KR101633827B1 - Method and apparatus for membrane cleaning with bio-gas purging - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스를 이용하여 분리막을 세정함으로써 물리적 세정효과 및 화학적 세정효과를 동시에 유도함과 함께 분리막의 손상을 방지할 수 있는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법은 혐기성소화공정에서 생성되는 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 준비하는 단계 및 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 분리막에 주입하여 분리막을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 분리막을 세정하는 단계에서, 바이오가스의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내의 이산화탄소에 의한 화학적 세정이 진행되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a separation membrane cleaning method and apparatus using biogas capable of simultaneously inducing a physical cleaning effect and a chemical cleaning effect by cleaning a separation membrane using biogas and preventing damage of the separation membrane, the membrane washing method using a gas is injected into the phase and the carbon dioxide (CO 2) the biogas contain preparing a biogas containing carbon dioxide (CO 2) generated in the anaerobic digestion process in the membrane the step of washing the separation membrane In the step of cleaning the separation membrane, physical cleaning by biasing of the biogas and chemical cleaning by carbon dioxide in the biogas proceeds.

Description

바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치{Method and apparatus for membrane cleaning with bio-gas purging}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method and apparatus for cleaning a membrane using biogas,

본 발명은 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오가스를 이용하여 분리막을 세정함으로써 물리적 세정효과 및 화학적 세정효과를 동시에 유도함과 함께 분리막의 손상을 방지할 수 있는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a separation membrane cleaning method and apparatus using biogas. More particularly, the present invention relates to a separation membrane cleaning method and apparatus for separating membrane by biogas, And more particularly, to a method and apparatus for cleaning a membrane using a gas.

다양한 수처리 공정에서 분리막이 널리 사용되고 있는데, 투과수량 및 투과시간이 증가될수록 수계 내에 존재하는 스케일(scale), 단백질, 미생물 등의 막오염 유발물질에 의해 분리막의 오염도가 급격하게 증가되어 투과유량의 감소가 불가피하게 된다. 이에 따라, 일정 주기로 분리막을 세정하거나 교체해야 한다. Separation membranes are widely used in various water treatment processes. As the permeation water and permeation time are increased, the pollution degree of the membrane is drastically increased due to the membrane pollutants such as scale, protein and microorganisms existing in the water system, Becomes inevitable. Accordingly, the membrane should be cleaned or replaced at regular intervals.

현재 주로 사용되고 있는 분리막의 세정방법으로는 물리적 세정방법과 화학적 세정방법이 있다. 물리적 세정방법으로는 공기세정(air purging), 수세(flushing), 역세(reverse filtration) 등이 있다. 공기세정은 공기주입시 발생하는 요동을 이용하여 분리막 표면의 오염물질을 제거하는 방법이고, 수세는 원수를 이용하여 오염물질을 제거하는 방법이며, 역세는 원수 공급방향의 반대방향으로 여과수나 압축공기를 주입하여 오염물질을 제거하는 방법이다. There are physical cleaning methods and chemical cleaning methods as cleaning methods of membranes which are mainly used at present. Physical cleaning methods include air purging, flushing, and reverse filtration. The air cleaning is a method of removing contaminants on the surface of the separation membrane by using the fluctuation generated when the air is injected, and the flushing is a method of removing contaminants using raw water, and the backwashing is performed in the opposite direction of the raw water supply, To remove contaminants.

한편, 화학적 세정방법은 산, 염기, 계면활성제, 소독제 등이 포함된 세정액을 이용하여 분리막 표면에 부착되어 있는 오염물질을 화학적으로 분해, 제거하는 방법이다. 하지만, 화학적 세정방법에 사용되는 세정액은 분리막의 손상을 유발하는 문제가 있어 제한적인 경우에만 사용된다. 또한, 화학적 세정방법의 경우, 세정액 사용에 따른 비용 증가와 세정공정시 분리막의 가동을 중단해야 한다는 문제점이 있다. On the other hand, the chemical cleaning method is a method of chemically decomposing and removing contaminants attached to the surface of a separation membrane by using a cleaning liquid containing an acid, a base, a surfactant, and a disinfectant. However, the cleaning liquid used in the chemical cleaning method is used only in a limited case due to the problem of causing damage to the separation membrane. Further, in the case of the chemical cleaning method, there is a problem that the cost of using the cleaning liquid increases and the operation of the separation membrane must be stopped during the cleaning process.

이와 함께, 물리적 세정방법과 화학적 세정방법을 혼용하여 방식도 제안된 바 있으나(한국등록특허 제1010858호 참조), 각각의 방법을 시계열적으로 적용한 것이어서 화학적 세정방법의 문제점을 피할 수는 없다.
In addition, although a method of using a physical cleaning method and a chemical cleaning method in combination has been proposed (see Korean Patent No. 1010858), the problems of the chemical cleaning method can not be avoided because the respective methods are applied in a time-wise manner.

