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문제 정의
- 본 연구는 위의 인자 중에서 용존공기 부상장치의 운전과 관련되는 인자(노즐 종류, A/S 비, 압력, 부상 시간, 가압수주 입시간, 충전재 크기)를 중심으로 고농도의 농축슬러지를 얻을 수 있는 조건을 도출하고자 하였다.
가설 설정
- 가압 수조에서 A/S 비는 총 공기 농도(mg/L)로 나타내는데, 이것은 가압 수조의 압력과 효율 및 순환 비율의 함수이다. 일반적으로 수처리에서 사용되는 충전된 (packed) 가압 수조의 효율은 90-95%이고, 충전되지 않은(unpacked) 가압 수조의 효율은 60-70%로 가정한다. 높은 효율의 가압 수조는 추가적인 에너지 소비 없이 기포 발생량을 극대화할 수 있기 때문에 가압 수조의 가압효율을 높일 수 있는 방법이 필요하다.
제안 방법
- DAF를 이용하여 SVI가 높고 침전이 어려운 제지 공장 폐수 처리장의 반송슬러지를 대상으로 부상실험을 행하여 최적 설계 및 운전조건을 구하고 부상 공정 적용의 타당성을 고찰하였다.
- 6에 나타내었다. Fig. 6에서 보듯이 가압수 주입 시간이 10초에서 20초로 증가하면서 슬러지 농도가 빠르게 증가되었으며, 25초의 경우 20초와 유사한 농도를 나타내어 가압수 주입 시간은 20-25초인 것으로 사료되었으며, 향후 실험은 가압수 주입 시간을 25초로 고정하여 실험하였다. 25초 이후의 가압수 주입 시간 은 10-20초 구간과는 거의 같은 기울기로 빠르게 농도가 감소하였다.
- 가압수로는 수돗물을 사용하였으며, 순환비를 10-50%로 변화 시켜 A/S 비를 조절하였으며, 가압 수조 압력은 3.5-6 atm으로 조절하여 실험하였다. 최적 부상 조건을 찾기 위하여 가압수주입 시간을 10-40초, 부상 시간을 10-50분으로 조절하여 실험하였다.
- 공기의 포화율에 직접적인 영향을 주는 인자는 가압수조에 콤푸레셔에서 발생한 가압 공기를 공급하여 수중에서 공기를 포화시키는 시간이다. 공기 포화 시간에 따른 슬러지 농축 정도를 관찰하기 위하여 가압수 순환 유량을 20%, 가압 수조 압력을 5 atm, 가압수주입 시간을 25초, 부상 시간 30분으로 유지하면서 가압 수조에서 가압 공기를 주입하여 포화시킬 때의 가압수 포화 시간을 5-50분으로 변화 시켜 실험하여 Fig. 9에 나타내었다.
- 부상 수조에 가압수를 공급한 뒤부터 가 압수에 함유된 미세기포에 의하여 슬러지가 부상하기 시작하고 부상에 의한 슬러지 농축이 진행되면서 슬러지로부터 물이 빠져나가 점차 슬러지와 물의 계면이 형성된다. 노즐을 선정하기 전에 가압수주입 후 슬러지의 부상 시간에 따른 농축슬러지 농도를 측정하여 최적 부상 시간을 먼저 결정하였다
- 본 실험에서는 슬러지 초기 농도가 1980 mg/L, 가압 수 순환비를 20%, 가압 수조 압력을 5 atm, 가압수 주입 시간을 25초, 부상 시간을 30분으로 유지하면서 외경과 길이(18, 22 및 32mm)가 같은 세 종류의 PVC 파이프를 충전재로 사용하여 가압 수조에 100% 충전하여 충전하지 않은 경우의 슬러지 농축 정도를 고찰하여 Fig. 8에 나타내었다.
- 부상 공정에서 농축된 슬러지농도는 부상 시간이 끝난 뒤 슬러지 계면 상부에서 피펫을 이용하여 채취한 뒤, 농도를 측정하였으며, 부상 수조 하부의 슬 러지 농도는 부상 수조 하부 5 cm 지점의 채취 구에서 50 mL를 폐기하여 남아있는 전 실험의 슬러지를 제거한 후 10 mL 채취하여 농도를 측정하였다. 침전 공정의 상등 수 슬러지 농도는 상부에서 채취하여 농도를 측정하였다.
- 92 L이다. 부상 수조의 상부는 모터와 감속기가 달려 있으며 속도 조절 장치에 의하여 속도를 조절하며, 부상 수조는 내부를 관찰하기 위하여 아크릴로 제작하였다.
