WO2010110580A2 - 여과 장치 - Google Patents

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WO2010110580A2
WO2010110580A2 PCT/KR2010/001773 KR2010001773W WO2010110580A2 WO 2010110580 A2 WO2010110580 A2 WO 2010110580A2 KR 2010001773 W KR2010001773 W KR 2010001773W WO 2010110580 A2 WO2010110580 A2 WO 2010110580A2
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filtration
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이광진
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주식회사 코오롱
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2315/00—Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/06—Submerged-type; Immersion type

Definitions

  • the present invention relates to a filtration device, and more particularly, a filtration that can not only achieve the maximum cleaning effect compared to the energy consumed in performing the acid cleaning of the filtration membrane module, but also minimize the horizontal dependence of the diffuser. Relates to a device.
  • the separation method using a filtration membrane has many advantages over the separation method using heating at a high temperature or a phase change.
  • One of the biggest advantages is that the desired water quality can be stably obtained according to the pore size of the filtration membrane, thereby increasing the reliability of the process. Can be.
  • the use of a filtration membrane does not require an operation such as heating at a high temperature, when the filtration membrane is used in a separation process using microorganisms, the microorganisms can be prevented from being affected by heat.
  • One of the filtration membrane modules is an inhalation type that separates solid components such as impurities or sludge by immersing the filtration membrane module directly in a water tank of a fluid to be treated and applying a negative pressure to the inside of the filtration membrane to selectively permeate only the fluid into the filtration membrane.
  • a filtration membrane module Manufacturing the filtration device by using the suction filtration membrane module has the advantage that it does not need the equipment for the circulation of the fluid, which can bring down the facility cost or operating cost, while the disadvantage that the permeate flow rate that can be obtained in a unit time is limited.
  • Recovery cleaning is a cleaning that is performed for a long time when membrane contamination accumulates as the membrane permeation performance of the filtration membrane module seriously decreases as the water treatment proceeds in the water treatment tank for a long time, and the main purpose is to restore the permeation performance of the filtration membrane. .
  • maintenance cleaning is a cleaning performed for a while while the water treatment by the filtration membrane module is in progress or the water treatment is stopped, and the main purpose is to maintain the permeation performance of the filtration membrane in a good state.
  • This maintenance cleaning is mainly performed by physical cleaning. Physical cleaning can be categorized into backwashing and aeration schemes.
  • the backwashing method is a cleaning method that removes foreign matter adhering to the membrane surface by refluxing air or water through the filtration membrane while the water treatment is temporarily stopped.
  • the diffuser system blows air through the diffuser from the bottom of the membrane to the membrane to cause the air bubbles to rise, thereby not only removing foreign substances adhering to the surface of the membrane by the air bubbles themselves, but also raising the water contained in the water treatment tank or Remove foreign substances by causing circulation.
  • the diffuser that blows out the air for cleaning the air is often unable to maintain the initial level due to the reaction to the air blowing.
  • the air blown out from the diffuser is directed to one side, and as a result, even cleaning of the entire filtration membrane becomes impossible.
  • the horizontal state of the diffuser must be thoroughly maintained, but this is practically impossible in view of the vibration of the filtering device caused by the air blown out from the diffuser. Therefore, as a workaround, there is an urgent need for a method capable of minimizing the deflection of the air ejected from the diffuser even if the diffuser leaves the horizontal state to some extent, that is, the minimized horizontal dependence of the diffuser.
  • the present invention relates to a filtration system and method which can avoid the problems caused by the above limitations and disadvantages of the related art.
  • An advantage of the present invention is to provide a filtration apparatus that can obtain the maximum cleaning effect compared to the energy consumed in performing the acid cleaning for the filtration membrane module.
  • Another advantage of the present invention is to provide a filtration device that can minimize the horizontal dependence of the diffuser.
  • a plurality of filtration membrane modules A first diffuser located below the filtration membrane modules; And a second diffuser positioned below the filtration membrane modules and adjacent to the first diffuser, wherein the first diffuser is formed with a plurality of first diffuser holes and the plurality of first diffuser holes.
  • a first reference diffuser wherein the first reference diffuser is a diffuser spaced from the plurality of first diffuser holes at a shortest distance from the second diffuser;
  • Second diffuser holes are formed, wherein the plurality of second diffuser holes include a second reference diffuser, wherein the second reference diffuser is the first reference diffuser among the plurality of second diffuser holes.
  • a diffuser hole spaced apart from the shortest distance, and a distance between the first and second reference diffuser holes satisfies Equation 1 below.
  • Equation 1 0.9 ⁇ 2 ⁇ (H + d) ⁇ tan ( ⁇ / 2) ⁇ D ⁇ 1.1 ⁇ 2 ⁇ (H + d) ⁇ tan ( ⁇ / 2)
  • D is a distance m between the first and second reference diffuser holes
  • H is a height m of the filtration membrane modules
  • d is a distance m between the first reference diffuser hole and the filtration membrane modules. Is the acid angle.
  • the filter membrane module And first and second diffusers positioned below the filtration membrane module and adjacent to each other, wherein the first diffuser is formed with a plurality of first diffuser holes formed in a line along a length direction of the first diffuser
  • the plurality of first diffuser holes comprise a first reference diffuser, wherein the first reference diffuser is spaced apart from the second diffuser among the plurality of first diffuser holes at the shortest distance.
  • the second diffuser is formed with a plurality of second diffuser holes formed in a line along the longitudinal direction of the second diffuser, the plurality of second diffuser holes include a second reference diffuser hole Wherein the second reference diffuser is a diffuser spaced from the plurality of second diffuser holes at a shortest distance from the first reference diffuser hole, and the spacing between the first diffuser holes and the second diffuser holes. Spacing between Is a filter device, characterized in that less than or equal to the distance between the first and second reference diffuser holes.
