KR20210005635A - 수지 비드 층 및 미생물을 사용한 수처리 - Google Patents

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KR20210005635A
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길렘 길라버트 오리올
제이. 마르커스 슬라트
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디디피 스페셜티 일렉트로닉 머티리얼즈 유에스, 인크.
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Abstract

수지 비드와 살아있는 미생물을 포함하는 생물층(biostratum)에 공급수를 통과시켜 생물층-처리된 물을 생성하는 단계를 포함하는 공급수 처리 방법이 제공되며, 여기서,
(a) 생물층 내의 면적-정규화된 자유 공극 부피는 0.018 m3/m2 이하이고;
(b) 생물층 내의 패킹 밀도는 0.68 내지 0.96이고;
(c) 생물층 내의 총 자유 공극 부피에 대한 수지 비드의 외부 표면적의 비는 2.0 내지 50 m2/L 미만이고;
(d) 생물층을 통과하는 물의 속도는 시간당 1 내지 1,500개의 생물층 부피이고;
(e) 생물층을 통과하는 유동의 레이놀즈 수(Reynolds number)는 0.10 내지 3.0이다.

Description

수지 비드 층 및 미생물을 사용한 수처리
역삼투 처리 또는 나노여과와 같은 정제 공정에 불순한 물을 통과시켜 물에서 불순물을 제거하는 것이 보통 요구된다. 그러한 정제 공정에서의 한 가지 일반적인 어려움은 장치에서 박테리아가 성장하는 현상인 바이오파울링(biofouling)이다. 바이오파울링은 바람직하지 않다. 예를 들어, 정제 공정이 물을 막에 통과시키는 단계를 포함하는 경우, 바이오파울링은 막에서 생물막의 성장을 유발하며, 이는 막 투과성을 감소시켜, 아마도 막을 가로질러 바람직한 것보다 큰 압력 강하를 생성하고, 이는 또한 막을 가로지르는 더 높은 압력 강하로 인해 결국 막 요소 건전성을 기계적으로 손상시킬 수 있다.
미국 특허 제8,883,012호는 수지 성분이 담긴 용기에 물을 통과시키고 이어서 물을 역삼투막에 공급하는 방법을 기재한다. 미생물이 성장하는 수지 비드 층에 물을 통과시키는, 불순한 물을 전처리하는 개선된 방법을 제공하는 것이 요구된다. 개선된 전처리 방법은 다음 이점들 중 하나 이상을 갖는 것이 요구된다: (1) 전처리된 물이 역삼투 처리에 통과될 때, 역삼투막의 바이오파울링의 발생률이 감소됨; 및 (2) 전처리에 사용되는 수지 비드에서 발생하는 미생물 성장은 역세척(backwashing)에 의해 비교적 용이하게 제거됨.
다음은 발명의 내용이다.
본 발명의 제1 양태는 수지 비드와 살아있는 미생물을 포함하는 생물층(biostratum)에 공급수를 통과시켜 생물층-처리된 물을 생성하는 단계를 포함하는 공급수 처리 방법이며, 여기서,
(a) 생물층 내의 면적-정규화된 자유 공극 부피는 0.018 m3/m2 이하이고;
(b) 생물층 내의 패킹 밀도는 0.68 내지 0.98이고;
(c) 생물층 내의 총 자유 공극 부피에 대한 수지 비드의 외부 표면적의 비는 2.0 내지 50 m2/L 미만이고;
(d) 생물층을 통과하는 물의 속도는 시간당 1 내지 1,500개의 생물층 부피이고;
(e) 생물층을 통과하는 유동의 레이놀즈 수(Reynolds number)는 0.10 내지 3.0이다.
다음은 도면의 간단한 설명이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태를 나타낸다. 도 2는 실시예에 사용된 "설정 1"을 나타낸다. 도 3은 실시예에 사용된 "설정 2"를 나타낸다.
다음은 발명의 상세한 설명이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 다음의 용어들은, 문맥상 명백하게 달리 나타내지 않는 한, 지정되는 정의를 갖는다.
본원에서 사용되는 바와 같이 "수지"는 "중합체"와 동의어이다. 본원에서 사용되는 바와 같이 "중합체"는 더 작은 화학적 반복 단위의 반응 생성물로 구성된 비교적 큰 분자이다. 중합체는 선형, 분지형, 성상, 루프형, 고차분지형, 가교결합형, 또는 이들의 조합인 구조를 가질 수 있으며; 중합체는 단일 유형의 반복 단위를 가질 수 있거나("단일중합체"), 또는 하나 초과의 유형의 반복 단위를 가질 수 있다("공중합체"). 공중합체는 무작위로, 순차적으로, 블록으로, 다른 배열로, 또는 이들의 임의의 혼합물 또는 조합으로 배열된 다양한 유형의 반복 단위를 가질 수 있다. 중합체는 중량 평균 분자량이 2,000 이상이다.
서로 반응하여 중합체의 반복 단위를 형성할 수 있는 분자는 본원에서 "단량체"로 알려져 있다. 이렇게 형성된 반복 단위는 본원에서 단량체의 "중합 단위"로 알려져 있다.
