KR20030073159A

KR20030073159A - 정밀여과와 분말활성탄을 이용한 고도 정수 처리 방법 및장치

Info

Publication number: KR20030073159A
Application number: KR1020020012561A
Authority: KR
Inventors: 김성현; 문희
Original assignee: 김성현; 문희
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

본 발명은 정밀여과의 교차흐름과 분말 활성탄을 이용한 고도 처리 정수 방법 및 장치에 관한 것으로, 본 발명은 흡착제로서의 분말활성탄과 실폐수를 혼합하기 위한 혼합부; 혼합용액의 압력을 조절하는 압력 조절부; 및 혼합용액의 공급방향과 평행하게 위치된 정밀여과막을 포함하여 이루어진 고도처리 정수 장치와, 분말활성탄과 실폐수를 혼합하는 제1단계; 혼합된 용액을 10 내지 20kPa 의 압력으로 공급하는 제2단계; 상기 혼합 용액의 공급 방향에 평행하게 위치된 정밀여과막을 통하여 상기 혼합 용액의 여과액이 상기 공급 방향과 수직방향으로 배출되도록 하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 여과되지 않고 남은 혼합용액의 잔여물이 상기 공급방향으로 배출되어 분말활성탄과 실폐수의 혼합부로 공급되는 제4단계를 포함하여 이루어지는 고도처리 정수방법을 제공한다. 본 발명에 따른 정수 장치 및 정수 방법에 따르면, 효과적이고 경제적인 고도처리 정수가 가능하다.

Description

정밀여과와 분말활성탄을 이용한 고도 정수 처리 방법 및 장치 {ADVANCED WATER TREATMENT METHOD USING CROSSFLOW-MICROFILTRATION AND POWDERED ACTIVATED CARBON AND EQUIPMENT THEREFOR}

본 발명은 정밀여과의 교차흐름과 분말 활성탄을 이용한 고도 처리 정수 방법 및 장치에 관한 것이다.

고도정수 처리란 통상의 정수방법으로는 제거되지 않는 유기화학물질, 냄새 물질 음이온 계면 활성제 등의 처리를 목적으로 도입된 활성탄 및 오존 등을 이용한 처리를 말한다. 우리나라의 경우 주요 상수원의 수질이 나빠지면서, 일반적인 정수방법으로 오염물질의 제거가 어려워 현재 고도정수 처리 방법을 사용하고 있다. 고도정수 처리 기술로는 오존처리 기술, 활성탄 처리 기술, 고도산화기술, 막분리 기술 등이 있으며, 이중 활성탄 처리 기술로는 입상 활성탄, 분말 활성탄, 생물 활성탄으로 나눌 수 있다.

현재 사용되고 있는 활성탄을 이용한 고도 처리 정수방법은, 지름이 0.5 ~2.0mm 정도의 입상 활성탄을 전면에 설치한 모래여과지와 같은 흡착조에 물을 통과시켜 흡착하는 방법과, 착수정 등에 분말활성탄을 투입하여 용해성분을 흡착한 분말활성탄을 제거하는 두가지 방법이 있다. 이 두가지 모두 전용설비가 필요하게 된다.

이 중 입상활성탄을 사용하여 일반 유기합성물질이나 기타 폐수속의 유기물질을 처리하는 경우에는 확산속도가 작기 때문에 제거하는 시간이 오래 걸리며, 또한 입상활성탄의 가격이 비교적 비싸기 때문에, 시간적, 경제적 및 에너지 측면에서도 손실이 크게 된다.

