KR101153187B1 - 오수의 정화장치 및 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오수의 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로서, 유입수에 플럭형성용 재료를 투입하여, 플럭이 포함된 처리수를 형성하면서 고속 교반을 통해 플럭에 기포가 함침되도록 하는 교반부와, 이 교반부 내에서 플럭 내에 더 많은 기포가 함침될 수 있도록 교반부에 공기를 공급하는 공기공급부와, 플럭이 포함된 처리수를 가압 이송하는 펌핑부와, 가압된 처리수로부터 하류로 고밀도 플럭을 분리하고 상류로 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 분리하는 사이클론부와, 이 사이클론부로부터 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 공급받아 플럭을 분리하는 부상분리부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 교반부에서 유입수에 플럭형성용 재료와 공기를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성함으로써, 오수의 정화처리 속도가 향상되는 동시에 우수한 수질의 정화수를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Description

오수의 정화장치 및 정화방법{Apparatus for purifying wastewater and method thereof}

본 발명은 오수의 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오수를 유입하여 오수에 포함된 이물질을 정화하여 정화된 정화수를 배출하는 오수의 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다.

비점오염원 및 오수관거 퇴적 오염물은 주로 우천 시 우수와 함께 정화장치로 유입되는데, 그 양이 막대하여 과부하가 자주 발생하고, 이로 인하여 처리되지 못한 채 하천에 방류되는 실정이므로, 정화장치에서의 신속한 처리가 요구된다.

종래에는 정화방식 중의 하나로서, 오수에 응집제 등을 투입하여 플럭을 형성하고, 그 플럭만을 제거함으로써 오수를 정화하는 방식이 연구되어 왔다.

그런데 종래의 기술은, 밀도가 1g/㎤ 이상인 고밀도의 플럭만을 형성하여 침전시키는 방식 또는, 밀도가 1 g/㎤ 미만으로 물에 부상하는 저밀도의 플럭만을 형성하여 부상(浮上)시키는 방식을 사용하여 왔다. 따라서, 이들은 모두 플럭의 형성 및 제거에 오랜 시간이 소요된다는 점, 오염물질이 고농도로 유입될 때 처리가 어려운 점, 우천시와 같이 유입되는 유량과 오염물질 농도가 크게 변할 때 잘 대응하지 못하는 점 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 오수의 정화처리 속도가 향상되는 동시에 우수한 수질의 정화수를 얻을 수 있고, 유입수의 농도에 따른 정화처리 공정을 다르게 하여 오수의 정화처리 효율을 향상시킬 수 있고, 플럭형성시간 및 비용을 절감할 수 있고, 플럭형성용 재료의 특성에 따른 플럭을 순차적으로 형성하여 교반조에서 플럭의 형성효율을 향상시킬 수 있고, 마이크로샌드의 재활용도를 향상시킬 수 있는 오수의 정화장치 및 정화방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 유입수에 플럭형성용 재료를 투입 및 교반하여, 플럭이 포함된 처리수를 형성하면서 고속 교반을 통해 플럭에 기포가 함침되도록 하는 교반부; 상기 교반부 내에서 플럭 내에 더 많은 기포가 함침되도록 상기 교반부에 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 플럭이 포함된 처리수를 가압 이송하는 펌핑부; 상기 가압된 처리수로부터 하류로 고밀도 플럭을 분리하고, 상류로 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 분리하는 사이클론부; 및 상기 사이클론부로부터 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 공급받아 플럭을 분리하는 부상분리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 교반부의 상류에 설치되어 유입수의 농도를 측정하는 유입수 측정부; 및 상기 교반부와 상기 펌핑부 사이에 설치되어, 상기 유입수 측정부의 측정결과에 따라 기준 농도값 이상인 경우에 상기 교반부에서 상기 펌핑부로 배출하고, 상기 기준 농도값 미만인 경우에 상기 교반부에서 상기 부상분리부로 배출하는 처리수 선택부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 상기 기준 농도값은, 70～150 NTU로 한다.

본 발명의 상기 처리수 선택부는, 처리수를 상기 사이클론부로 배출하는 제1 배출관과, 처리수를 상기 부상분리부로 배출하는 제2 배출관과, 처리수의 배출경로를 변경하는 제어밸브로 이루어져 있다.

본 발명의 상기 교반부는, 240～360rpm의 속도로 2～4분 동안 교반한다. 본 발명의 상기 교반부는, 금속염 응집제, 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 함께 투입되는 하나의 교반조로 이루어져 있다. 또는 본 발명의 상기 교반부는, 금속염 응집제가 투입되는 제1 교반조와, 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 투입되는 제2 교반조로 이루어져 있다.

본 발명의 상기 사이클론부의 하류에는 플럭에 포함된 마이크로샌드를 상기 교반부로 재투입하도록 인라인 믹서와 보조 사이클론이 설치되어 있다.

본 발명의 상기 펌핑부는, 처리수를 3～5 기압으로 가압 이송한다. 본 발명의 상기 부상분리부는, 3～5기압의 처리수를 1기압의 처리수로 자연적으로 감압되어 저밀도 플럭을 부상분리한다.

