KR20210087699A

KR20210087699A - 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템

Info

Publication number: KR20210087699A
Application number: KR1020200000738A
Authority: KR
Inventors: 이명구; 이연우
Original assignee: 이명구; 이연우
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-07-13

Abstract

본 발명은 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 관한 것으로, 폐수저장탱크와, 미세기포를 생성하는 캐비테이션장치와, 상기 폐수저장탱크의 폐수를 상기 캐비테이션장치로 공급할 수 있도록 순환펌프를 포함하는 공급라인과; 상기 캐비테이션장치의 미세기포와 함께 상기 폐수저장탱크로 회수시키는 회수라인을 포함하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 있어서, 상기 캐비테이션장치에 연결된 에어라인에 의해 캐비테이션장치의 내부에 수용된 폐수에 압축공기를 제공하여 캐비테이션장치의 회전디스크 및 회전축을 회전시키는 제1에어공급부를 포함하는 구성으로 물속에서 미세기포를 발생시키는 캐비테이션의 원리를 이용하여 폐수처리를 수행할 수 있으며, 동력 또는 전력을 획득할 수 있는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

Description

캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템{Wastewater Treatment System Using Cavitation}

본 발명은 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물속에서 미세기포를 발생시키는 캐비테이션의 원리를 이용하여 폐수처리를 수행할 수 있으며, 동력 또는 전력을 획득할 수 있는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 미세기포를 발생시키는 종래의 기술은 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation), 분산공기부상법(Dispersed Air Flotation), 혹은 전기분해 및 초음파를 이용하였다.

그러나, 상기 방법들 중 용존공기부상법에서는 펌프, 고압압축기, 압력탱크, 밸브, 노즐 및 산기배관 등 여러 장치가 조합한 형태로 사용된다.

따라서, 용존공기부상법에 의한 미세기포 발생장치는 초기비용이 많이 들고 유지관리가 어려운 문제가 있다.

또한, 초음파발생기를 사용하는 경우에는 발생하는 기포량이 적어 효율성이 떨어진다.

상기에 언급한 미세기포 발생기술들에 의하여 발생되는 기포의 크기가 40㎛이상으로 기포의 입경이 비교적 크기 때문에 기포의 변형이 쉽게 온다.

즉, 기포의 배출초기에는 배출지점과 가까운 곳에서는 미세기포의 형태를 유지하나 물속을 이동하면서 기포가 합쳐지는 문제점이 있다.

또한, 미세기포를 발생시키기 위한 장치로는 산기디퓨저나 산기디스크 등이 사용되기도 한다.

여기서, 물과 공기가 섞인 혼합물은 가압되어 미세기공의 디퓨져 혹은 디스크를 통과하여야 하기 때문에 맑은 물이 사용되어야만 하는 문제점이 있다.

또한, 기어펌프를 이용하여 미세기포를 발생시키는 장치는 공기와 물을 동시에 유입시켜 가압부에서 기어를 이용하여 기포를 분쇄한 후에 분쇄 압축된 기체 및 액체 혼합물을 배출시키는 원리로 기포의 양은 용존공기부상법과 유사하나 일종의 캐비테이션현상이 발생함으로써 장치에 손상이 발생하여 수명이 짧다는 단점을 가진다.

또한, 기어를 크게 만들고자 할 때 제작상의 어려움이 있기 때문에 일반적으로 소형의 실험용장치에 사용되는 제한이 있다.

한편, 일반적으로 환경산업분야에서 현재 폭넓게 활용되고 있는 미세기포발생장치는, 일예로 하수처리장의 경우 미생물반응조에서의 활용은 산기관과 산기디스크를 설치하고 고압 압축기로 공기를 주입하여 폭기되도록 하는 방식으로 기포를 발생시킬 수는 있다.

그러나, 고압으로 압축한 공기를 산기관을 통하여 고르게 분산하는 일이 매우 어려운 실정이며, 이때 발생하는 기포의 크기는 육안으로 공기방울이 상승하는 것을 확인할 수 있는 수mm 크기를 가진다.

