KR101806144B1 - 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수 유입수를 공급하는 해수 공급 라인; 재이용 유입수를 공급하는 재이용 유입수 공급 라인; 상기 해수 공급 라인이 막 모듈의 활성층과 연결되고, 상기 재이용 유입수 공급 라인이 막 모듈의 지지층과 연결된 제어-삼투 막 모듈; 상기 해수 공급 라인 중에 구비된 해수 유입수 가이드 밸브에 연결되어 해수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 지지층과 연결하는 해수 유입수 변경 라인; 상기 재이용 유입수 공급 라인 중에 구비된 재이용 유입수 가이드 밸브에 연결되어 재이용 유입수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결하는 재이용 유입수 변경 라인; 상기 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결된 라인 측에 배치된 펌프; 상기 제어-삼투 막 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 및 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정할 수 있는 장치를 포함하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치와, 이를 이용한 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법에 관한 것이다.

Description

제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 시스템{DESALINATION SYSTEM USING CONTROLLED FORWARD OSMOSIS AND REVERSE OSMOSIS}
본 발명은 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입 수질에 따라 정삼투 공정의 압력 정도 및 방향을 결정하여 에너지 소모량을 현저하게 감소시킬 수 있는 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 해수 담수화와 하수 재이용을 위한 새로운 기술로서 정삼투(Forward Osmosis) 기술이 관심을 모으고 있다. 정삼투는 기존에 사용되던 역삼투(Reverse Osmosis)와는 다르게 삼투압으로 구동이 가능하기 때문에 고압을 필요로 하는 역삼투에 비하여 에너지 사용량을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 정삼투는 처리하고자 하는 유입수보다 높은 삼투압을 가지는 유도 용액(Draw Solution)을 이용하여 유입수에서 분리막을 통하여 순수한 물만 뽑아내고 다른 용질이나 오염물질을 분리하는 방법이다.
정삼투는 단독으로 사용될 수 있으나, 많은 경우에는 사용된 유도 용액을 회수하기 위한 후처리 공정과 결합되어 사용된다. 여러 가지 종류의 후처리 공정 중에서 가장 쉽게 적용할 수 있는 것은 역삼투 공정이다. 따라서 정삼투-역삼투 융합 공정은 정삼투를 이용한 수처리 공정 중에서 가장 활용성이 높은 방법이라고 할 수 있다.
또한 정삼투를 응용한 방법으로 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis)가 있다. 압력지연삼투는 정삼투에 의하여 생산되는 물에 역방향으로 압력을 가함으로써 생산되는 물의 유량이 줄어드는 대신 압력을 가지게 하는 것이며, 이와 같이 압력을 가지는 물의 흐름을 이용하여 터빈을 돌리거나 압력을 회수하는 방법으로 에너지를 생산하는 기술이다.
그러나 기존의 정삼투 기술과 압력지연삼투 기술은 실제 적용하는데 있어 한계점을 가지고 있다. 예를 들어, 유입수 내의 수질 변동이 발생하는 경우 혹은 사용하는 분리막의 투과도가 변화하는 경우 등에 있어서, 정삼투 공정이나 압력지연삼투가 원래 설계된 유량의 물이나 에너지를 생산하지 못하는 일이 발생할 수 있다. 이는 정삼투와 압력지연삼투 모두 유입수와 유도 용액 사이의 이온 농도 차이에 의해서 구동되므로 이를 운전자가 외부에서 제어할 수 없는 경우가 많기 때문이다. 또한 물이나 에너지 생산 속도의 경우 막의 투과도에 의하여 영향을 받는데 막 오염 등으로 인하여 투과도가 변화하면 공정을 안정적으로 운전하기가 불가능한 상황이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위한 기존의 방법으로는 KR2013-0033562에 개시된 바와 같이 정삼투에 압력을 가하는 방법 등이 제안되었으나, 유입수의 수질 특성이나 막의 상태에 관계없이 유입수를 가압하면 에너지 사용량이 증가하고 막 오염이 가속되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 유입 수질의 특성에 따라 정삼투 공정에서 압력을 가하는 방향과 가해주는 압력을 결정하여 물의 생산량과 에너지 