KR20130050384A - 폐수 처리 방법 및 폐수 처리 시스템 - Google Patents

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데이비드 엠 폴리조티
제임스 스콧 케인
로버트 헨리 위드
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 폐수 처리 방법을 제공한다. 상기 방법은 역 삼투 프로세스 멤브레인을 이용하여 폐수의 유동을 농축시키는 단계와, 농축된 유동을 증발시켜 적어도 증류액 및 고형물을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

폐수 처리 방법 및 폐수 처리 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR PROCESSING WASTE WATER}
본 발명의 기술분야는 통상적으로 산업용 폐수 처리 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가스화 프로세스 폐수 또는 그레이 워터 블로우다운(grey water blowdown)을 처리하는 시스템에 관한 것이다.
산업용 처리수(process water)는 일반적으로 블랙 워터(black water) 또는 그레이 워터로서 분류된다. 블랙 워터는 높은 레벨의 부유 고형물(suspended solids) 및 용해된 가스를 포함할 수 있는 처리수이다. 물을 재사용하기 위해, 블랙 워터는 부유 고형물, 압력 및 온도를 감소시키는 프로세스에 의해 재사용을 위한 그레이 워터로 변환된다. 따라서, 그레이 워터는 블랙 워터에 비해 부유 고형물 및 용해된 가스를 적게 함유한다. 그레이 워터의 일부는 산업의 프로세스에 악영향을 줄 수 있는 오염 물질을 감소시키기 위해 블로우다운된다. 이러한 폐수 또는 그레이 블로우다운은 가스화 시스템과 같은 산업의 적용에 의해 생성될 수 있다.
블랙 워터 및 그레이 워터는 가스화 프로세스에서 수류(water stream)를 기술하는데 보통 사용되는 용어이다. 가스화 시스템으로부터의 그레이 워터의 특징은 가스 발생기 공급 원료 및/또는 가스화 프로세스 작동 조건에 의존하며, 이러한 그레이 워터는 암모니아, 염화물 및 포르메이트(formate)를 포함할 수 있다. 또한, 가스화 그레이 워터는 알칼리 및 알칼리토류 금속(alkaline earth metal), 이산화탄소, 부유 고형물, 전이 금속, 실리카 및 황화물과 같은 다른 반응성 종을 포함할 수 있다. 공지된 가스화 그레이 워터는 대략 5.5 내지 대략 8의 pH 범위를 가지며, 폐수 처리 시스템 내로 배출될 때 약 180℉의 온도를 가질 수 있다. 그레이 워터가 낮은 pH 영역 내에 있는 경우, 그레이 워터는 부식성일 수 있으며, 이와 같이 폐수 처리 시스템 내의 구성요소 상에 마모를 야기할 수 있다.
그레이 워터에 대해 사용하기 위한 적어도 하나의 공지된 폐수 처리 시스템은 그레이 워터 블로우다운 또는 폐수를 처리하여, 물이 배수구로 배출되기 전에 원치 않는 오염 물질을 제거한다. 폐수는 암모니아를 제거하기 위해 암모니아 스트리퍼 칼럼(stripper column) 내에서 처리될 수 있다. 탈기된 암모니아 증기는 유황 회수 유닛(Sulfur Recovery Unit; SRU) 내에 배치될 수 있다. 암모니아 스트리퍼로부터 배출된 물은 배출되기 전에 환경적 요건을 만족시키도록 추가적으로 처리된다. 예컨대, 생물학적 처리 프로세스는 폐수로부터 포르메이트를 제거하는데 사용될 수 있다. 배출수가 요구 조건을 만족시키지 않는다면, 폐수는 최종 폐기 전에 더 처리하기 위해 유지 탱크 내에 저장된다.
가스화 그레이 워터 블로우다운 또는 폐수에 대한 다른 공지된 폐수 처리 시스템은 전유동 무방류(full-flow zero liquid discharge; ZLD) 프로세스를 사용한다. ZLD 프로세스는 액체 폐기 배출 스트림을 생성하지 않는 프로세스이다. 공지된 폐수 ZLD 프로세스는 강하막(falling-film) 증발기, 강제 순환 증발기 및 드럼 건조기를 포함하여, 폐기용 고체 폐기물을 생성하고 가스화 프로세스에서 재사용하기 위한 물을 생성한다. 적어도 몇몇의 공지된 ZLD 프로세스에서, 폐수는 강하막 증발기로 채널링(channeling)되기 전에 전처리(pre-treated)된다. 보다 상세하게는, 폐수의 전처리는 정화 및/또는 여과 처리를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 공지된 ZLD 프로세스 시스템 내의 프로세스 구성요소는 내부식성인 재료의 사용을 필요로 한다. 또한, 이러한 공지된 ZLD 프로세스는 증발 시스템 내의 스케일링(scaling) 때문에 폐수를 증발시키기 위한 추가적인 스팀을 사용할 수 있다. 발전소 내로부터의 스팀은 전력을 생산하는데 사용될 수도 있다. 이와 같이, 공지된 ZLD 프로세스 시스템은 자본 및 작동 비용 양자의 관점에서 고가일 수 있다.
