KR102274447B1 - 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템, 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
하수처리장에서 발생하는 인, 질소 등 무기염류를 포함한 하수 또는 폐수 처리시, 반류수와 고농도의 염폐수의 농도차를 이용하여 압력지연삼투(PRO) 공정을 통해 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 인가되는 전력을 생산하여 전력소비량을 감소시킬 수 있고, 또한, 압력지연삼투(PRO) 공정의 전처리부로서 무동력 중력식 여과막(GDM)을 통해 별도의 전력사용 없이 반류수 및 하수 또는 폐수의 부유물질 및 탁도를 제어함으로써 압력지연삼투(PRO) 공정의 전력생산 효율을 증대시킴과 동시에 막 축전식 탈염(MCDI) 공정의 처리 효율을 극대화시킬 수 있으며, 또한, 하수처리장에서 발생하는 고농도 하수 또는 폐수 처리를 위해 기존 공정에 대한 운전성능을 개선하고, 인, 질소 등의 무기염류를 처리하고 농축시킬 수 있는, 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템, 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하수처리장에서 발생하는 인, 질소 등 무기염류를 포함한 하수 또는 폐수를 처리하기 위하여 축전식 탈염(Capacitive Deionization; CDI) 모듈 또는 막 축전식 탈염(Membrane Capacitive Deionization; MCDI) 모듈을 이용하여 고농도의 하수 또는 폐수 내에서 담수를 생산함과 동시에 인, 질소 등의 비료원인물질을 회수하는, 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 여기서, 축전식 탈염은 전극 탈이온이라는 용어로 사용될 수 있다.
일반적으로, 하수처리시설에서 영양분인 인(Phosphorus)과 질소(Nitrogen)를 회수하는 기술이 전 세계적으로 주목 받고 있다.
예를 들면, 물에서 질소(Nitrogen)를 처리하기 위한 물리적, 화학적 기술 중에서 탈기, 이온 교환 시스템, 전기 투석, 역삼투(Reverse Osmosis) 및 증발은 질소를 분해하는 대신에 폐수의 질소를 분리 및 제거하는 방법이다. 이러한 방법에 따르면 다른 형태의 고농축 질소가 생성되기 때문에 잔류물질을 처리하기 위한 추가 공정이 필수적이다. 또한, 응집 및 흡착을 포함한 화학적 처리 및 기타 방법을 사용하여 하수 및 폐수에서 부영양화를 일으키는 물질인 인(Phosphorus)을 제거할 수 있다. 따라서 다양한 물질이 혼합되어 침전된 다른 유용한 물질과 마찬가지로 인(Phosphorus)이 슬러지(Sludge)에 포함될 수 있다.
일반적으로, 폐수처리공정은 유입폐수를 침사지로 유입하고, 이를 1차 침전시킨 후, 포기조에서 미생물을 이용하여 처리시킨 후에 다시 2차 침전지에서 침전 및 방류시키는 방법을 채택하고 있다. 이때 생산되는 찌꺼기를 슬러지라고 하며, 이는 농축, 혐기성 소화과정 및 탈수과정을 거쳐서 처리되는데, 이러한 슬러지 처리과정에서 발생되는 농축조 상징액, 소화조 상징액 및 탈수 여액을 통상적으로 반류수(side stream)라고 한다.
이러한 폐수처리장 슬러지 처리공정에서 발생하는 반류수(side stream)는 상대적으로 작은 양이지만 고농도이기 때문에, 수처리 계통에 충격부하를 유발하므로 전체 폐수처리효율에 심각한 영향을 준다. 이러한 반류수는 전체 유입유량 대비 1 내지 3%의 작은 유량이지만, 유입 폐수 유기물 부하의 13 내지 33%, 질소 부하의 5 내지 47%, 인 부하의 13 내지 46% 가량을 증가시키는 것으로 알려져 있다.
