KR102272845B1 - 분리막 바이오 세정장치 및 그 장치를 이용한 분리막 바이오 세정방법 - Google Patents

분리막 바이오 세정장치 및 그 장치를 이용한 분리막 바이오 세정방법 Download PDF

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Abstract

오염물이 포함된 오염수를 유입받는 오염수 유입구, 상기 유입받은 오염수의 오염물을 섭취하여, 상기 오염수를 정화하는 바이오 매스, 상기 바이오 매스의 유출을 차단하는 분리막이 마련되는 반응조 바디, 및 상기 바이오 매스와 상기 분리막에 의하여 정화된 정화수를 배출하는 정화수 배출구를 포함하는 반응조, 상기 반응조 바디에, 탄소원을 공급하는 탄소 공급부, 및 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 탄소 공급부를 통하여 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 상기 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는, 분리막 세정 관리부를 포함하는, 분리막 바이오 세정장치가 제공된다

Description

분리막 바이오 세정장치 및 그 장치를 이용한 분리막 바이오 세정방법{Membrane bio-cleaning apparatus and membrane bio-cleaning method using thereof}
본 발명은 분리막 바이오 세정장치 및 그 장치를 이용한 분리막 바이오 세정방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 분리막이 바이오 세정되는 동안에도 오염수를 지속적으로 정화하는 분리막 바이오 세정장치 및 그 장치를 이용한 분리막 바이오 세정방법에 관련된 것이다.
수자원을 이용해, 기후변화 등에 따른 가뭄을 해결하고, 산업 용수로 활용하고자 하는 요구가 확산되고 있다.
이에 따라, 오염물이 포함된 오염수를 정화하여, 수자원으로써 이용하기 위해 바이오 매스와 분리막이 사용되고 있다. 상기 바이오 매스는 탄소원을 이용해 증식하면서, 광합성하는 광합성 조류일 수 있다. 상기 바이오 매스는, 상기 오염수 중의 오염물을 섭취하여 상기 오염수를 정화할 수 있다. 이때, 상기 오염물은 예를 들어, 질소(N) 및 인(P) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 분리막은 상기 오염수 중의 오염물을 흡착하거나 또는 상기 바이오 매스의 유출을 차단하여 상기 오염수를 정화할 수 있다.
하지만, 상기 분리막은 상기 오염수를 정화하는 동안, 상기 오염물을 흡착하여, 파과(破過)상태에 도달할 수 있다. 이에 따라, 종래에는, 상기 파과상태에 도달한 분리막을 재생시키기 위한 방법으로 강알칼리성 화학약품을 이용하고 있다.
예를 들어, 대한민국특허 공개공보 10-2015-0137202에는, 반투과성 막을 구연산 및 과산화수소를 포함하는 산 세정제와 접촉시키는 산 세정 공정, 반투과성 막을 가성소다 및 과산화수소를 포함하는 알칼리 세정제와 접촉시키는 알칼리 세정 공정, 및 상기 산 세정 공정과 알칼리 세정 공정이 순차적으로 실시되는 혼합 세정 공정으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 공정을 포함하는 반투과성 막의 세정 방법이 개시되어 있다.
하지만, 상기 파과상태에 도달한 분리막을 재생하기 위해서 강알칼리성 화학약품을 이용하는 경우, 폐액 발생으로 인한 환경오염을 유발할 뿐만 아니라, 화학약품 주입 및 교반을 위한 시설을 구비해야 하며, 화학약품 비용 및 폐액 처리 비용 등 추가 비용이 요구되는 단점이 있다.
