KR100499177B1

KR100499177B1 - 잠수 가능한 현장 산소 공급 장치

Info

Publication number: KR100499177B1
Application number: KR10-2001-0000975A
Authority: KR
Inventors: 알란태트얀 쳉
Original assignee: 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2000-01-10
Filing date: 2001-01-08
Publication date: 2005-07-04
Anticipated expiration: 2021-01-08
Also published as: EP1116695A1; CA2330345A1; EP1116695B1; KR20010070464A; CN100430119C; US6273402B1; CA2330345C; DE60102489D1; CN1324685A; DE60102489T2; BR0100033A; ES2214347T3

Abstract

본 발명은 딥 탱크의 바닥에서 고형물과 슬러지를 혼합시키고 동시에 현탁시키면서 가스와 액체를 혼합시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 딥 탱크에서 폐수의 표면 아래로 잠수되기에 적합한 가스-액체 폭기장치를 포함한다. 고속으로 팽창되는 가스-액체 혼합물은 딥 탱크의 바닥에 침전하는 고형물과 슬러지를 혼합시키고 현탁시키기에 충분한 힘으로 잠수된 폭기장치의 바닥으로부터 배출된다.

Description

잠수 가능한 현장 산소 공급 장치 {SUBMERSIBLE IN-SITU OXYGENATOR}

본 발명은 일반적으로 액체 및 고체의 폭기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 다양한 화학물질을 함유하고 있는 액체 및 고체를 교반시키면서 산소를 액체중에 용해시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

호기성 폐수 처리 방법은 수계내의 유해한 화학 폐물질을 제거하는데 매우 경제적인 방법이다. 산소 또는 공기가 폐수중의 생물체에 공급되면 독성 또는 유해한 화학물질이 음식물로서 생물학적 제제에 의해 소모되어 무해한 부산물을 생성시킨다. 보통은, 이산화탄소 및 물이 주요 호흡작용 생성물이다.

폭기조의 가장 값싼 형태는 토양이 표면으로부터 표면 아래로 10 내지 15피트(3.0 내지 4.6m)까지 제거된 토양 바닥의 웅덩이이다. 그러나, 이러한 유형의 구성은 많은 잠재적인 환경 문제를 유발시킬 수 있다. 위험한 화학 화합물이 토양 바닥 웅덩이의 바닥을 통해 침투하여 토양 또는 지하수를 오염시킬 수 있다. 환경 보호국은 오염의 위험성으로 인해 벤젠과 같은 육상에서 금지된 화학물질을 함유하는 폐수가 이들 시설에서 처리되는 것을 더 이상 허용하지 않을 것이다. 이와 같이, 대규모이면서 얕은 토양 바닥 웅덩이는 바람직한 종류의 폭기조로서의 지위를 상실하고 있다.

커다란 표면적의 폭기 웅덩이는 또한 상당량의 휘발성 화합물이 대기중으로 증발될 수 있는 거대한 증발조이기도 하다. 대기 오염 방지법이 가결되면서, 이들 시설은 규제 기준을 충족시키기 위한 방법으로서 휘발성 화합물을 제거하기 위해 증발에 더 이상 의존할 수 없다. 이와 같이, 다수의 폐수 처리 시설은 지면 위 딥(deep) 탱크로 전환되고 있다. 강철 바닥을 지닌 지면 위 탱크(above ground tank)는 독성 화학물질이 탱크를 통과하여 주변 영역을 오염시키고 일시적인 방출을 위해 보다 작은 표면 대 용적 비를 갖는 것을 허용치 않을 것이다. 유럽 및 아시아에서는, 딥 탱크가 훨씬 더 일반적이다.

산소를 상기 딥 탱크에 공급하는 것은 통상의 폐수 폭기 장치로도 해볼만 하다. 표면 폭기장치는 전체 폐수 탱크의 상층에만 충분량의 산소를 제공할 수 있을 뿐이다. 미세 기포 산기장치는 공기를 압축시키고 폭기장치의 수압 헤드를 극복하기 위해서 높은 마력을 필요로 한다.

박테리아 또는 생물체는 위험한 폐기물을 소모하면서 폐수 처리 탱크의 내부에서 성장한다. 박테리아 또는 생물체는 슬러지로 불리우며, 폐수로부터의 분리시에 습윤 상태의 고형물을 형성한다. 일반적으로, 분리 수단은 전형적으로는 원심분리 또는 여과이다. 유입수가 탱크 함유물을 희석시킬 것이기 때문에 생물체 농도를 실질적으로 높게 유지시키기 위해서는 슬러지의 일부가 폭기 탱크로 다시 재순환되어야 한다. 생물체가 적절하게 기능하도록 하기 위해서, 슬러지가 적절하게 현탁되어야 하며, 분리가 일어난다면 폐물의 불량한 생체분해를 야기시킬 것이다. 종래기술의 표면 폭기 장치는 딥 탱크의 바닥에서 슬러지의 문제를 효과적으로 제기하지 않고 있다. 딥 탱크의 깊이는 일반적으로는 약 30 내지 100피트(9.1 내지 30m) 범위이고, 평균적으로는 40 내지 50피트(12 내지 15m) 범위이다.

