KR20220121392A - 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입 하·폐수를 생물학적으로 처리하여 배출하는 고도처리조; 상기 고도처리조에서 배출되는 처리수가 유입되고 유입된 처리수로부터 부유물질(SS)과 잔류 유기물을 제거하여 배출하는 분리막여과조; 상기 분리막여과조에서 배출되는 처리수가 유입되고, 전기장 원리를 이용하여 유입된 처리수로부터 이온성 무기 오염물질을 흡착 방식으로 제거하는 CDI처리조; 상기 CDI처리조와 한 쌍의 순환관을 통해 병렬 연결되고 상기 CDI처리조의 탈착 공정에서 배출되는 CDI농축수가 유입되어 이를 수용하며, 상기 CDI처리조의 탈착 공정 시 수용된 상기 CDI농축수가 재생수로서 CDI처리조를 순환되게 작동하는 순환재생조; 및 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조의 재생수로서 배출되는 CDI순환재생농축수가 유입되고, 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수를 전기투석(Electro Dialysis) 방식으로 처리한 처리수를 외부로 배출 또는 상기 순환재생조에 희석수로서 공급하는 ED처리조;를 포함하는 것이 특징이다.

Description

분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템{Sewage and wastewater reuse and generation high concentration ion concentrated water treatment system using separation membrane and electrochemical process}

본 발명은 하·폐수 방류수에 포함되어 있는 유기물과 부유물질(SS) 및 용존성 무기물(TDS)을 분리막공정과 전기화학적 탈염공정을 통해 제거함으로써 고순도의 재이용수를 생산하는 방류수 재이용 공정 시스템에 있어 입자성 유기물 및 부유물질(SS)은 분리막을 통해 제거하고, 분리막 공정에서 발생된 농축수는 전단의 하·폐수처리공정으로 재 반송처리하며, 무기성 이온성분(TDS)의 제거를 위한 전기화학적 CDI 탈염공정에서 탈착(재생) 공정시 배출되는 이온 농축수를 활용하여 탈착공정 재생수로서 순환시킴으로써 반복적인 CDI 흡,탈착 공정에서도 안정적인 처리수를 확보하면서 처리수의 회수율(처리수/유입수)를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, 무기성 이온들만 고농도로 농축된 농축폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템에 관한 것이다.

산업화와 도시화로 물 오염이 가중되고 물 수요량은 급격히 증가하여 사용 가능한 물이 부족해지고 있으며 기후변화로 인한 가뭄 및 수질오염으로 인해 향후 물 부족 문제가 더욱 심화될 수 있다.

이러한 물 부족 상황에 대응하기 위해 정부는 수자원의 지속 가능한 이용을 도모하기 위하여 물의 재이용 촉진 및 지원에 관한 법률을 제정하고 다양한 수자원 확보 노력을 하고 있으며 하·폐수 처리수 재이용이 가장 현실적인 대안으로 제시되고 있다.

하·폐수 처리수를 공업용수 등으로 재이용하고자 할 경우, 유기물 및 입자성 부유물(SS) 그리고 수중에 존재하는 다양한 성분의 무기 이온에 대한 제거가 반드시 필요하며, 기존 응집 침전, 활성탄 흡착, AOP(Advanced Oxidation)공정 등에 의한 일반적인 용존 고형물이나 부유물(SS), 유기물의 제거와 달리 용존 무기 이온 제거를 위해서는 역삼투막(RO) 또는 전기화학적 탈염 공정(CDI, ED) 또는 이온교환수지공정(IEX: Ion exchange resin) 중 또는 그 이상의 복합 공정이 필수적으로 적용되어야만 한다.

또한 하·폐수 처리수를 재이용하기 위하여 재처리할 경우 수요처가 요구하는 목표수질에 따라 전기화학적 탈염 공정을 포함한 물리화학적 처리 또는 생물학적 처리 또는 이들을 융합시킨 복합 처리 등 다양한 공정을 적용하여 재처리를 실시하고 있으나, 이러한 수처리 과정에서는 난분해성 색도 및 용존상 유기물 및 염분, 질소, 이온성 물질 등이 고농도로 함유된 유, 무기 농축수가 필연적으로 발생하게 된다.

기존 하·폐수 처리수 재이용 공정에서 용존 이온성 오염물을 제거하기 위한 역삼투막(RO)공정의 적용 시 유기물과 무기물이 동시에 포함되어 있는 고농도 농축수가 발생하게 되고, 이와 같은 용존성 유기물과 무기물이 함께 포함되어 있는 고농도 농축수의 처리는 일반적으로 하수처리장 전단으로 반송하여 재처리시키고 있으나, 고농도의 농축수가 하수처리장에 연계처리되는 경우 하수처리에 추가 부하로 작용되어 안정적인 생물학적 하수처리에 많은 문제를 유발하게 되고, 특히 높은 염분 농도는 미생물내 원형질 분리를 일으켜 세포내 기능저하를 유발하고 세포 파괴로 이어지며, 결국, SVI(sludge volume index) 상승과 플럭해체 등으로 방류수질에 직접적인 악영향을 미치게 되는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 역삼투막(RO)공정의 농축수에 포함되어 있는 유기물과 무기물을 동시에 처리할 수 있는 기술은 없으며, 유기물과 무기물을 각각 처리하기 위해서는 더욱 복잡한 후처리 기술이 필요하고, 유기물과 무기물(이온성 오염물) 처리 메커니즘이 서로 달라 유기물을 처리 시 같이 존재하는 무기물의 처리 효율이 저하되고 반대로 무기물을 처리시 같이 존재하는 유기물의 처리 효율이 저하되는 문제점이 공존하게 되며, RO 공정 특성상 처리수 회수율을 최대 70% 이상 높이기 어렵기 때문에 발생되는 유/무기 동시 함유 농축 하·폐수의 발생량 증가로 처리비용 자체가 증가되는 문제점이 있다.

따라서, 이와 같은 하·폐수 처리수 재이용 공정에서 발생되는 농축수로 인한 문제점을 해결하기 위해서는 유기물과 무기물을 분리배출 할 수 있는 복합공정의 구성이 반드시 필요하게 된다.

