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KR101660285B1 - 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치 - Google Patents

유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치 Download PDF

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KR101660285B1
KR101660285B1 KR1020150034850A KR20150034850A KR101660285B1 KR 101660285 B1 KR101660285 B1 KR 101660285B1 KR 1020150034850 A KR1020150034850 A KR 1020150034850A KR 20150034850 A KR20150034850 A KR 20150034850A KR 101660285 B1 KR101660285 B1 KR 101660285B1
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water treatment
water
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treatment space
stator
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장봉재
최진영
조현학
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이엠솔루션 주식회사
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Abstract

본 발명은 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 내부에 수용공간이 형성되고, 일측에 상기 피처리수가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 상기 피처리수가 배출되는 유출구가 형성된 본체 및 상기 본체 내부 일측에 고정 설치되는 고정자 및 상기 고정자와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하되, 상기 유입구를 통해 유입되는 상기 피처리수는 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 발생하는 전단 응력의 차이에 의해 상기 유기체가 사멸되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 회전자의 기계적인 회전력에 의해 발생되는 전단 응력의 차이를 이용하여 피처리수 중에 포함된 유기체를 사멸시키는 방식으로 인해 수처리 과정에서 인체에 유해한 부산물이 발생되지 않아 피처리수의 정화 효율이 보다 향상될 뿐 아니라 발생된 부산물을 처리하기 위한 별도의 작업이 요구되지 않아 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.

Description

유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치{Water treatment apparatus using fluid shear stress}
본 발명은 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정자와 고정자와 근접하게 배치되어 고속 회전하는 회전자 사이에서 발생하는 전단 응력의 차이를 이용하여 피처리수 중에 포함된 유기체를 사멸시켜 피처리수를 정화할 수 있도록 한 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 대형 선박은 균형유지 및 화물의 유무에 따라 선박의 일정한 흘수를 유지하기 위하여 선박의 하부에 별도의 밸러스트 탱크를 설치하고, 화물이 적거나 없는 경우 이에 비례하는 해수를 밸러스트 탱크에 유입하여 선박의 균형을 유지하게 된다.
위와 같은 밸러스트 탱크에는 적게는 수천 톤부터 많게는 수만 톤 이상의 해수가 유입 또는 유출된다.
이 때, 유입되는 해수의 양은 배의 크기 즉, 배수량을 기준으로 설정되는데, 대형 선박의 경우 1만 톤 이상의 해수를 유입하는 경우도 빈번하게 나타난다.
이 과정에서 유입되는 해수에는 수중 미생물이 포함되는데, 선박이 정박한 국가 및 지역의 해수를 유입한 후 타국가 및 타지역으로 이동하여 해수를 방출하는 경우 해수 유입과정에서 혼입된 수중 미생물이 타지역으로 전파되는 문제점이 발생될 수 있다.
이러한 수중 미생물의 이동은 자연계에서는 거의 발생되지 않는 현상으로 대표생물 종의 변종, 적조발생 등의 생태계 교란현상이 발생하게 되므로 매우 심각한 문제로 대두되고 있다.
위와 같은 이유로 종래에는 해수의 방출 시 해수에 포함된 수중 미생물을 다양한 방법으로 제거하고 있으며, 이 중 대표적인 방법이 전기분해를 이용하는 방법이다.
전기분해를 이용하는 방법은 해수의 전기분해를 통해 차아염소산나트륨(NaOCl)을 생성시켜 수중 미생물을 제거하는 방법으로 수중 미생물 제거를 위한 가장 효율적인 방법으로 널리 운용되고 있으나, 수중 미생물의 처리 후 차아염소산나트륨(NaOCl)을 중화시키기 위한 별도의 중화제를 투입해야 하므로 작업이 번거로울 뿐 아니라 이에 따른 비용이 상승하는 문제점이 있다.
