KR102596667B1 - 나노버블 발생장치 및 이를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다단펌프를 이용하여 가압된 청수를 외부 공기와 혼합하여 버블을 생성하고 생성된 버블을 4단 다공판을 통과시켜 분해하고, 또 다시 버블을 초음파와 울림판을 통해 미세하게 분해하는 나노버블 발생장치 및 이를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조를 제공한다.
본 발명의 나노버블 발생장치는, 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시키는 다단펌프; 상기 다단펌프의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시키는 배관부; 상기 배관부와 일측이 연결되어 상기 다단펌프에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기가 혼합되어 버블이 형성되는 에어 믹싱부; 상기 에어 믹싱부의 측면부에 위치하여 상기 에어 믹싱부에 압축된 외부 공기의 주입을 제어하는 에어밸브; 상기 에어 믹싱부와 일측이 연결되어 상기 에어 믹싱부에서 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판을 통과시켜 버블을 분해시키는 버블 분해부; 상기 버블 분해부의 측면에 연결되며, 상기 다공판을 통과한 버블에 초음파를 발사하는 초음파 발진부; 상기 버블 분해부의 내부에 위치하며, 상기 초음파 발진부에 발사된 초음파에 의해 공명하여 버블을 분해하는 울림판; 상기 초음파 발진부의 상부에 위치하여 상기 초음파 발진부의 초음파 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 포함한다.
본 발명의 나노버블 발생장치는, 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시키는 다단펌프; 상기 다단펌프의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시키는 배관부; 상기 배관부와 일측이 연결되어 상기 다단펌프에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기가 혼합되어 버블이 형성되는 에어 믹싱부; 상기 에어 믹싱부의 측면부에 위치하여 상기 에어 믹싱부에 압축된 외부 공기의 주입을 제어하는 에어밸브; 상기 에어 믹싱부와 일측이 연결되어 상기 에어 믹싱부에서 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판을 통과시켜 버블을 분해시키는 버블 분해부; 상기 버블 분해부의 측면에 연결되며, 상기 다공판을 통과한 버블에 초음파를 발사하는 초음파 발진부; 상기 버블 분해부의 내부에 위치하며, 상기 초음파 발진부에 발사된 초음파에 의해 공명하여 버블을 분해하는 울림판; 상기 초음파 발진부의 상부에 위치하여 상기 초음파 발진부의 초음파 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 포함한다.
Description
본 발명은 나노버블 발생장치 및 이를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 4단의 다공판을 통과한 버블을 초음파와 울림판을 통해 미세하게 분해할 수 있는 나노버블 발생장치를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조에 관한 것이다.
직경이 1 mm 미만인 버블들이 일으키는 놀라운 현상들이 발표됨에 따라, 버블의 생성 및 응용에 관한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 일반적으로 1~2 mm 의 직경을 갖는 버블을 미세버블(fine bubble)이라고 부르지만, 직경이 1 mm 이하인 버블은 크기에 따라 마이크로버블(microbubble, 1~999 μm)과 나노버블(nanobubble, 1~999 nm)로 세분화하여 구분되어 있다. 그러나, 나노버블이 마이크로버블 및 미세버블과 구분될 수 있는 가장 큰 차이점은 긴 수명이다. 직경에 따른 버블들의 거동은 직경이 1 mm 이상인 버블은 큰 부력에 의해 빠르게 수면으로 부상해 사라진다. 마이크로버블 역시 부상해 사라지지만, 직경이 수~수십 μm 인 상대적으로 작은 마이크로버블은 자기가압 효과에 의해 점점 버블 내 기체를 잃으며 수축하여 사라지기도 한다. 그러나, 나노버블의 경우, 앞서 언급한 버블들과 다르게 부상에 의해 사라지지 않고 액체 내에 오랫동안 존재한다.
