KR101231252B1 - 슬러지 처리장치에 사용되는 초음파베셀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수처리에 관한 기술로서, 좀 더 자세하게는 초음파를 이용하여 폐수처리과정에서 발생하는 슬러지를 처리하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 초음파베셀은 슬러지가 유입되어 초음파가 조사되는 베셀(1), 상기 베셀(1)의 좌우 측면 상단에 구비되어 슬러지가 유입되고 유출되는 배관연결부(2), 그리고 상기 베셀(1)의 상면 일측에 구비되는 초음파발생기(3)로 구성된다. 그리고 베셀(1)의 일측 하면에는 냉각판(4)이 추가로 구비될 수 있다.
베셀(1)은 외통(11)의 내부에 하단이 외통(11)의 바닥면과 일정 간격으로 이격되는 격판(12)이 구비되어, 유입부(13)과 조사부(14)의 2개의 공간으로 나뉘는데, 하단은 두 공간이 서로 통하는 통수공(15)이 형성된다.
슬러지는 상기와 같이 구성된 초음파베셀의 조사부(14)를 따라 상승하면서 고강도의 초음파에 충분히 긴 시간 동안 노출되어 아주 작은 덩어리로 파쇄되어 미생물에 의하여 용이하게 소화될 수 있는 상태가 된다.

Description

슬러지 처리장치에 사용되는 초음파베셀{Ultra Sonic Vessel Used in Sludge Treatment Equipment}

본 발명은 폐수처리에 관한 기술로서, 좀 더 자세하게는 초음파를 이용하여 폐수처리과정에서 발생하는 슬러지를 처리하는 기술에 관한 것이다.

축산분뇨를 포함한 분뇨오수, 생활하수 등의 하수에는 다량의 유기물질이 함유되어 있고, 이와 같은 유기물질로부터 영양을 섭취하는 미생물들이 다량으로 서식하면서 증식하고 있는데, 이러한 미생물들이 미분해 유기물질과 함께 뭉쳐서 고형물과 수분의 혼합체인 덩어리를 이루고 있는 것이 슬러지(Sludge)이다. 따라서 유기물질이 다량으로 함유된 하수를 처리할 때 필연적으로 2차 생성물인 슬러지가 발생하는데, 슬러지는 유기물과 무기물의 비가 7:3정도로 알려져 있다.

통상적인 하수 처리장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 하수 중의 고형물을 단시간 내에 부상 또는 침전시켜 제거하는 전처리조, 미생물을 이용하여 유기물질을 분해하는 생물반응조, 중력을 이용하여 슬러지를 포함한 고형물을 침전시키는 침전조, 침전조의 슬러지를 고농도로 농축하는 농축조, 농축된 슬러지를 주로 혐기성 미생물을 이용하여 분해하는 소화조, 소화된 슬러지를 탈수하는 탈수기 등을 구비하고 있다.

상기 하수처리장치의 생물반응조에서는 주로 호기성 미생물에 의해서 유기물이 분해되고, 이 유기물을 먹이로 하여 증식된 미생물 덩어리(Bio-Floc이라고도 함.)는 침전조에서 물과 분리되는 고액분리과정을 거치며, 상징수(Supernatant)는 외부로 유출되고, 침전된 슬러지는 농축, 소화, 그리고 탈수 공정을 거쳐 케이크(Cake)화 되어 처리된다. 침전슬러지의 TS(Total Solids, 총고형물 함량)는 약 0.5%정도이며, 농축조를 거치면서 TS는 3 내지 4%로 농축되는데, 약 20시간이 소요된다. 그리고 소화조에서 유기물의 약 30%가 분해되어 연료로 사용될 수 있는 가연성 가스인 메탄가스와 이산화탄소가 발생하는데, 약 15 내지 25일이 소요된다.

상기와 같이 소화가 끝난 슬러지는 탈수기에서 탈수하여 최종적으로 케이크 형태로 고형화한 다음 매립, 소각, 해양투기 등의 방법으로 처리하는데, 이 고형 슬러지 처리비용이 전체 하수처리비용의 40∼60% 정도를 차지한다.

