KR101263561B1 - 2상 흐름 유도형 침지형 분리막 생물반응조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 침지형 분리막 생물반응조는, 반응조; 상기 반응조 내부에 수용된 오수 속에 침잠되도록 설치되며, 내부에 격자형 격벽으로 구획된 복수 개의 관로셀을 가지는 관로부재; 상기 관로셀에 병렬 배치되며, 중공사(hollow fiber) 형태의 분리막을 가지는 복수 개의 침지형 분리막 모듈; 상기 관로부재 하부에 설치되며, 각각의 관로셀에 설치된 침지형 분리막 모듈별로 공기를 공급하는 노즐유닛; 상기 정사각형 관 내부로 공기를 공급하는 노즐(nozzle); 및 상기 침지형 분리막 모듈이 설치된 상기 관로셀을 통과면서 여과된 물을 추출하는 흡입펌프(suction pump);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

2상 흐름 유도형 침지형 분리막 생물반응조{2-phase flow inducing type MBR system having submerged membrane module}

본 발명은 하폐수 처리를 위한 기존 활성슬러지 (Activated Sludge) 공정 에서 침전조를 분리막(membrane)으로 대체한 침지형 MBR (Submerged Membrane Bio-Reactor) 시스템에 관한 것이다.

분리막 기술은 지속적으로 응용 및 확대되어 적용되고 있으며 하ㆍ폐수의 재이용 기술과 고도처리 분야에서 가장 주목받고 신뢰성 있는 기술로 인정되어 왔다. 이러한 분리막 기술의 하나인 MBR 공정은 활성슬러지 공정과 분리막 기술의 장점을 결합하여 기존 활성슬러지 공정의 단점을 해결하고자 중력침전에 의한 고ㆍ액 분리를 막분리로 치환하는 기술이다.

MBR(Membrane Bio-Reactor, 분리막 생물반응조) 공정은 활성슬러지 막분리 공정 또는 막결합형 활성슬러지 공정이라고도 하며, 활성슬러지법에 국한되지 않고 일반적인 생물반응조와 막분리 공정을 결합시킨 것을 총칭한다. 특히, 생물반응조에 분리막을 침지하여 여과를 진행하는 침지형 MBR 공정은 완벽한 고ㆍ액 분리와 안정된 처리수의 확보, 적은 소요부지, 고농도의 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solid) 농도에서 운전 및 유지가 가능 등의 많은 장점으로 인하여 지속적으로 하ㆍ폐수 처리에 적용되고 있으며 실적 또한 증가 추세에 있다.

많은 장점을 가진 MBR 공정이 널리 상용화되는데 있어서, 농도분극현상 (concentration polarization)으로 인하여 발생되는 막 오염 (membrane fouling)이 가장 큰 제한요소로 작용하고 있다.

막 오염은 분리막 표면에 케이크 층(cake layer)이 형성되거나 분리막 기공 (pore)이 막히는 현상으로, 플럭스(flux)의 감소를 야기할 뿐만 아니라, 장기적으로는 분리막의 교체주기를 단축시켜 유지비용의 증가 등 문제로 이어진다.

이를 개선하기 위해서는, 추가적로 전처리 공정(pre-treatment process)을 수행하여, 사전에 막 오염을 유발하는 물질을 미리 제거하거나, 막 오염이 진행된 분리막에 물리적 또는 화학적 세정을 실시하여 케이크 층의 형성을 지연시켜서 감소된 플럭스를 회복시키는 방법 등을 사용할 수 있다.

그러나, 이와 같은 방법으로 막 오염을 방지할 경우, 초기 설치비용이 증대되고 공정이 복잡하게 되어 운전의 어려움을 겪게 되며, 물리ㆍ화학적 세정은 분리막의 재질과 기공에 손상을 가할 수 있고, 세정 약품에 의한 2차 오염물질을 발생되어 추가적인 처리 공정이 필요한 문제점이 있다.

