KR101733979B1 - 물리화학적 수질 정화장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물리화학적 수질 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수질오염물질이 고농도로 존재하는 하수처리 방류수 또는 수질오염이 심화된 부영양화 호수 등의 오염수에 대하여 고형물질 및 용존성 수질오염물질을 물리화학적으로 분리하여 정화처리하는 물리화학적 수질 정화장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수질 환경 기술 분야 중 물리화학적 수질 정화장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수질오염물질이 고농도로 존재하는 하수처리 방류수 또는 수질오염이 심화된 부영양화 호수 등의 오염수에 대하여 고형물질과 용존성 수질오염물질을 물리화학적으로 분리하여 정화처리하는 물리화학적 수질 정화장치에 관한 것이다.
국내에 존재하는 다양한 규모의 공공수역은 대부분 하수처리 방류수 및 오염수 중의 수질오염물질, 특히 수질오염물질 중 총인(Total Phosphorus; T-P) 성분으로 인하여 부영양화가 어느 정도 진행되어 있는 것으로 알려지고 있다.
따라서, 부영양화가 진행된 공공수역 등을 대상으로 하여 수중의 총인 성분을 제거하기 위한 물리화학적 처리시설을 도입하여 보다 쾌적한 수환경을 가지도록 수질을 개선한 친수공원을 계속 증가시키고 있는 추세이다.
최근 들어 공공수역에서의 부영양화를 예방하기 위하여 하수처리시 방류수의 총인을 제거하기 위한 고도처리시설이 설치되고 있으나, 하수처리장의 설치부지 여건 및 처리비용의 과다로 인하여 보다 컴팩트하고 경제적이면서 효율적인 처리방법 및 이를 이용한 수질개선기술, 수질개선설비들을 필요로 하고 있다.
통상의 물리화학적 처리시설에서는 화학적 처리 과정 및 물리적인 처리 과정을 순차적으로 진행하도록 구성되는데, 화학적 처리 과정에서는 주로 유기/무기 응집제(coagulant)를 사용하고 있고, 물리적 처리 과정에서는 중간매체(메디아/담체)(media)를 이용하여 여과를 통해 수처리하고 있는 바, 수중의 오염물질을 응집제를 사용하여 플럭(Floc)(수중의 부유, 현탁물이 서로 흡착하여 형성된 육안으로 볼 수 있는 크기의 고형물)으로 성장시킨 뒤 침전시키는 고액(固液) 분리 과정을 거친다.
상기의 물리화학적 처리시설의 일 예로, 급속 혼화 공정에서는 교반기가 설치된 혼화조로 오염수를 이동시킨 다음, 혼화조 내의 오염수에 폴리염화알루미늄(PAC) 등의 수처리용 응집제, 수산화나트륨(NaOH) 등의 중화제를 투입한 뒤 교반기로 오염수를 고속으로 회전시키고, 이로써 오염수 중 미세 입자에 의한 전기이중층 해소와 하전중화를 유도하여 보다 큰 입자가 성장될 수 있도록 한다.
이어, 급속 혼화 공정 후 20분에서 40분 정도 미세 입자들을 서로 충돌시켜 보다 큰 입자로 성장시키는 플럭 형성 공정을 거친 뒤, 침전조에서 생성된 플럭이나 부유물을 침전 또는 부상시켜 고액 분리하는 고액 분리 공정을 진행하게 된다.
그러나, 종래의 일반적인 응집, 침전 제거 방법에서는, 응집제 등을 이용하는 급속 혼화 공정에서의 처리시간은 대략 1분 정도로 짧다고 할 수 있으나, 플럭 형성에 소요되는 시간이 20분 ~ 40분, 침전을 통한 고액 분리에 소요되는 시간이 60분 ~ 120분 정도가 소요되는 등 긴 처리시간이 문제로 지적되고 있다(일반 응집, 침전 공정시 전체 2시간 ~ 3시간의 소요).
예컨대, 후처리 공정인 플럭 형성과 침전을 통한 고액 분리 공정에서 긴 처리시간이 소요되면 전처리 공정인 급속 혼화 공정에서 과도한 교반 동력을 소모해야 하는 문제가 있게 된다.
또한, 공정 중 침전 가능한 응결물의 형성을 위하여 과잉의 응집제가 투여되어야 하므로 약품비가 증가할 수밖에 없고, 슬러지 발생량 및 처리비의 과다로 전체 소요 비용이 크게 증가하는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 유입 수질의 부하 변동 대응이 어렵고, 처리시설의 관리 포인트 증가로 숙련된 다수의 전문 운영인력이 필요하며, 이는 인건비 및 운용비용의 상승을 초래하게 된다.
더욱이, 종래의 일반적인 응집, 침전 제거 방법의 경우, 수질오염물질의 처리를 위하여 많은 설치부지를 필요로 하며(기존 하수처리장 여건상 설치부지 확보가 문제), 이는 건설비를 크게 상승시키는 요인이 되고 있다.
그 밖의 개선된 종래 기술로 플럭 형성시 입자 간 충돌 횟수를 최대화하고 고액 분리 시간을 최소화하기 위하여 응집보조제로 플럭형성조(또는 혼화조)에 점토, 규산질, 황토를 투입하거나, 침전조에서 이미 침전시킨 슬러지를 별도의 펌프를 이용하여 플럭형성조로 반송하는 방법 등이 있다.
그러나, 응집보조제를 사용하는 방법의 경우, 초고속 응집이 가능하여 플럭 형성 시간을 단축시키는 장점이 있으나, 응집보조제의 사용으로 인해 반응의 부산물인 슬러지가 다량 발생하는 단점이 있고, 반응시간도 그리 짧지 않은 1시간 내외이면서 설치부지가 많이 필요한 문제점이 있다.
한편, 침전 슬러지를 반송하여 플럭 형성에 이용하는 방법의 경우, 플럭 형성시간을 대략 10분으로 단축시키는 것은 물론 플럭 형성도 크게 할 수 있어 침전 시간 역시 20분 ~ 30분 정도로 크게 단축시킬 수 있는 바, 이는 지금까지 설치부지를 가장 줄일 수 있는 부지 절약형 기술이라 할 수 있으나, 여전히 많은 부지를 필요로 하므로 기존 하수처리장의 여건상 설치부지를 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
또한, 정밀한 설계 및 시공이 이루어져야 하고, 플럭 형성을 위한 교반 동력과 더불어 침전 슬러지를 반송하기 위한 반송 동력을 소모하는 단점이 있으며, 이 역시 고액 분리시까지 최소 30분 정도의 시간을 소요하는 문제가 있다.
이와 함께 침전 슬러리의 반송 과정 등의 운전상태를 지속적으로 모니터링해야 할 뿐만 아니라 운전조건을 유지하기 위한 관리 포인트의 증가가 수반되고, 반응 과정을 관측/제어하기 위한 숙련된 기술을 필요로 하는 만큼 다수의 전문 운영인력이 필요하다.
