KR20030007604A

KR20030007604A - 고속 여과 장치 및 이 장치를 이용한 고속 여과 방법

Info

Publication number: KR20030007604A
Application number: KR1020027015083A
Authority: KR
Inventors: 마카야마요시히코; 미야타아쯔시
Original assignee: 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-01-23
Also published as: DE60222641D1; EP1369157B1; CA2406957C; JPWO2002072227A1; EP1369157A1; DE60222641T2; JP3853738B2; AU2002237560B2; CA2406957A1; EP1369157A4; WO2002072227A1; US6841069B2; KR100507718B1; US20040004036A1

Abstract

본 발명은 원수 여과 기술 분야에 관한 것으로, 고농도의 부유 물질(SS)을 함유하는 대량의 원수를 고속 여과하는 것을 가능하게 하는 고속 여과 장치를 제공한다. 겉보기 밀도: 0.1∼0.4 g/cm³, 50% 압축 경도: 0.1 MPa 이상, 사이즈: 4∼10 mm의 발포 고분자로 이루어지는 요철형 또는 통형의 부상 여과재(2)를 상향류식의 여과탑(1)의 내부에 충전한다. 이 장치에 고농도의 SS를 함유하는 원수를 1.00∼1000 m/일의 통수 선속도로 통과시켜 여과를 수행한다. 부상 여과재(2)가 압축되지 않고, 높은 SS 포집률을 얻을 수 있다. 역세척도 1.2∼4.0 m/분의 높은 수세 선속도로 행할 수 있다.

Description

고속 여과 장치 및 이 장치를 이용한 고속 여과 방법{HIGH RATE FILTER AND HIGH RATE FILTRATION METHOD USING THE FILTER}

전술한 바와 같은 고농도의 SS를 함유하는 대량의 원수를 여과 처리하는 경우에는, 여과층 내에 포집될 수 있는 SS의 양을 증가시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 통상의 모래 여과법에 이용되는 것보다 큰 10 mm 전후의 입자 직경을 갖는 침전성 입상 여과재를 이용하여, 하향류 방식으로 여과를 수행하는 것이 일반적이다. 그러나, 여과재의 직경이 크면, SS 제거율이 불가피하게 저하된다. 또한, SS가 여과층 전체에서 포집되기 때문에, 포집된 SS를 역세척에 의해 배출하는 것이 어렵고, 역세척에 대량의 세정수가 필요하다는 문제가 있다.

또한, 상향류 여과 방식을 채용한 경우에는, 밀도가 0.9∼0.95 g/cm³인 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌으로 제조된 원통형 여과재가 이용되는 경우가 많다〔본 출원에 있어서, 단일 여과재(medium)는 한 개의 여과 소편을 가리키며, 복수 여과재(media)는 다수의 해당 여과 소편의 집합을 가리킴〕. 그러나, 이러한 여과재는 물과의 밀도차가 작기 때문에, 역세척 시에 원통형의 여과재가 유출될 우려가 있다. 이와 관련하여, 여과재 충전층의 하부에 스크린이 마련되어 있다. 이 경우에, 스크린은 여과 작업과 역세척을 반복하는 중에 막히게 되어, 여과 불능 상태로 된다. 게다가 장치의 구조적 측면에서 상기 하부 스크린의 막힘을 해소하는 것은 매우 곤란하다.

또한, 스크린이 역세척 중에도 존재하기 때문에, 스크린을 막히게 한 오염물을 여과재의 팽창으로 인해 여과재 사이에 형성되는 간극을 통하여 배출 및 제거할 수 없다. 따라서, 여과재는 공기 또는 물로 반복적으로 세정될 필요가 있는데, 이는 장시간의 역세척 공정을 필요로 한다. 더욱이, 하부 스크린이 막히는 것을 방지할 목적으로 스크린의 메시(mesh)를 일반적으로는 10 mm 정도까지 크게 하는 경우가 많은데, 이로 인하여 여과재의 입자 직경을 메시보다 크게 할 필요가 있으며, SS 포집 효율을 향상시키기 위해서 여과재의 두께를 2 m 정도로 두텁게 할 필요가 있다. 이 경우에는, 설비가 과대해진다는 문제가 있다.

