KR102038132B1 - 와류를 이용한 폭기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류를 이용한 폭기장치에 관한 것으로서, 오폐수가 저장된 폭기조와, 상기 폭기조 내부 또는 외부에 설치되는 펌프와, 상기 펌프와 연결되는 벤츄리관과, 상기 벤츄리관과 연통되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관을 포함하는 폭기장치에 있어서, 상기 벤츄리관은 펌핑된 오폐수가 흡입되는 흡입관과 토출되는 토출관 및 상기 흡입관과 토출관을 연결하고 상대적으로 작은 직경을 가지며 상기 공기유입관과 연통되는 교반관으로 이루어지되, 상기 흡입관의 내부에는 흡입되는 오폐수가 와류를 형성하도록 제1스크류가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

와류를 이용한 폭기장치{Aerator using eddy flow}

본 발명은 폭기장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오폐수를 정화하기 폭기조 내에 미세 기포를 발생시킬 수 있는 와류를 이용한 폭기장치에 관한 것이다.

일반적으로 유기성 폐수정화 처리에 있어서 미생물의 대사활동을 이용한 방법이 중심적인 기술이 되고 있다. 즉, 호기성 또는 혐기성 세균의 생활환경을 적절히 조성해줌으로써 이들 미생물에 의한 유기 오수 중의 단백질, 탄수화물 등을 분해, 성취, 재합성하여 유기 오수를 정화하는 것이다.

이러한 정화효율에 영향을 미치는 인자로는 기질(Substrate)농도, PH, 온도, 용존산소(DO, Dissolved Oxygen) 등이다.

이중 기질농도나 온도 및 PH 등의 인자는 폐수 자체가 갖고 있는 고유의 성질에 기인하게 되며, 외부에서의 인위적인 조작 인자는 용존 산소농도가 거의 유일하다고 할 수 있다.

이러한 산소공급을 위하여 통상 산기식 산소공급장치가 이용되고 있다. 산기식 산소공급장치는 송풍기 (BIOWER)에 의해 외부 공기를 압송시켜 그 끝단에 구비된 여러 형태의 산기장치에 의해 수많은 기포를 발생시킴으로써 그 기포들이 폭기조 저면부로부터 상승하면서 폐수에 용해되게 하는 것이다.

이와 같은 오폐수의 생물학적 처리공정에서 미생물의 활성화는 유기성 물질의 분해에 상당한 역할을 함으로써, 미생물의 활성도를 높이기 위해 폭기조 내로 공급되는 공기량의 증대와 기포입자의 미세화가 주요 해결과제가 되고 있다.

도 1은 종래 오폐수 처리시설의 산기장치를 나타내는 개략도이다.

구체적으로 "오폐수에 미생물을 배양하여 유기물을 분해하는 폭기조(10)와, 상기 폭기조(10)를 통해 유기물이 분해된 오폐수를 일정시간 저수하여 찌꺼기를 침전시키는 침전조(30)로 이루어진 오폐수 처리시설에 있어서, 상기 폭기조(10)의 바닥면에는 오폐수의 유입구(112)와 토출구(114)가 구비된 수중펌프(110)를 설치하고, 상기 토출구(114)에는 내측 일정부위에 서로 다른 내경이 형성되어 입수측과 출수측의 유속을 변화하여 내부의 압력을 강하시키며, 산기노즐(122)이 구비된 산기관(120), 상기 산기관(120)의 일측에는 상기 산기관(120) 내에 형성된 압력변화에 의해 자연공기가 유입되도록 제1 공기유입구(132)이 구비된 제1 공기유입관(130)과 강제로 공기를 공급하게 송풍기(20)를 구비한 제2 공기유입구(142)를 갖는 제2공기유입관(140)이 연통되게 연결됨을 특징으로 하는 오폐수 처리시설의 산기장치"가 개시되어 있다.

