KR100851456B1 - 물 처리 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물 및 폐수 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 실시예에서, 본 발명에 따른 물을 처리하는 방법은 슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합시키는 단계와, 밸러스트를 물과 혼합시키는 단계와, 물을 처리된 물 및 슬러지로 분리하는 단계를 포함한다. 분리된 슬러지의 일부 또는 모두는 침전제 및 처리될 물과 혼합하기 위해 재순환될 수 있다.

Description

물 처리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR TREATMENT OF WATER}

본 발명은 용해되고 부유하는 고형물을 물과 폐수로부터 제거하기 위한 개선된 공정에 관한 것이며, 제거된 고형물의 탈수 특성에 있어서 이하의 개선점을 갖는다.

음용 목적으로 물을 이용하기 위해, 또는 방출하기 위한 폐수를 처리하기 위해, 다양한 용해되고 부유된 성분을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 성분은 중금속, 오일 및 그리스, 마그네슘, 철, 실리카 및 용해되고 부유된 유기 물질을 포함할 수 있다. 수질은 근원지들 사이에 크게 차이가 있지만, 상기 성분 중 하나 이상을 거의 항상 갖는다. 이들 성분의 제거는 물리/화학 처리 공정을 이용하여 통상 행해진다. 이 유형의 공정은 성분을 물로부터 고형물 형태로 분리하고 제거하기 위해 화학 반응과 물리 분리 공정의 조합을 이용한다.

도1은 종래 기술의 처리 공정의 평면도이다.

도2는 다른 종래 기술의 처리 공정의 평면도이다.

도3은 다른 종래 기술의 처리 공정의 평면도이다.

도4는 본 발명의 일 실시예의 공정 흐름 계통도이다.

도5는 본 발명의 일 실시예의 평면도이다.

일 실시예에서, 본 발명은 물을 처리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 처리 슬러리를 형성하도록 알칼리 시약을 제1 슬러지와 반응시키는 단계와, 처리된 물과 부유 고형물을 형성하도록 처리 슬러리를 물과 반응시키는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 처리된 물 및 부유 고형물을 불용성 입상 재료와 혼합시키는 단계와, 처리된 물, 부유 고형물 및 불용성 입상 재료를 불안정화하는 단계를 포함한다. 이 방법은 처리된 물, 부유 고형물 및 불용성 입상 재료를 응결하는(floculating) 단계와, 처리된 물, 부유 고형물 및 불용성 입상 재료를 정화된 물 및 제2 슬러지로 분리하는 단계를 더 포함한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 알칼리 시약 입구, 재순환 슬러지 입구, 교반기 및 처리 슬러리 출구가 제공되는 알칼리 시약 혼합 챔버를 포함하는 물 처리 장치에 관한 것이다. 또한, 이 장치는 처리 슬러리 출구에 연결되고, 물 입구, 교반기 및 처리된 물 및 부유 고형물 출구가 제공되는 반응 챔버를 포함한다. 이 장치는 처리된 물 및 부유 고형물 출구에 연결되고, 불용성 입상 재료 입구, 교반기, 및 처리된 물, 부유 고형물 및 입상의 불용성 재료 출구가 제공되는 플래시 혼합 챔버를 더 포함한다. 이 장치는 처리된 물, 부유 고형물 및 입상의 불용성 재료 출구에 연결되고, 교반기 및 응결된 물 출구가 제공되는 응결 챔버를 더 포함한다. 이 장치는 응결된 물 출구에 연결되고 정화된 액체 출구 및 슬러지 출구가 제공되는 분리기를 더 포함한다. 마지막으로, 이 장치는 슬러지 출구 및 재순환 슬러지 입구에 연결되는 슬러지 재순환과, 슬러지 출구에 연결되는 슬러지 방출부를 더 포함한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 물을 처리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 제1 슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합시키는 단계와, 밸러스트를 물과 혼합시키는 단계와, 물을 정화된 물 및 제2 슬러지로 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 이점, 신규한 특성 및 목적은, 일부가 개략적이고 일정한 비율로 도시되도록 의도되지 않는 첨부 도면과 결합하여 고려할 때 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 수 있다. 도면에서, 다양한 도면에 도시된 동일하거나 거의 동일한 구성 요소 각각은 단일 도면 부호로써 나타내어진다. 명백하도록, 모든 그림에서 모든 구성 요소에 번호가 붙여지는 것은 아니며, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하게 하도록 도시될 필요가 없는 경우에 도시된 본 발명의 실시예 각각의 모든 구성 요소에 번호가 붙여진다는 것도 아니다.

본 발명은 물 및 폐수의 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일 태양에서, 본 발명은 향상된 효율을 달성하는 신규한 방법으로 슬러지 재순환을 이용하는 물 처리 공정의 요소와 밸러스트를 이용하는 공정의 요소를 결합한다.

종래의 물리적/화학적 처리 방법은 이하 공정의 일부 또는 모두를 포함할 수 있다.

화학 침강(chemical precipitation): 물에 용해된 화합물의 용해도를 변화시켜, 화합물의 침강 및 콜로이드 입자의 형성을 가져오는 화학 반응.

응집(coagulation)/응결(flocculation): 콜로이드 입자를 불안정화하고 콜로이드 입자를 보다 큰 응집물로 응집하여, 입자를 안정한 부유물로부터 불안정한 부유물로 변화시킴.

침전(sedimentation)： 응집물의 침하 및 슬러지 형태로 액체로부터 침하된 고형물의 분리.

