KR20150096647A - 왕복하는 막을 사용하는 막 생물반응기 시스템 - Google Patents

왕복하는 막을 사용하는 막 생물반응기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막 오염을 감소시키거나 또는 제거하기 위한 기계적 막 왕복 시스템을 포함하는 막 생물반응기("MBR") 시스템에 관한 것이다. 기술된 MBR 시스템은 공기 정련을 사용하는 MBR 시스템들에 비해 더 높은 플럭스 및 더 낮은 오염으로 운전될 수 있다. 게다가 시스템은 하나의 RAS 및 하나 내부 재순환 라인으로 또는 내부 재순환 라인 없이 질소 및 인을 제거할 수 있다. 막은 벨트를 통하여 풀리에 연결된 저속 모터가 회전자를 회전시켜 회전 운동을 막의 왕복 운동으로 전환시키는 것에 의해 왕복될 수 있다. 왕복 운동을 생성하기 위하여 여러 기계적 수단들이 또한 채용될 수 있다.

Description

왕복하는 막을 사용하는 막 생물반응기 시스템{MEMBRANE BIOREACTOR SYSTEM USING RECIPROCATING MEMBRANE}
연관된 출원 자료
본 출원은 공동-계류 중인 2012년 10월 8일자로 출원되고 "폐수를 처리하기 위하여 왕복하는 운동을 사용하는 진동막 생물반응기 시스템"으로 명칭된 출원번호 제61/711,081호 및 2013년 4월 3일자로 출원되고 "왕복하는 막을 사용하는 막 생물반응기 시스템"으로 명칭된 출원번호 제13/874,016호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용들이 여기에 전체로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 폐수를 처리하기 위한 막 생물반응기("MBR(membrane bioreactor)") 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 잠호 MBR(submerged MBR)에서 통상적으로 활용되는 막 공기 정련(membrane scouring) 대신 잠호 막의 반복적인 전후진 운동(이하에서는 "왕복 운동(reciprocating motion)" 또는 "왕복(reciprocation)"이라 칭함)을 채용하여 여과 및 영양물 제거 효능들을 증가시킨 MBR 시스템에 관한 것이다.
배경기술에는 MBR 시스템의 여러 실시예들이 포함된다. 이들 시스템들은 생물학적 처리 공정(예를 들면, 활성슬러지 공정)을 활용하여 폐수로부터 오염물들을 제거한다. MBR에서의 영양물들의 제거를 증가시키기 위하여 여러 변형된 활성슬러지 공정들은 단독으로 또는 연속하여 사용될 수 있다. 공지의 MBR 시스템들은 또한 완전한 고-액 분리를 위한 물리장벽으로서 저압 정밀여과(MF: microfiltration) 또는 한외여과(UF: ultrafiltration) 막들을 사용한다. UF 및 MF 막들은 생물반응기의 내부 또는 생물반응기의 외부에서 잠호될 수 있다. 잠호 막들은 전형적으로 호기성 생물반응기 또는 분리 막 탱크 내에 설치된다. 막 공기 정련은 잠호 MBR 운전에서 심각하고 그리고 급속한 막 오염을 방지하는 데 극히 중요하다. 이들 공지의 기술들에 의하여, MBR 시스템들은 2차 및 3차 폐수 처리를 달성할 수 있다.
공지의 MBR 시스템들의 하나의 잇점은 3급 용출수(tertiary quality effluent)의 가정 및 산업 폐수의 처리에의 직접적인 도입이다. MBR 기술에서의 관심이 증가하는 다른 이유는 통상의 처리 공정에 비하여 보다 작은 족적이다. 예를 들면, 통상의 MBR 시스템들을 사용하면, 처리 설비는 그의 전체 족적이 증가함이 없이 잠재적으로 그의 용량이 2배가 될 수 있다. MBR 기술은 가정 폐수로 한정되지 않을 뿐만 아니라 재사용을 위한 산업 폐수를 처리하는 데에도 또한 적용될 수 있다.
