이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수질오염 방지시스템을 나타내는 구성도이다. 도시된 바와 같이, 제1실시예는 취수원(30) 측에 이 취수원(30)의 물(이하, 원수)을 퍼낼 수 있게 설치된 취수펌프(32), 이 취수펌프(32)가 퍼내는 원수를 이 원수가 수용될 담수처(40)로 이송하는 송수관로(34), 이 송수관로(34)를 따라 흐르는 원수에 각각 공기와 처리에 필요한 약품을 주입하는 적어도 하나씩의 공기주입수단 및 약품주입수단, 원수와 주입된 약품을 혼합하는 적어도 하나의 교반시설(36), 이 교반시설(36)에 의하여 혼합된 원수 중의 각종 현탁물질(조류 등)을 부상방식에 의하여 원수와 분리하는 하이드로사이클론 부상분리장치(1)를 포함하고, 이 밖으로는 스컴저장수단(56)을 더 포함한다. 이 때, 취수원(30)은 하천이나 호소일 수 있고, 담수처(40)는 다른 하천이나 호소, 인공저수조일 수 있다. 또는, 취수원이 곧 담수처일 수 있다.

취수펌프(32)는 취수원(30)으로부터 원수를 퍼내고 이 퍼내는 원수를 담수처(40)로 이송하는 데 필요한 압력을 제공한다.

원수가 흐르는 관로를 제공하는 송수관로(34)는 강철제의 내압관으로 구성될 수 있다. 또는, 개거형의 관로를 제공하도록 상부가 개방된 형태의 관거(예 : U자형 관거)가 적용될 수도 있다.

이와 같은 송수관로(34)에는 원수가 흐르는 방향을 따라 공기주입수단, 약품주입수단, 교반시설(36), 하이드로사이클론 부상분리장치(1)가 순차적으로 결합되는데, 이 중 공기주입수단의 설치위치는 도 1에 이점쇄선으로 표현된 것처럼 교반시설(36)과 하이드로사이클론 부상분리장치(1) 사이로 변경될 수도 있다. 또한, 필요할 시 공정 간에 이송펌프가 하나 이상 추가적으로 구비될 수도 있다.

공기주입수단은 공기압축기, 압축공기저장탱크, 주입압력조절기 및 유량조절기 등으로 이루어진 공기주입설비(50)인바, 압축공기를 제공할 수 있고, 또 주입되는 압축공기의 압력 및 양을 용이하게 조절할 수 있다. 또는, 공기주입수단은 이와 달리, 압축공기를 미리 용해시켜 놓은 물, 즉 가압수를 주입하도록 구성된 것일 수도 있다.

약품주입수단은 공기가 주입된 원수에 처리약품으로서 응집제를 공급하는 응집제주입설비(51) 및 산과 염기로 구분된 pH약품을 공급하는 pH약품주입설비(52)를 포함한다. 물론, 원수를 처리하는 데 있어 필요하다면 이 밖의 다른 어떠한 약품주입설비라도 추가될 수 있다.

응집제주입설비(51)는 응집제용해조, 응집제용액저장조, 주입펌프 등으로 이루어질 수 있다. 이 때, 주입펌프의 경우에는 정량펌프인 것이 바람직한바, 정량펌프를 적용하면 액상의 응집제를 제공할 수 있고, 주입되는 응집제의 양을 자유롭게 특정 지을 수 있다. 응집제는 무기응집제와 유기응집제 중 어느 한 타입이 단독으로 사용될 수도 있고 이 둘을 조합한 타입이 사용될 수도 있다. 또, pH약품주입설비(52)를 별도로 구비하지 않고, 응집제주입설비(51)가 응집제와 함께 pH약품을 주입하도록 구성할 수도 있다.

교반시설(36)은 임펠러 및 그 회전수단을 포함하고, 임펠러회전수단은 모터를 포함한다. 참고로, 송수관로(34)는 그 안에서 원수의 난류가 발생되는바, 그 일부분을 인위적으로 지그재그로 구부려 난류의 발생을 도울 수도 있으며, 난류가 충분히 발생되는 경우에는 교반기(36)를 생략할 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시된 하이드로사이클론 부상분리장치(1)의 사시도이다.

하이드로사이클론 부상분리장치(1)는 공기가 과포화 용해된 원수로부터 형성된 미세기포나 강제 주입된 미세기포에 원수 중의 현탁물질이 부착되어 수면으로 부상하게 함으로써 현탁물질을 제거하는 것인바, 도 2에 도시된 바와 같이, 하이드로사이클론 몸체(10), 공기주입수단, 배수량조절수단(18), 현탁물질제거수단을 포함한다.

