WO2016068639A1 - 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법 - Google Patents

분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법 Download PDF

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WO2016068639A1
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membrane
water treatment
flow rate
treatment apparatus
present
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정건용
김대천
원인혜
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주식회사 필드솔루션
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/08—Prevention of membrane fouling or of concentration polarisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/02—Membrane cleaning or sterilisation ; Membrane regeneration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/20—By influencing the flow

Definitions

  • the present invention relates to a method for reducing membrane fouling in a water treatment apparatus using a separation membrane.
  • water treatment using membranes is a water purification technology using a selective permeation mechanism of materials
  • water purification technology using membranes is more economical in terms of energy saving, facility simplification, and operation efficiency than distillation used in chemical treatment.
  • it has been extensively researched and developed in response to social needs such as environmental protection.
  • the separation membranes are morphologically flat, tubular, hollow fiber, etc.
  • the flat membranes have high pollution resistance and are widely applied as wastewater treatment technology, but have a high density per unit volume. Low economical installation is difficult.
  • Hollow fiber membrane is morphologically shaped and has a merit that can increase the throughput by packing a lot of membranes per unit volume. Therefore, since the hollow fiber membrane has a large membrane surface area and is easy to be modularized compared to other membranes having the same volume, the application of the hollow fiber membranes has been actively conducted in recent years.
  • microorganisms such as bacteria, fungi, algae, etc. inside the reactor start to adhere and grow on the membrane surface to form biofilms having a thickness of about several tens of micrometers. And cover the surface.
  • Membrane contamination by biofilm is one of the biggest problems of membrane water treatment system.
  • Representative problems of membrane fouling caused by microorganisms are (i) biofilm formation on the membrane surface, resulting in deterioration of membrane performance, and reduction of membrane durability during physicochemical cleaning, and (ii) membrane fouling cleaning. Metabolites cause secondary contamination of water treatment.
  • TMP Transmembrane pressure
  • a typical chemical pretreatment method is to control the biological growth of microorganisms by injecting chlorine into the influent to remove bacteria and reducing the amount of nutrients required for bacteria to grow in water.
  • the chlorine used in the disinfection process reacts with aqueous organics to produce carcinogenic halogen byproducts such as trihalomethane (THM) and haloacetic acid (HAA).
  • THM trihalomethane
  • HAA haloacetic acid
  • the membrane selective layer selective layer has a disadvantage of causing an irreversible change of the membrane material to reduce the membrane durability by chlorine.
  • the present invention was derived to solve the above problems, in operating the water treatment apparatus using a membrane, while ensuring the same amount of treatment compared to the conventional on / off operation method, at the same time significantly contaminated the membrane
  • the aim is to provide a membrane pollution reduction technique that can be reduced.
  • the present invention for solving the above problems relates to a method for reducing membrane contamination of a water treatment apparatus using a separation membrane, more specifically characterized in that the flow rate is controlled by the Sinusoidal variable flow rate operation method.
  • the sinusoidal variable flow rate operation method is not particularly limited, but it is preferable to operate the pump by varying the flow rate according to the following equation.
  • n is a positive real number
  • a and C are constants that control the peak of the waveform
  • t max is the total time of the repeating operation cycle
  • the separator is not particularly defined in the form of a separator, and may be a flat membrane, a hollow fiber membrane, a tubular membrane, a spiral wound membrane, or the like.
  • the separation membrane is a kind of microfiltration, ultra filtration, ultra filtration, nano filtration or reverse osmosis, etc. Can be.
  • Membrane Bio-Reactor (MBR) method for reducing membrane contamination is a forward osmosis type water treatment device, a reverse osmosis type water treatment device, a membrane distillation type water treatment device, a MBR (Membrane Bio-Reactor) type Any water treatment apparatus using a separation membrane such as a water treatment apparatus can be applied to any.
  • MBR Membrane Bio-Reactor
  • Sinusoidal variable flow rate operation method appears to have a TMP value of approximately 64 ⁇ 84% compared to when the on / off operation method reaches a TMP value of 55kPa
  • Sinusoidal variable flow rate method according to the present invention is conventional It can be seen that the contamination of the membrane is much less than that of the on / off operation method.
  • the operation method of the present invention ensures the same amount of treatment as the existing on / off operation method, and simultaneously The contamination can be significantly reduced, resulting in a significant reduction in the operating energy of the water treatment device.
  • FIG. 1 shows a structural diagram of a lab-scale reactor for equalizing water quality conditions of influent used in the embodiment of the present invention.
  • Figure 2 relates to a structural diagram showing the configuration of the immersion membrane device used in the embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows a graph comparing the flow rate of the Sinusoidal variable flow rate operation method of the embodiment of the present invention and the On / off operation method of the comparative example.
  • Figure 4 shows a graph comparing the Flux of the Sinusoidal variable flow operation method of the embodiment of the present invention and the On / off operation method of the comparative example.