MBR 시스템의 하나의 실시예가 데이거(Daigger)에 허여된 미합중국 특허 제4,867,883호에 기술되어 있다. 이 문헌은 도시 폐수로부터 유기물, 인 및 질소 영양물들을 제거하기 위한 고속의 생물학적 폐수 처리 공정을 기술하고 있다. 다른 MBR 시스템이 닉(Nick)과 그의 동료들에게 허여된 미합중국 특허 제8,287,733호에 기술되어 있다. 이는 제1 및 제2 무산소조들과 제1 및 제2 호기조들을 활용하는 시스템을 기술하고 있다. 또한 복수의 막 탱크들을 감싸기 위한 막 챔버의 사용이 기술되어 있다.
공지의 MBR 시스템들의 하나의 공통적인 단점은 막 오염이다. 이는 가용성이고 그리고 입자화된 물질들이 막 표면 상에 축적되는 경우에 발생한다. 이러한 오염이 발생하는 경우, 막을 통과하는 투과액에서의 뚜렷한 감소나 또는 막관통압(transmembrane pressure)에서의 증가가 존재한다. 둘 중의 어느 경우에도, 그 결과는 시스템 성능에서의 극적인 감소이다. MBR 시스템들이 대체로 높은 혼합액현탁고형물(MLSS: mixed liquor suspended solids)에 대하여 운전된다는 것을 고려하면 막 오염은 MBR 시스템들에서 특히 문제가 된다.
막 오염에 대한 하나의 해결책은 공기 정련이다. 격렬한 공기 정련은 급속하고 그리고 영구적인 오염 및 특히 케이크층 누적(cake layer buildup) 없이 그리고 안정한 플럭스 운전(flux operation)을 허용한다. MBR이 운전되는 보다 높은 MLSS 농도를 가정하면, 빈번한 유지 세척 및 탱크 밖의 세척들이 오염 및 투과성의 관점들에서 막 성능을 유지하는 데 또한 중요하다. 공기 정련이 에너지 집약적이기 때문에 최적은 아니다. 막에 대한 추가의 공기 정련으로 인하여 통상의 활성슬러지 시스템들에 비해 MBR 시스템들에서 에너지 소모는 상당히 높다.
따라서, 당해 기술분야에서 막 오염을 제거하거나 또는 감소시키고 그리고 공기 정련에 의존하지 않는 개선된 MBR 시스템들에 대한 요구가 존재하고 있다. 본 발명은 당해 기술분야에서 이들 및 다른 요구들을 만족하는 것을 목표로 한다.
따라서, 본 발명의 목적들 중의 하나는 MBR 시스템에서 막 오염을 감소시키거나 또는 제거하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 막 공기 정련을 활용하지 않는 MBR 시스템을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적들 중의 하나는 막 탱크 내에서 공기 정련을 활용하지 않는 것에 의하여 반송활성슬러지(RAS: return activated sludge) 중의 용존산소의 존재를 감소시키거나 또는 제거하고, 그에 의하여 활성슬러지가 막 탱크로부터 무산소조 또는 혐기조에로 반송되는 것을 허용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 막의 왕복을 통하여 막 여과 및 생물학적 영양물 제거에서 보다 높은 효율로 MBR들을 운전하는 것이다.
상기 점은 하기의 본 발명의 상세한 설명이 더욱 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 보다 적절하고 그리고 중요한 특징들을 더 넓게 개괄하여 당해 기술분야에 대한 본 상세한 설명이 보다 완전히 이해될 수 있도록 한다. 본 발명의 특허청구범위들의 대상을 형성하는 본 발명의 추가의 특징들이 이하에서 기술될 것이다. 기술된 개념 및 특정의 구체예가 본 발명의 동일한 목적들을 실행하기 위한 다른 구조들을 변경하거나 또는 설계하기 위한 기본으로서 쉽게 활용될 수 있다는 것은 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 이해되어야 한다. 이러한 등가의 구성들이 첨부된 특허청구범위들에서 규정된 바와 같은 본 발명의 정신 및 관점으로부터 일탈하지 않는다는 것 또한 당해 기술분야에서 숙련된 자들에게는 이해되어야 한다.
