KR20130118358A

KR20130118358A - 막 분리장치

Info

Publication number: KR20130118358A
Application number: KR1020137019600A
Authority: KR
Inventors: 타이리 리; 히로시 노구치
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-10-29
Also published as: CA2825744A1; CN103415474A; US20140069860A1; SG192034A1; JPWO2012117768A1; AU2012224335A1; AU2012224335B2; KR101501998B1; CN103415474B; WO2012117768A1; CA2825744C; JP5823489B2

Abstract

막 분리장치(1)는 막 모듈(2)을 생물 반응조(10)의 깊이방향에 복수개 적층시켜서 이루어지는 막 유닛(3)과, 이 막 유닛(3)의 아래쪽에 배치되어 상기 막 유닛(3)에의 막 세정용 공기를 산기하는 산기부재(4)와, 막 유닛(3)과 산기부재(4) 사이에 배치되어 상기 산기부재(4)로부터 제공된 공기의 기포군(401)을 복수개의 기포군(402)으로 분할시키는 기포군 분할부재(5)를 구비한다. 기포군 분할부재(5)는 산기부재(4)의 직경보다 큰 직경인 동시에 상기 산기부재(4)의 축과 평행하게 배치되는 입체형상의 장해부재로 이루어진다. 기포군 분할부재(5)는 그 종단면 아랫변이 아래로 볼록한 입체로 형성되어 있다. 기포군 분할부재(5)는 예를 들면 그 종단면의 윗변이 삼각형인 한편 하반부가 반원형을 이룬다.

Description

막 분리장치{MEMBRANE SEPARATION DEVICE}

본 발명은 막 분리장치에 관한 것으로, 특히 수처리 분야에서 이용되는 막 분리장치에 관한 것이다.

막 분리 기술은 종래부터 해수 담수화, 정수 처리, 가스 분리, 혈액 정화 등에서 사용되어 왔지만, 최근에는 환경 보전의 관점에서 폐수 처리에도 막 분리 기술을 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

종래에 정수 처리, 하배수 처리, 혹은 산업배수 처리 등, 탁도가 높은 피처리수(처리되어야 할 물)를 고액분리하는 방법으로서 모래 여과나 중력 침전 등이 실시되고 있다. 그러나 이 방법들에 의한 고액 분리는 얻어지는 처리수의 수질이 불충분해지는 경우가 생기는 점이나, 고액 분리를 위해 광대한 용지를 필요로 한다는 과제를 가지고 있다.

이러한 과제를 해결하는 방법으로서, 최근 정밀 여과막, 한외 여과막 등의 분리막을 배치한 막 모듈을 피처리수에 침지시켜 고액 분리를 하는 방법이 다양하게 검토되고 있다. 분리막을 이용해서 피처리수를 여과 처리하면, 높은 수질의 처리수를 얻을 수 있다(비특허문헌 1 참조).

분리막을 이용해서 피처리수를 고액 분리할 경우, 여과 처리를 계속함에 따라 현탁액 내의 입자에 의하여 분리막 외부 표면의 막힘이 유발되기 때문에, 여과 유량의 저하 및/또는 막간 차압의 상승이 생긴다. 이러한 상태를 회복시키기 위해 막 모듈의 아래쪽에 산기장치를 배치하여 산기장치로부터 기포를 산기하고, 기포가 상승함으로써 생기는 기액 혼합류를 막 모듈의 막면에 접촉시키는 것(즉, 스크러빙)에 의해 분리막 표면의 현탁 물질을 박리시키는 방법이 채용되고 있다.

이 막 표면을 공기 세정하는 방법에 있어서의 유의점은 세정용 기포를 어떻게 막 전체면(수평 단면에서)에 균등하게 공급하느냐이다. 즉, 막 표면 세정에 있어서 기포의 산기에 의해 생기는 기액 혼합류를 막면에 접촉시킴으로써 세정하기 때문에, 산기관으로부터 발생한 기포를 균등하게 분산시키는 수단이 중요하게 된다. 그러므로 기포의 분산방법을 개량시킨 막 분리장치로서 예를 들면 특허문헌 1~4에 개시된 장치가 알려져 있다.

특허문헌 1에 기재된 막 분리장치의 산기관은 원통형상 산기관의 하부 둘레벽부에서 슬릿형상의 산기공이 상기 산기관의 축선에 대하여 대략 수직으로 배치되도록 복수개 형성되어 있다.

특허문헌 2~4에 기재된 막 분리장치는 스크러빙하기 위한 기포를 분리막 전체에 균등하면서도 충분히 작용시키기 위해 분리막마다 산기장치(또는 산기관)를 배치하고 있다. 또한 피처리수에 대한 스크러빙 에어의 용해 효율을 향상시키기 위해 상기 산기장치의 위쪽에 격자형상 또는 그물코형상의 분산 부재를 배치시켜, 상기 장치로부터 제공된 기포보다 작은 직경의 기포를 발생시키고 있다.

특허문헌 1의 막 분리장치는 산기관의 각 산기공으로부터의 산기량을 일정하게 유지함으로써 효과가 있다. 각 산기공의 미묘한 고저 차이는 막 분리장치 설치시나 산기 에너지에 의한 산기관의 고정 상태 변화나 유입중의 수압으로 인해(정수압이 아니라 동수압이 작용하기 때문에), 산기관의 구조를 연구하더라도 그 효과에는 한계가 있다.

