KR101252673B1

KR101252673B1 - 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101252673B1
Application number: KR1020110127805A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 정헌도; 추고연; 김동국; 박종수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-04-08

Abstract

본 발명은 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 그 목적은 폐수 중 포함된 중금속의 물리적 석출을 위해 산화제인 오존을 오존나노버블장치와 와류반응기를 통해 다단 공급하여 오존나노버블장치에 의한 폐수에 의한 필름형성 및 나노버블화 그리고 와류반응기를 통한 와류화에 의한 기-액접촉면적 증가에 따른 물질전달계수를 높임으로써 오존의 폐수중 용존율을 극대화하여 중금속 석출효율을 극대화한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 회전축에 결합되고 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들과, 이 회전날개들을 회전시키는 회전체(11)를 포함 구성되어, 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 오존 나노버블장치(1)와; 오존 나노버블장치를 통해 공급된 오존 나노버블화된 폐수내 중금속을 석출토록 다수개의 홀이 형성된 와류판과, 이 와류판을 상하 일정간격으로 이격시켜 복수개로 구성한 것을 포함하여 와류판의 상하 왕복 운동에 의해 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키도록 구성한 와류반응기(2);로 구성 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치 및 이를 이용한 폐수처리방법을 발명의 특징으로 한다.

Description

오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치 및 그 방법{Waste water purification apparatus using ozone nano bubble and vortex and method thereof}

본 발명은 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 자세하게는 폐수의 처리효율을 높이기 위해 나노버블화 시킨 오존을 와류발생기내에서 기-액 접촉효율을 높여 폐수내 중금속을 석출시키고, 폐수내 COD(화학적 산소 요구량)를 높인 것으로, 이를 이용한 적용대상 기술분야는 정수 및 폐수처리산업 등에서 수처리 정화산업에 접목시켜 처리효율성 증대시킬 수 있을뿐만 아니라, 식품산업에 적용하여 혼합율을 높힐 수 있으며, 이산화탄소의 흡수율을 높이며 산화제를 사용하여 반도체 세정공정및 균질 화학반응에도 적용할 수 있는 기술에 관한 것이다.

종래 중금속을 함유한 폐수처리 기술로 여러장치를 이용하여 기액 접촉을 증가시키기 위한 것으로 터빈 교반식이 있으며, 이의 작동원리는 수조 저부에 오존화된 공기가 배관을 통해 분사될 때 터빈 회전력에 의해 물을 회전시켜 오존화된 공기를 물과 섞이게 하여 접촉시키는 방법이 있다.

하지만 상기 방법의 단점은 동력이 과다하게 소비되며 터빈 구동부가 물속에 잠수된 상태로 유지되므로 유지관리 보수가 어렵다는 것이다.

또 다른 폐수처리방법으로 레디얼 방식이 있는데, 이는 수조 저부에 오존화된 공기가 배관을 통해 분사될 때 펌프의 토출 압력으로 분사되는 물의 수압에 의해 물이 와류를 만들면서 오존가스를 흡입시키면서 접촉시키는 방법이 있다.

하지만 상기 방법의 단점으로는 펌프 동력이 소요된다는 점이다.

또 다른 폐수처리방법으로 디퓨져 방식이 있는데, 이는 수조 저부의 오존화된 공기가 배관을 통해 디스크판의 작은 기공을 통해 오존 공기를 미세화시켜 접촉시키는 방법을 말한다.

하지만 상기 방법의 단점은 수조의 수두가 5m이상 유지되어야 높은 효율이 유지되므로 수조 높이가 적을 경우 효율이 낮다는 것과 또한 탁도가 매우 높은 경우 1년에 1회 정도 청소가 필요하다는 점이다.

또 다른 폐수처리방법으로 인젝터 방식이 있는데, 이는 인젝터를 이용하여 펌프 압력에 의해 오존화된 가스를 진공상태의 인젝터 내부로 흡수시켜 물과 같이 산기시키는 방법을 말한다.