비닐 단량체는 자유 라디칼 중합 과정에 참여할 수 있는 비-방향족 탄소-탄소 이중 결합을 갖는다. 비닐 단량체는 분자량이 2,000 미만이다. 비닐 단량체는, 예를 들어, 스티렌, 치환된 스티렌, 디엔, 에틸렌, 에틸렌 유도체, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 에틸렌 유도체는, 예를 들어, 다음의 비치환된 버전 및 치환된 버전을 포함한다: 비닐 아세테이트 및 아크릴계 단량체. "치환된"은 예를 들어, 알킬 기, 알케닐 기, 비닐 기, 히드록실 기, 알콕시 기, 히드록시알킬 기, 카르복실산 기, 술폰산 기, 아미노 기, 4차 암모늄 기, 다른 작용기, 및 이들의 조합과 같은 적어도 하나의 화학 기가 부착된 것을 의미한다.
1작용성 비닐 단량체는 분자당 정확히 하나의 중합 가능한 탄소-탄소 이중 결합을 갖는다. 다작용성 비닐 단량체는 분자당 둘 이상의 중합 가능한 탄소-탄소 이중 결합을 갖는다.
카테고리 "아크릴계 단량체"는 아크릴산; 메타크릴산; 아크릴산 또는 메타크릴산의 치환 또는 비치환된 알킬 에스테르; 및 아크릴로니트릴로부터 선택되는 단량체의 군이다.
본원에 사용되는 바와 같이, 비닐 방향족 단량체는 하나 이상의 방향족 고리를 함유하는 비닐 단량체이다.
비닐 단량체는 탄소-탄소 이중 결합이 서로 반응하여 중합체 사슬을 형성하는 비닐 중합 과정을 통해 중합체를 형성하는 것으로 간주된다.
중합체의 중량을 기준으로 중합 단위의 90 중량% 이상이 하나 이상의 비닐 단량체 중합 단위인 중합체가 비닐 중합체이다. 비닐 방향족 중합체는 중합체의 중량을 기준으로 중합 단위의 50 중량% 이상이 하나 이상의 비닐 방향족 단량체 중합 단위인 중합체이다.
중합체 사슬이 중합체를 임의의 용매에 불용성으로 만들기에 충분한 분지점을 갖는 경우 수지는 가교결합된 것으로 본원에서 간주된다. 본원에서 중합체가 용매에 불용성이라고 언급되는 경우, 이는 25℃에서 용매 100 그램에 0.1 그램 미만의 수지가 용해될 것임을 의미한다.
입자가 구형인 정도는 다음과 같이 물체의 3개의 주 직교축, 즉 a(최장), b(중간), 및 c(최단)를 사용하여 정의되는 구형도 Ψ에 의해 특징지어진다: Ψ = c / a .
본원에서 용어 "비드"는 15℃ 내지 40℃ 범위를 포함하는 온도 범위에 걸쳐 고체인 단립자를 지칭한다.
수지 비드의 집합체는 비드의 직경에 의해 특징지어질 수 있다. 구형이 아닌 입자는 입자와 동일한 부피를 갖는 구형의 직경과 동일한 직경을 갖는 것으로 간주된다. 조화 평균 직경(HMD)은 다음의 식에 의해 정의된다:
Figure pct00001
여기서, i는 개별 비드에 대한 지수이고; di는 각각의 개별 입자의 직경이고; N은 총 비드 수이다.
미생물은 단세포 유기체이며, 그 중 일부는 개별 세포로서 또는 세포의 콜로니로서 존재한다. 박테리아, 원생동물, 및 고세균이 포함된다. 일부 진균, 및 조류(algae)는 미생물이다.
본원에 제시된 비는 다음과 같이 특징지어진다. 예를 들어, 비가 3:1 이상인 것으로 언급되는 경우, 그 비는 3:1 또는 5:1 또는 100:1일 수 있지만 2:1일 수는 없다. 이러한 특징은 다음과 같이 일반적인 용어로 언급될 수 있다. 본원에서 비가 X:1 이상인 것으로 언급되는 경우, 이는 비가 Y:1(여기서, Y는 X보다 크거나 같음)임을 의미한다. 다른 예에서, 비가 15:1 이하인 것으로 언급되는 경우, 그 비는 15:1 또는 10:1 또는 0.1:1일 수 있지만 20:1일 수는 없다. 일반적으로, 본원에서 비가 W:1 이하인 것으로 언급되는 경우, 이는 비가 Z:1(여기서, Z는 W보다 작거나 같음)임을 의미한다.
본 발명은 생물층의 사용을 포함한다. 생물층은 수지 비드 및 미생물을 함유한다. 생물층은 불순한 공급수가 용기에 담긴 수지 비드 층을 통해 유동할 때 형성된다. 미생물은 용기 입구에 가장 가까운 수지 비드 층에서 성장한다. 미생물은 미생물의 세포 및 미생물에 의해 생성된 세포외 중합체 물질(EPS) 둘 모두를 함유하는 바이오매스를 생성한다. 바이오매스 내의 EPS의 비율은 다양하다. 전형적인 바이오매스에서 EPS는 부피 기준으로 바이오매스의 75% 이상, 또는 85% 이상, 또는 95% 이상일 수 있다. 생물층의 존재는 다양한 방식으로 탐지될 수 있다. 다수의 실시 형태에서, 수지 비드 층을 투명 용기, 예를 들어 유리 또는 투명 폴리비닐 클로라이드로 제조된 용기에 담는다. 이어서 수지 비드들 사이에서 불투명한 백색 물질이 보이는 영역으로서 생물층이 성장하는 영역을 시각적으로 탐지할 수 있다. 본 발명은 임의의 유형의 용기에서 실시될 수 있지만, 투명성이 생물층의 존재를 확인하는 데 도움이 될 수 있으며, 유사한 조건 하에서 작동하는 불투명 용기에도 생물층이 존재한다고 합리적으로 추론할 수 있다. 또한, 불투명 용기에는 생물층의 시각적 관찰을 가능하게 하는 투명창이 선택적으로 장착될 수 있다. 적합한 용기 재료는 유리, 플라스틱, 강, 또는 기타 재료이다.
