KR20020036884A - 캐비테이팅 워터젯을 이용한 오폐수 처리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐비테이팅 워터젯을 이용한 오폐수 처리 시스템에 관한 것으로서, 처리하고자 하는 오폐수를 저장하는 취수조; 동력모터를 구비하며, 취수조로부터 유입된 처리수를 가압하여 압축된 처리수를 배출하는 플런져 펌프; 플런져 펌프로부터 배출되는 처리수중 과압수를 감압시켜 취수조로 돌려 보내기 위한 감압 밸브; 플런져 펌프로부터 배출되는 고압수의 양을 조절하기 위한 온-오프 밸브; 온-오프 밸브를 통과한 고압수 중에 함유된 소정 크기 이상의 고형 불순물을 제거하기 위한 고압필터; 고압필터를 거친 처리수를 가열 또는 냉각하여 소정 온도로 유지하기 위한 열교환기; 열교환기에서 온도조절된 처리수가 도입되어 캐비테이팅 워터젯을 이용한 유체 공동화 반응이 진행되며, 유입구, 상부배출구 및 하부 배출구를 구비한 캐비테이션 반응기; 상기 반응기 하부 배출구로부터 취수조로 배출되는 하류수의 양을 조절하기 위한 배출밸브; 및 상기 반응기의 상부 배출구로부터 취수조로 배출되는 처리수의 압력을 조절하는 압력 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템을 제공한다.

Description

캐비테이팅 워터젯을 이용한 오폐수 처리 시스템{Wastewater treatment system using cavitating waterjet}

본 발명은 오폐수 처리 시스템, 보다 상세하게는 유체의 공동현상을 이용한 오폐수 처리용 캐비테이팅 워터젯 시스템에 관한 것이다.

오폐수 처리과정의 일례로서, 상수원에서의 정수 과정은 크게 전처리 단계, 여과 단계 및 살균 단계의 세 단계로 이루어진다. 상기 전처리 단계는 일반적으로스크린법, 침사법, 응집법 및 침전법에 의해 실시되고, 상기 살균 단계는 염소 또는 차아염소산나트륨 투입법, 오존 살균법, 자외선 조사 살균법 등에 의해 실시된다. 이와 같은 정수처리, 나아가 오폐수 처리과정 중 특히 여과 단계와 살균 단계는 다음과 같은 문제점을 안고 있다. 즉, 부영양화가 진전된 오수를 여과할 때에는 오염 물질들의 점성으로 인하여 여과막이 생성되어 여과 속도가 떨어지는 문제가 생기게 된다. 또한 염소 살균법의 경우에는 잔류 염소에 의한 냄새와 독성이 문제가 되고 있는데, 특히 상수원의 살균 과정 및 하수의 2차 처리 과정에서 용존 후민질과 훌루보산은 염소와 반응하여 발암 성분인 트리할로메탄 (THMs, 클로로포름 등) 을 생성하는 심각한 부작용이 있고(村田恒雄 編著, 김갑수 외 2인 共譯, 下水의 高度 處理 技術, 理工圖書, 서울, 한국, 2000), 동시에 처리수의 총 용존 고형물 (TDS) 함량을 증가시킬 뿐만 아니라 알칼리 성분이 충분하지 않을 경우 처리수의 pH를 낮출 수 있다.

아울러 자외선 살균법은 실시 비용이 비교적 높고 대용량의 장비를 개발해야 하는 과제가 남아있으며 오존법의 경우에는 처리 비용이 비교적 높다는 점 이외에도 취급 상의 안전 문제와 함께 시스템의 조작과 유지 상태에 따라 처리 과정과 결과가 민감하게 영향을 받게 되는 단점이 있다.

또한 대장균류 살균에서와 같이 소량의 염소 또는 오존을 투여하거나 저준위의 자외선을 주사할 경우, 바이러스나 포자 및 포낭 등과 같은 미생물들은 전혀 비활성화되지 않고 여전히 활동성을 유지하는 것으로 밝혀졌다(Crites, R. & Tchobanoglous, G., Small and decentralized wastewater management systems,McGraw-Hill, Singapore, 1998).

아울러 양어·양식 어업에 있어서 큰 문제 가운데 하나인 기생충 및 대장균은 그 유충이 수중에서 부유하는 중에 부화하여 물고기에 착생하는 과정을 따라 번식하게 되는데, 이와 같은 미생물을 제거하기 위하여 다량의 포르말린을 사용하고 있는 바 이는 대표적 발암성 물질이어서 주요 선진국에서는 사용을 억제하고 있다. 또한 과밀한 양식장의 경우에는 용존 이산화탄소의 함량 증가와 pH가 낮아지는 것을 막기 위해 석회를 뿌려주고 있는데 이는 물고기의 비늘이 벗겨지고 내장이 상하게 하는 원인이 된다.

