KR20160141460A - 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법 - Google Patents

정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정삼투법을 이용하여 폐수를 처리하여 정화함과 동시에 액비를 효율적으로 제조할 수 있는 액비 제조 시스템 및 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조방법은 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 혐기성 소화조(100) 및 혐기성 소화 단계; 혐기성 소화조에서 처리되어 유출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 액비 농축부(200) 및 액비 농축 단계; 액비 농축부의 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 액비 농축부에 공급하는 유도용질 회수부(300) 및 유도물질 회수 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법에 의하면, 혐기성 분위기에서 폐수를 처리하여 바이오 가스를 생산할 뿐만 아니라 정삼투법을 이용하고 유도용질을 용이하게 회수하여 간단하면서 효율적으로 액비를 제조할 수 있고, 정삼투법에 의하여 발생한 희석된 유도용액에 포함된 유도용질을 회수한 후 유출되는 용액을 다양한 분리막을 이용하여 정화함에 따라 정수를 제조하는 한편 액비 제조의 효율을 더욱 높이는 효과가 있다.

Description

정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법{ SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING LIQUID FERTILIZER USING FORWARD OSMOSIS}
본 발명은 액비 제조 시스템 및 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정삼투법을 이용하여 폐수를 처리하여 정화함과 동시에 액비를 효율적으로 제조할 수 있는 액비 제조 스템 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반 가정, 농축산업, 산업현장 등에서 발생하는 각종 하수, 오수 및 분뇨와 같은 폐수는 많은 양의 유기물을 함유하고 있다. 따라서, 유기물이 포함된 폐수를 생물학적 및 화학적 산소요구량, 부유물질함량 등이 환경기준치에 도달하지 않은 상태에서 배출하게 되면 토양이나 수질이 오염된다.
이에 따라 폐수 내의 유기물을 생물학적, 물리적, 화학적 처리를 통해 정화된 상태로 하천 등으로 방류함으로써 환경오염을 줄일 수 있다.
그러나, 폐수 내 유기물을 물리적인 방법에 의해 처리 시 그 처리효과가 미비하며, 화학적 처리는 수질오염과 더불어 처리비용이 많이 소요되므로, 최근에는 미생물을 이용하는 생물학적 방법이 주로 사용되고 있다.
생물학적인 방법으로 축산 폐수를 이용하여 액비를 제조하는 기술이 한국등록특허 제10-0978884호로 개시되어 있다.
이러한 생물학적 방법 중 하나인 혐기성 소화 공정은 혐기 상태에서 미생물을 이용하여 폐수를 처리하는 공정으로서, 혐기성 미생물이 유기물을 섭취하여 분해하고 무기화합물과 소화 가스(바이오 가스)를 방출함으로써 폐수를 처리한다.
혐기성 소화 공정은 유기성 폐기물 처리하는 동시에 메탄 등 바이오 가스를 회수할 수 있어 폐수를 효율적으로 처리하는 생물학적 처리방법으로 널리 이용되고 있는데, 기본적으로 혐기성 소화 처리는 크게 전처리공정, 혐기성 소화공정, 가스포집 및 정제공정, 고형물 자원화 공정으로 구분된다.
이러한 혐기성 소화 공정을 통해 폐수를 정화하는 동시에 이를 통해 생산되는 부산물인 고형물을 좀 더 부가가치가 높은 물질을 생산할 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 목적은 정삼투법을 이용하여 폐수를 처리하여 정화함과 동시에 액비를 제조할 수 있는 액비 제조 시스템 및 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 정삼투법에 의하여 발생한 희석된 유도용액에 포함된 유도용질을 용이하게 회수하여 효율적으로 액비를 제조할 수 있는 액비 제조 시스템 및 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 정삼투법에 의하여 발생한 희석된 유도용액에 포함된 유도용질을 회수한 후 배출되는 처리수를 다양한 분리막을 이용하여 정화함에 따라 정수를 제조하는 한편 액비 제조의 효율을 더욱 높이는 액비 제조 시스템 및 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템은 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 혐기성 소화조(100); 혐기성 소화조에서 처리되어 유출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 액비 농축부(200); 액비 농축부의 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 액비 농축부에 공급하는 유도용질 회수부(300)를 포함한다.
