KR20230082042A - 직교류를 사용하는 침지식 멤브레인의 작동 - Google Patents

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다이아나 베네덱
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Abstract

본 발명은 침지식 멤브레인 여과 시스템을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 멤브레인 표면을 세정하거나 세정하는 것을 돕기 위해 멤브레인들의 표면을 지나게 액체 유동, 예를 들어, 재순환 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 침지식 외부-내부 멤브레인들은 유출물로부터 깨끗한 물을 효과적으로 여과하고 있기 때문에, 이 멤브레인들은 또한 유출물을 탈수시키고 있다. 고형물들의 집중을 회피하기 위해, 대부분의 침지식 멤브레인 시스템들은, 특정 양의 유출물 액체가 멤브레인들의 상류의 영역으로 다시 재순환되는 것을 요구한다. 이는 일반적으로 재순환 유동으로 지칭되고, 그리고, 예를 들어, MBR(membrane bioreactor)에서 RAS(return activated sludge)의 유동과 연관된다. 본원에 설명된 시스템들 및 방법들에서, 출원인은 멤브레인들의 표면을 세척하기에 충분한 에너지를 가지도록 재순환 유동을 제어하며, 따라서, 멤브레인들에 액체를 제공하고 그리고 멤브레인들의 표면들을 세척하는 용도를 조합한다.

Description

직교류를 사용하는 침지식 멤브레인의 작동
[0001] 본 발명은 침지식 멤브레인 필터들(i㎜ersed membrane filters) 및 이 멤브레인 필터들을 작동시키는 방법들에 관한 것이다.
[0002] 다음의 단락들은 이 단락들에서 논의된 것이 종래 기술이거나 당업자의 지식의 일부라는 것을 인정하는 것이 아니다.
[0003] 침지식 멤브레인들은 통상적으로 평탄한 시트들 또는 중공 섬유들의 형태이다. 전형적인 적용들은 음용수를 생성하기 위해 지표수를 여과하는 것, 및 멤브레인 생물반응기(membrane bioreactor; MBR)에서 폐수를 처리하는 것을 포함한다. 이러한 적용들에서, 멤브레인들은 일반적으로 미세여과 또는 한외여과 범위의 기공들을 갖는다. 중공형 섬유 모듈들의 일부 예들은 미국 특허 5,639,373에 설명된다. 평탄 시트 모듈들의 일부 예들은 미국 특허 6,287,467에 설명된다. 사용 시에, 많은 멤브레인들을 포함하는 모듈은 여과될 액체의 개방 탱크에서 침지된다. 투과물은 중력, 사이펀(siphon) 또는 멤브레인들의 내부 표면에 연결되는 투과물 펌프에 의해 빼내어진다.
[0004] 대부분의 멤브레인 시스템들과 같이, 침지식 멤브레인들은 멤브레인 기공들의 파울링(fouling)이 되기 쉽다. 추가적으로, 혼합액과 같은 높은 농도의 현탁된 고체들을 갖는 액체를 여과할 때, 탈수된 슬러지의 포켓들(pockets)이 멤브레인 모듈의 일부들에 형성될 수 있다. 파울링이 멤브레인의 기공들에 대해 국부적인 반면, 슬러징(sludging)은 모듈에서의 다수의 멤브레인들 사이에 걸쳐 있고 그리고 모듈의 일부들 내로의 신선한 공급 액체의 유동을 방해하는 고형물들의 훨씬 더 큰 축적이다. 슬러징 영역들은, 예를 들어, 적어도 하나의 방향으로 폭이 10㎝ 초과일 수 있다. 공기 버블들은 종종, 파울링 및 슬러징을 억제하는 것을 돕기 위해 침지식 모듈들 아래에 제공된다. 그러나, 슬러징은, 특히 멤브레인 생물반응기에서 프로세스 조건들이 변할 때, 여전히 발생할 수 있다. 상당한 슬러징의 영역들은, 멤브레인 모듈이 물리적인 디-슬러징(de-sludging)을 위해 탱크로부터 제거될 때까지, 연속된 폭기에도 불구하고 시간에 걸쳐 팽창할 수 있다.
[0005] 국제 공보 번호 WO 2017/049408 A1, “Method of Operation Membrane Filter”는 파동형 표면을 가지는 침지식 평탄 시트 멤브레인을 설명한다. 멤브레인들은 모듈들, 블록들, 및 카세트들로 함께 조립될 수 있다. 파울링 또는 슬러징을 억제하기 위한 폭기를 포함하는 멤브레인들을 작동시키는 다양한 방법들이 설명된다.
[0006] 국제 공보 번호 WO 2020/006628 A1, “Tightly Spaced Flat Sheet Immersed Membranes and Fine Bubble Aeration”은 밀접하게 이격된 멤브레인들의 투과성을 유지하기 위해 미세 버블들을 사용하는 것을 설명한다.
[0007] 이러한 요약은 독자에게 본 발명 및 상세한 설명을 도입하도록 하지만, 청구된 발명을 제한하거나 규정하지 않도록 의도된다.
[0008] 멤브레인 시스템들은, 고체들이 멤브레인들의 외부 표면으로부터 멀리 연속적으로 제거되어 본질적으로 연속적인 여과를 허용하도록 멤브레인들의 외부 표면이 세정되는 것을 요구한다. 침지식 멤브레인 시스템들은 통상적으로 파편들 및 오염물들을 제거하기 위한 시도로 멤브레인 표면을 세척하기 위한 주요 기구로서 버블들을 사용한다. 효율적이기 위해, 공기는 모듈들의 가장 낮은 부분 근처에 주입될 필요가 있다. 송풍기는 폭기장치의 최상부 상의 물의 중량에 의해 생성되는 유압에 대해 폭기장치를 통해 공기를 푸시해야 하며, 이는 물 잠수 깊이에 따라 증가한다. 멤브레인들의 저부에서 버블들을 생성하도록 요구되는 에너지는 중요하고 그리고 여과 시스템의 작동 비용을 증가시킨다.
[0009] 멤브레인들이 공급수로부터 깨끗한 물을 효과적으로 분리하기 때문에, 멤브레인들은 또한 멤브레인들의 외부 표면 근처에서 생성되는 유출물을 탈수시키고 있다. 과도한 고체들 집중을 회피하기 위해, 침지식 멤브레인 시스템들은 유출물에서 낮은 레벨의 고체들을 유지하고 그 점도를 감소시키도록, 특정 양의 액체가 멤브레인 표면에 걸쳐 유동하는 것을 요구한다. MBR(membrane bioreactors)에서, 액체 유동은 종종 멤브레인 모듈들을 통해 공급 액체를 재순환함으로써 제공된다. 멤브레인 모듈들을 통한 유동 속도는 초기 유입 속도(Q)를 초과하는 양일 수 있다. 표면수 또는 3차 여과와 같은 일부 적용들에서, 멤브레인 모듈들을 통한 액체 유동은 시스템 레벨에서, 대안적으로 재순환 유동, 리사이클링 유동 또는 공급 유동으로 불리는 복귀 유동(RF)을 제공하는 것과 관련된다. 활성 슬러지 프로세스를 사용할 때, 멤브레인 모듈들을 통한 액체 유동은 복귀 활성 슬러지(return activated slridge, RAS)를 제공하는 것과 관련된다. 그러나, 상업적으로 이용가능한 침지식 멤브레인 시스템들은 멤브레인들을 깨끗하게 유지하기 위한 주요 수단들로서 액체 유동을 사용하지 않는다. 대신에, 위에서 논의된 바와 같이, 상업적으로 이용가능한 침지식 멤브레인들은 멤브레인들을 깨끗하게 유지하기 위한 주요 수단들로서 공기를 사용한다.
