KR101945517B1 - 유가스전 폐수 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유가스전 폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 유가스전(oil and gas well)에서 발생하는 폐수(1)가 유입되고, 폐수(1)를 처리하여 처리수(2)를 배출하는 수조부(10), 상기 처리수(2)가 유입되어, 미세기포(8)(micro bubble)를 생성하고, 상기 미세기포(8)를 성장·폭발시켜 OH 라디칼(9)을 발생시키는 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20), 및 상기 미세기포(8), 및 상기 OH 라디칼(9)을 상기 수조부(10) 내부로 공급하는 디퓨저(30)를 포함하여, 상기 수조부(10) 내로 공급된 상기 미세기포(8)는 상기 폐수(1) 중의 미세입자 및 에멀전(emulsion) 상태의 오일·그리스(oil & grease)를 수면 위로 부상시키고, 상기 OH 라디칼(9)은 상기 폐수(1) 중의 용해된 오일·그리스를 산화시킨다.

Description

유가스전 폐수 처리 시스템{WATER TREATMENT SYSTEM FOR WASTE WATER OF OIL AND GAS WELL}

본 발명은 유가스전 처리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유가스전 개발 시에 발생하는 폐수 중의 미세입자, 에멀전 오일·그리스, 및 용해된 오일·그리스를 효율적으로 처리할 수 있는 유가스전 폐수 처리 시스템에 관한 것이다.

셰일가스는 가스가 투과할 수 없는 암석층에 막혀 셰일층에 갇혀 존재하는 천연가스로서, 90% 이상이 건가스(dry gas) 형태로 생산된다. 경제적, 기술적 제약으로 채취가 어려웠던 셰일가스는 2000년대 들어 상용화되면서 신에너지원으로 급부상하고 있다. 셰일가스를 채취하기 위한 방법으로는 수평시추기법(horizontal drlling)과 수압파쇄기법(hydraulic fracturing)이 있다. 수평시추기법은 수직방향에서 떨어진 목표지점에 도달하기 위해 미리 설계된 방향, 각도에 따른 경로로 시추하는 기술로서, 가스층과 접촉면을 넓혀 가스를 회수한다. 이에 반해, 수압파쇄기법은 수직으로 뚫은 시추공에 물과 모래, 화학물질 등을 혼합한 현탁액(fracturing water)을 고압으로 지하에 투입해 가스가 들어있는 암석층에 균열을 일으켜 가스를 뽑아내는 공법이다.

이러한 방식에 따라 가스전을 개발하는 경우에, 크게 3종류의 셰일가스 폐수가 발생한다. 첫번째 셰일가스 폐수는 수직천공 시에 발생하는 드릴링 폐수(drilling waste water)이고, 둘째는 고압으로 가해졌던 fracturing water가 압력이 낮아지면서 시추공을 따라 지표면으로 되돌아 나오는 환류수(flowback water)이다. 마지막으로 생산수(produced water)가 있는데, 이는 시추 작업과 파쇄 작업이 종료되고 난 후 가스 생산 과정에서 지층으로부터 침출되어 시추공을 따라 지표면으로 역류하는 물이다. 이러한 폐수에는 미세입자(TSS)와 오일·그리스(oil & grease) 등이 섞여 있어서, 처리 공정을 거쳐 이를 제거할 필요가 있다.

종래 폐수 처리기술로는 응집/혼화(G/F), 화학적 침전, 가압부상(DAF) 등의 방법이 있다. 특히, 가압부상장치는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 가압된 공기를 반응조에 불어 넣어 저밀도 오염물질들을 가압 부상시키고, 수면에 부상된 오염물질을 스컴(scum) 수거장치를 이용해 처리한다.

그러나 종래 가압부상장치의 경우에 에멀전된 오일·그리스와 미세입자의 제거는 가능하지만, 수중에 용해된 오일·그리스 제거는 불가능하고, 주입되는 기포가 크기 때문에 처리효율이 떨어지며, 여과지가 폐색되는 문제가 있다.

