KR20070022280A - 멤브레인 생물 반응기 및 유기물질 소화용 처리조를포함하는 여과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비용 및 소화된 오니를 폐기하는 데 요구되는 자원을 절감함으로써, 오니 처리 방법에 상당한 개선을 가져오는 발전된 생물학적 오니 소화 공정과 결합한 멤브레인 생물 반응기 공정에 관한 것이다. 오프라인 처리조는 매우 낮은 산소 환경에서 작동함으로써 유기 물질을 용해하는 데 사용된다. 소화된 처리 유체는 멤브레인 생물 반응기로 되돌려 이송된다. 공정 및 장치는 폐기 오니의 생성을 상당히 감소시킨다.

멤브레인, 생물 반응 공정, 오니

Description

멤브레인 생물 반응기 및 유기물질 소화용 처리조를 포함하는 여과 장치{FILTRATION APPARATUS COMPRISING A MEMBRANE BIOREACTOR AND A TREATMENT VESSEL FOR DIGESTING ORGANIC MATERIALS}

본 발명은 발전된 생물학적 오니 처리 방법과 결합한 멤브레인 생물 반응 기 공정에 관한 것으로, 비용 및 소화 오니의 폐기에 요구되는 자원을 감소시킴으로써 오니 소화공정에 있어 상당한 개선을 제공한다. 매우 낮은 산소 환경에서 작동하는오프라인 처리조에서 소화 과정이 사용되어 유기물을 용해한다. 소화된 처리 유체는 멤브레인 생물 반응기로 되돌려 이송된다. 본 발명의 공정과 장치는 폐기 오니의 생성을 상당히 감소시킨다.

오염된 물을 처리하는 생물학적 방법들은 많은 형태로 나타난다. 일반적으로 이러한 방법들은, 오염원을 안정화 또는 소화시키는 하나 또는 그 이상인 형태인 미생물에, 폐수 스트림을 노출시키는 단계를 포함한다. 미생물은 오폐수 함유량 및 환경 화학적 측면에서 폐수 스트림을 보완하도록 선택되는데, 왜냐하면 미생물 중 어떠한 종도 제한적인 허용치를 가지며, 특정 환경을 선호하기 때문이다. 예를 들면, 활성 오니 공정은 폐수로부터 용해성 생물학적 산소 요구량(BOD)을 제거하는 호기성 박테리아를 이용한다. 일반적으로 이것은 폐수를 소화성 미생물의 현탁액을 함유하는 폭기 유역(basin)으로 유도하는 단계를 포함하며, 이로써 "혼합액"이 형성되는 데, 혼합액에는 생물량이 호흡하기 위한 산소가 공급되며: 생물량은 폐수의 BOD를 흡수, 동화 및 신진 대사화 시킨다. 폭기 공정의 적합한 주기 후, 혼합액은 생물량이 침전되는 정화기에 도입되며, 처리된 폐수는 배출되는 방출 스트림으로 오버플로우(overflow) 되는 것이 허용한다.

전통적인 폐수 처리의 측면은, 소화성 미생물 및 폐수에 현탁되거나 용해될 수 있는 폐기 물질 간의 접촉을 가속하기 위하여, 혼합액을 적절히 교반하는 데 있다. 난류의 최적 정도는 일반적으로 공정 조건보다는 경제적 요인에 의하여 보다 많이 지배되는데; 이론적으로는 높은 교반 속도가 제일 바람직하나, 달성하기에 또한 많은 비용이 든다.

이러한 실행에 대한 예외로는 고정식-성장 매체의 사용을 포함하며, 생물성 유기체는 현탁액에서 분산되는 것이 아니라 고정된 지지체 상에서 유지된다. 이 경우 생물학적 부착-성장을 제거할 수 있는 전단을 방지하기 위하여 혼합은 피해야 한다. 고정-성장 시스템의 적용은 용해성, 비-미립자인 오염원에 제한되고; 게다가 이 공정은 생물학적 지지체의 표면적 및 폐수 스트림의 확산 특성에 따라 처리 용량이 제한된다.

유동층 시스템은 현탁법 및 고정식-성장법의 조합을 나타내지만, 이 시스템은 표면적을 위하여 부가되는 매체, 매체의 동질성 및 부착된 생물 성장을 유지하기에 충분한 혼합과정, 및 재생을 위한 매체의 주기적 또는 계속적 제거를 요구한다.

보통 이들 시스템 모두는 미생물 중 하나의 범주로 제한되는데, 왜냐하면 상이한 생물학적 방법은 증식 속도, 최적 조건, 및 바람직한 입력량 및 폐 생성물의 측면에서 상당히 다양하기 때문이다. 가장 일반적으로는, 폐수 처리를 위한 미생물은 호기성, 혐기성 및 무산소성 종을 포함하며, 이들의 모두는 매우 상이한(그리고 상호 일정성이 없는) 환경에 의하여 유지된다. 공정 조건도 특정한 생물학적 접근에 대한 응용성을 제한한다. 예를 들면, 특정한 폐수 조성물을 위한 최적의 생물학적 방법은, 완전-혼합 공정에서 경제적으로 허용될 수 있는 체류 시간보다 더 긴 고체 물질의 체류 시간을 요구할 수 있으며, 고정-막 및 유동층 막 반응기로써 달성할 수 있는 것보다 더 많은 처리 요구량을 나타낼 수 있다.

발명의 개요

따라서, 비용 및 소화된 오니를 폐기하는 데 요구되는 자원을 감소시킴으로써, 오니 소화 방법에서 상당한 이점을 제공하는 폐수 처리 방법이 바람직하다. 이런 이점들을 제공하는 여과 시스템은, 오프라인 생물성 오니 처리조와 결합한 멤브레인 생물 반응기를 포함한다. 오프라인 처리조는 매우 낮은 산소 조건에서 작동함으로써 유기 물질을 용해하고, 다음에 처리된 유체는 멤브레인 반응기(MBR)로 되돌려 이송된다.

제 1 측면에서, 고체물질을 함유하는 액체를 여과하기 위한 장치가 제공되며, 장치는, 적어도 하나의 멤브레인 모듈을 포함하는 멤브레인 생물 반응기로서, 멤브레인 모듈은 복수의 다공성 멤브레인을 포함하고, 활성 오니를 포함하는 기질이 멤브레인의 외부 표면과 접촉할 수 있고, 처리된 물이 멤브레인의 루멘으로부터 제거되도록 멤브레인 모듈이 구성된 멤브레인 생물 반응기; 및 처리 유체가 소화되는 혐기성 환경에서 작동하며, 소화된 처리 유체의 적어도 일부는 멤브레인 생물 반응기로 이송되고, 멤브레인 반응기로부터 적어도 기질의 일부가 이송되도록 구성되는 생물학적 오니 처리조를 포함한다.

제 1 측면의 구체예에서, 장치는 스크린을 더 포함하며, 여기서 스크린은 멤브레인 생물 반응기 및 생물학적 오니 처리조 사이에 위치되는데, 여기서 스크린은 멤브레인 생물 반응기로부터 발생하는 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된다.

제 1 측면의 구체예에서, 스크린은, 평균 크기가 가장 긴 치수에서 약 200㎛ 내지 약 300㎛를 갖는 개구부를 포함한다.

제 1 측면의 구체예에서, 장치는 습식 싸이클론(hydrocyclone)을 더 포함하고, 여기서 습식 싸이클론은 멤브레인 생물 반응기 및 생물학적 오니 처리조 사이에 위치되며, 습식 싸이클론은 멤브레인 생물 반응기로부터 발생하는 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된다.

제 1 측면의 구체예에서, 장치는 습식 싸이클론(hydrocyclone)을 더 포함하고, 여기서 습식 싸이클론은 스크린 및 생물학적 오니 처리조 사이에 위치되며, 멤브레인 생물 반응기로부터 발생하는 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된다.

제 1 측면의 구체예에서, 장치는 서지 탱크(surge tank)를 더 포함하며, 서지 탱크는 멤브레인 생물 반응기로부터 발생하는 유출물을 받게 된다.

제 1 측면의 구체예에서, 장치는 보조 스크린을 더 포함하며, 여기서 스크린은, 평균 크기가 가장 긴 치수에 있어 6mm 내지 약 25mm를 갖는 개구부를 포함한다.

제 2 측면에서, 소화될 수 있는 폐기물을 포함하는 유입액을 처리하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은, 멤브레인 생물 반응기에서 혼합액을 여과하고, 여기에서 혼합액은 복수 다공성인 중공사 멤브레인의 외부 표면과 접촉하고, 투과물이 멤브레인의 루멘으로부터 제거되는 단계; 및 생물성 고체물질을 재순환 루프를 통하여 오프라인 처리조로 재순환함으로써 생물성 고체물질을 멤브레인 생물 반응기로부터 제거하여 생물성 고체물질의 미리 선택된 농도가 멤브레인 생물 반응기 내에서 유지되는 단계; 오프라인 처리조에서 생물성 고체물질을 소화하는 단계; 및 오프라인인 처리조로부터 발생하며, 혼합액의 적어도 일부분을 포함하는 방출 스트림을 멤브레인 생물 반응기로 보내는 단계를 포함한다.

제 2 측면의 구체예에서, 생물성 고체물질을 제거하는 단계는, 생물성 고체물질 함유 기질을 습식 싸이클론으로 통과시시켜 비활성 고체물질은 제거하는 단계를 더 포함하며, 습식 싸이클론은 재순환 루프의 부분이다.

제 2 측면의 구체예에서, 생물성 고체물질을 제거하는 단계는, 생물성 고체물질 함유 기질을 스크린으로 통과시켜 비활성 고체물질을 제거하는 단계를 더 포함하는데, 스크린은 재순환 루프의 일부분이다.

도 1은 멤브레인 생물 반응기, 스크린, 서지 탱크, 습식 싸이클론, 및 오프 라인 처리조를 사용하는 바람직한 구체예의 여과 장치 구성의 개략도를 나타낸다.

도 2는 멤브레인 반응기, 두 개의 스크린, 습식 싸이클론, 및 오프라인 처리조를 사용하는 바람직한 구체예의 여과 장치 구성의 도면을 나타낸다.

도 3은 바람직한 구체예에서 사용되는 소화 탱크의 개략도를 나타낸다.

도 4는 멤브레인 모듈의 일 구체예의 개략 측면도를 나타내는데, 이것은 바람직한 구체예의 여과 장치에서 사용되는 멤브레인 생물 반응기에서의 세정 방법을 설명한다.

도 5는 바람직한 구체예의 여과 장치에서 사용된 멤브레인 생물 반응기에서, 비말 동반된 기체 기포를 형성하기 위하여 사용되는 제트 형 설계의 한 형태에 대한 확대 측면도를 나타낸다.

도 6a는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기에서, 구획된 멤브레인 모듈의 개략적인 측면도를 나타낸다.

도 6b는 도 6a의 멤브레인 다발의 단면도를 나타낸다.

도 7a는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기의 구획된 멤브레인 모듈의 개략적인 측면도를 나타낸다.

도 7b는 도 7a의 멤브레인 다발의 단면도를 나타낸다.

도 8a는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기의 구획된 멤브레인 모듈의 측면도를 나타낸다.

도 8b는 도 8a의 멤브레인 다발의 단면도를 나타낸다.

도 9a는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기의 구 획된 멤브레인 모듈의 측면도를 나타낸다.

도 9b는 도 9a의 멤브레인 다발의 단면도를 나타낸다.

도 10은 도 9에 대한 멤브레인 모듈의 유사도를 나타낸다.

도 11은 도 9에 대한 멤브레인 모듈의 유사도를 나타낸다.

도 12는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기에서 또 다른 구체예의 멤브레인 모듈의 하부 단부에 대한 단면 그림 투시도를 나타낸다.

도 13은 도 12의 멤브레인 모듈의 상부 단부에 대한 단면 그림 투시도를 나타낸다.

도 14는 바람직한 구체예의 여과 장치에 사용된 멤브레인 생물 반응기에 사용되는 멤브레인을 묘사한다.

도 15는 바람직한 구체예의 멤브레인 생물 반응기의 질소화반응/탈질소화반응을 위한 일반적 설계를 묘사한다.

도 16은 도 15의 멤브레인 생물 반응기의 작동 상태를 묘사한다

도 17은 도 15의 멤브레인 생물 반응기의 침액 상태를 묘사한다.

도 18은 도 15의 멤브레인 생물 반응기의 배출 상태를 묘사한다.

도 19는 도 15의 멤브레인 생물 반응기의 추가적인 세부를 제공한다.

도 20은 멤브레인 모듈 부근에서 혼합액의 흐름 벡터를 조절하는 능력을 갖는 멤브레인 모듈의 작동을 묘사한다.

도 21은 멤브레인 생물 반응기 구성을 묘사한다.

도 22는 US Filter MemJet 제품에 대한 전형적 흐름도를 묘사한다.

도 23은 대체 멤브레인 생물 반응기 설계를 묘사한다.

도 24는 재-스크리너를 사용하는 시스템을 묘사한다.

도 25A는 단일 재-스크린을 사용하는 멤브레인 생물 반응기를 묘사하고, 도 25B는 병렬 스크리닝 배열을 갖는 멤브레인 생물 반응기를 묘사한다. 도 25A에서 묘사된 시스템에서와 같이 혼합액을 유입수와 함께 재-스크린으로 재순환시키지 않고, 병렬 스크린은 폭기 탱크 및 멤브레인 탱크 사이에 배치된다. 혼합액은 제 2 스크린을 통과하여 멤브레인 탱크로 간다.

도 26은 멤브레인 생물 반응기와 함께 사용하기 위한 측류 무산소성 반응기에 대한 방법 흐름도를 묘사한다.

도 27은 고체물질 감소 공정 / 멤브레인 생물 반응기 배열에 관한 공정 흐름도를 묘사한다.

도 28은 사전 스크린과 결합한 멤브레인 생물 반응기 배열에 대한 공정 흐름도를 묘사한다.

도 29A는 제트 시스템을 사용하는 멤브레인 생물 반응기에서 혼합액의 일정한 흐름을 개략적으로 묘사한다.

도 29B는 제트 시스템을 사용하기 않는 멤브레인 생물 반응기에서 혼합액의일정하지 않은 흐름을 개략적으로 묘사한다.

도 30은 고체 물질 감소의 공정 장치를 개략적으로 묘사한다.

하기 설명 및 실시예들은 본 발명의 바람직한 구체예를 상세히 설명한다. 당업자는 본 발명의 범위 내에서 수많은 변형 및 변경이 가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 바람직한 구체예의 설명이 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 인정되지 않는다.

멤브레인 생물 반응기 공정은 고속 공정으로, 이것은 혼합액 부유 고체물질(MLSS)의 상승한 농도에서 작동하여, 유기 물질의 파괴 및 소화를 달성한다. 멤브레인 생물 반응기 공정 및 발전된 생물학적 오니 소화 공정 간의 결합은, 비용 및 소화된 오니의 폐기에 요구되는 자원을 감소시킴으로써 오니 소화에 있어 상당한 개선을 가져올 수 있다. 바람직한 구체예의 장치는, 폐기 오니의 생성을 약 80% 이상까지 놀랍게 감소시킨다. 바람직한 구체예에서, 오니는 멤브레인 생물 반응기의 호기성 탱크로부터 250㎛ 스크린을 거쳐 펌프된다. 스크린된 고체 물질은 제거되고, 스크린된 처리 유체는 저장 탱크로 들어가는데, 여기에서 공정 유체의 일부는 비활성 물질을 제거하는 습식 싸이클론 분리기로 흘러간다. 비활성 물질은 제거되고, 처리된 유체는 서지 탱크로 되돌아간다. 처리 유체는 서지 탱크로부터 멤브레인 생물 반응기의 호기성 탱크로 되돌아 가거나, 오프리인 처리조로 직접 향한다. 오프라인 처리조는 전형적으로 약 1일 이하 내지 약 1개월 이상의 수리학적 보유 시간(HRT)을 가지며, 바람직하게는 약 10일의 수리학적 보유 시간(HRT)을 갖는다. 오프라인 처리조는 매우 낮은 산소 환경에서 작동함으로써, 유기 물질을 용해하는데 사용된다. 소화된 처리 유체는 멤브레인 생물 반응기로 되돌려 이송된다.

이 공정은 수많은 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 폐수 또는 생물성 오니는, 생물학적 공정 다수의 동시 사용을 용이하게 함으로써, 생물학적으로 최적인 방식으로 처리될 수 있으며, 일정하지 않은 환경적 요건을 갖는 다수의 생물학적 공정이 단일 조에서 공존할 수 있다. 제어에 따라, 복수의 생물학적 환경은 단일 조에서 혼합 과정 없이도 생성될 수 있으며, 별도의 생물학적 환경 각각에 대한 상대적 비율은, 격렬하지 않는 조건의 조절로써 제어되고, 유지될 수 있다. 단일 조에서 호기성, 무산소성, 및 혐기성 미생물의 동시 사용을 통하여 폐기물이 처리될 수 있다. 기체는 정적으로 단일 조, 다수의 공정 환경으로 움직이면서, 영양소 및 생물성 부산물을 제공 및/또는 제거할 수 있다. 폐기물은 복수의 생물학적 환경을 갖는 단일 조에서 처리될 수 있는데, 이 생물학적 환경의 상대적 비율은 제어됨으로써, 하나 이상의 방출 지점에서 산화-환원의 목표 전위를 달성한다. 비활성 물질은 내부적으로 처리조로 재순환되는 폐 스트림으로부터 제거될 수 있다. 폐기물-소화성 미생물과 비슷한 크기를 가지는 비활성 물질은 재순환되는 폐 스트림로부터, 이런 미생물의 스트림을 고갈시키지 않으면서 제거될 수 있다.

멤브레인 생물 반응기

바람직한 구체예의 수처리 시스템의 구성요소 중 하나는 멤브레인 생물 반응기이다. 멤브레인 생물 반응기 시스템은 박테리아를 포함하는 생물학적 처리를 멤브레인 분리법과 결합하여 폐수를 처리한다. 처리된 물은 멤브레인 여과 방법에 의해 활성 오니라 지칭되는 정화성 박테리아로부터 분리된다. 멤브레인 생물 반응기는, 분배 플로우 반응기에 결합된 침지형 중공사 멤브레인 모듈을 전형적으로 사용한다.

멤브레인 방법은 오수에 대하여 효과적인 제 3 처리방법으로 사용될 수 있고, 방출물의 품질을 제공할 수 있다. 멤브레인 모듈이 큰 공급 탱크에 잠겨있고, 멤브레인의 여과액 측에 가해지는 흡인력에 의하여 여과액은 수집되며, 멤브레인 생물 반응기가 생물학적 및 물리적 공정을 하나의 단계로 결합한, 침지형 멤브레인 공정은 간결하고, 효율적이고, 경제적이며, 다양한 적용성을 갖는다.

