KR20160045152A - 수처리 시스템 - Google Patents

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KR20160045152A KR1020167009737A KR20167009737A KR20160045152A KR 20160045152 A KR20160045152 A KR 20160045152A KR 1020167009737 A KR1020167009737 A KR 1020167009737A KR 20167009737 A KR20167009737 A KR 20167009737A KR 20160045152 A KR20160045152 A KR 20160045152A
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KR1020167009737A
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푸팡 하
게린 제임스
조셉 에드워드 주백
피터 자우너
로저 윌리엄 펠프스
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에보쿠아 워터 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

유체 유동으로 액체 매체 내에 잠긴 막 표면을 세정하는 방법으로서, 막 표면으로부터 오염물을 제거하도록 막 표면을 따라 일정하지 않게 발생된 단속형 또는 펄스형 유체 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 막 모듈은 또한 복수의 다공성 막(6) 또는 한 세트의 막 모듈(5) 및 사용 중, 상기 막(5)의 표면으로부터 부착물을 제거하기 위해 상기 유체 유동이 상기 막(6)의 표면을 지나 이동하도록 일반적으로 일정하지 않게 발생된, 펄스형 유체 유동을 제공하기 위한 장치를 포함한다.

Description

수처리 시스템 {WATER TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 수처리 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 펄스형 유체 유동에 의해 상기 수처리 시스템에서 이용되는 막들을 효과적으로 세정하기 위한 장치 및 관련 방법에 관한 것이다.
폐수의 처리를 위한 막(membrane)의 중요성이 급속히 증가하고 있다. 막 공정은 오수의 효과적인 3차(tertiary) 처리로서 이용될 수 있으며 양질의 유출물(quality effluent)을 제공할 수 있음은 이제 널리 알려져 있다. 그러나, 자본 및 작업 비용이 과중할 수 있다. 잠수형 막 공정 - 막 모듈들이 대형 공급 탱크 내에 잠기고 여과액이 막의 여과액 측(filtrate side)에 가해지는 흡인을 통하여 또는 중력 공급(gravity feed)을 통하여 수집됨 - 의 출현에 의해서, 하나의 스테이지에서 생물학적 공정 및 물리적 공정을 조합하는 막 생물 반응기는 더욱 컴팩트하고 효과적이고 경제적으로 되는 것이 가능하게 되었다. 막 생물 반응기의 다용성(versatility)에 의해, 막 생물 반응기의 크기는 (정화 탱크 시스템과 같은) 가정용으로부터 공중용 및 대규모 오수 처리에 이르기까지 달라질 수 있다.
막 여과 공정의 성공은 주로 효과적이고 능률적인 막 세정 방법의 채택에 달려 있다. 통상적으로 이용된 물리적 세정 방법은 역류(backwash)(또는 역펄스(backpulse), 역세척(backflush)) - 액체 유출물 또는 가스 또는 이들의 조합을 이용함 - , 막 표면 스크러빙 또는 스카우어링 - 액체 내 거품 형태의 가스를 이용함 - 을 포함한다. 전형적으로, 가스 스카우어링(scouring) 시스템에서, 대개 송풍기(blower)에 의해서 기포를 형성하도록 막 모듈이 잠수되어 있는 액체 시스템 내로 가스가 주입된다. 이렇게 형성된 거품은 이어서 상방으로 이동하여 막 표면을 스크러빙하여서 막 표면 상에 형성된 부착물(fouling substances)을 제거한다. 발생된 전단력은 주로 초기 기포 속도, 거품 크기 및 거품에 가해지는 합력에 의존한다. 스크러빙 효과를 크게 하려면, 더 많은 가스가 공급되어야 한다. 그러나, 이러한 방법은 다량의 에너지를 소모한다. 더욱이, 고체의 농도가 높은 환경에서, 가스 분배 시스템은 점차적으로 탈수된 고체에 의해 막히거나 단순히 가스 유동이 갑자기 중지되었을 때 막힐 수 있다.
나아가, 고체의 농도가 높은 환경에서, 클린 여과액(clean filtrate)이 막을 통과해 지나가고 고체 함량이 더 높은 보유물(retentate)이 남겨져서 여과 동안 막 표면 근처에서의 고체 농도가 상당해져서 증가된 막 저항을 야기한다. 이러한 문제점들 중 일부는 막을 세정하기 위한 2상 유동의 이용에 의해 해결되어 왔다.
