KR101535670B1 - 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 관한 것으로, 하수처리장의 하수를 정화 처리하는 과정 중에 발생되는 에너지(슬러지의 낙하에너지)를 이용하여 전기를 발전하고, 전기의 발전을 위한 구성의 보수시 반송 슬러지관에 의한 슬러지를 지속적으로 반송함을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치는, 하수처리장의 최종 침전조에 침전된 슬러지를 재정화하기 위하여 펌프를 통해 최초 침전조(2)로 강제 압송하는 반송 슬러지관(10)과; 상기 반송 슬러지관의 배출단 저부에 배치되며 상기 반송 슬러지관에 의해 낙하하는 슬러지에 의해 회전하는 수차(20)와; 상기 수차와 연결되며 상기 수차의 회전력을 전달받아 전기에너지를 발전하는 하나 이상의 발전기(30)와; 상기 수차와 발전기를 지지하는 프레임(40)를 포함하고, 상기 반송 슬러지관은, 상기 펌프와 연결되어 상기 펌프에 의해 강제 펌핑되는 슬러지가 유입되는 유입부(11), 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지를 낙하에 의해 상기 최초 침전조에 반송하는 제1배출부(12), 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지가 상기 수차에 낙하하도록 반송하는 제2배출부(13), 상기 제1,2배출부를 개폐하는 제1,2밸브(14,15)로 구성된다.

Description

하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치{Small hydro power generation device using the return sludge tube of sewage treatment plant}

본 발명은 소수력 발전장치에에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하수처리장의 하수를 정화 처리하는 과정 중에 발생되는 에너지(슬러지의 낙하에너지)를 이용하여 전기를 발전할 수 있는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 도시하수, 가축폐수, 농업폐수 및 산업폐수 등을 포함하는 하폐수에는 BOD성분인 유기물질뿐만 아니라 질소 및 인을 포함하는 영양염류성분이 존재하는데, 이러한 영양염류의 증가는 생태계 균형의 파괴 결과를 가져오면서 부영양화의 현상이 발생하는 문제점을 안게 된다.

따라서 상기와 같은 유기물질, 질소 및 인을 포함하는 영양염류를 처리하기 위한 다양한 방법 및 장치들이 개발되어 왔다. 즉, 초기의 하폐수처리공정은 주로 하폐수 내의 유기물질을 제거하기 위한 것으로 예비처리, 1차 처리, 2차처리, 슬러지처리공정 등을 사용하는 방법이 사용되었는데, 상기에서 2차 처리 시에 생물학적 처리를 위해 생물 반응조를 사용하였고 여기서 유기물질을 제거하였다.

이와 같은 하수처리장은 정화효율을 높이기 위하여 최종 침전조의 슬러지를 재정화하도록 최초 침전조로 반송하도록 구성된다.

도 1은 종래 반송관에 의한 슬러지의 반송을 보인 도면으로서, 반송관(1)은 미도시된 최종 침전조에 침전된 슬러지를 최초 침전조로 반송하는 것이며, 유입부는 미도시된 펌프와 연결되어 상기 펌프에 의해 강제 압송되는 슬러지를 공급받으며 배출부는 슬러지를 최초 침전조(2)에 반송하도록 저부를 향해 개방되는 구조이다. 즉, 슬러지는 상기 펌프의 압송에 의해 일정 압력으로 낙하하는 것이다.

한편, 전력의 생산 방법은, 화력 발전, 원자력 발전, 수력 발전, 태양열 발전, 풍력 발전, 조력 발전 등이 있다. 상기에서 화력 발전 및 원자력 발전은 열에 의해 발생된 증기로 발전기 내의 터빈(turbine)을 회전시켜 전기를 발생하는 것이고, 수력 발전은 댐에 저수된 물의 낙차에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 발생하는 것이다.

그러나, 상기한 화력 발전은 석탄 또는 석유 등의 화석연료를 에너지원(energy source)로 사용하는 것으로 발전소의 건설비가 상대적으로 저렴하나 화석연료 등의 매장량이 한계가 있어 점차 고갈되며 환경을 오염시키는 문제점이 있다.

그리고, 원자력 발전은 우라늄 등의 방사능 물질을 핵분열시킬 때 발생되는 막대한 양의 열을 에너지원으로 사용하는 것으로 발전 용량이 크나, 방사능에 의한 환경 오염이 심각한 문제점이 있다.

따라서, 오래전부터 상기한 화력 발전, 원자력 발전을 대체할 청정대체에너지에 대한 관심 및 그 이용에 대한 실질적인 장치의 개발을 위한 연구와 노력이 이루어져 왔다.

