KR101257736B1 - 미세기포를 발생시키는 노즐을 이용한 부상조 및 수처리장치 - Google Patents

미세기포를 발생시키는 노즐을 이용한 부상조 및 수처리장치 Download PDF

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Abstract

내부의 적정 수면보다 낮은 격벽이 하나 이상 구비되며, 미세입자의 버블을 이용하여 폐수의 오염물질을 필터링 및 부상시키는 부상조, 공기가 용해된 용해수로부터 미세입자의 버블을 상기 부상조 내로 발생시키는 노즐; 및 용해수를 상기 노즐로 공급하는 용해수 발생기를 포함하는 미세 기포를 이용한 수처리장치가 개시된다.

Description

미세기포를 발생시키는 노즐을 이용한 부상조 및 수처리장치{DISSOLVED AIRFLOATATION SYSTEM AND A WATER TREATMENT EQUIPMENT USING THE NOZZLE FOR GENERATING MICRO AND/OR NACO BUBBLES}
본 발명은 미세 기포를 발생시키는 노즐과 이를 이용한 부상조 및 수처리장치에 관한 것이다.
산업의 발전에 따른 도시화 및 공업화로 인한 인구집중은 대량의 생활하수 및 산업폐수의 발생을 초래하고, 이는 주변 환경에 대한 오염 부하량의 증가 및 축적으로 환경 생태계에 심각한 영향을 주고 있다. 예를 들어, 음식 찌꺼기, 합성세제, 정화조와 같은 생활하수, 공장에서 유출되는 산업폐수, 수산폐수 또는 축산폐수 등의 급증으로 인해 수질오염이 극심해지고 있다.
그러나, 수질오염이 가속화되고 있음에도 불구하고, 현실적으로 오염된 물을 처리할 수 있는 장치 및 장소가 제한 되어지는 추세에 있어, 오염된 물을 처리하기가 어려워지고 있으며, 수질오염을 개선하기 위해서는 막대한 비용이 발생한다. 따라서, 보다 저렴하면서도 효과적으로 오염된 물을 처리하여 수질을 개선시킬 수 있는 방안이 모색될 필요가 있다.
본 발명은 폐수의 오염물질이 부착된 버블을 부상시키고 부상된 버블들을 이용하여 버블 필터층을 형성함으로써 효율적으로 폐수를 처리할 수 있는 미세 기포를 이용한 부상조 및 수처리장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 폐수를 처리하는 부상조 및 수처리장치에 사용될 수 있고 미세 기포를 발생시킬 수 있는 노즐 및 이를 이용한 미세 기포 발생장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 예시적 실시예에 따르면, 내부의 적정 수면보다 낮은 격벽이 하나 이상 구비되며, 미세입자의 버블을 이용하여 폐수의 오염물질을 필터링 및 부상시키는 부상조; 공기가 용해된 용해수로부터 상기 미세입자의 버블을 상기 부상조 내로 발생시키는 노즐; 및 상기 용해수를 상기 노즐로 공급하는 용해수 발생기;를 포함하며, 상기 노즐은, 내부가 비어있는 통형상의 외부 챔버, 상기 외부 챔버의 내부에 위치되어 있고, 내부가 비어 있는 통형상의 내부 챔버, 및 충돌판을 포함하며, 상기 내부 챔버는 상기 용해수 발생기로부터 용해수를 유입받아서, 상기 충돌판을 향하여 유출시키며, 상기 부상조 내로 유입되는 상기 미세입자의 버블은 상기 부상조의 상부로 부상하여 상기 오염물질의 침전을 방지하는 버블 필터층을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 기포를 이용한 수처리장치가 제공된다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에 따르면, 미세 기포 발생장치에 사용되는 노즐로서, 내부가 비어있는 통형상의 외부 챔버; 상기 외부 챔버의 내부에 위치되어 있고, 내부가 비어 있는 통형상의 내부 챔버; 및 충돌판;을 포함하며, 상기 내부 챔버는 공기와 물을 유입받고, 유입받은 물과 공기를 상기 충돌판을 향하여 유출시키는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치용 노즐이 제공된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 미세 기포가 부상하면서 독립분산 운동을 하므로 상승결합현상이 발생하지 않고, 수중환경에서 버블이 포화(Milky Saturation)되어 매우 느린 부상속도를 가진다. 즉, 버블이 수중 내에 체류하는 시간이 길어져 오염물질을 포집하는 능력이 크게 향상될 수 있다.
