KR20110045941A - 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생물반응조의 후단에 NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투유니트를 설치하여 하폐수 공급수와 유도용액의 삼투압 구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD, SS, 질소, 인, 대장균 및 용존성 오염물질을 1차 처리하고, 정삼투 과정에서 희석된 유도용액을 역삼투 유니트에 통과시켜 농축하여 재사용할 수 있는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은, 생물반응조의 후단에 설치되며, 생물반응조로부터 1차 처리된 처리수를 유입하여 삼투압구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD(생물학적 산소 요구량, Biological Oxygen Demand), SS(부유 고형물, Suspended Solid), 질소(N), 인(P), 대장균 및 용존성 오염물질을 2차 처리하는 정삼투 유니트; 상기 정삼투 유니트에 유입된 처리수에 포함된 물만 막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 공급수보다 높은 고농도의 유도용액을 상기 정삼투 유니트에 공급하기 위한 유도용액 투입장치; 상기 정삼투 유니트의 후단에 설치되며, 정삼투 유니트를 통과한 처리수와 유도용액 전량을 유입원수로 공급받아 재처리를 수행하는 역삼투 유니트; 및 상기 역삼투 유니트를 통과한 여과수를 저장하여 방류하는 여과수 저장조를 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수고도처리장치에 적용되는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법을 제공한다.
상기한 본 발명에 따르면 정삼투와 역삼투 공정의 장점을 그대로 유지하며 두 공정의 단점을 상호 보완할 수 있는 저에너지 고효율 하폐수 처리기술이라고 할 수 있다. 또한 별도의 재처리시설을 설치하지 않아도 바로 어떤 목적으로도 재사용이 가능한 수질의 방류수를 확보할 수 있다.
정삼투유니트, 역삼투유니트, 막분리, 하폐수 고도처리, TDS, Nacl 용액

Description

정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법{Advanced wastewater treatment system and method by means of membrane combining forward osmosis using NaCl solution with reverse osmosis}
본 발명은 하·폐수고도처리 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 NaCl용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투막 유니트를 이용하여 하폐수에 포함된 BOD, SS, 질소, 인, 대장균 및 용존성 오염물질을 제거하고, 역삼투 유니트를 이용하여 정삼투 과정에서 희석된 유도용액을 농축하여 재사용할 수 있는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하·폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
수자원공사의 2003년 UN의 세계 수자원 개발 보고서에 따르면, 2025년에 세계 인구의 40%인 약 27억 명이 담수 부족에 직면할 것이고, 전 세계 국가의 1/5 가량이 심각한 물 부족 사태를 겪을 것이라고 전망했다. 이는 공급의 감소와 수요의 폭발적 증대가 결합된 결과이다. 최근 이러한 물 부족의 해결을 위한 대안으로 하수처리장의 방류수에 대한 관심이 증폭되고 있다. 기존의 하수처리장에서 발생되는 엄청난 방류수는 하천이나 바다로 그냥 방류되고 있는데, 이러한 방류수가 못 쓰는 폐기물의 개념에서 자원으로 인식되어 이에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 특히 미국의 경우, 각 주마다 하수처리수의 재이용에 따른 목적, 용도별 세부적인 가이드라인까지 설정하여 운용하고 있다. 또한 미국의 캘리포니아주 오랜지 카운티에서는 1970년 후반부터 고도처리시스템을 사용하여 하수처리장 방류수를 농업용수 및 지하수 함양용수로 재이용하고 있는데, 이러한 고도처리시스템은 다층여과와 활성탄 공정을 비롯하여 역삼투막 공정으로 구성되어 있다.
일반적으로, 하수처리수의 재이용을 위해 적용되는 공정은 응집침전법, 응집여과법, 사여과법, 활성탄여과법, 오존처리법, 막 분리법 등이 있다. 하지만 재이용을 위한 공정의 선택은 대상원수의 수질특성이나 이용목적에 따라 요구되는 목표수질(처리수질의 목표)이 충분히 고려되어야 한다. 현재 하수처리수의 재이용시스템으로 가장 많이 이용되는 방법으로는 응집-침전-모래여과-활성탄흡착-소독과 같은 공정이며, 최근에는 막분리에 대한 기술개발과 경제적 비용의 완화로 이를 이용한 처리 공정이 많이 연구되고 있고, 실제 적용되고 있다. 이처럼 기존의 하수처리장 방류수는 직접적인 재사용이 불가능하고, 별도의 하수처리시설의 재처리시설을 설치하여야만 생활용수, 농업용수 및 공업용수로 재사용이 가능하다. 또한, 2003말 기준으로 연간 유입되는 총 하수량은 64억㎥에 이르며(환경부 2004), 이중 재이용된 방류수는 약 5.4%인 3.5억㎥ 이다. 재이용된 방루수중 약 70.3%는 하수처리장 내 화장실 용수, 세정용수, 냉각용수, 희석용수, 기타용수 등으로 사용되고 있으며, 나머지 29.7%는 하수처리장 외에서 공업용수, 농업용수, 환경용수(하천유지용수)로 사용되고 있다. 그리고 2001~2003년 사이의 하수처리장 방류수의 재이용은 매년 1%의 낮은 비율로 증가하고 있으며, 적용부분도 대부분 하수처리장 내부에서 사용되고 있다. 이처럼 하류방류수의 재이용율이 낮은 이유는 재처리시설의 설치비용의 부담과 공정처리수의 회수율 부족으로 인한 것이다.
