KR20240078868A - 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은 물 재사용을 위한 처리 공정의 성능을 평가하기 위한 기능적 요구사항 평가 단계, 및 상기 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하기 위한 비기능적 요구사항 평가 단계를 포함할 수 있다. 상기 기능적 요구사항 평가 단계는 전기염소화 공정의 성능 평가 단계, 수질 기반 성능 평가 단계, NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계, 안전 요구 사항 만족 여부 확인 단계 및 환경 평가 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물 재사용 처리를 위한 전기염소화 공정(Electro-chlorination)에 대한 성능 평가 방법 및 전기분해로 얻어진 잔류 염소 농도 등의 일반적인 매개 변수를 통해 전기염소화 공정(Electro-chlorination)의 성능을 검증하기 위해 수질을 평가하는 시스템에 관한 것이다.
전기분해 염소소독 공정은 전기화학적 원리를 이용하여 소금물(NaCl 수용액 등)로부터 염소계 산화제를 생산하는 재사용수에 대한 소독 기술이며, 염화나트륨(NaCl)을 전해질로 사용하면 anode극에서 염소이온(Cl-)이 산화되어 염소가스(Cl2)를 생성하고, cathode극에서는 이온화 경향이 큰 나트륨이온(Na+)대신 물(H2O)이 환원되어 수소가스(H2)를 생성한다. 특히 염화나트륨을 전해질로 이용하여 전기분해를 할 경우 산화력이 강한 차아염소산(HOCl), 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산이온(OCl-) 성분의 염소계 산화제(Free available chlorine)가 생성된다.
염소소독 공정은 잔류염소로 오염원을 제어하여 미생물의 재성장과 재생수의 유통 중 오염을 방지함으로써 물 재사용을 위한 처리 공정으로 주로 사용되는데, 기존 염소소독 공정의 경우 탈취, 소독 부산물의 처리, 물류 및 안전 관점의 문제가 제기되면서 기존의 염소 처리와 다른 새로운 소독 기술의 필요성이 대두되고 있으며, 오존 및 자외선(UV)을 이용한 소독 기술 등과 같이 안전한 재생수 확보를 위해 다양한 수처리 기술이 개발되고 있다.
한편, 다양한 수처리 기술 중에서 전류를 흘려 전기화학적 반응을 통해 차아염소산나트륨(Sodium Hypochlorite)을 생성하고, 생성된 차아염소산나트륨에 의해 물에 존재하는 유기오염물질 및 병원성 미생물을 제어하는 전기염소화 기술이 기존의 문제점에 대한 해결책으로 주목받고 있다.
하지만, 차아염소산나트륨을 이용한 전기염소화 기술에 대한 기능적 요구사항과 비기능적 요구사항의 개념이 정립되지 않은 상태이며, 이에 따라 이를 이용한 물 재사용 처리 공정의 성능을 객관적으로 평가하기 위한 기준이 아직 정의되지 않은 상태이다.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 전기염소화 공정에 의한 차아염소산나트륨 생산 공정에 대한 성능 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 물 재사용을 위한 처리 공정의 소독 성능의 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다양한 과제 중 하나는, 전기분해에 의해 얻어지는 잔류염소 농도 등 일반적인 파라미터를 통해 전기염소화 성능을 검증하기 위한 수질 평가 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은 물 재사용을 위한 처리 공정의 성능을 평가하기 위한 기능적 요구사항 평가 단계; 및 상기 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하기 위한 비기능적 요구사항 평가 단계;를 포함할 수 있으며, 상기 기능적 요구사항 평가 단계는, 전기염소화 공정의 성능 평가 단계; 수질 기반 성능 평가 단계; NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계; 안전 요구 사항 만족 여부 확인 단계; 및 환경 평가 단계;를 포함할 수 있다.
상기 전기염소화 공정의 성능 평가 단계는 NaOCl 생성 시스템의 전기염소화 반응기에 대해 가용 염소 농도를 측정함으로써 수행될 수 있다.
상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 비격막식 전기염소화 반응기 및 격막식 전기염소화 반응기 각각의 경우에 있어서 다르게 설정될 수 있다.
비격막식 전기염소화 반응기에서의 상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 (8.0±1.0)g/L 일 수 있고, 격막식 전기염소화 반응기에서의 상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 (120±12)g/L 일 수 있다.
상기 전기염소화 공정의 성능 평가 단계는 전류 효율을 더 측정함으로써 수행될 수 있으며, 상기 전류 효율은 생성된 차아염소산나트륨 용액을 3회 샘플링하여 측정될 수 있다.
상기 수질 기반 성능 평가 단계는 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행되기 이전에 재생수가 유입되는 지점과, 상기 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행된 이후에 재생수가 유출되는 지점에서 각각 주기적으로 수질을 측정함으로써 수행될 수 있다.
상기 수질 기반 성능 평가 단계는 진균(Fungi), 원생동물(Protozoa), 세균(Barteria), 바이러스(Virus) 및 조류(Algae)의 잔류농도를 측정한 후 비교함으로써 전기염소화 공정의 성능을 평가하도록 수행될 수 있다.
