KR101109762B1 - 강이나 하천수, 지하수를 이용하여 음용이나 공업용수에 적합한 정수를 얻기 위한 수 처리방법 및 이에 이용되는 수 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본원은 최근 지구온난화 문제 등으로 국제적으로 이상기후와 홍수나 가뭄 등 기상이변 사태에 대한 기후 변화협약 문제가 대두되고 있고, 국내에서도 가뭄현상이 지속됨에 따라 강원, 전라, 충청지역에서 제한급수를 받고 있는 상황에서 가뭄의 장기화에 대비하여 강이나 하천수, 지하수 등을 식수원으로 공급하기 위한 수 처리시스템의 새로운 공법에 관한 것이다.

즉, 본원은 강이나 하천수, 지하수를 이용하여 음용이나 공업용수에 적합한 정제수를 얻기 위한 수 처리방법에 관한 것으로, 수처리시스템 중 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조를 기본구성으로 포함하여 수 중의 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 제거하여 음용수질 기준에 적합한 정수를 공급하는 수 처리 시스템에 관한 것이다.

본원에서는 오존공급장치 및 막여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조를 갖는 기본구성에 전해장치를 추가하여 중금속 성분을 제거하고 수 중의 병원균을 사멸하는 기능을 추가한 수 처리 시스템으로 적용될 수 있다.

본원은 수 중의 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 제거하여 음용수나 공업용수 수질 기준에 적합한 정제수를 공급기 위해 처리대상 유입수를 상향여과식 생물막분리조로 보낼 때 일정농도의 오존을 유지하도록 주입되어 생물막분리조의 여재층을 거치면서 수중에 잔류하는 암모니아성 질소나 질산성 질소나 색도, 페놀, 농약성분 등을 제거하도록 하는 것을 특징으로 하는 수 처리 방법에 관한 기술사상 이 개시된다.

생물막분리조, 여과공정, 역세공정, 오존공급장치, 막분리 장치

Description

강이나 하천수, 지하수를 이용하여 음용이나 공업용수에 적합한 정수를 얻기 위한 수 처리방법 및 이에 이용되는 수 처리 장치{water treatment method and the apparatus for purified water using natural water}

본원은 음용이나 공업용수에 적합한 정수(淨水)를 얻기 위한 수 처리방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 강이나 하천수, 지하수를 이용하여 음용용이나 공업용수에 적합하도록 암모니아성 질소나 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 제거하기 위한 수 처리 방법 및 이에 이용되는 수 처리 장치에 관한 것이다.

최근 지구상에는 지구온난화에 따른 기후 변화 등으로 물 부족 현상이 가속화되고 있고, 국내에서도 가뭄현상이 지속됨에 따라 강원, 전라, 충청지역에서 제한급수를 받고 있으며, 소방차나 급수선을 이용해 식수를 공급받는 등 식수난을 겪고 있고 가뭄 장기화에 대비하여 물 절약 10대 실천과제 등을 제안하고 있는 실정이다.

우리나라의 1인당 강수량은 세계평균의 11분의 1에 지나지 않는 '국제기구가 인정하는' 물 부족 국가이고 우리의 경제성장과 생활수준 향상으로 물 수요는 계속 늘어만 가고 있으며, 지난 30년간 정부에서 꾸준히 수자원공급시설을 늘려 왔음에도 불구하고 금년에 주민들이 제한급수를 받고 있는 상황에서 이와 같은 물부족 현 상은 앞으로 더욱 심화될 가능성이 높아 지하수 개발을 시도하고 있으나, 지하수도 오염이 되어 질산성 질소가 기준치 이상으로 검출되고 있고, 탄광지역은 계곡, 갱도, 지하수가 중금속으로 오염되어 있다는 환경영향평가보고서 등은 우리에게 시급한 대책을 요구하고 있다.

본원은 수 처리방법 중에서도 암모니아성 질소나 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 함유한 물을 본원의 수처리 장치인 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 기본구성으로 적용되거나 또는 상기 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성의 수처리 시스템을 통하여 음용이나 공업용수에 적합한 멸균 정제수를 제공할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

우리나라는 대부분 상수원을 하천, 호수 등의 지표수를 의존하고 있어 상수원수에 대한 수질오염이 심각한 국가적 문제로 대두되고 있는바, 최근에 기후이상과 가뭄사태에 이르러 상수원수 수질이 원수등급 4~5급수로 악화되어 상수원수로 사용할 수 없는 상태에까지 이르고 있다.

이러한 상수원수를 개선하기 위해서 현재 전 염소(Pre-Chlorination)처리 또는 전 오존(Pre-Ozonation)처리 등을 수행하고 있으나 전자의 경우는 발암물질인 THMs발생, 후자의 경우는 암모니아성 질소(NH4 -N)가 제거되지 않는 등 근본적인 대책이 되지 못하고 있는 상황이다.