- 이와 같은 경향을 고찰하기 위하여 가압수주입 후 부상 시 부상 수조 내의 유체 흐름을 관찰한 결과 25초 이내의 주입 시간에서는 주입 시간이 끝난 뒤 대부분의 유체 흐름은 상향류였으며, 국소적으로 순환 흐름이 존재하는 것이 관찰되었으나 30초 이상의 주입 시간에서는 주입이 끝난 뒤 부상 수조 중심 부분에서 하부에서 상부로 이동 흐름, 부상수조관벽을 중심으로 상부에서 하부로 이동 흐름이 발생하여 양쪽 방향으로의 순환 흐름이 발생하였는데, 이 현상은 주입 시간이 길수록 더 확연하게 나타나는 것이 관찰되었다. 상기의 결과로 볼 때 가압수의 최적 주입 시간은 상향 흐름이 주요 흐름인 조건에서 가압수와 수중의 슬러지가 최대로 접촉할 수 있는 시간이며, 본 실험에서는 20-25초 부근인 것으로 사료되었으며 향후 실험은 25초로 고정하여 실험하였다.
- 실험은 MLSS가 2190 rng/L인 슬러지를 사용하였으며 가압 수조 압력은 5 atm, A/S비는 8.88xl0 3, 가압수주 입시간은 30초, 부상 시간은 10-50분으로 변화시키면서 배출직경이 작은 Flat 형 노즐에 대하여 실험하여 부상 시간에 따른 슬러지 농도를 Fig. 3에 나타내었다.
- 부상 조로 공급되는 공기의 양은 포화 압력이나 순환비 또는 양쪽 모두를 변화시킴으로서 바꿀 수 있으며, 최적 A/S(Air/solids, mL/mg) 비는 DAF 운전에 있어 매우 중요한 요소이다'的. 최적 A/S 비를 고찰하기 위하여 다른 인자는 고정하고 가압 수 순환 유량을 변화 시켜 고찰하였다. A/S 비를 구하기 위하여 아래 식을 사용하였다
- 5-6 atm으로 조절하여 실험하였다. 최적 부상 조건을 찾기 위하여 가압수주입 시간을 10-40초, 부상 시간을 10-50분으로 조절하여 실험하였다. 가압 수조에 충전하는 충전재는 길이와 외경이 18, 22, 32 mm인 PVC 파이프를 사용하였으며, 부상 수조의 노즐은 Flat, Full-Cone 및 Assemble 형을 사용하여 실험하였다.
- 최적 압력을 결정하기 위하여 가압 수 순한 비 20%, 가압수주 입시간을 25초, 부상 시간 30분으로 유지하면서 가압 수조 압력을 3.5-6 atm으로 변화 시켜 압력 변화에 따른 슬러지 농도 변화와 슬러지 계면 높이를 Fig. 7에 나타내었다.
- 부상 공정에서 농축된 슬러지농도는 부상 시간이 끝난 뒤 슬러지 계면 상부에서 피펫을 이용하여 채취한 뒤, 농도를 측정하였으며, 부상 수조 하부의 슬 러지 농도는 부상 수조 하부 5 cm 지점의 채취 구에서 50 mL를 폐기하여 남아있는 전 실험의 슬러지를 제거한 후 10 mL 채취하여 농도를 측정하였다. 침전 공정의 상등 수 슬러지 농도는 상부에서 채취하여 농도를 측정하였다. 슬러지농도는 Standard Methods'* 에 따라 측정하였다.
대상 데이터
- 최적 부상 조건을 찾기 위하여 가압수주입 시간을 10-40초, 부상 시간을 10-50분으로 조절하여 실험하였다. 가압 수조에 충전하는 충전재는 길이와 외경이 18, 22, 32 mm인 PVC 파이프를 사용하였으며, 부상 수조의 노즐은 Flat, Full-Cone 및 Assemble 형을 사용하여 실험하였다.
- 부상 수조 (Flotation column)는 가압수가 부상하는 부상 조와 응집과 응결이 이루어지는 응집 조의 역할을 한다. 부상 수조는 내경이 7 cm, 높이가 50 cm이며, 총부피는 1.92 L이다. 부상 수조의 상부는 모터와 감속기가 달려 있으며 속도 조절 장치에 의하여 속도를 조절하며, 부상 수조는 내부를 관찰하기 위하여 아크릴로 제작하였다.