따라서, 침지형 MBR 공정에서 분리막 표면에 과잉으로 공기를 공급하여 케이크 층의 형성을 지연시켜 케이크 층의 형성을 제어하는 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 이 방식은, 침지된 분리막 모듈에 직접적으로 공기를 공급함으로써 발생되는 전단력 (shear force)을 이용한 제어방법으로 이는 분리막 표면의 물질전달을 증가시켜 케이크 층의 형성을 지연하는 방식이다. 그러나 분리막 표면에 공기를 과잉으로 공급하여 전단력을 발생시켜 막 오염을 제어하기 때문에, 과다한 에너지 소비로 인하여 운전비용이 증가되고, 공기유동이 분리막 표면에 제대로 전달되지 못하고 분산되는 경우에는 높은 효율을 얻기가 힘들어 이를 해결하기 위해서는 분리막 표면으로 과잉 공급되는 공기를 최적화할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, MBR 공정 또는 침지형 MBR 공정에서 플럭스 감소의 주요 원인인 막 오염을 제어하고 막 오염에서 가장 큰 비중을 차지하는 케이크 층에 의한 저항을 저감시키는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 침지형 분리막 생물반응조는, 반응조; 상기 반응조 내부에 수용된 오수 속에 침잠되도록 설치되며, 내부에 격자형 격벽으로 구획된 복수 개의 관로셀을 가지는 관로부재; 상기 관로셀에 병렬 배치되며, 중공사(hollow fiber) 형태의 분리막을 가지는 복수 개의 침지형 분리막 모듈; 상기 관로부재 하부에 설치되며, 각각의 관로셀에 설치된 침지형 분리막 모듈별로 공기를 공급하는 노즐유닛; 및 상기 관로부재의 상측과 연결되어, 상기 관로셀을 통과면서 여과된 물을 추출하는 흡입펌프(suction pump);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 관로부재는 정사각기둥형태로 마련되는 것이 바람직하다.

상기 노즐유닛은, 외부 공기를 흡입하는 송풍기(blower); 및 유입되는 공기의 유량을 조절하는 유량 조절장치;와 연결되는 것이 좋다.

또한, 상기 노즐유닛은 가느다란 모양의 대롱형 관 형상의 노즐을 구비하며, 상기 노즐은 0.1mm 내지 30mm 범위 내의 지름을 가지는 것이 좋다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 생물반응조 전체에 분산되어 공급되는 공기유동을 분리막 표면 주위로 제어할 수 있기 때문에, 공기에 의하여 발생되는 전단력을 보다 효율적으로 전달하여, 공기에 의한 세정효과를 극대화하여, 막 오염과 플럭스 감소의 주요 원인인 케이크 층에 의한 저항을 줄일 수 있다.

특히, 정사각기둥형태의 관로부재 내부에 분리막 모듈을 설치하고, 상하를 밀폐함으로써, 분리막 모듈로 공급되는 공기가 관로셀 밖으로 새어나가지 않게 구성하고, 관 내부에 격벽을 설치하여 뭉쳐있는 분리막 모듈을 세분화함으로써, 공기에 의하여 전달되는 전단력이 효율적으로 전달될 수 있다.

또한, 정사각기둥형태의 격벽이 구획됨으로 인해, 관로부재의 하부에 slug 형태의 공기방울의 형성 및 효율적인 2상 흐름(two-phase, 기체-액체)을 유도하여, 미생물농도(MLSS 농도)와 공기 유량(air flow rate)의 변화에 따라서 적절한 막 오염 제어 효과를 관찰할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 침지형 분리막 생물반응조의 일예를 도시한 도면,
도 2 내지 도 4은 본 발명에 의한 침지형 분리막 생물반응조에 설치되는 관로부재를 도시한 도면,
도 5 내지 도 7은 본 발명과의 비교를 위해 정사각기둥형태의 관로부재에서 관로셀을 삭제한 도면,
도 8 및 도 9는, 본 발명에 의한 관로부재의 하측에 설치되는 노즐유닛을 도시한 도면,
도 10은, 본 발명에 의한 관로부재 내부에서의 2상 흐름 형태를 개략적으로 도시한 도면,
도 11은 4.5L/min으로 공급되는 공기유량에서 다양한 MLSS 농도에 따른 TMP의 변화를 도시한 그래프,
도 12는 1.5L/min으로 공급되는 공기유량에서 다양한 MLSS 농도에 따른 TMP의 변화를 도시한 그래프,
도 13은 2.7L/min으로 공급되는 공기유량에서 다양한 MLSS 농도에 따른 TMP의 변화를 도시한 그래프, 그리고,
도 14는 다양한 공기유량에 따른 TMP의 변화비교 그래프이다.

이하, 본 발명에 의한 침지형 분리막 생물반응조를 도면과 함께 설명한다.