  • Figure 5 shows a graph comparing the TMP value of the Sinusoidal variable flow method of the conventional On / off method and the present invention when Flux is 30LMH of the operating variables.
  • Figure 6 shows a graph comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method when the MLSS is 10000mg / L among the operating variables.
  • Figure 7 shows a graph comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method when the flocculant is 100mg / L among the operating variables.
  • Figure 8 shows a graph comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method of the present invention when the amount of acid in the operating variable is 250 ml / min.
  • the present invention relates to a method for reducing membrane fouling in a water treatment apparatus using a separation membrane, and more particularly, to a method for reducing membrane fouling in a water treatment apparatus using a separation membrane for controlling a flow rate using a sinusoidal variable flow rate operation method.
  • the flow rate control of the water treatment device is to continuously control the flow rate without the rest machine, and preferably to control the flow rate in a sinusoidal variable flow rate operation method.
  • the sinusoidal variable flow rate operation method is not particularly limited, but it is more preferable to operate the pump by varying the flow rate according to the following equation.
  • n is a positive real number
  • a and C are constants that control the peak of the waveform
  • t max is the total time of the repeating operation cycle
  • the separator is a membrane used to selectively separate the treated water from the incoming contaminated water
  • the shape of the separator is not particularly defined, for example, flat membrane, hollow fiber membrane, tubular membrane, spiral wound membrane, etc. Can be.
  • the separation membrane may be any membrane as long as it has a function of selectively separating treated water from contaminated water. For example, a micro filtration membrane, an ultra filtration membrane, a nano filtration membrane, or Reverse osmosis, etc. Can be.
  • the water treatment apparatus is an apparatus for treating contaminated raw water so as to be suitable for each purpose, and the present invention is applied to a water treatment apparatus using a separator among water treatment apparatuses conforming to this definition.
  • a forward osmosis type water treatment apparatus a reverse osmosis type water treatment apparatus, a membrane distillation type water treatment apparatus, a MBR (Membrane Bio-Reactor) type Water treatment devices;
  • MBR Membrane Bio-Reactor
  • any water treatment apparatus using the separation membrane can be used.
  • the Sinusoidal variable flow rate operation method of the present invention is applied, the membrane fouling reduction efficiency is the highest when MBR (Membrane Bio-Reactor) method is used. This is the case when applied to a processing apparatus.
  • Another aspect of the present invention relates to a water treatment apparatus to which the membrane fouling reduction method is applied, and the contamination of the separation membrane is much less than that of the conventional on / off operation method. In this case, it is possible to significantly reduce the energy required for washing the separator while securing the same amount of water as the water treatment apparatus to which the conventional on / off operation method is applied.
  • the separator applied in the embodiment of the present invention is a microfiltration membrane having a nominal pore diameter of 0.15 ⁇ m developed and produced by P Company, and has a surface area of about 0.1 (0.95 ⁇ 0.96 + 0.95 ⁇ 0.98, 0.94 ⁇ 0.97 + 0. 95 ⁇ 0.97) m2 was used, and the experiment was performed after hydrophilization with ethanol.
  • the influent used in the embodiment of the present invention was used as a return sludge of the Y sewage treatment plant, and the artificial wastewater having the composition of Table 1 was injected into a lab-scale reactor as shown in FIG. Conditions were met.
  • the water quality of the aerobic tank 105 in the process of Figure 1 is shown in Table 2.
  • the reaction tank shown in Figure 1 after the injection sludge and the synthetic wastewater (synthetic wastewater) was injected in the flow adjustment tank 102, the sludge was made uniform by the acid, the uniform sludge through the suction pump 103 It was supplied to the anoxic tank 104 to promote denitrification and homogenization of the water quality through agitation in the anoxic tank 104, and the denitrification and homogenized sludge would naturally fall into the aerobic tank 105 due to the height difference with the anoxic tank 104. In the aerobic tank 105, nitrification and organic matter removal by acidic radicals are performed, and the temperature is adjusted with a constant temperature water tank to match the optimum growth conditions of the microorganisms.
  • the sludge passed through the exhalation tank 105 was introduced into the flow rate adjustment tank 102 again, and was made in such a manner as to circulate the above process. Since nitrification, denitrification, and organic matter removal were performed in the above process, the artificial wastewater having the composition of Table 1 was steadily injected in order to maintain the water quality of the influent to be applied to this embodiment. In addition, when overload of organic matter or abnormality of microorganism growth occurred, the quality of influent was maintained by using spawning agent.
  • the sludge of the aerobic tank 104 was used during the influent water treatment process of 2.
  • the immersion type membrane device shown in FIG. 1 The immersion type membrane device shown in FIG.
  • the air pump 201 supplies oxygen for cleaning the surface of the separator 209 and oxygen for microbial growth.
  • Permeate was obtained from the separation membrane through the suction pump (203).
  • the pressure generated at this time appears in the analog pressure gauge 206, received a signal from the digital pressure gauge 207 and recorded and stored in the computer 208.