하지만 상기 방법의 단점은 펌프동력이 들어가고 인젝터의 정확한 선정이 필요하고 효율 면에서 타 방식에 비해 부족하다는 것이다.

상기한 방법 이외에도 멤브레인 방식, 가압방식 등이 있는데, 이러한 기술들은 일반적으로 기-액 접촉을 늘리려는 여러 가지 기술로서 엔지니어링 회사에서 설계 및 시공을 수행하고 있는 실정이다.

또한 폐수처리분야의 선행 특허로 국내 특허출원(10-2006-0016437)에서는 가압오존산화(PO2) 공법을 이용하여 난분해성물질 처리장치 및 방법에 대해 언급하였고, 공개특허(10-2007-0107705, 2007. 11. 7)는 오존수 생성장치, 오존수 생성장치에 이용되는 기액 혼합구조, 오존수 생성방법 및 오존수에 관한 기술을 언급하였으며, 공개특허(10-2008-0013780, 2008. 2. 13; 10-2008-0022521, 2008. 3. 11)에서는 오존제조 장치에 관해 기술하였다.

또한 국내 공개특허(10-2009-0009493, 2009. 1. 23)에서 언급한 기술은 오존(O₃)을 이용한 폐수 정화를 분사 펌프를 이용하여 수조를 순환시키는 시스템에 관한 것이고, 국제공개특허(WO 2006/038298, 2006. 4. 13)에서는 오존 수 제조 장치에 관한 내용이 개시되어 있다.

하지만 상기와 같은 종래의 기술은 계면적을 증가시켜 물질전달 효율이 낮아 오존의 용존율 증대 효율이 낮다는 단점과, 또한 폐수 중 중금속 석출을 위한 와류장치가 복잡하고, 설치구조상 유지보수가 어려우며 이를 구동하는데 많은 에너지가 소비되어 전체적인 폐수정화 처리 효율이 작다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 폐수 중 포함된 중금속의 물리적 석출을 위해 오존을 오존나노버블장치와 와류반응기를 통해 다단 공급하여 오존나노버블장치에 의한 폐수에 의한 필름형성 및 나노버블화 그리고 와류반응기를 통한 와류화에 의한 기-액접촉면적 증가에 따른 물질전달계수를 높임으로써 오존의 폐수중 용존율을 극대화하여 중금속 석출효율을 극대화한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 회전축에 결합되고 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들과, 이 회전날개들을 회전시키는 회전체를 포함 구성되어, 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 오존 나노버블장치와;

오존 나노버블장치를 통해 공급된 오존 나노버블화된 폐수내 중금속을 석출토록 다수개의 홀이 형성된 와류판과, 이 와류판을 상하 일정간격으로 이격시켜 복수개로 구성한 것을 포함하여 와류판의 상하 왕복 운동에 의해 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키도록 구성한 와류반응기;로 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 회전체는 2개의 원판 사이에 복수개의 핀이 나선형으로 배열된 복수개의 나선형 회전날개가 설치되고,

원판의 중심부를 관통하여 결합된 회전축이 모터와 축결합되어 원판을 회전시키면서 회전축에 형성된 복수개의 토출구를 통해 중금속을 머금은 폐수와 오존이 공급되도록 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 복수개의 핀은 배열시 이웃하는 핀과 일정 간격을 가지게 형성하여 폐수가 통과되는 홈을 형성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 핀은 원기둥 형상일 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 핀은 직경이 3 ~ 5mm인 것을 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 홈은 핀의 직경보다 작게 핀간 간격을 조절할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 와류반응기는 케이스 내부 면상에 복수개의 홀이 형성된 복수개의 와류판이 상하로 배열되어 있고, 상하 원판간에는 일정길이를 가진 연결부재에 의해 서로 고정되고,

상기 상하로 배열된 다수개의 원판 중심부는 수직방향 축이 관통 고정되어, 축 상부가 케이스 외부에 설치된 모터에 의해 상하방향으로 회전하는 원판과 연결된 연결부재에 연결되어 모터가 회전시 연결부재의 상하운동에 연동되어 상하 운동을 하게 구성할 수 있다.

