KR20130008218A

KR20130008218A - 나노 기포와 마이크로기포를 이용한 고효율 부상분리장치

Info

Publication number: KR20130008218A
Application number: KR1020110068824A
Authority: KR
Inventors: 엄태경
Original assignee: 엄태경
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2013-01-22

Abstract

본 발명은 정수장 또는 하수처리장 등에서 사용하는 용존 공기 가압부상장치에 관한 것이다.
본 발명의 과제는 나노 기포와 마이크로 기포를 이용하여, 입자의 분리 효율이 높은 나노 기포와 마이크로 기포를 이용한 고효율 부상분리장치를 구성하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 상등 수의 일부를 반송하여, 나노 나포 기포 수 발생장치에서 발생한 나노 기포 수를 나노 기포 분사기로 이송하여, 발생한 나노 기포가 미세 플록에 부착하게 하고, 마이크로 기포 수 발생장치에서 발생한 마이크로 기포 수를 마이크로 기포 분사기로 이송하여, 발생한 마이크로 기포가 큰 플록 및 나노 기포가 부착한 미세 플록에 부착하고, 고분자 응집제의 가교 작용으로 서로 결합하여 더 큰 플록을 형성하게 하여서, 부상분리 조에서 분리하게 하였다.
본 발명은 분리 효율이 높기 때문에 부상분리장치 단독사용으로 총인 처리시설이나 조류제거 시설 또는 반송 수 처리시설로 사용할 수 있으며, 별도의 부대장치가 없어서 구조가 간단하고, 운전이 용이하며, 경제적인 효과가 있다.

Description

나노 기포와 마이크로기포를 이용한 고효율 부상분리장치{The high efficiency air floatation separater use of nano air bubbles and micro air bubblles}

본 발명은 정수장 또는 하수처리장 등에서 사용하는 부상분리장치에 관한 기술이다.

부상 분리장치는 정수장에서 원수 중의 조류를 제거하거나, 하수처리장 등에서 응집제를 이용한 화학적 방법으로 총 인을 제거하거나, 하수 또는 가축분뇨 등에서 입자를 제거하거나, 잉여 슬러지의 농축 등에 널리 사용하는 장치이다.

특히 부상분리장치는 운전이 용이하고, 단위 면적당 처리 량이 커서 시설을 소형화하기 쉽고, 손실 수두가 거의 발생하지 않기 때문에, 기존 시설에 연계하여 사용하기에도 편리하다.

그러나 이러한 장점이 있는 반면에, 부유물의 제거율이 상대적으로 낮아서, 화학적으로 총 인을 제거하는 경우에, 총 인의 방류수질 기준농도가 낮은 경우에는 부상분리장치에 모래 여과시설이나 마이크로 필터 등을 함께 설치하여 사용하므로 써, 장치가 복잡해지고, 세척수가 발생하고, 운전도 어려워지는 문제가 발생하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 응집공정과 부상분리장치를 사용하여, 부유물의 제거율을 높일 수 있는 나노 기포와 마이크로기포를 이용한 고효율 부상분리장치를 제공하는 것이다.

응집 부와 부상분리 부로 구성한 부상분리장치에 있어서,

응집 부에서 응집된 유출 수가 유입되도록, 하부로부터 수면 부근까지 분리벽(40)과 경사안내판(50)으로 구분한 유입 부;

응집지 유출수에 고분자 응집제를 공급하기 위하여, 유입 부 직전에 설치한 고분자 응집제 주입관(4)

응집지의 유출 수에 고분자 응집제가 혼합된 상태로 유입되어, 유입 부의 하부에서 나노 기포 분사기(220)에서 분사한 나노 기포와 혼합되는 나노 기포 혼합부;

나노 기포와 혼합된 응집 지 유출 수가 나노 기포 혼합 부의 인접한 위쪽에 설치한 마이크로 기포 분사기(230)에서 분사한 마이크로 기포와 혼합하는 마이크로 기포 혼합 부;

나노 기포와 마이크로 기포가 부착한 플록들이 서로 결합하면서 성장하여 수면으로 부상하여, 상등 수와 부상 슬러지로 고액분리하는 부상 분리 조(60);

반송 수 관을 통하여 고액분리된 상등 수의 일부를 반송하고 가압하는 반송 펌프 1(150) 및 반송 펌프 2(160);