본 발명에 의한 침지형 분리막 생물반응조는 도 1에 도시된 바와 같이, 반응조(10), 셀형 관로부재(200), 침지형 분리막 모듈(220), 노즐유닛(230) 및 흡입펌프(240)를 포함한다.

반응조(10)는 내부에 오수(汚水)(W)를 수용하며, 도시된 바와 같이 일정 수위를 유지할 수 있도록 외부로부터 일정한 양의 오수를 공급받는다.

셀형 관로부재(200)는 상기 반응조(10)에 수용된 오수(W) 속에 침잠되도록 설치되며, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 정사각기둥 형상의 몸체(210)의 내부에 격자형 격벽(211)으로 구획된 복수 개의 관로셀(A1~C3)을 구비한다.

상기 오수(W)로 사용되는 활성슬러지는 충남 C시 환경 사업소의 포기조 혼합액을 채취한 후 실험실에서 합성폐수로 약 1년간 순응시킨 것이다. 합성폐수의 주요 탄소원으로 포도당을 사용하였고 주요 질소원으로 황산암모늄을 사용하였다. 그리고 다양한 MLSS 농도를 얻기 위하여 F/M비에 따라서 합성폐수를 공급하였고 합성폐수의 조성을 [표 1]에 나타내었으며, 활성슬러지를 배양하기 위한 운전조건은 하기의 [표 2]에 나타내었다.

실험에 사용된 셀형 관로부재(200)는 두께는 2mm, 가로 및 세로의 길이가 각각 42mm이고, 높이가 200mm인 정사각형 투명 아크릴 관으로 구성한다. 그리고, 상기 셀형 관로부재(200) 내부에 격벽으로 총 9개의 관로셀(A1~C3)을 형성하고, 하부로부터 활성슬러지와 공기가 직접적으로 주입되고 상부를 통해 활성슬러지와 공기방울이 방출될 수 있도록 상부 및 하부를 개방한다. 상기 셀형 관로부재(200)의 하부는 후술할 노즐유닛(230)이 결합되고, 상부는 배출되는 활성슬러지와 공기를 모아서 배출하기 위한 상부 하우징(240)이 결합된다.

침지형 분리막 모듈(220)은, 상기 관로셀(A1~C3)에 각각 병렬 배치되며, 중공사(hollow fiber) 형태의 분리막을 구비한다.

상기 분리막 모듈(220)은 중공사 (Hollow Fiber) 형태로 소수성 재질인 PVDF (Polyvinylidene Fluoride) 표면에 코팅 처리하여 친수성으로 개선한 것으로, 0.1 ㎛의 기공크기를 가지는 MF(Microfiltration) 막이며, 여과방식은 Out-In 방식이다. [표 3]은 상기 분리막 모듈(220)의 특성을 나타낸 것이다.

노즐유닛(230)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 셀형 관로부재(200)의 하부에 설치되며, 각각의 관로셀(A1~C3)에 설치된 침지형 분리막 모듈(220)별로 공기를 공급한다.

상기 노즐유닛(230)은 가느다란 모양의 대롱형 관으로 마련된 노즐(231)을 포함하며, 상기 노즐(231)은 0.1mm 내지 10mm의 지름을 가지는 것이 바람직하다. 상기 노즐유닛(230)은 유입되는 외부 공기의 유량을 제어하는 유량 조절장치(233) 및 외부 공기를 흡입하는 송풍기(234)와 연결된다.

산기 장치인 상기 노즐유닛(230)은 거대 공기방울을 형성하기 위하여 사용하였고, 실험에서는, 상기 노즐(231)은 사다리꼴 모양의 원통형으로, 토출 지름은 2 mm이고, 공기 주입부 지름이 4 mm, 높이는 10 mm가 되도록 구성하였다. 상기 노즐유닛(230)은 격벽으로 구획된 9개의 관로셀(A1~C3) 마다 각각 1개 씩의 노즐을 설치하고, 노즐(231)의 이동을 방지하고자 노즐유닛(230)을 셀형 관로부재(200)의 하부에 고정한다.

상기 노즐유닛(230)은 침지형 MBR 공정의 운전방법은 활성슬러지가 존재하는 생물반응조 내에 미생물의 산소 공급 및 혼합을 목적으로 하는 것으로, 상기 유량 조절장치(233, Dwyer instrument, INC., USA)는, 1.0 L/min의 유량으로 공기를 공급한다.

