KR19980070975A - 침지형 중공사막 모듈 및 이를 사용하는 폐수처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고농도 폐수의 여과에 사용하는 침지형 중공사막 모듈(hollow fiber membrane module) 및 이를 사용하는 폐수처리방법에 관한 것으로, 중공사막 묶음, 중공사막 고정부 및 흡인(suction)라인으로 이루어진 여과부와 공기파이프 및 공기노즐로 이루어진 포기(bubbling)부를 포함하는 중공사막 모듈을 폐수속에 침지시키고 공기를 포기시켜 중공사막 표면을 세척하면서 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과함으로써, 중공사가 오염물로 인해 뭉치지 않고 여과도중 중공사막을 효과적으로 세척하여 막의 폐색을 방지하고, 여과 기능의 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 경제적이면서 효율적으로 폐수를 처리할 수 있다.
Description
본 발명은 고농도 폐수의 여과에 사용하는 침지형 중공사막 모듈 및 이를 사용하는 폐수처리방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 여과부와 포기부를 포함하는 침지형 중공사막 모듈, 및 이 중공사막 모듈을 폐수속에 침지시키고 공기를 포기시켜 중공사막 표면을 세척하면서 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과함으로써 중공사가 오염물로 인해 뭉치지 않고 여과도중 중공사막을 효과적으로 세척하여 막의 폐색을 방지할 수 있는 방법에 관한 것이다.
전통적으로 중공사막 모듈은 무균수, 음용수, 초순수 제조 등 정밀 여과 분야에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 하수 종말처리에서의 2차 및 3차 처리, 정화조에서의 고액분리, 산업폐수에서의 부유물질(SS, Suspended Solid) 제거, 하천수의 여과, 공업용수의 여과 및 수영장물의 여과 등에 이의 적용이 시도되고 있다(문헌[Enviromental Tech., 8, 121-132(1987)] 참조).
그러나, 이런 응용분야에서 사용되는 대부분의 중공사막 모듈은 원통형 관안에 원형으로 배열된 중공사막 묶음을 포함하는 케이싱 타입의 원통형 모듈(문헌[수도협회잡지, 62(2), 28(1993)] 참조)로서, 이제까지 단지 중공사막의 충진밀도와 충진형태에 대한 개선만이 종종 이루어져 왔다. 그러나, 기존의 교차흐름 방식(Cross Flow Type)의 케이싱 타입의 원통형 중공사막 모듈이 고농도 폐수(SS 50ppm 이상 및 TOC(총유기물질) 100ppm 이상)에 적용될 때, 케이싱 내부에 혼탁질이 머물거나 케이싱 내부에 치밀하게 꽉 들어차는 중공사막 사이에 혼탁질이 퇴적되거나 탁질로 인해 필터 단면이 막히는(유로 폐색) 등 여과 유속을 감소시키기 때문에, 빈번히 역세척을 해야 하고 역세척 장치가 복잡하여 조작이 어렵고 에너지 비용이 높을 뿐만 아니라(문헌[용수와 폐수, 29(10), 954-965(1987)] 참조), 역세척 및 주기적인 막표면세척 후에도 모듈의 여과기능을 쉽게 회복시키지 못하는 단점이 있다. 상기와 같은 유로 폐색현상은 특히 원통형 모듈의 중심부분의 중공사막에서 잘 일어나고, 이런 이유로 기존의 케이싱 타입의 원통형 모듈은 폐수처리에 적용시 큰 막면적을 필요로 한다.
이에 본 발명자들은 예의 연구를 계속한 결과, 여과부와 포기부를 포함하는 중공사막 모듈을 사용하여 공기를 포기시켜 중공사막 표면을 세척하면서 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과함으로써 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 고농도 폐수처리시 중공사막 모듈의 중공사가 오염물로 인해 뭉치지 않고, 여과도중 중공사막을 효과적으로 세척하여 막의 폐색을 방지할 수 있는 침지형 중공사막 모듈 및 이를 사용하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈의 종단면도(도 1a) 및 노즐이 있는 모듈 중간부분의 횡단면도(도 1b)이고,
도 2는 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈의, 공기노즐을 포함하는 공기파이프를 도시한 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 중공사막과 공기파이프를 고정시키는 중공사막 고정부를 도시한 종단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈을 이용한 폐수처리공정의 개략도이며,
도 5는 본 발명에 따른 도 4의 폐수처리공정에 의한 폐수처리시 중공사막 모듈의 흡인압을 운전시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 도 4의 폐수처리공정에 의한 폐수처리시 중공사막 모듈의 여과유속을 운전시간에 따라 나타낸 그래프이며,
도 7은 본 발명의 침지형 중공사막 모듈과 기존의 케이싱 타입의 원통형 모듈의 운전시간에 따른 흡인압 차의 변화를 비교한 그래프이다.