또한, 이러한 양어장에서의 수중 미생물 살균 문제 이외에도, 남해와 동해 남부 수역을 비롯한 우리나라 연안 해역 및 담수호 곳곳에서 매년 발생하는 규조류와 편조류 등의 적조 생물들은 해당 수역 내의 양어·양식장에 막대한 피해를 입히는 것은 물론 연안 해양 생태계까지 심각하게 교란·파괴하고 있는데 현재 적조 피해를 최소화하기 위한 기술로는 해저 준설, 석회 및 황토 살포, 해저 경운 (sea-floor plowing), 및 폭기 방법 (aeration) 등이 실시되고 있다(국립 수산 진흥원, 수산 기술 정보 : 적조 상황 정보, 1999 및 한국의 적조, 1999).

그러나 해저 표층에 퇴적된 오염원을 제거하는 해저 준설법은 비용이 과다하고 기술 사용상 발생하는 여러가지 문제점들로 적용의 한계가 있으며, 전술한 바와 같이 어류의 비늘이 벗겨지게 하거나 내장이 상하게 하는 문제를 일으키는 석회 살포 방법은 유기물의 분해를 촉진하고 황화 수소의 발생을 막음으로써 해수의 부영양화 및 소기성화를 억제하는 경우에만 주로 사용된다.

아울러 황토 살포 방법은 해수 중의 부패성 유기 오염 물질과 플랑크톤 등이 응집·흡착·침전되는 원리를 응용한 것으로서, 코클로디니움을 70∼80% 정도 제거할 수 있고 그 외 14종의 적조 생물들에 대해서는 부분적으로만 억제할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 살포된 황토가 영양염류의 용출을 억제하는 작용을 하는 반면 어류의 아가미를 패쇄하여 호흡 장애를 일으키는 문제점이 있다(국립 수산 진흥원, 수산 과학 정보 : 적조 과학, 1999).

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 여과 막 생성으로 인한 여과 속도 저하 문제나, 잔류 염소에 의한 냄새와 독성 및 2차 오염의 가능성은 물론 트리할로메탄을 생성한다거나 pH가 저하되는 문제가 전혀 없고, 유기오염성분과 수중 미생물을 분해 또는 파괴할 수 있는 오폐수 처리 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 시스템 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의하여 실린더형 노즐을 구비한 반응기(12)의 대한 단면도이다.

도 3a 내지 3h는 본 발명의 다른 실시예에 의한 다양한 형상을 가진 노즐의 단면도들이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 순환회수에 따른 디클로로페놀 화합물의 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 순환시간에 따른 폴리염화비페닐의 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 순환시간에 따른 트리클로로에틸렌의 제거효율을 나타내는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 대장균의 살균효율을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 동력 모터 2 : 플런져 펌프