미국특허 제 4,681,711호에 개시된 바와 같은 표면 폭기장치는 약 10피트(3.1m)의 깊이에 대해서만 효과적이다. 천정 공간으로부터의 산소의 용해율을 증가시키기 위한, 미국특허 Re 32,562호에 개시된 바와 같은 하향 펌프 임펠러의 사용은 딥 탱크에서 유한하다. 이러한 장치는 반응 용기상에 고정되기 때문에, 고형물 현탁을 최적화시키는 것이 가능하지 않다. 이러한 기술을 이용하는 종래의 장치는 흡출관으로부터 배출되는 액체의 속도를 증가시키기 위해 교반 속도를 증가시켜야 할 필요가 있다. 그러나, 나선형 임펠러가 얼마나 빠르게 회전할 수 있는가와 같은 실제적인 한계에 부딪히게 된다. 대용량의 24인치(61cm) 임펠러 시스템에 이용되고 있는 상업적 베어링은 진동전에 300 내지 400rpm의 속도로 회전할 수 있으며, 그 밖의 기계적인 문제점은 베어링 및 기어박스를 훼손시킨다. 대용량의 36인치(92cm) 임펠러는 250 내지 300rpm의 속도로 회전할 수도 있다. 기계적인 난점이 해소된다하더라도, 상기 시스템은 교반을 위해서 막대한 양의 동력을 필요로 할 것이다. 많은 경우에, 고형물과 슬러지를 현탁시키는데 충분한 교반에 필요한 동력은 산소화에 필요한 동력에 3 내지 4배이다. 이러한 동력의 대부분은 낭비된다. 이것은 이러한 에너지를 낭비한다는 의미가 아니라, 산소 용해 기능이 소량의 에너지만을 필요로 한다는 것이다.

교반을 위해 아주 높은 동력이 필요한 이유는 산소 기포가 부력으로 인해 상향 운동량을 갖기 때문이다. 하향 펌핑 임펠러는 제트 스트림을 형성함으로써 산소 기포를 하향으로 운반한다. 상향 부력은 하향 액체 운동량에 대한 역류이다. 가스-액체 스트림이 하향으로 이동할수록, 액체의 운동량은 약해진다. 제트 스트림은 외측으로 퍼져나가 이의 속도를 감소시키기도 한다. 특정 지점에서, 상기 제트 스트림은 더 이상 산소 기포를 하향으로 운반할 수 없을 정도로 약해질 것이다. 이러한 단계에서, 산소 기포는 액체 제트류로부터 분리되어 역방향인 위로 이동할 것이다. 액체 분사물은 또 다른 어떠한 것도 이동시키거나 탱크의 바닥 부분을 교반시킬 수 없을 정도로 약하다.

아주 높은 교반 속도에 대한 또 다른 대안은 표면 폭기 장치와 함께 별도의 기계 교반 시스템을 제공하는 것이다. 기계 교반 시스템은 교반과 고형물의 현탁을 제공할 목적으로 탱크의 측면과 바닥에 설치된다. 그러나, 탱크의 바닥에 있는 교반장치를 구동시키는 데는 여전히 상당량의 동력이 요구되며, 이로써 자본 비용이 증가한다.

따라서, 종래기술의 문제점과 결함을 염두해 둔다면, 본 발명의 목적은 딥 탱크에서 폐수를 폭기시키는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 딥 탱크에서 고형물을 교반시키는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 딥 탱크에서 액체를 폭기시키면서 고형물을 교반시키는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 최소의 요구 에너지를 사용하여 딥 탱크에서 액체를 폭기시키고 고형물을 교반시키는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

발명의 요약

당업자에게는 자명한 상기 및 그 밖의 목적 및 장점은 액체역(a body of liquid)중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치 및 방법에 관한 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명의 장치는 액체역중에 잠수시키기에 적합하며 컬렉터(collector), 액체 펌프, 및 본 발명의 장치가 액체역중에 부유하거나 가라앉게 하는데 적합한 밸러스트 챔버를 포함한다. 상기 컬렉터는 액체역의 표면으로 상승하는 비용해 가스를 포착하고 비용해 가스를 장치의 천정 공간으로 유도하는데 적합하다. 임펠러 또는 제트 펌프와 같은 액체 펌프는 비용해 가스 및 액체와 함께 공급 가스 유입구로부터 공급 가스를 유도하고 고속의 가스-유체 혼합물을 액체역중에서 하측으로 향하게 한다. 바람직한 실시예에서, 밸러스트 챔버는 본 발명의 장치를 잠수시키기 위해 물과 같은 밸러스트로 충전되고 액체역중에서 장치를 상승시키기 위해 가스로 충전되기에 적합하다.

