KR20020039383A - 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공사막을 이용하여 수처리에 사용하는 분리막에 관한 것으로 더 상세하게는 새로운 구조의 침지형 중공사 분리막을 개발하여 기존의 중공사막 모듈들이 가지는 대표적인 단점인 중공사막 표면에 발생하는 오염물질을 최소화하여 처리 시설에서의 효율을 극대화시키는 새로운 형태의 모듈이다.

본 발명은 중공사 모듈의 콜렉터(2)를 하단에 두어 폭기로 인하여 오염물이 모듈의 위로 잘 빠져나갈 수 있도록하였고 중공사막(1)들이 위를 향하여 중공사막의 끝이 자유로이 움직일 수 있어 막표면에 오염물들의 흡착을 억제 또는 제거되기 쉬운 프리엔드(free-end) 형태를 가지며 중공사 모듈의 중앙과 콜렉터와 중공사막 접착부에 산기파이프(4)를 부착하였으며 2중의 파이프로 제작하여 산기 파이프(4)의 하단의 산기관(5)과 산기공(6)에서 산기를 하여 적은 폭기량으로 중공사막의 표면에 생기는 케이크 층을 용이하게 억제 또는 제거할 수 있도록 하고 안쪽 흡입 파이프(3)에서는 막을 통과한 투과수의 흡입을 수행하여 별도의 산기관을 설치하지 않는 형태를 취하고 있다. 그리고 분리막 모듈을 처리시설에 침지하였을 때 막이 꺾이는 등 중공사막에 가해지는 충격을 줄이고 오수나 폐수중의 크기가 큰 협잡물들이 모듈 내로 들어와서 중공사막에 걸리지 않게 모듈의 외부에 가드(10,11)를 설치한다.

Description

중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈 {free-end hollow fiber membrane module for water treatment}

본 발명은 중공사를 이용하여 수처리를 하기 위한 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈에 관한 것으로 더 상세하게는 새로운 침지형 중공사 분리막 모듈을 개발하여 기존의 중공사막 모듈이 가지고 있는 단점인 중공사막의 표면에 생기는 케이크(cake)층을 효과적으로 억제 또는 제거하여 막 오염(membrane fouling)을 방지하여 안정적이고 효율적인 수처리에 적용하기 위한 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 분리막 기술은 고분자 재료의 물질 선택 투과 성질을 이용한 분리기술의 하나로 1960년대 미국에서 해수담수화 계획의 일환으로 역삼투공정 (reverse osmosis)이 개발되었다. 1970년경에는 고분자재질의 역삼투막과 모듈이 개발되었으며 그 후 다른 종류의 모듈들이 개발, 대량 생산이 이루어졌다. 막 분리 공정은 증류기술과는 달리 상변화가 없으므로 에너지를 절약할 수 있고 공정이 간단하므로 장치가 차지하는 공간이 적은 장점이 있다. 분리막은 역삼투압막 (reverse osmosis membrane)을 중심으로 개발되었고 한외여과막(ultrafiltration),정밀여과막(microfiltration), 나노여과막(nanofiltration)등으로 광범위하게 적용되고 있다.

기존의 분리막은 나권형(spiral wound), 관형(tubular), 중공사형(hollow fiber), 판틀형(plate and frame)등의 형식들이 있는데, 이중에서 중공사형은 중공사의 직경이 0.2∼2mm이며 중앙이 비어있는 실관 형태이므로 중공사의 단위부피당 막면적비가 다른 형식에 비해서 매우 커서 높은 생산성을 가지고 있으며, 다른 형식의 분리막은 분리막을 형성하는 고분자를 도포할 수 있는 지지체가 필요하지만 중공사형식의 분리막은 직경이 작으므로 자체적으로 형태를 유지할 수 있어서 별도의 지지체가 필요 없다는 장점을 가지고 있으나, 하나의 모듈로 만들어진 중공사막들 사이에 부유물질이 막의 표면에 부착되어 물의 흐름을 막을 수 있으며 막 오염에 약하고 일단 오염된 막은 세척하기가 어려워 막오염이 심한 공정에는 사용하기가 어렵고 강한 폭기나 외부의 충격에 절단될 수 있는 단점이 있다.

중공사형 분리막은 중공사막의 안에서 밖으로 여과되는 가압방식과 그 반대 방향으로 흡입하는 방식으로 사용할 수 있다. 그리고 오수 및 하수를 처리할 때 사용되는 활성슬러지법에 중공사막을 사용하는 방식도 외부에서 순환하는 방식(external type)과 폭기조내에 직접 모듈을 침지하는 방식(submerged type)이 있다. 외부순환형은 침지형에 비해서 에너지 소모가 큰 단점을 가지고 있다.

