KR101053447B1

KR101053447B1 - 회전형 기포제트 산기관

Info

Publication number: KR101053447B1
Application number: KR1020110003895A
Authority: KR
Inventors: 우광재; 김연길; 곽기원; 전재훈; 김명관; 강석환
Original assignee: 우광재; 대웅이엔에스 (주)
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-08-02
Also published as: KR20110013546A

Abstract

본 발명은 공공하수처리장, 폐수종말처리장, 마을하수처리장, 호기성 미생물조 등과 같이 용존산소가 필요한 호기성 반응조 또는 오존산화조, 정수처리장, 마을상수도/지하수 등 수중폭기가 요구되는 공정에 공기 내지 오존과 같은 기타 기체를 효율적으로 공급하기 위한 수중기포 발생용 산기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 생물학적 수처리 공정에 있어서, 제트기류(jet stream)의 기포군인 기포제트(bubble-jet)를 생성시켜 호기성 미생물에게 산소를 효율적으로 전달할 뿐만 아니라 액상교반(liquid mixing) 효과를 월등히 향상시킬 수 있도록 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리가 적용된 기포제트 발생용 회전형 산기관(spiral diffuser)에 관한 것이다.
본 발명은 제트노즐이 각각 구비된 다수의 분기관으로부터 분출된 기포제트가 액상의 계면과 격렬하게 충돌하여 불균일 크기의 기포군을 형성하여, 미세기포들은 액상과의 접촉면적을 넓게 함으로써 산소전달효율을 향상시키고, 상대적으로 큰 기포들은 활성 슬러지의 교반효과를 증대시킬 수 있는 기포제트 산기관을 제공한다. 특히, 본 발명은 제트노즐로부터 제트기류(jet stream)의 기포군을 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리에 의해 다수의 분기관이 포함된 산기관 전체몸체의 회전력을 획득함으로써, 분기관의 임펠러 작용으로 인하여 액상의 교반효과를 높일 뿐만 아니라 수중에서 기포들의 분산면적을 넓힐 수 있는 회전형 기포제트 산기관을 제공한다.
[색인어]
산기관, 기포제트, 제트노즐, 하폐수처리, 수중폭기

Description

회전형 기포제트 산기관 {The spiral bubble-jet diffuser}

본 발명은 공공하수처리장, 폐수종말처리장, 마을하수처리장, 호기성 미생물조 등과 같이 용존산소가 필요한 호기성 반응조 또는 오존산화조, 정수처리장, 마을상수도/지하수 등 수중폭기가 요구되는 공정에 공기 내지 오존과 같은 기타 기체를 효율적으로 공급하기 위한 수중기포 발생용 산기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 생물학적 수처리 공정에 있어서, 제트기류(jet stream)의 기포군인 기포제트(bubble-jet)를 생성시켜 호기성 미생물에게 산소를 효율적으로 전달할 뿐만 아니라 액상교반(liquid mixing) 효과를 월등히 향상시킬 수 있도록 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리가 적용된 기포제트 발생용 회전형 산기관(spiral diffuser)에 관한 것이다.

완전히 처리되지 않은 하·폐수 중의 수질오염물질이 하천이나 호소를 비롯한 기타 수원에 유입됨에 따라 효율적 수질관리에 많은 문제점을 발생시키고 있다.

하·폐수 처리기술로는 여과설비, 화학약품 응집, 침전 등의 물리화학적인 방법과 주로 활성슬러지가 저류된 생물반응조 내에서 미생물의 대사과정을 극대화하여 각종 오염물질을 제거하는 생물학적 처리방법이 있다. 물리화학적인 방법은 기존 처리시설 설비에 큰 변화를 주지 않고 부가적으로 설치하여 사용할 수 있으며 안정적이고 높은 효율의 처리효과를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 경제적 측면과 기술적인 측면에서 대규모 처리설비를 설치운영 하기에는 무리가 있으며 경우에 따라 슬러지와 같은 다량의 처리 부산물이 발생한다는 단점이 있다. 생물학적 처리방법은 비용대비 처리효율측면에서 물리화학적 방법보다 유리하며 대규모의 하·폐수를 처리하는 주 처리공정으로써 국내외 대부분의 하·폐수처리장에 이용되고 있다.