〈도면 부호에 대한 간단한 설명〉
1: 공기파이프 2: 중공사막 고정부
3: 중공사막 묶음 4: 흡인라인
5: 공기노즐 6: 수지
7: 원수 8: 폭기조
9: 공기공급라인 10: 흡인펌프
11: 송풍기 12: 처리수 저장조
13: 침지형 중공사막 모듈
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 수직 형태의 중공사막 묶음(3), 상기 중공사막 묶음(3)의 상단 및 하단에 위치된 중공사막 고정부(2) 및 상기 고정부(2)를 통해 중공사막 묶음(3)에 연결된 흡인라인(4)으로 이루어진 여과부와 상기 중공사막 묶음의 안쪽에 위치한 공기파이프(1) 및 상기 공기파이프(1)의 측면에 장착된 공기노즐(5)로 이루어진 포기부를 포함하는 침지형 중공사막 모듈을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 중공사막 모듈을 폐수속에 침지시키고 공기를 포기시켜 중공사막 표면을 세척하면서 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과하는 방법을 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 중공사막 모듈은 중공사막 묶음(3), 중공사막 고정부(2) 및 흡인라인(4)으로 이루어진 여과부와 공기파이프(1) 및 공기노즐(5)로 이루어진 포기부로 구성된다.
본 발명의 침지형 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막은 수직 형태로서 묶음으로 사용되며, 폴리설폰, 폴리비닐 알콜, 폴리메틸메타크릴레이트, 셀룰로오즈 아세테이트 및 폴리올레핀 중에서 선택하여 통상적인 방법으로 제조할 수 있으며, 그중에서도 기계적 강도와 인장강도가 뛰어난 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌과 같은 재질로 만든 중공사막이 가장 바람직하다.
또한, 여과기능의 수행시 기공의 크기, 기공율, 막두께 및 중공사막의 외경에 큰 제한은 없으나, 폐수중 제거하고자 하는 물질, 단위부피당 막면적 및 중공사의 강도 등을 고려할 때 통상적으로 기공의 크기는 0.01 내지 1㎛, 기공율은 20 내지 90%, 막두께는 5 내지 300㎛, 막의 외경은 20 내지 2,000㎛ 범위이다. 이때, 폐수중 박테리아 및 부유물질을 제거하기 위한 기공의 크기는 0.2㎛ 이하가 적절하며, 바이러스와 유기물질을 분리하기 위해서는 한외여과(ultrafiltration)가 적절하다. 본 발명의 중공사막의 기공의 크기는 0.1 내지 0.5㎛가 바람직하다.
일반적으로 소수성을 띠는 표면을 가진 막의 경우, 처리하고자 하는 물에 존재하는 유기물질과 막사이에서 일어나는 소수성 상호작용 및 유기물질의 막표면 흡착에 의한 막폐색이 일어나 막의 여과 수명을 짧게 하고, 막표면 세척에 의한 여과 성능의 회복을 어렵게 한다. 그러나, 친수성 중공사막을 사용하면 유기물과 막표면 사이의 소수성 상호작용을 억제하여 유기물질의 흡착을 최소화하므로, 친수화된 중공사막이 소수성 중공사막보다 폐수처리에 더 적절하다.
본 발명에 따르면, 중공사막 고정부(2)는 중공사막 배열에 따라 원통형 모양을 가지며, 전체 중공사막 모듈을 고정시키는 역할을 한다. 중공사막 고정부(2)는 양쪽 끝단이 짜여져서 원통형으로 말려진 중공사막(3)이 채워져 고정되어 있는 부분으로, 중공사막의 양쪽 끝단이 짜여져 있어, 중공사막의 간격을 균일하게 분포시켜 폐수중의 유기물질로 인한 뭉침현상을 억제할 수 있고, 고정부에 중공사막을 삽입하기가 간편하다.
