KR101424045B1 - 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설 및 이를 이용하여 에너지를 절약하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수의 고도처리시설에서 사용하는 침지식 막 여과장치에 관한 기술이다.
해결하고자 하는 과제는 침지식 막 여과기의 송풍기가 소비하는 동력을 절약하는 운전방법과 그 방법을 이용한 저 에너지 소비 침지식 막 여과장치를 개시하는 것이다.
과제의 해결수단은 침지식 막 여과기를 하수량에 따라 1∼2단으로 설치하고, 하수량이 적을 때는 산기장치와 막 여과기를 중간 깊이로 설치하고 송풍기를 인버터로 제어 운전하여 소비 동력을 절약하고 필요한 산소량과 막 여과기 세정력을 유지하는 것이다.
본 발명은 침지식 막 여과기의 세정능력을 유지하고, 정화에 필요한 산소량을 공급하며, 에너지 소비량을 대폭으로 절약할 수 있어서, 경제적이고, 탄산가스 배출량을 감소시키는 효과가 있어 환경보전에 기여하는 효과가 있다.

Description

침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설 및 이를 이용하여 에너지를 절약하는 방법 {Sewage disposal plant use of submerged membrane filtration equipment and energy saving method for use with the same}

본 발명은 하수처리장 또는 폐수처리장에 사용하는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설 및 이를 이용하여 에너지를 절약하는 방법에 관한 기술이다.

침지식 막 여과 장치는 그 처리수질이 양호하고 슬러지의 유출이 없기 때문에 과거 중력식 침전지를 가진 생물학적 고도처리 공정에서 처리할 수 없었던 저농도 하수의 처리가 가능하고, 고농도 하수처리도 가능하며, 처리 수에 이물질이나 병원성 세균 및 원생동물이 없어서 위생적으로 안전한 처리 수를 얻을 수 있는 유용한 장치로서 그 사용이 꾸준히 증가하고 있다.

반면 막 여과기를 구성하는 중요 요소인 막(membrane)의 공경(pore)이 작아서 이물질에 의한 막힘이 쉽게 일어 날수 있고, 이를 방지하기 위하여 다량의 공기를 분사하여 수중에 잠겨있는 막 여과기의 외부를 세정하고 있는데 세정 공기량은 오염부하량과는 별 관련이 없이 일정한 양이 필요하다.

이로 인하여 막 여과장치에 공기를 공급하는 세정 송풍기에서 소비하는 동력이 크고, 처리하려는 하수의 오염부하량( 오염농도×하수량)이 적은 경우에는 막 여과 호기 조가 과포화되어 고도처리가 잘 안 되는 단점이 발생하기도 하였다.

특히 종래에는 침지식 막 여과장치를 바닥부분에 고정하여 설치하기 때문에, 세정공기량이 같아도, 송풍기의 토출 압력이 높아져서 송풍기에 소비되는 동력이 커지고, 막 여과 호기 조가 과 포기되는 문제가 있었다.

막 여과 호기 조가 과 포기되는 것은 본 발명자의 선등록 특허 제1050375호 "부하변동에 대응이 용이한 침지식 막 생물반응장치 및 이를 이용한 하수처리 방법 (2011.07.13)"에서 해결하였으나, 에너지 소비가 많은 문제는 해결해야 할 과제로 남아 있다.

본 발명은, 침지식 막 여과장치에서 막 여과기의 세정에 필요한 동력을 절약할 수 있는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설 및 이를 이용하여 에너지를 절약하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

침지식 막 여과 장치를 사용하는 하수처리시설에 있어서,

하수의 오염물질을 생물학적으로 정화하는 막 여과 생물반응 조(10)를 1개 이상의 계열로 형성하고;

막 여과기 설치시 안내 역할을 하고,그 내부에 막 여과기를 1단 이상으로 설치할 수 있게 한, 막 여과기 안내지지수단(30)을 막 여과 생물반응 조(10)의 내부 바닥에서 수면의 위까지 수직으로 설치하고;

상기 막 여과기 안내 지지수단(30)의 외부 측벽은 밀폐하되, 아래와 위쪽에 하수의 순환을 위한 개구부를 설치하여, 하수의 순환통로를 형성한 하수순환 기구(20)를 형성하고;

