Patent KR-200202246-Y1 (KR)
Inventor: KIM SUNGKWANG
IPC: C02F3/16
Filed: 2000-06-03
Granted: 2000-11-15
Abstract: 본 고안은 고농도폐기물 처리방법중 하나인 Jet Loop Reactor(JLR)의 처리방법을 개선한 것으로서 본 장치는 Tower형 구조를 갖는 Loop Reactor(LR)의 일종으로서 반응조내에서 뚜렷한 방향성을 갖는 순환흐름을 갖고 노즐을 통하여 공기와 유체를 혼합하여 분사시킴으로서 산소전달율을 높이는 생물반응조이다. 
     따라서 본 고안은 짧은 수리학적 체류시간에 높은 처리효율을 기대할 수가 있으며, 반응조의 구조가 간단하여 운전이 용이하며 기계의 고장 및 유지관리가 손쉽다는데 장점이 있다. 또한 소요부지면적이 적으며, 산소전달율이 재래식 활성슬러지 공정에 비하여 매우 높다는데 있다. 
     이에 본 고안은 반응조내 미생물 농도를 높게 유지할 수 있고 짧은 체류시간에 고부하-고효율의 운전이 가능한 장치를 제공하기 위한 처리장치에 관한 것이다. 
     본 고안은 축산오수와 같은 고농도 오수의 고부하-고효율 처리장치를 개발하기 위해 고안되었다. 축산오수의 겨우 유기물농도(양돈폐기물의 경우 분 60,000mg /L, 뇨 3,500∼4,000mg/L)가 높아 재래적인 방법으로 처리할 경우 넓은 부지면적과 큰 시설용량을 필요로 하게 된다. 
     따라서 과다한 시설비 및 동력비가 필요하게 되어 우리나라와 같이 소규모의영세한 형태를 보이는 축산농가에서는 적용하기 힘든 형편이다. 
     이에 본 고안은 축산오수와 같은 고농도 오수를 고부하 운전조건에서 고효율로 처리가 가능하게 함으로서, 처리효율이 증대와 아울러 기존 분사식환형회로반응조의 단점을 개선함으로서 보다 적당한 고농도오수 처리장치를 제공하기 위한 것이다. 
     본 고안은 내부에 유도관을 갖는 실린더형 반응조로 전체 모양은 tower형이다. 세부구조는 크게 실린더형반응조, 유도관, 벤츄리노즐, 기체-액체 분리조의 4부분으로 구분된다. 
     반응조 상단에는 거품발생에 대비하기위한 여유고( 200mm)를 두었다. 반응조로의 시료주입은 내부 순환관의 흡입부로 하게 된다. 주입된 시료는 내부순환 혼합액과 함께 벤츄리노즐로 연결되며 벤츄리노즐에서는 순간적인 압력강화에 의해 공기흡입관을 통해 흡입된 외부공기와 혼합되어 반응조내 유도관으로 강하게 분사된다. 
     따라서 유입시료는 반응조로 유입되기까지 내부순환관속에서 1차 혼합이 이루어지고 벤츄리노즐을 통하여 반응조내로 분사되면서 2차 혼합이 이루어진다. 
     3상(wastewater, biomass and air) 분사류는 이어 유도관속에서 하향류를 형성하게 되고 반응조 바닥에 설치한 conical bottom에 부딪힌후 흐름방향을 바꾸어다시 반응조 바깥 원형관으로 상승하게 된다. 
     이와 같은 과정은 반응조 배부에서의 높은 재순환율에 의해 수회 반복되며 그 이후에는 반응조 상부의 기체-액체 분리조로 유입되어 일부는 순환펌프를 통하여 또다시 재순환되고 나머지는 침전지로 유입된다. 
     반응조에서 침전지로의 유송은 별도의 동력을 사용하지 않고 자연유하되도록하였다. 
     반응조 중앙에 위치하여 반응조 내부 순환흐름을 유도하는 유도관은 반응조의 형태와 같은 실린더형으로 높이 600, 내부직경 50, 두께 3으로 제작되었다. 유도관의 두께는 내부 순환흐름의 유연성에 영향을 미친다. 보통 직경과 유도관비는33.3이 적당하다고 알려져 있다. 
     본 고안에 사용된 분사식환형회로반응조장치는 3상 노즐이 반응조 상단에 위치하므로 유도관 내부에서는 하향류가 형성되고 유도관 외부에서는 상향류가 형성된다. 따라서 유도관을 통한 하향 흐름은 반응조 하단에 와서 다시 흐름 방향을 바꾸어야 하므로 흐름방향의 원활한 전환을 위하여 유도관은 반응조 하단과 34mm간격(Au)을 두었으며 반응조 하단에는 원뿔 모양의 conical bottom을 설치하였다. 
     특히, conical bottom은 순환되는 기포를 이곳에 충돌시켜 더욱 미세한 기포로 전환시키며 이로인한 에너지손실과 dead space를 최소화시키는 역할을 한다. 
