KR100791939B1 - 차속형 펠렛화 응집 반응기를 포함하는 응집 장치 및 응집공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탈수케이크 함수율 저감을 위한 수평 차속형 펠렛화 반응기를 포함하는 응집장치 및 응집 공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단순 응집반응기에 의해 생성된 플럭의 강도가 약하여 벨트프레스 또는 원심탈수기 적용 시 플럭 해체에 따른 회수율 악화와 함수율 상승의 문제점을 해결하기 위해 일차 응집반응 후 수평 차속형 교반기를 이용하여 펠렛화함으로써 플럭의 압밀성을 개선하여 탈수공정에서의 함수율을 저감시킨 수평 차속형 펠렛화 응집 장치 및 응집 공정에 관한 것이다.

펠렛, 응집, 반응기

Description

차속형 펠렛화 응집 반응기를 포함하는 응집 장치 및 응집 공정{Flocculation apparatus comprisimg horizontal agitating inverter pelletizing flocculation reactor}

도 1은 본 발명의 수평 차속형 펠렛화 응집 반응기의 개략도

도 2는 총 고형분 함량이 낮고 저점도인 경우와 총 고형분 함량이 높고 고점도인 경우의 응집 메카니즘을 비교한 도면.

도 3은 도 2의 혼합응집 이후의 일반 고속 교반과 펠렛화를 위한 차속 교반의 응집 메카니즘을 비교한 도면.

도 4는 기존설비에 수평 차속형 펠렛화 응집 반응기를 설치한 본 발명의 응집 장치의 개략도

도 5는 종래 장치 및 공정과 본 발명의 장치 및 공정으로 응집 시 점성을 비교한 사진

도 6은 종래 장치 및 공정과 본 발명의 장치 및 공정으로 응집 시 탈수 효율을 비교한 사진 및 그래프

[1] YASUHIKO WATANABE and KAZUHIRO TANAKA, “INNOVATIVE SLUDGE HANDLING THROUGH PELLETIZATION/THICKENING”, Wat. Res. 33, 15, 3245～3252, 1999

[2] W. WalaszekT, P. Ay, "Pelleting flocculation-an alternative technique to optimise sludge conditioning." Int. J. Miner. Process. 76, 173- 180, 2005

[3] 일본 특허공개공보 평4-59100

본 발명은 차속형 펠렛화 반응기를 포함하는 응집 장치 및 응집 공정에 관한 것으로, 상세하게는 탈수 케이크 함수율 저감을 위한 차속형 펠렛화 반응기를 포함하는 응집 장치 및 응집 공정에 관한 것이다.

본 발명은 차속형 펠렛화 응집반응기를 통한 탈수 케이크 함수율 저감기술로 본 발명의 특징은 고분자응집제의 일반적인 단점인 강한 교반력을 가지는 원심탈수기의 적용에서의 생성된 플럭의 해체, 플럭간의 잔류점성에 의한 탈수효율저하 및 플럭형성에 있어 플럭간 간극수 발생에 의한 탈수효율저하를 플럭의 펠렛화를 통하여 탈수효율을 개선하여 함수율을 저감시키는 응집탈수공정의 성능을 개선하기 위한 것이다.

종래의 기술은 폐수처리의 경우 YASUHIKO WATANABE와 KAZUHIRO TANAKA의 양쪽성 고분자응집제 및 무기 응결제를 투입하여 수직형 펠렛화 반응기를 이용하여 플록의 펠렛화하여 개질하는 기술에 대한 연구 [1]와 W. WalaszekT와 P. Ay에 의한 응결핵 물질 투입하여 펠렛화를 하기 위한 수직형 펠렛화 반응기에 대한 연구[2] 및 무기응결제를 이용하여 플록의 강도를 개선하는 연구 등이 수행되어져 왔다. 특히, 쿠리다(Kurita)사의 경우 철염과 양쪽성 고분자 응집제를 이용한 조립농축 시스템에 대한 특허(Japan Patent No.4-59100)또한 이와 유사한 연구이다.

이와 같이 종래의 기술들은 펠렛화를 위한 무기응결제와 같은 응결핵의 투입과 양쪽성 응집제의 투입과 같이 특정 약품의 적용에 의한 응집효율 개선과 1차 화학처리를 위한 펠렛화 기술이므로 일반적인 탈수공정에서의 적용에는 어려움이 있는 등 해결하지 못하는 한계성이 있는 펠렛화 공정이었다.

