KR20160094883A - 고도 처리 장치 - Google Patents

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KR20160094883A
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Abstract

더블 하이드로 싸이클론(double HydroCycrone)을 이용한 고도 처리 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 고도 처리 장치는 유입수에 응집제를 투입사는 응집제 투입설비; 내부 하이드로 싸이클론과 상기 내부 하이드로 싸이클론을 내포하는 외부 하이드로 싸이클론을 포함하며, 유입수와 응집제를 급속으로 혼합하기 위한 응집 반응과 혼합된 유입수와 응집제가 반응하여 플럭(floc)을 키우기 위한 응결 반응이 수행되는 더블 하이드로 싸이클론; 및 상기 더블 하이드로 싸이클론을 통하여 형성된 플럭과 상등액을 분리하기 위한 침전조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고도 처리 장치{ADVANCED TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 하수처리장 2차 유출수(방류수)에 대한 고도 처리 장치에 관한 것으로 특히, 기존의 방류수수질기준(2mg/L 이하)에서 강화되는 방류수수질기준 (0.2mg/L 이하)을 충족시킬 수 있도록 더블 하이드로 싸이클론(double HydroCycrone)을 이용한 고도 처리 장치에 관한 것이다.
기존의 생물학적 처리공정으로는 총인의 방류수 수질기준 0.2mg/L이하의 농도를 안정적으로 만족할 수 없으므로 응집제를 주입하여 총인을 침전제거하는 별도의 화학적 처리공정이 필요하다. 대부분의 화학적 응집침전 공정은 유입수와 응집제를 급속으로 혼합하기 위한 응집조, 혼합된 유입수와 응집제가 반응하여 플럭(floc)을 키우기 위한 응결조, 형성된 플럭과 상등액을 분리하기 위한 침전조로 구성된다.
도 1은 종래의 화학적 응집침전공정을 이용한 고도 처리 장치를 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래의 화학적 응집침전공정을 이용한 고도 처리 장치는 응집제 투입설비(10)와 응집/응결조(20) 그리고 침전조(또는 경사판 침전조, 30)로 구성되어 있다. 각 반응조에는 급속교반과 완속교반을 위한 교반장치가 필요하다.
응집제 투입설비(10)는 응집/응결조(20)와 연결되어 있다. 응집제 투입설비(10)는 응집제 저장탱크와 응집제를 정량적으로 주입할 수 있는 펌프로 구성되어있다.
응집/응결조(20)는 유입수와 응집제를 급속으로 혼합하기 위한 응집조와 혼합된 유입수와 응집제가 반응하여 플럭(floc)을 키우기 위한 응결조를 포함한다.
침전조(30)는 형성된 플럭과 상등액을 분리하기 위한 것이다.
도 1의 방류조(100)는 하수처리시설의 최종 유출수 즉 방류수를 저장해 놓는 것이다. 통상 방류조에서 처리수를 자연유하 방식으로 수계로 배출하나, 3차 처리를 위한 여과시설로의 이송이나 유량측정을 위해 펌프로 압송하여 배출하기도 한다
그렇지만, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 고도 처리 장치는 응집조와 응결조가 각각 필요하며 각 조에는 약품과 처리수를 교반하기 위한 동력설비가 필요하다.
또한 응집과 응결을 위해 일정 체류시간을 확보해야 하므로 유량이 커지면 비례적으로 응집, 응결조의 용적이 커져야한다.
또한, 응집조와 응결조의 소요부지 및 용적이 상당히 커야 하므로 설치 장소의 선정이 제한적이고 응집조 및 응결조 설치에 따른 비용 부담이 상당하며, 유지관리(고장 등) 측면에서 취약하다는 문제점이 있었다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0046808호(2012.05.11. 공개)에 개시된 하수 처리수 내의 총인 제거를 위한 사이클론 타입의 하수처리장치가 있다.
상기 문헌에 개시된 하수처리장치는 하수 처리수가 유입되고, 응집제와 응집 보조제인 입상 활성탄이 투입되어 이들을 급속으로 혼합시키는 라인 믹서와; 사이클론 형태로 하단이 좁아지는 형태로 형성되고, 상기 라인 믹서로부터 상기 응집제와 입상 활성탄이 혼합된 하수 처리수가 측면 상부로 유입되면, 이를 와류시키면서 슬러지를 침전시키고, 상등수를 배출하는 침전조; 및 하단이 좁아지는 형태로 형성되고, 내부에 분리막이 설치되어 상기 침전조에서 배출되는 상등수를 여과하여 배출하는 분리막조로 이루어진다.