반송 수에 공기를 주입하고, 기계적 회전력 또는 수리적 충돌을 이용하여 나노 기포 수를 발생하는 나노 기포 수 발생장치(180);

반송 수에 공기를 주입하고, 가압펌프와 공기포화탱크를 이용하여 마이크로 기포수를 발생하는 마이크로 기포 수 발생장치(170);및

상기 나노 기포 수 발생장치와 마이크로 기포 수 발생장치에서 발생한 나노 기포, 마이크로 기포 수를 각각 나노 기포 분사기, 마이크로 기포 분사기로 이송하는 이송관으로 구성한 것을 특징으로 하는 나노 기포와 마이크로기포를 이용한 고효율 부상분리장치를 구성한다.

본 발명은 나노 기포와 마이크로 기포를 동시에 사용하여 , 부유물질 제거율을 높였기 때문에, 하수의 총인 처리시설에 이용할 경우 다른 별도의 추가적인 설비, 세척수 없이 낮은 총인 방류수질 기준을 확보할 수 있고, 정수장에서 조류제거에 적용할 경우 높은 조류 제거율로 인하여, 후단에 설치한 여과지의 여과지속시간이 연장되고, 하수 등의 반송 수 처리에 적용할 경우 반송부하를 경감할 수 있으며, 구조가 간단하고 경제적이며, 손실 수두가 최소화되고, 운전이 용이한 효과가 있다.

제1도는 본 발명의 나노 기포와 마이크로기포를 이용한 고효율 부상분리장치의 구성도.
제2도는 본 발명의 미세 플록 또는 응집플록에 나노 기포 또는 마이크로 기포가 부착한 모양의 설명도.
제3도는 본 발명의 미세 플록과 응집플록이 결합한 모양의 설명도.

혼화지, 응집지, 부상분리 조, 기포 발생장치 및 반송 수 관으로 구성된 용존공기 부상분리장치(DAF)에 있어서,

응집 지(20)의 우 하측 격벽(30)과 응집부와 부상분리 조(60)를 구분하는 분리 벽(40)으로 구획된 위치에 고분자 응집제 주입 관(4)을 통하여 고분자 응집제를 공급함으로써, 응집된 플록을 포함한 유입수(하수 또는 폐수, 정수 등)와 고분자 응집제가 함께 혼합되게 하였다.

부상분리 조(60)의 앞쪽에 설치한 분리 벽(40)과 경사 안내판(50)으로 구획된 공간의 하부에 나노 기포 분사기(220)를 설치하고, 그 후단 위쪽에 마이크로 기포 분사기(230)를 설치하였다.

응집 지 후단에서 고분자 응집제와 혼합된 유입수 중에는 지름이 50～1,000마이크로 미터 범위인 많은 양의 큰플록과 상대적으로 적은 양이지만 지름이 수 마이크로미터 수준의 작은 플록도 포함되어 있다.

지름이 20～50마이크로미터 크기인 마이크로 기포는 지름이 수 마이크로미터인 작은 플록에는 부착하지 못하며, 지름이 수 마이크로 미터인 작은 플록의 지름보다 훨씬 작은 기포(나노 기포)라야 작은 플록에 부착할 수 있다.

제2도에 있어서 "가" 는 수 마이크로 미터 지름의 작은 플록을 도시한 것이고,"나"는 작은 플록에 나노 기포가 다수 부착한 것을 나타낸 것이고, "다"는 큰 플록에 마이크로 기포가 다수 부착한 것을 나타내고 있다.

일반적으로 수중에서 기포가 부상할 때 부상속도는 물의 점성에 반비례하고, 기포의 지름의 제곱에 비례하기 때문에, 기포의 지름이 크면 부상속도가 커지고, 기포의 지름이 작으면 부상 속도가 작아진다.

기포 부상 속도를 높이기 위해서는 지름이 큰 기포를 발생하거나 또는 작은 기포라고 여러 개 결합하여 커다란 덩어리로 만들어야 함을 알 수 있다.

제2도에서 나타난 바와 같이 "가" 상태의 작은 플록은 기포 부착이 없어서 침강속도가 빠르기 때문에, 일반적인 마이크로 기포 부상분리장치에서는 거의 제거되지 않고 상등 수 중에 섞여서 유출하고, 이로 인하여 부상분리장치의 입자제거율이 낮은 원인이 되고 있다.

