KR20160017558A - 산기 장치 및 분리막 생물반응조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 2개 이상의 기공을 포함한 기공 그룹; 및 상기 기공 그룹과 이격되어 위치한 측면 기공;을 포함한 산기관을 포함한 산기 장치 와 상기 산기 장치를 포함한 분리막 생물반응조에 관한 것이다.

Description

산기 장치 및 분리막 생물반응조{AIR DIFFUSER AND MEMBRANE BIO-REACTOR}
본 발명은 산기 장치 및 분리막 생물반응조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적은 공기량으로도 효과적으로 공기 또는 기포를 방출 및 분산시킬 수 있어서 분리막 생물반응조 등의 적용 분야에서 뛰어난 세정 효과 등을 구현할 수 있고, 사용되는 공기량과 소요되는 전력을 낮추고, 분리막 생물반응조의 가동 효율을 높일 수 있는 산기 장치 및 상기 산기 장치를 포함하는 분리막 생물반응조에 관한 것이다.
분리막 생물반응조(MBR, MEMBRANE BIO-REACTOR) 공정은 활성슬러지 막분리 공정 또는 막결합형 활성 슬러지 공정이라고 불리 우며, 고농도의 유기물 또는 무기물을 포함하는 하수 또는 폐수처리의 한 방법이다.
이러한 분리막 생물반응조는, 이전에 알려진 표준활성슬러지법 또는 표준활성슬러지법의 변법에서 사용되는 침전에 의한 고액분리를 분리막으로 대체함으로써 고농도의 미생물 (MLSS, mixed liquor suspended solid)을 배양할 수 있으며, 이에 따라 사용되는 장치나 전체 시스템 설치에 필요한 부지 면적을 크게 감소시킬 수 있으며, 처리 효율을 높이면서 안정적인 수질 확보가 가능한 장점이 있다.
하지만, 분리막 생물반응조는 흡입 작용을 이용하여 분리막에서 고액 분리를 진행하기 때문에, 분리막의 오염을 완화하거나 분리막에서 오염물을 제거하기 위해서 반응조 하부에 공기 주입을 위한 산기 장치를 설치하고 여기에서 발생하는 기포를 사용하는 것이 일반적이였다.
이전에는 산기 장치들을 구동함에 있어서 나타나는 압력 분배의 문제를 해결하는 방법이나 산기 장치에서 보다 균일하게 기포를 생성하기 위한 방법 등에 대해서는 알려진 바 있으나, 보다 적은 공기량을 사용하면서도 보다 효율적으로 MBR의 분리막의 오염을 완화하거나 오염물을 제거하기 위한 방법이 상용화되어 있지는 않은 실정이다.
본 발명은 적은 공기량으로도 효과적으로 공기 또는 기포를 방출 및 분산시킬 수 있어서 분리막 생물반응조 등의 적용 분야에서 뛰어난 세정 효과 등을 구현할 수 있고, 사용되는 공기량과 소요되는 전력을 낮추고, 분리막 생물반응조의 가동 효율을 높일 수 있으며, 산기관의 세정 및 분리막 생물반응조의 오염 제어가 가능한 산기 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 산기 장치를 포함하는 분리막 생물반응조를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에서는, 2개 이상의 기공을 포함한 기공 그룹; 및 상기 기공 그룹과 이격되어 위치한 측면 기공;을 포함한 산기관을 포함하며, 상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열하며, 상기 측면 기공은 상기 기공 그룹으로부터 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면의 전체 둘레의 1/5 내지 1/3에 해당하는 위치에 형성되는, 산기 장치가 제공된다.
또한, 본 명세서에서는, 생물반응조; 상기 생물반응조 내에 설치된 1이상의 분리막 모듈; 및 상기 분리막 모듈의 하단에 설치되는 상기 산기 장치;를 포함하는 분리막 생물반응조가 제공된다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 산기 장치 및 분리막 생물반응조에 관해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 2개 이상의 기공을 포함한 기공 그룹; 및 상기 기공 그룹과 이격되어 위치한 측면 기공;을 포함한 산기관을 포함하며, 상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열하며, 상기 측면 기공은 상기 기공 그룹으로부터 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면의 전체 둘레의 1/5 내지 1/3에 해당하는 위치에 형성되는, 산기 장치가 제공될 수 있다.
이전에 알려진 산기 장치에서는 공기가 배출되는 기공이 일정한 간격으로 분포하거나 불규칙적으로 분포하는 것이 통상적이였다. 그러나, 이러한 산기 장치에서는 기공에서 배출되는 공기나 이로부터 발생되는 기포의 형태나 유동을 조절하기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 상기 배출되는 공기나 이로부터 발생되는 기포의 유동으로 인하여 적용되는 장치, 예를 들어 분리막 생물반응조의 분리막 등 에서의 압력 분배가 용이하지 않았다.
이에 본 발명자들은 산기 장치에 관한 연구를 진행하여, 2이상의 기공들로 이루어지는 기공 그룹을 복수로 산기관 상에 형성하면, 적은 공기량으로도 효과적으로 공기 또는 기포를 방출 및 분산시킬 수 있으며, 분리막 생물반응조 등의 적용 분야에서 뛰어난 세정 효과 등을 구현할 수 있고, 사용되는 공기량과 소요되는 전력을 낮추고, 분리막 생물반응조의 가동 효율을 높일 수 있다는 점을 실험을 통하여 확인하고 발명을 완성하였다.
