KR101032628B1 - 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치는 펌프에 의해 이송되는 슬러지를 파쇄하는 것으로 이루어지는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치에 있어서, 내측 중앙부에 격판이 설치됨과 아울러 상기 격판의 중앙에 노즐구멍이 형성되어 펌프의 출구측에 연결되는 본체, 그리고 상기 본체의 격판의 출구측에 일정한 슬러지체류공간이 구비되도록 상기 본체의 내부의 격판의 출구측에 적층 배치되어 슬러지를 파쇄하는 다수의 슬러지파쇄파이프로 이루어진다.

따라서 본 발명은 구조가 대단히 간단하여, 장치 및 운전 유지비가 저렴한 장점뿐만 아니라 본체와 슬러지파쇄파이프의 오작동이 발생될 수 없어, 본 발명이 적용되는 펌프의 교체가 발생할 수 있으나, 파쇄장치 자체는 거의 반영구적인 사용이 가능하다는 장점이 있으며, 본체 내부로 유입된 슬러지 이외의 이물질의 크기도 본체와 슬러지파쇄파이프를 통과할 수 있는 크기이므로 막힘 현상이 발생되지 않는 등의 효과를 발휘한다.

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Description

유속을 이용한 슬러지 파쇄장치{SLUDGE DISINTEGRATOR USING FLOW VELOCITY}

본 발명은 하·폐수처리장 등에서 발생하는 슬러지를 파쇄하는 파쇄장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 슬러지를 알칼리제와 반응 혹은 열을 가하여 전처리한 후에 슬러지를 파쇄함으로써, 파쇄한 슬러지를 생물반응조 혹은 소화조로 유입시켜 생물반응조에서 용이하게 생물분해시킬 수 있고, 소화조에서 소화되어 슬러지의 발생량을 감소시킴과 아울러 소화조 내의 슬러지를 용이하게 무배출할 수 있도록 하는 슬러지 파쇄장치에 관한 것이다.

종래에는 슬러지를 가용화 혹은 감량화시키는 방법으로는 오존을 단독으로 이용하거나 알칼리제 등의 약품을 이용하여 볼밀 등으로 파쇄하는 방법 혹은 초음파를 이용하는 방법 등이 연구 개발되어 지고 있다.

예컨대 물리적인 기계적 슬러지 파쇄방법은 일본특허공개공보 특개2002-282721호와 본 출원인에 의해 등록된 국내 특허공보 제10-814405호에 의해 공개된 기술이 개발되었는 바, 이는 회전체에서 발생되는 전단력에 의해 슬러지를 파쇄하는 구조로 이루어진다.

이러한 종래의 기술은 기계적 구성이나 처리 방법은 간단하나, 파쇄기 내부 의 회전체와 지지체의 간격이 최대 5mm로 장시간 운전시 발열에 대한 문제점을 가지고 있으며, 열의 발생으로 인해 슬러지의 파쇄효율은 조금 증가될 수 있으나 기계적인 안정성 등으로 지속적인 장시간 운전에는 무리가 있는 단점은 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 슬러지를 고속을 이송시키면서 이송되는 과정 중에 전단력과 주변의 구성요소와 부딪히면서 슬러지의 셀(cell)을 파괴시킴으로써, 파쇄한 슬러지를 생물반응조 혹은 소화조로 유입시켜 생물반응조에서 용이하게 생물분해시킬 수 있고, 소화조에서 소화되어 슬러지의 발생량을 감소시킴과 아울러 생물처리공정과 연계처리시 잉여슬러지를 무배출할 수 있는 슬러지 파쇄장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펌프에 의해 이송되는 슬러지를 파쇄하는 것으로 이루어지는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치에 있어서, 내측 중앙부에 격판이 설치됨과 아울러 상기 격판의 중앙에 노즐구멍이 형성되어 펌프의 출구측에 연결되는 본체, 그리고 상기 본체의 격판의 출구측에 일정한 슬러지체류공간이 구비되도록 상기 본체의 내부의 격판의 출구측에 적층 배치되어 슬러지를 파쇄하는 다수의 슬러지파쇄파이프로 이루어지는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치를 제공한다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치는 구조가 대단히 간단하여, 장치 및 운전 유지비가 저렴한 장점뿐만 아니라 본체와 슬 러지파쇄파이프의 오작동이 발생될 수 없어, 본 발명이 적용되는 펌프의 교체가 발생할 수 있으나, 파쇄장치 자체는 거의 반영구적인 사용이 가능하다는 장점이 있으며, 본체 내부로 유입된 슬러지 이외의 이물질의 크기도 본체와 슬러지파쇄파이프를 통과할 수 있는 크기이므로 막힘 현상이 발생되지 않는다는 이점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치가 작용되는 가용화 설비를 개략적으로 나나태는 도면으로서, 상기 가용화 설비는 교반기(1a)를 구비한 가용화 탱크(1) 내의 피처리수 즉 슬러지를 함유한 피처리수의 상부가 펌프(2)에 의해 순환되는 구조이며, 상기 펌프(2)의 출구와 상기 가용화 탱크(1)의 입구 사이에 본 발명의 슬러지 파쇄장치(10)가 결합되어 있다.