상기 종래 발명은 오폐수 중에 배양되는 미생물의 작용에 의해 유기물을 제거하는 폭기조 내에 수중펌프를 설치하여 토출수가 오리피스관을 통과하는 과정에서 음압에 의한 자연 급기와 강제 송풍에 의한 강제 급기가 선택적으로 이루어지게 하여 기액을 분사토록 함으로써, 미세기포에 의해 산소이용을 증가시킴과 동시에 송풍기의 구동부하와 소음을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그러나 산기관으로 토출되는 오폐수의 기포는 미세하기는 하지만 그 수가 작고, 초기에는 기포의 형태를 유지하지만, 폭기조 내에서 상승하면서 기포가 서로 합쳐져서 큰 기포가 되기 때문에 더 빨리 상승하여 폭기조 내에 머물지 못하게 된다. 이것은 오폐수 처리의 효율을 크게 저하시킨다.

그런데 미세기포 발생량을 증가시키고 미세기포를 더 미세화하기 위해서 종래기술로는 한계가 있다.

다시 말해서 더 많은 공기를 흡입하기 위해서는 물의 유속을 증가시켜 자연 급기를 늘리거나 송풍기를 가동하여 강제 급기를 늘여야 한다.

송풍기를 사용하는 경우 용량이 커야하고 폭기조 내 산소 전달률이 10% 미만이며, 수심이 깊어지면 공기압력을 높여야 함에 따라 고압형 시설이 필요하다.

또 종래 기술로는 미세기포를 더 미세화하는 것이 힘든 실정이다.

즉, 미세기포의 부상속도가 빨라서 산소 전달효율이 낮아 더 많은 공기를 공급해야 하고 이는 시간과 비용의 문제를 야기한다.

- 대한민국 등록실용신안 제20-0380963호(2005.3.29) "오폐수 처리시설의 산기장치" - 대한민국 등록특허 제10-0925531호(2009.10.30) "폐수처리를 위한 마이크로 버블 반응기" - 대한민국 공개특허 제10-2015-0066157호(2015.6.16) "미세기포 생성장치"

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 폭기를 위해 벤츄리관을 이용하되 벤츄리관에 유입되는 오폐수가 와류를 형성하도록 함으로써 미세기포량을 증가시키고 더 미세화할 수 있는 와류를 이용한 폭기장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 와류를 이용한 폭기장치는, 오폐수가 저장된 폭기조와, 상기 폭기조 내부 또는 외부에 설치되는 펌프와, 상기 펌프와 연결되는 벤츄리관과, 상기 벤츄리관과 연통되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관을 포함하는 폭기장치에 있어서, 상기 벤츄리관은 펌핑된 오폐수가 흡입되는 흡입관과 토출되는 토출관 및 상기 흡입관과 토출관을 연결하고 상대적으로 작은 직경을 가지며 상기 공기유입관과 연통되는 교반관으로 이루어지되, 상기 흡입관의 내부에는 흡입되는 오폐수가 와류를 형성하도록 제1스크류가 구비될 수 있다.

이때, 상기 제1스크류는 상기 흡입관의 반경보다 짧은 폭을 가지는 판재 형상의 블레이드가 상기 흡입관의 중심선을 기준으로 나선형태로 연속하여 감긴 형상이고, 상기 블레이드의 가장자리는 상기 흡입관의 내주면에 결합될 수 있다.

그리고 상기 흡입관과 교반관이 연결되는 부분은 내경이 줄어드는 테이퍼진 형상이고, 상기 블레이드의 폭도 동일한 비율로 줄어들 수 있다.

또 상기 토출관의 내부에는 토출되는 오폐수의 회전에너지를 유지하도록 제2스크류가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 토출관의 단부에는 내경이 좁아지는 형상의 단턱이 형성될 수 있다.

