KR100959584B1 - 자석부착 타공판을 이용하여 자화플록을 제거하는 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상수원수 또는 하폐수 중의 콜로이드성 미세입자물질, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질 처리를 위해 자화플록을 형성하고 이 자화플록을 부착 제거하기 위하여 자석의 같은 극 (N극 또는 S극)이 위로 가도록 철, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 플라스틱, 아크릴과 같은 재질의 타공판이나 메쉬(mesh) 위에 배열, 부착하여 제작된 자석부착 타공판을 갖는 수처리 장치에 관한 것이다.

이렇게 제작된 자석부착 타공판에 자화플록과 같은 자성체 입자를 함유한 물을 통과시켜 자성체 입자는 자석에 충돌하면서 자석에 부착 제거되고, 물은 자석 주변의 구멍을 통과하는 수처리 장치로, 이러한 자석부착 타공판을 갖는 본 발명의 수처리 장치는 물이 흐르는 방향으로 수직 또는 경사지게 1개 또는 여러 개의 자석부착 타공판을 설치함으로써 자석부착 타공판이 고정된 상태에서 처리하고자 하는 물이 교란이 없는 층류에 가깝게 흐르면서 자화플록이 제거되게 하거나, 또는 자석부착 타공판을 자석교반기의 교반날개로 부착하여 교반함으로써 자화플록을 제거할 수 있어 처리수의 수질을 향상시킴을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자석부착 타공판에 자화플록이 부착되어 쌓이게 되면 자력과 부착능력이 감소하므로 부착된 자화플록을 탈착시키기 위하여 자석부착 타공판 표면에 브러시나 흡입펌프와 연결된 유공파이프형 브러시를 밀착시킨 상태로 상하 이동시키면서 탈착, 제거하거나 강한 수류 또는 고압분사수를 이용하여 탈착시키는 방법을 사용할 수 있다.

자석부착 타공판을 경사지게 설치하면 세척이 효과적으로 이루어질 수 있다. 자석부착 타공판을 자석교반기의 교반날개에 부착하는 경우에는 자석교반기를 고속회전함으로써 부착된 자화플록을 탈리, 세척시킬 수 있다.

자석, 자화플록, 자석부착 타공판, 자석교반기, 자화플록 제거조, 플록, 수처리

Description

자석부착 타공판을 이용하여 자화플록을 제거하는 수처리 장치{Water treatment equipment by removing magnetized floc using perforate plate attached with magnets}

본 발명은 수중의 자화플록을 제거하기 위하여 다수의 영구자석을 철, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 플라스틱, 아크릴 등 다양한 재질로 제작된 판에 다수의 구멍이 천공된 타공판이나 메쉬(mesh) 위에 부착하여 자석부착 타공판을 만들고(도 1) 이 자석부착 타공판으로 자화플록과 같은 자성체 입자를 함유한 물이 통과하면서 자성체 입자는 자석에 충돌하면서 자석에 부착 제거되고 물은 자석 주변의 구멍을 통과하는 수처리 장치에 관한 것이다. 자석부착 타공판은 고정된 상태, 또는 자석교반기의 교반 날개로 장착되어 회전하는 상태로 운전된다.

자석부착 타공판에 자화플록이 부착되어 쌓이게 되면 자력과 부착 능력이 감소한다. 자석의 최대 부착력은 자석 표면에 자화플록이 부착되지 않은 상태이므로 자석부착 타공판 표면에 브러시(Brush)나 흡입펌프와 연결된 유공파이프형 브러시(도 2)를 밀착시킨 상태에서 이동시킴으로써 부착된 자화플록을 탈착시키거나 강한 수류를 이용하여 탈착시키는 방법을 사용할 수 있고 자석부착 타공판 상부에 설치된 물분사 장치를 이용하여 세척함으로써 자석의 부착능력을 회복하는 기술이다. 자석부착 타공판이 자석교반기의 교반날개로 장착되어 자화플록을 제거하는 경우에는 자석교반기의 회전속도를 크게 증가시킴으로써 부착된 자화플록을 탈리, 세척시킨다.

