KR20180044242A - 부상분리장치와 이를 포함하는 수처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하폐수처리, 고형물 농축, 광물질 분류 등을 위해 고형물을 부상분리 시키는 부상분리장치와 이를 포함하는 수처리장치에 관한 것으로, 부상분리조 내부에 부상용 유체를 균일하고 미세하게 분산시킬 수 있는 유체 분산기를 제공하는 한편, 부상분리용의 과포화 용해 공기 및 미세 기포 등이 공기 용존농도가 낮은 유입수로 이전 및 잠식되는 것을 최소화할 수 있으며, 부상분리조의 전단계에 설치된 반응조의 내부에서 응집제와 고형물 및 미세 기포를 동시에 반응 및 결합시켜서 미세 기포가 표면과 내부에 함께 결합된 플럭을 형성함으로써, 고액분리 효율이 향상 및 안정화될 수 있는 부상분리장치 및 이를 포함하는 수처리장치를 제공할 수 있다.

Description

부상분리장치와 이를 포함하는 수처리장치{Air Flotation Apparatus and Water Treatment Apparatus comprising the Same}

본 발명은 부상분리 및 수처리장치와 관련된 것으로, 하폐수처리, 고형물 농축, 광물질 분류 등을 위해 고형물의 표면에 기포를 부착시켜서 부상분리 시키는 부상분리장치와 이를 포함하는 수처리장치에 관한 것이다.

부상분리장치는 고체 입자, 유적 등 액체 입자, 액체 및 고체 입자들이 뭉쳐서 형성된 플럭 등과 같은 고형물에 미세 기포를 부착시켜서 겉보기 비중이 낮아진 고형물을 수면으로 부유시키고 부유된 고형물을 수집하여 하폐수를 처리하거나 고형물을 회수하는 장치이다. 이와 같은 부상분리장치 및 이를 포함하는 수처리장치들은 중력식 침전장치, 응집 침전장치들보다 수면적 부하율을 크게 할 수 있으므로 설치면적이 작고 콤팩트하게 구성할 수 있다.

부상분리장치에 의하여 고액분리 효율을 향상시키고 청정한 처리수를 얻기 위해서는 고형물과 미세 기포의 접촉 빈도를 높이고 기포와 접촉하지 않은 고형물의 유출을 최대한 방지해야 한다. 따라서 미세 기포와 고형물의 접촉이 잘 이루어지도록 부상분리조 내부에서 부상분리조에 유입되는 고형물이 함유된 유입수와 미세 기포를 발생시킬 수 있는 부상용 유체가 균일하게 접촉 및 혼합되어야 한다. 여기서 부상용 유체는 수체와 공기가 혼합된 기액 혼합 유체, 높은 압력에서 수체에 공기가 과포화 용해된 공기 과포화수, 미세 기포로 분산될 수 있는 압축 공기 등 부상분리조 내에서 미세 기포로 분산되거나 미세 기포를 발생할 수 있는 유체들을 말한다.

그러나 종래의 부상분리장치에서는 부상용 유체를 노즐 또는 유공관에 형성된 구멍을 통하여 분출시키거나 패들 등을 설치하여 기계적으로 혼합시키므로 부상용 유체가 유입수에 균등하게 분산되지 못하거나 부상분리조 내부에 난류가 형성되어 고액분리 성능이 저하되기도 한다. 따라서 이러한 문제점들을 해소하기 위하여 부상용 유체를 미세한 크기로 부상분리조 내부의 유입수 중으로 고르게 분산시킬 수 있는 분산수단의 개발이 필요하다.

또한, 부상분리장치로 유입되는 유입원수와 반응조를 거친 반응액 등과 같은 유입수는 대부분 공기 용존농도가 매우 낮은 편이다. 종래의 부상분리장치의 경우, 부상분리조에서 공기 과포화수와 상기 공기 용존농도가 낮은 유입수가 혼합하면 공기 과포화수 중의 용존 공기가 유입수 중으로 이전 및 용해되므로 유입수와 과포화수가 혼합된 혼합액의 포화 공기 용존농도는 낮아지게 된다. 이에 따라 상압에서 노출되면 분리되는 공기량 즉 미세 기포 발생량이 감소하게 되므로 그만큼 많은 량의 미세 기포, 공기 과포화수 등을 공급해야 하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 부상분리장치의 경우 부상분리조의 전단계에 설치된 반응조에서 응집제와 입자를 결합 및 응집시켜서 플럭을 형성하는 제1단계와, 부상분리조에서 상기 플럭의 표면에 미세 기포를 부착시키는 제2단계를 거쳐서 플럭의 표면에 기포가 부착되어 수중에서 부력에 의해 부상할 수 있는 겉보기 비중이 낮아진 플럭을 형성하게 된다. 이와 같이 플럭의 표면에 기포가 부착되므로 기포와 플럭의 결합력이 약하며, 표면에 미세 기포가 부착되지 못하고 겉보기 비중이 큰 플럭들은 부상하지 못하고 침전되므로 부상분리조의 하부 측에서 처리수를 통하여 유출되기도 하므로 고액분리 효율이 저하되는 문제점이 있어 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제들을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 부상분리조 내부에 부상용 유체를 균일하고 미세하게 분산시킬 수 있는 유체 분산기를 제공하는 한편, 부상분리용의 과포화 용해 공기 및 미세 기포 등이 공기 용해농도가 낮은 유입수로 이전 및 잠식되는 것을 최소화할 수 있으며, 부상분리조의 전단계에 설치된 반응조의 내부에서 응집제와 고형물 및 미세 기포를 동시에 반응 및 결합시켜서 미세 기포가 표면과 내부에 함께 결합된 플럭을 형성함으로써, 고액분리 효율이 향상 및 안정화될 수 있는 부상분리장치 및 이를 포함하는 수처리장치의 제공을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 제1개념으로서, 미세 기포가 부착된 고체 및 액체 입자가 부력에 의해 수면에 부상하는 부상분리조와 상기 부상분리조의 하측 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기와 상기 유체 분산기에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단과 상기 부상분리조의 상측 수면에서 부유물을 수집하는 부유물 수집기와 상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부를 포함하여 이루어지고, 상기 유체 분산기는, 복수 개의 미세공이 형성되고 팽창 정도에 따라 미세공의 크기가 축소 및 확장될 수 있는 탄성 복원력이 구비된 신축성 막과 하나 이상의 유체 공급구가 구비된 지지체를 포함하여 이루어지고, 상기 유체 공급수단의 토출구는 상기 유체 공급구와 서로 연통되는 구성의 부상분리장치를 제공한다.