한편, 과거에는 하수 또는 폐수의 슬러지가 일종의 오염원으로 인식되었지만, 최근에는 자원으로서의 중요성이 강조되고 있고, 이와 관련하여 재활용 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 현재 전 세계적으로 급증하는 에너지 수요와 화석연료의 단점을 극복하기 위해서, 지속가능하고 환경친화적이며 경제적인 대체 에너지 개발이 시급한 실정이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 하수처리장에서 발생하는 인, 질소 등 무기염류를 포함한 하수 또는 폐수 처리시, 반류수와 고농도의 염폐수의 농도차를 이용하여 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis; PRO) 공정을 통해 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 인가되는 전력을 생산하여 전력소비량을 감소시킬 수 있는, 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템, 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 압력지연삼투(PRO) 공정의 전처리부로서 무동력 중력식 여과막(Gravity Driven Membrane; GDM)을 통해 별도의 전력사용 없이 반류수 및 하수 또는 폐수의 부유물질 및 탁도를 제어함으로써 압력지연삼투(PRO) 공정의 전력생산 효율을 증대시킴과 동시에 막 축전식 탈염(MCDI) 공정의 처리 효율을 극대화시킬 수 있는, 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템, 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 하수처리장에서 발생하는 고농도 하수 또는 폐수 처리를 위해 기존 공정에 대한 운전성능을 개선하고, 인, 질소 등의 무기염류를 처리하고 농축시킬 수 있는, 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템, 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템은, 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 원수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리하는 원수 전처리부; 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 반류수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리하는 반류수 전처리부; 상기 원수 전처리부로부터 전처리된 원수를 제공받고, 상기 반류수 전처리부로부터 전처리된 반류수를 공급받아 압력지연삼투(PRO) 공정을 수행하고, 농축된 고농도 염폐수를 공급하고 반류수를 희석시키며, 막 축전식 탈염(MCDI) 공정에 사용되는 전력을 공급하는 압력지연삼투(PRO) 전력생산부; 및 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부로부터 농축된 염폐수를 공급받아 막 축전식 탈염(MCDI) 공정을 수행하고, 고농도 염폐수에 대한 이온성 물질 및 무기염류를 제어하는 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부를 포함하되, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부는 에너지 자립이 가능하도록 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 원수 전처리부는, 원수인 하수 또는 폐수가 저장되는 원수조; 및 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 원수조 내부에 설치되어 하수 또는 폐수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제1 중력식 여과막을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반류수 전처리부는, 반류수가 저장되는 유도용액조; 및 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 유도용액조 내부에 설치되어 반류수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제2 중력식 여과막을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부는, 전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극, 양이온 교환막, 음이온 교환막, 스페이서로 구성된 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈; 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈을 통해 농축 처리된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈로 유입시키는 유입 펌프; 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 기설정된 전압을 공급하는 전원공급장치; 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈로 유입되는 염폐수의 유량을 측정하는 유량계; 유입되는 염폐수의 수질을 측정하는 제1 전도도 센서; 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 의해 처리된 담수의 수질을 측정하는 제2 전도도 센서; 및 막 축전식 탈염(MCDI) 공정의 운전제어를 수행하며, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈로의 전력공급, 염폐수의 유량 조절, 상기 염폐수 및 담수의 수질을 모니터링하는 운전제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈은 충전-휴지-방전-휴지 과정을 1 사이클로 운전되며, 충전은 처리 담수 생산의 개념으로, 다수의 전극 셀 내부 각각에 1쌍으로 삽입된 양극 및 음극에 순전압을 인가하여 유입된 염폐수 내의 이온을 흡착하는 과정으로서 담수를 생산하고, 상기 방전은 양극 및 음극에 역전압을 인가하여 각각에 전극에 흡착된 이온을 탈착하는 과정으로서, 무기염류 농축 및 회수 개념에 해당되며, 상기 휴지는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 전압을 인가하지 않고 흘려주는 개념으로 충전과 방전 사이의 안정화 과정인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 다수의 전극 셀에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V로 운전되며, 순전압과 역전압을 변환하여 인가하고, 상기 전원공급장치는 전압크기 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈로 유입되는 염폐수의 온도는 최대 80℃까지 가능하며, 80℃ 이상의 염폐수를 처리할 경우, 별도의 냉각장치를 사용할 수 있다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈은, 상기 염폐수 유량을 정유량으로 순환시키는 정량펌프; 및 상기 염폐수 유량을 조절하는 유량조절밸브를 추가로 포함하며, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 유입되는 염폐수 유량은 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 1㎥/d 당 0.5L/m~2 L/m으로 운전되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 운전제어부는, 유입되는 염폐수 유량을 조절하도록 설정하는 유량 조절부; 공급되는 전력량을 설정하는 공급전력량 설정부; 충방전 사이클 횟수를 설정하는 충방전 사이클 설정부; 및 유입되는 염폐수의 수질 및 처리된 담수의 수질을 모니터링하는 수질 모니터링부를 포함하되, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 운전의 자동제어 및 수동제어가 가능하도록 제어반 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부로 공급되는 전력원을 확보하기 위해 압력지연삼투(PRO) 모듈, 압력지연삼투용 반투과성막 및 전력발생장치를 포함하며, 에너지 생산 모드에서 상기 반류수를 활용하여 유도용액으로 사용하고 상기 유도용액에 비해 비교적 저농도 유입수인 하수 또는 폐수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈과 전력발생장치를 통해 전력을 생산한 후, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 공급하는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법은, a) 하수 또는 폐수를 원수조에 공급하고, 반류수를 유도용액조에 공급하는 단계; b) 상기 원수조 및 유도용액조 내부의 각각의 중력식 여과막 모듈을 통한 입자성 물질과 탁도를 전처리한 후 압력지연삼투(PRO) 모듈에 공급하는 단계; c) 압력지연삼투(PRO) 모듈에서 반투과막 양쪽의 삼투현상에 따라 하수 또는 폐수를 농축하여 염폐수를 생산하고 상기 반류수를 희석시키는 단계; d) 전력발생장치가 하수 또는 폐수와 반류수의 농도차로 인한 전력을 생산하고, 생산된 전력을 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 공급하는 단계; e) 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈에서 농축된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 공급하는 단계; 및 f) 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에서 무기염류를 처리 및 회수하고, 담수를 생산하는 단계를 포함하되, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈은 에너지 자립이 가능하도록 상기 전력발생장치에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 중력식 막여과(GDM) 모듈 및 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 통해서 하수처리장의 하수 또는 폐수에 포함된 입자성 물질, 탁도 물질, 염분, 인, 질소 등의 무기염류을 처리함으로써 기존시설대비 전력비용을 감소시키고, 고품질의 처리수를 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈은 전극반응이 일어나지 않은 낮은 전위, 예를 들면, 2V 이내에서 운전이 가능하여 전력량이 비교적 낮고, 연료전지 및 태양전지와 같은 대체에너지원을 이용할 수 있으며, 전극 전위를 조절함으로써 탈염과 재생 운전이 동시에 가능하고 기존시설 대비 운전조작이 매우 간편하다.
