KR20050001895A

KR20050001895A - 막분리를 이용한 하수 및 침출수의 순수화 재이용 시스템

Info

Publication number: KR20050001895A
Application number: KR1020030042248A
Authority: KR
Inventors: 지은상; 강경환
Original assignee: 아주환경 주식회사; (주)세양수질
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-07
Also published as: KR100515849B1

Abstract

본 발명은 침출수 및 하수를 이용한 순수화 재이용방법과 그 시스템에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 지정폐기물, 가정이나 사업장에서 발생된 생활폐기물(건축폐기물 등 포함)을 매립하는 매립지에서 발생하는 침출수나 가정이나 사업체에서 나오는 하수(분뇨, 오수, 축산폐수등 포함)를 처리하도록 함에 있어서, 침출수 집수조로부터 공급펌프에 의해 스크린, 회전막분리장치와 전처리투과수조순으로 공급되게 하는 전처리공정과; 전처리수 이송펌프로 안전 정밀여과기(1∼10㎛)를 통과하고, 고압펌프로 1차 역삼투막분리모듈을 통과하여 1차 투과수 저장조를 통과한 다음 승압펌프에 의해 2차 역삼투막분리모듈과 2차 투과수조순으로 공급되게 하는 역삼투막분리공정; 그리고, 공급펌프에 의해 2 가지의 자외선 살균기, 폴리싱 역삼투막분리모듈, 혼상식이온교환수지장치 또는 전기화학적 탈이온화장치, 막 접촉기 및 한외여과막모듈순으로 공급되게 하는 폴리싱공정으로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

Description

막분리를 이용한 하수 및 침출수의 순수화 재이용 시스템{Leachate and Sewage Recycling Method and System Therefor}

전국에서 발생되는 생활오수량은, 예컨데 1일 15,441천 톤으로 170 여개의 하수종말처리장과 7만 6천여개소의 오수처리시설을 통하여 처리되고 있고, 생활오수 처리율은 73%로부터 처리효율을 80%로 높일 계획으로 있다. 이외에도 산업폐수가 예컨데 1일 4,068천 톤 그리고 축산폐수가 1일 125천톤이 발생되고 있으나, 대부분이 그대로 방류를 하고 있다.

폐기물은 폐기물 관계법에 의하면, 사업장에서 발생되는 지정폐기물과 이 지정폐기물외의 것인 생활폐기물로 분류하고 있는 바, 이들 폐기물은 폐기물관리법에 의해 관리체계가 통합되어 일원화된 이후에 재활용활성화 및 폐기물처리시설 설치촉진을 위한 분법화 됨에 따라 법률체계가 세분화ㆍ전문화되었다.

이에 따라 환경부는 폐기물의 발생에 대한 감량화와 매립시설유치 등의 있어서 어려움이 있으며, 특히 소각시설은 대기로 방출되는 다이옥신 등의 유해성문제로 유치에 어려움이 있다. 또한 매립시설은 비산 먼지, 매립가스발생, 악취 및 침출수 등의 환경오염문제로 인근 주민들과 생활환경에 심각한 영향 등으로 분쟁이적지 않게 일어나고 있다.

세계에서 가장 큰 규모의 매립지인 수도권매립지는 예컨데 약 650만평으로 30년동안 약 2억5천만 톤을 매립할 예정이나, 이 매립지에서 발생된 메탄과 같은 매립가스를 활용하여 매립가스를 통하여 발전시설을 추진하고 있으며, 넓은 매립지에 풍차발전시설 설치 등을 추진하여 매립위주의 처리방식에서 자원화를 통한 고부가 가치창조로 쾌적한 매립지, 폐기물 감량화 및 자원화단지를 통한 높은 사업성을 수도권 매립지의 미래 비젼으로 제시하고 적극적으로 추진을 하고 있다.

매립지에서 발생되는 침출수의 양은 계절에 따라 차이가 있지만, 일일 약 5,000톤 이상의 대용량이 발생되어 생물학적 및 화학적 처리를 한 후 100% 방류와 고형화 물질은 다시 매립을 하므로, 인근 서해 바다의 생태계에 적잖은 영향은 물론 높은 운영비를 지출하고 있는 실정이다. 이러한 침출수를 조경수나 반입폐기물 차량의 세륜수, 더 나아가서는 설치예정인 발전소의 순수로 재이용하는 자원화를 계획으로 추진하고 있다.

한편, 하수는 오ㆍ폐수발생 전체에 78.8%를 차지하고 있으나 처리공법이 생물학적 처리와 화학적 처리를 변형하여 100%를 방류를 하므로, 하천오염과 더 나아가서는 바다오염 등의 생태계에 영향을 주고 있다. 또한, 침출수에 대하여 조사를 하여보면, 여러 개소의 생활폐기물 매립지과 지정폐기물 매립지에서는 다량의 악성 침출수가 발생을 하고 있다.

매립지 대부분의 침출수는, 생물학적(혐기성, 호기성, 회전원판 등) 및 화학적(중화, 응집, 침천, 펜톤산화 등) 방법에 의해 처리 후 인근 해안이나 강으로100%방류를 하고 있으나, 선진국에서는 침출수를 막 분리기술 등으로 처리하여 다용도로 재이용을 하고 있다. 그래서, 본 출원인은 침출수 재이용프로젝트 공모에 선정되어 일정기간 동안 모형시험에서 우수한 결과를 얻을 수 있었으며, 모형시험기간에 시행착오와 더불어 경제적인 침출수 재이용시스템의 개발을 하게 되었다.