이에 따라, 오염수를 정화하여 생산하는 정화수의 생산량 대비 공정 비용 절감에 따른 정화 효율을 고려하되, 환경오염 유발을 최소화하는 분리막 세정장치 및 세정방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 분리막이 바이오 세정되는 동안에도 오염수를 지속적으로 정화하는 분리막 바이오 세정장치 및 분리막 바이오 세정방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 자동화 및 연속적 운전이 가능한 분리막 바이오 세정장치 및 분리막 바이오 세정방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 친환경적인 분리막 바이오 세정장치 및 분리막 바이오 세정방법를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 분리막 바이오 세정장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 바이오 세정장치는, 오염물이 포함된 오염수를 유입받는 오염수 유입구, 상기 유입받은 오염수의 오염물을 섭취하여, 상기 오염수를 정화하는 바이오 매스, 상기 바이오 매스의 유출을 차단하는 분리막이 마련되는 반응조 바디, 및 상기 바이오 매스와 상기 분리막에 의하여 정화된 정화수를 배출하는 정화수 배출구를 포함하는 반응조, 상기 반응조 바디에, 탄소원을 공급하는 탄소 공급부, 및 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 탄소 공급부를 통하여 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 상기 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는, 분리막 세정 관리부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부가, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는 경우에도, 상기 분리막은 상기 오염수를 지속적으로 정화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 미리 정해진 세정 개시 조건은, 상기 분리막을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 오염물은 질소 및 인 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부는, 상기 탄소 공급부를 통하여 상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급하되, 상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이를 때까지 상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부는, 상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로, 상기 분리막을 세정시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부는, 미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 미리 정해진 세정 종료 조건은, 상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조 바디는, 상기 반응조 바디에 제공되는 교반부를 더 포함하고, 상기 교반부의 회전에 의하여, 상기 반응조 바디의 분리막에 오염물이 균질하게 흡착될 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해, 본 발명은 분리막 바이오 세정방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 분리막 바이오 세정방법은, 분리막이 마련된 반응조 바디로, 오염물이 포함된 오염수를 유입시키는 단계, 상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는 단계, 및 미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 미리 정해진 세정 개시 조건은, 상기 분리막을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 미리 정해진 세정 종료 조건은, 상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 오염물이 포함된 오염수를 유입받는 오염수 유입구, 상기 유입받은 오염수의 오염물을 섭취하여, 상기 오염수를 정화하는 바이오 매스, 상기 바이오 매스의 유출을 차단하는 분리막이 마련되는 반응조 바디, 및 상기 바이오 매스와 상기 분리막에 의하여 정화된 정화수를 배출하는 정화수 배출구를 포함하는 반응조, 상기 반응조 바디에, 탄소원을 공급하는 탄소 공급부, 및 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 탄소 공급부를 통하여 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 상기 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는, 분리막 세정 관리부를 포함하는, 분리막 바이오 세정장치가 제공될 수 있다.
상기 분리막은, 상기 분리막 세정 관리부에 의해, 상기 오염물이 탈착되는 경우에도, 상기 오염수를 지속적으로 정화할 수 있다.
이에 따라, 상기 오염수를 정화하여 생산하는 정화수의 생산량 대비 공정 비용 절감에 따른 높은 정화 효율을 제공할 수 있다.
또한, 상기 분리막 세정 관리부는, 상술된 바와 같이, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막의 세정을 개시할 수 있을 뿐만 아니라, 미리 정해진 세정 종료 조건에 따라, 상기 분리막의 세정을 종료할 수 있다.
이에 따라, 자동화 및 연속적 운전이 가능한 분리막 바이오 세정장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 분리막은, 상술된 바와 같이, 강알칼리성 화학약품 대신에, 상기 바이오 매스에 의해 생성된 OH-에 의해 조성된 알칼리성 분위기를 통해 세정되므로, 친환경적이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 오염 전 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치의 오염수 정화 효율을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 오염 후 사진이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 세정 관리부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 바이오 세정 후 사진이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치의 분리막 세정 효율을 보여주는 도면이다.