  • the filter membrane module And a diffuser positioned below the filtration membrane module and having a plurality of diffuser holes formed therein, wherein the diameter of the diffuser holes is 5 to 7 mm.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an example of the filtration device of the present invention
  • FIG. 6 is a schematic representation of the filtration device of the present invention with diffusers arranged at optimal intervals
  • FIG. 7 is a graph showing a change in required energy (inverter frequency) (Hz) according to an increase in air flux (L / min) ejected from an air hole.
  • FIG. 8 is a photograph of the surface of the diffusers having 8 mm diameter diffuser holes after ejecting air at an air flow rate of 400 L / min while being tilted at an angle of about 5 degrees with the bottom of the treatment tank.
  • FIG. 8 is a photograph of the surface of the diffusers having 8 mm diameter diffuser holes after ejecting air at an air flow rate of 400 L / min while being tilted at an angle of about 5 degrees with the bottom of the treatment tank.
  • FIG. 9 is a photograph of the surface of the diffusers having 5 mm diameter diffuser holes after ejecting air at an air flow rate of 400 L / min while tilting the diffuser to form an angle of about 5 degrees with the bottom surface of the treatment tank.
  • Embodiments of the present invention described below illustrate the hollow fiber membrane module as a filtration membrane module in order to explain the technical idea of the present invention, but the present invention is not limited to the hollow fiber membrane module but includes various types of filtration membranes including flat membrane modules. All can be applied to modules.
  • the technical idea of the present invention disclosed below collects permeate water only from one end of the hollow fiber membrane, as well as a two-stage collecting method using two headers to collect permeate water from both ends of the hollow fiber membrane. The same applies to the case of the single stage water collecting method using one header.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an example of the filtration device of the present invention.
  • the filtration device 100 of the present invention includes a plurality of filtration membrane modules 110.
  • the filtration membrane module 110 may be a hollow fiber membrane module using a hollow fiber membrane bundle as a filtration membrane, or a flat membrane module using a flat membrane as a filtration membrane.
  • the hollow fiber membrane module has a large surface area, the hollow fiber membrane module is superior to the flat membrane module in terms of water treatment capacity to occupy space.
  • FIG. 1 illustrates an immersion type filtration membrane module for performing filtration in a state immersed in a fluid to be treated in a treatment tank (not shown).
  • negative pressure is applied to the inside of the filtration membrane so that only the fluid selectively penetrates the filtration membrane to separate the solid components of the impurities or sludge mixed in the fluid.
  • Filtration membrane module 110 may be a hollow fiber membrane module, more specifically, or the vertical hollow fiber membrane module is disposed so that the longitudinal direction of the hollow fiber membrane is substantially perpendicular to the bottom surface of the treatment tank Or, it may be a horizontal hollow fiber membrane module is disposed so that the longitudinal direction of the hollow fiber membrane is horizontal to the bottom surface of the treatment tank.
  • the filtration membrane module 110 of the present invention may be used in a form in which several modules are coupled to a frame (not shown). Permeate water obtained through the plurality of filtration membrane modules 110 is sent to a filtrate storage tank (not shown) through a common pipe 130.
  • the permeation performance of the filtration membrane may increase as water treatment proceeds due to contamination of the surface of the filtration membrane by the membrane contaminants. A problem that greatly falls occurs. Therefore, it is preferable to perform maintenance cleaning by an acid method in order to maintain the permeation performance of the filtration membrane during the water treatment by the filtration membrane module 110 in a good state.
  • the filtration device 100 of the present invention further includes a plurality of aeration tubes 120 positioned below the filtration membrane modules 110. do.
  • the diffusers 120 may be arranged parallel to each other.
  • the plurality of diffusers 120 receive air from an air supply unit (eg, a blower) through a common pipe 140.
  • a plurality of aeration holes 121 are formed in the diffuser 120, and the air flowing into the diffuser is blown upwards toward the filtration membrane modules 110 through the plurality of diffuser holes 121.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate various aspects in which diffuser holes 121 are formed in the diffuser 120.
  • the diffuser holes 121 are formed in a line along the length direction of the diffuser 120.
  • the diffuser 120 according to the second embodiment of the present invention includes a plurality of diffuser hole pairs 122 formed in a line along the length direction of the diffuser 120.
  • Each of the diffuser hole pairs 122 includes two diffuser holes 122a and 122b formed side by side in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the diffuser 120. Accordingly, the diffuser 120 according to the second embodiment of the present invention can eject a larger amount of air from the diffuser toward the filter membrane modules 110, thereby providing sufficient turbulent flow to prevent contamination of the filter membrane. More advantageous to form).
  • the diffuser 120 of the filtration device 100 of the present invention is composed of only the diffuser 120 according to the first embodiment, the diffuser 120 according to the second embodiment, or these It may be a configuration arranged alternately.
  • FIG. 4 illustrates a filtration device with an excessively large spacing between diffusers 120
  • FIG. 5 illustrates a filtration device with an excessively small spacing between diffusers 120
  • FIG. 6 illustrates an diffuser 120.
  • Figures schematically show the filtration device of the present invention in which they are arranged at optimal intervals.
  • a plurality of diffuser hole pairs 122 are formed in a line along the longitudinal direction of the diffuser 120. Air blown out through the air holes 122a and 122b forms bubbles in the fluid to be treated, and these bubbles rise toward the filtration membrane modules 110 at an angle (hereinafter, referred to as 'acid angle') to form contaminants. Are separated from the surface of the filtration membrane.
  • the spacing between the diffusers 120 is too narrow, more precisely, the distance between the diffuser holes 122a and 122b of the adjacent diffusers 120 may be too small.