이에 종래 가압부상장치의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.

KR 10-2016-0018157 A

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 유가스전 폐수가 유입되는 수조부에 미세기포 및 산화력이 높은 OH 라디칼을 형성 공급하여, 폐수 내 에멀전 상태의 오일·그리스 뿐만 아니라 용해된 오일·그리스도 제거할 수 있는 유가스전 폐수 처리 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 유가스전(oil and gas well)에서 발생하는 폐수가 유입되고, 상기 폐수를 처리하여 처리수를 배출하는 수조부; 상기 처리수가 유입되어, 미세기포(micro bubble)를 생성하고, 상기 미세기포를 성장·폭발시켜 OH 라디칼을 발생시키는 미세기포 및 OH 라디칼 발생기; 및 상기 미세기포, 및 상기 OH 라디칼을 상기 수조부 내부로 공급하는 디퓨저;를 포함하여, 상기 수조부 내로 공급된 상기 미세기포는 상기 폐수 중의 미세입자 및 에멀전(emulsion) 상태의 오일·그리스(oil & grease)를 수면 위로 부상시키고, 상기 OH 라디칼은 상기 폐수 중의 용해된 오일·그리스를 산화시킨다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 폐수는 셰일가스 폐수이다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 수조부는 상기 미세기포가 공급되어, 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 부상하는 부상조; 상기 부상조와 연통되고, 부상한 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 이송되어 제거되는 분리조; 및 상기 분리조와 연통되고, 내부에 필터가 배치되어, 상기 폐수를 필터링하는 필터조;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 수조부는 상기 분리조 내상부에, 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 유입되는 방향으로 기울어지게 배치되어, 상기 분리조의 내하부와 상기 필터조를 연통시키는 경사벽;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 필터는 다수 개로, 각각은 서로 다른 공극 크기를 가지고, 적층 배치된다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 부상한 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스를 제거하는 스키머(skimmer);를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 미세기포 및 OH 라디칼 발생기는 중공관 형태로 형성되되, 상기 처리수가 유입되는 일단에서부터 타단 방향으로 소정의 영역인 경계부까지 횡단면이 점점 작아지다가, 상기 경계부에서 상기 타단까지 횡단면이 다시 확대되는 이송관; 및 상기 경계부에 배치되고, 상기 처리수가 통과하면서 상기 미세기포를 형성시키는 적어도 하나 이상의 오리피스(orifice)를 구비하는 오리피스 판;을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 오리피스의 직경은 1 ~ 4 ㎜이다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 이송관 중 횡단면이 점점 작아지는 축소부의 내면은 상기 처리수 이송방향에 대해 35 ~ 40 ° 기울기로 경사지도록 형성되고, 상기 이송관 중 횡단면이 점점 확대되는 확대부의 내면은 상기 처리수 이송방향에 대해 10 ~ 15 ° 기울기로 경사지도록 형성된다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 있어서, 상기 처리수 및 에어(air)를 이송받아 가압하고, 가압된 상기 처리수를 상기 미세기포 및 OH 라디칼 발생기로 공급하는 가압탱크;를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 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.

본 발명에 따르면, 미세기포 및 OH 라디칼 발생기가 가압탱크와 연결되어, 미세기포를 발생시키고, 그 미세기포가 성장 폭발되어 OH 라디칼을 생성함으로써, 유가스전 폐수 중의 미세입자와 에멀전 상태의 오일·그리스는 미세기포에 의해 부상하여 제거되고, 용해된 오일·그리스는 OH 라디칼에 의해 산화되어 효율적으로 폐수를 처리할 수 있다.