한편, 상기 공기유입관은 상기 교반관 내로 연장 돌출되고, 유로와 동일한 방향으로 공기가 유입되도록 절곡된 형상일 수 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따르면, 벤츄리관으로 흡입되는 오폐수를 제1스크류가 미리 와류로 만들어 교반관을 통과시키기 때문에 공기와의 교반 효율이 향상되어 다량의 미세 기포를 발생시킬 수 있고, 서로 충돌이 활발하게 일어나 기포가 더욱 더 잘게 쪼개져 기포의 미세화가 촉진된다.

그리고 제2스크류 및 단턱으로 인해 와류가 소멸되지 않고 지속적으로 와류를 형성시킨 상태에서 폭기조 내로 토출시키기 때문에 더욱 미세 기포가 활발하게 형성되므로 폭기조 내에 기포가 장시간 체류할 수 있어 폭기 효율이 향상된다.

도 1은 종래 오폐수 처리시설의 산기장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시 예를 따른 와류를 이용한 폭기장치의 개략적인 구조를 나타내는 구조도
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제1스크류의 구조를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예를 따른 와류를 이용한 와류를 이용한 폭기장치를 나타내는 구조도

이하, 본 발명에 따른 일 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

참고로, 도면을 참조한 설명은 본 발명을 더 쉽게 이해하기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예를 따른 와류를 이용한 폭기장치의 개략적인 구조를 나타내는 구조도이고, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제1스크류의 구조를 나타내는 사시도이다.

본 발명은 크게 폭기조(100), 펌프(200), 벤츄리관(300), 공기유입관(400)을 포함하여 구성되고, 상기 벤츄리관(300) 내에 설치되는 제1스크류(340)를 기술적 핵심으로 한다.

먼저, 상기 폭기조(100)는 오폐수가 저장되는 수조 혹은 탱크이며, 상부가 개방된 형태일 수 있다. 상기 폭기조(100)에서는 오폐수에 공기를 공급하여 미생물을 배양함으로써 미생물에 의한 유기물 분해가 이루어진다.

상기 폭기조(100)의 내부 바닥 또는 외부에 펌프(200)가 설치된다.

상기 펌프(200)는 상기 폭기조(100)와 연결되어 상기 폭기조(100) 내의 오폐수를 펌핑하여 다시 폭기조(100)로 순환시킨다.

상기 펌프(200)의 출구 측에는 벤츄리관(300) 또는 오리피스관이 연결된다.

상기 벤츄리관(300)은 양단이 개구된 상태이고 상기 폭기조(100) 내부 바닥에 설치될 수 있으며, 일측에 중앙으로 갈수록 내경이 좁아지다가 타측으로 갈수록 다시 내경이 넓어지는 형상일 수 있다.

구체적으로 상기 벤츄리관(300)은 흡입관(310), 교반관(320), 토출관(330)이 연속적으로 연결된 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 흡입관(310)은 상기 펌프(200)를 통해 펌핑된 오폐수를 흡입하는 관으로서, 대략 파이프 또는 채널 형상일 수 있고 단면이 원형일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고 상기 토출관(330)은 상기 흡입관(310)으로 흡입된 오폐수를 상기 폭기조(100) 내로 토출하는 관이다.

상기 교반관(320)은 상기 흡입관(310)과 토출관(330)을 연결하면서 유입되는 공기와 오폐수를 믹싱하는 구간으로, 상기 흡입관(310)과 토출관(330)의 내경에 비해 상대적으로 작은 내경을 가진다. 즉, 유로가 좁아지게 하는 구성이다.

따라서, 상기 흡입관(310)으로 흡입된 오폐수는 상기 교반관(320)을 지나면서 유속이 빨라지고 압력은 낮아진다. 이것은 베르누이 원리에 따른 것임은 알려진 바다.

여기서, 상기 흡입관(310)과 교반관(320)이 연결되는 부분은 내경이 점점 줄어들도록 테이퍼진 형상의 축소관 형상일 수 있다. 또 상기 교반관(320)과 토출관(330)이 연결되는 부분은 내경이 점점 늘어나도록 테이퍼진 확관 형상일 수 있다.

