KR101565329B1 - 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오폐수 처리장치용 산소공급장치에 관한 것으로, 본 발명의 산소공급장치는 오폐수 처리장치에 송풍기와 순산소를 생산하는 산소발생기를 구비하여 이들의 작동을 적절히 제어함으로써 오염물질 제거를 위해 공급되는 산소의 농도를 21~80% 범위에서 조절할 수 있도록 이루어진다. 이에 따라 본 발명에 의하면 경제적이고 단순한 장치를 사용하면서도 처리효율 향상 및 전력소모량 절감을 동시에 달성할 수 있다.

Description

산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치 {Oxygen supplying device controlling oxygen concentration for wastewater treatment system}

본 발명은 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오폐수 처리공정에서 필요한 산소 공급을 실시함에 있어서 공기 중의 산소농도를 필요한 농도로 조절하며 산소 공급을 위한 송풍 시스템에서 소모되는 전력을 절감시킬 수 있는 산소공급장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 산소발생기에서 발생하는 산소의 농도를 80% 이하에서 적정 농도로 조절하여 반응조의 혼합에 필요한 양 및 필요 산소를 공급할 수 있는 양과의 균형을 맞추어 공급함으로써 경제적이고 단순하면서도 효율이 좋은 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치에 관한 것이다.

환경 보호에 대한 관심과 필요성이 갈수록 높아지는 가운데, 오염된 물을 정화하는 수처리 기술에 대한 중요성 역시 점점 높아지고 있다. 물은 인간이 살아가는데 있어서 일상생활에서부터 수없이 다양한 공정 등에 이르기까지 거의 모든 부분에서 필요하며, 이에 따라 인간이 사는 지역에서는 오염된 물이 발생된다. 특히 일상생활에서 발생되는 오폐수의 경우 배설물이나 음식물 쓰레기 등과 같은 유기물 등이 함유되어 있는 경우가 많으며, 이러한 오염물질들을 제거하여 배출하는 것이 필수적이다.

오폐수 처리공정에 있어서, 오염물질을 산화시켜서 제거하거나 미생물을 이용하여 분해하여 제거하는 방식이 통상적으로 널리 사용되고 있다. 이를 위해 오폐수 처리공정에는 산소가 공급되어야 하며, 따라서 오폐수 처리장치에는 산소 공급을 실시하기 위해서 운용되는 송풍 장치가 필수적으로 구비된다. 그런데 산소 공급을 위한 전력비가 전체 하수처리장 운영관리비의 30~50%로 많은 부분을 차지한다는 점이 알려져 있으며, 하수처리장 운영관리비의 절감을 위해서는 산소 공급에 소요되는 전력을 절감하는 것이 매우 중요하다.

오폐수 처리장치에 산소를 최대한 많이 공급하기 위한 노력의 일환으로, 순산소를 생산하여 주입하는 순산소 공급 오폐수 처리장치가 개시된 바 있다. 도 1은 이러한 순산소 공급 오폐수 처리장치의 예시이며, 도 2는 순산소를 공급하기 위한 순산소 발생장치의 상세 구성의 예시이다. 그런데, 이와 같은 순산소 공급 오폐수 처리장치의 경우, 순산소를 발생시키기 위해서 순산소 발생장치를 추가적으로 운영하기 때문에, 여기에 별도의 전력이 더 소비되어, 결과적으로 전체 오폐수 처리장치의 전력 절감에는 그다지 도움이 되지 않는다.

특히 순산소 발생장치에서는, 도 3에 도시된 바와 같이 생산하는 산소의 순도가 증가할수록 전력 소모가 증가한다. 도 3에 잘 나타나 있는 바와 같이, 예를 들어 80% 이상의 순도가 필요할 경우 소요전력량이 급격히 증가하게 된다. 이 때 도 1에 나타난 바와 같은 기존의 순산소 공급 오폐수 처리장치는 92% 이상의 순도로 산소를 공급하여 운영하는 것으로 알려져 있으며, 공급해야 할 기체의 부피 즉 송풍량은 크게 줄일 수 있지만 순산소를 발생시키기 위한 추가적인 전력 소모가 과도하게 증가되기 때문에, 실질적으로 전력 절감의 효과는 없거나 오히려 나빠진다. 뿐만 아니라 순산소 공급이 이루어지지 않는 기존의 오폐수 처리장치와 비교하였을 때 공급되는 기체의 부피가 크게 줄기 때문에, 기존의 오폐수 처리장치에서 사용되는 교반기를 사용할 경우 교반력 부적으로 기체와 오폐수와의 혼합 효율이 좋지 않게 되며, 이는 처리 효율의 저하 원인이 된다. 이에 따라 반응조 혼합을 위한 별도의 교반기를 더 설치해야 하며, 이에 따른 설비 비용 증가 뿐 아니라 전력량 소모 또한 더욱 증가하게 되는 문제가 있다. 이러한 문제 때문에, 도 1, 2 등으로 나타나는 바와 같은 오폐수 처리장치의 경우 고농도의 오폐수를 처리하기 위해 제한적으로 적용되고 있는 실정이다.