도 1에 도시한 분리막 모듈은 일본 미쓰비시 레이온(Mitsubishi Rayon)사에서 상용화된 것으로, 양쪽에 흡입파이프(3)를 통해서 콜렉터(2)를 통해 빠져 나온다. 그리고 중공사막(1)은 느슨하게 늘어져 있어서 폭기조의 하부에 산기관에 의해서 발생하는 기포에 의해서 중공사막이 상하로 움직여서 케이크층을 제거한다. 그러나 과도한 산기에 의해 중공사막의 절단이나 흡입파이프와 중공사막들이 연결되는 부분에 폭기조의 슬러지들이 그곳에 엉키게 되는 운영상의 문제점이 보고된다.

도 2에 도시한 분리막은 콜렉터(2)가 상부에 존재하고 중공사막(1)들이 하부의 지지대에 감겨 있는 모양이다. 중앙에 산기파이프가 없으며 하부의 원형 지지대가 산기관(5) 역할을 한다. 산기관(5)을 통해 나오는 공기들이 부력에 의해서 상승하다가 콜렉터(2)와 중공사막(1)들이 연결되있는 부분에 지속적으로 충격을 가하여 중공사막(1)들이 절단된다. 그리고 폭기조 내에서 슬러지의 흐름이 폭기에 의하여 모듈하부에서 상부의 콜렉터(2)쪽으로 향하여 슬러지들이 콜렉터(2)와 중공사막(1)이 만나는 곳에 쌓여 막 오염을 일으키게 된다.

본 발명은 이러한 종래의 단점을 개량한 것으로 본 발명의 핵심은 콜렉터 (2)가 하단에 오고 중공사막(1)들이 콜렉터(2)에서 위를 향해 있으며 중공사막(1)의 끝은 자유롭게 각각 떨어져 있다. 그리고 공기는 별도의 산기관이 없이 중앙의 산기 파이프(4)를 따라 내려와 콜렉터(2)의 바로 상부에서 분사되며 공기들이 부력으로 상승 시에 스크러빙 (scrubbing)과 중공사막의 진동(vibration)에 의해서 막에 쌓이는 케이크 층을 제거하는데 있어 최대의 효과를 발휘할 수 있는 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈을 제공하고자 한다.

도 1 및 도 2는 종래의 중공사형 분리막 구성도

도 3은 본 발명에 따른 중공사형 분리막 구성도

도 4 및 도 5는 도 3의 세부도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 중공사막, 2: 콜렉터, 3: 흡입파이프, 4: 산기파이프, 5: 산기관

6: 산기공, 7: 연결용 티자관, 8: 공기주입구, 9: 밀봉

10: 원통형 가드, 11: 원추형 가드

본 발명은 흡입 펌프를 통해 투과된 물이 모이는 콜렉터(2)와 중앙에 흡입과 산기를 위한 파이프(3,4) 그리고 중공사막(1)들로 이루어진 침지형 분리막 모듈이다.

본 발명의 특징은 하단에 콜렉터(2)를 설치하고 콜렉터를 따라 수직으로 중앙 파이프를 설치하고 상단에 산기와 흡입을 동시에 수행할 수 있는 연결용 티자관(7)를 이용하여 흡입펌프를 부착, 투과수를 흡입하며 동시에 브로어(blower)를 통해 산기파이프(4)를 따라 내려간 공기들이 다수의 산기관(5)과 산기공(6)을 통해 산기된다. 산기된 공기에 의해 중공사막(1)은 자유롭게 움직여 중공사막 표면에 생기는 오염물질을 최소화시킨다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부된 도면을 가지고 상세히 설명한다. 도 3은 중공사 분리막 모듈과 모듈을 보호할 수 있는 가드(10,11)의 예이고, 도 4와 도 5는 도 3의 세부도로서 모듈 상단의 연결용 티자관(7)과 모듈 하단의 콜렉터(2)의 단면도를 보여준다.

도 3을 보면, 본 발명의 특징은 콜렉터(2)가 하단에 설치되고 중앙에 수직으로 흡입파이프(3)와 산기 파이프(4)가 설치되어 있다. 산기관(5)과 산기공(6)을 통해 산기가 이루어지면 공기방울들이 중공사막(1)을 따라 상승하게 된다. 이때 산기되는 공기들은 중공사막을 따라 상승하면서 표면의 케이크층을 제거하여 막오염을 최소화시킨다. 그리고 분리막을 가드(10,11)로 보호하여 피처리수 중에 함유되어 있는 큰 협잡물들이 중공사막에 걸리지 않게 하고 중공사막들이 대기중 노출시 옆으로 쓰러지지 않도록 보호한다. 그 형태는 원통형(10)과 원뿔형(11) 등이 될 수 있으며 격자형이나 아크릴관, PVC 관등의 형태도 가능하다.