물 속에 나노버블을 제조하기 위한 다양한 기법 및 장치들이 개발되었는데, 대표적으로 감압식(Decompression type), 모세관식(Capillary type), 정적순환식(Static mixer type), 회전유체 유동식(Rotational flow type), 캐비테이션식(Cavitation type)으로 구분할 수 있다. 감압식 나노버블 생성 기법은 기체의 용해도가 온도와 압력에 의존하는 것을 이용한 나노버블 생성 기법이며, 모세관식 나노버블 생성 기법은 다공성 멤브레인에 고압의 기체를 주입함으로써 다공성 멤브레인의 표면에서 버블의 성장 및 탈착을 일으켜 나노버블을 생성하는 기법이다. 정적순환식 및 회전유체 유동식 나노버블 생성 기법은 앞서 언급한 두 가지 기법과 다르게 기체-액체 혼합물을 이용해 나노버블을 생성한다는 큰 차이점이 있다. 주입된 기체-액체 혼합물의 기포들은 static mixer 또는 유체 내 전단력에 의해 잘게 부수어지며, 결과적으로 나노버블이 생성된다. 정적순환식 생성 기법은 이젝터와 같은 기구를 이용해 기체를 별도로 주입하는 기법인 반면, 회전유체 유동식 생성 기법은 회전하는 액체의 중심부 압력이 원심력에 의해 낮아지는 것을 이용해 공기를 자동 흡기하는 기법이다. 마지막으로 캐비테이션식 나노버블 생성 기법은 액체에 초음파를 인가해 나노버블을 생성하는 기법이다. 액체에 초음파가 가해질 경우, 부분적으로 매질의 압력이 낮아지므로 액체가 기화되거나 용존되어 있던 기체가 방출되는 캐비테이션이 일어나는 과정에서 나노버블이 생성된다.
가압부상법은 폐수 중에 포함된 고체입자나 오일입자 등에 미세한 기포를 부착시켜 비중감소에 의한 부력증가로 부상시켜 제거하는 방법이다. 가압부상법에는 용존공기부상법, 유도공기부상법, 공기부상법 및 진공부상법 등이 있다. 용존공기부상법(DAF type)은 압축기와 이젝터로 공기를 불어넣고 가압탱크에 폐수를 유입시켜 폐수 중에 공기가 잘 용해하도록 한 후 분리탱크에 보내 부상분리시키는 방법이고, 유도공기부상법(IAE type)은 가압공기가 4개의 공기유도기에 의해 공급되는 공정으로 대기압하에서 스스로 유도되어 유도기를 통과하면서 분리시키는 방법이고, 공기부상법(AF type)은 송풍기 및 산기관을 통해 작은 공기방울을 폐수 중에 주입시켜 페놀, ABS 등을 부상시키는 방법이고, 진공부상법(VF type) 폐수를 진공상태에 주입시킬 때 포화된 공기가 작은 공기방울로 튀어나와 고형물 입자와 부착되면서 상승해 분리시키는 방법이다.
공기부상법에 의한 가압부상조는 일반적으로 마이크로버블을 사용하지만, 마이크로버블보다 더 미세한 나노버블을 사용하는 것이 오염물질 제거에 효과적인데, 미세한 나노버블을 발생시키는 방법에 대하여 여러 연구가 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다단펌프를 이용하여 가압된 청수를 외부 공기와 혼합하여 버블을 생성하고 생성된 버블을 4단 다공판을 통과시켜 분해하고, 또 다시 버블을 초음파와 울림판을 통해 미세하게 분해하는 나노버블 발생장치 및 이를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 나노버블 발생장치는, 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시키는 다단펌프; 상기 다단펌프의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시키는 배관부; 상기 배관부와 일측이 연결되어 상기 다단펌프에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기가 혼합되어 버블이 형성되는 에어 믹싱부; 상기 에어 믹싱부의 측면부에 위치하여 상기 에어 믹싱부에 압축된 외부 공기의 주입을 제어하는 에어밸브; 상기 에어 믹싱부와 일측이 연결되어 상기 에어 믹싱부에서 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판을 통과시켜 버블을 분해시키는 버블 분해부; 상기 버블 분해부의 측면에 연결되며, 상기 다공판을 통과한 버블에 초음파를 발사하는 초음파 발진부; 상기 버블 분해부의 내부에 위치하며, 상기 초음파 발진부에 발사된 초음파에 의해 공명하여 버블을 분해하는 울림판; 상기 초음파 발진부의 상부에 위치하여 상기 초음파 발진부의 초음파 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 포함한다.
