KR101718100B1

KR101718100B1 - 일체형 나노버블 생성기를 구비한 중공사막 모듈 및 이를 포함하는 막여과 장치

Info

Publication number: KR101718100B1
Application number: KR1020160034640A
Authority: KR
Inventors: 김지훈
Original assignee: 지앤씨엔지니어링 주식회사
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-04-04

Abstract

본 발명은 막여과 장치에 사용되는 중공사막 모듈로서, 보다 상세하게는 나노버블 생성기를 일체형으로 구비하는 중공사막 모듈에 관한 것이다. 또한, 일체형 나노버블 생성기를 구비한 중공사막 모듈을 다수 포함하는 막여과 장치에 관한 것이다.

Description

일체형 나노버블 생성기를 구비한 중공사막 모듈 및 이를 포함하는 막여과 장치{A hollow fiber membrane module comprising an integrated nano-bubble generator and a membrane filtration plant comprising the same}

수처리 공정에서, 분리막(membrane)을 사용하여 유입수를 통과시킴으로써 유입수를 막여과 처리하는 공정이 널리 사용된다. 막여과 공정은 여과 방식에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투여과(RO), 정삼투여과(FO) 등으로 구분될 수 있으며, 분리막은 그 형태에 따라 관형, 평판형, 나선형, 중공사형 등으로 구분될 수 있다.

중공사형의 막을 의미하는 중공사막은 도 3에 도시되는 바와 같은 중공사막 모듈(200)에 포함되어 막여과 공정에서 사용된다. 이 과정에서 막 오염(membrane fouling)이 발생하는바, 유입수가 여과 처리되는 여과 모드(filtration mode)와 별도로 세정 모드(cleaning mode)가 필요하다. 세정 모드로서 역세척(backwashing)이 주로 사용된다. 역세척시 나노버블이 사용되기도 한다(한국등록실용신안 제20-0340528호, 한국공개특허 제10-2009-0071643호 등)

본 발명자는 높은 회수율을 이룩할 수 있도록 중공사막 모듈을 구비한 막여과 장치에서 상향류(up-flow) 방식의 역세척 방법을 한국등록특허 제10-1496100호로 제안한 바 있다. 도 1을 참조하여 이를 보다 상세히 설명한다.

본 발명자가 제안한 종래 기술에 따른 막여과 장치는, 전처리 처리수가 저류되는 전처리 처리수 저류조(100)와, 막유입 펌프(P1)에 의하여 전처리 처리수가 유입되어 여과 처리되는 중공사막 모듈(200)과, 여과 처리된 처리수가 저류되는 막여과 처리수 저류조(300)를 포함한다.

또한, 막여과 장치는, 중공사막 모듈(200)에 나노버블을 공급할 수 있는 나노버블 생성기(150)와, 막여과 처리수를 역세척수로 공급할 수 있는 역세척 펌프(P2)와, 중공사막 모듈(200)에서 부상하는 막여과 농축수(여과 모드에서 발생한 농축수) 및 역세척 농축수(세정 모드에서 발생한 농축수)를 처리하는 사이클론 분리기(400)와, 여기에서 처리된 농축수가 처리되는 농축수 처리부(500)를 포함한다.

여과 모드에서는, 전처리부(미도시)에서 전처리되어 전처리 처리수 저류조(100)에 저류된 전처리 처리수가, 밸브(V2, V3)의 폐쇄와 밸브(V1)의 개방 및 막유입 펌프(P1)의 작동에 의해 중공사막 모듈(200)에 유입되어 여과 처리되고, 밸브(V5)가 개방되면 막여과 처리수가 막여과 처리수 저류조(300)에 저류된다. 여과 모드에서 발생하는 막여과 농축수는 중공사막 모듈(200) 내에 남아 있는 상태이며, 여과 모드가 수회 진행되면 중공사막(255)의 표면에는 오염 물질이 존재한다.

세정 모드에서는, 밸브(V4)가 개방되고 역세척 펌프(P2)가 작동하여 막여과 처리수가 역세척수로서 중공사막 모듈(200)에 공급되며, 동시에 나노버블 생성기(150)에서 생성된 나노버블은 밸브(V2)의 개방 및 막유입 펌프(P1)의 작동에 의하여 중공사막 모듈(200)에 상향류로 공급된다. 역세척수와 나노버블에 의하여 중공사막(255)의 표면의 오염 물질이 역세척되어 역세척 농축수가 생성된다. 역세척 농축수는 중공사막 모듈(200) 내에 남아 있던 막여과 농축수와 합쳐져서 부상한다. 밸브(V6)가 개방되면 부상한 농축수는 사이클론 분리기(400)에 유입되어 처리된다. 처리된 처리수는 전처리 처리수 저류조(100)에 재유입되고, 농축수만이 농축수 처리부(500)에 유입된다.

