KR20000072266A - 공극 제어형 여과장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수중의 부유물질을 효과적으로 분리·제거함과 동시에 여과장치에 포획된 부유물질을 신속하게 배제할 수 있는 공극 제어형 여과장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세한 섬유사, 부직포, 스폰지 등과 같은 신축성 여재로 여층(21)을 형성시키고, 여층(21)에 1개 또는 그 이상의 공극제어낭(24)을 배치하고, 여기에 공기와 같은 유체를 불어넣어 여층(21)의 공극율과 공극의 크기를 수평방향과 수직방향으로 조절할 수 있게 하였으며, 세척용 공기의 토출구(34)가 여과장치의 내부에 위치하도록 하고, 세척수를 여과장치의 상하 양 방향에서 선택하여 공급하거나 배출할 수 있도록 고안하여, 처리수의 수질과 여과속도를 임의로 조절할 수 있고, 여과저항의 증가속도를 억제하고 여과지속시간을 연장시켜 세척빈도와 세척에 소요되는 시간과 세척수 량을 줄일 수 있는 수단을 제공하는 여과장치.

Description

공극 제어형 여과장치 {Filter with Controlable Porosity and Pore Size}

본 발명은 물속의 부유물질을 제거하는 여과장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세한 섬유사, 부직포, 스폰지와 같은 신축성 여재와 공극제어낭을 사용하여 여층의 공극율과 공극의 크기를 임의로 조절하면서 여과할 수 있고, 세척용 공기를 여과장치의 하부로부터 공급하면서 세척수를 여과장치의 상하 양 방향에서 선택하여 공급하거나 배출할 수 있도록 고안하였기 때문에 여과조작과 세척조작이 용이하고 여층의 공극율과 공극의 크기를 제어할 수 있는 여과장치에 관한 것이다.

일반적인 여과장치는, 도 1에서 보는 바와 같이 원수 공급관(2)과 처리수 배출관(7), 세척수 공급관(6)과 배출관(1), 여재로 채워진 여층(4)으로 구성되고, 세척을 용이하게 하기 위하여 공기 공급관(5)과 압력조절 및 공기 배출변(8)이 부착되어 있다.

이러한 여과장치의 운전은 여과공정과 세척공정으로 나누어진다. 여과공정이란 부유물질을 함유한 원수를 여과장치에 유입시켜 부유물질이 제거된 깨끗한 처리수를 배출시키는 공정으로, 원수중의 부유물질을 여과장치의 여층 내의 공극에 체분리, 침전, 관성충돌, 차단, 흡착, 응집 등의 복잡한 메카니즘으로 억류·포획시키고, 깨끗한 물만 처리수로서 배출시키는 과정이다. 여과공정을 계속하게 되면 여층 내의 공극은 점점 부유물질로 채워지고 여과저항이 증가하여 더 이상 여과공정을 계속할 수 없는 상태에 이르게 된다. 이때 깨끗한 세척수와 공기 등을 주입하여 공극에 포획된 부유물질을 배제시키기 위한 세척공정이 필요하다. 따라서 여과장치의 성능은 부유물질의 제거효율, 여과속도, 여과지속시간, 세척수 사용량, 세척빈도 및 세척시간 등에 의하여 결정된다.

여층에 충전하는 여재는 모래, 안스라사이트, 무연탄 등과 같은 무기 입상의 재질이 주로 사용되어 왔다. 이러한 여재는 쉽게 구할 수 있다는 장점과 이들에 의하여 형성되는 공극의 크기보다 작은 입자도 제거할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 그러나 이러한 여재로 형성된 여층은 부유물질을 포획할 수 있는 공간이 표층 부근에 한정되어 있기 때문에 공극의 폐색으로 인한 여과저항의 급속한 증가를 초래한다. 따라서 역세척을 자주 해주어야 하는 단점이 있다. 부유물질이 여층의 표면 부근에서 주로 포획되는 단점을 해결하기 위하여 여층을 복층 또는 다층으로 개선한 여과장치도 개발되어 있으나, 각 층에는 서로 다른 입경과 밀도를 가지는 여재가 사용되고 있으며 층별 구분이 완전하지 않기 때문에 세척공정을 반복하면 여층간의 경계가 애매해져 처음의 목적을 달성하기 어렵다. 또 입상 여재를 사용할 때에는 역세시 여재가 유실되는 문제점이 여전히 남게된다.

