KR20110058977A - 산기관 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는, 슬러지 배출구를 통한 공기유출을 방지하면서도, 슬러지 배출구를 통하여 슬러지를 용이하게 배출시킬 수 있는 개선된 산기관을 제공하고자 한다. 본 발명에서 제공하는 산기관은, 적어도 하나의 공기 공급구; 및, 상기 공기 공급구로부터 멀어질 수록 상향으로 경사져 있으며 다수의 기포 방출공이 형성되어 있는 기포 방출벽;을 구비하는 기포 방출관; 및 상기 기포 방출관의 말단에 하향으로 연장되어 설치되어 있는 슬러지 배출관;을 포함한다.

산기관

Description

산기관 {Aerator}

본 발명은 산기관에 관한 것이다. 산기관은 수중에서 다수의 기포를 발생시키기 위한 장치이며, 공기유입통로와 기포방출공을 구비하고 있다. 산기관은, 대표적인 예를 들면, 수처리시설의 폭기조에서의 기포 발생, 여과식 수처리시설의 여과조에서의 기포 발생, 막분리활성슬러지법(MBR: membrane bio-reactor) 수처리시설의 생물반응조에서의 기포 발생, 등의 용도로 사용되고 있다.

폭기조는, 호기성 미생물의 배양을 통하여, 오수, 폐수 및 하수 중에 함유되어 있는 유기물질을 분해하기 위하여 사용된다. 송풍기와 유체연결된 산기관은 폭기조의 하부에 설치된다. 산기관으로부터 방출되는 공기 기포를 통하여, 폭기조 내의 폐수에 산소가 공급되며, 이러한 산소는 폐수 중의 호기성 미생물의 배양에 사용된다.

여과조는, 폐수 중에 함유되어 있는 고형입자를 여과방식으로 제거하기 위하여 사용된다. 여과조에는, 예를 들면, 침지식 분리막 모듈과 같은 여과수단이 설치된다. 송풍기와 유체연결된 폭기용 산기관은, 여과조 내에서, 침지식 분리막 모듈의 하부에 설치된다. 폭기용 산기관으로부터 방출되는 기포는, 분리막 모듈 주위의 수체를 교란시키는 구동력으로 작용한다. 분리막과 기포의 충돌에 의하여, 그리고, 분리막 주변의 수체 교란에 의하여, 분리막에 진동이 발생하게 되고, 그에 따라, "분리막의 미세기공이 고형입자의 퇴적에 의하여 막히는 현상(즉, 파울링(fouling) 현상)"이 방지될 수 있다.

생물반응조에서는, 분리막 모듈에 의한 고형입자의 제거와 미생물에 의한 유기물질의 분해가 동시에 일어난다. 생물반응조의 하부에 설치된 산기관으로부터 방출되는 기포는, 분리막의 파울링을 방지하는 역할과 미생물에 대하여 산소를 공급하는 역할을 겸하게 된다.

여과조 및 생물반응조의 예에서, 산기관으로부터 방출된 기포에 의한 분리막 파울링 방지를 "기포에 의한 분리막의 물리적 세정"이라고 부른다. 기포에 의한 분리막의 물리적 세정에 있어서 가장 치명적인 요소는, 수체의 교란 정도가 극히 낮은 데드죤(dead zone)의 형성이다. 특히, 고농도의 미생물로 운전되는 생물반응조의 경우, 분리막 주위에 데드죤이 형성되면, 점성이 강한 미생물 고형물에 의한 분리막 표면 폐색이 급격하게 진행되어, 분리막에 걸리는 압력차가 급상승된다.

분리막 주위에 데드죤이 형성되는 가장 큰 원인은, 산기관의 복수의 기포방출공으로부터 방출되는 기포의 발생량이 균일하지 않기 때문이다. 이를 편폭기 현상이라 부른다. 수체 교란의 구동력으로서 작용하는 기포의 발생이 균일하지 않게 되면, 결국, 분리막 주변의 일영역에 수체의 교란 정도가 극히 낮은 데드죤이 형성될 수 밖에 없다.

이러한 편폭기 현상을 억제하기 위하여, 복수의 기포방출공으로부터 방출되 는 기포의 발생량을 균일하게 할 수 있는 산기관 구조가 제안된 바 있다[등록특허공보 10-0778491 참조].