또한, 표면적이 넓은 버블들이 버블 필터층을 형성하여 수중 내에서 부유하고 있으므로, 오염물질이 부유하고 있는 시간이 길어지고 결과적으로 오염물질을 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면 마이크로 및/또는 나노 크기의 미세 기포들이 생성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버블을 이용한 부상조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 버블을 이용한 수처리장치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐로부터 발생되는 버블의 독립분산 운동을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수처리장치에서 미세 기포가 발생되어 버블 필터층이 형성되는 과정의 일 예를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수처리장치에서 생성되는 버블 필터층의 수중 잔류 효과를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 구성을 도시한 도면,
도 7 내지 도 9는 도 6의 노즐을 설명하기 위해서 제공되는 도면, 그리고
도 11 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버블을 이용한 부상조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 버블을 이용한 부상조(100)는 부상반응영역(110), 버블필터영역(120), 순환영역(130), 크리닝영역(140), 제1격벽(150) 및 제2격벽(160)을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 부상조(100)는 폐수에 포함된 오염물질(Scum)을 물위로 부상시켜, 부상된 오염물질이 버블 필터링에 의해 오래 부유되고 스키머(미도시)와 같은 장치에 의해 용이하게 제거되도록 하는 장치이다. 오염물질은 고형물 미세입자일 수 있다.
부상반응영역(110)은 부상조(100)의 양측에 위치하는 면들 중 하나와 제1격벽(150)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 부상반응영역(110)의 양측에 위치하는 면들 중 하나(부상조(100)의 일면)에는 제1유입부(미도시)가 구비되며, 부상반응영역(110)의 하면에는 제2유입부(미도시)가 구비될 수 있다. 부상반응영역(110)의 내부로는 제1유입부(미도시)를 통해 난분해성 오염물질이 포함된 폐수가 유입되며, 제2유입부(미도시)를 통해 미세입자의 버블이 유입될 수 있다. 여기서 미세입자의 버블은 버블의 직경이 마이크로 크기 및/또는 나노 크기를 가진 버블들을 통칭하기로 한다. 한편, 본원 명세서에서 미세 기포 발생장치라고 함은, 에어 인젝터, 용해수 발생기, 및 노즐을 포함하는 구성을 의미하며, 물을 에어 인젝터로 공급하는 펌프나 에어 공급기를 추가적으로 포함할 수 있다.
폐수와 버블은 동시에 유입되거나 또는 폐수가 유입되고 소정의 시간이 경과한 후 버블도 함께 유입될 수 있다. 이는, 폐수의 오염물질이 버블에 흡착되어 버블과 함께 부상되도록 하기 위함이다. 즉, 부상반응영역(110)으로 유입되는 버블은 폐수의 오염물질을 흡착하면서 부상조(100)의 상부로 부상한다.
버블은 마이크로 입자 크기 또는 나노 입자 크기를 가질 수 있다. 버블(또는 기표)의 표면은 부상반응영역(110)에서 음(-)이온으로 대전되며, 이로써 버블 간의 이온 반발에 의해 버블은 독립분산 운동을 하게 되어 수중에서의 체류시간이 장기화될 수 있다.
버블필터영역(120)은 부상반응영역(110), 순환영역(130) 및 크리닝영역(140)의 상부에 해당하는 영역이다. 버블필터영역(120)에는 부상반응영역(110)에서 부상되는 버블들에 의해 버블 필터층이 형성될 수 있다. 버블 필터층은 부상된 버블에 흡착된 오염물질이 부상반응영역(110), 순환영역(130) 및 크리닝영역(140)으로 침전하는 것을 방지할 수 있다.
순환영역(130)은 제1격벽(150)과 제2격벽(160)의 사이에 형성되며, 부상반응영역(110)으로 유입되는 폐수 중 오염물질이 일부 제거된 폐수가 이동되어 와류 또는 순환하는 영역이다. 순환영역(130)에서 순환 또는 와류되는 폐수는 제1격벽(150)과 제2격벽(160)에 의해 버블필터영역(120)으로 확산되지 않는다. 이로써, 버블 필터층이 폐수의 흐름에 의해 와해되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 부상반응영역(110)에서 부상되는 버블에 의해 폐수 중 일부 오염물질이 제거되므로, 순환영역(130)에는 오염물질이 일부 제거된 폐수가 유입된다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 부상반응영역(110) 내의 폐수가 순환영역(130) 내의 폐수보다 탁할 수 있다. 부상반응영역(110)으로부터 순환영역(130)으로 이동된 폐수는 부상반응영역(110)으로 재유입될 수 있다. 이하에서는 순환영역(130)에 위치하는 폐수를 순환수라 한다. 순환수는 버블 필터층이 상부에 유지되도록 하는데 사용될 수 있다.
