KR20110031311A

KR20110031311A - 물을 처리하고 멤브레인 필터링 시스템을 이용하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20110031311A
Application number: KR20117000519A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 브록만; 헤리베르트 모에스랑; 디트마르 슈누엘; 홍 자오; 다비드 타우레; 피에르 지로데트
Original assignee: 오떼베 에스아
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2011-03-25
Also published as: JP2011522700A; AU2009257752A1; US20090301963A1; US7695624B2; ZA201008913B; CN102123781A; WO2009152029A1; CA2727096A1; EP2293865A1; EP2293865A4

Abstract

생물학적으로 처리되는 폐수는 혼합 액체로서 처리 탱크로부터 여과 탱크의 실질적인 전체 단면적에 걸쳐 신장되는 적어도 하나의 잠수된 멤브레인 모듈을 갖는 하류의 여과 탱크의 하부로 지향된다. 혼합된 액체는 여과 탱크의 하부로부터 상향하여 멤브레인 모듈로 지향시킴으로써 여과 탱크의 하부에서 수용된 혼합 액체의 실질적으로 전부가 멤브레인 모듈을 통해 흐르도록 함으로서 투과액 스트림을 생산한다. 멤브레인 모듈로부터의 나머지 혼합된 액체는 처리 탱크로 재순환된다. 일단 처리 탱크 내의 혼합 액체가 멤브레인 모듈을 통해 하나의 경로를 행하면, 혼합 액체는 처리 탱크로 다시 재순환되어 일반적으로 처리 탱크로의 제 1 복귀 없이 멤브레인 모듈을 통하여 다시 재순환되지 않도록 한다.

Description

물을 처리하고 멤브레인 필터링 시스템을 이용하는 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TREATING WATER AND UTILIZING A MEMBRANE FILTERING SYSTEM}

본 발명은 폐수 처리에 관한 것으로서, 특히, 멤브레인 여과법(membrane filtration)을 이용하는 폐수 처리 프로세스에 관한 것이다.

최근 수년에, 멤브레인 바이오반응기(bioreactor)들이 폐수를 처리하는데 인기를 얻어왔다. 멤브레인 바이오반응기들은 생물학적 처리 프로세스를 멤브레인 여과법과 결합하여 일반적으로 고도 레벨의 유기 및 부유 고형물질(suspended solid)들의 처리(removal)를 제공한다. 이 시스템들은 전형적으로 고도 레벨의 영양염류(nutrient) 처리를 제공한다. 그와 같은 멤브레인들은 전형적으로 범위가 약 0.035 미크론 내지 0.4 미크론의 기공(porosity)들을 갖는다. 이 레벨의 여과법은 멤브레인들을 통해 운반되는 고품질의 유출액을 제공하고 일반적으로 폐수 처리에 전형적으로 사용되는 침전 및 여과 프로세스들을 제거한다. 침전의 필요성이 제거되기 때문에, 생물학적 프로세스는 훨씬 더 고도로 혼합 액체 고형물질(Mixed Liquor Suspended Solid) 농도들에서 동작할 수 있다. 이는 폐수 처리를 수행하는데 필요한 탱크의 크기를 감소시킬 수 있다.

하나의 유형의 시스템은 적어도 하나의 생물학적 반응기 및 여과기로부터 하류 배치되는 멤브레인 여과 탱크를 포함한다. 멤브레인 모듈(module) 또는 카세트(cassette)는 전형적으로 여과 탱크 내에 잠수되어 있다. 혼합된 액체는 반응기로부터 하류의 여과 탱크로 운반된다. 멤브레인 모듈 또는 카세트는 전형적으로 잠수되어 있는 개별 멤브레인 필터들의 어레이를 포함한다. 혼합된 액체는 개별 멤브레인 필터들 사이의 개방된 공간으로 유입되어, 결과적으로 혼합 액체가 필터링되어 투과액(permeate)을 생산한다. 투과액은 펌프(pump)되거나 중력에 의해 개별 멤브레인 필터들 및 여과 탱크로부터 흐른다.

전형적으로 여과 탱크는 멤브레인 모듈들 또는 카세트들의 크기에 비해 상대적으로 크다. 이는 멤브레인 모듈 또는 카세트가 여과 탱크 내에 배치될 때 그것이 혼합 액체 또는 비투과된 혼합 액체에 의해 에워싸여지는 것을 의미한다. 용어 "비 투과된 혼합 액체"는 여과 탱크 내의 멤브레인 모듈 또는 모듈들을 통과한 여과 탱크 내의 혼합 액체를 의미한다. 실제로, 여과 탱크 내의 비투과된 혼합 액체는 멤브레인 또는 카세트를 통해 다수회 재순환되는 경향이 있다. 즉, 혼합 액체 또는 비투과된 혼합 액체는 멤브레인 모듈을 통해 상향하여 이동하는 경향이 있어서 상기 모듈의 상부를 탈출한 후에 모듈의 외부로 하향하여 회귀하고나서, 다시 멤브레인 모듈을 통해 상향하여 유입된다.

