KR100990196B1 - 세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상수원수 또는 하폐수 중의 콜로이드성 미세입자물질, 인, 미생물, 용존성 유기 및 무기물질 처리를 위해 여과, 침전 및 자외선 소독의 복합기능을 수행할 수 있도록 고안된 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지에 관한 것으로,
여과지 내에 여재층, 여재층 하부공간, 여재층 상부공간이 형성되고, 여재층 하부공간은 원수조, 혼화지, 플록형성지, 침전지 등의 처리대상수 공급원과 연결되어 처리대상수가 공급되면서 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 중 하나 또는 둘 이상으로 구성하여 입자상 물질이나 플록을 침전 제거하는 기능을 수행하게 하고, 여재층은 여과지 전체 면적에 대하여 수평으로 설치하고 여재층 하부공간을 거친 처리대상수가 상향류 방식으로 흐르면서 여과가 이루어져 처리대상수 중의 입자상 물질이나 플록이 추가로 제거되며, 여재층 상부공간에는 처리수 저류 및 배출, 세척수 확보, 세척 시 수압 및 세척 유속 제공, 시동방수, 자외선 소독과 같은 복합기능을 수행할 수 있고, 여재 세척 후에 여과를 재개할 때 일시적으로 악화된 수질을 갖는 여과수를 배출시키는 시동방수를 위하여 여재층 상부와 처리수 배출구 사이에 시동방수구를 설치하여 간단히 시동방수를 수행할 수 있는 구조를 갖는 세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지에 관한 것이다.
여과지 내에 여재층, 여재층 하부공간, 여재층 상부공간이 형성되고, 여재층 하부공간은 원수조, 혼화지, 플록형성지, 침전지 등의 처리대상수 공급원과 연결되어 처리대상수가 공급되면서 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 중 하나 또는 둘 이상으로 구성하여 입자상 물질이나 플록을 침전 제거하는 기능을 수행하게 하고, 여재층은 여과지 전체 면적에 대하여 수평으로 설치하고 여재층 하부공간을 거친 처리대상수가 상향류 방식으로 흐르면서 여과가 이루어져 처리대상수 중의 입자상 물질이나 플록이 추가로 제거되며, 여재층 상부공간에는 처리수 저류 및 배출, 세척수 확보, 세척 시 수압 및 세척 유속 제공, 시동방수, 자외선 소독과 같은 복합기능을 수행할 수 있고, 여재 세척 후에 여과를 재개할 때 일시적으로 악화된 수질을 갖는 여과수를 배출시키는 시동방수를 위하여 여재층 상부와 처리수 배출구 사이에 시동방수구를 설치하여 간단히 시동방수를 수행할 수 있는 구조를 갖는 세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 세척과 슬러지 배출이 용이하며 침전지 및 자외선 소독조를 겸한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지에 관한 것이다. 여과지(Filter) 내에서 고효율 침전 및 여과기능과 자외선 소독기능을 함께 수행할 수 있도록 하고, 또한 상기 여과지 내에서 세척수 확보는 물론 여재층의 세척과 침전지의 슬러지 세척 및 배출, 시동방수가 모두 이루어질 수 있도록 한 것이다.
여재층에서의 손실수두를 최소화하는 여재선택, 여재층 두께의 조절, 세척 주기의 결정 등이 세척 유속 극대화를 위해 중요한 요소이다. 여재층 상부 공간에 저류된 처리수를 세척수로 사용하므로 사용되는 세척수량은 최소화되어야 하며, 이를 위해서는 최단시간에 빠른 세척유속을 확보해야 한다. 특히, 본 발명은 여재층의 세척수를 이용하여 침전지에 퇴적된 슬러지를 동시에 세척, 배출할 수 있는 구조를 갖는 점에 그 특징을 갖는다.
일반적으로 상수도 공급을 위한 표준정수공정(Conventional water treatment process)에서는 약품에 의한 응집(Coagulation and flocculation), 침전(Sedimentation), 여과(Filtration) 공정이 채택된다. 원수 중에 존재하는 미생물, 용존성 유기 및 무기물질, 콜로이드성 미세입자 등은 중력에 의해서는 쉽게 침전되지 않으므로 응집제를 투여함으로써 미세입자를 플록(Floc)화 하고, 이 플록을 중력침강 또는 용존공기 부상으로 제거하여 후속 여과지의 부담을 경감시킨 다음, 잔류 미세플록이나 입자상 물질을 여과하여 용도에 부합하는 탁도 기준을 충족할 수 있도록 수처리가 이루어진다.
하폐수 처리공정에서는 부유입자물질(Suspended solid, SS)을 일차 침전제거하여 후속 생물학적 처리를 원활하게 하거나 생물학적 처리 후의 고농도 미생물 플록을 최종적으로 침전제거 한다. 하폐수 처리수 중의 인(Phosphorus)을 초저농도까지 낮추기 위해서는 표준정수공정과 같이 응집제를 투여하여 용존성 인을 침전물로 입자화한 후 침전제거 하거나 여과를 수행한다. 또한, 하폐수 처리수의 재이용(Reuse)을 위한 고도처리공정에서는 생물학적으로 처리된 하폐수 방류수를 추가로 여과하거나 응집, 침전, 여과과정을 거쳐 처리목표 수질을 달성한다.
따라서, 상수처리나 하폐수처리 공히 침전(Sedimentation)과 여과(Filtration)가 중요한 공정이며 다양한 침전과 여과 기술이 개발되어 왔다.