- 또한 Assemble 노즐은 노즐의 크기가 1 mm보다 적고 노즐 내부에 장착된 필터 때문에 가압수의 주입 시간이 51초가 소요되어 가압 수 주 입시간을 적절하게 조절할 수 없다는 단점이 나타나 부상 공정에 사용하기에는 부적절한 것으로 사료되었다. 부상에 적절한 노즐은 형태에 관계없이 1-1.35 mm 부근인 것으로 사료되었으며, 향후 실험은 Flat-S 노즐을 사용하여 실험하였다.
- 60; 눈금 크기, 250 岫)로 체질한 뒤 폭기되는 저류조에 보관하였다. 슬러지는 인공합성 원수에 순양 시켜 실험에 사용하였다.
- 실험에 사용한 DAF 장치는 크게 가압 수조와 부상 수 조로 나뉘며, 이를 Fig. 1에 나타내었다. 가압 수조(Air dissolving tank)는 내경이 15 on, 높이가 50 cm이며, 총부피는 8.
- 실험에 사용한 슬러지는 M 제 지사의 반송슬러지를 채취하여 표준체(No. 60; 눈금 크기, 250 岫)로 체질한 뒤 폭기되는 저류조에 보관하였다. 슬러지는 인공합성 원수에 순양 시켜 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 침전 공정의 상등 수 슬러지 농도는 상부에서 채취하여 농도를 측정하였다. 슬러지농도는 Standard Methods'* 에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 1) 최적 노즐을 선정하기 위한 실험에서 농축슬 러지 농도가 높은 노즐은 Flat-S 노즐과 Full-CeS 노즐로 나타났다. 부상에 적절한 노즐은 형태에 관계없이 1T.
- 부상 수조 하부의 슬러지농도는 가압수주 입시 간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 10초의 가압수 주입 시간에서는 슬러지부상이 느리고 일부 슬러지가 침전되기 때문에 하부 슬러지 농도가 높은 것으로 나타났다.
- 2) 가압수 순환비를 처리 유량의 10-50%까지 변화시켰을 때 A/S비는 3.53xl0「3- 1.414x10”로 변하였다. A/S 비가 7.
- 3)가 압수 주입 시간이 길어지면 가압수와 가압 수조 내부의 유체와의 접촉이 증가하여 부상 효율이 증가할 것으로 예측되었으나 실험 결과는 다르게 나타났다. 가압수의 최적 주입 시간은 상향 흐름이 주요 흐름인 조건에서 가압수와 수중의 슬러지가 최대로 접촉할 수 있는 시간이며, 본 실험에서는 20-25초 부근인 것으로 사료되었다.
- 4) 최적 가압 수조 압력 선정에서 가압 수조의 압력이 3.5 atm에서 5 atm으로 증가되면서 농축된 슬러지 농도가 증가하는 것으로 나타났으며, 5.5 atm 이 상에서는 처리 효율이 5 atm 와 비슷한 것으로 나타나, 최적 압력은 5 atm인 것으로 나타났다. 슬러지 계면 높이는 3.
- 5 atm 이상에서는 처리 효율이 5 atm 와 비슷한 것으로 나타나, 최적 압력은 5 atm인 것으로 나타났다. 4, 5 atm 이하의 가압 수조 압력에서는 일부 슬러지는 부상에 참여하지 않고 침전하는 경우가 발생하여 최소 5 atm 이상에서 운전하여야 모든 슬러지가 부상할 것이라고 사료되었다. 3.
- 5) 충전재를 충전하지 않은 경우와 18 mm PVC 파이프를 100% 충전한 경우의 슬러지농도차이는 9.3%의 차이를 나타내었다. 충전재의 크기에 따른 슬러지 농도는 PVC 파이프 크기 순서인 18 > 22 > 32 mm로 나타났으며, 18 mm와 32 mm 충전재의 농도 차이는 5.
- 6) 공기의 포화율에 직접적인 영향을 주는 인자는 가압수조에 콤푸레셔에서 발생한 가압공기를 공급하여 수중에서 공기를 포화시키는 시간이다. 가압 수조에서 가압 공기를 주입하여 포화시킬 때의 공기 포화 시간을 5-50분으로 변화 시켜 실험하였을 때 가압시간이 10분에서 30분으로 증가하면서 슬러지 농도는 각각 12800 mg/J와 14320 mg/土로 증가하였다, 그러나 40분과 50분의 가압시간에서는 30분의 결과와 비교할 때 18 mm PVC 파이프가 가압 수조에 충전되지 않은 것은 3.
- Fig. 3에서 보듯이 Flat형 노즐과 Full-Cone형 노즐을 사용하여 부상 시간에 따른 농축슬러지 농도를 고찰한 결과 초기 30분까지 농축 슬러지 농도가 빠르게 증가하지만 30분 이후부터는 증가 속도가 감소되었다. Flat형 노즐의 경우 30분과 50분의 슬러지 농도 차이는 4.
