KR20150098798A - 수압파쇄에 의한 오염수의 처리 시스템 및 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비전통 유/가스전 생산 및 운영을 위한 방향정 및 수평정 시추기술과 수압파쇄 공 적용시 발생되는 오염성분을 포함한 회수수 및 지층의 처리를 위한 단위공정들을 조합한 수처리 시스템 및 처리방법에 관한 것으로 물리적 처리 및 선택적 투과막을 적용한 모듈 시스템을 이용하여 처리효율 증대 및 경제성을 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

Description

수압파쇄에 의한 오염수의 처리 시스템 및 처리방법 {Advanced system and process for each unit processes for treating hydraulic fracturing produced contaminants found in water}

본 발명은 수압파쇄 과정 중 발생하는 오염된 회수수 및 지층수 처리 시스템 및 처리방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 비전통 유/가스전(Unconventional Oil & Gas Play) 생산 및 운영을 위한 방향정 및 수평정 시추기술과 수압파쇄 공법(Hyraulic Fracturing) 적용시 발생되는 오염성분을 포함한 회수수 (Flow back fluids) 및 지층수(Formation water)의 처리를 위한 단위공정들을 조합한 수처리 시스템 및 처리방법에 관한 것 이다.

비전통 유가스전(Unconventional Oil & Gas Play)은 원유 자체의 점도가 매우 높거나 저류층이 치밀하여 기존의 석유개발 기술로는 생산이 불가능한 탄화수소자원으로 정의하고 있으며 전통 유가스전의 생산과는 달리 유동성과 회수율이 낮아서 기존 생산 방식과는 별도의 회수 기술이 필요한 유가스를 통칭한다.

일반적으로 비전통 유가스전에는 셰일가스(Shale Gas), 셰일오일(Shale Oil), 치밀가스(Tight Gas), 치밀오일(Tight Oil), 석탄층가스(Coal Bed Mechane, CBM), 오일샌드(Oil Sand) 등이 있다. 이러한 비전통 유가스전은 전통유가스전보다 널리 분포되어 있음에도 불구하고 경제성 측면에서 과거에는 주목받지 못했으나, 전통 유가스전의 고갈 해소를 위한 대안과 방향정수평정 시추기술, 수압파쇄 공법(Hydraulic Fracturing) 등과 같은 회수율을 높이기 위한 신기술의 발전으로 인하여 2000년대 이후로 미국의 셰일가스개발을 중심으로 주목받기 시작했다.

주요 비전통 자원인 셰일가스, 치밀가스, CBM 등의 기본적인 특징으로는 셰일가스는 기존의 석유가 근원암에서 생성되어 토양의 공극율, 유체 투과율 등에 따라 특정 지역으로 이동하여 지층 특성에 의해 저류암에 저장되어 있는 반면, 셰일가스는 자연압에 의한 이동 자체가 거의 불가능한 지층구조 내에 그대로 굳은 가스층을 의미한다. 셰일층은 혈암층과 동의어로, 셰일가스는 혈암층에 잔류하여 갇힌 천연가스를 말한다. 즉 셰일가스의 셰일층은 석유가 생성된 근원암인 동시에 저류암 역할을 한다.

치밀가스는 석유의 생성과 마찬가지로 이동 후 특정 지층에 저장되어 있지만, 저장된 지층의 토양 공극률이 낮고 구조가 치밀하여 일반적인 석유 생산 방법으로는 경제적 산출이 어려운 유가스를 의미한다. 저류층이 치밀하다는 점에서는 셰일가스와 유사하나, 근본적으로는 셰일가스는 저류층이 근원함이면서 저류층인 반면, 치밀가스는 근원암과 가스를 저장하고 있는 저류암이 상이하다.

CBM은 석탄화 작용에 의해 생성되어 석탄층에 흡착되어 있는 가스를 말한다. 석탄층은 셰일가스의 저류층과 같이 석탄층이 근원암이면서 동시에 저류암이다. 석탄층은 석탄입자의 표면적이 크기 때문에 기존 가스 저류층에 비해 더 많은 가스를 흡착하여 저장하고 있다.

셰일가스는 천연가스가 사암이나 탄산염암과 같이 공극률과 투과도가 양호한 암석의 지층에서 생산되는 것과는 달리, 셰일과 백운암과 같은 매우 낮은 공극률의 미세입자의 암석층에서 생산되거나 또는 지질학적 으로는 근원암이거나 저류층 자체에 유기물이 풍부하여 근원암 역할을 포함하고 있는 지층에서 생산되는 천연가스를 구분하여 일컫는다. 기본적으로 셰일가스 저류층은 투과도(Permeability, Milli Darcy:mD로 표기)가 낮아 원래의 자연적인 지층합 상태에서는 천연가스의 자연 유동에 따른 생산이 불가능하다.

하지만, 취성(Brittleness)이 높아 수압파쇄를 통해 지층 내 균열을 내기 쉽다. 상대적으로 담요와 같이 판상형(Laminate)으로 넓게 퍼져나가는 특성이 있어 치밀암체에도 불구하고 균열생성을 통해 생산이 가능한 저류층을 통칭한다. 일반적으로 셰일층에서 천연가스가 주로 생산되므로 셰일가스라는 이름으로 통칭되고 있다.

