KR20160123864A - 수처리 장치 및 이의 운전제어방법 - Google Patents

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이의신
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엘지히타치워터솔루션 주식회사
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Abstract

원수가 유입되는 반응조; 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 발생기; 내부에 응집제를 저장하는 응집제 탱크; 상기 마이크로 버블과 응집제를 혼합하는 믹서; 상기 믹서로 상기 응집제를 선택적으로 공급하는 응집제 주입펌프; 상기 반응조 내부에 설치되고, 상기 믹서로부터 전달되는 마이크로 버블 또는 상기 마이크로 버블과 응집제의 혼합물을 상기 반응조 내부로 분사하는 노즐; 및 상기 반응조에서 마이크로 버블 또는 응집제에 의해 1차 처리된 처리수를 공급받아, 분리막을 이용하여 수중의 오염물질을 여과시키는 막 여과 모듈을 포함하는 수처리 장치가 개시된다.

Description

수처리 장치 및 이의 운전제어방법{WATER TREATMENT APPARATUS AND OPERATION CONTROL METHOD OF THE SAME}
본 발명은 막 여과 모듈과 마이크로 버블 발생기를 결합시켜 막 오염의 원인물질인 미세 입자와 유기물을 제거함에 따라 막 오염 속도 및 분리막 세정 주기를 지연시킬 수 있는 수처리 장치 및 이의 운전제어방법에 관한 것이다.
막 여과 장치란 분리막(MEMBRANE)으로 물을 통과시켜 수중에 존재하는 오염물질이나 불순물을 여과하는 장치이다. 막 여과 기술은 종래의 모래 여과에 비해 일정한 수질을 얻을 수 있고, 자동화가 가능하고 소요 부지면적이 작음에 따라, 정수처리, 하폐수 처리, 해수 담수화, 식품 및 의료분야 등 다양한 분야로 확산 적용되고 있다.
분리막에 형성된 세공은 일반적으로 10-9m(나노여과막,NF)부터 10-6m(정밀여과막,MF) 정도이며, 이 구멍으로부터 큰 물질은 막에 의해 저지되고, 작은 물질은 막을 통과한다.
그러나, 막 여과를 계속하면, 막의 세공이 막히는 현상이 발생한다.
막의 막힘 현상의 원인을 살펴보면, 예를 들어, 막 면에 포착된 물질이 퇴적되거나, 막 세공의 일부를 메움에 따라, 막 세공으로부터 작은 크기의 물질도 포착된다.
현탁물질에 의한 막힘 이외에도 탄산 칼슘 등이 용해도 이상으로 농축되거는 것에 의해 스케일의 형성이나, 막과 강한 친화성을 가진 물질에 의한 막 면에서의 흡착층 형성 등, 화학적인 작용에 의해서도 막힘은 발생한다. 이러한 막힘 현상은 한가지 원인으로 생기는 것이 아니라, 다양한 원인에 의해 복합적으로 발생한다.
또한, 막의 막힘 현상은 막 세공이 하나씩 막혀가기 때문에 물이 통과하는 세공의 수가 감소해가는 경우, 막의 세공이 막힘 물질에 의해 점점 좁아지기 때문에 물의 유로 면적이 줄어드는 경우, 포착된 물질에 의해 막의 표면에 케이크(CAKE)층이 형성되는 경우 등으로 설명될 수 있다.
특히, 막의 막힘 현상을 일으키는 주요 원인 물질은 분리막으로 유입될 원수 내의 미세입자와 유기물 등이다.
원수 내의 미세 입자는 분리막의 미세기공을 막거나 표면에 축적되어 막의 표면특성을 변화시키고 여과저항을 증가시킨다.
따라서, 막 여과 공정의 가장 큰 단점으로 지적되고 있는 막 오염 문제를 해결하는 것이 중요하다.
또한, 막 여과 기술은 원수에 포함된 일정 크기 이상의 현탁 물질을 확실하게 제거할 수 있지만, 단독으로 물속의 오염물질을 모두 제거할 수 없으므로 다른 공정과 연계하여 활용하는 것이 바람직하다.
또한, 분리막의 미세기공이 막히면 막 투과 유속이 떨어지므로, 여과수의 양을 일정하게 유지하기 위해 막 공급수의 압력을 더 높이거나, 분리막의 물리적 특성을 계속 유지하기 위해 에어 스크러빙 또는 역세척 등 주기적인 세정작업을 한다.
그러나, 에어 스크러빙 또는 세정작업은 막 오염을 예방하기 위한 작업이 아니라, 막 여과 후에 이루어지는 후처리 공정이므로, 막 오염 속도를 늦추기 위한 적극적인 방안을 제시하지 못할 뿐만 아니라, 펌프 및 세정을 위한 운전비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 원수 내의 유기물은 분리막 내부에 생물막을 형성하여 실질적으로 투과 유속을 저하시키며, 분리막에 박테리아 등 미생물이 부착되어 증식함에 따라 미생물의 체외 고분자 물질이 분비되어 점도가 높은 젤 상태로 되므로, 에어 스크러빙 또는 역세척 등의 세정 방법으로도 제거하기가 어렵다.
이러한 유기물에 의한 막 오염을 제거하기 위해 화학 약품을 이용한 화학세정을 할 경우에, 세정 약품은 유기물 등이 부착된 생물막은 물론 분리막 자체를 손상시켜 분리막의 수명을 단축시키는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 일 목적은, 막 여과 공정이 이루어지기 전에 원수 속에 포함된 미세 입자 및 유기물을 제거하여 막 오염 속도를 늦출 수 있는 수처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 목적은 마이크로 버블과 응집제를 병행하여 사용함에 따라 미세 입자 및 유기물의 제거효율을 향상시키며, 막 오염 저감은 물론 세정 주기를 늦출 수 있는 수처리 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 목적은 막 오염 속도 변화에 따라 마이크로 버블의 운전 조건 및 응집제의 주입량을 가변시켜 운전비용을 절감할 수 있는 수처리 장치의 운전제어방법을 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수처리 장치는 원수가 유입되는 반응조; 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 발생기; 내부에 응집제를 저장하는 응집제 탱크; 상기 마이크로 버블과 응집제를 혼합하는 믹서; 상기 믹서로 상기 응집제를 선택적으로 공급하는 응집제 주입펌프; 상기 반응조 내부에 설치되고, 상기 믹서로부터 전달되는 마이크로 버블 또는 상기 마이크로 버블과 응집제의 혼합물을 상기 반응조 내부로 분사하는 노즐; 및 상기 반응조에서 마이크로 버블 또는 응집제에 의해 1차 처리된 처리수를 공급받아, 분리막을 이용하여 수중의 오염물질을 여과시키는 막 여과 모듈을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 반응조는 제1구역 및 제2구역으로 구획되고, 상기 제1구역에서 원수의 유기물 및 미세입자가 상기 마이크로 버블 및 응집제에 의해 응집 및 부상 분리되고, 상기 제1구역에서 분리된 처리수가 제2구역으로 유입될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 막 여과 모듈은 상기 제2구역 내부에 수집된 처리수에 침지되도록 설치되어, 처리수를 공급받을 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 막 여과 모듈은 상기 반응조 외부에 설치되고, 상기 제2구역으로부터 가압펌프를 통해 가압된 처리수를 공급받을 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 마이크로 버블 발생기는 상기 막 여과 모듈을 통과한 여과수의 일부 또는 상기 반응조를 통과한 1차 처리수의 일부를 공급받고, 상기 여과수 또는 처리수에 마이크로 버블을 가압 용해시킨 상태로 상기 반응조에 공급할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 마이크로 버블의 발생량 및 응집제 주입량은 막 오염에 의해 발생하는 막간차압에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 수처리 장치의 운전제어방법은, 반응조 내부로 원수를 유입시키는 단계; 상기 반응조 내부로 마이크로 버블 또는 상기 마이크로 버블 및 응집제를 동시 주입하는 단계; 상기 마이크로 버블 및 응집제에 의해 원수 내의 유기물 및 미세입자를 분리하여 1차 처리수를 생성하는 단계; 및 상기 1차 처리수를 막 여과 모듈로 통과시켜 오염물질을 여과시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 다른 측면과 관련된 일 예에 따르면, 수처리 장치의 운전제어방법상기 응집제의 주입량은 일정 시간 간격 동안의 막간 차압의 변화량을 막 투과 유속의 제곱으로 나눈 값인 막 오염 속도에 따라 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 측면과 관련된 일 예에 따르면, 상기 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 발생기의 순환 유속 및 압력은 일정 시간 간격 동안의 막간 차압의 변화량을 막 투과 유속의 제곱으로 나눈 값인 막 오염 속도에 따라 결정될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 마이크로 버블 발생기와 막 여과 모듈을 결합함에 따라 원수 내의 미세 입자를 마이크로 버블에 부착시켜 제거함으로써, 막 오염 속도 및 세정 주기를 늦출 수 있다.
