KR101496100B1 - 고회수율 막여과공정을 위한 막여과장치 및 그 세정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유입수를 막여과 처리하는 막여과부; 상기 막여과부에서 처리된 처리수를 저류하는 막여과 처리수 저류부; 상기 막여과부에서 막여과 처리 후 버리는 농축수를 처리하는 농축수 처리부; 상기 막여과부를 역세척하는 세정모드시, 역세척 후 버리는 역세척 농축수를 상향류로서 분리 및 농축하는 싸이클론 처리부; 및 세정모드시, 미세기포를 발생시켜 상기 막여과부를 플러싱하는 미세기포 발생부(321)를 포함하는, 막여과장치를 제공한다. 이로 인하여, 하나의 막여과부를 채택하면서도 98% 이상의 고회수율을 획득할 수 있다.

Description

고회수율 막여과공정을 위한 막여과장치 및 그 세정 방법{Membrane filtration device with high recovery and cleaning method thereof}

본 발명은 하나의 막여과부를 채택하면서도 고회수율을 이룩할 수 있는 막여과장치 및 그 세정 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 싸이클론 처리부 및 미세기포 발생부를 동시에 적용하고, 막여과 농축수와 역세척 농축수의 흐름을 상향류로 유도함으로써, 하나의 막여과모듈만 사용하면서도 고회수율을 이룩할 수 있는 막여과장치 및 그 세정 방법에 관한 것이다.

1. 막여과공정의 회수율과 세정모드

수처리공정에는 여러 종류가 있으나, 최근 정수, 하수, 폐수, 재이용, 해수담수화, 초순수 등의 처리에서 여과막(membrane)을 이용한 막여과장치의 사용이 증대되고 있다, 여과막은 입경의 크기 즉 공칭 공경(pore size)에 따라 정밀여과막(MF, microfiltration membrane), 한외여과막(UF, ultrafiltration membrane), 나노여과막(NF, nanofiltration membrane), 역삼투막(RO, reverse osmosis membrane)으로 나눌 수 있다.

막여과장치를 비롯한 수처리장치에 있어서, 회수율이란 유입된 원수인 피처리수 대비 최종 처리수의 양을 의미한다. 많은 피처리수가 투입되었음에도 처리수의 양이 적다면, 동일한 처리수량을 확보하기 위하여 그만큼 더 많은 공정 가동이 필요하여 비경제적이므로, 회수율을 높이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.

한편, 막여과공정에서 막오염(membrane fouling)을 제어하기 위해 여과모드(filtration mode)와 세정모드(cleaning mode), 특히 역세척(backwashing)을 일정 주기로서 연속적으로 가동하게 된다.

그런데 일반적으로 하나의 막여과부만 사용할 경우 그 회수율은 약 85% 내지 95%에 불과하다. 따라서 고회수율을 달성하기 위해서는 두 개 이상의 막여과부를 함께 사용하는 것이 일반적이다. 특히, 그 효율을 위하여 약 85~95%의 높은 회수율을 갖는 1단의 막여과부와, 약 80~90%의 회수율을 가지며 역세척 농축수를 처리하는 2단의 막여과부를 함께 사용하는 것이 일반적이다. 이 경우 총 회수율은 98% 내지 99%인 것으로 알려져 있다.

도 1과 도 3을 함께 참고하여 이러한 종래기술에 따른 막여과공정 및 그 세정모드를 설명한다.

전처리부(100)에서 처리된 전처리수는 주처리부(200)의 전처리 처리수 저류부(201)에 저류되며, 제 1 막여과부(202)에서 여과된 처리수는 막여과 처리수 저류부(203)에 저류되어 후처리부(400)로 이송되고, 제 1 막여과부(202)에서 여과되지 못하고 미처리된 막여과 농축수는 제 1 역세척 농축수 저류부(211)로 이송되고, 제 2 막여과부(212)에서 재처리된 처리수는 막여과 처리수 저류부(203)로 합쳐져서 저장되고, 미처리되어 배제된 제 2 농축수는 농축수 처리부(500)로 이송된다.

약품주입부(250)를 통해 응집제, 산화제, 미생물방지제 등의 약품이 제 1 막여과부(202)와 제 2 막여과부(212)의 전단에 주입되고, 차아염소산나트륨(NaOCl) 과 같은 산화제는 막오염을 제어하기 위해 역세척 세정모드시 제 1 막여과 역세척 펌프부(204)와 제 2 막여과 역세척 펌프부(214)의 전단에 주입된다.

여과공정 이후의 막오염 제어를 위한 세정공정을 위해 제 1 막여과부(202)는 제 1 막여과 역세척 펌프부(204)와 제 1 막여과 스크러빙 세정부(205)에 의하여 물리세정되고, 제 2 막여과부(212)는 제 2 막여과 역세척 펌프부(214)와 제 2 막여과 스크러빙 세정부(215)에 의하여 물리세정된다.

또한, 일반적으로 막여과공정에서 장시간의 운영에 의하여 막오염이 발생하여 여과막 본연의 성능이 저하되기 때문에 소정 시간의 여과공정 이후 역세척 (backwashing of water or air), 공기세척(air scrubbing), 플러싱(flushing) 등의 "물리세정(physical cleaning)"과 같은 세정공정을 실시하고, 물리세정으로 회복이 되지 않을 경우 화학약품을 사용하여 "화학세정(CIP, chemical in place)"을 실시한다.

