KR102397012B1

KR102397012B1 - 매체 필터의 막 중력 필터로의 전환

Info

Publication number: KR102397012B1
Application number: KR1020197013633A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 카데라; 데릭 시니어; 니콜라스 윌리엄 에이치 애덤스
Original assignee: 비엘 테크놀러지스 인크.
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2022-05-12
Also published as: CN110049809A; WO2018071090A1; AU2017341695A1; EP3525921A1; CN110049809B; PH12019500800A1; KR20190062563A; AU2017341695B2; US20190232226A1

Abstract

중력 모래 필터와 같은 종래의 매체 필터를 막 필터로 전환시킨다. 매체는 제거되고 침수 막 모듈에 의해 대체된다. 흡입 펌프없이 정수두 압력 차이에 의해 막 통과 압력이 생성되고, 그에 의해 막 중력 필터(MGF)를 생성시킨다. 막 투과액은 막 모듈과 함께 탱크에 임의적으로 위치되는 흡착 매체의 상을 통해 통과한다. 막은 막 모듈로 복귀할 때 흡착 매체를 우회하는 투과액으로 주기적으로 역세된다.

Description

매체 필터의 막 중력 필터로의 전환

본원은 수 처리(water treatment) 및 막 여과(membrane filtration)에 관한 것이다.

종래의 매체 필터(media filter)는 배수 시스템 위에 놓인 매체 상(bed)을 갖는다. 도시 식수 시설에서의 가장 일반적인 매체 필터는, 매체가 모래(sand)인 중력(gravity) 모래 필터, 예를 들어 급속 모래 필터이다. 배수 시스템(하부집수부(underdrain)라 또한 칭해짐)은, 예컨대 자갈 또는 천공된 플랫폼으로 덮인(임의적으로는 자갈 층으로 덮인) 격자 모양의 배수 파이프일 수 있다. 공급수 및 역세수(backwash water) 트로프(trough)는 모래 상 위의 탱크를 가로지른다. 트로프로부터 탱크로 공급된 물은 모래 상을 통해 하부집수부로 유동한다. 상은 배수 파이프를 통해 물 및 임의적으로는 압축된 공기를 공급하고 트로프 내에 역세수를 수집함으로써, 주기적으로 역세된다. 이 필터 유형은 도시 식수 여과 시설에서 일반적으로 사용된다.

막 필터는 투과성 막(permeable membrane)을 사용하여 물을 여과한다. 도시 식수 시설에서, 막 기공 크기는 통상적으로 한외여과(ultrafiltration) 또는 정밀여과(microfiltration) 범위 내에 있다. 침수 시스템(immersed system)에서, 막 모듈은 개방형 탱크 내에 배치되고, 투과액(permeate)은 막의 내부에서 배출된다. 하나의 시판 제품은 지이 워터 앤드 프로세스 테크놀로지즈(GE Water & Process Technologies)가 판매하는 지위드(ZeeWeed)™1000(ZW 1000이라 또한 칭해짐) 모듈이다. 이 모듈은 일반적으로 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 6325928 호(Immersed Membrane Element and Module) 및 미국 특허 제 6893568 호(Immersed Membrane Filtration System and Overflow Process)에 기재된 바와 같다. 미국 특허 공개 제 2006/0108275 A1 호는 침수 막을 기존 모래 필터로 통합하기 위한 키트를 기재하며, 이도 또한 본원에 참고로 인용된다.

본원은 침수 막 여과 시스템 및 작동 방법을 기재한다. 시스템은 새롭게 구성될 수 있지만, 본원에서는 종래의 중력 모래 필터를 막 필터로 전환하는 것으로 기재될 것이다. 이 경우에, 중력 필터 상의 과립상 매체는 침수 막으로 대체된다.

처리 단위장치는 흡착 모듈과 조합될 수 있는 막 모듈을 갖는다. 막 모듈은 각각 2개의 배선함(potting head)에 대해 개방된 복수개의 막을 갖는다. 흡착 모듈은 입구 및 출구가 있는 하우징의 내부에 매체 상을 갖는다. 흡착 모듈의 입구는 막 모듈의 제 1 배선함에 연결된다. 흡착 모듈의 출구는 투과액 헤더(파이프)에 연결된다. 모듈의 제 2 배선함은 역세 헤더(파이프)에 연결된다. 임의적으로, 흡착 모듈은 막 모듈과 함께 탱크에, 예를 들어 하나 이상의 막 모듈과 함께 스택에 위치된다. 임의적으로, 투과액 헤더 및 역세 헤더는 공통 파이프일 수 있다.

처리 방법에서는, 여과 막을 통해 물을 통과시킨다. 이어, 흡착 매체 상을 통해 투과수를 통과시킨다. 여과를 간헐적으로 중단시켜 투과수중 일부로 막을 역세시키는데, 투과수는 매체 상을 통해 반대로 통과하지 않고 막으로 유동한다.

도 1은 일반적인 매체 필터(종래 기술)의 단면도이다.
도 2a는 막의 상부(top)에 투과액 수집장치(permeate collector)를 가지는 막 중력 필터를 형성하기 위해 침수 막으로 개조된(retrofit) 매체 필터의 단면도이다.
도 2b는 막의 하부(bottom)에 투과액 수집장치를 가지는 막 중력 필터를 형성하기 위해 침수 막으로 개조된 매체 필터의 단면도이다.
도 3은 역세수에 염소를 첨가하거나 첨가하지 않고서 막 중력 필터를 사용하여 표층수를 처리하는 동안 시간의 경과에 따른 유속을 도시하는 그래프이다.
도 4는 도 3의 실험에서 사용되는 물에 대한, 시간의 경과에 따른 탁도 및 온도를 도시하는 그래프이다.
도 5는 유속 및 탁도의 범위에 걸쳐 작동하는 막 중력 필터의 계산된 물 회수율을 도시하는 그래프이다.
도 6은 막 여과 시스템, 특히 막 중력 필터로 개조된 중력 모래 필터의 개략적 단면도이다.
도 7은 흡착 카트리지의 등각도이다.
도 8a는 다른 막 여과 시스템의 절단 등각도이다.
도 8b는 도 8a의 일부의 확대도이다.
도 9는 막 모듈 및 대체 흡착 카트리지의 예를 도시하는 수직 단면도이다.

일반적인 고속(high-rate) 매체 필터(1)(다르게는 중력 필터라 칭해짐)의 단면이 도 1에 도시된다. 도시 물 여과에서, 매체 필터(1)는 통상적으로 하나 또는 두 개의 여과 매체를 가지는 0.5 내지 1.5m의 매체 상(2)을 포함한다. 매체 상(2)은 하부집수 시스템(3)에 의해 지지된다. 여과 동안, 공급수(4)는 매체 상(2) 위로부터 추가되고, 자유 수면은 여과 수위(5)에서 유지된다. 여과수(6)는 하부집수 시스템(3) 내에서 또는 아래에서 수집된다. 주기적 역세 동안, 역세수(7) 및 임의적으로 공기(8)는 하부집수 시스템(3) 및 매체 상(2)을 통해 위쪽으로 유동하고, 자유 수면은 역세 수준(8)에 도달한다. 역세수(9)는 범람(overflow)하여 매체 필터(1)를 떠난다. 여과는 일정한 유량(증가하는 여과 헤드) 또는 감소량(일정한 여과 헤드)으로 이루어질 수 있다. 여과 헤드는 필터에서 수위를 변화시킴으로써 또는 여과 측 상에서 압력 손실을 가함으로써 제어된다. 역세는 필터를 통해 유동을 역전시키고, 전형적으로 필터 박스 측 상에 또는 상 위에 위치된 트로프를 통해 더러운 역세수(9)를 배출시키도록 밸브를 작동시킴으로써 개시된다. 역세는 공기 주입, 수평방향 표면 세척 또는 둘 다에 의해 도움을 받을 수 있다.