  • the operation of the suction pump 203 and the signal of the digital pressure gauge 207 were recorded in minutes using a control program Labview using a DAQ board.
  • n is a positive real number
  • a and C are constants that control the peak of the waveform
  • t max is the total time of the repeating operation cycle
  • Sinusoidal variable flow rate operation method was operated on the pump by varying the flow rate for each minute in the control program Labview based on the above equation.
  • the on / off operation method which is a comparative example, was operated through periodic suction and leave of absence, and induced physical cleaning of the separator surface by an acidizer during the leave of absence.
  • experiments were performed by applying and fixing the appropriate Sinusoidal exponential parameters, comparing the total area of flow rate.
  • Sinusoidal experiments were carried out according to exponential variables.
  • the operating variables were set to flux, acid amount, flocculant amount, MLSS amount, inhalation and rest time at the same time in one reactor.
  • the flux the experiment was performed by changing the permeation flow rate, which is commonly used in the existing MBR process, from 10LMH to 30LMH, and in the case of the acid amount, the reactor sludge is not uniformly stirred so that the minimum acid amount is not uniformly stirred.
  • the flocculant was injected with a maximum flocculant 500 mg / L when the flocculant was not injected with FeCl 3 and when the flocculant was injected.
  • the MLSS was experimented with a minimum concentration of 5000 mg / L and a maximum of 10000 mg / L under the advantage of MBR capable of operating in a high concentration of MLSS.
  • the suction and rest time of the on / off operation method were set to 15 minutes / 3 minutes, 10 minutes / 2 minutes, and 8 minutes / 2 minutes.
  • the effect of reducing the TMP (transmembrane pressure) according to the operating parameters compared to the conventional on / off operation method (comparative example) of the sinusoidal variable flow rate operation method of the present invention refers to the pressure required for the water permeation of the membrane, the increase in the TMP value in any membrane device is a pore blockage due to the deposition and accumulation of microorganisms, colloid particles, solutes on the surface or internal pores of the membrane This means that film contamination, such as cake layer formation, has increased.
  • reaction temperature was operated at 20 to 30 ° C., COD 250 to 400 mg / L, and DO 2 to 6 mg / L, and operating variables are shown in Table 3 below.
  • Figure 4 shows a graph comparing the Flux of the Sinusoidal variable flow rate operation method according to the embodiment of the present invention and the on / off operation method of the comparative example, according to Figure 4 the sum of the Flux value of the Sinusoidal variable flow rate operation method according to the present invention It can be seen that the area (integrated value) occupies is almost the same as the area (integrated value) occupied by the sum of the flux values of the on / off operation method as a comparative example.
  • the sinusoidal variable flow rate driving method of the present invention can secure the same amount of treated water compared to the same operating time when compared to the conventional on / off driving method.
  • FIG. 5 shows the result of comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow method of the present invention when Flux is 30LMH among the operating variables.
  • the TMP difference between the conventional On / off method (P1) and the Sinusoidal variable flow rate method (P2) of the present invention was calculated.
  • the TMP (P2) of the sinusoidal variable flow rate driving method of the present invention was found to be 73.38% ((P2 / P1) ⁇ 100) compared to the TMP (P1) of the on / off driving method, according to the present invention.
  • Sinusoidal variable flow rate method showed less membrane contamination than conventional on / off operation method.
  • FIG. 6 shows the result of comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method when the MLSS is 10000mg / L among the operating variables.
  • the TMP (P1) of the conventional On / off operation method is 55 kPa.
  • the TMP (P2) of the sinusoidal variable flow rate driving method of the present invention was 83.58% ((P2 / P1) ⁇ 100) compared to the TMP (P1) of the on / off driving method, and the sinusoidal variable according to the present invention. It can be seen that the flow rate generated less membrane contamination than the conventional on / off operation.
  • Figure 7 shows the result of comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method when the flocculant is 100mg / L among the operating variables.
  • the TMP difference between the conventional On / off method (P1) and the Sinusoidal variable flow rate method (P2) of the present invention the TMP (P1) of the conventional On / off operation method is When reaching 55 kPa, the TMP (P2) of the sinusoidal variable flow rate driving method of the present invention was found to be 64.37% ((P2 / P1) ⁇ 100) compared to the TMP (P1) of the on / off driving method, Sinusoidal variable flow rate method shows less membrane fouling than conventional on / off operation method.
  • Figure 8 shows the result of comparing the TMP value of the conventional On / off method and the Sinusoidal variable flow rate method of the present invention when the amount of acid in the operating variable is 250 ml / min.
  • the TMP (P1) of the conventional On / off operation method is When reaching 55 kPa, the TMP (P2) of the sinusoidal variable flow rate driving method of the present invention was found to be 75.83% ((P2 / P1) ⁇ 100) compared to the TMP (P1) of the on / off driving method, and according to the present invention, It can be seen that the sinusoidal variable flow rate method has less membrane contamination than the conventional on / off operation method.