3 : 축압기 4 : 감압 밸브

5 : 온-오프 밸브 6 : 압력조절 밸브

7 : 고압 필터 8 : 열교환기

9 : 상류 압력계 10 : 하류 압력계

11 : 온도계 12 : 반응기

13 : 압력 조절기 14 : 배출 밸브

15 : 취수조 또는 오·폐수 탱크

21 : 노즐 홀더 22 : 몸체

23 : 윈도 플랜지 24 : 노즐

25 : 노즐 홀더 인서트 26 : 표적 지지대

27 : 실링(seal) 28 : 퍼스펙스(Perspex) 창

29 : 표적

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여,

캐비테이팅 워터젯을 이용한 오폐수 처리 시스템에 있어서,

처리하고자 하는 오폐수를 저장하는 취수조; 동력모터를 구비하며, 취수조로부터 유입된 처리수를 가압하여 압축된 처리수를 배출하는 플런져 펌프; 플런져 펌프로부터 배출되는 처리수중 과압수를 감압시켜 취수조로 돌려 보내기 위한 감압 밸브; 플런져 펌프로부터 배출되는 고압수의 양을 조절하기 위한 온-오프 밸브; 온-오프 밸브를 통과한 고압수 중에 함유된 소정 크기 이상의 고형 불순물을 제거하기 위한 고압필터; 고압필터를 거친 처리수를 가열 또는 냉각하여 소정 온도로유지하기 위한 열교환기; 열교환기에서 온도조절된 처리수가 도입되어 캐비테이팅 워터젯을 이용한 유체 공동화 반응이 진행되며, 유입구, 상부배출구 및 하부 배출구를 구비한 캐비테이션 반응기; 상기 반응기 하부 배출구로부터 취수조로 배출되는 하류수의 양을 조절하기 위한 배출밸브; 및 상기 반응기의 상부 배출구로부터 취수조로 배출되는 처리수의 압력을 조절하는 압력 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 플런져 펌프와 상기 온-오프 밸브 사이에, 상기 플런져 펌프로부터 배출되는 압축수를 저장하여 압력을 조절하기 위한 축압기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 온-오프 밸브와 상기 고압 필터 사이에, 온-오프 밸브를 통과한 고압수 중 일부를 취수조로 환송하기 위한 우회스로틀 밸브를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 캐비테이션 반응기로 유입되는 고압수의 압력을 측정하기 위한 상부 압력계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 캐비테이션 반응기의 하부 배출구로부터 배출되는 하류수의 압력을 측정하기 위한 하부 압력계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실실예에 의하면, 상기 캐비테이션 반응기로 도입되는 고압수의 압력이 4 ∼ 40 MPa이 되도록 상기 감압밸브, 온-오프 밸브 또는 우회스로틀 밸브를 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 캐비테이션 반응기의 하부 배출구로부터 배출되는 처리수의 압력이 1.5 MPa이 되도록 상기 압력 조절기 또는 배출 밸브를 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 열교환기를 거친 고압수의 온도가 5 ∼25℃가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명은 유체의 공동 현상(cavitation)을 응용한 오·폐수 처리 기술에 관한 것으로 각종 환경 오염 유기 물질 또는 미생물 등이 함유된 폐수를 고안된 반응기 내로 주입하여, 캐비테이션 기포가 붕괴(collapse) 할 때 그 주위에 발생하는 고온(약 5,000。C 정도), 수 GPa 의 초고압 및 마이크로제트 (microjet) 그리고 라디칼로써 오염 물질과 미생물을 분해·산화·파쇄시켜 처리함을 특징으로 한다.

상수원의 살균 과정에서 투입된 잔류 염소 성분은 냄새와 독성 뿐만 아니라 용존 후민질 및 훌루보산과 반응하여 트리할로메탄을 생성하고 총 용존 고형물 (TDS) 함량의 증가와 pH의 저하를 불러 일으키게 되는데, 본 발명에 의한 수처리 방법은 아무런 첨가제를 사용하지 않고 오·폐수 자체를 캐비테이션 제트 반응기에 주입하여 캐비테이션 기포의 붕괴시 발생하는 라디칼과 초고 충격파, 초고압 마이크로 제트 등이 갖는 강력한 산화, 분해, 침식 (erosion), 절삭 작용 (cutting) 으로써 수중 미생물을 포함한 모든 오염 성분을 파괴 또는 분해하게 된다.

따라서 잔류 염소에 의한 냄새와 독성 및 2차 오염의 가능성은 물론 트리할로메탄을 생성한다거나 pH가 저하되는 문제는 전혀 없게 되며 오히려 캐비테이션기포군의 발생에 따른 용존 이산화 탄소의 함량 감소로 pH가 상승하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 점성이 큰 유기 오염 물질들은 상기한 라디칼과 초고 충격파, 초고압 마이크로 제트 등에 의해 쉽게 분해되기 때문에 여과막 생성으로 인한 여과 속도 저하 문제는 곧바로 해결된다.

아울러 대장균류의 일종인 E. 콜라이균 (E. coli bacteria) 은 순수 워터제트(plain waterjet)를 사용할 경우에 552 MPa의 압력으로 1∼2분 간 연속적으로 분사할 때라야 파괴되는 것으로 보고되었고(Hashish, M., 6th Pacific Rim Int. Conf. on Water Jetting Tech., Sydney, Australia, 2000, pp.18-29.), 헤테로보츠륨의 충란은 50 ppm 이상의 염소 농도하에서 또는 600 MPa 정도의 고압하에서도 생존하는 것으로 밝혀졌는데, 본 발명 장치로는 40 MPa 정도 이하의 저압에서도 이들을 매우 효과적으로 파괴할 수 있다.

이상과 같이 캐비테이션 제트에 의한 폐·오수의 처리 방법은 종래의 정수 방법에 비하여 비교적 낮은 처리 비용으로써 안전하고 수월하게 대부분의 유기 오염 물질들과 수중 미생물들을 무차별하게 분해·살균할 수 있다.

한편 양어·양식장에서 살균제로 투입되는 포르말린과 같은 발암성 살균제 또는 기타의 화학 제제의 사용이 전혀없이 수중 기생충과 대장균을 비롯한 각종 미생물은 물론, 집어제 등의 투입과 유입된 유기 물질로 인해 오염된 물을 캐비테이션 제트 반응기에 주입, 무차별하게 파괴·살균하게 될 뿐만 아니라 캐비테이션 기포군의 발생에 따른 용존 이산화 탄소 함량 감소로 pH의 증가되는 효과와 함께 석회 투입이 불필요하게 되어, 결과적으로는 어패류를 손상함없이 생존 환경을 보다향상시킬 수 있는 매우 효과적인 청정 기술이다.