중력식 침전지의 주요 설계요소로는 침전제거하고자 하는 플록의 침강속도 및 침전지에서의 침강거리, 즉 수심과 체류시간이다. 침강속도와 침강거리를 고려한 표면부하율(Surface loading 또는 Overflow rate) 개념이 적용된다. 침전지는 원형침전지, 횡류식 침전지, 경사판 또는 경사관 침전지가 있다. 이 중 횡류식 침전지와 경사판 침전지는 플록 형성지와 직접 연결되며 상수 처리를 위해 많이 사용되고, 원형침전지는 하폐수 처리 시설에서 많이 채택되고 있다. 원형침전지의 경우 처리대상수가 침전지의 중앙 부분으로 유입되어 바깥쪽으로 흐르면서 침전하므로 상수처리 시 필요한 응집제 투입 후 플록이 형성된 처리대상수를 침전지 중앙으로 이송하는 과정에서 플록이 깨지게 되어 침전효과를 기대할 수 없기 때문이다.
이들 침전방식들은 모두 플록의 침강거리를 최소화함으로써 침전효율을 제고할 수 있다. 따라서, 표준정수공정에서의 횡류식 침전지의 유효수심은 3~4m 이고 체류시간은 2~4 시간, 슬러지 퇴적 심도는 30㎝ 이상이다.
즉, 플록이 침전지에 유입된 후 유출될 때까지 최대 3~4m를 침강해야 제거된다는 의미이다. 따라서 침강속도가 느린 플록은 미 제거되어 월류되고 후속 별도의 구조물로 설치된 여과지에서 제거되는 것이 일반적인 공정 흐름이다. 원형침전지나 횡류식 침전지의 바닥에 퇴적된 슬러지는 다양한 형태의 슬러지 수집기(Sludge collector)를 이용하여 침전지의 유입부 방향으로 긁어모아 슬러지 펌프를 이용하여 간헐적으로 침전지 외부로 배출한다. 슬러지 수집기(Sludge collector)의 종류로는 주행브리지식, 체인플라이트식, 수중대차식, 공기압식, 컨베이어식, 회전식, 주변구동식 등이 있다. 상기 횡류식 침전지의 침강거리를 획기적으로 단축시키고 침전면적을 증가시킴으로써 침전제거 효율을 제고하고자 한 침강장치가 경사판 및 경사관 침전지이다.
경사판 침전지는 다단설치가 가능하며 표면부하율 4~9㎜/min, 경사판 경사각은 60˚, 침전지 내 평균유속은 0.6m/min 이하, 경사판 간격 100㎜ 이상, 경사판 내 체류시간은 경사판의 간격이 100㎜인 경우에 20~40분 정도이다. 경사관 침전지는 경사각 60˚, 침전지 내 평균 상승유속은 80mm/min 이하이다.
일반적으로 경사판이나 경사관 내에 쌓인 슬러지는 경사판의 각도(60˚)를 이용하여 중력에 의해 자동으로 아래쪽으로 미끄러짐으로써 슬러지가 하부로 배출되도록 설계되어있고, 경사판 하부와 침전지 바닥까지의 간격을 1.5m 이상 두어 슬러지 퇴적, 슬러지 수집설비, 침강장치의 유지관리와 수리점검에 이용된다. 침전지 가동 중에는 경사판 침강장치와 바닥 사이를 저류벽으로 차단시켜 단락류를 방지하고 사람이 출입할 수 있는 출입문을 설치한다.
표준정수공정에서의 급속여과지에서는 모래, 안스라사이트(Anthracite coal), 입상활성탄과 같은 입상여재(Granular filter media)가 주로 사용되고 있으며, 급속여과지는 여재층의 구성에 따라 여재층 두께 60~70㎝의 단층, 60~80㎝의 다층, 수류방향에 따라 하향류와 상향류, 여과속도는 단층의 경우 120~150m/day, 다층의 경우 240m/day 이내이며 수리적으로는 중력식과 압력식, 여과수량의 시간변화에 따라 정속여과와 감쇠여과, 여과 수량의 조절방식에 따라 유량제어형, 수위제어형, 자연평형형 등으로 나뉘고 세척수 공급방식으로는 고가세척탱크 또는 세척 펌프로 공급하는 방식과 여과지 정수지의 물 또는 다른 여과지의 여과수를 공급하는 방식이 있고 응집, 침전한 물을 여과하는 방식과 응집만을 한 물을 침전없이 여과하는 직접여과 방식이 있다. 입상여재를 사용하는 여과지에서는 여재의 지지, 세척 시 물과 공기의 여과지 전체로의 균등한 배분 등을 위해 하부집수장치를 설치하며 하부집수장치의 종류로는 유공블록형, 스트레이너형, 유공관형, 다공판형, 휠러형 등이 있다.
여재의 세척은 표면세척과 역세척을 조합한 방식이 일반적이며 필요에 따라 공기세척이 수반된다. 중력식 하향류 여과방식의 경우 상당부분 플록은 여재층 상부에서 집중적으로 제거되며, 특히 유입부분의 여재층 최상부 표면에 많은 플록이 쌓이므로 여재층 상부의 구동장치에 장착된 표면세척기를 이용하여 표면세척을 실시하고 이들 플록을 역세척수와 함께 배출시킨다. 역세척은 여과가 진행되는 물의 흐름과 반대방향으로 여과속도 5~10배의 유속으로 세척수를 통과시킴으로써 여재층의 팽창과 함께 여재의 유동화, 여재 입자간의 충돌, 수류 등에 의해 억류된 플록이 탈리되어 역세척수와 함께 배출되는 공정이다. 역세척 시간은 역세척 방식, 공기세척 유무에 따라 다르나, 물로 세척하는 시간은 10분 내외이다. 역세척을 위해 소요되는 수량은 가변적이나 대략 하루에 1시간 정도 여과한 물이 사용된다.
역세척 유속을 느리게 하여 여재층의 팽창 없이 역세척을 실시하는 비팽창 세척방식에서는 공기와 물을 동시에 이용한다. 위에서 기술한 종래의 역세척 방식은 세척수와 함께 여재입자가 월류되어 누출되지 않도록 하기 위하여 세척유속이 제한된다.
