KR20030091208A

KR20030091208A - 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는중공사 분리막 수처리 시스템 및 공정

Info

Publication number: KR20030091208A
Application number: KR1020020029079A
Authority: KR
Inventors: 박병규; 이정학
Original assignee: (주)멤브레인워터
Priority date: 2002-05-25
Filing date: 2002-05-25
Publication date: 2003-12-03

Abstract

본 발명은 중공사막을 이용한 수처리 시스템에 있어서, 폐쇄된 순환루프에 순환펌프와 밸브를 설치하고 이를 자동제어함으로써, 십자흐름형(cross-flow type) 여과 방식과 막힘형(dead-end type) 여과 방식을 자동으로 손쉽게 전환시킬 수 있는, 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템 및 공정에 관한 것이다.

본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템은, 원수저장조; 원수를 시스템 내로 공급시키기 위한 가압펌프; 중공사막 형태의 분리막 모듈; 순환유량을 조절하기 위한 순환펌프; 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브; 및 배출용 자동밸브를 포함하여 구성되는 중공사 분리막 수처리 시스템으로서, 상기에서 분리막 모듈, 순환펌프, 및 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브는 폐쇄순환루프에 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템 및 공정{Hollow fiber membrane water-treatment system and process controlling cross-flow type and dead-end type filtration automatically}

본 발명은 중공사막을 이용한 수처리 시스템에 있어서, 폐쇄된 순환루프에 순환펌프와 밸브를 설치하고 이를 자동제어함으로써, 십자흐름형(cross-flow type) 여과 방식과 막힘형(dead-end type) 여과 방식을 자동으로 손쉽게 전환시킬 수 있는 중공사 분리막 수처리 시스템 및 공정에 관한 것이다.

분리막(Membrane)은 분자크기에 따라 물질을 분리하는 도구로서, 분리막을 공정상에 이용하였을 경우에 에너지 소비가 적고, 상변화와 고온처리 등이 수반되지 않는 장점이 있기 때문에, 환경처리와 많은 화학공업의 분리공정들을 대체할 수 있는 잠재력이 충분히 있는 기술로 연구되고 있다.

막분리는 분리막이 가진 미세공의 형태 및 크기와 막의 물리적·화학적 특성, 그리고 막분리 대상물질의 형태 및 크기에 따라 압력, 농도 그리고 전위차 등의 추진력을 이용하여 행하여질 수 있다. 분리막의 종류에는 역삼투막, 나노여과막, 한외여과막, 정밀여과막, 이온교환막, 기체분리막, 투과증발막 등이 있다.

분리막 모듈의 형태에는 평판형, 관형, 나권형, 중공사형의 4가지가 있는데, 이 가운데 중공사형 막모듈은 막자체를 지지할 수 있는 가는 관의 안쪽, 또는 바깥쪽에 분리막표면(skin)층이 있는 것으로서, 전자를 내압식(in-side out), 후자를 외압식(outside-in) 분리막이라 한다. 이 관의 직경은 대체로 0.2~1.5mm정도이다. 이와 같은 가는 관이 모듈의 크기, 지지체의 직경에 따라 수백 내지는 수천개의 관다발이 셀(shell)이나 튜브 형태로 배열되며, 이 때 모듈 내의 흐름은 관형의 경우와는 달리 층류흐름 특성을 갖는다.

중공사형 막모듈의 원리는, 내압식의 경우 원수가 가압되어 중공사의 내측으로 흘러들어 분리막을 투과한 뒤 중공사의 외부로 빠져나가도록 하며, 외압식의 경우에는 중공사의 외측에서 원수가 가압되어 분리막을 투과한 뒤 중공사 내측에 모여 흘러 나가도록 하는 것이다.

일반적으로 분리막의 수명은 막오염(fouling) 현상으로 단축되게 된다. 따라서, 막오염을 방지하기 위하여 주기적으로 분리막의 표면을 세척하거나, 분리막 세공으로의 역세척(backwashing)을 통해 플럭스를 복구하여야 한다. 이러한 세척은 여과수만으로 이루어지거나, 여과수에 산, 알카리 또는 무기 및 유기세제의 제제의 세척제를 혼합하여 이루어 진다.

막분리 공정에서 분리막을 통한 여과 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 막힘형(dead-end type) 여과 방식으로서, 전여과 방식이라고도 하며, 펌프에 의해 공급된 원수가 전량 분리막을 투과하여 처리수로 생산되는 방식이다. 따라서, 필요한 처리수의 양 만큼의 원수만을 공급하면 되므로 펌프의 가동에 필요한 에너지가 적게 든다는 장점이 있다. 그러나, 원수 중의 오염물이 거의 모두 분리막에 접근하게 되고, 분리막 표면이나 세공(pore)을 오염시킴으로서 분리막의 여과 성능이 쉽게 저하된다는 단점이 있다.

