WO2017034101A1 - 왕복하는 막을 사용하는 침지형 막여과 시스템 - Google Patents

왕복하는 막을 사용하는 침지형 막여과 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a membrane filtration system for treating wastewater.
  • the present invention provides for repeated reciprocating motion (hereinafter referred to as “reciprocating motion” or “reciprocation") of submerged membranes instead of membrane scouring commonly employed in submerged membrane filtration.
  • reciprocating motion or “reciprocation”
  • Membrane filtration system to increase filtration and nutrient removal efficiencies.
  • membrane filtration systems utilize a membrane filtration process to remove contaminants from wastewater.
  • modified membrane treatment processes can be used alone or in succession to increase the removal of contaminants in membrane filtration.
  • Known membrane filtration systems also use low pressure microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF) membranes as physical barriers for complete solid-liquid separation.
  • MF microfiltration
  • UF ultrafiltration
  • the membranes are typically installed in a filtration tank.
  • Membrane air refining is extremely important in preventing serious and rapid membrane contamination in immersed membrane filtration operations.
  • membrane filtration systems can achieve secondary and tertiary wastewater treatment.
  • membrane filtration systems are direct introduction of tertiary quality effluent into the treatment of household and industrial wastewater.
  • Another reason for the increased interest in membrane filtration techniques is the small size of the space occupied by the plant, i.e., the footprint, compared to conventional processing processes.
  • a processing facility can potentially double its capacity without increasing its overall footprint.
  • Membrane filtration technology is not only limited to household wastewater, but can also be applied to the treatment of industrial wastewater for reuse.
  • membrane fouling This is soluble and occurs when particulate matter accumulates on the membrane surface. If such contamination occurs, there is a marked decrease in permeate passing through the membrane or an increase in transmembrane pressure. In either case, the result is a dramatic decrease in system performance.
  • Membrane contamination is particularly problematic in membrane filtration systems considering that membrane filtration systems generally operate on high mixed liquor suspended solids (MLSS).
  • the present invention comprises a submerged membrane 70 in accordance with one preferred embodiment; And a mechanical reciprocating device 80 that reciprocates the locked membrane 70 to generate an inertial force, thereby reducing fouling on the membrane 70 where the reciprocation is locked. Can provide.
  • the mechanical reciprocating device 80 may reciprocate the locked membrane 70 back and forth to release contaminants from the surface of the locked membrane 70.
  • the mechanical reciprocating device 80 is connected to a pulley 101 via a belt 102 to rotate the rotor 100 and thereby to rotate the rotary motion through the shaft 110. It may include; low RPM motor (103) for converting the reciprocating motion of the frame (90).
  • the slide frame 90 also includes a damper 94 provided between the slide frame 90 and the shaft 110 to reduce the impact load due to reciprocating motion; And linear bearings and a pillow block 91 support provided to allow the slide frame 90 to move along the slide rail 92.
  • the present invention includes a biological treatment train 50 for receiving influent 10 to be treated and producing treated wastewater according to another preferred embodiment;
  • a membrane tank (60) surrounding the locked membrane (70) and the treated wastewater from the biological treatment train (50) is filtered through the locked membrane (70) to produce effluent (40);
  • a reciprocating membrane bioreactor system can be provided.
  • the mechanical reciprocating device 80 a rotor (rotor) 100 connected to each other to the slide frame 90 via the shaft 110; And a slide frame 90 interconnected with the locked membrane 70, wherein the slide frame 90 can be configured to reciprocate the locked membrane 70.
  • the mechanical reciprocating device 80 is connected to a pulley 101 via a belt 102 to rotate the rotor 100 and thereby rotate the rotational movement through the shaft 110. It may include; a low RPM motor (103) for converting the reciprocating motion of the slide frame (90).
  • the biological treatment train 50 an anaerobic treatment tank (anaerobic treatment tank) for biologically treating the influent in the absence of dissolved oxygen (51);
  • An anoxic treatment tank 52 for denitrifying the treated wastewater from the anaerobic treatment tank 51 under oxygen-deficient conditions;
  • an aerobic treatment tank 53 for biologically treating the wastewater treated from the anoxic treatment tank 52 in the presence of dissolved oxygen.
  • the biological treatment train 50 an oxygen-free treatment tank 52 for denitrifying the influent 10 under oxygen-deficient conditions; An anaerobic treatment tank 51 for biologically treating the treated wastewater from the anoxic treatment tank 52 in the absence of dissolved oxygen; And an aerobic treatment tank 53 for biologically treating the treated wastewater from the anaerobic treatment tank 51 in the presence of dissolved oxygen.
  • the activated sludge conveying line 31 for transmitting the activated sludge from the membrane tank 60 to the anoxic treatment tank 52 may be further included.
  • the biological treatment train 50 an oxygen-free treatment tank 52 for denitrifying the influent 10 under oxygen-deficient conditions; And an aerobic treatment tank 53 for biologically treating the treated wastewater from the anoxic treatment tank 52 in the presence of dissolved oxygen.
  • the activated sludge conveying line 31 for transmitting the activated sludge from the membrane tank 60 to the anoxic treatment tank 52 may be further included.
  • a membrane submerged membrane
  • MF ultrafiltration
  • UF ultrafiltration
  • the lateral reciprocating frequency of the membrane may be 2 Hz or less and the amplitude may be 10 mm or more, preferably the lateral reciprocating frequency may be 1 Hz or less and the amplitude may be 30 mm or more, and more.
  • the lateral reciprocating frequency of the membrane may be 0.5 Hz or less and the amplitude of 40 mm or more.
  • the membrane is reciprocated under a slow stirring condition at a reciprocating frequency of 0.2 to 0.5 Hz, and a flocculating agent is provided on the upstream side of the membrane tank to provide coagulation due to the flocculating agent introduced in the single membrane tank.
  • Flocculation and filtration can be configured to occur simultaneously.
  • a selenium reduction tank provided upstream of the membrane tank and supplying intermediate treated water to the membrane tank by biologically reducing wastewater containing selenium oxide under anoxic or anaerobic conditions; It may further include.
  • the flocculant input unit for injecting a flocculant into the intermediate treated water before the intermediate treated water generated in the selenium reduction tank is supplied to the membrane tank; And a recirculation pipe for separating and recovering a part of the treated water discharged from the membrane tank and re-entering the selenium reduction tank.
  • Anaerobic digestion tank is provided upstream of the membrane tank and the supernatant suspended in the sludge produced by biological anaerobic digestion (anaerobic digestion) of the wastewater containing the incoming organic compound under anaerobic conditions to supply the membrane tank to the membrane tank It may further include;
  • a part of the treated water discharged from the membrane tank may be separated and recovered and recycled to the input of the anaerobic digestion tank recirculation; may further include a.
  • wastewater containing the organic compound introduced into the upstream side of the anaerobic digester mechanically stirred by a mixer (mixer) and heated through a sludge heater (sludge heater) to finally produce the intermediate sludge to the anaerobic digester
  • a mixer mixer
  • sludge heater sludge heater
  • It may be configured to form a two-stage anaerobic digester with the anaerobic digester further comprising a high-speed digester for supplying.
  • Submerged membranes provided by the present invention; And a mechanical reciprocating device that reciprocates the locked membrane to create an inertial force, whereby the reciprocating reduces fouling on the membrane that is locked.
  • the membrane reciprocating system can effectively prevent membrane fouling. It is possible to prevent a decrease in permeate passing through the membrane or an increase in the transmembrane pressure, thereby preventing the degradation of the membrane separation system performance.
  • the present invention can reduce energy consumption due to conventional air scouring, and can be operated in combination with process units suitable for oxygen-deficient conditions such as anoxic or anaerobic or slow stirring conditions. Has the advantage.
  • FIG. 1 is a schematic general process diagram showing the membrane filtration system of the present invention.