또한 산기장치의 산기공이 슬릿형상을 이루고 있으므로, 산기공의 폐색으로 인해 산기장치로부터의 기체 공급이 불충분한 상태가 되는 경우는 없다. 그러나 산기 상태가 평면적으로 봤을 때 불균등하게 되어 분리막 표면의 세정 불균일이 생기기 쉬워진다.

막 모듈 막면의 세정 불균일로 인해 막 표면에서 심하게 더러워진 부분과 적게 더러워진 부분이 생기면 실질적으로는 "세정되기 쉬운 막면"에서만 여과를 실시하게 되므로 이용 가능한 유효 막면적이 감소한다. 또, 이 "세정되기 쉬운 막면"이 집중적으로 여과에 이용되므로 해당 부분에서 막의 막힘인 막 파일링이 진행되기 쉬워져, 여과 지속 불가능에 이르기 전에 약액을 사용한 세정이나 물리적인 세정 등을 하여 막의 투과 성능을 재생시키는 작업이 필요하게 된다. 그렇기 때문에, 이 막 성능의 재생 작업의 간격 기간이 짧아져서 이 작업 실시 기간 동안의 전체 여과량의 저하, 이 작업에서의 막 분리 조작 정지 등으로 인해 막 분리의 전체 효율이 저하된다.

특허문헌 2~4의 막 분리장치에 따른 분산 수단은 기포의 분산 효과와 막힘 억제의 두 가지를 동시에 달성하기 위해, 철망이나 다공판, 파이프, 와이어, 격자 등에서 선택되는 어느 하나를 수평으로 배치한 것이 적용되어 있다. 분산 수단의 개구율은 20~70%, 눈금 폭은 2~10mm 정도로 설정되어 있다. 산기 기포 형상의 관점에서는 개구를 가지는 삽입물에 의해 조대 기포의 세분화를 도모하여, 기포의 분산 효과에 따른 용해 효율의 향상과, 그 때의 기포 분산 효과에 의해 막부에 균일하게 기포를 도입하는 것을 목적으로 한다. 이것은 기포의 조대화에 따른 산소 용해 효율의 현저한 저하 및 막 사이에의 기포 도입의 치우침에 따른 부분적인 막 오염을 개선시키기 위함이다.

그러나 산소 공급과 막 세정을 겸한 산기장치에 요구되는 기포 직경의 사양은 산소 공급의 경우에는 미세 기포가 필요한 한편 막 세정시의 경우에는 조대 기포가 필요하여 각 효과를 달성하기 위해서는 상반되는 요구에 기초하여 산기 방법을 선택해야만 한다. 특허문헌 4의 막 분리장치는 산기 수단으로부터 제공된 기포군이 그물코형상 또는 격자형상의 분산 수단에 의해 세분화되어 버리므로, 분리막 막면의 세정 불균일이 생기기 쉬워져 막 세정 기능이 떨어지게 된다. 또, 분산 수단의 하부면의 넓이에 따라 복수개의 산기관을 설치 또는 증설해야만 한다. 이 복수개의 산기관의 설치 또는 증설로 인해 산기점이 다수가 되지만, 산기 상태가 평면적으로 봤을 때 불균등하게 되어 분리막 막 표면의 세정 불균일이 생기기 쉬워진다. 이것은 막 전체로서의 분리 효율의 저하, 나아가서는 막 분리 처리의 신뢰성 저하로 이어진다.

일본국 공개특허공보 평10-286444호 일본국 공개특허공보 평8-281080호 일본국 공개특허공보 2001-162141호 일본국 공개특허공보 2006-224050호

우에사카 타이치 외 3명, 「배수 처리의 고도화·재이용에 사용되는 액 중 막」, 쿠보타 기술 리포트, 가부시키가이샤 쿠보타, 2005년 6월, 제39권, p.42-50.

그러므로, 본 발명에서는 막 모듈을 수조의 깊이방향으로 복수개 적층시켜서 이루어지는 막 유닛과, 상기 막 유닛의 아래쪽에 배치되어 상기 막 유닛에의 막 세정용 공기를 산기하는 산기부재와, 상기 막 유닛과 상기 산기부재 사이에 배치되어 상기 산기부재로부터 제공된 공기의 기포군을 복수 개의 기포군으로 분할시키는 기포군 분할부재를 포함하는 막 분리장치를 제공한다.

상기 기포군 분할부재는 상기 산기부재의 직경보다 큰 직경을 가지고, 상기 산기부재의 축과 평행하게 배치되는 입체형상의 장해부재가 된다. 그리하면, 상기 산기부재의 산기공으로부터 제공된 기포군이 상기 기포군 분할부재와의 충돌로 인해 이 부재의 축선을 중심선으로 해서 균등하게 분할된다. 이로 인해 산기부재나 그 산기점을 증설시키지 않고 상기 막 유닛의 하단에 대하여 상기 분할된 기포군을 균일하게 공급할 수 있다.

상기 기포군 분할부재는 아랫변이 아래로 볼록한 종단면을 갖는다. 그리하면, 산기부재의 산기공으로부터 산기된 기포군에 대한 저항이 완화되므로, 기액 혼합 유속을 저감시키지 않고 상기 기포군을 복수 개의 기포군으로 분해할 수 있다.

