KR102021471B1 - 하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수 처리공정에 적용되는 미생물 담체의 교반장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 미생물 담체를 교반하기 위하여 생물학적 수처리 반응조에 설치되는 교반장치의 구조를 개선하여 혐기조와 무산소조와 같은 반응조 내에서 유동상 미생물 담체를 저에너지로 균일하게 교반하도록 함과 아울러 교반에 의한 미생물의 탈리나 미생물 담체의 파손을 저감하도록 하는 하폐수 처리공정에 적용되는 미생물 담체의 교반장치에 관한 것이다.

Description

하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치 {APPARATUS FOR AGITATING OF FLUIDIZED BIO MEDIA APPLYING TO WASTEWATER TREATMENT PROCESS}

본 발명은 하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 미생물 담체를 교반하기 위하여 생물학적 수처리 반응조에 설치되는 교반장치의 구조를 개량하여 혐기조와 무산소조와 같은 반응조 내에서 유동상 미생물 담체를 저에너지로 균일하게 교반하도록 함과 아울러 교반에 의한 미생물의 탈리나 미생물 담체의 파손을 저감하도록 하는 하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치에 관한 것이다.

일반적으로, 생물막을 이용한 하폐수의 고도처리공정에서 유동상 미생물 담체는 주로 호기조에서 폭기(aeration)에 의해 균일하게 유동되면서 호기성 미생물이 부착 증식하여 오염물질을 처리한다.

즉, 유동상 미생물 담체는 호기조에 30~50% 정도 충진되고, 호기조에 주입된 공기에 의해 교반이 이루어지면서 여기에 부착 증식된 호기성 미생물에 의해 탈질 및 유기물질이 제거되는 것이다.

최근에는 수처리 효율을 높이기 위하여 미생물 담체를 70% 이상 충진하는 방법이 적용되며, 하폐수의 고도처리공정에서의 처리효율을 높이기 위하여 혐기조와 무산소조에도 미생물 담체를 충진하는 방안이 강구되고 있으나, 이러한 처리방식은 초기에는 미생물 담체에 의한 처리효율이 증가하는 반면, 일정 시간이 경과하면 혐기성 미생물에 의해 미생물 담체가 서로 엉겨 붙어 담체 내부에 폐색(clogging)이 일어나면서 오히려 처리효율이 떨어질 우려가 있었다.

이에 따라 혐기조 내부에 교반장치를 설치하여 유동상 미생물 담체를 일정 속도로 교반하여 폐색의 문제를 해결하였으나, 이러한 수중 교반기를 사용 시 미생물 담체가 교반장치의 임펠러에 의해 깨질 우려가 있는데다가 부착성이 낮은 혐기성 미생물이 임펠러에 충돌하면서 담체로부터 쉽게 탈리되는 현상이 발생하였다.

한편, 반응조 내부에 설치되는 종래의 교반장치는 주로 임펠러의 회전에 의해 유체를 수평으로 교반하는 형태로 이루어지는데, 이러한 수평교반은 서로 다른 두 성상의 유체가 유입될 때 일정한 방향과 유속으로 회전하면서 반응조 전체의 유체를 혼화하는데, 이러한 운전조건으로는 임펠러 주위의 유체에만 운동에너지가 전달되므로 혼화(shaking)에 중요한 역할을 하는 난류의 형성에 제약이 있었다.

또한, 상기 교반장치는 유체와 입자상 여재를 수평교반으로 혼화 시 유체와 입자상 여재가 함께 회전하면서 입자상 여재가 반응조 전체에 걸쳐 균일하게 퍼지는 것이 아니라 운동에너지가 가장 큰 곳에만 집중하여 움직이므로 효율이 급격하게 떨어지는 문제점이 있었다.

이를 보완하기 위하여 반응조의 벽면에 배플(baffle)을 설치하는 방법도 있으나, 이러한 경우 반응조에 유입되는 유체의 점성과 밀도에 따라 회전모터의 사양과 임펠러의 회전력, 구조, 크기 등의 설계변경이 필요하므로 추가적인 시간과 비용이 발생할 뿐 아니라 사용처에 따라 임펠러의 설계조건과 설치 및 운전비용이 달라진다는 단점이 있었다.

더욱이, 종래의 수평교반식 교반장치는 반응조의 수심(깊이)이 깊거나 직경이 커질 경우 교반효율을 고려하여 임펠러가 다단으로 구성되거나 임펠러 블레이드의 크기가 크게 형성되는데, 이를 위해서는 임펠러를 지탱할 샤프트의 직경과 길이 및 소재 등이 함께 고려되어야 하는 번거로움이 있었다.

