KR20010028598A - 중공사막 수처리 장치 - Google Patents

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KR20010028598A
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김정학
신성철
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조민호
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Abstract

본 발명은 대용량의 수처리에 사용하기 위한 중공사막 수처리 장치에 관한 것으로서, 본 장치는 백워싱과 공기에 의한 진동스트리핑에 의한 세정이 가능하여 대용량의 물을 안정적인 투수량으로 처리할 수 있으며 사용이 간편하고 소형이며 경제적이다.

Description

중공사막 수처리 장치{Hollow fiber membrane apparatus for water treatment}
본 발명은 수처리 장치에 관한 것으로서, 특히 산업규모의 대용량의 물을 처리할 수 있는 수처리용 중공사막 엘레멘트 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.
최근에 많은 멤브레인 및 시스템 메이커들은 파울링 방지 또는 정화용이 기술을 개발하는데 많은 관심을 갖고 있다. 일반적으로, 백워싱(back washing) 이외에, 활성 막 정화를 위하여 공기에 의해 제어되는 새로운 방법들이 수처리산업에 도입되고 있다. 이러한 프로세스들은 산업용수로부터 입자 또는 미생물들을 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나 현탁고체의 량이 많은 일부 경우에 이러한 시스템들의 조작을 위하여 과도한 전처리가 요구된다.
따라서 본 발명은 과도한 전처리 없이 산업규모의 대용량의 물을 안정적으로 처리할 수 있고, 연속적으로 세정이 가능하면서 안정적인 투수량을 보장할 수 있고, 사용이 간편한 수처리용 중공사막 엘레멘트 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
도 1a에는 본 발명의 바람직한 구현에 따르는 중공사막 수처리 장치의 장치도가 개략적으로 도시되고, 도 1b에는 이중 중공사막 필터부분의 부분확대도 이다.
도 2는 본 장치에서 정상적인 수처리 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 장치에서 백워싱 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 장치에서 백워싱과 진동스트리핑을 동시에 수행하는 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 장치에서 화학 세정 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 중공사막의 구조를 주사전자현미경(SEM)으로 배율을 높여가면서 촬영한 사진들로서, 이중 도 6a는 여러가닥의 중공사막을, 도 6b는 중공사막의 내외측 기공상태를, 도 6c는 중공사막의 내측부분만을 그리고 도 6d는 중공사막의 외측부분만을 촬영한 사진이다.
도 7은 기공크기가 다른 중공사막을 이용하여 투수성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 8은 중공사막 부재를 구성하는 번들의 가닥수를 변경하여 투수성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 9은 중공사막 부재의 길이를 변경하여 투수성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 10은 수처리 중에 백워싱(B/W)과 진동 스트리핑(VSA)의 실시에 따른 투수성능의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 11은 VSA와 B/W 간의 효율을 비교한 그래프
도 12는 VSA 시간에 따른 세정효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 13은 VSA 주기에 따른 세정효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 14는 기간별 수처리 결과를 측정하여 결과를 나타낸 그래프
상기한 과제를 해결한 본 발명에 의하면 중공사막 수처리 장치에 있어서,
측벽 상단에 원수 입구와 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트(air vent, overflow drain port)가 각각 제공되고 측벽 하단에 드레인 포트가 제공되며, 저면 중앙에 급기구가 형성되고 이에 대응하는 상면 중앙에 처리수 출구가 제공되는 중공사막 필터 하우징과,
상기 하우징 내부 중앙에 수직으로 위치하며 처리수 출구와 연통하는 원통형의 중공사막 부재와 상기 중공사막 부재의 중앙에 위치하며 하단이 하우징 저면의 급기구와 연통하는 다공성 공기확산튜브(air diffusing tube)를 갖는 중공사막 필터와,
원수급원과 하우징의 원수입구 사이의 원수공급라인에 개재되는 제1밸브, 하우징의 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트에 연결되는 배기/오버플로우 드레인 라인에 개재되는 제2밸브, 하우징의 처리수 출구에 연결되는 처리수 이송라인에 개재되는 제3밸브, 하우징의 측벽하단 드레인 포트에 연결되는 드레인 라인에 개재되는 제4밸브, 하우징의 급기구와 공기급원 사이의 공기공급라인에 개재되는 제5밸브, 처리수 이송라인에 연결되는 세정수 공급라인에 개재되는 제6밸브, 배기/오버플로우 드레인 라인에 연결되는 리턴라인에 개재되는 제7밸브를 포함하는 밸브장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치가 제공된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 수처리용 중공사막 엘레멘트를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 바람직한 구현에 따르는 수처리용 중공사막 엘레멘트의 장치도가 개략적으로 도시된다.
본 장치는 중공사막 필터 하우징(10)과, 상기 하우징 내에 위치하는 중공사막 필터(20)와 밸브장치(V)를 구비한다.