본 발명의 속성 및 목적들의 보다 완전한 이해를 위하여, 이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하며 여기에서:
도 1은 본 발명의 MBR 시스템을 나타내는 개략적인 일반 공정 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 왕복 장치의 개략적인 구체예이다.
도 3은 왕복 장치의 다른 구체예의 상세한 도면이다.
도 4 내지 도 12들은 본 발명의 여러 대안의 MBR 공정들을 나타내는 공정 다이아그램들이다.
도면들의 여러 관점들에 걸쳐서 유사한 문자들은 유사한 부품들을 의미한다.
본 발명은 막 케이지(또는 막 카셋트)를 전후로 왕복시키기 위한 기계장치를 포함하는 막 생물반응기("MBR") 시스템에 관한 것이다. 기계장치는 공기 정련의 사용을 제거한다. 막 케이지/카셋트의 반복적인 왕복은 막 섬유들에 대하여 작용하는 관성력을 생성하고, 이는 막 표면으로부터 오염물을 떨어낸다. 시스템은 호기조 또는 별도의 막 탱크 내에 잠호되는 막 모듈을 포함하는 막 케이지/카셋트를 포함한다. 막 케이지/카셋트는 왕복 장치를 통하여 기계적으로 왕복될 수 있으며, 이는 기술된 MBR 시스템이 공기 정련을 사용하는 MBR 시스템 보다 높은 플럭스 및 보다 낮은 오염으로 작동되도록 하는 것을 가능하게 한다. 왕복 운동을 생성하기 위한 여러 기계수단들이 채용될 수 있다. 본 발명의 여러 상세들 및 이들이 연계되는 방법이 이하에서 보다 상세하게 기술한다.
도 1은 기술된 진동 MBR 시스템의 기본 구성들을 묘사하고 있다. 시스템은 처리되어야 할 유입수(10)를 수용하기 위한 생물학적 처리 트레인(50)을 포함한다. 여러 혐기, 무산소 및 호기의 생물학적 처리 공정들이 처리 트레인(50) 내에서 실행될 수 있다. 계속해서 처리 트레인(50)으로부터의 혼합 액체(20)가 막 탱크(60) 내로 통과된다. 막 탱크(60)에는 잠호 막(70)(또는 일련의 막들(70))이 포함된다. 예를 들면, 막(들)(70)은 완전한 고-액 분리를 위한 물리적 장벽으로 사용되는 저압 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막일 수 있다. 막 케이지/카셋트(70)는 왕복 장치(80)에 기계적으로 서로 연결된다. 본 발명에 따르면, 왕복 장치(80)는 막(70)을 왕복시키는 데 사용된다. 하나의 비-제한적인 구체예에 있어서, 왕복 장치(80)는 회전운동을 왕복운동으로 전환시키기 위한 기계장치를 사용한다. 막 탱크(60) 내의 막(70)을 통한 여과는 유출수(40)를 생성한다. 막(70)은 여과 동안 지속적으로 왕복될 수 있다. 달리, 막(70)은 오염을 방지하기 위하여 필요에 따라 선택적으로 왕복될 수 있다. 활성슬러지(30)(즉, 반송활성슬러지 또는 "RAS")의 일부는 생물학적 처리 트레인(50)에로 되돌려져서 트레인(50) 내의 슬러지 농도를 유지하도록 한다.
