KR100316406B1 - 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오·폐수 등 각종 오염물질을 생물학적 또는 화학적으로 처리함에 있어서, 처리대상 오염물질을 100RPM 이상의 회전체에 투입하여 충돌시키고 또 주위벽에 충돌시키므로서 오염물질을 무화시킴과 동시에 고형물을 파괴하여, 후속 혐기성 소화, 호기성처리, 탈질 등의 생물학적 처리의 효율을 개선하며, 오존, 과산화수, UV 등에 의한 화학적처리의 경우 화학반응을 촉진시킬 수 있도록 하는 오·폐수의 전처리 또는 주처리 방법과 장치를 제공하기 위한 것임.

Description

회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 방법 및 장치 {Pollutants pretreatment and disintegration process by rotator}

본 발명은 오·폐수 등의 오염물질을 회전체에 투여하여 충돌시키고 또 회전하는 회전체에 의한 원심력으로 주변의 벽에 강하게 충돌시켜 오·폐수에 포함된 슬러지를 파괴하므로서 후속 혐기성소화, 호기성처리, 탈질 등의 생물학적 처리효율 개선, 또는 오존, 과산화수소, UV 등에 의한 화학적처리의 경우 화학반응을 촉진시킬 수 있는 오·폐수의 전처리 또는 주처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

수처리는 수중의 오염된 물질을 미생물 또는 화학적인 산화 또는 환원반응에 의하여 안정화된 물질로 변화시키는 일련의 조작이다. 폐수의 성상에 따라 이에 포함된 유기물은 이를 다양한 방법으로 안정화 시킬 수 있다. 그러나 대부분의 수처리는 자연상태에서 미생물의 유기물 분해속도에 의존하고 있어 처리속도가 매우 느리고 불안정하다. 특히, 슬러지의 경우 이는 대부분 난분해성이고 고농도이므로 그 처리속도와 처리의 안정성 문제는 더욱 심각하게 나타난다. 이와 같은 슬러지 처리의 핵심은 가능한 수처리과정에 재이용하거나 슬러지 자체를 감량화하는 방안이 동시에 강구되어야 할 것이다.

지금까지 이와 같은 두가지의 조건에 대한 원칙론은 강조되어 왔으나 현실적으로 이에 맞는 장치는 개발되지 않고 있다. 즉, 슬러지를 파괴할 경우 후속처리에 도움을 줄 수 있다는 인식은 일반화되어 있다. 그러나 최소의 비용으로 최대의 효과를 유도할 수 있고 실용화하기가 용이한 공정은 국·내외적으로 개발되지 못하고있는 실정이다. 예로서, 본 발명자는 고정된 충돌판이나 회전형 충돌판에 슬러지를 펌프로 분사하여 슬러지를 파괴하여 후속 혐기성 소화효율을 촉진하는 연구를 수행한 바 있다. 그러나 이와 같은 경우에 있어서는 노즐이 막힌다던지, 분사에 소요되는 고압펌프를 설치하여야 한다던지 하는 어려움이 있다.

본 발명자들은 펌프에 의한 분사로 슬러지를 파괴할 경우 슬러지 액주(물기둥 형태) 자체의 무거운 질량 때문에 충돌하는 과정에서 외부에서 투여된 힘의 상당부문이 손실된 상태에서 충돌판에 충돌되므로 슬러지의 파괴에 한계가 있다는 것을 알게 되었다. 그리하여 본 발명자들은 회전체에 의한 분해장치를 개발한 바 있으나 이는 원심 회전체에 따른 공기의 흐름이 오·폐수의 흐름에 영향을 주어 오·폐수가 소기의 방향으로 흐르지 아니하여 오·폐수의 무화 효과와 오·폐수로 부터 탈기된 가스의 분리 및 유기물 분해를 유도하는 데에는 부족하였다.

또한 오존, 과산화수소, UV 같은 강한 산화제와 오염물질을 반응시키는 지금까지의 화학적처리 과정은, 상온 상압하에서 산화제와 액체상태의 오염물질을 단순히 접촉시키므로서 값비싼 산화제가 적절한 반응을 거치지 못하고 손실되는 등 처리효율이 매우 낮은 결점이 있었다. 지금까지 이러한 문제점을 해결하기 위하여 오염물질 자체를 가열하거나 가압하여 처리효율을 개선하는 방법들이 연구되었다. 그러나 이러한 공정은 투여되는 에너지 비용이 막대하여 실용화하는 데에 한계가 있다.