생물학적 하·폐수 처리과정의 주요단계에 해당하는 폭기공정(aeration process)에 사용되는 폭기장치(aerator)는 설치위치에 따라서 다음과 같이 분류될 수 있다. 첫째는 산기관(air diffuser)이라고 통칭되는 주로 하·폐수처리장 바닥에 설치되는 공급기체의 분산을 위한 폭기장치이고, 둘째는 수중에 설치되는 수중 교반기나 터빈형 폭기장치이며, 셋째는 기계식 표면 폭기장치이다. 이중에서 산기관을 제외한 다른 방식의 폭기장치에는 대체로 많은 운전에너지와 넓은 설치공간 등의 과다한 시설 및 운전경비가 요구되며 작동부품의 유지와 보수 및 소음 등의 문제도 발생되고 있다. 이에 비하여 산기관은 상대적으로 우수한 효율, 간편한 운전 및 작은 설치 공간 등의 장점으로 인하여 다양한 재질과 형태의 제품이 개발되었으며 오랫동안 실제현장에서 사용되어온 중요한 수처리 관련 환경설비 품목 중의 하나이다.

하·폐수 처리시설은 다량의 전력을 소비하는 설비로서 그 중 하·폐수에 용존산소를 공급하는 폭기설비의 전력 소모량은 전체 하·폐수처리 소비전력량의 40∼50％에 달하고 있다. 이에 액상의 하·폐수에 전달되는 산소의 양과 전달속도 등 기체-액체간의 산소전달 특성은 하·폐수처리 공정의 성능과 처리량뿐만 아니라 그 운전비용을 결정하는 주요인자라 할 수 있다.

산기관의 성능을 나타내는 대표적인 지표로는 표준산소전달효율(SOTE, Standard Oxygen Transfer Efficiency)인데, 산기관을 이용하여 하·폐수에 동일한 유량의 공기를 공급한다고 해도 사용된 산기관의 특성에 따라 하·폐수 중에 용해되는 산소의 양(DO, dissolved oxygen)은 달라진다. 산기관의 산소전달효율을 증가시키기 위해서는 여러 방법이 가능하겠지만 주로 다음 세 가지 요인을 고려하여야 한다. 첫째는 크기가 작고 균일한 기포를 만들어 연속상인 하·폐수와 공기 중 산소기체의 접촉면적을 증가시키는 것이며, 둘째는 기포의 상승경로를 길게 함으로써 분산상인 기포와 하·폐수 사이의 접촉시간을 최대한 늘려 주는 것이고, 셋째로는 산소전달은 기포와 하·폐수의 경계면에서 일어나는 확산에 의해서 기포내의 산소가 원수로 전달되므로 기포에 초음파 내지 음향공진 등의 에너지를 공급하여 산소의 용해속도를 증가시키는 방법이다.

현재 수처리공정에 가장 많이 사용되고 있는 산기관은 산기형태에 따라 크게 (1)다공성 산기기 (2)비다공성 산기기 (3)기타 산기기 (분사식, 흡출식, U tube, 음향공진식 등)로 분류된다.

산기관으로부터 생성되어지는 기포의 크기 및 크기분포(size distribution)는 산기관의 성능을 결정짓는 중요한 요소 중의 하나이며, 일반적으로 산기관의 종류를 구분할 때에도 사용되는 기준이 된다. 산기관에서 생성되는 기포의 크기 및 크기분포는 전기저항 탐침법, 음향학적 측정법, 직접 촬영기법 등을 사용하여 측정할 수 있다.

높은 산소전달효율을 나타내는 미세기포식 산기관(fine bubble diffuser)으로는 멤브레인형, 세라믹형, 원뿔형 등의 산기관이 있으며, 낮은 산소전달효율을 나타내는 조대기포식 산기관(coarse bubble diffuser)으로는 측면분사형, 구슬충진형, 음향공진형(acoustic resonance) 등의 산기관이 사용되고 있다. 각각의 산기관은 고유의 장단점을 갖고 있으므로 설치되는 환경조건과 설치 및 운전비용 그리고 주된 사용목적 등이 고려되어야 한다. 특히 최근 도약적으로 개발되고 있는 하·폐수 대상 고도처리공법에는 가장 적절한 산기수단이 강구되어야 하며, 이로부터 최적의 고도 수처리 효율을 기대할 수 있다.

일례로 대한민국 공개특허 10-2010-0069898은 산기관 중앙에 볼트 체결부를 형성하고 볼트 체결부 주위에 공기실이 형성되며, 공기실과 인접하여 0.1∼0.8mm 크기의 홈이 파인 공기노즐이 일정간격으로 형성되고, 하부면이 상부면보다 상대적으로 크게 형성되며 그 외면이 경사지게 구성되는 다수의 디스크로 형성되는 것을 특징으로 하여 미세크기의 기포를 넓은 영역에 걸쳐 수중에 공급하고자 하는 다단 산기장치에 관한 발명인데, 다단 조립과정의 번거로움과 수중진동에 의한 디스크 풀림현상을 배제할 수는 없다.