일반적으로 청정대체에너지는 소수력에너지, 태양에너지(solar energy), 풍력에너지(wind nergy), 조류력(조류)(current energy), 조력에너지(tidal energy), 파력에너지, 지열에너지(geo-thermal energy), 생화학에너지(bio-chemical energy) 등이 있다.

소수력에너지는 발전원가가 저렴하고 대형 수력에너지 시설 등에 비해 시설비용이 적고 설치 지역의 한계가 없기 때문에 소수력에너지의 기술 개발 및 활용에 많은 관심이 집중되고 있다.

실제로 우리나라는 물론 전세계적으로 소수력 발전기가 널리 사용되고 있으며, 본 발명은 하수처리장에서 발생되는 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 발전하고자 제안된 것이다.

참고로, 하수처리장에서 방류되는 정화수의 운동에너지를 이용한 소수력발전기와 관련된 특허문헌들이 있다.

종래 특허문헌은 방류수의 흐름 에너지만을 이용한 것으로, 방류수에 의해 수차를 회전시킬 수 있고, 이로써 전기에너지를 발전할 수는 있지만, 방류수가 대개 자연방류이기 때문에 발전효율이 매우 약할 수밖에 없으므로 투자비용 대비 이익을 창출하지 못하고 있는 실정이다.

등록특허 제10-0817041호 공개특허 제10-2012-0112910호 공개특허 제10-2001-0045279호 등록특허 제10-1018073호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하수처리장의 하수를 정화 처리하는 과정 중에 발생되는 운동에너지(슬러지의 낙하에너지)를 이용하여 전기를 발전하고, 전기의 발전을 위한 구성의 보수시 반송 슬러지관에 의한 슬러지를 지속적으로 반송할 수 있는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치는, 하수처리장의 최종 침전조에 침전된 슬러지를 재정화하기 위하여 펌프를 통해 최초 침전조로 강제 압송하는 반송 슬러지관과; 상기 반송 슬러지관의 배출단 저부에 배치되며 상기 반송 슬러지관에 의해 낙하하는 슬러지에 의해 회전하는 수차와; 상기 수차와 연결되며 상기 수차의 회전력을 전달받아 전기에너지를 발전하는 하나 이상의 발전기와; 상기 수차와 발전기를 지지하는 프레임을 포함하고, 상기 반송 슬러지관은, 상기 펌프와 연결되어 상기 펌프에 의해 강제 펌핑되는 슬러지가 유입되는 유입부, 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지를 낙하에 의해 상기 최초 침전조에 반송하는 제1배출부, 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지가 상기 수차에 낙하하도록 반송하는 제2배출부, 상기 제1,2배출부를 개폐하는 밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 의하면, 하수처리장의 시설 변경을 하지 않고 하수처리장의 자원을 그대로 이용하여 전기에너지를 발전 및 발전된 전력을 하수처리장의 전력시설에 공급함으로써 비용을 절감함은 물론 하수처리장의 자가발전율을 높일 수 있다.

그리고, 수차 등 발전장치의 보수가 필요한 경우 슬러지의 배출 경로를 전환하여 하수처리장의 가동을 정지하지 않고 반송 슬러지관을 통해 슬러지를 지속적으로 최초 침전조에 반송하면서 발전장치의 보수가 가능하므로 발전장치로 인한 하수처리효율의 저하를 막을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 하수처리장의 반송관에 의하 슬러지의 반송을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치의 설치 상태 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치의 요부 발췌 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 슬러지 가이드가 적용된 측면도.
도 5와 도 6은 각각 본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 적용된 발전기의 설치 상태 예시도.
도 7은 본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치에 적용된 반송 슬러지관의 다른 예시도.

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치는, 최종 침전조에 침전된 슬러지를 펌프의 강제 압송력에 의해 최초 침전조(2)로 반송하는 반송관(10), 반송관(10)에 의해 최초 침전조(2)에 반송되는 슬러지의 낙하에 의해 회전하는 수차(20), 수차(20)의 회전력을 전기에너지로 발전하는 발전기(30)로 구성된다.

반송 슬러지관(10)은 상기 펌프와 연결되어 상기 펌프에 의해 강제 펌핑되는 슬러지가 유입되는 유입부(11), 유입부(11)를 통해 유입된 슬러지를 최초 침전조(2)로 반송하는 배출부로 구성된다. 슬러지는 상기 펌프의 강제 압송력에 의해 압송되며 이 과정에서 반송관(10)을 통해 낙하하여 최초 침전조(2)에 반송된다.