바람직한 구체예의 수처리 시스템에서 사용될 수 있는 멤브레인 생물 반응기는 USFilter Memcor Research Pty. Ltd. 및 Zenon Enviromental, Inc.로부터 상업적으로 입수할 수 있는 것을 포함한다. 특히, 바람직한 구체예는 USFilter의 MEMCOR^®MBR 멤브레인 생물 반응기 시스템 및 ZeeWeed® 500 과 ZeeWeed® 1000 시스템을 이용하는 Zenon의 ZeeWeed® MBR 멤브레인 생물 반응기 공정을 포함한다.

ZeeWeed® 500 시스템에서 사용되는 멤브레인 모듈은 두 개의 헤더 사이에서 수직으로 배향된 수백 개의 멤브레인 섬유로 구성된다. 멤브레인은 0.04㎛의 공칭 다공 크기를 갖는 강화 섬유이다. 중공사는 상부 및 하부 헤더 사이의 거리보다 다소 더 길며, 이것은 폭기시 중공사가 움직이는 것을 허용한다. 섬유 사이에서 공기는 위로 기포화되어, 섬유를 정련하고 멤브레인의 표면으로부터 고체를 계속적으로 제거한다. 1부터 36까지의 멤브레인 모듈은 카세트에 배열된다. 전형적으로 ZeeWeed®500 시스템은 두 개 이상의 병렬 트레인으로 구성된다. 각 트레인은 공정 펌프, 자동 밸브, 및 계기들로 구성된다. 하기 구성 요소는 시스템에서 일반적으로 요구되며, 특정 트레인에 제공되거나, 트레인에 의하여 공유되도록 제공된다; 탱크 (여기에 카세트가 담겨 진다); 계량 펌프(화학물질 첨가용); 멤브레인 블로워(멤브레인을 정련하기 위한 공기를 제공하기 위한 용도); 배제 또는 오니 펌프; 진공 펌프(비말 동반된 공기 제거용); "현장 정화" 펌프; 역 펄스 또는 세정 탱크; 및 제어 시스템. 설계 또는 용도에 따라 다른 구성요소가 사용될 수 있다; 스트레이너(공급수를 사전 스크린하기 위한 용도); 공정 블로워(생물학적 처리 시스템에서만); 공급 펌프; 혼합기; 오니 재순환 펌프; 및 카세트 제거 호이스트 또는 다른 메커니즘이다.

ZeeWeed® 1000 한외여과기 멤브레인은 다공의 공칭 크기가 0.02㎛이고, 부유 고체, 원생 동물, 박테리아, 및 바이러스를 공급수로부터 제거하기 위하여 설계된다. ZeeWeed® 1000 시스템은, 직접(전량) 여과와 후속하는 공기 및 물의 주기적 역세척으로 이루어지는 종래의 매체 필터와 유사한 모드로 작동한다. ZeeWeed® 1000 카세트는, 블록에서 수직 및 수평으로 구성요소를 쌓음으로써 만들어진다. 크기에 있어 3 내지 96 개의 구성요소들이 가능할 정도로 카세트 구성의 다양성이 있다. ZeeWeed® 1000 시스템은 일련의 병렬 트레인으로 구성된다. 각 트레인은 ZeeWeed®카세트, 공정 펌프, 배관, 계기, 및 제어부로 구성된다. 역 펄스 펌프, 블로워, 및 현장 정화 장비는 여러 트레인에 의하여 공유될 수 있다. 탱크의 하부트레인에서의 긴 측면에 따라 뻗은 공급 채널로부터 공급물이 각 트레인으로 들어간다. 카세트 사이의 홈통에서 배제물은 수집되어 탱크의 길이로 뻗은 오버플로우 채널로 방출된다.

바람직한 구체예에서 사용된 바람직한 멤브레인 생물 반응기 시스템은 효과적이고 효율적인 멤브레인 세정 방법을 이용한다. 널리 사용되는 물리적 세정 방법은 액체 투과물 또는 가스를 사용하는 역세정(역펄스, 역플러시), 멤브레인 표면 스크러빙, 및 액체에서 기포의 형태인 기체를 사용하는 정련법을 포함한다. 제 2 형의 방법은 Ishida et al.의 미국 특허 번호 5,192,456, Cote et al. 의 미국 특허 번호 5,248,424, Henshaw et al.의 미국 특허 번호 5,639,373, Hensaw et al.의 미국 특허 번호 5,783,083, 및 Zha et al.에 대한 미국 특허 번호 6,555,005에서 개시된다.

상기 인용된 실시예에서, 기체는 보통 가압된 블로워에 의하여 멤브레인 모듈이 침지된 액체시스템에 분사되어 기체 기포를 형성한다. 이렇게 형성된 기포는 다음에 위로 유동하여 멤브레인 표면을 스크럽하게 되어 멤브레인 표면상에 형성된 파울링 물질을 제거한다. 생성 전단력은 기체 기포의 초기 속도, 기포 크기, 및 기포에 가해지는 힘의 결과에 의존한다. 이런 접금으로의 유체 전달은 기체 양력 메커니즘의 효율성에 따라 제한된다. 스크러빙 효과를 향상시키기 위하여, 더 많은 기체가 공급되어야 한다. 하지만, 이러한 방법은 몇 가지 단점을 갖는데, 많은 에너지량을 소비하는 점, 유효 멤브레인 여과 영역을 감소시키는 분무 또는 포말을 형성할 수 있는 점과, 멤브레인에 해를 끼칠 수 있다는 것이다. 게다가, 고체물질이 높은 농도인 환경에서, 기체 분배 시스템은 탈수된 고체 물질에 의하여 점차 막히게 되거나, 기체 흐름이 갑자기 멈추는 때에 간단히 막힐 수 있다.

대부분의 관형 멤브레인 모듈에 대하여, 멤브레인은 모듈의 중앙(세로 방향)에서는 탄력적이나, 양쪽의 포트 헤드는 더 단단하고, 탄력성이 떨어진다. 이런 모듈이 고농도의 부유 고체물질을 함유하는 환경에서 사용되는 때 멤브레인 다발 내에서 고체 물질이 쉽게 포획될 수 있는데, 특히 두 개의 포트 헤드의 근처에서 그러하다. 고체 물질의 축적을 감소하는 방법은 모듈 구성의 개선, 및 기체 스크러빙이 사용되어 멤브레인을 세정하는 때 그 흐름 분배의 개선하는 것을 포함한다.

멤브레인 모듈의 설계에서, 관형 멤브레인의 충전 밀도는 모듈에서 고려되는 한 인자이다. 본원에서 사용되는 것과 같은 멤브레인 모듈에서, 섬유 멤브레인의 충전 밀도는 섬유 멤브레인이 차지하는 포트 영역의 단면을 전체 포트 영역으로 나눈 퍼센트로 보통 표현된다. 경제적인 관점에서, 멤브레인 모듈의 제조 비용을 감소시키기 위하여 충전 밀도가 가능한 높은 것이 바람직하다. 실제로, 고체물질 충전은 더 낮은 밀도로 충전된 멤브레인 모듈에서 감소된다. 그러나, 충전 밀도가 너무 낮다면, 멤브레인 사이에서의 문지름 효과가 또한 낮아질 수 있어, 멤브레인 표면의 비효율적 스크러빙/정련을 초래한다. 이에 따라 멤브레인의 충전 밀도를 최대화하면서 축적된 고체 물질 제거를 지원하는 멤브레인 구성을 제공하는 것이 바람직하다(예를 들면 높은 충전 밀도). 멤브레인은 서로 접촉하거나(예를 들면 낮은 충전 밀도에서), 근접 또는 이격된 공간을 갖도록 할 수 있는데, 예를 들면 약 0.1mm 이하부터 10mm이상의 섬유 측벽간 간격이 전형적으로 사용된다.

액체 매체를 비말 동반된 기체 기포와 함께 사용하여, 멤브레인 표면을 스크러빙하는 방법은, 액체 매체의 흐름을 기체 공급원에 지나게 하여 기체 기포를 액체 매체에 비말 동반시키는 단계, 및 기체 기포 및 액체 매체를 멤브레인의 표면에 흐르게 하여 표면으로부터 파울링 물질을 제거하는 단계를 포함하며, 이것은 멤브레인 생물 반응기에 사용될 수 있다.

바람직하게는, 기체 기포는 벤추리 장치 또는 다른 종류의 접합부에 의해 기체 흐름에 비말 동반된다. 달리 바람직하게는, 강제로 기체를 액체 흐름에 혼합하여 액체 및 기포의 혼합물을 생성시키는 장치에 의해 기체 기포가 액체 스트림에 비말 동반되거나 또는 분사되며, 이러한 장치는 제트, 노즐, 이젝터, 이덕터. 인젝터 등을 포함한다. 선택에 따라, 블로워 또는 이와 유사한 장치에 의해 액체 매체에 기포의 추가적인 공급원이 구비될 수 있다. 사용되는 기체는 공기, 산소, 기체 염소, 또는 오존을 포함할 수 있다. 공기는 스크러빙 및/또는 폭기 공정의 목적에 있어 가장 경제적이다. 기체 염소는 스크러빙, 살균, 및 화학반응에 의한 멤브레인 표면의 세정 효율 향상을 위하여 사용될 수 있다. 기체 질소에 대한 상술한 바와 유사한 효과 이외에, 오존의 사용은 DBP 전구체를 산화하고, 생물학적-비분해성 NOM을 생물학적 분해성의 용해 유기 탄소로 전환시키는 것과 같은 부가적인 특성을 갖는다.

멤브레인 생물 반응기에서 사용되는 멤브레인 모듈은 바람직하게는 상호 근접 배열된 복수의 다공성 멤브레인을 포함하는데, 멤브레인은 선택에 따라 마운트되어 사이에서의 과도한 움직임이 방지되고, 그리고 기체 기포의 공급원을 포함하는 데, 모듈 내로부터 액체 흐름에 비말 동반된 기체 기포는 사용시 액체와 함께 멤브레인의 표면을 지나침으로써 파울링 물질을 표면으로부터 이탈시키는데, 이때 액체를 기체의 공급원에 흐르게 하여 기체를 액체 흐름으로 유도함으로써 액체가 비말 동반된다.

멤브레인의 다공을 기체가 통과하는 것에 의해서가 아니라, 액체 흐름에 비말 동반되며 균일하게 분포된 기체 기포를 제공함으로써, 섬유 어레이 내로부터 멤브레인 생물 반응기의 섬유가 세정될 수 있는데, 기체의 액체로 유도 및/또는 액체로 혼합을 일으키기 위하여, 액체를 기제 공급원을 지나 흐르게 함으로써 기체 기포는 액체 흐름에 비말 동반되며, 기포는 배열 내의 각 멤브레인 사이에서 실질적으로 균일하게 지나가도록 분포되고, 액체 흐름과 결합하여 멤브레인의 표면을 정련하여 멤브레인 모듈 내로부터 축적된 고체물질을 제거한다. 바람직하게는, 기포는 액체 흐름으로 분사 및 혼합될 수 있다.

바람직하게는 멤브레인 생물 반응기의 멤브레인은 다공성 중공사를 포함하는 데, 섬유는 헤더의 각 단부에 고정되고, 하단부는 하나 이상의 형성된 구멍을 가지며 이 구멍을 통하여 기체 및 액체가 도입되어 흐르게 된다. 구멍은 원형, 타원형, 또는 슬롯의 형태일 수 있다. 섬유는 일반적으로 하단부는 밀봉되고, 상단부는 개방되어 여과물의 제거를 허용하나, 어떤 배열에서는 섬유의 양단부가 개방되어 하나 또는 단부 둘 다로부터 여과물이 제거될 수 있다. 섬유는 바람직하게는 실린더형 어레이 또는 다발 형으로 배치되나, 다른 구성 역시 사용될 수 있는데, 예를 들면, 사각형, 육각형, 삼각형, 불규칙 형 등이다. 기재된 세정 공정은 멤브레인 생물 반응기에서 또한 사용될 수 있는 평행 또는 플레이트 멤브레인과 같은 다른 형태의 멤브레인에도 동등하게 적용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.

멤브레인 생물 반응기에서 사용되는 멤브레인 모듈은 복수의 다공성 중공사 멤브레인을 포함하는데, 섬유 멤브레인은 서로 근접하게 배치되고 마운트되어 사이에서의 과도한 움직임이 방지된다. 섬유 멤브레인은 헤더의 각 단부에 고정되는데, 하단부는 형성된 하나 이상의 구멍을 가지며, 이 구멍을 통하여 기체 액체가 도입되어 흐르게 되고, 구획 수단은 적어도 양 헤더 사이의 도중까지 연장되어 멤브레인 섬유를 그룹으로 구획한다. 바람직하게는 구획부 또는 구획부들이 각각 섬유 그룹 사이의 간격에 따라 형성되나, 다공성(예를 들면, 스크린, 클립, 또는 고리) 또는 중실형 구획부가 또 사용될 수 있다. 구획부는 서로에 대하여 평행할 수 있으며, 또는 섬유 멤브레인이 실린더형 배열의 경우 구획부는 배열의 중심으로부터 방사형으로 연장될 수 있거나, 실린더 배열 내에서 같은 중심을 갖도록 제공될 수 있다. 대안적인 형태에서,헤더 사이에서 다발의 길이로 연장된 세로의 중앙 통로가 섬유 다발에 제공된다.

멤브레인 생물 반응기에서 사용된 멤브레인 모듈은 복수의 다공성 중공사 멤브레인을 포함하는데, 이 멤브레인 섬유는 각 단부 사이에서 세로로 연장되며, 각각의 포트 헤드에 대한 각 단부에서 마운트 되는데, 멤브레인 섬유는 서로 근접하여 배치되고 마운트 되어, 사이에서의 과도한 움직임이 방지되며, 사이의 간격을 형성하기 위하여 섬유는 수많은 다발로 구획되는 데 적어도 섬유 각각의 포트 헤드에 또는 포트 헤드에 인접하도록 분할되고, 포트 헤드 중 하나는 모듈 내에 기체 기포를 제공하기 위하여 형성된 공기 주입 개구부의 배열을 가지는 데 사용시 기포는 멤브레인 섬유의 표면을 지나도록 움직이며 이로부터 파울링 물질을 제거한다.

적절한 간격의 수직 및 수평 요소를 가짐으로써 유체 및 가스가 제한 없이 섬유 사이로 흐르게 하고, 섬유의 포트 단부에서의 에너지 농도를 감소시키는 섬유 운동의 진폭을 제한하는 모듈 지지 스크린에 의하여 섬유 다발이 보호될 수 있고 섬유 움직임이 제한될 수 있다. 대안으로, 클립 또는 고리가 섬유 다발을 결속하기 위하여 사용될 수 있다.

바람직하게는, 폭기용 개구부는 구획된 다발 사이에 형성된 공간에 부합하도록 위치된다. 바람직하게는, 개구부는 하나 이상의 구멍이나 슬롯을 포함하며, 예를 들면 일렬의 구멍같이 다양한 구성으로 배열될 수 있다. 바람직하게는, 섬유 다발은 슬롯 또는 일렬의 구멍 사이의 포트 헤드에 위치된다. 어떤 구체예에는, 구멍 또는 슬롯을 섬유 다발 내, 또는 섬유 다발 내 및 섬유 다발이 인접한 영역 둘 다에 위치시키는 것이 바람직할 수 있다.

바람직하게는, 기체 기포가 구멍이나 슬롯을 통하여 공급되기 전에 기체 기포는 액체 흐름에 비말 동반되거나 또는 혼합될 수 있으나, 어떤 구성에서는 기체만이 사용될 수 있는 것이 인식될 것이다. 사용된 액체는 멤브레인 모듈의 공급액이 될 수 있다. 바람직하지는 않지만, 섬유 및/또는 섬유 다발이 포트 헤드 사이에서 서로를 교차할 수 있다.

전형적으로, 모듈 내의 섬유는 약 5% 이하 내지 약 75% 이상의 충전 밀도를(위에서 정의함)를 가지며, 바람직하게는 약 6, 7, 8, 9 또는 10% 내지 약 60, 65, 또는 70%를, 보다 바람직하게는 약 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 20% 내지 약 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 또는 55%를 갖는다.

바람직하게는, 구멍은 약 0.5mm 이하 내지 50mm 이상의 직경을 가지며, 보다 바람직하게는 약 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 또는 1.5 내지 약 25, 30, 35, 40, 또는 45mm를, 가장 바람직하게는 약 1.75, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 또는 5.0mm 내지 약 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 또는 24mm를 갖는다. 슬롯이나 일렬의 구멍인 경우, 개구부 영역은 상기 구멍의 영역과 동등하도록 선택된다.

전형적으로, 섬유 내부는 약 0.05 이하 내지 10mm 이상이며, 바람직하게는 약 0.10, 0.15, 또는 0.20mm 내지 약 3, 4, 5, 6, 7, 8, 또는 9mm, 바람직하게는 약 0.25, 0.50, 0.75, 또는 1.0 mm 내지 약 1.25, 1.50, 1.75, 2.00, 또는 2.50mm이다. 섬유 측벽 두께는 사용 물질 및 여과 효율에 대하여 요구되는 힘에 의존한다. 전형적으로, 측벽 두께는 약 0.01mm 이하 내지 약 3mm 이상이며, 바람직하게는 약 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 또는 0.09mm 내지 약 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 또는 2.9mm 이고, 가장 바람직하게는 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 또는 0.5mm 내지 약 0.6, 0.7, 0.8, 0.8, 또는 1 mm이다.

멤브레인 생물 반응기는 라인, 파이프, 펌프, 및 공급물을 반응기로 도입하기 위한 기타 장치, 탱크 내의 활성 오니, 오니에 침지될 수 있도록 탱크 내에 위치된 멤브레인 모듈, 및 여과물을 섬유 멤브레인의 적어도 하나의 단부를 통하여 빼내기 위한 장치를 포함할 수 있다.

멤브레인 생물 반응기는 바람직하게는 공급물을 탱크에 도입하고, 진공을 섬유에 가하여 섬유로부터 여과물을 빼냄으로써 작동하는데, 이 때 간헐적, 주기적, 또는 계속적으로 폭기용 개구부를 통하여 기체 기포를 모듈 내로 공급함으로써 사용시 기포가 멤브레인 섬유의 표면을 지나가게 하여 파울링 물질을 표면으로부터 제거한다. 바람직하게는, 기체 기포는 구멍이나 슬롯을 통하여 공급될 때 액체 흐름에 비말 동반되거나 또는 혼합된다.

