KR900005507B1 - 에어레이터(aerator) 및 폐수의 호기성 생물학적 처리공정 - Google Patents

에어레이터(aerator) 및 폐수의 호기성 생물학적 처리공정 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

에어레이터(aerator) 및 폐수의 호기성 생물학적 처리공정
제1도와 제2도는 본 발명의 에어레이터에 대한 기본적인 2가지 구현예.
제3도에서 제7도는 본 발명의 에어레이터를 개선한 몇가지 변형예.
제8도와 제9도는 본 발명의 공정에 따라 칸막이에 의해 다수의 구획으로 분할된 탱크의 평면도.
제10도는 제9도의 탱크에 대한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제트기류 발생기 2 : 직진 유동기
3 : 액체입구 4 : 가스입구
5 : 외측노즐 6 : 내측노즐
7 : 입구 8 : 방출 오리피스
9 : 내관 10 : 내관의 입구
12 : 제1가스입구 13 : 제2가스입구
14 : 제1내측노즐 15 : 제2내측노즐
16 : 제1실 17 : 제2실
18, 19 : 배플 20 : 정적 혼합기
21 : 날개바퀴 24∼27 : 칸막이
본 발명은 액체에 가스를 분산 용해시키는 장치에 관한 것으로서, 특히 대기중의 산소를 기포를 함유하는 기류(차후는 "기포함유 기류"라 함)로 분출시켜 그것을 주위의 물에 용해시키는 에어레이터(aerator)와 이와 같은 에어레이터를 사용하여 예를들면, 유기폐수, 생물공학에 이용된 여러가지 액상 매체 및 호수의 물을 호기성 생물학적으로 처리하는 공정에 관한 것이다.
액체는 가스를 용해시키기 위한 종래의 장치로서는, 예를들어 물탱크에 설치된 공기확산 파이프를 구성하여 물을 통해 공기를 송풍하여 대기 산소를 물속에 용해시키는 장치, 물과 공기를 미리 혼합하여 이 혼합물을 분출시키는 이젝터 메카니즘을 구성하여 대기 산소를 물속에 용해시키는 장치가 있다(예를 들어, 일본국 실용신안 공고 제42560/82호 및 일본국 특허공고 제41290/82호).
그러나, 공기확산 파이프형 장치가 사용될때는 비교적 큰 기포(직경 : 10 내지 수 10㎜)가 형성된다. 이러한 이유 때문에 대기산소의 용해효율(즉, 공급된 산소량에 대한 용해된 산소량의 비율)이 저하되어 최대 산소 용해효율이 약 7% 정도로 낮아지고, 따라서 공기확산 파이프가 설치되어 있는 물탱크의 물은 그 평균 산소농도가 대단히 낮다. 한편, 이젝터(ejector)형 장치는 수평기류 형상으로 비교적 미소한 공기 기포를 방출할 수 있다. 따라서, 공기확산 파이프 또는 기계식 에어레이션(aeration)을 이용하는 공정에 비하여, 산소용해 효율이 비교적 낮고, 처리되는 물전체에 걸쳐 비교적 균일하게 공기를 분산시킬 수 있다. 그러나, 종래의 이젝터는 물에 대한 공기의 혼합비가 약 1/1 또는 그 이하일 때에만 미소한 공기 기포를 함유하는 기류가 생성될 수 있는 단점이 있다. 공급되는 공기량이 증가함에 따라 생성되는 공기 기포의 직경이 커지고 이들 공기 기포는 보다 큰 기포로 응집할 가능성이 더욱 높기 때문에 물속에 공기 기포의 분산이 대단히 불량하게 되고 산소용해 효율이 감소된다. 이러한 이유로 인하여 충분히 많은 양의 공기를 공급하기가 불가능하였다.
본 발명의 목적은 가스 : 액체의 체적비가 3/1이 될 정도로 많은 양의 가스를 공급할 때에도 응집되지 않고 미소한 가스 기포를 함유하는 기류를 발생할 수 있는 에어레이터(aerator)를 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은 폐수 전체에 미소한 공기 기포를 균일하게 공급하여 높은 산소 용해 효율을 성취하고, 물기류가 폐수의 효과적인 교반을 실시하여 미생물과 오염물질간의 효율적인 접촉을 달성하며, 결국 고효율로 폐수를 처리할 수 있는 에어레이터를 이용하여 폐수의 호기성 생물학적 처리를 위한 공정을 제공하기 위함이다.
본 발명에 따른 에어레이터(aerator)는 노즐로부터 가스와 액체를 혼합 상태로 분출하는 제트기류 발생기와, 노즐에서 분출된 기포함유 기류를 주위의 물과 혼합하여, 이 혼합물을 방출 오리피스를 통해 방출하는 튜브형 직진 유동기(flow straightener)로 구성되어 있고, 제트기류 발생기는 액체입구, 적어도 하나의 가스입구, 외측노즐 및 적어도 하나의 내측노즐을 구비하며, 상기 액체입구가 내측노즐을 통하여 제트기를 발생기의 내부공간에 유통되어 있고, 상기 직진 유동기는 그 길이의 적어도 일부의 내경이 입구로부터 방출 오리피스를 향하여 줄어드는 튜브형이며, 상기 외측노즐은 직진 유동기와 실질적으로 동축관계이고, 그 끝이 직진 유동기의 입구에 인접하여 위치되도록 설치되어 있다.