  • the Sinusoidal variable flow rate driving method according to the present invention has a TMP value of approximately 64 to 84% compared to when the conventional on / off driving method reaches a TMP value of 55 kPa for all the above operating variables. It can be seen that the sinusoidal variable flow rate method according to the present invention generates much less contamination of the membrane than the conventional on / off operation method. At the same time as ensuring the amount of water treatment, while at the same time can significantly reduce the contamination of the separator, there is an advantage that can significantly reduce the operating energy.
  • the present invention is applicable to the industry in the art of water treatment apparatus using a separator.

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Abstract

본 발명은 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 Sinusoidal 가변유량 운전방식으로 유량을 제어하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것이다. 본 발명에 의할 경우, 기존의 On/off 운전방식과 동등 수준의 처리수량을 확보하면서, 동시에 분리막의 오염을 현저히 줄일 수 있어, 결과적으로 수 처리 장치의 운전 에너지를 현저히 절감할 수 있다.

Description

분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법
본 발명은 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것이다.
일반적으로 분리막을 응용한 수처리는 물질의 선택적 투과 메카니즘을 이용한 정수 기술로서, 분리막을 이용한 정수 처리 기술은 화학처리에서 사용되는 증류법에 비해 에너지의 절감, 설비의 간소화, 운영의 효율성 면에서 경제적일 뿐만 아니라, 환경보호 등의 사회적 요구에 부응하여 광범위하게 연구 및 개발되고 있다.
이러한 분리막으로는 형태학적으로 평막(flat type), 관형막(tubular type), 중공사막(hollow fiber) 등이 있는데, 평막의 경우 내오염성이 강하여 하폐수의 처리기술로 많이 응용되고 있으나, 단위체적당 집적도가 낮아 경제적인 설치가 곤란하다. 중공사막은 형태학적으로 실의 형상을 지니고 있고 단위 체적당 막을 많이 패킹할 수 있어 처리량을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서 중공사막은 동일한 부피의 다른 막에 비해 막 표면적이 크고 모듈화하기 쉬운 장점 때문에 최근 한외여과막을 중심으로 그 응용이 활발히 진행되고 있다.
그러나 분리막 생물반응조 공정의 운전이 진행됨에 따라 반응조 내부에 존재하는 박테리아, 곰팡이, 조류(algae) 등과 같은 미생물들이 분리막 표면에서 부착 성장을 시작하여 수십 마이크로미터 내외의 두께를 가지는 생물막(biofilm)을 형성하며 표면을 덮게 된다.
생물막에 의한 막오염은 분리막 수처리 시스템의 가장 큰 문제점 중 하나이다. 미생물에 의한 막오염의 대표적인 문제점은 (i) 막 표면에 생물막 형성으로 분리막 성능이 저하되고 또한, 물리화학적 세척시 분리막의 내구성을 감소시키며, (ii) 막오염 세정시 미생물 그 자체뿐만 아니라 미생물의 대사산물에 의해 정수처리의 2차적 오염 유발시킨다. (iii) 생물막의 저항에 의한 투수율 감소를 극복하기 위해 더 높은 운전압력(TMP, Transmembrane pressure)이 요구되기 때문에 더 많은 에너지를 소비하게 된다.
분리막 표면의 오염물 흡착을 최소화시키고 막의 투과성을 증가시키기 위한 일반적인 방법으로 분리막 장치 전에 염소 처리, 응집제 처리 등의 전처리 장치를 설치하여 유입수의 성질을 개선하는 방법, 분리막 모듈 구성 및 운전 방식의 변화, 또한 주기적인 물리화학적 세척으로 분리막 오염을 최소화하는 운전에 관한 공정기술 개발이 주로 진행되어 왔다.
대표적인 화학적 전처리 방법으로 유입수에 염소를 주입하여 박테리아를 제거하고 수중에서 박테리아가 생장하는데 필요한 영양분의 함유량을 줄임으로써 미생물의 생물학적 성장을 제어하는 방법이 있다. 그러나 전처리로 인한 추가적 비용이 발생하고 소독공정 시 사용되는 염소는 수계의 유기물과 반응하여 트리할로메탄(Trihalomethane, THM), 할로아세틱에시드(Haloacetic acid, HAA)와 같은 발암성 할로겐 부산물을 생성하며, 분리막 선택층(selective layer)이 염소에 의해 막내구성이 감소하는 막소재의 비가역적 변화를 초래하는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점으로 인해 최근 들어서는 막 세척에 있어 화학적인 방법의 적용을 최소화하려는 연구가 이루어지고 있으며, 현재까지는 분리막 생물반응조(Membrane Bio-Reactor, MBR) 공정에 있어서 주기적인 펌프를 통한 흡입, 휴직으로 막 오염 저감을 위한 On/Off 운전 방식이 주로 사용되어오고 있다. 하지만, 상기와 같은 On/Off 운전 방식은 펌프의 휴직기 동안 산기 기포의 전단력에 의한 막 표면 세척 효과를 볼 수 있으나, 펌프의 휴직기간 동안 투과수의 확보가 어려운 단점이 있으며, 막 오염을 더욱 더 저감하여 수 처리 장치의 운전에 소요되는 에너지를 절감해야 할 필요성은 여전히 남아있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 분리막을 이용하는 수 처리 장치를 운전함에 있어서, 기존의 On/off 운전방식에 비해 동등 수준의 처리수량을 확보하면서, 동시에 분리막의 오염을 현저히 줄일 수 있는 막 오염 저감기술을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 Sinusoidal 가변유량 운전방식으로 유량을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 특별히 제한적인 것은 아니나, 하기 식에 따라 유량을 가변시켜 주어 펌프를 운전하는 것이 바람직하다.
