KR100645952B1

KR100645952B1 - 폐수 정화용 중공사막 여과 장치, 여과 모듈 및 그를 이용하는 물 또는 폐수 처리 방법

Info

Publication number: KR100645952B1
Application number: KR1020047018180A
Authority: KR
Inventors: 데물린군나르
Original assignee: 에스에프씨 움웰테크닉 게엠베하
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-04-23
Publication date: 2006-11-14
Also published as: EP1503848A1; AU2003233048A1; ATE385849T1; PL371726A1; ES2300578T3; WO2003095077A1; RU2314864C2; RU2004136167A; DE50309161D1; EP1503848B1; KR20050020961A; DE10220916A1

Abstract

본 발명은 섬유 다발에 연결된 중공사막에 의해 액체로부터 입자들을 분리하는 여과 장치에 관한 것이다. 중공사막의 외부로부터 내부에 액체가 통과하여 흐를수 있고, 입자로부터 여과된 액체는 중공사막의 적어도 하나의 단부로부터 빠지게 된다. 중공사막은 지지부재에 감겨 있으며, 상기 지지부재의 외부 주변면은 내부로부터 외부로 적어도 일부에서 가스가 투입될 수 있다. 지지부재 상에 중공사 다발을 감음으로써, 한편으로 조밀한 형상이 되며, 다른 한편으로는 침전물로부터 중공사막의 신뢰성 있는 세척이 가능하게 된다. 여과 장치는 폐수를 정화하기 위해 단독으로 사용되거나 여과 모듈 내에 연결되어 복수로 사용될 수 있다. 본 발명은 여과 모듈과 막 생물반응기를 사용하여 폐수를 정화하기 위한 방법과도 관련된다.

폐수 정화, 중공사막, 여과 장치, 여과 모듈

Description

폐수 정화용 중공사막 여과 장치, 여과 모듈 및 그를 이용하는 물 또는 폐수 처리 방법{HOLLOW-FIBRE MEMBRANE FILTRATION DEVICE FOR PURIFYING WASTE WATER, FILTRATION MODULE AND A METHOD FOR TRAETING WATER OR WASTE WATER USING THEREOF}

본 발명은 섬유다발에 결합된 중공사막을 이용하여 액체에서 입자를 분리하기 위한 여과 장치에 관한 것이다. 복수의 여과 장치가 연결된 상기 여과 장치 및 여과 모듈은 물 또는 폐수에서 바이오매스(biomass)를 분리하기에 특히 적합하다. 본 발명은 막 생물반응기 및 (폐수) 물 처리를 위한 방법에 더욱 관련이 있다.

물 또는 폐수의 정화를 위한 막 필터의 사용은 많이 알려져 있다. 여과에 사용되는 다공성 물질은 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르술폰 등의 고분자막 또는 세라믹스로 구성된다. 응용 분야에 따라, 막의 공극 크기는 0.001∼1㎛의 범위일 수 있다.

막 여과 방법은 주로 세가지의 다른 모드, 즉 "종말(dead end)", "십자 흐름(crossflow)" 및 "침지형(submerged)"으로 구분된다.

"종말" 여과 방법은 보통 정화될 액체가 막을 통과해서 일괄 작용으로 더 이상의 순환작용 없이 압축되는 방식을 말한다. 막에 의해 걸러지는 입자들은 막에 축적되고 여과 작용 과정에서 막에 장애물이 될 것이다. 작용 주기의 과정에서 처 리량을 들리기 위해 압력을 증가시킬 필요가 있다. 역으로, 처리량은 압력을 고정함으로써 감소할 것이다. 따라서, 이러한 여과 방법은 음료수 또는 폐수 처리를 위한 연속적인 시스템의 분야에서 규모가 큰 용도에는 부적합하다.

"십자 흐름" 여과 방법에서는, 정화될 액체가 막표면을 따라 순환하며 상기 막과 마주보는 막 사이에서 다른 압력으로 막을 통과해 압축되고, 입자들은 제어되어 분리된다. 이러한 방법은 500mbar 이상의 다른 압력이 필요하다. 막에 형성된 축적물을 제거하기 위해 아직 정화되지 않은 많은 양의 액체를 재순환하는 것이 더욱 필요하다. 이는 상당한 작동비용이 필요하다.

"침지형" 여과 방법에서는, 막이 정화되는 액체에 잠겨 있고, 중공사막의 경우 진공의 법칙에 의해 투과수(permeate)가 중공사 외부로부터 내부로 끌리게 되며 중공사 내부로 이동한다. 막의 외부와 내부 사이의 압력차는 "십자 흐름" 여과의 경우보다는 분명히 낮다.

물 또는 폐수를 처리하기 위해 막 여과를 사용하는 때는, "침지형" 방법이 보통 적용되어, 막이 정화되는 액체에 잠기게 된다. 폐수 정화 분야에서 막 필터의 사용에서의 하나의 문제점은 소위 "오염(fouling)" 또는 "생물학적 오염(bio-fouling)"의 결과로서, 코팅물질이 막 상에 형성되거나 투여된 화학 물질이 막에 침전하게 된다("스케일링"). 이러한 막의 침전물을 줄이기 위해서 다른 방법 및 장치가 제안되고 있다.