[0010] 발명자들은, 멤브레인의 표면을 지나게 적합한 속도의 액체 유동 및 직교류 패턴의 속도를 제공하는 것은, 액체 유동이 멤브레인 표면들을 깨끗하게 유지하기 위해 주요한 또는 유일한 수단으로서 사용되는 것을 허용한다는 것을 발견하였다. 액체 유동은 멤브레인 생물반응기들에서의 복귀 활성 슬러지(RAS)에서와 같이 재순환된 유동과 연관될 수 있거나, 물(즉, 표면수) 및 및 3차 유출물의 처리에서 공급 유동, 재순환 유동 또는 복귀 유동(RF)과 연관될 수 있다. 전체적으로, RAS, 공급 유동, 리사이클링 유동, 및 RF는 재순환 유동으로 불릴 수 있다. 액체 유동의 체적 및 속도는 멤브레인 표면을 세정하도록 표면의 충분한 전단을 제공하도록 선택된다. 이러한 액체 유량 및 속도는 액체 점도 및 액체에서의 현탁된 고체들에 따라 변할 수 있다. 이러한 매개변수들은 멤브레인 표면을 세척하고 그리고 세정하기에 충분한 전단 및 난류를 생성하는 데 필요한 레이놀즈 수(Reynolds number)에 영향을 줄 수 있다. 일단 액체 유량이 충분하거나 최적화된다면, 침지식 멤브레인들을 세척하는 데 일반적으로 사용되는 폭기의 레벨은 특정한 적용들에서 감소될 수 있거나 심지어 제거될 수 있다. 1) 액체를 멤브레인들에 제공하는 것; 및 2) 이들의 표면을 세척하는 것을 위해 충분한 또는 최적화된 액체 유동을 사용하는 것은, 멤브레인 표면들을 세척시키기 위한 주요 또는 보조 수단들로서 폭기장치들을 사용하는 유사한 시스템들과 비교하여 보다 효율적인 그리고/또는 비용 효율적인 여과 시스템을 제공할 수 있다.
[0011] 본 명세서는, 액체 유동이 멤브레인들의 표면을 지나 적어도 약 0.01m/s의 직교류 속도로 제공되는 방법을 설명한다. 선택적으로, 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격은 약 6.0㎜ 이하이다. 선택적으로, 본 방법은 약 0.03scfm 또는 0scfm 미만의 속도로 (즉, 폭기 없음) 멤브레인들을 폭기하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 액체 유동은 멤브레인들의 저부로 지향된다. 선택적으로, 액체 유동은 멤브레인들을 통해 상방으로 지향된다.
[0012] 본 명세서는 또한, 침지식 멤브레인 유닛을 가지는 침지식 멤브레인 시스템을 설명한다. 시스템은 전술된 방법 단계들과 함께 사용하기에 특히 적합한 것으로 여겨진다. 각각의 멤브레인 유닛은 하나 이상의 카세트들 또는 여과 멤브레인들을 포함하는 다른 구조들을 가질 수 있다. 선택적으로, 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격은 약 6.0㎜ 이하이다. 시스템은 적어도 약 0.01m/s의 직교류 속도로 멤브레인들의 표면을 지나게 액체 유동을 제공하도록 구성되는 액체 유동 경로, 예를 들어, 재순환 유동 경로를 포함한다. 선택적으로, 시스템은 약 0.03scfm 미만 또는 0scfm의 속도로 멤브레인들을 폭기하기 위한 폭기장치를 포함한다. 대안적으로, 본 시스템은 폭기장치를 포함하지 않는다. 일부 예들에서, 시스템은 멤브레인 생물반응기의 부품이다. 선택적으로, 액체 유동은 멤브레인들의 저부로 지향된다. 선택적으로, 액체 유동은 멤브레인들을 통해 상방으로 지향된다.
[0013] 적어도 일부 경우들에서, 본원에 설명된 방법 및 멤브레인 시스템은 폭기된, 또는 보다 심하게 폭기된, 침지식 멤브레인 시스템의 작동 비용을 감소시킬 수 있다. 공기 버블들에 의해 생성되는 세척 대신에, 멤브레인 표면을 지나게 유동하는 액체의 세척 효과를 사용함으로써 세정이 제공되거나 향상된다. 액체 유동은, 단독으로 또는 공기, 또는 때때로 공기가 있고 때때로 공기 없이 공급되는, 멤브레인 표면들을 깨끗한 상태로 유지하기 위해 기초 전단 기구로서 사용된다. 공기는 멤브레인 표면에서 전단을 생성하도록 전체적으로 또는 부분적으로 직교류 패턴으로 적절한 속도로 액체 유동으로 대체된다. 이론에 의해 제한하는 것은 아니지만, 멤브레인들을 세정하기 위해 충분한 또는 최적화된 액체 유동을 사용하는 것은 침지식 멤브레인들의 총 작동 비용을 감소시키는 것으로 여겨지는데, 왜냐하면 이는, 공기를 폭기장치들의 최상부 상에서 탱크에서 액체의 상승 헤드에 대해 푸시해야 하는 송풍기를 작동시키기 위한 것보다 높은 유동 액체 펌프를 작동시키기 위해 보다 적은 에너지를 요구하기 때문이다.
[0014] 도 1은 멤브레인 생물반응기의 개략도이다.
[0015] 도 2는 덕트를 도시하는 제거된 일 측면을 갖는 도 1의 멤브레인 생물반응기의 멤브레인 탱크의 개략적인 측면도이다.
[0016] 도 3은 제거된 탱크의 전방을 갖는 도 2의 멤브레인 탱크의 개략적인 단면도이다.
[0017] 도 4는 멤브레인 시트의 에지 도면이다.
[0018] 도 5는 도 4에서와 같은 멤브레인 시트를 포함하는 멤브레인 유닛 모듈의 입면도이다.
[0019] 도 6은 도 5의 멤브레인 유닛의 일부분의 단면도이다.
[0020] 도 7은 도 5에 도시된 바와 같은 멤브레인 시트들의 간격 및 배열을 도시하는 도 6의 멤브레인 유닛의 단면도이다.
[0021] 도 8은 공급 액체 및 투과물 유동 방향들을 도시하는 절단된 개방 모듈의 개략적인 사시도이다.
[0022] 도 9는 함께 적층된 도 8의 모듈들 중 3개의 입면도이다.
[0023] 도 10은 도 8의 모듈들 중 수개의 모듈을 포함하는 블록의 등축도이다.
[0024] 도 11은 도 10의 블록의 일부의 확대도이다.
[0025] 도 12는 도 10의 블록의 일부의 확대도이다.
[0026] 도 13은 함께 적층된 3개의 도 10의 블록들을 가지는 카세트의 등축도이다.
[0027] 도 14는 탱크 내의 도 13의 카세트의 입면도이다.
[0028] 도 15는 상이한 재순환 유량들에서 폭기 레벨들을 비교하는 투과성 연구들로부터의 그래프 및 표이다.
[0029] 도 16의 A 내지 도 16의 D는 다양한 폭기 레벨들 및 재순환 유량들을 비교하는 투과성 연구들로부터의 표들 및 그래프들이다.
[0030] 도 17의 A 내지 도 17의 E는 다양한 폭기 속도들 및 재순환 유량들을 비교하는 전단 응력 연구들로부터의 그래프들이다.
[0031] 도 18의 A 및 도 18의 B는 직교류 속도 연구들로부터의 그래프들이다.
[0032] 명세서는 침지식 멤브레인 시스템을 작동하기 위한 방법을 설명한다. 본 방법은, 침지식 멤브레인 유닛을 가지는 멤브레인 탱크를 제공하는 단계 ─ 이 단계에서, 멤브레인들은 약 6.0㎜ 이하의 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격(face-to-face spacing)을 가짐 ─ ; 멤브레인들의 표면을 지나 액체 유동을 제공하는 단계 ─ 이 단계에서, 액체 유동은 적어도 0.01m/s의 직교류 속도를 가짐 ─ ; 및 약 0.03scfm, 또는 0sCFm 미만의 속도로 침지식 멤브레인 유닛을 폭기하는 단계를 포함한다.
[0033] 명세서는 또한, 침지식 멤브레인 시스템을 설명한다. 시스템은, 유입물을 수용하기 위한 유입구 및 유출구를 가지는 멤브레인 탱크; 멤브레인 탱크 내의 멤브레인 유닛 ─ 멤브레인들은 약 6.0㎜ 이하의 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격을 가짐 ─ ; 및 적어도 0.01m/s의 직교류 속도로 멤브레인들의 표면을 지나게 액체 유동을 제공하기 위한 펌프를 포함한다.