또한, 전기분해를 이용하는 방법은 해수와 접촉되는 전극에 스케일이 발생될 우려가 있으며, 스케일이 발생되는 경우 위험 화합물로 분류되는 스케일 제거제를 이용해야하므로 취급이 용이하지 않을 뿐 아니라 스케일 제거제를 이용하여 전극을 세정함에 있어 2차 오염이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
한국등록특허 제 0928069호 “선박용 밸러스트 수 전처리 필터 및 그 처리 방법”
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고정자와 고정자와 근접하게 배치되어 고속 회전하는 회전자 사이에서 발생하는 전단 응력의 차이를 이용하여 피처리수 중에 포함된 유기체를 사멸시켜 피처리수를 정화할 수 있도록 한 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 피처리수 내에 포함된 유기체의 사멸을 유도하여 피처리수를 정화하는 수처리 장치에 있어서, 내부에 수용공간이 형성되고, 일측에 상기 피처리수가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 상기 피처리수가 배출되는 유출구가 형성된 본체 및 상기 본체 내부 일측에 고정 설치되는 고정자 및 상기 고정자와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하되, 상기 유입구를 통해 유입되는 상기 피처리수는 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 발생하는 전단 응력의 차이에 의해 상기 유기체가 사멸되는 것을 특징으로 하는 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치가 제공된다.
여기서, 상기 고정자는 일단이 상기 본체 내면 일측에 결합되고, 내부에 상기 유입구와 연통하는 제 1 수처리 공간이 형성되는 제 1 하우징 및 일단이 상기 본체 내면 타측에 결합되고, 상기 제 1 하우징의 외측에 상기 제 1 수처리 공간과 연통하는 제 2 수처리 공간이 형성되는 제 2 하우징을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 하우징은 타단으로부터 일단 방향으로 절개되어 상기 제 1 수처리 공간과 상기 제 2 수처리 공간을 연통하는 적어도 하나의 배출홈이 형성되고, 상기 제 2 하우징은 외면 일측에 상기 제 2 수처리 공간과 상기 수용공간을 연통하는 적어도 하나의 배출공이 형성되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 회전자는 상기 고정자와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되는 회전몸체 및 상기 제 1 수처리 공간과 대응되는 상기 회전몸체 일측에 돌출 형성되고, 상기 제 1 수처리 공간에 배치되어 일측이 상기 제 1 하우징의 내주면과 근접하게 위치하는 제 1 전단돌기 및 상기 제 2 수처리 공간과 대응되는 상기 회전몸체 타측에 돌출 형성되고, 상기 제 2 수처리 공간에 배치되어 일측과 타측이 상기 제 2 하우징의 내주면 또는 외주면과 근접하게 위치하는 제 2 전단돌기를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
아울러, 상기 제 1 전단돌기 및 제 2 전단돌기는 회전 방향을 따라 상호 이격되게 복수개가 형성되며, 회전 반대 방향으로 라운드지게 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 회전자의 기계적인 회전력에 의해 발생되는 전단 응력의 차이를 이용하여 피처리수 중에 포함된 유기체를 사멸시키는 방식으로 인해 수처리 과정에서 인체에 유해한 부산물이 발생되지 않아 피처리수의 정화 효율이 보다 향상될 뿐 아니라 발생된 부산물을 처리하기 위한 별도의 작업이 요구되지 않아 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 정면도이다.
도 3은 도 2의 A-A'의 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치 내부에서 피처리수의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 고정자와 회전자 내부에서 피처리수 중에 포함된 유기체가 사멸되는 일예를 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시에에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 정면도이고, 도 3은 도 2의 A-A'의 부분 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치(1)는 유입되는 피처리수 내부에 전단 응력의 차이를 발생시키고, 이를 통해 피처리수 중에 포함된 유기체의 사멸을 유도하여 피처리수를 정화 처리하기 위한 것으로서, 본체(10), 고정자(20), 회전자(30) 및 회전력 제공수단(40)을 포함한다.
여기서, 유기체는 미생물, 바이러스 또는 세균 등을 포함한다.
본체(10)는 몸체부(11)와 상기 몸체부(11)의 일단에 결합되는 커버를 포함하여 이루어진다.
몸체부(11)는 양단이 개방된 원통 형상으로서 내부에 피처리수가 유입되는 수용공간(T)이 형성되고, 외면 일측에 수용공간(T)으로 유입되어 정화 처리된 피처리수를 외부로 배출하기 위한 유출구(11a)가 형성된다.
