KR20000050208A - 고농도 부유물질 함유 오폐수 처리용 중공사막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고농도 부유물질 함유 오폐수 처리용 중공사막 모듈에 관한 것으로, (a) 평면상에 나란히 수직으로 배열된 중공사막(1) 묶음들이 고정부재(2)에 의해 고정된, 2개 이상의 중공사막 유니트(Unit); (b) 한 쌍의 연결부(3) 및 한 쌍의 밀봉부(4)로 구성되고, 투과물 회수부(5)를 형성하는, 상기 중공사막 유니트들의 사이에 위치하는 H자 형태 유니온(Union); 및 (c) 1개의 연결부(3') 및 1개의 밀봉부(4')로 구성되고, 투과물 회수부(5')를 형성하는, 모듈의 양 끝 중공사막 유니트의 말단에 위치하는 U자 형태 유니온을 포함하는 본 발명에 따른 중공사막 모듈을 사용하면, 고농도 부유물질 함유 오폐수 처리시 막 오염 및 막간 폐색(clogging) 현상을 최소화하여 장기간에 걸쳐 우수한 여과효율을 유지할 수 있다.

Description

고농도 부유물질 함유 오폐수 처리용 중공사막 모듈{HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE FOR TREATING WASTE WATER CONTAINING HIGHLY CONCENTRATED SUSPENDED SOLIDS}

본 발명은 고농도 부유물질 함유 오폐수 처리용 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 구체적으로는 중공사막 묶음들이 일정한 간격으로 펼쳐져 고정된 중공사막 유니트가 2개 이상 상하 연직배열(連直配列)됨으로써 부유물질(SS, Suspended Solid) 농도가 높은 오폐수 처리시 발생할 수 있는 막 오염(fouling) 및 막간(膜間) 폐색(clogging) 현상이 최소화되어 장기간에 걸쳐 우수한 여과효율을 유지할 수 있는 중공사막 모듈에 관한 것이다.

"중공사막 모듈"이란 표면에 무수히 많은 작은 기공이 뚫려 있고 가운데 공간이 비어 있는 가는 섬유인 중공사막을 이용하여 여러 가지 물질이 혼합되어 있는 다성분 액체로부터 기공 크기보다 큰 물질은 배제시키고 기공 크기보다 작은 특정물질만을 선택적으로 통과시켜 효과적으로 회수할 수 있는 장치를 말한다.

전통적으로, 중공사막 모듈은 무균수, 음용수 제조 등과 같은 한외여과 및 정밀여과 분야에 널리 사용되어 왔으며, 최근에는 하수종말처리에서의 고도처리, 소규모 합병정화조에서의 고도처리, 산업폐수에서의 부유물질 제거, 중수도 및 고농도 유기성 폐수의 처리, 공업용수 및 수영장 용수의 처리 뿐만 아니라 식품, 자동차 및 철강산업 등의 생산공정에서의 공정물질 회수 등 다양한 분야에 활발하게 적용되고 있다.

상기한 바와 같은 모듈의 다양한 용도와 관련하여, 부유물질 및 미생물의 농도가 3000mg/l 이상으로 높게 유지되는 생물학적 오폐수처리 공정의 폭기조에 중공사막 모듈을 침지시켜 사용하는 경우, 미생물의 침전도에 관계없이 처리수질을 항상 양호하게 유지할 수 있기 때문에 미생물 관리에 필요한 약품 및 유지관리비가 적게 소모되고, 폭기조의 미생물을 고농도로 유지할 수 있기 때문에 유입수의 농도변화에 대응하는 능력이 탁월해지며, 중력침강을 이용하여 고/액분리시키기 위한 침전조가 불필요하기 때문에 시설설치에 소요되는 부지면적이 적어지는 등 상당한 장점이 있음이 밝혀짐에 따라 고농도 오폐수를 처리하는 중공사막 모듈에 대한 연구가 일본, 캐나다 등의 일부 선진국에서 활발하게 수행되었다.