[0034] CFV(cross flow velocity)는 멤브레인 표면에 대해 일반적으로 접선인 액체 유동의 선속도(linear velocity)를 지칭한다. 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은, 단독으로 또는 공기에 의해 보충되는, 멤브레인의 요망되는 세정을 제공하는 충분한 멤브레인 전단력을 생성하는 임의의 속도일 수 있다. 선택적으로, CFV는 적어도 약 0.01m/s, 예를 들어, 약 0.01m/s 내지 약 2.0m/s; 약 0.3m/s 내지 약 0.8m/s; 약 0.1m/s 내지 약 1.0m/s; 약 0.01m/s; 약 0.02m/s; 약 0.05m/s; 약 0.1m/s; 약 0.15m/s; 약 0.2m/s; 약 0.25m/s; 약 0.3m/s; 약 0.35m/s; 약 0.4m/s; 약 0.45m/s; 약 0.5m/s; 약 0.6m/s; 약 0.7m/s; 약 0.8m/s; 약 0.9m/s; 약 1.0m/s; 약 1.1m/s; 약 1.2m/s; 약 1.3m/s; 약 1.4m/s; 약 1.5m/s; 약 1.6m/s; 약 1.7m/s; 약 1.8m/s; 약 1.9m/s; 약 2.0m/s; 또는 상기에 열거된 임의의 속도 내지 상기에 열거된 다른 속도일 수 있다. 바람직하게는, CFV는 약 0.1m/s 내지 약 1.0m/s, 또는 약 0.2m/s 초과이다. 선택적으로, CFV에는 공기에 의해 제공되는 감소되거나 제거된 기여도가 제공된다. 본원에 설명된 CFV에 의해 생성되는 충분한 멤브레인 전단력은 약 0.2Pa 내지 약 5.0Pa, 예를 들어, 약 0.5Pa 내지 약 3.0Pa; 약 0.7Pa 내지 약 2.1Pa; 약 0.5Pa; 약 0.6Pa; 약 0.7Pa; 약 0.8Pa; 약 0.9Pa; 약 1.0Pa; 약 1.1Pa; 약 1.2Pa; 약 1.3Pa; 약 1.4Pa; 약 1.5Pa; 약 1.6Pa; 약 1.7Pa; 약 1.8Pa; 약 1.9Pa; 약 2.0Pa; 약 2.1Pa; 약 2.2Pa; 약 2.3Pa; 약 2.4Pa; 약 2.5Pa; 약 2.6Pa; 약 2.7Pa; 약 2.8Pa; 약 2.9Pa; 약 3.0Pa; 또는 상기 열거된 임의의 압력 내지 상기 열거된 임의의 다른 압력의 멤브레인 표면 상의 평균 전단 응력일 수 있다. 바람직하게는, 멤브레인 표면 상의 평균 전단 응력은 약 0.5Pa 내지 약 3.0Pa, 또는 약 1.0Pa 초과이다.
[0035] 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은: 1) 재순환 유량; 2) 멤브레인 유닛에서의 멤브레인들 사이의 단면적 및/또는 멤브레인 탱크의 벽들과 벽들에 인접하게 위치결정되는 멤브레인 유닛의 전방, 측면들, 및 후방 사이의 단면적; 3) 폭기의 레벨 또는 속도; 4) 액체 유동 및/또는 액체 유동에서의 현탁된 고체들의 점도; 5) 액체 유동의 방향; 6) 버블 크기; 또는 7) 이의 임의의 조합에 관련될 수 있다. 발명자들은, 공기에 의해 제공되는 CFV에 대한 감소되거나 제거된 기여도로 본원에 설명된 CFV로의 멤브레인의 표면을 지나게 액체 유동을 제공하는 것이 멤브레인의 요망되는 세정을 제공하는 멤브레인의 표면 상에 전단 응력을 생성하는 것을 발견하였다. 공기에 의해 제공되는 감소된 기여도를 갖는 CFV는, 멤브레인 표면을 지나게 액체 유동의 CFV의 약 50% 미만, 약 40% 미만, 약 30% 미만, 약 20% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 1% 미만을 구성하는 폭기, 예컨대 버블링을 지칭한다.
[0036] 선택적으로, 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은 재순환 유량을 조정함으로써 적어도 또는 단독으로 제공된다. MBR로의 유입물 또는 폐수의 유량은 통상적으로 Q로 불린다. 액체 유동은 멤브레인 유닛들을 통해 액체를 재순환시킴으로써 제공될 수 있다. MBR에서, 멤브레인 유닛들을 통해 유동하는 혼합액은 복귀 활성 슬러지(return activated sludge, RAS)를 제공하는 것에 관련된다. 멤브레인 유닛들 및 탱크는 2차 정화기(clarifier)를 대체한다. 일부 다른 예들에서, 멤브레인 탱크는 식수(potable water) 또는 산업 프로세스 물을 생산하도록 의도된, 지표수 또는 지하수 여과 시스템과 같은 다른 여과 시스템 또는 다른 프로세스에 의해 이미 처리되었던 폐수를 폴리쉬(polish)하도록 의도된 3차 여과 시스템의 부품일 수 있다. 지표수 여과에서, 멤브레인 유닛들을 통해 유동하는 액체는 공급 유동으로 지칭될 수 있다. 3차 여과에서, 멤브레인 유닛들을 통해 유동하는 액체는 2차 유출물로서 지칭될 수 있다. 지표수 또는 3차 여과에서, 멤브레인 유닛들을 통한 유동은 시스템 레벨에서, 대안적으로 재순환 유동 또는 공급 유동으로 불리는 복귀 유동(return flow, RF)을 제공하는 것에 관련된다. 재순환 유량은, 예를 들어, 약 1Q 내지 약 10Q, 예를 들어, 약 2Q 내지 약 5Q; 약 1Q, 약 2Q; 약 3Q; 약 4Q; 약 5Q; 약 6Q; 약 7Q; 약 8Q; 약 9Q; 약 10Q; 또는 상기에 열거된 임의의 재순환 유량 내지 상기에 열거된 임의의 다른 재순환 유량이도록 조정될 수 있다. 바람직하게는, 재순환 유량은 약 2Q 내지 약 5Q이다. 선택적으로, 하나 이상의 액체 펌프들, 예를 들어, 높은 유동 액체 펌프들은 재순환 유동 경로를 따라 위치될 수 있고, 그리고, 예를 들어, 유입물의 속도를 조정하고 그리고/또는 유출물의 속도를 조정함으로써 재순환 유량을 조정하는 데 사용될 수 있다.
[0037] 선택적으로, 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은 멤브레인들 사이의 단면적을 조정함으로써 적어도 또는 단독으로 제공된다. 일부 예들에서, 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격은 약 6.0㎜ 미만, 예를 들어, 약 0.1㎜ 내지 약 6.0㎜; 약 1.0㎜ 내지 약 4.0㎜; 약 6.0㎜; 약 5.0㎜; 약 4.0㎜, 약 3.0㎜; 약 2.0㎜; 약 1.5㎜; 약 1.0㎜; 약 0.5㎜; 약 0.1㎜; 또는 상기에 열거된 임의의 이격 거리 내지 상기에 열거된 임의의 다른 이격 거리일 수 있다. 바람직하게는, 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격은 약 1.0㎜ 내지 약 4.0㎜이다. 선택적으로, 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은 멤브레인 탱크의 벽들과 벽들에 인접한 멤브레인 유닛의 전방, 측면, 및 후방 사이의 간격을 조정함으로써 적어도 또는 단독으로 제공된다. 바람직하게는, 예를 들어, 보다 표적화된 유동이 요망되는 경우에, 멤브레인 탱크의 벽들과 벽들에 인접한 멤브레인 유닛의 전방, 측면들, 및 후방 사이의 보다 짧은 거리들일 수 있다. 멤브레인 유닛을 수납하는 멤브레인 탱크의 형상은 요망되는 CFV가 달성된다면, 임의의 형상일 수 있다. 멤브레인 탱크는 원형, 타원형, 직사각형, 또는 정사각형 형상을 가질 수 있다.
[0038] 선택적으로, 액체 유동은 약 50% 미만, 약 40% 미만, 약 30% 미만, 약 20% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 1%미만으로 본원에 설명된 액체 유동(CFV)에 기여하는 속도로 폭기되며, 예를 들어 폭기 유량은 약 0.03scfm 미만 또는 0scfm; 약 0.0001scfm 내지 약 0.03scfm; 약 0.003scfm 내지 약 0.012scfm; 약 0.0001scfm; 약 0.0005scfm; 약 0.001scfm; 약 0.0015scfm; 약 0.002scfm; 약 0.0025scfm; 약 0.003scfm; 약 0.0035scfm; 약 0.004scfm; 약 0.0045scfm; 약 0.005scfm; 약 0.01scfm; 약 0.012scfm; 약 0.015scfm; 약 0.02scfm; 약 0.025scfm; 약 0.03scfm; 0scfm; 또는 상기 열거된 임의의 폭기 속도 내지 상기 열거된 임의의 다른 폭기 속도이다. 바람직하게는, 폭기 유량은 약 0.003scfm 내지 약 0.012scfm이다. 선택적으로, 액체 유동은 폭기되지 않는다. 폭기의 속도는 멤브레인 유닛 아래에 위치되는 하나 이상의 폭기장치들을 통해 밀어지는 공기의 양을 조정함으로써 또는 폭기장치들을 제거함으로써 제어될 수 있다. 폭기장치들에 의해 생성되는 버블들, 예를 들어, 물론 약 5.0㎜ 내지 약 9.0㎜ 범위를 가지는 평균 버블 직경을 가지는 버블들의 크기가, 요망되는 CFV가 달성된다면, 사용될 수 있다. 약 5.0㎜ 이하의 평균 버블 직경을 가지는 미세 버블들이 또한 사용될 수 있다.