또한, 마이크로 버블과 응집제를 병용함으로써, 막 오염을 저감하고 운전 비용을 절감할 수 있다.
또한, 막 오염 속도 변화에 따라 막의 운전상태에 적합한 마이크로 버블 시스템의 운전이 가능하다.
또한, 마이크로 버블만으로 제거할 수 없는 입자를 응집시켜 제거함에 따라 전체적인 처리 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수처리 장치의 일 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 버블 발생기를 보여주는 단면도이다.
도 3은 마이크로 버블 발생용 노즐을 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3의 축방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 믹서를 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 반응조의 제1구역에서 마이크로 버블에 의해 미세입자 및 유기물이 제거되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 버블에 의한 효과를 보여주는 그래프이다. 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 버블과 함께 응집제를 주입한 경우의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 버블에 의한 효과를 보여주는 그래프이다. 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 버블과 함께 응집제를 주입한 경우의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리 장치를 보여주는 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 수처리 장치 운전제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 11은 본 발명에 따른 수처리 장치의 운전을 위한 제어장치를 보여주는 블록도이다.
이하, 본 발명에 관련된 수처리 장치 및 이의 운전제어방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 수처리 장치의 일 실시예를 보여주는 개략도이다.
본 발명에 따른 수처리 장치는 원수저장조(10), 반응조(11), 막 여과 모듈(13), 마이크로 버블 발생기(18), 응집제 탱크(19), 응집제 주입펌프(21), 믹서(22) 및 노즐 등을 포함하여 구성될 수 있다.
원수저장조(10)는 정수처리, 하폐수 처리, 해수 담수화 등을 위해 원수를 임시로 저장하는 용기이다. 원수저장조(10)는 철제 등 다양한 재질로 이루어질 수 있고, 용기의 상부가 개방되거나 내부의 저장공간이 밀폐될 수 있다. 원수저장조(10)의 일측에 원수유입구(484)가 형성되어, 원수저장조(10)의 내부로 원수가 유입될 수 있다. 또한, 원수저장조(10)의 타측에 원수유출구(485)가 형성되어, 원수저장조(10)에서 원수가 유출될 수 있다.
반응조(11)는 제1구역(11a)과 제2구역(11b)으로 나뉜다. 제1구역(11a) 및 제2구역(11b)은 격벽(12)에 의해 구획될 수 있다. 격벽(12)은 반응조(11)의 내부에 상하방향으로 수직하게 설치되어, 반응조(11)의 내부공간을 2개 구역으로 나눌 수 있다. 반응조(11)의 형태는 위에서 봤을 때 사각형과 같은 다각형, 원형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 반응조(11)의 상부는 개방될 수 있다. 제1구역(11a)과 제2구역(11b)의 체적은 서로 다를 수 있다. 도 1에 도시된 제2구역(11b)은 제1구역(11a)에 비해 더 큰 체적을 가진다.
제1구역(11a)은 원수저장조(10)로부터 유입되는 원수를 수용한다. 제1구역(11a)에서 원수의 1차 처리 과정을 살펴보면, 반응조(11) 외부에서 제1구역(11a)으로 전달되는 응집제에 의해 원수 내의 미세 입자 및 유기물을 응집하고, 응집된 미세 입자 및 유기물에 마이크로 버블을 흡착시켜 부상함에 따라, 마이크로 버블 층과 처리수를 분리한다.
제1구역(11a)의 상단부에는 제1구역(11a)의 수면 위로 부상된 스컴(찌꺼기)을 제거하기 위한 스컴제거기가 설치되고, 스컴제거기에 의해 포집된 스컴은 스컴배출관(24)을 통해 반응조(11) 외부로 배출될 수 있다.
제2구역(11b)은 제1구역(11a)에서 분리된 처리수만을 수집 및 임시 저장하는 역할을 한다.
격벽(12)은 제1구역(11a)에서 수면으로 부상된 마이크로 버블 층이 제2구역(11b)으로 이동하지 못하도록 차단하며, 마이크로 버블 층이 격벽(12)에 의해 제1구역(11a) 내에 포집될 수 있다. 또한, 격벽(12)의 하부에 연통홀이 형성되어, 제1구역(11a)에서 분리된 처리수가 연통홀을 통해 제2구역(11b)으로 유입될 수 있다.
연통홀은 처리수를 제2구역(11b)으로 이동시키기 위한 제1구역(11a)과 제2구역(11b) 사이의 연결통로이다. 연통홀은 상하방향으로 승강가능한 개폐판 등과 같은 개폐장치에 의해 선택적으로 개폐될 수 있다.
제1구역(11a)의 하부에 별도의 드레인홀이 형성될 수 있다. 유지보수 등 필요에 따라 제1구역(11a)의 물을 드레인홀로 배수시킬 수 있다.
연통홀과 별개로 반응조(11) 외부에 제1구역(11a)과 제2구역(11b)을 연통가능하게 연결하기 위한 연결배관이 구비될 수 있다.
연결배관에 밸브 등과 같은 개폐수단이 설치될 수 있다. 여기서, 제1구역(11a)에서 미세입자 및 유기물이 처리수와 분리되는 동안에는 연통홀 및/또는 연결배관이 폐쇄되고, 상기 미세입자 및 유기물이 제거된 처리수가 제2구역(11b)으로 수집되도록 연통홀 및/또는 연결배관이 개방될 수 있다. 연통홀 및 연결배관은 선택적으로 적용되거나 둘 다 적용될 수 있다.