최근의 물부족 현상을 해결하고자 하수처리장 방류수의 재사용에 대한 연구가 많이 진행되고 있으나, 현재는 하수처리장의 방류수의 직적접인 재사용은 불가능하고, 사용목적 및 방류수 수질에 따라 별도의 하류처리장 방류수 재처리 시설을 설치하여야만 재사용이 가능하다. 그러나, 재처리시설의 설치비용 및 운영비용의 부담으로 인하여 전체 하수처리장 방류수의 5.4%정도만 재이용되고 있으며, 또한 처리수질의 신뢰성 문제로 인하여 재이용수의 대부분이 하수처리장의 청소용수, 냉각용수, 희석용수 등으로 사용되고 있는 문제점을 내포하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 생물반응조의 후단에 NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투유니트를 설치하여 하폐수 공급수와 유도용액의 삼투압 구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD, SS, 질소, 인, 대장균 및 용존성 오염물질을 처리하고, 정삼투 과정에서 희석된 유도용액을 역삼투 유니트에 통과시켜 농축하여 재사용할 수 있는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하·폐수고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유기물제거와 함께 질소 및 인을 제거할 수 있는 하폐수 고도처리장치에서 별도의 재처리시설을 설치하지 않고도 정삼투공정과 역삼투공정의 조합만으로 하폐수에 포함된 오염원의 처리가 가능토록 함으로써 목적하는 용도로 재사용이 가능한 수질의 방류수를 확보할 수 있는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하·폐수고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법을 제공함에 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 생물반응조의 후단에 설치되며, 생물반응조로부터 처리된 처리수를 유입하여 삼투압구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD(생물학적 산소 요구량, Biological Oxygen Demand), SS(부유 고 형물, Suspended Solid), 질소(N), 인(P), 대장균 및 용존성 오염물질을 처리하는 정삼투 유니트; 상기 정삼투 유니트에 유입된 처리수에 포함된 물만 막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 공급수보다 높은 고농도의 유도용액을 상기 정삼투 유니트에 공급하기 위한 유도용액 투입장치; 상기 정삼투 유니트의 후단에 설치되며, 정삼투 유니트를 통과한 처리수와 유도용액 전량을 유입원수로 공급받아 재처리를 수행하는 역삼투 유니트; 및 상기 역삼투 유니트를 통과한 여과수를 저장하여 방류하는 여과수 저장조를 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치에 적용되는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치에 있어서, 생물반응조와, 정삼투 유니트, 역삼투 유니트 및 여과수 저장조 각각에 설치되어 유입된 유입원수의 총용존 고형물을 계측하는 TDS 계측기 및 유량계를 통해 계측된 유량 인자와 정삼투막 공정 운전인자를 온라인으로 수집하기 위한 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부로부터 수질인자 및 공정인자를 전달받아, 농도분극모델과 용해확산모델을 결합하여 처리하고자 하는 하폐수의 수질 및 수량을 결정하고, 유도용액의 농도와 회수율 및 막 면적을 결정하는 모델예측 제어부; 상기 모델예측 제어부(220)에서 결정된 유도용액 농도에 대한 오차를 계산하여 보충시키는 피드백 제어부를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치를 제공한다.
여기서, 상기 모델예측제어부는 데이터 수집부로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 원수의 TDS를 하기의 [수학식 1] 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 하·폐수의 삼투압을 결정하는 모델 입력부; 상기 결정된 하폐수 삼투압에 따라 정삼투막 공정의 생산수량 및 수질, 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합모델식인 하기의 [수학식 2]의 모델식을 사용하여 유도용액의 농도를 결정하는 제1 수치해석 연산부; 역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극모델인 하기의 [수학식3]의 모델식을 사용하여 역삼투막 공정에서 처리되는 최종 방류수의 수질 및 수량, 유도용액의 농축률을 결정하는 제2 수치해석 연산부; 및 상기 제1 및 제2 수치해석 연산부에 의하여 산출된 처리수의 수질 및 수량의 예측값과 실제 데이타와 검증하는 모델출력부를 포함한다.
상기 피드백 제어부는 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 유도용액의 농도에 대한 오차를 계산하는 오차계산부; 및 상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 유도용액이 정삼투막 공정 구동에 필요한 유효 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대로 적정한 유도용액 농도 보충량을 산출하는 피드백 연산부를 포함한다.
