KR20060021552A - 중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공사를 이용한 수처리시 발생되는 스케일 등의 오염물질 제거효율을 극대화시킬 수 있도록 된 중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이에 본 발명은 외형을 이루는 하우징과, 상기 하우징의 양단에 각각 설치되는 상,하부콜렉터, 상기 일측 콜렉터에 연통설치되어 상기 하우징 내에 위치하는 중공사막, 상기 하우징 중앙에 배치되어 중공사막으로 원수를 공급하는 원수 공급관을 포함하는 중공사막 모듈을 제공한다.

하우징, 콜렉터, 원수 공급관, 구멍, 분사홀

Description

중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치{Hollow fiber membrane module and Device using thereof}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 구성을 도시한 개략적인 단면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 하부 구조를 도시한 개략적인 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 원수 유입 파이프를 도시한 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 중공사막 모듈 11 : 하우징

12 : 상부콜렉터 13 : 하부콜렉터

14 : 중공사막 15 : 원수 공급관

16 : 구멍 17 : 원수 공급구

18 : 에어 공급구 19 : 배출구

20 : 분사홀 21 : 드레인라인

본 발명은 중공사형 분리막을 이용한 수처리용 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원수의 분산 투입을 통해 중공사형 분리막의 세정효율을 높인 중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치에 관한 것이다.

일반적으로 분리막 기술은 고분자 재료의 물질 선택투과 성질을 이용한 분리기술의 하나로 1960년대 미국에서 담수화 공정에 적용하면서 상업화된 기술이다. 막분리 공정은 증류기술과는 달리 상 변화가 없으므로 에너지를 절약할 수 있고 공정이 간단하므로 장치가 차지하는 공간이 적은 장점이 있다. 초기의 분리막은 역삼투압(reverse osmois membrane)을 중심으로 개발되었고 한외여과막(ultrafiltration), 정밀여과막(microfiltration), 나노여과막(nanofiltration) 등으로 광범위하게 적용되고 있다.

상기 분리막은 그 형태에 따라 평막, 관상막, 중공사막으로 구분되어지며 사용하기에 편리하도록 모듈(module)화하여 사용용도 및 막 면적 등에 따라 선택할 수 있도록 되어 있으며, 이중에서 중공사형은 중공사의 직경이 0.2~2mm이며 중앙이 비어있는 실관 형태이므로 중공사의 단위부피당 막면적비가 다른 형식의 여과설비에 비하여 굉장히 높아서 더 높은 생산성을 가지고 있고, 직경이 작으므로 자체적으로 형태를 유지할 수 있어서 별도의 지지체가 필요 없다는 장점으로 인해 많이 사용된다.

또한 상기 분리막은 그 운전 방법에 따라 막 표면과 평행한 방향, 즉 여과 방향과 직각방향으로 원액을 이송시키는 크로스-플로우(cross-flow) 여과법과 처리 액을 막 표면에 수직으로 공급하여 여과시키는 데드-앤드(dead-end) 여과법, 중공사막을 물 속에 침지한 뒤 진공을 가하여 물을 여과하는 서브멀지드(submerged) 여과법이 있다.

이중 크로스-플로우 여과법은 처리액의 유속에 의한 자체 세정으로 막오염을 줄일 수 있는 장점이 있는 반면, 많은 양의 처리액을 이송하기 위한 동력비가 많이 든다는 단점이 있다. 그리고 데드-앤드 여과법은 낮은 동력으로 많은 양을 처리할 수 있지만 막오염이 쉽게 일어날 수 있는 단점이 있다.

또한, 서브멀지드 여과법은 일반적으로 폭기조에 막을 직접 넣어 사용하여 설치 면적을 줄일 뿐만 아니라 MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) 등을 높게 가져감으로써 운전비 등을 낮출 수 있다. 그러나 낮은 진공도를 사용하기 때문에 여과 유량이 적어 많은 막면적을 필요로 한다는 단점이 있다.