농축(thickening): 침전 공정에서 제거된 슬러지의 물 함유량을 감소시키고 고형물 함유량을 증가시키는데 이용되는 침하 공정.

여과: 기계적 여과를 통한 물의 잔류 부유 고형물의 제거.

전형적인 종래 기술의 물리적/화학적 처리 방법은 도1에 도시되며, 화학 물질(20) 및 물(21)이 부가되는 화학 반응 탱크(1), 응집제(22)가 부가되는 플래시 혼합 탱크(2), 응결 탱크(3), 침강조(4), 농축된 슬러지(23)를 생성하는 농축기(5), 및 처리된 물(24)을 생성하는 폐수 필터(6)로 구성된다. 이러한 전형적인 시스템은 상당한 양의 설치 공간을 이용하며, 다양한 처리 유닛의 구입과 설치를 필요로 하며, 비교적 많은 작동 비용이 든다.

효율을 최대화하고 물리적/화학적 처리 공정에서 수행되는 단계 각각의 비용을 최소하도록 설계되는 다수의 기술은 오랜 세월에 걸쳐 발전되었다. 이러한 설계의 실시예는 미국 특허 제4,388,195호, 제5,039,428호, 제5,730,864호, 제5,770,091호, 제6,210,587호 및 제6,277,285호에 개시되어 있는데, 이들은 이들 전체가 본 명세서에 참조로써 합체된다. 현재의 기술은 물 내의 부유 입자의 응집 및 침전율을 증가시키도록 통상 시도된다. 응집 및 침하율은 입자의 밀도와 유형 및 침하된 고형물의 농도를 포함하는 다양한 요인에 영향을 받는다. 일반적으로, 고형물의 농도와 밀도의 증가는 고형물 침하율을 증가시켜서, 그 결과 설비 크기가 보다 작게 하고, 방류수 수질이 개선되고, 슬러지 고형물 농도가 증가되게 된다. 입자 농도 및/또는 밀도는 침하된 슬러지의 재순환을 통해서든 또는 밸러스트 재료의 부가를 통해서든 통상 증가된다. 이러한 2가지 공정은 이하에서 더욱 상세하게 논의된다.

침하된 슬러지의 재순환과 수집의 실시예는 미국 특허 제3,738,932호에 개시되어 있으며, 이는 전체가 본 명세서에 참조로써 합체되며, 도2에 도시된다. 이러한 공정에서, 침전 탱크(9)로부터의 침하된 슬러지(25)의 일부는 재순환되며 혼합 용기(7)에서 알칼리 슬러리 스트림(26)과 반응된다. 알칼리 슬러리는 통상 석회 슬러리 혼합물이다. 그 후, 혼합된 슬러리/슬러지 스트림은 처리될 물/폐수 스트림(27)에 부가된다. 혼합물은 용기(8)에서 반응되며, 그 후 침전 단계로 유동한다. 질량 기준에서, 재순환된 슬러지의 양은 제거되는 양의 약 20배 정도이다. 대부분의 화합물에 있어서, 슬러지를 알칼리 슬러리 스트림으로 다시 재순환시키는 것은, 잘 침하되고 탈수되는 조밀한 고형물을 형성하게 된다. 금속 수산화물 슬러지에 있어서, 최종적인 탈수된 슬러지는 재순환 공정이 없는 경우의 70 %의 물과 비교할 때, 통상 30 내지 50 %의 물을 함유할 것이다. 그 결과, 이는 취급되고 배치되어야 하는 매우 작은 슬러지 체적을 가져온다.

침하된 슬러지의 재순환과 수집에 대해 여러 결점이 있다. 첫째, 공정은 효율적으로 작동하기 위해 슬러지의 충분한 질량의 형성에 좌우된다. 초기 개시 기간 동안에, 시스템은 비교적 불충분하게 작동한다. 이는 공정을 배치식 또는 단속적 처리 공정에 부적절하게 한다. 둘째로, 고형물이 양호하게 침하하지만, 이 침하율은 밸러스트 재료의 부가에 의해 얻을 수 있는 침하율보다 상당히 낮다. 따라서, 침전 설비는 크기가 커야만 한다. 마지막으로, 공정은 방류수에 매우 미세한 입자 부유 고형물 레벨의 비교적 높은 레벨을 가져 올 수 있다. 수질 요구 조건에 따라서, 이는 침강 시스템 후에 여과 설비의 설치를 필요로 할 수 있다.

