KR101197748B1 - 와류 산기장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오폐수 처리나, 산소와 같은 기체를 액체에 공급하기 위한 각종 산업분야에 활용하기 위한 산기장치에 관한 것으로서, 특히 챔버가 형성되고, 상기 챔버의 측면에는 유체가 접선방향으로 유입되도록 입구가 형성되어 유입된 유체가 와류를 형성하면서 회전하며, 상기 챔버의 단부로 갈수록 직경이 좁아지면서 말단부에는 출구가 형성되어 회전되는 유체를 토출시키는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 챔버 내부로 유입된 유체가 와류를 형성하여 고속으로 회전하도록 하여 산소전달률의 증가뿐만 아니라, 교반의 역할도 수행하여 슬러지의 퇴적을 줄여 폐구간을 줄일 수 있으며, 회전력을 이용하여 기존의 산기장치들에 비하여 유체 기포를 매우 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 기포가 종래의 산기장치들과 달리 수직으로 상승하지 않고 경사면으로 이동하면서 상승하게 되기 때문에 수중에서의 체류시간이 길어 산소전달률의 효율을 더욱 높이는 이점이 있다.

Description

와류 산기장치{vortex air diffuser}
본 발명은 가정이나 산업현장, 농축산현장에서의 오폐수 처리나, 산소와 같은 기체를 액체에 공급하기 위한 각종 산업분야에 활용하기 위한 산기장치에 관한 것으로서, 챔버, 입구 및 출구의 구조를 개선하여 산소전달 효율을 증대시키고 강력한 와류를 이용하여 교반까지 수행함으로써 처리효율을 향상시킨 와류 산기장치에 관한 것이다.
현대사회가 공업화, 산업화되어 감에 따라 가정이나 산업현장, 농축산현장에서 배출되는 오폐수는 그 량이나 오염도가 점차적으로 증가하고 있는 추세이며, 그에 따라 오폐수를 처리하기 위한 방법이나 시설을 위한 종래기술 또한 상당히 많이 나와 있다.
일반적으로 오, 폐수를 처리하기 위해서 많이 쓰이는 방법은 화학적으로 처리하는 방법과 생물학적으로 처리하는 방법이 있다.
화학적으로 처리하는 방법은 그 처리속도는 빠르나 화학약품에 의한 추가오염의 문제가 있으므로 생물학적으로 처리하는 방법이 널리 쓰이며, 그 중 활성오니법에 의한 방법이 활발히 연구되고 있다.
활성오니법이란 오폐수를 활성오니(호기성 세균)와 함께 산기, 교반하여 BOD(생물학적 산소요구량)를 거의 만족시키도록 하면, 하수 속의 콜로이드상이나 용해한 물질이 침전하거나 활성오니에 접착되어 깨끗한 물로 되는데 한 차례의 정화작용을 한 후 침전된 물질을 분리하거나 필요에 따라 폐기 또는 다시 본처리 과정으로 반송하여 오폐수를 처리하는 방법을 말한다.
이러한 오폐수 처리를 위해서는 오폐수에 효율적인 산소전달을 위한 산기장치가 필수적으로 필요하다. 종래의 산기장치에 관한 기술로서, 노즐형 산기장치(대한민국특허청 공개특허공보 10-2005-0112554호), 음향공진을 위한 산기장치(대한민국특허청 공개특허공보 특1998-028981호), 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치(대한민국특허청 공개특허공보 10-2004-0098481) 등이 있다.
상기의 종래기술은 기본적으로 공기가 토출되는 산기장치에서 산소전달 효율을 증대시키기 위한 것으로서, 산기조 출구에 노즐 목을 설치하는 것, 회전 소용돌이와 공진에 의한 음향에너지를 이용하여 산소의 용해도를 증가시켜 산소전달 효율을 향상시키는 것이다.
그러나, 상기의 종래 기술은, 산기장치에 사용되는 산기조에 대한 형태에 대한 고려가 없이 단순히 공기가 토출되는 출구를 개선하거나, 회전 소용돌이와 공진을 의한 음향에너지를 이용하여 산소전달 효율을 향상시킨 것으로, 회전 소용돌이가 약하며, 기포가 수중에 체류하는 시간이 적거나, 작은 음향공진 에너지 등으로 인한 낮은 산소전달효율이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 챔버, 입구 및 출구의 구조를 개선하여 산소전달 효율을 증대시키고 강력한 와류를 이용하여 교반까지 수행함으로써 처리효율을 향상시킨 와류 산기장치의 제공을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 것으로서, 챔버가 형성되고, 상기 챔버의 측면에는 유체가 접선방향으로 유입되도록 입구가 형성되어 유입된 유체가 와류를 형성하면서 회전하며, 상기 챔버의 상단부 및 하단부로 갈수록 직경이 좁아지면서 말단부에는 출구가 형성되어 회전되는 유체를 토출시키되,
상기 출구는 유체의 막힘 현상을 줄이도록 상기 챔버의 상단부 및 하단부에 각각 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 입구(110)는 챔버(100)의 측면에 형성되되, 입구 끝단부로 갈수록 좁아지는 구조를 갖는다.