한국등록특허 제1010858호Korean Patent No. 1010858

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 바이오가스를 이용하여 분리막을 세정함으로써 물리적 세정효과 및 화학적 세정효과를 동시에 유도함과 함께 분리막의 손상을 방지할 수 있는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
Disclosure of the Invention The present invention has been devised to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a biogas-based separation membrane cleaning method capable of simultaneously inducing a physical cleaning effect and a chemical cleaning effect, A method and an apparatus are provided.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법은 혐기성소화공정에서 생성되는 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 준비하는 단계 및 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 분리막에 주입하여 분리막을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 분리막을 세정하는 단계에서, 바이오가스의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내의 이산화탄소에 의한 화학적 세정이 진행되는 것을 특징으로 한다. Membrane cleaning method using a bio gas according to the present invention for achieving the above object is a bio includes the step and the carbon dioxide (CO 2) to prepare a biogas containing carbon dioxide (CO 2) generated in the anaerobic digestion process And cleaning the separation membrane by injecting gas into the separation membrane. In the step of cleaning the separation membrane, physical cleaning by biasing of the gas is performed and chemical cleaning by carbon dioxide in the biogas proceeds .

상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스에서 이산화탄소(CO2)의 함량이 20vol% 이상이다. 또한, 상기 분리막을 세정하는 단계에서, 바이오가스의 주입속도는 0.2∼1.5m3바이오가스/m2분리막·hr이다. The content of carbon dioxide (CO 2 ) in the biogas containing the carbon dioxide (CO 2 ) is 20 vol% or more. Also, in the step of washing the separation membrane, the injection rate of the biogas is 0.2 to 1.5 m 3 biogas / m 2 separation membrane · hr.

상기 분리막을 세정하는 단계 전에, 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 대상으로, 기체분리막모듈을 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소의 함량을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스는 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 포함하여 구성되며, 상기 기체분리막모듈은 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)의 투과도 차이를 이용하여 이산화탄소(CO2) 농축률을 증가시킬 수 있다. The step of: prior to the step of cleaning the separation membrane, the carbon dioxide intended for the biogas containing the (CO 2), using a gas separation membrane module to increase the amount of carbon dioxide in the biogas can be further included. Further, the carbon dioxide (CO 2) the biogas that contains methane (CH 4) and is configured to include a carbon dioxide (CO 2), the gas separation membrane module permeability difference between methane (CH 4) and carbon dioxide (CO 2) Can be used to increase the concentration of carbon dioxide (CO 2 ).

본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치는 원수를 막여과하여 처리수를 생산하는 분리막과, 혐기성소화공정을 통해 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 생성시키는 바이오가스 발생원 및 상기 바이오가스 발생원으로부터 생성된 바이오가스를 저장함과 함께 상기 분리막의 세정공정시 분리막에 바이오가스를 주입하는 바이오가스 주입장치를 포함하여 이루어지며, 상기 분리막에 바이오가스가 주입되면, 바이오가스의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내의 이산화탄소에 의한 화학적 세정이 진행되는 것을 특징으로 한다. A separation membrane cleaning apparatus using biogas according to the present invention comprises a separation membrane for membrane filtration of raw water to produce treated water, a biogas generating source for generating biogas containing carbon dioxide (CO 2 ) through an anaerobic digestion process, And a biogas injection device for storing the biogas generated from the source and injecting the biogas into the separation membrane during the cleaning process of the separation membrane. When the biogas is injected into the separation membrane, Cleaning and chemical cleaning with carbon dioxide in the biogas.

기체분리막모듈이 더 구비되며, 상기 기체분리막모듈은 바이오가스 주입장치로부터 바이오가스를 공급받아, 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)의 투과도 차이를 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소 함량을 증가시키는 역할을 한다.
The gas separation membrane module further includes a gas separation membrane module that receives the biogas from the biogas injection device and increases the carbon dioxide content in the biogas using the difference in permeability of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) .

본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치는 다음과 같은 효과가 있다. The separation membrane cleaning method and apparatus using biogas according to the present invention have the following effects.

이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 이용함에 따라, 바이오가스 자체의 기체 요동에 의한 물리적 세정을 진행함과 함께 바이오가스 내에 포함되어 있는 이산화탄소에 의한 화학적 세정효과를 부수적으로 얻을 수 있게 된다. By using the biogas containing carbon dioxide (CO 2 ), it is possible to physically wash the biogas by swinging the gas itself, and to obtain the chemical cleaning effect by the carbon dioxide contained in the biogas incidentally.

또한, 세정액을 사용하지 않는 화학적 세정이 진행됨에 따라, 분리막의 손상을 방지함과 함께 세정비용을 절감할 수 있으며, 분리막 가동을 중단할 필요가 없다.
In addition, as the chemical cleaning without using the cleaning liquid proceeds, damage to the separation membrane can be prevented, cleaning cost can be reduced, and it is not necessary to stop the separation membrane operation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치의 구성도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram of a separation membrane cleaning apparatus using biogas according to an embodiment of the present invention; FIG.

