KR20030027460A - 식수의 정수방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재래식 정수방법에 정밀여과(Microfiltration), 한외여과 (Ultrafiltration) 및 나노여과(Nanofiltration)의 막 분리(membrane separation) 공정을 적절히 조합하여, 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하고 나아가 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 함으로써 건강한 성인은 물론, 면역성이 약한 노약자들이 안심하고 마실 수 있는 하는 식수의 정수방법에 관한 것으로, 모래여과로 입자가 큰 고형물질을 제거하는 단계, 활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하는 단계, 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계, 공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하는 단계 및 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 적정량으로 제거하는 단계을 포함하는 식수의 정수방법을 제공하는 것이다.
Description
본 발명은 재래식 정수방법에 정밀여과(Microfiltration), 한외여과 (Ultrafiltration) 및 나노여과(Nanofiltration)의 막 분리(membrane separation) 공정을 적절히 조합하여, 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하고 나아가 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 함으로써 건강한 성인은 물론, 면역성이 약한 유아, 임산부, 노인, 환자 등이 안심하고 마실 수 있는 식수를 정수하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 재래식 정수방법 중 전형적인 일예를 도시한 것으로 그 공정을 보면, 모래여과과정, 활성탄여과과정, 정밀여과과정, 자외선소독과정, 정밀여과과정, 자외선소독과정, 정밀여과과정으로 이루어져 있어, 두 차례의 자외선 소독과정과 세 차례의 정밀여과과정을 거치도록 되어있다. 그러나, 이러한 종래의 정수방법은 식수에 포함되어 있는 일정 크기 이상의 고형물질을 걸러내는데는 효과가 있으나, 기생충 등의 원생동물이나 병원균과 같은 미생물을 완전 제기할 수가 없다. 종래 재래식 방법은 이러한 과정 이외에, 화학약품 소독과정이나 오존처리과정 등의 살균을 위한 과정을 추가하기도 하나, 살균을 강화하기 위하여 소독제 등을 많이 투여하는 경우에는 미생물 제거의 효과는 미미하고 오히려 과다하게 발생하는 소독부산물로 인하여 2차 오염이 우려되고 또한 이로 인하여 음용수로서의 적합성을 잃게 된다.
구체적으로 보면, 병원성 미생물을 크기에 따라 분류해보면 직경이 0.5 ㎛이하인 바이러스와 0.5∼2.0 ㎛인 세균, 그리고 2∼50 ㎛인 원생동물로 구분된다. 바이러스란 매우 작고 원시적인 생명체로서 살아 있는 생물의 몸 속에서만 증식할 수 있는 것으로 지구상에는 약 1,000 여종이 있는데, 이 중에서 보건 상 특히 문제가 되는 장(腸) 관계 바이러스만도 약 110여종이 알려져 있으며, 그 일부가 최근 국내의 수돗물에서 발견되어 사회적으로 큰 파장을 일으킨 바 있다.
세균 중 인체에 영향이 큰 것은 수인성 전염병 세균으로 콜레라와 세균성 이질은 대표적인 수인성 전염병 세균이다. 이 세균들은 산업화가 진전되면서 발생 빈도가 낮아졌었으나 최근 이상 기온, 집중 호우 등의 원인으로 최근 들어 발생 사례가 급격히 증가하고 있다. 세균성 이질의 예를 들면 1970년에는 한해 800명 이상의 환자 수가 발생하였으나 이후 점차 감소 1980년대 후반에는 환자 수가 10명 정도에 불과하였다. 그러나 1990년대 후반에 들어 환자수가 급격히 증가, 1998년 908명, 1999년 1786명, 2000년 2500명으로 증가속도가 매우 가파른 것을 볼 수 있다. 이러한 세균은 재래식 정수방법으로는 완전히 제거되지 않는다.
병원성 원생동물로 대표적인 것으로 들 수 있는 것은 크립토스포리디움(Cryptosporidium)과 기아르디아(Giardia)인데, 이에 감염된 경우 증상은 대부분의 경우 설사, 구토, 복통, 고열이 나는 경우 등이며 심한 탈수현상, 무력증, 근육통을 수반한다. 증상의 강도는 환자의 면역상태와 밀접한 관계가 있으며 특히 AIDS와 동반된 환자에서는 생명을 위협하는 심한 합병증으로 발전할 수 있다. 현재까지 전 세계적으로 1,000 건에 가까운 인체감염 사례가 알려져 있고 원광보건대학 임상병리과에 따르면 우리나라의 하수 또는 가축의 음용수가 크립토스포리디움(Cryptosporidium)에 오염되어 있어 인체 감염원이 될 수 있어 잠재적인 위험이 상존하고 있다. 이러한 병원성 원생동물이 염소 소독에 의하여도 사멸하지 않는 것으로 보고되어 세계적으로 문제가 되고 있다.