밸러스트 재료를 부가 사용하는 방법에서, 통상 모래인 불활성 입상 재료는 처리 공정의 화학 침강 단계로 주입된다. 이 공정의 실시예는 미국 특허 제4,927,543호에 기재되어 있는데, 이는 전체가 본 명세서에 참조로써 합체되며, 도3에 도시된다. 이 공정에서, 처리되지 않은 물은 반응 탱크 내에 밸러스트 재료와 화학 물질과 혼합된다. 그 후, 물은 입자가 밸러스트 재료 주위에 응집하는 응집 탱크(10)로 보내진다. 응집된 고형물을 갖는 물은 고형물이 중력에 의해 분리되는 침전 탱크(11)로 유동한다. 정화된 물은 배출되고, 고형물은 분리기(12)로 보내진다. 분리기(12)는 고밀도 밸러스트 재료를 저밀도 침하된 고형물로부터 분리한다. 분리기는 재순환을 위한 밸러스트 재료를 반응 탱크로 다시 회수한다. 저밀도 침하된 고형물은 물을 제거하고 처분을 위한 고형물 폐기물을 생성하기 위해 부가 처리 단계로 통상 보내진다. 밸러스트 재료는 고형물의 침강율을 크게 증가시켜서, 침전 탱크를 위해 요구되는 설비 크기를 감소시킨다. 또한, 공정은 종래의 정화와 비교할 때 고형물의 제거 효율을 향상시킨다. 그러나, 밸러스트/슬러지 분리 단계는 저농도 슬러지 생산물을 통상 생성한다. 탈수와 처분을 위해 적절한 슬러지를 생성하기 위해 부가적인 슬러지 농후화 설비를 설치할 필요가 종종 있다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 물을 처리하는 방법은 슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합시키는 단계와, 밸러스트를 물과 혼합시키는 단계와, 물을 처리된 물 및 슬러지로 분리하는 단계를 포함한다. 분리된 슬러지의 일부 또는 모두는 처리될 물 및 침전제와 혼합하기 위해 재순환될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 본 발명은 이전에 행해지지 않은 방식으로 물을 처리하기 위해 슬러지의 재순환 및 수집을 밸러스트의 부가와 조합한다. 이들 공정의 조합은 이전에 달성되지 않아서, 그 결과, 오래 느꼈지만 제시되시 않은 처리 효율 개선에 대한 필요성이 이제서야 제시되었다.

슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합하는 것은 임의의 방식으로 그리고 오염물들 또는 오염물의 침강을 허용하는 설비 또는 임의의 재료를 사용하여 수행될 수 있다. 처리될 물로부터 제거되는 것이 바람직한 임의의 재료는 오염물을 의미한다. 침전제는 오염물을 침강시킬 수 있는 임의의 화합물, 혼합물, 화학 물질, 용액 등일 수 있다. 예를 들면, 침전제는 오염물보다 덜 용해되는 재료를 형성하도록 오염물과 반응하는 재료 또는 오염물의 용해도를 낮추는 재료일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 침전제는 알칼리 시약이다. 알칼리 시약은 오염물을 침강하기 위해 슬러지 및 물과 상호 작용할 수 있는 약 7이상의 pH를 갖는 임의의 재료일 수 있다. 예를 들면, 알칼리 시약은 수산화 칼슘[Ca(OH)₂] 또는 수산화 마그네슘[Mg(OH)₂]의 수성 슬러리를 포함할 수 있다. 다른 실시예로서, 알칼리 시약은 수산화 나트륨(NaOH)의 수용액일 수 있다. 연화가 요구되는 실시예에서, 소다회(Na₂CO₃)와 같은 연화제는 부가 침전제로서 부가될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 침강을 향상시키지만 반드시 침전제인 것은 아닌 재료는 침전제와 함께 부가될 수 있다. 예를 들면, 침전제의 성능을 향상시키는 재료는 부가될 수 있다.

특정 처리 적용을 위해 물로부터 제거되도록 요구되는 재료의 충분한 침강이 있는 한, 아무리 많은 침전제도 슬러지 및 물과 혼합될 수 있다. 특정 실시예를 위한 침전제의 바람직한 양은 침전제, 오염물 타입 및 농도 등에 의해 변할 수 있으며, 종래 기술 분야의 통상의 기술의 사용에 의해 선택될 수 있다. 침전제가 순수 형태로 부가되지 않는 경우, 예를 들면 침전제가 슬러리 형태인 알칼리 시약인 경우에, 슬러지 및 물과 반응되는 침전제의 농도는 침전제와 그의 부가의 방법에 의해 변할 수 있다. 이러한 농도가 하류 설비에의 유압 유량과 혼합을 수행하는데 사용되는 설비의 요구되는 크기를 감소시킬 수 있기 때문에 침전제의 고농도는 통상 바람직하다.

처리될 물은 오염물이 침전제에 의해 침강될 수 있는 임의의 물일 수 있다. 일 실시예에서, 처리될 물은 용해된 금속을 함유하는 산성 폐수일 수 있다. 이러한 실시예에서, 알칼리 시약일 수 있는 침전제는 물의 산도를 중화할 수 있어서, 그 결과 금속 수산화물 또는 금속 산화물의 침강을 가져온다. 철이 존재하는 금속 중의 하나라면, 산소와 같은 부가 침전제는 제일철(Fe⁺²)로부터 제이철(Fe⁺³) 형태로 변환시키기 위해 부가될 수 있는데, 제이철(Fe⁺³)은 제일철 형태보다 사실상 덜 용해될 수 있어서, 보다 우수한 침강을 가져온다.

다른 실시예에서, 처리될 물은 비교적 높은 농도의 칼슘 및 마그네슘을 포함할 수 있다. 이들 2개의 화합물은 물의 경도의 원인이 된다. 경도의 높은 레벨은 물이 휴대 사용 또는 비휴대 사용을 위해 이용될 때 다양한 악영향을 미칠 수 있다. 칼슘 및 마그네슘은 침전제에 의한 화학 침강을 통해 제거될 수가 있는데, 이는 이 실시예에서 알칼리 시약 또는 소다회일 수 있다. 칼슘은 탄산칼슘(CaCO₃)으로서 침강될 수 있으며, 마그네슘은 수산화 마그네슘[Mg(OH)₂]으로서 침강될 수 있다. 연화 공정에 포함되는 반응은 이하와 같다.