반면, 대한민국 등록특허 10-0503680은 공기가 토출되는 산기장치의 출구를 개선하여 산기장치의 산소전달 효율을 증대시킨 것으로서, 공기가 들어오는 입구와, 상기 입구를 통해 유입된 공기가 회전 소용돌이(vortex)와 음향공진을 생성하는 챔버와, 상기 챔버의 하면 중앙부에 설치되며 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고 그 수평단면의 외주가 원형이고, 상기 입구로부터 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하는 가이드와, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 링 형상으로 형성되고, 회전 소용돌이로 만들어진 공기가 상기 챔버에 의해서 발생되는 음향에너지를 얻으면서 수중으로 공급되는 출구로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치에 관한 것인데, 미세기포를 기대하기 보다는 음향공진 에너지를 공급하여 산소의 용해속도를 증가시키려는 발명이다. 상기 산기관은 음향공진 에너지에도 불구하고 산소전달효율은 세라믹 산기장치나 멤브레인 산기장치보다 적은 값을 나타내는데, 기포의 쪼개짐 현상이 완전히 활성화되지 못하기 때문이다.

상기의 종래 하·폐수 대상 산기수단은 호기조에서 미생물에게 산소만 전달시키는 단순기능이며, 액상의 역류 방지기능 및 활성슬러지의 교반효과 같은 다기능 역할에는 미흡한 점이 있었다.

대한민국 공개특허 10-2010-0102567은 생물학적 하·폐수 처리공정에 있어서 호기성 미생물에게 산소를 전달할 뿐만 아니라 침지식 여과수단까지 병용할 수 있는 스테인레스 금속재질 내지 합성수지 재질로 제조된 소결소재를 이용한 고도 수처리 방법 및 그에 따른 미세기포 발생기에 관한 것이다. 특히 소결방법으로 제조된 미세기포 발생기에 기포확산유도판이 기포발생부 상부에 제공되어 미세기포 발생기로부터 생성된 균일 미세기포들이 수중에서 넓게 분산/확산되도록 하여 수중에서의 산소전달효율을 향상시키는 방법을 개시한 기술인데, 평판이 아닌 원통형 형태의 소결소재 기포발생부를 사용하게 됨으로써 수중의 단면상 기포발생면적이 적다는 단점을 안고 있다.

대한민국 등록특허 10-0843970은 용존공기부상법(DAF)에 의해 다량의 초미세 기포를 생성할 수 있는 미세기포 발생방법에 관한 것으로서, 기체와 액체를 고압으로 흡입하여 혼합시키는 고압펌프 및 공기가 용존되어질 수 있는 압력탱크를 이용하여 미세기포를 발생시키는데, 상기와 같은 위험성이 높은 고가의 기계설비가 요구된다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0844141은 수중의 오염물질을 부상시켜 고액분리하기 위한 초미세기포를 발생시키는 실리카 또는 알루미나 세라믹 산기관(ceramic diffuser), 세라믹 산기관 제조방법 및 상기 산기관을 이용하는 오염물질 부상방법에 관한 것으로서, 1기압 내외의 낮은 공기압만 적용해도 미세기포를 균일하면서도 일정하게 발생시킬 수 있도록 하는 발명인 반면에, 세라믹 산기관은 진동을 부여하면서 가압하여 제조되거나, 내지 압출성형 방법으로 제조됨으로써, 실리카 또는 알루미나 분말 미립자가 표면에서 내부 중심으로 갈수록 기공크기가 커지는 넓은 기공분포를 형성한다는 점과, 세라믹 재질은 작은 충격에도 '깨지기 쉽다(brittle)' 라는 단점을 가지고 있는 발명이다. 특히, 기포발생부의 미세구멍 사이에는 수중생물이 번식하거나 유입공기중의 불순입자에 의하여 미세구멍이 자주 막혀서 사용도중 통기량이 급격히 저하되는데, 이러한 미세구멍의 막힘현상을 해소하기 위해서는 산기장치를 분리하여 빈번하게 정비하여야 하는 불편함이 있다.

대한민국 등록특허 10-0551983은 노즐몸체의 출구가 대면되도록 둘 이상 설치하여 이로부터 나오는 기포제트가 서로 충돌함으로써 미세기포를 형성하여 수중으로 높은 산소전달효율을 얻을 수 있도록 발명된 기포제트 충돌형 산기장치에 관한 것인데, 고정형 제트노즐을 사용함으로써 기포제트의 분산면적이 좁을 뿐만 아니라 활성슬러지의 교반효과 또한 낮다는 단점이 있다. 또한, 기포제트 노즐의 상세 설계방법이 개시되어 있지 않다.

따라서 수처리 공정상의 수중 산기관에 있어서, 단순한 기포발생 뿐만 아니라 미세기포군들의 수중 확산/분산 기능, 영구적인 기포발생부, 활성슬러지 교반기능, 고도 수처리에 적용가능여부, 발생기포에 의한 보조 에너지 생산기능 등 새로운 패러다임의 기술개발이 긴요한 실정이다.

