[논문]유입구 및 정류벽 최적설계에 의한 최종 침전지 성능 개선 연구

김혜숙; 신미수; 장동순; 정성희; 강동효

유입구 및 정류벽 최적설계에 의한 최종 침전지 성능 개선 연구
Performance Enhancement Study of a Final Clarifier by the Optimum Design of Inlet and Baffle Condition 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.27 no.2, 2005년, pp.177 - 183

김혜숙 (충남대학교 환경공학과) , 신미수 (충남대학교 환경공학과) , 장동순 (충남대학교 환경공학과) , 정성희 (한국원자력연구소) , 강동효 (부산광역시 환경시설공단)

초록
AI-Helper

하 폐수 처리장의 방류수 수질은 최종 침전지의 성능에 의해 직접적으로 영향을 받으므로 최종 침전지의 효율적 설계 및 운전은 하 폐수 처리에 소요되는 비용 절감과 더불어 수질보전을 위한 하수 정화의 목표를 달성할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 장방형 최종 침전지의 성능 개선을 위하여 유입구 위치와 정류벽 설치에 따른 내부 유동특성 및 고형물질의 제거효율을 수치해석방법을 통해 평가하였다. 개발된 2차원 컴퓨터 프로그램은 방사성 추적자를 이용한 체재시간분포 곡선과의 비교를 통해 성공적으로 검증된 수치해석 모델로 수력학적 구조변경에 대한 침전지의 성능 예측을 가능하게 하였다. 최종 침전지의 유입구 위치는 낮을수록 침전지에 형성된 강력한 바닥흐름과 수표면 역흐름으로 나타나는 밀도류를 저감시켰으며 침강된 슬러지의 하류 이동을 감소시켰다. 최종 침전지 유입부에 설치된 정류벽은 유입수가 출구로 직접 흐르는 단락류를 방지하고 밀도 저류로 유입되도록 하여 방류수 수질을 향상시키나 유입구 위치가 낮은 경우에 설치된 정류벽은 오히려 방류수 수질을 떨어뜨리는 결과를 초래하였다. 결국 최종 침전지의 성능 개선을 위한 수력학적 구조변경 및 설계는 다양한 변수에 대한 조직적인 수치해석 연구가 필요하며 선행되어야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effluent quality is directly affected by the separation of biological solids in a final clarifier because the majority of discharged $BOD_5$ and SS are virtually dependent on the results of biological solids in the sedimentation tank effluent. If a final clarifier is effectively designed and operated, the desired goal of clarification for wastewater can be achieved together with the cost reduction in the treatment of wastewater. To this end flow characteristics and the removal efficiency of SS are numerically investigated especially by the change of the inlet position and the installation of baffle to improve the performance of a rectangular final clarifier. The 2-D computer program developed in a rectangular coordinates has been successfully validated against experimental residence time distribution(RTD) curves obtained by tracing radio-isotope. The lowering of the inlet position weakens the density current and induces the settling of SS in the front zone of a clarifier. Thus the decreased traveling distance of the sludge increases the removal efficiency of SS in the effluent. The inlet baffle installed in the front region of clarifier prevents the short circuiting flow and induces to flow into the dense underflow, which eventually improves the effluent quality. In the case of lower inlet position, however, installation of baffle results in degradation of effluent quality. Consequently it is strongly recommended that in-depth numerical study be performed in advance for optimizing a clarifier design and retrofitting to improve effluent quality in a final clarifier.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

