KR20130074104A - 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents
다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법 Download PDFInfo
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Abstract
다중수원을 유입수로 사용하고, 해수를 유도용액으로 사용함으로써, 하수처리수의 재이용률을 향상시키고, 역삼투 공정에서 높은 회수율과 고플럭스로 운전이 가능하며, 별도의 농축수 처리 시설의 설치 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있는, 하수처리수와 해수를 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 해수담수화 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하수처리수, 빗물, 지하수 등의 다중수원(Multi-water source)을 유입수(Feed Water)로 하고, 해수(Sea Water)를 유도용액(Draw Solution)으로 하는 정삼투(Forward Osmosis: FO) 및 역삼투(Reverse Osmosis: RO)의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
해수담수화 방법은 크게 증발법, 전기투석법 및 역삼투법(Reverse Osmosis: RO)으로 구분할 수 있는데, 역삼투법이 증발법에 비하여 단위 부피의 물을 생산하기 위한 에너지 필요량이 상대적으로 작기 때문에, 역삼투법이 널리 사용되고 있다.
이러한 역삼투법은 해수나 기수에 함유되어 있는 성분을 고분자 분리막(역삼투막)을 이용하여 생산수와 농축수로 분리시키며, 생산수는 성분농도를 희석하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출하게 된다.
그러나 이러한 역삼투법을 이용한 해수담수화에 있어서 현장 실시에 장애요인으로 작용하는 것 중의 하나는 보론 제거율에 관한 문제이다. 여기서, 보론은 해수 내에 평균적으로 약 5~10 ㎎/L의 농도로 존재하고 있는데, 보론을 다량 섭취하는 경우 인체에 여러 가지 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
전술한 보론을 제거하기 위한 역삼투막과 관련된 기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1059865호에는 "해수담수화장치에서의 보론 농도 측정방법, 보론 농도 자동유지 방법 및 보론 농도 자동유지 기능의 해수담수화장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치의 구성도로서, 보론 제거율 모니터링 및 조절 기능을 구비한 역삼투막 방식의 해수담수화 장치를 예시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치(10)는, 외부로부터 유입된 해수가 담기는 유입수 탱크(23); 역삼투막을 구비하여 유입수 탱크(23)로부터의 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(25); 및 역삼투막 모듈(25)에 의해 처리된 처리수가 저장되는 처리수 탱크(27)를 포함한다. 또한, 종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치(10)는 유입수를 유입수 탱크(23)로 공급하기 위한 공급펌프(21); 및 유입수 탱크(23)와 역삼투막 모듈(25) 사이에는 해수를 가압하여 역삼투막 모듈(25)로 공급하는 고압펌프(24)가 구비될 수 있다.
이때, 해수는 공급펌프(21)에 의해 유입수 탱크(23)로 들어오게 되고, 고압펌프(24)에 의하여 가압되어 역삼투막 모듈(25)로 공급되며, 역삼투막 모듈(25)에 구비된 역삼투막을 통과하면서 이온성 물질, 보론 등이 제거되어 담수화된 후에 처리수 탱크(27)로 이송된다.
종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치(10)의 경우, 처리수에 함유되어 있는 보론의 농도 측정 결과에 따라, 유입수 탱크(23)로 공급되는 유입수에 대해 pH 농도를 조절하기 위하여 유입수에 pH 농도 조절액을 주입하는 약액 주입장치(30)가 구비되는데, 후술하는 것처럼 처리수에 함유되어 있는 보론의 농도에 대한 모니터링 결과에 따라 상기 약액 주입장치(30)로부터의 필요한 pH 농도 조절액이 유입수로 공급되어 유입수와 혼합됨으로써 유입수의 pH 농도가 변화된다. 이때, 유입수 탱크(23)와 처리수 탱크(27)에는, 각각의 탱크에 담겨진 물의 전도도와 온도와 pH 농도를 측정하는 전도도 센서, 온도 센서 및 pH 센서가 구비된다. 이러한 센서들을 하나의 유닛 형태의 소프트 센서(11)로 일체화시켜 유입수 탱크(23)와 처리수 탱크(27)에 각각 설치될 수 있다.
구체적으로, 약액 주입장치(30)는, 산성용액을 담고 있는 산성용액 탱크(32); 산성용액 주입용 정량펌프(33); 염기성 용액을 담고 있는 염기성용액 탱크(34); 및 염기성용액 주입용 정량펌프(35)를 포함할 수 있다. 유입수 탱크(23)로 유입수를 이송시키는 해수 공급 관로에는 혼합기(22)가 구비될 수 있는데, 산성용액 주입용 정량펌프(33)와 염기성용액 주입용 정량펌프(35)로부터의 산성용액 및 염기성 용액은 혼합기(22)로 공급되어, 외부로부터 공급되는 유입수와 혼합된 후 유입수탱크(23)로 유입된다.
종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치(10)의 경우, 해수담수화 공정에서, 역삼투막에 의한 보론 제거율을 지속적으로 감시하고 허용치를 넘은 경우, 자동적으로 유입수의 pH를 조절함으로써 처리수 내의 보론 제거율을 항상 안전한 수준으로 유지할 수 있고, 또한, 현장에서 온라인으로 측정하기 어려운 보론의 제거율을 연속적으로 감시할 수 있다.
전술한 역삼투법을 이용하는 담수화 장치는, 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 역삼투막(멤브레인)에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 제거하는 구조를 갖는다.
이와 같이 원수로부터 이온성 물질과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 압력을 필요로 하는데, 이때의 압력을 역삼투압이라 하며, 해수 담수화의 경우 대략 42∼70bar 정도의 높은 압력을 필요로 한다.
이러한 역삼투압을 제공하기 위해 담수화 장치에는 원수를 펌핑하는 원수공급수단(공급펌프 등)이 설치된다. 일반적으로 상기와 같은 원수공급수단으로서 대부분 전력을 소모하는 고압펌프를 사용하기 때문에 해수의 담수화에 상당한 에너지가 소모되는 단점이 있었다.