여전히 막 표면을 효과적으로 스크러빙하기에 충분한 가스를 제공하면서도 에너지 소모를 감소시키기 위해 주기적으로(cyclic) 기포를 제공하는 주기적 폭기(aeration) 시스템이 요구되었다. 이 같은 주기적 작업을 제공하도록, 주기적 폭기 시스템은 복잡한 밸브 배열체 및 제어 수단을 요구하는 것이 일반적인데, 이는 요구되는 복잡한 밸브 및 스위칭 배열체의 초기 시스템 비용 및 진행되는 유지보수 비용을 증가시키는 경향이 있다. 또한 대형 시스템 내에서 기계적 밸브 기능에 의해 순환 빈도가 제한된다. 더욱이, 주기적 폭기는 막 표면을 효과적으로 리프레쉬(refresh)하지 아니한다고 알려졌다.
복잡한 밸브 스위칭 등에 의해 작업을 제어할 것이 요구되지 아니하면서 스카우어링 공정의 에너지 효율적인 작업을 제공하는 것이 바람직하다. 또한 이 같은 세정 공정에 대한 에너지 요구를 최소화하면서 더욱 효과적인 스카우어링 공정을 제공하도록 막 표면을 지나는 2상 액체 가스 유동을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 적어도 본 발명의 실시예들에서, 종래 기술의 단점들 중 몇몇을 극복하거나 적어도 호전시키기 위해 또는 적어도 공중에게 유용한 하나의 대안을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따라, 막 모듈은 본 명세서에 첨부된 청구항 1에서 제시된 특징을 포함한다.
상기 수처리 시스템은 공급 액체에 잠기는 막 모듈; 상기 막 모듈 아래에 위치되며, 상기 공급 액체에 유체소통되게 연결되는 입구를 갖는 가스 수집 챔버; 상기 가스 수집 챔버에 유체소통되게 연결되는 가스 소오스; 상기 가스 수집 챔버 내에 위치되며, 상기 공급 액체와 상기 가스 소오스 중 하나 이상에 유체소통되게 연결되는 하나 이상의 개구 및 상기 막 모듈에 유체소통되게 연결되는 출구를 갖는 관(tube)을 포함한다.
상기 수처리 시스템은 상기 공급 액체 및 가스 중 하나 이상을 보유하도록 그리고 적어도 부분적으로 상기 관을 둘러싸도록 구성 및 배치된 홈통(trough)을 더 포함할 수 있다.
상기 관은 상기 가스 소오스에 유체소통되게 연결된 개구를 포함할 수 있다.
상기 수처리 시스템은 공급 액체의 높이에 따라 상기 가스 소오스로부터 상기 가스 수집 챔버로 가스를 제공하도록 구성된 제어 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 가스 수집 챔버와 상기 막 모듈 사이에 연결되는 분배 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 수처리 시스템의 작동방법은, 공급 액체를 도입하고, 상기 막 모듈에 의해 흡인되도록 하고; 그리고 상기 가스 수집 챔버의 가스 소오스에 일정한 유속으로 가스를 도입하여 가스 수집 챔버내 공급 액체를 변위시키고, 가스를 상기 막 모듈내로 분배시키는 단계를 포함한다.
상기 가스 수집 챔버의 가스 소오스에 일정한 유속으로 가스를 도입하는 것은 가스/액체 유동을 0.1 내지 200 초의 펄스 주기 범위에서 상기 관으로부터 상기 막 모듈로 펄스하는 것을 포함한다.
상기 가스/액체 유동을 펄스하는 것은 상기 가스 수집 챔버내의 가스 높이가 상기 관의 개구 아래에 위치하는 제1 높이에 도달할 때까지 상기 가스를 상기 가스 수집 챔버의 개구에 도입할 수 있다.
상기 가스 수집 챔버 내의 가스 높이가 상기 관의 개구 위에 위치하는 제2 높이에 도달할 때까지 공급 액체를 관에 도입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 펄스형 2상 가스/액체 유동 내 가스는 기포의 형태를 취한다.
바람직하게는, 가스리프트 펌프 장치는 가스의 공급을 제공한다.
바람직한 일 실시예에서 가스리프트 펌프 장치는 상기 가스리프트 펌프 장치와 유체 소통되는 분배기를 더 포함하고 상기 펄스형 2상 가스/액체 유동은 상기 분배기를 통하여 상기 막 모듈들 내로 분배된다.
바람직한 일 실시예에서, 각각의 막 모듈에 대하여 상기 가스리프트 펌프 장치가 하나씩 제공가 제공된다.