대한민국 공개특허 10-2010-0069898 (2010.06.25) 대한민국 등록특허 10-0503680 (2005.07.16) 대한민국 공개특허 10-2010-0102567 (2010.09.24) 대한민국 등록특허 10-0843970 (2008.06.27) 대한민국 등록특허 10-0844141 (2008.06.30) 대한민국 등록특허 10-0551983 (2006.02.07)

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제트노즐이 각각 구비된 다수의 분기관으로부터 분출된 기포제트(bubble-jet)가 액상의 계면과 격렬하게 충돌하여 불균일 크기의 기포군을 형성하여, 미세기포들은 액상과의 접촉면적을 넓게 함으로써 산소전달효율을 향상시키고, 상대적으로 큰 기포들은 활성슬러지의 교반효과를 증대시킬 수 있는 기포제트 산기관을 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 본 발명은 제트노즐로부터 제트기류(jet stream)의 기포군을 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리에 의해 다수의 분기관이 포함된 산기관 전체몸체의 회전력을 획득함으로써, 분기관의 임펠러 작용으로 인하여 액상의 교반효과를 높일 뿐만 아니라 수중에서 기포들의 분산면적을 넓힐 수 있는 회전형 기포제트 산기관을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하폐수처리장의 폭기공정에 공기공급을 위하여 사용되는 산기관에 있어서, 상기 산기관에 공기가 유입되도록 중공성 고정 중심축과 회전 중심축으로 형성되는 중심축과, 상기 중심축 상부에 연결되어 상기 유입된 공기를 균등하게 분기시면서 작용-반작용 법칙에 의해 회전될 수 있도록 회전각도를 주어 형성되는 2개 이상의 분기관과, 상기 분기관에 연속적으로 형성되어 유입된 공기의 유속을 제트기류 속도로 빠르게 증가시켜 수중에서 기포제트를 생성시키는 역류방지수단이 구비된 노즐목 형태의 제트노즐몸체와, 상기 다수의 분기관 전체가 작용-반작용 법칙에 의해 수중에서 회전될 수 있도록 고정 중심축과 회전 중심축 사이에 형성되는 샤프트 회전부가 포함되는 회전형 기포제트 산기관을 제공한다.

상기 회전형 기포제트 산기관은 다수의 제트노즐로부터 분출된 기포제트가 액상의 계면과 격렬하게 충돌하여 불균일 크기의 활성화된 기포군을 형성시키며, 상기 과정에 있어서 작용-반작용 원리에 의해 다수의 분기관이 포함된 산기관 전체몸체의 회전력을 획득함으로써, 분기관의 임펠러 작용으로 인하여 활성슬러지의 교반효과를 높일 뿐만 아니라 수중에서 기포들의 분산면적을 넓게 함으로써 산소전달효율을 향상시킬 수 있는 회전형 기포제트 산기관을 제공할 수 있도록 한다.

본 발명은 하폐수처리장의 폭기공정에 공기공급을 위하여 사용되는 산기관에 있어서, 제트노즐이 각각 구비된 다수의 분기관으로부터 분출된 기포제트가 액상의 계면과 격렬하게 충돌하여 불균일 크기의 기포군을 형성하여, 미세기포들은 액상과의 접촉면적을 넓게 함으로써 산소전달효율을 향상시키고, 상대적으로 큰 기포들은 활성슬러지의 교반효과를 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명은 제트노즐로부터 제트기류(jet stream)의 기포군을 분출함으로써 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리에 의해 다수의 분기관이 포함된 산기관 전체몸체의 회전력을 획득함으로써, 분기관의 임펠러 작용으로 인하여 액상의 교반효과를 높일 뿐만 아니라 수중에서 기포들의 분산면적을 넓힐 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 간단한 방법으로 수중에서 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 법칙을 구현하여 회전력에 의한 보조에너지 생산기능까지 갖출 수 있을 뿐만 아니라 종래 다공성 산기관에 있어서 수중생물의 증식 및 유입공기중의 미세먼지에 의한 기포발생부인 미세구멍의 막힘현상을 해결하여 산기관의 운전시간에 따른 효율저하, 빈번한 정비, 짧은 교체주기 등의 문제점을 해결하여 수중폭기에 대한 유지관리비를 대폭 절감할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