한편, 최근 역삼투 공정을 대체할 수 있는 차세대 기술로서 정삼투(Forward Osmosis: FO) 공정이 주목받고 있다. 역삼투(Reverse Osmosis: RO)와 정삼투의 두 공정 모두 반투막을 사이에 둔 서로 농도가 다른 용액이 농도 평형에 이르기 위해 저농도의 용액 중의 물이 고농도의 용액 쪽으로 유입되어 희석되는 삼투현상에 기초한 것이다.
예를 들면, 해수담수화에서 정삼투는 해수보다 삼투압이 높은 용액과 해수가 반투막을 사이에 두고 해수 중의 순수가 해수보다 삼투압이 높은 용액 쪽으로 이동하게 되는 것으로, 이때, 해수보다 삼투압이 높은 용액을 유도용액(Draw Solution)이라 한다.
따라서 정삼투에서는 역삼투에서 필요한 고압의 펌프가 불필요하지만, 담수를 생산하기 위해서는 해수 중의 순수가 이동해 희석된 유도용액 중에서 유도용질을 분리 회수해야 하는 추가 공정이 필요하다. 이러한 정삼투 공정은 고압의 펌프가 불필요해 담수 생산을 위한 단위소비전력을 크게 절감할 수 있고, 역삼투 공정에서 문제가 되는 막 오염도 가압 공정 없이 진행되기 때문에 막 세척이 용이하기 때문이다.
한편, 전술한 정삼투막과 관련된 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제2011-134591호에는 "정삼투식 해수 담수화 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 종래의 기술에 따른 정삼투압 방식의 해수담수화 장치를 예시하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 정삼투압 방식의 해수담수화 장치는, 해수가 위치되는 해수 위치공간(42)과 탄산수소암모늄(NH4HCO3)을 포함하는 삼투 유도용액이 위치되는 삼투 유도용액 위치공간(43)을 갖되 해수 위치공간(42)과 삼투 유도용액 위치공간(43)이 정삼투막(41)으로 분리되어 있는 정삼투막 반응기(40); 및 정삼투막 반응기(40)를 경유한 삼투 유도용액이 유입되고 삼투 유도용액으로부터 발생되는 기체가 위치될 수 있는 공간을 가지며, 유입된 삼투 유도용액에 초음파를 가하여 삼투 유도용액에 캐비테이션 현상이 발생되도록 하는 초음파출력수단(51)을 갖는 초음파 반응기(50); 및 초음파 반응기(50)에서 발생된 기체를 담수나 정삼투막 반응기(40)의 삼투 유도용액 위치공간(43)으로 공급될 삼투 유도용액에 공급하여 액화되도록 하는 삼투 유도용액 재생기(60)를 포함한다.
정삼투막 반응기(40)는 삼투막에 의해 분리되어 있는 공간을 갖는다. 즉, 삼투막을 기준으로 어느 한쪽에는 해수가 위치되고, 다른 한쪽에는 삼투 유도용액이 위치되도록 된 정삼투막 반응기(40)를 갖는다.
이러한 정삼투막 반응기(40)가 정삼투막(41)으로 분리된 해수 위치공간(42)과 삼투 유도용액 위치공간(43)을 갖고, 해수 위치공간(42)에는 해수가 위치되며, 삼투 유도용액 위치공간(43)에는 탄산수소암모늄을 포함하는 삼투 유도용액이 위치되게 한다. 이에 따라, 역삼투압 방식과 달리 별도의 가압펌프 등을 사용하지 않더라도 해수 위치공간(42)에 위치된 해수로부터 물이 자연스럽게 분리되어 삼투 유도용액 위치공간(43)으로 이동됨으로써 희석된 삼투 유도용액을 얻을 수 있다. 이때, 이러한 과정을 거친 삼투 유도용액은 사용 가능한 담수의 형태가 아니며, 사용 가능한 담수의 형태로 만들기 위해서는 희석된 삼투 유도용액으로부터 암모니아와 이산화탄소를 제거해야 한다.
종래의 기술에 따른 정삼투압 방식의 해수담수화 장치는, 정삼투막 반응기 및 초음파 반응기를 구비함으로써, 적은 에너지를 사용하여 담수를 신속하게 얻을 수 있을 뿐만 아니라 유해 성분을 용이하게 분리할 수 있다.
한편, 전술한 역삼투압 및 정삼투압 방식이 모두 이용되는 이중 삼투막과 관련된 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제2011-67748호에는 "담수화 소요 에너지 절감형 이중 삼투장치 및 이를 이용한 담수화 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 역삼투압 및 정삼투압의 이중 삼투압 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 역삼투압 및 정삼투압의 이중 삼투압 장치는, 삼투막 모듈(70), 염 분리수단(72), 정삼투 유도용액 공급수단(73), 에너지 회수수단(74), 및 저압 역삼투막 모듈(75)을 포함한다.
삼투막 모듈(78)은 해수 또는 기수 등의 유입수를 삼투막을 통해 여과하여 1차 처리수를 생산하는 역할을 하는 것으로서, 이때, 삼투막 모듈(78)은 역삼투 과정과 정삼투 과정을 모두 유도하는 기능을 수행한다.
이와 같이, 삼투막 모듈(78) 내에서 역삼투와 정삼투 과정이 모두 진행된다는 것은 유입수의 여과 경로가 역삼투와 정삼투로 분산되는 것을 의미하며, 일정량의 유입수를 처리하는 경우 역삼투 이외에 정삼투에 의해 유입수의 일부가 처리됨에 따라 모든 유입수를 역삼투 과정만을 통해 처리하는 종래 기술에 대비하여 역삼투 과정에 요구되는 압력을 최소화할 수 있다.