생물층 내의 미생물의 존재는 다른 방식으로 확인될 수 있다. 예를 들어, 생물층의 샘플을 취하고 광학 현미경으로 검사할 수 있다. 수지 비드들 사이의 틈새에서 생성된 EPS 및 미생물의 물질 특징을 광학 현미경으로 볼 수 있을 것이다. 미생물 성장은 아데노신 3인산의 존재에 대해 분석함으로써; 의심되는 생물층으로부터의 물질을 배양하고 콜로니를 계수함으로써; 총 유기 탄소(TOC)에 대해 분석함으로써; 질소에 대해 분석함으로써; 탄수화물 및/또는 단백질에 대해 분석함으로써 모니터링될 수 있다. 또한, 용기를 통과하는 공급수의 압력 강하가 모니터링될 수 있다. 미생물이 성장함에 따라, 압력 강하가 더 커진다. 본 발명의 방법의 정상 작동 동안, 압력 강하를 측정함으로써 생물층의 형성이 모니터링될 것으로 생각된다.
미생물의 성장은 용기 입구에 가장 가까운 영역의 수지 비드들 사이에서 시작된다. 미생물의 성장이 계속됨에 따라, 수지 비드와 미생물을 포함하는 층에 미생물이 존재하며; 이러한 층은 본원에서 생물층으로 알려져 있다. 미생물의 성장이 계속됨에 따라, 순 물 유동 방향으로 측정할 때의 생물층의 두께가 또한 계속 증가한다.
본 발명은 본원에서 "공급수"로 지칭되는 불순한 물의 처리를 포함한다. 바람직한 실시 형태에서, 공급수는 용기로 들어가서, 생물층을 통과하고, 이어서, 동일한 용기 내에서, 미생물이 거의 또는 전혀 성장하지 않는 수지 비드의 집합체(본원에서 "비드 층"으로도 알려져 있음)를 통과한다. 미생물의 양은 세제곱센티미터당 미생물의 중량으로 특징지어질 수 있다. 바람직하게는 생물층 내의 미생물의 평균 양에 대한 비드 층 내의 미생물의 평균 양의 비는 0.1:1 이하; 더욱 바람직하게는 0.03:1 이하; 더욱 바람직하게는 0.01:1 이하이다. 바람직하게는, 비드 층 내의 수지 비드는 생물층 내의 수지 비드와 동일하다.
본 발명의 수지 비드는 하나 이상의 중합체를 포함한다. 중합체는 방향족 고리를 포함한다. 바람직한 중합체는 비닐 중합체이고; 비닐 방향족 중합체가 더욱 바람직하다. 바람직하게는, 전체 비닐 방향족 단량체의 중합 단위의 총 중량은, 중합체의 중량을 기준으로, 50% 이상; 더욱 바람직하게는 75% 이상; 더욱 바람직하게는 90% 이상; 더욱 바람직하게는 95% 이상이다.
바람직한 비닐 방향족 단량체는 스티렌, 알킬 스티렌, 및 다작용성 비닐 방향족 단량체이다. 알킬 스티렌 중에서, 알킬 기가 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 것들이 바람직하고; 에틸비닐벤젠이 더욱 바람직하다. 다작용성 비닐 방향족 단량체 중에서, 디비닐벤젠이 바람직하다. 바람직하게는 중합체는 중합체의 중량을 기준으로 0.5 중량% 이상, 더욱 바람직하게는 1 중량% 이상의 양의 다작용성 비닐 방향족 단량체 중합 단위를 포함한다. 바람직하게는 중합체는 중합체의 중량을 기준으로 10 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 8 중량% 이하의 양의 다작용성 비닐 방향족 단량체 중합 단위를 포함한다.
수지 비드의 고유 특성을 특성화하는 것이 유용하다. 즉, 수지 비드가 본 발명의 방법에 사용되기 전에 갖는 특성을 특성화하는 것이 유용하다. 바람직하게는, 수지 비드 내의 중합체는 가교결합된다. 수지 비드는 거대다공성 수지 비드 또는 겔 수지 비드 중 어느 하나이다. 거대다공성 수지 비드는 평균 직경이 10 nm 초과인 기공을 갖는다. 겔 수지 비드는 얽힌 중합체 사슬들 사이에 보통 형성되는 공극 부피에 의해서만 형성되는 다공성을 갖는다. 겔 수지 비드는 평균 기공 크기가 10 nm 이하이다. 바람직하게는, 수지 비드는 겔 수지 비드이다.
수지 비드의 또 다른 고유 특성은 개별 비드의 비중인 비드 밀도이다. 바람직하게는 수지 비드는 비드 밀도가 1.10 이상; 더욱 바람직하게는 1.15 이상; 더욱 바람직하게는 1.18 이상; 더욱 바람직하게는 1.20 이상이다.