막 여과 모듈(13)은 반응조(11) 내부 또는 외부에 설치될 수 있다.
도 1의 실시예에 따르면, 막 여과 모듈(13)은 반응조 내부에 일체형으로 설치될 수 있다. 즉, 막 여과 모듈은 복수의 분리막을 묶음 형태로 일체화하여 제2구역의 1차 처리수에 침지되는 침지형이다.
침지형 막 여과 모듈(13)은 막 후단의 압력을 감압하여 1차 처리수를 분리막으로 통과시키며, 분리막에 형성된 미세기공보다 큰 원수 내의 오염물질을 체 걸음으로 여과시켜 여과수를 얻는다.
상기 막 여과 모듈(13)의 후단에 여과수 배출관(16)이 연결되고, 여과수 배출관(16)에 감압펌프(14)가 설치되어, 분리막에 흡입력을 가함에 따라 여과수를 흡입할 수 있다. 막 여과 모듈(13)에서 여과된 여과수는 여과수 배출관(16)을 통해 여과수 저장수조로 이송되어 저장되거나 상수 및 산업용수 등으로 사용되도록 수요지 공급될 수 있다. 예를 들어, 막 여과 모듈(13)에서 유출되는 여과수는 상수도관 등과 연결되어, 소비자에게 공급될 수 있다.
막 여과 모듈(13)의 분리막으로 미세기공의 공칭공경에 따라 분류되는 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막 등이 사용될 수 있다.
여과수 배출관(16)에 압력계(15)가 설치되고, 압력계(15)는 막 여과 모듈(13)에서 배출되는 여과수의 압력을 측정한다. 이때, 막 전단 및 후단의 막간 차압은 막 전단으로 공급되는 1차 처리수의 압력(대기압 상태임)과 막 후단으로 배출되는 여과수의 압력(감압 상태임) 차로 계산될 수 있다.
예를 들어, 침지식 막 여과 모듈(13)에서 압력계(15)에 의해 측정된 압력이 0.5bar 일 때, 막간 차압은 대기압(약 1bar)에서 0.5bar를 뺀 값인 0.5bar이다. 상기 0.5bar의 측정값은 예시일 뿐 감압펌프(14)의 설계조건 등에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 여과수 중 일부는 마이크로 버블 및 응집제를 반응조로 주입하기 위한 매개체로 사용될 수 있다.
예를 들어, 막 여과 모듈(13)에서 유출되는 여과수 중 일부를 반응조(11)로 순환시키고, 순환되는 여과수에 마이크로 버블을 가압 용해하여 반응조(11)의 제1구역(11a)으로 주입할 수 있다.
순환배관(17)은 상기 여과수의 일부를 반응조(11)의 제1구역(11a)으로 순환시키기 위한 순환유로를 형성한다. 순환배관(17)의 일단부는 여과수 배출관(16)과 연결되고, 순환배관(17)의 타단부는 반응조(11) 내부와 연통될 수 있다. 순환배관(17)은 여과수가 마이크로 버블 발생기(18) 및 믹서(22) 등을 경유하도록 여과수 배출관(16)에서 분기 형성되어 마이크로 버블 발생기(18)의 입구로 연장되고, 마이크로 버블 발생기(18)의 출구에서 믹서(22)의 입구로 연장되고, 믹서(22) 출구에서 반응조(11)의 제1구역(11a)의 수용공간으로 연장 형성된다.
마이크로 버블 발생기(18)는 마이크로 버블을 생성하여 상기 반응조 내부로 공급하기 위한 장치로서, 기체를 물속으로 가압 및 용해시키는 방식으로 마이크로 버블을 발생시키는 가압 용해형과, 기체와 액체를 선회시켜 마이크로 버블을 발생시키는 기/액 2상(TWO PHASE)류 선회형이 적용될 수 있다.
마이크로 버블 발생기(18)는 순환배관(17)에 설치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 버블 발생기(18)를 보여주는 단면도이다.
도 2에 도시된 마이크로 버블 발생기(280)는 펌프하우징(281) 내부에 장착되는 펌핑부(284)에 의해 펌핑작용을 한다. 펌핑부(284)의 펌핑작용에 의하면, 회전체(287)와 함께 연동가능하게 장착된 펌핑날개(285)가 회전함에 따라 입수부(282)를 통해 외부의 물이 유입되고, 입수부(282)의 상측에 형성된 공기유입구(283)를 통해 외부의 공기가 유입되어, 물과 공기가 혼합되고, 펌핑부(284) 내부공간에서 물과 혼합된 기포는 펌핑날개(285)에 의해 회전하면서 잘게 파쇄되며, 마이크로 버블이 생성된다. 펌핑부(284)는 모터 등에 의해 동력을 전달받아 펌핑날개(285)의 회전속도가 조절될 수 있다. 펌핑날개(285)의 회전속도에 따라 마이크로 버블 발생기의 유속이 결정되고, 마이크로 버블 생성량이 결정될 수 있다.
또한, 마이크로 버블 발생기(280)는 출수부(286)의 개구 면적을 가변시키도록 토출밸브 등과 같은 개도조절장치를 구비하여, 출수부를 통해 토출되는 유체의 압력을 조절할 수 있다. 이에 의해 상기 출수부에서 토출되는 마이크로 버블의 크기를 조절할 수 있다. 여기서, 개도조절장치의 다른 예로서, 출수부(286)에서 토출되는 유체의 토출방향과 교차하는 방향으로 움직이거나 회전하는 이동플레이트로 구현될 수 있다. 예를 들면, 마이크로 버블 발생기(280)의 압력이 증가할수록 마이크로 버블의 크기가 작아지고, 마이크로 버블 발생기(280)의 압력이 감소할수록 마이크로 버블의 크기가 커질 수 있다.
도 3은 마이크로 버블 발생용 노즐을 보여주는 사시도이고, 도 4는 도 3의 축방향 단면도이다.
마이크로 버블 발생용 노즐(480)은 노즐몸체부(481), 공기흡입구(482), 공기헤더부(483)를 포함하여 이루어진다. 노즐몸체부(481)는 내부에 축방향의 유로를 형성하는 중공부(486)를 가진다. 노즐몸체부(481)의 일단부에서 중공부까지 직경이 작아지도록 유입구(484)가 테이퍼지게 형성되어, 중공부(486)에서 유입수의 유속이 빨라진다. 공기헤더부(483)는 직경이 노즐몸체부(481)보다 더 크고, 공기헤더부(483)의 일측에 형성된 공기흡입구(482)를 통해 공기가 흡입될 수 있다. 공기흡입구와 연통되도록 공기헤더부(483)의 내부에 내부유로(487)가 형성되고, 내부유로와 중공부 사이에 직경이 상대적으로 작은 분사유로가 형성된다.
상기 마이크로 버블 발생용 노즐(480)의 작용을 살펴보면, 유입구(484)를 통해 중공부(486)로 유입되는 유입수의 유속에 의해 중공부(486)의 압력이 감압됨에 따라 공기흡입구(482)를 통해 외부 공기가 흡입되고, 외부공기는 내부유로(487)에서 분사유로(488)로 분배되고, 분배된 공기는 분사유로(488)를 통해 중공부(486)를 따라 흐르는 물속으로 유입되어 기포가 발생하고, 중공부(486)를 따라 흐르는 물은 분사유로를 통해 유입되는 기포를 미세하게 쪼개므로 마이크로 버블을 발생시킨다.
