KR20090102000A - 자가 응집기능의 장방형 침전시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 침전조의 구조에 관한 것으로서, 상류측의 호퍼부, 침전부 및 하류측의 유출부로 이루어져 있고, 상기 호퍼부 내에는, 유입수 도입측면에 형성된 수직배플, 슬러지수집기 및 유출위어를 포함하는 통상의 장방형 침전시스템에 있어서, ① 상기 호퍼부 수평면적의 50~80%에 해당하는 위치에서, 하부가 바닥으로부터 20cm~수심의 60% 이격되어 있는, 수류의 상부를 차단하는 수직차단판과 ② 유입수가 수직하향으로 층류유동할 수 있도록 다수의 투수공이 형성되어 있고 상기 수직배플과 수직차단판 사이에 위치하는 복수개의 수평배플이 설치된 자가 응집기능의 장방형 침전시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 오염수가 도입될 때 유입수에 포함된 부유물질들의 자가응집을 유도하여 부유물질의 플록을 크게 하고 도입부에서 부유물질의 농도를 높여 반송슬러지의 농도를 높일 수 있다. 또한 처리수가 수평류를 형성하면서 흐를 때, 부유물질이 침전지 내에 단계적으로 침강하면서 단회로 또는 밀도류에 의해 후단으로의 밀림 현상을 방지하여 우수한 침전효율과 처리수질을 생산하는 침전시스템을 제공할 수 있게 된다.

Description

자가 응집기능의 장방형 침전시스템{Rectangular clarifier with auto-flocculation effect}

본 발명은 침전조(Clarifier 또는 Sedimentation Tank)의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도의 부유물질을 포함한 오염수를 자가적으로 응집을 유도하여 침전효율을 향상시키고 침강된 플록이 침전지 하부로의 밀림현상을 방지하도록 하여 우수한 처리수를 생산할 수 있도록 한 수평류형 침전 시스템에 관한 것이다.

하수처리나 폐수처리에 이용되는 대부분의 수처리장치는 오·폐수가 채워지는 저장조와 상기 저장조에서 오·폐수를 공급받아 생물학적인 방법이나 화학적인 방법으로 정수처리 하는 처리조와 상기 처리조에서 정수처리된 상태로 배출되는 1 차 유입수 내의 슬러지를 응집·침전시키는 침전조로 이루어져 있다.

일반적으로 침전공정은 SS(Suspended Solid : 부유물질, 부유고형물, 혼탁물질)를 함유한 오염수를 침전장치에 유입시켜, 부유물질을 침전시키고 깨끗한 물만 처리수로서 배출시키는 과정이다. 따라서 침전조는 수질에 직접적인 영향을 줄뿐 아니라 SS성분의 제거에도 큰 영향을 미치기 때문에 효율적인 설계가 요구된다.

초기의 침전개념은 스토크의 법칙(Stokes's Law)에 따라 무거운 부유물질이 시간이 지남에 따라 침전지 바닥에 침전이 될 수 있도록 하여 부유물질을 제거하는 단순 중력침강식이었다. 이러한 종래 중력침강식 침전 개념은 독립입자침전, 응집침전, 지역침전 및 농축등 4단계 침전단계를 거쳐 이루어지게 되는데, 이는 부유물질농도가 낮은 단계에서 일어날 수 있는 현상이다. 그러나 현장의 하수와 폐수와 같이 침전지로 유입되는 부유물질농도가 높은 (1000 mg/L 이상) 때는 상기 4단계 현상(독립입자침전, 응집침전, 지역침전, 농축)으로 침전이 일어나기보다 5단계 침전(응집침전, 독립입자침전, 응집침전, 지역침전, 농축)을 거치게 된다. 따라서 유입되는 부유물질농도가 높을수록 침전에 필요한 시간이 길어지게 된다. 또한 장방형침전지의 경우 부유물질이 침전지 바닥에 쌓이게 되는데, 이때 하류로 흐르는 수류가 수온이나 구조의 문제로 인해 편류로 흐르게 되어 침전지 바닥에 축적되어 있는 고형물이 하부로 밀리는 현상이 발생하게 된다. 따라서 침전지에서 유입부유물질 농도가 높을수록 응집에 필요한 시간이 길어지고 또한 침전지 바닥에 쌓인 부유물질 면적의 길이가 길게 되어 침전지하부로 밀리게 되는 부유물질이 많아지게 된다. 그리고 침전지 바닥에 쌓이는 부유물질의 면적이 넓게 또는 길게 진행되면 될 수록 유입수의 호퍼부로 쌓인 부유물질을 이송시켜야 되는데 제때 이송되지 않으면 반송슬러지의 농도를 유지하지 못하여 전단의 생물반응조내의 미생물농도(MLSS)를 유지시키기 어렵다.