또한, 상기 기공 그룹과 이격되어 위치한 측면 기공이 상기 기공 그룹으로부터 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면의 전체 둘레의 1/5 내지 1/3에 해당하는 위치에 형성되면, 상기 측면 기공에서 발생하는 기포가 기공 그룹을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)과 뭉쳐져서 거대 기포가 형성될 수 있으며, 또한 상기 산기관 내부에 잔류하는 부유물이나 기타 찌꺼기가 상기 측면 기공을 통하여 배출되어 산기관의 세정 및 분리막 생물반응조의 오염 제어가 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 상기 측면 기공은 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면을 기준으로 하였을 때, 상기 기공 그룹으로부터 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면의 전체 둘레의 1/5 내지 1/3에 해당하는 위치에 형성될 수 있다. 하기 도에 나타난 바와 같이, 상기 기공 그룹들이 보이는 평면도 상에서는 상기 측면 기공이 상기관 평면의 최외곽에 존재하게 된다.
상기 측면 기공은 상기 산기관에서 서로 대향하도록 2개가 한쌍을 이루어면서 상기 산기관 표면에 형성될 수 있으며, 상기 산기관 표면에는 측면 기공의 쌍(pair)들이 2이상 형성될 수 있다.
상기 측면 기공의 숫자가 크게 한정되는 것은 아니나, 상기 측면 기공은 상기 산기관의 길이 방향으로 2 내지 10등분한 위치에 각각 형성될 수 있다.
상기 측면 기공의 최대 직경의 크기가 한정되는 것은 아니지만, 거대 기포를 보다 용이하게 형성하고 산기관의 세정 및 분리막 생물반응조의 오염 제어 성능을 향상하기 위하여 상기 측면 기공의 최대 직경은 5 ㎜ 내지 20㎜일 수 있다.
또한, 상기 측면 기공의 최대 직경은 상기 기공 그룹 각각에 포함되는 기공의 최대 직경의 1.5 배 내지 3배일 수 있다. 상기 측면 기공이 상기 기공 그룹 각각에 포함되는 기공에 비하여 보다 큰 직경을 가져야, 산기관 내부에 유동이 발생하여 슬러지 등 찌꺼기들이 큰 기공으로의 유입과 유출이 보다 용이하며, 상기 기공 기룹에 포함된 각각의 기공으로 압력 증가 등을 통해 부착된 슬러지가 산기관의 측면 기공으로 보다 많은 양이 배출될 수 있다.
한편, 상기 '기공 그룹'은 상기 산기 장치 상에 형성된 2이상의 기공들로 이루어지는 집단을 의미하며, 하나의 기공 그룹에 포함되는 기공들 간의 거리가 다른 기공 그룹에 포함되는 기공까지의 거리에 비하여 작기 때문에, 상기 산기 장치 상에서 하나의 집단으로 구분 될 수 있다.
또한, 2이상의 기공들이 모여서 하나의 기공 그룹을 형성하고, 이러한 기공 그룹이 2이상 상기 산기관에 존재함에 따라서, 상기 일 구현예의 산기 장치에서는 상기 기공을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)이 뭉칠 수 있으며(coalescence), 이와 같이 뭉쳐진 공기 거품이 거대 공기 거품을 형성하게 되고, 이러한 거대 공기 거품이 상기 산기 장치가 설치된 장치(예를 들어, 분리막 생물반응조 등) 내에서 상승하거나 유동하게 된다(slug flow). 상기 산기 장치는 상기 거대 거품을 균일한 크기로 균등하게 형성할 수 있게 한다.
상기 기공 그룹은 2개 이상의 기공을 포함할 수 있으며, 구체적으로 2개 내지 6개의 기공, 또는 3개 내지 5개의 기공을 포함할 수 있다.
상기 산기관에 형성되고 서로 이웃하는 기공 그룹들 간의 거리는 25㎜ 내지 150㎜, 또는 30㎜ 내지 120㎜, 또는 40 ㎜ 내지 100㎜일 수 있다. 상기 서로 이웃하는 기공 그룹들 간의 거리가 너무 작으면, 상기 기공 들이 실질적으로 그룹을 이루지 못하여 상술한 기포 합체(bubble coalescence)나 거대 공기 거품의 유동(slug flow)을 구현해내기 어려워서 상술한 효과를 달성하기 용이하지 않다. 또한, 상기 서로 이웃하는 기공 그룹들 간의 거리가 너무 크면, 분리막 전체에 골고루 거대 공기 거품의 유동(slug flow)을 형성하지 못하고, 이로 인해 분리막 표면에 투과되는 투과수와 수직한 방향으로 십자흐름(cross flow) 또는 하방에서 상방향으로 형성되는 상향류(up flow velocity)의 형성이 원활하지 못할 수 있으며, 이에 따라 국부적 분리막 오염이 발생하게 되고 산기효율이 떨어질 수 있다.