상기 마이크로 버블 발생기(18) 및 마이크로 버블 발생용 노즐(480)은 선택적으로 적용될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 응집제 탱크(19)는 반응조(11)의 외부에 배치된다. 응집제 탱크(19)에 응집제가 저장된다.
응집제는 정수처리에서 사용되고 있는 약품을 사용할 수 있다. 예를 들어, 응집제는 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄, 염화제2철, 황산제1철, 황산제2철, PASS(Poyl-Aluminu-Slufact-Silicate) 및 저분자량의 양이온성 유기응결제 중 적어도 하나 또는 둘 이상의 혼합물로 이루어질 수 있다.
응집제는 종래에는 물과 입자(응집플록)의 비중차를 크게 함으로써, 물에서 플록을 침전시켜 분리하므로 가교작용에 의한 플록의 비대화가 중요하였지만, 막 여과 모듈(13)에서는 비중차에 의한 침전 분리가 요구될 정도의 비대한 플록으로 형성할 필요가 없다. 이에 따라 응집제의 첨가량도 줄어들며, 알칼리제가 필요 없게 되는 경우도 있다. 본 발명에서 응집제는 반응조(11)에 간헐적으로 주입되며, 응집제의 주입량도 소량이다.
응집제 주입배관(20)은 응집제의 주입유로를 형성하고, 이를 위해 일단부가 응집제 탱크(19)와 연결되고, 타단부가 순환배관(17)에 연통되게 연결된다. 이때, 순환배관(17)은 마이크로 버블 발생기(18)의 출구에서 믹서(22)의 입구로 연장되고, 마이크로 버블 발생기(18)와 믹서(22)를 연결하는 순환배관(17)의 중간에 응집제 주입배관(20)의 타단부가 연결됨에 따라, 응집제가 순환배관(17)을 따라 흐르는 마이크로 버블과 함께 믹서(22)로 유입될 수 있다. 응집제 주입배관(20)에 응집제 주입펌프(21)가 설치되어, 응집제를 반응조(11) 내부로 선택적으로 주입할 수 있다. 또한, 응집제 주입펌프(21)에 의해 응집제 주입배관(20)을 따라 흐르는 응집제의 주입량을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 믹서(22)를 보여주는 사시도이다.
믹서(22)는 원통형의 믹서케이싱(221)과, 믹서케이싱(221) 내부에 직렬로 배치되는 복수의 믹싱가이드(224)로 구성될 수 있다. 믹서케이싱(221)의 일측에 유입구(222)가 형성되고, 믹서케이싱(221)의 타측에 유출구(223)가 형성된다. 믹싱가이드(224)는 일 면과 이 면에 각각 나선형 유로를 갖도록 휘어진 형상으로 이루어지고, 나선형 유로를 통해 흐르는 유체의 회전을 유도한다. 인접한 믹싱가이드(224)의 단부(직선형 부분)는 서로 교차하도록 배치되어, 믹싱가이드 간 이동 시 나선형 유로를 따라 회전하는 두 유체를 서로 혼합시키도록 한다. 이에 의해, 마이크로 버블 발생기로부터 전달되는 마이크로 버블과 응집제 탱크로부터 전달되는 응집제를 혼합하는 것이다.
도 1에 도시된 노즐(23)은 반응조(11)의 제1구역 내부에 설치되고, 믹서(22)로부터 전달받은 마이크로 버블 및 응집제의 혼합물을 원수 중으로 균일하게 분사시키기 위해 사용된다. 상기 노즐(23)은 폭기용 노즐일 수 있다.
이에 의해, 마이크로 버블 및 응집제를 수중으로 골고루 살포하여, 마이크로 버블과 응집제가 원수 내로 충분히 접촉될 수 있다. 상기 노즐(23)은 반응조(11)의 제1구역(11a) 하부에 배치됨이 바람직하다.
노즐(23)을 반응조(11) 하부에 배치하는 이유는 마이크로 버블의 부상력에 의해 마이크로 버블 층과 처리수가 상층과 하층으로 분리되는바, 만약 반응조(11)의 중간 높이 또는 상부에 노즐(23)을 설치하는 경우 마이크로 버블의 특성상 마이크로 버블이 노즐(23) 하부로 침전되지 않아 노즐(23) 하부의 원수 내의 미세입자 및 유기물을 처리하지 못하는 문제점이 발생하기 때문이다. 따라서, 반응조(11)로 유입된 유입수 전체에서 미세입자 및 유기물을 제거하기 위해서는 노즐(23)을 반응조(11) 하단에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 노즐(23)은 반응조(11) 하단에 일정 간격을 두고 복수개로 설치되는 것이 바람직하다. 노즐(23)의 설치형태는 특별한 제한 없이 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 예를 들어 원형 또는 직선형 파이프에 복수의 노즐(23)이 일정한 간격으로 이격되게 형성될 수 있다. 또한, 마이크로 버블은 크기가 작아서 비표면적(표면적과 체적의 비율)이 크므로, 노즐(23)을 통해 반응조(11) 하부에서 분사하는 경우 물과의 접촉이 잘 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 반응조(11)의 제1구역(11a)에서 마이크로 버블에 의해 미세입자 및 유기물이 제거되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
본 명세서에 기재된 마이크로 버블은 직경이 50㎛ 이하로 매우 미세한 기포이다.
일반적으로 큰 기포(육안으로도 기포의 크기를 가늠할 수 있음. 예를 들어 5~50mm 정도)는 빠른 속도로 상승하여 수면에서 파열된다.
하지만, 마이크로 버블은 수중에서 매우 천천히 상승한다(예, 3mm/min). 이때, 마이크로 버블은 마이너스(-)로 대전되어, 부유 물질, 즉 원수 내에 포함된 미세입자를 마이크로 버블의 표면으로 흡착하거나 미세입자 덩어리의 표면으로 마이크로 버블이 흡착되기 쉽다.
상기 마이크로 버블에 의해 흡착된 미세입자는 수중에서 부상되어 처리수와 분리된다. 처리수는 제1구역(11a)의 하부에 형성되고, 부상된 미세입자가 포함된 마이크로 버블층은 제1구역(11a)의 상부에 형성된다.
마이크로 버블은 대부분 수면에 도달하기 전에 수중에서 소멸되며, 일부는 수면에 도달하여 파열한다.
또한, 마이크로 버블이 상승함에 따라 기포의 크기가 점점 작아지고, 기포 축소로 인해 내부 압력과 온도가 상승한다. 이로 인해, 마이크로 버블은 기포의 압축에 의해 파괴되어 소멸되는데, 이러한 현상을 압궤 현상이라고 한다.
압궤 현상은 마이크로 버블의 소멸 시 매우 미세한 범위지만, 수천 ℃에서 수천 기압의 영역(극한 반응 장)을 형성한다. 이 영역의 출현으로 주위의 유기물을 분해한다.