  • FIG. 2 is a single stage softening process diagram employing the membrane filtration system of the present invention in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a two stage softening process diagram employing the membrane filtration system of the present invention in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a process diagram of selenium removal in flue gas desulfurization (FGD) wastewater to which the membrane filtration system of the present invention is applied in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FGD flue gas desulfurization
  • FIG. 5 is a process diagram of a single stage anaerobic digester to which the membrane filtration system of the present invention is applied in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a process diagram of a two stage anaerobic digester employing the membrane filtration system of the present invention in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • MLR membrane bioreactor
  • FIG. 8 is a schematic embodiment of a mechanical reciprocating device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a detailed view of another embodiment of a mechanical reciprocating device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 10-18 are process diagrams illustrating several alternative MBR processes of the present invention.
  • the present invention relates to an immersion type membrane filtration system comprising a mechanical reciprocator for reciprocating a membrane cage (or membrane cassette) back and forth.
  • Mechanical reciprocating devices eliminate the use of air refining. Repeated reciprocation of the membrane cage / cassette produces inertial forces acting on the membrane fibers, which removes contaminants from the membrane surface.
  • the system includes a membrane cage / cassette comprising a membrane module immersed in an aerobic tank or separate membrane tank.
  • the membrane cage / cassette can be mechanically reciprocated, which allows the described membrane filtration system to operate with higher flux and lower contamination than membrane filtration systems using air refining.
  • Various mechanical means can be employed to generate the reciprocating motion.
  • the system includes a membrane tank having a submerged membrane therein, the waste water being treated to be introduced into the membrane filtered through the membrane to produce and discharge treated water; And a mechanical reciprocating device that reciprocates the membrane back and forth to impart inertial forces to drop contaminants formed on the membrane surface under oxygen-deficient conditions.
  • the membrane may then be a low pressure microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF) membrane used as a physical barrier for complete solid-liquid separation.
  • the membrane cleaning method through air refining in the conventional submerged UF / MF system not only consumes a lot of power, but also has a considerable equipment cost for the air refining system itself.
  • the present invention provides a low-speed reciprocating motion to the membrane module by slowly shaking the membrane module instead of the air injection method, thereby removing the contaminants by the inertia force generated by the left and right motion of the membrane module.
  • the method of washing was adopted.
  • the present invention is a distinguishing feature of the present invention, in which the inertial force is applied to the membrane by inducing the membrane to reciprocate from side to side at low frequency and relatively high amplitude.
  • This replaces conventional air refining methods with high cost, high energy, high oxygen, and high speed agitation conditions to clean the membrane at low cost and high energy efficiency, and to effectively combine with oxygen-free or anaerobic biological reaction processes. It can maintain deficiency conditions and operate at low speed agitation conditions, which can reduce the CAPEX significantly by simultaneously performing coagulation / mixing and sedimentation / filtration, which are the basic and core parts of the water treatment process, in a single tank.
  • Softening is the process of removing calcium, magnesium and other metal ions in hard water containing a lot of metal ions.
  • Metal bicarbonates, chlorides and sulfates contained in hard water promote the formation of limescale in the pipe, which may cause the pipe to be blocked or corroded.
  • a flocculant is added to the rapid mixing tank and mixed with the hard water. The mixed hard water is transferred to the coagulation bath and the metal ions in the hard water react with the coagulant to form flocs.
  • Hard water including the flocs, is transferred to the membrane tank, which is filtered by a membrane connected to the reciprocator to produce treated water, and the flocs contained in the hard water settle below the membrane tank. This allows sedimentation and filtration in a tank at the same time and eliminates the need for a separate settling tank, saving equipment installation area and cost.
  • the membrane filtration system of the present invention can maintain a low speed agitation condition because it adopts a membrane cleaning method that allows the membrane to reciprocate in the left and right directions at low frequency and high amplitude. Therefore, while the flocculation and mixing due to the flocculating agent is added, the block suspension layer, that is, the sludge blanket, formed in boundary with the upper water at the bottom of the tank, is maintained stably, that is, the concentration gradient of sludge according to the height is maintained. In order to be generated, flocculation / miscibility and precipitation / filtration can occur simultaneously in a single membrane filtration system tank.
  • the frequency and amplitude of the reciprocating motion applied to the membrane are determined through various variables such as the type of process to be applied, the state of the raw water to be treated, and the type and amount of the object to be removed. Sufficient inertia should be imparted to the membrane so that the membrane can be cleaned effectively.
  • a frequency of about 0.5 Hz is preferable, and in the case of UF systems having fewer particles, particles may be operated as low as 0.2 Hz.
  • the frequency of about 2 Hz and the amplitude of about 10 mm can be assumed as the upper limit and the lower limit, respectively.
  • the present invention provides an inertial force through low frequency and relatively high amplitude. Since the generation is a main feature, the assumption of the lower limit is not significant.
  • the lower limit has no significance and can be operated at 2 Hz or less, preferably at 1 Hz or less, and more preferably at 0.5 Hz or less. It is preferable to operate within the range of 0.3 ⁇ 0.5Hz. Above 1 Hz, there is room for energy consumption and structural safety issues.
  • the amplitude of the membrane reciprocation it can be operated at 10 mm or more, preferably at 30 mm or more, more preferably at 40 mm or more. As mentioned above, the amplitude does not mean much to the upper limit, but if it is limited, it will be about 100 mm in consideration of energy economy and structural stability.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a selenium removal process in wastewater generated in a wet gas desulfurization (FGD) process in which a membrane filtration system is applied according to a preferred embodiment of the present invention.
  • wastewater generated in various coal industries includes selenium compounds, which need to be removed.
  • selenium oxide it must be reduced by filtration to selenium (elemental selenium).
  • bioreactors using anoxic or anaerobic microorganisms such as MBBR, FBR, and PBR, that is, selenium reduction tanks, are used.
  • the flocculant when the flocculant is introduced into the treated water containing the reduced selenium and introduced into the membrane filtration system of the present invention, the selenium can be effectively removed by filtration, and even if contamination occurs on the membrane surface, the inertial force is applied to the membrane through the reciprocating motion. It can be generated and removed, and because the oxygen-depletion condition is maintained because it is not an air refining method, the discharged water can be directly re-introduced into the selenium reduction tank through a recirculation pipe, thereby significantly increasing the treatment efficiency of the entire process.
  • FIGS. 5 and 6 show process diagrams of a single stage / two stage anaerobic digester in the form of a membrane filtration system in accordance with one preferred embodiment of the present invention.
  • the membrane filtration system of the present invention is well suited for incorporation into anaerobic digesters for the decomposition and removal of organic compounds because they can operate under oxygen-deficient conditions.
  • the upstream side of the membrane tank may be provided with an anaerobic digester for biologically anaerobic digestion of wastewater containing organic compounds under anaerobic conditions to produce sludge while supplying supernatant suspended on the sludge to the membrane tank side.
  • FIG. 6 can be operated by connecting two stage anaerobic digester in series.
  • the wastewater containing organic compounds is mechanically stirred through a stirrer to improve the contact between organic compounds and microorganisms, while the sludge heater is heated to promote the metabolic rate of microorganisms, so that a high speed digestion tank is placed.
  • It is a two-stage anaerobic digester that feeds the intermediate sludge from the digester into the anaerobic digester mentioned above. This method is called a two stage method or a high rate method. Both single and two stage systems can recycle some of the effluent discharged from the membrane tank.
  • the present invention relates to a membrane bioreactor ("MBR") system comprising a mechanism for reciprocating a membrane cage (or membrane cassette) back and forth.
  • MBR membrane bioreactor
  • the mechanism eliminates the use of air refining.
  • Repeated reciprocation of the membrane cage / cassette produces inertial forces acting on the membrane fibers, which removes contaminants from the membrane surface.
  • the system includes a membrane cage / cassette that includes a membrane module locked in an aerobic tank or separate membrane tank.
  • the membrane cage / cassette can be mechanically reciprocated through a reciprocating device, which allows the described MBR system to operate with higher flux and lower contamination than MBR systems using air refining.
  • Various mechanical means can be employed to generate the reciprocating motion.