수지 비드의 고유 특성은 직경이다. 바람직하게는 수지 비드의 집합체는 조화 평균 직경이 200 마이크로미터 이상; 더욱 바람직하게는 300 마이크로미터 이상, 더욱 바람직하게는 400 마이크로미터 이상이다. 바람직하게는 수지 비드의 집합체는 조화 평균 직경이 2,000 마이크로미터 이하; 더욱 바람직하게는 1,500 마이크로미터 이하, 더욱 바람직하게는 1,000 마이크로미터 이하이다. 바람직하게는 수지 비드는 수 평균 구형도가 0.85 이상, 더욱 바람직하게는 0.90 이상, 더욱 바람직하게는 0.95 이상, 더욱 바람직하게는 0.98 이상이다.
수지 비드의 고유 특성은 수지에 공유 결합된 작용기의 존재 또는 부재이다. 수지 비드는 선택적으로 작용화된다. 즉, 수지 비드는 중합체에 공유적으로 부착된 하나 이상의 화학 작용기를 가질 수 있다. 예를 들어, 작용기는 아민 기, 킬레이팅 기, 카르복실산 기, 술폰산 기, 또는 이들의 이온성 버전일 수 있다. 수지 비드는 선택적으로 이온 교환제로서 유용하다. 예를 들어, 아민 기를 갖는 수지 비드는 음이온 교환 수지 비드로서 유용할 수 있다.
수지 비드의 고유 특성은 수지 비드가 수지 비드 내부에 또는 수지 비드 표면 상에 위치될 수 있는 수화된 산화철(HFO) 입자를 함유하는지 여부이다. 바람직한 수지 비드는 HFO 입자를 함유한다. HFO 입자는 바람직하게는 평균 직경이 500 nm 미만이다. 바람직하게는 HFO의 양은, HFO를 포함하는 수지 비드의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 이상; 더욱 바람직하게는 10 중량% 이상이다. 바람직하게는 HFO의 양은, (HFO를 포함하는) 수지 비드의 중량을 기준으로, 40 중량% 이하; 더욱 바람직하게는 30 중량% 이하이다.
층의 "길이"는 순 물 유동 방향으로의 층의 치수인 것으로 간주된다.
L = 생물층의 길이
LB = 비드 층의 길이
바람직하게는, LB:L의 비는 1:1 이상, 더욱 바람직하게는 2:1 이상, 더욱 바람직하게는 5:1 이상, 더욱 바람직하게는 10:1 이상이다. 바람직하게는, L은 20 cm 이하, 더욱 바람직하게는 10 cm 이하, 더욱 바람직하게는 5 cm 이하이다.
용기의 단면은 용기를 통과하는 순 물 유동 방향에 수직인 단면이다. 바람직하게는, 수지 비드가 존재하는 용기 부분은 균일한 단면을 갖는다. 바람직하게는, 단면은 원형이다.
공급수는 생물층을 통과한 다음, 본원에서 "생물층-처리된" 물로 표시된다.
생물층의 다양한 특징이 다음과 같이 결정된다. 단위는 괄호 안에 표시된다.
Dp = 단일 비드의 직경 = 비드 집합체의 HMD (m)
Vb = 단일 비드의 부피 = (4/3)(pi)(Dp/2)3 (세제곱미터, 또는 m3);
Sb = 단일 비드의 표면적 = 4(pi)(Dp/2)2 (제곱미터, 또는 m2);
NPCM = 세제곱미터당 비드 수 = ε/Vb (m-3);
Av = 용기 내부 부피의 단면적 (m2)
As = 생물층의 단면적 = 생물층에서의 Av (m2);
Vs = 생물층의 부피 = Av * L (m3);
SBV = 비드가 차지하는 생물층의 부피 = Vs * Vb * NPCM (m3);
Stot = 생물층 내의 비드의 총 표면적 = NPCM * Vs * Sb (m2);
FVV = 생물층 내의 자유 공극 부피 = Vs - SBV (m3);
생물층은 총 자유 공극 부피에 의해 특징지어질 수 있다. 다음과 같이 총 자유 공극 부피를 생물층의 단면적으로 나누어 정규화하여 면적-정규화된 자유 공극 부피(ANFVV)를 얻는 것이 유용하다:
ANFVV = FVV / As (m3/m2).
면적-정규화된 자유 공극 부피(ANFVV)는 0.018 m3/m2 이하; 바람직하게는 0.015 m3/m2 이하이다. ANFVV는 바람직하게는 0.001 m3/m2 이상; 더욱 바람직하게는 0.002 m3/m2 이상이다.