본 발명에 따라 탱크에서 폐수의 호기성 생물학적 처리 공정은 (a) 노즐로부터 가스와 액체를 혼합물 상태로 분출하는 제트기류 발생기와 노즐로부터 분출된 기포함유 기류를 주위의 물과 혼합하여, 이 혼합물을 그 방출 오리피스를 통해 방출하는 튜브형 직진 유동기를 구성하고 상기 제트기류 발생기가 액체입구, 적어도 하나의 가스입구, 외측노즐 및 적어도 하나의 내측노즐을 구비하며, 상기 액체입구가 상기 내측노즐을 통해 제트기류 발생기의 내부공간에 유통되어 있고, 상기 직진 유동기는 그 길이의 적어도 일부의 내경이 입구로부터 방출 오리피스를 향해 감소하며, 상기 내측노즐은 직진 유동기와 실질적으로 동축관계이고, 그 끝이 직진 유동기의 입구에 인접하여 위치되도록 설치된 에어레이터를 준비하고, (b) 상기 에어레이터는 에어레이터가 수면아래 적어도 2m 지점에 위치되고, 직진 유동기의 방출 오리피스가 방출 오리피스로부터 방출된 기포함유 기류의 유동 방향으로 측정하여 물탱크의 반대측 벽으로부터 3m 이상의 거리에 위치되도록 탱크내부에 설치하며, (c) 칸막이가 방출 오리피스로부터 방출된 기포함유 기류에 실질적으로 평행하고, 상기 칸막이가 폭 5m 이하의 구획을 형성하며, 에어레이터가 상기 칸막이로부터 실질적으로 동일거리에 위치되도록 2개의 칸막이를 탱크내에 설치하고, (d) 상기 에어레이터에 가스와 액체를 공급하여 방출 오리피스에서 유속이 1.5m/분 이상인 기포함유 기류가 형성되도록 하는 단계를 구성한다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1도와 제2도는 본 발명의 에어레이터에 대한 2가지 구현예를 개략적으로 도시한 것이다. 제1도는 직진 유동기가 단일 튜브를 구성하는 구현예이고, 제2도는 직진 유동기가 이중 튜브를 구성하는 예를 도시한 것이다.
본 발명의 에어레이터는 제트기류 발생기 (1)와 직진 유동기(2)로 구성된다. 제트기류 발생기 (1)는 액체입구(3), 가스입구(4), 외측노즐(5) 및 내측노즐(6)을 구비하고, 내측노즐(6)은 제트기류 발생기 (1)의 내부에 위치한다. 액체입구(3)는 내측노즐(6)을 통하여 제트기류 발생기 (1)의 내부공간에 유통되어 있다.
각 노즐은 좁은 직선 튜브로 구성할 수 있지만, 그 내경이 끝부분을 향하여 점차적으로 감소하는 부분이 있는 것이 바람직하다. 도시된 구현예에서 노즐은 같은 방향을 향하고 서로 일직선 배열되도록 설치되어 있지만, 반드시 이와같이 설치할 필요는 없다. 예를들면, 이들 노즐이 서로에 대해 120°의 각도를 이루도록 설치할 수도 있다.
제트기류 발생기 (1)에 공급되는 액체는 액체입구(3)를 통해 도입되어 내측노즐(6)을 통하여 제트기류 발생기 (1)의 내부공간으로 분사된다. 따라서 액체는 통상 1∼40㎏/㎠G의 압력, 바람직하기는 1.5∼25㎏/㎠G의 압력으로 공급된다. 가스입구(4)는 공기와 같은 산소 함유가스, 순수 산소, 또는 농산소공기(oxygen-enriched air)를 공급하기 위한 입구이나 산소가 고농도로 용해된 물을 공급해도 좋다. 내측노즐(6)을 통해 주입된 액체와 가스입구(4)를 통해 공급된 가스는 제트기류 발생기 내에서 혼합되어 미소한 가스 기포를 함유하는 액체를 생성한다. 상기 기포함유 액체는 외측노즐(5)로부터 제트기류 발생기 (1)의 외부로 분출한다.
액체가 5∼40㎏/㎠G의 압력으로 제트기류 발생기에 공급되고, 0.2∼0.7㎏/㎠G의 압력으로 가스가 상기 발생기에 공급될때, 가스는 만족스럽게 액체에 분산 및 용해된다. 결과적으로 직진 유동기에서 방출되는 액체는 대단히 미소한(직경 1㎜ 이하)가스 기포를 함유하고, 이들 미소한 가스 기포는 탱크 내부의 폐수 전체에 분산되게 된다.
직진 유동기(2)는 양단부가 개방된 튜블 구성되고, 그 내경은 입구(7)에서 최대이고, 그 길이의 적어도 일부는 입구(7)로부터 방출 오리피스(8)를 향해 그 내경이 감소한다. 보다 세부적으로 입구(7)에서 방출 오리피스(8)까지의 전체에 걸쳐 또는 입구(7)에서 중간지점까지의 부분에 걸쳐 연속적으로 내경이 감소한다. 입구(7)에서 중간 지점까지의 부분에 걸쳐 내경이 점차 감소하는 후자의 경우, 나머지 부분의 내경은 일정하게 유지되거나, 또는 그 반대로 오히려 증가할 수도 있다. 입구(7)로부터 내경이 점차 감소하는 부분의 길이는 직진 유동기의 전체 길이 L의 1/4 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하기는 약 1/2∼1/3이어야 한다.
직진 유동기는 그 길이의 적어도 일부에 걸쳐서 입구(7)로부터 방출 오리피스(8)를 향해 내경이 연속적으로 감소하는 튜브 형상일 것이 대단히 중요하고, 이러한 튜브 형상은 액체에 대한 가스의 혼합비가 2/1∼3/1 정도로 상승할 경우에도 응집현상이 일어나지 않고 가스 기포가 미소하게 유지될 수 있도록 해준다. 직진 유동기 입구(7)의 내경은 직진 유동기(2)의 최소 내경 B의 약 1.4∼4배가 바람직하다.