한편, 일반적으로, 부유물질 농도가 높은 오폐수에 중공사막 모듈을 직접 침지시켜 여과하는 경우에는 중공사막의 막표면이나 막간에 부유물질이 축적되어 유로가 막힘으로 인해 투과수량이 저하되는 막간 폐색이 일어나 여과수명이 단축되는 현상이 발생한다. 따라서, 부유물질 농도가 높은 오폐수를 장기간에 걸쳐 여과하기 위하여는 중공사막 모듈의 구조가 막간 폐색 현상을 억제할 수 있는 구조를 가져야 하며, 또한 막 모듈의 하단에서 공기를 폭기시키거나 난류(turbulant flow)를 형성시키거나 초음파(sonication) 또는 진동(vibration)을 주어 중공사막을 흔들어 줌으로써 막표면이나 막간에 축적되는 부유물질을 계속 세정해주어야 한다.

이러한 원리를 이용한 다양한 중공사막 모듈이 이미 제안된 바 있다.

야마모리(Yamamori) 등에 의한 미국 특허 제 5,922,201 호(발명의 명칭: 중공사막 모듈)는, 일본 미쓰비시 레이온사에서 폴리에틸렌을 재료로 제작한 중공사막 EHF270T(기공 크기 0.1㎛, 기공율 60% 이상, 내경 270㎛, 외경 380㎛)를 이용한 중공사막 편직물(knitted fabric; 폭 300mm, 길이 760mm) 4조각을 만든 다음 10mm×300mm의 하우징 틈에 넣어 끼운 후 우레탄 수지로 고정한 스크린 필터형 중공사막 모듈(총 유효 여과막 면적 5㎡)을 개시하고 있으며, 실시예에 있어서, 이 중공사막 모듈을 사용하여 부유물질 농도가 5,000mg/l인 반응조에서 0.2㎏f/㎠의 흡인압력으로 9분동안 흡인여과를 실시하고 1분동안 정지하는 것을 반복하여 실험한 결과 1L/min·module의 여과유량을 30일동안 유지할 수 있었다고 밝히고 있다.

그러나, 본 발명자들이 실시한 유효 중공사막 길이 산정 실험결과(참조예, 및 도 5 및 6 참조)에 의하면, 내경 340㎛, 외경 500㎛인 중공사막의 경우 흡인압이 가해지는 최적 유효 중공사막 길이가 10 내지 15cm인 것으로 나타남에 따라, 야마모리 등이 사용한 내경 270㎛, 외경 380㎛인 중공사막의 유효 길이는 이보다 짧을 것이며, 따라서 중공사막 면에 흡인압이 골고루 작용하지 않아 편여과(片濾過) 현상이 발생하게 되어 시간이 경과할수록 여과효율이 크게 감소할 것으로 판단된다. 또한, 야마모리 등은 막간 폐색 현상을 억제하기 위하여 중공사막을 편직한 판상형 시트 모양의 편직물로 펼쳐놓는 방법을 이용하여 그 목적을 달성하려고 하였으나, 단위 면적당 중공사막의 충진율을 높이기 위해 4장을 겹쳐 놓음으로써 MLSS 농도가 상승하거나 운전기간이 길어질 경우 4장으로 겹쳐진 판상형 시트 모양의 편직물내에 중공사막의 막간 폐색 현상으로 인한 운전압력의 상승이나 투과수량의 감소현상이 나타날 우려가 있다.

마헨드란(Mahendran) 등은 대한민국 특허 제 177,263 호(발명의 명칭: 중공사 여과막으로 이루어진 무골격 배열 및 기질을 여과하여 투과물을 회수하는 동안 중공사막 표면을 청결히 유지하는 방법)에서 다성분의 액체에서 투과물을 회수하기 위한 중공사 여과막의 무골격 배열과 함께 기체 분산장치를 포함하는 시스템을 개시하고 있다.

