KR20000006728A - 다공판을 이용한 수처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수 등의 하수처리 또는 생활용수, 공업용수 등의 상수의 정수처리용 반응조내의 바닥에 장치된 산기 기기를 통해 반응조내에 폐수처리용 또는 정수용 산소, 오존 등을 포함한 용존성기체의 기포를 미세하게 쪼개어 액체내의 용존율을 높여 처리효율을 향상시키는 수처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 반응조(10)의 상기 산기 기기(20) 상부에 다수의 작은 구멍(52)이 천공된 다수의 다공판(50)을 일정 간격을 두고 설치함으로써, 상기 산기기기(20)에서 배출되는 상기 용존성기체의 기포(30)가 부력에 의해 상승하면서 상기 다공판(50)에 걸려 체류함은 물론 다공판의 구멍(52)을 통과함에 따라 잘게 쪼개지는 것을 특징으로 하고, 수처리장치의 전체 규모를 축소할 수 있으므로 경제성이 대폭 향상되고, 기체와 액체의 접촉을 이용하는 다양한 하폐수처리 분야에 적용될 수 있다.

Description

다공판을 이용한 수처리 장치 및 방법{Water treatment apparatus using perforated plates and method thereof}

본 발명은 기체와 액체의 혼합율 증대로 기체의 용존율을 향상시키는 수처리 장치 및 수처리 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 하폐수처리 또는 생활용수, 공업용수 등의 상수처리용 반응조내의 바닥에 장치된 산기관 등의 기기를 통해 주입되는 산소, 오존 등의 용존성기체가 반응조내에 설치된 다공판 또는 체에 의해 신속한 상승이 저지되어 기포의 체류시간을 증가시키고 기포의 크기를 잘게 쪼개어 기체와 액체의 접촉 표면적을 증대시켜 용존율을 높임으로써 수처리효율을 향상 시키는 수처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

하폐수처리 또는 상수처리 등의 분야에서는, 살균, 산화, 유기물분해 등의 목적으로 오존이나 산소 등의 용존성기체를 사용하는 것이 일반적이다. 산소는 수중의 호기성 세균에 의한 유기오염물질의 분해에 필수적이며, 많은 하폐수 처리시설에서 산소공급을 위한 목적으로 폭기조(aeration tank)를 설치하여 사용하고 있다. 오존은 초기에 살균제로서 많이 이용되었지만 강력한 산화력이 입증되면서 그 활용범위가 넓어져 수처리 분야에서도 매우 다양하게 사용되고 있는 추세이다.

일반적으로, 수처리에 있어서는 반응조 바닥에 용존성기체를 기포형태로 방출하기 위한 산기 기기를 설치하고, 이들 산기 기기에서 주입되는 기포가 부력에 의해 액체 내에서 상승하면서 액체에 용해됨으로써 전술한 살균, 산화 등의 효과를 발휘한다. 그러나, 기존에 많이 사용되는 디퓨저 타입이나 디스크타입의 일반 산기 기기에서는 수처리 기체가 단시간에 수면까지 상승하게 되므로 물과의 접촉시간이 짧고, 상승도중 둘 이상의 기체가 뭉쳐 기포의 크기가 커지면서 물과의 접촉표면적이 감소함으로써 주입된 기체의 60~70% 정도만이 용해되어 수처리 효율이 낮은 형편이다. 그 결과, 많은 기체를 공급하기 위해 반응기 시설의 규모가 커지게 되고, 용해되지 않은 많은 양의 산소나 오존이 대기중으로 방출되게 되므로, 특히 인체에 유해한 오존을 파괴하기 위한 부대시설의 규모 또한 커지게 되어, 넓은 설치면적이 필요함은 물론 설치비용이 과다하게 소요되는 문제가 있다.