도 5a 및 도 5b를 참조하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 여과모드(filtration mode)를 설명한다.

전처리 처리수 저류조(201A)의 전처리수는 제 1 막유입펌프(201B)를 거쳐 제 1 막여과모듈(202A)에서 여과되어 막여과 처리수 저류조(203A)에 저장된다. 또한, 2단 막여과공정의 여과모드로서 제 1 역세척 농축수 저류조(211A)에 저류된 1단 막여과공정의 미처리된 농축수가 제 2 막유입펌프(212C)로 제 2 막여과 침지조(212B) 내 제 2 막여과모듈(212A)에서 여과되어 막여과 처리수 저류조(203A)에 저장되고 여과되지 못한 더 농축된 슬러지는 농축수 처리부(500)로 이송된다.

다음, 세정 모드(cleaning mode)를 설명한다.

제 1 막여과부(202)의 제 1 막여과모듈(202A) 내에서 농축된 여과모드 직후 발생된 막여과 농축수는 하향류로서 제 1 역세척 농축수 저류조(211A)로 배수되고, 세정모드 시 제 1 막여과 스크러빙 공급기(205A)를 통한 제 1 막여과 스크러빙 세정부(205)의 공기 세정(air scrubbing) 직후 공기세정 농축수가 제 1 역세척 농축수 저류조(211A)에 하향류로서 배출 및 이송되고, 막여과 처리수 저류조(203A)의 여과모드에서 생산된 처리수를 제 1 막여과 역세척 펌프(204A)를 통해 이용하여 역세척하며 직후 역세척 농축수는 제 1 역세척 농축수 저류조(211A)에 하향류로서 배출 및 이송된다.

또한, 제 2 막여과부(212)의 세정모드시, 제 2 막여과 스크러빙 공급기(215A)를 통한 제 2 막여과 스크러빙 세정부(215)의 공기 세정 직후 발생하게 되는 제 2 막여과 침지조(212B) 하부의 슬러지가 농축수 처리부(500)로 하향류로 배출 및 이송되고, 막여과 처리수 저류조(203A)의 여과모드에서 생산된 처리수를 제 2 막여과 역세척 펌프(214A)를 통해 이용하여 역세척하며, 직후 발생한 제 2 막여과 침지조(212B) 하부의 슬러지는 농축수 처리부(500)로 하향류 흐름으로 배출 및 이송된다.

(참조: 특허출원번호 KR10 -2010-0105693, 특허출원번호 KR10 -2007-0047722)

2. 막여과공정에서의 미세기포의 적용

한편, 종래기술의 수처리 분야에서 "고액분리" 방법으로서 응집침전분리와 부상분리, 여재여과 방법이 있고, 막여과공정의 원리도 물리적인 분리 및 배제(농축)하는 동일한 방법이며, 수중에 있는 부유물질, 용존성 물질을 입자나 플럭(floc)을 형성하여 여과막으로 필터링(filtering)하여 제거한다.

부상분리는 대상원수의 액체로부터 고체 입자를 분리하는데 사용되는 단위 조작 중의 하나로서, 미세 공기를 액체 속에 넣어 줌으로서 입자가 부상되어 분리가 일어나게 하는 가압 부상분리법과, 액체가 들어 있는 용기를 진공으로 만들어 줌으로써 액체 속에 용존되어 있던 공기를 기포화하여 부상분리가 이루어지게 하는 감압 부상분리법이 있다. 부상분리법은 생성된 미세기포(미세기체방울, 마이크로버블, 나노버블)이 입자성 물질에 달라붙게 되면 다량의 기체방울에 의한 부력으로 입자를 물 위로 떠오를 수 있게 한다. 따라서, 부상분리는 침전분리보다 천천히 침전하는 작고 가벼운 입자들을 단시간 내에 완전히 제거할 수 있다는 것이다.

또한, 미세기포는 물에 녹아 있는 기체의 용해도는 압력이 증가함에 따라 증가한다는 헨리(Henry)의 법칙을 이용하여, 10~30초 동안 약 3~7㎏/㎠의 높은 압력을 가하다가 대기압 상태로의 갑작스런 압력 감소에 의하여 발생시킬 수 이 있으며, 소멸과정에서 40KHz의 초음파와 140db의 높은 음압 및 순간적으로 4,000 내지 6,000도의 고열이 발생하며, 레나드 효과에 의하여 음이온을 발생시킨다.

또한, 미세기포의 크기는 직경이 50㎛ 미만으로 내부 수축작용으로 10㎛ 이하인 나노버블로 축소된 후 고온, 고압, 초음파와 프리라디칼(free radical)을 발생하고 압괴 소멸하는 특징이 있으며, 수처리의 부상분리법에 사용되는 미세기포의 상승속도는 약 3mm/min으로 매우 저속으로 느리게 상승한다. 따라서, 입자와 유기물의 제거대상물질의 흡착부상을 통한 분리 능력이 있고, 산화력이 강한 프리라디칼을 생성하기 때문에 병원성 미생물 등의 산화를 통한 살균 및 악취제거 능력이 있으며, 고분자화된 난분해성 오염물질을 저분자화하여 산화, 분해, 제거할 수 있다.

