KR101931429B1 - 부상식 여재 및 이를 이용한 상향류 여과장치 - Google Patents

Abstract

하수, 폐수 등의 수처리에 사용되는 부상식 여재 및 이를 이용한 상향류식 여과장치가 소개된다. 부상식 여재(20)는 중심의 코어(21)와, 코어(21)의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어(21)의 길이방향을 따라 연장된 복수의 날개(22)를 구비하며, 복수의 날개(22)는 코어(21)를 중심으로 나선형으로 비틀린 구조로 형성된다.

Description

부상식 여재 및 이를 이용한 상향류 여과장치{FLOATING FILTER MEDIA AND UPWARD FLOW FILTRATION APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 하수, 폐수 등의 수처리에 사용되는 부상식 여재 및 이를 이용한 상향류 여과장치에 관한 것이다.

여재를 이용한 오염수의 처리는 여과방향에 따라 크게 상향류식과 하향류식으로 구분될 수 있다. 하향류식은 여과방향이 중력방향과 같다는 잇점이 있지만 포집된 부유물(Suspended Solid: SS)의 배출이 어려워 역세수량이 증가하는 단점이 있다. 상향류식은 여과방향이 중력방향과 반대이며 물보다 밀도가 낮은 부상식 여재가 사용된다.

통상적으로 여과는 체거름작용, 침전작용, 부착작용, 응집작용에 의해 액체나 기체 내에 함유되어 있는 고형물을 제거하는 것이나, 주요 제거 메커니즘은 체거름 작용이다. 체거름에 의한 고형물 제거효율은 여재에 의해 성형되는 공극의 크기에 의해 좌우된다. 공극의 크기는 여재의 크기, 형태, 내부구조에 따라 달라지는데, 일반적으로 여재의 크기가 증가하면 공극의 크기도 증가하게 되어 상대적으로 큰 입자만 제거되며, 여재의 크기가 작아지면 공극의 크기도 작아지게 되고 작은 입자의 고형물도 제거된다.

도 1를 참조하여 구형 여재 경우의 공극 크기에 관해 살펴본다. 도 1에서 직관적으로 알 수 있듯이, 구형 여재는 반지름(r)이 증가함에 따라 형성된 공극의 직경의 크기도 증가한다. 여재가 완벽한 구형이고 균등계수가 1이라면, 공극의 크기는 0.15×2×r(r은 여재의 반지름)로 계산될 수 있다.

여재의 크기가 증가하면 공극의 크기가 증가하게 되어 여재층 깊은 곳까지 고형물이 이동할 수 있어 심층여과가 가능해지며 여과지속시간은 증가하게 된다. 그러나 공극이 커지면 작은 고형물은 제거되지 않으며 여과효율이 저하된다. 여과효율의 향상을 위해 작은 여재를 사용할 경우, 공극이 고형물에 의해 쉽게 폐색되어, 여과지(filter bed)의 표면에서만 여과가 이루어지고 수두손실(head loss)이 급격히 증가하며 여과지속시간이 단축되는 문제가 발생한다.

위와 같은 문제를 해결하기 위한 방안 중 하나가 크기와 비중이 다른 여재를 순차 배열한 다층여과이다.

다층여과는 크기와 비중이 다른 여재를 사용하는데 고형물 농도가 높은 유입부에는 공극이 큰 조대여재를 사용하고 유출부에는 공극이 작은 여재를 사용하여 심층여과를 유도하여 여과지속시간을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 우수한 처리수질을 확보할 수 있는 장점이 있다. 그러나 여재의 크기를 다르게 할 경우 역세시 여재가 팽창 후 원위치로 돌아갈 때 여재의 특성에 따라 침전속도에 차이가 발생하여 여재의 위치가 바뀔 수 있는데, 이를 방지하기 위해서는 비중의 선택이 중요하다.

예를 들어 침지식 여재를 사용하는 하향류 여과에서 여재의 크기 및 비중을 잘 못 선정할 경우, 상부에는 작은 여재가 하부에는 큰 여재가 위치하게 되어 다층여재의 장점을 상실하게 된다. 부상식 여재를 사용하는 상향류 여과의 경우에도 역세 후 작은 여재가 하부에 위치하고 큰 여재가 상부에 위치하여, 최적 여재 배치와 반대로 되어 여과지속시간도 짧아지고 처리수질도 좋지 않은 최악의 상황이 발생하게 된다. 이와 같은 문제의 방지를 위해서는 여재들의 비중과 크기를 적절히 선정할 필요가 있다.