또한, 본 발명은 상기 기재된 오수의 정화장치를 이용한 오수의 정화방법으로서, 유입수에 플럭형성용 재료와 공기를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성하는 단계; 상기 플럭이 형성된 처리수를 가압 이송하는 단계; 상기 가압된 처리수로부터 고밀도 플럭을 분리하는 단계; 및 상기 고밀도 플럭이 분리된 처리수로부터 저밀도 플럭을 부상분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 기재된 오수의 정화장치를 이용한 오수의 정화방법으로서, 유입수의 농도를 측정하는 단계; 유입수에 플럭형성용 재료와 공기를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성하는 단계; 유입수의 농도측정결과에 따라 처리수로부터 분리하는 플럭을 선택하는 단계; 고밀도 플럭을 분리하는 처리수를 가압 이송하는 단계; 상기 가압된 처리수로부터 고밀도 플럭을 분리하는 단계; 및 상기 고밀도 플럭이 분리된 처리수로부터 저밀도 플럭을 부상분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 교반부에서 유입수에 플럭형성용 재료를 투입하고 고속으로 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성함으로써, 오수의 정화처리 속도가 향상되는 동시에 우수한 수질의 정화수를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한 교반부에서 플럭형성용 재료와 함께 공기를 투입함으로써 기포가 함침된 플럭이 더 잘 형성되도록 할 수도 있게 된다.

유입되는 오수의 농도에 따라 사이클론부와 부상분리부에 의해 고밀도 플럭과 저밀도 플럭을 순차적으로 분리하거나, 부상분리부에 의해 저밀도 플럭만 분리함으로써, 유입수의 농도에 따른 정화처리 공정을 다르게 하여 오수의 정화처리 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

교반부에서 고속교반에 의해 단시간에 기포가 함침된 플럭을 형성함으로써, 플럭형성시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.

교반부에서 플럭형성용 재료를 별도의 교반조에 투입하여 교반함으로써, 플럭형성용 재료의 특성에 따른 플럭을 순차적으로 형성하여 교반조에서 플럭의 형성효율을 향상시킬 수 있게 된다.

사이클론부의 하부에 인라인 믹서와 보조 사이클론을 설치하여 마이크로샌드를 회수하여 교반부에 투입해서 재사용하므로, 마이크로샌드의 재활용도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 오수의 정화장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 응집제에 의한 플럭의 형성과정을 나타내는 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 폴리머에 의한 플럭의 증대과정을 나타내는 모식도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로샌드에 의한 플럭의 밀도 증대과정을 나타내는 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가중응집반응을 단계별로 나타내는 사진.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 플럭 파괴의 2가지 유형에 관한 모식도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 교반강도와 플럭의 성장을 나타내는 그래프.
도 9과 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 공동 현상에 의한 기포 함침 플럭을 나타내는 사진.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 오수의 정화방법을 나타내는 흐름도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 실시예의 오수의 정화장치를 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 오수의 정화장치를 나타내는 구성도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 오수의 정화장치는, 교반부(10), 펌핑부(20), 사이클론부(30), 부상분리부(40), 공기공급부(50)로 이루어져 오수를 정화하는 오수의 정화장치이다.

교반부(10)는, 유입수에 플럭형성용 재료를 투입 및 교반하여, 플럭(floc)이 포함된 처리수를 형성하는 교반조로서, 모든 플럭형성용 재료를 함께 투입하여 교반하는 하나의 교반조로 이루어지거나 플럭형성용 재료를 개별적으로 투입하여 교반하는 복수의 교반조로 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.

즉, 플럭형성용 재료로는 금속염 응집제 및 폴리머 응집보조제가 사용되므로, 교반부(10)는 금속염 응집제 및 폴리머 응집보조제가 함께 투입되는 하나의 교반조로 이루어진다.

또한, 추가의 플럭형성용 재료로 마이크로샌드를 사용하는 경우에는 금속염 응집제, 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 함께 투입되는 하나의 교반조로 이루어진다.

또한, 교반부(10)는 금속염 응집제가 투입되는 제1 교반조(11)와, 폴리머 응집보조제가 투입되는 제2 교반조(12)로 이루어지는 것도 가능하다. 또한, 추가의 플럭형성용 재료로 마이크로샌드를 사용하는 경우에는 제2 교반조(12)에 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 함께 투입되는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 교반부(10)의 교반조건은, 240～360rpm의 속도로 2～4분 동안 교반하는 것이 바람직하다. 그 이유는 교반조에서 형성된 플럭에 기포를 함침시키도록 교반조의 교반속도를 증가시키게 되나 360rpm 보다 높게 되면 기포의 함침효과가 미미하고 4분 보다 장시간 교반하여도 추가적인 기포의 함침효과가 미미하기 때문에 상기 교반조건이 최적화된 조건으로 사용하게 된다.

특히, 제1 교반조(11)와 제2 교반조(12)를 사용하는 경우에는 각각 240～360rpm의 속도로 1～2분 동안 교반하여, 총 교반시간이 240～360rpm의 속도로 2～4분으로 유지되는 것이 바람직하다.