본 발명은 하수와 침출수에 다양한 막 분리를 이용하여 재이용화시키는 침출수 재이용시스템을 발명한 것으로, 하수보다는 침출수가 난분해성이고 고농도로 악성이어서 침출수를 중점적으로 전처리공정, 역삼투막분리공정, 그리고 후처리공정으로 폴리싱공정 등으로 구성하여 상수도 수질의 처리 뿐만 아니라 고순도를 요구하는 발전용수 등으로 사용할 수 있수 있도록 하는, 하수 및 침출수 순수화 재이용방법과 그 시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 순수화 재이용시스템을 설명하기 위한 구성도,

도 2 는 도 1 에 도시된 회전 막분리장치를 상세히 도시해 놓은 분리사시도,

도 3 은 폴리싱 공정에서 전기화학적 탈이온화장치를 도시해 놓은 상태도,

도 4 는 중공사형 막접촉기를 도시해 놓은 도면,

도 5는 도 1의 시스템에 에너지회수장치가 부착된 순수화 재이용시스템 구성도,

도 6은 도 5중 농축수 압력을 이용한 에너지 회수장치의 설명도,

도 7은 도 5중 농축수 압력을 이용한 터보펌프의 에너지 절감장치의 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

3 : 회전 막분리장치 7 : 안전 정밀여과기

8 : 1차 역삼투 막분리모듈 10 : 2차 역삼투 막분리모듈

14, 14' : 자외선 살균기 15 : 폴리싱 역삼투막분리모듈

16 : 막접촉기 17 : 이온교환수지장치

18 : 전기화학적 탈이온화장치 19 : 한외여과기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 침출수 집수조로부터 공급펌프에 의해 회전막분리장치와 전처리투과수조순으로 공급되게 하는 전처리공정과; 전처리수 이송펌프로 안전 정밀여과기(5㎛)를 통과하고, 고압펌프로 1차 역삼투막분리모듈과 1차 투과수 저장조를 통과한 다음 승압펌프에 의해 2차 역삼투막분리모듈과 2차 투과수조순으로 공급되게 하는 역삼투막분리공정; 그리고, 공급펌프에 의해 2 가지의 자외선 살균기, 폴리싱 역삼투막분리모듈, 혼상식이온교환수지장치 또는 전기화학적 탈이온화장치, 막 접촉기 및 한외여과막모듈순으로 공급되게 하는 폴리싱공정으로 구성된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명은 하수와 침출수에 막 분리를 이용하여 재이용화 하는 침출수 재이용시스템로서, 하수보다는 침출수가 난분해성이고 고농도로 악성이어서 이하에서는 침출수를 중점적으로 재이용하는 시스템을 구성하고자 한다. 침출수 재이용시스템은 크게 전처리공정(Pretreatment block), 역삼투막분리공정(Reverse Osmosis block) 그리고 후처리공정으로 폴리싱공정(Polishing block)등 3분야로 나누어 구성하고 있다.

본 발명의 침출수 재이용시스템에서 이용되는 원수로써 매립지에서 발생되는 침출수는 폐기물종류, 매립연수, 매립방법, 기후조건, 매립량, 매립지형, 강우량, 그리고 매립지의 다짐정도에 따라 수질의 특성이 다르게 되며, 이러한 침출수는 지하수와 지표수 환경오염과 생태계 파괴를 가져오게 된다. 따라서, 침출수는 높은 유기성 물질이 함유되어 있고, 암모니아성 질소나 메탄가스등이 내포되어 심한 악취가 발생을 하며, 염분 함유농도도 높으며 점성과 색도를 나타낸다.

이러한 사정에 따른 적용 막(Membrane: 膜)선정 절차에 있어서는, 침출수는 난분해성이고 고농도 오염물질을 함유하고 있음으로 기존의 생물학적 및 화학적 처리 기술로는 효율성 등에 문제가 많아, 선진국에서 적용하는 막 분리를 이용한 침출수 처리기술은 식생활문화가 달라서 발생되는 폐기물성상이나 기후적인 조건이 한국과 차이가 있어, 침출수 성상에 맞는 막 분리기술의 발명이 요구되어 왔다.

먼저, 처리하고자하는 침출수의 성상, 즉 부유물질 입자, 용질의 이온, 분자량, 유분, 계면활성제, 점도, pH 등을 파악한 다음, 막의 투과유속, 강도 및 내성등을 고려하여 막을 선정한다. 그런데, 전처리공정으로는 유기성물질을 제거할 수 있는 한외여과막(Ultrafiltration:UF)으로 재질을 재생형 셀룰로오스(Regenerated Cellulose)와 폴리에테르슐폰(Poly Ether Sulfone: PES)등의 막들을, 역삼투막분리공정으로는 나권형으로 셀룰로오스 아세테이트와 폴리아마이드재질들을 각기 실험할 수 있다.

막의 선정 기준은 제거효율과 막의 오염성 및 약품세정시의 회복, 그리고 투과량 등을 평가한다. 특히, 전처리공정으로서 모래, 무연탄, 활성탄과 같은 여재를 충진한 급속여과방식은 초기에는 부유물질, 탁도, 색도 등의 제거를 보이다가 급속도로 처리효율이 떨어지고 있다. 따라서, 막분리에 있어서 가장 중요한 오염지표지수(Silt Density Index : SDI)가 0.45㎛여과지를 이용하여 2.5㎏/㎠에서 초기 500㎖ 투과하는데 소요시간과, 15분후에 다시 500㎖을 통과하는데 소요되는 시간을 통하여 오염지표 지수값이 5 이하이어야 함에도 수분이내에 급격히 투과량이 감소하여 측정이 불가능하다.

