KR102490976B1 - 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 분리막을 이용한 수처리 시스템 중 침지형 막여과 시스템에서 분리막의 오염원을 탈리시키기 위해 사용되는 산기 장치에 있어서, 고용량의 공기를 간헐적으로 폭기시켜 분리막의 오염원을 효과적으로 탈리시킬 수 있는, 간헐적 폭기가 가능한 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치에 관한 것이다.

Description

고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치{HIGH CAPACITY CARTRIDGE TYPE AIR DIFFUSER HAVING High Efficiency}
본 발명은 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 분리막을 이용한 수처리 시스템 중 침지형 막여과 시스템에서 분리막의 오염원을 탈리시키기 위해 사용되는 산기 장치에 있어서, 고용량의 공기를 간헐적으로 폭기시켜 분리막의 오염원을 효과적으로 탈리시킬 수 있는, 간헐적 폭기가 가능한 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치에 관한 것이다.
분리막을 이용한 수처리 시스템은 분리막을 피처리수가 담긴 수조에 침지시켜 여과하는 침지형 시스템과 일정한 양의 피처리수를 분리막 모듈로 이송하여 여과하는 가압형 시스템으로 분류된다.
침지형 시스템에서는 일반적으로 가압형 시스템에 비해 수중의 고형물 및 오염물의 농도가 높은 경우에 적합한 것으로 알려지고 있다. 이는 침지형 시스템이 가압형 시스템 대비 개방된 구조를 가지는 것과 함께, 분리막 주변의 오염원 농축을 방지하고 탈리시키기는 장치를 가지고 있기 때문으로, 이를 위해 대부분의 침지형 시스템에는 막오염 방지를 위해 공기를 이용한 세정 장치가 필수적으로 설치되고 있다.
이와 같은, 공기 세정 방식은 송풍기를 이용하여 분리막 하단에 설치된 산기관을 통해 분리막 전체에 공기를 분배하는 방식으로 이루어지며, 이러한 산기 장치를 이용한 방식의 공기 세정은 막대한 에너지 소모가 큰 단점으로 지적되어 오고 있다.
또한 산기 장치는 공기를 분리막 전체에 균등하게 배분하기 위해 적정 크기의 산기관 내 산기 구멍 혹은 분배판이 적용되고 그 크기는 일반적으로 수 mm에서 수십 mm 의 범위를 갖는 수준으로서, 이는 배관 저항을 높여 산기관 유닛(unit) 내 혹은 산기관 유닛에서 공기를 균등 분배하려는 목적을 가진다.
그러나 연속적이면서도 단방향적인 공기 흐름으로 인해 산기 장치 내 분배를 위한 산기 구멍 혹은 분배판의 적어도 일부 또는 거의 대부분이 슬러지를 포함한 입자성 물질에 의해 폐색되어 세정 효율이 크게 감소하는 문제가 대두되고 있다.
한편, 상기 산기 장치에 따른 에너지 소요의 감량 및 산기 장치 폐색 문제를 해결하고자 주기적으로 기포를 제공하는 주기적 폭기(cyclic areation) 시스템이 요구되고 있으며, 이러한 주기적 폭기 시스템은 복잡한 밸브 배열체 및 제어 수단을 요구하는 것이 일반적인데, 이는 요구되는 복잡한 밸프 및 스위칭 배열체의 초기 시스템 비용 및 진행되는 유지보수 비용을 증가시키는 문제를 야기할 수 있다.
또한, 대형 시스템 내의 산기 장치에서는 기계적 밸브 기능에 의해 순환 빈도가 제한된다. 따라서 복잡한 밸브 스위칭 등에 의해 작업을 제어되지 아니하면서 세정공정의 에너지 효율적인 방법을 제공하는 방식을 구현하는 것이 바람직하다.
또한, 기존 간헐적 산기관 기술은 다양한 모듈 형태에 적용하면서, 세정 공기를 균등하게 배출하기 위해 기본적으로 작은 크기(소형)의 산기관 유닛이 결합되어 설치되고 있는데, 이러한 소형의 산기관 유닛의 증가는 산기관 별 유입 공기의 양이 차별화될 수밖에 없으므로 폭기 횟수 등의 편차가 커지는 결과가 유발될 수 있고, 이를 해결하고자 유입 공기 배관을 작게 하거나 토출되는 구멍을 작게 하는 방식으로 유입 공기량을 제어하는 것은 앞서 언급한 것처럼 막힘 우려가 큰 문제점을 가지고 있으며, 또한 개별 산기관이 손상 등으로 인해 수선 혹은 교체가 필요한 경우, 결합된 상태이므로 개별적인 관리가 어려운 단점이 존재한다.
상기와 같은 종래 산기관의 한계를 극복하기 위해 공기리프트 펌프(Airlift pump)를 이용한 산기 방식이 개발되었고, 이와 관련된 종래기술로는, 에어레이터 장치, 이를 포함하는 필터 시스템 및 이를 이용한 필터 폭기 방법에 관한 한국공개특허공보 제10-2014-0021481호, 하수처리를 위한 거대 기포 발생 분리막 세정 장치인 한국공개특허공보 제10-2017-0010519호 및 기포의 크기나 간헐 시간을 조정할 수 있는 사이펀식 산기관에 관한 일본공개특허문헌 제2019-098230호가 제시되어 있다.
그러나 아직까지 밸브와 같은 별도의 물리적 제어 장치를 사용하지 않으면서 작은 크기의 산기관 유닛의 단점인 산기관별 폭기 편차의 감소 및 유지 관리의 어려움을 극복할 수 있는 새로운 산기관 장치의 개발에 대한 필요성은 지속적으로 요구되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2014-0021481호 (2014.02.20.) 한국공개특허공보 제10-2017-0010519호 (2017.02.01.) 일본공개특허문헌 제2019-098230호 (2019.06.24.)
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 침지형 막여과 시스템에서 분리막 세정에 사용되는 산기 장치에 있어서, 밸브와 같은 별도의 물리적 제어 장치를 사용하지 않으면서도 간헐 폭기에 의한 분리막 세정 효율을 향상시키기 위하여, 베르누이 원리를 이용한 공기 축적부를 이용하여 간헐적으로 폭기가 가능하도록 설계된 산기 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래도 작은 크기의 산기 장치의 단점인 산기 장치 별 폭기 편차 및 유지 관리 문제를 해결하기 위하여 간헐적으로 고용량의 공기를 폭기할 수 있는 산기 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 일 측면에는 내부로 공기가 유입되는 간헐 폭기용 공기 유입구를 포함하고, 상부 중앙에는 하부방향으로 각각 소정의 길이로 연장되어 요(凹)) 형상을 가지는 하기 내부포집 배관 및 외부포집 배관을 포함하며, 상기 내부포집 배관 및 외부포집 배관을 제외한 상부는 소정의 두께를 갖는 상부 플레이트가 구비되어, 하기 공기 분배 챔버의 하부에 위치하는 소정의 부피 공간을 포함하며, 공기의 포집 및 배출에 따라 수위가 변동되는 공기 포집 챔버; 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트의 상부면으로부터 하기 분배판의 하부면까지의 소정의 부피 공간을 포함하며, 상기 소정의 부피 공간은 상기 내부 포집 배관의 개방된 상부와 연통된 구조를 가짐으로서, 상기 공기 포집 챔버로부터의 간헐적 폭기에 의한 공기를 분배판으로 배출시키는 공기 분배 챔버; 및 상기 공기 분배 챔버의 상부면에 구비되며, 간헐적 폭기에 의한 공기를 처리하고자 하는 분리막 모듈쪽으로 보내기위한 복수의 산기공이 형성되어 있는 분배판;을 포함하는 고용량 카트리지형 산기장치에 있어서, 상기 내부 포집 배관의 상부 및 하부는 각각 개방되되, 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며, 상기 외부 포집 배관의 내측면은 상기 내부 포집 배관의 외측면과 이격되어 이를 둘러 감싸는 형상을 가지며, 상기 외부 포집 배관의 하부는 개방되되, 상기 외부 포집 배관의 양말단의 길이는 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이보다 길고, 상기 외부 포집 배관의 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며, 이의 상부 측면에는 상기 공기 포집 챔버로부터 내부 포집 배관쪽으로의 공기 이동 및 수위 조절을 위한 적어도 하나 이상의 외부 포집 배관 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치를 제공한다.
