KR20140073312A - 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법 - Google Patents

하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법 Download PDF

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한국건설기술연구원
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    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/441—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by reverse osmosis

Abstract

해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하는 정삼투막 공정을 통해 희석된 해수를 역삼투 공정의 공급수로 제공하여, 높은 여과플럭스와 회수율로 역삼투막 공정을 운영하여 담수를 생산하고, 역삼투 공정에서 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 사용하는 압력지연삼투 공정을 통해 전력을 생산함으로써, 해수와 하수처리수를 통한 지속가능한 수자원의 확보할 수 있고, 또한, 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 적절하게 조합하여 하수처리수와 해수를 공급수와 유도용액으로 사용함으로써, 정삼투 공정의 단점인 유도용액의 회수가 필요 없으며, 또한, 역삼투 공정의 공급수로 희석된 낮은 염농도의 해수가 사용되기 때문에 높은 회수율과 플럭스 및 저에너지로 용수 생산이 가능한, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법이 제공된다.

Description

하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법 {APPARATUS FOR PRODUCING FRESH WATER AND ELECTRIC POWER THROUGH FORWARD OSMOSIS, REVERSE OSMOSIS AND PRESSURE RETARDED OSMOSIS USING TREATED SEWAGE AND SEAWATER, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하수처리수를 공급수로 사용하고 해수를 유도용액(Draw Solution)으로 사용하는 정삼투(Forward Osmosis: FO), 역삼투(Reverse Osmosis: RO) 및 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis: PRO) 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현재 세계적으로 물 부족 문제가 대두되고 있으며, 이에 따라서 지속가능한 수자원의 확보가 중요하게 인식되고 있다. 해수담수화 기술은 생활용수, 공업용수 및 농업용수의 부족으로 인하여 야기되는 물 문제를 해결하기 위한 효과적인 기술이다.
일반적으로, 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 분리막인 역삼투막을 이용하여 생산수(담수)와 농축수(해수)로 분리시키며, 이때, 생산수(담수)는 성분 농도를 희석하여 용수 및 음용수로 활용하고, 농축수(해수)는 다시 바다로 배출하게 된다.
현재 가장 널리 사용되고 있는 역삼투 공정은 낮은 회수율(예를 들면, 50% 이하)과 에너지 효율 측면에서 기술개발을 통해 증가시킬 수 있는 에너지 효율이 크지 않다는 단점이 있다. 이론적으로는, 에너지 소비량은 1.56 kWh/㎥이고, 세계최고 기술 수준의 에너지 소비량 1.8 kWh/㎥이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 역삼투압 방식의 해수담수화 장치의 구성도이다.
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 바와 같이 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. 전술한 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, 해수 담수화에서 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 및 회수해야 하는 추가 공정이 필요하다. 이러한 정삼투 공정은 고압의 펌프가 불필요하므로 담수 생산을 위한 단위소비전력을 크게 절감할 수 있고, 전술한 역삼투 공정에서 문제가 되는 막 오염도 가압 공정 없이 진행되기 때문에 막 세척이 용이하기 때문이다.
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 정삼투 공정은 운전압력으로 고압펌프에 의한 수리학적 압력 대신에 유도용액과 공급수 사이의 삼투압 구배를 이용하는 공정으로서, 역삼투 공정에 비해 에너지 소비율이 매우 낮으며, 또한, 높은 회수율로 운전이 가능한 공정이다. 하지만, 아직까지 희석된 유도용액을 농축하는 공정 기술의 개발이 필요한 상태이다.
종래의 기술에 따른 역삼투 방식의 해수담수화 기술의 한계점 극복을 위해 다양한 수자원의 이용과 더불어 역삼투 공정(RO), 정삼투 공정(FO) 및 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis: PRO) 공정과의 최적 조합을 통한 물 생산과 에너지 생산이 가능한 다목적 플랜트 공정 기술이 필요하다.
한편, 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis: PRO) 공정은 해수의 화학 포텐셜을 이용해 에너지를 생산하는 대체 에너지 기술 중의 하나로서, 화석 연료를 대체할 강점들을 가지고 있다.
삼투 발전 공정은 염분 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차이를 이용한 발전으로서, 보통 저농도 용액으로는 담수(Fresh water)가, 고농도 용액으로는 해수(Sea water)가 이용된다. 저농도 용액이 삼투압 차에 의해 반투막을 통하여 가압된 고농도 용액으로 투과되며, 이때, 증가한 유량이 터빈을 회전시켜 에너지를 생산하게 된다.
이러한 압력지연삼투(PRO) 공정과 관련된 선행 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제2012-73080호에는 "정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치는, 정삼투 공정이 진행되는 정삼투부(70), 압력지연삼투 공정이 진행되는 압력지연삼투부(80) 및 막증류 공정이 진행되는 막증류부(90)를 포함하여 구성된다.
정삼투부(70)는 정삼투막(77)이 내장되어 있는 정삼투 모듈(71)이 구비되며, 상기 정삼투 모듈(71)은 공급용액으로서 해수가 상기 정삼투 모듈(71)로 유입되도록 하는 해수유입관(72); 유도용액 저장조(76)로부터 상기 정삼투 모듈(71)로 유도용액이 공급되도록 하는 유도용액 공급관(73); 상기 정삼투 모듈(71)에서 발생하는 해수농축액이 상기 정삼투 모듈(71)로부터 유출되도록 하는 해수농축액 유출관(74); 및 정삼투막을 통과한 여과수가 유도용액에 섞여서 상기 정삼투 모듈(71)로부터 배출되도록 하는 유도용액 혼합액 배출관(75)이 연결되어 있다.
상기 유도용액 혼합액 배출관(75)은 분기관으로 만들어져서, 분기된 제1 분기관(95)은 후술하는 막증류부(90)의 막증류 모듈(91)과 연결되며, 분기된 제2 분기관(96)은 유도용액 저장조(76)와 연결된다.