  • bubbles made by respective diffusers 120 and respectively rising toward the filtration module modules 110 overlap before reaching the top of the filtration module modules 110. Therefore, all the filtration membranes can come into contact with bubbles rising from the diffusers 120, which is advantageous in terms of preventing contamination of the filtration membranes.
  • the overlapping space before the rising bubbles reach the top of the filtration membrane modules 110 is a space where more bubbles than necessary pass, energy waste occurs as much.
  • the distance between the diffuser holes 122a and 122b of the diffusers 120 adjacent to each other is adjusted as follows.
  • first and second diffusers Two diffusers 120 adjacent to each other among the diffusers 120 positioned below the filtration membrane modules 110 will be referred to as first and second diffusers, respectively.
  • a plurality of first diffuser holes 122 are formed in the first diffuser 120, and the plurality of first diffuser holes 122 includes a first reference diffuser hole h1.
  • the first reference diffuser h1 refers to a diffuser hole spaced apart from the second diffuser 120 by the shortest distance among the plurality of first diffuser holes 122.
  • a plurality of second diffuser holes 122 are formed in the second diffuser 120, and the plurality of second diffuser holes 122 includes a second reference diffuser hole h2.
  • the second reference diffuser h2 refers to a diffuser hole spaced apart from the first reference diffuser h1 by the shortest distance among the plurality of second diffuser holes 122.
  • the distance between the first and second reference diffusers h1 and h2 is adjusted to satisfy Equation 1 below.
  • Equation 1 0.9 ⁇ 2 ⁇ (H + d) ⁇ tan ( ⁇ / 2) ⁇ D ⁇ 1.1 ⁇ 2 ⁇ (H + d) ⁇ tan ( ⁇ / 2)
  • D is the distance (m) between the first and second reference diffuser holes (h1, h2)
  • H is the height (m) of the filtration membrane module 110
  • d is the first reference diffuser ( h1) and the distance (m) between the filtration membrane modules 110
  • ⁇ is an acid angle.
  • the height H of the filtration membrane module 110 is 1.8 m
  • the distance d between the first reference air hole h1 and the filtration membrane module 110 is 0.1 m
  • the distance D between the first and second reference diffusers h1 and h2 is 0.096 m.
  • the spacing between the diffuser holes 122 adjacent to each other in the longitudinal direction of the diffuser 120 may be equal to or smaller than the distance between the first and second reference diffuser holes h1 and h2. In this case, the bubbles generated from the diffuser holes 122 adjacent to each other in the longitudinal direction of the diffuser 120 overlap each other before reaching the top of the filter membrane module 110, thereby more reliably preventing contamination of the filter membrane. can do.
  • the increase in energy consumption is insignificant. Therefore, a significant increase in energy consumption is achieved even if the spacing between the adjacent acid holes 122 in the longitudinal direction of the diffuser 120 is equal to or smaller than the distance between the first and second reference acid holes h1 and h2. Is not caused.
  • the inventor of the present invention was found through the following experiment that the amount of energy consumed in the acid diffusion process is deeply related to the size of the diameter of the acid holes (121, 122).
  • the amount of energy required to eject the same air flow rate for example, 400 L / min of air from the diffuser hole
  • the diameter size of the diffuser hole is 3 mm. This is the lowest when the 8mm. That is, from the above experimental results, it can be seen that the filter device having the diameter of the diffuser hole of 5 mm or more is advantageous in terms of energy consumption.
  • the diffuser 120 which blows out air for the diffuser is often unable to maintain its initial level due to reaction to the blowout. If the diffuser 120 is out of the horizontal state during the diffuser, the air blown out from the diffuser 120 is directed to one side, and as a result, even cleaning of the entire filtration membrane becomes impossible.
  • the degree of deflection of the air ejected from the diffuser 120 that is, the horizontal dependence of the diffuser 120 is closely related to the diameter of the diffuser holes 121 and 122. This was revealed through the following experiment.
  • the diffuser holes 121 while reducing the amount of energy consumed in ejecting the same air flow rate through the diffuser holes 121 and 122, the diffuser holes 121, so as to minimize the horizontal dependence of the diffuser 120
  • the preferred diameter of 122) is 5-7 mm.

Abstract

본 발명은 여과막 모듈에 대한 산기 세정을 실행함에 있어 소모되는 에너지 대비 최대의 세정 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 산기관의 수평 의존도를 최소화할 수 있는 하는 여과장치에 관한 것으로서, 본 발명의 여과 장치는, 복수개의 여과막 모듈들의 아래에 위치하는 제1 및 제2 산기관들을 포함하되, 상기 제1 및 제2 산기관들 사이의 거리 및 이들에 형성된 산기홀들의 직경이 일정 범위로 제한된다.

Description

여과 장치
본 발명은 여과 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 여과막 모듈에 대한 산기 세정을 실행함에 있어 소모되는 에너지 대비 최대의 세정 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 산기관의 수평 의존도를 최소화할 수 있는 하는 여과장치에 관한 것이다.
고온에서의 가열이나 상변화를 이용하는 분리 방법에 비하여 여과막을 이용한 분리 방법은 많은 장점들이 있는데, 가장 큰 장점들 중 하나는 여과막의 세공 크기에 따라 원하는 수질을 안정적으로 얻을 수 있으므로 공정의 신뢰도를 높일 수 있다는 점이다. 또한, 여과막을 이용하면 고온에서의 가열 등의 조작이 필요 없기 때문에, 미생물 등을 사용하는 분리 공정에 여과막이 사용될 경우 미생물이 열에 의해 영향을 받는 것을 방지할 수도 있다.