[0039] 선택적으로, 본원에 설명된 액체 유동(CFV)은 액체 유동의 방향을 조정함으로써 적어도 또는 단독으로 제공된다. 선택적으로, 액체 유동은 침지식 멤브레인 유닛의 저부로 지향된다. 선택적으로, 혼합액의 유동은 다수의 부분들로 분할될 수 있다. 일부 경우들에서, 다수의 부분들 각각의 유량은 다수의 부분들의 평균 유량의 10% 이내이다. 선택적으로, 유입물은 침지식 멤브레인 유닛을 통해 위로 추가로 지향된다. 멤브레인 유닛을 통해 위로의 유입되는 물의 유동은, 인접한 멤브레인들을 서로 떨어지게 강제하고, 멤브레인 유닛에서 슬러지의 탈수 또는 유지를 억제하고, 그리고/또는 신선한 유입물을 멤브레인 유닛 전체에 걸쳐 분산시키는 것을 도울 수 있다. 어떤 경우들에서, 관류형 또는 수직 플러그 유동 체제는 멤브레인 유닛을 통해 제공될 수 있다.
[0040] 선택적으로, 멤브레인 유닛 아래로 수평으로 연장하는 하나 이상의 덕트들은 액체를 멤브레인 유닛으로 지향시킨다. 일부 예들에서, 덕트들은 하나 이상의 멤브레인 유닛들을 포함하는 탱크의 길이를 따라 연장한다. 덕트는 덕트 위에 멤브레인 유닛의 수평 단면적의 적어도 80%인 영역을 가지는 하나 이상의 갭들을 갖는다. 덕트는 선택적으로 배플들(baffles)을 가져서, 배플들을 통해 유동하는 액체는 멤브레인 유닛에 진입하기 전에 갭들의 전체 면적에 걸쳐 분산될 수 있다. 갭들 및 배플 개구들의 위치 및 크기는, 총 액체 유동, 예를 들어, 유입 혼합액 유동의 선택된 분할 및 선택된 방향을 멤브레인 유닛에 제공하는 것을 돕는다. 바람직하게는, 멤브레인 탱크로 진입하는 유입물의 적어도 90%, 또는 적어도 95%는 덕트를 통해 멤브레인 유닛으로 지향된다. 일부 예들에서, 본원에 설명된 방법들 및 시스템들은 덕트들을 포함하지 않는다.
[0041] 선택적으로, 액체 유동의 점도 및/또는 고체 함량은, 예를 들어, 액체 유동에서의 내용물들의 희석을 조정함으로써 조정될 수 있다.
[0042] 도 1 내지 도 3은 침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 본원에 개시된 프로세스를 사용하는 여과 시스템(100)의 예를 도시한다. 상류 처리 유닛(미도시됨), 예를 들어, 1차 처리 유닛, 정화기, 또는 MBR에서의 회전 벨트 필터로부터의 유출물(102)은 하나 이상의 프로세스 탱크들(104)로 유동한다. MBR에서, 하나의 호기성 프로세스 탱크(104)가 존재할 수 있거나, 호기성, 무산소, 및/또는 혐기성 처리 구역들을 보유하는 일련의 2개 이상의 프로세스 탱크들(104)이 존재할 수 있다. 유출물(102)은 프로세스 탱크들(104)에서 처리되고 그리고 유입물(106)을 생성한다. MBR에서, 프로세스 탱크들(104) 내의 미생물들은 유출물(102)을 소화하고 그리고 혼합액(106)을 생성한다. 유입물(106)은 멤브레인 탱크(108)로 전달된다. 도시된 예에서, 유입물 펌프(110)는 유입물(106)을 유입구(112)를 통해 멤브레인 탱크(108)로 펌프한다. 일부 다른 예들에서, 멤브레인 탱크(108)는 식수 또는 산업 프로세스 물을 생산하도록 의도된, 지표수 또는 지하수 여과 시스템과 같은 다른 여과 시스템 또는 다른 프로세스에 의해 이미 처리되었던 폐수를 폴리쉬하도록 의도된 3차 여과 시스템의 부품일 수 있다.
[0043] 멤브레인 탱크(108)는 하나 이상의 덕트들(113) 및 하나 이상의 멤브레인 유닛들(114)을 포함한다. 하나 이상의 덕트들(113)은 멤브레인 탱크(108)의 유입구(112)로부터 멤브레인 유닛(114)의 저부까지 연장된다. 덕트(113)는, 이러한 예에서 혼합액(106)인 유입물(106)이 하나 이상의 멤브레인 유닛들(114)에 도달하기 위해 멤브레인 탱크(108)를 통해 유동하는 플레넘(plenum)을 제공한다. 그 후, 유입물(106)은 멤브레인 유닛들(114)을 통해 위로 그리고 멤브레인 유닛들(120) 외부에서 멤브레인 탱크(108)로 유동한다. 투과물 펌프(116)는, 혼합액이 멤브레인 유닛(114)을 통과함에 따라, 혼합액(106)으로부터 투과물(118)을 빼낸다. 이에 따라, 혼합액(106)은 멤브레인 유닛들에서 농축되고 그리고 멤브레인 유닛들을 활성 슬러지(122)로서 남겨둔다. 활성 슬러지(122)는, 예를 들어, 펌프 또는 중력에 의해 멤브레인 탱크(108)로부터 빼내어지고 그리고 WAS(waste activated sludge)(124) 및 RAS(return(또는 recycled) activated sludge)(126)로 분할된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 예에서, 여과 시스템(100)으로의 유출물의 유량은 Q이며, 그리고 재순환 유량은 약 1Q 내지 약 10Q이다.
[0044] 멤브레인 탱크(108)는 도 2에서 측면도로 그리고 도 3에서 단면도로 도시된다. 멤브레인 탱크(108)는 멤브레인 탱크(108)의 폭의 2배 이상 또는 4배 이상인 길이를 가질 수 있다. 멤브레인 탱크(108)의 벽들과 멤브레인 유닛들(114)의 전방, 측면들, 및 후방 사이의 간격은 도시된 예들에서보다 더 가까울 수 있다.
[0045] 도시된 예에서, 덕트(113)는 멤브레인 탱크(108)의 저부에 의해 부분적으로 형성된다. 측벽들(130)은 멤브레인 탱크(108)의 저부로부터 멤브레인 유닛(114)의 저부까지 위쪽으로 연장된다. 덕트(113)는 멤브레인 유닛들(114) 아래에서 탱크(108)의 길이를 따라 연장된다. 덕트(113)의 하류 단부는 단부 벽(132)에 의해 폐쇄된다. 덕트(113)의 최상부는 플레이트(134)로 형성된다. 멤브레인 유닛들(114)의 수평 치수들과 길이 및 폭에서 일반적으로 동일한 갭(136)을 제공하는 플레이트들(134)은 불연속적이다.
[0046] 덕트(113)는 선택적으로 배플들(138)을 갖는다. 도시된 예에서, 배플들(138)을 통해 유동하는 액체가 멤브레인 유닛들(114)에 진입하기 전에 갭들(136)의 전체 영역에 걸쳐 분산될 수 있도록, 배플들(138)은 플레이트들(134)로부터 아래로 연장된다. 갭(136)은 그 위에 있는 멤브레인 유닛(114)의 수평 단면적의 적어도 80%인 영역을 가질 수 있다. 배플들(138)은 또한 하나 이상의 멤브레인 유닛들(114)의 저부 아래로 수평으로 적어도 부분적으로, 선택적으로 완전히 연장한다. 도시된 예에서, 배플들은 멤브레인 탱크(108)의 저부와 대략 평행하게 수평으로 연장한다. 대안적으로, 배플들은 경사질 수 있으며, 이는 난기류를 감소시킬 수 있다. 배플들(138)의 수평 연장은 개구(140)를 규정한다. 선택적으로, 개구들(140)은 멤브레인 유닛들(114)로의 총 유입 혼합액 유동의 선택된 분할을 제공하는 것을 돕기 위해 서로에 대해 상이한 크기들을 갖는다. 멤브레인 유닛(114)의 저부의 실질적으로 전체(즉, 80% 이상 또는 90% 이상) 또는 전체에 걸친 배플(138)의 수평 연장은 하지만 덕트(113)의 최상부로 아래로 변위되고, 보다 넓은 범위의 유입 유량들에 걸쳐 멤브레인 유닛들(114) 중에 유입 유동의 선택된 분배를 발생시키는 경향이 있다. 이론으로 제한하는 것으로 의도하지 않지만, 이는, 부분적으로 개구들(140)이 갭들(136)에 비해 영역이 작기(즉, 50% 이하) 때문이거나, 개구들(140)이 갭들(136) 상류에서 유입 유동으로 대면하기 때문일 수 있다.