  • the system includes a biological treatment train 50 for receiving influent 10 to be treated. Various anaerobic, anaerobic and aerobic biological treatment processes can be performed in the treatment train 50. Subsequently, the mixed liquid 20 from the treatment train 50 is passed into the membrane tank 60.
  • Membrane tank 60 includes immersed membrane 70 (or a series of membranes 70).
  • the membrane (s) 70 can be a low pressure microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF) membrane used as a physical barrier for complete solid-liquid separation.
  • MF microfiltration
  • UF ultrafiltration
  • the membrane cage / cassette 70 is mechanically connected to each other in the reciprocating device 80. According to the invention, the reciprocating device 80 is used to reciprocate the membrane 70.
  • the reciprocating device 80 uses a mechanism for converting rotational motion into reciprocating motion. Filtration through membrane 70 in membrane tank 60 produces effluent 40. Membrane 70 may be continuously reciprocated during filtration. Alternatively, the membrane 70 may be selectively reciprocated as needed to prevent contamination. Some of the activated sludge 30 (ie, return activated sludge or "RAS”) is returned to the biological treatment train 50 to maintain the sludge concentration in the train 50.
  • RAS return activated sludge
  • the membrane cassette 70 may be connected to the slide frame 90.
  • a motor-driven rotor 100 is connected to the slide frame 90 via the shaft 110.
  • the device 80 depicted thereby converts the rotational movement of the rotor 100 into the rotational movement of the slide frame 90.
  • the frequency of reciprocation may depend on the speed at which the rotor 100 is rotated.
  • FIG. 9 An alternative embodiment of this arrangement is shown in FIG. 9 and includes a low speed motor 103 connected to pulley 101 via belt 102 to reciprocate the slide frame 90 for rotational movement through shaft 110. Switch to exercise The impact load due to the reciprocating motion can be reduced by the shock absorber 94 between the slide frame 90 and the shaft 110.
  • the slide frame 90 may be variable along the slide rail 92, which carries a linear bearing and a mandrel 91 support (FIG. 9).
  • the system consists of a series of biological treatment tanks. These include an anaerobic treatment tank 51, an anaerobic treatment tank 52, an aerobic treatment tank 53 and a membrane tank 60. Membrane 70 may be immersed in membrane tank 60 and reciprocated by reciprocating device 80.
  • the anaerobic treatment tank 51 accommodates the influent 10 to be treated.
  • the anaerobic treatment tank 51 then biologically treats the influent in the absence of dissolved oxygen to release phosphorus for luxury uptake in subsequent aerobic conditions.
  • the wastewater is denitrified under oxygen-depleted conditions.
  • chemically bound oxygen may be present, dissolved oxygen is excluded from the anaerobic bath 52.
  • Nitriding and excess phosphorous uptake occur in the aerobic treatment tank 53 in the presence of dissolved oxygen. Filtration in the membrane tank 60 produces effluent 40.
  • One circulation line 31 transfers the transport activated sludge (or "RAS") from the membrane tank 60 to the anaerobic tank 52.
  • RAS transport activated sludge
  • an internal recycle line 32 transfers a portion of the activated sludge from the anaerobic tank 52 to the anaerobic tank 51 to maintain the mixed liquor suspended solids (or “MLSS”).
  • RAS plays two roles of conventional activated sludge or MBR processes.
  • the return flow of activated sludge from the membrane tank includes dissolved oxygen ("DO").
  • DO dissolved oxygen
  • activated sludge from the membrane tank cannot be returned to the anaerobic tank 52 or the anaerobic tank 51 due to the high content of dissolved oxygen affecting denitrification or phosphorus release.
  • DO in RAS is minimal compared to conventional MBR because physical membrane round trip is utilized instead of violent air bubbling. Therefore, only one sludge conveying line is required for both sludge and nitrate conveying in the present invention.
  • the system depicted in FIG. 11 includes an anaerobic treatment tank 52 and an aerobic treatment tank 53, which is similar to the known Modified Ludzack and Ettinger (MLE) process.
  • MLE Modified Ludzack and Ettinger
  • the RAS 31 proceeds directly from the membrane tank 60 to the anoxic tank 52 for nitrate and sludge conveyance in the present invention.
  • FIG. 12 shows another embodiment consisting of the same reactors depicted in FIG. 10. However, the conveying activated sludge 33 proceeds to the anaerobic treatment tank 51 and internal recycling 34 is made between the aerobic tank 53 and the anaerobic tank 52.
  • FIG. 13 depicts an embodiment similar to the process described in FIG. 12. However, there is no internal recycling and RAS proceeds to an anaerobic bath where denitrification occurs.
  • FIGS. 14, 15, 16 and 17 are variations of the systems depicted in FIGS. 10, 11, 12 and 13, respectively. The difference is the presence of the membrane tank.
  • the systems of FIGS. 10-13 have a separate membrane tank 60, while the systems of FIGS. 14-17 do not have a separate membrane tank 60. That is, the tank 53 of FIGS. 14-17 functions as a membrane tank and as a bioreactor.
  • FIG. 18 shows a further embodiment of the process developed in the present invention, which consists of the simplest reactor configurations.
  • Reciprocating membranes are encased in a single bioreactor, where both biological removal and membrane separation occur.
  • the reactor may be an aerated tank, pond or series of batch reactors (SBRs) in which aerobic and anoxic conditions are achieved in the circulation sequence.
  • SBRs batch reactors
  • shock absorber 100 rotor
  • the present invention is directed to meeting the need for improved membrane filtration systems that eliminate or reduce membrane contamination in the art and do not rely on air refining, including submerged membranes; And a mechanical reciprocating device that reciprocates the locked membrane to create an inertial force, whereby the reciprocating reduces fouling on the membrane that is locked.
  • the membrane reciprocating system can effectively prevent membrane fouling. It is possible to prevent the decrease of permeate through the membrane or increase the transmembrane pressure, thereby preventing the degradation of the membrane separation system, and the energy consumption due to conventional air scouring There is an industrial possibility because it can be reduced and can be operated in combination with process units suitable for oxygen-deficient conditions such as anoxic or anaerobic or slow stirring conditions.

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Abstract

본 발명은 막 오염을 감소시키거나 또는 제거하기 위한 기계적 막 왕복 시스템을 포함하는 막 여과 시스템에 관한 것이다. 기술된 막 여과 시스템은 공기 정련을 사용하는 막 여과 시스템들에 비해 더 높은 플럭스 및 더 낮은 오염으로 운전될 수 있다. 게다가 시스템은 하나의 RAS 및 하나 내부 재순환 라인으로 또는 내부 재순환 라인 없이 질소 및 인을 제거할 수 있다. 왕복 운동을 생성하기 위하여 여러 기계적 수단들이 또한 채용될 수 있다.

Description

왕복하는 막을 사용하는 침지형 막여과 시스템
본 발명은 폐수를 처리하기 위한 막 여과 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 침지형 막 여과(Submerged membrane filtration)에서 통상적으로 활용되는 막 공기 정련(membrane scouring) 대신 침지형 막의 반복적인 전후진 운동(이하에서는 "왕복 운동(reciprocating motion)" 또는 "왕복(reciprocation)"이라 칭함)을 채용하여 여과 및 영양물 제거 효능들을 증가시킨 막 여과 시스템에 관한 것이다.
막 여과 시스템의 여러 실시예들은 막 여과 공정을 활용하여 폐수로부터 오염물들을 제거한다. 막 여과에서의 오염물질들의 제거를 증가시키기 위하여 여러 변형된 막처리 공정들은 단독으로 또는 연속하여 사용될 수 있다. 공지의 막 여과 시스템들은 또한 완전한 고-액 분리를 위한 물리장벽으로서 저압 정밀여과(MF: microfiltration) 또는 한외여과(UF: ultrafiltration) 막들을 사용한다. 막들은 전형적으로 여과조 내에 설치된다. 막 공기 정련은 침지형 막 여과 운전에서 심각하고 그리고 급속한 막 오염을 방지하는 데 극히 중요하다. 이들 공지의 기술들에 의하여, 막 여과 시스템들은 2차 및 3차 폐수 처리를 달성할 수 있다.