또한, 처리효율이 증대되므로, 필터에 가해지는 부하가 감소되고, 오염물질에 의한 여과지 폐색이 방지되어 여과지속시간을 높일 수 있다. 나아가 본 발명은 셰일가스나 CBM 등의 비전통가스전 개발과정 중 발생하는 폐수 처리뿐만 아니라, 전통유가스전 개발 시 발생할 수 있는 폐수 처리에도 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 미세기포 및 OH 라디칼 발생기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템 내의 미세기포를 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에서 발생한 OH 라디칼 발생량 및 산화 반응속도 상수를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에서의 미세입자 및 오일·그리스의 유입·유출 농도를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 미세기포 및 OH 라디칼 발생기의 단면도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 유가스전(oil and gas well)에서 발생하는 폐수(1)가 유입되고, 폐수(1)를 처리하여 처리수(2)를 배출하는 수조부(10), 상기 처리수(2)가 유입되어, 미세기포(micro bubble, 8)를 생성하고, 상기 미세기포(8)를 성장·폭발시켜 OH 라디칼(9)을 발생시키는 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20), 및 상기 미세기포(8), 및 상기 OH 라디칼(9)을 상기 수조부(10) 내부로 공급하는 디퓨저(30)를 포함하여, 상기 수조부(10) 내로 공급된 상기 미세기포(8)는 상기 폐수(1) 중의 미세입자 및 에멀전(emulsion) 상태의 오일·그리스(oil & grease)(3)를 수면 위로 부상시키고, 상기 OH 라디칼(9)은 상기 폐수(1) 중의 용해된 오일·그리스를 산화시킨다.

본 발명은 유가스전 개발 시에 발생하는 폐수를 처리하는 장치에 관한 것이다. 유전(oil field)이나 가스전(gas field)을 개발하기 위해서는, 지하에 매장된 원유를 산출하는 유정(oil well), 또는 가스를 생산하는 가스정(gas well)를 설치해야 하는데, 그 과정에서 폐수가 발생한다. 수압파쇄기법에 따라 시추공에 물과 모래, 화학물질 등을 혼합한 고압의 fracturing water를 투입해 셰일가스를 채취하는 경우를 예로 들면, 드릴링 폐수(drilling waste water), 환류수(flowback water) 및 생산수(produced water) 등의 폐수가 셰일가스 생산 중에 발생한다. 여기서, 드릴링 폐수는 수직천공 시에 발생하는 폐수이고, 환류수는 고압으로 가해졌던 fracturing water가 압력이 낮아지면서 시추공을 따라 배출되는 것이며, 생산수는 가스 생산 과정에서 지층의 침출수가 시추공을 따라 역류하는 물이다. 이러한 폐수에는 미세입자(TSS)와 오일 및 그리스(oil & grease)가 함유되어 폐수를 제거할 필요가 있는데, 이를 위해서 가압부상장치가 일반적으로 사용된다. 가압부상장치는 공기를 가압하여 반응조에 불어 넣어 저밀도 오염물질을 부상시켜 수면에 부상된 오염물질을 제거하는데, 종래 가압부상장치의 경우에는 에멀전된 오일·그리스와 미세입자의 제거는 가능하지만, 수중에 용해된 오일·그리스 제거는 불가능하고, 주입되는 기포가 크기 때문에 처리효율이 떨어지며, 여과지가 폐색되는 문제가 발생하는바, 이를 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템이 안출되었다.

본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 수조부(10), 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20), 및 디퓨저(30)를 포함한다.

수조부(10)는 폐수(1)를 수용하고, 그 폐수(1)를 처리하는 탱크(tank)로서, 내부에 수용공간을 구비하고, 외부로부터 폐수(1)가 유입되는 유입구, 및 그 폐수(1)가 처리된 처리수(2)가 외부로 배출되는 배출구를 포함한다.

여기서, 폐수(1)는 유가스전 개발 시에 발생되는 폐수로서, 예를 들어 상술한 셰일가스 폐수일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 전통적이거나 비전통적인 유전이나 가스전을 개발하는 과정에서 발생할 수 있는 모든 폐수를 포함한다.

이러한 폐수(1)는 유입구를 통해, 내부의 수용공간으로 유입되어 처리된 후에, 배출구로 배출되는데, 이때 폐수 처리는 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)에서 생성한 미세기포(8)와 OH 라디칼(9)에 의한다.

