KR102191135B1 - 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기 - Google Patents

연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상향류 반응기에 관한 것으로서, 상세하게는 부반응조에서 수류에 의한 연속 완전 혼합 반응(CFTR) 방식으로 오염수와 반응하도록 하고, 주반응조에서 마개 흐름 반응(PFR)으로 오염수와 반응하도록 하여, 부반응조로 오염수가 유입될 시 유입수에 포함된 오염 물질을 제거하기 위한 확실한 반응으로 유도하여 오염 물질의 반응 속도를 증대시켜 미처리된 오염수의 배출을 줄여 안정적인 오염 물질의 처리 효율을 얻을 수 있도록 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기에 관한 것이다.

Description

연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기{HIGH EFFICIENCY UP-FLOW HYBRID ANAEROBIC REACTOR FOR USING CFSTR AND PFR}
본 발명은 상향류 반응기에 관한 것으로서, 상세하게는 부반응조에서 수류에 의한 연속 완전 혼합 반응(CFTR) 방식으로 오염수와 반응하도록 하고, 주반응조에서 마개 흐름 반응(PFR)으로 오염수와 반응하도록 하여, 부반응조로 오염수가 유입될 시 유입수에 포함된 오염 물질을 제거하기 위한 확실한 반응으로 유도하여 오염 물질의 반응 속도를 증대시켜 미처리된 오염수의 배출을 줄여 안정적인 오염 물질의 처리 효율을 얻을 수 있도록 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기에 관한 것이다.
하·폐수를 처리하기 위한 수처리 시설은 환경보호는 물론 수자원보호라는 관점에서 대단히 중요하다. 하·폐수를 처리하여 방류하는 방류수질기준도 점차 강화되는 추세에 있다. 하·폐수를 처리하기 위한 시설로서 상향류 반응조 시스템이 개발되어 가동되고 있고, 반응 효율이 우수한 압출류 형태의 반응조(PFR: Plug Flow Reactor)로서, 고농도의 미생물을 유지함으로써 반응조 용적을 절감할 수 있고, 생물학적 질소 제거기능이 탁월하다.
이러한 하·폐수를 처리하기 위한 상향류 반응조 시스템의 일례로 국내 등록특허 제10-1939694호인 하·폐수 처리를 위한 2단 반응영역을 갖는 상향류 반응조 시스템이 개시되어 있다.
상기 하·폐수 처리를 위한 2단 반응영역을 갖는 상향류 반응조 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 상향류 반응조(10), 호기 반응조(20) 및 침전조(30)로 이루어지는 상향류 반응조 시스템에 있어서, 상기 상향류반응조(10)가, 하·폐수, 호기반응조(20)로부터의 반송 슬러지, 및 침전조(30)로부터의 반송 슬러지가 유입되는 트러프(11); 상기 트러프(11) 하부에 설치되어 상기 하·폐수 및 반송 슬러지를 배출시키는 하나 이상의 분배관(12); 상기 트러프(11) 외부쪽에 설치되어 하·폐수가 유입되는 외부 트러프(17); 상기 외부 트러프(17) 하부에 설치되어 상기 하·폐수를 배출시키는 하나 이상의 분배관(18); 및 상기 트러프(11), 하나 이상의 분배관(12), 외부 트러프(17), 및 하나 이상의 분배관(18)을 일체로 서서히 회전시키기 위한 감속기(15) 및 중심축(13); 을 포함하고, 상기 트러프(11)와 분배관(12)에 의하여 무산소조의 하부 반응영역(A)이 형성되고, 상기 트러프(17)와 분배관(18)에 의하여 혐기조의 상부 반응영역(B)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
그러나, 이러한 하·폐수 처리를 위한 2단 반응영역을 갖는 상향류 반응조 시스템의 상향류 반응조는 단순히 이중의 트러프를 이용하여 반송 슬러지의 유입량을 조절하고, 완전혼합형 반응조가 아니라 압출류 형태의 반응조이기 때문에 오염수인 반송 슬러지의 반응 속도가 상대적으로 줄어들고, 이로 인해 처리 효율이 상대적으로 저하되는 문제점이 있다.