상술한 바와 같이 오폐수 처리효율에는 공급되는 산소의 양이 직접적으로 관련되며, 반면 산소 공급을 위한 송풍 장치 작동으로 인한 전력소모량의 절감 역시 필요하기 때문에, 이 두 가지 요소의 균형을 적절히 맞추기 위하여 다양한 연구 및 노력이 이루어져 왔다. 일본등록특허 제533175호("폐수 처리장치 및 산소 공급량 제어 방법", 2013.08.02, 선행문헌 1)에서는 블로워 및 PSA 방식의 산소발생장치와 DO센서를 함께 사용하여 산소공급량을 조절하도록 되어 있다. PSA 즉 압력변동흡착기법이란, 흡착제가 채워진 흡착탑에 기체를 공급하되 압력을 변동하여 가함으로써, 압력에 따라 흡착제에 기체가 흡착 및 탈착을 반복하는 과정에서 순수한 산소를 얻어낼 수 있도록 하는 기술이다. 선행문헌 1에서는, DO(용존산소)센서를 사용하여 반응조 내 용존산소량을 측정하고, 측정된 용존산소량에 따라 블로워 및 PSA 방식의 산소발생장치를 선택적으로 운용함으로써 산소공급량을 제어하도록 되어 있다. 일본공개특허 제2004-298674호("폐수처리 장치 및 폐수처리 방법", 2004.10.28, 선행문헌 2)에서도 유사하게, DO센서로 반응조 내 용존산소량을 측정하고, 이에 따라 산소공급장치의 동작 및 블로워의 회전수를 제어하여 일정한 용존산소량이 유지되도록 산소를 공급하게 되어 있다.

위와 같은 선행문헌들의 경우 모두 DO센서를 사용하여 용존산소량을 측정하고 이에 따라 산소공급장치(블로워, 산소발생장치)를 작동시키게 되어 있는데, 실제 현장에서 사용되는 수처리시설에 DO센서가 적용되는 경우는 별로 없다. 즉, 고비용으로 운영 가능한 수처리시설 외에 일반적으로 널리 적용되고 있는 수처리시설의 경우 실질적으로 설비 또는 운영에 드는 비용 절감이 매우 절실한 경우가 많으며, 따라서 DO센서 및 이를 이용한 제어장치를 구비하고 운영하는데 드는 비용조차도 경제적 부담이 될 수 있는 실정이다.

이처럼 실제 현장에서는, 경제적이고 단순한 시스템을 가지고도 높은 효율의 수처리를 수행할 수 있는 수처리장치, 보다 구체적으로는 경제적이면서도 효과적으로 산소를 공급할 수 있는 시스템을 가지는 오폐수 처리장치에 대한 요구가 높아져 가고 있다.

1. 일본등록특허 제533175호("폐수 처리장치 및 산소 공급량 제어 방법", 2013.08.02) 2. 일본공개특허 제2004-298674호("폐수처리 장치 및 폐수처리 방법", 2004.10.28)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 오폐수 처리에 필요한 산소를 공급함에 있어서, 반응조에서 교반 및 혼합이 원활히 일어날 수 있는 기체 부피 및 원하는 정도의 반응을 발생시킬 수 있는 산소필요량에 따른 기체 부피를 고려하여 산소의 농도를 조절하되, 송풍 장치와 순산소 발생장치를 적절히 혼합 사용함으로써, 오폐수 처리효율을 원하는 정도로 충분히 달성함과 동시에 전력소모량을 최소화할 수 있는, 즉 경제적이고 단순하면서도 효율을 높일 수 있는, 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치는, 오폐수 처리장치에 산소를 공급하는 산소공급장치에 있어서, 산소를 발생시키는 산소발생기(10) 및 공기를 송풍하는 송풍기(20)를 포함하여 이루어지되, 상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 21~80% 범위 내가 되도록 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 조절되도록 이루어질 수 있다.

이 때 상기 산소공급장치는, 시간에 따른 오폐수량 데이터가 측정 및 누적되어 미리 작성된 오폐수량 데이터베이스 및 상기 오폐수 처리장 내 오폐수 산소농도에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 결정되어 미리 작성된 구동 데이터베이스를 기반으로, 시간에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도 조절이 이루어짐으로써 상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 조절되도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 산소공급장치는, 상기 산소발생기(10)에서 발생시키는 산소농도가 21~80% 범위 내로 형성될 수 있다. 또한 이 때 상기 산소공급장치는, 상기 송풍기(20)의 작동 최대출력을 100%라고 하고, 상기 산소공급장치에 의해 전달되는 산소 전달 최대량을 100%라 할 때, 상기 송풍기(20)의 작동 범위가 최대출력 대비 50~100% 범위 내로 조절되어, 산소 전달량 범위가 최대량 대비 10~100%로 조절되도록 형성될 수 있다.