그러므로, 전처리공정으로 한외여과막분리를 이용한 방법이 가장 적절한 것으로 판단되어, 관련 막 11종류에 예비실험을 실시하여 아래 표 2와 같은 결과를 얻을 수 있다.

즉, 전처리공정에서 막분리 방식으로 막의 재질은 폴리아크릴니트릴(PAN), 폴리슐폰(PS), 리에테르슐폰(PES), 폴리테트라 플루오르에틸렌(PTFE), 폴리비닐디플루오라이드(PVDF), 폴리폴에틸렌(PE), 폴리아마이드(PA) 및 셀룰로오스아세테이트(CA)등으로 나누어진다. 막의 형태는 중공사형(Hollow Fiber), 튜브형(TUBULAR),원형(DISC) 및 나권형(Spiral Wound)으로 가압식과, 완전침지 및 반침지형으로 진공이나 회전에 의한 역세 가능한 유기성 인공막(Organic Membranes)이거나 스텐레스 스틸과 같은 금속재료나 세라믹재질을 조성하여 직접 또는 규조토나 점토 등을 피복(Precoat) 하여 사용하는 무기성막(Inorganic Membranes)으로 정밀여과(MF) 한외여과(UF) 및 나노여과(NF) 범위를 사용하는 것이다.

전처리용 막선정 실험 종류

전처리 공정	막 종류	막 재질	비 고
침지형(Backwashable)	Hollow Filter↓MF, UF	PVDF, PE, PSPAN	·막의 오염성·운전 및 유지관리애로(CIP등)·고점성, 고농도인침출수적용에 부적절
진동형(Vibration)	Disc(Plate & Frame)↓MF, UF, NF, RO	PE, PS, PVDFPAN, PA, CA등 다양	·막 오염시 막 Pack을전량 교체하는 부담·범용성에 문제·국내설치사례
관형(Tubular)	Tubular↓MF, UF	PE with PVDFCoatedPP 등	·투자비·동력비·설치면적문제
가압식 역세형(Backwashable)	Hollow Filter↓MF, UF	PE, PS, PAN등	·막의 오염성·신뢰성·유지 관리성·고점성, 고농도에부적합.
회전형(Rotating)	Disc(Plate & Frame)↓MF, UF, NF	PES, PS, PANPVDF, CA 등다양	·고점성 고농도에적용목적으로 개발·내오염성·설치면적이 적음·낮은 운전비등

전처리용 막실험 결과

막 종류	막 재질	처리유량(GFD)	제거 범위
평 막(PES-050)	PES	145∼290ℓ/㎡h	50K Da
평 막(G-50)	G-50	45	8,000 Da
평 막NTR-7450	SulfonatedSulfone	25	50% NaCl rej
평 막C-10F	RegeneratedCellulose	50	10,000 Da
평 막C-30F	RegeneratedCellulose	424	30,000 Da
평 막AS-100	Polysulfone	418	40,000 Da
평 막C-100F	RegeneratedCellulose	270	100,000 Da
평 막PS-1000H	Polysulfone	390	100,000 Da
평 막T-135	PTFE Teflone	-	0.45㎛
평 막AES-5	Polyethersulfone	84	2,000 Da
평 막AS-100	Polysulfone	418	40,000 Da

이상의 유량과 압력관계 및 막의 오염성 등을 고려하여 폴리에테르슐폰(PES)막이 가장 우수함을 알 수 있다.

또한, 역삼투막분리(RO라 칭함)공정에서 적용할 막 선정은 표 3과 같이 7 가지를 대상으로 실시하여 본다.

RO막의 종류

막(상품명)	재 질	유량(GFD)	압력(psi)	막제조 회사
DS-3SE	TFC	5	400∼600	Desal
X-20	PA/urea	9	400∼1000	Trispe
ESPA	Composite PA	13	500∼2000	Hydranautics
BW-30	TFC	-	300∼500	FilmTec
SC/SE	TFC	10.6/22	800/600	Desal
AE	TFC	30	800	Desal
CD	GTA/diacetateBlend	17.1	450	Desal

RO막의 실험 결과는 다음과 같다.

투과유량

대 ←--------------------------------------→소

SE

AE

SL

ESPA

X-20

CD

BW

DS

막의 오염성

대 ←---------------------------------------→소

BW

DS

X-20

ESPA

SC

SE

AE

CD

화학세정 후 막의 안정성(Cleanability & Stability)

대←--------------------------------------→소

SE

SC

AE

X-20

DS

CD

ESPA

BW

예비 실험결과 SC와 SE 막이 투과유량, 막오염성 그리고 화학세정후 안정성에서 우수함을 알 수 있다.

도 1 에 도시된 침출수 재이용시스템의 구성은, 처리 하고자하는 침출수에 대하여 철저한 성상분석을 실시한 후 적용 가능성이 높은 막을 선정하여 예비실험(Lab. Test)을 거친 후 시스템을 아래와 같이 구성한다.

지정폐기물, 가정이나 사업장에서 발생된 생활폐기물(건축폐기물 포함)을 매립하는 매립지에서 발생하는 침출수나 가정이나 사업체에서 나오는 하수(분뇨, 오수, 축산폐수등 포함)를 처리한다.

전처리공정 (Pretreatment Block)은 침출수 집수조 ⇒ 공급펌프 ⇒ 회전막분리장치 ⇒ 전처리투과수조로 구성된다.

