KR200202246Y1

KR200202246Y1 - 고농도 오수처리를 위한 분사식환형회로반응조 장치

Info

Publication number: KR200202246Y1
Application number: KR2020000015872U
Authority: KR
Inventors: 김성광; 최용관
Original assignee: 주식회사삼안건설기술공사
Priority date: 2000-06-03
Filing date: 2000-06-03
Publication date: 2000-11-15

Abstract

본 고안은 고농도폐기물 처리방법중 하나인 Jet Loop Reactor(JLR)의 처리방법을 개선한 것으로서 본 장치는 Tower형 구조를 갖는 Loop Reactor(LR)의 일종으로서 반응조내에서 뚜렷한 방향성을 갖는 순환흐름을 갖고 노즐을 통하여 공기와 유체를 혼합하여 분사시킴으로서 산소전달율을 높이는 생물반응조이다.

따라서 본 고안은 짧은 수리학적 체류시간에 높은 처리효율을 기대할 수가 있으며, 반응조의 구조가 간단하여 운전이 용이하며 기계의 고장 및 유지관리가 손쉽다는데 장점이 있다. 또한 소요부지면적이 적으며, 산소전달율이 재래식 활성슬러지 공정에 비하여 매우 높다는데 있다.

이에 본 고안은 반응조내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있고 짧은 체류시간에 고부하-고효율의 운전이 가능한 장치를 제공하기 위한 처리장치에 관한 것이다.

본 고안은 축산오수와 같은 고농도 오수의 고부하-고효율 처리장치를 개발하기 위해 고안되었다. 축산오수의 겨우 유기물농도(양돈폐기물의 경우 분 60,000mg /L, 뇨 3,500∼4,000mg/L)가 높아 재래적인 방법으로 처리할 경우 넓은 부지면적과 큰 시설용량을 필요로 하게 된다.

따라서 과다한 시설비 및 동력비가 필요하게 되어 우리나라와 같이 소규모의영세한 형태를 보이는 축산농가에서는 적용하기 힘든 형편이다.

이에 본 고안은 축산오수와 같은 고농도 오수를 고부하 운전조건에서 고효율로 처리가 가능하게 함으로서, 처리효율이 증대와 아울러 기존 분사식환형회로반응조의 단점을 개선함으로서 보다 적당한 고농도오수 처리장치를 제공하기 위한 것이다.

본 고안은 내부에 유도관을 갖는 실린더형 반응조로 전체 모양은 tower형이다. 세부구조는 크게 실린더형반응조, 유도관, 벤츄리노즐, 기체-액체 분리조의 4부분으로 구분된다.

반응조 상단에는 거품발생에 대비하기위한 여유고( 200mm)를 두었다. 반응조로의 시료주입은 내부 순환관의 흡입부로 하게 된다. 주입된 시료는 내부순환 혼합액과 함께 벤츄리노즐로 연결되며 벤츄리노즐에서는 순간적인 압력강화에 의해 공기흡입관을 통해 흡입된 외부공기와 혼합되어 반응조내 유도관으로 강하게 분사된다.

따라서 유입시료는 반응조로 유입되기까지 내부순환관속에서 1차 혼합이 이루어지고 벤츄리노즐을 통하여 반응조내로 분사되면서 2차 혼합이 이루어진다.

3상(wastewater, biomass and air) 분사류는 이어 유도관속에서 하향류를 형성하게 되고 반응조 바닥에 설치한 conical bottom에 부딪힌후 흐름방향을 바꾸어다시 반응조 바깥 원형관으로 상승하게 된다.

이와 같은 과정은 반응조 배부에서의 높은 재순환율에 의해 수회 반복되며 그 이후에는 반응조 상부의 기체-액체 분리조로 유입되어 일부는 순환펌프를 통하여 또다시 재순환되고 나머지는 침전지로 유입된다.

반응조에서 침전지로의 유송은 별도의 동력을 사용하지 않고 자연유하되도록하였다.

반응조 중앙에 위치하여 반응조 내부 순환흐름을 유도하는 유도관은 반응조의 형태와 같은 실린더형으로 높이 600, 내부직경 50, 두께 3으로 제작되었다. 유도관의 두께는 내부 순환흐름의 유연성에 영향을 미친다. 보통 직경과 유도관비는33.3이 적당하다고 알려져 있다.