일실시예로서, 상기 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관은 각각 그 단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 관(tube) 형태일 수 있다.
일실시예로서, 상기 내부 포집 배관은 균일한 두께를 갖는 관 형태이며, 상기 외부 포집 배관에서의 적어도 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이에 대응되어 감싸는 부분은 균일한 두께의 관 형태로서, 상기 외부 포집 배관내 균일한 두께의 관 형태에 해당하는 부분은 상기 내부 포집 배관으로부터 균일하게 이격되어 외부 포집 배관이 내부 포집 배관을 둘러 감싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 외부 포집 배관의 하부는 상기 내부 포집 배관의 하부 말단의 위치와 동일하거나 또는 이보다 낮은 위치를 기준으로, 공기 포집 챔버의 하부방향으로 소정의 길이를 가지되, 그 단면이 점차적으로 직경이 감소하는 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 상기 내부 포집 배관의 하부의 개방된 부분의 단면적보다 작은 형태를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 외부 포집 배관 개구부의 단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1 cm2 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 공기 포집 챔버내 상부와 하부사이의 높이(L3)는 상기 외부 포집 배관의 양 말단간의 길이(L2) 보다 길거나 같고, 상기 외부 포집 배관의 양 말단간의 길이(L2)는 상기 내부 포집 배관의 양 말단간의 길이(L1) 보다 긴 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 내부 포집 배관의 내측면을 기준으로 한 단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 4 cm2 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 외부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분의 직경은 상기 내부 포집 배관의 최하단부의 직경보다 작고, 상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7 cm2 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 분배판 내 산기공의 총면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1.25 cm2 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 본 발명에 따른 산기 장치내 상기 분배판의 구역을 나누어 분배판의 영역을 구분함에 있어, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치를 기준으로 하여 이의 바깥방향으로 소정 거리가 이격되도록 하여 중앙부 영역으로부터 상기 중앙부 영역의 바깥쪽 영역으로 상기 분배판의 영역을 각각 나누되, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치로부터 각각 이격되어 나누어진 각각의 영역의 면적이 소정의 비율로 증가하도록 설정하며, 상기 중앙부 영역으로부터 바깥방향의 영역 방향으로의 각각의 나누어진 영역별 분배판의 면적을 x축으로 하고, 해당 나누어진 영역내 분포된 산기공의 총 면적의 비(산기공 면적/분배판 면적)를 y축으로 하여 그래프를 얻는 경우에, 상기 산기공의 총 면적의 비의 값은 초기의 중앙부 영역을 기준으로 이와 가까운 바깥방향의 영역에서의 값은 감소하지만 일정 거리를 지난 바깥 방향의 영역이후에서의 값은 증가하는 포물선 형태의 그래프를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
일실시예로서, 상기 공기 분배 챔버의 일 측면에는 연속 폭기를 위하여 공기 분배 챔버에 직접적으로 외부의 공기를 유입시키기 위한 연속 폭기용 공기 유입구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는, 침지형 막여과 시스템내 높은 강도의 폭기를 간헐적으로 발생시킴으로써, 침지형 막여과 시스템의 분리막에 대한 공기 세정 효율 증가시켜 적은 공기량으로 높은 세정효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 침지형 막여과 시스템에서 폭기를 위해 요구되는 공기발생 장치의 부하를 줄여주며, 또한 공기 발생장치의 자체 용량을 크게 하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 자동 밸브 등 물리적 차단 장치를 없이 간헐적 폭기가 가능하도록 함으로써, 공기 배관의 단순화, 밸브 요소의 불필요 등에 의한 기계적 부가 부품들의 감소 등으로 인해 종래 기술에 따른 밸브 제어 방식의 간헐적 폭기 방식보다 외형 및 내부 부속 기관을 단순한 구조로 설계함으로써, 제작이 용이하며, 유지관리적 측면에서의 편리성을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 공기 포집 챔버 및 내부 부속 기관이 하부가 개방된 점과, 공기 포집 및 발산에 따라 산기 장치 내 수위의 지속적인 변동에 의해 오염된 고형물에 의한 막힘 현상이 발생하지 않아 막힘에 의한 산기 장치의 성능 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 최적의 효과를 나타내도록 분배판을 설계하며, 또한, 공기 분배 챔버의 최적화된 크기 설정으로 인해, 간헐적 폭기에 따른 기포 발산에 따라 공기 분배 챔버 내 수위의 지속적인 변동이 안정적으로 발생되므로 슬러지 등의 고형물이 퇴적되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 폭기시에 고용량의 기포 발산이 가능하도록 함으로써, 침지형 여과 시스템의 단위 분리막 면적당 요구되는 산기 장치의 개수를 감소시킬 수 있어, 침지형 여과 시스템 구축 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 침지형 여과 시스템 전체에 요구되는 산기 장치 유닛의 개수를 감소시킬 수 있어, 개별 산기 장치마다 배출되는 공기량의 양의 편차율이 감소되어 분리막 내 균일한 공기 세정이 가능하며, 또한, 개별 산기 장치마다 임의적이면서도 순차적으로 발산되는 기포로 인한 수류의 비균일성이 감소되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 고용량의 공기를 축적하였다가 폭기 시키는 형태이므로 개별 산기 장치에 도입되는 유입 공기량의 균일성을 위한 공기 유입 배관의 면적을 키울 수 있어, 공기 유입 배관의 막힘에서 유리하며, 이에 따라 공기 유입 배관 막힘에 의한 산기 장치별 편차를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 고용량의 형태로 인해 멀티 분리막 모듈에 대하여 하나의 산기 장치만으로도 기능을 수행할 수 있어, 이로 인해 산기관 문제로 분리막 오염이 발생될 경우 직관적인 관찰만으로 쉽게 원인 산기관의 구별이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 고효율의 고용량 카트리지형 산기 장치는 고용량의 카트리지형 타입에 해당하는 장치이므로, 소용량의 개별 산기 장치가 블록으로 결합된 형태와 대비하여, 산기 장치의 결함 혹은 고장이 발생할 경우 산기 장치의 교체 및 수선 등의 유지 보수가 편리한 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치 내 공기 포집의 양이 최대가 되었을 때를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치 내 공기 포집 챔버, 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관의 길이와, 내부 포집 배관의 최하단부 및 외부 포집 배관의 최하단부의 직경에 대해 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치 내 분배판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치 내 분배판에 있어서, 분배판의 중심부에서 바깥방향으로 소정 직경을 기준으로 구역을 구분한 것을 나타낸 평면도이다.
도 6은 분배판 형태에 따른 분배판 구역별 분배판 면적 대비 산기공 면적(산기공 면적/분배판 면적)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 분배판 형태별 여과 시스템 내 분리막의 막간 차압 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치를 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치는 침지형 여과 시스템에서 분리막 모듈의 집합체인 카세트 혹은 개별 분리막 모듈의 최하단에 상기 분리막 모듈(들)과 이격되어 독립적으로 위치하며, 연속적으로 공기를 일정 수준으로 포집후, 포집된 공기를 간헐적으로 일순간에 폭기하여 상기 분리막의 표면을 포함하는 분리막 모듈을 세정하는 장치이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치의 단면도로서, 상기 산기 장치내 분배판 상부에는 침지형 여과 시스템에서 분리막 모듈의 집합체인 카세트 혹은 개별 분리막 모듈이 위치하게 된다.