특히 상기 기포군 분할부재의 종단면의 아랫변이 반원형을 이루도록 형성되면, 이 부재와 충돌한 기포군은 상기 부재의 곡면상에서 난류 상태를 유지시키면서 복수개의 기포군으로 분할된다. 또, 상기 종단면의 윗변이 삼각형을 이루도록 형성되면, 현탁물질을 효율적으로 상기 기포군 분할부재의 아래쪽으로 안내할 수 있다.

또한 상기 기포군 분할부재는 종단면이 원형을 이루도록, 또는 종단면의 윗변이 조종(釣鐘;bell)형상인 한편 하반부가 반원형을 이루도록 형성되면, 상기 부재의 하부면의 곡면을 따라 상승해 오는 기액 혼합류가 상기 부재의 위쪽에서 선회하여 이 선회류가 유지된다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 막 분리장치의 개략 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2(a)는 실시형태 1에 따른 산기부재의 하면도, 도 2(b)는 상기 산기부재의 종단면도이다.
도 3(a)는 종단면의 아랫변이 반원형을 이루는 기포군 분할부재의 종단면도, 도 3(b)는 종단면의 윗변이 둔각 삼각형인 한편 아랫변이 반원형을 이루는 기포군 분할부재의 종단면도, 도 3(c)는 종단면의 윗변이 예각 삼각형인 한편 아랫변이 반원형을 이루는 기포군 분할부재의 종단면도, 도 3(d)는 종단면이 원형을 이루는 기포군 분할부재의 종단면도, 도 3(e)는 종단면의 윗변이 조종형상인 한편 아랫변이 반원형을 이루는 기포군 분할부재의 종단면도이다.
도 4(a)는 실시형태 2에 따른 산기부재의 하면도, 도 4(b)는 상기 산기부재의 종단면도, 도 4(c)는 실시형태 1에 따른 산기부재의 하면도이다.
도 5(a)는 실시형태 3에 따른 산기부재의 하면도, 도 5(b)는 상기 산기부재의 종단면도이다.
도 6(a)는 실시형태 4에 따른 산기부재의 하면도, 도 6(b)는 상기 산기부재의 종단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 막 모듈의 구성을 나타낸 사시도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.

[실시형태 1]

도 1에 도시된 본 실시형태의 막 분리장치(1)는 MBR 방식의 생물 반응조(10) 내에서 산기부재(4)로부터 막 모듈(3)으로 공급되는 막 세정용 공기의 기포군(401)을 기포군 분할부재(5)에 의해 복수개의 기포군(402)으로 분할시키고, 그에 따라 막 모듈의 세정 효과가 균일하게 된다. 즉, 본 실시형태에 따른 기포군의 분할은 활성 슬러지의 활성화를 높이기 위해 기포를 미세화시켜 산소의 용해 효율을 향상시키는 것을 목적으로 하는 것이 아니라, 산기부재로부터 제공된 기포군을 기포군 분할부재와 충돌시켜 분할하여 여러 방향으로 가르는 것을 목적으로 한다.

(막 분리장치(1)의 구성)

막 분리장치(1)는 막 모듈(2)을 생물 반응조(10)의 깊이방향으로 복수개 적층해서 구성되는 막 유닛(3)과, 막 유닛(3)에 대하여 폭기(曝氣;aeration)용 및 막 세정용 공기의 기포군을 산기시키는 산기부재(4)와, 상기 기포군을 복수개의 기포군으로 분할시키는 기포군 분할부재(5)로 이루어진다. 막 분리장치(1)는 MBR의 생물 반응조(10) 내의 액상(11)에 침지되도록 설치된다.

막 모듈(2)은 도 7에 예시된 바와 같이, 병렬로 복수개가 배치되는 플랫 타입의 분리막(21)과, 이 분리막(21)의 양단부를 지지하는 한 쌍의 지지부(22)와, 이 한 쌍의 지지부(22)의 양단 부근의 간극을 폐색하는 한 쌍의 가이드(23)로 이루어진다.

개시된 분리막(21)은 플랫 타입을 이루고 있지만, 발명에 따른 분리막은 이 형태에 한정되지 않는다. 예를 들면 MBR에 적용되는 주지의 분리막인, 유기 중공사 막, 유기 평막, 무기 평막, 무기 단관막 등을 적용해도 된다. 한편, 분리막(21)의 재질로는 셀룰로오스, 폴리올레핀, 폴리술폰, PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드), PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), 세라믹 등이 예시된다. 또한 막 모듈(2)에 복수개 배열되는 분리막(21)은 분리막(21) 내의 집수로(211)가 종방향으로 배치되도록 설치한다. 이 경우, 집수로(211)와 연통되는 집수부가 각 분리막(21)의 단부에 설치될 수 있다. 집수부는 분리막(21)의 양단부 또는 상하 중 한 하자의 단부에만 설치될 수 있다.

지지부(22)의 내부에는 분리막(21) 내부의 집수로(211)와 연통되는 집수부(미도시)가 형성되어 있다. 상기 집수부는 지지부(22)에 형성된 여과 흡인구(24)와 연통되어 있다. 이 여과 흡인구(24)는 피처리수를 흡인하는 펌프(미도시)의 배관이 접속된다.