침출수 집수조로써 원수집수조(1)는 처리하고자하는 원수(침출수)를 저장하는 기능을 갖추고 있는 것이고, 공급펌프로써 원수펌프(P1)는 원수를 이송한다. 이때 원수내에 함유된 협잡물질 등을 제거하기 위해 100㎛ 크기의 스크린 필터(2)를 거치게 한다. 이 스크린 필터(2)에서 협잡물질 등이 제거된 침출수는 회전막분리장치(3)를 통해 전처리수조(4)에 공급되게 된다.

상기 회전막분리장치(3)는 도 2 에 도시된 바와 같이, 기공이 50 마이크론(㎛)에서 0.01 ㎛의 막(23-1)을 원형(Disc Type)으로 하여 스텐레스 스틸이나 플라스틱재질로 만들어진 원형 지지링(Support Ring; 24) 안에 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 망의 배수지지층(Drainage Support; 22)을 놓고, 여과된 물이 통과할 수 있는 스텐레스 스틸로 된 필터카세트(Filter Cassets; 21)를 올린 다음 선정된 막을 얹고 나서 "S" 또는 직사각형의 플라스틱이나 스텐레스 스틸과 같은 금속 재질로 된 회전체(20)를 중앙의 회전봉에 연결하여 모터를 가동하면, 막 위에서 돌게 한다.

이때 처리하고자하는 물은 원형 지지링(24)의 가장자리의 원형으로 된 입구를 통하여 막 위로 공급되며(26), 막에서 투과 또는 여과되는 물은 배수지지층(22)을 통하여 나오게 되고, 막(23-2)을 통과하지 못한 물질들은 배수지지층(22)의 투과수의 입구 반대편의 출구(27)로 빠져나와 전처리 수조(4 ; 도 1 참조)로 모이게 되며, 농축되어 투과치 못한 물은 배수되게 한다. 여기서, 도면중 부호 25는 농축수측, 부호 26은 유입수측, 부호 27은 투과수측을 각기 표시하고 있다.

따라서, 막의 재질들을 사용하여 정밀여과, 한외여과 그리고 나노여과막을 원형으로 하여 원판의 지지층 위에 배수원판을 두고 그 위에 처리하고자 하는 원형막을 장착하고 원형막 가운데에 회전축을 설치하고, 막 위에 회전하는 "S" 또는 직사각형의 회전체를 연결하여 막의 표면에서 오염물질이 쌓이거나 흡착이 되지 않게 하는 회전막 분리기술인 것이다.

또한, 막을 나뭇잎처럼 포갠 후에 경화성 에폭시로 고정을 한 유기성막을 장착한 원통형 막 팩케이지 하부를 뒤틀림(토션스프링)축으로 연결하여 하부에서 막 펙케이지에 좌우로 1cm 에서 3cm간격으로 움직이게 진동을 주는 막분리장치이다.

상기 전처리공정의 전처리수조(4)에는 농축수(A), 회전막분리장치(3)의 투과수 및 후술할 2차 역삼투막분리(10)의 순환수가 공급되는 바, 이 전처리수조(4)의 전처리수는 이송펌프(P2)로 이송되는 상태에서 각 펌프(P3 - P5)를 통한 PH조정, 스케일억제제 및 산화방지제가 혼합되어 역삼투막분리공정의 안전정밀여과기(7)에 공급된다.

상기 역삼투막분리공정(Reverse Osmosis Block)은 전처리수 이송펌프 ⇒ 안전 정밀여과기(1-10㎛) ⇒ 고압펌프 ⇒ 1차 역삼투막분리모듈 ⇒ 1차 투과수 저장조 ⇒ 승압펌프 ⇒ 2차 역삼투막분리모듈 ⇒ 2차 투과수 저장조로 구성된다.

상기 전처리공정에서 회전막분리를 투과한 물은 전처리수조(4)로부터 이송펌프(P2)를 통하여 저장 과정에서 박테리아 등의 증식 및 오염으로 인하여 슬라임 등을 제거하기 위하여 1㎛에서 10㎛ 크기의 입자들을 제거하는 안전용 1회용 또는 역세형 정밀여과기(7)를 사용하며, 원수가 가지고 있는 염농도 이상의 압력을 가하는 수중어뢰형, 플란쟈 또는 피스톤형의 고압 펌프(P6)를 구동하여 고압용 역삼투막분리모듈(8)에 공급되어진다. 이 고압용 1차 역삼투막분리모듈(8)에 원형, 나권형,튜브형 또는 중공사형을 사용하여 투과된 물은 균등조로써 1차 투과수 저장조(5)로부터 이송펌프(P7)와 승압펌프(9)를 통하여 염제거율이 높은 2차 역삼투막분리모듈(10)로 보내어 투과수(처리수)와 농축수(11)로 분리한다.

특히, 원수로 사용되는 침출수는 현장시험결과 계절별로 염농도의 차이가 10,000∼25,000㎎/ℓ으로 심한 것을 알 수 있다. 따라서, 염농도가 15,000 ㎎/ℓ 이하인 경우에는 1차 역삼투막분리모듈(8)에서 분리되어 나오는 농축수를 2차 역삼투막분리모듈(10)로 보내어 처리한다. 상기 1차 역삼투막분리모듈(8)을 통과한 농축수를 2차 역삼투막분리모듈(10)로 보내어 발생되는 농축수는 화학적 처리를 하거나 증발건조 또는 매립지의 복토시에 비산먼지 등의 방지를 위하여 살포하게 하고 1차와 2차 역삼투막분리를 투과한 물은 용도에 맞게 재이용한다. 이때 재이용수의 수질은 원수인 침출수를 직접 또는 생물학적처리후에 적용함에 따라 100∼500 ㎎/ℓ정도로 차이가 있다.