한편 이와 같은 하·폐수 처리 및 재이용 과정에서 발생되는 고농도 농축수에는 암모늄(NH₄ ⁺), 칼슘(Ca^{2 +}), 마그네슘(Mg^{2 +}), 나트륨(Na⁺), 칼륨(K⁺) 등 양이온과 인산염(PO₄ ^3-)과 같은 자원으로써 회수 가치가 있는 이온들이 풍부하게 녹아있어, 이를 자원으로 회수하여 재이용해야 한다는 필요성이 커지고 있는 실정이다.

이와 함께 날로 심각해지고 있는 기후변화와 온실가스에 의한 지구온난화에 대응하기 위하여 다양한 이산화탄소(CO₂) 포집 및 저장·전환 활용(CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage, CCU: Carbon Dioxide Capture and Utilization)기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있는데, 광물탄산화(또는 탄산염 광물화, 탄산염 고정화)기술은 발전소, 화학공장 등에서 발생하는 CO₂의 포집 및 저장에 효과적인 CCS기술로 알려져 있다.

하지만 이산화탄소(CO₂)와의 반응에 필요한 금속염을 확보하기 위한 관리비용(이송비, 추출비 등) 측면에서 경제성 확보가 어려워 기초적 연구단계에 머물러 있는 실정이다. 현재까지 이산화탄소(CO₂) 포집을 목적으로 하·폐수 중에 다량 존재하는 금속염(Ca²⁺, Mg²⁺ 등)를 이용하는 연구는 이루어지지 않고 있는데 이것 또한 하·폐수로부터 금속염을 분리 추출하는데 기술적/경제적으로 어려움이 있기 때문이다.

한편 앞서 언급한 전기화학적 탈염(CDI, ED) 기술 중 CDI 탈염 기술의 경우, 탄소전극집전체에 흡착된 이온의 탈착과정에서 탈착된 농축염수를 CDI 스텍 외부로 배출하여 전극을 초기상태(흡착전 상태)로 재생하기 위해서는 일정량의 배출수를 공급하게 되는데 이때 배출수는 유입수 또는 처리수를 이용하여 탈착된 이온농축수를 단위스텍 외부로 배출하게 된다.

기존 CDI 탈착(재생)공정에서 회수율 향상을 위한 방법으로는 탈착과정 시 탈착수(재생수)의 배출 펌프를 정지한 상태에서 역전위 또는 단락(short) 과정을 통해 전극에 흡착된 이온이 스페이서로 이동한 후 일거에 스텍 외부로 배출하거나, 역전위 또는 단락(short) 과정시 탈착수(재생수) 배출유량을 최소화하여 천천히 스텍외부로 고농도 탈착염수를 배출하는 방법을 사용하고 있다.

그러나 전극재생을 위한 역전위 또는 단락(short)과정에서 유체의 흐름이 없거나 저유량일 경우 약 300um 이내의 스페이서 공간에는 전극에서 탈리된 이온들에 의해 순간적으로 용해도 한계치 이상의 고농도 이온상태가 된다. 이때 탈리된 이온 중에 존재하는 칼슘이온(Ca2+) 또는 마그네슘이온(Mg2+)이 황산이온(SO42-) 또는 탄산이온(CO3-), 중탄산이온(HCO3-)과 반응하여 순간적으로 탄산칼슘(CaCO3)이나 탄산마그네슘(MgCO3) 또는 황산칼슘(CaSO4) 이나 황산마그네슘(MgSO4) 등의 무기 스케일을 형성하게 된다.

CDI 단위스텍 내부에서 상술한 반응에 의하여 탄산칼슘 또는 황산칼슘 등에 의한 스케일이 형성되면, 유로의 폐색에 의한 압력상승과 내부저항 증가를 초래하여 운전전압의 상승은 물론 이로 인한 전극부반응으로 전극의 산화와 처리수질의 악화가 유발되고, 종국에는 CDI모듈의 기능을 상실하게 되는 문제점이 있다.

종래에는 무기이온에 의한 CDI 단위 스텍의 스페이서 내부 스케일 형성 문제를 방지하기 위해 주기적인 산세정 과정을 실시하였으나, 이 경우 산세정 폐액의 과발생 또는 탈착공정 과정에서 지속적인 유입수 또는 처리수를 이용한 Drain 및 Rinse 과정이 이루어짐으로써 처리수 회수율의 저하 문제를 유발하게 된다.