요컨대, 종래 기술의 경우, 설치부지가 과다하여 기설치된 하수처리시설의 여건상 입지여건의 불충분으로 방류수의 총인을 제거하기 위한 물리화학적 처리시설을 건설하는데 많은 어려움이 있고, 설치부지로 인한 비용과다, 과잉의 응집보조제 사용으로 인한 약품비 및 슬러지 발생 과다, 슬러지 처리비 과다, 다수의 전문 운영인력 소요 등으로 인해 전체적인 건설비용 및 운용비용이 커서 비경제적이라는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 오염수 내에 존재하는 고형물질 및 용존성 수질오염물질을 물리화학적으로 초고속 고액 분리하여 정화처리함으로써, 수질오염물질을 경제적 및 효율적으로 제거할 수 있고, 처리시간의 단축이 가능해지며, 장기적이고도 효과적인 공공수역의 수질 개선, 친수성 확보, 오염수의 대체 수자원으로의 활용 등이 가능해지도록 하는 물리화학적 수질 정화장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 응집제를 이용하여 오염수 내 오염물질을 화학적으로 입자화하는 급속혼화장치(10)와; 판형 메디아(24)들이 적층된 판형 메디아층을 구비하여 상기 급속혼화장치(10)로부터 유입되는 오염수 및 입자화 된 오염물질을 상기 판형 메디아층으로 통과시켜 상기 판형 메디아(24) 사이의 유로에서 오염수의 분리 및 합류가 반복되는 동안 오염물질 입자의 물리적인 뭉침현상에 의해 플럭들을 성장시키고, 성장된 플럭들을 상기 판형 메디아층 하측으로 침전시키는 동시에, 상기 플럭들이 분리된 처리수를 배출하는 플럭 형성 및 침전장치(20); 및 상기 플럭 형성 및 침전장치(20)의 하부에 설치되어 공기를 공급하도록 다수의 공기홀(H)을 갖는 산기관(32), 침전장치(20)를 거친 처리수를 배출하도록 반응조(21)의 상측에 설치되는 배출구(29)를 포함하는 물리화학적 수질 정화장치에 있어서;
상기 산기관(32)의 공기홀(H)에는 토출유도노즐(50)을 더 설치하되, 상기 토출유도노즐(50)은 둘레면에 나사산이 형성되고 상기 공기홀(H)에 나사결합되는 원통형상의 체결부(52)와, 상기 체결부(52) 보다 더 큰 반경을 갖고 상방향으로 연장되고 상단면을 밀폐된 원통형상의 노즐바디(54)와, 상기 노즐바디(54)의 상단면을 관통하여 노즐바디(54) 내부로 끼워진 승강로드(56)와, 상기 승강로드(56)의 상단에 일체로 형성된 반원형상의 헤드부(56a)와, 상기 승강로드(56)의 하단에 나사체결된 걸림편(56b)과, 상기 걸림편(56b)과 상기 노즐바디(54)의 상단면 사이에 개재된 코일스프링(58)과, 상기 노즐바디(54)의 둘레면에 'ㄱ' 형상으로 돌출된 보호커버(60)와, 상기 보호커버(60)가 형성된 노즐바디(54)의 둘레면과 상기 노즐바디(54)의 상단면에 형성된 다수의 토출공(62a,62b)을 포함하여 구성되고; 상기 노즐바디(54)는 하부노즐바디(54a)와 상부노즐바디(54b)로 분리된 상태에서 서로 나사체결되는 방식으로 조립되며;
상기 배출구(29)의 하측에는 상기 필터하우징(320)을 더 구비하되, 상기 필터하우징(320)은 사각통 형태로 형성되며 상단에는 다수의 홀(332)이 형성된 저수커버(330)가 마련되고 상기 배출구(29)를 통해 떨어지는 처리수는 상기 저수커버(330)로 먼저 낙수된 후 홀(332)을 통해 하부로 이동하도록 설치되고;
상기 필터하우징(320) 내부에는 상부에서 하부를 향해 제1필터(340)와, 제2필터(350)와, 제3필터(360)가 순차로 분리 구성되며, 이들은 제1스프링(SP1)과 제2스프링(SP2)에 의해 탄성적으로 간격을 유지한 채 적층구조로 배치되며;
상기 필터하우징(320)의 내주면은 상단으로부터 일정깊이 깍여 슬롯(SL)이 형성되고, 상기 제1필터(340)는 사각판상으로 형성되며, 제1필터(340)의 하면 중앙에는 제1스프링(SP1)의 상단이 삽입될 수 있도록 제1수납보스(342)가 하향 돌출되고; 상기 제2필터(350)는 중간에 개재되므로 상면과 하면에 각각 돌출된 제2상부수납보스(352)와, 제2하부수납보스(354)가 구비되며; 상기 제3필터(360)는 상면 중앙에만 제3수납보스(362)가 돌출되고;
상기 제1스프링(SP1)은 상기 제1필터(340)의 제1수납보스(342)와 제2필터(350)의 상면에 돌출된 제2상부수납보스(352) 사이에 끼워져 배치되며, 상기 제2스프링(SP2)은 상기 제2필터(350)의 하면에 돌출된 제2하부수납보스(354)와 제3필터(360)의 상면에 돌출된 제3수납보스(362) 사이에 끼워져 배치되고;
상기 필터하우징(320)의 상단부 둘레에는 간격을 두고 다수의 이탈방지볼트(370)가 관통 체결되어 최상단을 구성하는 제1필터(340)의 둘레부분이 상기 이탈방지볼트(370)에 걸려 이탈되지 못하도록 고정하게 되며;
상기 제1필터(340)는 공극이 0.1mm를 유지하도록 발포된 발포 폴리프로필렌수지로 제조된 판상의 필터이고, 상기 제2필터(350)는 부유물이 1차로 걸러진 상태에서 여과수에 남아 있는 중금속을 걸러내기 위한 탄소섬유필터이며, 상기 제3필터(360)는 광물성 필터로서 0.05mm의 입도 범위를 갖도록 분말화된 성분들이 담지되어 구성되는데, 천연 모데나이트와, 천연 모데나이트 100중량부에 대해 활석파우더 4-6중량부, 토르말린 파우더 6-8중량부, 펄라이트 파우더 4-6중량부, 이방성 희토류 자석분말 4-8중량부, 코코피트 2-4중량부, 피트모스 3-5중량부, 질석 4-6중량부로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 물리화학적 수질 정화장치를 제공한다.
상기 산기관(32)의 공기홀(H)에는 토출유도노즐(50)을 더 설치하되, 상기 토출유도노즐(50)은 둘레면에 나사산이 형성되고 상기 공기홀(H)에 나사결합되는 원통형상의 체결부(52)와, 상기 체결부(52) 보다 더 큰 반경을 갖고 상방향으로 연장되고 상단면을 밀폐된 원통형상의 노즐바디(54)와, 상기 노즐바디(54)의 상단면을 관통하여 노즐바디(54) 내부로 끼워진 승강로드(56)와, 상기 승강로드(56)의 상단에 일체로 형성된 반원형상의 헤드부(56a)와, 상기 승강로드(56)의 하단에 나사체결된 걸림편(56b)과, 상기 걸림편(56b)과 상기 노즐바디(54)의 상단면 사이에 개재된 코일스프링(58)과, 상기 노즐바디(54)의 둘레면에 'ㄱ' 형상으로 돌출된 보호커버(60)와, 상기 보호커버(60)가 형성된 노즐바디(54)의 둘레면과 상기 노즐바디(54)의 상단면에 형성된 다수의 토출공(62a,62b)을 포함하여 구성되고; 상기 노즐바디(54)는 하부노즐바디(54a)와 상부노즐바디(54b)로 분리된 상태에서 서로 나사체결되는 방식으로 조립되며;
상기 배출구(29)의 하측에는 상기 필터하우징(320)을 더 구비하되, 상기 필터하우징(320)은 사각통 형태로 형성되며 상단에는 다수의 홀(332)이 형성된 저수커버(330)가 마련되고 상기 배출구(29)를 통해 떨어지는 처리수는 상기 저수커버(330)로 먼저 낙수된 후 홀(332)을 통해 하부로 이동하도록 설치되고;
상기 필터하우징(320) 내부에는 상부에서 하부를 향해 제1필터(340)와, 제2필터(350)와, 제3필터(360)가 순차로 분리 구성되며, 이들은 제1스프링(SP1)과 제2스프링(SP2)에 의해 탄성적으로 간격을 유지한 채 적층구조로 배치되며;
상기 필터하우징(320)의 내주면은 상단으로부터 일정깊이 깍여 슬롯(SL)이 형성되고, 상기 제1필터(340)는 사각판상으로 형성되며, 제1필터(340)의 하면 중앙에는 제1스프링(SP1)의 상단이 삽입될 수 있도록 제1수납보스(342)가 하향 돌출되고; 상기 제2필터(350)는 중간에 개재되므로 상면과 하면에 각각 돌출된 제2상부수납보스(352)와, 제2하부수납보스(354)가 구비되며; 상기 제3필터(360)는 상면 중앙에만 제3수납보스(362)가 돌출되고;
상기 제1스프링(SP1)은 상기 제1필터(340)의 제1수납보스(342)와 제2필터(350)의 상면에 돌출된 제2상부수납보스(352) 사이에 끼워져 배치되며, 상기 제2스프링(SP2)은 상기 제2필터(350)의 하면에 돌출된 제2하부수납보스(354)와 제3필터(360)의 상면에 돌출된 제3수납보스(362) 사이에 끼워져 배치되고;
상기 필터하우징(320)의 상단부 둘레에는 간격을 두고 다수의 이탈방지볼트(370)가 관통 체결되어 최상단을 구성하는 제1필터(340)의 둘레부분이 상기 이탈방지볼트(370)에 걸려 이탈되지 못하도록 고정하게 되며;
상기 제1필터(340)는 공극이 0.1mm를 유지하도록 발포된 발포 폴리프로필렌수지로 제조된 판상의 필터이고, 상기 제2필터(350)는 부유물이 1차로 걸러진 상태에서 여과수에 남아 있는 중금속을 걸러내기 위한 탄소섬유필터이며, 상기 제3필터(360)는 광물성 필터로서 0.05mm의 입도 범위를 갖도록 분말화된 성분들이 담지되어 구성되는데, 천연 모데나이트와, 천연 모데나이트 100중량부에 대해 활석파우더 4-6중량부, 토르말린 파우더 6-8중량부, 펄라이트 파우더 4-6중량부, 이방성 희토류 자석분말 4-8중량부, 코코피트 2-4중량부, 피트모스 3-5중량부, 질석 4-6중량부로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 물리화학적 수질 정화장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 하수처리 방류수와 오염 하천수 및 오염 호수 등 부영양화를 일으키는 원인이 되는 총인을 함유한 오염수에 대해서 좁은 부지를 이용하여 장기적이고도 효과적인 정화처리가 가능한 장점을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수질 정화장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수질 정화장치에서 플럭형성부의 판형 메디아층 내에서 이루어지는 대형 입자화의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 수질 정화장치를 이용하여 오염수를 처리하였을 때 오염물질의 농도와 처리수의 탁도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수질 정화장치를 구성하는 산기관의 변형예를 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수질 정화장치를 구성하는 최종처리부를 구성하는 필터유닛의 설치예를 보인 예시적인 요부 단면도이다.