바람직한 실시예에서, 비용해 가스를 포착하는 컬렉터는 챔버의 표면을 포함한다. 챔버의 표면은 비용해 가스를 포착할 수 있을 정도의 충분한 크기를 지녀야 하며 비용해 가스를 천정 공간, 및 임펠러에 의해 형성된 와동(vortex)으로 유도할 수 있을 정도로 충분히 기운 평면을 가져야 한다.

바람직한 실시예에서, 유체 펌프는 흡출 부재내에 배치된 회전 가능한 샤프트에 연결된 임펠러를 포함함다. 흡출 부재는 액체역으로부터 가스와 액체를 임펠러의 위에 위치한 흡출 부재의 상부에 근접한 개구를 통해 흡출 부재내로 유도하고 상기 부재의 하단부에 있는 제 2 개구를 통해 배출하기에 적합하다. 상기 임펠러는 샤프트에 연결되어 있으며, 가스와 액체를 임펠러 방향으로 흡출 부재내로 유도하고 가스-액체 혼합물이 고속으로 흡출 부재로부터 배출되게 하기에 적합하다. 상기 임펠러는 고성능 임펠러, 특히 형상이 나선형이고 다량의 가스와 액체를 순환시키기에 적합한 가스 분산 임펠러일 수 있다. 공급 가스 스트림은 공급 가스 유입구를 통해 임펠러의 상측에 있는 천정 공간으로 유도된다. 공급 가스 스트림은 또한 상기 스트림이 액체역내로 회전할 때 임펠러에 의해 형성된 와동으로 직접 유입될 수도 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 가스-액체 혼합물의 난류 혼합율을 증가시키는 난류 프로모터가 샤프트에 연결될 수도 있다.

또 다른 측면으로서, 본 발명의 장치는 조정 가능한 제트 폭기장치, 벤투리관, 도관, 장치의 하강 및 상승에 적합한 밸러스트 챔버, 및 액체역중에 비용해 가스를 포착하고 이것을 천정 공간으로 유도하는데 적합한 컬렉터를 포함한다.

바람직한 실시예로서, 제트 폭기장치는 액체역으로부터 액체를 유입구를 통해 유도하고 상기 액체를 유출구를 통해 고속으로 배출시키는데 적합한 펌프를 포함한다. 바람직한 실시예로서, 벤투리관은 제트 폭기장치에 연결될 수 있으며 폭기장치로부터 고속으로 액체를 수용하기에 적합한 잘록한 중간부(tapered mean)를 포함할 수 있다. 파이프의 일측 단부는 벤투리관의 목부에 연결될 수 있고 다른 일측 단부는 새로운 산소와 같은 가스와 벤투리관의 아래의 천정 공간으로부터의 비용해 가스의 혼합물을 유도하고 상기 가스 혼합물을 다시 벤투리관으로 공급하는데 적합하다.

바람직한 실시예로서, 도관은 가요성 호스일 수 있으며 제 2 가스를 천정 공간으로 공급한다.

바람직한 실시예로서, 밸러스트 챔버는 장치에 연결된 1개 이상의 중공 챔버를 포함한다. 상기 챔버는 물과 같은 밸러스트로 충전되어 장치를 잠수시키고 공기와 같은 밸러스트로 충전되어 액체역중에서 장치를 상승시키는데 적합하다. 컬렉터가 밸러스트 챔버의 표면을 포함하고 액체역중에서 상승하는 비용해 가스를 포착하기에 충분한 크기를 갖는 표면을 가지며 포착된 비용해 가스를 천정 공간으로 유도하고 포착하도록 기울어진 표면을 갖는 것도 또한 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면으로서, 본 발명은 액체역을 폭기시키고 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 잠수 가능한 폭기장치를 제공하는 단계, 상기 폭기장치를 액체역의 표면 아래로 잠수시키는 단계, 가스 스트림을 액체역중으로 유입시키는 단계 및 폭기장치를 사용하여 가스 스트림과 액체역을 혼합시키는 단계를 포함한다. 바람직한 실시예로서, 폭기장치는 고속의 가스-액체 분사물을 액체역내로 분사하고, 상기 장치는 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키기에 충분한 힘을 갖는다.