펌핑부(20)는, 교반부(10)에서 형성된 플럭이 포함된 처리수를 사이클론부(30)로 이송시키면서 사이클론부(30)에서 분리가 용이하도록 가압 이송하게 된다. 이때 펌핑부(20)는, 처리수를 3～5 기압으로 가압하는 것이 바람직하다. 그 이유는 압력이 낮으면 사이크론부(30)에서 분리효율이 저하되고, 압력이 높으면 불필요한 전력이 소모될 뿐만 아니라 사이클론부(30)에서 처리수의 분리시 사이클론부(30)가 손상될 위험이 있기 때문이다.

사이클론부(30)는, 펌핑부(20)에서 가압 이송된 처리수로부터 하류로 고밀도 플럭을 분리하고, 상류로 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 분리하는 플럭분리수단으로서, 이러한 사이클론부(30)는 하이드로 사이클론(hydro cyclone)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

부상분리부(40)는, 처리수에서 고밀도 플럭을 분리하는 사이클론부(30)로부터 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 공급받아 저밀도 플럭을 분리하는 부상분리조로서, 펌핑부(20)에서 가압된 처리수가 자연적으로 감압되면서 저밀도 플럭에 함침된 기포가 확장되어 저밀도 플럭이 처리수에서 부상되어 분리된다.

따라서 처리수에서 저밀도 플럭이 분리된 정화수는 배출수로 외부로 배출된다. 이와 같이 부상되어 분리된 저밀도 플럭은 별도의 슬러지 처리설비에서 처리되는데, 슬러지 처리설비는 하폐수처리장에 설치되어 있는 기존 설비를 활용할 수 있다.

즉, 부상분리부(40)는, 3～5기압의 처리수를 1기압의 처리수로 자연 감압하여 저밀도 플럭을 부상시켜 분리하게 된다.

공기공급부(50)는, 교반부(10)에 접속되어 교반부(10) 내에서 플럭 내에 더 많은 양의 기포가 함침될 수 있도록 교반부(10)에 공기를 공급하는 공기공급수단으로서, 블로워(53)에서 발생된 공기를 교반조에 공급하는 제1 공급관(51)과, 교반조의 후단에 공기를 공급하는 제2 공급관(52)으로 이루어져 있다.

특히, 제1 공급관(51)은, 교반부(10)가 복수의 교반조로 이루어진 경우에 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 투입되는 제2 교반조(12)에 접속되어 공기를 공급하는 것이 바람직하다.

이러한 공기공급부(50)는 플럭 내에 더 많은 양의 기포가 함침될 수 있도록 보조되는 수단이며, 교반 과정에서 충분한 기포가 함침되는 경우에는 제외될 수도 있다.

또한, 본 실시예의 오수의 정화장치는 유입수의 탁도가 70～150 NTU 이하로 낮을 경우, 사이클로부(30)의 분리공정 없이 부상분리부(40)에서만 저밀도 플럭을 분리하도록 유입수 측정부(60)와 처리수 선택부(70)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

유입수 측정부(60)는, 교반부(10)의 상류 전단에 설치되어 교반부(10)로 유입되는 유입수의 농도를 측정하는 측정수단으로서, 이러한 유입수 측정부(60)로는 탁도계 또는 부유물질 농도를 측정하는 MLSS 측정기(mixed liquor suspended solid meter) 등의 농도측정기를 사용하는 것이 바람직하다.

처리수 선택부(70)는, 교반부(10)와 펌핑부(20) 사이에 설치되어 유입수 측정부의 측정결과에 따라 처리수의 배출경로를 변경하게 되며, 처리수를 사이클론부(30)로 배출하는 제1 배출관(71)과, 처리수를 부상분리부(40)로 배출하는 제2 배출관(72)과, 처리수의 배출경로를 변경하는 제어밸브(73)로 이루어져 있다.

즉, 처리수 선택부(70)는 제어밸브(73)의 제어에 의해 처리수를 제1 배출관(71)을 통해서 펌핑부(20)로 배출하여 사이클론부(30)에서 고농도 플럭을 분리하게 된다.

또한 처리수 선택부(70)는 제어밸브(73)의 제어에 의해 처리수를 제2 배출관(72)을 통해서 부상분리부(40)로 배출하여 저밀도 플럭을 분리하게 된다. 이러한 제어밸브(73)로는 처리수의 배출경로를 변경시키도록 전동밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

따라서, 처리수 선택부(70)는 유입수 측정부(60)의 측정결과에 따라 기준 농도값 이상인 경우에 교반부(10)에서 펌핑부(20)로 배출하고, 기준 농도값 미만인 경우에 교반부(10)에서 부상분리부(40)로 배출하게 된다.

이와 같이 처리수의 배출경로 변경의 기준이 되는 기준 농도값은, 저밀도 플럭과 고밀도 플럭의 분리의 기준과 마찬가지로 70～150 NTU((Nepthelometric Turbidity Unit)로 적용하는 것이 바람직하다. 특히 이러한 기준 농도값을 100 NTU로 적용하는 것이 더욱 바람직하다.