상기와 같은 종래의 하수처리 및 슬러지처리 공정에는 매우 많은 시간과 경비가 소요되고, 많은 에너지를 필요로 한다. 그리고 환경정책의 방향이 매립 및 해양투기금지로 바뀌고 있는 상황이므로 슬러지의 처리가 더욱 어려워지고 있는 실정으로 슬러지의 처리에도 많은 비용이 소요되고 있다. 따라서 효과적인 하수 및 슬러지처리의 기술적 관건은 유기물질을 가능한 한 높은 정도로 분해하여 슬러지의 발생량을 줄이는 것이 된다.

슬러지의 발생량을 줄이기 위해서는 소화조에서 슬러지가 많이 분해도록 하여 최종 슬러지의 배출량을 줄여야 하는데, 최근 슬러지 가용화 및 감량화에 괸한 새로운 기술들이 활발히 연구되고 있다. 이러한 새로운 슬러지 처리 기술들 중에는 슬러지에 초음파를 조사(照射)하여 슬러지가 미생물에 의하여 용이하게 분해되도록 하는 기술이 있다.

초음파(Ultrasonic Wave)란 음파 중에서 사람이 들을 수 있는 가청주파수(이를 통상 "소리"라고 하고, 20 내지 20,000Hz 사이의 음파이다.) 보다 높은 주파수의 음파로서, 20,000Hz(주로 20kHz로 표시한다.) 이상의 고주파수의 음파를 말한다. 초음파는 소리와 같이 공기와 같은 기체, 물과 같은 액체, 그리고 금속 등과 같은 고체 매질에서 주변으로 전파되는데, 기체보다는 액체에서, 액체보다는 고체에서 전파 속도도 빠르고, 전파중에 감쇠도 작아 더 잘 전파된다. 초음파를 발생시키는 장치인 초음파발생장치는 그 원리가 스피커와 유사한데, 다양한 종류의 것이 개발되어 시판되고 있다.

초음파는 여러 가지 물리, 화학적 성질을 가지게 되는데, 저주파수의 초음파(통상 20kHz 내지 40kHz)는 열, 압력 등에 의한 물리적 작용이 강하고, 고주파수의 초음파(통상 20kHz 내지 1MHz)는 화학 작용이 강하다.

수중에 초음파를 조사하면 동공(Cavity)이 발생하고 이 동공들이 집합, 성장, 발달 그리고 파괴되는 과정을 반복하면서 국부적인 열점(Hot Spot)이 만들어 지고, 이때 5,000K에 달하는 국부적인 열과 최고 1000atm의 압력, 시속400km에 달하는 제트류(Jet Stream)가 발생하는 물리적 작용이 일어난다. 슬러지 중에 초음파를 조사하면 슬러지 덩어리는 상기와 같은 초음파의 물리적 작용에 의하여 잘게 쪼개지고, 미생물에 의하여 소화되기 용이한 상태로 된다.

또한 수중에 초음파를 조사하면, 물이 분해되어 강력한 산화제인 수산기(-OH)라디칼이 생성되고, 이 수산기 라디칼이 지방, 셀루로스, 그리고 난분해성 고분자 유기물질을 분해하여 분자량이 작은 유기물로 분해한다. 이 같은 초음파의 화학적 작용으로 슬러지를 구성하는 고분자 유기물이 저분자 유기물질로 분해되면 혐기성 미생물에 의한 소화작용이 용이하게 일어날 수 있는 상태가 된다.

한국특허 출원번호 10-2002-0047747호, 10-2004-0072211호, 10-2003-0088976호, 10-1998-0055680 등에서 하수 처리에 초음파를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 초음파를 이용한 오, 폐수처리장치들은 종래의 물리, 화학적 처리방법과 병행하여 초음파를 이용하거나, 실험실 수준에서 초음파를 단독으로 이용하는 방법에 대하여 개시되어 있을 뿐 구체적인 폐수처리 장치를 제시하고 있지 못하고 있다.

상기 특허 방법에서 슬러지에 초음파를 조사하는 방법으로는 슬러지가 흐르는 관로에 직접 초음파발생기를 부착하여 슬러지에 초음파를 조사하거나, 도 4에 도시한 바와 같이 관로에 초음파 베셀(Vessel)을 구비하여, 관로를 따라 흐르는 슬러지에 직접 초음파를 조사하거나, 슬러지가 저장되어 있는 농축조 또는 소화조에 초음파를 조사하는 방법을 젯하고 있다.