여기서 상기 데드-앤드 여과법은 그 장점으로 인해 주로 사용되나, 원수에 포함되어 있는 많은 양의 오염물질이 막 표면에 걸려 막 오염이 빨리 진행되며, 이에 따라 역세 과정을 통해 이를 충분히 제거하여야만 장기간 막을 안전하게 사용할 수 있게 된다.

즉, 중공사막은 일반적으로 운전하는 방식에 따라 외압형, 내압형, 침지형으로 나눌 수 있는데, 외압형은 중공사막 외부에서 압력을 가하여 정제된 물이 중공사막 내부로 나오게 하는 것으로, 처리할 수 있는 물의 양이 가장 많은 반면, 다른 방식에 비해 높은 압력차를 주기 때문에 중공사막의 오염이 가속화된다는 단점을 가지고 있다.

또한, 모듈이 대형화되는 경우, 원수 공급이 한쪽으로 치우치게 되면 막 오염이 편중되고 원수와 직접 접하게 되는 중공사막은 물성 저하의 우려가 발생된다.

이러한 중공사막의 대표적 단점인 막오염을 최소화하기 위하여 종래에도 다음과 같은 다양한 시도들이 개시되어 있다.

즉, 기 출원된 일본공개특허 2003-53157호의 경우 침지형 운전방식에 있어서 막의 오염을 줄이는 구조가 개시되어 있고, Pall의 Microza 제품의 경우 원수의 고른 분산 구조를 개시하고 있다.

그러나 상기한 종래의 기술 역시 외압형 운전방식을 갖는 대형의 중공사막 모듈에 있어서 충분히 만족할 만한 막 오염 물질 제거효율을 얻지 못하였으며, 이에 막 오염물질 제거효율과 더불어 막의 수명을 높일 수 있도록 된 중공사막 모듈의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 중공사막을 이용한 수처리시 발생되는 스케일 등의 오염물질 제거효율을 극대화시킬 수 있도록 된 중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 외압형 운전방식에 의한 중공사막 모듈에 있어서 중공사막의 오염을 최소화하고 오염물질을 효과적으로 제거하여 외압형 모듈이 가지는 단점을 보완할 수 있도록 된 중공사막 모듈과 이를 이용한 수처리장치를 제공함에 또다른 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중공사막 모듈 내부로 유입되는 원수를 중공사막 모듈의 중앙을 통해 중공사막 전체에 고르게 공급할 수 있도록 함을 그 요지로 한다.

이를 위해 본 발명의 중공사막 모듈은,

외형을 이루는 하우징과,

상기 하우징의 양단에 각각 설치되는 콜렉터,

상기 일측 콜렉터에 연통설치되어 상기 하우징 내에 위치하는 중공사막,

상기 하우징 중앙에 배치되어 중공사막으로 원수를 공급하는 원수 공급관을 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 하우징 하부에 설치되어 상기 중공사막으로 에어를 분출하기 위한 에어분사부를 더욱 포함할 수 있다.

여기서 상기 하우징은 원통형으로 이루어져 중앙에 배치된 원수 공급관으로부터 내측 선단까지의 거리가 일정하도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 하우징 일측에는 하우징 내부로 유입된 원수를 배출하기 위한 드레인라인이 더욱 설치될 수 있다.

또한, 상기 중공사막은 하우징을 수직으로 세워놓은 경우 상단이 상부 콜렉터에 연통설치됨이 바람직하며, 하단은 자유단을 이루거나 하부 콜렉터에 고정 설치될 수 있다.

이 경우 상기 상부 콜렉터 상에는 중공사막을 통해 처리된 처리수가 배출되 는 배출구가 설치될 수 있다.

한편, 상기 원수 공급관은 하우징에 설치된 각 콜렉터에 양단이 설치되어 지지되고, 일측 콜렉터를 통해 연통되어 원수가 유입되며, 측면을 따라 다수개의 구멍이 일정간격을 두고 형성된 구조로 되어 있다.

여기서 상기 원수 공급관은 원통형태로 이루어짐이 바람직하며, 상기 구멍은 원수공급관의 외주면을 따라 고르게 분포되어 형성됨으로써 원수 공급관을 둘러싸고 있는 중공사막에 고르게 원수를 공급할 수 있도록 함이 바람직하다.