또한 본 발명은 다른 실시양태로 상기 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치를 구비한 후,

A) 나노버블장치의 회전체를 구성하는 핀에 폐수가 액상 필름(film)을 형성하여 오존과 기-액 접촉시키는 단계;

B) 나노버블장치의 회전체에 형성된 홈에 폐수를 통과시키면서 폐수를 나노 버블화시켜 오존과 기-액 접촉시키는 단계; 및

C) 오존이 용존된 나노버블화된 폐수를 와류반응기에 공급하여 와류(vortex flow)화하여 추가적인 오존의 용존율 증대 및 중금속 석출 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 A)단계 또는 B)단계에 사용되는 나노버블장치는 회전축에 결합되고 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들을 회전시켜 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 회전체를 구비하여 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 B)단계에 사용되는 와류반응기는 공급된 오존 나노버블화된 폐수를 다수개의 홀이 형성된 와류판들을 상하 수직시켜 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키도록 구성할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 폐수 중 포함된 중금속의 물리적 석출을 위해 산화제인 오존을 오존나노버블장치와 와류반응기를 통해 다단 공급하여 나노버블화 및 와류화시킴으로써 기-액접촉에 의한 물질전달계수를 높여 오존의 폐수 내 용존율을 극대화하여 일반적으로 상온에서 1% 정도만 존재할 만큼 용해도가 매우 낮아 실제 수처리 공정에서 이용하기 어려웠던 오존에 의한 중금속 석출효율을 극대화 하였다는 장점과,

또한 본 발명에 따른 오존나노버블장치와 와류장치를 통해 나노버블을 형성시켜 용존율을 높이는 기술은 산화제를 사용하는 반도체 세정공정, 오.폐수 처리공정 뿐만 아니라 정수장등의 공정에 적용될수 있어서 공정효율 향상에 의한 에너지 절감과 혼합, 추출, 세정 등의 화학공정에 광범위하게 적용될수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한실시예에 따른 오존 나노버블 회전장치와 와류 반응기로 이루어진 폐수처리 시스템도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 오존 나노버블장치의 회전체를 보인 예시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 한 실시예에 따른 오존 나노버블장치의 회전 날개 형태를 예시하기 위한 모형사진이고,
도 4는 본 발명의 와류반응기를 구성하는 홀이 형성된 와류판을 보인 예시도이고,
도 5는 본 발명에 따른 와류반응기의 작동 전후 모습을 보인 사시 사진이고,
도 6은 본 발명의 한실시예에 따른 와류 반응기에서의 유체 흐름도를 보인 예시도이고,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 시간경과에 따른 Ni도금 폐수의 화학적 산소요구량과 용존산소량 농도변화를 보인 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 시간 경과에 따른 Ni도금폐수의 금속 검출량 변화를 보인 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예 2에 따라 시간경과에 Cr도금 폐수의 화학적 산소요구량과 용존산소량 농도변화를 보인 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따라 Ni 도금폐수와 Cr 도금폐수의 시간경과에 따른 pH농도 변화를 보인 그래프이고,
도 11은 본 발명의 실시예 3에 따라 시간경과에 따른 Cu도금 폐수의 화학적 산소요구량과 용존산소량 농도변화를 보인 그래프이고,
도 12는 본 발명의 실시예 4에 따라 시간 경과에 따른 Cu도금폐수의 금속 검출량 변화를 보인 그래프이고,
도 13은 본 발명의 실시예 4에 따라 시간경과에 따른 혼성폐수의 화학적 산소요구량과 용존산소량 농도변화를 보인 그래프이고,
도 14는 본 발명의 실시예 4에 따라 Cu 도금폐수와 혼성폐수의 시간경과에 따른 pH농도 변화를 보인 그래프이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 오존 나노버블 회전장치와 와류 반응기로 이루어진 폐수처리 시스템도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 오존 나노버블장치의 회전체를 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 한 실시예에 따른 오존 나노버블장치의 회전 날개 형태를 예시하기 위한 모형사진이고, 도 4는 본 발명의 와류반응기를 구성하는 홀이 형성된 와류판을 보인 예시도이다.