상기 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 고용량 카트리지형 산기 장치는 공기 포집 챔버, 공기 분배 챔버 및 분배판을 포함하며, 상기 공기 분배 챔버의 상부 중앙에는 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관을 포함한다.
여기서, 상기 공기 포집 챔버는 외부로부터 공기가 유입되어 수체를 하부방향으로 밀어내면서 상부공간에 공기가 포집되도록 하는 역할을 하며, 이를 위한 구성요소로서, 일 측면에는 내부로 공기가 유입되는 간헐 폭기용 공기 유입구를 포함하고, 또한 상기 공기 포집 챔버내 상부 중앙에는 하부방향으로 각각 소정의 길이로 연장되어 요(凹)) 형상을 가지는 하기 내부포집 배관 및 외부포집 배관을 포함하며, 상기 내부포집 배관 및 외부포집 배관을 제외한 공기 포집 챔버내의 상부는 소정의 두께를 갖는 상부 플레이트가 구비되어, 후술될 공기 분배 챔버의 하부에 위치하는 소정의 부피 공간을 포함하게 된다. 이러한 구성을 통해 외부로부터 공기가 유입되어 수체를 하부방향으로 밀어내면서 상부공간에 공기가 포집됨으로써, 외부로부터의 공기의 포집 및 이를 공기 분배 챔버로 배출함에 따라 그 수위가 변동되게 된다.
또한, 상기 공기 포집 챔버는 하부면이 개방된 구조이며, 이의 단면은 원형 또는 다각형의 형상을 가지는 기둥형태로서 이의 내부공간으로 외부로부터의 공기가 유입되며, 상기 유입된 공기가 증가할수록 수면은 낮아지게 되며, 이때, 후술될, 외부 포집 배관의 상부 측면에 구비되는 외부 포집 배관개구부를 통해서 유입된 공기가 외부 포집 배관 및 내부 포집 배관의 사이에 존재하는 공간으로 이동하여 최종적으로 공기 분배 챔버로 이동하게 된다.
또한, 상기 상부 플레이트는 외부로부터 간헐적 폭기를 위해 유입된 공기를 내부포집 배관 및 외부포집 배관쪽으로만 이동할 수 있도록 상기 공기 포집 챔버와 공기 분배 챔버를 구분하여 격리시켜 주는 격벽 역할을 하며, 이의 재료로서는 금속, 플라스틱, 세라믹 등의 경질 재료를 사용하며, 이의 두께는 2 mm 내지 10 mm 의 범위일 수 있고, 바람직하게는 3 mm 내지 5 mm 의 범위일 수 있다.
즉, 상기 외부 포집 배관의 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결됨으로써, 공기 포집 챔버내 포집된 공기는 상기 외부 포집 배관개구부를 제외하고는 공기 포집 챔버에 의해 상부 및 측면부가 막혀 있기 때문에, 외부 포집 배관개구부를 통해서 공기 분배 챔버로 이동하게 된다.
또한, 상기 공기 분배 챔버는 상기 내부 포집 배관에서 상승되는 공기가 분배판을 통해 배출되기 전까지의 공기의 분압을 분배하는 것으로, 이의 단면은 원형 또는 다각형의 형상을 가지는 기둥형태로서, 이의 내부공간으로 상기 내부 포집 배관으로부터 공기가 유입될 수 있도록 상기 내부 포집 배관의 개방된 상부면과 챔버내 내부공간이 이어져 있는 형태를 가진다.
이를 위해서, 상기 공기 분배 챔버는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트의 상부면으로부터 분배판의 하부면까지의 소정의 부피 공간을 포함하며, 이때, 상기 소정의 부피 공간은 상기 내부 포집 배관의 개방된 상부와 연통된 구조를 가짐으로서, 상기 공기 포집 챔버로부터의 간헐적 폭기에 의한 공기를 분배판으로 배출시킬 수 있게 된다.
이때, 상기 공기 분배 챔버의 부피 공간은 상기 공기 포집 챔버에서의 간헐적 폭기를 위하여 축적되는 공기의 양과 동일하거나 큰 부피 공간을 가지는 것이 바람직하며, 바람직하게는, 포집된 공기의 양과 후술될 분배판의 산기공 단면적에 따라 적절히 선택되어 질 수 있다.
또한, 상기 공기 포집 챔버 및 공기 분배 챔버의 각각의 측면은 상기 간헐 폭기용 공기 유입구 및 후술될 연속 폭기용 공기 유입구와 연결된 부분을 제외하고는 각각 격벽이 구비됨으로써, 외부와 차단되어 외부로부터의 공기가 미리 설정된 공기의 간헐적 폭기에 따른 이동 루트에 해당하는, 공기 포집 챔버-> 외부 포집배관과 내부 포집배관의 사이 공간(이하, 공기 축적부라 함.) -> 내부 포집 배관 -> 공기 분배 챔버 -> 분배판을 거쳐 이동할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 분배판은 상기 공기 분배 챔버의 상부면에 구비되며, 처리하고자 하는 분리막 모듈쪽으로 간헐적 폭기에 의한 공기를 배출시키기 위한 복수의 산기공이 형성되어 있고, 이때 상기 산기공은 소정의 크기를 가지며, 분배판내 특정 위치에 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 산기장치내 상기 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관은 상기 공기 포집 챔버로부터 누적되어 축적된 공기를 간헐적 폭기를 통해 공기 분배 챔버로 이동시키기 위한 구성 요소로서, 상기 내부 포집 배관의 상부 및 하부는 각각 개방되되, 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며, 상기 외부 포집 배관의 내측면은 상기 내부 포집 배관의 외측면과 이격되어 이를 둘러 감싸는 형상을 가지며, 상기 외부 포집 배관의 하부는 개방되되, 상기 외부 포집 배관의 양말단의 길이는 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이보다 길고, 상기 외부 포집 배관의 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며, 이의 상부 측면에는 상기 공기 포집 챔버로부터 내부 포집 배관쪽으로의 공기 이동 및 수위 조절을 위한 적어도 하나 이상의 외부 포집 배관개구부(수위 조정홀)를 포함하는 구조를 가진다.
이와 같은 구조에 의해, 본 발명에 따른 고용량 산기 장치는 상기 내부 포집 배관의 외측면과 외부 포집 배관의 내측면 사이 공간(공기 축적부)으로 상기 공기 포집 챔버의 상부에 축적된 공기가 외부 포집 배관 개구부를 통해 유입되며, 이에 따라 상기 공기 축적부내 존재하던 수체를 하부방향으로 밀어내는 과정을 진행하면서 상기 공기 축적부의 수위가 지속적으로 낮아지다가 상기 공기 축적부의 수위가 상기 내부 포집 배관의 최하단에 도달하게 되면, 상기 공기 축적부내 포함된 공기 뿐만 아니라, 상기 공기 포집 챔버에 포집되었던 공기마저도 한꺼번에 상기 내부 포집배관을 통하여 공기 분배 챔버로 이동되게 되어 간헐적 폭기가 이루어 질 수 있다.
즉, 상기 외부 포집배관의 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결됨으로써, 공기 포집 챔버내 축적된 공기는 이의 상부 측면에 구비된 외부 포집 배관 개구부(수위 조정홀)로만 이동이 가능하게 되며, 이에 따라 공기 포집 챔버내 점차 증가하는 축적 공기에 의해 점차적으로 하강하는 수위에 맞추어 상기 공기 축적부의 수위도 함께 하강하게 되어, 내부 포집 배관의 말단까지 수위가 하강하게 되는 경우에 공기 포집 챔버내 축적된 공기가 베르누이의 원리에 의해 한꺼번에 상기 내부 포집 배관쪽으로 이동하여 분배판내 산기공을 통해 최종적으로 최상층부에 존재하는 분리막 모듈쪽으로 이동하게 된다.