일 양태에서, 폐수 처리 방법이 제공된다. 상기 방법은 역 삼투(reverse osmosis) 프로세스 멤브레인을 이용하여 폐수의 유동을 농축시키는 단계와, 농축된 유동을 증발시켜 적어도 증류액 및 고형물을 생성하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 폐수 처리 시스템이 제공된다. 폐수 처리 시스템은 역 삼투 멤브레인을 포함하는 분리 시스템을 포함한다. 분리 시스템은 폐수의 유량을 감소시키도록 구성된다. 또한, 폐수 처리 시스템은 분리 시스템으로부터 폐수의 감소된 유동을 수용하기 위한 증발 시스템을 포함한다.
또 다른 양태에서, 폐수 처리용 분리 시스템이 제공된다. 분리 시스템은 폴리머 필름계 여과 수단을 포함하는 제 1 멤브레인과, 역 삼투 멤브레인 재료를 포함하는 제 2 멤브레인을 포함한다.
도 1은 합성 가스 생성 시스템에 대한 예시적인 가스화의 개략적인 도면,
도 2는 도 1에 도시된 합성 가스 생성 시스템에 대한 가스화로 사용될 수 있는 예시적인 폐수 처리 시스템의 개략적인 도면,
도 3은 도 1에 도시된 합성 가스 생성 시스템에 대한 가스화로 사용될 수 있는 변형적인 폐수 처리 시스템의 개략적인 도면.
도 1은 합성 가스 생성 시스템(10)에 대한 예시적인 가스화의 개략적인 다이어그램이다. 통상적으로, 합성 가스 생성 시스템(10)은 가스 발생기 산소(16)를 생성하기 위해 공기(14)를 분리하기 위한 공기 분리 유닛(air separation unit; ASU)(12)과, 가스 발생기 연료(24)를 생성하기 위해 탄소질 연료(20) 및 물(22)을 준비하는 탄소질 연료 준비 유닛(18)을 포함한다. ASU(12) 및 연료 준비 유닛(18)은 가스 발생기 산소(16) 및 연료(24)의 부분적인 산화 프로세스에 의해 가스/고체 혼합물(28)을 생성하는 가스 발생기(26)에 유동 연통 관계로 커플링된다. 가스/고체 혼합물(28)은 주산물(main product) 합성 가스와, 슬래그 및 미연 탄소분과 같은 고형물을 포함할 수 있는 부산물을 포함할 수 있다. 가스 발생기(26)는 가스/고체 혼합물(28)을 냉각된 가스/고체 혼합물(32)까지 냉각시키는 합성 가스 냉각기(30)에 유동 연통 관계로 커플링된다. 보일러 급수(34)는 합성 가스 냉각기(30) 내로 공급되어 하류의 유닛에서 사용하기 위한 스팀(36)을 생성한다. 합성 가스 냉각기(30)는 냉각된 가스/고체 혼합물(32)이 원료 합성 가스(40)(가스), 블랙 워터(42)(액체) 및 슬래그(44)(고체)로 분리되는 가스/액체/고체 분리 장치(38)에 유동 연통 관계로 커플링된다. 슬래그(44)는 재사용 및/또는 외부로 폐기될 수 있는 부산물이다.
원료 합성 가스(40)는 합성 가스 스크러버(scrubber)(48), 합성 가스 냉각 시스템(50) 및 산성 가스 제거 시스템(52)을 통해 연속으로 원료 합성 가스(40)를 처리함으로써 클린 합성 가스(46)로 변환된다. 보다 상세하게는, 합성 가스 스크러버(48)는 원료 합성 가스(40)로부터 미립자를 가스 세정(scrub)하여 가스 세정된 합성 가스(54)를 생성하고, 가스/액체/고체 분리 장치(38)에서 사용하기 위한 물(56)을 생성한다. 합성 가스 냉각 시스템(50)은 가스 세정된 합성 가스(54)를 냉각시켜, 산성 가스 제거 유닛(52)으로 채널링되는 저온의 합성 가스(58)를 생성하고, 응축액 스트리퍼(64) 및 가스/액체/고체 분리 장치(38) 내에서 처리하기 위한 응축액(60 및 62)을 생성한다. 응축액 스트리퍼(64)는 응축액(60)으로부터 암모니아를 탈기하여, 합성 가스 스크러버(48)에서 사용하기 위한 탈기된 응축액(66)을 생성하고, 하류의 유닛에서의 처리 및/또는 폐기를 위한 부산물 암모니아 가스(68)를 생성한다. 산성 가스 제거 시스템(52)은 저온의 합성 가스(58)로부터 산성 가스(70)를 제거하여 클린 합성 가스(46)를 생성한다. 산성 가스(70)는 하류 유닛에서 처리 및/또는 폐기될 수 있는 부산물이다. 클린 합성 가스(46)는 합성 가스 생성 시스템(10)의 주산물이며, 전력 생산, 화학 물질 생산 및/또는 다른 용도를 위해 사용될 수 있다.