바람직한 또 다른 실시예에서, 복수의 막 모듈들에 대하여 하나의 가스리프트 펌프 장치가 제공된다.
바람직한 또 다른 실시예에서, 펄스형 2상 가스/액체 유동은 무작위 분배 패턴을 형성하면서 가스리프트 펌프 장치들 중에 무작위로 발생한다.
추가의 바람직한 일 실시예는 복수의 다공성 중공형 섬유 막들을 더 포함하며, 상기 섬유 막들은 서로 바로 가까이에 배치되어 상기 섬유 막들 사이에서의 과도한 이동을 방지하도록 장착되고, 상기 섬유 막들은 각각의 단부가 헤더 내에 고정되고, 하나의 헤더는 상기 헤더 내에 형성된 하나 이상의 헤더 개구들을 구비하고, 상기 하나 이상의 헤더 개구들을 통하여 상기 펄스형 2상 가스/액체 유동이 상기 중공형 섬유 막들의 표면을 세정하기 위해 도입된다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 상기 가스의 공급은 가압 가스를 보유하는 외부 탱크에 의해 제공되고, 상기 외부 탱크는 상기 막 모듈과 유체 소통되고 상기 외부 탱크는 상기 막 표면을 세정하기 위한 기포 유동을 형성하도록 상기 모듈로 무작위로 발생된 가스의 펄스들을 제공하기 위한 제어 수단을 가진다.
추가의 바람직한 일 실시예에서, 제어 수단은 상기 막 모듈로의 가스/액체 입구(inlet)에 위치되어 상기 가스/액체 입구 내의 액체의 높이에 따라 상기 외부 탱크로부터 가스를 제공하도록 작동가능한, 유체 유동 제어 장치를 포함한다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 가스리프트 펌프 장치는 상기 막 모듈 내로 상기 펄스형 2상 가스/액체 유동을 실질적으로 균일하게 분배하기 위한 유체 분배기와 유체 소통되게 연결된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명된다.
본 발명은 복잡한 밸브 스위칭 등에 의해 작업을 제어할 것이 요구되지 아니하면서 스카우어링 공정의 에너지 효율적인 작업을 제공하고, 또한 이 같은 세정 공정에 대한 에너지 요구를 최소화하면서 더욱 효과적인 스카우어링 공정을 제공하도록 막 표면을 지나는 2상 액체 가스 유동을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이며,
도 2는 펄스 활성화 단계 동안의 도 1의 모듈을 보여주며,
도 3은 펄스형 2상 가스/액체 유동 단계의 완료에 후속하는 도 1의 모듈을 보여주며,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 6은 도 1의 실시예에서 도시된 타입의 막 모듈의 배열체의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 7a 및 도 7b는 펄스형 가스리프트 장치 내의 액체의 작동 높이를 도시하는 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 8은 펄스 가스리프트 펌프 내의 슬러지 증강을 도시하는, 도 1의 실시예에서 도시된 타입의 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 9는 슬러지 제거 공정의 일 실시예를 도시하는 막 모듈의 단순화되고 개략적인 측 단면도이고,
도 10은 시간에 걸쳐 공급되는 공기 유량 및 펄스형 액체 유동 패턴의 그래프이며,
도 11은 본 발명에 따른 펄스형 가스리프트 장치 및 가스리프트 장치를 이용하여 세정 효율을 비교하는 시간에 걸친 막 투과도의 그래프이다.
도면을 참조하면, 도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 모듈 배열체를 도시한다.
막 모듈(5)은 하부 포트형 헤더(lower potting header; 7)에 장착되어 상기 포트형 헤더로부터 연장되는 복수의 투과성 중공형 섬유 막 묶음들(6)을 포함한다. 본 실시예에서, 상기 묶음들은 상기 묶음들(6) 사이에 공간들(8)을 제공하도록 분할된다. 모듈(5) 내의 막들의 무작위적인 희망되는 배열이 이용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 복수의 헤더 개구들(9)이 하부 포트형 헤더(7)에 제공되어 하부 포트형 헤더(7) 아래에 위치하는 분배 챔버(10)로부터 상기 헤더 개구들(9)을 통해 유체가 유동될 수 있다.
