KR101504545B1 - 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하수, 계곡수, 해수 등 원수의 종류와 특성을 자동으로 파악하고, 그에 적합한 최적의 전처리 시스템과 정수 공정을 선택적으로 운전하도록 함으로써, 정수 처리 장치의 수명 및 효율을 향상할 수 있도록 한 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법{Water purification system for responding to changes in water quality}

본 발명은 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지하수, 계곡수, 해수 등 원수의 종류와 특성을 자동으로 파악하고, 그에 적합한 최적의 전처리 시스템과 정수 공정을 선택적으로 운전하도록 함으로써, 정수 처리 장치의 수명 및 효율을 향상할 수 있도록 한 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 원수로 사용되는 지하수, 계곡수, 하천수, 강물 등에는 일반세균, 대장균, 분원성 대장균뿐만 아니라 철, 망간 등의 금속이온 및 유기물 등이 많이 포함되어 있기 때문에 먹는 물의 기준에 부적합하고, 해수의 경우에도 염도가 높아 음용수로 사용이 불가능하다.

이와 관련하여, 대한민국 특허등록 10-1190031호에 기재된 발명에 의하면, 전력시설이 부족한 개발도상국이나 홍수, 가뭄 등의 천재지변으로 정수 공급이 불가능한 장소 또는 정수 시설이 미비한 공사현장 등에 설치되어 지하수나 하천수 등을 전처리 필터, 마이크로필터, 멤브레인 시스템, 후처리 시스템, 파이널 필터, 미네랄시스템 등을 통해 정수하여 사람이 마실 수 있는 수질의 물을 안정적으로 공급하는 것이 가능하고, 전력이 공급되지 않는 지역에서는 자가발전설비를 통해 전력을 공급하여 정수시스템을 작동시킬 수 있으며, 다른 한편으론 겨울철이나 기온이 추운 지역에 설치할 경우에 정수 장치의 동파를 예방하기 위한 온도센서를 설치하여 동파에 의한 시설의 손상을 방지할 수 있는 이동식 정수 처리 장치의 멤브레인 및 시스템 보호장치가 제안된 바 있다.

그러나, 이러한 본 발명인의 선등록을 포함한 종래의 정수장치는 그 운전조건이 원수의 수질에 따라 작업자에 의하여 셋팅된 상태를 지속적으로 유지하게 되므로, 원수의 종류 및 그에 따른 조건이 변화하더라도 변경된 조건에 맞게 동작되는 것이 아니라 이전에 설정된 조건에 따라 동작되어 정수품질이 불량하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기한 종래 정수 장치의 경우 설정을 변경하기 위해서는 작업자가 직접 정수장치가 있는 현장에 가서 재세팅하여야 하므로, 대응에 시간이 많이 소요되고, 재세팅한 후 다시 외부 조건이 변화할 경우 그에 따른 셋팅변경이 또다시 이루어지기 전까지는 원활한 정수처리가 이루어지지 않았으며, 이로 인하여 정수장치의 수명이 짧아지는 문제가 발생되었다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원수의 특성에 맞는 전처리 여과수단 선정 및 멤브레인 선정이 자동으로 이루어지도록 하여 지하수, 계곡수, 해수의 특성을 자동으로 파악한 후 최적의 정수 공정을 선정하여 운전되도록 하는 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 원수가 유입되어 저장되는 집수조(10), 상기 집수조(10) 후단에 설치되고 원수의 탁도에 따라 동작이 제어되는 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30)과, 상기 전처리수단을 통과한 처리수가 공급되며 원수의 용존이온농도에 따라 운전이 제어되는 기수(brackish water) 및 해수(sea water)용 멤브레인(50)(60), 상기 멤브레인(50)(60)을 세정하는 멤브레인 세정장치(CIP)(70), 살균수단(80)에서 살균된 처리수를 저장하여 정수로 공급하기 위한 처리수조(90), 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30)과 기수 및 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에 각각 설치되는 분기수단(15)(45), 상기 집수조(10)의 총용존고형물(TDS) 및 탁도 계측값을 측정하여 원수의 탁도가 기 설정된 기준치 이하인 경우 저탁도용 전처리수단(20)이 구동되도록 하되 원수의 탁도가 기 설정된 기준치 이상인 경우 고탁도용 전처리수단(30)이 구동되도록 하는 한편 원수의 용존이온농도가 기 설정된 기준치 이하인 경우 기수용 멤브레인(50)을 구동하되 기 설정된 기준치 이상인 경우 해수용 멤브레인(60)을 구동하도록 분기수단(15)(45)ㆍ저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30)ㆍ기수 및 해수용 멤브레인(50)(60)으로 동작 제어 신호를 출력하는 계측기(100)를 포함하여 구성되는 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치 및 방법에 그 특징이 있다.