H₂CO₃+Ca(OH)₂→CaCO₃(s)+2H₂O

Ca₂ ⁺_+2HCO₃ ^-+Ca(OH)₂→2CaCO₃(s)+2H ₂O

Ca²⁺+Na₂CO₃→CaCO₃(s)_2Na⁺

Mg²⁺+2HCO₃ ^-+2Ca(OH)₂→2CaCO₃(s)+Mg(OH)₂ (S)+2H₂O

Mg²⁺+Ca(OH)₂→Mg(OH)₂(s)+Ca⁺

Ca²⁺+Na₂CO₃→CaCO₃(s)+2Na⁺

이들 침강 반응은 금속 침천에 대해 전술된 것들과 유사하지만, 소다회는 마그네슘 제거를 용이하게 하는데 이용될 수도 있다.

물 또는 폐수에 존재하는 다른 용해된 성분은 본 발명에 의해 제거될 수 있다. 예를 들면, 용해된 실리카는 적절한 침전제를 사용함으로써 제거될 수 있다. 예를 들면, 염과 같은 알루미늄 및 철 함유 화합물은 실리카에 대해 효과적인 침전제인 것을 알 수 있다. 적절한 화합물은 황산 제이철, 염화 제이철 및 수산화 알루미늄을 포함한다. 아무리 많은 철 또는 알루미늄 함유 화합물이라도 원하는 양의 실리카를 침강하도록 부가될 수 있다. 부가되는 철 또는 알루미늄 함유 화합물의 양은 침강될 실리카의 양에 비례할 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서, 약 3 내지 약 5 그램의 알루미늄 함유 화합물 또는 약 5 내지 약 10 그램의 철 함유 화합물은 침강되도록 요구되는 실리카의 매그램마다 부가될 수 있다. 이들 침전제는 알칼리 시약과 같은 다른 침전제와 조합될 수도 있으며, 몇몇 경우에는 상승 효과를 발생시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 불화물이 염화 칼슘에 의해 침강될 수 있다고 알려졌는데, 이는 또한 다른 재료를 위한 침전제로서 적절할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기재되는 특정의 실시예가 예로써 있으며 제거될 수 있는 모든 잠재적인 성분을 식별하도록 의도되지 않으며, 이러한 제거를 용이하게 할 수 있는 모든 침전제를 식별하도록 의도되지는 않는다.

처리될 물의 성질과 관련된 침강 반응이 무엇이더라도, 침강된 화합물은 슬러지 입자 상에 흡착될 수 있어서, 결정 입자를 형성한다. 이들 결정 입자는 보다 신속하게 침하하고, 보다 용이하게 탈수하며, 재순환된 슬러지를 사용하지 않는 종래의 침강 공정으로부터 형성되는 고형물보다 적은 물을 보유한다. 또한, 결정 입자는 보다 작으며, 종래의 침강 입자보다 훨씬 협소한 크기 범위를 갖는다. 결정 입자의 입자 크기 분포는 종래의 침강 입자에 있어서의 약 1 내지 약 45 미크론의 범위와 비교할 때, 약 1 내지 약 8 미크론의 범위에 통상 있다. 또한, 보다 작고 보다 균일한 이들 입자는 더욱 조밀하고 밀도가 높은 응집으로 응결될 수 있어서, 이에 의해 전술된 개선된 침하 및 탈수 특성을 가져온다.

슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합하는 것은 용해된 성분의 충분한 침강을 가져오는 아무리 많은 시간동안이라도 수행될 수 있다. 이러한 용해된 성분은 콜로이드 형태로 침강할 수 있다. 침강하기에 충분한 시간의 양은 사용되는 침전제에 따라 변할 수 있지만, 알칼리 시약을 사용하는 통상적인 실시예에서, 요구되는 최소 시간은 약 5분일 수 있으며, 전체 시간은 양호하게 약 20분 내지 약 40분이다. 충분한 혼합 및 침강 시간이 제공되지 않는다면, 불완전한 침강과 결정 성장으로 인해 처리 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 과잉의 혼합 및 침강 시간이 제공된다면, 보다 큰 설비가 요구될 수 있으며, 자본 및 작동 비용을 증가시킬 수 있다. 침전제가 알칼리 시약인 경우와 같이, 침전제가 물의 pH에 영향을 미치는 경우의 실시예에서, 침강 반응은 2개의 단계에서 수행될 수 있는데, 이는 각 단계에서 pH 변화를 최소화함으로써 공정 제어를 개선할 수 있다. 이러한 실시예에서, 각 단계는 전술된 바와 같이 선택된 반응 시간을 가질 수 있다.

제1 슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합하는 것은 임의의 방식으로 그리고 원하는 침강을 허용하도록 적절한 혼합을 발생시킬 수 있는 임의의 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 상업용 혼합 용기가 사용될 수 있다. 혼합은 교반기에 의해 제공될 수 있는데, 이는 적절한 혼합을 달성하기 위해 원하는 전단율을 생성할 수 있는 임의의 장치일 수 있다. 예를 들면, 혼합은 상업용 모터 구동식 임펠러를 포함하는 교반기에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 혼합은 인라인으로 행해질 수 있으며, 가능하게는 용기 및/또는 교반기를 제거한다. 몇몇의 경우에 라인에서 정적 혼합기의 부가에 의해 보충되는 인라인 혼합은 본 발명의 임의의 혼합 단계에서 사용될 수 있다.

