KR101794658B1 - 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구제적으로 분리막 시스템 운전 중 실시간으로 수집된 계측 정보 데이터를 기반으로 분리막의 가까운 장래의 오염 정도를 예측할 수 있는 막 오염 예측모델 프로그램이 내장되어 있어 막 오염 예측 정보를 산출하는 제어부, 상기 제어부로부터 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 데이터베이스 서버부, 상기 데이터베이스 서버부에 저장된 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 확인할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하고, 이를 확인한 사용자가 필요한 조치를 취하도록 하는 인터페이스부 및 상기 제어부, 데이터베이스 서버부 및 인터페이스부를 양방향 네트워크 통신으로 연결하는 라우터(router)부를 포함한다.

Description

분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템{Monitoring system for membrane fouling in membrane separation processes}
본 발명은 분리막 시스템에서 막 오염 제어 효율성을 높일 수 있는 막 오염 모니터링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 분리막을 이용하는 공정의 경우, 분리막이 일정 오염 수준을 넘어서게 되면 더 이상 가역 세척이 불가능해져 결국 새 분리막으로 교체해야하는 속성을 가지고 있기 때문에, 분리막 시스템에서는 분리막의 오염 수준이 세척이 불가능한 수준까지 도달하기 전에 분리막 세척을 해야 하나, 기존의 분리막 시스템의 막 오염 제어기술은 가까운 미래의 막 오염 수준을 어느 정도 정확도를 가지고 예측할 수 없어 오로지 운전자의 경험에만 의존하여 막 세척 및 막 교체를 진행하였으며, 이로 인해 운전자의 경험에 의존함에 따른 위험부담을 줄이기 위해 막 세척의 빈도가 과도하게 높았고, 정밀하고 체계적인 막 오염 제어가 이루어지지 않아 막 수명도 짧아지는 문제가 있었으며, 결과적으로 분리막 시스템의 막 오염 제어에 소요되는 비용의 증가를 초래하고 있다.
분리막 시스템 중 일 예로 수 처리 공정 분야의 하·폐수 처리 분리막 생물반응기(Membrane Bio-Reactor, MBR)는 미생물을 통하여 하·폐수를 처리할 수 있는 생물학적 활성오니법과 미세한 기공으로 고체와 액체를 분리하는 분리막의 장점을 결합시킨 고도처리설비로서, 하·폐수 처리 시 소요부지 증설 없이 처리용량 증량이 가능하며, 안정적인 처리 수질 확보와 처리수의 재이용에 적합한 기술로 최근 들어 국내에서도 적용사례가 급증하고 있는 추세이다. 하지만, 상기 분리막 생물반응기 고도처리 설비의 경우 대규모 현장에서는 고사양의 제어설비와 전문 관리요원으로 유지관리를 하고 있으나, 처리용량 50 m3/일 이하의 소규모 현장과 처리용량 50 ~ 500 m3/일의 중규모 현장에서는 예산부족과 일부 안전 불감증으로 인해 유지관리설비 또는 전문인력 없이 운전되고 있어 문제가 발생하거나 노후화되면 폐쇄되거나 방치되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2013-0085220호(2013. 07. 29. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 분리막 시스템에서 효율적인 막 오염 제어가 가능하도록 하는 막 오염 모니터링 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 구제적으로 분리막 시스템 운전 중 실시간으로 수집된 계측 정보 데이터를 기반으로 분리막의 가까운 장래의 오염 정도를 예측할 수 있는 막 오염 예측모델 프로그램이 내장되어 있어 막 오염 예측 정보를 산출하는 제어부, 상기 제어부로부터 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 데이터베이스 서버부, 상기 데이터베이스 서버부에 저장된 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 확인할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하고, 이를 확인한 사용자가 필요한 조치를 취하도록 하는 인터페이스부 및 상기 제어부, 데이터베이스 서버부 및 인터페이스부를 양방향 네트워크 통신으로 연결하는 라우터(router)부를 포함한다.
