KR101778021B1 - 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수 유입수를 가압하는 가압 펌프; 상기 가압 펌프에 의해 가압된 해수 유입수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제1 역삼투 모듈; 상기 제1 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제2 역삼투 모듈; 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 장치; 감압된 해수 농축수가 활성층 측으로 공급되고, 폐수가 지지층으로 공급되어, 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 배출하는 압력지연삼투 모듈; 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 장치; 상기 제2 에너지 회수 장치에 의해 가압된 폐수 농축수를 공급받아 담수와 폐수 농축수를 배출하는 제3 역삼투 모듈; 및 상기 제3 역삼투 모듈에서 배출된 폐수 농축수와 제2 에너지 회수 장치을 거친 희석된 해수 농축수를 공급받아 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 배출하는 정삼투 모듈을 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치와, 이러한 장치가 적용될 수 있는 친환경 담수화 방법에 관한 것이다.

Description

정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템{ECO-FRIENDLY DESALINATION SYSTEM USING FORWARD OSMOSIS AND REVERSE OSMOSIS}
본 발명은 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역삼투 공정의 농축수가 가지는 화학 포텐셜을 이용하여 폐수를 정삼투 방법으로 처리하여 부피를 감소시키고, 역삼투 농축수의 염분 농도를 낮춰서 방류에 적합한 수질의 물을 만드는 친환경 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 산업 단지에서의 물 부족과 폐수 처리가 큰 문제로 지적되고 있다. 발전소나 제철소, 석유화학 단지 등에서는 다량의 공업 용수를 필요로 하는데, 최근 기후 변화와 물 수요의 증가로 인하여 기존 수자원으로는 이러한 공업용수 요구량을 만족시키지 못하는 경우가 증가하고 있다.
또한, 이러한 산업단지에서는 필연적으로 다량의 폐수가 발생하고 있으며, 이와 같이 발생하는 폐수의 양이 많은 경우에는 폐수를 처리하기 위한 처리 비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 방류수의 수질 기준을 만족시키기 어려운 경우가 다수 발생하고 있다.
이와 같은 공업 용수 부족에 대응하기 위한 기존의 방법으로는 산업단지 내에서 발생한 폐수를 막생물 반응조나 역삼투 등의 고도 처리 기술에 의해 재이용하는 방법과 해수나 기수 등 기존에 활용되지 못하던 수자원을 담수화 기술을 이용하여 활용하는 방법 등이 제안되고 있다.
그러나, 폐수의 재이용과 해수/기수의 담수화에는 많은 에너지 비용이 필요할 뿐 아니라 막 오염과 유지 관리 비용 증가 등의 문제가 발생하게 된다. 폐수 처리를 위한 역삼투 막은 빈번한 막 오염으로 세정과 교체를 자주 해주어야 하는 번거로움이 있으며, 담수화를 위해서는 4 kWh/m3 이상의 높은 에너지를 필요로 하므로, 기존의 방법으로는 공업 용수 부족에 완벽하게 대응하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 담수화 공정에서 필연적으로 발생하는 농축수는 상대적으로 높은 염분 농도를 가지고 있어서 인근 해역에 방류하는 경우 추가적인 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 역삼투 공정의 농축수가 가지는 화학 포텐셜을 이용하여 산업 단지에서 발생한 폐수를 정삼투 방법으로 처리하여 부피를 감소시키고, 역삼투 농축수의 염분 농도를 낮춰서 방류에 적합한 수질의 물을 만들 수 있는 담수화 기술이 개발되는 경우에는 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 본 발명의 한 측면은 역삼투-정삼투 융합에 의한 친환경 담수화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 역삼투-정삼투 융합에 의한 친환경 담수화 방법을 제공하는 것이다.
