KR100451702B1 - 복합다기능노즐에 의한 정수약품의 순간혼화장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

정수처리를 할 때에 양적으로 원수에 비해서 미량인 정수약품을 극히 짧은 시간 안에 골고루 균일하게 원수에 혼화시키는 장치와 방법에 대해 많은 연구와 시도가 있었다.

정수약품 중에 금속염 응집제의 성질은 극히 짧은 시간 내에 균일하게 확산되지 않으면, 가수분해되어 폴리머를 형성하여 약품 효능이 떨어지는 성질이 있으므로 가능한 한 짧은 시간 내에 균일하게 대유량에 혼화시켜야 한다.

본 발명은 대유량 원수에 비해 상대적으로 미량인 정수약품이 복합다기능노즐의 이젝터에서 가압수에 혼입되어 1차로 확산·혼화된 다음, 정수약품이 혼화된 가압수가 와류실에서 재차 혼화되고 와류실내에서의 원운동에 의한 원심력으로 직선운동일 때의 진행방향에 대해 직각으로 분사방향을 전환하여 분사각도 약 140°로 중공(中空-hollow cone)원추형으로 대유량 원수의 흐름에 거슬러서 또는 흐름방향으로 분사되도록 하였다. 대유량에 대해 약품 등 미량물질을 짧은 기간 내에 균일하게 혼화시키고자 추구하였던 문제를 해결할 수 있다. 부수적으로 혼화조 시설과 혼화기등의 설비설치비 및 유지관리비용도 절감할 수 있다.

Description

복합다기능노즐에 의한 정수약품의 순간혼화장치 및 그 방법{flash mixing device of chemicals with complex-function nozzle in large water and flash mixing device using thereof}

본원 발명은 정수처리를 할 때에 처리대상인 대량의 원수에 비해서 미량인 정수약품을 극히 짧은 시간인 순간적으로 대유량 원수에 균일하게 골고루 혼화시키는 장치와 방법이다. 혼화시키는 방법으로서는 정수약품을 먼저 혼화용수와 극히 짧은 시간 내에 1차로 혼화시킨 다음 처리대상인 대유량 원수에 균일하게 약품이 섞인 혼화수를 가압 분사시켜서 재혼합시키는 혼화 방법에 관한 것이다.

정수처리시설에서는 유입되는 대유량 원수에서 물 속의 불순물을 제거하기 위하여 정수약품을 10∼100mg/L정도로 미량을 주입하고 있으며, 이 정수약품 중에 어떤 약품의 성질은 순간적으로 짧은 시간 내에 균일하게 확산되지 않으면 가수분해되어 폴리머를 형성하는 등으로 약품의 효능이 떨어지는 성질이 있으므로 1초 이내 또는 가능한 한 짧은 시간 내에 균일하게 혼화되어야 한다고 정수약품의 혼화에 관해 연구한 학자들이 보고하고 있다. 어떤 약품은 균일하게 확산된 다음 일정한 체류시간을 요하는 것도 있다.

정수처리에서 응집과정은 콜로이드, 박테리아 또는 바이러스를 포함한 미소 부유 물질의 표면하전위(表面荷電位)를 응집제에 의해 중화점 가까이까지 낮추는 공정이다. 이 급속혼화공정을 달성하는 수단으로 급속교반조작이 반드시 필요하다. 즉 급속교반 목적은 정수약품인 응집제를 처리수중에 신속하고 균일하게 확산시키는 것이다. 황산알미늄이나 염화제2철과 같은 금속염 응집제를 사용할 때는 이들 응집제가 1초 이내에 가수분해되며 콜로이드입자에 흡착되는 것도 거의 동시에 일어나기 때문에 효과적인 급속교반이 특히 중요하다. 이론적으로는 금속염 응집제의 확산을 몇 분의 1초 이내에 완료시켜야 하며, 이 때문에 실제로 설계할 때는 될 수 있는 한 단시간인 1∼2초 이내에 완료되도록 추구하고 있다.