여재를 세척한 후에 여과를 재개할 때 일시적으로 여과수의 수질은 악화된다. 이는 세척 시 탈리되어 여재층에 잔류하는 소량의 플록이 여과 초기에 유출되기 때문이다. 따라서, 세척 후 초기 여과수를 배출하여 버리는 시동방수(Filter to waste)가 반드시 필요한 경우가 있다.
자외선(Ultraviolet radiation, UV)의 소독작용은 주 파장이 253.7㎚인 자외선이 박테리아나 바이러스의 핵산에 흡수되어 화학변화를 일으킴으로써 핵산의 회복기능이 상실되어 이루어진다. 따라서 물의 소독에는 주 파장 253.7㎚를 방사하는 자외선 램프가 사용되고 있으며, 그 기본구조와 작동원리는 일반 형광램프와 거의 같고 유리관의 재료로는 자외선 투과율이 좋은 석영유리가 사용된다. 하수처리 방류수 중의 대장균수를 3000개/㎖ 이하로 하기 위하여 대장균 살균율 99%를 만족하기 위해 필요한 자외선 조사량은 30~50(㎼초/㎠) 정도로 알려져 있다. 자외선 살균 작용에 있어서 가장 적절한 수리학적 형태는 플러그 흐름(Plug flow) 형태이다.
하수 처리수 소독을 위한 자외선(UV) 소독시설에서는 일반적으로 UV램프 모듈이 설치되는 소독수로가 별도로 설계된다. 스테인리스 스틸 재질의 반응조나 철근 콘크리트 구조물의 수로에 소독장비를 장착하여 운영한다. 자외선 조사 시간은 저압램프의 경우 4~14초 정도, 중압램프의 경우에는 1초 내외가 필요하며, 소독의 안전성 확보를 위하여 접촉시간이 길수록 유리하다.
대한민국 등록 실용신안 공보 20-0415501호에는 “압축식 여과재를 이용한 수질여과장치”가 소개되어 있다. 스펀지와 같은 압축성 여재를 이용하여 여과하고 중공형상의 여재층을 가지며 세척 시에는 여재층을 축선방향으로 압축력을 가해 여재를 짜는 방법으로 세척하고 복원력을 가해 여과수단이 복원되도록 하는 특징이 있으나 시동방수 기능을 갖지 않은 단점이 있고,
깨끗한 세척수를 사용할 수 없는 구조적 문제점과 세척 시 여재층을 압축, 이완시키는 구동장치가 필요하며 침전기능이나 소독기능을 수행할 수 없는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 특 2003-0045902에는 “역세기능이 구비된 슬러지 수집기와 여과수단이 설치된 침전지”에 관한 것으로, 여과기와 침전지를 상하에 인접하여 설치하고 침강성 고형물은 중력에 의해 침전지에서 제거하고 부유하는 미세플록은 침전지 상부에 구비된 여과수단에 의해 제거하며, 역세수단에 의해 세척한 후에 슬러지는 하부의 침전지로 낙하하는 구조를 가지며 여과수단은 솜, 수세미, 부직포 등을 이용하며, 여재의 세척은 브러쉬 형태의 세척수단, 초음파 발진기 또는 진동발생기를 이용하여 여재를 진동시켜 세척하며 슬러지 수집기와 함께 여재층 주위를 구동하는 구조로 이루어져 있다. .
그러나 상기 선행기술에서는 침전지 상부에 여과지를 설치한 점은 진일보한 면이 있으나 경사판이나 경사관 침전지 설치의 구조적 문제, 경사판 침전지 설치 시 슬러지 세척방법 부재, 슬러지 수집기(Sludge collector) 필요, 세척수 확보, 여재 세척방법, 여재 세척 속도, 세척 후 슬러지의 침전지로의 환원, 침전 슬러지의 침전지 외부로의 배출방법, 시동방수 기능 부재, 자외선 소독곤란 등 상기 해결하고자 하는 과제를 대부분 해결하지 못하고 있다. 더욱이, 여재세척 시 처리대상수의 공급을 중단하지 않으면 진동 등에 의해 세척 시 탈리되는 슬러지가 처리수 배출구를 통하여 월류되므로 세척 중에는 처리대상수 공급 중단이 필수적이며, 시동방수 기능은 갖지 않은 단점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2004-0096846호는“카트리지형 다층 섬유여과장치”
에 관한 것으로, 여재로서 압축된 화학섬유를 단층 혹은 다층으로 사용하여 각 섬유 층별로 최적의 여과성능을 발휘하도록 고안되었으며 유입원수는 최상부에서 유입시켜 하향류로 흐르며 위에는 굵은 섬유, 아래에는 가는 섬유로, 즉 다층으로 여과하는 장치로서 여재섬유를 압축, 이완시키는 기계장치가 구비되었으며 진동, 공기주입을 통하여 세척을 실시함과 동시에 교환 가능한 카트리지형으로 설계된 기술이고 시동방수 기능은 없는 구조로 이루어져 있고,
대한민국 공개특허 10-2005-0003883호는“역세척형 여과조를 갖는 수처리 설비”에 관한 것으로 모래와 같은 입상여재가 충전된 여재층 상부로 원수를 공급할 때 와류를 형성시켜 여재층 표면에의 플록 축적을 줄이고 여재층 내부에 교반기를 설치하여 역세척 시 여재 입자 자체를 교반함으로써 세척효율을 제공하는 방법을 제시하고 있으나, 상기의 선행기술들은 침전, 여과, 자외선 소독의 복합기능이 없을뿐 아니라 세척방법에 있어서도 시동방수 기능을 갖지 않은 등의 단점이 있다.