또한 상기 산소공급장치는, 상기 산소발생기(10), 상기 송풍기(20), 상기 오폐수 처리장치가 순차적으로 직렬로 연결되도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 산소공급장치는, 상기 송풍기(20)에 별도의 송풍기용 공기공급라인(21)이 더 구비되어, 상기 송풍기(20)로 공기가 추가적으로 공급되도록 이루어질 수 있다. 또는 상기 산소공급장치는, 상기 오폐수 처리장치에 별도의 보조 송풍기(25)가 더 구비되어, 상기 오폐수 처리장치로 공기가 추가적으로 공급되도록 이루어질 수 있다.

또는 상기 산소공급장치는, 상기 송풍기(20), 상기 산소발생기(10), 상기 오폐수 처리장치가 순차적으로 직렬로 연결되도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 산소공급장치는, 상기 송풍기(20) 및 상기 오폐수 처리장치를 직접 연결하는 별도의 반응조용 공기공급라인(22)이 더 구비되어, 상기 오폐수 처리장치로 공기가 추가적으로 공급되도록 이루어질 수 있다.

또한 상기 산소공급장치는, 상기 오폐수 처리장치 내의 반응조(30) 전단에 구비되거나, 또는 상기 오폐수 처리장치 내의 생물여과조(40) 전단에 구비되도록 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 오폐수 처리장치에 송풍기와 순산소를 생산하는 산소발생기를 구비하여 이들의 작동을 적절히 제어함으로써 오염물질 제거를 위해 공급되는 산소의 농도를 21~80% 범위에서 조절하여, 송풍되는 공기량을 절감함으로써 궁극적으로는 전력 소모를 절감하는 효과가 있다.

특히 본 발명은, 기존의 산소공급장치들의 경우 별도의 DO(용존산소) 센서 등을 구비하여 제어를 수행함으로써 장치 구성 및 제어 알고리즘의 복잡화로 인한 설비 및 운용에 드는 비용의 증가 문제를 야기했던 것과는 달리, 별도의 센서를 사용하지 않고 기존에 누적되어 있는 데이터베이스를 이용하여 제어를 수행한다. 이에 따라 장치 구성 및 제어 알고리즘의 단순화에 의하여, 설비 및 운용에 드는 비용을 더욱 절감할 수 있으며, 물론 운용 방법의 단순화에 따른 사용자 편의성 또한 증대되는 효과도 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 산소농도의 적절한 조절로 인하여 공기-오폐수 혼합과 공기 공급의 목적을 동시에 달성할 수 있기 때문에 추가적인 교반기 설치가 필요하지 않으며, 따라서 결과적으로 추가 교반기 설치에 필요한 설비 또는 운영 비용을 절감하는 추가적인 경제적 효과를 얻을 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면 산소농도의 적절한 조절에 의하여 공기의 지나친 압축을 피하기 때문에 온도 상승 요인이 감소되며, 결과적으로 생물반응조에서 발생하는 온도상승 문제를 해결할 수 있는 효과를 얻는다.

도 1은 종래의 순산소 공급 오폐수 처리장치의 예시.
도 2는 순산소를 공급하기 위한 순산소 발생장치의 상세 구성의 예시.
도 3은 순산소 발생장치에서의 산소농도에 따른 전력소모량 관계 그래프.
도 4는 산소농도에 따른 포화농도 변화 그래프.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 산소공급장치의 여러 실시예.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

앞서 오폐수 처리장치에서의 수처리효율, 산소공급량, 전력소모량 간의 균형을 맞추는 것이 어렵다는 점을 설명하였으며, 이에 대하여 보다 더 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.

일반적으로 생활용수로 사용되어 발생된 오폐수의 경우 유기물 및 암모니아성 질소 등을 많이 포함하고 있으며, 따라서 이러한 오폐수 처리장치의 경우 유기물과 암모니아성 질소의 처리가 우선적으로 주요하게 이루어지도록 설계되는 것이 통상적이다. 일반적인 오폐수 처리장치에서, 오폐수 내에 존재하는 오염물질은 산화를 통하여 제거된다. 하기의 반응식들은 각각 유기물(COD) 및 암모니아성 질소(NH₄ ⁺)의 산화 반응식으로서, 유기물은 산화를 통하여 물과 이산화탄소로 전환되고, 암모니아성 질소는 물과 질산성 질소로 전환된다. 물론 이와 같은 산화 반응에는 일정량의 산소가 필요하게 된다.