이에 따라 상기 원수 공급관으로 유입된 원수는 원수 공급관 표면에 형성된 구멍을 통해 하우징 내부의 중공사막으로 고르게 공급될 수 있는 것이다.

상기 구멍의 크기와 개수에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

여기서 상기 원수 공급관은 하우징을 수직으로 세워놓은 경우 하부 콜렉터와 연통설치되도록 함이 바람직하다.

이 경우 상기 하부 콜렉터 상에는 원수 공급관으로 원수를 공급하기 위한 공급구가 설치될 수 있다.

또한, 상기 에어분사부는 하우징을 수직으로 세워놓은 경우 하부 콜렉터에 설치됨이 바람직하며, 상기 하부콜렉터에 설치되어 에어가 공급되는 에어공급구와, 상기 하부콜렉터 상에 형성되어 에어를 중공사막 사이로 분출하기 위한 분사홀을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 수처리장치는 상기한 구조의 중공사막 모듈을 다수개 병렬설치한 구조로 하여 처리량을 확대할 수 있도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 구성을 도시한 개략적인 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 하부 구조를 도시한 개략적인 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중공사막 모듈의 원수 유입 파이프를 도시한 개략적인 단면도이다.

상기한 도면에 의하면, 본 실시예에 따른 중공사막 모듈(10)은 수처리가 이루어지는 일정길이의 원통형 하우징(11)과, 이 하우징(11) 상부에 설치되는 상부콜렉터(12)와 하부에 설치되는 하부콜렉터(13), 하단은 상기 하부콜렉터(13)에 지지되고 상단은 상기 상부콜렉터(12)에 연통설치되어 하우징(11) 내부의 원수를 처리하기 위한 중공사막(14), 상기 하우징(11)의 중앙에 길이방향으로 배치되어 상단은 상부콜렉터(12)에 지지설치되고 하단은 하부콜렉터(13)에 연통되어 원수를 공급받으며 표면에는 다수개의 구멍(16)이 형성되어 원수를 중공사막(14)으로 공급하는 원수 공급관(15), 상기 하우징(11) 하부에 설치되어 상기 하부콜렉터(13)를 통해 상기 중공사막(14)으로 에어를 분출하기 위한 에어분사부를 포함한다.

여기서 상기 하부콜렉터(13)는 중앙에 원수 공급구(17)가 설치되어 상기 원수 공급관(15)의 하단으로 연결되며, 상기 원수 공급구(17)와 일정거리 이격되어 상기 에어 분사부로 에어를 공급하기 위한 에어 공급구(18)가 설치된다.

또한, 상기 상부콜렉터(12)는 중공사막(14)을 거친 처리수를 배출시키기 위한 배출구(19)가 설치된다.

이에 따라 상부콜렉터(12)와 하부콜렉터(13)를 포함하는 하우징(11)이 하나의 모듈(10)을 이루게 되며, 원수는 모듈(10)의 하부를 통해 유입되고 처리수는 상부를 통해 배출되며, 에어는 하부를 통해 상부로 분출된다.

상기 에어분사부는 에어공급구(18)를 통해 하부콜렉터(13)로 유입된 에어를 고르게 중공사막(14) 사이로 분출시키기 위한 것으로, 상기 하부콜렉터(13) 상에 고르게 분포 형성되는 분사홀(20)로 이루어진다.

여기서 상기 분사홀(20)의 크기와 개수는 바람직한 개구율 범위내에서 특별히 한정되지 않으며, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하도록 한다.

그리고 상기 중공사막(14)은 하우징(11) 내부에서 수직으로 배치되며, 하단부는 내부통로가 막혀있는 상태로 하부콜렉터(13)에 단순히 지지 설치되며, 상단부는 중공사막(14) 내부 통로가 상부콜렉터(12)와 연통되는 상태로 상부콜렉터(12)에 고정설치된다.

이에 따라 하우징(11) 내부로 유입된 원수는 중공사막(14)을 통해 여과되어 중공사막(14) 내부와 연통된 상부콜렉터(12)로 유입되어 상부콜렉터(12)에 설치된 배출구(19)를 통해 나가게 되는 것이다.