상기 버블 분해부는, 복수의 미세한 홀을 구비하여 외부 공기와 섞인 청수의 버블을 분해하는 제1 다공판, 상기 제1 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제1 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제1 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제2 다공판, 상기 제2 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제2 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제2 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제3 다공판, 상기 제3 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제3 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제3 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제4 다공판, 상기 제4 다공판을 통과한 버블이 상기 초음파 발진부와 상기 울림판에 의해 분해되는 공간인 진동부를 포함한다.
상기 제1 다공판의 홀의 사이즈를 900~1,000 μm, 상기 제2 다공판의 홀의 사이즈를 500~600 μm, 상기 제3 다공판의 홀의 사이즈를 50~100 μm, 상기 제4 다공판의 홀의 사이즈를 1~10 μm 를 사용할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 나노버블 발생장치를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조는, 수조; 상기 수조의 일측면에 연결되어 오수가 유입되는 오수 유입구; 상기 수조의 하부면에 연결되어 나노버블을 발생시키는 나노버블 발생장치; 상기 수조의 상부에 위치하여 상기 수조의 상부에 부상한 슬러지를 제거하는 슬러지 제거부; 상기 수조의 타측면에 연결되어 슬러지가 제거된 정화수가 배출되는 정화수 토출구;를 포함하며, 상기 나노버블 발생장치는 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시키는 다단펌프, 상기 다단펌프의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시키는 배관부, 상기 배관부와 일측이 연결되어 상기 다단펌프에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기가 혼합되어 버블이 형성되는 에어 믹싱부, 상기 에어 믹싱부의 측면부에 위치하여 상기 에어 믹싱부에 압축된 외부 공기의 주입을 제어하는 에어밸브, 상기 에어 믹싱부와 일측이 연결되어 상기 에어 믹싱부에서 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판을 통과시켜 버블을 분해시키는 버블 분해부, 상기 버블 분해부의 측면에 연결되며, 상기 다공판을 통과한 버블에 초음파를 발사하는 초음파 발진부, 상기 버블 분해부의 내부에 위치하며, 상기 초음파 발진부에 발사된 초음파에 의해 공명하여 버블을 분해하는 울림판, 상기 초음파 발진부의 상부에 위치하여 상기 초음파 발진부의 초음파 주파수를 조절하는 주파수 조절부를 포함하며, 상기 버블 분해부는 복수의 미세한 홀을 구비하여 외부 공기와 섞인 청수의 버블을 분해하는 제1 다공판, 상기 제1 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제1 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제1 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제2 다공판, 상기 제2 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제2 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제2 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제3 다공판, 상기 제3 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제3 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제3 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제4 다공판, 상기 제4 다공판을 통과한 버블이 상기 초음파 발진부와 상기 울림판에 의해 분해되는 공간인 진동부를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 4개의 다공판을 사용하여 미세 버블을 용이하게 생성하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 초음파와 울림판을 사용하여 나노버블을 생성하는 효율을 높이는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 나노버블에 의해 오염물질을 제거하기 때문에 전단계인 응집반응조에 사용하는 화학약품을 적게 사용하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 가압부상조에서 오염물질의 양을 줄이기 때문에 다음 단계인 폭기조의 가동 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 오수에 정화에 필요한 작업 시간을 줄일 수 있고, 처리 효율을 높이는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노버블 발생장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 버블 분해부의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노버블 발생장치를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 버블 분해부의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노버블 발생장치를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조의 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 나노버블 발생장치(20)에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노버블 발생장치(20)의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 나노버블 발생장치(20)는 다단펌프(100), 배관부(200), 에어 믹싱부(300), 에어밸브(400), 버블 분해부(500)를 포함하여 구성될 수 있다. 나노버블은 1~999 nm 규모의 버블이고, 미세버블이나 마이크로버블과 다르게 부상에 의해 사라지지 않고 액체 내에 오랫동안 존재한다. 특히 직경이 5 μm 이하인 버블의 부력은 액체 내에 존재하는 어떠한 흐름들보다 작기 때문에, 실질적으로 부력이 존재하지 않는다고 볼 수 있다. 따라서, 나노버블은 수면으로 부상해서 사라지지 않는다. 또한, 나노버블은 쉽게 녹지 않으므로 마이크로버블 및 미세버블과 차별되는 긴 수명을 갖게 된다. 나노버블은 직경이 아주 작아 수중 체류 시간이 길고 음전하로 대전되어 있는 나노버블이 수중에 부유하고 있는 양전하를 띠고 있는 슬러지를 흡착하여 서서히 부상하기 때문에 오폐수의 슬러지 제거에 유용하다.
