KR100987475B1 - 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 산기관을 이루는 중심축 및 산기관이 모듈 중앙에 위치하고 있으며, 각각의 모듈은 프레임에 탈·부착이 가능하며, 또한 각각의 모듈은 회전모터와 연결 되어 있어 회전하는 장치로서, 상기 분리막 장치는 모듈의 회전으로 인하여 분리막 표면에 난류를 형성시켜 분리막 표면에 형성되는 농도 분극층 또는 케이크 층 등의 투과 저항층을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 역세척을 실시하기에 매우 용이한 구조로 되어 있어 분리막의 교체 주기를 연장할 수 있으며, 처리 용량을 장시간 극대화할 수 있는 장점이 있다.

회전 분리막 모듈, 침지형 분리막 모듈, 산기관, 역세척, 파울링

Description

산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치{Rotary membrane module with combined air diffuser and system}

본 발명은 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 산기관을 이루는 중심축 및 산기관이 모듈 중앙에 위치하고 있으며, 각각의 모듈은 프레임에 탈·부착이 가능하며, 또한 각각의 모듈은 회전모터와 연결되어 있어 회전하는 장치로써, 상기 분리막 장치는 모듈의 회전으로 인하여 분리막 표면에 난류를 형성시켜 분리막 표면에 형성되는 농도 분극층 또는 케이크 층 등의 투과 저항층을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 역세척을 실시하기에 매우 용이한 구조로 되어 있어 분리막의 교체 주기를 연장할 수 있으며, 처리 용량을 장시간 극대화할 수 있도록 구성한 것이다.

최근 하·폐수 및 축산폐수 등 수질 오염원이 함유된 수질을 처리하기 위해서 막분리형 생물학적 처리방법(Membrane bioreactor)이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 막분리형 생물학적 처리 방법에서는 높은 투과유량을 확보할 수 있는 침지형 분리막을 사용하는 것이 가압형 분리막을 사용하는 것보다 유리하다고 알려져 있으며, 이에 쓰이는 분리막은 여러 다른 고분자를 사용하여 종류별로 쓰임과 성능 이 다르게 나타나며, 반응기에 도입되는 모듈도 여러 가지 형태와 크기가 있다.

종래의 합성 고분자 평막 또는 중공사분리막 모듈은 침지형 분리막으로 사용함에 있어, 분리막 표면에 활성슬러지 및 기타 반응 부산물의 부착 등으로 인하여 투과성능 및 분리막의 수명이 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하는 방안으로 막 모듈 하단에서 공기를 폭기시키거나, 난류를 형성시키거나, 초음파 또는 진동을 주어 분리막 모듈을 흔들어 줌으로써 분리막 표면이나 분리막간에 축적되는 활성슬러지 및 기타 반응 부산물을 제거하고 있으나 그 효과가 미비하여 세정 주기가 짧은 단점이 있다.

또한, 분리막 오염이나 농도 분극을 감소시키기 위한 연구로 회전 원판형 모듈에 대한 한국특허 제348968호에서는 가압식 분리막 모듈로서 평막에 한정되어 있으며, 침지형에 비하여 투과 유량이 적으며, 분리막의 파손에 따른 교체의 어려움이 있다.

이에 본 발명자들은 분리막이 오염이나 농도 분극을 감소시키기 위한 산기관 일체형 회전 분리막 모듈을 개발하였으며, 모듈의 유닛화를 가능하게 하여 시스템을 간소화하고, 효과적인 파울링 억제 및 역세척에 의한 세정으로 분리막 표면의 오염을 최소화하며, 처리 용량의 증대할 수 있는 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치의 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치에 관한 것으로, 효과적인 파울링(막오염) 억제방법과 세정방법을 제공함으로써 분리막 표면의 오염을 최소화하여, 장시간 안정적 운전으로 처리 용량을 크게 하며, 모듈의 유닛화가 가능한 침지형 중공사 분리막 모듈 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 과 이를 이용한 분리막 장치를 제공한다. 즉, 헤더와 결합된 회전 중심축에 공기 또는 산소를 공급하는 산기관이 일체된 분리막 모듈; 각각의 모듈을 고정할 수 있고, 처리수 이송관과 회전 컨텍터를 포함한 프레임; 및 각각의 모듈 회전축에 회전모터가 연결된 분리막 장치로 구성된다.

본 발명은 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치를 제공함에 있어, 분리막 표면에 형성되는 막오염(파울링)이나 농도 분극 등에 의해 야기되는 투과 저항층으로 발생하는 투과 유속의 감소 또는 흡입 압력의 증가를 억제할 수 있다. 따라서 안정적인 수질 확보에 도움을 주고 모듈의 파손으로 인한 교체 비용, 시간 절감과 빈번한 교체 시간으로 인한 운전 정지의 위험성에서 벗어날 수 있고, 효과적인 운전과 역세척으로 분리막 모듈의 수명을 연장시킬 수 있어 본 발명의 산기간 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치를 이용하여 하·폐수 처리, 축산 분뇨 처리, 음식물 쓰레기 침출수 처리 및 정수 처리 등에 응용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하 면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 산기관 일체형 분리막 모듈을 장착하여 투과 성능을 실험하기 위한 분리막 장치를 도시한 것이다.