그리고, 몸체부(11)는 양단부 외면 일측에서 내측 방향으로 플랜지(11b)가 연장 형성되며, 이러한 플랜지(11b)는 몸체부(11)와 커버부(12) 및 몸체부(11)와 회전력 제공수단(40)을 결합하기 위한 체결수단이 체결되는 영역을 제공한다.
또한, 몸체부(11)와 커버부(12) 및 몸체부(11)와 회전력 제공수단(40) 간에는 각각의 결합부위를 실링하기 위한 밀폐링(11c)이 개재되어 수용공간(T)으로 유입된 피처리수가 각각의 결합부위를 통해 유출되는 것을 방지한다.
커버부(12)는 몸체부(11)와 대응되는 직경의 원판 형상으로서 일면이 몸체부(11)의 일단에 결합되고, 중앙에 피처리수가 유입되는 경로를 제공하는 유입구(12a)가 형성된다.
고정자(20)는 본체(10) 내부 일측에 설치되어 유입되는 피처리수를 정화 처리하기 위한 수처리 공간을 제공하기 위한 것으로서, 제 1 하우징(21) 및 제 2 하우징(22)을 포함한다.
제 1 하우징(21)은 원통 형상으로서 일단이 커버부(12)의 일면 일측에 결합되고, 내부에 유입구(12a)와 연통하는 제 1 수처리 공간(21a)이 형성된다.
그리고, 제 1 하우징(21)은 타단으로부터 일단 방향으로 절개되고, 외주면을 따라 일정 간격 이격되게 복수개의 배출홈(21b)이 형성된다.
여기서, 배출홈(21b)은 제 1 하우징(21)의 제 1 수처리 공간(21a)으로 유입된 피처리수가 제 2 하우징(22)의 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입되는 경로를 제공한다.
제 2 하우징(22)은 제 1 하우징(21)보다 큰 직경의 원통 형상으로서 일단이 커버부(12)의 일면 타측에 결합되되 제 1 하우징(21)과 유입구(12a)를 중심으로 한 동심원 상에 배치되고, 내부에 제 1 수처리 공간(21a)과 연통하는 제 2 수처리 공간(22a)이 형성된다.
그리고, 제 2 하우징(22)은 길이 방향을 따라 일정 간격 이격되고, 외주면을 따라 일정 간격 이격되게 복수개의 배출공(22b)이 형성된다.
여기서, 배출공(22b)은 제 2 하우징(22)의 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입된 피처리수가 본체(10)의 수용공간(T)으로 배출되는 경로를 제공한다.
본 실시예에서 고정자(20)는 동심원 상에 배치되는 2개의 하우징으로 구성하여 피처리수가 순차적으로 유입되는 2개의 수처리 공간이 형성되는 구조로 예시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 하우징의 개수를 추가하여 3개 이상의 수처리 공간이 형성되는 구조로 형성할 수도 있다.
회전자(30)는 고정자(20)와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되어 고정자(20)와 회전자(30) 사이로 유입되는 피처리수를 고속 회전시켜 전단 응력의 차이가 발생되도록 하는 것으로서, 회전몸체(31), 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)를 포함한다.
회전몸체(31)는 원판 형상으로 형성되고, 타단이 후술하는 회전력 제공수단(40)의 회전축에 고정 결합된다.
제 1 전단돌기(32)는 제 1 수처리 공간(21a)과 대응되는 회전몸체(31)의 일단으로부터 돌출 형성되고, 원주 방향을 따라 일정 간격 이격되게 복수개가 형성된다.
그리고, 제 1 전단돌기(32)는 각각이 제 1 수처리 공간(21a)에 배치되고, 각각의 외주면이 제 1 하우징(21)의 내주면과 근접하도록 배치되어 각각의 외주면과 제 1 하우징(21)의 내주면 사이에 미세한 간극을 형성한다.
제 2 전단돌기(33)는 제 2 수처리 공간(22a)과 대응되는 회전몸체(31)의 일단으로부터 돌출 형성되고, 원주 방향을 따라 일정 간격 이격되게 복수개가 형성된다.