구형 입자가 층류 조건의 물속에서 침전할 때 중력과 마찰저항력이 작용하게 되는데 입자의 침전속도는 중력과 마찰저항력이 같아지는 시점에 결정된다. 이를 식으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.

수학식 1에서 알 수 있듯이 입자의 침전속도는 입자의 밀도 및 비중에 비례하고 직경의 제곱에 비례하게 된다. 이 식은 비중이 1보다 작은 부상식 여재의 부상속도를 구하는데도 사용이 가능하다. 부상식 구형 여재의 경우 여재의 직경이 증가할수록 부상속도가 증가하게 된다. 이를 이용하여 역전을 방지할 수 있는 여재의 크기 및 비중을 선정할 수 있는데, 예를 들어 비중(ρp) 0.1, 직경(dp) 3mm인 제1 여재와 2층 여과를 구성할 때 역전이 되지 않는 제2 여재의 크기 및 비중을 구하면 표 1과 같다.

직경(mm)	4	5	6
비중(Sgs)	0.46	0.68	0.78

표 1에서 알 수 있듯이 상부의 제1 여재 하부에 제1 여재보다 큰 여재를 사용하는 경우 하부의 제2 여재의 비중이 제1 여재보다 높아야 여재들 간의 역전이 방지될 수 있다. 그러나 하부 여재의 비중이 커지게 되면 역세시 여재가 하방향의 역세수와 함께 이동하여 유실이 발생할 수 있다. 부유물 농도 조건이 다양한 오염수의 처리를 위해 다층여과지를 설계하는 경우 여재의 선택에 어려움이 직면할 수 있다.

위와 같은 문제의 해결을 위한 방안으로는 비중은 같지만 공극 크기가 다른 여재를 이용하여 다층여과지를 구성하는 것이다. 구형 여재를 사용하는 경우, 하부에 공극의 크기가 큰 여재(큰 직경)를 위치시키고 상부에는 공극이 작은 여재(작은 직경)를 위치시켜 상향류식 여과지를 구성할 수 있다. 그러나 이상적인 완전한 구형 여재를 얻기도 어려울 뿐만 아니라, 이렇게 완전한 구형 여재를 사용하여도 이론적으로 확보할 수 있는 최대 공극률은 약 48%이라는 한계가 있다.

한국특허 제0507718호는 밀도 0.1~0.4g/㎤이고 크기 4~10mm인 요철형 여재를 하부에 위치시키며, 밀도 0.03~0.1g/㎤이고 크기 4~10mm인 구형 여재를 상부에 위치시킨 2층 여과지가 소개되어 있다. 이 특허에서 요철형 여재는 판재를 펀칭함에 의해 제조되는데, 도 2에서 보듯이, 여재들이 서로 겹치는 현상이 나타나 공극율을 감소되는 단점이 있다.

이상 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 설명된 사항들이 반드시 이 기술분야에서 이미 공공연히 알려져 있다거나 일반적인 지식에 해당한다고 인정하는 것으로 받아들여져서는 안될 것이다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로 공극률이 높고 배열을 최적화 할 수 있는 부상식 여재 및 이러한 부상식 여재를 이용한 상향류 여과장치를 제공하고자 한다.

도 3에는 본 발명에서 십자형이라고 지칭하는 여재의 예가 도시되어 있다. 도 3에서 보듯이 십자형 여재(10)는 일정길이를 갖는 중심의 코어(11)와, 코어(11)의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어(11)의 길이방향을 따라 연장된 4개의 날개(12)를 구비한다.

도 4는 십자형 여재와 구형 여재 간의 공극 크기와 비표면적을 직관적으로 비교하기 위한 도면이다. 도 4에서 보듯이 십자형 여재는 동일 크기(d)의 구형 여재보다 더 많은 공극과 비표면적을 확보할 수 있다.