또한, 상기 기포의 압궤에 의해 프리 라디칼(-OH)이 발생한다. 프리 라디칼은 최외각 전자각에 쌍을 이루고 있지 않은 전자를 가지고 있는 분자를 말하고, 외부로부터 전자를 받아들여 안정해지려고 하는 성질이 있으므로, 주위의 유기물과 반응하여 산화 파괴한다.
한편, 제1구역(11a)의 원수 내로 주입되는 응집제의 반응 원리를 설명하기로 한다.
수중에서는 수화반응, 화학적 반응, 흡착반응, 응집반응, 플록 생성 등이 발생한다.
예를 들면, 1) 수화반응: Al(OH)2
2) 화학적 반응: Al3+ + PO4-3→ AlPO4
3) 응집반응: 입자(Particle, SS)가 상호 인력작용에 의해 응집된다.
4) 플록 생성: 입자들이 성장해 플록(floc)을 형성한다.
5) 흡착반응: AlPO4 가 응집 플록 표면으로 흡착된다.
상기한 반응에 의해 생성된 미세입자 및 유기물 등의 플록(큰 덩어리)에 마이크로 버블이 흡착되어, 마이크로 버블의 부상력에 의해 미세입자 및 유기물 플록이 부상 분리된다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 버블에 의한 효과를 보여주는 그래프이다. 도 7a에 도시된 실시예는 반응조(11)의 유입수로 하수처리장의 방류수를 사용하고, 마이크로 버블에 의해 방류수의 미세입자 및 유기물을 제거한 후, 처리수를 막여과 시킨 예이다..
도 7a를 참조하면, X축(수평축) 라인 왼쪽에 표시된 Original 부분은 마이크로 버블을 적용하지 않고 막 여과 모듈(13)만 적용한 것이고, 그 나머지 부분은 마이크로 버블과 막 여과 모듈(13)을 적용한 것을 나타낸다. 특히, 사각형의 점선 안에 표시된 부분은 마이크로 버블과 막 여과 모듈(13)의 적용 시 최적 조건이다. 수평축에 표시되는 LMH는 ℓ/㎡-hr이고, #1, #2는 실험의 일련번호이며, 재현성 확인을 위하여 2번 실험을 하여 표시한 것이다.
도 7a에 따르면, 막여과만을 적용한 경우를 표시한 가장 왼쪽 막대그래프가 가리키는 값이 가장 크고, 이는 막오염이 빠르게 진행되었음을 의미한다. 나머지 부분을 참조하면 마이크로 버블과 막여과를 함께 적용하였을 때 마이크로 버블에 의하여 막오염 속도가 감소하는 것을 보여준다. 특히, 사격형 박스로 표시된 최적 조건의 경우 막오염 속도가 가장 많이 감소하였음을 보여준다.
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 버블과 함께 응집제를 주입한 경우의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 7b에 따른 실시예에서 응집제의 주입조건은 다음과 같다.
운전 시간 및 샘플링 시간: 15, 30, 45, 60min 운전 (압력: 4bar / 유량: 8L/min, 0.64ml/min 운전 기준), 응집제 주입량 170 ppm (Jar test로 결정)
도 7b에 따르면, 마이크로 버블과 응집제를 사용한 경우이며, 도 7a의 마이크로 버블과 막여과를 적용한 경우에 비해 처리수의 막오염 속도가 크게 감소되었음을 보여준다.
도 8a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 버블에 의한 효과를 보여주는 그래프이다.
도 8a에 도시된 실시예는 유입수로 해수를 사용하고, 마이크로 버블에 의해 원수의 미세입자 및 유기물을 처리한 후 막여과를 실시한 예이다. 기타 구성은 도 7a 및 도 7b의 실시예와 동일하므로, 명료한 설명을 위해 생략하기로 한다.
도 8a에 따르면, 해수에 대한 수처리 시 마이크로 버블과 막여과를 적용한 예(수평축 라인에서 sea water를 제외한 나머지 부분의 막대 그래프)가 막여과만 적용한 예(수평축 라인에서 sea water라고 표시된 부분의 막대 그래프)에 비해 막오염 속도가 더 감소하였음을 보여준다.
도 8a의 그래프는 응집제를 사용하지 않은 경우이며, 운전조건은 다음과 같다.
운전 시간 및 샘플링 시간: 30, 30, 45, 60min 운전 (압력: 4bar / 유량: 8L/min, 0.64㎖/min 운전 기준)
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 버블과 함께 응집제를 주입한 경우의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 8b는 마이크로 버블과 응집제를 사용한 경우이며, 도 8a의 마이크로 버블과 막여과를 적용한 경우에 비해 막오염 속도가 크게 감소하였음을 보여준다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리 장치를 보여주는 개략도이다.
도 9에 도시된 실시예의 가장 큰 특징은 막 여과 모듈(130)이 반응조(11) 내부에 설치되는 것이 아니라 반응조(11) 외부에 설치된 모습을 보여준다.
또한, 도 9의 실시예는 도 1의 실시예와 다음과 같은 점에서 차이가 있다.
첫째, 막 여과 모듈(130)은 가압식이다. 가압식 막 여과 모듈(130)은 막 공급수의 구동력으로 가압펌프(140)를 이용한다. 이에 의해, 막 공급수(본 발명에서는 반응조(11)의 제2구역(11b)에서 배출되는 처리수임)를 가압하여 분리막으로 통과시킨다. 또한, 압력계(150)가 막 여과 모듈(130)의 전단 상류측에 설치되어, 막 공급수의 압력을 측정한다. 이때, 막 여과 모듈(130)의 후단 하류측의 압력은 대기압과 같다.
둘째, 가압식 막 여과 모듈(130)은 분리막과 이의 지지체 및 유로재 등의 부품재를 일체화하여 케이싱에 수납하는 케이싱 수납 방식을 사용하여 제조되며, 막 여과 모듈(130)이 반응조(11) 내부에 침지되지 않으므로, 막 여과 모듈(130)로 처리수를 공급하기 위한 처리수공급배관(131)이 별도로 필요하다.
셋째, 순환배관(160)의 일단부가 막 여과 모듈(130)의 후단 하류측에 연결되는 것이 아니라, 반응조(11)의 제2구역(11b) 후단에 형성된 유출구와 연결된다. 이에 의해, 순환배관(160)을 따라 흘러서 마이크로 버블 및 응집제의 운반체 역할을 하는 유체는 막 여과 모듈(130)을 통과한 여과수가 아니라 반응조(11)의 제2구역(11b)을 통과한 1차 처리수이다.
도 1의 실시예와 도 9의 실시예를 비교하면, 마이크로 버블의 부상력에 의해 미세입자를 부상 분리시키고, 마이크로 버블의 압궤 소멸로 발생하는 프리 라디칼에 의해 유기물을 산화 및 분해시키고, 응집제에 의해 미세입자 및 유기물을 응집, 결합 및 흡착함에 따라 원수에서 미세입자 및 유기물이 제거된 처리수를 분리하고, 분리된 처리수를 막 여과 모듈(130)로 공급하는 점에서 도 1 및 도 9의 실시예는 서로 유사한 측면이 있다.
