KR101628678B1 - 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최종 처리수가 아닌 최초 유입수의 일부를 분리하고, 분리된 유입수에 공기를 유입 및 포화시켜 미세 기포 생성에 활용하는 것으로, 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 처리수가 아닌 유입수의 일부를 이용하여 미세 기포를 형성하기 때문에 접촉조와 분리조의 크기를 축소할 수 있으며, 공기 압축기를 사용하지 않고 대기 공기를 사용할 수 있고, 기존의 포화 장치에 비해 낮은 압력에서 운전이 가능하며, 사용되는 응집제의 양을 줄일 수 있고, 필요에 따라 응집조를 생략할 수 있어 전체 설비의 설비/장치 비용(CAPEX) 및 운전 비용(OPEX)를 모두 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치{WATER TREATING APPARATUS USING DISSOLVED AIR FLOATATION INCLUDING FLOCCULATION BASIN OR NOT}

본 발명은 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최종 처리수(treated water)가 아닌 최초 유입수(feed water)의 미세 기포 발생을 위한 포화수 형성에 이용하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 수처리 장치는 해수를 이용하여 담수를 생산하여 생활 용수, 식수 또는 공업용수 등으로 활용하거나, 폐수 등을 정수하기 위해 원수를 적절히 처리하기 위한 각종 장치이다. 이러한 수처리 장치는 원수에 섞인 이물질을 제거하기 위한 장치를 포함한다.

이물질을 제거하기 위한 하나의 유닛 공정(unit process)으로, 용존공기부상법(Dissolved Air Floatation, DAF)이 있다. 용존공기부상법은 처리대상 원수에 응집제를 혼합하여 원수 내 포함된 이물질을 응집시키고 응집된 이물질을 미세 기포와 함께 부상시켜 제거하는 장치로, 전체 수처리 설비나 해수 담수화 설비에서 전처리 공정으로 적용되고 있다.

종래 용존공기부상 장치에 대해 도 1을 참고하여 상세히 설명한다. 유입수에 응집제를 투입하여 유입수 내 포함된 조류나 유기 화합물과 같은 저밀도의 부유 고형물 또는 입자성 물질이나 부유 물질 등을 응집시킨다. 응집조(flocculation basin)(1)에서 응집제가 투입된 유입수를 교반기를 통해 혼합시키며, 플록(floc)의 크기를 부상에 적절한 크기로 성장시킨다.

상기 "플록(floc)"이란 원수 내 현탁 물질이나 유기물, 미생물 등의 미립자를 응집제로 응집시킨 큰 덩어리를 의미하며, 통상적으로 0.1㎛ 이상의 입자가 응집한 집합물을 가리킨다. 여과나 침전을 통해 제거할 수 없는 작은 크기나 밀도를 갖는 플록의 경우 상기 용존공기부상법을 이용하여 수면 위로 부상시켜 제거하게 된다.

응집조(1)에서 생성 및 성장된 플록은 접촉조(contact zone)(2)로 유입되며 저부에서 생성되는 미세 기포와 충돌 및 결합하여 부상하게 되고, 분리조(separation zone)(3)에서 스컴(scum) 제거장치 등을 통하여 제거된다. 용존공기부상장치의 개요에 대해서는 미국 공개특허공보 제2012-0193294호("Dissolved gas flotation pressure reduction nozzle", 2012.08.02. 공개)의 Fig.1 또한 참고할 수 있다.

한편, 기존의 용존공기부상 장치는 최종 산물인 처리수(treated water)의 일부를 배관으로 분리하여, 이에 4~7 bar의 압축 공기를 공급시켜 포화시킴으로써, 접촉조(2) 저부에 설치된 노즐(4)을 통해 급속한 압력 강하가 이루어지도록 하여 미세 기포를 접촉조(2)에 생성시킨다.

일반적으로 처리수로부터 분리되는 순환류의 유량은 유입수의 10~20% 정도이며 순환류의 유량을 증가시킬수록 생성되는 미세 기포의 양이 증가하기 때문에 장치의 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나 순환류의 유량이 증가하면 분리조(3)에서의 유속이 증가하면서 플록과 미세 기포의 결합체가 미처 부상하지 못하여 후속 공정으로 유출되는 문제가 발생될 수 있다.

용존공기부상 장치의 성능 지표가 되는 표면 부하율(surface loading rate)는 과거 5~15 m/hr로 기포의 이론적인 상승 속도보다 낮은 속도로 운전되었으나, 최근 표면 부하율이 20~40 m/hr에 이르는 High Rate DAF가 등장하고 있다. 그러나 상술한 바와 같이 표면 부하율이 기포의 상승 속도보다 빠르기 때문에 부상조를 잘못 설계하는 경우 오염물과 기포가 처리수를 따라 유출되어 후속 공정에 타격을 입힐 수 있으며, 최종 처리수를 배관 분리한 순환류(recycle flow)를 이용하여 미세 기포를 생성하기 때문에 실질적인 표면 부하율이 이에 못 미치는 문제도 있다.

