KR100877499B1 - 안정막 여과 유속의 추정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 막여과 초기의 막여과 특성의 측정 데이터에서, 막여과 플랜트의 세정도 포함한 장기 안정 운전시에 있어서의 유속의 최대치를 추정하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에서는, 막 모듈과 운전 조건이 특정된 신설 막여과 플랜트의, 피처리액과 당해 막모듈의 막을 사용하여 측정된 초기 막여과 특성의 측정치 A 와, 막 모듈과 운전 조건이 동일하거나 또는 근사한 복수의 기설 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속의 경험치와, 기설 막여과 플랜트의 피처리액과 막모듈을 사용하여 측정된 초기 막여과 특성의 측정치 B 로부터, 신설 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속을 추정하는 방법이 제공된다.

막여과 유속 추정 방법

Description

안정막 여과 유속의 추정 방법{METHOD OF ESTIMATING STABILIZED MEMBRANE FILTERING FLUX}

본 발명은, 막여과 초기의 시험 데이터로부터, 신설 막여과 플랜트의 설계에 필요한 안정막 여과 유속의 값을 추정하는 방법에 관한 것이다.

한외여과막, 정밀여과막 등의 여과막을 사용한 막여과 플랜트에서는, 막모듈내에 분리 대상이 되는 피처리액을 흐르게 하고, 막모듈 외부로부터 이 피처리 액체에 압력을 가한다. 그리고, 주로 막의 세공 (細孔) 의 크기에 기초하여, 어느 정도의 유속을 얻을 수 있는 조건 내에서 목적으로 하는 여과를 실시한다.

막여과 플랜트의 피처리액의 성상은 막여과 플랜트마다 각각 다르고, 피처리액에 포함되는 각종 물질이, 막 막힘 등의 이른바 파우링을 발생시켜 급격하게 또 서서히 유속의 저하를 초래하는 경우가 많다. 그 때문에, 막여과 플랜트에서는, 비교적 단기에 반복하여, 에어 버블링 등의 물리 세정이나 플러싱 등을 실시하고, 막 성능을 어느 정도 회복시켜 사용한다. 그리고, 막 성능을 충분히 회복시키는 약품 세정을 예를 들어 반년에 1 회로 상정한 범위 내에서, 또한 가능한 운전 조건의 범위 내에서, 약품 세정까지의 반년 간 안정적으로 운전할 수 있는 상태를 특정하고, 그러한 조건 중에서 가장 효율적인 조건을 채용하여 운전하는 것이 통상이다.

막여과 플랜트에서 정유량 (定流量) 조건하에서의 안정 운전시에서의 운전 압력의 전형적인 거동을 도 10(a) 에 나타낸다. 도 10(a) 에서는, 가로축이 운전 일수이고, 세로축이 운전 압력이다. 도 10(a) 중의 원으로 둘러싼 부분의 확대도를 도 10(b) 에 나타낸다. 도 10(b) 는, 정기 세정에 수반하는 단기의 압력 변동을 나타내고 있다. 도 10(a) 로부터 알 수 있듯이, 운전 압력은, 운전 초기에는 급상승한다. 그러나, 초기 상태가 지나면 안정기로 접어들어, 운전 압력은 운전 일수에 수반하여 일정한 기울기로 서서히 증가해 간다. 안정기를 지나면 종기가 되어, 급격하게 운전 압력이 상승하고 송액 펌프의 운전 한계에 근접하여, 여과막을 약품 세정할 필요가 발생된다.

막여과 플랜트의 운전 조건으로서는, 이 초기부터 종기까지의 운전 기간과 단기 세정 조건을 미리 상정한 경우에, 이 기간에 걸쳐 일정 유량으로 안정적으로 운전할 수 있는 최대의 유속으로 운전하는 것이 가장 효율적이게 된다. 그 때문에, 막여과 플랜트의 설계할 때는, 일정한 단기 세정 조건과 약품 세정까지의 운전 기간을 전제로 하여 안정 상태에서의 유속의 최대치가 어느 정도의 값이 되는지를 추정하고, 그에 따라 막여과 플랜트의 설계 규모를 결정하게 된다.

그런데, 이 실운전시의 안정 상태의 유속은, 전처리를 포함한 피처리액에 포함되는 물질의 종류, 입자의 성상, 농도 등에 영향받고, 또한 여과막의 특성, 피처리액에 포함되는 물질과 여과막의 상호작용, 여과막의 세정 조건, 운전 조건 등의 각종 조건이 복잡하게 영향을 미쳐 정해진다고 생각되고 있다. 종래, 이들 복 잡한 상호 작용 때문에, 안정 상태의 유속값을 미리 추정하는 것은, 완전히 불가능하다고 생각되어 왔다.

이것을 추정하고자 하는 시도로서는, 예를 들어, 일정한 여과 필터를 사용하여 일정시간 일정 압력에서 피처리액을 여과하고, 여과 개시시점과 여과 종료시점에서의 유량의 측정치로부터 안정 상태의 유속값을 구하려 하는 SDI (Silt Density Index) 측정 방법이라는 방법이 제창되었다. 그러나, 이 방법을 적용할 수 있는 것은 극히 좁은 수질 범위로 한정되어 있어, 실용적이라고 하기 힘들다. 또, 일본 공개특허공보 2001-327967호 (특허 문헌 1) 에서는 탁질량과 용해성 유기물 탄소량의 측정치 및 막여과 유속의 함수로부터, 막여과 유속, 물리 세정 간격, 약액 세정 시기, 전처리 등의 최적화를 도모하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이 발명에서는 DOC, E260, 탁도를 분석할 필요가 있고 번잡하다. 또, 유기물 오염의 원인을 휴믹 물질로 특정하고, 오염도를 D0C 와 E260 의 비율로부터 단순히 계산으로 산출하고 있기 때문에, 휴믹 물질 이외의 유기물이 막오염에 관여하는 경우에는, 그 영향을 올바르게 평가할 수 없는 것도 있다.

