KR20130135324A - 산업적 목적에 이용되는 수처리 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
산업 공정에 이용되는, 저비용으로 물을 처리하는 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 시스템은 일반적으로 적어도 하나의 컨테이닝 수단, 적어도 하나의 조정 수단, 적어도 하나의 화학물질 적용 수단, 적어도 하나의 이동식 흡입 수단, 및 적어도 하나의 여과 수단을 포함한다. 조정 수단은 시스템 요구에 따라(예를 들어, 물 품질 또는 순도) 필요한 공정을 제어할 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템은 전체적인 수량을 여과할 필요 없이, 통상적인 수처리 여과 시스템에 의해 여과되는 흐름보다 200배까지 더 작은 부분만을 여과함으로써 물을 정화하고 부유하는 고체를 제거한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 미국을 제외한 모든 나라에 대하여 출원인으로 지정되는 미국 기업인 Crystal Lagoons Corporation LLC, 및 칠레 국민인 Fernando Fischmann T.의 명칭으로 PCT 국제출원으로서 2011년 9월 12일에 출원되며, 참조로서 본 명세서에 포함되는, 2011년 3월 30일에 출원된 미국 가출원 제61/469,537호 및 2011년 8월 1일에 출원된 미국 실용신안출원 제13/136,474호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명은 수처리를 위한 저비용의 방법 및 시스템에 관한 것으로 이는 산업 공정(industrial process)에 이용될 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템은 전체 수량(water volume)을 여과할 필요 없이 통상적인 수처리 여과 시스템에 의하여 여과되는 흐름 보다 200배까지 더 작은 소부분만을 여과함으로써 물을 정화하고, 부유하는 고체를 제거한다.
높은 투명도를 갖는 미생물학적 품질이 높은 물은 많은 산업계의 공정에 현재 요구되는 드문 자원이다. 그러한 물을 얻기 위한 처리는 대규모의 투자 및 작동 비용을 수반하며, 그 방법은 복잡하고 오늘날까지 효과적으로 해결되지 않고 있는 많은 문제점이 존재한다. 또한, 이러한 방법은 다량의 에너지와 화학물질을 소비하기 때문에, 환경에 심각한 해를 입히게 된다. 특히, 그 중에서도 부유하는 고체, 금속, 조류, 및 박테리아와 같은 물에 함유되어 있는 불순물을 제거하는 것은 물의 전체량을 여과시키는 값비싸고 복잡한 여과 시스템의 설치를 필요로 하므로, 높은 에너지 소비, 높은 화학물질 및 재료 요구량 및 이러한 방법을 방해하는 다른 자원을 나타내게 된다.
미생물학적 품질이 높은 물은 특히 역 삼투 담수화 공정(reverse osmosis desalination processes), 수경 재배(aquaculture)에 이용되는 물의 처리, 음료수 산업을 위한 물의 처리 및 유지, 산업적인 액체 잔류물의 처리, 또는 광업에 있어서 물의 전처리(pretreatment)와 같은 몇몇 중요한 공정에 있어서 요구된다. 본 발명의 매우 저비용으로 높은 미생물학적 품질 및 투명도를 갖는 물은 높은 물리화학적 및 미생물학적 품질의 물을 필요로 하는 다른 산업 공정에도 이용될 수 있다.
담수화
담수화 산업은 기하급수적으로 성장하고 있으며, 미래에 매우 중요하게 될 것이므로, 현재 담수화 방법의 향상을 다루데 있어서 몇몇 이유가 있다. 전세계적으로 이용가능한 전체 물로부터, 그의 97%는 해수에 해당한다. 이용가능한 잔류 3%의 담수로부터, 2.1%는 극지방에 얼어 있으며, 0.9%가 인간이 소비하는데 이용가능하며, 이는 강, 호수에서, 또는 지하수로서 발견된다. 인간 소비를 위한 담수의 제한된 이용가능성은 세계 인구 증가 및 문화적 변화와 함께 커지고 있는 문제이다. 세계 인구의 약 40%는 이미 담수원에의 접근이 결여됨으로써 야기되는 문제를 겪고 있다.
따라서, 국제연합환경계획 (UNEP)이 경고한 바와 같이, 다음 50년 이내에 거의 30억명의 사람들이 심각한 물 부족을 겪게 될 것이다. 또한, 1999년에, UNEP는 지구 온난화와 함께 물 부족을 새천년에 있어서 가장 큰 문제로 확인하였다. 담수 자원은 자연적으로 보충될 수 있는 것보다 빠른 속도로 소비되고 있으며, 또한, 지하수 및 지표수의 오염 및 개발은 이용가능한 자연 자원의 양 및/또는 질을 저하시키는데 이르렀다. 인구 증가, 새로운 담수원의 부족 및 1인당 물 소비의 증가가 합쳐지면서, 수자원 가까이 위치한 나라 간에 지역적인 긴장감을 악화시키고 있다. 이러한 모든 상황에 의해 인류의 미래 수요를 만족시키기 위해서뿐 아니라, 물 부족이 야기할 수 있는 갈등을 방지하기 위하여, 물 이용성의 문제에 대한 해결책을 찾는 것이 불가피하다.
편리하게, 해수는 지구상의 가장 풍부한 자원이며, 항상 이용가능한 사실상 고갈되지 않는 염수의 근원이다. 따라서, 담수의 부족한 공급과 관련된 엄청난 문제를 해결하기 위하여, 최선의 해결책은 일반적인 소비를 위하여 담수를 공급하도록 해수를 처리하는 것이다. 대양에 포함된 해수의 거대한 이용성은 다양한 공정에 의하여 물에서 염을 제거하여 담수를 생산하기 위한 기술의 연구 및 개발에 이르렀다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 세계에서 가장 이용가능한 기술은 담수화 공정이다. 현재, 전세계적으로 약 130개국이 몇몇 형태의 담수화 공정을 시행하고 있으며, 2015년까지는 설치 용량이 2배가 될 것으로 예측된다.
가장 많이 이용되는 2종의 담수화 공정은 다음과 같다:
- 물 분자만을 증발시키고, 모든 염 및 용해된 미네랄은 남도록 하는 방식으로, 증류 공정으로서 물 증발을 이용하는 것. 이 공정은 열적 담수화로 칭해진다.
- 역 삼투 공정을 수행하고, 반투과성 막 상에 압력을 가함으로써 염으로부터 물을 분리하도록 하는 특별한 막을 이용하는 것. 이 공정은 역 삼투로 칭해진다.
이용되어야 하는 공정을 결정하기 위하여, 에너지 소비가 고려되어야 할 중요한 인자이다. 열적 담수화를 이용하여 1 ㎥의 물을 생산하기 위한 에너지 소비는 10 내지 15 kWh/㎥인 반면, 역 삼투 기술을 이용하는 공정은 약 5 kWh/㎥의 에너지를 소비하는 것으로 추정된다. 이는 열적 담수화가 증발을 필요로 하여 상 변화 공정에 더 많은 에너지가 필요하기 때문이며, 이에 의해 열적 담수화는 에너지 소비 측면에서 덜 효율적이다. 현행 규제들은 사화에 의해 요구되는 환경적 규제를 충족하면서 탄소 발자국 및 환경적 영향을 최소화하는 기술을 이용하여 공정의 전체 효율을 향상시키는 것을 요구한다.
전술한 기술의 발전 측면에서, 2005년 이래, 역 삼투 담수화 공장의 전세계적인 설치 용량은 열적 공장의 설치 용량을 초과하였다. 예상으로는, 2015년까지 세계의 담수화 용량은 역 삼투 공장에 62% 및 열적 담수화 공장에 38%로 분포될 것이다. 실제로, 역 삼투 기술을 이용하여 담수화 공장에서 담수를 생산하는 전세계적인 용량은 6년간 300% 넘게 증가하였다.
역 삼투는 물 분자만을 통과시키는 반투과성 막을 통하여 압력이 고농도의 염을 갖는 물 흐름에 가해지게 되는 공정이다. 이 때문에, 막의 다른 면에 남아 있는 투과액은 낮은 염 함량을 갖는 미생물학적 품질이 높은 물에 해당한다. 역 삼투 기술을 이용하여 담수화 공장을 작동하는데 있어서, 2개의 주요 단계가 있다:
1. 물 전처리
2. 담수화 단계
역 삼투 과정에 해당하는 두 번째 단계는 광범위하게 연구되었고, 98%까지의 효율성이 달성되었다(General Electric HERO systems).
역 삼투를 이용하여 담수를 생산하는 공정의 처음 단계는 물 전처리로 칭해지는 반투과성 막에 도달하기 전에 염수를 컨디셔닝(conditioning)시키는 것에 해당한다. 이 전처리 단계는 역 삼투막의 효율적인 동작에 필요한 물의 품질과 관련된 주요 문제를 겪는다. 실제로, 역 삼투막의 51%가 불량한 설계 또는 불량한 작동의 어느 하나에 기인하는 불량한 전처리에 의하여 실패하고, 30%는 화학물질의 부적당한 투입에 의해 실패하는 것으로 추정된다. 높은 실패율에 기인한 비효율성에 더하여, 현재 방법은 비용이 매우 높기 때문에 이러한 문제를 해결하는 새로운 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
막에서 발생하는 문제는 공급수의 특성에 따라 달라지며, 이는 전처리 전에 위치하는 필터와 막, 및 역 삼투막을 막히게 한다. 이러한 문제는 막의 더 짧은 수명, 더 높은 빈도의 정비 및 클리닝으로 반영되어, 작동 및 정비에 더 높은 비용에 이르게 된다. 불량한 물 전처리에 기인하여 발생하는 일반적인 문제는 2가지 형태로 분류된다: 막의 손상 및 막의 차단.
역 삼투막의 손상은 공급수의 다양한 화합물에 의한 막 재료의 산화 및 가수분해에 의해 주로 발생한다. 대부분의 역 삼투막은 생물 성장을 방지하기 위하여 담수화에 일반적으로 첨가되는 현재 사용되는 농도의 잔류 염소를 견딜 수 없다. 막은 비용이 비싸므로, 계속적인 작동을 정비하고 가능한 최고의 성능을 달성하기 위한 가능한 모든 예방 조치가 취해져야 하기 때문에; 따라서, 물은 막을 통과하기 전에 자주 탈염소화되어야 한다. 결국, 공급수의 pH는 막의 최적 작동에 대하여 맞추어져야 한다. 또한, 용해된 산소 및 다른 산화제는 막에 대한 손상을 방지하기 위하여 제거되어야 한다. 가스도 막의 적절한 동작에 영향을 미치므로, 높은 농도는 최적 작동을 위하여 방지되어야 한다. 가스 및 산화제의 농도를 조절하는 현재의 방법은 비용이 매우 비싸고, 비효율적이다.
한편, 역 삼투막의 차단은 다양한 원인, 예를 들어, 막을 통과하는 공급수에 가해져야 하는 높은 압력 요구, 수행되어야 하는 계속적인 보수 및 세척에 의해 야기되는 큰 작동 휴지 시간, 및 공정에 이용된 물품의 높은 교체 비용 때문에 발생되는 큰 비효율성에 크게 책임이 있다. 막의 차단은 3가지 주요한 문제점: 생물 오손(biofouling), 스케일링(scaling), 및 콜로이드성 오염(colloidal fouling)에 의해 야기된다.