본 발명에 따르면, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈이 방전 과정에서 시간 및 유량을 줄임으로써 재생과정에서 소모되는 배수량을 크게 감소시켜 높은 회수율을 얻을 수 있으며, 전극의 재생과정에서 화학물질을 사용하지 않기 때문에 2차 폐기물 발생이 없는 환경친화적 탈염 기술을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 하수 또는 폐수와 반류수의 농도차를 활용하여 압력지연삼투(PRO) 공정을 통해 전력을 생산하고, 생산된 전력을 이용하여 하수 또는 폐수처리를 위한 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 운전비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 중력식 막여과(GDM) 공정을 통해 별도의 전력 사용 없이, 수압을 이용하여 입자성 물질 및 탁도물질을 제어함으로써, 전력생산을 위한 압력지연삼투(PRO) 공정의 전력생산 효율을 극대화하고, 하수 또는 폐수 처리를 위한 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 무기염류 제어효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 압력지연삼투(PRO) 공정에서 반투과성막으로 투과된 반류수의 무기염류와 하수 또는 폐수내의 무기염류를 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 통해 농축 및 회수할 수 있고, 이때, 회수된 인, 질소 등의 무기염류는 비료생산 원료로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 압력지연삼투 전력생산모드를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에 적용되는 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 5는 막 축전식 탈염 모듈의 전극 셀 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 막 축전식 탈염 모듈의 충전 및 방전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법의 동작흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 압력지연삼투 전력생산모드를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에 적용되는 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 5는 막 축전식 탈염 모듈의 전극 셀 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 막 축전식 탈염 모듈의 충전 및 방전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템은, 에너지 효율, 환경 친화성, 인, 질소 제거 효율 측면에서 중력식 막여과(GDM) 및 압력지연삼투(PRO)를 결합한 막 축전식 탈염(Membrane Capacitive Deionization; MCDI) 공정을 적용한다. 특히, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 전극에 공급되는 전력을 생산하여 에너지 효율을 증대시키기 위해 압력지연삼투(PRO) 공정을 적용한다.
구체적으로, 축전식 탈염(Capacitive Deionization; CDI) 기술은 전기에너지를 인가하여 이온을 전극 표면에 흡착시켜 제거하는 기술로서, 전극 사이에 처리하고자 하는 물을 이동시킨다. 이때, 전기에너지를 양쪽 전극에 인가하여 전극과 반대 극성을 가진 이온들이 전기적 인력에 의하여 흡착되는 원리를 통하여 이온을 제거할 수 있고, 전극이 흡착할 수 있는 이온을 모두 흡착했을 때 양쪽 전극을 단락(Short)시키거나 반대 전위를 인가하여 전극을 재생시킬 수 있다. 이러한 막 축전식 탈염(MCDI) 기술은 생산공정과 농축공정을 반복하면서 용존된 이온을 제거 또는 농축할 수 있는 공정이다. 이러한 축전식 탈염(CDI) 공정의 최적 원수농도는 4,000㎎/L (TDS) 이하의 농도일 때, 가장 높은 처리 효율을 나타내며, 이러한 처리 효율은 사용자의 요구에 따라 최대 95%까지 제거할 수 있도록 설계가 가능하다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템을 설명하고, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법을 설명하기로 한다.
[막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템]
본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템은, 압력지연삼투(PRO) 모듈의 막오염 현상을 감소시키기 위해 원수조(저농도) 및 유도용액조(고농도)에 중력식 막여과(GDM) 모듈을 설치하여 무동력으로 부유물질 및 탁도를 제어하고, 압력지연삼투(PRO) 모듈의 막오염 현상을 감소시키면서 전력생산 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템은, 크게, 원수 전처리부(100), 반류수 전처리부(200), 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300) 및 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)를 포함한다.
원수 전처리부(100)는 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 원수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리한다.
반류수 전처리부(200)는 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 반류수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리한다.
압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)는 상기 원수 전처리부(100)로부터 전처리된 원수를 제공받고, 상기 반류수 전처리부(200)로부터 전처리된 반류수를 공급받아 압력지연삼투(PRO) 공정을 수행하고, 농축된 고농도 염폐수를 공급하고 반류수를 희석시키며, 막 축전식 탈염(MCDI) 공정에 사용되는 전력을 공급한다.
막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)로부터 농축된 염폐수를 공급받아 막 축전식 탈염(MCDI) 공정을 수행하고, 고농도 염폐수에 대한 이온성 물질 및 무기염류를 제어한다.