그러나, 마헨드란 등에 의해 개시된 중공사막은 다성분 액체 내에서 위쪽으로 휘어진 아치 형태(포물선 형태)를 형성하여 다성분의 액체내에 머리카락 등과 같은 섬유상 고형물질들이 다량 함유되어 있을 경우에는 중공사막이 서로 얽혀 막간 폐색 현상이 급격히 진행될 수 있는 단점이 있으며, 이러한 모듈 형태는 적층하기에도 용이하지 않아 대용량 시설에의 적용이 부적합하다.

또한, 본 발명자들은 대한민국 특허 제 236,921 호(발명의 명칭: 침지형 중공사막 모듈 및 이를 사용하는 폐수처리방법) 및 대한민국 특허공개공보 제 99-45939 호(발명의 명칭: 개선된 중공사막 모듈 및 이를 사용한 폐수처리방법) 각각에서 중앙의 공기공급라인에서 공기를 공급하는 원통형의 중공사막 모듈 및 중공사막의 충진 형태를 최적화하고 하단에 설치된 산기관을 통해 공기를 공급하는 원통형의 중공사막 모듈을 제안한 바 있다.

이러한 형태의 중공사막 모듈은 고농도 부유물질이 함유된 오폐수의 직접 여과공정에 탁월한 기능을 발휘할 수 있으나, 적층하기가 어렵고 모듈의 길이를 늘이는 것도 한계가 있어 대용량 시설에 적용하기에는 부적합하다는 단점을 갖는다.

이에 본 발명자들은 예의 연구를 계속한 결과, 중공사막 묶음들이 일정한 간격으로 펼쳐져 고정된 중공사막 유니트가 2개 이상 상하 연직배열된 중공사막 모듈을 사용함으로써 부유물질 농도가 높은 오폐수 처리시에도 막 오염 및 막간 폐색 현상이 최소화하여 장기간에 걸쳐 우수한 여과효율을 유지할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 고농도 부유물질 함유 오폐수 처리시 막 오염 및 막간 폐색 현상을 최소화하여 장기간에 걸쳐 우수한 여과효율을 유지할 수 있는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시양태에 따른 중공사막 모듈의 구조를 나타낸 도이고,

도 2는 도 1에 도시된 중공사막 모듈의 측면도이며,

도 3은 본 발명의 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막 유니트(Unit)를 나타낸 입체도이고,

도 4a 및 4b는 각각 본 발명의 중공사막 모듈에 사용되는 Ｈ자 형태 유니온(Union) 및 Ｕ자 형태 유니온의 종단면도이고,

도 5는 유효 중공사막의 길이를 측정하기 위하여 고안된 장치의 개략도이며,

도 6는 도 5의 장치에서 수행된, 중공사막의 길이에 따른 중공사막 면에 작용하는 흡인압의 변화를 투과수량(flux)에 따라 나타낸 그래프이고,

도 7은 본 발명의 한 실시양태에 따른 중공사막 모듈을 이용한 오폐수처리공정의 개략도이며,

도 8은 도 7의 오폐수처리공정에 의한 오폐수 처리시 본 발명에 따른 중공사막 모듈 및 종래의 중공사막 모듈 각각의 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도에 따른 투과수량을 운전시간에 따라 나타낸 그래프이다.

＜도면부호에 대한 간단한 설명＞

1 : 중공사막 (Hollow Fiber Membrane Module)

b : H자 형태 유니온 (H-type Union)

c : U자 형태 유니온 (U-type Union)

2 : 고정부재 (Fixing Part)

3 : 연결부 (Connection Part)

4 : 밀봉부 (Potting Part)

5 : 투과물 회수부 (Permeate Collection Part)

6 : 원수 (Raw Water)

7 : 원수 저장조 (Raw Water Storage Tank)

8 : 이송펌프 (Transfer Pump)

9 : 막-생물반응조 (Membrane Bioreactor)

10 : 송풍기 (Blower)

11 : 산기관 (Diffuser)

12 : 처리수 (Treated Water)

13 : 처리수 저장조 (Treated Water Storage Tank)

14 : 소형 중공사막 모듈 (Mini Hollow Fiber Membrane Module)

15 : 진공 게이지 (Vacuum Gauge)

