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KR20060125443A - 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하는 방법 - Google Patents

막 생물반응기에서 투과속도를 개선하는 방법 Download PDF

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KR20060125443A
KR20060125443A KR20050074799A KR20050074799A KR20060125443A KR 20060125443 A KR20060125443 A KR 20060125443A KR 20050074799 A KR20050074799 A KR 20050074799A KR 20050074799 A KR20050074799 A KR 20050074799A KR 20060125443 A KR20060125443 A KR 20060125443A
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polymer
membrane
cationic
chloride
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KR20050074799A
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윤성훈
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날코 컴파니
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Abstract

본 발명은 유효량의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 첨가함으로써, 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법(들)에 관한 것이다. 이들 중합체의 첨가에 의해 채워진 막 생물반응기는 혐기 반응기, 무산소 반응기, 및 호기 반응기 및 혐기 소화장치의 결합으로 만들어진다.
막 생물반응기, 투과속도

Description

막 생물반응기에서 투과속도를 개선하는 방법 {A METHOD FOR IMPROVING FLUX IN A MEMBRANE BIOREACTOR}
도l은 폭기(曝氣) 탱크만으로 이루어진 MBR의 전형적인 예의 도식이고, 여기서, 1은 폐수 (COD=50-30,000mg/L)이고, 2는 폭기 탱크이고, 3은 막이고, 4는 펌프 또는 중력에 얻은 유출물이고, 5는 중합체 첨가이다.
도2는 폭기 및 무산소 탱크로 이루어진 MBR의 전형적인 예의 도식이다. 도식에서 반응기의 크기는 반응기의 체적비를 나타내지 않고, 1은 폐수 (COD=50-30,000 mg/L)이고, 2는 무산소 탱크이고, 3은 폭기 탱크가고, 4는 막이고, 5는 폭기 탱크로부터 무산소 탱크로의 내부 슬러지 재순환이고, 6은 펌프 또는 중력에 의해 수득한 유출물이고, 7은 중합체전해질 첨가이다.
도3은 폭기, 무산소, 및 혐기 탱크로 이루어진 MBR의 전형적인 예의 도식이다. 도식에서의 반응기 크기는 반응기의 체적비를 나타내지 않고, 1은 폐수 (COD=50-30,000 mg/L)이고, 2는 혐기 탱크 (폭기없음) 이고, 3은 무산소 탱크 (폭기없음)이고, 4는 폭기 탱크이고, 5는 막이고, 6은 펌프 또는 중력에 의해 수득한 유출물이고, 7은 무산소 탱크로부터 혐기 탱크로의 내부 슬러지 재순환이고, 8은 폭기 탱크로부터 무산소 탱크로의 내부 슬러지 재순환이고, 9는 중합체전해질 첨가이다.
도4는 혐기 MBR의 도식인데, 여기서, 1은 폐수 (COD=200-100,000 mg/L)이고, 2는 중합체전해질 첨가 (막 사이드의 흐름선의 어떤 위치에 첨가될 수 있음), 3은 믹서(임의적)이고, 4는 헤드스페이스이고, 5는 혐기 탱크이고, 6은 막이고, 7은 유출물이고, 8은 헤드 스페이스로부터 막의 하부로의 가스 재순환이고, 9는 슬러지 재순환 펌프이다.
본 발명은 막 생물반응기에서 막을 통해 물 투과속도를 증가시키기 위한 수용성 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물의 용도에 관한 것이다.
막 생물반응기 (MBR) 장치는 2개의 기본적인 공정을 결합한다: 생물학적 분해 및 단일 공정으로의 막 분리, 여기서, 생체분해를 초래하는 부유물질 및 미생물은 막 여과 장치에 의해 처리 물로부터 분리된다. 전체 생체량은 반응기 내의 미생물의 체류시간(혼합액 숙성)의 조절 및 유출물의 소독 모두를 제공하는 계 내에 한정된다.
통상, 유입물은 생물반응기에 들어가는데, 여기서, 생체량과 접촉한다.
혼합물은 펌프, 수압 또는 이들의 결합으로 막을 통해 여과된다. 투과물은 계로부터 방출되고, 한편, 전체 생체량은 생물반응기에서 유지된다.