산기관과 관련하여 빈번히 발생되는 또 다른 문제점은 산기관 내 슬러지 퇴적이다. 초기에 편폭기가 발생하지 않던 산기관이라 하더라도, 장기간의 사용에 따라 산기관 내에 퇴적되는 슬러지에 의하여 기포방출공이 폐색되므로써 결국 편폭기 현상을 일으키게 된다. 이러한 경우, 호기조 내의 슬러지를 모두 비우고 산기관을 수리하거나 교체하여야 한다. 이러한 산기관의 잦은 교체는 번거로움을 유발시키는 것 뿐만아니라 그에 따른 비용 및 작업시간을 소요시키게 된다. 또한, 산기관을 교체하기 위해서는 수처리시설의 운전을 중단시켜야 하며, 그에 따라, 계속 유입되는 하수의 처리도 중단된다.

산기관의 폐색은 산기관 내에 유입되는 슬러지의 정체, 고착화 및 퇴적에 의해 발생한다. 산기관 내 슬러지의 퇴적이 진행됨에 따라, 산기관의 통로가 막히게 되고 결국에는 산기관의 기포방출공 까지 막히게 된다. 따라서, 산기관은, 산기관 내에 정체하는 슬러지를 최소화하고 정체된 슬러지를 용이하게 배출시킬 수 있는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 그리하면, 산기관 내에서의 슬러지의 퇴적이 진행되는 것을 방지할 수 있다.

슬러지에 의한 산기관의 폐색을 방지하는 기술로서는, 파이프 형태의 산기관 하부벽에 산기홀(통상적으로 산기홀은 산기관의 상부벽에 형성된다) 보다 큰 슬러지 배출구를 형성시켜 슬러지의 자연스러운 배출을 도모하는 방안이 고려될 수 있다. 이 경우, 슬러지 배출구를 공기공급부에 가깝게 설치할 수록 슬러지 배출효과 는 좋아지나, 슬러지 배출구를 통한 공기의 유출가능성이 커지게 되며, 또한, 산기관 말단 부근의 슬러지 정체를 해소할 수 없으므로 산기관 말단부의 폐색 가능성이 커지게 된다. 또는, 여러 위치에 다수의 슬러지 배출구를 설치할 수도 있으나, 이는 슬러지 배출구를 통한 공기유출 가능성을 더욱 크게하는 단점이 있다. 이러한 점들을 고려할 때, 슬러지 배출구의 바람직한 위치는 산기관 말단부의 하부벽인 것으로 예상될 수 있다.

그러나, 슬러지 배출구를 산기관 말단부의 하부벽에 위치시키는 경우, 공기유량을 증가시키게 되면, 산기관 내부의 공기층 프로파일이 슬러지 배출구와 접하게 될 수 있으며, 그에 따라, 슬러지 배출구로의 공기 유출이 발생하게 된다. 통상적으로 산기홀 보다 큰 크기를 갖는 슬러지 배출구는 상대적으로 작은 '공기에 대한 통과 저항'을 갖는다. 따라서, 산기관 내부의 공기층 프로파일이 슬러지 배출구와 접하게 되면, 슬러지 배출구는 산기홀 보다 훨씬 쉽게 더 많은 공기량을 유출시킨다. 그에 따라, 산기홀을 통한 균일한 기포 발생이 저해되며, 산기홀을 통한 원하는 만큼의 기포 발생량을 얻을 수 없다.

만약, 말단부 하부벽에 슬러지 배출구를 구비하는 산기관이 설계치로부터 상향 이탈되어 설치된 경우에는, 이러한 현상이 더욱 심화된다. 산기관이 설계치로부터 상향 이탈되어 설치되었다는 것은, 산기관의 말단이 설계치보다 위로 들어올려져 있다는 것을 의미한다. 이러한 경우, 산기관 내부의 공기층 프로파일이 슬러지 배출구와 더욱 용이하게 접하게 된다.

본 발명에서는, 슬러지 배출구를 통한 공기유출을 방지하면서도, 슬러지 배출구를 통하여 슬러지를 용이하게 배출시킬 수 있는 개선된 산기관을 제공하고자 한다.

본 발명에서 제공하는 산기관은,

적어도 하나의 공기 공급구; 및, 상기 공기 공급구로부터 멀어질 수록 상향으로 경사져 있으며 다수의 산기홀이 형성되어 있는 기포 방출벽;을 구비하는 기포 방출관; 및

상기 기포 방출관의 말단에 하향으로 연장되어 설치되어 있는 슬러지 배출관;

을 포함한다.