즉 본 발명에 의한 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치(10)는 상기 펌프(2)에 의해 이송되는 슬러지(S)를 파쇄하는 것이며, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 펌프(2)의 출구와 연결되는 본체(11)의 내부에 다수의 슬러지파쇄파이프(12)가 적층 배치디는 구조로 이루어진다.

여기서 상기 본체(11)의 내측 중앙부에는 격판(11a)이 설치되고, 상기 격판(11a)의 중앙에 노즐구멍(11b)이 형성된다.

그리고 다수의 슬러지파쇄파이프(12)는 상기 본체(11)의 격판(11a)의 출구측에 일정한 슬러지체류공간이 구비되도록 상기 본체(11)의 내부의 격판(11a)의 출구 측에 적층 배치된다.

그래서 상기 슬러지파쇄파이프(12)의 입구에서 슬러지(S)가 유입되는 과정에서 도 3에 도시한 바와 같이 절단되는 것이며, 슬러지파쇄파이프(12)의 내부로 유입된 슬러지(S)가 슬러지파쇄파이프(12)의 내부 표면에 근접하여 형성되는 전단 응력으로 인하여 도 4와 같이 파쇄되는 것이다.

특히 가용화 탱크 내의 처리수가 슬러지파쇄파이프(12)를 통과하면서 일정 이상의 유속을 형성하게 되면, 처리수가 흐르면서 터블런스를 발생시킬 수 있어 슬러지파쇄파이프(12) 내부로 흐르는 슬러지가 더욱 파쇄되기 쉽다.

그래서 본 발명에서는 슬러지파쇄파이프의 직경은 작을수록 파쇄에는 유리하나 압력손실 등을 고려하면 4mm ~ 6mm로 함이 바람직하다.

다시 말하면 본 발명에 의한 파쇄장치(10)를 통하여 슬러지가 고속으로 이송시키면 주변의 슬러지파쇄파이프와 전단력에 의해 파쇄되는 것이다.

즉 도 2에 도시한 바와 같이, 원리를 이용한 것으로 슬러지 파쇄장치 구성도는 출구측을 정면에서 보면, 본체(11)의 내부에 벌집모양으로 여러 개의 관이 다발로 묶여져 있는 형상으로 다수의 슬러지파쇄파이프(12)가 배치되며, 슬러지가 펌프(2)에서 이송(도면에서 오른쪽에서 왼쪽 방향으로 이동)되면서 순간적으로 출구가 좁아지는 격판(11a)이 있고 중앙에 노즐구멍(11b)이 본체(11)의 내부에 구비되어 있다.

이러한 노즐구멍(11b)은 슬러지(S)가 순간적으로 좁아지는 구멍을 통과하면서 유속이 빨라지고, 빨라진 유속에서 갑자기 개구된 부분을 지나면서 슬러지가 주 변으로 확산되면서 전단력이 발생한다.

그리고 슬러지파쇄파이프(12)를 통과하는 슬러지는 압력이 대기압과 같아서 유속은 펌프(2)의 출구보다는 상대적으로 빠르게 되며, 도 5에 도시한 바와 같이 이렇게 빠른 유속으로 통과되는 슬러지는 전단력에 의한 파쇄가 이루어진다.

이러한 파쇄장치는 도 1과 같이 슬러지의 가용화 탱크(1)에서 펌프(2)를 이용하여 슬러지를 펌핑하여 파쇄장치(10)를 통과시키면서 슬러지를 파쇄하는 구조이며, 이러한 본 발명의 파쇄장치의 가장 큰 특징은 종래의 파쇄장치에 비해 장치비 및 운전비가 거의 들지 않는다는 것이다.

슬러지의 파쇄는 활성슬러지 공정에서 배출되는 생물학적 잉여슬러지를 인발하여 도 1의 슬러지 가용화 탱크(1)로 투입되며, 투입된 슬러지는 NaOH와 같은 알칼리제를 이용하여 pH를 12 정도로 조정하거나 열을 가하여 약 60℃ 이상으로 가온하고, 슬러지 펌프(2)를 이용하여 가용화 탱크의 슬러지를 연속적으로 순환시킨다.