도 11은 종래의 분리막 바이오 세정장치의 세정 분리막 세정 특성을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 게재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 오염 전 사진이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치의 오염수 정화 효율을 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 오염 후 사진이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 세정 관리부를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막의 바이오 세정 후 사진이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치의 분리막 세정 효율을 보여주는 도면이고, 도 11은 종래의 분리막 바이오 세정장치의 세정 분리막 세정 특성을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정장치(1000)의 각 구성이 상세히 설명된다.
도 1을 참조하면, 상기 분리막 바이오 세정장치(1000)는, 전처리부(100), 반응조(200), 탄소 공급부(300), 및 분리막 세정 관리부(400)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전처리부(100)는, 상기 반응조(200)로 오염물이 포함된 오염수가 제공되기 전, 상기 오염수를 저장 및 전처리할 수 있다.
일례를 들어, 상기 전처리부(100)는, 전처리조(110) 및 혼합기(120)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전처리부(100)는, 상기 전처리조(110) 내부에 상기 오염물이 포함된 오염수를 내부에 수용할 수 있는 한편, 상기 혼합기(120)를 통해, 상기 오염수 중의 오염물을 혼합할 수 있다.
따라서, 상기 전처리부(100)는, 상기 오염물이 균일하게 분포된 오염수를 상기 반응조(200)에 제공할 수 있다.
이때, 상기 오염물은 예를 들어, 질소(N) 및 인(P) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술된 전처리부(100)가, 상기 전처리조(110) 및 상기 혼합기(120)를 포함하는 것은, 일례일 뿐, 상기 전처리부(100)는, 상기 오염물이 포함된 오염수를 상기 반응조(200)로 유입시키기 전 필요한 전처리에 따라, 필요한 구성을 포함하고, 그에 따른 전처리를 수행할 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전처리부(100)로부터 상기 반응조(200)로 오염수가 유입되는 경로 상에, 즉, 상기 전처리부(100) 및 상기 반응조(200) 사이에 유입펌프(IP)가 마련될 수 있다.
이에 따라, 상기 전처리부(100)로부터 상기 반응조(200)로 오염수가 용이하게 유입될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(200)는, 오염수 유입구(미도시), 반응조 바디(210), 및 정화수 배출구(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 오염수 유입구는, 상기 전처리부(100)의 전처리조(110) 내부에 수용되었던 오염수를 유입받아, 상기 반응조 바디(210)로 유입시킬 수 있다.
한편, 상기 반응조 바디(210)는, 내부에 바이오 매스(미도시) 및 분리막(220)이 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 분리막(220)은, 수 마이크로 이하 크기의 복수의 기공을 포함하는 다공성 구조로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 분리막(220)은 상기 복수의 기공을 통해, 상기 오염수 중의 물(水)은 통과시키되, 상기 바이오 매스를 상기 다공성 구조에 차단시켜, 상기 오염수를 정화할 수 있다.
이때, 상기 오염물은 상술된 바와 같이, 질소 및 인 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
즉, 상기 반응조 바디(210)가, 상기 질소 또는 상기 인을 포함하는 오염수를 유입받는 경우, 상기 바이오 매스는 상기 질소 또는 상기 인을 섭취하여, 상기 오염수가 정화될 수 있는 것이다.
도 3을 참조하면, 상기 반응조 바디(210) 내로 유입받은 오염수 중 오염물 즉, 질소 및 인의 시간 경과에 따른 제거율을 확인할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바이오 매스 및 상기 분리막(220)을 이용해 오염수를 정화하는 시간이 경과함에 따라, 상기 오염수 중의 질소 및 인이 동시에 제거되는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 분리막(220)을 통과한 상기 오염수 중의 총 질소(TN)의 제거율은 90 % 이상이고, 총 인(TP)의 제거율은 95 % 이상인 것을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 분리막(220)은, 도 2에 도시된 분리막과는 달리, 상기 다공성 구조에 상기 오염물이 흡착되어, 상기 다공성 구조가 변형된 것을 알 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분리막(220)은, 상기 오염물을 지속적으로 흡착하는 경우, 파과(破過)상태에 도달할 수 있다.