도 4를 보면, 산기와 투과수의 흡입을 동시에 수행할 수 있는 연결용 티자관(7)을 보여준다. 흡입파이프(3)의 외경보다 내경이 큰 산기파이프(4)가 산기를 위해 사용하고 연결용 티자관(7)의 상부에 산기파이프(4)에서 공기가 대기 중으로 노출되지 않게 밀봉(9)한다. 그리고 연결용 티자관(7) 측면의 공기주입구(8)에 브로어(blower)를 연결하여 산기를 수행한다. 따라서, 본 고안은 작동시 중공사막을 통하여 투과된 투과수는 흡입파이프(3)를 따라 배출되며, 산기는 흡입파이프(3) 외부와 산기파이프(4) 내부의 틈을 따라 내려가 콜렉터(2) 위의 산기관(5)과 산기공(6)을 통해 산기된다.

도 5는 콜렉터(2) 내부의 단면도이다. 흡입파이프(3) 외부와 산기파이프(4) 내부의 틈을 따라 내려온 공기는 산기관(5)과 산기공(6)을 통해서 분사된다. 이 공기방울들은 인접한 중공사막(1)을 흔들어 주면서 상승한다. 그리고 산기파이프(4)를 따라 내려온 공기들이 콜렉터(2)안으로 들어가거나 콜렉터에 모인 투과수들이 산기공(6)을 통해 다시 빠져나가지 않게 두 파이프의 공극을 밀봉(9)한다. 따라서, 콜렉터에 모인 투과수는 단지 중앙의 흡입파이프(3)를 통해서만 흡입된다. 산기공(6)의 개수와 위치는 피처리수의 농도 등 조건에 따라 변화를 줄 수 있으며 콜렉터(2)의 직경이 10 - 20 cm 가량이 될 경우에는 산기공(6) 만으로 충분히 막에 영향을 줄 수 있으나 그 이상의 직경이 될 경우에는 산기공 만으로는 부족하여 콜렉터(2)와 중공사막(1)이 만나는 부분에 일정한 간격으로 산기관(5)을 설치하여 막표면에 쌓이는 오염물들을 제거한다.

본 발명은 산기장치와 흡입장치를 하나의 장치를 통해 연결하여 모듈을 간편화시켜 제반비용을 줄일 수 있으며 취급이 용이해진다. 그리고 콜렉터(2)가 모듈의 하부에 위치하는 모양을 취하며 콜렉터(2)와 중공사막(1)의 만나는 부분에 산기관(5)과 산기공(6)을 통해 나오는 공기들은 중공사막 표면에서 스크러빙 (scrubbing)과 진동(vibration)에 의해 케이크(cake)층이 쌓이는 것을 방지한다. 중공사막(1)의 끝을 자유롭게 움직일 수 있는 프리엔드(free-end)형태로 제작하여 중공사막들 사이에 있는 부유 고형물들이 쉽게 빠져나가 오염을 줄여줄 수 있다. 만일 콜렉터(2)가 상단에 있거나 측면에 위치한다면 부력에 의해 올라오는 공기들에 의해 콜렉터(2)와 중공사막(1)들이 만나는 부분에 스트레스를 주어 중공사가 부러지는 문제가 발생하게 되며 부유성 고형 오염물들이 공기를 따라 올라오다가 콜렉터와 중공사막의 만나는 부분에 걸려 쌓이게 되어 심한 막 오염을 일으킨다. 그리고 모듈의 외부를 원추형 또는 원통형 가드(10, 11)를 설치하여 피처리수 중의 크기가 큰 협잡물이 모듈 안쪽으로 들어오는 것을 막아 중공사막들 사이에 협잡물들이 걸리지 않게 한다.

Claims (4)

1. 콜렉터(2)가 하단에 오고 끝이 각각 따로 떨어져 자유롭게 움직일 수 있는 프리엔드(free-end)형태의 중공사막(1)을 위로 향하게 설치하여 하부에서의 폭기에 의하여 중공사막의 오염을 용이하게 감소시키는 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈
2. `제 1 항에 있어서,

   콜렉터(2)를 관통하는 흡입파이프(3)와 그 외부에 존재하는 산기파이프(4)가 일체형으로 구성된 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈
3. 제 1 항 있어서,

   콜렉터(2)와 중공사막(1)이 접하는 부분에 위치하는 산기공(6)의 위치는 산기 파이프의 어느 곳도 될 수 있으며 개수도 1개 이상이 될 수 있고 산기관(5)은 모듈의 크기에 따라 단계적으로 0개이상이 될 수 있다.
4. 제 1 항 있어서,

   상기 중공사를 이용한 수처리용 분리막 모듈을 둘러쌓고 있는 격자형 또는 관형을 이용한 원통형(10) 혹은 원뿔형(11) 가드를 구비한 수처리용 분리막 모듈