도 2는 왕복 장치(80)의 개략적인 구체예를 묘사하고 있다. 막 카셋트(70)는 활주 프레임(90)에 연결될 수 있다. 모터-구동되는 회전자(100)가 축(110)을 경유하여 활주 프레임(90)에 연결된다. 그에 의하여 묘사된 장치(80)는 회전자(100)의 회전 운동을 활주 프레임(90)의 회전 운동으로 전환시킨다. 왕복의 빈도는 회전자(100)가 회전되는 속도에 의해 좌우될 수 있다.
이러한 장치의 대안의 구체예가 도 3에 나타나 있고 그리고 벨트(102)를 경유하여 풀리(101)에 연결된 저속 모터(103)를 포함하여 축(110)을 통하여 회전 운동을 활주 프레임(90)의 왕복 운동으로 전환시킨다. 왕복 운동으로 인한 충격 부하는 활주 프레임(90)과 축(110) 사이의 완충기(94)에 의해 감소될 수 있다. 활주 프레임(90)은 선형 베어링과 굴대받이(91) 지지물을 수반하는 활주 레일(92)을 따라 가변될 수 있다(도 3). 소정의 왕복 운동을 제공할 수 있는 많은 다른 형태들의 기계 설비들이 존재한다. 본 발명을 고려하여 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 다른 적절한 기계장치들을 인식할 수 있을 것이다.
본 공정 발명의 여러 대안의 구체예들이 도 4 내지 도 12와 연계하여 기술된다. 도 4와 관련하여, 시스템은 일련의 생물학적 처리조들로 이루어진다. 이들에는 혐기처리조(51), 무산소처리조(52), 호기처리조(53) 및 막 탱크(60)들이 포함된다. 막(70)은 막 탱크(60) 내에 잠호되고 그리고 왕복 장치(80)에 의하여 왕복될 수 있다.
혐기처리조(51)는 처리되어야 하는 유입수(10)를 수용한다. 그 후 혐기처리조(51)는 용존산소의 부재 중에서 유입수를 생물학적으로 처리하여 후속의 호기 조건들에서의 과잉흡수(luxury uptake)를 위한 인을 방출한다. 무산소조(52)에서 폐수는 산소-고갈 조건들에서 탈질된다. 비록 화학적으로 결합된 산소가 존재할 수 있기는 하나, 용존산소는 무산소조(52)로부터 배제된다. 질화 및 과잉 인 흡수(luxury phosphorous uptake)가 용존산소의 존재 중에서 호기처리조(53) 내에서 일어난다. 막 탱크(60) 중에서의 여과로 유출수(40)가 생성된다.
활성슬러지에 대한 2개의 순환라인들이 존재한다. 하나의 라인(31)은 막 탱크(60)로부터 무산소조(52)에로 반송활성슬러지(또는 "RAS")를 전송한다. 게다가, 내부 재순환 라인(32)은 무산소조(52)로부터 혐기조(51)에로 활성슬러지의 일부를 전송하여 혼합액현탁고형물(또는 "MLSS")이 유지되도록 한다. 본 발명에 있어서, RAS는 통상의 활성슬러지 또는 MBR 공정들의 2가지 역할들을 담당한다. 선행기술 시스템들에 있어서, 막 탱크로부터의 활성슬러지의 반송류는 용존산소("DO")를 포함한다. 따라서, 선행기술 시스템들에 있어서, 막 탱크로부터의 활성슬러지는 탈질 또는 인 방출에 대하여 영향을 주는 높은 함량의 용존산소로 인하여 무산소조(52) 또는 혐기조(51)에로 반송될 수 없다. 그러나, 본 발명과 관련하여서는, 격렬한 폭기(air bubbling) 대신 물리적인 막 왕복이 활용되기 때문에, RAS 중의 DO가 통상의 MBR에 비하여 최소가 된다. 따라서, 본 발명에서는 슬러지 및 질산염 반송 둘 다를 위하여 단지 하나의 슬러지 반송라인 만이 요구된다.