상기 말려진 중공사막의 두께가 얇으면 중공사의 수가 적어 같은 부피에서 막표면적이 적어지게 되고, 두께가 두꺼우면 중공사를 고정부에 고정시키는데 어려움이 있다. 이런 이유에서 말려진 중공사막의 두께는 10 내지 200mm 정도가 바람직하다. 중공사막을 고정시키는 고정부의 재질은 적절한 기계적 강도와 내구성을 가지고 있는 폴리카보네이트, 폴리설폰, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지 및 개질된 폴리페닐렌에테르(PPE) 수지 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
중공사막을 고정부에 고정시키기 위해서는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지 또는 폴리우레탄 수지와 같은 액체 수지를 사용하여 경화시킨다. 액체 수지를 사용하여 중공사막을 고정시킬 때 중공사막의 끝을 통해서 액체 수지가 침투해 들어가는 것을 방지하기 위해, 액체 수지의 점도가 1,000 내지 2,500centipoise 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 중공사막 모듈을 사용하여 가압 여과(pressure filtration)방법(모듈을 밀폐된 용기에 넣고 처리하고자하는 물을 가압시켜 막에 통과시키는 방법)으로도 운전할 수 있으나, 흡인 여과(suction filtration)방법(모듈을 활성슬러지 탱크 또는 침전조에 담그어 막외부로부터 막내부로 흡인하여 여과하는 방법)을 적용하는 것이 더 바람직하다.
일반적으로 가압 여과방법으로 운전하는 동안에 막표면의 폐색의 정도는 막간 차압의 상승에 의해 측정한다. 막간 차압이 상승하는 것은 많은 양의 방해물질이 막표면에 축적된 것을 의미한다. 그러나, 흡인 여과방법에서는 흡인라인(4)에 부착된 진공게이지에 의해 흡인압을 측정하여 막표면의 폐색의 정도를 감시한다.
본 발명의 흡인라인(4)은 흡인펌프(10)와 중공사막 묶음(3)을 연결시키는 통로로서, 흡인펌프의 흡인압에 의해 중공사막을 통과한 처리수는 이 흡인라인을 통해 처리수 저장조(12)로 이송된다. 흡인압에 대한 특별한 제한은 없으나, 흡인라인에서 기체방울의 발생을 억제하기 위해서 흡인압을 40cmHg 이하로 운전하는 것이 좋고, 특히 막의 기공에 유기물질이 흡착되는 것을 방지하기 위해서는 10cmHg 이하로 운전하는 것이 좋다. 본 발명의 중공사막 모듈은 흡인여과시 5 내지 15cmHg의 저압에서도 막면의 오염물 퇴적을 억제해 원활히 여과를 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 중공사막 묶음(3)과 이들을 고정시키는 중공사막 고정부(2) 및 상기 고정부에 연결된 흡인라인(4)을 도 3에서 상세히 도시하고 있으며, 중공사막을 고정시키기 위해 수지(6)를 경화에 사용하고 있다.
본 발명에 따르면, 간헐 흡인방법을 사용하는 것이 막표면의 퇴적물의 축적을 방지하는데 바람직하다. 간헐적인 흡인에 있어서, 흡인시간 간격의 최적 조건은 처리하고자 하는 물의 오염정도에 의존하기 때문에 정확히 정하기 힘드나, MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도가 약 5,000ppm 정도인 폐수의 경우에는 흡인 주기 1 내지 30분 및 정지 주기 10초 내지 15분이 바람직하다.
한편, 중공사막 모듈을 사용하여 고농도 폐수를 여과할 때, 통상적으로 많은 양의 SS와 유기물이 막표면에 침적된다. 막표면에 침적된 유기물질을 세척하기 위해, 물의 난류흐름(water current), 공기 진동(air vibration), 초음파 등과 같은 방법을 사용하여 막표면의 침전물을 분리하는데, 이러한 세척을 하지 않으면 막표면에 누적된 유기물질은 막폐색을 일으키고 결과적으로 막수명을 단축시킨다. 또한, 이러한 목적에 사용되는 교차흐름 여과방법은 물의 흐름을 막표면과 평형하게 만들어 세척하는 방법으로서, 펌프나 모터를 사용하여 모듈이 포함된 하우징에 물의 난류흐름을 만드는 방법, 공기의 상향류를 이용하는 포기방법, 모듈 자체를 흔드는 방법 및 초음파를 이용하여 처리하고자하는 물을 진동시키는 방법 등이 있다.