하이드로사이클론 몸체(10)는 물을 내부에서 일정한 방향으로 선회시킬 수 있도록 횡단면이 원형인 용기의 구조를 가지는 것인바, 그 둘레에는 물 유입관(12)이 접선방향으로 접속되어 관로를 물 유입구로 하고, 그 하부의 가운데에는 배수관(16)이 접속되어 관로를 물 배출구로 한다. 이 때, 물 유입관(12)은 필요한 경우에는 안정적인 선회류 형성을 위하여 두 개 이상 구비될 수 있는데, 모두 하이드로사이클론 몸체(10)에 둘레방향으로 동일간격을 두고 있도록 배치되고 이 상태로 동일한 접선방향으로 접속된다.

공기주입수단은 하이드로사이클론 몸체(10)에 공급되는 물에 공기를 주입한다. 이 공기주입수단은 별도로 구비될 수도 있겠으나, 여기에서는 앞서 언급하였던 공기주입수단인 공기주입설비(50)를 이용하였다.

배수량조절수단(18)은 배수관(16)에 설치된 유량조절밸브일 수 있는바, 배수관(16)에서 배출되는 물의 양을 조절하여 하이드로사이클론 몸체(10) 내의 수위를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 물론, 이와 같이 하기 위하여, 필요한 경우에는 수위감지센서 등을 갖출 수도 있다.

현탁물질제거수단은 하이드로사이클론 몸체(10)에 공급되는 물속에 분산되어 있다가 물이 하이드로사이클론 몸체(10)를 통과하는 동안 물의 선회류 및 물에 주입된 공기의 포말에 의하여 수면의 선회류중심 부분으로 부상하여 일정한 높이에 모이는 현탁물질, 즉 스컴을 밖으로 수거하는 역할을 하는바, 구성요소로서 현탁물질회수관(14)을 포함한다. 현탁물질회수관(14)은 그 입구가 하이드로사이클론 몸체(10)의 수면 아래에서 이 수면의 선회류중심 부분과 대응하도록 배치되고, 그 출구는 배수관(16)을 관통하여 밖으로 노출되며, 입구와 출구 측의 사이는 곧게 형성되어 선회류중심에 위치하도록 세워진다.

도 3은 하이드로사이클론 부상분리장치의 현탁물질 부상원리에 대한 개념도로, 다음에서는 도 3을 참조, 현탁물질(슬러지입자를 예로 들기로 한다)이 물과 함께 하이드로사이클론 부상분리장치(1)에 공급되어 선회류를 일으킨 때의 역학적 작용을 살펴보겠다.

선회류가 생긴 하이드로사이클론 몸체(10)의 내부에서, 임의의 슬러지입자 M1은 중력에 의한 힘 Fg 및 선회류의 회전중심인 A의 바깥쪽방향으로 Fc 크기의 원심력을 받게 된다. 이에, 결과적으로 슬러지입자 M1은 두 힘의 벡터 합인 Fv의 힘을 받는 것이 된다. 이 때, 같은 위치의 물에서도 같은 힘을 받게 되므로 만약 이 슬러지입자 M1이 기포를 흡착하여 평균밀도가 물의 그것보다 낮다면, 이 슬러지입자 M1은 힘 Fv의 반대방향으로 힘 Ff만큼의 부상력을 받아 선회류의 회전중심 A를 향하여 떠오르게 된다. 이 때의 부력은 평상시의 부력보다도 Fv/Fg배만큼 크게 나타나므로, 부상속도는 더욱 빨라지게 되는 것이다. 또, 다른 임의의 슬러지입자 M2의 경우도 같은 작용을 받게 되는데, 이 때에도 부력은 선회류의 회전중심 A를 향하여 기울어져 작용하므로 수중의 슬러지 입자들은 궁극적으로 선회류의 회전중심 A와 수표면 H가 만나는 지점을 향하여 모이게 되는 것이다.

이 같은 원리로 하이드로사이클론 부상분리장치(1)는 물속에 분산되어 있는 현탁물질을 용이하게 한 점으로 모을 수 있고, 아울러 현탁물질회수관(14)을 통하여 간편하게 외부로 방출할 수 있는 것이다.

한편, 이렇게 수거된 스컴은 스컴저장수단(56)에 모은 후 그대로 처리되거나 다시 농축과정을 거쳐서 최종 처리된다. 반면, 현탁물질이 제거되어 정제된 처리수는 샌드필터, 소독장치 등을 거치거나 그대로 담수처(40)로 이송되어 활용된다.