하우징(10)은 측벽 상단에 원수 입구(11)와 배기구 겸 오버플로우 드레인포트(12)가 각각 제공되고, 측벽 하단에 드레인 포트(14)가 제공되며, 저면 중앙에 급기구(15)가 형성되고 이에 대응하는 상면 중앙에 처리수 출구(13)가 제공된다.
중공사막필터(20)는 상기 하우징(10)의 내부 중앙에 수직으로 위치하며 처리수 출구(13)와 연통하는 원통형의 중공사막 부재(21)와 상기 중공사막 부재(21)의 중앙에 위치하며 하단이 하우징 저면의 급기구(15)와 연통하는 다공성 공기확산튜브(22)를 갖는다. 공기확산튜브(22)의 타공은 주로 튜브 아래쪽에 집중시키는 것이 효과적이다. 만일 타공을 길이방향으로 고르게 분포시킨 공기확산튜브를 사용하면, 중공사막부재(21)가 물에 잠기면 수압에 의해 밑부분의 구멍에서는 공기가 빠져나오기 어려우며 위부분의 구멍에서 집중적으로 공기가 빠져나온다. 따라서 중공사막 부재의 밑부분에서는 막세정효과가 적게 된다. 본 장치의 중공사막 부재는 양말단이 접착된 중공사막을 기술적으로 기타줄과 같은 형태로 진동하게 하는 것이 중요하므로 가운데 부분에서도 압축공기가 분출되어야 효과적으로 중공사막이 진동한다. 또한 보통 중공사막부재의 상단부가 항상 연속운전시 오염되기 쉬운 부분으로서 이 또한 압축공기의 분출이 필요한 부분이다. 따라서 공기확산튜브(22)의 타공은 하부에 집중하여 형성시키고 중간부와 상부에 이보다 적은 수로 형성시키는 것이 바람직하다.
중공사막의 구조에 대해서 설명하면, 막의 외부로부터 여과되는 방법이 적용되므로 도 6의 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진에 나타나는 바와 같이 막의 외부구조는 조밀하고 평활하며 내부의 구조는 기공이 큰 비대칭 구조이어야 최적이다. 또한 기공크기가 작은 경우 훨씬 안정적인 통수량을 얻을 수 있다. 즉 외표면의 기공이 크면 오염이 쉽게 일어난다는 사실을 말하고 있다. 외표면의 기공크기는 공기에 의한 진동 스트리핑(이하, 'VSA'이라 한다.) 프로세스를 위해서 0.1㎛ 이하, 특히 0.01㎛ 이하가 바람직하다.
이는 중공사막의 외부구조(외측면측 단면구조)가 내부구조(내측면측 단면구조)보다 조밀한 비대칭구조를 가짐으로써 막오염이 주로 외부에서 일어나는 외압형 전량여과방식에서 유리한 구조이며, 이러한 비대칭구조는 대칭구조에 비해서 막오염이 덜 일어나고 역세정시, 즉 백워싱시에 세정효과가 대칭구조에 비하여 뛰어나다.
중공사막 부재(21)는 하우징에 직접 삽입하여 사용가능하게 설계하는 것이 바람직하다. 오링을 설치하면 탈착이 용이하여 효과적이다.
또한 중공사막부재(21)를 보호하기 위해서 중공사막부재(21) 외부를 튜브상의 플라스틱 네트로 덮어 씌는 것이 바람직하다.
특히 중공사막 부재는 0.4㎜/0.6㎜(내경/외경) 중공사막 3,000 가닥이 집속된 직경 4㎝의 번들을 4개 접착하여 구성하였을 때 효과적인 통수량을 달성할 수 있다.
본 발명에서 중공사막은 매우 내경이 작으므로 외부여과방식으로 여과된 물이 가느다란 대롱을 따라 흘러가야 하는데 문제는 도관의 외벽자체가 필터이므로 여과된 물의 수압에 의해서도 많은 압손실을 야기시킨다. 따라서 중공사막의 최적길이가 있는 것이다. 중공사막의 길이는 70∼110㎝, 특히 80∼90㎝가 바람직하다. 만일 길이가 110㎝를 초과하면 오히려 여과속도에 영향을 주어 짧은 경우보다 겉보기 통수량이 적게 나온다. 따라서 길이의 최적화도 매우 중요하다.
중공사막의 길이는 공기확산 튜브 보다 약간 길어야 하는 데 이는 압축공기가 분출될 때 탄성을 가지고 잘진동하기 위해서는 내부 튜브의 길이보다 0.5∼5% 까지 길어야 효과적이다.