도 8은 도 7의 필터유닛을 구성하는 필터의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수질 정화장치에서 플럭형성부의 판형 메디아층 내에서 이루어지는 대형 입자화의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 수질 정화장치를 이용하여 오염수를 처리하였을 때 오염물질의 농도와 처리수의 탁도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수질 정화장치를 구성하는 산기관의 변형예를 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수질 정화장치를 구성하는 최종처리부를 구성하는 필터유닛의 설치예를 보인 예시적인 요부 단면도이다.
도 8은 도 7의 필터유닛을 구성하는 필터의 예시도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 본 발명은 수질오염물질이 고농도로 존재하는 하수처리 방류수 또는 수질오염이 심화된 부영양화 호수 등의 오염수에 대해서 고형물질 및 용존성 수질오염물질을 물리화학적으로 초고속 고액(固液) 분리하여 정화처리함으로써, 수질오염물질을 경제적 및 효율적으로 제거할 수 있고, 공공수역의 수질 개선, 친수성 확보, 오염수의 대체 수자원으로의 활용 등이 가능해지도록 하는 물리화학적 수질 정화장치를 제공함에 특징이 있다.
덧붙여, 이하 설명되는 용어 중에서 정화처리의 대상이 되는 오염된 물, 예컨대 하수처리 방류수나 기타 폐수, 부영양화된 호수 등의 오염수와 같이 수질오염물질을 함유하고 있는 다양한 종류 및 형태의 처리 대상수를 간단히 '오염수'로 총칭하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 물리화학적 수질 정화장치는 오염수 내 수질오염물질을 물리화학적으로 응집시키고 고속으로 침전시키는 것으로, 오염수 내 고형물질 및 용존성 오염물질을 화학적으로 미세 입자화하고 이어 미세 입자를 물리적으로 대형 입자화하여 고비중, 고밀도의 플럭(Floc)을 형성한 뒤 고속 침전시키도록 구성되는 바, 응집제를 이용하여 오염수 내 용존성 오염물질을 화학적으로 미세 입자화하는 급속혼화장치(10)와, 상기 급속혼화장치(10)로부터 유입되는 오염수 중 미세 입자화된 오염물질을 활성백탄 등으로 이루어진 판형 메디아(24)를 이용하여 물리적으로 대형 입자로 성장시킴으로써 플럭을 형성하는 동시에 형성된 플럭을 바닥부로 침전시키는 플럭 형성 및 침전장치(20)를 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서,급속혼화장치(10)는 오염수 내 수질오염물질을 응집제에 의한 응집반응을 통해 미세 입자가 되도록 화학적으로 1차 응집시키고, 플럭 형성 및 침전장치(20)는 판형 메디아(24) 사이의 불규칙 유로를 통과하는 오염물질 입자의 충돌 및 구름현상 등에 기인하는 물리적 뭉침현상을 통하여 초고속 침전이 가능한 고밀도의 대형화된 플럭들을 형성하게 된다.
즉, 상기 급속혼화장치(10)는 처리 대상의 오염수가 유입되고 오염수 내 용존성 오염물질의 응집반응을 위한 응집제가 투입될 수 있도록 구비되는 혼화조(11)를 포함한다.
그리고, 상기 혼화조(11)에서는 혼화조(11) 내부로 유입된 오염수와 응집제를 급속 교반하여 오염수의 하전을 중화시키는 동시에 오염수 내 용존성 오염물질을 화학적으로 응집시켜 오염물질 입자를 형성시키게 된다.
이때, 상기 급속혼화장치(10)에서 응집반응을 위한 오염수와 응집제의 혼합 과정에서 오염수가 펌프를 이용하여 유입되도록 하는 경우 인라인 믹서를 이용하고, 오염수가 중력에 의해 유입되도록 하는 경우 급속교반기(12)를 이용한다.
이러한 급속혼화장치(10)는 오염수 중 오염물질을 미세 입자로 응집시키기 위하여 수처리용 응집제가 이용되고 필요한 경우 급속교반기(12) 등을 이용하는 공지의 구성인 바, 이러한 급속혼화장치(10) 및 이의 급속혼화공정에 대해서는 그 구성이나 형태, 유기/무기 응집제의 종류, 필요한 경우 첨가가 가능한 중화제(NaOH 등)의 종류, 응집반응 등의 공정 원리나 반응으로 인한 작용, 효과 등이 널리 알려진 공지의 기술적 사항이면서 이를 포함한 급속혼화장치의 제반 기술적 사항들이 당업계에서 자명한 기술적 사항이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 플럭 형성 및 침전장치(20)는 급속혼화장치(10)의 하류측에 구비되어 활성백탄 등으로 이루어진 판형 메디아(24)가 적층 수용되고, 상기 급속혼화장치(10)로부터 유입된 오염수 및 오염물질 입자를 상기 판형 메디아(24) 사이로 통과시킴으로써 오염물질 입자를 고비중, 고밀도의 대형 플럭으로 성장시키는 동시에 형성된 플럭을 바닥부로 침전시켜 농축시키는 장치이다.
이를 위하여, 상기 플럭 형성 및 침전장치(20)는 급속혼화장치(10)로부터 급속 혼화 공정을 마친 오염수 및 수중 오염물질의 미세 입자가 유입되는 반응조(21)와, 상기 반응조(21) 내에서 폭과 길이에 비해 두께가 얇은 판형 메디아(24)를 적층하여 구성되는 플럭형성부(22)와, 상기 플럭형성부(22)에서 형성된 플럭이 침전되어 농축되는 침전부(25)와, 상기 플럭형성부(22)를 통과한 처리수를 배출시키는 배출부(26)를 포함하여 구성된다.
이때, 플럭을 형성하고 고속으로 침전시키는 공정은 플럭 형성 및 침전장치(20)의 단일 반응조(21) 내에서 이루어지는데, 이러한 플럭 형성 및 침전장치(20)의 반응조(21)는 급속혼화장치(10)의 혼화조(11)로부터 오염수가 별도의 동력 없이 수리적 에너지에 의해 자연 유입될 수 있게 급속혼화장치의 혼화조(11)와는 수두차(수위차)를 가지도록 연결된다.
다만, 설명의 편의상 도 1에서는 급속혼화장치(10)의 혼화조(11)와 플럭 형성 및 침전장치(20)의 반응조(21)가 높이차를 두지 않고 도시되었으나, 실제 오염수가 수두차의 수리적 에너지에 의해 상기 반응조(21)로 자연 이동되도록 하기 위해서는 반응조의 용량, 반응조에서 유출되는 처리수의 유량 및 속도, 압력 등을 고려하여 혼화조(11)의 용량 및 높이 등을 적절히 설계함이 마땅하다.
또한, 상기 급속혼화장치(10)의 혼화조(11)와 플럭 형성 및 침전장치(20)의 반응조(21) 사이를 연결하는 유체통로(13)에는 통과하는 오염수의 pH 값을 검출하기 위한 pH 미터(14)가 설치되는데, 이 경우 pH 미터(14)를 통해 오염수의 pH 값을 모니터링하여 모니터링된 pH 값에 기초하여 혼화조(11) 내 응집반응을 제어하는 것이 가능해진다.
예컨대, 급속혼화장치(10)의 혼화조(11)에서 플럭 형성 및 침전장치(20)의 반응조(21)로 유입되는 오염수의 pH 값을 대략 7로 유지하게 되면 플럭 형성 등의 효율을 최대화할 수 있으므로, 유체통로(13)를 통해 반응조(21)로 유입되는 오염수의 pH 값이 7에 근접되도록 응집제 주입량, 교반효과 등을 조절하여 응집반응을 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 중화제의 사용이 필수적인 것은 아니나, 만약 혼화조(11)에서 응집제(PAC)를 과다하게 사용하면 오염수의 pH가 저하되므로, pH 미터(14)를 통해 pH가 6.7 이하로 현저하게 저하된 것으로 나타나는 경우, 알카리 보충용 중화제로 NaOH를 혼화조(11)에 주입하여 반응 pH를 7.0 정도로 유지할 필요가 있다.
아울러, 상기 플럭형성부(22)는 반응조(21) 내부에서 급속혼화장치(10)로부터 자연 유입되는 오염수가 우선적으로 통과할 수 있는 특정 공간에 구성되며, 도시된 바와 같이 상기의 특정 공간 내에 다수의 판형 메디아(24)를 여러 겹으로 적층하여 충전(充塡)시킨 구조로 구성된다.
여기서, 판형 메디아(24)들은 스크린(23) 내에 대략 수평이 되게 눕혀서 여러 겹으로 적층시키되, 위와 아래의 판형 메디아들이 서로 교차되도록 적층시킬 수 있으며, 반응조(21) 내에서 적층된 다수의 판형 메디아(24)들이 오염수가 통과하면서 플럭이 형성되는 판형 메디아층을 구성하게 되고, 이러한 판형 메디아층에 의해 반응조(21) 내에서 플럭형성구역이 형성되게 된다.