공지의 막 여과 시스템들의 하나의 잇점은 3급 용출수(tertiary quality effluent)의 가정 및 산업 폐수의 처리에의 직접적인 도입이다. 막 여과 기술에서의 관심이 증가하는 다른 이유는 통상의 처리 공정에 비하여 해당 설비가 차지하는 공간의 크기 즉, 풋프린트(footprint)가 작기 때문이다. 예를 들면, 통상의 막 여과 시스템들을 사용하면, 처리 설비는 그의 전체 풋프린트의 증가함이 없이 잠재적으로 그의 용량이 2배가 될 수 있다. 막 여과 기술은 가정 폐수로 한정되지 않을 뿐만 아니라 재사용을 위한 산업 폐수를 처리하는 데에도 또한 적용될 수 있다.
막 여과 시스템의 하나의 실시예가 데이거(Daigger)에 허여된 미합중국 특허 제4,867,883호에 기술되어 있다. 이 문헌은 도시 폐수로부터 유기물, 인 및 질소 영양물들을 제거하기 위한 고속의 생물학적 폐수 처리 공정을 기술하고 있다. 다른 막 여과 시스템이 닉(Nick)과 그의 동료들에게 허여된 미합중국 특허 제8,287,733호에 기술되어 있다. 이는 제1 및 제2 무산소조들과 제1 및 제2 호기조들을 활용하는 시스템을 기술하고 있다. 또한, 복수의 막 탱크들을 감싸기 위한 막 챔버의 사용이 기술되어 있다.
공지의 막 여과 시스템들의 하나의 공통적인 단점은 막 오염(membrane fouling)이다. 이는 가용성이고 그리고 입자화된 물질들이 막 표면상에 축적되는 경우에 발생한다. 이러한 오염이 발생하는 경우, 막을 통과하는 투과액에서의 뚜렷한 감소 또는 막관통압(transmembrane pressure)에서의 증가가 존재한다. 둘 중의 어느 경우에도, 그 결과는 시스템 성능에서의 극적인 감소이다. 막 여과 시스템들이 대체로 높은 혼합액현탁고형물(MLSS: mixed liquor suspended solids)에 대하여 운전된다는 것을 고려하면 막 오염은 막 여과 시스템들에서 특히 문제가 된다.
막 오염에 대한 하나의 해결책은 공기 정련(air scouring)이다. 격렬한 공기 정련은 급속하고 그리고 영구적인 오염 및 특히 케이크층 누적(cake layer buildup) 없이 그리고 안정한 플럭스 운전(flux operation)을 허용한다. 막 여과장치 가 운전되는 보다 높은 MLSS 농도를 가정하면, 빈번한 유지 세척 및 탱크 밖의 세척들이 오염 및 투과성의 관점들에서 막 성능을 유지하는 데 또한 중요하다. 공기 정련이 에너지 집약적이기 때문에 최적은 아니다. 막에 대한 추가의 공기 정련으로 인하여 막 여과 시스템들에서 에너지 소모는 상당히 높다.
또한, 격렬하게 공기를 불어넣는 방식이므로 무산소(anoxic)나 혐기성(anaerobic) 등의 산소-결핍 조건이나 저속 교반 조건에 적합한 공정 유닛들과 결합하기에 부적절하여 이로 인해 다양한 적용에 제한이 많다.
당해 기술분야에서 막 오염을 제거하거나 또는 감소시키고 그리고 공기 정련에 의존하지 않는 개선된 막 여과 시스템들에 대한 요구가 존재하므로, 본 발명은 당해 기술분야에서 이들 및 다른 요구들을 만족하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 바람직한 일 실시예에 따라 잠호된 막(submerged membrane)(70); 및 잠호된 막(70)을 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 생성하고, 그에 의하여 왕복이 잠호된 막(70) 상의 오염(fouling)을 감소시키는 기계적 왕복 장치(80);를 포함하는 막 왕복 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 기계적 왕복 장치(80)가 상기 잠호된 막(70)을 전후(back and forth)로 왕복시켜 상기 잠호된 막(70) 표면으로부터 오염 물질(foulants)을 떨어내도록 할 수 있다.
또, 상기 기계적 왕복 장치(80)는, 축(110)을 경유하여 활주 프레임(90)에 서로 연결되는 회전자(rotor)(100); 및 상기 잠호된 막(70)과 상호 연결되는 활주 프레임(90);을 포함하고, 상기 활주 프레임(90)이 상기 잠호된 막(70)을 왕복시키도록 구성할 수 있다.
그리고 상기 기계적 왕복 장치(80)는, 벨트(102)를 경유하여 풀리(pulley)(101)에 연결되어 상기 회전자(100)를 회전시키고 그에 의하여 상기 축(110)을 통하여 회전 운동을 상기 활주 프레임(90)의 왕복 운동으로 전환시키는 저속 모터(low RPM motor)(103);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 활주 프레임(90)에는, 왕복 운동으로 인한 충격 부하를 감소시키기 위하여 상기 활주 프레임(90)과 축(110) 사이의 구비되는 완충기(dampener)(94); 및 상기 활주 프레임(90)이 활주 레일(92)을 따라 이동될 수 있도록 마련되는 선형 베어링(linear bearings)과 굴대받이(pillow block)(91) 지지물;이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 처리되어야 할 유입수(10)를 수용하고 처리된 폐수를 생성하는 생물학적 처리 트레인(biological treatment train)(50); 잠호된 막(70)을 감싸고, 상기 생물학적 처리 트레인(50)으로부터의 처리된 폐수가 상기 잠호된 막(70)을 통하여 여과되어 유출수(40)를 생성하는 막 탱크(60); 및 상기 잠호된 막(70) 상의 오염(fouling)을 감소시키고 상기 막 탱크(60) 내에 산소 고갈 조건들을 제공하기 위하여 상기 잠호된 막(70)을 왕복시키는 기계적 왕복 장치(80);를 포함하는 왕복하는 막 생물반응기 시스템을 제공할 수 있다.
이때, 상기 기계적 왕복 장치(80)는, 축(110)을 경유하여 활주 프레임(90)에 서로 연결되는 회전자(rotor)(100); 및 상기 잠호된 막(70)과 상호 연결되는 활주 프레임(90);을 포함하고, 상기 활주 프레임(90)이 상기 잠호된 막(70)을 왕복시키도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 기계적 왕복 장치(80)는, 벨트(102)를 경유하여 풀리(pulley)(101)에 연결되어 상기 회전자(100)를 회전시키고 그에 의하여 상기 축(110)을 통하여 회전 운동을 상기 활주 프레임(90)의 왕복 운동으로 전환시키는 저속 모터(low RPM motor)(103);를 포함할 수 있다.
또, 상기 생물학적 처리 트레인(50)은, 용존 산소의 부재 조건 하에서 유입수를 생물학적으로 처리하기 위한 혐기처리조(anaerobic treatment tank)(51); 산소-결핍 조건 하에서 상기 혐기처리조(51)로부터의 처리된 폐수를 탈질하기 위한 무산소처리조(anoxic treatment tank)(52); 및 용존 산소의 존재 조건 하에서 상기 무산소처리조(52)로부터 처리된 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 호기처리조(aerobic treatment tank)(53);를 포함할 수 있다.
이때, 상기 막 탱크(60)로부터 상기 무산소처리조(52)로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(31); 및 상기 무산소처리조(52)로부터 상기 혐기처리조(51)로의 내부 재순환 라인(32);을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 막 탱크(60)로부터 상기 혐기처리조(51)로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(33); 및 상기 호기처리조(53)로부터 상기 무산소처리조(52)로의 내부 재순환 라인(34);을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 생물학적 처리 트레인(50)은, 산소-결핍 조건 하에서 유입수(10)를 탈질하기 위한 무산소처리조(52); 용존 산소의 부재 조건 하에서 상기 무산소처리조(52)로부터의 처리된 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 혐기처리조(51); 및 용존 산소의 존재 조건 하에서 상기 혐기처리조(51)로부터의 처리된 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 호기처리조(53);를 포함할 수 있다.