직진 유동기는 여러가지 재료를 이용하여 제작할 수 있다. 그 내표면은 다소 거칠어도 무방하지만, 가능한 매끄러운 것이 바람직하다. 특히, 직경이 최소인 부분에 대해서는 그 표면의 조도가 기포함유 기류에 존재하는 가스 기포의 상태에 큰 영향을 미친다.
제트기류 발생기 (1)와 직진 유동기(2)간의 위치 관계는 외측노즐(5)이 직진 유동기(2)와 실직적으로 동축관계이고, 그 끝이 직진 유동기의 입구(7)에 인접하여 위치되도록 설치되어야 한다. 외측노즐(5)의 끝은 직진 유동기의 내부공간에 깊이 삽입될 필요는 없지만, 다만 외측노즐(5)에서 분출된 기포함유 기류의 전부를 직진 유동기가 받아들일 수 있는 지점에 위치하여야 한다. 극단적으로 외측노즐의 끝이 직진 유동기의 입구직 외측에 위치할 수 있다. 그러나, 통상으로는 그 끝이 직진 유동기의 입구(7)직내측에 위치되도록 하는 것이 적절하다.
이와 같은 에어레이터에서, 제트기류 발생기 (1)의 외측노즐(5)의 내경을 A로 표시하고, 최소 내경을 B로 표시하면, A/B가 0.1∼0.5의 값을 가지고 외측노즐의 전체 길이 L은 20A∼100A의 범위인 것이 바람직하다. A/B가 0.1보다 적다면, 방출 오리피스(8)에서 방출된 기포함유 기류의 유속이 떨어지고 주위의 물을 흡입하는 힘이 약화되기 때문에 기포분산 효과가 상실될 것이며, 또한 가스 기포의 직경이 증가되는 경향이 있다. 반면에 A/B가 0.5보다 큰 값이면, 직진 유동기(2)내의 와류 형성이 증가하고, 가스 기포가 서로 충돌하여 기포가 성장하는 경향이 있다.
전체 길이 L이 20A 보다 작으면, 가스 기포와 주위의 물을 완벽하게 혼합하여 가스 기포의 응집을 방지하는 기능과, 용해산소 농도의 국부적인 상승을 배제하여 산소용해 효율을 개선하는 기능을 완벽하게 수행하지 못하게 될 것이다. 반면에 전체 길이 L이 100A 보다 크고 직진 유동기가 불필요하게 크면, 다시 가스 기포의 응집현상이 야기되는 경향이 있고, 방출 오리피스(8)에서 방출된 기포함유 기류는 용인할 수 없는 정도로 낮은 유속을 가지게 될 것이다.
직진 유동기가 전술한 바와같이 단일 튜브를 구성할 수 있으나, 제2도에 도시된 바와같이 이중튜브 형상이 직진 유동기를 사용할 수도 있다. 이 경우, 직진 유동기의 몸체 또는 외관(2)은 전술한 바와같이 튜브 형상이고, 내관(9)은 외관(2)과 유사한 형상을 갖는 양단이 개방된 튜브로 구성된다. 외관(2)과 내관(9)은 제2도에 도시된 바와같이 내관(9)이 외관(2)과 실질적으로 동축관계이고, 내관의 입구(10)가 외관의 입구(7)와 실질적으로 동일 평면상에 놓이도록 설치된다. 내관의 최소 내경을 C라 하면, C/B가 0.5∼0.75값을 가지고, 내관의 전체 길이 L'가 외관의 전체 길이 L보다 작으며, 전체 길이 L'가 10A∼50A의 범위인 것이 바람직하다. 이와같이 이중튜브 형상을 한 직진 유동기는 제1도에 도시된 것에 비하여 보다 긴 거리에 걸쳐 기포함유 기류가 방출될 수 있는 장점이 있다.
기본적으로 본 발명의 에어레이터는 전술한 구조를 갖는다. 그러나, 보다 미소한 가스 기포를 생성하고 산소 용해 효율을 개선하기 위해 여러가지 변형을 하거나 및/또는 보조수단을 구비할 수 있다.
한가지 바람직한 변형예로서, 다수의 내측노즐을 직렬로 배치한 제트기류 발생기가 있다. 제3도는 두개의 내측노즐을 직렬로 배치한 구현예를 도시한 것이다. 이 경우, 제트기류 발생기 (1)는 액체입구(3), 제1 및 제2가스입구(12, 13), 외측노즐, 제1 및 제2내측노즐(14, 15)을 구비하고 있다. 제트기류 발생기 (1)의 내부공간은 제2내측노즐(15)에 의해 제1실(16)과 제2실(17)로 구획된다. 제1실(16)은 제1가스입구(12)와 유통되며, 또한 제1내측노즐(14)에 의해 액체입구(3)와도 유통되어 있다. 제2실은 제2가스입구(13)와 외측노즐(5)에 유통된다. 제1내측노즐(14)을 통해 공급된 액체와 제1가스입구(12)를 통해 공급된 가스는 제1실(16)에서 함께 혼합되어 미소한 가스 기포를 함유하는 액체를 형성한다. 상기 기포함유 액체는 제2내측노즐(15)을 통해 제2실(17)에 주입되어, 여기에서 제2가스입구(13)를 통해 공급된 가스와 혼합되어 보다 미소한 가스 기포를 함유하는 액체를 형성한다. 이 기포함유 액체는 외측노즐(5)로부터 제1가스입구(12)의 외부로 분출한다.
