KR102082376B1 - 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법 - Google Patents

섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 여과 장치는, 외부에서 도입된 오폐수가 수용되고, 오폐수가 여과되어 생성된 처리수가 외부로 배출되는 여과 반응조, 여과 반응조 내에 포함되는 하나 이상의 섬유사 여재, 여과 반응조 내부에서 처리수의 배출 경로에 위치하고, 처리수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 센서, 그리고 섬유사 여재를 관통하여 지지하고, 회전이 가능한 섬유사 지지축을 포함한다.

Description

섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법{NON-POINT POLLUTION SOURCE AND SEWAGE TREATMENT FILTRATION EQUIPMENT AND FILTRATION METHOD USING FIBER FILTER MEDIA}
섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법이 제공된다.
하수처리장 유출수 내 총인 처리를 위해 다양한 화학적, 물리적 응집공정들이 있으며, 모든 응집공정은 후단에 인 응집 부유물질인 인산염 인(PO4-P)의 제거를 위하여 여과나 침전공정이 필요하다. 과거에는 부영양화 물질의 원인물질인 인과 질소 처리를 위해 생물학적 동시 제거 방법들을 이용해왔으며, 질소는 생물학적 처리방법, 인은 안정적 처리를 위해 물리화학적 방법들이 활용되었다. 또한, 이때 총인 처리시 후단에 필요한 시설로 여과 공정이 이용될 수 있다.
여과 공정은 여재(media)를 이용하여 오염물질을 제거하는 방법으로 하수처리에서도 활용되지만 수돗물의 정수에 많이 이용된다.
일반적으로 하수처리 공정에서 1,2차 처리 후 고도처리를 위해 사용되는 처리 방법으로 여과 공정이 있다. 2012년부터 강화되는 하수처리내 인 방류수 수질 기준인 0.2mg/L 이하로 유지하기 위하여 하수처리장에서 인 응집 시설을 채택하고 있으며, 인산염 인 제거시, 여과 공정이 많이 활용되고 있다. 또한, 최근 비점오염원이 공공수역에서 주요 오염원으로 부각되면서 비점오염원 처리에도 여과 공정이 적용되고 있으며, 비점오염원의 초기 부하 오염물질을 처리를 위하여 여과 공정이 선호되고 있다. 여과 공정을 구성하는 중요한 요소 중 하나는 여재로서, 다양한 물질들이 여과 공정에서 여재로 활용되고 있다. 주요 여재 물질로는 플라스틱, 모래, 세라믹 등이 있으며, 처리공정의 대상 오염물질에 따라 사용되는 여재가 상이하다. 정수공정에서는 모래가 여재로 많이 활용되나 비점오염원을 포함한 하수처리시에는 플라스틱, 세라믹, 멤브레인, 나노물질 등이 이용된다.
그러나, 대부분의 여재들은 쉽게 구할 수 있는 물질이 아닌 여재 활용만을 위해 제조되고 있어, 다양한 목적으로 활용되지 못하여 경제적인 문제를 가지고 있다. 또한, 일부 여재의 경우 목적 효율을 얻기 위하여 주기적으로 교체해주어야 하는 부담을 안고 있으며, 여재의 모양, 크기 및 굳기(hardness)에 따라 여재의 손실과 마모가 발생하는 문제가 발생한다. 따라서, 경제적이고 쉽게 구할 수 있는 여재의 중요성이 커지고 있다.
또한, 여과 공정에서 중요한 요소는 역세척이다. 역세척은 여재 내에 축적되는 오염물질을 제거하는 공정이다. 여과 공정에서 오염물질을 여과하면서 여재 내에 오염물질이 쌓이게 되어 여과 효율을 감소시키므로, 역세척이 실시하여 여과 효율을 유지시킨다.