바람직한 실시예로서, 잠수된 폭기장치의 깊이는 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁을 최적화시키도록 조정된다. 또 다른 바람직한 실시예로서, 장치의 깊이는 장치가 요망 깊이에 도달할 때까지 밸러스트 챔버를 밸러스트로 충전시켜 상기 챔버를 잠수시킴으로써 조정된다.

또 다른 바람직한 실시예로서, 액체역의 표면으로 상승하는 비용해 가스는 컬렉터에 의해 포착되고 가스-액체 분사물로 재순환된다.

신규한 것으로 믿어지는 본 발명의 특징 및 본 발명의 특징적인 구성요소는 특허청구범위에 구체적으로 제시되어 있다. 본 발명은 도면을 통해 설명되지만 이로써 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 그러나, 본 발명의 구성 및 작동 방법은 첨부 도면에 따른 상세한 설명을 통해 보다 명백히 이해될 수 있다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명의 바람직한 실시예를 기술함에 있어 도 1 내지 도 3이 참조되며, 상기 도면에서 동일한 도면 부호는 본 발명의 동일한 특징부를 나타낸다. 본 발명의 특징부는 도면에서 반드시 비례적으로 도시된 것은 아니다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 액체(32) 및 고형물(33)을 함유하는 딥 탱크(30)에 잠수시키기에 적합한 가스-액체 폭기장치(50)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 액체(32)는 폐수이고 고형물(33)은 딥 탱크(30)에서 형성된 슬러지이다. 폭기장치(50)는 액체와 가스를 유도하고 상기 액체와 가스를 고속으로 하향으로 움직이게 할 수 있는 임펠러, 제트 흐름 펌프 또는 정변위 장치와 같은 액체 펌프를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 폭기장치(50)는 모터 지지판(18)에 연결된 잠수 가능한 모터(16) 및 회전가능한 샤프트(20)를 포함한다. 임펠러(22)는 샤프트(20)에 연결되어 있고, 임펠러(22)와 샤프트(20)는 바람직하게는 흡출관(24)의 내측에 배치된다.

흡출관(24)에는, 액체(32) 및 산소와 같은 가스를 흡출관(24)내로 통과시키기 위한 1개 이상의 개구(28)와 가스-액체 혼합물(36)이 임펠러(22)를 통과한 후 흡출관(24)으로부터 배출되게 하는 1개 이상의 제 2 개구(68)가 형성되어 있다. 개구(28)는 바람직하게는 임펠러(22) 위의 지점에 위치하는 반면, 개구(68)는 임펠러(22) 아래 지점, 바람직하게는 흡출관(24)의 바닥에 위치한다.

폭기장치(50)는 상기 장치를 표면 액체(32) 아래로 잠수시킬 목적으로 밸러스트로 충전하기에 적합한 1개 이상의 밸러스트 챔버(10)를 포함한다. 상기 밸러스트 챔버(10)는 바람직하게는 중공의 스테인레스강 부유체이며, 밸러스트를 밸러스트 챔버(10)의 내/외로 흐르게 하는 유체 밸브(12) 및 공기 밸브(14)를 제외하고 전체적으로 밀봉된다. 유체 밸브(12)는 유체 밸러스트, 바람직하게는 물이 챔버의 내/외로 통과되도록 한다. 공기 밸브(14)는 가스 밸러스트, 바람직하게는 공기가 챔버(10)의 내/외로 통과되도록 한다. 유체를 챔버(10)내로 유입시킴으로써 상기 챔버가 잠수되는 반면, 공기를 챔버(10)내로 유입시킴으로써 상기 챔버가 액체(32)중에서 상승한다.

바람직한 실시예에서, 챔버(10)의 바닥 표면(80)은 챔버(10)의 외측 에지(82)가 챔버(10)의 내측 에지(84) 보다 넓도록 원뿔형으로 형상화되거나 일정 각도로 기울어져 있다. 챔버(10)는 액체(32)중에서 위로 상승하는 비용해 가스(38)가 챔버(10)의 바닥 표면(80)에 의해 포착되게 할 수 있을 정도의 충분한 크기와 형상을 지니며, 상기 형상 또는 각도가 비용해 가스(38)를 천정공간(48) 및 개구(28)로 유도한다. 챔버(10)의 형상은 액체(32)중에서 위로 상승하는 비용해 가스 입자(38)를 포착하는데 적합한 것이 바람직하지만, 비용해 가스 입자를 포착하고 이를 천정 공간(48)으로 유도하는 다른 장치 또는 수단도 사용할 수 있다. 이들 장치는 상승하는 비용해 가스(38)를 포착하고 이것을 천정 공간(48)으로 유도하는 배플, 윙, 파티션, 또는 전자기계식 장치를 포함할 수 있다.

