KR100427651B1

KR100427651B1 - 나노 생물막 반응조를 이용한 수처리 방법

Info

Publication number: KR100427651B1
Application number: KR10-2001-0046800A
Authority: KR
Inventors: 독고석
Original assignee: 독고석
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2004-04-27
Also published as: KR20030011397A

Abstract

본 발명은 나노 생물막 반응조를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 나노여과막 모듈을 구비한 생물막 반응조에 처리하고자 하는 원수를 공급하는 단계; 상기 나노여과막 모듈이 처리하고자 하는 원수 중에 침지되도록 하는 단계; 상기 나노여과막 모듈에 흡인압이 걸리도록 하는 단계; 및 상기 원수를 나노여과막 모듈을 통해 통과시켜 원수 중의 유기물 및 이온성 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.

Description

나노 생물막 반응조를 이용한 수처리 방법{Process for water treatment using nanofiltration membrane bio-reactors}

본 발명은 생물막 반응조를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노여과막을 채용한 생물막 반응조를 이용하여 상수 및 하수를 효율적으로 처리할 수 있는 방법에 관한 것이다.

멤브레인 시스템을 이용하여 상수 및 하수를 처리하는 방법은 널리 알려져 있다. 그리고 많은 경우에 있어서 정밀여과막(microfiltration membrane) 및 한외여과막(ultrafiltration membrane)을 이용한 침지형(submerged type) 반응조는 유출수의 수질 뿐만 아니라 처리비용면에서 만족스러운 결과를 나타낸다.

침지형 생물여과막 반응조는 여과막을 처리하고자 하는 하수에 직접 침지하여 흡인하는 방식으로 기존의 활성슬러지를 이용한 전통적인 생물학적 하수처리 방식과 물리적 여과방식인 여과막을 결합한 방식으로서, 장치의 콤팩트화 및 처리효율증가로 인하여 하수처리에 서서히 도입이 증가되고 있다. 침지형 생물여과법의 효율을 좌우하는 것은 멤브레인의 여과능력이기 때문에, 생물여과막 반응조에서 멤브레인의 파울링(fouling) 방지는 최대 관심사가 될 수밖에 없다.

종래 생물여과막 반응조에 사용되는 여과막은 한외여과막 또는 정밀여과막 이다.

한외여과막은 보통방법으로 거르기 곤란한 콜로이드 입자를 분산매에서 거르는데 사용되며 콜로이드의 정제, 농축 및 입자의 균질화에 이용되고 있다. 콜로디온막, 젤라틴막, 셀로판막이 사용되고 있는데 이들을 제조할 때 용액의 농도, 용매의 종류, 건조 온도 등의 조건에 따라 구멍크기가 다른 막이 얻어진다. 일반적으로 한외여과막의 막공 크기는 0.01∼0.1 ㎛이며 분획분자량으로 표시되어 진다.

정밀여과막은 막공이 0.1∼0.4 ㎛인 특성을 갖는 멤브레인을 지칭한다.

한편, 나노여과막은 일반적으로 하전을 지니고 있으며, 1∼수 nm의 막공을 지니고 있다고 알려져 있고 종래에는 역삼투막과 함께 염류, 소독부산물, 바이러스 등을 제거하는 용도로 사용되고 있다.

나노여과막을 이용한 분리 메커니즘은 크기 배제(size exclusion) 기능 및 정전 상호작용에 의한 대전효과의 관점에서 주로 알려져 있다. 즉, 체(sieve) 배제에 의하면 글루코스와 같은 중성물질에 대한 배출이 지배적이고 이온은 하전효과에의해 멤브레인 표면으로부터 서로 끌리거나 반발하게 된다. 분자체 배제의 중요성과 함께 하전효과는 술폰화 작용기 또는 카복실산과 같은 표면 작용기의 해리에 의해 비롯된다. 최근, 나노여과막의 정전 특성은 음이온에 대한 배제 효과를 조절하는 역할을 하는 것으로 알려졌다. 즉, 나노여과막에 대한 음의 제타 포텐셜은 다양한 pH 및 이온용액의 농도에 따라 변화한다. 멤브레인 표면의 정전 전하 변화에 대한 연구도 실시되고 있고, 특히 다소 막공이 큰 나노여과막을 사용하는 경우에 낮은 압력 하에서의 운전이 음이온에 대한 배제 효과를 낮출 수 있는 원인 중 하나가 될 수 있다는 것도 연구된 바 있다.