본 발명자는 이러한 종래 기술에서 높은 처리 효율을 획득하기 위하여 다수의 중공사막 모듈을 사용할 경우 문제가 있음을 발견하였다. 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 전술한 발명에서 다수의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)을 채택한 경우를 도시한다.

다수의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)을 채택할 경우, 유입수가 분배되기 위하여 직경이 큰 헤드(160)가 사용된다. 헤드(160)와 각각의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)은 각각 분배관(161A, 161B, 161C)으로 연결된다.

헤드(160)의 직경이 분배관(161A, 161B, 161C)의 직경보다 어느 정도 경우, 각각의 분배관(161A, 161B, 161C)으로 유입되는 유입수의 압력과 유량은 비교적 균등하다. 즉, 유입수는 다수의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)에 비교적 균등한 압력과 유량으로 유입된다.

그러나 이 경우 나노버블 생성기(150)에서 생성된 나노버블은 균등하게 유입되지 않는다는 문제가 발생한다. 헤드(160)의 직경과 분배관(161A, 161B, 161C)의 직경 차이가 아무리 커도, 나노버블은 그 특성상 가까이 위치하는 중공사막 모듈(200A)에는 높은 압력과 유량으로 유입되지만 멀리 위치하는 중공사막 모듈(200C)에는 낮은 압력과 유량으로 유입된다.

이와 같이 유입되는 나노버블의 압력 및 유량이 낮을 경우 세척 효율이 낮아져서 잦은 빈도로 세정을 수행하여야 하며, 세정 모드의 실행 시간이 증가하는 만큼 여과 모드의 실행 시간이 감소하기에 막여과 장치의 전체적인 처리 효율이 낮아진다. 또한, 약품 처리 비용의 증가, 내구성의 감소 등 다양한 문제가 야기된다.

이를 해결하기 위하여 각각의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)마다 별도의 밸브 및 유량계를 설치하여 개별적으로 제어하는 방법을 착안해볼 수 있으나, 미세한 제어의 어려움, 설치 비용의 증가, 복잡해지는 세정 모드 타이밍, 숙련된 운전자의 필요성 등 다른 문제점을 야기할 수 있다.

이에, 본 발명자들은 이와 같은 문제를 해결하고자 본 발명을 착안하게 되었다.

한편, 도 1 및 도 2에 적용된 중공사막 모듈(200)(200A, 200B, 200C)은 종래의 일반적인 중공사막 모듈인데, 이를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

중공사막 모듈(200)은, 유입수가 유입되는 유입구(210)와, 유입구(210) 주변을 두르는 제 1 둘레부(220)와, 유입구(210) 상측에 위치하는 제 1 포팅부(240)와, 다수의 중공사막(255)을 외부로부터 보호하는 케이싱(250)과, 케이싱(250) 상측에 위치하는 제 2 포팅부(260)과, 제 2 포팅부(260) 주변의 제 2 둘레부(280)와, 처리수가 배출되는 처리수 배출구(290)를 포함한다. 제 1 둘레부(220)에는 추가 유입구(221)가 구비될 수 있으며, 제 2 둘레부(280)에는 농축수 배출구(281)가 구비될 수 있다.

제 1 포팅부(240)에는 다수의 유입홀(245)이 구비되며, 제 2 포팅부(260)에는 유출홀(265)이 구비된다. 중공사막(255)의 하단은 제 1 포팅부(240)에 의하여 막히되, 중공사막(255)의 상단은 유출홀(265)에 연통된다.

유입구(210)를 통해 유입된 유입수는 제 1 포팅부(240)에 구비된 유입홀(245)을 통하여 케이싱(250) 내측으로 유동하고, 케이싱(250) 내측으로 유동한 유입수는 압력에 의하여 중공사막(255) 내측으로 통과하는 과정에서 막여과 처리가 이루어져 중공사막(255)의 표면에 오염 물질이 남고 중공사막(255) 내측에는 처리수만 남으며, 처리수는 제 2 포팅부(260)의 유출홀(265)을 통해 제 2 둘레부(280)의 내측에 모이고 처리수 배출구(290)를 통하여 배출된다.

