하이브리드 담수화 장치 및 방법{Hybrid distillation device and method}

본 발명은 하이브리드 담수화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Thermal 공정에서 배출되는 염수를 FO 공정에 이용하여 비용을 저감하고, Thermal 공정에서 배출되는 고온의 열을 RO 공정에 이용하여 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 담수화 장치 및 방법에 관한 것이다.

세계적으로 인구의 증가와 생활수준의 향상으로 인한 물수요 증가, 기상이변 등으로 인한 강우의 지역적인 편중으로 물부족 지역이 확대됨에 따라 현재 전세계 인구의 약 40%가 식수난을 겪고 있으며, 우리나라도 지표수 및 지하수의 오염 등으로 인하여 식수 부족 현상이 가중될 전망이다.

이러한 이유로 해수를 담수화시키는 다양한 방법이 개발되고 있으며, 그 종류로는 열원을 이용하는 증발법, 삼투현상을 이용하는 정삼투 및 역삼투법 등이 있으며, 이외에도 전기투석법, 결정화법, 이온교환막법, 용제추출법, 가압흡착법 등이 있다.

증발법 중에서도 다단증발법(Multi-Stage Flash, MSF)과 다중효용법(Multi-EffectDistillation, MED), 역삼투법(Reverse Osmosis)이 해수의 담수화에 대표적으로 적용되고 있다(이하에서는 MSF 및 MED 공정을 Thermal 공정이라고 정의함).

최근에는 해수담수화 플랜트의 효율 향상을 위해 다단증발법 또는 다중효용법과 역삼투법을 혼용하여 담수를 생산하는 하이브리드 방식이 적용되기도 한다.

그런데 이러한 종래의 하이브리드 방식은 열원을 제공하기 위해 화력 발전 설비 등과 인접해서 설치되어야 유리하므로 단독으로 하이브리드 발전 플랜트를 설치하는데 한계가 있다. 또한, 하이브리드 방식이라 하더라도Thermal 공정과 역삼투 공정이 통합적으로 운영되는 것이 아니라 단독적으로 운영되는 경우가 대부분이어서 하이브리드 방식의 장점을 제대로 발휘하지 못하는 문제가 있다.

이에 한국특허공개 2011-0134591에 개시된 바와 같은 정삼투식 해수 담수화 장치를 기존의 하이브리드 시스템에 적용하여 기존 하이브리드 해수 담수화 시스템의 문제를 해결하고, 담수화 효율을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명의 목적은 Thermal 공정에서 배출되는 염수를 FO 공정에 이용하여 비용을 저감하고, Thermal 공정에서 배출되는 고온의 열을 RO 공정에 이용하여 효율을 향상시킬 수 있는 하이브리드 담수화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 하이브리드 담수화 장치는, 취수된 해수를 증발시켜 담수화하는 방식의 Thermal 공정 유닛과, 역삼투 방식으로 상기 해수를 담수화하는 역삼투 공정 유닛과, 정삼투 방식으로 상기 해수를 담수화하는 정삼투 공정 유닛을 포함하며, 상기 역삼투 공정 유닛 및 정삼투 공정 유닛은 병렬 배치되어 상기 해수가 상기 역삼투 공정 유닛 및 정삼투 공정 유닛으로 각각 투입되고, 상기 Thermal 공정 유닛은 상기 정삼투 공정 유닛의 후단에 배치되며, 상기 정삼투 공정 유닛은 상기 Thermal 공정 유닛 및 역삼투 공정 유닛으로부터 배출되는 염수 를 유도 용액으로 하여 상기 해수를 담수화하는 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 Thermal 공정 유닛 및 역삼투 공정 유닛으로부터 생산되는 처리수의 TDS(Total Dissolved Solids, 용존고형물)를 목표 TDS가 되도록 혼합 처리하는 최종처리유닛을 포함한다.

상기 취수된 해수는 해수공급라인을 통해 투입되는 것을 특징으로 한다.

상기 염수의 TDS를 목표 TDS에 맞게 혼합하여 상기 정삼투 공정 유닛으로 공급하는 염수농도조절부를 더 포함한다.

상기 역삼투 공정 유닛은 상기 취수된 해수를 공급받아 전처리하는 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 Thermal 공정 유닛은 상기 취수된 해수를 공급받아 전처리하는 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 역삼투 공정 유닛은 상기 해수를 전처리하는 보조 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 Thermal 공정 유닛의 폐열을 회수하여 상기 역삼투 공정 유닛으로 공급하는 폐열회수수단을 더 포함한다.