일반적으로 역세척시 여과지 내에 강한 압력의 공기와 물을 공급하여 여재를 유동시킴으로써 여재 내에 쌓여있는 오염물질들을 제거시킨다. 그러나, 이 과정에서 공기주입으로 인한 많은 에너지가 소비되고 있어 경제적인 문제를 가지고 있다. 따라서, 역세척시 공기공급량을 최소화하기 위한 방법의 중요성이 커지고 있다. 또한, 역세척은 여과 공정에 따라 차이는 있지만 빈번하게 수행되어 정상 효율을 유지시킬 수 있으며, 역세척의 실시 여부는 수리학적 조건이 수두차 여부에 따라 판단하거나, 수두 변화로 인한 수위차 센서와 같은 물리적 요소를 활용하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 여과 공정의 수질적 특성을 반영하는 운전 요소와는 다소 차이가 있어 필요 이상의 역세척을 수행하거나 적절한 시점에 역세척을 미수행함으로 인하여 효율이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 따라서, 적절한 시점에 역세척을 수행하여 안정적인 효율을 유지하고 역세척에 필요한 에너지를 최소화하여 경제적인 효과를 얻을 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 섬유사 여재를 이용하여 경제적인 효과를 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 역세척에 사용되는 에너지량을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 수질의 특성이 반영된 전기전도도를 이용하여 역세척 시점 판단 성능을 향상시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 전기전도도를 이용한 역세척을 이용하여 여과 효율을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 여과 장치 이용률을 증대시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 여과 장치는, 외부에서 도입된 오폐수가 수용되고, 오폐수가 여과되어 생성된 처리수가 외부로 배출되는 여과 반응조, 여과 반응조 내에 포함되는 하나 이상의 섬유사 여재, 여과 반응조 내부에서 처리수의 배출 경로에 위치하고, 처리수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 센서, 그리고 섬유사 여재를 관통하여 지지하고, 회전이 가능한 섬유사 지지축을 포함한다.
여기서, 전기전도도 센서에서 측정된 상기 처리수의 전기전도도 값에 대응하여 상기 섬유사 지지축의 회전 여부가 자동으로 결정된다.
전기전도도 센서에 의해 측정된 처리수의 전기전도도가 미리 정해진 기준 전기전도도보다 커지는 경우, 미리 정해진 시간 동안 섬유사 지지축이 회전되면서 섬유사 여재가 회전될 수 있다.
섬유사 여재가 회전될 때, 외부에서 역세척수가 여과 반응조 내로 도입될 수 있다.
섬유사 여재의 회전에 의해 처리수의 전기전도도가 미리 정해진 기준 전기전도도보다 작아지는 경우, 섬유사 지지축의 회전이 중단될 수 있다.
여과 반응조에서 오폐수가 외부로부터 유입되는 오폐수 입구와 섬유사 여재 사이에 위치하는 다공판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 여과 방법은, 내부에 하나 이상의 섬유사 여재, 그리고 섬유사 여재를 관통하여 지지하고, 회전이 가능한 섬유사 지지축을 포함하는 여과 반응조로 오폐수가 유입되는 단계, 오폐수가 섬유사 여재를 통과하면서 여과되어 처리수를 생성하는 단계, 처리수의 배출 경로에 위치하는 전기전도도 센서가 처리수의 전기전도도를 측정하는 단계, 그리고 처리수의 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도보다 높은 경우, 섬유사 지지축을 회전시켜 상기 섬유사 여재를 세척하는 역세척 단계를 포함한다.
여기서, 전기전도도 센서에서 측정된 처리수의 전기전도도 값에 대응하여 섬유사 지지축의 회전 여부가 자동으로 결정된다.
본 발명의 한 실시예에 따른 섬유사 여재를 이용한 비점오염원 및 하수처리 여과 장치 및 여과 방법은 섬유사 여재를 이용하여 경제적인 효과를 향상시킬 수 있으며, 역세척에 사용되는 에너지량을 감소시킬 수 있고, 수질의 특성이 반영된 전기전도도를 이용하여 역세척 시점 판단 성능을 향상시킬 수 있으며, 전기전도도를 이용한 역세척을 이용하여 여과 효율을 증대시킬 수 있으며, 여과 장치의 이용률을 증대시킬 수 있다.
도 1은 섬유사 여재를 이용한 여과 장치의 단면을 나타내는 이미지이다.
도 2는 실시예 1에 따른 여과 장치를 이용한 전기전도도 변화에 따른 역세척 수행 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1에 따른 여과 장치를 이용한 오폐수의 역세척 전후의 총인 농도 변화 분석을 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2에 따른 여과 장치를 이용한 여과 전후의 비점오염원의 SS(Suspended Sediment, 부유물질) 처리 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 인산염 인의 농도에 따른 전기전도도의 변화 그래프이다.
도 6은 역세척 전후의 인산염 인의 농도 및 전기전도도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 자동제어 시스템의 공정도를 나타내는 이미지이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명과 관련된 연구는 중소기업청의 기술혁신개발사업의 일환으로 수행되었다[S2316049, 격막이 부재된 전기응집 및 수세척이 가능한 중공섬유사 여과필터기술을 융합한 고효율 수처리공법개발](This work was supported by the Technological Innovation R&D Program S2316049 funded by the Small and Medium Business Administration(SMBA, Korea)).
