KR20030089018A - 열 필터프레스 탈수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상·하수 슬러지 혹은 축산분뇨 슬러지와 같은 난탈수성 유기 슬러지를 탈수하여 저 함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있도록 한 열 필터프레스 탈수장치에 관한 것으로서, 슬러지층에 가압력을 1차적으로 인가한 후 2차적으로 내부증발압과 진공압력을 인가함으로써 탈수율을 획기적으로 향상시켜 저함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있도록 한 열 필터프레스 탈수장치를 제공코자 한 것이다.

즉, 본 발명은 고정판(2) 측으로 실린더(3)에 의해 슬라이드 이동하는 가압판(4) 상간에는 여액배출구(6)가 형성되어 있는 다수개의 맨브레인 필터플레이트(5)를 위치되고 각 맨브레인 필터플레이트(5) 상간에는 여과포(7)를 위치시켜 슬러리 탱크(slurry tank)(8)와 관체(9)로 연결된 펌프(10)를 가동시 슬러지공급공(11)을 통해 주입되는 슬러지에서 여액을 배출할 수 있도록 한 필터프레스 탈수장치(1)에 있어서, 맨브레인 필터플레이트(5) 내에 위치하는 여과포(7) 내측에는 프레임(12a) 내측으로 파이프(12b)를 배관하고, 파이프(12b) 양측으로는 발열판(12c)을 배치한 열판(12)을 배치하고, 열판(12)에는 상하측으로 스팀을 공급하는 스팀 헤더(13)와 스팀을 배출하는 스팀 리턴 헤더(14)를 배치하여 상호 배관 연결하되, 스팀 헤더(13)는 스팀발생기(15)와 단속밸브(16)에 의해 단속될 수 있도록 관체(17)로 연결하여 스팀을 공급받을 수 있게 하고, 스팀 리턴헤더(14)로 배기되는 스팀은 외부로 배기되도록 하거나 또한 스팀발생기(15)와 관체(17)로 연결하여 스팀을 재활용할 수 있도록 하며, 여액배출구(6)에는 단속밸브(18)에 의해 단속될수 있도록 진공펌프(19)와 관체(20)로 연결하여 열판(12)에 의해 발생하는 수증기를 외부로 배출할 수 있도록 함으로써 저함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있도록 한 것이다.

Description

열 필터프레스 탈수장치{Hot Filter Press System}

본 발명은 상·하수 슬러지 혹은 축산분뇨 슬러지와 같은 난탈수성 유기 슬러지를 탈수하여 저 함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있도록 한 열 필터프레스 탈수장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 슬러지층에 가압력을 1차적으로 인가한 후 2차적으로 내부증발압과 진공압력을 인가함으로써 탈수율을 획기적으로 향상시켜 저함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있도록 한 열 필터프레스 탈수장치를 제공코자 한 것이다.

국내에서 발생되는 슬러지는 석유화학, 제철소, 염·안료 공정 등의 산업현장에서 발생되는 공정(산업)슬러지, 하수종말처리장과 정수장에서 발생되는 수계 슬러지, 그리고 우분뇨, 돈분뇨, 계분과 같은 축산분뇨 슬러지와 같이 3 종류로 분류할 수 있다.

이들 각 슬러지를 세분화하여 분류하면 약 50 종 이상이 되며, 각 슬러지의 탈수 특성은 다양하게 나타난다. 탈수에 영향을 미치는 인자 중 가장 중요한 요소는 슬러지 내에 함유되어 있는 유·무기물의 함량인데, 유기물의 함량이 높을수록 탈수가 어려운 난 탈수성 슬러지에 해당한다.

공정 슬러지는 유기물의 함량(20 wt%)이 낮으므로 탈수가 용이하지만 수계 슬러지와 축산분뇨 슬러지는 유기물의 함량이 매우 높아(40~60 wt%) 탈수가 매우 어렵다. 현재 국·외적으로 개발되어 적용 운전되는 탈수 방법은 대부분 기계식탈수(Mechanical Filtration)방법으로, 이를 적용한 탈수장치는 필터프레스, 벨트프레스, 진공 탈수장치, 그리고 Decanter 등이 있다.