매체 필터를 개조하기 위하여 사용되는 막은 침수될 수 있는 임의의 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막일 수 있다. 모듈은 지이 워터 앤드 프로세스 테크놀로지즈의 지위드™ 1000 모듈과 같이 평면도에서 직사각형 단면을 가질 수 있다. 직사각형(임의적으로 정사각형) 모듈은 그리드에 나란히 배치될 수 있으며, 전체 탱크 풋프린트 표면적에 가깝게 점유한다. 물은 지위드™ 1000 모듈을 통해 위쪽으로 또는 아래쪽으로 유동할 수 있다. 다르게는, 모듈은 토레이(Toray)의 HSU-1515, 멤코(Memcor)의 CS 및 아사히(Asahi)의 UHS-620A 모듈과 같이 원형 단면을 가질 수 있다. 모듈의 원형 가하학적 형태의 경우, 이 모듈의 그리드는 모듈 사이에 개방형 수직 칼럼(column)을 남긴다. 공급수가 모듈의 측면을 통해 진입하고, 역세수가 모듈의 측면으로부터 빠져나오며, 임의적인 공기가 모듈의 하부를 통해 진입할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 막 중력 필터(110)를 생성하기 위해 막 모듈(112)로 매체 필터(1)를 개조하기 위한 두 가지 옵션을 도시한다. 이 경우에서, 막 모듈(112)은 예컨대 하부집수 시스템(3)을 수정하지 않고 도 1의 매체 상(2)을 최소한의 수정으로 대체한다. 매체 필터(1)가 역세를 강화하기 위해 공기 살포를 포함하지 않는다면, 통기 그리드가 먼저 막 모듈(112) 아래에 놓일 수 있다. 트레이 또는 프레임은 또한, 모듈 간격을 제어하거나, 또는 다르게는 막 모듈(112)의 유지 또는 평준화를 돕기 위해서 하부집수 시스템(3) 상에 놓일 수 있다. 도 2a에서, 막 모듈(112)은 필터 플로어(filter floor)의 전체 표면적을 덮기 위해 나란히 설치된다. 막 모듈(112)은 크레인 또는 다른 무거운 리프팅 장비에 대한 필요성을 피하기 위해 하나씩 또는 작은 단위장치로 임의적으로 설치된다(즉, 막 모듈(112)은 대형 카세트로 사전-조립되지 않음). 그 다음, 막 모듈(112)의 투과액 포트는 막 모듈(112)의 상부에 수평방향으로 놓인 측방향 섹션을 포함하는 투과액 헤더(114)에 연결된다. 막 모듈(112)의 몇 가지 행(row)이 존재할 수 있다. 그 경우, 예컨대 탱크의 단부에 있는 투과액 헤더(114)의 마스터 섹션이 다수의 측방향 섹션을 함께 연결시키기 위해 사용될 수 있다. 투과액 헤더(114)는 (도 2a에 도시되는 바와 같이) 탱크 벽을 통과하거나 또는 사이펀 배열(도시되지 않음)로 벽 위를 지나간다. 다르게는, 각각의 섹션은 탱크 벽을 통과하거나 또는 탱크 위를 지나갈 수 있으며, 탱크 외부의 마스터 섹션에 연결될 수 있다.

막 모듈(112) 위의 투과액 헤더(114)의 경우, 막의 투과액 측에 방출되는 공기는 투과액과 함께 배출될 수 있다. 그러나, 투과액 헤더(114)는 막 모듈(112)을 대체하기 위해 제거되어야 할 수 있다. 도 2a에서, 투과액 헤더(114)는 막 모듈(112)이 설치되기 이전에 하부집수 시스템(3) 상에 설치된다. 투과액 헤더(114)는 막 모듈(112) 아래에 위치된다. 이 경우, 투과액 헤더(114)는 막 모듈(112)을 제거하기 위해 이동될 필요가 없다. 그러나, 막의 투과액 측에 방출된 공기는 투과액 유동에 비말 동반(entrain)되지 않을 수 있으며, 막 모듈(114) 내부에서 수집될 수 있다. 수집된 공기를 제거하기 위해, 막 모듈(112)(도시되지 않음)의 상부와 연통하는 작은 관(tubing)의 네트워크가 추가되어, 예컨대 역세 동안 공기를 배기시킴으로써 공기를 제거하기 위해 사용될 수 있다.

매체 필터(1)의 막 중력 필터(110)로의 전환을 완료하기 위해 매체 필터(1)의 파이핑이 재구성된다. 예컨대, 도 2a 및 도 2b에 도시되는 바와 같이, 하부집수 출구 파이프(116) 및 공급수(4) 파이프는 포워드 마크("//")로 표시되는 곳에서 절단 및 캡핑된다. 매체 필터(1)의 상부로 사전에 공급된 공급수(4)는 하부집수 출구 파이프의 제 1 부분(116a)을 통해 하부집수 시스템(3)으로 되돌려져 공급된다. 막 투과액 헤더(114)는 하부집수 출구 파이프의 제 2 부분(116b)에 연결된다. 임의적으로, 역세수 입구(118)는 예컨대 하부집수 출구 파이프의 제 2 부분(116a)을 통해 투과액 헤더(114)에 연결된다.

이러한 변화에 따라, 이전 매체 필터(1)는 이제 임의적으로 매체 필터(1)의 다른 물리적 특징부, 또는 작동 및 제어 방법에 대한 변화 없이, 막 중력 필터로서 작동할 수 있다. 공급수(4)는 이제 하부집수 시스템(3)을 통해 막 중력 필터(110)에 진입하고, 막 모듈(112)로 유동하여 막다른 단부에서 여과된다. 여과 헤드(118)는 막을 가로지르는 정수두(static head) 차이, 예컨대 투과액 배출 지점이 침수되는 경우 투과액 수집 탱크의 대기로의 투과액 배출 지점의 수준 또는 수위와 탱크의 수위(여과 수준(5)) 사이의 차이에 의해 제공된다. 예컨대, 일단 여과 헤드(118)가 특정된 수준에 도달되거나, 또는 먼저 도달된 경우 역세 사이의 최대 시간에 도달되면, 역세가 주기적으로 개시될 수 있다. 역세 동안, 여과수 밸브(120)는 폐쇄되고, 역세수 밸브(112)는 개방된다. 역세 동안, 공급 유동은 임의적으로 계속 중단되며, 예컨대 트로프로의 범람에 의해, 역세수(9)로서 탱크로부터 제거되는 고형물을 운반하는 것을 보조한다. 통상적인 매체 필터의 역세 네트워크는 여과 네트워크보다 더 높은 유량(2-4)을 취급하도록 설계된다. 따라서, 역세 네트워크를 통해 공급수(4)를 막 중력 필터(110)로 도입하는 것은 공급수 유량을 제한할 가능성이 적다.

표 1은 종래의 침수 막 시스템에 대한 전형적인 작동 매개변수를 막 중력 필터와 비교한다. 종래의 막 시스템과 막 중력 필터의 작동 사이의 한 가지 차이는 유속과 관련된다. 오염(fouling)은 급격히, 가능하게는 기하급수적으로 유속에 따라 증가한다. 낮은 유속으로 작동하는 것은 단지 낮은 막 통과 압력을 요구하고, 이는 예컨대 2.5m 이하, 또는 2.0m 이하의 종래의 급속 모래 필터에서 이용가능한 매우 낮은 여과 헤드로도 중력 작동을 가능하게 한다. 낮은 유속으로 작동하는 것은 또한 역세에 대한 필요성을 급속 모래 필터과 같은 매체 필터에 전형적인 빈도 범위 또는 그 근처로 감소시킨다.

종래의 막 시스템의 막 중력 필터와의 비교

매개변수	종래의 막 시스템	막 중력 필터
전형적인 유속(L/m²/h)	30-100	10-15, 가능하게는 20 또는 25 이하, 가능하게는 25 이상
구동력 소스	펌프 압력	중력(정수두 차이)
막 통과 압력(kPa)	30-200	5-20 또는 5-25 또는 10-25
역세 간격(h)	0.25-1.0	8-24
역세 동안의 공급 플러싱	있음	임의적임
회수율	90-95％	95-98％
공기-보조 역세	있음	있음
화학적-강화 역세	있음	임의적임
재생 화학적 세정	있음	임의적임

표 1에서 표시되는 바와 같이, 중력 막 필터는 회수 세정이라 칭해지는 재생 화학적 세정의 부재시 임의적으로 작동할 수 있다. 재생 화학적 세정시, 막은 15분 이상의 시간과 같은 긴 시간동안 화학적 세정제와 접촉된다. 재생 화학적 세정의 목적은 바이오필름 또는 오염 층의 상당 부분을 죽이거나 또는 제거하고 막 투과율을 예컨대 새로운 막의 투과율의 20％ 이내로 회복시키는 것이다. 종래의 막 시스템에서, 재생 세정은 통상적으로 주 단위 내지 월 단위로 수행된다. 그러나, 아래에서 추가로 논의되는 바와 같이, 막 중력 필터는 재생 화학적 세정없이 무기한으로, 또는 적어도 6개월 이상 또는 12개월 이상의 장기간 동안 작동할 수 있다. 이러한 작동 모드에서, 막 투과율은 새로운 투과율로부터 감소되지만, 수용가능한 정상 상태에 도달한다. 오염 또는 바이오필름 층은 거의-새로운 막 투과율을 회복하기 위해 계속적으로 제거되기보다는 오히려 정상-상태에 도달하도록 허용된다.