크리닝영역(140)은 부상조(100)의 양측에 위치하는 면들 중 다른 하나와 제2격벽(160)에 의해 형성될 수 있다. 크리닝영역(140)의 내부로는 버블 또는 버블 필터층에 의해 대부분의 오염물질이 제거된 폐수(이하, '처리수(Treated Water)'라 한다)가 유입되어 저장될 수 있다. 크리닝영역(140)에 일정량의 처리수가 저장되면, 처리수는 무산소조(미도시)와 같은 탱크로 배출될 수 있다.
제1 및 제2격벽들(150, 160)은 부상반응영역(110), 순환영역(130) 및 크리닝영역(140)을 물리적으로 구분하고, 버블 필터층이 순환수 또는 처리수에 의해 와해되지 않고 일정한 두께의 필터층을 유지하도록 하기 위해 부상조(100)의 내부에 구비될 수 있다. 자세히 설명하면, 순환영역(130)과 크리닝영역(140) 내의 순환수와 처리수는 제1 및 제2격벽들(150, 160)에 의해 순환영역(130)과 크리닝영역(140) 내에서만 와류 또는 순환할 수 있다. 이로써, 순환수 또는 처리수는 버블 필터층이 형성되는 버블필터영역(120)까지 이동하지 않으므로 버블 필터층이 유지될 수 있다. 버블 필터층이 와해되면, 오염물질이 부착된 버블이 순환영역(130) 또는 크리닝영역(140)으로 침전하면서 결과적으로 수처리된 순환수 또는 처리수에 혼합되기 때문이다.
제1 및 제2격벽들(150, 160)의 높이는 부상조(100)의 높이보다 낮아, 오염물질이 제거되면서 폐수가 처리되는 동안의 이동경로를 제공할 수 있다. 또는, 제2격벽(160)의 높이는 제1격벽(150)의 높이보다 낮거나 같을 수 있다. 폐수의 이동경로에 대해 예를 들어 설명하면, 부상반응영역(110)으로 유입된 폐수는 버블 또는 버블 필터층에 의해 일부 오염물질이 제거되면서 제1격벽(150)을 넘어 순환영역(130)으로 이동하고, 순환영역(130)으로 이동하는 순환수 중 남은 오염물질은 다시 버블 필터층에 의해 제거되면서 제2격벽(160)을 넘어 크리닝영역(140)으로 이동할 수 있다.
도 1에는 제1 및 제2격벽들(150, 160)이 도시되어 있으나, 부상조(100)에는 3개 이상의 격벽들이 구비될 수도 있다. 격벽들 개수가 증가할수록 폐수의 오염물질이 보다 깨끗하게 부상 필터층에 의해 제거될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 버블을 이용한 수처리장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 버블을 이용한 수처리장치(200)는 순환수 펌프(210), 에어 공급기(220), 에어 인젝터(230), 용해수 발생기(240), 노즐(250) 및 부상조(100)를 포함할 수 있다.
순환수 펌프(210)로, 부상조(100)에서 오염물질이 일부 제거된 폐수를 순환영역(130)의 하부에 마련된 배출구(미도시)를 통해 유입되어, 에어 인젝터(230)로 배출할 수 있다. 순환수 펌프(210)의 일측이 부상조(100)의 순환영역(130)의 저부와 관로로 연결된 경우, 순환수 펌프(210)는 순환수를 유입받을 수 있다. 순환수 펌프(210)는 순환수를 압축하여 배출하는 가압펌프일 수 있다.
에어 공급기(220)는 대기 중의 공기 또는 공기 탱크(미도시) 내의 공기를 에어 인젝터(230)를 분사할 수 있다.
에어 인젝터(230)는 순환수 펌프(210)로부터 유입된 순환수에 에어 공급기(220)로부터 유입되는 공기를 주입하여 용해수 발생기(240)로 배출할 수 있다.
용해수 발생기(240)는 에어 인젝터(230)로부터 유입되는 순환수에 공기를 용해시켜 용해수를 발생하고, 생성된 용해수를 관로를 통해 노즐(250)로 배출할 수 있다. 에어 벤트(241)는 입자가 큰 공기를 외부로 배출한다. 용해수 발생기(240)와 노즐(250)을 연결하는 관로는 부상반응영역(110)의 하부에 마련된 출구(미도시)를 통해 구비될 수 있다.