종래기술은 막여과공정에서 막오염을 제어하기 위한 방법으로서 여과모드시 나노버블, 오존수와 결합된 나노버블 등 미세기포를 막모듈의 원수측에 유입하여 막모듈의 여과막 표면에 미세기포에 의한 부상작용과 산화작용을 적용하여 입자 물질 및 용존성 물질 등의 막오염 물질을 흡착, 부상, 산화시켜 막오염을 제어하기 위한 물리세정방법을 제안하였는데, 약 1~50㎛의 미세기포가 여과막 표면의 약 0.4㎛ 이하의 공경(pore)을 막거나 흐름을 방해하는 층을 형성하여 플럭스(permeate flux) 투과성능을 악화시킬 수 있고 부상분리된 농축된 슬러지를 제거하기 위한 스크레퍼(scraper, 스컴제거기) 시설을 반드시 추가되어야만 한다.

또한, 세정모드시 역세척하는 방법으로서 극미세기포인 나노버블을 이용하여 역세수에 미세기포를 포함하여 역세척하는 방법도 제안되었는데, 산화효과를 통한 막오염의 제어 측면에서 효과를 거둘 수 있으나, 상기의 문제점과 마찬가지로 역(reverse)방향도 마찬가지로 공경을 막거나 흐름을 방해하는 층을 형성하여 세정모드 이후 여과모드의 시작시 플럭스 투과성능을 악화시킬 수 있다.

또한, 세정모드시 역세척하는 방법으로서 미세기포를 적용할 경우, 일반적인 막여과공정의 물리세정의 공기 세정 농축수와 역세척시 오염된 역세척 농축수의 흐름 방향은 "하향류(down-flow)"인 중력방향으로 배수(drain)되어 제거 및 농축되어 미세기포의 부상분리 기작인 "상향류(up-flow)"와는 반대로서 완전히 배치되는 문제점이 있다.

(참조: 특허출원번호 KR10 -2012-0078674, 특허출원번호 KR10 -2010-0007618, 특허출원번호 KR10 -2010-0007615, 특허출원번호 KR10 -2012-0059705)

3. 막여과공정에서의 싸이클론 방법의 적용

종래기술의 고액분리 방법인 싸이클론 방법은 유체의 회전력에 의해 비중이 높은 물질은 하부 배출구를 통해 배출되고 비중이 낮은 물질은 상부배출구를 통해 분리되는 원리로서, 유체에 포함된 고체입자는 유체의 비중과 차이가 분명해야만 분리가 가능하고, 입자의 크기, 형태, 밀도, 농도 등에 의해 유체에 포함된 고체입자의 운동특성이 달라지기 때문에, 크기와 밀도가 작고 농도가 낮으며 형태가 불안정한 입자와 플럭의 분리에는 처리 효율이 낮다.

일반적인 싸이클론은 원통부(cylindrical section)와 원추부(conical section)가 결합된 통 형상의 실린더 형태로 구성된다. 유체 속에 있는 부유입자는 실린더 상단에 위치한 유입구를 통하여 접선방향으로 유입된다. 접선방향의 유입으로 내부에서 강한 회전력이 시작되고, 이로 인해 강력한 소용돌이 움직임이 내부에서 일어나며, 외측벽을 향한 입자의 이동을 가속시키는 원심력이 발생하여 입자들은 원통부와 원추부를 통해서 나선형태로 하향 이동하게 된다. 내부의 강력한 와류운동(vortex motion) 내에 있는 입자는 중력(gravity), 원심력(centrifugal force), 항력(drag force)의 영향을 받는데, 중력의 영향은 다른 두 힘에 비해 작다. 미세한 입자(fine fraction)를 포함한 유체는 항력의 영향을 받아 싸이클론 중심부로 이동하고, 여기서 발생하는 강한 상승 흐름을 형성하여 중앙 상부의 배출관을 통해 배출된다. 큰 입자(coarse fraction)는 원주 방향으로 작용하는 원심력의 지배를 받아 입자가 안쪽으로 흐르는 것을 방해받고, 이로 인해 내벽으로 이동한 입자들은 내벽과 부딪치며 관성력(inertia force)을 잃고 원추부의 벽을 따라 흘러 슬러리(slurry) 또는 죽 상태로서 하부 배출구를 통해 분리 배출된다.

또한, 종래기술의 고액분리 방법인 싸이클론 방법과 부상분리 방법을 결합하여 제거하고자 하는 대상원수 내 주로 입자 및 플럭의 제거를 위해 고 비중의 경우 싸이클론 방법으로 하향류로 제거하고, 저 비중의 경우 부상분리 방법으로 상향류로 제거하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나 실재 적요시 그 효율이 매우 낮다는 문제점이 있다.

한편, 상기에서 전술한 바와 같이 종래기술인 막여과공정의 물리세정 방법으로서 부상분리 방법의 적용은 버려지는 공기세정 농축수와 역세척 농축수의 흐름 방향이 하향류이고 부상분리 방법은 상향류이기 때문에 어렵고, 싸이클론 방법은 막여과공정과 같은 하향류로 동일한 흐름 방향이지만, 공기 세정 직전에 여과공정으로 농축된 막모듈 내 농축수의 배수되는 농축수와 공기 세정 직후 막모듈 내 여과막 표면에 부착된 농축수는 싸이클론에 유입 및 적용하기에 추진 구동력이 낮아 적합하지 않고, 역세척 농축수는 입자 및 플록의 농도가 낮기에 싸이클론의 고액분리 제거효율이 낮아 적용하기 어렵다.