또한, 삼투막 모듈(78)에 있어서, 역삼투 과정은 고압펌프(71)를 통해 고압의 유입수를 삼투막 모듈(78)에 공급함으로써 유도되며, 정삼투 과정은 유입수와 정삼투 유도용액 사이의 농도 차이에 의해 유도된다.
상기 정삼투 과정에서, 유입수와 정삼투 유도용액은 삼투막을 기준으로 공간적으로 분리되며, 유입수와 정삼투 유도용액 사이의 농도 차이에 의해 발생하는 삼투압에 의하여 유입수가 여과된다. 이때, 정삼투 유도를 위해 상기 정삼투 유도용액의 용존이온농도는 유입수의 용존이온농도보다 높아야 한다.
염 분리수단(72)은 삼투막 모듈(78)에 의해 여과된 1차 처리수를 대상으로 2차 처리수와 염으로 분리한다. 이러한 염 분리수단(72)은 1차 처리수 내에 포함된 염의 종류에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
정삼투 유도용액 공급수단(73)은 유입수보다 높은 용존이온농도를 갖는 정삼투 유도용액을 삼투막 모듈(78)에 공급하는 역할을 한다. 이때, 정삼투 유도용액은 일정 수준의 용존이온농도를 유지한다.
에너지 회수수단(74)은 상기 염 분리수단(72)으로부터 배출되는 2차 처리수의 압력을 회수하여 고압 상태로 저압 역삼투막 모듈(75)에 공급하는 역할을 한다. 여기서, 도면부호 76 및 77은 역압 밸브를 나타낸다.
종래의 기술에 따른 역삼투압 및 정삼투압의 이중 삼투압 장치의 경우, 역삼투 및 정삼투가 병행됨에 따라, 역삼투에 필요한 유입수의 압력을 낮출 수 있고, 이와 함께 삼투막 단위면적 담수 생산효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 별도의 저압 역삼투막 모듈을 통해 잔존하는 미량의 염을 효율적으로 제거할 수 있다.
한편, 급속한 도시화와 산업화에 따라 깨끗한 물에 대한 수요가 크게 증가되고 있는 반면에 수질환경 오염 및 수자원의 고갈로 인하여 물 부족 문제가 심각해지고 있다. 이런 상황에서 용수원의 추가 확보는 중요한 문제로 대두되고 있다.
새로운 용수원으로 이용 가능한 방안으로는 지하수 개발, 해수의 담수화, 중수도를 포함하는 하수처리수의 재이용 방안 등을 들 수 있는데, 현 단계에서 채택할 수 있는 방안으로는 기본적인 물 사용량의 절감을 전제로 한 하수처리수의 재이용 방안이 가장 타당성하다고 할 수 있다.
또한, 하수처리수는 고도처리 공법의 도입에 따라 2006년 평균 BOD가 6.9 mg/L로 수질이 양호하고, 연간 65억톤이라는 막대한 양이 발생하므로, 각종 용수로 재이용할 경우, 물 수급의 지역적인 불균형을 완화할 수 있으며, 농업용수 확보, 하천유지용수 공급으로 건천화된 도심하천의 생태계 회복 및 상수도 미보급 지역의 용수확보가 가능하다(환경부 2009). 따라서 막대한 양의 하수처리수를 하천으로 직방류하지 않고 다양한 용도로 재이용할 경우, 유입 부하량 감소로 하천의 수질개선을 도모할 수 있으며, 특히 수질오염총량관리제 시행지역에서는 가장 효과적인 오염부하량 삭감수단이 될 수 있다.
또한, 수돗물 사용량 및 댐 주변지역 지원비 절감 등의 사회적 편익과 저렴한 재이용수 공급으로 비용절감 및 경쟁력을 높일 수 있다. 그러나 2007년말 기준으로 전체 재이용수(6.4억톤)중 57.9%가 하수처리장 장내용수로 재이용되고 있으며, 나머지는 농업용수, 하천유지용수 등으로 재이용되고 있으며 공업용수는 1.5%(0.1억톤)에 불과한 실정이다(환경부 2009). 이러한 하수처리수의 재이용이 새로운 용수원으로 자리잡기 위해서는 청소수, 세척수 등 주로 세척용수 용도에서 벗어나 공업용수, 간접취수원 공급 용수, 생활용수 등 구체적인 기능을 지닌 수자원으로 활용되어야 한다. 이를 위해서는 재이용수에 대한 낮은 신뢰도와 경제성 부족을 극복해야만 실질적으로 새로운 용수원으로 자리잡을 수 있을 것이다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 정삼투 공정은 수압 대신에 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고, 삼투막 표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고, 세정 효과가 양호한, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 세척 용도로 사용되는 하수처리수를 해수담수화를 위한 용도로 사용하기 때문에 하수처리수의 재이용률을 향상시킬 수 있는, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 정삼투 공정을 통해 유도용액으로 사용된 해수의 TDS 농도가 크게 낮아져 삼투압이 감소하기 때문에 역삼투 공정에서 높은 회수율과 고플럭스로 운전이 가능한, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 해양환경에 큰 문제점을 발생시킬 수 있는 역삼투 공정의 농축수가 해수와 비슷한 농도로 배출되기 때문에 별도의 농축수 처리 시설의 설치 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있는, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치, 이를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치는, 정삼투막 유닛 및 역삼투막 유닛을 사용하는 조합형 해수담수화 장치에 있어서, 정삼투막 유닛의 유입수로 사용되는 다중수원 유입수를 저장하는 다중수원 처리수 저장조; 삼투압 구배에 의한 정삼투 현상으로 상기 다중수원 처리수에 포함된 오염물질들을 제거하고, 순수한 물만을 해수 유도용액에 유입시켜 해수의 총용존 고형물(TDS)의 농도를 낮추는 정삼투막 유닛; 상기 정삼투막 유닛의 후단에 설치되며, 상기 정삼투막 유닛을 통과한 해수 유도용액 전량을 공급받아 해수담수화 처리를 수행하는 역삼투막 유닛; 및 상기 역삼투막 유닛을 통과한 여과수를 저장하여 방류하는 여과수 저장조를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치는, 상기 정삼투막 유닛에 유입수로 공급되는 다중수원 처리수에 포함된 물만 삼투막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 유입수보다 높은 고농도의 해수 유도용액을 상기 정삼투막 유닛에 공급하기 위한 유도용액 투입장치를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수일 수 있다.