본 발명은 바이오가스를 세정수단으로 이용하여 분리막을 세정하는 기술을 제시한다. 바이오가스(bio-gas)는 혐기성소화공정에서 발생되는 것으로서 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2) 등이 포함된 기체이며, 바이오가스 자체의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내에 포함된 이산화탄소에 의한 화학적 세정을 유도할 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다. The present invention provides a technique for cleaning a separation membrane using biogas as a cleaning means. Bio-gas is generated in the anaerobic digestion process, and includes methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), etc., and physical cleaning by the gas fluctuation of the biogas itself and carbon dioxide Can be induced by chemical cleaning. Hereinafter, a method and an apparatus for separating membrane using biogas according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

분리막을 이용한 수처리장치에서는 통상, 분리막에 의한 여과공정과 분리막에 대한 세정공정이 진행된다. 상기 분리막에 의한 여과공정과 분리막에 대한 세정공정은 교번하여 반복 진행되며, 분리막에 대한 세정공정은 상술한 '발명의 배경이 되는 기술'에 언급한 바와 같은 물리적 세정방법과 화학적 세정방법이 이용되어 왔다. In a water treatment apparatus using a separation membrane, a filtration process by a separation membrane and a cleaning process for a separation membrane are usually performed. The filtration process with the separation membrane and the separation process with the separation membrane are alternately repeated and the separation process can be performed by a physical cleaning method and a chemical cleaning method as described in the Background of the Invention come.

본 발명은 물리적 세정방법 기반 하에 화학적 세정효과를 부가적으로 얻을 수 있는 기술을 제시한다. 구체적으로, 바이오가스를 분리막에 주입하여 바이오가스 자체의 기체 요동을 통해 분리막 표면에 부착되어 있는 오염물질을 물리적으로 제거함과 함께 바이오가스 내에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)가 오염물질과 반응되도록 하여 화학적 세정을 부수적으로 유도한다. 분리막의 세정시, 바이오가스는 분리막의 1차측(원수측) 또는 2차측(처리수측)에 주입된다. The present invention provides a technique for additionally obtaining a chemical cleaning effect based on a physical cleaning method. Specifically, the biogas contains an injected into the separation membrane in the biogas with the removal of contaminants attached to the membrane surface through the gas motion in the biogas is physically carbon dioxide (CO 2) is to be reacted with the pollutant Incidentally induces chemical cleaning. At the time of cleaning the separation membrane, the biogas is injected into the primary side (raw water side) or the secondary side (treated water side) of the separation membrane.

바이오가스는 혐기성소화공정에서 생성되며, 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주요 성분으로 하며 질소(N2), 황화수소(H2S), 수증기(H2O)를 미량 포함하는 기체이다. 따라서, 바이오가스는 혐기성소화조가 적용되는 수처리장치 또는 유기성폐기물 처리장치(예를 들어, 축산분뇨처리장치)로부터 공급받을 수 있다. 또한, 혐기성소화조 및 분리막이 함께 적용되는 수처리장치 또는 유기성폐기물 처리장치의 경우, 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스를 분리막의 세정에 바로 이용할 수도 있다. Biogas is produced from the anaerobic digestion process, methane (CH 4) as a carbon dioxide (CO 2) the main component and gas containing very small amount of nitrogen (N 2), hydrogen sulfide (H 2 S), water vapor (H 2 O) to be. Accordingly, the biogas can be supplied from a water treatment apparatus or an organic waste treatment apparatus (for example, an animal manure treatment apparatus) to which an anaerobic digester is applied. Further, in the case of the water treatment apparatus or the organic waste treatment apparatus to which the anaerobic digestion tank and the separation membrane are applied together, the biogas produced in the anaerobic digestion tank may be directly used for cleaning the separation membrane.

바이오가스에 의한 화학적 세정효과를 향상시키기 위해 바이오가스 내의 이산화탄소 농축도를 증가시키는 방법을 적용할 수도 있다. 바이오가스 내에 포함되어 있는 이산화탄소가 분리막 표면에 국지적 산성 조건이 형성되도록 하여 오염물질 분해를 유도함에 따라, 바이오가스 내의 이산화탄소 함량이 클수록 화학적 세정효과가 증가된다. A method of increasing the concentration of carbon dioxide in the biogas may be applied to improve the chemical cleaning effect by the biogas. As the carbon dioxide contained in the biogas forms a local acidic condition on the surface of the separator to induce the decomposition of the pollutant, the larger the carbon dioxide content in the biogas is, the more the chemical cleaning effect is increased.

