KR100228075B1 - 분리막모듈 및 이를 이용한 폐수처리방법 - Google Patents

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Abstract

U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막(3)과 상기 중공사 분리막(3) 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막(3)으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부(2)와 상기 U자형의 중공사 분리막(3)의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부(4)를 포함하는 폐수처리용 분리막 모듈은 고액분리를 행할 수 있는 분리막모듈 중 고농도의 부유고형물 농도에서도 분리막의 오염에 강하며 분리막의 오염을 방지함과 동시에 미생물 반응조 내의 공기공급을 병행할 수 있는 경제적이고 작업성이 우수하며 시스템 구성이 용이하다.

Description

분리막모듈 및 이를 이용한 폐수처리방법
[산업상 이용분야]
본 발명은 분리막모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생물학적 폐수처리 공정에 결합하여 유기물질과 부유물질의 제거효율을 증진시키기 위한 분리막모듈로서, 사용되는 분리막의 엉킴 및 오염방지와 활성슬러지의 유기물분해에 필요한 공기공급을 동시에 수행할 수 있는 분리막모듈 및 분리막모듈을 포함하는 폐수처리장치에 관한 것이다.
[종래 기술]
효율적인 수자원 이용의 필요성이 대두되고 수질기준이 강화됨에 따라 기존의 생물학적 하ㆍ폐수처리공정만으로는 안정된 수질을 지속적으로 확보하기가 어려운 실정이며, 따라서 기존의 생물학적 처리공정에 물리ㆍ화학적 처리공정을 결합시키는 복합적인 하ㆍ폐수처리공정들이 개발되어 있다.
상기와 같은 하ㆍ폐수처리공정 중의 하나로 생물학적 처리공정에 분리막 공정을 결합시키는 공정이 있는데, 그 예로 생물학적 처리공정을 거치 처리수를 막분리장치를 이용하여 재차 처리하여 처리수의 부유고형물(Suspended Solid: SS)을 저감시키는 공정을 들 수 있다.
역삼투(Reverse Osmosis: RO), 한외여과(Ultrafiltration: UF) 및 정밀여과(Microfiltration: MF) 등의 분리막 기술을 이용한 하ㆍ폐수처리기술은 비교적 오래 전부터 이용되어 왔으나, 막분리 장치는 처음에 유가불(有價物)의 회수 등을 목적으로 개발되었기 때문에 비교적 그 시설비와 유지관리비가 높은 단점이 있으며, 특히 하ㆍ폐수처리에 분리막 공정을 적용하는 경우 막 표면에 퇴적하는 케이크 층에 의하여 막의 투수능력이 저하되는 것을 방지하기 위해 유수(流水)에 의한 소류력(疎流力)으로 세정하면서 여과하는 교차여과(crossflow) 방식을 사용하였다. 그러나 이 방식은 투과수량의 40
Figure kpo00002
50배 정도의 유입수량이 필요하고 이 유입수는 펌프로 가압송수해야 하기 때문에 높은 동력비가 소요된다. 또한 막 장치의 점검 및 교환작업이 복잡하고 분리막을 설치해야 하는 공간이 별도로 필요하며, 폐수 중의 이물질들과 생물학적 처리공정내의 부유고형물들에 의한 막의 폐색이 쉽게 발생하여 막을 세정하기 위한 정기적인 약품세정이 필요하고 막의 수명이 짧아지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 분리막을 생물학적 처리공정내에 직접 침적시켜 운전하는 기술이 시도되고 있는데 고농도의 부유고형물들로부터 막의 오염방지 및 지속적인 투과유량을 확보하는 것이 중요한 문제라 할 수 있다. 그러나 현재 주로 적용되고 있는 폴리설폰(polysulfone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 소수성 유기성 고분자막의 경우 고형물질 및 유기물에 의한 오염 때문에 실적용에 한계를 드러내고 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 막 하부에서 공기를 주입하거나 교반기를 이용하여 막을 흔들어 주어 고분자막에 부착된 고형물질 및 유기물질을 제거하는 방식 등이 도입되고 있는데, 이 방법은 별도의 산기장치, 교반기 등의 장치가 필요하여 구성이 복잡하게 되고 이로 인해 운전방법이 까다롭게 되며 조밀한(compact) 장치의 구성도 어렵게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 막 장치의 점검 및 교환 작업의 횟수를 줄이며, 고농도의 부유고형물 농도에서도 분리막오염에 강한 구조를 가지며 분리막의 엉킴 및 오염방지와 함께 미생물 반응조내의 공기공급을 병행할 수 있는 경제적이고 작업성이 우수하며 시스템 구성이 용이한 세척 및 산소공급장치 일체형의 분리막모듈을 제공하기 위한 것이다.
제1(a)도는 종래의 폐수처리용 분리막모듈의 개략적인 종단면도.
제1(b)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리용 분리막모듈의 개략적인 종단면도.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수처리용 분리막모듈의 분리막 지지부의 개략적인 단면도.
제3도는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 및 역세공정시 분리막과 모듈내 유체흐름의 개략적인 종단면도.