먼저, 구체적인 본 발명 구성 설명에 앞서 폐수 중에 공급되는 오존의 용존율을 높여 산화제인 오존에 의한 중금속 등의 석출을 높이기 위한 기-액상 접촉(interface)을 통한 물질 전달 원리를 살펴본다.

기-액 접촉(interface)을 통한 물질 전달은 화학공정에서 가장 중요한 분야중 하나이다. 이와 같은 물리적 전달 프로세스(transport process)는 특히 균질반응(homogeneous reaction)과 같은 화학반응과 밀접하게 연계되어 있다.

예를 들어 A 성분을 가진 mass flux MA[kg/s]와 계면과의 관계는 다음 식(1)으로 표현할 수 있다.

MA = β Ap △ρA (1)

여기에서 β = mass transfer coefficient [m/s]

Ap = interfacial area [m²]

△ρA = concentration difference [kg/m³]

상기 식에서 나타낸 것 같이 질량 플럭스(mass flux)와 물질전달계수(mass transfer coefficient)의 관계는 선형 함수로서, 많은 질량 플럭스 MA를 얻기 위해서는 더 많은 계면 Ap를 필요로 하며, 이를 위해서는 β값을 크게 할 수 있는 유체 동력 조건(fluid dynamic condition)을 조절해야만 할 것이다.

상기 식(1)에서 액상의 부피 Vf[m³]를 고려한다면, 다음 식(2)를 나타낼 수 있다.

MA/Vf = β (Ap/Vf) △ρA (2)

이는 단위 액체 부피에 대한 높은 질량 플럭스 값을 얻기 위해서는 단위 액체 부피당 계면의 면적을 크게 해야만 한다.

상기와 같은 원리에 따른 본 발명의 폐수처리장치는 다음과 같은 구성을 가진다.

회전축에 결합되고 날개가 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들을 회전시켜 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 회전체(11)를 구비한 오존 나노버블장치(1)와;

오존 나노버블장치를 통해 공급된 오존 나노버블화된 폐수를 다수개의 홀이 형성된 와류판들을 상하 수직시켜 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키는 와류반응기(2)로 구성된다.

상기 오존 나노버블장치(1)와 와류반응기(2)는 양 장치간에 폐수를 연속처리하거나 오존 나노버블장치(1) 처리후 처리된 폐수를 와류반응기(2)에 공급하는 운전 방식을 선택하여 운전할 수 있다.

이때 오존 나노버블장치(1)에 공급되는 폐수는 사용처에 따라 중금속을 함유한 도금폐수, 축산폐수, 생활폐수 등등과 같이 여러 종류가 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 편의상 도금폐수 위주로 설명한다.

상기 본 발명의 구성은 계면적(interfacial area)을 높이기 위해 3단계 처리공정을 거쳐 오존의 용존율을 높여 오존에 의한 폐수(폐액) 중 중금속 석출 효율을 높인 장치인데, 그 3단계 처리공정은 다음과 같다.

1) 나노버블장치의 회전체를 구성하는 핀에 폐수가 액상 필름(film)을 형성하여 오존과 기-액 접촉시키는 단계

2) 나노버블장치의 회전체에 형성된 홈에 폐수를 통과시키면서 폐수를 나노 버블화시켜 오존과 기-액 접촉시키는 단계

3) 오존이 용존된 나노버블화된 폐수를 와류반응기에 공급하여 와류(vortex flow)화하여 추가적인 오존의 용존율 증대 및 중금속 석출 단계

상기와 같은 3단계 처리 공정을 거치면 오존과 폐수간의 계면적이 획기적으로 증대되어 폐액 중에 포함된 중금속이 용존율이 극대화된 오존에 의해 그 석출효율이 증대되게 된다.