예를 들면 미국특허 No.6,214,231 B1에는 중공사를 사용하는 여과 시스템이 설명되어 있다. 복수의 중공사막은 실질적으로 원통형의 섬유다발에 결합된다. 중 공사막의 상단과 하단은 각각 유지 장치에 끼워진다. 따라서 중공사 모듈이 얻어진다. 각각 인접한 복수의 여과 모듈은 여과되는 액체로 위치하는 여과 카세트를 형성한다. 투과수 흡입 라인은 각각의 카세트와 연결되며, 이 라인은 막 필터 다발의 상부 고정 장치와 연결되고, 입자로부터 정화된 액체를 각각의 중공사막의 내부에서 제거한다. 중공사막에 침전되는 것을 줄이기 위해서, 흐름의 방향이 바뀔 수 있다. 따라서 흡입 라인을 통해 높은 압력하에 액체가 중공사막의 내부로 공급되고, 내부로부터 외부로 중공사막을 통과하고, 침전물은 막표면에서 제거된다. 이러한 방법은 보통의 여과 작용을 방해하고 따라서 처리량이 감소한다. 더욱이, 이러한 방법은 막 상에 불순물의 침전을 막을 수 없지만, 불순물이 나타난 후 이들을 제거할 수는 있다.

미국특허 No. 6,156,200 A 역시 그 형상이 주로 미국특허 No. 6,214,231의 것과 대응하는 중공막 섬유 다발의 여과 모듈을 기술하고 있다. 섬유 다발은 이 경우에도 정화될 액체와 수직으로 위치한다. 중공사막의 하단이 끼워지는 고정 장치는 중공사막의 외부를 따라 가스 기포가 올라오는 가스 토출구를 포함하여, 한편으로는 막 표면의 외부에 침전물이 형성되는 것을 줄이고 다른 한편으로는 이미 형성된 침전물을 제거한다.

유사한 장치가 WO 97/06880 A2에 역시 기술되어 있다. 이 경우에도, 섬유 끝이 끼워진 고정 장치들의 사이의 거리보다 섬유를 5∼10% 정도 더 길게 하여 특히 우수한 세척이 가능하도록 한다.

압축된 공기를 이용해 막 섬유를 세척하기 위한 상술의 장치는 막 섬유를 효 율적으로 세척하기 위해서 많은 양의 압축 공기가 필요하다는 점에서 불리하다. 정화될 액체에 압축 공기를 많이 공급하면 다른 과정의 변수에 부정적인 영향을 끼칠 수 있다. 즉 설정 산소 값을 관찰하는 것이 훨씬 어렵게 될 수 있다.

더 불리한 점은 이용 가능한 압력이 도입된 섬유 영역의 수압 수준으로 거의 제한된다는 점이다. 더욱이, 기포의 떠오르는 속도는 도입되는 공기의 양에 의해서가 아니라 생산되는 기포의 크기에 의해서 미리 결정된다. 따라서, 장치의 세척 효과의 의도적인 조절이 거의 불가능하다.

중공사막의 길이를 따라 공기의 작용의 배치 역시 불가능하다. 따라서 전체 길이가 거의 1에서 2미터가 되는 섬유를 세척하는 것은 상술한 시스템에서는 불가능하다.

상술한 공개된 출원들은 단순히 일반적으로 막 생물반응기에서 바이오매스를 분리하기 위한 중공사막의 응용을 기술한 것이다. 이들은 각각의 환경 조건에서 존재하는 영양물로부터 바이오사이노시스(biovynosis)로서 얻어지고 존재하는 바이오매스의 분리에만 초점이 맞춰져 있다. 막 표면에 침전물을 활성화시키는 메커니즘은 이에 의해 고려되지 않았다.

그러나 본 발명에 의한 시험의 범위 내에서 어떠한 환경적 조건이 막의 분리 능력에 상당한 영향을 미친다는 것이 발견되었다. 어떠한 환경적 조건이 막 표면에 생물학적 성장(생물학적 오염)과 부유 물질의 부착을 촉진시키는 것을 특히 알 수 있었다. 따라서, 본 발명의 일측면은 생물학적 오염과 막표면의 침전을 줄이는 여과 수단의 상태를 강화하는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 단순하고 조밀한 방법으로 배치되며 긴 시간동안 높은 처리량을 유지하는 여과 장치를 제공하는 것이다. 특히, 가능한 적은 양의 가스로 필터 장치에 마련된 중공사막을 세척 가능하며, 시작 직후부터 막 상에 침전물이 형성하는 것을 줄일 수 있는 조건을 폐수 처리 장치에 형성할 수 있다.

이러한 목적은 제 9 항에 따른 여과 모듈의 구성 요소인 제 1 항에 따른 여과 장치에 의해 실현된다. 또한 본 발명은 제 10 항에 따른 여과 모듈 또는 여과 장치의 사용과 제 24 항에 따른 막 생물반응기뿐만 아니라 제 13 항에 따른 물 또는 폐수를 처리하는 방법과 관련된다. 바람직한 실시예와 다양한 방법은 각각의 종속항을 통해 알 수 있다.