이에 따라 반응조 내부의 유체를 상하방향으로 교반하는 수직교반식 교반장치가 적용되는데, 즉, 도9에 도시된 바와 같이 반응조(T')의 내부에 드래프트튜브(100)가 설치되고 드래프트튜브의 중앙에 임펠러(200)가 설치된 교반장치가 개시되어 있다.

이러한 교반장치는 샤프트(210)를 따라 전체적으로 다수의 블레이드(220)가 형성됨과 아울러 블레이드의 크기가 크게 형성되어 반응조 하부에 있는 하폐수를 상승시킴과 아울러 상하 수직으로 순환 이동하도록 이루어진다.

그러나 종래의 수직교반식 교반장치의 구조로는 반응조(T')의 모서리와 같은 사각지대에는 운동효과가 도달하지 못하므로 완전한 순환이 어렵고, 특히 반응조 내의 유체가 점성이 높거나 입자상 물질인 경우 임펠러(200)의 작동이 원활하지 못하여 전체적인 순환이 어려운데다가 블레이드의 크기도 크게 형성되어 많은 동력을 필요로 하며, 특히 혐기조와 같은 반응조 내의 미생물 담체가 교반에 의한 작은 충격에도 쉽게 파손되거나 미생물의 탈리가 자주 발생한다는 문제점이 여전히 남아 있었다.

한국 특허등록 제1184648호의 "스컴 저감 기능을 갖는 2상 혐기소화조" (2012.09.14) 한국 특허등록 제1190472호의 "순환교반기를 가진 무 배관 막 여과 생물반응조" (2012.10.05) 한국 특허공개 제2009-126678호의 "혐기성 소화조의 교반 장치" (2009.12.09) 한국 특허등록 제232398호의 "미생물 담체를 이용한 유동형 폐수 처리장치 및 방법" (1999.09.06)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 종래의 수직교반식 교반장치의 구조를 개선하여 반응조 내를 부유하는 저비중의 유동상 미생물 담체를 저에너지로 균일하게 교반하도록 하는 하폐수 처리공정에 적용되는 미생물 담체의 교반장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 반응조 내의 유체의 점성이 높거나 입자상 물질을 전체적으로 혼화할 수 있도록 하되, 혐기조나 무산소조와 같은 반응조에서 교반에 의한 혐기성 미생물의 탈리나 미생물 담체의 파손을 저감하도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 하폐수 처리공정에 적용되는 미생물 담체의 교반장치는, 고도처리용 혐기조 및 무산소조로 된 반응조에 설치되는 교반장치에 있어서, 반응조의 중앙에 수직으로 설치되고 반응조의 하부로부터 상승하는 하폐수의 이송통로를 갖는 원통 형상의 드래프트튜브; 드래프트튜브의 내부 상단부에 설치되고 중앙의 샤프트에 의해 회전 구동되면서 반응조 내부의 미생물 담체를 포함하는 하폐수를 상승시키는 적어도 하나의 블레이드가 구비된 임펠러; 및 상기 드래프트튜브의 상부 측에 설치되어 임펠러에 회전력을 제공하도록 동력을 발생하는 모터;를 포함하며, 반응조 하부를 유동하는 저비중의 미생물 담체를 상부로 상승 교반하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 임펠러은 상기 드래프트튜브의 내부 상단부에 회전 가능하게 설치되는 샤프트; 및 상기 샤프트의 둘레에 적어도 하나 이상 설치되는 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드의 길이와 직경은 1:1의 비율로 형성됨이 바람직하다.

