KR101197022B1 - 역세척이 가능한 역삼투 수처리 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수담수화, 하수처리수 재이용, 공업용수 제조 등 수처리 시설에 사용되는 역삼투막(Reverse Osmosis membrane)을 역세척하기 위한 역삼투막을 이용한 수처리 설비에 관한 것이다.

본 발명은 원수의 취수, 상기 취수된 원수의 전처리, 상기 전처리된 원수를 역삼투막을 이용하여 막여과를 행하고 및 막여과된 생산수를 후처리하는 공정을 포함하는 역삼투막을 이용한 수처리 설비에 있어서, 상기 역삼투막(400)의 역세척을 위하여 상기 역삼투막(400)의 후단에 별도의 역세척 수조(450, 460)를 설치하여 종래 역삼투막을 세정하기 위하여 운전 정지에 따른 역삼투막에 정삼투압이 발생되는 것을 이용하여 비교적 작은 에너지를 사용하고도 역삼투막을 역세척할 수 있다.

역삼투막, 역세척 수조, 모터

Description

역세척이 가능한 역삼투 수처리 설비{A reverse osmosis water treatment system with backwash}

본 발명은 해수담수화, 하수처리수 재이용, 공업용수 제조 등 수처리 시설에 사용되는 역삼투막(Reverse Osmosis membrane)을 역세척하기 위한 역삼투막을 이용한 수처리 설비에 관한 것이다.

분리막(membrane)은 2 또는 다 성분 혼합물로부터 선택적으로 특정성분(1 또는 다 성분)을 분리할 수 있는 물리적 경계층(barrier)으로 정의할 수 있다. 따라서 분리막을 투과하거나 분리막으로 배제된 상(phase)중 특정성분의 농도는 증가 또는 감소할 수밖에 없다. 이와 같은 분리는 단순하게 입자의 크기 차이에 의하여 이루어질 수도 있지만, 농도 차에 의한 분자간 확산율, 전하 반발력, 분리막 재질에 대한 특정성분의 용해도 차이 등에 따라서 분리 특성이 복합적으로 결정되기도 한다.

이러한 분리막은 재질에 따라 생체막과 합성막으로 구분할 수 있으며, 구조 에 따라 다공성 막과 비다공성 막, 대칭막과 비대칭막 등으로 대별되며, 기공크기에 따라 역삼투, 나노여과, 한외여과 및 정밀여과막 등으로 구별할 수 있다.

이 중 기공크기에 따라 분류되는 기준에 대하여 약술하도록 한다. 정밀여과막은 주로 탁도나, 병원성 미생물, 입자성 물질 등을 제거하며, 한외여과막은 바이러스, 나노여과막은 다가이온이나 자연유기물을, 그리고 역삼투막은 이온을 제거한다.

구체적으로 역삼투막(Reverse osmosis membrane)은 이온 및 분자크기가 10Å 이내인 용질을 분리하는 막분리 공정으로, 1970년대 해수 담수화 및 폐수처리에서 성공적으로 산업화되기 시작하였다. 삼투(osmosis)란 저농도 용액과 고농도의 용액이 물 만을 선택적으로 통과시키는 분리막으로 나뉘어져 있을 경우, 저농도 용액 중에 물이 고농도 용액쪽으로 이동하는 자연 현상이다. 따라서 고농도 용액측에 삼투압보다 높은 압력을 가하면 물만이 분리막을 통과하여 순수를 제조할 수 있게 되며 이러한 막을 역삼투막이라 한다. 운전 압력은 용액에 포함되어 있는 염의 농도와 회수율에 크게 의존하는데 50 내지 100 기압 범위에서 염 농도가 높은 해수로부터 순수를 제조하는 고압의 역삼투 공정과 15 내지 50 기압 범위에서 담수를 처리하는 저압 역삼투 공정으로 대분할 수 있다. 역삼투법에서는 유기 고분자의 유전율(dielectric) 상수가 낮기 때문에 용존 염이 막표면에 잘 흡착되지 않을　뿐 아니라 정밀여과 또는 한외여과에서와 같이 유기물에 의한 막오염 현상이 작으므로 막의 수명도 길어진다. 그러나 역삼투막은 고압에서도 견딜 수 있도록 기계적 강도가 우수하여야 하며 염소와 용존 염에 대한 내화학성이 좋아야 한다. 역삼투막의 재질은 기계적 강도가 우수한 지지층 위에 분리효과를 극대화시킬 수 있는 분리층 또는 활성층으로 형성된 방향족 폴리아미드(polyamide) 복합막이 가장 널리 사용되며 비대칭형 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate)막도 활용된다. 이상에서와 같이 역삼투막은 용존 염을 분리 제거할 뿐 아니라 분자량이 적은 유기물 및 방향족 탄화수소 등의 분리조작에도 이용되고 있다.