(특허문헌 1) KR 10-1496100 B1

(특허문헌 2) KR 20-0340528 B1,

(특허문헌 3) KR 10-2009-0071643 A1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다.

막여과 처리 공정에 있어서, 다수의 중공사막 모듈을 구비한 경우 나노버블의 균등한 유입이 어려우므로, 이를 해결할 수 있도록 일체형 나노버블 생성기를 구비하는 중공사막 모듈을 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 유입수가 유입되는 유입구(810); 상기 유입구(810)에 일체형으로 연결되어, 그 내측에 유입수가 유동하며, 공기가 유입수에 혼입되어 나노버블이 생성되는, 나노버블 생성부(830); 상기 나노버블 생성부(830)의 일측에 위치하여, 나노버블과 유입수가 통과하는 다수의 유입홀(845)을 구비한, 제 1 포팅부(840); 상기 제 1 포팅부(840)에 그 일측이 연결되어, 상기 유입홀(845)을 통과한 유입수가 그 내측으로 유입됨으로써 막여과 처리되어 막여과 처리수가 생성되는 다수의 중공사막(855); 상기 다수의 중공사막의 타측이 연결되는 유출홀(865)을 구비하는 제 2 포팅부(860); 및 상기 제 2 포팅부(860)의 상기 유출홀(865)을 통과한 막여과 처리수가 유출되는 처리수 배출구(890)을 포함하는, 중공사막 모듈을 제공한다.

또한, 상기 나노버블 생성부(830)는 유입수가 유동하는 공기유도관(832)을 포함하며, 상기 공기유도관(832)에서 유입수가 유입되는 부분과 유입수가 유출되는 부분인 상기 공기유도관(832)의 양측 말단의 직경은, 상기 공기유도관(832)의 중앙 부분의 직경보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 나노버블 생성부(830)는 상기 공기유도관(832)의 직경이 작은 중앙 부분에 연결된 공기주입구(833)를 더 포함하며, 상기 공기주입구(833)는 외부 공기를 유입하도록 그 일측이 개방되며, 상기 공기주입구(833)를 통하여 유입된 외부 공기는 펌프 없이 상기 공기유도관(832)을 통하여 상기 나노버블 생성부(830)에 유입되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입구(810)를 기준으로, 상기 나노버블 생성부(830)의 반대측에 연결부(825)가 구비되고, 그리고 상기 연결부(825)는 상기 제 1 포팅부(840)과 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공사막 모듈에 막여과 처리수가 역세척수로서 유입되면, 상기 나노버블 생성기(830)에서 생성된 나노버블과 함께 상향류로서 상기 중공사막(855)을 역세척하여 역세척 농축수를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공사막 모듈은, 상기 제 2 포팅부(860)의 하측에 위치하는 농축수 배출구(881)를 더 포함하며, 상기 중공사막(855)의 막여과 처리 과정에서 막여과 농축수가 형성되며, 상기 막여과 농축수와 상기 역세척 농축수가 상기 농축수 배출구(881)를 통하여 배출되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 농축수 배출구(881)에 밸브(V8A, V8B, V8C)가 위치하며, 상기 나노버블 생성기(830)가 나노버블을 생성하는 동안 상기 밸브(V8A, V8B, V8C)는 적어도 일부 개방되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 전술한 중공사막 모듈(800)을 다수 포함하는 막여과 장치로서, 전처리 처리수 저류조(100); 상기 전처리 처리수 저류조(100)로부터 전처리 처리수가 유입수로서 유입되며, 막여과 펌프(P1)가 구비되는, 헤드(160); 상기 헤드(160)에서 분배되어 상기 다수의 중공사막 모듈(800)에 연결되는 다수의 분배관(161A, 161B, 161C); 막여과 처리수 저류조(300); 사이클론 분리기(400); 및 농축수 처리부(500)를 더 포함하며, 상기 전처리 처리수 저류조(100)에 저류된 유입수가 상기 막여과 펌프(P1)에 의하여, 상기 헤드(160) 및 상기 분배관(161A, 161B, 161C)을 통하여, 상기 다수의 중공사막 모듈(800)의 각각의 상기 유입구(810)에 유입되고, 상기 중공사막(855)에서 여과 처리된 막여과 처리수가 상기 막여과 처리수 저류조(300)에 유입되고, 상기 나노버블 생성부(830)에서 생성된 나노버블에 의하여 상기 중공사막(855)에 역세척되어 형성되는 역세척 농축수와, 상기 중공사막(855)의 막여과 처리 과정에서 형성되는 막여과 농축수가, 상기 사이클론 분리기(400)에 유입되어 처리되고, 그리고 상기 사이클론 분리기(400)에서 처리된 처리수는 상기 전처리 처리수 저류조(100)에 재유입되는, 막여과 장치를 제공한다.