셰일가스 내 천연가스는 불용성 유기물에 흡착된 흡착가스(Adsorbed Gas)로 존재하거나 미세 암석입자 사이의 공극 또는 암석 균열내에 갇혀 있는 유리가스(Free Gas)의 두가지 형태로 존재한다. 이러한 셰일가스는 공극률이 보통 3% 전후이고, 투과도는 100nd(Nano Darcy)수준으로 극히 낮아 일반적인 상태에서는 가스의 유동이 불가능하다. 또한 낮은 공극율과 투과도로 인해 유동성이 낮고, 기존의 석유시스템과 달리 구조 트랩이나 층서 트랩과는 무관하게 담요 형태(Blanket Type)로 넓게 분포하는 점 역시 셰일가스의 특징이다.

셰일가스의 성분은 기존의 사암층과 탄산염암 저류층에서 생산되는 천연가스와 크게 다르지 않으나, 주로 근원암 지역에서 직접 생산되는 특성에 의해 상대적으로 메탄의 함량은 다소 적은 반면 에탄과 프로판의 비중은 다소 높은 특성을 보인다. 이러한 셰일가스 개발은 최초 시추가 1821년 미국에서 처음시도되었다. 기존의 수직정 시추기술을 통해 개발가능성과 매장량을 확인하는 실험적인 수준이었다. 그후 1920년대 미국 켄터키주 Devonian Ohaio Shale에서부터 상업적인 개발이 시도되었다. 실질적인 상업 셰일은 Barnet Shale)의 개발이 시초이다.

셰일가스 개발기술 위한 기술로는 수평정 시추기술에 특징이 있다. 방향성 시추공(Directional Well Drilling)은 지하에 수직 방향이 아닌 경사를 두고 시추된 비수직 시추공으로 정의된다. 이 기술은 1930년대 중반에 남서부 텍사스에서 유정 폭발을 제어하기 위해 처음으로 시도되었다. 이때 방향성 시추는 유정 폭발이 예상되는 시추공 바닥지점을 목표지점으로 하고, 이로부터 안전하게 시추가 가능한 지상의 지점을 기점으로 하여 임의의 시추궤도로 시추하기 위한 것이다.

이 기법은 해상에서 특히 강력한 영향력을 발휘한다. 한 지점에서 다수의 개별 방향성 시추를 할 경우 플랫폼 설치비용을 줄일 수 있기 때문에 막대한 경제적 비용절감이 가능하다. 방향성 시추는 생산성을 개선하기 위해 발전되어 왔다.

방향성 시추에는 수직정과 수평정(Horizontal Well)이 결합된 형태와 수직정과 경사정이 결합된 것이 대표적이다. 초창기 방향성 시추는 수직공에서 지층까지 짧은 거리로 한두 개 정도 수평정을 시추하는 것이었다. 이와 같은 경우 저류층에서 원유나 가스가 생산되는 배유면적을 증가시켜 오일가스의 생산성을 높이는 역할을 하게된다.

수평정 시추는 셰일가스개발 활성화에 주도적인 역할을 해왔다. 수평정 시추는 셰일가스층의 목표지점에 도달하기 위해 미리 설계된 방향과 각도에 따른 경로로 시추하는 기술로써, 기존의 전통 유가스전 개발을 위한 수직 시추가 아닌 일정각을 유지하면서 수평방향으로 시추하는 것으로, 저류층이 담요 형태로 넓게 분포되어 있는 셰일층과의 접촉면적을 높일 수 있는 최적화된 시추기술이다.

지질매체 내 흑색셰일(Black shale)을 검토하면 일반적으로 암석은 성인적으로 화성암, 변성암, 퇴적암으로 구분하며 이들 암석은 환경에 따라 다른 암석으로 진화한다. 화성암은 마그마가 굳어져 이루어진 암석을 말하며, 마그마란 주요 구성성분이 대체로 규산염용액의 암석질 물질이 부분적으로 용융된 용융체를 말한다. 변성암은 화성암과 퇴적암이 열과 압력을 받아 생성된 암석을 말하며, 이로 인해 마그마 상태를 거쳐 생성된 화성암과의 성인적 차이점이 있다. 퇴적암은 기존의 암석이 물리적 또는 화학적 풍화작용을 받아 침식, 운반, 퇴적되어 다짐작용(Compaction), 교결작용(Cementation), 교대작용(Replacement) 및 재결정작용(Recrystallization)등의 속성작용을 받아 생성된 암석이다. 퇴적암에는 이를 분류할 수 있는 특징적인 구조가 나타나며, 이러한 특징에 따라 쇄설성 퇴적암은 퇴적물의 크기에 따라 분류할 수 있으며, 역암, 각력암, 사암, 이암, 셰일 등으로 구분가능하다.

셰일은 점토와 미사 크기의 입자로 구성된 암석으로 미사암과 함께 퇴적암의 55%를 차지하는 가장 대표적인 암석이다. 점토는 지각 내 화성암의 60%를 차지하는 장석의 풍화에 의해 새엇되는 2차 광물로, 점토로 구성되는 셰일이 퇴적암에서 높은 비율을 차지하는 것은 화성암에서의 높은 장석의 비율에 기인함을 알 수 있다. 셰일은 극히 세립질로 되어 있어서 육안으로는 입자를 구별할 수 없으나 층리가 발달하여 성층면을 따라 잘 쪼개지는 성질, 즉 박리성(Fissility)이 나타난다. 이러한 박리성은 풍화에 의하여 두드러지게 나타나는 경향이 있으며, 탄소분이 많이 포함되면 흑색의 탄진셰일(Coaly shale)을 만드나 보통 흑색 및 갈색 셰일이 많다. 흑색셰일은 단구면의 상태나 경화의 정도에 상관없이 흑색을 띤 세립질의 퇴적물을 지칭하며, 일반적으로 2% 이상의 유기탄소를 포함한다. 일부 흑색셰일은 바나듐, 우라늄을 포함한 미량원소를 일반적인 함량에 비해 많이 포함하고 있으나, 열수에 의해 변하거나 광물화된 암석의 형태는 없다.