COD + O₂ →CO₂+H₂O

NH₄ ⁺ + 2O₂ → NO₃ + H₂O + 2H⁺

물론 산화 반응만으로 오폐수의 처리가 이루어지는 것은 아니며, 미생물을 사용하여 오염물질의 분해가 더욱 활발하게 이루어지도록 하는 방법도 널리 사용된다. 이 때 미생물이 활발하게 활동을 하기 위해서는 역시 미생물의 호흡을 위한 산소가 필요하다. 뿐만 아니라 오폐수 처리공정에서 오염물질의 산화에 필요한 산소량은 또한, 유입되는 오염물질의 양과 고형물 체류시간에도 영향을 받는다. 오염물질의 농도가 높을수록 또는 고형물체류시간이 증가할수록 산화에 필요한 산소량이 증가된다.

이처럼 오폐수 처리중에 공급되는, 순수한 산화 반응에 사용되기도 하고, 미생물의 호흡에 사용되기도 하며, 또한 유입되는 오염물질 양 및 고형물 체류시간에 영향을 받기도 한다. 이러한 여러 가지 영향들을 종합적으로 고려할 때, 오폐수 처리공정에서 소모되는 산소의 양은 하기의 식 1로 표현될 수 있다.

(식 1)

OC : 산소소모량(gO₂/d)

Q : 유입유량(m³/d)

BDCOD_influent :유입수내의 생물분해가능한 유기물 농도(g/m³)

E : 유기물 제거효율(%)

Y : 미생물 증식계수(gCOD/gCOD)

b_H : 미생물 내생호흡계수(1/d)

SRT : 고형물체류시간(d)

오폐수 처리를 위한 산소 공급 방법에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 가장 저렴하고 손쉬운 방법으로서, 단순히 공기를 공급하여 공기 중에 포함되어 있는 산소가 오폐수에 공급되도록 하는 방법이 많이 사용되고 있다. 이 때 오폐수 내에 존재하는 오염물질을 산화시키는 미생물은 액상의 산소만을 이용할 수 있기 때문에, 기상의 산소를 어떻게 신속하고 효율적으로 액상으로 전달하는가가 산소공급장치의 효율을 결정한다.

기존의 산소 공급 시스템에서는, 산소전달효율 향상을 위해 기체와 액체의 경계면을 증가시키려는 방향, 보다 구체적으로는 기체의 크기를 작게 하려는 방향의 노력을 기울였다. 이러한 노력으로 현재 산소전달효율이 과거에 비해 많이 향상되어 기존의 10%에서 20%까지 2배 가까이 증가하였다. 그러나 여전히 낮은 산소전달효율로 인하여 에너지를 많이 소모하고 있으며, 악취 발생등과 같은 운영상의 추가적인 문제를 발생시키고 있어서 개선의 필요성이 많다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 오폐수에 산소를 공급하기 위한 송풍 장치에서 소모되는 전력량이 전체 오폐수 처리장치에서 사용하는 전력량 중 상당한 부분을 차지한다. 이 때 산소전달효율(OTE, Oxygen Transfer Efficiency)이 증가할수록 오폐수 처리장치 내로 공급해야 할 필요 공기량을 줄일 수 있으며, 결과적으로 송풍 장치에서 소모되는 전력량을 절감할 수 있다. 이에 따라, 처리효율의 향상과 더불어 궁극적인 전력 절감 효과를 얻기 위해서 산소전달효율을 높이고자 하는 노력 또한 이루어져 오고 있다.

하기의 식 2는 송풍량(Q_a), 산소전달효율(OTE) 등의 여러 요소들 간의 관계를 나타내고 있다.

(식 2)

Q_a : 송풍량(m³/min)

OTR : 표준산소요구량(kgO₂/d)

ρ : 공기의 밀도(kg/m³)

Q_w : 공기 중 산소비중비(kgO₂/kgAir)

OTE : 산소전달효율(%)

식 2를 살펴보면, 송풍량(Q_a)을 저감하기 위해서는 산소전달효율(OTE)를 증가시켜도 되지만, 공기 중 산소비중비(Q_w)를 증가시켜도 동질의 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 여기에서 식 2에서 공기 중 산소비중비란 산소농도를 말하는 것이며, 그 외 값들은 변동되지 않는 상수값들인 바, 식 2는 아래와 같이 단순화하여 정리할 수 있다.

(식 3)

식 2에서 공기 중 산소비중비를 증가시켜 송풍량을 저감할 수 있다는 것과 같은 원리로, 식 3을 통해 볼 때 산소농도를 증가시킴으로써 송풍량을 저감할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 원리를 이용하고자 기존에도, 앞서 설명한 바와 같이, 도 1, 2에 소개된 순산소 공급 오폐수 처리장치가 개발되어 사용되었다. 그런데 기존의 순산소 발생장치의 경우 92% 이상의 순도로 산소를 공급하는데, 앞서 도 3을 통해 설명한 바와 같이, 생산하는 산소의 순도가 증가할수록 전력 소모가 증가하며 80% 이상의 순도가 필요할 경우 소요전력량이 급격히 증가하게 되는 바, 이러한 순산소 발생장치를 사용할 경우 전력소모량이 오히려 증가하게 되는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 앞서도 설명한 바와 같이 지나치게 산소농도가 높아짐으로써 공급되는 기체의 부피가 줄어들고, 이에 따라 반응조 내 오폐수와 기체를 혼합하기 위한 교반기가 더 필요하게 되어, 교반기의 추가 설치 및 운영에 비용이 더 들어가게 되는 문제 또한 있었다.