본 발명에 의하여, 다수의 중공사막 모듈을 구비한 막여과 장치에서 하나의 공기 탱크로부터 균등한 압력 및 유량의 공기가 각각의 중공사막 모듈에 공급될 수 있다. 이를 통하여 각각의 중공사막 모듈에서 균등한 양의 나노버블이 생성되어, 다수의 중공사막 모듈에서 실질적으로 동일한 세정 효과를 이룩할 수 있다.

복잡한 제어 알고리즘을 적용할 필요가 없으며, 운전자의 높은 숙련도 없이도 실질적으로 균등한 양의 나노버블 생성이 가능하다.

다수의 중공사막 모듈에서 동일한 세정 효과를 이룩함으로써, 최적의 빈도로서 세정을 이룰 수 있어서, 막여과 장치 전체의 처리 효율이 상승하고, 주입되는 약품을 최소화할 수 있으며, 밸브 또는 유량계 등의 별도의 다른 설비가 필요하지 않아 경제적 이득을 취할 수 있고, 어느 하나의 중공사막 모듈만을 모니터링하여 세정 주기를 설정할 수 있다.

공기를 주입하는 경우 펌프와 같은 별도의 동력 장치가 필요하지 않아 운전 비용을 절감시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 막여과장치 및 세정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 막여과장치에서 다수의 중공사막 모듈을 사용하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 중공사막 모듈의 사시도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 중공사막 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 중공사막 모듈의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 중공사막 모듈의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 중공사막 모듈이 다수 적용된 막여과장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)은, 일측에 나노버블 생성부(830)를 일체형으로 구비함을 특징으로 한다.

다시 말해, 본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)은, 종래 기술에 따른 중공사막 모듈(200)(도 3 참조)과 비교할 경우, 일측(도 5의 하측)에 나노버블 생성부(830)가 일체형으로 구비되는 점이 상이하되, 타측(도 5의 상측)은 종래 기술에 따른 중공사막 모듈(200)과 유사하다.

중공사막 모듈(800)의 중앙에는 케이싱(850)이 위치하여 중공사막(855)을 외부로부터 보호한다.

중공사막 모듈(800)의 일측에는 유입수가 유입되는 유입구(810)가 위치하고, 유입구(810)의 상측에는 나노버블 생성부(830)가 구비된다.

나노버블 생성부(830)는 외측에 위치하는 나노버블 생성부 케이싱(831)과, 공기가 유입되는 공기주입구(833)과, 공기주입구(833)에 연결되어 이로부터 공기를 자동으로 내측으로 유입시키는 공기유도관(832)을 포함한다.

공기주입구(833)는 외부에 대하여 개방되어, 외부로부터 공기가 유입된다 (도 7 참조). 다른 실시예에서, 별도의 순산소 탱크, 오존 탱크 등에 연결되어 순산소 또는 오존이 공급될 수도 있다. 여기에서, 공기는 펌프 등의 별도의 동력 부재에 의하여 공기주입구(833)에 강제로 넣어지지 않는데, 이는 아래에서 상술한다.

공기유도관(832)은 나노버블 생성부 케이싱(831)에 의하여 외부로부터 보호된다.

공기유도관(832)은, 유입수가 유입되는 방향(도 5에서 상측 방향)으로 볼 경우, 유입수가 유입되는 부분과 유입수가 유출되는 부분인 양측 말단의 직경이 가장 크고, 중앙에서 직경이 작아서, 마치 모래시계 형상이다.

이에 따라, 유입수가 유입될 경우, 직경이 작은 중앙 부분에서 유입수의 유속이 가장 크며, 공기주입구(833)를 통하여 공급되는 공기가 유입수에 자연스럽게 혼입된다.