더욱이 이러한 수중 기생충과 대장균 이외에도 매년 우리나라 연안 해수 및 담수호에서 출현하여 막대한 피해를 주는 규조류와 편모 조류, 조개류를 독화시켜 식중독을 일으키는 유독성 플랑크톤 및 기타 적조 생물들을 제거하는 경우에도 종래의 해저 준설, 석회 및 황토 살포, 해저 경운 및 폭기 방법 등과 비교하여 볼 때 보다 낮은 비용으로써 어패류에 아무런 장애를 초래함 없이 안전하게 거의 모든 유기 오염 물질들과 수중 미생물들을 무차별하게 분해 또는 살균할 수 있다.

본 발명의 주요 특징인 유체의 공동 현상은 개략적으로 다음과 같이 설명될 수 있다.

액체의 기화는 액체의 온도가 상승하여 액체가 끓거나 또는 액체 내의 압력이 증기압 이하로 저하함에 따라 캐비테이션이 일어나는 두가지 과정으로 구별되는데 본 발명은 후자의 현상을 응용한 것이다.

즉 비압축성 유체의 에너지 보존 법칙은 하기 수학식 1의 베르누이의 정리로 나타낼 수 있다.

상기 식에서, υ는 유속, P는 압력, ρ는 밀도, g는 중력가속도, z는 임의의 수평면에서의 높이이다.

수중에 워터 제트가 분사되는 경우와 같이, 유체의 속력이 증가하게 되면 유체 내의 압력이 국소적으로 액체의 포화 증기압 이하로 저하되는데, 이 때 액체 내에는 물 분자와 비응축성 기체 분자로 이뤄진 캐비테이션 기포군 (cavitation cloud) 이 발생하게 된다(Rayleigh, J.W.S., On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity, Phil. Mag. No. 34, 1917, pp.94-98., Plesset, M.S. & Chapman, R.B., Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neighbourhood of the solid boundary, J. Fluid Mech., Vol. 47, 1971, pp.283-290., (주)에셀감돌, CWJ 환경 응용 신기술, 서울, 한국, 2000).

아울러 유속이 감소하면서 압력이 회복되면 각각의 캐비테이션 기포 (cavitation bubble)는 수축-재팽창(rebound)-붕괴의 과정을 거치면서 수 GPa에 이르는 충격압과 약 5,000。C 에 이르는 고온 환경을 기포 근방에 형성하는 동시에 붕괴되는 기포 내에는 마이크로 제트를 발생시키고, 붕괴되는 기포 주위에는 기포 및 계면 구성 물질로부터 유리된 라디칼 (하이드록실기 및 과산화 수소 등등) 을 생성시킨다(加藤洋治 編, キャビテ-ション - 基礎と最近の進展, 日本, 1999 및 Summers, D.A., Waterjetting technology, E & FN SPON, U.K., 1995).

이 때 기포 주위에 생성된 라디칼과 초고 충격파, 초고압 마이크로 제트 등은 함께 미세한 반응기(micro reactor)처럼 작용하여 약 5,000。C 정도의 고온과 수 GPa 의 압력으로써 주위의 물체를 산화, 분해, 침식, 절삭시키게 되는데, 대기 중에 분사되는 동일한 수력(jet power)의 워터 제트에 비교하여 볼 때, 최소한 수배 이상의 월등한 산화, 분해, 침식, 절삭 등의 능력을 갖게 된다. 이러한 캐비테이션기포군의 상대적인 강도는 하기 수학식 2로 나타내어지는 캐비테이션 수 (cavitation number) σ로 정의된다.

상기 식중, P₁은 워터 제트 분사 압력 (MPa) 또는 상류압력, P₂는 반응기 내의 유체 압력 (MPa) 또는 하류압력, 그리고 P_υ는 유체의 포화 증기압 (MPa)이다.

캐비테이션 기포군이 발생하는 최적 조건은 기포핵의 존재 양상 및 용존 기체 농도, 반응기 내의 유체 압력과 속도 액체의 증기압, 표면 장력, 동점성 계수, 압축성, 비열, 열전도율, 증발 잠열, 난류도 그리고 캐비테이션 기포가 성장하기에 충분한 시간적 여유 등의 여러 가지 요인에 따라 변화하나 대개 0.01∼0.06 사이의 범위에 있다.