이와 같은 특성을 갖는 나노여과막을 폐수처리에 이용하고자 하는 시도가 활발하게 진행되고 있는데, 구체적으로 예를 들면, 대한민국 특허출원공개 제95-11344호는 "화학침전-정밀 및 나노여과의 혼성 시스템에 의한 폐수의 무방류-재이용 기술"에 관한 것으로서, 화학적 침전처리된 폐수를 공정수를 재이용하는데 방해가 되는 성분인 과포화된 여과 고형물을 나노여과법으로 제거하는데 있어서 농축수를 정밀여과법에 의해 중간처리한 후 순환시키는 시스템을 개시하고 있다. 상기 출원에서 사용한 나노여과막은 2가 이온 배제율이 높은 분리막이며, 작동 압력이 5∼20 기압이고, 막의 모듈은 평판형 또는 나선형임을 특징으로 하고 있다.

또한, 대한민국 특허출원공개 제99-36389호는 "나노여과막을 장착한 오수처리시설"을 발명의 명칭으로 하며, 생물학적인 방법 및 물리학적인 방법과 같은 기존의 오폐수 처리시설 말단에 10∼100Å 범위의 분리능력을 가진 나노여과막을 장착한 공정을 개시하고 있다. 이 출원은 또한 나노여과막의 오염을 최대한 방지하기위하여 나노여과막의 전단에 나일론, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 면과 같은 재료로 이루어진 실을 10∼100 mm 크기의 부정형 또는 구형으로 감은 전처리 필터를 사용하여 나노여과막의 사용수명을 연장하고자 노력하고 있다.

한편 미국특허 제6,146,532호는 호기성 및 혐기성 처리조와 같은 생물학적 처리방법으로 폐수를 처리함에 있어서, 생물학적 처리조의 전단에 불용성 고형물을 제거하기 위한 멤브레인 분리공정을 두는 것을 특징으로 하는 생물학적 폐수처리방법을 개시하고 있으며, 상기 멤브레인 분리공정에 사용되는 여과막으로는, 정밀여과막, 나노여과막, 한외여과막을 사용할 수 있음을 언급하고 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 나노여과막을 이용하여 유기물, 무기물 및 미생물 오염물과 같은 복잡한 수질 요건에 부합하기 위하여 나노여과막 (nanofiltration membrane)을 사용하는 다양한 기술이 제안되고 있으나, 나노여과막은 가압방식으로 처리효율이 좋음에도 불구하고 5∼20 기압의 고압이 요구되어 많은 에너지를 필요로 한다. 최근, 2∼5 기압의 낮은 압력으로 작동가능한 초저압형 나노여과막이 개발되어 많은 주목을 받고 있다.

그러나 나노여과막은 막공이 1∼3 나노미터에 불과하기 때문에 용존 물질에 의한 막힘(파울링) 때문에 침지형 생물여과법에 나노여과막이 성공적으로 적용된 예는 없다.

본 발명은 나노여과막을 침지형 생물막 반응조에 성공적으로 도입함으로써 낮은 에너지로도 효과적으로 상수 또는 하수를 처리할 수 있는 방법을 제공하고자한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노 생물막 반응조의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 나노 생물막 반응조의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 사용한 나노막에 대하여 막투과압력(TMP) 변화에 따른 플럭스의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 나노막에 대하여 pH 변화에 따른 제타포텐셜의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 사용한 나노막에 대하여 음이온의 농도 변화에 따른 제타포텐셜의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에서 사용한 나노막에 대하여 단일 용질의 농도변화에 따른 배제율 변화를 나타내는 그래프이다.