따라서, 고도처리정수를 하기 위해서는 미세한 물 속에 존재하는 무기이온이나 유기이온들을 잘 제거해야 하는데 입상활성탄보다는 분말활성탄을 쓰는데 훨씬 경제적이다. 분말활성탄을 사용하는 경우 가장 중요한 점은 분말활성탄을 물속에서 여과하는 방법이다. 본 발명은 분말활성탄을 정밀여과의 교차흐름을 이용해서 연속적인 정밀여과를 통한 투과유속을 얻을 수 있도록 하여 효과적인 정수방법에 관하여 연구한 결과, 새로운 정수 방법 및 정수 장치에 관한 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 분말활성탄과 정밀여과를 이용한 새로운 고도 처리 정수 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 또한 분말활성탄과 정밀여과를 이용한 새로운 고도 처리 정수 장치를 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고도 정수 처리 장치의 일례를 도시한 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 고도 정수 처리 장치 중 정밀 여과부를 도시한 개략도.

도 3은 도 2의 정밀 여과부 중 정밀여과막 부분의 확대 개략도.

도 4는 분말활성탄에 의한 유기 용존 탄소의 제거실험 결과 그래프.

도 5는 입상활성탄에 의한 유기 용존 탄소의 제거실험 결과 그래프.

* 도면의 주요 부분의 부호의 설명 *

110: 분말활성탄액 용기120: 실폐수 용기

130: 유속 펌프140: 혼합부

150: 압력 게이지160: 정밀여과부

170, 163: 정수된 물의 흐름 방향

180, 162: 정수되고 남은 물의 흐름 방향

190: 분말활성탄의 폐기부

본 발명에 따른 고도처리 정수 장치는 흡착제로서의 분말활성탄과 실폐수를 혼합하기 위한 혼합부; 혼합용액의 압력을 조절하는 압력 조절부; 및 혼합용액의공급방향과 평행하게 위치된 정밀여과막을 포함하여 이루어져 있으며, 여기서 상기 혼합부는 혼합용액이 유속을 고려한 체류시간이 5분 이상이 되도록 충분히 긴 튜브인 것이 바람직하다. 또한 상기 정밀여과막은 기공의 크기가 0.22㎛ 이하인 다공성 막인 것이 바람직하며, 상기 혼합부에 공급부가 연결된 실폐수 및 분말활성탄 각각의 저장장치가 더 구비된 구조를 가질 수도 있다.

본 발명은 또한 분말활성탄과 실폐수를 혼합하는 제1단계; 혼합된 용액을 10 내지 20kPa 의 압력으로 공급하는 제2단계; 상기 혼합 용액의 공급 방향에 평행하게 위치된 정밀여과막을 통하여 상기 혼합 용액의 여과액이 상기 공급 방향과 수직방향으로 배출되도록 하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 여과되지 않고 남은 혼합용액의 잔여물이 상기 공급방향으로 배출되어 분말활성탄과 실폐수의 혼합부로 공급되는 제4단계를 포함하여 이루어지는 고도처리 정수방법을 제공한다. 여기서, 상기 혼합하는 단계는 혼합용액을 유속을 고려한 체류시간이 5분 이상이 되도록 충분히 긴 튜브를 통과하도록 되어 있는 것이 바람직하며, 상기 정밀여과막은 기공의 크기가 0.22㎛ 이하인 다공성 막인 것이 바람직하다. 또한 상기 제1단계의 분말활성탄과 실폐수는 각각 별도의 공급부에서 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 정수 장치 및 정수 방법을 좀 더 상세히 살펴보기 위하여 본 출원인이 제작한 정수 장치를 도 1에 첨부하였다.

도 1에 도시된 정수 장치에세도 나타나 있듯이, 본 발명에 따른 정수 장치에는 분말활성탄(110)과 실폐수(120)를 혼합할 수 있는 혼합부(140)과정밀여과부(160)를 필수적으로 포함하고 있다.

도 1에 기재된 장치를 이용하여 정수처리하는 과정은 다음과 같다.