대부분의 셰일은 평균 0.0003~0.0004%의 우라늄을 포함한다. 그러나 흑색셰일은 평균 함량보다 많은 8mg/kg, 그리고 3~250mg/kg정도의 우라늄을 내재하고 있다. 더구나 해양 기원의 흑색셰일 내 우라늄은 흑색셰일에 비해 높은 함량의 우랴늄을 함유한다. 흑색셰일 내 우라늄은 부성분 또는 미량원소이다. Uraniferous 와 Uranium-bearing 같은 말은 오직 20mg/kg이나 0.002% 이상의 우라늄을 포함하는 흑색셰일에서만 적용된다. 한국의 온천대 흑색셰일은 평균적으로 254mg/kg의 우라늄을 내재하고 있으며, 이에 Uraniferous 흑색셰일이라고 부른다. 부식셰일(Humic Shale), 부니셰일(Sapropelic Shale), 역청질셰일(Bituminous Shale), 오일셰일(Oil Shale), 탄소질셰일(Carbonaceous Shale), 유기물이 풍부한 셰일(Organic-Rich Shale)과 같은 용어는 때때로 포함된 유기물질의 특성을 나타내기도 한다.

이러한 셰일가스개발은 석유화합물을 얻기 위한 일련의 과정이며, 개발 과정중에 여러 환경 오염원이 발생할 우려가 있다. 개발 목적인 석유화합물 자체가 환경오염원이 되기도 하여, 석유화합물의 화학적 특성에 의하여 직간접적으로 토양, 지하수, 대기 등의 환경 및 인간에 영향을 줄수 있다.

또한 시추 과정 중 암반 파쇄의 영향으로 인하여 석유화합물 외의 중금속, 천연 방사성 동위원소 등의 타 오염원이 발생할 수 있다. 이러한 오염원들은 환경오염 방지와 인간의 보건학적인 안전성을 확보하기 위하여 환경학적인 접근이 필요하다.

유정의 시추 및 완성에는 대량의 물이 소요되는 데, 400 ~ 4,000의 물을 사용하여, 유정에 대하여 수직 및 수평 방향으로 시추하여, 시추 유체를 다운 홀 정력압력으로 유지하고, 시추두(drill head)을 냉각하며, 시추 절단물을 제거한다. 각 유정의 수압파쇄를 위해서는, 추가적인 7,000 ~ 18,000 의 물이 필요하다. 이러한 대량의 물은 전형적으로 인근 지표수 에서 얻으며, 인근 지역에서 펌핑하여 얻어야 하므로, 물 가용성이 부족한 지역에서의 가스자원 개발에 많은 어려움이 따른다.

환류수는 수압파쇄 진행중과 완료후 셰일 표면으로 다시 되돌아 흘러 들어오는 유체이다. 환류수는 점토, 화학 첨가제, 용해된 금속 이온, 총용존 고형물(total dissolved solids: TDS)을 포함하고 있으며, 부유 입자가 많아서, 외관상의 색상이 어둡다. 대부분 환류수는 수압파쇄후 처음 7 ~ 10일 동안 발생하며, 나머지는 3~4주에 걸쳐 발생한다. 환류수가 회복되는 부피비율은 가스정에 처음 주입된 물 용량의 20 ~ 40% 수준에 해당한다. 나머지 부피용량은 셰일 형성에 흡수된 상태로 존재한다. 환류수에 상대되는 개념의 생산수 (produced water)는 셰일 형성과정에서 자연적으로 발생하는 물로서, 셰일가스 유정의 전체 생성기간에 걸쳐 퍼져있는 표면으로 흐른다. 이러한 생산수는 총 용존 고형물의 농도가 높으며, 바륨, 칼슘, 철, 마그네슘를 포함하는 셰일층으로부터 미네랄 광물을 추출하게 한다. 또한 메탄, 에탄 및 프로판과 같은 용해된 탄화수소뿐만 아니라, 라듐 동위 원소와 같은 방사성 물질(naturally occurring radioactive materials: NORM)도 생산수에 포함되어 있다. 어떤 시점부터는, 셰일가스정로부터 회수되는 물이 환류수에서 생성수로 전이된다. 이러한 전이 임계점은 구별하기 어렵지만, 되돌아오는 환류수의 일일 속도(배럴/일)와 화학 조성의 변화로 판별한다. 환류수의 경우에는 매우 짧은 기간에, 하루 50 배럴보다 훨씬 큰 속도로 생성되며, 생산수는 보다 긴 시간에 걸쳐, 전형적으로 2 ~ 40 배럴/일의 낮은 속도도로 발생시킨다. 환류수와 생산수의 화학적 조성은 매우 유사하여, 서로 구별하려면 아주 정밀한 화학적 분석방법이 필요하다.

셰일가스 개발에서 중금속의 주요 발생원은 토양 내 암석과 퇴적층의 시추에 의해서 발생될 가능성이 높다. 무엇보다 셰일층은 유기 퇴적층이 장시간 동안 거동이 멈춘 상태로 굳어져 있기 때문에 타 퇴적층보다 농축함량이 높을 가능성이 많다. 또한 시추 과정에서 지표면으로 방출되는 머드와 슬러지는 중금속과 토양의 수분함량과 물리화학적 특성상 지표면에서 수분함량 증발에 따라 농축될 확률이 높으며, 셰일가스 개발에 따른 시설물 건축과 구조물 건조 등에 의해 오염발생원을 확장시킬수 있다.