소모량을 최적화할 수 있는 담수화 시스템이 개발되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면에 의하면, 유입 수질에 따라 정삼투 공정의 압력 정도 및 방향을 결정하여 에너지 소모량을 현저하게 감소시킬 수 있는 담수화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 유입 수질에 따라 정삼투 공정의 압력 정도 및 방향을 결정하여 에너지 소모량을 현저하게 감소시킬 수 있는 담수화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 해수 유입수를 공급하는 해수 공급 라인; 재이용 유입수를 공급하는 재이용 유입수 공급 라인; 상기 해수 공급 라인이 막 모듈의 활성층과 연결되고, 상기 재이용 유입수 공급 라인이 막 모듈의 지지층과 연결된 제어-삼투 막 모듈; 상기 해수 공급 라인 중에 구비된 해수 유입수 가이드 밸브에 연결되어 해수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 지지층과 연결하는 해수 유입수 변경 라인; 상기 재이용 유입수 공급 라인 중에 구비된 재이용 유입수 가이드 밸브에 연결되어 재이용 유입수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결하는 재이용 유입수 변경 라인; 상기 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결된 라인 측에 배치된 정삼투 유입 펌프; 상기 제어-삼투 막 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치;및 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정할 수 있는 장치를 포함하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 해수 유입수와 재이용 유입수를 제어-삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계; 상기 제어-삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계; 및 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 제어-삼투 모듈은 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index) 값에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법이 제공된다.
본 발명의 담수화 시스템에 의하면, 정삼투 공정에 공급되는 유입수와 유도 용액의 삼투압 차이가 큰 경우에는 압력지연 삼투의 운전 방식으로 변경하여 에너지를 생산한 후 이를 후단의 역삼투 공정에 전달함으로써 에너지 사용량을 절감할 수 있다. 한편, 정삼투 공정에 공급되는 유입수와 유도 용액의 삼투압 차이가 작은 경우에는 가압식 정삼투의 운전방식으로 변경하여 정삼투에서 생산되는 물의 유량을 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같이 정삼투의 3가지 운전 모드인 정삼투, 가압식 정삼투, 및 압력지연삼투에 따라 정삼투 막에 공급되는 유입수와 유도 용액의 방향을 조절하여, 운전모드에 적합한 운전이 가능하도록 한다. 나아가, 정삼투막의 오염으로 투과도가 감소하는 것을 실시간으로 모니터링하고, 역삼투의 농축수로 삼투 세정을 함으로써 막의 오염을 예방하고, 유지 관리를 간편하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제어-삼투 및 역삼투 융합 공정의 개략적인 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 정삼투와 가압식 정삼투 모드 운전에서의 물의 흐름을 나타낸 것이다.
도 3은 압력지연 삼투 모드 운전에서의 물의 흐름을 나타낸 것이다.
도 4는 정삼투와 가압식 정삼투에서 삼투 세정을 하는 경우 물의 흐름을 나타낸 것이다.
도 5는 압력지연 삼투에서 삼투 세정을 하는 경우 물의 흐름을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 유입 수질에 따라 정삼투 공정의 압력 정도 및 방향을 결정하여 에너지 소모량을 현저하게 감소시킬 수 있는 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 시스템이 제공된다.