국내 등록특허 제10-1939694호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수류에 의한 연속 완전 혼합 반응(CFTR) 방식으로 오염수와 반응하도록 하고, 주반응조에서 마개 흐름 반응(PFR)으로 오염수와 반응하도록 하여, 부반응조로 오염수가 유입될 시 유입수에 포함된 오염 물질을 제거하기 위한 확실한 반응으로 유도하여 오염 물질의 반응 속도를 증대시켜 미처리된 오염수의 배출을 줄여 안정적인 오염 물질의 처리 효율을 얻을 수 있도록 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 오염수가 부반응조에서 완전 혼합된 후 주반응조로 마개 흐름을 형성하면서 흐르도록 하여 오염물질이 유입된 순서대로 반응되면서 단회 또는 짧은 반응 시간에 의해 후입 미처리된 오염물질이 선출되는 현상을 방지하도록 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
밀폐된 원통형으로 형성되고, 하단이 깔때기 형태로 형성되고, 오염수를 상향류시켜 오염수를 마개 흐름 반응시키는 주반응조와; 상기 주반응조의 상단에 형성되고, 회전축이 상기 주반응조의 중심부에 수직으로 형성되는 교반 모터와; 상기 교반 모터의 회전축 하단에 방사상으로 수평하게 설치되어 회전되어 오염수를 혼합시키는 회전 날개와; 내부로 유입되는 오염수를 연속 완전 혼합 반응시키도록 상기 주반응조의 중심부에서 일정 공간을 확보하도록 원통 형태의 내통과 외통으로 형성되고, 상기 내통의 하단이 상기 회전 날개의 상단에 고정 설치되어 상기 회전 날개와 함께 회전되는 부반응조와; 역깔때기 형성으로 형성되어 상기 교반 모터의 회전축에 고정 설치되고, 상기 부반응조의 내통 내부 하단 중심부에 설치되어 오염수를 상기 회전 날개로 분배시키는 분배기; 및 상기 주반응조의 상단에 설치되어 반응이 종료된 오염수를 후처리 공정으로 배출시키는 위어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기는 오염수에서 회전류가 발생하는 것을 방지하도록 상기 주반응조의 중심축을 기준으로 방사상으로 상기 주반응조에 일단이 고정되고, 타단이 상기 부반응조의 외통 하단으로 수평하게 연장되어 고정되는 회전류 방지 배플을 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 회전 날개는 하단에 역삼각 형태의 보조 날개가 구비된다.
여기에서 또, 상기 부반응조의 내통은 상기 주반응조의 수평 면적 대비 5~10%의 수평 면적을 가지도록 형성된다.
여기에서 또, 상기 부반응조의 내통은 상기 분배기에 의해 분배되는 1차 반응된 오염수를 상기 회전 날개 측으로 분산시키도록 하단에 역깔때기 형상의 확장부가 형성된다.
여기에서 또, 상기 부반응조의 내통은 상기 확장부를 통해 1차 반응된 오염수를 배출시 유속을 증대시키도록 상기 수직부가 상기 확장부로 인입되어 설치된다.
삭제
여기에서 또, 상기 수직부는 1차 반응된 오염수를 배출시 1차 반응된 오염수를 상기 회전 날개 측으로 분산시키도록 끝단에 상기 확장부와 동일 각도로 연장부가 절곡 형성된다.
여기에서 또, 상기 부반응조는 상기 내통의 수직부 하부에 원판 형태로 복수의 관통홀이 구비된 수평 배플이 구비된다.
여기에서 또, 상기 교반 모터는 상기 회전 날개와 내통을 회전시키면서 층류 혼합이 발생하도록 선속도(V) 6~10m/min으로 회전시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기에 따르면, 수류에 의한 연속 완전 혼합 반응(CFTR) 방식으로 오염수와 반응하도록 하고, 주반응조에서 마개 흐름 반응(PFR)으로 오염수와 반응하도록 하여, 부반응조로 오염수가 유입될 시 유입수에 포함된 오염 물질을 제거하기 위한 확실한 반응으로 유도하여 오염 물질의 반응 속도를 증대시켜 미처리된 오염수의 배출을 줄여 안정적인 오염 물질의 처리 효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 오염수가 부반응조에서 완전 혼합된 후 주반응조로 마개 흐름을 형성하면서 흐르도록 하여 오염물질이 유입된 순서대로 반응되면서 단회 또는 짧은 반응 시간에 의해 후입 미처리된 오염물질이 선출되는 현상을 방지할 수 있어 처리수의 수질을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 하·폐수 처리를 위한 2단 반응영역을 갖는 상향류 반응조 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 구성을 나타낸 부분 절개 사시도이다.
도 3은 도 2의 "A"부분의 부분 사시도이다.
도 4는 도 2의 정단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 구성을 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 구성을 나타낸 부분 절개 사시도이고, 도 3은 도 2의 "A"부분의 부분 사시도이며, 도 4는 도 2의 정단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기(100)는 주반응조(110)와, 교반 모터(120)와, 회전 날개(130)와, 부반응조(140)와, 분배기(150)와, 위어(160) 및 회전류 방지 배플(170)로 구성된다.