중금속 중 일부는 인체와 자연환경에 급성정인 독성을 미치기도 하지만 대부분의 중금속이 인체와 환경에의 영향은 주로 만성적인 독성으로 작용하여 장시간이 흘러간 뒤에서나 체내 및 자연환경의 영향을 알 수 있는 특성이다.

2010년 API NPR Report의 수압파쇄수와 지층수의 분석결과에 따르면, Na은 최소농도 10.04 mg/L에서 최대 204,302mg/L, 평균 54,800mg/L이며, Cl은 최소농도 48.9mg/L에서 최대 212,700mg/L, 평균56,900mg/L, Ca는 최소 농도 0.65mg/L, 최대 83,950mg/L, 평균 4,241mg/L으로 나타나고 있다. 고농도의 염들은 별도의 처리정(Disposal Well)에 주입하여 처리하거나 폐수처리시설에 위탁하여 처리하고 있다.

셰일가스 개발과 관련된 환경학적인 화학물질은 수압파쇄에 사용되는 물과 그 혼합물 유체인 화학물질 등이다. 물이 대다수이고 프로판트역할의 모래, 나머지는 화학물질로 구성되어 있다. 사용되고 있는 화학물질의 혼합물 농도는 0.5%로 매우 낮거나 혹은 단위 구성율로 극소수의 양으로 보인다. 이를 바탕으로 IEA나 셰일가스개발 회사들이 수압파쇄수와 유체에는 환경학적 오염이 적다고 주장한다. 하지만, 화학물질을 총오염원으로 산정하여 수질학적인 오염원농도를 고려했을 경우에는 순수한 물에 화학적 오염원 단위로는 5,000ppm이 있다는 것을 의미한다. 식수원 조준으로 주요 오염원이 1ppm 이하부터 0.001ppm 단위 이하까지 요구되고 있는 현실을 고려했을 경우, 수천배부터 수백만 배의 오염원을 포함하고 있다는 반증이다.

또한, 주요 수압파쇄 유체 구성 중 주요 화학물질의 비중이 수질과 인체, 환경에 악영향을 미칠 수 있는 산, 윤활유, 계면활성제, 용매제 등으로 구성되어 있으므로 혼합 유체에 대한 환경적 검토가 반드시 필요하다. 수압파쇄 후 셰일층에 잔류할 경우 앞서 설명했듯이 중금속이나 중금속과 유사한 거동을 보이는 천연 방사성핵종이 셰일층에서 유출될 가능성이 높기 때문이다. 수압파쇄 후 회수수도 비슷한 성향을 나타낼 것으로 보인다.

수압파쇄 화학물질 중, EPA 및 보건청에서 주의를 요하고 있는 물질들은 BTEX, Formaldehyde, 1,4-Dioxane, HCl, Glyceraldehyde, Methanol 및 Methyl alcohol 계열, 2-Butoxyethanol, Bromine-based biocide, Acrylamide, Ammonium persulfate, Ethylene glycol, Formamid, Octyphenol, Nonylphenol, Propargyl alcohol, Tetramethy-ammonium chloride 등을 대표적으로 들 수 있다.

공정별로 검토된 수처리 기술의 공정별 특징은 표 1과 같다.

기술별 수처리 공정의 특징을 살펴보면, 유류분리공정 (Separation of Oil/grease)은 일반적으로 Physical Separation으로 -Filtration: Media filter/Membrane filter, -Floalation : DAF, CPI, API, OWS, IGF, -Adsorption, -Hydrocyclone, Coagulation, Flocculation and Settlement의 방법에 용존 금속이온(Ba, Sr, Ca, Mg 등)제거도 포함된다.

증발법 (Evaporation)은 장점으로 -TDS 40,000에서 120,000mg/L의 범위의 회수수에 적용가능하고 고품질의 정제와 염수 처리가 가능하며 TDS DIR 260,000mg/L 이상 회수수에는 다른 기술의 적용이 요구이 요구된다. 단점으로는 역삼투압 공정보다 에너지가 많이 소요되고 회수수에 고체 물질을 처리하기 어려움있다.

증류법 (Distillation)은 현재까지 검증된 주요 공법은 MVR(Mechanical Vapor Recompression thermal distillation)으로 MVR:Mechanical compressor로 증기압 및 온도 상승하여 고압에서 끓는점 하강하여 에너지가 저감되며 TVR(Thermal Vapor Recompression)은 Stream jet ejector 사용하여 TDS 최대 120,000mg/L 이상 처리가 가능하다. 방류수는 TDS :50~150 mg/L이며 수처리 비용이 (운반, 전력 등 포함): $3.0~5.0/bbl이다. 전공정의 처리비용은 $5.0~$10.0/bbl (Penn. DEP)이며 장점으로는 여러 산업 전반에 보편적으로 사용되고 있어서 신뢰도가 높으며 고 TDS (최대 TDS260,000mg/L)의 회수수 처리가 가능하며 단점으로는 증발기기 내의 축적 유기물과 고체 찌꺼기 처리 어려움이 있다는 것과 에너지 사용량이 높다는 것에 있다.

