KR20050102115A - 지지 생물막 장치 및 방법 - Google Patents

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피에르 코테
히다야트 후사인
이안 지. 토우외
헨리 베만
이안 에이. 포틴저
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제논 인바이런멘탈 인코포레이티드
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Abstract

막 지지 생물막 반응기는 토우에서 사용되거 직물 (26) 상에 형성되는 예컨대 조밀벽 폴리메틸펜텐(PMP)로 제조한 미세 중공 섬유 (19)를 갖는 모듈을 사용한다. 하나의 모듈에서, 하나 이상의 직물 시트를 모듈 내에 충진하여 산소 함유 가스가 중공섬유의 루멘에 공급될 수 있게 한다. 그러한 모듈을 사용하는 예컨대 폐수를 처리하는 다양한 반응기 및 방법이 기술된다. 기계적, 화학적 및 생물학적 방법들이 생물막 (30)의 두께를 제어하는데 사용된다.

Description

지지 생물막 장치 및 방법{SUPPORTED BIOFILM APPARATUS AND PROCESS}
미합중국에 대하여, 이 출원은 35 U.S.A 19(e)에 의해 2003년 2월 13일자로 출원된 미국 임시 출원 제60/447,025호 및 2003년 8월 18일자로 출원된 미국 임시 출원 제60/496,178호의 이익을 주장하는 출원이다. 다른 국가에 대해서, 이 출원은 이 두 출원으로부터의 우선권을 주장한다. 이 출원은 또한 2003년 8월 22일자로 출원된 캐나다 특허 출원 제2,438,441호, 제2,438,432호, 제2,438,050호 및 제2,438,101호 모두로부터의 우선권을 주장한다.
본 발명은 예컨대, 수(水) 또는 폐수 처리 공정 및 장치에 있어서와 같이 액체 중 생물막(생물막)을 지지하는 기체 이동 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 대부분의 폐수 처리 설비들은 부유 성장 배지 중 유기 오염물의 생물학적 산화를 기초로 하는 활성 슬러지(sludge) 공정을 사용하고 있다. 산소는 기포 형 에어레이터(aerator)를 사용하여 공기로부터 공급받는다. 이 시스템들은 효율이 떨어져 매우 많은 에너지 사용을 필요로 한다. 산소 요구량 적재(oxygen demand loading)가 낮기 때문에 탱크 크기가 크다. 그 결과 자본이 많이 필요하며 운전 비용이 높다.
두 번째 형태의 상용화된 생물학적 산화 공정은 고체 배지에서 성장한 생물막을 사용한다. 예컨대, 폐수는 반응기의 꼭대기로 순환되어 방울져 떨어질 수 있다. 공기는 바닥에서 공급된다. 산소 운반 속도는 생물막 표면적에 의하여 제한되며, 폐수 펌프 장비 때문에 운전 비용이 비싸다.
최근에는 막 지지(membrane supported) 생물반응기(bioreactor) 개념에 대한 연구 개발이 행하여지기에 이르렀다. 예컨대, 미국 특허 제4,181,604호 및 제4,746,435호는 기체 투과 막의 일면으로부터 그 막의 다른 면에서 성장 중인 미생물로 산소를 공급함으로써 폐수를 처리하는 방법을 기재하고 있다. 다공성 벽을 갖는 중공사(中空絲)가 상기 막으로 사용된다. 미국 특허 제5,116,506호에서는 기체 투과 막이 반응 용기를 액체 칸과 기체 칸으로 분리한다. 생물막은 상기 막의 액체 쪽 기체 투과 막 상에서 성장한다. 산소 또는 대체 기체가 상기 막을 통해 상기 막의 액체 쪽에서 성장 중인 박테리아로 지나간다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 종래 기술을 향상시키는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 막 지지 생물반응기 기술을 사용하여 물, 예컨대 산업 폐수 또는 하수, 처리에 적합한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 예컨대 생물막을 지지하기에 적합한 중공사 기체 이동막 및 모듈(module)을 제공하는 것이다. 이러한 여러 가지 특징들이 본 명세서에 기재하여 청구한 발명에 의하여 충족된다. 다음의 요약은 독자에게 본 발명의 다양한 특징을 소개할 것이지만, 다음의 요약 또는 이 명세서의 기타 부분에서 발견되는 다양한 요소 또는 공정의 조합이나 세부조합으로 존재할 수 있는 발명을 정의하려는 것은 아니다.
본 발명의 하나의 특징은 기술 분야에서 사용되는 기타 공정에 비하여 운전 비용에서 유리한 막 지지 생물막 반응기를 제공하기 위하여, 산소 이동이나 생물막 지지 또는 둘 다에 대한 기체 이동 속도가 합리적으로 높으며 표면적이 충분한 막 및 모듈을 제공하는 것이다. 상기 막 및 모듈은 산소 이동 효율(OTE)이 50% 이상 또는 50% 내지 70% 범위 또는 그 이상일 수 있다. 상기 모듈은 다공성 섬유가 시간 경과에 따라 젖어 산소 이동 속도가 급격히 떨어지는 경향을 피하는 동시에 큰 표면적을 제공하기 위하여 비(非)다공성 또는 조밀 벽으로 된 중공사 막으로 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 산소에 대하여 높은 선택성 및 확산 계수를 갖는 폴리페틸펜텐(PMP)로부터 제조되는 매우 미세한 조밀 중공사를 제공하는 것이다. 특히, PMP는 조밀 벽 비(非)습윤 형태에서 기체 투과성이 약 70,000cc·mm/m2·24hr·Bar이다. 이값은 기체 투과성이 극히 높은 실리콘보다는 상당히 낮지만, PMP는 중공사로 용융 방사될 수 있다. 상기 섬유는 외부 지름이 500 마이크론 이하 또는 100 마이크론 이하일 수 있다. 그러한 작은 지름 섬유를 사용하면 직물용 미세 섬유 기술을 모듈 제조에 사용할 수 있으므로 모듈 비용을 감소시키는데 유리하다. 높은 OTE를 달성하기 위하여 매우 큰 표면적이 제공될 수 있다. 상기 비다공성 벽은 전술한 젖음 문제를 피한다.
본 발명의 또 다른 특징은 산소 이동이 생물학적 동역학(kinetics)을 제어하는데 있어 제한 요소가 되지 않도록 하기 위하여 충분한 표면적을 제공하는, 예컨대 매우 많은 PMP 중공사를 직물에 제공하는 것이다. 상기 직물은 예컨대 제직한 중공사를, 필요에 따라 집단(unit) 내에 모아, 씨실(weft)로서 사용하고, 제직(weaving) 중 이동 섬유에 손상을 최소화하기 위하여 불활성(inert) 섬유를 날실(warp)로서 사용하여 제조할 수 있다. 기타 직물 제조 방법이 또한 사용될 수 있다. 상기 직물은 그 표면상에서 최소 섬유 파손을 갖는 생물막 성장을 가능하게 하기 위하여 미세 섬유에 강력을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특징은 부피가 큰 액체의 재순환 없이도 표면을 가로지르는 좋은 기질(substrate) 속도를 허용하기 위하여 패킹 밀도가 매우 큰 직물 시트로부터 제조되는 모듈을 제공하는 것이다. 상기 모듈은 중공사의 루멘(lumen)을 폐수에 노출함이 없이도 루멘에 공급되는 공기 등 산소를 함유하는 기체의 공급을 가능하게 한다. 예컨대 1 내지 3 미터 또는 1.5 내지 2.5 미터의 장섬유 성분을 상기 모듈 헤더(header)에 사용하고 충진하여 저(低)비용 구성을 제공한다.
또 다른 특징으로, 생물막은 기체 투과성 중공사, 예컨대 PMP 조밀 벽 중공사로부터 제조된 직물 상에서 성장한다. 산소 함유 기체가 섬유의 루멘 내에 도입된다. 산소 수준이 가장 높은 섬유 표면 부근에서 호기성(好氣性) 반응이 일어난다. 이 반응들은 유기 탄소 화합물의 이산화탄소 및 물로의 전환을 포함한다. 상기 생물막의 표면은 질산염(nitrates)의 질소로의 전환이 일어날 수 정도로 무산소 조건 하에 유지된다. 그 결과는 유기 탄소, 암모니아 및 전체 질소의 동시 환원이다.
본 발명의 또 다른 특징은 최대유량(peak flow)을 처리하는 수단으로서 산소부화(oxygen enrichment)를 사용한다는 것이다. 그러한 산소 부화에 대한 필요량은 온라인 COD 모니터에 의하여 결정하거나 예컨대, 일간 유량 및 세기 변화가 잘 알려져 있는 하수 응용의 경우에는 일 시간에 따라 고정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 직물의 표면상에서 기타 생물학적 반응을 수행하는 모듈 및 생물반응기 디자인을 사용한다는 점이다. 예는 중공사의 루멘에서 공급되는 수소 기체를 사용하여 물 중의 질산염 등 화합물을 생물학적으로 환원하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징은 공기 또는 농축 공기를 사용하여 산소를 공급하는 것이다. 농축 공기의 선택 및 그러한 공기 중에 존재하는 산소의 농도는 폐수 세기에 의하여 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 본 발명이 1급 및/또는 2급 슬러지를 분해하는데 사용될 수 있다는 것이다.
또 다른 특징으로, 상기 섬유들은 얇은 벽을 가질 수 있도록 예컨대 100 ㎛ 이하의 작은 외부 지름 및 예컨대 30% 이상 또는 40% 이상의 상당한 중공 면적을 가질 수 있다. 상기 섬유는 제직, 편직, 스티치(stitch) 또는 다른 방법을 통하여 직물로 제조될 수 있다. 미세 중공사의 사용은 섬유 벽의 두께를 예컨대 20 ㎛ 이하로 얇게 하는데, 이는 막을 처리할 수 있도록 하는데 필요한 것보다 약 몇 배 더 얇은 것이다. 상기 미세 섬유들은 그들 스스로 직접 다루기가 어렵지만, 취급을 위하여 직물 시트를 제조하는 것을 비롯하여 실(thread) 이나 토우(tow) 등의 집단으로 결합시킬 수 있다. 생물막의 성장 또는 기타 생물학적 동력학을 제한하지 않고 모듈을 통한 공기 흐름으로 인한 압력 손실을 허용 가능한 정도로 하여 원료 기체로서 공기를 사용할 수 있도록 하기 위하여 중공사를 많이 갖는 직물은 산소 이동 능력을 위한 충분한 표면적을 제공한다.
또 다른 특징으로, 정해진 원료에 대해 가능한 최고 기질 농도에서 생물학적 반응을 수행하는데 플러그 흐름(plug flow) 반응기 또는 다단식(多段式) 연속 교반식 또는 배치식 탱크 반응기를 사용할 수 있다. 이것은 반응 속도에 잠재적인 한계로서 이 공정들을 배제하면서, 생물막 중 유기 탄소 화합물 및 암모니아의 대량 이동을 최대화한다. 다단계식 반응기에 있어서, 생물막 표면적 대비 산소 이동 표면적의 비율이 더 낮은 모듈 디자인이 하류(downstream) 단계에서 사용될 수 있다. 예컨대 단위 탱크 부피 또는 공급 유속 당 산소 이동용 총 표면적은 더 낮은 비율이 산소 이동용 표면적에 감소 보다는 오히려 생물막 표면적에 증가로부터 발생할 수 있기 때문에 하류 반응기에서 증가하거나 감소할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 막 지지 배치식 생물막 반응기(MSBBR)를 제공하는 것이다. 상기 반응기는 산소 함유 기체를 공급하고 생물막 층을 지지하는 하나 이상의 막 모듈을 포함한다. 상기 모듈은 순환식으로 채워지고 배출되어 배치 처리 공정을 제공하는 탱크의 내부에 위치한다. 하나의 실시 상태에 있어서, 상기 모듈은 중공사 직물로 만들며 산업 폐수 중 COD, 암모니아, 전체 질소 및 부유 고체를 하수도에 방류하거나 하천에 직접 방류하기에 적합한 농도로 감소시키는데 사용된다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 모듈은 하천에 직접 방류를 위하여 하수 중 COD, 암모니아, 전체 질소 및 부유 고체를 감소시키는데 사용된다. 또 다른 실시 상태에 있어서, 상기 모듈은 부패장(場)의 크기를 감소시키거나 더 단순한 저가의 처리 기술을 사용하기 위하여 또는 하천에 직접 방류를 위하여 부패조(槽) 중 COD, 암모니아, 전체 질소 및 부유 고체를 감소시키는데 사용된다.
본 발명의 또 다른 특징은 상기 모듈 상에서 성장하는 생물막의 성장 또는 두께를 제어하는 하나 이상의 방법을 제공하는 것이다. 어떤 방법(들)은 탱크가 원료를 다 소모하는 동안 탱크 측으로부터 상기 생물막에 하나 이상의 물질을 적용하는 것을 포함한다. 이 물질들은 오존 또는 염소 등의 기체 또는 가열 수 또는 염기성 또는 산성 용액 등의 액체를 포함한다. 상기 제어 물질의 적용 중 생물막의 조건은 모듈의 내부에 산소 공급을 작동 또는 차단함으로써 호기성에서 혐기성으로 순환될 수 있다. 상기 생물막은 또한 제어 물질의 적용 전에 급수를 제거하고, 그 급수를 청정수로 치환 또는 1일에 kg MLSS 당 0.1 kg COD 적재 이하의 공급으로 치환함으로써 차단될 수 있다. 상기 제어 물질의 적용 후, 기계적 생물방 제어법이 상기 약화된 생물막에 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 생물막 두께를 최적 수준으로 제어하는 수단으로서 섬유들의 외부에 제공되는 정련(scouring) 공기를 사용하는 것이다. 공기가 또한 생물막 두께를 소망하는 수준으로 제어하는 수단으로서 사용될 수 있다. 산, 알카리, 산화제(oxidant) 또는 효소를 사용한 처리 또는 혐기성 처리를 공기 정련 전에 주기적으로 사용하여 생물막을 약화시키고 생물막을 제거하는 공기의 효능을 완전히 또는 부분적으로 개선할 수 있다. 기타 생물막 제어법은 주기적으로 생물막을 분해하기 위하여 현지 분해(in-situ digestion), 주기적 오존처리 후 분해, 주기적 알칼리 또는 산 처리 후 분해, 주기적 효소 처리 후 분해 및 벌레 등 고등생물의 사용을 포함한다. 생물학적 분해 반응을 가속시키기 위하여, 모듈의 내부에 공급되는 공기는 생물반응기의 온도를 높이기 위하여 미리 가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 예컨대, 외부 지름(OD)이 500 마이크론 이하 또는 100 마이크론 이하인 중공사의 토우를 제공하는 것이다. 상기 섬유들의 유효 표면적 감소가 최소인 모듈 제작을 수월하게 하기 위하여, 상기 섬유들은 그 길이의 상당한 부분, 예컨대 1과 1/2 이상 토우로 처리되거나 사용된다. 모듈은 먼저 직물을 만들지 않고 토우로부터 직접 제조될 수 있다. 상기 토우는 상기 섬유의 상당 부분, 예컨대 직물의 모서리 사이의 부분을 토우로 남겨두면서, 상기 직물의 모서리를 따라 심기(potting)를 돕는 개방형 직물로 또한 제조될 수 있다. 토우로부터 제조된 모듈은 양 말단에 심어지거나 새어나올 기체를 소진시키기 위하여 다른 한쪽 말단은 개방된 대로 남겨두고 단지 한쪽 말단에 심어질 수 있다. 단일 헤더(header) 모듈은 이중 헤더 모듈보다 비용이 더 낮을 수 있다. 단일 헤더 모듈은 상기 헤더를 바닥으로 그리고 섬유를 위쪽으로 뜨게 하여 수직 배열로 삽입될 수 있다. 그러한 모듈은 오물 및 고체의 축적을 제거하기 위하여 모듈 외부로부터 공기를 쏘여줄 수 있다. 원료는 또한 반응기에 투입하기 전에 그 원료 중에 오물을 감소시키기 위하여 예컨대 0.5 mm 체를 통하여 걸러질 수 있다. 토우 모듈이 다단계 반응기의 하류 단계에서 사용되는 경유, 상류 단계는 또한 상기 토우 모듈 반응기에 공급되는 오물의 양을 감소시킬 수 있다.