이러한 여과막 모듈의 하나로는, 처리하고자 하는 유체의 수조에 여과막 모듈을 직접 침지시키고 여과막 내부에 음압(negative pressure)을 가하여 유체만을 선택적으로 여과막 내부로 투과시킴으로써 불순물 또는 슬러지 등의 고형 성분을 분리하는 흡입식 여과막 모듈이 있다. 흡입식 여과막 모듈을 채택하여 여과장치를 제조하면 유체의 순환을 위한 설비가 필요 없어 시설비나 운전비의 절감을 가져올 수 있는 장점이 있는 반면, 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 제한적이라는 단점이 있다.
이에 반해, 처리하여야 할 유체를 여과막의 외부로부터 내부로 가압 여과시키는 가압식 여과막 모듈의 경우에는 단위시간에 얻을 수 있는 투과 유량이 흡입식 중공사막 모듈에 비해 상대적으로 많다는 장점이 있는 반면, 유체 순환을 위한 별도의 설비가 필요하다는 단점이 있다.
한편, 여과막 모듈에 의한 수처리가 진행됨에 따라 오염 물질에 의한 여과막 오염 현상이 야기되어 여과막의 투과 성능이 크게 떨어지는 문제점이 발생한다. 다양한 형태의 여과막 오염 물질은 서로 다른 방식으로 막 오염을 유발하기 때문에 오염된 여과막을 세정하는 방법 역시 다양한 방식이 요구된다. 오염된 여과막의 세정은 그 세정 목적에 따라 유지 세정(maintenance cleaning)과 회복 세정(recovery cleaning)으로 분류될 수 있다.
회복 세정은 수 처리 탱크 내에서 장시간 수 처리를 진행함에 따라 막 오염이 누적되어 여과막 모듈의 막 투과 성능이 심각하게 저하된 경우에 비교적 장시간 행하여 지는 세정으로서 여과막의 투과 성능을 회복하는데 주요 목적이 있다.
반면, 유지 세정은 여과막 모듈에 의한 수 처리가 진행되는 동안 또는 수 처리를 중지한 상태에서 잠시 동안 행하여 지는 세정으로서 여과막의 투과 성능을 양호한 상태로 유지하는데 주요 목적이 있다. 이러한 유지 세정은 주로 물리적 세정에 의해 수행된다. 물리적 세정은 백워싱(backwashing)과 산기(aeration) 방식으로 분류될 수 있다.
백워싱 방식은 수 처리를 잠시 중지한 상태에서 공기 또는 물을 여과막을 통해 역류시킴으로써 막 표면에 붙어 있는 이물질을 제거하는 세정 방식이다. 반면, 산기 방식은, 산기관을 통해 공기를 막 아래에서 막을 향해 분출시켜 공기 방울이 솟아오르도록 함으로써 공기 방울 자체에 의해 여과막 표면에 붙어 있는 이물질을 제거할 뿐만 아니라 수 처리 탱크에 담겨 있는 물의 상승 또는 순환을 야기시킴으로써 이물질을 제거한다.
산기 방식의 유지 세정의 경우, 공기를 분출시키기 위하여 일반적으로 블로어(blower)가 이용되는데, 여과 작업이 수행되는 중에 산기 세정을 위해 이러한 블로어가 계속 가동되어야 하기 때문에 많은 양의 에너지 소모가 요구되었다. 그럼에도 불구하고, 에너지 소모 대비 산기 효과를 극대화하기 위한 연구, 즉 산기 효율을 최대화하기 위한 연구가 전무한 실정이다.
또한, 산기 세정을 위해 공기를 분출하는 산기관은 그 공기 분출에 대한 반작용 등으로 인해 초기의 수평 상태를 유지하지 못하는 경우가 발생하곤 한다. 이와 같이 산기 세정 도중에 산기관이 수평 상태를 벗어나게 됨에 따라 산기관으로부터 분출되는 공기가 일측으로 쏠리게 되고, 그 결과 여과막 전체에 대한 고른 세정이 불가능하게 되는 문제점이 나타나게 된다. 이와 같은 문제점을 근본적으로 해결하기 위해서는 산기관의 수평 상태를 철저하게 유지하여야 하지만, 산기관으로부터 분출되는 공기로 인해 야기되는 여과 장치의 진동을 감안할 때 이것은 실질적으로 불가능하다. 따라서, 차선책으로, 산기관이 어느 정도 수평 상태를 벗어나더라도 산기관으로부터 분출되는 공기의 쏠림 현상을 최소화할 수 있는 방안, 즉 산기관의 수평 의존도를 최소화할 수 있는 방안이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 여과 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이점은 여과막 모듈에 대한 산기 세정을 실행함에 있어 소모되는 에너지 대비 최대의 세정 효과를 얻을 수 있는 여과장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 이점은 산기관의 수평 의존도를 최소화할 수 있는 여과장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술된 것이고, 부분적으로는 그러한 기술로부터 자명할 것이다. 또는, 본 발명의 실시를 통해 본 발명의 또 다른 특징 및 이점들이 학습되어질 수 있을 것이다. 본 발명의 목적들 및 다른 이점들은 첨부된 도면은 물론이고 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 특정된 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
위와 같은 이점들을 달성하기 위하여, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 복수개의 여과막 모듈들; 상기 여과막 모듈들의 아래에 위치하는 제1 산기관; 및 상기 여과막 모듈들의 아래에 위치하며 상기 제1 산기관과 이웃하는 제2 산기관을 포함하되, 상기 제1 산기관에는 다수의 제1 산기홀들이 형성되어 있고, 상기 다수의 제1 산기홀들은 제1 기준 산기홀을 포함하고 - 여기서 상기 제1 기준 산기홀은 상기 다수의 제1 산기홀들 중에서에 상기 제2 산기관과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -, 상기 제2 산기관에는 다수의 제2 산기홀들이 형성되어 있고, 상기 다수의 제2 산기홀들은 제2 기준 산기홀을 포함하며 - 여기서 상기 제2 기준 산기홀은 상기 다수의 제2 산기홀들 중에서 상기 제1 기준 산기홀과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임-, 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리는 하기의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 여과 장치가 제공된다.
