KR100444886B1

KR100444886B1 - 초미세의 기포 발생장치 및 초미세 기포 발생장치를이용한 액체 처리방법

Info

Publication number: KR100444886B1
Application number: KR10-2001-0075941A
Authority: KR
Inventors: 김종국
Original assignee: 주식회사 에네트; 김종국
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2004-08-21
Also published as: KR20030045321A

Abstract

본 발명은 폐수처리용 초미세 기포발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체를 함유한 액체가 유입되는 유입구, 상기 유입된 액체의 경로를 제공하는 폐수유도부재, 폐수유도부재를 통과한 액체가 충돌하여 초미세 기포를 형성하는 충돌판 및 미세기포를 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세 기포발생장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 초미세 기포는 종래의 기포발생장치에 의해 제조된 기포보다 폐수 속에 장시간 체류할 수 있을 뿐만 아니라 접촉면적이 크기 때문에 폐수에 쉽게 용해될 수 있다.

Description

초미세의 기포 발생장치 및 초미세 기포 발생장치를 이용한 액체 처리방법{A Micro-Bubble Generator And Liquid Treatments Using The Micro-Bubble Generator}

본 발명은 폐수처리용 초미세 기포발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초미세 기포발생장치로 유입되는 액체를 유도하여 벽면에 충돌시키고 충돌에 의해 발생한 초미세 기포를 이용하여 기체를 폐수에 용해시키는 초미세 기포발생장치에 관한 것이다.

생물학적 폐수처리에 일반적으로 사용되는 활성슬러지법은 유기질을 각종 미생물에 의해 분해시키는 것으로써 이의 조작조건으로 산소의 공급이 필수적이며 처리효율은 산소의 전달효율과 직접적으로 관련되며, 그 전달효율이 높을수록 처리효율이 증가한다.

통상적으로, 활성슬러지법에 의해 소비되는 산소는 산기관이나 기포산기관 또는 미세기포산기관과 같은 산기기 또는 심플렉식, 표면교반식 등의 기계식 포기장치에 의하여 공급된다.

그런데, 산기기를 이용한 산소공급 방법은 공기를 공급하는 별도의 펌프를 이용하여 기포산기관 또는 미세기포산기관에 공기를 주입하는 방법을 이용하기 때문에 많은 동력을 필요함은 물론 기포산기관 또는 미세기포산기관에 구비된 구멍을 통하여 방출되는 기포 크기가 대략 2 내지 10mm 정도의 크기를 유지함으로써 기포와 폐수의 접촉면적이 적고, 폐수에 산소를 충분히 용해시키기 위한 체류시간이 부족하게 된다. 특히, 오존주입공정의 경우 기존 세라믹 미세기포 산기관은 발생 오존기포 지름이 2 내지 10mm이고, 그 기포의 상승속도가 24cm/sec로 빠르기 때문에 폐수 속에 존재하는 오존의 체류시간이 20 내지 30분 정도이다. 그러므로, 미처 폐수로 용해되지 못한 오존을 회수하기 위하여 오존회수시설을 구비하는 것이 필요하다.

기계식 포기장치의 경우에는 저수조에 저장되어 있는 폐수를 물리적으로 휘저어 대기중에 포함되어 있는 산소가 폐수에 용해되도록 하기 때문에 처리하고자 하는 폐수의 심부까지 산소를 전달하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출한 것으로서, 기포발생장치로유입되는 폐수에 기체를 혼합하고, 기체가 혼합된 폐수를 기포발생장치 내부의 충돌판으로 유도하여 미세기포를 발생시킴으로써 기체가 폐수에 용이하게 용해될 수 있도록 하는 것에 그 기술적 과제가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 폐수의 용존산소 또는 분산효율을 향상시키기 위한 초미세 기포발생장치를 포함한 액체 처리방법의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 사용시간에 따른 용존산소농도변화를 나타내는 도,

도 4는 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 물질수지 흐름도,

도 5는 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 폐수유속에 따른 물질전달계수(K_La)를 나타내는 도,

도 6은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 액/기 비에 따른 물질전달계수(K_La)을 나타내는 도,