펄스형 가스-리프트 펌프 장치(11)는 분배 챔버(10) 아래 제공되어 분배 챔버와 유체 소통된다. 펄스형 가스-리프트 펌프 장치(11)는 도립형(inverted) 가스 수집 챔버(12)를 포함하는데 상기 도립형 가스 수집 챔버는 챔버(12)의 하단부(13)에서 개방되고 상단부에 인접하여 가스 유입 포트(14)를 구비한다. 중앙 상승관(15)은 가스 수집 챔버(12)를 관통하여 연장하고 분배 챔버(10)의 기부(base)에 유체 소통되게 연결되고 하단부에 기부 개구(16)를 구비한다. 상승관(15)은 그 길이를 따라 도중에 중간 개구 또는 개구들(17)을 구비한다. 관형 홈통(trough)(18)은 중간 개구들(17) 아래 위치에서 상승관(15) 주위에서 상방으로 연장된다.
사용시, 모듈(5)은 공급 액체(19) 내에 잠기고 가압 가스의 소오스가 실질적으로 연속적으로 가스 유입 포트(14)에 적용된다. 가스가 중간 개구(17)의 높이에 도달할 때까지 가스는 도립형 가스 수집 챔버(12) 내 공급 액체(19)를 점차적으로(gradually) 변위시킨다. 이 시점에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 가스는 중간 개구(17)에 걸친 액체 밀봉을 파괴하고 중간 개구(17)를 통해 그리고 중앙 상승관(15)을 통하여 상방으로 쇄도하여 기포 및 공급 액체로 이루어진 펄스를 형성하는데, 상기 펄스는 분배 챔버(10)를 통하여 막 모듈(5)의 기부 내로 유입된다. 또한 가스의 급속한 쇄도로 인하여 상승관(15)의 하단부인 기부 개구(16)를 통해 액체가 흡입되어서 높은 속도의 2상 가스/액체 유동이 야기된다. 이어서 2상 가스/액체 펄스는 헤더 개구들(9)을 통과하여 막들(6)의 표면들을 세척(scour)한다. 관형 홈통(18)은 즉시적인(immediate) 중간 개구(17)의 재밀봉을 방지하여 초기 펄스 후 짧은 기간 동안 가스/액체 혼합물의 연속적인 유동을 허용한다.
가스의 초기 쇄도는 2단계, 즉 배출 단계 및 흡입 단계로 이루어진 액체 이송을 제공한다. 배출 단계는 기포 슬러그(slug)가 초기에 상승관(15) 내로 방출될 때 발생하여 강한 부력을 생성하는데, 가스 및 액체가 급속하게 상승관(15)을 통하여 그리고 후속하여 막 모듈(5)을 통하여 배출되어서 막 표면 상에 효과적인 세정 작용이 이루어지게 하는, 강한 부력이 생성된다. 배출 단계에 이어서 흡입 또는 사이펀(siphon) 단계가 발생하는데, 상기 흡입 또는 사이펀 단계에서 상승관(15) 밖으로의 가스의 급속한 유동은 밀도차에 기인한 압력의 임시적 감소를 형성하여, 상승관(15)의 기부 개구(16)를 통한 액체의 흡입을 야기한다. 따라서, 초기의 급속한 2상 가스/액체 유동에 이어서, 중간 개구(17)를 통한 추가적인 가스 내에 인입될 수도 있는, 감속된 액체 유동이 후속된다.
가스 수집 챔버(12)는 이어서 도 3에 도시된 바와 같이 공급 액체로 재충전되고, 프로세스가 재시작되어 모듈(5) 내 막들(6)의 2상 가스/액체 세정의 다른 하나의 펄스 형성(pulsing)이 야기된다. 프로세스의 상대적인 비제어 특성에 기인하여, 펄스들의 주기 및 지속시간은 대체로 무작위적이다.
도 4는 도 1 내지 3의 실시예의 다른 변형예를 도시한다. 본 실시예에서, 혼합형(hybrid) 배열체가 제공되는데, 상기 혼합형 배열체에 있어서 펄스형 2상 가스/액체 유동에 부가하여, 가스의 정상 상태 공급이 포트(20)에서 상승관(15)의 상부 또는 하부 부분으로 제공되어, 간헐적인 펄스형 2상 가스/액체 유동에 의해 보충되는, 모듈(5)을 통한 일정한 가스/액체 유동을 발생시킨다.