본 발명에 따른 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템에 의하면, 막 오염 예측모델 프로그램을 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영하기 때문에, 분리막 시스템의 운전 중에 계측된 현재의 막 오염 수준에 대한 계측값을 기반으로 가까운 미래의 막 오염 수준을 어느 정도 정밀하게 예측할 수 있어, 기존처럼 불필요하게 막 세척 공정을 빈도 높게 진행할 필요가 없으며, 막 세척에 사용되는 세정제의 양도 필요한 양을 정밀하게 예측할 수 있어 세정제의 사용량을 기존 보다 낮출 수 있고, 운전자의 경험에 의존할 때 발생할 수 있는 불필요한 막 교체 또한 최소화 할 수 있어, 기존과는 달리 막 오염을 효율적으로 모니터링 및 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 막 오염 모니터링 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 분리막 시스템의 막 오염 제어시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 분리막 시스템 운전 중 실시간으로 수집된 계측 정보 데이터를 기반으로 분리막의 가까운 장래의 오염 정도를 예측할 수 있는 막 오염 예측모델 프로그램이 내장되어 있는 제어부; 상기 제어부로부터 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 데이터베이스 서버부; 상기 데이터베이스 서버부에 저장된 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 확인할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하고, 이를 확인한 사용자가 필요한 조치를 취하도록 하는 인터페이스부; 및 상기 제어부, 데이터베이스 서버부 및 인터페이스부를 양방향 네트워크 통신으로 연결하는 라우터(router)부;를 포함한다.
본 발명에서 상기 분리막 시스템은 분리막(membrane)을 이용하는 수 처리 공정 시스템 또는 가스 처리 공정 시스템 뿐만 아니라, 이온 이차 전지 시스템 등도 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
본 발명에서 상기 제어부는 분리막 시스템 운전 중 실시간으로 수집된 유량, 압력 등 계측 정보 데이터를 기반으로 분리막의 가까운 장래의 오염 정도를 예측할 수 있는 막 오염 예측모델 프로그램이 내장되어 있어 막 오염 예측 정보를 산출하는 것으로서, 막 오염 예측 정보를 그때그때 실시간으로 산출하여 사용자로 하여금 막 오염에 대한 실시간 모니터링이 가능하게끔 한다.
본 발명에서 상기 제어부는 실시간 막 오염 예측을 통한 모니터링이 가능하도록 하기위해 기존의 순차 제어를 위한 PLC(Programmable Logic Controller) 기반보다는 실시간 시스템을 구현하기에 적합한 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 막 오염 예측모델 프로그램은 막 오염 관리지표인 막간차압(Trans-Membrane Pressure, TMP)을 모델식을 통해 예측하는 것으로, 분리막 시스템의 운전 중 계측기를 통해 수집된 현재의 계측값(ex:투과유속, 막간차압 등)을 바탕으로 가까운 장래의 예상되는 막간차압(TMP)까지 모델식을 통해 산출할 수 있게 된다. 본 발명에서 상기 막 오염 예측모델 프로그램은 특별히 그 종류가 제한적인 것은 아니나, 적분형 막 오염 예측모델 프로그램인 것이 바람직하며, 상기 적분형 막 오염 예측모델은 오염 형태에 따라 특화된 적분형 막 오염 모델식으로 되어 있다. 또한, 상기 막 오염 예측모델 프로그램은 수 처리 분야, 가스 처리 분야, 이온이차전지 분야 등 다양한 분야에 걸쳐 적용 가능하다.