바람직하다면, 폭기 공정의 또 다른 공급원이 탱크 안에 제공되어 미생물 활성을 도울 수 있다. 바람직하게는, 멤브레인 모듈은 탱크 내에서 수직으로 부유하고, 폭기의 또 다른 공급원은 부유하는 모듈의 아래로 제공될 수 있다. 대안으로, 모듈은 수평, 또는 필요에 따라 다른 어떠한 위치에서도 부유할 수 있다. 바람직하게는, 폭기 공정의 또 다른 공급원은 일단의 공기 투과성 튜브들, 또는 이러한 폭기용의 다른 공급원을 포함한다. 멤브레인 모듈은 투과 플럭스에 따라 역세정과 함께 또는 역세정 없이 작동될 수 있다. 생물 반응기에서 부유 고체 물질의 고농도 혼합액(약 5,000ppm 이하 내지 약 20,000ppm 이상)은 체류시간이 크게 감소되고, 여과물의 질을 개선할 수 있는 것으로 나타내어졌다. 유기 물질의 열화 및 멤브레인 세정 둘 다에 결합된 공기주입 사용은, 고 농도의 MLSS를 확립하며, 막간 압력에서 증가 없이 일정한 여과물의 흐름을 가능하게 한다. 구획된 섬유 다발의 사용은, 중요한 기체 정련 공정 없이 더 높은 충전 밀도를 달성할 수 있게 한다. 이것은 달성할 수 있는 높은 여과 효율을 제공한다.

특히 바람직한 구체예에서, 미국 특허 번호 6,555,005에 기재된 모듈이 멤브레인 생물 반응기에 사용된다. 도 4를 참조하면, 멤브레인 모듈(5)는 전형적으로 섬유, 관형, 또는 양 단부(7, 8)에서 포트되고, 선택적으로 지지 구조물, 이 경우 스크린(9), 에 갇힌 평면 시트 형태 멤브레인(6)을 포함한다. 멤브레인 단부의 어느 하나 또는 둘 다는 투과물 수집을 위하여 사용될 수 있다. 멤브레인 모듈의 하부는 수많은 관통 구경(10)을 포트(11)에 가지고, 기체 및 액체 혼합 공급물를 멤브레인 표면을 지나도록 분배한다. 벤추리 장치(12) 등은 모듈의 바닥부에 연결된다. 벤추리 장치(12)는 입구(13)를 통하여 기체를 받고, 공급물 입구(14)를 통하여 흘러들어오는 액체에 기체를 비말 동반 또는 혼합하여 기체 기포를 형성하고, 액체/기체 혼합물는 모듈 구경(10)으로 확산한다. 분배 구경(10)을 거친 후 비말 동반된 기체 기포는 액체 흐름에 따라 위로 상승하면서 멤브레인 표면을 스크러빙한다. 액체 공급물 또는 기체는 시스템의 요구에 따라 계속적으로 또는 간헐적으로 분사된다. 벤추리 장치(12)는 벤추리 튜브, 제트, 노즐, 이젝터, 이덕터, 인젝터 등일 수 있다.

도 5를 참조하면, 제트 또는 노즐형 장치(15)의 확대도가 나타내어 진다. 이 구체예에서, 액체는 공기 통로(17)를 주위에 가지는 제트부(16)를 통하게 되어, 액체 흐름(18)에 비말 동반된 기체를 생성한다. 이러한 장치는 공급 밸브 각각의 조절에 의한 가스 및 액체 매체의 독립적 제어를 허용한다.

기체를 비말 동반하기 위하여 널리 사용되는 액체는 공급수, 폐수, 또는 여과되는 혼합액이다. 벤추리 등을 거쳐 이런 작동 액체를 펌핑하는 것은 진공 상태를 만들게 됨으로써, 기체를 액체 쪽 흡인되하거나, 블로워가 사용될 때에는 가스 배출 압력을 감소시킨다. 액체의 흐름에 기체를 제공함으로써, 분배 구경(10)이 막힐 확률은 상당히 감소된다.

벤추리 장치 등을 사용함으로써, 블로워와 같이 기체 공급을 가압할 필요 없이, 멤브레인 표면을 스크럽하는 기체 기포의 생성이 가능하다. 원동액이 벤추리를 통과할 때 진공을 생성시킴으로써, 기체를 액체 흐름 쪽으로 유도하고, 기체 기포를 여기에 생성시킨다. 블로워가 여전히 필요하더라도, 상술한 방법의 사용은 블로워의 배출 압력을 감소시키고, 이에 따라 운전 비용을 감소시킨다. 액체 및 기체 상은 벤추리에서 잘 혼합되고, 다음에 멤브레인 모듈로 분산되어 멤브레인을 스크러빙한다. 제트형 장치가 사용되어 강제로 기체를 액체 매체와 혼합하는 경우, 기포 흐름에 더 높은 속도가 구비된다는 점에서 추가적인 이점이 제공된다. 폐수의 처리에서, 이런 완전한 혼합 과정은 사용된 기체가 공기 또는 산소일 때 탁월한 산소 전달을 제공한다. 기체가 직접 액체로 채워진 파이프로 분사되는 경우, 기체가 파이프 측벽 상에서 정체된 기체층을 형성하는 것은 불가능하고, 따라서 기체 및 액체가 모듈의 다른 부분으로 우회하여 악화된 세정 효율을 발생하는 것도 또한 불가능하다. 기체 기포의 흐름은 멤브레인에 따라 흐르는 액체 흐름에 의하여 강화되어, 큰 스크러빙 전단력을 발생시킨다. 기체/액체의 전달에 대한 이 방법은 긍정적인 유체 전달 및 독립적으로 기체 및 액체의 유속을 조절할 수 있는 능력을 갖는 폭기 과정을 제공한다 . 이 상 유체(기체/액체)의 혼합물을 공기 분배 장치의 구멍으로 분사하는 것은 탈수된 고체물질의 생성을 제거할 수 있고, 따라서 이렇게 탈수된 고체물질에 의한 구멍의 지속적인 막힘을 방지할 수 있다. 분사부 배열은 세정 화학물질을 모듈의 깊이까지 효과적으로 도입하기 위한 효율적인 세정 메커니즘을 더 제공하며, 정련 에너지를 제공하여 화학적 세정능력을 향상시킨다. 기술된 모듈의 구성으로 얻을 수 있는 고충전 밀도와 결합된 이 배열은 최소량의 화학물질만으로도 섬유가 효과적으로 세정될 수 있게 허용한다. 기술된 모듈 구성은 고체 물질의 충전을 상당히 증가시키지 않으면서도, 섬유의 더 높은 충전 밀도를 허용한다. 이것은, 멤브레인 모듈이 호기성 유역과 일체화되거나, 분리된 탱크에 배치될 수 있는 추가적인 탄력성을 더하게 된다. 후자에 따른 배치에서, 탱크에서 유지되는 작은 화학물질에 기인한 사용 화학 물질의 상당한 절약, 및 화학적 세정 방법의 자동화에 기인한 인건비 절약이라는 이점이 있다. 사용되는 화학물질의 감소는 또한 중요한데 왜냐하면 생물 공정으로 되돌려 이송될 수 있는 화학물질은 여전히 공격적인 산화제이고 따라서 생물 공정에 있어 유해한 효과를 가지고 있기 때문이다. 따라서 생물-공정에 존재하는 화학물질 양의 감소는 상당한 이점을 제공한다.

각 멤브레인 모듈에 대한 기체 및 액체 혼합 공급물의 적극적인 분사는 멤브레인 주위로 공정 유체의 균일한 분포를 제공하고, 따라서 여과 중 공급물의 농도 분극화를 최소화한다. 농도 분극화는 큰 규모의 시스템 및 많은 양의 부유 고체물질을 함유하는 처리 공급물에 대하여 더욱 크다. 선행하는 기술 시스템은 낮은 균일도를 가지는 데, 왜냐하면 처리 유체는 종종 탱크의 일 단부로 들어가, 모듈을 가로질러 움직이는 때에 농축되기 때문이다. 그 결과, 어떤 모듈은 다른 모듈에 비하여 반드시 훨씬 더 높은 농도로써 다뤄야 함으로써 비효율적인 작동을 초래한다. 여과 효율은 감소된 여과 저항에 기인하여 향상된다. 공급물 측의 저항은, 멤브레인 표면으로 가로지르는 흐름 경로의 감소 및 기체 기포와 이 상 흐름에 의하여 생성되는 난류 때문에 감소된다. 이런 세정 방법은 식수, 폐수의 처리, 및 멤브레인과 관련된 공정에 사용될 수 있다. 여과 공정은 흡인 또는 가압에 의하여 구동될 수 있다.

도 6 내지 7을 참조하면, 다양한 구획 배열에 대한 구체예가 나타내어진다. 다시 이들 구체예들은 실린더형 관 또는 섬유 멤브레인 다발(20)에 대하여 예시되나, 다른 구성이 사용될 수 있다는 것이 인식될 수 있을 것이다. 도 6a 및 6b는 관형 멤브레인의 다발(20)을 보여주며, 수많은 평행한 구획 스페이스(22)에 의하여 몇 개의 가는 절편 (21)으로 수직으로 분할된다. 다발의 이런 구획은 충전 밀도의 상당한 손실 없이도 축적된 고체 물질이 제거될 수 있게 한다. 다발의 이러한 구획은 완전 구획 또는 부분 구획을 형성하는 포트 과정에서 달성될 수 있다. 구획된 모듈을 형성하는 또 다른 방법은 몇 개의 작은 관형 멤브레인 다발(23)을 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이 각 모듈로 포트하는 것이다.

멤브레인 모듈의 또 다른 구성은 도 8a 및 8b에 예시된다. 중앙의 멤브레인 없는 영역은 통로(24)를 형성하여, 더 많은 공기 및 액체 분사를 허용한다. 다음에 기체 기포 및 액체는, 멤브레인 측벽으로부터 고체 물질을 정련, 제거하면서 관형 멤브레인(20)을 따라 이동하여 상부의 포트 헤드(8)에서 섬유의 배열을 통과하여 나가게 된다. 단일 기체 또는 기체/액체의 혼합물이 모듈로 분사될 수 있다.

도 9a 및 9b는 도 5와 유사한 또 다른 구체예를 역시 예시하나, 세정 액체/기체 혼합물을 섬유 멤브레인(20)에 허용하기 위한 하나의 중앙 구멍(30)을 하부 포트(7)에서 갖는다. 이 구체예에서, 섬유는 구멍(30) 근처에서 벌어지고, 개별 다발(23)은 상부 포트(8) 쪽으로 모인다. 큰 중앙 구멍(30)은 섬유 주위로 더 많은 액체 흐름을 제공하고, 따라서 향상된 세정 효율을 제공하기 위한 것으로 발견되었다.

도 10 및 11은 도 9a 및 9b와 유사한 멤브레인 구성 및 도 5의 구체예와 유사한 제트 혼합 시스템을 갖는 또 다른 구체예를 보여준다. 단일 중앙 구멍(30)의 사용은 도 11에서 나타낸 바와 같이 섬유(20)의 양 단부로부터 여과물을 빼내는 것을 허용한다.

도 12 및 도 13의 도면을 참조하면, 모듈(45)은, 상부(47) 및 하부 포트 헤드(8)에서 마운트 되고 그 사이에서 연장된 복수의 중공사 멤브레인 다발(46)을 포함한다. 포트 헤드(47, 48)는 적당한 매니폴드(나타나지 않음)와 결합하기 위한 각각의 포트 슬리브(49, 50)에 마운트된다. 섬유 다발(46)은 스크린(51)에 의하여 둘러싸이고, 사이에서의 과도한 움직임이 방지된다.

도 12에서 나타나는 바와 같이, 하부 포트 헤드(48)에 평행 배열된 수많은 슬롯형 폭기 구멍(52)이 구비된다. 섬유 멤브레인(53)은 다발(46)에서 포트되어, 섬유 다발의 횡단으로 연장된 스페이스(54)를 갖는 구획된 배열을 형성한다. 폭기 구멍(52)는 일반적으로 분할 스페이스와 부합하도록 배열되지만, 일반적으로 각 스페이스와 결합된 수많은 폭기 구멍이 있다.

하부 포트 슬리브(50)는 하부 포트(48) 아래에서 공동(55)을 형성한다. 기체 또는 액체 및 기체 혼합물은 구멍(52)를 통과하여 멤브레인 어레이로 가기 전에 제트 어셈블리(57, 상술된 바 있음)에 의하여 공동(55)으로 분사된다.

사용시, 구획 방법의 사용은 정련을 위한, 기체 및 액체 혼합물의 고 에너지 흐름을 가능하게 하며, 특히 섬유 번들의 포트 단부에서 그러한데, 이것은 멤브레인 섬유 근처의 축적된 고체물질의 발전을 제거하는 것을 돕는다.

공기는 바람직하게 모듈로 계속적으로 도입되어 미생물의 활성을 위한 산소를 제공하고, 멤브레인을 계속적으로 정련한다. 대안으로, 어떤 구체예에서 순수 산소 또는 다른 기체 혼합물이 공기 대신 사용될 수 있다. 상부 포트를 통과하는 멤브레인 루멘에 부착된 흡인 펌프에 의하여, 세정 여과물은 멤브레인에서 떨어지게 되나, 또는 중력 또는 흡인 펌프에 의하여 하부 포트부터 멤브레인에서 여과물이 떨어질 수 있다.

바람직하게, 멤브레인 모듈은, 반응기에 존재하는 혼합액 부유 고체물질(MLSS)의 낮은 농도에 기인한 낮은 막횡단 압력(TMP)하에서 작동된다. 더 높은 막횡단 압력이 감소된 부유 물질의 농도를 위하여 유리하게 사용될 수 있다.

멤브레인 생물 반응기는 혐기성 공정과 바람직하게 결합하는데, 이것은 공급 하수로부터 영양분의 추가적인 제거를 돕는다. 바람직한 구체예의 모듈 시스템은 다른 시스템에 비하여 높은 MLSS에 대하여 보다 내성이 있으며, 효율적인 공기 스크러빙 및 역세정(사용시)은 생물 반응기 모듈의 효율적인 작동 및 수행을 돕는다.

적합한 어떤 멤브레인 생물 반응기도 바람직한 구체예의 물 처리 시스템에서 사용될 수 있다. 특히 바람직한 멤브레인 생물 반응기는, 도 14에서 예시되는 바처럼, 기질 내에 담겨진 수직 배향의 미세 다공성 중공사 사용에 의해 여과물을 액체 기질의 저장기로부터 빼내도록 설계된다. 도 14는 4개의 하위-모듈을 포함하는 소위 "클로버 잎" 여과 장치의 측면도를 나타낸다. 평행 "랙"에서 복수의 이런 여과 장치가 기질 저장기에 잠긴다.

바람직한 구체예의 방법 및 장치를 사용하여, 적합한 어떠한 기질도 여과시킬 수 있다. 적합한 기질은 지하수, 하천수, 음료수, 및 하수, 농업 하수, 산업 폐수등과 같이 유기물질을 포함하는 기질을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 물-함유 기질이 본 명세서에 기재된 방법 및 장치에 특히 적합하나, 다른 액체를 함유하는 기질(예를 들면, 알콜 또는 다른 화학물질)도 역시 여과될 수 있다.

예시된 멤브레인 생물 반응기 여과 장치는 여과물의 하위-매니폴드(나타나지 않음) 및 공기/액체 기질의 하위 매니폴드를 포함하며, 이들은 각각 네 하위-모듈의 상단부 및 하단부를 수용한다. 각 하위-매니폴드는 네 개의 원형 피팅 또는 수용 영역을 포함하고, 이들 각각은 하위-모듈 중 하나의 단부를 수용한다. 각 하위-모듈은 실린더형 정상 포트(나타나지 않음), 실린더형 바닥 포트, 및 이 사이에 연결되어 섬유를 확보하는 케이지(나타니지 않음)에 의하여 구조적으로 정의된다. 포트는 중공사의 단부를 확보하고, 수지성 또는 폴리머성 물질로 형성된다. 케이지의 단부는 포트의 외부 표면에 고정된다. 각 포트 및 케이지의 결합 단부는 각 하위-매니폴드의 네 원형 피팅 중 하나 내에서 함께 수용된다. 하위-매니폴드 및 하위-모듈의 포트는 원형 클립 또는 오링 씰의 도움으로 유체를 막을 수 있는 관계로 함께 연결된다.

각 하위-모듈은 정상 및 바닥 포트 사이에서 수직으로 배열된 섬유를 포함한다. 섬유는 포트 사이의 거리보다는 다소 긴 길이를 가지며 측면으로 움직일 수 있다. 케이지는 하위-모듈의 섬유를 가까이 둘러싸며, 따라서 작동시 외부의 섬유는 케이지와 접촉하게 되고, 섬유의 측면 움직임은 케이지에 의하여 제한된다. 섬유의 하단부의 루멘은 바닥 포트 내에서 밀봉(seal)되지만, 섬유의 상단부는 밀봉되지 않는다. 달리 말하면, 섬유의 루멘은 정상 포트의 상부 표면 위의 여과물 하부-매니폴드의 내부로 개방된다. 바닥 포트는 하부 표면으로부터 상부 표면까지 연장되는 복수의 슬롯을 포함하며, 따라서 공기/액체 기질의 하위-매니폴드에서 공기 기포 및 액체 기질 혼합물은 바닥 포트를 지나 위로 흘러 섬유의 하부 단부 사이에서 방출될 수 있다.

여과물의 하위-매니폴드는 수직 배향의 여과물 배출 튜브와 연결되며, 튜브는 랙의 모든 여과 장치(예시된 클로버입 장치와 같이)로부터 여과물을 받는 여과물 매니폴드(나타나지 않음)에 연결된다. 여과물 배출 튜브는, 하위-모듈의 정상 포트 상부 표면과 유체를 전달받으며, 따라서 여과물은 배출 튜브를 통하여 제거될 수 있다. 게다가, 시스템은 도 14에 나타난 것과 같이 공기/액체 기질 하위-모듈 스커트에 공기를 제공하는 공기 라인을 포함한다.

작동 중, 하위-모듈의 케이지는 액체 기질을, 정상 및 바닥 포트 사이인 중공사 영역으로 허용한다. 펌프(나타나지 않음)가 아용되어 여과물 매니폴드에 흡인을 가하고, 따라서 여과물 배출 튜브 및 하위-모듈의 섬유 루멘에도 흡인을 가한다. 여과물은 섬유 루멘을 통하여 여과물 하위-매니폴드로 상승하여 흐르고, 여과물 배출 튜브를 통하여 여과물 매니폴드 쪽으로 상승하여 저장기의 외부에서 수집된다.