반면에, 원수의 염농도가 15,000 ㎎/ℓ 이상일 경우는 1차 역삼투막분리모듈(8)에서 투과된 물을 2차 역삼투막분리모듈(10)로 제거한다. 이때 1차 역삼투막분리모듈(8)의 농축수(11)는 15∼20%을 유출시키고, 2차 역삼투막분리모듈(10)의 농축수는 전처리수조(4)로 보내고 투과된 물은 세륜 및 조경용수의 처리수(12)로써 재이용이 가능하다. 이때 처리수질은 약 500∼1000 ㎎/ℓ로 특히 원침출수를 직접 막분리에 적용시에는 암모니아, 메탄 등이 함유되어 처리수가 취가 있으나 조경수나 세륜용수로 사용하는데는문제가 없었다.

또한, 원수에 역삼투막분리 기술을 적용시에는 고압이 요구되므로 전력소모가 많으며, 농축수측의 압력을 고압펌프의 터빈을 통과하여 나가게 하므로 후술되는 바와 같이 에너지를 회수하게 하는 장치를 부착하고 있다.

뿐만 아니라 유입수의 수질변동에 대응하기 위하여 고압펌프의 회전수를 조절할 수 있는 인버터를 설치하여 pH, 수온, 염농도 등에 따라 회전수를 달리하도록 되어 있다. 1차와 2차 역삼투막분리모듈(8, 10)을 투과한 물의 수질은 상수도(City Water)의 수질과 비슷하였고 그대로 조경용수나 매립지를 출입하는 폐기물운반 차량의 세륜 및 세차로 사용하는데 문제가 없음을 실제로 적용하여 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이 전처리공정과 역삼투막분리 공정순으로 통과한 처리수는 폴리싱공정의 투과수저장조(13)에 공급되는 바, 이 폴리싱공정(Polishing Block)은 공급펌프 ⇒ 자외선 산화 및 살균장치 ⇒ 폴리싱 역삼투막분리모듈 ⇒ 혼상식이온교환수지장치 또는 전기화학적 탈이온화장치(Electrochemical deionization: EDI) ⇒ 막 접촉기(Membrane Contactor) ⇒ 한외여과막모듈(Ultrafiltration Module)로 구성된다.

막 재질의 사용은 처리하고자 하는 원수의 염 농도(TDS)에 따라 1차로 역삼투막분리모듈을 통과하여 나오는 물(투과수)을 다시 2차로 역삼투막분리모듈로 처리를 하는 방법과 1차로 역삼투막분리모듈로 처리 후 발생되는 농축수를 다시 2차로 고압용 역삼투막분리모듈로 처리한다.

1차와 2차 역삼투막분리모듈(8, 10)을 통과한 처리수는 투과수저장조(13)에 저장하게 되며, 이 투과수저장조(13)의 일정기간 저장에 따라 미생물의 번식 등이 우려되므로 공급펌프(P8)를 이용하여 파장이 185㎚와 254㎚의 자외선 살균기(14,14')를 통과하도록 하여 제거하게 하며, 다시 고염제거율의 폴리싱 역삼투막분리모듈(15)을 통과하게 되면 비저항값이 0.5에서 1㏁ (Megaohm. cm)정도의 순수를 얻게 한다.

또한, 폴리싱 역삼투막분리모듈(15)을 투과한 물은 소수이온 농도가 낮아 CO₂(이산화탄소) 등의 기체류가 잔존하므로 막접촉기(16)를 통과하여 혼상식이온교환수지나 전기적 탈이온화장치(17, 18)의 효율에 영향을 주지 않도록 한다. 일반적으로 순수한 물에는 용존산소와 이산화탄소등이 함유되어 있어, 보일러나 발전용수(6)등으로 사용하기 위해서는 탈산소제의 화공약품을 주입을 되는데, 주로 사용되는 약제는 하이드라진(Hydrazine : N₂H₄)으로 물속에 용존가스와 반응하여 N₂와 H₂O로 분리가 되게 된다.

이러한 방법은 약제의 배합농도와 배합 후 경과시간 등에 따라 효율 관리가 어려우므로, 본 발명에서는 탈기를 하는 방법으로 폴리에틸렌 재질로 된 중공사형 소수성막을 이용하여 순수에 함유된 기체류만을 투과시켜 제거하는 막접촉기(16)를 사용하고 있다

이러한 폴리싱 투과수를 양이온 및 음이온 이온교환수지가 따로 또는 혼합되어있는 혼상식 이온교환수지장치(17)나 전기화학적 탈이온화장치(18)를 통과하면, 10 ㏁.cm 이상의 양질의 순수(Deionized Water: DI Water)를 얻을 수 있다. 최근에는 이온교환수지장치(17)는 정기적으로 염산(또는 황산)이나 수산화나트륨을 사용하여 이온교환수지장치를 재생하여야 하므로 2차적인 재생(오염)폐수가 발생하는문제가 있음을 알 수 있다.

특히, 화공약품을 사용하지 않고 물속의 무기물질을 제거할 수 있는 전기화학적 탈이온화장치(Electrochemical Deionization : EDI : 도 3 참조)를 이용하여 순수를 만드는 기술이 개발되어 있다. 이 전기화학적 탈이온화장치(18)를 이용하면 화공약품 등을 사용하지 않고, 재생을 위한 가동정지 시간도 없이 연속적으로 운전을 하는 방식으로 일정 용기안에 양이온을 띠는 이온교환막과 음이온을 띠는 이온교환막을 설치하고 전류를 흐르게 하면, 물 속에 함유되어 있던 양ㆍ음이온물질들이 양쪽의 이온교환막으로 이동하여 제거되는 것으로 기전력에 의하여 순수한 물만이 나오게 된다.