본 발명은 하수, 슬러지 처리 후의 반류수(返流水), 산업 폐수, 쓰레기 침출수, 농업 폐수, 빗물 등의 고농도 부유 물질(이하, SS라 함)을 함유하는 대량의 원수를 여과하기 위한 고속 여과 장치와, 이 장치를 이용한 고속 여과 방법에 관한 것이다.

도 1은 여과 동작 중인 고속 여과 장치를 나타내는 단면도이고,

도 2는 역세척 중의 고속 여과 장치를 나타내는 단면도이고,

도 3은 부상 여과재의 예를 나타내는 사시도이고,

도 4는 부상 여과재의 다른 예를 나타내는 사시도이고,

도 5는 부상 여과재의 또 다른 예를 나타내는 사시도이고,

도 6은 통형의 부상 여과재를 나타내는 사시도이고,

도 7은 풍차형(windmill-shaped)의 부상 여과재를 나타내는 사시도이고,

도 8은 평판을 펀칭한 것의 예를 나타내는 평면도이고,

도 9는 평판을 펀칭한 것의 다른 예를 나타내는 평면도이다.

본 발명은, 고농도의 SS를 함유하는 대량의 원수(原水)를 고속 여과할 수 있고, 역세척을 용이하게 하며, 막힐 우려가 있는 스크린을 제거한 고속 여과 장치와 이 여과 장치를 이용한 고속 여과 방법을 제공하여, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 청구항 1에 따른 고속 여과 장치는, 상향류식의 여과탑과 이 여과탑의 내부에 충전된 부상(浮上) 여과재로 이루어지고, 상기 부상 여과재는 겉보기 밀도가 0.1∼0.4 g/cm³이고 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 발포 고분자로 이루어지며, 사이즈가 4∼10 mm인 요철형 또는 통형의 것이다. 겉보기 밀도란 고분자 자체의 밀도가 아니라, 기공을 포함하는 발포 고분자의 평균 밀도를 말한다.

또한, 청구항 2에 따른 고속 여과 장치는, 상향류식의 여과탑과 이 여과탑의 내부에 충전된 부상 여과재로 이루어지고, 상기 부상 여과재는 겉보기 밀도가 0.1∼0.4 g/cm³이고 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 발포 고분자로 이루어지며, 사이즈가 4∼10 mm인 요철형 또는 통형의 제1 부상 여과재와, 겉보기 밀도가 0.03∼0.1 g/cm³이고 입자 직경이 2∼4 mm인 구형의 제2 여과재를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 고속 여과 방법은, 고농도의 부유 물질(SS)을 함유하는 원수를 100∼1000 m/일의 통수(通水) 선속도로 상향류식으로 전술한 고속 여과 장치 중 어느 하나를 통과시키는 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우에, 여과 장치가 소정의 여과 차압에 도달된 후에, 역세척이 1.2∼4.0 m/분의 수세 선속도로 수행될 수 있다. 한편, 1000 m/일의 통수 선속도는 분속으로 약 0.7 m/분이며, 이는 일반적인 모래 여과 장치의 수세 선속도에 상응하는 정도로 빠른 것이다. 그러므로, 상기 속도 이상의 통수 선속도에서는 SS가 여과재에 의해 포집되지 않기 때문에 SS 제거율은 극단적으로 저하된다.

본 발명에 있어서는, 비교적 경질이며 압축하기 어려운 요철형 또는 통형의부상 여과재가 사용되므로, 많은 SS가 여과재 사이에 포집될 수 있다. 그러므로, 고농도의 많은 SS를 함유하는 대량의 원수를 100∼1000 m/일의 통수 선속도로 고속 여과할 수 있다. 또한, 겉보기 밀도가 종래의 것보다 훨씬 작은 부상 여과재가 사용되므로, 부상 여과재가 역세척 중에 유출될 우려가 없다. 또한, 종래 기술에서와 같은 하부 스크린이 필요 없게 되므로, 스크린이 막히는 문제가 발생하지 않는다. 또한, 여과재가 1.2∼4.0 m/분의 고속 수세 선속도로 용이하게 역세척될 수 있기 때문에, 역세척 시간의 단축을 도모할 수 있다.

