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문제 정의
- 본 논문에서는 새로운 설계조건의 스태틱 믹서 엘리먼트를 개발하고 성능특성에 대한 실험적 연구, 수처리 공정에 대한 적용 타당성 검증을 위한 연구를 수행하였다. 따라서 본 연구의 결과는 수처리 공정의 인라인 응집제 혼화시스템의 최적 설계에 필요한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 스태틱 믹서의 혼합율은 다양한 방법으로 평가되는데, 본 연구에서는 디지털 이미지 분석기술을 이용하여 추적 색소의 색상농도를 정량화하는 방법을 이용하였다⑼. Fig.
제안 방법
- 1. Sulzer SMX형에 비해 압력손실을 줄이기 위해 장방형의 바에 홀이 가공된 구조의 YHC-04형과 용접부를 최소화한 끼워 맞춤 구조의 YHC-05형 엘리먼트를 개발하였다.
- 추적색소 주입기의 길이는 약 500mm이다. 개념도에서 보는 바와 같이 추적색소는 주입기의 중심부에 있는 직경 10mm의 동심원 튜브를 통해서 엘리먼트 내로 유입되도록 설계하였다. 혼합특성 실험은 추적색소 주입기의 내부 튜브에 녹색의 헤어 스타일링 젤과 붉은색 물감을 체적비 10:1로 혼합한 추적색소를 주입한 후 주입기의 나머지 부분에 녹색의 헤어 스타일링 젤을 주입하고 피스톤으로 가압하여 혼합 튜브의 출구 단면에서의 혼합 상태를 디지털 카메라를 이용하여 촬영하는 과정으로 이루어진다.
- 믹싱 부의 튜브는 내경40mm, 길이700mm의 투명 아크릴 관으로 제작하여 믹싱 과정을 가시화 할 수 있다. 동력 공급부는 기어펌프, 3상 유도전동기 그리고 인버터 시스템으로 구성하였다. 압력 손실량은 믹싱 튜브에 일정한 간격으로 가공된 압력 탭에 압력 트렌듀서를 장착하여 측정하게 된다.
- 6은 기계식 및 인라인 응집제 혼화 시스템의 개략도를 나타낸다. 두 시스템 동일하게 1000 리터 용량의 처리원수 저장용기에는pH 센서를 설치하였으며, 5리터 용량의 응집제 저장용기에는 정량펌프 시스템이 연결되어 응집제 주입 량을 일정하게 조절할 수 있도록 구성하였다. 기계식의 완전 혼화용기에는 모터로 구동되는 120rpmx0.
- 이는 제작 방법에 따른 엘리먼트의 미세한 기하학적 형상의 차이, 측정위치의 차이 그리고 상관관계식을 유도하는 방법의 차이 등에 기인 하는 것으로 사료된다. 본 연구에서는 측정된 손실 수두를 이용하여 압력 손실량을 정량화하여 나타내었다. 압력손실 측정실험에 이용된 측정용 유체는 글리세린(95% 순도)이며, 글리세린의 밀도와 점도는 1250 kg/m3, 0.
- 수처리 적용 실험에서는 터널공사 현장의 폐수슬러지를 수거하여 평균적으로 pH 8.5, 탁도 1000NTU 정도의 폐수 원수를 만들어서 실험을 수행하였다. 10℃의 조건에서 처리원수의 밀도와 점도는 각각 1005.
- s이다. 실험 변수는 응집제인 PAC(poly aluminum chloride)의 주입 량과 처리원수의 유량변화로 설정하였다.
- 3(a)는 소정의 두께를 갖는 소재를 타원형 판으로 절단한 후 각각 장축방향으로 일정한 폭을 갖는 홈을 엇갈리게 가공한 설계도를 나타낸다. 엇갈린 위치에 홈을 갖는 각각의 타원형판을 단축의 중심부를 기준으로 90도 절곡한 후 각각을 끼워 맞추어 단일 엘리먼트의 1/2 을 제작하고. 이와 같이 제작된 것 두 개를 조합한 단일 엘리먼트의 정면도를 Fig.