이에 따라, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는 에너지 자립이 가능하도록 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용하게 된다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 원수 전처리부(100)는, 원수인 하수 또는 폐수가 저장되는 원수조(110); 및 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 원수조(110) 내부에 설치되어 하수 또는 폐수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제1 중력식 여과막(120)을 포함한다.
또한, 상기 반류수 전처리부(200)는, 반류수가 저장되는 유도용액조(210); 및 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 유도용액조(210) 내부에 설치되어 반류수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제2 중력식 여과막(220)을 포함한다.
구체적으로, 중력식 막여과(Gravity-Driven Membrane; GDM) 기술은 별도의 에너지 공급 없이 중력에 의한 수압으로 막을 통과시켜 정수하는 방식이다. 이러한 중력식 막여과 기술은 물에 존재하는 입자성 오염물질 및 세균을 높을 효율로 제거할 수 있고, 특별한 유지 및 보수 없이도 10년 이상 지속적으로 사용이 가능해 사용자들이 손쉽게 사후관리를 할 수 있는 장점이 있다.
도 2를 다시 참조하면, 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)으로 공급되는 전력원을 확보하기 위해 압력지연삼투(PRO) 모듈(310), 압력지연삼투용 반투과성막(311) 및 전력발생장치(330)를 포함한다.
도 2를 다시 참조하면, 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)로부터 농축된 염폐수를 공급받아 막 축전식 탈염(MCDI) 공정을 수행하고, 고농도 염폐수에 대한 이온성 물질 및 무기염류를 제어한다.
구체적으로, 축전식 탈염(Capacitive Deionization: CDI) 기술은 하전된 전극 계면에 형성되는 전기이중층(Electric Double Layer: EDL)에서의 이온 흡착 및 탈착 반응을 이용하여 원수 내 이온성 물질을 제거하는 기술이다.
이러한 축전식 탈염 기술에서, 하전된 전극 표면에서 이온들의 흡착 및 탈착 과정을 설명하면, 먼저, 물의 전기분해반응이 일어나지 않는 전위범위 내에서 전압을 인가하면 전극에는 일정한 전하량이 하전된다. 이후, 하전된 전극에 이온을 포함한 염수(brine water)를 통과시키면 하전된 전극과 반대 전하를 가진 이온들이 정전기력에 의해 각각의 전극으로 이동하여 전극 표면에 흡착되고, 전극을 통과한 물은 이온이 제거된 순수(desalinated water)가 된다.
이때, 전극에 흡착되는 이온의 양은 사용된 전극의 정전용량(Capacitance)에 따라 결정되기 때문에 축전식 탈염(CDI) 모듈에 사용되는 전극은 비표면적이 큰 다공성 탄소전극(Carbon Electrode)이 일반적으로 사용된다.
또한, 전극의 흡착 용량이 포화되면 더 이상의 이온을 흡착할 수 없게 되어 유입수의 이온들이 그대로 유출수로 나오게 된다. 이때, 전극에 흡착된 이온들을 탈착시키기 위하여, 전극들을 쇼트(short) 시키거나 전극에 흡착 전위와 반대 전위를 인가하면, 전극은 전하를 잃거나 반대 전하를 갖게 되고 흡착된 이온들은 빠르게 탈착되어 전극의 재생이 이루어지게 된다.
이러한 축전식 탈염(CDI) 기술은 전극의 전위만을 변화시켜서 흡착과 탈착이 이루어지기 때문에 공정의 운전이 매우 간편하고 탈염 과정에서 환경오염 물질을 배출하지 않기 때문에 환경친화적인 탈염 공정으로 알려져 있다.
또한, 이러한 축전식 탈염(CDI) 모듈을 개량한 막 축전식 탈염(Membrane Capacitive Deionization Device: MCDI) 모듈은 전극 표면에 이온교환막을 형성하여 흡착되는 이온의 선택도를 높일 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템은 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 이용하는 것으로 설명하기로 한다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 압력지연삼투 전력생산모드를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 압력지연삼투 전력생산부(300)는, 압력지연삼투(PRO) 모듈(310), 반투과성막(311), 압력교환기(320), 전력발생장치(또는 터빈)(330), 반류수 처리조(340), 순환펌프(350), 제1 유량조절밸브(360), 제2 유량조절밸브(370), 제3 유량조절밸브(380) 및 고압펌프(390)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)으로 공급되는 전력원을 확보하기 위해 압력지연삼투(PRO) 모듈(310), 압력지연삼투용 반투과성막(311) 및 전력발생장치(330)를 포함한다.
먼저, 농도차 발전은 농도차를 이용하여 삼투압을 이용하는 대체 에너지 기술로서, 기존의 태양열, 풍력 등의 에너지와 달리 날씨 및 계절의 영향을 받지 않는다. 또한, 고갈될 염려가 없는 해수자원 및 고농도의 폐수를 이용하므로 해수자원 및 하수처리장에서 발생되는 고농도 반류수를 이용하여 연속생산이 가능하며, 이산화탄소의 배출이 없는 무공해 공정이라는 장점이 있다.