도 2를 참조하여 종래의 수처리장치의 용존율이 전술한 바와 같이 낮은 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 화살표(B) 방향으로 반응조(20)내에 처리수와 기체가 각각 유입된다. 산기기기(20)를 통해 물로 주입되는 용존성기체의 기포는 최초에는 그 크기가 작지만, 부력에 의해 화살표(A) 방향으로 수직 상승하면서 기포들끼리 서로 충돌하여 합쳐지므로 상부로 이동할수록 그 크기가 커지게 된다. 따라서, 배출되는 기체와 물이 접촉하는 표면적이 점점 작아지게 됨은 물론 기포의 체적이 커지게 되어 부력이 점점 커지므로 기포의 상승속도도 점점 높아진다. 즉, 종래의 장치에서는 용존성 기체가 물에 체류하는 시간이 짧아지고, 기액접촉표면적이 적어 기체의 용존율이 낮아지고 수처리 효율에 악영향을 미치게 된다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 수처리 반응조 내에 조그만 구멍들이 다수 천공되어 있는 다공판을 대략 수평으로 일정 간격을 두고 여러개 설치하여 반응조 하부에 주입된 기체의 기포가 다공판 하부에 머물면서 액체내에 장기간 체류하도록 함으로써 기체와 액체의 접촉시간을 증가시키고 또한 상승하면서 커진 기포가 다공판의 작은 구멍을 통과하면서 다시 잘게 쪼개짐으로써 기포의 표면적을 증가시켜 기체의 용존율을 획기적으로 높여 수처리 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다공판이 설치된 수처리장치의 개략적 사시도;

도 2는 종래의 다공판이 없는 수처리장치에서 기포의 거동을 나타낸 개략적 단면도;

도 3은 도 1의 수처리장치에서 기포의 거동을 나타낸 단면도;

도 4는 다공판의 유무에 따른 용존오존농도의 시간에 따른 변화율을 나타낸 그래프;

도 5는 페놀 5ppm을 함유한 물을 오존 및 고도산화공정으로 처리한 각각의 경우에 있어서 다공판의 유무에 따른 페놀제거율을 도시한 그래프;

도 6은 페놀 1ppm을 함유한 물을 오존 및 고도산화공정으로 처리한 각각의 경우에 있어서 다공판의 유무에 따른 페놀제거율을 도시한 그래프;

도 7은 음이온계면활성제 5ppm을 함유한 물을 오존 및 고도산화공정으로 처리한 각각의 경우에 있어서 다공판의 유무에 따른 음이온계면활성제의 제거율을 도시한 그래프;

도 8은 음이온계면활성제 1ppm을 함유한 물을 오존 및 고도산화공정으로 처리한 각각의 경우에 있어서 다공판의 유무에 따른 음이온계면활성제의 제거율을 도시한 그래프;

도 9는 용존유기탄소 2.5mg/L을 함유한 물을 오존 및 고도산화공정으로 처리한 각각의 경우에 있어서 다공판의 유무에 따른 용존유기탄소 제거율을 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10.. 반응조 20.. 산기 기기

30.. 기포 50.. 다공판

60.. 고도산화수단

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수처리장치는,

하폐수처리, 정수처리, 기타 유체에 기체를 용존시켜 처리하기 위한 반응조(10)에 설치된 산기기기(20)를 통해 산소, 오존을 포함한 용존성기체를 용존시키는 수처리장치에 있어서:

상기 반응조(10)의 상기 산기기기(20) 상부에 다수의 작은 구멍(52)이 천공된 하나 이상의 다공판(50)을 일정 간격을 두고 설치함으로써, 상기 산기기기(20)에서 배출되는 상기 용존성기체의 기포(30)가 부력에 의해 상승하면서 상기 다공판(50)에 걸려 체류함은 물론 다공판의 구멍(52)을 통과함에 따라 잘게 쪼개져 기체의 용존효율, 이용율을 극대화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수처리장치에 있어서, 상기 다수의 다공판(50) 사이에 장치되어 반응조(10)내의 액체에 자외선을 조사하거나 과산화수소를 주입하기 위한 고도산화수단(60)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수처리장치의 상기 다공판(50)은 그물 형태의 체로 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 수처리방법은,

하폐수처리, 정수처리, 기타 유체에 기체를 용존시켜 처리하기 위한 반응조(10)에 설치된 산기기기(20)를 통해 산소, 오존을 포함한 용존성기체를 용존시키는 수처리방법에 있어서:

상기 산기기기(20)에서 주입되어 부력에 의해 상승하는 상기 용존성기체의 기포(30)의 상승을 상기 반응조(10) 내에 다단계로 설치된 다공판(50)을 이용해 1차 저지하는 단계;

상기 상승이 저지된 기포들이 상기 다공판(50)에 천공된 다수의 작은 구멍(52)을 통과하면서 작은 기포로 분해되어 재상승하는 단계;를 포함하여,

상기 용존성 기체를 다공판을 이용하여 체류시간과 표면적을 증가시켜 처리효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 다공판(50)이 그물 형태의 체로 구성되는 것도 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 수처리 장치의 개략적인 사시도이다.