(참조: 특허출원번호 KR10 -2013-0023042, 특허출원번호 KR10 -2012-0038024, 특허출원번호 KR10 -2012-0078674)

4. 기타 기술

일본특허출원공개번호 제2013-86062호를 종래기술로서 설명한다. 후술하는 본 발명과 유사하게 미세기포 및 싸이클론 원리가 적용된다.

다만, 본 종래기술은 유수분리기, 즉 물과 기름을 분리하는 개념의 장치이므로 여과공정 및 여과공정에서의 역세척공정을 대상으로 하는 본 발명과는 다른 개념이라 할 수 있다.

특히, 이러한 다른 개념에 의하여 구체적으로 다양한 문제점들이 발생하는데, 본 종래기술에서는 하향류 흐름을 사용하는바 미세기포를 사용함으로 인하여 가질 수 있는 효과가 반감되고 상향류 흐름을 사용하여 획득되는 장점을 얻을 수 없으며, 본 종래기술은 유수분리로 인한 크로스플로우(cross-flow, 반송회수) 운전을 사용하여 회수율의 개념이 없기에 본 발명에서와 같은 고회수율을 획득할 수 없으며, 더욱이 유수분리기이게 단지 미세기포만을 사용한 역세가 가능하나 동일한 개념을 본 발명에서 적용하고자 하는 막여과공정에 적용하였을 경우 미세기포들이 버블(bubble)을 형성하여 투과성능을 약화시켜 적용할 수가 없다.

즉, 본 종래기술은 다수의 단점을 갖고 있을 뿐만 아니라 유수분리의 개념이 아닌 막여과공정에는 적용이 어려우며, 가사 적용한다고 하더라도 세척 효과가 감소하며 회수율이 낮아지는 문제가 있다.

(참조: 일본특허출원공개번호 제2013-86062호)

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하고자 안출된 것이다.

종래기술에서 버려지거나 재이용되어도 회수율이 낮았던 막여과 농축수와 역세척 농축수를 상향류로 유도하고, 싸이클론 처리부 및 미세기포 발생부를 동시에 적용함으로써, 하나의 막여과모듈만으로도 고회수율을 이룰 수 있는 막여과장치를 제안하고자 한다.

특히, 미세기포와 싸이클론 방법을 동시에 적용함으로써, 역세척 후 막여과모듈에 잔류하는 물질을 부상시켜 고액분리하여 종래기술보다 회수율을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 또한, 미세기포 발생부는 막여과 잔류물의 부상분리와 동시에 에어스크러빙의 효과도 있어, 막오염을 제어할 수도 있다.

미세기포 또는 싸이클론 방법을 각각 이용한 사례가 없었던 것은 아니었으나, 상기의 적용례들을 실재 막여과장치에 적용할 경우 전술한 바와 같은 다양한 문제가 발생함이 확인되었으며, 각각의 적용시 회수율이 상승되지도 않았는바, 이들을 효과적으로 접목하여 적용하는 방안을 강구하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하고자, 본 발명의 일 실시예는, 여과모드(filtration mode)시, 유입수를 막여과 처리함으로써 처리수와 막여과 농축수로 분리하는 막여과부(302); 상기 막여과부(302)에서 처리된 처리수를 저류하는 막여과 처리수 저류부(303); 상기 막여과부(302)를 역세척하는 세정모드(cleaning mode)시, 역세척 농축수를 막여과 농축수와 함께 상향류(up-flow)로서 분리 및 농축하는 싸이클론 처리부(330); 상기 싸이클론 처리부(330)에서 처리된 막여과 농축수와 역세척 농축수를 처리하는 농축수 처리부(500); 및 세정모드시, 미세기포를 발생시켜 상기 막여과부(302)의 막 표면을 플러싱(flushing)하고 상향류를 생성하는 미세기포 발생부(321)를 포함하는, 막여과장치를 제공한다.

또한, 상기 유입수는 전처리부(100)에서 전처리되어 전처리 처리수 저류부(301)에 저류된 전처리수이며, 상기 전처리 처리수 저류부(301)에는 여과모드시 전처리수를 상기 막여과부(302)에 공급하는 막유입펌프(301B)가 구비되며, 세정모드시, 상기 미세기포 발생부(321)는 상기 막유입펌프(301B)의 작동에 의하여 상기 막여과부(302)에 미세기포를 공급하는 것이 바람직하다.

또한, 세정모드시 상기 막여과부(302)에서 발생하는 역세척 농축수는, 상기 막유입펌프(301B)의 작동에 의한 미세기포의 상향류에 의하여 막여과 농축수와 함께 부상되어 상기 싸이클론 처리부(330)에 유입되는 것이 바람직하다.

또한, 세정모드시, 상기 막유입펌프(301B)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 상기 미세기포 발생부(321)에서 발생하는 미세기포의 크기는 직경 1 내지 50㎛인 것이 바람직하다.

