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KR101432516B1 - 수처리 효율 향상을 위한 분리막 생물반응조 - Google Patents

수처리 효율 향상을 위한 분리막 생물반응조 Download PDF

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KR101432516B1
KR101432516B1 KR1020120090236A KR20120090236A KR101432516B1 KR 101432516 B1 KR101432516 B1 KR 101432516B1 KR 1020120090236 A KR1020120090236 A KR 1020120090236A KR 20120090236 A KR20120090236 A KR 20120090236A KR 101432516 B1 KR101432516 B1 KR 101432516B1
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도레이케미칼 주식회사
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Abstract

본 발명은 수처리 효율 향상을 위한 분리막 생물반응조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 분리막 생물반응조의 막에 발생하는 운전차압에 비하여 절반 이하의 낮은 운전차압만이 발생하므로 가압 또는 감압 펌프를 사용하지 않고 여과 공정을 수행할 수 있어 운전 비용의 현저한 절감을 가져올 수 있으며, 분리막의 내구성이 향상될 뿐만 아니라 가압 또는 감압으로 인한 막 손상을 줄임으로써 분리막 교체주기가 길어질 수 있다. 나아가 가압 또는 감압을 하지 않고 여과 공정을 수행함에 따라 분리막의 오염물질 축적이 감소되고, 분리막에 발생하는 최초 운전차압 자체가 감소되므로 역세척 주기가 길어져 운전효율이 향상된 분리막 생물반응조 수처리 장치에 관한 것이다.

Description

수처리 효율 향상을 위한 분리막 생물반응조{Membrane bio-reactor for improving the water treatment efficiency}
본 발명은 수처리 효율이 향상된 분리막 생물반응조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하,폐수 처리에 있어서 처리 공정을 단순화하며 운전비용을 절감시킬 수 있는 분리막 생물반응조(MBR, Membrane Bio-Reactor)에 관한 것이다.
근래에 들어 수자원의 부족과 적정 수준으로 처리되지 않고 배출되는 오폐수로 인한 수질오염이 심각한 문제가 되고 있다. 하수 처리시설의 수질 기준을 만족하기 위하여 다양한 공정들이 제안되고 있는데, 질소, 인의 처리에 있어 미생물의 상태를 혐기, 무산소, 호기 조건의 다단계 공정을 거침으로써 유입되는 하수 및 오폐수의 유기물 및 영양염류를 처리하는 공정이 통상적으로 쓰이고 있다. 혐기 상태에서는 인이 방출되며, 방출된 인은 호기 조건에서 미생물이 증식함에 따라 과잉섭취(luxury uptake)되고 공정에서 잉여 슬러지가 반출됨으로 인해 제거된다. 호기상태에서는 상기한 바와 같이 미생물이 증식하며 인이 과잉 섭취되고 유기물이 산화됨과 동시에 암모니아 형태의 질소성분이 아질산성 질소(NO2 -, Nitrite)형태를 거쳐 질산성 질소(NO3 -, Nitrate)로 전환하게 된다. 이렇게 전환된 질소성분은 내부반송을 통해 무산소조로 유입되어 무산소 상태에서 질소가스(N2)로 환원되어 대기 중으로 소멸된다. 이러한 공정의 경우에 있어서 최종 처리수를 생산하기 위한 마지막 단계로 침전조를 거치는데 활성 슬러지의 침강성에 의한 처리수 악화가 문제되었다.
이러한 활성 슬러지의 침강성에 의한 처리수 수질 악화 현상을 방지하기 위하여, 1980년대 이후로 미생물과 처리수의 분리를 위한 막여과 공정이 도입되었다. 막여과 공정은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리술폰(PSf), 폴리이서술폰(PES), PVDF 등을 재질로 하며, 표면에 수 Da(Dalton) ~ 수십만 Da(Dalton)의 공경을 갖는 평판형태 또는 중공사 형태로 제작된 분리막을 이용하는 공정이다.