종래까지 제공되어온 상수 처리시스템은 응집, 침전, 모래여과, 소독 등과 같은 물리화학적 공정이 주로 이용되지만 화학약품 사용에 따른 환경학적 문제점이 있어왔고 응집 공정에 사용되는 화학약품은 침전 및 여과 공정에서 충분히 제거되지 않으며 배관의 스케일링을 증가시키고 수질 저하를 유발하는 문제점이 도출되고 소독 공정에 사용되는 염소는 물 속 유기물과 결합해 발암성 물질을 생성할 수 있다는 우려가 제기도면서 최근에는 수처리를 위한 기술에서 막분리 공정이 많이 이용되고 있다.

막분리 공정은 특정 크기의 물질을 분리할 수 있는 미세공을 가진 분리막을 이용해 오염물질을 제거하는 기술로 분리막은 미세공의 크기에 따라 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막, 역삼투(RO)막 등으로 구분되어 사용되고 있으며, 막분리 공정은 처리수질이 안정적이고, 자동화가 가능해 유지관리가 용이하다는 장점이 있으나, 대규모 수 처리시스템에서는 그 비용이 너무 막대하여 현재로서는 대부분 가정의 소규모 정수기에 주로 막분라 필터로 사용되고 있는 실정이다.

우리나라도 소규모 시설에 막분리 공정을 부분적으로 적용하기를 시도하고 있고, 2009년 7월부터 하루 처리용량 5000톤 이상의 대용량 시설에도 막분리공정을 적용을 준비하고 있으며, 2010년을 목표로 하루 처리용량 2만5000톤 규모의 막분리 고도상수처리 시범사업을 계획하고 있으나, 막분리 공정까지 보내지는 수질이 얼마나 좋은 것을 보낼 수 있을 것인가가 관건이다.

일반 수처리 과정에서 발생하는 부유물질과 분해성 유기물 등을 제거하는 공정으로 보통 물리화학적 공정과 생물학적 공정을 조합해 처리하게 되는바, 고도처리는 난분해성 유기물, 영양성분(질소, 인), 중금속 등을 제거하는 공정으로 생물학적처리법이 사용되고 있는바, 생물학적 처리방법과 막분리 방식을 결합한 생물학 적 막분리법이 바람직한 대안으로 제시될 수 있다.

또한 현재까지는 상수원을 얻기 위해 상류의 정수장이나 저수지에서 2급수 이상의 물을 끌어다 정화해서 부유물질을 제거한 다음 응집제를 투여해서 물 속의 이물질 입자들이 응집제와 만나서 침전물(floc)을 형성하면 이 침전물을 침전시킨 다음 필터를 거쳐서 불소와 염소 등을 이용해서 살균을 한 뒤 각 가정으로 보내게 되는 시스템이었으나, 더욱 물 부족 상태가 심각해지면 3급수 4급수의 물도 정수해서 음용해야 할 상황이 올 수 있으므로 이에 대비한 연구가 선행되어야 한다.

본원은 상기와 같은 물 부족 사태에 즈음하여 상대적으로 중금속에 오염도가 낮고 암모니아성 질소나 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 미량 함유하여 식수용이나 공업용으로 부적합한 정도의 강이나 하천수, 지하수 등의 물을 본원에서 제공되는 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 기본구성으로 적용되거나 또는 상기 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성의 수처리 시스템을 거치면서 잔류하는 중금속이나 암모니아성 질소나 질산성 질소, 색도, 페놀, 농약성분 등을 제거하도록 하고 최종 막분리 여과층을 거쳐 정제수를 얻어서 식수원 급수용이나 또는 공업용수로 공급하는 정수시스템을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본원은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 음용이나 공업용수에 적합한 정제수를 제공하기 위한 수 처리방법으로, 음용이나 공업용수에 적합한 정제수를 얻기 위한 수처리 장치가 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 기본구성으로 적용되거나, 또는 상기 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성의 수처리시스템을 통하여 상기 목적을 달성할 수 있다.

본원에서 제공되는 수 처리시스템은 상수원의 식수원이나 또는 공업용수를 얻기 위해 강이나 하천이나 지하수나 저수지 등에서 2급수 이상의 물을 끌어다가 본원의 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조를 거쳐 배출시킴으로 정제수를 제공하고자 하는 것으로, 먼저 오존처리반응조에 처리대상수와 함께 오존이 유입되어 오존희석수를 만드는 전 처리공정이 필요하고, 전처리 된 오존함유수를 상향 여과식 생물막분리조로 보내줘서 상향여과식 생물막분리조의 여과층에 충진되어 있는 활성탄이나 지오라이트 등 여재층에서 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O₂)를 공급해줘서 생물활성탄을 생성시키고 생물활성탄이 여재층 사이를 지나는 처리대상수 중의 질산성 질소의 제거, 색도, 탁도, 페놀, 농약성분을 제거시키도록 하는 기술사상을 갖는다.