전형적으로, 에어 디퓨저(air diffuser)는 멤브레인 모듈 또는 카세트 사이에 배치된다. 에어 디퓨저는 비투과된 혼합 액체를 멤브레인 모듈을 통해 상향하는데 가속하는 경향이 있다. 확산되는 에어에 의해 발생되는 이 에어 버블(bubble)은 멤브레인 모듈 또는 카세트 내의 에어-상승 효과(air-lift effect)를 발생시킨다. 에어 버블들은, 멤브레인 모듈을 탈출한 후에, 여과 탱크 내의 물 표면의 방향으로 상승하여 이동하는 경향이 있고 반면에 비투과된 혼합 액체는 회전하여 반대 방향으로 하향하여 이동하는 경향이 있다. 비투과된 혼합 액체는 현재 주로 멤브레인 모듈의 외부에서 여과 탱크의 하부로 하향하여 흐른다. 어떤 경우들에서, 비투과된 혼합 액체는 멤브레인의 상부를 탈출할 때 상대적으로 빠른 속도를 갖는다. 모듈의 상부를 탈출하는 물의 속도가 상대적으로 빠를 때, 비투과된 혼합 액체는 에어 버블을 계속 지니는 경향이 있어서 여과 탱크 내의 물표면의 상부로 이동하도록 에어 버블들을 방출하지 않는다. 포획된 에어 버블들은 비투과된 혼합 액체를 아래로 흐르게 하는 복도를 감소시키고, 그렇게 함으로써 멤브레인 모듈을 통하여 상향하여 흐르는 혼합 액체의 체적이 제한된다. 이는 멤브레인 모듈을 통과하는 혼합 액체의 난류(turbulence)를 감소시키고 최종적으로 여과의 효율을 감소시키는 경향이 있다. 전형적으로 비투과된 혼합 액체의 일부는 처리 탱크로부터 나오고 있고 다른 부분은 처리 탱크로 다시 흐르고 있다. 이는 여과 탱크에서 혼합 액체 혼합 액체 고형물질의 증가를 제한한다.

더욱이, 이 유형들의 멤브레인 여과 시스템들에서, 여과 탱크의 영향 범위(footprint)가 멤브레인 모듈 또는 카세트의 영향 범위보다 실질적으로 더 크다는 것이 확인된다. 물론, 이는 자본 비용 및 다른 프로세스 관련 비용들을 증가시킬 수 있다.

폐수 유입(wastewater influent)이 처리 탱크로 지향되어 처리되는 폐수를 처리하는 방법이 제공된다. 상기 처리 탱크로부터 혼합 액체는 내부에 배치된 적어도 하나의 멤브레인 모듈을 갖는 여과 탱크로 지향된다. 상기 여과 탱크는 둘러싸는 벽 구조를 포함하고, 상기 멤브레인 모듈 및 상기 여과 탱크는 상기 여과 탱크를 통과하는 실질적으로 모든 혼합 액체가 강제로 상기 멤브레인 모듈을 통과하여 이동하거나 상기 멤브레인 모듈 내로 이동하도록 상대적으로 크기가 정해진다. 상기 멤브레인 모듈로 통과하는 혼합 액체는 상기 멤브레인 모듈을 포함하는 멤브레인 필터들의 어레이(array)에 의해 여과되어 투과 스트림(permeate stream)을 형성한다. 상기 혼합 액체의 나머지 부분은 상기 멤브레인 모듈로부터 통과되어 상기 처리 탱크로 다시 재순환된다. 상기 여과 탱크의 상기 둘러싸는 벽 구조에 대한 상기 멤프레인 모듈의 간격은 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체 자체의 실질적은 재순환을 방지한다.

본 발명의 다른 목적들 및 장점들은 다음의 설명 및 첨부 도면들(이들은 단지 그와 같은 발명의 예시이다)을 연구함으로써 명백하고 명확해질 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 여과의 효율이 증가하여 자본 비용 및 다른 프로세스 관련 비용들을 감소시킨다.

도 1은 멤브레인 바이오반응기의 개략적인 도면.
도 2는 도 1에 도시된 여과 탱크 및 멤브레인 모듈의 상부 평면도.
도 3은 여과 탱크가 복수의 스택(stack)된 멤브레인 모듈들을 포함하는 대안의 멤브레인 바이오반응기.
도 4는 일련의 여과 탱크들을 갖는 대안의 멤브레인 바이오반응기를 도시한 간소화된 개략도.
도 5는 여과 탱크 내에 배치되는 다수의 멤브레인 모듈들을 갖는 다른 대안의 멤브레인 바이오반응기를 도시한 개략도.
도 6은 멤브레인 바이오반응기의 여과 탱크에 배치되는 중동 섬유 유형(hollow fiber type)의 개략도.

도면들을 더 참조하면, 폐수처리 시스템이 도면들에 도시되고 일반적으로 번호 10으로 표시된다. 본원에서 도시된 실시예에서, 폐수 처리 시스템은 멤브레인 바이오반응기이고 다양한 유형들의 물 및 폐수를 처리하는데 사용된다. 명세서의 후속 부분들로부터 명확해지는 바와 같이, 본원에 개시되는 폐수 처리 시스템은 생물학적으로 폐수를 처리하는 멤브레인 바이오반응기이다. 생물학적 처리는 혐기성(anaerobic), 무산소 또는 유산소(anoxic or aerobic) 처리를 포함할 수 있고 예를 들어, 질산화-탈질산화(nitrification-denitrification), 인 또는 다른 영양 염류들의 처리, 또는 BOD 처리들을 포함하는 수많은 유형들의 처리에 관련된다.