도 7은 NaCl 용액내에서 연속 및 단속운전시 TMP 변화에 따른 배제율 변화를 나타내는 그래프이다.

도 8은 K₂HPO₄용액내에서 연속 및 단속운전시 TMP 변화에 따른 배제율 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9는 실시예 3에서 나노막의 TMP 변화에 따른 플럭스 변화를 나타낸다.

도 10은 나노막 및 정밀 여과막에 대하여 TMP 변화에 따른 플럭스 변화를 나타낸다.

도 11은 나노막 및 정밀 여과막에 의한 유기물질 배제율을 비교한 그래프이다.

도 12는 나노막에 의한 유기물질 및 음이온 배제율을 나타낸 그래프이다.

도 13은 세척공정시 TMP 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

2가 이하의 음이온의 배제율이 50%이하인 나노여과막 모듈을 구비한 생물막 반응조에 처리하고자 하는 원수를 공급하는 단계; 상기 나노여과막 모듈이 처리하고자 하는 원수 중에 침지되도록 하는 단계; 상기 나노여과막 모듈에 0.01∼0.09MPa의 흡인압이 걸리도록 하는 단계; 및 상기 원수를 나노여과막 모듈을 통해 통과시켜 원수 중의 유기물 및 이온성 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명에 의한 나노 생물막 반응조를 이용한 수처리 방법은 연속 운전 또는 단속 운전될 수 있다.

본 발명에 의한 수처리 방법을 단속 운전하는 경우에는 10분 내지 20분인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노여과막 모듈이 평막이 말려있는 와권형일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 나노여과막 모듈이 중공사 나노막일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 생물막 반응조에 폭기수단이 구비되어 폭기하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 나노여과막 모듈을 물리적 또는 화학적으로 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예 1>

도 1에 도시된 것과 같은 실험장치를 준비하였다. 반응조는 유효용적 24 리터의 투명한 PVC 재질로 제작하였으며, 그 내부에 나노여과 막모듈을 직접 침지시켰다. 사용한 막모듈은 멤브레인 시트가 완전히 방향족 폴리아미드로 이루어진 니토덴코(Nitto Denko) LES 90 와권형 모듈이었다. 막모듈에 감압펌프를 연결하여 0.01∼0.09 MPa 의 흡인압을 걸었다. 나노여과 멤브레인의 유효면적은 1.8 m²이었다.

순수내 다양한 막투과 압력에서 플럭스 최적 조건을 테스트하였다. 활성 슬러지 반응조에서 15분마다 연속 및 단속운전을 실시하여 예비운전으로서 정체 조건의 영향을 파악하였다.

통상의 정밀여과 중공사 막모듈(미쯔비시 레이온사 제품, 막공 0.1 미크론)을 동일한 반응조에 침지시켜 운전한 후 결과를 비교하였다.

2차 시도로서, 나노여과막만으로 37일간 운전한 후 나노여과막에 의해 배제된 상등액의 영향을 검사하였다. 44일간의 1차 시도후 나노여과막 멤브레인의 표면은 부드러운 솔로 청소하였다. 1차 및 2차 운전 종료후 물리적으로 그리고 화학적으로 세정하여 멤브레인의 저항을 측정하였다. 화학적 세정에는 NaOH 0.2% 수용액을 사용하였다.

실험실에서 사용한 합성 폐수의 조성은 다음 표 1과 같다.