최근에는 여과장치의 성능을 보다 향상시키기 위하여 섬유사를 여재로 사용하고, 여과기의 하단에 섬유사를 고정시켜, 원수 공급압력으로 여재를 압착시키고, 공기와 세척수 공급압력으로 여재를 팽창시키는 여과장치가 개발(등록번호 10-0241198)되어 있으나, 이 방법은 여층이 단층이고 여재의 압착 정도가 원수 공급압력에 의하여 결정되기 때문에, 부유물질의 포획공간이 적어 여과지속시간이 짧고 세척빈도가 잦으며 유입수의 수질변동에 대처하기가 쉽지 않고 목적하는 수질과 수량을 임의로 조절하기가 어렵다. 그래서 피스톤을 이용한 가변 필터층을 갖는 영구 여과장치(공개번호 특1999-030247)가 개발되었으나, 이 방법은 하향류식 여과방식을 따르고, 여과된 처리수만 세척수로 사용하기 때문에 일상적인 세척공정중에는 폐액을 여과장치에서 완전히 배제할 수 없으며 세척수를 많이 요구하는 단점이 있다. 또 여재를 피스톤에 의하여 수직 방향으로 압착하고 이완시키기 때문에 장시간 사용하면 여재의 손상이 우려되며, 피스톤을 작동시켜야 하는 별도의 동력전달 장치가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 여러 가지 단점을 보완·개선하여 여과속도와 여과지속시간을 향상시키고, 세척빈도와 세척수 사용량을 줄이고, 여재의 내구성을 향상시키면서도 수중의 부유물질을 효과적으로 제거할 수 있는 여과장치의 개발과 더불어 전반적인 수처리 공정을 간소화하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 수압, 중력, 부력, 그리고 공극제어낭에 의하여 여층의 공극율과 공극의 크기를 수직방향과 수평방향으로 동시에 조절할 수 있으며 부유물질의 포획공간을 최대로 확보할 수 있고, 특히 세척용 공기를 여과장치의 하부로부터 공급하면서 세척수를 여과장치의 상하 양 방향에서 선택하여 공급 또는 배출할 수 있음과 동시에 여재를 압착시킨 상태에서도 세척수를 배출시킬 수 있도록 고안하였기 때문에 위에서 밝힌 여러 가지 문제점을 동시에 해결할 수 있다.

본 발명에서 사용한 공극제어낭은 여재에 의한 외압보다 내압을 크게하면 주어진 형태로 팽창하여 주변의 여재를 압착하게 되고, 다시 내압을 해제시키면 외압에 의하여 수축되도록 설계되어 있다.

도 1은 일반적인 여과장치.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 여층 내에 설치한 공극제어낭을 이용한 여과장치(상향류식)의 개략도.

도 2a는 도 2에서 여과와 세척시 여층에 작용하는 힘의 분석도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 여층 내에 설치한 공극제어낭을 이용한 여과장치(하향류식)의 개략도.

도 3a는 도 3에서 여과와 세척시 여층에 작용하는 힘의 분석도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여층 밖에 설치한 공극제어낭을 이용한 여과장치(하향류)의 개략도.

