KR20150050741A - 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 막분리조에 공기와 함께 입자성 물질을 투입하고 막에 공기와 입자성 물질이 동시에 충돌하게 함으로써 막 파울링을 줄일 수 있는 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.
본 발명은, 하수를 처리하기 위한 하수 고도 처리장치에 있어서, 상기 하수의 인 방출 및 유기물 제거를 위한 혐기조; 상기 하수의 탈질 및 유기물 제거를 위한 무산소조; 상기 하수의 질산화, 유기물 산화 및 고액분리를 위한 막을 포함하는 막분리조; 상기 막분리조에의 막에 공기를 충돌시키기 위하여 공기를 주입하는 위한 폭기 수단; 상기 막분리조에 상기 폭기 수단에 의해 주입되는 공기와 함께 상기 막에 충돌할 수 있는입자성 물질을 주입하기 위한 입자성 물질 주입수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치를 제공한다.

Description

막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법{Advanced wastewater treatment MBR(Membrane Bio-reactor) process for reducing membrane fouling}

본 발명은 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 막분리조에 공기와 함께 입자성 물질을 투입하고 막에 공기와 입자성 물질이 동시에 충돌하게 함으로써 막 파울링을 저감할 수 있는 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법에 관한 것이다.

수처리에 사용되는 가압식 막이나 침지형 막 등 막을 사용하는 공정에 있어서 막의 파울링(fouling)은 막공정의 운영이나 막의 수명에 큰 영향을 미치는 인자이다. 막 파울링에는 여러 가지의 인자가 영향을 미치는데 일반적으로는 막과 미생물 또는 막과 파울런트(foulant) 간의 상호작용에 의한 케이크 층 형성 및 공극의 막힘이 막 파울링의 원인으로 가장 큰 원인으로 알려져 있다.

막이 오염되면 막모듈의 공극을 막은 물질들을 제거하기 위하여 공기나 물, 또는 소량의 약품을 첨가한 물 등을 이용하여 막을 정기적으로 세척하게 되며 이를 역세정이라 부른다.

전술한 역세정 공정을 통하여 막모듈의 공극을 막는 물질들의 일부분은 제거되지만, 역세정 공정을 수행하더라도 회복되지 못하는 비가역적 막모듈의 오염은 불가피하다. 역세정 공정에 의해서도 막모듈에서 제거되지 못한 오염물에 의해 막모듈의 차압이 늘어나게 되고 그 차압이 막모듈의 한계 차압에 도달하게 되면 막모듈에 의한 처리를 정지하고 화학약품에 의해 막모듈을 세척하게 되는데 화학약품의 농도에 따라 비교적 낮은 농도의 화학약품으로 막을 세정하는 강화침지세정(CEB; Chemically Enhanced Backwashing) 작업을 하기도 하고 비교적 높은 농도의 화학약품으로 막을 세정하는 화학세정 공정(CIP; Clean In Place) 공정을 수행하기도 한다. 이러한 화학세정 공정은 고농도의 다양한 약품을 통해 막모듈 내에 축적된 막오염 물질을 씻어내는 공정으로서 통상 하루 이상 막모듈 하수처리 공정을 정지하게 되며, 하수 처리장에 설계된 유량만큼을 처리하기 위해 세정하지 않는 다른 막모듈 공정에서 화학세정을 하는 막모듈 공정이 부담해야 할 하수량을 처리해야 하므로 화학세정을 하지 않는 막모듈 공정의 막오염을 증가시킬 수 있는 여지가 있는 문제점도 있다.

한편, 막여과 공정을 적용함에 있어서 막오염을 줄이기 위해 응집-침전과 같은 기존의 하수처리 공정과 혼합하는 경우가 있는데, 이는 막오염 측면에서는 긍정적이긴 하나, 소요되는 부지면적의 과다 및 관리 포인트가 증대되는 등의 단점이 있다. 특히 침전지의 경우, 필요한 부지 면적이 클 뿐만 아니라, 관련되는 슬러지 처리설비 등의 기기설비도 소요되며, 주기적인 청소 등을 위해 소요되는 인력이나 유지관리비용도 소요된다.

이처럼 막에 오염물질이 쌓이는 막 파울링이 발생하면 여러 가지 문제가 생기므로 운전과정을 최적화하여 막 파울링을 최소화하기 위한 노력이 필요하다. 그러나 아무리 운전 최적화를 하더라도 막 파울링을 막을 수는 없으며 막 파울링이 일어난 상태에서 계속적인 여과를 하게 되면 물리적 화학적 세정을 하더라도 막의 성능이 회복되지 않을 수 있는데 이는 막 파울링과 막 자체의 열화가 동시에 진행될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 막 파울링은 여과 성능 저하뿐만 아니라 막의 수명에도 영향을 미치므로 막 파울링에 영향을 미치는 요소들을 제거하는 것이 매우 중요하며 그러한 노력으로 막 표면에서 미생물의 군집형성을 막는 화학물질을 첨가하는 방법이나 공기 방울을 막의 표면과 충돌시켜 그 마찰에 의해 막의 표면을 물리적으로 세정하는 방법 등이 연구 또는 현장에 적용되고 있지만 현실적으로 구현이 어렵거나 과다한 동력비가 투여되거나 과폭기 등의 문제를 발생하게 된다.