압력지연삼투부(80)는, 압력지연삼투용 반투과막(87)을 구비한 압력지연삼투 모듈(81); 담수가 상기 압력지연삼투 모듈(81)로 유입되도록 하는 담수 유입관(82); 상기 압력지연삼투 모듈(81)로부터 담수가 유출되는 담수 유출관(83); 농축액이 상기 압력지연삼투 모듈(81)로부터 배출되는 농축액 유출관(84); 상기 농축액 유출관(84)과 연결되어 압력지연을 조절할 수 있도록 하는 압력지연 밸브(85); 및 상기 농축액 유출관(84)에 설치되어 있으며 압력지연삼투 모듈(81)로부터 발생된 압력을 이용하여 터빈을 가동하여 에너지를 발생시키는 공지의 전력발생장치(86)를 포함한다.
특히, 정삼투부(70)에 구비된 해수 농축액 유출관(74)이 상기 압력지연삼투 모듈(81)에 연결되어 있어, 상기 해수 농축액 유출관(74)을 통해서 정삼투 모듈(71)로부터 배출되는 해수농축액(정삼투 공정의 결과로 만들어지는 해수농축액)이 압력지연삼투 공정의 유도용액으로서 상기 압력지연삼투 모듈(81)로 유입되는 구조를 가지고 있다.
막증류부(90)는 소수성 분리막을 구비하고 있어 막증류 공정이 이루어지는 막증류 모듈(91); 막증류 공정에 의해 생성되는 막증류 응축수가 배출되는 응축수 배출관(92); 및 막증류 공정에 의해 생산된 생산수, 즉, 담수를 배출하는 생산수 배출관(93)을 포함한다.
특히, 상기 유도용액 혼합액 배출관(75)으로 분기된 제1 분기관(95)이 상기 막증류 모듈(91)에 연결되어 있으며, 상기 응축수 배출관(92)은 상기 정삼투부(70)의 유도용액 저장조(76)와 연결되어 있다. 여기서, 도면번호 94는 막증류 공정에 의해 생산된 생산수를 저장하기 위하여 필요에 따라 설치할 수 있는 생산수 저장조를 나타낸다.
종래의 기술에 따른 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치에 따르면, 정삼투 공정과 압력지연삼투 공정과 막증류 공정의 세 가지 공정을 융합하여 용수 및 에너지를 생산함으로써, 해수 담수화 및 유도용액의 회수를 위하여 소모되는 에너지를 줄이고 담수를 효율적으로 생산할 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 2006년의 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. 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 2007년 말 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. 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.
1) 대한민국 공개특허번호 제2012-73080호(공개일: 2012년 7월 4일), 발명의 명칭: "정삼투와 압력지연삼투와 막증류 공정을 이용한 해수로부터의 용수 및 에너지 생산장치 및 방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-1200838호(출원일: 2010년 7월 14일), 발명의 명칭: "염도차를 이용한 삼투발전 및 해수의 담수화를 위한 장치 및 방법" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-1067422호(출원일: 2011년 7월 1일), 발명의 명칭: "염수-담수간의 염도차를 이용한 하이브리드 발전방법 및 이를 이용한 염수-담수간의 염도차를 이용한 하이브리드 발전시스템" 4) 대한민국 공개특허번호 제2011-67748호(공개일: 2011년 6월 22일), 발명의 명칭: "담수화 소요 에너지 절감형 이중 삼투장치 및 이를 이용한 담수화 방법" 5) 대한민국 공개특허번호 제2008-80599호(공개일: 2008년 9월 4일), 발명의 명칭: "압력 지연 삼투를 위해 사용되는 멤브레인 상에서 유지를 수행하기 위한 방법 및 시스템" 6) 미국 등록특허번호 제8,197,693호(출원일: 2012년 1월 15일), 발명의 명칭: "해수의 담수화 과정에서 압력지연삼투를 이용하여 전기를 생성하는 장치 및 방법" 7) 미국 공개특허번호 제 2012-37566호(공개일: 2012년 2월 16일), 발명의 명칭: "삼투압-기반 담수화 방법 및 시스템"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하는 정삼투막 공정을 통해 희석된 해수를 역삼투 공정의 공급수로 제공하여, 높은 여과플럭스와 회수율로 역삼투막 공정을 운영하여 담수를 생산하고, 역삼투 공정에서 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 사용하는 압력지연삼투 공정을 통해 전력을 생산함으로써, 해수와 하수처리수를 통한 지속가능한 수자원의 확보할 수 있는, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 적절하게 조합하여 하수처리수와 해수를 공급수와 유도용액으로 사용함으로써, 정삼투 공정의 단점인 유도용액의 회수가 필요 없으며, 또한, 역삼투 공정의 공급수로 희석된 낮은 염농도의 해수가 사용되기 때문에 높은 회수율과 플럭스 및 저에너지로 용수 생산이 가능한, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는, 하수처리수가 저장된 하수처리수 저장조; 해수가 저장된 해수 저장조; 상기 해수 저장조로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하여 공급하는 정삼투 유닛; 상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출하는 역삼투 유닛; 및 상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투막 모듈과 전력발생장치를 통해 전력을 생산하는 압력지연삼투 유닛을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 정삼투 유닛은, 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 제어하기 위해 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 유도용액(해수)의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 역삼투 유닛은, 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛은, 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 압력지연삼투 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 정삼투 유닛은, 상기 해수 저장조로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 상기 해수를 희석하는 정삼투막 모듈; 상기 하수처리수 저장조 및 상기 정삼투막 모듈 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관; 상기 하수처리수가 상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관을 통해 상기 정삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프; 상기 정삼투막 모듈에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조에 회수될 수 있도록 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관; 상기 해수 저장조 및 상기 정삼투막 모듈 사이에 설치되어 해수가 유입되는 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 해수 유입관; 상기 해수가 상기 정삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 상기 정삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 정삼투 유닛용 해수 유입펌프; 상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수를 배출하는 통로 역할을 하며, 삼투 과정에 의해 발생된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출하는 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관; 및 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 만족시키기 위해 상기 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위해 유도용액(해수)의 유량을 결정하고 이를 제어하는 정삼투 유닛 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 역삼투 유닛은, 상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 담수를 생산하고 해수 농축수를 배출하는 역삼투막 모듈; 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관에 연결되어 상기 역삼투막 모듈로 유입시키는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 고압펌프; 상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수가 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 역삼투 유닛용 해수 유입관; 상기 역삼투막 모듈에 의해 농축된 해수 농축수가 배출되는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관; 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관으로부터 배출되는 해수 농축수의 압력을 회수하여 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈에 공급하는 역할을 하는 에너지 회수장치; 상기 역삼투막 모듈에서 생산되는 담수를 배출하는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 담수 배출관; 및 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 