상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열할 수 있다. 상기 산기관을 포함한 산기 장치는 분리막 생물반응조에 설치될 수 있으며, 상기 산기관에 형성되는 기공 그룹들은 상기 분리막 생물반응조에 포함되는 분리막 모듈을 향하도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 산기관에 표면에 형성되는 기공 그룹들은 이들을 모두 통과하는 가상의 직선 상에 배열될 수 있다. 또는, 상기 산기관의 폭 방향으로 가장 넓게 분포하는 기공 2개를 포함한 기공 그룹의 폭을 상기 산기관의 길이 방향으로 늘린 가상의 선 2개 안에 모든 기공 그룹이 존재할 수 있다.
상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열할 수 있으나, 모두 동일한 분포 양상을 가져야 하는 것은 아니며, 상술한 일렬의 배열 또한 완전한 직선상의 배열뿐만 아니라, 상기 기공 그룹들을 모두 통과하는 가상의 직선에서 일정한 오차, 예를 들어 기공 그룹 중심의 위치 오차가 7%미만 정도로서 실질적인 일렬의 배열로 보이는 경우를 포함한다.
상기 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함되는 산기관들의 개략적인 형태는 도6에 나타난 바와 같다. 다만, 도6은 상기 구현예의 산기관의 일 예를 낸 것일 뿐이며, 상기 발명의 일 구현예의 산기 장치의 구체적인 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도7에는 상기 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함되는 산기관의 평면도를 개략적으로 나타내었다. 다만, 도7은 상기 구현예의 산기 장치에 포함되는 산기관의 평면도 및 상기 산기관에 포함되는 기공에 관한 내용에 관한 예를 제시한 것이며, 상기 발명의 일 구현예의 산기 장치의 구체적인 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
도8에 나타난 바와 같이, 이전에 알려진 산기관들, 예를 들어 단순히 산기관 상에 1개의 기공 들이 일정한 간격으로 1열 또는 2열로 형성되어 있는 경우에는, 상술한 기포 합체(bubble coalescence)나 거대 공기 거품의 유동(slug flow)을 구현해내기 어려워서 상술한 효과를 달성하기 용이하지 않다.
상기 기공 그룹이 2개 내지 6개, 또는 3개 내지 5개의 기공을 포함함에 따라서, 상기 기공들을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)은 용이하게 하나로 합쳐질 수 있으며 거대 공기 거품의 유동(슬러그 플로우, slug flow)를 안정적이고 균형 있게 형성할 수 있다.
상기 거대 공기 거품의 유동의 형성에 관한 개략적인 내용은 도9에 나타난 바와 같으며, 이러한 상기 거대 공기 거품의 유동이 분리막 생물반응조 내에서 상승하거나 유동하게 되는(slug flow) 현상에 관한 모식도는 도10에 나타난 바와 같다.
상기 하나의 기공 그룹에 포함되는 기공들 간의 거리는 1 ㎜ 내지 20㎜, 또는 4 ㎜ 내지 12㎜, 또는 5 ㎜ 내지 10㎜일 수 있다. 상기 하나의 기공 그룹에 포함되는 기공들 간의 거리는 각각의 기공의 중심점과 이와 이웃하는 기공의 중심점 간의 거리로 정의될 수 있다. 상기 기공의 중심점은 상기 기공의 전면이 다 포함되는 원의 중심점일 수 있다.
상기 하나의 기공 그룹에 포함되는 기공들 간의 거리가 상기 범위로 특정됨에 따라서, 상술한 바와 같이 상기 기공들을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)은 용이하게 하나로 합쳐질 수 있으며 거대 공기 거품을 안정적이고 균형 있게 형성할 수 있다.
상기 기공의 최대 직경은 0.5 ㎜ 내지 10㎜, 또는 1 ㎜ 내지 5㎜일 수 있다. 상기 기공의 크기가 너무 작으면, 기공을 통해 발생하는 공기에 걸리는 압력이 상승하여 에너지 손실이 크게 되며, 상기 기공에서 방출되는 공기 거품의 크기가 너무 작아져서 거대 공기 거품을 형성하기 어려우며, 형성된 거대 거품이 상술한 유동(slug flow)을 하지 못할 수 있다. 또한, 상기 기공의 크기가 너무 크면, 산기공기가 주입구에 가까운 기공에서부터 급격히 발생하므로 산기관 전체의 압력분배에 문제점이 발생하여 불균일한 산기가 되기 쉽다. 또한 상기 기공 크기가 너무 클 경우 상기 기공 그룹의 형성에 따른 작용이나 효과가 반감될 수 있으며, 상술한 기포 합체(bubble coalescence)나 거대 공기 거품의 유동(slug flow)을 구현해내기 어려워서 상술한 효과를 달성하기 용이하지 않다.
상기 산기관의 표면 상에서 상기 기공의 단면은 원, 타원 또는 3개 내지 30개의 내각을 갖는 다각형일 수 있다.
한편, 상기 산기관의 구체적인 형태나 크기는 실제 적용되는 장치에 따라서 달라질 수 있으나, 상기 산기관은 10㎜ 내지 100㎜의 외경 또는 1㎜ 내지 90㎜의 내경을 갖는 배관 형태일 수 있다.