그 때문에, 종래, 신설하는 막여과 플랜트 설계할 때는, 1 종류 또는 2 종류 이상의 후보막의 막모듈을 사용하고, 각종 전처리와 막모듈의 조합을 경험적 또는 시행 착오적으로 사용하면서, 실제의 피처리액을 막모듈로 흐르게 하여 최단 1 개월 정도에서 최장으로 계절 변동도 포함한 1 년 정도의 장기운전을 미리 실시하고, 안정적으로 얻을 수 있는 유속의 최대치가 어느 정도의 값이 되는지 시험을 시행 착오적으로 실시하는 것이 통상이었다. 예를 들어, 비특허 문헌 1 에는, 기후 현 야마노우치 정수장에서, 한외 여과막 (UF) 을 사용하여 각종 전처리를 시험하면서 막정수 처리 시스템의 장기 안정성을 검토한 시험 결과 보고를 포함하여 각종 동일한 시험 결과가 보고되고 있다.

또는, 시험에 그러한 장기간에 걸치지 못하는 경우에는, 피처리액 조성이 비교적 근사하다고 생각되는 과거의 막여과 플랜트의 경험치를 참고로 하여, 신규막 여과 플랜트에서의 안정 상태의 유속값을 경험적으로 상정하고, 이것에 안전 계수를 통상보다 많이 부과하여 설계치로 하는 것도 이루어지고 있었다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2001-327967호

비특허 문헌 1 : 고효율 정수 기술개발 연구 (ACT21) 수도용 막여과 기술의 새로운 전개, (재) 수도 기술 연구 센터 발행, 2002년 12월 발행, 200 페이지∼204 페이지, 227 페이지∼230 페이지, 257 페이지∼271 페이지, 272 페이지∼274 페이지, 277 페이지∼279 페이지

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은, 막여과 초기의 막여과 특성의 측정 데이터로부터, 막여과 플랜트의 단기 세정도 포함한 장기 안정 운전시에서의 유속의 최대치를 추정하는 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명은, 막모듈 및 운전 조건이 특정된 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속을 추정하는 방법으로서, 상기 막여과 플랜트의 피처리액과 막모듈의 막을 사용하여, 상기 막여과 플랜트의 초기 막여과 특성의 측정치 A 를 얻는 공정과, 상기 막모듈 및 운전 조건과 동일 또는 근사한 막모듈 및 운전 조건인 복수의 기설 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속값을 얻는 공정과, 상기 복수의 기설 막여과 플랜트의 피처리액과 막모듈의 막을 사용하여, 상기 복수의 기설 막여과 플랜트의 초기 막여과 특성의 측정치 B 를 얻는 공정과, 상기 기설 막여과 플랜트의 최대 유속값과 측정치 B 의 관계에 기초하여, 상기 측정치 A 로부터 상기 막여과 플랜트의 최대 유속을 추정하는 추정 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 추정 방법이다.

여기서, 상기 추정 공정은, 상기 초기 막여과 특성의 측정치 B 의 로그값과 상기 최대 유속의 관계를 식 또는 그래프로 나타내고, 그 식 또는 그래프에 상기 측정치 A 를 외삽 또는 내삽하여 상기 막여과 플랜트의 최대 유속을 추정하는 공정인 것이 바람직하다.

또, 상기 운전 조건이, 적어도 여과시간 또는 막세정 패턴의 조건을 포함하는 것은 바람직하다. 또, 상기의 초기 막여과 특성이, 정압 단순 여과 저항, 정량 단순 여과 저항, 세정 부가 정압 여과 저항, 세정 부가 정량 여과 저항의 중 어느 하나에서 선택된 것인 것은 바람직하다. 또, 상기의 초기 막여과 특성의 측정치와, 상기 안정 운전시의 최대 유속의 경험치가, 측정치를 로그로 한 세미 로그 그래프에 의해 묶여져 있는 것은 바람직하다.

발명의 효과

막여과 초기의 단시간의 통액 데이터로부터, 막여과 플랜트의 세정 조건도 포함한 장기 안정 운전시에서의 유속의 최대치를 극히 간단하게 추정할 수 있게 된다. 이 결과, 신설 막여과 플랜트의 설계에서, 장기 시험 운전을 실시할 필요가 없어진다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 실시형태 예를 도면을 참조하면서 설명한다. 본 발명에서는, 우선, 신설 예정인 막여과 플랜트의 막모듈과 운전 조건을 특정한다. 그리고, 이 막모듈에 사용되고 있는 막과 신설 막여과 플랜트에서 처리할 예정의 피처리액을 사용하여, 막의 여과 저항 등의 초기 막여과 특성을 측정한다 (이 값을 측정치 A 로 한다). 이 측정은 10분∼1시간 정도의 단시간으로 종료한다.

이어서, 신설 예정인 막여과 플랜트와 동일하거나 근사한 막모듈과 운전 조건의 기설 막여과 플랜트를 2 이상 선택하고, 이것들에 있어서, 예정되는 약품 세정까지의 운전 시간 범위 내에서 안정적으로 운전할 수 있는 유속의 최대치의 경험적인 데이터를 수집한다. 이러한 경험치는, 각 플랜트에서 운전 압력 등의 운전 조건을 변환하여 시행 착오적으로 수집된 것이다. 또, 기설 막여과 플랜트에서 사용되고 있는 막모듈의 막과, 기설 막여과 플랜트의 피처리액을 사용하여, 상기와 같은 초기 막여과 특성을 측정한다 (이 값을 측정치 B 로 한다).