또한, 본 발명은 생물반응조에서 처리된 최종처리수의 유량 및 수질을 결정한 후, 처리대상 하폐수의 TDS를 측정하는 제1 단계; 측정된 TDS를 하기의 [수학식 1]의 모델식을 사용하여 하폐수의 삼투압을 결정하는 제2 단계; 순수투과도 및 유도용액 농도별 투과실험을 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 여과계수(A, B), 내부농도 분극계수(K) 및 외부농도 분극계수(k)를 결정한 후 하기의 [수학식 2]의 정삼투막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합한 수학식에 의해 목표수량을 위한 유도용액의 농도 및 유량을 계산하는 제3 단계; 하기의 [수학식 3]의 역삼투 막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델을 사용하여 정삼투유니트에서 삼투과정에 의해 희석된 유도용액의 농축률과 최종처리수의 수량 및 수질을 계산하는 제4 단계; 상기 제1 단계에서 미리 설정한 최종처리수의 수량 및 수질의 값과 수치해석 연산부에 의해 계산된 결과를 비교하여 허용오차 10% 이내로 만족하는지 판단하는 제5 단계; 상기 제5 단계에서 모델에 의한 예측 값과 목표 값의 비교결과가 허용오차 10% 이내로 만족하는 경우, NaCl 유도용액의 농도 및 유량을 운전조건으로 결정하고 종료하는 제6 단계; 상기 제5 단계에서 최종단계로 모델의 의한 예측 값과 목표 값의 비교 결과가 허용오차 10% 이내를 만족하지 못한 경우에는 유도용액에 의해 유도되는 삼투압이 정삼투로 운전하기 위한 유효 삼투압인지를 재계산하는 제7 단계; 상기 제7 단계에서 정삼투로 운전하기 위한 유효 삼투압인 경우 제3 단계를 재수행하고, 그렇지 않은 경우에는 목표 유량의 변동이 가능한지를 판단하여 가능하면 변동하여 운전하는 제8 단계; 및 상기 제7 단계 및 제8 단계 두가지 조건을 동시에 만족하지 않을 경우에 경보를 발생하는 제9 단계를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치의 제어방법을 제공한다.
상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 제어방법에서 제시된 [수학식1] 내지 [수학식3]은 다음과 같다.
[수학식 1]
하폐수의 삼투압을 TDS를 통해 결정하기 위한 모델식
Figure 112009066052046-PAT00001
π : 하폐수의 삼투압
TDS : 총용존 고형물의 농도
[수학식 2]
정삼투막공정의 생산수량 및 수질 그리고 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합 모델식
Figure 112009066052046-PAT00002
Figure 112009066052046-PAT00003
Jv : 생산수의 투과플럭스
Js : 용질의 투과플럭스
A : 물의 여과계수
B : 용질의 여과계수
pD ,b : 유도용액의 삼투압
pF ,b : 유입 하·폐수 삼투압
K : 내부농도 분극계수
k : 외부농도 분극계수
[수학식 3]
최종방류수의 수질 및 수량 그리고 유도용액의 농축율을 결정하기 위한 역삼투 공정의 예측제어를 위한 농도분극모델
Figure 112009066052046-PAT00004
Figure 112009066052046-PAT00005
Figure 112009066052046-PAT00006
Jv : 생산수의 투과플럭스
Js : 용질의 투과플럭스
A : 물의 여과계수
B : 용질의 여과계수
ΔP: 막간차압
Δπ : 삼투압
Cm : 막표면에서 용질의 농도
Cp : 여과수내 용질의 농도
Cb : 막유입수내 용질의 농도
k : 물질전달계수
인 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같다.
정삼투 공정은 수압대신 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고 막 표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고 세정효과가 좋으며, 기존 MBR공정보다 미세공의 막을 사용하기 때문에 처리수의 수질을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이다. 따라서, 본 발명에서는 NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투 공정과 역삼투 공정의 장점을 그대로 유지하며, 두 공정의 단점을 상호 보완할 수 있어 저에너지 고효율 하·폐수 처리를 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유기물제거와 함께 질소 및 인을 제거할 수 있는 하폐수 고도처리장치에서 별도의 재처리시설을 설치하지 않아도 바로 어떤 목적으로도 재사용이 가능한 수질의 방류수를 확보할 수 있는 다른 효과가 있다.
이하, 첨부된 도1 내지 도4를 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치와, 상기 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치 및 그의 제어방법은 NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리 시스템을 기존의 하수처리장에 설치함으로써 저에너지 고효율로 하폐수 처리를 수행하며, 별도의 재처리시설을 설치하지 않아도 바로 어떤 목적으로도 재사용이 가능한 수질의 방류수를 확보할 수 있도록 구현한 것이다.