생물 오손은 막의 표면에 박테리아 또는 조류의 콜로니 성장에 의해 일어난다. 염소가 이용될 수 없기 때문에, 바이오매스의 막이 생길 위험성이 존재하므로, 송수(water supply)의 통과를 막고, 시스템의 효율성을 저하시킨다.
막의 차단을 일으키는 다른 주요한 문제점은 스케일링이며, 이는 막의 폐쇄를 야기한다. 스케일링은 막 상의 적당한 가용성 염의 침전물 및 퇴적물을 나타낸다. 실제로, 어떤 작동 조건 하에서, 급수에 존재하는 일부 구성성분의 용해도 한계는 초과되어, 침전이 생길 수 있다. 이러한 구성성분은 특히 칼슘 카보네이트, 마그네슘 카보네이트, 칼슘 설페이트, 실리카, 바륨설페이트, 스트론튬 설페이트 및 칼슘 플루오라이드를 포함한다. 역 삼투 단위에서, 최종 단계에는 가장 높은 농도의 용해된 염이 존재하며, 이것이 스케일링의 첫번째 징후가 나타나는 경우이다. 침전에 기인하는 스케일링은 막 표면 상의 농도 경사 현상에 의해 증폭된다.
입자 또는 콜로이드성 오염에 의한 폐쇄는 송수가 다량의 부유 입자 및 콜로이드성 물질을 함유할 때 발생하며, 막을 청소하기 위하여 지속적인 세정이 필요하게 된다. 물 중의 입자 농도는 다양한 방법으로 측정되고 표현될 수 있다. 가장 많이 이용되는 파라미터는 탁도(turbidity)이며, 이는 적절한 동작을 위하여 낮은 수준으로 유지되어야 한다. 막 표면 상의 입자의 축적은 급수 흐름 및 역 삼투막의 반발 특성 모두에 유해한 영향을 미칠 수 있다. 콜로이드성 오염은 막 표면 상의 콜로이드성 입자의 축적 및 케이크 형태의 층 형성에 의해 야기된다. 투과 플럭스(permeate flux)의 감소는 한편으로는 케이크 층의 형성에 의해, 다른 한편으로는 염 이온의 차단된 확산에 의해 야기되는 막 표면에서의 고농도의 염 때문에 발생되며, 순 충격력(force impulse)을 감소시키는 증가된 삼투압을 야기한다. 콜로이드성 오염을 방지하기 위하여 모니터일되는 파라미터는 실트 밀도 지수 (Silt Density Index, "SDI")이며, 막 제조자들은 4 이하의 SDIs를 제안한다. 막의 차단은 천연 유기물(Natural Organic Matter, "NOM")에 의한 오염에 기인하여 일어날 수 있다. 천연 유기물은, 콜로이드성 유기물이 기공의 구멍에서 스토퍼로 작용하여, 기공 벽에의 천연 유기물의 흡착과 관련된 기공의 좁아짐 때문에, 또는 막 표면을 코팅하는 겔의 연속적인 층의 형성 때문에 막을 막는다. 이 층은 매우 큰 비효율성을 발생시키므로, 이 층의 막힘은 반드시 방지되어야 한다.
현재, 담수화 공정에 들어가기 전에 물의 전처리는 일반적으로 하기 단계를 포함한다:
1. 원수 중의 유기물량 및 세균량을 감소시키기 위한 염소화
2. 탁도를 감소시키기 위한 샌드 필터링
3. pH를 감소시키고, 석회질 공정을 감소시키기 위한 산성화
4. 스케일링 방지제(antiscalants)를 이용한 칼슘 및 바륨 스케일(scales)의 억제
5. 잔류 염소를 제거하기 위한 탈염소화
6. 막 제조자에 의해 요구되는 입자 여과 카트리지(Particle filtering cartridges )
7. 마이크로여과 (Microfiltration, "MF"), 울트라여과 (Ultrafiltration, "UF") 및 나노여과 (NF)
상기한 전처리 단계 중에서, 샌드 필터에 의하거나 또는 마이크로여과, 울트라여과 또는 나노여과와 같은 더욱 복잡한 여과 단계인 여과 단계의 비용은 다수의 결점에 더하여 높은 비용을 야기한다. 특히, 전처리가 불충분한 경우, 필터는 유기물, 콜로이드, 조류, 미생물 및/또는 유생에 의해 막히게 된다. 필터에 대한 요구조건에 더하여, 탁도를 감소시키고, 입자를 제거하기 위하여 공장에서 처리되어야 하는 물의 총 부피를 여과하도록 하는 조건은 필터의 보수 및 교체 측면에서 작동 중에 뿐만 아니라, 에너지, 시행 및 설치 비용 측면에서 심각한 제한을 부여한다. 또한, 오늘날 전처리 시스템은 실시되어야 하는 장치에 기인하여 매우 비효율적이고 비용이 높으며, 계속적인 작동 및 유지 작업은 고비용이며, 수행되기가 어렵다.
요약하면, 더한층 부족해진 담수 자원은 다양한 담수화 기술의 설계 및 시행에 이르게 되는 전세계적인 공급 문제를 발생시켰다. 역 삼투 담수화는 담수 자원의 증대하는 부족란에 대응하기 위한 전망 있는 기술이며, 이 기술은 미래에 매우 크게 성장할 것으로 예상된다. 그러나, 공급수를 전처리하는 비용 효율적이며 에너지 효율적인 수단은 역 삼투 담수화 공장에 있어서 큰 문제점을 갖는다. 저비용으로 작동되고, 담수화 처리에서 원료로서 이용되기 위한 충분한 품질을 갖는 물을 생산할 수 있는 효율적인 기술이 요구된다.
수경 재배 산업
수경 재배 산업은 특히 그로부터 식품, 화학 및 약학 산업을 위한 원료가 얻어지는 수생종, 식물 및 동물의 경작에 초점을 맞추고 있다. 수생종은 주로 물고기, 연체동물, 갑각류, 거대 조류 및 미세 조류가 경작되는 담수 또는 해수에서 자란다. 산업 성장, 새로운 기술의 개발 및 국제사회에 의해 부과된 환경적 규제에 기인하여, 작동 조건의 적절한 제어를 유지하면서, 동시에 수경 재배 산업의 환경적 영향을 최소화하기 위한 요구가 존재한다. 이를 위하여, 수생종의 경작은 바다와 같은 천연 수원에서 인 시츄(in situ)로 위치하는 것으로부터 특히 그러한 목적을 위하여 세워진 설비로 이동되었다.
식품 및 약학 산업, 및 일반적인 제조에서 원료로서 이러한 종들을 전통적으로 경작하는 것 외에, 수생종은 특히 미세 조류로부터의 바이오디젤과 같은 바이오연료의 생산을 위하여, 재생가능한 비전형적인 근원으로부터 에너지를 생성하기 위한 에너지 섹터(sector)에도 이용된다.
바이오연료와 관련하여, 전세계 에너지 매트릭스는 전세계 에너지 소비의 약 80%를 제공하는 화석 연료(오일, 가스 및 석탄) 주위에 조직화되어 있음을 주목하여야 한다. 바이오매스, 수력전기, 및 태양 에너지와 같은 다른 "비-통상적(non-conventional)" 에너지원은 재생가능한 에너지원이다. 매트릭스의 2.1%만을 나타내는 후자 군에서, 풍력 에너지, 태양 에너지, 및 바이오연료가 포함되며, 이는 차례로 주로 바이오가스, 바이오디젤 및 에탄올을 포함한다.
화석 및 핵 에너지의 근원이 한정되어 있기 때문에, 미래의 요구량은 공급되지 않을 수 있다. 따라서, 개발 도상국의 에너지 정책은 대체 에너지 도입을 고려하고 있다. 또한, 특히 오일 및 석탄과 같은 통상적인 에너지의 남용은 오염, 증가된 온실 가스 및 오존층의 고갈과 같은 문제점을 야기한다. 따라서, 청정하고 재생가능한 대체 에너지의 생산은 경제적 및 환경적 요구이다. 일부 국가에서, 석유 연료와 함께 바이오연료를 사용함으로써, 식물 오일, 동물 지방 및 조류로부터 얻어질 수 있는 바이오디젤을 효율적으로 대량 생산하도록 하였다.
조류로부터 바이오디젤의 생산은 농지의 과다한 사용을 필요로 하지 않는다. 따라서, 조류는 좁은 공간에서도 성장할 수 있고, 24시간의 바이오매스 성장률(doubling times)인 매우 빠른 성장률을 갖고 있기 때문에 이러한 생산은 전세계적인 식품 생산에 영향을 미치지 않는다. 결과적으로, 조류는 지속적이고 무궁무진한 에너지 생산의 근원이며, 성장을 위하여 화력 발전소와 같은 다양한 근원으로부터 포획될 수 있는 이산화탄소를 흡수한다.
미세 조류 성장을 위한 주요 시스템은 하기에 해당된다:
- 호수: 조류는 햇빛, 이산화탄소 및 물을 필요로 하기 때문에, 호수 및 개구 못(open ponds)에서 성장할 수 있다.
- 광생물반응기(Photo bioreactors): 광생물반응기는 광원을 포함하는 제어 폐쇄 시스템으로, 폐쇄됨으로써 이산화탄소, 물 및 빛의 첨가를 필요로 한다.
호수와 관련하여, 개구 못에서 조류 경작은 광범위하게 연구되었다. 이러한 연못의 카테고리는 천연 수역(water bodies)(호수, 라군(lagoons), 연못, 바다) 및 인공 연못 또는 컨테이너이다. 가장 일반적으로 이용되는 시스템은 대형 연못, 탱크, 원형지 및 얕은 수로지(raceway ponds)이다. 개구 못의 주요한 장점의 하나는 대부분의 폐쇄 시스템에 비해 건설 및 작동하기에 쉽다는 것이다. 그러나, 천연 개구 못의 주요한 제약은 증발 손실, 큰 지표면의 필요성, 포식자 및 연못의 다른 경쟁자들로부터의 오염, 및 낮은 바이오매스 생산성에 이르게 되는 교반 메커니즘의 비효율성이다.
이 때문에, 연속적으로 작동되는 "수로지"가 발생되었다. 이 연못에서, 조류, 물 및 영양분은 경마 트랙 형태로 순환되며, 물에서 조류를 재부유시키기 위하여 외륜의 도움으로 혼합되어, 지속적으로 움직이고 항상 햇빛을 받게 된다. 이 연못은 조류가 빛을 필요로 하기 때문에 얕으며, 태양광의 침투는 제한된 깊이에 도달한다.
광생물반응기는 장기간 동안 단일 종의 미세 조류의 경작을 가능케 하며, 조류의 대규모 바이오매스 생산에 이상적이다. 광생물반응기는 일반적으로 0.1 m 이하의 직경을 갖는데, 이는 고수율을 얻기 위하여 작물 밀도가 매우 높으므로, 더 큰 범위는 빛이 더 깊은 구역으로 들어가는 것을 막기 때문이다. 광생물반응기는 일광 시간 중에는 냉각을 필요로 하고, 밤에는 온도 제어를 필요로 한다. 예를 들어, 밤에 생산된 바이오매스의 손실은 이 시간 중에 온도를 낮춤으로써 감소될 수 있다.