상부 하우징(240)은 상기 셀형 관로부재(200)의 상측 개구부를 밀폐할 수 있도록 결합되어, 배출구(241)를 통해 흡입 펌프(140)와 연결되어, 배출되는 활성슬러지와 공기를 셀형 관로부재(200) 외부로 배출한다.

한편, 도 5 내지 도 7에는 격벽이 없는 정사각형 관을 사용한 일반 관로부재(100)를 도시하였다. 일반 관로부재(100)는 상기 반응조(10)에 수용된 오수(W) 속에 침잠되도록 설치되며, 정사각기둥 형상의 몸체(110)의 내부는 비어있고, 하측에는 상기 노즐유닛(230)이 결합되고, 상측에는 상기 상부 하우징(240)과 동일한 형태의 상부 하우징(141)이 마련되어, 배출구(142)를 통해 상기 흡입 펌프(140)와 연결된다. 상기 일반 관로부재(100)의 내측에는 9개의 상기 침지형 분리막 모듈(220)이 상기 셀형 관로부재(200)와 동일하게 설치된다.

본 발명에 의한 셀형 관로부재(200)의 효율성을 검증하기 위하여, 도 1과 같이, 일반형 관로부재(100)와 셀형 관로부재(200)를 동시에 설치하여, 동일한 PC(1), 압력게이지(9a)(9) 및 흡입펌프(140)를 이용하여 운전한다. 즉, 격벽이 설치되지 않은 일반형 관로부재(100) 내부의 분리막 모듈과, 격벽이 설치된 셀형 관로부재(200) 내부의 분리막 모듈을 동시에 생물반응조에 침지시켜 여과를 진행하였고 움직이지 않도록 고정하였다. 막 오염을 저감시키고자 분리막 모듈 하단에 노즐을 설치하여 유량 조절기를 이용하여 각각 1.5, 2.7, 4.5 L/min의 유량으로 분리막 표면에 공기를 공급하게 하였으며 유동이 발생되지 않도록 정사각형 관에 연결하여 고정하였다. 또한, 생물반응조의 MLSS 농도를 각각 3, 6, 10 g/L로 설정하여 각각의 조건에 따라 실험을 진행하였고 30LMH로 플럭스를 일정하게 고정시켜 연속식 운전으로 여과를 진행하였으며 도 4와 표 4에 도식화 및 운전조건을 나타내었다.

이와 같은 실험 결과, 도 10에 도시된 바와 같이, 격벽이 없는 일반형 관로부재(100)는 크기가 작은 공기방울들이 흐름을 형성하는 기포흐름(V, bubbly flow)이 오수(L)의 흐름과 함께 발생하면서, 분리막(M) 표면에 가해지는 전단력이 제대로 전달되지 못한다. 하지만, 본 발명에 의한 셀형 관로부재(200)의 경우에는, 격벽(211)에 의하여, 셀형 관로부재 몸체(210)가 세분화되고, 각각의 관로셀(A1~C3)마다 노즐(231)을 통하여 공기를 공급하므로, 막 오염의 제거에 가장 효율적인 총알 모양의 공기방울(V)이 형성되는 슬러그 플로우(slug flow)가 발생하여 분리막(M) 표면에 보다 나은 전단력을 가해 막 오염을 제거할 수 있다.

MLSS 농도와 공급되는 공기유량의 변화에 따른 막 오염 정도를 정량화하기 위하여 플럭스를 일정하게 유지하면서 TMP의 변화를 측정하였다. 이를 위하여 연동펌프 전단 부분에 디지털 압력게이지 (ZSE40F, SMC Co., Japan)를 설치하여 여과시간에 따른 TMP의 변화를 실시간으로 컴퓨터로 전송하고 이를 관찰하며 막 오염을 정량화하였다. 측정된 TMP와 하기 직렬저항모델 (Resistance in series model)을 이용하여 하기 식 (1)에 따라 저항값을 계산하여 막 오염 정도를 정량화하였다.

여기서 J: flux, △Pt: transmembrane pressure, μ: viscosity of the permeate, Rm: intrinsic membrane resistance, Rt: total resistance, Rc: cake resistance, Rf: pore fouling resistance이다.