보다 구체적으로 살펴보면, 처리 수조(90) 내에 처리수이송관(30)이 설치된 프레임(20)이 위치하며, 상기 프레임(20)에는 산기관 일체형 회전 분리막 모듈(10)이 설치된다.

상기 분리막 모듈(10)은 성능이 저하될 경우 역세척 공기 라인(110)을 통해 역세척이 가능하며, 분리막의 파손에 따른 개별적인 수리가 가능하도록 개별의 임의 고정되어 쉽게 탈·부착이 가능하며, 각각의 모듈은 공기 또는 산소 이송관(100)과 처리수 이송관(30)에 회전 커넥터(70)로 연결된다.

상기 모듈에 부착되어 있는 나사홈(15)은 회전모터(50)와 벨트(80)로 연결되어 회전할 수 있는 장치로, 상기 분리막 장치를 운전함에 있어 브로워(60)에 의해 공기 또는 산소가 모듈 중앙에 위치한 회전 중심축의 산기관(13)을 통해 폭기되며, 침지형 분리막에 투과된 처리수는 처리수 이송관(30)을 따라 흡인펌프(40)에 의해 배출 수조(미도시)로 배출된다.

상기 회전 분리막 장치의 운전에 있어서 회전모터(50)의 회전 속도는 분당 1~80회전으로 하며, 바람직하게는 분당 10~50회전으로 운전된다. 회전 속도가 분당 80회전 이상이면, 더 이상의 투과량의 증가 효과를 기대하기 어렵게 되며 그에 따른 동력비의 소요는 증가하게 된다.

다음으로 도 2는 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 구성을 도시한 것으로, 상 기의 분리막 모듈은 2개의 헤더로 구성되며, 우측 헤더(11)에는 회전 중심축(13)에 공기 또는 산소 발생 구멍이 형성되어 있는 산기관(13)이 연결되어 있으며, 상기 헤더의 회전 중심축(13)에는 오염물질을 걸러주기 위한 분리막(16)의 이탈을 방지하는 고정 구조물(14)과 회전모터(50)와 연결된 벨트(80)에 연결할 수 있는 나사 홈(15)이 장치되어 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 좌측 헤더(12)는 회전 커넥터와 연결하는 집수구와 고정 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 산기관 일체형 회전 분리막 모듈(10)에서 사용되는 분리막(16)으로는 고분자, 세라믹 및 금속재질의 중공사형 또는 관형막을 다발로 사용하며, 모듈 형태로는 원통형 또는 다각기둥형의 형태로 제조될 수 있으며, 분리막 모듈의 길이는 30~200㎝이며, 외경은 5~50㎝ 바람직하게는 길이는 50~150㎝, 외경은 10~30㎝임을 특징으로 한다.

이때, 상기 분리막 모듈의 길이가 30㎝, 외경이 5㎝ 이하면 분리막의 표면적이 작아 분리막 모듈 제조에 따른 경제성이 떨어지고; 길이 200㎝, 외경 50㎝ 이상이면 회전모터(50)와 흡인 펌프(40)의 용량이 커지게 되어 동력비의 소요가 증가하게 된다.

다음으로 상기의 산기관 일체형 회전 분리막 모듈에서 회전 중심축 및 산기관(13)은 원통형으로 제공되며 외경은 1~5㎝이며 바람직하게는 2~4㎝의 크기임을 특징으로 한다.

이때, 상기 산기관의 외경이 1㎝ 이하이면 산기관의 기능은 할 수 있으나, 회전 중심축으로써의 기능에서 모듈을 지지할 수 있는 힘이 떨어지게 되며; 5㎝ 이상이면, 분리막 모듈 자체가 커지게 되어 동력비의 소요가 증가하게 된다.

다음으로 산기관의 구멍은 0.5~2㎝ 간격으로 구멍 크기는 2~3㎜로 제공하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 프레임을 도시한 것으로, 프레임(20)은 한쪽 끝 중앙에 회전 커넥터가(22) 부착된 처리수 이송관(21)이 설치되어 있으며, 분리막 모듈을 고정하기 위한 고정틀(23)이 장치되는 것을 특징으로 한다.