이러한 압력지연삼투(PRO) 공정은 농도차에 의한 자연적인 삼투현상을 이용하여 반투과성 분리막을 통해 담수를 얻는 정삼투 공정(Forward Osmosis; FO)과 동일하다. 여기서, 압력지연삼투(PRO) 공정은 삼투압차에 의해 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하는 방식이다. 이때, 반투과성 분리막의 성능 변화 요인은 분리막의 노화와 막오염 현상이 있다. 구체적으로, 분리막의 노화는 분리막 자체의 형질이 변화하는 비가역적인 분리막 성능 변화라고 할 수 있지만, 막오염(Membrane fouling) 현상은 분리막의 표면과 내부에 오염물질이 부착되어 퇴적되는 것에 의해 분리막의 겉보기 성능 변화라고 할 수 있다. 이때, 압력지연삼투(PRO) 공정은 깨끗한 재생 가능한 에너지를 생산할 수 있는 반면에 막오염 현상은 분리막의 성능을 감소시킨다.
특히, 에너지 생산 모드에서 상기 반류수를 활용하여 유도용액으로 사용하고 상기 유도용액에 비해 비교적 저농도 유입수인 하수 또는 폐수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈(310)과 전력발생장치(330)를 통해 전력을 생산한 후, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에 적용되는 막 축전식 탈염 모듈을 나타내는 단면도이고, 도 5는 막 축전식 탈염 모듈의 전극 셀 구성을 나타내는 도면이며, 도 6은 막 축전식 탈염 모듈의 충전 및 방전 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 막 축전식 탈염 모듈(410)은, 전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극(411. 412), 양이온 교환막(413), 음이온 교환막(414) 및 스페이서(415)로 구성된다. 여기서, 상기 스페이서(415)는 투과성 분리막일 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 다수의 스택이 적층되는 다수의 전극 셀(410a~410c)로 구성될 수 있으며, 이때 인가되는 전압은 1.2V~1.5V일 수 있다.
또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 충전-휴지-방전-휴지 과정을 1 사이클(cycle)로 운전되며, 충전은, 도 6의 a)에 도시된 바와 같이, 처리 담수 생산의 개념으로, 다수의 전극 셀(410a~410n) 내부 각각에 1쌍으로 삽입된 양극(411) 및 음극(412)에 순전압(Forward Voltage)을 인가하여 유입된 염폐수 내의 이온을 흡착하는 과정으로서 담수를 생산한다.
또한, 상기 방전은, 도 6의 b)에 도시된 바와 같이, 양극(411) 및 음극(412)에 역전압(Backward Voltage)을 인가하여 각각에 전극(411, 412)에 흡착된 이온을 탈착하는 과정으로서, 무기염류 농축 및 회수 개념에 해당되며, 상기 휴지는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 전압을 인가하지 않고 흘려주는 개념으로 충전과 방전 사이의 안정화 과정이다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템에서 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410), 유입 펌프(420), 전원공급장치(430), 유량계(440), 제1 전도도 센서(450), 제2 전도도 센서(460), 운전제어부(470), 정량펌프(480) 및 유량조절밸브(490)를 포함할 수 있다.
막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극(411. 412), 양이온 교환막(413), 음이온 교환막(414), 스페이서(415)로 구성된다. 이때, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 유입되는 염폐수 유량은 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 1㎥/d 당 0.5L/m~2 L/m으로 운전된다. 또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)의 다수의 전극 셀(410a~410c)에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V로 운전되며, 순전압과 역전압을 변환하여 인가하게 된다. 또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입되는 염폐수의 온도는 최대 80℃까지 가능하며, 80℃ 이상의 염폐수를 처리할 경우, 별도의 냉각장치를 사용하는 것이 바람직하다.
유입 펌프(420)는 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)을 통해 농축 처리된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입시키며, 또한, 전원공급장치(430)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 기설정된 전압을 공급하며, 이때, 상기 전원공급장치(430)는 전압크기 조절이 가능하다.
유량계(440)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입되는 염폐수의 유량을 측정하며, 제1 전도도 센서(450)는 유입되는 염폐수의 수질을 측정하며, 제2 전도도 센서(460)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 의해 처리된 담수의 수질을 측정한다.
운전제어부(470)는 MCDI 공정의 운전제어를 수행하며, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로의 전력공급, 염폐수의 유량 조절, 상기 염폐수 및 담수의 수질을 모니터링한다. 구체적으로, 상기 운전제어부(470)는, 유입되는 염폐수 유량을 조절하도록 설정하는 유량 조절부(471); 공급되는 전력량을 설정하는 공급전력량 설정부(472); 충방전 사이클 횟수를 설정하는 충방전 사이클 설정부(473); 및 유입되는 염폐수의 수질 및 처리된 담수의 수질을 모니터링하는 수질 모니터링부(474)를 포함하되, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 운전의 자동제어 및 수동제어가 가능하도록 제어반 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
정량펌프(480)는 상기 염폐수 유량을 정유량으로 순환시키며, 유량조절밸브(490)는 상기 염폐수 유량을 조절한다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 하수처리장에서 발생하는 인, 질소 등 무기염류를 포함한 하수 또는 폐수 처리시, 반류수와 고농도의 염폐수의 농도차를 이용하여 압력지연삼투(PRO) 공정을 통해 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈에 인가되는 전력을 생산하여 전력소비량을 감소시킬 수 있고, 또한, 압력지연삼투(PRO) 공정의 전처리부로서 무동력 중력식 여과막(GDM)을 통해 별도의 전력사용 없이 반류수 및 하수 또는 폐수의 부유물질 및 탁도를 제어함으로써 압력지연삼투(PRO) 공정의 전력생산 효율을 증대시킴과 동시에 막 축전식 탈염(MCDI) 공정의 처리 효율을 극대화시킬 수 있으며, 또한, 하수처리장에서 발생하는 고농도 하수 또는 폐수 처리를 위해 기존 공정에 대한 운전성능을 개선하고, 인, 질소 등의 무기염류를 처리하고 농축시킬 수 있다.