본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치는, 상기 정삼투 유닛으로 유입되어 처리된 하수처리수를 하수처리장으로 반송하기 위한 하수처리수 순환펌프를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치는, 상기 다중수원 처리수 저장조, 상기 정삼투막 유닛, 상기 역삼투막 유닛 및 상기 여과수 저장조에 설치되어 각각의 총용존 고형물(TDS)의 농도를 측정하는 TDS 계측기; 및 상기 다중수원 처리수 저장조, 상기 정삼투막 유닛, 상기 역삼투막 유닛 및 상기 여과수 저장조에 설치되어 각각의 유량을 측정하는 유량계를 추가로 포함할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템은, 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어시스템에 있어서, 다중수원 처리수 저장조와 정삼투막 유닛, 역삼투막 유닛 및 여과수 저장조 각각에 설치되어 유입된 다중수원 처리수 및 해수의 총용존 고형물(TDS)을 각각 계측하는 각각의 TDS 계측기 및 유량계를 통해 계측된 유량인자, 수질인자 및 정삼투막 공정 운전인자를 수집하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부로부터 유량인자, 수질인자 및 공정 운전인자를 전달받아, 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합하여 처리하고자 하는 다중수원 처리수 및 해수의 수질 및 유량을 설정하고, 역삼투막 유닛의 운전압력을 결정하는 모델예측 제어부; 및 상기 모델예측 제어부에서 결정된 운전압력에 대한 오차를 계산하여 보정하는 피드백 제어부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수일 수 있다.
여기서, 상기 모델예측 제어부는, 상기 데이터 수집부로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 삼투압 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 상기 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압을 결정하는 모델 입력부; 상기 결정된 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압과 상기 다중수원 처리수의 유입 유량에 따라 정삼투막 유닛 생산수량 및 수질, 유도용액의 유입량을 결정하는 제1 수치해석 연산부; 역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델의 결합 모델식을 사용하여 최종처리수의 유량 및 수질을 만족시킬 수 있는 운전압력을 결정하는 제2 수치해석 연산부; 및 상기 제1 및 제2 수치해석 연산부에 의하여 산출된 운전압력의 예측값과 실제 데이터를 검증하는 모델 출력부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 피드백 제어부는, 상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량에 대한 오차를 계산하는 오차계산부; 및 상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량이 정삼투막 공정 구동에 필요한 충분한 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대로 적정한 해수 유도용액 유량의 변동량을 산출하는 피드백 연산부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모델예측 제어부는 용해확산 모델과 농도분극 모델을 미리 내장된 수치해석연산 프로그램을 통하여 해수 유도용액의 유입량, 정삼투 공정의 처리수 수질 및 유량, 미리 설정된 최종처리수의 유량 및 수질을 만족시키기 위한 역삼투 공정의 운전압력을 예측하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모델 출력부에서 출력되는 정삼투 공정의 유도용액의 유량, 처리 수질과 유량 및 역삼투 공정의 운전압력은 검증부에서 실제 데이터와 상관분석을 통하여 적합성을 판단하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 모델 입력부의 삼투압(π) 모델식은,
여기서, 상기 농도분극 모델과 용해확산 모델의 결합 모델식은,
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법은, 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어방법에 있어서, a) 최종 처리수의 유량 및 수질을 결정한 후, 정삼투막 공정의 유입수인 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 측정하는 단계; b) 상기 측정된 TDS를 삼투압 모델식을 사용하여 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 삼투압을 결정하는 단계; c) 순수투과도 및 해수 유도용액의 농도별 투과실험을 통해 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 물질전달계수(A, B), 역삼투막의 내부 농도분극계수(
) 및 외부 농도분극계수( 
)를 결정한 후, 정삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식에 의해 목표수량 및 수질을 만족시키기 위한 유도용액의 유량을 계산하는 단계; d) 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 사용하여 정삼투 유닛에서 삼투현상에 의해 희석된 유도용액을 유입수로 하여, 최종처리수의 수질 및 유량을 만족시키기 위한 운전압력을 계산하는 단계; e) 상기 미리 설정한 최종처리수의 유량 및 수질의 값을 만족시키기 위해 수치해석 연산부에 의해 계산된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; f) 상기 결정된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하지 않는 경우, 상기 해수 유도용액의 유량 및 운전압력을 결정하는 단계; 및 g) 상기 결정된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하는 경우, 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 유입유량 변동이 가능한지를 판단하여, 변동 가능하면 상기 c) 단계로 진행하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법은, h) 상기 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 유입유량 변동이 가능하지 않은 경우, 경보를 발생하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 b) 단계의 삼투압(π) 모델식은,
여기서, 상기 c) 단계의 정삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식은,
여기서, 상기 d) 단계의 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식은,
본 발명에 따르면, 정삼투 공정은 수압 대신에 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고, 삼투막 표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고, 세정 효과가 양호하다.
본 발명에 따르면, 세척 용도로 사용되는 하수처리수를 해수담수화를 위한 용도로 사용하기 때문에 하수처리수의 재이용률을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 정삼투 공정을 통해 유도용액으로 사용된 해수의 TDS 농도가 크게 낮아져 삼투압이 감소하기 때문에 역삼투 공정에서 높은 회수율과 고플럭스로 운전이 가능하다.