투과물은 계로부터 방출되고, 한편, 전체 생체량은 생물반응기로 되돌아간 다. 과량의 혼합액은 일정한 혼합액 숙성을 유지하기 위해 펌프에 의해 제거되고, 막은 역류세정, 화학 세정, 또는 이들 모두에 의해 규칙적으로 세정된다.
MBR 장치에 사용된 막은 초미세여과 및 미세여과, 내피 및 외피, 중공사(中空絲), 관모양의 및 평평한 유기물, 금속, 세라믹 등을 포함한다. 상업적 적용을 위한 바람직한 막은 외피 한외여과기를 갖는 중공사, 판상 한외여과기, 및 외피 정밀여과기를 갖는 중공사를 포함한다. 바람직한 막 공극은 0.01 - 5 마이크론이다.
호기 막 생물반응기 (MBR) 공정에서, 막 오염은 항상 공정의 유압 성능을 제한하는 중요한 쟁점이었다. 막 오염으로 인해, MBR 처리량 또는 투과속도는 종종 감소하고, 더 많은 막이 처리량 손실을 보상하기 위해 필요하다.
최근, 많은 연구 결과 (Nagaoka 등, 1996, 1998; Lee 등, 2002)는 막 오염의 주요 원인 중의 하나는 MBR의 혼합액에 존재하는 생체량에 의해 분비된 단백질 및 폴리사카라이드를 포함하는 생체중합체라는 것을 보여주었다. 또한, 생물반응기에서 형성된 수많은 무기 스케일(scale)이 보고되었는데, 유입물 중 염 농도는 비교적 높았다. 막 표면 상의 스케일 형성의 결과, 막 성능은 상당히 감소되었다 (Huisman, 2005; Ognier, 2004).
생체중합체에 의해 야기된 막 오염을 방지하기 위해, 혼합액과 접촉하여 (-)전하의 막과 반응하지 않는 양이온성 중합체를 사용하는 방법을 개발했다 (Collins 및 Salmen, 2004). 이 방법에서, 각종 중합체를 호기 MBR에, 통상 폭기 탱크(曝氣槽)에 직접 첨가하고, 이들 중합체는 생체중합체와 반응한다. 생체중합체 및 중합체로 이루어진 수득한 입자는 상당히 낮은 막 오염 경향을 갖는다.
막 오염을 야기하는 MBR 에 생성된, 동일한 미생물로 생성된 폴리사카라이드 및 단백질 생체중합체는 MBR 혼합액에서 오염을 야기하는 것으로 공지되어 있다. 이는 이들 화합물이 공기-물 계면에서 기포를 안정화시키는데 도움이 되는 많은 표면 활성 작용기를 함유하기 때문이다. 또한, MBR은 종종 기포 형성과 관련된 상당한 양의 실모양의 미생물을 함유한다. 생체중합체 및 실모양의 미생물 모두는 본 명세서에 기재된 양이온성 중합체와 반응한다. 이전 작업에서, 기포 감소 또는 기포 제거는 항상 양이온성 중합체가 막 투과속도를 개선하기 위해 관찰된 것과 동시에 일어난다는 것을 보여주었다 (Richard, 2003).
한편, 무산소 및 혐기 탱크는 질소 및 인 제거 효율을 증가시키기 위해 MBR에서 설치가 증가하고 있다. 이러한 조건에서, 호기성 생체량은 산소 부족 조건에 주기적으로 노출될 것이고, 한편, 혐기성 생체량이 호기 조건에 노출되는 것은, 혼합액이 산소 풍부 및 산소 부족 조건 사이에서 재순환되기 때문이다. 따라서, 생체량은 산소 스트레스로 인해 더 많은 생체중합체를 생성할 것이다. 고리형 산소 농도에 의해 유발된, 촉진된 생체중합체 발생은 별문제로 하고, 생체중합체 발생은 또한 무산소 및 혐기 탱크에서 저용해 산소 (DO)에 의해 촉진될 수 있다 (Calvo 등, 2001).
낮은 DO 상황에서의 촉진된 막 오염의 가장 직접적인 증거는 Kang 등의 실험 (2003)에서 얻었다. 이 실험에서, 질소 가스는 침지 막을 계속해서 세정하기 사용되었고, 한편, 공기는 막이 위치하지 않는 곳 위에 별도의 노즐을 통해 공급되었 다. 투과 유속은 20 L/m2/hr에서 일정하게 유지되었다. 공기 공급을 멈추자마자, TMP는 증가하기 시작하고, DO는 감소하기 시작했다.