일부 최근 연구는, 재생 화학적 세정의 부재시 막 유속이 0으로 진행되지는 않지만 전형적으로는 10L/m²/h 미만의 낮은 값으로 안정화된다는 것을 보여준다. 피터-바바네츠(Peter-Varbanets) 등(2010)은, TOC 함량이 증가하는 상이한 유형의 물에 대한 어떠한 역세, 플러싱 또는 화학적 세정 없이 중력에 의해 막 시스템을 작동시켰다. 유속은 수주(water column)의 0.40 내지 0.65m의 여과 압력에서 4 내지 10L/m²/h로 안정화되었다. 안정화된 유속은 TOC가 증가함에 따라 감소된다. 이들은 바이오필름의 생물학적 활동이 유속을 안정화시키는데 기여했음을 입증하였다. 약 1주간의 작동 이후에 시작하여 공동, 채널 및 덴트라이트-형(dendrite-like) 구조의 형성이 오염 층에서 관측되었다. 덜론(Derlon) 등(2013)은 수주의 0.65m 미만의 여과 압력에서 중력-구동 여과에서 유속이 8 내지 10 L/m²/h의 범위로 안정화되었음을 보여주었다. 이들은 후생동물(metazoan)의 활동 및 바이오필름 구조에 대한 그들의 영향을 달성가능한 유속과 상관시켰다. 이 둘 다의 경우에서, 보다 고등의(higher) 미생물이 발달하게 함으로써 바이오필름이 조정된 이후에 정상-상태 유속이 달성되었다. 따라서, 이 방법은 공급수, 임의의 억제 화합물(inhibitory compound) 및 온도에서 존재하는 유기물의 특성과 같은 인자에 의존한다. 이 요구되는 인자는 도시 수처리 시설에서 일관되게 제공하기가 어려울 것이다. 게다가, 획득된 유속은 막 중력 필터가 급속 모래 필터와 동일한 수율을 제공하도록 허용하기에 충분할 가능성이 적었다.

막 중력 필터에서, 낮은 투여량의 산화제가 역세수에 주기적으로 제공됨에 따라 유속이 향상된다. 이론에 의해 제한되도록 의도하지 않고, 본 발명자들은 유효 투여량의 산화제가 재생 화학적 세정에서와 같이 바이오필름 또는 오염 층을 제거하지 않지만, 대신에, 바이오필름 또는 오염 층을 보다 고등의 미생물의 활동과 유사한 정도로 보다 다공성이게 만든다고 믿는다. 병행 실험에서, 1.5m의 일정한 헤드 아래에서의 중력 막 여과는 매일 5분의 역세에서 작은 농도(10mg/L)의 염소로 또는 염소 없이 시험되었다. 화학적 투여량은 주당 Cl₂로서 350분*mg/L이었다. 공급수는 호수로부터 끌어온 표층수였다. 막 모듈은 지위드™ 1000 모듈의 파일럿 스케일 변형이었으며, 이들은 공칭 0.04마이크론 기공 크기의 수평방향으로 배향되는 중공 섬유 한외여과 또는 정밀여과 막을 가진다. 도 3의 결과는, 염소 없이 도달된 정상-상태 유속이 단지 5L/m²/h였던 반면, 작은 투여량의 염소가 있는 경우 정상 상태 유속이 12 내지 14L/m²/h로 향상되었다는 것을 보여준다. 염소처리된 역세에 의해 제공된 낮은 농도 및 접촉 시간은 막을 세정하기에 충분하지 않았다. 그러나, 본 발명자들은 바이오필름 또는 오염 층을 보다 투과성이 있게 만들기 위해 바이오필름 또는 오염 층을 컨디셔닝하는데 염소가 효과적이었다고 믿는다. 산화제의 하루(또는 다른) 투여량으로 오염 층 또는 바이오필름을 컨디셔닝하는 것은, 보다 고등의 미생물에 의존하는 것보다 더 제어가능하고 신뢰성 있을 것으로 예상된다.

다른 산화제가 유사한 결과를 생성할 것으로 예상되지만, 염소는 수처리 시설에서 가장 흔한 최종 소독제이며, 최종 소독제로서 매체 필터의 바로 하류에 통상적으로 첨가된다. 따라서, 막 중력 필터에서의 역세수의 작은 투여량의 염소는 규정 또는 건강 우려를 제기할 것으로 예상되지 않는다. 역세에서 이산화염소, 과산화수소 또는 클로라민과 같은 다른 최종 소독제의 사용이 또한 가능하다.

도 4는 위에서 기재된 실험에서 처리되는 공급수의 시간 경과에 따른 탁도 및 온도를 도시한다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 도 3의 결과는 최대 10NTU의 피크를 가진, 평균 2 내지 3NTU의 탁도를 가진 표층수 원수(raw surface water)를 여과하는 동안 획득되었다. 응고 및 침전 또는 종래의 사전-처리 이후에 보다 높은 정상-상태 유속이 달성될 수 있는 가능성이 있으며, 공급수의 탁도는 0.5NTU 이하로 감소될 수 있다.

도 3과 관련하여 기재되지만 염소처리된 역세만을 이용한 시험이 이후 300일 내지 총 400일동안 계속되었다. 시험 동안 어느 때라도 막의 재생 세정은 존재하지 않았다. 겨울 동안, 공급수 온도는 약 75일 동안 2 내지 4℃까지 떨어졌다. 이 시간 동안, 평균 유속은 대략 10L/m²/h까지 감소되었다. 공급수가 최대 15℃ 이상으로 다시 데워진 이후에 유속은 약 12 내지 14L/m²/h의 범위까지 증가되었다. 이 파일럿 시스템은 재생 화학적 세정없이 약 22개월 동안 작동되었고, 22개월이 끝난 후에도 재생 화학적 세정을 필요로 하지 않았다.

도 3의 유속 결과는 막 중력 필터로 전환된 종래의 매체 필터가 풋프린트(탱크 면적)를 증가시키지 않고 적어도 유사한 수율을 제공할 것임을 제시한다. 막이 매체 필터에 비해 훨씬 낮은 컷-오프를 가지기 때문에(MF/UF 막의 경우 0.01 내지 0.1μm 대 매체 여과의 경우 5 내지 10μm), 수질은 통상적으로 막을 사용함으로써 개선될 수 있다. 따라서, 매체 필터를 막 중력 필터로 전환하는 것은 또한 여과된 수질을 증가시킬 가능성이 있으며, 이는 역삼투와 같은 하류 처리 공정에 유익할 수 있다.

42m²(450제곱피트) 및 51m²(550제곱피트) 버전 둘 다를 포함하여, 표층수를 여과하기 위해 상업적으로 입수가능한 지위드™ 1000 모듈을 사용하는 추가적 시험이 수행되었다. 6개월 시험 기간 동안 생성된 유속은 통상적으로 13 내지 20L/m²/h의 범위이다. 시험 기간 동안의 공급수 온도는 약 4 내지 26℃의 범위였던 반면, 탁도는 약 0.2 내지 2NTU의 범위였지만 4 이상의 NTU까지 빈번하게 올라갔다. 이 모듈은 8시간마다 역세되었다. 회수율은 97 내지 98％였다. 탱크는 1m의 깊이까지 물로 채워졌다. 투과액 출구는 탱크의 하부와 수평(level)을 이루었으며, 대기압으로 방출되어 10kPa의 TMP를 생성시켰다. 화학적 투여량은 주당 Cl₂로서 350분*mg/L이었다. 막은 6-개월 시험 기간 동안 회수 세정되지 않았다.

15 내지 25kPa의 헤드 압력하에 작동되는 단일 700ft² 모듈을 사용하여 추가적인 시험을 수행하였다. 투과 사이클은 8시간이었다. 회수율은 98 내지 99%였다. 투과 사이클 사이의 역 펄스(backpulse)는 5분간 3dcfm 통기로 40Lmh에서 수행되었다. 총 염소 투여량은 매주 Cl₂로서 350분*mg/L였다. 한 실험에서, 유속은 300일의 작동 기간 전체에서 실질적으로 20 내지 30L/m²/h였으며, 15, 20 및 25kPa의 헤드 압력에 있는 일부 시간동안 25L/m²/h였다. 다른 실험에서, 유속은 300일의 작동 기간 전체에서 실질적으로 20 내지 40L/m²/h였고, 전형적으로는 헤드 압력이 20 또는 25kPa인 동안 25L/m²/h보다 높았다.

종래의 매체 필터는 통상적으로 5 내지 15m/h의 여과 속도로 설계된다. 표 2에 도시되는 바와 같이, 이러한 처리량은 낮은 유속에서 작동하는 동안에도, 막으로 개조함으로써 매치되거나 또는 증가될 수 있다. 필터의 풋프린트의 80％가 모듈로 덮일 것이라고 가정하여 표 2가 구성되었다. (원수의 경우) 12L/m²/h 및 (침전수의 경우) 16L/m²/h의 설계 유속이 가정되었다. 지위드™ 1000 모듈은 약 685mm(27인치) 높이지만, 수직방향으로 적층될 수 있다. 일부 계산의 경우, 스택이 통상적 급속 모래 필터에서 이용가능한 공간 내에 여전히 있기 때문에, 2개의 지위드™ 1000 모듈의 스택이 가정된다. 도 2를 생성하기 위해 사용되는 계산은 이러한 설계 조건이 8 내지 22m/h의 여과 속도를 생성할 수 있다는 것을 보여준다.