분리막은 그 특성상 공경보다 큰 입자성 물질의 통과를 완전하게 배제시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인해 막 여과 공정이 하수 및 오폐수 처리 공정에 도입되었을 때, 활성 슬러지의 침강성과 관계없이 입자성 물질을 완벽하게 제거할 수 있으므로, 항시 안정적인 처리수를 보장할 수 있다. 또한, 종래의 물리화학적 또는 생물학적 수처리 공정과 비교하여 작은 부지를 통해 보다 많은 양의 하수 및 오폐수의 처리를 가능하게 한다. 이와 같은 공정을 통상적으로 MBR(Membrane Bio-Reactor)공정이라고 하며, 이러한 장점에 따라 현재 MBR 공정은 전 세계적으로 가동 중에 있으며, 그 보급 및 연구가 활발하게 진행되고 있다.
그러나 종래의 분리막 생물반응조에 채용되는 고분자 여과재는 순수한 물에 대한 순수투과도가 500 ~ 1,500LMH에 불과하여 이를 MBR에 구비하고 실제 오염된 물을 여과하는 경우 높은 운전 차압이 발생하였다. 이러한 높은 운전차압으로 인하여 가압 또는 감압 펌프 등을 사용한 여과공정의 수행이 불가피하여 가압 또는 감압 펌프 사용에 따른 운전비용이 지나치게 높아지는 문제가 발생하였다.
또한, 높은 농도로 유입되는 활성 슬러지는 시간이 지나면서 막 표면에 축적되어 분리막 오염(fouling)의 문제를 야기시키게 되는데, 오염물질이 축적됨에 따라 분리막의 여과 압력은 상승하게 된다. 여과압력의 상승은 투수도 감소, 분리막의 수명단축 및 여과에 필요한 에너지 소비량 증가 등 처리수 생산효율을 저감시키게 되므로 분리막의 운전 차압이 일정 수준 이상이 되면 역세척을 수행하여 분리막을 세정하여야 한다. 그러나 종래에는 분리막 생물반응조에 채용되는 고분자 여과재에 발생하는 최초 운전 차압 자체가 높아 역세척이 필요한 운전차압의 도달이 짧은 주기로 이루어질 뿐만 아니라 가압 또는 감압을 하여 여과를 시키므로 오염물질이 축적되기 쉬워 역세척 주기가 지나치게 짧아지는 문제점이 있었다. 나아가 분리막에 가압 또는 감압을 가하므로 분리막의 손상을 가져오기 쉬워 막 교체 주기가 짧아져 운전효율이 감소하는 문제가 있었다.
구체적으로, 도1 내지 2는 종래의 침지형 분리막 생물반응조의 일구현예를 도시한 도면이다. 도1에 도시된 침지형 분리막 생물반응조(100)는 혐기조(10), 무산소조(20) 및 호기조(30)를 포함한다. 호기조(30)는 공기 공급을 위하여 블로어(32)가 설치될 수 있으며, 혐기조(10) 및 무산조로(20)로부터 유입되는 처리수의 고형물을 분리하는 분리막(31)이 침지될 수 있다. 분리막은 도1과 같이 호기조(30) 내에 침지될 수도 있고 도2와 같이 혐기조(10), 무산소조(20), 호기조(30)를 포함하는 생물반응조와 연결된 별도의 막분리조(40) 내에 침지될 수도 있다.
종래의 침지형 분리막 생물반응조에 사용되는 분리막(31)은 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 셀룰로스 아세테이트 (Cellulose acetate), 폴리비닐덴플루오라이드(PVDF, Polyvinyldene fluoride) 등의 고분자 소재가 통상적으로 적용되었다.