살펴본 바와 같은 제1실시예는 다음과 같이 작동될 수 있다. 취수펌프(32)가 퍼내는 취수원(30)의 원수는 송수관로(34)를 따라 담수처(40) 측으로 흘러간다. 이 과정에서, 응집제주입설비(51)는 응집제를 주입하고, pH약품주입설비(52)는 pH약품을 주입하는데, 주입된 응집제는 원수에 포함된 현탁물질과 응결, 플록(floc)을 만들어 현탁물질이 쉽게 부상될 수 있게 하고, pH약품은 플록의 생성을 돕는다. 공기주입설비(50)의 경우에는 공기를 주입하는데, 송수관로(34)를 따라 흐르는 원수 속에는 상압에서 과포화 수준의 공기가 용해되고, 일부 공기는 난류에 의하여 미세한 크기의 입자로 분산되기도 한다. 이후, 이 같이 공기, 응집제, pH약품이 주입된 원수는 이송 중 송수관로(34) 내부에서 형성되는 난류에 의하여 혼합되고, 아울러 필요에 따라서는 교반시설(36)에 의하여 강제로 혼합된 뒤, 하이드로사이클론 부상분리장치(1)로 향하게 된다.

공기, 응집제, pH약품이 고루 섞인 상태로 하이드로사이클론 부상분리장치(1)에 도달한 혼합액은 하이드로사이클론 몸체(10)에서 낮은 압력과 느린 유속으로 생성된 기포를 포함하게 되고, 현탁물질은 중력 및 선회류의 회전력에 따라 수면으로 부상하여 스컴을 형성한다. 이 때, 부상된 스컴은 선회류중심 측으로 모여지고 현탁물질회수관(14)을 통하여 외부로 방출, 회수되어 스컴저장수단(56)에 모여진 후 별도 처리된다. 현탁물질이 분리된 아래쪽의 정제된 처리수는 샌드필터 등 추가 정제공정이나 소독처리공정을 거치거나 그대로 담수처(40)로 이송되어 활용된다.

이상의 설명에서, 원수 중 현탁물질에 대한 공기요구량 비는 약 0.05~0.2가 적절하고, 하이드로사이클론 몸체(10)의 크기는 혼합수가 약 10~25분 체류할 수 있으면 충분하며, 통상적인 기포의 상승속도는 20~100mm/min 정도로 나타난다.

한편, 조류의 함량이 높은 원수는 고액분리효과를 높이기 위하여 응집제로서 폴리염화알루미늄(poly aluminum chloride)을 17% 용액 기준 10~50ppm 정도 사용하는 것이 바람직한바, 효율 향상을 위하여 폐수처리 고분자응집제 등을 0.2~1.0ppm 정도 추가할 수도 있다. 그리고 폴리염화알루미늄 대신, 성능은 다소 떨어지나 가격이 저렴한 황산알루미늄이나 염화제이철과 같은 약품을 가성소다와 같은 알칼리용액과 함께 투입하여 원하는 효과를 얻을 수 있는 등 다양한 다른 방법이 적용될 수도 있다.

이상의 설명과 같은 제1실시예는 취수원(30)의 원수에 포함된 조류 등 현탁물질을 경제적으로 제거 가능하게 하며, 시설물의 크기가 비교적 작으므로 하천이나 호소의 수상에서 선박 등 이동체에 탑재하여(또는, 부체에 의하여 물에 떠 있도록 설치하여) 자체 수질의 정화에 활용할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수질오염 방지시스템을 나타내는 구성도이다. 제2실시예는 폐수나 하수 등 오염이 심한 물의 수질오염 방지시스템인바, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 비교하여 볼 때 기타 구성 및 그 작용은 모두 동일한 것에 대하여, 송수관로(34)를 따라 하이드로사이클론 부상분리장치(1)로 흐르는 원수를 생물학적 처리법인 미생물 등을 이용하는 방법으로 처리하는 생물학적 수질정화수단(33)을 더 포함한다는 점만이 상이하다. 이 때, 생물학적 수질정화수단(33)은 일례로 활성오니법의 구현이 가능한 처리설비일 수 있다.

이상, 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 도면에 의하여 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

예를 들어, 위의 설명에서 현탁물질 제거수단의 현탁물질회수관(14)은 그 입구가 하이드로사이클론 몸체(10) 내 수면 아래에 위치하는 것으로 설명하였으나, 현탁물질회수관(14)은 그 입구가 수면 위에서 수면과 연접하여 있도록 배치한 후 펌프 등을 이용하여 스컴을 뽑아내도록 할 수도 있겠다.

또한, 위에서는 원수 중의 현탁물질을 분리하는 수단이 부상원리를 이용하는 하이드로사이클론 부상분리장치(1)인 것으로 설명하였으나, 원수 중의 현탁물질을 분리하는 수단은 현탁물질을 침전시키고 이 침전된 침전물을 슬러지배출관에 의하여 배출하는 침전시설일 수 있고, 이에 따라 스컴저장수단(56) 대신, 슬러지저장수단이 적용될 수 있다. 이는 현탁물질을 물 아래로 가라앉혀 제거하는 것인바, 원수에 포함된 현탁물질이 조류인 경우보다는 흙탕물과 같은 무기성입자가 주를 이루고 있을 때 적용하면 유리하다.