가스/액체/고체 분리 장치(38)로부터의 블랙 워터(42)는 블랙 워터 취급 유닛(72)으로 채널링된다. 블랙 워터 취급 유닛(72)은 블랙 워터(42)를 그레이 워터 취급 유닛(74)에서 처리하기 위한 그레이 워터(78)와 높은 농도의 부유 고형물을 갖는 스트림(80)으로 분리시키며, 상기 스트림(80)은 연료 준비 유닛(18)에서 재사용될 수 있다. 그레이 워터 취급 유닛(74)은 그레이 워터(78)를 처리하여, 합성 가스 스크러버(48)에서 사용하기 위한 비교적 적은 부유 고형물의 그레이 워터(76)와, 폐수로서 비교적 많은 부유 고형물의 그레이 워터를 생성한다. 블랙 워터(42) 또는 그레이 워터(78 및/또는 170)에 비해 적은 부유 고형물을 갖는 그레이 워터(76)는 메이크업(makeup) 워터(82)와 조합될 수 있으며, 필요하다면, 원료 합성 가스(40)를 위한 스크러빙 워터로서 합성 가스 스크러버(48)에서 사용된다. 그레이 워터(78)의 일부는 합성 가스 생성 시스템(10)에 악영향을 줄 수 있는 오염 물질 성장을 감소시키기 위한 폐수 처리 시스템(100)에 폐수 또는 그레이 워터 블로우다운(170)으로서 배출된다.
상기 시스템(100)은, 예컨대 합성 가스 생성 시스템(10)의 그레이 워터 취급 시스템(74)과 같은 적어도 하나의 폐수원과 유동 연통 관계인 폐수 처리 시스템이다. 하기에 보다 상세하게 서술되는 바와 같이, 화학 물질 저장부(84) 및 플랜트 스팀 시스템(86)은 화학 물질 및 스팀을 폐수 처리 시스템(100)에 각각 공급하기 위한 폐수 처리 시스템(100)과 유동 연통 관계이다.
도 2는 합성 가스 생성 시스템(10)(도 1에 도시됨)과 함께 사용될 수 있는 예시적인 폐수 처리 시스템(100)의 개략적인 도면이다. 예시적인 실시예에서, 폐수 처리 시스템(100)은 (102), 분리 시스템(104), 암모니아 탈기 시스템(106), 증발 시스템(108) 및 건조 시스템(110)을 포함한다. (102)은 예컨대 합성 가스 생성 시스템(10)(도 1에 도시됨)으로부터 폐수(170)를 수용하여, 예컨대 폐수(170)가 연화(softened) 및/또는 여과되도록 폐수(170)를 처리한다. 보다 상세하게는, (102)은 연화 시스템(112) 및/또는 필터 시스템(114)을 포함한다.
폐수(170)를 연화시키기 위해, 전처리 시스템(102)은 연화 시스템(112)에서 화학 물질 저장부(84)로부터의 화학 물질(116)을 수용한다. 이러한 화학 물질(116)은, 폐수(170) 내의 경화 금속 및 몇몇의 금속의 값을 감소시킴으로써 그레이 워터(170)를 연화시키기 위해, 예컨대 칼슘, 석회, 가성제(caustics) 및/또는 마그네슘 합성물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "가성(caustic)"은 수산화물 이온의 소스(source)를 지칭한다. 또한, 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "경화 물질"은 칼슘, 중탄산염(bicarbonate), 소듐(sodium), 염화물 및/또는 마그네슘 이온과 같은 용해된 미네랄 및/또는 이온을 그 내에 포함하는 물질을 지칭한다. 예시적인 실시예에서, 석회 및/또는 가성제는 알칼리화제(alkalizing agent)이며, 실리카를 제거하는데 마그네슘 합성물이 사용된다. 폐수(170)를 연화시킴으로써, 경화 물질 용이하게 감소된다. 이와 같이, 폐수(170)가 처리 시스템(100) 내의 표면에 부착되고 그리고/또는 표면을 부식시키는 경향이 있는 경화 물질을 적게 포함하기 때문에, 시스템(100) 내에서 처리된 폐수의 파울링(fouling) 가능성은 하류에서의 작동시 감소된다. 스케일의 가능성이 낮은 폐수(170)에 있어서, 경화 처리 및/또는 연화 시스템(112)은 전처리 시스템(102)으로부터 생략될 수 있다.