상기 오존 나노버블장치(1)를 구성하는 회전체(11)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이 2개의 원판(111) 사이에 복수개의 나선형 회전날개(112)가 설치되어 고정된다. 이와 같이 2개의 원판(111)이 구비된 이유는 본 발명에 따른 나선형 회전날개(112)가 일반적인 면상 부재를 가공한 연속체 날개구조가 아니어서 이를 고정하기 위해 필요한 구조이다.

즉, 본 발명에 따른 개별 나선형 회전날개(112)는 복수개의 핀(1121)을 나선형을 배열하여 구성하고, 배열시 이웃하는 핀과 일정 간격을 가지게 형성하여 폐수가 통과되는 홈(1122)이 형성되도록 구성한 것이어서 상하부에 핀을 고정할 수 있는 원판이 필요한 것이다. 원판과 핀은 고속회전에 견딜수 있도록 용접을 포함한 통상적인 결합방법을 사용하면 충분하다.

상기 핀은 한 실시예에 따른 형상을 설명하면 원기둥 형태로 형성할 수 있고, 그 직경은 바람직하게는 3 ~ 5mm인 것을 사용할 수 있다. 또한 홈은 핀의 직경보다 작게 핀간 간격을 조절한다. 이와 같은 수치의 핀과 홈을 가질때 본 발명에 따른 나노 버블화가 가장 잘 일어난다.

상기 모터(12)와 축결합되고, 원판의 중심부를 관통하여 결합된 회전축(113)에는 원판을 회전시키면서 회전축에 복수개로 배열된 토출구(114)가 형성되어 회전축과 연결된 외부로부터 중금속을 머금은 폐수와 오존이 공급되면서 고속회전하게 구성된다.

상기 회전체(11)는 수평방향으로 회전하든 수직방향으로 회전하게 설치하든 상관없다. 또한 오존은 별도의 오존발생장치를 통해서 공급되거나 생성된 오존을 저장하고 있는 저장탱크로부터 밸브 등의 개폐를 통해 공급되도록 구성한다.

상기에서 회전축 및 원판 그리고 복수개의 핀은 폐수를 담고 있는 케이스(13) 내부에 장치되는 것이고, 회전축을 회전시키는 모터는 케이스 외부에 장치됨은 물론이다. 또한 케이스와 축간에는 회전마찰을 줄이도록 베어링이 설치되고, 케이스와 축간에 이음부에 실링부재가 설치된다. 이와 같은 구성은 액체를 담아 회전시키는 구성에 일반적인 구성이라 구체적인 설명은 생략한다.

상기 구성과 같이 개별 회전날개의 형태가 복수개의 핀으로 구성됨으로 인해 케이스 외부에서 내부에 장치된 회전축 내부로 공급된후, 회전축 상에 배열형성된 복수개의 토출구를 통해 공급되는 폐수(액체)와 공급되는 오존(기체)은 회전축의 회전력에 의해 원심(遠心) 방향으로 방출되면서 나선(spiral) 형태로 설치되어 있는 복수개의 핀 사이 홈을 통과하면서 부서지고, 또한 일부 폐수는 원심방향으로 분산되면서 핀의 표면에 필름(Film)을 형성시켜 오존과의 기-액 접촉면을 높이면서 물질전달이 이루어지게 된다.

즉, 회전력에 의해 부서진 작은 액체방울과 핀 표면에 형성되는 엷은 필름막이 폐수(액체)와 동시 투입되는 오존 가스와의 접촉면적을 크게 함으로써 기-액 접촉면적을 높여 액상에 용해되는 오존의 양을 증가시킴으로써 액상에 대한 오존과 같이 용존율이 낮은 가스의 용존율을 높이게 된다.

또한 상기 오존 나노버블장치는 사용 기술 분야에 따라 산화제로 오존 대신 산소, 이산화탄소와 같은 액상에 대한 용존율이 낮은 가스를 투입할 수도 있는데 이러한 경우에도 용존율을 높이게 된다.