양호한 실시예에서, 슬러지 및 침전제를 처리될 물과 혼합하는 것은 고형물의 침강 및/또는 연속 결정화를 위한 흡출관(draft tube) 반응기를 사용하여 수행된다. 흡출관 반응기는 반응기 내에서 고형물을 재순환시키기 위해 특별히 설계된 교반기를 이용할 수 있다. 반응기 설계는 일련의 언더플로우 및 오버플로우 배플을 통해 고형물의 큰 재순환율을 허용할 수 있다. 침전제 및/또는 결정의 크기는 공급이 유닛으로 진입하는 지점, 고형물의 인출의 수단 및 재순환율을 포함하는 다수의 상이한 요인에 의해 제어 가능할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 슬러지 및 침전제는 처리될 물과 혼합되기 전에 혼합될 수 있다. 이러한 실시예에서, 침전제는 슬러지와 반응을 할 수 있으며, 물과 혼합될 때, 후속 침강의 결과를 개선할 수 있다. 예를 들면, 임의의 특정 이론에 의해 제한되는 것을 바라지 않고, 알칼리 시약과 같은 일정한 침전제가 슬러지 입자의 표면과 상호 작용할 수 있어 침강을 위한 위치를 제공한다고 믿어진다.

슬러지가 처리될 물과 혼합되기 전에 침전제와 혼합될 수 있는 경우에, 전술된 바와 같은 종래의 혼합기는 혼합을 제공하는데 이용될 수 있다. 임의의 혼합 시간은 적절한 혼합과 상호 작용 시간이 제공되는 한 사용될 수 있다. 예를 들면, 침전제가 알칼리 시약인 몇몇 실시예에서는 약 5 내지 10초 정도의 최소 혼합 시간이 바람직하다. 최대 혼합 시간이 없지만, 보다 긴 혼합 시간은 보다 큰 혼합 용기와 증가된 자본 비용에 이르게 할 수 있다. 침전제가 알칼리 시약의 형태인 일 실시예에서, 바람직한 전체 용기 크기는 약 2분 내지 약 5분의 잔류 시간에 제공된다.

먼저 침전제와 혼합되든지 또는 물과 직접 혼합되는지, 원하는 침하율을 생성하기 위해 충분한 재순환 고형물을 제공하는 한 아무리 많은 슬러지도 물과 혼합될 수 있다. 일 실시예에서, 슬러지의 양은 처리될 물에 용해된 재료의 농도에 좌우될 수 있다. 침전제가 알칼리 시약인 이러한 실시예에서, 재순환 고형물의 양은 통상의 물을 위해 처리될 물 내에 형성되는 고형물의 파운드당 재순환 고형물의 약 5 내지 약 100 파운드 범위일 수 있다. 양호하게는, 부가되는 슬러지의 양은 하류 설비에 요구되는 용량을 감소시키기 위해 가능한 한 낮지만, 원하는 침하율 또는 침강 효율이 손상될 만큼 낮지는 않다. 따라서, 침전제로서 알칼리 시약을 사용하는 일 실시예에서, 슬러지의 바람직한 범위는 형성되는 고형물의 파운드당 슬러지의 약 10 내지 약 30 파운드이다.

슬러지가 알칼리 시약과 혼합되고, 물이 재순환되는 경우에, 이는 임의의 방식으로 재순환될 수 있다. 예를 들면, 슬러지 내의 밸러스트는 슬러지로부터 분리될 수도 분리되지 않을 수도 있다. 밸러스트가 슬러지로부터 분리되지 않는 실시예에서, 공정에 의해 발생되는 슬러지의 일부는 처리없이 처리될 물과 침전제와 혼합되도록 다시 직접 재순환될 수 있다.

처리될 물을 밸러스트와 혼합하는 작용은 임의의 방식으로, 임의의 재료로, 필요한 만큼 완전히 밸러스트를 분배하는 임의의 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 밸러스트 재료는 처리되는 고형물의 것과 동일하거나 큰 입자 크기를 갖는 임의의 불용성 재료 또는 재료들일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이,"불용성"으로 기재된 재료는 전형적인 사용 기간에 걸쳐 노출될 환경에서 뚜렷하게 용해되지 않는다. 일 실시예에서, 또한, 밸러스트 재료는 처리되는 고형물과 액체보다 큰 밀도를 갖는다. 일 실시예에서, 밸러스트는 화학적으로 또는 생물학적으로 활성일 수 있으며, 적어도 약간 용해성일 수 있다. 예로서, 밸러스트는 마이크로-모래 및/또는 카본 분자를 포함할 수 있다. 양호하게는, 밸러스트 분자는 직경이 적어도 20 미크론이며, 양호하게는 약 20 미크론 내지 약 500 미크론이다. 밸러스트는 원하는 침하율을 생성하는 임의의 비율에 부가될 수 있다. 적은 양의 밸러스트는 덜 효과적인 침하를 가져올 수 있는 반면, 많은 양의 밸러스트는 취급 비용을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 밸러스트는 약 1 내지 약 10 g/l의 투여율로 부가된다. 밸러스트는 새로운(사용되지 않은) 재료, 재순환되고 세정된 밸러스트, 또는 재순환되고 세정되지 않은 밸러스트일 수 있다.