제4(a)도 및 4(b)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척공정을 나타낸 공정도.
제5(a)도 및 5(b)도는 본 발명의 일 실시예에 따른 세척 및 역세공정을 나타낸 공정도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 처리수 배출 및 역세공기 유입부 2 : 분리막모듈 상단부
3 : 중공사 분리막 4 : 분리막 지지부
5 : 분리막세척용 내부 산기장치 6 : 분리막 배분 및 엉킴방지부
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막(3)과 상기 중공사 분리막(3)의 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막(3)으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부와 상기 U자형의 중공사 분리막(3)의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부(4)를 포함하는 분리막모듈을 제공한다.
상기에서 분리막모듈의 중앙에 위치하여 상기 분리막을 세척하기 위한 공기를 공급하는 내부산기장치(5)를 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 분리막 지지부(4)는 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍이 형성되어 있는 것이 바람직하며 이 공기 공급 구멍의 유효공경은 0.005
Figure kpo00003
1
Figure kpo00004
이며 유효막면적이 1
Figure kpo00005
100㎡/module인 것이 바람직하다.
또한 상기 분리막 지지부(4)는 1내지 16개의 엉킴 방지 돌기를 가지고 있는 것이 바람직하다.
상기한 분리막모듈의 형태는 원통형, 사각형 및 원추형으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 미생물 반응조 내에 U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막(3)과 상기 중동사 분리막(3)의 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막(3)으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부와 상기 U자형의 중공사 분리막(3)의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부(4)를 포함하는 분리막 모듈을 침적하고 상기 미생물 반응조에 하ㆍ폐수를 공급하고 흡입펌프를 이용하여 상기 처리수의 배출구(1)를 통하여 처리수를 배출하고 상기 분리막 지지부(4)를 통하여 세척공기를 공급함으로써 상기 분리막모듈을 세척하는 공정을 포함하는 폐수처리방법을 제공한다.
상기에서 세척공기는 1
Figure kpo00006
200
Figure kpo00007
/min의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다.
상기한 분리막모듈은 내부산기장치(5)를 더욱 포함하며, 상기 내부산기장치(5)를 통하여 세척공기가 공급되는 것이 바람직하며 상기한 세척공기는 1
Figure kpo00008
200
Figure kpo00009
/min의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다.
[작용]
제1(a)도는 U형의 일반적인 중공사형 분리막모듈에서 하우징을 제거한 침적형 분리막모듈의 개략도이다. 제1(b)도는 제1(a)도의 단점인 생물반응조에 침지하여 여과를 시행항 시중공사들의 엉킴 방생이 빈번해지고 엉킴 부위에 부유고형성분들의 부착이 일어나는 등을 해결하기 위한 본 발명에 의한 분리막모듈로서, 모듈의 하부에 링 형태의 중공사분리막 지지대와 세척을 위한 산기장치의 기능을 수행하는 부분이 도시된 도면이다. 제1(b)도를 좀 더 자세히 살펴보면 처리수 배출 및 역세공기 유입부(1), 분리막모듈 상단부(2), 분리막 세척용 내부 산기장치(5), 중공사 분리막(3), 분리막 지지부(4), 분리막 배분 및 엉킴방지부(6)로 구성되어 있다. 여기에서 처리수 배출 및 역세공기 유입부(1)는 투과공정일 때는 처리수가 배출되고 역세 공정시에는 역세공기 및 물이 유입되는 부분이다. 상기한 중공사 분리막(3)은 폴리설폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴 등의 고분자 재질로 되어 있으며 막의 유효공경이 0.005
Figure kpo00010
0.5
Figure kpo00011
, 유효막면적은 1
Figure kpo00012
20㎡/module로서 분리막모듈 상단부(2)에 중공사의 양쪽 끝이 연결되어 있고 정면에서 보면 하부의 분리막 지지부(4)에 가는 U자로 걸린 형태를 보이는 개량형 U형태로 분리막 배분 및 엉킴 방지부(6)에 의해 균일하게 분포된다. 또한 상기한 분리막 세척용 내부 산기장치(5)는 원통형, 사각형 또는 원추형의 형태를 가지며, 고분자, 금속, 세라믹 등의 재질로서 모듈의 중앙에 위치하며 투과공정에서 분리막을 공기로써 세척하는 작용을 한다. 상기 분리막 지지부(4)는 분리막세척용 링 산기장치로서 도넛형태로 위의 분리막세척용 내부산기장치(5)와 함께 분리막을 공기로서 세척한다. 그리고 분리막배분 및 엉킴방지부(6)는 원형의 분리막모듈의 단면을 1-16부분으로 중공사분리막을 배분하고 중공사간의 엉킴을 방지한다.