상이한 모듈로 달성가능한 여과 속도의 예

	지이워터	지이워터	지이워터	토레이	토레이	아사히
	ZW-1000/700	ZW-1000/700	ZW-1000/700	HSU-1515	HSU-1515	UHS-620A
모듈 유형	직사각형	직사각형	직사각형	원형	원형	원형
# 모듈 높이	1	2	2
모듈 높이(m)	0.7	1.5	1.5	1.3	1.3	2.2
모듈 풋프린트(m²)	0.0735	0.0735	0.0735	0.0216	0.0216	0.04
모듈 표면적(m²)	65	65	65	20	20	50
모듈 탱크 커버리지	80%	80%	80%	80%	80%	80%
유속(L/m²/h)	12	12	16	12	16	16
여과 속도(m/h)	8.5	17.0	22.6	8.9	11.8	16.0

막 중력 필터는 종래의 필터보다 역세를 위해 상당히 더 많은 물을 사용하지 않고 작동될 수 있다. 매체 필터는 통상적으로, 낮은 탁도(<1NTU)를 가지는 사전-처리(즉, 응고 및 침전)된 물을 처리할 때 95％보다 높고 종종 약 98％인 회수율을 가진다. 상이한 조건 아래에서 작동하는 막 중력 필터에 대한 계산된 회수율이 도 5에 도시된다. 두 개의 상부 곡선은 침전수를 처리하는 것을 표현하며, 65m²의 표면적 및 20g/모듈의 현탁된 고형물 한도를 가지는 지위드™-1000 모듈에 기초하며, 1NTU=1.5mg/L이라고 가정한다. 모듈의 현탁된 고형물 한도가 도달되든 아니든 간에 매일 1회의 역세가 수행될 것이라고 가정되었다. 곡선의 급격한 감소는 현탁된 고형물 한도가 하루 내에 도달됨을 표시하고, 그 시점에 추가적 역세가 수행됨을 표시한다. 침전수에 전형적인 0.5NTU의 탁도의 경우, 유속에 따라 회수율이 증가하고, 하루에 단일의 역세는 17L/m²/h의 유속까지 충분하다. 12L/m²/h의 유속으로, 회수율=98.3％이다. 두 번째 곡선은 열악하게 기능하는 침전기(settler)(탁도=2NTU)를 표현한다. 12L/m²/h의 유속에서, 하루 2회 역세가 필요하고, 회수율은 96.3％이다. 두 개의 하부 곡선은 원수(10 및 20NTU의 탁도를 가짐)를 처리하는 것을 표현하며, 46.5m²의 표면적 및 155g/모듈의 현탁된 고형물 한도를 가지는 지위드™-1000 모듈에 기초한다. 12L/m²/h의 유속에서, 하루 2회 역세가 필요할 것이고, 회수율은 94 내지 95％일 것이다.

위의 시험 및 계산을 요약하기 위해, 투과액 출구에 대한 정수두에 대한 막을 보유한 탱크 내의 물의 자유 표면의 중력(정수)두 차이에 의해 약 10 내지 15kPa의 막 통과 압력(TMP)이 막 중력 필터에 제공되었다. 어떠한 투과액 펌프도 존재하지 않았다. 바이오필름에 대해 증가된 유속 또는 절대 압력이 의도된 다공성 바이오필름을 유지하기에 너무 커지기 이전에 약 15kPa, 가능하게는 20kPa의 약간 더 높은 TMP가 사용될 수 있다고 추정된다. 유속은 20L/m²/h를 초과하지 않았으며 전형적으로 15L/m²/h를 초과하지 않았다. 막은 하루 1 내지 3회 역세되었다. 하루 1회 역세는 역세수중 Cl₂로서 10mg/L를 사용하여 수행되었다. 이 역세는 약 5분 동안 지속되었다. 추가적 역세(존재하는 경우)는 화학적으로 첨가된 염소 또는 임의의 다른 세정을 가지지 않았다. 따라서, 염소의 주간 총 투여량은 NaOCl로서 약 732분*mg/L와 동등하게 Cl₂로서 약 350분*mg/L이었다. 사전 결정된 최소치(즉, 하루 1회)를 초과하는 역세는 사전 결정된 최대치를 초과하는 막 탱크 내의 고형물 농도 또는 탁도에 의해 촉발될 수 있다.

하루 0.5 내지 5회 역세의 역세 빈도가 수용가능하다고 추정된다. 역세 시 산화제를 가지지 않는 역세는 임의적으로 막 외부의 탱크의 플러시로 대체될 수 있다. 하루 5회보다 많은 세정(즉, 역세 또는 공급 플러시)이 탱크 내의 원하는 공급수 조건을 유지하는데 요구될 경우, 공급수는 대신에 하루 5회 이하의 세정 또는 하루 3회 이하의 세정이 요구되도록 사전-처리될 수 있다. Cl₂로서 700 이하, 바람직하게는 500 이하의 분*mg/L의 주간 투여량이 수용가능할 것이며, 바이오필름 층을 실질적으로 죽이지 않고 다공성 바이오필름 층을 제공할 것이라고 추정된다. 최소 주간 염소 투여량은 Cl₂로서 100분*mg/L라고 추정된다. 막의 침수 깊이(탱크의 자유 수면과 최저 활성 막 영역 사이의 거리)는 5미터 미만, 임의적으로 2.5미터 미만 또는 2.0미터 미만이다. 임의적으로, 막은 재생 세정없이 6개월 이상, 또는 12개월 이상의 기간 동안 작동될 수 있다. Cl₂로서 700분*mg/L 이하의 주간 투여량으로, 재생 세정이 없는 6개월동안 재생 세정으로 막을 작동시키는 것은 단지 막을 Cl₂로서 18,200분*mg/L 이하로만 노출시킬 것이다.

예컨대, 도시 또는 산업 음용수 여과, 폐수 여과, 또는 산업상 이동 불가능한 물의 여과에 막 중력 필터가 사용될 수 있다. 급속 모래 필터 또는 다른 종래의 여과 시스템과 같은 매체 필터 대신에 시스템이 사용될 수 있다. 아래의 상세한 시스템 예에서, 종래의 중력 모래 필터는 막 중력 필터로 전환된다. 전환 공정은 종래의 필터 및 그것의 작동 모드에 일부 변화를 수행하지만, 또한 기존 구성요소중 일부를 사용한다. 변화는 아래에서 설명되는 순서로 수행될 필요는 없다. 아래에서 설명되는 변화는 또한 상이한 유형의 기존 급속 모래 필터에 대해 조정되어야 할 수 있다.

기존 필터를 전환시키기 위해, 기존 모래 및 임의의 다른 매체가 제거된다. 막 모듈은, 예컨대, 그들을 탱크의 하부, 기존 하부집수부의 일부였던 다공성 플랫폼, 또는 탱크의 측부 또는 상부 가장자리에 추가되는 브래킷 상에 지지시킴으로써, 탱크에 추가된다. 통상적으로, 다수의 카세트 또는 막 모듈이 요구된다. 각각의 카세트로부터의 투과 포트 또는 파이프가 투과액 매니폴드(manifold)에 연결된다. 투과액 매니폴드는 기존 클리어웰(clearwell) 및 기존 역세수 공급 매니폴드에 연결된다. 여과를 위한 막 통과 압력(TMP)은 이전 모래 상을 통해 여과를 구동하기 위해 사용되었던 동일한 중력 유도 정수두 차이에 의해 생성될 수 있다. 하부집수부와 클리어웰 사이의 이전 연결관 및 역세수 공급 매니폴드는 폐쇄된다. 일부 경우에서, 이것은 탱크 내부로부터 기존 통로로의 투과액 매니폴드를 하부집수부로부터 탱크 외부로 연결함으로써 이루어질 수 있다. 이 경우, 탱크 벽을 통해 어떠한 새로운 구멍도 요구되지 않는다. 추가로, 기존 통로가 여과수 제거 및 역세수 공급 둘 다에 사용되었다면, 클리어웰로부터 투과액 매니폴드를 격리시키도록 작동가능한 밸브 및 역세수 공급 매니폴드로부터 투과액 매니폴드를 격리시키도록 작동가능한 밸브가 이미 제자리에 있을 것이다. 이 옵션은 또한, 기존 하부집수부를 클리어웰 및 역세수 공급으로부터 동시에 연결 해제하기 위하여 사용될 수 있다. 다르게는, 투과액 매니폴드는 다른 개구를 통해 탱크 벽을 통해 통과할 수 있다. 예컨대, 일부 급속 모래 필터는 워셔(washer)용 탱크 벽 침투공(penetration)을 가지며, 이들은 막 시스템에서 폐기될 것이다. 이 침투공은 투과액 매니폴드에 대해, 바람직하게는 그 크기를 증가시킨 이후에, 사용될 수 있다. 다른 옵션에서, 전체적으로 새로운 탱크 벽 천공 또는 탱크 벽 위의 사이펀이 사용될 수 있다. 이 경우에, 투과액 매니폴드는 탱크 외부로부터 격리 밸브를 통해 기존 클리어웰 및 기존 역세수 공급 매니폴드로 연결된다. 이 연결이 어떻게 이루어지는지에 따라(즉, 기존 격리 밸브의 상류 또는 하류의, 결합된 클리어웰 및 역세 헤더로, 또는 별개의 클리어웰 및 역세 헤더로) 하나 이상의 격리 밸브가 추가될 수도 있거나, 추가되지 않을 수도 있거나, 추가될 필요가 있다. 추가로, 이 연결은 기존 하부집수부를 기존 클리어웰 및 역세수 공급으로부터 동시에 연결해제하거나 또는 연결해제하지 않는다. 위에서 기재된 옵션중 임의의 옵션에서 필요하다면, 탱크 벽을 통한 하부집수부로의 기존 도관은 별개의 단계로서 폐쇄될 수 있다. 일부 경우에서, 이것은 기존 격리 밸브를 폐쇄함으로써 이루어질 수 있다. 다르게는, 탱크 벽을 통한 하부집수부로의 기존 도관은 탱크 배수부로서 사용될 수 있다.