이때, 상기 막 탱크(60)로부터 상기 무산소처리조(52)로 활성슬러지를 전송하기 위한 활성슬러지 반송 라인(31);을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 생물학적 처리 트레인(50)은, 산소-결핍 조건 하에서 유입수(10)를 탈질하기 위한 무산소처리조(52); 및 용존 산소의 존재 조건 하에서 상기 무산소처리조(52)로부터의 처리된 폐수를 생물학적으로 처리하기 위한 호기처리조(53);를 포함할 수 있다.
이때, 상기 막 탱크(60)로부터 상기 무산소처리조(52)로 활성슬러지를 전달하는 활성슬러지 반송 라인(31);을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 내부에 침지된 막(submerged membrane)이 구비되어 내부로 유입되는 처리 대상물인 폐수가 상기 막을 통해 여과되어 처리수를 생성하여 배출하는 막 탱크; 및 상기 막을 전후(back and forth)로 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 부여하여 상기 막 표면에 형성된 오염물질(foulants)을 산소-결핍 조건 하에서 떨어내는 기계적 왕복장치;를 포함하고, 상기 막은 정밀여과(MF) 막 또는 한외여과(UF) 막인 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템을 제공할 수 있다.
이때, 상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 2Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 10mm 이상일 수 있으며, 바람직하게는 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 1Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 30mm 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 0.5Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 40mm 이상일 수 있다.
또한, 상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 0.2~0.5Hz으로 저속 교반 조건으로 상기 막이 왕복되고, 상기 막 탱크 상류 측에 응집제 투입부가 구비되어 단일한 상기 막 탱크 내에서 투입된 응집제로 인한 응집(flocculation)과 여과(filtration)가 동시에 일어나도록 구성할 수 있다.
상기 막 탱크 상류 측에 구비되며 셀레늄(selenium) 산화물이 포함된 폐수를 무산소(anoxic) 또는 혐기성(anaerobic) 조건 하에서 생물학적으로 환원 처리하여 생성되는 중간 처리수를 상기 막 탱크로 공급하는 셀레늄 환원조;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 셀레늄 환원조에서 생성되는 상기 중간 처리수가 상기 막 탱크로 공급되기 이전에 상기 중간 처리수에 응집제를 투입하는 응집제 투입부; 및 상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부를 분리 회수하여 상기 셀레늄 환원조로 재투입하는 재순환 배관;을 더 포함할 수 있다.
상기 막 탱크 상류 측에 구비되며 유입되는 유기화합물이 포함된 폐수를 혐기성 조건 하에서 생물학적으로 혐기성 소화(anaerobic digestion) 처리하여 생성된 슬러지 상부에 부유되는 상청액(supernatant)을 상기 막 탱크로 공급하는 혐기성 소화조;를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부를 분리 회수하여 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 재순환 배관;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 혐기성 소화조의 상류 측에 구비되며 유입되는 유기화합물이 포함된 폐수를 교반기(mixer)를 통해 기계적으로 교반시키고 슬러지 히터(sludge heater)를 통해 가열하여 최종 생성되는 중간 슬러지를 상기 혐기성 소화조로 공급하는 고속 소화조;를 더 포함하여 상기 혐기성 소화조와 함께 2단 혐기성 소화조(two-stage anaerobic digester)를 이루도록 구성할 수 있다.
이때, 상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부가 상기 고속 소화조에서 배출되는 상기 중간 슬러지와 혼합되어 상기 혐기성 소화조로 투입되도록 분리 회수하는 재수환 배관;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제공하는 잠호된 막(submerged membrane); 및 잠호된 막을 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 생성하고, 그에 의하여 왕복이 잠호된 막 상의 오염(fouling)을 감소시키는 기계적 왕복 장치;를 포함하는 막 왕복 시스템은 효과적으로 막 오염(membrane fouling)을 방지할 수 있으며, 막을 통과하는 투과액의 감소 또는 막관통압(transmembrane pressure)의 증가를 방지함으로써, 막 분리 시스템 성능 저하를 막을 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 종래의 공기 정련(air scouring)으로 인한 에너지 소모를 감소시킬 수 있으며, 무산소(anoxic)나 혐기성(anaerobic) 등의 산소-결핍 조건이나 저속 교반 조건에 적합한 공정 유닛들과 결합되어 운전될 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 막 여과 시스템을 나타내는 개략적인 일반 공정 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 단일(single stage) 연수화(softening) 공정 다이아그램이다.
도 3는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 2단(two stage) 연수화(softening) 공정 다이아그램이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 배연탈황(FGD) 폐수 내 셀레늄 제거 공정 다이아그램이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 단일(single stage) 혐기성 소화조(anaerobic digester)의 공정 다이아그램이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 2단(two stage) 혐기성 소화조(anaerobic digester)의 공정 다이아그램이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 MBR(Membrane bioreactor) 시스템의 공정 다이아그램이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기계적 왕복장치의 개략적인 구체예이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 기계적 왕복장치의 다른 구체예의 상세도면이다.
도 10 내지 18은 본 발명의 여러 대안의 MBR 공정들을 나타내는 공정 다이아그램이다.
본 발명은 막 케이지(또는 막 카셋트)를 전후로 왕복시키기 위한 기계적 왕복장치를 포함하는 침지형 막 여과 시스템에 관한 것이다. 기계적 왕복장치는 공기 정련의 사용을 제거한다. 막 케이지/카셋트의 반복적인 왕복은 막 섬유들에 대하여 작용하는 관성력을 생성하고, 이는 막 표면으로부터 오염물을 떨어낸다. 시스템은 호기조 또는 별도의 막 탱크 내에 침지형되는 막 모듈을 포함하는 막 케이지/카셋트를 포함한다. 막 케이지/카셋트는 기계적으로 왕복될 수 있으며, 이는 기술된 막 여과 시스템이 공기 정련을 사용하는 막 여과 시스템 보다 높은 플럭스 및 보다 낮은 오염으로 작동되도록 하는 것을 가능하게 한다. 왕복 운동을 생성하기 위한 여러 기계수단들이 채용될 수 있다. 본 발명의 여러 상세들 및 이들이 연계되는 방법이 이하에서 보다 상세하게 기술한다.
도 1은 본 발명의 막 여과 시스템의 기본 구성들을 묘사하고 있다. 시스템은 내부에 침지된 막(submerged membrane)이 구비되어 내부로 유입되는 처리 대상물인 폐수가 상기 막을 통해 여과되어 처리수를 생성하여 배출하는 막 탱크; 및 상기 막을 전후(back and forth)로 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 부여하여 상기 막 표면에 형성된 오염물질(foulants)을 산소-결핍 조건 하에서 떨어내는 기계적 왕복장치;를 포함한다. 이때, 상기 막은 완전한 고-액 분리를 위한 물리적 장벽으로 사용되는 저압 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막일 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 기존의 침지식 UF/MF 시스템에서의 공기 정련을 통한 막 세정 방식은 전력 소비가 클 뿐만 아니라 공기 정련 그 자체를 위한 설비에 따르는 장치비용 또한 상당하였으며, 이에 따라 높은 에너지 효율을 얻을 수 있으면서도 산소-결핍 조건을 유지할 수 있는 막 세정 방식에 대한 요구가 높아지고 있다.
이를 해결하기 위해 본 발명은 공기 주입방식을 대신하여 막 모듈을 천천히 흔들어 주어 막 모듈에 저속 왕복운동을 전달해 줌으로써, 막 모듈의 좌우 운동으로 인해 발생되는 관성력(inertia force)으로 오염물질을 떨어내어 막을 세정하는 방식을 채택하였다.
