KR100926008B1 - 자화플록의 부착 및 탈착 능력이 강화된 자석을 이용한 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

상수원수 또는 하폐수 중의 콜로이드성 미세입자 물질, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질 처리를 위해 자화플록을 형성하고 이 자화플록을 부착 제거하기 위하여 다수의 영구자석을 모든 자석의 같은 극(N극 또는 S극)이 위로 가도록 철판위에 배열, 부착하여 자석판을 만든다. 자화플록이 부착할 수 있는 면적은 자석상부 및 옆면, 자석주변의 철판이 모두 해당된다. 자석판은 전자석으로 만들 수 있다.

이렇게 제작된 자석판에 자화플록을 효과적으로 부착시키기 위하여 자화플록제거조 내에 자석판과 교반기를 설치하여 자화플록을 함유한 물과 자석판과의 충돌을 원활하게 한다. 교반기는 교반날개와 물이 가능한 함께 회전하도록 하여 수류이동을 최대화한다. 교반기 대신 수중펌프를 사용할 수도 있다. 자석판을 교반기의 교반날개로 사용하면 자화플록의 제거효율을 증가시킬 수 있다.

자석판에 자화플록이 부착되어 쌓이게 되면 자력과 부착능력이 감소한다. 자석판의 최대 부착력은 자석판에 자화플록이 없을 때임은 자명하다. 따라서, 부착된 자화플록을 주기적으로 탈착시키는 것은 매우 중요하다.

탈착방법은 물로 세척하는 방법과 본 발명에서 고안된 자화플록탈착봉을 이용하는 방법이 있다. 철파이프와 같은 자성체에 탈착을 원활하게 할 수 있는 고무, 스펀지, 천과 같은 재질로 둘러싼 구조를 갖는다. 이렇게 제작된 탈착봉은 자석판에 강하게 밀착되고 이를 자석판 위에서 이동시킴으로써 탈착된 슬러지를 슬러지 배출시설 쪽으로 밀어내거나 탈착봉을 유공파이프로 만들어 자석판 위에서 이동시 킬 때 슬러지 배출펌프로 흡입함으로써 슬러지를 지속적으로 자화플록제거조 밖으로 배출시킨다.

따라서 자석판, 교반기, 자화플록탈착설비로 구성된 공정에서 부착 및 탈착능력이 강화되어 자화플록의 제거효율을 높이는 수처리 장치를 제공한다.

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Description

자화플록의 부착 및 탈착 능력이 강화된 자석을 이용한 수처리 장치 {Water treatment equipment using magnet with increased capability of attachment and detachment of magnetized floc}

본 발명은 수중의 자화플록 제거능력을 강화하기 위하여 자석판, 교반기 및 자화플록 탈착설비가 설치된 수처리 장치에 관한 것이다. 다수의 영구자석을 모든 자석의 같은 극(N극 또는 S극)이 위로 가도록 철판위에 배열, 부착하여 자석판을 만든다(도3). 철판에는 자석이 스스로 강력하게 부착하므로 별도의 고정장치가 필요하지 않고 철판부착극 쪽의 자력은 거의 없어지는 반면 철판부착극의 반대편극 즉 자화플록을 부착시키고자 하는 극쪽의 자력은 대략 2배로 증가되므로 본 발명의 목적을 달성하는데 매우 유리하다. 따라서, 자화플록이 부착할 수 있는 면적은 자석상부 및 옆면, 자석주변의 철판이 모두 해당된다. 자석판은 전자석으로 만들 수 있다.

이렇게 제작된 자석판에 자화플록을 효과적으로 부착시키기 위하여 자화플록제거조(도4)내에 자석판과 교반기를 설치하여 자화플록을 함유한 물과 자석판과의 충돌을 원활하게 한다. 기존의 플록형성을 위한 교반기는 교반날개와 물이 함께 회 전하지 않도록 설계되어 왔으나 본 발명에서 사용되는 교반기는 교반날개와 물이 가능한 함께 회전하도록 하여 수류이동을 최대화한다. 교반기 대신 수중펌프를 사용할 수도 있다. 교반강도가 너무 강하여 수류이동속도가 너무 클 경우 자석판에의 자화플록 부착량이 제한되고 약할 경우에는 충돌빈도가 낮아져 자화플록제거 속도가 느리게 된다. 자석판을 교반기의 교반날개로 사용하면 자화플록의 제거효율을 증가시킬 수 있다.

자석판에 자화플록이 부착되어 쌓이게 되면 자력과 부착능력이 감소한다. 자석판의 최대 부착력은 자석판에 자화플록이 없을 때임은 자명하다. 따라서 부착된 자화플록을 주기적으로 탈착시키는 것은 매우 중요하다.

탈착방법은 물로 세척하는 방법과 본 발명에서 고안된 자화플록탈착봉을 이용하는 방법이 있다. 철파이프와 같은 자성체에 탈착을 원활하게 할 수 있는 고무, 스펀지, 천과 같은 재질로 둘러싼 구조를 갖는다. 이렇게 제작된 탈착봉은(도5) 자석판에 강하게 밀착되고 이를 자석판 위에서 이동시킴으로써 탈착된 슬러지를 슬러지배출시설 쪽으로 밀어내거나 탈착봉을 유공파이프로 만들어(도6) 자석판 위에서 이동시킬 때 슬러지 배출펌프로 흡입함으로써 슬러지를 지속적으로 자화플록제거조 밖으로 배출시킨다. 물로 세척할 경우 자화플록제거조의 물을 배수해야 하는 단점이 있는 반면 영구자석을 철판위에 부착시킨 자석판 즉 요철을 갖는 자석판의 세척이 잘되는 장점이 있다. 자화플록 탈착봉에 의한 자화플록 탈착을 원활하게 하기 위하여 전술한 자석판 위에 자속밀도에 영향이 적은 스테인리스스틸, 알루미늄, 구 리, 유리, 아크릴 등의 평면 자석판 상부덮개를 장착할 수 있다.