여기서, 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)는 유체역학적 공동현상(hydrodynamic cavitation)을 적용하여 미세기포(8)를 생성하는 장치이다. 공동현상(cavitation)은 빠른 속도로 유체가 운동할 때에, 그 액체의 압력이 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다. 이러한 공동현상은 관로 내에서의 유속 및 유량변동에 의해서도 발생하는바, 본 발명에 따른 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)는 수조부(10)에서 배출된 처리수(2)가 이동하는 동안(후술하는 축소부와 오리피스 및 확대부)에 소정의 지점에서 유속 및 유량변동을 야기시켜 미세기포(8)를 생성한다.

구체적으로, 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)는 이송관(21), 및 오리피스 판(23)을 포함할 수 있다(도 2 참조).

여기서, 이송관(21)은 수조부(10)에서 배출된 처리수(2)가 흘러가는 배관으로서, 전체적으로는 내부에 압력차가 발생하도록 잘록한 부분이 구비된 중공관 형상으로 형성된다. 즉, 일단에서부터 타단 방향으로 갈수록 횡단면이 점점 작아지다가, 소정의 부분에서부터는 다시 확대되도록 형성된다. 여기서, 횡단면은 이송관(21)의 일단으로 유입되어 이송되는 처리수(2)의 이송방향에 대해 수직으로 절단한 단면을 의미한다. 따라서, 이송관(21)은 일단을 포함하면서 횡단면이 점점 작아지는 축소부(21a), 타단을 포함하면서 횡단면이 점점 커지는 확대부(21b), 및 상기 일단과 타단 사이에서 축소부(21a)와 확대부(21b)를 잇는 경계부(21c)로 구성된다. 따라서, 베루누이 법칙에 의해, 처리수(2)가 이송관(21)을 따라 축소부(21a), 경계부(21c), 및 확대부(21b)를 거치면서 유속 및 유량이 변하게 된다.

여기서, 이송관(21)의 종단면을 기준으로, 축소부(21a)의 내면 및 확대부(21b)의 내면은 처리수(2) 이송방향(화살표 방향)에 대해서 소정의 각도로 기울어져 경사를 이루는데, 이때 축소부(21a)의 내면과 처리수(2) 이송방향이 이루는 각도(θ₁)는 35 ~ 40 °일 수 있고, 바람직하게는 36 °가 적합하다. 반면, 확대부(21b)의 내면과 처리수(2) 이송방향이 이루는 각도(θ₂)는 10 ~ 15 °일 수 있으며, 이때 최적의 각도는 12 °이다. 다만, 상술한 각도(θ₁, θ₂)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 이송관(21)으로 공급되는 처리수(2)의 최초유량, 후술할 가압탱크(50)에서의 압력 등을 고려하여 이와 달리 정할 수도 있다.

한편, 이송관(21)은 원형관으로서, 그 횡단면이 원형일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 횡단면 변화에 따라 이송관(21)을 따라 흐르는 처리수(2)의 유속 및 유량변화가 유도되는 한 어떠한 형상으로 형성되어도 무관하다. 또한, 이송관(21)은 축소부(21a), 경계부(21c) 및 확대부(21b)가 일체로 형성되거나, 또는 축소부(21a)와 확대부(21b)가 서로 결합되어 형성될 수 있다. 따라서, 이하 축소부(21a)와 확대부(21b)가 결합되어 이송관(21)이 형성되는 것으로 설명하지만, 반드시 이에 한정하여 본 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.