상기와 같은 종래 기술들에 있어서, 표준정수공정에서의 횡류식 침전지는 체류시간이 2~4시간으로 매우 길고 침강거리, 즉 유효수심도 3~4m로 깊으므로 침전지 면적과 구조물의 크기가 과대할 수밖에 없다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 경사판이나 경사관 침전지에서의 체류시간과 침강거리를 획기적으로 짧아지게 구성하고 있으나, 경사판에 축적된 플록이 중력에 의해 자동적으로 아래쪽으로 미끄러져 내려오게 되어 있으므로 침전지 가동 중에는 인위적으로 세척할 수 있는 수단이 없다는 문제점이 있고, 또한, 경사판이나 경사관의 재질에 따른 거칠기, 경사각도, 플록의 끈끈한 성질, 장치의 형상과 구조 등 여러 가지 변수에 따라 플록의 하향 미끄러짐 현상이 원활하지 못한 경우가 다수 발생하고 있다.
다만, 침전지를 배수시키지 않고 운전하는 장점은 있으나, 경사판이나 경사관 하부에 슬러지 퇴적공간, 슬러지 수집설비(Sludge collector), 침강장치의 유지관리를 위한 공간, 슬러지를 주기적으로 침전지 밖으로 배출하는 장치가 필요하고 슬러지 배출 시 일정량의 슬러지가 함유된 물의 배출이 수반되는 단점이 있었다.
따라서, 횡류식 침전지 또는 경사판이나 경사관 침전지의 크기를 획기적으로 축소시키면서도 침전효율을 제고할 수 있고 구조적으로 복잡한 슬러지 수집기(Sludge collector)를 설치하지 않으면서도 최소한의 세척수로 횡류식 침전지, 경사판이나 경사관 침전지를 세척, 배출할 수 있는 장치가 필요하다.
즉, 본원발명은 세척유속은 여과속도의 수십~수백 배까지 증가시키고 세척시간은 수초~수십 초로 단축시킬 수 있는 여과지 구조와 세척수를 여과지 외부의 별도 공급원에서 공급하는 것이 아니라 세척하고자 하는 여과지 자체에서 처리된 물을 바로 세척수로 이용함과 동시에 세척한 물을 즉시 여과지 외부로 손쉽게 배출할 수 있는 장치를 갖으며, 여재를 세척한 후에 여과를 재개할 때 일시적으로 여과수의 수질이 악화되므로 세척 후에 초기 여과수를 배출하여 버리는 시동방수(Filter to waste)를 용이하게 수행할 수 있는 여과지의 구조 및 여과수의 자외선(Ultraviolet radiation, UV) 소독 시 별도의 소독조 설치 없이 여과지 내에서 소독이 가능하도록 하는 장치를 갖는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 선행기술의 문제점을 해결하고 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 여과지를 여재층, 여재층 하부공간, 여재층 상부공간으로 구분하였다. 여재층 하부공간은 처리대상수 공급기능, 침전기능, 침전지 세척기능, 세척수 및 슬러지 배출기능을 담당하고, 여재층은 다양한 여재를 사용할 수 있으면서 상향류식 여과를 수행하고 하향류의 세척유속을 극대화할 수 있는 구조로 구성되어 있으며, 여재층 상부 공간에서는 처리수의 저류 및 배출, 저류된 처리수를 세척수로 확보, 세척 시 수압 및 세척유속 제공, 시동방수, 상부공간 체류시간에 따른 자외선 소독시간 확보, 세척수량 및 자외선 소독시간을 처리수 배출구의 높이 선택으로 조절하는 복합적 기능을 수행할 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 상기 여재층 하부공간 바닥이나 여과지 주위에 전동 밸브나 수문을 다수 설치하고, 세척시 이 밸브나 수문을 동시에 빠른 속도로 개방할 때 여재층에서의 불가피한 손실수두를 제외하고는 배관, 여과지 벽면, 침전지에서의 손실수두를 구조적으로 최소화함으로써 기존 기술에서의 세척유속보다 수배~수십 배 빠르도록 하향류 세척유속의 극대화를 가능하게 하였다. 또한, 본 발명의 여과지는 여재층의 세척수를 이용하여 침전지를 동시에 세척, 배출할 수 있는 구조이므로 종래의 침전지에서 반드시 필요한 슬러지 수집기(Sludge collector) 및 슬러지 배출 펌프, 표면세척을 포함한 여재세척용 구동 설비가 불필요하고, 여재세척 중에 처리대상수 공급을 중단해야 하는 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 처리대상수 공급 위치와 세척수 및 슬러지 배출 위치를 동일 공간으로 배치하였으며, 여재층 상부와 처리수 배출구 사이에 시동 방수구(Filter to waste valve)를 설치하여 시동방수(Filter to waste)를 용이하게 수행할 수 있도록 하였다.
또한, 하부집수장치를 생략하기 위해서 필터 스펀지나 스펀지와 같은 여재는 여재블록을 이용함으로써 손실수두가 거의 없는 간단한 지지구조물 만으로 여과지 내에 위치시킬 수 있게 하고 입상여재는 얇은 두께의 필터 스펀지와 같은 여재 위에 입상 여재를 포설하는 구조를 갖도록 구성되어 있다.
하나의 구조물(여과지) 내에서 여과, 침전 및 자외선 소독이 가능하게 됨으로써 종래의 기술에 비하여 부지면적과 상수나 하폐수 처리 설비의 전체 크기가 현저히 감소하게 되어 경제성이 제고되고, 여과지 하부공간에는 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 등 다양한 형태의 침전방식을 도입할 수 있어 침전 효율의 극대화가 달성된다. 이는 구조적으로 빠른 하향 세척유속을 확보하게 됨으로써 가능하게 된 것이다.
또한, 침전지에서의 높은 플록제거율은 여재층에서의 여과 부담을 크게 경감시켜 처리수질 향상, 여과 지속시간 증대, 세척주기 연장 등의 효과를 갖으며, 여재층을 지지하는 고가의 하부집수장치를 생략할 수 있게 함으로써 비용절감과 함께 세척 시 손실수두의 최소화를 달성할 수 있다.