다만, 도 1의 실시예와 같이, 막 여과 모듈(130)이 반응조(11) 내부에 침지되어, 반응조(11)와 막 여과 모듈(130)이 일체형으로 구비되는 경우에, 막 공급수가 제1구역(11a)과 제2구역(11b)의 수위차에 의해 제2구역(11b)에 침지된 막 여과 모듈(130)로 이동하는 특징이 있으므로, 도 9의 분리형에 비해 공정이 단순해지며, 별도의 처리수공급배관(131)이 불필요하기 때문에 반응조(11)와 막 여과 모듈(130) 사이를 연결하기 위한 배관 설치 비용 등을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 침지형 막 여과 모듈(130)은 케이싱 수납 방식의 케이싱을 수조로 바꾸어 놓은 방식이므로, 케이싱 수납 방식처럼 각 막 모듈에 원수를 분배하는 배관이 불필요하다. 왜냐하면, 침지형 방식은 수조라고 하는 큰 케이싱에 막을 수납하고 있기 때문이다. 이에 의해 단위 용적당 막 면적이 작다. 또한, 구동압력이 수위차나 흡인력에 의해 얻을 수 있으므로 정밀 여과막 등과 같이 작은 압력에서 막 여과가 가능한 장점이 있다.
본 발명에서 마이크로 버블 및 응집제는 막오염 속도를 지연시키기 위해 사용되고, 반응조(11)의 유입수 오염도가 높지 않을 경우에 마이크로 버블만을 상시 주입할 수 있다. 또한, 도 7b 및 도 8b에 도시한 바와 같이, 반응조(11)의 유입수 오염도가 높을 경우에 응집제를 추가로 사용하는 것이 보다 효과적이다.
본 발명의 특징 중에 하나는 믹서(22)에 의해 마이크로 버블과 응집제가 반응조(11)의 제1구역으로 동시에 주입될 수 있다. 만약, 마이크로 버블과 응집제가 별개로 반응조(11) 내부로 주입되는 경우 마이크로 버블에 의해 미세 입자 등을 상승시키는 작용과 응집제에 의해 미세 입자를 응집시키는 작용이 별개로 이루어지며, 이 경우 응집된 미세 입자 덩어리를 상승시키는 미세 버블의 상승력이 저하될 수 있다. 하지만, 마이크로 버블과 응집제를 혼합하여 동시 주입하는 경우 마이크로 버블에 의한 상승 작용과 응집제에 의한 응집하는 작용이 동시에 일어나므로 응집된 미세입자 덩어리를 효과적으로 상승시킬 수 있다.
본 명세서에서 기재된 막오염 속도는 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00001
fr은 막오염 속도이고, ΔP/Δt는 일정 시간 간격(Δt) 동안의 막간차압의 변화량, J는 막 투과 플럭스(flux,유속)이다. θ는 ΔP/Δt과 동일하다.
막간차압은 막 공급수 압력과 막 여과수 압력의 차이로 정의될 수 있다. 막간 차압은 압력계(15)에 의해 측정된 값을 이용하여 계산될 수 있다.
침지식 막 여과 모듈(13)에서 막 공급수 압력은 대기압이므로 막 여과수 압력만 측정하면 막간차압의 측정이 가능하다. 따라서, 도 1에 도시된 침지식 막 여과 모듈(13)의 경우 압력계(15)가 막 여과 모듈(13)의 하류측에 설치되어, 막 여과수의 압력을 측정함에 따라 막간차압을 측정할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 수처리 장치 운전제어방법을 설명하기로 한다.
도 10는 본 발명에 따른 수처리 장치 운전제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
1단계-원수 공급
반응조(11) 공급수 측의 밸브를 이용하여 원수 공급량을 조절할 수 있다. 또한, 반응조(11)의 제1구역(11a)의 연통홀에 설치되는 개폐장치에 의해 연통홀의 개방 정도를 조절하여, 반응조(11)의 제1구역(11a)에 미리 정해진 수위로 원수를 공급한다. 이때, 연통홀을 폐쇄한 후 원수를 공급할 수 있다. 연통홀은 반응조(11)의 제1구역(11a)에서 마이크로 버블층과 처리수가 분리되어 처리수가 일정량 확보된 후 개방된다.
2단계-마이크로 버블 주입
마이크로 버블 발생기(18)에서 생성된 마이크로 버블을 반응조(11)의 제1구역(11a)으로 주입한다. 여기서, 막 여과 모듈(13)의 막 오염 속도에 따라 응집제 주입 여부가 결정될 수 있다. 막 오염 속도가 초기 운전 목표값 이하인 경우에 응집제가 주입되지 않을 수 있다. 막 오염 속도가 초기 운전 목표값 보다 높은 경우에 응집제를 간헐적으로 주입할 수 있다. 또한, 응집제 주입량 및 마이크로 버블 주입량을 각각 혹은 동시에 단계적으로 증가시키면서 목표값에 도달할 수 있는지를 지속적으로 측정한다.
응집제 주입량을 조절하기 위해서는 막 오염 속도의 시간에 따른 변화값(Δfr/Δt)을 계산한다. 그리고, 응집제 주입량은 최소값(cmin)과 최대값(cmax)을 설정하고, 막오염 속도의 변화에 따라 다음과 같은 식으로 결정할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, β는 허용가능한 막오염 속도변화이며, α는 막오염 속도 변화와 응집제 주입량과의 상관관계 계수이다. 두 값은 각 경우에 따라 이론적 혹은 실험적으로 결정될 수 있다. 만약 막오염 속도변화가 β보다 작고, (cmin)이 0이면 응집제가 주입되지 않고, 막오염 속도변화가 β보다 커지는 경우에 간헐적으로 주입된다. 만약 응집제 주입량과 마이크로 버블 주입량이 최대값을 초과한 경우에도 목표값을 달성하지 못하는 경우에 구간에서의 값 중 막오염 속도가 최소로 되는 응집제 주입량 혹은 마이크로 버블 주입량을 정하여 주입한다.
또한, 마이크로 버블 발생기(18)의 순환유속이 증가함에 따라 마이크로 버블의 주입량이 늘어나서 막 오염을 억제할 수 있다. 본 발명에서 마이크로 버블 발생기(18)의 순환유속은 마이크로 버블의 운반체인 물의 순환유속을 말한다. 예를 들어, 마이크로 버블 발생기(18)로 공급되는 물로서 도 1의 실시예에서는 여과수이고, 도 9의 실시예에서는 처리수이다.
마이크로 버블 발생기(18)의 순환유속을 조절하기 위해서는 막 오염 속도의 시간에 따른 변화값(Δfr/Δt)을 계산한다. 그리고, 순환유속의 최소값(Qmin)과 최대값(Qmax)을 설정하고, 막오염 속도의 변화에 따라 다음과 같은 식으로 결정할 수 있다.
Figure pat00003
여기서, χ는 막오염 속도 변화와 응집제 주입량과의 상관관계 계수이다. 두 값은 각 경우에 따라 이론적 혹은 실험적으로 결정될 수 있다. 마이크로 버블 발생기(18)의 압력은 미리 정해진 값으로 유지될 수 있다. 하지만, 막오염이 유기물에 의해 발생하는 경우 좀 더 크기가 작은 마이크로 버블이 효과적이므로, 마이크로 버블 발생기(18)의 압력을 설정값보다 증가시킬 수 있다. 또한, 막오염이 미세입자에 의해 발생하는 경우 좀 더 크기가 큰 마이크로 버블이 효과적이므로, 마이크로 버블 발생기(18)의 압력을 설정값보다 감소시킬 수 있다.