상기 산기관의 길이 방향에 대하여 수직인 단면의 형태가 크게 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 원, 타원 또는 3개 내지 30개의 내각을 갖는 다각형일 수 있다.
또한, 상기 상기 산기관의 구체적인 재질이 크게 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 PVC 등이 열가소성 플라스틱이나 금속을 상기 산기관의 제조에 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 일 구현예의 산기 장치는 분리막 생물반응조(MBR, MEMBRANE BIO-REACTOR)에 사용될 수 있다.
또한, 상기 일 구현예의 산기 장치는 분리막 생물반응조에 사용되기 위해서 상기 산기관 이외로 통상적으로 알려진 다른 구성부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 일 구현예의 산기 장치는 상기 산기관과 연결되고 상기 상기관으로 기체를 주입하는 기체 주입부를 더 포함할 수 있다. 이러한 기체 주입부는 공기 주입의 안전 확보 및 운전방법의 변화를 주기 위한 전동 밸브, 간헐적 주입 또는 펄프 주입을 위한 솔레노이드 밸브 등의 구성을 사용할 수 있으며, 상기 분리막 생물 반응조 외부에 구비되거나 상기 상기 장치 내부에 구비되어 있을 수 있다.
또한, 상기 일 구현예의 산기 장치는 상기 기체 주입부로부터 주입된 기체를 상기 산기관으로 분배하는 기체 분배부;를 더 포함할 수 도 있다.
발명의 또 다른 구현예에 따르면, 생물반응조; 상기 생물반응조 내에 설치된 1이상의 분리막 모듈; 및 상기 분리막 모듈의 하단에 설치되는 상기 산기 장치;를 포함하는 분리막 생물반응조가 제공될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 일 구현예의 산기 장치를 사용하면, 적은 공기량으로도 효과적으로 공기 또는 기포를 방출 및 분산시킬 수 있으며, 분리막 생물반응조 등의 적용 분야에서 뛰어난 세정 효과 등을 구현할 수 있고, 사용되는 공기량과 소요되는 전력을 낮추고, 분리막 생물반응조의 가동 효율을 높일 수 있다.
특히, 상기 일 구현예의 산기 장치를 사용함에 따라서, 상기 산기 장치의 기공을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)이 뭉칠 수 있으며(coalescence), 이와 같이 뭉쳐진 공기 거품이 거대 공기 거품을 형성하게 되고, 이러한 거대 공기 거품이 상기 구현예의 분리막 생물반응조 내에서 상승하거나 유동하게 된다(slug flow). 상기 산기 장치는 상기 거대 거품을 균일한 크기로 균등하게 형성할 수 있게 한다.
그리고, 이러한 거대 공기 거품의 주기적인 유동에 따라서, 보다 적은 공기양으로도 상기 분리막 생물반응조의 분리막에 생성될 수 있는 오염 물질을 용이하게 제거할 수 있으며, 분리막에 오염 물질이 쌓이는 현상을 최소화 할 수 있다.
상기 산기 장치에 관한 구체적인 내용은 상기 일 구현예에서 상술한 내용을 모두 포함한다.
상기 생물반응조는 하수 또는 폐수를 처리함에 있어서 미생물을 이용하여 생물학적인 정화를 하는 부분이며 분리막이 침지되는 부분은 생물반응조 중에서도 폭기조 또는 포기조 혹은 호기조라고 하며 유기물의분해 역할을 하는 부분이며, 장방형, 정방형 또는 원형 등의 형태를 가질 수 있다. 이러한 생물반응조의 크기가 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 폭기조의 1기당 평균적으로 100㎥ 내지 20,000 ㎥의 크기를 가질 수 있다.
상기 생물반응조 내에 설치된 1이상의 분리막 모듈은 표준활성슬러지법 또는 표준활성슬러지법 변법 등으로 대표되는 생물반응조에서 폭기조 내 혹은 분리막조 또는 조 외부에서 에어 리프트(air lift) 형태로 설치되며, 활성슬러지와 정화된 물을 분리하는 이른바 고액분리의 역할을 하는 부분이며, 분리막의 설치 위치와 운전 방법 등에 따라 침지형 또는 가압형의 형태를 가질 수 있다. 또한, 이러한 분리막 모듈은 평막 형태로써 분리막, 엘레먼트(panel 또는 spacer 등을 포함한다), 모듈 및 모듈의 집합으로 이루어진 유니트의 구성 부분으로 이루어진다.
상기 분리막 모듈은 중공사막을 포함할 수 있으며, 상기 평막과 중공사막의 재질은 특별히 제한을 두지 않으나, 대표적으로 소수성 재질인 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 표면 처리, 친수화, 첨가제 등을 이용하여 친수성으로 개질한 것을 사용할 수 있다. 또한 PVDF 이외에 폴리술폰(polysulfone, PSf) 혹은 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES) 등의 방향족 고분자 소재와 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 셀룰로오스아세테이트(cellulose acetate, CA) 또는 셀룰로오스트리아세테이트(cellulose triacetate, CTA) 등의 선형 고분자소재를 사용할 수 있다. 이러한 평막과 중공사막에는 5㎛ 내지 0.0005㎛의 크기를 갖는 기공이 복수로 형성될 수 있다.