본 발명의 산소공급장치는, 최대한 단순하고 경제적으로 장치를 구성하면서도, 오폐수 처리 효율을 원하는 정도로 충분히 달성함과 동시에 전력소모량을 최대한 절감하는 것을 목표로 한다. 이에 따라 본 발명의 산소공급장치는, 도 5 등에 도시된 바와 같이, 장치 구성요소 자체만으로 보자면 가장 단순화된 기본 구성만으로 이루어진다. 즉 본 발명의 산소공급장치는, 오폐수 처리장치에 산소를 공급하는 산소공급장치로서, 산소를 발생시키는 산소발생기(10) 및 공기를 송풍하는 송풍기(20)를 포함하여 이루어진다. 이 때 본 발명의 산소공급장치는, 상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 21~80% 범위 내가 되도록 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 잘 알려져 있는 바와 같이 대기 중의 산소농도는 21%이며, 산소농도의 하한값 21%는 바로 대기 중의 공기를 공급하는 것을 의미한다. 또한 도 3에 나타난 바와 같이 산소발생기에서 산소농도에 따라 전력소모량이 증가하되 특히 80% 이상이 될 때 급격하게 전력소모량이 증가하는 바, 산소농도의 상한값 80%는 바로 이처럼 산소발생기에서의 급격한 전력소모량 증가가 나타나기 전의 임계값으로서 결정된 것이다.

즉 본 발명에서는, 오폐수 처리에 필요한 산소를 공급함에 있어서, 반응조에서 교반 및 혼합이 원활히 일어날 수 있는 기체 부피 및 원하는 정도의 반응을 발생시킬 수 있는 산소필요량에 따른 기체 부피를 고려하여 산소의 농도를 조절하되, 송풍 장치와 순산소 발생장치를 적절히 혼합 사용함으로써 산소농도가 21~80% 범위 내가 되도록 조절한다. 이 때 송풍되는 공기의 양은 반응조 MLSS를 부유 상태로 유지하기 위한 최소량인 0.1 ~ 0.2 m³/m²보다 많게 유지한다. 이와 같이 함에 따라 본 발명의 산소공급장치에 의하면, 산소전달효율이 극대화됨과 동시에 송풍에 필요한 에너지 즉 전력소모량을 최소화할 수 있게 되어, 오폐수 처리효율 향상 효과 및 전력 절감 효과를 동시에 달성할 수 있게 된다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 장치를 사용하여 80% 산소를 공급할 경우, 실제 실험한 바에 따르면 기존의 30 마력 송풍기로 공급할 때보다 33% 정도의 전력이 절감되는 효과를 얻는다. 이를 금액으로 환산할 경우 현재(2015년) 기준 연당 9,950,000원의 전력비 절감이 가능하다는 엄청난 경제적 효과를 얻는다. 이는 또한, 산소발생기를 설치하기 위한 초기투자비를 고려한다 해도 3년 안에 투자비의 회수가 가능함을 의미하며, 일반적으로 오폐수 처리장치의 수명이 몇십 년 단위인 것을 고려할 때 장기적으로 훨씬 경제적이라는 것을 알 수 있다.

한편 도 4는 산소농도에 따른 포화농도의 변화 그래프로서, 공급되는 공기의 산소농도가 증가함에 따라 산소평형농도(포화농도)가 증가함을 알 수 있다. 이처럼 산소포화농도가 증가하면 결과적으로 산소전달효율(OTE)이 증가하므로, 상술한 바와 같은 효과에 더하여 추가적인 송풍량 절감, 즉 전력 절감효과를 더 얻을 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 오염물의 농도에 따라 공급해야 할 공기의 양이 변함에 따라, 반응조 혼합에 필요한 공기의 양 및 산소 공급에 필요한 공기의 양이 같아지도록 산소농도를 21~80% 범위에서 조정하여, 혼합과 공기 공급의 목적을 동시에 달성할 수 있기 때문에 추가적인 교반기 설치가 필요 없다. 즉 종래의 경우 산소농도를 지나치게 높여 실제로 공급되는 기체의 부피가 줄어듦으로써 오폐수와 기체 간의 원활한 혼합이 이루어지지 못하여 교반기를 추가로 설치했어야만 하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 이러한 문제가 발생하지 않도록 산소농도를 적절히 조절하며, 결과적으로 추가 교반기 설치에 필요한 설비 또는 운영 비용을 절감하는 추가적인 경제적 효과를 얻을 수 있는 것이다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과도 얻을 수 있다. 오폐수 처리공정에 있어서 미생물을 사용하여 처리를 수행하는 생물반응조가 사용되는데, 이러한 생물반응조로 주입되는 공기가 압축된 상태로 공급될 경우 기체의 온도가 60~80℃까지 증가하며 이로 인하여 생물반응조의 온도가 상승하여 미생물의 생장에 악영향을 끼칠 수 있는 문제가 있었다. 그러나 본 발명은 상술한 바와 같이 공기의 지나친 압축을 피하기 때문에 온도 상승 요인이 감소되며, 결과적으로 생물반응조에서 발생하는 온도상승 문제를 해결할 수 있다.