처리 대상 원수에 산화철 폐촉매, 마그네타이트, 자철광 분말 등과 같은 자성체를 첨가한 후 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄 염 또는 황산 제1철, 황산 제2철, 염화 제2철 등의 철염을 주입하여 콜로이드성 미세입자 물질, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질과 같은 오염물질과 함께 플록(floc)을 형성시키고 이 과정에서 플록(floc)에 점착된 자성체에 의해 플록(floc)이 자성을 띠게 된다. 이 자화플록을 함유한 물은 자석판을 수평, 수직 또는 경사지게 위치시킨 자화플록제거조에 유입되고 이 자화플록제거조에 구비된 교반기, 자석판 회전날개 교반기 또는 수중펌프를 이용하여 교반함으로써 수중의 자화플록과 자석판과의 충돌을 원활하게 하여 자화플록을 효과적으로 제거하고 물이나 탈착봉을 이용하여 부착된 슬러지를 탈착시켜 제거함으로써 자석판의 부착능력을 회복하는 기술이다.

표준정수처리공정(Conventional Water Treatment Process)에서는 약품에 의한 응집이 필수적이다. 원수 중에 부유하는 콜로이드성 미세입자는 중력에 의해서는 쉽게 침전되지 않으며 급속여과에서도 이들 대부분이 여과층에 억류되지 않고 통과한다. 따라서 콜로이드성 미세입자 뿐만 아니라 미생물, 용존성 유기 및 무기물질을 플록(floc)화 하여 질량(mass)을 크게 함으로써 중력에 의해 쉽게 침강할 수 있게 하는 처리 과정이 필요하게 된다. 이를 위해 사용되는 약품은 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄염 또는 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철 등 의 철염등이 있다. 즉, 응집제 사용은 원수 중의 콜로이드성 미세입자 물질을 침전하기 쉽고 또 여과지에서 여재내부에서 포착되기 쉬운 크고 무거운 플록(floc)형태로 전환하는데 목적이 있으며 이는 응집 후 후속 침전지와 여과지에서의 제거 효율을 극대화하는데 초점이 맞춰져 있다. 혼화지를 포함한 급속혼화시설에서는 수류식, 기계식, 펌프 확산에 의한 방법 등의 급속 혼화 방식이 사용되고 있으며 급속혼화시설에서 생성된 미소 플록을 크게 성장시키기 위해서 급속혼화시설과 침전지 사이에 플록 형성지(flocculation basin)가 위치하게 되는데 플록 형성 시간은 20~40분 정도이다.

성장된 플록(floc)을 포함하는 물은 침전지로 이동하게 되고 침전지는 현탁물질이나 플록의 대부분을 중력침강작용으로 제거함으로써 후속 여과지의 부담을 경감시키기 위하여 설치되는데 중력침강작용으로 인한 침전 시 2~4 시간의 장시간이 소요되기 때문에 막대한 부지 면적 및 설비가 필요하다. 침전지에서 상당 부분의 탁도 물질이 제거되어도 1~2NTU(Nephelometric Turbidity Unit)정도의 탁도는 잔류하게 되고 후속여과지에서 0.5NTU 이하까지 처리함으로써 탁도에 관한 정수과정이 완성된다고 볼 수 있다.

기존 산업폐수처리 방법으로서 페라이트 프로세스(Ferrite Process)와 마그네타이트 분말을 이용한 고구배자력분리(High Gradient Magnetic Seperation, HGMS)가 있다.

페라이트 프로세스는 플록(floc) 형성시 자성체의 점착에 제한이 있으며 특히 고정식 자석을 사용하고 자석과 처리하고자 하는 물의 접촉거리 때문에 제거 효율이 제 한적이라는 문제점이 있다.

또한 고구배 자력분리는 마그네타이트의 자성을 이용하여 슬러지를 빠른 시간 내에 농축 분리하기 위한 방법으로서, 폐수를 침전제로 처리한 후에 마그네타이트 분말과 응집제(polymer)를 첨가하여 고정된 전자석이 설치된 반응조에서 슬러지를 농축 분리하는 것이지만 이 또한 비효율적이라는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0545872호(이하 선행기술1)에는 "자철광 분말을 이용한 하폐수의 처리방법"이 공지되어 있다. 이는 자화 자철광분말을 응집의 핵으로 이용하여 하폐수 중에 함유되어 있는 부유고형물질을 응집 처리하여 침전조에서 침전 분리한 다음에 자철광회수공정에서 자철광을 회수하여 재사용하므로 슬러지 발생량을 최소화하면서 중화제 등이 필요 없기 때문에 운전비용이 저렴한 응집처리방법을 제시한다.

대한민국 공개특허10-2004-0110352호(이하 선행기술2)에는 "마그네타이트 분말과 부영양화 물질 및 유기물 흡착제가 함유된 미세구형 과립상태인 수처리 미세과립 제조방법 및 초고속 수처리 공정"이 소개되어 있다. 이는 물에 용해된 부영양화 원인 물질 및 유기화합물을 활성탄 내지는 활성탄소섬유와 약자성체인 마그네타이트 분말이 혼합된 미세 구형과립을 이용하여 쉽게 흡착, 정화하고 자력을 가해 초고속으로 분리할 수 있는 정화시스템에 관련된 분말 제조방법에 관한 것으로, 활성탄이나 활성탄소섬유에 마그네타이트를 함유시키고, 흡착 후 자력에 의한 초고속 분리할 수 있는 수처리 정화장치 시스템에 관련된 수처리 분말 제조방법에 관한 것이다.

대한민국 공개특허 10-0479646호(이하 선행기술3)에는 "전기응집 및 자성유체분리를 조합한 산업폐수의 처리장치 및 그 처리방법"이 공지되어 있다. 이 발명에 따르면 산업 폐수 내 오염 물질과 양극에서 용출되는 금속 양이온을 전기화학적으로 결합시켜 금속성 수산화물인 플록을 생성한 후 이 플록을 자화시켜 자석으로 분리 제거함으로써, 산업 폐수 내 오염물질을 처리수 방류 규제치보다 훨씬 양질로 신속하게 처리할 수 있는 산업폐수의 처리장치 및 그 처리방법을 제공하고 있다.