대한민국 특허등록 제10-1022257호

따라서 본 발명의 목적은, 하·폐수 처리장 방류수를 재이용함에 있어 유기물과 무기물 농축수를 분리 배출할 수 있도록 복합공정을 구성하고, CDI처리조의 탈착(재생) 공정 시 배출되는 무기이온 농축수를 활용하여 탈착 공정에서 재생수로서 순환시킴으로써 반복적인 흡, 탈착 공정에도 안정적인 처리수를 확보하면서 처리수의 회수율(처리수/유입수)을 극대화할 수 있도록 하고, 재생수의 반복적인 사용에 따라 상승하게 되는 염농도에 대한 pH를 7이하로 조절하여 고농도의 이온 상태에서도 탄산칼슘 또는 황산칼슘 등의 스케일 유발없이 장기간으로 안정적인 CDI 공정의 운용이 가능하게 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은 전기화학적 탈염(CDI: Capacitive Deionization, ED: Electrodialysis) 융합공정에서 발생하는 고농도 이온 농축수를 용존 이산화탄소(CO₂)에 의한 중탄산이온(HCO₃ ^-) 또는 탄산이온(CO₃ ^2-)과 반응시키도록 하는 광물고정화(Mineral Sequestration) 공정으로 탄산마그네슘(Magnesium Carbonation) 또는 탄산칼슘(Calcium Carbonation) 등을 생성시켜 회수할 수 있는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 수단으로서 본 발명의 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템(이하 "본 발명의 시스템"이라 칭함)은, 유입 하·폐수를 생물학적으로 처리하여 배출하는 고도처리조; 상기 고도처리조에서 배출되는 처리수가 유입되고 유입된 처리수로부터 부유물질(SS)과 잔류 유기물을 제거하여 배출하는 분리막여과조; 상기 분리막여과조에서 배출되는 처리수가 유입되고, 전기장 원리를 이용하여 유입된 처리수로부터 이온성 무기 오염물질을 흡착 방식으로 제거하는 CDI처리조; 상기 CDI처리조와 한 쌍의 순환관을 통해 병렬 연결되고 상기 CDI처리조의 탈착 공정에서 배출되는 CDI농축수가 유입되어 이를 수용하며, 상기 CDI처리조의 탈착 공정 시 수용된 상기 CDI농축수가 재생수로서 CDI처리조를 순환되게 작동하는 순환재생조; 및 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조의 재생수로서 배출되는 CDI순환재생농축수가 유입되고, 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수를 전기투석(Electro Dialysis) 방식으로 처리한 처리수를 외부로 배출 또는 상기 순환재생조에 희석수로서 공급하는 ED처리조;를 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입되고, 농축수에 포함된 용존 이산화탄소 또는 외부 이산화탄소(CO2)의 유입과, pH 조절 또는 가온에 의한 광물고정화 반응을 유도하여 유입된 농축수로부터 탄산마그네슘(MgCO3) 또는 탄산칼슘(CaCO3)을 생성 및 침전시키는 광물고정화반응조;를 더 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 순환재생조에 수용 또는 순환 중인 재생수의 pH가 저감되도록 제어하는 pH제어수단;를 더 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 pH제어수단은, CDI농축수 또는 ED농축수에 대한 전기분해를 통해 산성수와 알칼리수를 각각 생성 및 저장하고, 상기 산성수를 상기 순환재생조로 공급하며, 상기 알칼리수를 상기 광물고정화반응조로 공급하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 고도처리조에서 배출되는 잉여슬러지가 유입되고, 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입되며, 유입된 농축수의 이온성 무기 오염물질이 잉여슬러지와 흡착반응이 이루어지도록 하는 이온고정조;를 더 포함하는 것이 특징이다.

하나의 예로써, 상기 이온고정조 또는 상기 고도처리조에서 배출되는 잉여슬러지를 공급받고 상기 광물고정화반응조에서 침전된 탄산칼슘을 공급받아 탈수 처리가 이루어지도록 하는 탈수기;를 더 포함하는 것이 특징이다.

이와 같이 본 발명의 시스템은, 분리막 공정에 의해 입자성 고형물 및 부유물질(SS)이 제거된 후 무기 이온들을 제거하기 위한 CDI처리조의 탈착(재생) 공정 시 배출되는 농축수를 활용하여 탈착 공정에서 재생수로서 순환시킴으로써 반복적인 흡, 탈착 공정에도 안정적인 처리수를 확보하면서 처리수의 회수율(처리수/유입수)을 극대화할 수 있도록 하고, 재생수의 반복적인 사용에 따라 상승하게 되는 염농도에 대한 pH를 7이하로 조절하여 고농도의 이온 상태에서도 탄산칼슘 또는 황산칼슘 등의 스케일 유발없이 장기간으로 안정적인 CDI 공정의 운용이 가능한 장점이 있다.

뿐만 아니라, 하·폐수 방류수를 재이용하기 위한 고도처리조와 분리막 그리고 전기화학적 처리공정에서 발생되는 유기 농축수와 무기 농축수를 분리 처리함으로써 기존 고농도 유기물과 무기물이 동시에 함유된 폐수처리의 단점을 해결할 수 있는 장점이 있다.

또한 고농도 이온농축수를 세척수로 하여 CDI모듈을 재생할 경우 빠른 유량으로 순환재생 하게 됨으로써, CDI 스텍 내부 스페이서의 물리적 세정효과와 함께 두 탄소전극 사이 유체의 전해질 농도를 높게 유지함에 따라 탈착 공정에 요구되는 역전위의 공급 없이 단락(Short)에 의한 이온 탈착 과정에서도 보다 빠른 전하의 흐름을 유도할 수 있게 되어 외부 에너지를 사용하지 않고서도 높은 탈착 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라, CDI 모듈의 탈착 공정 중 발생하는 처리수와 농축수의 배출이 독립된 개별 경로를 통해 전용으로 이루어지게 되므로 농축수를 전부 퍼지한 후 처리수를 얻을 수 있는 기존 단일 배출관 적용 구조와 대비하여 안정된 처리수의 생산과 높은 회수율(처리수/유입수)을 유지할 수 있게 되고, 농축수가 처리수의 배출방향과 반대 반향인 하부로 배출됨에 따라 기존 탈착(재생)공정에서 배출구쪽 상부 또는 배관에 존재하게 되는 잔류 농축수를 반대방향으로 빠르게 모듈 외부로 배출함으로써 모듈 내부 끝단부나 배관에 존재하는 고농도 농축수에 의한 스케일 형성을 막아 줄 수 있게 되는 장점이 있다.

또한 전기화학적 탈염(CDI: Capacitive Deionization, ED: Electrodialysis) 융합공정에서 발생하는 고농도 이온 농축수를 용존 이산화탄소(CO₂) 또는 외부에서 유입된 이산화탄소(CO₂)에 의한 중탄산이온(HCO₃ ^-) 또는 탄산이온(CO₃ ^2-)과 반응시키도록 하는 광물고정화(Mineral Sequestration) 공정으로 탄산마그네슘(Magnesium Carbonation) 또는 탄산칼슘(Calcium Carbonation) 등을 생성시켜 회수함으로써 대표적인 지구 온난화의 원인인 대기중 이산화탄소의 농도를 저감하고, 고농도 농축수로부터의 유용자원을 회수할 수 있는 장점이 있다.

또한 잔여 고농도 이온 농축수를 슬러지의 고농도 미생물과 생흡착(Bio-sorption) 반응시켜 슬러지로 최종 폐기되게 하여 이온성 물질의 배출을 최소화함으로써, 하·폐수 처리 및 재이용 과정에서 발생되는 고농도 이온 농축수의 이온성 물질 저감과 그 처리가 용이해질 수 있게 되고 결과적으로 하·폐수 처리수를 효율적으로 재이용할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 시스템의 기본 예를 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 시스템의 일 실시 예를 나타내는 블록도.
도 3은 본 발명의 pH조절수단의 일 실시 예를 나타내는 블록도.
도 4 및 도 5는 광물고정화반응조의 광물탄산화 반응 메커니즘을 나타내는 자료.
도 6은 광물탄산화 반응을 유도하기 위한 이산화탄소(CO₂)의 온도와 pH에 따른 용해도를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템은 고도처리조(10)와 분리막여과조(20)와 CDI처리조(30)와 순환재생조(40) 및 ED처리조(50)를 포함하여 구성된다.