미설명된 도면 부호 (21)은 하우징(11) 상부에 설치되어 하우징 내부의 원수를 드레인 시키기 위한 드레인 라인이다.

본 중공사막 모듈(10)에 적용되는 중공사막(14)의 경우 막의 외경 사이즈가 2mm 이하를 사용하는 데, 특히 0.8mm ~ 1.4mm 크기의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 막의 기공(pore) 크기는 3㎛이하, 더욱 바람직하게는 0.01㎛ ~ 0.2㎛ 크기의 것을 사용하여 물 재 이용이나 정수에 사용할 수 있도록 한다.

또한, 중공사막(14)의 유효 길이는 800mm ~ 2,500mm 범위에서 사용 가능하나, 대용량 처리를 위해서 최소한 1,400mm 이상의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 모듈(10)의 크기는 외경이 120mm ~ 250mm 범위에서 중공사막(14)의 막 면적(대용량 모듈의 경우 바람직한 막 면적은 30㎡ ~ 150㎡이다.)을 고려하여 선택할 수 있으며, 바람직하게는 170mm ~ 250mm 사이에서 선택한다.

상기 모듈(10)의 외경이 170mm ~ 250mm 사이의 크기를 갖는 경우 상기 원수 공급관(15)은 25㎟ ~ 50㎟의 크기로 이루어짐이 바람직하며, 하부콜렉터(13)에 형성되는 분사홀(20)은 3mm ~ 15mm의 직경을 갖도록 형성함이 바람직하고, 그 개수는 5 ~ 20개 사이임이 바람직하다.

이때 상기 하부콜렉터(13) 전면에 대한 분사홀(20)의 개구율은 15%를 넘지 않도록 하며, 더욱 바람직하게는 5% ~ 8%의 개구율을 이루도록 한다.

개구율이 15%를 넘게 되면 중공사막(14)이 들어갈 수 있는 면적이 줄어들 뿐아니라 에어가 한 곳으로 편중되어 에어에 의한 세정효과를 저감시키게 된다.

한편, 상기한 구조의 중공사막 모듈(10)은 다수개가 병렬로 연결설치됨으로써 단위체를 구성할 수 있으며, 이러한 단위체를 통해 처리용량을 극대화시킬 수 있게 된다.

이하 본 발명의 작용에 대해 설명한다.

원수가 공급되는 공급라인(도시되지 않음) 상의 밸브를 개방작동하게 되면 펌핑된 원수는 공급라인에 연결되어 있는 공급구(17)를 통해 원수 공급관(15)으로 유입되고, 이렇게 원수 공급관(15)으로 유입된 원수는 원수 공급관(15) 측면에 형성된 구멍(16)을 통해 하우징(11) 내부로 보내지게 된다.

여기서 상기 원수 공급관(15)은 하우징(11)의 중앙에 배치되어 있어서, 원수를 하우징(11) 중앙에서부터 원수 공급관(15) 외주부에 위치하는 중공사막(14)으로 균일하게 분산 투입하는 작용을 하게 된다.

이러한 원수의 분산 유입은 막 오염을 특정 부위에 가속시키는 것이 아니리 때문에 막 오염 정도를 줄이는 요인이 된다.

원수공급관(15)에 형성된 구멍(16)을 통해 하우징(11)으로 원수가 균일하게 분산 투입되고 이렇게 투입된 물이 하우징(11)에 채워지면, 중공사막(14)에 걸리는 압력에 의해 원수는 중공사막(14)을 통해 여과되고, 여과된 처리수는 중공사막(14)의 내부통로와 연통된 상부콜렉터(12)로 유입되어 상부콜렉터(12)에 설치된 배출구를 통해 배출처리된다.

이러한 수처리 조작을 어느 정도 수행하면 하우징(11) 내의 오염농도가 점점 늘어나게 되고 중공사막(14)의 외벽에 오염물질이 점차 많이 들어붙게 되어 중공사막(14)을 통과하는 투수속도가 점차 줄어들게 된다.