기존에 제작되어 사용되고 있는 자력선별기, 자석청소기, 쿨런트세퍼레이터 등은 고체형태의 칩이나 분말의 제거를 목적으로 하거나 절삭액 중의 철분제거 등 소량의 액상에 적용하도록 되어있고 수처리의 경우에도 파이프 외측에 자석을 설치하고 파이프내에 유체가 흐르도록 하거나 수중에서 자력이 미치는 범위 내에 제거하고자 하는 자성체를 자석 가까이에 위치시키는데 매우 비효율적이었다.

상기 선행기술들은 플록을 자화시켜서 제거한다는 점에서는 종래의 기술보다는 혁신적이긴 하다.

그러나 선행기술 1에서는 자성플록을 제거하는데 침전속도만을 향상시킨 발명일 뿐 자성플록을 제거하여야 하는 침전지를 필요하게 하는 문제점을 보였고, 선행기술 2에서는 활성탄이나 흡착제의 내부에 자화분말을 부착하여 부영양화 물질 등을 제거하는 방법을 제공하였으나 종래의 흡착공법보다 오히려 복잡하고 자화분말을 흡착제의 내부에 부착함으로써 추후에 활성탄이나 흡착제의 재생에도 많은 문제점을 유발하여 비경제적이었다.

특히, 선행기술 3에서는 자성플록을 제거하는 공정에서 부수적인 제1자성플록분리부와 제2자성플록 분리부를 설치하여야 하며, 또한 이 제1자성플록분리부는 플록자성화부와 연결되어 있고, 자성플록이 제거되는 것도 이송관의 외주연에 설치된 다수의 자석에 의해 포집되어 제거된다. 따라서 종래 수처리 공정보다도 복잡한 구성을 취할 뿐만 아니라, 자성플록 제거방식도 종래의 자성플록을 제거하는 공정인 다수의 자석으로 자성플록을 잡아서 끄는 방식과 별반 차이를 갖지 못하여 자석과 자성플록의 인력에만 의존하여야 하는 문제점이 있어 효율이 좋지 못하였다. 이와 더불어 이송관의 외주연에 설치된 다수의 자석에 의해 포집된 슬러지를 탈리하는 적절한 방법도 제공하지 못하고 있는 문제점도 제기되었다.

또한, 표준정수처리공정(Conventional Water Treatment Process)에서는 콜로 이드성 현탁물질을 제거하기 위해 무기 또는 유기응집제를 첨가한 다음 가능한 한 빨리 교반(혼화)시켜 탁질을 미소한 플록으로 생성시키고, 생성된 미소플록을 크고 무겁게 성장시켜 중력침강작용으로 제거하고 있다.

그러나 이러한 일반적인 정수처리공정은 미소 플록을 크고 무겁게 성장시키는데 많은 시간이 필요하고 적절한 교반 강도 및 체류시간이 확보되지 않을 시 플록 형성 효과는 크게 저하된다. 또한 생성된 플록이 중력침강 작용에 의해 침전하는데 긴 체류시간(2~4시간 정도)이 소요되기 때문에 넓은 부지 면적과 설비가 필요하게 됨으로써 건설비용이 높아지게 된다.

따라서 기존의 정수처리 공정에서는 원수의 탁도를 침전지 유출수 수준인 2NTU 또는 여과지 유출 수준인 0.5NTU 이하로 저감시키는데 통상 3~4시간이 필요하나 이를 획기적으로 단축함으로써 침전지와 여과지 모두를 또는 침전지를 생략할 수 있는 장치 및 방법이 요구되고 있다.

또한 생물학적 처리공정을 주축으로 하는 하폐수 처리 공정에서도 처리수의 재이용 또는 인제거와 생물학적 처리 공정의 운전이 원활하지 못할 경우에 방류수질 향상을 위한 보조수단으로서 장시간의 체류시간과 막대한 시설을 필요로 하는 응집, 침전, 여과 과정을 대체할 수 있는 간단한 장치와 방법이 요구된다.

상기와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고 상기한 목적을 달성하기 위하여, 처리하고자 하는 상수원수 또는 하폐수에 가급적 입자 크기가 작은 산화철 폐촉매, 마그네타이트, 자철광 분말등과 같은 자성체를 주입하여 원수 중의 콜로이드성 물질과 골고루 섞인 상태가 되게 함으로써 균질화 시키고 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄염 또는 황산 제1철, 황산 제2철, 염화 제2철 등의 철염과 같은 응집제와 필요시 pH 조절을 위한 보조제를 주입하여, 즉, 혼화(Rapid Mixing) 과정을 거침으로써 플록(floc) 형성단계에서 미소 자성체를 플록에 첨착 시킴으로써 플록이 자성을 띠게 함으로써 자화플록(magnetized floc)을 만든다. 영구자석 또는 전자석으로 제작된 자석판 처리장치를 구성하고 한 개 또는 여러개의 자석판을 자화플록제거조에 수평, 수직 또는 경사지게 위치시키고 교반기, 자석판 날개장착교반기, 수중펌프 등을 통하여 교반함으로써 자화플록을 함유한 물과 자석판과의 충돌을 원활하게 한다. 자화플록을 함유한 처리대상 원수가 이 자석판과 접촉함으로써 자석판 표면에 자화플록이 부착 제거된다.

부착된 자화플록 즉 슬러지를 탈착, 제거하여 자석판의 자화플록 부착능력을 회복한다. 고압수세, 자화플록 탈착봉, 유공자화플록 탈착봉, 회전브러쉬 등을 이용하여 탈착목적을 효과적으로 달성할 수 있다.

자석판 제작시 영구자석 대신 전자석을 사용할 경우에는 탈착시 전원을 차단하여 자력을 없애고 탈착을 쉽게 수행할 수 있다.

응집, 침전, 여과 공정으로 구성된 표준정수처리공정(Conventional Water Treatment Process) 에서는 원수의 탁도를 침전지 유출수 수준인 2NTU 이내, 여과지 유출수 수준인 0.5NTU 이하로 저감시키기 위하여 보통 3~4 시간이 소요되나 본 발명을 적용할 경우 수십분 이내에 위 목적을 달성할 수 있는 현저한 효과가 나타난다.