우선 분말활성탄을 교반기 등을 이용하여 물과 섞어 분말활성탄액(110)을 제조한다. 분말활성탄액이 담긴 용기와 별도로 실폐수 용기(120)에 폐수를 담는다. 별도의 용기에서 혼합부로 연결되도록 장치를 구성함에 따라, 각각의 유속을 조절할 수 있고, 또한 지속적으로 분말활성탄을 공급할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이렇게 함으로써 폐수가 흐르고 있는 중간에 이 장치를 설치하여 분말활성탄을 지속적으로 공급하여 연속적인 정수처리가 가능하게 된다. 그러나 이러한 별도의 용기가 필수적인 것은 아니며, 하나의 용기에 실폐수와 분말활성탄을 혼합하여 사용할 수도 있다.

분말활성탄액과 실폐수를 혼합부(140)에서 함께 혼합되도록 한다. 여기에서는 튜브를 원통으로 감아 이 속을 통과하도록 함으로써 혼합되도록 할 수 있으며, 분말활성탄이 실폐수의 오염물질 및 용존 유기 탄소를 충분히 흡착할 수 있도록 충분한 길이의 튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 튜브의 길이는 유속을 고려하여 적당한 길이가 달라지며, 튜브 내에 5분 이상 머무를 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 본 장치에서는 길이 30m 의 PVC 튜브를 혼합부로 사용하였으며, 유속을 100 - 200 ml/min으로 하여 튜브의 통과시간이 5분 정도가 되도록 하였다.

혼합부(140)를 통과한 실폐수와 분말활성탄의 혼합액은 압력 조절부(150)를 통과하여 정밀여과부(160)로 이동된다. 정밀여과부(160)를 통과하여 정수된 물(170)은 혼합액의 흐름과 수직 방향으로 빠져 나오게 되고, 오염물질이 흡착된분말활성탄과 정밀여과막을 통과하지 못한 오염물질은 혼합액의 흐름 방향(190)으로 흘러나가게 되거나, 실폐수 용기(120)또는 분말활성탄액(110) 용기로 이동하여 순환되게 된다. 정밀여과막은 0.22㎛이하의 막을 사용하는 것이 바람직하며, 정밀여과막을 통과함에 따라 부유물질 뿐 아니라 분말활성탄도 여과되는 효과를 얻을 수 있다. 0.22㎛이상인 경우는 폐수속의 부유물질을 제거함과 동시에 충분한 투과유량을 얻기 위하여 적당한 기공 사이즈이고, 또한 환경학적인 측면에서도 고도처리 정수를 위한 기준에 적합한 크기이다.

정밀여과막 내부를 도 2에 참고로 도시하였다. 정밀여과막으로 유입(161)되는 분말활성탄과 실폐수의 혼합액의 흐름의 상단부에 정밀여과막(164)이 위치하고 있으며, 이에 따라 흐름과 수직방향으로 정밀여과막(164)을 통과하여 정수된 물(163)이 흘러나가게 된다. 정밀여과막(164)을 혼합액의 흐름방향의 상단에 위치시켜 정수된 물이 흐름 방향과 수직으로 흐르도록 하는 것을 "교차흐름"이라는 용어로 나타내었으며, 이러한 방법에 의하여 정밀여과막(164)의 오염을 줄일 수 있다. 여기에 대한 입증자료를 IWA Asia-Pacific Regional Conference (2001.9)에서 논문으로 발표하였다. 흐르는 방향에 수직으로 여과막을 설치할 경우, 여과막이 부유물질과 분말활성탄에 의하여 쉽게 오염되어 연속적인 처리가 불가능한데에 비하여 본 발명에서와 같은 장치를 사용할 경우, 오염이 현저히 줄어 연속적인 공정이 가능하게 된다.