그러나 이러한 종래의 분리막(31)은 순수한 물에 대한 순수투과도가 500 내지 1,500LMH에 불과하여 이를 분리막 생물반응조에 구비하고 오,폐수 여과에 적용하는 경우 여과 유량을 20LMH로 유지할 때 막에 걸리는 최초 운전차압이 0.2 내지 0.3kgf/cm2정도 발생한다. 이와 같은 높은 운전 차압으로 인해 종래에는 가압 또는 감압 펌프(33)을 사용하여 여과 공정을 수행할 수 밖에 없어 운전비용이 많이 들었다. 또한, 시간이 지나면서 활성 슬러지가 분리막 표면에 축적되어 분리막(31)의 운전차압은 상승하게 되고 0.5kgf/cm2 정도에 도달하면 역세척을 하게 되는데, 종래에는 가압 또는 감압으로 인해 분리막(31)의 오염물질 축적이 촉진될 뿐만 아니라 분리막(31)에 걸리는 최초 운전차압이 높아 역세척 주기가 짧아지고 운전효율은 감소되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 분리막 생물반응조에 있어서 분리막에 발생하는 운전차압을 감소시켜 가압 또는 감압 펌프의 사용 없이 여과 공정을 수행할 수 있으며, 분리막의 내구성을 향상시키고 막 손상을 줄여 막 교체주기가 길어질 뿐만 아니라 분리막 오염으로 인한 역세척 주기가 길어져 운전효율을 증가시킬 수 있는 분리막 생물반응조(Membrane bio-reactor) 수처리 장치를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
하나 이상의 수조를 포함하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치에 있어서, 적어도 하나의 수조에 PTFE 중공사 분리막이 침지되며, PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조 및 그 후단 수조와의 수두차가 1m 이상이거나 배출구와 연결된 PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조의 수위와 배출구의 높이차가 1m 이상인 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조 및 그 후단 수조와의 수두차는 1 내지 3m 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 수조는 순차적으로 연결된 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물반응조; 및 상기 생물반응조 후단에 연결된 처리수조;를 포함하며, 상기 PTFE 중공사 분리막은 호기조 내에 침지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 수조는 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물반응조; 상기 생물반응조에 연결된 막분리조; 및 상기 막분리조 후단에 연결된 처리수조;를 포함하며, 상기 PTFE 중공사 분리막은 막분리조 내에 침지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 침지된 PTFE 중공사 분리막은 다수의 중공사막을 포함하여 형성되는 중공사막 모듈 형태일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막의 순수투과도는 8000LMH 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막은 기공도가 75%이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막은 기공도가 80%이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막의 평균 공경은 0.4 내지 1.2 μm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막은 강도가 25MPa이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 중공사 분리막의 여과 유량이 20LMH일 때 운전 초기 차압은 0.1kgf/cm2 이하일 수 있다.
본 발명의 분리막 생물반응조는 종래 분리막 생물반응조의 막에 발생하는 운전차압에 비하여 절반 이하의 낮은 운전차압만이 발생하여 가압 또는 감압 펌프를 사용하지 않고 여과 공정을 수행할 수 있어 운전 비용의 현저한 절감을 가져올 수 있다.
또한, 분리막의 내구성이 향상될 뿐만 아니라 가압 또는 감압으로 인한 막 손상을 줄임으로써 분리막 교체주기가 길어질 수 있다. 나아가 가압 또는 감압을 하지 않고 여과 공정을 수행함에 따라 분리막의 오염물질 축적이 감소되고, 분리막에 발생하는 최초 운전차압 자체가 감소되므로 역세척 주기가 길어져 운전효율이 향상된 분리막 생물반응조 수처리 장치를 제공할 수 있다.
도1은 종래 기술의 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 이용한 수처리 장치를 도시한 도면이다.
도2는 종래 기술의 다른 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 이용한 수처리 장치를 도시한 도면이다.
도3a 및 도3b는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 이용한 수처리 장치를 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 바람직한 다른 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 이용한 수처리 장치를 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 바람직한 또 다른 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 이용한 수처리 장치를 도시한 도면이다.