수처리 시간 단축은 물론 설비도 기존 플록형성지 크기보다 현저히 작은 부지면적과 자석판 부착/탈착 장치만이 필요하게 되므로 침전지 또는 침전지와 여과지 시설 모두를 생략할 수 있게 되어 건설비 및 유지관리비를 크게 절감할 수 있는 장점을 갖는다.

자석판, 교반기, 자화플록 탈착봉 등의 장치를 활용함으로써 부착능력의 증가와 함께 처리수질의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 하폐수 처리에 적용할 경우 처리수의 재이용 등을 위한 고도처리 시 응집, 여과, 활성탄 흡착 등의 공정을 선택하게 되는데 정수 공정과 마찬가지로 체류시간을 크게 단축시킴으로써 시설투자 및 운전비용을 획기적으로 저감할 수 있다.

이와 더불어, 자석으로부터 탈리시킨 슬러지는 입자크기가 작고, 콤팩트(compact)하며 함수율이 낮으므로 슬러지 처리가 용이하게 되고 이 또한 자석으로 처리가 가능하다.

본 발명은 수중의 자화플록이 자석판에 더 많이 더 빠르게 부착할 수 있도록 자석판, 교반기 및 자화플록탈착설비를 구비한 수처리 장치에 관한 것으로 표준정수처리공정(Conventional Water Treatment Process)에서는 콜로이드성 현탁물질을 제거하기 위해 무기 또는 유기응집제를 첨가한 다음 가능한 한 빨리 교반(혼화)시켜 탁질을 미소한 플록(floc)으로 생성시키고, 생성된 미소플록을 크고 무겁게 성장시켜 중력침강작용으로 제거하고 있다.

그러나 이러한 일반적인 정수처리공정은 미소플록을 크고 무겁게 성장 시키는데 많은 시간이 필요하고 적정한 교반 강도 및 체류시간이 확보되지 않을 시 플록 형성 효과는 크게 저하된다. 또한 생성된 플록이 중력침강작용에 의해 침전하는데 긴 체류시간(2~4시간)이 소요되기 때문에 넓은 부지 면적과 설비가 필요하게 됨으로써 건설비용이 높아지게 된다.

따라서 본 발명에서는 처리하고자 하는 상수원수 또는 하폐수에 가급적 입자 크기가 작은 산화철 폐촉매, 마그네타이트, 자철광 분말과 같은 자성체를 주입하여 원수 중의 콜로이드성 물질과 골고루 섞인 상태가 되게 함으로써 균질화 시키고, 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄염 또는 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철 등의 철염 응집제와 필요시 pH 조절을 위한 응집보조제를 주입하여 플록(floc) 형성단계에서 미소 자성체분말을 플록에 첨착시킴으로써 플록이 자성을 띠게 한 후 이 자화플록을 함유한 물은 자석판을 수평, 수직 또는 경사지게 위치시킨 자화플록제거조에 유입되고 이 자화플록제거조에 구비된 교반기나 수중펌프를 이용하여 교반함으로써 수중의 자화플록과 자석판과의 충돌을 원활하게 하여 자화플록을 효과적으로 제거하는 기술이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저 통상의 정수 및 하폐수 처리 설비에서는 응집, 침전, 여과 공정이 수반되는 데 상기의 공정에서는 먼저 플록(floc)을 크고 무겁게 해야만 중력에 의한 침전이 용이해진다.

따라서 원수 또는 하폐수 수질에 따라 응집제 종류, 응집제 주입량, 최적 pH, 교반강도(G값), 교반시간, 침전시간 등의 설계요소 결정이 플록의 밀도와 크기에 좌우되어 왔다.

G : 속도경사 (sec^-1), P : 동력(watt),

μ : 점성계수 (kg/m ·sec), V : 부피(m³)

그러나 본 발명은 플록을 중력에 의한 침전이나 부상을 이용하지 않고 자석에 의한 자력을 이용하기 때문에 상기의 변수에 많은 영향을 받지 않는다.

먼저 처리할 원수 또는 하폐수(이하 처리대상수)를 자화형성혼화공정으로 유입시킨다. 자화형성혼화공정이란 처리조로 유입된 처리대상수에 자성체 분말을 주입하고 적량의 응집제를 주입하여 통상의 기계식 교반기나 수류식, 펌프확산방식 등으로 혼화(Rapid Mixing)하는 공정을 의미한다.

자성체 분말은 통상의 자성을 띤 분말형 물질을 의미한다. 따라서 산화철 폐촉매, 마그네타이트, 자철광 분말 등을 포함한 인공자성체 또는 천연자성체 분말이 이용될 수 있다.

자성체 분말 주입에 있어서는, 자성체를 생성하는 수단으로 마그네타이트를 생성하여 주입하는 것이 비용면에서 바람직하다. 마그네타이트는 2가 철염과 상온에서 알칼리를 주입하여 생성한다.

여기서 사용하는 2가 철염은 제1염화철(FeCl₂ ·4H₂O)를 사용하고, 알칼리는 NaOH 를 사용하여 수용액 상에서 1:2(FeCl₂ ·4H₂O : NaOH)로 교반기에서 교반을 하면 pH가 9~11정도로 유지되면서 마그네타이트(Fe₃O₄)가 주성분인 슬러리 용액이 만들어진다. 이 방법 이외에도 많은 자성체 제조방법이 있다.

제조된 마그네타이트는 수용액 슬러리 상태로 정량펌프로 주입하거나 또는 건조하여 분말 형태로 주입할 수 있다. 따라서 자성체 분말을 주입하는 수단은 통상의 분말주입수단을 의미하며 일반적으로 자성체 분말 주입량을 조절할 수 있는 장치를 활용하는 것이 바람직하다. 상기한 마그네타이트를 슬러리상태나 분말상태로 주입하는 것은 자성체분말주입수단의 일예이며, 다른 인공자성체나 천연자성체 분말을 주입기로 주입하거나 액체와 혼합하여 주입하는 방법 등을 활용할 수 있다.