또한, 예시적인 실시예에서, 전처리 시스템(102)은 예컨대 응고제 및/또는 응집제와 같은 폴리머와 멀티미디어 필터를 사용하여 필터 시스템(114)에서 폐수(170)를 여과하여, 폐수(170)로부터 부유 고형물을 제거한다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 디알릴디메틸아민 암모늄 클로라이드(diallyldimethylamine ammonium chloride; DADMAC) 폴리머(이에 한정되지는 않음)와 같은 유기 응고제 및/또는 유기 응집제는 전처리 시스템(102)에 공급되어, 예컨대 폐수(170) 내의 고형물을 응고 및/또는 응집시킴으로써 폐수(170)로부터 고형물을 용이하게 제거한다. 그 후에, 전처리 시스템(102)은 전처리된 폐수(172)를 분리 시스템(104)으로 배출하고, 슬러지(118)를 폐기 유닛에 배출한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "슬러지"는 안정화 프로세스를 받지 않은 전처리 프로세스 내에서 발생된 축적 및/또는 농축된 고형물을 지칭한다. 이와 같이, 예시적인 실시예에서, 전처리 시스템(102)은 경화 물질, 스케일 형성 물질, 실리카, 금속 산화물 및 무기물 중 적어도 하나를 폐수로부터 용이하게 제거한다. 변형적으로, 전처리 시스템(102)은 폐수 처리 시스템(100)이 본원에 기술된 바와 같은 기능을 할 수 있도록 하는 임의의 적절한 수단에 의해 폐수(170)를 처리한다.
예시적인 실시예에서, 분리 시스템(104)은 전처리된 폐수(172)를 수용하여, 폐수(172)에 농축 프로세스를 실행한다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 분리 시스템(104)은 제 1 멤브레인 시스템(120) 및 제 2 멤브레인 시스템(122)을 포함한다. 일 실시예에서, 분리 시스템(104)은 열교환기를 포함하여, 작동 온도 및/또는 멤브레인의 완전한 상태를 용이하게 유지한다. 각각의 멤브레인 시스템(120 및 122)은 폐수 처리 시스템(100)을 통해 채널링되는 폐수의 유량을 처리하기에 충분한 다수의 멤브레인을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 제 1 멤브레인 시스템(120)은 폴리비닐리덴다이플루오라이드(polyvinylidinedifluoride) 재료, 폴리서플론(polysuflone) 재료, 폴리에테르술폰 재료 및/또는 임의의 다른 적절한 UF 폴리머로부터 제조되는 한외여과(ultrafiltration; UF) 멤브레인과 같은 폴리머 필름계 여과 수단을 포함한다. 변형적으로, 제 1 멤브레인 시스템(120)은 나노여과(nanofiltration; NF) 멤브레인, 마이크로여과(microfiltration; MF) 멤브레인 및/또는 임의의 적절한 여과 멤브레인을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 제 1 멤브레인 시스템(120)은 전처리된 폐수(172)가 제 2 멤브레인 시스템(122)으로 들어가기 전에 전처리된 폐수(172)를 컨디셔닝(conditioning)함으로써 제 2 멤브레인 시스템(122)의 파울링을 용이하게 감소 및/또는 제거시킨다. 폐수가 제 1 멤브레인 시스템(120)으로 들어가기 전에 폐수(172)를 컨디셔닝하기 위해, 화학 물질 저장부(84)로부터의 화학 물질(126)이 전처리된 폐수(172)에 추가된다. 화학 물질(126)은, 예컨대 산성제, 가성제, 응고제, 응집제 및 염화물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 제 1 멤브레인 시스템(120)에 의해 제거된 파울링 물질은 비교적 작은 유동(121)을 구성하며, 폐수(170)를 따라 추가적인 처리를 위해 전처리 시스템(102)으로 복귀된다.
예시적인 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 역 삼투(RO) 프로세스 멤브레인을 포함한다. RO 프로세스는 멤브레인을 통해 용매를 가압하기 위해 삼투압을 초과하는 압력을 이용하는 분리 프로세스이다. 멤브레인은 용질을 일 측부 상에 유지하고 정화된 용매가 관통될 수 있도록 한다. 이와 같이, 용매는 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인을 통해 높은 농도의 용질 영역으로부터 낮은 농도의 용질 영역으로 가압된다. 예시적인 실시예에서, 전처리된 폐수(172)는 용매 및 용질을 포함하며, 용매는 정화수(purified water)(124)이고, 용질은 용해되고 부유된 고형물이며, 폐수 처리 시스템(100) 내에서 더 처리된 농축된 폐수(174)는 농축된 용질을 갖는 용매이다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 AK 기수(brackish water) 멤브레인(이에 한정되지는 않음)과 같은 폴리아미드 화학제에 기초한 임의의 적절한 "기수" 멤브레인을 포함한다. 변형적인 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 폴리아미드, 폴리서플론아미드(polysuflonamide), 셀룰로오스 아세테이트 및/또는 폐수 처리 시스템(100)이 본원에 기술된 바와 같은 기능을 할 수 있도록 하는 임의의 적절한 화학제에 기초한 RO 프로세스 멤브레인을 포함한다. 일 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 하나 이상의 RO 프로세스 멤브레인을 포함하며, RO 프로세스 멤브레인은 연속해서 폐수(172)가 처리 시스템(100)을 통해 유동할 때 용해된 고형물 전체의 변동량을 갖는 폐수(172)를 용이하게 처리한다. 이러한 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 스테이지 사이에 부스터 펌프를 갖는 제 1 스테이지 RO 프로세스 멤브레인과 제 2 스테이지 RO 프로세스 멤브레인을 포함할 수 있다. 변형적으로, 제 2 멤브레인 시스템(122)은 전기 에너지를 이용하여 이온을 용질이 많이 농축된 폐수(174)의 영역 내로 이동시키는 역전 전기 투석(electrodialysis reversal; EDR) 프로세스를 포함할 수 있다.