도 1은 섬유사 여재를 이용한 여과 장치(100)의 단면을 나타내는 이미지이다.
도 1을 참조하면, 여과 장치(100)는, 여과 반응조(10), 섬유사 여재(20), 오폐수 입구(30), 처리수 출구(40), 역세척수 입구(50), 역세척수 출구(60), 섬유사 지지축(70), 회전 모터(80), 전기전도도 센서(90)를 포함한다. 이때, 여과 장치(100)는 회전 모터(M)(80)와 연결되어 구동될 수 있으며, 여과 장치(100)는 필요에 따라 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
오폐수는, 하수처리의 오염물질일 수 있으며, 하수처리장에서 1차 및 2차 처리 후 고도 처리에서 제거되는 오염물질일 수 있다. 고도처리는, 예를 들어, 여과 공정일 수 있고, 이 과정에서 인(P) 응집 및 제거가 이루어질 수 있다. 또한, 오폐수는, 비점오염원(non-point pollution source)일 수 있다. 비점오염원(non-point source pollution)은, 예를 들어, 도로, 농경지, 주차장 등에 쌓여 있던 비료, 농약, 먼지, 기름 성분 등에 의해 오염된 빗물이 지표면을 따라 흐르면서 발생하는, 발생지점이 분명하지 않은 오염원일 수 있으며, 초기 빗물에는 오염도가 높지만 나중에는 농도가 떨어져 수질처리를 하기 위한 한 곳으로 모으기가 매우 어렵기 때문에, 비점오염원의 초기부하(First Flush) 오염물질의 처리가 매우 중요하며, 이를 위해, 여과가 이루어질 수 있다.
여과 반응조(10)는, 예를 들어, 원통형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 오폐수 입구(30)는 여과 반응조(10)의 측면에 설치되어 오폐수를 연속적으로 제공한다. 또한 처리수 출구(40)는 여과 반응조의 중앙 상부에 위치할 수 있다. 따라서, 오폐수는 오폐수 입구(30)를 통해 여과 반응조(10) 내로 유입되어 섬유사 여재(20) 사이를 통과하면서 여과된 후 처리수 출구(40)로 배출된다. 이때, 오폐수 입구(30)에는 다공판(미도시)이 더 설치될 수 있으며, 다공판으로 인해 오폐수의 단속류(short circuiting)가 방지될 수 있고, 오폐수가 섬유사 여재(20) 표면에 일정하게 통과될 수 있도록 하였다.
처리수는, 오폐수에서 총인(T-P, total P)처리가 실시된 오폐수일 수 있으며, 이때 인산염 인(PO4-P) 등의 부유물질(SS, suspended solids)의 제거가 일어날 수 있다. 총인 처리는 여과 공정을 통해 실시될 수 있으며, 예를 들어, 섬유사 여재(20)를 이용한 여과 공정일 수 있다.
섬유사 여재(20)는, 유입된 오폐수를 여과하여 처리수를 제공하는 역할을 한다. 이때, 섬유사 여재(20)는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 섬유사를 이용할 수 있다. 섬유사 여재(20)의 충진율은 20~40%일 수 있다. 충진율이 40% 이상일 경우, 처리수의 배출이 원활하지 않을 수 있으며, 충진율이 20% 이하일 경우, 여과 효율이 떨어질 수 있다. 기존의 플라스틱, 세라믹 등의 여과재는 공극의 크기가 고정되어 있어, 부유물질로 인한 공극의 막힘 현상이 발생하면, 여과 효율이 떨어져서 여재의 교체 및 역세척을 빈번히 실시해야하고, 이를 통한 에너지 소비가 큰 단점이 있는 반면, 섬유사를 이용한 여재는 쉽게 구할 수 있는 섬유사 재료이고, 부유물질의 양에 따라 섬유사 양을 조절할 수 있으며, 이를 통해 섬유사의 여과 효율을 조절할 수 있다는 점에서 경제적 효과를 얻을 수 있다.
오폐수 입구(30) 및 처리수 출구(40)는 여과 반응조(10)의 측면에 위치할 수 있으며, 처리수 출구(40)는 오폐수 입구(30)보다 높은 위치에 설치될 수 있다. 이때, 오폐수는 오폐수 입구(30)로 유입되어 섬유사 여재(20) 사이를 통과하여 오염물질을 제거한 후, 처리수 출구(40)로 빠져나갈 수 있다.