한편, 기존의 산소공급장치의 경우 반응조에 DO(용존산소) 센서를 별도로 더 구비하여 측정되는 용존산소량을 사용하여 산소발생기나 송풍기의 작동을 제어하도록 이루어지는 것이 대부분이다. 그러나 실제 현장에서는, 오폐수에 의하여 DO센서가 오염되어 정확한 측정이 이루어지지 못함으로써 계속 DO센서를 교체해 주어야 하여 운용 상에 있어서 비용 및 불편이 증가하는 문제가 있어, 실질적으로 고효율 처리시설 외에 저예산으로 운영되는 수처리시설의 경우 DO센서를 사용하는 경우는 거의 없다.

본 발명에서는 바로 이러한 문제를 해결하기 위하여, 앞서 설명한 바와 같이, 산소공급장치가 산소발생기(10) 및 송풍기(20)만으로 이루어지는 매우 단순한 구조를 갖도록 하였다. 이 때 본 발명에서, 산소발생기(10) 및 송풍기(20)의 동작 제어는 다음과 같은 방식으로 이루어진다.

본 발명에서는, 시간에 따른 오폐수량 데이터가 측정 및 누적되어 미리 작성된 오폐수량 데이터베이스 및 상기 오폐수 처리장 내 오폐수 산소농도에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 결정되어 미리 작성된 구동 데이터베이스를 기반으로 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 동작을 제어한다. 이를 보다 상세히 풀어 설명하면 다음과 같다.

먼저 오폐수량 데이터베이스에 대하여 설명한다. 예를 들어 주택가 생활용수를 처리하는 수처리시설의 경우, 평균적인 식사 시간대를 전후하여 오폐수량이 증가하고 평균적인 수면 시간대에 오폐수량이 감소하는 등과 같이, 오폐수량의 발생 패턴은 일별로 상당히 유사하게 형성된다는 점이 잘 알려져 있다. 물론 평일과 휴일의 오폐수량 발생 패턴이 일부 다르게 형성되기도 하며, 이 역시 적절한 기간 동안의 조사를 통하여 패턴을 충분히 미리 알 수 있다. 이러한 시간에 따른 오폐수량 발생량을 조사한 것이 바로 오폐수량 데이터베이스로서, 일별, 평일/휴일별, 계절별 등과 같이 적절히 분류된 다양한 항목에 따라 시간에 따른 오폐수량 발생 패턴이 저장된다.

다음으로 구동 데이터베이스에 대하여 설명한다. 오폐수가 많이 발생할수록 공급되어야 할 산소의 양은 많아져야 하며, 즉 상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 높아져야 한다. 이 때, 오폐수량이 적은 경우 산소발생기(10)를 작동시키지 않고 송풍기(20)만을 작동시켜 산소농도가 낮은 대신 공급되는 부피가 크도록(추가 교반 없이 충분한 혼합이 이루어질 수 있도록) 공기를 공급한다. 오폐수량이 많을 경우에는 산소농도를 높여 처리효율을 높이는 것이 유리하므로, 산소발생기(10) 및 송풍기(20) 둘 다 최대 출력으로 작동되게 할 수 있다. 오폐수량이 그렇게 적거나 많지 않은 중간 정도일 경우, 산소발생기(10)는 50% 정도로 출력하고 송풍기(20)는 최대 출력 즉 100% 출력으로 작동시키거나, 산소발생기(10) 및 송풍기(20) 둘 다 50% 정도 출력으로 작동시키는 등과 같이 작동시킬 수 있다. 이 때, 오폐수량이 얼마인가에 따라 상술한 바와 같은 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 시간에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부(즉 송풍기만 작동 / 산소발생기+송풍기 작동 등) 및 동작 정도(즉 산소발생기 50% 출력+송풍기 100% 출력 / 산소발생기 50% 출력+송풍기 50% 출력 등)는 미리 최적 설계를 찾아 결정될 수 있다. 이처럼 상기 반응조(30)에 공급되어야 하는 산소농도에 따른 최적의 동작 방법을 저장하여 둔 것이 바로 구동 데이터베이스이다.