본 발명에 따른 상기 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관의 예시적 구조로서, 이들은 각각 그 단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 관(tube) 형태인 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 내부 포집 배관과 외부 포집 배관을 서로 연결하는 경우에 이들을 보다 견고하게 지지할 수 있으며, 이를 위해 내부 포집 배관과 외부 포집 배관 의 중간 위치 또는 각각의 말단 위치에 적어도 하나 이상의 내외부 포집 배관 연결부(미도시)를 구비할 수 있고, 이는 막대형 또는 봉형 금속체의 양말단을 서로 용접하거나, 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관의 서로 대응하는 부분에 볼트 및 너트의 조합을 통한 결합 등에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관은 각각 상기 공기 포집 챔버의 상부 중앙으로부터 이의 하부방향으로 소정 길이 연장되는 관의 형태를 적어도 일부의 구성요소로서 포함할 수 있고, 이러한 관의 내경, 각각의 길이 등의 최적의 범위를 적절히 선택함에 의해 본 발명에 따른 고용량 산기 장치의 특성이 최적화될 수 있다.
보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 산기 장치는 상기 내부 포집 배관이 균일한 두께를 갖는 관 형태이며, 상기 외부 포집 배관에서의 적어도 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이에 대응되어 감싸는 부분은 균일한 두께의 관 형태로서, 상기 외부 포집 배관내 균일한 두께의 관 형태에 해당하는 부분은 상기 내부 포집 배관으로부터 균일하게 이격되어 외부 포집 배관이 내부 포집 배관을 둘러 감싸는 형상을 가지도록 구성될 수 있으며, 이러한 구성에 의해 각각의 관의 내경, 각각의 배관의 길이 등의 최적의 효율을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 외부 포집 배관의 하부는 상기 내부 포집 배관의 하부 말단의 위치와 동일하거나 또는 이보다 낮은 위치를 기준으로, 공기 포집 챔버의 하부방향으로 소정의 길이를 가지되, 그 단면이 점차적으로 직경이 감소하는 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 구조를 가질 수 있다.
즉, 상기 외부 포집 배관은 상기 공기 포집 챔버의 상부 중앙부로부터 하부방향으로 연장되되, 상기 외부 포집 배관의 양말단의 길이는 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이보다 길게 설계될 수 있고, 이때, 상기 외부 포집 배관의 하부는 도 1 및 도 2에서 나타난 바와 같이, 상기 내부 포집 배관의 하부 말단의 위치보다 낮은 위치 또는 상기 하부말단과 적어도 동일한 위치에서부터, 공기 포집 챔버의 하부방향으로 소정의 길이를 가지되, 그 단면이 점차적으로 직경이 감소하는 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 구조를 가지게 하여 공기 포집 챔버에서 축적된 공기가 간헐 폭기를 위해 내부 포집배관으로 보다 용이하게 이동될 수 있도록 한다.
여기서, 본 발명에 따른 고용량 산기장치내 상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 상기 내부 포집 배관의 하부의 개방된 부분의 단면적보다 작은 형태를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는, 본 발명에 따른 산기 장치내 외부 포집 배관의 하부가 상기 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 구조인 경우에 상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 상기 내부 포집 배관의 하부의 개방된 부분의 단면적보다 작은 형태를 가지는 것이 간헐적 폭기를 위한 구조에 더욱 유리할 수 있다.
이상의 구성을 가지는 본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 산기장치에서 외부로부터의 공기가 간헐적으로 폭기되는 과정을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 따르면, 상기 간헐 폭기용 공기 유입구에서 상기 공기 포집 챔버 내부로 연속적으로 유입되는 공기는 하부면을 제외하고는 폐쇄형인 상기 공기 포집 챔버의 구조로 인해, 상기 공기 포집 챔버의 상부로 공기가 상승하여 포집되어 축적되며, 포집된 공기의 양이 증가함에 따른 결과로서 상기 공기 포집 챔버 내의 수체는 개방된 하부를 통해 배출되며, 이와 동시에, 상기 공기 포집 챔버의 상부에 포집된 공기는 상기 외부 포집 배관의 상부 측면에 형성되어 있는 외부 포집 배관개구부(수위 조정홀)를 통해 상기 외부 포집 배관과 내부 포집 배관 사이의 공기 축적부까지 이동하여 상기 공기 포집 챔버 내부이면서 외부 포집 배관 외부의 공기층과 평형을 이루게 된다. 즉, 상기 축적부와 공기 포집 챔버 내의 수위는 동일하게 유지된다. 점차적으로 축적된 공기의 양이 증가함에 따라, 상기 공기 포집 챔버와 상기 공기 축적부는 주어진 환경에 따라서 다소의 편차는 있을 지라도 대체적으로 동일한 수위로서 수위가 낮아지게 된다.
이와 같이 상기 공기 축적부 및 상기 공기 포집 챔버에 축적된 공기층에 의한 수위가 상기 내부 포집 배관의 최하단 위치보다 낮아지도록 공기층이 축적되는 순간(도 2 참조), 상기 공기 축적부에 축적된 공기는 내부 포집 배관의 개방된 하부면을 통해 공기 분배 챔버 방향으로 배출되기 시작하고, 이때, 상기 공기 축적부에 축적된 공기가 상기 내부 포집 배관의 하부면을 통과하여 상부 방향인 공기 분배 챔버 방향으로 이동하게 되면 상기 공기 축적부 내부에서의 공기흐름이 증가하면서 공기층의 압력이 감소되고, 베르누이 원리(사이펀 원리)에 의해 상기 공기 포집 챔버에서 수체에 의해 상부방향으로 압력을 가해지던 공기 포집 챔버내 포집되었던 공기의 대부분이 한꺼번에 낮은 압력의 상기 공기 축적부를 거쳐 내부 포집 배관의 하부면 개방부를 통해 상기 공기 분배 챔버로 배출되어 간헐적 폭기가 이루어지게 된다.
그 결과, 상기 공기 포집 챔버에서 공기층이 상실됨에 따라 상기 공기 포집 챔버의 하부면의 개방부를 통해 수체가 다시 상승하여 공기가 배출되어진 공기 포집 챔버를 만수위로 수체가 그 상부공간을 채우게 된다.
한편, 상기 간헐적 폭기 구조에 의해, 공기 분배 챔버로 배출된 공기는 공기 분배 챔버의 상부에 위치한 분배판내 산기공을 통해 최상부에 위치하는 분리막 모듈 방향으로 배출되는데, 이때 상기 분배판에 형성된 산기공의 크기와 위치 패턴의 최적화에 의해 공기 분배 챔버 내부로 상승한 공기가 분배판의 중심부쪽으로만 모여서 배출되지 않고 분배판이 차지하는 전 영역으로 보다 고르게 공기가 퍼지면서 산기공을 통해 배출되어 분리막 모듈 전체에 고르게 공기 기포를 공급할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기장치의 각 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기장치에서, 상기 공기 포집 챔버 및 공기 분배 챔버의 형태는 앞서 설명한 바와 같이 원기둥형 또는 단면이 다각형인 기둥의 박스형 구조로 구비될 수 있으며, 그 형태는 사용 환경, 분리막 모듈의 형태 및 개수 등에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 공기 포집 챔버의 하부면이 개방된 형태인 것은 슬러지 등의 입자성 물질이 퇴적되는 것을 방지하고, 포집된 공기가 폭기된 후 다시 수체가 공기 포집 챔버의 내부를 원활히 채워 적절한 수류 형성을 유지할 수 있게 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고용량 카트리지형 산기장치는 상기 공기 분배 챔버의 일 측면에는 연속 폭기를 위하여 공기 분배 챔버 내부에 직접적으로 외부의 공기를 유입시키기 위한, 연속 폭기용 공기 유입구를 추가로 포함할 수 있고, 이를 바탕으로 사용자는 필요에 따라 상기 간헐 폭기용 공기 유입구에만 외부 공기를 공급하거나 또는 상기 연속 폭기용 공기 유입구에만 공기를 공급함으로써, 본 발명에 따른 산기장치를 간헐 폭기용과 연속 폭기용으로 선택적으로 운용할 수도 있다.