[막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법]
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법의 동작흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법은, 먼저, 하수 또는 폐수를 원수조(110)에 공급하고, 반류수를 유도용액조(210)에 공급한다(S110).
다음으로, 상기 원수조(110) 및 유도용액조(210) 내부의 각각의 중력식 여과막 모듈(120, 220)을 통한 입자성 물질과 탁도를 제어한 후 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에 공급한다(S120).
다음으로, 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에서 반투과막(311) 양쪽의 삼투현상에 따라 하수 또는 폐수를 농축하여 염폐수를 생산하고 상기 반류수를 희석시킨다(S130).
다음으로, 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에서 하수 또는 폐수와 반류수의 농도차로 인한 전력을 생산하고, 생산된 전력을 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급한다(S140).
다음으로, 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에서 농축된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급한다(S150). 즉, 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)은, 에너지 생산 모드에서 상기 반류수를 활용하여 유도용액으로 사용하고 상기 유도용액에 비해 비교적 저농도 유입수인 하수 또는 폐수를 공급수로 하여, 전력발생장치(330)를 통해 전력을 생산한 후, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급한다.
다음으로, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에서 무기염류를 처리 및 회수하고, 담수를 생산한다(S160). 이때, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 에너지 자립이 가능하도록 상기 전력발생장치(330)에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용한다.
여기서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극(Porous carbon electrode)(411. 412), 양이온 교환막(cation exchange membrane)(413), 음이온 교환막(anion exchange membrane)(414), 스페이서(spacer)(415)로 구성된다.
구체적으로, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 충전-휴지-방전-휴지 과정을 1 사이클(cycle)로 운전되며, 충전은 처리 담수 생산의 개념으로, 다수의 전극 셀(410a~410n) 내부 각각에 1쌍으로 삽입된 양극(411) 및 음극(412)에 순전압(Forward Voltage)을 인가하여 유입된 염폐수 내의 이온을 흡착하는 과정으로서 담수를 생산하고, 상기 방전은 양극(411) 및 음극(412)에 역전압(Backward Voltage)을 인가하여 각각에 전극(411, 412)에 흡착된 이온을 탈착하는 과정으로서, 무기염류 농축 및 회수 개념에 해당되며, 상기 휴지는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 전압을 인가하지 않고 흘려주는 개념으로 충전과 방전 사이의 안정화 과정이다.
또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)의 다수의 전극 셀(410a~410c)에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V로 운전되며, 순전압과 역전압을 변환하여 인가하며, 또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입되는 염폐수의 온도는 최대 80℃까지 가능하며, 80℃ 이상의 염폐수를 처리할 경우, 별도의 냉각장치를 사용할 수 있다. 또한, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 유입되는 염폐수 유량은 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 1㎥/d 당 0.5L/m~2 L/m으로 운전되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템 및 그 방법이 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 사용하는 것으로 설명하였지만, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 대신에 축전식 탈염(CDI) 모듈을 사용하여도 무방하다는 점은 당업자에게 자명하다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 중력식 막여과(GDM) 모듈 및 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 통해서 하수처리장의 하수 또는 폐수에 포함된 입자성 물질, 탁도 물질, 염분, 인, 질소 등의 무기염류을 처리함으로써 기존시설대비 전력비용을 감소시키고, 고품질의 처리수를 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈은 전극반응이 일어나지 않은 낮은 전위, 예를 들면, 2V 이내에서 운전이 가능하여 전력량이 비교적 낮고, 연료전지 및 태양전지와 같은 대체에너지원을 이용할 수 있으며, 전극 전위를 조절함으로써 탈염과 재생 운전이 동시에 가능하고 기존시설 대비 운전조작이 매우 간편하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈이 방전 과정에서 시간 및 유량을 줄임으로써 재생과정에서 소모되는 배수량을 크게 감소시켜 높은 회수율을 얻을 수 있으며, 전극의 재생과정에서 화학물질을 사용하지 않기 때문에 2차 폐기물 발생이 없는 환경친화적 탈염 기술을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하수 또는 폐수와 반류수의 농도차를 활용하여 압력지연삼투(PRO) 공정을 통해 전력을 생산하고, 생산된 전력을 이용하여 하수 또는 폐수처리를 위한 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 운전비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 중력식 막여과(GDM) 공정을 통해 별도의 전력 사용 없이, 수압을 이용하여 입자성 물질 및 탁도물질을 제어함으로써, 전력생산을 위한 압력지연삼투(PRO) 공정의 전력생산 효율을 극대화하고, 하수 또는 폐수 처리를 위한 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈의 무기염류 제어효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압력지연삼투(PRO) 공정에서 반투과성막으로 투과된 반류수의 무기염류와 하수 또는 폐수내의 무기염류를 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈을 통해 농축 및 회수할 수 있고, 이때, 회수된 인, 질소 등의 무기염류는 비료생산 원료로 활용할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 원수 전처리부 200: 반류수 전처리부