정밀여과막(164)과 접한 부분에는 시간이 지남에 따라, 오염물질 및 분말활성탄이 막에 접하여 위치됨으로써 오염이 일어나게 되는데 오염이 심해진 경우, 유속을 빠르게 하고 순환되는 부분의 밸브를 막은 후 분말활성탄의 폐기부(190)쪽의 밸브를 열어주어 활성탄을 폐기하면 된다. 정밀여과막 부근의 확대도를 도 3에 도시하였다. 오랜시간 반복하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이 정밀여과기(164)의 하부에 분말활성탄(165)이 많이 쌓이게 된다. 투과압력을 너무 높게 주면 정밀여과막의 오염이 너무 빨리 일어나게 될 수도 있으며, 압력은 약 10-20kPa 정도로 조절하는 것이 바람직하다.

이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명한다.

(실시예 1)

도 1에 도시된 것과 같은 장치를 제조하였다.

혼합부는 6mm 직경의 PVC 튜브를 직경 11cm의 기둥에 나선형으로 감아서 만들었다. 분말활성탄은 입자 크기가 75㎛이하인 것이 80%인 것을 사용하였으며, 분말활성탄을 용액화하여 혼합장치로 공급하였다. 사용된 합성 폐수의 조성은 하기 표 1에 나타내었다.

조성	중량(mg/L)
MnSO₄	0.13
CaCl₂	0.93
NaHCO₃	0.88
NaCl	2.50
MgSO₄·7H₂O	3.75
KH₂PO₄	1.25
NH₂·NH₂·H₂SO₄	3.50
글루코오즈	16.50
이스트 추출물	1.75
펩톤	1.75

폐수를 활성탄과의 혼합부에서 혼합한 후 정밀여과부로 운반하였다. 정밀여과막은 9개의 여과 채널로 이루어져 있으며, 각 채널의 크기는 길이 6cm, 너비 0.6cm 및 두께 0.036cm 로, 전체 막의 면적은 3.24 ×10^-3m²로 제작하였다. 막의 재질은 친수성 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF)(Millipore사 제조, GVLP)로 하였으며, 기공의 크기를 각각 0.1, 0.22 및 0.45 ㎛로 제작하였다. 각각의 실시예에서 재현성 있는 결과를 얻기 위하여 새로운 막을 사용하였다. 막의 압력은 압력 조절기에 의하여 20kPa로 조절하였다. 전자 밸런스를 사용하여 투과유량을 측정하였다.

분말활성탄과 폐수의 혼합물이 정밀여과되는 동안 막 저항과 덩어리저항(cake resistance)의 효과로 인하여 점점 감소하였다. 분말활성탄의 존재하에서 정밀여과의 투과유량은 50%까지 향상되었다. 가장 바람직한 투과유량은 0.1 및 0.22㎛ 막에서 분말활성탄이 100mg/L인 경우였다. 이 결과, 분말활성탄 입자가 막 투과 유량을 증가시키며, 따라서 막의 오염을 방지한다는 것을 알 수 있었다. 상기 결과는 3mg TOC/L의 존재사에 투과유량이 기본적으로 환원됨을 보여준다. 이러한 관찰은 상대적으로 작은 TOC 분자는 농도 극성과 겔 형성을 유도하지 않는다는 이론적인 발견과 일치하는 것이다.

(실시예 2)

도 1에 도시된 장치를 통하여 분말활성탄과 교차흐름 정밀 여과막을 사용하여 정수처리를 하였다. 활성탄으로서 분말활성탄과 입상활성탄을 사용하여 폐수 내의 용존 유기물 제거율과 평형에 도달하는 시간을 측정하였다. 상기 표 1의 조성을 갖는 합성폐수를 1L에 혼합하여 사용하였다.

정밀여과막으로는 0.2㎛의 기공 크기를 갖는 PVDF(폴리비닐플로라이드, Millipore 사 제조)를 사용하였으며, 샘플은 UV-persulfate TOC(Total Organic Carbon)분석기(DOHRMANN Phoenix 8000)을 사용하여 총 유기탄소(TOC)를 분석하였다. 유입 및 유출시의 탁도는 HACH 탁도계로 측정하였다.