도시된 바와 같이, 수처리용 반응조(10) 내에 다수의 구멍(52)이 천공된 다공판(50)을 수평으로 3단으로 설치한다. 반응조 바닥에는 산기기기(20)이 설치된다. 도면에는 다공판(50)이 3단으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고 반응조의 규모나 수처리양에 따라 다공판을 1단, 2단, 3단 등 그 이상으로 다양하게 설치할 수 있음은 말할 나위도 없다. 또한, 다공판 대신에 그물 형태의 체를 사용하는 것도 바람직하다. 상기 반응조(10)에 화살표(B) 방향으로 처리대상 물과 용존성 기체가 동시에 주입된다.

한편, 일반적으로 수처리의 효율을 향상시키기 위해 고도산화수단(AOP)을 병행할 수도 있다. 이 경우, 전술한 다공판(50) 사이사이에 자외선을 조사하거나, 과산화수소 등을 주입하기 위한 고도산화수단(60)을 더 설치하는 것도 기체의 용존율 증가와 각각의 다공판 사이의 공간에서 발생하는 와류의 증가로 인해 전체 반응기의 효율 향상에 바람직하다. 일반적으로, 용존오존은 오존분자로서 직접적인 산화반응을 일으키지만, 전술한 고도산화수단을 병행하면 자외선 등과 상호 반응하여 생성되는 강력한 산화제인 OH 라디칼에 의한 산화반응도 기대할 수 있어 후술하는 바와 같은 다양한 오염물질 제거시 향상된 제거율을 얻을 수 있다.

처리대상이 부유성 물질을 다량 함유한 하폐수인 경우 본 발명에 따른 수처리공정 이전에 침전공정을 거치므로 액체내에 입자량이 큰 이물질은 대부분 제거된다. 따라서, 본 발명에 따른 다공판을 반응조내에 설치하여도, 다공판의 구멍이 이물질에 의해 막히는 문제는 거의 발생하지 않는다.

도 3은 도 1의 측단면도로서, 반응조내의 기포가 다공판을 통과하면서 변화되는 상태를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 반응조(10) 바닥에 설치된 산기기기(20)를 통해 배출되는 오존 등의 기체로 이루어진 기포(30)는 부력에 의해 위로 상승한다. 상승하는 기포는 하단의 다공판(50)에 걸려 상승이 억제되어 물과의 접촉시간이 길어지면서 물에 용해된다. 기포(30)가 서로 합쳐져 커진 상태로 하단 다공판(50)에 충돌하고, 다공판의 구멍(52)을 통과하면서 다시 잘게 쪼개져 그 위의 다공판까지 상승한다. 따라서, 기포가 다공판을 통과하면서 물과 접촉하는 표면적이 넓어지고 부력이 낮아져 상승속도가 느려지므로 용존효율은 더욱 좋아진다. 이러한 과정을 거친 용존성기체는 물에 쉽게 용해될 수 있어 용존율이 종래보다 대폭 증가하게 되고, 증가된 기체농도의 직간접 반응에 의해 오염물질의 제거율이 향상된다.

실시예

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 수처리장치를 적용한 다양한 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

이하의 실험에서는 오존요구물질이 존재하지 않는 초순수를 대상시료로 하여 시간의 경과에 따른 용존오존 농도를 다공판의 유무에 따라 비교하였다. 실험에 사용한 다공판은 반응조내에 3단으로 설치하였고 각 다공판의 구멍의 직경은 0.3~0.4㎝, 구멍 사이의 간격은 3㎝로 하였다. 초순수를 사용하여 페놀, 음이온계면활성제(LAS), 용존유기탄소(DOC) 등을 일정농도로 투입하여 조제된 시료를 대상으로 실험함으로써 다양한 경우의 본 발명의 효과를 입증하였다.

도 4는 오존 요구물질이 존재하지 않는 초순수를 시료로 하여 시간의 경과에 따른 용존오존의 농도를 다공판의 유무에 따라 비교한 그래프이다. 그래프에서 세로축은 용존오존농도이고 가로축은 반응시간이다.