도6은 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 분리막 생물반응조 내에 침지되는 중공사막 모듈의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 종래의 분리막 생물반응조는 분리막에 발생하는 높은 운전차압으로 인하여 가압 또는 감압 펌프를 사용한 여과공정의 수행이 불가피함에 따라 운전비용이 지나치게 높아지고, 분리막의 오염물질 축적이 잘 일어나며, 분리막의 손상이 일어나는 문제점이 있었다. 또한, 최초 운전 차압 자체가 높으므로 역세척이 필요한 운전차압의 도달이 짧은 주기로 이루어져 역세척 주기가 지나치게 짧아짐에 따라 운전효율이 감소하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 하나 이상의 수조를 포함하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치에 있어서, 적어도 하나의 수조에 PTFE 중공사 분리막이 침지되며, PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조 및 그 후단 수조와의 수두차가 1m 이상이거나 배출구와 연결된 PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조의 수위와 배출구의 높이차가 1m 이상인 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치를 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 종래 분리막 생물반응조의 막에 발생하는 운전차압에 비하여 운전차압이 절반 이하로 감소되어 가압 또는 감압펌프를 사용하지 않고 여과 공정을 수행할 수 있고 운전 비용의 현저한 절감을 가져올 수 있으며, 분리막 손상이 저하되어 분리막 교체주기가 길어질 뿐만 아니라 분리막에 발생하는 최초 운전차압이 감소되고 분리막 오염물질 축적이 감소됨에 따라 역세척 주기가 길어지고 운전효율이 향상된 분리막 생물반응조를 제공할 수 있다.
구체적으로, 도3a는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 분리막 생물반응조를 도시한 도면이다.
도3a에 도시된 바와 같이, 분리막(51)이 침지된 호기조(30)와 상기 호기조(30) 후단의 처리수조(50)는 수두차(a)가 1m이상이 되도록 한다.
본 발명에서 수두차(a)란, 서로 연결된 수조에 있어서의 수위차를 말하는 것으로, 본 발명은 분리막에 걸리는 운전차압이 감소되므로 종래처럼 가압, 감압 펌프를 사용하지 않고도 수두차(a)만으로 여과공정을 수행할 수 있게 된다.
따라서 가압 또는 감압 펌프의 설치 및 가동에 따른 운전 비용을 절감할 수 있으며, 분리막에 가압 또는 감압을 가하지 않으므로 막 손상을 줄일 수 있고 1년 이상 사용하는 경우에도 분리막의 파손이 발생하지 않아 분리막 교체주기가 길어지게 된다. 또한, 분리막에 가압 또는 감압을 하여 여과 공정을 수행하는 경우보다 수두차(a)만을 이용하여 여과할 경우 분리막에 오염물질이 축적되는 정도가 적어지고 역세척이 필요한 0.5kgf/cm2의 운전차압에 도달하는 데까지 오랜 시간이 걸리므로 역세척 주기도 길어져 전반적으로 수처리 장치 운전효율을 높힐 수 있다.
도3a는 본 발명에 따른 바람직한 일구현예로서, 혐기조(10), 무산소조(20), 호기조(30)가 순차적으로 연결되어 있으며, 상기 호기조(30) 내부에 PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된다. 혐기조(10) 및 무산소조(20)의 순서는 반대일 수 있으며, 하나의 반응조에서 교대로 조건을 변경하여 형성할 수 도 있다. 도3a에 따르면, PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된 호기조(30)와 그 후단 처리수조(50)의 수두차(a)가 1m이상을 만족할 수 있다. 다만, PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된 수조의 후단 수조를 처리수조(50)로 제한하는 것은 아니며 다양한 목적의 수조일 수 있다.
나아가, 도3b는 본 발명에 따른 바람직한 다른 일구현예로서, PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된 호기조(30)는 배출구(60)와 연결되어 있으며, PTFE 중공사 분리막이 침지된 호기조(30)의 수위와 배출구(60)의 높이차(b)가 1m이상을 만족하도록 한다. 도3b에서 도시된 바와 같이 PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된 수조가 배출구(60)와 바로 연결되었을 경우는 상기 수조 수위와 배출구(60)와의 높이차(b)만으로 여과공정을 수행할 수도 있다.
또한, 도4는 본 발명에 따른 또 다른 바람직한 일구현예로서, 혐기조(10), 무산소조(20), 호기조(30)를 포함하는 생물반응조와 상기 생물반응조와 연결된 별도의 막분리조(40) 내부에 PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된다. 이와 같은 경우 PTFE 중공사 분리막(51)이 침지된 막분리조(40) 와 그 후단 처리수조(50)와의 수두차(a)가 1m이상을 만족하도록 할 수 있다.
