KR101860635B1 - 막 생물 반응기용 분리막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수에 포함된 유기성 오염물질과 질소, 인 등을 미생물에 의해 처리함에 따라 발생되는 슬러지를 걸러내면서 정화된 물만을 외부로 배출하는 막 생물 반응기(Membrane Bio-Reactor)의 분리막 모듈에 관한 것으로, 그 구조를 개선하여 유기물질과 부유물질의 처리과정에서 발생하는 슬러지가 분리막의 표면에 달라붙어 케이크(cake) 층을 형성함에 따라 발생되는 파울링(fouling) 현상을 근본적으로 해소할 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 플레이트형상으로 이루어진 막 생물반응기용 분리막 모듈(10)에 있어서, 상기 분리막 모듈(10)이 복수의 분리막(20)을 포함하되, 상기 각 분리막(20)의 사이에 측부가 지지되게 공극(81)을 갖는 격자형 브러싱부재(80)를 설치하고 상기 격자형 브러싱부재(80)에 형성되는 공극(81)은 가로방향으로 제직되는 미세사(83) 및 세로방향으로 제직되는 담체형 매듭 망사(84)에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

막 생물 반응기용 분리막 모듈{omitted}

본 발명은 폐수에 포함된 유기성 오염물질과 질소, 인 등을 미생물에 의해 처리함에 따라 발생되는 슬러지를 걸러내면서 정화된 물만을 외부로 배출하는 막 생물 반응기(Membrane Bio-Reactor)에 관한 것으로써, 좀더 구체적으로는 그 구조를 개선하여 유기물질과 부유물질의 처리과정에서 발생하는 슬러지가 분리막의 표면에 달라붙어 케이크(cake) 층을 형성함에 따라 발생되는 파울링(fouling) 현상을 근본적으로 해소할 수 있도록 하는 막 생물 반응기용 분리막 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 유기성 오염물질과 질소, 인이 포함된 폐수는 수중의 용존산소를 고갈시켜 수중 생태계를 파괴하여 호수와 저수지의 물을 부영양화시키게 되므로 수자원의 이용을 저해시키는 요인으로 작용하고 있다.

따라서, 하천의 수질오염을 방지하기 위하여 폐수 내에 포함된 오염물질 및 유기영양염류 성분을 하천 등의 수역으로 유입되기 전에 제거하여야 된다.

이를 제거하기 위한 폐수 처리시설의 처리공법으로 경제성 면에서 우수한 생물학적 처리방법이 많이 적용되는데, 상기 생물학적 처리방법 중에서 활성 슬러지법과 고도처리와 같은 미생물을 이용하여 유기물을 제거하는 방법이 이용되고 있다.

대표적인 생물학적 처리방법인 활성 슬러지법은, 폐수가 폭기조(aeration tank)로 계속 유입됨에 따라 미생물이 폐수 중의 유기물을 섭취, 분해하여 질산화를 진행하면서 성장하게 되는데, 이렇게 성장된 미생물은 응집되어 종말 침전조에서 침전되어 침전물의 일부는 활성 슬러지의 형태로 다시 폭기조로 반송되고 일부 잉여 슬러지는 폐기됨으로써 폭기조 내의 미생물량이 적절한 수준으로 유지되어 폐수 중의 유기물 분해와 함께 질소, 인 등의 제거가 가능해지게 된다.

이러한 활성 슬러지법은 막 생물 반응기(Membrane Bio-Reactor) 유닛과 결합하여 미생물을 고농도로 유지하여 유기물, 질소 및 인 처리효율을 높이고, 침전지 설치에 따라 발생할 수 있는 슬러지 벌킹 및 침전효율 저하를 미연에 방지하고 있다.

상기 막 생물 반응기 유닛에 있어서, 침지형 분리막(membrane)은 0.01 ~ 0.2㎛의 미세공을 갖는 정밀 여과막으로 구성되는데, 침지형 분리막을 통해 유기물질 및 부유물질이 처리된다.

이와 같이 유기물질과 부유물질의 처리과정에서 발생하는 슬러지는 분리막의 표면에 붙어 케이크(cake) 층을 형성하기 때문에 막 오염(fouling)의 원인으로 작용되었다.

따라서 분리막의 표면에 달라붙은 슬러지는 산기유닛(aeration unit)에서 뿜어져 나오는 강한 공기 방울에 의해 반응조 내의 산소의 농도를 유지하면서 침지형 분리막으로부터 제거하게 되므로 전체적인 유기물질 함유 폐수처리를 효율적으로 운용할 수 있게 된다.