역세척(backwashing)은, 여재에 부착된 부유물질을 제거하는 방법이다. 오폐수를 여과하는 과정에서 여재에 부유물질이 축적되면 여과 효율이 떨어질 수 있으며, 이에 따라, 여재를 세척하는 방법으로, 예를 들어, 물을 주입할 수 있으며, 여재에 붙은 부유물질을 제거할 수 있다.
역세척수 입구(50) 및 역세척수 출구(60)는 여과 반응조(10) 측면에 위치할 수 있다. 따라서, 역세척수는 역세척수 입구(50)로 유입되어 섬유사 여재(20) 사이를 통과하여 오염물질을 제거한 후, 역세척수 출구(60)로 빠져나갈 수 있다.
섬유사 지지축(70)은, 예를 들어, 원으로 된 철봉일 수 있고, 섬유사 여재(20)를 지지하고 있는 축이다. 역세척시, 섬유사 지지축(70)을 회전시켜, 섬유사 여재(20) 사이에 부착되어 있는 오염물질을 제거시킬 수 있다. 이때, 섬유사 지지축(70)은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 양쪽 회전이 가능하다. 섬유사 지지축(70)은 양쪽 방향을 교대로 회전시킴으로써 섬유사 여재(20) 사이에 부착된 오염물질을 제거할 수 있으며, 역세척의 효과가 증대될 수 있다.
역세척 공정은, 단독으로 수행될 수도 있고, 여과 공정과 동시에 수행될 수도 있다. 예를 들어, 여과 공정은, 시계 방향으로 1분 및 반시계 방향으로 1분씩 교대로 운영되며, 총 4분의 여과 공정 운영 후, 1분동안 역세척 공정이 여과 공정과 동시에 일어나는 공정이 반복될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
회전 모터(80)는, 섬유사 지지축(70) 상단에 위치할 수 있으며, 섬유사 여재(20)를 구동시킬 때, 회전 모터(80)가 작동하여 회전 모터(80)와 연결된 섬유사 지지축(70)이 회전할 수 있다. 이때, 섬유사 지지축(70)에 고정된 섬유사 여재(20)는, 역세척을 통해 섬유사 여재(20) 사이에 부착된 오염물질을 제거시킬 수 있다. 기존에 공기를 주입하여 역세척을 실시하는 경우, 많은 에너지를 소비하며, 이에 따른 경제적인 문제점이 있었다. 반면, 회전 모터(80)를 구동하여 섬유사 다발을 회전시켜 여재 내 이물질 제거하는 경우, 공기 주입방법보다 적은 에너지가 소비되어 에너지 절감 효과를 나타낼 수 있다.
전기전도도 센서(90)는, 처리수의 배출 경로에 설치되어 있을 수 있다. 전기전도도 센서(90)는 여과 반응조(10) 내의 인산염 인(PO4-P) 등의 부유물질의 농도를 감지하여 전기전도도(EC) 값을 측정한다. 측정된 전기전도도 값에 따라 역세척 시점이 결정될 수 있고, 역세척 공정이 모니터링될 수 있으며, 역세척 공정이 중단될 수도 있다. 또한 이러한 역세척 공정은 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
예를 들면, 측정된 처리수의 전기전도도가 미리 설정된 기준 전기전도도 이상이 될 경우, 역세척이 수행될 수 있다. 또한 역세척이 진행되면서 처리수의 기준 전기전도도가 기준 전기전도도 미만이 되거나 미리 설정된 시간만큼 역세척이 수행되고 나면 역세척이 중지될 수도 있다. 여기서, 기준 전기전도도는, 미리 정해진 전기전도도 값이며, 처리수의 전기전도도 값이 커지면서 회전 모터(80)가 구동되는 시점이 되는 전기전도도를 의미할 수 있고, 역세척 시점을 판단하는 기준이 되는 전기전도도를 의미할 수 있다.
처리수의 전기전도도는 전기전도도 센서(90)에 의해 실시간으로 측정될 수 있고, 모니터링 및 자동제어 시스템에 의해 역세척 수행 여부가 자동으로 제어될 수 있다. 기존에는 고가의 수위 센서를 이용하여 일정 주기마다 역세척을 수행하여 비효율적인 역세척에 따른 에너지 소비 및 빈번한 여재의 교체에 따른 경제적인 문제가 존재하였다. 반면, 실시예에 따른 전기전도도 센서(90)를 포함하는 여과 장치(100)의 경우, 가격이 저렴하고 유지 관리가 용이할 수 있고, 자동제어 시스템에 따라 수질 조건에 맞는 역세척이 가능할 수 있으며, 보다 효율적인 역세척이 수행될 수 있다.