도 4a는 도 4에서 여과와 세척시 여층에 작용하는 힘의 분석도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

도 1

1 세척수 배출관 2 원수 공급관

3 여과기 본체 4 여층

5 세척용 공기공급관 6 세척수 공급관

7 처리수 배출관 8 공기 배출변

도 2, 도 3, 도 4

(1) 처리수 배출부 (11) 공극제어낭 유체출입관

(11a) 안전변 (11a) 여층의 수직수축 제어관

(12) 세척수 공급관 (12a) 세척수 공급 노즐

(13) 처리수 배출관 (14) 상부 세척수 배출관

(15) 삼방변 (16)차양

(17) 다공판 고정장치 (18) 여층 상부 다공판

(18a) 1차 여층 상부 다공판 (18b) 2차 여층 상부 다공판

(19) 여층 하부 다공판 (19a) 1차 여층 하부 다공판

(19b) 2차 여층 하부 다공판 (11c) 공극제어낭 유체출입변

(12b) 세척수 공급변 (13a) 처리수 배출변

(14a) 상부 세척수 배출변

(2) 여과기 본체 (21) 여층

(21a) 1차 여층 (21b) 2차 여층

(22) 상부 플랜지 (23) 하부 플랜지

(24) 공극제어낭 (24a) 1차 여층 공극제어낭

(24b) 2차 여층 공극제어낭 (25) 보호망

(26) 공극제어낭 고정판

(3) 원수 공급부 (31) 세척용 공기 공급관

(32) 하부 세척수 배출관 (33) 원수 공급관

(34) 세척용 공기 토출구 (35) 스프링

(36) 세척용 공기 배출변 (31a) 세척용 공기 공급변

(32a) 하부 세척수 배출변 (33a) 원수 공급변

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 해당하는 상향류식 여과장치로서 공극제어낭(24)이 여층의 내부에 설치된 것을 보여준다. 여과장치 본체(2)의 하부에 원수 공급부(3), 상부에는 처리수 배출부(1)로 구성되어 있으며 각 부분은 상하 플랜지(22, 23)로 연결되어 있고, 본체(2)의 내부에는 섬유사를 사용한 신축성 여재로된 여층(21)과 공극제어낭(24), 그리고 보호망(25)으로 구성되어 있다. 보다 상세하게는 원수 공급부(3)는 원수 공급변(33a)이 부착된 원수 공급관(33)과 세척용 공기 공급변(31a)이 부착된 공기 공급관(31), 세척수 배출변(32a)이 부착된 하부 세척수 배출관(32), 그리고 원수 공급부(3)의 바닥면에는 여층(21)의 하부 다공판(19)을 상하로 이동시킬 수 있는 스프링(35)으로 구성되어 있다. 처리수 배출부(1)는 상부 세척수와 처리수를 분리하여 배출할 수 있는 삼방변(15)이 부착된 처리수 배출관(13)과 상부 세척수 배출관(14), 세척수 공급변(12b)과 세척수 공급 노즐(12a)이 부착된 세척수 공급관(12)과 햇빛 차단 및 비말 방지용 망상 차양(16), 그리고 공극제어낭(24)에 공기와 같은 유체를 공급 또는 배출할 수 있는 유체출입관(11)으로 구성되어 있다. 여층(21)에 충전되어 있는 신축성 여재와 공극제어낭(24)은 상하의 다공판(18, 19)에 고정되어 있고, 상부 다공판(18)은 처리수 배출부(1)의 다공판 고정장치(17)에 의하여 고정되어 있으며, 하부 다공판(19)은 원수 공급부(3)의 바닥에 고정되어 있는 스프링(35)과 연결되어 있다.

도 2a에서 보는 바와 같이, 여과시에는 여과압과 공극제어낭(24)의 부력의 합력이 정수압과 스프링(35)의 복원력의 합력과 같아질 때까지 여층(21)을 수직방향으로 압착시키고, 공극제어낭(24)의 내부 압력이 여재의 복원력과 같아질 때까지 여층(21)을 수평방향으로 압착시킨다. 또 세척시에는 세척수 공급압, 세척 공기 부상력, 그리고 스프링(35)의 반발력의 합력이 정수압과 세척수의 하부 배출압의 합력과 같아질 때까지 여층(21)을 수직방향으로 팽창시키고, 여재의 복원력이 공극제어낭(24)의 내압과 같아질 때까지 여층(21)을 수평방향으로 팽창시킨다.