침지형 분리막 모듈(220) 자체의 저항인 Rm값의 측정은 실험 전 초순수를 여과시켜 얻어진 TMP의 변화로 Rm값을 측정하였고 총 저항인 Rt값의 측정은 운전시간에 따른 TMP의 변화가 일정할 때까지 진행하였으며 이때 얻어진 총 저항을 Rt값으로 측정하였다. 그리고 기공의 막힘에 대한 저항인 Rf값의 측정은 TMP의 변화가 일정하여 실험을 중지한 후 생물반응조(10)에 침지된 침지형 분리막 모듈(220)을 세척하여 분리막 모듈을 초순수에 침지시켜 여과를 진행하면서 발생되는 TMP의 변화를 이용하여 Rf값을 측정하였다. 침지형 분리막 모듈(220)의 세척은 막 표면의 케이크 층을 제거하기 위한 방법으로 3 L/min의 유량으로 흐르는 물에 10분간 분리막 표면을 접촉시킨 후에 스펀지를 이용하여 케이크 층을 제거하였으며 다시 실험을 진행할 때마다 침지형 분리막 모듈(220)은 새로 제작하여 사용하였다.

도 11는 운전시간 300분 동안 MLSS 농도의 변화에 따른 TMP의 변화를 측정하여 나타낸 것이다. 동일한 크기의 격벽이 설치되지 않은 일반형 관로부재(100)와 격벽(211)이 설치된 셀형 관로부재(200)를 0.1㎡의 막 면적을 가지는 침지형 분리막 모듈(220)의 외부에 도입하여 동시에 생물반응조(10)에 침지시켜 동일한 공기유량에서 MLSS 농도에 따른 TMP의 변화를 알아보고자 3, 6, 10 g/L의 MLSS 농도를 가지는 생물반응조에 분리막 모듈을 침지시켜 30LMH의 일정한 플럭스로 여과하여 TMP의 변화를 측정하였다.

MLSS 농도가 3 g/L의 control과 셀형 관로부재(200)는 각각 31, 26.5 kPa로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 경우, control이 운전시간이 190분일 때까지 42 kPa로 급격히 증가하여 실험을 중지하였으며 TMP의 변화를 운전시간 190분을 기준으로 측정하였을 때의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 42, 30 kPa로, 300분의 운전시간이 경과한 후에 셀형 관로부재(200)의 TMP는 36 kPa까지 증가하였다. MLSS 농도가 10 g/L의 경우, 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 46, 37 kPa로 나타내었는데 격벽이 설치된 정사각형 관을 도입한 경우가 그렇지 않은 경우보다 낮은 TMP의 변화가 측정되었고 각각 다른 MLSS 농도에서의 실험에서는 MLSS 농도가 높을수록 높은 TMP의 변화를 나타내는 것을 관찰할 수 있었다.

[표 5]에 각각의 MLSS 농도에서의 저항값을 나타내었다. Rc+Rf값은 3 g/L의 MLSS 농도에서 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 2.13, 1.69 (1012×m-1)로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 경우, 일반형 관로부재(100)이 운전시간 190분을 기준으로 측정하였을 때의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 3.41, 2.09 (1012×m-1)로 나타내었으며 셀형 관로부재(200)는 운전시간 300분의 기준으로 2.80 (1012×m-1)으로 나타내었다. MLSS 농도가 10 g/L의 경우, 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)의 Rc+Rf값은 각각 3.91, 3.49 (1012×m-1)로 나타내었는데 격벽이 설치한 정사각형 관을 도입한 경우가 격벽이 설치되지 않은 정사각형 관을 도입한 경우보다 Rc+Rf값이 낮은 것을 확인할 수 있었고 MLSS 농도에서 TMP의 변화를 운전시간이 종료한 시점에 비교해 보면 MLSS 농도가 낮을수록 Rc+Rf값이 낮은 것을 확인할 수 있었다.

본 실시에 적용된 MLSS 농도는 3배 정도의 간격을 두어 실험을 진행하였지만 측정된 저항값을 비교해 보면 MLSS 농도의 증가에 따라 저항값이 증가하지만 3배 정도의 큰 차이는 보이지 않았다. 이는 분리막 모듈로 공급되는 공기방울이 정사각형 관으로 인하여 생물반응조에서 분산되지 않고 분리막 모듈에 공급되었고 정사각형 관의 내부에 설치된 격벽로 인하여 보다 효율적으로 분산되는 공기방울의 포집이 이루어졌으며 거대한 공기방울의 형성으로 분리막 표면에 보다 효율적으로 공기방울이 접촉하게 되어 강화된 전단력이 전달된 것으로 생각된다.