노즐(250)은 용해수 발생기(240)로부터 유입되는 용해수로부터 미세입자 크기의 버블을 부상반응영역(110)으로 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 노즐(250)은 유입되는 용해수가 노즐(250)의 내부 표면에 부딪히면서 기포 형태, 즉, 미세입자의 버블로 분사시킬 수 있다. 노즐(250)의 상부에는 버블이 분사되는 분사노즐홀이 복수 개 마련될 수 있다. 노즐(250)은 버블 발생유량별로 분사노즐경(분사노즐홀의 직경)을 변경가능한 충돌형 2유체 노즐을 사용할 수 있다. 분사노즐경은 기계적으로 변경될 수 있다. 충돌형 2유체 노즐은 용해수를 분사할 때 미세입자의 액체방울끼리 최적의 조건으로 충돌하면서 버블이 발생하도록 하며, 버블의 지름이 균일하게 분포되도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 노즐(250)의 특징에 대해 간단히 살펴본다.
1) 미세 기포를 발생하는 노즐(250)의 대형화가 가능하다.
미세입자 크기의 버블을 분사하는 노즐(250)은 소형화 또는 대형화가 가능하다. 일반적으로 노즐은 생활환경분야 및 소량 수처리 장치 등 적용할 수 있는 분야가 제한적이다. 이는, 마이크로 버블의 입자 크기가 크거나 또는 노즐의 분사노즐경이 작아서 대용량의 미세기포를 발생하는데 한계가 있기 때문이다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 사용하는 노즐(250)은 분사노즐경을 버블의 발생유량별로 다르게 적용할 수 있고, 매니폴더(Manifolder) 방식으로 병렬 연결하는 경우 대용량의 미세 기포 발생기로 활용할 수 있다. 예를 들어, 200ℓ/min 노즐 10개를 1개의 Manifolder 형태로 제작할 경우, Manifolder 형태의 노즐(250)은 2m3/min(2,880m3/일)의 미세 기포를 발생할 수 있다. 또한, 500ℓ/min 노즐 5개를 1개의 Manifolder 형태로 제작할 경우, Manifolder 형태의 노즐(250)은 2.5m3/min(3,600m3/일)의 미세 기포를 발생할 수 있다.
2) 고형물에 의한 노즐(250)의 막힘현상을 억제할 수 있다.
일반적으로 노즐은 분사노즐경이 작거나 노즐 내부의 충돌 돌기 등으로 인해 부유물질과 같은 이물질에 의해 쉽게 막힐 수 있다. 그러나, 충돌형 2유체의 노즐(250)은 분사노즐경의 조절이 가능하다. 따라서, 부상조(100)로 유입되는 폐수가 전처리되어 5mm 이상의 부유물질이 대부분 제거된 경우, 분사노즐경을 넓게(예를 들어, 5mm 정도) 조절하면, 5mm 내외의 부유물질은 막힘없이 그대로 통과시킬 수 있다. 또한, 미세 기포는 입자가 작으므로, 미세한 입자의 고형물인 오염물질도 미세 기포에 흡착되어 충분히 부상분리하여 제거될 수 있다.
한편, 부상조(100)는 부상반응영역(110), 버블필터영역(120), 순환영역(130), 크리닝영역(140), 제1격벽(150), 제2격벽(160) 및 배출구(170)를 포함할 수 있다. 도 2의 부상조(100)는 도 1을 참조하여 설명한 부상조(100)와 같다.
부상조(100)에 대해 간략히 설명하면, 노즐(250)에서 분사되는 미세입자의 버블은 부상반응영역(110)에서 부상하면서 오염물질을 흡착하고, 오염물질이 흡착된 버블들은 제1 및 제2격벽들(150, 160)에 의해 버블필터영역(120)에 버블 필터층을 형성할 수 있다. 제1 및 제2격벽들(150, 160)은 순환수와 처리수가 각각 순환영역(130)과 크리닝영역(140) 내에서만 순환하도록 하고, 버블필터영역(120)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 버블 필터층은 순환수 또는 처리수의 간섭을 받지 않아 와해되지 않고, 일정 두께의 층을 유지할 수 있으며, 결과적으로 오염물질을 필터링하는 효과를 지속적으로 제공할 수 있다. 크리닝영역(140)의 처리수는 배출구(170)를 통해 무산소조와 같은 탱크로 배출될 수 있다.
또한, 부상반응영역(110)의 양측에 위치하는 면들 중 하나(부상조(100)의 일면)에는 제1유입부(미도시)가 구비되며, 부상반응영역(110)의 하면에는 제2유입부(미도시)가 구비될 수 있다. 부상반응영역(110)의 내부로는 제1유입부(미도시)를 통해 난분해성 오염물질이 포함된 폐수가 유입되며, 제2유입부(미도시)를 통해 미세입자의 버블이 유입될 수 있다.