제2내측노즐 끝의 내경을 A', 그리고 외측노즐의 내경을 A라 하면 A'/A가 1보다 크지 않은 값을 갖는 것이 바람직하다. 상기 비(A'/A)가 1보다 크면, 직렬로 배치된 내측노즐의 효과가 무효화될 것이다. 상기 비가 0.8 또는 그 이하면, 제1실에서의 가스용해 효과가 증진될 것이고, 제2실에서 가스와 액체가 보다 완벽하게 혼합될 것임으로 직진 유동기에서 방출된 기포함유 기류는 보다 균질하게 된다.
상기와 같이 직렬로 배치된 2개의 내측노즐을 이용하는 예를 기술하였으나, 3개 이상의 내측노즐을 직렬로 배치한 제트기류 발생기를 구비할 수도 있다.
다른 하나의 바람직한 변형예로서, 제4도 및 제5도에 도시된 바와같이 제트기류 발생기내에 배플을 설치한 것이 있다. 배플(18 또는 19)의 작용 메카니즘은 액체입구(3)를 통해 공급되어 내측노즐(6)을 통해 제트기류 발생기 (1)의 내부공간으로 분사되고, 어느정도 압력이 떨어진 액체가 배플(18 또는 19)과 충돌하여 제트기류 발생기 (1)의 내부 공간에 와류를 생성하고, 가스입구(4)를 통해 공급된 가스가 상기 와류에 개입되어 가스와 액체의 보다 완벽한 혼합이 성취되는 것이다. 이와같이 배플을 구비함으로써 제트기류 발생기의 혼합효과를 상당히 증진시킬 수 있다. 더우기, 제트기류 발생기는 가스와 액체를 혼합하여 미소한 가스 기포를 함유하는 기류를 형성하는 기능 뿐만 아니라 액체에 가스를 용해시키는 기능도 수행한다. 또한 상기 배플을 구비하여 내측노즐과 외측노즐 사이에 슬릿(slit)을 형성함으로써, 이 슬릿의 작용에 의해 액체에 가스의 분산 및 용해 기능을 증진시킬 수 있다. 생물학적 처리 공정에 상기 에어레이터를 사용하는 경우, 액체입구를 통해 공급된 액체는 부유하는 고형물을 함유하고 있는 초기 폐수(raw waste water)를 구성할 수 있다. 특히, 이 경우에 에어레이터는 가스와 액체를 완벽하게 혼합하지 못하게 될 수 있고, 이 때문에 미소한 가스 기포를 함유한 기류를 형성하기 곤란하게 된다. 그러나, 배플을 구비함으로써 이러한 에어레이터가 넓은 범위의 가스-액체 혼합비에 걸쳐 미소한 가스 기포를 함유하는 기류를 형성할 수 있게 된다.
배플로서 여러가지 형상의 부재를 사용할 수 있다. 그러나 그 꼭지점이 내측노즐을 향하는 원추형 또는 절두 원두형 부재를 이용하는 것이 바람직하다. 배플은 내측노즐의 끝과 외측노즐의 입구 사이의 실질적으로 중간지점에 설치하는 것이 적절하다.
제6도와 제7도는 제트기류 발생기의 액체입구(3)와 내측노즐(6)사이에 파쇄장치(20 또는 21)를 설치한 두가지 구현예를 도시한 것이다. 전술한 바와같이, 유기폐수의 처리에 본 발명의 에어레이터가 사용되는 경우, 에어레이터에 공급하는 액체로서 폐수를 이용하는 것이 바람직한 경우가 있다. 그러나, 일반적으로 폐수는 미생물의 오니(floc) 또는 오염물질과 같은 조대 입자를 함유한다. 이들 조대 입자를 함유하는 액체가 에어레이터에 공급되면, 입자의 일부는 비교적 용이하게 파쇄되지만, 나머지는 조대한 상태 그대로 남을 것이다. 이들 조대 입자는 그 주위에 가스 기포를 모으기 때문에 미소한 가스 기포를 함유하는 기류를 형성하기 곤란하게할 뿐만 아니라 노즐의 가장자리에 부착하여 여러가지 문제점을 유발한다. 반대로 이들 조대 입자가 0.1∼2㎜ 정도의 작은 입자로 파쇄되어 제트기류 발생기에 공급되면, 산소가 이들 파쇄된 입자에 용해함으로 보다 미세한 가스 기포의 형성과 용해 산소의 상승에 기여하게 된다.
따라서, 파쇄장치(20 또는 21)를 구비하면, 액체입구를 통해 공급된 액체에 존재하는 조대 입자를 파쇄하여 이 액체가 제트기류 발생기의 내측노즐로 흐르게 됨으로써 보다 미소한 가스 기포가 형성되고, 용해 산소가 증대한다.
이러한 목적으로 강력한 액체 기류에서 조대입자와 충돌하여 액체에 존재하는 조대 입자에 전단력을 가할 수 있는 어떠한 파쇄장치도 이용할 수 있다. 제6도에 도시된 예에서 파쇄장치로서는 정적 혼합기(static mixer)(20)가 사용되고 있으나, 정적형 외에 다른 파쇄장치, 즉 라쉬 그링(Raschig ring) 또는 무작위, 굴곡선(randomly bent wire)등을 이용할 수도 있다. 제7도에 도시된 예에서는 와류를 일으킬 수 있는 날개 바퀴(21)가 파쇄장치로서 이용되고 있다. 따라서, 동적형(mobilie type)이면 어떠한 파쇄장치도 이용할 수 있다.