본 고안에 사용된 분사식환형회로반응조장치는 3상 노즐이 반응조 상단에 위치하므로 유도관 내부에서는 하향류가 형성되고 유도관 외부에서는 상향류가 형성된다. 따라서 유도관을 통한 하향 흐름은 반응조 하단에 와서 다시 흐름 방향을 바꾸어야 하므로 흐름방향의 원활한 전환을 위하여 유도관은 반응조 하단과 34mm간격(Au)을 두었으며 반응조 하단에는 원뿔 모양의 conical bottom을 설치하였다.

특히, conical bottom은 순환되는 기포를 이곳에 충돌시켜 더욱 미세한 기포로 전환시키며 이로인한 에너지손실과 dead space를 최소화시키는 역할을 한다.

유도관 상단에 위치한 벤츄리 노즐의 상세한 구조는 도 과 같다. 유도관 상단에서의 3상 분사류는 가운데에 공기흡입관을 갖는 벤츄리노즐을 통하여 반응조 혼합액을 분사함으로서 형성된다.

공기흡입관은 벤츄리노즐 가운데에서 강철재질의 지지대에 지지되어 있다. 벤츄리 노즐은 직경(dt) 7mm의 pvc관으로 제작되었으며 공기흡입관은 외경 3.0mm,내경(dg) 2.0mm의 알루미늄 합금으로 제작되었다.

분사식환형회로반응조의 3상 벤츄리노즐에서는 내부순환흐름이 노즐을 통해 분사되면서 노즐 끝에서 순간적으로 진공이 형성되어 외부의 공기가 공기흡입관을통해 자연적으로 흡입되게 된다. 따라서 3상 벤츄리노즐에서의 액체분사면적(A_L)과 공기흡입관 면적(Ag)의 비(A_L/Ag)와 공기흡입관 끝과 노즐 끝과의 거리(e)는 공기흡입량에 영향을 미친다. 이 장치에 사용된 A_L/Ag비는 10.0이었고 e는 최적조건으로 판명된 8mm로 설치하였다.

분사식환형회로반응조의 3상 벤츄리노즐은 직경이 작아 막힘현상이 일어날 수 있다. 따라서 이러한 막힘현상이 일어날 경우 노즐의 청소가 가능하도록 나사식으로 연결하여 노즐의 탈착이 가능하도록 하였다.

또한 유입수는 24시간 침전후 망목(0.149mm)의 스크린을 통과시켜 유입시킴으로서 고형물로 인한 벤츄리노즐의 막힘 현상을 최대한 방지코져 하였다.

그림3-2-4에서 잘 나타난것처럼 3상 노즐의 공기흡입관을 통해 흡입된 공기는 노즐 끝에서의 강한 분사력에 의해 흡입되는 즉시 액체와 강하게 혼합되면서 충돌한다. 이때 공기는 액체속으로 분산되는데 이를 1차 분산이라 한다. 유도관을 통해 어느정도 하강한 이후에는 노즐 끝에서의 강한 분사력이 약해지면서 주위의 공기방울들이 서로 충돌하여 뭉치면서 2차 분산이 일어나게 된다. 또한 이때에는 먼저 흡입된 공기방울들이 유도관 외관을 통하여 상승하다 노즐 끝에서의 분사에 의한 강한 흡입력에 의해 일부 공기방울은 다시 유도관 속에서 재순환하게 된다.

분사식환형회로반응조의 상단에는 반응조 직경보다 넓어 전체 반응조 모양의 tower 형태를 띠게 하는 기체-액체 분리조가 있다. 이곳에서는 반응조 혼합액으로부터 발생되는 기체(CO2와 잔류 air)를 탈기시킴으로서 침전지에서 슬러지의 침전성을 향상시키는 역할을 한다.

침전지는 총 용량 16.6L이며 투명한 plexglass 재질로 실린더형으로 제작하였고 벽면의 슬러지 부착방지와 침전성제고를 위하여 V자 모양의 baffle를 설치하여 이 baffle을 약 1rpm으로 회전시켰다. 또한 반송관에는 잉여슬러지를 인출할 수 잇도록 port를 설치하였다.