순환영역(130)의 하면에는 순환수 펌프(210)로 순환수를 배출하기 위한 배출구(미도시)가 구비되며, 배출구(미도시)와 순환수 펌프(210)는 배관(미도시)에 의해 연결될 수 있다.
부상조(100)에 형성되는 버블 필터층의 기능은 다음과 같다.
일반적으로 수처리 여과기술에서 사용되는 여과기에는 여과기에 모래 또는 섬유담체 등을 충진하여 여과하는 압력여과기와 섬유사 여과기, 멤브레인 필터(Membrane Filter) 등이 있다. 수처리 여과기술은 반드시 여과 후에 여과층에 농축된 고형물을 제거하고 여과기 담체를 재생하기 위해 역세(Back Wash)를 하여야 하며, 역세공정 중에는 여과기능은 정지되어 연속운전이 불가능하다. 통상 여과기는 급수량의 5~10%가 역세수(오염수)로 발생하여 이를 처리하기 위해 재처리 비용이 반드시 발생하며, 처리시설 또한 이를 고려하여 증가한다.
그러나, 본 발명의 실시예에서 제안하는 버블 필터층을 부상조(100)에 형성하여 폐수와 같은 유입수를 Down Flow로 처리할 경우, 폐수의 오염물질은 부상반응영역(110)에 점진적으로 형성되는 미세 기포층의 버블들에 오염물질이 흡착되어 부상할 수 있다. 이로써, 일반 고형물 형태의 오염물질 또는 미세크기의 고형물의 필터링 효과는 증가한다. 또한, 여과기의 담체의 통수 저항에 의한 유체통과유량손실(압력손실)이 발생하지만, 버블 필터층은 압력손실이 거의 없다.
또한, 일반적으로 여과기는 역세수 발생량이 유입수의 5~10% 정도이지만, 본 발명의 실시예에서는 부상되는 오염물질만 스컴 스키머(미도시, Scum Skimmer)를 이용하여 기계적으로 제거하므로, 오염물질 발생량이 유입유량의 0.1~0.5% 정도이다. 따라서, 본 발명에서 역세수 발생량은 여과장치의 역세수량 대비 1~ 5% 수준에 해당하는 효과가 있다.
한편, 버블은 수중의 온도, 압력, 물의 점도 등에 밀접한 관련이 있다. 직경이 50㎛~100㎛ 이상인 버블은 매크로 버블이라 하며, 직경이 20㎛~50㎛ 사이인 버블은 마이크로 버블이라 하며, 직경이 1㎛~20㎛ 사이인 버블은 통상 미세 기포(MNB: Micro/Nano Bubble)라 한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 미세 기포는 예를 들어 2㎛~30㎛의 직경을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 노즐로부터 발생되는 버블의 독립분산 운동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 노즐(250)로부터 분사되는 버블은 분사되면서 표면이 음(-)이온으로 대전되어 버블 간의 이온반발에 의해 독립분산 운동을 하게 된다. 독립분산 운동에 의해, 각 버블이 부상하는 동안 결합하는 상승결합 현상이 발생하지 않으므로, 각 버블은 독립적으로 폐수의 오염물질을 흡착하면서 부상할 수 있다.
노즐(250)에 의해 분사되는 미세입자 버블로서 미세 기포의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
- 미세 기포의 크기는 마이크로단위로 매우 작아 부상하는 속도가 느려진다. 예를 들어, Stokes의 식에 의하면, 버블의 직경이 50㎛이 경우, 상온인 수중에서의 부상속도는 84mm/분이다.
- 또한, 부상조(100)의 상부, 즉, 버블필터영역(120)으로 부상된 버블들은 그 크기가 미세하므로 비표면적(같은 용적 당의 버블표면적)이 증가하며 이는 기액계면의 흡착조작 또는 물질이동조작에 유리하게 작용할 수 있다.
- 기액계면에 생성되는 클러스터 구조(예를 들어, 수소결합 네트워크)에 의해 물분자가 전리되어 만들어지는 OH- 이온이 계면에 모이면서 미세 기포의 표면이 (-)이온으로 대전된다.
- 증류수 중에서 미세 기포의
Figure 112012003495716-pat00001
(제타) 전위는 버블 지름(20㎛~60㎛)과 관계없이 -35mV이다. 이 제타전위는 pH의 영향을 받아 강산성에서는 대략 0mV, 강알칼리성에서는 대략 -100mV가 된다. 수중의 먼지성분 흡착은 미세 기포의 표면전하와 관계가 있다.