     유도관 상단에 위치한 벤츄리 노즐의 상세한 구조는 도 과 같다. 유도관 상단에서의 3상 분사류는 가운데에 공기흡입관을 갖는 벤츄리노즐을 통하여 반응조 혼합액을 분사함으로서 형성된다. 
     공기흡입관은 벤츄리노즐 가운데에서 강철재질의 지지대에 지지되어 있다. 벤츄리 노즐은 직경(dt) 7mm의 pvc관으로 제작되었으며 공기흡입관은 외경 3.0mm,내경(dg) 2.0mm의 알루미늄 합금으로 제작되었다. 
     분사식환형회로반응조의 3상 벤츄리노즐에서는 내부순환흐름이 노즐을 통해 분사되면서 노즐 끝에서 순간적으로 진공이 형성되어 외부의 공기가 공기흡입관을통해 자연적으로 흡입되게 된다. 따라서 3상 벤츄리노즐에서의 액체분사면적(A L )과 공기흡입관 면적(Ag)의 비(A L /Ag)와 공기흡입관 끝과 노즐 끝과의 거리(e)는 공기흡입량에 영향을 미친다. 이 장치에 사용된 A L /Ag비는 10.0이었고 e는 최적조건으로 판명된 8mm로 설치하였다. 
     분사식환형회로반응조의 3상 벤츄리노즐은 직경이 작아 막힘현상이 일어날 수 있다. 따라서 이러한 막힘현상이 일어날 경우 노즐의 청소가 가능하도록 나사식으로 연결하여 노즐의 탈착이 가능하도록 하였다. 
     또한 유입수는 24시간 침전후 망목(0.149mm)의 스크린을 통과시켜 유입시킴으로서 고형물로 인한 벤츄리노즐의 막힘 현상을 최대한 방지코져 하였다. 
     그림3-2-4에서 잘 나타난것처럼 3상 노즐의 공기흡입관을 통해 흡입된 공기는 노즐 끝에서의 강한 분사력에 의해 흡입되는 즉시 액체와 강하게 혼합되면서 충돌한다. 이때 공기는 액체속으로 분산되는데 이를 1차 분산이라 한다. 유도관을 통해 어느정도 하강한 이후에는 노즐 끝에서의 강한 분사력이 약해지면서 주위의 공기방울들이 서로 충돌하여 뭉치면서 2차 분산이 일어나게 된다. 또한 이때에는 먼저 흡입된 공기방울들이 유도관 외관을 통하여 상승하다 노즐 끝에서의 분사에 의한 강한 흡입력에 의해 일부 공기방울은 다시 유도관 속에서 재순환하게 된다. 
     분사식환형회로반응조의 상단에는 반응조 직경보다 넓어 전체 반응조 모양의 tower 형태를 띠게 하는 기체-액체 분리조가 있다. 이곳에서는 반응조 혼합액으로부터 발생되는 기체(CO2와 잔류 air)를 탈기시킴으로서 침전지에서 슬러지의 침전성을 향상시키는 역할을 한다. 
     침전지는 총 용량 16.6L이며 투명한 plexglass 재질로 실린더형으로 제작하였고 벽면의 슬러지 부착방지와 침전성제고를 위하여 V자 모양의 baffle를 설치하여 이 baffle을 약 1rpm으로 회전시켰다. 또한 반송관에는 잉여슬러지를 인출할 수 잇도록 port를 설치하였다. 
     또한 반응조 하단으로부터 3cm 높이에는 시료채취를 위하여 직경 1cm의 port를 설치하였으며 반응조 상단에는 용존산소와 온도, pH 등을 측정하고 발생되는 가스를 배출시키기 위하여 배출구를 설치하였다. 순환펌프 관에는 by-pass line과 밸브를 설치하여 jet nozzle 끝에서의 유체분사 압력을 조절할 수 있도록 하였다. 
     분사식환형회로반응조 설치시 중요한 설계인자에는 유도관의 내경(De)와 반응조 내경(D)의 비, 유도관의 길이(Le)와 반응조의 내경(D)의 비, 반응조 내경(D)와 유도관의 두께(Se) 그리고 3상 노즐에서 액체분사면적(A L )과 공기흡입관 면적(Ag)의 비 등을 들수 있다. 
     이 장치를 위한 반응조 De/D, Le/D, D/Se 그리고 A L /Ag는 각각 0.5, 6.0, 33.3, 10.0의 비율로 제작되었다. 
     전체적인 반응조 재질은 5mm 두께의 투명한 아크릴로 제작되었으며 순환펌프(MD 40R)는 일본 IWAKI instrument inc. 제품을 사용하였다. 또한 시료주입과 반송은 정량펌프(masterflex pump : #07526-00)를 상요하여 24시간 연속적으로 주입하였다. 
     본 고안에 따른 축산폐기물과 같은 고농도 오수의 처리를 저렴한 가격에 처리장치를 설치할 수 있고 유지관리비용의 감소로 인해 소규모 축산농가에서도 설치가능하여 상수원의 보호 등이 목적으로 널리 광범위하게 사용될 수 있다.