분리 시스템(104)의 작동시, 예시적인 실시예에서, 분리 시스템(104)은 전처리된 폐수(172)에 분리 프로세스를 실행한다. 보다 상세하게는, 분리 시스템(104)은 전처리된 폐수(172)로부터 정화수(124)와 농축된 폐수(174)를 분리하며, 폐수 처리 시스템(100)을 통하는 폐수의 유량을 감소시킨다. 일 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인은 대략 60% 내지 대략 80% 회수하도록 작동하여, 유입 유량의 대략 60% 내지 대략 80%가 침투되어 회수되는 한편 유입 유량의 대략 20% 내지 대략 40%가 농축되어 제거된다. 예컨대, 전처리된 폐수(172)의 초기 유량이 대략 1000 분당 갤런(gpm)이고, 그 후에 70%가 회수되면, 대략 700 분당 갤런의 정화수(124)가 정화된 침투수로서 합성 가스 생성 시스템(10)에 복귀되며, 대략 300 분당 갤런의 농축된 폐수(174)가 제거 또는 농축되어 분리 시스템(104)으로부터 배출되어, 증발 작동과 같은 이후의 유닛 작동을 통해 처리된다. 이와 같이, 공지된 폐수 처리 시스템에 비해, 보다 적은 폐수가 폐수 처리 시스템(100) 내의 이후의 시스템 내로 유동한다. 정화수(124)는 시스템(100) 내의 재사용을 위해 합성 가스 생성 시스템(10)으로 채널링될 수 있다. 변형적으로, 정화수(124)는 질소 봉입 처리된 물 저장 탱크 또는 비봉입 처리된 물 저장 탱크 내에 저장될 수 있다.
일 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인의 스케일링은, 인산칼슘, 실리카, 규산염, 탄산칼슘 및/또는, 스케일링 및/또는 파울링을 야기시킬 수 있는 임의의 다른 염류(salt)와 같은 그레이 워터 내에서 일반적으로 발견되는, 통상적으로 발생하는 난용성 염류에 의해 야기될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전처리된 폐수(172)의 농축시 제 2 멤브레인 시스템(122)의 스케일링과 같은 파울링을 용이하게 방지하기 위해, 제 2 멤브레인 시스템(122)으로 들어가기 전에 화학 물질(126)이 전처리된 폐수(172)에 가해진다. 보다 상세하게는, 스케일 억제제(antiscalant) 화학 물질[본원에서 "스케일 억제제"로도 지칭됨] 및/또는 pH 조절제와 같은 화학 물질(126)이 화학 물질 저장부(84)로부터 분리 시스템(104)에 가해진다. 스케일 억제제는 포스포네이트(phosphonate) 및/또는 RO 멤브레인 상에 파울링을 억제하는데 효과적인 타입의 특수 폴리머를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 스케일 억제제의 화학제는 파울링을 방지하는데 효과적인 한편 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인의 화학제와 친화성으로서, 상기 스케일 억제제는 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인 작동에 해로울 수 있는 파울링 조건을 생성하지 않는다. 예컨대, 스케일 억제제는 멤브레인 화학제와의 반응을 통해 파울링 조건을 생성함이 없이 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인의 파울링을 방지하도록 선택된다. 또한, 예시적인 실시예에서, 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인의 파울링은 폐수(172)가 제 2 멤브레인 시스템(122)으로 들어가기 전에 전처리된 폐수(172)에 대해 pH 조절제에 의해 용이하게 최소화 및/또는 방지된다. 변형적으로, 스케일 억제제 및/또는 pH 조절제는 RO 프로세스 이전에 가해지지 않는다. 또 다른 변형적인 실시예에서, 화학적 소독 및/또는 자외선 산화의 보조 프로세스는 제 2 멤브레인 시스템(122) 내의 멤브레인의 생물 부착(biofouling)을 용이하게 방지 및/또는 최소화하는데 사용될 수 있다.