상기 안내 지지수단(30)의 하부, 막 여과 생물반응 조(10)의 바닥 위에 막 여과기의 외부를 세정하기 위한 공기를 공급하는 산기장치(50)를 설치하되, 산기장치는 그 위에 설치하는 막 여과기(40)와 일체로 이동할 수 있도록 하고;

상기 산기장치(50)의 상부에는 막 여과기(40)를 설치하고; 막 여과기(40)의 상부에는 상부 막 여과기(41)를 설치하되;

하수의 유량이 많을 때는 막 여과기(40)와 상부 막 여과기(41)를 동시에 설치하여 운전하고;

하수의 유량이 1/2 이하일 때는 막 여과기(40)와 산기장치(50)만을 상기 막 여과기 안내 지지수단(30의 중간 깊이 위치에 설치하고;

상기 산기장치(50)에 공기를 공급하는 송풍기(140)의 토출구를 공기 공급 관(150)으로 연결하여 공기를 공급하게 하고;

상기 송풍기(140)는 인버터(200)로 송풍 량이 일정하도록 회전수를 제어운전하되;

하수의 유량 및 오염부하량에 따라 운전 계열 수와 막 여과기의 설치숫자 및 설치높이, 송풍기의 회전수를 조정하여 막 여과장치의 에너지를 절약하는 방법 및 그 방법을 이용한 저 에너지 소비 침지식 막 여과장치를 개시한다.

본 발명은 막 여과 생물반응 조를 1개 이상의 계열로 구성하고, 막 여과기를 상하로 분리하여, 하수량이 적을 때는 생물 반응 조의 운전 계열 수를 줄이고, 산기장치와 막 여과기를 중간깊이에 설치하고, 송풍 량이 일정하도록 송풍기회전수를 제어운전함으로써, 기존 막 여과장치보다 50％의 소비동력을 절감할 수 있어 에너지 절약효과가 크고 경제적이며, 탄산가스 배출량을 감소시켜 환경보전에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 산기장치와 막 여과기를 중간정도의 깊이에 설치한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 부유식 막 여과장치에 실시한 경우를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3의 산기장치와 막 여과기를 중간정도의 깊이에 설치한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 종래의 하수처리시설과 도 1의 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설의 설치 바닥면적을 비교한 평면도이다.

침지식 막 여과 장치를 사용하는 하수처리시설에서,

하수의 오염물질을 생물학적으로 정화하는 막 여과 생물반응 조(10)를 계절적 또는 시기적으로 변화하는 하수의 유입량에 대응할 수 있도록 1개 이상의 계열로 형성하게 되는데 통상적으로 시설용량이 큰 경우는 3∼4 계열, 시설 용량이 적은 경우는 1∼2 계열로 정하는 것이 일반적이다.

막 여과 생물반응 조를 여러 계열로 형성하면, 하수의 유입량이 적을 경우에는 그 유입량에 해당하는 계열 숫자만을 운전하면 되므로, 양수나 교반, 포기 등을 위한 에너지 소비가 절감된다.

막 여과 생물반응 조(10)의 내부에 막 여과기를 설치하는 방법은 다음과 같다.

막 여과기 설치시 안내 역할을 하고,그 내부에 막 여과기를 2단 이상으로 설치할 수 있게 한, 막 여과기 안내지지수단(30)을 막 여과 생물반응 조(10)의 내부 바닥에서 수면의 위까지 수직으로 설치하되, 바닥 부분을 고정한다.

상기 막 여과기 안내 지지수단(30)의 외부 측벽은 판재로 밀폐하되, 아래 위쪽에 하수의 순환을 위한 개구부를 설치하여, 하수의 순환통로 역할을 하는 하수 순환기구(20)를 형성하되, 상 하부의 측면 개구부의 높이는 200∼400mm가 바람직하지만 꼭 상기 숫자로 한정되는 것은 아니다.

상기 안내 지지수단(30)의 하부, 막 여과 생물반응 조(10)의 바닥 위에 막 여과기의 외부를 세정하기 위한 공기를 공급하는 산기장치(50)를 설치하되, 산기장치는 그 위에 설치하는 막 여과기(40)와 일체로 이동할 수 있도록 구성한다.

상기 산기장치(50)의 상부에는 막 여과기(40)를 설치하고,막 여과기(40)의 상부에는 상부 막 여과기(41)를 설치하되, 하수의 유량이 많을 때는 막 여과기(40)와 상부 막 여과기(41)를 동시에 설치하여 운전하고, 하수의 유량이 1/2 이하로 적을 때는 막 여과기(40)와 산기장치(50)만을 설치하되, 상기 막 여과기 안내 지지수단(30의 중간깊이에 산기장치와 막 여과기를 설치한다.