만약 있다면 그 후 응결 및 분리를 개선하기 위해, 물 및 그안의 침강된 콜로이드는 불안정화될 수 있다. 불안정화는 적절한 응결을 허용하기 위해 물과 콜로이드를 충분하게 불안정화하는 임의의 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 불안정화는 침강 중에 형성되는 콜로이드 입자를 불안정화할 수 있는 응집제와 같은 재료를 부가함으로써 수행될 수 있다. 콜로이드 입자를 불안정화하는 것은 이들이 응결되고 침하되는 것을 허용할 수 있다.

양호한 실시예에서, 밸러스트를 물과 혼합하고 물과 콜로이드 입자를 불안정화 하는 것은 단일 혼합 용기 내에서 함께 수행될 수 있다. 이러한 실시예에서, 혼합율은 불용성 재료와 응집제를 분산시키기에 충분할 수 있다. 따라서, 비교적 높은 혼합율을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 비교적 높은 혼합율은 기계적으로 불안정화를 보조할 수 있다. 일 실시예에서, 혼합 용기의 속도 구배는 약 1,000 s^-1 내지 4,000 s^-1일 수 있으며, 양호하게는 약 3,000 s^-1 내지 3,500 s^-1 범위에 있다. 결합된 밸러스트 부가 및 불안정화를 위한 잔류 시간은 양호하게 적어도 1분이다.

분리를 개선하기 위해, 물 내에 침강되는 오염물은 응결될 수 있다. 응결은 임의의 방식으로 그리고 플록(floc)이 필요에 따라 형성되도록 허용하는 임의의 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 양호한 실시예에서, 응결은 보다 잘 분리될 수 있는 큰 응결된 입자의 형성을 허용하는 저에너지 혼합 단계로서 수행된다. 이러한 혼합은 혼합 용기 내에서 또는 인라인으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 혼합을 위한 속도 구배는 약 300 s^-1 내지 약 900 s^-1이다. 응결을 위한 혼합 시간은 밸러스트 부가 및 불안정화의 시간의 4배일 수 있다.

물을 정화된 물 및 슬러지로 분리하는 것은 임의의 방식으로 그리고 특정 이용을 위해 밀도가 높아진 슬러지 및/또는 충분히 정화된 물이 되게 하는 임의의 설비를 이용하여 행해질 수 있다. 요구되는 물 정화도의 레벨은 하류 처리를 최소화하는 것이 바람직하든지 아니든지 간에 그리고 물의 의도된 이용에 의해 변할 수 있다. 유사하게는, 요구되는 슬러지의 밀도는 슬러지가 처리될 방법에 의해 변할 수 있다. 분리는 액체로부터 고형물을 분리할 수 있는 임의의 분리기를 사용하여 수행될수 있다. 예를 들면, 분리기는 침강조, 튜브 침하기, 경사진 판 분리기 또는 유사 장치와 같은 임의의 유형의 종래의 중력 분리기 유닛일 수 있다. 예를 들면, 분리기는 필터 또는 스크린일 수 있다. 도5에 도시된 실시예에서, 분리기는 바닥 스크래퍼를 갖는 종래의 튜브 침하기이다. 물 내에 비교적 높은 밀도와 고형물의 침하율로 인해, 매우 높은 과유량율이 이러한 시스템에서 달성될 수 있다. 전형적인 설치를 위해, 튜브 침하기를 사용하는 과유량율의 예측 범위는 약 30 내지 약 200 m/hr의 범위에 있다. 높거나 낮은 비율은 물 특성, 이용되는 밸러스트 재료와 침전제, 및 원하는 방류수 및 슬러지 품질에 따라 달성될 수 있다.

분리기가 종래의 중력 분리 유닛인 경우에, 처리되고 정화된 물은 분리기의 상부로부터 통상 방출된다. 반대로, 슬러지는 분리기의 바닥에 통상 수집되고 처분 또는 재순환을 위해 펌핑된다. 필요하다면, 슬러지는 밸러스트 재료의 제거 없이 처분하기 위해 보내질 수 있다. 또한, 슬러지는 전술된 바와 같이 밸러스트 제거없이 알칼리 시약-혼합 챔버로 다시 재순환하기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 도5에 도시된 실시예에서, 전체 슬러지 체적은 분리기를 통해 보내진다. 분리기는 슬러지를 밸러스트 재료로부터 분리한다. 그 후, 슬러지는 배출될 수 있거나, 처리될 물에 침전제와 함께 부가되도록 다시 재순환될 수 있거나, 또는 이들의 몇몇 조합일 수 있다. 또한, 밸러스트 재료는 세척되거나 세척되지 않고 물에 부가되는 설비로 다시 재순환 될 수 있다.