따라서, 무산소성 및/또는 혐기 탱크가 MBR 공정에 설치된다면, 혼합액 중의 생체중합체 함량은 폭기 탱크만을 갖는 다른 MBR에서의 함량보다 더 높을 것이다. 따라서, MBR가 무산소 및 혐기 반응기를 포함한다면, 이전의 방법 (John 등, 2004)은 주입 및 투과속도개선의 관점에서 상당히 덜 효과적일 것이다. 또한, 이전의 방법은 유일한 생물반응기 또는 생물반응기 중의 하나로서 혐기 소화장치를 포함하는 혐기성 MBR에서 효과적이지 않다. 더 나은 성능 및 낮은 주입량을 허용하는 더욱 효과적이고 경제적인 방법이 필요하다.
생체중합체 문제를 별개로 하고, 최근, 무기 오염은 수많은 MBR에서 보고되었다 (Huisman, 2005; Ognier 등, 2002). 이 무기 오염은 종종 주로 칼슘 카보네이트 (CaCO3) 및/또는 칼슘 포스페이트로 이루어지는데, 이는 폭기 생물학적 폐수 처리에서 또는 막 상에 직접 침전할 수 있다("스켈링; scaling"). 무기 오염은 또한 철 산화물을 포함한다.
처리 탱크 (및 막 탱크) 에서의 폭기는 각종 경로에 의해 무기 오염의 원인이 될 수 있다. 예를 들어, 폭기는 폐수에서 용해된 CO2 를 내보내고, 이는 반응 (1)의 평형을 오른쪽으로 강요한다.
HCO3 - ↔ CO3 2 - + CO2 (g) (I)
반응(1)에 의해 형성된 카보네이트(CO3 2-)는 CaCO3 (석회석)을 형성하기 위해 폐수에 존재하는 칼슘과 함께 침전한다. 더욱이, 반응(1)은 칼슘 포스페이트 및 철 산화물 침전을 도와줄 pH의 증가를 야기할 것이다. 카보네이트 및 포스페이트의 침전은 벌크(bulk) 폐수에서 부분적으로 일어날 것이고, 이는 작은 입자를 형성할 것인데, 이 입자의 대부분은 막에 의해 보유될 것이다. 이 침전은 또한 막 표면인 모든 표면에서 일어날 것이다.
본 발명은 유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 막 생물반응기에 첨가함으로써, 유입물이 스케일링 또는 무기 오염 상태를 야기하기에 충분한 염 또는 무기 산화물의 농도를 갖는 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법을 제공한다. 막 생물반응기는 또한 1종 이상의 호기 반응기를 포함한다. 막 반응기는 또한 하기의 반응기 중 2개 이상의 결합을 포함한다: 혐기 반응기, 무산소 반응기, 및 호기 반응기.
본 발명은 또한 하기 유형의 반응기 중 2개 이상으로 만들어진 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법을 제공한다: 혐기 반응기, 무산소 반응기, 및 호기 반응기. 유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성, 또는 쯔비터이온성 중합체 또는 이의 결합물은 이러한 유형의 막 생물반응기에 첨가된다.
본 발명은 또한 1종 이상의 혐기 소화장치를 포함하는 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하는 방법을 제공한다. 유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성, 또는 쯔비터이온성 중합체 또는 그의 결합물은 이러한 유형의 막 생물반응기에 첨가된다.
본 발명은 또한 1종 이상의 혐기 소화장치 및 1종 이상의 호기 반응기를 포함하는 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하는 방법을 제공한다. 유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성, 또는 쯔비터이온성 중합체 또는 그의 결합물은 이러한 유형의 막 생물반응기에 첨가된다.
용어의 정의
"약"은 유사함 또는 동일함을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 하기의 약어 및 용어는 하기의 의미를 갖는다: MBR - 막 생물반응기; AcAM - 아크릴아미드; 및 DMAEA·MCQ - 디메틸아미노에틸아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염.
"양쪽성 중합체"는 양이온성 단량체 및 음이온성 단량체 모두, 및 가능하게는 다른 비이온성 단량체(들)로부터 유래된 중합체이다. 양쪽성 중합체는 알짜 (+) 또는 (-) 전하를 가질 수 있다. 양쪽성 중합체는 또한 쯔비터이온성 단량체 및 양이온성 또는 음이온성 단량체 및 가능하게는 비이온성 단량체로부터 유래될 수 있다. 양쪽성 중합체는 수용성이다.