여기에서, 전술한 바와 같이, 외부의 공기가 펌프 등의 별도의 동력 부재에 의하여 공기주입구(833)를 통해 공기유도관(832)으로 유입되는 것이 아니라, 공기유도관(832) 내측에서 일정한 압력 및 유속으로 유동하는 유입수에 의해서 공기가 자력으로 유입되는 점이 중요하다. 다시 말해, 다수의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)을 채택한 경우, 유입구(810)를 통하여 공기유도관(832)으로 유입되는 유입수의 압력 및 유량이 일정하다면, 공기주입구(833)를 통하여 공급되는 공기의 압력 및 유량이 일정하게 된다.

종래 기술에서 전술한 바와 같이, 종래 기술의 문제점은 다수의 중공사막 모듈(200A, 200B, 200C)을 사용할 경우 유입수의 압력 및 유량은 일정하게 유지되지만 나노버블 생성기(150)에서 공급되는 나노버블의 압력 및 유량이 일정하게 유입되지 않는다는 점이다. 그러나 유입구(810)를 통하여 유입되는 유입수의 압력 및 유량만 일정하다는 점에 착안하여, 본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)은 나노버블 생성부(830)를 일체형으로 구비함으로써, 공급되는 공기의 압력 및 유량도 일정하게 유지한다는 장점을 갖는다.

일정한 압력 및 유량으로 유입되는 공기는 유입수에 혼입되어 공기유도관(832) 내에서 선회류를 형성하며, 결과적으로 유입수 내에서 일정한 압력 및 유량의 나노버블을 생성한다. 선회류를 형성하는 원리는 종래 기술 상의 어떠한 것을 채용하여도 무방한바, 여기서 상세한 설명은 생략한다.

한편, 전술한 바와 같이, 다른 실시예에서, 공기주입구(833)가 외부 별도의 순산소 탱크, 오존 탱크 등에 연결될 수도 있다. 이 경우에도 펌프 등의 별도의 동력 부재는 필요하지 않으며, 균등한 순산소 또는 오전이 공급될 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 공기주입구(833)가 컴프레서에 연결될 수도 있어서, 컴프레서의 공기 주입에 도움을 줄 수 있다.

이제, 나노버블 생성부(830)를 지나 연결부(825)로 진행하는 유입수에는 다량의 나노버블이 혼입된 상태이다. 연결부(825)로 진행된 나노버블이 혼입된 유입수는 제 1 포팅부(845)를 만나게 된다.

제 1 포팅부(85)는 종래 기술에 따른 종래 기술에 따른 중공사막 모듈(200)의 제 1 포팅부(245)와 유사하게, 다수의 유입홀(845)을 갖는다. 이에 따라, 나노버블이 혼입된 유입수는 유입홀(845)을 통과하여 케이싱(850)의 내측으로 유입된다.

나노버블과 함께 유입된 유입수는 중공사막(855)을 통과하면서 처리되고, 이와 동시에 나노버블은 중공사막(855)을 흔들어 세정 효과를 발휘하면서 상향류(up-flow)로 상승하게 된다.

본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)의 케이싱(850), 중공사막(855), 제 2 포팅부(860), 제 2 둘레부(880), 농축수 배출구(881), 및 처리수 배출구(890)는 종래 기술과 유사하게 구성된다. 마찬가지로 제 2 포팅부(860)에는 유출홀(865)이 구비되어, 중공사막(855)을 통과한 처리수는 처리수 배출구(890)를 통하여 배출된다.

한편, 농축수 배출구(881)의 말단에는 밸브(V8A, V8B, V8C)(도 7 참조)가 구비된다. 종래 기술과 달리, 공기 탱크(900)로부터 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)에 공급된 나노버블이 나노버블 홀(841)을 통과하여 제 2 포팅부(860)의 하측에 압축될 수 있으므로, 공기 탱크(900)로부터 공기가 공급되는 동안에는 농축수 배출구(881)의 하단의 밸브(V8A, V8B, V8C)들이 완전히 폐쇄되지 않고 일부 개방되는 것이 중요하다. 밸브(V8A, V8B, V8C)가 완전히 폐쇄될 경우, 상향류로 부상한 나노버블이 압축되어 제 2 포팅부(860)의 하측에서 압축되어 폭발의 위험이 있기 때문이다.

이제, 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 중공사막 모듈(800)을 채택한 막여과 장치의 작동 방법을 설명한다.