도1은 본 발명에 의한 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치의 일실시예 구성을 나타낸 공정도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명은 외부로부터 유입된 원수에 대하여 생물학적 반응을 수행하도록 저부에 산기관(4)이 설치된 생물반응조(2)와; 상기 생물반응조 산기관(4)의 외부에 설치되며, 상기 산기관(4)에 공기를 주입하기 위한 공기주입펌프(6)와; 상기 생물반응조에 유입된 원수에 포함된 총용존 고형물을 계측하기 위한 제1 TDS(Total Dissolved Solid) 측정기(8)와; 상기 생물반응조(2)의 후단에 설치되며, 생물반응조(2)로부터 처리된 처리수를 유입하여 삼투압구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD(생물학적 산소 요구량, Biological Oxygen Demand), SS(부유 고형물, Suspended Solid), 질소(N), 인(P), 대장균 및 용존성 오염물질을 처리하는 정삼투 유니트(10)와; 상기 생물반응조(2)에서 정삼투 유니트(10)측으로 유입되는 처리수 중에서 물만 막(screen)을 통과하는 순흐름을 유도하기 위하여 처리수에 비하여 고농도인 NaCl 용액을 유도용액으로 하여 상기 정삼투 유니트(10)에 공급하기 위한 유도용액 보충용 투입장치(12)와; 상기 정삼투 유니트(10)로 유입되는 처리수중 일부를 생물반응조(2)로 재유입하기 위한 하폐수 순환펌프(14)와; 상기 정삼투 유니트(10)의 막(screen)을 통과한 처리수를 다른 공정설비로 배출하는 제1 이송라인(15)과; 상기 제1 이송라인(15)상에 설치되며, 처리 수에 포함된 총용존 고형물을 계측하기 위한 제2 TDS(Total Dissolved Solid) 측정기(16)와; 상기 제2 TDS 측정기(16) 일측에 설치되어 처리수의 유량을 계측하는 제1 유량계(18)와; 상기 제1 유량계(18)의 일측 제1 이송라인(15)에 설치되어 후술할 역삼투 유니트측으로 처리수를 송출하기 위한 고압펌프(20)와; 상기 고압펌프(20) 일측에 설치된 압력계(22)와; 상기 정삼투 유니트(10)의 후단에 설치되며, 정삼투 유니트(10)를 통과한 처리수와 NaCl 유도용액 전량을 유입원수로 공급받아 재처리를 수행하는 역삼투 유니트(24); 상기 역삼투 유니트(24)에 유입된 처리수중 정삼투과정에서 희석된 유도용액을 역삼투공정을 통한 농축수로 만들어 상기 정삼투 유니트(10)측으로 재공급하기 위한 농축수 회수라인(25)과; 상기 농축수 회수라인(25)상에 설치되며, 농축수에 포함된 총용존 고형물을 계측하기 위한 제3 TDS 측정기(26)와; 상기 제3 TDS 측정기(26) 일측에 설치되어 농축수의 유량을 계측하는 제2 유량계(28)와; 상기 역삼투 유니트(24)의 막(screen)을 통과한 여과수를 저장하는 여과수 저장조(30)와; 상기 역삼투 유니트(24)으로부터 여과수 저장조(30)로 여과수를 배출하는 제2 이송라인(35)과; 상기 제2 이송라인(35)상에 설치되며, 여과수에 포함된 총용존 고형물을 계측하기 위한 제4 TDS 측정기(32)와; 상기 제4 TDS 측정기(32) 일측에 설치되어 처리수의 유량을 계측하는 제3 유량계(34)와; 상기 여과수 저장조(30)에 저장된 여과수의 일부를 정삼투 유니트(10)로 재유입하여 막세정을 하기 위한 제3 이송라인(37)과; 상기 제3 이송라인(37)상에 설치되며, 여과수를 정삼투 유니트(10)에 공급하기 위한 역세척 펌프(36)와; 상기 제3 이송라인(37) 상에 설치되며, 여과수를 소독하기 위한 차염소산 나트륨 투입장치(38)와; 상기 차염소산 나트륨 투입장치(38) 일측에 설치된 스케일 방지제 투입장치(40)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에서, 정삼투 유니트(10)를 통해 수행되는 정삼투(Forward Osmosis)공정은 용존된 용질로부터 물을 분리하기 위해 반투막을 이용하는 삼투공정으로서, 분리를 위한 구동력으로 수압을 이용하는 역삼투와는 달리 공급수와 유도용액의 삼투압 구배를 이용하는 공정이다. 정삼투에서는 공급수에 포함된 물만 막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 공급수에 비해 아주 높은 고농도의 용액인 유도용액을 사용한다. 유도용액으로 사용되기 위해서는 우선 공급액보다 삼투압이 높아야 하며, 정삼투 과정에서 희석된 유도용액은 재농축이 쉬워야 한다.
상기 정삼투는 수압 대신 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고 막표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고, 세정효과가 좋으며 기존 MBR(Membrane Bio-Reactor)공정보다 미세공의 막을 사용하기 때문에 처리수의 수질을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이다.
본 발명의 실시예에서는 상기한 잇점을 갖는 정삼투유니트(10)를 생물반응조(2)의 후단에 설치하였다. 또한 높은 삼투압을 발생시키며, 역삼투 공정으로 쉽게 농축하여 재사용이 가능한 NaCl 용액을 유도용액으로 사용한 예를 제시한 것이다.
상기의 구성을 통한 작용상태를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 공기주입펌프(6)에서 공급되는 공기가 산기관(4)을 통하여 분출됨으로써 생물반응조(2)에 유입된 원수의 1차 처리를 수행하게 된다. 상기 생물반응조(2) 의 처리 단계 이후 정삼투 유니트(10)에 처리수가 유입되게 되면, 유도용액 투입장치(12)로부터 NaCl 용액이 정삼투 유니트(10)에 공급되고, 삼투압 구배에 의한 정삼투 현상이 발생됨으로써, 처리수에 포함된 BOD, SS, 질소, 인, 대장균 및 용존성 오염물질을 2차 처리한다. 상기 정삼투 유니트(10)의 정삼투막 공정 수행시 일부 유입원수는 순환펌프(14)를 통해 생물반응조(2)로 유입되는 순환과정을 거치게 된다. 그리고, 상기 정삼투막 유니트(10)에서 처리된 처리수와 유도용액은 전량 역삼투 유니트(24)에 유입원수로 이송되고 역삼투막 공정을 통해 재처리된다.