물 질	함 량(g/L)
글루코스	0.7(1차 운전)0.2(2차 운전)
NH₄Cl	0.2
K₂HPO₄	0.1
CaCl₂.2H₂O	0.05
MgSO₄.7H₂O	0.05
KCl	0.05
MnSO₄	0.02
FeSO₄.7H₂O	0.02

활성슬러지 혼합액을 원심분리한 후 상등액을 GF/C필터(0.45 미크론)으로 여과하였다. MLSS 초기농도는 약 7,600 mg/L 이었다. 반응조내 슬러지는 실험 초기부터 배수시키지 않았다. 반응조의 수리학적 체류시간(HRT)은 1차 운전시 1.5일이었으며, 2차 운전시 1일로 하였다. 초기 TMP(transmembrane pressure)는 0.02 MPa 로 흡인압을 설벙하였다. 유기물질은 TOC 5000(시마쯔)로 측정하였고, 음이온은 IC(요코가와)로, 멤브레인의 제타 포텐셜은 ELS 8000(오츠카)로 측정하였다. 온도는 20 ±4℃ 내로 유지하였다. pH는 NaHCO₃를 이용하여 7.0 ±0.5로 조정하였다. DO농도는 2-3 mg/L로 유지하였다. TMP 및 TOC와 같은 다른 실험조건은 표 2에 나타낸 바와 같이 변화시켰다. 1차 운전에서는 NF와 MF를 함께 사용하였고, 2차 운전시에는 NF만 사용하였다.

구 분	1차 운전	2차 운전
타 입	NF+MF	NF
TMP(MPa)	0.02(1-13일)0.03(14-49일)	0.04 (50-81일)
TOC(mg C/L)	250-350(1-44일)	100-150 (45-81일)

멤브레인 특성 테스트

LES 90 NF 멤브레인 모듈을 활성 슬러지 반응조에 담그기 전에 초기 플럭스 및 막투과압력(TMP)을 측정하여 막특성을 평가하였다. 도 3에 나타낸 바와 같이 플럭스는 0.04∼0.24 m/d의 범위에서 변화하였고, TMP는 0.01∼0.09 MPa의 범위에서 변화하였다. 운전조건은 멤브레인의 파울링이 최소화될 수 있도록 0.02∼0.04 MPa의 낮은 TMP로 결정하였다. NaCl 0.001 M의 배경 전해질에서 pH를 변화시켰을 때 NF 멤브레인의 제타 포텐셜은 도 4와 같이 측정되었다. 등전점은 pH 2.0 과 pH 3.0 사이에 존재하며, pH 3 이상에서는 표면전하가 음의 값을 가지며, 등전점 아래에서는 양의 값을 갖는 것을 알 수 있다. pH가 5∼10 일 때, 제타 포텐셜은 -40 ∼ -50 mV의 정체기에 있으며, pH 5 이하에서는 급하게 양의 방향으로 증가하는 것을 알 수 있다. 술포네이트 작용기는 LES 90 멤브레인의 표면에 음의 전하를 부여하는 것으로 판단된다. 제타 포텐셜은 이온흡착특성, 용액의 pH 및 농도에 의해 좌우된다.

단일 용질 농도에 따른 제타 포텐셜 및 배제율

혼합 용액에 침지시키기 전에 단일 용질에 대한 배제율과 NF 멤브레인 표면에 대한 제타 포텐셜 및 배제율에 대한 영향을 0.09 MPa의 감압에서 테스트하여 멤브레인의 물리적 및 화학적 특성을 조사하였다.

도 5에 나타난 바와 같이, NaCl 용액의 농도가 0.001-0.1 mol/L 로 변화함에 따라 LES 90 NF 멤브레인의 제타 포텐셜은 -48 ±2 mV에서 -20 ±4 mV로 증가하였다. 즉 NaCl 및 K₂HPO₄의 농도가 증가함에 따라 음의 제타 포텐셜이 증가한다. 멤브레인 표면에서 제타 포텐셜의 감소는 멤브레인 표면의 스턴층(Stern layer)의 길이를 단축시킴으로써 공통이온(co-ion)에 대한 반발력을 감소시키는 역할을 한다.

이온 용액의 농도를 증가시키면 수화 이온의 반경이 감소한다. 즉, 이온의 크기가 작아지면 NF 멤브레인을 보다 용이하게 통과할 수 있다. 막표면과 이온 사이의 정전 반발력은 도 6에 나타난 바와 같이, 1가 음이온보다 2가 음이온에 대한 배제율이 더 양호하게 나타나는 이유를 설명해준다. 1가 음이온, NaCl에 대한 제타 포텐셜보다 2가 음이온, K₂HPO₄에 대한 제타 포텐셜이 낮다.