급속교반은 정수처리에 있어서 중요한 공정이지만, 일반적으로 많은 정수장에서는 30∼40%정도 과잉으로 응집제를 사용함으로써 급속교반기를 사용하지 않더라도 물을 양호하게 생산할 수 있다. 따라서 급속교반은 정수처리를 위해서 절대적으로 필수적이라는 문헌이 많이 있음에도 불구하고 많은 기존 정수장에서는 앞에서 설명한 바와 같이 약품을 과잉 주입하는 방법으로 실현하고 있다.

응집제의 급속교반은 화학공업에서 채택하고 있는 일반적인 '액체-액체' 간의 급속교반과는 다르다. 정수처리 분야에서는 황산알루미늄 등의 응집제와 원수와의 용적비는 1/10,000∼1/100,000정도이다. 따라서 이러한 극소량의 응집제를 대유량 원수 중에 순간적으로 확산시키는 것은 특이한 '액체-액체'간의 혼합이다.

그러나 지금까지는 혼화조에 원수가 들어 올 때, 약품을 주입하고서 기계식 급속혼화기(급속 교반기라고도 함)로 교반시키고 있었으며, 혼화조에서 체류시간은1∼5분 정도를 갖도록 급속혼화조의 체류시간을 정하고 있었다. 지금까지 주로 채택하고 있는 기계식 교반기를 급속교반의 유효한 방법이라고 보아왔다.

실제로는 이렇게 미량 응집제 등 정수약품을 대유량에 주입하였으므로 균일하게 혼화가 이루어지지 못하였으며, 아울러 단락류 현상으로 일부의 원수는 약품과는 만나지도 못하고 혼화조를 통과하는 등으로 순간적인 교반과 균일한 혼화를 달성하지 못하는 문제가 있었으며, 약품도 과다하게 소비되었다. 즉 적절한 저류판이 없는 혼화조 내에서의 기계식 교반은 약품주입에 필요한 순간교반을 할 수 없었으며 또한 효과도 좋지 않았다. 또한 기계식 교반장치는 시설비가 과다할 뿐 아니라 유지관리비로서 전력 사용량도 상당하다는 문제도 있다.

기계식 급속교반 장치를 급속교반용으로 사용하고 있는 대부분의 정수장 운전자들이 급속 교반기를 돌리거나 혹은 돌리지 않거나 간에 효과를 거의 같고 또한 소음이나 에너지손실과 같은 기계상 문제나 높은 유지관리비용 때문에 급속교반 장치를 운전하지 않는 경우가 있다.

이러한 문제를 개선하기 위한 것으로 2단혼화, 가압수확산교반, 인라인(in-line)믹서 등의 기술이 개발되고 있다.

이 중에서 2단혼화는 앞서 설명한 혼화조의 혼화 방법인 1단 혼화방법을 2회 시행한다는 의미로서 종래의 혼화방법에 비해서는 개선된 방법 중의 하나이나, '약품의 순간적인 교반과 균일한 혼화'라고 하는 약품 혼화의 2대 목표, 즉 '순간적이고 균일함'을 충족시키지 못하는 혼화조에서의 문제점이 대부분 그대로 상존하고 있으므로 당초에 해결하고자 하였던 문제들이 완전히 해소된 것은 아니었다.

또 다른 방법으로 풀콘(full cone)노즐의 분사부분에 약품주입관을 함께 둠으로써 노즐에서 압력수가 분사될 때에 발생되는 저압을 이용하여 정수약품을 주입분사하고 반대편에 반사판을 설치하여 반사판에 의해 분산 확산되도록 하고 있다. 한편 압력수를 운반체로 해서 약품을 균일하게 수송하고자 하였으나 약품분사방향의 작은 편차가 있으면 약품은 한쪽으로 편기되는 결점이 있었다.