그러나, 산기유닛에 의해 분리막의 표면에 퇴적된 슬러지를 제거하는데에는 한계가 있기 때문에 슬러지에 의해 분리막의 미세 통공을 막아버리는 현상을 완벽하게 제거하기 위해서는 미세 통공에 대한 주기적인 역 세척을 실시하여야만 되었다.

대한민국 등록특허공보 10-1131565(2012.03.22.등록) 대한민국 등록특허공보 10-1131548(2012.03.22.등록)

그러나 이러한 종래의 장치는 역 세척에 의해 미세 통공에 끼어 있거나 분리막의 표면에 퇴적된 슬러지를 어느 정도는 제거할 수는 있지만, 다음과 같은 여러 가지 문제점이 발생되었다.

첫째, 분리막에 달라붙은 끈끈한 슬러지를 압축공기에 의해 역 세척하여 제거하게 되므로 역 세척을 시행하는 횟수에 비례하여 분리막의 수명이 단축되었다.

둘째, 역 세척의 실시에 따라 막 생물 반응기의 가동을 일시 중단하여야 되므로 잦은 역 세척에 따라 폐수의 처리효율이 떨어지게 된다.

셋째, 역 세척을 실시할 때 분리막의 표면에 슬러지가 붙어 있어 이웃하는 분리막과 상호 협착되므로 막혀있던 유기물질이 제거되지 않고 분리막의 팽창에 따른 파손이 발생되었다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 각각의 분리막 사이에 분리막에 달라붙은 끈끈한 형태의 슬러지를 닦아주는 격자형 브러싱부재의 가로방향으로 미세사를 제직하여 공기방울에 의해 브러싱부재가 흔들릴 때 슬러지를 자동으로 닦아 제거할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 산기유닛으로부터 발생하는 공기방울에 의해 분리막에 달라붙은 슬러지를 제거할 때, 질산화탈진이 가능하도록 담체성 매듭 망사를 격자형 브러싱부재의 세로방향으로 배치하여 T-N처리 효율이 향상될 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 분리막 사이에 격자형 브러싱부재가 위치됨에 따라 역 세척할 때 분리막이 상호 협착되는 현상을 미연에 방지할 수 있도록 하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 플레이트형상으로 이루어진 막 생물반응기용 분리막 모듈에 있어서, 상기 분리막 모듈이 복수의 분리막을 포함하되, 상기 각 분리막의 사이에 측부가 지지되게 공극을 갖는 격자형 브러싱부재를 설치하고 상기 격자형 브러싱부재에 형성되는 공극은 가로방향으로 제직되는 미세사 및 세로방향으로 제직되는 담체형 매듭 망사에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 막 생물반응기용 분리막 모듈이 제공된다.

본 발명은 종래에 비하여 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.

첫째, 산기유닛으로부터 발생된 공기방울에 의해 분리막에 달라붙은 슬러지를 제거할 때, 공기방울에 의해 격자형 브러싱부재가 상, 하, 좌, 우로 흔들리면서 분리막의 표면에 달라붙은 슬러지를 닦아내므로 슬러지의 제거효율을 극대화하게 된다.

둘째, 분리막 사이에 격자형 브러싱부재가 설치되어 있어 역 세척을 할 때 분리막 사이에 물리적 공간이 확보되므로 분리막이 상호 협착되는 현상을 미연에 방지하게 된다.

셋째, 격자형 브러싱부재의 세로방향으로 위치하는 담체성 매듭 망사에 무수히 많은 공극이 형성되어 혐기성 미생물과 탈진 미생물이 서식하게 되므로 투과성을 나쁘게 하는 EPS(Extracellular Polymeric Substances)물질과 T-N의 제거효율을 극대화하게 된다.

도 1은 본 발명이 구비된 막 생물반응기의 종단면도
도 2는 본 발명의 요부를 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 격자형 브러싱부재의 표면을 나타낸 상태도
도 4는 본 발명에서 역 세척을 실시할 때의 상태를 나타낸 설명도
도 5는 본 발명에서 격자형 브러싱부재의 표면에 호기층 및 혐기층이 형성된 상태도
도 6은 본 발명의 격자형 브러싱부재를 플레이트에 고정하는 방법을 나타낸 도면

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

도 1은 본 발명이 구비된 막 생물반응기의 종단면도이고 도 2는 본 발명의 요부를 나타낸 구성도이며 도 3은 본 발명의 격자형 브러싱부재의 표면을 나타낸 상태도로써, 본 발명은 종래에 알려진 막 생물 반응기(10)의 내부에 설치되는 분리막 모듈의 구성을 동일하게 포함하고 있다.