상기 유체 분산기는, 기포와 수체가 유통하는 관통구가 형성된 프레임을 더 포함하고, 상기 프레임은, 상기 신축성 막에 형성된 미세공 및 상기 미세공에서 분출되는 미세 기포의 입경이 소정의 크기 이상으로 커지는 것을 방지할 수 있도록 상기 신축성 막의 팽창을 제어할 수 있다.

또한, 상기 유체 분산기는 신축성 막의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판과 상기 조절판의 높낮이를 조절하는 조절봉을 더 포함하고, 상기 조절봉에 의해 조절판의 높낮이를 조절하여 상기 신축성 막의 팽창을 조절함으로써 신축성 막에 형성된 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절할 수 있다.

또한, 상기 유체 분산기는, 신축성 막의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판과 상기 조절판에 압력을 가하는 탄성체를 더 포함하고, 상기 탄성체는, 상기 신축성 막에 형성된 미세공 및 상기 미세공에서 분출되는 미세 기포 입경이 소정의 크기 이상으로 증대되는 것을 방지할 수 있도록 상기 신축성 막의 팽창을 제어하고 상기 유체 공급관 내부의 압력을 유지시킨다.

한편, 상기 유체 공급수단은, 압축 공기를 생성하는 송풍기와 상기 송풍기에서 생성되는 압축 공기의 유동 에너지를 이용하여 물을 흡입하고 물방울과 압축 공기가 혼합된 혼합 유체를 생성하는 이젝터와 상기 이젝터에 공급되는 물 공급량을 조절하는 수량 조절밸브와 상기 송풍기의 토출구와 이젝터 및 상기 유체 분산기의 유체 공급구가 서로 연통되도록 연결하는 유체 이송관을 포함하고, 상기 송풍기와 이젝터는 유체 이송관 및 유체 공급구를 통하여 유체 분산기에 혼합유체를 공급하고, 상기 수량 조절밸브에 의해 물 흡입량을 조절하여 상기 신축성 막과 미세공에 형성되는 수막의 두께를 조절하거나 미세공에서 분출되는 공기와 물의 혼합비율을 조절함으로써 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절할 수 있다.

또한, 상기 유체 공급수단은, 물을 이송하는 펌프와 상기 펌프에서 압송되는 물의 유동 에너지를 이용하여 공기를 흡입하고 공기 방울과 물이 혼합된 혼합 유체를 생성하는 이젝터와 상기 이젝터에 공급되는 공기 공급량을 조절하는 풍량 조절밸브와 상기 펌프의 토출구와 이젝터 및 상기 유체 분산기의 유체 공급구가 서로 연통되도록 연결하는 유체 이송관을 포함하고, 상기 펌프와 이젝터는 유체 이송관을 통하여 유체 분산기에 혼합유체를 공급하고, 상기 풍량 조절밸브에 의해 공기 흡입량을 조절하여 상기 미세공에서 분출되는 공기와 물의 혼합비율을 조절함으로써 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절할 수 있다.

또한, 상기 유체 공급수단은 물에 공기를 포화 농도 이상으로 용해시키는 공기 과포화 용해장치이고, 상기 부상용 유체는 공기 과포화수로 공급할 수 있다.

본 발명은, 제2개념으로서, 수중에 함유된 입자들을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조와 상기 반응조 내의 수체와 응집제를 혼합 및 교반시키고 동시에 공기를 용해시키는 교반 및 공기용해 수단과 수중의 고체 및 액체 입자에 미세 기포가 부착되고 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조와 상기 부상분리조의 하측 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기와 상기 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단과 상기 부상분리조의 상측 수면에서 부유물을 수집하는 부유물 수집기와 상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부를 포함하여 이루어지며, 상기 교반 및 공기용해 수단은 수중에서 공기 방울을 분출하고 분출하는 공기 방울의 교반력에 의하여 반응액을 혼합 및 교반시키고 동시에 분출되는 상기 공기 방울과 반응액 간의 기액 접촉에 의하여 반응액에 공기를 용해시켜서 용존공기 농도를 증가시키는 교반 및 공기용해 수단으로 이루어지고, 상기 교반 및 공기용해 수단은 반응액 중의 질소와 산소의 용존량을 증대시켜서 후속 공정인 부상분리조의 유체 분산기에서 발생되는 용존공기 또는 미세 기포로부터 상기 반응조에서 유입되는 반응액으로 용존하여 이전 및 유실되는 공기 용해량을 최소화시켜서 유체 분산기에서 공급되는 용존공기 및 미세 기포들이 반응액에 용해되지 않고 최대한 미세 기포로 분리되어 수면으로 부상되도록 함으로써 기포 생성용 유체 공급유량과 에너지 소요를 최소화하고 기포 생성용 유체 공급량 대비 부상분리 효율을 증대시킬 수 있는 부상분리장치를 포함하는 수처리장치를 제공한다.

