KR100785703B1 - 수질 개선 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도관을 통하여 밀도가 낮은 상층부위의 물과 밀도가 높은 하층부위의 물이 원심 임펠러의 회전에 의하여 혼합 되어 밀도가 이와 유사한 중간층에 확산시켜 줌으로써 적은 동력으로 물을 보다 멀리 확산시켜 주면서, 이 유도관 내부 공간에 오존, 초음파, 자외선 등의 산화 및 살균 장치를 설치하여 줌으로서 유기물과 조류의 산화 및 살균(조류 제거) 효율을 극대화 할 수 있는 수질 개선 장치를 제공하고, 더 나아가서 회전하는 원심 임펠러 주위에 발생된 와류의 원심력을 이용하여 수중의 고형물을 분리하여 외부로 배출하는 것이 가능하게 한다.

이러한 본 발명을 이용하면, 적은 동력으로 호소, 연근해양, 항만 등에서 수온 변화, 용존산소 및 유기물 분포 등 수중환경을 적절히 조절할 수 있으며, 녹조, 적조 방지 제거 및 유기물 산화는 물론 이들을 원심력에 의하여 수중에서 원심 분리하여 수거할 수 있으므로 바닥으로 침전되는 침전 오염물이 감소되어 바닥층의 혐기화를 감소시킬 수 있다.

와류, 밀도류, 오존, 초음파, 자외선, 산화, 원심분리

Description

수질 개선 장치{Water Pollution Control Apparatus}

도 1은 여름 호소 등에서의 물의 성층현상을 설명하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 수질 개선 장치의 구조도.

도 3은 도2의 수질 개선 장치에 설치된 침전부 및 배출관에서의 유기물의 침전 및 배출을 설명하는 도면.

도 4는 본 발명의 수질 개선 장치에서 침전부 및 배출관의 다양한 변형을 설명하는 도면.

도 5는 상부 배출관과 하부 배출관을 분리한 본 발명의 수질 개선 장치의 전체적인 구조도.

도6은 상부/하부 산화 및 살균 장치와 상부/하부 배출관을 가진 본 발명의 수질 개선 장치에서의 전체적인 물과 유기물의 흐름을 도시함.

본 발명은 수질 개선 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적은 동력으로 호소, 연근해양, 항만 등에서 수온 변화, 용존산소 및 유기물 분포 등 수중환경을 적절히 조절할 수 있으며, 유기물 및 미생물을 산화 및 살균시킬 수 있는 수질 개 선 장치에 관한 것이다.

정체된 호소나 항만 그리고 연근해양에서는 수심에 따른 온도차이 때문에 물의 밀도가 변화됨으로써 수직방향으로 물 순환이 일어나게 되는 자정작용을 일어난다.

그러나 여름 또는 겨울에 발생되는 성층현상(stratification)으로 인하여 이러한 수직순환은 사라지므로 자정작용을 상실하게 되어 부영양화에 따른 녹조, 적조현상 등 심각한 수질악화를 유발한다.

특히 여름철에는 수심이 깊을수록 수온이 낮고 밀도(density)가 증가하므로 성층현상은 잘 나타나서, 여름철의 호소의 물은 도 1에서 보는 바와 같이, 일반적으로 온난상층(epilimnion), 온도구배층(thermocline) 및 정체하층(hypolimnion)으로 분화된다. 온난상층은 표면수가 바람, 물결 등에 의한 혼합으로 온도가 거의 균일하지만, 온도구배층은 온도변화가 격심한 수층으로 바람에 의하여 물의 혼합이 잘 일어나지 않는다.

따라서 이러한 성층현상 등으로 악화 된 수질을 개선하기 위한 물리적 방법(Mechanical measures)으로 퇴적물 제거법(준설 Sediment removal), 심층수폭기법(Hypolimnic aeration), 산소주입법(Injection of oxygen), 강제 순환법(Forced circulation)이 있으며, 그 외에 심층수의 배제법(Diversion of hypolimnic water) 이 있다.

그러나 ,이 방법들은 심층부의 물이 밀도가 높고 표층부의 물이 밀도가 낮아서, 표층부으로 올라온 심층수가 곧 바로 심층부로 침강하고 멀리 확산되지 못하고 심층수 폭기법 및 산소주입법에서 공기나 산소를 주입하여 산화는 할 수 있지만 주입된 기포는 수직으로만 부상하므로 횡적인 이동(수평 이동)이 적어 역시 멀리 확산되지 못하여 유효 반경이 작아서, 광활한 수면에서 수질을 개선하기는 한계가 있으며 막대한 동력이 필요하다.