상기 NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계는 NaOCl 생성 장치인 NaOCl 주입 펌프, 및 NaOCl 접촉 장치인 소독 탱크에서 각각 소독용 차아염소산나트륨의 농도를 측정함으로써 수행될 수 있다.
상기 소독용 차아염소산나트륨의 농도는, 상기 NaOCl 주입 펌프에 연결된 차아염소산나트륨 저장탱크의 차아염소산나트륨 농도(mg/L)에서, 소독 공정 이후에 재생수가 저장된 재생수 저장탱크의 차아염소산나트륨 농도(mg/L)를 뺀 값으로 산출될 수 있다.
상기 환경 평가 단계는 전기 염소 처리 후 염소 소독 부산물의 농도를 측정한 후, 측정된 염소 소독 부산물의 농도가 규제 농도보다 낮은지 여부를 판단함으로써 수행될 수 있다.
상기 비기능적 요구사항 평가 단계는, 에너지 소비량 평가 단계; 및 NaCl 사용량 평가 단계;를 포함할 수 있다.
상기 에너지 소비량 평가 단계는 NaOCl 생성 장치에 포함된 전해조의 에너지 소비량을 측정한 후 기 설정된 에너지 소비량에 기초하여 에너지 소비 등급을 판별함으로써 수행될 수 있다.
상기 전해조의 에너지 소비량은 [수식 1]을 통해 산출될 수 있다.
[수식 1]
EC: 에너지 소비량(kWh/kg-Cl2)
A: 측정 전류(A)
V: 측정 전압(V)
C: 사용 가능한 염소 농도(g/L)
Q: 정량화(L/hr)
상기 NaCl 사용량 평가 단계는 NaOCl 생성 장치에 포함된 NaCl 저장 탱크의 NaCl 소비량을 측정한 후 기 설정된 NaCl 소비량에 기초하여 NaCl 소비 등급을 판별함으로써 수행될 수 있다.
상기 NaCl 저장 탱크의 NaCl 소비량은 [수식 2]을 통해 산출될 수 있다.
[수식 2]
Qs: NaCl 사용량 (Kg-NaCl/Kg-Cl2)
Qsi: 초기 염저장량(kg-NaCl)
Qsf: 최종 염저장량(kg-NaCl)
QNaOCl: NaOCl 생성량(L)
C: NaOCl 농도(kg-Cl2/L)
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은 기능적 요구사항 평가 단계 및 비기능적 요구사항 평가 단계를 포함할 수 있으며, 물 재사용을 위한 처리 공정을 다각적인 시각에서 평가할 수 있다.
특히, 기능적 요구사항 평가 단계를 통해 전기염소화 공정에 사용되는 장치의 성능을 객관적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있고, 재사용된 물의 수질을 수치적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있으며, 실제 소독에 사용된 차아염소산나트륨 농도를 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있다. 또한, 물 재사용을 위한 처리 공정에 발생 가능한 잠재적인 위험 요소를 사전에 차단할 수 있도록 안전 기준이 마련될 수 있으며, 물 재사용을 위한 처리 공정의 지속가능성을 확인할 수 있는 기준이 마련될 수 있다.
또한, 비기능적 요구사항 평가 단계를 통해 에너지 소비량을 산출하여 에너지 소비 등급을 판별할 수 있고, NaCl 사용량을 산출하여 NaCl 소비 등급을 판별할 수 있으며, 상기 에너지 소비 등급 및 상기 NaCl 소비 등급을 기초로 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하는 기준이 마련될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전기염소화 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 NaOCl 생성용 전해조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 비기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 NaOCl 생성용 전해조를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 비기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 전기염소화 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 전기염소화(Electro-chlorination; EC) 공정은 전기화학적 원리를 이용하여 염수(예: NaCl 수용액)에서 염소계 산화제를 생성하는 재생수 소독 기술로써, 전해액으로 염화나트륨(NaCl)을 사용하면 양극에서 염화이온(Cl-)이 산화되어 염소가스(Cl2)가 발생하게 되고, 음극에서는 이온화 경향이 큰 나트륨 이온(Na+) 대신 물(H2O)이 환원되어 수소 가스(H2)가 생성되게 된다. 특히, 염화나트륨 용액에서 전기분해를 하면 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산(HOCl), 차아염소산이온(OCl-)과 같은 염소계 산화제(유리가용염소)가 강한 산화력을 가지고 생성되게 된다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 NaOCl 생성 시스템(1)은 담수 공급부(11), NaCl 저장 탱크(12), NaCl 용해 탱크(13), NaCl 용액 저장 탱크(14), NaOCl 생성용 전해조(15), 수소 가스 배기부(16), DC 전원 공급부(17) 및 제어 패널(18)을 포함할 수 있다.
구체적으로, NaOCl 생성 시스템(1)의 구성에 대한 설명은 다음과 같다.
담수 공급부(11)는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 생성하기 위해 담수를 공급할 수 있도록 구비되며, NaCl 저장 탱크(12)는 담수를 염수화 하기 위해 염화나트륨(NaCl)을 공급할 수 있도록 구비될 수 있다. 염화나트륨(NaCl)은 NaCl 용해 탱크(13)에 용해될 수 있으며, 담수와 함께 NaCl 수용액이 형성되어 NaCl 용액 저장 탱크(14)에 저장될 수 있다.