본 발명에 따르면, 해양환경에 큰 문제점을 발생시킬 수 있는 역삼투 공정의 농축수가 해수와 비슷한 농도로 배출되기 때문에 별도의 농축수 처리 시설의 설치 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치의 구성도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 정삼투압 방식의 해수담수화 장치를 예시하는 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 역삼투압 및 정삼투압의 이중 삼투압 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법의 동작흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템이 구현된 화면을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 정삼투압 방식의 해수담수화 장치를 예시하는 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 역삼투압 및 정삼투압의 이중 삼투압 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법의 동작흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템이 구현된 화면을 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치(100)는, 정삼투막 유닛 및 역삼투막 유닛을 사용하는 조합형 해수담수화 장치로서, 하수처리수 저장조(110), 제1 내지 제3 순환 펌프(121~123), 제1 내지 제6 TDS 계측기(131~136), 제1 내지 제6 유량계(141~146), 정삼투압 유닛(Forward Osmosis Unit: 150), 역삼투압 유닛(Reverse Osmosis Unit: 160) 및 여과수 저장조(170)를 포함한다.
하수처리수 저장조(110)는 정삼투막 유닛의 유입수로 사용되는 다중수원 유입수를 저장한다. 여기서, 상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
제1 내지 제6 TDS 계측기(131~136)는 상기 다중수원 처리수 저장조(110), 상기 정삼투막 유닛(150), 상기 역삼투막 유닛(160) 및 상기 여과수 저장조(170)에 설치되어 각각의 총용존 고형물(Total Dissolved Solids: TDS)의 농도를 측정한다.
제1 내지 제6 유량계(141~146)는 상기 다중수원 처리수 저장조(110), 상기 정삼투막 유닛(150), 상기 역삼투막 유닛(160) 및 상기 여과수 저장조(170)에 설치되어 각각의 유량을 측정한다.
정삼투압 유닛(150)은 삼투압 구배에 의한 정삼투 현상으로 상기 다중수원 처리수에 포함된 오염물질들을 제거하고, 순수한 물만을 해수 유도용액에 유입시켜 해수의 총용존 고형물(TDS)의 농도를 낮춘다.
역삼투압 유닛(160)은 상기 정삼투막 유닛의 후단에 설치되며, 상기 정삼투막 유닛을 통과한 해수 유도용액 전량을 공급받아 해수담수화 처리를 수행한다.
여과수 저장조(170)는 상기 역삼투막 유닛(160)을 통과한 여과수를 저장하여 방류한다.
유도용액 투입장치(180)는 상기 정삼투막 유닛(150)에 유입수로 공급되는 다중수원 처리수에 포함된 물만 삼투막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 유입수보다 높은 고농도의 해수 유도용액을 상기 정삼투막 유닛(150)에 공급한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치(100)는, 제1 내지 제3 순환 펌프(121~123)를 포함할 수 있고, 또한, 상기 정삼투 유닛으로 유입되어 처리된 하수처리수를 하수처리장으로 반송하기 위한 하수처리수 순환펌프를 포함할 수 있다.
구체적으로, 하수처리수 저장조(110) 후단에 설치된 정삼투막 유닛(150)에서 하수 유도용액에 의해 삼투 현상을 발생시키는 삼투압이 발생되고, 이로 인해 정삼투막 유닛(150)에서 다중수원 유입수인 하수처리수에 포함된 오염물질들을 제거시키고, 순수한 물만을 하수 유도용액으로 유도하여 하수 유도용액의 TDS 농도를 낮추고, 정삼투막 유닛(150)에서 처리된 유도용액은 전량 역삼투막 유닛(160)의 유입수로 이송되어 고회수율로 해수담수화를 수행하며, 이때, 정삼투 공정에서 처리된 하수처리수는 하수처리장으로 재이송될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치에 따르면, 정삼투막과 역삼투막으로 구성된 양방향 삼투기술에 의해서 해수를 담수화시킴으로써, 기존 역삼투막 공정의 한계인 회수율을 향상시키고, 역삼투막의 농축수를 유입 해수의 TDS 농도범위로 하여 배출할 수 있다. 이때, 정삼투막 유닛(150)의 유입수는 하수처리수 단독 또는 빗물, 지하수 및 하수처리수로 구성된 다중수원으로 사용하고, 정삼투막의 유도용액은 해수를 사용함으로써, 유입수와 유도용액의 삼투압 차에 의하여 유입수의 오염물질은 정삼투막 유닛(150)에서 제거하고, 처리수는 유도용액인 해수로 유도하여 해수의 TDS 농도를 낮추고, 이후 정삼투막의 생산수는 역삼투막을 통해 음용수를 수준의 안전한 물만을 분리하며, 이때의 역삼투막의 농축수는 유입해수 범위로 하여 별도의 농축수 처리 없이 해양을 방류하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템의 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템(200)은, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템은, 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어 시스템으로서, 데이터 수집부(210), 모델예측 제어부(220) 및 피드백 제어부(230)를 포함하며, 상기 모델예측 제어부(220)는 모델 예측부(221), 제1 수치해석 연산부(222), 제2 수치해석 연산부(223) 및 모델 출력부(224)를 포함하고, 상기 피드백 제어부(230)는 운전압력 오차 계산부(231) 및 피드백 연산부(232)를 포함한다.
데이터 수집부(210)는 다중수원 처리수 저장조와 정삼투막 유닛, 역삼투막 유닛 및 여과수 저장조 각각에 설치되어 유입된 다중수원 처리수 및 해수의 총용존 고형물(TDS)을 각각 계측하는 각각의 TDS 계측기 및 유량계를 통해 계측된 유량인자, 수질인자 및 정삼투막 공정 운전인자를 수집한다. 여기서, 상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수일 수 있다.