밸러스트를 슬러지로부터 분리하는 것이 바람직한 실시예에서, 이 분리는 임의의 방식으로 그리고 원하는 정도의 분리를 생성하는 임의의 설비를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들면, 슬러지 입자를 밸러스트 입자로부터 전단하는 것이 가능하다. 그 후, 슬러지 및 밸러스트는 이들 사이의 비중의 차이에 기초하여 중력 분리될 수 있다. 도5에 도시된 실시예에서, 분리 설비는 중력-침하 탱크(320)에 공급하는 높은 전단 펌프(319)을 포함한다. 이러한 탱크는 밸러스트 재료가 높은 비중과 침하율을 갖고 침하되는 것을 허용하기에 충분히 클 수 있지만, 슬러지의 상당한 양이 작은 침하율을 갖고 침하하는 것을 허용하지 않도록 충분히 작을 수 있다. 또한, 하이드로사이클론과 같은 다른 공정과 설비는 이러한 분리 절차를 위해 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 물 처리 방법의 적절한 일 실시예는 도4에 도시된다. 본 발명의 방법의 이 실시예는 처리 슬러리(103)를 형성하도록 알칼리 시약(101) 형태인 침전제를 슬러지(102)와 반응시키는 단계(200)를 포함한다. 또한, 이 방법은 처리된 물 및 부유 고형물[총괄하여 (105)]를 형성하도록 처리 슬러리(103)를 처리될 물(104)과 반응시키는 단계(201)를 포함한다. 또한, 이 방법은 처리된 물 및 부유 고형물(105)를 불용성 입상 재료(106)와 혼합시키는 단계(202)를 포함한다. 이 방법은 처리된 물 및 부유 고형물(105)와 불용성 입상 재료(106)를 불안정화하는 단계(203)를 더 포함한다. 마지막으로, 이 방법은 처리된 물 및 부유 고형물(105)와 불용성 입상 재료(106)를 응결시키는 단계(204)와, 처리된 물 및 부유 고형물(105)과 불용성 입상 재료(106)를 정화된 물(107) 및 슬러지(102)로 분리하는 단계(205)를 포함한다.

선행 단락에 설명되고 도4에서 도시된 본 발명의 방법의 실시예를 수행하기 위한 적절한 장치는 도5에 도시된다. 이 장치는 알칼리 시약 입구(301), 재순환 슬러지 입구(302), 교반기(303) 및 처리 슬러리 출구(304)가 제공되는 알칼리 시약 혼합 챔버(300)를 포함한다. 반응 챔버(305)는 처리 슬러리 출구(304)에 연결되고, 반응 챔버(305)에는 물 입구(306), 교반기(303), 처리된 물 및 부유 고형물 입구(307)가 제공된다. 플래시 혼합 챔버(308)는 처리된 물 및 부유 고형물 입구(307)와 불용성 입상 재료 출구(321)에 연결되며, 플래시 혼합 챔버(308)에는 불용성 입상 재료 입구(309), 응집제 입구(310), 교반기(303), 및 처리된 물, 부유 고형물 및 입상 불용성 재료 출구(311)가 제공된다. 응결 챔버(312)는 처리된 물, 부유 고형물 및 입상 불용성 재료 출구(311)에 연결되며, 응결 챔버(312)에는 교반기(303) 및 응결된 물 출구(313)가 제공된다. 이 장치는 응결된 물 출구(313)에 연결되고 침하 판(317), 정화된 액체 출구(315) 및 슬러지 출구(316)가 제공되는 분리기(314)를 더 포함한다. 슬러지 재순환은 슬러지 출구(316), 재순환 슬러지 출구(302) 및 슬러지 방출부(318)에 연결된다. 슬러지 재순환은 슬러지 및 밸러스트를 분리하기 위한 중력 분리기(320)와 높은 전단 펌프(319)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 슬러지는 침전제를 부가하기 전에 처리될 물과 혼합될 수 있다. 예를 들면, 슬러지는 제1 용기에서 물과 혼합될 수 있으며, 그 후, 제2 용기에서 침전제/슬러지 혼합물과 혼합될 수 있다.

본 발명의 설명된 일정한 실시예, 다양한 대체, 수정 및 개선은 당해 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자들에게 명백할 것이다. 이러한 대체, 변경 및 개선은 본 발명의 범위 내에 있도록 의도된다. 따라서, 전술된 설명은 예로써 있으며, 제한되도록 의도되지 않는다. 본 발명은 단지 이하 청구의 범위 및 그에 대한 동등물에서 한정되는 바와 같이 제한된다.

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28. 부유 고형물 및 오염물을 제거하기 위해 밸러스트식 응결 공정 및 화학 침강 공정으로 물 또는 폐수를 처리하는 방법이며,

    a. 부유 고형물 및 오염물을 갖는 물 또는 폐수를 처리 영역으로 유도하는 단계와,

    b. 불용성 입상 밸러스트 재료와 물 또는 폐수를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와,

    c. 혼합물이 현탁액 내에 불용성 입상 재료를 혼합하여 유지하게 하고, 입상 재료 주위에 부유된 고형물 및 오염물을 응결하고 응집하게 하는 단계와,

    d. 혼합물 및 입상 재료를 침전 탱크로 이송하는 단계와,

    e. 침전 탱크 내에 불용성 입상 재료를 침하시켜 침하된 슬러지를 형성하고, 침하된 슬러지로부터 정화된 유출물을 분리하는 단계와,

    f. 침전 탱크로부터 침하된 슬러지를 이송하고, 슬러지를 입상 재료로부터 분리하는 단계와,

    g. 분리된 입상 재료를 재순환시키고, 분리된 입상 재료를 물 또는 폐수와 혼합하는 단계와,

    h. 입상 재료로부터 분리된 슬러지를 알칼리 시약과 혼합하여 알칼리 처리된 슬러지를 형성하고, 알칼리 처리된 슬러지를 물 또는 폐수와 혼합하는 단계와,