여기에서, 용어 "파과(破過)상태"는, 특정 물질을 흡착하는 흡착재의 흡착 능력이 포화상태에 이르러, 상기 흡착재가 더 이상 상기 특정 물질을 흡착하지 못하는 상태를 의미할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 상기 분리막(220)의 파과상태는, 상기 분리막(220)이 상기 오염수 중의 오염물을 지속적으로 흡착하여, 포화상태에 이르고, 상기 분리막(220)이 더 이상 상기 오염물을 흡착하지 못하는 상태를 의미한다.
이에 따라, 상기 분리막(220)의 세정이 필요할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막(220)에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 분리막(220)을 세정하도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조 바디(210)는, 내부에 바이오 매스를 제공할 수 있다. 즉, 상기 바이오 매스는, 상기 반응조 바디(210)에 담지될 수 있는 것이다.
상기 바이오 매스는, 상기 오염수 정화로 인해 오염물이 흡착된 분리막(220)의 세정이 필요한 경우, 상기 세정이 필요한 분리막(220)으로부터, 상기 오염물을 탈착시킬 수 있다. 즉, 상기 분리막(220)은 상기 바이오 매스에 의해 바이오 세정될 수 있는 것이다.
상기 바이오 매스는 탄소원을 이용해 증식하면서, 광합성하는 광합성 조류일 수 있다. 상기 바이오 매스는, 상기 반응조 바디(210)로 유입된 오염수에 포함된 무기탄소(HCO3 -)를 탄소원으로 제공받을 수 있다.
또는, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통해, 상기 바이오 매스에게 탄소원을 제공하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소 공급부(300)는, 상기 분리막 세정 관리부(400)의 제어에 따라, 상기 반응조 바디(210)로 중탄산나트륨(NaHCO3)을 공급할 수 있다. 즉, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통해, 상기 바이오 매스에게 필요에 따른 추가적인 탄소원을 제공하도록 제어할 수 있는 것이다.
이에 따라, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 전처리조(110) 내부의 pH를 제어할 수 있다.
즉, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통해, 상기 바이오 매스에게 추가적인 탄소원 공급을 개시하도록 제어하거나, 탄소원 공급을 종료하도록 제어하여, 상기 바이오 매스의 증식을 제어함에 따라, 상기 전처리조(110) 내부의 pH를 제어할 수 있는 것이다.
상기 반응조 바디(210)에 상기 탄소원 및 상기 인공 광(AL)이 제공되면, 상기 바이오 매스를 통한 상기 분리막(220)의 바이오 세정은 하기 <반응식 1>에 따를 수 있다.
<반응식 1>
HCO3 - + H2O → [CH2O] + OH- + O2
상기 <반응식 1>에 따라, 상기 반응조 바디(210) 내 OH- 농도가 증가하고, 이에 따라, pH가 증가할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 반응조 바디(210)는 내부에 상기 바이오 매스를 제공할 수 있고, 상기 탄소원 및 인공 광(AL) 공급에 의한 바이오 매스의 OH- 생성 반응에 의해, 상기 반응조 바디(210) 내 pH가 증가하고 알칼리성 분위기를 형성함에 따라, 상기 반응조 바디(210) 내부의 분리막(220)이 바이오 세정될 수 있는 것이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소 공급부(300)로부터 상기 반응조 바디(210)로 탄소원이 유입되는 경로 상에, 유량계(FM)가 마련될 수 있다.
이에 따라, 상기 탄소 공급부(300)로부터 상기 반응조 바디(210)로 유입되는 탄소원의 양을 용이하게 측정 및 제어할 수 있다.