상기 역삼투 공정 유닛은 복수 개인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 해수를 취수하는 단계(S100)와, 상기 해수가 병렬 배치된 역삼투 공정 유닛 및 정삼투 공정 유닛으로 각각 공급되어 처리되는 단계(S200, S300)와, 상기 정삼투 공정 유닛에서 생산된 처리수가 Thermal 공정 유닛으로 투입되어 담수화되는 단계(S400)와, 상기 역삼투 공정 유닛에서 생산된 처리수 및 상기 Thermal 공정 유닛에서 생산된 담수의 TDS를 최종처리유닛에서 조절하는 단계(S500)와, 상기 최종처리유닛을 거친 상기 담수를 최종 공급하는 단계(S600)를 포함하는 하이브리드 담수화 방법을 제공한다.

상기 S200 단계 이후에 상기 역삼투 공정에서 생산된 상기 처리수의 TDS를 판단하는 단계(S250)를 더 포함한다.

상기 S250 단계에서 상기 역삼투 공정 유닛에서 생산된 상기 처리수의 TDS가 목표값 이하이면 상기 처리수를 상기 최종처리유닛으로 보내는 것을 특징으로 한다.

상기 S250 단계에서 상기 역삼투 공정 유닛에서 생산된 상기 처리수의 TDS가 목표값 이상이면 추가적인 역삼투 공정을 거치는 단계(S270)를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 담수화 장치 및 방법은 Thermal 공정에서 배출되는 염수를 FO 공정의 유도 용액(draw solution)으로 이용하여 비용을 저감하고, Thermal 공정에서 배출되는 고온의 열을 RO 공정에 이용함으로써 효율을 향상시킴과 동시에 에너지 사용량을 저감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 담수화 장치를 도시한 블럭도,
도 2는 도 1에 따른 하이브리드 담수화 방법을 도시한 순서도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 담수화 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

일반적으로 물은 총 용존고형물(Total Dissolved Solids, TDS)의 농도에 따라 구분할 수 있으며, TDS가 약 1만~5만mg/l(ppm)인 것을 해수, 1천~1만mg/l인 것을 기수, 300mg/l 이하인 것을 담수라고 한다. 담수화의 원수가 되는 것은 해수나 기수 또는 일반 담수 보다 염분이 높은 표류수나 지하수를 대상으로 한다(이하에서는 편의상 해수를 처리하는 예를 기준으로 설명하기로 하나, 여기서 정의하는 해수는 전술한 기수나 표류수, 지하수와 치환될 수 있는 개념으로 이해되어야 함).

먼저 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 담수화 장치에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 담수화 장치를 도시한 블럭도 이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 담수화 장치(10)는 크게 Thermal 공정 유닛(200)과, 정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정 유닛(300)과, 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공정 유닛(400)으로 구성된다. 역삼투 공정 유닛(400)과 정삼투 공정 유닛(300)은 병렬 배치되되 역삼투 공정 유닛(400)에서 배출되는 염수가 정삼투 공정 유닛(300)으로 배출되도록 배치되고, 정삼투 공정 유닛(400)의 후단에 Thermal 공정 유닛(200)이 배치되는 형태로 구현될 수 있다.

취수된 해수는 정삼투 공정 유닛(300) 및 역삼투 공정 유닛(400)으로 각각 투입되어 처리되고, Thermal 공정 유닛(200)에서 처리된 고동노의 염수는 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입되며, 정삼투 공정 유닛(300)을 거친 처리수는 Thermal 공정 유닛(200)으로 투입되어 처리된다. 취수된 해수는 해수공급라인(100)을 통해 정삼투 공정 유닛(300) 및 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급된다. Thermal 공정 유닛(200), 정삼투 공정 유닛(300) 및 역삼투 공정 유닛(400) 각각에서 담수화된 처리수는 처리수 배출 라인(600)을 통해 최종처리유닛(700)으로 공급되고, 고농도의 염수는 염수 라인(500)을 통해 회수되고 재활용된다(각 유닛의 기본 구성에 대한 이해는 당업자에게 자명한 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 함).

Thermal 공정 유닛(200)은 다단증발(MSF) 또는 다중효용(MED) 방식의 담수화설비일 수 있으며, 크게 전처리부(210), 증기발생부(230), 열교환부(250)로 구성된다.