액비 농축부는 상등액이 유입되는 제1 처리 공간 및 농축된 유도용액이 유입되는 제2 처리 공간을 내부에 구비하는 농축 반응조와, 제1 및 제2 처리 공간 사이에 배치되어 제1 및 제2 처리 공간을 분리하며 상등액과 농축된 유도용액 간의 삼투압에 의해 상등액에 포함된 수분이 제2 처리 공간으로 유입되는 정삼투막과, 제1 처리 공간에 연결되어 수분이 제거된 잔여물인 액비를 배출하는 액비 배출관을 구비한다. 정삼투막은 셀룰로즈 트리아세테이트 또는 폴리아미드 계열로, 평막 또는 중공사 형태의 구조인 것이 바람직하다.
농축 반응조 하부와 혐기성 반응조 상부는 혐기성 반응조에서 발생한 바이오 가스가 농축 반응조의 제1 처리 공간에 수용된 상등액으로 유입하여 농축 반응조를 세정하게 하는 역세용 가스 배관으로 연결된다.
유도용질 회수부는 액비 농축부에서 희석된 유도용액을 공급받아 유도용액의 석출 및 침전에 의해 유도용질을 분리시키는 결정화조와, 결정화조의 내부에 설치되어 희석된 유도용액을 냉각시키는 냉각용 열교환기와, 결정화조에서 석출되어 침전된 유도용질을 공급받아 수분에 용해시켜 농축된 유도용액의 액체상태로 변환시킨 후 액비 농축부로 공급하는 유도용액 저장조를 구비한다.
본 발명에 의한 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템은 유도용질 회수부의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 액비 농축부에 공급하게 하는 정수부(400)를 추가로 포함할 수 있다.
정수부는 유도용질이 1차로 분리된 유도용액이 유입하는 유도용액 공간과 정수가 배출되는 정수공간을 내부에 구비하는 정수조와, 유도용액 공간과 정수공간 사이에 배치되어 유도용액에 포함된 수분이 정수공간으로 이동하는 분리막을 구비한다. 분리막은 UF(한외여과)막이나 NF(나노여과)막이나 RO(역삼투)막이나 BWRO(Brackish Water RO)막이나 막증발법에 사용되는 소수성 MF(정밀여과)막으로 이루어진다.
정수부는 유도용질 회수부에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열시키는 가열용 열교환기를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명에 의한 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템은 혐기성 소화조 및 액비 농축부 사이에 배치되어 상등액에 포함된 부유 미세 입자를 제거하는 마이크로 필터를 더 포함할 수 있다. 또한, 마이크로 필터를 통과한 상등액을 체류시켜 잔여하는 미세 부유 입자를 침전시켜 제거하는 침전 탱크를 더 포함할 수 있다. 또한, 액비 농축부에 공급되는 상등액의 압력을 대기압 수준으로 일정하게 유지하는 압력 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법은, 혐기성 분위기에서 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 혐기성 소화 단계; 혐기성 소화 단계에서 처리되어 배출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 액비 농축 단계; 액비 농축 단계에서 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 액비 농축 단계로 공급하는 유도용질 회수 단계를 포함한다.
유도용질은 온도에 따라 용액의 용해도가 변하는 물질로서, Na2SO4, Na2HPO4, Ca(C4H5O5)2, FeSO4 를 단독 또는 적어도 2개 이상 혼합한 물질을 사용한다. 유도용질은 20℃의 온도 차이에서 용해도가 2배 이상 차이가 나는 물질을 사용한다.