한편, 상기 인공 광(AL)은, 예를 들어, LED, 백열등, 형광등, 할로젠등, 및 무전극 램프등 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막(220)에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 분리막(220)을 바이오 세정하도록 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막(220)에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 탄소 공급부(300)를 통하여 상기 반응조 바디(210)에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디(210)에 제공되는 바이오 매스에 인공 광(AL)을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 오염물을 상기 분리막(220)으로부터 탈착시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 분리막 바이오 세정장치(1000)는, 상기 분리막 세정 관리부(400)에 의해, 상기 오염물이 상기 분리막(220)으로부터 탈착되는 경우에도, 상기 분리막(220)은 상기 오염수를 지속적으로 정화할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 미리 정해진 세정 개시 조건은, 상기 분리막(220)을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막(220)의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 분리막(220)을 이용해 오염수를 정화하는 시간이 경과함에 따라, 상기 분리막(220)의 단위면적당 상기 오염수의 투과유량이 증가할 수 있고, 이에 따라, 상기 분리막(220)에 흡착되는 오염물의 양이 증가하고, 상기 분리막(220)을 통과하는 오염수의 플럭스가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 6을 통해서도, 상기 분리막(220)을 이용해 오염수를 정화하는 시간이 경과함에 따라, 상기 분리막(220)을 통과하는 오염수의 양이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 분리막(220)을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 상기 탄소 공급부(300)를 통하여 상기 반응조 바디(210)에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디(210)에 제공되는 바이오 매스에 인공 광(AL)을 조사하여, 상기 분리막(220)이 바이오 세정되도록 제어할 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 분리막(220)은, 도 4에 도시된 오염된 분리막과는 달리, 상기 다공성 구조에 흡착되었던 오염물이 세정되어, 도 2에 도시된 분리막과 같이, 다공성 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 바이오 매스에 의해 상기 반응조 바디(210) 내부 pH가 11 미만으로 증가하는 경우, 상기 오염된 분리막(220)의 플럭스 회복률은 80% 이상인 것을 확인할 수 있다. 한편, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11 이상으로 증가하는 경우, 상기 분리막(220)의 플럭스 회복률이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통하여 상기 탄소원을 상기 반응조 바디(210)에 공급하되, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이를 때까지 상기 탄소원을 상기 반응조 바디(210)에 공급할 수 있다.
또한, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로 상기 분리막(220)을 세정하면, 상기 바이오 매스의 생존률이 90% 이상인 것을 확인할 수 있다. 한편, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 초과로 상기 분리막(220)을 세정하면, 상기 분리막(220)의 플럭스 회복률이 저하될 뿐만 아니라, 상기 바이오 매스의 생존률 또한 저하되는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로, 상기 분리막(220)을 세정시킬 수 있다.
상기 분리막 세정 관리부(400)는, 미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광(AL)의 조사를 종료할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 미리 정해진 세정 종료 조건은, 상기 반응조 바디(210)의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디(210)의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함할 수 있다.
이는, 도 8 내지 도 10을 참조하여 상술된 바와 같이, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11 이상으로 증가하는 경우, 또는 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이르러, 24시간 초과로 상기 분리막(220)을 세정하는 경우에, 상기 분리막(220)의 플럭스 회복률이 저하될 뿐만 아니라, 상기 바이오 매스의 생존률 또한 저하되기 때문이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 미리 정해진 세정 개시 조건 즉, 상기 분리막(220)을 통과하는 오염수의 플럭스가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우에, 상기 분리막에 흡착된 오염물을 세정하도록 제어할 수 있다.
상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통하여 상기 반응조 바디(210)에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디(210)에 제공되는 바이오 매스에 인공 광(AL)을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH를 상승시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이를 때까지, 또는 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로 상기 분리막(220)을 세정시킬 수 있다.
또한, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 오염된 분리막(220)의 플럭스를 80% 이상 회복시키되, 상기 바이오 매스의 생존률도 90% 이상으로 유지할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막(220)은, 상기 분리막 세정 관리부(400)에 의해, 상기 오염물이 탈착되는 경우에도, 상기 오염수를 지속적으로 정화할 수 있다.