동일한 MLSS 농도에서 공기유량의 변화에 따른 TMP의 변화를 알아보고자 노즐을 통하여 관 내부로 공급되는 공기유량을 각각 1.5, 2.7 L/min으로 설정하여 각각 3, 6, 10 g/L의 MLSS 농도를 가지는 생물반응조에 침지시켜 분리막 모듈을 통하여 30LMH의 일정한 플럭스로 여과하여 TMP의 변화를 측정하였으며 운전시간 300분 동안 MLSS 농도의 변화에 따른 TMP의 변화를 측정하여 도 12 및 도 13에 나타내었고 도 14에 본 발명에 의한 실시예에서 나타낸 공기유량이 4.5 L/min일 때의 측정된 TMP의 변화를 같이 표현하여 나타내었다.

공기유량이 1.5 L/min일 때 MLSS 농도가 3 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 32, 30.3 kPa로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 경우, 일반형 관로부재(100)을 운전시간이 190분일 때 실험을 중지하였고 운전시간 190분을 기준으로 측정하였을 때의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 48, 36.5 kPa로 나타내었으며 셀형 관로부재(200)는 운전시간 300분을 기준으로 42.5 kPa까지 증가하였다. 10 g/L의 MLSS 농도에서는 운전시간이 180분일 때 일반형 관로부재(100)의 실험을 중지하였으며 운전시간 180분을 기준으로 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 50.4, 40 kPa로 나타내었으며 셀형 관로부재(200)는 운전시간 300분을 기준으로 46kPa까지 증가하였다. 공기유량이 2.7 L/min일 때 MLSS 농도가 3 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 29.7, 28 kPa로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 34.5, 33.5 kPa로 나타내었으며 MLSS 농도가 10 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 37.5, 35 kPa로 나타내었다.

공기유량이 1.5 L/min일 때는 격벽이 설치된 정사각형 관을 도입한 경우와 MLSS 농도가 낮을수록 낮은 TMP의 변화를 보이는 것을 관찰할 수 있었고 공기유량이 2.7 L/min일 때의 실험에서는 1.5 L/min의 공기유량에서의 실험에서 측정된 TMP의 변화보다 낮은 TMP의 변화를 나타내었지만 격벽의 설치유무에 따른 TMP의 변화는 큰 차이를 보이지 않고 거의 일정하게 측정되었다. 이는 격벽이 설치되지 않은 정사각형 관이 도입된 분리막 모듈에 접촉되는 공기방울이 분산되지 않고 막 표면에 공급되어 격벽의 설치로 얻고자 했던 강화된 전단력이 격벽이 없이도 전달이 되었거나 침지된 정사각형 관 내부로 활성슬러지의 유입 및 배출이 제대로 진행될 수 있게 관의 상부 및 하부에 여유의 공간을 개방하였는데 그 공간으로 활성슬러지의 유입 및 배출이 제대로 이루어지지 않았기 때문에 측정된 결과라고 생각된다.

[표 6]에 다양한 MLSS 농도와 공기유량에 따른 저항값을 나타내었다. 공기유량이 1.5 L/min일 때, MLSS 농도가 3 g/L에서 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)의 Rc+Rf값은 각각 2.42, 1.91 (1012×m-1)로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 경우, 일반형 관로부재(100)이 운전시간이 190분일 때 실험을 중지하였고 운전시간 190분을 기준으로 측정하였을 때의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 4.27, 2.74 (1012×m-1)로 나타내었으며 셀형 관로부재(200)는 운전시간 300분을 기준으로 3.45 (1012×m-1)의 Rc+Rf값을 나타내었다. MLSS 농도가 10 g/L의 경우, 운전시간이 180분일 때 일반형 관로부재(100)의 실험을 중지하였으며 운전시간 180분을 기준으로 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)의 Rc+Rf값은 각각 4.71, 3.51 (1012×m-1)로 나타내었으며 셀형 관로부재(200)는 운전시간 300분을 기준으로 3.85 (1012×m-1)의 Rc+Rf값을 나타내었다.