운전자가 설정한 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 결정하고 이를 제어하는 역삼투 유닛 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 역삼투막 모듈의 공급수로 사용되는 희석된 해수를 유입하기 위한 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관이 상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수가 배출되는 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관과 연결되어, 낮은 염농도의 해수를 상기 역삼투막 모듈에 공급하고, 높은 여과플럭스, 높은 회수율 및 낮은 에너지로 담수를 생산하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛은, 상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투 공정을 수행하는 압력지연삼투막 모듈; 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관에 연결되어 상기 압력지연삼투막 모듈로 유입시키는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 고압펌프; 상기 역삼투 유닛으로부터 공급되는 농축된 해수 농축수가 상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 고압 상태로 상기 압력지연삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관; 상기 압력지연삼투막 모듈로부터 배출되는 희석 해수를 배출하는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관; 상기 희석 해수 배출관에 연결되어 가압된 희석 해수로 터빈을 가동하여 전력을 발생시키는 전력발생장치; 상기 하수처리수 저장조 및 상기 압력지연삼투막 모듈 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관; 상기 압력지연삼투막 모듈에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조에 회수될 수 있도록 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관; 및 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 만족시키기 위해 압력지연삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 결정하고 이를 제어하는 압력지연삼투 유닛 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛의 전력발생장치에서 생산된 전력을 저장하는 생산전력 저장부를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관은 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관과 서로 연결되어 높은 삼투압차로 압력지연삼투 발전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛용 고압펌프는 하수처리수인 공급수가 해수 농축수인 유도용액의 삼투구배보다 작은 압력으로 가압될 수 있도록 고압을 인가하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관은 압력지연삼투 과정에 의해 발생된 가압된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는, 상기 역삼투 유닛에서 생산된 담수를 저장하는 생산담수 저장조를 추가로 포함할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산 방법은, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법에 있어서, a) 해수 및 하수처리수를 정삼투 유닛 내에 유입하는 단계; b) 상기 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 상기 정삼투 유닛의 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하고, 희석된 해수를 역삼투 유닛에게 공급하는 단계; c) 상기 희석된 해수를 공급수로 사용하여 상기 역삼투 유닛의 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출하는 단계; 및 d) 상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 압력지연삼투 유닛의 압력지연삼투막 모듈이 전력을 생산하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 c) 단계에서, 상기 역삼투막 모듈의 공급수로 사용되는 희석된 해수를 유입하기 위한 역삼투 유닛용 해수 유입관이 상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수가 배출되는 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관과 연결되어, 낮은 염농도의 해수를 상기 역삼투막 모듈에 공급하고, 높은 여과플럭스, 높은 회수율 및 낮은 에너지로 담수를 생산하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 d) 단계에서, 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관이 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관과 서로 연결되어 높은 삼투압차로 압력지연삼투 발전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하는 정삼투막 공정을 통해 희석된 해수를 역삼투 공정의 공급수로 제공하여, 높은 여과플럭스와 회수율로 역삼투막 공정을 운영하여 담수를 생산하고, 역삼투 공정에서 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 사용하는 압력지연삼투 공정을 통해 전력을 생산함으로써, 해수와 하수처리수를 통한 지속가능한 수자원의 확보와 더불어, 화석 연료를 대체할 수 있는 청정에너지 기술을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 적절하게 조합하여 하수처리수와 해수를 공급수와 유도용액으로 사용함으로써, 정삼투 공정의 단점인 유도용액의 회수가 필요 없으며, 또한, 역삼투 공정의 공급수로 희석된 낮은 염농도의 해수가 사용되기 때문에 높은 회수율과 플럭스 및 저에너지로 용수 생산이 가능하다.
본 발명에 따르면, 역삼투 공정의 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 하여 압력지연삼투 공정을 운영하기 때문에 역삼투 공정에서 배출되는 높은 염농도의 배출수를 희석하여 배출할 수 있으며, 또한, 해수의 화학에너지를 이용하여 지속적인 청정에너지를 생산할 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 정삼투 공정, 압력지연삼투 공정 및 막증류 공정이 조합된 용수 및 에너지 생산장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치의 구체적인 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산 방법의 동작흐름도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산 방법의 구체적인 동작흐름도이다.
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 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치의 개략적인 구성도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치의 구체적인 구성도로서, 정삼투 유닛, 역삼투 유닛 및 압력지연삼투 유닛의 구성 및 공급수와 유도용액의 투입 위치를 나타낸다.
본 발명의 실시예로서, 기존 역삼투 방식의 해수담수화 기술의 문제점과 한계점 극복을 위한 것으로서, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투 공정, 역삼투 공정 및 압력지연삼투 공정을 조합하여 용수 및 에너지를 동시에 생산함으로써, 담수 이외의 다양한 수자원을 활용하고, 해수 담수화에 소비되는 에너지를 줄이고, 담수를 효율적으로 생산할 수 있는, 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치가 제공된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는, 하수처리수 저장조(110), 해수 저장조(120), 정삼투 공정이 진행되는 정삼투 유닛(130), 역삼투 공정이 진행되는 역삼투 유닛(140), 압력지연삼투 공정이 진행되는 압력지연삼투 유닛(150), 생산담수 저장조(160) 및 생산전력 저장부(170)를 포함한다.
하수처리수 저장조(110)는 하수처리수가 저장되고, 해수 저장조(120)는 해수가 저장된다. 이때, 상기 하수처리수 저장조(110)애 저장된 하수처리수는 공급수로 사용되고, 상기 해수 저장조(120)에 저장된 해수는 유도용액으로 사용된다.
정삼투 유닛(130)은 상기 해수 저장조(120)로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조(110)로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하여 공급한다.
역삼투 유닛(140)은 상기 정삼투 유닛(130)으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출한다.
압력지연삼투 유닛(150)은 상기 역삼투 유닛(140)으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조(110)로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투막 모듈과 전력발생장치를 통해 전력을 생산한다.
생산담수 저장조(160)는 상기 역삼투 유닛(140)에서 생산된 담수를 저장한다.