여과공정은 여층(21)을 깨끗이 세척한 다음, 세척용 공기 공급변(31a), 원수 공급변(33a), 그리고 하부 세척수 배출변(32a)을 모두 잠근 상태에서, 상부 다공판(18)까지 여과된 깨끗한 물을 채우고, 처리수 배출관(13)과 상부 세척수 배출관(14)에 부착되어 있는 삼방변(15)을 돌려 처리수가 상부 세척수 배출관(14)으로 흐르도록 한 다음, 원수 공급변을 서서히 열어 원수를 여과장치 본체(2)에 공급하면서 여과속도와 처리수의 수질을 감시하고 안정된 수질과 수량이 확보될 때까지 공극제어낭(24)에 요구하는 정도의 공기를 채워 여층(21)의 공극율과 공극 크기를 조절한 다음, 삼방변(15)를 돌려 처리수가 배출되도록 한다. 이러한 상태에서 여과공정이 계속되면 여과장치 내의 여층에 억류된 부유물질이 증가하기 때문에 여과저항이 증가하고 처리수의 배출속도가 감소하거나 포획된 부유입자가 처리수로 배출하게된다. 이때 공극제어낭(24)의 배열과 형상이 여층(21)에 형성된 공극의 크기가 처리수 배출부(1)에 가까워질수록 작아지도록 하였기 때문에 다층여과의 효과를 기대할 수 있어 여층(21) 전체의 공간에 부유물질이 골고루 억류되고 여과지속시간을 연장하고 세척빈도를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 공극제어낭(24)에 공급하는 공기의 양과 압력을 조절하여 처리수의 양과 수질을 임의로 제어할 수도 있다.

처리수의 배출속도가 설정된 값보다 작게되거나 처리수의 수질이 목적하는 값보다 나빠지면 여과공정을 중단하고 세척공정으로 전환한다.

세척공정은 자동 또는 수동으로 수행할 수 있으며, 우선 원수 공급변(33a)을 잠근 후 삼방변(15)을 돌려 세척수가 상부 세척수 배출관(14)으로 흐르도록 한 다음, 세척용 공기 공급변(31a)을 열어 둔 상태에서 안전변(11a)과 콤푸레샤로 공극제어낭(24)에 공기를 배출하고 흡입하는 동작을 반복하도록 한다. 이렇게 하면 여층(21)이 수직방향과 수평방향으로 팽창과 수축을 반복하면서 여층내부에 포획된 부유물질이 탈리되고, 오탁된 세척수의 일부는 상부 세척수 배출관(15)으로 배출된다. 여층내에 포획된 부유물질이 충분히 탈리되었다고 판단되면 하부 세척수 배출변(32a)을 열어 오탁된 세척수를 완전히 배출시킨다. 다시 하부 세척수 배출변(32a)을 닫고 원수 공급변(33a)을 열어 세척용 공기와 함께 여과장치 내부의 물이 상부 다공판(18)에 이르도록 한 다음, 배출되는 세척수가 깨끗해질 때까지 상기한 조작을 반복하고, 마지막에는 상부 세척수 공급변(12b)을 열어 깨끗한 세척수를 충분히 흘려 보내면서 하부 세척수 배출변(32a)과 상부 세척수 공급변(12b)을 닫고 여과장치 내부를 청수로 채워 여과공정으로 전환시킨다.