본 발명에 의한 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법은 유도용질 회수 단계의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 액비 농축 단계로 공급하게 하는 정수 단계를 추가로 포함할 수 있다.
정수 단계 전에는 유도용질 회수 단계에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열시키는 유도용액 가열 단계를 추가할 수 있다.
유도용질 회수 단계는 액비 농축 단계에서 희석된 유도용액을 공급받아 냉각하는 유도용액 냉각단계와, 냉각된 유도용액의 결정화를 촉진하는 종자결정을 투입하는 종자결정 투입단계를 포함한다.
본 발명에 의한 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법에 의하면, 혐기성 분위기에서 폐수를 처리하여 바이오 가스를 생산할 뿐만 아니라 정삼투법을 이용하고 유도용질을 용이하게 회수하여 간단하면서 효율적으로 액비를 제조할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 정삼투법에 의하여 발생한 희석된 유도용액에 포함된 유도용질을 회수한 후 유출되는 용액을 다양한 분리막을 이용하여 정화함에 따라 정수를 제조하는 한편 액비 제조의 효율을 더욱 높이는 효과가 있다.
그리고, 배출되는 정수는 농업용수 또는 생활용수로 사용할 수 있으며, 폐수로부터 액비를 간단하게 효율적으로 회수함으로써 친환경적이고 경제적인 폐수 처리를 할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 액비 농축부와 유도용질 회수부 및 정수부를 구체적으로 나태는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템의 일부를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 5는 도 4의 유도용질 회수 단계와 정수 단계를 구체적으로 나타낸 공정도이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서 유도용질로 Na2SO4, Na2HPO4을 사용하였을 경우 액비 농축 단계에서 FO(정삼투) 공정의 막 투과 유속을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서 유도용질로 Na2SO4 을 사용하였을 경우 유도용질 회수 단계에서 냉각석출 과정의 온도에 따른 유도용액의 농도변화를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템 및 제조 방법에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함(구비)할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상(상부, 상측)에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템을 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 액비 농축부와 유도용질 회수부 및 정수부를 구체적으로 나타내는 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템(10)은 혐기성 소화조(100)와 액비 농축부(200)와 유도용질 회수부(300) 및 포집 탱크(500)를 포함하며, 추가적으로 정수부(400)와 정수 탱크(600)를 포함할 수 있다.
혐기성 소화조(100)는 산생성 미생물과 메탄생성 미생물의 반응 기작을 통해 유기성 폐수를 처리하는 반응조로서, 외부와의 공기접촉을 차단하여 혐기성 분위기를 조성한다. 특히, 본 실시예에서는 인과 질소를 다량 함유하는 축산 폐수를 처리하는 것이 바람직하다.
하수관, 오폐수 저장탱크 등에서 처리되지 않은 폐수가 폐기물 공급관(102)를 통해 혐기성 소화조(100)로 유입되고, 혐기성 소화조(100) 내에서 미생물에 의해 분해된다. 이 때 혐기성 소화조(100)에서 발생한 바이오 가스의 일부는 혐기성 소화조(100) 상부에 연결된 가스 배출관(미도시)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 미생물에 의해 분해된 산물인 상등액(소화액)은 상등액 공급관(104)를 통해 혐기성 소화조(100)에서 유출되어 액비 농축부(200)의 농축 반응조(210)로 유입된다. 상등액이 인 및 질소를 포함하고 있는 경우, 후술하는 단계에서 수분을 제거하여 액비(液肥, liquid fertilizer)로 제조할 수 있다. 혐기성 소화조(100)의 내부에는 반응효율을 향상시키기 위하여 교반기(110)가 설치될 수 있다. 혐기성 소화조(100)에서 처리된 상등액은 대략 30 ~ 55 ℃의 범위의 온도로 농축 반응조(210)에 공급된다. 만약 운전 중 온도가 하강하여 30 ~ 55 ℃의 범위를 벗어날 경우 별도의 장치를 이용하여 유입되는 유입수의 온도를 높여줄 수 있다.