본 발명은 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 막 파울링을 최소화할 수 있는 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법을 제공하는 것이다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

하수를 처리하기 위한 하수 고도 처리장치에 있어서,

상기 하수의 인 방출 및 유기물 제거를 위한 혐기조;

상기 하수의 탈질 및 유기물 제거를 위한 무산소조;

상기 하수의 질산화, 유기물 산화 및 고액분리를 위한 막을 포함하는 막분리조;

상기 막분리조에의 막에 공기를 충돌시키기 위하여 공기를 주입하는 위한 폭기 수단;

상기 막분리조에 상기 폭기 수단에 의해 주입되는 공기와 함께 상기 막에 충돌할 수 있는 입자성 물질을 주입하기 위한 입자성 물질 주입수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치를 제공한다.

상기 입자성 물질은 분말 활성탄인 것이 바람직하다.

상기 입자성 물질 주입수단은 주입된 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지 양의 비율을 기준으로 주입되는 입자성 물질의 양을 결정할 수 있다.

상기 막분리조의 막은 가압식 또는 침지식 막을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명은,

무산소조, 혐기조, 폭기 수단에 의해 폭기 되는 호기성 막분리조를 포함하는 하수 고도 처리장치의 운영방법에 있어서,

상기 막분리조에 공기와 함께 입자성 물질을 주입하여 상기 막분리조의 막에 공기와 입자성 물질이 막에 충돌하도록 운영하는 것을 특징으로 하는 하수 고도처리장치의 운영방법

상기 입자성 물질로 분말 활성탄을 주입하는 것을 특징으로 하는 하수 고도처리장치의 운영방법을 제공한다.

상기 입자성 물질의 주입량은 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지의 무게를 기준으로 계산되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 막 파울링을 줄이어 막 세정의 주기를 늘리고 이로 인하여 막의 사용수명을 연장할 수 있도록 구조가 개선된 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명을 가압식 막 공정에 적용할 경우 막 파울링의 형성 저하에 이상적인 순환 유량을 줄임으로써 가동이 필요한 동력비를 종래의 1/2 내지 1/3로 줄일 수 있는 막 파울링 저감형 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하수 고도 처리장치를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 하수 고도 처리장치를 설명하기 위한 개략도.
도 3은 도 2에 도시된 하수 고도 처리장치의 효과를 설명하기 위한 실험 결과를 도시한 도면.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하기로 한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하수 고도 처리장치를 설명하기 위한 개략도이다.

본 실시예에 따른 하수 고도 처리장치는 하수를 처리하기 위한 시설로서 도 1에 도시된 바와 같이 혐기조(10), 무산소조(20), 호기조(30), 침지식 막모듈(31), 폭기 수단(40), 입자성 물질 주입수단(50)을 포함하여 이루어지며, 이 외에도 도시되지는 않았지만 펌프와 배관 등을 포함하고 있다.

상기 혐기조(10)에서는 하수 내의 인 방출 및 유기물 제거가 이루어진다.

상기 무산소조(20)에서는 탈질과 유기물 제거가 이루어진다.

상기 호기조(30)는 폭기 수단(40)에 의해 호기성 상태로 유지되며 질산화, 유기물의 산화가 이루어진다.

상기 침지식 막모듈(31)은 상기 호기조(30) 내부에 배치되어 하수의 고액분리를 하게 된다.

전술한 구성에 의한 질소의 제거는 호기조(30)에서 질산화된 질산성 질소가 무산소조(20)로 반송(내부반송) 후 탈질되어 이루어지며, 공정의 MLSS를 일정하게 유지하기 위하여 호기조(30)에서 혐기조(10)로 반송(외부반송) 된다. 외부반송과 내부반송을 위한 배관이나 펌프는 일반적으로 적용되는 구성에 관한 것이므로 도시상의 편의를 위하여 도 1 및 도 2에서 생략하였다.

상기 폭기 수단(40)은 상기 호기조(30)에 공기방울을 주입하여 호기조(30) 내부를 호기성 상태로 만드는 동시에 공기방울이 호기조(30)의 침지식 막모듈(31)의 막에 충돌하도록 함으로써 막 파울링을 최소화한다.