도 5와 도 6은 각각 도 4에 이상적으로 도시된 여재의 단면 형상을 기초로 하여 산출된 여재 크기에 따른 공극율과 비표면적을 비교하여 나타내 그래프이다. 이들 그래프에서 보듯이 동일 크기의 여재를 기준으로 십자형 여재가 구형 여재보다 더 많은 공극율과 비표면적을 갖는다.

더 높은 비표면적을 확보할 수 있을 경우 여과와 생물학적 처리를 동시에 수행하는 생물(막)여과에서는 여재에 부착된 미생물의 양을 증가시킬 수 있다. 단위 부피당 확보할 수 있는 미생물의 양이 증가함에 따라 단위 부피당 처리 가능한 오폐수의 양이 증가하며 더 짧은 체류시간으로 더 많은 유량을 처리할 수 있어, 콤팩트한 공정구성이 가능하여 초기 투자비를 절감할 수 있다.

공극율의 향상은 여과층 깊숙이까지 여과에 관여할 수 있게 하는 심층여과나 역세주기의 연장 등을 가능하게 한다.

위와 같은 십자형 여재는 그 잇점에도 불구하고 한국특허 제0507718호의 요철형 여재에서와 같이 여재간 겹침현상이 문제될 수 있다. 십자형 여재의 날개 길이가 증가할수록 겹침현상이 증가하는 경향이 나타난다.

그러나 십자형 여재는 한국특허 제0507718호에서와 같이 고농도의 부유물을 갖는 오염수의 고속여과에는 적용 가능할 수 있겠으나, 생물여과나 기타 정밀한 여과가 필요한 공정에는 적합하지 않다고 여겨진다. 또한 역세를 거치는 과정에 십자형 여재는 여재들 간의 간극 편차(겹침의 차이)가 불규칙하게 발생하여, 역세 주기나 유출수 중의 부유물 농도에 변동이 발생하여 공정 운영상에 어려움이 발생할 수 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 부상식 여재는 일정길이를 갖는 중심의 코어, 및 코어의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어의 길이방향을 따라 연장된 복수의 날개를 구비하며, 특히 복수의 날개는 코어를 중심으로 나선형으로 비틀린 구조로 형성된다.

실시예에 따르면 상기 부상식 여재는, 날개의 비틀림 구조에 의해 여재 간의 겹침현상을 충분히 억제함과 아울러 날개에 적정한 강도를 부여하고 여과효율의 제고에 적합한 여재들 간의 간극 구조 혹은 유로 구조를 얻기 위해서는, 4개의 날개를 구비하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

실시예에 따르면 상기 부상식 여재의 날개들은 길이는 1.0~5.0mm이고 두께는 0.5~5mm일 수 있다. 날개들의 비틀림 각도는 2~45°일 수 있다. 2°정도의 비틀림 각도에서도 비틀림 여재들 간의 겹침의 해소가 가능하며, 2°미만의 비틀림 각도에서는 겹침 문제와 단순한 유로 형상으로 인해 부유물 제거 효과가 감소하며 여과 지속시간의 안정성도 떨어진다.

본 발명에 따른 상향류 여과장치는 상기 비틈형 부상식 여재가 충진된 여과층을 포함한다.

본 발명에 따른 상향류 여과장치는 상기 비틈형 부상식 여재가 충진된 2개 이상의 여과층을 포함할 수 있으며, 이들 여과층 중 적어도 서로 접하는 2개의 여과층에 각각 충진된 부상여재들은 비중, 여재의 크기, 날개의 길이, 두께, 비틀림 각도 중 적어도 어느 하나가 상이할 수 있다. 특히 날개의 길이, 두께, 비틀림 각도 중 어느 하나 이상에 대한 조절을 통해 다양한 수처리 조건에 부합하는 여재를 제공할 수 있다.

본 문서에 기재된 단어나 구성을 이해할 때 여재층의 특징이 고려될 필요가 있다. 본 발명의 여재층은 다수의 여재가 충진된 것이기에, 어느 여재층이 완전히 동일한 여재로 구성된다거나 혹은 동일한 비중이나 동일한 크기를 가진다거나 몇 % 이상은 동일해야 한다거나 하는 등의 방식으로 정의되기 어렵다. 이러한 전제에서 위에서 언급된 비중이 동등하다는 것은 2개의 여과층을 각각 구성하는 제1 여재와 제2 여재가 제조상의 편차를 넘는 의미 있는 정도의 의도적인 설계가 반영된 것이 아니라는 정도로 이해될 필요가 있다.