오존처리반응조로 유입되는 오존은 통상 상온 20℃의 물속에서 약 15~30분 사이에 분해되어 버리는 특성을 가짐으로 고농도의 오존을 직접 상향 여과식 생물막분리조에 넣어주지 않고 오존처리반응조에서 처리대상수에 먼저 오존을 적절한 농도러 용존/희석시켜 본원의 상향여과식 생물막분리조로 보내줘서 상향여과식 생물막분리조의 여재층에 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O2)가서 생물활 성탄을 생성시키면서 처리대상수 중의 질산성 질소의 제거, 색도, 탁도, 페놀, 농약성분을 제거하게 된다.

본원에서 제공되는 상향여과식 생물막분리조는 그 중심부로 내관 및 외관 이중관 구조를 갖고 여과와 역세공정을 수행하게 되는바, 오존처리반응조에서 전 처리된 후 유입되는 처리대상수가 외관을 통하여 유입되고 내관에는 역세를 위한 에어분사관을 내장하는 구성으로 제공되어, 여과공정 수행시에는 외관을 거쳐 유입되는 처리대상수가 상향여과식 생물막분리조 하부의 여재층을 거쳐 상부로 배출되는 구성의 상향류식 여과공정이 실시되고, 역세공정 수행시에는 내관 중심부에 있는 에어분사관을 이용하여 고압 공기를 상부로 불어줘서 하부 여재층을 상부로 끌어올렸다가 다시 분산시켜 떨어뜨려는 수단을 포함하여 이루어짐으로 여과 및 역세가 가능한 구조를 갖는바, 본원의 상향여과식 생물막분리조에는 활성탄이나 안트라싸이트나 지오라이트 중에서 선택되는 여재층을 갖고 외관을 통해서 유입되는 처리대상수가 여재층을 거칠 때 오존공급장치에서 공급되는 고농도의 오존을 오존처리반응조에서 처리대상수 중의 희석시켜 상향여과식 생물막분리조의 여재층과 접촉시키는 수단으로 오존의 분해물인 산소와 발생기산소가 상향여과식 생물막분리조의 여재층에서 활성탄이나 안트라싸이트나 지오라이트 등의 여재층에 산소를 공급하여 생물여재층을 형성하면서 처리대상수에 잔류하는 암모니아성 질소나 질산성 질소, 색도, 탁도, 페놀, 농약성분을 제거할 수 있음을 확인하여 완성된 발명이다.

본원의 수 처리 시스템에서 상향여과식 생물막분리조는 온존함유수가 생물막분리조 하부에 마련되는 생물여재층을 거치면서 잔류하는 암모니아성 질소나 질산 성 질소를 제거하도록 하고, 탈질공정이 완료된 여과수를 생물막분리조 상부에 마련되는 막 분리 여재층을 통과시켜 배출시키는 시스템을 갖고, 여과성능이 떨어질 때에는 수시로 역세공정을 실시하여 각 기능을 재활시킨 후 다시 사용할 수 있게 되는바, 상향여과식 생물막분리조의 마지막 단계에서는 막분리 여재를 거친 후 배출되는바, 막분리 여재는 TUBE형 필터, BAG 필터, 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막, 역삼투(RO)막, 중공사막 중에서 선택되어 사용될 수 있다.

또한 본원에서는 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성으로 적용되는 것이 바람직할 수 있는바, 강이나 하천이나 지하수나 저수지 등에서 끌어다 정화시키고자 하는 처리대상수 중에 납이나 카드뮴 등의 중금속 성분이 함유되어 있거나 불소성분을 포함하는 경우에 전해장치가 추가되는 구성으로 적용되어야 하는바, 전해장치를 통하여 중금속 성분을 제거하고 동시 각종 세균을 사멸시킬 수 있도록 제공되는 것이 바람직하며, 전해장치는 별도의 장치로 마련되어 전해공정을 거칠 수도 있으나 소규모 처리시설에서는 오존처리반응조에 내장/설치되어 전처리단계에서 중금속 성분이나 불소성분을 제거하도록 부착되거나 또는 상향여과식 생물막분리조의 상부공간 막분리필터와 여재상향제지삿갓 사이 위치에 설치되어 사용 될 수 있다.

따라서, 본원은 음용수나 공업용수에 적합한 정수(淨水)를 얻기 위한 수 처리방법에서, 음용수나 공업용수에 적합한 정제수를 얻기 위한 수처리시스템이 상향여과식 생물막분리조 및 오존공급수단을 포함하는 구성으로 제공되되, 처리대상수를 오존처리반응조에서 오존을 주입하여 오존함유수를 만드는 전 처리공정을 수행 하여 오존함유수를 얻고, 오존함유수를 상향 여과식 생물막분리조로 보내주는 오존공급수단을 포함하고, 상향여과식 생물막분리조로 유입된 오존함유수가 여재층에 충진되어 있는 여재에 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O₂)를 공급해줘서 여재층활성화를 도모하고 여재층 사이를 지나는 처리대상수 중의 질산성 질소의 제거, 색도, 탁도, 페놀, 농약성분을 제거시킨 후 막분리 여과층을 통과하여 배출되도록 하는 수 처리방법을 제공하며, 상기 상향여과식 생물막분리조 및 오존공급수단 이외에 전해장치가 추가되어 중금속 제거효과를 도모하도록 제공될 수 있으며, 상기 상향여과식 생물막분리조에서 사용되는 막분리 여과층은 TUBE형 필터, BAG 필터, 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막, 역삼투(RO)막, 중공사막 중에서 선택되어 제공되는 수 처리방법의 기술사상을 갖는다 .