다음으로, NaCl 수용액은 NaOCl 생성용 전해조(15)에서 반응될 수 있으며, 음극 반응에서 생성된 생성물과 양극 반응에서 생성된 생성물이 전해조 내에서 혼합될 수 있다.
일 실시예에 있어서, NaOCl 생성용 전해조(15)는 도 2(a)에 도시된 것과 같이, 무격막식 전기염소화 반응기(15)로 구성될 수 있으며, 이 경우 전기염소화 반응기(15)는 전해조(150), 양극(151) 및 음극(152)을 포함할 수 있다.
이때, 전기 염소화 공정의 양극(151)은 주로 염화물을 분자 염소로 산화시킬 수 있으며, 양극(151)에서 일어나는 전기화학적 반응은 다음과 같다.
2Cl- → Cl2 + 2e-, E0 = 1.36V
또한, 전기염소화 공정의 음극(152)은 주로 전자를 받아 수소가스로 환원되어 수산화물이 발생하게 되며, 음극(152)에서 일어나는 전기화학적 반응은 다음과 같다.
2H2O + 2e- → H2 + OH-, E0 = - 0.83V
NaOCl 생성용 전해조(15)가 무격막식 전기염소화 반응기(15)로 구성되는 경우 즉, Cathode와 anode 외에 별도의 격막 설치 없이 구성된 형태의 반응조로 구성되는 경우, 격막식 전기염소화 반응기와는 다르게 고농도의 cathodic과 anodic이 형성되지 않을 수 있으며, 전해질 수용액(NaCl 수용액)을 전해액으로 반응하는 무격막식 반응조에서는 전기분해 반응을 통해 cathode에서 발생되는 물질과 anode에서 발생되는 생성물들이 혼합되어 Cell에 존재하게 된다.
무격막식 전기분해를 통해 생성되는 수질의 특성은 pH가 7.2~8.5로 약 알칼리성을 가질 수 있으며, ORP(Oxidation-Reduction Potential)가 +100~-300mV 정도로 격막식보다 상대적으로 낮은 차아염소산(HOCl) 농도를 가지게 되어 산화력이 약한 소독액이 생성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, NaOCl 생성용 전해조(15)는 도 2(b)에 도시된 것과 같이, 격막식 전기염소화 반응기(15)로 구성될 수도 있으며, 이 경우 전기염소화 반응기(15)는 전해조(150), 양극(151), 음극(152) 및 격막(153)을 포함할 수 있다.
NaOCl 생성용 전해조(15)가 격막식 전기염소화 반응기(15)로 구성되는 경우 즉, cathode와 anode의 중간에 이온선택성의 격막을 설치하여 cathodic과 anodic을 분리한 형태의 반응조로 구성되는 경우, 양이온과 음이온의 이동이 자유롭지 않게 된다. 따라서, 전해질 수용액(NaCl 수용액)을 격막식 반응조에서 전기분해 할 경우, anodic은 산성수가 되고 cathodic은 알칼리수가 될 수 있다.
격막식 전기염소화 반응기(15)를 이용한 전기염소화 공정에 의하면, 전해액의 농도에 따라 강산성/강염기 또는 약산성/약염기가 될 수 있다.
예를 들어, anodic이 강산성수가 되면 pH가 2.7 이하로 낮아지고 ORP가 1100mV 이상일 수 있으며, 고농도의 차아염소산(HOCl)을 함유하고 있어 강한 살균력을 지니게 된다.
이와는 달리, anodic이 약산성수가 되면 pH가 약 3.5~6이 되고 ORP가 약 500~700mV가 될 수 있으며, 강산성수와 마찬가지로 살균력을 지닌다.
한편, Cathodic이 강알칼리수가 되면 pH 11 이상이 되고 ORP가 -800mV 이하가 될 수 있으며, 비누성분인 NaOH가 다량 함유되어 높은 세정력을 지니게 된다.
이와는 달리, Cathodic이 약알칼리수가 되면 pH가 7.2~10 이하이고 ORP가 약 0~-600mV일 수 있다.
결과적으로, 격막식 전기염소화 반응기(15)를 이용한 전기염소화 공정에 의하면, 격막(153)을 설치함으로써 환원반응으로 인해 발생하는 수소기체의 Bubble이 anode 표면에 부착되는 것을 방지하여 전극의 분극현상을 막아 활성면적 감소에 따른 산화제의 생성효율을 절감할 수 있다.
전기염소화 공정에 사용되는 전극은 RuO2, IrO2 등을 포함하는 DSA 전극일 수 있다.
다음으로, 수소 가스 배기부(16)는 반응기 내부의 산화-환원 반응에 의해 생성된 수소 가스를 배출시키기 위한 배기구로 구비될 수 있으며, DC 전원 공급부(17) 및 제어 패널(18)은 전극에 전류 또는 전압을 인가하여 소독용 차아염소산나트륨을 생성시키는 장치로 구성될 수 있다.