농축된 폐수(174)는 예시적인 실시예에서 분리 시스템(104)으로부터 암모니아 탈기 시스템(106)으로 채널링된다. 화학 물질 저장부(84)로부터, 가성 화학 물질과 같은 화학 물질(128)이 암모니아 탈기 시스템(106)에 가해진다. 또한, 플랜트 스팀 시스템(86)으로부터의 스팀과 같은 스팀(130)이 암모니아 탈기 시스템(106)에 가해져서, 화학 물질(128) 및 농축된 폐수(174) 사이의 반을 용이하게 증가시키며, 농축된 폐수(174)로부터 암모니아를 용이하게 제거 및/또는 탈기한다. 예컨대, 암모니아 탈기 시스템(106)은 암모니아 증기(132)를 폐기 유닛에 배출하고, 스트리퍼 바텀(stripper bottom)(176)을 증발 시스템(108) 내로 배출한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "스트리퍼 바텀"은 처리 시스템(100)으로 들어가는 폐수(170)에 비해 감소된 양의 암모니아 및/또는 상류의 프로세스에 의해 제거된 감소된 양의 다른 구성요소를 포함하는 물을 지칭한다. 스트리퍼 바텀은 본래의 폐수(170) 내에 있던 염화물 및 포르메이트와 같은 용해성 화학 물질 종을 포함할 수 있다. 또한, 암모니아의 탈기가 본원에 기술되었지만, 암모니아는, 예컨대 추출과 같은 임의의 적절한 암모니아 제거법을 이용하여 폐수(172)로부터 제거될 수 있다.
증발 시스템(108) 내에서, 스트리퍼 바텀(176) 내의 물은 스팀(134) 및/또는 화학 물질(136)을 이용하여 증발된다. 예시적인 실시예에서, 증발 시스템(108)은, 가열된 표면을 이용하여 스트리퍼 바텀(176) 내의 액체를 증발시키는 강하막 증발기와 같은 열 증발 시스템이다. 증발된 스트리퍼 바텀(176)은 증발기 염수(brine)(178)로서 본원에 지칭된다. 일 실시예에서, 증발 시스템(108)은 기계적 증기 압축기를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 가성 화학 물질, 거품 억제 화학 물질 및/또는 산성 화학 물질과 같은 화학 물질(136)은 화학 물질 저장부(84)로부터 증발 시스템(108)에 공급되며, 스팀(134)은 예컨대 플랜트 스팀 시스템(86)으로부터 증발 시스템(108)에 공급된다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 가성 화학 물질은 증발기 염수(178)의 pH를 조정하는데 사용될 수 있으며, 거품 억제 화학 물질은 필요에 따라 공급될 수 있다. 스트리퍼 바텀(176), 스팀(134) 및 화학 물질(136) 사이의 상호 작용은 합성 가스 생성 시스템(10) 내에서 재사용될 수 있는 증류액(138)을 생성하고, 폐수 처리 시스템(100) 내에서 더 처리되는 증발기 염수(178)를 생성한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 용어 "증류액"은 실질적으로 오염 물질 및/또는 불순물이 없는 물을 지칭한다. 그 후에, 증발기 염수(178)는 증발 시스템(108)으로부터 건조 시스템(110)으로 채널링된다. 변형적인 실시예에서, 증류액(138)은 질소 봉입 처리된 물 저장 탱크 또는 비봉입 처리된 물 저장 탱크 내에 저장될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 건조 시스템(110)은, 예컨대 스팀 증기(140) 및 염정(salt crystal) 혼합물(142) 내로 증발기 염수(178)를 건조 및/또는 결정화시킨다. 예시적인 실시예에서, 스팀(146)은, 예컨대 플랜트 증기 시스템(86)으로부터 건조 시스템(110)에 공급되어, 증발기 염수(178)를 건조시킨다. 건조 시스템(110)은 결정화 장치(crystallizer), 원심 분리기, 드럼 건조기, 스프레이 건조기 및/또는, 폐수 처리 시스템(100)이 본원에 기술된 바와 같은 기능을 할 수 있도록 하는 임의의 건조 및/또는 결정화 시스템을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 건조 시스템(100)은 건조기(148) 및 결정화 장치(150)를 포함한다. 결정화 장치(150)는 건조 시스템(110) 내에 포함되어, 예컨대 원심 분리기를 이용하여 액체로부터 염산염 및 포름산염(chloride and formate salt)과 같은 염정 혼합물(142)을 분리시킨다. 분리된 액체의 일부는 결정화 장치(150)로 복귀되고, 분리된 액체의 다른 일부는 퍼지 염수(152)로서 건조 시스템(110)으로부터 퍼지된다. 예시적인 실시예에서, 퍼지 염수(152)는 가스 발생기(26)(도 1에 도시됨) 내에서 재사용된다. 건조기(148)는 증발기 염수(178)를 염정 혼합물(142)로 직접 건조시키며, 이와 같이, 퍼지 스트림을 배출하지 않는다. 건조 시스템(110)은 가스 발생기(26)로 채널링될 수 있는 퍼지(152)와, 폐기 유닛으로 채널링되는 염정 혼합물(142)과 같은 고형물을 생성할 수 있다.