또한 반응조 하단으로부터 3cm 높이에는 시료채취를 위하여 직경 1cm의 port를 설치하였으며 반응조 상단에는 용존산소와 온도, pH 등을 측정하고 발생되는 가스를 배출시키기 위하여 배출구를 설치하였다. 순환펌프 관에는 by-pass line과 밸브를 설치하여 jet nozzle 끝에서의 유체분사 압력을 조절할 수 있도록 하였다.

분사식환형회로반응조 설치시 중요한 설계인자에는 유도관의 내경(De)와 반응조 내경(D)의 비, 유도관의 길이(Le)와 반응조의 내경(D)의 비, 반응조 내경(D)와 유도관의 두께(Se) 그리고 3상 노즐에서 액체분사면적(A_L)과 공기흡입관 면적(Ag)의 비 등을 들수 있다.

이 장치를 위한 반응조 De/D, Le/D, D/Se 그리고 A_L/Ag는 각각 0.5, 6.0, 33.3, 10.0의 비율로 제작되었다.

전체적인 반응조 재질은 5mm 두께의 투명한 아크릴로 제작되었으며 순환펌프(MD 40R)는 일본 IWAKI instrument inc. 제품을 사용하였다. 또한 시료주입과 반송은 정량펌프(masterflex pump : #07526-00)를 상요하여 24시간 연속적으로 주입하였다.

본 고안에 따른 축산폐기물과 같은 고농도 오수의 처리를 저렴한 가격에 처리장치를 설치할 수 있고 유지관리비용의 감소로 인해 소규모 축산농가에서도 설치가능하여 상수원의 보호 등이 목적으로 널리 광범위하게 사용될 수 있다.

Description

고농도 오수처리를 위한 분사식환형회로반응조 장치{Jet Loop Reactor}

본 분사식환형회로반응조 장치는 Loop Reactor(LR)의 일종으로서 반응조내에서 뚜렷한 방향성을 갖는 순환흐름을 갖는 노즐을 통하여 공기와 유체를 혼합하여 분사시킴으로서 산소전달률을 높이는 생물반응조이다.

분사식환형회로반응조는 다상이며 매우 점도가 높은 BIOSYSTEM을 위한 생물반응조나 높은 확산이 요구되는 fluid system에 적당하다.

LR은 적어도 하나의 분명한 재순환흐름, M₂가 형성되는 생화학반응조이다. 즉 연속흐름 운전조건에서 반응조내로 M₁이 부과되면 재순환흐름 M₂와 합쳐져서 결국 M₃(=M₁+ M₂)를 형성하게 된다.

LR은 가느다란 tower형 반응조의 가운데에 위치한 유도관 둘레에서 내부순환을 갖는 LR의 원리를 보여준다. 이 반응조는 반응조 용적(V_R) 전체를 통해 공동축 순환흐름을 갖는다. 이와같은 LR의 원리는 지금까지 많이 사용된 혼합탱크의 원리로는 대체될 수 없다.

LR은 흐름 형태에 따라 Airlift Loop Reactor(ALR)과 Propeller Loop Reactor(PLR)로 구분할 수 있다.

Airlift Loop Reactor(ALR)는 tower형 구조를 갖는 LR에 외부의 공기를 강제로 분사시켜 주되 정역학적 흐름을 갖는 반응조이다. 즉 Airlift Loop Reactor(ALR)내에서의 유체흐름은 반응공간에서 유체들간의 밀도차, 특히 서로 다른 gas hold-up에 의해 이루어진다. Airlift Loop Reactor(ALR)의 거의 모든 형태는 구조가 매우 단순하고 운전이 쉬운 것이 특징이다. Airlift Loop Reactor(ALR)는 특히 높은 공기 유입량을 요구하거나 생물공학적 측면에서 DO 농도에 대단히 민감한 미생물을 폐수처리에 이용할 경우 적당하다.

Propeller Loop Reactor(PLR)은 tower형 구조를 갖는 LR의 일종으로서 반응조 가운데의 유도관내에 프로펠러를 설치하여 프로펠러의 회전에 의해 유체역학적 흐름을 일으키는 반응조이다.