미국 공개특허공보 제2012-0193294호("Dissolved gas flotation pressure reduction nozzle", 2012.08.02. 공개) 대한민국 공개특허공보 제2011-0071481호("오폐수 처리장치", 2011.06.29. 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 최종 처리수가 아닌 최초 유입수의 일부를 분리하고, 분리된 유입수에 공기를 유입 및 포화시켜 미세 기포 생성에 활용하는 것으로, 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 실시예에 따라 유입수(feed water)에 투입된 응집제를 혼합하여 플록(floc)을 형성하고 상기 플록의 크기를 성장시키는 응집조(100), 저부에 구비된 노즐(400)을 통해 미세 기포가 유입되는 접촉조(200) 및 상기 플록에 상기 미세 기포가 부착됨으로써 상기 플록이 수면으로 부상되어 제거되는 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)을 이용한 수처리 장치(A)에 있어서, 일부가 배관으로 분리된 상기 응집조(100) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수(saturated water)를 형성하여 상기 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 더 포함하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치를 제공한다.

이때 상기 미세 기포 형성부(500)는 분리된 상류 측 유입수에 공기를 공급하는 흡입 배관(510); 공급된 공기와 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520); 및 압송된 유입수에 상기 공급된 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530);를 포함하는 것을 특징으로 하며, 형성되는 미세 기포가 양의 전하를 띠도록 하기 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 보조제 주입부(540)가 흡입 배관(510)의 상류 측 배관, 흡입 배관(510)과 혼합 펌프(520) 사의 배관 또는 혼합 펌프(520)와 포화 장치(530) 사이 배관 상에 구비될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 미세 기포 형성부(500)는 분리된 상류 측 유입수를 전처리하여 고형물을 제거하기 위한 스트레이너(strainer)(550)를 더 포함할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따라 상기 미세 기포 형성부(500)는 분리된 상류 측 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520); 압송된 유입수에 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530); 및 상기 포화 장치에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(air compressor)(560);를 포함하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치를 제공한다.

이때 상기 미세 기포 형성부(500)는 형성되는 미세 기포가 양의 전하를 띠도록 하기 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 보조제 주입부(540)는 혼합 펌프(520)의 상류 측 배관 또는 혼합 펌프(520)와 포화 장치(530) 사이 배관 상에 구비될 수 있다.

또, 상기 포화 장치(530)는 제1유체가 흐르는 제1유로(a)를 이루는 챔버(531); 및 상기 챔버(531) 내에 배치되며, 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고, 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루는 적어도 하나 이상의 다공성 관체(532);를 포함하되, 상기 제1유체와 제2유체는, 상기 압축 공기와 압송된 유입수 또는 상기 압송된 유입수와 압축 공기이고, 상기 다공성 관체(532)는 상기 압송된 유입수는 투과할 수 없고 상기 압축 공기만이 투과할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제3 실시예에 따라 저부에 구비된 노즐(400)을 통해 미세 기포를 공급하여, 응집제가 혼합되어 유입수(feed water) 내 형성된 플록에 미세 기포를 공급하는 접촉조(200) 및 상기 플록에 상기 미세 기포가 부착됨으로써 상기 플록이 수면으로 부상되어 제거되는 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)을 이용한 수처리 장치(B)에 있어서, 일부가 배관으로 분리된 상기 접촉조(200) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수(saturated water)를 형성하여 상기 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 더 포함하며, 상기 노즐(400)은, 관 형태로 이루어지며 일 측에는 유입구가, 타 측에는 배출구가 형성되는 하우징; 상기 유입구에 결합되며 길이 방향을 따라 유입관로가 형성되는 노즐 연결구; 및 상기 하우징 내에 삽입 설치되며, 전반부에는 충돌부가 형성되어 상기 유입관로를 따라 유입된 유체는 흐름의 방향이 전환되어 상기 하우징의 내벽에 충돌되며, 측면에는 절개부가 복수 개 형성되어 상기 하우징의 내벽과의 사이에 측면유로가 복수 개 형성되고, 후반부에는 분출홈이 형성되고 상기 분출홈에는 충돌판이 형성되며, 상기 절개부와 상기 분출홈 사이에는 오리피스가 각각 형성되어 상기 오리피스를 통해 분사되는 유체가 상기 충돌판에 충돌하게 되는 노즐 몸체;를 포함하고,
상기 미세 기포 형성부(500)는, 분리된 상류 측 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520);압송된 유입수에 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530); 및 상기 포화 장치에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(air compressor)(560);를 포함하고,
상기 포화 장치(530)는 제1유체가 흐르는 제1유로(a)를 이루는 챔버(531); 및 상기 챔버(531) 내에 배치되며 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루는 적어도 하나 이상의 다공성 관체(532);를 포함하며,
상기 제1유체와 제2유체는 상기 압축 공기와 압송된 유입수 또는 상기 압송된 유입수와 압축 공기이고, 상기 다공성 관체(532)는 상기 압송된 유입수는 투과할 수 없고 상기 압축 공기만이 투과할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치를 제공한다.