보충적으로 나노버블과정을 설명하면, 공급된 폐수가 고속으로 회전하는 첫 번째 회전날개의 홈을 통과 후 연속해서 다음번 회전날개 홈을 통과할 때마다 물방울의 크기가 점점 작아져 나노 크기의 물방울(nano- bubbles)이 형성되어 폐수에 대한 오존의 접촉면적이 더더욱 증가되어 용존율이 포화상태까지 증가하게 된다.

여기서 나노크기란 것은 nano meter 단위를 만족하는 구간의 크기만 만족하면 충분하다.

상기 나노 버블장치에 의해 만들어진 오존이 용존된 나노버블(nano-bubbles) 상태의 기-액 혼합 폐수는 후단의 와류반응기(Vortex-reactor)를 거치면서 상하 수직 운동을 하는 와류(Vortex) 반응기를 통해 액상 혼합과정(mixing process)에 절대적인 변수인 와류(vortex flow)에 의해 더욱더 기-액 혼합을 증가시키게 되고, 이로인해 산화제인 오존에 의한 폐수중 중금속 석출반응이 극대화되게 된다.

상기 와류 반응기(2)를 살펴보면 반응기를 이루는 케이스(21) 내부에 복수개의 홀(221)이 면상에 형성된 복수개의 와류판(22)이 상하로 배열되어 있고, 상하 와류판간에는 일정길이를 가진 연결부재(222)에 의해 서로 단단히 고정되어 있다.

또한 상하로 배열된 다수개의 원판 중심부는 수직방향 축(23)이 관통되어 고정되고, 축 상부는 케이스 외부에 설치된 모터(24)에 의해 회전(미도시된 기어 결합 등에 의해 모터 회전축 회전각도 변경됨)하는 상하방향으로 회전하는 원판(25)과 연결된 연결부재(26)와 연결되어 모터(24)가 회전시 연결부재의 상하운동에 연동되어 상하 운동을 하게 된다.

이를 위해 상하 운동되는 복수개의 와류판은 하단에서 상단간의 높이가 케이스 보다 작게 하여 그 차이 내에서 상하 운동을 하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 와류반응기의 작동 전후 모습을 보인 사시 사진이고, 도 6은 본 발명의 한실시예에 따른 와류 반응기에서의 유체 흐름도를 보인 예시도이인데, 복수개의 홀을 가진 복수개의 원판이 상하운동을 하게 되면 와류반응기에 공급된 나노버블 폐수가 외류판에 형성된 홀을 통해 상부방향 또는 하부방향으로 유입 또는 유출되면서 급격한 와류를 형성하게 된다.

도면에 한실시예에 따라 도시된 와류는 상부에서 하부로만 도시되었으나 그 방향은 외류판이 하강할때는 그 반대의 방향으로 반전된다.

이와 같이 와류를 형성하게 되면 추가적인 오존의 용존율 증가와 함께 오존에 의한 중금속의 석출도 획기적으로 증가하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 1내지 4에서는 오존 나노버블 장치와 연계한 와류 반응기를 설치후 아래와 같은 실험대상 폐수와 실험조건하에서 실시하였다. 아래 실험에서는 오존 대신 산소를 사용하였으나, 본 발명의 바람직한 산화제인 오존 사용시 산소보다 더 좋은 효과를 가진다.