본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치는 구체적으로, 해수 유입수를 공급하는 해수 공급 라인; 재이용 유입수를 공급하는 재이용 유입수 공급 라인; 상기 해수 공급 라인이 막 모듈의 활성층과 연결되고, 상기 재이용 유입수 공급 라인이 막 모듈의 지지층과 연결된 제어-삼투 막 모듈; 상기 해수 공급 라인 중에 구비된 해수 유입수 가이드 밸브에 연결되어 해수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 지지층과 연결하는 해수 유입수 변경 라인; 상기 재이용 유입수 공급 라인 중에 구비된 재이용 유입수 가이드 밸브에 연결되어 재이용 유입수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결하는 재이용 유입수 변경 라인; 상기 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결된 라인 측에 배치된 정삼투 유입 펌프; 상기 제어-삼투 막 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 및 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정할 수 있는 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
도 1은 예시적인 본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치를 도식적으로 나타낸 것으로, 제어 삼투 공정으로 유입된 해수 유입수(11)는 담수인 재이용 유입수(12) 보다 높은 삼투압을 갖고 있으므로, 정삼투의 원리에 의하여 재이용 유입수(12) 내의 이온과 기타 오염물이 제거된 물이 추출되어 해수 유입수(11)와 혼합되며, 그 결과 희석된 해수인 처리수를 배출하게 된다.
상기와 같은 제어-삼투 공정에서 배출된 처리수는 가압 펌프(32)에 의하여 가압된 후 역삼투 막모듈(22)로 공급되어 추가적으로 처리된다. 그 결과 획득되는 처리수는 최종 처리수 저장조(61)에 일시 보관된 후 사용처(15)로 공급될 수 있다. 한편, 해수 농축수는 에너지 회수장치(41)에 의하여 압력 에너지를 가압 펌프(32)로 전달한 후 해수 농축수 저장조(62)에 임시로 보관된 후 해수 농축수(13)로 배출될 수 있다.
본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치에 있어서, 상기 제어-삼투 막 모듈은 압력 지연 삼투, 일반적인 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 단 이때 사용되는 막은 5 기압 이내의 압력을 걸어도 막의 손상이 발생하지 않는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 역삼투 막모듈(22)은 해수용 혹은 기수용 역삼투 막모듈이 사용될 수 있으며, 필요에 따라서는 나노여과 막모듈도 사용될 수 있다.
본 발명의 담수화 장치는 상기 해수 공급 라인 중에 구비된 해수 유입수 가이드 밸브에 연결되어 해수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 지지층과 연결하는 해수 유입수 변경 라인, 및 상기 재이용 유입수 공급 라인 중에 구비된 재이용 유입수 가이드 밸브에 연결되어 재이용 유입수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결하는 재이용 유입수 변경 라인을 구비함으로써 해수 유입수(11)와 재이용 유입수(12)의 수질 조건에 따라서 제어-삼투 막모듈(21)로 공급되는 물의 방향을 변경할 수 있으며, 이와 함께 정삼투 유입펌프(31) 및 역삼투 가압 펌프(32)를 추가로 구비하여 운전 조건을 변경할 수 있다.
본 발명의 제어-삼투 모듈에 있어서, 상기 활성층은 실제 막여과를 수행하는 선택적 분리능을 가진 여과층(Active layer)을 의미하며, 상기 지지층은 활성층에서 여과된 물의 유로로 작용함과 동시에 활성층의 기계적 강도를 부여하도록 형성된 층을 의미하는 것이다.
본 발명에 있어서, TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정할 수 있는 장치는 상기 항목을 측정할 수 있는 장치라면 각각의 장치이거나, 이들 항목을 한번에 측정할 수 있는 단일의 장치일 수 있으며, 장치의 형태가 특히 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 온라인으로 해수 유입수(11)와 담수인 재이용 유입수(12)의 TDS와 SDI 값을 측정할 수 있는 해수 수질 측정 장치인 것이다.
상기 제어-삼투 막 모듈은 하기 표 1의 조건에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
조건 NDF (L/m2-hr) SDI Lp/Lp0 ≥ 85% Lp/Lp0 < 85%
I NDF ≥10 SDI ≤ 4 압력지연삼투 정삼투
II SDI > 4 정삼투 정삼투
III NDF < 10 SDI ≤ 4 가압식 정삼투 가압식 정삼투
IV SDI > 4 정삼투 가압식 정삼투
상기 표 1에서, NDF는 하기 식(1) 내지 식(2)에 의해 구하고, Lp0는 식(3)에 의해 구하고, Lp는 식(2) 및 식(4)에 의해 구한다.
Figure 112015111337949-pat00001