처리대상 원수에 마그네타이트와 같은 자성체를 첨가한 후 황산알루미늄, 염화제2철, 폴리염화알루미늄과 같은 응집제를 주입하면 콜로이드성 미세입자물질, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질과 같은 오염물질과 함께 플록(Floc)이 형성되고 이 과정에서 플록(Floc)에 점착된 자성체에 의해 플록(Floc)은 자성을 띠게 된다.

이 자화플록(Magnetized floc)을 함유한 물을 고정된 자석부착 타공판, 또는 자석부착 타공판이 자석교반기의 교반날개로 장착된 상태에서 자성체 입자는 자석에 충돌하면서 자석에 부착 제거되나 물은 자석 주변의 구멍을 통과함으로써 수처리가 이루어지는 기술이다.

표준정수공정(Conventional water treatment process)에서는 약품에 의한 응집이 필수적이다. 원수 중에 부유하는 콜로이드성 미세입자는 중력에 의해서는 쉽게 침전되지 않으며 급속여과에서도 이들 대부분이 여재층에 억류되지 않고 통과한다. 따라서 콜로이드성 미세입자 뿐만 아니라 미생물, 인(P), 용존성 유기 및 무기물질을 입자화 및 플록(Floc)화 하여 질량(mass)을 크게 함으로써 중력에 의해 쉽게 침강할 수 있게 하는 처리과정이 필요하게 된다. 응집을 위하여 황산알루미늄, 염화제2철, 폴리염화알루미늄 등 다양한 응집제를 사용할 수 있다.

즉, 응집제 사용은 원수 중의 콜로이드성 미세입자 물질을 침전하기 쉽고 또 여과지 내 여재 내부에서 포착되기 쉬운 크고 무거운 플록(Floc) 형태로 전환하는데 목적이 있으며 이는 응집 후 후속 침전지와 여과지에서의 제거효율을 극대화하는데 초점이 맞춰져 있다. 표준정수공정에서는 플록(Floc)을 형성시키는데 20~40분이 소요되고 침전 제거를 위해서는 2~4시간을 필요로 하므로 넓은 부지면적이 요구된다. 침전지에서 상당부분의 탁도 물질이 제거되어도 1~2NTU(Nephelometric turbidity unit) 정도의 탁도는 잔류하게 되고 후속 여과지에서 0.1~0.5NTU 이하까지 처리함으로써 탁도에 관한 정수과정이 완성된다고 볼 수 있다. 하폐수 처리에 있어서도 이러한 응집공정이 많이 적용되고 있으며 침전과정이 뒤따른다.

기존 산업폐수처리 방법으로서 페라이트 프로세스(Ferrite process)와 마그네타이트 분말을 이용한 고구배 자력분리(High gradient magnetic separation, HGMS)가 있다. 페라이트 프로세스는 플록 형성 시 자성체의 점착에 제한이 있으며 특히 고정식 자석을 사용하고 자석과 처리하고자 하는 물의 접촉거리 때문에 제거효율이 제한적이라는 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 자성체와 자석간의 접촉 효율이 좋지 않은 문제점이 있다.

기존에 제작되어 사용되고 있는 자력선별기, 자석청소기, 쿨런트세퍼레이터 등은 고체 형태의 칩이나 분말의 제거를 목적으로 하거나 절삭액 중의 철분 제거 등 소량의 액상에 적용하도록 되어있고 수처리의 경우에도 파이프 외측에 자석을 설치하고 파이트 내에 유체가 흐르도록 하거나 수중에서 자력이 미치는 범위 내에 제거하고자 하는 자성체를 자석 가까이에 위치시키는데 매우 비효율적인 관계로 많은 자석을 필요로 하는 문제점이 있어 경제성이 낮다는 평가를 받아왔다.