이에 따라, 급속혼화장치(10)에서 응집제의 작용으로 하전 중화되어 미세 입자가 형성된 총인(T-P)을 포함하는 오염수가 플럭 형성 및 침전장치(20)의 반응조(21)로 자연 유입될 때 상기 플럭형성부(22) 내의 여러 겹으로 충전된 판형 메디아층을 우선적으로 통과하게 된다.
또한, 상기 스크린(23)은 내부에 충전된 판형 메디아(24)를 둘러싸도록 설치되는 것으로, 판형 메디아(24)들의 상부와 하부, 측면부를 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 판형 메디아(24)들을 적층된 상태로 가둬두는 역할을 하는 동시에 그 자중에 의해 반응조(21) 내 오염수에서 판형 메디아층의 전체 부력을 제어하는 역할을 하게 된다.
특히, 상기 스크린(23)은 망 형태로 구비될 수 있는데, 이때 스크린(23) 내부에 판형 메디아(24)들을 적층되게 넣은 뒤 판형 메디아(24)들이 충전된 스크린(23) 전체를 반응조(21) 내에 수납하게 되며, 반응조(21) 내 오염수에 뜬 상태로 설치가 가능하다.
아울러, 상기 플럭형성부(22)를 구성하는 판형 메디아(24)로는 다공성이면서 물에 뜨는 재료로 제작된 것을 사용하며, 폭과 길이가 3~10cm의 크기를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 길이가 3cm 미만인 판형 메디아들을 사용하게 되면, 플럭형성부 내의 유로 연장이 길게 되어 수두손실이 크게 발생하고, 이에 오염수의 이동이 원활하지 못하는 문제가 있게 된다.
또한, 10cm를 초과하는 판형 메디아들을 사용하게 되면, 플럭형성부 내에 유로가 형성되지 않는 정체 구역이 발생할 수 있으며, 이로 인하여 유로 내 오염수의 유속이 빨라져 플럭형성부 내 플럭 억류량이 적어지는 바, 결국 플럭 형성을 저해하는 문제가 있게 된다.
또한, 바람직한 실시예에서 판형 메디아(24)로는 목재를 사용하여 제조한 활성백탄을 판형으로 쪼개어 사용하는 것이 가능하며, 본 발명에서 판형 메디아 소재로 사용 가능한 활성백탄의 일 예는 하기 표 1과 같다.
이때, 판형 메디아(24)는 활성백탄을 판상으로 쪼개어 사용할 뿐 별도의 표면 가공을 하지 않으므로 전체적으로 울퉁불퉁한 표면을 가지는 바, 적층된 판형 메디아(24) 사이에는 도 2에 나타낸 바와 같이, 다양한 크기의 간극이 형성되며, 이러한 간극들이 오염수 및 오염물질 입자를 통과시키는 동시에 이들을 억류하여 이동속도를 저하시키는(유속을 저하시키는) 이동통로를 형성하게 된다.
또한, 판형 메디아층에서 판형 메디아(24) 사이의 이동통로, 즉 오염수 및 오염물질 입자가 통과하는 유로는 판형 메디아(24) 사이에서 3차원적으로 수직방향 및 수평방향, 경사방향으로 다양하게 형성되는 바, 이러한 유로에 의해 다양한 방향으로의 수리적인 자연 유체 흐름이 발생된다.
특히, 판형 메디아층 내에서 유속이 상대적으로 빠른 유로 구간과 유속이 상대적으로 느린 구간들이 다양하게 조성되며, 판형 메디아(24)가 적층된 구조에서 판형 메디아(24) 사이의 유로에 의해 오염수는 분리와 합류를 반복하게 되고, 유속이 상대적으로 느린 정체 구간에서는 오염물질 입자가 서로 엉키는 동시에 충돌하여 응집이 더욱 잘 이루어지는 바, 응집 효율이 보다 좋아지게 된다.
결국, 오염물질 입자가 억류되는 정체 구간, 오염물질 입자가 서로 엉키는 유로 구간, 판형 메디아(24) 사이의 유로가 합쳐지는 합류부의 병목 부분 등에서 입자와 입자, 입자와 플럭, 플럭과 플럭 간의 충돌과 구름현상 등에 기인하는 뭉침현상에 의하여 입자 및 플럭이 더욱 크게 응집되어 고비중의 대형화된 플럭들을 형성하게 되고, 유로를 통과하여 오염수의 분리 및 합류가 반복되는 동안 플럭은 계속된 응집으로 인하여 고밀도 및 고비중 상태로 더욱 커지게 된다.
이와 같이 판형 메디아(24)들을 반응조(21)의 오염수 내에 물 간격을 좁힌 상태로 빡빡하게 밀집시켜 넣어줌으로써, 판형 메디아(24) 사이에 다양한 유속의 유로를 형성할 수 있고, 특히 유속이 느린 부분에서 입자들이 엉키면서 응집이 보다 잘 이루어지는 바, 쉽게 대형 입자로 성장된 플럭들이 만들어질 수 있다.
특히, 상기와 같은 플럭형성부(22) 내에서는 불규칙한 표면을 갖는 판형 메디아(24)를 여러 겹으로 충전하여 층을 형성하므로, 오염수 중의 고형물질과 미세 입자화된 오염물질이 판형 메디아(24) 사이의 유로를 다양한 방향 및 속도로 통과할 수 있고, 이에 수리적 에너지에 의해 고속 침전이 가능한 고비중의 대형 입자로 쉽게 응집될 수 있다.
상기 판형 메디아(24)의 불규칙한 표면은 활성백탄 등의 소재를 판형으로 쪼갤 때 인위적인 가공(인위적인 가공시 획일적인 형태가 됨) 없이 자연적으로 형성되는 것으로, 공정 중 적층된 판형 메디아(24) 사이에서 불규칙적인 물 흐름을 발생시키며, 이러한 불규칙적인 물 흐름은 입자 간 충돌 및 엉킴 등 입자를 응집시키고 커지게 하는 입자 상호 간의 작용을 보다 원활하게 발생시킨다.
그리고, 판형 메디아(24)들을 수용하고 있는 스크린(23)은 반응조(21) 내에 완전히 고정시켜 설치하지 않고 판형 메디아(24)에 의해 반응조(21) 내 오염수에서 단순히 떠 있는 구조가 되도록 설치하는 것이 가능하다.
즉, 플럭형성부(22)를 구성하는 스크린(23)과 판형 메디아(24) 전체가 반응조(21) 내에서 상하로 유동할 수 있게 설치되는 것이며, 이를 위하여 반응조(21) 내측면 등 특정 부위에 스크린(23)을 완전히 고정시키지 않고 단순히 오염수에서 판형 메디아(24)에 의해 떠 있는 형태가 되도록 판형 메디아(24)를 넣은 스크린(23) 전체를 반응조(21) 내에 단순 수납한다.
이 경우, 상부의 스크린(23) 위에서 하방향으로 반복적으로 압력을 가하고 해제시키는 것만으로 플럭형성부(22) 전체, 즉 스크린(23)과 그 내부에 적층 수용된 판형 메디아(24) 전체를 상하로 유동시킬 수 있는 바, 이렇게 압력을 가하고 해제하는 방식으로 스크린(23)과 판형 메디아(24) 전체를 오염수에서 상하로 유동시켜 흔들어주게 되면 판형 메디아(24)를 세척하는 것이 가능해진다.
이렇게 스크린(23)과 판형 메디아(24)들을 오염수 내에서 상하로 흔들어줄 경우, 판형 메디아(24) 사이에서 유속이 크게 증가하고, 이에 판형 메디아(24)의 표면에 부착된 오염물질 입자나 플럭들이 탈락되면서 세척이 가능해진다.
이러한 세척은 일정 기간 동안 사용하고 난 뒤 주기적으로 실시할 수 있으며, 구체적인 세척 방법으로 작업자가 상부의 스크린(23) 위에서 발로 밟아주는 것으로 실시 가능하며, 또는 스크린(23)을 위에서 하방향으로 반복적으로 눌러주고 누름을 해제할 수 있는 기계장치를 설치하는 것도 가능하다.
예컨대, 상하로 전후진 동작하는 피스톤 로드를 가지는 유압 실린더 장치를 반응조(21) 상측에 설치하고, 유압실린더 장치의 작동시 피스톤 로드가 전후진하여 스크린(23)을 위에서 눌러줬다 해제하는 동작을 반복하도록 함으로써, 스크린(23)과 판형 메디아(24)를 오염수 내에서 상하로 유동시킬 수 있으며, 이에 판형 메디아(24)가 세척될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예로, 플럭형성부(22)의 상부에 스크린 걸이를 구성하여 스크린(23) 내 판형 메디아(24)들을 용이하게 세척할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
상기 스크린 걸이를 설치하는 경우, 반응조(21) 외부의 기계장치로부터 연결된 와이어 등의 당김부재를 스크린 걸이에 연결할 수 있는데, 기계장치로 와이어를 당겼다 풀어주는 동작을 반복함으로써 스크린(23)과 판형 메디아(24) 전체를 반응조(21) 내에서 상하로 유동시킬 수 있게 된다.