생산전력 저장부(170)는 상기 압력지연삼투 유닛(150)의 전력발생장치에서 생산된 전력을 저장한다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 상기 정삼투 유닛(130)은 정삼투막 모듈(131), 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프(132), 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관(133), 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(134), 정삼투 유닛용 해수 유입펌프(135), 정삼투 유닛용 해수 유입관(136), 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137) 및 정삼투 유닛 제어부(138)를 포함할 수 있다.
상기 정삼투막 모듈(131)은 상기 해수 저장조(120)로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조(110)로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 상기 해수를 희석한다.
상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관(133)은 상기 하수처리수 저장조(110) 및 상기 정삼투막 모듈(131) 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 한다.
상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프(132)는 상기 하수처리수가 상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관(133)을 통해 상기 정삼투막 모듈(131)로 유입될 수 있게 한다.
상기 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(134)은 상기 정삼투막 모듈(131)에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조(110)에 회수될 수 있도록 통로 역할을 한다.
상기 정삼투 유닛용 해수 유입관(136)은 상기 해수 저장조(120) 및 상기 정삼투막 모듈(131) 사이에 설치되어 해수가 유입되는 통로 역할을 한다.
상기 정삼투 유닛용 해수 유입펌프(135)는 상기 해수가 상기 정삼투 유닛용 해수 유입관(136)을 통해 상기 정삼투막 모듈(131)로 유입될 수 있게 한다.
상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137)은 상기 정삼투막 모듈(131)에 의해 희석된 해수를 배출하는 통로 역할을 한다. 즉, 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137)은 삼투 과정에 의해 발생된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출한다.
상기 정삼투 유닛 제어부(138)는 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 만족시키기 위해 상기 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위해 유도용액(해수)의 유량을 결정하고 이를 제어한다.
또한, 상기 역삼투 유닛(140)은 역삼투막 모듈(141), 역삼투 유닛용 고압펌프(142), 역삼투 유닛용 해수 유입관(143), 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관(144), 에너지 회수장치(145), 역삼투 유닛용 담수 배출관(146) 및 역삼투 유닛 제어부(147)를 포함할 수 있다.
상기 역삼투막 모듈(141)은 상기 정삼투 유닛(130)으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 담수를 생산하고 해수 농축수를 배출한다.
상기 역삼투 유닛용 해수 유입관(143)은 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137)에 연결되어 상기 역삼투막 모듈(141)로 유입시키는 통로 역할을 한다.
상기 역삼투 유닛용 고압펌프(142)는 상기 정삼투 유닛(130)으로부터 공급되는 희석된 해수가 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관(143)을 통해 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈(141)로 유입될 수 있게 한다.
상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관(144)은 상기 역삼투막 모듈(141)에 의해 농축된 해수 농축수가 배출되는 통로 역할을 한다.
상기 에너지 회수장치(145)는 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관(144)으로부터 배출되는 해수 농축수의 압력을 회수하여 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈(141)에 공급하는 역할을 한다. 이러한 에너지 회수장치(145)는 널리 공지되어 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
상기 역삼투 유닛용 담수 배출관(146)은 상기 역삼투막 모듈(141)에서 생산되는 담수를 배출하는 통로 역할을 한다.
상기 역삼투 유닛 제어부(147)는 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 운전자가 설정한 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 결정하고 이를 제어한다.
또한, 상기 압력지연삼투 유닛(150)은 압력지연삼투막 모듈(151), 압력지연삼투 유닛용 고압펌프(152), 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관(153), 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관(154), 전력발생장치(155), 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관(156), 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(157) 및 압력지연삼투 유닛 제어부(158)를 포함할 수 있다.
상기 압력지연삼투막 모듈(151)은 상기 역삼투 유닛(140)으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조(110)로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투 공정을 수행한다.
상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관(153)은 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관(144)에 연결되어 상기 압력지연삼투막 모듈(151)로 유입시키는 통로 역할을 한다.
상기 압력지연삼투 유닛용 고압펌프(152)는 상기 역삼투 유닛(140)으로부터 공급되는 농축된 해수 농축수가 상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관(153)을 통해 고압 상태로 상기 압력지연삼투막 모듈(151)로 유입될 수 있게 한다. 즉, 상기 압력지연삼투 유닛용 고압펌프(152)는 하수처리수인 공급수가 해수 농축수인 유도용액의 삼투구배보다 작은 압력으로 가압될 수 있도록 고압을 인가한다.
상기 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관(154)은 상기 압력지연삼투막 모듈(151)로부터 배출되는 희석 해수를 배출하는 통로 역할을 한다. 즉, 상기 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관(154)은 압력지연삼투 과정에 의해 발생된 가압된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출한다.
상기 전력발생장치(155)는 상기 희석 해수 배출관(154)에 연결되어 전력을 생산한다. 이때, 상기 전력발생장치(155)는 가압된 희석 해수로 터빈을 가동하여 전력을 발생시킨다.
상기 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관(156)은 상기 하수처리수 저장조(110) 및 상기 압력지연삼투막 모듈(151) 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 한다.
상기 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(157)은 상기 압력지연삼투막 모듈(151)에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조(110)에 회수될 수 있도록 통로 역할을 한다.
상기 압력지연삼투 유닛 제어부(158)는 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 만족시키기 위해 압력지연삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 결정하고 이를 제어한다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 역삼투막 모듈(141)의 공급수로 사용되는 희석된 해수를 유입하기 위한 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관(143)이 상기 정삼투막 모듈(131)에 의해 희석된 해수가 배출되는 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137)과 연결되어 있기 때문에, 낮은 염농도의 해수를 상기 역삼투막 모듈(141)에 공급할 수 있고, 이에 따라 높은 여과플럭스, 높은 회수율 및 낮은 에너지로 담수를 생산할 수 있다.
또한, 상기 역삼투막 모듈(141)에서 배출되는 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관(144)과 상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관(153)이 서로 연결되어 있기 때문에 높은 삼투압차로 압력지연삼투 발전을 수행할 수 있으며, 또한, 상기 역삼투막 모듈(141)에서 배출되는 해수 농축수를 희석하여 방류함으로써, 환경에 미치는 악영향을 줄일 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는, 높은 염농도의 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 하여 해수를 희석하는 정삼투 공정과 희석된 해수에서 용수를 생산하는 역삼투 공정, 그리고 역삼투 공정에 의해 재 농축된 해수와 하수처리수를 사용하여 에너지를 생산하는 압력지연삼투 공정에 의해 달성된다.