16 : 정량 펌프 (Peristaltic Pump)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 (a) 평면상에 나란히 수직으로 배열된 중공사막(1) 묶음들이 고정부재(2)에 의해 양쪽 말단이 개방된 상태로 고정된, 2개 이상의 중공사막 유니트(unit); (b) 서로 다른 중공사막 유니트의 말단을 상하 연직배열(連直配列)로 연결하는 한 쌍의 연결부(3), 및 상기 고정부재(2)의 바깥쪽에서 상기 한 쌍의 연결부(3)를 결합시키면서 중공사막을 밀봉하는 한 쌍의 밀봉부(4)로 구성되고, 한 쌍의 연결부 사이에서 중심축 방향으로 연통되고 중공사막의 개방된 말단과 통하는 투과물 회수부(5)를 형성하는 H자 형태 유니온(union); 및 (c) 양 끝 중공사막 유니트의 말단을 둘러싸는 1개의 연결부(3'), 및 상기 고정부재(2)의 바깥쪽에서 상기 연결부(3')와 상기 중공사막 유니트를 결합시키면서 중공사막을 밀봉하는 1개의 밀봉부(4')로 구성되고, 중심축 방향으로 연통되고 중공사막의 개방된 말단과 통하는 투과물 회수부(5')를 형성하는 U자 형태 유니온을 포함하는 중공사막 모듈을 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 본 발명의 한 실시양태에 따른 중공사막 모듈은 삼단 형태로서 (a) 3개의 중공사막 유니트, (b) 2개의 H자 형태 유니온, 및 (c) 2개의 U자 형태 유니온을 포함하며, 그 측면도가 도 2에 도시된다.

본 발명에 따른 (a) 중공사막 유니트는 중공사막(1) 묶음 및 고정부재(2)로 이루어진다. 평면상에 나란히 수직으로 배열된 중공사막 묶음들은 양쪽 말단이 개방된 상태로 고정부재(2)에 의해 고정되는데, 이때 중공사막 묶음은 폭기 공기에 의해서도 서로 얽히지 않도록 0.4 내지 0.6mm의 간격으로 배열되는 것이 바람직하며, 각각의 중공사막 묶음은 10 내지 15 가닥의 중공사막으로 이루어진다. 도 3은 본 발명의 중공사막 모듈에 사용되는 중공사막 유니트를 입체적으로 보여준다.

본 발명에 사용되는 중공사막은 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리메틸메타크릴레이트, 셀룰로즈 아세테이트 및 폴리올레핀 중에서 선택된 재질을 가지며, 그 중에서도 상기 처리공정에 부합하기 위해서는 폭기강도를 견딜 수 있어야 하기 때문에 기계적 강도와 유연성(flexibility)이 좋은 폴리올레핀 계열의 고분자가 적합하다.

그러나, 일반적으로, 폴리올레핀 계열의 고분자는 소수성 고분자(hydrophobic polymer)로서 물에 잘 적셔지지 않고 높은 압력을 가하지 않으면 물이 투과하지도 않을 뿐만 아니라, 용질의 흡착(solute adsorption)이나 기공 막힘(pore blocking) 현상에 기인한 막 오염으로 투과도가 현저하게 감소하기 때문에, 표면을 친수성으로 개질하여 사용하여야 한다.

표면개질 방법에는 물리적인 방법과 화학적인 방법이 있다. 물리적인 표면개질 방법으로는 소수성 고분자로 이루어진 중공사막 지지체 위에 폴리비닐알콜 등과 같은 친수성 고분자를 물리적으로 접착시키는 방법(dip-coating) 등이 있으며, 화학적인 표면개질 방법으로는 소수성 고분자로 이루어진 중공사막 지지체 위에 아크릴아미드, 아크릴릭 에스테르 등과 같은 친수성 모노머를 화학적으로 중합(polymerization)시키는 방법 등이 있다. 이중 고분자를 중합하는 대표적인 방법에는 그라프트(graft) 중합법, 플라즈마(plasma) 처리법, 전자빔 또는 γ-선 조사법, UV 조사법, 불꽃(flame) 처리법 및 화학적 식각법(etching) 등이 있다. 본 발명에서는 중공사막을 영구적으로 친수화하는 방법에 대하여 특별히 한정하지 않지만, 그 대표적인 예시로 플라즈마를 이용한 중공사막의 친수성 표면개질법은 소수성 분리막 지지체 위에 친수성 고분자를 매우 얇게 코팅하여 여과저항의 손실을 최소화할 수 있고, 지지체와 코팅층간의 강한 결합력을 유지할 수 있어 영구적인 표면개질법으로 바람직하다.