혐기성 소화조(100) 및 농축부(200) 사이에는 마이크로 필터(MF)가 배치되어, 상등액에 포함된 부유 미세 입자를 제거할 수 있다. 이와 같이 부유 미세 입자를 제거하여 액비에 포함될 불순물을 감소시킴으로써, 장비의 고장을 방지하고, 용이하게 장비를 운용할 수 있다. 뿐만 아니라, 이를 통해 액비 농축부(200)에서 수분 제거 효율을 높이고, 또한 수분 제거 후에 생산되는 액비의 농도를 높일 수 있다.
액비 농축부(200)는 혐기성 소화조(100)에서 처리되어 유출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 부분으로서, 농축 반응조(210)와 정삼투막(220)과 액비 배출관(230)을 포함한다.
농축 반응조(210)는 혐기성 소화조(100)에서 공급된 상등액을 액비로 농축하는 처리조로서, 내부를 밀폐시켜 외부와 공기 접촉을 차단하여 혐기성 분위기를 조성한다. 농축 반응조(210)는 상등액이 유입되는 제1 처리 공간(211) 및 농축된 유도용액이 유입되는 제2 처리 공간(212)을 내부에 구비한다.
제1 처리 공간(211) 및 제2 처리 공간(212)은 이들 사이에 배치되는 정삼투막(220)에 의해 분리된다. 정삼투막(220)은 제1 및 제2 처리 공간(211)(212)을 분리하며 상등액과 농축된 유도용액 간의 삼투압에 의해 상등액에 포함된 수분이 제2 처리 공간(212)으로 유입되게 하는 삼투막이다. 정삼투막(220)은 셀룰로즈 트리아세테이트 또는 폴리아미드 계열로, 평막 또는 중공사 형태의 구조인 것이 바람직하다.
제1 처리 공간(211)을 통해 상등액에서 수분이 제거되어 농축된 잔여물인 액비는 제1 처리 공간(211) 하부에 연결된 액비 배출관(230)을 통해 포집 탱크(500)로 포집된다. 처리하는 폐수가 축산 폐수인 경우 상등액이 인 및 질소를 다량으로 포함하는 액비가 된다.
농축 반응조(210)의 하부와 혐기성 반응조(100)의 상부는 혐기성 반응조(100)에서 발생한 바이오 가스가 농축 반응조(210)의 제1 처리 공간(211)에 수용된 상등액으로 유입하여 농축 반응조(210)를 세정하게 하는 역세용 가스 배관(106)으로 연결된다.
농축 반응조(210)의 제2 처리 공간(212)에는 유도용액 유입관(302)을 통해 후술하는 유도용액 저장조(330)로부터 공급받은 농축된 유도용액이 유입되고, 농축된 유도용액은 제1 처리공간(211)의 상등액으로부터 수분을 흡수하여 희석된 유도용액이 되어 유도용액 유출관(304)을 통해 후술하는 결정화조(310)에 유입된다.
유도용질 회수부(300)는 액비 농축부(200)의 정삼투막(220)을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 액비 농축부(200)에 다시 공급하는 부분으로서, 결정화조(310)와 냉각용 열교환기(320)와 유도용액 저장조(330)를 포함한다.
결정화조(310)은 액비 농축부(200)에서 유도용액 유출관(304)를 통해 희석된 유도용액을 공급받아 유도용액의 석출 및 침전에 의해 유도용질을 분리시킨다. 냉각용 열교환기(320)는 결정화조(310)의 내부에 설치되어 희석된 유도용액을 냉각시킨다. 결정화조(310)에는 냉각된 유도용액의 결정화를 촉진하도록 종자결정 투입관(306) 등을 통해 종자결정을 투입한다. 결정화조(310)에서 유도용질이 분리된 유도용액은 유도용액 분리관(404)을 통해 정수부(400)의 후술하는 정수조(410)에 공급되거나 유도용액 저장조(330)로 공급된다.