상기 고도처리조(10)는 상기 분리막여과조(20)의 전단에 마련되고 생물학적 반응을 통하여 선행적으로 유입 하·폐수로부터 유기물을 분리 및 제거 처리하며 그 처리수를 배출한다.

상기 고도처리조(10)는 유입 하·폐수로부터 유기물을 제거하는 과정에서 발생하는 유기물을 포함한 잉여 슬러지를 배출한다.

이러한 잉여 슬러지는 상기 고도처리조(10)에서 슬러지의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 주기적으로 인발되는 슬러지일 수 있으며, 간헐적 또는 연속적으로 슬러지이송라인(미도시)을 통해 배출될 수 있다.

상기 고도처리조(10)는 유입 하·폐수로부터 생물학적 반응을 유도할 수 있는 환경을 조성하여 유기물이 분리 및 제거되게 하는 공지의 다양한 반응조 중 적합한 하나를 선택할 수 있다.

또한 상기 고도처리조(10)는 난분해성 유기물 및 색도성 오염물을 제거할 수 있는 응집침전, 고급산화(AOP)공정이 후단에 포함된 반응조일 수 있다.

일 예로 상기 고도처리조(10)는 활성슬러지와 호기 공정을 통한 미생물 대사에 의하여 유입 하·폐수 중 유기물 성분을 제거하는 호기성 반응조일 수 있다.

또한 상기 고도처리조(10)는 입자성 유기물의 보다 효율적인 제거를 위하여 도면에 도시된 바 없으나 분리막 구조의 멤브레인이 마련된, MBR(Membrane Bio-reactor)반응조일 수 있다.

상기 분리막여과조(20)는 상기 고도처리조(10)로부터 처리 및 배출되는 처리수가 유입되고, 유입된 처리수로부터 부유물질(SS)과 잔류 유기물을 제거하여 배출한다.

상기 분리막여과조(20)에 마련되는 분리막은 처리대상 하·폐수의 탁도, 오염정도 등을 고려하여 공지의 다양한 분리막 중 적합한 하나를 선택할 수 있다.

일 예로 상기 분리막은 막 공극의 크기에 따라 분류될 수 있는 정밀여과막(microfiltration,MF), 한외여과막 (ultrafiltration,UF), 역삼투막(reverseosmosis,RO), 나노여과막(nanofiltration, NF) 중 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 물리적 체거름을 실시하여 미세불순물, 박테리아, 스케일 물질을 제거할 수 있는 한외여과막 (ultrafiltration,UF)을 적용할 수 있다.

그리고 상기 분리막여과조(20)에서 제거되는 부유물질(SS)과 유기물을 포함하는 유기물 농축수의 경우 상기 고도처리조(10)로 반송되어 고도처리조(10)의 생물학적 반응 활성화에 활용되게 할 수 있으며, 이때 반송되는 농축수에는 앞서 언급한 바와 같이 무기물이 제거된 상태로 반송되기 때문에 고도처리조(10)가 무기물의 농도 증가로 인한 효율 저하를 방지할 수 있게 된다.

상기 분리막여과조(20)에서 부유물질(SS)과 유기물 등이 제거된 처리수는 방류수로서 외부로 배출되거나 또는 염농도의 저감 처리를 위하여 이하에서 설명하는 CDI처리조(30)로 유입될 수 있다.

상기 CDI처리조(30)는 상기 분리막여과조(20)에서 배출되는 처리수 즉, 부유물질(SS)과 유기물이 제거된 처리수가 유입되고, 전기장 원리를 이용하여 유입된 처리수로부터 TDS(Total Dissolved Solid) 및 이온성 무기 오염물질(암모니아성 질소와 질산화된 질산성 질소 성분 및 PO₄-P 형태의 인) 등을 흡착 방식으로 제거 처리하고 그 처리수를 방류수로서 외부로 배출할 수 있다.

상기 CDI처리조(30)는 도면에 도시된 바 없으나 복수의 양전극과 음전극이 일정 간격을 두고 적층 구성되는 하나 이상의 CDI모듈과, 상기 CDI모듈의 전극이 양전위 또는 음전위를 갖도록 선택적으로 전원을 공급하는 전원공급모듈이 포함될 수 있다.

상기 CDI처리조(30)는 상기 양전극과 음전극 사이를 유동하는 유입수에 존재하는 이온성 오염물질을 흡착한 후 배출하는 흡착과정 및 상기 양전극과 음전극에 흡착된 이온성 오염물질을 탈착하여 전극을 재생하는 탈착과정을 반복 수행하게 된다.

상기 순환재생조(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 CDI처리조(30)와 한 쌍의 순환관을 통해 병렬 연결되도록 설치되어 CDI처리조(30)의 탈착 공정에서 배출되는 무기농축수(이하 'CDI농축수'라 칭함)가 유입되고, 이를 재생수로서 상기 CDI처리조(30)로 공급 및 순환시킨다.

이를 위해 상기 순환재생조(40)는 펌프와, 상기 한 쌍의 순환관에 각각 마련되는 개폐밸브를 포함하고, CDI처리조(30)의 흡착 또는 탈착 공정에 연동되게 상기 펌프와 개폐밸브를 선택적으로 작동시켜 유체의 흐름이 제어될 수 있도록 한다.

이때 상기 순환재생조(40)는 재생수의 순환과정에서 상기 CDI처리조(30)로부터 회수되는 재생수의 이온 농축 농도가 기설정된 농도 이상일 경우 수용된 재생수의 일부 또는 재생수 모두를 배출할 수 있다.