유입수의 탁도가 상시 100 NTU 이하인 오수에 대해 본 발명을 실시하는 경우에는 상기 펌핑부(20), 상기 사이클론부(30) 및 상기 처리수 선택부(70)를 생략하고, 상기 교반부(10)에서 형성된 플럭이 포함된 처리수를 바로 상기 부상분리부(40)로 이송시켜 플럭을 분리할 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 실시예의 오수의 정화장치는, 사이클론부(30)의 하류에 설치되어 처리수의 플럭에 포함된 마이크로샌드를 회수하여 교반부(10)로 재투입하도록 취합용기(110), 인라인 믹서(120) 및 보조 사이클론(130)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

취합용기(110)는, 사이클론부(30)의 하부에 배출되는 고밀도 플럭과, 부상분리부(40)의 상부로 배출되는 저밀도 플럭을 취합하여 저장하는 저장용기이다.

인라인 믹서(120; in-line mixer)는, 취합용기(110)의 하류에 설치되어 마이크로샌드가 부착된 플럭으로부터 마이크로샌드를 이탈시키도록 플럭에 불규칙한 충격을 가하게 된다.

보조 사이클론(130)은, 인라인 믹서(120)의 하류에 설치되어 인라인 믹서(120)에 의해 플럭에 부착된 마이크로샌드를 이탈시킨 상태에서 사이클론에 의해 플럭과 마이크로샌드를 분리하게 된다. 따라서, 보조 사이클론(130)의 하부로 분리된 마이크로샌드는 교반부(10)로 재투입하여 재사용하도록 회수된다.

또한, 보조 사이클론(130)의 상부로 분리된 플럭은 상기 부상분리부(40)에서 분리된 저밀도 플럭과 함께 별도의 슬러지 처리설비에서 처리되는데, 슬러지 처리설비는 하폐수처리장에 설치되어 있는 기존 설비를 활용할 수 있다.

상기 교반부(10)에 마이크로샌드를 투입하지 않는 경우에는 상기 취합용기(110), 상기 인라인 믹서(120) 및 상기 보조 사이클론(130)이 생략될 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 실시예의 오수의 정화방법을 더욱 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 응집제에 의한 플럭의 형성과정을 나타내는 모식도이고, 도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 폴리머에 의한 플럭의 증대과정을 나타내는 모식도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마이크로샌드에 의한 플럭의 밀도 증대과정을 나타내는 모식도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가중응집반응을 단계별로 나타내는 사진이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 플럭 파괴의 2가지 유형에 관한 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 교반강도와 플럭의 성장을 나타내는 그래프이고, 도 9과 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 공동 현상에 의한 기포 함침 플럭을 나타내는 사진이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 오수의 정화방법을 나타내는 흐름도이다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 오수의 정화방법은, 도 1에 나타낸 상기 실시예의 오수의 정화장치를 이용한 오수의 정화방법으로서, 플럭형성용 재료 투입단계(S20), 교반 및 플럭 형성단계(S30), 처리수 가압 이송단계(S50), 고밀도 플럭 분리단계(S60) 및 저밀도 플럭 부상분리단계(S70)를 포함하여 이루어진다.

플럭형성용 재료 투입단계(S20)에서는, 유입수가 유입된 교반부(10)에 플럭형성용 재로로서 금속염 응집제, 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드 등을 투입하고, 공기공급부(50)로부터 공기를 공급한다.

플럭의 형성을 위해 유입수로 유입되는 오수에 투입되는 플럭형성용 재료는 금속염 응집제, 폴리머 응집보조제를 포함하는 것이 바람직하고, 추가로 마이크로샌드를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

교반 및 플럭 형성단계(S30)에서는, 교반부(10)의 교반조에서 플럭형성용 재료와 공기가 투입된 유입수를 교반하여 기포가 함침된 플럭을 포함하는 처리수를 형성한다.

이와 같은 플럭형성용 재료를 사용하는 경우, 가중응집반응(ballasted flocculation reaction)에 의해, 고밀도 플럭 및 저밀도 플럭을 더욱 원활하고 안정적으로 얻을 수 있다. 또한, 응집제는 오수의 콜로이드 입자를 불안정화시켜서 플럭을 형성하도록 하기 위하여 첨가되는 화학제이다.

따라서 도 2에 나타낸 바와 같이, 전기적으로 안정적인 오수의 콜로이드입자를 금속의 양이온을 형성하는 응집제를 주입하여 불안정한 상태를 만들어 입자 간의 반발력을 최소화시킬 경우 입자들은 서로 간에 뭉치게 되며 플럭을 형성하게 된다.

가중응집반응은 마이크로샌드와 같이 밀도가 높은 입자를 폴리머의 가교역할을 이용하여 플럭에 결합시켜 높은 밀도와 크기를 가지는 플럭을 만들어 냄으로써 침전 속도를 향상시키는 방법이다.

가중응집반응을 위해 투입되는 폴리머와 같은 응집제보조제는 마치 실뭉치와 같은 거대한 코일상태로서 수많은 극성기를 가지고 있어, 현탁입자와 결합되고 또한 현탁입자와 결합된 플럭들 상호간의 흡착작용에 의해서도 응집을 일으킨다.