생물층은 식 PD = 1 - ε(여기서, 공극 분율 ε는 측정된 양이며 생물층을 통해 물을 유동시키고 생물층의 입구로부터 출구까지 물의 압력 강하를 측정함으로써 25℃에서 측정됨)로 정의되는 패킹 밀도 (PD)에 의해 특징지어질 수 있다. 이어서 컴퓨터 모델링을 사용하여 다음과 같은 잘 알려진 카맨-코즈니(Carman-Kozeny) 식을 풀어서 패킹 밀도 ε를 구한다:
Figure pct00002
여기서, dP는 생물층을 가로지르는 압력 강하(바)이고; L은 생물층의 두께(미터)이고; μ는 25℃에서의 물의 점도(0.000897 Pa*s)이고; v는 물의 속도(미터/s)이고, 상기에 정의된 바와 같은 Dp는 단일 비드의 직경이고, Ψ는 비드의 구형도(여기서는 Ψ=1인 것으로 가정함)이다.
dP/L은 다음과 같이 측정될 수 있다. L은, 상기에 기재된 바와 같이 관찰되고 직접 측정될 수 있는 생물층의 길이이다. dP를 측정하기 위한 한 가지 방법은 미생물의 임의의 성장 전에, 용기를 통과하는 물의 특정 속도 v에서 수지 비드가 담긴 전체 용기를 가로지르는 압력 강하(ΔPi)를 측정하는 것이다. 이어서, 미생물의 성장이 일어난 후에, 동일한 속도 v로 물이 통과하는 동안 전체 용기를 가로지르는 압력 강하(ΔP1)를 측정한다. dP = ΔP1 - ΔPi이다.
패킹 밀도(ε)는 0.68 이상; 바람직하게는 0.70 이상; 더욱 바람직하게는 0.74 이상이다. 패킹 밀도(ε)는 0.98 이하; 바람직하게는 0.96 이하; 더욱 바람직하게는 0.95 이하; 더욱 바람직하게는 0.94 이하이다.
생물층의 또 다른 특징은 총 자유 공극 부피에 대한 수지 비드의 외부 표면적의 비("RSV")이다:
RSV = Stot / FVV
RSV는 2 m2/L 이상; 바람직하게는 5 m2/L 이상; 더욱 바람직하게는 10 m2/L 이상이다. RSV는 50 m2/L 이하; 바람직하게는 40 m2/L 이하; 더욱 바람직하게는 30 m2/L 이하이다. 개별 양에 대해 모든 상기에 열거된 단위를 갖는 양을 사용하여 RSV를 우선 계산하여 m2/m3 단위로 RSV를 얻고, 이어서 편의상 m2/L로 변환한다.
본 발명의 방법의 특징은 생물층을 통과하는 공급수의 유량(FR)이다. 이러한 유량은 시간당 생물층 부피(Vs/h)로서 특징지어진다. 유량은 1 Vs/h 이상; 바람직하게는 10 Vs/h 이상; 더욱 바람직하게는 30 Vs/h 이상; 더욱 바람직하게는 100 Vs/h 이상; 바람직하게는 120 Vs/h 이상이다. 유량은 1,500 Vs/h 이하; 바람직하게는 1,000 Vs/H 이하; 더욱 바람직하게는 750 Vs/h 이하이다.
본 발명의 방법의 또 다른 특징은 생물층을 통과하는 유동의 레이놀즈 수(Re)이다. FVVL는 다음 파라미터를 사용하여 결정된다:
TVS = 총 공극 표면적 = As * ( 1 - ε ) (m2);
FR = 체적 유량 = (Vs/h 단위의 유량) (m3/h);
FVVL = 자유 공극 속도 = FR / TVS (m/h)
ρ = 25℃에서의 물의 밀도 = 998.2 kg/m3
μ = 25℃에서의 물의 점도 = 0.000897 Pa*s
Dv = [ (0.1547) * Dp ] = [ 평면에서 직경 Dp의 세 개의 밀집된 원으로 경계지어진 틈새 영역에 맞는 이론적 원의 지름 ] (m)
이어서 레이놀즈 수(Re)는 다음과 같이 결정된다:
Re = FVVL * Dv * ρ / μ
레이놀즈 수는 0.10 이상, 바람직하게는 0.20 이상, 더욱 바람직하게는 0.30 이상이다. 레이놀즈 수는 3.0 이하, 더욱 바람직하게는 2.0 이하, 더욱 바람직하게는 1.5 이하, 더욱 바람직하게는 1.1 이하이다.
생물층-처리된 물은 생물층을 빠져나간 후에 바람직하게는 즉시 동일한 용기 내의 비드 층으로 들어간다. 물은 비드 층을 통과한 후에 본원에서 "비드-처리된" 물로 표시된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 수지 비드(4)가 담긴 용기(2)의 수직 단면을 도시한다. 용기의 수평 단면은 원형이다. 물이 입구(4)를 통해 용기(2)로 들어가고, 이어서 생물층(1)을 통과하여, 생물층-처리된 물이 된다. 이어서 생물층-처리된 물은 비드 층(7)을 통과하여, 비드-처리된 물이 된다. 수지 비드(4)는 비드 층(7) 및 생물층(1) 둘 모두에 존재한다. 수지 비드는 물의 통과를 허용하지만 수지 비드(4)를 제자리에 유지하는 배리어(5)에 의해 용기 내에 보유된다. 비드-처리된 물은 출구(6)를 통해 용기(2)를 빠져나간다. 생물층의 길이(L)가 도 1에 또한 도시된다. 물의 통과를 허용하지만 비드(4)를 제자리에 유지하는 배리어(8)가 또한 도시된다. 역세척 동안, 배리어(8)는 역세척 용액의 통과뿐만 아니라 미생물, EPS, 및 생물층에 있었던 수지 비드 이외의 임의의 다른 물질의 통과를 허용한다. 역세척을 용이하게 하기 위해 프리보드(freeboard)(9)가 제공된다.