이와 같은 필터프레스, 벨트프레스, 진공 탈수장치와 같은 기존의 탈수장치는 기계적인 힘(진공압, 가압력 등)을 슬러지층에 인가하여 고체와 액체를 분리하는 탈수로서, 이 탈수 방법은 슬러지내에 함유되어 있는 유/무기물 중 무기물의 함량이 높은 공정슬러지의 탈수에는 효과적이지만 유기물의 함량이 높은 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지의 탈수에는 부적합하다. 그 이유는 탈수 메카니즘 때문으로, 도 9에서 보는 바와 같이 슬러지층의 기공형성 메카니즘과 슬러지 내 입자의 표면에 분포하고 있는 자유수와 표면수의 특성 때문이다.

즉, 무기물 성분이 많은 공정 슬러지는 자유수(가압력에 따라 탈수가 용이한 물)가 많고 상대적으로 표면수(가압력에 의해 탈수가 어려운 물)가 적은 특성이 있다. 그리고 자유수의 분포가 크면 기공(Void)의 형성이 용이하므로 모세관(Capillary Tube)의 형성이 잘 이루어져 케이크 층으로부터 물이 용이하게 배출된다. 모래가 물이 잘 빠지는 이유가 바로 이와 같은 원리 때문이다. 하지만 유기성 슬러지인 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지는 표면수가 많아 기공의 형성이 어려워 슬러지층에 모세관의 형성이 어려워져 탈수가 어려워진다. 기계식 탈수장치로 탈수할 경우 공정 슬러지의 경우 함수율이 약 60 wt% 인 탈수 케이크를 생산할 수 있는 반면, 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지는 함수율이 80 ~ 90 wt%인 탈수케이크를 생산한다.

이와 같이 함수율이 높은 탈수케이크가 생산되면, 해양투기 및 매립에 의한 기존의 처리시 수송경비가 높고, 침출수의 발생으로 인한 경제적, 환경적 손실이 발생한다. 탈수케이크의 효과적인 처리를 위해서는 유기성 비료, 복토재, 그리고 경량골재 등과 같이 재활용의 방법으로 처리하는 것이 무엇보다 중요한데, 이와 같은 처리 방법을 위해서는 함수율이 낮은 저함수율 탈수케이크를 생산하여야 한다.

따라서 본 발명에서는 상·하수 슬러지 혹은 축산분뇨 슬러지와 같은 난탈수성 유기 슬러지를 탈수하여 저 함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있는 열 필터프레스 탈수장치를 개발하고자 하는 것이다.

즉, 본 발명에서는 슬러지층에 가압력을 1차적으로 인가한 후 2차적으로 내부증발압과 진공압력을 인가하는 메카니즘으로 이루어져 있으며, 가압력에 의해서는 자유수를, 증발압력에 의해서는 표면수를 제거하고 진공압력에 의해서는 모세관의 크기를 확대 시켜 탈수하는 것으로써, 탈수율을 획기적으로 향상시켜 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지의 탈수에 대하여 함수율이 60 wt% 이하의 저함수율 탈수케이크를 생산할 수 있도록 한 열 필터프레스 탈수장치를 제공함에 본 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 전기삼투압 필터프레스 탈수장치의 개략도

도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 요부 발췌 단면도

도 3은 본 발명의 열판 구성을 보인 정면도

도 4는 도 3의 측 단면도

도 5는 본 발명의 열판의 다른 실시예를 보인 정면도

도 6은 도 5의 측 단면도

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 발췌 단면도

도 8은 본 발명에 슬러지입자의 이동을 보이기 위한 단면도

도 9는 슬러지 내 입자 입자표면의 액체 부착특성도

도 10은 본 발명과 기계식 탈수장치의 실험결과를 나타낸 그래프

☞도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명☜

1:(열) 필터프레스 탈수장치2:고정판

3:실린더4:가압판

5:맨브레인 필터플레이트5a: 유로

6:여액배출구7:여과포

8:슬러리 탱크9:관체

10:펌프11:슬러지공급공

12:열판12a:프레임

12b:파이프12c:발열판

12d:슬러지공급공12e:구멍

13:스팀 헤더14:스팀 리턴헤더

15:스팀발생기16,18:단속밸브

17,20:관체19:진공펌프

도 1은 본 발명의 전기삼투압 필터프레스 탈수장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 요부 발췌 단면도를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 열판 구성을 보인 정면도, 도 4는 도 3의 측 반면도 등을 도시한 것으로서, 이하에서 본 발명의 구성을 설명하기로 한다.