본 발명의 중공사막 모듈은 위와 같은 막표면 세척방법 모두를 적용할 수 있으나, 그중에서도 특히 공기의 상향류를 이용하는 포기방법을 적용하며, 막표면 폐색의 정도에 따라 연속적 또는 간헐적으로 실행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 중공사막 묶음 가운데에 공기노즐(5)을 포함한 공기파이프(1)를 삽입하여, 공기에 의한 막표면의 세척의 효율을 극대화시키고 있다(도 3 참조). 도 2에 상세히 도시되는 바와 같이, 공기노즐(5)이 있는 공기파이프(1)를 중공사막 묶음 안쪽에 삽입하여 중공사막 묶음 안쪽에서 바깥쪽으로 공기를 불어내고, 공기노즐(5)을 노즐 끝이 위로 향하도록 설치하여 공기흐름을 막의 표면과 평행한 방향으로 토출되게 만듦으로써 막표면에 붙은 오염물질을 떨어냄과 동시에 오염물질이 막표면에 부착되는 것을 방지할 수가 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면, 기존 중공사막 모듈에서 사용하는 주기적인 역세척방법을 적용하지 않고도 지속적으로 여과하면서 막표면을 세척할 수 있으며, 주기적인 막교환 없이도 장기간의 운전이 가능하다.
공기노즐(5)의 설치위치와 개수는 막의 길이와 처리하고자 하는 폐수의 수질에 따라 달라지며, 길이 80cm의 중공사막 모듈을 MLSS 농도가 5,000ppm인 폐수에 적용하는 경우에는 노즐 8개를 중공사막 모듈 하단에서 3cm 및 50cm 되는 부분에 각각 4개씩 설치하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 흡인 여과방법과 공기의 포기에 의하면, 여과 및 공기포기에 의한 막표면 세척을 동시에 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 활성슬러지조 내의 폐수의 순환과 산소공급이 동시에 이루어져 활성슬러지조 내의 미생물의 활성을 증대시키는 부수적인 효과도 얻을 수 있다. 특히, 공기포기와, 막표면에 유기물질이 축적되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 간헐 흡인방법을 결합하면 더욱 효과적이다.
상기에서 설명한 바와 같은 구조 및 작동 원리를 갖는 중공사막 모듈(13)을 하나 이상 폐수속에 침지시켜 사용할 수 있으며, 이때 적용될 수 있는 폐수로는 MLSS 농도 5,000 내지 15,000ppm인 유기성 오수, 폐수(식품, 축산 및 분뇨) 등의 산업폐수, SS 또는 탁도유발물질 등의 입자크기가 0.1㎛ 이상인 오염물을 함유한 하천수, 공업용수 및 수영장물 등 고농도 폐수에서 저농도 폐수까지 다양하다. 하나 이상의 중공사막 모듈을 폭기조(8)와 같은 폐수 처리조에 침지시킨 후, 송풍기(11)에 의해 공기파이프(1)를 통해 공기를 포기시키면서 흡인펌프(10)에 의해 일정 흡인압을 유지하면서 흡인라인(4)을 통해 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과하여 처리수 저장조(12)로 이송시킨다. 하기 실시예에서 사용한 MLSS 농도 5,000ppm인 폐수의 경우에는, 본 발명의 침지형 중공사막 모듈을 사용하여 1분당 50L의 공기를 포기시키면서 10분의 간격으로 흡인펌프(흡인압 15cmHg)를 작동시켜 1분 및 중공사막 1m2당 0.3L의 폐수를 여과시킨다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예
침지형 중공사막 모듈을 이용한 폐수처리 파이롯트 플랜트(Pilot Plant) 실험 결과
기공 크기가 0.2㎛이고, 친수화 처리된 폴리프로필렌 중공사로 이루어진 중공사막의 짜여진 양쪽 끝단을 높이 15cm, 지름 20cm의 원통형 고정부에 삽입하고, 원통 모듈의 중앙부분에 공기노즐이 포함된 공기파이프를 집어넣어 고정부에서 폴리우레탄 수지로 고정시켜, 길이가 80cm이고 유효막면적이 4m2인 중공사막 모듈을 제조하였다. 제조된 중공사막 모듈을 사용하여 도 4와 같은 폐수처리 공정에 적용하여 실험을 수행하였다. 실험방법은 MLSS 농도 5,000ppm인 원수(7)를 중공사막 모듈(13)이 침지된 폭기조(8)에 시간당 72L의 양으로 급수하면서 흡인펌프(10)를 사용하여 흡인압을 15cmHg(0.2kg/cm2)로 유지하면서 10분의 간격으로 간헐적으로 여과하였다. 이때, 폭기조(8)내의 원수는 온도 17℃ 및 pH 6 내지 8로 유지되었다. 이와 동시에 송풍기(11)를 사용하여 공기공급라인(9)을 통해 50L/분의 공기를 공기노즐이 포함된 공기파이프로 공급하여 연속적으로 포기시켰다. 여과된 원수는 흡인라인(4)을 통해 처리수 저장소(14)로 이송되었다. 하기 표 1과 같은 조건으로 30일동안 폐수처리를 하면서 흡인압과 여과 유속의 변화를 측정하여 그 결과를 각각 도 5 및 도 6에 나타내었다.