폐수 처리 시스템(10)을 더 자세하게 관찰하면, 마찬가지로 처리 탱크(12)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 폐수 처리 시스템은 일반적으로 번호(14)로 표시되는 여과 탱크를 포함하고, 이는 처리 탱크(12)로부터 하향하여 위치된다. 일반적으로 번호 16으로 표시되는 하나 이상의 잠수된 멤브레인 모듈들 또는 카세트들은 여과 탱크(14) 내에 배치된다. 일반적으로, 처리 탱크(12)에서 처리되는 폐수는 혼합 액체의 형태로 처리 탱크(12)로부터 여과 탱크(14)로 지향된다. 여과 탱크(14)에서, 혼합 액체는 잠수되어 있는 멤브레인 모듈(16)에 의해 여과되고 여과된 혼합 액체는 그 결과로써 멤브레인 모듈(16)로부터 그리고 여과 탱크(14)로부터 처리된 투과액이 된다. 후술되는 바와 같이, 여과 탱크(14)를 통과하는 혼합 액체의 모두가 여과되는 것은 아니다. 이 혼합 액체는 때로는 비투과된 혼합 액체로 칭해진다. 비투과된 혼합 액체는 부가 처리를 위해 처리 탱크(12)로 복귀되거나 다시 재순환된다.

이제 처리 탱크(12)의 논의로 돌아가서, 처리 탱크(12)로 지향되는 폐수 유입 라인 라인(20)이 제공되는 도면들에 주목하자. 폐수는 처리를 위해 유입 라인(20)을 통과하여 탱크로 지향된다. 전형적으로, 생물학적 처리는 공기를 이용한다. 그러므로 처리 탱크(12) 내에 배치되는 에어 디퓨저(22) 및 에어 디퓨저(22)로부터 처리 탱크(12) 내에 포함되는 폐수로 확산되는 공기의 시스템을 생성하도록 동작하는 송풍기(24)가 제공된다. 일부 생물학적 분해에는 폭기(aeration)가 필요하고, 반면에 이것을 다른 생물학적 프로세스들에 대해서는 스위치-오프될 수 있다.

처리 탱크(12)는 배출구(26)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예의 경우, 배출구(26)는 여과 탱크(14)로부터 처리 탱크(12)를 구분하는 벽 또는 한 쌍의 벽들에 형성되도록 발생한다. 이 경우에, 배출구(26)는 혼합 액체가 처리 탱크(12)로부터 여과 탱크(14)의 하부로 운반되도록 분리 벽 또는 벽들에 형성된다. 디퓨저(42)를 작동시킴으로써 유입되는 펌프(28) 또는 공기 부양 펌프는 혼합 액체를 처리 탱크(12)로부터 여과 탱크(14)로 펌핑(pumping)하기 위해 제공된다. 밸브(30)는 펌프(28)의 하류에 제공되고 공급 라인(feed line)(29)은 상기 밸브를 배출구(26)와 상호 연통시킨다. 도 1 및 3에 도시되는 바와 같이, 이 탱크(12) 내의 혼합 액체는 펌프(28)를 경유하여 밸브(30)를 통해 배출구(26)와 연통되는 공급 라인(29)으로 펌핑된다. 이는 혼합 액체를 처리 탱크(12)로부터 여과 탱크(14)의 하부로 효과적으로 운반한다.

여과 탱크(14)로 돌아와서, 여과 탱크는 둘러싸는 벽 구조(40)를 포함한다. 여과 탱크의 둘러싸는 벽 구조(40)의 형상 및 크기는 변할 수 있다. 일부 실시예들에서, 둘러싸는 벽 구조는 단면이 정사각형 또는 직사각형일 수 있다. 벽 구조는 처리 탱크(12)와 함께 결합하여 형성될 수 있거나 개별 구조일 수 있다.

일부 실시예들에서, 에어 디퓨저(42)는 여과 탱크(14)의 하부에 배치된다. 이 경우에, 송풍기(44)는 공기의 시스템을 생성하고 공기를 에어 디퓨저(42) 내로 그리고 에어 디퓨저(42)를 통과하도록 지향하기 위해 에어 디퓨저(42)에 동작하도록 연통된다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 에어 디퓨저(42)는 수많은 기능들을 할 수 있다. 에어 디퓨저(42)는 멤브레인 모듈의 일부를 형성하는 개별 멤브레인 필터들을 크리닝(cleaning)하기 위해서 세정 공기를 멤브레인 모듈(16)을 통하여 상향하도록 분산시키는데 이용될 수 있다. 게다가, 송풍기(44)는 에어 디퓨저(42)와 함께 혼합 액체를 여과 탱크(14)를 통해 그리고 멤브레인 모듈(16)을 통해 수직으로 이동시동시키는데 보조한다. 비투과된 혼합 액체의 수직 이동은 폭기에 의해, 폭기와 펌프(28)에 의해 또는 폭기 없는 펌프(28) 단독으로 유입된다.

여과 탱크(14)에는 또한 재순환 라인(45)이 제공된다. 비투과된 혼합 액체는 중력 및 라인(45)에 의해 처리 탱크(12)로 역으로 흐를 수 있다.