여과 중, 미립자 물질은 섬유의 외부 표면 상에 축적된다. 증가하는 양의 미립자 물질이 섬유에 붙음에 따라 섬유벽 사이의 압력차를 크게 하기 때문에, 충분한 여과물 흐름의 생성이 필요하다. 섬유의 외부 표면의 청결을 유지하기 위하여, 공기 및 기체 기질은 공기/액체 기질의 하위-모듈의 스커트에서 혼합되고, 다음에 이 혼합물은 바닥 포트의 슬롯을 통하여 섬유 다발로 분배되고, 바닥 포트의 상부 표면으로부터 기포-함유 혼합물이 방출된다. 연속적, 간헐적, 또는 순환적 폭기공정이 실행될 수 있다. 순환적 폭기 공정이 특히 바람직한데, 여기서 폭기 시간 및 비 폭기 시간은 같은 길이를 가지며, 전체 순환 시간(하나의 폭기 및 하나의 비 폭기 주기의 시간)은 약 1 초 이하 내지 15 분 이상이고, 바람직하게는 약 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,12, 13, 또는 14 초 내지 약 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 또는 14분이고, 바람직하게는 약 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 또는 120초 내지 약 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280, 290, 또는 300초이다. 상승하는 기포는 섬유 표면을 정련(즉, 표면으로부터 미립자 물질을 세정하는 것)한다. 일정한 기포 크기로 공기가 제공되는 폭기 공정이 제공되거나, 예를 들면 굵은 기포 또는 미세 기포와 같이 상이한 크기의 기포 조합이 동시에 또는 교차로 사용될 수 있다. 규칙적 또는 불규칙적 순환(폭기 및 비 포기 시간이 상이하다)이 사용될 수 있는데, 불규칙적 순환은 사인곡선 형태, 삼각형, 또는 다른 형태의 순환일 수 있데, 여기서 폭기 속도는 비연속적 방식이 아닌, 오히려 바람직한 속도 또는 가변적인 속도에서 점진적인 방식으로 변화되고, 다른 순환 매개변수가 적합하게 결합되고 변화될 수 있다.

특히 바람직한 구체예에서, 미세 기포는 폭기 공정을 위하여 멤브레인 생물 반응기에 지속적으로 제공되나, 굵은 기포는 정련을 위하여 순환적으로 제공된다. 기포는 전형적으로는 직경이 약 0.1 이하 내지 약 50 mm 이상이다. 약 0.1 내지 약 3.0mm의 직경, 바람직하게는 약 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0mm 내지 약 1.25, 1.50, 1.75, 2.00, 2.25, 2.50, 또는 2.75mm 직경의 기포가 산소를 생물 반응기에 제공하는 데 있어 특히 효과적이다. 약 20 내지 약 50mm 직경, 특히 약 25, 30, 또는 35 내지 약 40 또는 45mm 직경의 기포가 멤브레인을 정련하는 데 특히 효과적이다. 약 3 내지 약 20mm 직경, 바람직하게는 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10mm 내지 약 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 또는 19mm 직경의 기포가 허용되는 산소화 및 정련을 제공할 때 일반적으로 선호된다.

오프라인 처리조

바람직한 구체예의 수처리 시스템의 또 다른 구성 요소는 오프라인 처리조이다. 바람직한 구체예에서, 수처리 시스템은 멤브레인 생물 반응기와 함께 사용되는 오프라인 처리조를 내부 재순환 구성에서 포함하며; 멤브레인 생물 반응기의 정상부로부터 투과물은 처리된 방출물로서 시스템에서 제거되며, 반면 멤브레인 생물 반응기의 바닥부에 침전되는 생물량(오니)의 일부분은 오프라인 처리조로 되돌아 감으로써 소화 공정의 효율을 상당히 증가시킨다. 선택적으로, 멤브레인 생물 반응기로부터의 오니는 하나 이상의 스크린 및/또는 하나 이상의 습식 싸이클론을 통과하여, 비활성 함유량을 오프라인 처리조로 되돌아가기 전에 제거한다.

오프라인 처리조는 단일 처리조를 포함하며, 단일 처리조로 미소 기체 기포가 도입되어, 불연속적이고 층상화된 영역에서 많으면 세 개의 다른 생물학적 환경을 만든다. 바람직한 구체예에서, 공기의 기포는 조의 바닥부에 도입되어 이 근처에서 호기성 영역을 만든다. 호기성 영역에 존재하는 미생물에 의한 산소 소모는 상부로 적층된 무산소 영역을 만들고, 이것 자체의 상부에는 혐기성 층이 형성된다. 호기성 미생물의 상부 무산소 환경에 대한 비용인성에 기인하여, 두 층은 분리된 상태로 남으며, 비용인성의 정도에 따라 계면의 선명도를 갖는다. 무산소 영역에 이상적으로 적합한 탈질소화 미생물이 여기에 서식하는 경우, 이것에 의한 질소 가스 또는 용해 질소의 생산은 산소, 질산염 및 아질산염이 상당히 또는 완전히 결핍된 상부의 혐기성 영역을 만들고; 게다가 정지된(즉, 제한된 혼합) 조건하에서 용해 질소는 혐기성 및 무산소 영역 사이에서 분리층을 형성함으로써 이들 영역의 분리에 기여한다. 영역 사이에서 분자 확산은 충분함으로, 모든 영역이 영양분을 공급받게 되어 용해된 부산물의 축적을 기계적 혼합 없이 방지한다.

오프라인 처리조와 연결되어 사용되기에 적합한 기포 생성 장치는 미국 특허 번호 5,316,682에 개시되며, 개시된 내용 전체는 본 명세서에 참조 자료로 포함된다. 이러한 장치는 원하지 않는 난류 조건을 피한다. 정지된 조건은 생물성 고체물질에 유익한 덮는 층의 형성을 촉진할 수 있다. 상호 적대적인 환경을 필요로 하는 미생물들간의 조합을 포함하는 폐액에, 적합한 기포를 제어되는 방식으로 도입하는 것은 이들 미생물들의 동시 생존을 가능하게 할 수 있다; 이상적으로는, 폐기물-소화성 미생물은 호기성, 무산소성, 및 혐기성 종을 포함한다. (본 명세서에서 사용되는 것과 같이, "폐기물-소화성 미생물"이란 용어는 박테리아 또는 원생동물과 같이 자립성 미시적 유기체 중 어떠한 것을 지칭하고, 유기 폐기물 성분을 미네랄 또는 가스 생성물로 분해할 수 있다.)

따라서 오프라인 처리조는 환경적으로 양립할 수 없는 폐기물-소화성 미생물 복수의 개별 영역을 하나의 조에서 사용한다. 오프라인 처리조에서 어떤 중요한 매개변수를 자동으로 제어하기 위한 장치(예를 들면 컴퓨터 또는 회로)가 적어도 하나의 생물학적 지표의 목표 수준을 유지하기 위하여 제공된다. 이 지표는 처리되는 폐기물의 종류에 따라 선택된다. 일반적으로, 지표는 적어도 하나의 암모니아 수준; 용해성 질산염 수준; 용해성 아질산염 수준; 및 산화-환원 전위(ORP)이다. 후 지표는 임의적 단위로 벌크 폐액의 전동(electromotive) 위치를 측정한다. 제어되는 주요 매개변수는 벌크 액의 기체(일반적으로는 산소) 함유량 및 난류의 정도를 포함한다.

오프라인 처리조는 내부 재순환 구성에서 멤브레인 생물 반응기와 함께 바람직하게 사용된다. 어떤 구체예에서 부가적인 처리 장치가 재순환 구성에서 사용될 수 있는데, 정화기, 공기주입 유역, 스크린 및 분리기, 화학적 처리 장치 등을 포함한다.

오프라인 처리조는 내부 재순환 구성에서 습식 싸이클론을 포함하는 하위 제거 시스템과 결합되어 사용될 수 있다. 멤브레인 생물 반응기의 정상부로부터의 투과물은, 처리된 방출물로서 시스템에서 제거되고 용해성 미네랄 잔류물을 가지지만, 멤브레인 생물 반응기의 하부에 침전되는 생물량(오니)의 일부분은 습식 싸이클론 및 스크린 배치를 통하여 오프라인 처리조로 되돌아가고, 이로써 비활성 함유량을 제거한다. 스크린/싸이클론 조합을 사용한 비활성 함유량의 제거는 생물학적 폐기물-소화 공정의 효율을 상당히 증가시킨다.(이는 본 발명의 복수-영역 시스템을 활용하는 것을 포함하나, 결코 여기에 제한되지 않는다.)

바람직한 구체예의 시스템을 나타내는 도 2를 참조하면, 폐기물 유입류는 처음 개구부 크기가 약 6mm 이하 내지 약 25mm 이상인 스크린(12)과 마주친다. 스크린(12)의 수신면 상에 축적되는 폐기물 중 큰 것은 화살(14)에 의하여 나타나는 것과 같이 주기적으로 제거된다. 걸러진 액체는 도관(16)에 따라 오프라인 처리조(18)로 유도되고, 여기에 허용된 폐기물-소화성 미생물은 생물학적으로 분해될 수 있는 성분을 분해한다. 바람직하게는, 폐액은 적어도 두 다른 형태의 폐기물-소화성 미생물을 함유하는데, 이들 각각은 생존 또는 최적 수행을 위한 상이한 화학적 환경을 필요로 한다. 미생물의 상이한 형태 각각은 다른 종류의 폐기물을 분해할 수 있는 점으로 보아 상호 보완적일 수 있다. 만약 폐액이 원하는 형태의 분해성 유기체를 결여하고 있다면, 이것은 오프라인 처리조(18)로 직접 도입될 수 있다.

유입류에서 분해성 폐기물의 농도에 의존하는 개시 주기 이후, 혼합액은 지속적으로 오프라인 처리조(18)로부터 도관(20)을 통하여 멤브레인 생물 반응기(22)에 들어가 여기에서 여과가 이루어지며, 새로운 유입류는 도관(16)을 통하여 오프라인 처리조(18)에 도달한다. 생물성 고체물질 물질(소위 "활성 오니")은 지속적으로 멤브레인 생물 반응기(22)의 바닥부 근처 출구점으로부터 배출되고, 내부 재순환 루프(30)를 통하여 오프라인 처리조(18)로 재순환되는 반면, 투과물은 지속적 또는 주기적으로 배출되고, 혼합액은 주기적으로 배출되거나, 멤브레인 생물 반응기(22)의 정상부 근처 출구점에서부터 오버플로우됨으로써 시스템 내의 생물성 고체 물질의 적합한 농도를 유지한다.

재순환 루프(30)은, 멤브레인 생물 반응기(22)로부터 펌프(33)에 이르며 활성 오니를 하위 제거 시스템(34)으로 운송하는 제 1 도관(32), 및 오프라인 처리조(18)의 헤드로 되돌아가는 제 2 도관(36)을 포함한다. 스크린, 선택적인 서지 탱크(나타나지 않음), 및 습식 싸이클론을 포함하는 하위 제거 시스템(34)은 비활성 및 비분해성 물질을, 되돌아가는 생물성 고체물질의 스트림으로부터 제거하도록 설계되며, 이로써 폐기물 처리의 효율성이 개선된다.

이런 일반적인 시스템 구성은 다중-영역 폐기물 처리 시스템 용으로 구성된 오프라인 처리조(18)과 함께 사용되기에 적합한데, 이는 바로 아래에 기술한 바와 같다; 그러나, 하위 제거 시스템(34)의 일반적 활용성 때문에 전체적으로 종래의 (즉, 단일-영역) 처리 방법과 함께 사용될 수 있다. 유사하게, 다중-영역 처리 공정의 활용성은 본원에 따른 제거 시스템을 포함하는 재순환 구성에 제한되지 않는다.

어떤 구체예에서는 오프라인 처리조가 측류 반응기일 수 있다. 이러한 구체예에서 주 폐수 흐름은 측류 반응기 탱크로 직접 가지 않는다. 대신 멤브레인 반응기, 활성 오니 탱크로 흐르며, 스크리닝, 자갈 제거 등과 같은 헤드워크 전처리 단계를 따른다.

도 3을 참조하면, 오프라인 처리조(18)에서 세 영역까지 생성, 유지하는 것을 용이하게 하는 장치가 나타난다. 일반적으로, 장치는 기체 미분쇄기 루프 및 이것의 작동을 지배하는 피드백 제어 시스템을 포함한다.

인용 번호 50에서 나타나는 미분쇄기 루프는 미소 기포를 생성하고, 기포를 오프라인 처리조(18)로 과도한 난류를 초래하지 않는 방법으로 도입한다. 미분쇄기 루프(50)은 미분쇄기 요소(52)를 포함하는 데 이 요소는 여기를 흘러 지나는 액체의 스트림에 미소 기포를 도입한다. 요소(52)는, 끝이 가는 도관의 각 단부와 연결된 실린더형 다공성 멤브레인을 포함한다. 동축 하우징이 멤브레인을 둘러싸며, 이는 각 멤브레인에 대하여 밀봉되고, 증가된 압력하에서 기체를 함유할 수 있게 한다. 기체는 밀봉된 일-방향 입구를 통하여 요소(52)의 하우징으로 제공된다. 따라서, 끝이 가는 도관의 어느 한쪽으로 도입되는 유체는 요소(52)의 구경을 축 방향으로 가로질러 흐를 수 있고, 여기서 실리더형 멤브레인의 다공을 방사형으로 관통하는 기체의 기포를 얻는다.

모터-구동 펌프(56)에 의하여, 폐기물 유체는 밸브(32)를 통하여 오프라인 처리조(18)로부터 지속적으로 배출되고, 미분쇄기(52)의 입구로 제공된다. 기체 (바람직하게는 공기)의 공급원(58)은 밸브(60)을 통하여 미분쇄기(52)에 기체를 공급하여, 여기를 통과하는 액체에 기포를 형성한다. 미분쇄기(52)로부터 방출됨에 따라, 폭기된 액체는 처리조(18)의 바닥부로 재도입된다. 마이크론 이하의 기포를 포함하며, 기포를 오프라인 처리조(18)의 바닥 영역에 완전히 운송시키는 폭기된 액체 도입은 실질적인 난류 없이 이루어진다. 이것은 일 마이크론 미만의 평균 직경, 저장 기전 에너지가 적어도 10 lbm/ft²-sec²(lbm은 파운드 질량), 또는 작업/면적 인자가 적어도 0.5lbf/ft(lbf는 파운드 힘)인 기포를 사용함으로써 확실해질 수 있다. 바람직하게는 저장 기전 에너지가 100 lbm/ft²-sec² 를 넘으며, 작업/면역 인자가 3 lbf/ft를 넘는다.

호기성 및 비-호기성(즉, 무산소성 및/또는 혐기성) 미생물이 혼합액에 존재하는 한, 뚜렷하게 층화된 두 개 이상의 화학적 환경이 오프라인 처리조(18)에서 발달한다. 오니 조성물에서 폭넓은 다양성을 가지며 존재하는 대표적 호기성 속은 아시네토백터, 슈도모나스균, 점착 세균 집단, 아크로모백터, 플라보박테리아, 노카디아, 델라비브리오, 마이코박테리아, 스페로틸루스, 베기아토아, 티오트릭스, 레시코트릭스 및 게오트리쿰이고, 질화 박테리아는 니트로소모나스 및 니트로백터, 및 원생동물인 섬모충강, 종벌레, 오퍼큘라리아 및 에피스틸리스를 포함하고; 전형적으로 존재하는 무산소 속은 또한 탈질소 박테리아인 아크로모백터, 호기성백터, 알칼리게네스, 바실러스, 브레비박테리아, 플라보박테리아, 락토바실러스, 미구균, 프로테우스, 슈도모나스 및 스피릴룸을 포함하며; 그리고 전형적으로 존재하는 혐기성 미생물은 클로스트리듐 종, 펩토코커스 혐기성 세균, 비피도 박테리아 종, 유황 환원 세균 종, 코리네박테리아 종, 락토바실러스, 방선균, 포토상구균 및 대장균을 포함한다.

호기성 질화제는 암모니아 또는 (아미노산과 같은) 아민 화합물을 아질산 및 최종적으로는 질산염으로 산화시키지만, 무산소 탈질소제는 질산염을 환원시켜 아질산염으로 최종적으로는 질소가스로 환원시킨다. 질화제 및 탈질소제의 동시 존재는, 용해 탄소성 BOD의 큰 양뿐만 아니라 질소 함유 유기물을 가스 생성물로 환원시키는 데 크게 유용한 것으로 발견되었다. 용해성 아질산염은 질화제에 의하여 질산염으로 전화되기 전, 많은 양이 호기성/무산소성 영역의 계면을 넘는 것으로 여겨지며, 무산소 영역에서 탈질화제는 아질산을 질소 가스로 변화시켜, 전체 총 화학 전환식이 아질산염을 질소 가스로 전환하는 것으로 한다(이것은 정지 환경에서 무산소성 및 혐기성 영역 사이에서의 분리를 돕는다).

세 종류의 모든 미생물이 존재한다 가정하면, 도 3에서 영역 I, II, 및 III과 같이 나타내는 세 환경은 충분한 정지 조건 하에서 발달한다. 전술한 바와 같이, 미생물의 하나 이상 형태의 부재는 필요하다면 오프라인 처리조(18)로 이들을 직접 도입함으로써 조정될 수 있다. 활성 오니 수 갤론을 조에 붓는 것은 보통 유기체 세 부류 모두의 충분한 종 집단을 제공할 수 있다.

바람직한 구체예의 오프라인 처리조는 일반적으로 다중-영역 폐기물 처리 공정을 수행하는 데 일반적으로 적절함에도 불구하고, 어느 정도의 제어를 가하여 특정 폐기물 조성물의 처리에 중요한 지표의 목표 수준을 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 전술한 바와 같이 바람직한 지표는 암모니아 수준; 용해성 아질산염 수준; 용해성 질산염 수준; 및 ORP를 포함한다. 이들 지표는, 벌크 액의 공기 함유량 및 여기에 전달되는 난류의 정도와 같은 공정 매개변수를 조절함으로써, 특정 종류의 폐기물 조성물에 적합한 허용치 안으로 들어올 수 있다. 전달되는 산소에 의하여 오프라인 처리조(18)의 내용물로 전해지는 난류의 평균 속도 구배는 100초^-1을 넘지 않으며, 바람직하게는 40초^-1가 바람직하며, 그리고 10초^-1가 가장 바람직하다. 그러나 이들 수준 아래에서 혼합 에너지 변화가 사용되어 공정 조건을 제어할 수 있다.

바람직한 구체예의 목적을 위한 평균 속도 구배 G는 하기와 같다:

G=(P/μV)^1/2

여기서 P는 파워 요구량, 또는 ft-lb/sec의 단위인 폭기공정으로부터의 혼합 마력, μ는 lb-sec/ft²의 단위인 동적 점도 및 V는 ft³단위인 탱크 부피이다. P는 하기와 같다.

P=p_aV_aln(p_c/p_a)

여기서 p_a 는 lb/ft² 단위인 대기압, V_a는 ft³/sec 단위로 대기압에서 도입된 공기의 부피이며, p_c 는 lb/ft² 단위로 유체쪽으로 공기가 배출되는 점에서 압력인데, P는 하기와 같을 수 있다.

P=35.28Q_aln((h+33.9)/33/9)

여기서 Q_a 는 lb/ft² 단위이며 대기압에서 유체로 전달되는 공기 유량이고, h는 물의 피트 단위이며 배출점에서 공기 압력이다.