본 실험에서는 초순수에 주입된 오존을 소비할 수 있는 물질의 존재 가능성을 완전히 배제하고자 미리 다량의 오존을 주입한 뒤 잔류오존을 제거하였다. 반응조내에 초순수를 채운뒤 오존화 공기를 오존농도 1㎎O3/(min·L H2O)로 연속 10분간 주입하면서 1, 3, 5, 7, 10분 간격으로 시료 100mL을 채취하여 다공판의 유무에 따른 용존오존농도의 변화를 측정하였다. 도 4에서 알 수 있듯이, 다공판이 없을 때는 시간이 경과함에 따라 용존오존농도가 증가함을 알 수 있다. 그러나, 다공판을 설치한 경우 반응시간이 1분밖에 경과하지 않았는데도 다공판을 설치하지 않고 10분 반응시킨 뒤의 용존오존농도보다 더 높은 용존오존농도를 얻었다. 즉, 다공판을 설치한 경우 용존효율이 훨씬 상승된다는 것을 알 수 있다.

도 5, 6은 일정한 오존주입농도하에서 물에 함유된 페놀의 농도를 다르게 하여 실험한 결과이다.

도 5는 페놀 5ppm을 주입하고 8L/min, 오존주입농도는 2.5mg/L로 운전시의 페놀의 제거율을 나타낸 그래프로서, 우측 그래프는 고도산화수단(AOP)을 6분동안 병행처리한 결과이고, 좌측 그래프는 고도산화수단 없이 3분동안 오존으로만 처리한 결과이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 반응조 내부에 다공판을 설치하여 상대적인 오존의 체류시간을 늘려줌으로써 다공판이 있는 반응조의 페놀제거율은 다공판이 없는 경우의 제거율에 비교하여 22% 향상되었으며, 고도산화수단(AOP) 반응조에서는 24% 증가하였다.

도 6은 페놀을 1ppm으로 하여 도 5와 같은 조건으로 행한 실험결과를 나타낸 그래프이다. 본 실험에서는 다공판 유무와 상관없이 모두 90% 이상의 제거율을 보였고 오존반응조와 고도산화수단 반응조에서 다공판 유무에 따른 페놀제거율 차이는 각각 3%, 4%였다. 다공판이 있을 때의 제거율은 기존의 제거율 대비 약 2% 증가되었다.

도 7, 8은 도 5, 6의 실험조건과 동일한 조건하에 제거대상 오염물질이 음이온 계면활성제(LAS)인 경우의 실험결과이다.

도 7은 음이온계면활성제 5ppm을 제조하여 8L/min, 오존주입농도 2.5mg/L로 운전할 때의 제거율을 나타낸 그래프이다.

음이온 계면활성제 역시 페놀과 마찬가지로 다공판이 있는 반응조의 음이온계면활성제의 제거율은 다공판이 없는 경우의 제거율에 비교하여 오존반응조에서는 40%, 고도산화수단(AOP) 반응조에서는 111%의 제거율이 증가되었다. 다만 페놀의 경우와는 달리, 다공판이 없을 때는 오존접촉조 처리수와 고도산화수단 반응조의 처리수의 제거율 차이가 5% 증가에 불과하였으나, 다공판을 설치한 경우 제거율이 19%나 증가한 것으로 나타났다.

도 8은 음이온계면활성제 1ppm을 제조하여 도 7과 동일한 조건하에 실험한 결과를 나타낸 그래프로서, 다공판이 있는 반응조에서 음이온계면활성제의 제거율은 다공판이 없는 경우의 제거율에 비교하여 오존반응조에서는 10%, 고도산화수단(AOP) 반응조에서는 15% 증가된 제거율을 얻을 수 있었다.

도 9는 용존유기탄소(DOC) 2.5mg/L을 제조하여 전술한 페놀, 음이온계면활성제와 같은 오존주입농도로 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.

다공판이 없을 때 오존반응조와 고도산화수단 반응조 처리수의 제거율 차이는 5%이고, 다공판이 있을 때는 각 반응조 처리수의 제거율 차이가 21%로 페놀에 비해 제거율의 차이가 더욱 증가하였다. 또한, 다공판이 없는 기존 반응조 대비 다공판이 있는 접촉조는 용존유기탄소의 제거율 증가율은 오존접촉조에서 71%, 고도산화수단 반응기에서는 220% 로 나타났다.