바이오가스의 조성은 혐기성소화조의 적용분야(수처리 또는 유기성폐기물처리)에 따라 상이하나, 대부분 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주요 성분으로 한다. 이에, 투과도에 따라 기체를 분리하는 기체분리막모듈을 이용하여 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 분리할 수 있으며, 이를 통해 이산화탄소 함량이 큰 바이오가스를 얻을 수 있으며, 이를 분리막 세정에 적용하여 화학적 세정효과를 배가시킬 수 있다. The composition of biogas depends on the application field of anaerobic digesters (water treatment or organic waste treatment), but mainly methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) are the main components. Therefore, it is possible to separate methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) by using a gas separation membrane module that separates the gas according to the permeability, thereby obtaining a biogas having a large amount of carbon dioxide, So that the chemical cleaning effect can be doubled.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치에 대해 설명하기로 한다. Next, a separation membrane cleaning apparatus using biogas according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치는 바이오가스 발생원(110) 및 바이오가스 주입장치(120)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, the apparatus for cleaning a membrane using biogas according to an embodiment of the present invention includes a biogas generating source 110 and a biogas injecting apparatus 120.

상기 바이오가스 발생원(110)은 혐기성소화공정을 통해 바이오가스를 생성시키는 장치이며, 수처리장치의 혐기성소화조 또는 유기성폐기물 처리장치의 혐기성소화조가 바이오가스 발생원(110)에 해당될 수 있다. 상기 혐기성소화공정을 통해 생성되는 바이오가스는 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주요 성분으로 하며 질소(N2), 황화수소(H2S), 수증기(H2O)가 미량 포함될 수 있다. The biogas generating source 110 is a device for generating biogas through the anaerobic digestion process, and the anaerobic digester of the water treatment apparatus or the anaerobic digestion tank of the organic waste treatment apparatus may be a biogas generating source 110. The biogas produced through the anaerobic digestion process contains methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) as main components and may contain a trace amount of nitrogen (N 2 ), hydrogen sulfide (H 2 S), and water vapor (H 2 O) have.

상기 바이오가스 주입장치(120)는 상기 바이오가스 발생원(110)으로부터 생성된 바이오가스를 저장함과 함께 상기 분리막(10)의 세정공정시 분리막(10)의 1차측(원수측) 또는 2차측(처리수측)에 바이오가스를 주입하는 역할을 한다. 분리막(10)에 주입된 바이오가스는, 바이오가스 자체의 기체 요동에 의한 물리적 세정을 통해 분리막 표면의 오염물질을 제거함과 함께 바이오가스 내에 포함된 이산화탄소가 분리막 표면의 국지적 산화를 유도하여 분리막 표면의 오염물질을 화학적으로 분해한다. The biogas injector 120 stores the biogas generated from the biogas generator 110 and controls the primary side (raw water side) or the secondary side (treated side) of the separation membrane 10 during the cleaning process of the separation membrane 10 Water side). The biogas injected into the separation membrane 10 removes contaminants on the surface of the separation membrane by physically cleaning the biogas by physical swinging of the biogas, and the carbon dioxide contained in the biogas induces local oxidation of the surface of the separation membrane, Decontaminate the pollutants chemically.

바이오가스에 의한 세정 대상인 분리막(10)은 원수를 막여과하여 처리수를 생산하는 장치로서, 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막 등으로 구성될 수 있다. The separation membrane 10 to be cleaned by the biogas is an apparatus for producing treated water by filtrating raw water, and may be composed of a microfiltration membrane, an ultrafiltration membrane, a reverse osmosis membrane, or the like.

한편, 바이오가스 발생원(110) 및 바이오가스 주입장치(120) 이외에 기체분리막모듈(130)이 더 구비될 수 있다. 상기 기체분리막모듈(130)은 기체의 투과도를 이용하여 주입기체를 투과기체와 회수기체로 분리하는 장치이며, 메탄의 투과도와 이산화탄소의 투과도 차이를 이용하여 상기 기체분리막모듈(130)을 통해 이산화탄소를 회수기체로 회수할 수 있다. 즉, 상기 기체분리막모듈(130)에 바이오가스가 주입기체로 주입되면 메탄은 투과, 배출되고 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있다. In addition, the gas separation membrane module 130 may be further provided in addition to the biogas generation source 110 and the biogas injection device 120. The gas separation membrane module 130 is a device for separating an injection gas into a permeable gas and a recovered gas by using the permeability of the gas. The gas separator module 130 is a device for separating carbon dioxide into a permeable gas and a recovered gas by using the difference between the permeability of methane and the permeability of carbon dioxide. It can be recovered by the recovery gas. That is, when biogas is injected into the gas separator module 130 through the injector, methane is permeated and discharged, and the high concentration of carbon dioxide can be recovered.