이에 반하여 십자흐름형 여과 방식은 분리막으로 투과하는 방향과 수직방향으로의 흐름을 형성함으로써, 여러 가지 오염물이 분리막 표면으로 접근하는 것을 일부 방지하여 분리막의 오염을 줄이고 여과성능의 저하를 완화하는 방식이다. 십자흐름이 발생하면 여러 가지 메카니즘에 의해 역전달이 일어나는데, 오염물의 입도와 십자흐름의 속도에 따라 브라운(brownian) 확산, 전단 유도 확산(shear-induced diffusion), 관성에 의한 횡방향 이동(lateral migration), 들뜸효과(scouring effect), 전기적 반발 등이 그것이다. 이들의 영향으로 분리막 표면으로 접근하려는 오염물에 분리막과 반대방향으로의 힘이 작용하여 막오염이 완화되는 것이다. 그러나, 이와 같은 장점을 지닌 십자흐름을 형성하기 위해서는,분리막 모듈의 형태에 따라 조금씩 다르나, 처리수량보다 훨씬 많은 양을 펌프에 의해 순환시켜야 하기 때문에 에너지 소모가 많다는 단점이 있다.

따라서, 십자흐름형 여과 방식과 막힘형 여과 방식을 적절히 교차하여 운전함으로써, 두 여과 방식의 단점을 최소화하고 장점을 극대화하는 분리막 수처리 공정이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 시스템 내에 십자흐름 여과방식을 위한 폐쇄순환루프를 설계함으로써, 십자흐름형 여과 방식과 막힘형 여과 방식을 적절히 조절하여 여과 성능을 유지하고, 운전 에너지 비용을 줄일 수 있는 경제적인, 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템 및 공정을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템을 도시한 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 원수저장조2 : 중공사 분리막 모듈

3 : 가압펌프4 : 순환펌프

5 : 여과방식 전환용 자동밸브6 : 여과방식 전환용 자동밸브

7 : 배출용 자동밸브

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템은, 원수저장조; 원수를 시스템 내로 공급시키기 위한 가압펌프; 중공사막 형태의 분리막 모듈; 순환유량을 조절하기 위한 순환펌프; 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브; 및 배출용 자동밸브를 포함하여 구성되는 중공사 분리막 수처리 시스템으로서, 상기에서 분리막 모듈, 순환펌프, 및 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브는 폐쇄순환루프에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템에 있어서, 상기 분리막 모듈의 중공사막 세공크기는 0.005㎛ 에서 0.5㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템에 있어서, 상기 시스템은 탁도나 유기물 농도가 일정수준 이상일 경우 십자흐름형 여과 방식을 채용하고, 일정 수준 이하일 경우 막힘형 여과 방식을 채용하도록 하는 자동제어 체계를 갖추는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 공정은, 가압펌프를 이용하여 원수를 분리막 모듈, 순환펌프, 및 자동밸브로 구성된 순환루프를 포함하는 수처리 시스템 내로 공급시키는 단계(a); 상기 단계(a)에서 공급된 원수에 대하여, 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브를 열고 순환펌프를 가동시켜 일정 시간간격동안 십자흐름형 여과 방식으로 시스템을 운전하는 단계(b); 및 상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전을 수행하지 않은 경우에는 직접 공급된 원수에 대하여 막힘형 여과 방식으로 시스템을 운전하고, 상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전을 수행한 경우에는 순환펌프의 가동을 중지하고 여과방식을 전환시키기 위한 자동밸브를 닫은 후에 공급된 원수에 대하여 막힘형 여과 방식으로 시스템을 운전하는 단계(c)를 포함하여 구성되는 중공사 분리막 수처리 공정으로서, 상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 및 상기 단계(c)의 막힘형 여과방식은 순서에 관계없이 필요에 따라 교대로 반복 채용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 공정에 있어서, 상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전시, 순환펌프에 의해 조절되는 십자흐름속도는 0.1 m/s - 2 m/s 정도인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에서 보는 바와 같이, 가압펌프(3)에 의해 원수는 분리막 모듈(2), 순환펌프(4), 여과방식을 전환시키기 위한 자동밸브(5, 6) 등으로 구성된 순환루프를 포함하는 수처리 시스템 내로 공급된다. 이 때 여과방식을 전환시키기 위한 자동밸브(5, 6)를 열고, 순환펌프를 가동함으로써 십자흐름형 여과방식으로 운전할 수 있다. 순환펌프에 의해 순환유량을 조절함으로써 십자흐름속도를 조절할 수 있으며, 그 범위는 0.1 m/s - 2 m/s 정도이다. 한편 순환펌프의 가동을 중지하고 두 밸브를 닫기만 하면, 막힘형 여과 방식으로 운전할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템은, 다양한 방법으로 두 여과 방식을 조합함으로써 효율적으로 운전될 수 있다.