도 5는 도 1 내지 도 3의 실시예와 관련하여 기술된 타입의 펌프 장치들(11) 및 모듈들의 어레이(35)를 도시한다. 모듈들(5)은 공급 탱크(36) 내에 위치된다. 작동시, 각각의 펌프 장치(11)에 의해 형성된 기포의 펄스들은 각각의 모듈(5)에 대해 무작위로 발생되어 공급 탱크(36) 내 펄스형 기포 발생이 전체적으로 무작위적으로 분포되는 것이 야기된다. 이는 공급 탱크(36) 내의 공급 액체의 일정하지만 무작위적으로 변하거나 또는 무질서하게 변화하는 교반(agitation)을 형성한다.
도 6은 막 생물 반응기를 이용하는 물처리 시스템에서 본 발명이 이용되는 배열체를 도시한다. 본 실시예에서, 펄스형 2상 가스 액체 유동은 생물 반응기 탱크(21)와 막 탱크(22) 사이에 제공된다. 탱크들은 도립형 가스 수집 챔버(23)에 의해 커플링되는데 상기 도립형 가스 수집 챔버는 생물 반응기 탱크(21) 내에 위치되는 제 1 수직 연장 벽(24) 그리고 막 탱크(22) 내에 위치되는 제 2 수직 연장 벽(25)을 구비한다. 제 2 수직 연장 벽(25)이 막 탱크(22) 내에서 연장되는 것보다 제 1 수직 연장 벽(24)이 생물 반응기 탱크(21) 내에서 더 깊은 깊이까지 연장된다. 가스 수집 챔버(23)는 생물 반응기 탱크(21)와 막 탱크(22) 사이에서 연결 벽(26)에 의해 분할되어 두 개의 구획부(27 및 28)를 형성한다. 가스, 통상적으로 공기가 포트(29)를 통하여 가스 수집 챔버(23)로 제공된다. 막 여과 모듈 또는 장치(30)는 제 2 수직 연장 벽(25)의 하부 말단을 넘어서 막 탱크(22) 내에 위치된다.
사용시, 포트(29)를 통하여 가스 수집 챔버(23)로 가스가 압력 하에서 제공되어서 물의 높이가 제 2 수직 연장 벽(25)의 하단부(31)에 도달할 때까지 상기 가스 수집 챔버(23) 내 물의 높이가 낮아진다. 이 단계에서, 가스는 구획부(compartment)(27)로부터 제 2 수직 연장 벽(25)을 지나 급속하게 배출되고 그리고 막 모듈(30)을 통한 2상 가스/액체 유동을 형성하는 기포로서 막 탱크(22)를 통하여 상승한다. 가스의 쇄도는 또한 가스 수집 챔버(23)의 구획부(28) 내에서의 가스의 급속한 감소를 야기하여서 추가적인 물이 생물 반응기 탱크(21)로부터 막 탱크(22) 내로 옮겨진다(siphon). 포트(29)를 통한 가스의 유동은 가스 소오스(도시안됨)에 연결된 밸브(도시안됨)에 의해 제어될 수 있다. 밸브는 제어기 장치(도시안됨)에 의해 작동될 수 있다.
이상의 실시예들에서 기술된 펄스형 유동 생성 세정 장치가 다양한 공지된 막 구성과 함께 이용될 수 있으며 도시된 특정한 배열체로 제한되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 상기 장치는 막 모듈 또는 모듈들의 조립체에 직접 연결될 수 있다. 가스, 전형적으로 공기는 상기 장치로 연속적으로 공급되고 펄스형 2상 가스/액체 유동은 막 세정 및 표면 재생(refreshment)을 위해 발생된다. 펄스형 유동은 가스의 연속적인 공급을 이용하는 장치를 통해 발생되지만, 가스의 비연속적인 공급을 이용할 경우에도 펄스형 유동이 - 다만 상이한 패턴의 펄스 형성이 이루어짐 - 발생될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
몇몇 적용예들에서, 펄스형 가스-리프트 펌프 장치(11) 내부의 액체 높이가 도 7a 및 도 7b에서 도시된 바와 같이 높이들(A 및 B) 사이에서 변동된다는 것이 밝혀졌다. 가스-리프트 펌프 장치(11) 내부의 최상단부(top end) 근처에서, 전형적으로 가스 포켓 형성에 의해 액체 상태가 도달할 수 없는 공간(37)이 남겨진다. 이러한 펌프 장치(11)가, 막 생물 반응기에서와 같은 높은 고체 환경에서 작동되는 경우, 찌꺼기(scum) 및/또는 탈수 슬러지(39)는 펌프 장치(11)의 최상단부에서의 상기 공간(37)에 점차적으로 축적될 수 있으며 이는 궁극적으로 가스 유동 채널(40)의 차단을 야기함으로써, 감소된 펄스 형성이 이루어지거나 또는 펄스 효과가 전혀 없게 된다. 도 8은 이러한 시나리오를 설명한다.