마이크로 버블 발생기(18)의 압력은 펌프하우징(281)의 출수부의 개도를 조절하는 개도조절장치에 의해 조절될 수 있다. 예를 들어, 출수부의 개도를 증가시키는 경우 압력이 작아지므로, 마이크로 버블의 크기가 커지고, 출수부의 개도를 감소시키는 경우 압력이 커지므로, 마이크로 버블의 크기가 작아진다.
막오염의 원인물질이 유기물인지 혹은 미세입자인지 여부를 판단하는 방법은 유입수의 특성을 분석하는 방법과, 분리막을 막 여과 모듈(13)로부터 직접 꺼내서 분석하는 방법이다. 유입수의 특성을 분석하기 위해서는 수질 측정을 위한 센서로 측정이 가능하다. 또한, 분리막을 꺼내서 분석하는 방법은 다양하게 이루어질 수 있다.
다만 분리막을 꺼내서 분석하는 경우 막오염의 원인물질을 보다 확실하게 분석할 수 있지만, 분리막을 꺼내고 다시 끼우는 시간 및 분리막이 탈거되는 동안에 막 여과를 수행할 수 없다는 단점이 있고, 유입수를 분석하는 방법은 분리막을 탈착시키지 않고 유입수를 통해 간접적으로 측정가능하여 공정이 단순화될 수 있지만, 막오염 원인물질을 정확하게 파악하기가 어려운 단점이 있다.
이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 1차적으로 유입수의 특성을 분석하는 방법에 의해 막오염의 원인물질을 파악하고, 차선책으로 분리막을 꺼내서 분석하는 방법을 채택할 수 있다. 예를 들어, 만약 1차적인 방법에 따라 전처리 후 막오염 속도를 측정하고, 막오염 속도가 연장되었다면 1차 방법을 유지하고, 1차 측정 결과가 부정적이면 추후 2차 방법을 모색할 수 있다.
마이크로 버블 발생기(18)로 공급되는 물의 이동경로와, 반응조(11)로 전달되는 마이크로 버블 및/또는 응집제의 이동경로를 살펴보면 다음과 같다.
상기 마이크로 버블 발생기(18)에서 사용되는 물은 여과수 또는 처리수일 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 막 여과 모듈(13)을 통과한 여과수의 일부를 순환배관(17)을 통해 마이크로 버블 발생기(18)로 공급할 수 있다. 혹은 도 9에 도시된 반응조(11)에서 배출되는 처리수의 일부를 순환배관(17)을 통해 마이크로 버블 발생기(18)로 공급할 수 있다.
또한, 마이크로 버블 발생기(18)에서 생성된 마이크로 버블을 순환배관(17)을 따라 믹서(22)로 공급한다. 막 오염 속도의 변화량이 허용값보다 높은 경우에 응집제 탱크(19)에 저장된 응집제를 응집제 주입펌프(21)에 의해 응집제 주입배관(20) 및 순환배관(17)을 따라 믹서(22)로 공급할 수 있다. 이어서, 믹서(22)에서 혼합된 마이크로 버블 및 응집제를 순환배관(17)을 따라 반응조(11) 내부로 주입하고, 노즐(23)을 통해 원수속으로 균일하게 분사한다.
3단계-미세입자 및 유기물이 제거된 처리수 생성
반응조(11)의 제1구역(11a)에서 마이크로 버블에 의해 원수에 포함된 미세 입자를 흡착 및 부상 분리할 수 있다. 막오염 속도 변화값이 초기운전 목표값보다 더 커서 응집제를 주입한 경우에, 응집제에 의해 원수 내의 미세입자를 응집시키고, 응집된 미세 입자를 마이크로 버블에 의해 산화 및 분해시킴에 따라 미세입자 및 유기물이 제거된 처리수를 생성한다. 마이크로 버블 및 응집제에 의해 생성된 마이크로 버블 층은 반응조(11)의 제1구역(11a)에서 상부로 부상하고, 분리된 처리수는 격벽(12)의 하부에 형성된 연통홀을 통해 제2구역(11b)으로 이동되어 수집된다. 이때 처리수는 제1 및 제2구역(11b)의 수위차에 의해 이동될 수 있다.
상기 처리수가 생성되는 동안에 마이크로 버블 발생기(18)는 상시 운전되어, 반응조(11) 내부로 마이크로 버블을 계속해서 주입할 수 있다. 또한, 막 오염 속도의 증가에 따라 응집제 주입량을 증가시킨다.
4단계-여과수 생성
반응조(11)로부터 배출된 처리수를 막 여과 모듈(13)로 공급하여 분리막에 의해 처리수 내의 오염물질을 여과시킬 수 있다.
상기 수처리 장치 운전제어방법의 요지를 설명하면 다음과 같다.
막 여과 모듈을 이용한 수처리 장치를 운전함에 있어서, 막의 전·후단의 압력차 또는 유량차에 의해 막 오염 속도를 감지하고, 막 오염 속도에 따라 응집제 및 마이크로 버블의 투입량을 제어한다.
예를 들어, 동일 압력으로 막 여과 모듈을 운전할 때 분리막을 통과하는 여과수의 유량이 증가하면 막 오염 정도가 낮거나 막 오염 속도가 늦은 것이고, 여과수의 유량이 감소하면 막 오염 정도가 높거나 막 오염 속도가 빠른 것으로 판단할 수 있다.
이로 인해, 압력계를 이용하여 막간차압을 계산하거나, 막 여과 모듈의 후단에 유량계를 설치하여 여과수 유량을 측정함에 따라 막 오염도를 측정하는 것도 가능하다.
도 11은 본 발명에 따른 수처리 장치의 운전을 위한 제어장치를 보여주는 블록도이다.
상기의 운전제어방법을 구현하기 위해, 본 발명에서 제어부를 구비할 수 있다. 또한, 제어부로 입력하기 위한 정보를 제공하는 입력부와, 제어부의 제어신호를 받아 제어되는 출력부를 포함할 수 있다.
입력부는 막간차압을 측정하기 위한 압력계(15), 원수의 수질을 측정하기 위한 수질 센서, 및 원수의 온도를 측정하기 위한 온도센서를 포함한다.
출력부는 마이크로 버블 주입량을 조절하기 위한 마이크로 버블 발생기(18) 및/또는 마이크로 버블 발생용 노즐(23)과, 응집제 주입량을 조절하기 위한 응집제 주입펌프(21)를 포함할 수 있다. 또한, 출력부는 마이크로 버블 발생기(18)의 압력을 조절하기 위한 개도조절장치(토출밸브 또는 이동플레이트) 등을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 버블 발생기(18)의 펌핑부 및 응집제 주입펌프(21)는 자체가 별도의 컨트롤러를 장착한 임베디드 방식일 경우, 마이크로 버블 및 응집제 주입량 조절을 위한 제어부 또는 컨트롤러가 생략될 수 있다.