도 7은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 배압에 따른 표준폭기효율(SAE)을 나타내는 도,

도 8은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 액/기비에 따른표준폭기효율(SAE)을 나타내는 도,

<도면 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 펌프 4 : 인젝터(Injector)

6 : 초미세 기포발생장치 8 : 제 1 압력계

8' : 제 2 압력계 10 : 배압 조절밸브

12 : 기체저장탱크 14 : 저수조

16 : 충돌판 18 : 프렌지(Flange)

20 : 방해판 22 : 폐수유도부재

24 : 유입구 26 : 배출구

28 : 배수구

본 발명의 초미세 기포발생장치는 기체를 함유한 액체가 유입되는 유입구, 상기 유입된 액체의 경로를 제공하는 폐수유도부재, 폐수유도부재를 통과한 액체가 충돌하여 초미세 기포를 형성하는 충돌판 및 미세기포를 함유한 액체가 배출되는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치를 이용한 액체의 처리방법은 처리하고자 하는 액체가 저장되어 있는 저수조, 저수조와 연결되어 그 저수조에 저장되어 있는 액체를 흡입하여 배출하는 펌프, 이 펌프로부터 배출되는 액체가 통과하며 액체로 용해시키고자 하는 대상기체가 액체로 혼입되도록 하는 인젝터, 상기 인젝터의 일측에 연결되어 인젝터로부터 배출되는 대상기체가 함유된 액체를 초미세 기포를 함유한 액체로 제조하는 초미세 기포발생장치 및 액체와 기체의 비율을 조절하는 배압 조절밸브로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치 및 액체 처리방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 상기 액체는 기체를 분산시키고자 하는 대상유체로써, 통상적으로 산업폐수, 생활폐수, 오수, 하천수 및 생활하수 등을 지칭한다. 그러나, 하기 구체적 설명에서는 폐수로 한정하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 기체의 용존 또는 분산효율을 향상시키기 위한 초미세 기포발생장치를 포함한 액체 처리방법의 구성도로써 함께 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 초미세 기포발생장치(6)는 기체를 함유한 폐수가 유입되는 유입구(24), 상기 유입구(24)에 연결되어 폐수를 충돌판(16)으로 유도하는 폐수유도부재(22), 폐수유도부재(22)로부터 배출되는 폐수가 충돌하여 초미세 기포를 제조하는 충돌판(16), 초미세 기포발생장치(6)의 상단 일측과 하단 일측에 각각 구비된 방해판(20), 방해판(20)을 통과한 기포가 충만해진 폐수를 배출하기 위한 배출구(26), 필요에 따라 초미세 기포발생장치(6) 내부의 폐수를 외부로 배출할 수 있도록 한 배수구(28) 및 장치의 조립 또는 청소를 용이하게 하기 위한 프렌지(18)로 구성되어 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 초미세 기포발생장치(6)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기체를 함유하는 폐수는 유입구(24)를 통하여 초미세 기포발생장치(6)의 내부로 유입되며, 유입된 상기 폐수는 폐수유도부재(22)를 통하여 초미세 기포발생장치(6)의 중심을 관통하면서 상단으로 유도된다. 한편, 초미세 기포발생장치(6)의 상단 내부 일측으로 폐수유도부재(22)의 종단과 소정 간격을 두고 충돌판(16)의 수평면이 폐수유도부재(22)와 수직으로 위치하여 상기 폐수유도부재(22)의 종단으로부터 배출되는 고압의 폐수가 상기 충돌판(16)에 고속으로 충돌하면서 초미세 기포를 생성하게 된다. 이와 같이 방법으로 생성된 초미세 기포는 방해판(20)을 거쳐 초미세 기포발생장치(6)의 하단으로 흐르게 되는데, 상기 방해판(20)은 중력에 의해 하강하는 액체의 흐름을 지연시켜 생성된 초미세 기포가 액체내로 용이하게 분산되도록 하며, 기체와 액체의 접촉을 촉진시키는 기능을 한다. 따라서, 방해판은 상기 폐수유도부재(22)를 중심으로 하여 직경이 0.3 내지 0.7cm인 원형의 구멍을 1 내지 2cm 간격으로 설치하여 액체의 흐름을 방해하도록 한다. 한편, 방해판(20)을 거친 초미세 기포를 함유한 폐수는 초미세 기포발생장치(6)의 하단 일측에 구비된 배출구(26)를 통하여 외부로 배출된다.