본 발병의 일 견지에 의하면, 해수 유입수를 가압하는 가압 펌프; 상기 가압 펌프에 의해 가압된 해수 유입수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제1 역삼투 모듈; 상기 제1 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제2 역삼투 모듈; 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 장치; 감압된 해수 농축수가 활성층 측으로 공급되고, 폐수가 지지층으로 공급되어, 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 배출하는 압력지연삼투 모듈; 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 장치; 상기 제2 에너지 회수 장치에 의해 가압된 폐수 농축수를 공급받아 담수와 폐수 농축수를 배출하는 제3 역삼투 모듈; 및 상기 제3 역삼투 모듈에서 배출된 폐수 농축수와 제2 에너지 회수 장치을 거친 희석된 해수 농축수를 공급받아 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 배출하는 정삼투 모듈을 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 해수 유입수를 가압하여 제1 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제1 역삼투 단계; 상기 제1 역삼투 단계에서 획득된 해수 농축수를 제2 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제2 역삼투 단계; 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 단계; 감압된 해수 농축수를 압력지연삼투 모듈의 활성층 측으로 공급하고, 폐수를 압력지연삼투 모듈의 지지층으로 공급하여 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 확득하는 압력지연삼투 단계; 상기 압력지연삼투 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 단계; 제2 에너지 회수 단계에 의해 가압된 폐수 농축수를 제3 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 폐수 농축수를 획득하는 제3 역삼투 단계; 및 상기 제3 역삼투 단계에서 획득한 폐수 농축수와, 제2 에너지 회수 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수를 정삼투 모듈에 공급하여 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 획득하는 단계를 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법이 제공된다.
본 발명에 의한 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템에 의하면, 산업단지에서 발생한 폐수를 해수담수화의 역삼투 공정이 가지고 있는 화학 포텐셜을 이용하여 정삼투 처리함으로써 부피를 감소시켜 폐수처리 비용을 절감할 수 있고, 해수담수화에서 발생하는 역삼투 농축수의 염분 농도를 조절하여 방류에 적합하도록 조절할 수 있으며, 산업 폐수 처리에서 발생할 수 있는 막 오염에 관한 문제를 정삼투 처리를 통해서 해결할 수 있고, 높은 삼투압을 가지는 역삼투 농축수를 유도 용액으로 이용함으로써 보다 많은 정삼투 플럭스를 향상시켜 경제성을 높일 수 있다. 나아가, 산업폐수를 정삼투 처리한 후 다시 역삼투 처리하여 높은 수질의 공업용수도 추가적으로 획득할 수 있다.
도 1은 예시적인 본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 역삼투 공정의 농축수가 가지는 화학 포텐셜을 이용하여 폐수를 정삼투 방법으로 처리하여 부피를 감소시키고, 역삼투 농축수의 염분 농도를 낮춰서 방류에 적합한 수질의 물을 만드는 친환경 담수화 시스템이 제공된다.
본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치는 해수 유입수를 가압하는 가압 펌프; 상기 가압 펌프에 의해 가압된 해수 유입수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제1 역삼투 모듈; 상기 제1 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제2 역삼투 모듈; 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 장치; 감압된 해수 농축수가 활성층 측으로 공급되고, 폐수가 지지층 측으로 공급되어, 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 배출하는 압력지연삼투 모듈; 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 장치; 상기 제2 에너지 회수 장치에 의해 가압된 폐수 농축수를 공급받아 담수와 폐수 농축수를 배출하는 제3 역삼투 모듈; 및 상기 제3 역삼투 모듈에서 배출된 폐수 농축수와 제2 에너지 회수 장치를 거친 희석된 해수 농축수를 공급받아 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 배출하는 정삼투 모듈을 포함하는 것이다.
도 1은 예시적인 본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 시스템을 도식적으로 나타낸 것으로, 도 1을 참고하면 해수 유입수(11)는 가압펌프(31)에 의하여 가압된 후에 제1 역삼투 모듈(21)과 제2 역삼투 모듈(22)을 거치며 처리되어 담수(15)를 생산하고, 생산된 담수(15)는 최종 처리수 이송 시설로 공급될 수 있다.
이때 상기 제2 역삼투 모듈로부터 획득된 농축수는 제1 에너지 회수장치(42)를 거치면서 에너지의 일부를 가압펌프(31)로 전달한 후, 압력지연삼투 모듈(23)로 공급된다. 압력지연삼투 모듈(23)의 지지층 쪽으로는 폐수(12)가 공급되며, 삼투압의 차이에 의하여 압력지연삼투 막모듈(23)에서 폐수의 일부가 해수 농축수 쪽으로 이동하여 해수를 희석한다.
이때, 상기 압력지연삼투 모듈(23)에서 희석된 해수 농축수는 제2 에너지 회수장치(41)을 거치면서 압력을 폐수 농축수에 전달한 후 정삼투 막모듈(24)으로 공급된다. 따라서, 압력지연삼투 모듈(23)로부터 나오는 폐수 농축수는 높은 압력을 가지게 되며, 이 압력을 이용하여 역삼투 모듈(25)을 구동할 수 있게 된다.