모델예측 제어부(220)는 상기 데이터 수집부(210)로부터 유량인자, 수질인자 및 공정 운전인자를 전달받아, 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합하여 처리하고자 하는 다중수원 처리수 및 해수의 수질 및 유량을 설정하고, 역삼투막 유닛의 운전압력을 결정한다. 즉, 상기 모델예측 제어부(220)는 후술할 용해확산 모델과 농도분극 모델을 미리 내장된 수치해석연산 프로그램을 통하여 해수 유도용액의 유입량, 정삼투 공정의 처리수 수질 및 유량, 미리 설정된 최종처리수의 유량 및 수질을 만족시키기 위한 역삼투 공정의 운전압력을 예측하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 모델예측 제어부(220)의 모델 예측부(221)는 상기 데이터 수집부로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 삼투압 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 상기 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압을 결정한다.
상기 모델예측 제어부(220)의 제1 수치해석 연산부(222)는 상기 결정된 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압과 상기 다중수원 처리수의 유입 유량에 따라 정삼투막 유닛 생산수량 및 수질, 유도용액의 유입량을 결정한다.
상기 모델예측 제어부(220)의 제2 수치해석 연산부(223)는 역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델의 결합 모델식을 사용하여 최종처리수의 유량 및 수질을 만족시킬 수 있는 운전압력을 결정한다.
상기 모델예측 제어부(220)의 모델 출력부(224)는 상기 제1 및 제2 수치해석 연산부에 의하여 산출된 운전압력의 예측값과 실제 데이터를 검증하여 출력한다. 즉, 상기 모델 출력부(224)에서 출력되는 정삼투 공정의 유도용액의 유량, 처리 수질과 유량 및 역삼투 공정의 운전압력은 검증부에서 실제 데이터와 상관분석을 통하여 적합성을 판단하게 된다.
또한, 피드백 제어부(230)는 상기 모델예측 제어부에서 결정된 운전압력에 대한 오차를 계산하여 보정한다.
구체적으로, 상기 피드백 제어부(230)의 운전압력 오차 계산부(231)는 상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량에 대한 오차를 계산한다.
상기 피드백 제어부(230)의 피드백 연산부(232)는 상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량이 정삼투막 공정 구동에 필요한 충분한 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대로 적정한 해수 유도용액 유량의 변동량을 산출한다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법의 동작흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법은, 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법은, 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어 방법이다.
먼저, 먼저, 최종처리수의 유량 및 수질을 결정하고(S110), 하수처리수 및 해수의 총용존 고형물(Total Dissolved Solids: TDS)을 측정한다(S120). 즉, 최종 처리수의 유량 및 수질을 결정한 후, 정삼투막 공정의 유입수인 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 측정한다.
다음으로, 상기 측정된 TDS를 다음의 수학식 1의 삼투압 모델식을 사용하여 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 삼투압을 결정한다(S130).
하수처리수 및 해수의 삼투압을 TDS를 통해 결정하기 위한 삼투압 모델식은 다음의 수학식 1과 같다.
다음으로, 순수투과도 및 유도용액 농도별 투과실험을 통해 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 여과계수(A, B), 내부농도 분극계수(
) 및 외부농도 분극계수(
)를 수학식 2 및 3에 적용하여 유도용액의 유입유량과 정삼투 공정의 처리수의 유량 및 수질을 결정한다(S140). 즉, 순수투과도 및 해수 유도용액의 농도별 투과실험을 통해 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 물질전달계수(A, B), 역삼투막의 내부 농도분극계수(
) 및 외부 농도분극계수(
)를 결정한 후, 정삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식에 의해 목표수량 및 수질을 만족시키기 위한 유도용액의 유량을 계산한다.
구체적으로, 정삼투막 공정의 생산수량(
), 수질(
) 및 유도용액의 유입량(
)을 결정하기 위한 농도분극(Concentration Polarization) 모델과 용해확산(Solution Diffusion) 모델이 결합된 모델식은 각각 수학식 2 및 3과 같다.
여기서, 
는 정삼투 공정에서의 생산수량, 
는 생산수의 투과플럭스, 
는 용질의 투과플럭스, 
는 물의 여과계수, 
는 용질의 여과계수, 
는 유도용액의 삼투압, 
는 유입 하수처리수의 삼투압, 
는 내부농도 분극계수, 
는 외부농도 분극계수, 
는 정삼투 공정에서의 유도용액의 유입량, 
는 여과수내 용질의 농도, 
는 막유입수내 용질의 농도를 각각 나타낸다.
다음으로, 후술할 수학식 4 및 5의 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 사용하여 처음 설정한 최종처리수의 유량 및 수질을 만족시킬 수 있는 운전압력을 결정한다(S150). 즉, 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 사용하여 정삼투 유닛에서 삼투현상에 의해 희석된 유도용액을 유입수로 하여, 최종처리수의 수질 및 유량을 만족시키기 위한 운전압력을 계산한다.
구체적으로, 최종처리수의 수질 및 유량을 만족시키기 위한 역삼투 공정의 운전압력(
)을 결정하기 위한 역삼투 공정의 예측제어를 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델이 결합된 모델식은 다음의 수학식 4 및 5와 같다.
여기서, 
는 운전압력, 
은 막표면에서의 염농도에 의한 삼투압, 
는 생산수의 투과플럭스, 
는 용질의 투과플럭스, 
는 물의 여과계수, 
는 용질의 여과계수, 
는 막간차압, 
는 삼투압, 
는 막표면에서 용질의 농도, 
는 여과수내 용질의 농도, 
는 막유입수내 용질의 농도 및 
는 물질전달계수를 각각 나타낸다.
다음으로, 상기 결정된 운전압력이 역삼투막의 최대 운전압력을 초과하지 않는지 여부를 판단한다(S160). 즉, 상기 미리 설정한 최종처리수의 유량 및 수질의 값을 만족시키기 위해 수치해석 연산부에 의해 계산된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하는지 여부를 판단한다.
다음으로, 상기 운전압력이 최대 운전압력을 초과하지 않은 경우 , 상기 결정된 운전압력으로 운전을 수행한다(S170).