모터(16)는 바람직하게는 전기 또는 공기 모터이다. 바람직한 실시예에서, 모터(16)는 샤프트(20)에 연결되어 있는 기어 박스(46)를 구동시킨다. 샤프트(20)는 씰(44), 모터 지지판(18)을 관통하고 흡출관(24)을 통과한다.

씰(44)은 샤프트(20)가 자유롭게 회전되게 하면서 샤프트(20)를 모터 지지판(18)에 위치시키고 상기 지지판으로부터 상기 샤프트(20)를 보호하는데 사용된다. 임펠러(22)는 흡출관(24)내의 샤프트(20)에 고정 연결되어 있고, 바람직하게는 하향으로 펌핑하는 고용량 또는 가스 분산용 임펠러이다. 바람직한 실시예에서, 임펠러(22)는 대용량의 가스 및 액체를 순환시키기 위해 나선형의 형상을 갖는다. 임의로, 가스와 액체의 난류 혼합율을 증가시키기 위해 난류 프로모터 또는 터빈(42)이 샤프트(20)에 부가될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 도관(26)은 모터 지지판(18)을 관통하여 천정 공간(48)으로 들어간다. 에지(84) 사이에 있는 이러한 영역은 천정 공간(48)으로 언급되며 그 안에서 가스가 축적된다. 도관(26)은 모터 지지판(18)의 에지의 바닥 아래로 연장될 수 있으며 가스, 바람직하게는 산소를 천정 공간(48)내로 유입시키는데 사용된다. 바람직한 실시예에서, 산소는 도관(26)으로 공급되어 모터 지지판(18)을 통과한다. 산소는 흡출관(24) 위의 천정 공간(48)으로 공급되며, 그 결과 임펠러(22)를 회전시킴으로써 유도되는 와동이 개구(28)를 통해 가스-액체 혼합물을 흡출관(24)의 아래로 유도할 수 있다. 도관(26)은 산소가 임펠러(22)를 회전시킴으로써 형성된 와동으로 직접 공급될 수 있도록 액체(32)의 표면 아래로도 연장될 수 있다.

작동중에, 폭기장치(50)는 액체(32)의 표면 아래로 잠수된다. 폭기장치(50)를 잠수시키기 위해서는 어떠한 통상의 수단도 사용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 폭기장치(50)는 밸러스트 챔버(10)를 밸러스트(34)로 충전함으로써 잠수가능하다. 밸러스트 챔버(10)는 밸러스트(34)로 충전될 수 있는 중공 챔버 또는 부유화 장치를 포함할 수도 있다. 밸러스트 챔버(10)는 밸러스트(34)로, 심지어는 부분적으로라도, 충전될 때 폭기장치(50)가 표면 아래의 액체(32) 안으로 잠수되기에 충분한 크기를 갖는다. 밸러스트(34)는 물과 같은 충전용 액체가 바람직하며 유체 밸브(12)를 경유하여 밸러스트 챔버(10)내로 유입되는 것이 바람직하다. 밸러스트(34)에 의해 밸러스트 챔버(10)로부터 배출된 공기는 공기 유출구(14)를 통해 방출될 수 있다. 폭기장치(50)를 잠수시킬 때, 유체 밸브(12) 및 공기 밸브(14) 둘 모두 충전 및 진공 과정을 수행할 수 있도록 공급 호스가 연결될 수 있다. 각각의 밸브(12 및 14)는 특히 1개 이상의 챔버(10)가 사용되는 경우에 챔버(10)내에서의 유체 흡수 및 공기 방출량을 동일하게 유지시키기 위해 조절되고 모니터링될 수 있다. 밸러스트(34)를 사용하여 챔버(10)를 충전시킬 때, 폭기장치(50)는 딥 탱크(30)내에서 폐수(32)의 표면 아래로 잠수하게 될 것이다. 폭기장치(50)를 상승시키기 위해서는, 공기 밸브(14)를 통해 공기가 챔버(10)내로 충전된다. 이러한 공기 충전에 의해 밸러스트가 밸브(12), 바람직하게는 침지관(dip tube)을 통해 챔버(10)의 외부로 배출된다. 이러한 방법을 사용하게 되면, 탱크(30) 내부의 장치(50)의 깊이가 용이하게 조절된다. 챔버(10)의 위치는 수평하고 일정한 방식으로 하강하고 상승하여야 한다.

회전하는 나선형 임펠러가 상향 추진력을 발생시킬 것이기 때문에, 최종의 깊이 조정 전에 모터(16)를 가동시켜야 할 필요가 있다. 또한, 도관(26)으로의 가스 유동이 시작되어야 할 필요가 있다. 또한, 천정 공간(48)내로의 산소의 증가는 장치의 부력을 증가시킬 것이다. 폭기장치(50)가 정상상태로 가동된 후, 추가의 밸러스트(34), 바람직하게는 공기 또는 물을 챔버(10)내로 추가함으로써 최종적인 조정이 이루어진다. 잠수된 장치가 탱크(30)내의 요망 위치의 중심부에 있도록 하기 위해 안내 케이블 또는 안내 로드(rod)(90)가 폭기장치(50)에 부착될 수 있다.