여기서, 정삼투 공정은 수압대신에 삼투압 구배를 이용하기 때문에 에너지 소비가 적고, 막 표면에서 수압에 의한 오염물질들의 압착이 발생하지 않아 막오염에 유리하고 세정 효과가 좋으며, 또한, 종래의 MBR(분리막 생물반응조) 공정보다 미세공의 막을 사용하기 때문에 처리수의 수질을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는, NaCl 용액을 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투 조합형 막분리 하수 및 폐수 고도처리 시스템 정삼투 공정과 역삼투 공정의 장점을 그대로 유지하며, 두 공정의 단점을 상호 보완할 수 있는 저에너지 고효율 하수 및 폐수 처리기술이라고 할 수 있다. 또한, 별도의 재처리시설을 설치하지 않아도 바로 어떤 목적으로도 재사용이 가능한 수질의 방류수를 확보할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산 방법의 동작흐름도이다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 공급수와 유도용액으로 사용하는 정삼투와 역삼투와 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치는 도 6에 도시된 바와 같은 방법으로 담수를 생산하고 전력을 생산한다.
먼저, 해수 및 하수처리수를 정삼투 유닛 내에 유입한다(S110). 즉, 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프(132)와 해수 유입펌프(135)에 의해 하수처리수 유입관(133)과 해수 유입관(136)을 통해 하수처리수와 해수가 정삼투막 모듈(131)에 유입한다.
다음으로, 상기 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 상기 정삼투 유닛의 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하고, 희석된 해수를 역삼투 유닛에게 공급한다(S120). 이때, 상기 정삼투 유닛은, 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 제어하기 위해 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 유도용액(해수)의 유량을 조절한다.
구체적으로, 해수와 하수처리수의 삼투압 구배에 의해 삼투 현상이 발생하게 되어 하수처리수 내의 순수한 물만이 정삼투막을 통해 해수 방향으로 이동하게 된다. 이러한 정삼투 현상이 발생하면서 하수처리수는 농축되어 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(134)을 통해 배출되고, 정삼투막 모듈을 통과한 생산수(담수)와 해수는 서로 섞여서 낮은 염농도로 희석되고 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관(137)을 통해 배출된다.
다음으로, 상기 희석된 해수를 공급수로 사용하여 상기 역삼투 유닛의 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출한다(S130). 이때, 상기 역삼투 유닛은, 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 조절한다.
구체적으로, 배출된 희석 해수는 역삼투 유닛용 고압펌프(142)에 의해 가압되어, 역삼투 유닛용 해수 유입관(143)을 통해 역삼투막 모듈(141)로 유입되며, 상기 해수 내의 염은 배제되고, 순수한 물만이 역삼투막을 통과하여 역삼투 유닛용 담수 배출관(146)을 통해 배출된다. 이때, 상기 역삼투막 모듈(141)에서 발생한 해수 농축수는 에너지 회수장치(145)를 통해 가지고 있던 에너지를 공급수로 사용되는 희석 해수에 전달한다.
다음으로, 상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 압력지연삼투 유닛의 압력지연삼투막 모듈이 전력을 생산한다(S140). 이때, 상기 압력지연삼투 유닛은, 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 압력지연삼투 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 조절한다.
구체적으로, 에너지를 전달한 해수 농축수는 압력지연삼투 유닛용 고압펌프(152)에 의해 가압되어 유도용액으로서, 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관(153)을 통해 압력지연삼투막 모듈(151)로 유입되고, 하수처리수가 상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프(132)에 의해 공급수로서, 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관(156)을 통해 압력지연 삼투막 모듈(151)로 유입된다. 또한, 상기 압력지연삼투 모듈(151) 내의 유도용액인 해수 농축수와 공급수인 하수처리수의 삼투압 구배에 의해 삼투 현상이 발생하지만, 유도용액에 해수 농축수와 하수처리수의 삼투압 차이보다 작은 압력이 가해져 있기 때문에 삼투가 어느 정도 지연되면서 압력지연삼투막을 투과한 생산수가 상기 압력지연삼투 유닛용 고압펌프(152)에 의해 가해진 압력과 같은 압력으로 변환되는 압력지연삼투 현상이 발생하게 된다.
이러한 압력지연삼투 현상으로 인해 발생되는 하수 농축수는 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관(157)을 통해 배출되며, 압력지연삼투 모듈(151)에서 발생된 가압된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수가 터빈을 가동하여 전력을 발생시키는 전력발생장치(155)를 통과함으로써 전력을 발생시키고, 최종적으로 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관(154)을 통해 배출된다.
한편, 도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시예에 따른 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산 방법의 구체적인 동작흐름도로서, 도 7a는 정삼투 공정을 구체적으로 나타내며, 도 7b는 역삼투 공정을 구체적으로 나타내고, 도 7c는 압력지연삼투 공정을 구체적으로 나타낸다.
먼저, 다음의 수학식 1 내지 8은 정삼투 유닛에 관한 식이다.
정삼투 공정의 물투과 플럭스인
Figure pat00001
(단위:
Figure pat00002
)는 다음의 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 정삼투 공정의 물 투과계수(단위:
Figure pat00005
)를 나타내며,
Figure pat00006
은 정삼투막 내부 활성층에서 유도용액의 삼투압(단위:
Figure pat00007
)를 나타내고,
Figure pat00008
은 정삼투막 외부 활성층에서 유입수의 삼투압(단위:
Figure pat00009
)을 나타낸다.
또한, 정삼투 공정의 염투과 플럭스인
Figure pat00010
(단위:
Figure pat00011
)는 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 정삼투 공정의 염 투과계수(단위:
Figure pat00014
)를 나타내며,
Figure pat00015
은 정삼투막 내부 활성층에서 유도용액의 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00016
)를 나타내고,
Figure pat00017
은 정삼투막 외부 활성층에서 처리수의 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00018
)를 나타낸다.
이때, 정삼투막 내부 활성층에서 유도용액의 총 용존 고형물(TDS) 농도(
Figure pat00019
)은 다음의 수학식 3과 같이 주어진다.
Figure pat00020
여기서,
Figure pat00021
는 외부농도분극계수(단위:
Figure pat00022
)를 나타낸다.
또한, 정삼투막 외부 활성층에서 처리수의 총 용존 고형물(TDS) 농도(
Figure pat00023
)는 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
는 내부농도분극계수(단위:
Figure pat00026
)를 나타낸다.