본 발명에 사용되는 중공사막은 열유도 상분리법(TIPS: Thermally Induced Phase Separation)과 연신법(stretching)을 조합하여 제조할 수 있다. 이러한 조합공정으로 제조된 중공사막은 높은 다공도(porosity)를 유지할 수 있기 때문에 여과저항이 매우 작다.

이와 같이 제조된 본 발명에 따른 중공사막은 0.01 내지 0.5㎛의 기공 크기, 60% 이상의 다공도, 20 내지 200㎛의 벽 두께(wall thickness) 및 200 내지 2,000㎛의 외경을 갖는다. 이때, 기공 크기는 여과대상 물질에 따라, 다공도와 벽 두께는 여과공정의 특성에 따라, 외경은 모듈 제조에 있어 단위면적당 막 면적이 차지하는 비율에 따라 조절가능하다.

본 발명에 따르면, 중공사막의 길이는 중공사막의 내경과 외경에 따라 달라질 수 있으며, 수두차 또는 펌프로 유도되는 흡인압이 중공사막 면에 골고루 작용할 수 있게 하기 위해서는 길이의 조절이 매우 중요하다. 즉, 중공사막의 길이를 적절히 조절함으로써 흡인압이 가해지는 부분만 여과되는 편여과 현상을 억제하고 궁극적으로는 중공사막의 여과효율을 증가시켜 세척주기를 늘려 중공사막 모듈의 수명을 길게 유지할 수 있다. 본 발명에 따르면, 20 내지 200㎛의 벽 두께 및 200 내지 2,000㎛의 외경을 갖는 중공사막의 유효 길이는 0.1 내지 2m 범위, 바람직하게는 0.1 내지 0.5m 범위이다. 예를 들어, 내경 340 ㎛, 외경 500 ㎛인 중공사막에 대한 유효 길이는 10 내지 15cm이다.

본 발명에 사용되는 고정부재(2)는 폴리카보네이트, 폴리설폰, 아크릴수지 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지 중에서 선택된 재질을 가질 수 있으며, 고정액으로는 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지 등과 같이 접착성을 가지고 있는 수지라면 모두 사용할 수 있고 점도와 같은 물성에 따른 제약은 받지 않는다.

본 발명에 따라 도 4a에서 그 종단면도가 도시된 (b) H자 형태 유니온은 한 쌍의 연결부(3) 및 한 쌍의 밀봉부(4)로 구성되고, 투과물 회수부(5)를 형성하며, 중공사막 유니트들의 사이에 위치한다.

H자 형태 유니온에 있어서, 한 쌍의 연결부(3)는 서로 다른 중공사막 유니트의 말단을 상하 연직배열로 연결시키는 역할을 한다. 이러한 수직방향으로의 적층은, 중공사막의 충진율을 높이기 위해 중공사막 유니트를 겹쳐 설치하는 경우 발생할 수 있는 막간 폐색 현상을 근본적으로 방지하는 효과를 갖는다. 또한, 한 쌍의 밀봉부(4)는 고정부재(2)의 바깥쪽에서 상기 한 쌍의 연결부(3)를 결합시키면서 중공사막을 밀봉함으로써 중공사막 기공이 아닌 중공사막 사이로 다성분 액체(오폐수)가 통과하는 것을 방지하는 역할을 한다. 이와 같은 연결부(3)와 밀봉부(4)로 구성되는 H자 형태 유니온은 한 쌍의 연결부 사이에서 중심축 방향으로 연통되고 중공사막의 개방된 말단과 통하는 투과물 회수부(5)를 형성하는데, 이 투과물 회수부(5)는 수두차 또는 펌프로 유도되는 흡인압에 의해 발생한 투과물을 수집하는 역할을 한다.