상기 문헌의 경우, 단일 싸이클론 구조를 제시하고 있고, 싸이클론에서 고액 분리가 수행된다.
싸이클론에서 고액 분리가 아니라 혼합이 이루어지는것이라 해도, 반응 구간이 짧기 때문에 응집제와 하수 처리수의 혼합 효율이 높지 못한 문제점을 가지고 있다. 반응 구간을 길게 하기 위하여 2개의 단일 싸이클론을 직렬로 연결하는 구조가 제시될 수 있는데, 이 경우, 하수처리장치의 부피가 그만큼 증가하는 문제점이 있다. 아울러, 단일 싸이클론에 의하여 급속 혼합 및 완속 혼합 중 하나만이 가능하다. 급속 혼합만이 이루어질 경우, 완속혼합에 의한 응결작용이 불충분하여 플럭의 크기가 증가되기 어렵고 이에 따라 효과적으로 응집·응결반응이 유도되기 어렵다. 반대로, 완속 혼합만이 이루어질 경우, 응집제와 하수 처리수의 혼합 시간이 길어지므로 하수처리 효율이 낮다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 응집조 및 응결조에 의한 제한 사항 및 부담이 경감될 수 있는 개선된 고도 처리 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하는 본 발명에 따른 고도 처리 장치는 유입수에 응집제를 투입하여 응집 및 응결 반응에 의해 유입수에 포함된 인을 분리하는 고도 처리 장치에 있어서, 유입수에 응집제를 투입사는 응집제 투입설비; 내부 하이드로 싸이클론과 상기 내부 하이드로 싸이클론을 내포하는 외부 하이드로 싸이클론을 포함하며며, 유입수와 응집제를 급속으로 혼합하기 위한 응집 반응과 혼합된 유입수와 응집제가 반응하여 플럭(floc)을 키우기 위한 응결 반응이 수행되는 더블 하이드로 싸이클론; 및 상기 더블 하이드로 싸이클론에서 배출되는 하부 배출수 및 유출수에서 플럭과 상등액을 분리하기 위한 침전조;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 더블 하이드로 싸이클론은 유입수가 나선 방향으로 유입되는 내부 하이드로 싸이클론과, 상기 내부 하이드로 싸이클론을 내포하며 상기 내부 하이드로 싸이클론의 유출수가 나선방향으로 유입되는 외부 하이드로 싸이클론을 포함한다.
또한, 상기 내부 하이드로 싸이클론은 상부의 실린더부와 하부의 콘부를 포함하되, 상기 실린더부의 직경이 75mm 이상인 것이 바람직하다. 실린더부의 직경이 75mm 이상일 때 처리량이 현저히 증가할 수 있다.
또한, 상기 외부 하이드로 싸이클론은 상부의 실린더부와 하부의 콘부를 포함하되, 상기 실린더부의 직경이 상기 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부의 직경의 2.5~3.5배인 것이 바람직하다.
이때, 내부 하이드로 싸이클론의 유출수가 외부 하이드로 싸이클론에 유입되는 속도가 응집제가 포함된 유입수가 내부 하이드로 싸이클론에 유입되는 속도보다 더 느리다. 상기 내부 하이드로 싸이클론과 상기 외부 하이드로 싸이클론의 유입되는 회전속도의 차이에 의해 상기 내부 하이드로 싸이클론에서 상대적으로 강한 와류로 인하여 유입수와 응집제가 급속혼합이 이루어지고 상기 외부 하이드로 싸이클론에서 상대적으로 약한 와류로 인하여 완속혼합이 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 더블 하이드로 싸이클론에서 배출되는 하부배출수를 상기 더블 하이드로 싸이클론에 재주입시킴으로써 하부 배출수 내의 응집/응결된 플럭이 핵 역할을 함으로써 응집/응결 반응을 촉진시키도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고도 처리 장치에 있어서 더블 하이드로 싸이클론은 펌프에 의한 압송만으로 응집반응 및 응결반응이 이루어지므로 교반장치 등의 구동부분을 줄일 수 있어 경제적이라는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 고도 처리 장치는 기존의 화학적 응집조와 응결조의 소요부지 및 용적에 비해 상당히 작은 면적에 적용할 수 있기 때문에 단순하고 컴팩트한 공정구성으로 비용절감과 유지관리 측면에서도 장점이 있다.
도 1은 종래의 화학적 응집침전공정을 이용한 고도 처리 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 더블 하이드로 싸이클론을 이용한 고도 처리 장치를 도시한다.