밸브장치는 원수급원과 하우징의 원수입구(11) 사이의 원수공급라인(L1)에 개재되는 제1밸브(V1), 하우징의 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트(12)에 연결되는 배기/오버플로우 드레인 라인(L2)에 개재되는 제2밸브(V2), 하우징의 처리수 출구(13)에 연결되는 처리수 이송라인(L3)에 개재되는 제3밸브(V3), 하우징의 측벽하단 드레인 포트(14)에 연결되는 드레인 라인(L4)에 개재되는 제4밸브(V4), 하우징의 급기구(15)와 공기급원 사이의 공기공급라인(L5)에 개재되는 제5밸브(V5), 처리수 이송라인(L3)에 연결되는 세정수 공급라인(L6)에 개재되는 제6밸브(V6), 배기/오버플로우 드레인 라인(L2)에 연결되는 리턴라인(L7)에 개재되는 제7밸브(V7)을 포함한다.
이하 이러한 구조의 본 장치에서 수처리하는 과정과 장치를 세정하는 과정에 대해서 설명하기로 한다.
우선, 도 2를 참조하여 정상적인 수처리하는 과정에 대해서 설명하기로 한다. 원수를 펌핑하여 원수입구(11)를 통해 하우징(10) 내부로 공급하면 원수가 하우징을 서서히 채우면서 중공사막부재(21)에 의해 여과되면서 여과된 물은 압력에 의해 중공사막을 통해 하우징 상부의 처리수 출구(13)를 통해서 처리수로 배출된다. 이때, 제4밸브(V4), 제5밸브(V5) 및 제6밸브(V6)는 도시되는 바와 같이 잠근다.
이러한 수처리 조작을 어느 정도 수행하면 하우징 내의 오염농도가 점점 늘어나게 되고 중공사막의 외벽에 오염물질이 점차 많이 들어붙게 되어 중공사막(21)을 통과하는 투수속도가 점차 줄어들게 된다. 이때 본 장치의 세정조작을 수행하게 된다. 본 장치에서는 백워싱(back washing) 세정(이하, 'B/W'라 약칭한다.) 및 공기에 의한 진동스트리핑(vibration ＆ stripping by air) 세정(이하 'VSA'라 약칭한다.)과, 경우에 따라 화학세정(chemical cleaning)을 수행할 수 있다.
이에 대해서 상세히 설명하면, B/W 모드에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 제6밸브(V6)와 제2밸브(V2) 만을 열어놓고 나머지 밸브들을 잠근 상태에서 세정수를 처리수 출구(13)로 펌핑공급한다. 공급된 세정수는 중공사막(21)을 통과하여 하우징의 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트(12)를 통해 배출된다. 충분히 세정한 후에는 세정수의 공급을 차단하고 제4밸브(V4)를 열어 하우징 내의 물을 배출시킨다음 도 2와 같은 정상 수처리 모드를 수행한다.
본 장치의 투수상태가 이러한 백워싱만으로 불충분할 때에는 간헐적으로 B/W와 함께 VSA를 동시에 수행한다. 이는 도 4에 도시된다. 도시되는 바와 같이, B/W 및 VSA 모드에서는 제6밸브(V6), 제5밸브(V5) 및 제2밸브(V2)만을 열어두고 나머지 밸브들을 잠근 상태에서 세정수를 처리수 출구(13)로 펌핑공급함과 동시에 압축공기를 급기구(15)를 통해 공기확산튜브(22)로 공급한다. 이와 같이하면 상기한 B/W 세정과 함께 공기가 공기확산튜브(22)를 통해 기포로 발생되면서 중공사막(21)을 진동시켜 중공사막에 붙어 있는 오염물을 스트리핑하여 세정효율이 증대되어, 안정적인 투수상태를 보장하게 된다. 충분히 세정한 후에는 세정수와 공기의 공급을 차단하고 제4밸브(V4)를 열어 하우징 내의 물을 배출시킨다음 도 2와 같은 정상 수처리 모드를 수행한다.
오염이 극히 심한 원수를 처리하는 경우에는 상기한 B/W 및 VSA 이외에도 화학세정을 할 필요가 있게 된다. 화학세정모드는 도5에 도시된다. 도시되는 바와 같이 화학세정모드에서는 제1밸브(V1)와 제7밸브(V7) 만을 개방한 상태에서 화학세정제를 첨가한 물을 순환공급하여 세정한다. 마찬가지로 세정을 충분히 수행한 후에는 화학세정수의 순환을 중단하고 제4밸브(V4)를 열어 하우징 내의 물을 배출시킨다.
이상 설명한 바와 같은 본발명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 수처리 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다.
[실시예 1]
각각 기공크기가 0.01㎛인 중공사막과 0.1㎛인 중공사막을 이용한 도 1의 장치에서 경시적인 투수성능을 비교실험하였다. 실험결과는 도 7의 그래프에 도시된다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 기공크기가 0.01㎛인 경우가 0.1㎛인 경우에 비하여 훨씬 안정적인 통수량을 얻을 수 있었다.