본 발명에 따라 도 4b에 그 측면도가 도시된 (c) U자 형태 유니온은 1개의 연결부(3') 및 1개의 밀봉부(4')로 구성되고, 투과물 회수부(5')를 형성하며, 모듈의 양 끝 중공사막 유니트의 말단에 위치한다.

U자 형태 유니온에 있어서, 연결부(3')는 중공사막 유니트의 말단을 둘러싸서 말단을 마감하는 역할을 하며, 밀봉부(4') 및 투과물 회수부(5')는 상기한 H자 형태 유니온의 밀봉부(4) 및 투과물 회수부(5)와 동일한 위치 및 기능을 갖는다.

본 발명에 따른 H자 형태 유니온은 중공사막 유니트의 상하 양쪽을 모두 고정할 수 있는 형태이고, U자 형태 유니온은 막세정용 공기 흐름의 방해를 최소화할 수 있도록 끝이 뾰족한 유선형으로서, 이들 둘다는 중공사막 모듈의 하단에서 공급되는 중공사막 세정공기의 유속을 느리게 하거나 세정공기가 중공사막 면에 골고루 전달되는 것을 방해하지 않도록 5 내지 10mm의 두께를 갖는다.

또한, 이들 중공사막 유니온의 재질로는 폴리카보네이트, 폴리설폰, 아크릴수지 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 수지 등을 사용할 수 있고, 밀봉부의 밀봉액으로는 에폭시 수지, 불포화에스테르 수지 및 폴리우레탄 수지 등과 같은 액체수지를 사용할 수 있으며 점도는 1,000 센티포이즈(centipoise) 이하가 적당하다.

본 발명에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 생물학적 오폐수처리공정의 막-생물반응조(8)에 본 발명에 따른 중공사막 모듈을 침지시킨 후 모듈 하단에 위치한 산기관(11)으로부터 막세정용 공기를 공급하면서 수두차(예: 2m) 또는 펌프를 이용한 흡입여과를 실시하여 H자 형태 유니온 및 U자 형태 유니온의 투과물 회수부를 통해 원수(6)로부터 처리수(12)를 얻을 수 있다.

이러한 본 발명의 오폐수처리방법에 있어서 수직으로 세워진 중공사막 모듈을 사용함에 따라, 머리카락과 같은 섬유상 고형물질로 인해 발생할 수 있는 막간 폐색 현상을 근본적으로 차단할 수 있고 중공사막의 세정에 요구되는 공기량을 상당량 저감할 수 있을 뿐만 아니라 막-생물반응조 내에 모듈을 5 내지 10mm의 좁은 간격으로 설치하여도 여과성능의 저하가 발생하지 않는다.

이와 같이, 본 발명에 따른 중공사막 모듈은 부유물질 농도가 높은 오폐수를 직접 여과할 경우에 발생할 수 있는 막 오염 및 막간 폐색 현상을 최소화할 수 있는 구조를 가지고 있어 여과효율이 우수하고 막 세척주기를 길게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 통과된 처리수의 수질 또한 우수하여 고농도 오폐수의 처리에 경제적이면서 효율적으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예에는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.

참조예 : 흡인압이 미치는 유효 중공사막 길이 산정 실험

기공 크기 0.5㎛, 다공도 60% 이상, 벽 두께 80㎛, 및 외경 500㎛이고, 영구적으로 친수화처리된 폴리프로필렌(PP) 재질의 중공사막(1)을 이용하여 막 면적이 0.05㎡이고 길이가 각각 5, 10, 15 및 20㎝인 원통형의 소형 중공사막 모듈(14)을 제작하였다. 소형 중공사막 모듈(14)의 한쪽 말단은 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였고 다른 한쪽은 여과수를 수집하기 위하여 개방된 상태를 유지하도록 하였다. 도 5는 유효 중공사막의 길이를 측정하기 위한 실험장치를 나타낸 개략도로서, R/O 투과수가 채워진 원수 저장조(7) 내에 양 끝단에 진공 게이지(15)를 설치한 소형 중공사막 모듈(14)을 침지하고 정량 펌프(16)를 이용하여 투과수량을 30, 40 및 55LMH(L/module·hour)로 변화시켜가면서 여과를 수행하였다. 유효 중공사막의 길이는 소형 중공사막의 양 끝단에 설치된 진공 게이지의 압력차를 관찰하여 압력차가 거의 없는 길이를 유효 중공사막 길이로 판단하였다.