식 1: 0.9·2·(H+d)·tan(θ/2) ≤ D ≤ 1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)
여기서, D는 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리(m)이고, H는 상기 여과막 모듈들의 높이(m)이고, d는 상기 제1 기준 산기홀과 상기 여과막 모듈들 간의 거리(m)이며, θ는 산기각이다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 여과막 모듈; 및 상기 여과막 모듈의 아래에 위치하며 서로 이웃하는 제1 및 제2 산기관들을 포함하되, 상기 제1 산기관에는 상기 제1 산기관의 길이 방향을 따라 일렬로 형성된 다수의 제1 산기홀들이 형성되어 있고, 상기 다수의 제1 산기홀들은 제1 기준 산기홀을 포함하고 - 여기서 상기 제1 기준 산기홀은 상기 다수의 제1 산기홀들 중에서에 상기 제2 산기관과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -, 상기 제2 산기관에는 상기 제2 산기관의 길이 방향을 따라 일렬로 형성된 다수의 제2 산기홀들이 형성되어 있고, 상기 다수의 제2 산기홀들은 제2 기준 산기홀을 포함하며 - 여기서 상기 제2 기준 산기홀은 상기 다수의 제2 산기홀들 중에서 상기 제1 기준 산기홀과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -, 상기 제1 산기홀들 간의 간격 및 상기 제2 산기홀들 간의 간격 각각은 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리와 같거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 여과 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 여과막 모듈; 및 상기 여과막 모듈의 아래에 위치하며 다수개의 산기홀들이 형성된 산기관을 포함하되, 상기 산기홀의 직경은 5 내지 7 mm인 것을 특징으로 하는 여과 장치가 제공된다.
위와 같은 일반적 서술 및 이하의 상세한 설명 모두는 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 특허청구범위의 발명에 대한 더욱 자세한 설명을 제공하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
위와 같은 본 발명의 여과 장치에 의하면, 여과막의 유지 세정 또는 회복 세정 시에 여과막 부위만을 집중적으로 가열함으로써 세정 효과를 극대화함과 동시에 세정에 필요한 열에너지를 최소화할 수 있다.
또한, 여과막의 유지 세정 또는 회복 세정 시에 여과막 부위만을 집중적으로 가열함으로써 여과막의 세정 시간을 획기적으로 단축할 수 있다는 장점도 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 여과장치의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 산기관에 산기홀들이 형성되는 다양한 태양을 예시하고,
도 4는 산기관들 사이의 간격이 지나치게 큰 경우를 예시하고,
도 5는 산기관들 사이의 간격이 지나치게 작은 경우를 예시하고,
도 6은 산기관들이 최적의 간격을 두고 배열된 본 발명의 여과 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 7은 산기홀로부터 분출되는 에어 유량(Air Flux)(L/min)의 증가에 따른 소요 에너지(인버터 주파수: Inverter Frequency)(Hz)의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 8은 8mm 직경의 산기홀들을 갖는 산기관들을 처리조 바닥면과 약 5도의 각도를 이루도록 기울인 상태에서 400 L/min의 에어 유량으로 에어를 분출하게 한 후 수면을 촬영한 사진이고,
도 9는 5mm 직경의 산기홀들을 갖는 산기관들을 처리조 바닥면과 약 5도의 각도를 이루도록 기울인 상태에서 400 L/min의 에어 유량으로 에어를 분출하게 한 후 수면을 촬영한 사진이다.
본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 점은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 발명 및 그 균등물의 범위 내에 드는 변경 및 변형을 모두 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 여과 장치의 일 실시예를 상세하게 설명한다.
아래에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위하여 여과막 모듈로서 중공사막 모듈을 예시하고 있으나, 본 발명은 중공사막 모듈에만 국한되는 것이 아니라 평막 모듈을 포함하는 다양한 종류의 여과막 모듈에 모두 적용될 수 있다.
또한, 아래에서 개시되는 본 발명의 기술적 사상은, 중공사막의 양 말단 모두로부터 투과수를 수거하기 위하여 2 개의 헤더를 사용하는 양단 집수 방식은 물론이고, 중공사막의 한쪽 말단으로부터만 투과수를 수거하기 위하여 1개의 헤더를 사용하는 단단 집수 방식의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 여과장치의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 여과 장치(100)는 복수개의 여과막 모듈(110)들을 포함한다. 여과막 모듈(110)은 여과막으로서 중공사막 다발을 이용하는 중공사막 모듈이거나, 또는 여과막으로서 평막을 이용하는 평막 모듈일 수 있다. 다만, 중공사막 모듈은 넓은 표면적을 갖고 있으므로 차지하는 공간 대비 수처리 능력 면에서 평막 모듈에 비해 우수하다.
도 1은, 처리조(미도시) 내의 처리하고자 하는 유체에 침지된 상태에서 여과 작업을 수행하는 침지형 여과막 모듈을 예시하고 있다. 침지형 여과막 모듈에 의하면, 여과막 내부에 음압(negative pressure)이 가해져 유체만이 선택적으로 여과막을 투과함으로써 유체에 섞여 있던 불순물 또는 슬러지의 고형 성분이 분리된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 여과막 모듈(110)은 중공사막 모듈일 수 있으며, 더욱 구체적으로는, 중공사막의 길이방향이 처리조의 바닥면에 실질적으로 수직이 되도록 배치되는 수직형 중공사막 모듈이거나, 또는 중공사막의 길이방향이 처리조의 바닥면에 수평이 되도록 배치되는 수평형 중공사막 모듈일 수 있다.