회전하는 임펠러(22)는 산소 및 폐수(32)를 개구(28)를 통해 흡출관(24)내로 유도할 것이다. 가스-액체 혼합물(36)은 고속 제트류로서 흡출관(24)으로부터 배출될 것이며, 바람직하게는 약 20°의 각도로 팽창한다. 운동량 보존에 기초하면, 제트류(36)의 속도는 이의 팽창에 따라서 감소할 것이다. 딥 탱크(30)내에서의 폭기장치(50)의 깊이는 가스-액체 제트류(36)가 탱크(30)의 바닥에 침전되는 고형물과 슬러지(33)를 혼합시키고 현탁시키기에 충분한 속도를 갖도록 조정된다. 샘플은 고형물과 슬러지가 적절하게 현탁되도록 탱크(30)의 여러 깊이에서 채취될 수 있다. 임펠러(22)의 회전 속도는 전체적으로 볼 때 고형 현탁액의 요건과는 무관하다.

딥 탱크(30)내에 들어있는 폐수(32)에 폭기장치(50)를 잠수시킴으로써, 물질 전달을 위한 추가의 수압 헤드 때문에 표면 부유 폭기장치에 비해 예기치 못했던 장점이 달성된다. 산소 용해도는 압력하에서 높아지기 때문에, 폭기장치(50)가 탱크(30)내로 보다 깊숙이 잠수됨에 따라 산소 전달 속도는 증가할 것이다.

산소 이용율은 또한 폭기장치(50)를 폐수(32)내로 잠수시킴으로써 증가한다. 일반적으로, 제트류(36)로부터의 비용해 가스, 즉, 산소 기포(38)는 상승할 것이며, 본 발명의 바람직한 실시예로서, 재포착되어 흡출관(24)으로 유도될 것이다. 임펠러(22)에 의해 발생되는 와동에 의해 이들 산소 기포(38)가 개구(28)를 통해 유도되고 임펠러(22)를 통해 재순환된다. 그러나, 산소 기포(40)의 일정 분율은 포착되고 재순화되지 않으면서 챔버(10) 주위로 이탈할 것이다. 소량의 산소 기포(40)가 잠수된 챔버 주위로 이탈할 수 있음에도 불구하고, 이탈되는 산소 기포(40)는 액체(32)의 표면에 이르기 전에 여전히 상향으로의 상당한 이동 거리를 갖는다. 따라서, 이탈되는 산소 기포(40)중의 절반이 안되는 양만이 실제로 액체 표면에 도달할 수 있다. 이로써 산소 이용률이 개선된다. 더욱이, 이탈하는 산소 기포(40)는 또한 딥 탱크의 상부에 약간의 교반 및 산소화를 제공할 것이다.

본 발명의 경우, 폭기장치(50)의 동력 입력 및 회전 속도는 산소 요구량에 기초하여 최적화될 수 있다. 이것은 고형물 현탁 요건과는 무관하다. 따라서, 본 발명의 경우에는 자본 및 동력 비용 둘 모두가 크게 감소된다.

본 발명의 또 다른 측면으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 산소를 동반하는 제트류(56)가 하향으로 가늘어지게 하면서, 조정 가능한 제트 폭기장치(70)가 잠수 가능한 중공 부유체(10) 또는 밸러스트 챔버상에 설치될 수 있다. 조정 가능한 제트 폭기장치는 고정 위치의 제트 폭기장치와는 달리, 가변성의 고형물 로딩 및 공정 조건에 따라 탱크 바닥에서 가변성의 혼합 강도의 유연성을 제공한다.