또한, 정삼투막 하수처리수 유출 유량인
Figure pat00027
(단위:
Figure pat00028
)는 다음의 수학식 5와 같이 주어진다.
Figure pat00029
여기서,
Figure pat00030
은 막면적(단위:
Figure pat00031
)을 나타내고,
Figure pat00032
는 정삼투막 하수처리수 유입 유량(단위:
Figure pat00033
)을 나타낸다.
또한, 정삼투막 유도용매(해수) 유출 유량인
Figure pat00034
(단위:
Figure pat00035
)은 다음의 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
은 정삼투막 유도용매(해수) 유입 유량(단위:
Figure pat00038
)을 나타낸다.
또한, 정삼투막 하수처리수 유출 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00039
(단위:
Figure pat00040
)은 다음의 수학식 7과 같이 주어진다.
Figure pat00041
여기서,
Figure pat00042
은 정삼투막 하수처리수 유입 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00043
)를 나타낸다.
또한, 정삼투막 유도용매(해수) 유출 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00044
(단위:
Figure pat00045
)은 다음의 수학식 8과 같이 주어진다.
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
는 정삼투막 유도용매(해수) 유입 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00048
)를 나타낸다.
구체적으로, 도 7a를 참조하여 정삼투 공정에 대해 설명한다.
먼저, 정삼투 유닛의 목표 여과플럭스 및 수질(유도용액의 유출농도)을 설정한다(S111).
다음으로, 전술한 수학식 1 내지 8에 따라 목표 여과플럭스 및 수질 달성을 위한 유도용액의 유량을 결정한다(S112).
다음으로, 해수 및 하수처리수를 정삼투 유닛 내에 유입한다(S113).
다음으로, 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하여, 결정된 유도용액의 유량으로 정삼투 공정을 수행한다(S121).
다음으로, 실측 여과플럭스 및 수질을 연산한다(S122).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰지 확인한다(S123).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크지 않거나, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 크지 않은 경우, 유도용액의 유량을 재연산한다(S124).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰 경우, 정삼투 유닛의 정삼투막 모듈을 통해 해수를 희석하여 역삼투 유닛에 공급한다(S125).
한편, 다음의 수학식 9 내지 14는 역삼투 공정에 관한 식이다.
먼저, 역삼투 공정의 염투과 플럭스인
Figure pat00049
(단위:
Figure pat00050
)는 다음의 수학식 9와 같이 주어진다.
Figure pat00051
여기서,
Figure pat00052
는 역삼투 공정의 물 투과계수(단위:
Figure pat00053
)를 나타내고,
Figure pat00054
는 운전압력(단위:
Figure pat00055
)을 나타낸다.
또한, 역삼투 공정의 염투과 플럭스인
Figure pat00056
(단위:
Figure pat00057
)는 다음의 수학식 10과 같이 주어진다.
Figure pat00058
여기서,
Figure pat00059
는 역삼투 공정의 염 투과계수(단위:
Figure pat00060
)를 나타내고,
Figure pat00061
는 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00062
)를 나타낸다.
또한, 역삼투막 농축수 유량인
Figure pat00063
(단위:
Figure pat00064
)는 다음의 수학식 11과 같이 주어진다.
Figure pat00065
여기서,
Figure pat00066
는 역삼투막 유입수 유량(단위:
Figure pat00067
)을 나타낸다.
또한, 역삼투막 여과수 유출부 유량인
Figure pat00068
(단위:
Figure pat00069
)은 다음의 수학식 12와 같이 주어진다.
Figure pat00070
이때, 역삼투막 유출부에서의 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00071
(단위:
Figure pat00072
)는 다음의 수학식 13과 같이 주어진다.
Figure pat00073
이때, 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00074
((단위:
Figure pat00075
)는 다음의 수학식 14와 같이 주어진다.
Figure pat00076
구체적으로, 도 7b를 참조하여 역삼투 공정에 대해 설명한다.
먼저, 역삼투 유닛의 목표 여과플럭스 및 수질(여과수의 농도)을 설정한다(S131).
다음으로, 전술한 수학식 9 내지 14에 따라 목표 여과플럭스 및 수질 달성을 위한 운전압력을 결정한다(S132).
다음으로, 결정된 운전압력을 적용하여 역삼투 유닛의 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고. 해수 농축수를 배출한다(S133).
다음으로, 실측 여과플럭스 및 수질을 연산한다(S134).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰지 확인한다(S135).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크지 않거나, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 크지 않은 경우, 운전압력을 재연산한다(S136).
다음으로, 실측 여과플럭스/목표 여과플럭스의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰 경우, 역삼투 유닛의 역삼투막 모듈을 통해 농축된 해수를 압력지연삼투 유닛에 공급한다(S137).
한편, 다음의 수학식 15 내지 22는 압력지연삼투 공정에 관한 식이다.
먼저, 압력지연삼투 공정의 물투과 플럭스인
Figure pat00077
(단위:
Figure pat00078
)는 다음의 수학식 15와 같이 주어진다.
Figure pat00079
여기서,
Figure pat00080
는 압력지연삼투 공정의 물 투과계수(단위:
Figure pat00081
)를 나타내고,
Figure pat00082
는 유도용액 측에 가해준 압력(단위:
Figure pat00083
)을 나타낸다.
또한, 압력지연삼투 공정의 염투과 플럭스인
Figure pat00084
(단위:
Figure pat00085
)는 다음의 수학식 16과 같이 주어진다.
Figure pat00086
여기서,
Figure pat00087
는 압력지연삼투 공정의 염 투과계수(단위:
Figure pat00088
)를 나타낸다.
또한, 전력밀도인
Figure pat00089
(단위:
Figure pat00090
)는 다음의 수학식 17과 같이 주어진다.
Figure pat00091
여기서,
Figure pat00092
는 삼투압(단위:
Figure pat00093
)을 나타내고,
Figure pat00094
는 외부농도분극계수(단위:
Figure pat00095
)를 나타내며,
Figure pat00096
는 내부농도분극계수(단위:
Figure pat00097
)를 나타낸다.
또한, 압력지연삼투막 표면에서 막 유입수 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00098
(단위:
Figure pat00099
)는 다음의 수학식 18과 같이 주어진다.