본 발명의 산기관은, 정상적인 폭기 운전 중에는 산기관 내에 슬러지가 퇴적되는 것을 억제할 수 있고, 폐색된 후에는 간단한 세척작업 만으로도 산기관 내 퇴적 슬러지를 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 산기관은, 산기관 내 퇴적 슬러지를 제거하기 위한 산기관의 잦은 수리 또는 교체에 따른 번거로움, 비용, 작업시간 및 수처리시설 운전 중단 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

본 발명의 산기관은, 슬러지 배출관을 통하여 슬러지를 용이하게 배출시킬 수 있을 뿐만아니라, 하향으로 연장된 슬러지 배출관의 사용으로 인하여슬러지 배출관을 통한 공기의 유출을 효과적으로 억제할 수 있다. 슬러지 배출관을 통한 공기의 유출이 억제되므로써, 산기홀을 통한 기포발생의 균일성이 보장될 수 있다.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 산기관을 더욱 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 산기관의 일 구현예를 도시하는 단면도이다.

산기관(100)은 기포 방출관(110)과 슬러지 배출관(120)을 포함하고 있다. 기포 방출관(110)에는 공기 공급구(101) 및 다수의 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)이 형성되어 있다. 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)이 형성되어 있는 기포 방출관(110)의 상부벽은 기포 방출벽을 형성한다. 기포 방출관(110)은 공기 공급구(101)로부터 멀어질수록 상향으로 경사져 있다. 그에 따라, 기포 방출벽은 공기 공급구(101)로부터 멀어질수록 상향으로 경사져 있다. 기포 방출관(110)의 말단은 공기 공급구(101)의 반대쪽에 위치하고 있다. 슬러지 배출관(120)은 기포 방출관(110)의 말단에 위치하고 있으며, 기포 방출관(110)과 연통되어 있다. 슬러지 배출관(120)은 하향으로 연장되어 있다.

폭기중에, 공기는, 공기 공급구(101)를 통하여 기포 방출관(110)의 내부로 유입된 후, 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)을 통하여 기포의 형태로 방출된다. 기포 방출관(110) 내에서의 공기의 흐름을 화살표로 표시하였다. 기포 방출관(110) 내에서의 점선 위의 영역은 공기층이며, 점선 아래의 영역은 물층이다. 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)이 형성되어 있는 기포 방출관(110)의 상부벽 영역, 즉, 기포 방출벽이, 공기 공급구(101)로부터 멀어질수록 상향으로 경사져 있다. 이러한 구조에서는, 공기층의 형성 과정에, 공기 공급량 외에도, 공기층의 부력이 중요한 인자로서 작용하게 된다. 그리하여, 물층에 의하여 공기층에 작용되는 부력의 도움으로, 기포 방출관(110) 내의 공기층(점선 위의 영역)은, 자연스럽게, 매우 용이하게, 기포 방출관(110)의 말단 까지 확장될 수 있다. 이러한 공기층은, 기포 방출벽의 전 영역에 걸쳐서 비교적 고른 두께를 가질 수 있다. 그에 따라, 각 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)으로부터 방출되는 기포의 방출량도 비교적 고르게 분포된다. 결국, 기포 방출관(110)의 말단 까지 공기층이 용이하게 확장될 수 있으므로, 공기 공급구(101)로 유입되는 공기 공급량이 비교적 적더라도, 기포가 전혀 방출되지 않거나 물리적 세정에 불충분한 기포 방출량을 보이는 데드죤 산기홀이 전혀 발생하지 않거나, 데드죤 산기홀의 발생이 극도로 억제될 수 있다[등록특허공보 10-0778491 참조].

폭기 중에, 또는, 폭기 중단 중에, 폐수 중의 슬러지가 기포 방출관(110)의 내부로 유입된다. 일단 유입된 슬러지는 공급되는 공기압에 의해서 일부 밀려나오게 되나, 일부 슬러지는 기포 방출관(110) 내부의 하부에 여전히 존재하게 된다. 이 잔존 슬러지는 공기층의 공기와 접하게 되고, 건조 혹은 반건조상태의 겔형태를 이루며 점점 성장하게 된다. 이러한 잔존 슬러지의 크기가 작으면 기포 방출 관(110) 내에 부착되지 않고 간단히 공기 및 수류에 의해 외부로 빠져나올 수도 있으나, 일정크기 이상의 (즉, 산기홀보다 큰) 슬러지 덩어리는 빠져나오지 못하게 됨으로써, 이 덩어리를 핵으로 더욱 성장할 가능성이 커짐은 물론 산기홀을 막게 되어 산기관의 폐색을 유발시킬 수 있다.