Propeller Loop Reactor(PLR) 가운데의유도관과 반응조 외벽은 2중 원통으로하여 반응조 내부의 열을 외부로 전달하는 열전달 목적으로 사용되기도 한다. 일반적으로 Propeller Loop Reactor(PLR)은 Airlif Loop Reactor(ALR)에 비하여 좀더 복잡한 구조를 지닌다. 즉 프로펠러 구동장치나 진동 방지장치 또는 반응조를 세우기 위한 기초 등이 필요하다. 따라서 축의 봉입에 관련된 운전상의 문제점들, 즉 유동성이나 발화성 물질의 유출등이 발생하거나 프로펠러가 회전할 때 발생하는 높은 전단력 때문에 미생물들이 손상을 입기도 한다. 원리면에서 Propeller Loop Reactor(PLR)은 길쭉한 프로펠러 혼합기를 갖는 홀쭉한 모양의 혼합반응기라고 할 수 있다. 따라서 Propeller Loop Reactor(PLR)은 매우 점성이 높은 유체와 중ㆍ소규모 처리장치에 적합하다.

축산폐기물과 같은 고농도 오수는 유기물농도는 높지만 지방산과 그리이스 성분이 다량 함유되어 있어 포기시 과도한 거품이 발생되는 특징을 지니고 있다. 특히 고부하 운전에서나 Jet Loop Reactor(JLR)에서와 같이 노즐에 의한 분사식 포기방법에서는 더욱 거품 발생량이 많아진다.

이에 본 고안 장치는 양돈폐기물과 같은 고농도 액상폐기물을 고부하 운전조건에서 고효율로 처리하기 위하여 수행되었다. 즉 Jet Loop Reactor(JLR)에 의한 양돈폐기물 처리시 발생되는 문제점의 해결방안을 모섹함으로서 기존 Jet Loop Reactor(JLR)을 고농도 액상폐기물 처리에 적합하도록 개선하고 개선된 Jet Loop Reactor(JLR)의 최적운전조건을 찾기 위한 것이 본 고안의 목적이다.

도 1은 본 고안에 따른 분사식환형회로반응조 절개사시도

도 2은 도1에 따른 종단면도

도 3은 종래 분사식환형회로반응조의 구성을 나타낸 종단면도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 제1차단판

2 : 제2차단판

3 : 스크린

4 : 공간부

5 : 처리수투입관

6 : 여재투입관

7 : 제트노즐부

8 : 매쉬망

9 : 부상부

10 : 공기공급관

11 : 반응조

12 : 배기관

13 : 여과수배출관

14 : 유도관

본 고안은 내부에 유도관을 갖는 실린더형 반응조로 전체 모양은 tower형이다. 세부구조는 크게 시린더형 반응조, 유도관, 벤츠리노즐 그리고 기체-액체 분리조의 4부분으로 구분된다.

반응조는 젠체높이 800mm, 유효길이 650mm, 내부직경 100mm로서 유효용적 6.1L로 제작되었다. 이 장치에 사용된 JLR의 모식도 및 흐름도는 도1과 도2와 같다.

반응조로의 시료주입은 내부순환관의 흡입구로 하게된다. 주입된 시료는 내부 순환 혼합액과 함께 벤츄리노즐로 연결되며 벤츄리노즐에서는 노즐 끝에서의 순간적인 압력강화에 의해 공기흡입관을 통해 흡입된 외부공기와 혼합되어 반응조내유도관속으로 강하게 분사된다.

따라서 유입시료는 반응조로 유입되기까지 내부 순환관속에서 1차 혼합이 이루어지고 벤츄리노즐을 통하여 반응조내로 분사되면서 2차 혼합이 이루어진다. 3상(wastewater, biomass and air) 분사류는 이어 유도관 속에서 하향류를 형성하게 되고 반응조 바닥에 설치한 conical bottom에 부딪힌후 흐름방향을 바꾸어 다시 반응조 바깥 원형관으로 상승하게 된다. 이와 같은 과정은 반응조 내부에서의 높은 재순환율에 의해 수회 반복되며 그 이후에는 반응조 상부의 기체-액체 분리조로 유입되어 일부는 순환펌프를 통하여 또 다시 재순환되고 나머지는 침전지로 유입된다. 반응조에서 침전지로의 이송은 별도의 동력을 사용하지 않고 자연유하되도록 하였다.