유도용액 저장조(330)는 결정화조(310)에서 석출되어 침전된 유도용질을 공급받아 수분에 용해시켜 농축된 유도용액의 액체상태로 변환시킨 후 액비 농축부(200)의 농축 반응조(210)에 형성된 제2 처리공간(212)에 공급된다. 유도용액 저장조(330)의 내부에는 유도용질을 수분에 용이하게 혼합 용해시키는 교반기(332)가 설치된다. 본 실시예에서 유도용액 저장조(330)에는 정수부(400)에서 유출되는 유도용액이 유도용액 회수관(402)을 통해 공급되어 유도용질을 용해시키지만, 정수부(400)가 설치되지 않은 경우에는 별도의 수분이 공급될 수도 있고, 결정화조(320)에서 분리된 유도용액의 일부가 직접 공급될 수도 있다.
정수부(400)는 유도용질 회수부(300)의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 액비 농축부(200)에 공급하게 하는 부분으로서, 정수부(410)와 분리막(420)을 구비하며, 가열용 열교환기(430)를 추가로 구비할 수 있다.
정수조(410)는 결정화조(320)에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액이 유도용액 분리관(404)를 통해 유입하는 유도용액 공간(411)과, 정수 배출관(406)을 통해 정수가 배출되는 정수공간(412)을 내부에 구비한다. 유도용액 공간(411)에서 수분이 제거된 유도용액은 유도용액 회수관(402)을 통해 유도용액 저장조(330)에 공급되어 결정화조(310)에서 석출된 유도용질을 액체화시킨다. 분리막(420)은 유도용액 공간(411)과 정수공간(412) 사이에 배치되어 유도용액에 포함된 수분이 정수공간으로 이동되게 하는 여과막이다. 분리막(420)은 UF(한외여과)막이나 NF(나노여과)막이나 RO(역삼투)막이나 BWRO(Brackish Water RO)막이나 막증발법에 사용되는 소수성 MF(정밀여과)막 등 다양한 여과막으로 이루어진다.
가열용 열교환기(430)는 유도용질 회수부(300)의 결정화조(310)에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열시키는 열교환기로서, 결정화조(310)와 정수조(410) 사이의 유도용액 분리관(404)에 설치된다. 가열용 열교환기(430)는 정수조(410)의 유도용액 공간(411)에 설치될 수도 있다. 가열용 열교환기(430)는 결정화조(310)에서 유도용질이 1차로 분리된 저온의 유도용액을 가열함에 따라 유도용질의 용해도를 상승시킴으로써 분리막에서 유도용질에 의한 스케일 형성을 방지한다.
포집 탱크(500)는 액비 배출관(230)을 통해 배출되는 액비를 저장하거나 일시적으로 저장하여 액비를 다양한 용도로 사용할 수 있게 하며, 정수 탱크(600)는 정수 배출관을 통해 배출되는 정수를 저장하거나 일시적으로 저장하여 생활용수 또는 농업용수 등으로 사용할 수 있게 한다. 한편, 상등액, 유도용액, 액비 및 정수의 관로에는 필요에 따라 펌프가 설치된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템의 일부를 나타내는 구성도이다. 다른 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템은 침전 탱크(ST)와 압력 조절부(PC)가 추가된 것을 제외하고 전술한 실시예의 액비 제조 시스템과 동일한 구성으로 이루어진다. 전술한 실시예와 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략하며, 전술한 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
침전 탱크(ST)는 마이크로 필터(MF)를 통과한 상등액을 체류시켜 잔여하는 미세 부유 입자를 침전시켜 제거하며, 또한 액비 농축부(200)에서 처리가능량보다 많은 양의 상등액이 액비 농축부(200)로 공급되는 경우, 일정량의 상등액을 저장함으로써 액비 농축부(200)로 공급되는 상등액을 조정하는 역할을 할 수 있다.