상기 분리막 모듈은 상기 산기 장치에 포함되는 기공 그룹들 간의 사이의 상단 공간에 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막 모듈은 산기장치의 산기 방향과 수직 또는 수평으로 공기 주입 방향과 매니폴드의 설계 방법에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 분리막 모듈과 상기 산기 장치 간의 거리는 5㎜ 내지 400㎜일 수 있다. 상기 분리막 모듈과 산기 산기 장치 간의 거리가 너무 작으면, 상기 산기 장치의 기공을 통하여 방출된 공기 거품이 뭉치기 어렵거나 또는 기포합체에 의한 기포 성장이 분리막의 전체에 걸쳐 형성될 만한 공간을 제공할 수 없어 산기장치의 설치 개소가 늘어나 에너지 소비효율이 낮아질 수 있다. 또한, 상기 상기 분리막 모듈과 산기 산기 장치 간의 거리가 너무 크면, 산기 장치의 기공을 통하여 방출된 공기 거품이 뭉침으로서 형성되는 거대 공기 거품의 안정성이 저하되거나, 상기 거대 공기 거품이 상기 분리막 모듈 내부로 침투하기가 용이하지 않을 수 있다. 이로 인해 공기/물의 비율을 조절해서 형성하는 크고 강한 기포합체의 효과를 반감시켜 원활한 슬러그 플로우(slug flow)의 형성을 저해하게 된다.
한편, 상기 구현예의 분리막 생물반응조는 오수를 상기 생물반응조 내부로 주입하는 주입부; 외부 공기를 생물반응조로 주입하는 공기 주입부; 산기장치의 세정을 위해 도입하는 세정공기 혹은 세정액의 주입부; 또는 상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 배출하는 배출부; 상기 생물반응조에서 반송을 담당하는 반송부; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 적은 공기량으로도 효과적으로 공기 또는 기포를 방출 및 분산시킬 수 있어서 분리막 생물반응조 등의 적용 분야에서 뛰어난 세정 효과 등을 구현할 수 있고, 사용되는 공기량과 소요되는 전력을 낮추고, 분리막 생물반응조의 가동 효율을 높일 수 있으며, 산기관의 세정 및 분리막 생물반응조의 오염 제어가 가능한 산기 장치 및 상기 산기 장치를 포함하는 분리막 생물반응조가 제공될 수 있다.
도1은 실시예1의 분리막 생물반응조를 운전 과정을 관찰한 사진에 관한 것이다.
도2는 실시예2의 분리막 생물반응조를 운전 과정을 관찰한 사진에 관한 것이다.
도3은 실시예3 내지 6의 분리막 생물반응조를 운전 과정을 관찰한 사진에 관한 것이다.
도4은 실시예7 내지 10의 분리막 생물반응조를 운전 과정을 관찰한 사진에 관한 것이다.
도5은 비교예1의 분리막 생물반응조를 운전 과정을 관찰한 사진에 관한 것이다.
도6은 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함된 산기관을 개략적으로 나타낸 것이다.
도7는 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함된 산기관의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도8은 종래의 산기 장치들의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도9는 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함된 산기관 및 종래의 산기 장치에서 발생하는 공기 거품의 유동에 관한 내용을 간략히 나타낸 모식도이다.
도10은 발명의 일 구현예의 산기 장치에 포함된 산기관 및 종래의 산기 장치를 사용시 분리막 생물반응조 내에서 공기 거품의 유동 양상을 간략히 나타낸 모식도이다.
도11은 실험예2에서 실시예11 및 비교예2의 분리막 생물반응조에 각각 20L/min의 유량을 주입시켰을 때, 시간에 따라 진공펌프에 걸리는 압력이 변하는 양상을 그래프로 나타낸 것이다.
도12은 실험예2에서 실시예11 및 비교예2의 분리막 생물반응조에 각각 30L/min의 유량을 주입시켰을 때, 시간에 따라 진공펌프에 걸리는 압력이 변하는 양상을 그래프로 나타낸 것이다.
도 13은 실험예 3에서 측정한 상향 유속(cross-flow velocity) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도14는 실시예12의 산기 장치에 포함된 산기관의 평면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도15는 상기 실시예 12의 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 달리하여 운전한 과정을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도16은 상기 실시예 12의 산기관에서 슬러지가 배출된 사진을 나타낸 것이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1내지 10 및 비교예1 : 산기 장치 및 분리막 생물반응조의 운전>
200L 부피의 생물반응조 내에 150mm X 300mm(가로X세로) 크기의 분리막을 8mm 간격으로 양면으로 4장 총 8면을 설치하고, 상기 분리막으로부터 소정의 거리에 산기 장치를 설치하였다.
이때, 분리막으로는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 한외 여과막(기공의 크기 약 0.07㎛)을 사용하였으며, 상기 산기 장치에 포함되는 산기관의 표면에 형성된 각각의 기공의 최장 직경, 기공 그룹에 포함되는 기공수, 기공 그룹 내에서 기공 간의 거리, 기공 그룹 간의 거리 및 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리는 하기 표1에 나타낸 바와 같다.