또한 본원은 음용수나 공업용수에 적합한 정수(淨水)를 얻기 위한 수 처리장치로서, 수처리 장치가 오존공급수단과 상향여과식 생물막분리조를 포함하는 구성으로 제공되되, 오존공급수단은 유입되는 처리대상수에 오존을 공급/희석하여 일정농도의 오존함유수를 상향여과식 생물막분리조로 보내주기 위해 오존주입배관과 오존주입량조절밸브 및 오존분사관을 갖고 처리대상수를 상향여과식 생물막분리조로 공급시켜주는 오존공급수단을 갖고, 상향여과식 생물막분리조는 그 중심부로 내관 및 외관 이중관 구조를 갖고 외관을 통하여 처리대상수가 유입되고 내관에는 역세를 위한 에어분사관을 내장하는 구성으로 제공되어, 여과공정 수행시에는 외관을 거쳐 유입되는 처리대상수가 상향여과식 생물막분리조 하부의 여재층을 거쳐 상부 의 막분리 여과층을 거쳐 배출되는 구성의 상향류식 여과공정이 실시되고, 역세공정 수행시에는 내관 중심부에 있는 에어분사관을 이용하여 고압 공기를 상부로 불어줘서 하부 여재층을 상부로 끌어올렸다가 다시 분산시켜 떨어뜨려는 수단을 포함하여 이루어짐으로 여과 및 역세 기능을 갖도록 제공되고, 오존함유수가 상향여과식 생물막분리조의 여과층에 충진되어 있는 여재층에 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O₂)를 공급해줘서 여재층활성화를 도모하고 여재층 사이를 지나는 처리대상수 중의 질산성 질소의 제거, 색도, 탁도, 페놀, 농약성분을 제거시킨 후 막분리 여과층을 통과하여 배출되는 수 처리장치이고, 상기 오존공급수단에 전해장치가 추가되어 중금속 제거효과를 도모하고자 하는 기술사상을 포함한다.

이들 본원의 기술구성을 이루는 세부적인 설치 적용예 등은 아래의 ‘발명의 실시를 위한 구체적인 내용’란 기재에서 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

본원은 현재 전국적으로 물 부족 사태에 대비하여 상대적으로 오염도가 심하지 않은 저급수의 물 중에 약간의 암모니아성 질소나 질산성 질소, 페놀, 농약성분 등을 함유하여 식수용이나 공업용으로 부적합한 정도의 강이나 하천이나 지하수 등의 물을 본원에서 제공되는 오존공급장치 및 전해장치, 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 구성의 수처리시스템으로 처리하여 저렴한 비용으로 식수원 용수나 공업용수로 사용할 수 있는 정도의 정제수를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

이하 본원의 기술사상을 구현하기 위한 발명의 구현 실시 양태를 첨부된 도면을 참조하여 설명하고자 하는바, 본 출원의 명세서나 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 될 것이며, 본원의 보호범위는 발명의 기술사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 할 것이며, 본 명세서에 기재된 예시는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본원의 기술사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 본원의 기술사상이 적용되는 처리장치로 오존처리반응조(10)와 오존공급장치(20)와 상향여과식 생물막분리조(100)를 도시한 것이다.

본원의 오존처리반응조(10)는 유입된 처리대상수(1)에 오존을 공급하여 일정한 오존농도를 유지시켜 오존희석수를 상향여과식 생물막분리조(100)로 보내주는 기능을 하는바, 오존공급장치(20)는 오존주입배관(21)과 오존주입밸브(22)를 갖고 오존주입배관(21)이 오존처리반응조(10)의 하부까지 연결되고 오존주입배관(21)의 단부는 오존분사관(sub aerator: 23)을 통하여 수중에 오존을 분사시키는 구성을 갖고 유입된 처리대상수(1)가 10~50 ppm 범위의 오존농도를 갖도록 오존공급량이 조절되며, 오존처리반응조(10)는 중앙부에 격벽(11)을 갖고 격벽 전 단계에서 오존농도 측정센서(24)가 오존주입 밸브(22)와 연결되어 유입된 처리대상수(1)가 일정 범위 농도, 예를들어 처리대상수가 10~50 ppm 범위의 오존농도를 갖도록 오존공급량이 조절되도록 하고, 오존농도가 조절된 처리대상수는 격벽(11) 상부의 배출구(12)를 통하여 펌프실(13)로 넘어가는바, 펌프실(13)에는 2대의 펌프(14)가 마련되어 일정량의 처리대상수가 생물막분리조(100)로 보내지게 되며, 과잉량을 순환시키기 위한 순환라인(15)과 공급라인(16)을 갖는 구성으로 제공될 수 있음을 나타내고 있다.