"양이온성 중합체"는 전체 (+) 전하를 갖는 중합체이다. 본 발명의 양이온성 중합체는 1종 이상의 양이온성 단량체를 중합하고, 1종 이상의 비이온성 단량체 및 1종 이상의 양이온성 단량체를 공중합하고, 에피클로로히드린 및 디아민 또는 폴리아민을 축합하거나 에틸렌디클로라이드 및 암모니아 또는 포름알데히드 및 아민 염을 축합함으로써 제조된다. 양이온성 중합체는 수용성이다.
"양이온성 단량체"는 알짜 (+) 전하를 갖는 단량체를 의미한다.
"용액 중합체"는 물 연속 용액 중 수용성 중합체를 의미한다.
"폭기 탱크"는 호기성 박테리아를 성장시키기 위해 0.5 ppm 초과의 용해된 산소를 갖는 생물반응기를 의미한다. 이러한 조건 하에서, 박테리아는 용해된 산소를 사용하는 유입물에 함유된 유기 물질을 활성적으로 산화시킬 수 있다.
"무산소 탱크"는 0.5 ppm 미만의 용해된 산소를 갖는 생물반응기를 의미한다. 이 반응기는 전형적으로 질소로서 3 ppm 초과의 니트레이트 (NO3 -) 이온을 갖는 혼합액이 공급된다. 이러한 조건 하에서, 대부분의 헤테로트로픽 박테리아는 니트레이트 중 결합된 산소로 호흡하고, 니트레이트를 질소 가스(이는 궁극적으로 공기를 방출함)로 감소시킬 수 있다.
"혐기 탱크"는 0.1 ppm 미만의 용해된 산소 및 3 ppm 미만의 니트레이트 이온을 갖는 생물반응기를 의미한다.
"혐기 소화 장치"는 메탄 가스를 생성하는 엄격한 혐기성 박테리아를 성장시키기 위해 상부 커버로 공기로부터 완전히 고립된 생물반응기를 의미한다.
"쯔비터이온성 중합체"는 쯔비터이온성 단량체, 및 가능하게는 다른 비이온성 단량체(들)로부터 구성된 중합체를 의미한다. 쯔비터이온성 중합체에서, 모든 중합체 사슬, 및 이 사슬 내의 분절은 엄격하게는 전기적으로 중성이다. 따라서, 쯔비터이온성 중합체가 모든 중합체 사슬 및 분절에 걸쳐서 중성 전하를 반드시 유지하는 양쪽성 중합체의 하부 세트를 나타내는 것은 음이온성 전하 및 양이온성 전하가 동일한 쯔비터이온성 단량체 내에 도입되기 때문이다. 쯔비터이온성 중합체는 수용성이다.
"쯔비터이온성 단량체"는 양이온성 및 음이온성 (전하를 띤) 작용기를 동일한 비율로 함유하는 중합성 분자를 의미하는데, 그 분자는 전체에 걸쳐 알짜 중성이다.
바람직한 구체화
양이온성, 양쪽성, 및 쯔비터이온성 중합체 또는 그의 결합물은 생물반응기 중의 하나 또는 다양한 의미로 생물반응기 중의 하나로 흐르는 임의의 액체 흐름으로 직접 도입된다.
모든 경우에, 중합체는 흡수를 최대화하기 위해 생물반응기에서 혼합액과 당연히 혼합되어야 한다. 이는 폭기 노즐이 위치한 생물반응기의 부분에 중합체를 공급함으로써 달성될 수 있다. 흐름이 거의 없는, 생물반응기 중 소위 "데드(dead)" 구역은 피해야한다. 일부 경우에, 침지 프로펠러 믹서는 바신(basin)에서 혼합을 증가시킬 필요가 있을 수 있거나, 혼합액은 사이드 암 루프 (side arm loop)를 통해 재순환될 수 있다.
용액 중합체는 화학 정량 펌프, 예컨대 LMI Model 121 (MA의 Acton에 있는 Milton Roy사)를 사용하여 주입될 수 있다.