상기 식(1)에서 J0는 막의 초기 조건에서의 플럭스(L/m2-hr), π0는 초기 조건에서의 해수 유입수와 재이용 유입수 사이의 삼투압 차이(bar), J는 운전 중 측정된 플럭스(L/m2-hr) 값을 나타내는 것이다.
도 2는 정삼투와 가압식 정삼투 모드 운전에서의 예시적인 물의 흐름을 나타낸 것이다. 점선으로 표시된 선은 물이 흐르지 않는 라인을 나타내고 실선으로 표시된 선은 물이 흐르는 라인을 나타낸다. 상기 표 1의 조건에 따라 유입수 가이드 밸브(50a, 50b, 50A, 50B), 유입수 선택 밸브(51, 51-1) 및 3 방(way) 흐름 제어 밸브(52, 52-1, 52-2, 52-3) 등의 밸브를 조절하여도 2와 같은 흐름을 획득할 수 있다.
다만, 도 2에 도시된 바와 같은 밸브 및 라인의 구성 및 배치는 예시적인 것으로, 이에 제한되는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 어떠한 밸브 및 라인의 배치를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 2에 도시된 운전 모드에서는 제어-삼투 막의 활성층으로 재이용 유입수(12)가 공급되며, 제어-삼투 막의 지지층으로 해수 유입수(11)가 공급된다. 정삼투와 가압식 정삼투 운전에서의 차이점은 정삼투 유입펌프(31)가 추가적인 압력을 가지고 유입수를 이송하는지 여부에 기초한 것으로, 정삼투 유입펌프(31)가 추가적인 압력을 가지고 유입수를 이송하는 경우에는 가압식 정삼투, 그렇지 않은 경우에는 일반 정삼투에 의해 운전되는 것이다.
도 3은 압력지연 삼투 모드 운전에서의 예시적인 물의 흐름을 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 운전 모드에서는 제어-삼투 막의 지지층으로 재이용 유입수(12)가 공급되며, 제어-삼투 막의 활성층으로 해수 유입수(11)가 공급된다. 제어-삼투 막모듈(21)에서 생산된 물은 해수 삼투압의 절반에 해당하는 압력을 보유하므로, 이때 가압 펌프(32)는 역삼투에 필요한 압력에서 상기 보유 압력을 뺀 값에 해당하는 압력만 추가적으로 공급할 수 있으며, 그 결과 필요한 에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상기 역삼투 모듈은 희석된 해수를 역삼투 모듈에 공급하기 위한 가압 펌프를 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 역삼투 가압 펌프(32)는 고압 펌프일 수 있다. 이때 상기 고압이란 역삼투 모듈을 운전하기 위해 공급되는 압력으로 10 bar 이상의 높은 압력인 것이다.
나아가, 본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치는 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하기 위한 해수 농축수 저장조; 상기 해수 농축수 저장조와 제어-삼투 모듈의 활성층 측을 연결하는 제1 삼투 세정 라인; 역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하기 위한 최종 처리수 저장조; 및 상기 최종 처리수 저장조와 제어-삼투 모듈의 지지층 측을 연결하는 제2 삼투 세정 라인을 추가로 포함할 수 있다.
이와 같은 구성이 추가되는 경우에는 정삼투 또는 가압식 정삼투 모드에서의 삼투 세정을 수행할 수 있다.
택일적으로, 본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치는 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하기 위한 해수 농축수 저장조; 상기 해수 농축수 저장조와 제어-삼투 모듈의 지지층 측을 연결하는 제3 삼투 세정 라인; 역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하기 위한 최종 처리수 저장조; 및 상기 최종 처리수 저장조와 제어-삼투 모듈의 활성층 측을 연결하는 제4 삼투 세정 라인을 추가로 포함할 수 있다.
이와 같은 구성이 추가되는 경우에는 압력지연삼투 모드에서의 삼투 세정을 수행할 수 있다.
도 4 및 도 5는 삼투 세정을 수행하는 경우에 물의 흐름을 나타낸 것으로, 해수 농축수 저장조(62)에 있는 물은 제어-삼투 막모듈에 공급되어 막 표면의 오염물을 역세척으로 제거하는데 사용되며, 한편 최종 처리수 저장조(61)에 있는 물은 제어-삼투 막모듈 반대편에 공급되어 역세척에 필요한 물을 공급할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4는 정삼투와 가압식 정삼투에서 삼투 세정을 하는 경우를 나타난 것이며, 도 5는 압력지연 삼투에서 삼투 세정을 하는 경우를 나타낸 것이다. 삼투 세정을 하는 조건은 하기 표 2와 같다.