다음으로, 상기 결정된 운전압력이 최대운전압력을 초과하는 경우, 다중수원인 하수처리수 및 해수 유도용액의 유입유량 변동이 가능한지 여부를 판단하고(S180), 변동이 불가능한 경우 경보를 발생하도록 한다(S190).
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템이 구현된 화면을 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템이 구현된 화면(300)은, 정삼투(310), 역삼투(320), 시뮬레이션(330) 및 결과(340)로 구분된다.
예를 들면, 상기 정삼투(310)는 유입수(311), 유도용액(312), 멤브레인(313) 및 구성(314)로 이루어지고, 상기 역삼투(320)는 유입수(321), 멤브레인(322) 및 동작 조건(323)으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 회수율 향상을 위해 하수처리수를 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 해수담수화장치 및 모델 예측제어에 의한 유도용액 유량 및 운전압력의 결정 방법에 관한 결과를 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따르면, 정삼투 공정은 수압 대신에 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고, 삼투막 표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고, 세정 효과가 양호하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 세척 용도로 사용되는 하수처리수를 해수담수화를 위한 용도로 사용하기 때문에 하수처리수의 재이용률을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 정삼투 공정을 통해 유도용액으로 사용된 해수의 TDS 농도가 크게 낮아져 삼투압이 감소하기 때문에 역삼투 공정에서 높은 회수율과 고플럭스로 운전이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 해양환경에 큰 문제점을 발생시킬 수 있는 역삼투 공정의 농축수가 해수와 비슷한 농도로 배출되기 때문에 별도의 농축수 처리 시설의 설치 없이 바로 바다로 배출시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 정삼투/역삼투 조합형 해수담수화 장치
110: 하수처리수 저장조
121, 122, 123; 제1 내지 제3 순환 펌프
131~136: 제1 내지 제6 TDS 계측기
141~146: 제1 내지 제6 유량계
150: 정삼투압 유닛(Forward Osmosis Unit)
160: 역삼투압 유닛(Reverse Osmosis Unit)
170: 여과수 저장조
200: 삼투막 공정 제어 시스템
210: 데이터 수집부
220: 모델예측 제어부
230: 피드백 제어부
221: 모델 예측부
222: 제1 수치해석 연산부
223: 제2 수치해석 연산부
224: 모델 출력부
231: 운전압력 오차 계산부
232: 피드백 연산부
110: 하수처리수 저장조
121, 122, 123; 제1 내지 제3 순환 펌프
131~136: 제1 내지 제6 TDS 계측기
141~146: 제1 내지 제6 유량계
150: 정삼투압 유닛(Forward Osmosis Unit)
160: 역삼투압 유닛(Reverse Osmosis Unit)
170: 여과수 저장조
200: 삼투막 공정 제어 시스템
210: 데이터 수집부
220: 모델예측 제어부
230: 피드백 제어부
221: 모델 예측부
222: 제1 수치해석 연산부
223: 제2 수치해석 연산부
224: 모델 출력부
231: 운전압력 오차 계산부
232: 피드백 연산부
Claims (18)
- 정삼투막 유닛 및 역삼투막 유닛을 사용하는 조합형 해수담수화 장치에 있어서,
정삼투막 유닛의 유입수로 사용되는 다중수원 유입수를 저장하는 다중수원 처리수 저장조;
삼투압 구배에 의한 정삼투 현상으로 상기 다중수원 처리수에 포함된 오염물질들을 제거하고, 순수한 물만을 해수 유도용액에 유입시켜 해수의 총용존 고형물(TDS)의 농도를 낮추는 정삼투막 유닛;
상기 정삼투막 유닛의 후단에 설치되며, 상기 정삼투막 유닛을 통과한 해수 유도용액 전량을 공급받아 해수담수화 처리를 수행하는 역삼투막 유닛; 및
상기 역삼투막 유닛을 통과한 여과수를 저장하여 방류하는 여과수 저장조
를 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치. - 제1항에 있어서,
상기 정삼투막 유닛에 유입수로 공급되는 다중수원 처리수에 포함된 물만 삼투막을 통과하는 순흐름을 유도하기 위해 상기 유입수보다 높은 고농도의 해수 유도용액을 상기 정삼투막 유닛에 공급하기 위한 유도용액 투입장치를 추가로 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수인 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치. - 제3항에 있어서,
상기 정삼투 유닛으로 유입되어 처리된 하수처리수를 하수처리장으로 반송하기 위한 하수처리수 순환펌프를 추가로 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치. - 제1항에 있어서,
상기 다중수원 처리수 저장조, 상기 정삼투막 유닛, 상기 역삼투막 유닛 및 상기 여과수 저장조에 설치되어 각각의 총용존 고형물(TDS)의 농도를 측정하는 TDS 계측기; 및
상기 다중수원 처리수 저장조, 상기 정삼투막 유닛, 상기 역삼투막 유닛 및 상기 여과수 저장조에 설치되어 각각의 유량을 측정하는 유량계
를 추가로 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 정삼투와 역삼투의 조합형 해수담수화 장치. - 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어시스템에 있어서,
다중수원 처리수 저장조와 정삼투막 유닛, 역삼투막 유닛 및 여과수 저장조 각각에 설치되어 유입된 다중수원 처리수 및 해수의 총용존 고형물(TDS)을 각각 계측하는 각각의 TDS 계측기 및 유량계를 통해 계측된 유량인자, 수질인자 및 정삼투막 공정 운전인자를 수집하는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부로부터 유량인자, 수질인자 및 공정 운전인자를 전달받아, 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합하여 처리하고자 하는 다중수원 처리수 및 해수의 수질 및 유량을 설정하고, 역삼투막 유닛의 운전압력을 결정하는 모델예측 제어부; 및
상기 모델예측 제어부에서 결정된 운전압력에 대한 오차를 계산하여 보정하는 피드백 제어부
를 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 다중수원 유입수는 하수처리수, 빗물 또는 지하수인 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 모델예측 제어부는,