제2(a)도는 링 형태의 산기관으로 이에 U형태의 중공사 분리막(3)이 지지되는 경우 중공사들이 엉키는 문제가 완전히 제거되지 않는다. 이에 반해 제2(b)도에서는 산기관을 분할함으로써 분할된 부분 내에서만 중공사의 움직임이 가능하여 중공사막의 엉킴이 방지할 수 있다. 이 두 부분을 일체화시키면 산기기능과 함께 분리막 배분 및 엉킴 방지가 가능한 제2(c)도와 같은 형태가 된다.
제3도는 투과 및 역세공정시 분리막과 분리막모듈내 유체흐름을 나타낸 도면이다. 제3도를 보면 막외부로부터 투과된 투과수는 중공사 분리막(3) 내부에서 화살표 방향의 흐름을 형성하면서 분리막모듈 상단부(3)를 지나 투과수 배출부(1)를 통하는 투과공정과 역세공기 유입부(1)를 통해 유입된 공기는 상기 투과공정과 반대흐름을 형성하면서 중공사 분리막(3) 내부에서 외부로 투과하면서 막외부에 부착된 부유고형물을 탈착시키거나 막표면에 형성된 겔(gel)층을 표면에서 제거한다.
[실시예]
다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 비교예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
400
Figure kpo00013
의 반응조 내에 분리막모듈을 침적하고 도시하수를 3
Figure kpo00014
/min의 유량으로 공급하면서 자흡식펌프를 이용하여 (-)100
Figure kpo00015
(-)500mmHg의 압력으로 운전하여 3
Figure kpo00016
/min의 투과수를 얻었다. 상기의 공정은 제4(a)도에 나타내었다.
공급된 도시하수의 성상은 다음과 같았다. 생물화학적 산소요구량(Biochemical Oxygen Demand: BOD)은 100mg/
Figure kpo00017
, 총질소(total mitrogen: T-N)는 35mg/
Figure kpo00018
및 총인(total phosphorous: T-P)은 5mg/
Figure kpo00019
이었다.
[실시예 2]
400
Figure kpo00020
의 반응조 내에 분리막모듈을 침적하고 도시하수를 3
Figure kpo00021
/min의 유량으로 공급하면서 자흡식펌프를 이용하여 (-)100
Figure kpo00022
(-)500mmHg의 압력으로 운전하여 3
Figure kpo00023
/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부(4)에서 150
Figure kpo00024
/min의 유량으로 세척공기(a)를 공급하여 운전 중에도 막의 세척이 진행되도록 하였다. 상기의 공정은 제4(b)도에 나타내었다.
[실시예 3]
400
Figure kpo00025
의 반응조 내에 분리막모듈을 침적하고 도시하수를 3
Figure kpo00026
/min의 유량으로 공급하면서 자흡식펌프를 이용하여 (-)100
Figure kpo00027
(-)500mmHg의 압력으로 운전하여 3
Figure kpo00028
/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부(4)에서 150
Figure kpo00029
/min의 유량으로 세척공기(a)를 공급하여 운전 중에도 막의 세척이 진행되도록 하였고 분리막세척용 내부 산기장치(5)에서 100
Figure kpo00030
/min의 유량으로 세척공기(b)를 공급하여 막의 요동에 의한 분리막세척을 시행하였다. 상기의 공정은 제5(a)도에 나타내었다.
[실시예 4]
400
Figure kpo00031
의 반응조 내에 분리막모듈을 침적하고 도시하수를 3
Figure kpo00032
/min의 유량으로 공급하면서 자흡식펌프를 이용하여 (-)100
Figure kpo00033
(-)500mmHg의 압력으로 운전하여 3
Figure kpo00034
/min의 투과수를 얻었다. 막의 오염을 방지하기 위해 분리막 지지부(4)에서 150
Figure kpo00035
/min의 유량으로 세척공기(a)를 공급하여 운전 중에도 막의 세척이 진행되도록 하였고 분리막세척용 내부 산기장치(5)에서 100
Figure kpo00036
/min의 유량으로 세척공기(b)를 공급하여 막의 요동에 의한 분리막세척을 시행하였다. 1시간의 투과공정후 1분 정도 역세공기 유입부를 통하여 400
Figure kpo00037
700mmHg의 압력, 80
Figure kpo00038
100
Figure kpo00039
/min의 유량으로 공기를 주입하여 역세공정을 실시하고 다시 투과공정을 지속하였다. 상기한 공정을 제5(b)도에 나타내었다.
본 시스템의 분리막모듈을 기존의 생물학적 처리공정에 적용함으로써 미생물의 성상에 거의 영향을 받지 않고 고액분리가 가능하여 항상 안정된 수질을 얻을 수 있고, 특히 부유고형물의 경우 100
Figure kpo00040
의 제거효과를 가져올 수 있으며 폭기조내에 기존 활성슬러지 공정보다 3
Figure kpo00041
5배 이상의 미생물 농도를 유지할 수 있어 폭기조 용량을 1/3
Figure kpo00042
1/5로 축소할 수 있는 효과를 가져올 수 있어 건설비 절감 등의 부가적인 효과도 기대할 수 있다. 또한 막세정을 위한 세정장치를 막모듈 자체에 포함하여 기존의 침지공정의 경우 막오염을 방지하기 위한 교반장치 또는 산기장치의 설치로 인해 장치의 구성이 복잡해지는 문제를 해결할 수 있다.