그리고 상기 해수용 멤브레인(60)의 전단에 BW-고압펌프(P1) 및 SW-고압펌프(P2)를 구비하되, 상기 기수 및 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에 설치한 분기수단(45)은 BW-고압펌프(P1)와 SW-고압펌프(P2) 사이에 설치되어, 상기 SW-고압펌프(P2)를 선택적으로 사용하는 한편, 상기 정수 처리 장치에는 발전기가 더 구비된 구성에 본 발명의 부가적 특징이 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 총용존고형물, 탁도, 온도를 자동으로 분석하여 최적 정수공정을 선정함으로써 원수 종류에 관계없이 종합적인 처리가 가능하므로, 정수장치를 구성하는 각 구성수단의 수명을 향상할 뿐만 아니라, 원수조건이 변경되더라도 별도의 작업자에 의한 셋팅공정이 요구되지 않아 처리효율이 향상되고, 원수조건 변동에 따른 소요 비용 및 인력이 대폭 감소되는 효과가 있다.

또한, 자체 발전기를 구비함과 아울러 상기 발전기의 소형화가 가능하여 차량 탑재가 용이하므로, 전기가 들오지 않는 오지 또는 정수장치가 필요한 긴급재난지역에도 적용 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 종합 정수 처리 장치 및 방법을 나타내는 공정도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 종합 정수 처리 장치 및 방법을 나타내는 개략도

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 살펴본다.

본 발명에 따른 정수 처리 장치는, 원수가 유입되어 저장되는 집수조(10), 상기 집수조(10) 후단에 설치되고 원수의 탁도에 따라 동작이 제어되는 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30), 상기 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30)의 처리수를 공급받는 자동역세필터(backwash filter)(40), 상기 자동역세필터(40)의 처리수를 공급받음과 아울러 원수의 처리수 용존이온농도에 따라 운전이 제어되어 원수의 용존성 이온 물질을 분리하여 정수로 이용할 수 있도록 하는 기수(brackish water) 및 해수(sea water)용 멤브레인(50)(60), 상기 멤브레인(50)(60)을 세정하는 멤브레인 세정장치(CIP)(70), 상기 멤브레인(50)(60)에서 처리된 처리수의 미생물이나 외부 오염원에 의한 2차 오염을 방지하기 위한 것으로 염소소독 또는 자외선소독(UV) 등의 방법으로 소독하는 살균수단(80), 상기 살균수단(80)에서 살균된 처리수를 저장하여 정수로 공급하기 위한 처리수조(90), 상기 멤브레인(50)(60)에서 제거된 미네랄을 공급하기 위하여 처리수조(90)에 연결설치되는 미네랄 공급수단(95) 및, 상기 집수조(10)의 총용존고형물(TDS), 탁도, 온도 계측값을 측정하여 저탁도 또는 고탁도용 전처리 수단(20)(30) 중 하나와 기수 또는 해수용 멤브레인(50)(60) 중 하나를 선택 구동하여 원수조건에 맞도록 정수장치를 구동하는 계측기(100)를 포함하여 구성된다.

상기한 구성에서 집수조(10)는, 원수(지하수, 계곡수, 해수 등)를 저장하여 농도 및 유량을 균등하게 하고, 전처리펌프(11)를 통하여 이후 전처리수단(20)(30)으로 안정적으로 공급하기 위한 저장 설비로서, 원수에 포함되어 있는 미생물 및 세균을 제거하여 상기 멤브레인(50)(60)의 미생물 오염을 방지하기 위한 살균제인 차아염소산나트륨(NaOCl)이 살균제 투입수단(86)에 의하여 투입된다.