또한, 이러한 블레이드는 3~4개 형성되되, 블레이드와 블레이드 사이의 간격을 좁게 배치하여 최상단의 블레이드와 최하단의 블레이드 사이의 길이와 이러한 블레이드의 직경이 1:1의 비율이 되도록 유지한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 하폐수 처리를 위하여 반응조 내부에 설치되는 드래프트튜브를 포함하는 교반장치의 임펠러 구조를 개량함으로써 하폐수의 수직교반 시 미생물 담체의 파손을 줄이고 미생물의 부착 증식과정에서 임펠러와의 충돌을 줄일 수 있으므로 혐기조나 무산소조에도 미생물 담체를 효율적으로 적용할 수 있고, 저속 교반에 의해서도 회전 및 순환이 용이하고 반응조의 바닥 부분뿐만 아니라 모서리 부분까지도 운동에너지를 전달 가능하여 반응조의 사구역(dead space)을 포함한 전 구역에 걸쳐 원활한 혼화가 이루어지는데다가 또한 블레이드의 크기가 작고 많은 개수의 블레이드를 필요로 하지 않으므로 종래의 수직교반식 교반장치에 비하여 동력을 1/6~1/7 정도 절감할 수 있으며, 궁극적으로는 혐기조와 무산소조와 같은 반응조에도 미생물의 배양 증식을 원활하게 하여 수처리 효율을 높일 수 있다는 장점을 가진 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교반장치를 개략적으로 도시한 도면
도2는 도1의 사용상태도
도3은 본 발명의 블레이드가 하나 구비된 임펠러를 도시한 도면
도4는 도3에 의한 반응조 내 유체 흐름을 나타낸 도면
도5는 본 발명의 블레이드가 두 개 구비된 임펠러를 도시한 도면
도6은 도5에 의한 반응조 내 유체 흐름을 나타낸 도면
도7은 본 발명의 블레이드가 다수 구비한 상태를 개략적으로 도시한 도면
도8은 본 발명의 임펠러의 블레이드 개수 대비 직경을 비교하여 도시한 도면
도9는 종래의 수직교반식 교반장치를 도시한 도면

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명은 유동상 생물막 담체 공법(MBBR, Moving Bed Biofilm Reactor)에 사용되는 미생물 담체에 의해 혐기조, 무산소조 등의 반응조에서 수처리를 하는 과정에서 드래프트튜브를 이용한 수직교반 방식을 이용하되, 교반장치 중 임펠러의 구조를 변경하여 비중이 낮은 미생물 담체를 저에너지로써 효율적으로 교반하기 위한 것으로서, 도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교반장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도2는 도1의 사용상태도이다.

도면에 따르면, 본 발명에 따른 교반장치(1)는 고도처리용 혐기조 및 무산소조와 같은 반응조에 설치되는 교반장치에 있어서, 반응조(T)의 내부에 설치되고 반응조의 하부로부터 상승하는 미생물 담체를 포함하는 하폐수의 이송통로를 갖는 드래프트튜브(10); 상기 드래프트튜브의 내부 상단부에 설치되고 중앙의 샤프트(21)에 의해 회전 구동되면서 반응조 하부의 미생물 담체를 포함하는 하폐수를 상승시키는 적어도 하나의 블레이드(22)가 구비된 임펠러(20); 및 상기 드래프트튜브의 상부 측에 설치되어 임펠러에 회전력을 제공하도록 동력을 발생하는 모터(3);를 포함하여 구성된다.

이에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 드래프트튜브(10)는 중공의 원통 형상으로 이루어지고 혐기조와 무산소조와 같은 반응조(T)의 내부에 수직으로 설치되되 반응조의 벽면으로부터 이격하여 설치되며, 후술하는 임펠러에 의해 반응조의 하부로부터 상승하는 미생물 담체를 포함하는 하폐수가 이동하는 통로를 갖는다.

드래프트튜브(10)는 전체적으로 파형의 주름부(corrugation)를 가지며, 이러한 주름부(11)에 의해 상하 길이방향으로 신축이 가능하여 반응조(T)의 수심(높이) 변화에 적절하게 대응할 수 있다.

상기 드래프트튜브(10)의 직경은 대략 0.05~1.5m인 것이 사용되나 이에 한정되는 것은 아니며, 수처리를 위한 반응조의 크기에 대응하여 설정된다.

임펠러(20)는 드래프트튜브(10)의 내부 상단부에 수직으로 설치되어 반응조(T) 하부의 하폐수를 교반하면서 미생물 담체를 상승시키는 역할을 한다.

임펠러(20)는 반응조(T) 내의 유체의 밀도와 점성의 영향을 줄이도록 스크루 형태로 하여 유체를 수직으로 교반함으로써 반응조 전체에 걸쳐 상하로 운동에너지를 전달함과 아울러 고밀도 및 고점도의 유체에서도 원활한 동작이 이루어지되 주로 비중이 낮은 미생물 담체를 교반 상승하게 된다. 이때, 미생물 담체가 교반되는 과정에서 임펠러와의 충돌 확률을 낮추어 파손을 줄이고 미생물 담체에 부착 성장하는 미생물의 탈리를 최소화하도록 임펠러의 규격이 한정된다.

이를 위하여 상기 임펠러(20)는 도1에서와 같이 드래프트튜브(10)의 상부에 짧게 하나가 설치되며, 상기 임펠러(20)는 드래프트튜브(10)의 내부 상단부에 회전 가능하게 설치되는 샤프트(21); 및 상기 샤프트의 둘레에 적어도 하나 이상 설치되는 블레이드(22)를 포함한다.