도 3은 내부 하이드로 싸이클론(HydroCyclone; HC)의 구성 및 동작을 보이기 위한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 더블 하이드로 싸이클론의 구성을 도시한다.
도 5 및 6은 각각 내부 하이드로 싸이클론 및 더블 하이드로 싸이클론의 단면을 도시한다.
도 7은 도 3의 구조를 갖는 내부 하이드로 싸이클론의 직경에 따른 처리량(Q)의 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경에 따른 처리량(Q)의 변화를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 기존 화학적 처리공정의 응집조와 응결조 대신에 이중으로 제작된 더블 하이드로 싸이클론(Double Hydrocyclone; DH)을 이용하여 내부의 하이드로 싸이클론에서는 유입수와 응집제를 고속으로 혼합하여 응집시키고, 외부의 하이드로 싸이클론에서는 완속혼합에 의한 응결작용으로 플럭의 크기를 키워 효과적으로 응집·응결반응을 유도하여 후단의 침전공정을 통해 총인을 처리할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 더블 하이드로 싸이클론을 이용한 고도 처리 장치를 도시한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고도 처리 장치는 응집제 투입설비(10)와 더블 하이드로 싸이클론(40) 그리고 침전조(30)로 구성되어 있다. 도 2에는 경사판 침전조를 사용한 것이 도시되고 있지만 통상의 침전조를 사용해도 좋다.
방류조(100)는 하수처리시설의 최종 유출수 즉 방류수를 저장해 놓는 것이다. 통상 방류조에서 처리수를 자연유하 방식으로 수계로 배출하나, 3차 처리를 위한 여과시설로의 이송이나 유량측정을 위해 펌프로 압송하여 배출하기도 한다
본 발명의 경우, 방류수를 펌프를 통해 더블 하이드로 싸이클론(40)으로 이송하기 위해 유출수를 저류한다.
응집제 투입설비(10)는 응집/응결조(20)와 연결되어 있다. 응집제 투입설비(10)는 응집제 저장탱크와 응집제를 정량적으로 주입할 수 있는 펌프로 구성되어있다.
하이드로 싸이클론(HydroCyclone; HC)은 강한 회전류(vortex)를 통해 원심력과 중력을 이용하여 입자 및 고액을 분리할 수 있는 장치로서 높은 수면적부하율로 운전이 가능하고 구동부분이 없으며 운전 및 유지관리가 용이하여 다양한 산업분야에 활용되고 있다.
본 발명에서는 하이드로 싸이클론을 입자의 고액분리를 위한 장치가 아닌 장치 내에서 발생하는 강한 와류를 통해 유입되는 물질간의 혼합을 극대화할 수 있는 혼합장치로 이용한다.
본 발명은 기존 화학적 처리공정의 응집조와 응결조 대신에 이중으로 제작된 더블 하이드로 싸이클론(Double Hydrocyclone; DH)을 이용하여 내부에서는 유입수와 응집제를 고속으로 혼합하여 응집시키고, 외부에서는 완속혼합에 의한 응결작용으로 플럭의 크기를 키워 효과적으로 응집·응결반응을 유도하여 후단의 침전공정을 통해 총인을 처리할 수 있게 한다.
또한, 더블 하이드로 싸이클론의 하부배출수(Underflow)를 유입부에 재주입 (Return)시킴으로서 응집된 플럭을 응집핵으로 제공하여 응집·응결반응을 촉진시켜 침전공정에서 고액분리의 효율을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명에 적용되는 내부 하이드로 싸이클론(HydroCyclone; HC)의 구성 및 동작을 보이기 위한 것이다.
내부 하이드로 싸이클론(HydroCyclone; HC)은 상부의 실린더부와 원추형의 내부 공간을 갖는 콘부를 포함한다. 펌프를 통해 압송된 유입수(예, 고농도 탁수)는 유입관을 통해 유입된다. 이때 유입수가 실린더부에 유입되고, 이어지는 원추형 내부 공간에 대하여 나선방향으로 유입되어 강한 회전류를 형성한다.
실린더부의 직경과 실린더부의 높이는 대략 동일할 수 있으며, 콘부의 높이는 실린더부의 직경의 대략 3배 정도가 될 수 있다. 또한, 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경은 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 2.5~3.5배인 것이 바람직하고, 3배인 것이 보다 바람직하다. 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경은 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 2.5배 이상일 때 더블 하이드로 싸이클론의 효과를 충분히 발휘할 수 있으며, 3.5배를 초과하더라도 하이드로 싸이클론의 부피 증가에 비하여 효과가 크게 향상되지는 않는다. 한편, 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부의 직경과 실린더부의 높이는 대략 동일할 수 있으며, 콘부의 높이는 실린더부의 직경의 대략 3배 정도가 될 수 있다.