전술한 방법에 의하여 제조된 초미세 기포의 크기는 0.03 내지 0.2mm로서 상승속도는 0.1 내지 0.8cm/sec 정도이며, 이는 기존의 산기관에서 보여주고 있는 입자크기 2 내지 10mm에 비하여 매우 작은 것으로써, 액상에 장기간 체류할 수 있는 물리적 장점 및 넓은 표면적을 제공하는 장점 등이 있다.

한편, 상기 초미세 기포발생장치(6)는 일련의 부가적인 장치를 연결설치함으로써 폐수의 용존산소 또는 분산효율을 향상시키게 되는데, 이러한 폐수 처리방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 초미세 기포발생장치(6)를 포함하는 폐수 처리방법은 폐수가 저장되어 있는 저수조(14), 저수조(14)의 일측에 연결되어 저장되어 있는 폐수를 인젝터(4)로 이송하는 펌프(2), 펌프(2)와 인젝터(4) 사이에 위치하여 압력을 측정하는 제 1 압력계(8), 상기 인젝터(4)에 연결되어 제 1 압력계(8)를 통과한 기체가 인젝터(4)를 통과할 때 그 인젝터(4)로 기체를 공급하는기체저장탱크(12), 인젝터(4)로부터 배출되는 폐수가 유입되어 초미세 기포를 생산하는 초미세 기포발생장치(6), 초미세 기포발생장치(6)로부터 배출되는 폐수를 제어하여 기체와 폐수의 혼합비를 조절하는 배압조절 밸브(10)로 구성되어 있다. 여기서 배압조절 밸브(10)와 초미세 기포발생장치(6) 사이에 제 2 압력계(8')를 설치하여 배출압력을 조절할 수 있도록 할 수 있다.

한편, 실제적으로 시스템을 운전할 경우에는 초미세 기포발생장치(6)로 유입 및 배출되는 폐수의 압력을 배압 조절밸브(10)에 의하여 조절하게 되는데, 그 배압 조절밸브(10)를 조절함으로써 초미세 기포발생장치(6)로 유입되는 폐수의 압력을 2 내지 5kg_f/cm²로, 그리고 배출되는 압력을 1 내지 4kg_f/cm²정도로 유지시킬 수 있다.

이와 같이 구성된 폐수 처리방법은 처리하고자 하는 폐수가 저장되어 있는 저수조(14)로부터 유출되는 폐수를 펌프(2)를 사용하여 인젝터(4)로 공급하게 된다. 이때, 인젝터(4)의 내부에 형성된 폐수가 통과하는 경로는 그 크기가 감소하다가 증가하게 되는데, 이에 따라 인젝터(4) 내부의 폐수 압력도 함께 감소하다가 증가하게 된다. 그러므로, 인젝터(4)의 직경이 감소하다가 증가하는 경계점에 기체 저장탱크(12)에 연결되어 있는 관을 설치하여 기체 저장탱크(12)와 인젝터(4)의 압력차로 인해 기체 저장탱크(12)에 저장되어 있는 기체가 인젝터(4)로 이동되도록 한다. 이렇게 이동된 기체는 인젝터(4)를 통과하는 폐수와 혼합되며, 상기 혼합된 폐수는 초미세 기포발생장치(6)로 유입되어 초미세 기포를 함유하게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고로 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 사용시간에 따른 용존산소변화를 나타내는 도, 도 4는 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 물질수지 흐름도, 도 5는 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 폐수의 유속에 따른 물질전달계수(K_La)를 나타내는 도, 도 6은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 액/기 비에 따른 물질전달계수(K_La)를 나타내는 도, 도 7은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 배압에 따른 표준폭기효율(SAE)을 나타내는 도, 도 8은 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 액/기 비에 따른 표준폭기효율(SAE)을 나타내는 도로써 함께 설명한다.