이 때 펌프에서 가압된 슬러지가 파쇄장치를 통과하면서 슬러지가 파쇄되는 과정을 거치게 된다.

슬러지 파쇄장치를 더욱 명확하게 설명하면 다음과 같다.

펌프(2)에 의해 가압된 슬러지가 본체(11)의 입구로 밀려들어 오면, 압력은 게이지 압력으로 3 kg_f/cm² 이상으로 가압된 상태로 유속은 느리지만 슬러지에 압력이 가해진 상태로 유입된다.

이렇게 가압된 슬러지가 본체(11)의 노즐구멍(11b)의 출구측을 지나면서 갑 자기 좁아서 작은 구멍을 통과하고 순간적으로 공간이 확장되면서 슬러지는 상하좌우로 확산되고 일부는 확산되는 힘과 반대되는 부압으로 중앙에 모이게 된다.

이 때 압력차에 의한 전단력이 발생하게 된다. 이러한 전단력은 노즐구멍(11b)의 입구측에서 가압된 상태에서 노즐구멍(11b)의 출구측에서 순간적으로 감압되면서 슬러지와 슬러지가 부딪히게 되면서 전단력을 받는 것이다.

즉 도 3의 사진과 같이, 압축된 상태의 슬러지가 갑자기 팽창되면서 일부의 세포벽이 찢어지는 결과를 나타내면서 슬러지가 파괴된다.

이러한 전단력에 의해 슬러지 표면(cell)에 상당한 충격과 함께 일부의 슬러지 셀은 파괴되는 효과를 나타나게 되며, 슬러지가 가압과 감압을 순간적으로 받음으로써 슬러지는 팽창한 상태가 되며, 이렇게 팽창된 슬러지 표면은 아주 약화된 상태가 되며, 이런 상태에서 슬러지파쇄파이프(12)를 통과하게 된다.

슬러지파쇄파이프(12) 내는 일반 대기압 상태로 게이지 압력으로는 "0"인 상태이고, 빠른 유속에 의해 이동하는 슬러지가 슬러지파쇄파이프(12)의 내부면과의 마찰력과 전단력에 의해 슬러지가 파괴되게 된다.

상기 슬러지파쇄파이프(12)의 갯수를 증대하면 보다 효과적이라 할 수 있으나, 압력손실을 감안하여 슬러지파쇄파이프의 갯수와 직경을 결정하여야 한다.

즉 빠른 유속의 유지를 위해 다수의 슬러지파쇄파이프(12) 다발은 대기압과 같과 같은 상태가 유지되는 범위내에서 가급적 많은 갯수로 설치하는 것이 마찰에 의한 전단력 발생에 유리한 것이다.

즉 세포로 구성된 슬러지가 가압에 의해 압축되고 다시 대기압상태로 감압될 때 슬러지 세포의 변화를 나타낸 것이다. 슬러지는 대부분 미생물로서 이러한 미생물의 내부는 주로 물(H₂O)로 구성되어 있다.

본 발명의 슬러지 파쇄장치를 이용하여 생물처리공정에서 발생된 슬러지를 파쇄한 실험 결과를 나타내었다.

도 6 내지 도 9에 도시한 바와 같이, x축의 파쇄사이클은 가용화 탱크의 슬러지를 순환시키는 양을 의미하며, 1 cycle은 가용화 탱크 전체량을 펌프를 이용하여 슬러지 파쇄장치로 1회 순환시키는 양을 나타낸다.

도 6은 각 슬러지 농도에서 슬러지 파쇄사이클에 따른 농도 변화를 나타낸 것이며, 원수(R.W.)의 농도, 즉 슬러지의 농도가 8,600 mg/L인 슬러지를 1사이클(1회 순환) 순환시킨 결과 5,800 mg/L로 약 33%가 감소하는 효과를 나타내었으며, 슬러지의 농도가 높을수록 파쇄효율은 증가하는 결과를 나타내었다.

도 7은 도 6의 결과를 토대로 각 슬러지 농도 및 파쇄사이클에 따른 슬러지 가용화율을 나타낸 것이다.

여기서 가용화율은 파쇄에 의한 슬러지의 절대적인 감소 혹은 셀의 파쇄에 의한 농도 변화를 의미하며, 가용화율은 1사이클에서 슬러지농도에 따라서 26%∼33%까지로 조사되었고, 3사이클까지 슬러지를 순환시킬 경우 최대 39%까지 슬러지의 가용화가 가능하였다.