그 결과로서, 중공사막의 길이에 따른 중공사막 면에 작용하는 흡인압의 변화를 투과수량에 따라 나타낸 그래프를 도 6에 나타내었다. 도 6으로부터, 내경 340 ㎛, 외경 500 ㎛인 중공사막에 대한 유효 길이는 10 내지 15cm임을 알 수 있다.

실시예 : 본 발명에 따른 중공사막 모듈을 이용한 고농도 오수처리 실험

기공 크기 0.5㎛, 다공도 60% 이상, 벽 두께 80㎛, 및 외경 500㎛이고, 영구적으로 친수화처리된 폴리프로필렌(PP) 재질의 중공사막(1)을 이용하여 길이 60cm(30cm짜리 유니트 2개), 폭 40cm의 이단 중공사막 모듈(총 유효 여과막 면적: 2㎡) 4개를 제작하여 10mm 간격으로 프레임에 장착하고 도 7에 도시된 오폐수처리공정에 적용하여 여과실험을 수행하였다. 원수(6)는 식당에서 발생하는 오수를 이용하였으며, 원수(6)를 원수 저장조(7)에 저장한 후 이송펌프(8)에 의하여 약 10LPM(L/min) 유량으로 중공사막 모듈이 침지된 막-생물반응조(9)로 비교적 일정하게 이송하였다. 이때, 반응조(9)의 수온은 17℃, pH는 6 내지 8로 유지되었으며, 송풍기(10)를 사용하여 산기관(11)을 통해 150LPM(l/min)의 막세정용 공기를 공급하면서, 수두차(2m)로 유도된 흡인압이 중공사막 면에 작용하도록 하면서 연속적으로 여과하였다. 여과된 처리수(12)는 처리수 저장조(13)로 이송하였으며, 실험기간동안 매일 투과수량 및 수질을 측정하였다. 또한, 반응조의 미생물 농도 변화에 따른 막간 폐색 현상을 고찰하기 위하여 인위적으로 MLSS 농도를 5,000, 10,000 및 15,000mg/l로 변화시켜가면서 투과수량의 변화를 관찰하였다.

하기 표 1에 상기 실시예의 세부 운전조건을 나타내었으며, MLSS 농도에 따른 투과수량을 운전시간에 따라 나타낸 그래프를 도 8에 나타내었다. 도 8로부터, 본 발명의 중공사막 모듈을 사용하면 막의 오염이나 막간 폐색 현상으로 인한 여과효율의 저하없이 부유물질이 높은 오폐수를 원활히 처리할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 실시예를 운전하면서 수질을 분석한 평균값을 하기 표 2에 나타내었는데, COD, BOD 및 SS가 98% 이상 처리되어 처리수의 수질 또한 매우 양호함을 알 수 있다.

구분	조건
공기포기량(LPM;l/min)	150
운전조건	5분 운전
	1분 정지
수두차(m)	2
막면적(㎡)	8
온도 및 pH	17℃, 6 내지 8

구분	처리전	처리후	평균효율(%)
CODcr(mg/l)	700	15	97.9
BOD(mg/l)	500	3	99.4
SS(mg/l)	50	0.5	99

비교예 : 종래의 스크린 필터형 모듈을 이용한 고농도 오수처리 실험

야마모리 등에 의한 미국 특허 제 5,922,201 호에 개시된 스크린 필터형 모듈을 기본으로 하여, 기공 크기 0.5㎛, 다공도 60% 이상, 벽 두께 80㎛, 및 외경 500㎛이고, 영구적으로 친수화처리된 폴리프로필렌(PP) 재질의 중공사막(1)을 이용하여 길이 76cm, 폭 30cm인 판상형 시트 4장이 겹쳐진 중공사막 모듈(총 유효 중공사막 면적: 4㎡) 2개를 제작, 중공사막이 수평방향이 되도록 프레임에 장착하여 도 7에 도시된 도시된 오폐수처리공정에 적용하여 여과실험을 수행하였다. 운전조건은 상기 실시예와 동일하였다.