본 발명의 방법이 소정 시간 동안 수행된 후에, 생물층은 바람직하지 않게 크게 성장했을 것으로 예상된다. 바람직하게는, 때때로, 역세척 공정은 수지 비드로부터 미생물 및 EPS를 제거하도록 수행된다. 역세척 공정은 압력 하에서 출구를 통해 용기 내로 역세척 용액(물 또는 적절한 수용액 중 어느 하나)을 밀어 넣는 공정을 포함한다. 역세척 용액은 공급수의 방향과는 반대 방향인 "상향류(upflow)"로 용기를 통과한다. 즉, 역세척 용액은 비드 층을 통과하고, 이어서 생물층을 통과하고, 이어서 입구를 빠져나간다. 바람직하게는, 역세척 공정은 미생물의 50 중량% 이상 및 EPS의 50 중량% 이상을 제거한다. 더욱 바람직하게는, 역세척 공정은 미생물의 90 중량% 이상 및 EPS의 90 중량% 이상을 제거한다. 바람직한 실시 형태에서, 역세척 용액이 생물층을 통해 이동함에 따라, 수지 비드는 가라앉는 경향이 있는 반면, 미생물 및 EPS는 부유하는 경향이 있으며, 수지 비드의 비드 밀도가 더 높은 경우에 미생물 및 EPS의 제거가 더 효율적으로 진행된다.
비드-처리된 물은 어떠한 목적으로든 사용될 수 있다. 비드-처리된 물은 그를 사용하는 임의의 후속 시스템에서 바이오파울링을 유발하는 경향이 감소될 것으로 예상된다. 비드-처리된 물은, 예를 들어, 파이프, 냉각탑, 열교환기, 정수 시스템, 및 이들의 조합을 포함하는 시스템에 사용될 수 있다. 정수 시스템은, 예를 들어, 역삼투, 모든 유형의 여과(예를 들어, 한외여과, 미세여과, 및 나노여과를 포함함), 및 이들의 조합을 포함한다. 바람직하게는, 비드-처리된 물은 비드-처리된 물에 대해 역삼투(RO) 공정, 또는 나노여과 공정(NF), 또는 이들의 조합을 수행하는 장치로 이송된다. 더욱 바람직하게는, 비드-처리된 물은 비드-처리된 물에 대해 역삼투(RO) 공정을 수행하는 장치로 이송된다. RO는 압력을 사용하여 물을 반투막에 통과시켜 잔류물(RB)의 샘플로부터 순수하거나 거의 순수한 물을 빼내는 공정이다. RO에서, 반투막을 통해 빠져나온 순수하거나 거의 순수한 물은 투과물(PB)이고, 남겨진 물질은 잔류물(RB)이다. RO에 사용되는 반투막은 영구적인 기공을 갖지 않고; 투과물은 반투막 물질을 통해 확산하며 본원에서 "RO-처리된" 물로 지칭된다. RO는 전형적으로 1가 이온을 포함하는 거의 모든 용질을 잔류물에 유지하는 데 매우 효과적이다. NF는 기공 직경이 1 내지 10 nm인 막에 물을 통과시키는 공정이다. NF는 일부 1가 이온을 통과시키면서 일부 다가 이온을 보유한다.
바람직하게는, 본 발명의 방법에 의해 생성된 비드-처리된 물은 (예를 들어, RO 막 또는 NF 막과 같은) 임의의 하류 장치에서 바이오파울링을 유발하는 경향이 감소될 것이다. 본 발명은 임의의 메커니즘으로 제한되지 않지만, 하기는 본 발명의 이점을 달성하기 위한 가능한 메커니즘을 기술한다. 공급수 내의 미생물은 생물층에 모일 것이고 하류 장치에 침착되지 않을 것으로 생각된다. 생물층에서의 미생물의 성장은 공급수로부터 인과 같은 잠재적인 영양소를 제거할 것이며 따라서 하류 장치에 위치한 임의의 미생물이 성장에 필요한 영양소를 얻지 못하게 할 것으로 또한 생각된다. 추가로, 수지 비드는 공급수로부터 인을 제거할 수 있으며, 따라서 공급수로부터 영양소를 제거할 수 있고, 따라서 하류 장치에서 미생물의 성장을 억제할 수 있는 것으로 생각된다. 수화된 산화철을 함유하는 수지가 인의 제거에 특히 효과적일 것으로 생각된다. 생물층과 HFO-함유 수지의 조합이 특히 효과적인 것으로 여겨지는데, 그 이유는 생물층이 대부분의 인 및 대부분의 다른 동화성 영양소를 제거할 것이고, 그 후 비드 층 내의 HFO-함유 수지가 나머지를 제거할 것이므로, 임의의 하류 장치에서 미생물의 성장을 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 생각되기 때문이다. 바람직하게는, HFO-함유 수지는 비드-처리된 물이 중량 기준으로 0 내지 8 ppb(part per billion)의 인을 함유하기에 충분한 인을 제거한다.