상기 역삼투 공정에서는 정삼투 과정에서 희석된 유도용액을 역삼투 공정으로 농축시키고, 이 농축수를 농축수 회수라인(25)을 통해 정삼투 유니트(10)로 재공급하게 된다.
상기와 같이 정삼투 공정과 역삼투공정을 반복적으로 수행함으로써 최종 여과수가 여과수 저장조(30)에 유입되고, 상기 여과수 저장조(30)에 저장된 일부 여과수가 제3 이송라인(37)상에 설치된 역세척 펌프(36)를 통해 정삼투 유니트(10)에 공급된다. 이때, 상기 제3 이송라인(37)에는 차염소산 나트륨 투입장치(38)로부터 차염소산 나트륨이 투입되어 여과수를 소독하고, 스케일 방지제 투입장치(40)로부터 스케일 방지제가 투입되어 정삼투 막의 역세척을 수행하게 된다.
다음, 본 발명의 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리장치에서 정삼투와 역삼투 조합 공정의 성능을 예측하고 평가하는 막분리 공정 제어장치 및 제어방법에 대하여 설명한다.
도2는 본 발명에 따른 수학적 모델예측제어기를 이용하여 유도용액 농도 결 정, 처리수질 및 수량 예측치를 결정하는 막분리 공정 제어장치의 블록 구성도를 나타낸다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 하폐수 고도처리를 위한 막분리 공정 제어장치는, 도1에 도시된 하폐수 고도처리 시스템의 구성에서, 생물반응조(2)에 유입된 유입원수의 총용존 고형물을 계측하는 제1 TDS 계측기(8)와, 정삼투 유니트(10)에서 처리된 처리수의 총용존 고형물을 계측하는 제2 TDS 계측기(16)와, 상기 역삼투 유니트(24)에서 정삼투 유니트(10)로 반송되는 농축수의 총용존 고형물을 계측하는 제3 TDS 계측기(26)와, 상기 역삼투 유니트(24)에서 여과수 저장조(30)로 유입되는 여과수의 총용존 고형물을 계측하는 제4 TDS 계측기(32) 및 제1 내지 제3 유량계(18, 28, 34)를 통해 계측된 유량 인자와 정삼투막 공정 운전인자를 온라인으로 수집하기 위한 데이터 수집부(210)와; 상기 데이터 수집부(210)로부터 수질인자 및 공정인자를 전달받아, 농도분극모델과 용해확산모델을 결합하여 처리하고자 하는 하폐수의 수질 및 수량을 결정하고, 유도용액의 농도와 회수율 및 막 면적을 결정하는 모델예측 제어부(220)와; 상기 모델예측 제어부(220)에서 결정된 유도용액 농도에 대한 오차를 계산하여 보충시키는 피드백 제어부(230)를 포함한다.
여기서, 상기 모델예측제어부(220)는 데이터 수집부(210)로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 원수의 TDS를 [수학식 1] 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 하폐수의 삼투압을 결정하는 모델 입력부(221)와; 상기 결정된 하폐수의 삼투압에 따라 정삼투막 공정의 생산수량 및 수질, 유도용액의 농도를 결정하 기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합모델식인 [수학식 2]의 모델식을 사용하여 유도용액의 농도를 결정하는 제1 수치해석 연산부(222)와; 역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극모델인 [수학식3]의 모델식을 사용하여 역삼투막 공정에서 처리되는 최종 방류수의 수질 및 수량, 유도용액의 농축률을 결정하는 제2 수치해석 연산부(223); 및 상기 제1 및 제2 수치해석 연산부(222, 223)에 의하여 산출된 처리수의 수질 및 수량의 예측값과 실제 데이타와 검증하는 모델출력부(224)를 포함한다.
상기 피드백 제어부(230)는 제1 수치해석 연산부(222)를 통해 계산된 유도용액의 농도에 대한 오차를 계산하는 오차계산부(232)와; 상기 제1 수치해석 연산부(222)를 통해 계산된 유도용액이 정삼투막 공정 구동에 필요한 유효 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대로 적정한 유도용액 농도 보충량을 산출하는 피드백 연산부를 포함한다.