본 발명에 따르면 상향류 여과장치는 생물(막)여과를 위한 것일 수 있다. 다만 그 용도는 이에 한정되지 않으며, 장치의 구체적인 구성은 용도에 맞게 통상적인 공지기술을 이용하여 설계될 수 있다.
실시예에 의하면, 상향류 여과장치는 제1 비틈형 부상식 여재가 충진된 하부 여과층; 및 하부 여과층에 접하여 상부에 마련되며, 제2 비틈형 부상식 여재가 충진된 상부 여과층;을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 비틈형 부상식 여재는 중심의 코어; 및 코어의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어의 길이방향을 따라 연장된 4개의 날개;를 포함하며, 정육면체 또는 높이가 수평 단면의 크기보다 큰 직육면체의 외형을 가지며, 십자형의 수평 단면을 가질 수 있다. 날개는 코어를 중심으로 나선형으로 비틀린 구조로 형성되며, 제1 및 제2 비틈형 부상식 여재는 폴리프로필렌 수지로 제조되며, 발포되어 밀도가 0.040~0.085g/㎤이며, 크기는 2~10mm이며, 강도 향상을 위해 첨가된 탄소나노튜브를 함유할 수 있다. 날개는 길이가 1.0~5.0mm이고 비틀림 각도는 2.0~45°이며 두께는 0.5~5.0mm이고 서로 인접하는 날개 간의 최근접 거리와 동등하거나 그보다 큰 두께로 형성될 수 있다. 제1 비틈형 부상식 여재와 제2 비틈형 부상식 여재는 서로 비중, 여재의 크기, 날개의 길이, 날개의 두께 및 날개의 비틀림 각도 중 적어도 어느 하나가 상이하게 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 비틈형(twisted) 부상식 여재는 그 형상 자체로서의 특징에 기인함은 물론 날개의 두께와 날개들 사이의 간격이 잘 조정되는 경우 앞서 언급된 여재간 겹침으로 인한 공극률의 손실 문제가 발생하지 않는다.

본 발명에 따른 비틈형 부상식 여재는 동일한 크기의 구형 여재에 비해 공극률이 1.1~1.7배까지 상승된다. 단순한 십자형 여재에서 발생하는 여재 겹침 현상을 날개를 비틀어서 방지함으로써 여재 겹침에 따른 공극 손실율을 최대 40%에서 16%까지 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 비틈형 부상식 여재는 여재 간 겹침 현상이 적어 역세를 거치는 과정에 여재들 간의 간극 편차가 발생하는 문제가 없으며, 그 결과 신뢰성 있고 안정적인 여과공정의 운영이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 비틈형 부상식 여재는 비틀린 날개 사이의 공간이 복잡한 유로를 형성하여 고형물의 제거 효율이 우수하다.

본 발명에 의하면 동일한 크기의 여재를 사용하면서, 날개의 길이를 조절하여 공극률 및 공극의 크기를 조절한 후 하부에는 공극이 크고 공극률이 높은 여재를 위치시키고 상부에는 공극이 작은 여재를 위치시켜 여과장치를 구성할 수 있다. 본 발명에 의하면 동일한 비중의 여재를 사용하여도 여재의 역전현상이 발생하지 않으며 여과지속시간 및 고형물 제거효율의 증대가 가능하다.

본 발명에 의하면 크기 및/또는 비중이 동일하면서도 공극의 크기나 공극률은 다른 여재를 설계하여 심층여과 및 다층여과의 구현이 가능하며, 여재의 역전현상은 발생하지 않아 장기간 운전에도 신뢰성과 안정성을 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 여과의 목적에 따라 여재의 크기, 날개의 길이나 두께를 조절하여 공극의 크기, 공극률, 비표면적 등을 조절하여 여과지의 적정한 위치에 위치시킴으로써 여재 지속시간 및 고형물 제거효율을 극대화하여 역세수의 발생량을 줄일 수 있다.