먼저, 다단펌프(100)는 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시킨다. 다단펌프(100)(multi-stage pump)는 고압력의 물을 얻을 목적으로 2개 이상의 임펠러를 펌프 1대의 동일 회전축에 설치하고 이것을 여러 단으로 만든 것을 말하는데, 본 발명에서는 2단 내지 10단의 다단펌프(100)를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 5단 내지 10단의 다단펌프(100)를 사용할 수 있다. 다단펌프(100)는 회전축을 통해 구동모터와 연결되고, 구동모터의 회전에 따라 복수의 임펠러가 회전하면서 청수를 압축시킬 수 있다. 다단펌프(100)는 몸체인 케이싱, 상기 케이싱의 일측에 연결되며 청수를 상기 케이싱 내부로 유입시키는 청수 흡입구, 구동모터와 연결된 회전축의 회전에 따라 상기 청수 흡입구로 유입된 청수를 회전시켜 압축시키는 복수의 임펠러, 상기 복수의 임펠러의 회전에 의해 압축된 청수가 배출되는 토출구를 포함하여 구성될 수 있다.
배관부(200)는 다단펌프(100)의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시킨다. 다단펌프(100)에서 고압으로 압축된 청수는 토출구를 통해 배관부(200)를 이동한다. 또한, 배관부(200)는 압축된 청수의 이동을 제어할 수 있는 배관밸브를 구비한다. 배관부(200)의 측면에 위치한 배관밸브를 개폐하여 배관부(200)를 통해 압축된 청수를 이동시키거나 정지시킬 수 있다.
에어 믹싱부(300)는 배관부(200)와 일측이 연결되며, 다단펌프(100)에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기를 혼합하여 버블을 생성시킨다. 버블을 생성하기 위해서는 유체에 공기를 주입해야 하는데, 본 발명에서는 고압의 청수에 고압의 외부 공기를 혼합시켜 버블을 생성시킨다. 에어 믹싱부(300)에서는 미세버블이 생성될 수 있다.
에어밸브(400)는 에어 믹싱부(300)의 측면부에 위치하여 에어 믹싱부(300)에 압축된 외부 공기의 주입을 제어한다. 에어밸브(400)에는 외부의 공기를 흡입하여 압축하는 에어 컴프레셔가 연결된다. 에어 컴프레셔를 통해 압축된 외부 공기는 에어밸브(400)를 통해 에어 믹싱부(300)로 주입되고, 에어밸브(400)에 구비된 밸브를 개폐하여 압축된 외부 공기의 주입을 제어할 수 있다.
버블 분해부(500)는 에어 믹싱부(300)와 일측이 연결되어 에어 믹싱부(300)에서 압축된 외부 공기와 혼합되어 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판(510)을 통과시켜 버블을 분해시킨다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 버블 분해부(500)의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 버블 분해부(500)는 제1 다공판(510a), 제2 다공판(510b), 제3 다공판(510c), 제4 다공판(510d) 및 진동부(520)를 포함하여 구성될 수 있다.