이러한 결과를 극복하기 위한 몇몇 방법들이 확인되었다. 하나의 방법은 도 7a 및 도 7b의 높이 A인, 작동 동안 도달되는 상부 액체 높이 아래 지점에, 가스 주입 지점(38)을 위치시키는 것이다. 액체 높이가 가스 주입 지점(38)에 그리고 그 위에 도달할 때, 가스는 펌프 장치(11)의 최상단부 근처에서 발생할 수 있는 찌꺼기 또는 슬러지의 축적을 중지(break up)시키는 액체 스프레이(41)를 발생시킨다. 도 9는 이러한 작용을 개략적으로 도시한다. 스프레이(41)의 세기는 가스 주입 지점(38)의 위치와 가스의 속도와 관련된다. 이러한 방법은 펌프 장치(11) 내부의 소정의 슬러지의 장기간 축적을 방지할 수 있다.
다른 하나의 방법은 작동 동안 액체 높이가 펌프 장치(11)의 최상단부에서의 상기 공간(37)에 도달할 수 있도록 펌프 장치(11) 내 가스를 주기적으로 통기시키는(vent)하는 것이다. 이러한 경우, 가스 포켓이, 다시 말해서 펌프 장치(11)의 최상단부에서의 상기 공간(37)이 완전히 또는 거의 완전히 통기될 수 있도록, 가스는 펌프 장치(11) 내부의 가장 높은 지점 또는 가장 높은 지점 근처에서 주입되어야 한다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 가스 주입 지점(38)이 하나의 예이다. 슬러지 특성(quality)에 따라, 통기는 펌프 장치 내부에 어떠한 영구적으로 건조된 환경의 형성을 방지하기 위한 가변 빈도(varying frequency)로 주기적으로 수행될 수 있다.
또한, 펌프 장치(11)의 작동시 도 7a 및 도 7b에서의 액체 높이(A)는 가스 유량에 따라 변화될 수 있다는 것이 주목하여야 한다. 가스 유량이 많을수록, 펌프 장치(11) 내부의 가스 포켓 형성이 감소된다. 따라서, 이용될 수 있는 다른 하나의 방법은 탈수 슬러지를 파괴하도록 작동 동안 펌프 장치(11) 내로 훨씬 더 많은 공기 유량을 주기적으로 주입시키는 것이다. 장치의 설계에 따라, 이러한 작용에 요구되는 가스 유량은 정상적으로 작동하는 가스 유량보다 약 30% 이상 더 많다. 이는 탈수 슬러지를 파괴하기 위한 짧은 지속시간의 훨씬 더 많은 가스 유동을 일시적으로 생성하기 위해 다른 막 탱크들로부터 선택된 탱크로 가스를 전환시키는 것에 의해서 몇몇 플랜트 작동들에서 가능해진다. 대안적으로, 짧은 지속시간 동안 더 많은 가스 유량을 공급하도록 대기 송풍기(standby blower, 도시안됨)가 주기적으로 이용될 수 있다.
전술된 방법들은 장기간 안정적인 작동을 얻기 위해 그리고 펌프 장치(11) 내부의 어떠한 찌꺼기/슬러지 축적을 제거하기 위해 개별적으로 또는 조합된 모드로 적용될 수 있다.
예시들
전형적인 하나의 막 모듈은 중공형 섬유 막들로 이루어지며, 1.6 m의 총 길이 및 38 m2의 막 표면적을 가진다. 펄스형 유동 발생 장치는 전형적인 막 모듈로 연결되었다. 패들 휠(paddle wheel) 유량계는 공기에 의해 리프팅되는 펄스형 액체 유량을 모니터링하도록 상승관의 하단부에 위치되었다. 도 10은 공급되는 공기 유량이 7.8 Nm3/hr로 일정할 때 펄스형 액체 유량의 스냅 사진을 보여준다. 스냅 사진은 모듈로 유입되는 액체 유량이 고저 사이에서 무작위한 또는 무질서한 패턴을 가졌음을 나타낸다. 낮은 액체 유량으로부터 높은 액체 유량까지의 주기는 약 1 내지 4.5초 범위였다. 상기 모듈에 릴리스된 실제 공기 유량은 측정되지 않았는데, 이것이 액체와 혼합되었기 때문이며, 다만 상기 실제 공기 유량이 가지는 패턴은, 무질서하게 고저 사이에서 변동되는, 상기 액체 유량의 패턴과 유사할 것으로 예상되었다.