먼저, 주반응조(110)는 밀폐된 원통형으로 형성되고, 하단이 깔때기 형태로 형성되고, 오염수를 상향류시켜 오염수를 마개 흐름 반응(PFR : Plug Flow Reaction)시킨다. 이때, 주반응조(110)의 하단에는 잉여 슬러지가 쌓이는 공간이 형성되고, 잉여 슬러지가 외부로 배출된다.
그리고, 교반 모터(120)는 주반응조(110)의 상단에 형성되고, 회전축이 주반응조(110)의 중심부에 수직으로 형성된다. 이때, 교반 모터(120)는 회전 날개(130)와 내통(141)을 서서히 회전시키면서 층류 혼합이 발생하도록 선속도(V) 6~10m/min으로 회전시키는 것이 바람직하다.
또한, 회전 날개(130)는 원형 막대 또는 사각 막대 형태로 교반 모터(120)의 회전축 하단에 방사상으로 수평하게 설치되어 회전되어 오염수를 혼합시킨다. 이때, 회전 날개(130)는 하단에 역삼각 형태의 보조 날개(131)가 구비되는 것이 바람직하고, 보조 날개(131)는 저항 발생을 최소화시키도록 트러스 구조물 형태로 형성된다.
또, 부반응조(140)는 내부로 유입되는 오염수를 연속 완전 혼합 반응(Continous Flow Stirred Tank Reaction)시키도록 주반응조(110)의 중심부에서 일정 공간을 확보하도록 원통 형태로 형성되는 회전되는 내통(141)과, 내통(141)이 내부로 삽입되어 미회전되는 외통(143)으로 형성되고, 내통(141)의 하단이 회전 날개(130)의 상단에 고정 설치되어 회전 날개(130)와 함께 회전된다.
그리고, 부반응조(140)의 내통(141)은 유입되는 오염수를 완전 처리하여 배출시킬 수 있도록 주반응조(110)의 수평 면적 대비 5~10%의 수평 면적을 가지도록 형성되는 것이 바람직하고, 분배기(150)에 의해 분배되는 1차 반응된 오염수를 회전 날개(130) 측으로 분산시키도록 수직부(141a)의 하단에 역깔때기 형상의 확장부(141b)가 형성된다.
또한, 부반응조(140)의 내통(141)은 확장부(141b)를 통해 1차 반응된 오염수를 배출시 유속을 증대시키도록 수직부(141a)가 확장부(141b)로 인입되어 설치되고,수직부(141a)는 1차 반응된 오염수를 배출시 1차 반응된 오염수를 회전 날개(130) 측으로 분산시키도록 끝단에 확장부(141b)와 동일 각도로 연장부(141c)가 절곡 형성되는 것이 바람직하다.
또, 부반응조(140)는 오염수에서 회전류 발생을 방지하도록 내통(141)의 수직부(141a) 하부에 원판 형태로 복수의 관통홀(145a)이 구비된 수평 배플(145)이 구비되는 데, 수평 배플(145)을 수직부 상단으로부터 10/6~10/8 위치에 형성하는 것이 바람직하다.
이어서, 분배기(150)는 역깔때기 형성으로 형성되어 교반 모터(120)의 회전축에 고정 설치되고, 부반응조(140)의 내통 내부 하단 중심부에 설치되어 오염수를 회전 날개(130)로 분배시킨다.
계속해서, 위어(Weir)(160)는 주반응조(110)의 상단에 설치되어 반응이 종료된 오염수를 후처리 공정으로 배출시킨다.
그리고, 회전류 방지 배플(170)은 오염수에서 회전류가 발생하는 것을 방지하도록 주반응조(110)의 중심축을 기준으로 방사상으로 주반응조(110)에 일단이 고정되고, 타단이 부반응조(140)의 외통 하단으로 수평하게 연장되어 고정된다. 이때, 회전류 방지 배플(170)은 원형 막대, 사각 막대, 사각판 형태중 선택된 어느 하나의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 교반 모터(120)가 선속도(V) 6~10m/min으로 회전되면, 회전축에 연결된 회전 날개(130)와 부반응조(140)의 내통(141) 및 분배기(150)가 함께 회전하게 된다.