- 수중의 버블 내외 압력차는 아래의 Young-Laplace 식으로 구할 수 있다.
Figure 112012003495716-pat00002
[수학식 1]에서, s는 물의 표면장력, d는 버블의 지름, P는 버블의 내외 압력차로서, 버블 지름이 작아지면 버블의 내외압력차는 증가한다. 이러한 변화가 단열압축에서 발생한다고 가정한다면, 버블 내의 온도도 급격하게 상승한다. 따라서, 초음파 등의 외력에 의해 버블이 파열되면 순간적으로 고압, 고온이 생성된다.
- 버블이 독립분산 운동을 하게 되므로 상승결합현상이 없다. 자세히 설명하면, 일반버블(Macro 버블 또는 mm 사이즈의 버블)은 수중에서 버블이 상승하면서 버블간 결합에 의해 부력이 상승되어 더욱 빠른 속도로 수면으로 부상되는 현상이 있으나, 미세 기포는 버블표면이 음이온으로 대전되어 있어 버블간 이온반발에 이해 상호충돌 및 독립분산운동으로 수중환경에서 버블이 포화(Milky Saturation)되어 매우 느린 부상속도를 가진다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수처리장치에서 미세 기포가 발생되어 버블 필터층이 형성되는 과정의 일 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 부상조로 폐수가 유입되고 노즐로부터 버블이 발생되면, 1분 경과 후 오염물질이 흡착된 버블들이 부상반응영역에서부터 발생되어 부상한다.시간이 경과함에 따라 버블들이 부상하면서 확산되어 부상조의 버블필터영역에 버블 필터층이 형성된다. 5분 정도의 시간이 경과하면 부상조에 버블 필터층과 버블들이 부상조의 대부분의 영역에 형성되어 포화상태(Milky Saturation)가 된다. 이로써, 버블들의 부상은 장시간 소요되어 버블 필터층의 지속력이 향상된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수처리장치에서 생성되는 버블 필터층의 수중 잔류 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 포화상태(Milky Saturation)가 된 이후, 1분 내지 3분이 경과하여도 수중 내에 미세 기포와 버블 필터층이 잔류하고 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의해 형성되는 버블 필터층은 오랜 시간동안 부상조 내에서 유지되어 오염물질의 제거 및 처리수의 배출에 유용하게 사용될 수 있으며, 반응 지속성 및 수중 용해율이 향상되는 효과를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 순환수 펌프(210)는 부상조(100)로부터 배출되는 순환수를 용해수 발생기(240)로 주입하고 있다. 즉, 부상조(100)는 이미 사용된 폐수를 재사용하여 오염물질을 부상시킨다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 순환수 펌프(210)는 부상조(100) 외의 다른 물공급기(미도시)로부터 물을 공급받아 용해수 발생기(240)로 주입되도록 할 수 있다. 즉, 부상조(100)에서 오염물질의 부상에 사용되는 물은 부상조(100) 외의 외부로부터 공급가능하다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 구성을 도시한 도면이고, 도 7 내지 도 9는 도 6의 노즐을 설명하기 위해서 제공되는 도면이다.
도 2에 도시된 노즐(250)은 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있으며, 도 6 내지 도 9에 도시된 도면들을 참조하여, 노즐(250)을 상세히 설명하기로 한다.
노즐(250)은 충돌판(251), 외부 챔버(253), 내부 챔버(257), 및 주입구(259)를 포함할 수 있다. 노즐(250)은, 또한, 추가적으로 플랜지(255)와 지지대(262)를 포함할 수 있다.
외부 챔버(253)는, 통형상을 가지고, 내부에 내부 챔버(257)가 위치된다.
내부 챔버(257)는, 내부가 비어 있는 통형상을 가지며, 본체(256), 경사부(254), 및 유출부(252)를 포함할 수 있다.
노즐(250)은 용해수 발생기(240)로부터 유출되는 용해수(물에 공기가 녹은 상태)의 혼합물을 유입받아서, 미세기포들을 생성할 수 있다. 이처럼, 물과 공기가 단순히 혼합된 것이 아니고, 물에 공기가 녹은 상태의 용해수를 노즐(250)이 유입받게 되면, 후술하는 도 11내지 도 13의 도면들에서 알 수 있듯이, 미세 기포들이 생성되는 효과가 크게 된다.