본 발명은, 제3개념으로서, 수중에 함유된 입자들을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조와 수중의 고체 및 액체 입자에 미세 기포가 부착되고 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조와 상기 반응조에 설치되고 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기와 상기 유체 분산기에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단과 상기 부상분리조의 상측에 설치되고 부상된 부유물을 수집하는 부유물 수집기와 상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부와 상기 반응조에서 상기 부상분리조로 반응액이 유동하는 유로를 포함하여 이루어지며, 상기 반응조는, 유입수 중에 함유된 입자들과 투입된 응집제와 상기 유체 분산기에서 발생된 미세 기포를 혼합 및 교반하여 고형물과 응집제 및 미세 기포가 함께 결합되어 겉보기 비중이 작은 부유성 플럭을 형성하고, 상기 부유성 플럭과 반응액은 상기 유로를 통하여 상기 부상분리조로 유입되고, 상기 부상분리조에 유입된 비중이 작은 부유성 플럭은 수면 측에서 상기 부유물 수집기에 의해 제거되고 상대적으로 비중이 큰 수체는 부상분리조의 하부 측 처리수 수집부를 통하여 외부로 유출되는 구성의 부상분리장치를 포함하는 수처리장치를 제공한다.

여기서, 상기 유로는 상기 반응조와 상기 부상분리조의 상측에 배치된 월류웨어이며, 상기 반응조에서 플럭이 형성된 반응액이 반응조의 수면에서 상기 월류웨어를 월류하여 상기 부상분리조의 수면 측으로 유입되는 구성의 부상분리장치를 포함하는 수처리장치를 제공한다.

본 발명에 따라, 부상분리조 내부에 부상용 유체를 균일하고 미세하게 분산시킬 수 있는 유체 분산기를 제공하는 한편, 부상분리용의 과포화 용해 공기 및 미세 기포 등이 공기 용해농도가 낮은 유입수로 이전 및 잠식되는 것을 최소화할 수 있으며, 부상분리조의 전단계에 설치된 반응조의 내부에서 응집제와 고형물 및 미세 기포를 동시에 반응 및 결합시켜서 미세 기포가 표면과 내부에 함께 결합된 플럭을 형성함으로써, 고액분리 효율이 향상 및 안정화될 수 있는 부상분리장치 및 이를 포함하는 수처리장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부상분리장치 제1 실시예의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 부상분리장치 제2 실시예의 개념도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 부상분리장치에 포함되는 유체 분산기 제1 내지 제4 실시예의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 교반 및 공기용해 수단이 구비된 반응조 및 부상분리장치를 포함하는 수처리장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 부상분리용 기포 발생수단이 구비된 반응조를 포함하는 수처리장치의 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부상분리장치와 이를 포함하는 수처리장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 부상분리장치 제1실시예의 개념도이다.

본 발명은 수중에서 미세 기포가 부착되어 겉보기 비중이 작아진 고형물들이 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조(100)와, 상기 부상분리조(100)의 하측 수중에 배치되고 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기(300)와, 상기 유체 분산기(300)에서 미세 기포가 발생될 수 있도록 부상용 유체를 유체 공급구(340)를 통하여 상기 유체 분산기(300)에 공급하는 유체 공급수단과, 상기 부상분리조(100)의 상측 수면에 배치되고 수면에 부상된 부유물을 수집하는 부유물 수집기(110)와, 상기 부상분리조(100)의 하측 수중에 배치되며 고형물이 분리 제거된 처리수를 수집하고 외부로 유출되도록 하는 처리수 수집부(120)를 포함하여 이루어지는 부상분리장치에 있어서, 상기 유체 분산기(300)는, 복수 개의 미세공(320)가 형성되고 탄성 복원력이 구비된 신축성 막(310)과, 하나 이상의 유체 공급구(340)가 구비된 지지체(330)를 포함하여 이루어지고, 상기 신축성 막(310)은 팽창 및 수축 상태에 따라 복수개의 상기 미세공(320)들의 크기가 축소되거나 확대될 수 있는 탄성 복원력을 구비하는 구성이다.

상기 도 1에서는 송풍기(430)와 이젝터(410)의 조합 장치인 송풍기(430) 이젝터(410) 방식의 유체 공급수단을 예시하고 있다. 상기 유체 공급수단은 압축 공기의 유체 에너지를 이용하여 물을 흡입하고 물이 혼합된 압축 공기를 생성하는 송풍기(430)와 이젝터(410)의 조합 장치이고, 상기 유체 공급구(340)를 통하여 유체 분산기(300)에 공급되는 유체는 물이 혼합된 압축 공기일 수 있다.