본 발명은 고정판(2) 측으로 실린더(3)에 의해 슬라이드 이동하는 가압판(4) 상간에는 여액배출구(6)가 형성되어 있는 다수개의 맨브레인 필터플레이트(5)를 위치되고 각 맨브레인 필터플레이트(5) 상간에는 여과포(7)를 위치시켜 슬러리 탱크(slurry tank)(8)와 관체(9)로 연결된 펌프(10)를 가동시 슬러지공급공(11)을 통해 주입되는 슬러지에서 여액을 배출할 수 있도록 한 필터프레스 탈수장치(1)를 적극적으로 개량한 것이다.

즉, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 구성되는 필터프레스 탈수장치(1)의 맨브레인 필터플레이트(5) 내에 위치하는 여과포(7) 내측으로 열판(12)을 배치하고, 열판(12)에는 상하측으로 스팀을 공급하는 스팀 헤더(13)와 스팀을 배출하는 스팀 리턴헤더(14)를 배치하여 상호 배관 연결한다.

상기 열판(12)은 프레임(12a) 내측으로 파이프(12b)를 배관하고, 파이프(12b) 양측으로는 중앙으로 슬러지공급공(12d)이 관통되어 있는 발열판(12c)을 배치한 것이며, 발열판(12c)에는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 수개의 구멍(12e)을 관통 형성하여 발열판(12c)으로부터 슬러지로 전이되는 열 효율을 극대화 할 수 있도록 한다. 열판(12)을 구성하는 각 구성부재들은 슬러지에 의한 부식을 방지할 수 있도록 내구성 및 내부식성이 우수한 스테인리스 스틸(SUS)을 사용하고, 표면에는 내식성 물질 즉, 백금, 티타늄, 니켈, 흑연 등을 코팅한다.

한편 상기 스팀 헤더(13)는 스팀발생기(15)와 단속밸브(16)에 의해 단속될 수 있도록 관체(17)로 연결하여 스팀을 공급받을 수 있게 하고, 스팀 리턴헤더(14)로 배기되는 스팀은 외부로 배기되도록 하거나, 또한 스팀발생기(15)와 관체(17)로 연결하여 스팀을 재활용할 수 있도록 한다.

그리고 상기 여액배출구(6)에는 단속밸브(18)에 의해 단속될 수 있도록 진공펌프(19)와 관체(20)로 연결하여 열판(12)에 의해 발생하는 수증기를 외부로 배출할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 발췌 단면도를 도시한 것으로, 이는 상기와 같이 구성되는 열 필터프레스 탈수장치(1)를 구성함에 있어서, 맨브레인 필터플레이트(5) 내에 스팀이 이송될 수 있는 유로(5a)를 관통하고, 유로(5a)에는 상기한 바와 같이 맨브레인 필터플레이트(5) 상하측으로 스팀을 공급하는 스팀 헤더(13)와 스팀을 배출하는 스팀 리턴 헤더(14)를 배치하여 상호 배관 연결한 구성이다. 이때 유로(5a)는 열판(12)의 파이프(12b)와 같이 종횡으로 서로 교차되게 형성되어 있다.

도면중 미설명 부호 21은 물받이를 도시한 것이고, 부호 22는 슬러지를 공급하기 위한 압축공기를 공급하는 공기압축기를 표시한 것이다.

이상과 같이 구성될 수 있는 본 발명은 상·하수 슬러지 혹은 축산분뇨 슬러지와 같은 난탈수성 유기 슬러지에 포함되어 있는 수분을 분리하는 필터프레스 탈수장치(1)로 사용될 수 있는 것으로써, 이하에서 본 발명의 작동과정을 통하여 본 발명의 작용 등을 설명하기로 한다.