도 6은 2가 및 1가 음이온의 다양한 농도에 대하여 NF 멤브레인의 배제효율을 보여준다. 0.001-0.011 mol/L로 농도가 증가함에 따라 배제율은 K₂HPO₄에 대하여 약 7%, NaCl에 대하여 약 12% 감소하였다. 침지형 시스템에서도 1가 음이온보다 2가 음이온의 배제율이 높게 나타났다.

<실시예 2>

본 실시예에서는 LES 90 모듈을 채용한 뱃치형 활성 슬러지 반응조에서 예비 운전하여 연속 및 단속 운전에서 막투과압력(TMP)의 영향을 평가하였다.

활성 슬러지 반응조에서 다양한 막투과 압력이 연속 및 단속 운전에 미치는 영향을 평가하였다. NF 생물반응조에서 연속 운전의 경우에 NF 멤브레인의 표면이 바이오파울링(biofouling) 되는 것을 방지하기 위하여 매 15분마다 온/오프하여 단속운전을 실시하였다.

한외여과막 및 정밀여과막을 이용한 경우에는 이온물질이 막공을 통하여 용이하게 통과하기 때문에 공전주기(idling period) 동안 이온물질에 대한 투과액측 영향은 우려할 필요가 없지만, NF MBR 시스템에서는 공전 주기 동안 전자 삼투 효과의 영향에 의해 벌크 용액내 이온이 정체 조건에서 투과액측에 영향을 미칠 수 있다.

공전주기의 정체 조건에서 대류 및 확산의 영향을 평가하기 위하여 도 7 및 도 8에 연속 및 단속 운전 결과를 비교하여 나타내었다. 도 7은 NaCl의 용액내에서의 결과를 도 8은 K₂HPO₄의 결과를 각각 나타낸다. 표 1의 실시예 2에서 사용한 것과 동일한 합성폐수를 사용하였다. 다른 이온 및 유기물질의 간섭으로 인하여 연속운전에서의 배제율은 도 6에 나타낸 단일 용질의 경우보다 약간 낮다. NF 멤브레인의 압력 구동식 운전 결과, NF MBR에서 흡인압을 증가시킬수록 배제율이 증가하였다. 2가 음이온의 경우보다 1가 음이온의 배제율은 낮고 TMP 의존도가 크게 나타났다.

15분간의 공정주기 동안, 배제율 감소는 2가 음이온에 대해 약 5-15%, 1가 음이온에 대해 약 10% 이었다. 그러나, 이러한 감소율은 전자 삼투효과에 대한 용액의 농도 구배에 의존하였다. 장기간 동안 운전한다면 도 12에 나타낸 수준까지 감소할 것으로 기대된다.

<실시예 3>

전술한 바와 같은 특성을 갖는 LES 90, NF MBR을 이용하여 침지형 NF 멤브레인 모듈을 81일간 합성 폐수를 이용하여 실제로 운전하였다. 1차 및 2차 운전에 있어서, TMP는 13, 37 및 32일간 각각 0.02, 0.03 및 0.04 MPa의 3단계로 조절되었다. 도 9는 각 단계의 TMP에 대한 NF의 결과 및 운전주기 동안 플럭스의 변화를 나타낸다. 0.02, 0.03 및 0.04 MPa 범위에서 플럭스 감소율은 각각 52%, 56% 및 62% 이었다. TMP가 다음 단계로 증가될 때마다 플럭스 감소율 또한 증대되었다. 이후에서 NF 시스템에서 플럭스 감소의 주원인은 멤브레인 표면의 저항과 비교하여 관찰하였다.