이때 상기 미세 기포 형성부(500)는 분리된 상류 측 유입수에 공기를 공급하는 흡입 배관(510); 공급된 공기와 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520); 및 압송된 유입수에 상기 공급된 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 미세 기포 형성부(500)는, 형성되는 미세 기포가 양의 전하를 띠도록 하기 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 분리된 상류 측 유입수를 전처리하여 고형물을 제거하기 위한 스트레이너(strainer)(550)를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 또는 제외형 수처리 장치는, 처리수가 아닌 유입수의 일부를 이용하여 미세 기포를 형성하기 때문에 접촉조와 분리조의 크기를 축소할 수 있으며, 공기 압축기를 사용하지 않고 대기 공기를 사용할 수 있고, 기존의 포화 장치에 비해 낮은 압력에서 운전이 가능하며, 사용되는 응집제의 양을 줄일 수 있고, 필요에 따라 응집조를 생략할 수 있어 전체 설비의 설비/장치 비용(CAPEX) 및 운전 비용(OPEX)를 모두 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 용존공기부상 장치 전체 설비를 표현한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치의 전체 설비를 표현한 모식도이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치의 전체 설비를 표현한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치의 전체 설비를 표현한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 포화 장치(530)를 나타낸 모식도이다.
도 6은 도 5의 II' 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 포화 장치(530)에 격벽(533a, 533b)이 형성된 모습을 도시한 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 포화 장치(530)의 격벽(533c)이 나선 형상으로 연장 형성된 모습을 도시한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 복수 개의 포화 장치(530)가 직렬로 연결된 모습을 도시한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 노즐(400)의 분해사시도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 노즐(400)의 종 단면도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명은 도 1에 도시된 종래의 용존공기부상 장치와 달리 최종 처리수(treated water)가 아닌 최초 유입수(feed water)의 일부를 배관으로 분리하여 미세 기포 형성을 위한 포화수(saturated water)를 형성하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 수처리 장치를 제공한다.

먼저 본 발명은 바람직한 제1 실시예에 따라 응집조(100), 접촉조(200) 및 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법을 이용한 수처리 장치(A)에 있어서, 일부가 배관으로 분리된 응집조(100) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수를 형성하여 접촉조(200) 저부에 구비된 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 "응집조 포함형" 수처리 장치를 제공한다. 이에 대한 전체 공정의 개략적인 모식도가 도 2에 도시되어 있다. 본 발명의 가장 핵심적인 차별성은 처리수가 아닌 유입수를 사용하여 미세 기포를 형성한다는 데 있다.

이때 상기 미세 기포 형성부(500)는, 분리된 상류 측 유입수에 공기를 공급하는 흡입 배관(510), 공급된 공기와 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520) 및 압송된 유입수에 상기 공급된 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

종래의 포화 장치는 순환 펌프를 통해 유입된 처리수에 압축 공기를 용해시키기 위한 장치로서, 하부에 집수 공간이 형성되고 집수 공간 위에 충진재가 채워지며, 압축 공기와 물이 포화 장치의 상단에 유입되어 상기 충진재를 지나면서 압축 공기가 용해된 포화수가 집수 공간으로 모이게 되는 구조를 갖는다.

이러한 종래의 포화 장치의 경우, 처리수가 아닌 유입수를 사용하게 되면 포화 장치 내부 충진재 등에 미생물 형성에 따른 생물오손(biofouling) 문제 등이 발생되어 포화 효율을 감소시키는 문제가 생기며, 효율 향상을 위해 높이가 높고 체적이 큰 압력 용기로 구성된 포화 장치의 경우 더욱 치명적이다.

이에 본 발명은 새로운 포화 장치(530) 내부 구조 개선을 제안함으로써, 생물오손에 따른 포화 효율 감소 문제를 해결하여 처리수가 아닌 유입수의 사용이 가능하고, 공기 압축기(air compressor)를 생략 가능하며 기존의 4~7 bar보다 낮은 약 3bar의 압력으로 운전 가능하여 운전 비용을 저감시킬 수 있다.