이러한 미생물들이 완전히 제거되지 않고 식수로 공급하게 된다면 그 식수를 이용하는 사람들에게 해롭다는 것은 주지의 사실로서, 특히 면역성이 약한 유아, 임신부, 노인 또는 환자 등에게는 치명적인 위험이 초래될 수 있다. 그러나, 기존의 재래식 정수방법인 여과, 화학약품 소독, 자외선 소독, 오존 살균 등으로는 이러한 미생물을 완전히 제거할 수 없다는데 문제가 있다.
한편, 재래식의 정수방법을 적용하는 경우에는 원수(原水)에 포함되어 있는 미네랄이 거의 걸러지지 않는다. 미네랄이란 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등의 무기물의 총칭으로서 뼈 , 치아, 혈액, 모발, 손톱, 신경조직 등 신체의 구성 재료이며 체액의 산·알카리 평형에 관여하고, 효소의 활성기 부분으로 생화학 반응에 관여하는 것으로 인체에 필수적으로 요구되는 것이나, 과다하게 물에 함유된 경우에는 물맛이 나빠지며 노인과 유아 또는 과민성 체질인 사람들에게 부담을 주는 것으로 알려지고 있다. 미네랄의 적정농도는 경도(CaCO3)로서 표시되어 지는데 대략 200 mg/ℓ이하이나, 바람직하게는 10-100㎎/ℓ가 적당하다. 기존의 정수공정으로는 이러한 미네랄이 제거 또는 분리되지 않기 때문에 원수에 미네랄이 필요 이상으로 함유된 경우에는 그 상태로 일반인들에게 공급되고 있다.
위와 같은 재래식 정수방법의 문제점을 해소하기 위하여 근자에는 막분리(membrane separation) 기술을 정수공정에 적용하려는 연구가 많이 행해지고 있다. 막분리 기술은 분리막의 세공 크기(수㎚-수십㎛)와 막표면 전하에 따라 물 속에 존재하는 처리대상물질(유기, 무기 오염불질 및 미생물)을 분리 제거하는 기술이다. 이러한 막분리 기술은, 재래식의 정수방법에서 사용되던 화학적 처리를 지양하고 물리적 처리에 의존하는 것으로, 종래 화학제를 사용함으로써 발생되던 소독부산물 문제를 완전히 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 염소소독으로도 사멸되지 않던 병원성 원생동물을 비롯한 미생물들을 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다. 막분리 기술로 크게 정밀여과, 한외여과, 나노여과의 세 가지를 들 수 있다.
정밀여과는 크기가 0.1 - 10 ㎛ 정도인 용질을 분리하는 막분리 공정으로 정밀여과막은 대략 0.01 - 10 ㎛의 공극 크기(pore size)를 가지며, 막의 재료는 주로 폴리슬폰(polysulfone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌 (polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)과 같은 고분자이며 최근에는 세라믹을 사용하기도 한다. 정밀여과는 주로 부유물질을 제거대상으로 하며분리원리는 크기 차의 따른 배제효과에 의하여 제거대상을 분리시킨다. 작동압력은 50-500 kPa이다.
한외여과는 매크로 몰리큘(macromolecule)이나 콜로이드를 분리하는 공정으로 한외여과막은 약 1 - 50 ㎚의 공극 크기(pore size)를 가진다. 정밀여과막과 분리 원리가 동일하고 전체적으로 유사해 서로 혼동하여 사용되기도 한다. 한외여과는 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리할 수가 있는 반면 암모니아성 질소나 불소와 같은 이온은 전혀 제거되지 못한다. 작동압력은 정밀여과막에 비해 조금 높은 편이다.
나노여과는 한외여과막과 역삼투막의 중간적인 성질을 갖는 것으로, 나노여과막은 약 0.1 -5 ㎚의 공극 크기(pore size)를 가진다. 나노여과는 바이러스, 유기물, 중금속을 분리할 수 있어 오염물질 분리, 유용물질 회수, 농축 등에 다양한 농도로 사용된다. 정밀여과나 한외여과와의 차이점은 공극 크기(pore size) 뿐만 아니라 분리원리가 크기 차에 의한 체 거름(sieve) 효과 외에도 멤브레인 표면에서의 이온과의 반응이 함께 일어난다는 것이다.
막분리 기술은 종래 재래식 정수방법의 단점을 많이 해소할 수 있는 것이기 때문에, 이에 대하여 많은 연구가 행해지고 있으며, 각국의 정수시설에 실제 적용되어지고 있기도 하다.