[수학식 1]
하폐수의 삼투압을 TDS를 통해 결정하기 위한 모델식
Figure 112009066052046-PAT00007
π : 하폐수의 삼투압
TDS : 총용존 고형물의 농도
[수학식 2]
정삼투막공정의 생산수량 및 수질 그리고 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합 모델식
Figure 112009066052046-PAT00008
Figure 112009066052046-PAT00009
Jv : 생산수의 투과플럭스
Js : 용질의 투과플럭스
A : 물의 여과계수
B : 용질의 여과계수
pD ,b : 유도용액의 삼투압
pF ,b : 유입 하·폐수 삼투압
K : 내부농도 분극계수
k : 외부농도 분극계수
[수학식 3]
최종방류수의 수질 및 수량 그리고 유도용액의 농축율을 결정하기 위한 역삼투 공정의 예측제어를 위한 농도분극모델
Figure 112009066052046-PAT00010
Figure 112009066052046-PAT00011
Figure 112009066052046-PAT00012
Jv : 생산수의 투과플럭스
Js : 용질의 투과플럭스
A : 물의 여과계수
B : 용질의 여과계수
ΔP: 막간차압
Δπ : 삼투압
Cm : 막표면에서 용질의 농도
Cp : 여과수내 용질의 농도
Cb : 막유입수내 용질의 농도
k : 물질전달계수
다음, 도3 및 도4를 통하여 상기 막분리공정 제어장치의 제어방법에 대하여 설명한다.
도3은 본 발명에 의한 NaCl용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하·폐수 고도처리를 위한 막분리 공정 제어장치의 처리과정을 나타낸 순서도이고, 도4는 본 발명에 따른 정삼투 조합 역삼투 공정 운영 프로그램의 일예로, 상기 프로그램에 의해 유도용액 농도, 처리수 수질 및 수량을 예측하는 결과를 나타낸 그림이다.
도3에 도시한 바와 같이, 먼저 생물반응조(2)에서 처리된 최종처리수의 유량 및 수질을 결정한 후(S301), 처리대상 하폐수의 TDS를 측정한다(S302).
다음, 측정된 TDS를 [수학식 1]의 모델식을 사용하여 하폐수의 삼투압을 결정한다(S303).
순수투과도 및 유도용액 농도별 투과실험을 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 여과계수(A, B), 내부농도 분극계수(K) 및 외부농도 분극계수(k)를 결정한 후 [수학식 2]의 정삼투막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합한 수학식에 의해 목표수량을 위한 유도용액의 농도 및 유량을 계산한다(S304).
상기 S304 단계 수행 후, [수학식 3]의 역삼투막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델을 사용하여 정삼투 유니트(10)에서 삼투과정에 의해 희석된 유도용액의 농축률과 최종처리수의 수량 및 수질을 계산한다(S305).
상기 S301 단계에서 미리 설정한 최종처리수의 수량 및 수질의 값과 수치해석 연산부에 의해 계산된 결과를 비교하여 허용오차 10% 이내로 만족하는지 판단한다(S306).
상기 S306 단계에서 모델에 의한 예측 값과 목표 값의 비교결과가 허용오차 10% 이내로 만족하는 경우, NaCl 유도용액의 농도 및 유량을 운전조건으로 결정하 고 종료한다(S307).
상기 S306 단계에서 최종단계로 모델의 의한 예측 값과 목표 값의 비교 결과가 허용오차 10% 이내를 만족하지 못한 경우에는 유도용액에 의해 유도되는 삼투압이 정삼투를 운전하기 위한 유효 삼투압인지를 재계산한다(S308).
상기 S308 단계에서 정삼투를 운전하기 위한 유효 삼투압인 경우 S303 단계를 재수행하고, 그렇지 않은 경우에는 목표 유량의 변동이 가능한지를 판단하여 가능하면 변동하여 운전한다(S309), 상기 S308 단계, S309 단계 두가지 조건을 동시에 만족하지 않을 경우에는 경보를 발생한다(S310).
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도1은 본 발명에 의한 NaCl용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리 시스템의 일실시예 구성을 나타낸 개략적인 공정도,
도2는 본 발명에 따른 수학적 모델예측제어기를 이용하여 유도용액 농도 결정, 처리수질 및 수량 예측치를 결정하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리 공정 제어장치의 블록 구성도,
도3은 본 발명에 의한 NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하폐수 고도처리를 위한 막분리 공정 제어장치의 처리과정을 나타낸 플로어 챠트,
도4는 본 발명에 따른 정삼투 조합 역삼투 공정 운영 프로그램의 일예로, 상기 프로그램에 의해 유도용액 농도, 처리수 수질 및 수량을 예측하는 결과를 나타낸 그림이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 생물반응조 4 : 산기관
6 : 공기주입펌프 8 : 제1 TDS 측정기
10 : 정삼투 유니트 12 : 유도용액 투입장치
14 : 순환펌프 15 : 제1 이송라인
16 : 제2 TDS 측정기 18 : 제1 유량계
20 : 고압펌프 22 : 압력계
24 : 역삼투 유니트 25 : 농축수 회수라인
26 : 제3 TDS 측정기 28 : 제2 유량계
30 : 여과수 저장수 32 : 제4 TDS 측정기
34 : 제2 유량계 35 : 제2 이송라인
37 : 제3 이송라인
38 : 차염소산 나트륨 투입장치
40 : 스케일 방지제 투입장치

Claims (13)