이에 따라, 상기 오염수를 정화하여 생산하는 정화수의 생산량 대비 공정 비용 절감에 따른 높은 정화 효율을 제공할 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막(220)의 세정을 개시할 수 있을 뿐만 아니라, 미리 정해진 세정 종료 조건에 따라, 상기 분리막(220)의 세정을 종료하는 것에 의해, 자동화 및 연속적 운전이 가능한 분리막 바이오 세정장치를 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 바이오 매스에 의해 강알칼리성 화학약품을 사용하지 않으면서도, 상기 반응조 바디(210) 내 pH를 상승시켜, 상기 파과된 분리막(220)을 재생시키므로 친환경적인 장점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시 예와는 달리, 도 11을 참조하면, 종래의 강알칼리성 화학약품(pH 12)을 사용해 파과된 분리막을 재생시키는 경우, 상기 강알칼리성 화학약품(pH 12) 공급시간 6시간 경과 후에, 상기 분리막(220)이 영구적으로 손상됨을 확인할 수 있다.
비록, 도 11을 통해, 종래의 알칼리성 화학약품(pH 11 이하)을 사용하는 경우에도, 상기 오염된 분리막(220)의 플럭스 회복률은 80% 이상에 달하지만, 상술된 바와 같이, 상기 알칼리성 화학약품 사용에 따른, 환경오염과 추가비용 발생의 문제를 배제하기 어렵다.
즉, 종래의 분리막 세정장치는, 분리막의 세정에 있어서, 강알칼리성 화학약품, 예를 들어, NaOH 용액을 이용하고 있다. 하지만, 이러한 강알칼리성 화학약품을 이용하는 경우, 폐액 발생으로 인한 환경오염을 유발할 뿐만 아니라, 화학약품 주입 및 교반을 위한 시설을 구비해야 하며, 화학약품 비용 및 폐액 처리 비용 등 추가 비용이 요구되는 단점이 있다.
하지만, 이와는 달리 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 분리막 바이오 세정장치(1000)는, 상기 분리막(220)의 세정에 있어서, 강알카리성 화학약품 대신에 바이오 매스를 이용하여, 상기 알칼리성 분위기를 제공하므로, 종래의 화학약품을 사용하는 분리막 세정장치와는 달리, 환경오염 유발을 최소화할 수 있는 것이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조 바디(210)는, 내부에 제공되는 교반부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 교반부는, 상기 반응조 바디(210) 내에서 회전하여 유동을 생성할 수 있다. 이에 따라, 상기 반응조 바디(210) 내 바이오 매스와 오염물이 균질하게 접촉할 수 있으며, 분리막(220)에 오염물이 균질하게 흡착될수 있다.
상기 교반부의 회전에 의해, 상기 분리막(220)에 오염물이 균질하게 흡착되는 경우, 상기 분리막(220)의 파과도가 균일해질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(200)는, 수위센서(LS) 및 pH/온도 계측기(MI)를 더 포함할 수 있다. 상기 수위센서(LS)는, 상기 반응조 바디(210) 내 오염수의 양을 측정할 수 있다. 또한, 상기 pH/온도 계측기(MI)는, 상기 반응조 바디(210) 내 pH 및 온도를 측정할 수 있다.
한편, 상기 pH/온도 계측기(MI)는 상기 분리막 세정 관리부(400)와 연동될 수 있다. 이이 따라, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 pH/온도 계측기(MI)로부터, 상기 반응조 바디(210) 내 pH 및 온도에 관한 정보를 실시간으로 전송받아, 상기 분리막(220)의 세정을 개시하거나 종료하도록 제어할 수 있는 것이다.