오리피스 판(23)은 판(plate) 형상으로 형성되고, 중심부에 관통 구멍인 오리피스(25)를 구비한다. 이러한 오리피스 판(23)은 이송관(21)의 경계부(21c)에 설치되는데, 이때 오리피스(25)는 이송관(21) 내부에 배치된다. 따라서, 이송관(21)을 따라 흐르는 처리수(2)가 오리피스(25)를 통과하면서, 표면적이 매우 작은 크기의 미세기포(8)를 생성한다. 여기서, 오리피스(25)의 직경은 1 ~ 4 ㎜, 바람직하게는 2 ㎜일 수 있고, 이때 미세기포(8)의 크기는 10 ~ 50 ㎚로, 평균 크기는 45 ㎚ 정도가 된다. 이러한 미세기포(8)는 수조부(10)로 공급되고, 수조부(10)에서 폐수(1) 중의 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)를 수면 위로 부상시킨다. 이때, 크기가 큰 기포가 주입되는 경우보다 크기가 작은 기포가 주입되는 경우에 오염물질이 효과적으로 부상하는바, 매우 작은 크기의 미세기포(8)를 생성하는 본 발명에 따른 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)에 의하면 종래 가압부상장치에 비해 더 많은 양의 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)를 부상시켜 제거효율을 향상시킬 수 있다.

여기서, 오리피스(25)는 1 ~ 9개로서, 바람직하게는 5개일 수 있다. 다만, 오리피스(25)의 개수가 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 여러 설계요건을 감안하여 적어도 1개 이상일 수 있다.

한편, 미세기포(8) 중 일부는 수조부(10)로 이동되는 동안에 성장하여 최종적으로 폭발될 수 있는데, 이때 휘발성 물질은 미세기포(8) 내부로 침투되어 미세기포(8) 내부의 극한 조건(5,000 K, 1,000 atm)에서 열분해에 의해 분해되고, 또한 미세기포(8) 폭발 시에 발생한 OH 라디칼(9)이 유기물을 산화한다. 따라서, 폐수(1) 내에 용해된 오일·그리스는 미세기포(8)에 의해 수면 위로 부상하지 않더라고, 산화력이 강한 OH 라디칼(9)에 의해 산화되어 제거된다.

디퓨저(30)는 수조부(10) 내부에 배치되고, 상기 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)에 연결되어, 수조부(10) 내부로 미세기포(8)와 OH 라디칼(9)을 공급한다. 따라서, 수조부(10) 내의 폐수(1) 중 미세입자와 에멀전 상태의 오일·그리스(3)는 미세기포(8)에 의해 수면으로 상승하여 제거되고, 그 폐수(1) 중의 용해된 오일·그리스는 OH 라디칼(9)에 의해 산화되어 제거된다.

한편, 수조부(10)는 부상조(11), 분리조(13), 및 필터조(15)가 서로 연결되는 구조로 형성될 수 있다.

부상조(11)는 폐수(1)가 유입되고, 미세기포(8)가 공급되는 용기부분으로, 여기에서 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)가 수면 위로 부상한다.

분리조(13)는 부상조(11)와 연통하는 용기부분이므로, 부상조(11)에서 부상한 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)는 폐수(1)와 함께 분리조(13)로 이송되어 제거된다.

필터조(15)는 내부에 필터(17)가 배치되는 용기부분으로서, 분리조(13)와 연통되도록 형성됨으로써, 부상한 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)가 제거된 폐수(1)가 유입되어 필터링된다. 이때, 폐수(1)는 필터조(15)의 상부에서부터 하부 방향으로, 중력 등에 의해 이동되면서 필터링되어 처리된 후, 처리수(2) 형태로 필터조(15)의 외부로 배출된다. 여기서, 필터(17)는 적어도 1개 이상일 수 있고, 다수 개의 필터(17)를 사용하는 경우에는 어느 하나의 필터(17) 위에 다른 필터(17)가 배치되는 방식으로 적층되며, 이때 필터(17)마다 서로 다른 크기의 공극을 가짐으로써 다단계 필터구조를 형성할 수 있다.