인라인급속교반기는 가동부가 없는 교반기로 알려져 있으며, 최근에는 6종류의 인라인 고정형 급속교반기가 이용되고 있다. 인라인고정형 급속교반기의 특정은 가동부가 없다는 것과 외부로부터의 동력이 필요하지 않다는 것 및 가압수 확산교반에 비해 노즐이 막히는 문제가 적다는 것이 장점이다. 그러나 교반 강도와 교반 시간은 유량에 의해 제약된다. 쓰레기나 녹을 쉽게 제거할 수 있도록 하기 위해서 내부의 저류판을 들어낼 수 있도록 해 두어야 한다는 등의 어려움이 있다.

정수처리를 할 때에 처리대상인 대량의 원수에 비해서 극미량인 1/10,000∼1/100,000의 응집제인 정수약품을 극히 짧은 시간에 대유량 원수인 처리대상 수에 골고루 균일하게 혼화시키는 장치와 혼화 방법을 추구하고 있다.

급속혼화 또는 순간적인 교반이 특히 중요한 것은 가수분해와 그에 따른 포리머화 즉 중합은 순식간에 일어나며, 응집제의 균일한 주입과 처리수의 pH가 균일하게 되는 것은 가수분해 생성물의 생성에 필수적이다. 또한 가수분해 생성물이 콜로이드상의 입자에 신속하게 흡착된다는 것 때문이다.

이렇게 슬러지 케익이 노즐을 폐색시키지 않으면서 순간적으로 균일하게 혼화시키고자 하는 정수처리업계의 추구에 부합되도록 급속 혼화시키는 방법으로서 펌프에 의한 가압수 관에 접속된 노즐의 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b) 및 와류실(20c)로 구성된 복합다기능노즐(20)을 이용하는 것이다. 이는 응집제인 정수약품을 노즐의 관경축소부 종단인 이젝터부(20b)에서 가압수에 극히 짧은 시간 내에 혼화시킨 다음 약품혼화된 혼화수는 와류실(20c)에서 재차 혼화되면서 가압수(50)의 유수방향에 대해 90°의 각도로 분사방향을 전환되어 와류실(20c)의 끝인 노즐출구(20d)에서 분사각도 약 140°내외의 광각 중공원추형으로 분사되는 복합다기능노즐(20)을 이용하여 처리대상인 대유량 원수에 균일하게 혼화시키는 급속혼화방법이다.

도 1은 노즐전체의 조립 단면도

도 2는 복합다기능 중공원추형 분사노즐(이하 복합다기능 노즐이라고 함)에서 중공원추형으로 분사되는 가압수의 분사형태를 원수 관로의 측면에서 본 단면도(도 1의 A-A' 단면도).

도 3은 원수관로의 중앙에서 본 가압수의 분사형태 정면도(도 1의 B-B' 단면도)

도 4는 노즐이 조립된 측면에서 본 조립도.

도 5는 노즐이 조립된 정면에서 본 조립도.

도 6은 이젝터부(20b), 볼(30) 및 와류실의 정면 상세도(도 5의 D-D' 단면도)

도 7은 이젝터부(20b), 볼(30) 및 와류실의 측면 상세도(도 4의 C-C' 단면도)

도 8은 관경축소부(20a), 이젝터부(20b) 및 볼(30)의 외관도

도 9는 관경축소부(20a), 이젝터부(20b) 및 볼(30) 단면도(도 8의 E-E'단면도)

도 10은 관경축소부(20a), 이젝터부(20b) 및 볼(30) 단면도(도 8의 F-F'단면도)

이하 본 발명을 도면과 함께 상세히 설명한다.