가이드(23)는 막 모듈(2)의 상부 개구단 단면적이 하부 개구단 단면적보다 작아지도록 지지부(22)에 장착됨으로써 분리막(21)에 의한 여과 효율 향상이 도모되어 있다. 즉, 막 모듈(2)을 적층시켰을 때 막 모듈(2)의 상부 개구단과 이 막 모듈(2)상에 적층되는 다른 막 모듈(미도시)의 하부 개구단 사이에 형성되는 공극(25)으로부터 막 모듈(2)의 바깥둘레부의 피처리수를 유입시킴으로써, 막 모듈(2) 내부를 유통하는 피처리수의 활성 슬러지 농도의 상승을 억제시킨다. 또한 산기부재(4)로부터 제공된 기포군(402)(도 1 참조)은 막 유닛(3) 외부로의 확산이 가이드(23)로 인해 억제되므로, 그에 따라, 기포군(402)이 각 분리막(21)의 표면에 효율적으로 접촉된다.

생물 반응조(10)의 수심은 일반적으로 4m 정도이다. 생물 반응조(10)의 수심과 유지보수성을 고려한 중량이나 외형으로부터 적층할 막 모듈(2)의 개수가 선정된다. 예를 들면 막 유닛(3)의 높이가 2m~3m 정도가 되도록 막 모듈(2)의 개수가 선정된다. 이 막 유닛(3) 내부에서의 피처리수의 흐름은 막 유닛(3)의 하부 개구부에서 상부 개구부로 향하는 흐름이 된다. 막 유닛(3) 내의 액상은 분리막(21)에서 여과되므로, 막 유닛(3)의 상부가 될수록 상기 액상의 활성 슬러지 농도가 상승한다. 막 유닛(3)에서는 도 1에 도시한 바와 같이 적층된 각 막 모듈(2)의 공극(25)으로부터 피처리수가 막 유닛(3) 안에 흡인되므로, 막 유닛(3) 내부에서의 활성 슬러지 농도가 크게 상승되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 여과에 대한 부하가 저감되어 막 폐색 완화 및 소비 에너지 저감으로 이어진다. 한편, 피처리수를 막 유닛(3)의 내부에 흡인하는 흡인력은 기포군(401, 402)의 상승류로 인해 생기기 때문에, 특별히 피처리수를 흡인하기 위한 동력원을 구비할 필요는 없다.

산기부재(4)는 막 유닛(3)에 대하여 막 세정용 공기를 공급하기 위한 부재이다. 또한 폭기용 산기부재(12)는 활성 슬러지에 의한 생물 처리에 대하여 필요한 산소를 공급하기 위한 부재이다. 상기 공기 및 상기 산소는 생물 반응조(10) 밖에 설치된 블로어(미도시)나 컴프레서(미도시)로부터 공급된다. 산기부재(4)에는 주지 사양인 것을 적용하면 된다. 상기 산기부재의 에로서는 산기관 타입, 산기노즐 타입 또는 이와 유사한 것들이 있다.

도 2(a)에 예시된 산기부재(4)는 복수개의 산기공(42)이 형성된 산기관(41)이다. 산기관(41)은 도 2(b)에 도시한 바와 같이 막 유닛(3)의 아래쪽에서 수평으로 배치되어 있다. 복수개의 산기공(42)은 산기관(41)의 하부면에 상기 관(41)의 축선에 대하여 평행하게 배치되도록 형성되어 있다. 산기공(42)은 공기 산기 속도가 10m/초 이상이 되도록 직경 5~10mm 및 100~200mm 피치로 산기관(41)의 하부면에 복수개 형성된다. 이처럼 산기관(41)의 하부면에 산기공(42)을 형성하면, 컴프레서 등에 의하여 공급되는 공기 압력의 변동되어 산기량에 맥동이 생기는 경우에도, 압력 저하시에 산기에 지장이 되는 산기관(41) 내부로 탱크 내부 액이 침입하기가 어려워지므로 안정된 산기를 계속할 수 있다.

산기관(41)에 형성하는 산기공(42)의 개수와 직경의 설정방법에 대하여 설명한다. 경험적으로 전체 산기풍량(D㎥/분)은 생물 반응조(10)의 설계 처리량(Q㎥/일)의 3, 6, 9배수로서 3Q, 6Q, 9Q 등의 수치에서 선택된다.

생물 반응조(10)에는 계획 처리 능력에 따라 복수개의 막 분리장치(1)를 설치하는데, 산기공의 개수와 그 직경에 관한 상술한 설정방법은 단위 막 유닛(3) 기준으로 계산한다.

산기공(42)의 직경(Bmm) 및 개수(C)에 기초하여 단위 막 유닛(3)당 산기공(42)의 총계 면적을 산출한다. 그 다음, 전체 산기풍량(D)을 단위 막 유닛(3) 수로 나누어 단위 막 유닛(3)당 산기풍량을 산출하고, 또 상기 총계 면적으로 나눈 계산에 기초하여 산기공(42)으로부터의 산기 유속(Em/초)이 산출된다. 그리고 이 산출된 E 값이 공기 산기 속도 10m/초 이상일 경우, 산기공 직경(Bmm) 및 산기공 개수(C) 값이 적절한 사양으로서 설정된다.