■ 실험 대상

4종류 도금폐수(Cu, Ni, Cr, (주)MSC 혼성폐수)

- 원수 COD : 평균 50,000ppm 이상

- feed 폐수 COD : 평균 10,000ppm (원수 20배 희석, Cr 폐수는 30배 희석)

■ 실험 조건

- 온도 : 상온

- 산소 투입 유량 : 4.0 (l/min)

- 오존 나노버블 장치 RPM : 36 Hz

- Vortex 반응기 RPM : 165 Hz

- 폐수 투입 량 : 10L

실험결과 기존의 폐수처리방법에 비해 폐수 정화시간이 월등히 단축됨을 확인하였다. 도금폐수를 20배~30배 희석한 것으로 COD의 처리 전 평균 10,000ppm에서 처리 후 평균 399ppm으로 약 96% 농도가 감소되었으며 용존산소량은 시간의 지남에 따라 일정량 증가 후 포화상태에 도달한 것으로 추정된다. COD와 DO는 용액별로 상이하게 나타났다. 이와 같은 실험 결과를 도 7, 도 9, 도 11, 도 13에서 볼 수 있다.

도 8과 도 12는 시간 경과에 따른 도금폐수 내 금속 검출량의 감소를 나타내었다. 오존이 폐수 상에 용존 되어있는 금속이온과 결합/석출시킴으로서 COD와 검출 량이 Ni 1.64 g/L → 0.02 g/L 이하 , Cu 0.09 g/L → 0.02 g/L 이하로 감소하였다.

도 10과 도 14는 시간 경과에 따른 pH 변화를 나타낸 것으로 Cu 도금폐수와 혼성폐수는 중화되는 것을 확인할 수 있으나 Ni과 Cr의 경우에는 도금용액의 첨가물에 따라 반드시 중화되지 않는 것으로 생각된다.

실시예 1) - Ni 도금폐수

실험 결과 data

시간( hr )	COD(ppm)	DO(ppm)	pH	금속 검출량(g/l)
0	7700	1.2	7.84	1.64
1	1370	2.84	8.15	0.13
2	820	3	8.4	0.04
3	66	3.95	8.54	0.02

실시예 2) - Cr 도금폐수

Cr 도금폐수 실험결과 data

시간(hr)	COD(ppm)	DO(ppm)	pH
0	11925	2.4	4.5
1	10755	3.41	3.02
2	9870	3.42	2.33
3	8425	3.12	2.12
4	6450	3.06	2.06
5	3375	3.21	2.21
6	2750	3.48	2.3
7	2420	3.56	2.35
8	1985	3.45	2.44
9	1750	3.51	2.51

실시예 3) - Cu 도금폐수

Cu 도금폐수 실험결과 data

시간(hr)	COD(ppm)	DO(ppm)	pH	검출량
0	11525	2.41	9.67	0.09
1	11150	3	8.34	0.07
2	10825	6.65	7.88	0.03
3	10575	7.49	7.79	0.02
4	9575	7.17	7.8
5	7325	7.05	7.75
7	7300
9	7385

실시예 4) - (주) MSC 혼성폐수

혼성도금폐수 실험결과 data

시간(hr)	COD(ppm)	DO(ppm)	pH
0	9550	2.36	2.34
1	6450	8.5	2.63
2	5300	9.17	3.04
3	5275	9.72	3.33
4	4925	9.46	3.46
5	2475	9.25	3.58
7	1200	8.92
9	395	8.25

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 나노버블장치 (2) : 와류 반응기
(11) : 회전체 (12) : 모터
(13) : 케이스 (21) : 케이스
(22) : 와류판 (23) : 축
(24) : 모터 (25) : 원판
(26) : 연결부재 (111) : 원판
(112) : 나선형 회전날개 (113) : 회전축
(114) : 토출구 (221) : 홀
(222) : 연결부재 (1121) : 핀
(1122) : 홈