상기 분리막(220)에 의해 상기 오염물이 흡착되어 상기 오염수가 정화되면, 상기 정화수 배출구(미도시)는, 상기 오염수가 정화된 정화수를 배출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(200)는, 상기 분리막(220)에 의해 정화된 정화수를 정화수 수집부(PC)로 배출할 수 있다
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(200) 및 상기 정화수 수집부(PC) 사이의 상기 정화수 배출 경로 상에, 유출펌프(DP)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 상기 반응조(200)로부터 상기 정화수 수집부(PC)로 상기 정화수가 용이하게 배출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응조(200) 및 상기 정화수 수집부(PC) 사이의 상기 정화수 배출 경로 상에, 압력계(PG)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 상기 반응조(200)로부터 상기 정화수 수집부(PC)로 배출되는 상기 정화수의 배출 압력을 측정할 수 있다.
한편, 상기 압력계(PG)는 상기 분리막 세정 관리부(400)와 연동될 수 있다. 이이 따라, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 정화수의 배출 압력에 관한 정보를 실시간으로 전송받아, 상기 정화수의 배출을 제어할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 유출펌프(DP)에는 on/off 타이머(T)가 마련될 수 있다. 이에 따라, 상기 off 타이머(T)는 미리 정해진 시간에 따라 상기 유출펌프(DP)의 작동을 개시 및 종료할 수 있다. 따라서, 상기 반응조(200)로부터 상기 정화수 수집부(PC)로 상기 정화수의 배출이 개시 및 종료될 수 있다.
이하, 상기 분리막 바이오 세정장치(1000)를 이용한 분리막 바이오 세정방법이 설명된다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 분리막 바이오 세정방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 12를 참조하면, 상기 분리막 바이오 세정방법은, 분리막(220)이 마련된 반응조 바디(210)로, 오염물이 포함된 오염수를 유입시키는 단계(S100), 상기 분리막(220)에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 반응조 바디(210)에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디(210)에 제공되는 바이오 매스에 인공 광(AL)을 조사하여, 상기 오염물을 상기 분리막(220)으로부터 탈착시키는 단계(S200), 및 미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광(AL)의 조사를 종료시키는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 단계 S100에서, 상기 분리막(220)은, 상기 오염수에 포함된 오염물을 흡착하거나 또는 바이오 매스의 유출을 차단하여, 상기 오염수를 정화수로 전환시킬 수 있다.
한편, 상기 분리막(220)은, 상기 오염수를 상기 정화수로 전환시키는 동안, 상기 흡착된 오염물에 의해 파과상태에 도달할 수 있다.
이에, 단계 S200에서, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 파과된 분리막(220)이 세정되도록 제어할 수 있다.
상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 탄소 공급부(300)를 통하여 상기 반응조 바디(210)에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디(210)에 제공되는 바이오 매스에 인공 광(AL)을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH를 상승시킬 수 있다.
상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이를 때까지, 또는 상기 반응조 바디(210) 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로 상기 분리막(220)을 세정시킬 수 있다.
또한, 단계 S300에서, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우에, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 단계 S100 내지 단계 S300를 통해, 상기 분리막(220)은, 상기 오염수 중의 오염물을 흡착하거나 또는 바이오 매스의 유출을 차단하여 정화할 수 있고, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상기 분리막(220)이 상기 오염물을 흡착하여 파과상태에 도달하는 경우에, 상기 오염물을 탈착시키도록 제어할 수 있다.
상기 분리막(220)은 상기 세정 관리부(400)에 의해, 바이오 세정되는 동안에도 상기 오염수를 지속적으로 정화할 수 있다.
이에 따라, 상기 오염수를 정화하여 생산하는 정화수의 생산량 대비 공정 비용 절감에 따른 높은 정화 효율을 제공할 수 있다.
또한, 상기 분리막 세정 관리부(400)는, 상술된 바와 같이, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막(220)의 세정을 개시할 수 있을 뿐만 아니라, 미리 정해진 세정 종료 조건에 따라, 상기 분리막(220)의 세정을 종료할 수 있다.