도5는 본 발명에 따른 또 다른 바람직한 일구현예로서, 유량조정조(80) 및 막 생물반응조(90)을 포함하며 PTFE 중공사 분리막 모듈(51)이 침지된 생물반응조(90)와 그 후단 처리수조(50)와의 수두차(a)가 1m 이상을 만족하도록 할 수 있다.
도3 내지5는 본 발명 MBR을 구성하는 일례로, 이에 제한되지 않으며, 특정 목적의 수조가 추가되거나 생략될 수 있고 통상적으로 사용되는 MBR 수처리 장치 구성에 모두 적용할 수 있다.
PTFE 분리막(51)이 침지된 수조와 그 후단 수조와의 수두차(a)는 1m이상이며, 보다 바람직하게는 수두차(a)는 1 내지 3m일 수 있다. 수두차(a)가 1m 미만일 경우 수두 압력이 0.1kgf/cm2 이하로 발생하여 최소 유량 20LMH를 만족하지 못하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면 가압 또는 감압을 가하지 않고도 이와 같은 1m이상의 수두차(a)만으로 효과적으로 여과 공정을 수행할 수 있는데, 이를 위해서는 오, 폐수의 여과유량을 20LMH로 유지할 경우 분리막에 걸리는 최초 운전차압이 0.1kgf/cm2 이하를 만족할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.05 내지 0.1kgf/cm2을 만족할 수 있어야 한다.
이와 같이 최초 운전차압 0.1kgf/cm2 이하를 만족하기 위해서 본 발명에 따른 PTFE 중공사 분리막(51)은 기공도가 75%이상을 만족하고, 순수투과도가 8,000LMH 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 기공도가 80%이상을 만족하며 순수투과도가 10,000 내지 12,000LMH일 수 있다. 기공도가 75% 미만이거나 순수투과도가 8,000LMH미만일 경우 높은 운전차압이 발생해 가압 또는 감압 없이 여과공정을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 상기 PTFE 중공사 분리막(51)의 평균 공경은 0.4 내지 1.2 μm일 수 있다. 평균 공경이 0.4 μm 미만일 경우 기공이 너무 작아 차압이 높아지는 문제가 있으며, 1,2 μm을 초과하는 경우 제거 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
상기 PTFE 중공사 분리막(51)은 강도가 25MPa이상일 수 있다. 강도가 25MPa미만일 경우 운전 중 가해지는 폭기 환경 및 고형 오염물질의 의한 분리막 손상의 문제가 있을 수 있다.
가압 또는 감압 없이 1m이상의 수두차만을 이용하여 효과적인 여과 공정을 수행하기 위해서는 수조에 침지되는 분리막이 75% 이상의 기공도를 만족하면서 동시에 25MPa이상의 강도를 만족하는 것이 바람직하다. 종래의 침지형 분리막 생물반응조에 포함되는 다른 고분자 소재의 분리막은 60%이상의 기공도를 갖는 경우 강도가 7MPa이하로 약해지는 반면에 PTFE 중공사 분리막은 75% 이상의 높은 기공도를 형성하면서도 25MPa이상의 강도를 만족할 수 있어 분리막에 걸리는 운전차압을 감소시키고 수두차를 이용한 분리막 생물반응조 여과 공정에 적합할 수 있다.
이와 같은 PTFE 중공사 분리막은 (1) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말 및 액상 윤활제를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; (2) 상기 페이스트를 압축기에서 압축하여 중공사 형태로 예비 성형하는 단계; (3) 상기 압출된 중공사를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계; (4) 상기 액상 윤활제가 제거된 중공사를 연신하여 중공사의 내부에 기공을 형성하는 단계; 및 (5) 상기 연신된 PTFE 중공사 분리막의 열수축을 방지하기 위하여 이를 소성하는 단계를 통해 제조할 수 있다.