또한, 수처리 약품의 적용에 있어 응집 시스템의 변경에 따른 효율 개선이 아닌 특정 슬러지에 대한 적정 응결제와 응집제의 복합계 또는 서로 다른 하전을 가진 약품에 의한 상호보완적 응집 플럭의 개선이라는 점에서 보편화된 응집처리의 적용이 어렵다는 단점이 있다.

또한, 최근 쿠리타사의 특허의 경우, 무기계 응결제로써 철염 및 응집제로써 양쪽성 응집제를 사용한 기술로 이 기술 또한 그 조합비에 따른 특성으로 부분적 양이온성 및 음이온성을 부가하여 플럭의 크기를 조대화하는 특정 슬러지에 적합한 응용 기술이므로 범용적 적용이 어려우며, 또한 무기계의 투입량이 2% 이상으로 과량 적용되므로 실제 현장에서 슬러지의 발생량 등을 감안할 때 실용화하기 어려운 기술이다.

이에 본 발명의 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 현재 각 처리장에서 사용하고 있는 응집제를 다른 약품의 추가 투입 없이 차속형 펠렛화 반응기에 투입함으로써 적은 사용량으로도 응집 효율을 높이며, 특히 압밀성을 개선시켜 탈수 케이크의 함수율을 저감함으로써 처리비용을 절감할 수 있음을 알게 되었다. 추가적으로 고유기성 슬러지의 경우 응집제의 투입량이 과다하며, 응집제 자체 점성 및 플럭간의 잔류 응집제에 의한 점성효과에 따른 탈수효율 저하를 개선하기 위한 방법으로도 상기 차속형 펠렛화 반응기의 개발과 적용기술의 확립을 통하여 응집효율 개선에 대한 연구로 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존 설비에 차속형 펠렛화 반응기를 적용함으로써 기존에 사용하는 응집제를 동일하게 적용하여 케이크의 함수율 저감 기술과 그 응용 방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 단계적으로 슬러리의 교반속도가 줄어드는 다수의 반응조로 구성되는 차속형 펠렛화 응집 반응기를 포함하는 응집장치에 의해 달성된다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 응집제의 하전에 의한 현탁 오염물과 응집제간의 가교작용에 의한 플럭 조대화 과정 중 그 효율을 극대화하기 위한 방법으로 각 슬러지는 유입 원폐수 성상, 전처리 공정, 소화율 및 농축율 등의 처리공정 특성에 의해 그 조성 및 응집특성 등이 상이하며, 각 폐수처리 공정에서 유, 무기성분의 응집침전 및 유기성분이 분해 제거되어 그 슬러지 표면하전에 차이가 생기므로 이와 하전 중화작용에 의해 전기적 인력으로 플럭을 형성하는 과정에 사용되는 응집제의 적정하전 또한 큰 차이가 있으나 이를 차속형 펠렛화 반응기를 이용하여 그 효율을 증대시키는 기술에 관한 발명이다.

차속형 펠렛화 반응기는 수평 차속형 펠렛화 반응기, 수직 차속형 펠렛화 반응기 또는 경사형 차속형 펠렛화 반응기 등 그 형상에 관계 없이 사용할 수 있다.

본 발명의 일례인 수평 차속형 펠렛화 반응기에 대한 구성은 도 1에 도시하였다.

도면에 도시된 수평 차속형 펠렛화 반응기의 응집반응은 전체 3단계 반응으로써 1단계는 기존 응집 반응기를 활용하거나 본 발명의 장치를 이용하여도 무방하며, 일반적인 응집공정에서는 단일 응집반응기에서 형성된 플럭이 탈수기에 도입이 되나 수평 차속형 펠렛화 반응기는 1단계에서 응집제와 슬러지의 응집반응에 의해 생성된 플럭을 최소의 크기로 하여 플럭 간극수의 함량을 최소화하고 2단계의 속도를 줄인 수평드럼교반에 의해 y축 방향으로의 교반에 의해 드럼 기벽을 순환하며 펠렛을 형성하며 조대화하고 3단계로써 최저속의 수평드럼 교반에 의해 플럭의 압 밀성을 개선하야 플럭의 강도를 높여 고압 또는 고속 교반에 의한 플럭해체 현상을 최소화할 수 있는 3단계 응집반응으로 구성되어진다.

본 발명의 펠렛화 반응기는 특히, 초기 고속교반에 의한 플럭 형성 후 플럭 간극수 제거를 위한 플럭해체 후 조대화를 위한 차속조절 및 3단계로써의 압밀성 개선을 위한 수평 드럼 반응기를 그 특징으로 한다.