상기 간헐 폭기용 공기 유입구 및 연속 폭기용 공기 유입구는 분리막 모듈의 집합체인 카세트 혹은 프레임에 구비되거나 또는 독립적으로 구비된 공기 배관(미도시)으로부터 공기를 공급받아 간헐 폭기용 공기 유입구는 상기 공기 포집 챔버 내부로, 연속 폭기용 공기 유입구는 상기 공기 분배 챔버 내부로 각각 공기를 공급하며, 각각의 공기 유입구는 각각의 챔버의 측면부에 홀 형태로 구비될 수도 있고 각 챔버에 돌출되어 있는 관 형태로 구비될 수도 있다.
이때, 상기 간헐 폭기용 공기 유입구는 유입구에서 배출되는 공기가 상기 외부 포집 배관의 외부 포집 배관 개구부(수위 조정홀)를 통해 상기 공기 축적부로 직접적으로 유입되는 것을 방지하며, 또한 상기 외부 포집 배관의 하부면의 개구부를 통해 상기 공기 분배 챔버로 곧바로 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 외부 포집 배관의 외부 포집 배관 개구부의 위치와 외부 포집 배관의 최하단부 사이의 적절한 높이에 따른 위치에 구비될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기장치는 하나의 침지형 여과 시스템에 복수개가 구비될 수 있고 이 경우에 각각의 산기장치의 폭기량을 동일하게 하기 위해 모든 산기장치에서의 공기 유입구는 동일한 위치, 동일한 크기 및 동일한 형태인 것이 바람직할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 공기 축적부(내부 포집 배관의 외측면과 외부 포집 배관의 내측면 사이 공간)은 공기 포집 챔버내 일정 부피의 축적된 공기를 공기 분배 챔버로 이동시키는 공간으로서, 내부 포집 배관의 내부를 통해 공기를 폭기시킬 때, 공기 분배 챔버내에서 균등 분배되어 폭기될 조건을 보다 용이하게 갖추기 위하여 공기 포집 챔버 및/또는 공기 분배 챔버의 각각의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고용량 카트리지형 산기 장치 내 공기 포집 챔버, 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관의 길이와, 내부 포집 배관의 최하단부 및 외부 포집 배관의 최하단부의 직경에 대해 나타낸 단면도로서, 상기 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 외부 포집 배관의 양말단의 길이는 상기 내부 포집 배관의 양 말단 보다 길게 이루어져서, 상기 외부 포집 배관의 말단이 하부방향으로 더 길게 형성된 것을 볼 수 있다.
이는 후술할 외부 포집 배관의 최하단부 개방된 부분의 단면적이 내부 포집 배관의 내측면 기준 단면적 대비 작아야 한다는 사실을 고려할 때, 구조적으로 내부 포집 배관의 하부 말단은 외부 포집 배관의 하부 말단보다 상단에 위치할 수밖에 없다.
또한, 상기 외부 포집 배관의 하단부의 개방된 부분 및 상기 내부 포집 배관의 개방된 부분에 대한 상대적인 단면적의 관계를 고려하지 않더라도, 상기 내부 포집 배관과 상기 외부 포집 배관의 말단 위치가 동일하거나 상기 외부 포집 배관의 하단부 위치가 상기 내부 포집 배관의 하부 말단보다 낮을 경우에는, 상기 공기 포집 챔버에 포집된 공기가 내부 포집 배관의 말단까지 이동한 후 소량의 공기가 연속적으로 상기 공기 분배 챔버로 이동하게 된다. 즉, 공기 포집 기능을 상실하여 상기 공기 분배 챔버 내에서는 연속적인 공기 흐름을 나타내게 되고 결국 상기 산기공에서의 공기 발산 패턴은 간헐 폭기 방식이 아닌 연속 폭기 방식이 된다.
또한, 본 발명에서, 상기 외부 포집 배관의 하단부는 상기 공기 포집 챔버의 하단부와 동일 선상에 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 외부 포집 배관의 하단부가 공기 포집 챔버의 하단부보다 더 하단에 위치할 수도 있으나, 이 경우 공기가 포집되는 정도는 상기 공기 포집 챔버의 하단방향의 길이(높이)에 결정되므로 상기 외부 포집 배관의 길이 증가에 따른 실효적인 효과가 없다. 또한 상기 외부 포집 배관의 하단부가 상기 공기 포집 챔버의 하단부 보다 상부에 위치할 경우 포집되는 공기를 최대로 활용할 수 없게 된다.
즉, 본 발명에서의 상기 공기 포집 챔버에서 1 회에 포집되고 이동되는 공기의 양은 수심의 변수를 제외할 때, 내부 포집 배관 길이에 의해 결정된다고 볼 수 있다.
따라서, 본 발명에서의 상기 공기 포집 챔버의 부피를 최대로 활용하면서 효과적인 공기 포집을 위해서는, 상기 공기 포집 챔버내 상부와 하부사이의 높이(공기 포집 챔버의 세로방향 길이, L3)는 상기 외부 포집 배관의 양 말단간의 길이(외부 포집 배관의 세로방향 길이, L2) 보다 길거나 같고, 상기 외부 포집 배관의 양 말단간의 길이(L2)는 상기 내부 포집 배관의 양 말단간의 길이(내부 포집 배관의 세로방향 길이, L1) 보다 긴 것이 바람직하다.
상기 외부 포집 배관은 상기 내부 포집 배관과의 조합에 의해 공기 축적부를 구성하는 것 외에도, 상기 간헐 폭기용 공기 유입구로부터 공급되는 공기로 인해 상기 공기 포집 챔버 내에서 공기와 수체의 계면 높이(수위)가 지속적으로 유동될 수 있는 상황에서 상기 공기 포집 챔버와 상기 내부 포집 배관이 직접적인 접촉이 없게 함으로써, 상기 공기 축적부 내부에서 안정적인 수위가 형성되도록 하며, 포집 및 압축되는 공기의 양을 일정하게 하여 일정한 양의 간헐적 공기 배출을 가능하게 한다.
한편, 상기 공기 포집 챔버 내부의 공기층은 지속적으로 유입되는 공기로 인해 잔잔한 수면을 형성하기보다는 유동이 있기 때문에, 상기 공기층과 수체의 계면의 높이(수위)는 동일 시점에서도 상기 공기 포집 챔버와 상기 공기 축적부간에 다소의 차이가 발생할 수 있다.
또한, 상기 공기 축적부에 축적된 공기가 상기 내부 포집 배관의 하단부를 통해 배출되기 전에 상기 공기 포집 챔버에 포집된 공기층이, 앞서 설명한 바와 같이 공기 축적부와 동일한 수위를 형성하지 않고 공기 포집 챔버의 수위가 더 낮아지는 경우에는 상기 외부 포집 배관의 하부의 개방된 개구부를 통해 공기가 이동되어 연속 폭기가 수행되는 문제가 발생할 우려가 있다.
이를 방지하기 위해, 본 발명에서의 상기 외부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분의 직경(L5)은 상기 내부 포집 배관의 최하단부의 직경(L4)보다 작은 구조를 가지도록 구성하는 것이 바람직하며, 이때, 상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7 cm2 이하가 바람직하다.