또한 임펠러(30)는 블레이드(22)의 길이와 직경을 1:1의 비율로 하는데, 즉, 종래의 샤프트가 드래프트튜브의 하부에 이르기까지 수직으로 길게 형성되는 것과는 달리, 본 발명에 따른 샤프트(21)는 도면에서와 같이 짧게 형성하되, 블레이드(22)의 직경과 길이가 1:1의 비율로 형성됨이 바람직하다.

도3은 하나의 블레이드(22)가 한 피치로 1회전(360°)한 형태를 도시한 것으로서, 이러한 형태의 블레이드는 대형 반응조에 사용하기에 적합하며, 반응조 내의 유체가 상승하는 과정에서 드래프트튜브(10)를 통과할 때 난류의 발생이 최소화되어 수평방향으로 유체의 이동거리가 길어지며, 회전수가 적고 저 rpm으로 회전되더라도 도4에서와 같이 하폐수 내 물 뿐만 아니라 점성이 높은 유체도 전반적으로 균일하게 혼합 교반됨과 아울러 하부에서 부유하는 미생물 담체를 상방으로 끌어올릴 수 있게 된다.

이와 같이 유동상 미생물 담체를 교반 시에는 블레이드(22)가 1개인 것을 사용하는 것으로도 충분하며, 이에 따라 미생물 담체가 블레이드에 부딪히는 횟수도 현저히 감소하게 된다.

또한, 이러한 임펠러(20)는 혐기조와 같은 반응조 내에 유동하는 비교적 가벼운 미생물 담체를 상승 교반하기 위한 것이기는 하나, 샤프트(21)의 길이를 보다 길게 형성하여 샤프트의 상부 외에 하부에도 임펠러를 추가로 설치(미도시) 시 반응조 하부에 침전된 무거운 슬러지까지 상승시킬 수 있다.

도5는 샤프트(21)를 중심으로 360° 회전하는 형태의 블레이드(22) 맞은편에 블레이드가 하나 더 추가된 것으로서, 도6의 반응조 내의 유체 흐름을 살펴보면 드래프트튜브 상부 안쪽에 난류가 발생하여 유체가 수평으로 이동하는 거리가 짧아지며, 이러한 블레이드를 추가할수록 난류층의 증가하면서 유체의 수평이동 거리는 더욱 짧아진다. 이러한 형태로 된 교반장치의 경우 교반효율을 높이기 위하여 중형이나 소형 반응조에 적합하다.

아울러, 도7에 도시된 바와 같이 블레이드(22)기 다수 설치된 경우에도 블레이드와 블레이드 사이의 간격은 좁게, 즉 피치를 작게 하여 최상단에 위치하는 블레이드와 최하단에 위치하는 블레이드 사이의 길이와 블레이드의 직경 비율을 1:1로 유지하도록 한다.

즉, 상기 도8에서와 같이 드래프트튜브(10) 상부에 설치되는 임펠러 블레이드(22)의 개수가 각각 1,2,3개로 서로 다르게 설치되더라도 블레이드(22)가 차지하는 전체 길이(높이)와 직경은 동일한 비율로 유지된다.

이에 따라, 블레이드(22)가 1개 설치된 것과 대비하여 더욱 적은 회전수로도 동일한 효율을 얻을 수 있으며, 이에 따라 비중이 낮은 미생물 담체 뿐만 아니라 비중이 높은 슬러지의 움직임도 유도할 수 있다.

모터(30)는 드래프트튜브(10)의 상부 측에 설치되어 임펠러(20)에 회전력을 제공하도록 동력을 발생한다.

모터(30)는 샤프트(21)의 상부에 결합되되 샤프트를 받쳐주도록 플레이트(31)가 구비되며, 이러한 모터(30)는 직결형태로 된 것이 사용되나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 모터(30)는 인버터의 rpm 조절을 이용하여 유속의 조절이 가능하도록 이루어지는데, 예컨대, 드래프트튜브(10) 내부를 움직이는 유체의 유속을 조절하여 반응조(T) 하부에 침전된 1~5 정도의 높은 비중을 가진 슬러지 내 고형물을 더욱 원활하게 유동시킬 수도 있다.

또한 반응조(T)의 수심이 깊은 경우에도 모터의 회전력을 조절하여 드래프트튜브(10)를 통해 수심 깊은 곳까지 운동에너지를 전달할 수 있으며, 이는 반응조(T)의 직경이 넓은 경우에도 적용 가능하다.