NaOCl 생성 시스템(1)에 의해 차아염소산나트륨이 생성된 이후, 생성된 차아염소산나트륨을 저온으로 유지하여 저장탱크에 저장한 후 소독이 필요한 장소에 주입하는 시스템인 NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)이 수행될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)은 냉각 장치(21), NaOCl 저장 탱크(22) 및 NaOCl 주입 펌프(23)를 포함할 수 있다.
구체적으로, NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)의 구성에 대한 설명은 다음과 같다.
냉각 장치(21)는 NaOCl 생성 시스템(1)에 의해 생성된 NaOCl을 보관하는 동안 온도를 관리하여 차아염소산나트륨 농도의 저하 및 염소산염 생성을 방지하기 위한 구성일 수 있다.
NaOCl 저장 탱크(22)는 생성된 차아염소산나트륨의 저장용으로 사용되며 적정 농도를 유지하기 위한 측정기를 포함할 수 있다. 이때, 유리 염소 농도(free chlorine concentration) 내지 염소계 산화제 농도는 NaOCl 농도를 측정하여 유지될 수 있다.
NaOCl 주입 펌프(23)는 생성된 차아염소산나트륨을 소독이 필요한 부위에 공급하기 위한 구성이 일 수 있다.
전술한 NaOCl 생성 시스템(1)에 의해 생성된 차아염소산나트륨(NaOCl)은 NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)에 저장된 후 물 재사용을 위한 처리 공정에 사용될 수 있다. 상기 물 재사용을 위한 처리 공정은 물 재사용 시스템(30) 및 소독 탱크(40)를 포함할 수 있으며, 물 재사용 시스템(30)은 3차 수처리(tertiary treatment) 공정을 포함할 수 있다.
이때, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은, NaOCl 생성 시스템(1)에 의해 생성된 후 NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)을 통해 제공되는 차아염소산나트륨의 농도, 물 재사용 시스템(30)으로부터 공급된 재생수의 수질, 소독 탱크(40)를 통해 공급된 재생수의 수질, 소독 탱크(40)의 차아염소산나트륨 농도 등을 측정하기 위한 모니터링 시스템(3)이 수행될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 모니터링 시스템(3)은 복수 개의 모니터링 포인트(M1, M2, M3, M4, M5)를 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 모니터링 포인트는 차아염소산나트륨의 농도를 측정하기 위한 제1 내지 제3 모니터링 포인트(M1, M2, M3)와 재생수의 수질을 측정하기 위한 제4 및 제5 모니터링 포인트(M4, M5)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 모니터링 포인트(M1)는 NaOCl 저장 및 주입 시스템(2)에 포함된 NaOCl 주입 펌프(23)에서 소독 탱크(40)로 공급되는 차아염소산나트륨의 농도를 측정하기 위한 구성일 수 있고, 제2 모니터링 포인트(M2)는 소독 탱크(40) 내에서 수행되는 소독 공정 중 차아염소산나트륨의 농도 변화를 측정하기 위한 구성일 수 있으며, 제3 모니터링 포인트(M3)는 소독 공정이 완료된 이후에 차아염소산나트륨의 농도를 측정하기 위한 구성일 수 있다. 제4 모니터링 포인트(M4)는 소독 공정이 수행되기 이전에 재생수의 수질을 측정하기 위한 구성일 수 있으며, 제5 모니터링 포인트(M5)는 소독 공정이 완료된 이후에 재생수의 수질을 측정하기 위한 구성일 수 있다.
물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법
이하에서는, 도 3 내지 도 5를 참조하여 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이며, 도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 비기능적 요구사항 평가 단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은 기능적 요구사항 평가 단계(S1) 및 비기능적 요구사항 평가 단계(S2)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 기능적 요구사항 평가 단계(S1)의 목적은 전기염소화(EC) 공정의 성능이 특정 물 재사용 목적을 위한 재생 수질 표준을 충족하는 재생수를 얻기 위한 특정 요구 사항을 충족하는지 평가하는 것일 수 있다. 기능적 요구사항 평가 단계(S1)에는 특정 성능 평가 절차 예를 들어, 사용 가능한 염소 테스트 내지 가용 염소 측정, 모니터링 프로토콜 - 수질 테스트 및 NaOCl 정량 테스트, 안전 요구 사항 테스트 등이 포함될 수 있다.
도 4를 참조하면, 기능적 요구사항 평가 단계(S1)는 전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11), 수질 기반 성능 평가 단계(S12), NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13), 안전 요구사항 만족 여부 확인 단계(S14) 및 환경 평가 단계(S15)를 포함할 수 있다.
기능적 요구사항 평가 단계(S1)는 수질 및 차아염소산나트륨 농도 기반 성능을 평가하여 생산된 수질과 정수 기준의 일치 여부를 판단함으로써 수행될 수 있다.