도 5에 묘사된 시스템은 무산소처리조(52) 및 호기처리조(53)를 포함하며, 이는 공지의 변형 루드잭 및 에팅거(MLE: Modified Ludzack and Ettinger) 공정과 유사하다. 상기 기술된 바와 같이, RAS(31)는 본 발명에서는 질산염 및 슬러지 반송을 위하여 막 탱크(60)로부터 직접적으로 무산소조(52)로 진행한다. 도 6은 도 4에 묘사된 동일한 반응기들로 이루어지는 다른 구체예를 나타내고 있다. 그러나, 반송활성슬러지(33)는 혐기처리조(51)에로 진행하고 그리고 호기조(53) 및 무산소조(52) 사이에서 내부 재순환(34)이 이루어진다. 도 7은 도 6에서 기술된 공정과 유사한 구체예를 묘사하고 있다. 그러나, 여기에는 내부 재순환이 존재하지 않고 그리고 RAS는 무산소조로 진행하고 여기서 탈질이 일어난다. 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11들은 각각 도 4, 도 5, 도 6 및 도 7들에 묘사된 시스템들의 변형들이다. 그 차이는 막 탱크의 존재이다. 도 4 내지 도 7들의 시스템들은 별도의 막 탱크(60)를 가지나, 그러나 도 8 내지 도 11들의 시스템들은 별도의 막 탱크(60)를 갖지 않는다. 즉, 도 8 내지 도 11들의 탱크(53)가 막 탱크로서 그리고 생물반응기로서 기능한다. 도 12는 본 발명에서 개발된 공정의 추가의 실시예를 나타내며 이는 가장 간단한 반응기 구성들로 이루어진다. 왕복하는 막이 단일의 생물반응기 내에 잠호되고 여기에서 생물학적 제거와 막 분리 두 가지 모두가 일어난다. 반응기는 순환 순서에서 호기 및 무산소 조건들이 이루어지는 폭기된 조, 못(pond) 또는 일련의 배치반응기(batch reactor: SBR)가 될 수 있다.
본 상세한 설명은 첨부된 특허청구범위들에 포함된 것과 마찬가지로 앞서의 상세한 설명에 포함된 것들을 포함한다. 비록 본 발명이 특정한 정도의 특수성을 갖는 바람직한 형태로 기술되기는 하였으나, 바람직한 형태의 본 상세한 설명은 단지 실시예의 방법으로 이루어진 것이고 그리고 본 발명의 정신 및 관점으로부터 벗어남이 없이 구성의 상세들 및 부품들의 조합 및 배열들에서의 다양한 변화들이 기대될 수 있음은 이해되어야 한다.
10 : 유입수
20 : 혼합 액체 흐름
21 : 혐기조에서 무산소조로의 흐름
22 : 무산소조에서 혐기조로의 흐름
23 : 호기조에서 막 탱크로의 흐름
24 : 무산소조에서 혐기조로의 흐름
25 : 혐기조에서 호기조로의 흐름
30 : 활성슬러지 반송
31 : 활성슬러지 반송 (막 탱크에서 무산소로)
32 : 내부 재순환 (무산소조에서 혐기조로)
33 : 활성슬러지 반송 (막 탱크에서 혐기조로)
34 : 내부 재순환 (호기조에서 무산소조로)
40 : 유출수
50 : 생물학적 처리 트레인
51 : 혐기조
52 : 무산소조
53 : 혐기조
60 : 막탱크
70 : 잠호 막, 막 카셋트
80 : 왕복 장치
90 : 활주 프레임
91 : 굴대받이를 수반하는 선형 베어링
92 : 활주 레일
93 : 막 카셋트 연결점
94 : 완충기
100 : 회전자
101 : 풀리
102 : 벨트
103 : 저속 모터
110 : 축

Claims (13)

  1. 잠호된 막; 및
    잠호된 막을 왕복시키고, 그에 의하여 왕복이 막 오염을 감소시키는 수단을 포함하는 막 왕복 시스템.