또 다른 특징으로, 상이한 세기의 폐수를 처리하는 반응기에는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표전적의 비가 상이한 모듈이 공급된다. 기체 이동용 표면적은 지지된 생물막과 접하고 있는 모듈의 외부 표면의 면적이다. 상기 생물막의 표면적은 폐수와 접촉하는 생물막의 외부 표면의 면적이다. 어떤 경우에 있어서, 생물막의 표면적은 그 생물막의 두께에 의지하는데, 이는 반응기 내에서 그 생물막의 실제 두께 또는 시간 평균 두께이거나 명목상 또는 계획 두께 또는 평균 두께, 예컨대 250 마이크론일 수 있다. COD가 1000 mg/L 이상인 폐수를 처리하기 위한 반응기는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비가 1 이상, 1.6 이상 또는 1.6 내지 10인 모듈을 구비할 수 있다. COD가 1000 mg/L 이하인 폐수를 처리하기 위한 반응기는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비율이 2.5 이하 또는 0.2 내지 2.5인 모듈을 구비할 수 있다. COD가 300 mg/L 이하인 폐수를 처리하기 위한 반응기는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비율이 1 이하 또는 0.1 내지 10인 모듈을 구비할 수 있다. 다단계 공정에서는 2 이상의 반응기들이 상류 반응기의 출구가 하류 반응기의 입구에 연결되어 연속하여 연결될 수 있다. 처리될 폐수의 COD는 각 반응기를 통하여 감소하고 하류 반응기에서 모듈에 대한 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비율은 상류 반응기에서 모듈에 대한 비율보다 더 적다.
본 발명의 기타 특징들은 특허청구범위 또는 다음의 도면 또는 상세한 설명에 기재하도록 한다.
본 발명의 실시 상태가 다음 도면을 참조하여 이하에 설명될 것이다.
도 1a는 중공사 그룹의 사진이다.
도 1b는 집단 내에 모은 중공사 및 불활성 섬유의 그룹을 나타낸다.
도 2a 내지 2d 및 2e는 섬유 용융 방사를 위한 슬롯 배열 및 방사 구금을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 각각 직물의 평면도 및 단면도를 나타낸다.
도 3c는 직물 제직 단계를 나타낸다.
도 3d는 경편 직물을 나타낸다.
도 4a는 토우에서 섬유들을 갖는 시트의 중심 부분과 함께 중공사의 시트를 나타낸다. 도 4b는 도 4a의 시트의 일부를 상세히 나타낸다.
도 5는 느슨한 토우 모듈의 단면도이다.
도 6은 섬유의 시트를 구비하는 모율의 전면도이다.
도 7은 도 6의 모듈의 일부 절편의 입면도이다.
도 8은 도 6의 모듈의 또 다른 일부의 단면의 평면도이다.
도 9는 도 6 및 7에 의한 모듈의 입면도이다.
도 10a ,10b 및 10c는 섬유 시트를 구비하는 또 다른 모듈의 입면, 평면 및 부분 단면도이다.
도 11 및 12는 중공섬유의 시트의 모듈의 카세트를 구비하는 탱크의 평면 및 입면도이다.
도 13은 도 11 및 12의 장치에서 인장 기구를 상세히 도시한 것이다.
도 14는 도 13의 기구의 입면도이다.
도 15 및 16은 반응기들의 개략 입면도이다.
도 17 및 18은 다른 반응기들의 개략도이다.
도 19a는 토우 모듈을 사용하는 벤치스케일 배치 반응기이다.
도 19b는 현미경을 통하여 찍은 도 19a의 반응기에서 성장하는 섬유들의 토우 상의 생물막의 사진이다.
도 20은 지지 생물막 모듈을 하용하기 위하여 개조된 부패조의 개략 입면도이다.
도 21 내지 31은 다양한 샘플 모듈 또는 반응기를 사용하여 행한 시험 결과이다.
1.0 모듈 요소
1.1 섬유
도 1 및 1a는 내부가 중공형이지만 조밀한 벽을 갖는 비다공성 폴리(4-메틸펜텐-1) (PMP) 섬유 (10)을 나타낸다. 섬유 (10)의 군에 있어서, 상기 섬유 (10)은 지름이 다양할 수 있으며, 외부 지름이 500 마이크론 이하 또는 100 마이크론 이하, 예컨대 30 내지 100 마이크론 또는 50 내지 60 마이크론인 미세 섬유일 수 있다. 상기 나타낸 중공사 (10)은 비다공성 또는 조밀한 벽으로 되어 있고, 물은 수평 흐름(advective flow)에 의하여 섬유 벽을 통하여 흐르지 않는다. 그러나, 산소나 기타 기체들은 예컨대 분자 확산 또는 용해 확산에 의하여 섬유 벽을 통해 투과하거나 이동할 수 있다.
중공사 (10)은 소위 용융 압출성형이라는 불리는 용융 방사에 의하여 제조될 수 있다. 용융 방사에서는, 중합체 알갱이, 예컨대 PMP를 압출기의 호퍼에 공급한다. 그 중합체 알갱이를 압출기 내에서 가열하고 용융시켜 수십 bar의 압력 하에서 방사 헤드로 연속적으로 압출시킨다. 상기 방사 헤드는 가열된 라인 내 필터와 방사 구금으로 이루어진다. 방사 구금은 원래 원형 배열에 얇은 호 모양의 틈(slot)을 갖는 강판이다. 중공사 제조에 적합한 홈 배열의 예를 도 2a 내지 2d에 나타내었다. 도 2e에 나타낸 바와 같이, 방사 구금은 나타낸 방사 구금에서 많은 섬유들이 동시에 압출될 수 있도록 복수의 틈 그룹을 가질 수 있다. 용융된 중합체는 방사 구금을 통해 압출되고, 틈을 떠나서 냉각 지역에서 중공섬유로 마무리된다. 섬유 부분들이 융합하여 고리를 형성하기 전에 분할 분주기(divider)에 의하여 발생한 간격은 섬유 내에 공기가 붕괴를 방지하는 것을 가능하게 한다. 냉각 지역에서, 중합체 섬유 형태는 제어된 횡기류에 의하여 고화 및 냉각되고 그 끝은 권취기에 감긴다. 적합한 섬유 (10)은 또한 다른 용융 방사법에 의하여 제조될 수 있다. 예컨대 파이프 인 홀(pipe in hole) 방사에서는 섬유 붕괴를 방지하기 위하여 방사 구금 중 다른 홀을 통하여 압출되는 섬유의 루멘 내에 기체를 통과시키면서, 중합체를 용융하고 고리형 방사구금을 통하여 배출시킨다. 용융 방사 외에 방법들이 또한 사용될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 도시된 실시 상태에 있어서, 외부 지름 (12)가 100 ㎛ 이하인 섬유 (10)을 제조하는데 용융 방사법이 사용된다. 상기 섬유의 중공 영역(또는 루멘 (14)의 영역)은 섬유 단면적의 10% 이상 또는 30% 또는 40% 이상일 수 있다. 상기 중공 영역은 통상 상기 섬유 단면적의 60% 또는 50% 이하이다. 예컨데, 폴리메틸펜텐 섬유는 외부 지름 (12) 약 50 내지 60 ㎛ 및 내부 지름 (16) 30 ㎛ 이상으로 하여 벽 두께 (18)이 10 ㎛ 이하 및 기체 투과성이 30,000cc·mm/m2·24hr·Bar 이상이 되도록 제조할 수 있다.
도 1에 도시된 실시 상태에 있어서, 직물용 PMP 섬유 (10)은 외부 지름 (12)가 약 45 마이크론이고 내부 직경 (16)이 약 15 내지 30 마이크론이다. 상기 섬유 (10)은 일본의 미추이 페트로케미칼(Mitsui Petrochemical)이 제조하여 TPX라는 상품명으로 시판되는 MX-001 또는 MX-002 PMP를 원료 중합체로 사용하여 분할된 방사구금을 통하여 전술한 바와 같이 용융 압출 성형한 것이다. 다른 섬유 (10)이 또한 사용될 수도 있지만, 본 명세서에 설명된 실시 상태 및 실시예에서는 이 섬유 (10)이 사용된다.
1.2 섬유 집합체(예, 토우)
도 1b를 참조하면, 중공사 (10)은 취급을 위해 섬유 집단 (19)로 결합시킬 수 있다. 섬유 집단 (19)는 개개의 섬유 (10), 예컨대 꼬아진 또는 꼬아지지 않은 1 내지 200 또는 16 내지 96 섬유들 (10) 각각의 토우 (20), 실(thread), 방적사(yarn), tubular, flat or cordage braids 또는 취급을 위한 기타 집단 (19)일 수 있다. 토우 (20)은 다중 권취 실패(spool)로부터 제2 실패로 섬유들을 함께 다시 감아서 제조한다. PE 또는 PP 섬유 등 더 강한 불활성 섬유 (22)가 토우 (20) 또는 기타 집단 (19)에 포함될 수 있다. 섬유 (10)은 집단 (19)에서의 용도를 위하여 컬(curl)처리를 할 수 있다. 상기 컬처리된 섬유 (10)은 섬유들을 다양한 인장력에서 보빈에 감음으로써 제조할 수 있다.
1.3 시트 구조
섬유 (10) 및/또는 집단 (19)는 시트 (26)의 형태로 제공될 수 있다. 도 3a 및 3b에 있어서, 섬유 (10)은 기본적 2차 구조 내에 섬유 집단 (19)로서 제직되거나 또는 직물 시트 (26)으로 제직될 수 있다. 도시된 실시 상태에 있어서, 집단 (19)는 시트를 가로질러 움직이는데, 이는 시트 (26)이 직기에서 나아가는 방향에 수직임을 의미한다. 불활성 섬유 (22)는 시트 (26)의 길이 방향을 따라 움직여 섬유 집단 (19)에 지지를 제공한다. 도 3c는 제직 공정에 포함되는 단계들을 도시한다. 섬유 집단 (19)는 직기의 북(shuttle)이 매번 지나간 후 교대로 올라가거나 내려가는 불활성 섬유 (22) 2개 그룹을 통하여 직기의 북 상에서 이동한다. 기타 제직 또는 직물 제조법이 또한 사용될 수 있다. 집단 (19) 타입, 집단 (19) 다발 크기, 집단 (19) 사이의 공간 및 각 방향에서 섬유의 백분율은 모두 각각 특유 용도의 기계적 또는 생화학적 요구조건을 충족시키도록 조절될 수 있다.
더 자세하게, 섬유 집단 (19)는 생물막 (30)의 성장을 위한 지지 표면을 제공한다. 중공사 집단 (19)의 수 및 집단 (19) 당 섬유 (10)의 수는 생물막 (30)의 표면적 또는 직물 시트 (26)의 평면 표면적에 대비하여 원하는 O2 이동을 위한 표면적을 제공하기 위하여 조절될 수 있다. 시트 (26)의 평면 표면적은 단순히 시트 길이와 너비를 곱하고, 2(시트가 2면을 갖기 때문에)를 곱한 값이다. 생물막 (30)의 표면적은 반응기에서 액체에 노출되는 생물막 (30)의 총면적인데, 실질적 2차원 시트 배치의 경우 시트 (26)의 평면 면적과 일반적으로 동일할 수 있다.
O2 이동을 위한 표면적은 상기 생물막에 노출된 시트에서 중공사 (10)의 총면적이다. 이것은 시트 (26) 중 섬유 (10)의 수를 곱한 섬유 10의 유효 지름 및 길이의 곱과 같다. 확산에 대한 유효 지름은 벽 두께의 효과를 설명하는 섬유 지름의
로그 평균이다. 시트 (26)에서 중공사 (10)을 횡단하는 불활성 섬유 (22) 및 섬유들 (10) 사이의 접촉은 어떤 실시 상태, 예컨대 치밀하게 제직된 직물에 있어서 산소 이동을 방해할 수 있지만, 그 방해는 보통 작으며, 산소 이동 계산을 위한 표면적에서 무시된다.
생물막 (30)의 표면적은 보통 시트의 평면 면적과 동일하지만, 매우 거칠거나 개방형인 직물 또는 더 분산된 섬유 집단 (19)를 갖는 직물의 경우에는 약간 더 크다. 생물막 (30)의 두께 또는 즉시 생물막 (30)이 감소되거나 제어될 수 있는 방법에 영향을 미치기 위하여 직물 거칠기(roughness)를 변화시키는 방법이 또한 사용될 수 있다. 생물막 표면적에 대한 O2 이동 표면적의 비율(SA 02/SA 생물막)이 예컨대, 6 내지 10 또는 그 이상의 범위로 높게 얻어질 수 있다. 그러나, COD의 농도가 높은, 예컨대 300 mg/L COD 이상인 급수를 처리하기 위해서는 더 낮은 SA 02/SA 생물막 비율, 예컨대 1.6 내지 10이면 충분하며, 모듈 비용을 감소시키기 위해서도 바람직할 수 있다. SA 02/SA 생물막 비율이 약 2 내지 8 또는 약 4 내지 6 범위인 것이 많은 처리 적용에 있어서 만족스러운 결과를 제공할 수 있다.
생물막 (30)의 표면적은 또한 섬유 (10)을 헐렁하게 배열하고, 인접한 평행 섬유들 상에 있는 생물막 (30)이 연속 층을 형성하지 않도록 생물막 (30)의 두께를 충분히 얇은 층으로 조절하면 시트 (26)의 평면 면적보다 더 클 수 있다. 표면 물결 모양의 높이가 원하는 생물막 두께 범위에 있는 표면이 거칠거나 결이 나있는 시트 (26)이 생물막 제어를 수월하게 할 수 있으므로 또한 바람직하다. 바람직한 생물막 두께는 200 내지 1,000 마이크론일 수 있다.
모듈 (40)을 통한 산소 이동이 생물막 (30)에서 반응을 제한하지 않는다면, 폐수 중 COD 환원 속도는 폐수 중 COD 농도에 대체로 비례한다. 그러나, 제한 요인이 아닌 산소 이동의 경우, 폐수 COD 농도 증가와 동일한 표면적의 바이오매스(biomass)를 지지하기 위하여 더 많은 산소가 모듈 (40)을 통해 흐를 것을 요구한다. 송풍기(blower)의 크기 및 운전 속도를 증가시킴으로써 더 많은 산소를 제공할 수 있다. 그러나 섬유 루멘 (14)를 통한 산소 흐름에 대한 저항으로 인하여, 예컨대 10 psi 이상의 상당한 수압(head) 손실이 발생할 수 있다. 정해진 생물막 외부 표면적에 대하여 충분한 루멘 면적을 만드는 직물 형태 및 섬유의 수를 선택함으로써 수압 손실을 10 psi 이하 또는 6 내지 9 psi의 범위로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명자들은 COD 농도가, 예컨대 1000 mg/L CODs 이상 또는 2000 mg/L CODs 이상으로 높은 폐수 중에서 성장하는 생물막이 COD 농도가 낮은 폐수 중에서 성장하는 생물막보다 더 탄력적이며, 더 빨리 바람직하지 않은 수 mm 이상의 두께로 성장하려는 경향이 있다는 것을 관찰하기에 이르렀다. 따라서, 고 COD 폐수 중에서 성장하는 생물막은 차례로 바람직한 더 강한 직물을 제조하는 더 어려운 생물막 제어 방법을 필요로 한다.