결정화법공정 (Crystallzation)은 장점으로 TDS 약 260,000mg/L 이상의 높은 수준의 회수수에 적용가능 하고 결정화를 통해 TDS를 낮추고 순수한 물을 동시에 얻을 수 있으며 폐기 농축수의 양이 줄어들고 높은 회수율을 얻을 수 있다는 것이고 단점으로는 공정비용이 매우 높고 결정화법의 비용 감소를 위해 증류법과 결정화법의 hydrid 시스템이 개발 중에 있다.

역삼투압공정(Reverse Osimos, RO)은 장점으로 낮은 TDS < 50,000mg/L에 적용가능 하고 해수 담수화 등 여러 수처리 분야에서 각광받는 고도 수처리 기술로 분리막의 특성으로 회수수의 99%의 TDS는 막을 통과하지 못하고 물만 통과하는 특성을 이용하는 기술이며 처리 수질이 매우 우수하고, 증발법에 비하여 에너지 비용이 1/10에서 1/15로 적은 것에 있으며 단점으로는 금속이온, 유기물 등의 전처리가 필요하고 소비되는 에너지가 회수수의 TDS 함량에 비하여 증가하며 회수수의 TDS가 평균적으로 상당히 높아서 역삼투압 공정 적용시 에너지 사용이 매우 커질 수 있다는 것에 있다.

이온교환공정은 이온교환수지를 이용한 특정 이온의 제거하는 방법으로 비용 :$0.08~0.11/bbl at 220 gpm, $ 0.04~0.07/bbl at 880gpm이며, 전통적으로 경도 저감(연수화)에 이용되고 석유 및 가스산업 생산수(produced water)에서는 주로 Na+ 제거에도 사용되고 유입수 TDS < 5,000mg/L이며 Water stream : 1~5% of input에 적용된다.

오존-자외선 산화처리(Ozone-UV, Oxidation Process)은 탄화수소 미생물 및 중금속의 산화분리되고 오존/초음파에 의해 발생한 미세기포는 유류 및 SS 부상하고 오존 기포의 파괴에 의한 hydrodynamic cavitation 은 오존을 OH라디칼 및 산소로 변환시켜 산화력 강화시키는데 있다.

수압파쇄 수처리에 관한 다양한 기술적인 연구가 진행되고 있으나 목적하는 처리효율과 경제성을 맞춘 수처리 공정은 아직까지 제시된 바 없다.

US 2014/0021135A1 (Jan.23,2014) 재 2012/138502A1 (11 October 2012) KR 1020110045941A (2011.05.04) KR 101001857B1 (2010.12.17) KR 101999009569A (1999.02.05)

API (2010) Water Management Associated with Hydraulic Fracturing. American Petroleum Institute, API Guidence Document HF2, 1st Ed. Boschee, P. (2012) Handling Produced Water from Hydraulic Fracturing. Oil and Gas Facilities, p. 23-26 이근상, 김현태, 유전생산수관리, 구미서관 나경원, 김경웅, 박희원, 셰일가스개발 환경개론, 씨아이알

본 발명은 상기와 같은 연구를 수행하기 위해 안출된 발명으로 본 발명의 목적은 수압파쇄 과정 중 발생하는 오염된 회수수 및 지층수 처리 시스템 및 처리방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 비전통 유/가스전(Unconventional Oil & Gas Play) 생산 및 운영을 위한 방향정 및 수평정 시추기술과 수압파쇄 공법(Hyraulic Fracturing) 적용시 발생되는 오염성분을 포함한 회수수 (Flow back fluids) 및 지층수(Formation water)의 처리를 위한 단위공정들을 조합한 수처리 시스템 및 처리방법을 제공하는 데에 있다

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고농도 용질 스트림과 정제수 스트림을 생산하기 위한 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템으로서, 상기 폐수에서 1차로 오일성분을 분리하는 상분리유닛(200); 상기 상분리 유닛을 거친 상기 폐수를 유입시켜 금속성분을 제거하는 침전 유닛(300); 상기 침전유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 태양열에 의해 예열과 증발이 일어나면서 슬러지가 침전 분리되는 증발유닛(500); 상기 증발유닛을 거친 상기 폐수에서 혼합되지 않은 유기화합물을 제거하여 후단의 삼투압을 이용한 멤브레인 유닛의 정상운전을 확보하는 나노필터유닛(600); 상기 나노필터유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 정삼투효과로 오염물질을 처리하는 정삼투 유닛(700); 상기 정삼투유닛을 거친 상기 폐수에 압력구배를 발생시켜 오염물질을 처리하는 역삼투 유닛(800); 을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템을 제공한다.

상기 상분리유닛 전단에 폐수를 교반하는 교반 탱크(100)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 상분리유닛에서 분리된 오일성분과 침전유닛과 증발유닛에서 분리된 슬러지를 처리하는 슬러지 처리유닛(400)을 추가로 포함할 수 있다.

상기 상분리유닛은 응고(Coagulation), 응집(Flocculation), 하이드로사이클론(Hydrocyclone), 부상분리(Floatation), 흡착(Adsorption) 중 어느 하나의 물리적 처리로 상분리를 수행하는 것을 포함할 수 있다.

상분리유닛의 오일성분 분리와 침전유닛의 금속성분 분리의 효과를 증가시키기 위한 첨가제로서 pH조절제, 수화제, 응집제, 염화물 중의 어느 하나 이상을 첨가하는 것을 포함할 수 있다.