분리막의 경우 일정 오염 수준을 넘어서게 되면 더 이상 가역 세척이 불가능해져 결국 새 분리막으로 교체해야하는 속성을 가지고 있기 때문에, 분리막 시스템에서는 분리막의 오염 수준이 세척이 불가능한 수준까지 도달하기 전에 분리막 세척을 해야 하나, 기존의 분리막 시스템의 막 오염 제어기술은 가까운 미래의 막 오염 수준을 어느 정도 정확도를 가지고 예측할 수 없어 오로지 운전자의 경험에만 의존하여 막 세척 및 막 교체를 진행하였으며, 이로 인해 운전자의 경험에 의존함에 따른 위험부담을 줄이기 위해 막 세척의 빈도(대략 4 ~ 6회/년) 및 세정제의 사용량이 과도하게 높았고, 정밀하고 체계적인 막 오염 제어가 이루어지지 않아 막 수명도 짧아지는 문제가 있었으며(막 교제 주기 대략 5년), 결과적으로 분리막 시스템의 막 오염 제어에 소요되는 비용의 증가를 초래하게 되었다(유지관리비의 50% 이상). 하지만, 본 발명은 제어부에서 상기와 같은 막 오염 예측모델 프로그램을 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영하기 때문에, 분리막 시스템의 운전 중에 계측된 현재의 막 오염 수준에 대한 계측값을 기반으로 가까운 미래의 막 오염 수준을 어느 정도 정밀하게 예측할 수 있어, 기존처럼 불필요하게 막 세척 공정을 빈도 높게 진행할 필요가 없으며, 막 세척에 사용되는 세정제의 양도 필요한 양을 정밀하게 예측할 수 있어 세정제의 사용량을 기존 보다 낮출 수 있고, 운전자의 경험에 의존할 때 발생할 수 있는 불필요한 막 교체 또한 최소화 할 수 있어, 기존과는 달리 막 오염을 효율적으로 제어할 수 있다.
상기 막 오염 예측모델에 대한 이해를 돕기 위해 일 예로 적용분야를 수 처리 분야의 분리막 생물반응기(Membrane Bio-Reactor, MBR)시스템 분야로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
막 오염에 관한 모델은 막간차압(TMP)이 일정하고 막 오염이 진행됨에 따라 투과유속이 감소하는 정압 투과모델과 투과유속을 일정하게 유지하도록 막 오염에 따라서 막간차압(TMP)이 변화하는 정유량 투과모델로 구분할 수 있다. 따라서, 정압 투과모델에서는 TMP가 독립 운전변수이며 투과량이 종속변수로서 아래 수학식 1과 같은 모델로 표현할 수 있으며, 정유량 투과모델에서는 투과유속이 독립변수이고 TMP가 종속 운전변수로서 아래 수학식 2와 같은 모델식으로 표현할 수 있다.
Figure 112015106929344-pat00001
Figure 112015106929344-pat00002
Figure 112015106929344-pat00003
상기 수학식 1 및 수학식 2에서 n 값에 따라 적용 가능한 모델을 구분할 수 있다. n 값이 3/2일 경우에는 완전막힘(complete blocking) 모델, n 값이 4/3일 때 표준막힘(standard blocking) 모델, n 값이 1일 때 중간막힘(intermediate blocking) 모델, n 값이 0일 때 비압축성 케이크(incompressible cake) 모델 및 선형압축 케이크(linear compressible cake) 등으로 구분할 수 있다.
상기 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3에서 t는 시간(min), V는 부피(㎥), k와 n은 오염모델의 파라미터, ΔP는 압력(kPa), Q1은 부피유량(㎥/min), Rm은 막저항(1/m), μ는 점도(Pa·s)이다.
상기 정유량 투과에 대한 막 오염 모델식인 수학식 2에 Darcy 법칙에서 유도된 투과유속식인 수학식 3을 대입하고 아래에서 가정하는 각각의 투과모델을 적용하여 적분하면 아래 표 1과 같은 5가지 형태의 적분형 막 오염 모델을 유도할 수 있다.