종래의 경우 심층여과를 위해 하부 여과층에는 비중이 크고 직경이 큰 여재를 배치하고 상부 여과층에는 비중이 작고 직경이 작은 여재를 배치하였다. 상하부 여재층의 여재 비중을 서로 달리하는 것은 역세 중 하부 여재의 유출이 문제되어 여재 선택의 자유도가 저하되며, 상부 여재에 대한 하부 여재의 비중 조절을 위해 하부 여재 별도 성분을 추가해야 하는 경우 비용 증가는 물론 여과공정의 조건에 따라서는 여과 효율의 저하가 문제될 수 있다. 그러나 본 발명에 의하면 비중은 물론 크기까지도 동등하게 유지하면서도 공극 구조를 달리할 수 있어 여재의 설계 및 선택에 자유도가 높고, 오염수나 여과공정의 특징에 따라 세밀하게 여재 및 배치를 설계할 수 있다.

또한 여재 역전을 방지하기 위하여 과도하게 높은 비중의 여재를 사용할 필요가 없어 여재 재료비가 절감되어 생산비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 적정한 부상속도가 확보되어 역세시 여재의 유실을 최소화 할 수 있어 유지관리비의 절감도 가능하다.

도 1은 구형 여재의 공극 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래 요철형 부상 여재의 겹침 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 십자형 여재를 보인 도면이다.
도 4는 십자형 여재와 구형 여재 간의 공극 크기 및 비표면적 비교를 위한 도면이다.
도 5는 구형 여재와 십자형 여재의 크기에 따른 공극률을 개략적으로 비교해 보인 그래프이다.
도 6은 구형여재와 십자형 여재의 크기에 따른 비표면적을 개략적으로 비교해 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 비틈 십자형 여재를 보인 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비틈 십자형 여재들을 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 비틈 십자형 여재의 비틈각도와 공극률 간의 관계를 개략적으로 보인 그래프이다.
도 10은 본 발명이 실시예에 따른 여과장치들의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 비틈 십자형 여재를 이용한 현장 테스트 장치의 사진이다.
도 12는 부상식 여재의 종류에 따른 고형물 제거효율을 보인 그래프이다.
도 13은 부상식 여재의 종류에 따른 수두손실 증가율을 보인 그래프이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시되며, 도면들은 본 발명의 특징에 대한 명확한 이해와 설명을 위해 과장되게 그리고 개략적으로 도시될 수 있다.

부상식 여재

도 3 및 도 7을 참조하여 실시예에 따른 부상식 여재에 대하여 살펴본다.

도 3을 참조하면, 십자형 여재(10)의 크기(d)는 수평 방향 단면에서 최대 크기가 되며, 높이(h)는 여재의 수직방향의 최대 길이이며, 날개(12)의 길이(ℓ)는 방사방향 돌출 높이다. 코어(12)의 크기는 날개(12)가 지지 가능한 범위에서 적정하게 설계될 수 있다.

위와 같은 치수 규격은 실시예에 따른 비틈형 부상식 여재에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 7에는 실시예에 따른 비틈 십자형 여재(20)가 도시되어 있다. 도 7에서 보듯이, 비틈 십자형 여재(20)는 중심의 코어(21)와 코어(21) 둘레에 배열된 4개의 날개(22)를 구비하며, 4개의 날개(22)는 코어(21)를 중심으로 나선형으로 비틀린(twisted) 구조로 형성된다. 여재(20)의 외형은 정육면체 혹은 높이(h)가 수평 단면의 크기(d)보다 큰 직육면체 형태일 수 있다.

도 7에 도시된 것과 같은 비틈 십자형 여재(20)는 구조면에서 도 3에 도시된 십자형 여재(10)의 상부와 하부를 서로 다른 방향으로 회전시켜 날개(22)를 비틀어 놓은 것 같은 형태가 된다. 이렇게 비틀어진 날개(22)에 의해 여재들(20) 간의 겹침현상이 방지되며 비틈각도(α)에 따라 여재 간의 공극 구조나 크기 등이 달라지므로 이를 이용하여 오염수의 조건에 따라 다양한 여과층을 구성할 수 있다.