또한, 수조부(10)는 분리조(13)의 내하부와 필터조(15)를 연통시키기 위해, 경사벽(19)을 포함할 수 있다. 여기서, 경사벽(19)은 벽체로써, 분리조(13)의 내상부에 배치되되, 부상한 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)가 유입되는 방향 쪽으로, 즉 부상조(11)와 분리조(13)가 연통되는 입구쪽을 향해 기울어지도록 배치된다. 따라서, 분리조(13)의 내상부는 경사벽(19)에 의해 차단되고, 분리조(13)의 내하부와 필터조(15)가 소통하므로, 분리조(13)에서 제거되지 않은 일부의 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)가 필터조(15)로 유입되어 필터(17)에 부하를 가하고, 필터(17)의 공극을 폐색하는 것을 차단한다.

한편, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 분리조(13) 내에서 수면에 부상한 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스(3)를 제거할 수 있는 스키머(skimmer, 40)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 스키머(40)는 수처리에서 수면상에 발생한 스컴(scum)을 처리하는 장치로서, 수처리 분야에서 일반적으로 사용되는 스키머를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템은 처리수(2)를 가압하여 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)로 공급하는 가압탱크(50)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 가압탱크(50)는 제1 배관에 의해 수조부(10)와 연결되고, 제2 배관에 의해 에어펌프와 연결된다. 따라서, 가압탱크(50)는 제1 배관을 따라서 흘러들어오는 처리수(2)와, 제2 배관을 따라 이동하는 에어(air, 7)를 수용하고, 미세기포(8) 생성에 적합한 소정의 압력으로 가압하여, 가압된 처리수(2)를 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)로 공급한다. 이때, 소정의 압력은 3 ~ 5 atm으로, 바람직하게는 4 atm이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.

종합적으로, 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에 의하면, 미세기포 및 OH 라디칼 발생기(20)가 가압탱크(50)와 연결되어, 미세기포(8)를 발생시키고, 그 미세기포(8)가 성장 폭발하여 OH 라디칼(9)을 생성함으로써, 유가스전 폐수(1) 중의 미세입자와 에멀전 상태의 오일·그리스(3)는 미세기포(8)에 의해 부상하여 제거되고, 용해된 오일·그리스는 OH 라디칼(9)에 의해 산화되어 효율적으로 폐수(1)를 처리할 수 있다. 또한, 처리효율이 증대되므로, 필터(17)에 가해지는 부하가 감소되고, 오염물질에 의한 여과지 폐색이 방지되어 여과지속시간을 높일 수 있다. 나아가 본 발명은 셰일가스나 CBM 등의 비전통가스전 개발과정 중 발생하는 폐수(1) 처리뿐만 아니라, 전통유가스전 개발 시 발생할 수 있는 폐수(1) 처리에도 적용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템의 실험예를 통해 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템 내의 미세기포를 측정한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에서 발생한 OH 라디칼 발생량 및 산화 반응속도 상수를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유가스전 폐수 처리 시스템에서의 미세입자 및 오일·그리스의 유입·유출 농도를 나타낸 그래프이다.

실험예 1

도 3에서는 본 발명에 따른 미세기포 및 OH 라디칼 발생기에서 생성되는 미세기포를 관찰하였는바, 압축된 공기의 압력차로 인하여 표면적이 매우 작은 미세기포가 발생함을 확인하였다.

실험예 2

본 발명에 따른 미세기포 및 OH 라디칼 발생기로의 유입압력에 따른 OH 라디칼 발생량과 그 유기물 산화 반응속도상수를 연구하였다.

그 결과, 도 4에서와 같이, 유입압력이 0.45 ㎫일 때에 OH 라디칼 발생량과 유기물 산화반응속도상수 값이 최대치를 나타내었다.