결국, 적은 동력으로 물을 보다 멀리 확산시킬 수 있는 효율적인 수질 개선 장치가 요구된다.

본 발명은 이상과 같은 종래기술의 문제점을 감안하여, 적은 동력으로 호소, 연근해양, 항만 등에서 수온 변화, 용존산소 및 유기물 분포 등 수중환경을 적절히 조절할 수 있으며, 유기물 및 조류를 산화 및 살균시킬 수 있는 수질 개선 장치를 제공한다.

먼저, 본 발명에서 산화 및 미생물(조류 포함) 살균 장치가 사용되기 때문에, 이하에서는 살균 및 산화하는 일반적인 방법에 대해 간략하게 설명하기로 한다.

1. 자외선 방법

자외선(ultraviolet)에 의한 산화는 Chick의 법칙 dN/dt=KN에 따른다. 여기서 N는 미생물의 수, t는 접촉 시간, K는 미생물 치사계수로 빛의 세기에 비례하며, 빛의 세기는 흡수매개체를 통과하면서 감소한다.

즉, 흡수 매개체를 통과하면서 초기 빛의 세기는 점차적으로 감소한다. 더 나아가서 산화 및 살균용의 자외선 파장이 200~300nm로 일반 가시광선에 비하여 극히 짧아 매개체에 잘 흡수 되므로, 공기 중에서는 자외선 램프(UV lamp)로부터의 유효 거리가 수십cm이며, 수중에서는 더욱 짧아서 수cm(수중 탁도에 따라 변함)도 되지 않으므로, 이러한 자외선 램프는 작고 한정된 공간에서 탁도가 낮은(투명도가 높은) 물을 살균하고자 하는 장치(예: 정수기, 수족관)에 주로 사용된다.

2. 오존산화 방법

오존을 수처리에 응용할 경우, 이를 폐수에 용해시켜야 하며 오존의 용해도는 산소에 10배에 가량 높은 값을 가지나, 용해장치에 따라 이 용해도는 크게 차이가 나며 실제 폐수에 용해되는 정도는 대부분 오존 발생량의 50% 미만이다.

용해된 오존은 매우 불안정(반감기 20°C에서 20-30분 정도)하여 단시간에 산소와 물로 분해된다.

오존은 유기물과 반응시 오존분자의 직접반응과 자기분해에 의해서 생긴 OH 라디칼의 간접 반응으로 크게 구분할 수 있다.

오존의 자기분해에 의하여 생성된 OH 라디칼은 오존보다 높은 전위차를 가지며 거의 모든 유기물과 빠른 속도로 골고루 반응하는 특징이 있는데, 이것이 오존을 폐수처리에 적용하는 가장 중요한 이유이다.

오존의 자기분해를 인위적으로 가속화하여 OH 라디칼의 생성을 증가시켜 유기물 분해를 촉진시키기 위한 방법을 고급산화법(AOP: Advanced Oxidation Process)이라 하며, 자주 사용하는 방법으로서 pH 높임, H2O2의 투여, 초음파 방사, 자외선 광선의 조사 등의 방법이 있다. 오존 단독 처리 시 보다 유기물 산화능력이 커지고 오존의 사용량도 줄일 수 있어 최근에 많이 연구되고 있다.

3. 초음파

초음파는 주파수가 약 2만 Hz 이상으로 사람의 귀로는 소리로서 느낄 수 없는 비가청주파수이고, 초음파를 액체 내에 방사하면 매초 수 만회 짧은 펄스(pulse)로 액체를 진동시켜 액체의 장력(張力) 때문에 액체중의 음압대(Negative pressure zone)가 생겨 이 낮은 압력 때문에 비등점(Boiling point)이 낮아져 이곳에 기포(Vapor bubble)가 생기며 이러한 현상을 "Cavitation"(공동현상) 이라 한다.

그러나, 반주기 후에 즉 입력주파수가 20KHz일 경우 1/40,000초 사이로 압력 은 급격히 증가되어 정압(positive pressure)으로 변하면서 이 기포는 내부로 폭발하게 되어 강력한 에너지를 방출하게 되는데, 이러한 폭발이 일어난 기포는 매우 적으나 에너지 강도는 제곱 inch 당 10,000 파운드의 압력과 약 20,000℉ 정도로 극히 강하므로, 기포의 파괴로 인한 화학적, 열적 작용이 수반되어 화학반응 촉진은 물론 분산작용이 증가되어 기포 주위의 액체와 오염물의 화학변화를 일으켜 이러한 반응성에 의해 높은 다양한 라디칼이 생성되는 것으로 밝혀졌다.