본 발명은, 첫째, 고형물이 다량 함유된 슬러지를 분해하여 후속 혐기성 소화, 호기성처리, 탈질등 생물학적 처리효율을 개선하기 위한 것이며, 둘째 분무화 반응조에 가장 일반적인 산화제인 오존이나 과산화수소를 첨가하거나, UV를 조사하여 가스류를 포함한 오염물질과 산화제를 최대한 접촉시켜 화학적반응의 촉진을 유도하는 오·폐수처리 또는 오·폐수로부터 악취를 기계적으로 처리하는 방법과 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 연구개발자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구를 수행한 결과 화학반응 조건과 압력변화를 유도하는 과정이 매우 중요한 것임을 인지하게 되었다.

이와 같은 현재 공정의 문제점과 기초 이론을 토대로 하여 본 발명자들은, 회전체에 오·폐수를 투입하여 회전체의 원심력으로 주위에 흩뿌리므로써 주벽에 충돌시키어 슬러지를 분해시켰다. 이때 분무화의 촉진을 위하여 기계장치의 원심력을 이용하여 공기를 주입할 수 있다.

산화제에 의하여 화학반응을 촉진할 경우, 충돌판에 의해서 무화된 오·폐수에 산화제인 과산화수소나 오존을 첨가하거나 UV를 조사한다. 무화된 오·폐수는 산화제와의 접촉이 용이하게 되어 반응이 촉진되며, 또한 산화제와 오염물질의 반응으로 발생된 기체에 의해서 분무조 내부의 기압과 온도가 상승하게 되어 오염물질과 산화제의 반응은 가속화 된다. 따라서 분무조내에서 압력 상승을 쉽게 유도할 수 있다. 아울러 충돌에너지는 처리대상 오·폐수에 전달되어 에너지 준위가 높아져 반응성이 증가하게 된다.

본 발명은 오·폐수를 회전체에 투입시키고, 회전체에 의해서 주위로 흩뿌려지면서 무화되게하며, 주변벽에 충돌시키므로서 슬러지의 파괴를 효과적으로 유도하고, 후속 혐기성소화, 호기성처리, 탈질 등의 생물학적 처리를 함에 있어서 그 효율을 개선시키며,오존 등 산화제의 첨가로 화학반응의 촉진시키므로서 오·폐수의 효율적인 전처리를 수행할 수 있는 방법과 장치를 제공하기 위한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예로서 실험실 규모의 실시예를 첨부된 도면에 의하여 제시한다. 그러나 다음과 같은 실시예가 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 아니될 것이다.

즉, 첨부된 도면은 본 발명의 설명의 편의를 위하여, 특정시료를 처리하기 위한 본 발명의 실험에 사용된 한정된 실시예를 도시한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 슬러지의 분무 및 분해장치의 일 예시도이다.

도2는 회전판의 일 예시 평면도이고,

도3은 도2에 도시된 회전판의 단면도이고,

도4는 회전판의 다른 실시예의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1.........외통체 11........덮개판

11a.......덮개판 111.......오·폐수유입구

112.......공기유입구 113.......충돌턱

2.........회전축 3, 31.....회전판

32........플라스크형의 회전판

33........토출구 321.......경사면

34........충돌돌조 4.........안내판

5.........개구부 6.........분리조

61........처리수배출구 62........고형물배출구

7.........뚝 71........통공

8.........도넛판체

본 발명의 장치는, 첨부된 도면 도 1 에 도시된 바와 같이, 외통체(1)와 그 내부에 설치된 회전축(2)과 이에 고정된 하나 이상의 회전판(3, 31) 그리고 외통체(1)의 저부에 분리조(6)를 설치하되 외통체(1)과 분리조(6) 사이에 개구부(5)가 형성되어 탈기된 가스가 배출되게 한 것을 구성 요소로 하며, 분리조(6)는 오·폐수로 부터 처리수와 고형물을 분리하도록 구성시킨다. 회전판(3, 31)을 두개 이상 설치할 경우에는 각개의 회전판(3, 31) 사이에 처리수가 중앙부로 모여 하락하도록 유도하는 안내판(4)을 설치한다. 외통체(1)는 그 상측에 덮개판(11)이 설치되고, 덮개판(11)의 저면에는 충돌턱(113)이 설치된다. 덮개판(11)에는 오·폐수유입구(111)와 공기유입구(112)를 설치한다.