조건 NDF (L/m2-hr) SDI Lp/Lp0 ≥ 85% Lp/Lp0 < 85%
I NDF ≥10 SDI ≤ 4 압력지연삼투/삼투세정 정삼투
II SDI > 4 정삼투 정삼투/삼투세정
III NDF < 10 SDI ≤ 4 가압식 정삼투 가압식 정삼투
IV SDI > 4 정삼투 가압식 정삼투/삼투세정
본 발명에 사용될 수 있는 상기 에너지 회수 장치는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 적용될 수 있는 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나아가, 본 발명의 다른 견지에 의하면, 상술한 바와 같은 담수화 장치가 적용될 수 있는 담수화 방법이 제공된다.
본 발명의 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법은 해수 유입수와 재이용 유입수를 제어-삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계; 상기 제어-삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계; 상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계; 및 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정하는 단계를 포함하며, 상기 제어-삼투 모듈은 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index) 값에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것이다.
상기 제어-삼투 막 모듈은 하기 표 1의 조건에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.
[표 1]
Figure 112015111337949-pat00002
상기 표 1에서, NDF는 하기 식(1) 내지 식(2)에 의해 구하고, Lp0는 식(3)에 의해 구하고, Lp는 식(2) 및 식(4)에 의해 구한다.
Figure 112015111337949-pat00003
상기 식(1)에서 J0는 막의 초기 조건에서의 플럭스(L/m2-hr), π0는 초기 조건에서의 해수 유입수와 재이용 유입수 사이의 삼투압 차이(bar), J는 운전 중 측정된 플럭스(L/m2-hr) 값을 나타내는 것이다.
상기 제어-삼투 모듈이 정삼투 또는 가압식 정삼투인 경우에는, 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하는 단계; 저장된 해수 농축수를 제어-삼투 모듈의 활성층 측에 공급하는 단계; 역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하는 단계; 및 저장된 담수를 저장조와 제어-삼투 모듈의 지지층 측에 공급하는 단계를 포함하여 삼투 세정하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
한편, 상기 제어-삼투 모듈이 압력지연 삼투인 경우에는 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하는 단계; 저장된 해수 농축수를 제어-삼투 모듈의 지지층 측에 공급하는 단계; 역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하는 단계; 및 저장된 담수를 저장조와 제어-삼투 모듈의 활성층 측에 공급하는 단계를 포함하여 삼투 세정하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 담수화 방법에 의하면, 제어-삼투막이 오염되어 투과도가 감소하는 경우에는, 후단에 배치된 역삼투 공정의 농축수 및 처리수를 이용하여 주기적으로 정삼투 막을 물리적으로 삼투 세정할 수 있다.
상기 희석된 해수를 역삼투 모듈에 공급하는 공정은 가압 펌프를 이용하여 수행될 수 있으며, 이러한 역삼투 가압 펌프(32)는 고압 펌프일 수 있다. 이때 상기 고압이란 역삼투 모듈을 운전하기 위해 공급되는 압력으로 10 bar 이상의 높은 압력인 것이다.
상기 에너지를 회수하는 단계는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)에 의해 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
다음의 운전 조건에 대하여, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 유입 수질 맞춤형 제어-삼투 및 역삼투 융합 공정을 이용한 담수화 시스템에 의하는 경우(실시예)와, 종래 정삼투-역삼투 공정에 의하는 경우(비교예)의 에너지 사용량을 비교하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
분류 항목 값