공기유량이 2.7 L/min일 때 MLSS 농도가 3 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)의 Rc+Rf값은 각각 2.00, 1.85 (1012×m-1)로 나타내었고 MLSS 농도가 6 g/L의 일반형 관로부재(100)과 셀형 관로부재(200)는 각각 2.51, 2.48 (1012×m-1)로 나타내었으며 MLSS 농도가 10 g/L의 일반형 관로부재(100)셀형 관로부재(200)는 각각 2.79, 2.51 (1012×m-1)로 나타내었다.

1.5 L/min의 공기유량으로 공급된 실험에서는 격벽이 설치된 정사각형 관을 도입한 실험에서 측정된 Rc+Rf값이 격벽이 설치되지 않은 정사각형을 도입한 실험에서 측정된 Rc+Rf값보다 더 낮은 값을 나타내었지만 공기유량이 2.7 L/min일 때의 실험에서는 Rc+Rf값이 격벽의 설치 유무에 따라 큰 차이를 보이지 않고 거의 일정하게 측정되었다. 공기유량을 1.5, 2.7, 4.5 L/min으로 점차 증가시켜 실험을 진행하면서 측정된 저항값을 서로 비교하면 1.5 L/min의 공기유량에서 측정된 저항값이 가장 크게 나타내었고 공기유량이 2.7 L/min일 때의 측정된 저항값이 4.5 L/min의 공기유량일 때보다 더 낮은 저항값을 나타내었다.

상기한 바와 같은 실험에 따르면, 공기유량이 막 오염의 제어를 하는데 있어서 요소로 작용한다는 것을 확인할 수 있었고, 단순히 공기유량을 더 높게 공급할 경우, 막 오염의 제어가 효율적으로 이루어지는 것이 아니라, 각각의 실험에 대한 적절한 운전조건이 존재하고 그 조건에 대한 최적화가 필요하다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 격벽의 구성에 따른 노즐의 개수는 실험조건에 따라 조절이 가능하다.

현재, MBR은 국내ㆍ외의 많은 하ㆍ폐수 처리장 및 정수장 등에서 적용되어 시공 및 운전되고 있다. 그러나 막 오염으로 인한 플럭스의 감소 및 분리막의 짧은 교체주기, 미생물의 산소공급 및 막 오염 제어를 위한 과잉의 공기 공급으로 인한 높은 에너지 소비가 문제점으로 작용하고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결할 수 있기 때문에 침지형 분리막 생물반응조 운전비용의 감소를 통한 상용화 가능성을 높일 수 있다.

1; PC 10; 반응조
100; 일반 관로부재 200; 셀형 관로부재
210; 관로부재 몸체 220; 침지형 분리막 모듈
230; 노즐유닛 231; 노즐
240; 상측 하우징 241; 배출구

Claims (5)

1. 상하가 밀폐된 반응조;
   상기 반응조 내부에 수용된 오수 속에 침잠되도록 설치되며, 내부에 격자형 격벽으로 구획된 복수 개의 정사각 기둥 형상의 관로셀을 가로 세로 동일한 개수로 가지는 정사각 기둥 형상의 관로부재;
   상기 정사각 기둥 형상의 관로셀 내부에 복수 개가 병렬 배치되며, 중공사(hollow fiber) 형태의 분리막을 가지는 복수 개의 침지형 분리막 모듈;
   상기 관로부재 하부에 고정 설치되며, 각각의 관로셀에 설치된 침지형 분리막 모듈별로 공기를 공급하여 활성슬러지가 존재하는 생물반응조 내에 존재하는 미생물에 산소 공급 및 혼합하는 노즐유닛;
   상기 셀 형 관로셀을 가지는 정사각 기둥 형상의 관로부재의 상측 개구부를 밀폐할 수 있도록 결합되며, 1개의 배출구를 가지는 상부 하우징; 및
   상기 배출구와 연결되어, 상기 관로셀을 통과면서 여과된 물을 추출하는 흡입펌프(suction pump);를 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 노즐유닛은 가느다란 모양의 대롱형 관 형상의 0.1mm 내지 10mm 범위 내의 지름을 가지는 노즐을 가지는 것으로,
   유입되는 공기의 유량을 조절하는 유량 조절장치; 및
   외부 공기를 흡입하는 송풍기(blower);와 연결된 것을 특징으로 하는 침지형 분리막 생물반응조.
   
   
   
   
   
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