그러나, 막분리 기술에 있어서 사용에 의하여 막이 오염됨에 따라 이의 운전비용이 증가하는 문제가 있다. 즉, 막의 오염도가 증가할 수록 운전에 필요한 에너지 비용이 증가하고, 오염된 막을 세척하여야 하는 경우에는 세척제의 비용, 막을교환하여야 하는 경우에는 막 교환 비용이 소요된다. 따라서, 막분리 기술에 있어서는 적절한 막 재질과 모듈 및 운전방식을 선정하여 막 오염의 진행 속도를 늦추도록 하는 것이 가장 중요하다.
그러나, 막분리 기술을 실제에 적용함에 있어서 많은 부분이 아직 검증되지 않았기 때문에 어떠한 분리막을 사용하는 것이 또는 어떠한 운전방식을 사용하는 것이 막 오염의 진행을 최대한 늦출 수 있는지 여부를 판단하는 것은 쉽지가 않다. 뿐만 아니라, 오염의 속도를 최대한으로 늦춘다고 하더라도 분리막의 수명이 대체적으로 짧으므로 비용이 비쌀 수밖에 없고, 또한 실제 사람들이 사용함에 있어서는 막분리에 의하여 얻어지는 수질만큼 높은 수질을 요구하지 않기 때문에, 막분리 기술은 사람들에게 필요이상의 비용을 부담시키는 문제가 있다. 이러한 근본적인 문제점으로 인하여 막분리 기술은 아직 상용화되지 못하고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하고자 창안된 것으로, 본 발명은 정수대상인 원수에 포함된 미생물을 완전히 제거할 수 있는 정수방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 정수대상인 원수에 포함된 미네랄의 일부를 분리, 제거시킴으로써 음용수에 포함된 미네랄 성분을 인체에 필요한 만큼의 적절량으로 조절할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 막분리 기술을 사용하되, 막 오염의 진행속도를 최대한으로 지연시킴으로써 정수에 소요되는 비용을 최소화하고, 이로 인하여 막분리기술의 상용화를 도모하는 것이다.
이러한 구체적인 목적을 달성함으로 인하여, 본 발명은 특히 유아, 임산부, 노인 또는 환자들과 같은 면역성이 떨어져 있는 사람들이 안심하고 마실 수 있는 오염되지 않은 물을 제공하는 것을 그 최종적인 목적으로 삼고 있다.
도 1은 종래 사용되는 식수 생산 공정도
도 2는 본 발명에서 개발한 식수생산 공정의 예시도
본 발명은 재래식 정수방법에 정밀여과(Microfiltration), 한외여과 (Ultrafiltration) 및 나노여과(Nanofiltration)의 막 분리(membrane separation) 공정을 적절히 조합하여, 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하고 나아가 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 하는 정수방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 재래식 정수처리 시설에 나노여과막을 설치하여 미생물을 제거하고 경도를 조절하되 나노여과의 전단계에 정밀여과 및/또는 한외여과를 배치하여 나노여과에 대한 오염물질 부하를 저감하는 것을 그 특징적 구성으로 한다.
전술하였듯이, 나노여과막은 대략 0.1 -5 ㎚의 공극 크기(pore size)에 의하여 한외여과막과 역삼투막의 중간적인 성질을 가지며, 바이러스, 유기물, 중금속을 분리할 수 있다. 나노여과는 정밀여과나 한외여과와 비교하여 분리원리가 공극 크기 차에 의한 체 거름(sieve) 효과 외에도 멤브레인 표면에서의 이온과의 반응이 함께 일어난다는 점에서 차이가 있다. 그리고, 이러한 특성에 의하여 나노여과로 2가 이온의 분리도 가능하고, 이로 인하여 나노여과가 물의 연수화에 사용되고 있기도 하다.
본 발명에서는 나노여과의 이러한 원리를 이용하여 원수에 포함된 미네랄 성분을 인체에 필요한 적절량으로 조절한다. 즉, 나노여과를 이용하면 미네랄은 일부만 제거되고 모든 미생물은 완전히 제거될 수 있다.
그러나, 나노여과 단독으로 공정을 운영할 경우에는 막오염에 파울링(fouling)의 우려가 크다. 파울링은 막 표면에 오염물질이 침착하여 플럭스(flux)를 감소시켜 막 성능을 저해하는 현상이다. 또한 나노여과는 구동압력(0.5 - 2.0 MPa)이 높고 막 자체가 상대적으로 고가(高價)이기 때문에 그 운전과 막 교체에 따른 비용상승의 문제를 해소하지 않으면, 그 상용화를 기대하기 어렵다.
이에 본 발명은 나노막의 전 단계에 추가적인 공정을 배치하여 나노여과에 대한 오염물질의 부하를 감소시켜 전체적인 공정의 안정성과 경제성을 높혀 상용화를 가능하게 하는 것이다.