이어서, 복수의 기설 막여과 플랜트의 상기의 유속의 최대치의 경험치와, 그들 측정치 B 를, 측정치 B 를 로그측으로 한 세미 로그 그래프에 플롯한다. 그 리고, 이들 복수의 점을 직선으로 연결하고, 이 직선 상의 상기 측정치 A 에 대응하는 점을 특정한다. 그 점의 유속값을 판독하면, 구하는 신설 예정인 막여과 플랜트에서 안정적으로 운전할 수 있는 유속의 최대치를 얻을 수 있다.

즉, 놀라운 것은 피처리액이 무엇인가에 관계없이, 막모듈과 운전 조건이 동일하거나 근사한 복수의 기설 막여과 플랜트의 유속의 최대치의 데이터가 있으면, 기설 막여과 플랜트의 막의 초기 막여과 특성과, 신설 예정인 막여과 플랜트 막의 초기 막여과 특성을 측정함으로써, 즉시 신설 예정인 막여과 플랜트로 얻을 수 있는 안정유속의 최대치를 추정할 수 있는 것이다.

또한, 이상, 설명의 편의를 위해, 측정치 A, 측정치 B, 최대 유속값 순으로 본 발명에 관련되는 추정 방법의 각 공정을 설명했지만, 본 발명에 관련되는 추정 방법은, 반드시 이 순서로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 측정치 A, 최대 유속값, 측정치 B 의 순서로 구해도 되고, 최대 유속값, 측정치 B, 측정치 A 의 순서 이어도 상관없다.

본 발명은, 여러가지 피처리액에 대해서 건설된 수많은 막여과 플랜트의 경험치를 토대로, 각종 데이터 해석을 시행 착오적으로 실시해 가는 가운데, 상기 세미 로그 그래프를 플롯하면, 매우 놀랍게도 피처리액의 성상이 어떤 것인가에 관계없이, 여러가지 기설 막여과 플랜트의 데이터가, 막모듈과 운전 조건을 특정한 거의 한 개의 직선 상을 타는 것을 찾아내어 이루어진 것이다.

이로써, 종래, 짧아도 한달에서 통상 일년 정도의 장기간 시험운전을 필요로 한 신설 막여과 플랜트의 설계 조건의 추정이, 극히 용이하고 단시간으로, 게다가 정확도 높게 실시할 수 있게 되었다. 이하, 이에 대해 더욱 자세히 설명한다.

우선, 여기에 말하는 신설 막여과 플랜트란, 계획 단계에서 아직 건설되어 있지 않은 막여과 플랜트를 말하지만, 기설 막여과 플랜트이어도, 미리 장기 시험을 실시하지 않고, 피처리액의 성상이 근사한 다른 기설 막여과 플랜트의 데이터를 토대로 설계치가 상정되어 건설된 여과 플랜트나, 또는, 최대 유속을 경험적으로 발견하는 작업을 하고 있지 않는 플랜트이어도 된다. 이들과 같은 플랜트에서는, 반드시 최적화된 설계가 이루어지지 않을 가능성이 있기 때문에, 유속의 최대치를 추정하는 것에 의미가 있다.

이어서, 신설 막여과 플랜트에서 사용하는 막모듈과 운전 조건을 특정한다. 이들이, 상기의 세미 로그 그래프가 작성된 경우에, 상이한 직선을 특정하는 파라미터가 되기 때문이다. 여기서, 막모듈의 분류는, 원칙적으로는, 막의 재질, 막이 중공사이거나 평막 등의 막의 형상, 구멍의 직경, 구멍의 수, 중공사인 경우의 실의 직경, 실의 길이, 실의 모듈에 대한 충전율, 평막인 경우의 막의 치수, 막간 거리, 스파이럴형인지 필터 프레스 형태인지 등의 모듈 형식 등에 의해 판단한다. 이들이 상이한 경우에는, 막모듈의 성능도 상이하므로 원칙 상, 상이한 막모듈로서 특정한다.

실제적으로는, 막모듈의 제품 분류에 따라 판단하는 것이 간편하고 바람직하다. 즉, 동일한 그레이드의 제품이면 동일한 막모듈이라고 판단하고, 상이한 그레이드의 제품이면 상이한 막모듈로 판단하는 것이 간편하다. 이것은, 상이한 그레이드 번호가 붙여져 있는 이상, 상이한 사양과 성능을 갖고 있다고 생각되 는 것에 의한다. 동일한 제품에 2 개 이상의 상이한 그레이드가 붙여져 있는 경우는, 상기의 원칙으로 돌아와 판단하면 된다. 또, 막모듈이 근사하다란, 어느 특정한 막모듈에 대해서 상기의 각종 사양이나 특성이 가깝고, 그 막모듈의 대체품으로서 사용할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 특성이 가깝다란, 특성의 수치가 상이하더라도, 수치가 ±30% 의 범위 내에 있는 것을 의미한다. 이 범위 내이면 특성이 가깝거나 실질적으로 동일한 운전 조건이라고 판단한다. 보다 바람직하게는 수치가 ±20% 의 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 수치가 ±10% 의 범위 내이다.