전처리부(미도시)에서 전처리되어 전처리 처리수 저류조(100)에 저류된 전처리 처리수가, 밸브(V11)의 개방과 밸브(V3)의 폐쇄 및 막유입 펌프(P1)의 작동에 의해 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)의 유입구(810)를 통해 유입수로서 유입된다. 이 때에, 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)에는 일정한 압력 및 유량의 유입수가 균등하게 유입된다.

밸브(V12)가 개방되면, 외부 공기가 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)에 유입된다. 여기서, 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)의 유입구(810)를 통하여 균등하게 분배되어 유입된 유입수가 공기유도관(832)을 통과함에 따라, 공기 역시 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)에 균등하게 유입된다.

구체적으로, 외부의 공기는 공기주입구(833)를 통하여 공기유도관(832)으로 유입되는데, 공기유도관(832)에 유입된 공기는 선회류를 형성하면서 유입수 내에서 나노버블을 생성한다.

다른 실시예에서, 외부 공기가 아닌, 순산소 탱크, 오존 탱크 또는 컴프레서로부터의 순산소, 오존 등이 공급될 수도 있는데, 이 경우에도 선회류를 형성하면서 유입수 내에서 나노버블을 생성한다.

이제, 유입수는 나노버블과 함께 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)의 연결부(825)를 통하여 제 1 포팅부(840)에 이르고, 유입홀(845)을 통과하여 케이싱(850) 내측으로 유동한다.

한편, 밸브(V4)가 개방되면 역세척 펌프(P2)에 의하여 막여과 처리수가 역세척수로서 중공사막 모듈(800)에 공급되는데, 구체적으로는 제 2 포팅부(860)의 유출홀(865)을 통하여 케이싱(850)의 내측으로 유동한다. 이 때에, 케이싱(850) 내측에서 상방을 향하여 유동하는 나노버블과 합쳐져서 상향류로서 상방을 향하며, 이 과정에서 중공사막(850)의 외측 표면의 오염 물질이 역세척되어 역세척 농축수가 형성된다.

또한, 유입수는 제 1 포팅부(840)에 구비된 유입홀(845)을 통과하여 중공사막(855)을 지나가면서 여과 처리되어, 막여과 처리수가 생성된다. 밸브(V5)가 개방되면 막여과 처리수가 막여과 처리수 저류조(300)에 저류된다. 이와 동시에 여과 과정에서 막여과 농축수가 형성된다.

막여과 농축수와 역세척 농축수는 함께 부상하여 나노버블과 함께 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)의 상방, 즉 제 2 포팅부(860)의 하측에 모인다. 이 때에 각각의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)의 밸브(V8A, V8B, V8C)가 개방되어 있어야 한다. 부상한 농축수는 밸브(V8A, V8B, V8C) 및 밸브(V6)를 통하여 사이클론 분리기(400)에 유입되어 처리된다. 여기에서 처리된 처리수는 전처리 처리수 저류조(100)에 재유입되고, 농축수만이 농축수 처리부(500)에 유입된다.

검증 실험

본 발명에 따른 일체형 나노버블 생성기를 채택한 중공사막 모듈의 막오염 개선 효과를 검증하고자 아래와 같이 실험하였다.

본 실험에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 중공사막 모듈을 3개 채택하되 별도의 나노버블 생성기가 구비된 제 1 샘플과, 본 발명과 같이 일체형 나노버블 생성부가 구비된 3개의 중공사막 모듈을 채택한 제 2 샘플을 랩 스케일로 제작하여, 7일 동안 동일한 운전 조건에서 하수 방류수를 원수로서 유입시켜 막여과 처리하고 투과 성능을 확인하였다. 구체적인 운전 조건은, 7일 동안 투과플럭스 40LMH(ℓ/㎡h)로서, 30분을 1회의 사이클로서 수행하였다. 1회의 사이클은 28분의 여과 공정 및 2분의 물리세정 공정으로 구성된다. 세정 공정시에만 나노버블을 생성하였다.

제 1 샘플과 제 2 샘플에 구비된 나노버블 생성기의 내부 구조는 동일하며, 양쪽 모두에 별도의 동력 장치를 부가시키지 않고 외부의 공기가 유입되도록 하였다.

각각의 중공사막 모듈의 농축수 배출구에서 나노버블 측정기를 통하여 나노버블량을 측정하였다. 또한, 8회의 사이클, 즉 4시간의 여과 처리 이후 중공사막의 막간차압(TMP)을 측정하였다.