- 10은 기계식 교반기의 속도경사 G=347s「i의 조건에서 응집제인 PAC 를 각각 65mL/L, 83mL/L 주입하여 3초 동안 교반하고, 샘플링 한 후의 경과시간에 따른 탁도 변화를 인라인의 경우와 비교한 것이다. 인라인 방식의 실험조건은 Re = 25, 560으로 1200mm의 혼화튜브를 통과하는 시간이 약 3초 정도이므로 기계식의 교반시간을 3초로 설정하였으며, 응집제 주입량65mL/L와 83mL/L는 인라인 방식의 Re = 25, 560의 조건에서 두 가지 경우의 응집제 주입량을 기계식의 처리 원수 체적 0.18m3을 고려하여 환산한 주입 량이다. 경과시간 1분 후의 탁도를 비교하면 주입량 65mL/L인 경우의 기계식은 약 54% 정도, 인라인 방식은 약 90.
- s이다. 측정한 변수는 손실 수두, 체적유량, 밀도 그리고 점도 등이다.
- 개념도에서 보는 바와 같이 추적색소는 주입기의 중심부에 있는 직경 10mm의 동심원 튜브를 통해서 엘리먼트 내로 유입되도록 설계하였다. 혼합특성 실험은 추적색소 주입기의 내부 튜브에 녹색의 헤어 스타일링 젤과 붉은색 물감을 체적비 10:1로 혼합한 추적색소를 주입한 후 주입기의 나머지 부분에 녹색의 헤어 스타일링 젤을 주입하고 피스톤으로 가압하여 혼합 튜브의 출구 단면에서의 혼합 상태를 디지털 카메라를 이용하여 촬영하는 과정으로 이루어진다. 디지털 카메라로 획득한 출구단면의 혼합 상태의 정량화는 이미지 분석 시스템⑼을 이용하였다.
대상 데이터
- 기계식 응집제혼화시스템에 대한 설계기준은 혼화강도 G = 300 -1000s-1, 교반시간 10~60초로 제시되는데, 일반적으로 G = 300~400s-1과 교반시간 30초 이상의 값을 설계 혼화강도로 설정하고 있다. 본 연구에서 인라인 혼화시스템의 실험결과와의 비교를 위한 기계식 혼화시스템의 임펠러 회전속도는 120rpm 으로 설정하였으며, 3엽 프로펠러 임펠러의 직경은 0.3m이다. 따라서 10℃인 처리원수의 물 성치와유량 0.
- 스테인레스 스틸로 제작된 3 종류의 단일 엘리먼트 직경은 40mm이고 직경/길이의 종횡비는 1:1 이며, 장방형 바의 두께는 2mm이다.
- 본 연구에서는 측정된 손실 수두를 이용하여 압력 손실량을 정량화하여 나타내었다. 압력손실 측정실험에 이용된 측정용 유체는 글리세린(95% 순도)이며, 글리세린의 밀도와 점도는 1250 kg/m3, 0.62 p a . s이다.
성능/효과
- 2. 평균적으로 Sulzer SMX형에 비해서 YHC-04형과 YHC-05형의 압력손실이 약 12%와 4% 정도 낮게 나타났으며, Sulzer SMX형의 혼합율은 YHC-04형과 YHC-05형에 비해서 약 5%와 2% 정도 높게 나타났다.
- 3. 응집제와 처리원수를 혼화하고 5분 경과 후의 탁도 제거율은 기계식에 비해 인라인 방식이 평균적으로 약 5배 정도 높게 나타났으며, 인라인 방식의 응집율은 약 4-6% 정도임을 알 수 있다.
- 즉, 유로가 좁아지거나 엘리먼트가 점유하는 유로 단면적의 비가 커지게 되면 압력손실은 증가하게 된다. 3가지 믹서 모두 엘리먼트 수가 2개일 때에 비해서 엘리먼트 수가 8개로 증가하면 압력손실은 약 3배 정도 증가하였다. 또한 평균적으로 Sulzer SMX형에 비해서 YHC-04형은 약 12%, YHC-05 형은 약 4% 정도 압력손실이 감소하는 것을 알 수 있다.
- 18m3을 고려하여 환산한 주입 량이다. 경과시간 1분 후의 탁도를 비교하면 주입량 65mL/L인 경우의 기계식은 약 54% 정도, 인라인 방식은 약 90.5% 정도 탁도가 감소하며, 주입량 83mL/L인 경우의 기계식은 약 58% 정도, 인라인 방식은 약 90.7% 정도 탁도가 감소하는 것을 알 수 있다. 경과시간 5분 동안의 평균 탁도 제거율을 비교하면 주입 량 65mL/L인 경우 약 5.