이하에서는 이러한 캐비테이션 원리를 응용한 본 발명 장치를 사용하여 종래의 상수원수의 정수 과정이나, 양어·양식 어업에 있어서의 살균 및 수질 조절 과정, 그리고 적조 저감 기술 적용상 드러난 문제점들을 해결할 수 있는 예를 구체적인 사안을 들어 설명하고자 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 전처리, 여과, 살균의 세 단계로 이뤄지는 종래의 상수원수 정수 과정은 폐수 처리 시약을 다량 살포함으로써 잔류 시약에 의한 독성 문제와 트리할로메탄과 같은 새로운 발암 물질을 생성하는 등 부차적인 문제를 끊임없이 일으키고 있다. 또한 매년 우리나라 연안 해역 및 담수호 곳곳에서 발생하는 적조 현상은 해당 수역 내의 양어·양식장에 막대한 피해를 입히고 연안 해양 생태계를 파괴하고 있는 바, 적조 피해를 저감하는 종래의 기술로는 현재 해저 준설, 석회 및 황토 살포, 해저 경운 및 폭기 방법 등이 사용되고 있는데 이러한 기술들은 대체로 과다한 비용 및 기술 적용 상의 어려움과 함께, 제거 가능한 종류의 조류 일부에 국한될 뿐만아니라 광범위하게 발생한 조류를 제대로 제거·억제하는 기능이 없는 단점이 있고, 아울러 흔히 사용되는 황토의 경우에는 어류의 아가미를 패쇄하여 호흡 장애를 일으키는 등의 문제점도 안고 있다.

이에 비하여 본 발명은 첨가제를 전혀 사용하지 않고 오염된 물만을 반응기에 주입하여 분산·용해되어 있는 각종 환경 오염 유기 물질과 수중 미생물 (각종 바이러스, 대장균 및 각종 조류) 등을 라디칼과 초고압 충격파, 초고압 마이크로 제트 등으로 산화, 분해, 침식, 절삭하는 과정을 통해 효과적으로 제거할 수 있는 신규 기술이다.

특히, 공동 현상은 지난 한 세기가 넘는 동안 펌프, 수력 터빈 및 프로펠러, 밸브, 유체 동력계 및 커플링, 디젤 엔진의 실린더 라이너 및 연료 공급 장치 등등 해양·선박 공학, 항공 공학, 기계 공학을 위시한 각종 유체 동력 장치 분야에서 유체 기계의 성능 저하와 기기 내부 표면의 침식 및 소음과 진동을 일으키는 골치아픈 문제로 인식되어 왔고, 지금까지도 세계 각국에서는 이를 억제 또는 감쇄할 수 있는 기술 개발에 몰두해 오고 있다.

반면에 최근 몇몇 선진국에서는 이러한 공동 현상에 수반된 갖가지 물리화학적인 효과를 응용하여 반도체, 금속, 세라믹 재료 등의 표면 물성 개량 및 가공을 위한 원천 기술을 포함해서 의료, 유기·고분자 화학, 전기 화학, 초음파 촉매 화학 등 일련의 초음파 화학 (sonochemistry) 응용 분야에서 집중적이고도 광범한 연구개발 사업을 추진하고 있는 한편, 기중 또는 수중 분사 방식의 일부 상용화된 캐비테이션 워터제트 공업 세정 및 해양, 건설용 장비의 개량화에도 힘을 기울이고 있다.

이와 같이 수많은 산업 부문에서 실용화 기술로 크게 기대되는 캐비테이션 기포를 발생하는 방식은 초음파 유도 발생 방법과 수중 분사 워터제트에 의한 방법으로 대별되는데 전자의 경우에는 발생 장치의 대형화에 한계가 있으며, 현재는 주로 세척·세정기로 개발·상용화되고 있다.

본 발명은 후자의 캐비테이션 워터제트를 오폐수 처리 기술에 응용한 것으로 비교적 저압의 대유량 플런져 펌프와 개량 리히타로비치 셀형 (Lichtarowicz cell-type) 반응기(ASTM Designation G 134-95, Annual Book of ASTM Standards, U.S.A., 1995)를 포함한다.