본 발명의 첫번째 실시예는 섬유 다발과 연결된 중공사막에 의해 액체에서 입자를 분리하기 위한 여과 장치에 관한 것이다. 중공사막의 외부로부터 내부에 액체가 통과하여 흐를 수 있고, 여과된 액체는 그들의 적어도 하나의 단부로부터 빠지게 된다.

더욱이 여과 장치는 가스를 이용하여 중공사막의 외부를 씻어내기 위한 가스 공급 장치를 포함한다. 본 발명에 따르면, 가스 공급 장치의 일부는 지지부재이며, 상기 지지부재의 외부 주변면은 내부에서 외부까지 적어도 일부분이 가스가 투과할 수 있도록 한다. 섬유 다발은 상기 지지부재의 외부 주변면에 감겨 있다.

본 발명에 따른 여과 장치의 구조는 한편으로는 조밀한 형상이 되며 또한 다른 한편으로는 중공사막의 길이를 따라 가스 공급이 가능하게 한다. 가스 침투 지 지부재를 이용하고 지지부재의 외부 주변면 상에 섬유 다발을 감음으로써, 가스의 방출구 위치는 항상 중공사막의 외부 표면의 부근에 위치한다. 이것은 막표면 상에 가스의 직접 작용을 강화시킨다. 공급된 가스의 양이 너무 적으면 증가된 산소 분량 또는 가스에 의해 야기되는 다른 장애에 의한 부정적인 영향이 거의 관찰되지 않는다.

떠오르는 가스 기포의 크기는 지지부재의 외부 주변면의 형상에 따라 간단히 결정될 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 주변면은 적절한 수와 크기로 통과홀이 형성될 수 있다. 상기 외부 주변면의 홀 또는 슬롯(slot)은 역시 상기 외부 주변면의 격자형 또는 골격형의 형상과 같은 것이 적절하다. 가스 방출구의 의도된 분포에 따라, 통과홀들이 외부 주변면 전체 또는 일부분에 마련될 수 있다. 외부 주변면은 역시 가스 기포를 특히 가늘게 하기 위해서 다공질의 소재로 전체 또는 일부를 구성할 수 있다. 상기 지지부재와 그 외부 주변면의 선택은 특별히 제한되지 않는다. 여과 조건에 따라 매질에서 여과되기에 안정적인 모든 소재, 즉 모든 가능한 플라스틱 타입이 거의 적합하다. 또한 세라믹 또는 금속성 소재도 사용될 수 있다.

상기 지지부재의 형태와 외부 주변면의 형상은 특별한 형태로 제한되지 않는다. 원통형 커버 형의 외부 주변면이 중공사막을 감기에 특히 적합하다.

지지부재와 그 외부 주변면의 크기는 응용 조건에 따라 조절된다. 길이가 1∼100 cm, 바람직하게는 5∼70 cm이며 직경이 1∼40 cm, 바람직하게는 5∼20 cm인 지지부재의 외부 주변면은 본 발명에 따른 폐수 정화의 여과 장치에 사용하기에 적합하다.

가스를 도입하기 위해, 지지부재는 그 일측면 단부에 가스를 위한 연결부를 포함한다. 가스로는 바람직하게는 압축된 공기가 사용된다. 질소 등과 같은 다른 가스는 특수한 응용, 즉 혐기성 조건에서의 여과에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 여과 장치에 사용되는 것과 같이 중공사막을 섬유 다발에 연결하기 위해서는, 중공사막의 단부가 적어도 하나의 연결부분에 적절히 조여진다. 상기 연결부분은 중공사막의 내부로부터 세척된 액체를 빼내기 위해 펌프와 함께 연결될 수 있는 흡입 연결부를 포함한다. 상기 연결부분과 중공사막의 단부의 끼워지는 형상은 종래 기술분야로부터 잘 알 수 있다. 상술한 공개특허에 그 예들은 기재되어 있다.

본 발명에 따라 중공사막의 양쪽 단부는 동일한 연결부분에 조여질 수 있다. 반대로 중공사막의 두개의 단부는 분리된 연결부분에 끼워질 수 있다. 이러한 두가지의 고정에서, 상기 지지부재의 외부 주변면 상에 섬유 다발을 감는 것은 모든 중공사막의 단부가 흡입 연결부를 향해 형성되는 경우에 나타난다. 상기 흡입 연결부는 가스 연결부가 위치하는 측과 반대의 측면의 단부에 적절히 위치한다.

중공사막의 길이, 수 및 직경은 요구되는 응용에 기초한다. 이러한 여과 장치는, 중공사막의 전체 표면이 0.1∼10 ㎡, 특히 0.5∼5 ㎡의 여과 표면을 구성하는 막 생물반응기로 폐수를 정화하는데에 효과적임이 판명되었다. 여과 목적의 종래 기술에서 이미 사용되어 온 이러한 모든 중공사막이 주로 사용될 수 있다. WO 97/06880 A2에 언급된 소재들은 폐수 정화를 위해 적합하다. 본 발명에 따르면, 세라믹스, 특히 알루미늄 산화물 세라믹으로 구성된 중공사막과, 폴리에틸렌, 폴리프 로필렌, 폴리에테르술폰 또는 그들의 혼합체로 구성된 중합체 막이 바람직하다. 적절한 공극 크기는 예를 들면, 0.001∼1㎛ 범위이다. 압력조건은 역시 WO '880에 서술된 것과 같을 수 있다.