최종적으로 순수 속에 함유된 미립자 또는 박테리아 등을 제거하기 위하여 0.1㎛에서 0.01㎛ 크기의 1회용 또는 역세가 가능한 침지형 중공사막이나 가압형 중공사막 그리고 나권형의 한외여과기(19)를 설치하게 하고, 본 발명에서는 가압하는 역세형 한외여과기(19)를 설치하고 있다.

사용되는 고압펌프를 콘크리트구조물 집수조나 플라스틱 탱크 속에 수직으로 설치하거나 에프알피(FRP) 재질이나 금속성 재질로 원통형 하우징에 펌프와 모타를 설치하고 원통형 하우징으로 처리하고자 하는 물을 유입시키는 어뢰형 무소음, 무진동으로 모타에서 발생되는 열이 원수에 온도를 상승시켜 막의 투과율을 향상하게 하는 기술과 입단 수직형 또는 수평 피스톤, 플란쟈 등의 고압펌프를 사용하여 나노여과 또는 역삼투막분리에서 발생되는 농축수의 압력을 고압펌프 입구측 터보를 통과하게 하므로 에너지를 회수하는 농축수 에너지회수장치 (Concentration waterpressure Recovery Unit: CWPRU)를 적용할 수 있다.

농축수의 에너지 회수장치는 침출수나 하수의 염분농도가 높아서 높은 압력이 요구된다. 이때 막 표면에서 이물질로 인한 퇴적(Deposit)을 예방하기 위하여 난류(Turbulent flow)를 일으키게 하므로서 농축수로 나오는 흐름에는 수십㎏/㎠ 이상의 압력이 발생된다.

따라서 본 발명에서는 농축수의 압력을 회수하기 위하여 도 5와 같이 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 농축수를 이용하는 에너지 회수장치를 부착하여 전기료를 절감하게 하였다. 여기서 에너지회수장치는 막분리에서 나오는 농축의 압력을 막분리측으로 공급되는 물과 교환을 시켜서 농축수가 가지고 있는 압력을 공급되는 물(침출수나 하수)에 전달을 하여 에너지 비용을 절감하도록 한 것이다.

여기서 도 6은 농축수의 압력을 회수하기 위하여 공급되는 유량의 50%이상을 에너지회수장치(40)에서 교환시켜 농축수 압력을 공급수측에 전달되게 하는 방법이고 도 7은 터보펌프(42)를 사용할 경우 막분리기(8)에서 발생되는 농축수측의 압력을 터보(44)에 전달하여 압력을 회수하는 방식의 사례를 나타내는 것이다. 여기서, 각 장치의 아래에 표시된 도표상의 원문자는 각 장치의 구성도내에 표시된 원문자와 대응되어 해당 배관위치를 나타내는 것으로, 도 6 및 도 7에 도시된 도표는 각 배관위치에서 처리되는 물의 유량과 압력을 나타낸다.

한편, 역삼투막분리를 투과한 물을 순수화 하기 위하여 고염분 제거 및 저압용 역삼투막분리를 거치는 폴리싱역삼투막분리모듈과 투과된 물을 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 별도로 충진하거나 혼합 또는 충진하여 물을 통과하는 이온교환수지장치(17)나 양이온교환막과 음이온교환막을 조합하여 전류를 통하게 하면 양이온교환막은 음이온활성기를 가지고 있어 정전기적으로 양이온만을 선택적으로 통과시키고 반대로 음이온교환막은 양이온 활성기를 가지고 있어 정전기적으로 음이온만을 선택적으로 통과시키게 된다. 이온교환 막사이에 양.음이온 교환수지를 충전하면 이온의 이동속도를 증가시키는 매개체로 작용하고 전기저항을 감소시켜 전기저항을 감소시키게 하여 직류전류를 공급하여 수중의 양이온은 양이온교환막을 통과하여 음극방향으로 이동하고 음이온은 음이온교환막을 통과하여 양극방향으로 이동하여 탈염을 하는 전기화학적 탈이온화장치(18)와 순수 속에 함유된 용존산소와 이산화탄소등의 기체류를 제거하기 위하여 소수성 폴리에틸렌 중공사형막을 이용하여 중공사막 안쪽으로 질소가스나 진공을 가하여 용존기체류를 제거하는 막접촉기(16)에 이어 침지형, 중공사형, 나권형, 회전 또는 진동형의 한외여과 및 나노여과 막분리 장치를 설치하여 순수 속에 박테리아, 미립자, 슬라임(Slime), 유기물질(TOC등)을 제거한다.

즉, 도 4 에 도시된 중공사형 막접촉기에는 도 4(a)에 도시된 바와 같이 원통형 하우징(33)으로 유입수측(30), 진공 또는 질소가스출구(31) 및 질소가스 흡입구(32)가 형성되어 있고, 상기 하우징(33)내 카트리지(34)에서 중앙의 베플(Buffled)(35)을 매개로 분배관(36)과 표집관(37)이 형성되어 있다.

이렇게 형성되는 카트리지(34)내에는 다수의 중공사막(38)이 설치되어 있는 바, 이는 도 4(b)에 도시된 바와 같이 상하막에서 유체흐름 방향이 동일하고 이 상하막사이에 반대방향의 진공 또는 흡입가스가 흐르도록 되어 있다.

(실시예)

표 4는 수도권 매립지현장에서 생물학적 처리수와 원침출수등 2가지에 대하여 약 9개월간을 시험과 성능 분석을 실시한 것이다.