수평형 반응기의 대체로 수직형 반응기, 사선형 반응기의 도입 또한 가능하다.

이러한 차속형 펠렛화 응집반응의 특징은 형성된 플럭을 해체하여 플럭간의 간극수와 자유수를 최대한 제거하고 플럭의 크기는 작게 유지하면서 그 강도를 최대로 하는 2차 반응을 유도하고 다시 수평 드럼 펠렛화 반응기에 투입하여 플럭 간의 가교작용을 통한 플럭 개질로 기존 단일 응집 시스템에서 플럭간에 함유하는 간극수나 자유수를 최대한 배출하고, 또한 응집의 효율을 최저 크기 플럭의 형성에 의한 압밀성 개선 및 잔류 응집제를 최소화하여 그 탈수효율을 개선함으로써 케이크의 함수율을 저감하는 기술이다.

각 공정에서의 플럭형성을 일반 응집반응과 비교하면 메커니즘은 도 2와 같다.

도 2의 상단에 도시된 바와 같이, 일반적으로 고형분의 함량이 낮고 저점도인 경우에는 응집반응에서 미세 플럭은 응집제 투입에 의해 가교화에 의해 조대화되기 시작한다. 그러나, 탈수공정에서와 같이 고농도의 슬러지( 고형분의 함량이 높고 고점도)에 대해서는 가교화에 의한 플럭 조대화공정보다는, 하단에 도시된 바 와 같이 응집제와 슬러지간의 단순혼합에 의해 혼합 응집(Mixing flocculation)의 형태로 플럭이 형성된다. 이러한 혼합응집체는 쉽게 해체되게 된다.

도 3에서 나타낸 것과 같이 2단계 이후의 응집반응에서는, 상단에 도시된 바와 같이 단일 반응기에서는 지속적인 교반에 의해 생성된 플럭은 기벽에 압착이 되거나 플럭간의 충돌에 의해 플럭이 해체가 되어 탈수공정에서의 효율저하를 유발하게 된다.

그러나, 하단에 도시된 차속형 펠렛화 반응기에서의 응집반응은 잔류 응집제의 효과에 의해 드럼 교반과정 중의 y축 나선으로의 흐름이 형성되므로 플럭간의 재응집 현상이 유발되며, 이러한 재응집 현상에 의해 플럭은 조대화되고 3단계 반응기에서 압밀성이 더욱 상승되어 플럭의 강도가 높아져 탈수기에 유입 시 플럭해체 현상이 없으며, 플럭해체에 의한 미세 현탁물질의 발생을 억제하므로 회수율을 개선할 수 있다.

또한, 응집제 투입 시 잔류 응집제에 의한 플럭 표면의 점성층 형성에 의한 탈수효율 저하현상 또한 최소화하는 것이 가능하다.

기 개발된 기술은 대부분 오염물 부하가 낮은 1차 화학처리 슬러지를 대상으로 하므로 플럭의 조대화가 가능하였으나 본 특허는 탈수공정의 전처리 공정을 대상으로 함으로써 탈수 슬러지의 일반적 총고형분(Total solids) 범위인 1～5%의 고농도 슬러지를 기준으로 그 특성이 더욱 두드러진다.

이러한 하전과 분자량에 따른 응집제의 선정 기술은 종래에 많이 상용화된 기술이나 단일 응집제를 이용한 다단 응집시스템은 기존에 적용되지 않는 기술로 그 대략적인 메커니즘은 본 발명에서 제안하는 도 4의 다중응집시스템의 개략도에 의해 그 효율을 알 수 있다.

도 4는 기존 응집 반응조를 활용할 경우 1차 응집반응을 슬러지 공급펌프로 대체하고 2차 응집 반응기를 기존 응집 반응조를 활용하여 저속교반하고 마지막에, 차속형 펠렛화 반응기(예를 들어 수평 차속형 펠렛화 반응기)를 신설함으로써 적용이 가능하다.

본 발명의 기술에서 중요한 부분인 이러한 다중 응집반응 방식에 있어서 그 반응기의 차속 및 교반 방식에 대한 적용결과를 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 5에 나타낸 응집 플럭의 하부 사진에서와 같이 일반 응집시에는 형성된 플럭 표면의 잔류 응집제에 의한 점성이 관찰되며, 탈수 케이크가 압밀성이 없이 퍼지는 현상을 알 수 있으며, 탈리여액 중의 미세 현탁물질도 과량임을 관찰할 수 있다.