MLSS 농도에 따른 투과수량을 운전시간에 따라 나타낸 그래프를 도 8에 나타내었다. 도 8에서, 종래의 스크린 필터형의 모듈을 사용하면 본 발명의 모듈을 사용한 경우에 비하여 투과수량의 감소폭이 큰 것으로 나타났다. 이러한 투과수량의 감소는 종래의 스크린 필터형 모듈이 76cm의 길이로 구성되어 있음에 따라 중공사막 면에 골고루 흡인압이 미치지 않아 편여과 현상이 발생하였고, 중공사막 판상형 시트 4장을 겹쳐 모듈을 제작함으로써 MLSS 농도가 상승함에 따라 막간 폐색 현상이 발생하였기 때문인 것으로 판단되었다.

본 발명에 따른 중공사막 모듈은 부유물질 농도가 높은 오폐수를 직접 여과할 경우에 발생할 수 있는 막 오염 및 막간 폐색 현상을 최소화할 수 있는 구조를 가지고 있어 여과효율이 우수하고 막 세척주기를 길게 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 통과된 처리수의 수질 또한 우수하여 고농도 부유물질 함유 오폐수의 처리에 경제적이면서 효율적으로 사용될 수 있다.

Claims (7)

1. (a) 평면상에 나란히 수직으로 배열된 중공사막(1) 묶음들이 고정부재(2)에 의해 양쪽 말단이 개방된 상태로 고정된, 2개 이상의 중공사막 유니트(unit);

   (b) 서로 다른 중공사막 유니트의 말단을 상하 연직배열(連直配列)로 연결하는 한 쌍의 연결부(3), 및 상기 고정부재(2)의 바깥쪽에서 상기 한 쌍의 연결부(3)를 결합시키면서 중공사막을 밀봉하는 한 쌍의 밀봉부(4)로 구성되고, 한 쌍의 연결부 사이에서 중심축 방향으로 연통되고 중공사막의 개방된 말단과 통하는 투과물 회수부(5)를 형성하는 H자 형태 유니온(union); 및

   (c) 양 끝 중공사막 유니트의 말단을 둘러싸는 1개의 연결부(3'), 및 상기 고정부재(2)의 바깥쪽에서 상기 연결부(3')와 상기 중공사막 유니트를 결합시키면서 중공사막을 밀봉하는 1개의 밀봉부(4')로 구성되고, 중심축 방향으로 연통되고 중공사막의 개방된 말단과 통하는 투과물 회수부(5')를 형성하는 U자 형태 유니온을 포함하는,

   중공사막 모듈
2. 제 1 항에 있어서,

   중공사막 묶음들이 0.4 내지 0.6mm의 간격으로 배열되고, 이때 각각의 중공사막 묶음이 10 내지 15 가닥의 중공사막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,

   중공사막이 20 내지 200㎛의 벽 두께 및 200 내지 2,000㎛의 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,

   중공사막 유니트가 0.1 내지 2m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
5. 제 4 항에 있어서,

   중공사막 유니트가 0.1 내지 0.5m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
6. 제 1 항에 있어서,

   H자 형태 유니온 및 U자 형태 유니온이 5 내지 10mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 중공사막 모듈.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 중공사막 모듈을 고농도 부유물질 함유 오폐수 속에 침지시킨 후 모듈 하단에 위치한 산기관으로부터 막세정용 공기를 공급하면서 오폐수를 흡입여과하는 것을 포함하는 오폐수처리방법.