이와 같은 분리막 생물반응조에 수돗물을 채우고 10L/min에서부터 30L/min까지 10L/min(단위)의 양으로 공기를 주입하면서 운전을 진행하였고, slug flow의 형성여부와 분리막 전체에 분산되는 기포의 거동을 초고속 카메라로 관찰하였다.
실시예 및 비교예의 산기 장치 상의 기공의 형성 양태
기공의
최장 직경		 기공 그룹에 포함되는 기공수 기공 그룹 내에서 기공 간의 간격 기공 그룹 간의 거리 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리
실시예1 약 2 ㎜ 3 7 ㎜ 37.5㎜ 40 ㎜
실시예2 약 2 ㎜ 4 7 ㎜ 37.5㎜ 40 ㎜
실시예3 약 2 ㎜ 3 8 ㎜ 37.5㎜ 40mm
실시예4 약 2 ㎜ 3 7 ㎜ 37.5㎜
실시예5 약 2 ㎜ 4 8 ㎜ 37.5㎜
실시예6 약 2 ㎜ 4 7 ㎜ 37.5㎜
실시예7 약 4 ㎜ 3 10 ㎜ 83.3㎜ 160 ㎜
실시예8 약 4 ㎜ 3 9 ㎜ 83.3㎜
실시예9 약 4 ㎜ 4 10 ㎜ 83.3㎜
실시예10 약 4 ㎜ 4 9 ㎜ 83.3㎜
비교예1 약 2 ㎜ 4 그룹 간격 없음[기공들이7 ㎜ 간격으로 직렬 배열] 그룹 간격 없음 120mm
< 실험예1 : 실시예 1내지 10 및 비교예1의 분리막 생물반응조의 운전 관찰>
(1) 도1 및 도2에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 실시예2의 분리막 생물반응조를 운전을 진행함에 따라서, 산기 장치에서 발생하는 공기 거품(air bubble)이 합체하는 현상을 관찰할 수 있으며(coalescence), 이와 같이 공기 거품이 뭉쳐서 형성된 거대 공기 거품이 분리막 모듈로 이동하는 유동(slug flow)이 일어난다는 점을 확인할 수 있었다.
도3 및 도4에서도 나타난 바와 같이, 상기 현상은 실시예 3 내지 10의 분리막 생물반응조를 운전하는 과정에서도 확인되었다.
(2) 이에 반하여, 비교예1 (도5)의 분리막 생물반응조를 운전하는 경우, 산기 장치에서 발생하는 공기 거품(air bubble)들이 뭉치는 현상을 거의 관찰하기 어려웠으며, 각각의 공기 거품이 상부로 이동하면서 분리막 모듈 사이를 지나가는 모습을 관찰할 수 있었다.
< 실시예11 및 비교예2 >
200L 부피의 생물반응조 내에 150mm X 300mm(가로X세로) 크기의 분리막을 8mm 간격으로 양면으로 4장 총 8면을 설치하고, 상기 분리막으로부터 소정의 거리에 산기 장치를 설치하였다.
이때, 분리막으로는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 한외 여과막(기공의 크기 약 0.07㎛)을 사용하였으며, 상기 산기 장치에 형성된 각각의 기공의 최장 직경, 기공 그룹에 포함되는 기공수, 기공 그룹 내에서 기공 간의 거리, 기공 그룹 간의 거리 및 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리는 하기 표2에 나타낸 바와 같다.
이와 같은 분리막 생물반응조에 불용성 유기물, 당, 지질 등의 인공 유기오염물을 포함한 인공 폐수를 채우고 30L/min의 양으로 공기를 주입하면서 운전을 진행하였고, 분리막에 사용되는 진공펌프에 걸리는 압력(막간 차압, Trans membrane pressure, TMP)을 측정하였다.
[운전 조건]
(1) Flux: 15.4 LMH (L/m2/h)
(2) 운전 모드: 9분 가동 1분 휴지
(3) 유기물 농도 (wt%): 0.035
실시예11 및 비교예2의 산기 장치 상의 기공의 형성 양태 [산기 장치의 길이: 150 ㎜]
기공의
최장 직경		 기공 그룹에 포함되는 기공수 기공 그룹 내에서 기공 간의 간격 기공 그룹 간의 거리 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리
실시예11 약 2 ㎜ 3
[총 4개의 그룹]		 7 ㎜ 37.5㎜ 40 ㎜
비교예2 약 2 ㎜ - 그룹 간격 없음[23개의 기공들이 직렬 배열] - 120 ㎜
< 실험예2 : 실시예 11 및 비교예2의 분리막 생물반응조의 운전 관찰>
실시예 11 및 비교예2의 분리막 생물반응조에 각각 20L/min 및 30L/min의 유량을 유입시켜 실험을 진행하였다.
1. 20L/ min 의 유량 주입시
하기 도11에 나타난 바와 같이, 비교예2의 분리막 생물반응조에 20L/min의 유량을 유입시켰을 때에는 차압 상승의 속도가 상대적으로 높으며, 상대적으로 긴 시간 사용시 차입이 계속적으로 상승한다는 점이 확인되었다.