하나의 구체화로, 막 생물반응기 유입물은 스켈링 및 유기 오염을 야기하기에 충분한 염 또는 무기 산화물의 농도를 갖는다. 염 및 무기 산화물은 마그네슘, 칼슘, 규소 및 철로 이루어진 군으로부터 선택된다. 다른 구체화로, 마그네슘 및 칼슘 염 모두 또는 무기 산화물은 약 5 ppm 이상의 농도를 갖고, 철 염 또는 무기 산화물은 약 0.1 ppm 이상의 농도를 가지며, 규소 염 또는 무기 산화물은 약 5 ppm 이상의 농도를 갖는다. 다른 구체화에서, 염은 카보네이트, 포스페이트, 옥실레이트, 및 술페이트로 이루어진 군으로부터 선택된다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체의 양은 전체 막 생물반응기의 체적을 기준으로 활성물질로서 약 10 - 약 2,000 ppm 이다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 약 25,000 Da 이상의 분자량을 갖는다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 약 10 몰% 이상의 전하를 갖는다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 약 25,000 Da 이상 및 약 10 몰% 이상의 전하를 갖는다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 암모니아 또는 에틸렌디아민과 가교결합된 에피클로로히드린-디메틸아민의 중합체; 에피클로로히드린 및 디메틸아민의 선형 중합체; 폴리에틸렌이민의 단독중합체; 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드; DMAEM·H2SO4의 단독중합체; 중합된 트리에탄올아민/4차 메틸 클로라이드, 중합된 트리에탄올아민 및 톨유(tall oil) 지방산/4차 메틸 클로라이드, 폴리에틸렌디클로라이드/암모니아, 및 변성 폴리에틸렌이민으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 (메트)아크릴아미드의 중합체이고, 1종 이상의 양이온성 단량체는 디알킬아미노알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 및 그것의 4차 또는 산 염을 포함하는데, 이들은 하기를 포함하지만, 그에 한정되는 것은 아니다: 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 벤질 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 염산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 벤질 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 염산 염, 디알킬아미노알킬아크릴아미드 또는 메타크릴아미드 및 그의 4차 또는 산 염, 예컨대 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 황산 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 염산 염, 메타크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 디에틸아미노에틸아크릴레이트, 디에틸아미노에틸메타크릴레이트, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸 암모늄 클로라이드.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 디알릴디메틸암모늄 클로라이드/아크릴아미드 공중합체이다.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 양쪽성 중합체는 하기로 이루어진 군으로부터 선택된다: 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염/아크릴산 공중합체, 디알릴디메틸암모늄 클로라이드/아크릴산 공중합체, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 염/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 공중합체, 아크릴산/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 공중합체 및 DMAEA·MCQ/아크릴산/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 3원중합체.
다른 구체화로, 막 생물반응기에 첨가된 쯔비터이온성 중합체는 약 99 몰%의 N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 및 약 1 몰% 이상의 비이온성 단량체로 이루어진다.
하기 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
도2에서, 막 (3) 을 폭기 탱크 (2)에서 직접 침지한다. 폭기 탱크를 다수의 반응기로 나눌 수 있다. 막을 반응기 중의 하나에 침지시키거나 반응기의 외부에 설치할 수 있다. 혼합액의 MLSS를 3,000 mg/L 내지 30,000 mg/L에서 유지할 수 있다. 유입물(1)이 5 ppm 초과의 칼슘 이온 및/또는 5 ppm 초과의 마그네슘 및/또는 10 ppm 초과의 실리카 및/또는 0.1 ppm 초과의 철을 가질 때, 스케일 형성 또는 무기 오염은 막 표면에 일어날 수 있다. 10,000-20,000,000 Da 의 MW 및 1- 100%의 전하를 갖는 양이온성 중합체는 탱크 (5) 중의 하나, 또는 활성 중합체로서 10-2,000 ppm의 농도에서 반응기 중의 하나로 흐르는 임의의 흐름에 직접 첨가될 수 있다. MW의 상한은 물 중 중합체의 용해도 및 분산도에 의해서만 한정된다.