물론, 위에서 누르는 힘에 의해 판형 메디아층 전체가 상하로 유동할 수 있는 정도의 플렉시블(flexible)한 소재로 스크린(23)을 제작하는 경우라면, 플렉시블 스크린(23)을 판형 메디아층 상하에 위치되도록 하여 반응조(21)의 내측면에 완전히 고정시키는 것도 가능하다.
또다른 한편, 침전부(25)는 반응조(21)의 하부, 보다 명확히는 플럭형성부(22)의 하측으로 구비되어 대형화 및 고비중, 고밀도화된 오염물질의 플럭들이 침전되는 영역으로, 플럭 형성 및 침전 장치(20)에서 플럭들이 침전되는 바닥부에 해당되는 영역이다.
즉, 오염수가 플럭형성부(22)를 구성하는 판형 메디아(24) 사이의 유로를 수리적 에너지에 의해 자연적으로 통과하는 동안, 오염수 중의 오염물질 입자들이 서로 뭉치면서 응집, 결합되어 형성된 고밀도, 고비중의 대형 입자들, 즉 플럭들은 오염수와 함께 유로를 통과하여 플럭형성부(22)의 하측으로 자연 배출되며, 이러한 플럭들이 플럭형성부(22)의 하측에서 침전되는 영역이 바로 침전부(25)이다.
상기 침전부(25)에는 플럭형성부(22)에서 고밀도, 고비중의 대형 입자로 성장된 오염물질 플럭들이 고속으로 침전되어 쌓이게 되는데, 침전부(25) 내측으로 플럭이 농축된 상태의 슬러지는 반응조(21) 외부로 제거해주어야만 지속적으로 수처리가 가능하므로 주기적인 슬러지 제거 작업이 필요하다.
이를 위하여, 슬러지 인발관(35)을 침전부(25) 내측 하부에 길게 삽입하여 설치하는 것이 가능하며, 슬러지 인발 작업시 슬러지 펌프(미도시)의 흡입력으로 슬러지 인발관(35)을 통해 침전부(25) 내 농축 슬러지를 인발하여 제거해줌으로써 지속적인 오염물질의 제거가 가능하도록 한다.
상기 슬러지 인발관(35) 및 흡입력 제공을 위한 슬러지 펌프 등으로 구성되는 슬러지 인발 장치에 대해서는 공지된 다양한 예가 적용될 수 있으며, 고정 설치된 슬러지 인발관(35)을 따라 슬러지가 흡입되는 호퍼 또는 깔때기 형상 등의 흡입구(36)를 다수 설치하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 반응조(21) 내 침전부(25)의 상부 영역에는 오염물질의 침전 효율을 증대시키기 위한 다수의 경사판(31)을 설치하는 것이 가능하다.
상기 경사판(31)들은 침전부(25)의 상부 영역에서 플럭형성부(22)의 하측으로 위치되도록 하여 소정 간격으로 설치되며, 이때 경사판(31)들을 도시된 바와 같이 스크린(23) 하부에 고정 설치하는 것이 가능하다.
또한, 도면으로 예시하지는 않았으나 침전부(25)의 상부 영역에 소정 간격으로 배치되는 다수의 경사판 지지용 로드를 횡방향으로 고정 설치한 뒤 각 로드를 따라 경사판(31)들을 소정 간격으로 설치하는 것도 가능하다.
상기 경사판(31)들은 대형 입자화된 오염물질 플럭들을 침전부(25) 내 하측으로 유도하는 동시에 측 방향으로의 플럭 유동은 최소화하여 플럭들이 바닥 쪽으로 보다 안정적으로 침전될 수 있도록 하는 바, 플럭의 침전 효율을 극대화하게 된다.
또한, 침전부(25) 내에 산기관(32)을 길게 설치하는 것이 가능하며, 이때 길이방향을 따라 다수의 분출구(33)를 가지는 산기관(32)을 침전부(25)의 상부 영역에 대략 수평으로 길게 설치하게 된다.
상기 산기관(32)은 호스 또는 배관 등을 통해 반응조(21) 외부의 공기공급수단 또는 산소공급수단(도시하지 않음)과 연결되는데, 분기된 구조의 산기관이 설치될 수도 있으며, 이때 분기된 구조의 산기관이 침전부(25)의 상부 영역 내에 고르게 분포되도록 적절히 분산 배치된다.
상기 산기관(32)은 공기공급수단 또는 산소공급수단에서 공급되는 공기 또는 산소를 반응조(21) 내 플럭형성부(22) 하측에서 공급하게 되며, 결국 산기관(32)을 통해 공급되는 공기 또는 산소에 의하여 처리수(오염수) 내 용존산소농도를 적정 수준으로 유지하는 것이 가능해진다.
또한, 판형 메디아(24)의 세척시에 산기관(32)을 통해 공기가 분출되도록 하면 세척 효율을 높일 수 있는 바, 산기관(32)은 세척 효율을 높이는데도 효과적으로 이용될 수 있다.
덧붙여, 상기 산기관(32)은 도시와 같이 다수의 공기홀만 형성하여 공기(즉, 산소)를 상방향으로 토출시키도록 할 수도 있지만, 이 경우에는 장기간 사용시 침전물에 의해 공기홀이 막히면서 고착되어 폐쇄함으로써 산기가 원활하게 이루어지지 않는 경우가 발생되기도 한다.
따라서, 본 발명에서는 도 6의 예시와 같이, 상기 산기관(32)의 공기홀(H)에 교체가능하게 나사체결되는 토출유도노즐(50)을 더 구비할 수 있다.
이때, 상기 토출유도노즐(50)은 둘레면에 나사산이 형성되고 상기 공기홀(H)에 나사결합되는 원통형상의 체결부(52)와, 상기 체결부(52) 보다 더 큰 반경을 갖고 상방향으로 연장되고 상단면을 밀폐된 원통형상의 노즐바디(54)와, 상기 노즐바디(54)의 상단면을 관통하여 노즐바디(54) 내부로 끼워진 승강로드(56)와, 상기 승강로드(56)의 상단에 일체로 형성된 반원형상의 헤드부(56a)와, 상기 승강로드(56)의 하단에 나사체결된 걸림편(56b)과, 상기 걸림편(56b)과 상기 노즐바디(54)의 상단면 사이에 개재된 코일스프링(58)과, 상기 노즐바디(54)의 둘레면에 'ㄱ' 형상으로 돌출된 보호커버(60)와, 상기 보호커버(60)가 형성된 노즐바디(54)의 둘레면과 상기 노즐바디(54)의 상단면에 형성된 다수의 토출공(62a,62b)을 포함하여 구성된다.
여기에서, 상기 노즐바디(54)는 하부노즐바디(54a)와 상부노즐바디(54b)로 분리된 상태에서 서로 나사체결되는 방식으로 조립되게 함으로써 상술한 승강로드(56) 및 걸림편(56b)의 내장시 문제없이 설치할 수 있게 된다.
산기관(32)을 이와 같이 구성하게 되면, 공기가 공급되기 전에는 코일스프링(58)의 탄성력에 의해 헤드부(56a)는 하강하여 항상 노즐바디(54)의 상단면에 접지된 상태로 다수의 토출공(62a)을 밀폐하기 때문에 침전물이 낙하하더라도 막힘 현상이 생기지 않는다.
또한, 노즐바디(54)의 측방에 형성된 토출공(62b)은 보호커버(60)에 의해 항상 보호되고 있기 때문에 역시 침전물에 의해 막힐 염려가 없다.
그러다가, 공기가 공급되면 공압에 의해 걸림편(56b)의 하방이 압력을 받아 상승하면서 코일스프링(58)을 압축하게 된다.
그러면, 승강로드(56)가 상승하게 되고, 결국 헤드부(56a)는 토출공(62a)을 개방하게 되므로 토출공(62a)을 통해 토출된 공기는 헤드부(56a) 둘레방향으로 토출되면서 산기하게 된다.
뿐만 아니라, 토출공(62b)을 통해 토출된 공기는 보호커버(600 때문에 일단 하방으로 이동하였다가 상승하는 방식으로 'S'커브를 그리면서 공급되기 때문에 일종의 폭기 효과를 발생시키므로 산기효율을 더욱 더 상승시키게 된다.
한편, 배출부(26)는 반응조(21) 내 일측에 구비되어 플럭형성부(22)를 통과한 처리수를 배출시키는 출구부분으로서, 플럭형성부(22)에 의해 정화처리된 처리수에 잔류하는 오염물질 입자 및 플럭들에 대해서는 외부로 배출되는 것을 차단하면서 처리수만을 최종 배출할 수 있도록 여과층부(28)를 구비하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 여과층부(28)는 반응조(21) 내측면 일측에 처리수가 배출되는 통로를 구획하는 구획벽(27)을 설치하고 상기 구획벽(27) 내측 공간으로 스크린(28a)에 의해 지지되는 여과재(28b)를 충전하여 구성될 수 있는데, 처리수가 여과재(28b)를 통과한 뒤 여과재(28b) 상측으로 위치된 반응조(21)의 배출구(29)를 통해 배출되도록 한다.