상기 페이스트에 포함되는 액상 윤활제는 PTFE 미세분말의 표면을 적시면서 원활한 압출 및 프리폼 형성을 수행하기 위한 것으로서, 중공사로 성형 후 열에 의한 증발추출 등의 수단에 의해 제거 가능한 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 액상 윤활제로서, 유동파라핀, 나프타, 화이트 오일,톨루엔, 크실렌 등의 탄화수소 오일 외에, 각종 알코올류, 케톤류, 에스테르류 등이 사용될 수 있다. 상기 페이스트는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분말 100중량부에 대하여 액상 윤활제 10 ~ 50중량부를 포함할 수 있다.
상기 페이스트를 압축하여 중공사 형태로 예비 성형하는 압축기 내부의 온도 및 압력은 통상의 PTFE 중공사 분리막 제조 시 적용되는 압축기의 조건에 따라 설정할 수 있으며, 바람직하게는 18 ~25℃ 및 1 ~ 3㎫의 압력에서 수행될 수 있다.
상기 압출된 중공사를 가열하여 액상 윤활제를 제거하는 단계는 구체적으로 상기 중공사의 가열온도가 액상 윤활제가 제거되는 정도의 온도이면 족하나 바람직하게는 110 ~ 150℃일 수 있다. 가열시간은 10 초 ~ 10분간 수행될 수 있다.
상기 액상 윤활제가 제거된 중공사를 연신하여 중공사의 내부에 기공도 75%이상의 기공을 형성하는데, 연신온도 역시 250 ~ 320℃일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 연신비는 1.2 ~ 8 배 연신될 수 있다. 연신과정을 거치면 중공사의 내부에 노드와 피브릴을 형성하여 기공이 형성된다.
상기 연신된 PTFE 중공사 분리막의 열수축을 방지하기 위하여 이를 소성한다. 소성온도는 300 ~ 400℃에서 10초 내지 10분간 수행될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 본 발명의 MBR에 침지되는 PTFE 중공사 분리막을 제조할 수 있으나, 본 발명에 따른 기공도 및 강도 등을 만족하도록 제조되는 PTFE 중공사 분리막이라면 특별히 제한하지 않는다.
이와 같은 본 발명에 따른 PTFE 중공사 분리막은 도6에 도시된 바와 같이 다수의 중공사막(52)을 포함하여 형성되는 중공사막 모듈 형태로 침지될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
<실시예1>
대기온도 25 ℃인 하계에, 도 3a와 같이 혐기 반응조, 무산소조 및 호기조가 순차적으로 연결되고, 호기조 내부에는 분리막 모듈 및 블로어를 포함하였다. 상기 호기조 후단에 연결된 처리수조와의 수두차를 1m로 하는 무펌프 파일롯 플랜트(Pilot Plant)를 이용하여 하/폐수를 처리하고 여과유량은 20LMH를 유지하였다. 상기 분리막 모듈에 포함된 PTFE 중공사 여과재를 하기와 같은 방법으로 제조하였다.
평균직경이 500 ㎛인 PTFE 미세 파우더(DF-130, 솔베이) 100 중량부에 대하여 액상 윤활제인 유동 파라핀(엑손모빌제품, 상품명 Isopar-H) 20중량부를 혼합하여 PTFE 페이스트를 형성하였다. 상기 PTFE 페이스트를 3MPa 압력에서 20℃에서 압축하여 중공사 형태로 pre-form을 형성하고 20MPa(200kg/㎠)의 압력에서 80℃ 중공 형상의 외경 3mm 내경 1mm로 압출성형하고, 연속공정으로 이후 상기 형성된 PTFE 중공사를 120℃에서 5분간 가열하여 유동 파라핀을 제거하였다. 연속적으로 상기 성형된 PTFE 중공사 분리막을 롤러간의 속도차에 의해 320℃에서 종방향으로 1.5배 연신하여 노드와 피브릴을 형성시켜 기공을 형성하였다. 이후 350℃로 소성을 통하여 기공도 81%, 강도 28MPa의 PTFE 중공사 분리막을 제조하였다.
상기 분리막 생물반응조에 포함된 PTFE 중공사 분리막의 운전초기 차압은 0.08 kgf/㎠로 측정되었다.