[0047] 도시된 예에서, 제1 (상류) 배플(138)과 연관된 개구(140)의 높이는 제1 배플(138)과 플레이트들(134) 사이의 수직 거리에 의해 규정된다. 중간 배플(138)과 연관된 개구(140)의 높이는 중간 배플(138)과 제1 배플(138) 사이의 수직 거리에 의해 규정된다. 최하류 멤브레인 유닛(114)을 위한 배플(138)은 탱크(108)의 플로어의 일부 및 덕트(113)의 단부(132)에 의해 제공된다. 최하류 멤브레인 유닛(114)을 위한 개구(140)는 중간 배플(138)과 탱크(108)의 저부 사이에 규정된다. 대안적으로, 별도의 덕트(113)는 각각의 멤브레인 유닛(114)에 대해 제공될 수 있지만, 별도의 덕트가 부가의 재료 및 제조를 요구할 것이고 그리고 덕트 또는 덕트들(113)의 전체적인 헤드 손실을 가능하게는 증가시킬 것이 예상된다. 도시된 예에서, 개구들(140)과 갭들(136) 사이의 덕트(113)의 부품들은, 혼합액이 덕트(113)로부터 멤브레인 유닛들(114)의 저부로 유동하기 위한 경로들을 제공한다.
[0048] 멤브레인 유닛들(114)은 선택적으로, 멤브레인들 자체를 포함하는 수직으로 연장되는 도관을 제공하는 구조인, 대안적으로 슈라우드(shroud)로 불리는 멤브레인 케이스를 포함한다. 멤브레인 케이스는 별도의 구조일 수도 있거나, 멤브레인 유닛(114)의 다른 부품들과 일체로 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 멤브레인 탱크(108)는, 공기에 송풍기로부터의 공기가 제공될 때, 버블들을 발생시키는 폭기장치들을 포함하지 않는다. 일부 예들에서, 멤브레인 탱크(108)는 약 50% 미만, 약 40% 미만, 약 30% 미만, 약 20% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 1% 미만으로, 멤브레인 표면을 지나는 본원에 설명된 액체 유동(CFV)에, 예를 들어, 약 0.03scfm/ft2, 또는 0scfm/ft2 미만의 속도로 기여하는 폭기장치를 포함할 수 있다. 폭기장치들은 멤브레인 케이스 내에 위치될 수 있거나, 멤브레인 유닛들(114) 아래에, 선택적으로 덕트(113)를 멤브레인 유닛(114)과 연결시키는 수직으로 연장하는 도관을 제공하는 슈라우드 또는 폭기장치 케이스에 배치될 수 있다. 멤브레인들이 멤브레인 케이스 내에 있는 경우, 멤브레인들은 바람직하게는 액체가 멤브레인 유닛들을 통해 멤브레인들을 지나 위로 유동하기 위한 수직 통로들을 제공하도록 배열된다. 예를 들어, 멤브레인들은 평탄 시트 멤브레인들 또는 평탄 세라믹 멤브레인들일 수 있다.
[0049] 일부 예들에서, 덕트(113)와 혼합액 유입구(112) 사이의 연결들, 및 덕트(113)와 멤브레인 유닛(114)의 저부 사이의 연결들은 일반적으로 유밀형이다. 유입구(112) 및 멤브레인 유닛들(114)에 대한 연결들과 달리, 덕트(113)는 일반적으로 폐쇄된 플레넘이다. 멤브레인 및 폭기장치 케이스들은 사용되는 경우, 일반적으로 폐쇄된 튜브들이다. 이러한 방식으로, 멤브레인 탱크(108)로의 유입물은 일반적으로 멤브레인 유닛들(114)에 직접적으로 제공된다. 멤브레인 탱크(108)에 이지 농축된 유입물을 덕트(113)를 통해 멤브레인 유닛들에 이송되는 유입물의 혼합은 실질적으로 존재하지 않는다. 그러나, 이들은 대규모 민간 작업들이기 때문에, 완벽한 유밀형 연결들 또는 완벽한 폐쇄된 덕트들 또는 멤브레인 케이스들이 예상되지 않는다. 예를 들어, 덕트(113)의 굽힘된 시트 금속 플랜지와 멤브레인 탱크(108)의 콘크리트 벽 또는 플로어, 또는 카세트(50)의 프레임 사이의 연결들은 어느 정도 누출될 수 있으며, 그리고 덕트(113) 자체는 완벽한 유밀형 연결들과 함께 연결되지 않은 다수의 피스들로 제조될 수 있다. 그러나 개방형 멤브레인 탱크(108) 및 침지식 멤브레인 유닛들(114)의 사용은, 완전히 에워싸인 시스템에 비해 대형 시스템들의 보다 경제적인 구성을 허용한다.
[0050] 통상적으로 교반 탱크 반응기(stirred tank reactor)로 작동되는 개방 멤브레인 탱크(108)에 있음에도 불구하고, 도 2 및 도 3의 예의 멤브레인 유닛들(114)은 관류 직교류(once-through crossflow)와 보다 유사한 유동 체제 하에서 작동할 수 있다. 바람직하게는, 멤브레인 탱크(108)에 진입하는 유입물의 적어도 90% 또는 적어도 95%는, 덕트(113)를 통해 멤브레인 유닛들(114)로 지향되며, 그리고 멤브레인 유닛들(114)을 통해 위로 유동하는 유입물의 10% 이하 또는 5% 이하는, 유입구(112)로부터 멤브레인 탱크(108)까지의 유입물과는 대조적으로 덕트(113) 외부의 멤브레인 탱크(108)로부터 유입된다. 선택적으로, 덕트(113) 및 덕트로 그리고 덕트로부터의 연결들은, 멤브레인 유닛들(114)의 저부에서 유입물의 TSS(total suspended solids) 농도가 유입물의 TSS 농도보다 더 높은, 5% 이하 또는 3% 이하가 되도록 충분히 폐쇄되고 그리고 밀착된다. 이에 의해, 멤브레인 탱크(108)의 상이한 부품들에서 멤브레인 유닛들(114)에 도달하는 유입물의 농도가 또한 일반적으로 등화된다. 덕트(113)는 또한, 멤브레인 탱크(108)의 상이한 부품들에서 멤브레인 유닛들(114)로의 일반적으로 균일한 흐름 분배를 제공하는 것을 도울 수 있다. 멤브레인 유닛들(114)이 멤브레인 케이스들을 포함하는 예들에서, 멤브레인 유닛들(114)을 떠나는 물의 농도는 또한 일반적으로 균일화된다. 예를 들어, FIG 1에서와 같은 MBR(100)에서, 멤브레인 유닛들(114)의 최상부에서의 물(농축물)의 TSS(total suspended solids) 농도는, 전체로서 멤브레인 탱크(108)에서 활성 슬러지(120)의 TSS 농도보다 5% 이하만큼 더 작다. 혼합액(106) 및 활성 슬러지(120)는 고형물들이 높은 MBR(100)의 경우에, 멤브레인 유닛들(114) 사이의 고형물 농도의 차이를 감소시키는 것은, 멤브레인 세정 빈도를 감소시킬 수 있고, 그리고 멤브레인 유닛들(114)의 평균 플럭스를 증가시킬 수 있다.
[0051] 도 4 내지 도 14는 카세트(50) 또는 카세트의 다양한 부품들의 예를 설명한다. 카세트(50)는 멤브레인 유닛(114)을 제공하기 위해 단독으로 또는 다중 카세트들(50)의 세트로 사용될 수 있다.
[0052] 도 4는 대안적으로 요소로 불리는 멤브레인 시트(10)의 예를 도시한다. 멤브레인 시트(10)는 내부 채널들(14)을 제공하기 위해 형성되고 그리고 함께 결합된 2개의 기판 시트들(12)로 구성된다. 기판 시트들(12)의 외측들은 다공성 분리 층(16)으로 코팅된다. 분리 층(16)은 기판 시트들(12) 위에 도프(dope)를 형성하는 멤브레인 형성 도프(membrane forming dope)를 캐스팅하고(casting) 그리고 그 후 ??치 배스(quench bath)에서 도프를 경화함으로써 제조될 수 있다. 이는 전형적으로 한외여과 또는 정밀여과 범위에서 NIPS(non-solvent induced phase separation) 방법에 따라 기공들을 발생시킨다. 2개의 기판 시트들(12) 사이의 중앙 시트(18)는 선택적이지만, 바람직하다면, 보다 강성적인 멤브레인 시트(10)를 제공하기 위해 부가될 수 있다. 다른 예들에서, 요소들은, 예를 들어, Kubota 또는 Microdyn Nadir 요소들의 방식으로 프레임 또는 간격 위에 함께 부착되는 2개의 평탄 시트 멤브레인들로 제조될 수 있다. 다른 예들에서, 요소들은 플레이트 형태 세라믹으로 제조될 수 있다.