따라서 도 3에 나타낸 바와 같이, 이러한 작용은 수용액에서 고리(loop)와 같은 상태로 존재하는 고분자의 흡착활성기가 입자의 표면에 흡착하게 되는 과정에서 정전기적 결합과 수소결합에도 작용하게 된다.

특히, 응집제만 사용하여 형성한 플럭은 크기가 매우 작고 결합강도가 약하게 된다. 또 응집보조제인 폴리머를 투입하면 폴리머는 플럭에 결합하여 다른 플럭과 추가적인 응결을 일으키는데 이를 가교역할에 의한 이중결합으로 이루어지게 된다.

따라서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이러한 폴리머의 가교 현상은 더 큰 플럭을 형성시켜 침전시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 다른 입자와의 결합도 가능하도록 하여 마이크로샌드와 같은 비교적 밀도가 높고 크기가 큰 입자와도 결합할 수 있도록 한다.

도 5는 실제 약품 주입에 따른 플럭의 크기 변화를 나타낸 것으로서, (a)는 콜로이드 상태, (b)는 마이크로 플럭의 생성상태, (c)는 마이크로샌드 투입상태, (d)는 가중응집 플럭의 생성상태에 관한 것이다.

본 실시예의 정화방법에 사용되는 마이크로샌드는 75～150㎛의 입도 분포를 가지는 것으로서, 결합력이 좋아 높은 밀도의 플럭을 생성할 수 있도록 한다. 그 이유는 마이크로샌드의 입도분포가 150㎛ 보다 높은 경우에 높은 밀도를 나타내지만 결합력이 부족하고, 75㎛ 보다 낮은 경우에 결합력이 뛰어나지만 형성되는 플럭의 밀도가 상대적으로 작기 때문이다.

또한, 플럭은 그의 특성상 교반강도, 교반방법 등 형성 환경의 영향을 많이 받는다. 교반강도는 속도경사 G와 교반시간 t의 곱으로 나타내며, G값이 높으면 입자간의 충돌 횟수가 증가하여 반응속도 및 플럭의 성장속도가 증가하게 된다. 같은 교반강도라 하더라도 속도경사와 교반시간에 따라서 플럭의 특성이 다르게 나타나는데 그 이유는 플럭이 생성되는 원리에서 찾을 수 있다.

또한, 플럭은 응집하는 공정에서 충돌시 결합과 파괴가 반복해서 이루어진다. 플럭 파괴의 형태는 2가지 방법으로 설명된다.

한 가지는 도 6에 나타낸 바와 같이 표면침식(surface erosion)으로 플럭 외부에 전단력이 작용하여 플럭 표면에서 입자가 떨어져나가 크기가 줄어드는 것을 말하며, 교반 중 플럭과 내벽, 임펠러 등의 충돌에 의해 일어난다.

두 번째는 도 7에 나타낸 바와 같이, 플럭 외부에서 발생한 인장력에 의해 비슷한 크기의 여러 플럭으로 쪼개어지는 현상으로, 교반 중에 플럭이 결합을 유지하기 힘든 크기로 성장하였을 때 나타난다.

따라서, 높은 교반강도에서는 플럭 충돌 횟수가 증가하여 성장속도가 빠르지만, 충돌강도와 외부에 가해지는 전단력이 증가하고 유속이 빨라 플럭에 작용하는 인장력도 증가하게 되어 성장할 수 있는 최대 한계 성장 크기가 감소하게 되지만 결합과 파괴가 빠르게 반복되며 조밀도가 높은 플럭이 형성된다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 교반강도가 낮은 경우는 충돌 횟수가 감소하여 성장속도는 느리게 나타나지만, 충돌강도와 전단력, 인장력이 감소하여 최대 한계 성장 크기가 증가하고 느슨한 결합의 밀도가 낮은 플럭이 형성되는 경향이 있다.

이와 같은 이유로 교반강도가 약하면 반응시간이 오래 걸리게 되며, 한계 성장 크기가 크며 밀도와 강도가 낮은 플럭이 생성된다. 이러한 플럭은 밀도와 강도가 낮아 하이드로 사이클론의 회전 충격에 의해서 해리된다. 반면, 교반강도가 강하게 되면 반응시간이 짧아지고 한계 성장 크기가 작지만 밀도와 강도가 높은 플럭이 생성된다.

본 실시예의 교반단계에서는 이러한 교반 강도차이에 의한 하이드로 사이클론에서의 고속 분리와 부상 분리조에서의 고속 부상이 가능한 플럭을 생성하도록 하였다.

임펠러의 고속 회전으로 액체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면은 액압이 저하하는데, 그렇게 되면 압력이 액체의 포화증기압보다 낮아진 범위에 증기가 발생하거나 액체 속에 녹아 있던 기포가 생성되며, 이러한 현상을 공동현상이라고 한다. 본 실시예의 교반단계에서의 교반속도를 240～360 rpm으로 빠르게 하였다.