그러나 초음파 발생기에서 발생하는 음파의 에너지는 85 내지 90%는 초음파 발생기의 축방향으로 집중되므로, 상기와 같은 통상적인 초음파 조사 방법으로는 슬러지에 충분할 정도로 초음파 에너지가 가해지지 않아 효과적이지 못하다.

상기와 같이 초음파를 이용하여 슬러지를 처리하는 방법이 알려져 있으나, 구체적인 초음파 조사장치에 대한 기술은 알려진 바가 없고, 단지 관로를 따라 흐르는 슬러지 또는 슬러지가 저장되어 있는 곳에 직접 초음파를 조사하는 방법이 알려져 있다.

그러나 상기와 같은 통상의 초음파 조사 방법은 슬러지에 충분할 정도로 초음파 에너지가 가해지지 않아 효과적이지 못한바, 초음파의 슬러지 처리효과를 높일 수 있는 별도의 초음파베셀이 필요하다.

본 발명의 초음파베셀은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 슬러지가 유입되어 초음파가 조사되는 베셀(1), 상기 베셀(1)의 좌우 측면 상단에 구비되어 슬러지가 유입되고 유출되는 배관연결부(2), 그리고 상기 베셀(1)의 상면 일측에 구비되는 초음파발생기(3)로 구성된다. 그리고 베셀(1)의 일측 하면에는 냉각판(4)이 추가로 구비될 수 있다.

베셀(1)은 외통(11)의 내부에 하단이 외통(11)의 바닥면과 일정 간격으로 이격되는 격판(12)이 구비되어, 유입부(13)과 조사부(14)의 2개의 공간으로 나뉘는데, 하단은 두 공간이 서로 통하는 통수공(15)이 형성된다. 초음파발생기(3)는 상기 베셀(1)의 조사부(14)의 상면에 부착되는데, 조사부 내부의 슬러지에 초음파를 조사하여 슬러지를 파쇄하는 기능을 한다. 냉각판(4)은 초음파가 집중적으로 조사되는 조사부(14)의 바닥에 구비되어, 초음파에 의하여 베셀이 국부적으로 열화되는 것을 방지한다.

슬러지는 상기와 같이 구성된 초음파베셀의 조사부(14)를 따라 상승하면서 고강도의 초음파에 충분히 긴 시간 동안 노출되어 아주 작은 덩어리로 파쇄되어 미생물에 의하여 용이하게 소화될 수 있는 상태가 된다.

본 발명의 초음파베셀은 슬러지를 작은 덩어리로 파쇄하여 미생물에 의하여 소화되기 용이한 상태가 되도록 함에 있어서, 슬러지가 초음파에 노출되는 시간을 길게 하고, 또한 초음파 에너지가 가장 강력하게 집속되는 부위로 슬러지를 유동하게 한다.

따라서 본 발명의 초음파베셀은 초음파 발생기에서 발생한 초음파 에너지가 슬러지에 효과적으로 전달되는 구조를 취하여, 적은 에너지로 슬러지를 아주 작은 덩어리로 파쇄함으로써 미생물에 의하여 소화되기 용이한 상태로 만든다.

그리고 본 발명의 초음파베셀은 초음파에 장시간 노출되어 열화되기 쉬운 부위에 냉각판을 부착하여 초음파에 의하여 발생하는 열에 의한 열화를 방지하여 수명이 길다.

도 1은 본 발명의 초음파베셀의 외형 사시도이다.
도 2는 초음파베셀의 종단면도이다.
도 3은 초음파베셀의 운용 방법을 도시한 것이다.
도 4는 종래의 초음파 베셀의 단면도이다.
도 5는 통상의 페수처리장치의 구성도이다.

본 발명의 초음파베셀은 도 1에 도시한 바와 같이, 베셀(1), 베셀의 좌우 측면 상단에 구비되는 배관연결부(2), 그리고 베셀(1)의 상면 일측에 구비되는 초음파발생기(3)로 구성된다. 그리고 베셀(1)의 일측 하면에는 냉각판(4)이 추가로 구비될 수 있다.