또한, 상기 싸이클론 처리부(330)로 유입된 상기 막여과 농축수와 역세척 농축수는, 상기 싸이클론 처리부(330)에 의하여 분리 및 농축되어 싸이클론 분리수(330B)와 더 농축된 농축수로 구분되며, 상기 싸이클론 분리수(330B)는 상기 전처리 처리수 저류부(301)에 반송되고, 상기 더 농축된 농축수는 상기 농축수 처리부(500)로 이송되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 막여과부(302)는 오직 하나이며, 상기 막여과장치의 회수율은 98% 이상 100% 미만인 것이 바람직하다.

또한, 상기 막여과장치는, 상기 막여과 처리수 저류부(303)와 상기 막여과부(302) 사이의 유로에 구비된 막여과 역세척 펌프(304A)를 더 포함하며, 세정모드시, 상기 막여과 처리수 저류부(303)에 저류된 막여과 처리수가 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 작동에 의하여 역세척수로서 상기 막여과부(302)에 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 세정모드시, 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 역세척유량은 1Q 내지 2Q이며, 여기에서 Q는 상기 막여과부(302)의 설계플럭스(design flux)의 여과유량인 것이 바람직하다.

또한, 상기 막여과장치는 약품주입부(350)를 더 포함하며, 세정모드시, 상기 약품주입부(350)는 상기 막여과부(302)의 전단에 응집제 및 미생물방지제를 주입하며, 상기 미세기포 발생부(321)에서 발생한 미세기포가 산화제 기능을 하는 것이 바람직하다.

또한, 세정모드시, 상기 약품주입부(350)는 상기 막여과부(302)의 전단에 산화제를 더 주입하며, 상기 주입되는 산화제는 차아염소산나트륨(NaOCl)이며, 0.5 내지 1,000㎎/L인 것이 바람직하다.

상기와 같은 과제를 해결하고자, 본 발명의 다른 실시예는, (a) 여과모드에서 세정모드로 전환된 후, 상기 막여과부(302)의 여과모드에서 발생된 막여과 농축수를 하향류로 배수하지 않고 내측에 유지시키는 단계; (b) 상기 막여과부(302)에 역세척수를 공급하여 역세척함으로써, 여과막 표면의 오염물질을 포함하는 역세척 농축수가 생성되는 단계; (c) 상기 미세기포 발생부(321)에서 발생한 미세기포를 상기 막여과부(302)에 공급하여, 상기 (a) 단계의 막여과 농축수와 (b) 단계의 역세척 농축수를 함께 상향류로서 분리하는 단계; 및 (d) 상기 상향류로서 분리된 막여과 농축수와 역세척 농축수가 상기 싸이클론 처리부(330)에 이송되는 고액 분리되는 단계를 포함하는, 막여과장치의 세정 방법을 제공한다.

본 발명에 의하여, 단지 하나의 막여과공정만을 사용하여도 두 개의 막여과공정을 함께 사용할 경우에만 이룩할 수 있는 것으로 알려진 98% 이상 100% 미만의 고회수율을 달성할 수 있다. 이로 인하여 설비비용 및 운영비용의 대폭 절감이 가능하며, 전력비, 막교체비, 약품비, 대수선비 등을 모두 절감하며 친환경적이다.

이러한 효과는, 미세기포와 싸이클론을 동시 적용하고, 특히 상향류 방식으로 미세기포를 적용함으로써 가능하였는데, 이는 종래기술에서 밝히지 못하였던 신규하고 진보한 방식이다.

도 1, 도 3 및 도 5a와 도 5b는 종래기술을 설명하기 위한 도면이며, 도 2, 도 4 및 도 6은 본 발명을 설명하기 위한 도면이다.
보다 구체적으로, 도 1은 종래기술에 의한 막여과장치의 여과모드를 도시하며,
도 3은 종래기술에 의한 막여과장치의 세정모드를 도시하며,
도 5a는 종래기술에 의한 1단의 막여과장치의 세정모드를 보다 상세히 도시하고 도 5b는 종래기술에 의한 2단의 막여과장치의 세정모드를 보다 상세히 도시한다.
또한, 도 2는 본 발명에 의한 막여과장치의 여과모드를 도시하며,
도 4는 본 발명에 의한 막여과장치의 세정모드를 도시하며,
도 6은 본 발명에 의한 막여과장치의 세정모드를 보다 상세히 도시한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 각각의 도면부호들이 본 발명에 따른 막여과장치를 구체적으로 설명하기 위하여 사용되었는데, 종래기술의 설명에서 전술한 도면부호들과 유사한 부호를 책정하였음을 언급해둔다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 막여과장치 역시 종래기술과 유사하게 전처리부(100), 주처리부(300), 후처리부(400) 및 농축수 처리부(500)를 포함한다. 전처리부(100), 후처리부(400) 및 농축수 처리부(500)는 종래 널리 사용되는 어떠한 기술을 채용하여도 무방한바 특정에 문제가 없으며 상세한 설명도 생략하기로 한다.

다만, 주처리부(300)의 세부 구성이 종래기술과 상이하다.