이에 반하여, 실시예11의 분리막 생물반응조는 차압 상승의 속도가 상대적으로 완만하며, 1000분 이상의 장시간 사용 이후에도 차압이 0.4 Kg/㎠ 이하로 유지되는 점이 확인되었다.
2. 20L/ min 의 유량 주입시
하기 도12에 나타난 바와 같이, 비교예2의 분리막 생물반응조는 100,000sec 동안 진행된 실험
에서 계속적으로 막간 차압 (Trans membrane pressure, TMP)이 상승하여 0.2 Kg/㎠ 이상이 된다는 점을 확인할 수 있다.
이에 반하여 실시예11의 분리막 생물반응조는 동일한 30L/min의 유량을 유입시켜 실험을 동시에 진행하더라도 차압 상승의 속도가 완만하고, 200분 이상 운전한 이후에도 차압이 약 0.2 Kg/㎠ 내외의 범위에서 유지되며, 제한 차압(평균적으로는 약 0.5 이상일 경우)에 도달하는 시간이 상대적으로 길어진다는 점이 확인되었다. 이에 따라 상기 실시예11의 분리막을 세정하는 주기를 크게 향상시킬 수 있으며, 경제적인 분리막 생물반응조 운전 조건을 형성할 수 있다는 점이 확인되었다.
< 실험예3 : 산기장치에 의한 상향 유속( cross - flow velocity ) 측정>
400 mm X 500 mm X 700 mm (W X L X H) 수조에 깨끗한 물을 채우고, 산기장치에 15 내지 30 L/min의 공기를 실시예 11 및 비교예2의 산기장치에 각각 주입하였을 때, 산기장치에 의해 형성되는 물/공기 유속을 비교하여 상향 유속(cross-flow velocity)을 측정하였다.
구체적으로, 상기 유속의 측정은 150mm X 300mm(가로X세로) 크기의 분리막을 8mm 간격으로 양면으로 4장 총 8면을 설치하고, 상기 분리막으로부터 소정의 거리에 산기 장치를 설치하여 산기장치에 의해 발생되는 상향 유속을 sodium alginate bead를 부유시켜 초고속 카메라로 매 frame 당 bead의 이동거리를 분석하여 간접적으로 유속 값을 측정하였다.
상기 도 13에 나타난 바와 같이, 15 내지 30 L/min의 동일한 공기량을 주입하였을 경우, 실시예 11의 산기 장치를 사용하였을 때가 비교예2의 산기 장치를 사용하였을 때에 비하여 상향 유속(cross-flow velocity)이 약 10% 내지 20%가량 높아졌다는 점을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 실시예11의 산기 장치를 사용하는 경우, 비교예2의 산기 장치를 사용하는 경우에 비하여, 동일한 에너지를 사용하여서도 상향 유속(cross-flow velocity) 보다 높일 수 있어서, 분리막 오염제어에 필요한 에너지를 절약하고 또한 분리막의 세정주기도 연장시킬 수 있을 것으로 기대된다.
< 실시예12 >
200L 부피의 생물반응조 내에 150mm X 300mm(가로X세로) 크기의 분리막을 8mm 간격으로 양면으로 4장 총 8면을 설치하고, 상기 분리막으로부터 소정의 거리에 산기 장치를 설치하였다.
이때, 분리막으로는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN) 한외 여과막(기공의 크기 약 0.07㎛)을 사용하였으며, 상기 산기 장치에 형성된 각각의 기공의 최장 직경, 기공 그룹에 포함되는 기공수, 기공 그룹 내에서 기공 간의 거리, 기공 그룹 간의 거리, 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리, 측면 기공의 최장 직경 및 측면 기공의 수와 간격은 하기 표3에 나타낸 바와 같다.
이와 같은 분리막 생물반응조에 불용성 유기물, 당, 지질 등의 인공 유기오염물을 포함한 인공 폐수를 채우고 30L/min의 양으로 공기를 주입하면서 운전을 진행하였고, 분리막에 사용되는 진공펌프에 걸리는 압력(막간 차압, Trans membrane pressure, TMP)을 측정하였다.
[운전 조건]
(1) Flux: 15.4 LMH (L/m2/h)
(2) 운전 모드: 9분 가동 1분 휴지
(3) 유기물 농도 (wt%): 0.035
실시예12의 산기 장치 상의 기공의 형성 양태 [산기 장치의 길이: 150 ㎜]
기공 그룹에 포함되는 기공의
최장 직경		 기공 그룹에 포함되는 기공수 기공 그룹 내에서 기공 간의 간격 기공 그룹 간의 거리 분리막 모듈과 산기 장치 간의 거리 측면 기공의 최장 직경 측면 기공의 수 및 간격
실시예12 약 3 ㎜ 3
[총 6개의 그룹]		 7 ㎜ 37.5㎜ 40 ㎜ 약 6 ㎜ 2쌍
/
75㎜
도15의 a) 내지 d)에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 12의 산기 장치를 포함한 분리막 생물반응조를 운전한 결과, 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 4 내지 5 ㎥/hr로 하여 운전하는 경우 기공 그룹을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)이 뭉칠 수 있으며(coalescence) 이와 같이 뭉쳐진 공기 거품이 거대 공기 거품이 발생하여 동일한 에너지를 사용하여서도 상향 유속(cross-flow velocity) 보다 높일 수 있었다.