상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 포화 장치(530)에 대하여 이하 상세히 설명한다. 본 실시예에 따른 포화 장치(530)는 하우징과, 상기 하우징 일 측 내벽으로부터 수직방향으로 연장되되 타 측 내벽에 이르지 않도록 하여 타 측 내벽 쪽에 유로를 형성시키는 격벽과, 상기 격벽 상에 형성되는 복수 개의 미세 공극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 내부 격벽 구조를 채택하여 내부에서 흐르는 유입수와 유입수 내 공기(유입된 대기)의 난류를 유도함으로써, 상대적으로 작은 운전 압력(약 3bar)에서도 효과적으로 공기가 유입수에 포화되도록 함과 동시에, 난류 발생에 의해 생물오손(biofouling) 문제가 발생되는 것을 억제할 수 있고, 나아가 공기 압축기 없이도 운전 가능하여 경제적이다.

또, 유입수 내 형성되는 플록(floc)과의 정전기적 결합을 용이하게 유도하기 위하여 미세 기포는 양(+)의 전하를 띠도록 해야 하므로, 전기분해를 위한 전해조를 별도로 구비하는 등 다양한 방식의 미세 기포 이온화 장치가 차용될 수 있으나, 바람직하게는 이를 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함할 수 있다. 이러한 보조제는 철염계 응집제, 알루미늄계 응집제 등이 사용될 수 있다.

이때 상기 보조제 주입부(540)는 필요에 따라 다양한 위치에 구비하여 배관 내 유입수에 공급할 수 있으나, 바람직하게는 흡입 배관(510)의 상류 측, 흡입 배관(510)과 혼합 펌프(520) 사이 또는 혼합 펌프(520)와 포화 장치(530) 사이 배관 상에 구비할 수 있다. 보조제를 분리된 최초 유입수에 공급하는 경우, 후단의 흡입 배관(510)을 통한 공기 공급 과정과 혼합 펌프(520)를 통한 압송 과정에서 자연스럽게 보조제가 균일 혼합되도록 유도할 수 있는 장점이 있으며, 흡입 배관(510)과 혼합 펌프(520)의 사이 배관 상에 공급하는 경우나 혼합 펌프(520)의 후단 상에 공급하는 경우에는 유입수의 유량, 압력 조절 등의 운전 제어가 용이하다는 장점이 있다.

또한, 분리된 상류 측 유입수를 전처리하여 고형물을 제거하기 위한 스트레이너(strainer)(550)을 더 포함할 수 있다. 상기 "스트레이너(strainer)"란 유체 속에 포함된 고형물을 제거하여 기기 등에 이물질이 유입되는 것을 방지하기 위한 장치의 총칭으로, 증기 배관이나 수 배관 계통에 있어서 일반적으로 철망으로 된 통이 사용되어 Y형 혹은 U자형 스트레이너 등이 있다. 스트레이너(550)를 유입수가 분리되는 상류 측에 구비하여 이를 통해 처리수에 비해 고형물 등이 다량 존재하는 유입수를 1차적으로 전처리함으로써, 후단 미세 기포 발생 공정의 각 단위 공정(unit process)에 미치는 악영향을 최소화할 수 있다.

한편, 본 발명은 바람직한 제2 실시예에 따라 응집조(100), 접촉조(200) 및 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법을 이용한 수처리 장치(A)에 있어서, 일부가 배관으로 분리된 응집조(100) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수를 형성하여 접촉조(200) 저부에 구비된 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 "응집조 포함형" 수처리 장치를 제공한다. 이에 대한 전체 공정의 개략적인 모식도가 도 3에 도시되어 있다. 본 발명의 가장 핵심적인 차별성은 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 처리수가 아닌 유입수를 사용하여 미세 기포를 형성한다는 데 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 수처리 장치는 제1 실시예의 그것과 달리, 미세 기포 형성부(500)가, 분리된 상류 측 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520), 압송된 유입수에 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530) 및 상기 포화 장치에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(air compressor)(560)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

보다 상세하게는, 제1 실시예와 다른 인라인(in-line) 방식의 포화 장치(530)를 차용함으로써, 압축 공기의 접촉 면적을 증가시켜 용해율을 향상시킴과 동시에 난류의 발생을 유도하여 용해 속도 또한 향상시키고, 포화 장치의 구조를 개선하여 배치가 자유롭고 설치비 및 관리비가 절감되며, 포화수의 유량을 간단히 제어 가능하다는 장점이 있다.

이하 본 발명의 제2 실시예에 따른 포화 장치(530)에 대하여 상세히 설명한다. 상기 포화 장치(530)는 제1유체가 흐르는 제1유로(a)를 이루는 챔버(531)과, 상기 챔버(531) 내에 배치되며, 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고, 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루는 적어도 하나 이상의 다공성 관체(532)를 포함한다. 이에 대한 모식도가 도 5에 도시되어 있으며, 도 5의 II'단면이 도 6에 도시되어 있다.