본 발명의 산소공급장치는, 상술한 바와 같은 오폐수량 데이터베이스와 구동 데이터베이스를 기반으로 하여, 시간에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도 조절이 이루어짐으로써 상기 오폐수 처리장 내 오폐수 산소농도가 조절되도록 한다. 즉 기존의 오폐수 처리장치 기술에서 DO(용존 산소) 센서를 사용하여 피드백 제어를 하는 등과 같은 방식을 사용하는 것과는 달리, 미리 저장해 둔 데이터베이스를 기반으로 한 제어를 수행하는 것이다. 오폐수 처리공정은 실질적으로 정밀도가 중요하게 요구되는 기술이 아니기 때문에, 실제 현장에서는 실시간 제어까지의 정밀한 제어가 그다지 필수적으로 요구되지는 않으며, 이러한 실시간 제어의 경우 DO 센서 등과 같은 센싱 장치나 제어부, 그리고 제어부와 여러 구동 장치(송풍 장치나 순산소 발생장치 등)와의 연결 등이 필요하기 때문에, 실제 현장에 적용하고자 할 때 설비 비용이나 운영 비용이 상승하여 사용자 부담이 커지는 것이 사실이다. 그러나 본 발명에 의하면 데이터베이스를 기반으로 제어를 수행하기 때문에 비록 실시간 제어에 비하여 정밀도가 떨어질 수는 있으나 오폐수 처리공정에서 요구되는 수준의 제어 효율은 충분히 달성할 수 있으며, 반면 상술한 바와 같은 경제적인 문제들이 원천적으로 해결되기 때문에, 궁극적으로 경제성을 극대화할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 산소발생기(10) 및 송풍기(20)의 작동 방식을 종합하여 고려해 보자면, 상기 산소공급장치는, 상기 산소발생기(10)에서 발생시키는 산소농도가 21~80% 범위 내로 형성되게 할 수 있다. 본 발명의 산소공급장치는, 이처럼 산소농도가 21~80% 범위 내로 조절되게 하고, 또한 상기 송풍기(20)의 작동 최대출력을 100%라고 할 때, 송풍기(20)의 작동 범위가 최대출력 대비 50~100% 범위 내로 조절되게 한다. 즉 궁극적으로는 본 발명의 산소공급장치는, 상기 산소공급장치에 의해 전달되는 산소 전달 최대량을 100%라 할 때, 이 두 가지 요소의 조절에 의하여 산소 전달량 범위가 최대량 대비 10~100%로 조절되도록 형성되게 하는 것이 더욱 바람직하다.

도 5 내지 도 9는 이러한 본 발명의 산소공급장치의 실시예들을 도시하고 있다. 먼저 도 5 내지 도 8은 상기 산소공급장치가 상기 오폐수 처리장치 중 반응조(30)에 연결되는 경우를 도시하고 있으며, 도 9는 상기 산소공급장치가 상기 오폐수 처리장치 중 생물여과조(40)에 연결되는 경우를 도시하고 있다.

도 5의 실시예는 가장 기본적인 실시예로서, 상기 산소발생기(10), 상기 송풍기(20), 상기 반응조(30)가 순차적으로 직렬로 연결되어 이루어진다. 이 때 앞서 설명한 바와 같이 상기 산소발생기(10)에서는 산소농도가 최대 80%까지만 되게 작동됨으로써 전력소모량의 급격한 증가를 방지한다.

도 6의 실시예에서는, 도 5의 실시예에 더하여 상기 송풍기(20)에 별도의 송풍기용 공기공급라인(21)이 더 구비되어, 상기 송풍기(20)로 공기가 추가적으로 공급되도록 한다. 이 경우 상기 산소발생기(10)는 일정 농도의 산소를 계속 발생시키고, 상기 송풍기용 공기공급라인(21)에 의하여 공급되는 공기로 희석시켜서 산소농도를 조절하여, 산소농도가 조절된 공기가 상기 반응조(30)에 공급되도록 하는 것이다. 도 6의 실시예는 상기 반응조(30)에서의 산소요구량이 시간에 따라 상당히 많이 변하는 경우, 이 산소요구량 변화에 따라 상기 산소발생기(10)에서 발생시키는 산소량을 변경시키도록 동작할 경우 운영이 어렵고 복잡하게 되는 단점을 쉽게 해소할 수 있다.

도 7의 실시예에서는, 도 5의 실시예에 더하여 상기 반응조(30)에 별도의 보조 송풍기(25)가 더 구비되어, 상기 반응조(30)로 공기가 추가적으로 공급되도록 한다. 도 7의 실시예는 상기 반응조(30)에서의 산소요구량이 계절에 따라 차이가 큰 경우 적용하기에 적당한 예시이다. 송풍기 1대로는 계절에 따른 유량 변동처럼 매우 큰 유량 변동에 대응하기 어려운데, 상기 송풍기(20)에서는 산소를 공급하게 하고 상기 보조 송풍기(25)에서는 공기를 보조로 더 공급하게 함으로써 계절에 따른 심한 유량 변동에도 대응이 가능하게 할 수 있다.