도 1에 경사판식 장방형 침전 시스템의 측단면구조를 도시하였다. 상기 중력식 장방형 침전조(100)는, ① 슬러지가 퇴적되는 상류측의 호퍼부와 ② 하류로 갈수록 바닥면과 수면 사이의 수직 거리가 좁아지는 하류측의 바닥경사부로 이루어져 있다. 또한, 상류측의 호퍼부 내에는, 유입수 흐름과 수직으로 만나는 측면에 다수의 유입구(21)가 형성된 수직배플(20)이 설치되어 있다. 이에 반해, 하류측의 경사부에는 모터(M)로 구동되는 스크레퍼 타입의 슬러지수집기(30)가 설치되어 있고, 벽면 상단에는 유출위어(40)가 설치되어 있다. 호퍼부 및 바닥경사부 상류측에는 자연스럽게 침전된 슬러지와 경사부 바닥에서 슬러지수집기(30)로 긁어온 슬러지의 퇴적층, 즉 슬러지층이 형성된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 침전지 내에서 부유물질을 포함한 오염수가 분리가 잘 될 수 있도록 하기 위해 플록의 크기를 크게 하고, 장방형 침전지에서 단회로 또는 밀도류에 의해 침전지하부의 슬러지가 유출구 방향으로 이동하여 유출수를 악화시키는 현상을 방지하여 부유물질의 제거효율이 향상된 침전시스템을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상류측의 호퍼부와, 하류측의 바닥경사부로 이루어져 있고, 상기 호퍼부 내에는, 유입수 도입측면에 형성된 수직배플, 슬러지수집기 및 유출위어를 포함하는 통상의 장방형 침전시스템에 있어서, ① 상기 호퍼부 수평면적의 30~100%에 해당하는 위치에서 또는 통상 전체 체류시간이 3~5시간인 장방형 침전시스템에서 체류시간 3~30분에 해당하는 위치에서, 하부가 바닥으로부터 20cm~수심의 60% 이격되어 있는, 수류의 상부를 차단하는 수직차단판과 ② 유입수가 수직하향으로 층류유동할 수 있도록 다수의 투수공이 형성되어 있고 상기 수직배플과 수직차단판 사이에 위치하는 복수개의 수평배플이 설치된 자가 응집기능의 장방형 침전시스템에 관한 것이다. 이하 설명의 편의를 위해, 상기 수직배플과 호퍼부의 측면 및 수직차단판에 의해 이루어지는 공간을 "응집웰"이라 표현한다. 본 발명은 상기 응집웰에서 처리수가 체류하면서 자가 응집효과가 발생되도록 하는 시스템이다.

응집웰에서, 수직차단판의 위치가 상기 호퍼부 수평면적에 대하여 30% 미만(체류시간 5분 이하)인 경우 처리수가 응집웰에 체류하는 시간이 짧아 슬러지 침전효과가 미미해지고, 100% 초과(또는 30분이상)인 경우 침전효과는 좋아지지만 수직차단판의 외부(하류)의 공간(즉, 응집웰의 출구)이 좁아져 이 부분에서 처리수의 흐름이 교란되어 궁극적으로 슬러지가 부상하게 되는 문제가 있다.

수직차단판의 하부가 바닥으로부터 20cm 미만까지 내려오는 경우 응집웰의 출구에서 처리수의 흐름이 교란되어 슬러지가 부상함으로써 슬러지 응집-침전효과가 오히려 감소하게 되고, 해당위치 수심의 60% 초과까지 올라가는 경우 처리수의 체류시간이 짧아져 슬러지 응집-침전효과가 미미하게 된다.