파쇄장치(20 또는 21)는 예를들어 미생물 및 무기 성분의 조대 입자를 분쇄하는 기능을 가질 뿐 아니라, 폐수의 생물학적 처리중 처리탱크에 첨가되는 각종 물질, 예를들어 주로 질소와 인으로 구성되는 미생물의 영양분, 침강의 가속화를 위한 무기물질 및 엉김제, 그리고 폐수처리 효과의 개선을 위한 개량 미생물 제제(bacterial preparation)를 효과적으로 분산시키는 역할을 한다.
본 발명의 에어레이터는 예를들어 유기폐수, 생물공학에 이용된 각종 액상 매체 및 호수물의 호기성 생물학적 처리에서 액체에 산소를 용해시키기 위한 장치로서 유용할 뿐 아니라, 살균법에서 오존의 용해, 환원 물질을 함유하는 용액에 산소의 용해 및 그외 수경 재배에 사용하는 배양액에 산소의 공급에 효과적으로 이용할 수 있다.
물에 대한 공기의 혼합비가 1/1 또는 그 이상일때, 종래의 이젝터(ejector)는 미소한 공기 기포를 방출 및 분산시키기가 곤란하고, 따라서 대부분의 공기 기포가 응집하여 대기중으로 도망가는 단점, 및 이젝터의 끝에서부터 비교적 짧은 거리에 걸쳐서만이 미소한 공기 기포가 분산하는 단점이 있었다. 반대로, 본 발명의 에어레이터는 물에 대한 공기의 혼합비가 1/1 또는 그 이상일 경우에도 상기와 같은 단점이 없다. 따라서 물에 대한 공기의 혼합비가 넓은 범위에 걸쳐서 본 발명의 에어레이터는 상당히 긴거리에 걸쳐 대단히 미소한 공기 기포를 분산시킬 수 있고, 따라서 높은 산소용해 효율을 성취할 수 있다. 본 발명의 에어레이터의 다른 특징은 처리할 폐수의 특성에 따라 제트기류 발생기에 공급하는 물의 양 및 압력, 그리고 가스입구에 공급하는 가스의 양 및 압력을 변화시켜 용해산소의 농도를 광범위하게 조절할 수 있다는 점이다.
본 발명의 에어레이터를 호기성 생물학적 처리용으로 바람직하게 이용할 수 있다. 이 경우, 에어레이터를 설치할 탱크의 크기와 탱크내의 위치 및 에어레이터에서 방출되는 기포함유 기류의 유속을 적절히 결정함으로써 높은 산소용해 효율과 용해산소의 균일한 분산을 특징으로 하는 소정의 호기성 생물학적 처리를 성취할 수 있다.
본 발명에 따른 호기성 생물학적 처리 공정을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 처리 공정에서 상술한 에어레이터를 수면아래 2m 이상의 깊이에 설치하여 사용한다. 여기에서 에어레이터가 설치되는 "깊이"란 수면과 직진 유동기의 길이 방향 축간의 거리를 말한다. 에어레이터에서 방출된 직후의 미소한 공기 기포는 산소분압이 높기 때문에 폐수에 용해되는 산소량은 공기 기포와 폐수간에 접촉시간에 비례하여 상승한다. 에어레이터가 수면아래 2m 이하의 깊이에 설치되어 있다면, 에어레이터에서 방출된 기포함유 기류의 수평 유속을 상승시켜 겉보기 교반력의 강화가 용이하다. 그러나, 수압이 낮기 때문에 공기 기포의 직경이 커지는 경향이 있고, 이 공기 기포는 보다 급속하게 수면에 달하게 된다. 따라서 산소용해 효율이 감소하게 되기 쉽고, 용해산소의 농도를 균일하게 하기가 용이하지 않다.
그리고 본 발명의 공정을 실시하는데 있어서, 처리할 폐수를 담고 있는 탱크는 특정크기를 가지는 다수의 구획으로 분할되어 있다. 보다 구체적으로 하나 이상의 칸막이가 탱크에 설치되어 실질적으로 서로 평행하며, 5m 이하의 폭으로 된 다수의 구획이 형성된다. 이들 각 구획에서, 에어레이터는 칸막이(탱크의 측벽을 포함)로부터 같은 거리에 위치하도록 설치되고, 기포함유 기류는 칸막이와 실질적으로 평행한 방향으로 방출되며, 기포함유 기류의 방향으로 측정하여 탱크의 반대쪽 측벽에서 3m 이상의 거리에 방출 오리피스(8)가 위치한다. 에어레이터와 그 뒤의 탱크 측벽간의 거리는 가능한 짧은 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 길이방향 크기가 3m 이상, 횡단방향 길이가 5m 이하인 탱크의 경우, 탱크를 분할하지 않고 호기성 생물학적 처리를 수행할 수 있다. 이는 에어레이터가 탱크의 횡단방향 측벽에 인접하고, 기포함유 기류가 탱크의 길이방향 측벽에 평행한 방향으로 방출되도록 에어레이터를 설치함으로써 성취될 수 있다. 그러나, 횡단방향 크기가 5m 이상인 장방형 탱크인 경우, 제8도와 제9도에 도시된 바와 같이, 탱크(22 또는 23)에 칸막이(24∼27)를 설치하여 폭이 5m 보다 작은 다수의 장방형 구획으로 나누어야 한다. 상기 각 구획에서, 에어레이터(28∼33)는 탱크(22 또는 23)의 반대쪽 측벽에서 3m 이상의 거리에 방출 오리피스가 위치하도록 설치한다. 도면에서와 같이, 각 구획에 하나의 에어레이터가 어느 한 구호기에 공급된 폐수의 산소함량이 이전 구획에서의 에어레이션(aeration)에 의해 충분히 높다면, 모든 구획에 에어레이터를 설치할 필요는 없다.