주처리부(300)는, 전처리부(100)에서 전처리된 전처리수가 저류되는 전처리 처리수 저류부(301); 상기 전처리 처리수 저류부(301)에서 전처리수가 이송되어 막여과되는 막여과부(302); 상기 막여과부(302)에서 여과처리된 처리수가 저류되는 막여과 처리수 저류부(303); 및 역세척시 막여과 농축수 및 역세척 농축수가 유입되는 싸이클론 처리부(330)를 포함한다.

여기에서, 막여과부(302)가 오직 하나임에 주의한다. 전술한 바와 같이 일반적인 막여과공정에서 하나의 막여과부만 사용할 경우 그 회수율은 약 85% 내지 95%에 불과하기에 99% 이상의 회수율을 달성하기 위해서는 두 개 이상의 막여과부를 사용하여야만 한다. 그러나 본 발명은 후술할 바와 같은 신규하고 진보한 세정모드에 의하여 하나의 막여과부만을 사용하면서도 99% 이상의 고회수율의 달성이 가능하다.

본 발명에 따른 막여과장치의 여과모드시, 전처리 처리수 저류부(301)에 저류된 전처리수가 막여과부(302)에 유입되고, 막여과부(302)는 막여과공정을 실시하여 처리수와 막여과 농축수로 분리하고, 처리수는 막여과 처리수 저류부(303)에 저류된 후 후처리부(400)로 이송되고, 막여과 농축수는 농축수 처리부(500)로 이송된다.

도 4를 참조하여 막여과부(302)의 여과막을 역세척하는 세정모드를 설명한다.

세정모드시, 싸이클론 처리부(330)와 미세기포 발생부(321)가 작동한다. 경우에 따라 약품주입부(350)가 더 작동할 수 있다.

세정모드시, 넓은 점선으로 도시된 바와 같이, 막여과 처리수 저류부(303)에 저류된 처리수가 막여과 역세척 펌프부(304)의 작동에 의하여 막여과부(302)에 역세척수로서 공급된다. 역세척에 의하여 여과막 표면에서 오염물질이 분리된다. 즉, 분리된 오염물질을 포함하는 역세척 농축수가 생성된다.

막여과부(302)에서의 역세척시, 이때에 점선으로 도시된 바와 같이 미세기포 발생부(321)에서 발생한 미세기포가 막여과부(302)에 상향류로서 공급된다. 미세기포는 후술할 바와 같이 막유입펌프(301B)에 의하여 고속으로 공급되며, 이로 인하여 종래기술에서 언급한 스크러빙 세정부에 의한 공기 세정 없이도 막 표면을 플러싱하며 잔류 물질을 부상시켜 상향류의 흐름을 생성할 수 있는바 우월한 효과를 얻을 수 있다.

상향류로 공급되는 미세기포에 의하여 여과막 표면에서 분리된 오염물질을 포함하는 역세척 농축수는 막여과부(302) 내에서 부상된다. 부상된 막여과 농축수는, 이중선으로 도시된 바와 같이, 싸이클론 처리부(330)로 유입된다.

싸이클론 처리부(330)에서는 후술할 바와 같이 막여과 농축수와 역세척 농축수가 함께 유입되는데, 유입된 막여과 농축수와 역세척 농축수를 분리 및 농축(배제)하여 싸이클론 분리수와 더 농축된 농축수로 고액분리한다.

싸이클론 분리수는 굵은 점선으로 도시된 바와 같이 전처리 처리수 저류부(301)로 반송되는 것이 중요하다. 이를 통하여 고회수율을 유지할 수 있기 때문이다. 더 농축된 농축수는 농축수 처리부(500)로 이송된다.

한편, 다른 실시예에서는 약품주입부(350)는 화학세정을 위한 약품을 막여과부(302)의 전단에 주입할 수 있다. 응집제 및 미생물방지제를 주입할 수 있으며, 기타 다른 화학 약품의 주입이 가능하다.

그런데 막여과부(302)에 공급되는 미세기포 발생부(321)로부터의 미세기포가 산화제 기능을 하므로, 산화제를 주입하지 않아도 산화 효과를 낼 수 있다는 장점이 있다.

물론, 차아염소산나트륨(NaOCl)과 같은 산화제를 더 주입하여 산화 효과를 더 낼 수도 있다. 다만, 종래기술과 비교하여 동일한 효과를 내기 위한 산화제 주입량은 더 적을 것이며, 동일한 양을 주입한다면 더욱 월등한 효과를 얻을 수 있다. 주입되는 산화제의 양은 0.5 내지 1,000㎎/L일 수 있다.

도 6을 참조하여 본 발명에 따른 막여과장치의 여과모드 및 세정모드를 보다 상세히 설명한다.

여과모드시, 전처리 처리수 저류부(301)의 전처리 처리수 저류조(301A)에 저류된 전처리수는 전처리 처리수 저류부(301)에 구비된 막유입펌프(301B)의 작동에 의하여 막여과부(302)에 이송된다. 막여과부(302)의 막여과모듈(302A)의 여과작용에 의하여 처리수는 상승하고 막여과 농축수는 하강하는데, 처리수는 막여과 처리수 저류조(303A)에 저류된 후 후처리부(400)(도 4 참조)로 이송되며, 막여과 농축수는 배수라인을 통하여 농축수 처리부(500)(도 4 참조)로 이송된다. 이러한 과정은 하나의 막여과부만을 구비한 막여과공정과 유사하다.