본 발명의 여과막 모듈(110)은 여러개의 모듈들이 프레임(미도시)에 결합된 형태로 이용될 수 있다. 복수개의 여과막 모듈(110)들을 통해 얻어진 여과수(permeate water)는 공통의 배관(130)을 통해 여과수 저장 탱크(미도시)로 보내진다.
한편, 고형 성분을 비롯한 막 오염 물질이 존재하는 하/폐수를 여과막 모듈(110)을 이용하여 처리할 경우, 막 오염 물질에 의한 여과막 표면의 오염으로 인해 수 처리가 진행됨에 따라 여과막의 투과 성능이 크게 떨어지는 문제점이 발생한다. 따라서, 여과막 모듈(110)에 의한 수처리가 진행되는 동안 여과막의 투과 성능을 양호한 상태로 유지하기 위하여 산기 방식에 의한 유지 세정(maintenance cleaning)을 수행하는 것이 바람직하다.
여과막 표면의 오염을 방지하기 위한 산기(aeration)를 수행하기 위하여, 본 발명의 여과장치(100)는 여과막 모듈(110)들 아래에 위치하는 복수개의 산기관(aeration tube)(120)들을 더 포함한다. 산기관(120)들은 서로 평행하게 배열될 수 있다. 복수개의 산기관(120)들은 공통의 배관(140)을 통해 에어 공급부(미도시), 예를 들어 블러어(blower)로부터 공기를 공급받는다.
산기관(120)에는 다수개의 산기홀(aeration hole)(121)들이 형성되어 있으며, 산기관으로 유입되는 공기는 상기 다수개의 산기홀(121)들을 통해 여과막 모듈(110)들을 향해 위로 분출된다.
도 2 및 도 3은 산기관(120)에 산기홀(121)들이 형성되는 다양한 태양을 예시한다.
도 2에서 예시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 산기관(120)은 산기관(120)의 길이 방향을 따라 산기홀(121)들이 일렬로 형성되어 있다.
반면, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 산기관(120)은 산기관(120)의 길이 방향을 따라 일렬로 형성된 다수의 산기홀 쌍(122)들을 포함하고, 상기 산기홀 쌍(122)들 각각은 산기관(120)의 길이 방향에 수직 방향으로 나란히 형성된 2개의 산기홀들(122a, 122b)로 구성된다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 의한 산기관(120)은 하나의 산기관으로부터 더욱 많은 양의 에어를 여과막 모듈(110)들을 향해 분출할 수 있어 여과막의 오염 방지를 위한 충분한 난류(turbulant flow)를 형성시키는데 더욱 유리하다.
본 발명의 여과 장치(100)의 산기관(120)들은, 상기 제1 실시예에 의한 산기관(120)들만으로 구성되거나, 상기 제2 실시예에 의한 산기관(120)들만으로 구성되거나, 또는 이들이 교대로 배열된 구성일 수 있다.
한편, 앞에서 언급한 바와 같이, 산기 방식의 유지 세정의 경우 여과 작업이 수행되는 중에 산기관(120)들을 통해 에어를 계속 분출하여야 하기 때문에 많은 양의 에너지 소모가 요구된다. 따라서, 에너지 소모 대비 산기 효과를 극대화시킬 필요가 있다. 이와 같은 필요성에 의해 본 발명자가 연구를 거듭한 결과, 산기 효율은 산기관(120)들 사이의 간격과 깊은 연관성이 있는 것으로 나타났는데, 이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 이에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4는 산기관(120)들 사이의 간격이 지나치게 큰 여과 장치를 예시하고, 도 5는 산기관(120)들 사이의 간격이 지나치게 작은 여과 장치를 예시하며, 도 6은 산기관(120)들이 최적의 간격을 두고 배열된 본 발명의 여과 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 산기관(120)에는 산기관(120)의 길이 방향을 따라 다수의 산기홀 쌍(122)들이 일렬로 형성되어 있다. 산기홀(122a, 122b)을 통해 분출된 공기는 처리되어야 할 유체 내에 버블들을 형성하고 이 버블들은 일정 각도(이하, '산기각'으로 칭함)를 이루면서 여과막 모듈(110)들 측으로 상승하면서 오염물질들을 여과막 표면으로부터 분리한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 산기관(120)들 사이의 간격이 지나치게 클 경우, 더욱 정확하게는 서로 이웃하는 산기관(120)들의 산기홀들(122a, 122b) 사이의 거리가 지나치게 클 경우, 산기관(120)의 개수가 줄어들게 되어 산기 에너지 면에서는 다소 유리할 수 있다. 그러나, 각 산기관(120)들에 의해 각각 만들어져 여과막 모듈(110)들 측으로 각각 상승하는 버블들이 여과막 모듈(110)들의 최상부에 도달할 때가지 서로 만나지 못하게 되고, 그 결과, 상승하는 버블과 접촉하지 못하는 여과막이 존재하게 된다. 이는 여과 장치의 일부 여과막이 오염에 취약함을 의미하는 것으로서 수처리 진행에 따른 투과 유량의 급격한 감소를 야기한다.