나노여과(Nanofiltration) 역삼투와 한외여과의 중간 영역으로 1 내지 수십 나노미터(nm) 크기로서 분자량이 수백 에서 수천 돌턴(dalton)에 이르는 작은 무기물이나 저분자 물질의 분리에 사용되나 경우에 따라서는 수크로오스(sucrose)와 같은 다당류와 염료등의 약간 큰 분자까지도 분리할 수 있다. 보통 나노여과막의 1가 염의 배제율(NaCl)은 20 내지 50% 이하이지만 다가 염의 배제율은 90% 이상을 나타낸다. 따라서 소금과 적당한 분자량의 유기물 분리에 많이 응용되고 있으며, 유장이나 설탕의 탈염, 물의 연화과정 등에 주로 사용되며 최근에는 정수장에서 정수용으로 사용되기도 한다. 운전압력은 역삼투막의 20 내지 50% 수준인 7 내지 15기압 범위이다.

한외여과(Ultrafiltration) 분자크기가 수천 내지 수십만 돌턴(dalton)에 달하는 콜로이드 입자나 거대분자(macromolecule)를 분리하는 막분리 공정으로 분획분자량(Molecula Weight Cut-Off; MWCO) 대략 수천에서 수십만 돌턴(dalton) 정도이다. 특히 한외여과는 미생물, 바이러스 및 각종 단백질의 분리와 유가공 제품에 사용된다. 이와 같은 물질의 삼투압은 용존 염에 비하여 무시할 정도로 낮기 때문 에 역삼투에서 와는 달리 분리막 표면에서의 막오염이 분리의 주요 저항으로 작용한다. 한외여과의 운전범위는 3 내지 7 기압 정도이다.

정밀여과(Microfiltration) 용질의 크기가 0.1 내지 10㎛ 정도인 입자를 분리하는 공정이다. 정밀여과막의 공경은 학자에 따라 0.1 내지 0.01㎛까지를 주장하지만 대략 0.05~10㎛ 정도로 볼 수 있고, 공극율이 전체 부피의 70% 이상을 차지하는 다공질막이다. 분리 대상은 박테리아, 라텍스 또는 콜로이드 입자이며 정밀여과 조작시 분리막에 의하여 제거된 입자들이 분리막 표면이나 근방에 축적되는 이른바 막오염 현상이 심각하게 발생한다. 경우에 따라서는 입자가 분리막의 세공을 막음으로 재생이 불가능하여 막을 교체하여야 한다. 정밀여과막의 운전 압력은 1 내지 5기압의 범위에서 분리막 투과 유량과 막오염을 고려하여 결정한다.

위에서 확인되는 바와 같이 정밀여과막 및 한외여과막의 경우 주로 탁질, 미생밀, 바이러스 등을 제거하는 반면 나노여과막 및 역삼투막의 경우 유기물 및 이온 등을 제거하는 기능을 수행한다. 이에 있어서 도 1에 도시된 바와 같이 나노여과막 및 역삼투막이 사용되는 설비의 경우 취수, 전처리, 막여과 및 후처리 등의 공정으로 진행되며, 막여과 과정에 역삼투막이 사용되는 것이다. 종래에는 나노여과막 또는 역삼투막의 경우 정밀여과막 및 한외여과막에 비하여 비교적 작은 물질을 걸러내는 관계로 별도의 역세척을 위한 장비가 마련되어 있지 않았으며, 장시간 운전 후 화학약품을 통해 화학세정을 실시하였었다. 이러한 화학약품을 통한 화학세정은 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 많은 어려움을 내포하고 있었다.

본 발명은 종래 역삼투막을 세정하기 위하여 운전 정지에 따른 역삼투막에 정삼투압이 발생되는 것을 이용하여 비교적 작은 에너지를 사용하고도 역삼투막을 역세척 하고자 함에 있다.

본 발명은 역삼투막을 이용한 수처리 설비에 있어서, 상기 역삼투막(400)의 역세척을 위하여 상기 역삼투막(400)의 후단에 별도의 역세척 수조(450, 460)를 설치한 것을 특징으로 한다.

상기 역세척 수조(450, 460)는 정수압을 발생시키기 위하여 상기 역삼투막 보다 높게 설치될 수 있으며, 상기 역삼투막(400)에 역세수를 공급하기 위하여 역삼투막(400)과 상기 역세척 수조(460) 사이에 펌프(470)가 구비될 수 있다.