뿐만 아니라, 여과지 상부공간에 저류되는 처리수 겸 세척수는 외부로부터의 별도의 세척수 공급 시스템이 불필요하여 시설 소요를 경감시키는 효과가 있으며 이 공간에 자외선 램프를 쉽게 장착할 수 있어 처리수를 효과적으로 소독하는데 필요한 자외선 조사 시간을 충분히 확보할 수 있고,
특히 여재층 하부공간, 즉 여과지의 바닥이나 주위에 전동 밸브나 수문을 다수 설치하여 세척 시 빠른 속도로 동시에 개방함으로써 수초~수십 초 내에 여과지 내 물의 전체 또는 일부를 하부로 배수시키는 방법으로 여재층과 침전지에 억류되거나 퇴적된 슬러지를 효과적으로 세척, 배출시키는 효과를 달성할 수 있음과 동시에 시동방수를 용이하게 할 수 있다.
본 발명은 기존의 상하수도 처리, 각종 산업폐수 처리공정에서 채택하고 있는 여과지, 침전지, 자외선 소독조를 하나의 구조물 내에 위치시키고 통합적으로 처리가 이루어지게 하는 하이브리드 공정으로서 소요 부지면적 감소, 건설 및 유지관리비 감소, 운전의 용이성 제고를 달성할 수 있으며 특히 하수의 방류수 중의 인의 초고도처리를 위한 침전 및 여과, 하수의 재이용을 위한 응집/침전/여과 처리에 적용될 수 있어 활용도가 매우 높은 기술이다.
도 1은 본 발명의 여재층, 여재층 하부공간, 여재층 상부공간으로 구성된 여과지 예시(여재층 하부공간에는 횡류식 침전지 및 경사판(관) 침전지, 세척 후 세척수/슬러지 배출구; 여재층 상부공간에서는 처리수 저류 및 배출, 세척 전 세척수 확보, 세척 시 수압 및 세척유속 제공, 시동방수구 및 자외선 램프 장착).
도 2는 본 발명의 다단 수평판 침전지를 구비한 여재층 하부공간 예시.
도 2는 본 발명의 다단 수평판 침전지를 구비한 여재층 하부공간 예시.
본 발명은 상수원수 또는 하폐수 중의 콜로이드성 미세입자물질, 인, 미생물, 용존성 유기 및 무기 물질 처리를 위해 여과, 침전 및 자외선 소독의 복합기능을 수행할 수 있도록 개발된 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지로, 응집제를 투여하지 않을 경우, 침전이나 여과 효율이 낮으므로(Rapid mixing tank)에서 응집제를 투여하면서 급속교반(Rapid mixing)한 후 입자상 물질을 침전(Sedimentation)하기 쉬운 큰 플록(Floc)으로 만들기 위해 플록형성지(Flocculation basin)에서 완속교반(Flocculation)을 한다. 플록(Floc)이 형성되면 후속 침전지(Sedimentation basin)에서 대부분의 큰 플록(Floc)은 제거되고 잔류 미세플록이나 입자상 물질은 후속 여과지(Filter)에서 여과제거됨으로써 탁도(Turbidity)에 관한 처리 목표수질이 달성된다.
여과, 침전, 자외선 소독 기능을 갖춘 본 발명의 장치에 유입되는 처리대상수의 공급원으로는 원수, 혼화지(Rapid mixing tank), 플록형성지(Flocculation basin), 침전지(Sedimentation basin) 유출수 등이며 처리대상 원수의 수질과 처리목표 수질에 따라 선택한다.
본 발명의 실시에 대한 구체적인 내용은 도 1 및 도 2를 참조하며 상세히 설명한다. 도 1 및 도 2에 예시한 바와 같이 본 발명의 전체 구조체인 여과지(1)는 여재층(2), 여재층 하부공간(3), 여재층 상부공간(4)으로 구분된다.
상기 여재층 하부공간(3)의 처리대상수 유입구로 처리대상수가 유입되면 여재층 하부공간(3)에 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구성된 횡류식 침전지(5), 다단 수평판 침전지(14), 경사판 침전지(6), 경사관 침전지(6)를 거치면서 수중의 플록이 상당부분 침전 제거된다.
다단 수평판 침전지(5)의 경사각은 0˚이며 경사판 침전지나 경사관 침전지의 경사각은 60˚보다 작게 한다. 이는 수평으로 갈수록 침전 제거 효율이 우수하기 때문이다. 종래기술에서는 경사판에 침전 퇴적된 슬러지가 중력 하향으로 미끄러져 경사판 침전지 하부공간으로 낙하되는 원리를 이용하고 있으므로 60˚보다 작게 되면 미끄러지지 않게 되어 슬러지를 제거할 방법이 없게 된다. 그러나 본 발명에서는 세척수를 이용하여 세척하는 원리를 이용하므로 경사각은 제한받지 않는다. 단, 경사판의 간격이나 경사관의 직경은 침전 슬러지의 퇴적심도 및 세척 시 손실수두 최소화를 위해 2㎝ -10㎝로 하는 것이 바람직하다.