또한 자성체 분말을 응집제와 혼합하여 주입할 수 있음은 물론이다. 다만, 바람직하게는 자성체 분말의 주입량 조절을 위하여 응집제 주입 라인과 다르게 주입하는 것이 좋다.

자성체 분말은 가능한 한 미세한 콜로이드 크기의 분말 형태를 띠는 것이 주입 후 부유하여 제거대상 물질과 균질화 되기 싶고 동일한 질량비에 대비하여 표면적과 충돌기회를 확대할 수 있을 뿐만 아니라 처리수에 따른 주입량과의 효율 면에 서 매우 유리하다. 바람직하게는 20-1,000㎚ 정도의 입도를 갖는 것이 좋다.

이렇게 처리대상수를 자화형성혼화공정으로 유입하여 자성체분말과 적량의 응집제를 주입하고 교반기나 수류식, 펌프확산 등의 방법을 이용하여 급격히 혼화시킨다.

응집제는 통상의 수처리에 사용하는 통상의 무기, 유기 응집제를 의미한다. 따라서 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃), 폴리염화알루미늄(PAC), 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철, 칼륨명반, 알루민산나트륨, 암모늄명반, 염화코퍼러스, 페록(상품명), 점토, 수산화칼슘, 산화칼슘, 활성규산 등의 무기응집제와 고분자응집제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제 등의 유기응집제를 포함한 통상적인 그리고 개량된 응집제를 모두 포함한다.

또한 응집제 뿐만 아니라 산, 알카리, 활성규사, POLYELECTROLYTES, 점토 등의 응집보조제를 자화형성혼화공정에 주입할 수 있다. 이런 응집보조제로 적정 PH조절, 응집효율을 증진시킨다.

그리고 자화형성혼화공정은 자성체분말주입교반공정과 응집제주입혼화공정으로 구분될 수 있다.

자성체분말주입교반공정은 처리대상수에 자성체분말을 주입하여 교반하는 공정이고, 응집제주입혼화공정은 자성체분말주입교반공정을 거친 처리대상수에 응집제와 선택적으로 PH조정제 등과 같은 응집보조제를 주입하고 교반하여 자화된 플록 을 형성시키는 공정을 의미한다.

처리대상수가 자화형성혼화공정에 유입되면 처리대상수에 포함된 콜로이드성 미세입자 물질, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질이 응집제와 자성체 분말과 서로 응집하여 자화된 플록을 형성한다. 이와 같이 자화된 플록에는 자성체 분말이 점착(fixation)되어 있어 후단 공정인 자화플록제거조에 위치시킨 자석판에 부착제거되기 좋은 상태로 된다.

도1은 자석판 처리공정에서 제거될 플록의 형상을 통상의 중력식침전지 제거플록, 여과지 제거 플록과 비교하여 나타내주고 있다.

또한, 도1에서 볼 수 있듯이 본 발명에서의 자석판을 이용하여 제거될 자화된 플록은 크기가 작음에도 콤팩트하여 제거가 용이할 뿐만 아니라 종래의 침전지나 여과지 식보다 훨씬 작은 크기의 플록들도 상기의 자화플록제거조의 자석판에서 완전히 제거할 수 있음을 알 수가 있다.

그리고 상기의 자화형성혼화공정 다음에 플록형성공정을 부가할 수 있다. 이 플록형성공정은 상기한 자화된 미소 플록의 성장을 돕는 공정이다. 따라서 자화된 미소 플록을 크게 성장시키면서 자화된 플록과 혹시 남아 있을 수 있는 자화되지 않은 플록을 서로 뭉치게 하여 후단 공정인 자석판 처리장치에서 좀 더 빠르게 플록을 제거하기 위함이다.

플록형성공정은 통상의 플록형성공정과 동일한 방식이며 교반기로 완속교반 해주는 공정을 의미한다. 물론 이 플록형성공정은 탁도 제거율 목표에 따라 생략될 수 있다.

상기의 자화형성혼화공정을 거치고 선택적으로 플록형성공정을 거친 자화된 플록은 다음 공정인 자석판, 교반기, 자력이 있는 교반기, 자화플록 탈착봉, 유공자화플록 탈착봉, 고압수세장치, 회전브러쉬 등이 선택적으로 설치된 자화플록제거조로 가게 된다.

본 발명에서의 자화플록제거조 구성요소인 자석판, 교반기 및 자화플록 탈착설비에 대한 이론적 배경을 상세히 설명한다.

영구자석 및 전자석은 일정 자장거리 내에 있는 자성체를 끌어 당겨 부착시키는 힘이 매우 강하며 부착속도도 매우 빠른 특징이 있다. 일정거리 밖에 있는 자성체에 대하여는 당기는 힘이 급격히 저하하여 부착하지 못한다. 이 부착가능거리는 자석의 자속밀도(GAUSS)가 클수록 증가하게 된다. 따라서 이러한 자석-자성체간의 부착특징을 고려한다면 수중에 분산되어있는 자화플록을 자석표면에 골고루 접근시키는 것이 부착제거효율을 높이는 관건이라 할 수 있다. 수중에서 1959Gauss의 자속밀도를 갖는 영구자석이 Fe₃O₄슬러리를 끌어당기는 실험을 한 결과 1.8cm 이격시 미세한 움직임을 보이고 1.5cm 이격시 부착되기 시작함을 관찰하였다.

자석은 여러 가지 형태와 크기로 제작된다. 형태는 평판형, 원형, 봉형, 드 럼형 등으로 다양하고 크기도 비교적 자유롭게 제작할 수 있으나 자석의 제작특성상 자력은 자석의 위치에 따라 달라지게 된다. 대용량 수처리 목적으로 사용할 경우 자석과 접촉하는 물의 흐름 특성상 하나의 자석을 아주 크게 만드는 데는 한계가 있으므로 작은 자석 여러 개를 판형으로 배열하여 자석판을 구성하면 매우 효과적이다.