전술한 여러 가지 논점들은 동일한 시트의 총 평면 면적 또는 지지 생물막의 외부 표면적에 대하여 더 낮은 COD 폐수를 처리하는데 사용되는 직물의 경우보다 더 많은 섬유 및 필요에 따라, 더 큰 표면 거칠기를 갖는 직물을 고 COD 폐수에 사용하는 것을 바람직하게 한다. 이것은 직물 제작에 사용되는 방법의 선택 및 그 직물의 실 또는 직물 단위 합계 또는 치밀성(tightness)의 선택에 의하여 달성될 수 있다. 다단계 반응기가 또한 사용될 수 있다. 다단계 반응기에 있어서, 상류 반응기는 가장 높은 COD 농도에서 원료를 처리하며, 많은 섬유를 사용한 조밀한 직물을 갖는 모듈이 설치된다. 하류 반응기는 부분적으로 처리된 COD가 더 낮은 폐수를 받으며, 동일한 시트 또는 생물막 외부 표면적에 대하여 더 적은 섬유를 사용한 덜 조밀한 직물을 갖는 모듈이 설치된다. 덜 조밀한 직물이 더 소수의 섬유를 갖고 동일한 평면 표면적의 시트에 대해 더 높은 생물막 면적을 갖기 때문에 더 경제적이다.
직물 시트 (26)는 또한 브레이딩(braiding), 자수(stitching) 또는 경편(經編) 등의 편직 등 기타 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예컨대, 작은 집단 (19)나 토우 또는 미세 섬유 (10)의 개개 가닥이 사용되는 경우에는 경편이 바람직하다. 직물 시트 (26)은 원한다면, 더 소수의 섬유 또는 홀을 갖는 영역을 제공하여 시트 (26)을 통한 흐름을 증진시키기 위하여 패턴(pattern) 편직에서처럼 패턴화될 수 있다.
경편에 있어서, 도 3d에 나타낸 직물 시트 (26)은 "편직된 스티치(knitted stitches)"의 엇갈린 고리를 함유한다. 하나의 바늘 상에 형성되는 스티치들의 칼럼(column)이 프린지(fringe)를 만든다. 직물 길이 방향('날실')에 있어서 프린지는 상대적으로 값싼 상품 방적사, 예컨대 PET, PP 등에 의하여 불활성 섬유 (22)로서 제조될 수 있다. 불활성 섬유 (22)는 가공 및 사용의 스트레스 및 스트레인을 견뎌낼 수 있다. 직물 시트 (26)은 보통 날실(길이) 방향으로는 강하고 뻣뻣하고, 씨실(너비) 방향으로는 탄력적이다. 씨실은 프린지를 횡단하여 놓여져 날실 섬유 (22)의 스티치(고리)들에 의하여 고정되는 수직 방적사 시스템이다. 씨실은 직물(고리) 형성에 참여하지 않기 때문에 씨실 섬유 집단 (19)는 날실보다 더 적은 스트레스 및 스트레인을 받아 매우 부드럽게 처리될 수 있다. 그러므로, 씨실로서 집단 (19)를 사용하여 시트 (26)을 제조하면 시트 (26)의 제조 중 섬유 (10)에 대한 손상의 위험을 최소화할 수 있다. 씨실은 보통 편직 중 프린지(날실)에 십자형으로 움직히는 방적사의 평행 층 또는 밴드(band)이다. 직물 시트 너비는 약 2 ~ 3 m일 수 있다.
도 4a 및 4b의 실시 상태에 있어서, 시트 (26)은 직기의 북을 통해 토우 20을 제직하고 토우 (20)을 단지 직물의 모서리를 따라 불활성 섬유 (22)와 교차시킴으로써 제조한 개방형 직물로 구성된다. 나타낸 직물은 너비가 약 1.3 m인데, 약 1.3 m 길이의 활성 섬유 및 모서리를 따르는 약 2 cm의 스트립(strip) 중 토우 (20)에 수직으로 제직된 불활성 섬유 (22)를 갖는다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 각 토우 (20)에서 섬유 (10)은 그 스트립을 넘어서 분산되어 있어서, 토우 (20)는 그 스트립 사이에서 다시 잡아당겨 있지 않고 부분적으로 개방되어 남아있다. 결과적인 1.3 m 직물을 둥글게 말아 20 ~ 200 cm 또는 30 ~ 60 cm 너비의 구획으로 절단하여 개개의 시트 (26)을 제조한다. 도 4b에 있어서, 각 토우 (20) 중 섬유 (10)의 수는 투명함을 위해서 작지만, 토우 (20)은 각각 예컨대 1 내지 200, 예컨대 16, 48, 또는 96개의 섬유 (10)을 가질 수 있다.
1.4 모듈
1.4.1 느슨한 토우 모듈
본 발명에 의하면, 섬유 (10), 토우 (20) 및 시트 (26)를 비롯한 복합 섬유 집단 (19)을 함께 모아서 막 모듈 (40)을 제조할 수 있다. 도 5는 소위 토우 또는 느슨한 토우 모듈이라 불릴 수 있는 섬유 (10)이 섬유들의 토우 (20)에 배열되고 심어진 모듈 (40)을 나타낸다. 토우 (20)은 많은 섬유 (10), 예컨대 1 내지 200 또는 16 내지 96개의 섬유 (10)를 느슨하게 모아서 제조한다. 섬유 (10)은 함께 약간 꼬이거나 꼬아지지 않을 수 있다. 섬유 (10)은 각각 충진된 줄(row)에 3차원 구조를 제공하도록 컬(curl)되거나, 권축(crimp)되거나, 물결모양으로 될 수 있다. 컬링(curling)은 섬유에 인장을 변화시키면서 보빈에 섬유 (10)을 다시 감아서 달성할 수 있다. 개개의 섬유 (10)은 토우 (20)에서 여전히 서로 분리가능하다. 예컨대 두께가 1 mm 이하인 얇은 생물막으로 코팅된 경우, 토우 20은 2.5 이하, 1 이하 또는 0.1 또는 0.2 내지 1의 생물막 외부 표면적에 대한 섬유 벽을 통한 기체 이동 면적의 비율(SA산소/SA생물막)을 제공할 수 있다.
필요한 경우, 불활성 섬유 (22)를 상기 토우에 첨가하여 토우를 강화할 수 있다. 각 토우 (20)를 수지 (32)의 플러그(plug)에 충진하여 그 말단 (34)이 수지의 1면에서 개방되도록 한다. 수지 (32)의 플러그를 공동(cavity) (37)을 통하여 포트 (36)을 섬유 (10)의 개방형 말단 (34)에 연결하는 헤더 (44)를 형성하는 포트 (36)을 구비한 플라스틱 헤더 함 (35) 내에 접착시킨다. 오직 하나의 입구 헤더 (44)를 갖는 모듈 (40)을 제조할 수 있지만, 섬유 (10)의 각 말단과 결합하는 2개의 헤더 (44)가 존재한다. 2개의 헤더 (44)를 사용하면, 공기 또는 기타 기체가 하나의 헤더 (44) 내로 들어와 섬유 (10)을 통해 흐르고 두 번째 헤더 (44)로 방출될 수 있다. 토우를 폴리우레탄과 같은 수지 (32)에 넣고, 그 넣은 말단을 절단하여 섬유 루멘을 노출한다. 대안으로, 미국 특허 제6,592,759호에 기술된 바와 같이, 일시적 충진 재료를 사용하여 섬유 말단을 차단하거나 또는 기타 충진 방법을 사용할 수 있다. 도 5에 있어서, 토우 (20)의 수 및 토우 (20) 당 섬유 (10)의 수는 둘 다 잡아당길 시의 투명성을 위하여 얼마 않 되며 실제로는 훨씬 더 많을 수 있다.
1.4.2 시트 모듈
모듈 (40)은 또한 한 다발 또는 한 더미의 시트 (26)로 구성될 수 있다. 시트 (26)는 도 3a에서와 같이 시트 (26)의 총 너비 가로지르거나, 예컨대 도 4에서와 같이 말단에서 시트 (26)의 일부 너비를 가로질러 존재하는 수직 불활성 섬유들을 가질 수 있다. 시트 (26)을 위한 원재료를 직물 롤(roll)에 둘둘 말 수 있다. 예컨대, 시트 (26)을 제직하여 제조하는 경우, 재료가 제조되면 그 재료를 직기의 끝에서 권취 롤에 둘둘 만다. 불활성 섬유들이 롤 주위에서 나선으로 움직이는 동안 섬유 집단 (19)은 롤을 횡단하여 펼쳐질 수 있다. 이런 식으로 배열된 섬유들로, 롤로부터 재료의 기장을 롤링 아웃(rolling out) 하여 뜨거운 칼 또는 열 절단기로 절단하여 롤로부터 개개의 시트 (26)을 절단할 수 있다. 열 절단기는 섬유 집단 (19) 및 불활성 섬유들을 꿰뚫어 용해시키고 그들을 함께 접착시켜서 붕괴 또는 마모로부터 섬유 가장자리를 보호한다. 열 절단기는 절단선의 어느 한 면에서 섬유의 스트립을 용해시키므로, 예컨대 약 5 mm 너비의 스트립인 롤에 남아 있는 섬유들을 비슷하게 용융하여 안정한 가장자리를 만든다. 시트 (26)를 롤로부터 절단한 후, 열 절단 가장자리에서 직각에 있는 시트 (26)의 모서리를 의미하는 시트의 다른 두 말단을 절단하여 섬유 집단 (19)의 루멘을 개방한다. 절단압력에 의한 섬유 (10) 말단의 변형 또는 붕괴를 최소화하기 위하여, 예컨대 폴리우레탄을 경화적층재(硬化積層材)로 사용하여 섬유 (10) 및 섬유 집단들 주위에 강화 피복을 제공함으로써 절단될 영역을 우선 강화시킨다. 그리고 나서, 예리한 절단기, 예컨대 라조르 에지(razor edge) 절단기를 사용하여 섬유 집단 (19)을 가로질러 절단한다. 상기 절단기는 섬유 (10) 말단의 변형을 최소화하기 위하여, 예컨대 날을 규칙적으로 교환하여 매우 예리하게 유지시키는 것이 바람직하다. 의류 및 직물 산업에서 사용되는 기타 절단 기계 또는 도구가 또한 사용될 수 있다.
단일 또는 다중 시트 (26)의 말단 또는 말단들을 헤더에 충진하여, 섬유 (10)의 루멘과 연결되는 하나 이상의 포트 (36)를 제공할 수 있다. 하나 이상의 시트 (26)을 충진하기 위하여, 시트 (26)를 전술한 바와 같이 롤로부터 절단한다. 플라스틱 간격조절 스트립을 섬유 집단 (10)을 횡단하는 라조르 절단 라인으로부터 단지 오프셋선(offset)에 평행한 시트 (26)의 가장자리에서 예컨대, 아교 또는 접착제 전달 테이프로 시트의 1면 또는 양면 상에 부착시킨다. 다중 시트 (26)을 충진하기 위하여, 간격조절 스트립이 부착된 시트 (26)를 서로 위에 놓고 예컨대, 아교 또는 접착제 전달 테이프로 인접한 간격조절 스트립 사이 또한 하나의 시트 (26)의 간격조절 스트립과 두 번째 시트 (26)의 간격조절 스트립 사이에서 함께 부착시킨다. 상기 스트립들은 인접한 시트들 (26)의 간격을 조절할 뿐 아니라 나중에 사용될 충진 재료와 섬유 (10)의 말단을 함유하는 헤더의 공동 사이에 방벽을 형성한다. 시트 (26) 또는 시트 (26) 더미의 말단은 예컨대 사출 성형에 의하여 제조될 수 있는 연장된 헤더 공동 내에 고정된다, 헤더 벽에 간격 조절 및 밀폐는 긴 헤더 벽의 각각에 부착된 자체 접착성(self-adhesive) 폐쇄 셀(closed cell) 네오프렌 개스킷 스트립을 사용하여 유지한다. 간격 조절 스트립에 의하여 남겨진 헤더 공동 중 어떤 개방 부위는 핫 멜트(hot melt) 접착제로 덮을 수 있다. 간격 조절 스트립 위에 충진 재료, 예컨대 2 성분 폴리우레탄 화합물의 층을 부어줌으로써 헤더의 최종 밀봉을 완성한다. 상기 층은 두께가 약 45 mm이고 헤터의 벽 내부 사이로 확장될 수 있다. 다중 시트가 있는 경우라면, 시트들 (26) 사이에 충전 재료의 흐름을 완전히 그리고 실행할 수 있을 만큼 강제하거나 확보하기 위하여 조심해야 한다. 충전 재료가 경화한 후, 섬유 (10)의 외부와 헤더의 벽 사이에 밀봉이 형성되지만, 섬유 (10)의 말단은 여전히 헤더 내의 공동과 연결되어 있다.
도 6 내지 9는 헤더 (44)에서 한 세트의 평행 시트 (26)가 그들 사이의 간격 (42)을 갖고 충진된 모듈 (40)을 나타낸다. 배출 공기의 블리드(bleed)가 필요한 경우에는 두 개의 헤더 (44)가 나타낸 바와 같이 사용될 수 있다. 하나의 헤더 (44)가 또한 섬유 (10)의 반대쪽 개방형 말단을 통해 배출되는 배기 장치로 사용되거나 데드 엔드(dead end) 조작용으로 밀폐된 섬유 (10)의 다른 말단으로 사용될 수 있다. 상기 간격 (42)은 두께가 2 mm 내지 10 mm 또는 3 mm 내지 15 mm일 수 있다. 선택되는 간격 (42)은 처리될 물 또는 생물막 두께 제어 방법의 선택에 따라 결정된다. 예컨대, 인장(引張)된 시트 (26)의 모듈 (40)이 생물막 (30) 두께를 제어하기 위한 공기 정련과 함께 사용되는 경우 간격 (42)는 6 mm일 수 있다. 인장력은 헤더 (44)를 탱크의 일부를 포함할 수 있는 강성구조로 그 구조에 비하여 유연한 하나 또는 양 헤더 (44)와 함께 배치함으로써 제공될 수 있다. 대안으로, 헤더 (44)는 인접할 수 있을 정도로 떨어진 거리에 고정된 틀(frame)의 일부에 부착될 수 있다. 직물 시트 (26)을 하나 이상의 폴리우레탄, 핫 멜트 접착제, 접착제 스트립, 플라스틱 간격 조절 스트립 또는 에톡시 등의 여러 가지 충진재료로 헤더 (44)에 충진하고 분리한다. 인접 시트들 (26) 또는 간격들 (42) 사이의 간격 조절은 모듈 (40)을 통한 정련 공기 및 기질 흐름을 위한 공간을 제공한다. 커다란 직물 시트 (26)은 또한 분리 시트들을 사용하기보다는 둘둘 말거나 접어서 모듈 (40)을 생산한다. 모듈 (40)의 길이는 OTE와 압력 저하 사이에서 절충되는데 1 m 내지 5 m 또는 1 m 내지 3 m일 수 있다.
도 8을 참조하면, 모듈 (40)을 제조하기 위하여, 섬유 (10)의 시트 (26)를 섬유 (10)의 교차 말단에 놓인 접착제의 스트립 (50)(각 말단에 하나) 위에 놓는다. 추가 접착제 스트립 (50) 및 간격 조절 스트립 (52)를 시트 (26) 위에 놓고, 뒤이어 접착제 스트립 (50) 및 직물 시트 (26)을 추가한다. 이러한 단계를 원하는 시트 (26)의 수에 적합하게 반복한다. 그 다음 생성된 조립물을 한 쌍의 대립 헤더 (44)의 헤더 함 (35) 내에 밀봉하여 섬유 (10)의 루멘 (14)를 공동 (37)을 통하여 헤더 (44) 내에 포트 (36)과 연결한다. 섬유 (10)의 말단을 개방하기 위하여 예컨대 전술한 바와 같이, 충진 전에 절단한다. 필요에 따라, 접착제 또는 충진 수지 (41)를 헤터 함 (35) 내에 추가로 부어서 섬유 (10)을 헤더 함 (35)에 더 밀봉할 수 있다. 대안으로, 시트 (26)을 그 가장자리에 간격 조절 스트립에 따로 접착제를 발라서 헤더 공동 내에 삽입하고, 이 조립물을 헤더 함 (35)에 밀봉하기 위하여 주위에 추가 접착제 또는 충진 수지 (41)를 배치할 수 있다. 또 다른 대안으로, 전술한 첫 번째 조립 방법을 사용할 수 있다.