작용에 대해 설명하면, 송풍기(430)와 이젝터(410)에 의해 유체 이송관(460)과 유체 공급구(340)를 통하여 유체 분산기(300)에 물이 섞인 압축 공기를 공급하고 수량 조절밸브(420)를 이용하여 압축 공기 중으로 흡입되는 물 흡입량을 조절할 수 있게 된다. 이와 같이 물 흡입량을 조절함으로써 신축성 막(310)과 미세공(320)에 형성되는 수막의 두께를 조절하거나 미세공(320)에서 분출되는 압축 공기와 물의 혼합 비율을 조절함으로써 미세공(320)를 통하여 분출되는 기포의 크기를 조절할 수 있게 된다.

또한, 상기 유체 공급수단은 가압 용해탱크와 공기 압축기와 가압 펌프로 구성된 종래의 일반적인 가압부상장치에 이용되는 공기 과포화 용해 장치(미도시)이고, 유체 공급구(340)를 통하여 유체 분산기(300)에 공급되는 부상용 유체는 수체에 공기가 과포화 용해된 공기 과포화수 일 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 유체 분산기(300)를 통하여 수체에 공기가 포화 농도 이상으로 과포화 용해된 압력수 즉, 공기 과포화 용해수를 분출하게 되면, 미세한 액적 상태로 부상분리조(100)의 하측 수중에 광범위하고 고르게 분출 및 확산되고 유입수와 고르게 섞인 액적들로부터 미세 기포가 고르게 분산되므로 미세 기포와 고형물간의 접촉 빈도가 증대되고 고액 분리효율이 개선될 수 있다.

공기 과포화수를 이송하는 유체 이송관(460) 내부의 압력이 낮아지면 부상분리조(100)에 유입되기 전에 유체 이송관(460)의 내부에서 기포로 분리될 수 있으나, 상기 신축성 막(310)의 탄성에 의해 유체 이송관(460)의 내부에 소정의 압력을 유지시킬 수 있으므로 유체 이송관(460) 내에서 과포화 용해된 공기의 분리를 방지할 수 있다.

이와 같이 상기 유체 공급수단들은 유체 분산기(300)에 구비된 유체 공급구(340)를 통하여 압축 공기, 공기와 물의 혼합 유체 또는 공기가 과포화 용해된 공기 과포화수를 공급함으로써 상기 유체 분산기(300)의 신축성 막(310)에 형성된 미세공(320)들을 통하여 미세 기포 또는 미세한 액적 상태의 공기 과포화수를 부상분리조(100)의 하측 수중에 분산시키게 된다.

또한, 상기 유체 분산기(300)의 유체 공급구(340)를 통하여 유체를 공급하는 상기 유체 공급수단은 압축 공기를 생성하는 송풍기(430)이고, 유체 분산기(300)에 유입시키는 부상용 유체는 물이 혼입되지 않은 순수한 압축 공기일 수 있다.

또한, 상기 유체 공급수단은 후술하는 도2 에서와 같이 유체 에너지에 의하여 공기를 흡입하는 이젝터(410)와 물을 압송하는 펌프(450)가 조합 구성된 펌프 이젝터(410) 이고, 상기 유체 공급구(340)를 통하여 유체 분산기(300)에 공급되는 부상용 유체는 공기가 혼합된 압력수일 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 부상분리장치 제2 실시예의 개념도이다.

상기 도 2에서의 상기 유체 공급수단은 펌프(450)와 이젝터(410)의 조합 장치인 펌프 이젝터(410) 방식을 예시하고 있다. 물을 압송하는 펌프(450)와, 펌프(450)에서 압송되는 물의 유동 에너지를 이용하여 공기를 흡입하고 공기와 물이 혼합된 혼합 유체를 생성하는 이젝터(410)와, 상기 이젝터(410)에 공급되는 공기 공급량을 조절하는 풍량 조절밸브(480)와, 상기 펌프(450)의 토출구와 이젝터(410) 및 상기 유체 분산기(300)의 유체 공급구(340)가 서로 연통되도록 연결하는 유체 이송관(460)을 포함하는 구성이다.

작용에 대해 설명하면, 상기 펌프(450)에 의하여 이젝터(410) 내부의 노즐에 압력수를 분출하면 공기가 흡입되고 유체 이송관(460)과 유체 공급구(340)를 통하여 유체 분산기(300)에 공기가 혼합된 압력수를 공급할 수 있다. 상기 풍량 조절밸브(480)를 조작하여 공기 흡입량을 조절하면 상기 미세공(320)에서 분출되는 공기와 물의 혼합 비율이 조절됨으로 미세공(320)를 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절할 수 있게 된다. 크기가 제한된 미세공(320)를 통하여 혼합 유체가 유출되므로 혼합 유체 중에서 공기/물의 비율이 클수록 입경이 큰 기포가 분출되고, 그 반대로 공기/물의 비율을 작게 조절하면 입경이 작은 기포가 분출되는 방식으로 유체 분산기(300)에서 발생되는 미세 기포의 크기를 조절할 수 있게 된다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 부상분리장치에 포함되는 유체 분산기(300) 제1 내지 제4 실시예의 개념도이다.

도 3a에 도시된 제1 실시예의 유체 분산기(300)는 복수 개의 미세공(320)가 형성되고 탄성 복원력이 구비된 신축성 막(310)과, 하나 이상의 유체 공급구(340)가 구비된 지지체(330)를 포함하여 이루어지고, 압축 공기 등의 유체가 공급되면 상기 신축성 막(310)은 팽창하게 되며 팽창 및 수축 상태에 따라 복수개의 상기 미세공(320)들의 크기가 축소되거나 확대될 수 있는 탄성 복원력을 구비하는 구성이다.