도 1내지 도 10에 도시된 것 중에서 본 발명의 '복합다기능노즐에 의한 정수약품의 순간혼화장치' 의 일반적인 구성도를 도 1에 나타내었고, 도 2내지 도 3에는 원수관로에서 혼화수의 확산거동을 도시하였다. 도 4내지 도 5에는 복합다기능노즐(20)의 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b) 및 와류실(20c)을 포함한 복합다기능노즐(20)의 조립된 외형의 정면도와 측면도를 도시하였다. 도 6은 복합다기능노즐(20)의 외부본체와 볼(30)을 포함한 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b)의 조립 단면도(도 5의 D-D' )를 나타내었고, 도 7은 복합다기능노즐(20)의 외부본체와 볼(30)을 포함한 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b)의 조립 단면도(도 4의 C-C' )를 나타내었고, 도 8은 복합다기능노즐(20)의 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b)와 볼(30)의 조립외관을 도시하였고, 도 9는 도 8의 E-E'단면을 도시하였으며, 도 10은 도 8의 F-F'를 도시하였다.첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적 실시예에 의하면 원수관로(11); 상기 원수관로(11)로부터 분기되는 혼화용수취출분기관(13); 상기 원수관로(11)의 맨홀(18)에 설치되며 상기 혼화용수취출분기관(13)과 연결되는 혼화용수주입관(21); 약품주입조(16)의 약품을 혼화용수주입관(21)에 공급하는 약품주입관(17); 상기 혼화용수주입관(21)의 일단부에 설치되는 복합다기능노즐(20); 및, 상기 복합다기능노즐(20)의 관경축소부(20a)의 내부에 설치되는 볼(30);을 포함하여 구성되고, 상기 볼(30)은 다수 개의 약품확산공(35)과 직각으로 연결된 중공이 마련되어 있으며, 상기 약품주입관(17)은 2개로 분기되어 일단은 상기 볼(30)의 중공에 연결되고 타단은 관경축소부(20a)에 연결되며, 상기 복합다기능노즐(20)은 상기 관경축소부(20a)와 볼(30)에 의하여 형성되는 이젝터부(20b);상기 이젝터부(20b)의 전방에 연결되는 와류실(20c); 및, 상기 와류실(20c)에 마련되며 상기 원수관로(11)의 진행방향으로 개방된 노줄출구(20d);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1에서 관로는 대유량 원수관로(11)이고, 수조(12)는 약품을 혼화시키는데 사용하였던 기존 혼화조이다. 본 약품주입설비에서는 약품혼화용으로 사용하는 가압수는 침전수나 여과수를 사용하는 것을 원칙으로 하지만, 원수 수질이 양호한 때 또는 시설을 초기 운전할 때에는 원수관로(11)에서 분기하여 가압수를 사용할 수 있도록 혼화용수 취출분기관(13)을 설치해 두었다. 혼화용수는 상당한 압력을 가져야 하므로 혼화용수를 가압하는 가압펌프(14)가 필요하다. 펌프로 가압된 혼화용수는 적정한 수압을 유지해야 하므로 수압을 조절하기 위한 혼화용수 수압조절밸브(15)를 둔다. 혼화용수는 원수관로(11)를 흐르는 원수의 약 2% 내외를 분출하여 사용한다. 처리수관로의 맨홀(18)에는 노즐(20)의 프렌지(26)가 부착되며 혼화용수 주입관(21)은 원수관로(11)의 상단에 부착된 맨홀(18) 위의 노즐 프렌지(27)를 거쳐 원수관로(11) 내로 들어간다. 약품 등 미량물질은 높은 곳에서 자연유하(gravity flow)로 적정량이 주입되도록 하기 위해 약품주입조(16)가 필요하다. 약품주입조에서 흘러 들어가는 약품은 이젝터부(20b)로 들어가게 된다. 이젝터부(20b)에서 약품이 혼화된 가압수는 와류실(20c)에서 재차 혼화된 다음 와류실(20c)에서의 원운동에 의한 원심력으로 노즐출구(20d) 쪽으로 분사방향을 90°전환하여 140°내외의 광각 중공원추형으로 원수에 분사된다. 가압수관은 압력을 일정하게 유지하기 위해서 압력계(23)를 부착하고 항상 점검해야 한다.