운전 주기동안, 1차 운전 후에 부드러운 솔로 물리적 세척을 실시하여 멤브레인 상에 케이크층을 제거하였더니 플럭스가 초기 조건으로 회복되었다. 이후 멤브레인 표면 저항을 측정한 결과 미생물 플록과 같은 부유물질이 이 시스템의 물리적 파울링을 야기하는 주원인인 것으로 판명되었다. 운전 44일째 되는 날 기질의 TOC가 150mg/L로 감소하고 플럭스가 약간 증가하였다. 이는 유기물질의 농도가 감소하였기 때문이다.

1차 운전 후 NF 및 MF의 결과를 비교하여 나타내면 도 10과 같다. MF의 TMP는 실험하는 동안 0.008 MPa로 고정되었다. NF의 플럭스가 각각의 단계마다 변동하면서 변화함에도 불구하고, MF의 플럭스는 동일한 기간동안 23% 감소하였다. 예상한대로, MF의 플럭스는 20일째 운전 후 일정하게 유지되었다.

NF MBR에서 각각의 물질에 대한 배제효율

1차 및 2차 운전동안 유기물질 및 음이온에 대한 NF MBR의 배제율을 시험하였다. NF 및 MF에 대한 1차 운전결과는 도 11과 같다. NF 및 MF MBR에 관한 한 이들을 동일한 반응조에서 장시간 동안 운전한다면 반응조 내에서 NF 멤브레인에 의해 배제되는 물질의 축적 효과를 정확하게 파악하는 것이 곤란하다. NF에 의해 배제된 물질이 MF 막공을 통과할 수 있다. 상등액의 효과를 검토할 목적으로, 2차 운전에서는 MF없이 NF 멤브레인 만으로 0.04 MPa 의 흡인압하에서 운전하였으며 그 결과를 도 12에 나타내었다. 도 12의 배제율은 겉보기(apparent) 배제율, 즉 투과액과 상등액(즉, 공급액이 아닌)의 관계에 의한 값이다. 이들의 기울기는 장시간 동안 물질의 축적 가능성을 나타낸다.

<유기물질>

유기물질에 대한 NF 및 MF의 배제율은 도 11에 TOC로서 나타나있다. NF 및 MF의 배제율은 각각 약 99%, 98%이다. 7일간의 NF 초기 조건에서, 투과액의 TOC는 변동하였다. 그러나, 1차 운전 주기 동안, NF의 경우 투과액의 TOC는 14일간 1 mgC/L로 나타났으나, MF의 경우에는 3-7mg/L로 나타났다. NF의 배제율이 MF보다 평균 약 2.5배 높게 나타났다. NF의 결과와 MF의 결과는 서로 상관관계가 있다. 이는 도 6과 관련하여 언급한 것처럼, 상등액 또는 물질의 농도가 투과액의 농도에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 유기물질은 다른 음이온 보다 높은 배제율을 나타낸다. 그러나, 상등액중 미생물에 의하여 분해되지 않는 유기물질은 축적될 가능성이 높다.

<1가 음이온>

Cl^-와 같은 1가 음이온에 대한 낮은 배제율이 도 11에 나타나 있다. 낮은 배제율의 이유는 낮은 흡인압 하의 운전 및 도 7에서 언급한 것과 같은 단속운전 때문인 것으로 생각된다. 실험결과 기울기가 거의 제로이기 때문에 상등액내 1가 음이온의 축적은 나타나지 않은 것을 알 수 있었다.

<2가 음이온>

2가 음이온의 투과율과 관련하여, 도 12의 1가 음이온 보다 2-4배 높게 나타났다. 투과액의 농도는 유출액의 농도가 증가함에 따라 증가하였으며, 증가율이 1가 음이온 보다 약간 높게 나타났다. 1가 음이온과 같이, 2가 음이온은 상등액에 축적되지 않았다. 이것은 NF MBR을 사용하게 되면, 반응조의 생물학적 처리 역할과는 별개로 폐수 중에 함유된 HPO₄ ^2-2가 음이온의 방출을 물리적으로 차단할 수 있음을 의미한다. 또한, NF MBR에서 1가 음이온에 대한 낮은 배제율은 축적되면 삼투압을 증대시킬 수 있는 상등액내 음이온의 농도를 감소시키는데 중요한 역할을 한다.