자화플록과 자석간의 충돌기회를 증가시키고 자화플록이 자석의 자력 부착 가능범위 내에 위치하는 확률을 제고하기 위하여 본 출원인에 의해 선 출원하여 등록된 “자석 교반기를 이용한 수처리 장치 및 방법 (등록번호 10-0926000)”이 있다.

위 기술에서는 자석이 부착된 자석 교반기로 자화플록이 함유된 처리대상수를 교반함으로써 자화플록과 자석간의 충돌 기회가 획기적으로 증가되고 자화플록의 부착 제거효율도 매우 높은 결과를 실험적으로 증명한 바 있다. 본 발명은 자석부착 타공판이 고정된 상태에서 직각 방향으로 처리대상수를 층류(Laminar flow) 영역에 가깝게 흐르도록 하면서 자화플록은 자석과 충돌 후 부착 제거되고 나머지 물은 자석 주변에 위치한 구멍을 통하여 통과하거나, 이 자석부착 타공판을 자석교반기의 교반날개로 장착하여 교반하는 상태로 운전되는 특징이 있다.

상기의 선행 기술들은 플록을 자화시켜서 제거한다는 점에서는 공통점이 있으나 부착 제거될 자화플록과 자석과의 거리가 구조적으로 이격될 수밖에 없거나 자화플록과 자석간의 충돌효율이 낮아 효과적인 부착 제거가 이루어지기 어려웠고 처리수량에 비하여 많은 자석을 필요로 하게 되어 비경제적이었다.

본 발명자에 의해 선 출원되어 등록된 기술에서는 자석이 부착된 자석교반기를 이용하여 교반시켜 줌으로써 자화플록과 자석 간의 충돌기회를 획기적으로 증가시켜 자화플록의 부착 제거효율을 제고시킨다. 따라서 교반을 하는 경우나 교반을 하지 않는 경우 모두 처리 대상수에 함유된 자화플록이 자석에 충돌하여 제거되며, 그 후 남은 물이 자석판을 효과적으로 통과시키기 위한 자석판의 구조가 필요하다.

상기와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고 상기한 목적을 달성하기 위하여, 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, 염화제2철과 같은 철염 응집제와 필요시 pH조절을 위한 보조제를 주입하여 즉, 혼화(Rapid mixing)과정을 거침으로써 플록(Floc) 형성단계에서 미소 자성체를 플록에 점착시켜 자화플 록(Magnetized floc)을 만든다.

다수의 영구자석이나 전자석을 철, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 플라스틱, 아크릴과 같은 다양한 재질의 판을 천공하거나 메쉬(mesh)를 이용하여 타공판을 만들고 이 타공판 위에 자석을 배열, 부착하여 자석부착 타공판을 만든다(도 1). 이 자석부착 타공판에 자화플록(Magnetized floc)을 함유한 물을 통과시키면 자화플록은 자석에 충돌하면서 자석에 부착 제거되나 물은 자석 주변의 구멍을 통과함으로써 수처리가 이루어지게 된다. 이 자석부착 타공판은 고정된 상태 또는 자석교반기의 교반날개로 장착되어 회전하는 상태로 운전된다.

자석부착 타공판 위에 특히 자석을 중심으로 한 인근영역에 자화플록이 부착하여 쌓이게 되면 자화플록 부착능력이 감소하게 되므로 자석의 부착 능력을 회복하기 위하여 부착된 자화플록의 탈착 제거가 필요하다. 탈착 또는 세척은 자석부착 타공판에 밀착된 이동형 브러시(Brush)나 흡입펌프와 연결된 유공파이프형 브러시(도 2)를 이용할 수 있다. 이 경우 자석부착 타공판이 위치한 자화플록 제거조(10)의 물은 배수시키지 않고 연속적으로 탈착을 수행할 수 있는 장점이 있다.