한편, 상기 교반관(320)에는 공기유입관(400)이 연결된다.

상기 공기유입관(400)은 하단이 상기 교반관(320)과 연통되도록 결합되고 상단은 상기 폭기조(100) 외부로 연장되어 외부 공기가 유입될 수 있게 한다.

따라서, 상기 교반관(320)에서 압력이 낮아지므로 상기 공기유입관(400)을 통해 공기가 유입되고, 유입된 공기는 상기 교반관(320) 내에 흐르는 오폐수와 혼합되어 교반된다.

이때, 압력이 급격히 낮아지므로 캐비테이션(cavitation) 현상이 일어나게 되고, 이미 오폐수에 포함되어 있던 공기도 기포화되고 유입된 공기도 오폐수와 교반되면서 미세 기포가 발생하게 되기 때문에 다량의 미세 기포를 포함한 오폐수가 상기 토출관(330)을 통해 토출될 수 있는 것이다.

그런데 본 발명에서 상기 흡입관(310) 내에 제1스크류(340)가 구비될 수 있다.

상기 제1스크류(340)는 상기 흡입관(310)에 흡입되는 오폐수가 길이 방향을 따라 직선으로 흐르는 층류를 벗어나 난류, 특히 와류를 형성하도록 유도한다.

즉 오폐수가 나선을 그리면서 회전하도록 유도함으로써 큰 회전에너지를 가지고 상기 교반관(320)에서 공기와 혼합이 더욱 활발해지게 하여 더 많은 양의 기포가 발생되는 동시에 기포를 종전보다 훨씬 더 미세하게 분리시킬 수 있다.

다시 말해서, 와류에 의해서 기포들이 서로 충돌함으로써 기포들이 더 잘게 부서지는 효과를 가져온다.

구체적으로, 상기 제1스크류(340)는 일정한 폭을 가지는 판재 형상의 블레이드(340a)를 나선 형태로 감아서 만든 나선형 블레이드(340a)로 이루어질 수 있다. 대략 회전축이 없고 상기 흡입관(310)의 중심선을 기준으로 날개만 연속적으로 감긴 스크류 형상과 같다.

이때, 상기 블레이드(340a)의 폭은 대략 상기 흡입관(310)의 내경의 반경과 동일하거나 더 작게 형성될 수 있다.

그리고 상기 제1스크류(340)는 상기 흡입관(310)과 결합되지 않고 삽입된 상태일 수 있으나, 바람직하게는 상기 블레이드(340a)의 가장자리가 상기 흡입관(310)의 내주면에 결합되어 고압의 오폐수가 흡입되더라도 고정된 상태를 유지하도록 한다.

또 상기 블레이드(340a)의 폭은 상기 흡입관과 교반관(320)이 연결되는 테이퍼진 구간에서 동일한 비율로 줄어들도록 형성된다.

본 발명의 다른 실시 예로 상기 토출관(330)의 내부에 제2스크류(350)가 더 구비될 수 있다.

상기 제2스크류(350)는 그 형상이 상기 제1스크류(340)와 대동소이한 형상과 구조를 가질 수 있다.

상기 교반관(320)을 통과한 오폐수는 미세한 기포를 포함하고 있지만, 상기 토출관(330)을 지나면서 기포들이 서로 모이면서 합쳐질 수 있다. 이를 방지하고자 지속적인 회전에너지를 유지하도록 상기 제2스크류(350)를 더 설치시킬 수 있다.

따라서, 상기 교반관(320)을 통과한 오폐수는 상기 제2스크류(350)를 통과하면서 계속 와류를 형성하기 때문에 미세 기포들을 유지할 뿐 아니라, 기포들이 더욱 미세화되면서 상기 토출관(330)을 통해 상기 폭기조(100) 내부로 강하게 토출될 수 있다.