상기 산기장치(50)에 공기를 공급하는 송풍기(140)의 토출구와 산기장치 사이를 공기공급 관(150)으로 연결하여 공기를 공급하게 하고, 상기 송풍기(140)는 산기장치의 수심 변동에 대응하여 송풍 량이 일정하게 유지되도록 인버터(200)로 회전수를 제어운전하도록 한다.

하수의 유량 및 오염부하량에 따라 운전 계열 수와 막 여과기의 설치숫자 및 설치높이, 송풍기의 회전수를 조정하면서 운전하게 되는데, 하수량이 많으면, 전체 계열을 운전하고 막 여과장치도 막 여과기(40)와 상부 막 여과기(41)를 모두 설치하고, 송풍기(140)도 규정된 송풍 량을 보낼 수 있는 회전수로 운전을 한다.

막 여과기의 여과량은 막 여과기의 폭×높이×여과기 모듈 수로 정해지는 여과면적에 비례하는데, 종래의 막 여과 장치는, 상기 안내 지지수단(30)의 내부에, 막 여과 생물반응 조(10)의 바닥에서 100∼200mm높이에 산기장치(50)를 설치하고 그 위에 막 여과기(40)를 설치하였고, 일반화된 표준크기와 높이를 가진 막 여과기를 설치하였기 때문에 막 여과 생물반응 조(10)의 수면깊이를 전부 이용하도록 막 여과기의 높이를 맞추지 못하여, 상대적으로 필요한 막 여과기 모듈의 숫자가 늘어나고, 이에 따라 막 여과기의 바닥 면적이 넓어져서, 막 여과기 외부 세정에 필요한 공기량도 증가하여, 송풍기를 운전하는 에너지의 소비량이 증가하였다.

본 발명은 막 여과기(40)와 상부 막 여과기(41)의 2단 여과기 설치로, 막 여과 생물반응 조(10)의 수면 깊이에 맞추도록 설치함으로써, 단위 바닥 면적당 막 여과기의 여과면적이 증가하여, 막 여과기의 설치에 필요한 바닥면적이 감소하고, 이에 따라 송풍기에서 공급하는 공기량이 감소하여 송풍기를 운전하는 에너지의 소비량이 감소한다.(제1도,제3도,제5도 참조)

단위 막 여과장치 당의 하수량이 50％이하로 감소한 경우, 종래의 막 여과기는 대응수단이 없어서, 100％ 하수량 때와 똑같이 막 세정 송풍기를 운전할 수밖에 없어서, 100％의 에너지를 소비하였으나, 본 발명은 하수량이 50％로 감소하면, 막 여과기 안내 지지수단(30)의 중간 깊이에 산기장치(50) 를 설치하고 그 위에 막 여과기(40)를 설치하여 설치 수심이 낮아짐으로, 막 여과기의 세정에 필요한 공기의 양은 동일하나, 송풍기의 토출 압력이 1/2로 낮아지고 송풍기는 인버터로 회전수를 저하시켜서, 설치 수심에 해당한 토출 압력으로 운전하여, 송풍기의 소비 동력이 1/2로 감소한다.(제2도 및 4도 참조)

송풍기에서 소비되는 동력은 송풍 량이 일정한 경우 토출 압력에 비례하고, 토출압력은 수심에 비례하므로, 산기장치의 설치 수심이 낮아지면 토출 압력이 낮아지고 토출 압력이 낮아지면 송풍기의 소비 동력은 비례하여 감소하기 때문이다.

산기장치의 수심이 1/2로 감소하면 같은 송풍 량일때 하수 중에 용해되는 산소의 양도 1/2로 감소하고, 하수유량이 1/2로 감소하면 하수의 오염부하량도 1/2로 감소하고 생물학적으로 하 수중의 오염물질을 정화하는데 필요한 산소의 양도 1/2로 감소하므로, 공급하는 산소량과 하수의 정화처리에 필요한 산소량이 정합되므로 정상적인 생물학적 처리가 가능하고, 송풍기의 소비 동력은 감소하고, 송풍 량은 변화하지 않으므로 막 여과기 외부의 세정능력은 동일하게 유지된다.