여기서, 제 1 전단돌기 및 제 2 전단돌기는 회전몸체의 회전 반대 방향으로 라운드지게 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 제 2 전단돌기(33)는 각각이 제 2 수처리 공간(22a)에 배치되고, 각각의 내주면이 제 1 하우징(21)의 외주면과 근접하게 배치되며, 각각의 외주면이 제 2 하우징(22)의 내주면과 근접하게 배치되어 각각의 내주면과 제 1 하우징(21)의 외주면 및 각각의 내주면과 제 2 하우징(22)의 내주면 사이에 미세한 간극을 형성한다.
본 실시예에서 회전 돌기는 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)를 포함하는 이중 돌기 구조로 예시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것을 아니며, 회전 돌기의 개수는 필요에 따라 3개 이상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)는 복수개가 원주 방향을 따라 일정 간격 이격되게 형성되는 구조로 예시되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)는 원주 방향을 따라 연속적으로 형성되는 일체 구조로 형성될 수도 있다.
상기와 같은 회전자(30)는 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)가 제 1 하우징(21)의 제 1 수처리 공간(21a) 및 제 2 하우징(22)의 제 2 수처리 공간(22a)에 배치되어 고속으로 회전함으로써, 제 1 수처리 공간(21a) 및 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입되는 피처리수를 동반 회전시켜 원심력에 의해 본체(10)의 수용공간(T)으로 배출되도록 한다.
이 때, 제 1 전단돌기(32)의 외주면과 제 1 하우징(21)의 내주면 사이, 제 2 전단돌기(33)의 내주면과 제 1 하우징(21)의 외주면 사이, 제 2 전단돌기(33)의 외주면과 제 2 하우징(22)의 내주면 사이에 형성된 미세한 간극으로 유입되는 피처리수는 고속 회전에 의해 내부에 전단 응력의 차이가 발생된다.
이에 따라 피처리수 중에 포함된 유기체는 서로 다른 크기의 전단 응력의 작용으로 세포막이 파열되거나 손상되어 사멸하게 된다.
회전력 제공수단(40)은 일단이 몸체부(11)의 타단에 결합되고, 회전축이 수용공간의 내부에 배치되며, 회전축(41)이 회전몸체(31)의 타단에 결합되어 회전몸체(31)에 회전력을 제공하기 위한 것으로서, 공지의 모터가 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 고정자와 회전자 내부에서 피처리수의 흐름을 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본체(10)의 유입구(12a)를 통해 제 1 수처리 공간(21a)으로 유입된 피처리수는 제 1 전단돌기(32)가 회전됨에 따라 동반 회전하게 되고, 원심력에 의해 배출홈(21b)를 통과하여 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입된다.
그리고, 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입된 피처리수는 제 2 전단돌기(33)가 회전됨에 따라 동반 회전하게 되고, 원심력에 의해 배출공(22b)을 통과하여 본체(10)의 수용공간으로 유입된 후 유출구(11a)를 통해 외부로 배출된다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치의 고정자와 회전자 내부에서 피처리수 중에 포함된 유기체가 사멸되는 일예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 제 1 하우징(21)의 제 1 수처리 공간(21a)과 제 2 하우징(22)의 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입되는 피처리수는 제 1 전단돌기(32) 및 제 2 전단돌기(33)가 도시된 화살표와 같이 반시계방향으로 회전하면, 원심력에 의해 제 1 수처리 공간(21a)과 제 2 수처리 공간(22a)을 거쳐 본체의 수용공간으로 배출된다.
이 때, 제 1 전단돌기(32)의 외주면과 제 1 하우징(21)의 내주면 사이(확대도 A), 제 2 전단돌기(33)의 내주면과 제 1 하우징(21)의 외주면 사이(확대도 B), 제 2 전단돌기(33)의 외주면과 제 2 하우징(22)의 내주면 사이(확대도 C)에 형성된 미세한 간극으로 유입되는 피처리수는 내부에 전단 응력의 차이가 발생하게 된다.
이로 인해 피처리수 중에 포함된 유기체(S)는 서로 다른 전단 응력의 작용으로 인해 세포막이 파열 또는 손상되어 사멸하게 된다.
