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문제 정의
- 본 연구는 VCS의 에너지 효율을 개선하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 VCS에서 벤츄리의 연결개수, VCS의 운전방식(흡입/압송), 벤츄리의 목 직경 조합, 펌프의 회전수, 벤츄리의 직/병렬연결 등의 인자가 가용화 효율에 주는 영향 정도를 파악하여 최적의 효율을 나타내기 위한 운전조건을 도출하기 위하여 수행하였다.
가설 설정
- CDS의 경우 biogas의 증가율이 28%, VS 감량율이 20% 정도로 다른 전처리 방법들에 비하여 낮은 소화효율 개선효과를 나타내었으나 운전비용(13,000원/DS ton)이 낮아 열처리나 초음파를 이용한 방식보다 경제성이 높은 것으로 보고되어 있다.10) 그러나 CDS는 단일 벤츄리 및 고압펌프의 사용으로 동력비가 많이 소요된다.
- 4(a)) 및 에너지 소모량 (Fig. 4(b))에 따른 직경조합별 가용화 효율 차이는 미미하였다. 이와 같은 결과는 벤츄리 목 직경조합에 따른 각 벤츄리의 압력변화(Fig.
제안 방법
- 벤츄리는 목 부분의 지름에 따라 “D지름” 형태로 구분하였다.
- 본 연구는 VCS의 에너지 효율을 개선하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 VCS에서 벤츄리의 연결개수, VCS의 운전방식(흡입/압송), 벤츄리의 목 직경 조합, 펌프의 회전수, 벤츄리의 직/병렬연결 등의 인자가 가용화 효율에 주는 영향 정도를 파악하여 최적의 효율을 나타내기 위한 운전조건을 도출하기 위하여 수행하였다.
- 슬러지 저류조에는 기계식 교반기를 설치하여 실험기간 동안 슬러지를 혼합하였다. 또한 제어 판넬을 통해 유량 및 소비 전력을 확인하였다.
- 벤츄리 유입부에서 목 부분으로 축소되는 각도는 20°, 목 부분을 지나 유출부로 확대되는 각도는 12°로, 이는 Bae 등11)이 실험실 규모 VCS에서 산정한 최적 값이었다. 또한 벤츄리의 유입부에 1개, 목 부분에 1개, 유출부에 3개의 압력 포트를 설치하여 운전 중 벤츄리의 각 부분에서 발생하는 압력변화를 관찰하였다(Fig. 1(b)).
- VCS의 에너지 효율을 개선하기 위하여 Table 2에 나타낸 바와 같이 벤츄리 구성 및 운전 조건을 변화시키며 실험하였다. 벤츄리는 목 부분의 지름에 따라 “D지름” 형태로 구분하였다.
- 5 m3/hr의 범위로 운전되었다. 모든 실험에는 650 L의 슬러지를 사용하였으며, 각 운전조건에서의 에너지 투입량은 전력량계를 이용하여 측정하였다.
- 에 준하여 분석하였다. 또한 VCS를 운전하는 동안 슬러지의 이송 유량과 벤츄리의 각 부분의 압력 및 전력 사용량을 측정하였다.
- 벤츄리 목 부분의 직경변화가 슬러지의 전처리에 미치는 영향은 벤츄리 3개 직렬연결 및 흡입방식 펌프운전 조건에서 비교하였다. 벤츄리의 직경은 3.
- VCS의 에너지 소모량 당 가용화 효율을 증가시키는 방안으로 벤츄리의 병렬연결 가능성을 평가하였다. 이를 위하여 VCS의 벤츄리부를 개조하여 직렬로 연결된 벤츄리 장치를 병렬로 설치하여 그 효과를 비교하였다.
- VCS의 에너지 소모량 당 가용화 효율을 증가시키는 방안으로 벤츄리의 병렬연결 가능성을 평가하였다. 이를 위하여 VCS의 벤츄리부를 개조하여 직렬로 연결된 벤츄리 장치를 병렬로 설치하여 그 효과를 비교하였다. 각 벤츄리는 같은 직경의 조합을 사용하여 두 열의 벤츄리에서의 유량 차이가 없도록 하였다.
- 이를 위하여 VCS의 벤츄리부를 개조하여 직렬로 연결된 벤츄리 장치를 병렬로 설치하여 그 효과를 비교하였다. 각 벤츄리는 같은 직경의 조합을 사용하여 두 열의 벤츄리에서의 유량 차이가 없도록 하였다. 각 열의 벤츄리는 분기점에서 15도 각도로 분기하였다.
- 벤츄리를 이용한 슬러지 전처리 장치에서 벤츄리의 연결 개수, 펌프의 운전 방법, 벤츄리의 직경조합, 펌프의 회전수, 병렬연결 등의 조건들이 가용화 효율에 미치는 영향에 대하여 조사하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 5에 나타내었다. 펌프는 흡입방식으로 운전되었고, 회전수는 VCS 의 컨트롤 패널에서 펌프의 주파수를 40, 50, 60 Hz로 조절하였으며, 이때 유량은 8 m3 /h로 일정하였다. 주파수를 이보다 더 낮게 조정한 경우에는 3개의 벤츄리 중 1개 내지 2개의 벤츄리에서만 캐비테이션이 발생하였기 때문에 실험에서 제외하였다.