또한, 상기 유체 분산기(300)는 지지체(330)가 생략되고 구형, 튜브형 등과 같은 용적형의 신축성 막(310)이며 상기 신축성 막(310)에 유체 공급구(340)가 형성되는 구성일 수 있다.

도 3b에 도시된 제2 실시예의 유체 분산기(300)는 상기 도 3a의 유체 분산기(300)에 추가하여 기포와 수체가 유통할 수 있는 관통구가 형성된 프레임(350)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 유체 공급수단에 부상용 유체를 공급하는 과정에서 상기 신축성 막(310)과 신축성 막(310)에 형성된 미세공(320)가 과도하게 확장되면 분출하는 미세 기포의 크기가 지나치게 증대되어 부상분리 효율이 저하될 수 있다. 상기 프레임(350)은 미세공(320)의 지나친 확장을 제어할 수 있도록 상기 신축성 막(310)의 팽창이 어느 단계를 초과하면 더 이상 팽창하지 못 하도록 상기 신축성 막(310)을 고정시키고 더 이상의 팽창을 방지하는 기능을 수행한다.

도 3c에 도시된 제3 실시예의 유체 분산기(300)는 신축성 막(310)의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판(360)과, 상기 조절판(360)의 높낮이를 조절하는 조절봉(370)을 더 포함하고, 상기 조절봉(370)에 의해 조절판(360)의 높낮이를 조절하여 상기 신축성 막(310)의 팽창을 조절함으로써 신축성 막(310)에 형성된 미세공(320)를 통하여 분산되는 미세 기포의 크기를 조절할 수 있다.

상기 제3 실시예에서는 조절봉(370)의 표면과 상기 프레임(350)의 중심부의 관통구에 각각 나사산을 형성하여 지지하고 상기 조절봉(370)을 회전시켜서 조절판(360)의 높낮이를 변경하는 구성을 예시하고 있다. 상기 조절판(360)의 지지와 높낮이의 조절은 나사 구조에 국한되지 않고 여러 가지 구성들 중에서 선택할 수 있다. 또한, 상기 조절판(360)에는 상기 신축성 막(310)을 통하여 분산되는 유체가 유통할 수 있는 관통구를 형성하는 것이 바람직하다.

도 3d에 도시된 제4 실시예의 유체 분산기(300)는 신축성 막(310)의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판(360)과, 상기 조절판(360)은 압축 공기가 충전된 튜브, 스프링 등과 같은 탄성체(380)의 탄성에 의해 신축성 막(310)에 압력을 가하는 구성일 수 있다. 이와 같이 상기 신축성 막(310)의 탄성에 상기 탄성체(380)에 의한 탄성을 추가하여 신축성 막(310)의 팽창과 미세공(320)의 확장을 보다 견고하게 제한할 수 있으므로 분산되는 미세 기포의 크기를 제어할 수 있게 된다.

공기 과포화수를 이송하는 유체 이송관(460)의 내부 압력이 낮아지면 부상분리조(100)에 유입되기 전에 유체 이송관(460)의 내부에서 기포로 분리될 수 있으나, 상기 신축성 막(310)의 탄성과 상기 탄성체(380)의 탄성에 의해 유체 이송관(460)의 내부에 소정의 압력을 유지시킬 수 있으므로 유체 이송관(460) 내에서 유동하는 공기 과포화수의 압력 및 공기 용해도의 저하로 인한 과포화 용존 공기의 분리를 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 교반 및 공기용해 수단이 구비된 반응조 및 부상분리장치를 포함하는 수처리장치의 개념도이다.

상기 도 4의 수처리장치는, 수중의 고형물들을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조(200)와, 상기 반응조(200) 내의 수체와 응집제를 혼합 및 교반시키는 교반 및 공기용해 수단(510)과, 수중의 고형물에 미세 기포가 부착되고 부력에 의해 수면으로 부상하여 고액 분리가 이루어지도록 하는 부상분리조(100)와, 상기 부상분리조(100)의 하측 수중에서 미세 기포를 분산시키는 유체 분산기(300a)와, 상기 유체 분산기(300a)에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단과, 상기 부상분리조(100)의 상측 수면에서 부유물을 수집하는 부유물 수집기(110)를 포함하여 이루어지는 구성이다.

여기서 상기 교반 및 공기용해 수단(510)은, 수중에서 공기 방울을 분출하고 분출하는 공기 방울의 유동에 따른 교반력에 의하여 반응액을 혼합 및 교반시키는 교반기로써 기능하는 한편, 분출되는 교반용의 공기 방울과 반응액 간의 기액 접촉에 의하여 반응액에 공기를 용해시켜서 용존공기 농도를 증가시키는 포기장치로서의 기능을 동시에 함께 수행하게 된다.