그 결과 폐수 처리를 위한 역삼투 모듈(25)은 추가적인 펌프나 에너지 공급 없이 해수 농축수가 가지는 화학 포텐셜(삼투압)에 의하여 운전되어 처리수(담수)를 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 처리수(담수, 15)는 최종 처리수 이송시설을 거쳐 공업 용수로 공급될 수 있다.
한편, 압력을 전달한 후의 희석된 해수 농축수는 정삼투 막모듈(24)에서 추가적으로 희석되며, 이때 역삼투 막모듈(25)의 농축수가 정삼투의 공급수로 사용되어 해수 농축수의 염분 농도를 낮추는데 활용된다. 최종적으로 희석된 해수 농축수(13)는 농축수 방류 시설로 보내지질 수 있고, 농축된 폐수는 폐수 농축수(14) 배출 시설로 이동된 후 폐수 처리장에서 최종 처리될 수 있다.
본 발명의 역삼투 가압 펌프(31)는 고압 펌프인 것이 바람직하며, 상기 고압이란 해수담수화 공정에서 일반적으로 사용되는 25기압 이상 85기압 이하의 압력을 의미한다.
*
본 발명에 있어서, 상기 압력지연삼투 모듈(23)은 폐수 유입수(12)로부터 공급된 폐수 내의 오염 물질을 막의 표면으로 이동시켜 막 표면에 가역적인 케이크 층을 형성하게 하고, 이를 통하여 후단의 역삼투 모듈(25)에서의 막 오염을 완화시키는 역할을 할 수 있다.
한편, 상기 정삼투 모듈(24)은 이에 공급된 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수의 삼투압 차이를 이용하여, 폐수의 부피를 감량함과 동시에 해수 농축수의 염분 농도를 낮추어 방류에 적합한 상태의 배출수를 획득할 수 있다.
나아가, 본 발명의 친환경 담수화 장치는 상기 제1 역삼투 모듈 전단에 해수 유입수의 전도도를 측정하는 장치를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전도도 측정 장치는 해수 유입수의 염분 농도를 측정하여 제2 역삼투 단계에서의 회수율을 조절할 수 있도록 하는 것으로, 제 2 역삼투 단계의 회수율(Re2)은 다음의 식(1)로부터 계산할 수 있다.
*
Figure 112016019141850-pat00001
...식(1)
상기 식(1)에서, a1 내지 d1의 값 및 CD의 정의는 하기와 같다:
a1: 8.01 × 10-11
b1: -50.64580519
c1: 112.4839503
d1: 2.558 × 10-6
CD: 해수의 전도도(μS/cm)
한편, T는 유입수 온도, P1은 제 1 역삼투 공정의 작동압력 (bar), P2,max는 제 2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력(bar), PNDP은 역삼투 공정의 순수작동압력(bar), Re1는 제 1 역삼투 회수율 및 Re2는 제 2 역삼투 회수율을 나타내는 것이다.
이때, 상기 유입수 온도 (T, ℃)는 특히 제한되는 것은 아니나, 0 내지 100 ℃ 것이 바람직하고, 0 초과 100 ℃ 미만인 것이 더욱 바람직하며, 0 초과 50 ℃ 이하인 것이 보다 바람직하다.
상기 제 1 역삼투 공정의 작동압력 (P1, bar)은 20 내지 80 bar 인 것이 바람직하며, 30 내지 70 bar 인 것이 보다 바람직하다. 이때 상기 제 1 역삼투 공정의 작동압력이 20 bar 미만인 경우에는 해수의 삼투압보다 낮아져서 후단에서 물이 배출되기 어렵고, 80 bar를 초과하는 경우에는 압력이 과도하게 적용되어 공정 경제 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.
상기 제 2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력 (P2,max, bar) 은 10 내지 40 bar 인 것이 바람직하며, 20 내지 30 bar 인 것이 보다 바람직하다. 이때 상기 제 2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력이 10 bar 미만인 경우에는 후단에서 물이 배출되기 어렵고, 40 bar를 초과하는 경우에는 압력이 과도하게 적용되어 공정 경제 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.