300: 압력지연삼투(PRO) 전력생산부
400: 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부
110: 원수조 120: 중력식 막여과(GDM) 모듈
210: 유도용액조 220: 중력식 막여과(GDM) 모듈
310: 압력지연삼투(PRO) 모듈 311: 반투과성막
320: 압력교환기 330: 전력발생장치(또는 터빈)
340: 반류수 처리조 350: 순환펌프
360: 제1 유량조절밸브 370: 제2 유량조절밸브
380: 제3 유량조절밸브 390: 고압펌프
410: 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 420: 유입 펌프
430: 전원공급장치 440: 유량계
450: 제1 전도도 센서(또는 전도도 트랜스미터)
460: 제2 전도도 센서 470: 운전제어부
480: 정량펌프 490: 유량조절밸브
411: 양극(다공성 탄소전극) 412: 음극(다공성 탄소전극)
413: 양이온 교환막 414: 음이온 교환막
415: 스페이서(투과성 분리막)
471: 유량 조절부 472: 공급전력량 설정부
473: 충방전 사이클 설정부 474: 수질 모니터링부
300: 압력지연삼투(PRO) 전력생산부
400: 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부
110: 원수조 120: 중력식 막여과(GDM) 모듈
210: 유도용액조 220: 중력식 막여과(GDM) 모듈
310: 압력지연삼투(PRO) 모듈 311: 반투과성막
320: 압력교환기 330: 전력발생장치(또는 터빈)
340: 반류수 처리조 350: 순환펌프
360: 제1 유량조절밸브 370: 제2 유량조절밸브
380: 제3 유량조절밸브 390: 고압펌프
410: 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 420: 유입 펌프
430: 전원공급장치 440: 유량계
450: 제1 전도도 센서(또는 전도도 트랜스미터)
460: 제2 전도도 센서 470: 운전제어부
480: 정량펌프 490: 유량조절밸브
411: 양극(다공성 탄소전극) 412: 음극(다공성 탄소전극)
413: 양이온 교환막 414: 음이온 교환막
415: 스페이서(투과성 분리막)
471: 유량 조절부 472: 공급전력량 설정부
473: 충방전 사이클 설정부 474: 수질 모니터링부
Claims (17)
- 중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 원수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리하는 원수 전처리부(100);
중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하여 반류수에 대한 입자성 물질 및 탁도를 전처리하는 반류수 전처리부(200);
상기 원수 전처리부(100)로부터 전처리된 원수를 제공받고, 상기 반류수 전처리부(200)로부터 전처리된 반류수를 공급받아 압력지연삼투(PRO) 공정을 수행하고, 농축된 고농도 염폐수를 공급하고 반류수를 희석시키며, 막 축전식 탈염(MCDI) 공정에 사용되는 전력을 공급하는 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300); 및
상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)로부터 농축된 염폐수를 공급받아 막 축전식 탈염(MCDI) 공정을 수행하고, 고농도 염폐수에 대한 이온성 물질 및 무기염류를 제어하는 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)를 포함하되,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는 에너지 자립이 가능하도록 상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 원수 전처리부(100)는,
원수인 하수 또는 폐수가 저장되는 원수조(110); 및
중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 원수조(110) 내부에 설치되어 하수 또는 폐수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제1 중력식 여과막(120)을 포함하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 반류수 전처리부(200)는,
반류수가 저장되는 유도용액조(210); 및
중력식 막여과(GDM) 공정을 수행하도록 상기 유도용액조(210) 내부에 설치되어 반류수의 입자성 물질 및 탁도를 제어하는 제2 중력식 여과막(220)을 포함하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)는,
전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극(Porous carbon electrode)(411. 412), 양이온 교환막(cation exchange membrane)(413), 음이온 교환막(anion exchange membrane)(414), 스페이서(spacer)(415)로 구성된 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410);
상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)의 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)을 통해 농축 처리된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입시키는 유입 펌프(420);
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 기설정된 전압을 공급하는 전원공급장치(430);
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로 유입되는 염폐수의 유량을 측정하는 유량계(440);
유입되는 염폐수의 수질을 측정하는 제1 전도도 센서(450);
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 의해 처리된 담수의 수질을 측정하는 제2 전도도 센서(460); 및