본원의 상향여과식 생물막분리조(100)는 그 중심부로 내관(30)과 외관(40) 이중관 구조가 생물막분리조 중심부에 종으로 설치되어 마련되고, 오존처리반응조(10)로부터 유입된 처리대상수(1)는 외관(40)을 거쳐 하부의 유출부(42)을 통하여 여과층(50)을 거쳐 상부로 부상한 후 막 여재층(70)을 거쳐 월류벽(80)을 거쳐 유출구(81)로 배출되는바, 외관(40)의 내측으로는 나선형타입이나 스크류형 블레이드(43)를 갖고 처리대상수(1)를 하부의 유출부(42)로 안내하여 여과층(50)으로 흐르게 하며, 여과층(50)에는 활성탄에 모래나 지오라이트, 안스라사이트, 세라믹, 이온교환수지 중에서 선택되는 여재(51)가 포함, 내장되어 사용될 수 있으며, 처리대상수(1)중의 오염물을 여과하여 주는 기능 뿐 아니라, 처리대상수(1) 유입과정 중에 주입된 오존이 생물막분리조의 여재층(50)에서 산소와 발생기산소[O₃ -> O₂ + O?]로 분리되면서 산소 및 발생기 산소가 활성탄이나 안트라싸이트나 지오라이트 등의 여재층에 산소를 공급하여 생물여재층을 형성하면서 처리대상수에 잔류하는 암모니아성 질소나 질산성 질소를 제거할 수 있게 된다.

본원의 생물막분리조(100) 저부의 여재층(50)에는 활성탄과 안트라싸이트나 지오라이트 등으로 제공되고 이들 여재층을 감싸주는 스텐레스재질로 제공되는 스크린망(52)을 갖고, 여과나 역세과정 중에 여재(51)에 붙어있던 슬러지가 분리되고 이 슬러지물은 여과장치 최하부의 슬러지저류조(60)로 분리되고 이 슬러지물은 슬러지 인출배관(61) 및 인출펌프(62)를 통해 별도의 처리장소로 보내지거나 또는 별도의 미생물이 필요한 곳으로 보내게 된다.

또한, 오존처리반응조(10)로부터 유입된 처리대상수(1) 중에서 여과층(50)을 통과하지 못하고 잔류물 상태로 약간의 슬러지 및 스컴층을 포함한 상태의 잔류수가 발생하게 되는바, 본원의 생물막분리조(100)의 유출부(42)와 슬러지저류조(60) 사이에 잔류수저류조(70)가 마련되고 잔류수저류조(70)의 상부로는 합성수지재 스트레나(strainer; 71)가 적재되고 그 상부로 여재층이 적층되는바, 여과층(50)을 통과하지 못하고 잔류수저류조(70)에 유입된 잔류물은 인출밸브(72)을 통해 순환펌프(73)를 통하여 다시 오존처리반응조(10)로 순환시켜 더욱 맑은 물을 만들어 다시 생물막분리조(100)로 투입되도록 하는 것이 바람직하다.

본원의 생물막분리조(100)를 거쳐 여과된 유출수는 상부에 마련되는 막 분리 여재층(80)을 거친 후 월류벽(82)을 거쳐 배출관(83)으로 배출되거나 별도로 마련되는 여재층을 통과시켜 배출될 수 있는바, 막분리 여재층은 TUBE형 필터, BAG 필터, 정밀여과(MF)막, 한외여과(UF)막, 나노여과(NF)막 중에서 선택되거나 또는 별도의 여재층으로 역삼투여과장치(Reverse Osmosis System)나 중공사막 등으로 제공되어 여과효율을 높일 수 있다.

본원의 막 분리 여재층(80) 상부로는 에어분사노즐(81)이 마련되고 에어분사노즐(81)의 배관은 에어컴프레서와 연결되어 고압의 공기를 불어주도록 제공되어서 막 분리 여재층(80)에 간헐적으로 고압의 공기를 불어줘서 분리효율을 높여주는 것이 바람직하다.

도 2에서는 도 1 상태의 여과공정이 수행되다가 정수기능이 떨어질 때 역세공정을 수행하게 되는바, 도 2는 역세시스템을 설명하기 위한 여과장치의 측 단면도로서 역세흐름을 이해하기 쉽도록 도 1의 구성요소들을 그대로 사용하여 역세과정을 설명하기 위해 내부 투시상태의 도면으로 표시하고 있다.