도 9는 대체로 전술한 바와 같이 조립한 모듈 (40)의 사진을 나타낸다. 헤더들 (44)은 약 2 mm 떨어져 있다. 시트 (26) 분리를 더 잘 유지하기 위하여 헤더들 사이의 중간에 추가 간격 조절자 (33)을 사용한다. 얇은 강철 막대 (45)를 상기 모듈의 오른편 반쪽에 직물 시트 (26)의 가장자리에 부착시켜 상기 모듈의 왼편 반쪽에서 볼 수 있는 접힘을 유도한다. 모듈 (40)은 SA 산소/SA 생물막의 비율이 약 5이다.
도 10a 및 10 c에서는 모듈 (40)의 또 다른 실시 상태를 볼 수 있다. 모듈 (40)은 중공사 집단 (19) 및 불활성 섬유 (22)를 갖는 단일 시트 (26)을 갖는다. 중공사 집단 (19)는 시트 (26)의 한쪽 말단에서 헤더 (44)사이로 펼쳐져 있다. 헤더 (44)의 너비 (62)는 서로 인접한 다중 모듈 (40)에 서로 인접하는 인접 모듈 (40)의 헤더를 쌓아올리는 것이 인접 시트 (26) 사이에 바람직한 간격을 제공할 정도이다. 이 모듈 (40)의 헤더 함 (35)는 공동 (37)이 보일 정도로 투명하다. 시트 (26)을 충진하기 위하여, 플라스틱 스트립 위에 접혀진 헤더함 (35)를 개방하고 시트 (26)을 삽입한다. 헤더 함 (35)를 구부려 시트 (26) 상에 밀폐시킨다. 포트 (36)으로 작동하는 튜브를 헤더 함 말단 내로 삽입한다. 시트 26과 헤더 함 (35) 사이의 연결부, 포트 (36)과 헤더 함 (35) 사이의 연결부 및 기타 모든 개방 부위를 따라 충진 수지 (31)를 칠하여 공동 (37)을 밀봉한다.
다시 도 4를 참조하면, 섬유 (10)의 말단을 개방하기 위하여 제직된 가장자리를 따라 절단하고 0.1 내지 10 mm 간격으로 하나 또는 한 쌍의 대립 헤더 내에 충진된 토우 (20)의 개방형 시트로부터 토우 또는 토우 시트 모듈이라 부를 수 있는 또 다른 모듈을 제조할 수 있다. 전술한 충진 방법을 비롯하여, 사용되는 충진 방법에 따라, 충진 수지 내에 삽입되기 전 또는 후 중 어느 하나의 시점에 섬유 (10)을 절단하여 개방할 수 있다. 1 내지 100 또는 8 ~ 20개 시트를 한 쌍의 헤더 내에 충진해서 모듈을 제조할 수 있다. 도 1의 섬유를 사용하여 이런 방식으로 제조한 모듈은 SA산소/SA생물막 비율이 1:2.5(0.4) 내지 1/11(0.1)이고 생물막 두께가 250 마이크론이다.
1.5 카세트(cassette)/반응기
일반적으로, 복수의 모듈을 함께 그룹으로 하여 카세트를 만들고, 하나 이상의 모듈 또는 하나 이상의 카세트를 반응기의 일부로서 탱크 안에 배치할 수 있다. 도 11 및 도 12를 참조하면, COD가 1,000 mg/L 이상 통상 7,000 mg/L인 산업 폐수를 1일 1 입방 미터 처리하기 위한 파일로트 반응기의 탱크 (112)에 카세트 (110)의 모듈 (40)을 배치한다. COD 농도를 하수관 방류에 요구되는 300 mg/L까지 감소시키 위하여 원료를 배치식 또는 연속식 공정 중 어느 하나에 의하여 처리한다. 탱크 (112)는 만족 부피(fill volume)가 1.8 m3이다. 탱크 (112)에는 15개의 모듈 (40)이 제공되는데, 각 모듈은 토우 (20)과 같이 제직된 PMP 섬유 집단 (19)으로 제조한 표면적 3.6 m2 직물의 시트 (26)를 6개 함유한다. 섬유 (10)은 길이가 1.8 m이고, 모듈 (40)의 입구 헤더 (116)와 출구 헤더 (122) 사이에 펼쳐져 있다. 시트 당 PMP 토우의 총 수는 1968이고, 시트 당 섬유의 수는 94464인데, 토우 당 48개의 섬유가 있고, 시트 (26)에서 인치 당 2 꾸러미의 50개 실이 있다. 또한, PMP 섬유에 수직으로 폴리에스테르 방적사를 제직하고, 모듈 당 방적사의 총 수는 1912이다. 섬유 루멘에서 공기 압력 저하는 5 내지 10 psi 범위에 있다. 모듈 당 종 생물막 면적은 17 m2이고 산소 이동 면적은 생물막 면적의 약 5.1배이다.
예시된 실시 상태에 있어서, 모듈은 헤더 (116), (122) 사이에 펼쳐져 있는 시트 (26)의 인장을 조절하는 방식으로 배치한다. 상기 카세트는 모듈 (40)탱트 (112)의 요소 또는 카세트 부프레임(sub-frame)의 요소를 포함할 수 있는 강성 구조 (150), 인접 모듈 (40)을 제공하며, 헤더 (116), (122) 중 하나 또는 모두는 강성 구조 (150)에 비해 유동성이 있다.
예시된 실시 상태에 있어서, 강성 구조 (150)은 모듈 (40)의 더미 중 최외각 모듈 (40)의 원심 쪽 표면을 따라 펼쳐져 있는 한 쌍의 사이드 플레이트(side plate) (152)를 포함한다. 도 13 및 14에서 가장 잘 보이는 바와 같이, 모듈 (40)은 모듈 (40)의 일단에서 사이드 플레이트(152) 사이로 횡단하여 펼쳐져 있는 브래킷(bracket) (154)를 배치함으로써 사이드 플레이트 (152)에 부착된다. 설치 브래킷 (154)는 시트 (26)을 마주보고 헤더 (116), (122)의 표면으로부터 확장되는 T자형 텅(tongue) (158)을 받아들이는 모양의 홈 (156)이 제공된다. 모듈 (40)은 헤더 (116) 및 (122)의 텅 (158)을 브래킷 (154)의 홈 (156) 속으로 미끄러져 들어가게 함으로써 설치 브래킷 (154)에 감금된다. 설치 브래킷 (154)는 예컨대 브래킷 (154)의 가장자리 표면에서 플레이트 (152)와 나사산이 난 구멍 (164)을 맞물리게 하는 어퍼쳐(aperture) (162)을 통과하는 볼트 (160)에 의하여 사이드 플레이트 (152)에 감금된다.
헤더 (1160, (122)를 부착한 브래킷 (154)가 수평으로 이동하여 시트 (26)의 인장을 증가 또는 감소시키도록 하기 위하여, 어퍼쳐 (162)를 슬롯(slot)형으로 할 수 있다. 접촉 표면 (168)과 맞물려 있는 외부 지름 표면을 플레이트 (152)에 고정시킨 채로, 편심(偏心)적으로 배치된 캠 멤버(cam member) (166)를 볼트 (160)과 플레이트 (152)사이에 제공할 수 있다. 캠 멤버 (166)를 회전시키면 반대편 브래킷 (154)를 더 멀어지게 하거나 더 가깝게 당길 수 있는데, 이에 의해 모듈 (40)에서 시트 (26)의 인장력을 조절한다.
인장력 조절 기구는 단지 모듈 (40)의 일단 또는 양단에 제공될 수 있으며, 각 모듈 (40) 또는 모듈 (40)의 하부 그룹에 개별적인 인장 조절을 제공하도록 변형될 수 있다. 모듈 (40)을 이동시키거나 잡아당기기 위하여 기타 배치 방법들이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서는, 상기 요소들 또는 모듈들을 수직 배치로 쌓아 더미를 만든다. 외부 모듈로부터의 정련 공기의 흐름 또는 탱크에서 물의 흐름은 상부로부터 바닥으로 흐르거나 바닥에서 상부로 흐를 수 있다. 이것이 정련 공기를 위해 필요한 자본 및 공기의 작동 비용을 최소화한다.
2.0 작동/응용
하나 이상의 섬유 (10)을 갖는 섬유 집단 (19)를 막으로 사용하여 반응기에서 생물막을 지지할 수 있다. 보통, 산소를 함유하는 공기가 모듈 (40)의 헤더 (44) 중 최소 하나 속으로 흐른다. 모듈 (40)은 섬유를 통하는 외에는 출구가 없는 데드 엔드(dead end) 방식으로 작동할 수 있다. 대안으로, 상기 모듈은 기체가 하나의 헤더 (44)를 통하여 들어가서, 섬유 (10)을 통하여 흐른 다음, 나머지 헤더 (44)로부터 방출되는 교차 흐름 방식으로 작동할 수 있다. 기체의 산소 함량 및 유속을 고정하여 섬유 (10)의 외부 표면 근처에서 산소 수준이 최고인 호기성 상태를 제공하는 산소 이동을 만들 수 있다. 유기 화합물의 이산화 탄소 및 물로의 전환 및 암모니아의 질산염으로의 전환을 비롯한 호기성 반응은 이 지역에서 일어난다. 상기 생물막은 그 막의 외부 표면 또는 처리될 기질 근처에서 무산소 상태로 유지될 수 있으며, 질소의 질산염으로의 전환이 일어날 수 있다. 이런 식으로, 탄소계 유기물, 암모니아 및 총체적인 질소 환원 반응을 비롯한 다중 및 동시 반응이 생물막에서 수행될 수 있다.
예시 반응기 (80)를 도 15에 나타내었다. 도 15는 니어 플러그(near plug) 흐름을 제공한다. 반응기 (80)은 탱크 (82), 탱크 (82)로의 공급 입구 (84), 탱크 (82)로부터의 유출물 출구 (86), 공급 입구 (84) 및 유출물 출구 (86) 사이의 흐름로 (88) 및 다수의 섬유 집단 (19)를 탱크 (82) 중에 모듈 (40)의 형태로 구비한다. 각 모듈 (40)은 하나 이상의 헤더 (44)로부터 연장되는 하나 이상의 시트 (26)을 가질 수 있다. 다수의 모듈 (40)은 하나 이상의 카세트 (110)의 일부로서 제공될 수 있다.
시트 (26) 및 모듈 (40)은 탱크 (82)에 적합한 크기를 가지며 탱크 부피의 상당한 부분을 차지한다. 탱크 (82)에서 유효 공간의 효율적 이용을 위하여 시트 (26)를 맞춤 제작할 수 있다. 시트 (26)는 많은 줄로 탱크 (82)에 배열하는 것이 바람직하며, 그러한 줄을 도 15에 하나 나타내었다. 시트 (26)은 두께가 0.25 내지 2 mm의 범위에 있을 수 있으며, 인접 시트 (26)을 탱크 (82)에서 2 내지 15 mm 거리에 차례로 배치하여, 인접 시트 (26)사이에서 생물막 성장 및 폐수 흐름이 가능하도록 한다.
탱크 (82)는 깊이보다 더 길고 보통 혼합이 최소인 수평 흐름로 (88)을 구비할 수 있다. 이것은 탱크 (82)의 말단 근처(즉, 입구 (84) 및 출구 (86) 근처)에 물의 수직 운동을 위한 약간의 공간을 남기고 탱크의 꼭대기, 바닥 및 측면에 최소 자유 공간을 남겨둠으로써 달성할 수 있다. 또한 유출물 출구 (86)의 상류에 배플(baffle)을 배치하여 흐름로 (88)이 그 아래로 지나가도록 할 수 있다. 슬러지 출구 (92)를 제공하여 과량의 슬러지를 제거한다.
흐름로 (88)은 보통 공급 입구 (84)와 유출물 출구 (86) 사이에 탱크 (82)의 상당 부분에 걸쳐서 직선형이다. 각 모듈 (40)은 각 모듈 (40)을 반응기 (40)의 적소로 제한함으로써 각 모듈 (40)의 시트 (26)를 대체로 흐름로 (88)에 평행하게 하는 프레임에 부착된 헤더 (44)에 의하여 탱크 (82)에 고정된다. 반응기 (80)이 더 밀접하게 플러그 흐름 특성을 가질 수 있도록 다수의 시트 (26)은 흐름로 (88)을 따라 연속으로 일정한 간격을 갖는 것이 바람직하다. 처리된 폐수는 유출물 출구 (86)으로부터 공급 입구 (84)로 부분적으로 재순환될 수 있다. 그러한 재순환은 흐름로 (88)을 따르는 폐수의 속도를 증가시켜서 기체 이동 속도를 증가시킬 수 있지만, 그것은 단지 반응기 (80)에서 더 밀접하게 혼합된 흐름 특성을 제공하지 않지 않을 정도로 재순환 비가 적은 경우에 바람직하다.
산소 함유 기체가 처리될 물 위에 위치한 입구 다기관(manifold) (94)에 연결된 입구 도관(conduit) (216)을 통하여 각 모듈 (40)에 제공된다. 물 위에 위치한 출구 다기관 (94)을 사용하면, 어떤 모듈 (40)에서의 누출은 상기 다기관이나 기타 모듈 (40) 속으로 물이 들어가는 것을 허용하지 않을 것이다. 기체는 배기 다기관 (95)에 연결된 출구 도관 (218)을 통하여 각 모듈 (40)을 출발한다. 각 모듈(40)을 출발한 기체들을 반드시 모아야할 필요는 없지만, 약간의 이점이 있을 수는 있다. 예컨대, 배기 다기관 (95)에서의 기체에는 반응기 (80)을 수용하는 건물 내에서 악취 및 건강 문제를 발생시킬 수 있는 휘발성 유기화합물이 풍부할 수 있다. 이 기체들은 더 처리되거나 또는 최소한 건물 외부로 환기하는 것이 바람직하다.
산소는 섬유 (10)을 통하여 확산하거나 퍼진다. 그렇게 확산 또는 퍼지는 산소의 양은 호기성 생물막이 시트 (26) 인근에서 배양되고, 혐기성 생물막이 그 호기성 생물막 인근에서 배양되며, 처리될 폐수는 혐기성 성태로 유지되는 정도일 수 있다. 그러한 생물막은 질화(nitrification) 및 탈질화(denitrification)를 동시에 제공한다. 교반원 (98)이 때때로 작동하여 시트 (26)을 흔들어 쌓인 생물막을 자유롭게 한다. 적절한 교반원은 처리될 물을 비혐기성으로 만들 정도로 충분한 산소를 제공하지는 않는 일련의 코어스 버블 에어레이터(coarse bubble aerator)이다.
도 16은 탱크 (82), 공급 입구 (84), 유출물 출구 (86), 흐름로 (88) 및 다수의 모듈 (40)을 구비한 제2 반응기 (80)을 나타낸다. 프레임(미도시)이 각 모듈 (40)을 적소에 고정함으로써 각 모듈 (40)의 시트 (26)이 대체로 흐름로 (88)에 평행하다. 시트 (26)은 탱크 (82)에 적합한 크기를 가지며 탱크 부피의 상당량을 차지한다. 탱크 (82)에서 유효 공간의 효율적 이용을 위하여 시트 (26)을 맞춤 제작할 수 있다. 시트 (26)은 두께가 0.25 내지 2 mm의 범위에 있을 수 있으며, 인접 시트 (26)을 탱크 (82)에서 2 내지 15 mm 거리에 차례로 배치하여, 인접 시트 (26)사이에서 생물막 성장 및 폐수 흐름이 가능하도록 한다.