측정 결과는 아래의 표 1과 같다. 도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 유입수 저류조에 가까운 중공사막 모듈을 "A"로 표기하였으며, 중앙의 중공사막 모듈(200B, 800B)을 100%로 설정하여, 다른 중공사막 모듈에서의 측정값을 상대적으로 표현하였다. 소수점 첫째 자리에서 올림하여 정수로서 표현하였다.

유입수량은 7일 동안의 총 유입수량을 의미한다. 나노버블량은 1회의 사이클시의 나노버블량의 평균이다. 막간차압(TMP)은 7일이 경과한 이후 중공사막에서 측정한 값이다. 막간차압(TMP)이 높을수록 막오염 정도가 큰 것을 의미한다.

구분	제 1 샘플			제 2 샘플
구분	200A	200B	200C	800A	800B	800C
유입수량	101%	100%	99%	101%	100%	99%
나노버블량	110%	100%	89%	100%	100%	101%
막간차압(TMP)	93%	100%	107%	100%	100%	99%

제 1 샘플의 경우, 중앙의 중공사막 모듈(200A)과 비교하여, 나노버블 생성기에 근접한 중공사막 모듈(200A)에 약 10%의 나노버블이 더 생성됨을 확인하였으며, 이에 따라 막오염 물질의 세정이 상대적으로 더 용이하게 수행되었음을 확인하였다. 즉, 나노버블 생성기에서 멀리 위치한 중공사막 모듈(200C)에는 상대적으로 나노버블이 적게 유입되어 막오염 제거가 덜 이루어져서(즉, 막오염 제거 효율이 낮아서) 막간차압(TMP)이 더 높았다.

다시 말해, 종래 기술에 따를 경우, 중공소막 모듈 간의 막간차압(TMP)의 차이를 통하여 유추 가능한 막오염 정도의 차이는 약 15%에 이르렀는데, 오염 정도가 높은 중공사막 모듈(200C)을 토대로 세정 계획을 세워야 하므로, 잦은 세정이 필요하였다.

본 발명에 따른 구조가 채택된 제 2 샘플의 경우, 실험 오차 등에 의한 1%의 차이를 감안하면, 실질적으로 3개의 중공사막 모듈(800A, 800B, 800C)에 실질적으로 균등한 나노버블이 유입되고, 실질적으로 세정 효과가 균등하게 이루어짐을 알 수 있었다.

종래 기술인 제 1 샘플과 비교한다면, 제 2 샘플에서는 물리 세정 효과가 우수하여 처리 효율이 안정적으로 이루어짐을 알 수 있었다.

이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

100: 전처리 처리수 저류조
150: 나노버블 생성기
160: 헤드
161A, 161B, 161C: 분배관
200(200A, 200B, 200C), 800(800A, 800B, 800C): 막여과 모듈
210: 유입구
220: 제 1 둘레부
221: 추가 유입구
240: 제 1 포팅부
245: 유입홀
250: 케이싱
255: 중공사막
260: 제 2 포팅부
265: 유출홀
280: 제 2 둘레부
281: 농축수 배출구
290: 처리수 배출구
300: 막여과 처리수 저류조
400: 사이클론 분리기
500: 농축수 저류조
810: 유입구
820: 제 1 둘레부
825: 연결부
830: 나노버블 생성부
831: 나노버블 생성부 케이싱
832: 공기유도관
833: 공기주입구
840: 제 1 포팅부
841: 나노버블 홀
845: 유입홀
850: 케이싱
855: 중공사막
860: 제 2 포팅부
865: 유출홀
880: 제 2 둘레부
881: 농축수 배출구
890: 처리수 배출구
P1: 막유입 펌프
P2: 역세척 펌프
V1, V11, V12, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V81, V82: 밸브