이하, 본 발명의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명은 제 1단계에서는 모래여과로 입자가 큰 고형물질을 제거하고, 제 2단계에서는 활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하며, 제 3단계에서는 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 정밀여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하며, 제 4단계에서는 공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 한외여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하며, 제 5단계에서는 곡극 크기(pore size) 0.1- 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 미네랄을 적정량으로 제거하는 것이다.
본 발명의 상기 단계에 있어서, 원수의 종류에 따라 모래여과 단계나 활성탄여과 단계 중의 하나 또는 모두를 생략할 수도 있다. 즉, 외부에서 어느 정도 정수 과정을 거친 물을 원수로 사용하는 경우에는, 모래여과나 활성탄여과 단계를 거칠 필요가 없기 때문이다.
또한, 본 발명을 적용함에 있어서 도 2에서 보듯이, 막분리 공정 사이에 자외선 소독 또는 오존 살균 장치를 설치하여 미생물 제거에 보조적인 역할을 수행하도록 할 수도 있다.
한편, 본 발명은 미네랄 성분, 즉 물의 경도를 적정량으로 제거하는 것도 도모하고 있는바, 본 발명을 적용하는 경우에는 경도를 0-200㎎/ℓ, 바람직하게는 10-100㎎/ℓ로 조절할 수 있다. 경도의 조절은 나노여과막의 멤브레인 표면에서 일어나는 이온반응에 의하여 어느정도 자동적으로 이루어지는 것이나, 운전 압력과 나노여과막의 선택에 의하여 목적하는 경도를 구체적으로 조절할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거 설명한다.
[실시 예]
지하수를 정수대상으로 하여 본 발명의 정수과정과 재래식의 정수과정을 적용하여 정수를 행하였다. 본 발명의 방법으로는, 모래여과→ 활성탄 여과→ 0.5 ㎛ 정밀여과→ 자외선 소독→ 0.01 ㎛ 한외여과→ 자외선 소독→ 0.5 ㎚ 나노여과의 순으로 공정(도 2 참조)을 배치하여 정수를 실시하였으며, 이때, 나노여과의 구동압력은 1 MPa이었고 모든 공정은 상온에서 실시되었다. 그리고, 종래 재래식 방법으로는, 모래 여과→ 활성탄 여과→ 1 ㎛ 정밀여과→ 자외선 소독→0.5 ㎛ 정밀여과→ 자외선 소독→ 0.2 ㎛ 정밀여과(도 1 참조)의 순으로 공정(도 1 참조)을 배치하여 정수를 실시하였으며, 이 때의 공정 역시 상온에서 실시되었다. 각 정수된 물에 대하여 미생물 제거성능, 미네랄 함량, 기타 물질 제거를 비교하였는바, 그 결과는 표1 내지 표3과 같았다.
표 1. 미생물 제거성능 비교
표 2. 미네랄 함량 비교
표 3. 기타 물질 제거 비교
본 발명은 나노여과를 중심으로 하는 막분리 공정의 조합으로 바이러스를 비롯한 미생물이 모두 제거되며 또한 이 과정에서 유기물 등의 불순물이 제거되고 경도가 적정량으로 조절되어 안전하고 인체에 적합한 식수를 생산할 수 있도록 하는 것으로, 재래식 정수방법과 막분리 공정을 적절히 조합으로서 공정의 안정성과 경제성을 향상시킨 것이다. 본 발명은 공정의 특성 상 시설의 소요면적이 적고 설치가 간편해 용이하게 적용할 수 있기 때문에, 막분리 기술을 본격적인 상용화할 수 있는 길을 연다는 점에 있어서도 매우 큰 의의가 있다.
Claims (7)
- 모래여과로 입자가 큰 고형물질을 제거하는 단계,활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하는 단계,공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계,공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하는 단계 및공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 0-200㎎/ℓ으로 조절하는 단계을 포함하는 식수의 정수방법.
- 제1항에 있어서, 각 여과막 분리공정의 직전 단계에, 자외선 소독단계, 오존 소독단계 중의 하나 또는 모두가 추가된 식수의 정수방법.
- 제1항에 있어서, 경도를 10-100㎎/ℓ으로 조절하는 식수의 정수방법.
- 재래식 방법에 의하여 1차 정수된 물을 대상으로 하여,공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계,공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든미생물을 분리하는 단계 및공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 적정량으로 제거하는 단계을 포함하는 식수의 정수방법.
- 제4항에 있어서, 각 여과막 분리공정의 직전 단계에, 자외선 소독단계, 오존 소독단계 중의 하나 또는 모두가 추가된 식수의 정수방법.
- 활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하는 단계,공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계,공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하는 단계 및공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 적정량으로 제거하는 단계을 포함하는 식수의 정수방법.
- 제6항에 있어서, 각 여과막 분리공정의 직전 단계에, 자외선 소독단계, 오존 소독단계 중의 하나 또는 모두가 추가된 식수의 정수방법.
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