다른 예로 유입된 일정량의 최소 재생수만큼 순환재생조(40)로 희석수를 유입시켜 재생수의 이온 농축 농도가 희석되게 하고, 이에 의해 Over flow 되는 재생수를 드레인 배관을 통해 배출되게 함으로써, CDI처리조(30)의 재생에서 발생되는 농축수의 외부 배출량을 최소화할 수 있게 하며, 순환재생조(40) 자체의 염 농도가 일정한 상태로 유지되게 할 수 있다.

상술한 실시 예들을 통해 상기 순환재생조(40)에서 배출되는 고농축 재생수의 경우, 별도의 농축수 처리 과정을 통해 농도를 저감시킨 후 분리 배출하거나, 또는 이하에서 설명하는 자원화 과정을 통해 자원으로서 회수될 수 있도록 한다.

이처럼 본 발명의 시스템은, 하·폐수 방류수에 존재하는 유기물과 무기물을 각 단계별로 분리 제거함으로써 재이용 과정에서 발생되는 농축수를 유기물 농축수와 무기물 농축수로 분리 배출이 가능하여 기존 고농도 유기물과 무기물이 동시에 함유된 하·폐수 처리의 단점을 해결할 수 있게 된다.

특히 분리된 무기물 농축수를 처리함에 있어 상기 순환재생조(40)의 순환을 통해 CDI처리조(20)의 탈착(재생) 과정에서 사용되는 CDI농축수를 계속적으로 반복 사용하게 됨으로써, 처리수의 회수율을 극대화할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 분리막여과조(20)와 CDI처리조(30)를 거친 재이용수에 포함된 미량의 용존성 유기물은 도면에 도시된 바 없으나 선택적 후처리 공정에서 활성탄 흡착 또는 AOP(고급산화) 공정을 통해 제거 후, 유기/무기 오염물이 모두 제거된 고순도 재이용수로 활용이 가능하게 되며, 각 복합 공정단계에서 목적수의 요구수질에 따라 입자성 오염물 및 유기물만 제거된 1차 재이용수, 유기물과 무기물이 모두 처리된 2차, 3차 재이용수의 생산이 가능하다.

한편 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 순환재생조(40)에 수용 또는 순환 중인 재생수의 pH 농도가 저감되도록 제어하는 pH제어수단이 더 포함된다.

상술한 바와 같이 상기 CDI처리조(30)의 탈착(재생) 과정에서 사용되는 농축수를 계속적으로 반복 사용하게 되는데, 이 경우 순환제생조(40)의 염 농도는 일정 농도에 이르기까지 지속적으로 상승하게 되며, 이로 인해 탄산칼슘 또는 황산칼슘 등의 무기 스케일이 형성될 수 있고 결과적으로 CDI처리조(30)의 내구성을 저해하는 요인을 작용하게 된다.

이에 본 실시 예에서는 상기 순환재생조(40)의 pH를 LSI 지수에 근거하여 pH 7이하로 조절 및 유지하여 용해도를 상승시키도록 하면서 재생수의 순환이 이루어지게 함으로써, 고농도의 이온 상태에서도 스케일의 유발 없이 장기간으로 안정적인 운용이 가능해지게 한다.

이는 일반적으로 스케일 형성 판단지수로 활용되고 있는 LSI(Langelier Saturation Index)에 따르면, 용존 칼슘(Ca2+) 또는 마그네슘(Mg2+) 이온의 농도가 용해도 한계치에 이르게 되더라도 용액의 pH를 중성 이하(7 이하)로 유지시 스케일이 쉽게 형성되지 않음에 근거한다.

또한 매 공정 순환재생조(40)에 수용된 재생수를 이용하여 CDI처리조(30)의 탈착(재생) 공정을 수행하고, 최종 CDI처리조(30) 내부와 일부 배관 등에 남아있는 고농도 재생수는 유입수 다시 말해 상기 분리막여과조(20)의 처리수를 일시적으로 유입 및 순환시켜 세척한 후 순환재생조(40)로 배출되게 하는 것이 바람직하다.

특히 본 발명의 시스템에서는 순환재생조(40)에 수용된 재생수로 CDI처리조(30)를 순환 재생할 경우, 빠른 유량으로 순환재생 하게 됨으로써 CDI처리조(1)를 구성하는 CDI 스텍 내부 스페이서의 물리적 세정 효과와 함께 탄소전극 사이 유체의 전해질 농도를 높게 유지할 수 있게 되며, 그에 따라 역전위의 공급 없이 단락(Short)에 의한 이온 탈착 과정에서도 보다 빠른 전하의 흐름을 유도할 수 있게 되어 전극 재생과정에서 외부 에너지 없이 단락(Short)만으로도 높은 탈착 효과를 얻을 수 있게 되는 특징이 있다.

여기서 상기 pH제어수단의 pH 제어 방식은 상기 순환재생조(40)로 재생수의 pH를 저감시킬 수 있는 약품을 투입하거나 또는 직접적으로 산성수를 투입하는 형태 등 공지의 다양한 방식을 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편 상기 ED처리조(50)는 상기 CDI처리조(30)에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조(40)의 재생수로서 배출되는 CDI순환재생농축수가 유입되고, 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수를 전기투석(Electro Dialysis) 방식으로 처리한 처리수를 또 다른 방류수로서 외부로 배출한다.

또한 상기 ED처리조(50)는 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수를 전기투석(Electro Dialysis) 방식으로 처리한 처리수를 희석수로서 상기 순환재생조(40)에 공급함으로써, 상기 순환재생조(40)에서 순환되는 재생수의 염 농도가 일정하게 유지될 수 있도록 한다.

즉 본 발명의 시스템에서는 상기 ED처리조(50)를 구비하여 CDI농축수의 이온 농도를 더욱 농축시킨 ED농축수를 생성하게 됨으로써 결과적으로 유입 농축수의 량을 저감시킬 수 있게 되며, 이는 이하에서 설명하는 후단의 이온고정조(70)의 용적 다시 말해 이온고정조(70)의 단위 면적을 최소화할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 ED처리조(50)는 도면에 도시된 바 없으나, CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수가 유입되고 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수 중 이온이 제거되는 희석실과, 이온이 분리 수집되는 농축실을 각각 하나 이상 구비하고, 상기 희석실의 ED처리수와 상기 농축실의 ED농축수를 각각 분리 배출하게 되는 것이다.