실시예에 따른 비틈형 부상식 여재의 형상은 반드시 도 7에 도시된 것과 같은 형상 특징으로 한정되지는 않는다. 여재는 도 3의 여재(10)와 같이 상부와 하부를 서로 다른 방향으로 비틀어진 구조가 아닌, 상부와 하부가 동일한 방향으로 비틀어진 것일 수 있다. 현재로서는 후자의 경우가 보다 양산에 편리하다.

도 8에는 다른 실시예에 따른 비틈형 부상식 여재가 도시되어 있다. 도 8의 (a)에 도시된 여재(30)보다 (b)에 도시된 여재(40)의 비틀림 각도가 더 크다. 이들 도면으로부터 날개의 비틀림 각도에 따라 여재들 간의 공극 구조나 크기 등이 다양할 수 있음을 직감할 수 있을 것이다.

변형예로서 비틈형 부상식 여재는 구형이나 각형의 여재에 홈을 형성해서 비틀린 날개를 갖는 형태로 만들어진 것일 수 있다.

도 9에는 날개의 비틈각도(α)와 여재 크기에 따른 공극 손실율의 변화가 나타나 있다. 도 9에서 보듯이, 비틈 정도가 증가할수록 겹침현상이 감소하여 공극손실율이 감소한다.

이론적으로는 여재(20)의 상하 양단이 서로 반대방향으로 45°이상 비틀어진 경우 겹침 현상은 거의 사라진다. 비틈각도(α)가 증가함에 따라 날개와 날개 사이의 간격이 감소하게 되는데, 날개 두께(t)가 날개 간 간격(w)과 동등하거나 그 이상일 때 여재들(20) 간의 겹침현상은 나타나지 않는다.

여재(20)의 비틈각도(α)는 날개의 길이(ℓ) 및 두께(t)에 따라 달라지는데 날개가 길고 얇을수록 더 많은 비틈각도가 필요하다. 이러한 특징을 활용하여 비중뿐만 아니라 다양한 공극의 크기, 공극률, 비표면적을 가지는 여재를 제조 및 조합을 통하여 다양한 여과 및 생물여과공정에 적용할 수 있다.

실시예에 따르면 부상식 여재(20)의 부상식 여재(20)의 크기(d)는 2~10mm, 날개 길이(ℓ)는 1.0~5.0mm이고 두께(t)는 0.5~5.0mm일 수 있다. 날개 길이(ℓ)가 긴 것에 비해 두께(t)가 얇게 되면, 여과 중 수압과 부력에 의한 여재들의 압밀로 인해 여재들(20) 형상이 변경되고 공극 구조가 의도했던 바와 달리 변경될 수 있다. 여재(20)의 날개 길이(ℓ)와 두께(t)는 위 범위 내에서 여과 조건과 공정에 따라 최적화 설계될 필요가 있다.

부상식 여재(20)의 밀도는 0.040~0.085g/㎤일 수 있다.

부상식 여재의 제조

비틈형 부상식 여재는 한국특허 제0507718호에서와 같이 폴리머 판재의 펀칭에 의해 제조될 수 없거나 적어도 어렵다. 비틈형 부상식 여재는 폴리올레핀계 수지의 발포를 통해 제조될 수 있다. 폴리프로필렌 수지(이하 'PP')가 선호된다.

실시예에 의하면 비틈형 부상식 여재는 EPP 제조공정에 의해 제조될 수 있다. EPP 제조공정은 기재되는 PP 수지를 이용하여 미니 펠릿을 만들어 이를 발포시킨 다음, 탈수, 건조시키는 과정으로 이루어진다. 미니 펠릿은 PP수지를 첨가제와 함께 압출기에 투입하여 길게 뽑아내면서 일정 길이로 절단하는 방식으로 제조된다.

실시예에 따른 비틈형 부상식 여재는 미니 펠릿을 제조하기 위한 압출 노즐에 날개의 형성을 위한 구조를 마련해 두고 PP 수지를 뽑아 내면서 PP 수지에 비틀림을 부여하는 방식으로 제조될 수 있다.