- 7% 정도 탁도가 감소하는 것을 알 수 있다. 경과시간 5분 동안의 평균 탁도 제거율을 비교하면 주입 량 65mL/L인 경우 약 5.4배 정도, 주입 량 83mL/L인 경우 약 4.6배 정도 인라인 방식의 탁도 제거율이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 모터로 구동되는 임펠러의 회전력에 의해혼화에너지를 제공하는 기계식 혼화 시스템에서는 순간 혼화가 곤란하고, 응집제와 처리수가 전혀 접촉하지 못하는 영역이 존재하기 때문에 일반적으로 응집제를 30~40% 정도 과잉으로 주입하게 되어 응집제 비용증가 및 슬러지 발생 량 증가라는 또 다른 문제를 야기하는 것으로 알려지고 있다3).
- 3가지 믹서 모두 엘리먼트 수가 2개일 때에 비해서 엘리먼트 수가 8개로 증가하면 압력손실은 약 3배 정도 증가하였다. 또한 평균적으로 Sulzer SMX형에 비해서 YHC-04형은 약 12%, YHC-05 형은 약 4% 정도 압력손실이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 YHC-04형의 경우, 엘리먼트를 구성하는 장방형의 바에 가공된 홀 면적에 상응하는 유로 단면적의 증가에 기인하며, YHC-05형에서는 용접을 최소화 한 구조로 Sulzer SMX형에 비해서 용접부의 마찰로 인한 부차적 손실이 작아지기 때문인 것으로 사료된다.
- 본 연구의 실험조건에서는 기계식에 비해 인라인 방식의 탁도 제거율이 평균적으로 약 5배 정도 높게 나타났다. 따라서 본 연구결과를 바탕으로 에너지 이용효율 향상 및 수처리 비용의 절감이 가능한 인라인 응집제 혼화시스템의 최적설계를 위해서는 수처리 공정에서 고려하고 있는 다양한 설계 및 운전변수에 대한 체계적인 연구가 필요하다
- 9는 이미지 분석시스템을 이용하여 정량화한 붉은 추적색소의 면적농도를 엘리먼트 수의 함수로 나타낸 그래프이다. 본 연구의 조건에서는 3가지 엘리먼트 모두 단일 엘리먼트를 통과 한 후의 붉은색 추적색소의 면적농도가 60% 정도 인 것을 알 수 있다. 평균적으로 Sulzer SMX형의 혼합율이 YHC-04형에 비해서는 약 5%, YHC-05형에 비해서는 약 2% 정도 높게 나타났다.
- 36mL/L로변화시켰을 때의 응집율을 나타낸다. 시스템 출구의 처리수를 lOOOml의 메스실린더에 샘플링하여 5분경과 후의 응집율을 비교한 결과 응집제를 0.36mL/L 주입한 경우에 약 6%의 응집율로 가장 높게 나타났으며, 응집제를 0.29mL/L 주입한 경우 약 4.5%, 응집제를 0.22mL/L 주입한 경우에는 약 4% 정도의 응집율을 나타내었다.
- 본 연구의 조건에서는 3가지 엘리먼트 모두 단일 엘리먼트를 통과 한 후의 붉은색 추적색소의 면적농도가 60% 정도 인 것을 알 수 있다. 평균적으로 Sulzer SMX형의 혼합율이 YHC-04형에 비해서는 약 5%, YHC-05형에 비해서는 약 2% 정도 높게 나타났다. SMX형 엘리먼트의 혼합 메커니즘은 유동의 분활(splitting) 및 연신(stretching), 결합 (combining), 재분활(re-splitting)의 복합적인 작용으로 구성된다.
후속연구
- 4. 수처리 공정에서 고려하고 있는 다양한 설계 및 운전변수에 대한 체계적인 연구를 통해 에너지 이용효율 향상 및 수처리 비용의 절감이 기대되는 인라인 응집제 혼화시스템의 최적설계가 가능할 것으로 사료된다.
- 나타났다. 따라서 본 연구결과를 바탕으로 에너지 이용효율 향상 및 수처리 비용의 절감이 가능한 인라인 응집제 혼화시스템의 최적설계를 위해서는 수처리 공정에서 고려하고 있는 다양한 설계 및 운전변수에 대한 체계적인 연구가 필요하다
- 수행하였다. 따라서 본 연구의 결과는 수처리 공정의 인라인 응집제 혼화시스템의 최적 설계에 필요한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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