본원의 여과장치(100)는 그 중심부로 내관(30)과 외관(40) 이중관 구조를 갖고 오존처리반응조(10)의 공급라인(16)을 통하여 유입되는 처리대상수(1)가 생물막분리조(100) 하부의 유출구를 통하여 나와서 여과층(50)을 거쳐 상향류로 여과 시스템을 이루다가 여과층(50)의 여재(51)에 오염물이 많아져서 여과기능을 상실하게 되는 경우 역세공정이 필요하게 되는바, 역세를 실시하는 방법은 우선 도 1에 나타난 처리대상수(1) 공급펌프(14)가 스톱되고 유입수밸브(16)가 차단된 후 배출밸브(62)을 오픈시켜 생물막분리조(100) 내의 수위레벨을 내관(30)의 상단부(31) 이하로 맞춘 후 컴프레서를 작동시켜 고압의 공기를 내관(30) 중심부에 마련된 에어분사관(32)을 통하여 압송시키면 내관(30) 중심부에 있던 물이 상부로 밀려 올라가면서 하부에 있는 여과층(50)의 여재(51)를 끌어올려 내관(30)의 상단부(31)로 분출되고, 내관(30)의 상단부(31)에는 여재상향제지 삿갓(34)이 마련되어 분출되는 여재가 여재상향제지 삿갓(34)에 막혀 하강하면서 내관(30)의 외측을 감싸 마련되 는 경사각을 갖는 여재분사판(33)에 걸려 분산되면서 하부로 낙하하여 다시 슬러지물을 털어낸 여재층(50)을 형성하게 되는 역세시스템을 이룰 수 있음을 나타내고 있다.

본원의 기술사상은 상대적으로 오염도가 심하지 않은 저급수의 물 중에 약간의 암모니아성 질소나 질산성 질소, 페놀, 농약성분 등을 함유하여 식수용이나 공업용으로 부적합한 정도의 강이나 하천이나 지하수 등의 물을 본원에서 제공되는 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 구성의 수처리시스템으로 처리하여 저렴한 비용으로 식수원의 용수나 공업용수로 사용할 수 있는 기술사상이나 더욱 완벽한 처리를 위하여 전해장치를 추가할 수 있는 기술사상을 포함하고 있다.

도 3은 본원의 수처리 장치에서 오존공급장치 및 막분리 여과층을 포함하는 상향여과식 생물막분리조가 포함하는 기본구성에 전해장치가 추가되거나 역삼투압여과장치가 추가되는 구성의 수처리시스템을 나타내고자 하는 것이다.

도 3a는 오존처리반응조(10)에 전해장치가 추가되는 구성을 나타낸 것이고, 도 3b는 상향여과식 생물막분리조(100)에 전해장치가 추가될 수 있는 구성을 도시한 것이며, 도 3c는 본원의 오존처리반응조 및 상향여과식 생물막분리조 기본구성에 역삼투압여과장치가 추가되는 구성의 예시를 나타낸 것이다.

이는 본원의 기술사상을 현장에서 적용할 때 더욱 완벽한 수처리 시스템을 이루기 위하여 변형 적용할 수 있는 실시양태를 나타내고자 한 것으로, 오존처리반응조(10)에 전해장치가 추가되는 구성을 적용하고자 하는 경우에는 도 1의 오존처 리반응조(10)가 도 3a의 전해장치가 추가된 오존처리반응조(10)에 상향여과식 생물막분리조(100)를 갖는 구성으로 제공될 수 있음을 나타내고자 한 것이고, 또한 상향여과식 생물막분리조(100)에 전해장치가 추가될 수 있는 구성을 현장에 적용시키고자 하는 경우에는 도 1의 오존처리반응조(10)에 도 3b의 전해장치가 추가된 상향여과식 생물막분리조(100)를 적용하여 실시될 수 있다는 실시적용예를 나타낸 것다.

또한, 도 3c에서와 같이 본원의 오존처리반응조 및 상향여과식 생물막분리조 기본구성에 특별히 질산성질소의 완벽한 제거가 필요할 경우 상향여과식 생물막분리조의 상부에 막 분리층을 두지 않고 상향여과식 생물막분리조를 거쳐 얻은 여과수를 여과수저류조(110)에 담고 역삼투압여과장치(Reverse Osmosis Ststem)를 거쳐 정제수를 얻을 수 있는 시스템으로 변형적용될 수 있음을 나타낸 것이다.

본원의 오존처리반응조(10)나 상향여과식 생물막분리조(100)에 설치되는 전해장치(200)는 티타늄판에다 백금족 이리듐을 코팅 또는 도금한 것을 사용하여 적어도 수명이 약 50,000시간을 사용할 수 있는 것으로 제공되기 위해 알루미늄전극판과 혼합사용하든가 아니면 Al(알루미늄)전해전극이 사용될 수 있는바, 전해조의 전압과 전극의 선택사용, 전극면적 등의 상관관계를 실험하고자 전해조에 PO₄ -P로서 5㎎/ℓ, cl- 이 50㎎/ℓ 가 되도록 샘플 수용액을 만들고 이를 기준으로 실험을 하였는바, 전극으로서 알루미늄판(5×10㎝)을 양극과 음극으로 사용하고 전극간의 간격을 4㎝로 한 경우, 각각 5V, 10V, 20V의 전압을 가하였을 때의 인 농도변화량 을 실험하고자 하였으며, 전압 10V와 5V에서는 40분간 반응후의 잔류 인 농도는 각각 0.2㎎/ℓ와 1.9㎎/ℓ 로서 제거율은 95.6% 와 61.2% 를 나타내고, 전압 20V를 가하였을 때는 반응 30분만에 수용액중의 인(5㎎/ℓ)이 완전히 제거됨을 확인할 수 있었다.