이하에 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다.

도 1에 있어서, 도면부호 1은 여과탑을 지시한다. 이 실시예에서는, 4개의여과탑(1)이 병렬로 설치되어 있다. 각 여과탑(1)의 내부에는 이하에 설명하는 부상 여과재(2)가 소정의 높이로 충전되어 있다. 하수, 슬러지 처리 후의 반류수, 산업 폐수, 쓰레기 침출물, 농업 폐수, 빗물 등의 고농도 SS를 함유하는 대량의 원수가 원수 펌프(3)에 의해 여과탑(1)의 하부로 도입되고, SS는 원수가 여과탑 내를 상향류로 통과하는 중에 부상 여과재 충전층에서 포착되며, 처리수가 상부의 공통 유로(4)로부터 추출된다.

또한, 여과 운전 중에 부상 여과재(2)의 유출을 방지하기 위한 상부 스크린(5)이 여과재 충전층의 상부에 마련되어 있다. 또한, 충전층의 하부에는 역세척 공기용 노즐(6)이 배치되어 있어서, 역세척 공기가 필요에 따라 공기 세정 송풍기(7)에 의해 공급될 수 있게 되어 있다. 또한, 여과탑(1)의 하단부에는 역세척 폐수의 배출을 위한 배출 밸브(8)가 마련되어 있다.

본 발명에 사용된 부상 여과재(2)는 겉보기 밀도가 0.1∼0.4 g/cm³이고 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 발포 고분자로 구성된다. 이러한 물리적 성질을 갖는 발포 고분자로서는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등이 있다. 이들 중에서, 발포도가 제어된 독립 기포형 발포 폴리에틸렌은 내열성, 내약품성, 내후성도 우수하다.

겉보기 밀도를 0.1∼0.4 g/cm³으로 한 이유는, 0.1 g/cm³미만이면 바람직한 압축 경도를 얻을 수 없고, 선속도가 1.2∼4.0 m/분인 역세척 중에 여과재층을 팽창시키는 것이 불가능하며, 이와 달리 0.4 g/cm³를 넘으면 역세척 중에 여과재가 유출될 우려가 있기 때문이다. 또한, 50% 압축 경도를 0.1 MPa 이상으로 한 이유는, 0.1 MPa보다 경도가 낮으면 고속 여과 중에 여과재가 압축되어, 다량의 SS를 포착할 수 없어 연속 여과 시간이 줄어들기 때문이다. 50% 압축 경도는 여과재를 형성하는 고분자 시트를 그 높이가 반이 될 때까지 압축시키는 데에 필요한 압력을 의미하는 것이다. 50% 압축 경도와 겉보기 밀도는 JISK6767에 규정되어 있는 방법으로 측정한 것이다.

본 발명에 사용된 부상 여과재(2)는 사이즈가 4∼10 mm인 요철형 또는 통형의 것이다. 요철형이란 입방체, 직방체, 구체 등과 같은 단순 형상이 아니라, 그 외면에 어떠한 요철을 갖춘 이형상을 의미하는 것이다. 예컨대, 도 3에는 4장의 블레이드형 아암(9)을 갖는 부상 여과재(2)가 도시되어 있고, 도 4에는 장방형 단면의 판형체의 외주면에 파형의 요철(10)이 형성된 부상 여과재(2)가 도시되어 있다. 또한, 도 5에는 단면이 Z형인 부상 여과재(2)가 도시되어 있다. 도 7은 도 3의 형상에 있어서 블레이드형 아암 부분을 풍차형으로 더욱 개량한 것을 도시하고 있다. 도 8 또는 도 9에 도시한 바와 같이 부상 여과재는 평판으로부터 동일 형상으로 펀칭될 수 있는 그러한 형상으로 설계되는 것이 바람직한데, 이는 재료가 낭비되지 않기 때문이다. 이는 도 3 및 도 4의 형상에 있어서도 마찬가지이다.