본 구성의 복합다기능노즐(20)은 관경축소부(20a)를 둠으로써 이젝터부(20b)에서 유속을 증대시켜서 빠른 유속을 얻게 되며, 관경축소방법으로서 내부볼(30)과 내부볼(30) 지지용의 외부원통(관경축소부(20a))의 구경을 점축시켜서 구성하였다. 압력수두는 관경축소부(20a)를 지나 이젝터부(20b)에서는 속도수두로 바뀌어 압력이 낮아지게 되므로 이젝터부(20b)에서는 가압수주(50)의 압력이 부압으로 떨어지게 된다. 이렇게 압력이 낮아지는 지점의 외부원통 종단과 외함 간에 5mm 내외의 간격을 갖는 약품주입구를 원통면에 따라 둠으로써 약품유로(22)로부터 약품이 주입되어 가압수인 중공원통형 수주의 외부전면에 균일하게 혼화된다.여기에 추가해서 원통 중앙에 볼(30)을 두어서 유속을 더욱 크게 하였을 뿐 아니라 이젝터부(20b)의 기능을 더욱 확실하게 하였다. 또한 중공원통형 가압수주(50)의 내부면에도 약품이 주입될 수 있도록 하였다. 즉 약품주입관(17)에서 T형의 분기를 하고 약품주입 접속점을 통해 볼(30)의 정상부에 접속시켜 약품이 주입되도록 하였다.볼(30)에서는 가압수주(50)의 압력이 가장 낮아지는 지점인 볼의 수평원주직경이 가장 큰 부분을 바로 지난 지점까지 상부로부터 수직으로 천공한 다음 수평방향으로 여러 개의 약품확산공(35)을 만들어서 중공원통형 가압수주(50)의 내부면과 외부면에서 동시에 순간적으로 약품이 균일하게 주입된다.이렇게 짧은 시간 내에 가압수주(50)에 균일하게 약품이 확산되고, 와류실(20c)에서 원운동을 함으로써 재혼화된 다음 노즐출구(20d)에서 처리대상 원수(40)에 분사된다. 분사각도는 원수흐름의 중심에서 약 90°즉 직각(양방향이므로 180°)으로 분사되는 것이 가장 이상적이지만, 현실적으로 이 각도에 가까운 70°(분사각 140°)내외로 중공 광각 원추형(50a)으로 분사된다.

분사수는 원수의 흐름에 대해 거슬러서 분사되거나 순방향으로 분사시키지만, 거슬러서 분사되는 경우에는 원수(40)가 흐르는 힘과의 합성력에 의해 원수의 흐름에 거의 직각 방향의 각 지점 즉 거의 동일평면에서 혼화수가 처리대상인 원수와 만나는 결과의 포물선궤적(50b)이 되어서 약품이 혼화된 혼화수를 원수 중에 거의 균일하게 재혼화시킬 수 있다. 또 순방향으로 분사된 경우에는 혼화역이 그만큼 길어진다.

본 발명의 목적이 미량 약품을 대량 처리수에 짧은 시간에 완전하고 균일하게 혼화시키는 것이므로 이를 위해서 먼저 미량 약품을 소량의 가압수에 완전 혼화시킨 다음에 이 순수약품에 비해 상당히 많은 양인 약품이 혼화된 가압수를 처리수에 균일하게 혼화함으로써 결과적으로 의도하였던 목적을 달성할 수 있다.

대유량에 대해서 약품 동의 미량물질을 짧은 기간 내에 균일하게 혼화시키고자 추구하였던 문제를 해결할 수 있었다. 혼화시키는 데에 가동부가 없으며 노즐이 슬러지 케익으로 막히는 문제가 없으므로 운전을 중지해야 되는 고장요소가 거의 없다. 부수적으로 기계식 교반기를 사용하여 대유량을 혼화조 내에서 1∼5분간 회전시키면서 교반하던 시설들이 필요하지 않으므로 혼화조 구조물을 포함한 구조물의 시설비가 줄어들게 되며, 교반용의 모터-감속기와 교반기 등의 설비도 필요하지 않다. 아울러 유지관리할 때에 교반기를 운전하는 데 따른 전력량도 훨씬 절감할 수 있다.