이외에도 자석부착 타공판 주변에 교반기나 수중 펌프를 설치하여 강한 수류(水流)를 일으켜 부착된 자화플록을 세척하거나 자석부착 타공판 상부에 설치된 물분사 장치를 이용하여 세척함으로써 자석의 부착 능력을 회복한다.

자석부착 타공판이 자석교반기의 교반날개로 장착되어 자화플록을 제거하는 경우에 는 자석교반기의 회전속도를 크게 증가시킴으로써 부착된 자화플록을 탈리, 세척시킨다.

응집, 침전, 여과공정으로 구성된 표준정수공정(Conventional water treatment process)에서는 원수의 탁도를 침전지 유출수 수준인 2NTU 이내, 여과지 유출수 수준인 0.5NTU 이하로 저감시키기 위하여 보통 2~4 시간이 소요되나 본 발명을 적용할 경우 수십분 이내에 위 목적을 달성할 수 있는 현저한 효과가 나타난다.

수처리 시간 단축은 물론 설비도 기존 플록형성지 크기 이하의 부지면적과 타공자석판 처리장치만이 필요하게 되어 건설비와 유지관리비를 크게 절감하는 장점을 갖는다.

자석부착 타공판, 탈착설비를 활용함으로써 처리수질의 향상을 도모하고 하폐수 처리에 적용할 경우 처리수의 재이용 등을 위하거나 인 제거를 위한 응집 공정 적용시 시설투자 및 운전비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

본 발명의 실시를 위한 보다 구체적인 내용을 도 1 내지는 도 3을 참조하면서 설명한다. 처리대상수가 자성체분말 주입교반조(4)로 유입되면서 마그네타이트, 산화철 폐촉매, 자철광 분말과 같은 자성체를 주입하고 교반하여 균질화 하면 처리 대상수 중의 미세 콜로이드입자와 미세 자성체 입자가 골고루 분포하게 된다. 이 균질화된 처리대상수는 응집제주입 혼화조(6)로 이동하고 응집제주입 혼화조에 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄염, 황산제1철, 황산제2철, 염화제2철과 같은 철염, 이외에 다양한 종류의 고분자 무기 및 유기 응집제를 선택적으로 첨가하고 pH조정 등을 위한 응집 보조제를 주입하면서 응집제주입 혼화조 교반기(7)를 이용하여 교반하면 미세플록(Floc)이 형성된다.

처리대상수는 다음 공정인 플록형성조(8)로 이동되고 플록형성조 교반기(9)를 이용하여 교반하면 플록이 성장하게 된다. 종래의 표준정수공정에서의 플록형성지는 3~4단으로 구성되며 플록형성 시간은 20~40분 정도가 일반적이다. 본 발명에서는 침전을 목적으로 하지 않고 자화플록을 자석에 부착 제거하는 기술이므로 침전 목적의 크고 무거운 플록(Floc) 형성은 불필요하다. 따라서 플록형성은 1~2단, 플록형성시간은 10분 내외면 충분하고 수질에 따라서는 플록형성지를 생략할 수도 있다.

이렇게 만들어진 플록은 자성체 입자를 포함하고 있으므로 자석에 부착될 수 있는 자화플록(Magnetized floc)이다.

자화플록을 함유하는 처리대상수는 다음 공정인 자화플록 제거조(10)로 이동된다. 이 자화플록 제거조(10)에는 자화플록을 부착 제거하는 자석부착 타공판(3), 처리수 배출구(11), 슬러지 배출구(12), 부착 자화플록의 탈착설비(13)로 구성된다.

본 발명의 핵심인 자석부착 타공판(3)의 구조를 상세히 설명한다.

철, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 플라스틱, 아크릴과 같은 다양한 재질의 판을 천공(2)하거나 기천공(2)된 판을 준비한다. 메쉬(mesh)를 사용하여도 효과는 유사하다.