막 축전식 탈염(MCDI) 공정의 운전제어를 수행하며, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)로의 전력공급, 염폐수의 유량 조절, 상기 염폐수 및 담수의 수질을 모니터링하는 운전제어부(470)를 포함하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 충전-휴지-방전-휴지 과정을 1 사이클(cycle)로 운전되며, 충전은 처리 담수 생산의 개념으로, 다수의 전극 셀(410a~410n) 내부 각각에 1쌍으로 삽입된 양극(411) 및 음극(412)에 순전압(Forward Voltage)을 인가하여 유입된 염폐수 내의 이온을 흡착하는 과정으로서 담수를 생산하고, 상기 방전은 양극(411) 및 음극(412)에 역전압(Backward Voltage)을 인가하여 각각에 전극(411, 412)에 흡착된 이온을 탈착하는 과정으로서, 무기염류 농축 및 회수 개념에 해당되며, 상기 휴지는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 전압을 인가하지 않고 흘려주는 개념으로 충전과 방전 사이의 안정화 과정인 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)의 다수의 전극 셀(410a~410c)에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V로 운전되며, 순전압과 역전압을 변환하여 인가하고, 상기 전원공급장치(430)는 전압크기 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 삭제
- 제4항에 있어서, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은,
상기 염폐수 유량을 정유량으로 순환시키는 정량펌프(480); 및
상기 염폐수 유량을 조절하는 유량조절밸브(490)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 운전제어부(470)는,
유입되는 염폐수 유량을 조절하도록 설정하는 유량 조절부(471);
공급되는 전력량을 설정하는 공급전력량 설정부(472);
충방전 사이클 횟수를 설정하는 충방전 사이클 설정부(473); 및
유입되는 염폐수의 수질 및 처리된 담수의 수질을 모니터링하는 수질 모니터링부(474)를 포함하되,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈 운전의 자동제어 및 수동제어가 가능하도록 제어반 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 압력지연삼투(PRO) 전력생산부(300)는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 수처리부(400)으로 공급되는 전력원을 확보하기 위해 압력지연삼투(PRO) 모듈(310), 압력지연삼투용 반투과성막(311) 및 전력발생장치(330)를 포함하며, 에너지 생산 모드에서 상기 반류수를 활용하여 유도용액으로 사용하고 상기 유도용액에 비해 비교적 저농도 유입수인 하수 또는 폐수를 공급수로 하여, 상기 압력지연삼투 모듈(310)과 전력발생장치(330)를 통해 전력을 생산한 후, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 시스템. - a) 하수 또는 폐수를 원수조(110)에 공급하고, 반류수를 유도용액조(210)에 공급하는 단계;
b) 상기 원수조(110) 및 유도용액조(210) 내부의 각각의 중력식 여과막 모듈(120, 220)을 통한 입자성 물질과 탁도를 전처리한 후 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에 공급하는 단계;
c) 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에서 반투과막(311) 양쪽의 삼투현상에 따라 하수 또는 폐수를 농축하여 염폐수를 생산하고 상기 반류수를 희석시키는 단계;
d) 전력발생장치(330)가 하수 또는 폐수와 반류수의 농도차로 인한 전력을 생산하고, 생산된 전력을 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급하는 단계;
e) 상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)에서 농축된 염폐수를 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급하는 단계; 및
f) 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에서 무기염류를 처리 및 회수하고, 담수를 생산하는 단계를 포함하되,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 에너지 자립이 가능하도록 상기 전력발생장치(330)에서 생성된 전력을 직접 공급받아 사용하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법. - 제11항에 있어서,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 전극모듈로서, 1쌍의 양극 및 음극의 다공성 탄소전극(411. 412), 양이온 교환막(413), 음이온 교환막(414), 스페이서(415)로 구성된 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법. - 제12항에 있어서,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)은 충전-휴지-방전-휴지 과정을 1 사이클(cycle)로 운전되며, 충전은 처리 담수 생산의 개념으로, 다수의 전극 셀(410a~410n) 내부 각각에 1쌍으로 삽입된 양극(411) 및 음극(412)에 순전압(Forward Voltage)을 인가하여 유입된 염폐수 내의 이온을 흡착하는 과정으로서 담수를 생산하고, 상기 방전은 양극(411) 및 음극(412)에 역전압(Backward Voltage)을 인가하여 각각에 전극(411, 412)에 흡착된 이온을 탈착하는 과정으로서, 무기염류 농축 및 회수 개념에 해당되며, 상기 휴지는 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 전압을 인가하지 않고 흘려주는 개념으로 충전과 방전 사이의 안정화 과정인 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법. - 제12항에 있어서,
상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)의 다수의 전극 셀(410a~410c)에 인가되는 전압은 1.2V~1.5V로 운전되며, 순전압과 역전압을 변환하여 인가하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법. - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 압력지연삼투(PRO) 모듈(310)은, 에너지 생산 모드에서 상기 반류수를 활용하여 유도용액으로 사용하고 상기 유도용액에 비해 비교적 저농도 유입수인 하수 또는 폐수를 공급수로 하여, 전력발생장치(330)를 통해 전력을 생산한 후, 상기 막 축전식 탈염(MCDI) 모듈(410)에 공급하는 것을 특징으로 하는 막 축전식 탈염 모듈을 이용한 에너지 자립형 고농도 염폐수와 반류수 처리 방법.
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