탱크 (82)는 길이보다 더 깊어서, 혼합을 최소로 하면서 탱크 (82)의 상당 부분에 걸쳐 직선형이고 대체로 수직인 흐름로 (88)을 조성한다. 이것은 탱크 (82)의 꼭대기 및 바닥 근처에 상당량의 공간을 제외하고 탱크 (82)의 말단 및 측면 근처에 최소 공간만을 남김으로써 행해진다. 처리될 물은 유출물 출구 (86)으로부터 공급 입구 (84)로 부분적으로 재순환될 수 있지만, 재순환이 사용되는 경우에는 재순환 속도가 작은 것이 바람직하다.
산소 함유 기체는 다기관 (94)에 연결된 입구 도관 (216)을 통하여 각 모듈 (40)에 제공된다. 어떤 모듈 (40)에서의 누출이 다기관 (94)이나 기타 모듈 (40) 속으로 물이 들어가는 것을 허용하지 않도록 하기 위하여. 출구 다기관 (94)을 엇갈리어 물 위에 위치시킬 수 있다. 출구 도관 (218)은 처리될 물의 표면 위에 엇갈리게 위치할 수 있는 출구 다기관 (95)에 연결된다.
대안으로, 모듈 (40)을 통한 기류는 출구 도관 (218)에 흡입관(suction)을 사용하여 만든다. 입구 도관 (216)은 대기와 유체 전달 방식으로 배치된다. 이 방법에 의하여, 막을 횡단하는 기체 확산 속도는 약간 감소하지만, 송풍기로부터의 배기 가스가 배기 가스 처리 장치에 추가로 연결될 수 있다.
산소는 호기성 생물막이 시트 (26) 인근에서 배양되고, 혐기성 생물막이 그 호기성 생물막 인근에서 배양되며, 처리될 폐수는 혐기성 성태로 유지되도록 막 (120)을 통하여 확산하거나 퍼지는 것이 바람직하다. 교반원 (98)이 때때로 작동하여 시트 (26)을 흔들어 쌓인 생물막을 자유롭게 한다. 적절한 교반원은 일련의 기계적 믹서이다.
도 17을 참조하면, 반응기 (100)은 내부에 장착된 하나 이상의 막 지지 생물막 모듈 카세트 (100)을 갖는 탱크 (112)를 구비한다. 상기 카세트는 전술한 바와 같은 하나 이상의 모듈 (40)을 구비할 수 있다. 상기 모듈 (40)은 또한 토우 모듈, 평면 요소의 모듈 또는 생물막을 지지하는 막을 사용하는 다른 종류의 모듈일 수 있다. 각 모듈 (40)은 송풍기 (118)을 통하여 공기 또는 또 다른 산소 함유 기체를 공급하는 기체 입구 헤더 (116)을 갖는다. 기체는 입구 헤더 (116)으로부터 하나 이상의 섬유 (10)의 내부 (또는 루멘 (14))로 지나간다. 섬유 (10)의 벽은 기체 이동 막 (112)로서 이용된다. 기체의 일부는 막 (120)을 통과하고, 나머지 부분 및 아마도 탱크 (112)로부터 흡수되는 일부 기체는 모듈 (40)의 출구 헤더 (112) 및 배기구 (124)로 흐른다. 배기구 (124)를 떠난 기체는 사후 처리하거나 대기로 방출할 수 있다.
급수는 공급 밸브 (126) 및 공급 펌프 (128)를 통하여 반응기 (100)에 들어간다. 상기 급수는 모듈 (40) 위 공급 충전 레벌 (130)까지 채워진다. 한 배치의 급수를 처리한 다음, 배수 밸브 (131)를 개방하여 처리수 탱크 (112)를 배수한다. 처리수는 하수관, 자연에 방류 또는 하천에 직접 방류하거나 또는 MSBBR(막 지지 생물반 배치식 반응기)의 또 다른 단계나 추가 공정을 위한 또 다른 종류의 반응기로 흘러갈 수 있다.
생물막 (132)는 막 (12)의 바깥면에서 성장한다. 생물막 (132)의 두께를 제어하기 위하여, 하나 이상의 에어레이터 (134)가 모듈 (140)의 밑에 제공되어 에어레이션 밸브 (138)을 통하여 정련 공기 송풍기 (136)에 연결된다. 탱크 (112)가 물로 채워지면 정련 공기 송풍기 (136)가 작동하여 기포를 제공한다. 기포는 모듈 (140)을 통하여 발생하여 막 (120)으로부터 생물막 (132)의 일부를 물리적으로 제거한다. 에어레이터 (134)는 또한 기체 공급 밸브 (142)를 통하여 기체 공급기 (140)에 연결된다. 기체 공급기 (140)는 압축 기체 또는 기체 발생기 및 펌프 또는 탱크 (112)가 빈 경우 기체를 공급하기 위한 기타 장치를 함유할 수 있다. 반응기 (100)은 또한 탱크 (112)를 급수 외의 액체로 채우기 위해 작동할 수 있는 액체 펌프 (144)를 갖는다. 액체 펌프 (144)는 액체를 담는 저장소 또는 변형장치(modifier), 예컨대 화학적 주입 장치 또는 히터를 통과하는 청정수의 공급원에 연결될 수 있다. 탱크 (112)는 보통 대기로 개방되어 있으며 보통 대기압에 액체를 함유하지만, 때때로 폐쇄되어 밀폐 공간을 제공할 수 있는 뚜껑 (146)을 갖는다.
반응기 (100)에서의 주요 처리 공정은 생물막 (132)에 급수의 배치식 응용을 포함한다. 공급 펌프 (128)를 사용하여 급수를 탱크 (112)에 공급 레벨 (130)까지 채운다. 공급 펌프 (128)을 평형 저장소(equalization reservoir) (148)을 통하여 급수 공급기에 연결하여 비(非)배치식 공급으로부터 배치식 조작을 가능하게 한다. 급수는 일정 기간, 예컨대 12 내지 96 시간 동안 탱크 (112) 중에 머무르면서 생물막 (32)에 의하여 처리된다. 처리 중, 뚜껑 (46)이 변함없이 열려있을 수 있지만, 탱크 (112) 중의 물은 보통 무산소성 또는 혐기성이다. 그러나, 산소가 통상 공기의 한 성분으로서 송풍기 (118)에 의하여 막 (120)을 통해 생물막 (132)에 공급되어 생물막 (132)에 호기성 영역을 만든다. 처리기간 중 때때로, 재순환 밸브 (149)를 개방하고 탱크 (112) 중의 급수를 혼합하기 위하여 공급 펌프 (128)을 작동시킬 수 있다.
생물막 (132)이 급수를 원하는 정도로 분해한 후, 배수 밸브 (131)을 개방하여 탱크 (112)의 액체를 배출시킨다. 상기 배수는 2 단계로 일어날 수 있다. 제1단계에서, 탱크의 바닥에 존재하는 고체 슬러리를 배수하여 침전된 고체를 제거한 다음 슬러지 관리 시스템으로 이동시킨다. 제2단계에서, 투명한 기울여 따른(decanted) 액체를 제2단계 처리 또는 살균 시스템으로 배수시키거나 또는 하수관에 방류하거나 또는 하천에 방류한다.
생물막에 흡수되는 재료의 분해를 계속하고, 생물막의 일부가 폐수 중에 침지되면 그 즉시 처리를 개시할 수 있도록 하기 위하여, 충전 작업 전반을 통하여 산소 함유 기체 공급을 계속할 수 있다. 유사하게, 생물막의 일부가 침지된 후 오래 동안 처리를 계속하고, 침지되지 않은 동안이라도 단기간 동안 생물막에 흡수된 유기물을 분해시켜서 각 배치의 처리 시간을 최소화하기 위하여 에어레이션을 배수 작업 전반에 걸쳐 계속할 수 있다.
이제, 도 18을 참조하면, 반응기 (100)과 특징이 유사하지만, 기체 공급기 (140), 기체 공급기 밸브 (140) 또는 액체 펌프 (144)가 없는 반응기 (400)이 보인다 .
배치식 공정에 있어서, 폐수의 농도는 각 공정 기간의 말미를 향해 감소한다. 생물막에 공급되는 산소의 수요 또한 감소하고, 따라서 모듈에 기체 공급이 감소할 수 있다. 최소 부분적으로 토우 형태로 섬유를 사용하는 모듈은 산소 이동 및 생물막 성장을 위하여 매우 높은 표면적을 허용한다. 토우 모듈은 넓은 표면적을 제공하기 때문에 특히 COD가 낮은 예컨대 1,000 mg/L 이하, 500 mg/L 이하 또는 300 mg/L 이하의 폐수를 처리하는데 유용하다. 미세 섬유 루멘을 통한 압력 손실은 저 COD 폐수를 처리하는 생물막에 산소를 운반하는데 필요한 공기 공급량을 제한하지 않는다. 토우 모듈이 다른 폐수를 처리하는데 물론 유용할 수 있지만, 토우 모듈은 초기 공급이 COD가 낮은 경우에 사용되거나, 또한 더 진한 급수의 COD 농도를 감소시키는 다른 처리 방법이나 장치의 뒤에서 제2 또는 제3 단계로서 사용될 수 있다. 하수 폐수 또는 기타 급수, 예컨대, COD가 1,000 mg/L 이상인 급수의 경우, 2단계 장치가 사용될 수 있다. 제1단계에서, 직물 시트 형태의 막 지지 생물막 모듈이 도 9에서와 같이 사용된다. 이 모듈을 포함하는 반응기로부터의 출구는 제2단계 처리를 제공하는 도 4에서와 같은 시트를 갖는 토우 모듈을 포함하는 반응기로 공급된다. 본 발명자들은 고 COD 폐수로부터 신속한 COD 감소는 막 지지 생물막 반응기로부터 발생하는 탈질화를 제한한다는 것을 관찰하였다. 2단계 방법의 경우, 제1단계는 COD 제거에 효과적일 수 있다. 제2단계로의 급수는 감소한 COD를 가지며 2단계는 탄소 퇴화 미생물보다 예컨대 나이트로백터(nitrobacter) 및 아질산균(nitrosomas) 종의 미생물의 질화를 지지하여 제2단계에서 개선된 암모니아 산화를 제공하는데 효과적일 수 있다.
일반적으로, COD를 고려하는 경우, 가용성 COD가 가장 쉽게 생물막 (30)에 의하여 분해되고 쉽게 측정되므로, 가용성 COD를 사용한다. 그러나, 특히 일부 또는 전체 면적에 걸쳐 느슨한 토우 (20)을 갖는 모듈 (40)에 대해서는, 불용성 COD의 약간의 입자들이 생물막에 걸린다. 시간 경과 후, 이 입자들을 용해성 COD로 분쇄하고 분해시킨다. 따라서, 총 COD 또는 총 생분해성 COD가 어떤 실시 상태에 있어서는 관련 변수(parameter)일 수 있다.
COD가 1000 mg/L 이상인 급수에 대하여, 모듈 (40)은 SA산소/SA생물막이 1 이상, 예컨대 1 내지 10일 수 있다. 매우 높은 부하(loading)를 위하여 많은 수의 섬유로 조밀하게 제직되어, 섬유 (10)의 전체 길이를 횡단하는 시트 (26)을 갖는 모듈 (40)이 유용하다. COD가 1000 mg/L 이하인 급수에 대하여, 모듈 (40)은 SA산소/SA생물 막이 0.2 내지 2.5일 수 있다. 예컨대, 덜 조밀하게 제직된 섬유의 총 길이를 횡단하여 제직된 시트들 또는 중심 개방형 토우 (20) 영역을 갖는 시트 (26)을 갖는 모듈 (40)이 유용하다. 모듈 (40)은 SA산소/SA생물막이 1 이하, 예컨대 1 내지 10일 수 있다. 시트 (26)을 갖는 모듈 (40)는 중심 개방형 토우 (20) 영역을 갖거나, 예컨대 느슨한 토우 (20)이 모듈이 유용하다.
도 19a는 도 1에 나타낸 바와 같이 각각 96개의 섬유 (10)으로 이루어진 100개의 토우 (20)을 대립 쌍의 헤더 (44)에 충진하여 제조한 모듈 (40)을 구비한 벤치스케일(bench scale) 반응기를 나타낸다. 상기 모듈 (40)은 배치식 방법으로 급수를 처리하는데 사용되었다. 방법에 있어서, 상기 모듈 (40)은 합성 폐수 4L까지 채워진 탱크 (112)에 위치한다. 탱크를 배수하고 1 내지 7일마다 신선한 급수로 채워넣는다. 그 모듈에 공기를 10mL/min으로 사용하였다. 안정한 두께의 생물막 (30)이 6개월 이상의 기간 동안 상기 모듈 (40)에서 성장하였다. 생물막 (30)은 본질적으로 내생(內生)적이고, 생물막 (30)의 작은 부분이 떨어지는 것을 제외하면 그 성장 속도는 보통 부패 속도와 동일하며, 탱크 배수구 중 일부로 배출된다. 토우 (20)의 절편을 도 19b에 나타내었다. 개개의 섬유 (10)은 생물막 (30)에 덮여있다. 어떤 곳에서, 작은 그룹의 섬유 (10) 주위의 생물막 (30)이 섬유 (10)의 길이의 일부에 대해 함께 잠길 수 있다. 나타낸 생물막 (30)의 두께는 약 250 마이크론이다.
도 20을 참조하면, 예컨대 부패조(槽), 부패조 개조물 또는 쉽보드(shipboard) 처리 설비용으로 적합한 또 다른 반응기가 보인다. 나타낸 특별한 반응기는 대립 측면에 입구 (412) 및 출구 (414)를 갖는 표준 부패조 (410)을 사용한 부패조 개조물이다. 탱크 (410)은 1차 챔버 (416) 및 2차 챔버 (418)을 포함한 2단식으로 이루어진다. 분리벽 (420)은 챔버 (416), (418) 사이의 흐름을 허용하는 수중 오리피스 (422)를 갖는다. 2차 챔버 (418)에는 하나 이상의 모듈 (424)가 놓여 있다. 입구 튜브 (426)을 통하여 모듈 (424)의 하부 헤더에 공기를 공급한다. 배출 공기는 배기 튜브 (428)을 통하여 모듈 (424)의 상부 헤더로 배기한다. 정련 공기 튜브 (432)를 통하여 모듈 (424)의 하부 및 또는 근처에 위치한 살포기(sparger) (430)에 정련 공기를 주기적으로 적용한다. 모듈 (424)는 각각 모듈 (424)를 만들기 위하여, 도 4에서와 같이,한 쌍의 헤더 내에 충진된 1 내지 100 또는 8 ~ 20개 시트를 갖는다. 예컨대, 단독 세대용 부패조는 1/4 hp 공기 송풍기가 공급되어 약 1 내지 7 psi 또는 약 3 psi의 압력저하를 만드는 하나의 8 내지 10 시트를 구비할 수 있다. 통상 세대 급수의 경우, 보통 내생적인 생물막은 개개의 섬유 (19) 및 토유 (20) 표면에서 성장한다. 생물막에서 생물학적 처리는 부유 고체 및 유출수의 화학적 산소 요구량을 감소시키고 부패 타일 영역(septic tile field)을 감소시키거나 제거할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서, 다수의 생물 반응기를 연속으로 설치하여 플러그 흐름에 가까운 흐름 패턴을 제공한다. 그 결과 반응 속도가 더 빨라지고 산소 활용도가 더 좋아진다.