본 발명은 반송관(10)을 통해 최초 침전조(2)에 반송되는 슬러지의 반송력에 의해 수차(20)를 회전시켜 발전하는 것이며, 슬러지가 항상 수차(20)에 공급되어 수차(20)를 회전시키는 것도 가능하다. 그러나, 수차(20)의 점검과 보수 및 교체 등이 필요한 경우 슬러지의 반송을 정지하지 않도록 슬러지의 배출부를 제1,2배출부(12,13)로 구분하였다.

제1배출부(12)는 슬러지가 수차(20)를 경융하지 않고 최초 침전조(2)로 배출되도록 하는 것이며, 제2배출부(13)는 슬러지가 수차(20)를 경유하여 수차(20)에 회전력을 부여한 후 최초 침전조(2)로 배출되도록 하는 것이다.

제1배출부(12)는 수차(20)와 관련없이 슬러지의 반송만을 위한 것이므로 전체적으로 동일한 직경이며, 제2배출부(13)는 슬러지의 낙하에너지를 크게 하여 수차(20)의 회전수를 증가할 수 있도록 타구간보다 작은 직경의 배출단(13a)이 구성된다.

이때, 슬러지가 제1,2배출부(12,13)를 통해 함께 배출될 수도 있지만, 제1배출부(12)에 의한 배출은 단순한 반송만을 위한 배출이고, 제2배출부(13)에 의한 배출은 수차(20)를 회전시키기 위한 배출이기 때문에 제1,2배출부(12,13)를 통해 함께 슬러지를 함께 배출하는 것은 발전 효율을 저하하는 것이다. 따라서, 제1,2배출부(12,13) 중에서 어느 한쪽의 배출부를 통해서만 슬러지를 배출하도록 제1,2밸브(14,15)가 갖추어진다. 제1밸브(14)는 제1배출부(12)를 개폐하고 제2밸브(15)는 제2배출부(13)를 개폐하되, 제1,2밸브(14,15)는 서로 반대로 개폐되어 슬러지가 제1배출부(12)를 통해서만 배출되거나 제2배출부(13)를 통해서만 배출되도록 한다. 물론, 슬러지의 반송이 없는 경우 제1,2배출부(12,13)는 함께 개방 또는 폐쇄될 수 있다.

제1,2밸브(14,15)는 관리자의 수작업에 의해 개폐할 수 있고, 관리자의 스위치 조작에 의해 개폐 동작할 수도 있으며, 또는 컨트롤러의 자동 제어에 의해 개폐 동작할 수도 있다.

아울러, 제2배출부(13)를 통해 낙하하는 슬러지를 수차(20)로 유도하기 위하여 도 4에서처럼, 제2배출부(13)와 수차(20)의 사이에는 슬러지 가이드(16)가 구성될 수 있다.

슬러지 가이드(16)는 직선 단면의 판상, 곡선 단면의 판상, 관형[상부는 반송 슬러지관(10)의 배출단과 대응하고 하부는 수차(20)와 대응하는 크기의 나팔관 형태] 등일 수 있고, 슬러지가 수차(20)의 베인에 집중 낙하하도록 함으로써 수차(20)의 회전효율을 향상한다.

슬러지 가이드(16)는 후술하는 프레임(40)에 설치되어 수차(20)와 발전기(30)와 함께 일체로 구성됨으로써 프레임(40)의 설치만을 통해 모든 구성의 설치가 가능하도록 할 수 있고, 또는 반송 슬러지관(10)에 설치될 수도 있다.

슬러지 가이드(16)는 고정형일 수도 있고, 각도 조정형일 수도 있다. 후자의 경우 슬러지 가이드(16)는 상부가 힌지 연결되면서 모터, 유압실린더 등의 액추에이터에 연결되어 상기 액추에이터에 의해 각도 조정되며, 따라서, 제2배출부(13)를 통해 배출되는 슬러지의 낙하 방향을 전환하여 슬러지를 최적의 방향으로 유도할 수 있고, 또는 슬러지가 수차(20)를 벗어나는 방향으로도 유도할 수 있다.

수차(20)는 다수의 베인(21)이 구비된 구조이며, 제2배출부(13)의 저부, 즉 슬러지가 낙하하는 경로에 프레임(40)을 통해 설치된다.

프레임(40)은 예를 들어 H형 빔 등의 조합으로 구성되어 최초 침전조(2)의 지상에 고정되면서 수차(20)를 제2배출부(13) 저부의 공중에 설치하고 발전기(30)의 거치 공간을 제공하며, 도면에 도시된 것으로 한정되지는 않는다.

수차(20)는 회전력 증강을 위하여 중량체(22)가 설치된다. 중량체(22)는 수차(20)의 둘레부에 전체적으로 설치되지 않고 일부분에만 설치되어 수차(20)의 회전시 원심력에 의해 수차(20)의 회전력을 증강하는 것이다.