상기 증발유닛은 하나 이상의 태양열을 집열하고 폐수를 가열하기 위한 태양열 집열기(520), 상기 폐수를 유입시켜 침전을 진행하면서 상기 태양열 집열기에 의한 가열에 의해 폐수로부터 증발된 응축수를 포집하여 정제수 스트림으로 보내는 하나 이상의 응축수 수집부(510), 및 슬러지를 분리하는 하나 이상의 증발챔버(530)로 구성된 것을 포함할 수 있다.

상기 정삼투유닛에서 멤브레인의 정삼투효과를 유도하기 위하여 고농도 유도용액을 공급하는 유도용액공급장치(710)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 역삼투유닛에서 멤브레인의 역삼투효과를 유도하기 위한 고압펌프(810) 및 압력계(820)을 추가로 포함할 수 있다.

상기 나노필터유닛, 상기 정삼투유닛 및 상기 역삼투유닛은 폐수를 처리한 정제수의 처리조건에 따라 하나 이상의 유닛이 설치되는 것을 포함할 수 있다.

본 발명을 통하여, 일차적으로 수압파쇄 공정시 주입되는 다량의 유체 사용후, 회수되는 회수수 및 지층수에 포함된 고염, 중금속, 천연 방사성 핵종의 처리를 통해 지표수가 오염되는 것을 방지할 수 있다.

이 과정에서 각 수처리 유닛을 구성을 통해서 한경오염원의 발생을 최소화하고, 저비용으로 운용될 수 있으며 추가적인 후처리 없이 용수를 활용하여 공정효율을 정상상태로 유지할 수 있다는 장점이 있다.

이를 통해 향후 셰일가스 생산지역에 모듈화된 처리 시스템을 그대로 적용하게 된다면 수압파쇄로 인해 발생하는 폐수의 안정적인 처리 및 비전통 유전자원생산에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명의 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수 처리의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리 단계의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리 시스템의 구성도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면에 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 크게 물리적인 처리에 의한 수압파쇄시 발생하는 폐수중의 오염물질을 제거하는 부분과 선택적 투과막을 이용한 정제수를 형성하는 부분으로 구성되어져 있다.

상기 발명의 개념도는 도 1에 나타내었다.

일반적으로 셰일가스 수처리 기술은 보통 하루에 약 1,500,000 L이상의 처리 용량, 혹은 4일 동안 8,000,000L의 처리용량, TDS(Total dissolved solids) 99%이상의 처리효율과 최종적인 하수 방출 기준을 유지하고 있다. 셰일가스전이 여러 지역으로 분포하고 있으므로 현장에서 빠른 시간안에 효율적 처리할 수 있는 처리시설과 수자원의 재활용이 가능한 이동형 수처리 장비와 고효율로 최종 처분에 적합한 고정형 수처리 장비를 병행하여 운용하고 있다.

최근에는 여러 공정의 기능을 동시에 수행할 수 있는 하이브리드 방식의 수처리 기법을 적용하여 기존 수처리 공정보다 제거 효율을 향상시키고, 운전 비용을 절감하며, 운영시간을 단축시킬 수 있는 복합산화처리공정, 마이크로버블공정, 플라즈마 공정등의 고도 산화처리의 응용기술들과 담수처리에서 주목받았던 기술들이 주목받고 있다.

복합산화처리, 마이크로 버블, 플라즈마 공정 등의 고도산화처리 응용기술들은 일반적인 산화고정이나 고도산화공정에 비해 라디칼의 빠른 생성과 처리 표면적을 증가시킨 공정이다. 주로 사용되는 기술들은 별도의 전극 공정을 추가하여, 집중된 에너지로 미세기포를 형성하고 기포에 전원을 인가하여 산화력이 강한 라디칼을 생성함과 동시에 기포가 깨지면서 초음파 효과와 유사하게 반응 표면적을 증가시키는 기술이다.

담수화에 사용되었던 기술들 중에서 막증류(Membrane Distillation), 정삼투압(Forward Osmosis), 전기탈이온(Electrodeionization)등이 활성화되고 있다. 막증류기술은 열과 막을 동시에 이용하여 정밀 여과막으로 분리하는 공정으로 물 분자만을 증기화시켜 다공성의 소수성막을 통과하여 분리하는 공정이다. 일반적인 증류공정에 비해 비점까지 가열할 필요가 없어 에너지소모가 적고, 막분리에 비해 공경이 큰 막의 사용이 가능하므로 사용하는 압력도 낮출 수 있다는 장점이 있으나, 물보다 증발하기 쉬운 유류오염원 유기물 등은 막을 통해 미리 확산될 수 도 있다.

정삼투압은 반투막을 사이에 두고 낮은 삼투압의 Feed water가 삼투압이 높은 유도용액(Draw solution)으로 이동하면서 분리되는 기술로 기존 역삼투압에 비해 절반 이하의 압력이 필요하므로 , 에너지소모 및 소비전력이 적고, 막세척이 용이한 장점이 있으나, 유도용액 중에서 유도용질을 분리회수하는 공정이 추가적으로 필요하다.

전기탈이온은 전기투석과 이온교환수지법의 혼합공정으로서 외부전기장 하에서 이온교환매개체를 통해 이온이 제거되는 기술이다. 전도도증가와 이온교환체의 물분자가 전기 분해로 재생되므로 재생 절차가 단순하며, 염도가 낮은 경우 에너지소모가 적고, 전류를 이용한 부유물질 및 용존물질 등 다양한 오염물질의 동시 제거가 가능하지만, 낮은 TDS처리에서만 적용이 가능하다.