예를 들면 고농도 유기물을 파쇄하여 분산시키고, 고분자 등은 원자간의 결합이 끊어지게 되며, 반응성이 큰 산화물질인 hydroxyl radical. hydrogen peroxide이 다량으로 생성되어 오염물의 분해 및 제거를 촉진시켜 주므로 고도 산화법에 속할 수도 있으나 물리적 에너지가 강하여 오염물 덩어리인 고농도 유기물을 파쇄시키고 미생물을 살균시킨다.

상기 자외선, 오존, 초음파에 의해 유기물을 산화하는 과정에서 미생물도 함께 산화된다. 따라서 어떻게 보면 살균과 산화는 동시에 일어나는 것이다. 크게 보면 미생물도 유기물 덩어리에 불과하기 때문이다.

더 나아가 상기 자외선, 오존, 초음파가 살균할 때 수중에서 필요한 접촉 시간이 매우 짧아 충분한 농도(또는 강도, 세기)로 대부분의 미생물 들을 수초 미만에 사멸시킨다.

따라서 호소 또는 연근해양, 항만의 녹조, 적조 및 수질 개선에 폐수처리에 서 일반적으로 사용하고 있는 이러한 고도처리기술(자외선, 오존, 초음파 방법)을 적용하면 좋은 효과가 기대되지만, 호소 또는 연근해양, 항만은 일반 폐수처리 시설처럼 한정된 좁은 공간이 아니라 무한정 넓은 공간으로 적용하기가 어렵기 때문에 이하에서 설명하는 본 발명의 수질 개선 장치에 장착하는 방법을 사용한다.

다음으로, 본 발명의 수질 개선 장치에서 적용되는 밀도류에 대해 설명하기로 한다.

여름철의 성층현상은 밀도가 서로 다른 물에 의하여 층이 형성되는 것이므로, 이는 물 위가 기름층으로 덮혀 있는 현상과 유사하다.

즉, 기름은 물보다 밀도가 적고 공기보다는 크기 때문에 공기, 기름, 물 세 층으로 나누어진다.

일반적으로 수면 위에 기름이 떨어지는 경우, 물 위의 기름은 공기보다 밀도가 크고 물보다는 적기 때문에 물 위에 부유하게 된다.

따라서, 도1에서와 같이 온도구배층의 물의 밀도가 정체하층의 물보다 적고 온난상층의 물보다는 밀도가 크기 때문에, 온도구배층은 정체하층 위에 존재하는 것이다.

또한 기름이 물에 부어졌을 때 기름은 밀도가 물보다 적기 때문에, 물위에서 아무런 힘을 가하지 아니하여도, 시간의 경과에 따라 저절로 수면 위에서 확산하게 되어 기름층을 형성하게 되는 것과 마찬가지로, 밀도가 적은 더운물과 밀도가 큰 찬물 사이에 중간온도(밀도)의 물을 쌓아놓게 되면 중간 온도의 물은 공기와 물 사이의 기름과 같이, 외부로부터 힘을 가하지 않아도 더운물과 찬물 사이에서 널리 확산되게 된다.

따라서, 중간온도의 물이 외부로부터 힘을 가하지 않아도 더운물과 찬물 그 사이에서 널리 확산되는 것처럼, 표층수와 심수층의 물을 온도구배층으로 유도하여 혼합만하여 주면, 이 혼합된 물이 온도구배층 범위안에 있는 물의 밀도와 같아서 널리 확산되므로 용존산소 농도가 높은 표층수와 혐기성 심층수를 적은 에너지(동력)로 널리 순환시킬 수 있게 된다.

이제, 이렇게 적은 동력으로 표층수와 심층수를 혼합하여 널리 순환시키고, 산화 및 살균을 할 수 있는 본 발명의 수질 개선 장치를 도2를 참고로 하여 설명하기로 한다. 도2에서 좌측은 본 발명의 수질 개선 장치의 외형을 도시한 것이고, 우측은 이 수질 개선 장치의 내부에 존재하는 구동장치를 도시한 것이다.

도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수질 개선 장치에는 온난상층의 물이 유임되는 상부 개구부(2)와, 정체하층의 물이 유입되는 하부 개구부(3)와, 온도구배층으로 물을 배출하는 중간 개구부(9)를 가지고 있으며, 모터(1)는 고정용 프레임(6)에 의해 상부 본체(7)에 고정되고, 이 모터(1)의 동력은 회전축(4)과 콘 형상의 플로우 가이드(5)를 통해 혼합 및 확산 임펠러(8)에 전달된다.