실시예 2
도2에서, 무산소 탱크 (2)를 폭기 탱크 (3)에 첨가하고, 폭기 탱크의 혼합액을, <0.5 mg/L의 용해된 산소 레벨을 유지하기 위해 공기가 공급되지 않는 무산소 탱크로 재순환한다. 폐수에 함유된 질소 화합물을 폭기 탱크 (3)에서 니트레이트로 산화시키고, 무산소 탱크 (2)로 재순환한다. 무산소 탱크에서, 일부 질소제거 박테리아는 니트레이트 이온에 함유된 결합된 산소를 이용하고, 질소 가스를 생성한다. 막 형상은 판상, 중공사, 관모양, 또는 이들의 결합일 수 있다. 임의로 막은 막 탱크의 외부에 위치할 수 있고, 탱크 중의 하나에서의 슬러지는 펌프(들)에 의해 막 시스템으로 순환될 수 있다. 유입물 (1)이 5 ppm 초과의 칼슘 이온 및/또는 5 ppm 초과의 마그네슘 및/또는 0.1 ppm 초과의 철 및/또는 10 ppm 초과의 실리카를 가질 경우, 스케일 형성 또는 무기 오염은 막 표면 상에 일어날 수 있다.
넓은 범위의 양이온성 중합체가 막 오염을 방지하는데 도움이 될지라도, 높은 M.W. (>50,000 Da) 및 높은 몰 전하 (>10%) 중합체가 특히 효과적일 것이다. 하나 또는 다수의 상이한 중합체가 무산소 탱크 및/또는 폭기 탱크 및/또는 반응기 중의 하나로 흐르는 임의의 유량 흐름에 첨가될 수 있다.
실시예 3
도3에서, 혐기 탱크 (2) 및 무산소 탱크 (3)을, 인을 최대로 제거하기 위해 폭기 탱크 (4)에 함께 첨가한다. 무산소 탱크로부터 혐기 탱크 (7)로 재순환된 혼합액이 일부 니트레이트 이온을 함유할지라도, 전체 산소 공급이 아주 제한적인 것은 DO 레벨이 0.1 mg/L 미만이기 때문이다. 이러한 환경에서조차, 일부 인(燐) 축적 유기물 (PAO)은 셀에 축적된 인의 중합체성 형태를 가수분해하여 에너지를 얻을 수 있다. 일단 PAO가 무산소 탱크를 통해 폭기 탱크로 이동하면, 소위 "럭셔리 업테이크(Luxury Uptake)"인 장차의 용도를 위해 지나치게 축적한다. 지나치게 축적된 인은, 과량의 바이오솔리드(biosolid)가 계로부터 제거될 때, 결국 제거된다. 막 형상은 판상, 중공사, 관모양, 또는 이들의 결합물일 수 있다. 임의로 막은 막 탱크의 외부에 위치할 수 있고, 탱크 중의 하나에서의 슬러지는 펌프(들)에 의해 막 시스템으로 순환될 수 있다. 유입물 (1)이 5 ppm 초과의 칼슘 이온 및/또는 5 ppm 초과의 마그네슘 및/또는 0.1 ppm 초과의 철 및/또는 10 ppm 초과의 실리카를 가질 경우, 스케일 형성 또는 무기 오염은 막 표면 상에 일어날 수 있다.
넓은 범위의 양이온성 중합체가 막 오염을 방지하는데 도움이 될지라도, 높은 M.W. (>50,000 Da) 및 높은 몰 전하 (>10%) 중합체가 특히 효과적일 것이다. 하나 또는 다수의 상이한 중합체가 무산소 탱크 및/또는 폭기 탱크 및/또는 반응기 중의 하나로 흐르는 임의의 유량 흐름에 첨가될 수 있다.
실시예 4
네 번째 적용 예는 실온 - 70 ℃에서 작동하는 혐기 MBR (도4)이다. 이 MBR은 반응기의 상부 상에 커버를 가지며 공기는 공급되지 않는다. 임의로 기계 적인 교반은 믹서 (3)을 사용하여 수행될 수 있다. 침지 막 (도4a)의 경우에, 헤드 스페이트 (4) 내의 가스는 막을 세정하기 위해 탱크의 하부로 재순환될 수 있다. 막이 외부에 설치되어 있다면(도4b), 슬러지 순환 펌프 (9)는 단독으로 또는 폭기 반응기와 결합하여 사용될 수 있다. 혼합액이 부유된 고체(MLSS) 레벨은 3,000-30,000 mg/L 에서 유지되고, 유입물 COD은 200-100,000 mg/L이다.