상기 기체분리막모듈(130)을 통해 회수된 고농도의 이산화탄소는 분리막(10)의 세정공정시 분리막(10)에 주입되며, 메탄이 포함된 바이오가스에 대비하여 상대적으로 이산화탄소의 함량이 많음에 따라 화학적 세정효과를 배가시킬 수 있게 된다. The high concentration of the carbon dioxide recovered through the gas separation membrane module 130 is injected into the separation membrane 10 during the washing process of the separation membrane 10 and the amount of carbon dioxide The cleaning effect can be doubled.

바이오가스에 의한 화학적 세정효과를 유도하기 위해서는 바이오가스 내의 이산화탄소 함량이 20vol% 이상이어야 하며, 바이오가스 내의 이산화탄소 함량이 20vol% 미만인 경우, 상기 바이오가스 주입장치(120) 내의 바이오가스는 분리막(10)에 바로 주입되지 않고 상기 기체분리막모듈(130)을 거쳐 이산화탄소 함량이 증가된 상태로 분리막(10)에 주입되는 것이 바람직하다. 이와 함께, 바이오가스에 의한 물리적 세정 및 화학적 세정효과를 향상시키기 위해, 바이오가스의 주입속도는 0.2∼1.5m3바이오가스/m2분리막·hr로 설정하는 것이 바람직하다. In order to induce the chemical cleaning effect by the biogas, the carbon dioxide content in the biogas should be 20 vol% or more. When the carbon dioxide content in the biogas is less than 20 vol%, the biogas in the biogas injector 120 is separated from the separation membrane 10, It is preferable that the carbon dioxide is injected into the separation membrane 10 through the gas separation membrane module 130 without increasing the amount of carbon dioxide. In addition, in order to improve the physical cleaning and chemical cleaning effect by the biogas, the injection rate of the biogas is preferably set to 0.2 to 1.5 m 3 biogas / m 2 separation membrane · hr.

다음으로, 실험예를 통해 본 발명에 따른 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치 및 방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
Next, an apparatus and method for separating membrane using biogas according to the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples.

<실험예> <Experimental Example>

20L 벤치스케일(bench-scale) 규모의 분리막이 적용된 연속식분리막장치를 이용하여 분리막의 연속 투과특성을 측정하였다. 먼저, 12cm2의 직사각형 형상을 갖는 상업용 PVDF(polyvinyledene difluoride) 재질의 정밀여과 분리막을 준비하였다. 그런 다음, 분리막의 고유저항(Rm)을 산출하기 위해 연속식분리막장치의 3개의 분리막에 0.1M의 PBS(phosphate buffer solution)이 첨가된 초순수를 투과시켰다. 이어, 각각의 분리막의 전체저항(Rt) 산출을 위해 하수처리장에서 채취한 활성슬러지를 연속식분리막장치의 3개의 분리막에 투과시켰다. 이 때, 사용된 활성슬러지의 농도는 약 2,000mg/L로 측정되었고, pH는 7.2로 측정되었다. 이어, 분리막의 세정을 위해 공기(air)와 바이오가스 각각을 분리막의 1차측(permeate line)에 주입하였으며, 주입속도(purging rate)는 100cc/min으로 유지하였다. Continuous permeation characteristics of the membranes were measured using a continuous membrane apparatus with a 20 L bench scale scale membrane. First, a commercial filtration membrane of polyvinylidene difluoride (PVDF) having a rectangular shape of 12 cm 2 was prepared. Then, to obtain the specific resistance (R m ) of the membrane, three membranes of a continuous membrane apparatus were permeated with 0.1 M of PBS (phosphate buffer solution) added with ultrapure water. Activated sludge collected at the sewage treatment plant was then passed through three separators of the continuous separation membrane apparatus to calculate the total resistance (R t ) of each separation membrane. At this time, the concentration of the activated sludge used was measured to be about 2,000 mg / L, and the pH was measured to be 7.2. Next, air and biogas were injected into the permeate line of the separation membrane and the purging rate was maintained at 100 cc / min for cleaning the separation membrane.

분리막의 고유저항(Rm)과 분리막의 전체저항(Rt) 각각은 분리막 투과 수학적모델인 'Resistance in-series model(아래 식 1 참조)'을 통해 산출하였으며, 분리막의 고유저항(Rm)과 분리막의 전체저항(Rt)값을 통해 분리막의 오염저항(Rf)을 산출하였다(식 3 참조). Specific resistance (R m) and the total resistance (R t) of the separation membrane of the separation membrane, respectively were calculated through "Resistance in-series model (see following Expression 1), the mathematical model membrane permeable, the membrane resistivity (R m) And the total resistance (R t ) of the membrane, the contamination resistance (R f ) of the membrane was calculated (see Equation 3).

분리막의 오염저항(Rf)을 산출하는 이유는, 분리막 표면에 부착된 오염물질로 인해 발생하는 분리막 오염도를 정량화함으로써 공기 또는 바이오가스에 의한 세정시 분리막의 오염저감효과를 검증하기 위함이다.
The reason for calculating the contamination resistance (R f ) of the separation membrane is to verify the effect of reducing the contamination of the separation membrane during cleaning by air or biogas by quantifying the separation membrane contamination caused by the contaminants attached to the surface of the separation membrane.