  1. 생물반응조의 후단에 설치되며, 생물반응조로부터 처리된 처리수를 유입하여 삼투압구배에 의한 정삼투 현상으로 하폐수에 포함된 BOD(생물학적 산소 요구량, Biological Oxygen Demand), SS(부유 고형물, Suspended Solid), 질소(N), 인(P), 대장균 및 용존성 오염물질을 2차 처리하는 정삼투 유니트;
    상기 정삼투 유니트에 유입된 처리수에 포함된 물만 막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 공급수보다 높은 고농도의 유도용액을 상기 정삼투 유니트에 공급하기 위한 유도용액 투입장치;
    상기 정삼투 유니트의 후단에 설치되며, 정삼투 유니트를 통과한 처리수와 유도용액 전량을 유입원수로 공급받아 재처리를 수행하는 역삼투 유니트; 및
    상기 역삼투 유니트를 통과한 여과수를 저장하여 방류하는 여과수 저장조
    를 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정삼투 유니트로 유입되는 처리수중 일부를 생물반응조로 재유입하기 위한 하폐수 순환펌프를 더 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 여과수 저장조로부터 배출된 여과수의 일부를 정삼투 유니트로 재유입하기 위한 역세척수단을 더 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 역삼투 유니트에 유입된 처리수중, 정삼투과정에서 희석된 유도용액을 역삼투공정을 통한 농축수로 만들어 상기 정삼투 유니트측으로 재공급하기 위한 농축수 회수수단을 더 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유도용액 투입장치에서 공급되는 유도용액이 NaCl인 것을 특징으로 하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생물반응조내의 처리수에 대한 총용존고형물을 계측하기 위한 제1 TDS 측정기;
    상기 정삼투 유니트의 배출라인상에 설치되며, 처리수에 대한 총용존 고형물을 계측하기 위한 제2 TDS 측정기;
    상기 제2 TDS 측정기의 일측에 설치된 제1 유량계;
    상기 역삼투 유니트의 배출라인상에 설치된 제4 TDS 측정기; 및
    상기 제4 TDS 측정기 일측에 설치된 제3 유량계를 더 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 농축수 회수수단은
    역삼투 유니트에서 정삼투 유니트측으로 농축수를 공급하는 농축수 이송라인;
    상기 농축수 이송라인 상에 설치되며, 농축수에 대한 총용존 고형물을 계측하기 위한 제3 TDS 측정기; 및
    상기 제3 TDS 측정기 일측에 설치되는 제2 유량계를 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 역세척 수단은
    여과수 저장조로부터 정삼투 유니트측으로 여과수를 이송하는 여과수 반송라인;
    상기 여과수 반송라인상에 설치된 역세척 펌프;
    상기 역세척 펌프의 일측 여과수 반송라인 상에 설치된 스케일 방지제 투입장치; 및
    상기 스케일 방지제 투입장치 일측에 설치되어 여과수를 소독하는 차염소산 나트륨 투입장치를 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 유량계 일측에 설치되는 고압펌프; 및
    상기 고압펌프 일측에 설치된 압력계를 더 포함하는 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치.
  10. 청구항 제 1 항 내지 청구항 제 9 항중 선택된 어느 한 항에 따른 정삼투와 역삼투 조합형 하폐수 고도처리장치에 적용되는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치에 있어서,
    생물반응조와, 정삼투 유니트, 역삼투 유니트 및 여과수 저장조 각각에 설치 되어 유입된 유입원수의 총용존 고형물을 계측하는 TDS 계측기 및 유량계를 통해 계측된 유량 인자와 정삼투막 공정 운전인자를 온라인으로 수집하기 위한 데이터 수집부;
    상기 데이터 수집부로부터 수질인자 및 공정인자를 전달받아, 농도분극모델과 용해확산모델을 결합하여 처리하고자 하는 하폐수의 수질 및 수량을 결정하고, 유도용액의 농도와 회수율 및 막 면적을 결정하는 모델예측 제어부; 및
    상기 모델예측 제어부에서 결정된 유도용액 농도에 대한 오차를 계산하여 보충시키는 피드백 제어부
    를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모델예측제어부는
    데이터 수집부로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 원수의 TDS를 하기의 [수학식 1] 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 하폐수의 삼투압을 결정하는 모델 입력부;
    상기 결정된 하·폐수의 삼투압에 따라 정삼투막 공정의 생산수량 및 수질, 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합모델식인 하기의 [수학식 2]의 모델식을 사용하여 유도용액의 농도를 결정하는 제1 수치해석 연산부;
    역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극모델인 하기의 [수학식3]의 모델식을 사용하여 역삼투 막 공정에서 처리되는 최종 방류수의 수질 및 수량, 유도용액의 농축률을 결정하는 제2 수치해석 연산부; 및
    상기 제1 및 제2 수치해석 연산부에 의하여 산출된 처리수의 수질 및 수량의 예측값과 실제 데이타와 검증하는 모델출력부를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치.