시험대상 시료의 수질분석

분석 항목	원침출수	생물학적 처리수
수소이온농도(pH)	8.1	8.2
화학적산소요구량(COD), ㎎/ℓ	1710	497
생물학적산소요구량(BOD), ㎎/ℓ	200	28
부유물질(SS), ㎎/ℓ	51	235
암모니아성질소(NH₃-N), ㎎/ℓ	517.6	4.0
메탄올(Methanol), ㎎/ℓ	1,550	3.46
색도(Color),도	1,200	1,150
전도도(Conductivity),㎲/㎝	25,000	9,000∼22,000
입도분포(㎛)	0.1∼22	2∼233
총질소(T-N), ㎎/ℓ	2,017	60.8

원침출수 시험결과

분석 항목	RMS처리수	1차RO 후	2차RO 후	Polishing RO 후	MB 후	UF 후
수소이온농도(pH)	8.1	7.3	6.8	-	-	-
화학적 산소요구량(COD), ㎎/ℓ	1,500	< 20	< 5	-	-	-
생물학적 산소요구량(BOD), ㎎/ℓ	184	< 10	2	-	-	-
총질소(T-N), ㎎/ℓ	2,008	42	3.5	-	-	-
부유물질(SS), ㎎/ℓ	< 1	-	-	-	-	-
암모니아성질소(NH₃-N), ㎎/ℓ	508	2.5	-	-	-	-
메탄올(Methanol), ㎎/ℓ	1,500	130.5	17.9	-	-	-
색도(Color),도	340	-	-	-	-	-
전도도(Conductivity),㎲/㎝	< 25,000	< 1,200	< 500	< 5	< 0.07	< 0.07

생물학적 처리수 시험결과

분석 항목	RMS처리수	1차RO 후	2차RO 후	Polishing RO 후	MB 후	UF 후
수소이온농도(pH)	8.2	7.0	6.5	-	-	-
화학적 산소요구량(COD), ㎎/ℓ	370	16.2	-	-	-	-
생물학적 산소요구량(BOD), ㎎/ℓ	11	0.7	-	-	-	-
총질소(T-N), ㎎/ℓ	43.5	3.05	0.25	-	-	-
부유물질(SS), ㎎/ℓ	< 5	-	-	-	-	-
암모니아성질소(NH₃-N), ㎎/ℓ	2.1	-	-	-	-	-
메탄올(Methanol), ㎎/ℓ	0.2	-	-	-	-	-
색도(Color),도	62	-	-	-	-	-
전도도(Conductivity),㎲/㎝	6,000 ∼ 17,000	700 ∼800	200 ∼750	1.43	< 0.068	< 0.068

여기서, 표 5 및 표 6의 RMS는 Rotating Membrane System(회전막분리장치)이고, RO는 Reverse Osmosis (역삼투막분리)이며, MBD 는 Mixed Bed Deionizer(혼상식 이온교환장치)이고, MC 는 Membrane Contactor (막접촉기)이며, UF 는 Ultrafiltration (한외여과)이다.

시험결과 상기의 원침출수와 생물학적처리수의 시험결과를 보아서 알 수 있듯이, 고농도 난분해성 침출수도 본 발명의 기술을 적용을 하면, 상수도(수돗물) 뿐만 아니라 고순도를 요구하는 발전용수 등으로 사용이 가능함을 알 수 있다.

분석 항목	2차 RO처리수	최종 처리수(UF 후)	생활용수(농업용수)	먹는 물 기준(수돗물)	발전용수
총용해성 고형물질 (Total DissolvedSolids),㎎/ℓ	200 ∼ 1,200	0.03 ∼ 0.05	-	< 500	< 0.05
미립자(Particles),(>0.1㎛ in size)	-	< 20	-	-	-
박테리아(Live Bacteria), CFU/ ㎖	-	0.05	5,000	< 100	-
나트륨(Na⁺),㎎/ℓ	-	0.05	-	-	< 1
염소이온(Cℓ^-),㎎/ℓ	-	0.05	< 250	< 150	< 1
용존산소(DO),㎎/ℓ	-	-	-	-	< 5
수소이온농도(pH)	6.5 ∼ 7.5	-	5.8 ∼ 8.5(6.0∼8.5)	5.8 ∼ 8.5	-
색도(Color), 도	0	0	-	< 5 도	-
화학적산소요구량(COD),㎎/ℓ	-	-	< 6(< 8)	-	-
질산성질소(NO₃-N),㎎/ℓ	-	-	< 20(< 20)	< 10	-

상기 표 7에서 생활용수는 가정용 및 가정에 준하는 목적으로 이용되는 용수로서 음용수, 농업용수, 공업용수 이외의 모든 용수를 말한다. (지하수의 수질보전 등에 관한 규칙 제6조 관련)

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하수보다는 침출수가 난분해성이고 고농도로 악성이어서 침출수를 중점적으로 전처리공정, 역삼투막분리공정, 그리고 후처리공정으로 폴리싱공정 등으로 구성하여 상수도뿐만 아니라 고순도를 요구하는 발전용수 등으로 사용할 수 있는 침출수 재이용시스템을 제공할 수 있다.