기존 급속 모래 필터 탱크에 대한 변화는 임의적으로 역세 이후에 탱크를 배수하기 위해 사용될 탱크 배수부를 추가하는 것을 포함한다. 일반적으로 이것은 기존 모래 필터의 기존 역세 폐수 출구에 탱크의 하부를 연결함으로써 달성된다. 하나의 옵션에서, 기존 하부집수 배출 도관은 클리어웰 및 역세수 공급으로부터 연결해제될 수 있으며, 대신에 밸브를 통해 역세 폐수 채널에 연결될 수 있다. 다른 옵션에서, 바람직하게는 탱크의 하부에서 탱크 벽을 통해 새로운 개구가 형성되며, 밸브를 통해 역세 폐수 채널에 연결된다. 예컨대, 역세 폐수 채널이 역세 폐수 채널과 공유되는 탱크 벽에 의해 부분적으로 형성되는 경우, 탱크 벽을 통해 개구가 형성될 수 있으며, 개구에 수문 게이트가 장착될 수 있다. 이 옵션이 새로운 개구를 요구하지만, 새로운 개구는 보다 급속한 탱크 배수를 허용하기 위해 이전 하부집수 배출 도관보다 클 수 있다.

위의 옵션에서, 트로프는 역세수를 수집하기 위해 더 이상 사용되지 않는다. 트로프는 제거되거나 또는 제자리에 남겨질 수 있다. 트로프가 제자리에 남겨지면, 공급수는 트로프를 통해 탱크로 도입될 수 있고, 이는 공급수의 보다 균일한 분포를 촉진시킬 수 있다. 그러나, 트로프를 제거하는 것이 바람직하다. 이것은, 트로프가 탱크 깊이의 상당한 부분을 점유하기 때문이고, 트로프를 제거함으로써 보다 많은 막 모듈이 탱크에 추가될 수 있다. 예컨대, 일부 경우에서 지위드™ 1000 모듈을 이용하면, 트로프가 제거되는 경우 모듈의 제 2 층이 추가될 수 있다.

역세 폐수가 기존 트로프로부터 제거될 수 있지만, 보다 많은 잔류된 고형물이 막 시스템에서 탱크를 배수함으로써 탱크로부터 제거될 수 있다. 모래 상을 이용하면, 탱크 배수시 잔류된 고형물이 모래에 포획될 것이고, 따라서 역세 폐수는 상 위의 트로프로부터 배출된다. 대조적으로, 고형물이 잔류된 물은 상당한 양의 고형물이 모듈에서 포획되지 않고 막 모듈을 통해 또는 막 모듈을 우회하여 수직방향으로 하향 유동할 수 있다.

트로프의 임의적 제거 이외에, 기존 시스템의 공급수 공급 시스템은 수정될 필요가 없다.

임의적으로, 흡착 카트리지가 모듈 위에 추가될 수 있다. 흡착 카트리지는 가용성 오염물질을 제거하며, 또한 일부 깊이 여과를 제공할 수 있다. 예컨대, 흡착 카트리지는 용해된 미세-오염물질을 제거하는 능력을 갖는 활성탄과 같은 과립상 흡착제를 포함할 수 있다.

시스템에 사용되는 막 모듈은 바람직하게는 한외여과 또는 정밀여과 범위의 기공을 가지는 임의의 침수 막 모듈일 수 있다. 하나의 적합한 모듈은 지이 워터 앤드 프로세스 테크놀로지즈가 판매하는 지위드™ 1000 모듈이다. 이 모듈은 한 쌍의 대향하는, 수직방향으로 배향된 직사각형 배선함 사이에 걸려있는 수평방향의 중공 섬유를 가진다. 슈라우드 플레이트(shroud plate)가 배선함 사이에서 연장된다. 모듈은 공급수가 모듈을 통해 유동하게 하기 위한 수직방향 유동 경로를 가지면서 평면도에서 직사각형 단면을 가진다. 카세트를 형성하기 위해 다수의 모듈이 공통 프레임에서 제공될 수 있다. 카세트는 모듈의 하나 이상의 층을 가질 수 있다. 다수의 층이 존재하면, 모듈은 수직방향 유동 경로가 카세트를 통해 지속되도록 카세트에서 수직방향으로 정렬된다.

흡착 카트리지(존재하는 경우)는 막과 동시에 역세된다. 역세수는 먼저 막을 통해 유동하며, 그 다음 흡착 카트리지를 통해 유동한다. 역세수가 추가될 때 탱크의 수위가 상승하고, 역세수가 첨가되는 동안 흡착 카트리지를 통해 물의 전반적 상향류(upflow)가 존재한다. 트로프가 제거되지 않고 역세를 위해 사용된다면, 초과 역세수는 트로프를 통해 탱크를 떠난다. 다르게는, 역세수가 추가된 이후에, 밸브(이는 임의적으로 게이트일 수 있음)를 개방하여 탱크를 배수시킨다.

지위드™ 1000 모듈은 특히 흡착 카트리지와 함께 사용하기에 적합하다. 이 모듈을 통한 수직방향 유동 경로는 슈라우드 플레이트 및 배선함에 의해 경계가 이루어진다. 통기 파이프(및 임의적으로 또한 투과액 파이프)는 모듈의 하부에서 유동 경로의 입구를 부분적으로 폐색한다. 따라서, 대부분의 공급수는 모듈 위로부터 모듈(또는 그들의 수직방향으로 정렬된 스택)에 진입하고, 이는 공급수가 모듈에 도달하기 이전에 흡착 카트리지를 통해 통과하도록 조장한다. 모듈 위에 흡착 카트리지를 위치시키고 흡착 카트리지 위로부터 탱크로 공급수를 추가하는 것도 공급수가 모듈에 도달하기 이전에 흡착 카트리지를 통과하도록 조장한다. 지위드™ 1000 모듈이 역세되면, 대부분의 역세수는 막을 통과한 이후에 모듈(또는 스택) 밖으로 위쪽으로 상승한다. 이것은, 역세 동안 흡착 카트리지를 통해, 유동하는 물의 상승 속도를 임의적으로는 흡착 카트리지 내의 매체의 상을 유동화시키는 지점까지 증가시켜, 포획된 고형물을 보다 양호하게 방출하는 것을 돕는다. 그러나, 다른 모듈이 또한 사용될 수 있다. 모듈 주위에 수직방향으로 연장된 슈라우드를 배치하고, 필요하다면 슈라우드 영역 또는 모듈의 하부를 통한 상향 유동을 부분적으로 차단함으로써, 다른 모듈 설계의 경우에도 위에서 기재될 수 있는 효과와 유사한 효과가 달성될 수 있다.

모듈을 통한 상향 유동은 또한 역세 동안 모듈 아래로부터 제공된 기포에 의해 강화될 수 있다. 일부 경우에서, 기존 필터는 역세수에 기포를 제공하기 위한 공기 송풍기(air blower)를 이미 가진다. 공기 송풍기는 바람직하게는 모듈이 제공된 통기장치에 대신 연결되며, 기포로 막을 세정하도록 설계된다.

임의적으로, 막을 세정하거나 또는 막의 투과율을 유지하는 것을 돕기 위해 염소가 역세수에 주입될 수 있다. 막 중력 필터에 사용하기에 적합한 염소처리된 역세를 이용하는 막 작동 공정중 하나의 예는 본원에 참고로 인용된, 2015년 8월 27일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 62/210,915 호(Conversion of Media Filters into Gravity Membrane Filters)에 기재되어 있다. 흡착 카트리지, 예컨대 과립상 활성탄(GAC)을 가지는 흡착 카트리지가 사용되면, 흡착 카트리지는 역세수를 탈염소처리하는 것을 도울 수 있고, 이는 공급수에서 염소화 부산물의 형성을 완화할 수 있다.

여과 공정의 예가 아래에서 설명될 것이다. 공정은 막 여과 시스템, 예컨대 위에서 또는 아래의 보다 상세한 예에 기재되는 개조 시스템에 사용될 수 있다. 공정은 반복되는 사이클로 작동한다. 아래의 기재에서, 사이클은 비어있는 탱크로 시작하는 것으로 기재되지만, 공정이 순환적이기 때문에 이것은 임시 시작 점이다.