본 발명은 낮은 진동수(low frequency)와 상대적으로 높은 진폭(relatively high amplitude)으로 막이 좌우 방향 왕복운동을 하도록 유도함으로써 막에 최적화된 관성력이 가해지도록 하는 것이 본 발명의 차별화된 특징이다. 이를 통해 종래의 고비용, 고에너지, 고산소, 고속교반 조건을 갖는 공기 정련방식을 대체하여 낮은 비용과 높은 에너지 효율로 막을 세정할 수 있으며 각종 무산소 혹은 혐기성 생물학적 반응공정과 효과적으로 결합될 수 있도록 산소-결핍 조건을 유지할 수 있고, 저속 교반 조건으로 운전되므로 수처리 공정의 기본이자 핵심이라고 할 수 있는 응집/혼화와 침전/여과를 단일한 탱크 내에서 동시에 수행할 수 있어 CAPEX를 현저하게 절감시킬 수 있다.
도 2 및 3에는 본 발명의 막 여과 시스템을 적용한 단일/2단 연수화 공정의 다이아그램이 도시되어 있다. 연화 공정 (softening) 은 금속이온이 많이 함유된 경수 (Hard Water) 내에서 칼슘, 마그네슘, 기타 금속이온을 제거하는 공정이다. 경수내 포함된 금속 중탄산염, 염화물 및 황산염 등은 배관내 물때(limescale) 생성을 촉진하여 배관이 막히거나 부식될 위험이 있다. 경수내 금속이온을 제거하기 위하여 상기 급속혼화조 내에 응집제를 투입하여 경수와 혼합한다. 혼합된 경수는 응집조로 이송되고 경수내 금속이온은 응집제와 반응하여 플럭(floc)을 형성한다. 플럭을 포함한 경수는 막 탱크로 이송되며 막 탱크로 이송된 경수는 왕복장치에 연결된 막에 의해 여과되어 처리수를 생산하며 경수 내 포함된 플럭은 막 탱크 하부로 침전된다. 이를 통해 막 탱크 내에서 침전과 여과가 한 조 내에서 동시에 이루어지며 별도의 침전조를 설치할 필요가 없어 장치 설치면적 및 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 막 여과 시스템은 낮은 진동수와 높은 진폭으로 막이 좌우 방향으로 왕복 운동을 수행하도록 하는 막 세정 방식을 채택하기 때문에 저속 교반 조건을 유지할 수 있다. 따라서 응집제 투입으로 인한 응집과 혼화가 이루어지면서도 탱크 내 하부에 윗물과 경계를 이루어 형성되는 블록 현탁층 즉, 슬러지 블랭킷(sludge blanket)이 안정적으로 유지되도록, 다시 말해 높이에 따른 슬러지의 농도 구배가 발생되도록 하기 때문에, 응집/혼화와 침전/여과가 단일한 막 여과 시스템 탱크 내에서 동시에 일어나도록 할 수 있다.
한편, 막에 가해지는 왕복운동의 진동수와 진폭은 적용되는 공정의 종류나 처리대상물인 원수의 상태, 제거되어야 할 대상물의 종류나 양 등 다양한 변수를 고려하여, 낮은 진동수와 상대적으로 높은 진폭을 통해 막에 충분한 관성력을 부여하여 막 세정이 효과적으로 이루어질 수 있도록 해야 한다. 예컨대 MBR 시스템에 적용될 경우 0.5Hz 정도의 진동수가 바람직하며, 파티클(particle)이 적은 UF 시스템의 경우에는 0.2Hz 까지 낮게 운전할 수도 있다. 통상적인 여러 수처리 공정을 참작할 때 2Hz 정도 수준의 진동수와 10mm 정도 수준의 진폭을 각각 상한값과 하한값으로 상정해 볼 수 있으며, 본 발명은 앞서 언급한 바와 같이 낮은 진동수와 상대적으로 높은 진폭을 통한 관성력 발생을 주요 특징으로 하기 때문에 하한값의 상정은 큰 의미가 없다.
구체적으로, 막 왕복운동의 진동수의 경우에는, 앞서 언급한 바와 같이, 하한값에는 큰 의미가 없고 2Hz 이하로 운전할 수 있으며, 바람직하게는 1Hz 이하로 운전할 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5Hz 이하로 운전할 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.3~0.5Hz 범위 내에서 운전하는 것이 좋다. 1Hz 이상은 에너지 소비량과 구조적 안전성 문제가 생길 여지가 있기 때문이다. 막 왕복운동의 진폭의 경우에는 10mm 이상으로 운전할 수 있으며, 바람직하게는 30mm 이상, 더욱 바람직하게는 40mm 이상으로 운전할 수 있다. 진폭의 경우에도 앞서 언급한 바와 같이 상한값에 큰 의미가 없으나 굳이 한정한다면 에너지 경제성과 구조적 안정성을 고려하였을 때 100mm 정도 수준이 될 것이다.
왕복운동의 진동수와 진폭 간에는 절대적인 상관관계가 존재하지는 않지만 어느 정도의 종속관계는 존재하여 진동수가 작아질수록 진폭이 커지게 된다. 그러나 적용 분야, 막오염(fouling) 경향성 등에 따라 달라질 수 있다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 막 여과 시스템이 적용된 형태의 습식 배연탈황(Flue gas desulfurization, FGD) 공정에서 발생되는 폐수 내 셀레늄 제거 공정에 대한 다이아그램이 도시되어 있다. 배연탈황 폐수 외에도 각종 coal 산업 분야에서 발생되는 폐수에는 셀레늄 화합물이 포함되어 있어 이를 제거해야할 필요성이 있다. 특히 셀레늄 산화물을 제거하기 위해서는 이를 셀레늄(elemental selenium)으로 환원시켜 여과 제거해야한다. 이를 위해 MBBR, FBR, PBR과 같이 무산소(anoxic) 혹은 혐기성(anaerobic) 미생물을 이용한 생물반응기 즉 셀레늄 환원조를 사용하게 된다. 이때 환원된 셀레늄이 포함된 중간 처리수에 응집제를 투입하여 본 발명의 막 여과 시스템에 도입하게 되면 효과적으로 셀레늄을 여과 제거할 수 있게 되며, 막 표면에 오염이 발생되더라도 왕복운동을 통해 막에 관성력을 발생시켜 제거할 수 있고, 공기 정련 방식이 아니어서 산소-결핍 조건이 유지되기 때문에 배출수를 곧바로 재순환 배관을 통해 셀레늄 환원조로 재투입할 수 있으므로 전체 공정의 처리효율을 현저히 높일 수 있다.
도 5와 도 6에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 막 여과 시스템이 적용된 형태의 단일(single stage)/2단(two stage) 혐기성 소화조(anaerobic digester)의 공정 다이아그램이 도시되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 막 여과 시스템은 산소-결핍 조건을 유지하여 운전할 수 있기 때문에 유기화합물 분해 제거를 위한 혐기성 소화조와 결합하기에 매우 적합하다. 구체적으로 막 탱크 상류 측에는 유기화합물이 포함된 폐수를 혐기성 조건 하에서 생물학적으로 혐기성 소화 처리하여 슬러지를 생성하는 한편 슬러지 상부에 부유되는 상청액(supernatant)을 막 탱크 측으로 공급하는 혐기성 소화조를 구비할 수 있다. 원수가 혐기성 소화조에 유입되면 생물학적 작용을 통해 도 5에 도시된 바와 같이 활성 소화층(active digestion) 하부로 소화 처리된 슬러지가 침전되고 상부로 상청액과 스컴(scum)이 부유되며 가스가 발생되는데, 가스와 스컴은 별도로 제거하여 최종적으로 상청액이 후단으로 이송된다. 이때 활성 소화층에 존재하는 미생물들을 가열하여 대사를 촉진할 수 있다. 이러한 방식을 단일(single stage) 방식 혹은 표준 속도(standard rate) 방식이라 한다.