각개의 회전판(3, 31)과, 그 상측의 덮개판(11)이나 안내판(4) 사이의 간격(S)을 1mm이상이 되게 형성시킨다. 이는 그 사이를 통과하는 오·폐수가, 각개의 회전판(3, 31) 상면과 덮개판(11)이나 안내판(4)의 저면 사이에서 튕겨지면서 충돌되어 무화가 촉진되게 하기 위함이다. 회전판(3, 31)의 상면에는 오·폐수와의 충돌효과를 향상시키기 위하여 다각형의 뚝(7)을 설치하는 것이 바람직하며, 이 뚝(7)의 모서리부에는 통공(71)을 설치하여 오·폐수가 통공(71)을 통과하게 구성시키는 것이 바람직하다. 그리고 덮개판(11)과 마찬가지로 안내판(4)의 저면에도 충돌턱(113)을 설치하여 오·폐수가 이에 충돌되어 무화 되게 한다. 이러한 충돌에 의한 무화 효과의 상승을 위하여는, 안내판(4)의 저면에 충돌턱(113)을 설치하는 것에 갈음하여, 뚝(7)의 상부에 도넛판체(8)를 설치할 수 있다. 이는 오·폐수가 뚝(7)을 넘쳐 회전판(3, 31)외측의 다른 뚝을 거치지 아니하고 곧바로 외통체(1)의 내벽에 다다르지 아니하게 하기 위함이다. 또한 회전판(3)의 상면에는 방사상의 방향으로 다수개의 충돌판(9)을 설치하는 것이 바람직하다. 충돌판(9)의 상단은 이를 톱니모양으로 형성시키므로서 오·폐수에 가하여지는 전단력(剪斷力)을 향상시킬 수 있다.

외통체(1)의 내면벽에는 상하 길이 방향으로 다수개의 충돌벽(12)를 설치하여, 회전회전판(3, 31)에 의하여 회전 방향으로 흩뿌려지는 오·폐수가 외통체(1)의 내면벽을 회전회전판(3, 31)의 회전 방향에 따라 반복하여 흐르지 아니하게 한다. 이는 외통체(1)의 내면벽을 회전회전판(3, 31)의 회전 방향에 따라 흐르는 오·폐수가 외통체(1)의 내면벽에 충돌되는 오·폐수의 충격을 증가시켜 연속적으로 회전하는 속도를 완화시키기 때문이다. 이러한 충돌벽(12)는 이를 첨부된 도면 도2에 도시한 바와 같이 이를 톱니 모양으로 형성시키는 것이 바람직하다.

분리조(6)에 처리수배출구(61)와 고형물배출구(62)를 설치한다. 처리수배출구(61)는 그 유입구를 분리조(6)의 바닥보다 높은 자리에 위치시키어 오·폐수의 처리시 분리조(6) 내부에 상당량의 오·폐수가 고이게 하고, 고인 오·폐수가 회전판(3, 31)의 회전에 따른 공기의 흐름으로 회전되게 하며, 이러한 회전으로 오·폐수내의 고형물이 원심력으로 고형물배출구(62)로 배출되게 한다.

회전판은 첨부된 도면 도 2에 도시된 바와 같이, 그 주위에 상향으로 또 내측을 향하여 90°미만으로 경사진 경사면(321)을 갖는 대략 삼각 플라스크(Flask)모양의 회전판(32)으로 형성시킬 수 있다. 플라스크 모양의 회전판(32) 저부 테두리에 토출구(33)를 설치하며, 회전판(32)의 상면에 동심원의 형상으로 된 다수의 충돌돌조(34)를 설치하여, 회전판(32)의 상부로 투입되는 오·폐수가 회전하는 회전판(32)의 원심력에 의하여 외방으로 튕겨지면서 회전판(32)의 충돌돌조(34)에 충돌되고, 또, 외통체(1)의 주변 벽에 충돌되게 구성시킬 수도 있다. 이는 오·폐수가 충분한 원심력을 얻기 전에 주변으로 튕겨져 작은 힘으로 외통체(1)의 내면벽에 충돌되는 일을 방지하는 작용을 하기도 한다. 또한 이와 같은 플라스크형의 회전판(32)은, 구조물 상하의 원심력 차이를 유도할 수 있고 이러한 결과, 하부에서 외통체(1)의 내면벽을 향해 방출되는 폐수(A)와, 회전판(32)의 경사면(321)을 흐르는 공기(B)가 충돌하여 무화를 극대화시키고, 그리하여 고형물에서 분리된 가스는 하향 이동하게 되어 분해 및 가스 분리 효과를 극대화시킬 수 있다. 회전판(32)의 토출구(33)는 슬러지의 고형물의 정도에 따라 그 직경을 1mm이상으로 형성시키므로서, 회전판(32)에 의하여 외통체(1)의 내면벽에 충돌될 유체가 회전원판의 최대원심력(회전판의 가장자리)을 얻은 후 외통체(1)의 내면벽에 충돌되도록 한다. 회전판을 플라스크형의 회전판(32)으로 형성시킬 경우 덮개판(11a)은 이를 플라스크형의 회전판(32)내부에 설치하여 오·폐수의 이탈을 방지하고 충돌 효과를 상승시킬 수 있게 함이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 회전축(2)과 이에 고정 설치된 회전판(3, 31, 32)을 모터(20)에 의해서 100회/min 이상 회전시키면서, 오·폐수를 유입시키면, 오·폐수는 회전판(3, 31, 32)에 의하여 충격을 받고, 또 그 회전에 의한 원심력으로 외통체(1)의 내벽에 충돌되면서 미세입자로 쪼개져 무화(霧化)된다. 이때 회전판(3)의 회전에 의하여 발생의 원심력은 공기유입구(112)를 통하여 공기를 흡입하여 오·폐수의 무화를 촉진시킨다. 무화된 슬러지는 슬러지 자체의 무게 감소로 주변에 충돌하는 속도가 높아질 수 있다. 즉, 뉴톤의 운동법칙에 의하면, F = ma라고 표시할 수 있다. 이 등식에서 일정한 힘(F)이 주어질 경우 질량(m)의 값이 최소화인 분무상태가 될 때 가속도(a)의 값이 최대값이 된다. 본 연구자들은 슬러지 충돌효과에 대한 오랜 연구 결과 충돌 가속도가 최대일 때 역시 파쇄효과도 최대가 된다는 사실을 밝힌 바 있다.