본 발명에 따른 복수의 여과 장치는 본 발명의 중심 구성인 여과 모듈에 연결될 수 있다. 모듈에 여과 장치를 연결하는 것은 주로 유사한 장치에 대한 종래 기술에 기술된 방법에 따를 수 있다. 예를 들면, 여과 모듈은 여과 장치들이 각각에 대해 특정 위치 결정에 의해 조여져 있는 적절한 고정 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 여과 장치는 각각에 대해 수직으로 인접하여 위치하며, 가스가 공급되는 면이 적절히 바닥에 위치한다. 바람직하게는, 많은 여과 장치가 상기 여과 모듈에 배치되므로써, 덮여지는 공간의 50∼700 ㎡/㎥, 특히 100∼400 ㎡/㎥의 여과 표면이 얻어진다.

가스의 공동 공급 라인은 상기 여과 모듈에 포함된 여과 장치들의 유사한 동작을 위해 적절히 마련된다. 투과수인 정화된 액체의 공동 방출 라인 또한 적절히 마련된다. 각각의 여과 장치들에 가스 공급 라인과 투과수 방출 라인을 위한 분포 라인은 여과 장치들을 위한 유지 장치들에 편리하게 구성될 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 여과 장치 및 여과 모듈은 물 또는 폐수의 처리를 위해, 특히 소위 막 생물반응기에서 활성 슬러지를 분리하기 위해 특히 적합하다.

본 발명은 생물학적으로 활성화된 물질로 오염된 물을 적어도 하나의 여과 모듈이 배치된 여과조로 도입하여 물 또는 폐수를 처리하기 위한 방법을 제공한다. 상기 여과 모듈에서 정화된 물은 그후 방출된다. 중공사막의 외측 표면상에 여과 과정동안 형성된 침전물은 지지부재의 외부 주변면을 통해 가스를 방출하는 방법으로 제거된다. 중공사막의 전체 길이에 걸쳐 가스를 공급할 뿐만 아니라 가스 방출구와 중공사막 사이의 거리를 좁게 함으로써, 적은 부피의 가스로 우수한 세척 효과를 얻을 수 있다.

가스의 방출은 바람직하게는 비연속적으로 또는 펄스 형태로 나타난다. 진동하는 가스를 공급함으로써, 수직으로 세워진 지지부재의 경우에 지지부재의 내부에 위치하는 액체 기둥은 적용되는 기체 흐름과 그 무게와 유체 저항에서 반대가 된다. 이는 결과적으로 막의 직접적인 경계 부근에 높은 유속과 높은 압력차를 발생하게 된다. 어떠한 형성된 침전물과 코팅물도 이러한 결과에 의해 특히 효율적으로 제거된다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명은 막표면에 침전물의 형성은 여과가 수행되는 조건에 의해 많은 영향을 받는다는 발견에 기초한다. 본 발명을 실시한 실험의 과정에서, 막 생물반응기에 중공사막의 분리 성과를 감소시키는 바이오매스의 침전이 결정되었다. 막의 분리 효과는 불리한 환경 조건에서 특히 실질적으로 악화될 수 있다. 세포외 중합체(extracellular polymers:ECP)가 활성 슬러지의 바이오매스의 분해 동안에 발생되며, 그 양은 특정 물리적인 스트레스 조건 하에서 상당히 증가한다. 세포외 중합체는 막표면의 성장(생물학적 오염)을 촉진한다. ECP의 양이 초과되거나 의도된 양보다 낮게 되면, 바이오매스의 여과 능력은 실질적으로 감소한다. 더욱이, 활성 슬러지에 매달린 입자들은 이러한 상태에서 막표면에 더욱 쉽 게 부착될 것이다. 특정의 사상 유기체(filamentous organism)(즉, 마이크로트릭스 파비셀러(microthrix parvicella), 노카디아(noccardia), 021N 타입 등의 박테리아)는 세포외 중합체로서 중공사막의 처리량에 유사하게 부정적인 효과를 미친다고 알려졌다.

따라서 본 발명의 다른 실시예는, 막 생물반응기에 중공사막의 처리량을 감소시키고 불리한 환경 조건을 피할 수 있는 방법에 관한 것이다. 각각의 방법과 특수한 막 생물반응기는 역시 본 발명의 중요한 구성이다.

상술한 문제점은, 본 발명에 따른 여과 장치를 포함하는 여과조가 심하게 오염된 폐수(이후 "정화되기 전의 폐수"로 칭한다)가 공급되는 적어도 하나의 통부의 상류에 마련되는 방법에 의해 해결된다. 이러한 상류 통부는 이하에서는 접촉기로 칭한다. 여과조로부터 생물학적으로 활성화된 물질의 적어도 일부가 상기 접촉기에 다시 공급된다. 따라서 활성 슬러지에 형성된 미생물에 환경 조건을 변화시킬 수 있다. 이러한 스트레스의 변화는 사상 유기체를 죽일 수 있다. 이러한 효과는 특히 스트레스의 변화가 여러번 반복될 때 더 나타난다. 이러한 이유에 의해, 정화될 폐수는 접촉기와 여과조 사이를 여러분 순환된다. 여과조로부터 재순환되는 양은 정화되기 전의 폐수의 하루 공급량의 부피의 5∼300%, 특히 10∼100% 가 바람직하다. 여과기로부터 되돌아온 유량이 접촉기에 머무는 시간은 적절하게는 2∼120분, 특히 20∼90분이다.