따라서 고속의 가중응집반응조(교반조)에서 고속 회전에 의한 공동현상으로 생성된 기포는 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이 생성된 고밀도 플럭 사이에 미세 기포로 함침된다.

처리수 가압 이송단계(S50)는, 플럭이 형성된 처리수를 펌핑부(20)의 가압펌프에 의해 가압한다. 가압 이송단계에서는 사이클론부(30)의 하이드로 사이클론에서의 고속 구동을 위해서 3～5 bar의 압력을 유지하여 고압으로 압축되어, 고밀도 플럭은 하이드로 사이클론에서 1차적으로 제거되고, 이후에 나머지 저밀도 플럭을 포함한 처리수가 부상분리부(40)의 부상분리조에서 자연 감압되며 함침된 미세 기포와 함께 저밀도 플럭이 부상되어 제거된다. 이러한 처리수의 가압은 교반부(10)와 사이클론부(30) 사이에 설치된 펌핑부(20)의 가압 이송펌프에 의해 이루어진다.

고밀도 플럭 분리단계(S60)에서는 가압된 처리수를 사이클론부(30)의 하이드로 사이클론에 의해 처리수로부터 고밀도 플럭을 분리한다. 즉 하이드로 사이클론은 원심력으로 입자의 침전속도를 가속시켜 입자를 분리시키는 고액분리기술로 기계적 구동이 전혀 없는 침전형 분별기이다.

이러한 하이드로 사이클론은, 유체의 회전력에 의해 비중이 높은 물질은 하부 배출구를 통해 배출되고 비중이 낮은 물질은 상부배출구를 통해 분리되는 원리로서, 유체에 포함된 고체입자는 유체의 비중과 차이가 분명해야만 분리가 가능하고, 입자의 크기, 형태, 밀도, 농도 등에 의해 유체에 포함된 고체입자의 운동특성이 달라지기 때문에, 크기와 밀도가 작고 농도가 낮으며 형태가 불안정한 플럭의 분리에는 잘 사용되지 않는다.

본 실시예의 정화방법은 가중응집반응을 도입함으로써, 크기와 밀도가 높고 결합강도가 뛰어난 플럭을 형성하므로, 하이드로 사이클론을 이용한 분리가 유리해졌으며, 분리구간에서의 체류시간이 상대적으로 긴 퍼지트랩 방식의 하이드로 사이클론을 이용하는 경우 비교적 적은 밀도차에서도 분리가 가능하다는 장점이 있다.

일반적인 하이드로 사이클론은 원통부(cylindrical section)와 원추부(conical section)가 결합된 통형상의 실린더 형태로 구성된다. 유체 속에 있는 부유입자는 실린더 상단에 위치한 유입구를 통하여 접선방향으로 유입된다.

접선방향의 유입으로 내부에서 강한 회전력이 시작되고, 이로 인해 강력한 소용돌이 움직임이 내부에서 일어나며, 외측벽을 향한 입자의 이동을 가속시키는 원심력이 발생하여 입자들은 원통부와 원추부를 통해서 나선형태로 하향이동하게 된다.

내부의 강력한 와류운동(vortex motion) 내에 있는 입자는 중력(gravity), 원심력(centrifugal force), 항력(drag force)의 영향을 받는데, 중력의 영향은 다른 두 힘에 비해 작다.

미세한 입자(fine fraction)를 포함한 유체는 항력의 영향을 받아 하이드로 사이클론 중심부로 이동하고, 여기서 발생하는 강한 상승흐름을 형성하여 중앙 상부의 배출관을 통해 배출된다.

큰 입자(coarse fraction)는 원주 방향으로 작용하는 원심력의 지배를 받아 입자가 안쪽으로 흐르는 것을 방해받고, 이로 인해 내벽으로 이동한 입자들은 내벽과 부딪치며 관성력(inertia force)을 잃고 원추부의 벽을 따라 흘러 슬러리 또는 죽 상태로서 하부 배출구를 통해 분리 배출된다.

또한, 하이드로 사이클론은 원통부의 길이를 길게 하여 유속을 빠르게 하고 원심력을 높이는 경우, 높은 원심력을 받는 체류시간을 길게 하여 적은 밀도차에서도 높은 분리효율을 가질 수 있다는 장점도 있다. 특히, 퍼지트랩 방식의 하이드로 사이클론을 적용하는 경우, 상부로 유출되는 유량을 90% 이상으로 증대할 수 있으므로, 더욱 바람직하다.

저밀도 플럭 부상분리단계(S70)에서는, 고밀도 플럭이 분리된 처리수, 즉 저밀도 플럭을 포함한 처리수를 자연 감압하여 저밀도 플럭을 부상분리한다. 따라서 처리수에서 저밀도 플럭이 분리된 정화수는 배출수로 외부로 배출된다.

이러한 부상분리에는 액체로부터 고체 입자를 분리하는데 사용되는 단위 조작 중의 하나로서, 미세 공기를 액체 속에 넣어 줌으로서 입자가 부상되어 분리가 일어나게 하는 가압 부상분리법과, 액체가 들어 있는 용기를 진공으로 만들어 줌으로써 액체 속에 용존되어 있던 공기를 기포화하여 부상분리가 이루어지게 하는 감압 부상분리법이 있다.