도 8의 실시예에서는, 도 5의 실시예에서와는 달리 상기 송풍기(20), 상기 산소발생기(10), 상기 반응조(30)가 순차적으로 직렬로 연결되도록 하는 것으로서, 상기 송풍기(20)로 공기를 흡입하는 것이 아니라 압송하도록 한다. 또한 여기에 상기 송풍기(20) 및 상기 반응조(30)를 직접 연결하는 별도의 반응조용 공기공급라인(22)이 더 구비되어, 상기 반응조(30)로 공기가 추가적으로 공급되도록 함으로써, 앞서 설명한 바와 같은 동작 상의 편의성을 더욱 높일 수 있다.

도 9의 실시예에서는, 도 5의 실시예에서와 같은 상기 산소공급장치를 생물여과조(40) 전단에 위치시킨 예시를 도시하고 있다. 이 경우 생물여과공정에 유입되기 전에 용존산소 농도를 증가시켜, 생물여과 공정 내에는 별도의 산소공급장치를 설치하지 않고, 송풍에 따른 교반으로 생물여과지의 고형물 유출이 증가하여 처리수질이 악화되는 것을 방지할 수 있다. 한편, 도 9의 실시예에서는 상기 산소공급장치만으로 볼 때 상기 도 5의 실시예와 유사하게 이루어지나, 물론 도 6 내지 도 8과 같은 구성 역시 도 9의 실시예에 적용될 수 있다. 즉 도 5 내지 도 8의 실시예는 상기 산소공급장치가 상기 오폐수 처리장치 내 반응조(30) 전단에 구비되는 예시이며, 도 9의 실시예는 상기 산소공급장치가 상기 오폐수 처리장치 내 생물여과조(40) 전단에 구비되는 예시로서, 상기 산소공급장치가 상기 오폐수 처리장치 내 어느 장치에 연결되느냐만 다를 뿐이다. 따라서 상기 산소공급장치에 별도의 공기공급라인들(21)(22)이 구비되거나 보조 블로워(25)가 구비되는 구성이 도 9의 실시예에도 마찬가지 방식으로 적용될 수 있다. 물론 상기 산소공급장치가 연결되는 장치가 무엇인가에 따라 동일한 오폐수량에 대해서도 산소공급필요량, 즉 나아가 산소농도가 달라질 수 있으며, 이에 따라 상기 구동 데이터베이스의 구체적 데이터가 변경될 수는 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: 산소발생기 20: 송풍기
21: 송풍기용 공기공급라인 22: 반응조용 공기공급라인
25: 보조 송풍기
30: 반응조 40: 생물여과조

Claims (10)

1. 오폐수 처리장치에 산소를 공급하는 산소공급장치에 있어서,
   산소를 발생시키는 산소발생기(10) 및 공기를 송풍하는 송풍기(20)를 포함하여 이루어지되,
   상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 21~80% 범위 내가 되도록 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 조절되되,
   상기 산소발생기(10)에서 발생시키는 산소농도가 21~80% 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   시간에 따른 오폐수량 데이터가 측정 및 누적되어 미리 작성된 오폐수량 데이터베이스 및 상기 오폐수 처리장 내 오폐수 산소농도에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도가 결정되어 미리 작성된 구동 데이터베이스를 기반으로,
   시간에 따라 상기 산소발생기(10) 및 상기 송풍기(20)의 선택적 동작 여부 및 동작 정도 조절이 이루어짐으로써 상기 오폐수 처리장치에 공급되는 산소농도가 조절되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 송풍기(20)의 작동 최대출력을 100%라고 하고, 상기 산소공급장치에 의해 전달되는 산소 전달 최대량을 100%라 할 때,
   상기 송풍기(20)의 작동 범위가 최대출력 대비 50~100% 범위 내로 조절되어, 산소 전달량 범위가 최대량 대비 10~100%로 조절되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 산소발생기(10), 상기 송풍기(20), 상기 오폐수 처리장치가 순차적으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 송풍기(20)에 별도의 송풍기용 공기공급라인(21)이 더 구비되어, 상기 송풍기(20)로 공기가 추가적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
7. 제 5항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 오폐수 처리장치에 별도의 보조 송풍기(25)가 더 구비되어, 상기 오폐수 처리장치로 공기가 추가적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 송풍기(20), 상기 산소발생기(10), 상기 오폐수 처리장치가 순차적으로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 산소공급장치는
   상기 송풍기(20) 및 상기 오폐수 처리장치를 직접 연결하는 별도의 반응조용 공기공급라인(22)이 더 구비되어, 상기 오폐수 처리장치로 공기가 추가적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.
   
10. 제 1항에 있어서, 상기 산소공급장치는
    상기 오폐수 처리장치 내의 반응조(30) 전단에 구비되거나, 또는 상기 오폐수 처리장치 내의 생물여과조(40) 전단에 구비되는 것을 특징으로 하는 산소농도 조절이 가능한 오폐수 처리장치용 산소공급장치.

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