펄스형 공기리프트 장치를 이용한 막 세정 효과 및 정상 공기리프트 장치를 이용한 막 세정 효과 간의 비교가 막 생물 반응기 내에서 수행되었다. 막 여과 사이클은 12분 여과 다음에 1분 완화가 후속된다. 각각의 공기 유량에서, 두번 반복된 사이클이 테스트되었다. 두 세트의 테스트의 유일한 차이는 모듈로 연결된 장치가 정상 가스리프트 장치 및 펄스형 가스리프트 장치로 상이하다는 것이다. 막 세정 효율은 여과 동안 투과도 저하에 따라 평가되었다. 도 11은 상이한 공기 유량에서 두 개의 상이한 가스리프트 장치가 가진 투과도 프로파일들을 보여준다. 이러한 그래프들로부터, 펄스형 가스리프트 펌프가 정상 가스리프트 펌프 보다 시간에 대해 더 안정된 투과도를 제공하기 때문에, 막 부착율은 펄스형 가스리프트 펌프가 더 작다.
본 발명의 펄스형 가스 리프트 폭기의 성능 및 전형적인 주기적 폭기 배열체의 성능 간에 대한 비교가 추가적으로 수행되었다. 공기유량은 펄스형 공기리프트에 대해 3m3/h이었고, 주기적 폭기에 대해 6m3/h이었다. 10초 온(on)/10초 오프(off)의 주기적 폭기 기간(cyclic aeration periods) 그리고 3초 온/3초 오프의 주기적 폭기 기간이 테스트되었다. 10초 온/10초 오프의 주기적 폭기는, 밸브들의 가장 빠른 개방 및 폐쇄가 10초인, 큰 스케일의 플랜트의 실제 작업을 모방하기 위하여 선택되었다. 3초 온/3초 오프의 주기적 폭기는 펄스형 공기리프트 장치의 작동 범위 내의 주기를 모방하도록 선택되었다. 성능은 약 30LMH인 정규화된 플럭스에서 테스트되었으며, 30분의 긴 여과 사이클들이 포함되었다.
아래의 표 1은 펄스형 공기리프트 작업 및 두 개의 상이한 주기의 주기적 폭기 작업 모두에 대한 테스트 결과를 요약한다. 펄스형 공기리프트 작업에 의한 짧은 여과 사이클 동안의 투과도 저하 및 긴 여과 사이클 동안의 투과도 저하는 주기적 폭기 작업에 비해 훨씬 더 작았다. 비록 큰 주기를 가지는 주기적 폭기는 막 성능을 약간 개선할 뿐이지만, 펄스형 공기 리프트 작업은 훨씬 더 안정적인 막 투과도를 유지하여서, 펄스형 공기리프트 배열체에 의한 더 효과적인 세정 공정을 확인시켜 준다.
작업 모드 펄스형 공기리프트 10초 온/10초 오프 주기적 폭기 3초 온/3초 오프 주기적 폭기
12분 여과 동안 막 투과도 저하 1.4 - 2.2 lmh/bar 3.3 - 6 lmh/bar 3.6 lmh/bar
30분 여과 동안 막 투과도 저하 2.8 - 4.8 lmh/bar 10 - 12 lmh/bar 7.6 lmh/bar
표 1은 막 성능 상의 공기 스카우어링 모드의 효과를 나타낸다. 상기 예는 펄스형 유동 발생 장치에 의한 효과적인 막 세정 방법을 증명한다. 펄스형 유동 발생 장치로의 가스의 연속적인 공급으로, 무작위적인 또는 무질서한 유동 패턴이 막을 효과적으로 세정하기 위해 형성된다. 유동의 각각의 주기적 패턴은 지속시간/빈도, 고 유량 및 저 유량의 크기(intensity) 및 유동 변화 프로파일의 관점에서 다른 유동의 주기적 패턴과 상이하다. 각각의 사이클 내에서, 유동은 무질서한 방식으로 하나의 값으로부터 다른 값으로 연속적으로 변화한다.
비록 상술된 실시예가 펄스형 가스/액체 유동을 이용하고 있지만, 본 발명은 가스, 기포 및 액체를 포함하는 다른 무작위 펄스형 유체 유동을 이용할 때 효과적임을 이해할 수 있을 것이다.