예를 들면, 방출되는 폐수에 존재한다면 생태학적으로 유해한 자유 암모니아가, 질산염의 부재와 함께 과량인 것은 불충분한 폭기 공정을 의미한다. 반대로, 과다한 자유 질산염은 중금속을 용해시킴으로써 폐수 오염을 유발하고, 암모니아가 없는 과다한 자유 질산염은 과도한 폭기 공정을 의미한다. 과다한 암모니아 및 질산염은 폐기물의 불완전한 무기화 및 방출 장소에서 원하지 않는 생물학적 활성의 촉진을 의미한다; 이것은 탈질화제의 불충분한 개체 또는 과도한 난류를 나타낸다(나중의 조건은 ORP의 좁은 다양성에 의하여 확인되고, 이것 자체는 과도한 난류를 나타낸다). ORP는 다양한 유기체 개체들의 활력에 영향을 주므로, 허용되는 수치 이내로 유지된다. 이것은 모든 영역에 걸쳐, 조의 평균 산소 함량 총량의 제어에 의하여 달성될 수 있다.

전술한 것에 반하는 조건 중 어떠한 것도, 적합한 화학물질 및/또는 전기 분해성 감지 장치, 및 적합한 매개 변수를 조절하기 위한 수동식 조치들을 사용하여 수동식으로 검출될 수 있다. 특히, 기포의 크기는 공급원(58)으로부터 미분쇄기(52)에 도입되는 공기의 양 및/또는 미분쇄기(52)를 통하여 펌핑되는 액체의 속도에 의하여 허용치 이내에서 제어될 수 있다. 기포의 직경을 감소시키는 것은 더 많은 양으로 기포를 생성하므로 폭기의 정도를 증가시키게 된다. 평균 직경을 상승시키는 것은 폭기를 감소시키나, 기포가 커지기 때문에 교반이 증가된다. 대부분의 방법에 있어서, 기포 크기의 조절은 작업자가 폭기 및 교반 공정의 매개 변수에 대한 충분하고 독립적인 제어를 실행하도록 허용한다. 물론 기계적 수단에 의하여 추가적인 교반을 전달하는 것도 가능한다.

공정 조건에 대한 제어는 도 3에서 예시한 바와 같이 자동화 수단에 의하여 달성될 수 있다. 제어기(62)는 적어도 하나의 센서(64)로부터 입력 데이터를 받으며, 센서는 상술한 지표 중 적어도 하나에 대한 크기를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 출력 신호는 제어기(62)의 성격에 따라 디지털 또는 아날로그일 수 있다. 적합한 센서는 관련 기술분야에서 특성이 잘 알려져 있는데, 예를 들면 ORP 및 암모니아의 측정을 위한 전극 배치는 널리 이용되며, 질산염을 위한 인-라인 측정 장치 역시 그러하다. 센서(64)의 다양한 배열 및 결합이 가능한데; 예를 들면 오프라인 처리조(18)는 관련된 모든 지표의 감지가 가능한 센서의 클러스터를 장치할 수 있거나, 개별 영역과 대응하는 영역에 수직으로 이격되어 위치된 복수의 클러스터가 장치될 수 있다.

제어기(62)는 센서(64)로부터의 신호를 해석하고, 이를 기초로 밸브(54, 60, 본 구체예에서는 전기적으로 구동가능하다)와 펌프(56)의 속력을 제어한다. 추가적으로, 전달되는 난류에 대한 더 나은 제어를 용이하게 하기 위하여 예시된 구체예는 패들 교반기 어셈블리(66)를 포함하는데, 이것의 작동은 제어기(62)에 의하여 또한 지배되지만; 교반기 (66)는 보통 필요하지 않다는 것이 인식될 수 있다.

제어기(62)는 아날로그(예를 들면 전압-제어) 장치일 수 있으나, 바람직하게는 분석 및 제어 기능을 수행하기에 적합한 소프트웨어로 프로그램된 디지탈 컴퓨터이다. 본 구체예에서, 센서(64)로부터의 신호는 아날로그-대-디지탈 전환기에 의하여 디지털 형태로 전환되나, 제어기(62)에 의하여 생성된 디지털 제어 신호는 디지털-대-아날로그 전환기에 의하여, 단계적 또는 연속적으로 선택할 수 있을 정도로, 밸브(54, 60)를 개방, 폐쇄할 수 있는 신호로 전환된다. 분석 및 제어 기능을 수행하기에 필요한 상술한 프로그래밍은 충분히 당업자의 지식 범위 안에 있으며, 과도한 실험 없이도 용이하게 수행될 수 있다.

스크린

멤브레인 생물 반응기가 오프라인 처리조로 도입되기 전에, 멤브레인 생물 반응기로부터의 오니에서 비활성, 고체 물질을 제거하는 것은 폐기물 소화 공정의 효율을 상당히 증가시키는 것으로 발견되었다. 어떤 특정한 이론에 구속되는 것을 희망하지 않지만, 증가된 효율은 생물학적 농도 효과(왜냐하면 비활성 고체 물질의 제거는 더 높은 미생물 수준을 가지는 오니의 재도입을 일으키기 때문이다) 및 생물학적 독성(예를 들면 이것은 본원에 따라 제거될 수 있는 중금속으로부터 발생한다)의 감소 둘 다에 기인하는 것을 판단된다. 비활성 물질의 제거는 재순환 측류를 사용하는 어떠한 생물학적 방법에서도 궁긍적으로 유익하고, 그러므로 본 발명의 이런 측면은 다양한 폐기물 처리 공정에 폭 넓게 유용하다(예를 들면 독립적으로 또는 연속적으로 사용되는 종래의 단일-영역 탱크, 또는 상기 논의된 다중-영역 배열에서이다).

다양한 고체 물질이 전형적인 폐수에 존재한다. 작은(약 1 내지 약 250㎛ 직경)의 유기 물질은 폐수 처리에 있어 매우 중요한 폐기물-소화성 유기체를 포함한다. 보다 큰(>250㎛) 유기 물질은 일반적으로 다양한 형태의 쓰레기를 나타낸다. 작고 큰 무기성 입자들은 모래와 같은 비활성 물질을 포함한다. 고체 물질에 대한 이들 범주 중에서 작은 유기물만이 도 2 및 3에 나타난 오프라인 처리조(18)에 바람직하게 도입된다.

멤브레인 생물 반응기 호기성 탱크로부터의 처리 오니는 스크린을 거쳐 흘러 고체 물질이 제거된다. 고체 물질은 머리카락, 쓰레기, 및 섬유성 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 구체예에서, 멤브레인 생물 반응기로부터의 처리 오니를 포함하는 혼합액의 일부는 측류에서 스크린을 거쳐 흐른다. 스크린을 거치는 혼합액의 유속은 바람직하게는 처리 시스템의 평균 설계 유속 이하이다. 스크린된 물질은 직접 처리되거나 폐기될 수 있다. 스크린의 개구부는 크기에 있어 약 0.10mm이하 내지 약 1.5mm 이상, 바람직하게는 약 0.15, 또는 0.20mm 내지 약 0.30, 0.35, 0.40, 0.45, 0.50, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80, 0.85, 0.90, 0.95, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 또는 1.4mm이고, 가장 바람직하게는 0.25mm(250㎛)이며ㅡ예를 들면 회전식 드럼 스크린에 의하여 제공될 수 있다.

특히 바람직한 스크린은 독일의 Huber Technology of Berching의 ROTAMAT® Membrane Screen RoMem이라는 시장 제품이다. 이 스크린은 섬유성 물질 및 머리카락의 제거에 적합한데; 멤브레인 생물 반응기와 연결되어 사용될 때 향상된 동작 안정성을 제공하고, 강 및 해양 하수에서 COD/BOD를 상당히 감소시킨다. ROTAMAT® 스크린은 사각형 메쉬로 덮인 스크린 바스켓을 사용하고, 이 메쉬를 통하여 흐름은 내부로부터 외부로 통과한다. 갇힌 고체 물질은 바스켓의 회전 도중 상부 영역에서 떨어져 홈통 쪽으로 씻겨지며, 스크류 컨베이어에 의하여 채널 영역으로부터 제거되며, 동시에 스크린된 물질은 폐쇄된 장치에서 탈수된 후 방출된다. 탈질소화를 위한 유기 탄소의 회수는 일체화된 스크리닝 세정 시스템에서 스크리된 물질을 세정함으로써 가능하다. 바람직하게는 ROTAMAT® 스크린은 중공사 멤브레인 모듈 시스템에 사용될 때 0.75mm 메쉬를 사용하고, 플레이트 모듈 시스템이 사용될 때 1mm 메쉬를 사용한다.

폐수 처리 시스템의 멤브레인 필터 상에서 고체 물질 축적을 최소화하는 것은 시스템의 효과적인 작동을 위하여 바람직하다. 고체 물질은 멤브레인 섬유 다발상에 축적될 수 있으며, 제거가 어려우므로 멤브레인에 손상을 줄 수 있다. 멤브레인 생물 반응기에서 고체 물질의 축적을 감소시키는 종래의 방법은 원수가 폐수 처리 시스템으로 들어가기 전에, 멤브레인 생물 반응기쪽으로의 스트림을 스크린하는 것이다. 또 다른 접근은 원 오수와 부가된 재순환 오니로 구성되며, 멤브레인 생물 반응기로부터의 스트림이 폐수 처리 시스템으로 들어가기 전 스크린하는 것이다. 하지만, 원수를 스크린 하는 것은 전형적으로 시스템의 평균 설계 유속의 3배 이상인 피크 상태 하에서 원수를 수용할 수 있도록 스크리닝 시스템을 설계하여야 한다. 이것은 스크린이 피크 흐름을 수용할 수 있도록 충분히 클 것을 요구한다. 게다가, 이런 시스템은 사용 스크린과 예비 스크린으로 설계되고, 각각은 100%의 설계 스크린 용량을 갖는다. 폐수 처리 시스템으로 들어가기 전 원수를 스크린함으로써 생성되는 스크린된 물질은 스크린으로부터 폐수 처리 시스템으로 되돌리기 위하여 특별한 장치가 요구되는 유기 물질이 많을 수 있다. 게다가, 원 오수를 폐수 처리 시스템으로 들어가기 전 스크린하는 것은, 머리카락, 쓰레기 또는 시스템 자체에서 형성될 수 있는 예를 들면, 재-로프화 또는 재-구형화된 섬유성 물질과 같은 섬유성 물질을 제거하지 않는다. 전체 오니 스트림을 폐수 처리 시스템의 멤브레인 필터로 들어가기 전에 스크린하는 것은 또한 높은 유속을 수용하고(전형적으로 시스템의 평균 설계 유속의 4배 이상), 다시 이것은 큰 용량의 스크린과 완전 용량의 예비 스크린의 사용을 요구한다. 따라서, 이런 시스템을 바람직한 구체예의 여과 시스템과 연결하여 사용하는 것이 바람직할 수 있고, 일반적으로는 하기의 스크린 시스템을 사용하는 것이 보다 바람직한데, 여기에서 멤브레인 생물 반응기의 호기성 탱크로부터의 처리 오니는 250㎛ 스크린을 지남으로써 고체물질이 제거되고, 스크린된 처리 유체는 서지 탱크로 들어간다.

바람직한 구체예의 폐수 처리 시스템은 상술한 멤브레인 생물 반응기 같은 생물 반응기와 연결된 중공사 멤브레인 여과기를 사용하여, 필터에서 처리된 방출물, 및 필터에 의하여 거부된 물질 또는 그렇지 않으면 생물 반응기에 잔존하는 물질로부터 폐기 오니를 생성한다. 생물 반응기는 폐수 처리 시스템에서 필터의 상부 스트림에 위치될 수 있으나, 대안으로 필터는 생물 반응기 내에 있거나 또는 생물 반응기의 일부분일 수 있다. 후자의 경우 필터의 멤브레인은 멤브레인 생물 반응기와 같은 생물 반응기에 직접 침지된다. 멤브레인 생물 반응기는 바람직하게 오프라인 처리조와 함께 재순환 루프에서 사용될 수 있다.

스크린되는 혼합액은 멤브레인 생물 반응기 시스템에서 재순환 혼합액 스트림으로부터 제거될 수 있다. 전형적으로, 재순환된 혼합액은 멤브레인 생물 반응기 시스템의 헤드로 재순환되고, 스크린을 통과하는 혼합액은 재순환 혼합액 스트림으로부터 제거될 수 있다. 스크린되는 혼합액은 다른 상이한 위치에서 멤브레인 생물 반응기로부터 제거될 수 있다. 스크린된 혼합액은 서지 탱크로 흐르며, 스크린된 물질은 처리되거나 또는 폐기된다.

스크린의 개구부는 일반적으로 약 1.0mm 이하, 바람직하게는 0.95, 0.9, 0.85, 또는 0.8mm 이하, 보다 바람직하게는 0.75, 0.7, 0.65, 0.6, 또는 0.55mm 이하, 그리고 가장 바람직하게는 0.5, 0.45, 0.4, 0.35, 0.3, 0.25, 0.2, 0.15, 0.1,또는 0.05 이하이다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 하나의 스크린은 예를 들면 회전식 드럼 스크린이다. 스크린은 스크리닝 및 오니 침강 농축(thickening)을 위하여 사용될 수 있다.

바람직한 스크린 구성은 도 1에 나타나며, 여기에 멤브레인 생물 반응기는 스크린의 상부 스트림에 위치한다. 멤브레인 생물 반응기는, 제한 없이 단독 또는 다양한 조합의 형태로, 하나 이상의 혐기성 영역, 하나 이상의 무산소성 영역, 및 하나 이상의 호기성 영역을 포함한다. 처리되는 물의 유입액은 멤브레인 생물 반응기로 들어간다. 멤브레인 생물 반응기로 들어가기 전에 유입액는 선택적으로 스크린, 정화, 분해되거나, 다른 공정을 받을 수 있다. 처리된 방출물 스트림은 추후 바람직하게 사용하기 위하여 멤브레인 생물 반응기 필터의 투과물 측으로부터 나간다. 필터에 의하여 배제된 물질로 구성되거나, 그렇지 않다면 멤브레인 생물 반응기에서 생성된 폐기 오니 스트림은 또한 필터로부터 방출된다.

폐기 오니를 함유하는 혼합액 스트림의 전부 또는 일부는 스크린을 통과한다. 스크린은 이를 통과하는 혼합액에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질을 제거하는데, 이것은 생물 반응기 자체 내에서 생성될 수 있는, 예를 들면 재-로프화 또는 재-구형화된 섬유 물질과 같은 섬유성 물질을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 이런 재-로프화 또는 재-구형화된 섬유성 물질은 통상적인 스크린에 의하여 자체가 스크린될 수 있을 정도로 충분히 크지 않으나, 혼합액에서 더 큰 물질로 모일 수 있는 미세 섬유성 물질로부터 만들어진다. 스크린된 혼합액 스트림은 스크린으로부터 방출되어 서지 탱크로 들어간다.

스크린 개구부는 전형적으로 약 0.25mm 이하 내지 약 1.0 mm 이상이다. 스크린된 물질이 오프라인 처리조로 보내지는 때라면 0.5mm의 스크린 개구부가 바람직하게 사용될 수 있다. 혼합액을 스크린할 때, 스크린은 전형적으로 유효 스크린 크기를 감소시켜 스크린에 의하여 제거되는 스크린 물질의 양을 증가하는 것에 대하여 부분적으로 연관하지 않는다. 스크린은 짜여진 철사 메쉬 또는 펀치 구멍 스크리닝 매체를 갖춘 내부 공급성의 로타리 드럼 스크린일 수 있다. 스크린은 스크린 매체를 세정하는 외부의 아웃사이드-인 스프레이 바(outside-in spray bar) 및 스크린의 방출 단부 쪽으로 고체 물질을 연속적으로 이동시키는 디버터 플라이트(diverter flight)을 또한 갖출 수 있다. 스크린 개구부 크기가 전형적으로 약 0.1mm 이하 내지 약 1.5mm 이상, 보다 바람직하게는 약 0.25mm 내지 약 1.0mm인 미세 스크린 같이 적합한 어떠한 스크린도 사용될 수 있으며, 예를 들면 쐐기형 선 스크린이다.

스크린된 물질의 스트림은 스크린으로부터 방출된다. 스크린된 물질 스트림은 "안정화"되는데, 왜냐하면 생물학적 분해에 노출되었기 때문이다. 스크린이 로타리 드럼 스크린일 때, 드럼 속력의 조절은 생물학적 분해성 고체 물질을 갖는 스크린된 액체 물질의 스트림을 생성할 수 있는데, 생물학적 분해성 고체 물질은 폐기 오니 스트림과 혼합하여 단일 오니 스트림을 생성하기에 적합하다. 스크린된 물질의 스트림은 더 처리되거나, 폐기 오니 스트림으로 되돌아 가지 않고 직접 폐기될 수 있다. 예를 들면 스크린된 물질 스트림은 압축 및 탈수되어, 예를 들면 매립과 같은 추가적인 처리 없이 폐기될 수 있다. 스크린된 물질 스트림이 추가적인 처리 없이 폐기되어야 한다면, 스크린이 이중 스프레이 시스템에 맞추어져 스크린을 세정하고, 포획될 수 있거나 그렇지 않ㄷ면 스크린으로부터 스크린된 물질이 방출되기 전에 스크린된 물질에서 수집될 수 있는 생물량의 양을 감소시킨다. 스크린된 물질로부터 방출되는 생물량의 양은 전형적으로 건조된 스크린된 물질 무게의 약 15% 미만이고, 전체 폐기 활성 오니의 약 2% 미만이다. 그러나, 어떤 구체예에서 더 높은 양이 가능할 수 있다. 스크린된 물질이 직접 폐기된다면, 스크린된 물질 스트림은 예를 들면 스크류 압축기와 같은 압축 및 탈수 장치를 갖출 수 있어, 스크린된 물질이 40%를 초과하는 건조된 고체물질을 갖게 할 수 있다(예를 들면, "도료 여과 시험"을 통과한 스크린된 물질). 인간과의 접촉 및 악취의 제거 또는 감소를 위하여 자루에 넣는 시스템이 사용될 수 있다.

공정은 처리되는 물을 멤브레인 생물 반응기 시스템에 흐르게하는 단계를 포함한다. 처리되는 물은 오프라인 처리조로부터의 방출물을 포함할 수 있다. 멤브레인 생물 반응기 시스템으로부터의 혼합액 일부는 제거되고, 스크린을 통과하여 머리가락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 같은 고체 물질을 혼압액으로부터 제거한다. 폐수 처리 시스템의 피크 흐름 조건 중 혼합액은 실질적인 유속의 증가 없이 실질적으로 일정한 유속으로 스크린을 통과할 수 있다. 바람직하게는 스크린을 거치는 혼합액의 유속은 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속보다 크다. 특히 스크린을 통과하는 혼합액의 유속은 바람직하게는 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속의 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140, 145, 150, 155, 160, 165, 170, 175, 180, 185, 190, 195, 또는 200% 이상이다. 가장 바람직하게는 스크린을 통과하는 혼합액의 유속이 바람직하게 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속의 약 110 내지 약 150%이다. 게다가, 혼합액은 실질적으로 일정한 유속으로 스크린을 통과하여 지나갈 수 있고, 실질적으로 연속적으로 스크린을 통과하여 지나갈 수 있다.