Claims

유입수가 유입되는 유입구(810), 상기 유입구(810)에 일체형으로 연결되어, 그 내측에 유입수가 유동하며, 유동하는 상기 유입수의 유속에 의해 외부 공기가 유입수에 혼입되어 나노버블이 생성되는 나노버블 생성부(830), 상기 나노버블 생성부(830)의 일측에 위치하여, 나노버블과 유입수가 통과하는 다수의 유입홀(845)을 구비한, 제 1 포팅부(840), 상기 제 1 포팅부(840)에 그 일측이 연결되어, 상기 유입홀(845)을 통과한 유입수가 그 내측으로 유입됨으로써 막여과 처리되어 막여과 처리수가 생성되는 다수의 중공사막(855), 상기 다수의 중공사막의 타측이 연결되는 유출홀(865)을 구비하는 제 2 포팅부(860), 및 상기 제 2 포팅부(860)의 상기 유출홀(865)을 통과한 막여과 처리수가 유출되는 처리수 배출구(890)을 포함하는, 다수의 중공사막 모듈;
상기 유입수를 공급하는 막여과 펌프(P1)가 구비되는 헤드(160); 및
상기 헤드(160)에서 분배되어 상기 다수의 중공사막 모듈(800)의 상기 유입구(810)들에 각각 연결되며, 상기 헤드(160)의 직경보다 작은 직경을 갖는 다수의 분배관(161A, 161B, 161C); 을 포함하며,
상기 막여과 펌프(P1)에 의하여 유입되는 상기 유입수가, 상기 헤드(160) 및 상기 분배관(161A, 161B, 161C)을 통하여 균등한 유량으로 상기 유입구(810)들에 의해 상기 다수의 중공사막 모듈에 각각 유입되며,
상기 중공사막 모듈에 각각 유입되는 상기 유입수에 상기 나노버블 생성부(830)에서 생성되는 나노버블이 혼합되어 상기 중공사막으로 유동하며 상기 중공사막의 세정이 가능한,
막여과 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 나노버블 생성부(830)는 상기 유입수가 유동하는 공기유도관(832)을 포함하며,
상기 공기유도관(832)에서 상기 유입수가 유입되는 부분과 상기 유입수가 유출되는 부분인 상기 공기유도관(832)의 양측 말단의 직경은, 상기 공기유도관(832)의 중앙 부분의 직경보다 큰,
막여과 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 나노버블 생성부(830)는 상기 공기유도관(832)의 직경이 작은 중앙 부분에 연결된 공기주입구(833)를 더 포함하며,
상기 공기주입구(833)는 외부 공기를 유입하도록 그 일측이 개방되며,
상기 공기주입구(833)를 통하여 유입된 외부 공기는 펌프 없이 상기 공기유도관(832)을 통하여 상기 나노버블 생성부(830)에 유입되는,
막여과 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 유입구(810)를 기준으로, 상기 나노버블 생성부(830)의 반대측에 연결부(825)가 구비되고, 그리고
상기 연결부(825)는 상기 제 1 포팅부(840)과 연결되는,
막여과 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 중공사막 모듈에 막여과 처리수가 역세척수로서 유입되면, 상기 나노버블 생성부(830)에서 생성된 나노버블과 함께 상향류로서 상기 중공사막(855)을 역세척하여 역세척 농축수를 형성하는,
막여과 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 중공사막 모듈은, 상기 제 2 포팅부(860)의 하측에 위치하는 농축수 배출구(881)를 더 포함하며,
상기 중공사막(855)의 막여과 처리 과정에서 막여과 농축수가 형성되며,
상기 막여과 농축수와 상기 역세척 농축수가 상기 농축수 배출구(881)를 통하여 배출되는,
막여과 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 농축수 배출구(881)에 밸브(V8A, V8B, V8C)가 위치하며,
상기 나노버블 생성부(830)가 나노버블을 생성하는 동안 상기 밸브(V8A, V8B, V8C)는 적어도 일부 개방되는,
막여과 장치.
제 1 항에 있어서,
전처리 처리수 저류조(100);
막여과 처리수 저류조(300);
사이클론 분리기(400); 및
농축수 처리부(500)를 더 포함하며,
상기 전처리 처리수 저류조(100)에 저류된 유입수가 상기 막여과 펌프(P1)에 의하여, 상기 헤드(160) 및 상기 분배관(161A, 161B, 161C)을 통하여, 상기 다수의 중공사막 모듈(800)의 각각의 상기 유입구(810)에 유입되고,
상기 중공사막(855)에서 여과 처리된 막여과 처리수가 상기 막여과 처리수 저류조(300)에 유입되고,
상기 나노버블 생성부(830)에서 생성된 나노버블에 의하여 상기 중공사막(855)에 역세척되어 형성되는 역세척 농축수와, 상기 중공사막(855)의 막여과 처리 과정에서 형성되는 막여과 농축수가, 상기 사이클론 분리기(400)에 유입되어 처리되고, 그리고,
상기 사이클론 분리기(400)에서 처리된 처리수는 상기 전처리 처리수 저류조(100)에 재유입되는,
막여과 장치.