KR20100083524A - 장방향 생물반응조에서의 교반기 구성방법 및 1대의 수직형교반기가 구성되는 생물반응조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수도에서 운용되어지는 장방향 형태의 토목 구조물로 이루어진 생물반응조에 1대의 수직형 교반기로 미생물 활성화에 필요한 유체 유동력(Single Flow : 조내에서 1개의 흐름으로 전체 유동이 이루어지는 흐름)을 형성할 수 있는 구조 및 교반 방법을 규정하는 것이 그 목적이다.

수직형 교반기는 도 1에 제시한 ⑴ 구동부 - 모타, 감속기, ⑵ 베이스 하우징, ⑶ 임펠러 축, ⑷ 교반익 (허브와 블레이드, 블레이드 개수 3개 혹은 4개) 으로 구성되며, 상기한 구성으로 최소의 수량 및 소요 동력으로 장방향 형태의 토목 구조물로 이루어진 생물반응조에서 Dead Zone(사류 지역 : 유동이 발생하지 않는 장소)의 방지 및 원활한 수류 순환에 의한 양호한 미생물 활성화 형성을 위해서 도 2와 같은 Single Flow 흐름이 발생할 수 있도록 장방향 형태 생물반응조의 크기와 교반익의 형태, 교반익의 갯수, 교반익의 크기, 교반익의 설치 위치, 적용 회전수 등을 선정하여 장방향 형태의 토목 구조물 생물반응조에 1대의 수직형 교반기를 적용 할 수 있는 구조 및 교반 방법을 제공하기 위한 것이다.

수직형 교반기, 장방향, 생물반응조, 교반방법

Description

장방향 생물반응조에서의 교반기 구성방법 및 1대의 수직형 교반기가 구성되는 생물반응조{bioreactor of agitator construct methodand one agitator with bioreactor}

본 발명의 목적은 장방향 형태 구조(가로:세로=최대1~4:1)의 생물반응조 내에 1대의 수직형 교반기를 설치하여 미생물 활성화에 필요한 원활한 Single flow 유동을 발생시켜 미생물 활성화 효율을 향상시키는 교반기 구성방법 및 구조에 관한 것으로서, 적용하는 교반기의 절대 수량을 감소시켜 시설비 및 유지관리비 등 제반 비용을 크게 절감하고자 하는 것이다.

종래의 하수처리장 장방향(직육면체) 구조의 생물반응조는 장방향을 정방향 구획에 1대를 설치한다는 개념으로 다음과 같이 설계 및 적용되었다. 첫째, 장방향 조에 적용된 수직형 Turbine(터빈 : 회전식 임펠러의 대표적 명칭 또는 총칭, 도4 참조)으로 1개의 조에 여러개의 교반기를 설치하여 운용되어지는 것으로 동력전달효율이 떨어져 동력이 상승되고, 유지관리 비용이 많이 소요되는 문제점이 발생한 다.

둘째, 장방향 조에 적용된 수중횡형교반기 구조이다(도5 참조). 이는 1개의 조에 여러대의 수중교반기를 설치하여 운용되어지는 것으로 수류의 흐름이 한방향으로 방향성을 가지므로 침전물이 구석에 정체되어 Bulking 현상이 발생 할 수 있다. 또한 동력당 교반능력이 떨어지고 설치 수량이 많으며 유지관리 비용이 많이 소모된다.

셋째, 장방향 조에 적용된 수중에어레이터 교반기이다.(도6 참조) 이는 1개의 조에 설치하여 운용되어지는 것으로 폭기와 소음이 없다. 그러나 누수에 의한 고장과 외부물에 의한 구동부 고장이 잦아 유지관리비용이 많이 소요되는 문제점이 발생한다.

이에 본 발명은 하수공정상의 생물반응조 중에서 장방향 형태의 토목 구조 생물반응조에 여러대의 교반기를 설치하지 않고 1대의 교반기를 설치하여 수량을 감소하고, 원활한 유동과 동력 절감으로 토목의 조건(유입 및 유출부 포함)에 따라 교반 조건을 점감식으로 줄이며 적정한 임펠러의 형태(3~4 blade), 설치 높이, 직경, 회전수 등을 선정하는 것이다.

생물반응조의 장방향 규모 즉, 가로세로의 비율(가로:세로=1~4:1)에 따라서 적합한 하나의 수직형 교반기를 구성할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 양호한 미생물 활성화와 구석진 부분에 Dead Zone(사류 지역)을 없애기 위해선 임펠러의 적합한 선택 및 구성이 필수적으로 필요하다. 즉, 적은 동력으로 원활한 유동을 형성하기 위해서는 임펠러의 크기가 정해져야 하고, 임펠러의 크기에 따른 임펠러 회전속도를 적용하여 유체에 주는 유동력이 부족하지 않도록 하여 고른 흐름이 발생토록 한다. 즉, 수직형 교반기 1대의 구성으로도 생물반응조 전체에 고른 순환을 유지시켜 조의 모서리 부분에 침전이 발생하지 않게 하고 미생물 활성화에 도움을 줄 수 있도록 내부 유체와의 접촉기회를 늘리기 위한 방법을 제공하고자 하였다.