여과 탱크(14)에는 또한 배출 라인(46)이 제공될 수 있다. 배출 펌프(48)는 배출 라인(46)에 연통된다. 밸브(도시되지 않음)는 전형적으로 여과 탱크 및 펌프(48) 사이의 배출 라인(46)에 배치된다. 이는 여과 탱크가 유출되는 것을 방지한다. 때때로 내부에 포함된 멤브레인 모듈(16)을 클리닝 하거나 상기 멤브레인 모듈(16)에 대한 유지보수를 실행하기 위해 여과 탱크(14)를 비워두는 것이 유용할 수 있다. 배출 펌프(48)는 배출 라인(46)과 함께 여과 탱크(14)를 비우는 것을 용이하게 한다.

상술한 바와 같이, 멤브레인 모듈(16)은 여과 탱크(14)에 장착 또는 배치된다. 멤브레인 모듈(16)은 기본적으로 복수의 개별 멤브레인 필터들을 지지하는 프레임 구조를 포함한다. 멤브레인 필터들은 프레임 구조에 걸려서 지지되고 비투과된 폐수가 멤브레인 필터에 의해 통과하도록 이격되어 있다. 멤브레인 모듈(16)을 형성하는 개별 멤브레인 필터들의 구조 및 유형은 변할 수 있다. 예를 들어, 개별 멤브레인 필터들은 Kubota Corporation, Toray, Microdyn-Nadir, A3 등과 같은 플레이트(plate) 유형으로 구성될 수 있다. 다른 유형의 멤브레인 필터는 GE-Zenon, Koch-Puron, Mitsubishi-Hydronautics 등에 의해 제조되는 바와 같은 중동 유형이다. 일부 응용예들에서 포어(pore) 크기는 범위가 약 0.01 내지 0.4 미크론들이고 한외여과(ultrafiltration) 및 정밀여과(microfiltration)를 포괄한다. 게다가, 일부의 멤브레인 필터들은 필터들을 주기적으로 워싱하고 클리닝하기 위하여 백워시(backwash) 시스템에 통합될 수 있다.

본원에서 사용되는 용어 "멤브레인 모듈" 또는 "멤브레인 카세트"는 서로 그룹화되고 프레임에서 지지되는 개별 멤브레인 필터들의 그룹 또는 어레이를 의미한다. 게다가, 상기 시스템 및 프로세스들에서 사용되는 바와 같은 멤브레인 모듈(16)은 잠수된 멤브레인 모듈임이 지적되어야 한다. 물론 이는 멤브레인 모듈(16)이 여과 탱크(14) 내의 혼합 액체에 잠수되는 것을 의미한다.

각각의 멤브레인 모듈(16)에는 주 투과액 라인 또는 매니폴드(manifold)(52)가 제공된다. 투과액 라인(52)은 개별 멤브레인 필터들의 내부 또는 투과 측에 궁극적으로 연통하도록 링크되는 파이프들 또는 튜브들에 동작하도록 연통된다. 투과액은 사이펀 효과(siphon effect)를 사용하는 중력에 의해 또는 펌핑에 의해 인출될 수 있다. 투과 펌프(54) 또는 사이펀은 투과액 라인(52)에 동작하도록 연통되고 개별 투과 필터들 내에서 진공을 생성하는데 효과적이다. 이는 개별 멤브레인 필터들의 벽들을 통해 혼합 액체를 유입하거나 인출한다. 그러므로, 투과 펌프(54) 또는 사이펀은 효과적으로 멤브레인 모듈(16)의 개별 투과 필터들로부터 투과액을 생산하여 그리고 궁극적으로 투과액 라인 또는 매니폴드(52)로 이동시킴으로써, 여과 탱크로부터 투과액을 제거한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 하나의 멤브레인 모듈(16)이 제공된다. 결과적으로, 하나의 투과액 라인(52) 및 하나의 투과 펌프(54)가 존재한다. 그러나, 도 3에서, 여과 탱크(14)에 배치된 4개의 별개의 스택된 멤브레인 모듈들(16)이 도시된다. 이 경우에, 모드 멤브레인 모듈들에 하나의 주 투과액 라인 및 하나의 투과 펌프를 제공한다. 선택사항으로, 도 3의 실시예에서, 네 개의 투과액 라인들 및 네 개의 펌프들이 제공될 수 있다.

여과 탱크(14) 및 멤브레인 모듈(16)은 서로에 대비하여 크기가 정해진다. 도면들, 특히 도 2에 도시되는 바와 같이, 멤브레인 모듈(16)은 실질적으로 여과 탱크(14)의 전체 단면적을 점유한다. 즉, 여과 탱크(14)의 둘러싸는 벽(40)은 멤브레인 모듈(16)의 프레임에 조밀하게 이격된다. 이 목표는 여과 탱크(14)가 멤브레인 모듈(16)의 흐름에 따라 실질적으로 완전히 신장되도록 여과 탱크(14)의 크기를 정하는 것이다. 즉, 여과 탱크는 멤브레인 모듈(16)이 여과 탱크 내에 배치될 때 여과 탱크를 통과하는 혼합 액체의 실질적으로 전체의 흐름 경로가 멤브레인 모듈로 그리고 멤브레인 모듈에 걸쳐 통과하도록 크기가 정해진다. 여과 프로세스 동안, 혼합 액체는 멤브레인 모듈(16)을 통하여 수직으로 펌핑된다. 멤브레인 모듈(16)에 대한 여과 탱크(14)의 간격은 혼합 액체의 실질적으로 모두가 멤브레인 모듈(16)로 그리고 멤브레인 모듈(16)을 통하여 흘러야만 한다는 것을 보장한다. 멤브레인 모듈(16)의 포지셔닝(positioning) 및 여과 탱크의 간격은 멤브레인 모듈(16) 및 그 내부에 포함되는 개별 멤브레인 필터들을 우회하는 혼합 액체를 최소화하도록 설계된다.