여과모드에서 세정모드로 변환되면, 세정 작업이 시작된다.

이때에, 즉 세정모드로 변환된 직후, 막여과부(302)에는 여과모드에서 발생된 막여과 농축수가 여전히 그 내측에 남아 있다. 종래기술에 따르면, 스크러빙 세정부에 의한 공기 세정이 먼저 실시되고 역세척에 의한 역세척 농축수와 함께 하향류로 배수되기에, 세정모드로 변환된 직후 막여과부 내측에 남아 있는 막여과 농축수가 하향류로 배수되어야 한다. 그러나 본 발명에 따른 막여과장치에서는 공기 세정을 실시하지 않으며 미세기포를 상향류로 유입시키므로 막여과 농축수를 별도로 하향류로 배수시키지 않는다. 이는 회수율 측면에서 장점이 된다.

다시 말하면, 세정모드로 변환된 직후 막여과부(302)의 여과모드에서 발생된 막여과 농축수는 하향류로 배수되지 않고 내측에 그대로 유지된 상태이다.

이 상황에서, 막여과 처리수 저류부(303)의 막여과 처리수 저류조(303A) 내의 처리수가 막여과 역세척 펌프(304A)에 의하여 역세척수로서 막여과모듈(302A)에 공급된다. 여기에서, 막여과 역세척 펌프(304A)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 막여과 역세척 펌프(304A)의 역세척유량은 1Q 내지 2Q인 것이 바람직하다. 여기에서 Q는 막여과부(302)의 설계플럭스(design flux)의 여과유량이다.

이 과정에서, 미세기포 발생부(321)의 미세기포 발생기(321A)에서 발생한 미세기포가 상향류로서 막여과모듈(302A)에 공급된다. 특히, 막유입펌프(301B)의 작동에 의하여 고속으로 공급되어 보다 효과적인 세척이 이루어질 수 있다. 여기에서, 별도의 다른 펌프를 구비할 필요 없이, 일반적으로 구비되는 막유입펌프(301B)를 그대로 활용함으로써 설비비용을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 막유입펌프(301B)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 미세기포 발생부(321)에서 발생하는 미세기포의 크기는 직경 1 내지 50㎛인 것이 바람직하다.

막여과모듈(302A)에 역세척수가 공급되고 이와 동시에 미세기포가 상향류로 공급됨에 따라 역세척이 효과적으로 이루어지고, 이에 따라 여과막 표면에서 오염물질이 분리되는데 이를 포함하는 역세척 농축수가 생성된다. 분리된 오염물질은, 전술한 여과모드에서의 막여과 농축수와 합쳐진다.

미세기포 등의 작동으로 막여과 농축수와 역세척 농축수는 합쳐져서 막여과모듈(302A)에서 부상된다. 부상된 막여과 농축수와 역세척 농축수는 배수라인을 따라 농축수 처리부(500)로 이송되는 것이 아니라, 싸이클론 처리부(330)로 이송되는 것이 중요하다.

싸이클론 처리부(330)의 싸이클론 분리기(330A)는 막여과 농축수와 역세척 농축수를 싸이클론 분리수(330B)와 더 농축된 농축수로 분리할 수 있다. 더 농축된 농축수는 농축수 처리부(500)로 이송되지만, 싸이클론 분리수(330B)는 다시 전처리 처리수 저류조(301A)로 반송된다.

즉, 종래기술과 비교하면, 세정모드로 변환된 직후 막여과부(302)의 여과모드에서 발생된 막여과 농축수가 농축수 처리부(500)로 배수되지 않으며, 역세척 후 분리된 역세척 농축수 역시 농축수 처리부(500)로 배수되지 않으며, 이들이 합쳐져서 싸이클론 처리부(330)로 이송되고 여기에서 다시 처리가 이루어져서 전처리 처리수 저류조(301A)로 반송되기에 하나의 막여과부(302)를 채택하면서도 고회수율을 이룩할 수 있는 것이다.

더욱이, 단순히 위의 단계만 이루어진다면 회수율은 높지만 에너지 효율 등이 낮을 수 있으나, 싸이클론 분리부(330)와 함께 미세기포 발생부(321)를 동시에 적용한 시너지 효과 및 미세기포 발생부(321)에 의한 상향류로 인하여 이러한 문제가 발생하지 않게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 전처리부
200, 300: 주처리부
201, 301: 전처리 처리수 저류부
201A, 301A: 전처리 처리수 저류조
201B: 제 1 막유입펌프
202: 제 1 막여과부
202A: 제 1 막여과모듈
203, 303: 막여과 처리수 저류부
203A, 303A: 막여과 처리수 저류조
204: 제 1 막여과 역세척 펌프부
204A: 제 1 막여과 역세척 펌프
205: 제 1 막여과 스크러빙 세정부
205A: 제 1 막여과 스크러빙 공급기
211: 제 1 역세척 농축수 저류부
211A: 제 1 역세척 농축수 저류조
212: 제 2 막여과부
212A: 제 2 막여과모듈
212B: 제 2 막여과 침지조
212C: 제 2 막유입펌프
214: 제 2 막여과 역세척 펌프부
214A: 제 2 막여과 역세척 펌프
215: 제 2 막여과 스크러빙 세정부
215A: 제 2 막여과 스크러빙 공급기
250, 350: 약품주입부
301B: 막유입펌프
302: 막여과부
302A: 막여과모듈
304: 막여과 역세척 펌프부
304A: 막여과 역세척 펌프
321: 미세기포 발생부
321A: 미세기포 발생기
330: 싸이클론 처리부
330A: 싸이클론 분리기
330B: 싸이클론 분리수
400: 후처리부
500: 농축수 처리부