반대로, 도 5에 도시된 바와 같이, 산기관(120)들 사이의 간격이 지나치게 좁을 경우, 더욱 정확하게는 서로 이웃하는 산기관(120)들의 산기홀들(122a, 122b) 사이의 거리가 지나치게 작을 경우, 각 산기관(120)들에 의해 각각 만들어져 여과막 모듈(110)들 측으로 각각 상승하는 버블들이 여과막 모듈(110)들의 최상부에 도달하기도 전에 오버랩된다. 따라서, 모든 여과막이 산기관(120)들로부터 상승하는 버블과 접촉할 수 있어 여과막의 오염 방지 측면에서는 유리하다. 그러나, 상승하는 버블들이 여과막 모듈(110)들의 최상부에 도달하기 전에 오버랩되는 공간은 필요 이상의 많은 버블들이 통과하는 공간이기 때문에 그 만큼의 에너지 낭비가 발생하게 된다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 산기홀들(122a, 122b)로부터 일정 산기각(θ)을 이루며 상승하는 버블들이 여과막 모듈(110)들의 최상부에 도달할 때 비로소 서로 만날 수 있도록 하는 것이 산기 효율의 측면에서 가장 유리하다. 따라서, 허용 오차를 10%로 설정한 본 발명에 의하면, 서로 이웃하는 산기관(120)들의 산기홀들(122a, 122b) 사이의 거리가 다음과 같이 조절된다.
여과막 모듈(110)들의 아래에 위치하는 산기관(120)들 중 서로 이웃하는 2개의 산기관(120)들을 각각 제1 및 제2 산기관으로 명명하기로 한다.
상기 제1 산기관(120)에는 다수의 제1 산기홀들(122)이 형성되어 있고, 상기 다수의 제1 산기홀들(122)은 제1 기준 산기홀(h1)을 포함한다. 상기 제1 기준 산기홀(h1)은 상기 다수의 제1 산기홀들(122) 중에서 상기 제2 산기관(120)과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀을 지칭한다. 상기 제2 산기관(120)에도 다수의 제2 산기홀들(122)이 형성되어 있고, 상기 다수의 제2 산기홀들(122)은 제2 기준 산기홀(h2)을 포함한다. 상기 제2 기준 산기홀(h2)은 상기 다수의 제2 산기홀들(122) 중에서 상기 제1 기준 산기홀(h1)과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀을 지칭한다.
상기 제1 및 제2 기준 산기홀들(h1, h2) 간의 거리는 하기의 식 1을 만족하도록 조절된다.
식 1: 0.9·2·(H+d)·tan(θ/2) ≤ D ≤ 1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)
여기서, D는 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들(h1, h2) 간의 거리(m)이고, H는 상기 여과막 모듈(110)들의 높이(m)이고, d는 상기 제1 기준 산기홀(h1)과 상기 여과막 모듈(110)들 간의 거리(m)이며, θ는 산기각임.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 여과막 모듈(110)의 높이(H)가 1.8 m이고, 제1 기준 산기홀(h1)과 여과막 모듈(110) 사이의 거리(d)가 0.1 m이고, 산기각(θ)이 2.9°일 때, 제1 및 제2 기준 산기홀들(h1, h2) 간의 거리(D)는 0.096 m이다.
산기관(120)의 길이 방향으로 서로 이웃하는 산기홀(122)들 간의 간격은 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들(h1, h2) 간의 거리보다 같거나 작을 수 있다. 이 경우, 산기관(120)의 길이 방향으로 서로 이웃하는 산기홀(122)들로부터 발생하는 버블들 각각은 여과막 모듈(110)의 최상부에 도달하기 전에 서로 오버랩되기 때문에 여과막의 오염을 더욱 확실히 방지할 수 있다. 한편, 소비 에너지 측면에서, 하나의 산기관(120)에 산기홀(122)의 개수를 증가시키더라도 그에 따른 소비 에너지의 증가는 미미하다. 따라서, 산기관(120)의 길이 방향으로 서로 이웃하는 산기홀(122)들 간의 간격이 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들(h1, h2) 간의 거리보다 같거나 작더라도 소비 에너지의 유의미한 증가가 야기되지 않는다.
한편, 본 발명의 발명자는 산기 과정에서 소모되는 에너지 양이 산기홀(121, 122)의 직경의 크기와 깊은 관련이 있음을 다음의 실험을 통하여 알게 되었다.
먼저, 산기홀의 직경의 크기가 각각 8mm, 5mm, 및 3mm인 3 종류의 산기관들을 제작하였다. 산기관 내에서 서로 이웃하는 산기홀들 간의 간격은 100mm로서 동일하였다. 모든 다른 조건을 동일하게 한 상태에서, 산기홀로부터 분출되는 에어 유량(Air Flux)(L/min)의 증가에 따른 소요 에너지(인버터 주파수: Inverter Frequency)(Hz)의 변화를 3 종류의 산기관 각각에 대하여 측정한 결과, 도 7의 그래프를 얻었다.
도 7의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 산기홀로부터 동일한 에어 유량, 예를 들어 400L/min의 에어를 분출하기 위하여 필요한 에너지 양은 산기홀의 직경 크기가 3mm인 경우에 월등히 높음을 알 수 있고, 직경이 8mm인 경우에 가장 낮음을 알 수 있다. 즉, 위 실험 결과로부터, 산기홀의 직경이 5mm 이상인 여과장치가 에너지 소모량 관점에서 유리함을 알 수 있다.
반면, 산기홀의 직경이 지나치게 클 경우 산기관의 수평 의존도가 커지게 되어 여과막 전체에 대한 균일한 세정을 담보할 수 없는 문제점이 발생하게 되는데, 이하에서는 이에 대해 구체적으로 설명한다.
앞에서 언급한 바와 같이, 산기를 위해 공기를 분출하는 산기관(120)은 그 공기 분출에 대한 반작용 등으로 인해 초기의 수평 상태를 유지하지 못하는 경우가 종종 발생하곤 한다. 산기 도중에 산기관(120)이 수평 상태를 벗어나게 되면 산기관(120)으로부터 분출되는 공기가 일측으로 쏠리게 되고, 그 결과 여과막 전체에 대한 고른 세정이 불가능하게 되는 문제점이 나타나게 된다.