함으로써 침전효과를 높이는데 있다. 그러므로 본 연구에서는 최종 침전지에 입구 정류벽 설치에 따른 방류수 수질의 향상 정도를 수치해석방법을 통해 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 장방형 최종 침전지의 유입구와 정류벽의 수력학적 구조변경에 따른 침전지 내부 유동 특성을 검증된 컴퓨터 모델을 이용하여 평가하였으며 출구에서 계산된 SS 농도를 비교하여 침전지 성능 개선을 위한 최적의 설계 자료를 제시하고자 한다.
변수연구를 통해 평가하였다. 본 논문은 최종 침전지에서 발생되는 밀도류를 저감시킬 수 있는 유입구 및 정류벽의 최적 설계와 이에 따른 침전지의 성능개선이 주요 연구 목적이며 개발된 프로그램의 검증결과는 최근에 김 (2004a; 2004b) 등에 의해 발표된 논문에 나타나 있다.^12,13⁾
본 연구에서는 장방형 최종 침전지의 성능 개선을 위해 수력학적 구조변경에 따른 침전지 내부 유동 특성 및 고형물질의 제거효율을 검증된 2차원 수치해석 모델을 사용하여 평가하였다. 본 연구의 주요결과를 요약하면 다음과 같다.
있다. 최종 침전지에서 부유고형물질과 온도차에 의해 발생한 강력한 밀도류는 침전지 내부에 비이상적인 유동특성인 난류와 편류 등을 형성하므로 유입 에너지를 슬러지 저류에 작용시키지 않기 위한 최적설계 및 운전조건을 설정하기 위한 많은 연구를 필요로 하며 본 논문에서는 이의 일환으로 유입구 위치와 정류벽 설치에 따른 내부 유동특성과 침전지의 고형물질 제거성능을 수치해석적 방법을 통해 평가하였다.

가설 설정

출구에서의 물리량은 출구 경계 근처의 값으로부터 연속방정식을 항시 만족하도록 계산하였다. 침전지 바닥은 유체유동에 의해 고형물질이 재비산되지 않는 완벽한흡수경 계 층으로 가정 하였다.