상기 역삼투 공정의 순수작동압력(PNDP)은 2 내지 15 bar 인 것이 바람직하며, 5 내지 10 bar인 것이 보다 바람직하다. 이때 상기 역삼투 공정의 순수작동압력이 2 bar 미만인 경우에는 후단에서 물이 배출되기 어렵고, 15 bar를 초과하는 경우에는 운전 플럭스가 과도하게 상승하여 파울링이 빨라질 수 있다.
한편, 상기 제 1 역삼투 회수율(Re1)은 20% 내지 50%인 것으로, 즉 0.2 내지 0.5인것이 바람직하며, 20% 미만인 경우 공정 경제가 저하되고, 50%를 초과하는 경우에는 회수율 상승을 위해 요구되는 에너지의 소모량이 더욱 크게 증가하여 공정 경제 상 바람직하지 않다.
예를 들어, 상기 전기전도도가 50,000 μS/cm이고, 제1 역삼투 공정의 회수율이 40%(즉, 0.4), 제 1 역삼투 공정의 작동압력이 60 bar, 유입수 온도가 25 oC이고 순수작동압력이 5 bar, 제 2 역삼투 부스터 펌프의 최대작동압력이 20 bar이라고 하면 제2 역삼투 공정의 회수율은 위의 식에서 47.6%(즉, 0.476) 이하로 결정될 수 있다.
즉, 이와 같이 추가된 전도도 측정 장치(51)는 유입 해수의 염분 농도에 따라서 부스터 펌프(32)의 최대 작동 압력을 고려하여, 제2 역삼투 막모듈(22)의 회수율을 상술한 바와 같은 범위 내로 자동적으로 조절할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 제1 에너지 회수 장치는 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력의 50 내지 70%, 바람직하게는 50 내지 60%를 감압하는 것이 바람직하다. 이는 압력지연삼투에서 최대의 에너지 생산량을 얻기 위해서는 유입되는 해수 농축수의 삼투압의 50%에 해당하는 압력으로 운전해야 하기 때문이다. 예를 들어 제1 역삼투 공정의 농축수 압력이 60 bar이고 삼투압이 54 bar이라고 하면, 상기 제 1 에너지 회수장치는 33 bar의 압력(약 55%)을 회수하여 제 1 고압펌프에 전달하고, 28 bar의 압력을 가진 농축수를 압력지연삼투로 보내야 한다. 따라서 해수 농축수의 압력에서 50 내지 70%를 감압하면 삼투압의 50%에 해당하는 압력을 얻을 수 있으며, 이 압력은 압력지연삼투로 전달되어 추가적인 에너지를 발생시키기 위하여 사용된다.
이때 사용될 수 있는 상기 제1 에너지 회수 장치는 터보차저식(TC, Turbo charger) 에너지 회수 장치인 것이 바람직하며, 터보차저형 에너지 회수장치(42)는 2단 역삼투 막모듈(22)로부터의 농축수가 가지고 있는 압력의 약 50%만을 회수하여 압력이 약 1/2로 낮아진 해수 농축수가 압력지연삼투 모듈(23)으로 공급되도록 할 수 있다.
한편, 상기 제2 에너지 회수 장치는 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 약 100%를 회수하여 폐수 농축수에 전달하는 것이 바람직하다. 상기 제2 에너지 회수 장치는 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 90% 이상을 회수하는 것이 바람직하나, 보다 바람직하게는 100%의 압력을 회수하는 것이다.
이때 사용될 수 있는 상기 제2 에너지 회수 장치는 용적식 에너지 회수 장치인 것이 바람직하다. 상기 용적식 에너지 회수장치(41)는 압력지연삼투 막모듈(23)로부터 생산되는 희석된 해수가 가지고 있는 압력의 90 내지 100%를 회수하여 압력지연삼투 모듈로부터 나오는 폐수 농축수로 전달함으로써 후단의 역삼투 막모듈(25)이 추가적인 고압 펌프 없이 작동이 가능하도록 할 수 있다.