수차(20)는 체결구 등을 통해 수차(20)에 분리 가능하게 설치되며, 예를 들어, 부채꼴 형태로 형성되어 베인(21)과 베인(21) 사이에 개재되면서 체결구를 통해 설치될 수 있다.

수차(20)의 좌우 양측에는 수차(20)에 낙하한 슬러지가 수차(20)의 밖으로 분산되지 않고 수차(20)를 통과하도록 슬러지 가이드(25)가 적용된다. 슬러지 가이드(25)는 판상으로 형성되어 수차(20)의 좌우 옆에 배치되며 상부가 제2배출부(13)의 하부에 배치되고 하부가 수차(20)의 아래쪽에 배치될 수 있다.

슬러지 가이드(16)(25)를 구분하여 설명하였으나, 2개의 슬러지 가이드(16,25)는 일체형으로 구성될 수도 있다.

발전기(30)는 프레임(40) 등에 설치되며 동력전달수단(31)(벨트, 체인 등)을 통해 수차(20)의 회전축(23)(회전축, 회전축에 고정된 구동휠 등을 말함)에 연결되고, 수차(20)의 회전에너지를 전달받아 전기에너지를 발전한다.

발전기(30)는 하나만 사용될 수도 있고, 2개 이상이 사용될 수도 있다. 도 5에서 보이는 것처럼, 다수(도면에는 5개로 도시됨)의 발전기(30)는 일렬로 설치되며, 이 중에서 중앙의 제1발전기(30-1)는 수차(20)와 연결되고, 제1발전기(30-1)의 좌우 양측에 있는 제2,3발전기(30-2,30-3)는 제1발전기(30-1)와 벨트 등의 동력전달수단으로 연결되어 회전력을 전달받으며 그 다음의 제4,5발전기(30-4,30-5)는 그 앞단의 제2,3발전기(30-2,30-3)와 동력전달수단으로 연결되어 회전력을 전달받는다.

도 6은 발전기(30)의 다른 예를 보인 것으로, 수차(20)의 회전축(23)과 동력전달수단을 통해 동력전달축(24)이 설치되며, 제1 내지 제4발전기(30-1,30-2,30-3,30-4)는 동력전달축(24)을 중심으로 하여 양측에 2개씩 설치되면서 각각 동력전달수단을 통해 동력전달축(24)에 연결된다.

발전기(30)에 의해 발전된 전기에너지는 부하(하수처리장에서 전기를 필요로 하는 시설)에 직접 공급될 수 있고, 별도의 축전지를 통해 축전된 후 필요시 부하에 공급될 수 있다.

본 발명에 의한 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치의 작용은 다음과 같다.

하수처리장에 의한 하수처리과정은 공지된 것이므로 구체적인 설명을 생략하며, 본 발명과 관련된 것만 구체적으로 설명한다.

최종 침전조의 슬러지는 펌프의 펌핑에 의해 최초 침전조(2)로 반송되며, 이 때, 슬러지는 반송 슬러지관(10)을 통해 최초 침전조(2)로 반송된다.

반송 슬러지관(10)은 제1,2배출부(12,13)가 구성되며, 기본적으로 소수력 발전이 가능하도록 제2배출부(13)는 개방되고 제1배출부(12)는 폐쇄 상태를 유지한다.

따라서, 반송 슬러지관(10)에 유입된 슬러지는 제2배출부(13)를 통해 최초 침전조(2)에 반송되며, 이 과정에서 수차(20)를 회전시키게 되고, 수차(20)의 회전운동에너지는 동력전달수단(31)을 통해 발전기(30)에 전달되며, 발전기(30)는 회전운동에너지를 전기에너지로 발전한다.

한편, 슬러지가 제2배출부(13)로 배출되는 상태에서는 수차(20), 발전기(30) 등의 보수가 교체가 어려울 것이며, 수차(20), 발전기(30) 등의 보수나 교체가 필요한 경우 슬러지가 제1배출부(12)로 배출되도록 제1,2밸브(14,15)를 조작하여 제1배출부(12)를 개방하는 한편 제2배출부(13)를 폐쇄한다.

따라서, 반송 슬러지관(10)에 유입된 슬러지는 제2배출부(13)로는 배출되지 않고 제1배출부(12)로만 배출되어, 하수처리장은 지속적으로 가동한다.

지금까지는 반송 슬러지관(10) 자체가 제1,2배출부(12,13)를 갖고 제1,2밸브(14,15)가 구성된 것으로 설명하였으나, 도 7과 같이 반송 슬러지관(10)에 배출소켓(17)을 결합함으로써 동일한 기능을 수행할 수도 있다.