제안 방법

개발된 2차원 수치해석 모델은 대형 침전지에서 방사성 추적자를 이용하여 측정한 체재시간분포곡선과의 비교를 통해 성공적으로 검증하였으며 이로부터 유입구 및 정류벽 등의 수력학적 구조에 의한 최종 침전지의 성능과 유동 특성을 일련의 변수연구를 통해 평가하였다. 본 논문은 최종 침전지에서 발생되는 밀도류를 저감시킬 수 있는 유입구 및 정류벽의 최적 설계와 이에 따른 침전지의 성능개선이 주요 연구 목적이며 개발된 프로그램의 검증결과는 최근에 김 (2004a; 2004b) 등에 의해 발표된 논문에 나타나 있다.
이론적인 수치해석 결과가 대부분이었다. 그러나 본연구에서는 부산 하수처리장의 최종 침전지에 방사성 추적자를 투입한 후 시간에 따른 농도곡선인 체재시간분포도 (Residence Time Distribution, RTD), 즉 유량통과속도(Flow through-curve)를 측정하여 내부 유동특성을 정확하게 평가하였으며 이로부터 개발된 2차원 장방형 침전지 프로그램을 보정하고 검증하는데 이용하였다.
보통 최종 침전지에서는 고농도로 SS가 유입되므로 간단한 계산을 통해 위치에너지의 유입이 운동량 에너지(Pwv2) 의유입보다 큰 것을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 유입구 위치변화에 따른 침전지 내부 유동특성과 고형물 질의분포를 수치해석을 통해 계산하였다.
A 그러나 다양한 침강모델의 현실적인 적용을 위해서는 유입되는 하, 폐수의 특성과 사용된 처리공정에 따른 함수 보정이 추가적으로 필요하며 이러한 과정은 비교적 쉽지 않다. 그러므로 본 연구에서는 최종 침전지 고형물질의 일반적인 입경범위인 0.05-1.4 mm에 대해 식 (3) 과 같은 경험적 개별입자 침강모델을 사용하였으며 출구에서 측정된 방출수의 SS와 비교하였을 때 다른 침강모델에비해 상대적으로 일치된 결과를 나타내었다.
난류 유동 해석은 다양한 특성 시간과 와(渦)크기에 대한 구체적인 계산이 필요하나 제한된 컴퓨터 용량과 속도로 인해 직접적인 해를 구하는 것은 쉽지 않으므로 주요 변수에 대해 시간 평균을 사용하는 전통적인 방법으로 해석하였다. 이때 유동항과 같은 비선형항에 대한 시간 평균은 레이놀즈 (Reynolds) 전단력과 같은 변동상관항 (Turbulent fluctuation correlation)에 대한 모델이 요구된다.
방사성 추적자는 침전지 입구 전 단계 공정인 생물학적 폭기조 후단에 주입한 후 Fig. 2에 나타난 최종 침전지 도식도 와 같이 입구와 출구를 포함한 침전지 내부에 2X2 인치 Nal(Tl) 섬광검출기 (Eberline, SPA-3)를 고정시킨 후 시간에 따른 방사선량을 계측하였다.¹¹⁾계측된 RTD 곡선은 자연방사선에 의한 기여를 제거하고 사용된 1-131 의 반감기(8.
본 연구에서 개발된 최종 침전지 유동 해석 모델은 일반산업공정에서 공정성능을 진단하는 방법 증의 하나인 체재 시간 분포곡선(RTD)을 이용하여 모델을 검증하였다. 체재 시간 분포곡선 실험은 방사성 동위원소인 I-131(20m Ci 액체상)을 추적자로 사용하였다.
Consistent) 알고리즘을 사용하였다. 이산화된 식은 형식은 선형이나 종속변수의 함수로 주어지는 선형계수에 내재 된 비선형 특성 으로 인해 TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm)에 의해 반복 계산하였다.⁶⁾
2의 수치해석 영역을 위한 경계조건을 수립하였다. 입구 경계조건으로 실측된 유입 유량과 부유고형물질 농도를 균일한 수평방향 속도성분 Uin과 Gn으로 사용하였으며 실측된 RTD 곡선과의 비교로부터 입구 난류운동에너지 (k)는 유입속도(Uin)의 자승에 3% 로 하였고 이의 에너지 소산율(e)은 경험식으로 계산하였다. 자유 수표면은 Stamou 등(1969)과 마찬가지로 대칭면 조건을 사용하였다.
최종 침전지의 2차원 수직평면에서 유동특성을 규명하기 위하여 x-y 수직평면에 대한 직교좌표에서 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 질량, 운동량, 에너지, 난류 및 고형물질농도 등에 대한 지배방정식은 2차원 좌표계에서 다음과 같이 표현되며 단위체적당 시간에 따른 변화량은 유동 및 확산항 그리고 단위체적당 생성항의 합으로 나타난다.
^11,14) 벽면에서의 속도 성분은 no slip 조건을 사용하였으며 평행 속도 성분에 대해서는 벽 함수를 이용하였다. 출구에서의 물리량은 출구 경계 근처의 값으로부터 연속방정식을 항시 만족하도록 계산하였다. 침전지 바닥은 유체유동에 의해 고형물질이 재비산되지 않는 완벽한흡수경 계 층으로 가정 하였다.

대상 데이터

체재 시간 분포곡선 실험은 방사성 동위원소인 I-131(20m Ci 액체상)을 추적자로 사용하였다. 이와 같이 추적자로 사용된 방사성 동위원소는 미량으로도 정확하게 검출되며 공정의 물리 · 화학적 상태에 전혀 영향을 주지 않기 때문에 최근에 그 사용량이 증가하고 있다.

이론/모형

미지의 레이놀즈 전단력은 Bousinessq 가정을 이용하였고 난류 점성계수 μ는 Launder와 Spalding이 제시한 표준. k-g 모델을 사용하였다.⁹⁾
이때 유동항과 같은 비선형항에 대한 시간 평균은 레이놀즈 (Reynolds) 전단력과 같은 변동상관항 (Turbulent fluctuation correlation)에 대한 모델이 요구된다. 미지의 레이놀즈 전단력은 Bousinessq 가정을 이용하였고 난류 점성계수 μ는 Launder와 Spalding이 제시한 표준. k-g 모델을 사용하였다.
식 (1)과 같이 표현된 2차 편미분 지배방정식은 검사 체적에 기초한 Patankar의 유한차분방법을 사용하여 이산화하였으며 운동량 방정식에 나타나는 속도와 압력의 연계는 SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equa tions Consistent) 알고리즘을 사용하였다. 이산화된 식은 형식은 선형이나 종속변수의 함수로 주어지는 선형계수에 내재 된 비선형 특성 으로 인해 TDMA(TriDiagonal Matrix Algorithm)에 의해 반복 계산하였다.
입구 경계조건으로 실측된 유입 유량과 부유고형물질 농도를 균일한 수평방향 속도성분 Uin과 Gn으로 사용하였으며 실측된 RTD 곡선과의 비교로부터 입구 난류운동에너지 (k)는 유입속도(Uin)의 자승에 3% 로 하였고 이의 에너지 소산율(e)은 경험식으로 계산하였다. 자유 수표면은 Stamou 등(1969)과 마찬가지로 대칭면 조건을 사용하였다.^11,14) 벽면에서의 속도 성분은 no slip 조건을 사용하였으며 평행 속도 성분에 대해서는 벽 함수를 이용하였다.