바이오디젤 생산 공정은 성장되는 조류의 형태에 따라 달라지며, 이는 성능 및 환경적 조건에 대한 적응성에 근거하여 선택된다. 미세 조류 바이오매스 생산은 일반적으로 발전소로부터 오는 CO2가 공급되는 광생물반응기에서 시작된다. 이후, 고정 성장상(stationary growth phase)에 들어서기 전에, 미세 조류는 광생물반응기로부터 더 큰 부피의 탱크로 옮겨지며, 여기에서 최대 바이오매스 밀도에 도달될 때까지, 성장 및 증식을 계속한다. 이어서, 조류는 상이한 분리 공정에 의하여 수확되어, 조류 바이오매스를 얻게 되며, 이는 바이오연료 생성물을 추출하기 위하여 궁극적으로 처리된다.
생산성이 다른 원하지 않는 조류 또는 미생물의 종의 오염에 의해 영향받기 때문에, 미세 조류의 경작을 위하여, 사실상 살균 정화된 물이 필요하다. 물은 특정한 배지에 따라 또한 시스템의 필요로 따라 컨디셔닝된다.
조류 성장의 속도를 제어하기 위한 핵심 인자는 다음과 같다:
- 빛: 광합성 과정에 필요함
- 온도: 각각의 형태의 조류에 대하여 이상적인 범위의 온도
- 배지: 물의 조성이 중요 고려사항이며, 예를 들어, 염도
- pH: 최적 성장 속도를 얻기 위하여 일반적으로 조류는 7 내지 9 범위의 pH를 필요로 함
- 종류(Strain): 각각의 조류는 상이한 성장 속도를 가짐
- 가스: 조류는 광합성을 수행하기 위하여 CO2를 필요로 함
- 혼합: 조류 고정을 방지하고, 빛에 균일하게 노출되는 것을 보장하기 위한 것임
- 광주기(Photoperiod): 빛 및 어둠의 사이클
조류는 염도에 대하여 매우 내성이 있으며, 대부분의 종은 해수를 담수로 희석함으로써 얻어지는, 조류의 천연 환경에서 발견되는 염도보다 약간 낮은 염도에서 더 잘 성장한다.
음료수 산업
물 산업은 경제의 거주, 상업 및 산업 분야에 음료수를 제공한다. 음료수를 제공하기 위하여, 이 산업은 높은 미생물학적 품질 및 투명도를 갖는 천연 근원으로부터 물을 수집하는 것으로 그 작동을 일반적으로 시작하며, 이어서 미래의 이용을 위하여 저장소에 저장한다. 장기간 동안 저장된 물의 품질은 물 중의 미생물 및 조류가 증식하기 때문에 악화되기 시작하여, 물은 사람이 소비하기에 부적합하게 된다.
물이 더 이상 소비에 적합하지 않기 때문에, 다양한 정화 단계를 통과하는 음료수 처리 공장에서 처리되어야 한다. 정수장에서, 고품질의 물을 생산하기 위하여 염소 및 다른 화학물질들이 첨가된다. 염소와 물에 존재하는 유기 화합물과의 반응에 의해 몇몇 독성 부산물 및 소독 부산물(disinfection by-products, "DBP")이 생성된다. 예를 들어, 염소와 암모니아의 반응에서, 클로라민이 바람직하지 않은 부산물이다. 염소 또는 클로라민과 유기물질의 추가적인 반응에 의해 발암성 화합물로 확인된 트리할로메탄이 생성된다. 또한, 소독 방법에 따라, 요오드화 트리할로메탄, 할로아세토니트릴, 할로니트로메탄, 할로아세트알데히드, 및 니트로스아민과 같은 새로운 DBPs가 확인되었다. 또한, 염소 및 유기물질에 대한 수영자의 노출은 천식을 포함하는 잠재적인 호흡 문제의 원인이 되는 인자로 언급되었다.
폐수 산업
상이한 목적을 위하여 사용되는 깨끗한 물을 생산하기 위하여 폐수는 매일 처리된다. 소량의 슬러지 및 폐기물을 생산하고, 더 적은 화학물질 및 에너지를 이용하여 폐수를 처리하고자 하는 요구가 존재한다.
광업
광업은 전세계에 걸쳐 매우 중요한 산업이며, 각국의 경제에 매우 크게 협력하고 있다. 광업은 그 공정의 많은 부분에서 물을 필요로 하며, 자원은 제한되고 매일 더 부족해지고 있다. 일부 광업은 대다수의 그 공정에서 해수를 이용하는 기술을 개발하였으며, 이에 의하여 이 자원만으로 작동이 가능하게 된다.
광산 자체는 일반적으로 해안선으로부터 매우 멀리 그리고 높게 위치하므로, 물은 광산에 도달하기 위하여 수킬로미터를 이동하여야 한다. 다량의 물을 이동시키기 위하여, 물을 바다로부터 광산으로 퍼올리기 위하여 매우 긴 파이프와 함께 펌프장이 건설되어야 한다.
펌프장은 수집된 해수를 다음 펌프장 등으로 보내는 고동력 펌프를 포함하는 구조로 이루어진다. 또한, 펌프장은 이전 펌프장에서 발생할 수 있는 임의의 문제의 경우 해수를 유지하기 위한 컨테이닝 구조를 포함한다. 이러한 컨테이닝 구조는 벽 및 파이프의 내부 표면의 생물 오손과 같은, 펌핑 공정에 영향을 미치는 다양한 문제점을 결국 발생시킬 수 있다. 생물 오손은 재료의 악화뿐 아니라 파이프 횡단면적의 감소를 일으켜 작동 및 유지 비용을 더 높이게 된다. 또한, 컨테이닝 구조 내의 물은 미세 조류 성장 때문에 악화되기 시작하여, 펌프장의 공정을 부정적으로 방해하며, 생물 오손과 같은 다양한 중요 문제를 일으킨다.
산업 액체 잔류물 처리
일부 산업은 지방 정부에 의해 부여된 관개(irrigation), 침투(infiltration), 또는 배출(discharging) 조건에 부합하지 않을 수 있는 액체 잔류물을 갖는다. 또한, 일부 산업은 나쁜 냄새 또는 색 특성을 야기하는 가스 또는 다른 물질의 방출과 같은, 물에서의 자연적인 과정이 일어나도록 하는 침전 탱크(settling tanks) 또는 다른 봉쇄 수단을 갖는다.
전술한 바와 같이, 산업적 이용을 위하여 물을 처리하는 현재의 방법 및 시스템은 높은 작동 비용을 가지며, 다량의 화학물질의 사용을 필요로 하며, 오염되기 쉽고, 나쁜 냄새 또는 색 특성을 일으키는 가스 또는 다른 물질과 같은 바람직하지 않은 부산물을 생성하며, 물의 전체량의 여과를 필요로 한다. 통상적인 수처리 여과 시스템에 비하여 저비용이고 더욱 효율적인, 산업적 이용을 위하여 물을 처리하는 향상된 방법 및 시스템이 바람직하다.
종래 기술
특허 JP2011005463A는 정수장에서 응고제 및 응집제의 주입을 위한 제어 시스템을 제시한다. 상기 시스템은 응고제 및 응집제 첨가 전에 물의 양 및 질을 측정하는 탁도 센서의 이용에 기초한다. 이 시스템은 침전 후에 응집물의 크기를 측정하고 이 측정값에 따라 처리된 물을 분류하는 분류기를 이용한다. 탁도 측정값에 따라 제어 시스템은 이러한 수단용으로 정해진 설비에 의해 적용되는, 응고제 및 응집제 주입 속도를 계산한다. 투입된 화합물의 계산은 처리 전후 측정된 탁도에 따른 보정 계수를 결정하는 함수에 따라 보정된다. 입자의 침전 후에, 처리된 전체 수량을 여과하는 여과 단계가 있다.
특허 JP2011005463A의 단점은 시스템이 소독제 또는 산화제의 이용을 포함하지 않기 때문에 물에 존재하는 유기물 함량 또는 미생물을 제어하지 못하는 것이다. 또한, JP2011005463A의 시스템은 물에서 금속 함량을 감소시키지 못하고, 파라미터의 끊임없는 표시에 좌우되므로, 센서 및 다른 측정 장치 측면에서 높은 요구를 갖는다. 또한, 특허 JP2011005463A는 처리되는 물의 전체량을 여과하는 것이 요구되어, 그러한 여과를 위하여 요구되는 시스템과 관련한 높은 에너지 요구 및 높은 설치 및 유지 비용이 부과된다.
요약
본 요약은 하기 상세한 설명에서 상세하게 설명되는 개념의 선택을 단순한 형태로 도입하기 위하여 제공되는 것이다. 본 요약은 청구하고 있는 요지의 요구되는, 또는 본질적인 특성을 확인하고자 의도되는 것이 아니다. 본 요약은 청구하고 있는 요지의 범위를 제한하기 위하여 이용되고자 의도되는 것이 아니다.
본 발명의 원칙에 따라 구성되는 방법 및 시스템은 저비용으로, 전체 수량을 여과할 필요 없이, 물을 정화하고, 물로부터 부유하는 고체, 금속, 조류, 박테리아, 및 다른 물질을 제거한다. 통상적인 수처리 여과 시스템에 의해 여과되는 흐름 보다 200배까지 더 작은 전체 수량의 작은 부분만이 정화된다. 처리된 물은 산업적 목적의 원료로 이용될 것인 물을 처리하는 것, 또는 침투(infiltration), 관개(irrigation), 배출(discharging) 또는 다른 목적을 위하여 산업적인 액체 잔류물을 처리하는 것과 같은 산업적 목적을 위하여 이용될 수 있다.
역 삼투 담수화(reverse osmosis desalination)와 관련하여, 본 발명은 통상적인 전처리 기술에 비하여 화학물질을 더 적게 이용하고 에너지를 더 적게 소비하는, 공급수(feed water)의 전처리 및 유지를 위한 방법 및 시스템을 제공한다.
수경 재배 산업과 관련하여, 본 발명에 의해 생성되는 물은 전체 수량의 작은 부분만의 여과를 필요로 하는 여과 수단을 이용하는 조류 접종(inoculation)에 요구되는 특성을 달성한다. 본 발명은 미세 조류 및 다른 미생물의 접종에 이용되는 높은 미생물학적 품질(microbiological quality)의 물을 제공한다. 이 산업의 주요한 문제점의 하나는 접종을 위한 물의 제조이므로, 예를 들어, 수로지에서 처리된 물의 이용은 비용면에서 매우 큰 감소를 나타낸다. 또한, 본 발명은 조류가 성장하고 수확된 후에, 물의 처리를 가능케 한다. 따라서, 물은 수경 재배 산업을 위한 적합한 방법을 생성하면서 재사용될 수 있다.
음료수 산업에서 본 발명의 방법 및 시스템을 이용함으로써, 저장소에 저장된 물은 물의 품질을 악화시킬 수 있는 미생물 및 조류를 증식시키지 않고, 매우 낮은 비용으로 유지될 수 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법 및 시스템에 따라 처리된 음료수는 음료수 처리 공장에서 처리될 필요가 없다. 그러므로, 본 발명은 음료수 처리 공장에 의해 생성되는 독성 부산물 및 소독 부산물 (DBPs)의 생성을 최소화하고, 자본비용, 이용된 화학물질의 양, 작동 비용 및 음료수 처리 공장의 환경적 영향 및 발자국을 감소시킨다. 본 발명은 매우 순수한 천연 근원으로부터의 물을 악화 또는 독성 DBPs의 생성 없이, 환경친화적 방식으로 저비용으로 높은 미생물학적 품질 상태로 유지한다.
본 발명은 폐수 처리 시설로부터 들어오는 물을 매우 낮은 비용으로 처리하고, 냄새를 제거하고, 낮은 탁도 수준을 갖는 높은 투명도의 물을 얻는데 이용될 수 있다. 폐기물 및 슬러지의 양이 통상적인 폐수 처리에 비하여 상당히 감소되어, 환경친화적인 지속가능한 방법을 제공한다.
