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본 이동형 정수시스템은 크게 부유물질과 일부 용존유기물질을 제거하는 ‘물리화학적 전처리공정’과 미량 유해물질 및 미생물을 제거하는 ‘흡착 및 소독공정’으로 나눌 수 있다.
물리화학적 전처리공정
부유물질 제거를 위한 원심분리기, 응집침전조 그리고 용존공기부상조로 구성되어 있으며, 홍수나 가뭄 등 비상시 고농도의 SS 및 탁도를 함유한 유입수에 대해 완벽한 SS 및 탁도 제거효율을 얻을 수 있다.
흡착 및 소독공정
미량 유해물질을 빠르게 흡착 제거하는 활성탄 흡착조와 병원성 미생물에 대한 소독력이 우수한 이산화염소 소독공정으로 구성되어 있다. 이러한 이동형 비상 정수시스템의 전체적인 공정흐름도는 다음과 같다.
기술의 특성 및 장점
본 이동형 비상정수 시스템의 전체 외관과 구성은 다음 [그림]과 같으며, 각 부분별 특성은 다음과 같다.
원심분리기
원심분리기는 (주)대현하이테크가 바다의 적조생물을 해수로부터 원심분리방식으로 제거하기 위해 개발한 특허 시스템으로서 원심분리 구조를 이용하여 유입수중 20㎛ 이상의 입자를 95%이상 분리시킴으로써 미생물, 부유입자, 모래, 뻘 등을 필터없이 연속분리할 수 있는 기술이다.
모든 수처리(정수장, 공장폐수, 하·폐수 처리장 등)에서 부유물을 제거해야 하는 1차 처리의 공정으로서 기존 방식보다 사용 대지면적, 토목공사 등을 대폭 줄일 수 있고, 2·3차 처리의 경비를 최소화시킬 수 있어 취수장, 정수장, 하수처리장 그리고 공업용수의 전처리 기술로서 획기적인 기술이다.
다음 [그림]은 기존 원심분리기와 당사의 원심분리기를 비교한 것으로, (주)대현하이테크의 원심분리기는 원심력의 증대를 위한 압력실을 두었으며, 펌프에 의해 형성된 압력수는 경사기공을 통한 분사형태의 회전원심력을 얻게 된다. 이를 통해 빠른 회전력을 얻게 됨과 동시에 부유물질끼리의 충돌횟수를 증대시킴으로써 비중차가 작은 부유물질의 처리효율을 크게 항상 시킬 수 있다.
본 원심분리기의 작동원리는 다음과 같다.
첫째, 취수정 원수가 약 2kg/㎠의 압력으로 가압 이송되어 압력실로 유입되며, 둘째, 압력실로 유입된 유입수는 경사진 기공의 노즐을 통과하면서 회전력을 얻게 된다. 셋째, 원심력(centrifugal)과 비중 차에 의해 물과 부유물질은 분리되며 분리된 일부의 물과 부유물질은 가장자리로 분리된다.
넷째, 분리된 부유물질은 분리관의 가장자리에서 아래로 하강한다. 다섯째, 분리관의 바닥으로 침강된 부유물질은 중력과 원심력의 합력에 의하여 슬러지 토출부로 배출되며, 여섯째, 부유물질과 분리된 처리수는 분리관의 중심부에서 소용돌이를 형성, 역류하여 분리관 상부의 분리관 상부로 배출된다.
본 시스템은 부유물질 제거에 있어 현장 테스트를 통해 그 처리효율을 인정받은 바 있으며(구산수산 처리, 남해 적조제거 등), 특허를 획득한 기술이다.
응집침전조
본 이동형 비상정수 시스템의 응집침전조는 1920년 Boycatt가 시험관을 기울이면 침전효율이 높아지게 되는 원리를 이용한 경사관 침전지로서 ‘플록형성단계’와 ‘침전단계’로 분류되며, 그 과정은 다음과 같다.
급속 혼화조 - 부유물질이 함유된 유입원수에 무기 응집제(PAC)와 침전 슬러지 일부를 순환시켜 급속 혼화·반응함으로서 최초 응집물을 형성한다.
완속혼화조 - 완속교반 조건하에서 고분자 응집제를 투입함으로서 미세 플럭이 침전이 용이할 수 있도록 거대화, 비중이 큰 플럭을 형성시킨다.