<식 1> <Formula 1>

J = ΔP / (μx R)J =? P / (占 R)

(J는 투과속도, ΔP는 막차압, μ는 점성도, R은 막저항이며, 투과속도(J)는 아래의 식 2를 통해 산출됨)
(J is the permeation rate, P is the membrane pressure, μ is the viscosity, R is the membrane resistance, and the permeation rate (J)

<식 2> <Formula 2>

투과속도(J) = 투과부피 / (분리막면적 x 투과면적)
Permeation rate (J) = permeation volume / (membrane area x permeable area)

<식 3> <Formula 3>

Rt(분리막의 전체저항) = Rm(분리막의 고유저항) + Rf(분리막의 오염저항)
R t (total resistance of membrane) = R m (specific resistance of membrane) + R f (contamination resistance of membrane)

먼저, 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스를 추가 정화없이 분리막에 주입하여 공기주입에 의한 분리막 세정효과와 비교하는 실험을 수행하였다. 이 때, 바이오가스의 성분 분석결과 메탄(CH4) 함량은 60vol%, 이산화탄소 함량은 40vol% 이었다. 60분간 여과운전 후 20분간 세정을 실시하는 사이클을 총 4회에 걸쳐 실시하면서 분리막의 오염도 변화를 측정하였다. First, experiments were conducted to compare the biodegradation efficiency of the anaerobic digestion tank with the efficiency of separation by air injection. At this time, as a result of analyzing the composition of the biogas, the methane (CH 4 ) content was 60 vol% and the carbon dioxide content was 40 vol%. And the cycle of washing for 20 minutes after the filtration operation for 60 minutes was carried out four times in total, and the change of the contamination degree of the separation membrane was measured.

상술한 바와 같은 과정을 거쳐 진행된 실험결과를 살펴보면 다음과 같다. 아래의 표 1은 세정을 하지 않은 분리막, 공기세정을 실시한 분리막, 바이오가스 세정을 실시한 분리막 각각의 분리막 오염저항(Rf)을 나타낸 것이다.
The results of the experiments conducted as described above will be described below. Table 1 below shows the membrane fouling resistance (R f ) of each of the untreated membrane, air-washed membrane, and biogas-washed membrane.

운전조건
(60분 연속여과, 20분 세정)
Operating condition
(Continuous filtration for 60 minutes, washing for 20 minutes)
분리막 오염저항
(Rf, 1010m-1)
Membrane Pollution Resistance
(R f , 10 10 m -1 )
Control(세정 안함)
- 1st cycle
- 2nd cycle
- 3rd cycle
- 4th cycle
Control (not clean)
- 1 st cycle
- 2 nd cycle
- 3 rd cycle
- 4 th cycle


136.9
149.2
164.7
187.2


136.9
149.2
164.7
187.2
공기 주입 세정
- 1st cycle
- 2nd cycle
- 3rd cycle
- 4th cycle
Air injection cleaning
- 1 st cycle
- 2 nd cycle
- 3 rd cycle
- 4 th cycle


113.5
118.2
130.3
143.6


113.5
118.2
130.3
143.6
바이오가스 주입 세정
- 1st cycle
- 2nd cycle
- 3rd cycle
- 4th cycle
Biogas injection cleaning
- 1 st cycle
- 2 nd cycle
- 3 rd cycle
- 4 th cycle


99.4
104.8
119.4
128.4


99.4
104.8
119.4
128.4

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 바이오가스를 주입하여 세정한 분리막의 경우, 세정을 하지 않은 분리막과 비교시 오염도가 27.4∼31.4% 저감되었으며, 공기를 주입하여 세정한 분리막과 비교시 오염도가 8.4∼12.4% 저감된 것으로 나타났다. 특히, 4회의 cycle 동안 증가된 분리막 전체 오염 저항값을 계산한 결과 control(세정 안함)의 경우 90.9 x 1010 m-1이었으며, 공기 및 바이오가스를 주입하여 세정한 분리막의 경우 40.7 x 1010 m-1과 34.1 x 1010 m-1로 나타나, 공기를 세정 가스로 적용시 바이오가스를 세정 가스로 적용한 경우 대비 38% 높은 분리막 오염 저항값의 증가량을 보였다.
As shown in Table 1, in the case of the separator washed by injecting the biogas, the pollution degree was reduced by 27.4 to 31.4% in comparison with the unsealed membrane, and the pollution degree was 8.4 ~ And 12.4%, respectively. Particularly, as a result of calculation of the total contamination resistance value of the membrane increased during 4 cycles, it was 90.9 x 10 10 m -1 in the case of control (non-cleaning), 40.7 x 10 10 m in case of separator washed with air and biogas -1 and 34.1 × 10 10 m -1 , respectively, and the air pollution resistance of the membrane was 38% higher than that of the cleaning gas using biogas.