상기 프레임은 도 3에 도시된 경우와 같이 3개의 단으로만 구성되어 지는 것은 아니며, 종방향 또는 횡방향으로 그 단 또는 프레임이 늘어 날수 있는데, 종방향 또는 횡방향으로 상기 단 및 프레임을 15개 정도 유지하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명은 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

본 발명의 산기관 일체형 회전 분리막 모듈을 사용하여 도 1에 근거하여 실시하는데 있어서, 시험 용액으로 분말 활성탄(입자 크기:2㎛) 2000ppm 수용액을 사용하여 분당 6리터의 정속 투과유속에 따라 처리수의 유량을 측정하였다. 제공된 분리막은 기공 크기 0.8㎛인 금속 중공사 분리막을 사용하였으며, 모듈은 원통형으로 외경 15㎝, 길이 50㎝이며 공기량은 단위 중공사 분리막 면적당 0.5㎥/㎡h 로 제공된다. 상기 산기관 일체형 회전 분리막 모듈의 회전 속도에 따른 처리수 유량 증가의 효과를 비교하기 위하여 모듈이 회전하지 않는 경우와 분당 10, 30, 50, 80 회전을 하는 경우로 나누어서 각각의 경우에 대해 30분, 1시간 걸쳐 실시하여 처리수 유량(L/㎡h(LMH))을 표 1에 나타내었다.

표 1

	0회전/분	10회전/분	30회전/분	50회전/분	80회전/분
시험 초기	641	652	647	651	635
30분 후	215	460	516	507	492
1시간 후	126	244	334	343	283

표 1에 나타낸 바와 같이 산기관 일체형 회전 분리막 모듈이 분당 30 회전하는 경우가 가장 좋은 결과를 보여주었다.

비교예 1)

상기 실시예 1에서 산기관 일체형 회전 분리막 모듈의 분당 30회전의 30분 후 처리수 유량을 기준으로 산기관이 없거나 또는 종래의 별도의 산기관을 프레임 하부에 장착하여 각각의 분리막 모듈 회전만으로 실시하여 처리수 유량(L/㎡h(LMH))을 표 2에 나타내었다.

표 2

	실시예 1 (30회전/분)	산기관 하부에 장착 (30회전/분)	산기관 없음 (30회전/분)
30분 후	516	427	393

표 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 의한 산기관이 회전하는 분리막 모듈 중앙에 위치하는 형태에서 가장 좋은 결과를 보여주었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에서 산기관 일체형 회전 분리막 모듈을 장착하고 모듈이 회전하지 않는 경우와 회전 속도를 분당 30회전으로 초기 처리수 유량이 절반이 되는 시점에서 역세척을 실시하는 것으로부터 역세척 주기 시간 및 처리수 유량을 그림 4에 나타내었다.

운전과 역세척을 한 싸이클로 보았을 때, 도 4에 나타낸 바와 같이 회전하지 않는 모듈의 경우 싸이클의 주기가 20분으로 측정되었으며, 회전하는 모듈의 경우는 싸이클의 주기가 1시간으로 측정되었다. 즉, 회전하는 모듈이 회전하지 않는 모듈보다 3배 정도 높은 효율을 보여주었다.

(실시예 3)

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되 산기관 일체형 회전 모듈의 형태가 사각기둥형, 또는 육각 기둥형 형태의 다각 기둥형 형태로 제작하여 실험한 결과, 상기 실시예 1의 결과와 비슷한 결과를 얻을 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 산기관 일체형 회전 분리막 모듈을 장착하여 투과 성능을 실험하기 위한 분리막 장치를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 산기관 일체형 분리막 모듈 구성을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 프레임의 구성을 도시한 도면.

도 4는 회전하지 않는 모듈과 분당 30회전 하는 모듈의 역세척 주기와 처리수 유량을 각각 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 11 : 우측 헤더

12 : 좌측 헤더 13 : 회전 중심축 및 산기관

14: 고정 구조물 15 : 나사 홈

16: 분리막 17 : 실링

20 : 프레임 21,30 : 처리수 이송관

22,70 : 회전 커넥터 23 : 고정 틀

40 : 흡인 펌프 50 : 회전모터

60 : 브로워 80 : 벨트

90 : 처리 수조 100 : 공기 또는 산소 이송관

110 : 역세척 공기 라인

120 : 쓰리웨이 밸브

Claims (8)

1. 침지형 분리막 장치에 있어서,

   헤더(11)(12)와 결합되고, 고분자, 세라믹, 금속 재질의 중공사막 또는 관형막으로 이루어진 분리막(16)으로써 오염물질이 걸러지며, 회전 중심축(13)과 공기 또는 산소를 공급하고, 원통형 또는 다각 기둥형으로 제작된 산기관이 일체된 회전 분리막 모듈(10);

   상기 각각의 회전 분리막 모듈(10)을 고정할 수 있고, 처리수 이송관(30)과 회전 컨텍터(70)를 포함하며, 3개의 단으로 구성되고, 처리 용량에 따라 종방향 또는 횡방향으로 단을 15개로 구성한 프레임(20); 및

   상기 회전 중심축(13)은 회전모터(50)에 연결되어 모터의 회전에 따라 모듈 자체가 회전하는 것을 특징으로 하는 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 프레임(20)은

   한쪽 끝 중앙에 다수의 회전 커넥터가(22) 부착된 처리수 이송관(21)이 설치되어 있으며, 상기 분리막 모듈(10)을 고정하기 위한 고정틀(23)이 장치된 것을 특징으로 하는 산기관 일체형 회전 분리막 모듈 및 장치.

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