성능/효과

그러나 유출부에서 감소된 상향 흐름은 유입구 위치가 높은 Fig. 7(a)와 (b)에 비해 낮은 방류수 농도를 나타내어 정류벽 설치에 관계없이 낮은 유입구 위치는 밀도류를 어느 정도 감소시켜 주는 것을 알 수 있었다. Table 3은 유입구 위치와 정류벽 설치에 따른 침전지의 정화성능을 출구에서 계산된 방류수의 SS 농도로 상대적으로 비교하여 나타낸 것이다.
그러나 이와 같은 밀도류 크기의 차이는 Fig. 5(b)와 (c)로부터 유입구에서 멀어질수록 줄어들었으며 침강 영역으로 갈수록 유입구 위치의 영향이 감소됨을 알 수 있었다. 결국 부유고형물질의 침강이 종료된 후에는 더 이상의 위치에너지가 바닥 밀도류로 전환되지 않고 있음을 판단할 수 있었다.
이외 여러 국가의 하 · 폐수 처리장에서 침강 문제로 인한 방류수 수질의 저하는 대략 20-50% 정도로 보고되고 있다.¹⁾결국 하 · 폐수 처리장의 방류수 수질은 최종 침전지의 성능에 의해 직접적으로 영향을 받으므로 최종 침전지가 효과적으로 운전된다면 하수처리에 소요되는 비용절감과 더불어 수질보전을 위한 하수 정화의 목표를 달성할 수 있다. 활성슬러지 시스템에서 최종 침전지는 생물학적 고형물질의 제거 외에도 일정량의 활성슬러지를 고농도로 반송하여 처리계통 전체를 안정적으로 유지할 수 있는 농축기능이 부가적으로 필요하며 우기시 최고유량에 대비하여 슬러지를 저장할 수 있는 기능을 수행한다.
6는 유입구 위치에 따른 부유고형물질의 농도분포를 보여준다. 유입수의 높이가 높을수록 20 mg/L의 슬러지 등 농도 곡선이 출구방향으로 휩쓸려 가는 현상을 나타내었으며 방류수의 SS 농도 또한 증가됨을 알 수 있었다. Fig.
최종 침전지에서 유기성 입자들이 효율적으로 제거된다면 방류수 COD(Chemic이 Oxygen Demand)가 14 ~ 45%까지 감소될 수 있으며 입자성 인의 제거효율 또한 55-80% 까지 증가될 수 있으므로 고형물질의 분리는 전반적인 폐수처리성능에 매우 중요한 인자임을 알 수 있다. 이외 여러 국가의 하 · 폐수 처리장에서 침강 문제로 인한 방류수 수질의 저하는 대략 20-50% 정도로 보고되고 있다.
4(b)는 출구에서 측정된 RTD 곡선으로 설계 체류 시간인 3시간과 유사한 시간에서 최고 농도를 나타내었으나 최종 침전지에 형성된 수표면 역흐름과 재순환 영역으로 인해 추적자 농도는 서서히 감소하였다. 특히 투입된 방사성 추적자는 16시간이 경과된 후에야 침전지를 대부분 빠져나가고 있으므로 내부 재순환 영역의 존재를 확인할 수 있었다.
폐수처리장의 침전공정에서 일어날 수 있는 수력학적 현상들을 평가할 수 있으므로 최종 침전지의 설계 및 최적 운전조건을 설정하는데 있어 유용한 도구로서의 가능성을 보여주었다. 결국 최종 침전지에서 효과적인 침전공정의 운영은 날로 엄격해지는 방류수 수질기준에 대응할 수 있으며 하수처리에 소요되는 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.