Jsin(t)=J0×f(t)
f(t)=A×sinn(ωt)+C
여기서,
ω=π/tmax,
t = 1,2,3,···tmax,
Jsin는 Sinusoidal 가변 투과유속, 투과유속J0는 기본 투과유속,
n 는 양의 실수,
A, C는 파형의 피크를 조절하는 상수,
tmax는 반복되는 운전주기의 총 시간
본 발명에서 상기 분리막은 분리막의 형태가 특별히 정해진 것은 아니며, 평막, 중공사막, 관형막, 나권형막 등 일 수 있다. 또한, 상기 분리막은 그 종류가 정밀여과막(micro filtration), 한외여과막(ultra filtration), 나노여과막(nano filtration) 또는 역삼투막(reverse osmosis) 등 일 수 있다.
본 발명에 따른 막 오염 저감방법은 정삼투(Forward Osmosis) 방식 수 처리 장치, 역삼투(Reverse Osmosis) 방식 수 처리 장치, 막증류(Membrane Distillation) 방식 수 처리 장치, MBR(Membrane Bio-Reactor) 방식 수 처리 장치 등 분리막을 이용하는 수 처리 장치라면 어떠한 것에라도 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 기존의 On/off 운전방식이 TMP값 55kPa에 도달하였을 때 대비 대략 64 ~ 84%의 TMP 값을 가지는 것으로 나타나, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 분리막의 오염이 훨씬 적게 발생함을 알 수 있으며, 이로써 본 발명의 운전 방식에 의할 경우 기존의 On/off 운전방식과 동등 수준의 처리수량을 확보하면서, 동시에 분리막의 오염을 현저히 줄일 수 있어, 결과적으로 수 처리 장치의 운전 에너지를 현저히 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 유입수의 수질조건을 균일화하기 위한 Lab-scale의 반응조에 대한 구조도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 침지식 분리막 장치의 구성을 나타내는 구조도에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 비교예인 On/off 운전방식의 Flow rate를 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 비교예인 On/off 운전방식의 Flux를 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 운전변수 중 Flux가 30LMH일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량방식의 TMP 값을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 운전변수 중 MLSS가 10000mg/L 일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 7은 운전변수 중 응집제가 100mg/L 일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 8은 운전변수 중 산기량이 250 ml/min일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명은 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 Sinusoidal 가변유량 운전방식으로 유량을 제어하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법에 관한 것이다.
본 발명에서 수 처리 장치의 유량 제어는 휴직기 없이 계속적으로 유량을 제어하는 것으로, 바람직하게는 Sinusoidal 가변유량 운전방식으로 유량을 제어하는 것이다. 또한, 상기 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 특별히 제한적인 것은 아니나, 하기 식에 따라 유량을 가변시켜 주어 펌프를 운전하는 것이 보다 바람직하다.
Jsin(t)=J0×f(t)
f(t)=A×sinn(ωt)+C
여기서,
ω=π/tmax,
t = 1,2,3,···tmax,
Jsin는 Sinusoidal 가변 투과유속, 투과유속J0는 기본 투과유속,
n 는 양의 실수,
A, C는 파형의 피크를 조절하는 상수,
tmax는 반복되는 운전주기의 총 시간
본 발명에서 상기 분리막은 유입되는 오염수로부터 처리수를 선택적으로 분리하기 위하여 사용되는 막으로서, 상기 분리막의 형태는 특별히 정해진 것은 아니며, 예를 들면 평막, 중공사막, 관형막, 나권형막 등 일 수 있다. 또한, 상기 분리막은 오염수로부터 처리수를 선택적으로 분리하는 기능을 가진 막이라면 어떠한 막이라도 가능하며, 예를 들면 정밀여과막(micro filtration), 한외여과막(ultra filtration), 나노여과막(nano filtration) 또는 역삼투막(reverse osmosis) 등 일 수 있다.