또, 운전 조건이란, (가) 실운전에 있어서 피처리액을 처리하는 여과 공정의 시간과, (나) 막을 세정하는 세정 공정의 시간과, (다) 필요에 의해 탁도분을 밀어내는 플러싱 공정 시간의 합으로 이루어지는 여과시간 (실운전의 반복 단위 프로세스의 실행에 필요로 하는 시간) 이나, 막세정 방식, 막세정으로 에어 스크러빙을 사용했을 경우의 에어 유량, 역세정 시간 등의 막세정 패턴 등을 말한다. 이들이 동일한 경우에 운전 조건이 동일하다고 판단한다. 또한, 이들의 수치가 상이하더라도, 수치가 ±30% 의 범위 내이면 운전 조건이 근사하거나, 실질적으로 동일한 운전 조건의 범위 내라고 판단한다. 보다 바람직하게는 수치가 ±20% 의 범위 내이고, 더욱 바람직하게는 수치가 ±10% 의 범위 내이다. 또한, 전처리 조건은 운전 조건에 포함할 필요는 없다. 전처리는 피처리액의 성상을 변화시키지만, 본 발명은 피처리액의 성상에 관계없이 적용할 수 있는 것에 의한다.

이어서, 신설 막여과 플랜트에서 사용되는 막모듈의 막과, 신설 막여과 플랜 트에서 처리되는 피처리액을 사용하여, 막의 초기 막여과 특성의 측정치 A 를 측정한다. 여기서 초기 막여과 특성이란, 미사용의 새로운 여과막에서 피처리액의 처리를 개시하고 나서, 도 1 에 나타낸 것 같은 안정 상태로 이행할 때까지의 기간에서의 막특성을 말하지만, 실제로는, 처리 개시부터 10분간 정도에서, 길어도 2 회 또는 3 회의 세정 공정이 들어가는 시간 간격에서의 막특성을 측정하면 충분하다. 이러한 초기 막여과 특성으로서 측정해야 할 항목으로서는, 정압 단순 여과 저항, 정량 단순 여과 저항, 세정 부가 정압 여과 저항, 세정 부가 정량 여과 저항 등을 들 수 있지만, 이하에서는, 초기 막여과 특성으로서 정압 단순 여과 저항을 사용하는 경우에 대해 설명한다. 그 외의 초기 막여과 특성에 대해서는 후술한다.

도 1 은, 초기 막여과 특성을 측정하는 장치의 모식도이다. 장치의 중심이 되는 막모듈은, 길이 20㎝ 정도의 중공사 (2) 를 1 개만을 하우징에 수납한 미니 모듈 (1) 이다. 이 중공사 (2) 는, 신설 막여과 플랜트에서 사용될 예정의 막모듈로 사용되는 중공사와 동일한 미사용 중공사를 사용하지만, 중공사의 길이는 하우징에 맞춘 것이면 충분하다. 중공사 (2) 의 일방의 단부는 폐지 도구 (5) 에 의해 닫혀져 있고 일방의 단부는 막을 투과한 액을 유출할 수 있도록 개방단 (6) 으로 되어 있다. 피처리액은 미니 모듈측부의 입구 (3) 로부터 하우징내로 들어가고, 막을 투과한 액만이 개방단 (6) 으로부터 유출된다. 미니 모듈측부의 출구 (4) 는, 라인 (62)를 통하여 폐지단 (63) 으로 되어 있다.

용기 (11) 내의 신설 막여과 플랜트의 피처리액 (70) 은, 스터러 (10) 에서 교반되면서, 펌프 (20) 의 압출 롤러 (21) 에 의해, 라인 (60) 을 통하여 용기 (11) 로부터 흡인되고, 또한 라인 (61) 을 통하여 미니 모듈측부 입구 (3) 로 보내진다. 이 펌프 (20) 의 회전에 의해, 여과압이 미니 모듈 (1) 에 인가된다. 라인 (61) 과 라인 (62) 의 도중에는, 각각 압력계 (50, 51) 가 설치되어 있어, 측정이 정상적으로 실시되고 있는 한, 2 개의 압력계가 나타내는 압력은 거의 동일한 값이 된다.

미니 모듈 (1) 의 개방단 (6) 의 하부에는, 개방단 (6) 으로부터 유출된 막투과액 (71) 을 받는 용기 (31) 가 놓여져 있다. 이 용기 (31) 는, 추가로 용기 (31) 마다 막투과액 (71) 의 중량을 축차적으로 측정할 수 있는 전자 저울 (30) 위에 놓여져 있다. 전자저울 (30) 로 측정된 중량의 증가 데이터는, 컴퓨터 (40) 에 보내지고 데이터 처리되어 정압 단순 여과 저항: K 가 연산된다.

여기서, 정압 단순 여과 저항: K 에 대해 설명해 둔다. K 는, Ruth 의 정압 여과 계수라고도 불려지며, 정압 여과 조건하의 케이크 여과 연구로부터 얻어진 계수이다. K 는, 여과개시부터의 여과시간을 θ, 여액량을 V 로 했을 경우에, θ/V 를 세로축으로 하고, V 를 가로축으로 하여 모눈 그래프에 플롯하고, 얻어진 직선의 기울기 θ/V² 로 정의된다. 이 θ/V 를 세로축에 V 를 가로축으로 한 그래프가 도 1 의 컴퓨터 (40) 의 부분에 기재되어 있다. 컴퓨터 (40) 에는, 이 K 의 연산을 실시하는 프로그램이 저장되어 있다. 또한, K 를 구할 때에는, 압력계 (50, 51) 가 일정 압력이 되도록, 롤러 (21) 의 회전수를 일정한 조 건으로 하여 측정하면 된다. 이 정압 단순 여과 저항의 측정은, 10분 정도로 간단하게 종료한다. 이것으로, 신설 막여과 플랜트의 막모듈로 사용되는 막과 피처리액을 사용한 정압 단순 여과 저항: K 의 측정치 A 를 얻을 수 있다.