세척공정을 쉽게 하려면 세척수로서 여과 원수를 사용하지 않고, 처음부터 상부 세척수 공급변(12b)을 열고, 공극제어낭(24)을 팽창, 수축시키면서 하부 세척수 배출변(32a)을 조절하여 여과장치 내부의 오탁된 세척수를 완전히 배제할 수도 있고, 일정 수위를 유지시키면서 연속적으로 오탁된 세척수를 배제시킬 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 해당하는 하향류식 여과장치로서 공극제어낭(24)이 여층의 내부에 설치된 것이다. 여과장치 본체(2)의 상부에 원수 공급부(3), 하부에는 처리수 배출부(1)로 구성되어 있으며 각 부분은 상하 플랜지(22, 23)로 연결되어 있고, 본체(2)의 내부에는 섬유사를 사용한 신축성 여재로된 여층(21)과 공극제어낭(24)으로 구성되어 있다. 보다 상세하게는 상부의 원수 공급부(3)는 원수 공급변(33a)이 부착된 원수 공급관(33)과 상부 세척수 배출변(14a)이 부착된 상부 세척수 배출관(14), 그리고 세척용 공기 배출 및 압력조절변(35)으로 구성되어 있으며, 하부의 처리수 배출부(1)는 하부 다공판(19), 공극제어낭(24)에 유체를 공급하거나 배제할 수 있는 관(11)과 세척용 공기 공급관(31), 그리고 바닥에는 처리수 배출관(13)과 세척수 공급관(12)으로 구성되며, 여층(21)에 충전되어 있는 신축성 여재와 공극제어낭(24)은 상하의 다공판(18, 19)에 고정되어 있고, 하부 다공판(19)은 처리수 배출부(1)에 위치한 다공판 고정장치(17)에 의하여 고정되어 있다. 또 상부 다공판(18)은 원수 공급부(3)의 꼭대기에 고정되어 있는 스프링(35)과 연결되어 있다.

도 3a에서 보는 바와 같이, 여과시에는 여과압과 정수압의 합력이 공극제어낭(24)의 부력과 스프링(35)의 복원력의 합력과 같아질 때까지 여층(21)을 수직방향으로 압착시키고, 공극제어낭(24)의 내부 압력이 여재의 복원력과 같아질 때까지 여층(21)을 수평방향으로 압착시킨다. 또 세척시에는 세척수 공급압과 세척 공기 부상력의 합력이 정수압과 스프링(35)의 반발력의 합력과 같아질 때까지 여층(21)을 수직방향으로 팽창시키고, 여재의 복원력이 공극제어낭(24)의 내압과 같아질 때까지 여층(21)을 수평방향으로 팽창시킨다.

여과공정은 여층(21)을 깨끗이 세척한 다음, 세척용 공기 공급변(31a), 원수 공급변(33a), 그리고 세척수 배출변(14a)을 모두 잠근 상태에서, 세척수 공급변(12a)을 열어 여과된 깨끗한 물을 상부 다공판(18)까지 채우고난 다음 다시 세척수 공급변(12a)을 잠그고, 공극제어낭(24)에 유체를 공급하여 여층의 공극율과 공극의 크기를 조절한 다음, 원수 공급변(33a)과 처리수 배출변(13a)을 열어 여과한다. 상향류식 여과장치와 마찬가지로 이러한 상태에서 여과공정이 계속되면 여과장치 내의 여층에 억류된 부유물질이 증가하기 때문에 여과저항이 증가하고 처리수의 배출속도가 감소하거나 포획된 부유입자가 처리수로 배출하게된다. 이때 공극제어낭(24)의 배열과 보호망(25) 형상이 여층(21)에 형성된 공극의 크기가 처리수 배출부(1)에 가까워질수록 작아지도록 하였기 때문에 다층여과의 효과를 기대할 수 있어 여층(21) 전체의 공간에 부유물질이 골고루 억류되고 여과지속시간을 연장하고 세척빈도를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 공극제어낭(24)에 공급하는 유체의 양과 압력을 조절하여 처리수의 양과 수질을 임의로 제어할 수도 있다.

처리수의 배출속도가 설정된 값보다 작게되거나 처리수의 수질이 목적하는 값보다 나빠지면 여과공정을 중단하고 세척공정으로 전환한다.