이는 알루미늄판을 양극과 음극의 전극으로 사용 하였을 때는 전압이 높을수록 인 제거율이 높은 결과를 나타내는바, 이는 높은 전압에 의해 알루미늄 전극에서 알루미늄 이온이 많이 용출되었기 때문이며 또한 전압이 5V, 10V, 20V 일 때의 측정전류값은 각각 10㎃, 20㎃, 60㎃를 나타냄을 확인할 수 있었다.

또한 전극간의 간격에 따른 인 제거율을 실험하고자 하였는바, 전극간격을 2㎝, 4㎝, 7㎝ 일 때 반응시간 40분에서 인의 잔존 농도는 각각 0.1, 0.37, 0.76㎎/ℓ 이고 인 제거율은 각각 97.9, 92.2, 83.8% 로서 전극간격이 좁을수록 인 제거율이 높은 결과를 확인할 수 있었는바, 이것은 전극간의 간격이 좁을수록 전극간의 처항이 감소되어 전류가 효율적으로 흘러 알루미늄 용출량이 많아졌기 때문인 것으로 사료되며, 또한 전극의 간격이 좁을수록 전류값은 증가하였고 통계적으로 보아 전극간의 간격은 2～3㎝ 정도를 유지하는것이 적정함을 나타낸다.

또한 상기 시설을 이용하여 알루미늄 전극면적이 100㎠ 일때는 잔존 인농도가 0.95㎎/ℓ 이었으며, 전극면적이 500㎠ 일때는 잔존 인농도가 0.25㎎/ℓ 이었으며, 1500㎠일때 수중의 인은 30분만에 완전히 제거됨을 확인할 수 있었는바, 이는 전극면적이 클수록 인 제거율이 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

실시예 1

출원인 회사의 수 처리 시설 위치인 경기도 양평군 강하면 운심2리 198번지 소재의 강하 하수종말처리장의 최종 침전처리수를 본원의 출원 기술인 생물막분리조(100)를 직경(Ø) 3,000㎜, 높이(H) 4,000㎜ 크기로 마련하고 하부 생물막여과조에는 활성탄 2 : 지오라이트 1 : 안트라싸이트 1의 비율로 생물막 여재층 두께를 1,500㎜로 형성하고, 상부의 막분리 여과층에는 통과입경은 5~20㎛ 범위의 Tube Filter 여재를 100㎜ 두께로, 처리대상수가 10~50 ppm 범위의 오존농도를 갖도록 통과속도는 0.5~1.5㎤/㎠ 범위로 생물막분리조에 보내서 여과공정을 수행하였으며, 처리수를 본원의 생물막여과조를 거치기 전, 후의 방류수를 분석하여 아래의 표 1결과를 얻었다.

[표 1]

검사항목	처리 전	처리 후	수질기준
총대장균	불검출	불검출	불검출/100㎎
암모니아성 질소	불검출	불검출	0.5㎎/ℓ 이하
질산성 질소	5.5	1.4	10.0㎎/ℓ 이하
냄새	없음	없음	없음
맛	무취, 무미	무취, 무미	무취, 무미
탁도	0.8	0.5	1 이하

실시예 2

또 다른 방법으로 경기도 양평군 지평면 송현리에 소재한 유림엔마텍 관리하에 있는 지하수(음용수)를 본원의 수처리 방법으로 실험하고자 한 것으로, 상기의 생물막분리조는 그대로 사용하고, 오염이 예상되는 지하수를 본원의 생물막여과조를 거치기 전, 초음파전해침전조에서 전처리 공정을 수행하기 위하여 초음파전해침전조를 직경(Ø) 2,500㎜, 높이(H) 3,000㎜ 크기로 마련하고 전처리를 실시한 후 초음파전해침전조를 거친 처리대상수에 10~50 ppm 범위의 오존농도를 갖도록 실시 예 1과 같은 방법으로 오염수의 처리 전, 후의 방류수를 분석하여 아래의 표 2의 결과를 얻었다.

[표 2]

검사항목	처리 전	처리 후	수질기준
총대장균	불검출	불검출	불검출/100㎎
암모니아성 질소	0.4	불검출	0.5㎎/ℓ 이하
질산성 질소	6	불검출	10.0㎎/ℓ 이하
냄새	없음	없음	없음
맛	없음	없음	없음
탁도	0.5	0.35	1 이하

도 1 : 본원의 기본구성인 오존처리반응조 및 상향여과식 생물막분리조의 예시도.

도 2 : 본원의 상향여과식 생물막분리조의 역세공정을 설명한 예시도.

도 3a : 본원의 오존처리반응조 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성의 예시도.

도 3b : 본원의 상향여과식 생물막분리조 기본구성에 전해장치가 추가되는 구성의 예시도.