또한, 이러한 초기 막여과 특성을 측정하기 위한 장치는, 각종 변형이 가능하며, 도 1 같은 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 미니 모듈에 수납되는 중공사는 1 개에 한정되는 것은 아니고, 평막 미니 모듈을 사용할 수도 있다. 또, 측정은, 유량을 일정하게 하여 압력 변동을 측정하도록 해도 된다.

이어서, 기설 막여과 플랜트 중에서, 신설 막여과 플랜트의 막모듈과 운전 조건이 동일하거나 또는 근사한 것을 복수 선택한다 (실제로는, 기설 막여과 플랜트의 막모듈과 운전 조건을 참고로 하여, 신설 막여과 플랜트의 막모듈과 운전 조건이 선택된다). 기설 막여과 플랜트의 선택시, 피처리액의 성상이 신설 막여과 플랜트의 피처리액과 근사할 필요는 없다.

이어서, 이들 복수의 기설 막여과 플랜트에서 시행 착오적으로 측정된 안정 상태에서의 유속의 최대치의 데이터를 수집한다. 통상, 기설의 막여과 플랜트에서는, 운전 개시부터 잠시 동안에는, 운전 조건의 최적화를 위해서 여과압력을 적절하게 변동시킴으로써 유속을 바꾸고, 일정 기간 그 상태에서 운전하여 여과압력의 시간 경과에 따른 거동을 조사하는 것이 실시된다. 이것이 실시되고 있는 상태의 예를 도 2∼도 4 에 나타낸다.

도 2 는, 어떤 기설 막여과 플랜트 (A) 에서, 유속을 단계적으로 증가시켜, 어디까지의 유속이면 여과압력이 안정 상태를 유지할 수 있는지, 즉 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 것을 목적으로 실시된 실험 결과이다. 또한, 유속은 단위 막면적당 하루에 얻어지는 막투과액의 체적이기 때문에, 그 단위로서 m³/m²/d=m/d 가 사용되고 있다. 실험 초기에서는, 4m/d 라는 작은 유속으로부터 시작하고, 이것으로 안정 상태를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 그래서, 다음으로 6m/d 로 유속을 올린 바, 압력 상승의 기울기가 너무 커, 안정적으로 운전할 수 없는 것이 판명되었다. 여기에서, 6m/d 에서는 안정 상태를 얻을 수 있는 유속의 최대치를 넘고 있는 것을 알 수 있다. 실제, 그 후의 시험에서, 유속의 최대치는 대략 4.7m/d 인 것이 판명되었다.

도 3 은, 다른 기설 막여과 플랜트 (B) 에서의 안정유속의 최대치를 구하기 위한 실험의 결과를 나타낸 것이다. 운전 당초에는 2.9m/d 로 운전한 바, 압력 상승의 기울기가 너무 커, 예정된 약품 세정까지의 운전기간에 이르기까지 플랜트의 운전 압력 상한인 200㎪ 를 초과하는 것이 판명되었다. 즉, 안정 상태를 얻을 수 없었다. 그래서, 막을 약품 세정하여 신품과 동일한 상태로 되돌리고, 유속을 2.4m/d 로 내려서 다시 운전을 실시하였다. 그러자, 압력 상승의 기울기가 작은 안정 상태를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 이어서, 다시, 막을 약품 세정하여 신품과 동일한 상태로 되돌리고, 유속을 2.6m/d 로 상승시켜 운전하였다. 그러자, 이 유속에서도 안정 상태를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 추가로 2.6m/d 와 2.9m/d 의 사이에서 보다 유속을 미세하게 조정하여 실시된 도시되지 않은 실험의 결과로부터, 이 기설 막여과 플랜트 (B) 의 유속의 최대치는, 대 략 2.7m/d 인 것이 확인되었다.

도 4 는, 추가로, 다른 기설 막여과 플랜트 (C) 에서의 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 실험의 결과를 도시한 것이다. 우선, 운전 당초에는 유속이 1.5m/d 의 조건으로 운전하고, 이것으로 안정 상태를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 그래서, 다음으로 유속을 3m/d 로 증가시킨 바, 급격하게 여과압력이 증가되어, 플랜트 운전의 상한 압력인 200㎪ 를 부분적으로 돌파하는 상태가 되었다. 즉, 안정 상태를 얻을 수 없었다. 그 후 보다 미세하게 단계를 나눈 도시하지 않은 실험으로부터, 이 막여과 플랜트에서 안정 상태를 얻을 수 있는 유속의 최대치는 2.8m/d 인 것이 확인되었다.

즉, 안정유속의 최대치는, 우선 안전 사이드라고 추측되는 유속값으로, 어느 정도의 기간 여과운전을 실시하여 압력 상승의 정도를 조사하고, 바람직한 범위의 압력 상승의 기울기를 얻을 수 있는지 아닌지를 판단하여, 바람직한 기울기를 얻을 수 있는 경우를 안정 상태로 하고, 또한 유속을 바꾸어 안정 상태를 얻을 수 있는지 여부를 판단하는, 단계적인 시행 착오에 의해 경험적으로 구해진 것이다. 이와 같이 하여, 기설 막여과 플랜트에서 개별적으로 측정된 안정 상태에서의 유속의 최대치의 데이터를 수집한다 (실제로는, 이러한 데이터가 갖추어져 있는 기설 막여과 플랜트 중에서, 신설 막여과 플랜트의 조건 설정의 참고가 되는 기설 막여과 플랜트를 복수 선택한다).