장방향 형태의 생물반응조를 운영함에 있어, 2대 이상의 수직형 교반기를 적용하던 종래의 기술보다, 1대의 수직형 교반기로 적용이 가능케 함으로서, 건설비 및 유지 관리비의 감소로 기존 사용되고 있는 생물반응조에 비해 전반적으로 50~70% 정도의 비용을 절감 할 수 있는 등 그 경제적 효과가 큰 발명이다.

본 발명의 주된 목적은 수직형 교반기 1대로 장방향 형태의 토목 구조물 생물반응조의 유체 순환율을 원활하게 하여 미생물 활성화를 양호하게 이루어지게 하 며, 효율을 증가시키도록 하기 위해 생물반응조의 토목 설계 조건에 맞추어서 교반익의 형태와 직경, 교반익 설치 위치 및 적정회전수를 선정하여 1대의 수직형 교반기로 생물반응조의 원할한 유체흐름을 제공하는 데 있다. 이에 대해 본 발명을 뒷받침할 수 있는 Criteria(설계 기준)를 구성하기 위해 교반기의 Scale-up(상사) 방법을 적용하였고, 이에 대한 Pilot Scale(모델 크기) 실험을 시행하였고 Full Scale(실물 크기)에서의 교반을 예측하는 것을 특징으로 한다.

중요한 실험 절차는 다음과 같이 실시하였다.

또한, 실험에 적용한 Scale-up(상사) 법칙은 다음의 공식을 적용하여 실시하였다.

N₁은 Pilot Scale(모델 크기)에서의 회전수, N₂는 Full Scale(실물 크기)에서의 회전수, D₁과 D₂는 각각 Pilot과 Full Scale에서의 임펠러 직경임. n은 지수값 (3/4) Scale-up에서 나타내고자 하는 것은 Pilot Test(모델 시험)에서의 유동 형태(Flow)가 Full Sclae(실물크기)에서의 유동 형태와 동일한 것인가 확인하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유동력을 전달하는 수직형 교반기를 사용하며 교반익(날개)와 허브, 임펠러 축, 구동부(모타 및 감속기) 및 지지 브라켓 등으로 구성되어 있다. (도 1)

교반익은 유동력/동력소비(Nq/Np) 비가 높은 Hydrofoil(하이드로포일, 터빈임펠러의 한 종류, 유선형 날개) 계열을 주로 사용하며 이와 결합하는 허브는 교반 효과에서 매우 좋은 취부각인 45°를 주로 적용한다. 임펠러 축은 교반에 적용되는 축의 모멘트에 견딜 수 있도록 Shear Stress(Ss : 전단 응력)를 충분히 구비하도록 하고 Critical Speed(임계 속도 : 위험 속도)가 최대 75% 이내가 되도록 구성 한다. 구동부는 교반조 내에 적절한 유동력을 줄 수 있도록 충분한 토크를 줄 수 있는 사양을 선정하도록 한다. 구동부 지지 브라켓은 교반기의 진동을 흡수할 수 있도록 구성 한다.

이러한 본 발명에 따른 교반익의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 장방향 형태의 생물반응조에 적용되는 임펠러의 형태는 3~4개의 교반익을 가진 형태를 선정하여야 한다. 이는 일반적인 정육면체 구조의 생물반응조에 적용되는 교반기보다 다음과 같은 몇가지 사항으로 구성하여 적용하면 매우 적은 동력으로 강한 유동력을 발생한다.

생물반응조의 길이 대비 폭에 대한 등가 직경[Te = 1.13×√( L × W)]에 대해서 임펠러의 직경(D)는 D/Te ＝ 0.35 ~ 0.45 정도를 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 임펠러의 직경을 조의 직경에 비해 너무 작으면(D/Te < 0.35) 많은 동력이 소요되고 동일 동력에 비해 전체 유동이 저하되며 국부적인 유동에 의한 미생물 활성화 파괴로 효율 저하의 원인이 된다. 임펠러의 직경이 조의 직경에 비해 너무 크면(D/Te > 0.45) 생물반응조 내 단방향의 벽면과 임펠러 끝단의 길이가 가까워져서 바로 벽면에 흐름이 부딪혀 Single Flow 흐름이 발생하지 않아 미생물 활성화에 방해 요인이 되며, 벽면을 치고 되돌아오는 유체의 반발력에 의한 동력 증가 및 예측 못하는 Hydraulic Force(측면 유체력)에 의한 교반기의 진동 발생으로 인한 손괴 등이 발생될 수 있다. 임펠러의 설치 위치(C)는 조바닥에서부터 임펠러의 직경(D)의 약 0.5 ~ 0.6배 정도를 띄우는 것이 가장 적합하다. 이 때가 동일 동력에 비해 유체의 순환 기능이 매우 좋게 나타난다. 임펠러의 설치 위치에 따라 동력 대비 유동 효율의 차이가 극명하게 나타난다.