실시예에 따른 여과 방법은, 내부에 하나 이상의 섬유사 여재(20)를 포함하는 여과 반응조(10)로 오폐수가 유입되는 단계, 오폐수가 섬유사 여재(20)를 통과하면서 여과되어 처리수를 생성하는 단계, 처리수의 배출 경로에 위치하는 전기전도도 센서(90)가 처리수의 전기전도도를 측정하는 단계, 그리고 처리수의 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도보다 높은 경우, 회전 모터(80)를 구동시켜 섬유사 여재(20)를 회전시키는 역세척 단계를 포함하고, 이때, 역세척 단계는 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템에 의해 자동으로 제어된다.
우선, 내부에 하나 이상의 섬유사 여재(20)를 포함하는 여과 반응조(10)로 오폐수가 유입되는 단계가 수행된다. 섬유사 여재(20)는 섬유사 지지축(70)에 섬유사 다발을 엮어 고정시킨 것일 수 있다.
다음으로, 오폐수가 섬유사 여재(20)를 통과하면서 여과되어 처리수를 생성하는 단계가 수행된다. 회전 모터(80)는 섬유사 지지축(70)을 회전시키며, 섬유사 지지축(70)에 고정된 섬유사 여재(20)는 오폐수를 여과시킬 수 있다. 이때, 섬유사 지지축(70)은 시계 방향 및 반시계 방향을 교대로 회전할 수 있다.
이어서, 처리수의 배출 경로에 위치하는 전기전도도 센서(90)가 처리수의 전기전도도를 측정하는 단계가 수행된다. 처리수 내의 전기전도도 값은 처리수 내의 인산염 인 등의 부유물질의 농도에 비례할 수 있다. 또한, 여과 효율이 저하될 수 있으며, 이는, 섬유사 여재(20)에 부착된 이물질이 증가함에 기인한 것일 수 있다. 다음으로, 처리수의 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도보다 높은 경우, 회전 모터(80)를 구동시켜 섬유사 여재(20)를 회전시키는 역세척 단계가 수행될 수 있다.
도 7은 역세척 자동제어 시스템의 공정도를 나타낸다.
도7을 참조하면, 역세척 자동제어 시스템 공정은, 전기전도도 센서(90)가 처리수의 전기전도도를 측정하는 단계, 전기전도도를 분석하여 역세척(backwashing)을 결정하는 단계를 포함한다.
섬유사 여재(20)를 통과한 처리수에는 여과되지 못한 인산염 인(PO4-P) 등의 부유물질을 포함될 수 있으며, 이온 상태의 부유물질 농도가 증가할수록 전기전도도 값이 증가할 수 있다. 또한, 섬유사 여재(20) 내에 부유물질이 증가할수록 여과 효율이 떨어져 부유물질의 양이 증가할 수 있다.
이때, 처리수의 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도 이상이 되면, 역세척이 시작될 수 있고, 역세척이 진행되면서 처리수의 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도 미만이 되면 역세척이 중단될 수 있다. 예를 들어, 처리수의 전기전도도 값이 500 ± 50μS/cm 범위 이내일 경우, 처리수가 배출될 수 있고, 처리수의 전기전도도 값이 500 ± 50 μS/cm 이상이 되는 경우, 처리수 출구(40)가 닫히며 역세척이 실시될 수 있다.
처리수의 전기전도도 값은 연속적으로 모니터링될 수 있고, 별도의 제어 시스템에 의해 역세척 진행 여부가 결정될 수 있다.
역세척은, 역세척 밸브가 열리고, 역세척수가 역세척수 입구(50)를 통해 유입되며 회전 모터(80)가 일정 시간 동안 작동한다. 이때 회전 모터(80)는 섬유사 지지축(70)과 연결되어 섬유사 지지축(70)을 120rpm의 속도로 회전시킬 수 있으며, 섬유사 여재(20)가 역세척될 수 있다.