반응조 중앙에 위치하여 반응조 내부 순환흐름을 유도하는 유도관은 반응조의 형태와 같은 실린더형으로 높이 600mm, 내부직경 50mm, 두께 3mm로 제작되었다. 유도관의 두께는 내부 순환흐름의 유연성에 영향을 미친다. 반응조 두께에 관한 연구에서 vogelphol 등은 반응조 직경(D)과 유도관 두께(Se)의 비(D/Se)는 33.3이 가장 원활한 내부순환 흐름을 유도한다고 하였다. 따라서 이 실험을 위한 JLR 제작에서도 이 비를 준용하였다.

이 장치에 사용된 JLR은 3상 노즐이 반응조 상단에 위치하므로 유도관 내부에서는 하향류가 형성되고 유도관 외부에서는 상햐류가 형성된다.

따라서 유도관을 통한 하향흐름은 반응조 하단에 와서 다시 흐름을 바꾸어야하므로 ㅡ름방향의 우너활한 전환을 위하여 유도관은 반응조 하단과 34mm 간격(Au)을 두었으며 반응조 하단에는 원뿔 모양의 conical bottom을 설치하였다. 특히 conical bottom은 순환되는 기포를 이곳에 충돌시켜 더욱 미세한 기포로 전환시키며 이로인한 에너지 손실과 dead space를 최소화 하는 역할을 한다.

유도관 상단에 위치한 벤츄리 노즐의 상세한 구조는 도3과 같다. 유도관 상단에서의 3상 분사류는 가운데에 공기흡입관을 잦는 벤츄리노즐을 통하여 반응조 혼합액을 분사함으로서 형성된다.

공기흡입관은 벤츄리노즐 가운데서는 강철재질의 지지대에 지지대어 있다. 벤츄리노즐은 직경(dt) 7mm의 PVC관으로 제작되었으며 공기흡이관은 외경 3.0mm, 내경(dg) 2.0mm의 알루미늄 합금으로 제작되었다.

따라서 벤츄리노즐 끝단 단면적은 38.5mm²이고 공기흡입관(Ag)은 3.14mm²이다. 또한 벤츄리노즐에서 실제 액체가 분사되는 면적(A_L)은 31.4mm²이 된다. JLR의 3상 벤츄리노즐에서는 내부 순환흐름이 노즐을 통해 분사되면서 노즐 끝에서 순간적으로 진공이 형성되어 외부의 공기가 공기흡입관을 통해 자연적으로 흡입하게 된다.

따라서 3상 벤츄리노즐에서의 액체 분사면적(A_L)과 공기흡입관 면적(Ag)의 비(A_L/Ag)와 공기흡입관 끝과 노즐 끝까지의 거리(e)sms 공기흡입량에 영향을 미친다. 이 장치의 경우 A_L/Ag의 비는 10.0이었고 예비실험을 통하여 이 반응조의 경우 최적조건으로 판단된 8mm로 고정하여 운전하였다.

JLR의 3상 벤츄리 노즐은 직경이 작아 막힘현상이 일어날 수 있다. 따라서 이러한 막힘 현상이 발생할 경우 노즐의 청소가 가능하도록 하였다. 또한 유입수는24시간 침전후 망톡 0.149mm의 스크린을 통과시켜 유입시킴으로서 고형물로 인한 벤츄리노즐의 막힘 현상을 최대한 방지하려 노력하였다. 이와 같은 조치로 벤츄리노즐의 막힘현상은 발생되지 않았다.

도 4에 나타난 것처럼 3상 노즐의 공기흡입관을 통해 흡입된 공기는 노즐 끝에서의 강한 분사력에 의해 흡입되는 즉시 액체와 강하게 혼합되면서 충돌한다. 이때 공기는 액체속으로 분산되는데 이를 1차 분산이라 한다. 유도관을 통해 어느정도 하강한 이후에는 노즐끝에서의 강한 분사력이 약해지면서 주위의 공기방울들이 서로 충돌하여 뭉치면서 2차 분산이 일어나게 된다. 또한 이때에는 먼저 흡입된 공기방울들이 유도관을 통하여 상승하다 노즐 끝에서의 분사에 의한 강한 흡입력에 의해 일부 공기방울은 다시 유도관 내관 속으로 재순환하게 된다.