여기서, 상기 외부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분의 직경이 상기 내부 포집 배관의 최하단부의 직경을 초과하거나, 또는 상기 외부 포집 배관의 하부면 최하단부의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7cm2을 초과할 경우, 공기 공급에 따른 상기 공기 포집 챔버 내 불규칙한 수위 변동에 의해 상기 공기 포집 챔버 내에서 포집된 공기가 상기 내부 포집 배관의 최하단으로 지속적으로 유입되면서 연속 폭기로 진행된다. 이는 간헐 폭기 산기관의 핵심 기능이 소실되는 것으로 유의할 필요가 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 외부 포집 배관의 상측면부에 형성되어 있는 외부 포집 배관 개구부는 상기 공기 포집 챔버 내 공기가 상기 공기 축적부로 전달되어, 공기 포집의 양이 증가함에 따라 전체적으로 공기 포집 챔버내 수위를 일정하게 변화하도록 하는 기능을 담당하는 것으로, 이의 기능을 적절히 수행하기 위해서 필요한 (총)단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1 L 당 1 cm2 이상인 것이 바람직하다.
상기 외부 포집 배관 개구부의 (총)단면적이 상기 공기 포집 챔버의 부피 1 L 당 1 cm2 미만일 경우, 상기 공기 포집 챔버 내 1회 축적되는 공기가 내부 포집 배관을 통해 배출될 때, 저항으로 작용하여 포집된 공기의 전량이 아니라 일부만 배출되게 된다.
즉, 상기 외부 포집 배관 개구부의 (총)단면적이 공기 포집 챔버 부피 1 L 당 1 cm2 미만일 경우, 간헐 폭기가 가능하다는 점에서는 차이가 없으나, 최대로 포집될 수 있는 공기 포집 챔버의 부피를 다 활용하지 못함에 따라 공기 포집 챔버 내 수위 변동차가 1 cm2 이상인 경우보다 작게 되며, 그 결과 분배판을 통해 발산되는 폭기의 시간 및 강도 역시 감소된다.
또한, 상기 내부 포집 배관의 내측면을 기준으로 한 단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1 L 당 4 cm2 이상인 것이 바람직하다. 상기 내부 포집 배관의 내측면을 기준으로 한 단면적이 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 4 cm2 미만일 경우, 포집된 공기가 상기 내부 포집 배관 내부에서 상기 공기 분배 챔버로 이동할 때, 저항이 증가하여 유속이 증가함에 따라 연속 폭기 방식으로 변경될 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기 장치 내 분배판의 평면도로서, 상기 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 분배판은 분배판의 중앙부 내지 가장자리에 형성되어 있는 산기공의 총 면적을 비교하였을 때, 중앙부 부근에 위치한 영역에서의 각각의 산기공의 총 면적이 가장자리에 위치한 영역에서의 각각의 산기공의 총 면적 보다 작도록 구성됨으로써, 상기 내부 포집 배관에서 상승한 공기가 상기 공기 분배 챔버 내부 공간을 거쳐 분배판의 상부인 분리막 모듈쪽으로 전체적으로 공기가 배분될 수 있다.
여기서, 상기 분배판이 상기 공기 포집 챔버의 상부면에 구비되는 경우에, 공기 포집 챔버의 상부면에 착탈식으로 교체 가능할 수 있도록 분배판 가이드 레일(미도시) 등을 통해 끼움 방식에 의해 결합 또는 분리되거나, 또는 복수의 홈을 외곽 모서리 부분에 포함하여 상기 홈과 공기 포집 챔버의 상부 외곽 모서리 부분을 볼트 등의 체결수단이 관통하도록 하여 착탈가능하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 산기 장치의 분배판에 있어서, 상기 내부 포집 배관에서 유입된 공기가 공기 분배 챔버상의 분배판에서 고루 배분되어 산기공을 통해 배출되도록 하기 위해서, 상기 분배판 내 산기공 형상, 상기 공기 분배 챔버의 전체 부피 및 1회 포집되는 공기량이 적절하게 조절될 수 있다. 여기서, 1회 포집되는 공기량이 고정일 경우, 상기 분배판 내 산기공의 총면적과 상기 공기 분배 챔버의 부피는 상호 반비례 관계를 가지는 것이 유리할 수 있으며, 바람직하게는 상기 분배판 내 산기공의 총 면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1.25 cm2 이상의 값을 가지도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 분배판 내 산기공의 총 면적이 상기 공기 포집 챔버의 부피 1 L 당 1.25 cm2 미만일 경우, 1회 포집된 공기가 분배판을 통해 다 소진하진 못한 상태에서 그 다음 주기의 포집 공기가 유입됨으로 인해 공기 포집 챔버와 공기 분배 챔버 내 공기층이 연결되어 연속 폭기만이 이루어질 가능이 높고, 이 경우에는 공기 포집 챔버 내 공기층에 의한 수위는 변동없이 일정한 높이를 유지하게 된다.
또한, 본 발명에서의 상기 분배판은 공기 포집 챔버에서 공기가 고루 분배될 수 있도록 하기 위하여 다양한 크기와 배치 위치 및 이들간의 간격으로 산기공이 형성될 수 있으며, 세정 목표로 하는 분리막 모듈의 크기 및/또는 면적을 고려하여 각각의 산기공의 크기와 형태가 차별화 될 수 있다. 또한, 개별 산기공 간의 거리 역시 동일한 간격이거나 차등 간격이 될 수도 있다.
또한, 상기 내부 포집 배관은 평면 및 단면으로 볼 때, 각각의 개별 산기장치의 정 가운데 위치하는 것이 바람직하다. 한편, 이 경우에 분배판내 중앙에 위치한 산기공에서 과도한 공기가 발산되는 반면, 가장자리에 위치한 산기공에서는 상대적으로 공기의 강도가 약하게 되므로, 이러한 편차에 대응하기 위하여, 본 발명에서는 산기공의 배치 위치 및 이들 위치의 패턴을 적절히 조절하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명에 따른 산기 장치는 상기 분배판의 구역을 나누어 분배판의 영역을 구분함에 있어, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치를 기준으로 하여 이의 바깥방향으로 소정 거리가 이격되도록 하여 중앙부 영역으로부터 상기 중앙부 영역의 바깥쪽 영역으로 상기 분배판의 영역을 각각 나누되, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치로부터 각각 이격되어 나누어진 각각의 영역의 면적이 소정의 비율로 증가하도록 설정하며, 상기 중앙부 영역으로부터 바깥방향의 영역 방향으로의 각각의 나누어진 영역별 분배판의 면적을 x축으로 하고, 해당 나누어진 영역내 분포된 산기공의 총 면적의 비(산기공 면적/분배판 면적)를 y축으로 하여 그래프를 얻는 경우에, 상기 산기공의 총 면적의 비의 값은 초기의 중앙부 영역을 기준으로 이와 가까운 바깥방향의 영역에서의 값은 감소하지만 일정 거리를 지난 바깥 방향의 영역이후에서의 값은 증가하는 포물선 형태의 그래프를 가지는 것을 특징으로 한다.
이에 대한 상세한 설명은 이하의 실시예에서 보충하여 구체적으로 설명되며, 이와 같은 산기공의 배치 위치 및 이들 위치의 패턴을 통해 상기 분배판의 각 구역에서 배출되는 공기량의 편차를 최소화하여 최상부에 위치한 분리막 모듈 전체에 골고루 공기 기포를 공급하여 분리막 세정효과를 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 참고하여 본 발명에 따른 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기장치의 구성에 따른 효과를 설명하도록 한다.
실시예 1
산기 장치 제작
본 발명에 따른 산기장치 내 균등한 폭기 강도 및 공기 세정 효율 최적화를 위해 실제 수처리 시설에서 사용될 수 있는 산기장치를 제작하였다.
전체 개별 산기장치의 외측 길이는 가로 X 세로 X 높이로 각각 약 300 mm, 450 mm 및 275 mm이다. 산기장치로서의 세정 효율 즉 균등 폭기 효율을 확인하기 위해 개별 산기장치의 크기와 형상은 동일하되, 분배판 내 산기공의 형성 패턴을 차별화하여 테스트를 진행하였다.