본 발명은 먼저 슬러리 탱크(slurry tank)(8)와 관체(9)로 연결된 펌프(10)를 가동하게 되면 각 맨브레인 필터플레이트(5)에 형성되어 있는 슬러지공급공(11)을 따라서 맨브레인 필터플레이트(5) 사이에 위치하는 여과포(7)내에 약 5~7kgf/㎠의 압력으로 슬러지를 공급한다. 공급시간을 30분간 행하여 공급압력에 의해 1차 탈수가 진행되도록 한다. 이때 슬러지에 포함되어 있는 자유수의 일부가 외부로 배출된다.

다음으로 스팀발생기(15)로부터 열판(12)으로 스팀을 공급하고 동시에 진공펌퍼(19)를 가동하여 여액이 배출되도록 한다. 이때 맨브레인 필터플레이트(5) 사이에 설치된 열판(12)에서 공급된 열은 도 9에 도시된 바와 같이 슬러지로 전이되면서 슬러지 층에 내부 증발압이 유도되어 탈수가 이루어지게 되는 것으로 이와 같은 열 및 진공 탈수를 약 30분간 진행하여 증발압력에 의해서 표면수를 제거하고 진공압력에 의해서 모세관의 크기를 확대 시켜 탈수하는 되는 것이다.

즉, 열판(12)과 접해 있는 슬러지 층에는 열판(12)으로부터 전달된 열에 의해 도 9와 같이 과열영역(Superheated Zone)이 형성되고, 이 영역에 의해 내부증발압력이 형성되어 여과포(7)(Filter Cloth) 방향으로 물을 밀어내게 되며, 이때 내부증발압력에 의해 물이 효과적으로 배출될 수 있도록 슬러지 층에 진공압력을 형성시키게되면 슬러지 층내 입자와 입자 사이의 모세관 직경 확대하여 슬러지 층의 기공증대를 유발하므로 여포 막힘 현상 없이 여액이 용이하게 외부로 배출되므로 여과 시간을 줄일 수 있어 탈수 성능을 향상시킬 수 있고, 무기성 슬러지 뿐만 아니라 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지와 같은 유기물 슬러지에 대하여 저함수율 탈수케이크의 생산이 가능하게 되는 것이다.

마지막으로 실린더(3)를 작동하여 맨브레인 필터플레이트(5)를 가압하여 압착탈수를 약 10분간 수행하여 탈수는 완료된다.

상기와 같이 탈수가 완료된 후 탈기공정에 의해 맨브레인 필터플레이트(5)가 벌어지면서 탈수케이크는 물받이(21)로 떨어져 회수한다.

이상과 같은 방법으로 슬러지를 탈수하게 되는 본 발명의 열 필터프레스 탈수장치(1)를 통하여 유기성 슬러지를 탈수 할 경우 도 10에 도시된 바와 같이 함수율이 58 wt%인 저함수율 탈수 케이크를 얻을 수 있는 것으로, 기계식 탈수장치로 탈수한 경우의 함수율 82 wt%에 비해 월등히 향상된 탈수율을 득할 수 있게 되는것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 기존의 필터프레스 탈수장치(1)의 여과포(7) 내측으로 스팀발생기(15)와 배관 연결되는 열판(12)을 설치하여 슬리지에 열을 가할 수 있도록 하고, 여액배출구(6)는 진공펌프(19)와 관체(20)로 연결하여 열판(12)에 의해 발생하는 수증기를 외부로 배출할 수 있도록 한 것으로서, 본 발명에 의하면 슬리지를 공급하는 가압력과 열판(12)에서 발생하는 열로 내부증발압을 형성하여 진공펌프(19)로 배출하는 진공압과, 맨브레인 필터플레이트(5)의 가압력으로 슬러지 탈수를 수행함에 따라 상·하수 슬러지 처리공정 및 축산분뇨 슬러지와 같은 유기성 슬러지에 대하여 함수율이 60 wt%인 저함수율 탈수 케이크를 생산할 수 있으므로 현재 국내에서 이와 같은 유기성 슬러지에 대하여 무약조(Polymer를 사용하지 않은 탈수) 탈수로 저함수율 탈수케이크를 생산하는 시스템은 불가능한 것으로 판단하고 있으나, 본 발명의 이용으로 가능할 수 있게되며, 또한 저함수율 유기성 탈수케이크는 농지 복토재, 유기성 비료, 경량공재 등의 다양한 방법으로 재활용이 가능하므로, 기존의 처리방법인 해양투기, 매립으로부터 탈피함으로서 경제적, 환경적 효과를 얻을 수 있는 등 실익이 보장되는 매우 우수한 발명이다.