산기공(42)의 직경과 개수를 설정하는 구체예를 설명한다. 설계 처리량(Q)이 0.6㎥/㎡·일(19.8㎥/일), 전체 산기풍량(D㎥/분)이 6Q인 경우, 산기공의 직경과 개수를 설정하는 사례에 대하여 설명한다. 전체 산기풍량이 6×Q㎥/분이고, 산기관 전체길이 200mm, 구멍직경 5mm, 피치 56mm로 3개의 산기공을 형성시키면, 산기공으로부터의 산기 유속(E)은 상술한 계산에 의해 약 12m/초로 산출된다. 산출된 E 값은 10m/초보다 크므로 구체예에 따른 막 유닛의 산기공 직경(Bmm) 및 산기공 개수(C)는 적절한 사양이 된다.

기포군 분할부재(5)는 네트워크 구조와 같은 것이 아니라 기포군을 통과시키지 않는 형태로 형성된다. 기포군 분할부재(5)는 산기부재(4)의 직경보다 큰 직경인 입체형상의 장해부재로 이루어진다. 기포군 분할부재(5)는 그 축선이 막 유닛(3)과 산기부재(4) 사이에서 산기부재(4)의 축선과 평행이 되도록 배치되어 있다. 기포군 분할부재(5)는 산기부재(4)의 산기공(42)에서 분출된 기포군(401)이 기포군 분할부재(5)와의 충돌로 인해 상기 부재(5)의 축선을 중심선으로 해서 좌우 균등하게 분할되도록 배치된다. 이로 인해, 막 유닛(3)의 하단에 대하여 상기 분할된 기포군(402)을 균등하게 공급할 수 있다. 기포군 분할부재(5)의 재질은 수지, 금속, 세라믹스 등이 예시되지만 산기에 의한 격렬한 수류(water flow)에 의해 변형되지 않는 것 또는 얼마간 변형되더라도 장해부재로서의 기능을 유지할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않는다.

기포군 분할부재(5)는 적어도 종단면의 아랫변이 아래로 볼록한 입체로 형성되어 있다. 이 형태로 인해 산기부재(4)의 산기공(42)으로부터 제공된 기포군(401)에 대한 저항을 완화시켜, 기액 혼합 유속을 저감시키지 않고 상기 기포군을 복수개의 기포군(402)으로 분할할 수 있게 되어 있다.

기포군 분할부재(5)의 구체적인 형태를 도 3(a)~도 3(e)에 예시하였다. 도 3(a)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 종단면의 아랫변이 반원형을 이루고 있다. 도 3(b)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 종단면의 윗변이 둔각 삼각형인 한편 아랫변이 반원형을 이루고 있다. 도 3(c)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 종단면의 윗변이 예각 삼각형인 한편 아랫변이 반원형을 이루고 있다. 도 3(d)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 종단면이 원형을 이루고 있다. 도 3(e)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 종단면의 윗변이 조종형상인 한편 아랫변이 반원형을 이루고 있다.

도 3(a)~도 3(e)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 적어도 그 하부면이 곡면으로 형성되어 있으므로, 상기 하부면에 충돌한 기포군을 상기 곡면상에서 난류 상태로 유지시키면서 복수개의 기포군으로 분할할 수 있다. 특히 도 3(b)~도 3(e)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 상부면이 위로 볼록한 형상으로 형성되어 있으므로, 활성 슬러지를 상기 부재(5)의 아래쪽으로 효율적으로 안내할 수 있어, 상기 부재(5) 위에서 활성 슬러지가 퇴적하는 것을 회피시킬 수 있다. 또한 도 3(d), 도 3(e)에 예시된 기포군 분할부재(5)는 그 상부면이 곡면으로 형성되어 있으므로, 상기 부재(5)의 하부면의 곡면을 따라 상승해 오는 기액 혼합류를 상기 부재(5) 위쪽에서 선회시켜 이 선회류(또는 소용돌이)를 유지시킬 수 있다. 상기 선회류에 의하여 기포군 분할부재(5)의 위쪽에서 격렬한 기액 혼합류의 흐름이 유지되고, 그에 따라, 기포군의 분할을 촉진시킬 수 있다. 그리고 이 분할 우회한 격렬한 기액 혼합류를 막 모듈(2)의 분리막(21) 사이에 제공할 수 있어 막 표면의 세정 효과를 유지시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 산기부재(4)와 기포군 분할부재(5)는 막 유닛(3)의 하단에 배치되는 하우징(7)에 수납된다. 한편, 산기부재(4) 및 기포군 분할부재(5)의 축심과 막 모듈(2)에 배치되는 분리막(21)의 막면의 방향과의 관계는 도 1에 예시된 배치에 한정되지 않는다. 예를 들면 산기부재(4) 및 기포군 분할부재(5)의 축심과 막 모듈(2)에 배치되는 분리막(21)의 막 표면의 방향과의 각도가 도 1에 예시된 것 같은 0도가 아니라 90도가 되는 배치로 하여도 된다.

(본 실시형태의 작용)

도 1을 참조하면서 막 분리장치(1)의 작용에 대하여 설명한다. 여기서는 종단면이 원형을 이루는 기포군 분할부재(5)를 구비한 막 분리장치(1)의 작용에 대하여 설명한다.

피처리수가 공급되는 생물 반응조(10) 내의 액상은 폭기용 산기부재(12)에 의해 상시 폭기된 상태로 되어 있다. 상기 액상 중의 활성 슬러지는 이 폭기에 의해서 제공된 산소를 이용해서 피처리수 중의 오염 물질을 생물학적으로 분해한다. 한편, 생물 반응조(10) 내의 액상은 상기 폭기에 의한 수류로 인해 하우징(7)의 하단 개구부와 막 모듈(2) 사이의 공극(25)으로부터 막 분리장치(1) 내에 도입되어 고액 분리 처리에 제공된다.