실험예 3

도 5에서는 본 발명에 따른 필터에서 셰일가스 폐수 중 미세입자(TSS) 및 오일·그리스 제거 정도를 측정하여, 그 결과를 그래프화하였다. 그 결과를 분석해 보면, 50 ㎎/L 농도의 미세입자가 유입된 경우에 필터를 거쳐 유출되는 미세입자의 농도는 0 ~ 1 ㎎/L이었고, 유입농도가 470 ㎎/L인 오일·그리스의 유출농도는 10 ~ 12 ㎎/L이었다. 이로써, 본 발명에 따르면, 유가스전 개발 시에 발생하는 폐수 처리 효율이 매우 증가함을 알 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 폐수 2: 처리수
3: 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스 7: 에어
8: 미세기포 9: OH 라디칼
10: 수조부 11: 부상조
13: 분리조 15: 필터조
17: 필터 19: 경사벽
20: 미세기포 및 OH 라디칼 발생기 21: 이송관
23: 오리피스 판 25: 오리피스
30: 디퓨저 40: 스키머
50: 가압탱크

Claims (10)

1. 유가스전(oil and gas well)에서 발생하는 셰일가스 폐수가 유입되고, 상기 폐수를 처리하여 처리수를 배출하는 수조부;
   상기 처리수가 유입되어, 미세기포(micro bubble)를 생성하고, 상기 미세기포를 성장·폭발시켜 OH 라디칼을 발생시키는 미세기포 및 OH 라디칼 발생기;
   상기 미세기포, 및 상기 OH 라디칼을 상기 수조부 내부로 공급하는 디퓨저;
   제1배관에 의해 상기 수조부와 연결되어 처리수를 공급받고 제2배관에 의해 에어펌프와 연결되어 에어(air)를 이송받아 가압하고, 가압된 상기 처리수를 상기 미세기포 및 OH 라디칼 발생기로 공급하는 가압탱크를 포함하여,
   상기 수조부 내로 공급된 상기 미세기포는 상기 폐수 중의 미세입자 및 에멀전(emulsion) 상태의 오일·그리스(oil & grease)를 수면 위로 부상시키고, 상기 OH 라디칼은 상기 폐수 중의 용해된 오일·그리스를 산화시키는 것으로,
   상기 수조부는 상기 미세기포가 공급되어, 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 부상하는 부상조; 상기 부상조와 연통되고, 부상한 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 이송되어 제거되는 분리조; 상기 분리조 내에서 부상한 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스를 제거하는 스키머(skimmer); 상기 분리조와 연통되고, 내부에 필터가 배치되어, 상기 폐수를 필터링하는 필터조; 상기 분리조 내상부에, 상기 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 유입되는 방향으로 기울어지게 배치되어, 상기 분리조의 내하부와 상기 필터조를 연통시키는 경사벽으로 이루어지고,
   상기 필터조는 상기 분리조와 연통되도록 형성됨으로써, 부상한 미세입자 및 에멀전 상태의 오일·그리스가 제거된 폐수를 상기 필터를 통해 필터링하되, 상기 필터는 다수개가 서로 다른 공극 크기를 가지고 적층 배치되며,
   상기 미세기포 및 OH 라디칼 발생기는
   중공관 형태로 형성되되, 처리수가 유입되는 일단에서부터 타단 방향으로 가면서 단면이 점점 작아지는 축소부, 상기 축소부의 타단에 연결되는 경계부, 상기 경계부에서 단면이 점점 커지는 확대부로 이루어지는 이송관,
   상기 이송관의 경계부에 상기 축소부와 확대부의 내경보다 작은 내경으로 형성되며 1 ~ 4mm 직경인 하나 이상의 오리피스(orifice)를 구비하는 오리피스 판;으로 이루어져 상기 축소부와 오리피스 및 확대부로 이어지는 유로를 통해 처리수의 유속과 유량의 변화를 유도하여 작은 크기의 미세기포를 생성하되, 상기 이송관 중 횡단면이 점점 작아지는 축소부의 내면은 상기 처리수 이송방향에 대해 35 ~ 40 ° 기울기로 경사지도록 형성되는 한편, 상기 이송관 중 횡단면이 점점 확대되는 확대부의 내면은 상기 처리수 이송방향에 대해 10 ~ 15 ° 기울기로 경사지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유가스전 폐수 처리 시스템.
   
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