아울러 폐쇄·순환되는 취수조 또는 오·폐수 탱크의 경우 시간 당 12∼14 % 정도로 용존 산소량이 감소할 수 있고, 이는 캐비테이션 기포군의 발생에 영향을 미칠 수 있으므로 경우에 따라 수조에 기포 발생기를 설치하여 용존 산소량을 보충할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1의 시스템은 중저압용 플런져 펌프(2)를 구동하기 위한 동력 모터(1)를 구비하여, 취수조(15)로부터 유입된 처리수가 플런져 펌프(2)를 거치면서 4 ∼ 40 MPa 정도의 고압수가 되도록 한다. 플런져 펌프(2)에서 분출된 처리수는 대개 2 ∼ 7% 정도 과압되거나 6 ∼ 19% 감압되는데, 일부의 과압수는 감압 밸브(4)를 통과하여 취수조(15)로 다시 되돌아 가며, 나머지는 축압기(3)에 저장되어 4 ∼ 40 MPa 정도의 압력으로 조절된 후 플런져 펌프(2)로부터 배출된 처리수와 함께 온-오프(5) 밸브를 통과한다. 이 때 온-오프 밸브(5)를 통과한 잔류 과압수는 우회 스로틀 밸브(6)에 의해 취수조(15)로 보내지며, 나머지는 고압필터(7)를 통과하여 지름 0.4∼1.0 mm 이상의 입자 또는 물체를 걸러내는 과정을 거친다. 고압 필터(7)를 거친 처리수는 가열·냉각 겸용의 열교환기(8)를 통과하여 5∼25。C의 온도 범위를 갖도록 조절된 상태에서 캐비테이션 반응기(12)로 도입되어 유체 공동화 반응을 거친 후 배출되는데, 위로 배출되는 일부의 1.5 MPa을 초과하는 과압 처리수는 압력 조절기(13)를 통해 다시 압력이 조절된 후 취수조(15)로 보내어지고, 나머지 하류는 1.5 MPa 이하의 압력이 유지되는 상태에서 배출 밸브(14)를 지나 취수조(15)로 도입된다.

본 장치의 상류 압력 범위는 처리 대상 물질에 따라 4∼40 MPa의 범위로 조정된다. 캐비테이션 반응기(12)로 도입되기 전 처리수를 상류수라 하고, 캐비테이션 반응기(12)로부터 배출되는 처리수를 하류수라고도 하는데, 상부 압력계(9)는 상류수의 압력을 측정하기 위한 것이고, 하부 압력계(10)는 하류수의 압력을 측정하기 위한 것이다. 따라서, 상부 압력계가 4∼40 MPa의 범위를 가리키도록 감압밸브(4), 온-오프 밸브(5) 및 우회스로틀 밸브(6)를 사용하여 상류수의 압력을 조절하고, 하부 압력계는 1.5 MPa 이하의 범위를 가리키도록 압력조절기(13)와 배출밸브(14)를 이용하여 하류수의 압력을 조절한다.

반응기(12)에서의 캐비테이션 반응이 효율적으로 진행되기 위한 요건으로서 수학식 2로 표시되는 캐비테이션 수(σ)가 0.01 ∼ 0.06 인 것이 바람직한데, 이 범위에서 최적의 기포군이 유지되기 때문이다. 따라서, 상기와 같은 캐비테이션 수 범위를 유지하기 위해서는 상류수 및 하류수의 압력 범위는 저압 장비를 사용하여 저에너지 비용으로써 고효율의 수처리 방법을 제공하는 본 발명의 특징상 상류수의 압력이 4 ∼ 40 MPa 이고, 하류수의 압력이 1.5 MPa 이하인 것이 바람직하다.

도 2의 반응기는 노즐(24) 및 노즐 홀더 인서트(25)가 실링(27)으로써 노즐 홀더(21)에 결속된 상태에서, 퍼스펙스 창(28)이 좌우에 각각 1개가 달린 몸체(22) 왼쪽 부분에 결합시킨 다음, 좌단에 표적(29)이 고정된 표적 지지대를 실링(27)으로써 몸체(22) 오른쪽 부분에 접합시킨 구조를 갖고 있다.

고압 필터(7) 및 열교환기(8)를 거쳐 반응기에 도입된 4∼40 MPa의 압력 및 5∼25。C 온도 범위의 처리수는 노즐(4)에서 분사된 이후 표적(29) 표면에 부딪히는 과정에서 유체 공동화 반응을 거치게 되는데, 반응이 진행되는 동안 퍼스펙스 창(28)을 통해 육안으로 캐비테이션 기포군의 상태를 관찰하면서 반응기 내의 압력을 1.5 MPa 이하로 조절, 최적의 기포군이 유지되도록 한다.

노즐(24) 및 표적(29)의 재질은 내마모성 및 내부식성이 강한 재질이 바람직하며, 구체적으로 Nitronic-60(상품명, 미국 Armco Advanced Materials Corp. 제품) 또는 SUS 304을 예로 들 수 있다. 기타 펌프를 포함한 본 장치의 모든 부품은 스테인레스 강재인 것이 바람직하다. 노즐의 형상과 크기는 본 발명 장치의 성능에 밀접한 관련이 있는 것으로서, 비록 도 2에는 실린더 형상의 노즐만 도시되어 있지만, 분해 또는 처리 대상 물질에 따라 이에 적합한 형상 및 크기의 노즐을 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 도 3a 내지 3h 에 도시된 다양한 형상의 노즐이 있다.