하수량의 변화는 장기간에 걸쳐 변화하거나, 계절적인 요인으로 크게 변화하는 것이기 때문에, 통상적인 하수량 변화는 운전 계열 수 조정으로 대응하여 운전하고, 장기적, 계절적 변화는 산기장치 및 막 여과기의 설치 위치 조정으로 대응이 가능하므로 유지관상 문제는 발생하지 않는다.

상기 실시 예는 유량변화에 대응하는 운전은 가능하나, 하수의 농도가 광범위하게 변화하여 오염부하량의 변동이 큰 경우에는 상기 실시 예 만으로는 적절한 대응이 어려운 경우가 있으며, 상기와 같이 오염부하량의 변동폭이 큰 경우에는 본 발명자의 선출원 특허 "제 10-2012-0063047호. (2012.06.13)개량된 부유 식 가스 포집기를 가진 막 여과 생물반응장치"에 상기 제 1도 및 제 2도의 내용을 적용하면, 에너지 소비 절감과 동시에 오염부하 변동에 대하여 효과적으로 고도처리가 가능하다.

또한 특별히 오염부하 량이 커서, 막 여과기 세정공기량만으로는 하수의 정화처리가 어려운 경우에는 본 발명자의 선등록 특허 제1050375호 "부하변동에 대응이 용이한 침지식 막 생물반응장치 및 이를 이용한 하수처리 방법 (2011.07.13)"에 상세하게 기술되어 있는 바와 같이 막 여과기 세정장치와 별도로, 산기장치 및 송풍기를 병행하여 설치한다.

유량이 계획량의 1/2 이하이면서, 하수의 오염 농도가 특히 높은 경우에는, 생물학적 정화 처리에 필요한 하수 중의 산소량이 증가하므로, 산기장치(50) 및 막 여과기(40)의 설치 수심은 제2도에 표기된 중간설치 깊이보다 더 깊은 위치로 설치위치를 변경하여서, 하수 중의 산소 공급량을 증가시켜서 대응할 수 있다.

상기에서 기술한 침지식 막 여과장치의 에너지를 절약하는 방법을 이용한 저 에너지 소비 침지식 막 여과장치에 대하여 기술하면 다음과 같다.

침지식 막 여과 장치를 사용하는 하수처리시설에서,

1개 이상의 계열로 형성한 막 여과 생물반응 조(10)의 바닥에서 수면의 위까지 수직으로 설치하고, 그 내부에 막 여과기를 설치할 수 있게 안내 역할을 하고, 산기장치와 1∼2단의 막 여과기를 필요한 깊이로 설치하되, 설치 깊이를 조정할 수 있도록 한 막 여과기 안내지지수단(30);

상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 외부를 밀폐구조로 하고, 하부와 상부에 개구부를 형성하여 하수의 순환 흐름을 유도하는 하수 순환기구(20);

하수의 유입량이 많을 때는 상기 안내지지수단(30)의 하부에 설치하여 막 여과기에 세정공기를 공급하고, 막 여과기(40)와 일체로 이동가능하도록 구성한 산기장치(50); 와

상기 산기장치의 위쪽에 설치하여 하수를 여과하는 막 여과기(40);와

상기 막 여과기(40)의 위에 설치하여 하수를 여과하는 상부 막 여과기(41);로 구성한 막 여과장치;

하수의 유입량이 적을 때는 상기 안내지지수단(30)의 중간부위에 설치하여 막 여과기에 세정공기를 공급하고, 막 여과기(40)와 일체로 이동가능하도록 한 산기장치(50); 와

상기 산기장치의 위쪽에 설치하여 하수를 여과하는 막 여과기(40);로 구성한 막 여과장치;

상기 산기장치에 공기를 공급하는 송풍기(140);

상기 산기장치와 송풍기를 연결하는 공기공급 관(150); 및

상기 송풍기(140)의 회전수를 제어하는 인버터(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 여과장치의 에너지를 절약하는 방법 및 그 방법을 이용한 저 에너지 소비 침지식 막 여과장치를 개시한다.