주입구(259)는 외부 챔버(253)에 형성되어 있고, 용해수 발생기(240)로부터 유출되는 용해수를 유입받을 수 있다. 주입구(259)는 외부 챔버(253)를 관통하여 내부 챔버 본체(256)와 직접 연결되어 있으며, 이로써 주입구(259)를 통해서 유입되는 용해수는 내부 챔버 본체(256)로 직접 유입된다.
주입구(259)로 유입된 용해수는, 내부 챔버의 본체(256)의 내부로 유입되어 회전하게 된다.
본체(256)에서 회전하던 용해수는 경사부(254)로 이동되어 가속 회전되고, 가속회전된 용해수는 유출부(252)를 통해서 유출된 후, 충돌판(251)과 충돌하게 된다. 유출부(252)로 유출되기 직전까지 압력을 받던 용해수는, 압력이 해제됨과 동시에 충돌판(251)에 부딧침으로서 미세 기포가 발생하게 된다.
경사부(254)는 가속하기 용이하도록 원추형의 깔대기 형상을 가지고 있고, 경사부(254)의 일단은 본체(256)와 연결되어 있고, 경사부(254)의 타단은 유출부(252)와 연결되어 있다. 경사부(254)에서 본체(256)과 연결된 부분의 직경은, 유출부(252)와 연결된 부분의 직경보다 크다.
유출부(252)는 내부가 비어있는 관의 형상으로서, 경사부(254)에서 가속회전된 용해수를 유입받아, 용해수의 회전속도와 용해수가 받는 압력이 유지된 상태로 충돌판(251)을 향하여 충돌되도록 유출한다.
충돌판(251)은 직사각형상의 판으로 형상되며, 유출부(252)로부터 유출되는 용해수를, 유출부(252)가 용해수를 유출하는 방향에 수직되는 방향으로 향하도록 위치되어 있다.
충돌판(252)과 유출부(252)는 소정 거리 이격되어 있으며, 충돌판(252)은 지지대(262)에 의해 외부 챔버(253)에 고정되어 있다.
본 실시예와 같이, 용해수 발생기(240)에 의해서 생성된 용해수가, 노즐을 통해서 유출됨으로써 미세 기포가 발생될 수 있다.
도 10내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 노즐의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 노즐 내부에서의 유속과 물의 흐름을 시뮬레이션한 결과이다. 이들 도면에서 알 수 있듯이, 기포가 발생할 수 있도록, 용해수가 노즐 내에서 가속 회전되어 충돌판에 충돌된다.
도 12는 본 발명에 따른 노즐을 부상영역에 위치시켰을 때의 노즐로부터 발생되는 버블의 분포를 나타낸 것이다. 도 12를 참조하면, 노즐에서 발생된 기포는 5㎛ 직경을 가진 기포가 약 1.3%, 10 ㎛ 직경을 가진 기포가 약 27.9%, 20㎛ 직경을 가진 기포가 약 38%정도 된다.
도 12를 참조하면, 시간 순서에 따라서 기포의 유동이 표시되어 있고, 이러한 유동에서 알 수 있듯이 본 노즐은 본 발명에 따른 수처리 장치에 유용하게 사용될 수 있다.
상기와 같이 설명한 노즐 및 노즐을 이용한 미세 기포 발생장치는 부상조 및 수처리장치에 사용된 예를 설명하였지만, 이런 장치가 아닌 다른 장치(미세 버블이 필요한 장치)에도 사용될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 부상조 110: 부상반응영역
120: 버블필터영역 130: 순환영역
140: 크리닝영역 150: 제1격벽
160: 제2격벽 200: 수처리장치
210: 순환수 펌프 220: 에어 공급기
230: 에어 인젝터 240: 용해수 발생기
250: 노즐

Claims (6)

  1. 내부의 적정 수면보다 낮은 격벽이 하나 이상 구비되며, 미세입자의 버블을 이용하여 폐수의 오염물질을 필터링 및 부상시키는 부상조;
    물에 공기가 용해된 용해수로부터 상기 미세입자의 버블을 상기 부상조 내로 발생시키는 노즐; 및
    상기 용해수를 상기 노즐로 공급하는 용해수 발생기;를 포함하며,
    상기 노즐은,
    내부가 비어있는 통형상을 가지며, 상기 용해수 발생기로부터 유출되는 용해수를 유입 받을 수 있는 주입구를 가진 외부 챔버,
    상기 외부 챔버의 내부에 위치되어 있고, 내부가 비어 있는 통형상의 내부 챔버, 및
    판으로 형성된 충돌판을 포함하며,
    상기 내부 챔버는 상기 용해수 발생기로부터 유출되는 용해수를 상기 주입구를 통해서 유입받고, 상기 주입구를 통해서 유입받은 용해수를 회전 가속시켜 상기 충돌판을 향하여 유출시키며,