이러한 실시예에서는 밸러스트 챔버(10)가 단일 챔버로서 도시되어 있지만, 챔버(10)는 또한 1개 이상의 중공 챔버를 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예 형태로 도 3에 도시된 바와 같은 형상의 챔버(10)는 액체(32)중에서 위로 상승하는 비용해 가스 입자를 포착하고 이들을 천정 공간(48)으로 유도하는데 사용된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 이들 입자를 포착하는데는 어떠한 수단도 사용될 수 있으며 이러한 수단은 챔버(10)의 형상에는 좌우되지 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 액체 운동량은 모터(52)에 의해 구동되는 펌프(66)에 의해 제공된다. 제트 폭기장치용 펌프(66)는 부유체(10)의 상부에 또는 액체(32)의 외부에 장착될 수 있다. 액체(32)는 폐수 처리장 또는 딥 탱크(30)로부터 유입구(54)를 통해 펌프(66)내로 유도된다. 액체는 펌프 유출구(56)를 통해 고압(예, 15 내지 200psig)으로 펌프(66)로부터 배출되고 벤투리관(58)을 통해 통과된다. 벤투리관(58)의 잘록한 중간부는 위치 에너지로 그리고 운동 에너지로 전환되어 속도가 최대치로 증가하면서 압력은 감소하게 된다. 실제로, 압력이 음성 강하하여 벤투리관(58)의 목부에서 진공이 발생될 수 있다. 파이프(60)는 챔버(10) 아래에 있는 천정 공간(48)을 벤투리관(58)의 목부(64)에 연결시키는데 사용될 수 있으며, 그 결과로 형성된 진공은 천정 공간(48)으로부터의 가스를 벤투리관(58)내로 유도하여 2상 흐름을 형성시킬 수 있다.

산소는 가요성 산소 호스(72)를 통해 챔버(10)의 상부에 있는 유입구(26)로 공급된다. 산소는 천정 공간(48)내로 직접 주입될 수 있거나 예를 들어 살포기를 사용하여 액체(32)에 직접 주입될 수 있다. 가요성 산소 호스(72)를 통해 천정 공간(48)내로 공급된 새로운 산소는 포착되고 천정 공간(48)으로 재유도되는 액체(32)중에서 위로 상승하는 어떠한 비용해 산소 기포(38)로부터 발생되는 재순환된 산소와 혼합될 것이다. 챔버(10) 아래에 위치한 천정 공간(48)에서의 압력은 액체(32)의 표면 아래에 있는 유닛의 깊이에 좌우될 것이다. 벤투리관(58)으로 유입되는 산소(새로운 및 재순환된 산소)의 양은 변할 것이지만, 펌프(66)의 속도는 상이한 산소 용해 요건에 부합되도록 조정될 수 있다.

아주 깊은 깊이(예를 들어, 100ft. 초과의 깊이)에서는, 재순환된 산소가 더 이상 필요치 않으며 새로운 산소가 벤투리관(58)으로 직접 공급될 수 있다. 대안적으로, 새로운 산소가 압력하에 펌프 배출 파이프(56)내로 직접 공급되어 가스 액체 제트류(36)를 형성하기 때문에 벤투리관(58)이 필요하지 않다.

이와 같이, 본 발명은 최소의 요구 에너지를 사용하여 딥 탱크에서 폐수와 고형물을 폭기시키면서 동시에 교반시키는 장치 및 방법을 제공한다.

이상에서와 같이, 본 발명은 특정의 바람직한 실시예와 함께 구체적으로 기술되었지만, 많은 대안예 및 변형예 및 변경예가 상기된 설명을 통해 당업자에게는 자명하게 될 것이라는 것은 분명하다. 따라서, 하기의 특허청구범위는 본 발명의 범위 및 기술사상으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 이와 같은 대안예, 변형예 및 변경예를 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

이상에서와 같이, 본 발명은 최소의 에너지로 딥 탱크에서 폐수를 폭기시키는 장치 및 방법, 딥 탱크에서 고형물을 교반시키는 장치 및 방법, 및 딥 탱크에서 액체를 폭기시키면서 고형물을 교반시키는 장치 및 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명의 장치를 도시하는 측면도이다.

도 2는 딥(deep) 탱크에 잠겨있는 본 발명의 장치를 도시하는 측면도이다.

도 3은 본 발명의 분사 폭기장치를 도시하는 측면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 밸러스트 챔버 12 : 유체 밸브

14 : 공기 밸브 22 : 임펠러

24 : 흡출관 30 : 딥 탱크

32 : 액체 33 : 고형물

48 : 천정 공간 50 : 폭기장치

Claims

액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치로서, 액체역중에 잠수시키기 적합하며,

a) 상기 액체역의 표면으로 상승하는 비용해 가스를 포착하고 상기 포착된 비용해 가스를 상기 장치의 천정 공간으로 유도하는데 적합한 컬렉터;

b) 상기 액체역 바닥의 침전 고형물과 슬러지를 혼합하여 현탁시키고 비용해 가스를 용해할 수 있도록, 상기 컬렉터에 의해 상기 천정공간으로 유도된 비용해 가스 및 액체를 공급 가스 유입구로부터 유도된 공급 가스와 함께 가스 액체 혼합물로서 상기 액체역 바닥쪽으로 고속으로 하향 배출하기 위한 유체 펌프; 및