한편, 실험 결과 실린더부의 직경은 처리량에 큰 영향을 미친다.
표 1 및 도 7은 도 3의 구조를 갖는 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경에 따른 처리량(Q)의 변화를 나타낸 것이다. 표 1 및 도 3에서 D_Cylinder는 실린더부 직경, H_Cylinder는 실린더부 높이, H_Cone는 콘부 높이를 의미한다. 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경은 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 3배이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1 및 도 7을 참조하면, 실린더부 직경이 증가함에 따라 처리량(Q)이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 실린더부 직경이 증가함에 따라 하이드로 싸이클론의 총 부피가 증가하고, 이에 따라 유입수가 머무는 시간이 더 증가하여
특히, 실린더부 직경이 75mm까지의 기울기에 비하여 실린더부 직경이 75mm 이상일 때의 기울기가 더 큰 것을 볼 수 있는데, 이는 실린더부 직경이 75mm를 기준으로 처리량이 현저히 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 실린더부 직경은 75mm 이상인 것이 바람직하고, 사이즈가 지나치게 클 경우 장치 설계 비용이 과다하게 증가할 수 있는 바, 75~110mm인 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 8은 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경에 따른 처리량(Q)의 변화를 나타낸 것이다. 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경은 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 1/3배이다.
도 8을 참조하면, 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 경우에도 225mm(내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경 : 75mm)까지의 기울기에 비하여 실린더부 직경이 225mm 이상일 때의 기울기가 더 큰 것을 볼 수 있다. 이에 따라 외부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경은 225mm 이상인 것이 바람직하고, 225~330mm인 것이 보다 바람직하다.
도 4는 도 2에 도시된 더블 하이드로 싸이클론의 구성을 도시하고, 도 5 및 6은 각각 내부 하이드로 싸이클론 및 더블 하이드로 싸이클론의 단면을 도시한다.
도 4를 참조하면, 더블 하이드로 싸이클론(40)는 내부 하이드로 싸이클론(42)과 외부 하이드로 싸이클론(44)을 포함하며, 내부 하이드로 싸이클론(42)는 외부 하이드로 싸이클론(44)에 내포된다. 즉, 내부 하이드로 싸이클론(42)는 외부 하이드로 싸이클론(44)의 내부에 설치된다. 또한, 도시되지는 않았지만, 더블 하이드로 싸이클론(40)의 하부 배출수는 유입부로 재주입된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 더블 하이드로 싸이클론(Double Hydrocyclone; DH)은 일반적인 HC 내부에 작은 HC를 넣은 것이다.
방류조(100)에서 제공되는 유입수는 내부 하이드로 싸이클론(42)의 유입부를 통하여 내부 하이드로 싸이클론(42)의 원통 내벽으로 나선방향(Involute Feed)으로 유입되어 와류(Vortex) 발생을 최대로 한다. 여기서 방류수와 응집제가 강하게 혼합되는 효과를 가져 온다. 내부 하이드로 싸이클론(42)의 유출부에서 유출된 방류수는 유도판(44a)에 의해 외부 하이드로 싸이클론(44)으로 유입되며 여기에서도 나선방향으로 유입되어 와류형성을 도울 수 있도록 하였다.
방류수가 외부 하이드로 싸이클론(44)의 외통과 격벽(44b) 사이의 공간을 회전하면서 방류수내의 입자와 응집제가 응결하여 플럭을 형성한다. 형성된 플럭은 더블 하이드로 싸이클론(40)의 하부배출부로 유출되어 유입관으로 재순환된다. 이 과정에서 응결된 플럭이 방류수 응집에 필요한 핵 역할 하면서 응집효과를 극대화시킨다. 내부 하이드로 싸이클론(42)을 거쳐 외부 하이드로 싸이클론(44)에서 응집·응결된 입자와 처리수 중의 일부는 하부배출부로 유출되어 유입관으로 재순환되며, 나머지는 외부 하이드로 싸이클론(44)의 유출부로 유출되어 침전조(30)로 이송된다.
외부 하이드로 싸이클론(44)의 유출부를 통하여 유출된 처리수는 침전조(30)로 이송된다.