감압 부상분리법은 생성된 기체방울이 입자성 물질에 달라붙게 되면 다량의 기체방울에 의한 부력으로 입자를 물 위로 떠오를 수 있게 한다. 따라서 감압 부상분리는 침전분리 보다 천천히 침전하는 작고 가벼운 입자들을 단시간 내에 완전히 제거할 수 있다는 것이다. 본 실시예의 오수처리시 부상분리는 부상 촉진재로서 공기를 사용하는 것이 바람직하다.

공기방울이나 기포를 이용한 가압 부상분리 처리법은 용존공기 부상분리법과 공기부상분리가 있으며 여러 가지 화학적 첨가물을 가함으로서 제거효율을 높일 수 있다.

용존공기 부상분리법은 오수가 압력을 가진 상태에서 공기를 주입한 후 압력을 제거하여 기포를 발생시키는 방법이고, 공기부상분리법은 대기압 하에서 포기시키는 공정으로 회전하는 임펠러나 산기관을 통하여 오수 속으로 공기를 직접 주입함으로서 공기방울을 형성하여 부유물질을 부상시키는 방법이다.

본 실시예의 부상분리 단계는 종래 공법들과는 달리 별도의 공기 주입이나 용기의 감압이 없다는 특징이 있다.

고속 가중응집반응조에서 형성된 미세 기포가 플럭 내에 함침되고, 하이드로 사이클론에서 부상 분리조로 이송되는 동안에 발생하는 자연적인 감압에 의해 빠른 속도로 부상된다.

교반조에서 부상 분리조로 유입되는 플럭은 전단계의 하이드로 사이클론에서 고밀도 플럭이 1차적으로 분리 제거된 저밀도 플럭이 대부분으로, 부상 분리에 유리한 조건이다. 이러한 플럭들은 대부분 플럭 내부에 미세 기포 방울을 함침하고 있다. 또한, 플럭에 함침된 기포 뿐 아니라 처리수 내부에 용존 되어 있던 공기가 팽창하여 많은 양의 기포가 생성되어 플럭의 부상속도가 대단히 빠르도록 한다.

또한, 본 실시예의 오수의 정화방법은, 유입수의 농도에 따라 고밀도 플럭의 분리단계 없이 저밀도 플럭의 부상분리단계에서만 저밀도 플럭을 분리하도록 농도측정단계(S10)와, 처리수 선택단계(S40)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

농도측정단계(S10)에서는, 교반부(10)에 유입되는 유입수의 농도를 교반부(10)의 상류에서 측정한다. 따라서 처리수 선택단계(S40)에서는, 유입수의 농도측정결과에 따라 교반부(10)의 하류에서 처리수의 배출경로를 변경하여 처리수로부터 분리되는 플럭을 선택한다.

또한, 본 실시예의 오수의 정화방법은 교반부(10)에 투입된 마이크로샌드를 회수하여 재사용하도록 마이크로샌드 회수단계(S80)를 더 포함하는 것도 가능함은 물론이다.

마이크로샌드 회수단계(S80)는 처리수의 고밀도 플럭과 저밀도 플럭에 포함된 마이크로샌드를 회수하고 교반부(10)로 이송하여 재투입하므로, 마이크로샌드를 회수하여 재사용한다.

즉, 사이클론부(30)에 의해 고밀도 플럭 분리단계에서 발생한 고밀도 플럭 및 부상 분리단계에서 발생한 저밀도 플럭은 별도의 취합용기(110)에 취합된 후, 이들 플럭을 파쇄하고 마이크로샌드를 회수하여 재사용한다.

부상분리부(40)에서 발생한 저밀도 플럭의 기포를 저감하기 위하여, 취합용기(110)에서 저속으로 교반하는 것도 가능함은 물론이다.

교반조에서 생성되는 고밀도 플럭의 경우, 하이드로 사이클론의 분리공정만으로는 파괴 및 분리가 어렵다. 따라서 고밀도 플럭으로부터 마이크로샌드를 회수하여 재사용하기 위해, 추가적으로 인라인 믹서(120)를 이용하여 배관 내부의 와류를 일으키고 접촉면적을 높여 플럭의 파쇄가 가속화되도록 하였다.

인라인 믹서(120)는 관로 내에 고정된 일련의 엘리먼트(mixing element)로 구성되며, 혼합될 유체가 관로를 통과할 때 연속적으로 유동분할, 방향전환, 재결합 등의 과정이 반복되며 혼합되는 장치로 유체의 연속 혼합 조작에 사용된다.

인라인 믹서(120)에 의해 파괴된 플럭과 마이크로샌드는, 보조 사이클론(130)으로서 하이드로 사이클론에서 밀도의 차에 의해 분리된다. 밀도가 낮은 플럭은 상부로 유출되어 슬러지 처리공정으로 보내지고, 마이크로샌드는 하부로 분리되어 교반조로 투입되어 재사용된다.