한편 도 2를 참조하면, 본 발명의 시스템은 상술한 CDI처리조(30), 순환재생조(40) 및 ED처리조(50)에서 배출되는 농축수가 유입되어 자원으로 활용되도록 처리하는 광물고정화반응조(60)와 이온고정조(70)를 더 포함할 수 있다.

상기 광물고정화반응조(60)는 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입될 수 있다.

그리고 상기 광물고정화반응조(60)는 유입된 농축수에 포함된 용존 이산화탄소 또는 외부 이산화탄소(CO₂)의 유입과, pH 조절 또는 가온에 의한 광물고정화 반응을 유도하여 유입된 농축수로부터 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)을 생성 및 침전시켜 자원화하고 이를 배출한다.

즉 상기 광물고정화반응조(60)에서는 Ca^{2 +}, Mg^{2 +} 등의 광물 이온을 포함하는 고농도의 이온 농축수(CDI농축수, CDI순환재생농축수, ED농축수)와 H₂CO₃ 또는 HCO₃ ^- 또는 CO₃ ^2- 형태의 용존 탄산 간에 광물 고정화 반응 유도함으로써 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)이 생성될 수 있도록 하는 것이다.

구체적으로 상기 광물고정화반응조(60)는 용존 이산화탄소 또는 외부로부터 이산화탄소(CO₂)를 유입시키면서 pH 조절이나 반응조의 환경을 가온시킴으로써 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)을 결정화하고 이를 침전시켜 광물 자원으로 회수할 수 있다.

이를 위해 상기 광물고정화반응조(60)는 도면에 도시된 바 없으나 인위적으로 이산화탄소(CO₂)를 주입시키기 위한 가스주입장치를 포함할 수 있는 바, 이러한 가스주입장치에 의해 이산화탄소(CO₂)가 유입됨으로써 광물 고정화 반응의 반응속도를 높이고 생성되는 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)의 순도를 높일 수 있도록 한다.

여기서 상기 이산화탄소(CO₂)는 약 300-400 mg/L의 농도로 존재하면서 1.4-1.5g/L(상온, 상압)의 높은 용해도를 가지는 대기중 이산화탄소(CO₂)이거나 또는 하, 폐수처리장 주변의 소각시설이나, 가스발전, 탄화 공정 등의 시설물들로부터 배출되는 배출가스로부터 포집되는 고농도 이산화탄소(CO₂)를 사용함으로써 탄소 배출량의 저감을 도모하는 것이 바람직하다.

또한 광물 고정화 반응을 유도하기 위한 가온 환경의 조성 역시 하, 폐수처리장 주변의 소각시설이나, 가스발전, 탄화 공정 등의 시설물들의 폐열을 활용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 광물고정화반응조(60)에 대한 가온 환경 조성은 상기 CDI처리조(30)의 탈착 공정에서 생성되는 전기에너지를 활용할 수도 있다.

이를 위해 본 발명의 시스템은 도면에 도시된 바 없으나, 상기 CDI처리조(30)의 탈착 공정에서 생성되는 전기 에너지를 회수 및 저장하는 축전장치와, 상기 축전장치로부터 전기에너지를 공급받아 상기 광물고정화반응조(60)를 가온시키는 가온수단을 더 포함할 수 있다.

즉 상기 CDI처리조(30)는 앞서 언급한 바와 같이 양전극 및 음전극의 재생을 위하여 반복적으로 전극에 대한 탈착 공정을 수행하게 되는데, 이 과정에서 전극으로부터 방전되는 전기에너지를 회수하여 상기 축전장치에 저장하고, 상기 축전장치에 저장된 전기에너지를 가온수단의 에너지원으로 사용하게 되는 것이다.

이때 상기 가온수단은 전기히터코일, 전기열풍기 등 전기에너지에 의해 열이 발생될 수 있는 공지의 다양한 가열기구 중 적합한 하나를 선택할 수 있다.

상기 축전장치의 경우, 하,폐수 처리장에 기구축된 태양광 발전용 ESS(Energy storage system)와 연계되는 배터리를 축전장치로 활용하는 것이 바람직한 바, 이에 따라 별도의 신규 시설 없이 간단한 배선 작업만으로 CDI처리조(30)의 에너지를 회수 및 재이용되게 할 수 있도록 한다.

그리고 상기 광물고정화반응조(60)는 이산화탄소(CO₂)를 상술한 가스주입장치 등을 이용하여 유입시킴에 있어 경제성이 낮은 고농도 액화 이산화탄소를 투입하지 않고, 하, 폐수처리장 주변의 소각시설이나, 가스발전, 탄화 공정 등의 시설물들로부터 배출되는 배출가스로부터 포집되는 이산화탄소(CO₂)를 사용하는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 농축수(CDI농축수, CDI순환재생농축수, ED농축수)에 포함되어 있는 고농도로 농축된 용존 탄산(HCO₃ ^-)를 최대한 이용하는 것이며, 광물 고정화 반응이 진행되면서 수중에 존재하는 용존 탄산의 소모에 따라 대기중 약 300 ~ 400mg/L의 높은 농도로 존재하는 이산화탄소(CO₂)를 단순한 형태의 기액접촉 반응기를 통해 재용해시켜 사용함으로써 대기중의 이산화탄소(CO₂)를 효과적으로 저감시키는 것이 바람직하다.

이는 전기화학적 탈염공정을 거친 후 발생되는 고농도 이온 농축수의 부피가 유입 하·폐수 대비 약 10% 이하로 매우 작고 대기중 존재하는 이산화탄소(CO₂)의 용해도가 기타 질소(N2) 또는 산소(O2)와 달리 도 6에 나타낸 바와 같이 상온·상압하에서 약 1.4 ~ 1.5 g/L의 높은 용해도를 가지기 때문이다. 또한, 광물 고정화 반응을 위한 알카리 영역에서의 pH 범위에서는 보다 높은 용해도를 가지게 된다.

이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 상기 광물고정화반응조(60)의 광물 고정화 반응 및 자원 회수에 대한 구체적인 작용 기작을 설명한다.