도 3은 합성 가스 생성 시스템(10)(도 1에 도시됨)과 함께 사용될 수 있는 변형적인 폐수 처리 시스템(200)의 개략적인 도면이다. 폐수 처리 시스템(200)은, 암모니아 탈기 시스템(106)이 상술된 바와 같이 분리 시스템(104)으로부터 하류에 있는 것이 아니라 분리 시스템(104)으로부터 상류에 있다는 것을 제외하고는, 상술된 바와 같이 폐수 처리 시스템(100)(도 2)과 실질적으로 유사하다. 이와 같이, 유사한 구성요소는 동일한 참조부호로 지칭된다. 보다 상세하게는, 예시적인 실시예에서, 암모니아는, 폐수가 분리 시스템(104) 내에서 농축되기 전에, 암모니아 탈기 시스템(106) 내에서 전처리된 폐수(172)로부터 제거 및/또는 탈기된다. 암모니아 탈기 시스템(106)에 의해 생성되는 스트리퍼 바텀(176)은 분리 시스템(104) 내로 배출되고, 농축된 폐수(174)는 분리 시스템(104)으로부터 증발 시스템(108) 내로 배출된다.
상술된 시스템 및 방법은 폐수에 대한 ZLD 프로세스를 용이하게 제공한다. 상세하게는, 상술된 분리 시스템은 탈기, 증발 및/또는 건조된 폐수의 유량을 용이하게 감소시킨다. 이러한 탈기, 증발 및/또는 건조 시스템에 대해 폐수의 유량을 감소시킴으로써, 상술된 분리 시스템은, 전유동 ZLD 시스템에 비해, 탈기, 증발 및/또는 건조 시스템으로 채널링되는 스팀의 양을 용이하게 감소시킨다. 이와 같이, 상술된 폐수 처리 시스템에서, 탈기, 증발 및/또는 건조 시스템에 대해 스팀이 채널링되기보다는, 스팀이 스팀 터빈으로 채널링되어 전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 상술된 분리 시스템은 폐수의 유량을 감소시키며, 증발 및/또는 건조 시스템의 크기는 폐수의 전유동을 처리하는 증발 및/또는 건조 시스템에 비해 감소될 수 있다.
또한, 상술된 분리 시스템은 폐수 처리 시스템과 유동 연통 관계로 다른 시스템에 용이하게 물을 제공한다. 예컨대, 폐수 처리 시스템은 가스화 시스템에 의해 생성된 그레이 워터를 처리하며, 처리된 물을 예컨대 가스화 메이크업 워터로서 가스화 시스템으로 복귀시킨다. 상술된 폐수 처리 시스템이 농축을 통해 폐수 처리 시스템 내의 폐수의 유량을 감소시키고 처리된 물을 폐수를 생성하는 시스템으로 역으로 공급하기 때문에, 상술된 시스템 및 방법은 가스화 시스템과 같은 폐수 생성 시스템과 관련된 자본 및 작동 비용을 용이하게 감소시킨다.
폐수를 처리하는 방법 및 시스템의 예시적인 실시예가 상세하게 상술되었다. 상기 방법 및 시스템은 본원에 기술된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 오히려 상기 시스템의 구성요소 및/또는 상기 방법의 단계는 본원에 기술된 다른 구성요소 및/또는 단계로부터 독립적으로 또한 개별적으로 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 방법 및/또는 시스템은 다른 폐수 처리 시스템 및/또는 방법과 조합하여 사용될 수도 있으며, 본원에 기술된 가스화 시스템으로만 실행하는 것에 한정되지 않는다. 오히려, 예시적인 실시예는 다수의 다른 폐수 처리 적용과 결합하여 수행되고 사용될 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예의 특정한 특징부가 몇몇의 도면에 도시되고 다른 도면에는 도시되지 않을 수 있지만, 이것은 단지 편의를 위한 것이다. 본 발명의 원리에 따라, 도면의 임의의 특징부가 임의의 다른 도면의 임의의 특징부와 조합하여 참조 및/또는 청구될 수 있다.