그러므로, 상기 시스템 및 프로세스는 여과 탱크(14) 및 이의 내부에 있는 멤브레인 모듈(16)을 통하는 비투과된 혼합 액체의 실질적인 하강 흐름(downflow)을 방지한다. 즉, 일단 비투과된 혼합 액체가 멤브레인 모듈(16)을 통하여 이동하면, 시스템은, 비투과 혼합 액체의 대부분, 실질적으로 모두가 처리 탱크(12)로 재순환되도록 하면서 처리 탱크로 재순환되기 전에 여과 탱크(14) 및 멤브레인 모듈(16)을 통해 다시 하향하여 흐르지 못하도록 지시한다. 그러므로, 비투과된 혼합 액체의 하향 흐름이 제한된다. 바람직한 프로세스에서, 비투과된 혼합 액체의 하향 흐름은 여과 탱크(14)로 유입하는 혼합 액체 흐름보다 20% 이하이다.

하나의 실시예에서, 멤브레인 모듈(16)은 중동 섬유 멤브레인 필터들을 포함한다. 이 중동 섬유 멤브레인 필터들은 때때로 아웃-투-인(out-to-in) 멤브레인 필터들로 칭해진다. 이는 여과된 혼합 액체가 중동 섬유 멤브레인 필터들의 외부 영역으로부터 상기 필터의 벽을 통하여 그리고 중동 섬유들 내의 내부 영역들로 이동하기 때문이다. 여과되고 중동 섬유 내부에서 끝나는 혼합 액체의 부분은 투과액이 된다. 투과 펌프(54)는 효과적으로 다양한 중동 섬유 멤브레인 필터들 내에 진공 또는 저압 영역을 생성한다. 이는 혼합 액체의 일부를 중동 섬유 멤브레인 필터들의 내부 영역들로 유입한다.

멤브레인 모듈(16)을 수직으로 통과하는 혼합 액체의 전부가 여과되지는 않는다. 혼합 액체의 일부는 여과되지 않고 멤브레인 모듈(16)을 탈출한다. 여과되지 않고 멤브레인 모듈(16)을 통과했던 여과 탱크(14) 내의 혼합 액체는 비투과액 또는 비투과된 혼합 액체로 칭해진다.

멤브레인 모듈(16)을 탈출한 비투과된 혼합 액체는 처리 탱크(12)로 재순환된다. 비투과된 혼합 액체를 처리 탱크(12)로 재순환시키기 위한 다양한 제공예들이 행해질 수 있다. 예를 들어, 여과 탱크(14) 내의 비투과된 혼합 액체는 처리 탱크와 여과 탱크를 분리하는 중간 벽 내의 개구를 통하여 흐를 수 있다. 대안으로 개구는 멤브레인 모듈(16) 위의 중간 벽에 제공되어서 비투과된 혼합 액체가 여과 탱크(14)로부터 처리 탱크(12)로 다시 흐르도록 할 수 있다. 처리 탱크(12)로 재순환되는 비투과된 혼합 액체의 양은 변할 수 있다. 그러나, 하나의 실시예에서, 처리 탱크로 재순환되는 비투과 혼합 액체 및 투과액의 비는 약 2 - 100 대 1이다. 즉, 여과 탱크(14)를 통해 펌핑되거나 이동되는 혼합 액체의 약 50 내지 99%는 처리 탱크(12)로 재순환되고 반면에 여과 탱크(14)를 통과하는 혼합 액체의 약 1 내지 50%는 투과액으로 포획된다. 유입 폐수의 처리 탱크로의 흐름은 일반적으로, 평균에 따르면, 여과 탱크(14)로부터의 투과액의 흐름과 동일할 것이다. 혼합 액체의 작은 부분은 초과 슬러지(sludge)로 회수된다.

멤브레인 모듈들은 일반적으로 표준 생산물이다. 그러므로, 대부분의 경우들에서, 여과 탱크들(12)은 상술한 시스템 및 프로세스에 따라 멤브레인 모듈들을 수용하도록 크기가 정해진다.

도 1에 도시된 실시예에서, 멤브레인 모듈(16)은 단일 모듈 또는 카세트이다. 그러나, 본 발명의 시스템 및 프로세스는 일련의 스택된 멤브레인 모듈들(16)을 이용할 수 있다. 이 실시예는 도 3에 도시된다. 여기서 멤브레인 모듈들(16)은 하나가 다른 하나 위해 스택된다. 그러나, 상술한 바와 같은 동일한 원리들이 스택된 멤브레인 모듈들에 적용된다. 즉, 스택된 멤브레인 모듈들(16)은 각각 여과 탱크(14)의 전체 단면적을 실질적으로 점유하도록 여과 탱크(14)에 대해 크기가 정해진다. 이는 펌핑되거나 여과 탱크(14)를 통하여 수직으로 이동된 혼합 액체의 실질적은 전부가 멤브레인 모듈들(16) 내로 또는 멤브레인 모듈들(16) 내로 이동하도록 하거나 상기 이동을 필요로 한다. 이는 당연히 비투과된 혼합 액체가 스택된 멤브레인 모듈들(16)의 각각을 통해 이동하도록 한다. 한편, 그 결과에 따른 투과액은 스택된 멤브레인 모듈들(16) 중 임의의 하나의 모듈 내에서 발견될 수 있다. 즉, 여과된 혼합 액체의 일부는 스택의 상부에 배치된 멤브레인 모듈(16) 중 하나 이상에 도달하기 전에 투과액으로 완료될 수 있다.