자석판이라 함은 넓은 면적을 가지며 전체면에 자속밀도가 골고루 분포하도록 자석을 배열하여 제작된 장치를 의미한다. 이렇게 제작된 자석판의 면적은 수 ㎠에서 수천 ㎡까지 크기는 제한받지 않는다.

다수의 영구자석을 모든 자석의 같은 극(N극 또는 S극)이 위로 가도록 철판위에 배열, 부착하여 자석판을 만든다(도3).

철판에는 자석이 스스로 강력하게 부착하므로 별도의 고정장치가 필요하지 않고 철판부착극 쪽의 자력은 거의 없어지는 반면 철판부착극의 반대편 극 즉 자화플록을 부착시키고자 하는 극쪽의 자력은 대략 2배로 증가되므로 본 발명의 목적을 달성하는데 매우 유리하다. 따라서, 자화플록이 부착할 수 있는 면적은 자석상부 및 옆면, 자석주변의 철판이 모두 해당된다. 또한 자석판은 영구자석 또는 전자석으로 만들 수 있다.

이렇게 제작된 자석판에 처리수의 자화플록을 효과적으로 부착시키기 위하여, 자화플록제거조(도4)내에 교반기를 설치하여 자화플록을 함유한 처리수와 자석판과의 충돌을 원활하게 한다. 또한 교반기 대신 수중펌프를 사용하여 처리수를 교 반시켜 자석판과와 충돌을 원활하게 할 수 있다.

기존의 수처리장치에서 플록형성을 위한 교반기는 교반날개와 물이 함께 회전하지 않도록 설계되어 왔으나, 본 발명에서 사용되는 교반기는 교반날개와 물이 가능한 함께 회전하도록 하여 수류이동을 최대화한다.

이와 같은 이유는 교반강도가 너무 강하여 수류이동속도가 너무 클 경우 자석판과의 자화플록 부착량이 제한되고, 교반강도가 약할 경우에는 충돌빈도가 낮아져 자화플록제거 속도가 느리게 되기 때문이다.

따라서, 이와 같은 문제점을 효과적으로 해결하기 위하여 자석을 교반기의 교반날개에 부착하여 사용하면 교반강도에 큰 영향없이 자화플록의 제거효율을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 즉, 교반기를 자력을 가진 교반기로 사용하게 되는 것이다. 이 교반기의 교반날개에 부착하여 사용하는 자석은 영구자석, 전자석 등 다양하게 사용될 수 있다.

그리고, 상기의 교반기를 사용하는 대신에 수중펌프를 사용하여 처리수를 교반하는 방법을 활용할 수 있다. 수중펌프를 활용하는 경우 교반기에 사용되는 동력비를 절감할 수 있는 효과를 갖게 된다.

자석판에 자화플록이 부착되어 쌓이게 되면 자력과 부착능력이 감소한다. 자석판의 최대 부착력은 자석판에 자화플록이 없을 때이다. 따라서 자력 및 부착력을 최대화하기 위해서는 부착된 자화플록을 주기적으로 탈착시키는 것은 매우 중요하다.

자화플록의 탈착방법은 물로 세척하는 방법이 있으나, 특히 본 발명에서는 본 발명자가 특별히 고안한 자화플록 탈착봉을 이용하여 자화플록을 효과적으로 탈착시키는 장치를 제공한다.

자화플록 탈착봉은 철파이프와 같은 자성체에 탈착을 원활하게 할 수 있는 고무, 스펀지, 천과 같은 재질로 둘러싼 구조를 갖는다. 이렇게 제작된 자화플록 탈착봉은(도5) 자석판에 강하게 밀착되고 이를 자석판 위에서 전후로 이동시킴으로써 자석판에 부착된 자화플록을 탈착시키고, 이렇게 탈착된 자화플록(자석판 처리장치에서 탈착된 자화플록을 통상‘슬러지’라고 한다.)을 슬러지배출시설 쪽으로 밀어내게 된다.

또한 자석판에서 자화플록을 더욱 효과적으로 제거하기 위하여 도 6에서 보는 것처럼 자화플록 탈착봉을 탈착봉에 구멍이 형성된‘유공자화플록 탈착봉’으로 사용할 수 있다. ‘유공자화플록 탈착봉’은 탈착봉에 다수의 구멍이 형성되어 있고, 탈착봉에 흡입장치가 연계되어 있는 자화플록 탈착봉을 의미한다. 또한 유공자화플록 탈착봉에 연계된 흡입장치는 단독의 흡입장치를 사용할 수 있음은 물론 슬러지 배출펌프를 연결하여 활용할 수 있다.

따라서 유공형 자화플록 탈착봉을 자석판 위에서 이동시킬 때, 흡입장치에 의하여 탈착된 자화플록을 흡입하여 지속적으로 자화플록제거조 밖으로 배출시키는 것이다.

그리고, 자화플록 탈착봉 또는 유공자화플록탈착봉을 자석판 위에서 이동시키는 수단은 통상의 동력수단이 자화플록 탈착봉 또는 유공자화플록 탈착봉에 연계되어 있어 자석판 위를 이동할 수 있게 될 수 있음은 자명한 사항이다.

상기한 바와 같이, 통상적으로 물로 자화플록을 제거하는 방법을 사용할 경우 자화플록제거조의 물을 배수해야 하는 단점이 있는 반면, 본 발명인 영구자석 또는 전자석을 철판위에 부착시킨 자석판(요철을 갖는 자석판)을 사용하는 경우 물 세척의 불편함 보다 훨씬 많은 장점이 있는 것이다.

그리고, 자화플록 탈착봉에 의한 자화플록 탈착을 더욱 원활하게 하기 위하여, 상기한 자석판 상부에 자속밀도에 영향이 적은 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 유리, 아크릴 등의 평면 자석판 상부덮개를 장착한 자석판을 사용할 수 있다. 이렇게 자석판 상부덮개를 장착한 자석판은 물이 침투할 수 없도록 수밀구조로 하는 것이 바람직하다.

상기의 평면 자석판 상부덮개가 장착된 자석판을 사용할 경우 자화플록탈착이 훨씬 용이하게 수행된다.