예를 들어, 역세척이 일어나는 일정 시간은 총 5분일 수 있다. 약 5분간 회전 모터(80)로 인한 역세척이 실시될 수 있고, 이 중 후반 1분 동안은 물이 동시에 유입되면서 역세척이 실시될 수 있다. 여과 반응조(10)의 상단에 위치하는 역세척수 입구(50)에서 여과 반응조(10)의 하단에 위치하는 역세척수 출구(60)로 하향류로 약 1분간 유입된 후 역세척이 종료될 수 있다.
이어서, 오염된 역세척수는 여과 반응조(10) 하단에 설치된 역세척수 출구(60)를 통해 배출되어 별도로 처리된다. 이어서, 오폐수 입구(30)가 개방되어 여과 공정을 반복할 수 있다. 기존에 일정 주기마다 공기를 배출시켜 역세척을 실시하는 방법은 에너지 소비가 많이 발생하는 것에 비하여, 회전 모터(80)를 이용한 역세척은 전기전도도 값에 따른 효율적인 역세척이 실시될 수 있고, 상대적으로 적은 에너지가 소비된다.
이처럼, 전기전도도를 이용한 지속적 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템은, 전기전도도를 이용하여, 보다 정확한 역세척 운전 시점을 판단할 수 있으며, 효율적으로 역세척을 실시할 수 있어 경제적이다. 또한, 전기전도도 값에 따라, 간접적으로 처리수의 여과 효율을 판단할 수 있으므로 실시간 수질모니터링에 따른 역세척 시스템을 통하여 효율적이고 경제적으로 운영할 수 있다.
정리하면, 실시예에 따른 여과 장치(100)는, 전기소모가 적고 가격이 저렴한 전기전도도 센서(90) 및 섬유사 여재(20)를 이용하므로 경제적이며, 지속적인 모니터링을 통해 역세척 및 여과 공정의 운전을 효율적으로 수행할 수 있다.
또한, 최근 비점오염원 처리시설에서 무인으로 여과공정을 실시하는 경우가 늘어나고 있다. 이에, 실시예에 따른 여과 장치(100)는, 전기전도도를 이용한 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템을 통해 실시간으로 수질을 모니터링하고 자동 운영을 가능하게 하므로, 비점오염원 처리시설, 하수처리장 등 산업분야에서 다양하게 활용될 수 있다.
또한, 여과 공정은, 역세척 공정을 수행하며, 효율적인 역세척 공정을 위해 전기전도도 센서(90)를 이용한다. 실시예에 따른 여과 공정은, 강한 압력의 공기와 물을 주입하는 기존의 공정에 비하여, 회전 모터(80)를 이용한 섬유사 여재(20)의 회전 방식을 이용하므로, 섬유사 여재(20) 사이에 부착되어 있는 오염물질을 제거하는데 보다 적은 에너지를 소비할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 - 하수처리장 오폐수 여과 장치
여과 반응조는 직경 8cm, 높이 35cm의 원통형으로 이루어질 수 있다. 섬유사 여재는 15cm 크기로 일정하게 자른 약 1200개의 섬유사를 엮어 원으로 된 철봉인 섬유사 지지축에 고정하였다. 여과 방법은 상향식이며, 섬유사 여재의 충전 깊이는 33cm이고, 여재의 충진율은 약 30%이다. 섬유사 지지축을 회전하기 위한 회전 모터는 120rpm으로 유지하였으며, 시계 방향과 반시계 방향으로 1분간 교대로 작동하였으며, 총 회전 작동 시간은 5분이고, 마지막 1분간은 상향류 방향으로 역세척을 위한 역세척수를 동시에 공급하였다. 여과 공정 체류시간은 23분이며, 표면적 부하율은 인 농도 기준 0.002kg/daym2으로 유지하였다. 이때, 인 농도는 PO4-P를 기준으로 하였다. 또한, 여과 반응조 처리수의 수질 모니터링을 위한 전기전도도 센서가 부착되어 있다. 이는, 전기전도도를 이용한 자동제어 장치가 연속적으로 가동되면서 역세척 여부를 결정하는 시스템이 실시될 수 있다.
실험예 1 - 전기전도도 변화에 따른 역세척 수행 분석
실시예 1에 따른 여과 장치를 이용하여 전기전도도 변화에 따른 역세척을 수행 분석을 실시하였고, 이를 도 2에 도시하였다. 이때 사용되는 오염물질은 실제 하수처리장의 오폐수를 사용하였다.