상기 수평배플은 필요에 따라 한개 또는 복수 개 설치할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 침전 시스템에는, 호퍼부에 침전된 잉여슬러지 및 반송슬러지의 배출시 단회로를 방지하기 위하여 상기 수직배플의 하부에 상기 대하여 60~150° 각도로 단회로방지배플이 추가로 설치될 수 있다. 설치각도가 60° 미만이거나 150° 초과인 경우 단회로가 증가하거나 단회로 방지효과가 미미하게 된다.

또한 본 발명에 의한 침전 시스템에는, 호퍼부에 슬러지의 층유지 및 처리수의 균일흐름을 유도하기 위하여 상기 수직차단판의 외측하부에, 상기 수직차단판과 호퍼부 바닥과 이격되어, 수직차단판에 대해 0 - 60° 로 경사배플이 추가로 설치될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 침전 시스템에는, 단회로에 의해 침전 슬러지가 하류방향으로 이동하는 현상을 방지하기 위하여 상기 경사부 수평면적의 상류측 50% 이내에, 경사부 바닥으로부터 20~100cm 이격되고 바닥으로부터 수심의 1/2 이하를 차단하는 슬러지이동방지배플이 하나 또는 둘 이상 설치될 수 있다. 이때 최하류에 설치된 슬러지이동방지배플에는 다수의 투수공이 있는 것이 바람직하다.

상기 슬러지이동방지배플의 하부 이격거리는 특별한 기술적 의미가 있는 것은 아니고 슬러지수집기가 이동할 수 있는 공간이다. 바닥으로부터 수심의 1/2를 초과하여 슬러지이동방지배플이 확장되는 경우 배플을 통과하는 처리수의 유속이 증가하여 슬러지가 부상하게 될 수 있다.

또한 본 발명에 의한 침전 시스템에는, 슬러지의 하부이동을 방지하고 상부로 흐르는 수류의 층류화를 유지하기 위하여 하부가 바닥으로부터 20~50cm 이격되어 있고 상부가 수면이상~수심의 40% 이상 이격되어 있으며, 상부가 수면으로부터 20~100cm 이격되어 있으며, 상부측에 복수개의 투수공이 다단으로 형성되어 있는 수평류유지배플이 하나 또는 둘 이상 설치될 수 있다. 상기 슬러지이동방지배플과 함께 설치되는 경우, 수평류유지배플은 슬러지이동방지배플의 최외곽(하류)에 설치된다.

본 발명에 의하면 유입된 오염수가 침전시스템의 응집웰에 체류하면서 부유물질 플록의 크기가 증가하고 나아가 응집-침전효과가 증대된다. 따라서 본 발명에 의한 시스템을 적용하면 슬러지 농도가 높은 유입수의 처리도 가능하며, 반송슬러지의 농도도 증가시킬 수 있다. 또한 침전지 하부에 축적된 슬러지의 침전지 말단으로 이동현상이 방지되므로 침전효율이 향상되고 보다 깨끗한 유출수를 제공할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의한 침전시스템은 기 설치된 장방형 침전지뿐만 아니라 신설 장방형 침전지에 간편하게 적용가능하며, 종래 장방형 침전지에 비해 운전 및 관리가 용이하여 부지면적과 유지·관리 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 장방형 침전지의 측단면을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 장방형 침전시스템의 측단면을 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 장방형 침전시스템의 슬러지이동방지배플과 슬러지수집기를 보여주는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 장방형 침전시스템의 슬러지이동방지배플 및 수평류유지배플과 슬러지수집기의 위치를 보여주는 단면도이다.

도 5는 수평류유지배플을 위치와 구조를 보여주는 도면이다.

도 6은 종래의 장방형 침전지에 있어서 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 침전시스템에서, 슬러지이동방지배플이 없는 경우의 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다.

도 8은 본 발명에 의한 침전시스템에서, 슬러지이동방지배플이 설치된 경우의 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다.

도 9는 종래기술 침전지에 대한 바닥면에서의 슬러지 농도분포를 나타낸 것이다.

도 10은 본 발명기술의 침전지에 대한 바닥면에서의 슬러지 농도분포를 나타낸 것이다.