이 타공판 위에 자석(1)을 배열, 부착하여 자석부착 타공판(3)을 제작한다. 구멍의 크기나 모양은 1㎜~수㎝까지로서 사용되는 자석의 모양과 크기에 따라 적의 결정하고, 메쉬(mesh)를 사용할 경우에는 눈금크기를 적절히 선택한다. 자석(1)은 타공된 철판에 쉽게 부착되므로 제작에 있어서 가장 유리하다. 이렇게 제작된 자석부착 타공판(3)을 자화플록 제거조(10)에 수직 또는 경사지게 위치시키고 자화플록을 함유한 물이 첫 번째 자석부착 타공판(3)을 향하여 흐르게 하면 도 1에 나타낸 바와 같이 자화플록이 자석에 충돌하면서 부착 제거되고 미제거된 자화플록과 물은 자석 주변의 구멍(2)을 통하여 두 번째 자석부착 타공판(3)을 향하여 이동한다. 첫 번째 자석부착 타공판에서와 동일한 기작에 의해 자화플록이 제거되며 최종적으로 목표수질을 달성한다. 최종처리된 물은 처리수 배출구를 통하여 유출시킨다.

자석부착 타공판이 고정된 경우에는 교반을 위한 동력이 불필요하나 자화플록과 자석과의 충돌효율을 높이기 위해서는 자석부착 타공판을 자석교반기의 교반 날개로 장착하고 이 교반날개, 즉 자석부착 타공판을 회전시킴으로써 자석과 자화플록간의 충돌효율을 제고할 수 있다.

자석부착 타공판 위에 특히 자석을 중심으로 한 인근영역에 자화플록이 부착하여 쌓이게 되면 자화플록 부착 능력이 감소하게 되고 자석의 부착능력을 회복하기 위해 부착된 자화플록의 탈착 제거가 필요하다. 탈착 또는 세척은 자석부착 타공판(3)에 밀착된 이동형 브러시(Brush)나 흡입 펌프와 연결된 유공파이프부착 이동형브러시(13)를 이용할 수 있다. 후자의 경우 자석부착 타공판(3)이 위치한 자화플록 제거조(10)의 물을 배수시키지 않고 연속적으로 탈착을 수행할 수 있는 장점이 있다. 이외에도 자석부착 타공판 주변에 교반기나 수중 펌프를 설치하여 강한 수류를 일으켜 부착된 자화플록을 제거하거나 자석부착 타공판 상부에 물분사 장치를 구비하여 물을 강하게 분사함으로써 부착된 자화플록을 탈착시킨다. 이 과정은 자화플록 제거조의 물이 배수된 상태에서 이루어진다.

세척된 자화플록 슬러지는 흡입펌프에 의해 연속적으로 배출되거나 자화플록 제거조 하부에 설치된 슬러지 배출구(12)를 통하여 배출시킨다.

자석부착 타공판이 자석교반기의 교반날개로 장착되어 자화플록을 제거하는 경우에는 자석교반기의 회전속도를 크게 증가시킴으로써 부착된 자화플록을 탈리, 세척시킨다.

<실시 예 1> 자석부착타공판을 이용한 원수의 탁도제거 실험

콜로이드 물질인 카올린(kaolin)을 첨가해 인공원수를 제조하고 마그네타이트(Fe₃O₄)가 포함된 수용액을 0.25ml/ℓ(2.1mg/ℓ as Fe) 주입하여 처리대상원수를 만든다. pH 조정제로는 Ca(OH)₂를 주입한다. 여기에 혼화조에서 응집제를 2.9 mg/ℓas Al₂O₃의 주입률로 주입하고 플록형성조에서 체류시간(HRT=10min) 동안 교반을 해주면 마그네타이트(Fe₃O₄)가 플록 구성체의 일부로 첨착되면서 자화된 플록이 만들어진다.