상기 제1유체와 제2유체는 각각 압축 공기와 압송된 유입수 혹은 압송된 유입수와 압축 공기일 수 있다. 즉, 제1유로(a)에 압축 공기가 흐르는 경우 제2유로(b)에는 압송된 유입수가 흐르게 되고, 제1유로(a)에 압송된 유입수가 흐르는 경우 제2유로(b)에는 압축 공기가 흐르게 된다. 압축 공기 및 압송된 유입수가 흐르는 방향은 동일한 방향이거나 역방향일 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 압송된 유입수가 흐르는 방향을 기준으로 유로의 상류와 하류를 정의한다.

상기 챔버(531)는 내부에 제1유로(a)가 형성된 관체로, 중공이 형성된 원통 형상일 수 있으며, 이때 중공이 제1유로(a)를 형성하게 된다. 다만 챔버(531)의 형상은 이에 국한되는 것은 아니며 압축 공기가 유입수에 용해될 수 있는 어떠한 형상이어도 무방하고, 예컨대 단면이 다각형인 관체로 형성될수도 있다.

상기 다공성 관체(532)는 상기 챔버(531) 내에 배치되며, 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고, 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루게 되는 관체이다. 이러한 다공성 관체(532)는 중공이 형성된 원통 형상일 수 있으며, 이때 중공이 제2유로(b)를 형성하게 된다. 다만 상기 챔버(531)와 마찬가지로 단면이 다각형인 관체로 형성될수도 있다.

상기 다공성 관체(532)는 벽에 복수 개의 공극 혹은 기공이 형성된 막으로, 압축 공기는 상기 다공성 관체(532)의 벽을 통과할 수 있으나, 압송된 유입수는 거의 통과할 수 없도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 따라서 다공성 관체(532) 벽에 형성된 공극은 500㎛ 이하, 바람직하게는 1㎛ 내지 100㎛ 범위 내의 평균 직경을 갖는다. 기공의 크기가 너무 작아지면 압력 손실이 발생되고, 너무 커지면 유입수가 자유롭게 통과할 수 있게 된다. 이러한 다공성 관체(532)를 통해 압축 공기가 압송된 유입수 측으로 이동되어 용해된다.

상기 다공성 관체(532)의 내경이나 외경 등의 특징은 수 처리에 필요한 유량이나 물에 압축 공기가 용해되는 정도, 운전 압력 등에 따라 적절하게 결정될 수 있으며, 상기 챔버(531) 내에 적어도 하나 이상의 관체가 구비되는 것이 바람직하다.

한편 변형된 실시예로서, 도 7에 도시된 바와 같이 챔버(531)의 내벽면으로부터 대향하는 내벽면을 향해 연장되되, 대향하는 내벽면 측이 이격 개방된 형태를 갖는 복수 개의 격벽(533)을 더 포함할 수 있다. 상기 다공성 관체(532)는 상기 격벽(533)을 관통하도록 구비된다. 또한, 챔버(531) 및 다공성 관체(532)의 길이 방향을 따라 격벽의 이격 개방된 일단이 연속적으로 교차되도록(533a와 533b) 구비하는 것이 바람직하다. 이를 통해 제1유체가 흐르는 동선인 제1유로(a)가 격벽(533a, 533b)으로 인해 챔버(531)의 수직 방향으로 우회되도록 하여, 제1유체의 챔버(531) 내 체류 시간을 증가시킴과 동시에 와류 또는 난류를 활발하게 발생시킴으로써, 압축 공기의 포화 효율을 향상시키는 효과가 있다.

상기 격벽(533)은 복수 개의 통공을 구비하거나, 도 8에 도시된 바와 같이 길이 방향을 따라 나선 형상으로 연장되도록 형성(533c)함으로써 와류나 난류를 더욱 활성화시킬 수 있다. 또, 도 9에 도시된 바와 같이 여러 개의 단위 챔버(531)를 직렬로 연결함으로써 전체 수처리 공정상 요구되는 포화 정도를 유연하게 만족시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 바람직한 제3 실시예에 따라 응집조 없이 접촉조(200)와 분리조(300)만을 포함하는 수처리 장치(B)에 있어서, 상기 제1,2 실시예와 마찬가지로 상류 측 최초 유입수를 일부 배관으로 분리하여 포화수 형성에 이용하는 "응집조 제외형" 수처리 장치를 제공한다. 이에 대한 전체 설비 모식도가 도 4에 도시되어 있다.

통상적으로 용존공기부상 장치에서 응집조는 상술한 바와 같이 형성되는 플록의 크기를 성장시켜 부유에 적합한 크기로 만드는 역할을 수행한다. 발생시킬 수 있는 미세 기포의 평균 직경이 일반적으로 30~50㎛이므로, 이에 적합한 플록의 크기를 만들어주기 위함이다. 응집조에서 성장하기 전 플록의 크기는 약 10㎛ 정도의 평균 직경을 갖는 입자로, 이에 적합한 10㎛ 이하 수준의 미세 기포를 발생시키는 것은 기술적인 어려움이 있었다.