일부 실시예들에서, 여과 탱크(14) 내의 다수의 단일 또는 스택된 모듈들이 제공될 수 있다. 예를 들어 도 3 및 도 5를 참조하라. 여과 탱크의 크기를 정하는 것은 상술한 기준을 따른다. 이 경우에 공급 파이프(20)는 들어오는 혼합 액체를 모듈들의 스택 아래에 균일하게 분배하고 반면에 유출 라인(45)은 비투과된 혼합 액체를 모으고 이를 다시 처리 탱크(12)로 지향시킨다. 투과 매니폴드들은 적어도 하나의 투과 파이프(52) 및 펌프(54) 또는 사이펀 라인에 연통된다. 도 5 실시예에서, 여과 탱크는 네 개의 별개의 멤브레인 모듈들(16)을 포함하는 것이 도시된다. 4개의 별개의 멤브레인 모듈들(16)은 함께 단일 여과 탱크(14)의 전체 단면적을 실질적으로 점유한다. 이는 단일 여과 탱크(14)에 배치되는 4개의 스택된 멤브레인 모듈들(16)이 제공되는 도 3에 도시된 실시예와 비교된다.

일부 실시예들에서, 다수의 여과 탱크들(14)에 제공될 수 있다. 예를 들어 도 4를 참고하라. 이 경우에 3개의 하류의 여과 탱크들(14)이 제공되고 각각은 하나 이상의 멤브레인 모듈(16) 또는 모듈 스택들을 포함한다. 처리 탱크(12)에서의 혼합 액체는 펌핑되거나 그렇지 않으면 처리 탱크로부터 공급 라인(29)을 통해 여과 탱크들(14)로 이동되거나 각각의 여과 탱크 내에 포함되는 하나 이상의 멤브레인 모듈들(16)을 통하여 수직으로 이동한다. 각각의 여과 탱크(14)는 비투과된 혼합 액체를 처리 탱크(12)로 다시 재순환하도록 복귀 라인(45)을 포함한다. 도 4에 도시된 것과 같은 설계들에서, 하나의 여과 탱크(14)는, 전체 폐수 처리 시스템을 중단시키지 않고 멤브레인 모듈 및 이의 내부에 포함되는 모듈들에 대한 크리닝 및 유지보수를 실행하기 위해 완전히 중단될 수 있다.

도 6은 도 1과 유사한 개략도이지만 특정 유형의 멤브레인 모듈을 도시한다. 도 6 실시예의 경우에, 중동 섬유 유형 멤브레인 모듈(16)은 여과 탱크(14) 내에 배치된다. 멤브레인 모듈(16)은 프레임 구조(60) 및 일반적으로 중동 섬유 멤브레인 필터들(62)을 수직으로 신장시킨 어레이를 포함한다. 중동 섬유 멤브레인 필터들(62)이 여과 탱크(14)의 전체 단면적에 걸쳐 실질적으로 신장되는 것을 주목하라. 물론, 이는 혼합 액체가 여과 탱크(14)에서 상향하여 이동할 때, 혼합 액체가 중공 섬유 멤브레인 필터들(62)에 인접하여 이동할 것이고 혼합 액체의 일부가 중공 섬유 멤브레인 필터들(62)의 내부 영역으로 유입되어 투과액을 생성하는 것을 의미한다.

물론 본 발명은 본 발명의 범위 및 필수적인 특징들을 벗어나지 않고 본원에서 진술된 것 이외의 다른 특정한 방법들로 수행될 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시예들은 모든 면들에서 설명으로 해석되어야지 제한하는 것으로 해석되어서는 안되고 첨부된 청구항들의 의미 및 등가 범위 내에 해당하는 모든 변화들은 본원에 포함되는 것으로 의도된다.