수 처리 장치는 오염 원수(原水)를 각기 목적에 적합하도록 처리하는 장치로서, 본 발명은 이러한 정의에 부합하는 수 처리 장치 중에서도 분리막을 이용하는 수 처리 장치를 적용 대상으로 한다. 상기 분리막을 이용하는 수 처리 장치로는 정삼투(Forward Osmosis) 방식 수 처리 장치, 역삼투(Reverse Osmosis) 방식 수 처리 장치, 막증류(Membrane Distillation) 방식 수 처리 장치, MBR(Membrane Bio-Reactor) 방식 수 처리 장치 등이 있다. 본 발명에서는 상기 분리막을 이용하는 수 처리 장치라면 어떠한 것이라도 가능하며, 이중에서 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식을 적용하였을 때 막 오염 저감 효율이 가장 높은 경우는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 방식의 수 처리 장치에 적용하였을 경우이다.
본 발명의 다른 양태는 상기의 막 오염 저감방법이 적용되는 수 처리 장치에 관한 것으로, 기존의 On/off 운전방식에 비해 분리막의 오염이 훨씬 적게 발생하며, 이로써 본 발명의 수 처리 장치에 의할 경우 기존의 On/off 운전방식이 적용되는 수 처리 장치와 동등 수준의 처리수량을 확보하면서, 분리막의 세척에 필요한 에너지를 현저히 절감할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 분리막의 사양
본 발명의 실시예에서 적용한 분리막은 P사에서 개발 및 생산하는 공칭공경 0.15㎛인 침지식 정밀여과막(Microfiltration Membrane)이고, 표면적 약 0.1(각각 0.95×0.96＋0.95×0.98, 0.94×0.97＋0.95×0.97)㎡를 이용하였으며, 실험 전 에탄올로 친수화 과정을 거친 후 실시하였다.
2. 유입수의 특성
본 발명의 실시예에서 사용한 유입수는 Y 하수처리장의 반송슬러지를 사용하였으며, 조건을 맞춰주기 위해 도 1과 같은 Lab-scale의 반응조에 표 1의 조성을 가지는 인공폐수(synthetic wastewater)를 주입해 원하는 수질조건을 충족하게 하였다. 상기 도 1의 공정에서 호기조(105)의 수질은 표 2에 나타내었다.
표 1
구성 농도(mg/L)
Glucose 300
KNO3 135
KH2PO4 45
Na2CO3 pH control
MgSO47H2O 3.2
MnSO44H2O 2.8
FeCl36H2O 0.1
CaCl22H2O 3.2
표 2
Variable Concentration
CODtank 350~400mg/L
CODout 15~25mg/L
DO 2~4mg/L
ORP 150~250mV
pH 7~8
Temp 25±1℃
MLSS 5000mg/L(±5%)
Aeration 1000ml/min by air
도 1에 도시된 반응조에 의하면, 유량조정조(102)에서 반송슬러지와 인공폐수(synthetic wastewater)를 주입한 후, 산기를 시켜 슬러지를 균일하게 하였으며, 상기 균일화된 슬러지는 흡입식 펌프(103)를 통해 무산소조(104)로 공급되어 무산소조(104)에서 교반을 통해 수질의 탈질화 및 균일화를 도모하였고, 상기 탈질화 및 균일화된 슬러지는 무산소조(104)와의 높이 차로 인해 호기조(105)로 자연유하하게 되며, 호기조(105)에서는 산기에 의한 질산화 및 유기물 제거가 이루어지고, 미생물의 최적 생장 조건을 맞춰주기 위하여 항온수조로 온도를 맞춰주었다. 상기 호기조(105)를 거친 슬러지는 다시 유량조정조(102)로 유입되어, 상기의 과정을 순환하는 방식으로 이루어졌다. 상기의 과정에서 질산화, 탈질화 및 유기물 제거가 이루어지기 때문에 본 실시예에 적용할 유입수의 수질 상태를 유지하기 위해 상기 표 1의 조성을 가진 인공폐수를 꾸준히 주입해 주었다. 또한, 유기물에 대한 과부하나 미생물들의 생장에 이상이 생겼을 시에는 종균제 등을 이용하여 유입수의 수질조건을 유지시켜주었다.
3. 분리막 장치 구성
본 실시예에서는 상기 2.의 유입수 처리 공정 중 호기조(104)의 슬러지를 이용하였으며, 도 2에서 도시한 침지식 분리막 장치 구성으로 실시하였다.
도 2에 의하면, 호기조(205)에 상기 1.에서 준비된 분리막(209)을 침지시킨 후 Air 펌프(201)를 통해 산기에 의한 분리막(209) 표면의 세정효과 및 미생물생장에 필요한 산소를 공급하였으며, 흡입식 펌프(203)를 통해 분리막으로부터 투과수를 얻었다. 이때 발생된 압력은 아날로그 압력계(206)에 나타나며, 디지털 압력계(207)에서 신호를 받아 컴퓨터(208)에 기록 및 저장하였다. 흡입식 펌프(203)의 작동 및 디지털 압력계(207)의 신호는 DAQ 보드를 이용해 제어프로그램인 Labview를 이용하여 분단위로 기록하였다.