정밀여과막을 투과한 샘플을 채취하여, 8시간동안 샘플을 충분히 교반시킨 후, 각 샘플용기로부터 동일한 양의 샘플을 채취해 0.45mm 필터를 사용하여 여과시킨 후, 용존유기물을 분석하였다. 분말활성탄과 입상활성탄의 양을 조절하여 폐수의 용존 유기물의 제거능력과 평형에 도달하는 시간을 측정하였다. 분말활성탄(250mg/L)을 사용한 경우 폐수의 유기물 제거율이 80%에 달하였으며, 입상활성탄(5g/L)를 사용한 경우 약 60%에 달하였다. 이로써, 분말활성탄은 적은양을 사용한 경우에도 입상활성탄에 비하여 용존 유기물의 제거능력이 우수함을 알 수 있었다.

또한 평형에 도달하는 시간을 측정한 결과를 나타낸 그래프를 도 4 및 도 5에 나타내었다. 도 4는 분말활성탄에 의한 유기 용존 탄소의 제거실험 결과를, 도 5는 입상활성탄에 의한 유기 용존 탄소의 제거실험 결과를 각각 나타낸 것이다. 분말활성탄을 사용한 경우는 약 10분, 입상활성탄을 사용한 경우에는 약 3시간이 걸렸다. 따라서 분말활성탄을 이용한 경우 더 빠른 시간내에 폐수내의 유기물을 더 효과적으로 제거할 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명에 따른 정수 장치 및 정수 방법에 따르면, 효과적이고 경제적인 고도처리 정수가 가능하며, 특히 정밀여과를 행하면서도 여과막의 오염을 줄여 연속적인 처리 공정이 가능하다.

입상활성탄보다 폐수 속의 유기물 제거능력이 우수한 분말활성탄을 사용고, 정밀여과막을 이용하여 분말활성탄과 용존 유시물을 여과시키는 것이 의하여 폐수의 효과적인 처리가 가능하게 된다.

Claims

흡착제로서의 분말활성탄과 실폐수를 혼합하기 위한 혼합부;

혼합용액의 압력을 조절하는 압력 조절부; 및

혼합용액의 공급방향과 평행하게 위치된 정밀여과막;

을 포함하여 이루어진 고도처리 정수 장치.
제1항에 있어서,

상기 혼합부는 혼합용액이 유속을 고려한 체류시간이 5분 이상이 되도록 충분히 긴 튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는

고도처리 정수 장치.
제1항에 있어서,

상기 정밀여과막은 기공의 크기가 0.22㎛ 이하인 다공성 막인 것을 특징으로 하는

고도처리 정수 장치.
제1항에 있어서,

상기 혼합부에 공급부가 연결된 실폐수 및 분말활성탄 각각의 저장장치가 더 구비된 것을 특징으로 하는

고도처리 정수 장치.
분말활성탄과 실폐수를 혼합하는 제1단계;

혼합된 용액을 10 내지 20kPa 의 압력으로 공급하는 제2단계;

상기 혼합 용액의 공급 방향에 평행하게 위치된 정밀여과막을 통하여 상기 혼합 용액의 여과액이 상기 공급 방향과 수직방향으로 배출되도록 하는 제3단계; 및

상기 제3단계에서 여과되지 않고 남은 혼합용액의 잔여물이 상기 공급방향으로 배출되어 분말활성탄과 실폐수의 혼합부로 공급되는 제4단계

를 포함하여 이루어지는 고도처리 정수방법.
제5항에 있어서,

상기 혼합하는 단계는 혼합용액을 유속을 고려한 체류시간이 5분 이상이 되도록 충분히 긴 튜브를 통과하도록 하는 것을 특징으로 하는

방법.
제5항에 있어서,

상기 정밀여과막은 기공의 크기가 0.22㎛ 이하인 다공성 막인 것을 특징으로 하는

방법.
제5항에 있어서,

제1단계의 분말활성탄과 실폐수는 각각 별도의 공급부에서 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는

방법.