구체적으로, 전기염소화 공정의 설계는 유입되는 염수의 농도, pH, 전극의 재질 및 간격, 처리수의 온도 등의 요인에 의해 결정되는데, 전기염소화 공정의 성능 평가 목적은 전기염소화 성능이 재생수의 특정 조건을 만족하여 수질 기준을 충족하는지 평가하는 것에 있다. 기능 성능 평가 절차에는 특정 성능 평가(사용 가능한 염소 테스트, 모니터링 프로토콜-수질 테스트, NaOCl 정량 테스트) 및 안전 조건이 포함될 수 있으며, 특히 염소 생성에 영향을 미치는 주요 요인은 크게 pH, 온도, NaCl 농도 및 전극 재료로 구성될 수 있고, 전극 재료의 종류는 염소-알칼리 공정의 차아염소산나트륨 수율과 운전 전력 소비를 결정하는 가장 중요한 요인으로 작용될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11)는 NaOCl 생성 시스템(1)의 전기염소화 반응기(15)에 대해 가용 염소 농도를 측정함으로써 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가용 염소 농도는 시험장비를 안정상태 예를 들어, 시험장비를 15~20분간 안정시킨 상태에서 측정될 수 있으며, 가용 염소 농도 평가 기준은 비격막식의 경우 (8.0±1.0)g/L 일 수 있고, 격막식의 경우 (120±12)g/L 일 수 있다.
또한, 전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11)는 전류 효율을 더 측정함으로써 수행될 수도 있으며, 이때 전류 효율은 시험장치를 안정화시킨 후 생성된 차아염소산나트륨 용액을 3회 샘플링하여 측정될 수 있다.
전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11)는 NaOCl을 제어하고 수질 안정성을 평가하는 데 사용하는 계획된 관찰 또는 측정 시퀀스로서 전술한 모니터링 시스템(3)을 통해 수행될 수 있다.
모니터링 시스템(3)은 차아염소산나트륨에 대한 수질 및 잔류 염소 농도에 대해 별도로 측정하도록 수행될 수 있으며, 전체 시스템의 잔류염소 농도를 평가하는 것은 어려울 수 있으므로 모니터링 지점에서 소량의 물을 샘플링하여 평가를 수행할 수 있다. 모니터링 시스템(3)에서의 측정 또는 관찰은 일반적으로 차아염소산나트륨(NaOCl)이 온도, pH, NaCl 농도 등과 같은 임계 한계 내에서 작동하고 있음을 나타내기 위해 수행될 수 있으며, 모니터링 시스템(3)을 수행하는 작업자는 적절한 도구를 사용하여 정보를 정확하게 측정하여 읽고 기록할 수 있도록 교육을 필요로 할 수 있다. 모니터링 시스템(3)에서의 모니터링 기간은 임계 한계 편차의 영향을 받는 제품의 양을 결정하는 요소일 수 있으며, 연속적 모니터링은 일반적으로 연속 기록을 생성하는 장치에 의해 수행될 수 있다.
한편, 지속적인 모니터링이 불가능한 경우 비연속적(간헐적/주기적) 모니터링이 수행될 수 있으며, 비연속적 모니터링 빈도는 제품 및 프로세스에 대한 과거 이력 및 사용자 개개인이 가진 지식의 영향을 받을 수 있다. 즉, 상기 상기 비연속적 모니터링은 예를 들어, 육안 검사 및 감각 평가 등을 포함할 수 있다.
수질 기반 성능 평가 단계(S12)는 일반 세균 및 바이러스의 잔류 농도를 정기적으로 측정하여 수질이 특정 물 재사용 목적에 대한 재생수질 기준을 만족해야 하는 직접적인 매개변수로 평가함으로써 수행될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 수질 기반 성능 평가 단계(S12)는 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행되기 이전에 재생수가 유입되는 지점인 제4 모니터링 포인트(M4), 및 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행된 이후에 재생수가 유출되는 지점인 제5 모니터링 포인트(M5)에서 각각 주기적으로 수행될 수 있다.
수질 기반 성능 평가 단계(S12)는 지표 미생물 제거에 의해 검증될 수 있으며, 미생물의 잠재지표는 일반세균, 총대장균군, 대장균군, 화농성대장균군 등의 감소 또는 잔류농도로 염소화 효과를 확인할 수 있다. 물 재사용의 주요 처리 기술 및 대상 성분은 도 6에 도시되어 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 수질 기반 성능 평가 단계(S12)는 제4 모니터링 포인트(M4) 및 제5 모니터링 포인트(M5) 각각에서, 진균(Fungi), 원생동물(Protozoa), 세균(Barteria), 바이러스(Virus) 및 조류(Algae)의 잔류농도를 측정한 후 비교함으로써 전기염소화 공정의 성능을 평가하도록 수행될 수 있다.
NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13)는 보완적인 평가 방법으로 NaOCl 농도 모니터링을 간접 매개변수로 사용하여 전기 염소화 시스템의 성능을 평가하는 단계일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13)는 제1 모니터링 포인트(M1), 및 제2 모니터링 포인트(M2)에서 각각 차아염소산나트륨의 농도를 측정하고 비교함으로써 수행될 수 있으며, 이에 따라 NaOCl 생성 장치 및 접촉 장치에서 각각 NaOCl 농도를 모니터링할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13)는 제1 모니터링 포인트(M1) 및 제3 모니터링 포인트(M3)에서 차아염소산나트륨 농도를 측정한 후 소독에 사용되는 차아염소산나트륨 농도를 산출함으로써 수행될 수 있으며, 이때 상기 소독에 사용되는 차아염소산나트륨 농도를 측정하는 공식은 다음과 같다.