도 1을 참고하면, 상기 제2 에너지 회수 장치(41)는 용적식 에너지 회수장치로서 왼쪽 상단에 공급된 물은 왼쪽 하단으로 흐르고, 오른쪽 상단으로 간 물은 오른쪽 하단으로 흐르게 되며, 이때 이들 물의 흐름이 서로 섞이지는 않고, 압력만이 전달된다. 따라서, 오른쪽 상단으로 들어오는 희석된 해수 농축수는 오른쪽 하단으로 배출될 때 대기압으로 압력이 낮아지고, 왼쪽 상단으로 들어오는 폐수 농축수는 유입 시 대기압을 가지지만 왼쪽 하단으로 배출될 때는 대기압보다 높은 기압을 가지게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 폐수는 발전 공정, 제철 공정, 석유화학 공정, 피혁 제조 공정, 제지 제조 공정, 섬유 화학 공정 및 금속 가공 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공정에서 배출된 산업 폐수로부터 고형분을 제거한 것이나, 이에 특히 제한되는 것은 아니며, 다양한 산업 분야에서 배출되는 각종 폐수로부터 고형분을 제거하여 사용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 역삼투 공정의 농축수가 가지는 화학 포텐셜을 이용하여 산업단지에서 발생한 폐수를 정삼투 방법으로 처리하여 부피를 감소시키고, 역삼투 농축수의 염분 농도를 낮춰서 방류에 적합한 수질의 물을 획득할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기와 같은 담수화 장치가 적용될 수 있는 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법이 제공된다. 본 발명의 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법은 해수 유입수를 가압하여 제1 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제1 역삼투 단계; 상기 제1 역삼투 단계에서 획득된 해수 농축수를 제2 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제2 역삼투 단계; 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 단계; 감압된 해수 농축수를 압력지연삼투 모듈의 활성층 측으로 공급하고, 폐수를 압력지연삼투 모듈의 지지층으로 공급하여 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 확득하는 압력지연삼투 단계; 상기 압력지연삼투 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 단계; 제2 에너지 회수 단계에 의해 가압된 폐수 농축수를 제3 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 폐수 농축수를 획득하는 제3 역삼투 단계; 및 상기 제3 역삼투 단계에서 획득한 폐수 농축수와, 제2 에너지 회수 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수를 정삼투 모듈에 공급하여 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 획득하는 단계를 포함한다.
나아가, 본 발명의 담수화 단계는 상기 해수 유입수의 염분 농도를 측정하여 제2 역삼투 단계에서의 회수율을 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 제 2 역삼투 단계의 회수율은 상기의 식 (1)로부터 계산할 수 있다.
즉, 이와 같은 염분 농도는 전도도 측정 장치(51)에 의해 측정될 수 있으며, 전도도 측정 장치의 종류는 특히 제한되는 것은 아니다. 이때, 상기 전도도 측정 장치는 유입 해수의 염분 농도에 따라서 부스터 펌프(32)의 최대 작동 압력을 고려하여, 제2 역삼투 막모듈(22)의 회수율을 상술한 바와 같은 범위 내로 자동적으로 조절할 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 에너지 회수 단계는 상기 제2 역삼투 단계로부터 획득된 해수 농축수에 가해진 압력의 30~50%를 감압하는 것이 바람직하다. 이는 압력지연삼투에서 최대의 에너지 생산량을 얻기 위해서는 유입되는 해수 농축수의 삼투압의 50%에 해당하는 압력으로 운전해야 하기 때문이다. 즉, 해수 농축수의 압력에서 50 내지 70%를 감압하면 삼투압의 50%에 해당하는 압력을 얻을 수 있으며, 이 압력은 압력지연삼투로 전달되어 추가적인 에너지를 발생시키기 위하여 사용된다.
이때 사용될 수 있는 상기 제1 에너지 회수 장치는 터보차저식(TC, Turbo charger) 에너지 회수 장치인 것이 바람직하며, 터보차저형 에너지 회수장치(42)는 2단 역삼투 막모듈(22)으로부터의 농축수가 가지고 있는 압력의 약 50%만을 회수하여 압력이 약 1/2로 낮아진 해수 농축수가 압력지연삼투 모듈(23)으로 공급되도록 할 수 있다.
한편, 상기 제2 에너지 회수 단계는 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 약 100%를 회수하여 폐수 농축수에 전달하는 것이 바람직하다. 상기 제2 에너지 회수 단계는 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 90% 이상을 회수하는 것이 바람직하나, 보다 바람직하게는 100%의 압력을 회수하는 것이다.