분배판의 형태
테스트에 사용된 분배판은 3종류이다. 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치를 분배판의 중심부로 하고, 이의 바깥방향으로 소정 거리가 이격되도록 하여 중심부 영역으로부터 상기 중심부 영역의 바깥쪽 영역으로 상기 분배판의 영역을 각각 나누되, 상기 중심부의 위치로부터 각각 이격되어 나누어진 각각의 영역의 면적이 소정의 비율(1:3:5:7:9)로 증가하도록 설정하여 구분했을 때(도 5 참조), 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 구역에 존재하는 산기공이 동일한 면적 비율을 유지하는 경우(a), 선형적으로 중심부에서 가장자리 구역까지 산기공 면적비가 증가하는 경우(b), 중심부 구역에서 가장자리 구역까지 변곡점을 포함하여 포물선이 형태로 면적비가 증가하는 경우(c)로서 분배판을 제작하였다.
분배판의 형태에 따른 공기 배출 편차 테스트
각각의 3종류로 제조된 분배판의 각 구역에 존재하는 산기공에서 배출되는 공기량을 확인하기 위해 각 구역의 크기에 맞는 박스 형태의 사각 챔버를 제작하였으며, 이 사각 챔버를 산기장치의 분배판 위에 배치하도록 하였다. 수면 아래에 위치한 사각 챔버 내 수위는 각 구역에서 발생되는 공기량에 따라 포집되어 차이를 나타내게 되고, 이러한 각 구역의 공기층을 확인하여 공기량의 편차 정도를 확인하고자 하였다.
주입 공기량은 약 300L/min 수준이었으며, 테스트한 수조의 수심은 1.3m 이었다. 테스트 결과, 1회 간헐 폭기 시 분배판내 각각의 개별 구역에서의 총 단면적(cm2) 대비 사각 챔버에 포집되는 공기량(L)으로 환산한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
분배판 배치 구조 구역의 단면적 당 포집 공기량 (L/cm2) 표준 편차
구역 1 구역 3 구역 5 구역 7 구역 9
동일 면적 배치(a) 0.059 0.029 0.020 0.018 0.019 0.017
선형 상향 면적 배채(b) 0.039 0.026 0.021 0.020 0.020 0.008
포물선 비율 면적 배치 (c) 0.024 0.022 0.024 0.021 0.021 0.002
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 포물선 비율 면적 배치(c), 선형 상향 면적 배채(b), 동일 면적 배치(a) 순으로 영역 별 공기량의 편차가 적은 것으로 확인되었다. 즉, 개별 구역별 공기량의 편차가 적을수록, 공기 세정 효율의 균등화를 기대할 수 있으므로 상기 포물선 비율 면적 배치(c)의 분배판내 산기공 배치가 가장 적합한 분배판의 형태로 판단할 수 있다.
분배판의 형태에 따른 공기 세정 효율 테스트
분배판 형상에 따른 세정 효율을 확인하고자 실제 MBR 파일럿 시설에서 테스트를 진행하였다. 앞서 테스트한 각 분배판을 개별 산기장치에 설치하여 동일한 운전 조건하에서 TMP(막간 차압)의 상승 정도로 성능 평가를 실시하였다. 운전 조건은 아래 표 2와 같고, TMP 측정 결과는 도 7에 나타내었다.
항 목 수 치
산기장치 별 유입 공기량 (L/min) 300
운영 플럭스 (m/d) 0.45
피처리수의 MLSS 농도 (mg/L) 8,000~12,000
수온 (℃) 20~21
여과/역세/휴지 주기 (분) 14/0.5/0.5
동일 분배판의 산기장치 별 적용 분리막 면적 (m2) 252
상기 도 7에 나타난 바와 같이, 분배판의 기공 배치가 포물선 비율 면적 배치(c)에 해당하는, 분배판내 나누어진 영역내 분포된 산기공의 총 면적의 비(산기공 면적/분배판 면적)의 값이 분배판 중앙부 구역에서 가장자리 구역으로 갈수록 감소하였다가 증가하여 포물선의 값을 가지는 형태(c)가 가장 안정적이면서 낮은 TMP 증가가 확인되었다.
또한, 실험 종료 시 공기 세정 효율의 결과인 파이버 슬러깅(Fiber slugging)에 의한 분리막 모듈의 무게 증가 역시 아래 표 3에서 나타난 바와 같이 상기 도 7에 따른 막간 차압 상승 그래프와 동일한 경향으로 확인되었다.
분배판 종류 동일 면적 배치
(a)		 선형 상향 면적 배치(b) 포물선 비율 면적 배치 (c)
실험 종료 시 모듈 무게 증가 (kg) 5.4 3.3 2.1
결론적으로 복수의 산기공을 가지며, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치에 분배판의 중앙부가 위치하는 경우에, 본 발명에 따른 산기장치는 분배판내 상기 중앙부 영역으로부터 이의 바깥방향으로 소정 거리가 이격되도록 하여 중앙부 영역으로부터 상기 중앙부 영역의 바깥쪽 영역으로 상기 분배판의 영역을 각각 나누되, 중앙부의 위치로부터 각각 이격되어 나누어진 각각의 영역의 면적이 소정의 비율(예: 1:3:5:7:9 등)로 증가하도록 설정하여 영역을 나누는 경우에, 해당 나누어진 영역내 분포된 산기공의 총 면적의 비(산기공 면적/분배판 면적)는, 초기의 중앙부 영역을 기준으로 이와 가까운 바깥방향의 영역에서의 값은 감소하지만 일정 거리를 지난 바깥 방향의 영역이후에서의 값은 증가하는 포물선 형태를 가지는 것이 균등 공기 분배에 가장 효과적인 것으로 나타나고 있다.
실시예 2
본 발명에 따른 산기 장치가 효과적인 간헐 폭기가 가능하도록 내부 장치의 길이 혹은 면적에 대해 최적의 수치를 확인하고자 청수(clean water) 테스트를 진행하였고, 이를 위해서, 본 발명에 따른 공기 포집 챔버의 내부 부피에 따라 해당 수치를 정량화하고자 하였다.
사용된 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관은 균일한 두께를 갖는 관 형태이며, 상기 외부 포집 배관의 하부는 상기 내부 포집 배관의 하부 말단의 위치와 동일한 위치를 기준으로, 공기 포집 챔버의 하부방향으로 소정의 길이를 가지되, 그 단면이 점차적으로 직경이 감소하는 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 구조로서 제작되었으며, 테스트 조건은 수심 3 m, 공기량 300 ~ 600 L/min에서 실시하였다.
외부 포집 배관 하부 개구부(중앙 홀) 크기 테스트
내부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분(홀)의 직경 대비 외부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분(홀)의 직경이 작아야 효과적인 간헐 폭기가 가능할 수 있음을 확인하였다. 또한, 상기 외부 포집 배관 최하단부의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7cm2 이하일 때 효과적인 간헐 폭기가 가능하였다.
여기서, 상기 외부 포집 배관의 하부면 최하단부의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7 cm2을 초과할 경우, 연속 폭기로 진행되었다. 특히, 공기 포집 챔버로 유입되는 공기량이 증가할수록 이러한 경향이 심화되는 것으로 확인되었다. 이는 공기 포집 챔버 내부의 공기층이 유동성으로 인해, 공기 포집에 따른 주기적 수위 변동이 형성되지 않고 내부 포집 배관의 최하단부 부근에서 일정 수위를 유지하면서 연속적으로 공기 분배 챔버로 공기가 유입되기 때문으로 확인되었다.
또한, 외부 포집 배관의 최하단부가 내부 포집 배관의 최하단부 보다 충분히 낮은 위치에 구비됨으로써, 이러한 공기 유입을 방지하게 되어서 효과적 간헐 폭기를 나타낼 수 있다.