여과조의 상류 통부에서 유기적 부하에 대한 바이오매스의 비율을 유지하는데 유용하다는 것이 더욱 판명되었다. 본 발명에 따르면, 정화되기 전의 폐수의 생 화학적 산소 요구량(BOD)과 여과조로부터 재순환된 활성 슬러지(AS)의 비율은 이러한 목적을 위해 유지된다. 즉 생물학적으로 활성화된 물질이 여과조로부터 공급되는 접촉기의 영역에서, 상기 비율은 정화되기 전의 폐수의 하루당 1∼100 kg BOD/ kg AS, 바람직하게는 하루당 5∼70 kg BOD/ kg AS 로 설정되는 방법에 의한다. 상기 비율의 설정은 접촉기의 크기 결정 및/또는 그 공급 라인과 방출 라인의 용량에 의해 나타난다.

바람직하게, 상기 접촉기의 BOD와 AS의 비율은, 접촉기로부터 여과조로 폐수를 재순환시킨 후, 여과조의 BOD와 AS의 비율이 하루당 0.01∼1 kg BOD/ kg AS, 바람직하게는 하루당 0.02∼0.6 kg BOD/ kg AS로 되는 값으로 떨어질 수 있다. 만약 BOD/AS의 비율이 상술된 범위 내라면, 막여과를 위한 여과조에 최적의 조건이 얻어진다. 막표면 상의 침전물의 형성은 분명히 감소된다.

상기 접촉기는 단순히 하나의 접촉기 통부로 이루어 질 수 있다. 그러나 바람직하게는, 적어도 두개의 연속적으로 연결된 접촉기 통부로 분리되며, 제 1 접촉기 통부로부터 여과조의 직접 상류에 위치하는 다른 하나의 접촉기 통부로 유체의 흐름의 방향이 확장된다. 정화되기 전의 폐수의 도입 및 여과조로부터 생물학적으로 활성화된 물질의 재순환이 제 1 접촉기 통부에서 나타나며, 나머지 접촉기 통부로부터 폐수가 여과조로 다시 전해진다.

따라서 제 1 접촉기 통부에서 BOD/AS의 비율이 가장 높고, 마지막 통부로 갈 수록 감소하며, 이로부터 특히 세포외 중합체의 농도가 낮고 미생물이 확실히 감소한 폐수가 여과조로 재유입된다. 따라서 막 상에 발생한 침전물의 양이 분명히 감 소된다.

바람직하게는, 접촉기 통부의 개수는 2∼20, 바람직하게는 3∼12이다. 이러한 통부에서 BOD/AS의 비율의 감소가 실질적인 단계에서 나타난다.

BOD/AS 비율의 감소는 유기물의 생체흡착(biosorption)과 인코포레이션(incorporation)에 의해 가능하다. 따라서, 자유로운 세포외 중합체의 많은 부분이 역시 제거되며, 이들은 접촉기를 사용할 때 침전 형성에서 증가된 수준과 관계가 있기 때문이다. 여과하기 어려운 많은 양의 유기 고분자 물질이 이미 활성 슬러지 침전과 직접 연결되고, 세포외 중합체들이 강하게 이러한 과정을 촉진하게 된다. 이러한 방법으로 여과하기에 훨씬 좋은 부유물이 얻어진다.

접촉기에서 완전히 혼합되지 않을 때에 침전이 더 잘 된다. 기계적인 스터링(stirring)과 믹싱(mixing)은 바람직하게는 생략된다. 대신, 특히 수평하거나 수직한 조절 장치인 전환벽이 유속을 설정하는데 사용된다. 상기 유속은 적절하게 1∼60 m/h, 바람직하게는 10∼40 m/h 이 된다. 접촉기 또는 접촉기 통부의 특정 부분은 플러그 유동반응기(plug-flow reactor) 또는 관형 유동반응기(tubular-flow reactor)로 형성된다.

더욱이, 본 발명에 따른 막 생물반응기는 종래 기술에 사용되는 구성들을 더 포함할 수도 있다. 예를 들면, 처리되는 기질에 따라 적절한 호기성, 혐기성 또는 산소 결핍 조건을 설정하기 위해 접촉기용 환풍 장치가 마련될 수 있다.

본 발명에 따른 막 생물반응기는 바람직하게는 본 발명에 따른 여과 장치 또는 여과 모듈을 사용한다. 그러나 동일한 것으로 제한되지는 않는다. 또한 다른 막 여과 유닛, 즉 평평한 막 시스템 또는 종래 기술에서 언급된 시스템을 사용할 수도 있다.

첨부된 도식적인 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 세부적으로 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 여과 장치의 평면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 여과 장치에 사용되는 중공사막 다발이다.

도 3은 본 발명에 따른 여과 모듈이다.

도 4는 본 발명에 따른 막 생물반응기의 단면도이다.