베셀(1)은 슬러지가 유입되어 초음파가 조사되어 슬러지가 파쇄되는 곳으로서, 도 2에 도시한 바와 같이 외통(11)의 내부에 하단이 외통(11)의 바닥면과 일정 간격으로 이격되는 격판(12)이 구비되어 유입부(13)과 조사부(14)의 2개의 공간으로 나뉘는데, 하단은 두 공간이 서로 통하는 통수공(15)이 형성된다. 외통(11)은 슬러지가 유동할 때 압력손실이 적고, 슬러지에 혼입되어 있는 고형물이 걸리지 않고 잘 배출되도록 다양한 형상으로 제작된다.

배관연결부(2)는 상기 베셀(1)에 슬러지가 유입되고 유출되는 배관을 연결하는 곳으로서, 상기 외통(11) 좌우 측면 상단에 2개가 각각 구비되어, 한쪽으로는 슬러지가 유입되고 다른 쪽으로는 슬러지가 유출된다. 배관연결부(2)는 슬러지가 흐르는 배관을 연결하기 위한 것으로서, 다양한 배관연결장치가 사용될 수 있으나, 도시한 바와 같이 외통(11)에 부착되는 연결관에 플랜지를 구비한 구조로 하는 것이 배관 설치작업이 용이하다.

초음파발생기(3)는 상기 베셀(1)의 조사부(14)의 상면에 부착되는데, 조사부 내부의 슬러지에 초음파를 조사하여 슬러지를 파쇄하는 기능을 한다. 초음파 발생기는 다양한 출력과 주파수의 것이 시판되고 있는데, 적절한 것을 선정하여 사용하면 된다.

상기와 같이 구성된 초음파베셀에서 유입부(13)에 구비된 배관연결부(2)로 슬러지가 유입되면, 슬러지는 유입부(13)의 하부로 하강하여 통수공(15)을 지나 조사부(14)의 상부로 상승하여, 조사부(14)에 구비된 배관연결부(2)를 통하여 유출된다.

슬러지가 조사부(14)를 따라 상승할 동안 슬러지는 초음파발생기(3)에서 발생한 초음파에 의하여 잘게 파쇄되어 미생물에 의하여 소화되기 용이한 상태로 된다. 슬러지는 조사부(14)를 따라 상승하는 시간 동안 계속 초음파를 받아 파쇄되는데, 슬러지가 초음파에 노출되는 시간을 길게 하려면 베셀(1)의 높이를 높게 하여 유로를 길게 하거나, 슬러지의 유속을 낮게 하여 천청히 흐르게 하면 된다.

조사부(14)는 단면적이 작고 높이는 충분히 높게 제작되고, 조사부의 상면에 구비된 초음파 발생기가 구비되어, 천천히 상승하는 슬러지에 초음파발생기의 축방향으로 집중되는 초음파 에너지가 충분한 시간 동안 가해진다.

본 발명의 초음파베셀은 상기와 같이 슬러지에 고강도의 초음파를 충분히 긴 시간 동안 조사하여, 슬러지를 아주 작은 덩어리로 파쇄한다.

베셀(1)의 조사부(14)의 하면 바닥에는 냉각판(4)을 추가로 구비할 수 있다. 강한 출력의 초음파가 조사부(14)의 바닥에 장시간 조사될 경우, 강판, 스테인레스스틸 등의 금속판이 초음파의 작용에 의하여 국부적으로 온도가 상승하고, 사용시간이 길어지면 바닥판이 열화되어 두께가 얇아지거나 미세한 구멍이 생기게 되어 베셀의 수명이 단축된다.

냉각판(4)은 초음파가 집중적으로 조사되는 조사부(14)의 바닥에 구비되는데, 냉각판(4)은 두께가 얇은 상자형으로 제작하여 상면이 상기 조사부(14)의 바닥면과 접한다. 이 냉각판(4)은 조사부(14)의 바닥이 초음파에 의하여 발생한 열을 흡수하므로, 바닥판의 온도가 상승하는 것을 방지하고, 이에 따라 베셀(1)의 수명이 길어진다. 냉각판(4)은 상자형으로 제작하고, 내부로 냉각수가 순환하도록 수냉식으로 제작할 수 있다.