<실시예 1>

초미세 기포의 제조.

도 1에 따라 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치를 이용하여 산소의 용존효율을 향상시키기 위한 실험장치를 제작하였다.

초미세 기포발생장치의 크기는 42cm이고, 초미세 기포발생장치로 유입되는유체는 물을 사용하였으며 그 유입 압력은 3.5kg_f/cm²이고 유출되는 유체의 압력은 2kg_f/cm²이며, 기체저장탱크(12)에는 공기가 채워져 있다.

초미세 기포발생장치내(6)에서 단지 일련의 배치순환 후에 물은 과포화 상태에 도달하였다. 그 결과를 도 3에 나타냈다.

도 3은 초미세 기포발생장치의 사용시간에 따른 용존산소변화를 나타내는 것으로서, 도시된 바와 같이 초미세 기포발생장치의 운전 후 3분만에 용존산소가 9mg/ℓ의 과포화상태에 도달하는 것을 보여주고 있다.

<비교 실시예>

실시예 1로부터 얻어진 결과를 토대로 종래의 산기관의 거동과 함께 비교하였다.

도 4는 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 물질수지 흐름도를 나타낸 것으로서, 하기로 정의되는 다양한 변수 즉, 물질전달계수(K_La), 표준산소전달효율(Standard Oxygen Transfer Efficiency, SOTE), 표준폭기효율(Standard Aeration Efficiency, SAE)을 계산하여 종래의 산기관의 거동에서 나타나는 상기 변수들과 본 발명의 초미세 기포발생장치의 거동을 함께 비교하였다. 비교한 결과는 표 1로 나타냈다.

여기서,

K_La: 물질전달계수,

K_La,20: 표준상태 (atm, 20℃) 물질전달계수,

C_m ^*: 산술평균 용존산소농도(㎎/ℓ)

C₀: 초기용존산소농도 (㎎/ℓ)

C_s ^*: 실험조건에서의 포화용존산소농도 (㎎/ℓ)

Q_air: 실험조건에서의 공기유속 (㎖/min)

V : 반응기 부피 (ℓ)

Q_water: 실험조건에서 유량 (L/min)

P1, P2 : 게이지 압력, (kg_f/cm²)

T : 온도 (℃)

SOTE : 표준산소전달효율 (-)

SAE : 표준폭기효율(mg/kwh)

ρ : 공기밀도 (0.9705 mg/ml)

W_O2: 산소공급속도 (mg/min)

V_A: 폭기된 유체의 체적 (ℓ)

PP : 펌프동력 (kw)

PP = Q_waterΔP

ΔP : 압력차 (kg_f/cm²)

에너지효율 : η = 75%

총 소비동력 : PP/η

SAE = 296 η K_LaC_m ^*/ ΔP 이다.

기존 산기관과 본 발명에 따른 초미세 기포발생장치의 비교표

산기관 종류	물질전달계수	표준산소전달효율(%)	표준폭기효율(kg/kwh)
미세기포장치	<15	44	5.2
기포산기관	<15	<18	<3.1
기계적 폭기	<10	<10	<2.0
본 발명	81.2	60.9	6.5

본 발명의 초미세 기포발생장치를 이용한 하기 실시예를 통하여 상기 정의된 물질전달 특성 값을 도출함으로써 최적 조작조건을 얻고자 하였다.

<실시예 2>

초미세 기포발생장치에 미치는 폐수유속 및 액/기 비의 영향.

실시예 1과 동일한 구성 및 조건에서 초미세 기포발생장치를 시험하되, 유입되는 유체의 압력을 3.5 kg/cm²대신 2 kg/cm²로 하였으며, 유입되는 물의 유속은 8 내지 18ℓ/min 이었다.

그 결과를 도 5 및 도 6으로 나타냈다.