하지만 펠렛화 반응을 적용시킬 경우, 상부 사진에서와 같이 플럭 표면에 점성이 없으며, 탈수 케이크의 압밀성이 우수하며, 처리 후 탈리액의 청정성 또한 매우 우수함을 관찰할 수 있었다.

탈수 슬러지는 높은 오염물 부하를 가지고 있으며, 투입량이 높아 응집제와 혼합 시 점도가 높아져 일반적인 응집 공정에서는 그 탈수효율이 약 20% 정도(도 6 참조)였다.

그러나 본 출원인의 기 출원된 특허인, 다중 응집방식을 적용할 경우 그 효율이 약 34%로 향상되며, 본 발명의 수평 차속형 펠렛화 반응기를 적용한 경우 그 처리효율이 약 40%까지 상향이 가능하다(도 6).

다중응집방식과 펠렛화 반응기를 병행할 경우 약 44%의 처리효율(도 6)을 나타냄으로써 단일 응집반응 대비 약 100% 이상의 처리효율 개선효과를 나타내었다.

다중 응집방식은, 예를 들어 특정장치(응집반응조 외 순간교반기, 순간반응기, line mixer 등)을 이용하거나 다단의 응집 반응조를 적용하는 방법, 혹은 슬러지 이송관에 응집제를 다중 분할 투입하는 방법, 슬러지 이송 펌프의 전단계에 응집제를 투입하는 방법 등이 있다.

본 발명에 적용된 차속형 펠렛화 반응기의 재질, 길이 및 크기와는 무관하게 적용이 가능하며, 교반기의 종류와 교반봉의 형태와도 무관하게 일반적인 교반기나 교반봉을 모두 사용할 수 있다.

그 주된 메커니즘으로써 1단에서 3단을 대표적으로 적용하나 그 단수에 기술의 적용을 국한하지 않으며, 단계적인 차속을 이용하여 플럭을 펠렛화하는 기술에 적용이 가능하다.

또한, 본 발명에서는 기 출원된 단일응집제의 다중응집시스템과의 병행 적용으로도 적용이 가능하다.

또한 응집제로는 하전량과 분자량에 무관하게 적용이 가능하며, 응집제의 종류 또한 무관하게 적용이 가능하며, 그 형태 또한 파우더 형, 수중수형 또는 유중수형 등 특정 종류에 국한하지 않는다. 본 발명에서 무기응결제의 적용 또는 미적용 등의 방법 또한 국한하지 않으며, 경우에 따라서는 하수슬러지 탈수 외에도 생산공정에서의 펠렛화 공정의 적용도 공히 가능하다.

응집제 및 응결제를 병행적용할 수도 있다. 응결제는 예를 들어, 알루미늄 계 또는 철염계의 무기 응결제, 또는 폴리아민 또는 폴리데드막계의 유기 응결제를, 응집제는 예를 들어 양이온성 고분자 응집제, 음이온성 고분자 응집제, 양쪽성 고분자 응집제, 비이온성 고분자 응집제 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

또한 본 발명에서 응집시스템의 적용을 위해 기존 응집반응조를 활용한 수직형과 수평형의 직렬방식 또는 병렬방식과의 혼용에 의한 응집반응의 방법에 제한되지 않고 적용이 가능하므로 본 발명에서는 이 방법을 규정하지 않는다.

본 발명의 펠렛화 장치 및 공정을 적용시킬 경우, 플럭 표면에 점성이 없으며, 탈수 케이크의 압밀성이 우수하며, 처리 후 탈리액의 청정성 또한 매우 우수하다.

Claims (6)

1. 단계적으로 슬러리의 교반속도가 줄어드는 다수의 반응조로 구성되는 차속형 펠렛화 반응기를 포함하는 응집장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 차속형 펠렛화 반응기는 수평 차속형 펠렛화 반응기인 것을 특징으로 하는 응집장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   슬러지를 공급하는 슬러지 공급 펌프, 상기 슬러지 공급 펌프에 연결된 수직형 응집반응기 및 상기 수직형 응집 반응기에 연결된 수평 차속형 펠렛화 반응기를 포함하는 응집 장치.
4. 응집제를 투여하여 고속교반하는 응집반응 공정과 상기 응집 반응 공정보다 단계적으로 교반속도를 줄여가는 차속 펠렛화 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 응집 공정.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 응집반응 공정은 다중 응집 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 응집 공정.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

   1차 응집 반응을 슬러지 공급 펌프에서, 2차 응집 반응을 수직형 응집반응기에서 행한 다음, 펠렛화 반응을 수평 차속형 펠렛화 반응기에서 행하는 것을 특징으로 하는 응집 공정.

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