이러한 상태에서 내통(141)으로 오염수(원수, 반송 슬러지 등)가 유입되면, 오염수는 수류에 의해 내통(141)의 수직부(141a) 하단 측으로 이동되다가 수평 배플(145)을 통과하면서 연속 완전 혼합 반응되고, 수직부(141a) 하단에서 분배기(150)와 확장부(141b)에 의해 회전 날개(130) 측으로 분산되면서 회전 날개(130)에 의해 층류 혼합된다.
계속해서, 부반응조(140)에서 1차 혼합되어 반응된 오염수는 회전 날개(130)를 통과하면서 수류에 의해 상승 수류가 발생되고, 이로 인해 주반응조(110) 측으로 상승되면서 2차로 마개 흐름 반응하게 된다. 이때, 회전류 방지 배플(170)에 의해 회전 날개(130)에 의해 오염수에서 회전류가 발생되는 것을 방지한다.
그리고, 주반응조(110)에서 반응이 종료된 오염수는 위어(160)로 오버플로우되어 수집된 후 후처리 공정으로 배출된다.
한편, 주반응조(110)의 하단에 쌓인 잉여 슬러지는 외부에서 배출시킨다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 주반응조 120 : 교반 모터
130 : 회전 날개 140 : 부반응조
141a : 수직부 141b : 확장부
141c : 연장부 150 : 분배기
160 : 위어 170 : 회전류 방지 배플

Claims (10)

  1. 밀폐된 원통형으로 형성되고, 하단이 깔때기 형태로 형성되고, 오염수를 상향류시켜 오염수를 마개 흐름 반응시키는 주반응조와;
    상기 주반응조의 상단에 형성되고, 회전축이 상기 주반응조의 중심부에 수직으로 형성되는 교반 모터와;
    상기 교반 모터의 회전축 하단에 방사상으로 수평하게 설치되어 회전되어 오염수를 혼합시키는 회전 날개와;
    내부로 유입되는 오염수를 연속 완전 혼합 반응시키도록 상기 주반응조의 중심부에서 일정 공간을 확보하도록 원통 형태의 내통과 외통으로 형성되고, 상기 내통의 하단이 상기 회전 날개의 상단에 고정 설치되어 상기 회전 날개와 함께 회전되는 부반응조와;
    역깔때기 형성으로 형성되어 상기 교반 모터의 회전축에 고정 설치되고, 상기 부반응조의 내통 내부 하단 중심부에 설치되어 오염수를 상기 회전 날개로 분배시키는 분배기; 및
    상기 주반응조의 상단에 설치되어 반응이 종료된 오염수를 후처리 공정으로 배출시키는 위어를 포함하며,
    상기 부반응조의 내통은,
    상기 분배기에 의해 분배되는 1차 반응된 오염수를 상기 회전 날개 측으로 분산시키도록 수직부 하단에 역깔때기 형상의 확장부가 형성되고, 상기 확장부를 통해 1차 반응된 오염수를 배출시 유속을 증대시키도록 상기 수직부가 상기 확장부로 인입되어 설치되며,
    상기 수직부는,
    1차 반응된 오염수를 배출시 1차 반응된 오염수를 상기 회전 날개 측으로 분산시키도록 끝단에 상기 확장부와 동일 각도로 연장부가 절곡 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기는,
    오염수에서 회전류가 발생하는 것을 방지하도록 상기 주반응조의 중심축을 기준으로 방사상으로 상기 주반응조에 일단이 고정되고, 타단이 상기 부반응조의 외통 하단으로 수평하게 연장되어 고정되는 회전류 방지 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 날개는,
    하단에 역삼각 형태의 보조 날개가 구비되는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부반응조의 내통은,
    상기 주반응조의 수평 면적 대비 5~10%의 수평 면적을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부반응조는,
    상기 내통의 수직부 하부에 원판 형태로 복수의 관통홀이 구비된 수평 배플이 구비되는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 교반 모터는,
    상기 회전 날개와 내통을 회전시키면서 층류 혼합이 발생하도록 선속도(V) 6~10m/min으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 연속 완전 혼합 반응과 마개 흐름 반응을 이용한 고효율 상향류 하이브리드 혐기 반응기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140052651A (ko) * 2012-10-25 2014-05-07 주식회사 포스코건설 편심 구조를 갖는 일체형 2상 혐기소화조
KR20160001603U (ko) * 2016-02-04 2016-05-13 열린환경기술 주식회사 와류 발생 구조를 갖는 폐수 처리장치
KR101939694B1 (ko) 2018-06-18 2019-01-17 이응택 하·폐수 처리를 위한 2단 반응영역을 갖는 상향류 반응조 시스템 및 그 처리방법

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