인라인 믹서(120)에 의해 파쇄된 플럭과 마이크로샌드의 혼합물은 보조 사이클론(130)에서 분리하여, 플럭은 슬러지로 제거하게 되고, 마이크로샌드는 교반부(10)로 이송하여 재사용 할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 교반부에서 유입수에 플럭형성용 재료를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성함으로써, 오수의 정화처리 속도가 향상되는 동시에 우수한 수질의 정화수를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한 교반부에서 플럭형성용 재료와 함께 공기를 투입함으로써 기포가 함침된 플럭이 더 잘 형성되도록 할 수도 있게 된다.

유입되는 오수의 농도에 따라 사이클론부와 부상분리부에 의해 고밀도 플럭과 저밀도 플럭을 순차적으로 분리하거나, 부상분리부에 의해 저밀도 플럭만 분리함으로써, 유입수의 농도에 따른 정화처리 공정을 다르게 하여 오수의 정화처리 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

교반부에서 고속교반에 의해 단시간에 기포가 함침된 플럭을 형성함으로써, 플럭형성시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.

교반부에서 플럭형성용 재료를 별도의 교반조에 투입하여 교반함으로써, 플럭형성용 재료의 특성에 따른 플럭을 순차적으로 형성하여 교반조에서 플럭의 형성효율을 향상시킬 수 있게 된다.

사이클론부의 하부에 인라인 믹서와 보조 사이클론을 설치하여 마이크로샌드를 회수하여 교반부에 투입해서 재사용하므로, 마이크로샌드의 재활용도를 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

10: 교반부 20: 펌핑부
30: 사이클론부 40: 부상분리부
50: 공기공급부 60: 유입수 측정부
70: 처리수 선택부 110: 취합용기
120: 인라인 믹서 130: 보조 사이클론

Claims (14)

1. 유입수에 플럭형성용 재료를 투입 및 교반하여, 플럭이 포함된 처리수를 형성하면서 고속 교반을 통해 플럭에 기포가 함침되도록 하는 교반부;
   상기 교반부 내에서 플럭 내에 더 많은 기포가 함침되도록 상기 교반부에 공기를 공급하는 공기공급부;
   상기 기포가 함침된 플럭이 형성된 처리수를 가압 이송하는 펌핑부;
   상기 가압된 처리수로부터 하류로 고밀도 플럭을 분리하고, 상류로 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 분리하는 사이클론부; 및
   상기 사이클론부로부터 저밀도 플럭이 포함된 처리수를 공급받아 플럭을 분리하는 부상분리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 교반부의 상류에 설치되어 유입수의 농도를 측정하는 유입수 측정부; 및
   상기 교반부와 상기 펌핑부 사이에 설치되어, 상기 유입수 측정부의 측정결과에 따라 기준 농도값 이상인 경우에 상기 교반부에서 상기 펌핑부로 배출하고, 상기 기준 농도값 미만인 경우에 상기 교반부에서 상기 부상분리부로 배출하는 처리수 선택부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기준 농도값은, 70～150 NTU 인 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 처리수 선택부는, 처리수를 상기 사이클론부로 배출하는 제1 배출관과, 처리수를 상기 부상분리부로 배출하는 제2 배출관과, 처리수의 배출경로를 변경하는 제어밸브로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 교반부는, 240～360rpm의 속도로 2～4분 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 교반부는, 금속염 응집제 및 폴리머 응집보조제가 함께 투입되는 하나의 교반조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 하나의 교반조에는 마이크로샌드가 함께 투입되는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 교반부는, 금속염 응집제가 투입되는 제1 교반조와, 폴리머 응집보조제가 투입되는 제2 교반조로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제2 교반조에는, 폴리머 응집보조제 및 마이크로샌드가 함께 투입되는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
10. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 사이클론부의 하류에는 플럭에 포함된 마이크로샌드를 상기 교반부로 재투입하도록 인라인 믹서와 보조 사이클론이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌핑부는, 처리수를 3～5 기압으로 가압 이송하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 부상분리부는, 3～5기압의 처리수를 1기압의 처리수로 감압하여 저밀도 플럭을 부상분리하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화장치.
13. 오수의 정화장치를 이용한 오수의 정화방법으로서,
    유입수에 플럭형성용 재료와 공기를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성하는 단계;
    상기 플럭이 형성된 처리수를 가압하는 단계;
    상기 가압된 처리수로부터 고밀도 플럭을 분리하는 단계; 및
    상기 고밀도 플럭이 분리된 처리수로부터 저밀도 플럭을 부상분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화방법.
14. 오수의 정화장치를 이용한 오수의 정화방법으로서,
    유입수의 농도를 측정하는 단계;
    유입수에 플럭형성용 재료와 공기를 투입하고 교반하여 기포가 함침된 플럭을 형성하는 단계;
    상기 유입수의 농도측정결과에 따라 처리수로부터 분리하는 플럭을 선택하는 단계;
    고밀도 플럭을 분리하는 처리수를 가압 이송하는 단계;
    상기 가압된 처리수로부터 고밀도 플럭을 분리하는 단계; 및
    상기 고밀도 플럭이 분리된 처리수로부터 저밀도 플럭을 부상분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오수의 정화방법.

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