아울러 상기 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 약 10 ㎥/hr까지는 높이는 경우, 상기 산기관에 형성된 측면 기공으로부터 기포가 발생하여 상기 거대 공기 거품의 생성 및 작용을 보다 원활하게 할 수 있으며, 상기 산기관 내부에 잔류하는 부유물이나 기타 찌꺼기가 상기 측면 기공을 통하여 배출되었다.
구체적으로, 도15의 c)에 나타난 바와 같이, 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 6 ㎥/hr로 하면, 상기 측면 기공에서 발생하는 기포가 기공 그룹을 통하여 방출된 공기 거품(air bubble)과 뭉치는 현상이 확인되며, 도15의 d)에 나타난 바와 같이, 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 9 ㎥/hr로 하면 상기 측면 기공에서 발생하는 기포가 기공 그룹을 통하여 방출된 기포가 합쳐져서 거대 기포가 형성된다는 점이 확인되었다.
이에 따라, 상기 산기 장치에 주입되는 공기의 양을 변경하는 경우, 예를 들어 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 4 내지 5 ㎥/hr로 하여 운전을 유지하다가 산기 장치에 주입하는 공기의 양을 6 내지 10 ㎥/hr로 변경하는 과정을 반복하는 경우, 산기관 내부에 유동이 발생하여 슬러지 등 찌꺼기들이 큰 기공으로의 유입과 유출, 작은 기공으로의 압력 증가 등을 통해 부착된 슬러지가 산기관의 큰 기공으로 배출되게 될수 있다. 도16에 이러한 슬러지의 배출되는 모습을 나타내었다.

Claims (23)

  1. 2개 이상의 기공을 포함한 기공 그룹; 및
    상기 기공 그룹과 이격되어 위치한 측면 기공;을 포함한 산기관을 포함하며,
    상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열하며,
    상기 측면 기공은 상기 기공 그룹으로부터 상기 산기관의 길이 방향에 수직한 단면의 전체 둘레의 1/5 내지 1/3에 해당하는 위치에 형성되는, 산기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산기관의 표면에는 서로 대향하는 한쌍 이상의 측면 기공이 형성되는, 산기 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기공은 상기 산기관의 길이 방향으로 2 내지 10등분한 위치에 각각 형성되는, 산기 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기공의 최대 직경이 5 ㎜ 내지 20㎜인, 산기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측면 기공의 최대 직경이 상기 기공 그룹 각각에 포함되는 기공의 최대 직경의 1.5 배 내지 3배인, 산기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기공 그룹들 중 서로 이웃하는 기공 그룹 간의 거리가 25 ㎜ 내지 150㎜인, 산기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기공 그룹 각각에 포함되는 기공의 최대 직경이 0.5 ㎜ 내지 10㎜인, 산기 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기공 그룹들은 상기 산기관의 표면에서 상기 산기관의 길이 방향으로 일렬로 배열하는, 산기 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기공 그룹이 2개 내지 6개의 기공을 포함하는, 산기 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 하나의 기공 그룹에 포함되는 기공들 간의 거리가 1 ㎜ 내지 20㎜인, 산기 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기공 그룹 각각에 포함되는 기공의 단면이 원, 타원 또는 3개 내지 30개의 내각을 갖는 다각형인, 산기 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 기공 그룹은 상기 산기관의 길이 방향으로 4 내지 25등분한 위치에 각각 형성되는, 산기 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 산기관이 10㎜ 내지 100㎜의 외경을 갖는 배관 형태인, 산기 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 산기관이 1㎜ 내지 90㎜의 내경을 갖는 배관 형태인, 산기 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 산기관의 단면이 원, 타원 또는 3개 내지 30개의 내각을 갖는 다각형인, 산기 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 산기관의 재질이 열가소성 플라스틱 또는 금속인, 산기 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 산기관과 연결되고 상기 상기관으로 기체를 주입하는 기체 주입부;를 더 포함하는, 산기 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기체 주입부로부터 주입된 기체를 상기 산기관으로 분배하는 기체 분배부;를 더 포함하는, 산기 장치.
  19. 생물반응조;
    상기 생물반응조 내에 설치된 1이상의 분리막 모듈; 및
    상기 분리막 모듈의 하단에 설치되는, 제1항의 산기 장치;를 포함하는 분리막 생물반응조.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은 상기 산기 장치에 포함되는 기공 그룹들 간의 사이의 상단 공간에 설치되는, 분리막 생물반응조.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은 중공사막을 포함하는, 분리막 생물반응조.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 분리막 모듈과 상기 산기 장치 간의 거리는 5㎜ 내지 400㎜인, 분리막 생물반응조.
  23. 제19항에 있어서,
    오수를 상기 생물반응조 내부로 주입하는 주입부;
    외부 공기를 생물반응조로 주입하는 공기 주입부; 또는
    상기 생물반응조에서 처리된 처리수를 배출하는 배출부;를 더 포함하는, 분리막 생물반응조.
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