먼저, 예컨대 기존 또는 종래의 공급 분배 시스템을 통해 공급수를 도입하여 막 위의 수준까지 탱크를 채운다.

두 번째, 보다 많은 공급수를 탱크에 추가하는 동안 공급수를 여과한다. 여과 밸브(즉, 투과액 매니폴드와 클리어웰 사이의 격리 밸브)를 개방하고, 여과수(투과액)를 막을 통해 생성시킨다. 바람직하게, 대부분의 공급수는 하나 이상의 흡착 카트리지를 통해 유동한 이후에 위로부터 또는 다른 방식으로 막 모듈에 진입한다. 흡착 카트리지(만약 있는 경우)은 물이 흡착 카트리지를 통해 유동할 때 미세-오염물질을 제거한다. 흡착 카트리지의 하나 이상의 스크린 또는 흡착 카트리지의 과립상 흡착 매체, 또는 둘 다는 또한 막에 도달하기 이전에 보다 큰 입자(공급수에 존재하는 경우)를 제거함으로써 막을 보호할 수 있다. 공급수는 막을 통해 여과되고, 투과액 매니폴드를 통해 탱크 밖으로, 예컨대 클리어웰로 유동한다.

세 번째 단계는 막을 역세(역-펄싱이라 또한 칭해짐)하고 흡착 카트리지(존재하는 경우)를 역세함을 포함한다. 역세를 개시하기 위해, 공급물 유동을 차단하고, 역세 펌프를 시작한다. 역세 펌프는 예컨대 클리어웰로부터 막을 통해 역방향으로(투과방향으로) 투과액을 푸시한다. 막을 역세시키는 투과액의 대부분은 모듈의 상부를 통해 빠져나오며, 또한 흡착 카트리지를 역세한다. 역세는 바람직하게는 모듈의 하부에서 공기를 주입함으로써 강화된다. 역세 동안, 과립상 매체는 팽창 또는 유동화되어 임의적으로는 흡착 카트리지의 전체 부피를 채울 수 있다.

네 번째 단계는 탱크를 배수함을 포함한다. 위에서 언급된 바와 같이, 역세수는 다르게는 종래의 급속 모래 필터에서와 같이 역세 트로프를 통해 배출될 수 있고, 이는 이러한 예시적 공정의 첫 번째 및 네 번째 단계를 대체할 것이다. 그러나, 바람직한 방법은 탱크를 배수하는 것인데, 그 이유는 이것이 사이클의 여과 단계 동안 누적되는 고형물의 더욱 거의 완전한 제거를 허용하기 때문이다. 지위드™ 1000 모듈의 경우, 대부분의 역세수(즉, 50％보다 많음, 임의적으로는 80％보다 많거나 90％보다 많음)는 하나 이상의 수직방향으로 정렬되는 모듈의 스택 및 흡수 카트리지(존재하는 경우)를 통해 상향 유동한다. 그 다음, 역세수는, 모듈 사이에 또는 모듈의 카세트 사이에 그 목적을 위해 제공된 공간을 통해 유동함으로써, 모듈 아래의 역세 폐수 배출 포트(탱크 배수부라 또한 칭해짐)로 하향 유동할 수 있다. 예컨대, 모듈은 탱크의 풋프린트의 80 내지 90％만을 점유할 수 있다. 지위드™ 1000 모듈의 설계는 또한 보다 작은 양의 유동(예컨대, 약 10％)이 모듈의 하부를 통해 빠져나가게 허용하여, 탱크가 보다 완전히 비워질 수 있고, 탱크가 배수될 때 보다 많은 고형물이 제거될 수 있게 한다.

그 다음, 공정은 첫 번째 단계로 돌아가서 반복된다. 역세의 빈도는 전체 회수율이 95％ 이상 되도록 하는 것일 수 있다. 이것은 전형적으로 하루 1 내지 3회 역세시키는 것을 초래한다.

도 6은 급속 모래 필터에 대한 개조로서 설계되는 막 중력 필터(10)의 예를 도시한다. 모래가 탱크(12)로부터 제거되어서, 막 모듈(14)이 탱크(12) 내에 배치되게 허용한다. 도시되는 예에서, 모듈(14)은 지위드™ 1000 모듈이며, 이전에 매체 상을 지지하던 다공성 플랫폼(16) 상에 놓여 있다. 임의적으로는, 다공성 플랫폼(16)(또는 다른 하부집수 시스템)은 제거될 수 있고, 모듈(14)은 탱크(12)의 하부 상에 직접적으로 지지될 수 있다. 다른 옵션에서, 다공성 플랫폼(16)의 구멍(17)은 사실상 다공성 플랫폼(16)의 고도에서 탱크 하부를 제공하도록 채워질 수 있다. 막 모듈(14)의 두 개의 층이 도시되지만, 임의적으로 보다 많은(3개 이상) 또는 보다 적은(1개의) 층이 존재할 수 있다. 모듈(14)은 바람직하게는 탱크(12)의 풋프린트의 적어도 80％를 점유하지만, 도면을 간락화시키기 위하여 모듈(14)의 카세트 하나만을 도 1에 도시한다. 임의적 흡착 카트리지(18)는 각각의 모듈(14)의 상부에 고정(snap)되거나 또는 달리 부착될 수 있다. 다른 옵션에서, 모듈(14) 또는 흡착 카트리지(18)는 유지보수 동안 이동될 수 있는 그레이트(grate)로 덮일 수 있다.

모듈(14)은 상부에서 개방되고 하부에서 부분적으로 개방되는 수직방향 유동 채널을 규정한다. 대부분(즉, 50％ 이상), 바람직하게는 80％ 이상, 또는 90％ 이상의 공급수는 스택(20)의 상부로부터 하나 이상의 수직방향으로 정렬된 모듈(14)의 스택(20)에 진입한다. 대부분(즉, 50％ 이상), 바람직하게는 80％ 이상 또는 90％ 이상의 역세수는 스택(20)의 상부로부터 하나 이상의 수직방향으로 정렬된 모듈(14)의 스택(20)을 떠난다. 모듈(14)은 스택(20)에서 최저 모듈(14)의 하부 근처 또는 그 아래에 통기 그리드(11)를 가진다. 모듈(14)의 통기 그리드는 역세 동안 막 외부에 기포를 제공할 때 사용하기 위한 하나 이상의 공기 송풍기에 이르는 공기 공급 네트워크(15)에 연결된다. 임의적으로, 급속 모래 필터가 공기 보조 역세를 사용하였다면, 공기 공급 네트워크(15)는 기존 공기 공급 시스템의 하나 이상의 파이프 및 송풍기에 연결될 수 있다.

각각의 모듈(14)의 투과액 출구는 투과액 및 역-펄스 헤더(22)에 연결된다. 투과액 및 역-펄스 헤더(22)는 도시된 스택(20)의 상부에 또는 다른 수준에, 예컨대 스택(20)의 하부에 있을 수 있다. 도시되는 예에서, 투과액 및 역-펄스 헤더(22)가 스택(20)의 상부에 있는 경우, 중력 필터 내의 워셔에 이전에 사용된 벽 침투공(21)은 적절한 높이에 있을 수 있으며, 투과액 및 역-펄스 헤더(22)를 수용하도록 확대될 수 있다. 다르게는, 투과액 및 역-펄스 헤더(22)에 대한 탱크(12) 내에 새로운 개구를 형성할 수 있다. 이 경우, 워셔 침투공은 덮이거나, 채워지거나 또는 그렇지 않으면 폐쇄된다. 임의적으로, 투과액 및 역-펄스 헤더(22)에는 또한 공기 배기공(27) 및 화학적 투여 포트(29)가 설치된다.

투과액 및 역-펄스 헤더(22)는 탱크 외부에서 기존 하부집수 출구(24)에 연결된다. 기존 하부집수 출구(24) 내의 격리 밸브(26)는 영구적으로 폐쇄된다. 다르게는, 편리하게 위치된 격리 밸브(26)가 존재하지 않으면, 하부집수 출구(24)는 양 단부 상에서 예컨대 도 1에 격리 밸브(26)가 도시된 곳 주위에서 절단 및 캡핑될 수 있다. 임의적으로, 탱크(12)의 하부와 연통하는 기존 탱크 배수 파이프(25)가 존재한다면, 그것은 전체 탱크가 배수될 때 유지보수 절차 동안 사용하기 위해 제자리에 남겨질 수 있다.

투과액 및 역-펄스 헤더(22)는 역세 밸브(34)를 이용하여 하부집수 출구(24)를 통해 역세수 도관(30)에 연결되고, 여과수 밸브(32)를 사용하여 여과수 도관(28)에 연결된다. 이 파이핑 연결관은 기존 여액 및 역세수 밸브 및 채널의 사용을 수행하는데 요구되는 바와 같이 수정될 수 있다.