이때, 상기 여과재(28b)로는 직경 0.5~5cm의 입자 크기를 가지는 입상의 여과재가 사용될 수 있으며, 이 경우 물보다 가벼운 입상의 여과재(28b)를 망 형태의 스크린(28a) 내부에 넣은 뒤, 여과재(28b)가 채워진 스크린(28a) 전체를 구획벽(27) 내측 공간에 바로 수납하여 설치하는 것이 가능하다.
여기서, 직경 0.5cm 미만인 여과재들을 사용하면 여과시간이 길어져 오염수의 이동이 원활하지 못하는 문제가 있고, 5cm를 초과하는 여과재들을 사용하면 여과효율의 저하로 처리효율이 떨어지는 문제가 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 여과층부(28) 내의 여과재(28b)들은 여러 층으로 적층되어 오염물질의 배출을 확실히 차단하는 기능을 하면서 처리수만을 미세 공극을 통해 배출하도록 구비되어야 하는데, 각 층에서 공극의 크기를 달리하는 것이 바람직하다.
예컨대, 여과층부(28)를 상, 중, 하로 구분하여 각 구분된 영역에 입자 크기가 상이한 여과재(28b)를 충전함으로써 상, 중, 하의 각 구분된 영역에서 공극의 크기를 달리할 수 있다.
물론, 입자 및 공극의 크기를 달리하여 상, 하층으로 구분할 수도 있으며, 또는 입자 및 공극의 크기를 달리하여 상, 중, 하 3단보다 많은 층수의 다단층으로 구성할 수도 있다.
이때, 여과재(28b)의 2단층, 3단층 또는 다단층 구성에 있어서 하층에 비해 상층에서 공극의 크기를 크게 하며, 하층일수록 공극의 크기를 크게 하여 상대적으로 큰 오염물질 입자가 여과되도록 하고, 상층일수록 공극의 크기를 작게 하여 상대적으로 미세한 오염물질 입자가 여과될 수 있도록 한다.
특히, 하층에서 공극의 크기를 크게 하기 위해서는 큰 입자의 여과재를 충전하고, 상층에서 공극의 크기를 작게 하기 위해서는 작은 입자의 여과재를 충전한다.
아울러, 상기 스크린(28a)은 내부에 넣어진 여과재(28b)를 적층된 상태로 가둬두는 역할을 하는 동시에 그 자중에 의해 반응조(21) 내 처리수에서 여과재(28b)의 전체 부력을 제어하는 역할을 한다.
바람직한 실시예에서, 상기와 같이 적층된 구조의 여과재(28b)들을 수용하고 있는 스크린(28a)은 구획벽(27) 내에 완전히 고정 설치하지 않고 여과재(28b)에 의해 처리수(플럭형성부를 통과하여 정화된 물)에서 단순히 떠 있는 구조가 되도록 설치하는 것이 가능하다.
즉, 여과층부(28)를 구성하는 스크린(28a)과 여과재(28b) 전체가 구획벽(27) 내에서 상하로 유동할 수 있도록 설치하는 것이며, 이를 위하여 구획벽(27) 내측면 및 반응조(21) 내측면의 특정 부위에 스크린(28a)을 완전히 고정시키지 않고 처리수에서 여과재(28b)에 의해 떠 있는 형태가 될 수 있도록 여과재(28b)를 넣은 상태의 스크린(28a) 전체를 구획벽(27) 내에 단순 수납한다.
이 경우, 상부의 스크린(28a) 위에서 하방향으로 반복적으로 압력을 가하고 해제시키는 것만으로 여과층부(28) 전체, 즉 스크린(28a)과 그 내부에 적층 수용된 여과재(28b) 전체를 상하로 유동시킬 수 있는 바, 이렇게 압력을 가하고 해제하는 방식으로 처리수 내에서 스크린(28a)과 여과재(28b) 전체를 상하로 유동시켜 흔들어주게 되면 여과재(28b)를 세척하는 것이 가능해진다.
상기와 같이 스크린(28a)과 여과재(28b)를 상하로 흔들어줄 경우 여과재(28b)의 표면에 부착된 오염물질 입자나 플럭들이 탈락되면서 세척이 가능해지는 것이다.
이러한 세척은 판형 메디어의 세척 과정과 동일한 방식으로 실시 가능하다.
즉, 일정 기간 동안 사용하고 난 뒤 주기적으로 세척을 실시할 수 있으며, 작업자가 상부의 스크린(28a) 위에서 아래로 눌러주는 것만으로 가능하며, 또는 스크린(28a)을 위에서 하방향으로 반복적으로 눌러주고 누름을 해제할 수 있는 기계장치를 사용하는 것도 가능하다.
예컨대, 상하로 전후진 동작하는 피스톤 로드를 가지는 유압 실린더 장치를 반응조(21) 상측에 설치하고, 유압실린더 장치의 작동시 피스톤 로드가 전후진하여 스크린(28a)을 위에서 눌러줬다 해제하는 동작을 반복하도록 함으로써, 스크린(28a)과 여과재(28b)를 처리수 내에서 상하로 유동시킬 수 있으며, 이에 여과재(28b)가 세척될 수 있다.
또한, 바람직한 실시예에서, 여과층부(28)의 상부에 스크린 걸이를 구성하여 스크린(28a) 내 여과재(28b)들을 용이하게 세척할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
상기 스크린 걸이를 설치하는 경우, 반응조(21) 외부의 기계장치로부터 연결된 와이어 등의 당김부재를 스크린 걸이에 연결할 수 있는데, 기계장치로 와이어를 당겼다 풀어주는 동작을 반복함으로써 스크린(28a)과 여과재(28b) 전체를 반응조(21) 내에서 상하로 유동시킬 수 있게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 수질 정화장치에서는 판형 메디아(24)가 적층된 구조의 판형 메디아층(플럭형성부)을 이용하여 오염수 중의 오염물질을 고밀도 및 고비중을 갖도록 대형 입자화함으로써 고속 침전이 가능해지도록 하는 동시에 상기 판형 메디아층에 의해 정화처리된 처리수 내에 잔류하는 미세 오염물질 입자 및 소형 플럭들에 대해서는 여과재(28b)를 이용하여 여과함으로써 정화율을 높일 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 수질 정화장치는 오염수 중의 고형물질 및 인 등의 용존 성분을 별도 동력 없이 수리적 에너지만을 이용하여 단일 반응기 내에서 대형 입자화한 뒤 초고속 침전/여과하여 짧은 시간 내(10분 이내)에 고액 분리를 마칠 수 있는 바, 하수처리 방류수 및 오염수 등의 인으로 인한 공공수역에서의 부영양화를 효과적으로 방지할 수 있고, 오염수를 정화처리하여 공업용수나 농업용수 등의 대체 수자원으로 활용함에 있어서 고효율의 이점을 제공한다.
한편, 오염수에 대한 인 제거 실험을 통하여 본 발명에 따른 수질 정화장치의 성능을 실험적으로 확인하였으며, 이를 설명하면 다음과 같다.
실험은 Jar-Test와 연속 운전 시험 조건을 이용하여 실시하였는데, 이용된 운전 조건은 하기 표 2에 나타낸 바 와 같다.
그리고, 사용 응집제는 PAC(10%)를 120배 희석하여 사용하였으며, 판형 메디아(24)는 표 1의 활성백탄으로 제작된 것을 사용하였다.
또한, 실험에 이용된 원수는 고도처리방류수(A), 표준활성슬러지 처리 방류수(B), 및 표준활성슬러지 처리 방류 하천수(C)를 이용하였다. 이때, 각 원수의 T-P는 표 3에 나타낸 바와 같이 0.4 ~ 1.98 mg/L의 범위이다.
그리고, Jar-Test의 결과는 도 3에 나타내었는데, 고도처리수의 경우 T-P농도를 0.05mg/L이하로 하기 위해서는 응집제가 3mg Al2O3/L 이상으로 주입되어야 하며, 고농도의 하천수 및 방류수에 대해서는 5mg Al2O3/L의 응집제 투입이 이뤄져야 0.05mg/L이하로 하는 것이 가능함을 알 수 있었다.
(표 2: 연속 운전 실험 조건)
(표 3: 실험 이용 원수의 성상)
연속 운전 시험 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 고도처리수의 경우 응집제를 1mg/L로 주입할 때 T-P 농도 0.03mg/L의 양호한 수준을 나타낼 수 있었으며, 오염 하천수와 표준활성슬러지 방류수의 경우 6mg Al2O3/L 이상의 응집제 주입시 T-P 농도 0.05mg/L 이하의 양호한 처리수를 얻을 수 있다.
또한, 처리수의 탁도는 도 5에 나타낸 바와 같이 원수와 비슷한 수준을 보이고 있으며, 모든 원수에 대하여 5NTU 이하의 양호한 처리수준을 나타내고 있다.
응집제의 주입으로 인한 탁도가 증가함에도 탁도 제거율이 높게 발생한 것은 본 발명에 따른 플럭 형성 및 침전장치(20)의 억류 침전 성능이 우수하다는 것을 입증한다.