전처리부(210)에서는 취수된 해수를 화학적으로 전처리함으로써 스케일(scale), 폼(foam), 염소(chlorine) 등을 제거한 공급수를 만들어 증기발생부(230)로 공급한다.

그러나 본 실시 예에서는 역삼투 공정 유닛(400)이 Thermal 공정 유닛(200)의 전단에 배치되므로, 역삼투 공정 유닛(400)은 전처리부(410)를 포함하고 Thermal 공정 유닛(200)에서는 전처리부를 생략함으로써 하나의 전처리부를 통해 하이브리드 담수화 장치(10'')로 공급되는 해수의 전처리를 완료할 수 있다. 즉, 역삼투 공정 유닛(400)에서 스케일 인자를 제거함으로써 Thermal 공정 유닛(200)에서는 온도 상승에 따른 스팀 코스트(steam cost)가 줄어들고, 온도가 상승해도 스케일 제거 비용이 증가하지 않으므로 운항변동비(OPEX)를 절감하고 처리수 생산량은 증가시킬 수 있다.

증기발생부(230)에서는 공급수를 증발시켜 증기로 만들고, 열교환부(250)에서 증기와 열교환해 담수를 생산한다. Thermal 공정 유닛(200)에서 생산된 담수는 최종처리유닛(700)으로 공급되며, 생산된 담수의 TDS는 10ppm 이하이다.

그러나, Thermal 공정 유닛(200)에서 담수를 생산한 후 발생되는 염수(brine)는 보통 섭씨 46도 정도에 TDS가 61,000~63,000ppm에 이르는 고농도의 염수이다. 이렇게 발생된 고농도의 염수는 TDS 조절을 거쳐 정삼투 공정 유닛(300)으로 공급된다.

정삼투 공정 유닛(300)은 정삼투막을 사이에 두고 고농도의 유도 용액(draw solution)과 해수를 접하게 하여 해수 중의 담수를 유도 용액으로 흡수시키는 정삼투막 모듈(310)과, 정삼투막 모듈(310)에서 유도 용액으로 흡수된 담수를 분리하는 담수분리 모듈(330)로 구성된다. 유도 용액과 처리해야 할 해수와의 삼투압 차이가 클수록 해수 중의 담수의 추출이 용이하므로, 전술한 바와 같이, 정삼투막 모듈(310)에 사용되는 유도 용액에 Thermal 공정 유닛(200)에서 발생된 고농도의 염수를 투입해 사용하는 방법을 제시한다. 정삼투 공정 유닛(300)에서 분리된 담수의 TDS가 음용수 기준(TDS 100~200ppm)이나 담수 기준에 적합한 경우, 처리수는 바로 최종처리유닛(700)으로 공급된다. 분리된 담수가 담수 기준이나 음용수 기준에 다소 못 미치는 경우 처리수는 Thermal 공정 유닛(200)으로 공급되어 재처리된다.

또는, 도면에 도시하지는 않았으나 정삼투 공정 유닛(300)에서 분리된 담수의 TDS에 상관없이 처리수를 Thermal 공정 유닛(200) 또는 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급할 수도 있다.

Thermal 공정 유닛(200)에서 발생된 고농도의 염수가 정삼투 공정 유닛(300)에서 활용되므로 환경적인 악영향을 줄일 수 있으며, 유도 용액을 별도로 구비하는 비용을 절감할 수 있다.

한편, 역삼투 공정 유닛(400)은 취수된 해수를 전처리하는 전처리부(410)와, 고압 펌프를 사용해 고압을 가하는 역삼투 방식으로 담수를 분리하는 역삼투막 모듈(430)과, 분리된 담수를 후처리하는 후처리부(450)로 구성된다. 역삼투 공정의 전처리 역시 스케일 및 폼, 염소 제거 등과 응고에 의한 오염물 제거, pH 조절 등을 위해 화학 약품을 투입하여 이루어지며, 이는 전술한 Thermal 공정 유닛(200)의 전처리 과정과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 다만, 본 발명에서는 Thermal 공정 유닛(200)의 전처리 과정이 역삼투 공정에서 이루어지는 것을 기본으로 한다. 그러나 해수가 역삼투 공정 유닛(400)으로 유입되지 않고 Thermal 공정 유닛(200)에서 처리된 처리수를 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급하여 처리한다면 전처리부가 역삼투 공정 유닛(400)에 구비되지 않고 Thermal 공정 유닛(200)에 구비되어야 할 것이다.