이에 본 발명은 바람직한 노즐(400) 구조를 제시함으로써, 크기 성장 과정을 거치지 않은 플록이 가지는 크기에 적합한 초 미세 기포를 발생시켜 응집조 없이 용존공기부상법을 이용한 수처리 장치를 구현한다. 이로써 응집조 건축에 소요되는 초기 설비 비용(CAPEX)를 비롯하여 응집조 운전에 사용되는 운전 비용(OPEX)를 획기적으로 절감시킬 수 있다.

이하 본 발명의 제3 실시예에 따른 노즐(400)에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 바람직한 실시예에 따라, 상기 노즐(400)은, 관 형태로 이루어지며 일 측에는 유입구가, 타 측에는 배출구가 형성되는 하우징; 상기 유입구에 결합되며 길이 방향을 따라 유입관로가 형성되는 노즐 연결구; 및 상기 하우징 내에 삽입 설치되며, 전반부에는 충돌부가 형성되어 상기 유입관로를 따라 유입된 유체는 흐름의 방향이 전환되어 상기 하우징의 내벽에 충돌되며, 측면에는 절개부가 복수 개 형성되어 상기 하우징의 내벽과의 사이에 측면유로가 복수 개 형성되고, 후반부에는 분출홈이 형성되고 상기 분출홈에는 충돌판이 형성되며, 상기 절개부와 상기 분출홈 사이에는 오리피스가 각각 형성되어 상기 오리피스를 통해 분사되는 유체가 상기 충돌판에 충돌하게 되는 노즐 몸체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 노즐(400)의 분해사시도이고, 도 11는 노즐의 종 단면도이다.

상기 도면을 참조하여 설명하면, 하우징(410)은 대략적으로 관체로 형성될 수 있다. 하우징(410)의 일 측은 개방되어, 유입구(411)가 후술하는 노즐 연결구(420)에 결합된다. 유입구(411) 측에는 노즐 연결구(420)와의 결합을 위해 나사산 등으로 이루어진 결합부(414)가 형성될 수 있다. 하우징(410)의 타 측에는 중앙에 배출구(412)가 형성된다. 배출구(412)는 하우징(410)의 측면부(413) 직경보다 작게 형성된다. 즉, 배출구(412)는 유입구(411)보다 작게 형성된다. 유체는 하우징(410)의 유입구(411)를 통해 유입되어 배출구(412)를 통해 흘러나가게 된다.

노즐 연결구(420)는 관체로 형성되어 하우징(410) 의 결합부(414)에 결합된다. 이를 위해, 노즐 연결구(420)의 일단부에는 외주면 상에 나사산 등으로 이루어진 결합부(422)가 형성될 수 있다. 노즐 연결구(420)가 하우징(410)에 결합됨에 따라 하우징(410)에 삽입되는 노즐몸체(430)는 고정 지지될 수 있다.

노즐 연결구(420)에는 길이방향을 따라 중심축을 통과하는 유입관로(421)가 형성된다. 유체는 유입관로(421)를 통해 하우징(410) 내로 유입된다. 노즐몸체(430)는 대략적으로 피스톤 형상으로 형성된다. 노즐몸체(430)의 재질은 합성수지로 이루어질 수 있다.

노즐몸체(430)의 전단부에는 평평하게 형성되는 충돌부(431)가 마련된다. 충돌부(431)는 노즐몸체(430)의 전단부가 일부 함몰되어 형성된 수용공간(A)의 바닥면으로 이루어질 수 있다. 유입관로(421)를 통해 유입된 유체는 충돌부(431)에 정면으로 충돌하여 직각방향으로 유체의 흐름이 전환되어 하우징(410)의 측변부(413) 내벽에 부딪히게 된다.

노즐몸체(430)의 양측면에는 절개부(432)가 형성된다. 절개부(432)는 노즐몸체 (430)의 양측변에 길이방향을 따라 평행하게 형성되는 절개면으로 이루어질 수 있다. 따라서, 노즐몸체(430)가 하우징(410)에 삽입되었을 때, 하우징(410)의 측면부(413) 내벽과 노즐몸체(430)의 절개부(432) 사이에는 공간이 형성되어 측면유로 (B)를 이루게 된다. 유입관로(421)를 통해 유입된 유체는 충돌부(431)에 1차로 충돌하여 방향이 직각으로 전환되고, 하우징(410) 측면부(413) 내벽에 2차로 충돌하여 다시 방향이 직각으로 전환되어 측변유로(B)를 따라 흐르게 된다. 본 실시예에서는 측면유로(B)가 양 측면에 대칭적으로 형성되어 있으므로 유체는 두 갈래로 나뉘어 흐르게 된다. 즉, 유체는 2회의 충돌과 2회의 급격한 방향전환을 이루며 유로가 양측으로 나누어진 채 하우징(410)의 후단부를 향해 흐르게 된다.