바람직하게는, 하나 이상의 벽 침투공(36)이 탱크(12)의 하부 근처에서 추가되며, 공급 및 배수 채널(41)에 대해 개방된다. 일부 경우에서, 공급 및 배수 채널은 탱크(12)와 일체로 캐스팅될 수 있다. 공급 및 배수 채널(41)은 탱크 배수 밸브(38)를 통해, 임의적으로 역세 폐수 연결관(42)을 통해 역세 폐수 채널(40)로부터 분리된다. 역세 폐수 채널(40)은 이전에 기존 필터 내의 트로프(44)로부터 폐 역세수를 받았다. 역세수가 여전히 트로프(44)를 통해 역세 폐수 채널(40)로 유동할 수 있지만, 벽 침투공(36)을 추가하는 것은 탱크(12)로부터 역세되는 보다 많은 고형물을 제거하기 위해 역세 동안 또는 역세 이후에 탱크(12)가 적어도 부분적으로 배수되도록 허용한다. 임의적으로, 투과액 및 역-펄스 헤더(22)는 또한, 역세 폐수 연결관(42)에 또는 직접적으로 역세 폐수 채널(40)에 연결되어, 투과액이 시설 시작 절차 동안 배수되도록 한다

다르게는, 격리 밸브(26)와 탱크(12) 사이의 하부집수 출구(24) 부분을 역세 폐수 채널(40)에 연결시킴으로써, 탱크 배수부를 제공할 수 있다. 그러나, 많은 기존 급속 모래 필터에서, 역세 폐수 채널(40)은 하부집수 출구(24) 근처에 위치되지 않으며, 따라서 보다 긴 역세 폐수 연결관(42)이 요구될 것이다. 추가로, 새로운 벽 침투공(36)(또는 다수의 새로운 벽 침투공(36))은 통상적으로 보다 작은 기존 하부집수 출구(24)의 크기보다 더 크게 형성될 수 있으며, 이는 보다 빠른 탱크 배수를 허용한다.

원수 공급을 위해 어떠한 변화도 요구되지 않는다. 도 1은 공급수 도관(46)이 공급 밸브(48) 및 기존 트로프(44)를 통해 탱크(12)에 연결되는 것을 도시하지만, 다른 공급 시스템이 가능하다. 예컨대, 트로프(44)는 제거될 수 있다.

흡착 카트리지(18)가 도 7에 보다 상세하게 도시된다. 흡착 카트리지(18)의 수평방향 단면은 일반적으로 모듈(14)의 수평방향 단면과 동일하다. 흡착 카트리지(18)는 용이하게 모듈(14)에 부착되고 모듈(14)로부터 제거되도록 적응된다. 다르게는, 흡착 카트리지(18)는 보다 커질 수 있으며 몇몇 모듈(14)을 덮을 수 있다. 흡착 카트리지(18)는 그의 둘레를 규정하는 고형 수직 벽(50)을 가진다. 벽(50)의 상부 및 하부에서의 스크린(52)은 내포된 공간을 생성한다. 스크린(52)은 상당한 유동에 대한 저항을 추가하지 않으면서 달리 과립상 흡착 매체(54)의 상(예컨대, 전형적으로 약 1mm 크기의 GAC)을 보유하는데 요구되는 약 0.5mm의 개구를 가질 수 있다. 임의적으로, 흡착 카트리지(18)는, 역세 동안 상의 팽창을 허용하도록 과립상 흡착 매체(54)로 30 내지 70％, 바람직하게는 40 내지 60％만 채워진다. 통상적으로 GAC가 사용되지만, 상이한 흡착 매체가 선택되어 상이한 미세-오염물질을 우선적으로 제거할 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 제 2 막 중력 필터(60)를 도시한다. 이 시스템은 막 중력 필터(10)와 유사하고, 동일한 참조 번호가 유사하거나 또는 동일한 부분을 표시하기 위해 사용된다. 그러나, 막 중력 필터(10)와 제 2 막 중력 필터(60) 사이에는 두 가지 주요한 차이가 존재한다.

한 가지 차이는 제 2 막 중력 필터(60)에서 탱크(12)가 성형된 콘크리트 역세 채널(40)과 공통의 벽을 공유한다는 점이다. 벽 침투공(36)은 탱크(12)를 역세 채널(40)에 연결시키는 동시에, 폐 역세수 연결관(42)을 제공한다. 탱크 배수 밸브(38)는 벽 침투공(36) 위의 수문 게이트에 의해 제공된다. 수문 게이트에 대한 점검을 제공하기 위해 다공성 플랫폼(16)을 통해 점검구(access hole)(17)를 형성한다. 다르게는, 다공성 플랫폼(16)은 완전히 제거될 수 있다.

두 번째 차이는 역-펄스 헤더(22)가 탱크(12) 내부에 위치된 어댑터(23)에 의해 하부집수 출구(24)에 연결된다는 점이다. 도시되는 예에서, 기존 하부집수부는 다공성 플레이트(16) 아래의 여과수 채널(62)로 구성되었다. 어댑터(23)는 하부집수 출구(24)의 개방형 단부에 끼워진다. 다르게는, 하부집수부가 자갈로 덮인 파이프의 네트워크로 구성되었다면, 자갈은 제거될 것이고, 파이프의 네트워크는 어댑터(23)가 끼워지기 이전에 하부집수 출구(24)로부터 절단될 것이다.

임의적으로, 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제 6,228,271 호에 기재된 방법을 사용하여 탱크가 비워지는 동안, 막 무결성(integrity)이 시험될 수 있다. 이 방법은 탱크를 배수시켜 역세 후 고형물을 제거하는 동안 수행될 수 있기 때문에, 이 방법은 작업 중단 시간을 거의 수반하지 않는다. 장비가 거의 필요하지 않으며, 막을 손상시킬 위험이 거의 없다. 그러나, 본 발명자들은 전체 크기 막 여과 시설에서 이 방법의 임의의 이용을 알지 못하였다. 이것에 대한 이유는, 시험이 고 유속 시스템에서, 염려되는 다양한 기생충들, 예컨대, 크립토스포리디움(Cryptosporidium)을 통과시키기에 충분히 큰 크기의 결함을 발견하기 위해 매우 높은 흡입 압력을 요구한다는 점일 수 있다. 그러나, 종래의 급속 모래 필터는 이러한 기생충들을 완전히 제거하지 못하며, 그 대신에 예컨대 오존 또는 염소에 의한 하류 소독과 통상적으로 결합된다. 추가로, 막 중력 필터는 고 유속으로 작동하지 않는다. 급속 모래 필터를 막 중력 필터로 전환할 때, 예컨대 임의의 중공 섬유 막이 파손되었는지 여부를 결정하거나, 또는 필터가 3.5 이상의 LRV(log reduction value)로 작동하고 있음을 확인하기 위해서만 막 무결성 시험이 요구된다. 이 결과는 비어있는 탱크 막 무결성 시험으로 실질적으로 달성될 수 있다.

비어있는 탱크 막 무결성 시험에서, 막의 투과액 측에 흡입을 적용시키기 위해 펌프가 사용된다. 보다 높은 흡입 압력은 시험의 분해능을 증가시킨다. 특정된 흡입 압력을 적용시키고 물 유량을 측정함으로써 탱크가 비어있을 때, 시험이 수행된다. 완벽하게 일체형인 시스템은 임의의 유량을 생성하지 않을 것이다. 실제 시스템은 동일한 유량을 생성시키는 단일 결함의 크기로 수학적으로 변환될 수 있는[영(Young) 및 라플라스(Laplace) 방정식에 의해] 유량을 생성할 것이다. 다르게는, 유량은 아래에서 재현되는 미국 특허 제 6,228,271 호에서의 방정식에 의해 로그 감소 값으로 변환될 수 있다.

결함 크기(d)에 대한 영 및 라플라스 방정식:

누설 유량:

로그 감소 값:

점도 보정 계수:

압력 보정 계수:

공기가 흡입을 생성하는 장치에 도달하기 이전에 유량 측정이 이루어져야 한다. 예컨대, 도 6에 도시되는 바와 같이, 흡입 펌프(50)가 MIT 밸브(52)를 통해 투과액 헤더(22)에 추가된다. 압력 게이지(54)가 특정된 시험 흡입 압력에 도달되었음을 나타낼 때까지 펌프 속도를 증가시킨다. 그 다음, MIT 밸브(52)를 개방하고, 유랑계(56)를 통해 유량을 측정한다. 임의적으로, 흡입 펌프(50)는 사이펀을 생성하도록 아래쪽으로 연장되는 튜브로 대체될 수 있다.