오염형태 적분형 막 오염 모델식
완전 막힘
Figure 112015106929344-pat00004
표준 막힘
Figure 112015106929344-pat00005
중간 막힘
Figure 112015106929344-pat00006
비압축성 케이크
Figure 112015106929344-pat00007
선형 압축 케이크
Figure 112015106929344-pat00008
상기 표 1에서, 오염형태 중 완전 막힘은 모든 입자는 분리막의 세공보다 크며 케이크층, 젤층과 같은 다중층이 형성되기 전에 첫 번째로 막힘이 발생되는 것을 가정하였다. σ는 clogging coefficient(m2/m3)로써, 구형 또는 타원형의 오염입자가 있는 용액에 대해서 실험적으로 계산되며, P0 는 막간차압(TMP)의 초기 압력(kPa)이다.
오염형태 중 표준 막힘은 원수의 모든 오염입자는 분리막의 세공보다 작으며, 투과 초기에 세공 벽면에 침착되는 것으로 가정하였다. Ks는 '표준막힘 coefficient'이며, 구형 또는 타원형의 오염입자가 있는 용액에 대해서 실험적으로 계산된다.
오염형태 중 중간 막힘은 각각의 입자들이 침착되거나 이미 침착된 입자 위에 다시 침착될 개연성을 가지는 것을 가정하였다.
오염형태 중 케이크 모델은 상기 3개의 모델과 달리, 분리막의 각 세공에서의 막힘 현상을 고려하지 않으며, 막 오염 형성과정에서 유체흐름에 의해 발생되는 점성손실(viscous losses)과 케이크의 성장에 영향을 받는다는 것으로 가정하였다. α*는 specific cake resistance(m/kg), α0 *는 specific cake resistance at null stress(m/kg), Cb는 bulk concentration, n2는 empirical parameter, Kc는 cake coefficient이다.
본 발명에서 상기 분리막은 그 형태가 특별히 정해진 것은 아니며, 예를 들면 평막, 중공사막, 관형막, 나권형막 등 일 수 있다. 또한, 상기 분리막은 그 종류 또한 특별히 제한적이지 않아, 사용되는 용도에 따라 정밀여과막(micro filtration), 한외여과막(ultra filtration), 나노여과막(nano filtration) 또는 역삼투막(reverse osmosis) 등 다양한 종류의 분리막도 해당될 수 있다.
본 발명에서 상기 데이터베이스 서버부는 상기 제어부에서 산출된 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 역할을 하며, 라우터부를 매개로 상기 제어부 및 인터페이스부와 양방향 통신 네트워크로 연결되어 있다. 상기 데이터베이스 서버부는 특별히 종류가 제한적인 것은 아니나, SQL(Structured Query Language) 서버를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에서 상기 인터페이스부는 상기 데이터베이스 서버부에 저장된 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 용이하게 인식할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하는 것으로서, 역시 라우터부를 매개로 상기 제어부 및 데이터베이스 서버부와 양방향 통신 네트워크로 연결되어 있다. 상기 인터페이스부는 특별히 종류가 제한적인 것은 아니나, DSC(Data-logging and Supervisory Control)서버를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에서 상기 라우터(router)부는 상기 제어부, 데이터베이스 서버부 및 인터페이스부 각각에 대해 양방향 네트워크 통신으로 연결되어 있어 각각의 네트워크 간 데이터의 송수신을 중개하는 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용되는 라우터 장치라면 어떠한 장치라도 사용가능하다.