도 5 및 도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 침지형 중공사막 모듈을 사용하면 저압상태(15cmHg)에서 막의 막힘현상없이 일정한 여과 유속(0.3L/분m2)을 유지하면서 폐수처리 공정을 원활히 수행할 수 있다.
| 구분 | 조건 | |
| 공기 포기량 | 50L/분 | |
| 간헐 흡인 | 운전시간 | 10분 |
| 운전정지시간 | 10분 | |
| 흡인압 | 15cmHg | |
| 여과(원수공급) 속도 | 0.3L/분m2 | |
| 원수 온도 | 17℃ | |
| 원수 pH | 6 내지 8 |
비교예
기존의 케이싱 타입의 원통형 모듈을 사용하여 실시예와 같은 원수를 15일동안 실시예와 같은 조건으로 운전(단, 케이싱 타입의 원통형 모듈은 공기 포기하지 않음)하면서 흡인압의 차를 측정하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7는 본 발명의 침지형 중공사막 모듈과 기존의 케이싱 타입의 원통형 모듈의 흡인압 차(흡인압 차 = 흡인압-초기흡인압)의 변화를 비교한 그래프로서, 기존의 케이싱 타입의 원통형 모듈은 흡인압이 초기 흡인압에 비해 계속적으로 상승하여 결과적으로 여과 유속이 감소할 것을 예상할 수 있으나, 본 발명의 침지형 중공사막 모듈은 흡인압이 일정하게 유지되어 안정적인 운전이 가능함을 알 수 있다.
또한, 하기 표 2에서 알 수 있듯이, 실시예의 처리수가 비교예의 처리수보다 수질이 양호함을 알 수 있다.
| 구분 | 비교예 | 실시예 | ||||
| 처리전 | 처리후 | 평균효율(%) | 처리전 | 처리후 | 평균효율(%) | |
| CODcr(mg/L) | 1,500 | 48 | 86.5 | 1,500 | 27 | 98.2 |
| BOD(mg/L) | 700 | 10 | 98.5 | 700 | 5 | 99.2 |
| SS(mg/L) | 150 | 18 | 88 | 150 | 1 | 99.99 |
본 발명에 따른 침지형 중공사막 모듈은, 고농도 폐수에 침지시켜 사용할 때 중공사가 오염물로 인하여 뭉치지 않고 여과중 중공사막을 효과적으로 세척하여 막의 폐색을 방지하기 때문에, 여과 기능의 손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 경제적이면서 효율적으로 폐수를 처리할 수 있다.
Claims (4)
- 수직 형태의 중공사막(hollow fiber membrane) 묶음(3), 상기 중공사막 묶음(3)의 상단 및 하단에 위치된 중공사막 고정부(2) 및 상기 고정부(2)를 통해 중공사막 묶음(3)에 연결된 흡인(suction)라인(4)으로 이루어진 여과부와 상기 중공사막 묶음의 안쪽에 위치한 공기파이프(1) 및 상기 공기파이프(1)의 측면에 장착된 공기노즐(5)로 이루어진 포기(bubbling)부를 포함하는 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
- 제 1 항에 있어서,중공사막의 기공 크기가 0.1 내지 0.5㎛이고, 친수화된 폴리프로필렌 중공사로 이루어지는 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
- 제 1 항에 있어서,공기노즐의 끝이 위로 향한 구조인 것을 특징으로 하는 침지형 중공사막 모듈.
- 제 1 항에 따른 중공사막 모듈을 폐수속에 침지시킨 후 공기파이프를 통해 공기를 포기시키면서 흡인라인을 통해 막 표면으로부터 막 내부로 폐수를 간헐적으로 흡인 여과하는 것을 특징으로 하는 폐수처리방법.
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