- 6) 공기의 포화율에 직접적인 영향을 주는 인자는 가압수조에 콤푸레셔에서 발생한 가압공기를 공급하여 수중에서 공기를 포화시키는 시간이다. 가압 수조에서 가압 공기를 주입하여 포화시킬 때의 공기 포화 시간을 5-50분으로 변화 시켜 실험하였을 때 가압시간이 10분에서 30분으로 증가하면서 슬러지 농도는 각각 12800 mg/J와 14320 mg/土로 증가하였다, 그러나 40분과 50분의 가압시간에서는 30분의 결과와 비교할 때 18 mm PVC 파이프가 가압 수조에 충전되지 않은 것은 3.7%, 충전된 것은 1.4%의 차이를 보여 실험 실시 전 가압 수조에 가압 공기를 주입한 뒤의 가압시간은 30분이면 충분한 것으로 사료되었다.
- 25초 이후의 가압수 주입 시간 은 10-20초 구간과는 거의 같은 기울기로 빠르게 농도가 감소하였다. 가압수 주입 시간이 10초에서는 일부 슬러지는 부상하다 다시 침전하는 경향을 보였으며, 15초의 부상 시간에서는 모든 슬러지가 부상하지만 슬러지부상에 걸리는 시간이 느린 것으로 관찰되었다.
- 가압수 주입 시간이 길어지면 가압수와 가압 수조 내부의 유체와의 접촉이 증가하여 부상 효율이 증가할 것으로 예측되었으나 실험 결과는 다르게 나타났다. 이와 같은 경향을 고찰하기 위하여 가압수주입 후 부상 시 부상 수조 내의 유체 흐름을 관찰한 결과 25초 이내의 주입 시간에서는 주입 시간이 끝난 뒤 대부분의 유체 흐름은 상향류였으며, 국소적으로 순환 흐름이 존재하는 것이 관찰되었으나 30초 이상의 주입 시간에서는 주입이 끝난 뒤 부상 수조 중심 부분에서 하부에서 상부로 이동 흐름, 부상수조관벽을 중심으로 상부에서 하부로 이동 흐름이 발생하여 양쪽 방향으로의 순환 흐름이 발생하였는데, 이 현상은 주입 시간이 길수록 더 확연하게 나타나는 것이 관찰되었다.
- 3)가 압수 주입 시간이 길어지면 가압수와 가압 수조 내부의 유체와의 접촉이 증가하여 부상 효율이 증가할 것으로 예측되었으나 실험 결과는 다르게 나타났다. 가압수의 최적 주입 시간은 상향 흐름이 주요 흐름인 조건에서 가압수와 수중의 슬러지가 최대로 접촉할 수 있는 시간이며, 본 실험에서는 20-25초 부근인 것으로 사료되었다.
- 결과적으로 충전재의 존재는 예상과는 달리 그 효과가 크지 않았으나 저렴한 비용으로 추가적인 에너지 비용의 추가 없이 9.3% 정도의 성능 향상 효과를 가져오기 때문에 향후 실험은 18 mm PVC 파이프를 100% 충전하여 실험하였다.
- 반면 Flat-S 노즐 및 Full-C-S 노즐을 Assemble 형 노즐 결과와 비교한 결과 Assemble형 노즐은 오리피스 크기가 가장 작지만 노즐 내부에 200 mesh의 필터(눈금 크기 : 76㎛)가 장착되어 있기 때문에 가압수 내의 공기 기포가 필터를 통과하면서 기포가 합체될 수 있는 가능성이 있기 때문에 처리율이 낮다고 사료되었다. 또한 Assemble 노즐은 노즐의 크기가 1 mm보다 적고 노즐 내부에 장착된 필터 때문에 가압수의 주입 시간이 51초가 소요되어 가압 수 주 입시간을 적절하게 조절할 수 없다는 단점이 나타나 부상 공정에 사용하기에는 부적절한 것으로 사료되었다. 부상에 적절한 노즐은 형태에 관계없이 1-1.
- 오리피스의 직경이 비슷한 Flat-S 노즐과 Full-C-S 노즐의 농축슬러지는 13820 mg/L 와 13740 mg/土로 거의 유사하게 나타났다. 부상 수조를 육안으로 관찰한 결과 Flat-L, Flat-M, Full-Cone-L 노즐의 경우 일부 슬러지가 부상하지 않고 침전하는 경향을 보여 재실험하여 비교해 보아도 같은 결과를 얻어 농축슬러지 농도와 슬러지의 부상 제거라는 측면에서 볼 때 오리피스 직경이 1.35 mm 이하 인 것이 슬러지부상에 필요한 노즐이라고 사료되었다.