상기 출구(120)의 출구면은 출구의 수직방향에 대해 45°~60°의 경사를 갖는다.
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여기에서, 상기 챔버 내부면에는 유체의 마찰력 감소를 위해 딤플이 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 딤플의 폭과 깊이의 비율은 1:(1 미만)으로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 챔버 내부로 유입된 유체가 와류를 형성하여 고속으로 회전하도록 하여 산소전달률의 증가뿐만 아니라, 교반의 역할도 수행하여 슬러지의 퇴적을 줄여 폐구간을 줄일 수 있으며, 회전력을 이용하여 기존의 산기장치들에 비하여 유체 기포를 매우 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 기포가 종래의 산기장치들과 달리 수직으로 상승하지 않고 경사면으로 이동하면서 상승하게 되기 때문에 수중에서의 체류시간이 길어 산소전달률의 효율을 더욱 높이는 효과가 있다.
또한, 수중 또는 기중의 빠른 수평이동에 의하여 기포와 물 사이의 경막 저항이 감소하여 산소 용해가 용이해지도록 하여, 산소전달효율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 챔버 내부에 미세 딤플을 형성하여 유체의 마찰력과 전단응력을 감소시켜 산기장치의 효율을 증가시키고 에너지를 절약할 수 있도록 하였으며, 주입되는 유체를 기체가 아닌 액체를 이용할 수 있어 다양한 산업분야에 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1 - 본 발명의 일실시예에 따른 와류 산기장치에 대한 측면 단면도(a) 및 평면 단면도(b).
도 2 - 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류 산기장치에 대한 측면 단면도(a) 및 평면 단면도.
본 발명은 가정이나 산업현장, 농축산현장에서의 오폐수 처리나, 산소와 같은 기체를 액체에 공급하기 위한 각종 산업분야에 활용하기 위한 산기장치에 관한 것으로서, 산기된 유체(액체 또는 기체)를 기중 또는 액중에 산기하여 토출하도록 하는 것이다. 본 발명에서는 축산폐수 처리시 사용되는 산기장치를 중심으로 설명하고자 하며, 이에 의해 산기되는 유체는 기체 즉 공기(산소)이며, 액중 즉 오폐수에 산기된 공기가 토출되도록 하는 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 와류 산기장치에 대한 측면 단면도(a) 및 평면 단면도(b)이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 와류 산기장치에 대한 측면 단면도(a) 및 평면 단면도(b)이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 축산폐수 처리를 위한 산기장치는, 챔버(100)가 형성되고, 상기 챔버(100)의 측면에는 공기가 접선방향으로 유입되도록 입구(110)가 형성되며, 상기 챔버(100)의 단부로 갈수록 직경이 좁아지면서 말단부에는 출구(120)가 형성되어 회전되는 공기를 오폐수에 토출시키도록 하는 것이다. 즉, 상기 챔버(100)의 측면에는 공기가 접선방향으로 유입되는 입구(110)가 형성되고, 말단부에는 출구(120)가 형성되어 접선방향으로 회전되어 와류를 이루는 유체를 토출시키는 것이다.
먼저, 상기 챔버(100)의 재질로서는 금속, 플라스틱 등 다양한 재질이 이용가능하며, 축산폐수의 특성상 반응열에 강해야 하며 내부식성을 가진 재질이 유리하며, 기존의 다양한 제작방법을 활용할 수 있는데, 주조제작 방법이나, 부분적으로 주조 제작하여 결합하는 방법 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 입구(110)는 타원형과 유사하게 챔버(100)의 수평방향으로 다소 길게 형성되되, 일측부가 좁게 형성되어 유입되는 공기가 좁은 쪽 방향(시계방향 또는 반시계방향)으로의 일정한 접선 방향으로 회전되도록 한다. 즉, 외부에서 펌프 등에 의해 유입된 공기는 챔버(100)의 입구(110)에 도달하면 입구(110)의 좁은 부위로 더 많이 공급되면서 특정 방향으로 회전하게 되는 와류를 형성하고 점차적으로 회전에너지를 얻게 되어 고속으로 일정한 방향으로 회전하게 된다. 상기 입구(110)는 필요에 따라 측면에 다수개 형성할 수 있다.
또한, 상기 출구(120)는 상기 챔버(100)에 하나 이상 여러 개 형성될 수 있으며, 챔버(100)가 수직으로 다소 긴 원통형으로 형성된 경우에는 도 1과 같이 상단부 및 하단부에 형성되거나 필요에 따라 측면에도 형성되게 할 수 있다. 또한, 도 2와 같이 상단부에만 출구(120)가 형성될 수도 있으며, 이 경우에는 주로 액체를 공급하여 산기시키는 살수장치로 활용될 수 있다.