압력 조절부(PC)는 농축 반응조(210)에 상등액을 공급하는 상등액 공급관(104)에 설치되어 농축 반응조(210)의 제1 처리 공간(211)에 공급되는 상등액의 압력을 대기압 수준으로 일정하게 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 5는 도 4의 유도용질 회수 단계와 정수 단계를 구체적으로 나타낸 공정도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법은 혐기성 소화 단계(S100)와 액비 농축 단계(S200)와 유도용질 회수 단계(S300) 및 액비 포집 단계(S500)를 포함하며, 추가적으로 정수 단계(S400)와 정수 추출 단계(S500)를 포함할 수 있다.
혐기성 소화 단계(S100)는 혐기성 분위기에서 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 단계로서, 하수관, 오폐수 저장탱크 등에서 처리되지 않은 폐수가 혐기성 소화조에 유입되어 혐기성 소화조 내에서 미생물에 의해 분해되어, 미생물에 의해 분해된 산물인 상등액(소화액)은 액비 농축 단계(S200)로 공급되게 한다.
액비 농축 단계(S200)는 혐기성 소화 단계(S100)에서 처리되어 유출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 단계로서, 정삼투막이 설치된 농축 반응조 내에서 상등액과 농축된 유도용액 간의 삼투압에 의해 상등액에 포함된 수분이 유도용액으로 이동하여, 상등액이 액비로 농축되게 하는 한편 수분을 흡수하여 희석된 유도용액이 유도물질 회수 단계(S300)로 공급되게 한다.
유도용질 회수 단계(S300)는 액비 농축 단계(S200)에서 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 액비 농축 단계(S200)로 공급하는 단계로서, 냉각용 열교환기가 설치된 결정화조 내에서 희석된 유도용액의 냉각에 따라 유도용액의 용해도가 변화함에 따라 유도용질이 석출되게 하여, 유도용질을 회수하는 한편 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 정수 단계(S400)로 공급되게 한다. 유도용질 회수 단계(S300)에서는 석출된 유도용질을 유도용액 저장조에서 액체화하여 액비 농축 단계(S200)로 공급한다. 이때, 별도의 수분으로 액체화할 수도 있고, 결정화조에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액의 일부를 사용하여 액체화할 수도 있다.
유도용질 회수 단계(S300)는 액비 농축 단계(S200)에서 희석된 유도용액을 공급받아 냉각용 열교환기를 통해 냉각하는 유도용액 냉각단계(S310)와, 냉각된 유도용액의 결정화를 촉진하는 종자결정(seed crystal)을 투입하는 종자결정 투입단계(S320)로 세분된다. 종자결정(seed crystal)은 과포화 용액에서 결정을 석출시키는 경우, 결정의 석출 속도를 빠르게 하고 또한 미소결정이 되는 것을 방지하여 결정의 크기를 균일하게 하기 위해 첨가하는 동일 성분의 미소 결정이다.
유도용질은 온도에 따라 용액의 용해도가 변하는 물질로서, Na2SO4, Na2HPO4, Ca(C4H5O5)2, FeSO4 를 단독 또는 적어도 2개 이상 혼합한 물질을 사용한다. 유도용질은 20℃의 온도 차이에서 용해도가 2배 이상 차이가 나는 물질을 사용하는 것이 바람직하며, 0℃ ~ 70℃ 사이에서 용해도가 변화하는 물질은 어떤 것이든 사용가능하다. 석출된 유도용질은 고체의 입자형태가 되어 결정화조의 하단에 축적되며 연속적으로 유도용액 저장조로 이송된다. 결정화조의 유도용액 온도는 0℃에서 15℃ 사이로 냉각되며, 온도의 결정은 사용하는 유도용질의 용해도와 관계가 있다. 예를 들어 Na2SO4나 Na2HPO4를 사용하는 경우 결정화조의 유도용액 온도는 5℃~10℃를 유지한다. 유도용액의 농도는 상등액의 농도와 필요한 플러그에 의해 다르게 설정할 수 있으며 일반적으로 0.5~4M 조건으로 하는 것이 바람직하다.