또한, 부상분리조에서 세라믹디퓨져를 통하여 발생되는 기포의 크기는 미생물반응조에서 발생되는 기포크기보다는 적으나 여전히 50㎛ 이상이고 산기디스크 혹은 산기디퓨저를 적용한 경우 기포의 분포도가 고르지 못하고 지협적으로 집중되어 강하게 분사되므로 부상분리가 고르게 이루어지지 않아 효율성에서 매우 낮다.

또한, 기포의 크기가 크면 산소의 용존율이 낮아지므로 생물학적 반응조에서 처리효율이 낮은 단점이 있다.

또한, 초음파를 이용하여 미세기포를 발생시키는 기술은 초음파를 발생시키기 위하여 소모되는 전력은 적으나 기포발생량이 적기 때문에 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 초음파를 이용한 미세기포 발생장치는 주로 주방용기 혹은 실험기기 세척용 등 소형기기에 적용될 수밖에 없는 한계를 가진다.

환경산업분야에서 미세기포의 필요성을 찾아보면, 일반적으로 농림부분의 생산액에서 높은 비율을 자치하고 있는 축산업에 의한 축산 폐수와 강제적인 발생억제가 힘든 음식물 쓰레기 침출수 등의 경우, 발생량은 생활하수량에 비하여 적으나 오염 부하량은 매우 높다.

특히, 여기저기 산재해 있는 넓은 지역에서 오염물질이 배출되는 비점오염원에 의한 수질환경오염의 경우, 축산폐수가 전체 부하량의 약 50%에 달하고 있으며, 육상처리가 의무화될 경우 더욱 비율이 높아질 전망이다.

이를 위하여 다양한 폐수처리방법이 사용되고 있으나, 종래의 처리방법으로는 오염부하량이 높은 고농도 폐수들을 적정 처리하기가 힘들고, 공정이 까다로워 환경전공자나 이와 유사한 자격을 갖춘 전문적인 지식을 갖춘 인력이 필요하며, 이렇지 못할 경우, 현장이나 공공처리장에서 장치의 조작 미숙으로 인한 폐해가 발생되는 문제점이 있다.

또한, 유기질 폐수의 발생량은 생활하수의 발생량보다 적더라도, 고농도의 유기질 폐수는 오염 부하량이 높기 때문에, 적정처리 없이 무단으로 방류될 경우, 공공수역에 미치는 환경오염 가능성이 높아진다.

상기 고농도의 유기질 폐수, 예를 들면 고농도 축산폐수를 처리하기 위하여 활성오니(活性汚泥)공정이 사용되고도 있으나, 활성오니공정에서는 처리할 수 있는 시료의 유기질 농도(BOD)의 범위는 최대 약 5,000~10,000ppm 정도로 제한적이다.

따라서, 유입수에 포함된 고형물의 농도가 높거나 점도가 높은 경우에는 산소용해율이 현격하게 낮아지고, 반응 시간이 2주~3주 정도로 장기화되므로 수처리효율도 낮아지는 문제점이 있었다.

그리고, 다량의 산소 공급을 통하여 축산폐수나 음식물 쓰레기 침출수 등을 비롯한 고농도의 유기질(약 20,000~80,000ppm) 폐수가 활성오니방법으로 처리되는 경우에는 대용량의 폭기장치가 사용되어야 함으로써, 장치비용이 상승하고, 유지관리비용도 증가되는 문제점이 있었다.

또한, 통상 활성오니법 공정상의 특성에 의하면 고농도의 유기질 폐수와 산소의 완전한 혼합과 높은 용존산소량이 요구된다.