냉각판(4)의 또 다른 형태로는 펠티에 효과(Peltier Effect)에 의하여 열을 흡수하는 열전소자를 이용한 전자식 냉각판으로 제작할 수 있다. 펠티에 효과는 두종류의 금속을 접속하여 전기를 흐르게 하면 열의 이동이 일어나는 현상인데, 열전소자는 이러한 펠티에 효과를 이용하여 냉접점과 온접점을 구비한 것이다. 열전소자는 전기가 흐를 때 열이 한쪽 면에서 다른 쪽 면으로 이동하여, 열을 빼앗긴 면은 냉각되어 냉접점이 되고 열을 받은 면은 가열되어 온접점이 되는 소자이다.

열전 소자에 직류전기를 계속 인가하면 냉접점 부위는 계속 열을 빼앗겨 아주 차갑게 되어 냉각용으로 사용할 수 있고, 온접점 부위는 열을 계속 받아 아주 뜨겁게 되어 가열용으로 사용할 수 있다. 이와 같은 열전소자는 일정크기의 판 형태로 제작되는데, 현재 다양한 규격의 것이 시판되고 있고, 이를 이용한 냉각장치들이 각종 산업용도로 많이 사용되고 있다.

전자식 냉각판(4)은 상기와 같은 열전소자를 열전도 계수가 큰 두 금속판 사이에 다수 개를 병렬로 배열하여 제작하고, 열전소자의 냉접점이 접한 금속판의 면을 상기 베셀(1)의 조사부(14)의 하면 바닥에 접하도록 부착하면 된다. 전자식 냉각판(4)의 온접점에는 냉각판을 부착하고 팬으로 공기를 강제로 유동시켜 냉각 효과를 크게 할 수 있다. 이와 같이 전자식 냉각판(4)의 온접점을 냉각시켜 주면, 동일한 전류가 흐르더라도 열 이동량이 많아지게 되어 냉접점의 온도는 더욱 낮아진다.

본 발명의 초음파베셀은 처리해야할 슬러지의 량과 성상 그리고 설치 공간에 따라 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 다수 개를 병렬로 연결하여 운용하거나, (b)에 도시한 바와 같이 다수 개를 직렬로 연결하여 운용하거나, (c)에 도시한 바와 같이 다수 개를 직렬과 병렬로 연결하여 운용하거나, (d)에 도시한 바와 같이 다단으로 연결하여 운용할 수 있다.

1 : 베셀, 2 : 배관연결부, 3 : 초음파발생기, 4 : 냉각판,
11 : 외통, 12 : 격판, 13 :유입부, 14 : 조사부, 15 : 통수공,

Claims (3)

1. 슬러지가 유입되고 초음파가 조사되어 슬러지가 파쇄되는 곳으로서, 용기 형태의 외통(11), 그리고 상기 외통(11)의 내부를 유입부(13)과 조사부(14)의 2개 공간으로 나누고 하부에 슬러지가 유동할 수 있는 통수공(15)이 형성되도록 하는 격판(12)으로 구성되는 베셀(1);
   상기 베셀(1)에 슬러지가 유입되고 유출되는 배관이 각각 연결되는 것으로서, 상기 외통(11)의 유입부(13)와 조사부(14)의 상단에 각각 부착되는 2개의 배관연결부(2);
   그리고, 상기 베셀(1)의 조사부(14)의 상면에 부착되는 것으로서, 조사부(14)의 내부를 따라 흐르는 슬러지에 초음파를 조사하는 초음파발생기(3);를 포함하고,
   상기 베셀(1)의 조사부(14)의 바닥 하면에 부착되는 냉각판(4)을 추가로 구비하여, 조사부(14)의 바닥이 초음파에 의하여 열화되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치에 사용되는 초음파베셀.
   
2. 삭제
3. 제1항의 초음파베셀을 처리해야 할 슬러지의 량과 성상 그리고 설치 공간에 따라 직렬 또는 병렬로 다수 개 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 슬러지 처리장치에 사용되는 초음파베셀.

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