도1은 대표적인 종래 하폐수 대상 기포발생 산기관,
도2a는 본 발명에 따른 기포제트 산기관의 평면도,
도2b는 본 발명에 따른 기포제트 산기관의 정면도,
도3a는 본 발명에 따른 제트노즐 역류방지수단의 열림상태를 확대도시한 평면도,
도3b는 본 발명에 따른 제트노즐 역류방지수단의 닫힘상태를 확대도시한 평면도,
도4a는 본 발명에 따른 기포제트 산기관의 정지상태의 실시예,
도4b는 본 발명에 따른 기포제트 산기관의 회전상태의 실시예,
도5는 종래 멤브레인 산기관 및 기포제트 산기관의 압력손실 비교도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 종래 측면분사형 산기관 2 : 종래 디스크형 멤브레인 산기관
3 : 종래 산기관의 기포발생부 10 : 본 발명에 따른 기포제트 산기관
11 : 기포제트 산기관의 중심축 12 : 기포제트 발생용 분기관
13 : 공급기체 유로 14 : 제트노즐몸체 연결부
15 : 제트노즐몸체 16 : 제트노즐(jet nozzle)
17 : 분기관의 중심부 18 : 회전 중심축(spiral shaft)
19 : 고정 중심축(static shaft) 20 : 샤프트 회전부
21 : 주배관 역류방지수단 22 : 주배관 연결부
23 : 제트노즐 역류방지수단 24 : 텐션(tension) 수단
30 : 기포제트(bubble-jet)

상술한 바와 같이, 생물학적 하폐수 처리공정에 있어서 호기성 미생물의 호기적 활성과 활성슬러지의 원활한 혼합(mixing) 및 교반(agitation)을 위하여 공기주입을 통한 산소공급은 필수불가결하다.

도1a 및 도1b는 생물학적 하폐수 처리공정에 있어서, 폭기조 내에 산소공급을 위하여 현재 널리 사용되고 있는 대표적인 산기관(air diffuser)을 나타내는데, 도1a는 저렴하지만 산소전달효율(청수, 수심 5m 기준)이 10∼16％ 정도로 저조한, 산기관 상부 측면(3)에서만 조대기포(coarse bubbles)를 발생시키는 측면분사형 비다공성 산기관(1)의 실제형상과 정면도 및 평면도이다. 도1a의 측면분사형 산기관(1)은 산소전달효율이 낮기 때문에, 높은 산소전달효율이 요구되지 않는 정화조나 수심이 7m 이상으로 깊은 하폐수 처리 수조의 교반목적으로 설치하는 것이 바람직하다.

반면, 도1b는 청수기준 5m 수심에서 산소전달효율이 25％ 이상인, 미세기포(fine bubbles)를 생성시키는 다공성 산기관이다. 도1b의 산기관(2)은 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer)라는 합성고무 재질의 멤브레인(membrane)이라 칭하는 산기관으로서, 작동 초기에는 멤브레인 전체(3')에 걸쳐서 매우 균일하고 미세한 기포가 발생되지만 수개월이 지나면 오폐수의 피내식성으로 인해 고무의 신축성이 떨어진다. 이에 따라 기포노즐의 크기는 수배 이상 커져 기포크기 증가로 인한 산소전달효율 저하뿐만 아니라 공기주입 중지시 슬러지의 역류현상을 초래할 수 있다. 상기 문제점을 안고 있음에도 불구하고, 현재 현장에서 가장 많이 사용되고 있는 것이 도1b의 EPDM 멤브레인 산기관(2)이다. 하지만 지속적인 폭기효율을 위하여 빈번하게 정비하거나 자주 교체해 주어야 하는 번거로움 및 경제적인 손실이 있다.

생물학적 하폐수 처리공정에 있어서, 폭기조 내에서의 용존산소(DO, Dissolved Oxygen)농도는 유입수내의 기질과 함께 호기성 미생물의 가장 기본적인 성장 조건이며, 일반적으로 DO 1.5∼3.5 ppm 정도의 용존산소농도가 호기성 미생물에게 요구되는데, 산기관(air diffuser)을 통한 공기주입은 보편화된 호기성 미생물의 활성화와 하폐수의 교반방법이라 할 수 있다. 하지만 폭기조내의 활성슬러지농도(MLSS)가 높거나 수온이 상승하는 하절기에는 DO 1.5∼3.5 ppm 정도의 용존산소농도를 유지하기는 용이치만은 않다. 폭기조 내에서 DO 1.5∼3.5 ppm 까지 산소를 용존시키기 위하여 산소전달효율(SOTE, Standard Oxygen Transfer Efficiency)이 높은 미세기포(fine bubble) 산기관을 사용하면 적은 동력으로 목표 용존산소농도를 맞출 수는 있으나, 산기관으로부터 생성되는 기포들은 너무 작은 미세기포이므로 활성슬러지의 교반효과는 미비하며, 반대로 조대기포(coarse bubble)를 발생시키는 산기관을 사용하게 되면 활성슬러지의 교반효과는 월등하나 산소전달효율이 저조하여 소요동력이 높게 요구되기 때문이다. 따라서 산소전달효율 뿐만 아니라 활성슬러지의 교반효과까지 우수한 폭기수단이 강구되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2a 및 도2b는 각각 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 회전형 기포제트 산기관(10)의 평면도 및 정면도이다.