  2. 처리되어야 할 유입수(10)를 수용하며, 생물학적 처리 트레인(50)이 처리된 폐수를 생성하는 생물학적 처리 트레인(50);
    막(70)을 감싸고, 생물학적 처리 트레인(50)으로부터의 처리된 폐수가 막(70)을 통하여 여과되어 유출수(40)를 생성하는 막 탱크(60);
    막(70)을 왕복시키고, 왕복이 막(70) 상의 오염을 감소시키고 그리고 막 탱크(60) 내에 산소 고갈 조건들을 제공하기 위한 왕복 장치(80)
    를 포함하는 왕복하는 막 생물반응기 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    왕복 장치(80)가 축(110)을 경유하여 활주 프레임(90)에 서로 연결되는 회전자(100), 막(70)과 상호 연결되는 활주 프레임(90)을 포함하고, 그리고 여기에서 왕복하는 활주 프레임(90)이 막(70)을 왕복시키는 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    왕복 장치(80)가 추가로 벨트(102)를 경유하여 풀리(101)에 연결되어 회전자(100)를 회전시키고 그에 의하여 축(110)을 통하여 회전 운동을 활주 프레임(90)의 왕복 운동으로 전환시키는 저속 모터(103)를 포함하는 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    왕복 운동으로 인한 충격 부하가 활주 프레임(90)과 축(110) 사이의 완충기(94)에 의해 감소될 수 있고, 그리고 여기에서 활주 프레임(90)이 선형 베어링과 굴대받이(91) 지지물을 수반하는 활주 레일을 따라 가변될 수 있는 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    왕복 운동으로 인한 충격 부하가 활주 프레임(90)과 축(110) 사이의 완충기(94)에 의해 감소될 수 있고, 그리고 여기에서 활주 프레임(90)이 선형 베어링과 굴대받이(91) 지지물을 수반하는 활주 레일을 따라 가변될 수 있는 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    생물학적 처리 트레인이
    용존 산소의 부재 중에서 유입수를 생물학적으로 처리하기 위한 혐기처리조(51);
    산소-결핍 조건들 하에서 처리된 폐수를 탈질하기 위한 무산소처리조(52);
    용존 산소의 존재 중에서 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 호기처리조(53); 및
    왕복 장치(80)를 경유하여 반복적으로 왕복되는 막(70)을 통하여 유출수를 생성하기 위한 막 탱크(60)
    를 포함하는 왕복하는 막 생물반응기 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    막 탱크(60)로부터 무산소처리조(52)에로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(31) 및 무산소조(52)로부터 혐기조(51)에로의 내부 재순환 라인(32)을 추가로 포함하는 막 생물반응기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    막 탱크(60)로부터 혐기처리조(51)에로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(33) 및 호기조(53)로부터 무산소조(52)에로의 내부 재순환 라인(34)을 추가로 포함하는 막 생물반응기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    막 탱크(60)로부터 무산소처리조(52)에로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(31)을 추가로 포함하는 막 생물반응기.
  11. 제 2 항에 있어서,
    생물학적 처리 트레인이
    산소-결핍 조건들 하에서 처리된 폐수를 탈질하기 위한 무산소처리조(52);
    용존 산소의 존재 중에서 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 호기처리조(53); 및
    왕복 장치(80)를 경유하여 반복적으로 왕복되는 막(70)을 통하여 유출수를 생성하기 위한 막 탱크(60)
    를 포함하는 왕복하는 막 생물반응기 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    막 탱크(60)로부터 무산소처리조(52)에로 활성슬러지를 전달하는 활성슬러지 반송 라인(31)을 추가로 포함하는 막 생물반응기.
  13. 침강 사이클을 제거하고 그리고 청구항 제 1 항에 기술된 기계적 막 왕복 시스템을 활용하는 순차 배치 반응기.
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