포기 기능이 구비된 상기 교반 및 공기용해 수단의 작용을 설명하면, 상기 반응조(200)내의 반응액을 교반하면서 동시에 공기와 반응액을 접촉시키고 반응액 중의 질소와 산소의 용존량 즉, 공기 용존량을 증대시키게 된다. 이와 같이 포화상태 또는 포화상태에 가까운 높은 농도로 공기가 용해된 반응액은 공기를 추가로 용해시킬 여력이 없으므로, 후속 공정인 부상분리조(100)에 유입되어 유체 분산기(300a)에서 공급되는 부상분리용의 공기 과포화수 또는 미세 기포 등과 혼합되어도 상기 반응조(200)로부터 유입되는 반응액으로 이전되는 공기량은 무시할 정도의 작은 양에 불과하다. 부상분리조(100)는 상압으로 유지되므로 유체 분산기(300a) 등에서 부상분리용으로 공급되는 용존공기 및 미세 기포들이 용존공기 농도가 높은 반응액으로 더 이상 용존 및 이전되지 않게 되므로 과포화 용존 공기는 낭비되지 않고 거의 전량이 미세 기포로 분리되어 수면으로 부상할 수 있다. 이에 따라 기포 생성용 유체 공급유량과 에너지 소요를 최소화하고 부상분리 효율을 개선할 수 있게 된다.

예를 들어 설명하면, 포화 공기 용해도가 24.0mg/L이고 용존 공기농도가 3.0mg/L인 유입폐수를 가압식 부상분리장치에서 처리하기 위하여 공기 용해농도가 70.0mg/L인 공기 과포화수를 순환률 100%로 부상분리조(100)로 순환 및 혼합시킬 경우, 과포화 용해된 공기 70.0mg/L중 최대 21.0 mg/L(24.0mg/L - 3.0mg/L)는 유입폐수에 용해 및 이전될 수 있다. 이에 따라 공급된 공기 과포화 용해수의 과포화 용존 공기농도가 49mg/L(70.0mg/L - 21.0mg/L)로 감소하게 되므로 공기 과포화도가 낮은 순환수를 순환시킨 것과 같은 낭비가 발생되게 된다.

그러나 본 발명에서는 포화 공기 용해도가 24.0mg/L이고 용존 공기농도가 3.0mg/L인 유입폐수를 가압식 부상분리장치에서 처리하기 위하여 공기 용해농도가 70.0mg/L인 공기 과포화수를 순환률 100%로 부상분리조(100)로 순환 및 혼합시킬 경우에도, 반응조에서 유입폐수를 공기로 교반하여 유입폐수의 공기 용해농도를 22mg/L까지 증가시키게 되면, 유입폐수의 용존 공기농도가 포화 상태인 24.0mg/L가 될 때 까지 공기 과포화수로부터 용존 공기가 이전되더라도 공기 과포화수의 용존 공기농도는 2.0mg/L(24.0mg/L - 22.0mg/L)로 매우 작은 손실만 발생되므로 공기 과포화수는 68.0mg/L (70.0mg/L - 2.0mg/L)의 높은 용존공기 농도를 유지할 수 있고 그만큼 많은 양의 미세 기포가 분리 및 부상될 수 있으므로 부상분리 효율이 개선될 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 교반 및 공기용해 수단은 일반적인 회전차 방식의 교반기에 비교하여 다소 교반동력효율은 낮을 수 있으나, 동력소요가 큰 부상용 유체로부터 유입폐수로 이전되는 용존공기 등의 손실을 방지하므로 전체 동력은 큰 폭으로 절약되고 부상분리 효율도 개선될 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 교반 및 공기용해 수단은 산소를 용해시켜 호기성 미생물을 증식하거나 산화환원 반응을 유도하는 생물화학적 반응용의 포기장치와는 상술한 바와 같이 목적과 작용이 근본적으로 다르다.

본 발명의 공기 용해와 교반을 병행하는 교반 및 공기용해 수단이 구비된 반응조는, 본 발명에 따른 부상분리장치에는 물론, 공지된 다양한 형태의 일반적인 부상분리장치들과 조합하여 수처리장치를 구성할 수 있다. 또한, 상기 교반 및 공기용해수단(510)으로는 산기관과 송풍기(430)의 조합장치, 펌프이젝터, 표면포기기, 수중포기기 등 교반과 포기를 겸할 수 있는 다양한 장치들이 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 부상분리용 기포 발생수단이 구비된 반응조를 포함하는 수처리장치의 개념도이다.

상기 도 5에 도시된 수처리장치는 수중에 함유된 고형물을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조(200)와, 수중의 플럭이 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조(100)와, 상기 반응조(200)에 설치되고 수중에서 미세 기포를 분산시키는 유체 분산기(300)와, 상기 반응조(200)에서 형성된 플럭을 포함하는 반응액이 반응조(200)의 수면 측으로부터 월류(Overflow)하여 상기 부상분리조(100)의 상부 수면 측으로 유입되도록 하는 월류웨어(130)와, 상기 유체 분산기(300)에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단과, 상기 부상분리조(100)의 상측에 설치되고 부상된 부유물을 수집하는 부유물 수집기(110)를 포함하여 이루어진다.

작용을 설명하면, 상기 반응조(200)는 유입수 중에 함유된 고형물들과 투입된 응집제와 상기 유체 분산기(300)에서 발생된 미세 기포 또는 공기 과포화수의 미세 액적을 동시에 혼합 및 교반하여 입자와 응집제 및 미세 기포가 함께 결합되어 겉보기 비중이 작은 부유성 플럭을 형성한다.

상기 반응조(200)에서 형성된 부유성 플럭과 반응액은 월류웨어(130)를 월류하여 부상분리조(100)의 상부 수면 측으로 유입된다. 부상분리조(100)의 수면 측으로 유입된 비중이 작은 부유성 플럭은 수면 측에서 부유물 수집기(110)에 의해 제거되고 상대적으로 비중이 큰 수체는 부상분리조(100)의 수면 측에서 하부 측으로 유동되어서 처리수 유출부(120)를 통하여 외부로 유출되는 하향 흐름이 이루어진다.