다음으로, 혐기성소화조에서 생성된 바이오가스를 기체분리막모듈에 주입하여 이산화탄소의 함량을 증가시키고, 이산화탄소의 함량이 증가된 바이오가스를 분리막에 주입하는 실험을 진행하였다. 이 때, 바이오가스의 이산화탄소 함량은 90vol% 내외인 것으로 나타났다. 또한, 이산화탄소의 함량이 증가된 바이오가스의 주입시 분리막 표면 근처의 pH는 약 5∼5.5의 산성 조건인 것으로 나타났다. 60분간 여과운전 후 5분간 세정을 실시하는 사이클을 총 4회에 걸쳐 실시하면서 분리막의 오염도 변화를 측정하였다. Next, an experiment was conducted in which the biogas produced in the anaerobic digestion tank was injected into the gas separation membrane module to increase the content of carbon dioxide, and the biogas having an increased amount of carbon dioxide was injected into the separation membrane. At this time, the carbon dioxide content of the biogas is about 90 vol%. In addition, pH of the membrane near the surface of the membrane was found to be in the range of about 5 to 5.5 at the time of injecting biogas with an increased amount of carbon dioxide. A cycle of filtering for 60 minutes, and a cycle of washing for 5 minutes were carried out four times in total, and the change in the degree of contamination of the membrane was measured.

아래의 표 2는 세정을 하지 않은 분리막, 공기세정을 실시한 분리막, 고농도 이산화탄소 세정을 실시한 분리막 각각의 분리막 오염저항(Rf)을 나타낸 것이다.
Table 2 below shows the membrane fouling resistance (R f ) of the separation membrane without cleaning, the separation membrane with air cleaning, and the separation membrane subjected to high concentration carbon dioxide cleaning.

운전조건
(60분 연속운전, 5분 세정)
Operating condition
(Continuous operation for 60 minutes, washing for 5 minutes)
분리막 오염저항
(Rf, 1010m-1)
Membrane Pollution Resistance
(R f , 10 10 m -1 )
Control(세정 안함)
- 4th cycle
Control (not clean)
- 4 th cycle

188.4

188.4
공기 주입 세정
- 4th cycle
Air injection cleaning
- 4 th cycle

139.5

139.5
이산화탄소 주입 세정
- 4th cycle
Carbon dioxide injection cleaning
- 4 th cycle

110.1

110.1

상기 <표 2>에 나타낸 바와 같이, 고농도 이산화탄소를 주입하여 세정한 분리막의 경우, 세정을 하지 않은 분리막과 비교 시 오염도가 41.5% 저감되었으며, 공기를 주입하여 세정한 분리막과 비교시 오염도가 21.1% 저감된 것으로 나타났다. As shown in Table 2, in the case of the separator washed with high concentration of carbon dioxide, the pollution degree was reduced by 41.5% as compared with the unseparated separator. When compared with the separator washed with air, the pollution degree was 21.1% Respectively.

특히, 상기 표 1의 분리막 60분 연속 운전 후 20분 세정 조건에서의 실험 결과와 비교시, 고농도 이산화탄소를 5분간 주입하여 세정한 분리막의 경우, 전체 cycle 동안 증가된 분리막 전체 오염저항값이 공기 주입을 통해 세정된 분리막에 비해 현저히 낮은 것으로 나타나, 분리막 세정에 주입되는 가스의 경우 이산화탄소(CO2) 함량이 높을수록 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 이를 통해, 바이오가스 내 포함된 이산화탄소가 세정시 분리막 표면의 국지적 산성 조건을 유도하여 분리막 표면에 부착된 오염물질을 동시에 화학적으로 분해하여 높은 세정 효율을 유도하는 것으로 확인되었다.
Particularly, in the case of the separator membrane which was cleaned by injecting high-concentration carbon dioxide for 5 minutes in comparison with the experimental results at 20 minutes after the continuous operation of the separator membrane for 60 minutes in Table 1 above, The results showed that the higher the carbon dioxide (CO 2 ) content, the more effective it was. It has been confirmed that the carbon dioxide contained in the biogas induces local acidic conditions on the surface of the separation membrane during the cleaning, thereby chemically decomposing the contaminants attached to the separation membrane surface simultaneously to induce high cleaning efficiency.