"나" 상태의 나노 기포가 부착된 작은 플록은 플록과 기포가 형성하는 전체적인 크기(지름)가 커져서, 부력이 강하므로 작은 플록 상태보다는 부상분리 조에서 제거가 잘된다.

따라서 부상분리 조의 수 면적 부하가 240m/일 정도의 표준형 가압부상장치에서는 제거율이 높다.

그러나 최근에는 부상분리 조의 수 면적 부하가 400～600m/일인 고속 부상분리장치를 많이 사용하고 있는바, "나" 상태의 플록은 크기가 상대적으로 작고 기포 량도 상대적으로 적기 때문에, 부상 속도가 낮아서 고속 부상분리장치에서는 제거율이 현저히 낮아진다.

본 발명은 나노 기포 분사기(220)에서 나노 기포를 분사하여 작은 플록에 부착시켜서 "나" 상태의 플록을 먼저 형성하고, 그 후단에 설치한 마이크로 기포 분사기(230)에서 마이크로 기포를 분사하여, 큰 플록과 마이크로 기포를 부착하도록 하여, 부상속도가 큰 플록을 형성하고 동시에 마이크로 기포가 가진 교반력을 이용하여 고분자 응집제 주입 관(4)에서 주입한 고분자 응집제의 가교 작용으로 "나" 상태의 작은 나노 기포부착 플록들이 서로 결합 되도록 하거나(제3도 A) 또는 나노 기포가 부착한 작은 플록과 마이크로 기포가 부착한 큰 플록을 서로 결합 되도록 해서(제3도 B), 부상속도가 큰 플록으로 성장시킨다.

나노 기포 부착 플록과 마이크로 기포 부착 플록을 가교 작용으로 서로 결합하게 하는 고분자 응집제의 주입률은 0.05～0.1mg/L범위로 조정한다.

본 발명의 가압 부상분리장치는 상기와 같은 과정을 통하여 작은 플록과 큰 플록을 결합시킴으로써, 부상속도가 큰 플록을 형성하기 때문에, 플록을 포함한 입자의 제거율이 높고, 부상분리 속도고 높게 할 수 있는 것이다.

본 발명을 하수방류수의 총인 처리장치로 응용하는 예를 들면 다음과 같다.

혼화지(1)에 유입되는 하수의 2차 또는 고도처리 수에, 수질조건에 따라 PAC 또는 알룸 또는 염화 제2철 또는 황산 제2철 등의 금속염 응집제를 응집제 주입구(2)를 통하여 주입하고, 혼화지에서 1～3초 동안 속도경사 값(G) 1,000 이상이 되도록 혼화기(15)를 이용하여 강하게 교반하여, 지름이 수 마이크로 미터 미만의 미세 플록(floc)을 생성시킨다.

미세 플록은 다음 공정인 응집 지(20)로 이송되어, 제단 응집지에서는 속도 경사 값(G) 50～75 1/s, 제2단 응집지에서는 10～30 1/s로 운전한다.

수질이나 응집제 종류에 따라서는 고분자 응집제 주입구(3)을 통하여 고분자 응집제를 공급할 수도 있다.

응집지에서의 수리학적 체류시간은 총인 처리시설에서는 통상적으로 8～10분을 표준으로 하나, 천연 유기물을 포함한 정수장 수질에 따라서는 10분 이상의 긴 체류시간이 필요한 경우도 있다.

응집지 후단에서 플록의 크기는 주로 50～1,000마이크로미터 범위에 있으나, 수 마이크로미터의 작은 입자도 분포되어있다.

총인 처리 시설에 유입되는 하수 수질은 일반적으로 총인(T-P) 농도 2mg/L이하, SS농도 10 mg/L이하인 경우가 많다.

총인 농도에 대한 금속염 응집제는 2～4몰 농도를 주입한다.

응집제를 주입하면 하수 중의 총인은 인산 알루미늄이나 인산 철 형태의 불용성 입자를 발생한다.

기포를 발생하기 위한 반송수의 비율은 유입량의 5～10％ 범위로 하고, 마이크로 기포수와 나노 기포수의 발생량 비율은 6:4 ～ 8:2 범위로 정한다.

마이크로 기포는 마이크로 기포수 발생기에 공기를 공급하면서, 반송 수를 5～7.5kg/㎠의 압력으로 가압하여, 공기가 포화 되도록 하면, 마이크로 기포 분사기에서 지름 20 ～ 50 마이크로미터의 마이크로 기포가 발생한다.