세척공정은 상향류 여과와 마찬가지로 자동 또는 수동으로 수행할 수 있으며, 우선 원수 공급변(33a)과 처리수 배출변(13a)을 잠근 다음, 세척수 배출변(14a)과 세척용 공기 공급변(31a)을 열어 둔 상태에서 공극제어낭(24)에 유체를 배출하고 흡입하는 동작을 반복하도록 한다. 이렇게 하면 여층(21)이 수직방향과 수평방향으로 팽창과 수축을 반복하면서 여층내부에 포획된 부유물질이 탈리되고, 오탁된 세척수와 공기는 세척수 배출관(14a)으로 배출된다. 여층내에 포획된 부유물질이 충분히 탈리되었다고 판단되면 다시 여과공정으로 전환하여 운전한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 해당하는 하향류식 여과장치로서 공극제어낭(24a, 24a)을 1차 여층(21a)과 2차 여층(21b)의 사이에 설치한 그림이다. 여과장치의 작동은 도 3의 하향류식 여과장치와 같으나 여재의 압착과 팽창 원리만 상이하다.

도 4a에서 보는 바와 같이, 여과시에는 1차 여층 공극제어낭(24a)의 내부 압력과 부력의 합력이 정수압과 여과압의 합력과 같아질 때까지 1차 여층(21a)을 압착시키고, 정수압, 여과압, 그리고 2차 여층 공극제어낭(24b)의 내부 압력의 합력이 2차 여층 공극제어낭(24b)의 부력과 같아질 때까지 2차 여층(21b)을 압착시킨다. 한편, 세척시에는 1차 여층 공극제어낭(24a)의 수축력과 정수압, 그리고 여재의 복원력의 합력이 세척압 및 세척 공기 부상력의 합력과 같아질 때까지 1차 여층(21a)을 팽창시키고, 2차 여층 공극제어낭(24b)의 수축력, 여재의 복원력, 그리고 세척압과 세척 공기 부상력의 합력이 정수압과 같아질 때가지 2차 여층(21b)을 팽창시킨다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 미세한 섬유사, 부직포, 스폰지 등과 같은 신축성 여재와 공극제어낭을 이용하여 부유물질을 포획할 수 있는 다양한 크기의 수많은 공극을 입체적으로 집적시켰고, 또 이 공극의 크기와 공극율은 공극제어낭으로 조절할 수 있도록 설계하였기 때문에, 용액속의 다양한 크기의 부유물질을 효과적으로 분리할 수 있을 뿐만 아니라 여층에 포획된 부유물질을 쉽게 탈리시켜 배제할 수 있는 특징을 지니며, 여층을 최대한으로 확보할 수 있도록 설계되어 있고, 여과 원수를 세척수로 사용할 수 있기 때문에 여과지속시간을 연장할 수 있고, 세척빈도와 세척수 사용량을 줄일 수 있는 실용적인 여과장치로 활용할 수 있다.

Claims (5)

1. 액체 속에 존재하는 부유물질을 제거함에 있어서,

   섬유사, 부직포, 스폰지 등과 같은 신축성 여재로 여층(21)을 형성시키고, 원수 공급부(3)에서 처리수 배출부(1)까지 공극율과 공극의 크기를 서로 다르게 조절할 수 있도록 1개 또는 그 이상의 공극제어낭(24)을 이용하여 여층을 수평방향과 수직방향으로 압착한 상태에서 여과하고, 세척시에는 공극제어낭(24)에 유체를 흡입 또는 배출시키는 동작을 반복하면서 세척용 공기를 여과장치의 하부로부터 공급하여 세척수를 여과장치의 상하 양 방향에서 선택하여 공급하거나 배출할 수 있도록 고안한 공극 제어형 여과장치.
2. 제1항에 있어서, 스프링(35)의 복원력과 반발력을 여재의 압착과 팽창에 보조적으로 이용한 공극제어형 여과장치.
3. 제1항에 있어서, 공극제어낭(24)을 여재와 분리된 공간에 설치하고, 공극제어낭(24)의 한쪽 끝에 길이가 서로 다른 여재를 연결시키고, 공극제어낭(24)이 수직방향으로 팽창되고 수축되도록 하여, 공극의 크기가 여층(21)의 수직방향으로 연속적으로 작아지거나 커지도록 한 공극제어형 다층 여과장치.
4. 제1항 또는 3항에 있어서, 완전히 독립된 2개 이상의 여층을 갖는 공극 제어형 다층 여과장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서 여과기 본체(2)가 장방형 또는 정방형인 여과 장치.