폭기가 진행되면, 유입된 슬러지는 기포 방출관(110) 내의 물층의 교란으로 인하여 고착되지 않고 슬러지 배출관(120)을 통하여 배출된다. 일반적으로 사용되는 수평산기관의 경우 산기관 끝으로 갈수록 공기프로파일이 얇아지게 되어 산기홀로 토출되는 공기가 적음은 물론 산기관 끝부분의 슬러지를 관 외부로 밀어낼수 있는 동력이 모자라게 된다. 본 발명에 있어서는, 기포 방출관(110) 내의 공기 프로파일이 슬러지 배출관(120)의 위치까지 용이하게 형성되어, 기포 방출관(110) 내의 하부에 유입된 슬러지가 원활하게 배출될 수 있다. 결국, 슬러지 배출관(120)은 기포 방출관(110) 내에서 슬러지가 퇴적되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.

도 2는, 폐색된 도 1의 산기관이 세척되는 과정을 도시하는 단면도이다. 산기관에 공기를 공급하는 송풍기가 고장나거나 폭기조를 불연속적으로 운전할 경우, 산기관 내로 유입된 슬러지의 고착화 및 퇴적으로 인하여 산기관의 폐색이 발생할 수 있다. 이러한 경우에도, 본 발명에 있어서는, 산기관에 과량의 공기 또는 물을 공급하여, 산기관 내에 퇴적된 슬러지를 슬러지 배출관(120)을 통하여 배출시킬 수 있다. 도 2에 있어서, 공기 공급구(101)를 통하여 과량의 공기 또는 물을 공급하 면, 기포 방출관(110) 내에 퇴적된 슬러지(200)가 기포 방출관(110)의 말단 쪽으로 밀려나게 된다. 기포 방출관(110)의 말단 쪽으로 밀려난 슬러지(200)는 슬러지 배출관(120)을 통하여 배출된다. 이러한 산기관의 세척에 있어서, 물을 사용하는 경우, 공기에 비하여, 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)로의 최대 유출량이 상대적으로 제한적이다. 따라서, 과량의 세척수는, 공기에 비하여, 기포 방출관(110) 내의 슬러지를 더욱 효과적으로 밀어낼 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 산기관은, 정상적인 폭기 운전 중에는 산기관 내에 슬러지가 퇴적되는 것을 억제할 수 있고, 폐색된 후에는 간단한 세척작업 만으로도 산기관 내 퇴적 슬러지를 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 산기관은, 산기관 내 퇴적 슬러지를 제거하기 위한 산기관의 잦은 수리 또는 교체에 따른 번거로움, 비용, 작업시간 및 수처리시설 운전 중단 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

도 3은, 도 1의 산기관이 설계치로부터 이탈되어 설치된 예를 도시하는 단면도이다. 도 3에 있어서, 기포 방출관(110)의 말단부가 설계치보다 더 상승되어 있다(기포 방출관의 상승 이탈각 θ). 그에 따라, 점선으로 표시되어 있는 공기 프로파일이 슬러지 배출관(120)의 입구(121)에 접하게 된다. 즉, 기포 방출관(110) 내의 공기층(점선의 상부영역)이 슬러지 배출관(120)과 연통된다. 그러나, 슬러지 배출관(120)이 하향으로 연장되어 있기 때문에, 슬러지 배출관(120)의 출구(122)는 여전히 물층에 의하여 막혀있게 된다. 달리 표현하면, 기포 방출관(110)의 말단부 가 설계치보다 더 상승되어 있지만, 슬러지 배출관(120)이 하향으로 연장되어 있기 때문에, 수직위치상으로, 슬러지 배출관(120)의 출구(122)가 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)보다, 특히 공기 공급구(101)에 인접한 산기홀(111)보다도, 여전히 더 낮다. 그에 따라, 슬러지 배출관(120)의 출구(122)에는, 산기홀(111, 112, 113, 114, 115)에 비하여, 여전히 더 높은 수두압이 작용하게 된다. 결국, 기포 방출관(110) 내의 공기층(점선의 상부영역)이 슬러지 배출관(120)과 연통된다 하더라도, 슬러지 배출관(120)의 출구(122)를 통한 공기의 유출이 억제될 수 있다.