나노 기포는 반송 수에 공기를 주입하고, 1～3g/㎠의 압력으로 가압한 상태에서 고속회전 날개 또는 고속 분사노즐과 충돌 판 또는 고속 분사노즐과 고속 회전체를 이용하여 지름이 300～1,000 나노미터의 나노 기포가 포함된 기포수를 발생한다.

총인 처리시설의 총 입자 농도는 유입된 SS 10mg/L과 총인 화합물에 의한 입자 농도 10～12mg/L을 합하여 20～22mg/L이 된다.

본 발명의 가압부상 분리장치의 입자 제거율은 90％이상이므로, 상등수의 SS농도는 2mg/L 이하 수준이고, 총인 농도는 0.25mg/L이하 수준으로서, 강화된 총인 농도 0.3mg/L을 만족시킨다.

본 발명을 정수장의 원수에 포함된 조류(algae)를 제거하는 공정에 사용하는 경우는 상기에서 설명한 총인 처리시설과 같으나 다만 사용 응집제 종류 및 응집제 주입율이 다르며, 조류제거에는 응집제 사용량이 아주 작아도 된다.

본 발명을 하수 등의 반송 수 처리시설로 사용할 경우에는 수리학적 체류시간과 응집제 종류 및 주입량을 수질조건에 맞추어 조절할 수 있다.

또한 요구되는 반송 수 처리수질 수준에 따라서는 오존이나 과산화 수소를 응집 전 또는 응집 후에 주입할 수도 있다.

1 유입관
2 응집제 주입구
3 고분자 응집제 주입구
4 고분자 응집제 주입 관
10 혼화지
15 혼화기
20 응집지
25 응집기
30 우 하측 격벽
40 분리 벽
50 경사 안내판
60 부상분리 조
80 슬러지 배출구
90 하부 집수구
100 월류 위어
110 상등 수 관
120 반송 수 관
130 유량계 1
140 유량계 2
150 반송펌프 1
160 반송펌프 2
170 마이크로 기포수 발생장치
180 나노 기포수 발생장치
190 마이크로 기포 수 이송관
200 나노 기포 수 이송관
210 슬러지 제거기
220 나노 기포 분사기
230 마이크로 기포 분사기
가. 부상 슬러지

Claims

응집 부와 부상분리 부로 구성한 부상분리장치에 있어서,
응집 부에서 응집된 유출 수가 유입되도록, 하부로부터 수면 부근까지 분리벽(40)과 경사안내판(50)으로 구분한 유입 부;
응집지 유출수에 고분자 응집제를 공급하기 위하여, 유입 부 직전에 설치한 고분자 응집제 주입관(4)
응집지의 유출 수에 고분자 응집제가 혼합된 상태로 유입되어, 유입 부의 하부에서 나노 기포 분사기(220)에서 분사한 나노 기포와 혼합되는 나노 기포 혼합부;
나노 기포와 혼합된 응집 지 유출 수가 나노 기포 혼합 부의 인접한 위쪽에 설치한 마이크로 기포 분사기(230)에서 분사한 마이크로 기포와 혼합하는 마이크로 기포 혼합 부;
나노 기포와 마이크로 기포가 부착한 플록들이 서로 결합하면서 성장하여 수면으로 부상하여, 상등 수와 부상 슬러지로 고액분리하는 부상 분리 조(60);
반송 수 관을 통하여 고액분리된 상등 수의 일부를 반송하고 가압하는 반송 펌프 1(150) 및 반송 펌프 2(160);
반송 수에 공기를 주입하고, 기계적 회전력 또는 수리적 충돌을 이용하여 나노 기포수를 발생하는 나노 기포 수 발생장치(180);
반송 수에 공기를 주입하고, 가압펌프와 공기포화탱크를 이용하여 마이크로 기포 수를 발생하는 마이크로 기포 수 발생장치(170);및
상기 나노 기포 발생장치와 마이크로 기포 발생장치에서 발생한 나노 기포, 마이크로 기포 수를 각각 나노 기포 분사기, 마이크로 기포 분사기로 이송하는 이송관으로 구성한 것을 특징으로 하는 나노 기포와 마이크로 기포를 이용한 고효율 부상분리장치.