1회 충돌된 오·폐수는 안내판(4)에 의해서 차하위의 회전판(31)으로 이송된다. 이와 같은 회전판(3, 31)은 처리 대상 오·폐수에 따라 다수개(첨부된 실시예에서는 2개)를 설치하도록 하였다.그리하여 충돌과정이 회전판의 갯수 만큼 반복되도록 하였다. 처리수는 회전판(3, 31)의 영향으로 분리조(6)내에서 회전하게 되므로, 원심력의 영향으로 모래와 같이 비중이 높은 고형물은 외측으로 이동 분리되어 고형물은 고형물배출구(62)로 배출되고, 용존성이 높은 물질과 처리수는 처리수배출구(61)로 배출된다. 처리수배출구(61)로 배출된 처리수의 경우 암모니아 등 휘발성 물질이 이탈된 상태이므로 생물학적 탈질의 탄소원으로 사용될 수 있다.

화학적처리를 시도할 경우 외통체(1)와 분리조(6) 사이의 개구부(5)를 폐색시키어 밀폐되게 하고, 내부 압력을 높이도록 하였다. 내부 압력을 유지시키는 일은 처리수배출구(61)와 고형물배출구(62)를 닫은 상태에서 산화제와 오염물질을 반응시키므로서 발생되는 가스에 의하도록 하였다.

첨부된 도면 도 1에 도시된 본 발명의 장치를 이용하여 본 발명의 방법을 실시한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

활성슬러지 하수처리장에서 발생되는 잉여슬러지를 회전판(3)에 투입하였다. 투입 2차슬러지는 총고형물(Total solids)이 12,500 mg/L이고, 그 중 휘발성 고형물(Volatile solids)은 8,800 mg/L이었다. 실험장치인 본 발명의 장치에 있어서의 외통체(1)는 그 직경이 20cm이고, 분리조(6)는 그 직경이 40 cm, 높이가 50cm이며, 회전판(3)의 직경이 15cm이고, 회전판(3)의 회전속도는 1,000 rpm, 처리량 3ℓ/min(화학적처리 1.5ℓ/min)이었다.

이와 같이 하여 오·폐수를 처리한 결과는 다음과 같았다.

슬러지 분쇄 (단백질 농도분석)	7% 오존처리에 의한 화학적처리(CODcr)
처리 전(mg/L)	처리 후(mg/L)	처리 전(mg/L)	처리 후(mg/L)
120	710	8,000	1,000(제거 g CODcr/g 소모오존 = 5)

상기의 표에서 보여주는 바와 같이 본 발명의 슬러지 파괴장치에 의해서 처리한 잉여슬러지의 단백질 농도는 5배 이상 증가하였다. 이러한 증가치는 본 연구자들에 의해서 수행되었던 분사에 의해 처리된 세포파괴도 보다 월등히 높은 파괴도를 보여주고 있다. 즉, 이는 50 bar의 고압으로 4회 이상 분사하여 전처리 한 경우의 농도와 유사함을 알 수 있었다. 그러나 이와 같이 50 bar의 고압력으로 분사하는 장치를 설치하는 일은 불가능에 가까운 일이다. 원심분리를 위하여 회전체를 4,000 rpm까지 가동시키는 일은 비교적 용이하다. 더우기 회전판을 여러개 중첩 설치할 경우 본 실험 예에서 실시할 경우보다도 월등히 높은 처리효율을 쉽게 유도할 수 있을 것이다.