본 발명에 따른 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템에 대해 도면을 통해 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명의 막 오염 모니터링 시스템을 도식적으로 나타낸 것으로, 도 1에 의하면 본 발명에 따른 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템(100)은 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영되는 제어부(110), 상기 제어부(110)로부터 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 데이터베이스 서버부(120), 상기 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 용이하게 확인할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하는 인터페이스부(130) 및 상기 제어부(110), 데이터베이스 서버부(120) 및 인터페이스부(130)를 양방향 네트워크 통신으로 연결하는 라우터부(140)를 포함하고 있어, 분리막 시스템(200)에서 계측된 투과유속, 막간차압 등 계측값을 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영되는 제어부(110)에서 전송 받으면, 상기 제어부(110)에 내장되어 있는 막 오염 예측모델 프로그램에 의해 전송 받은 계측값을 기반으로 가까운 장래의 분리막의 오염 수준 정보를 산출하게 되며, 상기 산출된 분리막의 오염 수준 정보는 라우터부(140)를 경유하여 상기 데이터베이스 서버부(120)에 저장되며, 상기 데이터베이스 서버부(120)에 저장된 가까운 장래의 분리막의 오염 수준 정보는 상기 라우터부(140)를 경유하여 인터페이스부(130)에 전달되어 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 사용자가 확인 가능하도록 출력하게 된다.
본 발명에 따른 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템에 의하면, 막 오염 예측모델 프로그램을 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영하기 때문에, 분리막 시스템의 운전 중에 계측된 현재의 막 오염 수준에 대한 계측값을 기반으로 가까운 미래의 막 오염 수준을 어느 정도 정밀하게 예측할 수 있어, 기존처럼 불필요하게 막 세척 공정을 빈도 높게 진행할 필요가 없으며, 막 세척에 사용되는 세정제의 양도 필요한 양을 정밀하게 예측할 수 있어 세정제의 사용량을 기존 보다 낮출 수 있고, 운전자의 경험에 의존할 때 발생할 수 있는 불필요한 막 교체 또한 최소화 할 수 있어, 기존과는 달리 막 오염을 효율적으로 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템은 수 처리, 가스 처리, 이온이차전지 등 분리막을 이용하는 장치 및 설비에 다양하게 적용 가능하며, 특히, 수 처리 분야의 경우는 중소규모 MBR 공정 설비의 제어 계측 시스템의 유지보수 효율의 향상을 가져올 수 있으며, 하·폐수 MBR과 유사한 정밀 여과막 시스템의 상수도, 공업용수 및 해수담수시스템에도 적용 가능하다. 예를 들면, 중소규모 하·폐수 처리장, 도서지역 마을 하수도, 캠핑장, 건축현장 및 재해지역 임시 처리장과 같은 중소규모 MBR 처리장에 자동화 또는 원격 유지관리 시스템으로 적용이 가능하며, 강화된 방류수질기준에 입각하여 체계적인 수질관리가 요하는 곳과 노후설비로 인하여 실시간으로 설비의 안정성을 모니터링을 해야 하는 하·폐수 처리장 설비에 적용할 수도 있다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 막 오염 모니터링 시스템
110 : 제어부 120 : 데이터베이스 서버부
130 : 인터페이스부 140 : 라우터부
200 : 분리막 시스템

Claims (5)

  1. 분리막 시스템 운전 중 실시간으로 수집된 계측 정보 데이터를 기반으로 분리막의 가까운 장래의 오염 정도를 예측할 수 있는 적분형 막 오염 예측모델 프로그램이 내장되어 있어 막 오염 예측 정보를 산출하되, 실시간 운영체제(Real-time OS, RTOS)를 기반으로 운영되는 제어부;
    상기 제어부로부터 막 오염 예측 정보를 수신하여 저장하는 데이터베이스 서버부;
    상기 데이터베이스 서버부에 저장된 막 오염 예측 정보를 수신하여 사용자가 확인할 수 있도록 HMI(Human Machine Interface) 프로그램을 통해 출력하고, 이를 확인한 사용자가 필요한 조치를 취하도록 하는 인터페이스부; 및
    상기 제어부, 데이터베이스 서버부 및 인터페이스부를 양방향 네트워크 통신으로 연결하는 라우터(router)부;를 포함하는 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 정밀여과막(micro filtration), 한외여과막(ultra filtration), 나노여과막(nano filtration) 및 역삼투막(reverse osmosis)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 평막, 중공사막, 관형막, 나권형막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분리막 시스템의 막 오염 모니터링 시스템.
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