상기 광물고정화반응조(60)는 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수 또는 ED농축수에서 마그네슘(Mg⁺²) 또는 칼슘(Ca⁺²) 등의 광물 이온이 용출 및 침전될 수 있도록 pH 농도를 점차 상승시킨다.

즉 도 4에 도시된 바와 같이 상기 언급한 농축수의 pH는 약 7~8 범위로 알칼리도는 대부분 탄산수소이온(HCO₃ ^-)의 형태로 존재하게 되는데, 이러한 탄산수소이온의 경우 pH 8보다 상승할 경우 탄산이온(CO₃ ^2-)으로 변화하게 되는 바, 광물고정화 반응을 유도하기 위해서는 pH의 알카리화가 요구되는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 광물 고정화 반응을 위한 pH 상승은 상기 광물고정화반응조(60)에 알칼리 용액을 투입하여 이루어질 수 있으며, 이때 상기 알칼리 용액은 수산화나트륨(NaOH)일 수 있다.

그리고 알칼리 용액으로 상승되는 pH의 범위는 8.5 내지 13.5인 것이 바람직하다.

상기 수산화나트륨(NaOH)은 직접 투입하는 것일 수 있으나, 바람직하게는 전기분해를 통해 얻어진 OH- 이온을 이용함으로써, 별도의 외부 투입 없이도 광물 고정화 반응을 유도할 수 있도록 한다.

일 예로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 순환재생조(40)에 산성수를 제공하기 위한 pH제어수단은, CDI농축수 또는 ED농축수 중 어느 하나가 유입되고 유입된 CDI농축수 또는 ED농축수에 대한 전기분해를 통해 산성수와 알칼리수를 각각 생성하고 이를 산성수챔버(81)와 알칼리수챔버(82)에 각각 저장하는 전기분해조(80)를 포함할 수 있다.

상기 전기분해조(80)는 산성수챔버(81)에 저장된 산성수를 상기 순환재생조(40)로 공급하여 pH가 저감되게 하며, 알칼리수챔버(82)에 저장된 알칼리수를 상기 광물고정화반응조(60)로 공급하여 광물 고정화 반응 과정을 위한 pH 상승에 활용되게 할 수 있다.

이렇게 pH를 상승시키면 유입된 농축수 내의 마그네슘 또는 칼슘이 광물고정화반응조(60)에서 Mg(OH)₂ 또는 Ca(OH)₂로 침전되며, 침전된 마그네슘 또는 칼슘을 여과 처리하여 농축수로부터 분리하고 물을 투입하여 현탁액 상태로 보관한다. 물이 투입되면 마그네슘 또는 칼슘은 다시 녹아서 이온 상태로 유지된다.

그리고 마그네슘 또는 칼슘이 녹아 이온 상태가 유지된 현탁액에 이산화탄소(CO₂)를 주입하게 되면 광물 고정화 반응이 수행되고, 가스상의 이산화탄소(CO₂)가 탄산이온으로 전환되어 아래의 반응식에 나타난 바와 같이 탄산화되는 과정을 수행하게 된다.

CO₂(g) + H₂O(l) ⇔ H₂CO₃(aq)

H₂CO₃(aq) ⇔ HCO₃ ^-(aq) + H⁺(aq)

HCO₃ ^-(aq) ⇔ CO₃ ^2- + H⁺(aq)

즉, 가스상의 이산화탄소(CO₂)가 용해되고, 용해된 이산화탄소(CO₂)는 물과 반응하여 탄산을 형성하게 되고, 탄산은 수소와 탄산이온(CO₃ ^2-)으로 분해된다.

그리고 아래와 같은 반응식으로 탄산칼슘(CaCO₃)이 분리 및 생성될 수 있다.

Ca^{2 +} + 2CO₂ + H₂O → Ca^{2 +} + 2HCO₃ ^- + H₂O

→ CaCO₃ + H₂O + 2H⁺

또한 탄산이온(CO₃ ^2-)이 형성된 상태에서 마그네슘이 아래와 같은 반응식으로 탄산마그네슘(MgCO₃)이 분리 및 생성될 수 있다.

Mg^{2 +} + CO3^2- → MgCO₃

즉 광물고정화반응조(60)의 광물 고정화 반응을 통해 마그네슘 또는 칼슘이 탄산염 형태로 침전되며, 이들은 다시 녹지 않고 안정한 상태를 유지하여 이산화탄소(CO₂)가 고정되고 이를 여과 및 침전 처리하여 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)와 같은 광물을 생성할 수 있게 됨으로써, 이들 광물을 자원화할 수 있게 되는 것이다.

상기 이온고정조(70)는 상기 고도처리조(10)에서 배출되는 잉여슬러지가 유입되고, 상기 CDI처리조(30)에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조(40)에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조(50)에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입되며, 유입된 농축수의 이온성 무기 오염물질이 잉여슬러지와 흡착반응이 이루어지도록 한다.

상기 고도처리조(10)는 생물학적 반응에 의한 수처리 과정에서 발생하는 잉여 슬러지를 간헐적 또는 연속적으로 배출하게 되고, 이를 상기 이온고정조(70)로 공급할 수 있다.

또한 상기 이온고정조(70)에는 상기 광물고정화반응조(60)의 처리 과정 중 자원화된 광물로부터 분리되는 스케일이나, 침전물이 공급될 수 있는 바, 유입된 농축수 내지 스케일 및 침전물와 상기 고도처리조(10)의 미생물 농도를 일정하게 유지하기 위해 배출되는 잉여슬러지를 상호 반응시킴으로써, 잉여슬러지의 고농도 미생물에 의한 생흡착(Bio-sorption)이 유도되게 한 후, 슬러지로 최종 폐기될 수 있도록 하는 것이다.

구체적으로 상기 이온고정조(70)는 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수 또는 ED농축수 등의 이온성 무기 오염물질이 잉여 슬러지에 포함된 유기물이나 무기물의 표면이나 내부에 흡착되게 반응을 유도함으로써 저류된 농축수의 이온 농도를 저감시킬 수 있도록 하며, 이온성분이 흡착된 잉여 슬러지는 저류조에서 침전 처리되어 추후 슬러지 이송차량 등을 통해 분리 배출될 수 있도록 한다.