도 2는 전기전도도 변화에 따른 역세척 수행 결과를 나타낸 그래프이다. 가로축은 시간(min)을 나타내며, 세로축은 전기전도도(EC)를 나타낸다. 또한, 세로의 점선은 역세척이 일어난 시점을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 전기전도도 값이 증가하는 시점에 역세척이 실시되었고, 역세척이 실시된 이루 전기전도도 값이 다시 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 역세척을 통해 여과 반응조 처리수의 농도가 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2 - 하수처리 오폐수의 인 농도 변화
실시예 1에 따른 여과 장치를 이용하여 오폐수의 역세척 전과 역세척 후에 따른 인(P) 농도의 변화 분석을 실시하였고, 이를 도 3에 도시하였다. 이때 사용된 오염물질은 실제 하수처리장의 오폐수를 사용하였다.
도 3은 오폐수의 역세척 전후의 인 농도 변화 분석을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(min)을 나타내고, 세로축은 총인(T-P, total P) 농도(mg/L)를 나타낸다. 또한, 세로의 점선은 역세척이 일어난 시점을 나타낸다. 이때, 역세척의 실시는 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템에 의하여 제어될 수 있다.
도 3을 참조하면, 정상 운전의 경우, 약 0.2 mg/L 내외의 인 농도를 유지하고 있으며, 역세척이 일어나는 시점의 경우, 약 1.0 mg/L 내외로 인의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 역세척이 일어난 이후, 인의 농도는 다시 0.2 mg/L 내외로 떨어져 유지되는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2 - 비점오염원 여과 장치
여과 반응조는 직경 10cm, 높이 120cm의 원통형으로 이루어질 수 있다. 섬유사 지지축을 중심으로 10cm 크기의 섬유사 여재를 고정하였다. 섬유사 여재의 충전 깊이는 100cm이고, 여재의 충진율은 약 30%이다. 여과 방법은 상향식이며, 하부로 유입된 물이 상부로 유출되는 방식으로 운전될 수 있다. 여과 반응조는 3부분으로 구분하여 조립 및 분리가 가능하며, 여과 반응조의 오폐수 입구에는 오폐수의 단속류(short circuiting)를 방지하기 위하여 직경 0.3cm의 다공판을 만들어 오폐수가 섬유사 여재 표면에 일정하게 통과될 수 있도록 하였다. 이는, 하수처리를 위한 오폐수용 여과 반응조는 대형 사이즈를 필요로 하므로, 오폐수가 여과 반응조 내에서 균일하게 여과될 수 있도록 하기 위함일 수 있다.
또한, 여과 반응조 측면에 피에조미터(piezometer)를 10cm 간격으로 설치하여, 운전 중 실시간으로 발생되는 수두차이를 확인하였다. 여과 반응조를 통과한 처리수의 샘플링은 30분 간격으로 진행하였다. 이는, 비점오염원은 유입농도가 높으므로 시간에 따라 섬유사 여재의 막힘 현상이 빈번히 발생할 수 있고, 이로 인해 수두손실이 발생할 수 있으므로 이를 검토하기 위한 것일 수 있다. 또한, 처리수의 전기전도도를 측정하여 역세척 실시 여부를 결정하였다.
실험예 3 - 비점오염원 SS 처리 분석
실시예 2에 따른 여과 장치를 이용하여 처리수의 전기전도도를 측정하여 역세척 실시 여부 특성을 분석하였으며, 이를 도 4에 도시하였다. 이때 사용되는 오염물질은 실험실에서 제조한 비점오염원을 사용하였다.
도 4는 실시예 2에 따른 여과 장치를 이용한 여과 전후의 비점오염원의 SS(Suspendedsolids, 부유물질) 처리 특성을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(min)을 나타내고, 좌측 세로축은 여과 효율(Efficiency, %)을 나타내며, 우측 세로축은 SS 농도(mg/L)를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 섬유사 여재를 이용한 여과 장치를 이용한 결과, 여과 처리 전에 비하여, 여과 처리 후 SS의 농도는 확연히 감소한 것을 확인할 수 있으며, 여과 효율은 약 80% 이상인 것을 알 수 있다. 이는, 환경부의 비점오염원 시설의 처리 효율이 약 80% 이상인 것과 비슷한 효율을 나타내는 것을 알 수 있다.
실험예 4 - 전기전도도에 따른 인산염 인의 농도 변화
인산염 인의 농도에 따른 전기전도도 값의 변화를 분석하였으며, 이를 도 5에 도시하였다.
도 5는 인산염 인의 농도에 따른 전기전도도의 변화 그래프이다. 가로축은 전기전도도(μS/cm)를 나타내며, 세로축은 인산염 인(PO4-P)의 농도(mg/L)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 인산염 인의 농도가 증가함에 따라 전기전도도 값이 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있다.