버블 분해부(500)는 복수의 다공판(510)을 구비하는데, 보다 바람직하게는 4개의 다공판(510)을 구비할 수 있다. 다공판(510)은 금속 재질로 만들어지고, 표면에 다수의 미세한 홀을 구비한다. 에어 믹싱부(300)에서 버블이 형성된 청수는 강한 압력으로 4개의 다공판(510)을 순차적으로 통과하면서 버블이 분해되어 마이크로버블로 분해될 수 있다. 제1 다공판(510a)은 복수의 미세한 홀을 구비하여 외부 공기와 섞인 청수의 버블을 미세하게 분해하고, 제2 다공판(510b)은 제1 다공판(510a) 후면에 이격되게 위치하며, 제1 다공판(510a)보다 작은 홀을 구비하여 제1 다공판(510a)을 통과한 버블을 미세하게 분해하고, 제3 다공판(510c)은 제2 다공판(510b) 후면에 이격되게 위치하며, 제2 다공판(510b)보다 작은 홀을 구비하여 제2 다공판(510b)을 통과한 버블을 미세하게 분해하고, 제4 다공판(510d)은 제3 다공판(510c) 후면에 이격되게 위치하며, 제3 다공판(510c)보다 작은 홀을 구비하여 제3 다공판(510c)을 통과한 버블을 미세하게 분해한다. 제1 다공판(510a) 홀의 직경의 사이즈를 D1, 제2 다공판(510b) 홀의 직경의 사이즈를 D2, 제3 다공판(510c) 홀의 직경의 사이즈를 D3, 제4 다공판(510d) 홀의 직경의 사이즈를 D4라고 하면, D1 > D2 > D3 > D4인 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 다공판(510a)의 홀의 사이즈를 900~1,000 μm, 제2 다공판(510b)의 홀의 사이즈를 500~600 μm, 제3 다공판(510c)의 홀의 사이즈를 50~100 μm, 제4 다공판(510d)의 홀의 사이즈를 1~10 μm으로 한다면, 에어 믹싱부(300)에서 버블이 형성된 청수는 4개의 다공판(510)을 순차적으로 통과하면서 버블의 사이즈가 나노 사이즈에 가깝게 접근할 수 있다.
또한, 제1 다공판(510a) 홀의 갯수를 N1, 제2 다공판(510b) 홀의 갯수를 N2, 제3 다공판(510c) 홀의 갯수를 N3, 제4 다공판(510d) 홀의 갯수를 N4라고 하면, N1 < N2 < N3 < N4인 것이 바람직하다. 제1 다공판(510a)에서 제4 다공판(510d)으로 갈수록 홀의 수를 많게 하면 버블의 충돌 확률을 보다 높일 수 있어서 버블의 효율적으로 증가할 수 있게 된다.
또한, 제1 다공판(510a)의 두께를 t1, 제2 다공판(510b)의 두께를 t2, 제3 다공판(510c)의 두께를 t3, 제4 다공판(510d)의 두께를 t4라고 하면, t1 > t2 > t3 > t4인 것이 바람직하다. 제1 다공판(510a)에서 제4 다공판(510d)으로 갈수록 청수 압력도 작아져서 다공판의 두께를 얇게 하여도 변형을 일으키지 않게 되며, 다공판의 두께도 얇게 하여 청수의 통과양도 증가하여 버블 양을 많게 생성하는 장점을 갖는다.
초음파 발진부(600)는 버블 분해부(500)의 측면에 연결되며, 상기 다공판(510)을 통과한 버블에 초음파를 발사하여 버블을 미세하게 분해한다. 초음파 발진부(600)는 제4 다공판(510d)을 통과한 마이크로 사이즈의 버블이 나노 사이즈의 버블로 분해될 수 있게 높은 주파수의 초음파를 발사하여 버블이 미세하게 분해되도록 한다. 본 발명에서는 100 kHz 내지 1 MHz의 초음파를 사용하여 버블을 미세하게 분해할 수 있다.