이와 같이 상기 도 5에서는 반응조(200)에서 부상분리조(100)로 반응액이 유동하는 유로는 반응조(200)와 부상분리조(100)의 상측에 구비된 월류웨어(130)를 예시하고 있다.

종래 방식의 반응조(200)와 부상분리조(100)로 구성된 수처리장치에서는 먼저 반응조(200)에서 고형물과 응집제를 혼합 및 결합시켜서 플럭을 형성하는 제1단계와 반응액에서 부상분리조(100)로 이송된 플럭의 표면에 미세 기포를 부착시켜서 겉보기 비중이 낮은 플럭을 형성하는 제2단계를 거치는 구성이다. 이와 같이 반응조에서 형성된 비중이 큰 1차 플럭들을 부상분리조(100)로 유입시킨 후에 1차 플럭의 표면에 미세 기포를 부착시켜 비중이 낮은 2차 플럭을 형성하므로 플럭과 미세 기포의 결합력이 약하고 1차 플럭 중에는 기포와 결합되지 못하고 처리수를 통하여 외부로 유출되기도 하므로 고형물 제거효율이 저하될 수 있다.

반면에, 본 발명에서는 부상분리조의 전단계인 반응조의 내부에서 고형물과 응집제 및 미세 기포를 동시에 교반 및 반응시켜서 고형물과 응집제 및 미세 기포가 함께 결합된 겉보기 비중이 작은 플럭을 형성한다. 따라서 입자와 응집제를 결합시켜서 형성된 비중이 큰 1차 플럭의 표면에 기포를 부착시켜서 겉보기 비중이 작은 2차 플럭을 형성하는 종래 방식과 달리 본 발명에서는 반응조에서 플럭을 형성하는 단계부터 플럭의 내부와 외부에 기포를 결합시켜서 겉보기 비중이 작고 기포와 견고하게 결합된 플럭을 형성하고 부상분리조(100)로 유입 및 부상분리 시키므로 고액 분리효율이 향상될 수 있다.

또한, 상기 도 5에서의 반응액이 유동하는 유로는 반응조(200)와 부상분리조(100)사이의 상측에 구성된 월류웨어(130)를 예시하고 있으나, 반응조와 부상분리조(100)의 하측 또는 상하측의 중간 부위 등을 서로 연통시키는 개구부를 형성하거나 관로를 통하여 연통시켜서 반응액이 유동되는 유로를 구성할 수 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

100... 부상분리조 110... 부유물 수집기
120... 처리수 수집부 130... 월류웨어
200... 반응조 300, 300a... 유체 분산기
310... 신축성 막 320... 미세공
330... 지지체 340... 유체 공급구
350... 프레임 360... 조절판
370... 조절봉 380... 탄성체
410... 이젝터 420... 수량 조절밸브
430... 송풍기 440... 송기관
450... 펌프 460... 유체 이송관
470... 과포화 용해수조 480... 풍량 조절밸브
500... 교반기 510... 교반 및 공기용해 수단
520... 송기부

Claims (10)

1. 미세 기포가 부착된 고체 및 액체 입자가 부력에 의해 수면에 부상하는 부상분리조;와
   상기 부상분리조의 하측 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기;와
   상기 유체 분산기에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단;과
   상기 부상분리조의 상측 수면에서 부유물을 수집하는 부유물 수집기;와
   상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부;를 포함하여 이루어지며,
   상기 유체 분산기는,
   복수 개의 미세공이 형성되고 팽창 정도에 따라 미세공의 크기가 축소 및 확장될 수 있는 탄성 복원력이 구비된 신축성 막;과
   하나 이상의 유체 공급구가 구비된 지지체;를 포함하여 이루어지고,
   상기 유체 공급수단의 토출구는 상기 유체 공급구와 서로 연통되는 구성인 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 유체 분산기는,
   기포와 수체가 유통하는 관통구가 형성된 프레임;을 더 포함하고,
   상기 프레임은, 상기 신축성 막에 형성된 미세공 및 상기 미세공에서 분출되는 미세 기포의 입경이 소정의 크기 이상으로 커지는 것을 방지할 수 있도록 상기 신축성 막의 팽창을 제어하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 유체 분산기는,
   신축성 막의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판;과
   상기 조절판의 높낮이를 조절하는 조절봉;을 더 포함하고,
   상기 조절봉에 의해 조절판의 높낮이를 조절하여 상기 신축성 막의 팽창을 조절함으로써 신축성 막에 형성된 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 유체 분산기는,
   신축성 막의 표면과 접촉이 이루어지는 조절판;과
   상기 조절판에 압력을 가하는 탄성체;를 더 포함하고,
   상기 탄성체는, 상기 신축성 막에 형성된 미세공 및 상기 미세공에서 분출되는 미세 기포 입경이 소정의 크기 이상으로 증대되는 것을 방지할 수 있도록 상기 신축성 막의 팽창을 제어하고 상기 유체 공급관 내부의 압력이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 유체 공급수단은,
   압축 공기를 생성하는 송풍기;와
   상기 송풍기에서 생성되는 압축 공기의 유동 에너지를 이용하여 물을 흡입하고 물방울과 압축 공기가 혼합된 혼합 유체를 생성하는 이젝터;와
   상기 이젝터에 공급되는 물 공급량을 조절하는 수량 조절밸브;와
   상기 송풍기의 토출구와 이젝터 및 상기 유체 분산기의 유체 공급구가 서로 연통되도록 연결하는 유체 이송관;을 포함하고,
   상기 송풍기와 이젝터는 유체 이송관 및 유체 공급구를 통하여 유체 분산기에 혼합유체를 공급하고, 상기 수량 조절밸브에 의해 물 흡입량을 조절하여 상기 신축성 막과 미세공에 형성되는 수막의 두께를 조절하거나 미세공에서 분출되는 공기와 물의 혼합비율을 조절함으로써 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 유체 공급수단은,
   물을 이송하는 펌프;와
   상기 펌프에서 압송되는 물의 유동 에너지를 이용하여 공기를 흡입하고 공기 방울과 물이 혼합된 혼합 유체를 생성하는 이젝터;와
   상기 이젝터에 공급되는 공기 공급량을 조절하는 풍량 조절밸브;와
   상기 펌프의 토출구와 이젝터 및 상기 유체 분산기의 유체 공급구가 서로 연통되도록 연결하는 유체 이송관;을 포함하고,
   상기 펌프와 이젝터는 유체 이송관을 통하여 유체 분산기에 혼합유체를 공급하고, 상기 풍량 조절밸브에 의해 공기 흡입량을 조절하여 상기 미세공에서 분출되는 공기와 물의 혼합비율을 조절함으로써 미세공을 통하여 분출되는 미세 기포의 입경을 조절하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 유체 공급수단은,
   물에 공기를 포화 농도 이상으로 용해시키는 공기 과포화 용해장치이고,
   상기 부상용 유체는,
   공기 과포화수인 것을 특징으로 하는 부상분리장치.
   