    [수학식 1]
    하폐수의 삼투압을 TDS를 통해 결정하기 위한 모델식
    Figure 112009066052046-PAT00013
    π : 하폐수의 삼투압
    TDS : 총용존 고형물의 농도
    [수학식 2]
    정삼투막공정의 생산수량 및 수질 그리고 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합 모델식
    Figure 112009066052046-PAT00014
    Figure 112009066052046-PAT00015
    Jv : 생산수의 투과플럭스
    Js : 용질의 투과플럭스
    A : 물의 여과계수
    B : 용질의 여과계수
    pD ,b : 유도용액의 삼투압
    pF ,b : 유입 하·폐수 삼투압
    K : 내부농도 분극계수
    k : 외부농도 분극계수
    [수학식 3]
    최종방류수의 수질 및 수량 그리고 유도용액의 농축율을 결정하기 위한 역삼투 공정의 예측제어를 위한 농도분극모델
    Figure 112009066052046-PAT00016
    Figure 112009066052046-PAT00017
    Figure 112009066052046-PAT00018
    Jv : 생산수의 투과플럭스
    Js : 용질의 투과플럭스
    A : 물의 여과계수
    B : 용질의 여과계수
    ΔP: 막간차압
    Δπ : 삼투압
    Cm : 막표면에서 용질의 농도
    Cp : 여과수내 용질의 농도
    Cb : 막유입수내 용질의 농도
    k : 물질전달계수
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 피드백 제어부는
    제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 유도용액의 농도에 대한 오차를 계산하는 오차계산부; 및
    상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 유도용액이 정삼투막 공정 구동에 필요한 유효 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대 로 적정한 유도용액 농도 보충량을 산출하는 피드백 연산부를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치.
  13. 생물반응조에서 처리된 최종 처리수의 유량 및 수질을 결정한 후, 처리대상 하폐수의 TDS를 측정하는 제1 단계;
    측정된 TDS를 하기의 [수학식 1]의 모델식을 사용하여 하폐수의 삼투압을 결정하는 제2 단계;
    순수투과도 및 유도용액 농도별 투과실험을 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 여과계수(A, B), 내부농도 분극계수(K) 및 외부농도 분극계수(k)를 결정한 후 하기의 [수학식 2]의 정삼투막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합한 수학식에 의해 목표수량을 위한 유도용액의 농도 및 유량을 계산하는 제3 단계;
    하기의 [수학식 3]의 역삼투막을 위한 농도분극모델과 용해확산모델을 사용하여 정삼투 유니트에서 삼투과정에 의해 희석된 유도용액의 농축률과 최종처리수의 수량 및 수질을 계산하는 제4 단계;
    상기 제1 단계에서 미리 설정한 최종처리수의 수량 및 수질의 값과 수치해석 연산부에 의해 계산된 결과를 비교하여 허용오차 10% 이내로 만족하는지 판단하는 제5 단계;
    상기 제5 단계에서 모델에 의한 예측 값과 목표 값의 비교결과가 허용오차 10% 이내로 만족하는 경우, NaCl 유도용액의 농도 및 유량을 운전조건으로 결정하 고 종료하는 제6 단계;
    상기 제5 단계에서 최종단계로 모델의 의한 예측 값과 목표 값의 비교 결과가 허용오차 10% 이내를 만족하지 못한 경우에는 유도용액에 의해 유도되는 삼투압이 정삼투를 운전하기 위한 유효 삼투압인지를 재계산하는 제7 단계;
    상기 제7 단계에서 정삼투를 운전하기 위한 유효 삼투압인 경우 제3 단계를 재수행하고, 그렇지 않은 경우에는 목표 유량의 변동이 가능한지를 판단하여 가능하면 변동하여 운전하는 제8 단계; 및
    상기 제7 단계 및 제8 단계 두가지 조건을 동시에 만족하지 않을 경우에 경보를 발생하는 제9 단계
    를 포함하는 하폐수 고도처리를 위한 막분리공정 제어장치의 제어방법.
    [수학식 1]
    하폐수의 삼투압을 TDS를 통해 결정하기 위한 모델식
    Figure 112009066052046-PAT00019
    π : 하폐수의 삼투압
    TDS : 총용존 고형물의 농도
    [수학식 2]
    정삼투막공정의 생산수량 및 수질 그리고 유도용액의 농도를 결정하기 위한 농도분극모델과 용해확산모델의 결합 모델식
    Figure 112009066052046-PAT00020
    Figure 112009066052046-PAT00021
    Jv : 생산수의 투과플럭스
    Js : 용질의 투과플럭스
    A : 물의 여과계수
    B : 용질의 여과계수
    pD ,b : 유도용액의 삼투압
    pF ,b : 유입 하·폐수 삼투압
    K : 내부농도 분극계수
    k : 외부농도 분극계수
    [수학식 3]
    최종방류수의 수질 및 수량 그리고 유도용액의 농축율을 결정하기 위한 역삼투 공정의 예측제어를 위한 농도분극모델
    Figure 112009066052046-PAT00022
    Figure 112009066052046-PAT00023
    Figure 112009066052046-PAT00024
    Jv : 생산수의 투과플럭스
    Js : 용질의 투과플럭스
    A : 물의 여과계수
    B : 용질의 여과계수
    ΔP: 막간차압
    Δπ : 삼투압
    Cm : 막표면에서 용질의 농도
    Cp : 여과수내 용질의 농도
    Cb : 막유입수내 용질의 농도
    k : 물질전달계수
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