또한, 도 6과 같이 2단의 혐기성 소화조를 직렬로 연결하여 운전할 수 있다. 전단에는 유기화합물이 포함된 폐수를 교반기를 통해 기계적으로 교반시켜 유기화합물과 미생물 간의 접촉을 향상시키는 한편 슬러지 히터를 통해 가열하여 미생물의 대사 속도를 촉진하여 소화 속도를 높이는 고속 소화조를 배치하고, 고속 소화조로부터 배출되는 중간 슬러지를 위에서 언급한 혐기성 소화조에 투입하는 2단 혐기성 소화조이다. 이러한 방식을 2단(two stage) 방식 혹은 고속(high rate) 방식이라 한다. 단일 혹은 2단 방식 모두 막 탱크에서 배출되는 배출수의 일부를 재순환(recycle) 가능하다.
한편, 이하, 본 발명의 막 여과 시스템의 구체적인 기계장치와 더불어 본 발명의 막 여과 시스템이 적용된 MBR 시스템에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명은 막 케이지(또는 막 카셋트)를 전후로 왕복시키기 위한 기계장치를 포함하는 막 생물반응기("MBR") 시스템에 관한 것이다. 기계장치는 공기 정련의 사용을 제거한다. 막 케이지/카셋트의 반복적인 왕복은 막 섬유들에 대하여 작용하는 관성력을 생성하고, 이는 막 표면으로부터 오염물을 떨어낸다. 시스템은 호기조 또는 별도의 막 탱크 내에 잠호되는 막 모듈을 포함하는 막 케이지/카셋트를 포함한다. 막 케이지/카셋트는 왕복 장치를 통하여 기계적으로 왕복될 수 있으며, 이는 기술된 MBR 시스템이 공기 정련을 사용하는 MBR 시스템 보다 높은 플럭스 및 보다 낮은 오염으로 작동되도록 하는 것을 가능하게 한다. 왕복 운동을 생성하기 위한 여러 기계수단들이 채용될 수 있다. 본 발명의 여러 상세들 및 이들이 연계되는 방법이 이하에서 보다 상세하게 기술한다.
도 7은 기술된 왕복 MBR 시스템의 기본 구성들을 묘사하고 있다. 시스템은 처리되어야 할 유입수(10)를 수용하기 위한 생물학적 처리 트레인(50)을 포함한다. 여러 혐기, 무산소 및 호기의 생물학적 처리 공정들이 처리 트레인(50) 내에서 실행될 수 있다. 계속해서 처리 트레인(50)으로부터의 혼합 액체(20)가 막 탱크(60) 내로 통과된다. 막 탱크(60)에는 침지된 막(70)(또는 일련의 막들(70))이 포함된다. 예를 들면, 막(들)(70)은 완전한 고-액 분리를 위한 물리적 장벽으로 사용되는 저압 정밀여과(MF) 또는 한외여과(UF) 막일 수 있다. 막 케이지/카셋트(70)는 왕복 장치(80)에 기계적으로 서로 연결된다. 본 발명에 따르면, 왕복 장치(80)는 막(70)을 왕복시키는 데 사용된다. 하나의 비-제한적인 구체예에 있어서, 왕복 장치(80)는 회전운동을 왕복운동으로 전환시키기 위한 기계장치를 사용한다. 막 탱크(60) 내의 막(70)을 통한 여과는 유출수(40)를 생성한다. 막(70)은 여과 동안 지속적으로 왕복될 수 있다. 달리, 막(70)은 오염을 방지하기 위하여 필요에 따라 선택적으로 왕복될 수 있다. 활성슬러지(30)(즉, 반송활성슬러지 또는 "RAS")의 일부는 생물학적 처리 트레인(50)에로 되돌려져서 트레인(50) 내의 슬러지 농도를 유지하도록 한다.
도 8는 왕복 장치(80)의 개략적인 구체예를 묘사하고 있다. 막 카셋트(70)는 활주 프레임(90)에 연결될 수 있다. 모터-구동되는 회전자(100)가 축(110)을 경유하여 활주 프레임(90)에 연결된다. 그에 의하여 묘사된 장치(80)는 회전자(100)의 회전 운동을 활주 프레임(90)의 회전 운동으로 전환시킨다. 왕복의 빈도는 회전자(100)가 회전되는 속도에 의해 좌우될 수 있다.
이러한 장치의 대안의 구체예가 도 9에 나타나 있고 그리고 벨트(102)를 경유하여 풀리(101)에 연결된 저속 모터(103)를 포함하여 축(110)을 통하여 회전 운동을 활주 프레임(90)의 왕복 운동으로 전환시킨다. 왕복 운동으로 인한 충격 부하는 활주 프레임(90)과 축(110) 사이의 완충기(94)에 의해 감소될 수 있다. 활주 프레임(90)은 선형 베어링과 굴대받이(91) 지지물을 수반하는 활주 레일(92)을 따라 가변될 수 있다(도 9). 소정의 왕복 운동을 제공할 수 있는 많은 다른 형태들의 기계 설비들이 존재한다. 본 발명을 고려하여 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 다른 적절한 기계장치들을 인식할 수 있을 것이다.
본 공정 발명의 여러 대안의 구체예들이 도 10 내지 도 18과 연계하여 기술된다. 도 10와 관련하여, 시스템은 일련의 생물학적 처리조들로 이루어진다. 이들에는 혐기처리조(51), 무산소처리조(52), 호기처리조(53) 및 막 탱크(60)들이 포함된다. 막(70)은 막 탱크(60) 내에 침지되고 그리고 왕복 장치(80)에 의하여 왕복될 수 있다.
혐기처리조(51)는 처리되어야 하는 유입수(10)를 수용한다. 그 후 혐기처리조(51)는 용존산소의 부재 중에서 유입수를 생물학적으로 처리하여 후속의 호기 조건들에서의 과잉흡수(luxury uptake)를 위한 인을 방출한다. 무산소조(52)에서 폐수는 산소-고갈 조건들에서 탈질된다. 비록 화학적으로 결합된 산소가 존재할 수 있기는 하나, 용존산소는 무산소조(52)로부터 배제된다. 질화 및 과잉 인 흡수(luxury phosphorous uptake)가 용존산소의 존재 중에서 호기처리조(53) 내에서 일어난다. 막 탱크(60) 중에서의 여과로 유출수(40)가 생성된다.
활성슬러지에 대한 2개의 순환라인들이 존재한다. 하나의 라인(31)은 막 탱크(60)로부터 무산소조(52)에로 반송활성슬러지(또는 "RAS")를 전송한다. 게다가, 내부 재순환 라인(32)은 무산소조(52)로부터 혐기조(51)에로 활성슬러지의 일부를 전송하여 혼합액현탁고형물(또는 "MLSS")이 유지되도록 한다.
본 발명에 있어서, RAS는 통상의 활성슬러지 또는 MBR 공정들의 2가지 역할들을 담당한다. 선행기술 시스템들에 있어서, 막 탱크로부터의 활성슬러지의 반송류는 용존산소("DO")를 포함한다. 따라서, 선행기술 시스템들에 있어서, 막 탱크로부터의 활성슬러지는 탈질 또는 인 방출에 대하여 영향을 주는 높은 함량의 용존산소로 인하여 무산소조(52) 또는 혐기조(51)에로 반송될 수 없다.
그러나 본 발명과 관련하여서는, 격렬한 폭기(air bubbling) 대신 물리적인 막 왕복이 활용되기 때문에, RAS 중의 DO가 통상의 MBR에 비하여 최소가 된다. 따라서, 본 발명에서는 슬러지 및 질산염 반송 둘 다를 위하여 단지 하나의 슬러지 반송라인 만이 요구된다.
도 11에 묘사된 시스템은 무산소처리조(52) 및 호기처리조(53)를 포함하며, 이는 공지의 변형 루드잭 및 에팅거(MLE: Modified Ludzack and Ettinger) 공정과 유사하다. 상기 기술된 바와 같이, RAS(31)는 본 발명에서는 질산염 및 슬러지 반송을 위하여 막 탱크(60)로부터 직접적으로 무산소조(52)로 진행한다.
도 12는 도 10에 묘사된 동일한 반응기들로 이루어지는 다른 구체예를 나타내고 있다. 그러나, 반송활성슬러지(33)는 혐기처리조(51)에로 진행하고 그리고 호기조(53) 및 무산소조(52) 사이에서 내부 재순환(34)이 이루어진다.