본 발명은 침출수 재이용시스템에 대한 기술사상을 예시도면에 의거하여 설명했지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명의 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 이 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

지정폐기물, 가정이나 사업장에서 발생된 생활폐기물(건축폐기물 포함)을 매립하는 매립지에서 발생하는 침출수나 가정이나 사업체에서 나오는 하수(분뇨, 오수, 축산폐수등 포함)를 처리하도록 함에 있어서,

침출수 집수조로부터 공급펌프에 의해 스크린과 회전막분리장치와 전처리투과수조순으로 공급되게 하는 전처리공정과;

전처리수 이송펌프로 1회용 또는 역세형 안전 정밀여과기(1∼10㎛)를 통과하고, 고압펌프로 1차 역삼투막분리모듈과 1차 투과수 저장조를 통과한 다음 승압펌프에 의해 2차 역삼투막분리모듈과 2차 투과수조순으로 공급되게 하는 역삼투막분리공정;

그리고, 공급펌프에 의해 2 가지의 자외선 산화 및 살균기, 폴리싱 역삼투막분리모듈, 혼상식이온교환수지장치 또는 전기화학적 탈이온화장치, 막 접촉기 및 한외여과막모듈순으로 공급되게 하는 폴리싱공정으로 구성된 것을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
제 1 항에 있어서, 상기 전처리공정에서 여과나 막분리 방식으로 막의 재질이 폴리아크릴니트릴, 폴리슐폰, 리에테르슐폰, 폴리테트라 플루오르에틸렌, 폴리비닐디플루오라이드, 폴리폴에틸렌, 폴리아마이드 및 셀룰로오스아세테이트 등이고, 막의 형태가 중공사형, 튜브형, 원형 및 나권형으로 가압식과, 완전침지 및 반침지형으로 진공이나 회전에 의한 역세 가능한 유기성 인공막이거나 스텐레스 스틸과 같은 금속재료와 세라믹이나 금속성 재질로 조성하여 직접 또는 규조토나 점토 등을 피복하여 사용하는 무기성막으로 정밀여과, 한외여과 및 나노여과막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
제 2항에 있어서, 상기 정밀여과, 한외여과 그리고 나노여과막을 원형으로 하여 원판의 지지층 위에 배수원판을 두고 그 위에 처리하고자 하는 원형막을 장착하고, 이 원형막 가운데에 회전축을 설치하고 막 위에 회전하는 "S" 또는 직사각형의 회전체를 연결하여 막의 표면에서 오염물질이 쌓이거나 흡착이 되지 않게 하는 회전막분리인 것을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
제 3 항에 있어서, 상기 회전막분리는, 막을 나뭇잎처럼 포갠 후에 경화성 에폭시로 고정을 한 유기성막을 장착한 원통형 막 팩케이지 하부를 뒤틀림(토션스프링)축으로 연결하여 하부에서 막 펙케이지에 좌우로 1cm 에서 3cm간격으로 움직이게 진동을 주는 것을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
제 2 항에 있어서, 막표면 전하가 기존의 음성외에 중성 및 양성으로 막재질이 사용하여 처리하고자 하는 원수의 염 농도에 따라 1차로 나노여과나 역삼투막분리장치를 통과하여 나오는 투과수를 다시 2차로 역삼투막분리장치로 처리하고, 2차 역삼투막분리장치에서 나오는 농축수를 1차역삼투막분리로 보내며 1차역삼투막분리에서 발생된 농축수를 10∼20%를 배출하는 농도인자(Concentration Factor: CF)를 증가 시키거나, 1차로 저압용으로 나노 및 역삼투막분리 장치로 처리 후 발생되는 농축수를 다시 2차로 고압용 역삼투막분리로 처리하고 1, 2차 투과수를 혼합하여 재이용하고 1,2차 역삼투막분리에서 발생한 농축수의 비율이 10∼30%가 되도록 하되, 상기의 농축수의 압력을 회수하기 위해 농축수를 유입구측의 고압펌프의 터빈을 경유시켜 에너지를 10∼30%까지 회수할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
제1항에 있어서, 상기 역삼투막분리공정은 사용되는 고압펌프를 콘크리트구조물 집수조나 플라스틱 탱크 속에 수직으로 설치하거나 에프알피 재질이나 금속성 재질로 원통형 하우징에 펌프와 모타를 설치하고 원통형 하우징으로 처리하고자 하는 물을 유입시키는 어뢰형 무소음, 무진동으로 모타에서 발생되는 열이 원수에 온도를 상승시켜 막의 투과율을 향상시키고;

입단 수직형 또는 수평 피스톤, 플란쟈 등의 고압펌프를 사용하여 나노여과 또는 역삼투막분리에서 발생되는 농축수의 압력을 고압펌프 입구측 터보를 통과하게 하므로 에너지를 회수하도록 함을 특징으로 하는 하수 및 침출수 순수화 재이용방법.
역삼투막분리를 투과한 물을 순수화 하기 위하여 고염분 제거 및 저압용 역삼투막분리를 거치는 폴리싱역삼투막분리모듈과;

투과된 물을 양이온 교환수지 또는 음이온 교환수지를 별도로 충진하거나 혼합 또는 충진하여 물을 통과하는 이온교환수지장치나 양이온교환막과 음이온교환막을 조합하고 양·음이온교환막 사이에 양·음이온교환수지를 충전하여 이온의 이동속도를 증가시키는 매개체로 작용하고 전기저항을 감소시키게 하여 탈염을 하는 전기화학적 탈이온화장치;

그리고, 물속에 함유된 용존산소와 이산화탄소등의 기체류를 제거하기 위하여 소수성 폴리에틸렌 중공사형 막을 이용하여 중공사막 안쪽으로 질소가스나 진공을 가하여 용존기체류를 제거하는 막접촉기에 이어 침지형, 중공사형, 나권형, 회전 또는 진동형의 한외여과 및 나노여과 막분리장치를 설치하여 순수 속에 박테리아, 미립자, 슬라임 및 유기물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 순수화 재이용시스템.