또한 오존처리를 실시할 경우 오존 1g을 소모하면서 5g의 CODcr를 소모하는 효과를 유도할 수 있었다. 일반적으로 활성슬러지 중에는 약 10%의 미생물 세포벽이 포함되어 있어 매우 난분해성 물질임을 고려할 때, 본 발명에 의한 실시의 경우, 대부분의 분해가능한 물질은 모두 분해된 것으로 간주할 수 있어 그 처리효율이 매우 높은 것으로 나타났다. 일반적인 오존처리에서는 1g 의 오존이 CODcr 1g 이하를 분해하는 것으로 나타나고 있다. 따라서 본 발명의 방법은 생물학적처리의효율증가를 위한 전처리로써 유용하게 실시될 수 있으며, 나아가서 슬러지 감량화를 위한 공정으로도 적용될 수 있어 수질정화를 위한 본 처리 방법과 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (14)

1. 외통체(1)와, 외통체(1)의 내부에 설치된 회전축(2)과, 이에 고정된 하나 이상의 회전판과, 그리고 외통체(1)의 저부에 개구부(5)를 가지도록 설치된 분리조(6)를 결합하여서 된 것을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
2. 제1항에 있어서, 회전판은 원판형의 평판체로 된 회전판(3, 31)이고, 그 상면에 오·폐수와의 충돌효과를 향상시키기 위하여 하나 이상의 다각형의 뚝(7)을 설치하여서 된 것이며, 뚝(7)은 그 모서리부에 통공(71)이 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
3. 제2항에 있어서, 뚝(7)은 그 상부에 도넛판체(8)가 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 회전판(3, 31)은 그 상면에 방사상의 방향으로 충돌판(9)이 설치된 것을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해장치.
5. 제1항에 있어서, 외통체(1)는, 오·폐수유입구(111)와 공기유입구(112)가 설치된 덮개판(11)이 설치되고, 덮개판(11)의 저면에는 충돌턱(113)이 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
6. 제1항에 있어서, 회전판은 두개 이상 설치된 것이고, 각개의 회전판(3, 31) 사이에는 처리수가 중앙부로 모여 하락하도록 유도하는 안내판(4)이 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
7. 제1항에 있어서, 외통체(1)는 그 내면벽에 상하 길이 방향으로 다수개의 충돌벽(12)를 설치하여서 된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
8. 제1항에 있어서, 분리조(6)는 이에 처리수배출구(61)와 고형물배출구(62)를 설치하여서 된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
9. 제1항에 있어서, 회전판은 주위에 상향 또 내측으로 90。 미만으로 경사진 경사면(321)을 갖는 대략 삼각 플라스크(Flask)모양으로 된 회전판(32)이고, 테두리에 다수개의 토출구(33)가 형성된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
10. 제9항에 있어서, 회전판(32)은 그 상면에 동심원의 형상으로 된 다수의 충돌돌조(34)가 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 플라스크형의 회전판(32)의 상부에 덮개판(11a)이 설치되고, 덮개판(11a)에는 오·폐수유입구(111)와 공기유입구(112)가 설치된 것임을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 장치.
12. 외통체(1)의 내부에 설치된 회전판을 회전시키면서, 오·폐수를 유입시키어, 오·폐수가 회전판(3, 31, 32)에 의하여 충격을 받고, 또 그 회전에 의한 원심력으로 외통체(1)의 내벽에 충돌되면서 미세입자로 쪼개져 무화(霧化)되게 하며, 처리수가 분리조(6)로 하락되게 하고, 무화되면서 이탈된 가스가 개구부(5)를 통하여 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 방법.
13. 제12항에 있어서, 외통체(1)와 분리조(6) 사이의 개구부(5)를 폐색시키어 밀폐되게 하고, 처리수배출구(61)와 고형물배출구(62)를 닫은 상태에서 산화제와 오염물질을 반응시키는 것을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 방법.
14. 제13항에 있어서, 회전판은 이를 플라스크형의 회전판(32)으로 형성시키므로서, 외통체(1)의 내면벽을 향해 방출되는 폐수(A)와, 회전판(32)의 경사면(321)을 흐르는 공기(B)가 충돌되게 하여 오·폐수의 무화 효과를 향상시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 회전체에 의한 오염물질의 전처리 및 분해 방법.