Claims (7)

  1. U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막과; 상기 중동사 분리막의 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부와; 상기 U자형의 중공사 분리막의 중앙 부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부와; 상기 분리막 지지부에 설치되어 있는 분리막 배분 및 엉킴방지부를; 포함하고, 상기 분리막 지지부는 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍을 가지는 분리막모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분리막모듈의 중앙에 위치하여 상기 분리막을 세척하기 위한 공기를 공급하는 내부산기장치를 더욱 포함하는 분리막모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공기 공급 구멍의 유효공경은 0.005
    Figure kpo00043
    1
    Figure kpo00044
    이며 유효막 면적이 1
    Figure kpo00045
    100㎡/module인 분리막모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분리막 배분 및 엉킴방지부는 1 내지 16개의 엉킴 방지 돌기를 가지고 있는 분리막모듈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분리막모듈의 형태는 원통형, 사각형 및 원추형으로 이루어진 군에서 선택되는 분리막모듈.
  6. 미생물 반응조내에 U자형으로 형성되어 있는 다수개의 중공사 분리막과; 상기 중공사 분리막의 양단이 고정되어 있으며 상기 중공사 분리막으로부터 투과수를 인출하기 위한 상단부와; 상기 U자형의 중공사 분리막의 중앙부분이 걸려있는 링 모양의 분리막 지지부와; 상기 분리막 지지부에 설치되어 있는 분리막 배분 및 엉킴방지부를; 포함하고, 상기 분리막 지지부는 산소 또는 공기를 공급하기 위한 다수의 공기 공급 구멍을 가지는 분리막모듈을 침적시키는 공정; 상기 미생물 반응조에 하ㆍ폐수를 공급하는 공정; 흡입펌프를 이용하여 상기 처리수의 배출구를 통하여 처리수를 배출하는 공정; 상기 분리막 지지부를 통하여 세척공기를 공급함으로써 상기 분리막모듈을 세척하는 공정; 을 포함하는 폐수처리방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분리막모듈은 내부 산기장치를 더욱 포함하며, 상기 내부 산기장치를 통하여 세척공기가 공급되는 폐수처리방법.
KR1019970034415A 1997-07-23 1997-07-23 분리막모듈 및 이를 이용한 폐수처리방법 KR100228075B1 (ko)

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KR101764062B1 (ko) 2016-07-22 2017-08-01 롯데케미칼 주식회사 침지식 분리막 모듈 및 이를 포함하는 수처리 장치

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JPH0910561A (ja) * 1995-04-27 1997-01-14 Toray Ind Inc 中空糸膜エレメント及びその使用方法並びに濾過装置

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