설명된 본 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 아니하면서 본 발명의 추가의 실시예 및 사례가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (19)

  1. 공급 액체의 저장소에 잠기는 복수의 다공성 막을 구비하는 막 모듈;
    상기 공급 액체 아래에 위치되며, 상기 액체 저장소와 유체 소통되는 가스 입구와 개방단을 갖는 가스 수집 챔버를 구비하는 가스리프트 펌프;
    상기 가스 수집 챔버에 유체소통되게 연결되는 가스 소오스; 및
    상기 가스 수집 챔버 내에 위치되며, 상기 공급 액체에 유체소통되게 연결되는 개구 및 상기 막 모듈에 유체소통되게 연결되는 출구를 갖는 관(tube);을 포함하고,
    적어도 하나의 개구는 상기 관의 길이를 따라 구비되고, 상기 적어도 하나의 개구는 상기 가스 수집 챔버와 유체 소통되고, 상기 가스 수집 챔버로부터 저장된 가스를 수용하도록 구비되는 것인 수처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리 시스템은
    상기 공급 액체 및 가스 중 하나 이상을 보유하도록 그리고 적어도 부분적으로 상기 관을 둘러싸도록 구성 및 배치된 홈통(trough)을 더 포함하는 수처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 관은 상기 가스 소오스에 유체소통되게 연결된 개구를 포함하는 수처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 수처리 시스템은 공급 액체의 높이에 따라 상기 가스 소오스로부터 상기 가스 수집 챔버로 가스를 제공하도록 구성된 제어 장치를 더 포함하는 수처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 수집 챔버와 상기 막 모듈 사이에 연결되는 분배 챔버를 더 포함하는 수처리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 수처리 시스템의 작동방법이며, 상기 방법은,
    공급 액체를 도입하고,
    상기 막 모듈에 의해 흡인되도록 하고; 그리고
    상기 가스 수집 챔버의 가스 소오스에 일정한 유속으로 가스를 도입하여 가스 수집 챔버내 공급 액체를 변위시키고, 가스를 상기 막 모듈내로 분배시키는 단계를 포함하는 수처리 시스템의 작동방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가스 수집 챔버의 가스 소오스에 일정한 유속으로 가스를 도입하는 것은 가스/액체 유동을 0.1 내지 200 초의 펄스 주기 범위에서 상기 관으로부터 상기 막 모듈로 펄스하는 것을 포함하는 수처리 시스템의 작동방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스/액체 유동을 펄스하는 것은 상기 가스 수집 챔버내의 가스 높이가 상기 관의 개구 아래에 위치하는 제1 높이에 도달할 때까지 상기 가스를 상기 가스 수집 챔버의 개구에 도입하는 수처리 시스템의 작동방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가스 수집 챔버 내의 가스 높이가 상기 관의 개구 위에 위치하는 제2 높이에 도달할 때까지 공급 액체를 관에 도입하는 단계를 더 포함하는 수처리 시스템의 작동방법.
  10. 복수의 다공성 막, 또는 한 세트의 막 모듈, 및 사용 중, 상기 막의 표면으로부터 부착물을 제거하기 위해 상기 유체 유동이 상기 막의 표면을 지나 이동하도록 일반적으로 일정하지 않게 발생된, 펄스형 유체 유동을 제공하는 장치를 포함하는 것인 막 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 유체 유동은 가스 유동을 포함하는 것인 막 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 유동은 기포를 포함하는 것인 막 모듈.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 펄스형 가스 유동은 가스를 공급하는 상기 장치에 의해 제조되는 것인 막 모듈.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 펄스형 유체 유동은 2상 가스/액체 유동을 포함하는 것인 막 모듈.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 펄스형 유체 유동은 크기(magnitude) 및/또는 빈도(frequency) 및/또는 기간(duration)이 일정하지 않은 것인 막 모듈.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 펄스형 유체 유동을 제공하는 상기 장치는 상기 장치와 유체 소통되는 분배기를 더 포함하고, 상기 펄스형 유체 유동은 상기 분배기를 통해 상기 모듈 내로 분배되는 것인 막 모듈.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는 각각의 모듈에 제공되는 것인 막 모듈.
  18. 제 10 항에 있어서, 상기 장치는 복수의 모듈에 제공되는 것인 막 모듈.
  19. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 펄스형 유체 유동은 무작위 분배 패턴을 형성하는 상기 장치들 중에 무작위로 발생하는 것인 막 모듈.
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