침전조 - 상향류 분리경사관을 통과하는 동안에 효율적인 고·액 분리가 이루어져 처리된 상등수는 상부의 웨어 및 수로를 통해 방류된다.
슬러지 처리 단계 - 침강된 슬러지 일부는 급속 반응조로 재순환되고 나머지는 농축 및 탈수 시설로 이송되어 처분된다.
이러한 응집장치 시스템은 최적의 응집반응 조건을 도출함으로써 침전효율이 좋은 비중이 큰 플록을 빠른 시간내에 형성시킬 뿐만 아니라, 침전조 상부에 설치된 경사관 모듈은 입자간의 침강거리가 짧아지게 되므로 침전처리효율을 증대시킬 수 있다. 즉, 다음 [그림]과 같이 수심이 H인 침전지에 경사관을 설치함으로써 지내 입자의 침강거리는 H에서 h로 짧아지게 됨에 따라 침전처리효율은 H/h배로 증대된다.
용존공기부상기
기존의 가압부상법에서 기포발생시스템은 전체 운전비의 약 50% 정도를 차지하며, 특히 가압탱크의 압력 유지에 많은 에너지가 소요된다. 또한 약 30∼80㎛정도의 미세기포를 발생시키는 가압식이 주된 공정으로 그 처리효율이 변동이 크고 수질이 불량하며, 가압조내식으로 운전됨으로써 전문적인 운전원이 필요하는 어려움 등이 있다.
그러나 본 이동형 비상정수 시스템에 설치된 용존공기부상기는 5∼15㎛까지의 초미세기포를 발생시킴으로써 슬러지의 부상처리 효율을 증가시키며, 이에 따른 시스템의 단순화 및 동력비 절감, 그리고 유지관리비의 절감을 이루었다. 이러한 초미세 발생장치의 모식도는 [그림]과 같다.
용존공기부상(UMB-DAF) 처리장치는 크게 공기주입, 압력펌프, 초미세기포 발생기 및 부상조의 네 가지 중요한 요소로 구성되었다.
첫째, 처리시간이 30분 이내로 기존의 침전방식(2∼4시간)보다 훨씬 짧고, 둘째, 소규모로 설치가 가능하여 처리장의 면적이 적게들며, 셋째, 완전 자동화 공정으로 정비를 단순화시킬 수 있고, 넷째, 이동식으로 장치가 가능하여 경제적인 장점을 가지고 있다. 그 흐름도를 기존 가압부상기 구성과 비교하여 다음 [그림]으로 나타내었다.
활성탄 흡착조
활성탄 흡착 공정은 코코넛 껍질이나, 석탄, 나무 등을 고온에서 탄화시켜 만든 활성탄 내부의 무수한 세공들을 이용하여 흡착이 가능한 유해물질들을 제거하는 것으로서, 과망간산칼륨 소비물질 등의 용해성 유기물질, 트리할로메탄 전구물질, 맛·냄새물질, 농약성분 등의 미량 유해물질을 제거할 수 있다.
(주)대현하이테크의 활성탄 흡착반응은 부유물질 및 일부 용해성 유기물질이 제거된 1차 처리수가 유입됨으로써 기존의 흡착조와 비교해서 높은 처리효율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 활성탄의 교체주기 및 역세주기를 충분히 확보할 수 있는 훨씬 경제적이다.
이산화염소 소독조
소독은 처리수 내에 존재하는 병원성 미생물과 잠재적으로 인체에 유해한 미생물을 제거하는 과정으로, 수원의 오염이 심각해지면서 소독시 THMs 및 기타 염소화합물이 생성되는 염소소독에 대한 문제점이 대두되고 있다.
이산화염소는 근래에 개발된 소독제로서 산화력이 매우 커서 오염물질의 분해능력과 살균력이 좋을 뿐만 아니라 유리염소와 비교할 때 pH 조절이 쉽고, 암모니아 또는 다른 질소화합물과 작용하지 않으므로 음용수에 맛과 냄새를 발생시키지 않는 장점이 있다. 또한 산화작용으로 THMs가 생성되지 않고 수중의 중금속까지도 제거시킬 수 있다.
본 이동형 비상정수 시스템에서의 소독공정은 NaClO2와 HCl를 이용한 이산화염소 발생기를 통하여 이산화염소를 생성시켜 사용하였으며, 그 반응식은 다음과 같다.