그리고, 전처리수단(20)(30)은 저탁도용 전처리수단(20)과 고탁도용 전처리수단(30)으로 구분되는데, 상기 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30)의 처리수에서 처리되지 않은 고형물을 제거하기 위하여 그 후단에는 적어도 하나 이상의 자동역세필터(backwash filter)(40)가 구성된다.

상기에서 저탁도용 전처리수단(20)은 집수조(10)에서 측정된 원수의 탁도가 20NTU이하의 저탁도일 경우 다층여과기(Multi Media Filter)에 원수를 통과시켜 처리하고, 고탁도용 전처리수단(30)은 원수의 탁도가 20NTU이상의 고탁도일 경우 화학응집 및 침전공정과 다층여과기(Multi Media Filter)를 거쳐서 처리하는 것이 바람직하며, 상기 화학응집 및 침전공정은 당업자에게 자명한 것으로 상세한 설명은 생략한다.

그리고 상기 기수용 멤브레인(50)은 원수의 용존이온 농도가 10,000mg/L이하의 기수(汽水, brackish water)일 경우 동작되는 것으로, 지하수, 계곡수, 섬지역의 관정수 등이 이에 해당하며, 비교적 낮은 압력에서 운전이 이루어지는 역삼투(RO, Reverse Osmosis)공정을 수행한다.

또한, 해수용 멤브레인(60)은 원수의 용존이온 농도가 10,000mg/L이상의 기수 또는 해수일 경우 동작되는 것으로, 비교적 높은 압력에서 운전이 이루어지는 역삼투(RO, Reverse Osmosis)공정을 수행한다.

상기에 있어, 계측기(100)에 의하여 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30) 중 어느 하나와 기수 또는 해수용 멤브레인(50)(60) 중 어느 하나를 선택 구동하기 위하여 상기 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30)과 기수 또는 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에는 각각 분기수단(15)(45)이 구비되는바, 상기 분기수단(15)(45)은 원수의 이송라인이 분기됨과 아울러 분기된 이송라인에 상기 계측기(100)의 신호에 의하여 제어되는 밸브를 포함하여 설치된다.

그리고, 본 발명의 정수장치는 도 2에 나타내는 바와 같이 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30)과 기수(Brackish Water) 또는 해수(Sea Water)용 멤브레인(50)(60) 사이에 3개의 펌프가 구비되는데, 본 발명은 순차적으로 피드펌프(P0), BW-고압펌프(P1), SW-고압펌프(P2)가 구비되는바, 특히 SW-고압펌프(P2)는 기수 및 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에서 분기된 이송라인 중 해수용 멤브레인(60) 측으로 분기된 이송라인 상에 설치된다. 즉, 기수 및 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에 설치한 분기수단(45)은 BW-고압펌프(P1)와 SW-고압펌프(P2) 사이에 설치되고, 상기 SW-고압펌프(P2)는 해수 정수시 선택적으로 구동된다.

상기한 바와 같이 본 발명이 3개의 펌프를 사용한 이유를 살펴보면, 일반적으로 국내 해수의 TDS는 30,000ppm 정도로서 이때 역삼투 멤브레인에 가해지는 압력은 50bar정도이며, 국내 섬들의 해수면 근처 지하수는 10,000ppm정도로 이때는 약 20bar정도의 압력이 필요하다. 본 발명은 이러한 펌프의 성능을 유지하기 위해 1차 피드펌프(P0), 2차 BW-고압펌프(P1), 3차 SW-고압펌프(P2)로 이어지는 가압시스템을 설치하였으며, 이때 각 펌프는 개략 1차는 5bar, 2차는 20bar, 3차는 30bar의 토출압을 낼 수 있는 펌프로 구성함이 바람직하다.

또한, 전기가 들어오지 않거나 재난에 의해 전기가 끊겼을 경우 구동가능하도록 발전기(미도시)가 더 구비될 수 있다.