충전층을 형성할 때에 상기와 같은 요철형의 부상 여과재(2) 상호 간에 형성되는 간극은 직선 경로로 되지 않으므로, 침전 효과 및 여과 효과가 유리하게 향상되어 충전층 내에 SS를 확실하게 포집할 수 있다. 또한, 여과재 상호 간의 간극이 크기 때문에 다량의 SS를 충전층 내에 포착할 수 있다는 이점도 있다. 또한, 부상여과재(2)의 형상은 도 3 내지 도 7에 예시한 것으로 한정되는 것이 아니라, 그 밖의 여러 가지 형상〔예컨대, 콘페이토(Confeetti)와 같은 다수의 돌기를 갖는 형상〕으로 설계될 수 있다.

본 발명에 사용되는 부상 여과재(2)는 도 6에 나타낸 바와 같은 통형이어도 좋다. 이 형상은, SS가 내부 공간(11)에 포집되어 다량의 SS를 포질할 수 있다는 효과를 발휘하는 것이다. 형상은 도 6에 도시되어 있는 원통형으로 한정되지 않고, 장방형 단면의 원주형일 수도 있다.

부상 여과재(2)의 사이즈를 4∼10 mm로 한 이유는, 사이즈가 4 mm미만이면 고속 여과에 의해 막힘이 발생하기 쉬워지고, 10 mm를 넘으면 SS의 포집율이 저하하기 때문이다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 부상 여과재(2)는 단순한 형상이 아니므로, 본 명세서에 있어서의 사이즈(size)란 한 여과재 입자의 여러 외부 직경 치수 중 최대의 치수를 의미하는 것이다.

청구항 2의 발명에 있어서, 겉보기 밀도가 0.03∼0.1 g/cm³이고 입자 직경이 2∼4 mm인 구형 여과재가 전술한 부상 여과재(2)와 함께 여과탑(1)에 충전된다. 이들 구형 여과재는 발포도가 높은 고분자 입자로 이루어지므로, 이들 구형 여과재는 밀도차에 의해서 전술한 부상 여과재(2)의 충전층보다 상측에 개별적으로 충전층을 형성하여, SS의 포집 비율이 더욱 증가되는 효과를 갖는다. 구형 여과재는 역세척 중에 부상 여과재(2)와 일시적으로 뒤섞이지만, 역세척을 정지하면 밀도차에 의해서 이들 두 종류의 여과재는 서로 분리된다. 이러한 물리적 성질을 갖는 발포 고분자로서는 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등이 있을 수 있다. 이중에서도 특히, 발포도가 제어된 독립 기포형의 발포 폴리에틸렌이 내열성, 내약품성, 내후성도 우수하다.

전술한 바와 같은 고속 여과 장치를 이용하여 고농도의 SS를 포함하는 대량의 원수를 여과하는 경우에, 원수가 도 1에 도시된 바와 같이 원수 펌프(3)에 의해 여과탑(1)의 하부로부터 도입되고, SS는 원수가 여과탑 내를 상향류로 통과하는 중에 충전층에서 포집되고, 상부의 공통 유로(4)로부터 처리수로서 추출된다. 이 때의 통수 선속도는 100∼1000 m/일, 바람직하게는 300∼1000 m/일로 한다. 여과재의 유출은 상부 스크린(5)에 의해 방지된다.

여과가 이러한 고속으로 수행되는 경우에, 대량의 SS가 전술한 부상 여과재(2)에서 효율적으로 포집되고, 이러한 대량의 SS가 충전층 내에 유지할 수 있다. 또한, 부상 여과재(2)는 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 비교적 경질의 입자이므로, 고속 여과 상태의 압력에 의해서도 압축되는 일이 없어, 막힘에 이르지 않는다. 통상의 여과재를 사용했을 경우에는, 고농도의 SS를 함유하는 원수를 100 m/일 이상의 통수 선속도로 여과하는 것은 곤란하며, 단시간에 막힘에 이른다.