10 : 폐수 처리 시스템 12 : 처리 탱크
14 : 여과 탱크 20 : 폐수 유입 라인
22 : 에어 디퓨저 42 : 에어 디퓨저

Claims

멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법에 있어서:
a. 폐수를 처리 탱크로 지향하여 상기 폐수를 상기 처리 탱크에서 생물학적으로 처리하는 단계;
b. 상기 생물학적으로 처리된 폐수를 혼합 액체로서 상기 처리 탱크로부터 하류의 여과 탱크의 하부로 지향시키는 단계로서, 상기 여과 탱크는 상기 처리 탱크의 실질적으로 전체의 단면적에 걸쳐 신장되는 적어도 하나의 잠수된 멤브레인 모듈을 갖는, 지향 단계;
c. 상기 혼합 액체를 상기 여과 탱크의 하부로부터 상기 멤브레인 모듈을 통해 상향하여 이동시키고 상기 여과 탱크 내에서 상기 수직으로 이동하는 혼합 액체의 흐름을 상기 여과 탱크의 하부에서 수용된 혼합 액체의 실질적인 전부가 상기 여과 탱크 내의 멤브레인 모듈로 진입하도록 제한하는 단계;
d. 상기 혼합 액체가 상기 멤브레인 모듈을 통하여 흐를 때, 상기 멤브레인 모듈의 일부를 형성하는 하나 이상의 멤브레인 필터들의 벽들을 통해 상기 혼합 액체의 적어도 일부를 포함하고, 투과액을 생성하는 단계로서, 상기 멤브레인 모듈을 통과하지만 상기 멤브레인 필터들에 의해 여과되지 않는 혼합 액체는 비투과된 스트림으로 칭해지는, 생성 단계;
e. 상기 멤브레인 모듈의 상기 하나 이상의 멤브레인 필터들로부터의 상기 투과 스트림을 지향시키는 단계;
f. 일단 상기 비투과 스트림이 상기 멤브레인 모듈을 통과했다면, 상기 비투과 스트림의 적어도 일부를 상기 처리 탱크로 재순환시키는 단계로서, 상기 재순환된 비투과 스트림은 상기 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크로 지향되는 상기 혼합 액체의 적어도 50%를 구성하는, 재순환 단계; 및
g. 상기 비투과 스트림의 실질적인 전부가 상기 처리 탱크로 재순환되기 전에 상기 멤브레인 모듈을 단일 통과하도록 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체의 재순화를 실질적으로 금지시키는 단계를 포함하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인 모듈은 일련의 아웃-투-인 멤브레인 필터들을 포함하고, 상기 혼합 액체는 상기 외부 여역으로부터 상기 멤브레인 필터들에 진입하고, 상기 멤브레인 필터들의 내부 영역으로 투과액으로 통과하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 여과 탱크로 진입하는 상고 혼합 액체의 약 50 내지 99%를 상기 처리 탱크로 재순환시키는 단계, 및 상기 여과 탱크로 진입하는 상기 혼합 액체의 약 1 내지 50%을 투과액으로 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
폐수의 상기 처리 탱크로의 유입 흐름 비율을 일반적으로 상기 투과액의 흐름 비율과 동일하게 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 4 항에 있어서,
혼합 액체의 상기 여과 탱크로부터 다시 상기 처리 탱크로의 흐름의 약 50 내지 90%를 재순환시키는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 여과 탱크에서 일련의 멤브레인 모듈들을 하나의 멤브레인 모듈 위에 다른 멤브레인 모듈로 스택(stack)하는 단계로서, 상기 스택된 멤브레인 모듈들의 각각은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하는, 스택 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 여과 탱크에서 멤브레인 모듈들의 다수의 스택을 서로의 아래에 하나로 배열하는 단계로서, 상기 다수의 스택된 모듈들의 완전한 배열은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하는, 배열 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 비투과된 스트림이 상기 처리 탱크로 다시 재순환되기 전에 상기 비투과된 스트림이 상기 멤브레인 모듈들 중 하나 이상을 다시 통하도록 하는 재순환을 실질적으로 제외하도록 상기 비투과 스트림의 이동을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법에 있어서:
a. 폐수의 유입 스트림을 생물학적 처리 탱크로 지향하여 상기 폐수를 처리하여 상기 처리 탱크에서 혼합 액체를 형성하는 단계;
b. 상기 혼합 액체를 상기 처리 탱크로부터 하류의 여과 탱크로 운반하는 단계;
c. 상기 여과 탱크 내에 포함되는 혼합 액체 내에 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 잠수시키는 단계;
d. 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들이 상기 여과 탱크의 실질적인 전체의 단면적을 점유하도록 상기 여과 탱크 내에 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 위치시키는 단계;
e. 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체를 상기 여과 탱크를 통하여 수직으로 그리고 상기 여과 탱크 내의 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 통하여 수직으로 이동시키는 단계;
f. 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체를 수직으로 이동하는 실질적으로 전체의 흐름이 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 통하여 이동하도록 하기 위해 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체를 수직으로 이동시키는 흐름을 강제하는 단계;
g. 상기 혼합 액체가 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 통해 수직으로 이동할 때, 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들의 일부를 형성하는 개별 멤브레인 필터들을 통해 상기 혼합 액체의 제 1 부분을 통과시켜서 투과액을 생산하는 단계;
h. 상기 개별 멤브레인 필터들로부터 그리고 상기 여과 탱크로부터 상기 투과액을 지향시키는 단계;
i. 상기 혼합 액체의 제 2 부분이 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 통과한 후에 상기 혼합 액체의 제 2 부분을 상기 여과 탱크로부터 상기 처리 탱크로 재순환시키는 단계; 및