한편, 상기 발전기는 펌프와 계측기에 전기를 공급하는 것으로, 전력의 대부분은 기수 또는 해수용 멤브레인에 원수를 공급하는 고압펌프에 의해 소비되는데, 이러한 고압펌프가 가동되기 위해서는 초기에 순간적으로 2~3배의 전력이 소비된다. 그래서 발전기의 용량은 전체 전력 소모량의 2~3배 이상 설치하여야 하며, 이로 인하여 발전기의 용량이 커지고, 부피가 커지며 가동시 연료 소모량이 많아지게 된다.

이에 본 발명은, 많은 전력을 소모하는 고압펌프의 용량을 줄이기 위해 다수의 펌프를 순차적으로 배열함으로써, 펌프의 초기 구동시 순간 부하량을 줄이고, 결과적으로는 발전기의 용량을 줄여 정수처리장치를 더욱 소형화할 수 있다.

예컨대, 1톤/시간을 생산하는 정수 장치를 구성함을 가정한다면, 일반적인 경우 피드펌프와 고압펌프를 가동하는데 필요한 평균전력은 0.75KW + 6KW = 6.75KW이고, 본 발명의 경우에는 피드펌프(P0) + BW-고압펌프(P1) + SW-고압펌프(P2) 순으로 배열하여 0.75KW + 3KW + 3KW = 6.75KW로 구성하여 일반적인 평균전력 소모량과 동일하게 구성할 수 있다. 하지만, 펌프 가동시 필요한 최대 순간전력은 상기 일반적인 경우라면 고압펌프의 평균전력인 6KW의 2~3배인 12~18KW를 필요로 하는 것에 반하여, 본 발명의 경우에는 순차적으로 구동하는 BW-고압펌프(P1) 및 SW-고압펌프(P2)의 평균전력인 3KW의 2~3배인 6~9KW만으로 충분하다.

따라서, 본 발명에 의하면 발전기의 최대 출력 용량을 줄일 수 있고, 그에 따라 연료 소비량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 특히 발전기의 부피를 줄여 정수장치를 소형화하며, 궁극적으로는 소형화에 따라 전기가 들어오지 않는 오지 또는 재난지역에서 보다 용이하게 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 단일 고압펌프를 구성한 것과 달리 해수용 멤브레인(60)의 전단에 BW-고압펌프(P1) 및 SW-고압펌프(P2)를 구비하되, 상기 SW-고압펌프(P2)는 해수 정수시에만 선택적으로 사용함으로써, 기수를 정수 처리하는 경우 BW-고압펌프(P1)만을 사용하여 그에 따른 소비전력을 더욱 절감할 수 있다.

그리고 상기 피드펌프(P0)와 BW-고압펌프(P1) 및 SW-고압펌프(P2)에는 인버터 장치를 추가하여 펌프의 회전수를 계측기(100)의 신호에 따라 조절함이 바람직한데, 이는 원수의 TDS농도에 따라 멤브레인(50)(60)에 가해지는 압력이 달라지므로, 이를 원수의 TDS측정치에 의해 자동으로 각 펌프의 운전 압력을 조절하기 위한 것으로, 이에 의하여 불필요한 에너지의 소비를 줄일 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 정수 처리 장치를 이용한 정수 처리 장치 방법에 대하여 살펴본다.

본 발명은 원수의 성상에 관계없이 정수시킬 수 있는 시스템으로 원수의 종류를 크게 지하수, 계곡수, 해수로 구분하고 이러한 원수를 처리하여 먹는 물로 생산할 수 있는 장치로서, 최초 원수의 성상(지하수, 계곡수, 해수)에 따라 각기 취수하여 집수조(10)로 이송된다.

상기 집수조(10)에 저장된 원수는 계측수단에 의하여 고탁도 또는 저탁도 원수로 구분되는데, 이 과정의 계측수단으로는 탁도계(Turbidity)를 이용하여 20NTU이하이면 저탁도로 구분하고, 그 이상이면 고탁도로 인식하여 계측기(100)에서 분기수단(15)을 구성하는 밸브(자동 컨트롤 밸브)로 동작제어신호를 출력하여 상기 원수를 저탁도용 전처리수단(20) 또는 고탁도용 전처리수단(30)에 선택적으로 송출한다.