    상기 노즐에 의해 발생되어 상기 부상조 내로 유입되는 상기 미세입자의 버블은 상기 부상조의 상부로 부상하여 상기 오염물질의 침전을 방지하는 버블 필터층을 형성하며,
    상기 내부 챔버는,
    내부가 비어 있고 일단이 개방된 통형상을 가지며, 상기 용해수 발생기로부터 용해수를 상기 주입구를 통해 유입받는 본체;
    내부가 비어 있고 양단이 개방된 깔대기 형상을 가지며, 상기 본체로 유입된 용해수를 가속시키는 경사부; 및
    내부가 비어 있는 관의 형상을 가진 유출부;를 포함하며,
    상기 경사부의 일단은 상기 본체의 개방된 일단과 연결되어 상기 본체로부터 상기 용해수를 유입받고,
    상기 유출부는 상기 경사부의 타단과 연결되어 상기 경사부로부터 용해수를 유입 받고, 상기 경사부로부터 유입 받은 용해수가 상기 충돌판에 충돌하도록 상기 경사부로부터 유입 받은 상기 용해수를 유출하며,
    상기 경사부에서, 상기 본체와 연결된 부분의 직경 크기는 상기 유출부와 연결된 부분의 직경 크기보다 크며,
    상기 주입구를 통해 유입된 용해수는 상기 본체 내부에서 회전되며,
    상기 충돌판은 상기 유출부와 이격되어 있고 지지대에 의해 상기 외부 챔버에 고정되어 있으며, 상기 충돌판은 상기 유출부에 의해 용해수가 유출되는 방향에 수직되는 방향으로 향하는 것을, 특징으로 하는 마이크로/나노 버블을 이용한 수처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부상조에 복수 개의 격벽들이 구비되는 경우, 상기 격벽들 사이의 영역에서는 상기 오염물질이 일부 제거된 폐수가 이동하여 와류되며,
    상기 와류되는 폐수를 흡입하여 상기 용해수 발생기로 유입시키는 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 기포를 이용한 수처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부상조는,
    상기 부상조 내로 유입되는 버블이 상기 오염물질을 흡착하면서 상부로 부상하는 부상반응영역, 상기 부상반응영역의 하부로 유입되는 폐수 중 상기 오염물질이 일부 제거된 폐수가 이동하여 와류하는 순환영역 및 상기 버블에 의해 상기 폐수가 처리된 처리수가 저장되는 크리닝영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 미세 기포를 이용한 수처리장치.
  4. 삭제
  5. 미세 기포 발생장치에 사용되는 노즐로서,
    내부가 비어있는 통형상을 가지며, 물에 공기가 용해된 용해수를 주입받을 수 있는 주입구를 가진 외부 챔버,
    상기 외부 챔버의 내부에 위치되어 있고, 내부가 비어 있는 통형상의 내부 챔버, 및
    판으로 형성된 충돌판을 포함하며,
    상기 내부 챔버는,
    내부가 비어 있고 일단이 개방된 통형상을 가지며, 물에 공기가 용해된 용해수를 상기 주입구를 통해서 유입받는 본체;
    내부가 비어 있고 양단이 개방된 깔대기 형상을 가지며, 상기 본체로 유입된 용해수를 회전 가속시키는 경사부; 및
    내부가 비어 있는 관의 형상을 가진 유출부;를 포함하며,
    상기 경사부의 일단은 상기 본체의 개방된 일단과 연결되어 상기 본체로부터 상기 용해수를 유입받고,
    상기 유출부는 상기 경사부의 타단과 연결되어 상기 경사부로부터 용해수를 유입 받고, 상기 경사부로부터 유입 받은 용해수가 상기 충돌판에 충돌하도록 상기 경사부로부터 유입 받은 상기 용해수를 유출하며,
    상기 경사부에서, 상기 본체와 연결된 부분의 직경 크기는 상기 유출부와 연결된 부분의 직경 크기보다 크며,
    상기 주입구를 통해 유입된 용해수는 상기 본체 내부에서 회전되며,
    상기 충돌판은 상기 유출부와 이격되어 있고 지지대에 의해 상기 외부 챔버에 고정되어 있으며, 상기 충돌판은 상기 유출부에 의해 용해수가 유출되는 방향에 수직되는 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 미세 기포 발생장치용 노즐.
  6. 삭제
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