이때 사용될 수 있는 상기 제2 에너지 회수 장치는 용적식 에너지 회수 장치인 것이 바람직하다. 상기 용적식 에너지 회수장치(41)는 압력지연삼투 막모듈(23)로부터 생산되는 희석된 해수가 가지고 있는 압력의 100%를 회수하여 압력지연삼투 모듈로부터 나오는 폐수 농축수로 전달함으로써 후단의 역삼투 막모듈(25)이 추가적인 고압 펌프 없이 작동이 가능하도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 폐수는 발전 공정, 제철 공정, 석유화학 공정, 피혁 제조 공정, 제지 제조 공정, 섬유 화학 공정 및 금속 가공 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공정에서 배출된 산업 폐수로부터 고형분을 제거한 것이나, 이에 특히 제한되는 것은 아니며, 다양한 산업 분야에서 배출되는 각종 폐수로부터 고형분을 제거하여 사용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
하루 2000 m3/day의 물을 사용하고 2000 m3/day의 폐수가 발생하는 제철공장에서 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 담수화 시스템을 적용하여 운전하였으며, 그 결과는 하기와 같았다.
- 해수 취수: 25000 m3/day, TDS = 30,000 mg/L
- 2단 역삼투에 의한 해수담수화에 의한 물 생산: 1500 m3/day
- 역삼투 농축수 발생량: 1000 m3/day, TDS = 75,000 mg/L
- 압력지연삼투에 공급된 폐수 유량: 1000 m3/day
- 압력지연삼투에 의한 압력 발생: 23 bar
- 압력지연삼투에 의한 희석된 해수 농축수 농도: 50,000 mg/L
- 압력지연삼투에 의하여 처리된 폐수: 500 m3/day
- 추가 역삼투에 의하여 추가 처리된 폐수: 1050 m3/day
- 정삼투에 의하여 최종적으로 농축된 폐수: 180 m3/day
- 정삼투에 의하여 최종적으로 희석된 해수: 1770 m3/day, TDS = 42,300 mg/L
상기 결과에 기초하면, 본 발명의 감수화 시스템을 적용하는 경우에는 폐수의 발생량이 91% 감소하였으며, 해수의 염분 농도는 56% 수준으로 낮아져서 방류에 적합하게 되는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
11: 해수 유입수
12: 재이용(폐수) 유입수
13: 해수 농축수
14: 폐수 농축수
15: 담수(처리수)
21: 제1 역삼투 모듈
22: 제2 역삼투 모듈
23: 압력지연삼투 모듈
24: 정삼투 모듈
25: 제3 역삼투 막모듈
31: 역삼투 가압 펌프
32: 부스터 펌프
41: 제2(용적식) 에너지회수장치
42: 제1(터보차저식) 에너지회수장치
51: 전도도 측정장치

Claims (15)

  1. 해수 유입수를 가압하는 가압 펌프;
    상기 가압 펌프에 의해 가압된 해수 유입수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제1 역삼투 모듈;
    상기 제1 역삼투 모듈에서 배출된 해수 농축수를 공급받아 담수와 해수 농축수를 배출하는 제2 역삼투 모듈;
    상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 장치;
    감압된 해수 농축수가 활성층 측으로 공급되고, 폐수가 지지층으로 공급되어, 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 배출하는 압력지연삼투 모듈;
    압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 장치;
    상기 제2 에너지 회수 장치에 의해 가압된 폐수 농축수를 공급받아 담수와 폐수 농축수를 배출하는 제3 역삼투 모듈;
    상기 제3 역삼투 모듈에서 배출된 폐수 농축수와 제2 에너지 회수 장치를 거친 희석된 해수 농축수를 공급받아 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 배출하는 정삼투 모듈; 및
    제1 역삼투 모듈 전단에 해수 유입수의 전도도를 측정하는 장치를 포함하며,
    상기 전도도를 측정하는 장치는 해수 유입수의 염분 농도를 전기 전도도로 측정하여 제2 역삼투 모듈의 회수율을 하기 식(1)을 이용하여 조절하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치:
    Figure 112017077705648-pat00004
    ...식(1)
    상기 식(1)에서, CD는 해수의 전도도(μS/cm)이고, a1은 8.01 × 10-11, b1은 -50.64580519, c1은 112.4839503 및 d1은 2.558 × 10-6,
    상기 T(℃)는 유입수 온도, 상기 P1(bar)는 제 1 역삼투 공정의 작동압력, 상기 P2,max(bar)는 제2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력, 상기 PNDP(bar)는 역삼투 공정의 순수작동압력 PNDP(bar), 상기 Re1은 제 1 역삼투 회수율이다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 회수 장치는 상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력의 50% 내지 70%를 감압하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 에너지 회수 장치는 터보차저식(TC, Turbo charger) 에너지 회수 장치인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 에너지 회수 장치는 압력지연삼투 모듈에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 100%를 회수하여 폐수 농축수에 전달하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 에너지 회수 장치는 용적식 에너지 회수 장치인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 폐수는 발전 공정, 제철 공정, 석유화학 공정, 피혁 제조 공정, 제지 제조 공정, 섬유 화학 공정 및 금속 가공 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공정에서 배출된 산업 폐수로부터 고형분을 제거한 폐수인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 장치.