본 발명의 또 다른 실시 상태에 있어서, 생물반응기의 상이한 단계에서는 산소 소량 첨가(spiking)로 상이한 수준의 산소를 사용하여, 상이한 수준의 산소 요구량을 충족시키고 높은 생물반응기 부하를 달성한다. 또한, 단일 반응기 또는 반응기의 단계에 있어서 상이한 산소 수준을 상이한 배수로 사용할 수 있다. 섬유의 루멘에 공급되는 기체의 압력 또는 공급 기체의 산소 함량을 증가시킬 수 있다. 유사하게, 산소 수준을 감소시키기 위하여, 공급 기체 압력 또는 산소 함량을 감소시킬 수 있다. 다단계 반응기의 상류 단계 또는 매우 적재된 반응기에 있어서는 더 높은 산소 수준이 사용될 수 있다. 반응기 상에 부하가 일시적으로 증가하는 기간에 대응하여 예컨대, 폐수 강도 및 양의 계간 또는 일간 변화에 대응하여 산소 수준을 또한 주기적으로 또는 때때로 증가시킬 수 있다.
3.0 생물막 제어
막 지지 생물막 반응기에 있어서, 막의 생물막 두께를 제어하는 것이 유리한다. 예컨대, 반응기 (100)에 있어서(도 17), 탱크 (112)가 주기적으로 배수된다 하더라도, 생물막 (132)의 대부분이 특히 급수가 예컨대 300 mg/L을 넘는 고 COD를 갖는 경우 막 (120)에 잔류한다. 생물막 (132)의 두께가 너무 두꺼우면, 예컨대 두께가 2 mm 이상이면, 더 얇은 층, 예컨대 두께가 1 mm 이하인 경우에 비하여 분해 속도가 가장 적게 증가한다. 그러나, 생물막 (132)을 얇게 유지하면, 모듈 (40)의 시트들 (26)이 더 가까이 함께 위치하게 되고, 모듈 부피 당 더 넓은 표면적을 제공한다. 일어나거나 또는 그렇지 않을 수 있는 어떤 소량의 분해에 증가를 상쇄하는 것보다 보통 더 많은 표면적 증가가 더 얇은 생물막 (132)에서 달성될 수 있다.
그러므로, 생물막 (32)가 불필요하게 두꺼워지는 것을 막는 수단이 제공된다. 다음의 방법들을 독립적으로 또는 다양한 조합으로 행할 수 있다. 처리의 빈도는 생물막 (132)의 성장 속도에 따라 변한다. 예컨대, 생물막 (132)은 1일 10 마이크론씩 성장할 수 있고, 모듈 (40)은 0.2 mm 내지 0.8 mm의 생물막을 허용하도록 제조될 수 있다. 대안으로, 생물막 제어 절차 사이에 기간은 최종 제어 절차 이후 생물막이 분해하는 COD의 양에 연관될 수 있는데, 이는 최종 제어 절차 이후 시간 및 생물막 두께 증가에 차례로 관련된다. 예컨대, 최종 제어 절차 이후 생물막이 평방 미터의 생물막 면적 당 약 20 내지 200 mg의 COD를 분해한 경우 제어 절차를 행할 수 있다. 제어 또는 두께 감소를 이렇게 자주 행하는 경우, 각 제어 기간이 생물막 두께에 현저한 영향을 미치지 않더라도 연장된 기간 동안 안정한 생물막 층이 유지된다. 제어 절차는 전체 생물막에 한번 또는 생물막의 일부에 한꺼번에 적용될 수 있다.
3.1 기계적 생물막 제어 방법.
막 (120) 상의 생물막 (132)의 두께를 제어하는 일부 방법들은 기계적으로 생물막 (132)의 일부를 제거하는 것을 포함한다. 그러한 하나의 방법에 있어서, 도 17을 또 참조하면, 모듈 (114) 밑에 하나 이상의 에어레이터 (134)가 제공되어 에어레이션 밸브 (138)을 통하여 송풍기 (136)에 연결된다. 탱크 (112)를 액체로 채우고, 송풍기 (136)을 작동시켜 모듈 (114) 밑의 에어레이터 (134)로부터 기포를 생성시킨다. 상기 기포들은 생물막 (132)를 기계적으로 정련하고 또한 생물막 (132)의 일부를 물리적으로 제거하는 모듈 (40)을 통한 물의 흐름을 만든다. 2 ~ 8 피트(feet)/초의 고속 정련 공기 또는 1 내지 10분의 간격 동안 모듈 풋프린트(footprint)의 평방 미터 당 시간 당 5 내지 20, 예컨대 10 입방 미터 속도의 공기 적용이 사용될 수 있다. 이것은 예컨대 매일 한번 또는 매주 한번 행해질 수 있다. 또한, 공기는 생물반응기의 내용물을 주기적으로 혼합하는데 사용될 수 있다.
기타 기계적 방법은 탱크 (112)가 비어있는 동안 모듈 (40)에 물을 분무하고 코움(comb), 와이어(wire) 또는 브러쉬 등으로 생물막을 물리적으로 제거하는 것을 포함한다. 제거된 생물막 (132)를 탱크 (112)의 바닥에 떨어뜨리고 폐기 슬러지에 관해서는 추가 처리를 위하여 배수구 (131)를 통하여 흘려보낼 수 있다.
기계적 생물막 제어법은 표면 물결 모양의 높이가 원하는 생물막 두께 범위에 있는 표면이 거칠거나 결이 나있는 시트 (26)을 제공함으로써 강화될 수 있다. 원하는 생물막 두께는 200 내지 1,000 마이크론일 수 있다.
3.2 화학적 방법
또 다른 실시 상태에 있어서, 생물막의 일부를 산화시켜 분해 가능하게 만들기 위하여 섬유 루멘에 도입되는 오존 기체를 사용한다. 그 다음, 산소를 루멘에 공급하여, 생물막이 산화된 유기물을 분해하도록 하여, 생성되는 고체의 총량을 감소시키고 생물막 두께를 제어한다. 산소는 별도의 단계로서 제공되거나 분해 폐수의 정규 단계의 일부로서 제공될 수 있다. 반응기는 이런 식으로 처리되는 하나의 모듈 또는 부품일 수 있다.
또 다른 방법에 있어서, 생물막 (132)의 탱크 측면에 제어 물질을 사용한다. 예컨대, 탱크 (112)를 배수한 후, 액체 펌프 (144)를 사용하여 탱크 (112) 내로 예컨대 35 ~ 55℃로 가열된 청정수를 넣을 수 있다. 가열된 물을 생물막 (132)의 일부를 분해하기에 충분한 시간(접촉 기간), 예컨대 3 ~ 5시간 동안 탱크 내에 유지시켜서 생물막 매트릭스를 형성하는 얼마간의 유기물을 용해시킨다. 급수를 제거한 후 어느 정도까지 생물막을 차단한다. 루멘에 계속하여 산소를 사용하거나 사용을 중단할 수 있다. 특히 송풍기 (136) 및 에어레이터 (134)가 반응기 (100)으로부터 완전히 제거되는 경우, 공기 정련 없이 작업을 행하는 것이 더 경제적일 수 있지만, 이 기간 동안 또한 생물막 제거를 강화하기 위하여 공기 정련을 제공할 수 있다. 생물막 (132)를 또한 어느 정도 차단한다. 접촉 기간 후, 배수 밸브 (131)을 통하여 물을 배수시킨다. 산업 처리 시스템에 있어서, 방출수는 약간의 COD를 가질 것이지만, 대부분의 죽은 미생물들이 생물막 (32) 내에 계속 잔류할 것이므로 접촉 기간의 지속은 방류가 하수관 방류에 적합하도록 선택될 수 있다. 접촉 기간의 후기 동안, 생물막 (32)의 생존하는 내부 부분은 죽은 미생물을 생분해할 것이다. 가열수 또는 미가열수의 효과는 예컨대, pH가 1 내지 6 또는 3 내지 3인 산, 예컨대, pH가 8 내지 13 또는 9 내지 11인 염기 또는 효소 등 화학물질의 첨가와 함께 증진될 것이다. 화학물질, 그 농도 및 접촉 시간은 생물막의 구조적 성분인 어떤 유기물들을 부분적으로 용해 또는 약화시키지만, 반응기의 신속한 재개를 위하여, 활성 생물막 중에 대부분을 남기고 단지 미생물 부분만을 죽일 수 있도록 선택된다.
또 다른 방법에 있어서, 생물막 (132)의 탱크 측면에 기체성 제어 물질을 사용한다. 상기 기체는 탱크 (112)가 배치 순환의 말미에 배수되는 동안 기체 공급기 (140)으로부터 공급된다. 상기 기체가 탱크 (112)에 체류하도록 뚜껑 (146)을 닫는다. 상기 기체는 다양한 종류, 예컨대 염소와 같은 산일 수 있다. 대안으로, 오존이 사용될 수 있다. 오존의 첫 번째 목적은 생물막 (132)에서 미생물의 세포벽을 분쇄하여 그것을 더 생분해성으로 만드는 것이다. 사용되는 오존의 양은 생물막의 약 5% 이상을 직접 산화시키고 단지 생물막에 존재하는 미생물 부분만을 죽이는데 충분하지 않을 것이다. 그러나, 녹기 어려운 유기 물질은 나중에 탱크에 재충진될 경우 생물학적 산화에 의하여 감축되는 유기 물질로 환원된다. 오존은 기체(공기 또는 산소) 상에서 생성되어 비어있는 탱크 (112)로 쉽게 분산된다. 오존은 생물막 (132)에 의하여 흡수될 정도의 기간 동안 탱크 (112)에 체류한다. 산화환원 조건은 탱크 (112)가 슬러지 환원을 촉진하기 위하여 배수되는 동안 탱크 (112)에서 제어될 수 있다. 호기성과 혐기성 조건을 번갈아 교대하는 것은 탱크 (1120가 오존으로 채워져 오존을 효과를 강화하는 동안 입구 헤더 (116)에 급수를 틀고 잠가서 생물막 (132)에서 확립할 수 있다. 죽은 그리고 부분적으로 산화된 유기물은 생물막 (132)에 잔류하고 나중에 그 장소에서 분해되므로 과량의 바이오매스가 추가 처리를 위하여 탱크 (112)로부터 제거될 필요는 없다. 또한 탄소/질소(C/N) 비율이 증가하기 때문에 탈질화가 개선될 수 있다. 막 (120)은 생물막 (32)에 의하여 보호되기 때문에, 이 방법에서 오존에 민감한 막 (120)과 함께 오존이 사용될 수 있다.
3.3 생물학적 방법
또 다른 방법에 있어서, 벌레나 기타 동물 또는 고등생물을 반응기의 고립 부분에서 사용하여 과량의 생물막을 분해하여 생물 고체 생성을 감소시킨다. 벌레 등은 별도의 생물반응기에서 성장한다. 필요한 경우, 벌레 등을 함유한 액체 현탁액 또는 식염수로 탱크를 채워서 생물막에 벌레 등을 사용한다.
또 다른 생물막 제어법은 내생 호흡이다. 이 방법에 의하여, 생물막 (32)에 사용되는 급수 적재가 유지되므로 생물막 (132)의 부패 속도가 성장 속도와 동일하다. 실제 배치식 방법에 있어서는 성장 속도가 분해 속도를 약간 초과할 수 있는데, 배수 시 생물막 (132) 중 일부가 탱크 (112)로부터 탈착되어 떠나기 때문이다. 그러나, 내생호흡은 실제로는 낮은 적재 속도에서 일어나고 따라서 저 COD 농도, 예컨대 1000 mg/L COD 이하 또는 300 mg/L COD 이하인 급수용으로 더 적합하다.
또 다른 방법은 주기적 차단(periodic starvation)이다. 이 방법에서는 COD 농도가 통상의 배치식 공정의 말비에 농도 이하로 떨어질 정도로 연장된 기간 동안 급수를 탱크 (112)에 체류시킨다. 생물막 (132)는 다음 배치 순환이 개시될 때까지는 빠르게 육성되지도 부패하지도 않는다. 생물막은 또한 급수를 제거하고 탱크를 청정수, 예컨대 수돗물 또는 음료수로 채우거나 1일 kg MLSS 당 0.1 kg COD 이하로 반응기를 적재함으로써 차단할 수 있다.
또 다른 방법에 있어서, 모듈 (40)의 입구 헤더 (116)으로의 기체의 공급을 시간의 기간 동안 주기적으로 틀었다가 잠근다. 산소 공급의 변화는 생물막 (132)에 쇼크를 주고 부패를 증가시킨다. 생물막이 다른 것을 소비하거나 다른 것에 의해 소비되는 동안, 생물막 중 호기성 및 혐기성 지역이 팽창하고 수축한다. 대안으로, 오존 또는 염소 등의 기체를 입구 헤더 (116)에 부가하여 쇼크를 강화한다.
화학적 및 생물학적 생물막 제어의 경우, 시트 (26) 사이에 더 가까운 간격, 예컨대 3 ~ 4 mm가 사용되는데, 모듈 (40)을 통한 동수(動水) 흐름(hydraulic flow)이 공기 정련, 교반 또는 기타 물리적 생물막 제거법의 경우와 같이 요구되지 않기 때문이다. 화학적 또는 생물학적 방법은 또한 시트 (26) 또는 섬유 (10) 또는 집단 (19)가 정리되지 않아서 정련 공기의 흐름이 생물막의 모든 부분에 도달하지 않는 경우 유용하다. 화학적 또는 생물학적 제어법은 또한 정련 공기, 교반 또는 물리적 방법에 의하여 손상될 수 있는 비(非)지지 또는 느슨한 섬유 (10), 섬유 집단 (19) 또는 토우 (20)를 사용하는 개방형 시트 (26) 또는 모듈에 유용할 수 있다. 대안으로, 하나 이상의 화학적 방법, 하나 이상의 기계적 방법 또는 하나 이상의 생물학적 방법들이 조합될 수 있다.
실시예 1: 막 지지 생물반응기에서 화학적 산소 요구량(COD) 감소
단지 단일 섬유의 시트를 사용한 것을 제외하고는 도 6 ~ 9에 나타낸 바와 같은 모듈을 사용하여 벤치스케일 생물반응기를 제조하였다. 시트의 길이는 0.57 m 그리고 높이는 0.45 m이었으며, 생물막 성장에 활용가능한 시트의 양면을 확보하는 약 0.5 m2의 생물막 총면적을 제공하였다. 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비율은 약 5 내지 6이었다. 입구 공기 흐름은 압력 34.5 kPa에서 25 ml/min이었다. 반응기 부피는 30L이었다. COD 수준이 1000mg/l인 합성 폐수를 주기적으로 배치식으로 도입하였다. 합성 폐수는 수돗물에 용해된 가용성 펩톤 1.0 g/L과 인산수소 나트륨 0.03 g/L로 이루어졌다. 일련의 배치식 반응을 행하여 반응 속도 및 산소 이동 효율을 결정하였다. 도 21은 3 배치 기간, 즉 2일부터 5일까지의 3일간, 6일부터 9일까지의 3일간 그리고 9일부터 10일까지의 1일간의 결과를 나타낸다. 3일의 배치 기간 각각에 있어서 80 ~ 90% COD 감소가 얻어짐을 볼 수 있었다. 1일의 배치 기간에 있어서는 약 40% COD 감소가 달성되었는데, 폐수의 농도가 더 높으면 COD 감소 속도가 더 빠르고, 배치에서 COD 농도로서 COD 감소 속도 수준은 시간과 함께 감소한다는 것을 지시한다. 이 일련의 시험 동안 산소 이동 효율은 공기 배출 농도로 측정할 때, 50 내지 70%이었다.