Figure pat00100
여기서,
Figure pat00101
은 압력지연삼투막 표면에서 유도용액 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00102
)를 나타낸다.
또한, 압력지연삼투막 하수처리수 유입 유량인
Figure pat00103
(단위:
Figure pat00104
)는 다음의 수학식 19와 같이 주어진다.
Figure pat00105
여기서,
Figure pat00106
는 압력지연삼투막 하수처리수 유출 유량(단위:
Figure pat00107
)을 나타내고,
Figure pat00108
은 막면적(단위:
Figure pat00109
)을 나타낸다.
또한, 압력지연삼투막 유도용액(역삼투막 농축수) 유출 유량인
Figure pat00110
(단위:
Figure pat00111
)은 다음의 수학식 20과 같이 주어진다.
Figure pat00112
여기서,
Figure pat00113
은 압력지연삼투막 유도용액(역삼투막 농축수) 유입 유량(단위:
Figure pat00114
)을 나타낸다.
또한, 압력지연삼투막 하수처리수 유출 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00115
(단위:
Figure pat00116
)은 다음의 수학식 21과 같이 주어진다.
Figure pat00117
여기서,
Figure pat00118
는 압력지연삼투막 하수처리수 유입 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00119
)을 나타낸다.
또한, 압력지연삼투막 유도용액(역삼투막 농축수) 유출 총 용존 고형물(TDS) 농도인
Figure pat00120
(단위:
Figure pat00121
)은 다음의 수학식 22와 같이 주어진다.
Figure pat00122
여기서,
Figure pat00123
은 압력지연삼투막 유도용액(역삼투막 농축수) 유입 총 용존 고형물(TDS) 농도(단위:
Figure pat00124
)를 나타낸다.
구체적으로, 도 7c를 참조하여 압력지연삼투 공정에 대해 설명한다.
먼저, 압력지연삼투 유닛의 목표 전력밀도 및 수질(유도용액의 농도)을 설정한다(S141).
다음으로, 전술한 수학식 15 내지 22에 따라 목표 전력밀도 및 수질 달성을 위한 유도용액의 압력 및 유량을 결정한다(S142).
다음으로, 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하여, 결정된 유도용액의 압력 및 유량을 적용하여 압력지연삼투 유닛으로 전력을 생산한다(S143).
다음으로, 실측 전력밀도 및 수질을 연산한다(S144).
다음으로, 실측 전력밀도/목표 전력밀도의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰지 확인한다(S145).
다음으로, 실측 전력밀도/목표 전력밀도의 값이 1보다 크지 않거나, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 크지 않은 경우, 유도용액의 압력 및 유량을 재연산한다(S146).
이후, 실측 전력밀도/목표 전력밀도의 값이 1보다 크고, 실측 수질/목표 수질의 값이 1보다 큰 경우, 공정을 종료한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 해수를 유도용액으로 사용하고 하수처리수를 공급수로 사용하는 정삼투막 공정을 통해 희석된 해수를 역삼투 공정의 공급수로 제공하여, 높은 여과플럭스와 회수율로 역삼투막 공정을 운영하여 담수를 생산하고, 역삼투 공정에서 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 사용하는 압력지연삼투 공정을 통해 전력을 생산함으로써, 해수와 하수처리수를 통한 지속가능한 수자원의 확보와 더불어, 화석 연료를 대체할 수 있는 청정에너지 기술을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 적절하게 조합하여 하수처리수와 해수를 공급수와 유도용액으로 사용함으로써, 정삼투 공정의 단점인 유도용액의 회수가 필요 없으며, 또한, 역삼투 공정의 공급수로 희석된 낮은 염농도의 해수가 사용되기 때문에 높은 회수율과 플럭스 및 저에너지로 용수 생산이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 역삼투 공정의 농축수를 유도용액으로 사용하고, 하수처리수를 공급수로 하여 압력지연삼투 공정을 운영하기 때문에 역삼투 공정에서 배출되는 높은 염농도의 배출수를 희석하여 배출할 수 있으며, 또한, 해수의 화학에너지를 이용하여 지속적인 청정에너지를 생산할 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.
110: 하수처리수 저장조
120: 해수 저장조
130: 정삼투 유닛
140: 역삼투 유닛
150: 압력지연삼투 유닛
160: 생산담수 저장조
170: 생산전력 저장부
131: 정삼투막 모듈
132: 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프
133: 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관
134: 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관
135: 정삼투 유닛용 해수 유입펌프
136: 정삼투 유닛용 해수 유입관
137: 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관
138: 정삼투 유닛 제어부
141: 역삼투막 모듈
142: 역삼투 유닛용 고압펌프
143: 역삼투 유닛용 해수 유입관
144: 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관
145: 에너지 회수장치
146: 역삼투 유닛용 담수 배출관
147: 역삼투 유닛 제어부
151: 압력지연삼투막 모듈
152: 압력지연삼투 유닛용 고압펌프
153: 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관
154: 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관
155: 전력발생장치
156: 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관
157: 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관
158: 압력지연삼투 유닛 제어부

Claims (19)

  1. 하수처리수가 저장된 하수처리수 저장조;
    해수가 저장된 해수 저장조;
    상기 해수 저장조로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하여 공급하는 정삼투 유닛;
    상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출하는 역삼투 유닛; 및
    상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투막 모듈과 전력발생장치를 통해 전력을 생산하는 압력지연삼투 유닛
    을 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정삼투 유닛은, 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 제어하기 위해 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 유도용액(해수)의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 역삼투 유닛은, 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력지연삼투 유닛은, 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 압력지연삼투 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정삼투 유닛은,
    상기 해수 저장조로부터 유입되는 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 상기 해수를 희석하는 정삼투막 모듈;
    상기 하수처리수 저장조 및 상기 정삼투막 모듈 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관;
    상기 하수처리수가 상기 정삼투 유닛용 하수처리수 유입관을 통해 상기 정삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 정삼투 유닛용 하수처리수 유입펌프;
    상기 정삼투막 모듈에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조에 회수될 수 있도록 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 하수 농축수 배출관;
    상기 해수 저장조 및 상기 정삼투막 모듈 사이에 설치되어 해수가 유입되는 통로 역할을 하는 정삼투 유닛용 해수 유입관;
    상기 해수가 상기 정삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 상기 정삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 정삼투 유닛용 해수 유입펌프;