노즐몸체(430)의 후단부에는 중앙에 분출흠(433)이 형성되어 분출공간(C)이 이루어진다. 분출흠(433)은 원통형 흠으로 이루어질 수 있다. 노즐몸체(430)의 절개부(432)와 분출흠(433) 사이에는 오리피스(434)가 형성된다. 오리피스(434)는 일자흠으로 형성된다. 오리피스(434)는 절개부(432)의 절개면에 수직하게 형성될 수 있다. 측변유로(B)를 따라 유입된 유체는 오리피스(434)를 통해 분출공간(C)을 향해 고속으로 분사된다.

노즐몸체(430)의 후단부에는 충돌판(435)이 형성된다. 충돌판(435)은 분출흠(433) 내부에 형성될 수 있다. 충돌판(435)은 상기 오리피스(434)의 길이방향에 수직하게 형성될 수 있다. 양 갈래로 나뉘어진 채 측변유로(B)를 따라 흐른 유체는 오리피스(434)를 통해 분출흠(433) 내부에 고속으로 분사되어 충돌판(435) 양변에 각각 3차로 부딪히게 된다. 유체는 오리피스(434)를 통해 빠져 나오변서 감압되고, 충돌판(435)에 부딪히며 미세기포를 형성하게 된다. 유체는 충돌판(435)에 의해 다시 3차로 방향이 직각으로 전환되어 배출구(412)를 통해 빠져나오게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 노즐(400)의 작용에 대해 전체적으로 살펴보면, 노즐 연결구(420)의 유입관로(421)를 통해 유입된 유체는 노즐몸체(430)의 충돌부(431)에 1차로 충돌하여 방향전환이 일어나며 양 갈래로 나누어져 중심에서 외곽 방향으로 퍼져나간다. 양 갈래로 흐름이 분리된 유체는 2차로 하우징(410)의 측면부(413) 내벽에 충돌하여 방향전환이 일어나면서 측면유로(B)를 따라 흘러 노즐몸체(430)의 후단부로 가게 된다. 2차에 걸친 충돌과 방향전환에 의해 유체는 속도와 유량이 조절되는 동시에 난류의 형태를 이루게 된다. 난류로 된 유체는 노즐몸체(430)의 후단부에서 오리피스(434)를 통하여 노즐몸체(430) 후단부 중앙에 형성된 분출공간(C)에 고속으로 분사된다. 오리피스(434)를 통해 분사된 유체는 분출공간(C)에 형성된 충돌판(435)에 3차로 부딪히며 방향전환이 일어나게 되고 배출구(412)를 통해 빠져나가게 된다. 유체가 오리피스(434)를 통해 분사되고 충돌판(435)에 부딪히는 과정에서 감압 및 충격에 일어나 미세기포가 발생하게 되며, 저압에서도 용이하게 미세기포가 발생하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 노즐(400)에 의해, 수차례 걸친 급격한 방향 전환과 충돌에 의해 상대적으로 저압에서도 미세 기포의 발생량이 우수하게 되는 효과가 있으며, 발생된 미세 기포의 크기가 10~20㎛ 수준으로 매우 작고 크기의 균일성이 우수하며, 유체 내에서의 존속기간이 연장되는 효과가 있어 이에 의해 기포와 플록 간의 접촉 기회 및 접촉 효율이 증가하고 크기가 작은 플록의 제거 효율이 증대되어 침전조를 생략할 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

1 : 응집조 (종래의 용존공기부상 장치)
2 : 접촉조 (종래의 용존공기부상 장치)
3 : 분리조 (종래의 용존공기부상 장치)
4 : 노즐 (종래의 용존공기부상 장치)
5 : 혼합 펌프 (종래의 용존공기부상 장치)
6 : 공기 압축기 (종래의 용존공기부상 장치)
7 : 포화 장치 (종래의 용존공기부상 장치)
A : 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치
B : 본 발명의 제3 실시예에 따른 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치
100 : 응집조
200 : 접촉조
300 : 분리조
400 : 노즐
500 : 미세 기포 형성부
510 : 흡입 배관
520 : 혼합 펌프
530 : 포화 장치
531 : 챔버
532 : 다공성 관체
533 : 격벽
a : 제1유로
b : 제2유로
540 : 보조제 주입부
550 : 스트레이너

Claims (16)