실시예 2: 합성 폐수를 사용한 벤치테스트(Bench Test)
실시예 1에서 기술된 단일 시트 모듈을 사용하여 벤치스케일 생물반응기를 고안하였다. 실시예 1에서 기술한 바와 같이, COD 수준이 1000mg/l인 합성 폐수를 도입하고 모듈 상에 생물막으로 처리하였다. COD 제거 및 산소 이동 속도 및 생물막의 두께를 계산 또는 측정하고 기록하였다. 최초의 약 21일의 경우, 다양한 배치 기간 후 반응기(충진 부피 30L)를 배수하고 급수를 재충전하여 탱크에서의 COD를 보통 500 및 1000 mg/L 사이로 유지시켰다. 8일 및 9일에, 탱크를 비우고 새로운 급수로 재충진하는 외에, 모듈을 물 스프레이로 강력세척하여 생물막을 제거하였다. 약 21일로부터 30일까지, 생물막을 차단(즉, 산소 공급을 모듈에 계속하면서 수도물, 즉 청정수 또는 마실수 있는 물로 탱크를 채운다)하고 공기 정련 처리를 하였다. 약 30일에, 탱크를 비우고 급수를 재충전하였다. 그 다음 매일 탱크를 비우고 폐수로 재충전하였지만 생물막 제어 공정을 행하지 않아 생물막이 두껍게 성장하도록 하고 그러한 성장의 효과 및 속도를 관찰하였다. 그 시험 결과를 도 21에 나타내었다. COD 제거 속도는 생물막 두께에 비례하지 않고 1일에 평방 미터 당 약 19 내지 38 그램 사이에서 변화하였다는 것을 관찰하였다. 산소 이동은 또한 상대적으로 넓은 범위의 생물막 두께 즉, 약 0.5 mm부터 측정 장치의 최대 두께에 이르는 두께인 2.3 mm에 걸쳐, 1일에 평방 미터 당 약 10 내지 15% 그램 사이에서 변화하였다.
실시예 3. 산업 폐수를 사용한 예비 연구
도 6 내지 9에 나타낸 바와 같은 4개의 모듈을 사용하여 소규모 예비 연구를 행하였다. 각 모듈은 6개의 섬유 시트를 구비하고, 총 평면 표면적 또는 생물막 면적은 3.6 m2이었으며, 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적의 비율은 약 5 내지 6이었다. 300 리터 탱크에 모듈을 설치하였다. 반응기는 초기에는 펩톤 (약 2000mg/1)으로 작동시킨 다음 저하되는 분량으로 폐수에 첨가된 펩톤으로 작동시켜 시트에서 생물막의 초기 성장을 가속시킨 다음 생물막을 폐수에 순응시켰다. 생물막을 순응시킨 후, 탱크에 산업 폐수를 채워 배치식 작동을 행하였다. 급수 COD가 약 3000mg/l가 되도록 하는 비율로 다중 공급원으로부터 폐수를 끌어들인다. "순수" 산소를 공급 압력 약 5 psi로 모듈에 공급하였다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 벌크(bulk) COD 농도가 약 2 내지 3일 안에 1000 mg/l 이하로 떨어졌다. 또한 각 배치 동안 COD 제거 속도가 폐수 중 벌크 COD 농도 및 시간과 함께 저하되었다는 것을 알았다.
탱크 중에 COD 농도가 상이한 배치 동안 상이한 시간의 기간에서 COD 제거 속도를 계산하였다. 초기 COD가 5000 mg/l 및 7000 mg/l인 배치들을 또한 시험하여 COD 제거 속도에 대한 더 높은 COD 농도의 영향을 관찰하였다. 그 결과를 도 24에 나타내었다. 도 24에 지시된 바와 같이, 시험 반응기에서 매우 높은 적재가 항상 매우 높은 제거 속도를 만들지 않는다는 것을 제외하고는 적재가 높을 수 록 제거 속도는 일반적으로 더 높은데, 하나 이상의 공기 공급 압력, 생물막 표면적에 대한 공기 이동용 표면적 또는 총 모듈 면적이 매우 높은 적재를 위한 최적보다는 더 적다는 것을 나타낸다.
연속 작동으로 행해지는 일련의 시험을 위하여 동일한 반응기를 사용하였다. 그 시험들에 있어서, HRT 및 입구 COD를 변화시켰다.
공급 기체는 공급 압력 5 psi "순수" 산소이었다. 각 시험에 대한, 평균 입구 COD, 출구 COD 및 제거 속도를 그 시험의 HRT에 의하여 체계화하여 도 25에 나타내었다. COD 제거 속도는 일반적으로 HRT가 증가함에 따라 또는 입구 COD가 감소함에 따라 감소하였다.
전술한 배치 시험 중에 반응기에서 생물막 제어 절차의 효과를 또한 확인하였다. 주로 혼합을 위하여 매시간 15초 동안 약 1 scfm/모듈의 온화한 에어레이션을 적용하고, 2 ~ 3일 마다 2 ~ 3분 동안 약 4 scfm/모듈의 더 적극적인 공기 정련을 주로 적용하여 생물막을 제거하였다. 생물막 두께는 반응기에서 약 300 mg/L 내지 약 5,500 mg/L로 변화하는 평균 벌크 COD와는 무관하게 약 0.2 mm로부터 0.8 mm 이하의 범위에서 성공적으로 유지되었다.
실시예 4: 하수를 사용한 예비 시험
각각이 표면적이 3.6 m2이고 85 리터 탱크에 설치되는, 도 3에 나타낸 바와 같은, 2개의 모듈을 사용하여 또 다른 예비 연구를 행하였다. 공기를 공급 압력 약 5 psi로 모듈에 공급하였다. 펩톤을 초기에 하수에 첨가하여 실시예 3에서 기술한 바와 같이 시트 상에서 생물막의 초기 성장을 가속한다. 탱크에 하수를 채우고, 3 mm 체로 체질하고, 초기 COD를 평균 약 100 내지 200mg/l, 그러나 때때로 700 mg/L로 하여 배치 운전을 행하였다. 배치의 말미에, COD 농도는 보통 30mg/l 이하로 떨어졌고, COD 제거 속도 또한 보통 1g/m2/d 이하로 떨어졌다. 배치 중 샘플 기간 내에 시간에 관한 CODs 및 CODt의 수준을 도 26에 나타내었다.
약 60일의 총 기간에 걸쳐 상이한 시험을 행하면서, 연속 방법으로 연구를 행하였다. 상기 시험들에 있어서, HRT는 24시간 내지 3시간으로 변화시켰고, 입구 CODs는 100mg/l 내지 200mg/l로 변화시켰다. 평균 제거 속도는 적재 속도를 낮출수록 더 낮아지는 경향이 있었다. 질화 및 탈질화 동역학을 연속식 방법 연구 중에 측정하였다. 4번의 시험 결과를 다음 표에 나타내었다.
연속식 운전에 있어서 질화 및 탈질화
HRT(hr) 입구 CODs(mg/L) 입구 NH3-N(mg/L) 출구 CODs(mg/L) 출구 NH3-N(mg/L) 출구 NO3-N(mg/L)
11.5 165 18.2 29 3.5 3.4
7.8 117 19.6 25 5.4 4.4
40.4 105 17.7 35.9 5.6 4.3
3.1 84 18.7 37.6 11.6 1.3
하수 폐수 연구에서 생물막 제어를 또한 시험하였다. 평균 0. mm의 생물막 두께가 공기 정련과 함께 관찰되었으나, 더 두꺼운 생물막은 어떤 개개의 시트 사이에 모이는 것 같았다. 이는 이 지역들이 완전한 정련 공기를 받아들이지 않고 있다는 것을 나타낸다.
실시예 5: 폐수의 경우 토우 모듈을 사용한 벤치스케일 연구
각각이 조밀 벽으로 된 PMP 섬유 96개로 이루어진 100개의 PMP 섬유 토우로 이루어진 도 5에서 나타낸 모듈과 유사한 모듈을 시험하였다. 모듈에서 섬유의 총표면적은 0.54 m2이었다. 모듈에서, 각 토우는 독립적으로 상부 및 하부 헤더 내에 충진된다. 모듈에 10 ml/min의 속도로 바닥 헤더로 공기의 공급을 공급하고 상부 헤더를 통해 배기시켰다. 상부 헤더를 물 표면에 클램프에 고정하고 하부 헤더를 내리누른 채로 모듈을 부피 4L까지 충진된 용기에 걸었다. 1000 mg/L CODs의 합성 폐수를 사용하여 배치 방식으로 모듈을 작동시켰다. 각 배치 처리기간의 시점에, 용기에 폐수를 채워넣었다. 공기를 모듈에 공급하여 폐수를 탱크에 공급하지도 않고 배출시키지 않으면서 약 1 내지 7일에 걸치는 처리 가간 동안 섬유 상에서 성장하는 생물막을 지지하였다. COD 농도가 더 낮은 폐수의 경우 일반적으로 더 짧은 배치 기간을 사용하였다. 처리기간의 말미에, 탱크를 배수하였다. 새로운 폐수를 첨가하고 다음 처리기간을 개시하였다. 다양한 시점에서, 모듈을 제거하여 생물막의 두께를 비파괴적으로 측정하고 폐수 중의 COD 측정값을 얻었다.
합성 폐수를 사용한 시험으로부터 두께 측정값을 표 7에 기록하였다. 도 27은 180일의 작동기간에 걸쳐 섬유 상의 생물막 두께를 나타낸다. 초기에는 생물막이 없었지만, 약 20 또는 40일 후 생물막이 보통 약 100 내지 300 ㎛ 두께를 갖고 발달하였다. 대부분의 시험 운전에 대하여, 생물막 두께를 제어하는데 추가적인 방법을 사용하지 않았고, 생물막 두께는 보통 변함없이 안전하고 허용가능하였다. 탱크 배수 작업의 최소 일부 동안 모듈로부터 벗겨진 생물막의 작은 부분을 관찰하였고, 생물막 제어는 생물막의 내생 성장에 의하여 다른 방식으로 제공하였다. 그러나, 약 15일의 기간 동안, 모듈을 차단 방식으로 작동시켰다. 이 방식에서는 탱크를 수돗물로 채우고 공기를 계속 공급하였다. 생물막의 두께는 차단기간 동안 약 250 ㎛부터 약 100 ㎛로 감소하였는데, 이는 차단기간이 생물막 두께를 감소하는데 효과적이라는 것을 나타낸다.
도 28 및 29는 합성 폐수를 사용한 시험에 있어서 COD의 제거 속도를 나타낸다. 도 28은 시간의 함수로 제거 속도를 보여주고 도 29는 COD 농도의 함수로서 제거 속도를 보여준다. 먼저, 도 28을 참조하면, 도면 내에 각 수직선은 새로운 배치 처리기간의 개시를 나타낸다. 따라서, 수직선에 의하여 지시된 시간에, 1,000 mg/L의 COD를 갖는 새로운 폐수를 탱크에 첨가하였다. 배치 공정으로서, 폐수를 처리하였으므로 그것의 COD 농도가 감소하였다. 도 28에 나타낸 바와 같이, COD 제거 속도는 각 배치 처리기간에 있어서, 시간과 함께 떨어지는 경향이 있었다. 이는 제거 속도가 폐수 중 COD 농도와 관련이 있다는 것을 나타낸다. 그 밖에, 154일과 159일 사이에 배치에서는 제거 속도가 0에 접근하였는데, 이는 추가 처리시간이 한계 값을 가질 것이라는 것을 지시한다. 도 29에서, 폐수 중 평균 COD 농도에 대한 COD 제거 속도를 직접 좌표로 나타내었다. 도 29에서 지적되는 바와 같이, COD 제거 속도와 폐수 중 COD 농도 사이의 관계는 COD 농도에 보통 비례하는 제거 속도와 거의 직선형이다.
부패조 폐수를 사용하는 시험을 위하여, 부패조의 제2 챔버로부터 폐수를 취하였다. 하나의 시험에 대한 폐수의 특성은 다음과 같다.
총 화학적 산소 요구량(CODt) : 377 mg/L
가용성 COD(CODs) : 199 mg/L
암모니아 질소(AN): 55.1 mg/L
총 부유 고체(TSS): 70 mg/L
모듈을 약 24시간의 배치 처리기간으로 배치 방식으로 작동시켜 부패조에서 실제 반응 조건을 가장하였다. 이 기긴 동안 위에서 정한 속도로 공기를 공급하여 생물막에 산소를 제공하였다. 지속적인 22시간 35분의 하나의 처리기간 후, 처리된 폐수의 샘플을 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
CODt : 140 mg/L
CODs : 73 mg/L
AN : 24.7 mg/L
TSS:1 mg/L
유출수 품질에 있어서 상당히 개선되었다. 특히, TTS가 많이 감소했다. 시각적 관찰에 의하여, 제거된 TTS의 많은 부분은 콜로이드성 성분의 형태로 있었다.
도 30은 부패조 폐수를 이요한 또 다른 시험 결과를 나타낸다. CODt, CODs TSS 및 암모니아 질소의 농도를 배치 기간의 초기, 중기, 말기에 측정하면서, 반응기를 2일 배치 기간 동안 작동시킨다. 비교 목적으로, 같은 날 같은 부패조에서 취한 폐수의 또 다른 샘플을 500 mL 눈금 실린더에 놓고 대조 표준으로서 관찰하였다. 2일간의 작동 후, 반응기에서 총 COD(CODt)의 감소가, 70%를 초과하는 제거와 함께, 75mg/L에 접근하였다. TTS는 2일간의 처리 후 34 mg/L부터 거의 인식할 수 없을 정도의 TTS로 떨어졌다. 이 기간 동안 암모니아 역시 감소하였다. 대조 표준은 COD 감소가 40% 이하였고 TTS는 증가하였다. 배치 공정 및 반응기는 부분적으로는 그 공정의 정지 성질 때문에 COD를 제거할 뿐 아니라 부유 고체 또한 제거하여 부패조 폐수를 효과적으로 처리하였다.
실시예 6 - 화학적 생물막 제어
매우 두꺼운 생물막을 갖는 도 1에서 기술된 단일 시트 반응기를 사용하여 생물막 제어 연구를 하였다. 시험의 개시에, 탱크를 배수시키고 pH가 9.43인 탈이온화수 중의 수산화나트륨 용액 30L를 온도 40℃에서 반응기에 첨가하였다. 처음 4시간 동안 담근 후, 2 scfm에서 공기 정련을 개시하고 18시간 이상 동안 계속하는 한편 수산화나트륨 용액을 탱트에 체류시켰다. 루멘에 공기 공급을 계속 유지하였다. 처음 4시간 기간에 걸쳐 생물막 두께가 약간 감소하였다(4.6 mm로부터 4.3 mm로). 18시간의 담그기 및 공기 정련 후, 생물막의 두께는 3.2 mm로 더 감소하였다.
또 다른 생물막 제어 연구에 있어서, 도 10a 및 10b에 나타낸 6개의 단일 시트 모듈을 사용하였다. 각 시트는 20 cm 너비에 길이 약 27 cm이고 활용 표면적은 약 0.11 평방 미터였다. 상기 시트는 세로로 움직이는 중공섬유로 제직하였고 양 말단을 개방시켰다. 생물막 면적에 대한 공기 이동 면적의 비율은 6 내지 1이었다. 상기 모듈을 약 3일의 배치 기간으로 실온에서 배치 방식으로 작동하는 20L(작동 부피) 반응기에 놓았다. 반응기에 2000 내지 8000 mg/L CODs 농도로 합성 하수를 공급하였다. 각 시트의 입구 헤드에 약 20 mL/min의 유속으로 약 2 psi 공기를 모듈의 루멘에 공급하였다. 모듈을 50℃에서 pH가 10인 뜨거운 물 중의 NaOH 용액에 4시간 동안 담갔다. 루멘에 공기 공급을 계속 유지시켰다. 4시간 후, 반응기를 급수로 다시 채워넣었다. 담그기 기간 동안 또는 배치 기간 동안 공기 정련을 제공하지 않았다. 도 31은 140일 기간에 걸쳐 0.2 내지 0.8 mm에서 유지되고 평균이 약 550 마이크론인 시간에 대한 생물막 두께를 나타낸다. 그 기간 동안 배치들로부터 계산된 결과는 기대고 있는 생물막 사이의 간격 동안 평방 미터 당 CODs가 66으로부터 120 그램으로 이동하였다는 것을 나타낸다.