이어서, 기설 막여과 플랜트에서 사용되고 있는 막모듈의 막과, 그 기설 막여과 플랜트에 의해 처리되고 있는 피처리액을 사용하여, 상기의 도 1 에 관련하여 설명한 정압 단순 여과 저항 : K 를 측정한다. 사용하는 막은, 기설 막여과 플랜트에서 사용되고 있는 막모듈에 수납되어 있는 막과 동일한 사양 특성 (또는 동일 그레이드) 의 막으로서 미사용의 막이다. 또한, 막의 길이나 개수가 동일할 필요는 없다. 복수 선택된 것 중, 나머지 기설 막여과 플랜트에 관해서도 동일하게, 그 플랜트의 피처리액과, 그 플랜트의 막모듈에 수납되어 있는 막과 동일한 사양 특성의 미사용의 막을 사용하여, 정압 단순 여과 저항: K 를 측정한다. 얻어진 복수의 측정치를 측정치 B 로 한다. 이 측정도, 상기의 신설 막여과 플랜트의 경우와 동일하게, 각각의 막에 대해, 최대 10분 정도로 종료한다. 또한, 초기 막여과 특성의 측정치는, 플랜트마다 고유한 것이기 때문에, 이미 측정치 B 가 얻어져 있는 경우에는, 그 측정치를 사용하면 된다.

이어서, 상기에서 얻어진 데이터로부터, 신설 막여과 플랜트의 안정 상태에서의 유속의 최대치를 추정한다. 우선, 상기에서 얻어진 기설 막여과 플랜트의 K 의 복수의 측정치 B 와, 안정 상태에서의 유속의 최대치를, K 값을 로그측으로서 세미 로그 그래프에 플롯한다. 다음으로 플롯된 점을 통과하는 직선을 긋는다. 이미 설명한 바와 같이, 피처리액의 성상에 관계없이, 막모듈과 운전 조건을 특정하면, 상이한 막여과 플랜트에서 측정된 점이어도 동일한 직선 상에 실려 오는 것을 발견하였다. 즉, 신설의 막여과 플랜트에서도 이 직선 상에 점이 존재한다고 추정된다.

그래서, 상기에서 얻은 신설 막여과 플랜트의 K 의 측정치 A 를 이 직선 상에 플롯하여, 세로축의 막여과 유속의 값을 판독하면, 그 값이, 대상의 신설 막여 과 플랜트에서 안정 상태를 얻을 수 있는 유속의 최대치가 된다고 추정할 수 있다. 즉, 기설 막여과 플랜트의 데이터로부터 외삽 또는 내삽함으로써, 신설 막여과 플랜트의 안정 상태를 추정할 수 있게 된다.

이와 같이, 기설 막여과 플랜트의 경험치와, 간단하게 측정할 수 있는 초기 막특성을 키로 하여, 피처리액의 성상의 상이함에 관계없이, 목적으로 하는 유속의 최대치를 높은 정확도로 얻을 수 있다. 그 때문에, 지금까지 신설 막여과 플랜트에서 필요로 하는 장기의 시험 운전이나, 플랜트 건설 후의 유속의 최대치를 구하는 시행 착오적인 시험 운전이 필요없게 된다.

역으로, 신설 막여과 플랜트의 피처리액으로 각종 막모듈로 사용되고 있는 막의 초기 막여과 특성을 측정하면, 어느 기설 막여과 플랜트와 동일한 막모듈이나 운전 조건을 사용하면, 신설 막여과 플랜트에서 가장 높은 유속을 얻을 수 있는지, 즉 최적 조건을 미리 특정할 수 있게 된다.

즉, 각종 조건의 기설 막여과 플랜트의 최대 유속값 및 초기 막여과 특성의 데이터를 축적한 데이타베이스를 구축하면, 신설 막여과 플랜트의 피처리액을 사용하여 각종 막의 초기 막여과 특성을 측정하는 것만으로, 신설막여과 플랜트에 최적인 막모듈과 운전 조건을 즉시 결정할 수 있게 된다.

이어서, 초기 막여과 특성으로서 사용할 수 있는 것으로서는, 상기의 단순 여과 저항: K 이외에, 정량 단순 여과 저항, 세정 부가 정압 여과 저항, 세정 부가 정량 여과 저항 등을 들 수 있다. 그러나, 초기 막여과 특성은, 이들에 한정되는 것이 아니라, 막의 초기 특성을 특정할 수 있는 파라미터이면 된다.

예를 들어, 정량 단순 여과 저항이란, 일정 유량 조건하에서 도 1 과 동일한 장치를 사용하여 측정된 막투과량과 운전 압력의 경시적인 변동치에서, 모눈 그래프의 가로축에 막투과 체적의 적산치 V (시간에 상당), 세로축에 운전 압력 P 를 취했을 경우에 얻어지는 직선의 기울기로 정의된다. 이것을 도 5 에 나타낸다. 이 정량 단순 여과 저항은, 실제의 막여과 플랜트가 정량 운전 조건으로 운전되고 있기 때문에, 이러한 관점에서는 실제적이다. 그러나, 한편으로 초기 막여과 특성의 측정을 위한 장치는, 압력계로부터의 신호에 의해 펌프의 동작을 제어할 필요가 발생하기 때문에 보다 복잡하게 된다.

또, 초기 막여과 특성으로서 측정이 더욱 복잡하게 되지만, 2 회에서 3 회 정도의 세정 공정까지를 포함한 것을 사용할 수도 있다. 정압 조건하에서의 K 에 세정 조건을 부가한 것을 세정 부가 정압 여과 저항이라고 한다. 이것을 도시하면 도 6 과 같이 된다. 실선이 실제의 측정 데이터이고, 파선으로 나타난 직선의 기울기를 초기 막여과 특성으로서 사용할 수가 있다.