그래서, 모터(1)가 회전을 하면 혼합 및 확산 임펠러(8)가 회전을 하여 온도구배층에 있는 중간 개구부(9)로 물을 배출함에 따라, 표충부에 있는 상부 개구부(2)와 심층부에 있는 하부 개구부(3)를 통해, 온난상층의 표층수와 정체하층의 심충수가 수직으로 유입되게 된다.

이제, 이렇게 상부 개구부(2)와 하부 개구부(3)를 통해 유입된 표충수와 심층수는 플로우 가이드(5)를 통해 수평으로 방향을 바꾸어서 혼합 및 확산 임펠러(8)에 의해 혼합되어 온도구배층에 있는 중간 개구부(9)를 통해 배출되게 된다.

이렇게 표층수와 심층수가 유입되어 혼합된 혼합수가 온도구배층으로 배출되면 그 후에는 이 혼합수가 위에서 설명한 원리에 따라 자연적으로 온도구배층 전체로 확산되므로 작은 동력(모터(1)의 동력)으로 표층수와 심층수를 혼합하여 확산시킬 수 있게 된다.

이때, 확산 효율을 증대시키기 위하여 혼합 및 확산 임펠러(8) 끝의 블레이드 부분은 15-80도 정도 절곡한다.

다음으로, 표층수가 내려오는 관로(10)의 내측과, 심층수가 올라오는 관로(11)의 내측에는 각각 위에서 설명한 산화 및 살균장치(UV램프, 오존주입장치 또는 초음파 혼)가 설치된다. 물론 한쪽에만 설치하는 것도 가능하고, 관로(10, 11)의 내측 뿐만 아니라 관로(10, 11)의 입구 부근에도 설치가 가능하다.

이렇게 하면 표층수와 심층수에 포함된 유기물과 미생물이 관로(10, 11)의 내측에 설치된 산화 및 살균장치에 의해 산화 및 살균되게 된다.

예를들어, 관로(10)에 산화 및 살균 장치를 설치하면, 녹조 또는 적조 미생물이 포함된 표층수는 모두 상부 외통내부의 한정된 적은 공간을 지나게 되며 공간이 한정되어 내부에 장착된 산화 및 살균장치(UV램프, 오존주입장치 또는 초음파 혼)와의 거리도 가까워 강도가 높아 이러한 미생물이 다량으로 사멸된다.

이상과 같은 본 발명의 수질 개선 장치를 사용하면 작은 동력으로 용이하게 표층수와 심층수를 혼합하여 멀리 확산시키므로 호소, 또는 연근해양, 항만 등의 넓은 수역의 물을 전체적으로 순환시킴과 동시에, 표충수와 심층수에 포함된 유기물과 미생물을 산화 및 제거시킬 수 있게 된다.

한편, 관로(10, 11)에 의해 산화 및 살균된 미생물(일종의 유기물)이나 유기물 덩어리는 그대로 중간 개구부(9)를 통해 배출되어 확산된다면, 이는 다시 침전 되어 심층부의 용전산소를 소모하므로 수질을 오염시키게 된다.

이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 상부 원추형 원통(12)과 하부 원추형 원통(13)이 설치되고, 각각의 내부에는 도3에서와 같이 이러한 유기물 덩어리를 별도로 설치된 구조에 침전되어 외부로 배출시키는 구조를 가지고 있다.

이제, 도3을 참고로 하여 산화 및 살균된 유기물이 어떻게 침전되고 모아져서 배출되게 되는지를 설명하기로 한다.

도3의 좌측에서와 같이, 상부 개구부(2)를 통해 유입된 표층수에 포함된 유기물(녹조, 적조 미생물과 기타 오염물)은 관로(10)의 내측에 있는 산화 및 살균장치에 의해 산화 및 살균되는데, 이 유기물은 물보다 무거워서 물의 흐름에 따라 하강하다가 혼합 및 확산 임펠러(8)의 회전력에 의해 생성된 와류의 원심력과 중력에 의해 외측으로 밀리면서 하강하게 되어 원추형 원통 바닥을 가진 상부 침전부(14)에 침전되고, 이 와류에 의해 상부 침전부(14)의 가장자리로 모아지면서 이 상부 침전부(14)의 가장자리를 천천히 회류하게 된다.

이제, 상부 배출관(16)으로 흡입을 하면 이 상부 침전부(14)에 침전된 유기물(일부 산화 및 살균 되지 않은 오염물 포함)은 배출관(16)을 통해 장치 밖으로 배출되게 된다.