본 발명의 또 다른 비제한적인 고려되는 메커니즘은 생물층에서 발생하는 개선된 여과 효과이다. 생물층이 성장함에 따라, 미생물 및 EPS가 수지 비드들 사이의 공극 공간의 일부를 채워서 패킹 밀도를 증가시키는 것으로 간주된다. 미생물이 계속 성장함에 따라, 생물층이 계속 성장하고, 패킹 밀도가 계속 증가하는 것으로 생각된다. 이들 공극이 채워짐에 따라, 생물층이 점점 더 작은 입자의 통과를 차단하기 시작하여, 더욱 더 효과적으로 박테리아를 차단한다. 따라서 생물층은 그 자체의 성장을 촉진할 뿐만 아니라 생물층에서 공급수로부터의 박테리아를 포획함으로써 하류 바이오파울링을 방지한다.
하기는 본 발명의 실시예이다.
다음과 같이 2가지 상이한 실험 설정을 사용하였다.
설정 1이 도 2에 예시되어 있다. 설정 1에서, 유닛은 다음과 같았다. Prominent(스페인 소재의 Prominent Iberia S.A.)에 의해 제조된 플랫 셀 시험 벤치에서 실험을 수행하였다. 유닛은 물을 탱크(21)(30 L)로 보내는 원심 공급 펌프(LOWARA 2HM3/A)(도 2에는 도시되지 않음)로 이루어졌다. 탱크에서, 히터로 물 온도를 25℃로 제어하였고, 관류(once-through) 모드로 병렬로 6개의 라인으로 보냈다. 이들 라인 중 3개는 3 IX 컬럼(24)(Llaberia Pl
Figure pct00003
stics, S.L.)을 가졌고, 각각의 컬럼 후에 막 파울링 시뮬레이터(23)(RO)가 존재하였다(101129 003 1010, Global Membrains). 다른 3개의 라인은 앞에 어떠한 IX 컬럼도 없이 단지 RO 막 파울링 시뮬레이터(23)만 가졌다. 개별 니들 밸브(Brooks Instrument FC 8800)를 사용하여 공급물 유동을 조정하였고 유량계(V038D 0~30 L/h, Stubbe 타입 FIP FCF)를 사용하여 공급물 유동을 측정하였다. 압력 강하 트랜스미터(PMD75-ABA7LB12AAA -16-16 바, Endress Hauser)를 사용하여 압력 강하를 기록하였다. 수지 컬럼(24)은 단면적이 19 cm2이고 층 깊이가 4 내지 40 cm인 PVC-U 투명 컬럼(Llaberia Pl
Figure pct00004
stics, S.L.)이었다.
설정 1에서는, 공급수의 생물학적 파울링 가능성을 향상시키기 위해 영양소 스톡 용액(22)을 투입하였다. 이러한 영양소 용액(22)은 외부 탱크(22)에서 100:20:10의 C:N:P 비를 달성하도록 아세트산나트륨(CAS 127 09 3 VWR, 미국 소재), 질산나트륨(CAS 7631-99-4 Sigma-Aldrich, 미국 소재) 및 오르토인산 이수소 나트륨 2수화물(CAS 7558-80-7 Sigma-Aldrich, 미국 소재)을 사용하여 제조하였다. 연동 펌프(도 2에는 도시되지 않음)를 사용하여 공급수에 주입하기 전에 오염을 피하기 위해 수산화나트륨(VWR, 미국 소재)을 사용하여 탱크 용액을 pH = 12로 조정하였다. 공급수 내의 탄소(C) 농도를 0.2 mg/L로, 질소(N) 농도를 0.04 mg/L로 그리고 인(P) 농도를 0.02 mg/L로 조정한다. 공급수 온도를 25℃로 조정하였고 기수(brackish water) 공급물 유동을 16 L/h로 설정하였다. 염소 농도가 항상 0.02 mg/L 미만이도록 보장하기 위한 추가 조치로서, 플랫 셀 유닛에 사용하기 전에 메타중아황산나트륨을 주입하였다(최대 5 mg/L).
설정 1에서, 추가적인 조건은 다음과 같았다:
RO 셀: 4 cm x 20 cm, 투명 메타크릴레이트 재료(101129 003 1010, Global Membrains)
온도: 25℃
압력: 1.5 바
물 유형: 통상적으로 전처리된 강물 ("기수"). 기수의 조성은 다음과 같았다:
기수의 조성
Figure pct00005
설정 2가 도 3에 예시되어 있다. 유닛은 다음과 같았다. 병렬로 연결된 4개의 상이한 RO 막 파울링 시뮬레이터 스키드(23)(101129 003 1010, Global Membrains)를 사용하여 실험을 수행하였다. 이들 스키드 중 2개는 RO에 대한 전처리로서 사용되는 2개의 상류 IX 컬럼(24)(Llaberia Pl
Figure pct00006
stics, S.L.) (각각의 스키드에 대해 하나의 IX 컬럼)을 가졌다. 기존 RO 파일럿의 부스터 펌프(도 3에는 도시되지 않음)로부터 공급 압력을 얻었다. 개별 니들 밸브(Brooks Instrument FC 8800)를 사용하여 공급물 유동을 조정하였고 유량계(V038D 0~30 L/h, Stubbe 타입 FIP FCF)를 사용하여 공급물 유동을 측정하였다. 압력 강하 트랜스미터(PMD75-ABA7LB12AAA -16-16 바, Endress Hauser)를 사용하여 압력 강하를 기록하였다.
설정 2의 특징은 다음과 같았다.
수지 컬럼: 단면적 19 cm2, 층 깊이 4 내지 40 cm, PVC-U 투명 컬럼(Llaberia Pl
Figure pct00007
stics, S.L.)