실험예 5 - 인산염 인의 농도
역세척 전과 역세척 후에 인산염 인(PO4-P)의 농도 및 전기전도도를 분석하였으며, 이를 도 6에 도시하였다.
도 6은 역세척 전후의 인산염 인의 농도 및 전기전도도를 나타낸 도면이다. 가로축은 시간(min)을 나타내고, 좌측 세로축은 전기전도도(μS/cm)를 나타내며, 우측 세로축은 인산염 인의 농도(mg/L)를 나타낸다. 또한, 그래프 내에 세로로 그어진 선은 역세척이 실시된 지점을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 역세척 전에 인산염 인의 농도는 0.15 mg/L 이상이었으며, 역세척이 실시된 후, 인산염 인의 농도는 0.10 mg/L로 감소하였음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 여과 반응조 20: 섬유사 여재
30: 오폐수 입구 40: 오폐수 출구
50: 역세척수 입구 60: 역세척수 출구
70: 섬유사 지지축 80: 회전 모터
90: 전기전도도 센서 100: 여과 장치

Claims (6)

  1. 외부에서 도입된 오폐수가 수용되고, 상기 오폐수가 여과되어 생성된 처리수가 외부로 배출되는 여과 반응조,
    상기 여과 반응조 내에 포함되는 하나 이상의 섬유사 여재,
    상기 여과 반응조 내부에서 상기 처리수의 배출 경로에 위치하고, 상기 처리수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 센서,
    상기 섬유사 여재를 관통하여 지지하고, 회전이 가능한 섬유사 지지축, 그리고
    상기 전기전도도 센서에서 측정된 상기 처리수의 전기전도도 값을 연속적으로 모니터링하고, 상기 섬유사 지지축의 회전을 제어하는 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템
    을 포함하고,
    상기 섬유사 여재의 충진율이 20~40 %이며,
    상기 전기전도도 센서에서 측정된 상기 처리수의 전기전도도 값에 대응하여 상기 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템에 의해 상기 섬유사 지지축의 회전 여부가 자동으로 결정되고,
    상기 측정된 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도 값보다 큰 경우, 미리 정해진 시간 동안 상기 섬유사 지지축이 시계 방향 및 반시계 방향으로 교대로 회전되며, 상기 미리 정해진 기준 전기전도도 값은 450~550 μS/cm 인
    여과 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 섬유사 여재가 회전될 때, 외부에서 역세척수가 상기 여과 반응조 내로 도입되는 여과 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 섬유사 여재의 회전에 의해 상기 처리수의 전기전도도가 상기 미리 정해진 기준 전기전도도보다 작아지는 경우, 상기 섬유사 지지축의 회전이 중단되는 여과 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 여과 반응조에서 상기 오폐수가 외부로부터 유입되는 오폐수 입구와 상기 섬유사 여재 사이에 위치하는 다공판을 더 포함하는 여과 장치.
  6. 내부에 하나 이상의 섬유사 여재, 그리고 섬유사 여재를 관통하여 지지하고, 회전이 가능한 섬유사 지지축을 포함하는 여과 반응조로 오폐수가 유입되는 단계,
    상기 오폐수가 상기 섬유사 여재를 통과하면서 여과되어 처리수를 생성하는 단계,
    상기 처리수의 배출 경로에 위치하는 전기전도도 센서가 상기 처리수의 전기전도도를 측정하는 단계, 그리고
    역세척 모니터링 및 자동제어 시스템이 상기 전기전도도 센서에서 측정된 상기 처리수의 전기전도도 값을 연속적으로 모니터링하여 상기 측정된 전기전도도 값이 미리 정해진 기준 전기전도도 값보다 큰 경우, 상기 섬유사 지지축을 시계 방향 및 반시계 방향으로 교대로 회전시켜 상기 섬유사 여재를 세척하는 역세척 단계
    를 포함하고,
    상기 섬유사 여재의 충진율이 20~40 %이며,
    상기 역세척 단계에서,
    상기 전기전도도 센서에서 측정된 상기 처리수의 전기전도도 값에 대응하여 상기 역세척 모니터링 및 자동제어 시스템에 의해 상기 섬유사 지지축의 회전 여부가 자동으로 결정되고, 상기 미리 정해진 기준 전기전도도 값은 450~550 μS/cm 인
    여과 방법.
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