대상 데이터
- 실험은 부천시 북부 수자원 생태공원에서 발생한 농축 잉여슬러지를 이용하여 수행하였다. 잉여슬러지는 원심농축기에 의하여 고형물 함량이 약 2.
- 벤츄리 목 부분의 직경변화가 슬러지의 전처리에 미치는 영향은 벤츄리 3개 직렬연결 및 흡입방식 펌프운전 조건에서 비교하였다. 벤츄리의 직경은 3.1에서와 마찬가지로 목 부분의 직경이 작은 것에서 큰 것의 순서로 조합하였으며, 사용된 벤츄리의 최소 목 직경은 9 mm이었다. 최소 목 직경을 사용한 벤츄리 조합인 D9-13-15, D10-15-17의 경우 벤츄리부의 가장 마지막 단 유출부에서 압력회복이 일어나지 않고 약 -1 atm 상태로 그대로 펌프에 흡입되었다.
- 주파수를 이보다 더 낮게 조정한 경우에는 3개의 벤츄리 중 1개 내지 2개의 벤츄리에서만 캐비테이션이 발생하였기 때문에 실험에서 제외하였다. 벤츄리는 D15-17-19의 조합을 사용하였다.
- 대상 슬러지는 약 6%의 SAS (surplus activated sludge)로 에너지 투입량 당 가용화 효율은 약 2.6 mg ΔSCOD/g TS/kWh로 계산되었다.
이론/모형
- VCS로 슬러지 전처리를 하였을 때 가용화 정도를 알아보기 위하여 TCOD, SCOD, TS 및 VS를 Standard Methods12)에 준하여 분석하였다. 또한 VCS를 운전하는 동안 슬러지의 이송 유량과 벤츄리의 각 부분의 압력 및 전력 사용량을 측정하였다.
성능/효과
- 4% 가 해양배출로 처리되고 있는 실정이지만, 해양오염 방지법 강화에 따라 2012년 이후 해양배출이 금지될 것으로 예상되어 육상 처리 방안 마련이 시급한 상황이다.1) 혐기성 소화 공정은 슬러지 감량화 방안의 하나로 신재생에너지인 메탄을 생산하는 장점이 있지만, 슬러지의 낮은 생분해성과 긴 소화시간 등이 문제로 지적되고 있다. 특히 2차 슬러지의 대부분을 구성하는 미생물은 세포벽에 둘러싸여 있어 생분해도가 낮기 때문에, 이를 해결하기 위한 방안으로 다양한 전처리 방법들이 개발, 제시되고 있다.
- 5) 오존 산화의 경우 슬러지 내의 철, 아연의 농도를 높이고 에너지의 요구량이 높다는 단점을 가지고 있다.8) 효소 등을 이용한 생물학적 방법은 에너지 소모량이 적지만, 비용이 높은 편이며, 악취를 발생시키고, 특히 안정성이 불확실하다는 점에서 불리하다.
- 따라서 병렬연결 할 때 처리유량의 증가로 인하여 처리 시간이 단축되고 설치 면적이 감소하는 부수적 효과를 얻을 수 있다. 병렬연결 운전조건으로 슬러지를 처리하였을 때, 에너지 소모량 당 가용화 효율은 5.6 mg ΔSCOD/g TS/kWh로 기존의 수리 동력학적 전처리장치보다 우수하였다.
- 본 연구에서 제시된 venturi cavitation system (VCS)은 고압 펌프를 이용하지 않는 장치로, 제시된 CDS의 문제점인 높은 전력비용의 문제를 개선하였다. 실험실 규모로 진행되었던 선행연구에 의하면 대상 슬러지 종류 및 고형물 함량, 벤츄리의 확장 각에 따른 최적 가용화 효율을 나타내는 조건을 도출하였으나,11) 아직 현장 적용을 위해서는 개선의 여지가 남아 있다.
- 가용화 효율은 벤츄리 연결 개수가 3개까지 늘어날수록 증가하였으나, 벤츄리 연결 개수에 비례하여 증가하지는 않았다(Fig. 2(a)).
- 이는 벤츄리 연결 개수가 증가할 때, 펌프의 운전에 비슷한 에너지를 소모하였으나 캐비테이션 영역을 통과하는 횟수가 증가하였기 때문이다. 각 경우의 기울기로부터 벤츄리의 개수가 1개에서 2개 및 3개로 증가함에 따라 각각 가용화 효율이 32% 및 52% 증가함을 알 수 있었다. 벤츄리를 4개 연결하였을 때 가용화 효율은 증가하지 않고 오히려 1개 연결한 경우와 비슷한 결과를 나타낸 것은 앞서 설명한 바와 같이 캐비테이션의 발생 영역의 부피가 감소하는데 기인한다.
