 절감할 수 있게 되며, 전체 수처리 장치의 운전효율과 에너지 활용 효율이 증가되는 효과가 발휘된다.

한편, 본 발명에 따른 잉여공기 재이용 수처리장치에 있어서는, 용존공기 부상반응조(20)와 침지식 막여과 장치(30)를 일체식으로 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 도면에 예시된 것처럼 용존공기 부상반응조(20)에 침지식 막여과 장치(30)의 수조를 측면으로 이웃하게 결합하여 하나의 장치로 만드는 것이 유리하다. 이와 같이 하나의 장치로 구성함으로써 부지면적 축소 효과를 얻을 수 있으며, 장치의 간소화를 이룰 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉여공기 재이용 수처리장치의 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10 : 약품 혼화조 20 : 용존공기부상 반응조

30 : 침지식 막여과 장치

Claims (4)

1. 용존공기가 함유된 물이 공급되어 과포화된 용존공기가 감압되면서 발생하는 미세 공기방울과 유입수의 오염물질 입자가 반응하여 부상시키게 하는 수조로 이루어진 용존공기 부상 반응조(20)와;

   상기 용존공기부상 반응조(20)에서 오염물질의 부상처리가 이루어진 1차 처리수에 포함된 미세 입자를 제거하기 위한 침지식 모듈(32)을 구비한 수조로 이루어진 침지식 막여과 장치(30)와;

   상기 침지식 막여과 장치(30)로부터 배출되는 2차 처리수 중 일부를 용존공기부상 반응조(20)로 반송하여 순환시키는 반송배관(26)을 포함하여 구성되며;

   상기 반송배관(26)에는, 침지식 막여과 장치(30)로부터 배출되는 2차 처리수 중 반송배관(26)으로 공급된 순환수에 압축공기를 주입하는 압축공기 주입장치(23)와, 상기 압축공기 주입장치(23)와의 용존공기부상 반응조(20) 사이에 배치되어 압축공기 주입장치(23)에 의해 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행되는 공기압축반응-기액분리조(24)가 구비되어 있고;

   상기 침지식 막여과 장치(30)에는 침지식 모듈(32)의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기(31)가 구비되어 있으며;

   상기 공기압축반응-기액분리조(24)와 상기 공기배출기(31) 사이에는 공기공급관(34)이 연통되어 있어, 상기 공기압축반응-기액분리조(24)에서 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기는 상기 공기공급관(34)을 통해 공기배출기(31)로 공급되 어 침지식 모듈(32)의 막오염을 제거하는 세척에 이용되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용존공기 부상 반응조(20)로 유입수가 공급되기 전에 약품이 주입될 수 있도록 상기 유입수에 약품을 주입하고 혼합하는 약품 혼화조(10)와;

   상기 용존공기부상 반응조(20)에서 부상된 스컴을 제거하기 위한 상부 스컴제거기(21)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   침지식 막여과 장치(30)의 수조는 상기 용존공기 부상 반응조(20)의 수조의 측면에 일체로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 장치.
4. 수조로 이루어진 용존공기 부상 반응조(20)에 용존공기가 함유된 물을 공급하여 과포화된 용존공기가 감압되면서 발생하는 미세 공기방울과 유입수의 오염물질 입자가 반응하여 부상시켜 제거하고;

   침지식 모듈(32)을 구비한 수조로 이루어진 침지식 막여과 장치(30)에 의하여, 상기 용존공기부상 반응조(20)에서의 오염물질 부상처리가 이루어진 1차 처리수에 포함된 미세 입자를 제거하며;

   상기 침지식 막여과 장치(30)로부터 배출되는 2차 처리수 중 일부를 반송배관(26)에 의하여 용존공기부상 반응조(20)로 반송시켜 순환시키되;

   상기 반송배관(26)에 압축공기 주입장치(23)를 설치하여 침지식 막여과 장치(30)로부터 배출되는 2차 처리수 중 반송배관(26)으로 공급된 순환수에 압축공기를 주입하며;

   상기 압축공기 주입장치(23)와의 용존공기부상 반응조(20) 사이에 공기압축반응-기액분리조(24)를 배치하여 압축공기 주입장치(23)에 의해 주입된 압축공기가 물속에 녹아 용존공기로 되는 과정이 진행되도록 하고;

   상기 침지식 막여과 장치(30)에는 침지식 모듈(32)의 세척을 위하여 공기를 분사하는 공기배출기(31)를 설치하고, 상기 공기압축반응-기액분리조(24)와 상기 공기배출기(31) 사이에 공기공급관(34)이 연통되도록 설치하여, 상기 공기압축반응-기액분리조(24)에서 물속에 용존되지 못하고 잉여되는 공기를 상기 공기공급관(34)에 의해 공기배출기(31)로 공급하여 침지식 모듈(32)의 막오염을 제거하는 세척에 이용하는 것을 특징으로 하는 잉여공기 재이용 수처리 방법.

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