광업과 관련하여, 본 발명은 펌프장에서의 생물 오손(biofouling)을 방지하여 작동 및 유지 비용을 감소시키는 수처리 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 지방 정부에 의해 부여되는 관개, 침투 또는 배출 조건에 부합되도록 하기 위하여, 다양한 산업으로부터 들어오는 산업적인 액체 잔류물을 처리하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템은 통상적인 수처리 여과 시스템과 달리, 전체 수량(total volume of water)의 작은 부분만을 여과함으로써 물을 정화하고, 물에 부유하는 고체를 제거하는 산업 공정(industrial process)에 이용되는 물을 처리하는 저비용 방법을 제공한다. 일 실시형태에서, 본 발명의 방법은 하기를 포함한다:
a. 60,000 ppm 이하의 총용존 고형물 (total dissolved solids, "TDS") 농도를 갖는 물을 수집하는 단계;
b. 이동식 흡입 수단(mobile suction means )에 의해 전체적으로 청소될 수 있는 하부(bottom)를 갖는 적어도 하나의 컨테이닝 수단(containing means)에 상기 물을 저장하는 단계;
c. 7일의 기간 내에:
ⅰ. 35℃ 이하의 수온에 대하여, 물에 소독제를 첨가함으로써, 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하고;
ⅱ. 35℃ 초과 69℃ 이하의 수온에 대하여, 물에 소독제를 첨가함으로써, 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하되, 상기 최소 시간은 하기 식에 의해 계산됨:
[35 시간] - [섭씨온도인 수온 - 35] = 최소 시간; 및
ⅲ. 70℃ 이상의 수온에 대하여, 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하는 단계;
d. 조정 수단(coordination means)을 통하여, 전체 수량의 작은 부분만을 여과함으로써 물을 정화하고 부유하는 고체를 제거하는 하기 공정을 활성화하는 단계:
ⅰ. 철 및 망간 농도가 1 ppm을 넘는 것을 방지하기 위하여 산화제를 적용하는 공정;
ⅱ. 탁도가 5 NTU를 넘는 것을 방지하기 위하여 응고제, 응집제 또는 그 혼합물을 적용하는 공정;
ⅲ. 침전된 물질의 두께가 평균 100 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여이전 공정에 의해 생성된, 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 이동식 흡입 수단에 의해 흡입하는 공정;
ⅳ. 상기 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 흐름을 적어도 하나의 여과 수단에 의해 여과하는 공정; 및
ⅴ. 여과된 물을 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로 되돌리는 공정;
e. 상기 처리된 물을 다운스트림 공정(downstream process)에서 이용하는 단계.
일 실시형태에서, 본 발명의 시스템은 하기를 포함한다:
- 적어도 하나의 컨테이닝 수단 (8)에 대한 적어도 하나의 물공급 라인(feeding line of water)(7);
- 컨테이닝 수단의 하부에 고정된, 침전된 입자 (17)를 위한 수용 수단(receiving means)을 포함하는 적어도 하나의 컨테이닝 수단(containing means)(8);
- 작동자 또는 조정 수단에 의해 특정된 한계 내에 물의 파라미터를 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화시키는, 적어도 하나의 조정 수단(coordination means)(1);
- 상기 적어도 하나의 조정 수단에 의해 작동되는 적어도 하나의 화학물질 적용 수단(chemical application means)(4)
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동하여, 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 흡입하는 적어도 하나의 이동식 흡입 수단(mobile suction means)(5);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단에 움직임을 제공하여 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동할 수 있도록 하는 적어도 하나의 추진 수단(propelling means)(6);
- 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 여과하는 적어도 하나의 여과 수단(filtration means)(3);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단과 상기 적어도 하나의 여과 수단 사이에 결합된 적어도 하나의 수집 라인(collecting line)(15);
- 상기 적어도 하나의 여과 수단으로부터 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로의 적어도 하나의 회수 라인(return line)(16); 및
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로부터 적어도 하나의 다운스트림 공정으로의 적어도 하나의 물공급 라인(water feeding line)(18).
이 시스템에서, 수용 수단은 막, 지질 막(geo-membranes), 토목섬유 막(geo-membranes), 플라스틱 라이너(plastic liners), 콘크리트, 또는 코팅된 콘크리트(coated concrete), 또는 그 조합을 포함하는 재료로 덮여지는 것이 일반적이다. 조정 수단은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 화학물질 적용 수단, 이동식 흡입 수단, 및 여과 수단과 같은 다른 공정을 활성화시킬 수 있다. 화학물질 적용 수단은 일반적으로 인젝터(injectors), 스프링클러(sprinklers), 수동 적용(manual application), 중량에 의한 디스펜서(dispensers by weight), 파이프(pipes), 또는 그 조합을 포함한다. 추진 수단은 이동식 흡입 수단을 구동시키고, 레일 시스템(rail system), 케이블 시스템(cable system), 자가-추진 시스템(self-propelled system), 수동 추진 시스템(manually propelled system), 로봇 시스템(robotic system), 멀리서 가이드되는 시스템(system guided from a distance), 엔진을 구비한 보트(boat with an engine), 엔진을 구비한 부동 장치(floating device with an engine), 또는 그 조합을 전형적으로 포함한다. 여과 수단은 카트리지 필터(cartridge filters), 샌드 필터(sand filters), 마이크로필터(micro-filters), 울트라필터(ultra-filters), 나노필터(nano-filters), 또는 그 조합을 포함하며, 플렉서블 호스(flexible hose), 리지드 호스(flexible hose), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는 수집 라인에 의해 이동식 흡입 수단에 연결되는 것이 일반적이다.
본 발명은 수처리 과정으로부터 발생되는 다양한 환경 문제를 처리한다. 본 명세서에 개시된 새로운 기술의 발명자인 Mr. Fernando Fischmann는 전세계에 걸쳐 급속하게 채용되고 있는 수처리 기술에서 많은 새로운 발전을 이루었다. 단시간 내에, 레크리에이션용 크리스탈 라군(recreational crystalline lagoons)에 관한 본 발명자의 기술은 전세계에 걸쳐 180개가 넘는 프로젝트에 포함되었다. 본 발명자 및 수처리 기술에 있어서 그의 발전은 http://press.crystal-lagoons.com/에서 보여질 수 있는 바와 같이, 2,000개가 넘는 기사의 주제가 되었다. 본 발명자는 또한 수처리 기술에 있어서 이러한 진보와 관련된 혁신 및 기업가 정신에 대하여 중요한 국제적인 상을 수여하였으며, CNN, BBC, FUJI, 및 Bloomberg's Businessweek를 포함하는 주요 매체에 의한 인터뷰의 주인공이 되었다.
전술한 요약 및 후술하는 상세한 설명은 모두 예를 제공하는 것이며, 설명을 위한 것이다. 따라서, 전술한 요약 및 후술하는 상세한 설명은 제한적인 것으로 여겨져서는 안된다. 또한, 본 명세서에 설명된 것에 더하여 특징 또는 변형도 제공될 수 있다. 예를 들어, 어떤 실시형태는 상세한 설명에 기재된 다양한 특징의 컴비네이션 또는 서브컴비네이션에 관한 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서 수처리를 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 라군과 같은 물 함유 구조의 상면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 있어서 라군과 같은 물 함유 구조의 상면도이다.
하기 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조로 한다. 본 발명의 실시형태들이 기재되지만, 변형, 적응 및 다른 실시가 가능하다. 예를 들어, 치환, 부가 또는 변형이 도면에 설명된 구성요소에 대하여 이루어질 수 있으며, 본 명세서에 기재된 방법은 개시된 방법에 대한 치환, 순서 바꿈 또는 단계 부가에 의하여 변형될 수 있다. 따라서, 하기 상세한 설명은 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 시스템 및 방법이 다양한 장치 또는 단계를 "포함하는" 것으로 기재되는 경우, 다르게 언급되지 않으면, 시스템 및 방법은 다양한 장치 또는 단계로 "본질적으로 이루어지는" 또는 "이루어지는"일 수 있다.
정의
본 개시를 고려하여, 하기 용어 또는 구절은 하기에 기재된 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
용어 "컨테이너" 또는 "컨테이닝 수단"은 인공 라군, 인공 호수, 인공 연못, 수영장(pools) 등을 포함하는 임의의 인공 수역(body of water)를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "조정 수단"은 정보를 수용하고, 이를 처리하고, 이에 따라 결정하는 자동화 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이는 사람에 의해 행해질 수 있으나, 센서에 연결된 컴퓨터에 의해 행해지는 것이 더욱 바람직하다.
용어 "화학물질 적용 수단"은 화학물질을 물에 적용하는 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "이동식 흡입 수단"은 컨테이닝 수단의 하부면을 가로질러 이동하고 침전된 재료를 흡입할 수 있는 흡입 장치를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "추진 수단"은 다른 장치를 밀거나 또는 당김으로써 움직임을 제공하는 추진 장치를 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
용어 "여과 수단"은 필터, 스트레이너(strainer), 세퍼레이터 등과 같은 용어를 포함하는 여과 시스템을 서술하기 위하여 본 명세서에서 총칭적으로 이용된다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 물의 일반적인 형태 및 그의 개별적인 총용존 고형물 (TDS) 농도 (㎎/L)는 TDS≤1,500의 담수; 1,500≤TDS≤10,000의 기수(brackish water); 및 TDS > 10,000의 해수이다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "높은 미생물학적 물 품질(microbiological water quality)"은 바람직하게는 200 CFU/㎖보다 작은, 더욱 바람직하게는 100 CFU/㎖보다 작은, 가장 바람직하게는 50 CFU/㎖보다 작은 호기성 박테리아 계수(aerobic bacteria count)를 포함한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "높은 투명도(clarity)"는 바람직하게는 10 네펠로미터 탁도 단위(Nephelometer Turbidity Units, "NTU")보다 작은, 더욱 바람직하게는 7 NTU보다 작은, 가장 바람직하게는 5 NTU보다 작은 탁도 수준을 포함한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "낮은 오염 수준(fouling levels)"은 바람직하게는 6보다 작은, 더욱 바람직하게는 5보다 작은, 가장 바람직하게는 4보다 작은 SDI 지수를 포함한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 여과된 수량에 해당하는 용어 "작은 부분(small fraction)"은 전통적으로 구성된 수처리 여과 시스템에서 여과되는 흐름보다 200배까지 더 작은 흐름을 의미한다.
본 명세서에 이용된 바와 같이, 용어 "전통적인 수처리 여과 시스템" 또는 "통상적인 수처리 여과 시스템"은 1일에 1 내지 6번 처리되어야 하는 전체 수량을 여과하는 여과 시스템을 포함한다.