<실시예 1> 클로로페놀(chlorophenol) 화합물의 제거

목재 등의 보존 처리 공정에 쓰이는 클로로페놀은 다이옥신 발생원의 하나로 확인되고 있다. 본 실시예에서는 2,3-디클로로페놀(제1 계열)과 2,4-디클로로페놀(제2 계열)을 각각 리터 당 10mg을 함유한 용액을 도 1에 도시된 시스템에 4회 순환시켜 처리하였다. 상류 압력은 20 MPa, 하류 압력은 1.5MPa이 되도록 하였다.

결과는 도 4에 나타낸 바와 같으며, 제1 계열은 17 %, 제2 계열은 31%가 제거되었다. 제1 계열과 제2 계열의 제거율의 차이는 벤젠 고리 내에서의 염소 원자의 위치에 기인되는 것으로 예측되며, 캐비테이션 제트에 의한 유기 물질의 분해 특성에 관한 기초 자료로도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

<실시예 2> 비페닐 (biphenyl) 의 제거

비페닐의 치환체로서 환경성 내분비 교란 물질 (EED) 로 널리 알려진 폴리염화비페닐 (PCBs)은 수질 환경 기준 상 검출되어서는 안 될 물질로 규제되고 있다. 본 실시예에서는 근원 물질로서 비페닐(biphenyl)을 택하여 물과 에틸알콜의 혼합 용매에 용해하여 얻은 용액 (5 mg/l) 을 도 1의 시스템에 주입하여 분해하였다. 상류압력은 15 MPa, 하류압력은 1.5 MPa이 되도록 하였다.

도 5에서 보는 바와 같이 순환·분해 과정이 1.5 시간 가량 경과하였을 때 이미 62 % 이상 분해되었고, 3.5 시간이 경과하자 93 % 까지 제거되었다.

<실시예 3> 트리클로로에틸렌 (trichloroethylene) 의 제거

전자 공업 단지 등의 공장 폐수로부터 유입되는 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌, 트리클로로에탄 등의 유기 용매는 미량 성분일지라도 장기간 인체에 흡수될 경우 암을 유발하는 것으로 알려져 있는데, 본 실시예에서는 이 중에서도 대표적인 발암 물질로 주목받고 있는 트리클로로에틸렌을 택하여 분해 시험을 실시하였다. 시험 용액 (0.25 mg/l) 은 8시간 이상 교반하여 얻었으며 테플론 테이프로 밀봉하여 증발 손실을 최소화 하였다. 상류압력은 30 MPa, 하류압력은 1.5MPa 이 되도록 하였다.

도 6에 나타난 바와 같이 트리클로로에틸렌은 3.5시간 순환 후 약 89 % 정도 제거됨으로써 지하수 수질 기준 (0.03 mg/l) 과 배출 허용 기준 (0.06 mg/l) 이하로 낮아진 것이 확인되었다.

<실시예 4> 대장균 (coliform) 의 파괴

양어·양식장에서는 생산량을 크게 떨어뜨리는 수인성 대장균 및 기생충으로인한 피해를 줄이기 위하여 다량의 포르말린을 사용하고 있는 실정이나 이는 대표적 발암성 물질임은 주지의 사실이다. 따라서 본 실시예에서는 새로운 대장균의 파괴 방법인 동시에 우리나라의 연안 수역과 담수호에 자주 출현하여 피해를 주는 규조류를 위시한 편모 조류, 유독성 플랑크톤 및 기타 적조 생물들을 제거하는 기초 기술로서, 도 1의 장치를 사용하여 하천수 중의 대장균을 대상으로 살균 시험을 실시하였다. 상류압력은 40 MPa, 하류압력은 1.5 MPa로 하였다.

도 7에서 보는 바와 같이 캐비테이션 제트에 의한 살균 과정은 순환·살균 초기부터 1.5 시간 이내까지 매우 급속하게 이루어지는데 이 때까지 약 54 % 의 대장균이 파괴되었고 5 시간이 경과한 후에는 대부분의 대장균이 살균되었다.

아울러 본 발명 기술을 적용하게 되면 40 MPa 이하의 캐비테이션 제트로써 순환한 지 2시간 이내에 암모니아성 질소 함량을 13 ppb에서 6 ppb로 낮추는 한편 pH는 7.5에서 8.2로 올릴 수 있음으로써 어패류의 생존 환경을 개선하는 효과까지도 얻을 수 있다.