도 1은 본 발명에 따른 여과 장치(1)의 평면도이다. 여과 장치(1)는 실질적으로 원통형의 지지부재(6)를 구비한 가스 공급 장치(5)를 포함한다. 지지부재(6)의 외부 주변면(7)은 전체 표면에 걸쳐 분포하고 도면의 간소화를 위해 미도시한 통과홀을 구비한다. 압축 공기 연결부(8)는 캐리어(6)의 저면측 영역에 위치하고, 이를 통해 압축 공기가 지지부재(6)의 내부에 공급된다. 상기 압축 공기는 지지부재(6)의 외부 주변면(7) 상의 홀을 통해 외부로 빠져 나온다. 섬유 다발(2)은 외부 주변면(7)에 감겨 있다. 이 섬유 다발은 이 경우에 단지 개략적으로 도시되어 있으며, 외부 주변면(7)의 일부 영역에 한정되어 있다. 그러나, 실제로는, 상기 외부 주변면(7)의 전체에 걸쳐 감쳐져 있다.

섬유 다발(2)은 도 2에 더 분명하게 도시되어 있다. 이것은 길이가 예를 들면 3m인 복수의 중공사막(3)을 구성한다. 많은 수의 중공사막(3)이 섬유 다발(2)과 연결되어 있어서 4㎡의 여과 표면을 얻을 수 있다. 중공사막(3)의 각각의 단부(4, 4')는 연결부분(9, 9')에 조여져 있다. 섬유 단부(4, 4')의 통과홀이 연결부분(9, 9')에 마련되고, 거기에 섬유 단부가 끼워진다. 중공사막(3)은 연결부분(9, 9')에 끼워져서 두개의 단부(4, 4')에 열린 상태를 유지한다. 끼워 넣는 것은 상술한 공개출원에서도 잘 알려진 바 있다.

지지부재(6)에 감기 위해, 두개의 연결부분(9, 9') 중 하나가 지지부재(6)의 일측면 끝에 위치하는 T형의 흡입 연결부(10)의 한쪽 단부로 삽입된다. 이후, 섬유 다발(2)이 압력 연결부(8)를 향하는 방향에서 지지부재(6)의 외부 주변면(7)에 감기게 되고 이후 흡입 연결부(10)의 뒤에 위치한다. 두번째 연결부분은 그후 T형 연결부의 두번째 단부에 위치된다.

본 발명에 따른 복수의 여과 장치(1)는 도 3에 개략적으로 도시한 여과 모듈(11)과 연결될 수 있다. 여과 장치(1)는 세부적으로 도시되지 않은 적절한 고정 장치에 아래로 향하여 압축 공기 연결부(8)와 함께 마련된다. 여과 모듈(11)에는, 여과 장치(1)의 모든 압축 공기 연결부(8)가 공통의 압축 공기 연결부(12)와 연결된다. 비슷하게, 여과 장치(1)의 상부의 모든 흡입 연결부(10)는 중공사막(3)으로부터 빠져 나온 투과수를 위해 공동 방출 라인(13)에 연결된다. 방출 라인(13)은 적절한 펌프와 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 물 또는 폐수 정화를 위한 방법에서는, 도 3에 도시된 여과 모듈(11)은 여과될 액체에 위치하는 여과조에 마련된다. 본 발명에 따른 방법은 도 4의 예를 참조하여 본 발명의 막 생물반응기를 함께 설명할 수 있다.

막 생물반응기(16)는 활성 슬러지 법에 의해 공동 폐수의 정화에 사용된다. 이는 미리 정화된 폐수(22)를 채우는 여과조(14)를 포함한다. 상기 여과조(14)는 수평하게 연결되고 복수의 여과 장치(1)를 포함하는 복수의 여과 모듈(11)을 포함한다. 상기 여과 모듈(11)은 여과된 투과수를 위한 방출 라인(13) 및 투입되는 압축 공기를 위한 압축 공기 공급 라인(12)과 각각 연결된다. 압축 공기는 상기 압축 공기 라인(12)을 통해 각각의 여과 모듈(11)과 같이 연결된 여과 장치(1)에 공급된다. 이는 바람직하게는 기술된 비연속적 펄스 방식에서 나타난다. 압축 공기는 공급 라인(12)을 거쳐 각각의 여과 장치(1)의 압축 공기 연결부(8)에 도달하고 그로부터 지지부재(6)의 내부로 이동한다. 압축 공기는 전체 표면에 걸쳐 이동 여과기의 외부 주변면(7)에 위치한 통과홀을 통과한다. 이는 중공사막(3)의 막표면에 형성된 침전물을 매우 효율적으로 제거할 수 있게 한다.

중공사막(3)의 내부에 들어오는 투과수는 각각의 여과 장치(1)의 흡입 연결부(10)와 투과수를 위한 방출 라인(13)을 통해 막 생물반응기(16)로부터 빠져 나온다. 상기 방출 라인(13)은 역시 반대 동작에서 작동될 수 있다. 이는 중공사막의 액체 정화를 실시할 때, 특히 정화하는 화학물질을 첨가하는 것에 의해 나타난다. 이러한 역세척 과정(backflushing process)은 잘 알려져 있으며, 앞서 언급한 미국특허 No. 6,214,231 B1에 기술되어 있다. 액체는 증가된 압력 하에 라인(13)과 각각의 흡입 연결부(10)를 통해 중공사막(3)의 내부로 펌프되며 막표면을 통해 외부 로 이동한다. 이는 막표면에 부착된 침전물의 제거를 가능하게 한다. 이러한 역세척 과정은 본 발명에 따른 장치에서 매우 효과적으로 압축 공기가 세척하기 때문에 자주 할 필요는 없다.