본
발명을 실시하기
위한 유형
본 발명은 저비용으로 물을 처리하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법 및 시스템은 전체 수량을 여과할 필요 없이 물을 정화하고 물로부터 부유하는 고체를 제거한다. 본 발명은 전통적인 수처리 방법보다 200배까지 더 작은 흐름에 해당하는 전체 수량의 작은 부분만을 여과한다. 본 발명의 방법 및 시스템에 의해 생성되는 처리된 물은 산업적 목적에 있어서 원료와 같은 산업적 목적을 위하여 이용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템은 또한 침투, 관개, 배출 또는 다른 목적을 위하여 적합한 액체 잔류물을 만들기 위하여 산업적 액체 잔류물을 처리하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 방법 또는 시스템에 의해 처리되는 물은 담수, 기수, 또는 해수일 수 있다. 본 방법 및 시스템은 제어된 파라미터를 작동자에 의해 특정된 한계 내로 조절하기 위하여 요구되는 공정을 적시에 활성화시킬 수 있는 조정 수단을 포함한다. 본 발명은 수온에 따라 달라지는 알고리즘을 이용함으로써 시스템의 필요에 따라 화학물질을 적용하기 때문에 전통적인 수처리 시스템에 비하여 훨씬 적은 화학물질을 이용하여, 높은 작동 비용을 일으키는, 물에서 화학물질의 상기 농도(permanent concentration)를 유지하여야 하는 것을 피할 수 있다.
본 발명의 시스템은 적어도 하나의 컨테이닝 수단, 적어도 하나의 조정 수단, 적어도 하나의 화학물질 적용 수단, 적어도 하나의 이동식 흡입 수단, 및 적어도 하나의 여과 수단을 일반적으로 포함한다. 도 1은 본 발명의 시스템의 일 실시형태를 나타낸다. 본 시스템은 컨테이닝 수단 (8)을 포함한다. 컨테이닝 수단의 크기는 특히 제한되지 않으나, 많은 실시형태에서, 컨테이닝 수단은 적어도 15,000 ㎥, 또는 그 대신에, 적어도 50,000 ㎥의 부피를 가질 수 있다. 컨테이너 또는 컨테이닝 수단은 100만 ㎥, 5천만 ㎥, 5억 ㎥, 또는 이상의 부피를 가질 수 있는 것으로 생각된다.
컨테이닝 수단 (8)은 물로부터 침전된 박테리아, 조류, 부유하는 고체, 금속, 및 다른 입자를 수용할 수 있는 하부(bottom)를 갖는다. 일 실시형태에서, 컨테이닝 수단 (8)은 처리되는 물로부터 침전된 입자 또는 물질을 수용하는 수용 수단 (17)을 포함한다. 수용 수단 (17)은 컨테이닝 수단 (8)의 하부에 부착되며, 청소가능한 비다공성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 컨테이닝 수단 (8)의 하부는 이동식 흡입 수단 (5)이 컨테이닝 수단 (8)의 전체 하면(inferior surface)을 가로질러 이동하여, 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전 입자를 흡입하도록 하는 비다공성 재료로 덮여지는 것이 일반적이다. 비다공성 재료는 막, 지질 막, 토목섬유 막, 플라스틱 라이너, 콘크리트, 코팅된 콘크리트, 또는 그 조합일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 컨테이닝 수단 (8)의 하부는 플라스틱 라이너로 덮여진다.
컨테이닝 수단 (8)은 컨테이닝 수단 (8)에 물을 공급하는 유입 라인(inlet line)(7)을 포함할 수 있다. 유입 라인 (7)은 증발, 산업 공정에서의 사용에 의한 물의 소비, 및 다른 물 손실 때문에, 컨테이닝 수단 (8)을 다시 채우도록 한다.
본 시스템은 시스템 요구 (예를 들어, 물의 품질 또는 순도)에 따라 필요한 공정을 제어할 수 있는 적어도 하나의 조정 수단 (1)을 포함한다. 그러한 공정은 화학물질 적용 수단 (4)의 작동 (13) 및 이동식 흡입 수단 (5)의 작동 (11)을 포함할 수 있다. 조정 수단 (1)은 생산고(output) 또는 생산율과 같은 정보 (12)에 근거하여 산업 공정 (2)에 대하여 처리된 물의 흐름을 변화시킬 수 있다. 제어 수단(controlling means)은 또한 물의 품질 및 컨테이닝 수단 (8)의 하부에서 침전된 물질의 두께에 대한 정보 (10)를 수용할 뿐 아니라, 유입 라인 (7)에 대한 정보 (9)를 수용할 수 있다.
조정 수단 (1)은 수온에 따라 달라지는 알고리즘을 적용함으로써 물 중의 상시 농도를 유지할 필요 없이, 화학물질이 실질적으로 필요한 경우에만, 컨테이닝 수단 (8)에 화학물질의 첨가를 가능케 한다. 따라서, 통상적인 수처리 프로토콜에 비하여 100배까지, 이용된 화학물질의 양을 상당히 감소시킬 수 있어, 작동 비용을 감소시킨다. 조정 수단 (1)은 제어되는 물 품질 파라미터에 관한 정보 (10)를 수용할 수 있으며, 그 각각의 한계 내에 상기 품질 파라미터를 조절하는데 필요한 공정을 적시에 활성화시킬 수 있다. 조정 수단 (1)에 의해 수용된 정보 (10)는 육안 검사, 경험적 방법, 경험에 근거한 알고리즘, 전자 검출기에 의하여, 또는 그 조합에 의해 얻어질 수 있다. 조정 수단 (1)은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 다른 공정을 활성화시킬 수 있는 일 이상의 사람, 전자 장치, 임의의 수단을 포함할 수 있으며, 이는 이러한 조합을 포함한다. 제어 수단의 하나의 예는 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터 장치이다. 조정 수단 (1)은 물 품질 파라미터에 관한 정보 (10)를 수용하는데 이용되는 센서를 포함할 수 있다.
화학물질 적용 수단 (4)은 조정 수단 (1)에 의해 작동되어, 화학물질 (14)을 물에 적용 또는 분배한다. 화학물질 적용 수단 (4)은 인젝터, 스프링클러, 수동 적용, 중량에 의한 디스펜서, 파이프, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이동식 흡입 수단 (5)은 컨테이닝 수단 (8)의 하부를 따라 이동하여, 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전된 입자 및 물질을 함유하는 물을 흡입한다. 추진 수단 (6)은 이동식 흡입 수단 (5)에 결합되어, 이동식 흡입 수단 (5)이 컨테이닝 수단 (8)의 하부를 가로질러 이동할 수 있도록 한다. 추진 수단 (6)은 레일 시스템, 케이블 시스템, 자가-추진 시스템, 수동 추진 시스템, 로봇 시스템, 멀리서 가이드되는 시스템, 엔진을 구비한 보트 또는 엔진을 구비한 부동 장치, 또는 그 조합으로부터 선택되는 시스템을 이용함으로써 이동식 흡입 수단 (5)을 구동시킨다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 추진 수단은 엔진을 구비한 보트이다.
이동식 흡입 수단 (5)에 의해 흡입된 물은 여과 수단 (3)으로 보내질 수 있다. 여과 수단 (3)은 이동식 흡입 수단 (5)에 의해 흡입된 물의 흐름을 수용하고, 침전된 입자 및 물질을 함유하는 흡입된 물을 여과하므로, 전체 수량을 여과할 필요가 없다(예를 들어, 예를 들어, 작은 부분만을 여과함). 여과 수단 (3)은 카트리지 필터, 샌드 필터, 마이크로필터, 나노필터, 울트라필터, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 흡입된 물은 이동식 흡입 수단 (5)에 연결된 수집 라인 (15)에 의해 여과 수단 (3)으로 보내질 수 있다. 수집 라인 (15)은 플렉서블 호스, 리지드 호스, 임의의 재료로 된 파이프, 및 그 조합으로부터 선택될 수 있다. 본 시스템은 여과된 물을 되돌리기 위하여, 여과 수단 (3)으로부터 컨테이닝 수단 (8)으로 되돌아가는 회수 라인 (16)을 포함할 수 있다.
본 시스템은 컨테이닝 수단 (8)으로부터 산업 공정 (2)으로 처리된 물을 공급하는 물 유출 라인(water outlet line)(18)을 포함할 수 있다. 산업 공정의 예는 역 삼투, 담수화, 증발, 정화, 조류 경작, 수경 재배 공정, 광업 공정, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 산업 공정은 그 공정을 위한 원료 (21)로서 처리된 물을 이용할 수 있거나, 또는 특히 유지 목적, 관개, 침투 또는 배출 목적과 같은 상이한 목적을 위하여 잔류 물(22)을 처리하기 위하여 본 방법을 적용할 수 있다. 소정 파라미터 한계는 산업 공정 (2)의 조건에 의존한다. 산업 공정 (2)은 그 공정에 적합하도록 이러한 한계 (12)를 차례차례 변경할 수 있다.
도 2는 본 발명의 시스템의 상면도를 나타낸다. 컨테이닝 수단 (8)은 증발, 산업 공정에서 물의 소비, 또는 컨테이닝 수단 (8)으로부터 물의 다른 손실 때문에, 컨테이닝 수단 (8)은, 컨테이닝 수단 (8)을 다시 채우도록 하는 공급 파이프 시스템 (7)을 포함할 수 있다. 컨테이닝 수단 (8)은 화학물질을 물에 적용 또는 분배하는, 컨테이닝 수단 (8)의 주위를 따라 배열된 인젝터 (19)를 포함할 수 있다. 컨테이닝 수단 (8)은 표면 오일 및 입자를 제거하는 스키머(skimmers)(20)를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 본 발명의 시스템은 하기 구성요소를 포함한다:
- 적어도 하나의 컨테이닝 수단 (8)에 대한 적어도 하나의 물공급 라인 (7);
- 컨테이닝 수단의 하부에 고정된, 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전된 입자 (17)에 대한 수용 수단을 포함하는, 적어도 하나의 컨테이닝 수단 (8);
- 파라미터를 한계 내에 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화시키는 적어도 하나의 조정 수단 (1);
- 상기 적어도 하나의 조정 수단에 의해 작동되는 적어도 하나의 화학물질 적용 수단 (4);
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동하여, 본 명세서에 개시된 임의의 공정에 의해 생성된 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 흡입하는 적어도 하나의 이동식 흡입 수단 (5);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단에 움직임을 제공하여 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동할 수 있도록 하는 적어도 하나의 추진 수단 (6);
- 침전된 입자를 함유하는 물 흐름을 여과하여, 따라서 전체 수량을 여과할 필요 없이 작은 부분만을 여과하는 적어도 하나의 여과 수단 (3);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단과 상기 적어도 하나의 여과 수단 사이에 결합된 적어도 하나의 수집 라인 (15) ;
- 상기 적어도 하나의 여과 수단으로부터 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로의 적어도 하나의 회수 라인 (16); 및
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로부터 다운스트림 공정으로의 적어도 하나의 물 유출 라인 (18).
이동식 흡입 수단 (5)이 컨테이닝 수단 (8)의 하부로부터 모든 침전된 입자를 흡입하기 때문에, 이 동일한 시스템은 화학 제제의 첨가에 의한 침전에 영향받기 쉬운 다른 화합물의 제거를 가능케 한다.
본 발명은 전통적인 수처리 시스템에 비하여 더 적은 화학물질 및 더 적은 에너지를 사용하기 때문에, 본 발명의 수 처리 방법은 전통적인 수 처리 시스템에 비하여 저비용으로 수행될 수 있다. 일 측면에서, 본 발명의 방법은 수온에 따라 일정 기간 동안 적어도 500 ㎷의 ORP를 유지시키는 알고리즘을 적용하기 때문에, 전통적인 수처리 시스템에 비하여 매우 적은 화학물질을 사용하여, 물이 이용되는 공정의 요구에 따라 높은 미생물학적 품질을 갖는 물을 유지시킨다. 본 발명의 방법은 조정 수단 (1)을 포함하는 본 명세서에 서술된 시스템에서 실행된다. 조정 수단은 시스템으로부터 수용된 정보에 근거하여, 제어된 파라미터를 그 한계 내에 조절하기 위하여 물에 화학물질을 적용하는 시기를 결정한다. 조정 수단이 이용되기 때문에, 화학물질은 필요한 경우에만 적용되어, 물에서 화학물질의 상시 농도를 유지할 필요가 없다. 따라서, 전통적인 수처리 시스템보다 100배까지 더 작은, 화학물질 양의 상당한 감소가 있어, 작동 및 유지 비용을 감소시킨다.