연속 여과 운전에 의해 통수 저항(water passing resistance)이 증가했을 때에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 그 통수 저항이 증가한 여과탑(1)에 원수를 공급하는 것이 필요에 따라 정지되며, 상부의 공통 유로(4) 내의 처리수가 역세척수 배수용 배출 밸브(8)를 개방함으로써 하방으로 흐른다. 이 때, 필요에 따라 역세척 공기용 노즐(6)로부터 여과재로 공기가 송풍되며, 그 결과 충전층이 심하게 교반되어, 포집된 SS가 여과재로부터 분리된다. 본 발명에 있어서는, 역세척 시의 수세 선속도를 1.2∼4.0 m/분으로 설정할 수 있다.

역세척 시의 수세 선속도가 일반적으로 1.0 m/분 이하이므로, 전술한 속도는 상당한 고속 역세척이다. 이러한 고속 역세척이 가능한 이유는, 부상 여과재(2)의 밀도가 0.4 g/cm³이하로 작기 때문에 하부 스크린을 마련하지 않더라도 여과재가 하방으로 유출되지 않기 때문이다. 그 결과, 세정 시간의 단축을 도모할 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 상부의 공통 유로(4) 내의 처리수를 이용하는 경우에, 세정수 배출 라인의 밸브를 개폐함으로써 역세척이 수행될 수 있으며, 이로 인하여 세정용 펌프는 필요 없게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고농도의 SS를 함유하는 원수를 막힘을 초래하는 일 없이 고속으로 여과할 수 있으며, 단시간에 역세척을 수행하여 여과 능력이 회복될 수 있다. 다음에 본 발명의 실시예를 나타낸다.

(실시예 1)

표 1에 기재된 각종 여과재를 동일한 여과탑에 충전하고, SS 농도가 300 mg/L인 원수를 800 m/일의 통수 선속도로 통과시켜, 연속 여과 시간, SS 제거율, 수세 세정성을 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1에는 2종의 종래의 여과재와, 5종의 비교예의 여과재가 기재되어 있다. 도 3에 도시된 형태로 밀도, 혹은 입자 직경이 상이한 5종을 본 발명의 여과재로서 사용하였다. 또한, 연속 여과 시간으로서는, 여과 차압이 수두로 1 m 상승하기까지의 시간을 측정하였다. 표 1의 데이터에 나타낸 바와 같이, 2종의 종래의 여과재와 5종의 비교예의 여과재에있어서는, 압축 경도, 연속 여과 시간, SS 제거율 또는 세정성에 문제가 있었다. 이와 달리, 본 발명의 여과재 ①∼⑤에 따르면, 필요한 압축 경도, 우수한 SS 제거율, 우수한 세정성 및 필요한 연속 여과 시간을 양립시킬 수 있었다.

	재질	겉보기밀도	압축경도	연속여과 시간	SS제거율	수세선속도	수세성	여과재 두께
단위		g/cm³	MPa	시간	%	m/분		m
종래기술	중공 원통Φ13 ×13	PP	0.9	0.5 이상	6.5	10	수세불가	×	1
종래기술	중공 원통Φ13 ×13	PP	0.9	0.5 이상	4.0	22	수세불가	×	2
입방형 (㎜)10 ×10 ×10	발포PE	0.05	0.014	0.5	47	2.5	Ｏ	1
입방형(㎜)10 ×10 ×10	발포PE	0.5	0.5 이상	5.0	40	0.8	×	1
중공 원통Φ5 ×6	PE	0.9	0.5 이상	1.8	55	0.4	×	1
입방형3 ×3 ×3	발포PE	0.2	0.26	0.3	65	3.0	Ｏ	1
입방형12 ×12 ×12	발포PE	0.2	0.26	10.0	11	3.0	Ｏ	1
본 발명의 여과재 ①8 ×8 ×5	발포PE	0.2	0.26	1.5	60	3.0	Ｏ	1
본 발명의 여과재 ②8 ×8 ×5	발포PE	0.1	0.10	1.2	63	3.0	Ｏ	1
본 발명의 여과재 ③8 ×8 ×5	발포PE	0.4	0.38	1.6	59	3.0	Ｏ	1
본 발명의 여과재 ④4 ×4 ×5	발포PE	0.2	0.26	0.8	63	3.0	Ｏ	1
본 발명의 여과재 ⑤10 ×10 ×5	발포PE	0.2	0.26	2.5	40	3.0	Ｏ	1