Claims (3)

1. 고정판(2) 측으로 실린더(3)에 의해 슬라이드 이동하는 가압판(4) 상간에는 여액배출구(6)가 형성되어 있는 다수개의 맨브레인 필터플레이트(5)를 위치되고 각 맨브레인 필터플레이트(5) 상간에는 여과포(7)를 위치시켜 슬러리 탱크(slurry tank)(8)와 관체(9)로 연결된 펌프(10)를 가동시 슬러지공급공(11)을 통해 주입되는 슬러지에서 여액을 배출할 수 있도록 한 필터프레스 탈수장치(1)에 있어서,

   상기 맨브레인 필터플레이트(5) 내에 위치하는 여과포(7) 내측에는 프레임(12a) 내측으로 파이프(12b)를 배관하고, 파이프(12b) 양측으로는 중앙에 슬러지공급공(12d)이 형성되어 있는 발열판(12c)이 결합된 열판(12)을 배치하고,

   상기 열판(12) 상하측으로는 스팀을 공급하는 스팀 헤더(13)와 스팀을 배출하는 스팀 리턴헤더(14)를 배치하여 파이프(12b)와 상호 배관 연결하되,

   상기 스팀 헤더(13)는 스팀발생기(15)와 단속밸브(16)에 의해 단속될 수 있도록 관체(17)로 연결하여 스팀을 공급받을 수 있게 하고, 스팀 리턴 헤더(14)로 배기되는 스팀은 외부로 배기되도록 하거나, 또한 스팀발생기(15)와 관체(17)로 연결하여 스팀을 재활용할 수 있도록 하며,

   상기 여액배출구(6)에는 단속밸브(18)에 의해 단속될 수 있도록 진공펌프(19)와 관체(20)로 연결하여 열판(12)에 의해 발생하는 수증기를 외부로 배출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 열 필터프레스 탈수장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열판(12)을 구성하는 구성부재중 발열판(12c)에는 수 개의 구멍(12e)을 관통하여 방열 효율을 높이도록 한 것을 특징으로 하는 열 필터프레스 탈수장치.
3. 고정판(2) 측으로 실린더(3)에 의해 슬라이드 이동하는 가압판(4) 상간에는 여액배출구(6)가 형성되어 있는 다수개의 맨브레인 필터플레이트(5)를 위치되고 각 맨브레인 필터플레이트(5) 상간에는 여과포(7)를 위치시켜 슬러리 탱크(slurry tank)(8)와 관체(9)로 연결된 펌프(10)를 가동시 슬러지공급공(11)을 통해 주입되는 슬러지에서 여액을 배출할 수 있도록 한 필터프레스 탈수장치(1)에 있어서,

   상기 맨브레인 필터플레이트(5) 내부에는 스팀이 이동되는 유로(5a)를 형성하고,

   상기 맨브레인 필터플레이트(5) 상하측으로는 스팀을 공급하는 스팀 헤더(13)와 스팀을 배출하는 스팀 리턴 헤더(14)를 배치하여 유로(5a)와 상호 배관 연결하되,

   상기 스팀 헤더(13)는 스팀발생기(15)와 단속밸브(16)에 의해 단속될 수 있도록 관체(17)로 연결하여 스팀을 공급받을 수 있게 하고, 스팀 리턴 헤더(14)로 배기되는 스팀은 외부로 배기되도록 하거나, 또한 스팀발생기(15)와 관체(17)로 연결하여 스팀을 재활용할 수 있도록 하며,

   상기 여액배출구(6)에는 단속밸브(18)에 의해 단속될 수 있도록 진공펌프(19)와 관체(20)로 연결하여 열판(12)에 의해 발생하는 수증기를 외 부로 배출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 열 필터프레스 탈수장치.