C(mg/L)=M1-M3
C: 소독용 차아염소산나트륨 농도(mg/L)
M1: 차아염소산나트륨 저장탱크의 차아염소산나트륨 농도(mg/L)
M3: 소독 후 차아염소산나트륨 농도(mg/L)
안전 요구사항 만족 여부 확인 단계(S14)는 예를 들어, 전극과 같은 핵심 부품을 보호하고 성능과 내구성을 확보하기 위해서는 엄격한 원료 관리와 전처리를 통해 전해조로의 불순물 유입을 차단하기 위해 수행되는 단계일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 안전 요구 사항은 원수 및 염수 전처리 장치를 위한 예비 장치를 설치하여 멸균 간격을 방지하기 위해 문제 발생 시 예비 장치를 즉시 가동해야 하며, 전기분해 과정에서 발생하는 희석수소를 포집하여 기액분리한 후 공기 중에서 폭발하한 이하로 희석함으로써 수소폭발의 위험성을 낮추어야 한다는 내용을 포함할 수 있으며, 전기 염소 처리에 대한 안전 요구 사항은 아래 표 1과 같다.
| Cause of accident 사고원인 |
Safety measures against accidents 사고에 대한 안전대책 |
| Hydrogen explosion 수소 폭발 |
Capture hydrogen together with water, perform gas-liquid separation, and then dilute it below the lower limit for explosion. 수소를 물과 함께 포집하여 기액분리한 후 폭발하한 이하로 희석한다. |
| Chlorine exposure 염소 노출 |
Immediately convert to hypochlorite when chlorine is generated in the frame and prevent leakage by ensuring a vacuum environment. 프레임에 염소가 발생하면 즉시 차아염소산염으로 전환하고 진공 환경을 확보하여 누출을 방지한다. |
| Leak 유출 |
Install leak detection sensors around the sodium hypochlorite 차아염소산나트륨 주변에 누출 감지 센서를 설치한다. |
: 전기 염소 처리에 대한 안전 요구 사항
추가적으로, 안전 요구 사항은 다음 내용들을 더 포함할 수 있다.
a) 저장 탱크, 파이프 및 구성 요소에 내성 재료를 사용해야 하며, 내부식성 재료로 라이닝되거나 코팅되거나 만들어진 부품을 사용해야 한다.
b) 안전 및 장비 보호
- 차아염소산나트륨은 발포 및 스케일 형성으로 인해 주입오류 또는 주입불량 사고를 유발할 수 있으므로 정기적으로 점검해야 하며, 차아염소산나트륨 장비에서 발생하는 수소도 정기적으로 검사해야 한다.
- 수염소처리시스템 전체의 운전상태를 점검할 때 처리시스템의 적절한 지점에서 염소 농도가 모니터링되고 있는지 확인해야 한다. 또한, 치료 시스템에 장착된 모니터 및 감지기가 요구 사양을 충족하는지 확인해야 한다.
- 유지보수 일정의 작성 및 수행 여부, 유지보수 부품 보유 여부를 점검하여 장비를 보호하기 위한 유지보수를 수행해야 한다.
- 완충 구역과 낮은 제방 벽을 설치하여 잠재적 유출을 방지해야 한다.
환경 평가 단계(S15)는 전기 염소 처리 후 염소 소독 부산물(DBP, 예: 염소산염, 브롬산염)을 평가하기 위한 단계일 수 있으며, 염소 소독을 통한 염소 DBP의 규제 농도는 아래 표 2와 같다.
| DBPs | WHO (mg/L) |
| Bromate | 0.01 |
| Chlorate | 0.7 |
: 음용수에 대한 DBP(브롬산염 및 염소산염)의 규제 농도
이때, 음용수에 전기 염소화 공정을 사용할 때 저농도 브롬화물이 포함된 정제염을 사용하여 음용수를 충족해야 한다.
또한, 환경 평가 단계(S15)에서 수행되는 DBP 평가 절차는 다음과 같다.
1) 염소산염(염산, ClO3-)은 ISO 10304-4:2022(수질-용존음이온 측정법 - 파트 4: 저농도에 존재하는 염소산, 염소 및 아염소산 측정)에 따라 이온 크로마토그래피를 사용하여 기기를 통해 측정한다. 보다 구체적으로, 분석을 위한 전처리로 시료를 측정 범위에 따라 희석하고 선택적으로 Ag Cartridge와 Hg-type Cartridge를 사용하여 측정하며, 단위는 kg-[ClO3 -]/kg-[Cl2]이며 유효숫자는 소수점 이하 4자리로 표기한다.