- 3에 나타내었다. 펌프의 흡입방식에서 압송방식에 비하여 동일 횟수로 처리 시 약 2배의 가용화 효율을 나타내었다(Fig. 3(a)).
- 3(a)). 또한 에너지 소모량에 따른 가용화 효율도 흡입방식에서 압송 방식에 비하여 약 60% 정도 높은 것을 알 수 있었다(Fig. 3(b)).
- 이는 앞 단에 매우 작은 목 직경의 벤츄리를 설치할 경우 유량이 감소하여 펌프에 최소 흡입 유량보다 적은 유량이 흡입되기 때문에 압력의 회복이 일어나지 않기 때문인 것으로 판단된다. 이로부터 실험에 사용되는 벤츄리의 목 부분의 직경은 작은 것에서 큰 순서로 조합되어야 하며, 유입 관경에 따른 최소 목 직경이 존재함을 알 수 있었다.
- 주파수가 증가함에 따라 가용화 효율도 증가하는 것을 알 수 있었다(Fig. 5(a)).
- 그러나 일반적으로 펌프의 주파수 증가는 회전수를 증가시키고 그에 따라 유량 및 소모 에너지가 비례하여 증가한다. 따라서 에너지 소모량과 가용화 효율은 선형적으로 비례하는 것으로 나타나(Fig. 5(b)), 같은 직경의 벤츄리 조합에서 펌프 주파수의 변화는 그로 인해 더 소모된 에너지만큼의 가용화 효율 증가 뿐, 추가적인 증가는 없다고 판단되었다.
- 13) 본 연구에서 제시한 시스템의 가용화 효율은 5.6 mg ΔSCOD/g TS/kWh를 나타내어 Biogest사 및 기존 초음파 방법보다 우수함을 알 수 있었다.
- 병렬연결 시 슬러지의 SCOD는 초기에 84 mg/L에서 30회 처리 후 534 mg/L로 450 mg/L 증가하였다. 처리 유량은 단열 및 병렬연결 시 각각 8 m 3 /hr 및 15.5 m3 /hr로 병렬연결의 경우가 약 2배이었으나 에너지 소모량 당 가용화 효율은 병렬로 연결한 경우가 단열의 경우에 비하여 약 30% 높았다(Fig. 6(b)).
- 따라서 병렬연결에서 에너지 소모량 당 가용화 효율이 증가한 것은 단위 시간당 처리 유량이 많아짐에 따라 펌프의 최대 운전 용량에 가깝게 근접하여, 낮은 이송 용량의 운전에서 오는 펌프 자체의 손실 에너지가 줄어들었기 때문으로 판단된다. 결과적으로 병렬연결의 경우 동일 펌프에서 처리 유량을 증가시켜 처리시간을 단축시키고 설치 면적이 감소시킬 수 있을 것이다.
- 5 mg/L로 증가하였다고 보고하였다. 사용된 전력 등에 대한 자료가 없어 직접적인 비교는 어렵지만, 사용된 펌프(1.5 kW급 2기), 처리조 용량(40 L) 등을 고려할 때 본 연구에서 제시된 시스템보다는 에너지 사용량 당 효율이 낮은 것으로 판단된다.
- 18 kWh/L에서 302 mg ∆SCOD/g TS라고 보고하였다. 따라서 비록 두 방법의 에너지 효율을 유사하지만 운영 및 유지비와 향후 에너지효율 개선 잠재력 면에서 볼 때 VCS를 이용하는 것이 현장 적용에 유리하다고 제시하였다.
- 1) 에너지 소모량 당 가용화 효율은 벤츄리의 연결개수가 3개까지는 높아졌으나 4개 연결한 경우는 오히려 낮아졌다.
- 2) 펌프를 흡입방식에서 운전한 결과 압송방식에 비해 에너지 투입량 당 가용화 효율이 1.6배 높았다. 이는 벤츄리의 목 부분에서 평균 압력이 낮은 흡입방식에서 캐비테이션 형성이 유리하였으며, 압송방식에서는 유입부분의 높은 손실로 인하여 캐비테이션의 발생과 무관한 에너지의 소모가 많았기 때문이다.
- 3) 벤츄리 목 부분 직경변화에 따른 가용화 효율의 차는 미미하였는바, 이는 모든 직경 조합에서 가용화 효율에 영향을 미치는 총 손실 압력이 일정하였기 때문이다.
- 4) 펌프의 회전수가 증가함에 따라 가용화 효율이 증가하는 것으로 나타났으나, 회전수에 따른 에너지 소모량 당가용화 효율의 차이는 없었다.
- 5) 직렬 연결된 벤츄리를 병렬로 설치한 경우가 단열로 설치한 경우보다 에너지 소모량 당 가용화 효율이 약 30% 높았다. 따라서 병렬연결 할 때 처리유량의 증가로 인하여 처리 시간이 단축되고 설치 면적이 감소하는 부수적 효과를 얻을 수 있다.
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