본 실시 예에서는 정삼투 공정 유닛(300) 뿐만 아니라 역삼투 공정 유닛(400)으로도 해수가 유입되므로 역삼투 공정 유닛(400)에서 전처리 과정이 이루어지는 것이나, 역삼투 공정 유닛(400) 및 Thermal 공정 유닛(200) 양쪽 모두에 전처리부가 구비될 수도 있다.

역삼투 공정 유닛(400)의 후처리부(450)는 별도로 존재할 수도 있고, 최종처리유닛(700)과 통합되어 운영될 수도 있다. 또는, 도면에는 도시하지 않았으나 역삼투 공정 유닛(400)에 전처리부가 구비되지 않는 경우, 역삼투 공정 유닛(400)의 전단에 보조 전처리부를 두어 Thermal 공정 유닛(200)에서 전처리가 되지 않은 요소에 대해 추가로 전처리를 할 수도 있다. 그러나 Thermal 공정 유닛(200)의 전처리부에서 해수의 전처리가 제대로 이루어지도록 관리함으로써 보조 전처리부 역시 생략할 수 있음은 자명하다.

역삼투 공정 유닛(400)에서 처리된 처리수의 TDS가 500ppm 이하이면 처리수는 최종처리유닛(700)으로 보내지고, 처리수의 TDS가 500ppm 이상이면 도면에 도시하지는 않았으나 추가적인 역삼투 공정 유닛을 배치하여 처리할 수 있다. 역삼투 공정 유닛(400)에서 1차로 처리되는 처리수의 TDS가 목표값 이내이면 추가적인 역삼투 공정이 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 본 실시 예에서는 역삼투 공정 유닛(400)에서 처리수를 생산하고 배출되는 고농도의 염수(TDS 60,000~67,000ppm)를 염수 라인(500)을 통해 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입하는 것을 기본으로 한다. 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입된 역삼투 공정의 고농도 염수는 Thermal 공정 유닛(200)으로부터 배출된 고농도의 염수와 함께 정삼투 공정 유닛(300)으로 공급되어 담수 분리용 유도 용액으로 사용된다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 담수화 장치는, Thermal 공정 유닛(200)으로부터 배출되는 고농도의 염수가 섭씨 약 46도 정도이므로 정삼투 공정 유닛(300)의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 온도가 높을수록 막의 온도 응답성 및 투과성이 향상되므로 Thermal 공정 유닛(200)의 열이 정삼투 공정 유닛(300)의 담수 생산성을 향상시키게 된다. 또한, Thermal 공정 유닛(200)의 폐열을 회수하여 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급하는 폐열회수 수단(도 1의 열 전달 화살표 참조)이 추가로 구비되어 Thermal 공정 유닛(200)의 열을 역삼투 공정 유닛(400)에 이용할 수도 있다.

공급수의 온도가 높아지면 점도(viscosity)가 감소하게 되고, 점도가 감소되면 막투과성이 향상되므로 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급되는 공급수의 온도가 높아지면 고압 펌프의 효율이 향상되어 에너지 절감으로 인한 경제성 향상 효과와, 처리수의 생산량 증가 효과도 얻을 수 있다. 즉, 기존에는 Thermal 공정과 역삼투 공정의 하이브리드 공정 시스템에서 역삼투 공정의 온도를 상승시키려면 추가적인 열교환기가 필요했으나, 본 발명에서는 Thermal 공정 유닛(200)의 열을 전달하게 되므로 추가적인 열교환기 없이 전술한 효과를 얻을 수 있다.

이러한 공정을 거쳐 최종처리유닛(700)으로 공급된 담수는 사용 용도에 맞게 TDS가 조절되어 공급된다.