도 13은 도 12에서 기술된 공정과 유사한 구체예를 묘사하고 있다. 그러나 여기에는 내부 재순환이 존재하지 않고 그리고 RAS는 무산소조로 진행하고 여기서 탈질이 일어난다.
도 14, 도 15, 도 16 및 도 17들은 각각 도 10, 도 11, 도 12 및 도 13들에 묘사된 시스템들의 변형들이다. 그 차이는 막 탱크의 존재이다. 도 10 내지 도 13들의 시스템들은 별도의 막 탱크(60)를 가지나, 도 14 내지 도 17들의 시스템들은 별도의 막 탱크(60)를 갖지 않는다. 즉, 도 14 내지 도 17들의 탱크(53)가 막 탱크로서 그리고 생물반응기로서 기능한다.
도 18은 본 발명에서 개발된 공정의 추가의 실시예를 나타내며 이는 가장 간단한 반응기 구성들로 이루어진다. 왕복하는 막이 단일의 생물반응기 내에 잠호되고 여기에서 생물학적 제거와 막 분리 두 가지 모두가 일어난다. 반응기는 순환 순서에서 호기 및 무산소 조건들이 이루어지는 폭기된 조, 못(pond) 또는 일련의 배치반응기(batch reactor: SBR)가 될 수 있다.
본 상세한 설명은 첨부된 특허청구범위들에 포함된 것과 마찬가지로 앞서의 상세한 설명에 포함된 것들을 포함한다. 비록 본 발명이 특정한 정도의 특수성을 갖는 바람직한 형태로 기술되기는 하였으나, 바람직한 형태의 본 상세한 설명은 단지 실시예의 방법으로 이루어진 것이고 그리고 본 발명의 정신 및 관점으로부터 벗어남이 없이 구성의 상세들 및 부품들의 조합 및 배열들에서의 다양한 변화들이 기대될 수 있음은 이해되어야 한다.
[부호의 설명]
10: 유입수 20: 혼합 액체 흐름
21: 혐기조에서 무산소조로의 흐름 22: 무산소조에서 혐기조로의 흐름
23: 호기조에서 막 탱크로의 흐름 24: 무산소조에서 혐기조로의 흐름
25: 혐기조에서 호기조로의 흐름 30: 활성슬러지 반송
31: 활성슬러지 반송(막 탱크에서 무산소로)
32: 내부 재순환(무산소조에서 혐기조로)
33: 활성슬러지 반송(막 탱크에서 혐기조로)
34: 내부 재순환(호기조에서 무산소조로)
40: 유출수 50 생물학적 처리 트레인
51: 혐기조 52: 무산소조
53: 혐기조 60: 막 탱크
70: 막, 막 카셋트 80: 왕복 장치
90: 활주 프레임 91: 굴대받이를 수반하는 선형 베어링
92: 활주 레일 93: 막 카셋트 연결점
94: 완충기 100: 회전자
101: 풀리 102: 벨트
103: 저속 모터 110: 축
본 발명은 당해 기술분야에서 막 오염을 제거하거나 또는 감소시키고, 공기 정련에 의존하지 않는 개선된 막 여과 시스템들에 대한 요구를 충족시키기 위한 것으로, 잠호된 막(submerged membrane); 및 잠호된 막을 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 생성하고, 그에 의하여 왕복이 잠호된 막 상의 오염(fouling)을 감소시키는 기계적 왕복 장치;를 포함하는 막 왕복 시스템은 효과적으로 막 오염(membrane fouling)을 방지할 수 있으며, 막을 통과하는 투과액의 감소 또는 막관통압(transmembrane pressure)의 증가를 방지함으로써, 막 분리 시스템 성능 저하를 막을 수 있는 효과가 있으며, 종래의 공기 정련(air scouring)으로 인한 에너지 소모를 감소시킬 수 있으며, 무산소(anoxic)나 혐기성(anaerobic) 등의 산소-결핍 조건이나 저속 교반 조건에 적합한 공정 유닛들과 결합되어 운전될 수 있는 장점이 있으므로, 산업상 가능성이 있다.

Claims (14)

  1. 내부에 침지된 막(submerged membrane)이 구비되어 내부로 유입되는 처리 대상물인 폐수가 상기 막을 통해 여과되어 처리수를 생성하여 배출하는 막 탱크; 및
    상기 막을 전후(back and forth)로 왕복(reciprocating)시켜 관성력을 부여하여 상기 막 표면에 형성된 오염물질(foulants)을 산소-결핍 조건 하에서 떨어내는 기계적 왕복장치;를 포함하고,
    상기 막은 정밀여과(MF) 막 또는 한외여과(UF) 막인 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 2Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 1Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 30mm 이상인 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 0.5Hz 이하이고 진폭(amplitude)이 40mm 이상인 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 막의 좌우 방향 왕복 진동수(frequency)가 0.2~0.5Hz으로 저속 교반 조건으로 상기 막이 왕복되고,
    상기 막 탱크 상류 측에 응집제 투입부가 구비되어 단일한 상기 막 탱크 내에서 투입된 응집제로 인한 응집(flocculation)과 여과(filtration)가 동시에 일어나는 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 탱크 상류 측에 구비되며 셀레늄(selenium) 산화물이 포함된 폐수를 무산소(anoxic) 또는 혐기성(anaerobic) 조건 하에서 생물학적으로 환원 처리하여 생성되는 중간 처리수를 상기 막 탱크로 공급하는 셀레늄 환원조;를 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 셀레늄 환원조에서 생성되는 상기 중간 처리수가 상기 막 탱크로 공급되기 이전에 상기 중간 처리수에 응집제를 투입하는 응집제 투입부; 및
    상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부를 분리 회수하여 상기 셀레늄 환원조로 재투입하는 재순환 배관;을 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 막 탱크 상류 측에 구비되며 유입되는 유기화합물이 포함된 폐수를 혐기성 조건 하에서 생물학적으로 혐기성 소화(anaerobic digestion) 처리하여 생성된 슬러지 상부에 부유되는 상청액(supernatant)을 상기 막 탱크로 공급하는 혐기성 소화조;를 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부를 분리 회수하여 상기 혐기성 소화조로 재투입하는 재순환 배관;을 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 혐기성 소화조의 상류 측에 구비되며 유입되는 유기화합물이 포함된 폐수를 교반기(mixer)를 통해 기계적으로 교반시키고 슬러지 히터(sludge heater)를 통해 가열하여 최종 생성되는 중간 슬러지를 상기 혐기성 소화조로 공급하는 고속 소화조;를 더 포함하여 상기 혐기성 소화조와 함께 2단 혐기성 소화조(two-stage anaerobic digester)를 이루는 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 막 탱크에서 배출되는 처리수의 일부가 상기 고속 소화조에서 배출되는 상기 중간 슬러지와 혼합되어 상기 혐기성 소화조로 투입되도록 분리 회수하는 재수환 배관;을 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계적 왕복장치는,
    축을 경유하여 활주 프레임에 서로 연결되는 회전자(rotor); 및 상기 막(70)과 상호 연결되는 활주 프레임;을 포함하고,
    상기 활주 프레임이 상기 막을 왕복시키는 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 기계적 왕복장치는, 벨트를 경유하여 풀리(pulley)에 연결되어 상기 회전자를 회전시키고 이에 의해 발생되는 상기 축의 회전운동을 상기 활주 프레임의 왕복운동으로 전환시키는 저속모터(low RPM motor);를 더 포함하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
  14. 청구항 12 또는 13에 있어서,
    상기 활주 프레임에는 왕복운동으로 인한 충격 부하를 감소시키기 위하여 상기 활주 프레임과 축 사이에 구비되는 완충기(damper); 및 상기 활주 프레임이 활주 레일을 따라 이동될 수 있도록 마련되는 선형 베어링(linear bearings)과 굴대받이(pillow block) 지지물;이 구비되는 것을 특징으로 하는 왕복하는 침지형 막 여과 시스템.
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