3. 운전방법
본 발명에 따른 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식 및 기존의 On/off 운전방식(비교예)의 보다 정확한 비교를 위해 도 2에서 도시한 침지식 분리막 장치에서 분리막(209) 2개를 동시에 침지시켜 실험하였으며, 본 발명에 따른 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 경우, 정유량 운전을 기반으로 흡입 및 휴직 방식을 적용하는 기존의 On/off 방식과는 달리 다음의 식에 따라 가변유량으로 운전하였다.
Jsin(t)=J0×f(t)
f(t)=A×sinn(ωt)+C
여기서,
ω=π/tmax,
t = 1,2,3,···tmax,
Jsin는 Sinusoidal 가변 투과유속, 투과유속J0는 기본 투과유속,
n 는 양의 실수,
A, C는 파형의 피크를 조절하는 상수,
tmax는 반복되는 운전주기의 총 시간
본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 상기 식을 기반으로 하여 제어프로그램인 Labview에서 각 분에 따른 유량을 가변시켜 주어 펌프를 운전 하였다. 이에 반해 비교예인 On/off 운전방식은 주기적인 흡입 및 휴직을 통해 운전하였으며, 휴직 시 산기에 의한 분리막 표면의 물리적 세정을 유도하였다.
본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 비교예인 On/off 운전방식의 Flow rate를 비교하면 도 3에 나타난 바와 같다.
또한, Flow rate의 총 해당 면적을 비교하며 적합한 Sinusoidal의 지수 변수를 적용 및 고정하여 실험하였다. Sinusoidal의 경우 지수 변수에 따른 실험을 하였으며, Sinusoidal 가변유량 운전방식, On/off 운전방식 모두 운전 변수를 플럭스, 산기량, 응집제량, MLSS량, 흡입 및 휴직 시간으로 설정하여 한 반응조에서 동시에 실험 하였다. 상기 플럭스의 경우 기존 MBR 공정에서 보편적으로 이용되는 투과유속인 최소 10LMH에서 최대 30LMH로 변화시키며 실험을 하였고, 상기 산기량의 경우 산기량이 없을 시에는 반응조 슬러지가 균일하게 교반되지 않아 최소 산기량을 250ml/min, 최대 산기량을 1000ml/min으로 하였다. 또한, 상기 응집제는 FeCl3를 사용하여 응집제를 주입하지 않았을 때와 응집제를 주입하였을 때로 최대 응집제 500mg/L를 주입하였다. 그리고, 상기 MLSS은 고농도의 MLSS에서 운전이 가능하다는 MBR의 장점 하에 최소 농도를 5000mg/L, 최대를 10000mg/L로 하여 실험하였다. 또한, 상기 On/off 운전방식의 흡입 및 휴직시간에 대해서는 15분/3분, 10분/2분, 8분/2분으로 설정하여 실시하였다.
이상과 같이 실시하여, 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 기존 On/off 운전방식(비교예) 대비 운전변수에 따른 TMP(Transmembrane pressure, 막내투과압력) 저감 효과를 확인하고자 하였다. 상기'TMP'는 분리막의 수 투과시 소요되는 압력을 나타내는 것으로서, 어떠한 분리막 장치에서 TMP 값이 증가했다는 것은 분리막의 표면 또는 내부 기공에 미생물, 콜로이드 입자, 용질 등의 침적 및 축적현상으로 인한 세공 막힘, 케이크층 형성 등 막 오염이 증가했다는 것을 의미한다.
<실험예>
상기에서 설명하였듯이, 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 기존의 On/off 운전방식의 보다 정확한 비교를 위해 반응조에 분리막 2개를 동시에 침지시켜 실험하였으며, 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 제어프로그램인 Labview에서 각 분에 따른 유량을 가변시켜 주어 펌프를 운전 하였다.
또한, 기존의 On/off 운전방식과 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 Flow rate 총 해당 면적을 비교하며 적합한 Sinusoidal의 지수 변수를 적용 및 고정하여 실험하였다.
상기 실험 시 반응온도는 20 ~ 30℃, COD 250 ~ 400mg/L, DO 2 ~ 6mg/L에서 운전하였으며 운전변수는 아래 표 3에 나타난 바와 같다.
표 3
운전 변수 범위
Flux 10 ~ 50LMH
MLSS 2000 ~ 15000mg/L
응집제 0 ~ 1g/L
산기량 0 ~ 1.5L/min
이하에서는 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 비교예인 On/off 운전방식의 Flux에 대해 비교한 결과를 우선적으로 살펴본 후, 각각의 운전변수에 대해 TMP 값을 비교한 결과를 설명하도록 한다.