물론, 전술한 칸막이는 탱크의 측벽을 구성할 수 있다. 제8도와 제9도에 도시된 바와같이, 칸막이(24∼27)는 단지 탱크내에서 폐수의 자유로운 흐름을 어느정도 필요가 있으며, 폐수가 한 구획에서 다른 구획으로 흐르는 것을 억제하도록 탱크를 철저하게 분할해서는 않된다. 즉, 칸막이가 수행해야 하는 유일한 기능은 각 구획에서 폐수가 철저하게 교반되고 기포함유 기류에 의하여 균일하게 에어레이션되게 하는 것이다.
본 발명의 처리 방법에서, 탱크의 치수는 대단히 중요한 의미를 갖는다. 기포함유 기류의 유동 방향으로 측정하여 탱크의 반대쪽 측벽에서 3m 이하의 거리에 방출 오리피스(8)가 위치하면, 격렬한 난류로 인하여 공기 기포가 보다 빈번하게 서로 충돌하여 수면으로 달아나며, 이는 산소의 불충분한 용해로 이어진다. 방출 오리피스(8)와 탱크의 반대쪽 측벽간의 거리는 실제적으로 약 7∼18m가 바람직하지만, 이는 횡단 방향의 치수에 따라 다르다.
탱크가 기포함유 기류의 흐름과 평행한 어떠한 칸막이도 구비하지 않거나, 또는 인접 칸막이간의 거리가 5m 이상이라면, 폐수에서 기포함유 기류의 확산이 그 방향성을 잃게 되고 불균일하게 되며, 이는 일부에서의 부적당한 에어레이션(aeration)으로 이어진다. 실제적인 견지에서 인접 칸막이간의 거리는 0.7∼3m 정도가 바람직하다. 왜냐하면, 기포함유 기류의 유동방향으로 비교적 높은 유속을 부여할 수 있기 때문이다.
본 발명의 공정에서는 에어레이터에 공급되는 액체로서 보통 탱크내의 폐수가 이용된다. 그러나 원수를 이용할 수도 있다. 탱크내의 폐수를 에어레이터에 공급하는 경우, 탱크에 존재하는 미생물의 응집에 의해 형성된 오니(floc)가 에어레이터에서 미세하게 분리되어 탱크에 복귀하기 때문에 보다 효율적인 생물학적 처리를 성취할 수 있다. 이와는 달리, 에어레이터에 공급되는 액체를 사전에 압축공기로 처리하여 고농도의 산소를 용해시킬 수도 있다.
에어레이터에서 방출된 기포함유 기류는 가능한 높은 유속은 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 에어레이터에서 방출된 기포함유 기류에 존재하는 공기 기포는 대단히 미소하기 때문에 그 상승 속도가 낮고, 직진 유동기 내에서 응집현상이 거의 일어나지 않는다. 그러나, 유속이 과도하게 낮으면, 탱크내의 폐수 전체에 걸쳐 공기 기포를 균일하게 분산시키기가 곤란하게 될 수 있으며, 부유하는 물질의 국부적인 정체현상 및 탱크의 바닥 또는 귀퉁이에 침전물이 축적되는 경향이 있다. 따라서, 직진 유동기의 방출 오리피스에서 기포함유 기류는 적어도 1.5m/분의 유속을 가져야 하고, 1.8m/분 이상의 유속이 바람직하다.
본 발명의 호기성 생물학적 처리공정에서, 생물학적 처리에 적절한 분위기를 만들기 위해, 종래의 공지된 여러가지 처리 단계, 즉 pH 조정, 온도제어, 독성물의 제거, 과도한 유지(fat) 및 오일의 제거, 영양분의 첨가, 그리고 과도한 오니(floc)의 제거 등을 적절히 실시할 수 있다.
본 발명의 공정은 식품공장, 화학공업, 제강공정, 유지 및 오일 산업분야 등에서 나오는 공업폐수, 오피스 빌딩, 학교, 병원등에서 배출되는 일반폐수, 및 천연 유기물 또는 합성 유기물을 함유하는 유기성 폐수(예를들어, 도심지의 하수)를 처리하는데에 이용할 수 있을 뿐 아니라, 생물공업에 이용된 여러가지 액상 매체의 처리, 호수물의 정화 및 기타 여러가지 분야에도 이용할 수 있다.
본 발명의 호기성 생물학적 처리 공정에 따르면, 기포의 응집현상을 초래하지 않고서 대량의 미소한 공기 기포를 폐수 전체에 걸쳐 균일하게 공급할 수 있음으로 산소용해 효율을 현저하게 상승시킬 수 있다. 따라서, 효율적으로 호기성 생물학적 처리를 성취할 수 있으므로 처리 용량을 상승시킬 수 있다. 또한, 에어레이터에 공급되는 물과 공기를 개별적으로 조절할 수 있고, 외측노즐에서 물에 대한 공기의 체적비가 2/1∼3/1 정도로 높을 때에도 물에의 공기 기포 분산 효과가 감소되지 않는다. 따라서 초기폐수의 부하(load)특성에 따라 산소 요구량에 대응하는 산소를 공급할 수 있고, 이로 인하여 에너지 절감 효과도 얻어진다. 그리고, 탱크내의 폐수를 에어레이터에 공급하여 폐수를 순환시키면, 폐수에 존재하는 호기성 미생물의 오니가 미분됨으로써 호기성 생물학적 처리의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
[실시예 1, 2 ; 비교실시예 1, 2 ; 참고실시예 1∼4]
제1도 또는 제2도에 도시된 구조의 에어레이터를 폭 2m, 길이 18m, 깊이 35m인 탱크의 바닥에 설치하여 수산물 처리 공장의 폐수를 처리하였다. 각 실시예에서 사용한 에어레이터의 각종 치수를 표 1에 제시하였다. 그러나, 비교 실시예 1에서 사용한 에어레이터의 직전 유동기는 직선 튜브를 구성하는 반면, 비교 실시예 2에 사용한 직진 유동기는 그 내경이 입구로부터 방출 오리피스 쪽으로 점점 증가하는 튜브 형상이었다.