산기관(120)이 수평 상태를 벗어날 때 산기관(120)으로부터 분출되는 공기의 쏠림 현상 정도, 즉 산기관(120)의 수평 의존도가 산기홀(121, 122)의 직경 크기와 깊은 관련이 있음이 다음의 실험을 통하여 밝혀졌다.
먼저, 산기홀의 직경의 크기가 각각 8mm 및 5mm인 2 종류의 산기관들을 제작하였다. 산기관 내에서 서로 이웃하는 산기홀들 간의 간격은 100mm로서 동일하였다. 모든 다른 조건을 동일하게 한 상태에서, 처리조 바닥면과 약 5도의 각도를 이루도록 산기관들을 기울인 상태에서 400 L/min의 에어 유량으로 에어를 분출하게 한 후 수면을 촬영한 결과, 도 8 및 도 9의 사진을 얻었다.
도 8 및 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 8mm 직경의 산기홀들을 갖는 산기관들이 처리조 바닥면과 5도 기울어진 상태에서 에어를 분출할 경우 분출되는 공기가 일측으로 심각하게 쏠림에 반해, 5mm 직경의 산기홀들을 갖는 산기관들이 처리조 바닥면과 5도 기울어진 상태에서 동일한 양의 에어를 분출할 경우 분출되는 공기의 쏠림 현상이 미미함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 산기홀(121, 122)을 통해 동일 에어 유량을 분출하는데 있어 소모되는 에너지 양을 적게하면서도 산기관(120)의 수평 의존도를 최소화할 수 있도록 하기 위한 산기홀(121, 122)의 바람직한 직경은 5 내지 7 mm이다.

Claims (12)

  1. 복수개의 여과막 모듈들;
    상기 여과막 모듈들의 아래에 위치하는 제1 산기관; 및
    상기 여과막 모듈들의 아래에 위치하며 상기 제1 산기관과 이웃하는 제2 산기관을 포함하되,
    상기 제1 산기관에는 다수의 제1 산기홀들이 형성되어 있고,
    상기 다수의 제1 산기홀들은 제1 기준 산기홀을 포함하고 - 여기서 상기 제1 기준 산기홀은 상기 다수의 제1 산기홀들 중에서에 상기 제2 산기관과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -,
    상기 제2 산기관에는 다수의 제2 산기홀들이 형성되어 있고,
    상기 다수의 제2 산기홀들은 제2 기준 산기홀을 포함하며 - 여기서 상기 제2 기준 산기홀은 상기 다수의 제2 산기홀들 중에서 상기 제1 기준 산기홀과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임-,
    상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리는 하기의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 여과 장치:
    식 1: 0.9·2·(H+d)·tan(θ/2) ≤ D ≤ 1.1·2·(H+d)·tan(θ/2)
    여기서, D는 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리(m)이고, H는 상기 여과막 모듈들의 높이(m)이고, d는 상기 제1 기준 산기홀과 상기 여과막 모듈들 간의 거리(m)이며, θ는 산기각임.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 여과막 모듈들은 중공사막 모듈들인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈들은 중공사막의 길이방향이 처리조의 바닥면에 수직이 되도록 배치되는 수직형 중공사막 모듈들인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈들은 중공사막의 길이방향이 처리조의 바닥면에 수평이 되도록 배치되는 수평형 중공사막 모듈들인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 여과막 모듈들은 평막 모듈들인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 산기홀들은 상기 제1 및 제2 산기관들의 길이 방향을 따라 일렬로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 산기홀들은 다수의 제1 산기홀 쌍들을 포함하고,
    상기 제1 산기홀 쌍들 각각은 상기 제1 산기관의 길이 방향에 수직 방향으로 나란히 형성된 2개의 제1 산기홀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 산기홀들은 다수의 제2 산기홀 쌍들을 포함하고,
    상기 제2 산기홀 쌍들 각각은 상기 제2 산기관의 길이 방향에 수직 방향으로 나란히 형성된 2개의 제2 산기홀들로 구성된 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 산기관의 길이 방향으로 이웃하는 상기 제1 산기홀들 간의 간격 및 상기 제2 산기관의 길이 방향으로 이웃하는 상기 제2 산기홀들 간의 간격은 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리와 같거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 산기홀들은 5 내지 7 mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  11. 여과막 모듈; 및
    상기 여과막 모듈의 아래에 위치하며 서로 이웃하는 제1 및 제2 산기관들을 포함하되,
    상기 제1 산기관에는 상기 제1 산기관의 길이 방향을 따라 일렬로 형성된 다수의 제1 산기홀들이 형성되어 있고,
    상기 다수의 제1 산기홀들은 제1 기준 산기홀을 포함하고 - 여기서 상기 제1 기준 산기홀은 상기 다수의 제1 산기홀들 중에서에 상기 제2 산기관과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -,
    상기 제2 산기관에는 상기 제2 산기관의 길이 방향을 따라 일렬로 형성된 다수의 제2 산기홀들이 형성되어 있고,
    상기 다수의 제2 산기홀들은 제2 기준 산기홀을 포함하며 - 여기서 상기 제2 기준 산기홀은 상기 다수의 제2 산기홀들 중에서 상기 제1 기준 산기홀과 최단 거리로 이격되어 있는 산기홀임 -,
    상기 제1 산기홀들 간의 간격 및 상기 제2 산기홀들 간의 간격 각각은 상기 제1 및 제2 기준 산기홀들 간의 거리와 같거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 여과 장치.
  12. 여과막 모듈; 및
    상기 여과막 모듈의 아래에 위치하며 다수개의 산기홀들이 형성된 산기관을 포함하되,
    상기 산기홀의 직경은 5 내지 7 mm인 것을 특징으로 하는 여과 장치.
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