울림판(700)은 버블 분해부(500)의 내부에 초음파 발진부(600)와 마주하는 곳에 위치하며, 초음파 발진부(600)에 발사된 초음파에 공명을 만들어 진동과 충격으로 버블을 더 잘 분해되도록 한다. 본 발명에서는 울림판(700)을 초음파 발진부(600)가 마주하는 곳에 위치시켜, 초음파 발진부(600)을 통해 발사된 초음파가 울림판(700)과 충돌하면서 초음파가 공명되면서 초음파가 배가되는 효과가 있다. 울림판(700)이 없이 초음파가 발사되면 발사된 초음파는 버블와 충돌하거나 벽에 반사되어 소멸되지만, 울림판(700)이 있다면 초음파를 공명시켜 초음파의 에너지가 공명을 통해 지속될 수 있어 초음파 발진기를 복수 개로 사용한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 울림판(700)은 초음파와 공명을 일으키도록 얇은 금속막으로 제작될 수 있다. 상기 울림판(700)은 제1 금속 플레이트(700a) 및 제2 금속 플레이트(700b)를 포함하며, 상기 제1 금속 플레이트(700a)의 일면 및 제2 금속 플레이트(700b)의 일면은 160°내지 170°의 각도로 서로 연결된 형태이며, 상기 제1 금속 플레이트(700a) 및 제2 금속 플레이트(700b)가 서로 연결된 부분에 진동부(520)의 내측면에 접하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 금속 플레이트(700a)의 중앙에서 측면 및 상기 서로 연결된 부분으로 갈수록 두께가 증가되게 형성될 수 있고, 상기 제2 금속 플레이트(700b)의 중앙에서 측면 및 상기 서로 연결된 부분으로 갈수록 두께가 증가되게 형성될 수 있다. 제1 금속 플레이트(700a) 및 제2 금속 플레이트(700b)의 중앙에서 제1 금속 플레이트(700a) 및 제2 금속 플레이트(700b)의 측면 및 상기 서로 연결된 부분으로 가면서 두께를 증가하게 설계하면 진동에 의한 공명 효과를 높이는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은 상기 진동부(520)의 내부에서 상기 초음파 발진부(600)와 마주하는 곳에 위치하는 제1 울림판, 상기 진동부(520)의 내부에서 상기 초음파 발진부(600)의 좌우측면에 위치하는 제2 울림판, 상기 진동부(520)의 내부에서 상기 버블 배출구(900)의 상하면에 위치하는 제3 울림판을 더욱 포함할 수 있다. 상기와 같이 복수의 울림판을 두어 초음파 발진기에서 발사된 초음파가 여러 방향을 통해 공명을 일으키며 하나의 초음파 발진기를 사용하더라도 복수의 초음파 발진기를 사용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 복수의 울림판을 사용하면 하나의 울림판(700)을 사용하는 것보다 초음파 공명의 효율을 배가시킬 수 있는 장점이 있다.
진동부(520)는 제4 다공판(510d)을 통과한 버블이 초음파 발진부(600)의 초음파와 울림판(700)에 의해 더욱 분해되는 공간이다. 진동부(520)에는 상기에서 설명한 초음파 발진부(600)가 연결되고, 상기에서 설명한 울림판(700)이 내부에 위치한다. 진동부(520)에서는 제4 다공판(510d)을 통과한 마이크로버블을 포함하는 청수가 초음파에 의해 분해되어 나노버블이 형성된다. 진동부(520) 내부에는 울림판(700)이 위치하여 초음파를 공명시켜 발사된 초음파가 배가되어 지속될 수 있도록 한다.
주파수 조절부(800)는 초음파 발진부(600)의 상부에 위치하며 초음파 발진부(600)의 초음파 주파수를 조절한다. 초음파에 의한 버블의 생성과 관련하여 일반적으로 kHz의 주파수대역에서는 버블이 생성되며, MHz이상의 주파수대역에서는 버블의 붕괴가 일어난다. 따라서, 본 발명에서는 버블이 생성되고 버블이 붕괴되지 않도록 100 kHz 내지 1 MHz의 초음파를 사용할 수 있는데, 주파수 조절부(800)를 통해 초음파 발진부(600)에서 발사되는 초음파의 주파수를 조절할 수 있다.
다음으로, 나노버블 발생장치(20)를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조(10)에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노버블 발생장치(20)를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조(10)의 개략도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 가압부상조(10)는 수조(11), 오수 유입구(12), 나노버블 발생장치(20), 슬러지 제거부(13) 및 정화수 토출구(14)를 포함하여 구성될 수 있다. 가압부상조(10)는 오수나 폐수 중의 오염물질 제거를 위한 방법으로 배수 중의 부유물질을 물의 표면으로 떠오르도록 하여 분리 제거하는 장치이다. 본 발명에서는 나노버블 발생장치(20)를 이용하여 가압부상조(10)에 나노버블을 주입하여 나노버블이 오일, 그리스, 부유고형물 등의 물 보다 가벼운 오염물질을 부상시킨 후 슬러지 제거부(13)에 의해 오염물질(슬러지)를 걷어낼 수 있다.