그리고, 상기 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30)에서 처리된 처리수는 집수조(10)에 설치된 계측수단 중 TDS 미터(meter)에 의하여 측정된 TDS가 10,000ppm이하이면 담수로 그 이상이면 해수로 인식되므로, 본 발명의 계측기(100)는 TDS계측값에 따라 저탁도 또는 고탁도용 전처리수단(20)(30)에서 처리된 처리수를 10,000ppm이하이면 기수용 멤브레인(50)으로 공급되도록 하는 한편, 10,000ppm이상이면 해수용 멤브레인(60)으로 공급될 수 있도록 멤브레인(50)(60) 전단의 분기수단(45)으로 동작제어신호를 출력한다.

이후, 기수 또는 해수용 멤브레인(50)(60)에서 처리된 처리수는 미생물이나 외부 오염원에 의한 2차 오염을 방지하기 위하여 살균수단(80)으로 공급하여 염소소독 또는 자외선소독(UV) 등의 방법으로 소독한 후 처리수조(90)에 저장하는바, 이때, 멤브레인(50)(60)에서 제거된 미네랄이 미네랄 공급수단(95)에 의하여 처리수조(90)의 처리수에 공급되도록 함이 바람직하다.

10: 집수조 15, 45: 분기수단
20: 저탁도용 전처리수단 30: 고탁도용 전처리수단
40: 자동역세필터 50: 기수용 멤브레인
60: 해수용 멤브레인 70: 멤브레인 세정장치
80: 살균수단 90: 처리수조
95: 미네랄 공급수단 100: 계측기
P1: BW-고압펌프 P2: SW-고압펌프

Claims (4)

1. 원수가 유입되어 저장되며, 멤브레인(50)(60)의 미생물 오염을 방지하기 위하여 살균제 투입수단(86)에 의해 차아염소산나트륨이 투입되는 집수조(10);
   상기 집수조(10) 후단에 설치되고 원수의 탁도에 따라 동작이 제어되는 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30);
   상기 전처리수단(20)(30)의 처리수를 공급받아 처리되지 않은 고형물을 제거하는 자동역세필터(40);
   상기 자동역세필터(40)의 처리수를 공급받으며 원수의 용존이온농도에 따라 운전이 제어되며, 각각 20bar와 50bar의 압력이 가해지는 기수 및 해수용 멤브레인(50)(60);
   상기 멤브레인(50)(60)을 세정하는 멤브레인 세정장치(CIP)(70);
   상기 멤브레인(50)(60)에서 정수된 처리수를 소독하는 살균수단(80);
   상기 살균된 처리수를 저장하는 처리수조(90);
   상기 저탁도 및 고탁도용 전처리수단(20)(30)과, 기수 또는 해수용 멤브레인(50)(60)의 전단에 각각 설치되는 밸브와 분기관을 포함한 분기수단(15)(45);
   상기 전처리수단(20)(30)과 멤브레인(50)(60) 사이에 피드펌프(P0)와 BW-고압펌프(P1) 및 SW-고압펌프(P2)를 순차적으로 구비하되, SW-고압펌프(P2)는 상기 멤브레인(50)(60) 전단의 분기수단(45)에 의하여 분기된 이송라인 중 해수용 멤브레인(60) 측의 이송라인에 설치하여 해수 정수시 선택적으로 구동될 수 있도록 하고, 각 펌프는 순차적으로 5bar, 20bar, 30bar의 토출압을 내도록 한 다수의 펌프(P0)(P1)(P2);
   상기 집수조(10)에서 측정된 원수의 탁도 계측값에 따라 저탁도용 전처리수단(20) 또는 고탁도용 전처리수단(30)이 선택적으로 구동됨과 아울러 상기 원수의 총용존고형물(TDS) 계측값에 따라 기수용 멤브레인(50) 또는 해수용 멤브레인(60)이 선택적으로 구동되도록 상기 분기수단(15)(45), 전처리수단(20)(30), 멤브레인(50)(60) 및 다수의 펌프(P0)(P1)(P2)로 동작 제어 신호를 출력하는 계측기(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 변화에 대응 가능한 종합 정수 처리 장치.
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