자석판으로부터의 자화플록의 탈착주기는 원수수질, 단위시간당 부착제거되는 자화플록의 양, 자석판 면적, 자속밀도, 체류시간 등에 따라 달라진다. 따라서 부착제거되는 자화플록의 양이 많을수록 탈착 빈도가 높아질 것은 자명하다.

본 발명은 자화플록이 자석판에 부착되는 특성을 이용하기 때문에 저렴하고 쉽게 이용할 수 있는 철을 기본재료로 하므로 수중에서 부식, 즉 녹이 발생할 수 있다.

따라서 자석판 제작시 필요한 철판, 자석, 자화플록 탈착봉 등의 자재는 에폭시코팅, 테프론코팅, 방청페인트 도포, 비닐코팅 등의 방법으로 녹을 방지할 수 있다. 코팅으로 인한 자력손실은 거의 무시할 수준이다.

자화플록제거조의 운영시에, 자화플록제거조에 교반기가 여러개 연속적으로 있을 경우 모두 같은 방향으로 회전한다면, 첫 번째 교반기가 이송시키는 물의 방향과 두 번째 인접 교반기가 이송시키는 물의 방향이 반대로 되어 충돌이 일어나고 원활한 이송을 할 수 없으며 에너지 손실이 발생한다. 따라서, 인접교반기의 회전방향을 반대로 함으로써 자석판과 물의 접촉효율을 증대시킬 수 있다(도7).

고압수세 파이프는 자석판이나 교반기 등에 미탈착 자화플럭이 발생하는 경우 강력한 수압을 이용하여 자석판이나 교반기를 청소하는 기능을 수행한다. 또 한 본 발명인 자화플럭제거조 수처리장치에서 자화플럭 탈착봉을 사용하지 않을 경우 처리수를 모두 배출시키고 자석판에 부착된 자화플럭을 제거하여 슬러지 배출구로 배출시키는 기능을 하게 된다.

그리고 고압수세 파이프 대신에 회전브러쉬를 이용하여 자석판이나 교반기를 청소하는 기능을 수행하거나, 자석판에 부착된 자화플럭을 제거하여 슬러지 배출구로 배출시키는 기능을 한다.

다음은 본 발명의 실시예를 설명한다. 다만 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 제한하지 않으며, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시 예 1>

교반기가 설치된 자석판을 이용한 원수의 탁도제거 실험

콜로이드 물질인 카올린(kaolin)을 첨가한 인공원수를 약 20NTU로 90L를 제조한 뒤 자화플록제거조에 담고 상기에서 만들어진 마그네타이트(Fe₃O₄)가 포함된 수용액을 45ml (4.2mg/l as Fe) 주입하고 1분동안 교반하여 30NTU 정도의 처리대상원수를 만든다.

여기에 응집제주입 혼화조에서 Jar test를 통하여 구해진 최적 응집제 주입량으로서 Al₂(SO₄)₃를 450ml (5.964mg/l as Al₂O₃) 주입하고, pH 조정제로서 CaO를 주입하여 pH를 7로 유지한 후 응집제주입 혼화조에서 약 G=65sec^-1(속도경사)로 체 류시간(HRT=10min)동안 교반을 해주면 마그네타이트(Fe₃O₄)가 플록 구성체의 일부로 첨착되면서 자화된 플록이 만들어진다.

그리고 본 발명을 위해 제작된 20cm×20cm 철판(1.6T) 위에 20×5T (직경 2cm, 두께 0.5cm) 네오디뮴 영구자석을 7열×7열(49개)로 부착시키고 20cm×20cm 스테인리스스틸판(1.2T)을 상부덮개로서 자석위에 위치시켜 자석판 처리장치를 제조한다(도3).

이렇게 제작된 자석판 처리장치 2개를 90L의 처리대상원수가 담긴 반응조(자화플록제거조) 양쪽 끝에 경사지게 위치시킨 다음 회분식(batch) 반응조로 운전하였으며 교반기의 회전속도는 14rpm 으로 하였다.

본 실험의 처리결과는 교반기를 설치하지 않았을 경우에는 [표1], 교반기를 설치하였을 경우는 [표2] 및 [표3]과 같다.

[표1]의 실험결과는 교반기를 설치하지 않았으므로 중력에 의한 침전과 자석판 부근에 있는 자화플록의 부착제거에 의한 탁도 감소를 보여주고 있으며 위치에 따라 수질편차가 매우 크고 제거율도 낮다.

[표2]는 교반기의 회전날개 면적이 통상의 플록형성을 위한 교반강도를 달성하기 위한 면적으로써 480㎠로 하였을 경우의 처리수질데이터이고 [표3]은 패들면적을 플록형성이 아닌 수류이동에 의한 자석판과의 충돌을 원활하게 할 목적으로 설계된 면적으로 850㎠로 실험한 결과이다.

[표2]와 [표3]의 데이터에서 알 수 있듯이 수류이동을 목적으로 한 날개면적을 사용할 경우 자화플록과 자석판과의 충돌효율과 탁도의 제거율이 상대적으로 높았다.

[표1]

원수탁도 (NTU)		처리수탁도 (NTU)
Kaolin 조제수	자성체 혼합수	체류시간(분)	교반기 설치하지 않음(침전 및 자석판부착)
			중심부 (수심 22cm)	중심부 (수심 13cm)	자석판 근처
21	32	2	23.6	25.3	22.8
		4	21.8	20.7	18.1
		6	20.8	17.5	15.4
		8	18.0	12.7	11.1
		10	14.1	6.91	5.13
		12	13.0	5.74	3.36
		14	10.8	5.07	2.29
		16	10.1	4.60	2.06
		18	6.66	4.08	1.92
		20	6.37	3.11	1.52
		22	4.11	2.56	1.19
		24	4.02	2.15	1.08
		26	3.58	2.06	0.94
		28	3.12	1.88	0.90
		30	2.99	1.86	0.79

[표2]