- 상기 결과는 SS 농도가 420-428 mg/L인 제지폐수를 용존 공기부상법으로 농축 처리하였을 때 최적 가압수 주입 시간은 30초이고 최적 가압수 주입 시간 이상의 주입 시간에서는 순환 흐름 현상이 발생하였다는 김'*의 연구 결과와 비교할 때 최적 가압수 주 입시간은 다르지만 같은 결과를 얻었다.
- 슬러지 계면 높이는 3.5 atm에서의 56 mm에서 5 atm으로 증가하면서 49 mm로 감소하였으며 5 atm 이상의 압력에서는 계면 높이가 48, 49 mm로 거의 일정하게 나타났다.
- 슬러지 계면 높이는 가압수주 입시 간이 10초일 때 50 mm에서 25초일 때 47 mm로 감소하였다가 압수 주입 시간이 30초 이상으로 증가하면서 50 mm로 다시 증가하는 경향을 보였다.
- 침전 + 활성슬러지법으로 폐수를 처리하고 있는데, SS 부하량이 많고 가볍기 때문에 floc 강도가 낮으므로 단순한 침전으로는 처리하기 어렵고 제조하는지 종에 따라 celluose의 종류, 크기, 화학약품 등이 다르므로 배출하는 폐수의 특성이 수시로 변하기 때문에 처리에 어려움이 많고, 슬러지팽화가 자주 일어나 제어하기 어렵다'3问. 실험에 사용한 M 제 지사의 반송슬러지는 SVI를 측정한 결과 350-450 mL/g을 나타내어 팽화가 발생한 상태였으며, 농도는 2000-2500 mg/L의 범위에 있었으며, 평균 반송슬러지 농도인 2200 mg/L를 기준으로 실험하였다.
- 가압수 주입 시간이 길어지면 가압수와 가압 수조 내부의 유체와의 접촉이 증가하여 부상 효율이 증가할 것으로 예측되었으나 실험 결과는 다르게 나타났다. 이와 같은 경향을 고찰하기 위하여 가압수주입 후 부상 시 부상 수조 내의 유체 흐름을 관찰한 결과 25초 이내의 주입 시간에서는 주입 시간이 끝난 뒤 대부분의 유체 흐름은 상향류였으며, 국소적으로 순환 흐름이 존재하는 것이 관찰되었으나 30초 이상의 주입 시간에서는 주입이 끝난 뒤 부상 수조 중심 부분에서 하부에서 상부로 이동 흐름, 부상수조관벽을 중심으로 상부에서 하부로 이동 흐름이 발생하여 양쪽 방향으로의 순환 흐름이 발생하였는데, 이 현상은 주입 시간이 길수록 더 확연하게 나타나는 것이 관찰되었다. 상기의 결과로 볼 때 가압수의 최적 주입 시간은 상향 흐름이 주요 흐름인 조건에서 가압수와 수중의 슬러지가 최대로 접촉할 수 있는 시간이며, 본 실험에서는 20-25초 부근인 것으로 사료되었으며 향후 실험은 25초로 고정하여 실험하였다.
- 충전재의 충전율에 따른 슬 러지 농도 차이는 크지 않을 것으로 사료되어 충전율에 따른 실험은 실시하지 않았다. 충전재의 크기에 따른 슬러지 농도는 PVC 파이프 크기 순서인 18 > 22 > 32 mm로 나타났으며, 18 mm와 32 mm 충전재의 농도 차이는 5.7%인 것으로 나타났다. 이는 PVC 파이프 크기가 작을수록 충전되는 양이 많기 때문인 것으로 사료되었다.
- 9에서 보듯이 5분의 포화 시간에서는 공기 포화가 충분하지 못하여 전혀 부상하지 않는 것으로 나타났다. 포화 시간 10분에서는 모든 슬러지가 부상하였으나 부상 수조를 육안관찰한 결과 기포 발생량도 적고 느리게 부상하는 것이 관찰되었으며, 10분의 포화 시간 시 슬러지 농도는 18 mm PVC 파이프가 가압 수조에 충전되지 않은 것은 8700 mg/L, 100% 충전된 것은 9854 mg/L로 나타났다. 포화 시간이 10분에서 30분으로 증가하면서 슬러지 농도는 각각 12800 mg/L 와 14320 mg/L로 증가하였다, 그러나 40분과 50분의 포화 시간에서는 30분의 결과와 비교할 때 18 mm PVC 파이프가 가압 수조에 충전되지 않은 것은 3.
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