10 : 분리막 110 : 바이오가스 발생원
120 : 바이오가스 주입장치 130 : 기체분리막모듈
10: Membrane 110: Biogas source
120: Biogas injection device 130: Gas separation membrane module

Claims (10)

혐기성소화공정에서 생성되는 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 준비하는 단계; 및
상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 분리막에 주입하여 분리막을 세정하는 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 분리막을 세정하는 단계에서, 바이오가스의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내의 이산화탄소에 의한 화학적 세정이 진행되며,
상기 분리막을 세정하는 단계 전에,
상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 대상으로, 기체분리막모듈을 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소의 함량을 증가시키는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법.
Preparing biogas containing carbon dioxide (CO 2 ) produced in the anaerobic digestion process; And
And injecting the biogas containing the carbon dioxide (CO 2 ) into the separation membrane to clean the separation membrane,
In the step of cleaning the separation membrane, the physical cleaning by biasing of the biogas and the chemical cleaning by the carbon dioxide in the biogas proceed,
Before the step of cleaning the separation membrane,
Further comprising the step of increasing the content of carbon dioxide in the biogas by using the gas separation membrane module for the biogas containing the carbon dioxide (CO 2 ).
제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스에서 이산화탄소(CO2)의 함량이 20vol% 이상인 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법.
According to claim 1, wherein said carbon dioxide separation membrane cleaning method using the bio-gas, characterized in that at least (CO 2) 20vol% the amount of carbon dioxide (CO 2) from a biogas containing the.
제 1 항에 있어서, 상기 분리막을 세정하는 단계에서, 바이오가스의 주입속도는 0.2∼1.5m3바이오가스/m2분리막·hr인 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법.
2. The separation membrane cleaning method using biogas according to claim 1, wherein, in the step of cleaning the separation membrane, an injection rate of the biogas is 0.2 to 1.5 m 3 biogas / m 2 separation membrane · hr.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스는 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 포함하여 구성되며,
상기 기체분리막모듈은 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)의 투과도 차이를 이용하여 이산화탄소(CO2) 농축률을 증가시키는 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정방법.
The method according to claim 1, wherein the biogas containing carbon dioxide (CO 2 ) comprises methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 )
The gas separation membrane module separation membrane cleaning method using the bio-gas, comprising a step of increasing the carbon dioxide (CO 2) concentration rate using the transmission rate difference between the methane (CH 4) and carbon dioxide (CO 2).
원수를 막여과하여 처리수를 생산하는 분리막;
혐기성소화공정을 통해 이산화탄소(CO2)가 포함된 바이오가스를 생성시키는 바이오가스 발생원; 및
상기 바이오가스 발생원으로부터 생성된 바이오가스를 저장함과 함께 상기 분리막의 세정공정시 분리막에 바이오가스를 주입하는 바이오가스 주입장치를 포함하여 이루어지며,
상기 분리막에 바이오가스가 주입되면, 바이오가스의 기체 요동에 의한 물리적 세정 및 바이오가스 내의 이산화탄소에 의한 화학적 세정이 진행되며,
기체분리막모듈이 더 구비되며,
상기 기체분리막모듈은 바이오가스 주입장치로부터 바이오가스를 공급받아, 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)의 투과도 차이를 이용하여 바이오가스 내의 이산화탄소 함량을 증가시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치.
A separator membrane for filtering the raw water to produce treated water;
A biogas generating source for generating biogas containing carbon dioxide (CO 2 ) through an anaerobic digestion process; And
And a biogas injection device for storing the biogas generated from the biogas source and injecting the biogas into the separation membrane during the cleaning process of the separation membrane,
When the biogas is injected into the separation membrane, physical cleaning by biasing of the biogas and chemical cleaning by the carbon dioxide in the biogas proceed,
A gas separation membrane module is further provided,
Wherein the gas separation membrane module serves to increase the carbon dioxide content in the biogas by receiving the biogas from the biogas injection device and utilizing the difference in permeability of methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) .
삭제delete 제 6 항에 있어서, 상기 바이오가스 발생원은 수처리장치의 혐기성소화조 또는 유기성폐기물 처리장치의 혐기성소화조인 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치.
The biogas separation membrane cleaning apparatus according to claim 6, wherein the biogas generating source is an anaerobic digestion tank of the water treatment apparatus or an anaerobic digestion tank of the organic waste treatment apparatus.
제 6 항에 있어서, 상기 분리막의 세정공정시 상기 분리막에 주입되는 바이오가스에 있어서, 이산화탄소(CO2)의 함량이 20vol% 이상인 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치.
The biogas separation membrane cleaning apparatus according to claim 6, wherein the biogas to be injected into the separation membrane during the cleaning process of the separation membrane has a content of carbon dioxide (CO 2 ) of 20 vol% or more.
제 6 항에 있어서, 상기 분리막의 세정공정시 바이오가스의 주입속도는 0.2∼1.5m3바이오가스/m2분리막·hr인 것을 특징으로 하는 바이오가스를 이용한 분리막 세정장치.The separation membrane cleaning apparatus using biogas according to claim 6, wherein the biogas injection rate is 0.2 to 1.5 m 3 biogas / m 2 separation membrane · hr in the washing process of the separation membrane.
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