왜냐하면, 상기 제2스크류(350)를 통해 형성되는 와류는 반경 방향으로 속력 구배가 발생하게 되고 이로 인해 유체(오폐수)에 전단력이 작용하게 되므로 포함된 미세 기포들의 미세화가 촉진되기 때문이다.

바람직한 것은 상기 토출관(330)의 단부에는 내경이 좁아지도록 하는 단턱(360)이 형성될 수 있다. 상기 단턱(360)은 노즐 또는 오리피스와 같은 역할을 하는데, 토출되는 오폐수가 상기 단턱(360)에 부딪히면서 미세 기포가 더욱 잘게 쪼개져 크기가 더 작아질 수 있다.

또 상기 공기유입관(400)은 하단이 상기 교반관(320)의 외주면과 연결되어 연통될 수 있으나, 도시된 바와 같이 상기 교반관(320)의 외주면을 관통하여 내부로 연장 돌출되고 유로와 동일한 방향으로 공기가 유입되도록 절곡된 형상일 수 있다.

이와 같은 경우 상기 공기유입관(400)의 절곡부(410)가 상기 교반관(320)의 단면을 축소시키는 효과가 있어 유속이 더 빨라질 수 있고, 더불어 공기가 상기 교반관(320)의 중심에 직접 유입되기 때문에 기포발생율이 향상될 수 있다. 또 공기와 유체가 나란히 유동하므로 혼합이 원활하고 유동이 원활하게 이루어질 수 있다.

참고로 상기 제1스크류(340)와 제2스크류(350)는 서로 반대방향으로 나선이 진행되도록 구비될 수 있다. 만일, 상기 제1스크류(340)가 시계방향으로 나선이 형성된다면, 상기 제2스크류(350)는 반시계방향으로 나선이 형성되게 할 수 있다.

이것은 상기 흡입관(310)에서 형성된 와류의 방향을 상기 토출관(330)에서 반대로 형성시킴으로써 난류성을 증가시켜 미세 기포화를 촉진할 수 있다.

이상에서 도면을 참조하여 본 발명의 대표적인 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 폭기조 200 : 펌프
300 : 벤츄리관 310 : 흡입관
320 : 교반관 330 : 토출관
340 : 제1스크류 340a : 블레이드
350 : 제2스크류 360 : 단턱
400 : 공기유입관 410 : 절곡부

Claims (6)

1. 오폐수가 저장된 폭기조와, 상기 폭기조 내부 또는 외부에 설치되는 펌프와, 상기 펌프와 연결되는 벤츄리관과, 상기 벤츄리관과 연통되어 외부 공기가 유입되는 공기유입관을 포함하는 폭기장치에 있어서,
   상기 벤츄리관은 펌핑된 오폐수가 흡입되는 흡입관과 토출되는 토출관 및 상기 흡입관과 토출관을 연결하고 상대적으로 작은 직경을 가지며 상기 공기유입관과 연통되는 교반관으로 이루어지되,
   상기 흡입관의 내부에는 흡입되는 오폐수가 와류를 형성하도록 제1스크류가 구비되고, 상기 토출관의 내부에는 토출되는 오폐수의 회전에너지를 유지하도록 제2스크류가 더 구비되는데,
   상기 제1스크류는 상기 흡입관의 반경보다 짧은 폭을 가지는 판재 형상의 블레이드가 상기 흡입관의 중심선을 기준으로 나선형태로 연속하여 감긴 형상이고, 상기 블레이드의 가장자리는 상기 흡입관의 내주면에 결합된 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 폭기장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡입관과 교반관이 연결되는 부분은 내경이 줄어드는 테이퍼진 형상이고, 상기 블레이드의 폭도 동일한 비율로 줄어드는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 폭기장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 토출관의 단부에는 내경이 좁아지는 형상의 단턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 폭기장치.
6. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공기유입관은 상기 교반관 내로 연장 돌출되고, 유로와 동일한 방향으로 공기가 유입되도록 절곡된 형상인 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 폭기장치.

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