Claims

회전축에 결합되고 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들과, 이 회전날개들을 회전시키는 회전체(11)를 포함 구성되어, 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 오존 나노버블장치(1)와;
오존 나노버블장치를 통해 공급된 오존 나노버블화된 폐수내 중금속을 석출토록 다수개의 홀이 형성된 와류판과, 이 와류판을 상하 일정간격으로 이격시켜 복수개로 구성한 것을 포함하여 와류판의 상하 왕복 운동에 의해 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키도록 구성한 와류반응기(2);로 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 회전체(11)는 2개의 원판(111) 사이에 복수개의 핀(1121)이 나선형으로 배열된 복수개의 나선형 회전날개(112)가 설치되고,
원판의 중심부를 관통하여 결합된 회전축(113)이 모터(12)와 축결합되어 원판을 회전시키면서 회전축에 복수개로 형성된 토출구(114)를 통해 중금속을 머금은 폐수와 오존이 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 복수개의 핀(1121)은 배열시 이웃하는 핀과 일정 간격을 가지게 형성하여 폐수가 통과되는 홈(1122)을 형성한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 핀(1121)은 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 핀(1121)은 직경이 3 ~ 5mm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 홈은 핀의 직경보다 작게 핀간 간격을 조절한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 와류반응기(2)는 케이스(21) 내부 면상에 복수개의 홀(221)이 형성된 복수개의 와류판(22)이 상하로 배열되어 있고, 상하 원판간에는 일정길이를 가진 연결부재(222)에 의해 서로 고정되고,
상기 상하로 배열된 다수개의 원판 중심부는 수직방향 축(23)이 관통 고정되어, 축 상부가 케이스 외부에 설치된 모터(24)에 의해 상하방향으로 회전하는 원판(25)과 연결된 연결부재(26)에 연결되어 모터(24)가 회전시 연결부재의 상하운동에 연동되어 상하 운동을 하게 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 장치.
A) 나노버블장치의 회전체를 구성하는 핀에 폐수가 액상 필름(film)을 형성하여 오존과 기-액 접촉시키는 단계;
B) 나노버블장치의 회전체에 형성된 홈에 폐수를 통과시키면서 폐수를 나노 버블화시켜 오존과 기-액 접촉시키는 단계; 및
C) 오존이 용존된 나노버블화된 폐수를 와류반응기에 공급하여 와류(vortex flow)화하여 추가적인 오존의 용존율 증대 및 중금속 석출 단계를 거치는 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 A)단계 또는 B)단계에 사용되는 나노버블장치는 회전축에 결합되고 복수개의 핀으로 이루어진 나선형 회전 날개들을 회전시켜 공급된 폐수와 오존을 나노버블화하여 폐수 중 오존의 용존율을 높이는 회전체를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 B)단계에 사용되는 와류반응기는 공급된 오존 나노버블화된 폐수를 다수개의 홀이 형성된 와류판들을 상하 수직시켜 폐수를 와류화시켜 추가적인 오존의 용존율 증대와 오존에 의한 폐수내 중금속을 석출시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 회전체(11)는 2개의 원판(111) 사이에 복수개의 핀(1121)이 나선형으로 배열된 복수개의 나선형 회전날개(112)가 설치되고,
원판의 중심부를 관통하여 결합된 회전축(113)이 모터(12)와 축결합되어 원판을 회전시키면서 회전축에 복수개로 형성된 토출구(114)를 통해 중금속을 머금은 폐수와 오존이 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 복수개의 핀(1121)은 배열시 이웃하는 핀과 일정 간격을 가지게 형성하여 폐수가 통과되는 홈(1122)을 형성한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 핀(1121)은 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 핀(1121)은 직경이 3 ~ 5mm인 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 홈은 핀의 직경보다 작게 핀간 간격을 조절한 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 와류반응기(2)는 케이스(21) 내부 면상에 복수개의 홀(221)이 형성된 복수개의 와류판(22)이 상하로 배열되어 있고, 상하 원판간에는 일정길이를 가진 연결부재(222)에 의해 서로 고정되고,
상기 상하로 배열된 다수개의 원판 중심부는 수직방향 축(23)이 관통 고정되어, 축 상부가 케이스 외부에 설치된 모터(24)에 의해 상하방향으로 회전하는 원판(25)과 연결된 연결부재(26)에 연결되어 모터(24)가 회전시 연결부재의 상하운동에 연동되어 상하 운동을 하게 구성된 것을 특징으로 하는 오존 나노버블 및 와류를 이용한 폐수처리 방법.