※ 여과 장치의 하부에 스크린(메시 10㎜)이 제공됨

※※ 수세가 불가능하므로, 물은 배치식으로 추출됨

※※※ PP : 폴리프로필, PE : 폴리에틸렌

(실시예 2)

겉보기 밀도가 0.3 g/cm³이고 사이즈가 8 mm인 도 3에 도시된 형상의 부상 여과재와, 겉보기 밀도가 0.05 g/cm³이고 직경이 3.6 mm인 구형 여과재를 여과탑의 내부에 충전하였다. 충전 높이는 부상 여과재를 80 cm, 구형 여과재를 20 cm로 하였다. SS 농도가 300 mg/L인 원수를 1000 m/일의 통수 선속도로 여과탑을 통과시켜 여과 테스트를 수행한 결과, SS 제거율은 70%, BOD 제거율은 65%에 달했다. 또한, 연속 여과 시간은 45분이었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 고농도의 SS를 함유하는 대량의 원수를 여과재를 압축시키지 않고 고속으로 여과할 수 있다. 또한, 여과재가 단시간에 역세척될 수 있어서, 하부 스크린을 마련할 필요도 없으므로, 종래와 같은 막힘도 발생하지 않는 등의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 고속 여과 장치 및 이 장치를 이용한 고속 여과 방법은 하수, 슬러지 처리 후의 반류수, 산업 폐수, 쓰레기 침출물, 농업 폐수, 빗물 등의 고농도의 부유 물질(SS)을 함유하는 대량의 원수를 여과하는 데 이용될 수 있어, 산업상 이용 가치가 크다.

Claims

상향류식의 여과탑과, 이 여과탑의 내부에 충전된 부상(浮上) 여과재로 이루어지는 고속 여과 장치로서,

상기 부상 여과재는 겉보기 밀도가 0.1∼0.4 g/cm³이고 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 발포 고분자로 이루어지며, 사이즈가 4∼10 mm인 요철형 또는 통형의 것인 고속 여과 장치.
상향류식의 여과탑과, 이 여과탑의 내부에 충전된 부상 여과재로 이루어지는 고속 여과 장치로서,

상기 부상 여과재는 겉보기 밀도가 0.1∼0.4 g/cm³이고 0.1 MPa 이상의 50% 압축 경도를 갖는 발포 고분자로 이루어지며, 사이즈가 4∼10 mm인 요철형 또는 통형의 제1 부상 여과재와, 겉보기 밀도가 0.03∼0.1 g/cm³이고 입자 직경이 2∼4 mm인 구형의 제2 여과재를 포함하는 것인 고속 여과 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 여과재 충전층의 상부에 마련되어 부상 여과재의 유출을 방지하는 스크린 및 처리수 배출 채널과, 충전층의 하부에 마련된 역세척 공기용 노즐과, 여과탑의 하부에 마련된 원수 공급로와, 여과탑의 하단부에 마련된 역세척수의 배출 밸브를 더 구비하는 고속 여과 장치.
제1항 내지 제3항 중 하나의 고속 여과 장치에 고농도의 부유 물질(SS)을 함유하는 원수를 100∼1000 m/일의 통수 선속도로 상향류식으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 고속 여과 방법.
제4항에 있어서, 역세척은 1.2∼4.0 m/분의 수세 선속도로 수행되는 것인 고속 여과 방법.