반응조 상단에는 반응조 직경보다 넓어 전제 반응조 모양이 tower형태를 띠게하는 기체-액체 분리조가 있다. 이곳에서는 반응조 혼합액으로부터 발생되는 기체(CO₂와 잔류 air)를 탈기시킴으로서 침전지에서 슬러지의 침강성을 향상시키는 역할을 한다.

침전지는 총 16.5L이며 투명한 plexiglass 재질로 실린더형으로 제작하였고 벽면의 슬러지 부착방지와 침전성제고를 위하여 V자 모양의 baffle을 설치하여 이 baffle을 약 1rpm 속도로 회전시켰다. 또한 반송관에는 잉여슬러지를 인출할 수 있도록 port를 설치하였다.

또한 반응조 하단으로부터 3cm 높이에는 시료채취를 위하여 직경 1cm의 port를 설치하였으며 반응조 상단에는 가스를 배출시키기 위한 배출구를 설치하였다. 순환펌프의 관에는 by-pass line과 밸브를 설치하여 jet nozzle 끝에서의 유체분사압력을 조절할 수 있도록 하였다.

JLR 제작시 중요한 설계인자에는 유도관의 내경(De)과 반응조 내경(D)의 비,유도관 길이(Le)와 반응조 내경(D)의 비, 방응조 내경(D)와 유도관의 두께(Se) 그리고 3상 노즐에서 액체 분사면적(A_L)과 공기흡입관 면적(Ag)의 비 등을 들 수 있다.

전체적인 반응조 재질은 5mm 두께의 투명한 아크릴로 제작되었으며 순환펌프는 일본제품 사용, 또한 시료주입과 반송은 정량펌프(masterflex pump)를 사용하여 24시간 연속적으로 주입하였다.

본 고안은

첫째, 짧은 수리학적 체류시간(2∼6hr)과 고부하(10∼70kg COD/m³/day) 운전조건에서 높은 처리효율(90% 이상 as SBOD)을 얻을 수 있다.

둘째, 반응조의 구조가 단순하고 운전이 쉬우며 반응조 내에 구동구분이 없어 기계시설의 고장 및 정비 등의 시간 소모가 없다.

셋째, 반응조의 높이 대 폭 비가 5∼10 : 1 범위의 실린더형 구조로서 소요부지 면적이 적다.

넷째, 반응조 혼합액의 혼합정도가 높아 다상(gas-liquid-solid)의 생물반응조에 적합하다.

다섯째, 산소전달율 및 산소전달효율이 약 0.5∼3kg O²/kWh 범위로서 최대 산소전달 효율은 재래식 표면포기기의 약 2kg O²/kWh나 미세 기포기의 2.2kg O²/kWh 보다 월등히 높다.

따라서 반응조내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있고 짧은 체류시간에 고부하-고효율 운전이 가능하게 된다.

Claims

상부에 처리수를 투입할 수 잇는 처리수투입관관, 내부의 가스 및 공기를 배기할 수 있는 배기관 및 내부로 활성탄과 같은 여재를 투입할 수 있도록 여재투입관이 설치되고, 하부에는 여과수를 배출할 수 있도록 여과수 배출관과, 공기흡입관과 벤츄리노즐로 이루어진 제트노즐부가 설치된 반응조와, 상기반응조내로 일반적인 고정방식에 의해 반응조의 길이방향과 같은 방향으로 설치되는 유도관으로 구성된 통상의 고농도 하수처리용 제트루프리액터에 있어서 상기 반응조의 내부 상측에관통되면서 상단이 넓고 하단은 좁게 형성되어 설치되는 제1차단판(1), 하측에는 관통되면서 상단이 넓고 하단은 좁게 형성되어 설치되는 제2차단판(2)와, 상기 제2차단판(2)의 하부반응조(11)의 밑단에는 상기여재가 통과되지 않는 수개의 통공이형성된 스크린(3)이 설치되며 그 하측으로는 공기공급관(10)이 설치된 공간부(4)가형성되는 부상부(9)를 구비하여서 된 것을 특징으로 하는 분사식환형회로반응조