이러한 이산화염소 발생장치는 다량의 이산화염소 뿐만 아니라 필요에 따라 이산화염소 양과 염소의 양을 조절, 생산할 수 있어 효율적인 사용이 가능한 시스템이다. 특히, 이동형 비상정수 시스템은 효과적이고 빠른 살균작용을 요구되는 특수성 때문에 이산화염소의 소독공정은 경제적인 공정이 될 수 있다. 이러한 이산화염소의 특성을 다음 [표]에 나타내었다.
기존 정수시스템과의 비교
향후 기대효과
환경적 기대효과
소규모의 정수처리 기술개발로 고도 정수처리 및 대규모 정수처리 기술에 파급되어 환경친화성 기술 확립 효과를 비롯하여 읍면 단위 및 도서지역 식수난 해결 및 위생관리 효과, 무분별한 지하수 개발 및 채수 방지 효과, 읍면 단위 마을의 아파트(공동주택)건설 가능 효과를 기대할 수 있다.
또한 갈수기 및 재해 발생시 식수난 해결은 물론 별도의 후처리 공정없이 재이용 가능한 수준의 처리수 수질 확보(중수도 기준 만족)의 기대효과를 가져올 수 있다.
기술적 파급효과
소규모 정수처리 기술이 대도시 상수도용 대단위 정수장에 파급될 경우 불필요한 시설, 인력 절감은 물론 사용 응집제 및 소독제 원가 절감효과가 기대된다.
경제적 파급효과
소규모 정수처리 Unit시스템 상용화로 동남아시아, 중국 등에 시스템 수출효과 및 기술 수출이 가능하다.
적용 가능 분야
인구의 약 13%는 수돗물 보급 혜택을 받지 못하고 자체적인 수원과 정수시설을 이용하여 먹는물을 사용하고 있다. 그러나 이들 수원과 정수시설은 수질악화와 시설의 노후화로 먹는물 수질기준을 초과하는 곳이 많고 효과적인 관리가 이루어지지 않아 많은 위생상의 안전이 위협받고 있다.
또한 해마다 ‘루사’와 같은 태풍의 영향으로 상수도 시설이 침수 또는 파손뿐만 아니라 취수장과 정수장의 침수나 정전 등으로 정상적인 급수가 이뤄지지 않아 전국 22개 지역 10만7천758가구(39만8천989명)의 수돗물 공급이 중단되기도 하였다. 더 나아가 계속되는 극심한 가뭄으로 취수원의 수질악화에 따른 생물학적산소요구량(BOD)이 4급수로 떨어져 안정적인 수돗물공급대책에 어려움을 겪기도 했다.
따라서 ‘먹는물 수질기준’을 만족하면서 별도의 시설 증대 없이 현장에서 즉시 음용수를 급수할 수 있는 기술이 요구되는바, 당사에서는 부유입자를 원심분리기와 응집침전조 및 용존공기부상기를 통하여 부유물질 및 일부 용존물질을 응집침전하는 공정과 잔존 유해 미세입자를 제거하는 흡착공정 그리고 이산화염소를 통한 소독공정을 결합한 compact한 정수시스템을 개발하여, 보다 경제적이고 기동성 있는 비상정수 시스템을 개발하게 되었다.
본 개발 기술은 안정적인 처리수질은 물론, package형 소규모 설비에서 대규모 처리시설까지 쉽게 적용할 수 있는 현장 적용성과 간편한 운전법, 유동성과 기동성 등의 장점을 갖는 간이 상수도로서 기능을 가지고 있다.
적용 예
[현장 적용사례 1] '02년 9월 2일부터 9월 7일까지 6일간 강원도 강릉시 내곡동 현대아파트 수해지구 주민들을 대상으로 음용수를 제공했다(제공량100∼120㎥/일).
[현장 적용사례 2] '02년 8월 17일부터 8월 19일까지 3일간 경남 김해시 법수면 수해지구 주민들을 대상으로 음용수를 제공했다(제공량 120㎥/일).
[현장 적용사례 3] '01년 6월 13일부터 6월 19일까지 7일간 서울시 반포구 흑석동 구 조정경기장 한강변에서 중국 칭와대 총장을 비롯한 서울대 조순기 교수, 과학기술원 조정혁 박사 등에게 음용수를 제공하고 시연회를 가졌다.(음용수 제조량 5㎥/hr(120㎥/일).
[수출 상담 예] 중국과 M.O.U를 체결했다.
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