따라서, 본 발명의 산기관은, 설계치로부터의 상향 이탈 설치에 대한 강한 내성을 갖게 된다. 기포방출벽의 상향 경사 효과는, 설계치로부터의 하향 이탈 설치에 의한 산기홀 수밀 현상을 방지하는 것이다. 그러므로, 본 발명의 산기관은 설계치로부터의 상향 이탈 설치에 대한 내성과 설계치로부터의 하향 이탈 설치에 대한 내성을 모두 발휘하게 된다.

기포 방출관 내의 공기층의 기압이 증가되는 경우(예를 들면, 폭기량을 증가시키는 경우에, 공기 공급구에 더 많은 유량의 공기를 공급하여야 하며, 그에 따라, 기포 방출관 내의 공기층의 기압이 증가하게 된다), 말단부 하부벽에 단순히 슬러지 배출공 만을 구비하는 산기관에 있어서는, 슬러지 배출공을 통한 공기 유출 가능성이 매우 높아지게 된다. 도 4를 참조하면, 특히, 기포 방출관(110)이 상향으로 경사져 있는 경우에는, 기포 방출관(110) 내의 공기층의 기압이 증가하면 공기 프로파일이 기포 방출관(110)의 말단 하부벽에 형성된 슬러지 배출공(130)에 접하게 되고, 그에 따라, 슬러지 배출공(130)을 통한 공기 유출 가능성은 더욱 높아지게 된다. 그러나, 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 산기관에 있어서는, 하향으로 연장된 슬러지 배출관(120)의 출구(122)에 증가된 수두압이 작용하기 때문에, 기포 방출관(110) 내의 공기층의 기압이 증가하더라도, 슬러지 배출관(120)의 출구(122)를 통한 공기의 유출은 여전히 억제될 수 있다. 즉, 하향으로 연장된 슬러지 배출관(120)이 일종의 압력밸브의 역할을 하므로, 기포 방출관(110) 내의 공기층의 기압이 증가하더라도, 슬러지 배출관(120)을 통한 공기의 유출이 방지된다.

이와 같이, 본 발명의 산기관은, 슬러지 배출관을 통하여 슬러지를 용이하게 배출시킬 수 있을 뿐만아니라, 하향으로 연장된 슬러지 배출관의 사용으로 인하여슬러지 배출관을 통한 공기의 유출을 효과적으로 억제할 수 있다. 슬러지 배출관을 통한 공기의 유출이 억제되므로써, 산기홀을 통한 기포발생의 균일성이 보장될 수 있다.

본 발명에 있어서, 하향으로 연장된 슬러지 배출관의 길이는, 기포방출관의 상향 경사각 및 폭기조건(폭기유량, 공기층 압력, 등)을 고려하여 적절히 결정될 수 있다. 슬러지 배출관의 길이는 기본적으로 산기홀의 위치보다는 수심이 깊게 위치해야 하며, 이 길이는 폭기유량과 공기공급압력, 수심,액체점도 및 서로 연결되는 산기관 유닛의 개수의 많고 적음에 따라 결정될 수 있다. 다만, 슬러지 배출관 의 길이가 너무 짧으면, 공기유출 방지 효과가 미미할 수 있고, 너무 길면 슬러지의 배출이 용이하지 않을 수 있다. 예를 들면, 슬러지 배출관의 길이는 약 30 내지 약 100 mm 일 수 있다.

본 발명의 산기관은, 대표적인 예를 들면, 수처리시설의 폭기조에서의 기포 발생, 여과식 수처리시설의 여과조에서의 기포 발생, 막분리활성슬러지법(MBR: membrane bio-reactor) 수처리시설의 생물반응조에서의 기포 발생, 등의 용도로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 산기관의 일 구현예를 도시하는 단면도이다.

도 2는, 폐색된 도 1의 산기관이 세척되는 과정을 도시하는 단면도이다.

도 3은, 도 1의 산기관이 설계치로부터 이탈되어 설치된 예를 도시하는 단면도이다.

도 4는, 기포 방출관의 말단 하부벽에 슬러지 배출공을 구비하는 비교예의 산기관을 도시하는 단면도이다.

Claims (1)

1. 공기 공급구; 및 상기 공기 공급구로부터 멀어질 수록 상향으로 경사져 있으며 다수의 산기홀이 형성되어 있는 기포 방출벽;을 구비하는 기포 방출관; 및

   상기 기포 방출관의 말단에 하향으로 연장되어 설치되어 있는 슬러지 배출관;

   을 포함하는 산기관.

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