그 외에도 다단계 모듈형 여과(Multi-stage modular filtration), 마이크로 야과삼투압(Micro filter osmosis), 역전전기투석법(Electrodialysis reversal)등 다양한 고도처리기술이 연구되고 있다. 특히, 셰일가스 생산수의 TDS와 고염분이 주 오염원이므로, TDS와 고염분을 효율적으로 처리하는 공정에 관심이 높아지고 있다. 고도 처리 공정 및 융합 공정들은 기존 일반공정에 비해 운전비용 절감, 크기 최소화, 제거 효율증가 등의 장점이 있다. 셰일가스 수처리기술은 처리시간, 처리용량당 비용, 처리효율 등이 사업평가의 지표이며, 셰일가스개발 및 운영비용과 직접적이 연관성이 높으므로, 비용 절감을 위한 고도 처리 기술과 주요 공정들의 효율적인 조합기술들이 수요가 높다.

따라서 이러한 조건하에서 목적하는 처리조건과 경제성을 고려한 시스템을 구성하였고 크게 수압파쇄에 의해 발생하는 폐수는 폐수의 상태에 따라 전처리의 여부를 결정하고 물리적 처리에 의해 대부분의 TDS는 제거하고 고순도의 정제수를 얻기 위하여 선택적 분리막을 이용한 정삼투 및 역삼투 유닛을 이용한 수처리 시스템을 구성하였다.

또한 상기 시스템에서 분리된 슬러지형태의 고농도 용질은 처리조건에 따라 플라즈마 등의 슬러지 처리장치와 연계하여 처리하고자 한다. 본 발명의 슬러지처리는 플라즈마 리액터에 의한 처리로 대별된다. 이들은 필요에 따라 각각 독립적으로 운용되거나, 연계되어 운용되는 것으로 처리과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, 처리하고자 하는 슬러지의 종류 및 양에 따라 처리하는 플라즈마 리액터를 직렬 또는 병렬로 연결할지를 판단한다. 즉, 처리하려는 슬러지가 고농도이면 복수개의 플라즈마 리액터를 직렬로 연결하여 처리시간을 최대한 늘려주고, 이와는 반대로 처리가 비교적 용이한 저농도이면 플라즈마 리액터를 병렬로 연결하여 단위시간당 처리량이 증대되도록 한다. 한편, 방사성핵종, 염소성분 등이 포함된 난분해성 물질 등을 보다 효과적으로 제거하기 위해서는 플라즈마 리액터에서 플라즈마에 의해 분해하도록 연계하여 운용한다. 이와 같이 종류 및 양에 따라 설비의 운용시스템을 설정한 상태에서 수압파쇄 활동을 통해 발생된 폐수의 상태에 따라 동작시 펄스 제너레이터에서 발생되어 전극에 가해져 플라즈마를 생성하는 펄스의 특성은 플라즈마 리액터의 내부에서 폐수를 처리하는데 지대한 영향을 미치게 된다.

본 발명은 도2은 수처리시스템의 순서도로 수압파쇄 발생 폐수를 전처리단계, 상분리유닛을 이용한 제1단계, 침전유닛을 이용한 제2단계, 증발유닛을 이용한 제3단계, 나노필터유닛을 이용한 제4단계, 정삼튜유닛을 이용한 제5단계 및 역삼투유닛을 이용한 제6단계를 거쳐서 정제수를 생성하는 것으로 구성되며 제1단계 내지 제3단계를 통해 생성된 고농도 용질 스트림은 처리조건에 따라 슬러지 처리 유닛에 의해 처리되게 된다.

각 구성유닛을 반영한 수처리 시스템은 도3에 나타내었다. 폐수에서 1차로 오일성분을 분리하는 상분리유닛(200); 상기 상분리 유닛을 거친 상기 폐수를 유입시켜 금속성분을 제거하는 침전 유닛(300); 상기 침전유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 태양열에 의해 예열과 증발이 일어나면서 슬러지가 침전 분리되는 증발유닛(500); 상기 증발유닛을 거친 상기 폐수에서 혼합되지 않은 유기화합물을 제거하여 후단의 삼투압을 이용한 멤브레인 유닛의 정상운전을 확보하는 나노필터유닛(600); 상기 나노필터유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 정삼투효과로 오염물질을 처리하는 정삼투 유닛(700); 상기 정삼투유닛을 거친 상기 폐수에 압력구배를 발생시켜 오염물질을 처리하는 역삼투 유닛(800); 을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템이다.

본 발명의 각 수처리 라인에서 TDS 측정기가 설치될 수 있다.

본 발명의 역삼투 유닛을 거친 정제수 중 일부를 정삼투 유닛으로 재유입하여 막세정을 하기위한 역세척 펌프가 설치된 막세정수 유입라인이 구성될 수 있다.

100: 교반탱크 200: 상분리유닛
300: 침전유닛 400: 슬러지처리유닛
500: 증발유닛 510: 응축수 수집부
520: 태양열 집열기 530: 증발챔버
600: 나노필터유닛 700: 정삼투유닛
710: 유도용액공급장치 800: 역삼튜유닛
810: 고압펌프 820: 압력계

Claims (20)