    상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수를 배출하는 통로 역할을 하며, 삼투 과정에 의해 발생된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출하는 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관; 및
    상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 만족시키기 위해 상기 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위해 유도용액(해수)의 유량을 결정하고 이를 제어하는 정삼투 유닛 제어부
    를 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 역삼투 유닛은,
    상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수를 공급수로 사용하여, 담수를 생산하고 해수 농축수를 배출하는 역삼투막 모듈;
    상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관에 연결되어 상기 역삼투막 모듈로 유입시키는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 고압펌프;
    상기 정삼투 유닛으로부터 공급되는 희석된 해수가 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 역삼투 유닛용 해수 유입관;
    상기 역삼투막 모듈에 의해 농축된 해수 농축수가 배출되는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관;
    상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관으로부터 배출되는 해수 농축수의 압력을 회수하여 고압 상태로 상기 역삼투막 모듈에 공급하는 역할을 하는 에너지 회수장치;
    상기 역삼투막 모듈에서 생산되는 담수를 배출하는 통로 역할을 하는 역삼투 유닛용 담수 배출관; 및
    상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 운전자가 설정한 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 결정하고 이를 제어하는 역삼투 유닛 제어부
    를 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 역삼투막 모듈의 공급수로 사용되는 희석된 해수를 유입하기 위한 상기 역삼투 유닛용 해수 유입관이 상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수가 배출되는 상기 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관과 연결되어, 낮은 염농도의 해수를 상기 역삼투막 모듈에 공급하고, 높은 여과플럭스, 높은 회수율 및 낮은 에너지로 담수를 생산하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 압력지연삼투 유닛은,
    상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수 저장조로부터 유입되는 하수처리수를 공급수로 사용하여, 압력지연삼투 공정을 수행하는 압력지연삼투막 모듈;
    상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관에 연결되어 상기 압력지연삼투막 모듈로 유입시키는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 고압펌프;
    상기 역삼투 유닛으로부터 공급되는 농축된 해수 농축수가 상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관을 통해 고압 상태로 상기 압력지연삼투막 모듈로 유입될 수 있게 하는 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관;
    상기 압력지연삼투막 모듈로부터 배출되는 희석 해수를 배출하는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관;
    상기 희석 해수 배출관에 연결되어 가압된 희석 해수로 터빈을 가동하여 전력을 발생시키는 전력발생장치;
    상기 하수처리수 저장조 및 상기 압력지연삼투막 모듈 사이에 설치되어 하수처리수가 유입되는 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 하수처리수 유입관;
    상기 압력지연삼투막 모듈에 의해 농축된 하수처리수를 상기 하수처리수 저장조에 회수될 수 있도록 통로 역할을 하는 압력지연삼투 유닛용 하수 농축수 배출관; 및
    상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 만족시키기 위해 압력지연삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 결정하고 이를 제어하는 압력지연삼투 유닛 제어부
    를 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압력지연삼투 유닛의 전력발생장치에서 생산된 전력을 저장하는 생산전력 저장부를 추가로 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관은 상기 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관과 서로 연결되어 높은 삼투압차로 압력지연삼투 발전을 수행하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 압력지연삼투 유닛용 고압펌프는 하수처리수인 공급수가 해수 농축수인 유도용액의 삼투구배보다 작은 압력으로 가압될 수 있도록 고압을 인가하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 압력지연삼투 유닛용 희석 해수 배출관은 압력지연삼투 과정에 의해 발생된 가압된 여과수와 유도용액인 해수가 섞여 희석된 해수를 배출하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 역삼투 유닛에서 생산된 담수를 저장하는 생산담수 저장조를 추가로 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산장치.
  14. 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법에 있어서,
    a) 해수 및 하수처리수를 정삼투 유닛 내에 유입하는 단계;
    b) 상기 해수를 유도용액으로 사용하고 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 상기 정삼투 유닛의 정삼투막 모듈을 통해 상기 해수를 희석하고, 희석된 해수를 역삼투 유닛에게 공급하는 단계;
    c) 상기 희석된 해수를 공급수로 사용하여 상기 역삼투 유닛의 역삼투막 모듈을 통해 담수를 생산하고, 해수 농축수를 배출하는 단계; 및
    d) 상기 역삼투 유닛으로부터 배출되는 해수 농축수를 유도용액으로 사용하고, 상기 하수처리수를 공급수로 사용하여 압력지연삼투 유닛의 압력지연삼투막 모듈이 전력을 생산하는 단계
    를 포함하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 상기 정삼투막 모듈의 여과플럭스 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도(Total Dissolved Solids, 단위 mg/L)를 제어하기 위해 정삼투막 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 유도용액(해수)의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 역삼투막 모듈의 여과플럭스 및 여과수의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 농도분극을 고려한 역삼투막 여과수의 총 용존 고형물(TDS)을 계산하고, 목표 여과플럭스를 달성하기 위한 운전압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 역삼투막 모듈의 공급수로 사용되는 희석된 해수를 유입하기 위한 역삼투 유닛용 해수 유입관이 상기 정삼투막 모듈에 의해 희석된 해수가 배출되는 정삼투 유닛용 희석 해수 배출관과 연결되어, 낮은 염농도의 해수를 상기 역삼투막 모듈에 공급하고, 높은 여과플럭스, 높은 회수율 및 낮은 에너지로 담수를 생산하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 d) 단계에서, 상기 압력지연삼투막 모듈의 전력밀도 및 희석된 유도용액의 총 용존성 고형물질 농도를 제어하기 위해 압력지연삼투 표면에서 농도분극을 고려한 유입수와 유도용매(역삼투막 농축수)의 총 용존 고형물(TDS) 농도 및 현재의 여과플럭스와 압력을 고려한 전력밀도를 계산하고, 목표 전력밀도를 달성하기 위한 압력지연삼투 유닛의 유도용액 압력 및 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 d) 단계에서, 압력지연삼투 유닛용 해수 유입관이 역삼투 유닛용 해수 농축수 배출관과 서로 연결되어 높은 삼투압차로 압력지연삼투 발전을 수행하는 것을 특징으로 하는 하수처리수와 해수를 사용하는 정삼투, 역삼투 및 압력지연삼투 공정을 이용한 담수 및 전력 생산방법.
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