또한 혼화조라고 하는 별도의 독립된 수조를 두지 않아도 되므로 보통 1 m 내외가 되는 펌프 양정을 줄일 수 있다. 예를 들면, 정수장에 공급되는 취수펌프장의 펌프양정이 22 m 라고 가정하면, 이중 양정 1 m 를 줄일 수 있다면 약 5%의 전력절감효과가 있다.

아울러서 정수처리 뿐 아니라 대부분의 수처리에서 수처리약품의 급속하고 균일한 혼화를 도모할 수 있으므로 약품주입의 효과와 체류시간을 요하는 소독의 효과도 거둘 수 있다.

Claims (7)

1. 원수관로(11);

   상기 원수관로(11)로부터 분기되는 혼화용수취출분기관(13);

   상기 원수관로(11)의 맨홀(18)에 설치되며 상기 혼화용수취출분기관(13)과 연결되는 혼화용수주입관(21);

   약품주입조(16)의 약품을 상기 혼화용수주입관(21)에 공급하는 약품주입관(17);

   상기 혼화용수주입관(21)의 일단부에 설치되는 복합다기능노즐(20); 및,

   상기 복합다기능노즐(20)의 관경축소부(20a)의 내부에 설치되는 볼(30);

   을 포함하여 구성되고,

   상기 볼(30)은 다수 개의 약품확산공(35)과 직각으로 연결된 중공이 마련되어 있으며,

   상기 약품주입관(17)은 2개로 분기되어 일단은 상기 볼(30)의 중공에 연결되고 타단은 상기 관경축소부(20a)에 연결되며,

   상기 복합다기능노즐(20)은,

   상기 관경축소부(20a)와 볼(30)에 의하여 형성되는 이젝터부(20b);

   상기 이젝터부(20b)의 전방에 연결되는 와류실(20c); 및,

   상기 와류실(20c)에 마련되며 상기 원수관로(11)의 진행방향으로 개방된 노줄출구(20d);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합다기능노즐(20)에 의한 정수약품의 순간혼화장치.
2. 제1항의 복합다기능노즐(20)에 의한 정수약품의 순간혼화장치를 이용하는 것으로서, 대유량으로 처리대상인 원수(40)에 미량의 약품을 순간적으로 균일하게 혼화시키기 위하여 처리대상인 원수로부터 소정의 비율로 혼화용수를 분출하여 가압펌프(14)로 가압하고 이젝터부(20b)에서 정수약품을 가압수주(50)에 확산·혼화시킨 후 와류실(20c)에서 재혼화시켜 약품이 균일하게 혼화된 가압수주(50)를 중공 광각 원추형(50a)으로 균일하고 일정하게 분사시킴으로써 원수관로(11) 내부를 흐르고 있는 처리대상인 원수(40)에 정수약품을 혼화시키는 방법에서,

   혼화용수 주입관(21)의 관경축소부(20a)와 이젝터부(20b)의 원통중심에 볼(30)을 구비함으로써 이 부분을 통과하는 가압수주(50)는 중공원통형의 형상을 이루며, 이 원통형 수주의 수표면을 증대시키기 위하여 내부 볼(30)의 직경은 소정의 크기를 구비하고, 가압수주(50)의 내부면과 외부면에서 유속에 의한 부(-)압으로 정수약품을 상기 가압수주(50)의 원통형 수표면에 연속으로 확산혼화시킨 후 정수약품이 혼화된 가압수주(50)가 와류실(20c)에서 원운동을 하도록 유도하여 가압수주(50)가 와류실(20c)에서 원운동에 의하여 가압수주(50) 내의 정수약품이 재차 혼화되고, 정수약품이 혼화된 가압수주(50)가 와류실(20c) 내에서 원운동을 하면서 생성된 원심력에 의해 이젝터부(20b)에서 직선 운동을 할 때의 진행방향에 대해 직각으로 이동 방향을 전환하여 소정의 분사각도 범위 내에서 중공 광각 원추형(50a)으로 원수관로(11) 내부에 분사되는 것을 특징으로 하는 복합다기능노즐(20)에 의한 정수약품의 순간혼화방법.
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