스크린을 통과하는 유속은 실질적으로 연속적인데, 왜냐하면 고체 물질이 전체 생물 반응기에 체류하는 시간 동안에 이들 물질에 대한 평균 제거를 기준으로, 스크린이 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질을 혼합액으로부터 제거하기 때문이고, 상당한 충격을 성능에 주지 않고서도 흐름의 중단이 용인될 수 있다. 예를 들면, 흐름이 중단될 수 있어, 스크린을 교체하거나 수리하는 것이 허용되거나, 시스템에서 다른 구성요소가 점검받거나 또는 유지 보수되는 것이 허용한다. 어떤 구체예에서, 최대 흐름 용량으로 작동중인 하나의 사용 스크린, 또는 각각 최대 흐름 용량의 50%인 두 사용 스크린이 예비 스크린 없이 사용될 수 있다. 하나 이상의 사용 스크린이 일반적으로 더 바람직하나, 적합한 어떠한 수의 스크린도 사용될 수 있다.

멤브레인 생물 반응기의 멤브레인 제거액의 재순환 스트림은 일반적으로 유입액 흐름(Q)의 약 4 내지 5배이다. 유입액 흐름 Q는 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속과 일반적으로 같다. 스크린을 사용하지 않으면, 멤브레인 생물 반응기에서 머리카락, 쓰레기 또는 섬유성 물질 농도(X_b)는 유입물의 머리카락, 쓰레기 또는 섬유성 물질 농도(X_f)를, 물의 체류시간(HRT)에 대한 고체물질의 체류시간(SRT)의 비율로 곱한 값과 같은 수준으로 생성된다. 정상 상태에서, 유입액에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질(Q×X_f)은 폐기 오니 스트림에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질(Q_w× X_b)와 동일하므로, 하기식과 같다.

Q × X_f=Q_w × X_b (1)

Q는 전체 멤브레인 생물 반응기의 부피(V)를 전체 생물 반응기의 HRT로 나눈 값과 같다. Q_w는 전체 생물 반응기의 부피(V)를 전체 생물 반응기의 SRT로 나눈 값과 같다. 그러므로

(V/HRT) × X_f+(V/SRT) × X_b (2)

생물 반응기에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질의 농도(X_b)는:

X_b=(SRT/HRT) × X_f (3)

6 시간 HRT 및 15일 SRT를 갖는 전형적인 방법에서, 생물 반응기에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 농도(X_b)는 유입액의 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 농도(X_f)의 60배이다. 유속 yQ에서 작동중인 스크린 및 스크린의 개구부 크기가 매우 작아(예를 들면 약 0.5mm 내지 약 1.0mm) 모든 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질이 스트림으로부터 제거되는 것을 가정하면, 공급물 및 생물 반응기의 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질농도 간의 정상 상태의 관계식은 하기와 같다.

Q × X_f=Q_w × X_b + yQ × X_b (4)

따라서:

X_b=(SRT/(ySRT + HRT)) × X_f (5)

같은 공정 조건(6시간 HRT 및 15일 SRT) 및 0.25Q(y=0.25)의 유속에서 작동중인 스크린일 때, 멤브레인 생물 반응기의 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질의 농도는 유입액의 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 농도의 3.75배이다. 이들 조건 하에서 스크린의 사용은, 혼합액에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 함유량을 스크린을 사용하지 않는 경우 비교하여 대략 94% 감소시킬 수 있다.

스크린을 사용함으로써, 전체 재순환 스트림 또는 설비로 들어오는 전체 피크 흐름을 스크린할 필요없이, 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질의 상당양이 혼합액으로부터 제거된다. 6시간의 HRT에서 작동하며 0.25Q의 유속으로 스크린을 작동하는 전형적인 설비는 전체 오니 부피에 동등한 양을 하루마다 처리할 것이다. 전형적인 설비에서, 오니 부피 전체는 전형적인 고체 물질 체류 시간에 대하여 약 10배 내지 약 20배로 스크린될 것이고, 이것은 스크린이 혼합액에서 재-로프화 또는 재-구형화된 섬유 물질을 포획할 수 있는 많은 기회를 제공한다.

상기 논의한 바와 같이, 섬유성 물질의 대부분은 매우 천천히 분해되거나, 또는 전혀 분해되지 않기 때문에, 만약 매우 소량의 혼합액만이 반응기로부터 블리드 오프된다면 이것은 시간이 지남에 따라 상대적으로 고농도로 축적되는 경향이 있다. 게다가, 전체 공급 스트림을 스크린하는 것은 스트림의 높은 유속 및 이에 대응하는 넓은 스크린 면적의 요구 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 바람직한 구체예에서 혼합액은 스크리닝을 위하여 반응기로부터 블리드 오프되는데, 예를 들면 약 매 12시간 이하 내지 60 시간 이상의 시간 주기, 바람직하게는 약 18, 24, 또는 30시간 내지 약 36, 42, 48, 또는 54시간의 시간 주기 동안 반응기 부피와 동등한 부피를 스크린하기에 충분한 유속으로 500㎛를 통하게 된다.

이러한 방식으로 작동은, 생물학적 분해성 고체 물질의 과도한 제거 없이, 섬유 농도를 반응기에서 용인할 수준으로 유지한다. 약 3시간의 전형적인 반응기 체재 시간을 가정하면, 스크린은 대응하는 공급 스트림을 위한 스크린의 약 5%이하 내지 약 15%이상, 바람직하게는 6, 7, 8, 9 또는 10% 내지 약 11, 12, 13, 또는 14%일 필요만 있을 뿐이며, 재순환 스트림의 스크린보다 작을 필요가 있을 뿐이다. 어떤 구체예에서는 스크리닝을 위하여 계속적으로 혼합액을 블리드 오프하는 것이 바람직할 수 있지만, 어떤 구체예에서는 간헐적으로 혼합액을 블리드 오프하는 것이 바람직할 수 있다. 간헐적인 작동이 바람직하다면, 스크린은 증가되는 유량을 다룰 수 있도록 크기가 정해진다. 만약 혼합액이 50%의 시간 동안 블리드 오프된다면, 2 배 높은 유속이, 연속 블리드 오프와 같은 시간 주기에서 유속 반응기 부피와 같은 부피의 여과를 달성할 수 있을 것이다. 스크린은 두 배로 넓은 면적을 갖도록 커져, 증가된 유량을 다룰 수 있다. 다른 구체예에서 복수의 혼합액 스트림을 스크린하기 위하여 복수의 스크린을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 유사하게, 혼합액 스트림은 시간의 50%동안 제 1 스크린을 통과하여 지날 수 있고, 스트림은 다음 나머지 50%의 시간 동안 제 2 스크린을 거쳐 전환될 수 있다. 이렇게 스크린 사이에서 교차하는 방식에 의해, 혼합액의 연속적인 블리드 오프를 유지하면서도 보수될 수 있는 오프라인-스크린이 가능하다.

습식 싸이클론

여과된 혼합액은 서지 탱크에 저장되고, 저장된 처리 유체의 일부는 습식 싸이클론으로 보내져 비활성 물질이 제거된다. 어떤 구체예에서, 여과된 혼합액을 서지 탱크에 먼저 저장하지 않고 직접 습식 싸이클론으로 보내는 것이 바람직 할 수 있다; 하지만 일반적으로 하나 이상의 서지 탱크를 사용하는 것이 바람직하다. 탱크는 당업자에 의하여 인식될 수 있는 적합한 어떠한 구성을 가질 수 있고, 적합한 어떠한 물질로도 이루어질 수 있다.

특히 바람직한 구체에에서, 이 단계 어셈블리가 사용되며, 제 1 단계에서는 습식 싸이클론을 통하여 생물성 고체물질과 크기가 비슷하나 다른 비중을 가지는 물질을 제거하고; 제 2 단계에서는 보조 스크리닝을 통하여, 크기가 큰 물체(예를 들면 종래의 스크린에 의하여 제거되는 것들과 같은)부터 차수가 약 250 내지 약 350㎛인 훨씬 더 작은 입자까지의 범위에서, 고체 물질이 스크리닝 된다. 재순환 루프의 연속하는 성질에 기인하여, 배출되는 오니가 습식 싸이클론 및/또는 임의의 스크린을 만나는 그 순서는 중요하지 않으며, 이들 구성요소 또는 다른 구성요소는 적합한 어떠한 배열에 의하여 배치될 수 있는데, 예를 들면:

MBR→스크린→오프라인 처리조

MBR→습식 싸이클론→오프라인 처리조

MBR→스크린→습식 싸이클론→오프라인 처리조

MBR→습식 싸이클론→스크린→오프라인 처리조

MBR→스크린→습식 싸이클론→보조 스크린→오프라인 처리조

MBR→스크린→보조 스크린→습식 싸이클론→오프라인 처리조

MBR→습식 싸이클론→스크린→보조 스크린→오프라인 처리조, 또는

MBR→ 습식 싸이클론→보조 스크린→스크린→오프라인 처리조.

당업자에 의하여 인식되는 다른 구성도 사용될 수 있다. 폐수 처리 설비에서 전형적으로 사용되는 것과 같이 서지 탱크, 펌프, 화학 처리 장치, 및 다른 장치가, 원하다면, 적합한 어떠한 위치 또는 재순환 루프의 어떠한 위치들에 사용될 수 있다.

바람직하게는, 제 1 단계는 평행하게 연결되며, 도 2에서 나타나는 바와 같이 인용부호 80에 의해 집합적으로 표시되는, 하나 이상의 습식 싸이클론을 포함한다.(그리고 기재의 편의를 위하여 단수의 형태로 표시된다) 습식 싸이클론(80)은 생물성 고체물질과 크기가 유사하나, 다른(보통은 더 큰) 비중을 갖는 작은 무기성 고체물질을 제거하도록 구성된다. 특히, 습식 싸이클론(80)은 약 1 내지 250㎛ 크기로, 전형적으로는 1.5보다 더 큰 비중을 갖는 입자를 주로 제거할 수 있다.

습식 싸이클론은 전형적으로 입자 크기/비중 조합의 범위에 걸쳐 작동하나, 장치의 크기 및 설계에 의하여 지배되는 피크 효율을 보여준다. 바람직한 구체예에서, 이상적인 최대 효율은 입자의 크기 약 50 내지 60㎛ 및 약 2.6의 비중에서이다. 이러한 방식으로, 장치는 매우 높은 밀도의 입자를 적어도 어느 정도 포획할 것이지만, 전형적으로는 약 1.02 내지 1.05의 비중을 갖는, 원하는 생물성 고체 물질의 포획을 회피할 것이다. 습식 싸이클론(80)에 의하여 수집된 입자는 출구 라인(82)에 의하여, 폐기를 위하여 운송된다. 제 2 단계는 정적(static) 스크린을 포함한다. 바람직한 구체예에서 스크린은 개구부 크기가 1mm 이하, 바람직하게는 약 25㎛ 내지 약 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 또는 950㎛, 보다 바람직하게는 약 50, 100, 150, 또는 200㎛ 내지 약 300, 350, 400, 450, 또는 500㎛, 가장 바람직하게는 약 250㎛이다. 궁극적으로 모든 폐기물-소화성인 생물학적 물질은 보통 200㎛ 이하이므로, 이들은 스크린(86)을 통과하여, 오프라인 처리조(18)로 재도입된다. 스크린된 물질은 출구 경로(88)를 따라 폐기되기 위하여 운송된다. 이런 작은 개구부 크기를 갖는 스크린의 막힘은 일반적으로 관찰되지 않는다. 오니-기원 고체물질의 대부분은 스크린의 메쉬보다 훨씬 더 크므로, 다공을 막지 않고 스크린에 대항하여 단순히 정지되는 경향이 있다; 게다가, 큰 입자의 축적은, 만약 축적이 없다면 막힘을 초래할 수 있는 더 작은 입자를 제한하는 작용을 또한 한다.

도 2에 나타낸 스크린/습식 싸이클론 제거 공정 배열(34)은, 이것이 없다면 문제를 일으킬 수 있는 비활성 고체물질을 제거할 뿐 아니라, 생물학적 함유량에 대한 비활성 함유량의 비율의 독립적 제어를 용이하게 한다. (스크린(86)의 개구부 크기 및 습식 싸이클론(80)의 체류 성질을 변화시킴으로써) 이 비율에 영향을 주는 특성은 혼합액의 침전 성격에 대한 더 큰 제어를 가능하게 한다.

멤브레인 생물 반응기 및 오프라인 처리조를 사용하는 수처리 설비

바람직한 구체예에서, 상술한 시스템은, 특정한 유입량, 특정한 5일간의 생물학적 산소 요구량, 특정한 전체 부유 고체 물질(TSS)에 따라, 활성-오니 처리 공정 및 호기성 소화 공정을 사용하며, 폐수 처리 설비에 장착된다. 내부 재순환 루프에 따라 되돌아가는 활성 오니(RAS) 흐름은 갤론/분(gpm) 단위인 특정 유입 속도에서 유지된다.

도 2에서 나타난 바람직한 구체예에서, 하위 제거 시스템(34)는 6-인치 직경, 10^o 이며, 15psig의 압력 강하를 가지며, 병렬적으로 작동하는 두개의 싸이클론, 및 싸이클론으로부터 유출량이 유도되고 254㎛의 개구부 크기를 가지는 정적 스크린으로 구성된다. 스크린 방출물은 도관(36)을 통하여 오프라인 처리조(18)의 헤드로 되돌아가고, 경로(88)에 축적된 스크린된 물질은 평행선보다 5^o를 초과하여 기울어진 스크류 컨베이어로 떨어지는 것이 허락된다. 스크류 컨베이어는 대략 0.5gpm의 재순환 설비 방출물로써 스프레이되어, 잔류 생물성 고체물질 및 운송되는 이것의 함량은, 폐기되기 위하여 덤스터로 드레인되는 동안 제거된다. 싸이클론의 하부 흐름은 도관(82)를 통하여, 농축 및 동일 덤스터로 방출을 하기 위한 2차 싸이클론 세정기로 방출된다. 2차 싸이클론은 2-인치 직경을 통하여 재순환되는 10-갤론 저장기, 20psig의 압력 강하 및 25-30gpm 유속의 10^o싸이클론으로 구성된다. 과량의 액체는 오프라인 처리조(18)의 헤드쪽으로 도관(36)을 통하여 되돌아가며,60%-80%의 건조된 고체물질을 갖는 진한 고체물질 스트림은 폐기되기 위하여 방출된다.

과량의 생물성 고체 물질은, 특정한 하루 동안의 처리 속도를 가지는 정상적인 처리 흐름의 스크린 배출물로부터 이송된다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 특정한 농도를 갖는 흐름은, 갤론 단위로 특정한 최소 작업 부피를 갖는 오프라인 처리조로 보내진다. 오프라인 처리조(18)쪽으로의 전체 유량은 작동중 액체 용량에서 오프라인 처리조를 유지할 수 있도록 선택된다.

본 시스템의 실시는 종래의 작동과 비교하여 상당한 공정 이점을 만드는데, 이러한 이점은 BOD₅, TSS, 및 고체물질이 부유된 혼합액의 상당한 감소, 혼합 및 폭기공정을 위한 굵은 기포 블로워의 파워 요구량 감소, 감소된 폭기 요구량, 감소된 비활성 물질의 체재시간, 증가된 생물성 고체물질의 범위, 유사한 평균 세포 체재시간, 감소된 비활성 물질 범위, 감소된 멤브레인 생물 반응기의 양, 정상 상태를 유지하는 시스템으로부터 발생하는 고체물질 제거의 감소, 및 MGD 당 감소된 파워를 포함한다. 시스템은 고체 물질을 60% 이상 수준으로 농축하여, 종래의 시스템에 비하여, 순 운송 부담의 상당한 감소를 초래하며, 여기서 약 1% 내지 2%의 고체 농축이 전형적으로 관찰된다.

멤브레인 생물 반응기의 작동

바람직한 구체예의 방치 및 방법은 바람직하게는 멤브레인 생물 반응기, 특히 질소화/탈질소화 반응 멤브레인 생물 반응기와 결합하여 사용된다. 도 15는 50,000 gpd 시스템을 위한 이런 특정 반응기를 나타낸다. 이 구성은 공정으로부터 세정 메커니즘을 분리하고, 멤브레인 취급과정을 제거하며, 요구되는 펌프의 수를 감소시키고, 그리고 완전히 자동화될 수 있는 빠른 유지 보수 및 세정 방법을 허용한다. 반응기는 투과물 펌프 및 혼합액 펌프를 포함하는 미소 여과 영역을 포함한다. 반응기는 분쇄기 이송 펌프, 블로워를 가지는 호기성 영역, 및 2-3 mm 로타 스크린을 가지는 평형 영역을 더 포함한다. 호기성 영역에서, 암모니아는 질화 반응이라 불리는 두 단계 반응에서 질산염으로 변환된다. 무산소 또는 혐기성(산소가 적은 또는 없는) 영역에서, 질산염의 질소 가스로 전환이 일어나는데, 이는 탈질소화반응이라 지칭된다.

도 16은 평행하게 작동하는 멤브레인 시스템에서 정상 작동을 위한 파이프 배관을 보여준다. 도 17은 배출 상태를 보여주며, 여기서 멤브레인 유역은 혼합액 펌프를 사용하여 혼합액이 배출된다. 흡인 라인은 자동 밸브를 사용하여 스위치화될 수 있다. 흡인은 멤브레인 모듈 상에서 혼합액의 흐름을 반대로 할 수 있으며, 또는 흡인시 개방되며 제트 헤더 상에 위치한 체크 밸브가 사용되어, 멤브레인 상에서 역류를 방지할 수 있다. 도 18은 젖은 상태를 나타내며, 여기서 저장 유역으로부터 나오며, 화학적으로 처리된 물은 혼합액 펌프를 사용하여 멤브레인 제트 시스템으로 분사된다. 멤브레인은 정련, 처리되고, 처리된 물에 의하여 젖게 된다. 도 19는 멤브레인 유역의 구성에 관한 추가적인 상세도를 제공한다. 이 도면에서 나타난 것처럼, 공기는 멤브레인 모듈의 바닥부에서 호기성 반응기로부터 펌프되는 혼합액으로 분사된다. 진공이 멤브레인 모듈 바닥부 및 혼합액으로부터 발생하는 멤브레인 여과수에 가해진다. 진한 혼합액은 유역을 오버플로우 하게 되고 호기성 소화 챔버로 되돌아가다. 다음에 세정수는 배출된 후, 대기(holding) 유역으로 되돌아 가는데, 같은 과정이 또 다른 멤브레인 시스템을 위하여 반복된다. 하나의 멤브레인 시스템은 또 하나가 세정될 때 언제나 작동한다.