그러나, 종래 활성오니법 공정상에서 처리조가 대용량화되면, 처리조의 규모 확대에 따른 불완전한 교반과 고농도의 고형질 및 높은 점성도를 갖는 유기질 매체에 대한 산소의 용존율 저하로 인한 산소결핍현상이 발생하게 되어 생물학적 처리공정의 처리효율이 낮아지고, 또한 전체 처리공정의 처리효율이 극도로 낮아지는 문제점이 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 특허문헌 1은 내부에 공간이 형성되는 하우징과 이 하우징의 내부에 구비되어 내부에 유입된 유체에 캐비테이션이 발생되도록 하는 캐비테이션 발생부를 포함하는 캐비테이션 장치에서 하우징의 내부로 정화하고자 하는 유체가 유입되도록 하는 유체유입부, 하우징의 내부로부터 토출되는 상기 유체가 수용되어 산화분해공정과 부상분리공정을 포함하는 공정이 이루어지는 반응조를 포함하는 폐수처리장치 및 폐수처리방법을 제공하였다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 모터의 구동력에 의해 캐비테이션 발생부를 회전시켜 미세기포를 발생시켜야 하므로 동력 및 전력 소모량이 많은 문제점이 있다.

KR 10-2009-0109903 A

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 캐비테이션의 회전력을 활용하여 발전 또는 동력원을 얻을 수 있도록 구성하여 순환을 위해 소모되는 에너지를 전력으로 회수하거나 재사용할 수 있어 에너지 소모를 감축시킬 수 있는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 폐수저장탱크와, 미세기포를 생성하는 캐비테이션장치와, 상기 폐수저장탱크의 폐수를 상기 캐비테이션장치로 공급할 수 있도록 순환펌프를 포함하는 공급라인과; 상기 캐비테이션장치의 미세기포와 함께 상기 폐수저장탱크로 회수시키는 회수라인을 포함하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 있어서, 상기 캐비테이션장치에 연결된 에어라인에 의해 캐비테이션장치의 내부에 수용된 폐수에 압축공기를 제공하여 캐비테이션장치의 회전디스크 및 회전축을 회전시키는 제1에어공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템을 제공한다.

이때, 상기 캐비테이션장치의 회전축에 연결되어 회전력을 이용해 전력을 획득하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐비테이션장치의 회전축에 연결되어 회전력을 이용해 공기를 상기 폐수저장탱크에 공급하는 제2에어공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 캐비테이션장치는 상기 공급라인에 연결되는 유입구를 포함하여 내부에 폐수를 수용하는 하우징과; 상기 유입구를 통해 유입된 폐수의 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전디스크를 갖는 회전축과; 상기 회전축의 용이한 회전을 위해 단부에 위치되어 하우징을 커버하며, 배출구를 갖는 플랜지캡과; 상기 회전축과 함께 회전 가능하게 구비되며, 미세기포 발생을 위해 다수의 기포홈을 갖는 엔드팬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 폐수처리를 위한 순환에 필요한 에너지 소모 전력을 일부 회수 또는 재사용하여 에너지 소모를 감축 시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래에 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템을 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템의 일 실시예를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템의 다른 실시예를 나타내는 구성도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 적용되는 캐비테이션장치를 나타내는 단면구성도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템은 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 폐수저장탱크(100)와, 미세기포를 생성하는 캐비테이션장치(800)와, 상기 폐수저장탱크(100)의 폐수를 상기 캐비테이션장치(800)로 공급할 수 있도록 순환펌프(210)를 포함하는 공급라인(200)과, 상기 캐비테이션장치(800)의 미세기포와 함께 상기 폐수저장탱크(100)로 회수시키는 회수라인(600)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 캐비테이션장치(800)의 구동은 모터가 아닌 상기 캐비테이션장치(800)에 연결된 에어라인(400)에 의해 캐비테이션장치(800)의 내부에 수용된 폐수에 압축공기를 제공하여 캐비테이션장치(800)의 회전디스크(821) 및 회전축(820)을 회전시키는 제1에어공급부(300)를 포함할 수 있다.

상기한 구성에서 캐비테이션장치(800)는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 공급라인(200)에 연결되는 유입구(811)를 포함하여 내부에 폐수를 수용하는 하우징(810)을 포함한다.