RO 셀: 4 cm x 20 cm, 투명 메타크릴레이트 재료(101129 003 1010, Global Membrains)
온도: 14 내지 20℃
압력: 3 바
물 유형: 한외여과된 (Dow Ultrafiltration) 2차 정화 폐수 유출물. 폐수의 조성은 다음과 같았다:
폐수
Figure pct00008
다양한 수지 및 조건을 사용하여 다양한 실험을 수행하였다. 조건은 다음과 같았다:
실험의 특징
Figure pct00009
다음의 특징을 갖는 다양한 수지를 시험하였다:
Fe: 철(HFO, 상기에 정의된 바와 같음)로 함침되거나 함침되지 않음
유형: 수지는 아크릴계 또는 스티렌계 중 어느 하나였다. 아크릴계 수지는 75 중량% 이상의 아크릴계 단량체 중합 단위를 갖는다. 스티렌계 수지는 90 중량% 이상의 비닐 방향족 단량체 중합 단위를 갖는다.
작용기: 각각의 수지는 다음으로부터 선택되는 펜던트 작용기를 가졌다.
없음
WB = 약염기 = 작용기가 1차, 2차, 또는 3차 아민임
SB = 강염기 = 작용기가 4차 암모늄 기임
SA = 강산 = 작용기가 술폰산 또는 술포네이트임
과립형 활성탄(GAC)을 또한 시험하였다.
실험의 특징은 다음과 같았다.
실험의 추가적인 특징 실시예 1
Figure pct00010
실험의 추가적인 특징 실시예 2 및 비교예 1
Figure pct00011
실험의 추가적인 특징 비교예 2 내지 6
Figure pct00012
각각의 실험을 소정 기간 동안 수행하였다. 실시예 실험에서는, 생물층이 명확하게 보였다. 이어서, 공급수가 이어져 온 방향과는 반대 방향으로 컬럼을 통해 물을 공급함으로써 수지 비드가 담긴 용기를 역세척하였다.
관찰 결과는 다음과 같았다:
Figure pct00013
추가적인 역세척 실험을 다음과 같이 수행하였다. 상기에 기재된 바와 같이 설정 1을 수반하는 본 발명의 방법에, 본 발명의 기준을 충족하는 3개의 수지, 즉 발명예 3, 발명예 4, 및 발명예 5를 각각 사용하였다. 본 발명의 방법을 소정 시간 동안 수행한 후에, 각각의 경우에 생물층이 형성되었다. 이어서 공정을 중지하고, 물을 출구를 통해, 컬럼을 통해, 그리고 입구 밖으로 강제로 내보내는 것을 포함하는 방법에 의해 역세척을 수행하였다. "효율적인" 역세척은, 미생물 및 EPS가 역세척 공정에 의해 비교적 빠르게 제거되었음을 의미한다. "비효율적인" 역세척은, 미생물 및 EPS가 역세척 공정에 의해 비교적 느리게 제거되었음을 의미한다. 결과는 다음과 같았다.
역세척 결과
Figure pct00014
3가지 수지 모두 본 발명의 방법을 제대로 작동시켰다. 비드 밀도가 상대적으로 높은 수지인 발명예 4 및 발명예 5는 비드 밀도가 더 낮은 수지인 발명예 3보다 더 효율적인 역세척을 나타내었다.

Claims (6)

  1. 수지 비드와 살아있는 미생물을 포함하는 생물층(biostratum)에 공급수를 통과시켜 생물층-처리된 물을 생성하는 단계를 포함하는 공급수 처리 방법으로서,
    (a) 상기 생물층 내의 면적-정규화된 자유 공극 부피는 0.018 m3/m2 이하이고;
    (b) 상기 생물층 내의 패킹 밀도는 0.68 내지 0.98이고;
    (c) 상기 생물층 내의 총 자유 공극 부피에 대한 상기 수지 비드의 외부 표면적의 비는 2.0 내지 50 m2/L 미만이고;
    (d) 상기 생물층을 통과하는 물의 속도는 시간당 100 내지 1,500개의 생물층 부피이고;
    (e) 상기 생물층을 통과하는 유동의 레이놀즈 수(Reynolds number)는 0.10 내지 3.0인, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 생물층은 용기 내에 위치되고,
    상기 용기는 또한 비드 층을 포함하며,
    상기 비드 층은 상기 생물층 내에 위치된 상기 수지 비드와 동일한 수지 비드를 포함하고,
    상기 수지 층은 미생물을 포함하지 않고,
    상기 생물층-처리된 물은 상기 비드 층을 통과하여 비드-처리된 물을 생성하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 비드-처리된 물을 역삼투 처리에 통과시켜 RO-처리된 물을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 생물층은 길이 L을 갖고, 상기 비드 층은 길이 LB를 가지며, 비 LB:L은 2:1 이상인, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 공급수는 입구를 통해 상기 용기로 들어가고, 상기 비드-처리된 물은 출구를 통해 상기 용기를 빠져나가며, 상기 방법은 상기 출구를 통해 상기 용기 내로 수성 역세척 용액을 밀어 넣어서 상기 물이 상기 비드 층을 통과하고 상기 생물층을 통과하고 상기 입구를 통해 상기 용기를 빠져나가게 하는 것을 포함하는 후속 역세척(backwashing) 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이놀즈 수는 0.30 내지 1.10인, 방법.
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