따라서 일정시간 작업 후에는 백워싱(back washing)과 에어에 의한 스트리핑(stripping)을 통해 중공사막(14)을 세정하게 된다.

이에 대해서 상세히 설명하면, 백워싱 세정은 배출라인을 통해 세정수를 배출구(24)로 펌핑공급함으로써 이루어진다. 배출구를 통해 상부콜렉터(12)로 공급된 세정수는 상부콜렉터(12)와 연통된 중공사막(14)의 내부통로로 유입되어 중공사막(14)의 외측으로 나오게 되고 이 과정에서 중공사막(14) 외부에 부착되어 있는 오염물질이 탈락된다. 이렇게 역방향으로 하우징(11)에 유입된 세정수는 하우징(11)에 설치된 드레인라인(21)을 통해 배출처리된다.

또한, 에어에 의한 스트리핑 세정을 살펴보면 에어밸브의 개방작동에 따라 에어라인을 통해 공급된 압축 에어는 에어 공급구로 유입되어 하부콜렉터(13) 상에 형성되어 있는 다수의 분사홀(20)을 통해 하우징(11) 내부의 원수에 기포형태로 배출된다.

여기서 상기 분사홀(20)은 중공사막(14) 사이사이에 배치되어 있어서, 에어는 모듈(10) 전체 중공사막(14)에 고르게 분출되며 이렇게 분출되는 기포는 중공사막(14)의 아래에서 위로 향해 올라가면서 중공사막(14)을 흔들어 중공사막(14)에 부착된 오염물질을 제거하게 된다.

에어에 의해 중공사막(14)으로부터 제거된 오염물질은 하우징(11) 상부 측면에 설치된 드레인라인을 통해 배출된다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 중공사막 모듈에 의하면, 중공사막의 오염을 줄일 수 있어 큰 막 면적을 가진 모듈을 안정적으로 운전할 수 있게 된다.

또한, 원수가 모듈내의 중공사막 전체로 고르게 분산 유입될 수 있도록 하여 원수 유입시 발생되는 중공사막의 손상이나 특정부위의 막오염을 방지할 수 있게 된다.

또한, 별도의 배출공정을 생략하여 물 회수율을 높이고 운전 시간을 늘릴 수 있게 됨으로써 단위 시간당 처리할 수 있는 물의 양이 증가하고 적용하는 모듈의 수를 줄임으로 인해 타공정과의 경쟁력 우위를 점할 수 있는 효과가 있다.

또한, 에어 스트리핑을 효과적으로 이용하여 모듈의 수명을 늘릴 수 있다.

Claims (7)

1. 외형을 이루는 하우징과,

   상기 하우징의 양단에 각각 설치되는 상,하부콜렉터,

   상기 일측 콜렉터에 연통설치되어 상기 하우징 내에 위치하는 중공사막,

   상기 하우징 중앙에 배치되어 중공사막으로 원수를 공급하는 원수 공급관

   을 포함하는 중공사막 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 하부에 설치되어 상기 중공사막으로 에어를 분출하기 위한 에어분사부를 포함하는 중공사막 모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원수 공급관은 상기 상,하부콜렉터 중앙에 양단이 설치되어 하우징 중앙에 길이방향으로 배치되고, 일측 콜렉터를 통해 연통되어 원수가 유입되며, 측면을 따라 원수가 배출되는 다수개의 구멍이 형성된 구조의 중공사막 모듈.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 중공사막은 상단이 상부 콜렉터에 연통설치되고 하단은 상부 콜렉터에 고정 설치되는 중공사막 모듈.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 에어분사부는 상기 하부콜렉터로 에어를 공급하기 위한 에어공급구와, 상기 하부콜렉터 상에 형성되어 에어를 중공사막 사이로 분출하기 위한 분사홀을 포함하는 중공사막 모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 분사홀의 하부콜렉터에 대한 개구율은 5% ~ 15% 사이인 중공사막 모듈.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 중공사막 모듈이 다수개 병렬로 연결설치된 구조의 수처리장치.

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