내부 하이드로 싸이클론(42)에서는 유입펌프의 압송(압력)에 의해 강한 와류가 발생하여 급속혼합(응집)이 일어나고 내부 하이드로 싸이클론(42)의 상부배출수는 다시 외부 하이드로 싸이클론(44)으로 유입되어 서서히 회전하면서 완속교반(응결)을 하게 된다. 외부 하이드로 싸이클론(44)의 직경이 내부 하이드로 싸이클론(42)의 그것보다 크므로, 외부 하이드로 싸이클론(44)와 내부 하이드로 싸이클론(42)에서의 유입수의 회전속도에 차이가 발생하고, 이 회전속도의 차이에 의해 급속교반 및 완속교반이 이루어지게 된다.
한편, 더블 하이드로 싸이클론(40)의 하부배출수 중의 일부는 방류조(100)에서 제공되는 방류수와 혼합되어 다시 더블 하이드로 싸이클론(40)으로 재주입(Return) 된다. 이러한 재주입의 결과 하부배출수내의 응집·응결된 플럭이 응결 핵 역할을 함으로서 더블 하이드로 싸이클론(40)으로 유입되는 방류수와 응집제의 응집·응결반응을 촉진시킨다. 더블 하이드로 싸이클론(40)에서 하부배출수외의 나머지 처리수는 침전조(30)로 이송된다.
종합적으로 살펴보면 내부 하이드로 싸이클론(42)에서의 급속혼합과 외부 하이드로 싸이클론(44)에서의 완속혼합, 더블 하이드로 싸이클론(40)의 하부배출수 슬러지 재주입으로 플럭 형성이 촉진된 방류수는 더블 하이드로 싸이클론(40)의 유출수 부분으로 유출되어 침전공정으로 이송되며, 침전조(또는 경사판 침전조)에서 고액분리를 통해 최종적으로 인(P)을 제거하게 된다.
본 발명에 따른 고도 처리 장치에 있어서의 더블 하이드로 싸이클론을 이용한 응집, 응결방법은 전통적인 방법과 비교할 때 그 크기와 용적이 작고 동력설비 없이 펌프압송 만으로도 내부의 하이드로 싸이클론에서 원심력과 중력에 의한 강한 혼합작용(응집)이 일어난다.
한편, 하이드로 싸이클론 외부에서는 응결반응이 일어나므로 기존시설을 대체할 수 있는 효과적인 수단으로 판단된다. 또한 응집된 플럭을 더블 하이드로 싸이클론의 하부배출부를 통해 재순환시킴으로써 응집된 플럭을 응집핵으로 제공할 수 있기 때문에 응집제 외의 응집보조제 역할을 수행할 수 있으므로 더욱 효과적이다.
100...방류조
10...응집제 투입 설비
20...응집/응결조
30...침전조
40...더블 하이드로 싸이클론

Claims (4)

  1. 유입수에 응집제를 투입하는 응집제 투입설비;
    응집제가 포함된 유입수가 나선 방향으로 유입되는 내부 하이드로 싸이클론과, 상기 내부 하이드로 싸이클론을 내포하며 상기 내부 하이드로 싸이클론의 유출수가 나선방향으로 유입되되 상기 내부 하이드로 싸이클론에 유입되는 속도보다 느린 속도로 완속 유입되는 외부 하이드로 싸이클론을 포함하며, 유입수와 응집제를 급속으로 혼합하기 위한 응집 반응과 혼합된 유입수와 응집제가 반응하여 플럭(floc)을 키우기 위한 응결 반응이 수행되는 더블 하이드로 싸이클론; 및
    상기 더블 하이드로 싸이클론을 통하여 형성된 플럭과 상등액을 분리하기 위한 침전조;를 포함하고,
    상기 내부 하이드로 싸이클론은 상부의 실린더부와 하부의 콘부를 포함하되, 상기 실린더부의 직경이 75mm 이상인 것을 특징으로 하는 고도 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내부 하이드로 싸이클론과 상기 외부 하이드로 싸이클론의 유입되는 회전속도의 차이에 의해 상기 내부 하이드로 싸이클론에서 상대적으로 강한 와류로 인하여 유입수와 응집제가 급속혼합이 이루어지고 상기 외부 하이드로 싸이클론에서 상대적으로 약한 와류로 인하여 완속혼합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고도 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 더블 하이드로 싸이클론에서 배출되는 하부 배출수를 상기 더블 하이드로 싸이클론에 재주입시킴으로써 하부 배출수 내의 응집/응결된 플럭이 핵 역할을 함으로써 응집/응결 반응을 촉진시키도록 하는 것을 특징으로 하는 고도 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 하이드로 싸이클론은 상부의 실린더부와 하부의 콘부를 포함하되, 상기 실린더부의 직경이 상기 내부 하이드로 싸이클론의 실린더부 직경의 2.5~3.5배인 것을 특징으로 하는 고도 처리 장치.
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