도 5b를 참조하면, 제 1 수처리 공간(21a)으로 유입되어 배출홈(21b)을 통해 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입되는 피처리수 중에 포함된 유기체(S)는 확대도 D에 도시된 바와 같이, 배출공(21b)으로 유입되면서 제 1 전단돌기(32)에 부딪혀 세포막이 파열 또는 손상되어 사멸하게 된다.
마찬가지로 제 2 수처리 공간(22a)으로 유입되어 배출공(22b)을 통해 수용공간(T)으로 유입되는 피처리수 중에 포함된 유기체(S)는 배출공(22b)으로 유입되면서 제 2 전단돌기(33)에 부딪혀 세포막이 파열 또는 손상되어 사멸하게 된다.
위와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치(1)는 회전자(30)의 기계적인 회전력에 의해 발생되는 전단 응력의 차이를 이용하여 피처리수 중에 포함된 유기체를 사멸시키는 방식으로 인해 수처리 과정에서 인체에 유해한 부산물이 발생되지 않아 피처리수의 정화 효율이 보다 향상될 뿐 아니라 발생된 부산물을 처리하기 위한 별도의 작업이 요구되지 않아 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
1 : 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치
10 : 본체 11 : 몸체부
11a : 유출구 11b : 플랜지
11c : 밀폐링 12 : 커버부
12a : 유입구 20 : 고정자
21 : 제 1 하우징 21a : 제 1 수처리 공간
21b : 배출홈 22 : 제 2 하우징
22a : 제 2 수처리 공간 22b : 배출공
30 : 회전자 31 : 회전몸체
32 : 제 1 전단돌기 33 : 제 2 전단돌기
40 : 회전력 제공수단 41 : 회전축
S : 유기체 T : 수용공간

Claims (5)

  1. 피처리수 내에 포함된 유기체의 사멸을 유도하여 피처리수를 정화하는 수처리 장치에 있어서,
    내부에 수용공간이 형성되고, 일측에 상기 피처리수가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 상기 피처리수가 배출되는 유출구가 형성된 본체와;
    상기 본체 내부 일측에 고정 설치되는 고정자와;
    상기 고정자와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되는 회전자를 포함하되,
    상기 유입구를 통해 유입되는 상기 피처리수는 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 발생하는 전단 응력의 차이에 의해 상기 유기체가 사멸되는 것을 특징으로 하되,
    상기 고정자는
    일단이 상기 본체 내면 일측에 결합되고, 내부에 상기 유입구와 연통하는 제 1 수처리 공간이 형성되는 제 1 하우징과;
    일단이 상기 본체 내면 타측에 결합되고, 상기 제 1 하우징의 외측에 상기 제 1 수처리 공간과 연통하는 제 2 수처리 공간이 형성되는 제 2 하우징을 포함하고,
    상기 회전자는
    상기 고정자와 근접한 일측에 회전 가능하게 설치되는 회전몸체와;
    상기 제 1 수처리 공간과 대응되는 상기 회전몸체 일측에 돌출 형성되고, 상기 제 1 수처리 공간에 배치되어 일측이 상기 제 1 하우징의 내주면과 근접하게 위치하는 제 1 전단돌기와;
    상기 제 2 수처리 공간과 대응되는 상기 회전몸체 타측에 돌출 형성되고, 상기 제 2 수처리 공간에 배치되어 일측과 타측이 상기 제 2 하우징의 내주면 또는 외주면과 근접하게 위치하는 제 2 전단돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징은 타단으로부터 일단 방향으로 절개되어 상기 제 1 수처리 공간과 상기 제 2 수처리 공간을 연통하는 적어도 하나의 배출홈이 형성되고,
    상기 제 2 하우징은 외면 일측에 상기 제 2 수처리 공간과 상기 수용공간을 연통하는 적어도 하나의 배출공이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전단돌기 및 제 2 전단돌기는 회전 방향을 따라 상호 이격되게 복수개가 형성되며, 회전 반대 방향으로 라운드지게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 전단 응력을 이용한 수처리 장치.
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