막 분리장치(1) 내에서는 산기부재(4)로부터 기포군(401)이 상시 방출되고 있다. 이 기포군(401)은 기포군 분할부재(5)와의 충돌로 인해 복수개의 기포군(402)으로 분할된다. 기포군 분할부재(5)는 종단면이 원형을 이루고 있으므로, 상기 부재(5)의 하부면에 충돌한 기포군(401)은 상기 부재(5)의 바깥둘레면상에서 난류 상태가 되면서 복수개의 기포군(402)으로 분할된다. 또한 기포군 분할부재(5)의 종단면의 상반부는 반원으로 되어 있으므로, 막 유닛(3)의 하단 부근에 체류하는 활성 슬러지는 상기 부재(5)의 둘레면을 따라 아래쪽으로 안내됨으로써, 상기 부재(5)의 상부면에 있어서 활성 슬러지의 퇴적이 회피된다. 이로 인해 상기 오탁 물질의 분해에 기여하는 상기 활성 슬러지의 절대량 저감이 방지된다. 또한 기포군 분할부재(5) 하부면의 곡면을 따라 상승해 오는 기액 혼합류는 상기 부재(5)의 위쪽에서 선회하고 이 선회류가 유지되므로 기포군 분할부재(5)의 위쪽에서 격렬한 기액 혼합류가 계속되어 기포군의 분할이 촉진된다.

상기 분할 우회한 격렬한 기액 혼합류는 막 유닛(3)의 각 막 모듈(2)의 각각의 분리막(21) 사이에 도입되어 분리막(21)의 표면 세정에 제공된다. 이 세정에 의해 분리막(21) 표면에서 박리된 불순물은 상기 기액 혼합류를 타고 막 유닛(3)의 최상위의 막 모듈(2)의 상단 개구부로부터 배출되거나, 또는 생물 반응조(10)의 바닥부 부근에 침강한다. 상기 박리된 협잡물에 포함되는 활성 슬러지는 생물 반응조(10) 내의 오염 물질의 생물학적 분해에 다시 제공된다.

막 유닛(3) 내에서는 각 막 모듈(2)의 각 분리막(21)의 내부가 흡인펌프(미도시)에 의해 부압상태로 되어 있으며, 분리막(21) 내부의 집수로 내에 투과된 고액 분리 처리수는 상기 흡인펌프에 의해 생물 반응조(10) 밖으로 반출된다.

막 유닛(3) 내에서는 폭기용 산기부재(12) 및 산기부재(4)에 의해 상승류가 생기고, 그에 따라, 막 모듈(2) 내에 도입된 액상이 분리막(21)에 의해 고액 분리 처리된다. 따라서, 막 유닛(3) 내부를 유통하는 액상의 활성 슬러지 농도는 상기 막 분리 장치(1)의 상부에 도달함에 따라 높아진다. 그리하여, 상부의 막 모듈(2)의 분리막(21)에 대한 슬러지 부하가 증대되어, 막 폐색이 가속되거나 소비 에너지가 증대될 가능성이 있다. 막 유닛(3)에서는 막 모듈(2)의 수류 가이드(23)의 하단과, 상기 막 모듈(2)의 아래쪽에 접속되는 다른 막 모듈(2)의 수류 가이드(23)의 상단 사이의 공극(25)로부터 막 모듈(2)의 바깥둘레에 체류하는 액상이 상승류를 타고 막 모듈(2) 내에 도입된다. 이로 인해 막 유닛(3) 내부에서의 활성 슬러지 농도의 상승이 억제되어, 상기 슬러지 부하의 증대에 따른 폐해가 회피된다.

또한 기포군(402)을 포함하는 기액 혼합류의 유로는 막 모듈(2)의 상단에 근접함에 따라 수류 가이드(23)로 인해 좁아져 있으므로 상기 혼합류가 모이는 동시에 그 속도도 빨라지므로 기포군(402)에 의한 분리막(21)의 세정 효과가 높아진다.

(본 실시형태의 효과)

막 분리장치(1)에 의하면 생물 반응조(10) 내의 막 유닛(3)에 대하여 산기부재(4)로부터 제공된 막 세정용 공기의 기포군(401)이 기포군 분할부재(5)에 의해 복수개의 기포군(402)으로 분할된다. 그리고 이 분할된 기포군(402)이 막 유닛(3)의 각 막 모듈(2)에 대하여 균일하게 제공되므로, 막 모듈(3)의 막 표면 세정 불균일이 생기기 어려워진다. 이로 인해, 유효한 막 표면 비율이 높게 유지되어 효율이 높은 고액 분리가 가능해진다. 또한 기포군(401)의 세분화가 회피됨으로써, 세분화된 기포에 비해 그 평균 기포 직경이 크고 상승 부력도 높으므로, 기액 혼합 유속을 높게 유지할 수 있다. 이상과 같이 보 실시형태에 따르면,산기부재나 그 산기점을 증설시키지 않고 막면 세정의 불균일화를 방지하여 막 모듈(3) 분리막의 고액 분리 기능을 유지할 수 있다. 또한 상술한 산기부재(4)는 산기관 타입이지만 노즐 타입과 같은 산기공이 위쪽을 향해 있는 형태인 것을 사용할 수 있다. 물론, 이 경우도 이 산기부재(4)로부터 제공된 기포군을 기포군 분할부재(5)에 의해 분할할 수 있다.