이후 본 발명을 위해 30cm× 60cm 철제 타공판 (1.0T, 구멍직경: 2㎜, 구멍수: 360개/100㎤) 위에 20× 5T(직경 2cm, 두께 0.5cm) 네오디뮴 영구자석을 20열× 10열(200개)로 부착시킨 자석부착 타공판을 제작하고, 이렇게 제작된 자석부착 타공판 8개를 자화플록 제거조에 10cm간격으로 위치시킨 다음 처리 유량 20ℓ/min, 자석부착 타공판을 이용한 자화플록제거조의 체류시간은 7분으로 하여 연속흐름 공정으로 운전하였다.

본 실험의 처리결과는 자석부착 타공판 유입 전, 중, 후의 탁도를 [표1]에 나타내었다. 자석부착 타공판에서 자화플록의 부착제거에 의한 탁도 감소를 보여주고 있다.

[표 1]

운전 시간 (hr)	유량 (L/min)	자석부착타공판 유입수 탁도 (NTU)	자석부착타공판 중간지점탁도 (NTU)	자석부착타공판 유출수 탁도 (NTU)	자석부착타공판에 의한 제거율(%)	제거탁도무게 (NTU mass)
2	20	14.90	5.59	4.90	67.13	24,000
4	20	16.94	5.07	3.60	78.78	32,016
6	20	17.36	5.73	3.97	77.11	32,136
8	20	19.41	5.49	3.57	81.62	38,016
10	20	20.14	6.68	3.61	82.10	39,672
12	20	20.07	6.63	3.20	84.03	40,488
14	20	21.11	7.43	4.71	77.67	39,360
16	20	22.58	7.00	3.70	83.61	45,312
18	20	21.05	9.47	4.27	79.73	40,272
총운전시간 (hr)	유량 (L/min)	자석부착타공판 유입수 탁도평균(NTU)	자석부착타공판 중간지점탁도평균(NTU)	자석부착타공판 유출수 탁도평균(NTU)	자석부착타공판 평균 제거율	누적제거 탁도무게 (NTU mass)
18	20	19.28	6.57	3.95	79.09	331,272

도 1은 자석부착 타공판의 구조도

도 2는 유공파이프형 브러시

도 3은 자석부착 타공판을 이용한 수처리 공정도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 자석 2 : 구멍

3 : 자석부착 타공판

4 : 자성체 분말 주입 교반조

5 : 자성체 분말 주입 교반조 교반기

6 : 응집제 주입 혼화조 7 : 응집제 주입 혼화조 교반기

8 : 플록형성조 9 : 플록형성조 교반기

10 : 자화플록 제거조 11 : 처리수 배출구

12 : 슬러지 배출구 13 : 유공 파이프형 브러시

Claims (5)

1. 삭제
2. 철, 스테인리스스틸, 알루미늄, 구리, 플라스틱, 아크릴과 같은 재질의 타공판이나 메쉬에 영구자석이나 전자석을 부착하여 자석부착 타공판을 형성하고 이 자석부착 타공판으로 자화플록과 같은 자성체 입자를 함유한 물이 통과하고 자성체 입자는 자석에 충돌하면서 자석에 부착 제거됨과 동시에 물은 자석 주변의 구멍을 통과하며, 또한, 상기의 자석 부착 타공판 2개 이상을 이격시켜 설치하여 이격된 공간에서의 침전에 의한 자화플록 제거를 통하여 처리 효율을 증가시키는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자석부착 타공판을 이용한 수처리 장치.
3. 제2항 있어서,

   부착된 자화플록을 탈착시켜 자석 부착력을 회복하기 위하여 이동식 브러시, 교반기, 물분사 장치를 구비함을 특징으로 하는 자석부착 타공판을 이용한 수처리 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   자석부착 타공판을 경사지게 설치하고 자석부착 타공판 상부에서 물을 분사하여 부착된 자화플록을 탈착시키는 구조적 특징을 갖는 수처리 장치.
5. 제2항 있어서,

   자석부착 타공판을 속도조절이 가능한 모터로 구성된 자석교반기의 교반날개로 장착함을 특징으로 하는 수처리 장치.

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