전술한 무산소조(10), 혐기조(20), 호기조(30)에 의한 하수 처리 메커니즘은 종래의 하수 고도 처리장치에 사용되어 오던 구성들과 실질적으로 동일하므로 처리 과정에 있어서 물질 수지나 반응식 등에 관한 설명은 생략하기로 한다.

상기 입자성 물질 주입수단(50)은 상기 폭기 수단에 의해 주입되는 공기와 함께 상기 침지식 막모듈(31)의 막에 충돌할 수 있는 입자성 물질을 주입하는 구성이다. 상기 호기조(30)의 내부에는 폭기 수단(40)에 의해 공기방울이 주입되어 계속해서 순환하는 구조이므로 호기조(30) 내부로 입자성 물질을 주입하면 침지식 막모듈(31)의 막에 충돌하게 되므로 입자성 물질을 호기조(30)의 어디에서 주입하는 지는 크게 중요한 문제는 아니다.

상기 입자성 물질로 본 실시예에서는 분말 활성탄을 사용하게 되는데 분말 활성탄 이외에도 공기와 함께 상기 침지식 막모듈(31)의 막에 충돌할 수 있을 정도로 움직일 수 있는 크기나 무게의 입자를 사용하면 된다.

상기 입자성 물질 주입수단(50)에 의해 주입되는 입자성 물질(분말 활성탄)의 양은 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지 양의 무게의 비율을 기준으로 결정되며, 막 파울링의 경향에 따라 추가로 계속해서 입자성 물질을 주입하게 된다.

도 2에는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 해당하는 하수 고도 처리 장치를 간략히 도시한 것으로서, 혐기조(110), 무산소조(120), 호기조(130), 폭기 수단(140), 입자성 물질 주입수단(150) 및 가압식 막모듈(160)로 구성된다. 본 실시예의 경우 도 1에 도시된 앞선 실시예와 비교할 때 막모듈의 형태가 도 1의 침지식 막모듈(31)에서 가압식 막모듈(160)로 치환된 차이가 있다.

상기 혐기조(110), 무산소조(120), 폭기 수단(140), 입자성 물질 주입수단(150)의 경우 앞선 실시예에서의 대응되는 구성요소와 그 구성 및 기능, 작용, 효과가 거의 동일하므로 그 설명은 생략하기로 하며, 앞선 실시예에서는 침지식 막 모듈(31)을 사용하였으나 본 실시예에서는 가압식 막모듈(160)을 사용하는 점에서만 차이점이 있으며 가압식 막모듈(160)을 사용하는 경우 호기조(130)의 MLSS가 가압식 막모듈(160)로 유입되어 막에 의한 고액 분리가 이루어지게 된다.

본 실시예와 같이 가입식 Tubular형태의 막을 이용한 하수 고도 처리 장치에서 막 파울링의 저감을 위하여 막면유속을 높여 운전하는 것이 필요한데 막 파울링의 최소화를 위하여 필요한 막면유속을 유지하기 위해 이상적인 순환유량(circulation flow)이 필요하다. 순환유량을 늘리기 위해서는 이에 필요한 동력비가 늘어나는 것을 의미하며 이는 운전비 상승으로 이어지게 되므로 실제로는 순환유량을 설계에 반영하는 것이 쉽지 않았다. 그러나 본 발명에서와 같이 입자성 물질을 주입하여 가압식 막을 운영하는 경우에는 막 파울링의 줄어듦에 의해 막 파울링의 최소화에 이상적인 순환유량을 최소화 할 수 있으므로 입자성 물질을 주입하지 않는 경우에 필요한 동력비의 1/2 내지 1/3만으로도 막 파울링을 최소화할 수 있는 효과가 있으며 이는 실제 현장에서 이상적인 순환유량을 적용할 수 있는 효과를 의미하는 것이다.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 하수 고도 처리장치의 효과를 설명하기 위한 도면으로서 입자성 물질(분말 활성탄)을 주입하지 않은 대조군의 경우 운전기간 5일 동안 막차압(TMP;Transmembrane Pressure)이 지속적으로 상승하여 최종적으로는 0.4 kgf/㎠ 까지 상승했지만, 분말 활성탄을 0.6g/L 주입한 실험군에서는 운전기간 5일이 동안 초기 막차압을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 막차압의 증가가 없다는 것은 막 파울링을 줄이는 효과를 발휘한 것을 의미하게 되며, 이는 막의 세정 주기를 길게 함으로써 종래에 비하여 매우 효율적인 하수처리가 가능하도록 함은 물론 막 자체의 수명까지 늘릴 수 있다는 것을 의미하게 된다.