다른 측면에서, 본 발명의 방법 및 시스템은 동일한 시간 동안 훨씬 더 많은 양의 물을 여과하는 통상적인 수처리 여과 시스템에 비해 특정 시간 내에 물의 전체량의 작은 부분만을 여과한다. 일 실시형태에서, 물의 전체량의 작은 부분은, 동일한 시간에 전체 수량을 여과하는 전통적으로 구성된 집중형 여과 시스템(centralized filtration system)보다 200배까지 더 작다. 본 발명의 방법 및 시스템의 여과 수단은 조정 수단으로부터 수용된 명령에 의해 더 짧은 시간 동안 작동하므로, 여과 수단은 매우 작은 용량, 및 전통적인 방법에 의한 수처리에 요구되는 집중형 여과 단위에 비하여 50배까지 더 작은 자본비용 및 에너지 소비를 갖는다.
본 발명의 방법 및 시스템에 의하여 저비용으로 물을 처리할 수 있다. 본 방법 및 시스템은 물로부터 금속, 박테리아, 조류 등을 제거하고, 실트 밀도 지수 (SDI)로서 측정된 낮은 오염 수준을 갖는 처리된 물을 제공한다. 따라서, 본 방법 및 시스템은 산업적 목적으로 사용될 수 있는 높은 미생물학적 품질 및 투명도를 갖는 물을 제공한다. 일 실시형태에서, 본 발명의 방법 및 시스템은 산업적 목적에서 원료로 이용되는 물을 처리할 수 있다. 본 방법 및 시스템은 또한 침투, 관개, 배출을 위하여, 또는 통상적인 수처리 시스템에서와 같이 전체량의 물을 여과할 필요 없이 통상적인 수처리 시스템보다 더 적은 화학물질을 이용하여 다른 목적을 위한 산업적인 액체 잔류물을 처리하는데 이용될 수 있다.
일 실시형태에서, 본 발명의 방법은 하기 단계를 포함한다:
a. 60,000 ppm 이하의 총용존 고형물 (TDS) 농도를 갖는 물 (7)을 수집하는 단계;
b. 상기 물을, 이동식 흡입 수단에 의해 완전하게 청소될 수 있는 하부 (17)를 갖는 적어도 하나의 컨테이닝 수단 (8)에 저장하는 단계;
c. 7일의 기간 내에:
ⅰ. 35℃ 이하의 수온에 있어서, 물에 소독제를 첨가함으로써, 수온 각 1℃에 대하여, 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하는 단계;
ⅱ. 35℃ 초과 69℃ 이하의 수온에 있어서, 물에 소독제를 첨가함으로써, 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하는 단계, 여기에서 상기 최소 시간은 하기 식에 의해 계산됨:
[35 시간] -[섭씨온도인 수온 - 35] = 최소 시간; 및
ⅲ. 70℃ 이상의 수온에 있어서, 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하는 단계.
d. 조정 수단 (1)을 통하여, 전체 수량의 작은 부분만을 여과함으로써 부유하는 고체를 제거하여, 전체 수량을 여과하는 통상적인 수처리를 대체하는 하기 공정을 활성화하는 단계:
ⅰ. 철 및 망간 농도가 1 ppm을 넘는 것을 방지하기 위하여 산화제를 적용하는 공정;
ⅱ. 탁도가 5 NTU를 넘는 것을 방지하기 위하여 응고제, 응집제 또는 그 혼합물을 적용하는 공정;
ⅲ. 침전된 물질의 두께가 평균 100 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여, 이전 공정에 의해 생성된, 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 이동식 흡입 수단 (5)에 의해 흡입하는 공정;
ⅳ. 이동식 흡입 수단 (5)에 의해 흡입된 흐름을 적어도 하나의 여과 수단 (3)에 의하여 여과하는 공정; 및
ⅴ. 여과된 물을 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단 (8)으로 되돌리는 공정;
e. 상기 처리된 물을 다운스트림 공정에서 이용하는 단계.
본 발명의 방법에 의해 처리되는 물은 대양, 지하수, 호수, 강, 처리된 물, 또는 그 조합과 같은, 천연 수원에 의해 공급될 수 있다. 물은, 산업 공정으로부터의 액체 잔류물이 본 발명의 방법에 따라 처리되는, 산업 공정에 의해 공급될 수 있으며, 처리된 액체 잔류물은 침투, 배출, 관개, 또는 다른 목적을 위하여 이용될 수 있다.
소독제는 7일의 기간 내에, 수온에 따라 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 ORP 수준을 유지하기 위하여, 화학물질 적용 수단 (4)에 의해 물에 적용될 수 있다. 소독제는 오존, 비구아니드 제품(biguanide products), 구리 제품(copper products); 철염; 알코올; 염소 및 염소 화합물; 과산화물; 페놀 화합물; 요오드포(iodophors); 벤즈알코늄 클로라이드 및 S-트리아진과 같은 일반적인 4급 아민(폴리쿼트); 퍼아세트산; 할로겐계 화합물; 브롬계 화합물과 같은 살조제 및 살균제, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수온이 35℃ 이하인 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 유지된다. 예를 들어, 수온이 25℃이면, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 25시간의 최소 시간 동안 유지되며, 이는 7일의 기간에 걸쳐 분배될 수 있다.
수온이 35℃를 넘고, 69℃ 이하인 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 하기 식에 의해 계산된 최소 시간 동안 유지된다:
[35 시간] -[섭씨온도인 수온 - 35] = 최소 시간
예를 들어, 수온이 50℃이면, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 20시간 ([35] - [50 - 35])의 최소 시간 동안 유지되며, 이는 7일의 기간에 걸쳐 분배될 수 있다.
마지막으로, 수온이 70℃ 이상인 경우, 적어도 500 ㎷의 ORP 수준은 1시간의 최소 시간 동안 유지된다.
산화제는 철 및 망간 농도가 1 ppm을 넘지 않도록 유지 및/또는 예방하기 위하여 물에 적용 또는 분배될 수 있다. 적합한 산화제는 과망간산염; 과산화물; 오존; 소듐 퍼설페이트; 포타슘 퍼설페이트; 전기분해에 의해 생성된 산화제(oxidants produced by electrolytic methods), 할로겐계 화합물, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적으로, 산화제는 화학물질 적용 수단 (4)에 의해 물에 적용 또는 분배된다.
응집제 또는 응고제는 물에 부유하는 입자를 모으고(aggregate), 덩어리로 만들고(agglomerate), 합치고(coalesce) 및/또는 응고시켜(coagulate), 컨테이닝 수단 (8)의 하부에 침전시키기 위하여 물에 적용 또는 분배된다. 일반적으로, 응집제 또는 응고제는 화학물질 적용 수단 (4)에 의해 물에 적용 또는 분배된다. 적합한 응집제 또는 응고제는 양이온성 폴리머 및 음이온성 폴리머와 같은 폴리머; 알루미늄 클로르하이드레이트, 명반 및 알루미늄 설페이트와 같은 알루미늄염; 쿼트(quats) 및 폴리쿼트(polyquats); 칼슘 옥사이드; 칼슘 하이드록사이드; 황산제일철; 염화제이철; 폴리아크릴아미드; 소듐 알루미네이트; 소듐 실리케이트; 키토산, 젤라틴, 구아검, 알기네이트, 모링가 씨(moringa seeds)와 같은 천연물; 전분 유도체; 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 응집체(floccules)가 수집 또는 침전되는 물의 부분은 일반적으로 컨테이너의 하부를 따라 있는 물의 층이다. 응집체는 컨테이닝 수단 (8)의 하부에서 침전물(sediment)을 형성한 후, 컨테이닝 수단 (8)에서 모든 물이 여과될 필요 없이, 예를 들어 작은 부분만이 여과되어, 이동식 흡입 수단 (5)에 의해 제거될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템에 있어서 화학물질 적용 수단 (4) 및 이동식 흡입 수단 (5)은 제어된 파라미터를 그 한계 내에 조절하기 위하여 조정 수단 (1)에 의해 적시에 활성화된다. 화학물질 적용 수단 (4) 및 이동식 흡입 수단(5)은 시스템의 요구에 따라 작동되어, 통상적인 수처리 시스템에 비하여 상당히 적은 화학물질의 적용을 가능케 하고, 동일한 시간 내에 전체 수량이 여과되는 통상적인 수처리 여과 시스템에 비하여 200배까지 더 작은, 전체 수량의 작은 부분만을 여과할 수 있도록 한다.
본 명세서에 개시된 본 방법 및 시스템에서, 조정 수단 (1)은 개별적인 각각의 한계 내에 물 품질 파라미터에 관한 정보 (10)를 수용할 수 있다. 조정 수단에 의해 수용되는 정보는 경험적 방법에 의해 얻어질 수 있다. 조정 수단 (1)은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 그 정보에 따라 필요한 공정을 활성화시킬 수 있으며, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 조정 수단의 하나의 예는 정보에 따라 파라미터의 측정 및 공정의 활성화를 가능케 하는 센서와 연결된, 퍼스널 컴퓨터와 같은 컴퓨터 장치이다.
조정 수단 (1)은 적합한 화학물질의 용량 및 첨가에 관한 정보 (13), 및 제어된 파라미터를 그 한계 내에 유지시키기 위하여 화학물질 적용 수단 (4)을 작동시키는 지시를 화학물질 적용 수단 (4)에 제공한다. 조정 수단 (1)은 또한 이동식 흡입 수단 (5)을 작동시키기 위한 정보 (11)를 제공한다. 조정 수단은 이동식 흡입 수단 (5)에 의해 흡입된 흐름을 여과하기 위하여 여과 수단 (3)을 동시에 작동시켜, 전체 수량의 작은 부분만을 여과시킬 수 있다. 이동식 흡입 수단 (5)은 침전된 물질의 두께가 100 ㎜를 초과하는 것을 방지하기 위하여 조정 수단 (1)에 의해 작동된다 (11). 본 방법 또는 시스템이 담수화 목적을 위한 물을 생산하기 위하여 이용되는 경우, 이동식 흡입 수단 (5)은 침전된 물질의 두께가 10 ㎜를 초과하는 것을 방지하기 위하여 (1)에 의해 작동된다. 여과 수단 (3) 및 이동식 흡입 수단 (5)은, 실질적으로 계속적으로 작동되는 통상적인 여과 시스템과 달리, 예를 들어 단지 1일에 몇 시간을 한계로, 물의 파라미터를 유지할 필요성에 따라 작동된다.