해수 유입수
 유입 유량 160 m3/day
TDS 30,000 mg/L
회수율 40 %

재이용 유입수
 유입 유량 100 m3/day
TDS 100 mg/L
회수율 80 %
정삼투 Lp0 2 L-m2-hr/bar

고압 역삼투		 투과율 1 L-m2-hr/bar
회수율 60%
에너지 회수 장치(ERD) 효율 100 % (이상적인 경우 가정)
펌프-모터 효율 80% (일반적인 경우)
실험예 1: 해수의 TDS 가 30,000 mg /L에서 28,000 mg /L로 감소한 경우
종래 방식인 비교예에 의하면, i) 삼투압의 감소 (22.8 bar → 21.3 bar)로 인하여 정삼투 생산수의 양이 약 7% 감소하였고, ii) 이를 추가적으로 생산하기 위하여 역삼투의 작동 압력을 높이면 0.433 kW의 에너지를 추가로 소모하여야 함을 확인할 수 있었다.
반면, 본 발명의 유입 수질 맞춤형 제어-삼투 및 역삼투 융합 공정에 의하면, i) 정삼투 생산량을 추가적으로 증가시키기 위하여 약 2 bar의 압력만이 추가로 요구되었으며, ii) 이를 위하여 추가적으로 필요한 에너지는 0.289 kW에 불과함을 확인할 수 있었다.
실험예 2: 해수의 TDS 가 30,000 mg /L에서 33,000 mg /L로 증가한 경우
종래 방식인 비교예에 의하면, i) 물의 생산량이 사용량보다 높으면 물을 저장한 후 전체 공정을 정지시켜야 하는 문제가 있었으며, ii) 이 경우 약 10%으로 가동시간 정지가 발생하였다.
반면, 본 발명의 유입 수질 맞춤형 제어-삼투 및 역삼투 융합 공정에 의하면, i) 이 경우 압력지연 삼투 모드로 운전함으로써 생산량을 감소시키고 추가적인 압력을 회수하여 고압 펌프로 전달할 수 있으며, ii) 그 결과 최대 1.157 kW의 에너지를 회수할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
11: 해수 유입수
12: 재이용 유입수
13: 해수 농축수
14: 재이용 농축수
15: 최종 처리수
21: 제어-삼투 막모듈
22: 역삼투 막모듈
31: 정삼투 유입펌프
32: 역삼투 가압펌프
41: 에너지회수장치
50a, 50b, 50A, 50B: 유입수 가이드 밸브
51, 51-1: 유입수 선택 밸브
52, 52-1, 52-2, 52-3: 3 방(way) 흐름 제어 밸브
61: 최종 처리수 저장조
62: 해수 농축수 저장조

Claims (15)

  1. 해수 유입수를 공급하는 해수 공급 라인;
    재이용 유입수를 공급하는 재이용 유입수 공급 라인;
    상기 해수 공급 라인이 막 모듈의 활성층과 연결되고, 상기 재이용 유입수 공급 라인이 막 모듈의 지지층과 연결된 제어-삼투 막 모듈;
    상기 해수 공급 라인 중에 구비된 해수 유입수 가이드 밸브에 연결되어 해수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 지지층과 연결하는 해수 유입수 변경 라인;
    상기 재이용 유입수 공급 라인 중에 구비된 재이용 유입수 가이드 밸브에 연결되어 재이용 유입수 공급 라인을 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결하는 재이용 유입수 변경 라인;
    상기 제어-삼투 막 모듈의 활성층과 연결된 라인 측에 배치된 펌프;
    상기 제어-삼투 막 모듈에서 배출된 희석된 해수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 가압 역삼투 모듈;
    상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 에너지 회수 장치; 및
    TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정할 수 있는 장치를 포함하고,
    상기 제어-삼투 막 모듈은 하기 표 1의 조건에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택되며,
    [표 1]
    Figure 112017069662595-pat00013