본 발명은 첨가제를 전혀 사용하지 않고 처리하고자 하는 오폐수 만을 반응기에 주입하여, 라디칼과 초고압 충격파, 초고압 마이크로 제트 등으로 산화, 분해, 침식, 절삭하는 과정을 통해, 오폐수 중에 분산·용해되어 있는 다이옥신을 포함한 각종 환경 오염 유기 물질과 수중 미생물 (각종 바이러스, 대장균 및 각종 유해 조류) 등을 효과적으로 제거할 수 있으며, 구체적으로는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

1. 상수원의 살균 과정에서 있어서 잔류 염소에 의한 냄새와 독성 문제와 발암 물질 (THMs 등) 을 생성하는 등의 부차적인 문제를 전혀 일으키지 않으면서 유기 오염 물질들과 수중 미생물들을 무차별하게 분해 또는 살균할 수 있다. 동시에 캐비테이션 기포군의 발생에 따른 용존 이산화 탄소 함량의 감소로 pH의 저하를 막는 효과가 있으며, 점성이 큰 유기 오염 물질들은 상기한 라디칼과 초고 충격파,초고압 마이크로 제트 등에 의해 쉽게 분해되기 때문에 여과 막 생성으로 인한 여과 속도 저하 문제를 해결할 수 있다.

2. 양어·양식장의 경우와 같은 발암성 살균제 (포르말린) 의 사용할 필요없이 수중 기생충과 대장균을 위시한 각종 미생물과 유기 오염 물질들을 제거하는 동시에 캐비테이션 기포군의 발생에 따른 용존 이산화 탄소 함량의 감소로 pH가 상승하는 효과를 얻는다. 아울러 이산화 탄소 증가를 막기 위하여 석회를 뿌려주는 것이 불필요하게 되므로 어류의 비늘이 벗겨지거나 내장이 상하게 되는 일 없이 보다 나은 생존 환경을 조성할 수 있다.

3. 우리나라의 연안 해수 및 담수호에 매년 출현하는 규조류를 위시한 편모 조류, 유독성 플랑크톤 및 기타 유해 적조 생물들이 농집된 해역 또는 수층을 선별하여 집중적으로 분해 또는 살균할 수 있다. 또한 캐비테이션 기포군의 발생에 따른 용존 이산화 탄소 함량의 감소로 pH가 상승하는 효과와 함께 수중 미생물 이외에 유해한 유기 오염 물질들을 분해·제거하게 되며 황토 살포 등으로 인한 어패류의 호흡 장애를 일으키는 일 없이 보다 낮은 비용과 쉬운 조작으로 바다 생태 환경을 청정하게 하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 캐비테이팅 워터젯을 이용한 오폐수 처리 시스템에 있어서,

   처리하고자 하는 오폐수를 저장하는 취수조;

   동력모터를 구비하며, 취수조로부터 유입된 처리수를 가압하여 압축된 처리수를 배출하는 플런져 펌프; 플런져 펌프로부터 배출되는 처리수중 과압수를 감압시켜 취수조로 돌려 보내기 위한 감압 밸브;

   플런져 펌프로부터 배출되는 고압수의 양을 조절하기 위한 온-오프 밸브;

   온-오프 밸브를 통과한 고압수 중에 함유된 소정 크기 이상의 고형 불순물을 제거하기 위한 고압필터;

   고압필터를 거친 처리수를 가열 또는 냉각하여 소정 온도로 유지하기 위한 열교환기;

   열교환기에서 온도조절된 처리수가 도입되어 캐비테이팅 워터젯을 이용한 유체 공동화 반응이 진행되며, 유입구, 상부배출구 및 하부 배출구를 구비한 캐비테이션 반응기;

   상기 반응기 하부 배출구로부터 취수조로 배출되는 하류수의 양을 조절하기 위한 배출밸브; 및

   상기 반응기의 상부 배출구로부터 취수조로 배출되는 처리수의 압력을 조절하는 압력 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 플런져 펌프와 상기 온-오프 밸브 사이에, 상기 플런져 펌프로부터 배출되는 압축수를 저장하여 압력을 조절하기 위한 축압기를 더 구비하는 것을 특징으로 오폐수 처리 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 온-오프 밸브와 상기 고압 필터 사이에, 온-오프 밸브를 통과한 고압수 중 일부를 취수조로 환송하기 위한 우회스로틀 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 반응기로 유입되는 고압수의 압력을 측정하기 위한 상부 압력계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 캐비테이션 반응기의 하부 배출구로부터 배출되는 하류수의 압력을 측정하기 위한 하부 압력계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
6. 제1항 내지 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비테이션 반응기로 도입되는 고압수의 압력이 4 ∼ 40 MPa이 되도록 상기 감압밸브, 온-오프 밸브 또는 우회스로틀 밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
7. 제1항 내지 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐비테이션 반응기의 하부 배출구로부터 배출되는 처리수의 압력이 1.5 MPa이 되도록 상기 압력 조절기 또는 배출 밸브를 조절하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 열교환기를 거친 고압수의 온도가 5 ∼25℃가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 오폐수 처리 시스템.