***** 도면 부호의 설명 *****

10 : 침전지 20 : 수직배플 21 : 유입구

30 : 슬러지 수집기 40 : 유출위어 50 : 응집웰

51 : 수직차단판 52 : 수평 배플 53 : 단회로방지배플

54 : 경사배플 55 : 슬러지이동방지배플 15 : 수평류유지배플

이하에서는 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 명세서에 첨부된 실시예와 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니며, 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 침전시스템의 일측 단면을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 침전지의 슬러지이동방지배플과 슬러지수집기의 위치도를 나타낸다. 도 4는 본 발명에 의한 장방형 침전지의 슬러지이동방지배플 및 수평류유지배플과 슬러지수집기의 위치도를 나타낸다. 도 5는 수평류유지배플을 나타낸 것이다.

종래의 장방형침전지에서는, 오염수가 균일한 수평흐름과 적정유속을 유지하면서 도입될 수 있도록 다수의 투수공을 가진 수직배플이 형성되어 있으나, 본 발명에 의한 침전지의 상류측에는 유입구와, 유입되는 오염수의 슬러지의 침전성을 개선하기 위한 응집웰이 형성되어 있다. 전술한 바와 같이, 응집웰은 상기 수직배플과 호퍼부의 측면 및 수직차단판에 의해 이루어지는 공간을 의미한다. 종래 장방형 침전지에서 수직배플의 전면 또는 일부에 다수의 투수공이 형성되어 있으나, 물론 본 발명에서는 상기 수직배플의 상부에는 유입수가 유입될 수 있는 유입구가 형성되어 있다.

응집웰은 유입수의 흐름의 방향을 변환시켜주는 수직배플, 수직하향으로 흐름을 유지하면서 층류를 유지할 수 있도록 다수의 투수공을 가진 수평배플 및 수직차단판으로 구성되어 있다.

처리수(반송유량과 유입유량의 합)의 응집웰에서의 체류시간은 3~30분 정도가 적절하며, 통상의 경우 5~10분 정도로도 충분하다. 한편 설계시 하향류 유속 또는 수직차단판에 대한 단위길이당 유량은 3m³/m분 이하로 하는 것이 응집된 슬러지의 유지 및 침전효율향상에 바람직하다.

응집웰에서 처리수의 단회로를 방지하기 위해 수직배플 하단에 단회로방지배플을 설치한다. 단회로방지배플은 반송 및 잉여슬러지의 배출시 펌프에 의한 슬러지의 단회로 현상을 방지하여 슬러지의 농도를 5000 mg/L이상 유지시켜주는 역할을 하게 된다.

응집웰의 외곽 하부에는 응집웰에서 통과한 오염수의 침전된 슬러지가 침전지 하단부로 이동하는 것을 억제하고 또한 슬러지층을 유지하여 잉여와 반송슬러지의 농도를 높이는 역할을 하는 경사배플이 설치된다.

침전된 슬러지가 수류에 의해 침전지 하단부로 이동하게 되는데 이동된 슬러지는 하단부 위어로 유출되거나 슬러지수집기에 의해 도입부의 호퍼로 이동하게 된다. 이때 침전지의 길이가 길어질 경유 슬러지의 이동시간이 길어지고 따라서 침전된 슬러지는 탈질 등의 미생물의 작용에 의해 부상하게 되어 유출수의 수질악화를 가져오게 된다. 따라서 이러한 슬러지의 이동현상을 방지하고 수류의 층류를 원활하게 하기 위해 본 발명에 의한 장방형침전지의 바닥경사부에, 침전지의 길이 방향에 따라, 슬러지이동방지 배플을 한개 또는 수개가 설치하는 것이 좋다. 슬러지이동방지배플의 상대적 위치와 구조를 도 3과 도 4에 도시하였다. 도에서 볼 수 있듯이, 하부는 슬러지 수집기가 이동할 수 있도록 일정간격을 이격시켜 설치되고 상부는 하부에서 슬러지를 수집하여 쌓일 수 있는 높이로 적당히(하부 20cm - 침전지 높이 60% 미만) 설치된다. 슬러지이동방지배플의 상부 높이가 너무 높으면(60% 이상) 상부의 유속이 빨라져 슬러지 유실이 증가할 수 있어 오히려 방류수질의 악화를 가져올 수 있다.