10 막 여과 생물반응 조
20 하수 순환기구
30 막 여과기 안내지지수단
35 안내 수로
36 탈기 장치
40 막 여과기 41 상부 막 여과기
50 산기장치
60 가스 포집 통
70 부자
80 연결구
90 연성 호스
100 스컴 제거기
110 가스 순환관
120 공기 조절밸브
130 가스 조절밸브
140 송풍기
150 공기 공급관
160 막 여과 수 흡인 관
170 흡인펌프
200 인버터
210 제어선

Claims (6)

1. 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설에 있어서,
   하나 또는 복수개의 열로 이루어지고, 하수가 유입되는 막 여과 생물반응 조(10);
   상기 막 여과 생물반응 조(10)의 내부 바닥에서 하수의 수면 위 까지 수직한 방향으로 설치되고, 내부에 제1막 여과기(40) 또는 상기 제1막 여과기(40)의 상부에 제2막 여과기(41)를 선택적으로 적층 배치될 수 있도록 안내하는 막 여과기 안내지지수단(30);
   상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 외부 측면에 구비되어 상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 측면을 밀폐하되, 하부와 상부 각각에 개구부를 형성하여 상기 막 여과기 안내지지수단(30) 내부로 하수의 순환 흐름을 유도하는 하수 순환기구(20);
   상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 내부에 위치하며, 상기 제1막 여과기(40)의 하부에 결합하고 세정공기를 배출하여 상기 제1막 여과기(40)와 상기 제2막 여과기(41)를 세정하는 산기장치(50);
   상기 산기장치(50)에 상기 세정공기를 공급하는 송풍기(140); 및
   일단부는 상기 송풍기(140)와 연결되고 타단부는 상기 산기장치(50)와 연결되는 공기공급 관(150)을 포함하는 침지식 막 여과 장치를 사용하는 하수처리시설.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 송풍기(140)와 연결되어 상기 송풍기(140)의 회전수를 제어하는 인버터(200)를 더 포함하는 침지식 막 여과 장치를 사용하는 하수처리시설.
   
3. 하나 또는 복수개의 열로 이루어지고, 하수가 유입되는 막 여과 생물반응 조(10); 상기 막 여과 생물반응 조(10)의 내부 바닥에서 하수의 수면 위 까지 수직한 방향으로 설치되고, 내부에 막 여과기가 설치되도록 안내하는 막 여과기 안내지지수단(30); 상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 외부 측면에 구비되어 상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 측면을 밀폐하되, 하부와 상부 각각에 개구부를 형성하여 상기 막 여과기 안내지지수단(30) 내부로 하수의 순환 흐름을 유도하는 하수 순환기구(20); 상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 내부에 위치하며, 상기 막 여과기의 하부에 결합하고 세정공기를 배출하여 상기 막 여과기를 세정하는 산기장치(50); 상기 산기장치에 상기 세정공기를 공급하는 송풍기(140); 및 일단부는 상기 송풍기(140)와 연결되고 타단부는 상기 산기장치(50)와 연결되는 공기공급 관(150)을 포함하는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 이용하여 에너지를 절약하는 방법에 있어서,
   상기 막 여과기는 하부에 상기 산기장치(50)가 결합된 제1막 여과기(40)와 제2 막여과기(41)를 포함하여, 상기 막 여과기 안내지지수단(30)의 내부에 상기 제1막 여과기(40)와 상기 제1막 여과기(40)의 상부에 상기 제2막 여과기(41)를 적층 배치하되,
   상기 하수의 유입량이 줄어들 경우 상기 막 여과기 안내 지지수단(30)의 내부에 상기 제1막 여과기(40)만을 설치하고, 상기 하수의 유입량에 대응하여 상기 제1막 여과기(40)와 상기 산기장치(50)의 설치높이를 조절하는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 이용하여 에너지를 절약하는 방법.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 하수의 유입량이 줄어들 경우,
   상기 하수의 유입량 감소에 따라 상기 제1막 여과기(40)와 상기 산기장치(50)의 설치높이를 높게 하는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 이용하여 에너지를 절약하는 방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 송풍기(140)와 연결되어 상기 송풍기(140)의 회전수를 제어하는 인버터(200)를 더 구비하고,
   상기 인버터(200)는 상기 제1막 여과기(40)와 상기 산기장치(50)의 설치높이에 대응하여 상기 송풍기(140)의 회전수를 조절하는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 이용하여 에너지를 절약하는 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 인버터(200)는 상기 제1막 여과기(40)와 상기 산기장치(50)의 설치높이가 높아짐에 따라 상기 송풍기(140)의 회전수를 감소시키는 침지식 막 여과장치를 사용하는 하수처리시설을 이용하여 에너지를 절약하는 방법.

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