최종처리유닛(700)으로 공급되는 담수는 Thermal 공정 유닛(200)에서 처리된 담수(TDS가 10ppm 이하)와, 역삼투 공정 유닛(400)을 거친 담수(TDS가 500ppm 이하)이며, 여기에 추가로 정삼투 공정 유닛(300)을 거친 담수(TDS가 500ppm 이하)가 공급될 수 있다. 최종처리유닛(700)은 담의 사용 용도에 따라 각 유닛에서 생산된 담수를 혼합하여 TDS가 해당 용도에 맞도록 조절해 공급한다. 즉, 최종처리유닛(700)은 처리수를 음용수로 공급하는 경우 최종 담수의 TDS가 100~200ppm 범위가 되도록 혼합하고, 생활용수 등으로 공급하는 경우 최종 담수의 TDS가 300ppm 이하가 되도록 혼합하여 공급한다. 이와 같이, Thermal 공정을 거친 담수와 역삼투 공정을 거친 담수를 혼합함으로써 Thermal 공정에 필요한 미네랄 재공급(remineralization) 공정을 생략할 수 있어 공정이 최적화됨에 따른 경제성 향상 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 하이브리드 담수화 장치에 있어서, 회수 및 재사용되는 염수의 TDS는 약 6만~7만ppm 수준으로 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입되는 염수의 농도를 제어하는 염수 처리 수단이 추가로 구비될 수 있다. 염수 처리 수단은 Thermal 공정 유닛(200) 및 역삼투 공정 유닛(400)으로부터 회수된 염수가 각각 저장되는 염수 탱크, 저장된 염수의 TDS를 체크하고 염수를 혼합해 적당한 TDS가 되도록 제어하는 농도 제어부 및 혼합 탱크 등으로 구성될 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 하이브리드 담수화 장치에 따른 하이브리드 담수화 방법에 대해 설명하면 다음과 같다(각 공정 단계에 대해서는 이미 설명하였으므로, 담수화 방법은 해수 및 염수, 처리수의 순환 과정을 중심으로 설명하기로 한다).

도 2는 도 1에 따른 하이브리드 담수화 방법을 도시한 순서도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 취수된 해수는 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급되며(S100), 역삼투 공정 유닛(400)에서 전처리(S150) 및 담수화 처리를 거쳐 처리수를 생산한다(S200). 생산된 처리수의 TDS를 판단하여(S250) TDS가 500ppm 이하이면 최종처리유닛(700)으로 공급되며(S500), 처리수의 TDS가 500ppm 이상이면 추가로 역삼투 공정 유닛(400)을 구성하여 처리할 수 있다(S270).

전술한 실시 예의 설명에서 TDS가 300mg/l 이하인 것을 담수라고 정의하였으므로 역삼투 공정 유닛(400)에서 처리된 처리수는 담수보다는 다소 고농도에 해당한다. 그러나 최종처리유닛(700)에서 낮은 TDS의 담수와 혼합해 용도에 맞는 담수를 생산할 수 있으므로, 역삼투 공정 유닛(400)에서 생산된 처리수의 TDS가 500ppm 이하이면 최종처리유닛(700)으로 보내는 것이다.

취수된 해수는 역삼투 공정 유닛(400)으로 공급됨과 동시에 정삼투 공정 유닛(300)으로도 공급된다. 정삼투 공정 유닛(300)에서 해수를 처리하며(S300), 정삼투 공정 유닛(300)에서 생산된 처리수는 Thermal 공정 유닛(200)으로 투입되어 처리된다(S400). 정삼투 공정 유닛(300)에서 TDS 10ppm 미만의 담수는 바로 최종처리유닛(700)으로 보내지고(도 1 참조), TDS가 그보다 높은 처리수는 Thermal 공정 유닛(200)으로 투입되는 것이다.

한편, Thermal 공정 유닛(200) 및 역삼투 공정 유닛(400)에서 발생된 고농도의 염수(Brine)는 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입되어 유도 용액으로 사용된다(S300). 역삼투 공정 유닛(400)에서 처리된 처리수 및 Thermal 공정 유닛(200)에서 생산된 담수는 최종처리유닛(700)으로 투입되어 용도에 맞게 TDS가 조절된 후(S500), 최종 처리수로 공급된다(S600).

Thermal 공정 유닛(200) 및 역삼투 공정 유닛(400)에서 배출된 고농도의 염수를 정삼투 공정 유닛(300)으로 투입시킬 때 염수가 적정 TDS를 유지하도록 두 공정에서 배출된 염수를 혼합하여 TDS를 조절할 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 하이브리드 담수화 장치 100: 해수공급라인
200: Thermal 공정 유닛 300: 정삼투 공정 유닛
400, 410: 역삼투 공정 유닛 500: 고농도 염수 라인
600: 처리수 배출 라인 700: 최종처리유닛