이하에서는 본 발명의 다른 하나의 형태인 하수 고도 처리장치의 운영방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 하수 고도 처리장치의 운영방법은 도 1에 도시된 무산소조(10), 혐기조(20), 호기조(30)를 포함하는 하수 고도 처리장치의 운영에 관한 것으로서 호기성 호기조(30)에는 폭기 수단(40)에 의해 공기가 주입되며, 막 모듈에 의한 고액분리가 이루어지는데 도 1에 도시된 바와 같이 침지식 막모듈(31)의 형태를 띌 수도 있고 도 2에 도시된 바와 같이 가압식 막모듈(16)의 형태를 띌 수도 있다.

상기 무산소조, 혐기조의 운영은 종래의 하수 고도 처리장치에서 실시되는 운영방법으로 운영할 수 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 하고 본 발명의 특징적인 구성인 호기성 막분리조의 운영에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 하수 고도 처리장치의 운영에 있어서 호기조(30, 130)에는 폭기 수단(40,140)에 의한 공기와 함께 입자성 물질을 주입하게 된다. 입자성 물질로는 상기 폭기 수단(40,140)에 의하여 주입되는 공기와 함께 상기 침지식 막모듈(31; 도 1)이나 가압식 막모듈(160; 도2)의 막에 부딪힐 수 있는 물질이 주입되며 분말 활성탄 등의 입자성 물질을 사용할 수 있다.

상기 호기조(30, 130)에 주입되는 입자성 물질(분말 활성탄)의 양은 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지 양의 무게의 비율을 기준으로 결정되며, 막 파울링의 경향에 따라 추가로 계속해서 입자성 물질을 주입하게 된다.

주입되는 입자성 물질의 종류와 농도는 현장 상황에 따라 조절할 수 있다.

이상에서는 도 1에 도시된 바와 같이 침지식 막을 사용하는 막분리조와 관련된 실시예에 대하여 설명하였으나, 막의 형태는 침지식 막이나 가압식 막 중 어떤 형태의 막이라도 적용이 가능하다.

이상에서 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하였으나 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 사상에 어긋나지 않는 범위 안에서 다양한 형태의 하수 고도 처리장치 및 그 운영방법으로 구체화될 수 있다.

10 : 무산소조
20 : 혐기조
30 : 호기조
31 : 침지식 막모듈
40 : 폭기 수단
50 : 입자성 물질 주입수단

Claims (8)

1. 하수를 처리하기 위한 하수 고도 처리장치에 있어서,
   상기 하수의 인 방출 및 유기물 제거를 위한 혐기조;
   상기 하수의 탈질 및 유기물 제거를 위한 무산소조;
   상기 하수의 질산화, 유기물 산화를 위한 호기조;
   상기 호기조 내에 마련되어 하수의 고액분리를 위한 것으로서 막을 포함하는 침지식 막모듈;
   상기 호기조에 산소를 공급함과 동시에 상기 침지식 막모듈의 막에 공기를 충돌시키기 위하여 공기를 주입하는 위한 폭기 수단; 및,
   상기 폭기 수단에 의해 주입되는 공기와 함께 상기 막에 충돌할 수 있는 입자성 물질을 상기 호기조에 주입하기 위한 입자성 물질 주입수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치.
   
2. 하수를 처리하기 위한 하수 고도 처리장치에 있어서,
   상기 하수의 인 방출 및 유기물 제거를 위한 혐기조;
   상기 하수의 탈질 및 유기물 제거를 위한 무산소조;
   상기 하수의 질산화, 유기물 산화를 위한 호기조;
   상기 호기조에 공기를 주입하는 위한 폭기 수단;
   상기 호기조를 통과한 하수의 고액분리를 위한 막을 포함하는 가압식 막모듈; 및,
   상기 막에 충돌할 수 있는 입자성 물질을 상기 호기조에 주입하기 위한 입자성 물질 주입수단; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 입자성 물질은 분말 활성탄인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 입자성 물질 주입수단은 주입된 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지 양의 비율을 기준으로 주입되는 입자성 물질의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치.
   
5. 무산소조, 혐기조, 폭기 수단에 의해 폭기 되는 호기조 및 막 모듈을 포함하는 하수 고도 처리장치의 운영방법에 있어서,
   상기 막 모듈의 막에 입자성 물질이 충돌하도록 운영하는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치의 운영방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 입자성 물질로 분말 활성탄을 주입하는 것을 특징으로 하는 하수 고도처리장치의 운영방법.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 입자성 물질의 주입량은 입자성 물질의 무게와 전체 공정의 슬러지의 무게를 기준으로 계산되는 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치의 운영방법.
   
8. 제5항 또는 제 6항에 있어서,
   상기 막모듈은 침지식 막모듈 또는 가압식 막모듈인 것을 특징으로 하는 하수 고도 처리장치의 운영방법.
   
   
   

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