Claims (11)

1. 여과모드(filtration mode)시, 유입수를 막여과 처리함으로써 처리수와 막여과 농축수로 분리하는 막여과부(302);
   상기 막여과부(302)에서 처리된 처리수를 저류하는 막여과 처리수 저류부(303);
   상기 막여과부(302)를 역세척하는 세정모드(cleaning mode)시, 역세척 농축수를 막여과 농축수와 함께 상향류(up-flow)로서 분리 및 농축하는 싸이클론 처리부(330);
   상기 싸이클론 처리부(330)에서 처리된 막여과 농축수와 역세척 농축수를 처리하는 농축수 처리부(500); 및
   세정모드시, 미세기포를 발생시켜 상기 막여과부(302)의 막 표면을 플러싱(flushing)하고 상향류를 생성하는 미세기포 발생부(321)를 포함하는,
   막여과장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 유입수는 전처리부(100)에서 전처리되어 전처리 처리수 저류부(301)에 저류된 전처리수이며,
   상기 전처리 처리수 저류부(301)에는 여과모드시 전처리수를 상기 막여과부(302)에 공급하는 막유입펌프(301B)가 구비되며,
   세정모드시, 상기 미세기포 발생부(321)는 상기 막유입펌프(301B)의 작동에 의하여 상기 막여과부(302)에 미세기포를 공급하는,
   막여과장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   세정모드시 상기 막여과부(302)에서 발생하는 역세척 농축수는, 상기 막유입펌프(301B)의 작동에 의한 미세기포의 상향류에 의하여 막여과 농축수와 함께 부상되어 상기 싸이클론 처리부(330)에 유입되는,
   막여과장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   세정모드시, 상기 막유입펌프(301B)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 상기 미세기포 발생부(321)에서 발생하는 미세기포의 크기는 직경 1 내지 50㎛인,
   막여과장치.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 싸이클론 처리부(330)로 유입된 상기 막여과 농축수와 역세척 농축수는, 상기 싸이클론 처리부(330)에 의하여 분리 및 농축되어 싸이클론 분리수(330B)와 더 농축된 농축수로 구분되며,
   상기 싸이클론 분리수(330B)는 상기 전처리 처리수 저류부(301)에 반송되고,
   상기 더 농축된 농축수는 상기 농축수 처리부(500)로 이송되는,
   막여과장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 막여과부(302)는 오직 하나이며,
   상기 막여과장치의 회수율은 98% 이상 100% 미만인,
   막여과장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 막여과장치는, 상기 막여과 처리수 저류부(303)와 상기 막여과부(302) 사이의 유로에 구비된 막여과 역세척 펌프(304A)를 더 포함하며,
   세정모드시, 상기 막여과 처리수 저류부(303)에 저류된 막여과 처리수가 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 작동에 의하여 역세척수로서 상기 막여과부(302)에 공급되는,
   막여과장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   세정모드시, 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 펌프 추진 동력의 압력은 0.5 내지 5bar이고, 상기 막여과 역세척 펌프(304A)의 역세척유량은 1Q 내지 2Q이며, 여기에서 Q는 상기 막여과부(302)의 설계플럭스(design flux)의 여과유량인,
   막여과장치.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 막여과장치는 약품주입부(350)를 더 포함하며,
   세정모드시, 상기 약품주입부(350)는 상기 막여과부(302)의 전단에 응집제 및 미생물방지제를 주입하며,
   상기 미세기포 발생부(321)에서 발생한 미세기포가 산화제 기능을 하는,
   막여과장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    세정모드시, 상기 약품주입부(350)는 상기 막여과부(302)의 전단에 산화제를 더 주입하며,
    상기 주입되는 산화제는 차아염소산나트륨(NaOCl)이며, 0.5 내지 1,000㎎/L인,
    막여과장치.
    
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 막여과장치의 세정 방법으로서,
    (a) 여과모드에서 세정모드로 전환된 후, 상기 막여과부(302)의 여과모드에서 발생된 막여과 농축수를 하향류로 배수하지 않고 내측에 유지시키는 단계;
    (b) 상기 막여과부(302)에 역세척수를 공급하여 역세척함으로써, 여과막 표면의 오염물질을 포함하는 역세척 농축수가 생성되는 단계;
    (c) 상기 미세기포 발생부(321)에서 발생한 미세기포를 상기 막여과부(302)에 공급하여, 상기 (a) 단계의 막여과 농축수와 (b) 단계의 역세척 농축수를 함께 상향류로서 분리하는 단계; 및
    (d) 상기 상향류로서 분리된 막여과 농축수와 역세척 농축수가 상기 싸이클론 처리부(330)에 이송되는 고액 분리되는 단계를 포함하는,
    막여과장치의 세정 방법.

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