즉, 0.01 ~ 0.2㎛의 미세 통공(도시는 생략함)이 무수히 형성된 분리막(20)이 복수 매 적층되어 있고 상기 각 분리막(20)에는 흡입관(30)이 연결되어 있어 상기 흡입관(30)을 통해 부압(-)을 걸어 여과탱크(40)에서 정화된 물 입자를 분리막(20)의 미세 통공을 통해 내부로 유입한 다음 흡입관(30)을 통해 외부로 배출시키도록 되어 있다.

이때, 상기 여과탱크(40)의 하부에는 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)를 제거하도록 산기유닛(60)을 설치하여 상기 산기유닛으로부터 발생된 공기방울(70)이 분리막(20) 사이를 통과할 때 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)가 제거되도록 구성되어 있다.

다만, 본 발명이 종래의 막 생물 반응기와 다른 점은 상기 각 분리막(20)의 사이에 위치되게 도 3에 나타낸 바와 같이 공극(81)을 갖는 격자형 브러싱부재(80)를 설치하여 상기 격자형 브러싱부재(80)의 상부가 분리막(20)에 지지 고정되도록 한 것이다.

본 발명의 격자형 브러싱부재(80)는 세로방향에 소정의 간격으로 담체형 매듭 망사체(84)가 구비되어 있고 상기 담체형 매듭 망사체(84)의 가로방향으로는 공극(81)이 형성되도록 미세사(83)가 반복적으로 제직되어 구성된다.

이에 따라, 상기 각 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)를 제거하기 위해 산기유닛(60)으로부터 발생된 공기방울(70)이 상승할 때 격자형 브러싱부재(80)가 상, 하, 좌, 우로 흔들리면서 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)를 제거할 수 있는 효과를 기대할 수 있음은 물론이고, 역 세척할 때, 격자형 브러싱부재(80)에 의해 분리막(20) 사이의 공간을 확보할 수 있게 되므로 복수 매 적층된 분리막(20)이 상호 협착되는 현상을 미연에 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있게 된다.

상기 격자형 브러싱부재(80)에 형성되는 공극(81)을 다양한 형태로 형성할 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 브러싱부재(80)를 도 3과 같이 격자형태로 직조함에 따라 형성되도록 되어 있다.

이에 따라, 상기 격자형태로 직조된 브러싱부재(80)가 공기방울에 의해 부드럽게 상, 하로 움직여 수세미와 같은 기능을 하면서 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)를 보다 효과적으로 닦아낼 수 있게 된다.

상기 격자형 브러싱부재(80)의 두께를 가로 쪽은 0.01 ~ 0.2mm이하로 하는 것이 바람직한데, 이는 상기 격자형 브러싱부재(80)의 두께가 0.01mm보다 얇으면 슬러지(50)의 브러싱효과가 떨어지기 때문이다.

또한, 격자형 브러싱부재(80)의 두께를 세로 쪽은 0.2 ~ 1mm로 하는 것이 바람직한데, 상기 격자형 브러싱부재(80)의 두께가 0.2mm이하이면 미생물의 성장 조건이 열악해져 효과가 떨어지고, 이와는 반대로 1mm이상이면 부피가 커져 분리막 모듈의 전체 두께가 두꺼워지는 문제점이 발생되기 때문이다.

한편, 본 발명은 상기 격자형 브러싱부재(80)의 표면에 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이 무수히 많은 돌기(도시는 생략함)가 있는 담체성 매듭 망사로 이루어져 있는데, 이는 격자형 브러싱부재(80)에도 공극(81)이 형성되어 있지만, 돌기에 의해서도 그 사이사이에 공극이 형성되도록 함으로써, 미생물의 서식 환경을 극대화할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 돌기는 역세척 시 막과 막 사이에 공간이 확보되도록 하는 역할을 함으로써, 파울링된 평막을 빠른 시간 내에 눈 막힘에서 복원시키는 역할을 하게 되는 것이다.

본 발명의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명은 도 1과 같이 복수 매 적층되는 분리막(20)의 사이에 위치된 격자형 브러싱부재(80)가 플레이트 측면에 지지되도록 설치되어 있고 여과탱크(40)의 내부에는 활성 폐수가 지속적으로 유입되어 활성 폐수 내의 유기물질이 분리막에 의해 분리 제거된다.

이러한 상태에서 흡입관(30)을 통해 분리막(20)의 내부에 부압(-)이 걸리면 정화된 물은 분리막(20)에 형성된 미세 통공을 통해 내부로 유입되어 흡입관(30)을 통해 외부로 배출되지만, 유기물질의 분해 시 발생된 슬러지(50)는 미세 통공으로 유입되지 않고 분리막(20)의 표면에 달라붙게 된다.