즉, 반송 슬러지관(10)은, 유입부와 배출부를 갖는 반송관 본체(10a), 반송관 본체(10a)의 배출부에 결합되는 연결부 및 상기 연결부에 분기 형성되는 제1,2배출부(12,13)가 형성된 관형이며 내부에 제1,2배출부(12,13)를 선택적으로 개폐하는 밸브(17a)가 장착된 배출 소켓(17)으로 구성된다.

반송관 본체(10a)는 종래 반송관이 그대로 사용될 수 있으며, 따라서, 종래 반송관에 배출소켓(17)만 연결함으로써 전술한 것처럼, 이건발명의 목적을 달성[소수력 발전이 가능하며 수차(20) 등의 보수시 슬러지를 지속적으로 반송]할 수 있다. 결과적으로 이러한 실시예에 따르면 초기 투자비용이 저렴하고, 기존 하수처릴장에 쉽게 적용할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 최종 침전조에서 최초 침전조로 반송되는 경로에 설치되어 전기에너지를 발전하는 것으로 설명하였으나, 이는 설치 지역의 일 예인 것일 뿐이며, 하수처리장 내에서 소수력 발전이 가능한 모든 지역에 설치될 수 있는 것이다.

2: 최초 침전조,
10 : 반송 슬러지관, 11 : 유입부
12,13 : 제1,2배출부, 14,15 : 제1,2밸브
16 : 슬러지 가이드
20 : 수차, 21 : 베인
22 : 중량체, 23 : 회전축
24 : 동력전달축
30 : 발전기,
40 : 프레임,

Claims (5)

1. 하수처리장의 최종 침전조에 침전된 슬러지를 재정화하기 위하여 펌프를 통해 최초 침전조(2)로 강제 압송하는 반송 슬러지관(10)과;
   상기 반송 슬러지관의 배출단 저부에 배치되며 상기 반송 슬러지관에 의해 낙하하는 슬러지에 의해 회전하되 회전력 증강을 위한 중량체가 구비되는 수차(20)와;
   상기 수차와 연결되며 상기 수차의 회전력을 전달받아 전기에너지를 발전하는 하나 이상의 발전기(30)와;
   상기 수차와 발전기를 지지하는 프레임(40)를 포함하고,
   상기 반송 슬러지관은, 상기 펌프와 연결되어 상기 펌프에 의해 강제 펌핑되는 슬러지가 유입되는 유입부(11), 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지를 낙하에 의해 상기 최초 침전조에 반송하는 제1배출부(12), 상기 유입부를 통해 유입된 슬러지가 상기 수차에 낙하하도록 반송하는 제2배출부(13), 상기 제1,2배출부를 개폐하는 제1,2밸브(14,15)를 포함하고,
   상기 제1,2밸브는 서로 반대로 개폐되어 슬러지가 상기 제1배출부 또는 제2배출부를 통해서만 배출되도록 하거나, 함께 개방되어 슬러지가 제1,2배출부를 통해 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치.
2. 삭제
3. 하수처리장의 최종 침전조에 침전된 슬러지를 재정화하기 위하여 펌프를 통해 최초 침전조(2)로 강제 압송하는 반송 슬러지관(10)과;
   상기 반송 슬러지관의 배출단 저부에 배치되며 상기 반송 슬러지관에 의해 낙하하는 슬러지에 의해 회전하는 수차(20)와;
   상기 수차와 연결되며 상기 수차의 회전력을 전달받아 전기에너지를 발전하는 하나 이상의 발전기(30)와;
   상기 수차와 발전기를 지지하는 프레임(40)을 포함하고,
   상기 반송 슬러지관은, 유입부와 배출부를 갖는 반송관 본체(10a), 상기 반송관 본체의 배출부에 결합되는 연결부 및 상기 연결부에서 분기되는 제1,2배출부(12,13)가 구비된 관형이며 내부에 상기 제1,2배출부를 선택적으로 개폐하는 밸브(17a)가 장착된 배출 소켓(17)으로 구성된 것을 특징으로 하는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 반송 슬러지관의 제2배출부와 상기 수차의 사이에 설치되어 상기 제2배출부를 통해 배출되는 슬러지를 상기 수차로 유도하는 슬러지 가이드(16)가 포함되는 것을 특징으로 하는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2배출부는 타구간에 의해 직경이 좁게 형성되어 슬러지의 배출에너지를 증가하는 배출단이 구비된 것을 특징으로 하는 하수처리장의 반송 슬러지관을 이용한 소수력 발전장치.

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