또한, 하수처리 방류수의 처리수가 5NTU 이하로, 이는 본 발명에 따른 수질정화장치에서 플럭 형성 및 침전 후속공정의 세사 정밀 여과를 바로 시행할 정도의 수준이다.
본 발명은 정화처리 후 농업용수 혹은 공업용수로까지 활용하는 것이 목적이므로, 수질을 최소 2등급(2급수) 이상은 유지시켜야 한다.
이를 위해, 본 발명은 반응조(21)에서 처리된 후 배출구(29)를 통해 배출되는 처리수를 필터유닛(300, 도 7 참조)을 통해 한번 더 처리하여 이물질 여과는 물론 중금속, 유기화합물까지 제거하도록 구성된 것에 특징이 있다.
예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 필터유닛(300)은 필터하우징(320)을 포함한다.
이때, 상기 필터하우징(320)은 사각통 형태로 형성되며, 상단에는 다수의 홀(332)이 형성된 저수커버(330)가 마련되고, 상기 배출구(29)를 통해 떨어지는 처리수는 상기 저수커버(330)로 먼저 낙수된 후 홀(332)을 통해 하부로 이동하게 된다.
그리고, 상기 필터하우징(320) 내부에는 상부에서 하부를 향해 제1필터(340)와, 제2필터(350)와, 제3필터(360)가 순차로 분리 구성되며, 이들은 제1스프링(SP1)과 제2스프링(SP2)에 의해 탄성적으로 간격을 유지한 채 적층구조로 배치된다.
이를 위해, 필터하우징(320)의 내주면은 상단으로부터 일정깊이 깍여 슬롯(SL)이 형성된다.
때문에, 상기 다수의 필터들은 상기 슬롯(SL)에 끼워 넣는 형태로 조립할 수 있고, 주기적으로 교체하여 사용할 수 있다.
여기에서, 본 발명에 따라 필터유닛(300)을 상기와 같이 세분화하여 정수능력을 높이는 이유는 반응조(21)에서 처리된 후에도 잔류되어 있는 미세 이물질과 중금속, 유기화합물 등, 특히 질산염, 암모니아 등을 최종 제거하여 수질 등급을 급상승시키기 위한 것이다.
보다 구체적으로, 상기 제1필터(340)는 사각판상으로 형성된다.
다만, 제1필터(340)의 하면 중앙에는 제1스프링(SP1)의 상단이 삽입될 수 있도록 제1수납보스(342)가 하향 돌출된다.
그리고, 나머지 필터, 즉 제2필터(350), 제3필터(360)도 상기 제1필터(340)와 거의 유사한 구조를 갖는다.
즉, 제2필터(350)는 중간에 개재되는 것이므로 상면과 하면에 각각 돌출된 제2상부수납보스(352)와, 제2하부수납보스(354)가 구비되며, 제3필터(360)는 상면 중앙에만 제3수납보스(362)가 돌출된다.
그리고, 상기 제1스프링(SP1)은 상기 제1필터(340)의 제1수납보스(342)와 제2필터(350)의 상면에 돌출된 제2상부수납보스(352) 사이에 끼워져 배치되며, 상기 제2스프링(SP2)은 상기 제2필터(350)의 하면에 돌출된 제2하부수납보스(354)와 제3필터(360)의 상면에 돌출된 제3수납보스(362) 사이에 끼워져 배치된다.
아울러, 상기 필터하우징(320)의 상단부 둘레에는 간격을 두고 다수의 이탈방지볼트(370)가 관통 체결되어 최상단을 구성하는 제1필터(340)의 둘레부분이 상기 이탈방지볼트(370)에 걸려 이탈되지 못하도록 고정하게 되며, 교체시에는 이탈방지볼트(370)를 풀고 필터들을 들어내면 된다.
또한, 상기 제1필터(340)는 공극이 0.1mm를 유지하도록 발포된 발포 폴리프로필렌수지로 제조된 판상의 필터이다.
때문에, 상기 제1필터(340)는 여과대상수에 존재하는 0.1mm 이상의 부유물, 이를 테면 앙금, 찌꺼기 등을 걸러내게 된다.
뿐만 아니라, 상기 제2필터(350)는 부유물이 1차로 걸러진 상태에서 여과수에 남아 있는 중금속, 이를테면 납, 수은, 기타 유기화합물을 걸러내기 위한 탄소섬유필터이다.
특히, 탄소는 물속에 존재하면서 맛과 냄새를 안 좋게 하는 염소성분을 카본 표면에 있는 활성화된 산소를 이용하여 제거하는 효과가 탁월하다.
아울러, 상기 제3필터(360)는 광물성 필터로서, 모두 0.05mm의 입도 범위를 갖도록 분말화된 성분들이 담지되어 구성되는데, 예컨대 천연 모데나이트와, 천연 모데나이트 100중량부에 대해 활석파우더 4-6중량부, 토르말린 파우더 6-8중량부, 펄라이트 파우더 4-6중량부, 이방성 희토류 자석분말 4-8중량부, 코코피트 2-4중량부, 피트모스 3-5중량부, 질석 4-6중량부로 혼합되어 이루어진다.
이때, 상기 천연 모데나이트는 앞서 설명하였듯이, 망상구조로 되어 있어 특히, 암모니아 흡착에 유용하고, 아질산염, 질산염, 물표면의 유막을 방지하며, 이끼 성장을 억제하는 유용한 광물이고, 나아가 이온교환기능에 의한 중금속 제거, 촉매작용에 의한 물분자 세분화, 흡착기능에 따른 냄새제거 및 연수화, 나노 반응에 따른 잔류 염소 제거 능력이 우수하므로 본 발명의 활수분말을 구성하는 기본성분으로 첨가된다.
또한, 활석은 산화규소:63.5%, 마그네슘:31.7%, 칼슘:0.4%, 기타 물질을 포함하는 유용한 광물질로서 그 분석결과 활석 자체에서만 93%의 원적외선 방사율을 가진 약용광물로 판명되었다.
그리고, 토르말린은 수정과 같은 결정구조를 가지는 육방정계에 속하는 광물로서 6각 또는 9각 때로는 3각 주상(柱狀)을 이루며, 주(柱)의 상하에서 결정형을 달리하는 경우도 있고, 굳기 7.0∼7.5, 비중 2.98∼3.20이며, 대략 4~14 미크론의 파장대역의 전자파를 영구적으로 발생시키는 물질로 정수, 정화 기능이 뛰어난 알려져 있다.
특히, 토르말린에서 방출되는 미약에너지는 단독으로 존재하지 않고 포도송이처럼 덩어리 상태로 존재(클러스터)하는 물분자(H2O)(대략 36~37개의 클러스터로 이루어짐)에 영향을 주어 강력하게 여기시켜 진동상태를 만들고, 104.5°였던 물 분자의 각도를 95°혹은 180°로 변화시켜 5~6개 정도의 작은 클러스터 형태인 이온수를 만드는 효과가 있다.
아울러, 펄라이트(Perlite)는 토르말린 및 물과 반응하여 물 분자를 H3O2 -로 바꾸게 되므로 정수 기능을 강화시키는 역할을 하게 된다.
뿐만 아니라, 상기 이방성 희토 자석분말은 녹물 제거 및 산화 예방, 물 분자의 클러스터 미분화, 전기적 및 자기적 에너지 지속유지 기능을 담당하게 된다.
또한, 상기 코코피트(Coco-peat)는 코코넛 열매의 겉껍질인 섬유체를 고압으로 압축하여 직육면체 형상의 덩어리로 형성시킨 것을 말하며, 리그닌ㆍ셀룰로오스 등 불활성 섬유질로 구성되어 있기 때문에 부숙에 대한 저항성이 높고 유기화합물의 흡착력이 우수하여 특히, 중금속을 비롯한 유기물 제거에 탁월한 효과를 제공한다.
그리고, 피트모스(Peat moss)는 석탄처럼 지하에 매몰된 수목질이 오랜 세월동안 지압(地壓)과 지열작용을 받아 생성된 것과는 달리 식물질이 주로 지표에서 분해작용을 받아 생성된 다공성 물질로서 최대 자체 중량의 20배에 가까운 수분을 흡수할 수 있어 유류 흡착제로도 널리 사용되고 있는 물질이다.
또한, 상기 질석(Vermiculite)은 토양의 입단화(粒團化)를 조장하여 통기성 및 보수성을 좋게 할 뿐만 아니라, 염기치환용량을 증가시켜 수질 개선에 기여하게 된다.
더구나, 질석은 다공성을 가지므로 물에 함유된 용균물질 흡착능력이 뛰어나다.
이렇게 조성된 제3필터를 거친 최종 정수된 처리수는 수질 검사 결과, 이물질 및 각종 중금속 및 염소화합물 등이 검출되지 않았으며, 물 등급 판정결과 2급수로 판명되었다.
따라서, 처리수의 수질 등급을 현저히 높여 공업용수나 농업용수로 활용하는데에도 전혀 문제가 없는 것으로 확인되었다.