원수탁도 (NTU)		처리수탁도 (NTU)
Kaolin 조제수	자성체 혼합수	교반시간(분)	교반기에 의한 자석판부착 강화 (패들면적 480㎠)
			중심부 (수심 13cm)	자석판 근처
21	32	2	18.6	18.0
		4	14.8	13.2
		6	12.2	10.6
		8	9.06	8.71
		10	7.70	6.47
		12	6.70	5.36
		14	4.99	3.74
		16	4.19	3.37
		18	3.67	2.32
		20	2.59	2.13
		22	2.34	2.03
		24	2.06	1.80
		26	1.97	1.32
		28	1.47	1.19
		30	1.22	0.87

[표3]

원수탁도 (NTU)		처리수탁도 (NTU)
Kaolin 조제수	자성체 혼합수	교반시간(분)	교반기에 의한 자석판부착 강화 (패들면적 850㎠)
			중심부 (수심 13cm)	자석판 근처
21	32	2	17.7	18.0
		4	12.1	12.2
		6	8.41	8.58
		8	6.34	6.56
		10	5.50	4.77
		12	3.32	3.83
		14	3.14	2.88
		16	2.50	2.51
		18	1.72	1.66
		20	1.54	1.59
		22	1.43	1.37
		24	1.07	1.08
		26	0.87	0.91
		28	0.76	0.78
		30	0.74	0.70

<실시 예 2> 자석판 구조에 따른 원수의 탁도제거실험

상기의 실시 예1과 동일한 방법으로 실시하되, 자석판의 구조에 있어서 스테인리스스틸 상부덮개판의 유무(도3)에 따른 처리결과를 [표4]에 나타내었다. [표4]에서 알 수 있는 바와 같이 상부덮개판이 없을 때 자화플록의 제거속도 및 제거율이 훨씬 빠르고 높음을 알 수 있었다. 그 이유는 상부덮개판이 없을 경우 자석표면의 자속밀도가 높고 부착면적이 넓기 때문이다. 상부덮개판 설치는 탁도제거율은 상대적으로 낮으나 탈착 및 슬러지 배출방법 선택에 유리한 측면이 있으므로 이를 고려하여 결정한다.

[표4]

원수탁도 (NTU)		처리수탁도 (NTU)
Kaolin 조제수	자성체 혼합수	교반시간(분)	철판+자석+SUS상부덮개판(총부착면적 : 800㎠)	철판+자석(총부착면적 : 1108㎠)
21	32	2	17.7	13.5
		4	12.1	6.88
		6	8.41	4.54
		8	6.34	2.47
		10	5.50	1.38
		12	3.32	0.94
		14	3.14	0.74
		16	2.50	0.58
		18	1.72	0.43
		20	1.54	0.40
		22	1.43	0.39
		24	1.07	0.33
		26	0.87	0.33
		28	0.76	0.34
		30	0.74	0.29

본 발명은 기존의 상하수도 처리, 각종 산업폐수처리 공정에 부가하여 적용할 수 있는 효율적인 수처리 장치 및 방법이므로 큰 설치비용 없이 기존의 수처리 시설에 적용하여 수처리효율을 높일 수 있다.

또한 본 발명은 종래의 많은 부지를 확보해야 하는 어려움이 있는 수처리 공정이 필요한 곳에 매우 효율적으로 적용될 수 있다.

이와 더불어 간이 상하수도 또는 간이 폐수 처리공정이 필요한 곳에 매우 획기적으로 적용할 수 있는 발명이다.

도1은 단위공정별 제거 플록(floc)크기 개념도

도2는 수처리공정도

도3은 자석판

도4는 자화플록제거조 예시 (탈착장치 및 슬러지 배출방법은 선택)

도5는 자화플록 탈착봉(슬러지 배출구까지 슬러지 이송)

도6은 유공자화플록 탈착봉(슬러지 배출펌프로 자화플록제거조 밖으로 슬러지 배출)

도7은 교반기의 회전방향

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 자성체분말주입교반조 2 : 자성체분말주입교반조 교반기

3 : 응집제주입혼화조 4 : 응집제주입혼화조 교반기

5 : 플록 형성조 6 : 플록 형성조 교반기

7 : 영구자석판(또는 전자석판)

8 : 이동형 자화플록 탈착봉 또는 유공자화플록 탈착봉

9 : 고압수세용 파이프

10 : 교반기 모터

11 : 교반기 회전날개

12 : 슬러지 배출구 (유공파이프/배출펌프로 구성)

13 : 슬러지 재부상 방지판

Claims (6)

1. 영구자석판 또는 전자석판, 교반기 및 자화플록탈착설비를 구비한 수처리 장치에 있어서,

   일반교반기, 교반날개에 자석이 부착된 교반기, 또는 수중펌프를 구비하고, 철판 위에 한 개 또는 다수의 영구자석의 극이 동일 방향으로 배열, 부착되며, 자석판 위에 스테인리스스틸(SUS), 알루미늄, 구리, 유리, 아크릴 중 어느 하나의 재질로 이루어진 상부덮개가 장착되거나 상부덮개가 장착되지 않는 자화플록 부착용 자석판.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   자석판에 부착된 자화된 플록을 제거하기 위하여 철파이프에 탈착이 용이한 고무, 스펀지, 천으로 둘러싼 자화플록 탈착봉을 갖는 것을 특징으로 하는 자화플록 부착용 자석판.
4. 제1항에 있어서, 상부덮개가 없는 자석판의 표면을 에폭시, 테프론, 방청페인트, 비닐 중 어느 하나로 코팅하는 것을 특징으로 하는 자화플록 부착용 자석판.
5. 제3항에 있어서,

   자화된 플록을 제거하기 위하여 탈착봉에 구멍이 다수 형성되어 있고, 탈착봉에 흡입수단이 구비된 것에 특징이 있는 유공자화플록 탈착봉을 갖는 것을 특징으로 하는 자화플록 부착용 자석판.
6. 제1항에 있어서,

   자석판이 수처리조에 수평, 수직 또는 경사로 형성되고, 고압수세 파이프 또는 회전브러쉬 및 교반기 또는 수중 펌프를 구비한 것을 특징으로 하는 자화플록 부착용 자석판.

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