도2a와 도2b에 있어서, 본 발명은, 공기가 유입되도록 가운데가 비어있는 중공성 고정 중심축(19, static shaft)과 회전 중심축(18, spiral shaft)으로 형성되는 중심축(11)과, 상기 중심축(11) 상부에 연결되어 상기 유입된 공기를 균등하게 분기시면서 작용-반작용 법칙에 의해 회전될 수 있도록 회전각도를 주어 형성되는 2개 이상의 분기관(12)과, 상기 분기관(12)에 연속적으로 형성되어 유입된 공기의 유속을 대폭 증가시켜 수중에서 기포제트(30)를 생성시키는 역류방지수단(23)이 구비된 노즐목 형태의 제트노즐몸체(15)와, 상기 다수의 분기관(12) 전체가 작용-반작용 법칙에 의해 수중에서 회전될 수 있도록 고정 중심축(19)과 회전 중심축(18) 사이에 형성되는 샤프트 회전부(20)가 포함되어 회전형 기포제트 산기관(10)이 구성된다.

보다 상세하게는, 우선 외부 공기공급수단(블로워 내지 공기압축기)으로부터 유입된 공기는, 중공성인, 즉 중앙이 공기흐름통로인 고정 중심축(19)과 회전 중심축(18)으로 형성된 중심축(11)을 거쳐, 상기 중심축(11) 상부에 연결되어 상기 유입된 공기를 균등하게 분기시키는 다수의 기포제트 발생용 분기관(12)으로 흘러 들어가게 되고, 상기 분기관(12)으로 유입된 공기는 분기관내의 공급기체 유로(13)를 통과하여, 상기 분기관(12)에 연속적으로 형성되는 노즐목 형태의 제트노즐몸체(15) 특히 제트노즐(16, jet-nozzle)에서 공기유속이 빨라지게 되고, 상기 흐름속도가 빨라진 공기는 밀도차가 1,000배 이상 차이 나는 수중의 계면과 격렬하게 충돌하면서 불균일 크기의 활성화된 기포군인 기포제트(30, bubble-jet)를 생성시킨다.

특히, 본 발명은 제트노즐(16)로부터 제트기류(jet stream)의 기포군인 기포제트(30)를 분출시키는 과정에 있어서, 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리에 의해 다수의 분기관(12)이 포함된 산기관 전체몸체는 회전력을 획득하게 되고, 시계 반대방향으로 회전되는 분기관(12)은 수중에서 임펠러(impeller) 작용을 하게 되어, 활성슬러지를 포함하는 액상의 혼합 및 교반효과를 높일 뿐만 아니라 수중에서 기포들의 분산면적을 넓히게 함으로써 산소전달효율을 높여 준다.

상기 제트노즐(16)로부터 분출되는 기포제트(30)는 밀도차가 1,000배 이상 차이나는 수중의 계면과 격렬하게 충돌하면서 불균일 크기의 기포들로 쪼개지게 된다. 이때 작용-반작용 원리에 의해 획득되어진 회전력에 의해 난류강도 및 기포의 쪼개짐 현상은 더욱 활성화 되어 미세기포, 중간기포, 조대기포 등 여러 크기의 기포들을 생성시킨다. 이때, 원활한 회전력을 얻을 수 있도록, 샤프트 회전부(20)는 테프론(teflon) 재질과 같은 마찰계수가 작은 피내식성이 강한 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 회전형 발전기를 구성하게 되면 회전력에 의해 보조에너지까지 생산할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 미세기포, 중간기포, 조대기포의 수중 부피분율은 미세기포(＜1mm) 30 vol/vol％, 중간기포(1∼10mm) 50 vol/vol％, 조대기포(＞10mm) 20 vol/vol％ 정도이다. 상기 과정에서 생성되어진 미세기포는 산소전달효율을 향상시키고, 조대기포는 활성슬러지를 포함하는 액상의 혼합 및 교반효과를 증대시켜 주는 역할을 하게 된다.

여기서, 미설명 부호인 17은 다수 분기관의 중심부, 21은 체크밸브 형태인 주배관의 역류방지수단, 22는 주배관과 연결되는 주배관 연결부이다.