[실시형태 2]

도 4(a)에 도시한 바와 같이, 실시형태 2의 산기부재(4)는 아래쪽에 좌-우방향으로 서로 떨어져 배치된 두 개의 산기공을 가지고 있다. 이 형태에 따르면 기포군 분할부재(5)와의 상승 효과로 인해 보다 균일한 기포군의 분할을 기대할 수 있다.

즉, 본 실시형태의 산기부재(4)는 인접하는 산기공(42)이 산기관(41)의 축선(L)에 대하여 상호간에 비스듬한 위치에 배치되어 있다. 인접하는 산기공(42a, 42b)은 한쪽 산기공(42a)과 산기관(41)의 축심(O)를 통과하는 직선(L1)과 다른 쪽 산기공(42b)과 축심(O)을 통과하는 L2가 이루는 각도가 180도 미만, 바람직하게는 170도 이하가 되도록 형성된다. 도 4(b)에 도시된 구체적인 형태에서는 인접하는 산기공(42a, 42b)이, 산기공(42a)과 산기관(41)의 축심(O)을 통과하는 직선(L1)과, 산기공(42b)과 축심(O)을 통과하는 직선(L2)이 이루는 각도가 90도가 되도록 형성되어 있다.

본 실시형태의 산기부재(4)의 산기공(42)의 직경과 개수를 설정하는 구체예를 설명한다. 설계 처리량(Q)이 0.6㎥/㎡·일(19.8㎥/일), 전체 산기풍량(D㎥/분)이 6Q인 경우의 산기공의 직경과 개수의 설정 사례에 대하여 설명한다. 전체 산기풍량 6×Q㎥/분이고, 산기관 전체길이 225mm, 구멍직경 6mm, 피치 75mm로 2개의 산기공을 형성시키면, 산기공으로부터의 산기 유속(E)은 실시형태 1의 설명에서 진술한 계산법에 따르면 약 12m/초로 산출된다. 산출된 E 값은 10m/초보다 크므로 구체예에 따른 막 유닛의 산기공 직경(Bmm) 및 산기공 개수(C)는 적절한 사양으로 되어 있다.

이상 본 실시형태의 산기부재(4)에 의하면 상기 부재(4)의 축선을 중심선으로 해서 좌우 균등하게 기포군을 분출할 수 있으므로 도 4(c)에 도시된 산기공(42)이 직선적으로 배치된 실시형태 1의 산기부재(4)에 비해 한층 더 균일하게 기포군을 막 유닛(3)에 대하여 공급할 수 있다.

[실시형태 3]

도 5(a)에 도시한 바와 같이, 실시형태 3의 산기부재(4)는 복수개의 산기공(42)이 산기관(41)의 축(L) 방향으로 2열로 배치되도록 형성되어 있다. 도시된 산기공(42a, 42b)은 한쪽 열의 산기공(42a)과 산기관(41)의 축심(O)을 통과하는 직선(L1)과 상기 산기공(42a)과 대향하는 다른 쪽 열의 산기공(42b)과 축심(0)을 통과하는 직선(L2)이 이루는 각도가 180도 미만, 바람직하게는 170도 이하가 되도록 형성된다. 도 5(b)에 도시된 구체적인 형태에서는 대향하는 산기공(42a, 42b)이, 산기공(42a)과 산기관(41)의 축심(O)을 통과하는 직선(L1)과, 산기공(42b)과 축심(O)을 통과하는 직선(L2)이 이루는 각도가 90도가 되도록 형성되어 있다.

본 실시형태의 산기부재(4)의 산기공(42)의 직경과 개수를 설정하는 구체예를 설명한다. 설계 처리량(Q)이 0.6㎥/㎡·일(19.8㎥/일), 전체 산기풍량(D㎥/분)이 12Q인 경우의 산기공의 직경과 개수의 설정 사례에 대하여 설명한다. 전체 산기풍량이 12×Q㎥/분이고, 산기관 전체길이 225mm, 구멍직경 5mm, 피치 56mm로 6개의 산기공을 형성시키면, 산기공으로부터의 산기 유속(E)은 실시형태 1의 설명에서 진술한 계산법에 따르면 약 12m/초로 산출된다. 산출된 E 값은 10m/초보다 크므로 구체예에 따른 막 유닛의 산기공 직경(Bmm) 및 산기공 개수(C)는 적절한 사양으로 되어 있다.

이상 본 실시형태의 산기부재(4)에 의하면 상기 부재(4)의 축선을 중심선으로 해서 좌우 균등하게 기포군을 분출할 수 있으므로, 실시형태 1의 산기부재(4)에 비해 보다 균일하게 기포군을 막 유닛(3)에 대하여 공급할 수 있다. 또한 복수개의 산기공(42)이 산기관(41)의 축방향으로 2열로 배치되어 있으므로, 실시형태 2의 산기부재(4)에 비해 고밀도이면서 균일하게 기포군을 공급할 수 있다.