본 발명의 다른 실시예에서, 폐수 정화는 본 발명에 따른 막 생물반응기(16)에 의미가 있도록 조건을 조절함으로써 시작 직후부터 침전물을 감소시킬 수 있는 매너를 실시할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 생물반응기(16)의 여과조(14)는 접촉기(15)와 함께 상류에 공급된다. 이 경우 접촉기(15)는 두개의 통 부(18, 19)로 반응기 층에 수직의 분리벽(17)에 의해 나눠진다. 접촉기는 역시 하나의 통부를 구성할 수 있다. 특히, 보통은 두개 이상의 통부가 마련될 것이다. 보다 명료하게 하기 위해, 도면에는 두개의 통부만이 보여진다. 제 1 통부(18)와 제 2 통부(19)는 이동 라인에 의해 연결된다(미도시). 유사하게, 제 2 통부(19)와 여과조(14) 사이에 이동 라인이 구비된다. 두개의 공급 라인, 즉 정화되지 않은 원래의 폐수의 공급 라인(20)과 물질이 여과조(14)로부터 접촉기로, 또는 더욱 정확하게 제 1 통부(18)로 재순환될 수 있는 공급 라인(21)은, 접촉기(15)의 제 1 통부(18)에 이르게 된다. 제 1 접촉기의 통부(18)의 채워진 양에 대한 상기 두개의 공급 라인(21, 22)으로부터의 공급양은 접촉기의 통부의 각각의 크기와 공급 라인(20, 21)에 할당되는 펌프(미도시)의 펌핑량에 의해 결정된다. 이러한 규칙은, 제 1 통부(18)에서 비율은 공급 라인(21)으로부터 재순환된 활성 슬러지의 kg 당 라인(20)으로부터 정화되기 전의 폐수의 생화학적 산소 요구량의 kg이 1∼100로 설정되는 방법에 의해 본 발명에 따라 나타난다. 특히, 공급 라인(20, 21)의 규칙은 5∼ 70 kg BOD/ 매일 재순환되는 슬러지의 kg의 비율이 얻어지는 방법으로 나타난다.

라인(21)을 통해 여과조(14)로부터 재순환된 바이오매스의 양은 정화되지 않은 폐수의 매일 공급량의 부피의 5∼300%, 특히 10∼100% 로 거의 결정된다. 여과조(14)로부터 공급량이 접촉기(15)로부터 여과조(14)로 재순환되는 속도는 약 2∼120분, 바람직하게는 20∼90분이다. 접촉기(15)내에서의 유속은 거의 1∼60 m/h, 특히 10∼40 m/h로 결정된다. 수평 또는 수직 조절장치(baffle)는 예를 들면 유속을 결정하기 위해 또는 접촉기(15)내에서 완전한 혼합을 위해 설치될 수 있다. 명료하게 하기 위해 여기서는 도시되지 않고 있지만, 일반적으로 알려진 사실이다. 바람직하게는, 제 1 통부(18)와 제 2 통부(19)를 가지는 접촉기는 플러그 유동반응기 또는 관형 유동반응기로 구성된다.

접촉기(15)에서 바이오매스의 머무는 시간 동안, 여과하기 어려운 세포외 중합체와 유기 고분자의 비율이 침전을 통해 감소한다. 세포외 중합체가 존재하면 활성 슬러지 침전물에 유기 고분자의 결합이 촉진된다. 동시에, 미생물은 감소하게 되는데, 이는 여과조(14)로부터 재순환되어 매우 오염된 통부에서 죽게 되기 때문이다. 따라서, BOD/AS의 비율 역시 접촉기(15)에 머무는 시간이 길어지면 감속하게 된다. 따라서, 제 1 통부(18)에서보다 제 2 통부(19)에서 더 낮다. 바람직하게 제 2 통부(19)로부터 여과조(14)로 폐수(22)가 재순환되는 동안 BOD/AS의 비율이 0.01∼1 kg/시, 바람직하게는 0.02∼0.6 kg/시의 범위에서 얻어질 때까지 폐수를 제 2 통부(19)에 방치한다. 여과조(14)에서 이러한 값이 관찰되면, 중공사막(3) 상에 침전물의 형성이 더 어렵게 되는 조건을 얻을 수 있다. 종래의 막 생물반응기의 작동 과 비교하여 폐수(22)의 필터 능력이 향상되었음이 분명히 관찰된다. 따라서, 종래의 반응기와 비교하여 그 처리량이 눈에 띄게 향상될 수 있다. 보존과 세척 작업의 빈도를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 막 생물반응기(16)는 본 발명에 따른 여과 모듈(11)의 기술된 실시예뿐만 아니라 막여과 장치의 다른 실시예에 따른 막 생물반응기를 포함한다. 예를 들면, 중공사막 여과 장치는 상술한 기술분야에서 설명한 바와 같이 사용될 수 있다. 평평한 막여과 장치 역시 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 막 생물반응기(16)는 기술분야에서 종래에 사용된 구성 또는 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 정화할 하수 슬러지에 따라 호기성, 산소 결핍 또는 혐기성 환경 조건을 제공하기 위해 접촉기(15)에 폭기 장치를 마련하는 것이 가능하다. 접촉기(15)에 스터링(stirring) 장치를 마련하지 않은 것이 현재는 바람직하지만, 각각의 통부에 폐수를 순환시키기 위한 스터링 장치가 사용될 수 있다.