<실시예2>
기공도가 60%인 PTFE 중공사 분리막을 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
상기 분리막 생물반응조에 포함된 PTFE 중공사 분리막의 운전초기 차압은 0.24 kgf/㎠로 측정되었으며, 최소 유량 20LMH을 유지하기 위해서는 감압이 필요하였다.
<비교예1>
PTFE 중공사 분리막을 대신하여 PVDF 중공사 분리막을 포함한 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 실시하여 제조하였다.
PVDF 중공사 분리막은 하기와 같은 제조방법으로 제조하였다. 중량 평균 분자량이 44만인 PVDF(Solef 6013, Solvay) 100중량부에 대하여 글리세롤 트리아세테이트 143 중량부, 비이온 계면활성제(Triton X-100) 7.5 중량부를 동시에 이축 압출기 내부(스크류 직경: 30mm)에 투입하고, 240℃의 압출기에서 용융된 혼합액은 기어펌프를 이용하여 220℃로 유지되는 노즐로 이송시켰다. 이후 내부 응고제로 글리세롤 트리아세테이트를 사용하여 혼합용액을 토출하였으며 이때 노즐과 응고조 수면의 높이(Air gap)는 6cm를 유지하였다. 이렇게 토출된 혼합액은 35℃로 유지되는 응고조를 통하여 냉각시켜 상분리를 유도하였으며 이후 20m/min의 속도로 80℃의 수욕조에서 권취를 실시하였다.
이와 같이 제조된 PVDF 중공사 분리막은 기공도가 65%, 강도가 7MPa이며, 분리막에 걸리는 운전초기 차압은 0.25 kgf/㎠로 측정되었다. 최소 유량 20LMH을 유지하기 위해서는 감압이 필요하였으며, 강도가 약해 막 손상이 쉽게 일어났다.
상기 실시예 및 비교예에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 기공도를 만족하지 못하는 PTFE 분리막을 사용했을 경우 운전 초기 차압이 높아 본 발명의 수두차만을 이용하여 효과적인 여과 공정을 수행할 수 없었다. 또한, 비교예와 같이 PTFE가 아닌 다른 고분자를 사용한 중공사 분리막의 경우 본 발명에 따른 기공도 및 강도를 동시에 만족하기 어려워 본 발명 수처리 장치에 적합하지 않은 것을 확인할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하나 이상의 수조를 포함하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치에 있어서,
    적어도 하나의 수조에 PTFE 중공사 분리막이 침지되며,
    상기 PTFE 중공사 분리막은 기공도가 75 % 이상이고, 강도가 25 MPa 이상이며, 여과유량이 20 LMH일 때, 초기 운전차압은 0.1 kgf/cm2 이며,
    PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조 및 그 후단 수조와의 수두차가 1m 이상이거나 배출구와 연결된 PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조의 수위와 배출구의 높이차가 1m 이상인 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    PTFE 중공사 분리막이 침지된 수조 및 그 후단 수조와의 수두차는 1 내지 3m 인 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수조는 순차적으로 연결된 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물반응조; 및
    상기 생물반응조 후단에 연결된 처리수조를 포함하며,
    상기 PTFE 중공사 분리막은 호기조 내에 침지된 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 수조는 혐기조, 무산소조 및 호기조를 포함하는 생물반응조;
    상기 생물반응조에 연결된 막분리조; 및
    상기 막분리조 후단에 연결된 처리수조를 포함하며,
    상기 PTFE 중공사 분리막은 막분리조 내에 침지된 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 침지된 PTFE 중공사 분리막은 다수의 중공사막을 포함하여 형성되는 중공사막 모듈 형태인 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 중공사 분리막의 순수투과도는 8000LMH 이상인 것을 특징으로 하는 침지형 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 중공사 분리막은 기공도가 80%이상인 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PTFE 중공사 분리막의 평균 공경은 0.4 내지 1.2 μm인 것을 특징으로 하는 MBR(Membrane Bio-Reactor) 수처리 장치.


  10. 삭제
  11. 삭제
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