여기서, 도 5 및 도 6은 각 물질전달계수에 대한 폐수유속 및 액/기 비에 따른 영향을 나타내고 있으며, 액/기 비 및 폐수유속을 변화시키면서 물질전달계수를 수득하였다. 이때, 액/기 비는 액체와 기체의 부피비로써 예를 들면, 액/기 비가 10이라면 기체 부피 1 당 액체의 부피가 10이라는 의미를 나타낸다. 한편, 실험에 사용된 유체는 물이었으며, 유입되는 물의 유속을 8ℓ/min 에서 18ℓ/min으로 증가시키면 물질전달계수가 1.5에서 2.0으로 증가하였고, 액/기 비가 10에서 40으로 증가하면 물질진달계수가 1.5에서 0.5로 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 액/기 비 20을 고비로 하여 물질전달계수가 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 액/기 비가 변화하게 되면 기포의 크기에 영향을 미치게 되므로 액/기 비가 물질전달계수에 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

<실시예 3>

표준폭기효율 및 표준산소전달효율.

실시예 2와 동일한 구성 및 조건에서 초미세 기포발생장치를 실시하되, 유입되는 유체의 유속을 17L/min로 유지하였다.

그 결과를 도 7 내지 도 8로 나타냈다.

도시된 바와 같이, 표준폭기효율에 대한 배압과 액/기 비가 넓은 범위에서 표준산소전달효율에 대해 유사한 거동을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 즉, 도 7에서 배압이 0.5 내지 2.5kg_f/cm²로 증가함에 따라 표준폭기효율은 4 내지 10kg_fO₂/kwh로 변화한 것으로 나타났다.

한편, 도 8에서는 액/기 비가 20 이상에서 표준폭기효율은 0.05kg_fO₂/kwh의 낮은 값으로 나타났다.

그러므로, 본 발명에 대한 초미세 기포발생장치 최적 조작조건은 표 2와 같았다.

초미세 기포발생장치의 최적 조작조건

물 성	조작 조건
물질전달계수	2.0 min^-1
표준폭기효율	9.2 Kg O²/kwh
표준산소전달효율	>90%

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실험예 및 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해하여야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 초미세 기포발생장치는 기체가 혼합되어 있는 폐수를 충돌판에 충돌시킴으로서 초미세 기포를 발생하게 되는데, 그 초미세 기포는 종래의 기포발생장치에 의해 제조된 기포보다 폐수 속에 장기간 체류할 수 있을 뿐만 아니라 접촉면적이 크기 때문에 폐수에 쉽게 용해될 수 있다.

Claims

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처리하고자 하는 액체가 저장되어 있는 저수조(14), 저수조(14)와 연결되어 상기 저수조(14)에 저장되어 있는 액체를 흡입하여 배출하는 펌프(2), 상기 펌프(2)로부터 배출되는 액체가 통과하며 액체로 용해시키고자 하는 대상기체를 액체에 혼입시키는 인젝터(4), 상기 인젝터(4)의 일측에 연결되어 인젝터(4)로부터 배출되는 대상기체가 함유된 액체를 흡입하여 초미세 기포를 함유한 액체로 제조하는 초미세 기포발생장치(6) 및 액체와 기체의 비율을 조절하는 배압 조절밸브(10)로 이루어진 것을 특징으로 하는 초미세 기포발생장치를 이용한 액체처리 장치.
펌프(2)를 사용하여 처리하고자 하는 액체가 저장되어 있는 저수조(14)로부터 액체를 흡입하여 인젝터(4)로 이송하고, 이송된 액체를 상기 인젝터(4)를 통과시켜 상기 액체로 용해시키고자 하는 대상기체를 액체로 혼입되도록 하며, 상기 인젝터(4)에서 배출되는 상기 대상기체가 함유된 액체를 초미세 기포발생장치(6)로 공급하여 초미세 기포를 함유한 액체를 제조하고, 제조된 초미세 기포를 함유한 액체를 초미세 기포발생장치(6)의 배출구(26) 및 배압 조절밸브(10)를 순차적으로 거쳐 배출하게 하는 것을 포함하는 초미세 기포발생장치를 이용한 액체처리 방법.
제 3항에 있어서,

상기 인젝터(4)에 연결설치되어 상기 대상기체를 인젝터로 공급하기 위해 대상기체를 저장하는 기체저장탱크(12)를 더 포함하는 초미세 기포발생장치를 이용한 액체처리 장치.