조정 수단은 수집된 물 (9)에 관한 정보를 수용할 수 있다. TDS의 농도가 10,000 ppm 이하인 경우, 물의 랑게리아 포화 지수(Langelier Saturation Index)는 3보다 작아야 한다. 본 발명에 있어서, 랑게리아 포화 지수는 pH 조정, 스케일링 방지제(Antiscalants)의 첨가 또는 물의 연화 과정에 의하여 2보다 작게 유지될 수 있다. TDS의 농도가 10,000 ppm보다 높은 경우, 물의 스티프 & 데이비스 포화 지수(Stiff & Davis Saturation Index)는 3보다 작아야 한다. 본 발명에 있어서, 스티프 & 데이비스 포화 지수는 pH 조정, 스케일링 방지제의 첨가 또는 물의 연화 과정에 의하여 2보다 작게 유지될 수 있다. 랑게리아 포화 지수 또는 스티프 & 데이비스 포화 지수를 유지하기 위하여 이용될 수 있는 스케일링 방지제는 포스폰산과 같은 포스포네이트계 화합물, PBTC (포스포부탄-트리카르복실산), 크로메이트, 징크 폴리포스페이트, 나이트라이트, 실리케이트, 유기물질, 가성소다, 말산계 폴리머, 소듐 폴리아크릴레이트, 에틸렌 디아민 테트라아세트산 소듐염, 벤조트리아졸과 같은 부식 억제제, 및 그 조합을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 방법은 탈염소화(dechlorination) 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 그러한 탈염소화 단계는 산업 공정을 방해할 수 있는 염소 잔류량이 물에서 검출되는 경우 바람직하다. 탈염소화는 소듐 비설파이트 또는 소듐 메타비설파이트와 같은 환원제를 포함하는 화학물질을 첨가함으로써, 활성 탄소 필터를 이용함으로써, 또는 그 조합에 의하여 수행될 수 있다.
실시예
하기 실시예에 있어서, 용어 "a/an/the"는 복수의 대안(적어도 하나의)을 포함한다. 개시된 정보는 설명을 위한 것이며 다른 실시형태가 본 발명의 범위 내에 존재한다.
실시예
1
본 발명의 방법 및 시스템은 역 삼투 해수 담수화 공정을 위한 전처리 단계로서 이용될 수 있다.
약 35,000 ppm의 총용존 고형물 농도를 갖는, 대양으로부터의 해수를 본 발명에 따른 컨테이닝 수단에 수집하였다. 컨테이너는 22,000 ㎡의 면적에, 약 4천 5백만 ㎥의 부피를 가졌다.
컨테이닝 수단에서의 수온은 4월에 측정되었고, 약 18℃의 온도이었다. 본 명세서에 서술된 바와 같이, 수온이 35℃ 이하인 경우에는 적어도 500 ㎷의 ORP 수준이 수온 각 1℃에 대하여 1시간의 최소 시간 동안 유지된다. 이 알고리즘을 이용하여, 적어도 500 ㎷의 ORP는 1주일 동안 18 시간 (18×1) 동안 유지되었다. 분포(distribution)는 월요일에 9시간이었고, 목요일에 9시간이었으며, 이는 총 18시간으로 합계되었다. 9시간 동안 ORP를 유지하기 위하여, 소듐 하이포클로라이트(sodium hypochlorite)가 물에서 0.16 ppm의 농도에 도달하도록 물에 첨가되었다.
소듐 하이포클로라이트가 철 및 마그네슘을 산화시키기에 충분한 산화환원 전위를 가졌기 때문에, 철 및 망간 수준을 조절하기 위한 추가적인 산화 공정은 수행될 필요가 없었다. 탁도가 5 NTU의 값에 도달하기 전에 응집제인 Crystal Clear®가 매 24시간 마다 0.08 ppm의 농도로 응집제로서 주입되었다.
박테리아, 금속, 조류 및 다른 고체가 침전되도록 한 후에, 침전된 물질층의 두께가 10 ㎜에 도달하기 전에, 이동식 흡입 수단을 작동시켰다. 본 방법의 공정의 생성물인 침전된 물질은 컨테이너의 하부를 따라 이동하는 이동식 흡입 수단에 의해 흡입되었다. 이어서 침전된 입자를 함유하는 흡입된 물은 플렉서블 호스를 통하여 필터로 펌핑되어, 21 L/sec의 속도로 여과되었다.
처리 후에, 물은 7.96의 pH, 0.2 NTU의 탁도, 4의 실트 밀도 지수, 0.04 ppm 미만의 철 농도 및 0.01 ppm 미만의 망간 농도를 가졌다.
역 삼투 담수화 공정은 막의 막힘과 오염을 방지하기 위하여 고품질의 물을 필요로 하기 때문에, 역 삼투 해수 담수화 공정을 위한 물의 전처리는 중요하다. 하기 표 1의 두 번째 컬럼은 막 제조자에 의해 요구되는 물 품질 파라미터를 나타낸다. 표 1의 세 번째 컬럼은 본 발명의 방법에 의해 얻어진 처리된 물에 대한 값을 나타내며, 각각의 파라미터에 대한 값이 막 제조자에 의해 요구되는 범위 이내인 것을 입증한다.
| 파라미터 | 막 제조자에 의해 요구되는 값 | 본 발명에 의해 얻어진 값 |
| SDI | <4 | 3.8 |
| 탁도 (NTU) | <1 | 0.2 |
| TDS (㎎/L) | 다양함(Variable) | 35,000 |
| pH | ~ 8 | 7.96 |
| 철(㎎/L) | <0.05 | 0.04 |
| 망간 (㎎/L) | <0.05 | <0.01 |
본 발명의 방법 및 시스템에 적용된 화학물질의 양은 통상적인 전처리 기술에 비하여 매우 적었다. 본 발명은 소정 시간 내에 전체량의 물의 작은 양만을 여과하고, 매우 높은 에너지 소비를 갖는 마이크로여과, 울트라여과 또는 나노여과를 필요로 하지 않기 때문에, 에너지 요구도 통상적인 전처리 기술에 비하여 낮다.
실시예
2
본 발명의 방법 및 시스템은 미세 조류의 접종(inoculation)을 위한 처리수(conditioning water)로서의 이용을 포함하는, 수경 재배 산업에 이용되는 물을 처리하는데 이용될 수 있다.
표면 1 헥타르이고 깊이가 1.5 미터인 탱크가 물의 컨테이닝 수단으로 이용된다. 물은 먼저 탱크에서 처리된 후, 미세 조류가 배양되는 수로식 못(raceways ponds)으로 보내진다.
실시예
3
본 발명의 방법 및 시스템은 음료수 산업을 위한 물을 처리하고 유지하는데 이용될 수 있다.
요구되는 음료수 특성을 갖는 해빙수 또는 다른 천연수로부터의 물이 수집되었다. 수집된 물은 본 발명의 방법에 따라 완전히 청소될 수 있는 하부를 갖는 컨테이닝 수단 내에 유지되었다. 물이 음료수 조건을 충족하기 때문에, 음료수 공장에서의 후처리를 적용할 필요가 없어, 그러한 공장에 의해 생성되는 부산물의 양을 감소시켰다.
컨테이닝 수단에서의 수온은 12℃이었다. 적어도 500 ㎷의 ORP는 7일의 기간 내에 12시간 동안 (12×1) 유지되었다. 600 ㎷의 ORP는 화요일에 6시간 동안, 및 금요일에 6시간 동안 유지되어, 필요한 12시간을 완료하였다. 그러한 ORP를 유지하기 위하여, 소듐 브로마이드가 물에서 0.134 ppm의 농도에 도달하도록 물에 첨가되었다. 소듐 브로마이드가 철 및 마그네슘을 산화시키기에 충분한 산화환원 전위를 가졌기 때문에 추가적인 산화 단계는 필요하지 않았다. 탁도가 5 NTU의 값에 도달하기 전에, 응집제인 Crystal Clear®가 물에서 0.08 ppm의 농도가 되도록 물에 주입되었다. 응집제의 첨가는 매 48시간 마다 반복되었다.
본 발명의 방법 및 시스템은 부산물을 최소화하고, 하기 2차적인 소독 생성물(secondary disinfection products)을 갖는 물을 제공하였다.
| 생성물 | 단위 | 본 발명을 이용하여 얻어진 값 | Official 2005 NCh 409 |
| 모노클로르아민 | ㎎/l | <0.1 | 3 |
| 디브로모클로로메탄 | ㎎/l | <0.005 | 0.1 |
| 디클로로브로모메탄 | ㎎/l | 미검출 | 0.06 |
| 트리브로모메탄 | ㎎/l | 0.037 | 0.1 |
| 트리클로로메탄 | ㎎/l | 미검출 | 0.2 |
| 트리할로메탄 | ㎎/l | <1 | 1 |
표 2의 데이터는 본 발명의 방법 및 시스템에 의해 유지된 물이 음료수 품질을 가졌으며, 음료수 공장에서 처리될 필요가 없었음을 나타낸다.
실시예
4
본 발명의 방법 및 시스템은 폐수 산업에 이용될 수 있다.
누출을 방지하고, 탱크의 하부를 가로질러 움직이는 이동식 흡입 장치에 의해 침전된 물질을 흡입하도록 하기 위하여, 폐수는 플라스틱 라이너로 덮인 하부를 갖는 탱크에 유지된다.
소독제로서, 소듐 하이포클로라이트가 0.16 ppm의 농도에 도달하도록 물에 첨가되었다. 소듐 하이포클로라이트는 철 및 마그네슘을 산화시키기에 충분한 산화환원 전위를 가졌기 때문에, 추가적인 산화 단계는 필요하지 않았다. 물이 첫 번째 처리 전에 25 NTU의 높은 탁도 수준을 가졌기 때문에, 응집제인 Crystal Clear®을 물에 주입하였다. 응집제는 탱크에서 0.09 ppm의 농도에 이를 때까지 주입되었다. 응집제 첨가는 매 24시간 마다 반복되었다.
탱크 하부에 침전된 물질을 흡입하기 위하여 조정 수단에 의해 흡입 카트가 작동되었다. 흡입 카트는 첫째 날에 12시간 동안 기능하였다. 첫째 날 이후, 흡입 카트는 1일에 8시간만 기능하였다.
본 발명의 방법 및 시스템에 따른 처리 전후의 물의 품질은 하기 표 3에 나타내어진다.
| 파라미터 | 단위 | 처리 전 값 | 처리 후 값 |
| 탁도 | NTU | 25 | 0.8 |
| 냄새 | - | 현저함, 불쾌함 | 냄새 없음 |
| 색 | - | 연한 갈색 | 무색 - 높은 투명도 |
| 거품, 기름, 및 부유하는 입자 | - | 약간의 부유하는 거품 | 부유하는 거품이나 기름 없음 |
실시예
5
본 발명의 방법 및 시스템은 광업 목적과 같은 많은 목적을 위한 펌프장에서 물을 처리하고 유지하는데 이용될 수 있다. 펌프장의 버퍼 탱크는, 파이프 또는 펌핑 시스템이 손상되거나 다른 문제를 겪는 경우, 해수를 담아 둔다. 탱크 내에 저장된 물은 시간 경과 후에 악화되기 시작하고, 미세 조류 또는 다른 미생물이 탱크 내에 성장하기 시작하여 탱크 및 파이프의 벽에 부착되는 생물 오손을 발생시켜, 횡단면적을 감소시키고, 탱크 및 파이프 내의 물 흐름에 영향을 미치는 다양한 문제를 발생시킨다. 본 발명으로부터의 방법은 버퍼 탱크에 적용되어, 저비용으로 버퍼 탱크 내에 저장된 물을 처리하고, 생물 오손을 최소화시킴으로써 물을 유지한다.