여기에서, 상기 제1필터(340), 제2필터(350) 및 제3필터(360)는 도 8의 (a),(b),(c)와 같은 형태로 이루어진다.
예컨대, 상기 제1필터(340)는 도 7의 (a)에 도시한 것처럼 상하부가 개방된 박스형상의 제1상부바디(BD1)와 제1하부바디(BD2)를 포함하고, 제1상부바디(BD1)의 개방된 상부와 제1하부바디(BD2)의 개방된 하부는 0.01mm의 공극을 갖는 망체(MA)로 커버링되며, 제1상부바디(BD1)의 하단 둘레에는 상부 고정플랜지(FL1)가 형성되고, 제1하부바디(BD2)의 상단 둘레에는 하부 고정플랜지(FL2)가 형성되어 상호 마주보고 밀착된 상태에서 둘레를 따라 다수의 도시하지 않은 볼트를 이용하여 체결함으로써 내부에 공간을 갖고 망체(MA)로 커버링되는 필터체를 구성하며, 이 필터체 내부에 발포 폴리프로필렌 수지가 채워짐으로서 제1필터(340)를 최종 구현하게 된다.
이때, 제1하부바디(BD2)의 중앙에는 4변 중앙에서 연장된 고정리브(RB)에 의해 고정되는 제1수납보스(342)가 하방으로 돌출 형성된다.
따라서, 발포 폴리프로필렌 수지의 공극을 통해 걸러진 물은 망체(MA)를 통과하면서 필터링되게 된다.
또한, 상기 제2필터(350)는 (b)의 예시와 같이, 제2상부바디(SD1)와 제2하부바디(SD2)의 중앙에 서로 반대방향으로 돌출된 제2상부수납보스(352)와 제2하부수납보스(354)가 상하로 각각 돌출되어 있다는 구조만 다를 뿐 나머지 구성은 제1필터(340)와 동일한다.
뿐만 아니라, 상기 제3필터(360)도 (c)의 예시와 같이, 제3하부바디(TD2)가 아닌 제3상부바디(TD1)의 상면 중앙에 제3수납보스(362)가 돌출되어 있다는 구조만 다를 뿐 나머지 구성은 제1필터(340)와 동일하다.
때문에, 상기 슬롯(SL)을 타고 슬라이딩되는 부분은 상기 상부 고정플랜지(FL1)와 하부 고정플랜지(FL2)가 볼트 체결되어 일체를 이룬 부분이 슬라이딩되게 된다.
특히, 필터들 사이에 배치된 제1,2스프링(SP1,SP2)은 수압 변동시 탄성완충되면서 각 필터들을 상하로 자연스럽게 흔들어주기 때문에 필터링 효과를 더욱 더 높일 수 있다.
덧붙여, 상기 필터하우징(320)의 내부 하측 바닥면부에는 일정크기의 공간인 체류공간(FS)이 더 형성되고, 체류공간(FS)을 구성하는 일측벽에는 자연방류홀(AW)이 형성되어 오버플로우 형태로 자연방류되어 2급수 이상의 수질을 유지할 수 있게 된다.
또한, 자연방류홀(AW) 반대쪽에는 침적물배출구(DW)가 형성되고, 침적물배출구(DW)에는 침적물배수관(DP)이 연결되며, 침적물배수관(DP)에는 개도 조절이 가능한 솔레노이드밸브(SOL)가 설치된다.
10 : 급속혼화장치 12 : 급속교반기
14 : pH 미터 20 : 플럭 형성 및 침전장치
22 : 플럭형성부 24 : 판형 메디아
26 : 배출부 28 : 여과층부
14 : pH 미터 20 : 플럭 형성 및 침전장치
22 : 플럭형성부 24 : 판형 메디아
26 : 배출부 28 : 여과층부
Claims (1)
- 응집제를 이용하여 오염수 내 오염물질을 화학적으로 입자화하는 급속혼화장치(10)와; 판형 메디아(24)들이 적층된 판형 메디아층을 구비하여 상기 급속혼화장치(10)로부터 유입되는 오염수 및 입자화 된 오염물질을 상기 판형 메디아층으로 통과시켜 상기 판형 메디아(24) 사이의 유로에서 오염수의 분리 및 합류가 반복되는 동안 오염물질 입자의 물리적인 뭉침현상에 의해 플럭들을 성장시키고, 성장된 플럭들을 상기 판형 메디아층 하측으로 침전시키는 동시에, 상기 플럭들이 분리된 처리수를 배출하는 플럭 형성 및 침전장치(20); 및 상기 플럭 형성 및 침전장치(20)의 하부에 설치되어 공기를 공급하도록 다수의 공기홀(H)을 갖는 산기관(32), 침전장치(20)를 거친 처리수를 배출하도록 반응조(21)의 상측에 설치되는 배출구(29)를 포함하는 물리화학적 수질 정화장치에 있어서;
상기 산기관(32)의 공기홀(H)에는 토출유도노즐(50)을 더 설치하되, 상기 토출유도노즐(50)은 둘레면에 나사산이 형성되고 상기 공기홀(H)에 나사결합되는 원통형상의 체결부(52)와, 상기 체결부(52) 보다 더 큰 반경을 갖고 상방향으로 연장되고 상단면을 밀폐된 원통형상의 노즐바디(54)와, 상기 노즐바디(54)의 상단면을 관통하여 노즐바디(54) 내부로 끼워진 승강로드(56)와, 상기 승강로드(56)의 상단에 일체로 형성된 반원형상의 헤드부(56a)와, 상기 승강로드(56)의 하단에 나사체결된 걸림편(56b)과, 상기 걸림편(56b)과 상기 노즐바디(54)의 상단면 사이에 개재된 코일스프링(58)과, 상기 노즐바디(54)의 둘레면에 'ㄱ' 형상으로 돌출된 보호커버(60)와, 상기 보호커버(60)가 형성된 노즐바디(54)의 둘레면과 상기 노즐바디(54)의 상단면에 형성된 다수의 토출공(62a,62b)을 포함하여 구성되고; 상기 노즐바디(54)는 하부노즐바디(54a)와 상부노즐바디(54b)로 분리된 상태에서 서로 나사체결되는 방식으로 조립되며;
상기 배출구(29)의 하측에는 필터하우징(320)을 더 구비하되, 상기 필터하우징(320)은 사각통 형태로 형성되며 상단에는 다수의 홀(332)이 형성된 저수커버(330)가 마련되고 상기 배출구(29)를 통해 떨어지는 처리수는 상기 저수커버(330)로 먼저 낙수된 후 홀(332)을 통해 하부로 이동하도록 설치되고;
상기 필터하우징(320) 내부에는 상부에서 하부를 향해 제1필터(340)와, 제2필터(350)와, 제3필터(360)가 순차로 분리 구성되며, 이들은 제1스프링(SP1)과 제2스프링(SP2)에 의해 탄성적으로 간격을 유지한 채 적층구조로 배치되며;
상기 필터하우징(320)의 내주면은 상단으로부터 일정깊이 깍여 슬롯(SL)이 형성되고, 상기 제1필터(340)는 사각판상으로 형성되며, 제1필터(340)의 하면 중앙에는 제1스프링(SP1)의 상단이 삽입될 수 있도록 제1수납보스(342)가 하향 돌출되고; 상기 제2필터(350)는 중간에 개재되므로 상면과 하면에 각각 돌출된 제2상부수납보스(352)와, 제2하부수납보스(354)가 구비되며; 상기 제3필터(360)는 상면 중앙에만 제3수납보스(362)가 돌출되고;
상기 제1스프링(SP1)은 상기 제1필터(340)의 제1수납보스(342)와 제2필터(350)의 상면에 돌출된 제2상부수납보스(352) 사이에 끼워져 배치되며, 상기 제2스프링(SP2)은 상기 제2필터(350)의 하면에 돌출된 제2하부수납보스(354)와 제3필터(360)의 상면에 돌출된 제3수납보스(362) 사이에 끼워져 배치되고;
상기 필터하우징(320)의 상단부 둘레에는 간격을 두고 다수의 이탈방지볼트(370)가 관통 체결되어 최상단을 구성하는 제1필터(340)의 둘레부분이 상기 이탈방지볼트(370)에 걸려 이탈되지 못하도록 고정하게 되며;
상기 제1필터(340)는 공극이 0.1mm를 유지하도록 발포된 발포 폴리프로필렌수지로 제조된 판상의 필터이고, 상기 제2필터(350)는 부유물이 1차로 걸러진 상태에서 여과수에 남아 있는 중금속을 걸러내기 위한 탄소섬유필터이며, 상기 제3필터(360)는 광물성 필터로서 0.05mm의 입도 범위를 갖도록 분말화된 성분들이 담지되어 구성되는데, 천연 모데나이트와, 천연 모데나이트 100중량부에 대해 활석파우더 4-6중량부, 토르말린 파우더 6-8중량부, 펄라이트 파우더 4-6중량부, 이방성 희토류 자석분말 4-8중량부, 코코피트 2-4중량부, 피트모스 3-5중량부, 질석 4-6중량부로 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 물리화학적 수질 정화장치.
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