동일하게, 정량 단순 여과 저항을 측정할 때에, 2 회에서 3 회 정도의 세정 공정까지를 추가한 것을 사용할 수도 있다. 정량 조건하에서 세정 조건을 부가한 것을 세정 부가 정량 여과 저항이라고 한다. 이것을 도시하면 도 7 과 같이 된다. 실선이 실제의 세정을 포함한 측정 데이터이며, 파선으로 나타난 직선의 기울기를 초기 막여과 특성으로서 사용할 수가 있다.

또한, 운전시의 온도에 관해서는, 기설 막여과 플랜트의 운전 온도로부터 표준적인 기준 온도를 정해 두고, 이 후의 어긋남은, 피처리액의 점도의 온도 변화를 환산함으로써 대응하면 된다. 이하, 실시예를 나타내어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠지만, 본 발명의 범위는 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

어떤 하천수의 모래 여과설비에서, 그 역세정 시간의 배수를 여과하기 위한 신설 막여과 플랜트의 건설에 앞서 안정유속의 최대치를 추정하였다. 배수의 탁도는, 100도로 비교적 높은 값이었다. 필요한 처리량 등으로부터 적절하다고 생각되는 막모듈로서 아사히 화성 케미컬즈사 제조의 중공사형 정밀 여과막 모듈 (제품 번호 UNA ?620A, 막면적 50m²) 을 선택하는 것으로 하고, 약품 세정까지의 안정 운전 기간은 6개월로 설정하였다. 또, 표준적인 운전 조건인, 여과운전 28.5분, 역세정을 하거나 할 때의 에어 스크러빙 1분, 플러싱 30초의 합계 30분을 단위 공정으로 하고, 이것을 반복함으로써 운전을 실시하기로 하였다. 또한, 역세정 동시 에어 스크러빙할 때에는, 역세정에 사용하는 여과수에 1∼5mg/ℓ 의 농도가 되도록 차아염소산 나트륨을 첨가한다. 이 막모듈에 사용되고 있는 막의 미사용품과 도 1 에 기재된 장치와, 모래 여과의 역세정 시간의 배수를 사용하여, 막의 정압 단순 여과 저항: K 를 측정하였다. 측정된 값은 0.35 로 비교적 큰 값이었다. 이것을 측정치 A 로 한다.

이어서, 상기에서 선택한 막모듈과 제품 번호가 같은 막모듈을 사용하고, 또한 운전 조건이 동일한 3 개의 플랜트를 선택하였다. 1 개째는, 도 2 에 실험 결과의 일부를 나타낸 막여과 플랜트 (A) 로서, 탁도 0.03도의 하천수를 여과하는 플랜트이다. 이 막여과 플랜트 (A) 의 막모듈로 사용되고 있는 막과 동일한 미사용의 막과, 막여과 플랜트 (A) 에서 처리하고 있는 하천수를 사용하여, 도 1 의 장치에서, 온도 20℃ 에서 정압 단순 여과 저항: K 를 측정한 결과, 0.00033 이었다. 이것을 측정치 B 의 1 개째로 한다.

2 개째는, 도 3 에 실험 결과의 일부를 나타낸 막여과 플랜트 (B) 로서, 탁도가 1 도인 공업용수를 여과하는 플랜트이다. 이 막여과 플랜트 (B) 에서 사용되는 막모듈 제품과 운전 조건은, 막여과 플랜트 (A) 와 동일하였다. 이 막여과 플랜트 (B) 의 공업용수와 막을 사용하여, 도 1 의 장치와 동일하게 정압 단순 여과 저항: K 를 측정한 결과, 0.022 이었다. 이것을 측정치 B 의 2 개째로 한다.

3 개째는, 도 4 에 실험 결과의 일부를 나타낸 막여과 플랜트 (C) 로서, 원수에 응집 침전과 모래 여과의 전처리를 추가하여 탁도가 0.14도가 된 하천수를 여과하는 플랜트이다. 이 막여과 플랜트 (C) 에서 사용되고 있는 막모듈 제품과 운전 조건은, 막여과 플랜트 (A) 와 동일하였다. 이 막여과 플랜트 (C) 의 전처리 완료된 물과 막을 사용하여, 도 1 의 장치에서 동일하게 정압 단순 여과 저항: K 를 측정한 결과 0.0187 이었다. 이것을 측정치 B 의 3 개째로 한다.

이어서, 이들 (A) 로부터 (C) 의 막여과 플랜트의, 앞서 특정한 안정유속의 최대치와 정압 단순 여과 저항: K 를 표 1 에 나타낸다.

이들 값을, 정압 단순 여과 저항을 로그측으로 한 세미 로그 그래프에 흰 원 (○) 으로 플롯한 그래프를 도 8 에 나타낸다. 이 때, 이들의 3 개의 점이, 도 8 과 같이 1 개의 직선에 실려 있는 것을 알 수 있다. 이 직선 상에서 상기 측정치 A 점 (K 값=0.3500) 을 검은 사각 (■) 으로 플롯하고, 그 점의 유속값을 판독한 결과, 1.4m/d 이었다. 이것이 안정유속의 최대치의 추정치가 된다.