상기한 바와 같은 구성으로 역삼투막을 세정하기 위하여 운전 정지에 따른 역삼투막에 정삼투압이 발생되는 것을 이용하여 비교적 작은 에너지를 사용하고도 역삼투막을 역세척할 수 있는 작용 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

먼저, 삼투현상이란 반투막을 사이에 둔 두 용액의 농도차에 의해 저농도용액 속의 용매인 물이 고농도용액속으로 이동하는 현상으로 양쪽의 농도가 같아질 때까지 용매의 이동이 계속되는데, 이때 고농도 측에 삼투압이 발생한다. 삼투현상은 생물에게는 없어서는 안 될 중요한 기능으로, 식물이 뿌리를 통해 물을 흡수하는 것이나 짠 바닷물에서 물고기가 살 수 있는 이유가 여기에 있다. 이에 반해, 역삼투 현상이란 자연계의 삼투현상을 거꾸로 응용한 것으로 고농도 용액 측에 생기는 삼투압 이상의 압력을 가하면 삼투현상과는 반대로 고농도 용액 측의 물이 저농도 용액 쪽으로 빠져나가는 현상이다. 역삼투 현상을 이용하여 물질을 분리하는 역 삼투 공정은 막의 물리화학적 특성, 분리대상이 되는 물질의 물리화학적 특성 그리고 양측 간의 압력 차이를 추진력으로 하는 세 가지가 조합되어 이루어진다. 역삼투막은 바닷물중의 소금을 제거하여 공장용수로 사용하는 해수담수화나 반도체 세척용이나 화학약품 제조공정 등에 사용되는 초순수제조용으로 많이 사용된다.

역삼투막은 보통 셀룰로우즈막과 TFC(Thin Film Composite) 막으로 구분된다. 이것은 막의 재질에 따라 구분한 것으로 셀룰로우즈막은 이온제거율이 보통 95% 정도이고, 염소소독약 성분에는 강하지만 막표면에서 세균이 증식하는 경우에는 막에 큰 구멍이 생겨 이온제거기능이 떨어져 불순물까지도 거를 능력을 상실한다. 반면 TFC막은 이온제거율이 셀룰로우즈막보다 커서 약 98%정도이고 세균에는 강하지만 반대로 염소성분에는 매우 약하여 막표면에 염소성분이 묻을 때에는 이 또한 막면에 큰 구멍이 생겨 이온제거능력이 거의 없어지기 때문에 TFC막은 반드시 활성탄에 의한 완벽한 염소 전처리가 필수적이다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 도 1을 참고하여 종래의 수처리 설비을 간략히 설명한다.

먼저, 역삼투 처리공정에 사용되는 화학약품으로는 대표적으로, 살균제로서 차아염소산나트륨(NaOCl), 응집제로서는 염화제이철(FeCl3), 폴리 아미드계 재질의 고분자 막을 이용할 경우 잔류 염소를 제거하기 의한 환원제로서 SBS (NaHSO3), 스 케일 방지제로서 황산(H2SO4) 등이 있다. 또한, 먹는 물로서 급수하기 위하여 NaOH 나 Ca(OH2)를 이용한 pH 조정과 맛을 내기 위한 미네랄 성분 첨가 및 염소(NaOCl) 소독을 한다.

역삼투 처리 설비은 취수펌프(P)를 이용하여 취수된 원수가 원수조(100)로 투입되며, 상기 원수조(100)에서는 살균제(①), 예를 들면 차아염소산(NaOCl)을 투입하여 각종 세균을 제거하고, 이후 여과펌프(도면번호 100과 200사이의 P)를 이용하여 압력식 여과기(200)에 도입시킨다. 상기 여과펌프(도면번호 100과 200사이의 P)와 압력식 여과기(200) 사이에 응집제(②), 예를 들면 염화제2철(FeCl3)을 투여하여 원수내에 함유된 현탁물이 서로 응집되게 한다. 상기 압력식 여과기(200)를 이용하여 현탁물(모래, MUD, 부유물 등) 및 콜로이드(Colloid)물질을 제거, 또는 오수 및 폐수처리의 방류수, 부유물(SS)을 제기한다.

이후 역삼투막(400)의 성능을 지속적으로 유지하기 위해서는 공급원수에 함유된, 역삼투막의 장해를 유발시키는 오염물질들을 제거할 수 있는 전처리 장치(300)가 필히 수반되어야 한다.

원수 특히, 해수 중에 함유되어 있는 용해성 염류, 미생물, 미세모래입자, 콜로이드 물질등은 역삼투막 기공(Pore) 의 막힘 현상(Fouling)을 유발시켜 압력 손실계수의 상승, 공급원수의 편류(偏流) 및 역삼투막의 성능저하를 초래할 수 있다. 또한 해수는 칼슘(Ca++), 및 마그네슘(Mg++)에 의한 경도가 높아 역삼투막에서 해수가 농축되는 과정에서 Scale이 발생될 수 있다. 따라서 막힘 현상(Fouling)과 스케일링(Scaling)의 방지를 위해 전처리 장치는 필수적인 요건이 된다.