도 20은 멤브레인 모듈을 나타내며, 여기서 멤브레인 모듈에 인접하는 영역에서의 흐름 벡터는 이 모듈로의 공기 및 수압을 조절함으로써 조절될 수 있다. 작동 시, 공기 및 혼합액은 혼합되어, 모듈의 바닥부에서 모듈로 분사된다. 이들 및 혼합액의 유속은 독립적으로 조절될 수 있다. 섬유는 정상부 투과물 흡인 매니폴드에 고정되고, 바닥부 헤더 플레이트에서 포트되고 압탕된다. 바닥부 헤더는 공기/물 전달 튜브 상에서 수직으로 자유로이 움직인다. 바닥부의 무게는 섬유에 장력을 가한다. 이 장력은 멤브레인이 보다 작은 진폭의 진동에서 움직이고 진동하게 한다. 따라서 멤브레인은 보다 적은 에너지를 흡수할 수 있어, 공기 정련성이 개선되고, 멤브레인 수명이 연장된다. 정상부 매니폴드는 구조적 지지를 위한 수직의 공기/물 전달 튜브에 연결된다. 공기 및 물이 전달 튜브로 펌프됨에 따라, 섬유는 공기/물 전달 튜브로부터 바깥쪽으로 휜다. 공기는 상승하는 흐름을 초래하고, 수압 은 바깥쪽으로의 흐름을 초래하고, 그리고 이러한 흐름의 방향은 섬유의 장력을 유지하게 한다. 섬유가 바깥쪽으로 움직일 때, 섬유는 퍼지게 되므로, 개선된 섬유 주위에서 유체 전달의 향상, 및 트랩된 고체 물질 및 섬유의 덩어리짐을 없게 한다. 이런 접근은 섬유 이완 시의 공기의 터짐, 또는 멤브레인을 정련하고 팽창하는 역류와 같이, 잠재성 있는 세정공정의 선택사항을 제공한다.

도시 또는 상업 폐수 여과 공정에서 사용되기에 적합한 이런 시스템은 10m² 이하 내지 약 20m² 이상, 바람직하게는 11, 12, 13, 또는 14 m² 내지 15, 16, 17, 18, 또는 19 m²의 여과 멤브레인의 섬유 표면적을 갖는다. 전형적으로 멤브레인 모듈은 헤더에 조립되고, 헤더 매니 폴드와 함께 하위 헤더를 형성하고, 하위 헤더 매니폴드와 함께 시스템을 형성한다. 어셈블리는 미리-설계된 콘크리트 유역에 전형적으로 설치된다. 덜 조밀하게 충전되며 10m³미만을 함유하는 모듈에서, 바람직하게는 9, 8, 7, 6, 5 m² 이하의 섬유 표면적이, 높은 고체 물질 및/또는 높은 점도 조건에서 사용되어 섬유 주위에서 유체 전달을 개선한다. 전형적으로는, 멤브레인 시스템은 주 생물 반응기 탱크와 분리된다. 혼합액은 생물 반응기로부터 멤브레인 시스템으로 펌프되며, 별도의 유역에 함유된다. 이런 접근은 멤브레인을 주 생물 반응기와 일체화시키는 설계에 대하여 구별되는 장점을 갖는다: 생물 반응기 유역의 배열은 혼합 및 유체 전달을 위하여 최적화되고; 멤브레인은 공정으로부터 분리되므로, 세정 및 선택적 유지 보수를 위한 접근성을 향상하며; 현장 조립보다는 공장 조립이 이용될 수 있고; 비용을 낮추고 및 품질 조절을 개선하면서, 보다 작은 시스템이 작업장에서 제조되며; 별도의 생물 반응기가 설계되어, 필요하다면 평형화 단계를 수용할 수 있으며; 기존 설비에 대한 균일한 개량이 가능하고; 표준적인 설계 접근이 사용되어 비용을 절감하고, 설계 및 수행의 문제를 분리하며; 제트 폭기 공정은 혼합액의 반응기에 균일한 분배를 제공할 수 있으며, 모듈이 서로에 대하여 병렬적으로 작동할 수 있게 허용하여, 불균형적인 농도 및 잠재적이고 심각한 파울링 형성 조건을 방지하며; 생물 반응기에서 멤브레인의 위치가 유익한 상황에서는, 유역으로부터 바닥부를 제거함으로써, 같은 설계가 이용될 수 있고; 공기 및 혼합액 운송 시스템은, 기존 설비의 개량에 있어 중요한 생물 반응기와 관련된 멤브레인 박스의 위치에 있어, 탄력성을 또한 제공한다.

섬유성 물질의 제거로 멤브레인 생물 반응기를 작동하는 방법

구체예에서, 폐수 처리 시스템에서 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질 농도를 감소시기기 위한 방법이 제공되며, 방법은: 처리되는 물을 폐수 시스템으로 흘리는 단계로, 폐수 처리 시스템은 멤브레인 필터를 포함하며; 폐수 처리 시스템에서 물을 처리하고, 혼합액, 및 멤브레인에 의하여 처리된 방출류를 생성하는 단계; 폐수 처리 시스템으로부터의 혼합액의 일부를 제거하고, 혼합액을 스크린으로 통과시켜 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질을 혼합액으로부터 제거하는 단계로, 스크린을 통과하는 혼합액의 평균 유속은 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속의 1.0 이하이며; 그리고 스크린된 혼합액을 폐수 처리 시스템으로 재순환 하는 단계를 포함한다.

폐수 처리 시스템과 관련하여 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질을 감소하는 방법이 또한 제공되며, 방법은 처리되는 물을 폐수 처리 시스템으로 흐르게 하는 단계로, 폐수 처리 시스템은 멤브레인 필터를 가지며; 폐수 처리 시스템에서 물을 처리하고, 혼합액, 및 멤브레인에 의하여 처리된 방출물을 생성하는 단계; 폐수 처리 시스템에서 멤브레인 필터의 하부 스트림으로부터 혼합액의 일부를 제거하고, 혼합액을 스크린에 통과시켜 머리카락, 쓰레기, 또는 섬유성 물질을 혼합액으로부터 제거하는 단계로, 스크린을 통과하는 혼합액의 유속이 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속의 약 1.0보다 더 크며; 그리고 스크린된 혼합액을 폐수 처리 시스텝의 멤브레인 필터의 상부 스트림으로 재순환시키는 단계를 포함한다.

이러한 방법들에 있어, 멤브레인 필터는 바람직하게는 중공사 멤브레인 필터이다. 혼합액의 제 2 부분은, 폐수 처리 시스템의 상부 스트림의 부분으로서 재순환될 수 있다. 스크린된 혼합액은 재순환 혼합액 스트림과 혼합될 수 있다. 스크린에 통과되는 혼합액 일부는 재순환 혼합액 스트림으로부터 제거될 수 있다. 폐수 처리 시스템은 폐기 오니 시스템을 통하여, 멤브레인으로부터 제거된 폐기 오니를 생성할 수 있다. 혼합액을 스크린함으로써 생성되는 스크린된 물질은 추가적인 생물학적 처리로써 폐기될 수 있다. 혼합액을 스크린을로 통과시키기 전, 폴리머가 혼합액에 더해져 더 농화된 오니인 스크린된 물질을 생성할 수 있다. 어떤 구체예에서, 스크린을 통과하는 혼합액의 평균 유속은 폐수 처리 시스템의 평균 설계 유속의 약 0.10 내지 약 1.0인 것도 용인될 수 있다. 하지만, 바람직하게는 스크린을 통과하는 혼합액의 유속은 평균 설계 유속의 약 1.0 보다 더 클 수 있으며, 바람직하게는 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 이상의 유속일 수 있다. 어떤 구체에에서, 스크린의 개구부 크기는 약 1.0mm이하, 바람직하게는 약 0.25mm 내지 약 0.75mm, 가장 바람직하게는 약 0.50mm 이하이다. 스크린은 회전식 드럼 스크린일 수 있다. 스크린은 이중 스프레이기(dual sprayer) 시스템을 가질 수 있다. 혼합액은 스크린을 실질적으로 일정한 유속으로 지나갈 수 있다. 혼합액은 실질적으로 연속하며, 질질적으로 일정한 유속으로 스크린을 지나갈 수 있다.

MemJet Technology로 멤브레인 생물 반응기를 작동하는 방법

멤브레인 생물 반응기(MBR)은 폐수 처리 시장에서 점점 인기를 끌고 있다. 전통적으로 MBR은 도 21에서 나타난 것처럼 생물성 탱크에 멤브레인을 잠기게 함으로 인해 간단하고 집약된 기술로 간주된다. Kubota, Mitsubishi Rayon, 및 Zenon같은 판매자들은 이런 구성으로 그들의 생산품을 판매해왔다.

MBR 기술의 발전과 함께, 설비 크기는 점점 더 커지는 경향이 있고, 단일 프로젝트에서 더 많은 멤브레인을 요구한다. 도 21의 MBR 구성과 연관된 본질적인 어려움때문에, US filter는 MBR을 위한 별도의 멤브레인 탱크를 제안함으로써 이를 개척하였다. 도 22는 US Filter Memjet 제품을 위한 전형적인 흐름도를 보여준다. MemJet는 펌프를 사용하여 혼합액을 생물성 탱크로부터 멤브레인 탱크로 이송하여, 멤브레인 다발로 능동적으로 공급하고 분배한다. 이 설계는 멤브레인의 성능을 향상하고 통상적인 구성에서 마주치게 되는 중요한 작동 문제를 해결한다.

요즘 분리 멤브레인 탱크 구성은 일반적으로 시장에서 인정되었고, 경쟁사들은 분리 멤브레인 탱크로 MBR 공정을 설계하는 원칙을 또한 따른다. 경쟁사들 공정의 일반적 예시는 도 23에서 나타난다. 도 22 및 23의 구성에 있어 주요한 차이는 혼합액 이송 메커니즘에 있다. MemJet는 혼합액을 멤브레인 다발로 수송함으로써 능동적 이송 모드를 사용한다. 나머지 혼합액은 중력에 의하여 생물성 탱크로 되돌아 간다(도 22). 반대로, 경쟁사에 의하여 사용되는 구성에서 혼합액의 전달은 수동적 방법에 의하며(도 23), 혼합액은 중력에 의하여 멤브레인 탱크로 오버플로우하고, 수동적 농도 확산 방법을 통하여 멤브레인으로 수송된다. 펌프는 멤브레인 탱크에서 사용되어 나머지 혼합액을 생물성 탱크로 되돌려 흐르게 한다.

미국 특허 6,614,868에서, Zenon은 재순환 라인(도 3에서 점선)에서 혼합액의 일부를 부-스크리너으로 흐르게 하는 부 스크리닝 방법을 기재한다. 이 방법은 또한 미국 특허'868의 도 1-3에서 예시된다. 단일 탱크 시스템에 대하여, 미국 특허'868은 MBR로부터의 혼합액 일부를 재 스크린하고, 다음에 재스크린된 혼합액을 입구로 되돌려 보낸다(만약 MBR이면, 이것은 미국 특허'868의 도 4에서 예시된다).

미국 특허'868의 명세서 및 도면(도 1-4)으로부터, 이 특허에서 기재된 부 스크리닝 방법은 MBR에서 축적되는 쓰레기 함량을 감소하는 방법을 제공하나, 쓰레기와의 직접 접촉으로부터 멤브레인을 보호하는 데는 실패할 것임이 명백하다. 예를 들면, 만약 인간의 머리카락 또는 나뭇잎이 생물성 탱크로 들어가면, 이것들은 아마 부 스크린에 의하여 유지되기 전에 먼저 멤브레인 시스템을 통과할 것이다. 그러므로 이것들은 부 스크린에 의하여 제지되기 전에, 멤브레인에 손상(예를 들면 멤브렌인으로의 분배를 막는 것)을 초래할 것이다.

MBR 방법에서 쓰레기 또는 나뭇잎으로부터 멤브레인을 보호하는 최상의 방법은 멤브레인 시스템으로 들어가기전 전체 혼합액을 재-스크린하는 것이다. 하지만, 멤브레인 시스템으로 들어가는 혼합액의 유량은, 방출물, 멤브레인 탱크로부터 생물성 탱크로 돌아가는 혼합액, 및 오니 폐기물 유량의 합이며, 정상적으로는 설비 처리 용량보다 몇 배나 된다(보다 전형적으로는 폐수 유속의 4-5배). 그러므로, 재 스크린의 용량은 바람직하게는 설비 유량을 처리하기에 필요한 용량보다는 상당히 커야하지만, 이렇게 증가된 용량은, 혼합액에 대하여 증가된 스크린 유량에 의하여 부분적으로 상쇄될 수 있고(원 폐수에 비하여 혼합액에서 낮아진 기름 및 지장의 수준에 기인한다), 미세 스크린 대신 굵은 종래의 재-스크린이 원 폐수 스크리닝을 위하여 사용될 수 있다. 도 22의 점선은, MOS 탱크로 들어가기 이전에 모든 혼합액의 유량이 재-스크린에 도달하는 때에 이 견해를 예시한다.

재 스크리너로 혼합액의 유량을 감소시키고, 또한 제 1 사전 스크린으로부터 이탈된 사람의 머리카락, 섬유, 및 나뭇잎에 의한 간섭으로부터 멤브레인을 보호하기 위하여, 혼합액의 일부는 MOS 탱크로 도달하기 전에 재-스크린으로 돌려진다. 재-스크린을 통과하는 퍼센트는 정상적으로는 전체 혼합액 유량의 5-50%이다. 도 22는 재-스크리너가 펌프의 출구에 위치하는 것을 보여주고, 도 24는 재 스크리너가 생물성 탱크로부터 중력을 사용하여 공급물을 받는 것, 및 재-스크린된 혼합액이 펌프의 입구로 가게 되는 것을 나타낸다. 상술한 바와 같이 혼합액의 완전 재-스크린과 동등하지는 않지만, MOS 탱크 이전에 혼합액을 부분적 재-스크린하는 것은 미국 특허'868에 기재된 방법보다 더 나은 멤브레인의 보호효과를 제공한다.

멤브레인 생물 반응기의 막힘

측류 오니 감소 방법 조합은 스크리닝 및 싸이클론 분리를 통하여 생물학적 방법을 돕는다. 하지만, MBR에서 멤브레인은 비활성 물질 또는 유기 물질의 형태로 고체 물질이 축적됨에 따라, 표면상 및 섬유의 다공에서 최종적으로 막힘이 발생한다. 이런 파울링 현상에 대한 중요한 요인 중의 하나는 EPS(세포외 폴리머성 물질)이다. 이것은 박테리아 및 미생물의 어떤 변형으로 생성되며, 멤브레인 표면을 코팅하여, 멤브레인의 투과성을 감소시킨다. EPS를 감소시키는 하나의 수단은 긴 오니 연령(SRT)이다. 더 길어진 오니 연령은 멤브레인의 파울링 현상을 상당히 감소시키고, 이 결과는 유지 비용을 감소시키며 멤브레인의 수명을 개선시키는 것으로 알려져 왔다. 이 기술들을 조합하는 이점은 미생물에 대하여 더 길어진 SRT가 발생하고, 그 결과 멤브레인 파울링 현상을 감소시켜, 전체 시스템의 성능을 개선하는 데 있다.

측류 무산소 반응기

고체 물질 감소 방법/MBR 배열에 대한 공정 흐름도를 나타내는 흐름 개략도는 도 26에 따라 제공된다. 스크리닝/싸이클론의 고체 잔류물은 이 공정 개략도에서 나타나지 않았고, 주요한 액체 흐름만이 나타난다. 측류 반응기로의 유량은 설비 유량의 작은 부분이다. 이 흐름은 종래의 활성 오니 방법에서의 WAS와 유사한다. 이 스트림은 멤브레인 작동 시스템(MOS)의 재순환 흐름으로부터 올 수 있거나, MOS 이전에 폭기 탱크의 방출물로부터 올 수 있다. MOS 재순환이 일반적으로 선호되며, 고체 물질의 함량은 폭기 탱크의 MLSS보다 약간 더 높은데 이는 MOS의 탈수 효과에 기인한다. 하지만, 어떤 경우에서는 "사전-MOS" 활성 오니 방출물을 공급하는 것이 선호될 수 있는데, 이 스트림에서 용해된 산소 함량은 더 낮을 것이고, 측류 반응기가 원하는 무산소 조건에 보다 더 적합할 수 있기 때문이다.

고체 물질 감소 시스템과 일체화된 멤브레인 생물 반응기

바람직한 구체예에서, 멤브레인 생물 반응기는 고체 물질 감소 시스템과 일체화되어, 처리된 물의 예외적인 품질 및 80%를 초과하는 전체 고체물질 감소를 포함하는 다양한 이점을 가져오는, 발전된 처리 방법을 제공한다. 이런 시스템은 도 27에서 나타난다. 도 28에서 나타난 것과 같은 방법은 매우 작은 발자국 지수를 가지는 고 유량 시스템을 제공하고, 오니 생성 및 취급을 최소화한다. 일체화된 방법은 멤브레인 생물 반응기의 잠긴 멤브레인 시스템을 위한 가장 좋은 작동 환경을 제공하는데, 감소된 유지 보수 작업, 작업자 안전의 향상, 및 최적화된 전체 성능 때문이다.

적당한 사전 스크리닝은 대부분의 잠긴 멤브레인 생물 반응기 응용에 있어 중요한 요소이다. 스크리닝의 목적은 멤브레인 섬유의 완전한 상태를 보호하는 것이 아니라 섬유 다발에서 섬유성 물질이 엉키는 현상의 빈도를 감소시키는 것에 있다. 멤브레인 모듈에서 섬유성 물질의 축적은 궁극적으로 모듈의 성능을 감소시킬 수 있고, 세척 및 유지 보수에 보다 더 많은 시간을 소모하게 한다. 2mm구멍의 스크린은 섬유를 제거하는데 매우 효과적이고, 멤브레인 생물 반응기 공정으로 들어가기 전에 유입물에 대한 적당한 사전 처리를 제공할 있다. 스크린된 물질은 바람직하게는 호퍼에서 수집되어 제거된다. 스크린은 바람직하게는 2mm 구멍의 플레이트 시스템으로 설계되고 제작된다.

필요하다면 유입수 평형화 및 무산소성 폭기 유역이 시스템과 결합될 수 있으며, 12,000mg/l 이상의 혼합액 부피에서 작동할 수 있다.

멤브레인 생물 반응기 시스템의 핵심인 MOS는 바람직하게는 하나 이상의 필수적 멤브레인-작동 탱크를 가진 어셈블리이다. MOS는 호기성 방법의 필수적 부분이지만, 전형적으로 별도의 유역으로 설계되어 멤브레인의 작업 환경을 최적화한다. 미소-여과 멤브레인은 바람직하게는 하나 이상의 동일한 처리 탱크에 위치된다. 멤브레인 모듈에 낮은 진공을 가하여, 멤브레인을 통하여 물을 빨아들이고, 여과된 물을 다음 공정 단계로 펌프한다. 혼합액은 바람직하게는 공기에 의하여 각 멤브레인 모듈의 섬유 번들에 계속적으로 또는 간헐적으로 분사된다. 그 결과 멤브레인 섬유를 가로지르는 교차류는 멤브레인의 표면을 정련하고 세정한다. 고체 물질, 유기물, 미생물, 박테리아 및 바이러스는 멤브레인을 통과할 수 없으므로 혼합액에 잔류하게 되고, 공정 및 시간 경과에 따라 궁극적으로 모두 파괴된다.