이어서, 선택된 막모듈이나 운전 조건에 기초하여 신설 막여과 플랜트가 건설된 뒤, 전처리를 추가하여 탁도 100도로 한 하천수의 여과운전을 실시하면서, 단계적으로 유속을 바꾸어 안정유속의 최대치를 측정하였다. 측정하고 있을 때의 여과압의 거동의 예를 도 9 에 나타낸다. 1.39m/d 까지는 안정 상태를 얻을 수 있었지만, 1.74m/d 에서는, 압력 상승이 너무 급격하여 안정 상태는 얻을 수 없었던 것을 알 수 있다. 보다 상세한 실험에서 안정유속의 최대치의 측정치도 1.4m/d 가 되고, 측정 오차의 범위 내에서 추정치와 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.

비교예 1

SDI (Silt Density Index) 측정 방법에 의해, 안정 상태의 유속의 최대치의 추정을 시험하였다. 필터로서 구멍 직경이 0.45㎛ 인 정밀여과필터 (Millipore사 제조, 상품명 HAWP 47㎜Φ)를 사용하여, 실시예 1 의 막여과 플랜트 (A), (B), (C) 의 피처리액을 각각 여과하였다. 여과조건은, 여과압력을 210kPa 로 일정하게 하고, 여과유량의 측정시간 간격은 15분간으로 하였다. 우선, 여과의 개시시에서 피처리액 500㎖ 를 여과하는데 필요로 하는 시간을 측정하였다. 이것을 t0 로 한다. 이어서 여과를 계속하고, 여과개시에서 측정 시간간격의 15분간이 경과하고 나서 다시, 피처리액 500㎖ 를 여과하는데 필요로 하는 시간을 측정하였다. 이것을 t15 로 한다. 이들 측정치와 이하의 수식으로부터 SDI 를 구하였다.

막여과 플랜트 (A) 의 피처리액을 사용했을 경우의 SDI 는 0 이었다. 또, 막여과 플랜트 (B) 의 피처리액을 사용했을 경우의 SDI 는 3.8 이었다. 또한 막여과 플랜트 (C) 의 피처리액을 사용했을 경우의 SDI 는 6.5 이었다. 막여과 플랜트 (B) 와 막여과 플랜트 (C) 의 안정유속의 최대치는, 서로 근사한 값임에도 불구하고, SDI 는 크고 상이한 결과가 되어 버렸다. 또, 실시예 1 의 신설 막여과 플랜트의 피처리액을 사용하여, 동일하게 하여 SDI 의 측정을 시도한 바, 탁도가 크기 때문인지 막투과액을 얻을 수 없었다. 즉 여과유량이 제로로 측정 불능이었다.

본 발명에 의하면, 신설 막여과 플랜트의 설계에서, 장기 시험운전을 실시하지 않고,

단시간으로 구해지는 막여과 초기의 막여과 특성의 측정 데이터로부터, 막여과 플랜트의 단기 세정도 포함한 장기 안정 운전시에 있어서의 유속의 최대치를 간단하게 추정할 수 있다

도 1 은, 초기 막여과 특성을 측정하는 장치 구성예의 개략을 나타낸 모식도이다.

도 2 는, 기설 막여과 플랜트 (A) 에서, 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 실험 결과예를 나타낸 도면이다.

도 3 은, 기설 막여과 플랜트 (B) 에서, 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 실험 결과예를 나타낸 도면이다.

도 4 는, 기설 막여과 플랜트 (C) 에서, 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 실험 결과예를 나타낸 도면이다.

도 5 는, 정량 단순 여과 저항을 구하기 위한 그래프의 예를 나타낸 도면이다.

도 6 은, 세정 부가 정압 여과 저항의 개념을 나타낸 도면이다.

도 7 은, 세정 부가 정량 여과 저항의 개념을 나타낸 도면이다.

도 8 은, K 값과 안정 상태에서의 유속의 최대치의 관계의 예를 나타낸 도면이다.

도 9 는, 신설 막여과 플랜트에서, 안정 상태의 유속의 최대치를 구하는 실험 결과예를 나타낸 도면이다.

도 10 은, 막여과 플랜트의 전형적인 운전 압력의 거동예를 나타낸 도면이다.

Claims (4)

1. 막모듈 및 운전 조건이 특정된 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속을 추정하는 방법으로서,

   상기 막여과 플랜트의 피처리액과 막모듈의 막을 사용하여, 상기 막여과 플랜트의 초기 막여과 특성의 측정치 A 를 얻는 공정과,

   상기 막모듈 및 운전 조건과 동일 또는 근사한 막모듈 및 운전 조건인 복수의 기설 막여과 플랜트의 안정 운전시의 최대 유속값을 얻는 공정과,

   상기 복수의 기설 막여과 플랜트의 피처리액과 막모듈의 막을 사용하여, 상기 복수의 기설 막여과 플랜트의 초기 막여과 특성의 측정치 B 를 얻는 공정과,

   상기 기설 막여과 플랜트의 최대 유속값과 측정치 B 의 관계에 기초하여, 상기 측정치 A 로부터 상기 막여과 플랜트의 최대 유속을 추정하는 추정 공정을 포함하고,

   상기 추정 공정은, 상기 초기 막여과 특성의 측정치 B 의 로그값과 상기 최대 유속의 관계를 식 또는 그래프로 나타내고, 그 식 또는 그래프에 상기 측정치 A 를 외삽 또는 내삽하여 상기 막여과 플랜트의 최대 유속을 추정하는 공정인 것을 특징으로 하는 추정 방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 운전 조건이, 적어도 여과시간 또는 막세정 패턴의 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 추정 방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기의 초기 막여과 특성이, 정압 단순 여과 저항, 정량 단순 여과 저항, 세정 부가 정압 여과 저항, 및 세정 부가 정량 여과 저항으로 이루어지는 군에서 선택된 것인 것을 특징으로 하는 추정 방법.

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