이에 따라, 자동화 및 연속적 운전이 가능한 분리막 바이오 세정장치(1000)를 제공할 수 있다.
또한, 상기 분리막(220)은, 상술된 바와 같이, 강알칼리성 화학약품 대신에, 상기 바이오 매스에 의해 생성된 OH-에 의해 조성된 알칼리성 분위기를 통해 세정되므로, 친환경적인 효과가 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
1000: 분리막 바이오 세정장치
100: 전처리부
110: 전처리조
120: 혼합기
200: 반응조
210: 반응조 바디
220: 분리막
300: 탄소 공급부
400: 분리막 세정 관리부

Claims (12)

  1. 오염물이 포함된 오염수를 유입받는 오염수 유입구, 상기 유입받은 오염수의 오염물을 섭취하여, 상기 오염수를 정화하는 바이오 매스, 상기 바이오 매스의 유출을 차단하는 분리막이 마련되는 반응조 바디, 및 상기 바이오 매스와 상기 분리막에 의하여 정화된 정화수를 배출하는 정화수 배출구를 포함하는 반응조;
    상기 반응조 바디에, 탄소원을 공급하는 탄소 공급부; 및
    미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 상기 탄소 공급부를 통하여 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 상기 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, OH-를 생성함으로써, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는, 분리막 세정 관리부를 포함하되,
    상기 분리막 세정 관리부는,
    상기 탄소 공급부를 통하여 상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급하되, 상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이를 때까지 상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급하고,
    상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로, 상기 분리막을 세정시키는, 분리막 바이오 세정장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 분리막 세정 관리부가, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는 경우에도, 상기 분리막은 상기 오염수를 지속적으로 정화하는, 분리막 바이오 세정장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 세정 개시 조건은,
    상기 분리막을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함하는, 분리막 바이오 세정장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 오염물은 질소 및 인 중 적어도 하나를 포함하는, 분리막 바이오 세정장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 분리막 세정 관리부는,
    미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료하는, 분리막 바이오 세정장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 세정 종료 조건은,
    상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함하는, 분리막 바이오 세정장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 반응조 바디는,
    상기 반응조 바디에 제공되는 교반부를 더 포함하고,
    상기 교반부의 회전에 의하여,
    상기 반응조 바디의 분리막에 오염물이 균질하게 흡착되는, 분리막 바이오 세정장치.
  10. 분리막이 마련된 반응조 바디로, 오염물이 포함된 오염수를 유입시키는 단계;
    상기 분리막에 흡착된 오염물의 세정이 필요한 경우, 미리 정해진 세정 개시 조건에 따라, 상기 반응조 바디에 탄소원을 공급하고, 상기 반응조 바디에 제공되는 바이오 매스에 인공 광을 조사하여, 상기 오염물을 상기 분리막으로부터 탈착시키는 단계; 및
    미리 정해진 세정 종료 조건에 이른 경우, 상기 탄소원의 공급과 인공 광의 조사를 종료시키는 단계;를 포함하되,
    상기 탈착시키는 단계는,
    상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급하되, 상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이를 때까지 상기 탄소원을 상기 반응조 바디에 공급하고,
    상기 반응조 바디 내부의 pH가 11에 이른 경우, 24시간 이하로, 상기 분리막을 세정시키는 것을 포함하는, 분리막 바이오 세정방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 세정 개시 조건은,
    상기 분리막을 통과하는 오염수의 플럭스(flux)가 미리 정해진 기준 이하인 경우, 및 상기 분리막의 이전 세정 시점으로부터 경과한 시간이 미리 정해진 시간 이상인 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함하는, 분리막 바이오 세정방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 세정 종료 조건은,
    상기 반응조 바디의 pH가 11을 초과하는 경우, 및 상기 반응조 바디의 pH가 11에 이른 상태에서 24시간을 초과하는 경우 중 적어도 하나의 경우를 포함하는, 분리막 바이오 세정방법.
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