8. 수중에 함유된 입자들을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조;와
   상기 반응조 내의 수체와 응집제를 혼합 및 교반시키고 동시에 공기를 용해시키는 교반 및 공기용해 수단;과
   수중의 고체 및 액체 입자에 미세 기포가 부착되고 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조;와
   상기 부상분리조의 하측 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기;와
   상기 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단;과
   상기 부상분리조의 상측 수면에서 부유물을 수집하는 부유물 제거수단;과
   상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부;를 포함하여 이루어지며,
   상기 교반 및 공기용해 수단은,
   수중에서 공기 방울을 분출하고 분출하는 공기 방울의 교반력에 의하여 반응액을 혼합 및 교반시키고 동시에 분출되는 상기 공기 방울과 반응액 간의 기액 접촉에 의하여 반응액에 공기를 용해시켜서 용존공기 농도를 증가시키는 교반 및 공기용해 수단;으로 이루어지고,
   상기 교반 및 공기용해 수단은, 반응액 중의 질소와 산소의 용존량을 증대시켜서 후속 공정인 부상분리조의 유체 분산기에서 발생되는 용존공기 또는 미세 기포로부터 상기 반응조에서 유입되는 반응액으로 용존하여 이전 및 유실되는 공기 용해량을 최소화시켜서 유체 분산기에서 공급되는 용존공기 및 미세 기포들이 반응액에 용해되지 않고 최대한 미세 기포로 분리되어 수면으로 부상되도록 함으로써 기포 생성용 유체 공급유량과 에너지 소요를 최소화하고 기포 생성용 유체 공급량 대비 부상분리 효율을 증대하는 것을 특징으로 하는 부상분리장치를 포함하는 수처리장치.
   
9. 수중에 함유된 입자들을 응집시켜 플럭(floc)을 형성하는 하나 이상의 반응조;와
   수중의 고체 및 액체 입자에 미세 기포가 부착되고 부력에 의해 수면으로 부상하는 부상분리조;와
   상기 반응조에 설치되고 수중에서 부상용 유체를 분산시키는 유체 분산기;와
   상기 유체 분산기에 부상용 유체를 공급하는 유체 공급수단;과
   상기 부상분리조의 상측에 설치되고 부상된 부유물을 수집하는 부유물 수집기;와
   상기 부상분리조의 하측 수중에 배치되어 고액 분리된 처리수가 수집 및 유출되도록 하는 처리수 수집부;와
   상기 반응조에서 상기 부상분리조로 반응액이 유동하는 유로;를 포함하여 이루어지며,
   상기 반응조는,
   유입수 중에 함유된 입자들과 투입된 응집제와 상기 유체 분산기에서 발생된 미세 기포를 혼합 및 교반하여 고형물과 응집제 및 미세 기포가 함께 결합되어 겉보기 비중이 작은 부유성 플럭을 형성하고, 상기 부유성 플럭과 반응액은 상기 유로를 통하여 상기 부상분리조로 유입되고, 상기 부상분리조에 유입된 비중이 작은 부유성 플럭은 수면 측에서 상기 부유물 수집기에 의해 제거되고 상대적으로 비중이 큰 수체는 부상분리조의 하부 측 처리수 수집부를 통하여 외부로 유출되는 것을 특징으로 하는 부상분리장치를 포함하는 수처리장치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 유로는 상기 반응조와 상기 부상분리조의 상측에 배치된 월류웨어;이며,
    상기 반응조에서 플럭이 형성된 반응액이 반응조의 수면에서 상기 월류웨어를 월류하여 상기 부상분리조의 수면 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 부상분리장치를 포함하는 수처리장치.

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