동일한 원리로, 도3의 우측에서와 같이, 하부 개구부(3)로 유입된 심층수의 유기물 역시 관로(11)의 내측에 있는 산화 및 살균장치에 의해 산화 및 살균된 후에, 이 유기물은 물의 흐름에 따라 상승하다가 혼합 및 확산 임펠러(8)의 회전력에 의해 생성된 와류의 원심력과 중력에 의해 외측으로 밀리면서 하강하게 되어 하부 침전부(15)에 침전되고, 이 와류에 의해 하부 침전부(15)의 가장자리로 모아지면서 이 하부 침전부(15)의 가장자리를 천천히 회류하게 되고, 하부 배출관(17)으로 흡입을 하면 이 하부 침전부(15)에 침전된 유기물(일부 산화 및 살균 되지 않은 오염물 포함)은 배출관(17)을 통해 장치 밖으로 배출되게 된다.

결국, 이상과 같은 상부 침전부(14)와 하부 침전부(15), 상부 배출관(16)과 하부 배출관(17)을 추가로 설치를 하면 산화 및 살균된 유기물(일부 산화 및 살균 되지 않은 오염물 포함)을 모두 장치 밖으로 배출시켜서 별도 처리하게 됨으로써, 보다 깨끗한 수질을 유지할 수 있게 된다.

도 4의 좌측은 이러한 상부 산화 및 살균 장치와 상부 배출관을 가진 본 발명의 수질 개선 장치의 외형을 도시한 것이고, 도4의 우측은 상부 산화 및 살균 장치와 상부/하부 배출관을 가진 본 발명의 수질 개선 장치의 외형을 도시한 것이다. 도5는 상부 배출관과 하부 배출관을 분리한 본 방멸의 전체적인 구조를 도시한 것이다.

도6은 상부 산화 및 살균 장치와 상부/하부 배출관을 가진 본 발명의 수질 개선 장치에서의 전체적인 물과 유기침전물의 흐름을 도시한 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것이고, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능하다.

예를들어, 자외선, 오존, 초음파 장치의 장착 위치는 본체의 내부 어느 위치에 장착해도 되며 침전부의 모양이 원추형이 아닌 원통형 또는 기타 모양도 가능하다.

이상과 같은 본 발명을 이용하면, 호소나 항만에 있어서, 적은 동력으로 밀도가 작은 표층수(상층)와 밀도가 큰 심층수(하층)를 적절히 혼합하여 밀도류를 생성시켜 주므로 널리 확산시켜 넓고 광활한 수역을 전체적으로 순환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 녹조 또는 적조 등을 직접 사멸 제거시키고 기타 오염물과 함께 외부로 배출하는 것이 가능해져서, 내수면과 연근해안의 녹조 적조의 방지는 물론 수중환경 개선을 통하여 어류 양식 환경 개선 및 수생 생태계를 보전할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 표층수가 유입되는 상부 개구부(2), 심층수가 유입되는 하부 개구부(3), 표층수와 심층수를 혼합하여 온도구배층으로 배출하는 중간 개구부(9)를 포함하는 본체 외통(7);

   구동력을 생성하는 모터(1);

   상기 모터(1)에 의한 구동력에 의해 회전하고, 상기 상부 개구부(2)와 하부 개구부(3)를 통해 유입되는 표층수와 심층수를 중간 개구부(9) 방향으로 유도하는 플로우 가이드(5);

   상기 플로우 가이드(5)에 고정 설치되어 상기 표층수와 심층수를 혼합하여 상기 중간 개구부(9)로 배출하는 혼합 및 확산 임펠러(8);

   상기 표층수 또는 심층수를 산화 및 살균시키는 산화 및 살균장치;

   상기 본체 외통(7)의 내부에 존재하고, 상기 혼합 및 확산 임펠러(8)의 회전에 의하여 생성된 와류의 원심력을 이용하여 산화 및 살균된 상기 표층수 또는 심층수에 포함된 유기물 및 기타 오염물을 분리시켜 침전시키는 침전부(14, 15)와;

   상기 침전부(14, 15)의 가장자리에서 연장되어 수면 위로 상기 유기물 및 기타 오염물을 배출시키는 배출관(16, 17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 개선 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 산화 및 살균 장치는 자외선 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 개선 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 산화 및 살균 장치는 오존 주입 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 개선 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 산화 및 살균 장치는 초음파 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 개선 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 산화 및 살균 장치는 표층수 유입 관로(10)의 내부 또는 입구 주변에 설치되는 것을 특징으로 하는 수질 개선 장치.

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