실시예
6
본 발명의 방법 및 시스템은 다양한 공정의 부산물로서 생성되는 산업적인 액체 잔류물을 처리하는데 이용될 수 있다. 광업 공정의 생성물로서, 산업적 액체 잔류물이 생성된다. 액체 잔류물은 침전 공정, 샌드 필터, 탄소 필터, 울트라여과 및 역 삼투를 포함하는 공장에서 처리된다. 2종의 생성물인 투과물(permeate)과 거부된 생성물(rejected products)이 이 처리에 의해 생성된다. 이어서, 투과물은 관개 목적을 위하여 이용되며, 거부된 생성물/물은 500 ppm으로부터 1 pmm로 황 함량을 감소시키는 용존 공기 부상 (Dissolved Air Flotation, "DAF") 공장에 보내진다. DAF 처리 후에, 물은 증발 연못(evaporation ponds)에 보내진다.
높은 황 함량을 갖는 물이 증발 연못에 도달하여 물 중의 황화수소에 기인하여 불쾌한 냄새를 갖게 하는 DAF 공장에는 문제가 생겼다. 1 ppm 미만의 농도의 황화수소는 부패한 달걀 냄새로서 인지되어 증발 연못의 이웃에게 불쾌하다. 본 발명의 방법 및 시스템은 산화제로서 소듐 브로마이드를 물 중의 0.134 ppm의 농도에 도달하도록 적용하고, 1주일 내에 20시간 동안 600 ㎷의 ORP 수준을 유지함으로써, 황화수소에 의해 생성된 불쾌한 냄새를 감소시키기 위하여 증발 연못에 적용되었다.
본 발명의 특정 실시형태가 서술되었으나, 다른 실시형태도 존재할 수 있다. 또한, 임의의 개시된 방법 단계 및 국면은 본 발명으로부터 벗어나지 않고, 단계를 재정리하거나, 및/또는 단계를 삽입 또는 삭제하는 것을 포함하는, 임의의 방식으로 변경될 수 있다. 본 명세서는 상세한 설명 및 관련된 도면을 포함하고 있으나, 본 발명의 범위는 하기 청구항에 의해 표시된다. 또한, 본 명세서는 구조적 특징 및/또는 방법적 행위에 특유한 언어로 서술되었으나, 청구항은 전술한 특징 또는 행위에 제한되는 것은 아니다. 오히려, 전술한 특정한 특징 및 행위는 본 발명의 설명적 측면 및 실시형태로 개시된 것이다. 본 명세서의 서술을 읽은 후에, 그의 다양한 다른 측면, 실시형태, 변형 및 균등물은 본 발명의 정신 또는 청구된 요지의 범위로부터 벗어나지 않고 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 제안될 수 있다.
Claims (20)
- 저비용으로 물을 처리하는 방법으로서,
상기 방법은 산업 공정(industrial process)에 이용되며, 전체 수량(total volume of water)의 작은 부분만을 여과함으로써 물을 정화하고 물에 부유하는 고체를 제거하며,
a. 60,000 ppm 이하의 총용존 고형물 (TDS) 농도를 갖는 물을 수집하는 단계;
b. 상기 물을, 이동식 흡입 수단(mobile suction means)에 의해 전체적으로 청소될 수 있는 하부(bottom)를 갖는 적어도 하나의 컨테이닝 수단(containing means)에 저장하는 단계;
c. 7일의 기간 내에:
ⅰ. 35℃ 이하의 수온에 대하여, 물에 소독제를 첨가함으로써, 수온 각 1℃에 대하여, 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하고;
ⅱ. 35℃ 초과 69℃ 이하의 수온에 대하여, 물에 소독제를 첨가함으로써 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하되, 상기 최소 시간은 하기 식에 의해 계산됨:
[35 시간] - [섭씨온도인 수온 - 35] = 최소 시간; 및
ⅲ. 70℃ 이상의 수온에 대하여, 1시간의 최소 시간 동안 적어도 500 ㎷의 상기 물의 ORP를 유지하는 단계;
d. 조정 수단(coordination means)을 통하여, 전체 수량의 작은 부분만을 여과함으로써 물을 정화하고 부유하는 고체를 제거하는 하기 공정을 활성화시키는 단계:
ⅰ. 철 및 망간 농도가 1 ppm을 넘는 것을 방지하기 위하여 산화제를 적용하는 공정;
ⅱ. 탁도가 5 NTU를 넘는 것을 방지하기 위하여 응고제(coagulants), 응집제(flocculants) 또는 그 혼합물을 적용하는 공정;
ⅲ. 침전된 물질의 두께가 평균 100 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여, 이전 공정에 의해 생성된, 침전된 입자를 함유하는 물흐름을 이동식 흡입 수단에 의해 흡입하고;
ⅳ. 상기 이동식 흡입 수단에 의해 흡입된 흐름을 적어도 하나의 여과 수단에 의해 여과하는 공정; 및
ⅴ. 여과된 물을 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로 되돌리는 공정;
e. 상기 처리된 물을 다운스트림 공정(downstream process)에서 이용하는 단계를 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
a. 상기 단계 a)에서 수집된 물이 10,000 ppm 이하의 총용존 고형물 농도를 갖는 경우, 랑게리아 포화 지수(Langelier Saturation Index)는 3보다 작아야 하며; 또는
b. 상기 단계 a)에서 수집된 물이 10,000 ppm보다 높은 총용존 고형물 농도를 갖는 경우, 스티프 & 데이비스 포화 지수(Stiff & Davis Saturation Index)는 3보다 낮아야 하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제2항에 있어서,
랑게리아 포화 지수 또는 스티프 & 데이비스 포화 지수는 pH 조정, 스케일링 방지제(antiscalants)의 첨가, 또는 물 연화 공정으로부터 선택된 공정에 의하여 2보다 낮게 유지되는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제3항에 있어서,
상기 스케일링 방지제는 포스폰산(phosphonic acid), PBTC (포스포부탄-트리카르복실산), 크로메이트(chromates), 징크 폴리포스페이트(zinc polyphosphates), 나이트라이트(nitrites), 실리케이트(silicates), 유기물질(organic substances), 가성소다(caustic soda), 말산계 폴리머(malic acid-based polymers), 소듐 폴리아크릴레이트(sodium polyacrylate), 에틸렌 디아민 테트라아세트산 소듐염(ethylene diamine tetracetic acid sodium salts), 벤조트리아졸(benzotriazole), 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 수집된 물은 산업 공정으로부터의 잔류 액체 또는 천연 수원 및/또는 처리된 물로부터 수집된 물일 수 있는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 소독제는 오존, 비구아니드 제품(biguanide products), 브롬계 화합물(bromine based compounds), 할로겐계 화합물(halogen based compounds), 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 조정 수단은 제어되는 파라미터에 관한 정보를 수용하고, 상기 파라미터를 그 한계 내에 조절하기 위하여 단계 d)의 공정을 적시에 활성화시키는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 조정 수단에 의해 수용된 정보는 경험적 방법에 의해 얻어지는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 산화제는 할로겐계 화합물; 과망간산염; 과산화물; 오존; 소듐 퍼설페이트; 포타슘 퍼설페이트; 전기분해 방법에 의해 생성된 산화제(oxidants produced by electrolytic methods), 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 응집제 또는 응고제는 양이온성 폴리머 및 음이온성 폴리머와 같은 폴리머; 알루미늄염; 쿼트 및 폴리쿼트(quats and polyquats); 칼슘 옥사이드; 칼슘 퍼옥사이드; 황산제일철; 염화제이철; 폴리아크릴아미드; 소듐 알루미네이트; 소듐 실리케이트; 키토산; 젤라틴; 구아검; 알기네이트; 모링가 씨(moringa seeds); 전분 유도체, 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 방법이 담수화 목적을 위하여 물을 처리하는데 이용되는 경우, 상기 이동식 흡입 수단은 침전된 물질의 두께가 10 ㎜를 넘는 것을 방지하기 위하여 조정 수단에 의해 작동되는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
잔류 염소가 검출되는 경우, 탈염소화 단계가 수행되며,
상기 탈염소화 단계는 활성 탄소 필터, 또는 소듐 비설파이트(sodium bisulfite), 소듐 메타비설파이트(metabisulfite), 또는 그 조합을 포함하는 화학물질을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 처리된 물은
a. 산업 공정을 위한 원료로서 이용되고, 개방 사이클(open cycle)에서 순환되며; 또는
b. 배출 목적(discharging purposes), 관개(irrigation), 침투(irrigation), 또는 그 조합에 이용되는
저비용으로 물을 처리하는 방법.
- 저비용으로 물을 처리하는 시스템으로서,
상기 시스템은 전체 수량(total volume of water)의 작은 부분만을 여과함으로써 물에 부유하는 고체를 제거하며, 하기:
- 적어도 하나의 컨테이닝 수단(containing means)에 대한 적어도 하나의 물공급 라인(feeding line of water);
- 침전된 입자를 위한 수용 수단을 포함하는 적어도 하나의 컨테이닝 수단, 여기에서 상기 수용 수단은 상기 컨테이닝 수단의 하부에 고정됨;
- 물의 파라미터를 작동자 또는 조정 수단에 의해 특정되는 한계 내에 조절하기 위하여 필요한 공정을 적시에 활성화시키는, 적어도 하나의 조정 수단(containing means);
- 상기 적어도 하나의 조정 수단에 의해 작동되는 적어도 하나의 화학물질 적용 수단(chemical application means);
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동하여 침전된 입자를 함유하는 물 흐름을 흡입하는, 적어도 하나의 이동식 흡입 수단(mobile suction means);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단에 움직임을 제공하여 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단의 하부를 가로질러 이동할 수 있도록 하는, 적어도 하나의 추진 수단(propelling means);
- 침전된 입자를 함유하는 물 흐름을 여과하는 적어도 하나의 여과 수단(filtration means);
- 상기 적어도 하나의 이동식 흡입 수단과 상기 적어도 하나의 여과 수단 사이에 결합된 적어도 하나의 수집 라인(collecting line);
- 상기 적어도 하나의 여과 수단으로부터 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로의 적어도 하나의 회수 라인(return line);
- 상기 적어도 하나의 컨테이닝 수단으로부터 적어도 하나의 다운스트림 공정(downstream process)으로의 적어도 하나의 물 유출 라인(water outlet line)을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 수용 수단은 막, 지질막(geo-membranes), 토목섬유 막(geotextile membranes), 플라스틱 라이너(plastic liners), 콘크리트, 또는 코팅된 콘크리트(coated concrete), 또는 그 조합을 포함하는 물질로 덮여지는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 조정 수단은 정보를 수용하고, 그 정보를 처리하고, 다른 공정을 활성화시킬 수 있는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 화학물질 적용 수단은 인젝터(injectors), 스프링클러(sprinklers), 수동 적용(manual application), 중량에 의한 디스펜서(dispensers by weight), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 추진 수단은 레일 시스템(rail system), 케이블 시스템(cable system), 자가-추진 시스템(self-propelled system), 수동 추진 시스템(manually propelled system), 로봇 시스템(robotic system), 멀리서 가이드되는 시스템(system guided from a distance), 엔진을 구비한 보트(boat with an engine), 엔진을 구비한 부동 장치(floating device with an engine), 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 여과 수단은 카트리지 필터(cartridge filters), 샌드 필터(sand filters), 마이크로필터(micro-filters), 울트라필터(ultra-filters), 나노필터(nano-filters), 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
- 제14항에 있어서,
상기 수집 라인은 플렉서블 호스(flexible hose), 리지드 호스(flexible hose), 파이프, 또는 그 조합을 포함하는
저비용으로 물을 처리하는 시스템.
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