압출기 내에서 PP 수지는 용융되면서 으깨어지는데 이 과정에 여재에 특성 부여를 위한 성분이 배합될 수 있다. 여재 혹은 날개의 강도 향상을 위해 탄소나노튜브가 첨가될 수 있으며, 정전기를 방지하여 이송이나 다루기 편리하도록 제올라이트가 첨가될 수 있다.

상향류 여과장치

실시예에 따른 상향류 여과장치는 여과조 내에 상술된 바와 같은 비틈형 부상식 여재가 충진된 여과층을 포함한다. 이 여과층은 2개층 이상일 수 있으며, 이들 여과층 중 적어도 서로 접하는 여과층들에 각각 충진된 부상여재들은 서로 비중은 동등하고, 여재의 크기, 날개의 길이, 두께, 비틀림 각도 중 적어도 어느 하나가 상이할 수 있다.

도 10에는 실시예에 따른 몇 가지의 여과장치가 예시되어 있다. 도 10을 참조하면, 실시예에 따른 여과장치는 (a)단일 규격의 비틈형 부상식 여재가 충진된 단일 단일 여재층(당연하게도 부상식 여재에 규격이 제조과정의 공차 정도로 차이가 있거나 혹은 다른 여재가 부분적으로 포함될 수 있을 것이다)을 가질 수 있으며, (b)상부는 공극이 작고 하부는 공극이 큰 복합여재층을 가질 수 있으며, (c)복합여재층의 높이가 서로 다를 수 있으며, (d)복합여재층이 3개 층으로 구성될 수 있으며, (d)복합여재층 경계에 공기가 주입되는 생물여과에 사용될 수도 있다.

상하부 여재층 간의 공극 크기나 구조를 조절하는 것은 앞서 살펴본 바와 같이 여재의 크기, 날개의 비틈각도, 길이나 두께 등을 달리 설계함에 의해 가능하다.

이하에서는 도 11에 도시된 현장 테스트 장치를 이용하여 다양한 부상식 여재에 대한 여과효율을 비교한 결과를 살펴본다. 도 12 및 도 13는 실험 결과의 일부가 요약된 여재들의 효율 비교 그래프이다.

실험은 실시예에 따른 비틈 십자형 여재, 단순 십자형 여재, 구형 여재를 여과장치의 여과조(50)에 충진하고 각각 하수처리장으로 유입되는 오폐수에 대한 1차 처리효율을 다양한 조건에서 실험하는 방식으로 진행되었다. 여재층 깊이는 2m, 여과 선속도는 20m/hr로 진행되었다. 전체 여과조(50)의 높이는 4~6m이며 직경은 30cm였다.

여재층들은 비틈 십자형 여재 2m, 서로 다른 규격의 비틈 십자형의 혼합여재 2m(공극률 높은 하부 여재층 1m + 공극률 낮은 상부 여재층 1m로 구성), 구형 여재 2m, 단순 십자형 여재 2m로 구성되었다. 여재들의 규격은, 예로서, 비틈 십자형 여재는 여재 크기 6mm, 날개 길이 2.5mm, 날개 두께는 1.0mm, 밀도는 0.12g/㎤, 복합여재는 하부 여재층의 경우 여재 크기 6mm, 날개 길이 2.5mm, 날개 두께는 1.0mm, 밀도 0.12g/㎤이고, 상부 여재층의 경우 여재 크기 5.0mm, 날개 길이 1.5 mm, 날개 두께는 2.0mm, 밀도는 0.1g/㎤이었다. 구형 여재는 직경 4~5mm, 밀도는 0.06g/㎤이었다. 단순 십자형 여재는 여재 크기 6.0 mm, 날개 길이 2.5mm, 날개 두께1.0 mm, 밀도는 0.12g/㎤이었다.

도 12 및 도 13는 여재들 간의 성능 차이가 요약된 그래프이다.

도 12를 참조하면, 비틈 십자형 여재, 혼합여재(비틈 십자형), 단순 십자형 여재의 고형물 제거효율은 구형 여재보다는 우수한 것으로 나타났다. 단순 십자형 여재에 비해 비틈 십자형 여재의 공극 크기나 공극률은 다소 작을 수 있음에도 불구하고, 운영시간에 따른 고형물 제거효율의 차이는 크게 유의미하게 나타나지는 않았다.