본 발명의 가르침으로부터 본 발명의 많은 수정 및 변형이 가능하고, 본 발명은 전술한 것과 달리 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의하여 정의된다.

Claims (87)

  1. a) 각 중공섬유가 루멘, 외부 표면 및 개방형 말단을 갖는 다수의 기체 투과성 섬유들 및
    b) 공동, 그 공동에 개방된 포트를 갖는 헤더를 포함하는 액체 중 생물막을 지지하는 장치.
    여기서, 상기 중공섬유들의 개방형 말단의 외부 표면은 상기 헤더에 밀봉되고 상기 중공섬유들의 루멘을 상기 공동을 통하여 상기 포트에 연결하면서, 상기 중공섬유들은 헤더로부터 펼쳐진다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중공섬유들은 외부 지름이 100 마이크론 이하인 것인 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중공 섬유들은 중공 면적이 10% 이상, 더 좋기로는 30% 이상인 것인 장치.
  4. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공 면적이 50% 이하인 것인 장치.
  5. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 비다공성 또는 조밀 벽인 것인 장치.
  6. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 폴리메틸펜텐을 포함하는 것인 장치.
  7. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 제2 말단을 갖고 길이가 0.25 미터 내지 3.0 미터인 것인 장치.
  8. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 제2 말단을 갖고 길이가 1.0 미터 내지 2.0 미터인 것인 장치.
  9. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 그룹들 내에 배열되는 것인 장치.
  10. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 그룹들은 24 내지 96 중공섬유를 포함하는 것인 장치.
  11. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 그룹들은 상기 중공섬유들보다 더 강한 제2섬유를 더 포함하는 것인 장치.
  12. 제9항 내지 11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 그룹은 섬유들의 토우인 것인 장치.
  13. 제9항 내지 11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 그룹은 실, 방적사 또는 꼬인 섬유들인 것인 장치.
  14. 선행하는 어느 항들에 있어서, 상기 중공섬유들은 그들의 길이를 따라서 컬(curl), 권축(crimp) 또는 물결모양으로 되는 것인 장치.
  15. 선행하는 어느 항들에 있어서, 상기 중공섬유들은 그들의 길이를 따라서 대체로 제1 방향으로 펼쳐지는 것인 장치.
  16. 제15항에 있어서, 길이를 따라서, 대체로 제1방향에 수직인 제2 방향으로 펼쳐지는 제3섬유를 더 포함하는 것인 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제3 섬유 및 중공섬유들은 합쳐서 꼬아 짜는 것인 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 중공섬유들 및 제3섬유들은 직물을 형성하는 것인 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 직물은 대체로 상기 중공섬유들의 길이를 가로질러 이어지는 것인 장치.
  20. 제18항에 있어서, 상기 직물은 상기 중공섬유들의 개방형 말단 근처에서 중공섬유들의 길이에 미치지만 그 섬유들의 길이의 중심 부분에는 미치지 않는 것인 장치.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 중공섬유들 및 제3섬유들은 상기 중공섬유들의 길이의 적어도 일부에 걸쳐 함께 제직, 편직 또는 경편 되는 것인 장치.
  22. 선행하는 어느 항에 있어서, 상기 중공섬유들은 제2 개방형 말단을 갖는 것인 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 중공섬유들의 제2 개방형 말단들은 제2헤더에 충진되는 것인 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제2 개방형 말단들은 제2헤더의 제2공동을 통하여 제2헤더의 제2포트와 연결되는 것인 장치.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 헤더 및 제2헤더는 서로 떨어져 일정한 간격을 갖고, 상기 중공섬유들은 하나 이상의 평면 시트들 또는 상기 헤더들 사이에 펼쳐진 대체로 평행한 평면 구조 내에 배열되는 것인 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 평면 시트 또는 평면 구조는 서로 대체로 평행한 것인 장치.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 인접한 평면 구조들은 그들 사이의 간격이 2 mm 내지 20 mm 또는 더 좋기로는 3 mm 내지 15 mm인 것인 하나 이상의 장치.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 제1헤더 및 제2헤더는 상기 중공섬유들에 인장력을 적용하는 거리로 떨어져 고정되는 것인 장치.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 헤더의 바깥쪽에 평면 시트들 또는 평면 요소들 사이에 간격조절자(spacer)를 더 포함하는 것인 장치.
  30. 제25항 내지 제29항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 평면 시트들 또는 평면 요소들은 상기 헤더들 사이에 펼쳐진 강성 구성원을 더 포함하는 것인 장치.
  31. 선행하는 어느 항에 있어서, 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 약 1.6 이상인 것인 장치.
  32. 선행하는 어느 항에 있어서, 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 약 2 이상인 것인 장치.
  33. 선행하는 어느 항에 있어서, 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 약 5 이상인 것인 장치.
  34. 선행하는 어느 항에 있어서, 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 약 1 이하인 것인 장치.
  35. 제18항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 직물의 거칠기(roughness)는 0.1 내지 2 mm인 것인 장치.
  36. a) 입구 및 출구를 구비하고 처리될 액체를 저장하는 탱크,
    b) 선행하는 어느 항에 따른 장치 및
    c) 상기 포트에 기체를 제공하는 기체 운반 시스템
    을 포함하는 반응기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 장치 주위에 액체를 교반하도록 적응된 교반기 또는 에어레이터를 추가로 포함하는 것인 반응기.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서, 화학물질을 중공섬유의 루멘 또는 중공섬유의 외부 표면과 연결된 반응기의 일부 내로 주입하기 위한 화학적 주입 시스템을 더 포함하는 것인 반응기.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 포트에 제공되는 기체 또는 탱크에 저장된 액체 중 어느 하나를 가열하는 히터를 구비하는 것인 반응기.
  40. 제36항 내지 제39항 중 어느 하나의 항에 따른 2 이상의 반응기를 가지며 제1반응기의 출구가 제2반응기의 입구와 연결되는 다단계 반응기
  41. 제40항에 있어서, 제1 및 제2반응기는 플러그 흐름 반응기, 배치 반응기 또는 연속적으로 교반되는 반응기인 것인 다단계 반응기.
  42. 제37항 또는 제38항에 있어서, 제2반응기의 장치는 제1반응기의 장치보다 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 더 낮은 것인 다단계 반응기.
  43. 제40항 내지 제42항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1반응기의 장치는 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 5 이상이고 제2반응기의 장치는 지지 생물막의 표면적에 대한 산소 이동용 표면적 비율이 5 이하인 것인 다단계 반응기.
  44. 제36항 내지 제43항 중 어느 하나의 항에 있어서, 반응기(들)가 입구와 출구 사이세 평행하게 배열된 다수의 장치를 갖는 것인 반응기 또는 다단계 반응기.
  45. 제40항 내지 제42항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1반응기의 장치의 섬유들은 그들의 전체 길이를 따라 시트로 형성되는 한편, 제2반응기의 장치의 섬유들은 그들의 길이의 일부에 걸쳐 수직 섬유들에 의해 지지되지 않는 것인 다단계 반응기.
  46. a) 제1항 내지 제35항 중 어느 하나의 항에 의한 장치 또는 하나 이상의 기체 투과성 생물막 지지 매체의 내부 표면과 연결된 포트를 갖는 또 다른 장치를 액체와 접촉시키는 공정 및
    b) 상기 장치의 상기 포트에 매체의 외부 표면(들)으로 투과하여 외부 표면(들)에서 성장 중인 생물막을 지지하는 기체를 제공하는 공정을 포함하는 것인 액체 처리 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 액체는 폐수를 포함하는 것인 방법.
  48. 제46항 또는 제47항에 있어서, 상기 기체는 산소를 포함하는 것인 방법.
  49. 제46항 내지 제48항에 있어서, 상기 기체는 수소를 포함하는 것인 방법.
  50. 제47항 또는 제48항에 있어서, 상기 생물막은 외부 표면 부근에서는 호기성 상태 그리고 액체 부근에서는 무산소성 또는 혐기성 상태로 유지되는 것인 방법.
  51. 제46항 내지 제50항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 액체는 배치식 또는 연속식 방법으로 상기 장치와 접촉되는 것인 방법.
  52. 제46항 내지 제51항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 액체는 보통 연속적으로 또는 주기적으로 교반되는 것인 방법.
  53. 제46항 내지 제51항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 액체는 대체로 플러그 흐름으로 외부 표면(들)을 지나 움직이는 것인 방법.
  54. 제46항 내지 제53항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 생물막은 대체로 내성 성장의 상태로 유지되는 것인 방법.
  55. 제54항에 있어서, 하나 이상의 가정 또는 상점 또는 선박의 일부로부터 대체로 직접 취한 폐수를 처리하기 위하여 부패조 또는 쉽보드 시스템에서 수행하는 것인 방법.
  56. 제46항 내지 제55항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 생물막은 두께가 0.05 mm 내지 2 mm, 더 좋기로는 0.1 mm 내지 1 mm로 유지되는 것인 방법.
  57. 제46항 내지 제53항 중 어느 하나의 항 또는 제56항에 있어서, 두께가 번갈아서 증가 및 감소하도록 최소 생물막의 일부를 유지시키는 공정을 더 포함하는 것인 방법.
    상기 생물막은 제1시간의 기간 중에 두께가 증가하고 제1 시간의 기간 사이에는 생물막의 두께를 감소시킨다.
  58. 제57항에 있어서, 상기 생물막의 단지 일부의 두께가 한꺼번에 감소하는 것인 방법.
  59. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 적어도 액체의 일부를 공기 정련 또는 교반에 의하여 감소하는 것인 방법.
  60. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 적어도 생물막의 일부를 벌레 또는 생물막을 분해하는 기타 벌레를 함유하는 제2액체와 접촉시킴으로써 감소하는 것인 방법.
  61. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 상기 섬유들의 루멘 쪽또는 상기 생물막의 외부로부터 적어도 상기 생물막의 일부에 오존을 적용하여 생물막의 일부를 산화시킨 다음 산화된 부분을 분해하기 위하여 상기 생물막을 유지함으로써 감소하는 것인 방법.
  62. 제61항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 상기 포트 내에 오존 기체를 도입하고 이어서 그 포트에 산소를 공급함으로써 감소하는 것인 방법.
  63. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 생물막과의 접촉으로부터 상기 액체를 제거하거나 상기 생물막을 호기성으로 분해하기 위하여 1일에 kg MLSS 당 0.1 kg CODs로 액체를 제공하면서 상기 포트에 공기를 공급함으로써 감소하는 것인 방법.
  64. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 적어도 그 생물막의 외부의 일부에 제어 약품을 사용함으로써 감소하는 것인 방법.
  65. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 청정수인 것인 방법.
  66. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 가열된, 좋기로는 40 내지 60℃로 가열된 청정수인 것인 방법.
  67. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 오존 기체인 것인 방법.
  68. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 pH가 8 내지 13, 더 좋기로는 9 내지 11인 알카리 용액인 것인 방법.
  69. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 pH가 1 내지 6, 더 좋기로는 3 내지 4인 산인 것인 방법.
  70. 제64항에 있어서, 상기 제어 약품은 제2액체이고 상기 제2액체는 상기 생물막과 접촉하는 동안 교반 및 공기가 통과되는 것인 방법.
  71. 제64항 내지 제70항에 있어서, 상기 생물막은 상기 제어 약품이 사용된 후 호기성으로 분해되는 것인 방법.
  72. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 생물막과의 접촉으로부터 상기 액체를 멀리 배수함으로써 감소되는 것인 방법.
  73. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 상기 포트로의 산소의 공급을 때때로 또는 주기적으로 멈추거나 감소시켜 생물막의 일부에 호기성 및 무산소성 또는 혐기성 조건을 교대로 만들어줌으로써 감소하는 것인 방법.
  74. 제57항 또는 제58항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 생물막의 일부를 물리적으로 제거함으로써 제거되는 것인 방법.
  75. 제74항에 있어서, 상기 생물막은 제3의 액체로 분무하거나 브러쉬 또는 스클퍼(scraper)로 문질러 줌으로써 물리적으로 제거되는 것인 방법.
  76. 제57항 내지 제75항에 있어서, 상기 액체는 생물막의 일부의 두깨가 감소되는 동안 상기 생물막의 일부로부터 제거되는 것인 방법.
  77. 제46항 내지 제76항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 포트에 공급되는 산소의 양은 상기 액체의 CODs가 증가하는 경우 시간의 기간 동안 증가하는 것인 방법.
  78. 제46항 내지 제49항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 액체는 상기 생물막으로부터 주기적으로 제거되어 새로운 배치의 액체로 치환되고 상기 기체의 공급은 액체가 제거되는 동안 계속되는 한편, 상기 생물막은 상기 액체와 접촉하지 않거나 새로운 배치의 액체는 상기 생물막과 접촉하여 치횐되는 것인 방법.
  79. 제46항 내지 제78항에 있어서, 상기 액체는 처리된 후 부유 고체가 10 mg/L 이하이고 CODs가 50 mg/L 이하인 것인 방법.
  80. 제46항 내지 제79항 중 어느 하나의 항에 있어서, 2단계 공정으로 작동하는 방법으로서, 제1단계 공정은 액체의 CODs를 300 mg/L 이하, 더 좋기로는 200 내지 300 mg/L으로 감소시키는 것인 방법.
  81. 제46항 내지 제80항 중 어느 하나의 항에 있어서, 처리 전, 상기 액체는 CODs가 1000 mg/L 이상이고, 상기 장치는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적이 1 이상, 더 좋기로는 1 내지 10인 것인 방법.
  82. 제46항 내지 제80항 중 어느 하나의 항에 있어서, 처리 전, 상기 액체는 CODs가 1000 mg/L 이상이고, 상기 장치는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적이 0.2 내지 2.5인 것인 방법.
  83. 제46항 내지 제80항 중 어느 하나의 항에 있어서, 처리 전, 상기 액체는 CODs가 300 mg/L 이하이고, 상기 장치는 부착된 생물막의 표면적에 대한 기체 이동용 표면적이 1 이하, 더 좋기로는 0.1 내지 1인 것인 방법.
  84. 충진 수지를 다수의 섬유의 개방형 또는 고리형 말단 주위에 접착시킨 다음 생성된 경화된 수지 및 섬유들의 블록을 통하여 절단하는 공정을 포함하는 것인 선행하는 어느 항의 장치에서 섬유의 말단을 절단하는 방법.
  85. 섬유들의 개방형 말단에 평행하지만 치환된 평면형 구성원(들)에 간격 조절자를 부착시킴에 있어 상기 간격 조절자의 제1 가장자리는 상기 중공섬유들의 말단에 더 가깝고, 상기 간격 조절자의 제2 가장자리는 상기 중공섬유들의 말단으로부터 더 멀게 부착시키는 공정, 상기 평면형 구성원(들)을 헤더 공동 내에 삽입하는 공정 및 상기 평면형 구성원(들)으로부터 상기 헤더 공동의 벽으로 연장되는 상기 간격조절자의 제2 가장자리에 충진 수지를 적용하는 공정을 포함하는 제18항 내지 제27항 중 어느 하나의 항에 의한 장치의 제조 방법.
  86. 제56항 내지 제76항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 생물막의 두께는 최소 10일 마다 또는 상기 생물막이 최종 감소 이후 생물막 평방 미터 당 20 내지 200 그램 사이의 CODs로 분해된 후 감소하는 것인 방법.
  87. 제46항 내지 제83항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 장치를 수용하는 탱크로부터 액체를 배수하는 공정으로서, 상기 배수 공정이 침전된 고체를 함유하는 액체의 제1 부분을 제1 처리 시스템에 배수하는 공정을 더 포함하는 공정 및 상기 액체의 제2 부분을 제2 처리 시스템에 배수하는 공정을 갖는 배치 방법으로 작동되는 방법.
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