본원에 기술된 방법 및 시스템이 다수의 특정 실시예의 관점에서 기술되었지만, 당업자는 본원에 기술된 상기 방법 및 시스템이 특허청구범위의 정신 및 범위 내에서 수정하여 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
100: 폐수 처리 시스템 102: 전처리 시스템
104: 분리 시스템 106: 암모니아 탈기 시스템
108: 증발 시스템 110: 건조 시스템

Claims (19)

  1. 폐수 처리 방법에 있어서,
    제 1 멤브레인 시스템과 제 2 멤브레인 시스템을 이용하여 폐수의 유동을 농축시키는 단계와,
    열 증발 시스템을 이용하여 상기 농축된 유동을 증발시켜 적어도 증류액 및 염수를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 멤브레인 시스템은, 폐수의 처리를 용이하게 하기 위하여 직렬로 연결된 복수의 역삼투 프로세스 멤브레인을 가지고,
    상기 제 2 멤브레인 시스템은, 폐수의 유량을 감소시킬 수 있도록 폐수 내로 복수의 이온의 채널링을 용이하게 하기 위한 역전 전기 투석(EDR) 프로세스를 실행하도록 형성된
    폐수 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계 이전에 상기 폐수를 전처리(pretreating)하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐수를 전처리하는 단계는 상기 폐수를 연화(softening)시키는 단계와 응고시키는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하여, 상기 폐수로부터 경화 물질, 스케일 형성(scale-forming) 물질, 실리카, 금속 산화물 및 무기물 중 적어도 하나를 용이하게 제거하는
    폐수 처리 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐수를 전처리하는 단계는 상기 폐수의 유동을 여과하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수의 유동으로부터 적어도 암모니아를 탈기(stripping)하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성된 염수를 건조시켜 적어도 고형물을 생성하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계 이후에 상기 폐수의 유동으로부터 적어도 암모니아를 탈기하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계 이전에 전처리된 유동으로부터 적어도 암모니아를 탈기하는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    적어도 역 삼투 프로세스 멤브레인을 이용하여 상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계는 여과 멤브레인 및 상기 역 삼투 프로세스 멤브레인을 이용하여 상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    적어도 역 삼투 프로세스 멤브레인을 이용하여 상기 폐수의 유동을 농축시키는 단계는 가스화 프로세스에 의해 생성되는 그레이 워터(grey water)의 유동을 농축시키는 단계를 더 포함하는
    폐수 처리 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐수로부터 재사용 가능한 물을 생성하는 단계와,
    상기 재사용 가능한 물을 상기 폐수가 생성되는 시스템으로 채널링(channeling)하는 단계를 포함하는
    폐수 처리 방법.
  12. 폐수 처리 시스템에 있어서,
    제 1 멤브레인 시스템과 제 2 멤브레인 시스템을 포함하는 분리 시스템과,
    적어도 증류액 및 염수를 생성하도록 상기 분리 시스템으로부터 상기 폐수의 감소된 유동을 수용하기 위한 열 증발 시스템을 포함하고,
    상기 제 2 멤브레인 시스템은 폐수를 처리하기 위한 복수의 멤브레인을 가지고, 또한 상기 제 2 멤브레인 시스템은 폐수의 처리를 용이하게 하기 위하여 직렬로 연결된 복수의 역삼투 프로세스 멤브레인을 가지고,
    상기 제 2 멤브레인 시스템은, 폐수의 유량을 감소시킬 수 있도록 폐수 내로 복수의 이온의 채널링을 용이하게 하기 위한 역전 전기 투석(EDR) 프로세스를 실행하도록 형성된
    폐수 처리 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 폐수가 상기 분리 시스템으로 들어가기 전에 상기 폐수를 처리하도록 구성된 전처리 시스템을 더 포함하는
    폐수 처리 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전처리 시스템은 필터 시스템 및 연화 시스템 중 적어도 하나를 포함하는
    폐수 처리 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 폐수로부터 적어도 암모니아를 탈기하도록 구성된 암모니아 탈기 시스템을 더 포함하는
    폐수 처리 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 생성된 염수를 적어도 건조시켜 적어도 고형물을 생성하도록 구성된 건조 시스템을 더 포함하는
    폐수 처리 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 분리 시스템은 여과 멤브레인 및 역 삼투 프로세스 멤브레인을 포함하는
    폐수 처리 시스템.
  18. 폐수 처리용 분리 시스템에 있어서,
    한외여과(ultrafiltration) 멤브레인, 나노여과(nanofiltration) 멤브레인 및 마이크로여과(microfiltration) 멤브레인 중 적어도 하나를 가지는 폴리머 필름계 여과 수단을 구비하는 제 1 멤브레인 시스템과,
    폐수의 처리를 용이하게 하기 위하여 직렬로 연결된 복수의 역삼투 프로세스 멤브레인을 가지고, 폐수의 유량을 감소시킬 수 있도록 폐수 내로 복수의 이온의 채널링을 용이하게 하기 위한 역전 전기 투석(EDR) 프로세스를 실행하도록 형성된 제 2 멤브레인 시스템을 포함하는
    폐수 처리용 분리 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    적어도 상기 제 2 멤브레인 시스템의 파울링(fouling)을 감소시키도록 구성된 스케일 억제제(antiscalant) 화학 물질을 더 포함하는
    폐수 처리용 분리 시스템.
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