초기 폐수의 초기 BOD는 평균 약 1100ppm이었다. 액체입구를 통하여 0.7㎥/분의 유량과 2.1㎏/㎠G의 압력으로 폐수를 공급하고, 2.1N㎥/분의 유량과 0.7㎏/㎠G의 압력으로 공기를 공급하여 에어레이터로부터 기포함유 기류를 방출시켰다. 처리 개시 8시간 후, 폐수처리 상태를 조사하였다. 조사 결과는 표 1에 제시되어 있다.
다음 과정에 따라 여러가지 매개변수를 평가하였다.
1. BOD : JIS K0102에 따라 측정.
2. 용해 산소 농도 : DO 미터(덴끼 가가꾸 고교 가부시끼가이샤 제품)로 측정.
3. 산소 용해 효율 : 폐수에 존재하는 공기 기포를 포집하여 결합시켰다. 상기 얻어진 가스의 산소농도를 결정하고, 이를 이용하여 산소 용해 효율을 계산하였다.
4. 유속 : 프로펠러식 유량계로 측정.
5. 공기 기포의 상태 : 공기 기포에 의해 수면에 야기되는 거품 상태를 육안으로 관찰하여 다음 기준에 따라 평가하였다.
"기포 비응집"=몇 ㎜ 정도의 직경인 공기 기포의 파열현상(bursting)이 수면상에 고르게 관측됨.
"약간의 기포응집"=상기 미소한 공기 기포의 파열현상에 더하여, 직경 2∼3㎝ 또는 경우에 따라 5∼7㎝ 정도의 큰 공기 기포의 파열 현상이 관측됨.
"현저한 기포응집"=수면의 한군데 이상의 지점에서 큰 공기 기포의 파열현상이 연속적으로 또는 주기적으로 관측됨.
[표 1a]
Figure kpo00001
Figure kpo00002
[표 1b]
Figure kpo00003
[실시예 3]
제9도와 제10도에 도시된 처리장치를 이용하여 우유병 세척공정에서 나온 폐수를 처리하였다. 상기 유기 폐수의 BOD와 SS는 각각 800∼1400ppm와 66∼190ppm의 범위에서 심하게 변화하였다.
생물학적 처리탱크(23)는 그 유효 깊이가 6.2m, 길이가 12.5m 및 폭이 9.0m이었다. 길이 12m인 3개의 칸막이(25∼27)를 사용하여, 상기 생물학적 처리탱크(23)를 폭 2.2m인 인접하는 4개의 구획으로 분할하고, 제9도와 같이 서로 유통되게 하였다.
생물학적 처리탱크(23)의 각 구획의 바닥에 실시예 1에서 사용한 것과 유사한 에어레이터(30∼33)를 설치하였다. 생물학적 처리탱크의 내부에 0.7㎥/분의 유량과 2.1㎏/㎠G의 압력으로 폐수를 공급하고, 2.1M㎥/분의 유량으로 가스로서의 공기를 공급하여, 기포함유 기류를 방출시켰다. 기포의 응집으로 인한 기포의 탈출현상은 거의 관측되지 않았고, 폐수에 미소한 공기기포의 양호한 분산이 성취되었다. 이 경우, 직진 유동기의 방출 오리피스에서 기포함유 기류의 유속은 0.4m/초이었다. 수면아래 3m 깊이에서 기포함유 기류의 유동방향으로 유속의 분산을 관찰하였을때, 직진 유동기의 방출 오리피스(8)로부터 각각 3.4 및 5m 떨어진 지점에서 유속은 0.4, 0.2 및 0.08m/초이었다.
상기 처리 장치에서 전술한 유기폐수를 다음 조건으로 처리하였다. 유기폐수를 폐수 입구를 통해 250ℓ/분의 유량으로 탱크에 공급하였다. 제1구획에 설치된 에어레이터(30)에서 기포함유 기류에 노출시켜 유기 폐수를 에어레이션 시키는 동시에 교반시켜 혼합하였다. 그리고, 상기 유기폐수를 제2구획에 보내어 에어레이터(31)의 작용으로 다시 에어레이션 및 교반시켰다. 상기 유기폐수는 제3구획을 통과한 후, 에어레이터(33)에서 제4구획으로 방출된 기포함유 기류에 의해 최종적으로 처리된다. 이어서, 탱크(23)에서 유기폐수를 방출시켰다.
초기에 800∼1400ppm이었던 유기폐수의 BOD가 최종적으로 25ppm까지 감소되었다. 따라서, 대단히 양호한 품위의 정수가 얻어진 것이다.
[실시예 4, 5 ; 비교실시예 3∼6]
본 발명의 에어레이터를 설치한 생물학적 처리탱크를 이용하여 어유(fish oil)처리 공장의 폐수를 처리하였다. 상기 유기폐수의 평균 BOD 및 SS는 각각 100ppm 및 220ppm이었고, 온도는 25∼30℃이었다.