후속연구

초래하였다. 결국 최종 침전지의 성능 개선을 위한 수력학적 구조변경 및 설계는 다양한 변수에 대한 조직적인 수치해석 연구가 선행되어져야 할 것으로 판단되었다.
Table 3으로부터 유입구 위치에 따른 정류벽의 존재는 침전지의 성능을 개선시킬 수도 있으며 반대로 저하시킬 수 있음을 보여주고 있다. 그러므로 다양한 수력학적 변수에 대한 조직적인 수치해석 연구는 최종 침전지의 부유고형물질 제거성능을 증가시킬 수 있음과 동시에 수력학적 구조물의 최적 설계 자료를 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

Piirtola, L., Hultman, B., Andersson, C., and Lundeberg, Y., 'Activated Sludge Ballasting in Batch Tests,' Water Res., 33(8), 711-723(1999)
Parker, D. S., Kinnear, D. J., Gerges, H. Z., and Wahlberg, E. J., 'Approach for Diagnosing Secondary Clarifier Performance Problems and Prescribing Improvements,' WEF plant Operations Specialty Conference, 6-9 June, Milwaukee, Wisconsin, USA(1999)
Wahlberg, E. J., Merrill, D. T., and Parker, D. S., 'Troubleshooting Activated Sludge Secondary Clarifier Performance using Simple Diagnostic Tests,' Proc. 68th Annual WEF Conference and Exposition on Water Quality and Wastewater Treatment, 23 October, Miami, Florida, USA(1995)
Krebs, P., 'Success and Shortcomings of Clarifier Modelling,' Water Sci. Technol., 31(2), 181-191(1995)

상세보기
Esler, J. K., 'Optimizing Clarifier Performance,' paper presented at 57th Annu. Conf. Water Pollut. Control Fed., New Orleans, La.(1984)
Patankar, S. V., 'Numerical Heat Transfer and Fluid Flow,' McGraw-Hill Company(1980)
Mazzolani, G., Pirozzi, F., and d'Antonoi, G., 'A Generalized Settling Approach in the Numerical Modeling of Sedimentation Tanks,' Water Sci. Technol., 38(3), 95 -102(1998)

상세보기
McCorquodale, J. A., and Zhou, S., 'Effect of Hydraulic and Solids Loading on Clarifier Performance,' J. Hydraulic Research, 31(4), 461-478(1993)

상세보기
Launder, B. E., Spalding, D. B., 'Mathematical Models of Turbulence,' Academic Press, New York(1972)
Chimelewski, A. G., Owczarczyk, A., and Palige, J., 'Tracer Investigations of Sedimentation Processes after Biological Treatment of Waste Water,' Institute of Nuclear Chemistry and Technology, Warsaw, Poland Annual Report 206, 121-122(1999)
Kim, H. S., 'Numerical Modeling of SS Separation, Thermal Drying and Incineration Pollutant Abatement in a Sludge and Wastes Related Combined System,' Ph. D. Thesis, Chungnam National University(2004)
김혜숙, 신미수, 장동순, 정성희, 강동효, '부유고형물질에 의해 유도된 최종 침전지 유동 특성 연구(I),' 대한환경공학회지, 26(6), 629-634(2004)
김혜숙, 신미수, 장동순, 정성희, 강동효, '수표면 열손실 및 수력학적 구조변경에 의한 최종 침전지 유동 특성 연구(II),' 대한환경공학회지, 26(9), 1017-1024(2004)
Stamou, A. I., 'Modelling of Settling Tanks - A Critical Review,' 3rd International Conference, Water Pollution 95, Porto Carras, Greece, 25-28 April(1995)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증