j. 상기 여과 필터로 통과한 혼합 액체의 적어도 50%가 상기 생물학적 처리 탱크로 재순환되는 단계를 포함하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 처리 탱크에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 단계는 혐기성, 무산소 또는 유산소(anoxic or aerobic) 처리를 포함하고, 상기 여과 탱크는 둘러싸는 벽 구조를 포함하고, 상기 방법은 상기 여과 탱크의 둘러싸는 벽 구조가 상기 멤브레인 모듈의 외부에 인접하여 인접하게 신장되어 상기 여과 탱크를 통해 수직으로 이동하는 상기 혼합 액체의 실질적인 전부가 상기 멤브레인 모듈 내로 또는 상기 멤브레인 모듈을 통해 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 여과 탱크에서 일련의 멤브레인 모듈들을 하나의 멤브레인 모듈 위에 다른 멤브레인 모듈로 스택하는 단계로서, 상기 스택된 멤브레인 모듈들의 각각은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하도록 하는, 스택 단계를 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 여과 탱크에서 멤브레인 모듈들의 다수의 스택을 서로의 아래에 하나로 배열하는 단계로서, 상기 다수의 스택된 모듈들의 완전한 배열은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하는, 배열 단계특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 생산된 투과액은 상기 여과 탱크를 통하는 혼합 액체의 흐름의 약 1 내지 50%를 구성하고; 상기 여과 탱크를 통과하는 상기 혼합 액체의 약 50 내지 99%가 상기 처리 탱크로 다시 재순환되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
혼합 액체를 상기 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크의 하부로 펌핑(pumping)하는 단계 및 상기 여과 탱크 내의 상기 혼합 액체를 상기 하부로부터 상기 멤브레인 모듈로 상향하여 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
폐수를 처리하기 위한 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템에 있어서:
a. ; 폐수 유입을 수용하고 상기 폐수를 폐수 처리 탱크에서 생물학적으로 철하여 혼합 액체를 형성하기 위한 폐수 처리 탱크;
b. ; 상기 생물학적 처리 탱크에서 상기 폐수를 폭기하기 위한 공기의 원천을 포함하는 생물학적 폐수 처리 탱크;
c. ; 상기 폐수 처리 탱크에서 처리되는 혼합 액체를 수신하기 위하여 상기 폐수 처리 탱크로부터 하류에 배치되는 여과 탱크;
d. ; 상기 폐수 처리 탱크로부터의 혼합 액체를 상기 여과 탱크로 지향시킬 수 있도록 혼합 액체를 상기 폐수 처리 탱크로부터 지향시키기 위한 상기 폐수 처리 탱크에서의 배출구;
e. ; 상기 여과 탱크 내에 배치되고 상기 여과 탱크 내에 포함되는 상기 혼합 액체에 잠수되는 적어도 하나의 잠수 가능 멤브레인 여과 모듈로서, 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체의 적어도 일부를 여과하여 투과액을 생산하는, 잠수 가능 멤브레인 여과 모듈;
f. ; 상기 여과 탱크 내의 혼합 액체 내에 잠수되도록 적응되는 멤브레인 필터들의 어레이를 포함하는 잠수 멤브레인 모듈;
g. ; 상기 멤브레인 모듈이 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하여 상기 여과 탱크를 통과하는 실질적으로 모든 혼합 액체가 상기 멤브레인 여과 모듈을 통하여 이동하도록 하기 위해서, 각각에 대해 크기가 정해지는 여과 탱크 및 멤브레인 모듈;
h. ; 상기 여과 탱크로부터의 투과액을 지향시키기 위해 상기 여과 탱크 내의 멤브레인 모듈에 동작하도록 연통되는 투과액 라인;
i. ; 혼합 액체를 상기 여과 탱크로부터 상기 처리 탱크로 재순환시키기 위한 재순환 배출구;
j. ; 상기 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템은 상기 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크로 지향되는 혼합 액체의 적어도 50%를 상기 처리 탱크로 다시 재순환시키도록 구성되고;
k. 상기 혼합 액체를 상기 폐수 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크의 하부로 펌핑하고나서 상기 여과 탱크의 하부로부터 상기 여과 탱크를 통해 그리고 상기 여과 탱크 내부에 포함되는 상기 멤브레인 모듈을 통해 상향하는 수단을 포함하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 혼합 액체를 상기 폐수 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크로 펌핑하는 수단을 펌프 또는 에어 상승 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 멤브레인 모듈들을 포함하는 상기 멤브레인 필터들은 아웃-투-인 멤브레인 필터들의 어레이를 포함하고 상기 멤브레인 모듈을 통과하는 혼합 액체의 적어도 일부는 상기 멤브레인 필터들의 외부로부터, 각각의 멤브레인 필터의 일부를 형성하는 투과 벽을 통하여, 상기 멤브레인 필터들의 내부 영역으로 통과하여, 상기 투과액이 상기 멤브레인 필터들의 내부 영역들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템.
제 15 항에 있어서,
일련의 멤브레인 모듈들을 포함하여 상기 여과 탱크에서 상기 일련의 멤브레인 모듈들이 하나의 멤브레인 모듈 위에 다른 멤브레인 모듈이 스택되어 각각의 스택된 멤브레인 모듈들의 각각은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하여 상기 여과 탱크를 통하여 이동하는 혼합 액체가 상기 스택된 멤브레인 모듈들의 모두를 통하여 이동하도록 하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 여과 탱크에서 다수의 멤브레인 모듈들을 서로의 아래에 하나로 배열하는 것을 포함하고, 상기 다수의 스택된 모듈들의 완전한 배열은 상기 여과 탱크의 전체 단면적을 실질적으로 점유하는, 배열 단계를 포함하는 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기 폐수 처리 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 혼합 액체를 상기 처리 탱크로부터 상기 여과 탱크로 그리고 상기 에어 상승 펌프로 상기 여과 탱크를 통해 수직으로 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 비투과된 혼합 액체의 겨우 30%만이 상기 처리 탱크로 우선 재순환되지 않고 상기 여과 탱크 및 상기 하나 이상의 멤브레인 모듈들을 통하여 다시 하향하여 흐르는 것을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 바이오반응기에서 폐수를 생물학적으로 처리하는 방법.