여재층(2)을 구성하는 여재의 종류는 제한받지 않는다. 필터 스펀지(Filter sponge), 스펀지(Sponge), 모래, 안스라사이트, 입상활성탄, 인공경량사, 폴리에틸렌 펠렛(PE pellet), 에이비에스 수지 펠렛(ABS pellet), 부직포, 섬유사, 극세사 직물, 폴리에스터솜, 목화솜, 아크릴섬유, 초극세사 섬유, 다겹 방충망(Mesh)과 같은 여재를 하나 또는 둘 이상을 조합하여 쌓아 여재층을 구성할 수 있다. 필터 스펀지, 스펀지와 같은 여재는 여재를 블록(Block)모양으로 재단하여 간단한 지지구조물(12) 위에 적층시켜 여재층이 구성되고 모래, 폴리에틸렌 펠렛과 같은 입상여재는 얇은 두께의 필터 스펀지 위에 일정 두께로 포설함으로써 하부집수장치 없이 여재층 구성이 가능하도록 한다. 여재층(2)은 여과지(1) 전체 면적에 대하여 빈틈없이 수평으로 설치한다. 이는 여과가 진행되는 동안 여재 이외에 빈 공간 또는 틈이 있을 경우 물의 흐름이 우회하는 단락류가 발생하여 처리수질 저하가 일어나게 되기 때문이다. 상기 여재층 하부공간(3)에 구성된 침전지를 거친 처리대상수가 상향류 방식으로 흐르면서 여과(Filtration)가 이루어져 처리대상수 중의 입자상 물질이나 플록(Floc)이 추가로 제거되면서 처리목표 수질을 달성한다. 여재층(2)의 두께는 여재의 종류와 처리대상수 및 처리목표 수질에 따라 달라질 수 있으나 하향류식 세척 시 손실수두를 최소화해야 세척유속의 극대화가 가능하므로 1㎝ ~ 50㎝ 정도가 적절하다.
따라서 본 발명에서는 여재층의 상부공간(4)에 저류된 처리수를 이용한
하향류 세척을 실시하므로 세척수의 균등 공급문제가 없고, 공기세척을 거치지 않으므로 하향류 입상여재 사용 시 필요한 고가의 하부집수장치는 본 발명에서는 불필요하다.
여재층 상부공간(4)에서는 처리수의 저류 및 배출, 세척수 확보, 세척시 수압 및 세척유속 제공, 시동방수(Filter to waste), 자외선 소독(Ultraviolet radiation disinfection, UV disinfection)과 같은 복합기능이 수행된다. 처리수 배출구(8)의 높이가 처리수의 월류 배출 수위가 되면서 처리수 저류량을 결정하고 이 처리수 저류량이 세척시 세척수량이 된다. 또한, 처리수 배출구(8)가 높을수록 세척시 여재층(2)과 여재층 하부공간(3)에 구성된 침전지(5, 6, 14)에 가하는 압력과 세척유속이 크게 된다. 처리수 저류량에 따라 처리수의 여재층 상부공간(4)에서의 체류시간이 결정되고 이 체류시간이 자외선 램프(9)에 의한 자외선 조사시간이 된다. 따라서 상기 처리수 배출구(8)의 높낮이를 조절함으로써 처리수 저류량, 세척수 확보량, 세척시 수압 및 세척유속, 자외선 소독을 위한 자외선 조사시간이 조절될 수 있는 특징을 갖는다. 여재를 세척한 후에 여과를 재개할 때 일시적으로 여과수의 수질은 악화된다. 이는 세척 시 여재층에 잔류하는 소량의 플록이 여과 초기에 유출되기 때문이다. 따라서, 세척 후 초기 여과수를 배출하여 버리도록 하기 위하여 시동방수구(Filter to waste valve)(15)를 여재층 상부와 처리수 배출구(8) 사이에 설치하고 세척 후 시동방수 필요 시 시동방수구(15)를 개방하고 처리대상수의 여과를 진행하면 처리수가 처리수 배출구(8)로 유출되지 않고 시동방수구로 배출되므로 시동방수가 편리하게 이루어진다. 시동방수가 종료된 후에 시동방수구를 폐쇄하면 여과수는 자동적으로 처리수 배출구(8)로 유출된다.
그리고, 수처리가 진행되면서 여재층(2)과 여재층 하부공간(3)에 구성된 침전지(5, 6, 14)에 억류되거나 퇴적된 플록이나 플록 덩어리, 즉 슬러지(Sludge)를 주기적으로 세척, 배출함으로써 침전과 여과기능이 회복된다. 이를 위하여 여재층 하부공간(3) 바닥이나 옆면에 밸브(10)나 수문을 설치하고 세척 시 이 밸브나 수문을 동시에 빠른 속도로 개방함으로써 여재층 상부공간에 저류된 처리수를 중력에 의한 자연유하 방식의 하향류로 여재층(2) 사이를 빠르게 흐르도록 하여 즉, 여재팽창 없는 비팽창 세척방식으로 여재층에 억류된 플록을 탈리, 세척하여 여재층 하부공간(3)으로 이동시키고, 여재층 하부공간(3)에 구성된 침전지(5, 6, 14)에 쌓인 슬러지를 동시에 세척하면서 개방된 밸브(10)나 수문을 통하여 여과지(1) 외부로 배출하고 이 배출된 세척수 및 슬러지는 배수로(11)를 통하여 슬러지 처리조로 가게 된다. 본 발명은 여과지 세척시마다 여과지(1) 내 물의 전체 또는 일부를 슬러지와 함께 배출시키는 구조적 특징이 있다. 상기 밸브(10)나 수문은 전동개폐식으로 하여 세척 시 통제장치를 이용하여 동시에 빠른 속도로 일시에 개방하면 빠른 세척유속이 효과적으로 달성된다. 예로, 수심 50㎝의 수체를 자유낙하할 경우 1초 이내에 배수가 가능하지만 여재층, 밸브, 침전지, 억류된 플록 등에 의한 손실수두(Head loss)에 의해 자유낙하 속도보다는 느리나 여과속도의 수십 내지는 수백 배의 하향세척 유속은 쉽게 달성된다. 또한, 상기 전동개폐식 밸브나 수문의 개수, 크기, 여닫기 정도를 조절함으로써 세척수의 여재층 통과 유속을 조절한다. 세척유속은 상기 밸브(10)나 수문에 고성능 흡입펌프(13)를 부착하여 증가시킬 수 있다.