[0053] 도 5는 멤브레인 모듈(20)을 도시한다. 모듈(20)은 하나 이상의 멤브레인 시트들(10)을 갖는다. 내부 채널들(14)에 개방된 멤브레인 시트들(10)의 모서리들(즉, 도 5에 도시되는 모서리들)은 대안적으로, 대안적으로 포팅 헤드들 또는 투과물 수집기들로 불리는 헤더들(22)에서 포팅된다(potted). 사용시, 헤더들(22)은 일반적으로 수직으로 배향되며 그리고 내부 채널들(14)은 일반적으로 수평이다. 예를 들어 펌프 또는 싸이훤(siphon)에 의해 헤더들(22)의 투과물 포트들(24)에 적용되는 흡입은 투과물(26)이 내부 채널들(14)에서 생성되고 그리고 헤더들(22)을 통해 유동하는 것을 유발한다. 선택적으로, 투과물은 멤브레인 시트(10)의 하나 또는 둘 모두의 단부들로부터 빼내어질 수 있다. 모듈(20)은 통상적으로 다수의 평행한 멤브레인 시트들(10)을 갖는다. 인접한 멤브레인 시트들(10)은 일반적으로 동일한 폭, 예를 들어, 약 0.1㎜ 내지 약 6.0㎜ 폭의 수직 갭들에 의해 분리된다. 일 예에서, 모듈(20)은 폭이 약 1900mm, 높이가 약 800mm, 그리고 두께가 약 60mm이고 그리고 일반적으로 그의 두께에 걸쳐 동일하게 이격된 16개의 멤브레인 시트들(10)을 포함한다. 이 예에서, 헤더들(22)과 외부 멤브레인 시트들(10)은 멤브레인 케이스를 형성한다. 다른 예들에서, 모듈은 별도의 멤브레인 케이스로 둘러싸여질 수 있다.
[0054] 도 6은 도 5의 멤브레인 모듈(20)의 일부분을 도시한다. MBR(membrane bioreactor) 또는 여과 플랜트에서 사용될 때, 여과되고 있는 액체(20)(예컨대, 재순환 유동)는 모듈(20) 아래로부터 제공되고 그리고 인접한 멤브레인 시트들(10) 사이의 갭들(21)을 통한 것을 포함하여, 모듈(20)을 통해 상방으로 유동한다.
[0055] 도 7은 모듈(20)에서 멤브레인 시트들(10)의 세트를 도시한다. 멤브레인 시트들(10)은 오목부들(8)을 갖는다. 멤브레인 시트들(10)은 폭 또는 두께(C)를 갖는다. 도시된 예에서, 두께(C)는, 대부분의 멤브레인 표면적을 덮는 규칙적인 표면 특징부들의 말단에서 측정된다. 매끄러운 측 평탄 시트 멤브레인은 시트(10) 전체에 걸쳐 일반적으로 일정한 폭 또는 두께(C)를 갖는다. 멤브레인 시트들(10)은 또한 중심 대 중심(center-to-center) 간격(B)을 갖는다.
[0056] 멤브레인 시트들(10)은 표면 대 표면 간격(A)을 갖는다. 달리 언급되지 않는 한, 본원에서 간격, 또는 이격되어 있는 멤브레인 시트들 또는 다른 유사한 언급들에 대한 임의의 참조는 표면 대 공간 간격을 지칭한다. 간격(A)은 중심 대 중심 간격(B)에서 폭(C)를 뺀 것과 동일하다. 도 7에 도시된 바와 같이, 인접한 시트들(10)은 예를 들어, 시트(10)에서 인접한 오목부들(8) 사이의 수직 거리의 절반만큼 수직으로 서로 오프셋되는 오목부들(8)과 배열될 수 있다. 멤브레인 시트들은, 예를 들어, 약 6.0㎜ 이하, 약 5.0㎜ 이하, 약 4.0㎜ 이하, 약 3.0㎜ 이하, 약 2.0㎜ 이하, 예를 들어, 1.5㎜의 간격(A)으로 함께 밀접하게 이격된다.
[0057] 도 8은 모듈(20)을 통한 액체(30)의 유동을 추가적으로 예시하기 위해 절취 개방된 모듈(20)의 개략도를 도시한다. 이러한 예에서, 멤브레인 시트들(10)은 파형 형상을 가지며, 이는 액체가 상승함에 따라 액체(30)에서 난류를 생성할 수 있다. 멤브레인 시트들(10)은, 액체(30)가 멤브레인 시트들 사이를 이동함에 따라 진동할 수 있다. 액체(30) 유동은 멤브레인 시트들(10)의 일부의 직접적인 세척을 제공할 수 있다. 일부 예들에서, 약 0.03scfm 또는 0scfm 미만의 폭기 속도로 제공되는 버블들(미도시됨)은 멤브레인 시트들(10) 사이에서 이동하여 멤브레인들이 진동하는 것을 유발시킬 수 있다. 버블들은 또한 액체 유동을 돕는 것에 부가하여 멤브레인 시트들(10)의 일부 직접 세척을 제공할 수 있다.
[0058] 도 9는 3개의 모듈들(20)의 스택(32)을 도시한다. 모듈들(20)은 상하로 수직으로 적층된다. 하부 모듈의 투과물 포트들(24)은 상부 모듈의 헤더들(22)에서의 소켓들(보이지 않음)에 끼워맞춤한다. 가장 낮은 모듈(20)에서의 소켓들은 플러깅된다(plugged). 가장 높은 모듈의 투과 포트들(24)은 투과물 인출 파이프에 연결될 수 있고, 그리고 3개 모두의 모듈들(20)로부터 투과물을 인출하는데 사용될 수 있다. 스택들(32)은 또한, 2개, 4개 또는 다른 수의 모듈들(20)로 제조될 수 있다. 인접한 모듈들의 헤더들(22)이 수직으로 정렬되고 연속적이기 때문에, 공급 액체는 헤더들(22)에 의해 방해받지 않고 전체 스택(32)을 통해 수직으로 유동할 수 있다.
[0059] 도 10은 프레임(42)에서 복수의 모듈들(20)을 포함하는 블록(40)을 도시한다. 모듈들(20)은 프레임(42)에 나란히 배치된다. 모듈(20)은 프레임(42) 안으로 또는 밖으로 수직으로 미끄러질 수 있다. 프레임(42)에 있을 때, 모듈(20)의 헤더들(22)은, 도시되는 예에서 프레임(42)에 부착된 플라스틱 몰딩들(44)에 의해 제공되는 대응하는 슬롯들 내에 끼워맞춤한다. 비록 다른 재료들이 또한 사용될 수 있지만, 프레임(42)은 바람직하게는 스테인리스 강으로 제조된다. 측면 플레이트들(45)은 모듈들(20)에 평행한 프레임의 측면들을 덮는다. 헤더들(22)은 다수의 모듈들(20)을 각각 포함하며 그리고 인접한 헤더들(22)은 서로 접촉하거나, 접촉하고 있는 것에 가깝고, 예를 들어 서로 10mm 미만 또는 서로 5mm 미만으로 떨어져 있다. 측면 플레이트들(45) 및 헤더들(22)은 이에 의해 블록(40)을 통해 수직으로 연장되는 유체 통로를 규정하는 일체형 멤브레인 케이스를 형성한다.
[0060] 도 11은 블록(40)의 최상부의 확대도를 도시한다. 블록(40)의 최상부의 플랜지(46) 및 블록(40)의 저부 상의 유사한 플랜지(도 10에서 미도시)는 상부 또는 하부 블록(40)을 지지하고 그리고 스택의 블록들(40)이 함께 체결되는 것을 허용하는데 사용될 수 있다. 모듈들(20)의 투과물 포트들(24)은 도 10에 설명된 바와 같이 스택에서 모듈들(20) 사이의 투과물 연결을 허용하기 위해 플랜지(46) 위로 돌출한다.