1. Sinusoidal 가변유량 운전방식과 On/off 운전방식의 Flux 비교
도 4는 본 발명의 실시예인 Sinusoidal 가변유량 운전방식과 비교예인 On/off 운전방식의 Flux를 비교한 그래프를 나타낸 것으로, 도 4에 의하면 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 Flux 값의 총합이 차지하는 면적(적분값)은 비교예인 On/off 운전방식의 Flux 값의 총합이 차지하는 면적(적분값)과 거의 동일함을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 기존의 On/off 운전방식과 비교하였을 때 동일 운전시간 대비 동등 수준의 처리수량을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
2. Flux 30LMH일 때 TMP 값 비교
도 5는 운전변수 중 Flux가 30LMH일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량방식의 TMP 값을 비교한 결과를 나타내고 있다. 도 5의 그래프에서 나타난 바와 같이, 기존의 On/off방식(P1)과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식(P2)의 TMP 차이를 계산해본 결과, 기존의 On/off 운전방식의 TMP(P1)가 55kPa에 도달하였을 때 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 TMP(P2)는 상기 On/off 운전방식의 TMP(P1) 대비 73.38%((P2/P1)×100)인 것으로 나타나, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 막 오염이 적게 발생한 것으로 나타났다.
3. MLSS 10000 mg/L일 때 TMP 값 비교
도 6은 운전변수 중 MLSS가 10000mg/L 일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 결과를 나타내고 있다. 도 6의 그래프에 의하면, 기존의 On/off방식(P1)과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식(P2)의 TMP 차이를 계산해본 결과, 기존의 On/off 운전방식의 TMP(P1)가 55kPa에 도달하였을 때 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 TMP(P2)는 상기 On/off 운전방식의 TMP(P1) 대비 83.58%((P2/P1)×100)인 것으로 나타나, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 막 오염이 적게 발생한 것을 확인할 수 있다.
4. 응집제 100 mg/L일 때 TMP 값 비교
도 7은 운전변수 중 응집제가 100mg/L 일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 결과를 나타내고 있다. 도 7의 그래프에서 나타난 바와 같이, 기존의 On/off방식(P1)과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식(P2)의 TMP 차이를 계산하였을 때, 기존의 On/off 운전방식의 TMP(P1)가 55kPa에 도달하였을 때 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 TMP(P2)는 상기 On/off 운전방식의 TMP(P1) 대비 64.37%((P2/P1)×100)인 것으로 확인되어, 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 막 오염이 적게 발생하는 것을 알 수 있다.
5. 산기량 250 ml/min일 때 TMP 값 비교
도 8은 운전변수 중 산기량이 250 ml/min일 때 기존의 On/off 방식과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식의 TMP 값을 비교한 결과를 나타내고 있다. 도 8에 도시 된 그래프에 의하면, 기존의 On/off방식(P1)과 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 방식(P2)의 TMP 차이를 계산해본 결과, 기존의 On/off 운전방식의 TMP(P1)가 55kPa에 도달하였을 때 본 발명의 Sinusoidal 가변유량 운전방식의 TMP(P2)는 상기 On/off 운전방식의 TMP(P1) 대비 75.83%((P2/P1)×100)인 것으로 확인되어, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 막 오염이 적게 발생 함을 확인할 수 있다.
이상을 종합하였을 때, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 상기의 모든 운전변수에 대해 기존의 On/off 운전방식이 TMP값 55kPa에 도달하였을 때 대비 대략 64 ~ 84%의 TMP 값을 가지는 것으로 나타나, 본 발명에 따른 Sinusoidal 가변유량 방식이 기존의 On/off 운전방식에 비해 분리막의 오염이 훨씬 적게 발생함을 알 수 있으며, 이로써 본 발명의 운전 방식에 의할 경우 기존의 On/off 운전방식과 동등 수준의 처리수량을 확보하면서, 동시에 분리막의 오염을 현저히 줄일 수 있어, 결과적으로 운전 에너지를 현저히 절감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 분리막을 이용하는 수 처리 장치 기술분야의 산업에 이용 가능성이 있다.

Claims (6)

  1. Sinusoidal 가변유량 운전방식으로 유량을 제어하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 Sinusoidal 가변유량 운전방식은 하기 식에 따라 유량을 가변시켜 주어 펌프를 운전하는 것을 특징으로 하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법:
    [식]
    Jsin(t)=J0×f(t)
    f(t)=A×sinn(ωt)+C
    여기서,
    ω=π/tmax,
    t = 1,2,3,···tmax,
    Jsin는 Sinusoidal 가변 투과유속, 투과유속J0는 기본 투과유속,
    n 는 양의 실수,
    A, C는 파형의 피크를 조절하는 상수,
    tmax는 반복되는 운전주기의 총 시간
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 평막, 중공사막, 관형막, 나권형막으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 정밀여과막(micro filtration), 한외여과막(ultra filtration), 나노여과막(nano filtration) 및 역삼투막(reverse osmosis)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 수 처리 장치는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 방식 수 처리 장치인 것을 특징으로 하는 분리막을 이용하는 수 처리 장치의 막 오염 저감방법.
  6. 제 1항의 막 오염 저감방법이 적용되는 것을 특징으로 하는 수 처리 장치.
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