외부 포집 배관 개구부(수위 조정 홀) 크기 평가
외부 포집 배관에 형성되어 있는 외부 포집 배관 개구부의 단면적이 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1 cm2 이상의 면적이어야 효과적인 간헐 폭기가 가능하였다. 만약, 상기 외부 포집 배관 개구부의 단면적이 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1 cm2 미만일 경우, 공기 포집 챔버 내부 부피를 다 활용하지 못하고 일부만 사용하게 되며, 이는 압축된 공기가 내부 포집 배관으로 나아갈 때 상기 개구부의 작은 면적이 저항으로 작용하여 일부 공기만 공기 분배 챔버로 유입되기 때문이다. 여기서, 일부 공기는 공기 분배 챔버로 소진되었으므로, 소진된 공기의 압력 감소만큼 물이 공기 포집 챔버 내부로 유입되어 내부 포집 배관 길이 내에서 수위는 조절된다.
내부 포집 배관 단면적 테스트
정상적인 간헐 폭기 기능을 갖기 위해서 내부 포집 배관의 내측면을 기준으로 한 단면적은 공기 포집 챔버 부피 대비 4 cm2/L 이상이 필요함을 확인하였다.
만약, 상기 내부 포집 배관의 단면적이 내부 공기 포집 부피 대비 4 cm2/L 미만일 경우, 공기 분배 챔버로 압축된 공기가 유입시 저항이 커지게 되며, 결국 공기 유속이 증가함에 따라 간헐적으로 분절된 양의 공기가 통과하기보다는 연속적으로 내부 포집 배관을 통과하여 연속 폭기가 수행될 수 있음을 확인하였다.
산기공 총 면적 테스트
분배판 내 존재하는 산기공의 총 면적이 공기 포집 챔버 부피 대비 최소 1.25 cm2 /L 이상이어야 간헐 폭기가 가능함을 확인하였다. 만약, 해당 기준 이하의 산기공 면적 조건하에서는 1회 포집된 공기가 공기 분배 챔버에서 다 소진되지 못한 상태에서 그 다음 주기의 포집 공기가 유입되므로 인해 공기 축적 챔버와 공기 분배 챔버간의 공기층이 연결되어, 결국 공기는 연속적인 흐름을 나타내어 연속 폭기가 수행될 수 있음을 확인하였다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 간헐적 폭기가 가능한 고용량 카트리지형 산기장치
110 : 공기 포집 챔버
111 : 공기 유입구
112 : 상부 플레이트
120 : 내부 포집 배관
130 : 외부 포집 배관
132: 수위 조정을 위한 외부 포집 배관 개구부
133: 외부 포집 배관의 중앙 홀
140 : 공기 분배 챔버
150 : 분배판
151 : 산기공

Claims (12)

  1. 일 측면에는 내부로 공기가 유입되는 간헐 폭기용 공기 유입구를 포함하고, 상부 중앙에는 하부방향으로 각각 소정의 길이로 연장되어 요(凹)) 형상을 가지는 하기 내부포집 배관 및 외부포집 배관을 포함하며,
    상기 내부 포집 배관 및 외부포집 배관을 제외한 상부는 소정의 두께를 갖는 상부 플레이트가 구비되어, 하기 공기 분배 챔버의 하부에 위치하는 소정의 부피 공간을 포함하며, 공기의 포집 및 배출에 따라 수위가 변동되는 공기 포집 챔버;
    상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트의 상부면으로부터 하기 분배판의 하부면까지의 소정의 부피 공간을 포함하며, 상기 소정의 부피 공간은 상기 내부 포집 배관의 개방된 상부와 연통된 구조를 가짐으로서, 상기 공기 포집 챔버로부터의 간헐적 폭기에 의한 공기를 분배판으로 배출시키는 공기 분배 챔버; 및
    상기 공기 분배 챔버의 상부면에 구비되며, 간헐적 폭기에 의한 공기를 처리하고자 하는 분리막 모듈쪽으로 보내기 위한 복수의 산기공이 형성되어 있는 분배판;을 포함하는 고용량 카트리지형 산기장치에 있어서,
    상기 내부 포집 배관의 상부 및 하부는 각각 개방되되, 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며,
    상기 외부 포집 배관의 내측면은 상기 내부 포집 배관의 외측면과 이격되어 이를 둘러 감싸는 형상을 가지며,
    상기 외부 포집 배관의 하부는 개방되되, 상기 외부 포집 배관의 양말단의 길이는 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이보다 길고,
    상기 외부 포집 배관의 상부는 상기 공기 포집 챔버내 상부 플레이트와 연결되며, 이의 상부 측면에는 상기 공기 포집 챔버로부터 내부 포집 배관쪽으로의 공기 이동 및 수위 조절을 위한 적어도 하나 이상의 외부 포집 배관 개구부를 포함하며,
    상기 외부 포집 배관의 하부는 상기 내부 포집 배관의 하부 말단의 위치와 동일하거나 또는 이보다 낮은 위치를 기준으로, 공기 포집 챔버의 하부방향으로 소정의 길이를 가지되, 그 단면이 점차적으로 직경이 감소하는 원뿔 형태의 구조를 가지면서 그 하부가 개방된 구조를 가지며,
    상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 상기 내부 포집 배관의 하부의 개방된 부분의 단면적보다 작은 형태를 가지며,
    상기 분배판 내 산기공의 총면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1.25 cm2 이상인 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 포집 배관 및 외부 포집 배관은 각각 그 단면이 원형, 타원형 또는 다각형인 관(tube) 형태인 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내부 포집 배관은 균일한 두께를 갖는 관 형태이며,
    상기 외부 포집 배관에서의 적어도 상기 내부 포집 배관의 양 말단의 길이에 대응되어 감싸는 부분은 균일한 두께의 관 형태로서, 상기 외부 포집 배관내 균일한 두께의 관 형태에 해당하는 부분은 상기 내부 포집 배관으로부터 균일하게 이격되어 외부 포집 배관이 내부 포집 배관을 둘러 감싸는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부 포집 배관 개구부의 단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 1 cm2 이상인 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기 포집 챔버내 상부와 하부사이의 높이(L3)는 상기 외부 포집 배관의 양 말단간의 길이(L2) 보다 길거나 같은 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부 포집 배관의 내측면을 기준으로 한 단면적은 상기 공기 포집 챔버의 부피 1L 당 4 cm2 이상인 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부 포집 배관의 최하단부의 개방된 부분의 직경은 상기 내부 포집 배관의 최하단부의 직경보다 작고,
    상기 외부 포집 배관의 하부에 개방된 부분의 단면적은 공기 포집 챔버의 내부 부피(L) 당 0.7 cm2 이하인 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분배판의 구역을 나누어 분배판의 영역을 구분함에 있어,
    상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치를 기준으로 하여 이의 바깥방향으로 소정 거리가 이격되도록 하여 중앙부 영역으로부터 상기 중앙부 영역의 바깥쪽 영역으로 상기 분배판의 영역을 각각 나누되, 상기 내부 포집 배관의 단면내 중앙부의 위치로부터 각각 이격되어 나누어진 각각의 영역의 면적이 소정의 비율로 증가하도록 설정하며, 상기 중앙부 영역으로부터 바깥방향의 영역 방향으로의 각각의 나누어진 영역별 분배판의 면적을 x축으로 하고, 해당 나누어진 영역내 분포된 산기공의 총 면적의 비(산기공 면적/분배판 면적)를 y축으로 하여 그래프를 얻는 경우에,
    상기 산기공의 총 면적의 비의 값은 초기의 중앙부 영역을 기준으로 이와 가까운 바깥방향의 영역에서의 값은 감소하지만 일정 거리를 지난 바깥 방향의 영역이후에서의 값은 증가하는 포물선 형태의 그래프를 가지는 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 공기 분배 챔버의 일 측면에는 연속 폭기를 위하여 공기 분배 챔버에 직접적으로 외부의 공기를 유입시키기 위한 연속 폭기용 공기 유입구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고용량 카트리지형 산기장치.
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