엔지니어링의 관점에서 볼 때, 유기물질에 대한 높은 배제율과 이온에 대한 낮은 배제율은 NF MBR을 폐수처리에 적용함에 있어서 매우 바람직한 특성이다.

<플럭스 감소의 주원인>

NF MBR은 막투과압력이 일정하게 유지됨에도 불구하고 플럭스가 급격하게 감소되는 경향이 있다. 이러한 현상은 NF MBR 시스템의 단점이 될 수도 있는데, 파울링의 주원인을 분석하기 위하여 81일간의 운전후 물리적 및 화학적 세척을 실시하였다. 세척공정 중에 측정한 막투과압력 및 저항을 도 13에 나타내었다. 물리적 세척만으로도 플럭스가 신속하게 회복되는 것을 알 수 있다. 플럭스에 영향을 미치는인자는 다음 수학식 1과 같다.

상기 식 중, P는 막투과압력(Pa), μ는 물의 점도(Pa·s), Rm은 초기 저항(m^-1), Rc는 케이크층 저항(m^-1), Ra는 흡착저항(m^-1)이다.

도 13에서, Rc는 (Rm+Ra)보다 2-2.5배까지 높게 변화하고 있고, Ra는 Rm과 거의 동일하다. 이것은 급격한 플럭스의 감소가 NF 멤브레인 표면의 케이크층에 기인하며, 흡착은 운전하는 동안 파울링에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 물리적 세척만으로도 플럭스가 초기 조건으로 쉽게 회복될 수 있는 것이다.

이러한 이유로 인하여, NF MBR에서 낮은 TMP 임계 플럭스 하에서의 운전이 높은 TMP에서의 운전보다 유리하다.

본 실시예에서는 와권형 NF 모듈을 사용한 침지형 생물막 반응 시스템을 예로들어 설명되었지만 물리적 파울링이 보다 감소될 것으로 예상되는 NF 중공사 시스템도 동일하게 적용가능하다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 중공사 나노막 모듈을 장착한 침지형 생물막 반응조의 개략적인 구성을 나타낸다.

본 발명에 의하면, 0.01-0.09 MPa의 낮은 흡인압하에서 나노여과막 모듈을 채용한 침지형 생물반응조가 폐수처리에 유용하다는 것을 알 수 있다. 본 발명에의한 방법은 투과액의 TOC가 14일간의 운전시 1mg C/L 이하로 나타난 반면 정밀여과막(MF)의 경우에는 3-7mg C/L로 나타났다. NF 멤브레인에 의해 배제된 1가 및 2가 음이온은 상등액에 축적되지 않았으며 이는 상등액내 음이온 축적으로 인한 높은 삼투압 문제를 염려가 필요가 없게 해준다.

Claims

2가 이하의 음이온의 배제율이 50%이하인 나노여과막 모듈을 구비한 생물막 반응조에 처리하고자 하는 원수를 공급하는 단계;

상기 나노여과막 모듈이 처리하고자 하는 원수 중에 침지되도록 하는 단계;

상기 나노여과막 모듈에 0.01∼0.09MPa의 흡인압이 걸리도록 하는 단계; 및

상기 원수를 나노여과막 모듈을 통해 통과시켜 원수 중의 유기물 및 이온성 불순물을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
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제1항에 있어서, 연속 운전 또는 단속 운전되는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
제3항에 있어서, 단속운전시 공정주기는 10분 내지 20분인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노여과막 모듈이 평막이 말려있는 와권형인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노여과막 모듈이 중공사 나노막인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 생물막 반응조가 호기성 또는 혐기성 처리조인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 생물막 반응조에 폭기수단이 구비되어 폭기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 생물막 반응조가 활성 슬러지 반응조인 것을 특징으로 하는 수처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 나노여과막 모듈을 물리적 또는 화학적으로 세정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 방법.