[0061] 도 12는 블록(40)의 일부의 수평 단면의 확대도를 도시한다. 헤더(22)는 헤더(22), 멤브레인 시트들(10)의 에지들 및 멤브레인 시트들(10) 사이의 포팅 수지(27)에 의해 규정되는 투과물 챔버(23)를 포함한다. 투과물 챔버(23)는 투과물 포트들(24) 및 소켓들과 유체 연통한다. 프레임(42)에 모듈(20)을 유지하기 위해, 볼트(48)는 프레임(42)을 통과하고, 그리고 헤더(22)에 부착되는 너트(25) 내로 나사결합되거나, 도시된 바와 같이 플라스틱 성형된 헤더(22)와 일체로 성형된다.
[0062] 도 13은 수직으로 함께 상하로 적층되는 3개의 블록들(40)로 구성되는 카세트(50)를 도시한다. 선택적으로, 카세트(50)는 1개, 2개, 4개 또는 다른 수의 블록들(40)을 갖는다. 상부 블록(40)의 투과물 포트들(24)은 선택적으로 도시된 바와 같은 커넥터 파이프들(52)을 통해 투과물 헤더 파이프(54)에 연결된다. 블록들(40)의 프레임들(42)은 도시되는 예에서 그들의 단부들 상의 너트들을 갖는 나사결합식 로드들인 스트럿들(struts)(58)에 의해 서로 연결된다. 스트럿들(58)은 또한, 탱크에 카세트(50)를 걸기 위해 사용될 수 있는 카세트 프레임(56)에 상부 블록(40)을 부착한다. 도시된 예에서, 공기 공급 파이프들(60)은 가장 낮은 블록(40) 아래의 한 세트의 폭기장치들(미도시됨)에 공급될 공기를 카세트의 저부로 약 0.03scfm 미만 또는 0scfm의 폭기 속도로 가져간다. 다른 예들에서, 카세트는 공기 공급 파이프들(60) 및 폭기장치들을 포함하지 않는다. 수직으로 인접한 블록(40)의 몰딩들(44) 및 측면 플레이트들(45)은, 유체들이 카세트(50)를 통해 유동하도록 연속적인 수직으로 연장되는 통로를 형성한다. 이에 의해, 카세트(50)는 전체적으로 일체형 멤브레인 케이스를 갖는다. 대안적으로, 별도의 멤브레인 케이스가 제공될 수 있다.
[0063] 도 14는 탱크(70)에 설치된 카세트(50)를 도시한다. 카세트(50)는 카세트 프레임(56)에 부착된 크레인 또는 호이스트에 의해 멤브레인 탱크(70) 내로 하강되거나 멤브레인 탱크(70)로부터 밖으로 리프트될 수 있다. 카세트 프레임(56)은 멤브레인 탱크(70)의 레지들 상에 안착될 수 있다. 카세트 프레임들(56)은 탱크(70)의 벽들 상에서, 특히 도시된 예에서 탱크(70)에 부착된 레지들(ledges)(72) 상에 놓인다. 대안적으로, 카세트(50)는 탱크(70)의 저부에 놓일 수 있거나, 카세트(50)는 탱크(70)의 저부에 놓인 프레임 또는 다른 구조에 부착될 수 있다. 도시된 예에서, 카세트(50)는 84개의 모듈들(20)을 갖는다. 부피별 패킹 밀도는 450m2/m3 내지 500m2/m3이다. 점유공간별 패킹 밀도는 약 850m2/m3이다. 일 예에서, 각각의 모듈(20)은 약 7㎝ 내지 약 10㎝의 폭을 갖는다. 모듈들(20)은 카세트(50)에서 1 내지 5개의 모듈들(20)의 높이로 수직 스택으로 배열될 수 있다. 카세트(50)에서의 모듈들(20)의 각각의 스택은 스택에서 가장 낮은 모듈(20) 아래에 폭이 약 3cm 내지 6cm의 하나의 폭기장치를 갖는다.
[0064] 탱크(70)는 선택적으로 도시된 바와 같은 카세트(50)를 근접하게 둘러싼다. 혼합액(또는 다른 공급 액체)은 바람직하게는 탱크의 일단부로부터 탱크(70)의 저부의 채널(74)로 공급되고 그리고 탱크(70)의 반대편 단부의 최상부의 위어(weir)(도시되지 않음)로부터 나온다. 이러한 배열은 모듈들(20)을 통한 공급 액체의 평균 상방 유동을 제공한다. 다수의 카세트들(50)은 탱크(70)의 길이를 따라 이격될 수 있고 그리고 멤브레인 트레인을 제조하도록 조합될 수 있다. 완전한 멤브레인 시스템은 하나 이상의 트레인들을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 공기 공급 파이프들(60)은 가장 낮은 블록(40) 아래의 한 세트의 폭기장치들(미도시됨)에 공급될 공기를 카세트의 저부로 약 0.03scfm 미만 또는 0scfm의 폭기 속도로 가져간다. 다른 예들에서, 카세트는 공기 공급 파이프들(60) 및 폭기장치들을 포함하지 않는다.
[0065] 적합한 멤브레인 시트들, 모듈들, 블록들, 및 카세트들을 설명하는 부가 정보는 미국 공보 번호 US 2017/0095773(2017년 4월 6일자로 공보된 Fibracast Ltd에 의한 “Method of Operating Membrane Filter”), 국제 공보 번호 WO 2013/056373(2013년 4월 25일자로 공보된 Fibracast Ltd.의 “Coating Device and Process for Coating Formed Sheet Membrane Elemen”), 및 국제 공보 번호 WO 2011/130853(2011년 10월 27일자로 공보된 Fibracast Ltd.에 의한 “Formed Sheet Membrane Element and Filtration System”), 및 국제 공보 번호 WO 2020/006628(2020년 1월 9일자로 공보된, Fibracast Ltd.에 의한 Tightly Spaced Flat Sheet Immersed Membranes and Fine Bubble Aeration)에서 발견될 수 있으며, 그리고 이들은 본원에 인용에 의해 포함된다.
[0066] 예들
[0067] 예 1
[0068] 시험 파일럿 예에서, 투과성에 대한 폭기 및 재순환 유량의 효과가 검사되었다. 본원에 개시된 여과 시스템은 멤브레인 탱크(108) 내에 멤브레인 유닛(114)을 포함하였으며, 여기서 각각의 멤브레인 유닛(114)은 멤브레인 시트들 사이의 1.5㎜의 면 대 면 간격을 갖는 4개의 멤브레인 모듈들로 구성되는 도 13에 도시된 바와 같은 카세트(50)의 형태였다. 탱크의 길이를 따라 연장하고 그리고 멤브레인 유닛의 수평 단면적의 약 80%를 덮었던 갭을 가지는 덕트는, 위로 그리고 멤브레인 유닛을 통해 액체를 지향시켰다. 멤브레인 탱크는 또한 멤브레인 유닛 아래에 위치되는 폭기장치들을 포함하였다. 여과 시스템은, 1) 1Q의 재순환 속도 및 멤브레인 유닛 아래의 0.003scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들; 및 2) 멤브레인 유닛 아래에 0scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들을 갖는 4Q의 재순환 유량 ─ 즉, 버블 폭기장치들이 꺼져 있었음 ─ 으로 작동되었다. 버블들 없이 재순환 유량을 4Q로 증가시키는 것은 Q의 재순환 속도 및 공기의 0.003scfm/ft2를 사용하여 멤브레인 투과성의 10% 이내의 멤브레인 투과성을 초래하였다(도 15 참조).
[0069] 예 2
[0070] 예 1에 설명된 바와 같은 본원에 개시된 여과 시스템을 사용하는 다른 시도 파일럿 예에서, 투과성에 대한 폭기 및 재순환 속도의 효과가 검사되었다. 여과 시스템은, 1) 폭기 없이, 1Q로부터 5Q로의 재순환 유량들을 증가시키는 것; 및 2) 일관된 또는 거의 일관된 재순환 유량들로 증가된 폭기 속도들로 작동되었다. 재순환 유량을 증가시키는 것은 폭기 없이 투과성을 증가시키는 반면, 일관되거나 거의 일관된 재순환 속도를 유지하면서 폭기를 증가시키는 것은 투과성의 초기 증가 및 후속하는 투과성의 감소를 초래하였다(도 16의 A 내지 도 16의 D 참조).