이러한 전처리 장치(300)를 통과한 원수를 고압펌프(도면번호 300과 400사이의 P)를 이용하여 역삼투막(400)에 투입시킨다. 여기서 역삼투막(400)에 공급되는 공급원수에 기계적인 높은 압력을 가해야하는 특징 때문에 고압의 펌프(도면번호 300과 400사이의 P)가 사용되고, 역삼투 수처리 설비에 소비되는 전력에너지의 대부분은 이 고압펌프(도면번호 300과 400사이의 P)를 가동하기 위해 사용된다. 이들 펌프(도면번호 300과 400사이의 P)는 고양정(高楊程), 및 고유량(高流量)이 요구되며, 이 고압펌프(도면번호 300과 400사이의 P)의 재질이 부식되면 그에 따른 부식물이 역삼투막(400)을 오염시켜 성능의 저하를 초래할 수 있으므로 펌프선정시 재질의 선택은 매우 중요하다.

이러한 고압 펌프(도면번호 300과 400사이의 P)를 통과하여 역삼투막(400)에 도달한 원수는 상기 역삼투막(400)의 여과에 의하여 투과수와 농축수로 구분되어 각각 배출된다. 역삼투막을 통과한 투과수는 생산수조500)에 저장되며, 전술한 바와 같이 먹는 물로서 급수하기 위하여 NaOH 나 Ca(OH2)를 이용한 pH 조정과 맛을 내기 위한 미네랄 성분 첨가 및 염소(NaOCl) 소독되는 것이다. 이후 송수펌프(도면번호 500과 600사이의 P)를 이용한 배수지(600)에 저장 및 각 가정 등에 공급된다.

이러한 역삼투 수처리 설비에 있어서, 역삼투막(400)의 역세척시 수처리 설비의 가동을 정지할 경우 종래 역삼투막(400)과 생산수조(500) 사이의 배관에서 역삼투막(400)을 향하여 물이 정삼투압으로 인한 역류가 발생되어 일부 자연적인 역삼투막(400)의 역세척이 이루어질 수 있다. 그러나 그 양이 부족하므로 별도의 역세수조(450, 460)를 역삼투막(400)과 생산수조(500) 사이에 구비하였다.

이러한 역세수조(450, 460)의 경우 역삼투막(400)보다 높게 설치함으로써 정수압이 발생하여 자연적으로 그 압력으로 역세척될 수 있도록 하거나 별도의 역세수조(460) 및 펌프(470)를 구비하여 역세척에 사용될 수 있다. 상기 펌프(470)는 역삼투막(400)과 생산수조(500) 사이에 구비된 역세수조(450)의 앞부분에 설치될 수 있음은 물론이다.

상기한 바와 같은 구성으로 역삼투막의 세정하기 위하여 운전 정지에 따른 역삼투막에 정삼투압이 발생되는 것을 이용하거나, 별도의 펌프(470)를 이용하여 비교적 적은 에너지를 사용하고도 역삼투막을 역세척할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제 1 실시예의 수처리 설비을 나타내는 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 제 2 실시예의 수처리 설비을 나타내는 개념도.

Claims (3)

1. 역삼투막을 포함하는 수처리 설비에 있어서,

   원수에 차아염소산을 투입하여 세균을 제거하는 원수조(100);

   상기 원수조(100)로부터 도입된 원수에 함유된 현탁물을 응집하는 압력식 여과기(200);

   상기 여과기(200)로부터 도입된 원수에 함유된 오염물질들을 제거하는 전처리 장치(300);

   상기 전처리 장치(300)로부터 도입된 원수를 여과하여 투과수와 농축수로 구분하여 각각 배출하는 역삼투막(400);

   상기 역삼투막(400)를 통과한 투과수에 미네랄 성분을 첨가하고 염소를 투입하여 소독하는 생산수조(500); 및

   상기 생산수조(500)로부터 도입된 투과수가 저장되는 배수지(600);를 포함하며,

   상기 역삼투막(400)의 역세척이 자연적으로 이루어지도록 상기 수처리 설비의 가동을 정지하여 상기 역삼투막(400)과 상기 생산수조(500) 사이의 물이 정삼투압으로 인한 역류에 의해 상기 역삼투막(400)으로 흐르게 하고,

   상기 역삼투막(400)과 상기 생산수조(500) 사이의 물의 양을 보충하기 위하여, 상기 역삼투막(400)과 상기 생산수조(500) 사이에 별도의 역세수조(450, 460)를 상기 역삼투막(400)보다 높게 설치하는 것을 특징으로 하는 역세척이 가능한 수처리 설비.
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