생물학적 처리를 통해 분리된 유기물에 있어 미생물의 체외고분자물질은 특정 이온 성질을 띠게 되어 이온성 물질을 흡착할 수 있는 흡착 성능을 갖는 것으로 연구되었는 바, NH₄ ⁺-N, NO₃ ^--N, PO₄ ^3--P 등의 이온성 영양염류를 포함하는 상기 농축수는 상기 이온고정조(70)의 저류 과정에서 상기 잉여 슬러지의 유기물 표면에 생물 흡착이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

이때 상기 이온고정조(70)의 운전 조건, 예를 들면 고도처리조(10)에서 인발된 잉여슬러지 및 농축수의 유입 유량과 시기, pH 조건, 이온 고정 효율을 높일 수 있도록 하는 응집제와 같은 첨가 약품 등은 최적의 생물 흡착 성능이 도출될 수 있도록 과거 누적된 이온성 영양염류의 제거특성 결과에 따라 선택적으로 설정하는 것이 바람직하다.

또한 상기 이온고정조(70)는 침전 과정을 통해 침전된 잉여 슬러지를 분리 배출함과 더불어 이온고정조(70)의 상등수를 상기 고도처리조(10)로 반송되도록 함으로써, 상기 고도처리조(10)의 운전 부하를 저감시킬 수 있도록 한다.

상기 이온고정조(70)는 도면에 도시된 바 없으나, 생흡착 반응의 효율을 높일 수 있도록 조정조, 반응조, 침전조 등 복수의 처리조가 구비될 수 있으며, 이들 복수의 처리조가 분리 운영될 수 있음은 당연하다.

이처럼 본 발명의 시스템에서는 고농도 이온 농축수를 처리함에 있어 복합적인 처리 과정과 그에 따른 고비용을 요구하지 않으면서도 잉여 슬러지에 이온성 영양염류만이 생물 흡착된 상태로 함께 폐기되게 함으로써, 고농도 농축수를 용이하게 처리할 수 있게 되는 효과가 있다.

여기서 상기 이온고정조(70) 또는 고도처리조(10)에서 배출되는 슬러지는 탈수기(미도시)의 탈수 처리를 통해 최종적으로 케익화되어 배출될 수 있는데, 이 과정에서는 보다 효율적인 탈수 처리를 위하여 탈수제 또는 탈수보조제와 같은 약품이 투입될 수 있다.

본 발명의 시스템에서는 상기 탈수제 또는 탈수보조제로서 상기 광물고정화반응조(60)에서 광물 자원으로 회수되는 탄산칼슘(CaCO₃)이 활용되도록 하는 예를 제시하고 있는 바, 상기 탈수기는 상기 이온고정조(7) 또는 상기 고도처리조(10)에서 배출되는 잉여슬러지를 공급받고, 상기 광물고정화반응조(60)에서 광물 고정화 반응으로 회수되는 자원 중 탄산칼슘(CaCO₃)을 공급받아 탈수 처리가 이루어지도록 함으로써 탈수 처리에 필요한 운용 비용이 절감될 수 있도록 한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10 : 고도처리조 20 : 분리막여과조
30 : CDI처리조 40 : 순환재생조
50 : ED처리조 60 : 광물고정화반응조
70 : 이온고정조 80 : 전기분해조
81 : 산성수챔버 82 : 알칼리수챔버

Claims (6)

1. 유입 하·폐수를 생물학적으로 처리하여 배출하는 고도처리조;
   상기 고도처리조에서 배출되는 처리수가 유입되고 유입된 처리수로부터 부유물질(SS)과 잔류 유기물을 제거하여 배출하는 분리막여과조;
   상기 분리막여과조에서 배출되는 처리수가 유입되고, 전기장 원리를 이용하여 유입된 처리수로부터 이온성 무기 오염물질을 흡착 방식으로 제거하는 CDI처리조;
   상기 CDI처리조와 한 쌍의 순환관을 통해 병렬 연결되고 상기 CDI처리조의 탈착 공정에서 배출되는 CDI농축수가 유입되어 이를 수용하며, 상기 CDI처리조의 탈착 공정 시 수용된 상기 CDI농축수가 재생수로서 CDI처리조를 순환되게 작동하는 순환재생조; 및
   상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조의 재생수로서 배출되는 CDI순환재생농축수가 유입되고, 유입된 CDI농축수 또는 CDI순환재생농축수를 전기투석(Electro Dialysis) 방식으로 처리한 처리수를 외부로 배출 또는 상기 순환재생조에 희석수로서 공급하는 ED처리조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입되고, 농축수에 포함된 용존 이산화탄소 또는 외부 이산화탄소(CO₂)의 유입과, pH 조절 또는 가온에 의한 광물고정화 반응을 유도하여 유입된 농축수로부터 탄산마그네슘(MgCO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃)을 생성 및 침전시키는 광물고정화반응조;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 순환재생조에 수용 또는 순환 중인 재생수의 pH가 저감되도록 제어하는 pH제어수단;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 pH제어수단은,
   CDI농축수 또는 ED농축수에 대한 전기분해를 통해 산성수와 알칼리수를 각각 생성 및 저장하고, 상기 산성수를 상기 순환재생조로 공급하며, 상기 알칼리수를 상기 광물고정화반응조로 공급하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 고도처리조에서 배출되는 잉여슬러지가 유입되고, 상기 CDI처리조에서 배출되는 CDI농축수 또는 상기 순환재생조에서 배출되는 CDI순환재생농축수 또는 상기 ED처리조에서 배출되는 ED농축수 중 선택된 하나 이상의 농축수가 유입되며, 유입된 농축수의 이온성 무기 오염물질이 잉여슬러지와 흡착반응이 이루어지도록 하는 이온고정조;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 이온고정조 또는 상기 고도처리조에서 배출되는 잉여슬러지를 공급받고 상기 광물고정화반응조에서 침전된 탄산칼슘을 공급받아 탈수 처리가 이루어지도록 하는 탈수기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막과 전기화학적 방법을 이용한 하·폐수 방류수 재이용 및 발생 고농도 이온 농축수 처리 시스템.

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