Claims

섬유 다발과 연결되고, 외부로부터 내부에 액체가 통과하여 흐를 수 있으며, 여과된 액체는 각각의 적어도 하나의 단부로부터 흘러나가게 되는 중공사막과,

가스를 이용하여 상기 중공사막의 외부를 세척하기 위한 가스 공급 장치를 구비하여 액체로부터 입자들을 분리하기 위한 여과 장치에 있어서,

상기 가스 공급 장치는 지지부재를 포함하며, 상기 지지부재의 외부 주변면은 적어도 일부가 내부로부터 외부로 가스가 침투할 수 있으며, 상기 섬유 다발은 상기 지지부재의 외부 주변면에 감겨 있는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 외부 주변면은 홀 또는 슬롯 형상의 통과홀을 구비하거나 다공성 물질로 구성되고 바람직하게는 원통형 커버의 형상인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 지지부재의 외부 주변면은 길이가 1∼100 cm, 직경은 1∼40 cm인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 지지부재는 일측면 단부에 가스, 특히 압축 공기를 위한 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 중공사막의 단부는 적어도 하나의 연결부분에 조여져 있으며, 상기 연결부분은 상기 중공사막으로부터 투과수를 빼내기 위한 흡입 연결부와 연결된 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 5 항에 있어서,

각각의 중공사막의 제 1 단부는 제 1 연결부분과 연결되며, 중공사막의 제 2 단부는 제 2 연결부분과 연결된 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 연결부분과 가스 연결부는 상기 지지부재의 마주보는 면의 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 중공사막은 섬유 다발에 연결되며 여과 표면이 0.1∼10 ㎡인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1 항에 따른 여과 장치를 복수 개 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 모듈.
제 9 항에 있어서,

상기 여과 장치는 여과 표면이 50∼700 ㎡/㎥으로 배치되는 것을 특징으로 하는 여과 모듈.
제 9 항에 있어서,

상기 여과 장치는, 가스의 공동 공급 라인 및/또는 투과수의 공동 배출 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 여과 모듈.
삭제
생물학적으로 활성화된 물질로 오염된 (폐수)물을, 제 9 항에 따른 적어도 하나의 여과 모듈이 마련된 여과조에 도입하는 단계; 및

생물학적으로 활성화된 물질로부터 정화된 물을 빼내고, 중공사막의 외부 표면에 형성된 침전물을 중공사막의 지지부재의 외부 주변면을 통해 가스를 투입함으로써 제거하는 단계; 를 포함하는 물 또는 폐수 처리 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 가스는 비연속적인 방법으로 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 접촉기는 상기 여과조의 상류에 마련되고, 상기 여과조에서 분리된 생물학적으로 활성화된 물질의 적어도 일부는 접촉기에 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 여과조로부터 재순환되는 양은 정화되지 않은 폐수의 하루 공급량의 부피의 5∼300%인 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 여과조로부터 재유입되는 유량이 머무는 시간은 2∼120분인 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 여과조로부터 생물학적으로 활성화된 물질을 재순환하는 접촉기에서, 정화되기 전의 폐수의 생화학적 산소 요구량(BOD)와 여과조로부터 재순환된 활성 슬러지(AS)의 비율은 하루당 1∼100 kg BOD/ kg AS로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 접촉조에서의 BOD와 AS의 비율은, 접촉기로부터 여과조로 폐수가 재순환한 후 여과조에서의 BOD와 AS의 비율이 하루당 0.01∼1 kg BOD/ kg AS가 되도록 하는 값으로, 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 접촉기는 적어도 두개의 연속적으로 전환된 접촉기 통부로 분리되고, 제 1 접촉기 통부로부터 나머지 접촉기 통부 방향으로 유체가 흐르게 되며, 상기 여과조의 상류에 일직선이며; 정화되기 전의 폐수의 도입과 상기 여과조로부터 생물학적으로 활성화된 물질의 재순환은 각각 제 1 접촉기 통부에서 가능하고; 나머지 접촉기 통부로부터 폐수는 여과조로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 접촉기 내의 유속은 1∼60 m/초로 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 15 항에 있어서,

액체의 흐름을 조절하기 위한 전환벽이 상기 접촉기에 마련된 것을 특징으로 하는 방법.
제 22 항에 있어서,

상기 접촉기는 플러그형 또는 관형 반응기로서 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
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제9항에 있어서,

상기 여과 장치는 서로 수직으로 인접하도록 배치되고, 그 가스 공급 면이 하방을 향하는 것을 특징으로 하는 여과 모듈.