본 발명은 하수처리장내에서 장방향 형태의 토목 구조물 생물반응조에 다수의 교반기를 설치하지 아니하고 1개의 수직형 교반기를 설치하여 교반기 수량 감소 효과와 동력 절감 및 원활한 유동으로 인한 양호한 미생물 활성화를 수행할 수 있다. 즉, 생물반응조내의 양호한 미생물 활성화 및 Dead Zone 방지를 위한 원활한 유체 순환으로 동력 소모율을 줄이면서 고른 효율을 유지할 수 있다. 임펠러의 형태는 3~4개의 교반익을 가진 피치각이 45°인 수직형 교반기이고, 생물반응조내의 길이 대비 폭에 대한 등가직경[Te = 1.13×√( L × W)]에 대해서 임펠러의 직 경(D)는 D/Te ＝ 0.35~0.45 정도를 사용해야 하며, 임펠러의 설치 위치(C)는 조바닥에서부터 임펠러의 직경의 0.5~0.6배(C = 0.5~0.6D)정도를 띄워야 한다. 이 때가 동일 동력일때 유체의 순환 기능이 매우 좋게 나타난다. 이것은 동력을 최소화하고 유체 순환 능력을 극대화하여 Dead Zone 발생 억제 및 양호한 미생물 활성화를 보다 효율적으로 할 수 있는 최적의 구성이 되는 것이다. 유체의 순환은 도 4 및 도 5의 형태로 Single Flow 로서 생물반응조의 아래 부분에서 위 부분까지 전체적으로 원활하게 이루어진다.

그럼으로, 제안사항인 장방향 형태의 생물반응조에 1대의 수직형 교반기를 적용하는 것이 매우 효과적이라는 것을 알 수 있다.

1 도는 수직형 교반기 적용 형태 대표도

2 도는 유체 흐름의 형태 (Single Flow : 조내에 1개의 흐름으로

전체 흐름이 발생)

3 도는 장방향 생물반응조내 공정도

4 도는 장방향 생물반응조내 다수의 수직 Turbine를 적용한 공정도

5 도는 수중횡형교반기를 적용한 공정도

6 도는 수중에어레이터교반기를 적용한 공정도

■ 도면의 주요부분에 사용된 주요부호의 설명 ■

1 : 구동부 (모타, 감속기)

2 : 베이스 하우징 (구동부 지지부)

3 : 임펠러 축

4 : 교반익 (허브와 3 ~ 4 블레이드로 구성)

Claims (3)

1. 장방향 형태로 가로:세로 비율을 최대 1~4:1의 구조에 1대의 수직형 교반기를 설치하는 것을 특징으로 하는 장방향 생물반응조에서의 교반기 구성방법
2. 제 1항에 있어서,

   장방향 형태의 생물반응조내에 3~4개의 교반익을 가진 수직형 교반기를 이용하고, 장방향 형태의 생물반응조내의 길이 대비 폭에 대한 등가직경[Te = 1.13×√( L × W)]에 대해서 임펠러의 직경(D)는 D/Te ＝ 0.35~0.45 로 계산하여 구성하고, 임펠러의 설치 위치(C)는 조 바닥에서부터 임펠러 직경의 0.5~0.6배(C = 0.5~0.6D)로 계산하여 생물반응조내에 1대의 교반기를 설치하는 것을 포함하는 장방향 생물반응조에서의 교반기 구성방법
3. 1대의 수직형 교반기가 구성되는 장방향 형태의 생물반응조에 있어서,

   상기 장방향 형태의 생물반응조에 3~4개의 교반익을 가진 수직형 교반기를 이용하고, 장방향 형태의 교반조내의 길이 대비 폭에 대한 등가직경[Te = 1.13×√( L × W)]에 대해서 임펠러의 직경(D)는 D/Te ＝ 0.35~0.4 로 계산하여 구성하고, 임펠러의 설치 위치(C)는 조 바닥에서 부터 임펠러의 직경의 0.5~0.6배(C = 0.5~0.6D)로 계산하여 교반조내에 1대의 교반기를 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 1대의 수직형 교반기가 구성되는 장방향 형태의 생물반응조

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