또한, 상기 출구(120)는 상기 챔버(100)의 수직방향에 대해 45°~60°를 이루는 경사면을 이루도록 출구(120)의 방향이 수평방향에 근접하도록 형성하여 기포가 토출될 때에 수평방향으로 토출되어 기포의 수중 체류 시간을 증가시키도록 하는 것이다. 즉, 상기 출구(120)의 출구면은 출구의 수직방향에 대해 45°~60°의 경사를 갖는다.
또한, 상기 챔버(100) 내부면에는 미세 딤플(130)이 형성되어, 회전되는 공기의 마찰력을 최소화하여 고속으로 회전할 수 있도록 한 것으로, 상기 딤플(130)의 폭과 깊이의 비율은 1:(1 미만)으로 설정되어 적절히 공기의 마찰력 감소에 기여하도록 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 산기장치는 접선방향으로 공기가 유입되도록 입구(110)가 형성되며, 출구(120)면이 경사면을 가지도록 형성되어, 에너지의 낭비없이 와류를 형성하여 공기를 고속으로 회전시키고, 출구(120)를 여러 개 형성하여 기존 기술의 단점인 막힘 현상이 없으며, 산기장치의 산소전달 효율을 증대시키고 또한, 강력한 와류를 이용하여 교반까지 수행함으로써 폐수 처리시 저면부에 쌓이게 되는 퇴적물을 감소시켜 폐구간을 줄일 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 원리 및 작용 효과에 대해 상세히 살펴보고자 한다.
본 발명은 와류를 이용한 산기장치에 관한 것으로, 특히 폐수처리장의 산소 공급장치에 있어서 와류에 의한 회전에너지를 이용하여 산소의 용해도를 증가시켜 산소전달 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 와류를 이용한 교반까지 가능한 산기장치이다.
산기장치는 일종의 기체와 액체 간의 상이한 두 물질 간의 산기나 물질 전달 장치에 관한 것으로서, 두 물질 간의 접촉면적을 넓게 하거나, 평형상태를 이루고 있는 물질의 상태를 불안정한 상태로 만들어 물질과 물질의 경계층인 경막을 얇게 하면 된다. 특히, 액체에 산기되는 기체를 분산시키면, 액체와 기체의 접촉 면적이 넓어지므로, 기체의 액체로의 전달(용해)이 촉진된다.
일반적으로 산기장치의 성능을 나타내는 수온 20℃에서의 표준 산소전달효율(SOTE:Standard Oxygen Transfer Efficiency)은 아래 식으로 표시된다.
SOTE=(흡수산소의 질량/산소)/(공급산소의 질량/산소)
표준 산소전달 효율을 파악하기 위해서는 기상으로부터 액상으로의 산소이동에 대하여 살펴볼 필요가 있다. 기상으로부터 액상으로의 산소이동에 대해서는 두개의 경막저항이 존재한다는 이중경막설이 일반적으로 받아들여지고 있으며 이 이론에 기초하여 아래와 같은 산소전달속도(dW/dt)에 대한 식이 도출된다.
dW/dt = kLa(Cs-Cl)
W는 산소이동량(mol), t는 시간(min), kL은 액경막의 산소이동계수(cm/min), a는 기액 접촉면적(cm2), Cs는 액중의 용존산소포화농도(mol/cm3), Cl은 액중의 용존산소농도(mol/cm3)를 나타낸다.
상기의 식에서 산소의 수중으로의 이동속도(dW/dt)는 기액 접촉면적 a와 액경막의 산소이동계수 kL에 비례하는 것을 알 수 있다. 기체와 물의 접촉면적(기액 접촉면적) a는 동일 양의 기체의 경우에, 기체가 물속에서 미세화될수록 증가한다. 또한, 액경막의 산소이동계수 kL은 기포와 물 사이 존재하는 경막의 두께에 반비례하고, kL은 정적인 상태보다 와류 등에 의하여 불안정한 상태일수록 경막 두께가 얇아져서 경막 저항이 감소하여 증가한다고 알려져 있다.
이상을 종합하여 보면, 표준 산소전달 효율을 증가시키기 위해서는 다음과 같은 방법이 일반적으로 고려되고 있다.
1. 물과 공기의 접촉면적을 증가시키기 위하여 미세 공기방울을 생성한다.
2. 물과의 접촉시간을 증가시키기 위하여 공기방울의 이동경로를 가능한 수평으로 하여 물속에서의 체류시간을 연장한다.
3. 기-액의 접촉면에 존재하는 평행상태를 불안정한 상태로 만들어 경계층인 경막(境膜)을 얇게 하기 위해서 공기방울에 에너지를 공급한다.