    상기 표 1에서, NDF는 하기 식(1) 내지 식(2)에 의해 구하고, Lp0는 식(3)에 의해 구하고, Lp는 식(2) 및 식(4)에 의해 구하며,
    Figure 112017069662595-pat00014


    상기 식(1)에서 J0는 막의 초기 조건에서의 플럭스(L/m2-hr), π0는 초기 조건에서의 해수 유입수와 재이용 유입수 사이의 삼투압 차이(bar), J는 운전 중 측정된 플럭스(L/m2-hr) 값을 나타내는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하기 위한 해수 농축수 저장조;
    상기 해수 농축수 저장조와 제어-삼투 막 모듈의 활성층 측을 연결하는 제1 삼투 세정 라인;
    역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하기 위한 최종 처리수 저장조; 및
    상기 최종 처리수 저장조와 제어-삼투 막 모듈의 지지층 측을 연결하는 제2 삼투 세정 라인을 추가로 포함하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하기 위한 해수 농축수 저장조;
    상기 해수 농축수 저장조와 제어-삼투 막 모듈의 지지층 측을 연결하는 제3 삼투 세정 라인;
    역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하기 위한 최종 처리수 저장조; 및
    상기 최종 처리수 저장조와 제어-삼투 막 모듈의 활성층 측을 연결하는 제4 삼투 세정 라인을 추가로 포함하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 역삼투 모듈은 희석된 해수를 역삼투 모듈에 공급하기 위한가압 펌프를 추가로 포함하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 에너지 회수 장치는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)인, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 장치.
  9. 해수 유입수와 재이용 유입수를 제어-삼투 모듈에 공급하여 농축수 및 희석된 해수를 획득하는 단계;
    상기 제어-삼투 모듈에서 배출된 희석된 해수를 가압 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 배출하는 단계;
    상기 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 단계; 및
    TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index)를 측정하는 단계
    를 포함하며, 상기 제어-삼투 모듈은 TDS(Total Dissolved Solid) 및 SDI(Sludge Density Index) 값에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 제어-삼투 모듈은 하기 표 1의 조건에 따라 압력 지연 삼투, 정삼투 및 가압식 정삼투 모듈로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
    [표 1]
    Figure 112017069662595-pat00015

    상기 표 1에서, NDF는 하기 식(1) 내지 식(2)에 의해 구하고, Lp0는 식(3)에 의해 구하고, Lp는 식(2) 및 식(4)에 의해 구하며,

    Figure 112017069662595-pat00016


    상기 식(1)에서 J0는 막의 초기 조건에서의 플럭스(L/m2-hr), π0는 초기 조건에서의 해수 유입수와 재이용 유입수 사이의 삼투압 차이(bar), J는 운전 중 측정된 플럭스(L/m2-hr) 값을 나타내는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서, 상기 제어-삼투 모듈이 정삼투 또는 가압식 정삼투인 경우,
    역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하는 단계;
    저장된 해수 농축수를 제어-삼투 모듈의 활성층 측에 공급하는 단계;
    역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하는 단계; 및
    저장된 담수를 저장조와 제어-삼투 모듈의 지지층 측에 공급하는 단계
    를 포함하여 삼투 세정하는 단계를 추가로 수행하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제어-삼투 모듈이 압력지연 삼투인 경우,
    역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 저장하는 단계;
    저장된 해수 농축수를 제어-삼투 모듈의 지지층 측에 공급하는 단계;
    역삼투 모듈에서 배출된 담수를 저장하는 단계; 및
    저장된 담수를 저장조와 제어-삼투 모듈의 활성층 측에 공급하는 단계
    를 포함하여 삼투 세정하는 단계를 추가로 수행하는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 희석된 해수를 역삼투 모듈에 공급하는 공정은 가압 펌프를 이용하여 수행되는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 에너지를 회수하는 단계는 압력 회수기(PX, Pressure Exchanger) 또는 터보차저(TC, Turbo charger)에 의해 수행되는, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 재이용 유입수는 하수, 하천수, 하수 처리수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 제어-삼투 및 역삼투를 이용한 담수화 방법.








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