도 8은 COD_Mn의 농도를 변화를 나타내었고, 도 9는 SCOD_Mn의 농도 변화를 나타내며, 도 9에서 파쇄에 의해 SCOD_Mn가 증가하는 것은 슬러지의 셀이 파괴됨과 함 께 슬러지 내부의 유기물이 외부 유출되었음을 나타내고, 이러한 결과에서 슬러지의 셀이 파괴되었음을 간접적으로 확인할 수 있다.

그러나 도 8의 COD_Mn는 SCOD_Mn가 증가함에도 불구하고 파쇄에 따른 농도 변화가 거의 없음을 나타내고 있다.

여기서 COD_Mn는 용해성 COD_Mn(SCOD_Mn)와 비용해성 COD_Mn(FCOD_Mn)의 합으로 SCOD_Mn가 증가하면 전체 COD_Mn는 증가하게 된다. 따라서 도 8의 전체 COD_Mn가 일정하다는 의미는 결국 SCOD_Mn가 증가되는 만큼의 COD_Mn가 파쇄에 의해 감소되었음을 의미한다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 슬러지 파쇄장치를 생물처리공정에 적용할 경우의 예를 나타낸 것이며, 각각의 도면에 도시된 가용화설비는 본 발명의 슬러지 파쇄장치와 펌프 및 가용화 탱크가 구비된 것이다.

도 10은 일반적인 표준활성슬러지공정에 가용화설비를 추가하여 최종침전지에서 발생되는 잉여슬러지를 가용화하여 생물반응조의 전단에 투입하는 공정을 나타낸 것이다.

도 11은 혐기-무산소-호기(A2O)공정에 가용화설비를 추가한 것으로 잉여슬러지의 가용화를 통해 가용화된 슬러지를 무산소조(탈질조)에서 유기탄소원으로 이용하는 공정을 나타낸 것이다.

도 12는 가용화설비를 소화조 전단에 설치하여 소화조에 투입되는 슬러지를 가용화하여 소화효율 향상 및 소화후의 슬러지 감량을 유도할 수 있는 공정을 나타 낸 것이다.

따라서 본 발명에 의한 파쇄장치(10)가 설치된 가용화 설비가 다양한 생물처리 시스템에 적용할 수 있음을 자명한 사실이며, 도면과 같은 생물처리 시스템 이외에도 슬러지를 파쇄하기 위한 가용화 설비가 적용될 수 있는 분야에는 그대로 적용할 수 있음은 자명한 사실이다.

도 1은 본 발명에 의한 슬러지 파쇄장치가 적용되는 가용화 설비를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 의한 슬러지 파쇄장치의 단면도,

도 3은 본 발명에 의한 슬러지 파쇄장치를 설명하기 위한 슬러지의 가압 및 감압시 상태의 변화를 나타내는 도면 및 사진,

도 4는 본 발명에 의한 슬러지 파쇄장치를 설명하기 위한 도 2의 A부의 확대 단면도,

도 5는 본 발명에 의한 슬러지 파쇄장치를 설명하기 위한 슬러지파쇄파이프를 확대한 단면도,

도 6은 본 발명에 의한 파쇄사이클에 따른 MLSS의 농도 변화를 나타내는 도표,

도 7은 본 발명에 의한 파쇄사이클에 따른 MLSS의 가용화율을 나타내는 도표,

도 8은 본 발명에 의한 파쇄사이클에 따른 COD_Mn의 농도 변화를 나타내는 도표,

도 9는 본 발명에 의한 파쇄사이클에 따른 SCOD_Mn의 농도 변화를 나타내는 도표,

도 10 내지 도 12는 본 발명의 슬러지 파쇄장치를 생물처리공정에 적용할 경 우의 예를 나타낸 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 가용화 탱크

2 : 펌프

10 : 슬러지 파쇄장치

11 : 본체

12 : 슬러지파쇄파이프

Claims (2)

1. 펌프에 의해 이송되는 슬러지를 파쇄하는 것으로 이루어지는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치에 있어서,

   내측 중앙부에 격판이 설치됨과 아울러 상기 격판의 중앙에 노즐구멍이 형성되어 펌프의 출구측에 연결되는 본체,

   그리고 상기 본체의 격판의 출구측에 일정한 슬러지체류공간이 구비되도록 상기 본체의 내부의 격판의 출구측에 적층 배치되어 슬러지를 파쇄하는 다수의 슬러지파쇄파이프로 이루어지는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 슬러지파쇄파이프의 직경은 4mm ~ 6mm임을 특징으로 하는 유속을 이용한 슬러지 파쇄장치.

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