처리대상수 유입 유량은 총 처리대상수량, 처리대상수의 수질, 여과속도, 침전속도, 자외선 조사시간 요구량 등에 따라 결정된다. 통상적으로 여과지 설계 시 단위 여과면적당 1일 처리량 단위로 표시한다. 침전지 유출수를 여과지 유입수(2 NTU 이하 수질)로 하는 상수처리 공정에서의 급속사여과의 경우 120~150㎥/㎡/day 범위의 유속이 일반적이며 막여과(Membrane filtration)의 경우 막 차압 100kpa에 대하여 0.5~1.0㎥/㎡/day(MF, UF)로 여재의 종류에 따라 매우 큰 편차가 있음을 알 수 있다. 세척수량은 막여과의 경우 1일 처리수량의 10% 내외, 2 NTU 이하의 침전지 유출수를 유입수로 사용하는 급속사여과의 경우 1일 처리수량의 3~5% 정도 사용한다. 이는 유입수의 수질과 처리목표에 따라 크게 달라질 수 있다.
<실시예 1> 횡류식 침전지, 필터 스펀지를 이용한 수처리 실험
가로 48㎝× 세로 48㎝× 높이 50㎝의 여과지(1)에 폴리우레탄(PU) 재질의 입체그물망 구조를 갖는 필터스펀지(Filter sponge)를 이용하여 여재층을 구성하였다. 필터스펀지는 공극 규격 10 PPI(두께 3㎝)(Pore per Inch, 1인치당 구멍수)와 30 PPI(두께 8㎝) 혹은 25 PPI(두께 9㎝)를 복층으로 쌓아 여재층을 만들고 여재층 하부공간(3)에는 횡류식침전지(5)로 구성하였으며 처리대상수는 황토를 이용한 인공조제수를 사용하였고 응집제와
응집보조제(pH 조절제)를 투여하고 혼화(Rapid mixing)한 후
플록형성지(Flocculation basin)를 거친 물로 하였다. 여재층 하부공간(3) 바닥에 밸브를 설치하고 세척 시 개방함으로써 중력에 의한 하향자연유하방식으로 세척을 수행하였다. [표 1]은 공극 규격 10 PPI(3cm)와 30 PPI(8cm)의 필터스펀지를 복층으로 쌓아 여재로 이용한 실험결과이고, [표 2]와 [표 3]은 공극 규격 10 PPI(3cm)와 25 PPI(9cm)의 필터스펀지를 복층으로 쌓아 여재로 이용한 실험결과이다. [표 3]은 중력에 의한 자연유하방식의 하향류로 빠르게 세척한 후 반복 실험한 결과이다.
| 시간(hr) | 유량(L/min) | 여과유속 (m3/m2/day) |
유입수질 (NTU) |
처리수질 (NTU) |
|
| 1 | 6.42 | 50 | 13.0 | 0.28 | |
| 2 | 6.42 | 50 | 10.4 | 0.23 | |
| 3 | 6.42 | 50 | 10.2 | 0.23 | |
| 4 | 6.42 | 50 | 11.2 | 0.21 | |
| 5 | 6.42 | 50 | 11.3 | 0.26 | |
| 6 | 6.42 | 50 | 10.7 | 0.24 | |
| 7 | 6.42 | 50 | 8.80 | 0.24 | |
| 8 | 6.42 | 50 | 10.3 | 0.21 | |
| 9 | 6.42 | 50 | 11.9 | 1.20 | |
| 침전지 제거 기여율 : 67.3 % 세척수 배출밸브 내부 직경 : 4.0cm 세척수 하향유속 : 0.95cm/sec 세척수 하향유속/여과유속 비 : 16.4배 세척수량 : 처리수량의 3.33% |
침전지 체류시간 : 3.0분 여재층 체류시간 : 3.3분 자외선 소독조 체류시간 : 8.1분 평균제거율 : 97.8% |
||||
| 시간(hr) | 유량(L/min) | 여과유속 (m3/m2/day) |
유입수질 (NTU) |
처리수질 (NTU) |
|
| 1.0 | 6.42 | 50 | 10.7 | 0.93 | |
| 1.5 | 6.42 | 50 | 10.1 | 0.30 | |
| 2.0 | 6.42 | 50 | 10.7 | 0.34 | |
| 2.5 | 6.42 | 50 | 9.48 | 0.33 | |
| 3.0 | 6.42 | 50 | 11.2 | 0.28 | |
| 3.5 | 6.42 | 50 | 11.1 | 0.26 | |
| 4.0 | 6.42 | 50 | 11.5 | 0.29 | |
| 4.5 | 12.84 | 100 | 11.1 | 0.41 | |
| 5.0 | 12.84 | 100 | 10.6 | 0.38 | |
| 5.5 | 12.84 | 100 | 11.4 | 0.52 | |
| 침전지 제거 기여율 : 44.8 % 세척수 배출밸브 내부 직경 : 4.0cm 세척수 하향유속 : 1.0cm/sec 세척수 하향유속/여과유속 비 : 8.6배 세척수량 : 처리수량의 4.03% |
침전지 체류시간 : 1.5분 여재층 체류시간 : 1.7분 자외선 소독조 체류시간 : 4.0분 평균제거율 : 96.3% |
||||
| (※단, 세척수 하향유속/여과유속 비와 침전지, 여재층, 자외선 소독조 체류시간은 여과유속이 100m3/m2/day일 때를 기준으로 함.) | |||||
| 유량 : 12.84 L/min 여과유속 : 100 m3/m2/day 유입수질 : 10.8± 0.5 NTU |
||||
| 시간(hr) | 처리수질 (NTU) |
1차 세척후 처리수질(NTU) | 2차 세척후 처리수질(NTU) |
|
| 0.5 | 0.37 | 0.34 | 0.44 | |
| 1.0 | 0.34 | 0.53 | 0.46 | |
| 1.5 | 0.43 | 0.38 | 0.39 | |
| 2.0 | 0.32 | 0.31 | 0.29 | |
| 2.5 | 0.30 | 0.38 | 0.42 | |
| 평균제거율 | 95.7 % | 94.4 % | 94.2 % | |
| 침전지 제거 기여율 : 13.7 % 세척수 배출밸브 내부 직경 : 4.0cm 세척수 하향유속 : 0.97cm/sec 세척수 하향유속/여과유속 비 : 8.4배 |
침전지 체류시간 : 1.5분 여재층 체류시간 : 1.7분 자외선 소독조 체류시간 : 4.0분 세척수량 : 처리수량의 4.88% |
|||
1 : 여과지 2 : 여재층
3 : 여재층 하부공간 4 : 여재층 상부공간
5 : 횡류식 침전지 6 : 경사판(경사관) 침전지
7 : 처리수/세척수 저류(세척 전), 세척수압 및 세척유속 확보