정수장 또는 하수처리장에서 오수가 처리되는 공정은 오수를 집수조에 투입하는 단계, 오수에 화학약품을 투입하고 교반하여 오염물질을 응집시키는 응집반응조의 단계, 오수에 기포를 주입하여 오염물질을 부상시키는 가압부상조(10)의 단계, 오수를 폭기로 정화시키는 폭기조 단계, 오염물질을 침전시키는 침전조의 단계 및 정화된 물을 방류하는 단계로 구성된다.
수조(11)에서는 정수장 또는 하수처리장에서 가압부상법에 의해 처리가 필요한 오수가 저장되어 처리된다. 정수장 또는 하수처리장은 플랜트급의 가압부상조(10)를 구비할 수 있고, 이러한 가압부상조(10)는 대규모의 수조(11)를 구비할 수 있다.
오수 유입구(12)는 수조(11)의 일측면에 연결되어 응집반응조로부터 오수가 유입된다. 가압부상조(10)의 전 단계인 응집반응조에서 화학약품이 투입되어 교반처리되고 오염물질이 응집되고 제거된 상태의 오수는 오수 유입구(12)를 통해 가압부상조(10)로 유입된다.
나노버블 발생장치(20)는 수조(11)의 하부면에 연결되어 나노버블을 발생시킨다. 나노버블을 수조(11) 하부에서 주입하여 오수 유입구(12)를 통해 유입된 오수의 하부부터 버블이 오염물질과 결합되어 부상할 수 있다. 나노버블 발생장치(20)에 대한 설명은 상기한 바와 같으므로 여기서는 생략한다.
슬러지 제거부(13)는 수조(11)의 상부에 위치하여 수조(11)의 상부에 부상한 슬러지를 제거한다. 나노버블에 의해 부상된 슬러지는 수조(11)의 상부에 위치한 슬러지 제거부(13)에 의해 제거된다. 슬러지 제거부(13)는 수조(11)의 상부에서 이동하면서 수조(11)에 상부에 부상한 슬러지를 제거한다.
정화수 토출구(14)에서는 수조(11)의 타측면에 연결되어 슬러지가 제거된 정화수가 배출된다. 슬러지가 제거된 정화수는 정화수 토출구(14)를 통해 다음의 처리 공정인 폭기조로 이동한다.
이하에서는 나노버블 발생장치(20)를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조(10)의 작동에 대해 설명한다. 오수 유입구(12)를 통해 가압부상조(10)로 오수가 유입되면, 가압부상조(10)의 하부에 위치한 나노버블 발생장치(20)는 나노버블을 발생시켜 가압부상조(10)로 주입한다. 여기서, 나노버블 발생장치(20)에서 나노버블이 발생되는 과정을 설명하면 다음과 같다. 청수 흡입구를 통해 청수가 다단펌프(100)로 유입되면 구동모터가 회전하면서 다단펌프(100)의 복수의 임펠러가 회전하면서 청수를 압축시키고 압축된 청수는 토출구를 통해 배관부(200)로 이동한다. 배관부(200)를 통해 에어 믹싱부(300)로 이동한 고압의 청수는 에어밸브(400)를 통해 유입된 고압의 외부 공기와 만나 버블이 형성된다. 버블이 형성된 고압의 청수는 버블 분해부(500)의 4개의 다공판(510)을 차례로 통과하면서 미세버블이 마이크로버블로 분해된다. 진동부(520)에서 마이크로버블을 포함하는 청수는 초음파 발진기에서 발사되는 초음파와 이 초음파을 공명시키는 울림판(700)에 의한 진동과 충격에 의해 더욱 미세하게 분해되어 나노버블을 포함하는 청수로 바뀐다.