상기 데이터 수집부로부터 제공된 수질인자 및 공정인자를 전달받아 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 삼투압 모델식을 사용하여 삼투압으로 변환하여 상기 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압을 결정하는 모델 입력부;
상기 결정된 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 삼투압과 상기 다중수원 처리수의 유입 유량에 따라 정삼투막 유닛 생산수량 및 수질, 유도용액의 유입량을 결정하는 제1 수치해석 연산부;
역삼투 공정 예측제어를 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델의 결합 모델식을 사용하여 최종 처리수의 유량 및 수질을 만족시킬 수 있는 운전압력을 결정하는 제2 수치해석 연산부; 및
상기 제1 및 제2 수치해석 연산부에 의하여 산출된 운전압력의 예측값과 실제 데이터를 검증하는 모델 출력부
를 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 피드백 제어부는,
상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량에 대한 오차를 계산하는 오차계산부; 및
상기 제1 수치해석 연산부를 통해 계산된 해수 유도용액의 유량이 정삼투막 공정 구동에 필요한 충분한 삼투압으로 작용할 수 있도록 상기 오차계산부에서 산출된 값을 토대로 적정한 해수 유도용액 유량의 변동량을 산출하는 피드백 연산부
를 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 모델예측 제어부는 용해확산 모델과 농도분극 모델을 미리 내장된 수치해석연산 프로그램을 통하여 해수 유도용액의 유입량, 정삼투 공정의 처리수 수질 및 유량, 미리 설정된 최종 처리수의 유량 및 수질을 만족시키기 위한 역삼투 공정의 운전압력을 예측하는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 모델 출력부에서 출력되는 정삼투 공정의 유도용액의 유량, 처리 수질과 유량 및 역삼투 공정의 운전압력은 검증부에서 실제 데이터와 상관분석을 통하여 적합성을 판단하는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 모델 입력부의 삼투압(π) 모델식은,
로 주어지는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 농도분극 모델과 용해확산 모델의 결합 모델식은,
,
로 주어지고, 여기서,는 운전압력,
은 막표면에서의 염농도에 의한 삼투압,
는 생산수의 투과플럭스,
는 용질의 투과플럭스,
는 물의 여과계수,
는 용질의 여과계수,
은 막표면에서 용질의 농도,
는 여과수내 용질의 농도,
는 막유입수내 용질의 농도,
는 물질전달계수를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템.
- 다중수원 처리수를 유입수로 이용하고 해수를 유도용액으로 이용하는 정삼투와 역삼투 조합형 양방향 삼투에 의한 해수담수화장치에 적용되는 삼투막 공정제어방법에 있어서,
a) 최종 처리수의 유량 및 수질을 결정한 후, 정삼투막 공정의 유입수인 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 총용존 고형물(TDS)을 측정하는 단계;
b) 상기 측정된 TDS를 삼투압 모델식을 사용하여 다중수원 처리수와 해수 유도용액의 삼투압을 결정하는 단계;
c) 순수투과도 및 해수 유도용액의 농도별 투과실험을 통해 미리 결정된 정삼투막과 역삼투막의 물질전달계수(A, B), 역삼투막의 내부 농도분극계수() 및 외부 농도분극계수(
)를 결정한 후, 정삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식에 의해 목표수량 및 수질을 만족시키기 위한 유도용액의 유량을 계산하는 단계;
d) 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 사용하여 정삼투 유닛에서 삼투현상에 의해 희석된 유도용액을 유입수로 하여, 최종처리수의 수질 및 유량을 만족시키기 위한 운전압력을 계산하는 단계;
e) 상기 미리 설정한 최종처리수의 유량 및 수질의 값을 만족시키기 위해 수치해석 연산부에 의해 계산된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하는지 여부를 판단하는 단계;
f) 상기 결정된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하지 않는 경우, 상기 해수 유도용액의 유량 및 운전압력을 결정하는 단계; 및
g) 상기 결정된 운전압력이 최대 운전압력을 초과하는 경우, 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 유입유량 변동이 가능한지를 판단하여, 변동 가능하면 상기 c) 단계로 진행하는 단계
를 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법. - 제14항에 있어서,
h) 상기 다중수원 처리수 및 해수 유도용액의 유입유량 변동이 가능하지 않은 경우, 경보를 발생하는 단계를 추가로 포함하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법. - 제14항에 있어서,
상기 b) 단계의 삼투압(π) 모델식은,
로 주어지는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법. - 제14항에 있어서,
상기 c) 단계의 정삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식은,
,
로 주어지고, 여기서,는 정삼투 공정에서의 생산수량,
는 여과수내 용질의 농도,
는 생산수의 투과플럭스 ,
는 용질의 투과플럭스,
는 물의 여과계수,
는 용질의 여과계수,
는 유도용액의 삼투압,
는 유입하수처리수의 삼투압,
는 내부농도 분극계수,
는 외부농도 분극계수,
는 정삼투 공정에서의 유도용액의 유입량을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 d) 단계의 역삼투막을 위한 농도분극 모델과 용해확산 모델을 결합한 모델식은,
,
로 주어지고, 여기서,는 운전압력,
은 막표면에서의 염농도에 의한 삼투압,
는 생산수의 투과플럭스,
는 용질의 투과플럭스,
는 물의 여과계수,
는 용질의 여과계수,
은 막표면에서 용질의 농도,
는 여과수내 용질의 농도,
는 막유입수내 용질의 농도,
는 물질전달계수를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110141983A KR101394237B1 (ko) | 2011-12-26 | 2011-12-26 | 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110141983A KR101394237B1 (ko) | 2011-12-26 | 2011-12-26 | 다중수원 유입수 및 해수 유도용액을 이용한 해수담수화를 위한 삼투막 공정제어 시스템 및 그 방법 |
Publications (2)
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