이와 같이 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지(50)는 종래와 마찬가지로 산기유닛(60)의 작동에 따라 발생된 공기방울(70)에 의해 분리막(20)으로부터 어느 정도 분리될 때 전술한 바와 같이 슬러지(50)가 끈끈한 상태로 달라붙어 있어 커다란 효과를 기대할 수 없지만, 본 발명은 산기유닛(60)에 의해 공기방울(70)이 분리막(20) 사이를 통과할 때 격자형 브러싱부재(80)가 공기방울에 의해 상, 하, 좌, 우로 흔들리면서 분리막(20)의 표면에 달라붙은 슬러지를 닦아내므로 슬러지의 제거효율을 극대화하게 된다.

한편, 분리막(20)에 형성된 미세 통공의 막힘정도에 따라 역 세척하기 위해 간헐적으로 흡입관(30)을 통해 세정수를 주입하여 도 4와 같이 분리막(20)을 팽창시키면서 분리막(20)의 미세 통공을 폐색하고 있던 슬러지(50)를 제거할 때, 각 분리막(20) 사이에 격자형 브러싱부재(80)가 설치되어 분리막(20) 사이에 공간을 확보하게 되므로 분리막(20)이 이웃하는 분리막과 달라붙는 현상을 미연에 방지하게 되고, 이에 따라 미세 통공을 폐색하고 있던 슬러지(50)를 완벽하게 제거할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에서 격자형 브러싱부재의 표면에 호기층 및 혐기층이 형성된 상태도로써, 본 발명은 격자형 브러싱부재(80)의 표면에 무수히 많은 돌기가 형성되어 있어 격자형 브러싱부재(80)의 표면에 호기층(91)이 형성되고, 호기층의 외측으로는 혐기층(92)이 형성된다.

이러한 상태에서 산기유닛(60)에서 발생된 공기방울(70)이 도 5의 화살표방향을 따라 상승하면 호기층(91)에 의한 호기조건에서 유기탄소인 BOD가 제거되는데, 이를 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

HC + O₂ → CO₂ + H₂O

또한, 호기층(91)에서 탈질효과에 의해 아질산화, 질산화, 암모니아를 제거하는데, 아질산화는 니트로 조모나스(nitrosomonas)에 의해 제거되고, 질산화는 니트로 박터(nitrobactor)에 의해 제거되며 암모니아는 바실러스균(Bacillus subtilis)에 의해 제거된다.

이를 각각 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

2NH₄ ⁺ + 3 O₂ → 2NO₂ ^- + 2H⁺ + 2H₂O

2NO₂ ^-+ + →O₂ → 2NO₃ ^-

NH₄ + O₂ → N₂ + H₂O

한편, 호기층(91)의 외측에 있는 혐기층(92)에서는 탈질 기작에 의한 질소제거가 가능한데, 이를 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

NO₃ + HC → N₂ + H₂O

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 맥 생물 반응기 20 : 분리막
30 : 흡입관 40 : 여과탱크
50 : 슬러지 60 : 산기유닛
70 : 공기방울 80 : 브러싱부재
81 : 공극 83 : 미세사
84 : 담체형 매듭 망사체 91 : 호기층
92 : 혐기층

Claims (5)

1. 플레이트형상으로 이루어진 막 생물반응기용 분리막 모듈(10)에 있어서, 상기 분리막 모듈(10)이 복수의 분리막(20)을 포함하되, 각 분리막(20)의 사이에 측부가 지지되게 공극(81)을 갖는 격자형 브러싱부재(80)를 설치하고, 상기 격자형 브러싱부재(80)에 형성되는 공극(81)은 가로방향으로 제직되는 미세사(83) 및 세로방향으로 제직되는 담체형 매듭 망사(84)에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 막 생물반응기용 분리막 모듈.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 격자형 브러싱부재(80) 중 세로방향으로 제직되는 담체형 매듭 망사의 두께는 0.2 ~ 1mm로 하고, 가로방향으로 제직되는 미세사는 두께는 0.01 ~ 0.2mm인 것을 특징으로 하는 막 생물반응기용 분리막 모듈.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 격자형 브러싱부재(80)의 표면에 돌기가 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 막 생물반응기용 분리막 모듈.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 격자형 브러싱부재(80)는 분리막(20)의 측면의 연결부위에서 지지 고정된 것을 특징으로 하는 막 생물반응기용 분리막 모듈.

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