2) 브롬산염(브롬산, BrO3-)은 ISO 15061:2001(수질 - 용해된 브롬산염 측정: 액상)에 따라 이온 크로마토그래프를 사용하여 계측을 통해 측정한다. 보다 구체적으로, 분석을 위한 전처리로 희석된 시료를 Ag Cartridge와 H Cartridge로 여과한 후 측정하며, 측정결과는 측정값에 희석배수 kg-[BrO3 -]/kg-[Cl2]를 곱하여 산출된 원액중 유효염소당 브롬산염의 농도이며, 소수점 이하 4자리로 유효숫자를 표기한다.
결과적으로, 기능적 요구사항 평가 단계(S1)는 전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11), 수질 기반 성능 평가 단계(S12), NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13), 안전 요구사항 만족 여부 확인 단계(S14) 및 환경 평가 단계(S15)를 통해, 물 재사용을 위한 처리 공정을 다각적인 시각에서 평가할 수 있다. 특히, 전기염소화 공정의 성능 평가 단계(S11)를 통해 전기염소화 공정에 사용되는 장치의 성능을 객관적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있고, 수질 기반 성능 평가 단계(S12)를 통해 재사용된 물의 수질을 수치적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있으며, NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계(S13)를 통해 실제 소독에 사용된 차아염소산나트륨 농도를 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있다. 또한, 안전 요구사항 만족 여부 확인 단계(S14)를 통해 물 재사용을 위한 처리 공정에 발생 가능한 잠재적인 위험 요소를 사전에 차단할 수 있도록 안전 기준이 마련될 수 있으며, 환경 평가 단계(S15)를 통해 물 재사용을 위한 처리 공정의 지속가능성을 확인할 수 있는 기준이 마련될 수 있다.
도 5를 참조하면, 비기능적 요구사항 평가 단계(S2)는 에너지 소비량 평가 단계(S21) 및 NaCl 사용량 평가 단계(S22)를 포함할 수 있다.
비기능적 요구사항 평가 단계(S2)는 경제성 평가를 포함할 수 있으며, 상기 경제성 평가는 염소 처리 시스템의 가동기간 동안의 총 소비전력을 차아염소산나트륨으로 처리할 수 있는 물 재사용량당 소비전력으로 측정함으로써 수행될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 에너지 소비량 평가 단계(S21)는 에너지 소비량 산출 단계를 포함할 수 있으며, 상기 에너지 소비량 산출 단계는 아래 공식을 통해 수행될 수 있다.
EC: 에너지 소비량(kWh/kg-Cl2)
A: 측정 전류(A)
V: 측정 전압(V)
C: 사용 가능한 염소 농도(g/L)
Q: 정량화(L/hr)
이때, 상기 에너지 소비량은 차아염소산나트륨 발생기 전해조의 소비전력만을 이용하여 계산되며, 전체 설비소비전력은 별도의 전력량계로 측정하여야 한다. 따라서, 소비전력의 단위는 유효염소당 소비전력으로 kWh/kg-Cl2로 표기하며, 유효숫자는 소수점 이하 두자리로 표기한다.
에너지 소비량 평가 단계(S21)에서 산출된 에너지 소비량은 기 설정된 에너지 소비량에 기초하여 에너지 소비 등급이 판별될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, NaCl 사용량 평가 단계(S22)는 NaCl 사용량 산출 단계를 포함할 수 있으며, 상기 NaCl 사용량 산출 단계는 아래 공식을 통해 수행될 수 있다.
Qs: NaCl 사용량 (Kg-NaCl/Kg-Cl2)
Qsi: 초기 염저장량(kg-NaCl)
Qsf: 최종 염저장량(kg-NaCl)
QNaOCl: NaOCl 생성량(L)
C: NaOCl 농도(kg-Cl2/L)
이때, 차아염소산나트륨 발생기를 1개월 동안 운전할 때, 처음 첨가된 염(NaCl)의 양(kg)에서 남은 염(NaCl)의 양을 뺀 후, 축적된 차아염소산나트륨 용액의 총 가용 염소 생산량(L)으로 나누어 계산한다. NaCl의 사용량은 유효염소당 소비된 소금의 양으로 계산하여 kg-NaCl/kg-Cl2로 표기하며, 이 경우 유효숫자는 소수점 이하 두자리로 표시한다.
NaCl 사용량 평가 단계(S22)에서 산출된 NaCl 사용량은 기 설정된 NaCl 사용량과에 기초하여 NaCl 소비 등급이 판별될 수 있다.
결과적으로, 비기능적 요구사항 평가 단계(S2)는 에너지 소비량 평가 단계(S21)에서 판별된 에너지 소비 등급과, NaCl 사용량 평가 단계(S22)에서 판별된 NaCl 소비 등급을 기초로, 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하는 기준으로 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법은 기능적 요구사항 평가 단계 및 비기능적 요구사항 평가 단계를 포함할 수 있으며, 물 재사용을 위한 처리 공정을 다각적인 시각에서 평가할 수 있다.
특히, 기능적 요구사항 평가 단계를 통해 전기염소화 공정에 사용되는 장치의 성능을 객관적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있고, 재사용된 물의 수질을 수치적으로 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있으며, 실제 소독에 사용된 차아염소산나트륨 농도를 평가할 수 있는 기준이 마련될 수 있다. 또한, 물 재사용을 위한 처리 공정에 발생 가능한 잠재적인 위험 요소를 사전에 차단할 수 있도록 안전 기준이 마련될 수 있으며, 물 재사용을 위한 처리 공정의 지속가능성을 확인할 수 있는 기준이 마련될 수 있다.