멤브레인 시스템은 주 공정 탱크로부터 쉽게 분리되고, 이는 현장-세정(Clean in Place, CIP)이 실행되어 멤브레인 투과성을 회복하는 때에, 멤브레인 유역이 세정 유역으로 사용되는 것을 허용한다. 그 결과 멤브레인에 대한 세정 및 작업은 생물학적 성능을 약화시키지 않는다. MOS는 독립적인 작동 시스템으로 설계되어, 낮은 유량의 주기 동안에 멤브레인 세정이 시스템의 전체 성능을 최적화하도록 예정한다. 멤브레인 세정의 유지 보수 및 멤브레인의 화학적 세정을 위한, 처리된 물을 저장하기 위하여 분리 탱크가 제공된다.

생물학적으로 활성인 혼합액은 생물학적 반응기로부터 MOS로 펌프되고, 액체/고체물질의 분리가 MOS 설계의 필수 부분으로 사용되는 제트 시스템에 의하여 달성된다. 제트 시스템은 몇 가지 기능을 가질 수 있다. 예를 들면, 혼합액이 멤브레인 표면에 따라 위로 흐름 때, 공기 및 모듈의 바닥부에서 도입되는 혼합액 조합이 멤브레인 상에 스크러빙 작용을 제공할 수 있다. 멤브레인 표면상에서 균일한 유체 흐름은 부유 고체 물질의 분극화 또는 농화를 방지한다. 혼합액 및 공기가 모듈의 바닥부에서 혼합되는 곳에는 작은 배압이 또한 있게 된다. 이것은 전체 멤브레인 유역에 걸쳐, 혼합액 및 공기의 균일한 분포 제공을 돕는다. 이 상(공기 및 혼합액) 시스템을 생성하는 것은, 폭기된 표면이 모듈의 바닥부에서 젖은 상태로 유지하게 함으로써 모듈의 성능을 개선하고, 표면상의 고체물질이 탈수되는 것을 방지한다. 이것은 궁극적으로 모든 모듈 및 MOS 모듈의 전체 배열에 걸쳐 폭기를 균일하게 유지하게 한다.

멤브레인 정련은 각 모듈의 바닥부에서 공기 상승을 발생시킴으로써 달성된다. 공기 기포가 상승할 때, 멤브레인 표면에 따라 위로 향하는 액체 교차류를 발생시킨다. 정상적인 작동 중, 공기 상승은 멤브레인 탱크의 바닥부에서 액체를 대체한다. 제트 시스템의 이점은 MOS의 바닥부에서 대체된 액체를 보충하고, 아래로 흐르는 액체형태를 최소화하는 점에 있다. 재순환 혼합액이 MOS의 정상부로 들어가는 것을 허용하는 시스템은 균일한 분포 및 효율적인 유체의 교차류를 달성하지 못할 수 있으며, 멤브레인 모듈에서 고체 물질의 임의의 분극화를 초래한다.

제트 시스템은 바닥부에서부터 탱크의 정상부까지 균일한 액체 분포를 제공한다. 도 29A에서 나타난 것처럼, 모든 멤브레인은 동일한 혼합액 환경에 노출되고, 그 성능은 일정하다. 도 29B에서 나타난 것처럼, 비-균일성 환경에서 멤브레인은 농도 구배를 받게 되고, 이는 불안정한 성능을 초래한다. 이것은 정상적 작동 및 세정 효율 둘 다에 대하여 부정적인 효과를 낳게 된다.

이 시스템 설계는 멤브레인을 현장에서 세정하는 것을 허용한다. 멤브레인은 작동 탱크로부터 제거될 필요가 없으며, 연장된 침지 및 세정공정을 위한 별도의 탱크에 배치될 필요가 없다. 제트 시스템 및 좁은 섬유 다발을 갖는 모듈 설계는 현장에서 멤브레인 시스템을 세정하기에 매우 효율적인 시스템을 제공한다. 이 공정은 안전하고, 작업자 친화적이고, 그리고 멤브레인을 세정하는 데 필요한 시간을 상당히 감소시킨다. 종래의 세정 방법은 분리된 침지 탱크를 전형적으로 사용하며, 여기서 침지는 각 멤브레인 랙 마다 약 24시간 동안 실행된다. 이와 달리, 바람직한 구체예의 시스템은, 세정용 화학물질이 섬유 다발로 순환하는 것을 허용하여, 섬유의 유기 및 무기 파울링 물질을 제거한다. 현장 세정 방법과 함께, 전체 MOS에서 모든 모듈은 4 내지 6 시간 미만으로 자동화 공정에 의하여 세정될 수 있다. 동시에, 모든 멤브레인을 세정하는 방법의 또 다른 이점은 멤브레인이 동일한 작동압 및 동일 플럭스에서 작동할 것이라는 것에 있다. 이것은 균일하고 예측가능한 파울링 현상을 발생시키므로, 멤브레인 생물 반응기 작동에 대하여 작업자는 보다 나은 제어가 가능하다.

바람직한 구체예에서, 랙 설계는 MOS 액체면 위로 투과물의 분리를 허용한다. 분리 밸브는 개별 랙으로 향하는 투과물 라인 및 공기 라인 상 둘 다에 구비될 수 있다. 추가적으로, 비어있는 랙 삽입부가 구비됨으로써, 연장된 시간 주기 동안 시스템이 작동상태에 있을 때, 전체 랙이 제거될 수 있다.

유기 물질, 박테리아, 및 바이러스는 멤브레인 시스템에 의하여 배제되어, 생물학적 공정에서 유지된다. 멤브레인 여과는 정화기, 보, 오니 복귀 공정, 및 수동적인 정화 공정에 정상적으로 결합된 유지 보수 과정에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 하지만, 어떤 구체예에서, 수동적 정화 공정에 전형적으로 사용되는 구성요소를 시스템에 결합하는 것이 바람직할 수 있다. 고체물질 부유 혼합액의 보다 높은 수준에서 생물학적 시스템은 또한 작동될 수 있다. 이것은 실질적으로 더 적은 오니 생성과 함께, 영양 대 미생물의 낮은 비율에서 작동하는 더 효율적인 생물학적 공정을 보장한다.

유지 보수 및 정화기와 연관된 공정 조절의 대부분이 멤브레인 여과 공정에서 제거되기 때문에, 처리 공정의 작동은 쉽게 자동화될 수 있고, 마이크로프로세서로 제어될 수 있다. 고체 물질의 감소 공정은 멤브레인 생물 반응기 처리 방법에 의하여 생성되는 오니의 양을 상당히 감소시킬 수 있다. 이 시스템을 사용하는 설비는 오니 부피를 80% 이상까지의 감소시킬 수 있고, 크게 감소된 자본 및 운전 비용이라는 이점을 거둘 수 있다.

바람직한 고체 물질 감소 공정은 도 30에서 나타난다. 고체 물질의 상호 교환 방법을 사용하여, 이 공정은 활성 오니 처리 설비로부터 제거되거나 운반된 생물성 폐기 오니를 제거한다. 이것은 호기성 활성 오니 공정 및 특별하게 제어되는 측류 생물성 반응기간의 상호 교환의 재순환을 통하여 이루어진다. 상호교환의 유속은, 특정 용도에 특유하는 다양한 요인을 기준으로 선택되고, 유속의 적당한 선택은 시스템의 성공적인 작동을 보장한다. 상호교환 생물 반응기에서, 혼합액은 호기성이 지배적인 집단에서 비-호기성이 지배적인 집단으로 전환된다. 상호교환의 생물 반응기에서 제한된 산소에 따라, 호기성 박테리아는 선택적으로 파괴되지만, 호기성 박테리아를 파괴할 수 있는 더 낮은 수율의 통성 박테리아는 잔류하고, 부산물로 남게된다. 폭기 공정으로 되돌아가는 상호 교환 재순환과 함께, 통성 박테리아는 더 낮은 증식률에 의하여 호기성 공정에서 파괴된다. 바람직한 구성의 슬러리 복귀 라인 상에서 스크린 및 싸이클론의 사용은, 쓰레기, 자갈, 및 비활성 물질의 축적을 방지하는 고체 물질 분리 모듈을 보완한다. 자갈 및 다른 비활성 물질은 MOS로부터의 혼합액 복귀 라인 상에서 고체물질 분리 모듈의 사용을 통하여 제거될 수 있다. 이 모듈은 0.25mm 드럼 스크린으로 구성되며, 스크린은, 설비의 전진 흐름(Q')의 한(1) 배의 속도인 측류에서 혼합액을 연속적으로 스크린한다. 혼합액의 복귀 흐름(3Q)의 일부는 서지 탱크로의 미세 스크린을 통하여 이 모듈(1Q)로 펌프되고, 주 처리 공정으로 돌아가게 향한다. 서지 탱크는 측류 싸이클론 분리기를 가지며, 혼합액은 이를 통하여 연속적으로 펌프됨으로써, 매우 미세한 비활성 물질을 제거한다. 주기적으로, 서지 탱크로부터의 흐름(Q'')의 일부는 선택 및 파괴 공정을 위한 측류 생물 반응기쪽으로 변환된다.

바람직하게는, 생물 반응기로부터의 혼합액은, 전형적인 소화조에서 전형적으로 발생하는 것처럼, 바람직하게는 설비로부터 "폐기"되지 않는다. 혼합액은 바람직하게는 상호교환 탱크로부터 주 처리 공정으로 되돌아 재순환되는데, 상호 교환 탱크에서 통성 박테리아는 차례로 호기성 박테리아에 경쟁할 수 없게 되고, 이로써 호기성 처리 공정 및 측류 생물 반응기가 교차되는 환경에서 후속하여 파괴된다. 선택 및 파괴 간의 정상-상태 균형은, 상호교환 탱크에서의 측류 생물학적 공정 및 주 처리 공정 사이에서 발전하여, 생물성 고체물질의 총량이 발생하지 않는다.

종종 퍼지가 사용되어, 고체물질 분리 모듈을 통하여 제거되지 않는 미세물질 및 비활성 물질을 제거할 수 있다. 생물성 고체물질의 50% 이하 내지 100% 이상의 퍼지가 바람직하게 1 년의 시간 주기에 걸쳐 달성된다. 이런 폐기량은 0.05 내지 0.10 lbs. TSS/lbs. BOD.인 생물학적 수율과 동등하다. 고체 물질 취급 시스템을 현재 작동하는 기존 설비에 대하여, 연간 퍼지되는 고체물질의 바람직한 양은, 기존의 농화 또는 탈수 장치를 활용하기 위하여, 매달 증분하여 제거될 수 있다. 이 공정을 사용하며 고체물질 취급 시스템이 없는 새로운 설비에 대하여, 연간 퍼지되는 고체물질의 양은 바람직하게 매년 1회 내지 2회 이상으로 폐기될 수 있다.

제어 시스템이 사용되어 부하 상태와는 상관없이 시스템을 최적의 성능로 유지할 수 있다. 부하량 및 체류량이 변함에 따라, 상호 교환성 생물 반응기에서 폭기 및 혼합과정을 조절하여, ORP 및 pH 탐침이 탱크 안의 반응기 환경을 모니터링할 수 있는 가능한 최상의 성능을 달성할 수 있다. 자동화된 모니터링과 상호 교환율의 제어 및 상호 교환 환경은, 생물성 고체물질 감소를 위한 최적의 조건을 달성할 수 있다.

바람직한 구체예의 폐수 처리 시스템은 극소의 오니 생성을 가져야하는 예외적인 수질을 신뢰성 있게 제공할 수 있다. 제트-침지형 멤브레인 기술을 고체 물질 감소 공정에 일체화하는 것은 또한 두 방법 간의 시너지 효과를 발생시킨다. 고체 물질 감소 공정의 일부인 혼합액의 연속적 미세 스크리닝은, 침지된 멤브레인 시스템을 위한 최적의 환경을 발생시킨다. 쓰레기 및 미세 비활성 물질을 제거하는 것은 혼합액의 여과성을 개선하고, 멤브레인의 투과성을 개선한다. 최적화된 작동 조건은 또한 멤브레인의 유지 보수 작업을 감소시키고, 전체 에너지 및 화학물질 사용량을 낮추며, 멤브레인의 수명을 향상시킨다. 본 명세서에서 기재된 것과 같이 제트 탐지형 멤브레인 기술을 고체물질 감소 방법과 함께 사용하는 전형적인 시스템은 하나 이상의 하기 이점을 달성할 수 있다: 양질의 방출수; BOD < 5mg/l; TSS < 5 mg/l; 탁도 < 0.2 NTU; 낮은 고체물질의 생성; 생성되는 고체 물질의 80% 감소; 미소 여과에 의한 미생물에 대한 물리적 장벽의 제공; 12,000mg/l에서 연속적 작동이 가능하며, 높은 속도 및 내성을 가지는 생물학적 공정의 제공; 매우 작은 설비의 전체 발자국 지수; 더 작은 폭기 부피; 정화기에 대한 요구의 제거; 기존의 2차 처리 방법을, 발전된 생물학적 영양 제거(BNR) 공정으로 개량하고, 더 높은 공정 유량(예를 들면 2Q 또는 그 이상)을 갖도록 개량; 상당한 탈질소 반응을 통하여 엄격한 질소 제한량을 달성; 오니 농화 및 탈수 장치, 저장 및 대기 탱크, 호기성 및 혐기성 소화조, 및 폴리머 공급 장치와 연관된 어떠한 비용도 제거함으로써 자본 비용을 40%이하까지 절감; 오니 대기, 소화, 또는 탈수 공정의 전력 요구량을 제거 또는 감소함으로써, 그리고 오니 운반 및 폐기 비용을 감소함으로써(다만 자갈 쓰레기 및 비활성 물질만이 제거된다) 운전 비용의 절감; 및 예민한 질소화 박테리아의 유지를 통한, 안정한 질화 공정 수행의 제공이다.

본 명세서에서 인용된 모든 참조 문헌 전체는 본 명세서에서 참조자료로 포함되며, 본 명세서의 일부가 된다. 인용예에 따른 공개 문헌 및 특허문헌 또는 특허 출원서가 본 명세서에 기재된 내용과 상충하는 정도까지, 본 명세서는 이런 상충되는 어떤한 내용에 대하여서도 우월 및/또는 우선하도록 의도된다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"이라는 용어는 "포함하는""함유하는" 또는 "...에 의하여 특징되는"이라는 용어와 동의어이며, 포함적 또는 오픈-엔드형으로, 인용되지 않는 추가적인 구성요소나 방법 단계를 제외하지 않는다.

성분, 반응 조건, 및 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 기타 모든 숫자들은 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의하여 변형되는 것으로 이해된다. 따라서, 그와 반대로 지시되지 않는 한, 명세서에서 제시되며 청구항에 부착된 수치적 매개 변수는 개략적인 것으로, 본 발명으로 얻고자 하는 요구 특성에 따라 달라진다. 청구 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도가 아닌 것으로서, 적어도 수치적 매개 변수 각각은 중요한 십진법 및 일반적인 반올림 접근법에 따른 관점으로 해석된다.

상기 기재는 본 발명의 몇 가지 방법 및 물질을 개시한다. 본 발명은 방법 및 물질에 있어 변형이 가능할 뿐만 아니라, 제조 방법 및 장치에 있어서도 변경이 가능하다. 본 명세서에서 개시된 본 발명의 이러한 기재 또는 실시를 당업자가 고려함으로써, 이런 변형은 명백히 질 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 개시된 특정한 구체예에 한정되지 않으며, 오히려 다음의 청구 범위에서 구체화된 본 발명의 본질적인 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 변형 및 변경을 포함한다.

Claims (10)

1. 고체 물질을 함유하는 액체를 여과하기 위한 장치에 있어서, 장치는:

   적어도 하나의 멤브레인 모듈을 포함하는 멤브레인 생물 반응기로서, 멤브레인 모듈은 복수의 다공성 멤브레인을 포함하며, 여기에서 멤브레인 모듈은 작동시 활성 오니를 포함하는 기질이 멤브레인의 외부 표면과 접촉하고, 처리된 물이 멤브레인의 루멘으로부터 제거되도록 구성된 멤브레인 생물 반응기; 및

   처리 유체가 소화되는 혐기성 환경에서 작동하도록 구성된 생물학적 오니 처리조로서, 소화된 처리 유체의 적어도 일부는 멤브레인 생물 반응기로 이송되며, 멤브레인 생물 반응기에서 기질 중 적어도 일부는 생물학적 오니 처리조로 이송되는 생물학적 오니 처리조를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 멤브레인 생물 반응기 및 생물학적 오니 처리조 사이에 위치되는 스크린을 더 포함하며, 여기서 스크린은 멤브레인 생물 반응기로부터의 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2항에 있어서, 스크린은, 평균크기가 가장 긴 치수에서 약 200㎛ 내지 약 300㎛인 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1항에 있어서, 멤브레인 생물 반응기 및 생물학적 오니 처리조 사이에 위 치되며, 멤브레인 생물 반응기로부터의 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된 습식 싸이클론을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 2항에 있어서, 스크린과 생물학적 오니 처리조 사이에 위치되며, 멤브레인 생물 반응기로부터의 유출물에서 비활성 물질을 제거하도록 구성된 습식 싸이클론을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 멤브레인 생물 반응기로부터의 유출물을 받도록 구성된 서지 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 평균 크기가 가장 긴 치수에서 약 6mm내지 약 25mm인 개구부를 갖는 보조 스크린을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 소화될 수 있는 폐기물을 포함하는 유입 스트림을 처리하기 위한 방법으로서, 방법은:

   멤브레인 생물 반응기에서 혼합액을 여과하는 단계로서, 혼합액은 복수의 다공성 중공사 멤브레인의 외부 표면에 접촉하고, 투과물은 멤브레인의 루멘으로부터 제거되는 단계;

   생물성 고체물질을 함유하는 기질을 재순환 루프를 통하여 오프라인 처리조로 재순환함으로써, 멤브레인 생물 반응기로부터 생물성 고체물질을 제거하는 단계 로서, 이로써 생물성 고체물질의 미리 선택된 농도가 멤브레인 생물 반응기 내에서 유지되는 단계;

   오프라인 처리조에서 생물성 고체물질을 소화하는 단계; 및

   오프라인 처리조에서 멤브레인 생물 반응기로 방출 스트림을 유도하며, 여기서 방출 스트림은 혼합액의 적어도 일부를 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 8항에 있어서, 생물성 고체물질을 제거하는 단계는 생물성 고체물질을 함유하는 기질을 습식 싸이클론으로 통과시켜, 비활성 고체물질를 제거하는 단계를 더 포함하며, 여기서 습식 싸이클론은 재순환 루프의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 8항에 있어서, 생물성 고체물질을 제거하는 단계는 생물성 고체물질을 함유하는 기질을 스크린으로 통과시켜, 비활성 고체물질을 제거하는 단계를 더 포함

    하며, 여기서 스크린은 재순환 루프의 일부인 것을 특징으로 방법.

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