산기관에 있어서, 산소전달효율은 일반적으로 수심 5m 시험수조에 시험대상 산기관을 1개 이상 설치하고, 시험수(청수)를 채운 후 아황산나트륨(Na₂SO₃)과 염화코발트(CoCl₂)를 이용하여 탈기시켜 수중의 용존산소를 완전 제거한 후, 설치된 산기관에 일정 공기량을 포기시키면서 수조상부(수심 4.5m 지점)에서 단위시간 간격으로 DO-meter를 이용하여 용존산소를 측정하고, 이를 이용하여 총괄산소전달계수(K_La)와 산소전달효율(SOTE)을 산정하게 된다.

그리고 산기관으로부터 생성되는 기포의 크기는 산기관의 성능을 결정짓는 중요한 요소 중의 하나이며, 일반적으로 산기관의 종류를 구분할 때에도 사용되는 기준이 된다. 산기관으로부터 생성되는 기포의 크기 및 분포는 전기저항 탐침법, 음향학적 측정법, 직접 촬영기법 등을 사용하여 측정할 수 있다.

표1에 종래 측면분사형(1, 비교예-1) 및 멤브레인 산기관(2, 비교예-2)과, 본 발명인 상기 회전형 기포제트 산기관(10)의 특징과 수심 5m에서의 표준산소전달효율(청수기준)을 요약 정리하였는데, 20℃ 청수기준의 산소전달효율이므로 실제 하폐수처리장에서의 산소전달효율(SOTE)은 활성슬러지농도에 의한 점성과 수온차로 인하여 보다 낮아질 수 있다.

표1의 회전형 기포제트 산기관(10)의 산소전달효율은 노즐직경, 노즐형태 및 노즐개수 등 제트노즐(16)의 설계에 따라 20.0∼30.0 wt％ 범위의 값을 나타내게 된다.

수중에서 제트기류 기포군인 기포제트(30)를 생성시키기 위한 제트노즐(16) 산기관의 설계에 있어서, 제트노즐(16)의 직경(d_o) 및 개수(N_o)는 다음 수학식 1 및 수학식 2를 기준하여 설계할 수 있는데, 수학식 1과 수학식 2는 상반된 개념을 내포하면서도 상호 보완하는 설계 기준식이 된다.

We : Weber 무차원수 (-)

ρ _G : 기체상 밀도 (kg/m³)

Q : 기체 공급유량 (m³/s)

D : 분기관 회전직경 (m)

N _o : 제트노즐 개수 (-)

d _o : 제트노즐 직경 (m)

A : 분기관 회전면적 (m²)

σ _L : 액상 표면장력 (N/m)

통상적인 수중 기포발생수단인 산기관의 노즐설계에 있어서, 수학식 1과 수학식 2에서, 노즐(또는 오리피스)의 전체 면적분율(fraction of nozzle area)은 0.25％ 이상이어야 하며, 웨버(Weber) 무차원수는 2.0 이상이어야 수중에서 기포가 원활히 형성된다고 알려져 있는데, 노즐 면적분율이 0.25％보다 작으면 공급기체에 의한 압력손실이 과다하게 걸리게 되고, 반면 웨버(Weber) 무차원수가 2.0 보다 작으면 공급기체가 기포형태로 변하지 않게 된다.

반면, 본 발명인 기포제트 산기관(10)의 제트노즐(16) 설계에 있어서는, 수학식 1과 수학식 2에 있어서, 제트노즐(16)의 전체 면적분율은 0.01∼0.12％ 이어야, 그리고 웨버(Weber) 무차원수는 5.0∼3,300 이어야, 이때 제트노즐(16)의 직경(d_o)은 1∼4mm 이어야 수중에서 기포제트(30)가 원활히 생성되었는데, 제트노즐(16) 면적분율 및 웨버(Weber) 무차원수 값이 상기 범위에서 벗어나게 되면, 공급기체에 의한 압력부하가 과다하게 걸리게 되어 경제적이지 못할 뿐만 아니라 제트기포(30) 형성이 제대로 이루어지지 않게 되었다. 상기와 같이 본 발명에 따른 제트노즐(16)의 설계기준을 실험적으로 설정할 수 있다.

상기 제트노즐(16)이 형성된 제트노즐몸체(15)는 분기관(12)과 용이하게 탈착할 수 있도록 제트노즐몸체 연결부(14)와, 액상 슬러지의 역류로 인한 노즐 막힘현상을 방지할 수 있도록 역류방지수단(23)이 구성되는 것이 바람직하다.