c) 상기 장치에 연결되고, 제 1 밸러스트로 충전됨으로써 상기 장치를 상기 액체역중으로 잠수시키기에 적합하며, 제 2 밸러스트로 충전됨으로써 상기 장치를 상기 액체역중에서 위로 상승시키기에 적합한 1개 이상의 밸러스트 챔버를 포함하는, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
제 1항에 있어서, 상기 유체 펌프는 흡출 부재내에 배치된 회전 가능한 샤프트에 연결된 임펠러를 포함하는, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
제 1항에 있어서, 상기 컬렉터는 상기 비용해 가스를 포착할 수 있는 크기를 갖는 밸러스트 챔버 표면을 구비하고, 상기 밸러스트 챔버 표면은 상기 비용해 가스를 상기 천정 공간으로 유도할 수 있도록 경사진 평면을 구비한, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치로서, 액체역중에 잠수되기에 적합하며,

a) 상기 액체역으로부터 액체를 유도하고 상기 액체를 고속으로 배출시키는데 적합한 조정 가능한 제트 폭기장치;

b) 상기 제트 폭기장치에 연결되고, 잘록한 중간부를 가지며, 상기 폭기장치로부터 액체를 고속으로 수용하기에 적합한 벤투리관;

c) 제 1 단부가 상기 벤투리관의 목부에 연결되고, 제 2 단부가 상기 벤투리관 아래의 천정 공간으로부터 제 1 가스를 유도하고 상기 제 1 가스를 상기 벤투리관으로 다시 공급하기에 적합한 파이프;

d) 상기 천정 공간으로 제 2 가스를 공급하기 위한 도관;

e) 상기 장치에 부착되고, 제 1 밸러스트로 충전되어 상기 장치가 상기 액체역중에 잠수되도록 하고 제 2 밸러스트로 충전되어 상기 장치가 상기 액체역중에서 상승되도록 하기에 적합한 밸러스트 챔버; 및

f) 상기 액체역으로부터 상승하는 비용해 가스를 포착하여 상기 비용해 가스를 천정 공간으로 유도하는 컬렉터를 포함하는, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
제 4항에 있어서, 상기 컬렉터는 상기 비용해 가스를 포착할 수 있는 크기의 밸러스트 챔버 표면을 구비하고, 상기 밸러스트 챔버 표면은 상기 비용해 가스를 상기 천정 공간으로 유도할 수 있도록 경사 표면을 구비하는, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
제 4항에 있어서, 상기 제트 폭기장치가 상기 액체역으로부터 상기 액체를 유도하는 유입구 및 상기 액체를 고속으로 배출시키는 유출구를 지닌 펌프를 포함하는, 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁과 가스를 용해시키기 위한 장치.
액체역을 폭기시키고 상기 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법으로서,

a) 잠수 가능한 폭기장치를 제공하는 단계;

b) 상기 폭기장치를 상기 액체역의 표면 아래로 잠수시키는 단계;

c) 상기 액체역내로 가스 스트림을 유입시키는 단계; 및

d) 상기 액체역 바닥의 침전 고형물과 슬러지를 혼합하여 현탁시키고 비용해가스를 용해할 수 있도록 하기 위해 상기 폭기 장치를 사용하여 상기 가스 스트림과 상기 액체역 중의 비용해 가스 및 액체와 혼합시키고, 상기 혼합된 가스-액체 혼합물을 상기 액체역 바닥쪽으로 고속으로 하향 배출하는 단계를 포함하는, 액체역을 폭기시키고 상기 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법.
제 7항에 있어서, 상기 폭기장치의 잠수된 깊이를 조정하여 상기 액체역중에 침전하는 고형물의 현탁을 최적화시키는 단계를 추가로 포함하는, 액체역을 폭기시키고 상기 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법.
제 8항에 있어서, 상기 폭기장치의 깊이를 조정하는 단계는,

a) 상기 잠수 가능한 폭기장치에 연결된 밸러스트 챔버를 제 1 밸러스트로 충전시켜 상기 잠수 가능한 폭기장치가 상기 액체역의 표면 아래로 잠수되도록 하는 단계;

b) 상기 잠수 가능한 폭기장치가 상기 액체역중에서 요망 깊이에 도달할 때까지 밸러스트 챔버를 제 1 밸러스트로 충전시키는 단계;

c) 상기 밸러스트 챔버를 제 2 밸러스트로 충전시킴으로써 상기 제 1 밸러스트를 배출시켜 상기 잠수 가능한 폭기장치가 상기 액체역의 표면으로 상승되도록 하는 단계를 포함하는, 액체역을 폭기시키고 상기 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법.
제 7항에 있어서, a) 상기 액체역의 표면으로 상승하는 상기 비용해 가스를 포착하는 단계; 및 b) 상기 비용해 가스를 가스-액체 제트류로 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 액체역을 폭기시키고 상기 액체역중에 침전하는 고형물을 현탁시키는 방법.