[0071] 예 3
[0072] 시도 모델 예에서, 전단 응력에 대한 폭기 및 재순환 유량(또한 재순환 유동으로 지칭됨)의 효과가 검사되었다. 본원에 개시된 여과 시스템은 멤브레인 탱크(108) 내에 멤브레인 유닛(114)을 포함하였고, 여기서 각각의 멤브레인 유닛(114)은 도 8에 도시된 바와 같이 멤브레인 모듈(20)의 형태였다. 멤브레인 모듈(20)은 멤브레인 시트들 사이의 1.5㎜의 면 대 면 간격을 갖는 6개의 멤브레인 시트들을 포함하였다. 탱크의 길이를 따라 연장하고 그리고 멤브레인 유닛의 수평 단면적의 약 80%를 덮었던 갭을 가지는 덕트는, 위로 그리고 멤브레인 유닛을 통해 액체를 지향시켰다. 멤브레인 탱크는 또한 멤브레인 유닛 아래에 위치되는 폭기장치들을 포함하였다. 여과 시스템은, 1) 멤브레인 유닛 아래에 0scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들 ─ 즉 버블 폭기장치들이 꺼져 있었음 ─ 로의 3Q의 재순환 유량(도 17의 A 참조); 2) 멤브레인 유닛 아래에서 0.003scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들로의 3Q의 재순환 속도(도 17의 B 참조); 3) 멤브레인 유닛 아래에 0scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들 ─ , 즉 버블 폭기장치들이 꺼져 있었음 ─ 로의 4Q의 재순환 유량(도 17의 C 참조); 4) 멤브레인 유닛 아래에 0scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들 ─ 즉 버블 폭기들이 꺼져 있었음 ─ 로의 6Q의 재순환 유량(도 17의 D 참조); 및 5) 멤브레인 유닛 아래에 0.003scfm/ft2의 공기를 제공하는 버블 폭기장치들로의 6Q의 재순환 속도(도 17의 E 참조)로 작동되었다. 멤브레인 표면 상의 평균 속도 및 평균 전단 응력을 기록되었다(표 1 및 도 17의 A 내지 도 17의 E 참조).
[0073] 멤브레인 표면 상의 평균 속도 및 평균 전단 응력 속도는, 1) 재순환 속도를 증가시키는 것; 및 2) 공기의 기여도를 증가시키는 것과 함께 증가되었다. 도 17의 B(3Q 및 0.003scfm/ft2)와 도 17의 C(4Q 및 공기 없음) 사이의 비교는, 평균 속도 및 전단 응력 속도에 대한 폭기의 효과가, 증가하는 재순환 유량과 함께 감소하는 것을 도시한다. 도 17의 A 및 도 17의 B의 차이 및 도 17의 D와 도 17의 E의 차이의 비교는, 재순환 속도가 증가함에 따라, 공기의 효과가 감소하며, 그리고 폭기보다 멤브레인 시트들과 평균 전단 응력 사이의 더 높은 액체 평균 속도가 재순환으로 획득되는 것을 나타낸다.
[0074]
Figure pct00001
[0075] 표 1: 상이한 재순환 속도들 및 공기 폭기 속도들에서의 직교류 및 전단 응력의 비교.
[0076] 예 4
[0077] 다른 시도 모델 예에서, 전단 응력에 대한 폭기 및 재순환 유량의 효과가 검사되었다. 본원에 개시된 여과 시스템은 멤브레인 탱크(108) 내에 멤브레인 유닛(114)을 포함하였고, 여기서 각각의 멤브레인 유닛(114)은 도 8에 도시된 바와 같이 멤브레인 모듈(20)의 형태였다. 멤브레인 모듈(20)은 멤브레인 시트들 사이의 1.5㎜의 면 대 면 간격을 갖는 6개의 멤브레인 시트들을 포함하였다. 탱크의 길이를 따라 연장하고 그리고 멤브레인 유닛의 수평 단면적의 약 80%를 덮었던 갭을 가지는 덕트는, 위로 그리고 멤브레인 유닛을 통해 액체를 지향시켰다. 멤브레인 탱크는 또한 멤브레인 유닛 아래에 위치되는 폭기장치들을 포함하였다. 여과 시스템은, 멤브레인 유닛 아래에 0scfm/ft2의 공기를 제공하는 경우(즉, 버블 폭기장치들이 꺼져 있었음), 4Q의 재순환 유량으로 작동되었다. 멤브레인 시트들을 지나서 유동하는 단일 위상(액체)에 대한 속도 프로파일이 도 18의 A에서 도시되며, 그리고 인접한 멤브레인 시트들의 쌍들 사이의 대응하는 속도 크기가 도 18의 B에서 도시된다.
[0078] 본원에서의 상세한 설명 및 예들은 주름진 평탄 시트 모듈에 기초하지만, 유사한 결과들이 매끄러운 측 평탄 시트 모듈들로 달성될 것으로 예상된다. 임의의 특정 공정 조건 또는 특정한 예에서의 물리적 치수가 특정한 예에서 양방향으로 약 50% 만큼 변할 수 있는 것이 또한 예상된다.

Claims (21)

  1. 침지식 멤브레인 시스템(immersed membrane system)을 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은,
    침지식 멤브레인 유닛(immersed membrane unit)을 가지는 멤브레인 탱크(membrane tank)를 제공하는 단계 ─ 상기 멤브레인들은 약 6.0㎜ 이하의 멤브레인들 사이의 면 대 면(face-to-face) 간격을 가짐 ―;
    상기 멤브레인들의 표면을 지나 액체 유동을 제공하는 단계 ─ 상기 액체 유동은 적어도 약 0.01m/s의 직교류 속도를 가짐 ─ ; 및
    약 0.03scfm 미만, 또는 0scfm의 속도로 상기 침지식 멤브레인 유닛을 폭기하는 단계를 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 유동은 재순환 유동인,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 재순환 유량은 약 1Q 내지 약 10Q 또는 약 2Q 내지 약 5Q인,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 유동의 적어도 일부분은 상기 멤브레인 유닛의 저부로 지향되는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 액체 유동의 적어도 90%는 상기 멤브레인 유닛의 저부로 지향되는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 유동을 상기 멤브레인 유닛을 통해 상방으로 지향시키는 단계를 더 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인들 사이의 간격은 약 5.0㎜ 이하, 약 4.0㎜ 이하, 약 3.0㎜ 이하, 약 2.0㎜ 이하, 약 1.5㎜ 이하, 또는 약 0.1㎜ 이하인,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침지식 멤브레인 시스템은 멤브레인 생물반응기의 부품이며, 그리고 상기 액체 유동은 복귀 활성 슬러지 유동인,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    덕트(duct)를 통해 상기 액체 유동을 유동시키는 단계를 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인들은 주름진 면들을 가지는,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 탱크는 세장형인,
    침지식 멤브레인 시스템을 작동시키는 방법.
  12. 침지식 멤브레인 시스템으로서, 상기 침지식 멤브레인 시스템은,
    유입물을 수용하기 위한 유입구 및 유출구를 가지는 멤브레인 탱크(membrane tank);
    상기 멤브레인 탱크 내의 멤브레인 유닛 ─ 상기 멤브레인들은 약 6.0㎜ 이하의 멤브레인들 사이의 면 대 면 간격을 가짐 ─ ; 및
    적어도 약 0.01m/s의 직교류 속도로 상기 멤브레인들의 표면을 지나게 액체 유동을 제공하기 위한 펌프(pump)를 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 멤브레인 탱크의 유출구와 유입구를 연결시키는 재순환 경로를 더 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 재순환 유량은 약 1Q 내지 약 10Q 또는 약 2Q 내지 약 5Q인,
    침지식 멤브레인 시스템.
  15. 제12 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인들 사이에 폭기장치를 더 포함하며, 상기 폭기장치는 약 0.03scfm 미만, 또는 0scfm의 폭기 유량을 생성하도록 구성되는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  16. 제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구로부터 상기 멤브레인 유닛에 대응하는 적어도 하나의 개구로의 상기 멤브레인 탱크로 연장하는 하나 이상의 덕트들을 포함하는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 덕트들은 상기 멤브레인 유닛의 적어도 일부 아래로 수평으로 연장하는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  18. 제12 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은, 멤브레인 케이스 내에 평탄 시트 멤브레인 요소들의 하나 이상의 카세트들을 가지며, 상기 멤브레인 케이스는 상기 카세트를 통해 수직으로 배향되는 유동 경로를 생성하는,
    침지식 멤브레인 시스템.
  19. 제12 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 유닛은 상기 시스템 폭의 2배인,
    침지식 멤브레인 시스템.
  20. 제12 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인들 사이의 간격은 약 5.0㎜ 이하, 약 4.0㎜ 이하, 약 3.0㎜ 이하, 약 2.0㎜ 이하, 약 1.5㎜ 이하, 또는 약 0.1㎜ 이하인,
    침지식 멤브레인 시스템.
  21. 제12 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인들은 주름진 면들을 가지는,
    침지식 멤브레인 시스템.
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