1. 고농도 용질 스트림과 정제수 스트림을 생산하기 위한 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템으로서,
   상기 폐수에서 1차로 오일성분을 분리하는 상분리유닛(200);
   상기 상분리 유닛을 거친 상기 폐수를 유입시켜 금속성분을 제거하는 침전 유닛(300);
   상기 침전유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 태양열에 의해 예열과 증발이 일어나면서 슬러지가 침전 분리되는 증발유닛(500);
   상기 증발유닛을 거친 상기 폐수에서 혼합되지 않은 유기화합물을 제거하여 후단의 삼투압을 이용한 멤브레인 유닛의 정상운전을 확보하는 나노필터유닛(600);
   상기 나노필터유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 정삼투효과로 오염물질을 처리하는 정삼투 유닛(700);
   상기 정삼투유닛을 거친 상기 폐수에 압력구배를 발생시켜 오염물질을 처리하는 역삼투 유닛(800); 을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 상분리유닛 전단에 폐수를 교반하는 교반 탱크(100)를 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 상분리유닛에서 분리된 오일성분과 침전유닛과 증발유닛에서 분리된 슬러지를 처리하는 슬러지 처리유닛(400)을 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 상분리유닛은 응고(Coagulation), 응집(Flocculation), 하이드로사이클론(Hydrocyclone), 부상분리(Floatation), 흡착(Adsorption) 중 어느 하나의 물리적 처리로 상분리를 수행하는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 침전유닛은 하나 이상의 침전 탱크(Settling tank)로 구성되는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 상분리유닛의 오일성분 분리와 침전유닛의 금속성분 분리의 효과를 증가시키기 위한 첨가제로서 pH조절제, 수화제, 응집제, 염화물 중의 어느 하나 이상을 첨가하는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 증발유닛은 하나 이상의 태양열을 집열하고 폐수를 가열하기 위한 태양열 집열기(520), 상기 폐수를 유입시켜 침전을 진행하면서 상기 태양열 집열기에 의한 가열에 의해 폐수로부터 증발된 응축수를 포집하여 정제수 스트림으로 보내는 하나 이상의 응축수 수집부(510), 및 슬러지를 분리하는 하나 이상의 증발챔버(530)로 구성된 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 정삼투유닛에서 멤브레인의 정삼투효과를 유도하기 위하여 고농도 유도용액을 공급하는 유도용액공급장치(710)를 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 역삼투유닛에서 멤브레인의 역삼투효과를 유도하기 위한 고압펌프(810) 및 압력계(820)을 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 나노필터유닛, 상기 정삼투유닛 및 상기 역삼투유닛은 폐수를 처리한 정제수의 처리조건에 따라 하나 이상의 유닛이 설치되는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 시스템.
    
11. 고농도 용질 스트림과 정제수 스트림을 생산하기 위한 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법으로서,
    상기 폐수에서 오일성분을 분리하는 상분리유닛을 이용한 제1단계;
    상기 상분리 유닛을 거친 상기 폐수를 유입시켜 금속성분을 제거하는 침전유닛을 이용한 제2단계;
    상기 침전유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 태양열에 의해 예열과 증발이 일어나면서 슬러지가 침전 분리되는 증발유닛을 이용한 제3단계;
    상기 증발유닛을 거친 상기 폐수에서 혼합되지 않은 유기화합물을 제거하여 후단의 삼투압을 이용한 멤브레인 유닛의 정상운전을 확보하는 나노필터유닛을 이용한 제4단계;
    상기 나노필터유닛을 거친 상기 폐수를 유입하여 정삼투효과로 오염물질을 처리하는 정삼투유닛을 이용한 제5단계;
    상기 정삼투유닛을 거친 상기 폐수에 압력구배를 발생시켜 오염물질을 처리하는 역삼투유닛을 이용한 제6단계; 를 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
12. 제11항에 있어서, 상기 제1단계 처리 전단에 폐수를 교반하는 교반탱크(100)을 이용한 전처리단계를 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
13. 제11항에 있어서, 상기 제1단계에서 분리된 오일성분과 제2단계와 제3단계에서 분리된 슬러지를 처리하는 슬러지 처리유닛(400)을 이용한 단계를 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
14. 제11항에 있어서, 상기 제1단계는 응고(Coagulation), 응집(Flocculation), 하이드로사이클론(Hydrocyclone), 부상분리(Floatation), 흡착(Adsorption) 중 어느 하나의 물리적 처리로 상분리를 수행하는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
15. 제11항에 있어서, 상기 제3단계는 하나 이상의 침전 탱크(Settling tank)로 구성되는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1단계의 오일성분 분리와 제2단계의 금속성분 분리의 효과를 증가시키기 위한 첨가제로서 pH조절제, 수화제, 응집제, 염화물 중의 어느 하나 이상을 첨가하는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
17. 제11항에 있어서, 상기 제3단계는 하나 이상의 태양열을 집열하고 폐수를 가열하기 위한 태양열 집열기(520), 상기 폐수를 유입시켜 침전을 진행하면서 상기 태양열 집열기에 의한 가열에 의해 폐수로부터 증발된 응축수를 포집하여 정제수 스트림으로 보내는 하나 이상의 응축수 수집부(510), 및 슬러지를 분리하는 하나 이상의 증발챔버(530)로 구성된 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
18. 제11항에 있어서, 상기 제5단계에서 멤브레인의 정삼투효과를 유도하기 위하여 고농도 유도용액을 공급하는 유도용액공급장치(710)를 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
19. 제11항에 있어서, 상기 제6단계에서 멤브레인의 역삼투효과를 유도하기 위한 고압펌프(810) 및 압력계(820)을 추가로 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.
    
20. 제11항에 있어서, 상기 제4단계, 상기 5단계 및 상기 제6단계는 폐수를 처리한 정제수의 처리조건에 따라 하나 이상의 단계가 추가되는 것을 포함하는 고압파쇄 처리시 발생하는 폐수를 처리하는 모듈화된 수처리 방법.

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