이상의 실험결과가 나온 이유는, 미량 유기오염물질에 대한 오존속도 반응상수(K) 값의 차이에서 추론해 볼 수 있다. 즉, 페놀은 오존만에 의해서도 쉽게 분해되는 물질이므로, 고도산화수단에 따른 자외선/오존의 상호반응결과 생성되는 중간생성물인 OH 라디칼에 의한 산화처리에 의해서도 제거율이 크게 증가하지 않는다. 그러나, 비교적 분자량이 커 오존 단독공정만으로는 제거하기 어려운 음이온계면활성제(LAS)와 용존유기탄소(DOC)의 경우에는 고도산화수단을 병행하면서 다공판을 설치할 경우 증가된 용존오존농도로 인한 상대적으로 높은 OH 라디칼을 생성시킬 수 있었고, 그 결과 산화처리시 증가된 제거율을 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

본 발명은 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참고로 설명되었으며, 당업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 가능하다는 사실을 이해할 것이고, 본 발명에 따라 산소나 오존 등의 용존기체의 기포를 분해하여 용존율을 높이는 구성 및 방법은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 보아야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 수처리장치와 그 방법에 의하면, 기체와 액체의 접촉시 반응조내에 다공판을 설치함으로써 기포를 잘게 쪼개서 액체와의 접촉 표면적과 기체의 체류시간을 증가시키고 다공판 사이의 공간에 와류가 발생되어, 기체가 물에 쉽게 다량으로 용해될 수 있다. 오존을 이용해 실험한 결과 상대적으로 증가된 용존오존은 오존분자로서 산화반응을 일으키는 직접반응 또는 오존과 자외선 등의 상호반응결과 생성되는 OH 라디칼에 의한 산화반응을 일으키는 간접반응을 통해 다양한 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치와 방법을 이용하면 수처리장치의 전체 규모를 축소할 수 있으므로 경제성이 대폭 향상되고, 기체와 액체의 접촉을 이용하는 다양한 하폐수처리 분야에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다공판은 기존의 반응조에도 설치가 가능하므로, 종래의 수처리장치를 그대로 활용하여도 수처리 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 하폐수처리, 정수처리, 기타 유체에 기체를 용존시켜 처리하기 위한 반응조(10)에 설치된 산기기기(20)를 통해 산소, 오존을 포함한 용존성기체를 용존시키는 수처리장치에 있어서:

   상기 반응조(10)의 상기 산기기기(20) 상부에 다수의 작은 구멍(52)이 천공된 하나 이상의 다공판(50)을 일정 간격을 두고 설치함으로써, 상기 산기기기(20)에서 배출되는 상기 용존성기체의 기포(30)가 부력에 의해 상승하면서 상기 다공판(50)에 걸려 체류함은 물론 다공판의 구멍(52)을 통과함에 따라 잘게 쪼개져 기체의 용존효율, 이용율을 극대화하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 다공판(50) 사이에 장치되어 반응조(10)내의 액체에 자외선을 조사하거나 과산화수소를 주입하기 위한 고도산화수단(60)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 다공판(50)이 그물 형태의 체로 구성되는 것을 특징으로 하는 수처리장치.
4. 하폐수처리, 정수처리, 기타 유체에 기체를 용존시켜 처리하기 위한 반응조(10)에 설치된 산기기기(20)를 통해 산소, 오존을 포함한 용존성기체를 용존시키는 수처리방법에 있어서:

   상기 산기기기(20)에서 주입되어 부력에 의해 상승하는 상기 용존성기체의 기포(30)의 상승을 상기 반응조(10) 내에 다단계로 설치된 다공판(50)을 이용해 1차 저지하는 단계;

   상기 상승이 저지된 기포들이 상기 다공판(50)에 천공된 다수의 작은 구멍(52)을 통과하면서 작은 기포로 분해되어 재상승하는 단계;를 포함하여,

   상기 용존성 기체를 다공판을 이용하여 체류시간과 표면적을 증가시켜 처리효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 수처리방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 다공판(50)이 그물 형태의 체로 구성되는 것을 특징으로 하는 수처리방법.