[실시형태 4]

도 6에 도시된 실시형태 4의 산기부재(4)는 그 산기공(43)이 실시형태 1의 산기부재(4)의 산기공(42)보다 큰 직경으로 형성되는 한편 산기공(43)의 수는 산기공(42)의 수보다 적게 설정되어 있다. 도 6(a), 도 6(b)에 도시된 바와 같이 산기공(43)은 산기부재(4)의 하부면에서 형성되어 있다.

본 실시형태의 산기부재(4)의 산기공(43)의 직경과 개수를 설정하는 구체예를 설명한다. 설계 처리량(Q)이 0.6㎥/㎡·일(19.8㎥/일), 전체 산기풍량(D㎥/분)이 6Q인 경우의 산기공의 직경과 개수의 설정 사례에 대하여 설명한다. 전체 산기풍량이 6×Q㎥/분이고, 산기관 전체길이 198mm, 구멍직경 6mm, 피치 66mm로 2개의 산기공을 형성시키면, 산기공으로부터의 산기 유속(E)은 실시형태 1의 설명에서 진술한 계산법에 따르면 약 12m/초로 산출된다. 산출된 E 값은 10m/초보다 크므로 구체예에 따른 막 유닛의 산기공 직경(Bmm) 및 산기공 개수(C)는 적절한 사양으로 되어 있다.

상술한 네 번째 실시형태의 산기부재(4)는 전체 산기풍량 6×Q㎥/분이 실시형태 1의 산기부재(4)와 같다(즉, 산기 유속(E) 약 12m/초). 그러나, 본 실시형태의 산기부재(4)는 산기공의 수가 실시형태 1의 산기부재(4)의 것보다 적으므로, 단위 산기공당 산기풍량(㎥/분)이 첫 번째 실시형태의 산기부재(4)보다 커진다. 이로 인해, 네 번째 실시형태에서는 적어도 첫 번째 실시형태의 산기부재(4)에서 형성되는 것보다 큰 기액 혼합류가 형성된다. 산기부재(4)로부터 제공된 기포군(401)은 상기 기액 혼합류에 의해 상승하여 기포군 분할부재(5)와의 충돌로 인해 복수개의 기포군(402)으로 분할된다. 상기 기액 혼합류는 부재(5)와의 상기 충돌에 의해 그다지 에너지를 잃지 않으므로 막 유닛(3)의 세정 효과가 유지될 수 있다. 이상에서 설명된 바와 같이, 본 실시형태의 산기부재(4)에 따르면 막 유닛의 세정 효과가 향상 및 유지된다.

[본 발명의 기타 형태]

본 발명에 따른 막 분리장치의 적용은 상기 첫 번째, 두 번째, 세 번째 및 네 번째 실시형태와 같은 활성 슬러지를 체류시킨 생물 반응조에 적용하는 것에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 장치는 오염물의 고액분리가 필요한 설비로서, 응집제가 사용되는 정수 설비나, 산업폐수 처리설비와 같은 통상적인 수처리 설비에 적용할 수 있다.

1.. 막 분리장치
2.. 막 모듈
3.. 막 유닛
4.. 산기부재
42,42a,42b,43.. 산기공
5.. 기포군 분할부재
401,402.. 기포군

Claims

막 모듈을 수조의 깊이방향으로 복수개 적층시켜서 이루어지는 막 유닛과,
상기 막 유닛의 아래쪽에 배치되어 상기 막 유닛에의 막 세정용 공기를 산기하는 산기부재와,
상기 막 유닛과 상기 산기부재 사이에 배치되어 상기 산기부재로부터 제공된 공기의 기포군을 복수개의 기포군으로 분할시키는 기포군 분할부재를 구비한 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제1항에 있어서,
상기 기포군 분할부재는 상기 산기부재의 직경보다 큰 직경을 가지고, 또한 상기 기포군 분할부재는 상기 산기부재의 축과 평행하게 배치되는 삼차원 형상의 장해부재로 된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제2항에 있어서,
상기 기포군 분할부재는 그 종단면의 아랫변이 볼록한 입체로 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제3항에 있어서,
상기 기포군 분할부재는 그 종단면의 아랫변이 반원형을 이루는 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제3항에 있어서,
상기 기포군 분할부재는 그 종단면의 윗변이 삼각형인 한편 하반부가 반원형을 이루는 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제3항에 있어서,
상기 기포군 분할부재는 그 종단면이 원형을 이루는 것, 또는 그 종단면의 윗변이 조종 형상인 한편 하반부가 반원형을 이루는 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제1항에 있어서,
상기 산기부재는 관형상의 산기관으로 이루어지고, 이 산기관의 하부면에 복수개의 산기공이 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제7항에 있어서,
상기 산기공은 인접하는 산기공이 상호 간에 상기 산기부재의 축선에 대하여 비스듬한 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제8항에 있어서,
상기 인접하는 산기공은 한쪽 산기공과 상기 산기관의 축심을 통과하는 직선과 다른 쪽 산기공과 상기 축심을 통과하는 직선이 이루는 각도가 180도 미만이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제7항에 있어서,
상기 복수개의 산기공은 상기 산기관의 축방향에 2열로 배치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.
제10항에 있어서,
상기 산기공은 상기 한쪽 열의 산기공과 상기 산기관의 축심을 통과하는 직선과 상기 산기공과 대향하는 다른 쪽 열의 산기공과 상기 축심을 통과하는 직선이 이루는 각도가 180도 미만이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리장치.