생물학적 처리탱크는 유효 깊이가 3.8m, 길이가 25m 및 폭이 6m이었다. 생물학적 처리탱크내에 적절한 칸막이를 설치함으로써, 기포함유 기류의 유동방향으로 측정하여 직진 유동기의 방출 오리피스와 탱크의 반대쪽 벽간의 거리를 3단계(즉 18m, 12m 및 2m)로 변화시키고, 물 탱크의 폭도 3단계(즉, 6m, 2m 및 1.5m)로 변화시켰다.
본 실시예에서 사용한 에어레이터는 실시예 1에서 사용된 것과 동일하였으나, 탱크내에 설치된 수직 위치(또는 깊이)를 변화시켰다. 이러한 조건하에서 가스 : 액체(또는 공기 : 폐수)의 체적비가 3/1이 되는 양으로 공기를 공급하여 에어레이터로부터 기포함유 기류를 방출시켰다.
그리고, 20시간 동안 유기폐수의 호기성 생물학적 처리를 계속하여 폐수처리 상태를 조사하고, 그 결과를 표 2에서 제시하였다.
[표 2]
Figure kpo00004

Claims (7)

  1. 노즐에서 가스와 액체를 혼합상태로 분출하기 위한 제트기류 발생기와 노즐에서 분출된 기포함유 흐름의 주의의 물과 혼합시켜 그 방출 오리피스로부터 방출시키는 투브형 직진 유동기를 구성하는 에어레이트로서, 상기 제트기류 발생기가 액체입구, 적어도 하나의 가스입구, 외측노즐 및 적어도 하나의 내측노즐을 구비하고, 상기 액체입구는 내측노즐에 의해 제트기류 발생기의 내부 공간에 유통되며, 상기 직진 유동기는 입구로부터 방출 오리피스를 향하여 내경이 감소하는 튜브형상이고, 내경이 감소하는 길이가 직진 유동기 전체 길이의 1/4 이상이며, 상기 외측노즐은 직진 유동기와 실질적으로 동축관계이고, 그 끝이 직진 유동기의 입구에 인접하여 위치하도록 설치되어 있음을 특징으로 하는 에어레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외측노즐의 끝의 내경을 A, 직진 유동기의 최소내경을 B라 할 때, A/B가 0.1∼0.5의 값을 가지고, 상기 직진 유동기의 전체 길이 L이 20A∼1000A의 범위인 것을 특징으로 하는 에어레이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 직진 유동기는 직진 유동기의 외관과 유사한 튜브형상으로 외관의 내부에 동축 관계로 설치된 내관을 포함하며, 상기 내관의 입구가 직진 유동기의 입구와 실질적으로 동일 평면 상에 위치함으로 특징으로 하는 에어레이터.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제트기류발생기가 제1 및 제2가스입구와 제1 및 제2내측노즐을 가지며, 상기 제2내측노즐에 의하여 제1가스입구와 유통하고, 그리고 제1내측노즐을 통해 액체입구와 유통하는 제1실과 제2가스입구 및 외측노즐과 유통하는 제2실로 상기 제트기류 발생기의 내부공간이 분할됨을 특징으로 하는 에어레이터.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제트기류 발생기가 내측노즐과 외측노즐 사이에 설치된 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어레이터.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제트기류 발생기가 상기 액체입구를 통해 공급된 액체에 존재하는 조대입자를 파쇄하기 위한 파쇄장치를 포함하며, 상기 파쇄장치는 액체입구와 내측노즐 사이에 설치되어 있음을 특징으로 하는 에어레이터.
  7. 탱크 내의 폐수를 호기성 생물학적으로 처리하기 위해, (a) 노즐에서 가스와 액체를 혼합상태로 분출하기 위한 제트기류 발생기와 노즐에서 분출된 기포함유 흐름을 주위의 물과 혼합시켜 그 방출 오리피스로 부터 방출시키는 튜브형 직진 유동기를 구성하며, 상기 제트기류 발생기가 액체입구, 적어도 하나의 가스입구, 외측노즐 및 적어도 하나의 내측노즐을 구비하며, 상기 액체입구는 내측노즐에 의해 제트기류 발생기의 내부 공간에 유통되며, 상기 직진 유동기는 입구로부터 방출 오리피스를 향하여 내경이 감소하는 튜브형상이고, 내경이 감소하는 길이가 직진 유동기 전체 길이의 1/4 이상이며, 상기 외측노즐은 직진 유동기와 실질적으로 동축관계이고, 그 끝이 직진 유동기의 입구에 인접하여 위치하도록 설치되어 있는 에어레이터를 준비하고, (b) 상기 에어레이터를 수면 아래 적어도 2m의 깊이에 위치시키고, 방출 오리피스에서 방출된 기포함유 흐름의 방향으로 측정하여 탱크의 반대쪽 측벽에서 3m 이상의 거리에 상기 직진 유동기의 방출 오리피스가 위치하도록 상기 에어레이터를 탱크 내에 설치하며, (c) 칸막이는 방출 오리피스에서 방출된 기포함유 흐름과 평행하고, 폭이 3m 이하인 구획을 형성하며, 칸막이로부터 실질적으로 동일 거리에 상기 에어레이터가 위치되도록 2개의 칸막이를 탱크 내부에 설치하고, (d) 상기 방출 오리피스에서 유속이 1.5m/분 이상의 기포함유 흐름이 생성되도록 가스와 액체를 상기 에어레이터에 공급하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 폐수의 호기성 생물학적 처리방법.
KR1019860008549A 1985-10-11 1986-10-11 에어레이터(aerator) 및 폐수의 호기성 생물학적 처리공정 KR900005507B1 (ko)

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JP22480285 1985-10-11

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