1. 유입수(feed water)에 투입된 응집제를 혼합하여 플록(floc)을 형성하고 상기 플록의 크기를 성장시키는 응집조(100), 저부에 구비된 노즐(400)을 통해 미세 기포가 유입되는 접촉조(200) 및 상기 플록에 상기 미세 기포가 부착됨으로써 상기 플록이 수면으로 부상되어 제거되는 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)을 이용한 수처리 장치(A)에 있어서,
   일부가 배관으로 분리된 상기 응집조(100) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수(saturated water)를 형성하여 상기 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 포함하며,
   상기 미세 기포 형성부(500)는, 분리된 상류 측 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520);압송된 유입수에 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530); 및 상기 포화 장치에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(air compressor)(560);를 포함하고,
   상기 포화 장치(530)는 제1유체가 흐르는 제1유로(a)를 이루는 챔버(531); 및 상기 챔버(531) 내에 배치되며 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루는 적어도 하나 이상의 다공성 관체(532);를 포함하며,
   상기 제1유체와 제2유체는 상기 압축 공기와 압송된 유입수 또는 상기 압송된 유입수와 압축 공기이고, 상기 다공성 관체(532)는 상기 압송된 유입수는 투과할 수 없고 상기 압축 공기만이 투과할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 미세 기포 형성부(500)는,
   분리된 상류 측 유입수를 전처리하여 고형물을 제거하기 위한 스트레이너(strainer)(550);
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 미세 기포 형성부(500)는,
   형성되는 미세 기포가 양의 전하를 띠도록 하기 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 보조제 주입부(540)는 상기 혼합 펌프(520)의 상류 측 배관 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치.
11. 제9항에 있어서,
    상기 보조제 주입부(540)는 상기 혼합 펌프(520)와 포화 장치(530) 사이 배관 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 포함형 수처리 장치.
12. 삭제
13. 저부에 구비된 노즐(400)을 통해 미세 기포를 공급하여, 응집제가 혼합되어 유입수(feed water) 내 형성된 플록에 미세 기포를 공급하는 접촉조(200) 및 상기 플록에 상기 미세 기포가 부착됨으로써 상기 플록이 수면으로 부상되어 제거되는 분리조(300)를 포함하는 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)을 이용한 수처리 장치(B)에 있어서,
    일부가 배관으로 분리된 상기 접촉조(200) 상류 측 유입수를 이용하여 포화수(saturated water)를 형성하여 상기 노즐(400)에 공급하는 미세 기포 형성부(500)를 더 포함하며,
    상기 노즐(400)은,
    관 형태로 이루어지며 일 측에는 유입구(411)가, 타 측에는 배출구(412)가 형성되는 하우징(410);
    상기 유입구(411)에 결합되며 길이 방향을 따라 유입관로(421)가 형성되는 노즐 연결구(420); 및
    상기 하우징(410) 내에 삽입 설치되며, 상기 유입관로(421)를 따라 유입된 유체가 1차 충돌되어 흐름의 방향이 외곽측으로 전환될 수 있도록 형성된 충돌부(431); 상기 하우징(410) 내벽의 측면부(413)와의 사이에 측면유로(b)가 형성되어 유입된 유체가 상기 측면부(413)에서 2차 충돌되어 흐름의 방향이 전환된 후 측면유로(b)를 따라 흐를 수 있도록 측면에 형성된 절개부(432); 상기 측면유로(b)로 유입된 유체를 중심부를 향하여 분사하는 오리피스(434); 및 분사된 유체가 3차 충돌되어 흐름의 방향이 전환된 후 상기 배출구(412)를 통해 배출될 수 있도록 충돌판(435)이 구비된 분출홈(433);을 포함하는 노즐 몸체(430);를 포함하고,
    상기 미세 기포 형성부(500)는, 분리된 상류 측 유입수를 압송시키는 혼합 펌프(520);압송된 유입수에 공기를 포화시키는 포화 장치(saturator)(530); 및 상기 포화 장치에 압축 공기를 공급하는 공기 압축기(air compressor)(560);를 포함하고,
    상기 포화 장치(530)는 제1유체가 흐르는 제1유로(a)를 이루는 챔버(531); 및 상기 챔버(531) 내에 배치되며 상기 제1유로(a)와 나란히 연장되고 제2유체가 흐르는 제2유로(b)를 이루는 적어도 하나 이상의 다공성 관체(532);를 포함하며,
    상기 제1유체와 제2유체는 상기 압축 공기와 압송된 유입수 또는 상기 압송된 유입수와 압축 공기이고, 상기 다공성 관체(532)는 상기 압송된 유입수는 투과할 수 없고 상기 압축 공기만이 투과할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치.
14. 삭제
15. 제13항에 있어서,
    상기 미세 기포 형성부(500)는,
    형성되는 미세 기포가 양의 전하를 띠도록 하기 위한 보조제를 공급하는 보조제 주입부(540)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치.
16. 제13항에 있어서,
    상기 미세 기포 형성부(500)는,
    분리된 상류 측 유입수를 전처리하여 고형물을 제거하기 위한 스트레이너(strainer)(550);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용존공기부상법을 이용한 응집조 제외형 수처리 장치.

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