상기 하우징(810)의 중앙에는 상기 유입구(811)를 통해 유입된 폐수의 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전디스크(821)를 갖는 회전축(820)이 구비된다.

그리고, 상기 회전축(820)의 용이한 회전을 위해 단부에 위치되어 하우징(810)을 커버하며, 배출구(831)를 갖는 플랜지캡(830)으로 커버한다.

상기 회전축(820)과 함께 회전 가능하게 구비되며, 미세기포 발생을 위해 다수의 기포홈(841)을 갖는 엔드팬(840)을 포함할 수 있다.

즉, 상기 순환펌프(210)에 의한 압력으로 상기 공급라인(200)을 따라 상기 유입구(811)를 통해 하우징(810)의 내부로 폐수를 투입하는 경우 상기 하우징(810)에 편심으로 형성된 유입구(811)에 의해 하우징(810)의 내부로 투입되는 폐수는 와류 현상으로 회전축(820)의 회전디스크(821)를 회전시킬 수 있다.

이때, 폐수는 플랜지캡(830)의 배출구(831)를 통해 회수라인(600)을 따라 폐수저장탱크(100)로 다시 유입시킬 수 있다.

여기서, 폐수가 하우징(810) 및 플랜지캡(830)을 따라 이동할 때, 상기 엔드팬(840)에 형성된 다수의 기포홈(841)의 표면을 지나면서 미세기포를 발생할 수 있다.

더불어, 상기 회전디스크(821)의 회전을 따라 회전축(820)이 함께 회전할 수 있다.

여기서, 상기 캐비테이션장치(800)의 회전축(820)에 연결되어 회전력을 이용해 전력을 획득하는 발전기(500)를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 캐비테이션장치(800)의 회전축(820)에 연결되어 회전력을 이용해 공기를 상기 폐수저장탱크(100)에 공급하는 제2에어공급부(700)를 더 포함할 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 폐수저장탱크
200: 공급라인
210: 순환펌프
300: 제1에어공급부
400: 에어라인
500: 발전기
600: 회수라인
700: 제2에어공급부
800: 캐비테이션장치
810: 하우징
811: 유입구
820: 회전축
821: 회전디스크
830: 플랜지캡
831: 배출구
840: 엔드팬
841: 기포홈

Claims

폐수저장탱크(100)와, 미세기포를 생성하는 캐비테이션장치(800)와, 상기 폐수저장탱크(100)의 폐수를 상기 캐비테이션장치(800)로 공급할 수 있도록 순환펌프(210)를 포함하는 공급라인(200)과; 상기 캐비테이션장치(800)의 미세기포와 함께 상기 폐수저장탱크(100)로 회수시키는 회수라인(600)을 포함하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템에 있어서,
상기 캐비테이션장치(800)에 연결된 에어라인(400)에 의해 캐비테이션장치(800)의 내부에 수용된 폐수에 압축공기를 제공하여 캐비테이션장치(800)의 회전디스크(821) 및 회전축(820)을 회전시키는 제1에어공급부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 캐비테이션장치(800)의 회전축(820)에 연결되어 회전력을 이용해 전력을 획득하는 발전기(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 캐비테이션장치(800)의 회전축(820)에 연결되어 회전력을 이용해 공기를 상기 폐수저장탱크(100)에 공급하는 제2에어공급부(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 캐비테이션장치(800)는,
상기 공급라인(200)에 연결되는 유입구(811)를 포함하여 내부에 폐수를 수용하는 하우징(810)과;
상기 유입구(811)를 통해 유입된 폐수의 흐름에 의해 회전하는 다수의 회전디스크(821)를 갖는 회전축(820)과;
상기 회전축(820)의 용이한 회전을 위해 단부에 위치되어 하우징(810)을 커버하며, 배출구(831)를 갖는 플랜지캡(830)과;
상기 회전축(820)과 함께 회전 가능하게 구비되며, 미세기포 발생을 위해 다수의 기포홈(841)을 갖는 엔드팬(840)을 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 폐수처리 시스템.