[실시예 2]
중공사막 번들 4개를 접착하여 구성한 중공사막 부재를 장칙한 도 1의 장치를 사용하여 투수성능을 관찰 하되, 번들의 중공사막 가닥수를 변경하여 실험하였다. 실험결과는 도 8의 그래프에 도시된다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 번들의 중공사막 가닥수가 3000일 때 최적의 투수성능을 보여주었으며 그 이상일 경우에는 오히려 투수성능이 저하하였다.
[실시예 3]
도 1의 장치에서 중공사막 부재의 길이를 변경하면서 수처리를 실시하여 water flux 및 flow rate를 측정하였다. 측정결과는 도8 및 도9의 그래프에 제시된다. 이 실험결과로부터 중공사막 부재의 길이가 800mm일 때 가장 최적의 투수성능을 보여주고 있음을 알 수 있다.
[실시예 4]
도 1의 장치에서 수처리를 수행하되 수처리 중에 B/W와 VSA를 실시하면서 투수성능의 변화를 측정하였다. 측정결과는 도 10의 그래프에 도시된다. 사용된 원수는 탁도(TURBIDITY) 4NTU, SiO276㎎/L, 온도 3℃의 한강물이었고, 조작압력 1.0 Kg/㎠, 백워싱 압력 1.5 Kg/㎠ 이었다. 상기 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 VSA를 병행할 경우 투수성능이 훨씬 높게 됨을 알 수 있다. VSA와 B/W 간의 효율을 비교한 것을 도 11의 그래프에 나타내었다. 또한 VSA 시간에 따른 세정효율을 측정하여 그 결과를 도 12의 그래프에 나타내었다. 또한 VSA 주기에 따른 세정효율을 측정하여 그 결과를 도 13의 그래프에 나타내었다. 또한 기간별 수처리 결과를 측정하여 그 결과를 도 14의 그래프에 나타내었다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 대용량의 물을 소규모의 장치로 처리할 수 있게 되고, 연속적으로 세정이 가능하면 안정한 투수량을 얻을 수 있고, 정수효율이 우수하고 사용이 편리하게 되며, 종래의 산업규모의 대량의 수처리에 사용되어온 응집, 침강 및 샌드필터 등의 공정을 소형이면서 안전한 저비용의 장치로 대체할 수 있게되어 경제적이며, 도시 및 공장의 폐수를 재사용할 수 있게 되고, 환경오염문제를 해결할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 달성할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 중공사막 수처리 장치에 있어서,
    측벽 상단에 원수 입구와 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트(air vent, overflow drain port)가 각각 제공되고 측벽 하단에 드레인 포트가 제공되며, 저면 중앙에 급기구가 형성되고 이에 대응하는 상면 중앙에 처리수 출구가 제공되는 중공사막 필터 하우징과,
    상기 하우징 내부 중앙에 수직으로 위치하며 처리수 출구와 연통하는 원통형의 중공사막 부재와 상기 중공사막 부재의 중앙에 위치하며 하단이 하우징 저면의 급기구와 연통하는 다공성 공기확산튜브(air diffusing tube)를 갖는 중공사막 필터와,
    원수급원과 하우징의 원수입구 사이의 원수공급라인에 개재되는 제1밸브, 하우징의 배기구 겸 오버플로우 드레인 포트에 연결되는 배기/오버플로우 드레인 라인에 개재되는 제2밸브, 하우징의 처리수 출구에 연결되는 처리수 이송라인에 개재되는 제3밸브, 하우징의 측벽하단 드레인 포트에 연결되는 드레인 라인에 개재되는 제4밸브, 하우징의 급기구와 공기급원 사이의 공기공급라인에 개재되는 제5밸브, 처리수 이송라인에 연결되는 세정수 공급라인에 개재되는 제6밸브, 배기/오버플로우 드레인 라인에 연결되는 리턴라인에 개재되는 제7밸브를 포함하는 밸브장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 공기확산튜브(22)가 하부에 집중하여 타공이 형성되고 중간부와 상부에 이보다 적은 수로 타공이 형성된 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 중공사막의 외부구조는 조밀하고 평활하며 내부의 구조는 기공이 큰 비대칭 구조이고, 외표면의 기공크기가 0.1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 중공사막 부재는 0.4㎜/0.6㎜(내경/외경) 중공사막 3,000 가닥이 집속된 직경 4㎝의 번들이 4개 접착된 것임을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 중공사막 부재의 길이가 70∼110㎝이면서, 내부 공기확산 튜브의 길이보다 0.5∼5% 까지 긴 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 중공사막 부재가 튜브상의 플라스틱 네트로 덮어 씌워 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 수처리 장치.
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