정수 단계(S400)는 분리막을 통해 유도용질 회수 단계(S300)의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 액비 농축 단계(S200)로 공급하게 하는 단계다. 정수 단계(S400) 전에는 유도용질 회수 단계(S300)에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열용 열교환기를 통해 가열시키는 유도용액 가열 단계(S350)를 행한다. 이때, 가열용 열교환기에 의해 유도용액이 가열되는 온도는 10℃~60℃로 하며, 유도용질로 Na2SO4나 Na2HPO4를 사용하는 경우 15℃~20℃로 가열되는 것이 바람직하다.
액비 포집 단계(S500)는 액비 농축 단계(S200)를 거쳐 농축 반응조에서 배출되는 액비를 액비 배출관을 통해 포집 탱크에 포집하는 단계이고, 정수 추출 단계(S600)는 정수 단계(S400)를 거쳐 정수조에서 배출되는 정수를 정수 배출관을 통해 정수 탱크에 저장하는 단계이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서 유도용질(draw solute)로 Na2SO4, Na2HPO4을 사용하였을 경우 액비 농축 단계에서 FO(정삼투) 공정의 막 투과 유속을 나타내는 그래프이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 유도용질(draw solute)의 몰농도(molar concentration)가 높아질수록 삼투압이 증가하는 것을 삼투압식을 사용하여 계산하였다(calculated water flux, theoretical water flux). 실험결과도 유사한 경향을 나타냈으며(Experiment water flux), Na2SO4가 Na2HPO4보다 높은 막 투과 유속을 나타냈다. 고농도 액비 생산을 위해서 더 높은 효율을 나타내기 위해서는 1몰 이상의 용액을 사용하며 Na2SO4, Na2HPO4를 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예로서 유도용질로 Na2SO4 을 사용하였을 경우 유도용질 회수 단계에서 냉각석출 과정의 온도에 따른 유도용액의 농도변화를 나타내는 그래프이다.
도 7에 나타난 바와 같이, 온도에 따라 유도용액의 몰농도(molar concentration) 변화가 급격하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 더욱이 온도에 따라 Na2SO4은 10수화물과 7수화물로 변화하게 되는데, 10수화물을 형성하는 환경을 조성하여 줄수록 더 급격한 농도변화를 나타냈다. 또한 용액에 결정핵(종자결정, seed crystal)으로 Na2SO4+10H2O를 첨가해 주었을 경우 이러한 현상이 급격히 일어났다. 이는 10수화물이 형성을 촉진시키기 때문이다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
100 : 혐기성 소화조 200 : 액비 농축부
210 : 농축 반응조 220 : 정삼투막
230 : 액비 배출관 300 : 유도용질 회수부
310 : 결정화조 320 : 냉각용 열교환기
330 : 유도용액 저장조 400 : 정수부
410 : 정수조 420 : 분리막
430 : 가열용 열교환기 500 : 포집 탱크
600 : 정수 탱크
MF : 마이크로 필터 ST : 침전 탱크
PC : 압력 조절부

Claims (18)

  1. 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 혐기성 소화조(100);
    상기 혐기성 소화조에서 처리되어 유출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 액비 농축부(200);
    상기 액비 농축부의 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 상기 액비 농축부에 공급하는 유도용질 회수부(300);를
    포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액비 농축부는
    상기 상등액이 유입되는 제1 처리 공간 및 농축된 유도용액이 유입되는 제2 처리 공간을 내부에 구비하는 농축 반응조와,
    상기 제1 및 제2 처리 공간 사이에 배치되어 상기 제1 및 제2 처리 공간을 분리하며 상기 상등액과 상기 농축된 유도용액 간의 삼투압에 의해 상기 상등액에 포함된 수분이 상기 제2 처리 공간으로 유입되는 정삼투막과,
    상기 제1 처리 공간에 연결되어 수분이 제거된 잔여물인 상기 액비를 배출하는 액비 배출관을