    i. 알칼리 처리된 슬러지가 물 또는 폐수와 혼합되는 결과로서 물 또는 폐수로부터 오염물을 화학적으로 침강시키는 단계와,

    j. 알칼리 처리된 슬러지로 처리된 물 또는 폐수를 처리 영역으로 유도하는 단계를 포함하며,

    k. 부유 고형물 및 오염물이 밸러스트식 응결 및 화학 침강을 통해 물 또는 폐수로부터 제거되는 물 또는 폐수 처리 방법.
29. 제28항에 있어서, 알칼리 처리된 슬러지는 불용성 입상 재료가 물 또는 폐수와 혼합되기 전에 물 또는 폐수와 혼합되는 물 또는 폐수 처리 방법.
30. 제28항에 있어서, 응집제가 입상 재료 및 물 또는 폐수와 혼합되어 혼합물을 형성하는 물 또는 폐수 처리 방법.
31. 제28항에 있어서, 제1 혼합 탱크에서 알칼리 시약을 분리된 슬러지와 혼합하고, 그 후 제2 혼합 탱크에서 알칼리 처리된 슬러지를 물 또는 폐수와 혼합하는 단계를 포함하는 물 또는 폐수 처리 방법.
32. 제28항에 있어서, 물 또는 페수는 산성이고 용해된 금속을 포함하며, 상기 방법은 알칼리 처리된 슬러지를 물 또는 폐수와 혼합하는 결과로서 물 또는 폐수로부터 적어도 일부의 용해된 금속을 침강시키는 단계를 수반하는 물 또는 폐수 처리 방법.
33. 제28항에 있어서, 알칼리 시약은 수산화 칼슘, 수산화 마그네슘, 수산화 나트륨 및 탄산 나트륨의 혼합물, 수산화 칼슘, 수산화 마그네슘, 수산화 나트륨 및 탄산 나트륨으로 구성되는 군으로부터 선택되는 물 또는 폐수 처리 방법.
34. 제28항에 있어서, 불용성 입상 재료는 모래인 물 또는 폐수 처리 방법.
35. 제28항에 있어서, 처리 영역은 제1 혼합 탱크, 제2 혼합 탱크 및 침전 탱크를 포함하는 물 또는 폐수 처리 방법.
36. 제35항에 있어서, 제1 혼합 탱크, 제2 혼합 탱크 및 침전 탱크로부터의 상류부에 있는 혼합 탱크에서 물 또는 폐수를 알칼리 처리 슬러지와 혼합하는 단계를 포함하는 물 또는 폐수 처리 방법.
37. 제36항에 있어서, 분리된 슬러지 및 알칼리 시약이 물 또는 폐수와 혼합되기 전에 슬러지-알칼리 시약 혼합 탱크에서 분리된 슬러지를 알칼리 시약과 혼합하는 단계를 포함하는 물 또는 폐수 처리 방법.
38. 밸러스트식 응결 공정 및 화학 침강 공정 모두를 이용함으로써 물을 연화시키는 방법이며,

    a. 처리될 물을 처리 영역으로 유도하는 단계와,

    b. 불용성 입상 밸러스트 재료를 물과 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와,

    c. 혼합물이 현탁액 내에 불용성 입상 재료를 혼합하여 유지하게 하고, 입상 재료 주위에 부유 고형물 및 오염물을 응결하고 응집하게 하는 단계와,

    d. 입상 재료를 포함한 혼합물을 침전 탱크로 이송하는 단계와,

    e. 침전 탱크 내에 입상 재료를 침하시켜 침하된 슬러지를 형성하고, 침하된 슬러지로부터 정화된 유출물을 분리하는 단계와,

    f. 침전 탱크로부터 침하된 슬러지를 이송하고, 슬러지를 입상 재료로부터 분리하는 단계와,

    g. 분리된 입상 재료를 재순환시키고, 분리된 입상 재료를 물 또는 폐수와 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계와,

    h. 입상 재료로부터 분리된 슬러지를 석회 또는 소다회와 혼합하여 처리된 슬러지 혼합물을 형성하는 단계와,

    i. 칼슘, 마그네슘, 또는 칼슘 및 마그네슘을 포함하는 처리될 물과 처리된 슬러지를 혼합하는 단계와,

    j. 칼슘 또는 마그네슘을 화학적으로 침강시키는 단계로서, 칼슘의 경우에 칼슘은 탄산 칼슘으로 침강되고 마그네슘의 경우에 마그네슘은 수산화 마그네슘으로 침강되는 단계를 포함하며,

    k. 부유 고형물 및 마그네슘 또는 칼슘은 밸러스트식 응결 및 화학 침강을 통해 물로부터 제거되는 물 연화 방법.
39. 제38항에 있어서, 석회 또는 소다회 처리된 슬러지는 물이 처리 영역으로 진입하기 전에 물과 혼합되는 물 연화 방법.
40. 제38항에 있어서, 응집제가 입상 재료 및 물과 혼합되어 혼합물을 형성하는 물 연화 방법.
41. 제38항에 있어서, 제1 혼합 탱크에서 석회 또는 소다회를 분리된 슬러지와 혼합하고, 그 후 제2 혼합 탱크에서 석회 또는 소다회로 처리된 슬러지를 물과 혼합하는 단계를 포함하는 물 연화 방법.
42. 제38항에 있어서, 물은 산성이고 용해된 금속을 포함하며, 상기 방법은 석회 또는 소다회 처리된 슬러지를 물과 혼합하는 결과로서 물로부터 적어도 일부의 용해된 금속을 침강시키는 단계를 수반하는 물 연화 방법.
43. 제38항에 있어서, 석회 또는 소다회 처리된 슬러지는 물이 처리 영역으로 진입하기 전에 물과 혼합되는 물 연화 방법.
44. 제43항에 있어서, 적어도 일부의 칼슘 또는 마그네슘은 물이 처리 영역으로 진입하기 전에 침강되는 물 연화 방법.