도 3c : 본원의 오존처리반응조 및 상향여과식 생물막분리조 기본구성에 역삼투압여과장치가 추가되는 구성의 예시도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1 : 처리 대상수 10 : 오존처리반응조

11 : 격벽 12 : 배출구

13 : 펌프실 14 : 펌프

15 : 순환라인 16 : 공급라인

20 : 오존공급장치 21 :오존주입배관

22 : 오존주입밸브 23 : 오존분사관

24 : 오존농도 측정센서 30 : 내관

40 : 외관 41 : 블레이드

42 : 유출부 50 : 여과층

51 : 여재 52 : 스크린망

60 : 슬러지저류조 61 : 슬러지 인출배관

62 : 슬러지 인출펌프 70 : 잔류수저류조

71 : 스트레나(strainer) 72 : 잔류수 인출밸브

73 : 순환펌프 80 : 막 분리 여재층

81 : 에어분사노즐 82 : 월류벽

83 : 배출구 100 : 생물막분리조

110 : 여과수저류조 120 : 역삼투압여과장치

130 : 정제수저류조

Claims (5)

1. 강물이나 하천수, 지하수를 이용하여 음용이나 공업용수에 적합한 정수를 얻기 위한 수 처리방법에 있어서,

   음용수나 공업용수에 적합한 정제수를 얻기 위한 수 처리수단이 오존처리반응조와 상향여과식 생물막분리조를 포함하는 구성으로 제공되되, 오존처리반응조는 유입되는 처리대상수에 오존을 공급/희석하여 10~50 ppm 범위의 농도를 갖는 오존함유수를 만들어 상향여과식 생물막분리조(100)로 보내주는 수단으로 제공되고,

   상향여과식 생물막분리조는 그 중심부로 내관 및 외관 이중관 구조를 갖고 외관을 통하여 10~50 ppm 범위의 농도를 갖는 오존함유수가 유입되고 내관에는 역세를 위한 에어분사관을 내장하는 구성으로 제공되어 여과공정 수행 시에는 외관을 거쳐 유입되는 오존함유수가 상향여과식 생물막분리조 하부의 여재층을 거쳐 상부의 막 분리 여과층을 거쳐 배출되는 구성의 상향류식 여과공정이 실시될 때 오존함유수가 상향여과식 생물막분리조의 여과층에 충진되어 있는 여재층에 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O2)를 공급해줘서 여재층 활성화를 도모하고 여재층 사이를 지나는 처리 대상수 중의 불순물을 제거시킨 후 막 분리 여과층이나 역삼투여과장치(Reverse Osmosis System)를 통과시켜 배출되는 구성을 포함하여 제공되는 것을 특징으로 하는 수 처리방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 오존처리반응조에 전해장치가 추가되거나 상향여과식 생물막분리조에 전해장치가 추가되는 구성으로 제공되어 중금속 제거효과를 도모하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 수 처리 방법.
3. 삭제
4. 음용수나 공업용수에 적합한 정수(淨水)를 얻기 위한 수 처리장치에 있어서,

   수처리 장치가 오존공급수단과 상향여과식 생물막분리조를 포함하는 구성으로 제공되되, 오존공급수단은 유입되는 처리대상수에 오존을 공급/희석하여 일정농도의 오존함유수를 상향여과식 생물막분리조(100)로 보내주기 위해 오존주입배관(21)과 오존주입량조절밸브(22) 및 오존분사관(sub aerator: 23)을 갖고 처리대상수(1)를 상향여과식 생물막분리조로 공급시켜주는 오존공급수단을 갖고,

   상향여과식 생물막분리조는 그 중심부로 내관 및 외관 이중관 구조를 갖고 외관을 통하여 처리대상수가 유입되고 내관에는 역세를 위한 에어분사관을 내장하는 구성으로 제공되어, 여과공정 수행시에는 외관을 거쳐 유입되는 처리대상수가 상향여과식 생물막분리조 하부의 여재층을 거쳐 상부의 막분리 여과층을 거쳐 배출되는 구성의 상향류식 여과공정이 실시되고, 역세공정 수행시에는 내관 중심부에 있는 에어분사관을 이용하여 고압 공기를 상부로 불어줘서 하부 여재층을 상부로 끌어올렸다가 다시 분산시켜 떨어뜨려는 수단을 포함하여 이루어짐으로 여과 및 역세 기능을 갖도록 제공되고,

   오존함유수가 상향여과식 생물막분리조의 여과층에 충진되어 있는 여재층에 오존의 분해물인 발생기산소(?O) 및 산소(O₂)를 공급해줘서 여재층활성화를 도모하고 여재층 사이를 지나는 처리대상수 중의 불순물을 제거시킨 후 막 분리 여과층이나 역삼투여과장치(Reverse Osmosis System)를 통과시켜 배출되도록 제공되는 것을 특징으로 하는 수 처리장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 오존공급수단에 전해장치가 추가되어 중금속 제거효과를 도모하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 수 처리장치.

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