    구비하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 정삼투막은 셀룰로즈 트리아세테이트 또는 폴리아미드 계열로, 평막 또는 중공사 형태의 구조인 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 농축 반응조 하부와 상기 혐기성 반응조 상부는 상기 혐기성 반응조에서 발생한 바이오 가스가 상기 농축 반응조의 제1 처리 공간에 수용된 상기 상등액으로 유입하여 상기 농축 반응조를 세정하게 하는 역세용 가스 배관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도용질 회수부는
    상기 액비 농축부에서 상기 희석된 유도용액을 공급받아 유도용액의 석출 및 침전에 의해 유도용질을 분리시키는 결정화조와,
    상기 결정화조의 내부에 설치되어 상기 희석된 유도용액을 냉각시키는 냉각용 열교환기와,
    상기 결정화조에서 석출되어 침전된 유도용질을 공급받아 수분에 용해시켜 농축된 유도용액의 액체상태로 변환시킨 후 상기 액비 농축부로 공급하는 유도용액 저장조를
    구비하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도용질 회수부의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 상기 액비 농축부에 공급하게 하는 정수부(400)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 정수부는
    상기 유도용질이 1차로 분리된 유도용액이 유입하는 유도용액 공간과 정수가 배출되는 정수공간을 내부에 구비하는 정수조와,
    상기 유도용액 공간과 상기 정수공간 사이에 배치되어 유도용액에 포함된 수분이 정수공간으로 이동하는 분리막을
    구비하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 분리막은 UF(한외여과)막이나 NF(나노여과)막이나 RO(역삼투)막이나 BWRO(Brackish Water RO)막이나 소수성 MF(정밀여과)막인 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 정수부는 상기 유도용질 회수부에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열시키는 가열용 열교환기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 혐기성 소화조 및 상기 액비 농축부 사이에 배치되어 상기 상등액에 포함된 부유 미세 입자를 제거하는 마이크로 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 마이크로 필터를 통과한 상등액을 체류시켜 잔여하는 미세 부유 입자를 침전시켜 제거하는 침전 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 액비 농축부에 공급되는 상등액의 압력을 대기압 수준으로 일정하게 유지하는 압력 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 시스템.
  13. 혐기성 분위기에서 미생물을 이용하여 폐수 내에 유기물을 분해하여 폐수를 처리하는 혐기성 소화 단계;
    상기 혐기성 소화 단계에서 처리되어 배출된 상등액에서 정삼투막을 통해 수분을 제거하여 액비로 농축하는 액비 농축 단계;
    상기 액비 농축 단계에서 상기 정삼투막을 통해 수분을 흡수하여 희석된 유도용액에서 유도용질을 분리하여 상기 액비 농축 단계로 공급하는 유도용질 회수 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 유도용질은 온도에 따라 용액의 용해도가 변하는 물질로서, Na2SO4, Na2HPO4, Ca(C4H5O5)2, FeSO4 를 단독 또는 적어도 2개 이상 혼합한 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 유도용질은 20℃의 온도 차이에서 용해도가 2배 이상 차이가 나는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 유도용질 회수 단계의 유도용액에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액으로부터 정수를 제조하는 한편 나머지 유도용액을 1차로 분리된 유도용질에 합하여 상기 액비 농축 단계로 공급하게 하는 정수 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 정수 단계 전에는 상기 유도용질 회수 단계에서 유도용질이 1차로 분리된 유도용액을 공급받아 가열시키는 유도용액 가열 단계를 추가하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 유도용질 회수 단계는
    상기 액비 농축 단계에서 희석된 유도용액을 공급받아 냉각하는 유도용액 냉각단계와,
    냉각된 유도용액의 결정화를 촉진하는 종자결정을 투입하는 종자결정 투입단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투법을 이용한 액비 제조 방법.
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