첫째로, 막힘형 여과 방식을 주로 하고 일정 시간간격마다 십자흐름형 여과를 잠시 수행함으로써 운전 에너지 비용을 최소화하면서 막오염을 효과적으로 완화할 수 있다. 막힘형 여과 방식으로 운전할 경우 분리막 표면에 모든 오염물이 쌓이게 되므로 막오염이 심화될 수 있는데, 이 때 밸브(5, 6)를 열고 순환펌프(4)를 가동함으로써 십자흐름을 형성시켜 분리막 표면에 쌓인 오염물을 털어내고, 배출용 밸브(7)를 열어 이 오염물을 내보냄으로써 손쉽게 막오염을 완화할 수 있다.

둘째로, 원수의 탁도나 유기물 농도가 높은 경우와 같이 막오염을 심하게 일으키는 원수의 경우, 십자흐름형 여과 방식을 주로 채택하여야 한다. 이 때 운전에너지 비용이 많이 들게 되므로 최대한 막힘형 여과 방식을 많이 활용하도록 하여야 하는데, 두 여과 방식의 운전 시간 비율에 따른 임계점(critical point)을 찾아 적절히 운전할 수 있다.

셋째로, 원수 및 여러 가지 조건의 변화에 따라 피드백(feed-back)제어를 하여 두 여과 방식을 조절할 수 있다. 예를 들어, 원수의 탁도 변동이 심할 경우, 탁도계와 밸브, 순환 펌프의 제어를 연계함으로써, 탁도가 일정수준 이상일 경우 십자흐름형 여과 방식을, 일정 수준 이하일 경우 막힘형 여과 방식을 하도록 자동제어 체계를 갖추어 운전할 수 있다.

비록 상기에서 본 발명은 도시된 도면을 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템은, 폐쇄된 순환루프에 순환펌프와 밸브를 설치하고 이를 자동제어함으로써, 십자흐름형 여과 방식과 막힘형 여과 방식을 자유로이 또한 자동으로 변경할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템은, 운전에너지 소모를 최소화하면서 막오염을 효율적으로 완화하여 전체 공정의 효율을 극대화할 수 있다.

Claims

원수저장조; 원수를 시스템 내로 공급시키기 위한 가압펌프; 중공사막 형태의 분리막 모듈; 순환유량을 조절하기 위한 순환펌프; 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브; 및 배출용 자동밸브를 포함하여 구성되는 중공사 분리막 수처리 시스템으로서,

상기에서 분리막 모듈, 순환펌프, 및 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브는 십자흐름형 여과방식을 위한 폐쇄된 순환루프에 설치되는 것을 특징으로 하는 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 분리막 모듈의 중공사막 세공크기는 0.005㎛ 내지 0.5㎛인 것을 특징으로 하는 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 시스템은 탁도나 유기물 농도가 일정수준 이상일 경우 십자흐름형 여과 방식을 채용하고, 일정 수준 이하일 경우 막힘형 여과 방식을 채용하도록 하는 자동제어 체계를 갖추는 것을 특징으로 하는 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 시스템.
가압펌프를 이용하여 원수를 분리막 모듈, 순환펌프, 및 자동밸브로 구성된 순환루프를 포함하는 수처리 시스템 내로 공급시키는 단계(a);

상기 단계(a)에서 공급된 원수에 대하여, 여과방식을 전환시키기 위한 1 이상의 자동밸브를 열고 순환펌프를 가동시켜 일정 시간간격동안 십자흐름형 여과 방식으로 시스템을 운전하는 단계(b); 및

상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전을 수행하지 않은 경우에는 직접공급된 원수에 대하여 막힘형 여과 방식으로 시스템을 운전하고, 상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전을 수행한 경우에는 순환펌프의 가동을 중지하고 여과방식을 전환시키기 위한 자동밸브를 닫은 후에 공급된 원수에 대하여 막힘형 여과 방식으로 시스템을 운전하는 단계(c)를 포함하여 구성되는 중공사 분리막 수처리 공정으로서,

상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 및 상기 단계(c)의 막힘형 여과방식은 순서에 관계없이 필요에 따라 교대로 반복 채용되는 것을 특징으로 하는 십자흐름형 여과방식 및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 공정.
제4항에 있어서,

상기 단계(b)의 십자흐름형 여과방식 운전시, 순환펌프에 의해 조절되는 십자흐름속도는 0.1 m/s 내지 2 m/s 정도인 것을 특징으로 하는 십자흐름형 여과방식및 막힘형 여과방식을 자동 제어하는 중공사 분리막 수처리 공정.