도3a 및 도3b는 각각, 본 발명에 따른 제트노즐 역류방지수단(23)의 열림 및 닫힘상태를 확대도시한 제트노즐몸체(15)의 평면도인데, 마름모 기둥꼴 형태의 역류방지수단(23)과 텐션(tension) 수단(24)으로 형성된다. 본 발명인 제트기포 산기관(10)에 공기가 주입될 경우, 제트노즐(16)에서 빨라진 공기유속에 의해 텐션 수단(24)은 늘어나게 되어 역류방지수단(23)은 열림상태로 되어 기포제트(30)가 활발히 분출되어지고, 반면 제트기포 산기관(10)에 공기주입이 중단될 경우, 신축성 있는 텐션 수단(24)의 수축에 의해 역류방지수단(23)은 닫힘상태로 전환되어 활성슬러지의 산기관 내부로의 유입을 차단시켜준다. 상기와 같이, 본 발명은 제트노즐 역류방지수단(23)을 구성함으로써, 종래 산기관에 있어서 슬러지의 역류현상에 의한 문제점을 극복할 수 있다.

도4a 및 도4b는, 본 발명에 따른 기포제트 산기관(10)의 정지상태 및 회전상태의 실시예이다. 도4a에 있어서, 기포제트 산기관(10)에 유입된 공기는 제트노즐(16)로부터 기포제트(30)가 활발히 생성되는 것을 확인할 수 있으며, 도4b에 있어서는, 뉴턴의 세 번째 운동법칙인 작용-반작용 원리에 의해 세 개의 분기관(12)이 시계 반대방향으로 회전하면서 다양한 크기의 기포들이 생성되어 넓게 분산되는 것을 확인할 수 있다. 도4a 및 도4b에 있어서 실시된 제트노즐(16)의 직경은 1.9mm, 분기관(12)은 3개, 분기관 회전직경은 220mm, 이때의 제트노즐(16)의 전체 면적분율은 0.03％, 그리고 웨버(Weber) 무차원수는 485로 설계되어진 제트노즐(16)이 적용되어 실시되었다.

도5는 종래 멤브레인 산기관(2) 및 도4에 실시된 기포제트 산기관(10)의 통기량에 따른 압력손실 비교도이다. 수중폭기에 있어서, 외부 공기주입기(블로워 내지 공기압축기)의 소요동력은 수중 산기관에 걸리는 압력손실과 직결되는데, 일반적으로 기포발생부의 기공이 미세할수록 그리고 통기량이 커질수록 압력손실은 크게 나타난다. 도5에서 알 수 있듯이, 본 발명인 기포제트 산기관(10)에 걸리는 압력손실은 종래 멤브레인 산기관(2)에 걸리는 압력손실과 거의 유사한 값을 나타내는데, 보다 상세하게는 낮은 통기량, 즉 90 L/min(LPM) 이하에서는 종래 멤브레인 산기관(2)에 걸리는 압력손실이 크게 나타나고, 90 L/min 이상에서의 통기량에서는 제트노즐(16)에서의 빠른 유속에 의하여 기포제트 산기관(10)에 걸리는 압력손실이 약간 큰 값을 나타내게 된다. 상기와 같이 기포제트 산기관(10)의 운전을 위한 소요동력은, 난류강도가 높은 제트기류를 분출함에도 불구하고, 종래 멤브레인 산기관(2)에서의 소요동력과 유사하다 하겠다.

Claims

하폐수처리장의 폭기공정에 공기공급을 위하여 사용되는 산기관에 있어서,
상기 산기관에 공기가 유입되도록 중공성 고정 중심축(19)과 회전 중심축(18)으로 형성되는 중심축(11)과,
상기 중심축(11) 상부에 연결되어 상기 유입된 공기를 균등하게 분기시면서 작용-반작용 법칙에 의해 회전될 수 있도록 회전각도를 주어 형성되는 2개 이상의 분기관(12)과,
상기 분기관(12)에 연속적으로 형성되어 유입된 공기의 유속을 제트기류 속도로 증가시켜 수중에서 기포제트(30)를 생성시키는 노즐목 형태의 제트노즐몸체(15)와,
상기 다수의 분기관(12) 전체가 작용-반작용 법칙에 의해 수중에서 회전될 수 있도록 고정 중심축(19)과 회전 중심축(18) 사이에 형성되는 샤프트 회전부(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 기포제트 산기관.
청구항 1에 있어서,
상기 다수의 분기관(12)에 연속적으로 형성되는 제트노즐몸체(15)는, 마름모 기둥꼴 형태의 제트노즐 역류방지수단(23) 및 텐션 수단(24)이 제공되어, 제트노즐(16)을 통한 활성슬러지의 역류를 방지하도록 하는 것을 특징으로 하는 회전형 기포제트 산기관.
청구항 1에 있어서,
상기 제트노즐몸체(15)에 연속적으로 형성되는 제트노즐(16)에 있어서, 제트노즐의 전체 면적분율은 0.01∼0.12％, 웨버(Weber) 무차원수는 5.0∼3,300, 제트노즐의 직경(d_o)은 1∼4mm로 설계되어진 제트노즐을 제공하는 것을 특징으로 하는 회전형 기포제트 산기관.