상기 운전제어방법에 따르면 막간차압을 이용하여 막 오염 속도를 계산하고, 막 오염 속도에 따라 마이크로 버블 발생기(18)의 운전조건 및 응집제 주입량을 가변제어할 수 있다. 이에 의해, 세정주기를 연장하면서 막 여과수의 유량을 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 막 오염 속도는 수온에 의해서도 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 수온이 낮아지면 막을 통과하기 어렵고, 수온이 높게 되면 물은 막을 통과하기 쉽다. 이것은 물의 점성계수가 수온에 의해서 크게 변화하며, 물이 막의 세공을 통과할 때 저항이 바뀌기 때문이다.
이처럼 막 여과 유속은 수온의 영향을 강하게 받기 때문에, 수온이 낮아지면, 일정압력에서 운전할 경우에 막 여과 수량이 줄어들고, 일정 유량에서 운전할 경우 막 차압이 상승해서, 겉보기에는 막의 막힘이 생겼을 때와 같은 결과를 초래할 수 있다. 이러한 경우에 고온의 원수 유입 시와 같은 막 여과 수량으로 운전하면, 막간 차압의 상승을 초래하게 되므로, 지속적인 운전이 불가능할 수 있다.
따라서, 원수의 온도를 온도 센서로 측정한 후, 원수의 온도값을 제어인자로 추가하여, 마이크로 버블 발생기(18)의 운전 조건 및 응집제 주입량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 원수의 수온이 미리 정해진 값 이상인 경우 마이크로 버블 발생기(18)의 순환유속을 늦추거나 압력을 감소시킬 수 있다. 또한, 응집제의 주입량을 줄이거나 응집제를 주입하지 않을 수 있다.
반면에 원수의 수온이 미리 정해진 값보다 낮은 경우 마이크로 버블 발생기(18)의 순환유속을 빠르게 하거나 압력을 높일 수 있다. 또한, 응집제의 주입량을 증가시킬 수 있다.
또한, 압력계(15)에 의한 막오염 속도를 측정하는 방법 이외에 막오염 지수(Fouling index,FI)를 이용하여 막 막힘 정도를 측정할 수 있다. FI는 막오염에 대한 지표로서, 수중에 포함되어 있는 현탁물질에 의한 일정 시간(1분) 동안 공칭직경 0.45㎛을 갖는 멤브레인 필터의 막힘도를 말하며, 다음 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00004
T0: 0.45㎛의 멤브레인 필터를 사용하여 시료수를 206kPa의 가압하에서 여과했을 때 처음 500㎖를 여과하는데 필요한 시간(초).
T15: T0 후 동일한 상태에서 계속해서 15분간 여과한 후에, 시료수를 다시 500㎖ 여과하는데 필요한 시간(초).
상기 식은 이론적으로는 비압축성 케이크의 정압 여과에 있어서 여과방정식에 근거를 두며, 여과 개시시와 15분 후의 여과시간을 측정하기 위해 사용하는 멤브레인 필터 품질의 흩날림의 영향이 적은 방법이다.
FI값에 의한 막힘도의 평가는, 역삼투법의 전처리수 수질평가에 광법위하게 이용되고 있다. 역삼투법에서는 공급수 내의 현탁물질이 막면에 부착해서 오염을 일으키기 때문에, 전처리 과정을 통해 가능한 한 오염물질을 제거할 필요가 있다.
이상에서 설명된 수처리 장치 및 이의 운전제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10: 원수저장조
11: 반응조
11a: 제1구역
11b: 제2구역
12: 격벽
13: 막 여과 모듈
14: 감압펌프
15: 압력계
16: 여과수 배출관
17: 순환배관
18,280: 마이크로 버블 발생기
19: 응집제 탱크
20: 응집제 주입배관
21: 응집제 주입펌프
22: 믹서
23: 노즐
24: 스컴배출관
281: 펌프하우징
282: 입수부
283: 공기유입구
284: 펌핑부
285: 펌핑날개
286: 출수부
481: 노즐몸체부
482: 공기흡입구
483: 공기헤더부
484: 유입구
485: 유출구
486: 중공부
487: 내부유로
488: 분사유로
221: 믹서케이싱
222: 유입구
223: 유출구
224: 믹싱가이드
130: 막 여과 모듈
131: 처리수공급배관
140: 가압펌프
150: 압력계
160: 순환배관

Claims (9)

  1. 원수가 유입되는 반응조;
    마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 발생기;
    내부에 응집제를 저장하는 응집제 탱크;
    상기 마이크로 버블과 응집제를 혼합하는 믹서;
    상기 믹서로 상기 응집제를 선택적으로 공급하는 응집제 주입펌프;
    상기 반응조 내부에 설치되고, 상기 믹서로부터 전달되는 마이크로 버블 또는 상기 마이크로 버블과 응집제의 혼합물을 상기 반응조 내부로 분사하는 노즐; 및
    상기 반응조에서 마이크로 버블 또는 응집제에 의해 1차 처리된 처리수를 공급받아, 분리막을 이용하여 수중의 오염물질을 여과시키는 막 여과 모듈;
    을 포함하는 수처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응조는 제1구역 및 제2구역으로 구획되고, 상기 제1구역에서 원수의 유기물 및 미세입자가 상기 마이크로 버블 및 응집제에 의해 응집 및 부상 분리되고, 상기 제1구역에서 분리된 처리수가 제2구역으로 유입되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 막 여과 모듈은 상기 제2구역 내부에 수집된 처리수에 침지되도록 설치되어, 처리수를 공급받는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 막 여과 모듈은 상기 반응조 외부에 설치되고, 상기 제2구역으로부터 가압펌프를 통해 가압된 처리수를 공급받는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 발생기는 상기 막 여과 모듈을 통과한 여과수의 일부 또는 상기 반응조를 통과한 1차 처리수의 일부를 공급받고, 상기 여과수 또는 처리수에 마이크로 버블을 가압 용해시킨 상태로 상기 반응조에 공급하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 발생량 및 응집제 주입량은 막 오염에 의해 발생하는 막간차압 또는 여과수 유량 변화에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  7. 반응조 내부로 원수를 유입시키는 단계;
    상기 반응조 내부로 마이크로 버블 또는 상기 마이크로 버블 및 응집제를 동시 주입하는 단계;
    상기 마이크로 버블 및 응집제에 의해 원수 내의 유기물 및 미세입자를 분리하여 1차 처리수를 생성하는 단계; 및
    상기 1차 처리수를 막 여과 모듈로 통과시켜 오염물질을 여과시키는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리 장치의 운전제어방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 응집제의 주입량은 일정 시간 간격 동안의 막간 차압의 변화량을 막 투과 유속의 제곱으로 나눈 값인 막 오염 속도에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치의 운전제어방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 발생기의 순환 유속 및 압력은 일정 시간 간격 동안의 막간 차압의 변화량을 막 투과 유속의 제곱으로 나눈 값인 막 오염 속도에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치의 운전제어방법.
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CN112340840A (zh) * 2019-08-08 2021-02-09 北京化工大学 一种膜氧化反应器及废水处理方法

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