큰 급속 모래 필터를 개조하는 데에는 약 15L/m²/h로 작동하는 1000개 이상의 지위드™ 1000 모듈이 요구될 수 있다. 투과액 헤더는 약 2.4m³의 물을 포함한다. 직경 3 내지 4mm의 단일 구멍과 동일한 결함을 발견하기에 충분한 시험은 약 0.5바의 흡입 압력을 요구할 것이다. 이러한 조건 하에서, 시스템의 LRV를 3.5로 감소시키기에 충분한 결함은 60 내지 70m³/h의 유동을 생성할 것이고, 시험 지속 시간은 2분으로 제한될 것이다. 다르게는, 사이펀에 의해 적용되는 1.5m의 흡입 압력은 (모듈에서의 고도에 따라) 직경 9 내지 14mm의 단일 구멍과 동일한 결함을 발견하기에 충분할 것이다. 이러한 조건 하에서, 시스템의 LRV를 3.5로 감소시키기에 충분한 결함은 13 내지 15m³/h의 유동을 생성할 것이고, 시험 지속 시간은 10분으로 제한될 것이다.

펌프가 없는 단순한 시험은 시스템이 적어도 3.5의 LRV에서 작동하고 있는지 아닌지를 결정하기에 충분하다. 위에서 설명된 조건 하에서, 13m³/h 미만의 시험 유량은 "PASS"인 반면, 13m³/h 이상의 시험 유량은 "FAIL"이다.

도 9는 막 모듈(214) 및 수착(sorption) 모듈(202)을 갖는 어셈블리(200)를 도시한다. 어셈블리(200)는 상기 기재된 임의의 시스템 또는 공정에 사용될 수 있다.

막 모듈(214)은 2개의 배선함(216) 사이에 보유되는 복수개의 막(218)을 갖는다. 막(218)의 내부는 두 배선함(216)에 개방되어 있고 유체 연통되어 있다. 도시된 예에서, 배선함(216)은 수직으로 연장되어 다수개의 막 모듈(214)이 함께 적층되도록 한다. 플러그가 스택의 최저 모듈(214)의 배선함(216)의 한쪽 말단을 밀봉한다. 도시된 막(218)은 중공 섬유 막이지만, 다른 유형의 막도 사용될 수 있다. 도면을 단순하게 하기 위하여 단지 몇 개의 막(218)만이 도시되어 있으나, 모듈(214)은 수십개, 수백개 또는 수천개의 막(218)을 가질 수 있다. 다른 구성을 갖는 모듈도 사용할 수 있으나, 도시된 구성은 단일 투과액 헤더 파이프(222)에 연결된 소형 적층된 어셈블리를 가능케 한다. 배선함(216) 사이의 슈라우드는 공급수가 모듈(214)을 통해 유동하도록 하는 수직 채널을 제공한다. 도시된 모듈(214)은 시판중인 지위드™ 1000 모듈과 유사하지만 2개의 투과 배선함(216)을 갖는다.

수착 모듈(202)은 입구(224), 출구(226) 및 임의적인 우회 도관(228)을 갖는다. 직사각형 관(230)(또는 예컨대 측벽, 상부 벽 및 바닥 벽의 상응하는 어셈블리)은 입구(224), 출구(226) 및 우회 도관(228)에 연결될 때 밀봉된 하우징을 제공한다. 하우징은 과립상 활성탄 같은 흡착 매체의 매체 상(234)을 함유한다.

수착 모듈(202)은 막 모듈(214) 상에 적층될 수 있다. 수착 모듈(202) 또는 막 모듈(214)의 통합된 일부일 수 있는 연결관(244)은 수착 모듈(202)의 입구(224)를 막 모듈(214)의 배선함(216)에 연결한다. 수착 모듈의 출구(226)는 제 1 밸브(240)를 통해 투과액 헤더 파이프(222)에 연결된다. 다른 연결관(244)은 다른 배선함(216)을 우회 도관(228)에 연결한다. 우회 도관(228)은 제 2 밸브(242)를 통해 투과액 헤더 파이프(222)에 연결된다.

제 1 작동 모드에서는, 예를 들어 상기 기재된 임의의 시스템 또는 방법에서와 같이 투과액 헤더 파이프(22)를 이용하여 투과액을 추출하고, 제 1 밸브(240)는 개방되고 제 2 밸브(242)는 폐쇄된다. 공급수가 막(218)을 통해 통과할 때 투과액(250)이 형성되고, 우측 배선함(216)에 모인다. 이어, 투과액(250)은 입구(224)를 통해 매체 상(234) 내로(즉, 구멍(252)을 통해), 출구(226) 및 개방된 제 1 밸브(240)를 통해 투과액 헤더 파이프(222) 내로 유동한다. 이 제 1 작동 모드에서는, 매체 상(234)에서의 흡착에 의해 투과액(250)을 처리한다.

제 2 작동 모드에서는, 투과액 헤더 파이프(222)를 사용하여 예컨대 상기 기재된 임의의 시스템 또는 방법에서와 같이 투과액을 추출하고, 제 1 밸브(240)는 폐쇄되고 제 2 밸브(242)는 개방된다. 공급수가 막(218)을 통해 통과할 때 투과액(250)이 형성되고, 좌측 배선함(216)에 모인다. 이어, 투과액(250)은 우회 도관(228)을 통해 투과액 헤더 파이프(222) 내로 유동한다. 이 제 2 작동 모드에서는, 매체 상(234)에서의 흡착에 의해 투과액(250)이 처리되지 않는다. 흡착 처리가 요구되지 않을 때, 예를 들어 정기적으로 이 작동 모드를 이용할 수 있다. 이는 여전히 허용가능한 생성수가 생성되도록 하면서 흡착 매체의 수명을 연장할 수 있다. 그러나, 제 2 작동 모드의 사용은 임의적이다.

제 3 작동 모드에서는, 예를 들어 상기 기재된 임의의 시스템 또는 방법에서와 같이 투과액 헤더 파이프(222)을 이용하여 역세를 위해 투과액을 복귀시키며, 제 1 밸브(240)는 폐쇄되고 제 2 밸브(242)는 개방된다. 투과액(250)은 우회 도관(228)을 통해, 이어 좌측 배선함(216)을 통해, 또한 막(218)을 통해 유동한다. 그러나, 우회 도관(228)의 사용은 매체 상(234)의 미세한 물질이 막 내로 유동하지 않도록 한다. 제 1 작동 모드 또는 제 2 작동 모드로 작동되는 기간 사이에 간헐적으로 이 제 3 작동 모드를 이용한다.

Claims

막을 통해 물을 여과하는 단계;
여과된 물을 흡착 매체를 통해 유동시키는 단계; 및
상기 막을 수착(sorption)에 의해 처리된 여과된 물로 역세(backwashing)하는 단계
를 포함하는, 침수(immersed) 막을 작동시키는 방법으로서, 이 때
상기 여과된 물이 역세를 위해 막으로 다시 유동할 때 흡착 매체를 우회(bypass)하는 방법.
제 1 항에 있어서,
주기적으로 여과된 물을 흡착 매체를 통하지 않고 유동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 여과된 물이 역세를 위해 막으로 다시 유동될 때 흡착 매체를 함유하는 모듈의 도관을 통해 통과하는, 방법.
탱크;
탱크 내의 침수 막 모듈; 및
탱크 내의 밀봉된 수착 모듈
을 포함하는 여과 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 수착 모듈이 침수 막 모듈 위에 위치하거나 또는 막 모듈 상부에 부착되는, 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 수착 모듈의 내부가 막 모듈의 배선함(potting head)에 연결되는, 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 수착 모듈이, 막 모듈의 다른 배선함에 연결된 우회 도관을 갖는, 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 시스템이, 수착 모듈의 내부 및 막 모듈의 우회 도관에 연결된 역세 파이프 및 투과액을 포함하는, 시스템.
중력에 의해 막을 통해 물을 여과하는 단계; 및
상기 막을 산화제를 함유하는 물로 상기 막을 역세시켜 상기 막이 Cl₂로서의 산화제 700분*mg/L 이하의 주간 투여량에 노출되도록 하는, 단계
를 포함하는, 침수 막을 작동시키는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 막을 하루에 5회 이하로 역세시키는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 막을, 6개월 이상의 기간에 걸쳐 재생 회복 세정으로 처리하지 않는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
중력에 의해 막을 통해 25kPa 이하 또는 20kPa 이하의 막 통과 압력(transmembrane pressure)을 형성시킴을 포함하는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
중력에 의해 막을 통해 물을 여과하는 단계는, 20L/m²/h 이상의 유속으로 막을 통해 물을 여과함을 포함하는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
산화제를 함유하는 물로 상기 막을 역세시켜 상기 막이 Cl₂로서의 산화제 500분*mg/L 이하의 주간 투여량에 막을 노출되도록 함을 포함하는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 산화제를, 바이오필름(biofilm) 또는 오염(fouling) 층을 죽이거나 제거하지 않으면서 더욱 다공성인 바이오필름 또는 오염 층을 제공하는데 효과적인 양으로 투여하는, 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
역세 후 막을 함유하는 탱크를 배수시킴(draining)을 추가로 포함하는, 방법.
제 16 항에 있어서,
탱크가 비어 있는 동안 막의 무결성(integrity) 시험을 수행함을 추가로 포함하는, 방법.