상기 나노버블을 포함하는 청수를 가압부상조(10)에 주입하면 나노버블의 음이온은 오염물질의 양이온과 만나 결합하고 나노버블은 부상하여 슬러지는 가압부상조(10) 상부에 부유하게 된다. 슬러지 제거부(13)가 가압부상조(10)의 상부에서 이동하면서 가압부상조(10)의 상부 표면에 부상한 슬러지를 제거하고 슬러지가 제거된 정화수는 다음 단계인 폭기조로 이동하게 된다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10 : 가압부상조
11 : 수조
12 : 오수 유입구
13 : 슬러지 제거부
14 : 정화수 토출구
20 : 나노버블 발생장치
100 : 다단펌프
200 : 배관부
300 : 에어 믹싱부
400 : 에어밸브
500 : 버블 분해부
510 : 다공판
510a : 제1 다공판
510b : 제2 다공판
510c : 제3 다공판
510d : 제4 다공판
520 : 진동부
600 : 초음파 발진부
700 : 울림판
800 : 주파수 조절부
900 : 버블 배출구
11 : 수조
12 : 오수 유입구
13 : 슬러지 제거부
14 : 정화수 토출구
20 : 나노버블 발생장치
100 : 다단펌프
200 : 배관부
300 : 에어 믹싱부
400 : 에어밸브
500 : 버블 분해부
510 : 다공판
510a : 제1 다공판
510b : 제2 다공판
510c : 제3 다공판
510d : 제4 다공판
520 : 진동부
600 : 초음파 발진부
700 : 울림판
800 : 주파수 조절부
900 : 버블 배출구
Claims (4)
- 복수의 임펠러를 구비하여 회전축으로 연결된 구동모터의 회전에 의해 청수를 압축시키는 다단펌프;
상기 다단펌프의 토출구와 연결되어 압축된 청수를 이동시키는 배관부;
상기 배관부와 일측이 연결되어 상기 다단펌프에서 압축된 청수와 압축된 외부 공기가 혼합되어 버블이 형성되는 에어 믹싱부;
상기 에어 믹싱부의 측면부에 위치하여 상기 에어 믹싱부에 압축된 외부 공기의 주입을 제어하는 에어밸브;
상기 에어 믹싱부와 일측이 연결되어 상기 에어 믹싱부에서 버블이 형성된 청수를 내부의 미세한 홀을 구비하는 다공판을 통과시켜 버블을 분해시키는 버블 분해부;
상기 버블 분해부의 측면에 연결되며, 상기 다공판을 통과한 버블에 초음파를 발사하는 초음파 발진부;
상기 버블 분해부의 내부에 위치하며, 상기 초음파 발진부에 발사된 초음파에 의해 공명하여 버블을 분해하는 울림판;
상기 초음파 발진부의 상부에 위치하여 상기 초음파 발진부의 초음파 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 포함하되,
상기 버블 분해부는,
복수의 미세한 홀을 구비하여 외부 공기와 섞인 청수의 버블을 분해하는 제1 다공판,
상기 제1 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제1 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제1 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제2 다공판,
상기 제2 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제2 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제2 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제3 다공판,
상기 제3 다공판 후면에 이격되게 위치하며, 상기 제3 다공판보다 작은 홀을 구비하여 상기 제3 다공판을 통과한 버블을 분해하는 제4 다공판,
상기 제4 다공판을 통과한 버블이 상기 초음파 발진부와 상기 울림판에 의해 분해되는 공간인 진동부를 포함하고,
상기 제1 다공판의 홀의 직경 사이즈를 900~1,000 μm, 상기 제2 다공판의 홀의 직경 사이즈를 500~600 μm, 상기 제3 다공판의 홀의 직경 사이즈를 50~100 μm, 상기 제4 다공판의 홀의 직경 사이즈를 1~10 μm 인 것을 특징으로 하고,
상기 제1 다공판의 두께를 t1, 제2 다공판의 두께를 t2, 제3 다공판의 두께를 t3, 제4 다공판의 두께를 t4라고 하면, t1 > t2 > t3 > t4 이며,
상기 울림판은 제1 금속 플레이트 및 제2 금속 플레이트를 포함하며, 상기 제1 금속 플레이트의 일면 및 제2 금속 플레이트의 일면은 160°내지 170°의 각도로 서로 연결된 형태인 것을 특징으로 하는 나노버블 발생장치. - 삭제
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Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220129387A KR102596667B1 (ko) | 2022-10-11 | 2022-10-11 | 나노버블 발생장치 및 이를 구비하는 정수장 및 하수처리장용 가압부상조 |
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