본 발명은 상기와 같은 세 가지의 원리를 적용하여 발명되었다.
도시된 바와 같이, 산기장치(챔버(100)) 내부로 유입된 공기는 상부로 갈수록 그 직경이 감소함에 따라, 공기가 토출되는 출구(120)의 간격이 좁아져서 토출되는 기포의 크기가 줄어들고 토출속도가 증가하게 된다. 기포들의 크기가 줄어들어 미세화되면 상기 항목 1에서와 같이 물과 공기의 접촉면적이 증가되어 산소전달효율을 향상되게 된다.
또한, 상기 챔버(100)의 내주면은 상부로 갈수록 그 직경이 감소하고, 말단에 형성된 출구(120)는 경사면을 이루도록 외부로 갈수록 넓게 형성되면, 기포가 토출될 때에 수평 방향으로 토출되어 기포의 수중 체류시간이 증가하여, 상기 항목 2에 의하여 결국 산소전달효율이 향상되게 된다.
또한, 본 발명에서는 기포의 회전력과 속도가 증가하고, 토출되는 기포의 수평이동 속도가 빨라지므로, 물속에서 기포의 체류시간 및 이동경로가 더욱 연장되어 상기 항목 2를 만족시켜 수중으로 녹아 들어가는 산소의 양이 증가한다. 또한, 기포의 토출 속도가 빨라지면, 기포와 물 사이의 경막이 얇아져서 상기 항목 3에 의하여 산소가 수중으로 녹아 들어가는 속도가 빨라진다.
상기와 같이 본 발명의 와류 산기장치는 회전력 및 미세화된 기포의 생성을 통하여 기존의 산기장치 보다 증가된 산소전달효율을 보여준다.
한편, 본 발명의 챔버(100) 내부면에는 미세한 딤플(130)이 형성되며, 미세 딤플(130)은 운동하는 면의 전단응력을 감소시켜 공기의 마찰특성을 개선시키게 된다.
일반적으로 전단응력은 딤플(130)의 깊이가 깊어질수록 작아지지만 그 효과는 줄어든다. 또한, 딤플(130)의 깊이 방향으로 압력변화가 발생되며 음의 압력과 양의 압력이 교차하는 점에서 공기가 회전 유동을 가지게 된다. 딤플(130)에 의한 마찰력 감소효과는 딤플(130) 내 공기의 유동에 의해 크게 영향을 받으려 딤플(130)의 체적이 증가할수록 마찰력의 감소효과가 크게 나타나는데, 딤플(130)의 지름이 커질수록 마찰력 감소효과는 커지면 딤플(130)의 배열은 마찰감소에는 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 딤플(130)의 폭과 깊이의 비가 1:1인 경우와 그 이상의 깊이에 대한 경우 더 이상의 마찰력 감소효과는 나타나지 않으므로, 딤플(130)의 폭과 깊이의 비율은 1:(1 미만)으로 설정되어야 한다.
이와 같이 미세 딤플(130)을 챔버(100) 내에 성형함으로써, 마찰력과 전단응력의 감소시켜 산기장치의 효율을 증가시키고, 그에 따른 에너지 소비의 감소를 이룰 수 있다.
본 발명에서의 산기장치는 폐수처리장치에서의 산소 공급이외에도 맥주 발효, 미생물 발효, 기타 폐수처리공정, 또는 그 밖의 화학공정 중에 산소와 같은 기체를 액체에 공급하는데 응용이 가능하다. 또한, 액체와 고체, 또는 액체와 액체 등과 같이 두 종류의 물질을 혼합하는 데에 사용이 가능하다. 그리고 주입되는 유체를 기체가 아닌 액체를 이용할 때는 살수장치의 역할도 수행할 수 있게 된다.
100 : 챔버 110 : 입구
120 : 출구 130 : 딤플

Claims (6)

  1. 폐수 처리를 위한 와류 산기장치에 있어서,
    챔버(100)가 형성되고, 상기 챔버(100)의 측면에는 유체가 접선방향으로 유입되도록 입구(110)가 형성되어 유입된 유체가 와류를 형성하면서 회전하며, 상기 챔버(100)의 상하 단부로 갈수록 직경이 좁아지면서 말단부에는 출구(120)가 형성되어 회전되는 유체를 토출시키되,
    상기 출구(120)는 상기 챔버(100)의 상단부 및 하단부에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입구(110)는 챔버(100)의 측면에 형성되되, 입구 끝단부로 갈수록 좁아지는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 출구(120)의 출구면은 출구의 수직방향에 대해 45°~60°의 경사를 갖는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 챔버(100)의 내부면에는 딤플(130)이 형성되는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 딤플(130)의 폭과 깊이의 비율은 1:(1 미만)으로 설정되는 것을 특징으로 하는 와류 산기장치.
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