8 : 처리수 배출구(수위조절 가능)
9 : 자외선(UV)램프
10 : 세척 후 세척수/슬러지 배출 밸브(또는 수문)
11 : 세척 후 세척수/슬러지 배수로
12 : 여재층 지지구조물
13 : 흡입펌프 14 : 다단 수평판 침전지
15 : 시동방수구(Filter to waste valve)
3 : 여재층 하부공간 4 : 여재층 상부공간
5 : 횡류식 침전지 6 : 경사판(경사관) 침전지
7 : 처리수/세척수 저류(세척 전), 세척수압 및 세척유속 확보
8 : 처리수 배출구(수위조절 가능)
9 : 자외선(UV)램프
10 : 세척 후 세척수/슬러지 배출 밸브(또는 수문)
11 : 세척 후 세척수/슬러지 배수로
12 : 여재층 지지구조물
13 : 흡입펌프 14 : 다단 수평판 침전지
15 : 시동방수구(Filter to waste valve)
Claims (11)
- 여과지 내에 여재층, 여재층 하부공간, 여재층 상부공간이 형성되고, 상기 여재층 하부공간은 처리 대상수 공급원에 연결되어 처리대상수가 공급되면서, 횡류식 침전지, 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 입자상 물질이나 플록을 침전 제거하는 기능을 수행하게 하고, 상기 여재층 하부공간을 거친 처리 대상수가 상향류 방식으로 흐르면서 여과가 이루어져 처리대상수 중의 입자상 물질이나 플록이 추가로 제거되고, 상기 여재층 상부공간에서는 처리수 저류 및 배출, 세척수 확보, 세척 시 수압 및 세척유속 제공, 시동방수, 자외선소독과 같은 복합기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지.
- 제 1항에 있어서,
상기 여재층 하부공간의 바닥이나 옆면에 밸브나 수문을 설치하여 상기 밸브 및 수문의 개방을 통하여 여재층 상부공간에 저류된 처리수를 중력에 의한 자연유하 방식의 하향류로 여재층 사이를 빠르게 흐르도록 함으로써, 여재층에 억류된 플록을 여재 비팽창 세척방식으로 탈리, 세척하여 여재층 하부공간으로 이동시키고, 여재층 하부공간에 구성된 상기 침전지에 쌓인 슬러지를 동시에 세척하여 여과지 세척시마다 여과지 내 물의 전체 또는 일부를 슬러지와 함께 배출시키는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 여재층은 여과지 전체 면적에 대하여 수평으로 설치하는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 여재층은 필터스펀지, 스펀지, 모래, 안스라사이트, 입상활성탄, 인공경량사, 폴리에틸렌 펠렛, 에이비에스 수지 펠렛, 부직포, 섬유사, 극세사 직물, 폴리에스터솜, 목화솜, 아크릴섬유, 초극세사 섬유, 다겹 방충망과 같은 여재 중 하나 또는 둘 이상을 조합하여 구성된 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 여재층 상부공간에는 저류되는 처리수를 소독하기 위한 자외선 램프를 갖는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 2항에 있어서,
상기 여재층 하부 공간에 설치되는 하나 또는 둘 이상의 밸브 또는 수문은 전동개폐식으로 하여 세척 시 통제장치를 이용하여 동시에 빠른 속도로 개방할 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 6항에 있어서,
상기 전동개폐식의 밸브나 수문은 밸브나 수문의 개수, 크기, 여닫기에 따라 세척수의 여재층 통과 유속을 조절함을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 여재층 상부공간에 설치되는 처리수 배출구의 높낮이에 따라 처리수 저류량, 세척수 확보량, 세척 시 수압 및 세척유속, 자외선 소독을 위한 자외선 조사시간이 조절됨을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항에 있어서,
상기 시동방수는 여재층 상부와 처리수 배출구 사이의 여재층 상부공간에 구비된 시동방수구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 밸브나 수문에 흡입 펌프를 부착하여 여재층 상부공간에 저류된 처리수의 수압에 추가하여 세척유속을 확보하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지. - 제 1항에 있어서,
상기 다단 수평판 침전지, 경사판 침전지, 경사관 침전지의 경사각은 효과적인 침전기능과 빠른 하향 수류에 의한 세척이 가능하도록 0˚~ 60˚ 범위이며 판의 간격이나 관의 직경은 2㎝ 이상으로 함을 특징으로 하는 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100042262A KR100990196B1 (ko) | 2010-05-06 | 2010-05-06 | 세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지 |
| PCT/KR2011/003336 WO2011139089A2 (ko) | 2010-05-06 | 2011-05-04 | 에너지 절감형 자연유하식 상수 및 하폐수 처리장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100042262A KR100990196B1 (ko) | 2010-05-06 | 2010-05-06 | 세척과 슬러지 배출이 용이한 상수 및 하폐수 처리용 하이브리드 여과지 |
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|---|---|
| KR100990196B1 true KR100990196B1 (ko) | 2010-10-29 |
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-
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