본 발명에 따르면, 수용성 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 사용하여, 막 생물반응기에서 막을 통해 물 투과속도를 증가시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. 유입물이 스케일링 또는 무기 오염 상태를 야기하기에 충분한 염 또는 무기 산화물의 농도를 갖는 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법에 있어서, 유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 막 생물반응기에 첨가함을 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 염 또는 무기 산화물은 마그네슘, 칼슘, 규소 및 철로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 마그네슘 및 칼슘은 약 5 ppm 이상의 농도를 갖고, 또는 철은 약 0.1 ppm 이상의 농도를 가지며, 또는 규소는 약 5 ppm 이상의 농도를 갖는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 양이온성 중합체의 유효량은 전체 막 생물반응기의 체적을 기준으로 활성물질로서 약 10 - 약 2,000 ppm 인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 막 반응기는 혐기 반응기, 무산소 반응기, 및 호기 반응기 중 2개 이상의 결합을 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 막 생물반응기는 1종 이상의 호기 반응기를 포함하는 방법.
  7. 하기 단계를 포함하는, 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법:
    혐기 반응기, 무산소 반응기, 및 호기 반응기 중 2개 이상의 결합을 포함하는 막 생물반응기를 제공함; 및
    유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 막 생물반응기에 첨가함.
  8. 제 7 항에 있어서, 양이온성 중합체의 유효량은 전체 막 생물반응기의 체적을 기준으로 활성물질로서 약 10 - 약 2,000 ppm 인 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 약 25,000 Da 이상의 분자량을 갖는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서, 막 생물반응기에 첨가된 양이온성 중합체는 약 10 몰% 이상의 전하를 갖는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서, 중합체에 첨가된 양이온성 중합체는 약 25,000 Da 이상 및 약 10 몰% 이상의 전하를 갖는 방법.
  12. 제 7 항에 있어서, 양이온성 중합체는 암모니아 또는 에틸렌디아민과 가교결합된 에피클로로히드린-디메틸아민의 중합체; 에피클로로히드린 및 디메틸아민의 선형 중합체; 폴리에틸렌이민의 단독중합체; 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드; DMAEM·H2SO4의 단독중합체; 중합된 트리에탄올아민/4차 메틸 클로라이드, 중합된 트리에탄올아민 및 톨유(tall oil) 지방산/4차 메틸 클로라이드, 폴리에틸렌디클로라이드/암모니아, 및 변성 폴리에틸렌이민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 양이온성 중합체는 (메트)아크릴아미드의 중합체이고, 1종 이상의 양이온성 단량체는 디알킬아미노알킬 아크릴레이트 및 그것의 4차 또는 산 염, 디알킬아미노알킬 메타크릴레이트 및 그것의 4차 또는 산 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 벤질 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 염산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 벤질 클로라이드 4차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 염산 염, 디알킬아미노알킬아크릴아미드 또는 메타크릴아미드 및 그의 4차 또 는 산 염, 예컨대 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 황산 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 염산 염, 메타크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 메틸 술페이트 4차 염, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 디에틸아미노에틸아크릴레이트, 디에틸아미노에틸메타크릴레이트, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸 암모늄 클로라이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  14. 제 7 항에 있어서, 양이온성 중합체는 디알릴디메틸암모늄 클로라이드/아크릴아미드 공중합체인 방법.
  15. 제 7 항에 있어서, 양쪽성 중합체는 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 4차 염/아크릴산 공중합체, 디알릴디메틸암모늄 클로라이드/아크릴산 공중합체, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 염/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 공중합체, 아크릴산/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 공중합체 및 DMAEA·MCQ/아크릴산/N,N-디메틸-N-메타크릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 3원중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  16. 제 7 항에 있어서, 쯔비터이온성 중합체는 약 99 몰%의 N,N-디메틸-N-메타크 릴아미도프로필-N-(3-술포프로필)-암모늄 베타인 및 약 1 몰% 이상의 비이온성 단량체로 이루어진 방법.
  17. 하기 단계를 포함하는, 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법:
    1종 이상의 혐기 소화장치를 포함하는 막 생물반응기를 제공함; 및
    유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 막 생물반응기에 첨가함.
  18. 하기 단계를 포함하는, 막 생물반응기에서 투과속도를 개선하기 위한 방법:
    1종 이상의 혐기 소화장치 및 1종 이상의 호기 반응기의 결합을 포함하는 막 생물반응기를 제공함; 및
    유효량의 1종 이상의 양이온성, 양쪽성 또는 쯔비터이온성 중합체, 또는 이의 결합물을 막 생물반응기에 첨가함.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 염은 카보네이트, 포스페이트, 옥실레이트 및 술페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
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