또한, 비기능적 요구사항 평가 단계를 통해 에너지 소비량을 산출하여 에너지 소비 등급을 판별할 수 있고, NaCl 사용량을 산출하여 NaCl 소비 등급을 판별할 수 있으며, 상기 에너지 소비 등급 및 상기 NaCl 소비 등급을 기초로 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하는 기준이 마련될 수 있다.
다만, 본 발명의 개념은 반드시 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 장치/방법/시스템은 전술한 제품/기술분야 이외에도 다양한 제품/기술분야에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (15)
- 물 재사용을 위한 처리 공정의 성능을 평가하기 위한 기능적 요구사항 평가 단계; 및
상기 물 재사용을 위한 처리 공정의 경제성을 평가하기 위한 비기능적 요구사항 평가 단계;를 포함하며,
상기 기능적 요구사항 평가 단계는,
전기염소화 공정의 성능 평가 단계;
수질 기반 성능 평가 단계;
NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계;
안전 요구 사항 만족 여부 확인 단계; 및
환경 평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전기염소화 공정의 성능 평가 단계는 NaOCl 생성 시스템의 전기염소화 반응기에 대해 가용 염소 농도를 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제2항에 있어서,
상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 비격막식 전기염소화 반응기 및 격막식 전기염소화 반응기 각각의 경우에 있어서 다르게 설정된 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제3항에 있어서,
비격막식 전기염소화 반응기에서의 상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 (8.0±1.0)g/L 이고,
격막식 전기염소화 반응기에서의 상기 가용 염소 농도의 평가 기준은 (120±12)g/L 인 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제3항에 있어서,
상기 전기염소화 공정의 성능 평가 단계는 전류 효율을 더 측정함으로써 수행되며, 상기 전류 효율은 생성된 차아염소산나트륨 용액을 3회 샘플링하여 측정되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수질 기반 성능 평가 단계는 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행되기 이전에 재생수가 유입되는 지점과, 상기 전기염소화 공정을 이용한 소독 공정이 수행된 이후에 재생수가 유출되는 지점에서 각각 주기적으로 수질을 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제6항에 있어서,
상기 수질 기반 성능 평가 단계는 진균(Fungi), 원생동물(Protozoa), 세균(Barteria), 바이러스(Virus) 및 조류(Algae)의 잔류농도를 측정한 후 비교함으로써 전기염소화 공정의 성능을 평가하도록 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제1항에 있어서,
상기 NaOCl 농도 기반 성능 평가 단계는 NaOCl 생성 장치인 NaOCl 주입 펌프, 및 NaOCl 접촉 장치인 소독 탱크에서 각각 소독용 차아염소산나트륨의 농도를 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제8항에 있어서,
상기 소독용 차아염소산나트륨의 농도는, 상기 NaOCl 주입 펌프에 연결된 차아염소산나트륨 저장탱크의 차아염소산나트륨 농도(mg/L)에서, 소독 공정 이후에 재생수가 저장된 재생수 저장탱크의 차아염소산나트륨 농도(mg/L)를 뺀 값으로 산출된 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제1항에 있어서,
상기 환경 평가 단계는 전기 염소 처리 후 염소 소독 부산물의 농도를 측정한 후, 측정된 염소 소독 부산물의 농도가 규제 농도보다 낮은지 여부를 판단함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제1항에 있어서,
상기 비기능적 요구사항 평가 단계는,
에너지 소비량 평가 단계; 및
NaCl 사용량 평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제11항에 있어서,
상기 에너지 소비량 평가 단계는 NaOCl 생성 장치에 포함된 전해조의 에너지 소비량을 측정한 후 기 설정된 에너지 소비량에 기초하여 에너지 소비 등급을 판별함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제12항에 있어서,
상기 전해조의 에너지 소비량은 [수식 1]을 통해 산출된 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법.
[수식 1]
EC: 에너지 소비량(kWh/kg-Cl2)
A: 측정 전류(A)
V: 측정 전압(V)
C: 사용 가능한 염소 농도(g/L)
Q: 정량화(L/hr) - 제11항에 있어서,
상기 NaCl 사용량 평가 단계는 NaOCl 생성 장치에 포함된 NaCl 저장 탱크의 NaCl 소비량을 측정한 후 기 설정된 NaCl 소비량에 기초하여 NaCl 소비 등급을 판별함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법. - 제14항에 있어서,
상기 NaCl 저장 탱크의 NaCl 소비량은 [수식 2]을 통해 산출된 것을 특징으로 하는 물 재사용을 위한 처리 공정의 평가 방법.
[수식 2]
Qs: NaCl 사용량 (Kg-NaCl/Kg-Cl2)
Qsi: 초기 염저장량(kg-NaCl)
Qsf: 최종 염저장량(kg-NaCl)
QNaOCl: NaOCl 생성량(L)
C: NaOCl 농도(kg-Cl2/L)
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