이와 같이, 본 발명은 혐기 또는 무산소 조건에서 유동상 미생물 담체에 혐기성 미생물을 대량으로 배양하기 위하여 많은 양의 미생물 담체에 미생물을 부착 성장시키는 과정에서 혐기조 또는 무산소조 내의 미생물이 호기성 미생물에 비하여 부착성이 낮아 작은 충격에도 쉽게 탈리되거나 블레이드에 의해 담체가 파손될 수 있는바, 이를 방지하기 위하여 임펠러(20)의 위치를 이동하여 드래프트튜브(10) 내부 상단부에 설치하고 임펠러 블레이드(22)의 직경과 길이를 1:1로 한정함과 아울러 블레이드의 크기를 작게 형성하여 미생물 담체가 임펠러의 블레이드(22)에 충돌하는 횟수는 최소화하면서도 반응조(T) 내의 대량의 유체를 이송시키고, 이로 인해 드래프트튜브(10) 하부의 유체가 상부로 상승하려는 흐름이 발생하면서 유동상 미생물 담체가 상부로 끌어올려져 자동으로 교반이 이루어지게 되며, 이에 따라 혐기성 미생물의 탈리와 미생물 담체의 파손을 최소화하면서 반응조(T) 내의 비중이 0.93~0.98로 비중이 낮은 미생물 담체를 저 rpm으로 반응조 바닥 부분까지 99% 이상 완전하게 교반 유동할 수 있게 된다.

또한, 이때, 드래프트튜브(10) 내로 유입된 하폐수는 모터(30)에 의해 회전하는 임펠러(20)에 의해 상방으로 이동하고, 상방으로 이동한 하폐수는 자유낙하에 의해 하방으로 이동하면서 하폐수가 상하방향으로 전체적으로 순환되며, 이러한 과정에서 상방으로 이동하는 미생물 담체가 반응조(T)의 상부에서 유동하면서 충분한 교반이 이루어지게 된다.

아울러, 드래프트튜브(10) 상부에 설치된 모터(30)의 속도 조절과 함께 그 하부에 설치된 임펠러(20)의 구조적인 특징에 의해 비중이 낮은 물질과 높은 물질을 저에너지로 교반할 수 있음과 아울러 완전한 혼합이 가능하여 최적의 교반을 제공할 수 있게 된다.

또한, 앞서 기재된 바와 같이 반응조(T)의 하부에까지 운동에너지가 전달되는바, 즉 반응조의 바닥 부분을 타고 움직이는 유체에 의해 반응조의 모서리 부분과 같은 사구역(dead space)에 이르기까지 운동에너지가 전달되어 입자상 고형물의 퇴적이 거의 발생하지 않는다.

덧붙여, 본 발명에 따른 교반장치는 반응조의 형태가 사각이나 원형 등에 무관하게 적용이 가능하나, 특히 단면이 정사각형이거나 원형 형태로 된 반응조에 더욱 적합하게 적용할 수 있다.

10 : 드래프트튜브 11 : 주름부
20 : 임펠러 21 : 샤프트
22 : 블레이드 30 : 모터

Claims (3)

1. 고도처리용 혐기조 및 무산소조로 된 반응조에 설치되는 교반장치에 있어서,
   반응조(T)의 중앙에 수직으로 설치되고 반응조의 하부로부터 상승하는 하폐수의 이송통로를 갖는 드래프트튜브(10);
   드래프트튜브(10)의 내부 상단부에 설치되고 중앙의 샤프트(21)에 의해 회전 구동되면서 반응조 내부의 유동상 미생물 담체를 포함하는 하폐수를 상승시키도록 블레이드(22)가 구비된 임펠러(20); 및
   드래프트튜브(10)의 상부 측에 설치되어 임펠러(20)에 회전력을 제공하도록 동력을 발생하는 모터(30);를 포함하고,
   반응조(T) 하부를 유동하는 미생물 담체를 상부로 상승 교반하는 것이며,
   상기 블레이드(22)는 유선형 스크루 형상이고 하나의 피치로 360° 회전되며, 상기 블레이드가 하나 구비일 경우 그 높이와 폭은 1:1의 비율로 형성되는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드(22)가 동일한 형태와 크기로 다수 구비될 경우 블레이드와 블레이드 사이의 간격을 좁게 배치하여 최상단에 배치된 블레이드의 최고점과 최하단에 배치된 블레이드의 최저점 사이의 길이와 상기 블레이드의 폭이 1:1의 비율로 유지되는 것을 특징으로 하는 하폐수 처리공정에 적용되는 유동상 미생물 담체의 교반장치.

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