도 13을 참조하면, 고형물 부하량의 증가에 따른 손실수두증가율은 (d)로 표시된 비틈 십자형의 혼합여재가 큰 변동없이 일정한 것으로 나타났다. 따라서 비틈 십자형 혼합여재의 경우 부유물 부하 변동이 다소간 존재하는 수처리 조건에서도 우수한 성능발휘할 수 있음을 알 수 있다. (b)로 표시된 단순 십자형 여재보다 (c)로 표시된 비틈 십자형 여재가 낮게 나타났다.

실시예에 따르면 여과지속시간은 비틈형 십자여재가 구형 및 단순 십자형보다 길어지고, 단순 십자형의 경우 구형여재에 비해 공극률이 높아 고형물 억류능이 증가하여 수두손실이 구형보다는 작게 나타났으나 겹침현상에 따른 공극의 손실로 인하여 비틈형 십자여재보다 수두손실이 크게 나타났다.

비틈형 십자여재를 혼합한 경우가 수두손실이 가장 작고 그에 따라 여과지속시간도 가장 긴 것으로 나타났다. 하부에 직경과 공극이 높은 비틈 십자형 여재를 위치시키고 상부에 공극이 작은 여재를 위치시킨 2층여재 구조가 가장 적합한 것으로 나타났다. 본 발명에 따른 다양한 공극률 및 크기를 가지는 비틈형 십자여재를 이용할 경우 최적의 여재배치가 가능한 것으로 나타났다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 십자형 여재 20: 비틈 십자형 여재
11,21: 코어 12,22: 날개

Claims (7)

1. 부유물의 여과 및 생물학적 처리가 함께 이루어지는 상향류 여과장치에 사용되는 부상식 여재로서,
   중심의 코어; 및
   코어의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어의 길이방향을 따라 연장된 4개의 날개;를 포함하며, 정육면체 또는 높이가 수평 단면의 크기보다 큰 직육면체의 외형과 십자형의 수평 단면을 가지며,
   폴리프로필렌 수지로 제조되며, 발포되어 밀도가 0.040~0.085g/㎤이며, 크기는 2~10mm이며, 강도의 향상을 위해 첨가된 탄소나노튜브를 함유하고,
   날개는,
   코어를 중심으로 나선형으로 비틀린 구조로 형성되고,
   길이가 1.0~5.0mm이고 비틀림 각도는 2.0~45°이며 두께는 0.5~5.0mm이고,
   서로 인접하는 날개 간의 최근접 거리와 동등하거나 그보다 큰 두께로 형성된 부상식 여재.
2. 부유물의 여과 및 생물학적 처리가 함께 이루어지는 상향류 여과장치로서,
   제1 비틈형 부상식 여재가 충진된 하부 여과층; 및
   하부 여과층에 접하여 상부에 마련되며, 제2 비틈형 부상식 여재가 충진된 상부 여과층;을 포함하며,
   제1 및 제2 비틈형 부상식 여재는 중심의 코어; 및 코어의 둘레에 서로 이격 배열되며 각각 코어의 길이방향을 따라 연장된 4개의 날개;를 포함하며, 정육면체 또는 높이가 수평 단면의 크기보다 큰 직육면체의 외형과 십자형의 수평 단면을 가지며,
   날개는 코어를 중심으로 나선형으로 비틀린 구조로 형성되고,
   제1 및 제2 비틈형 부상식 여재는 폴리프로필렌 수지로 제조되며, 발포되어 밀도가 0.040~0.085g/㎤이며, 크기는 2~10mm이며, 강도 향상을 위해 첨가된 탄소나노튜브를 함유하고,
   날개는 길이가 1.0~5.0mm이고 비틀림 각도는 2.0~45°이며 두께는 0.5~5.0mm이고 서로 인접하는 날개 간의 최근접 거리와 동등하거나 그보다 큰 두께로 형성되며,
   제1 비틈형 부상식 여재와 제2 비틈형 부상식 여재는 서로 비중, 여재의 크기, 날개의 길이, 날개의 두께 및 날개의 비틀림 각도 중 적어도 어느 하나가 상이하게 구성된 것을 특징으로 하는 상향류 여과장치.
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