경사부의 일정 위치 또는 슬러지이동방지배플이 설치되는 경우 그 후단에는 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 하단부는 막혀 있고 상부는 소정의 투수공을 가진 수평류유지배플이 설치될 수 있다. 수평류유지배플의 막혀있는 하단부는 슬러지의 하부이동을 방지하고 상부의 투수공은 상부로 흐르는 수류의 층류화를 유지하기 위한 수단으로 활용된다.

이하 수치해석예 통해서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

수치해석예 : 유동장 변화 측정

본 발명에 의한 자가 응집기능의 장방형 침전시스템에서의 유동장의 변화를 파악하기 위해 전산유동해석을 수행하였다.

표 1에 기재된 바와 같은 규격과 운전조건으로 해석하였다.

도 6은 종래의 장방형 침전지에 있어서 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다. 도 7은 본 발명에 의한 슬러지이동방지배플이 없는 장방형 침전지로서 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다. 도 8은 본 발명에 의한 슬러지이동방지배플을 포함한 장방형 침전지로서 슬러지 이동현상을 전산 모사한 것이다. 슬러지의 위치별 농도에서 종래기술의 침전지(도 6)는 슬러지가 입구로부터 멀리 떨어진 영역까지 농도가 높게 나타난 반면, 본 발명에 의한 침전지(도 7, 도 8)는 입구/호퍼 주변에 낙하하는 것을 확인할 수 있다.

도 9와 도 10은 바닥면에서의 슬러지 농도분포를 나타낸 것으로 종래 기술에 의한 침전지(도 9)는 바닥면의 30 m 위치지점에서 슬러지의 농도가 높은 반면, 본 발명에 의한 침전지(도 10)는 8m 지점에서의 슬러지 농도가 높게 나타나 본 발명에 의한 설계가 종래 발명에 의한 설계에 비해 슬러지의 이동거리가 짧음을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 상류측의 호퍼부와, 하류측의 바닥경사부로 이루어져 있고, 상기 호퍼부 내에는, 유입수 도입측면에 형성된 수직배플, 슬러지수집기 및 유출위어를 포함하는 통상의 장방형 침전시스템에 있어서,

   상기 호퍼부 수평면적의 30~100%(또는 체류시간 3 - 30분)에 해당하는 위치에서, 하부가 바닥으로부터 20cm~수심의 60% 이격되어 있는, 수류의 상부를 차단하는 수직차단판;

   유입수가 수직하향으로 층류유동할 수 있도록 다수의 투수공이 형성되어 있고 상기 수직배플과 수직차단판 사이에 위치하는 복수개의 수평배플;이 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.
2. 제 1 항 있어서,

   호퍼부에 침전된 잉여슬러지 및 반송슬러지의 배출시 단회로를 방지하기 위하여 상기 수직배플의 하부에 상기 수직배플에 대하여 60~150° 각도로 단회로방지배플이 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.
3. 제 1 항 있어서,

   호퍼부에 슬러지의 층유지 및 처리수의 균일흐름을 유도하기 위하여 상기 수직차단판의 외측하부에, 상기 수직차단판과 호퍼부 바닥과 이격되어, 수직~하류방향으로 0-60° 각도로 경사배플이 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   단회로에 의해 침전 슬러지가 하류방향으로 이동하는 현상을 방지하기 위하여 상기 경사부 수평면적의 상류측 60% 이내에, 경사부 바닥으로부터 20~50cm 이격되고 바닥으로부터 수심의 1/2 이하를 차단하는 슬러지이동방지배플이 하나 또는 둘 이상 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 경사부에,

   슬러지의 하부이동을 방지하고 상부로 흐르는 수류의 층류화를 유지하기 위하여 하부가 바닥으로부터 20~100cm 이격되어 있고 상부가 수면으로부터 40% 이상 이격되어 있으며, 상부측에 복수개의 투수공이 다단으로 형성되어 있는 수평류유지배플이 하나 또는 둘 이상 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 슬러지이동방지배플의 하류에,

   슬러지의 하부이동을 방지하고 상부로 흐르는 수류의 층류화를 유지하기 위하여 하부가 바닥으로부터 20~100cm 이격되어 있고 상부가 수면이상~수심의 40% 이상 이격되어 있으며, 상부측에 복수개의 투수공이 다단으로 형성되어 있는 수평류유지배플이 하나 또는 둘 이상 설치된 것을 특징으로 하는 자가 응집기능의 장방형 침전시스템.