  8. 해수 유입수를 가압하여 제1 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제1 역삼투 단계;
    상기 제1 역삼투 단계에서 획득된 해수 농축수를 제2 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 해수 농축수를 획득하는 제2 역삼투 단계;
    상기 제2 역삼투 모듈로부터 배출된 해수 농축수에 가해진 압력을 감압하여 에너지를 회수하는 제1 에너지 회수 단계;
    감압된 해수 농축수를 압력지연삼투 모듈의 활성층 측으로 공급하고, 폐수를 압력지연삼투 모듈의 지지층으로 공급하여 희석된 해수 농축수 및 폐수 농축수를 획득하는 압력지연삼투 단계;
    상기 압력지연삼투 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수의 압력을 폐수 농축수에 전달하는 제2 에너지 회수 단계;
    제2 에너지 회수 단계에 의해 가압된 폐수 농축수를 제3 역삼투 모듈에 공급하여 담수와 폐수 농축수를 획득하는 제3 역삼투 단계;
    상기 제3 역삼투 단계에서 획득한 폐수 농축수와, 제2 에너지 회수 단계에서 획득한 희석된 해수 농축수를 정삼투 모듈에 공급하여 추가로 희석된 해수 농축수와 폐수 농축수를 획득하는 단계; 및
    해수 유입수의 염분 농도를 전기 전도도로 측정하여 제2 역삼투 단계에서의 회수율을 하기 식(1)을 이용하여 조절하는 단계를 포함하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법:
    Figure 112017077705648-pat00005
    ...식(1)
    상기 식(1)에서, CD는 해수의 전도도(μS/cm)이고, a1은 8.01 × 10-11, b1은 -50.64580519, c1은 112.4839503 및 d1은 2.558 × 10-6,
    상기 T(℃)는 유입수 온도, 상기 P1(bar)는 제 1 역삼투 공정의 작동압력, 상기 P2,max(bar)는 제 2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력, 상기 PNDP(bar)는 역삼투 공정의 순수작동압력 PNDP(bar), 상기 Re1은 제 1 역삼투 회수율이다.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유입수 온도 T(℃)는 0 ℃초과 100 ℃ 미만이고,
    상기 제 1 역삼투 공정의 작동압력 P1(bar)은 20 내지 80 bar이고,
    상기 제 2 역삼투 공정의 부스터 펌프의 최대 작동압력 P2,max(bar)는 10 내지 80 bar이고,
    상기 역삼투 공정의 순수작동압력 PNDP(bar)는 2 내지 15 bar 이고,
    상기 제 1 역삼투 회수율 Re1은 0.2 내지 0.5인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 에너지 회수 단계는 상기 제2 역삼투 단계로부터 획득된 해수 농축수에 가해진 압력의 50%를 감압하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 에너지 회수 단계는 터보차저식(TC, Turbo charger) 에너지 회수 장치에 의해 수행되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제2 에너지 회수 단계는 압력지연삼투 단계에서 배출되는 희석된 해수 농축수 압력의 100%를 회수하여 폐수 농축수에 전달하는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 제2 에너지 회수 단계는 용적식 에너지 회수 장치에 의해 수행되는, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 폐수는 발전 공정, 제철 공정, 석유화학 공정, 피혁 제조 공정, 제지 제조 공정, 섬유 화학 공정 및 금속 가공 공정으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 공정에서 배출된 산업 폐수로부터 고형분을 제거한 폐수인, 정삼투 및 역삼투를 이용한 친환경 담수화 방법.
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