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문제 정의
- 본 연구는 MBR 공정에서 산기관의 장기 운전시 슬러지유입으로 인한 막힘 현상을 해결하기 위하여 하단부를 개방한 폐색 저감형 산기관을 적용하였으며, 이 산기관의 공기가 하단부로 새는 것을 방지하기 위해서는 산기관의 배출구 길이를 조절하여야 하는데, 이는 폭기조의 수위와 공기량과 밀접한 관련이 있다. 이러한 산기관의 배출구 길이와 수심 및 공기량의 상관관계를 유도하기 위한 소요 공기량에 대한 적정 배출구 높이 도출 실험과 폐색 저감형 산기관의 적용성 평가를 위한 산기관 막힘 비교 실험으로부터 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 개선된 산기관의 최적 배출구 길이를 산정하기 위하여 수심과 공기량 변화에 따른 배출구 내부의 기액 경계 변화 결과로부터 소요 공기량에 대한 적정 배출구의 높이를 도출하고자 하였다. 또한 기존 산기관과 개선된 산기 관의 시간에 따른 공기량 변화를 비교하여 폐색 저감형 산기 관의 성능을 파악하였다.
제안 방법
- 다음으로는 공기량 변화에 따른 산기관 내부의 기액 경계 높이를 확인하기 위하여 수심을 1.5 m로 고정시킨 후 공기량을 20~70 L/min으로 조건을 변화시키면서 그 영향을 파악하였다.
- 높이를 도출하고자 하였다. 또한 기존 산기관과 개선된 산기 관의 시간에 따른 공기량 변화를 비교하여 폐색 저감형 산기 관의 성능을 파악하였다.
- 본 연구에서는 배출구 10cm의 하단부 개방 산기관과 동일한 제원의 기존 산기관을 제작하여 비교실험을 행하였다. 실험은 실제 운영되는 MBR 실험 장치에 배출구 10cm의 산기 관과 산기관 하단부가 막혀 있는 기존 산기관을 각각 적용하여 연속 폭기를 행하였으며, 그에 따른 공기량 변화를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 에어 분출구의 하단에 슬러지물의 배출 통로가 되는 배출구가 소정의 길이로 연장 형성되며, 그 하단부가 개방된 폐색 저감형 산기관으로 구조를 개선하였다. 이렇게 개선된 산기관은 미생물 슬러지가 에어분출구를 통하여 산기관 내로 유입되더라도, 개방된 하단부로 배출되기 때문에 산기관의 내부에 슬러지가 축적되는 것을 원천적으로 차단할 수 있고, 결국 기존의 산기관의 막힘 현상 방지 가용 이할 것이다.
- 재원은 Table 1에 나타내었다. 산기관은 산기관 내의기액 경계를 확인 할 수 있도록 투명아크릴로 제작되었으며, 산기관을 침지시킬 조 역시 육안으로 기액 경계를 확인할 수 있게 투명아크릴로 제작하였다.
- 행하였다. 실험은 실제 운영되는 MBR 실험 장치에 배출구 10cm의 산기 관과 산기관 하단부가 막혀 있는 기존 산기관을 각각 적용하여 연속 폭기를 행하였으며, 그에 따른 공기량 변화를 관찰하였다. 실험에 사용된 MBR의 평균 MLSS 농도는 10, 000~12, 000 mg/L로 유지하였으며, 산기관은 MBR조내 수심 1.
- 실험은 우선 수심에 따른 영향을 살펴보기 위하여 20, 35, 50 L/min의 세 가지 공기량 조건에서 수심 변화에 따른 산기관 내부의 기액 경계 높이 변화를 확인하였다. 다음으로는 공기량 변화에 따른 산기관 내부의 기액 경계 높이를 확인하기 위하여 수심을 1.
- 5m의 위치에 설치하였다. 연속 폭기 시의 초기공기량은 50L/min으로 고정하였으며, 산기관에 주입되는 공기량의 정확한 측정을 위하여 각각의 산기관과 블로우에연결된 공기 배관에 유량계를 부착하여 사용하였다.
- 관련이 있다. 이러한 산기관의 배출구 길이와 수심 및 공기량의 상관관계를 유도하기 위한 소요 공기량에 대한 적정 배출구 높이 도출 실험과 폐색 저감형 산기관의 적용성 평가를 위한 산기관 막힘 비교 실험으로부터 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig 2, 3과 같이 배출구의 높이(h)가 5cm, 10cm인 하단부 개방형 산기관을 사용하였으며 산 기관의 재원은 Table 1에 나타내었다. 산기관은 산기관 내의기액 경계를 확인 할 수 있도록 투명아크릴로 제작되었으며, 산기관을 침지시킬 조 역시 육안으로 기액 경계를 확인할 수 있게 투명아크릴로 제작하였다.
- 침지형 MBR 공정에서의 산기관은 공기 세정을 통한 멤브레인의 막오염 제어를 위하여 침지막의 하단부에 위치한다. 본 연구에서의 산기 관은 상단부에 일정 간격으로 산기 구멍(Diffuser Hole)이 뚫려 있으며, 이 산기 구멍으로 멤브레인의 공기 세정을 위한 공기가 배출된다. 산기관의 하단부는 산기 관내로 유입되는 슬러지 배출이 용이하도록 개방되어져 있다.
- 실험은 실제 운영되는 MBR 실험 장치에 배출구 10cm의 산기 관과 산기관 하단부가 막혀 있는 기존 산기관을 각각 적용하여 연속 폭기를 행하였으며, 그에 따른 공기량 변화를 관찰하였다. 실험에 사용된 MBR의 평균 MLSS 농도는 10, 000~12, 000 mg/L로 유지하였으며, 산기관은 MBR조내 수심 1.5m의 위치에 설치하였다. 연속 폭기 시의 초기공기량은 50L/min으로 고정하였으며, 산기관에 주입되는 공기량의 정확한 측정을 위하여 각각의 산기관과 블로우에연결된 공기 배관에 유량계를 부착하여 사용하였다.
성능/효과
- 1. 배출구 5cm의 산기관으로 행한 실험에서 공기량 변화에 따른 산기관 내의 기액 경계 변화를 확인 할 수 있었으며, 공기량 50L/min 일 때 기액 경계는 배출구 하단부보다 낮아져 공기가 옆으로 새는 것을 확인 할 수가 있었다. 불필요한 공기의 유출을 막기 위해서는 적절한 배출구 높이 산정이 중요할 것으로 사료된다.
- 2. 산기관 배출구 내의 기액 경계 변화는 수심에 위한 영향은 받지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 일정 공기량을 공급하기 위해서는 수심에 따른 수압에 비례하여 주입되는 공기압이 증가하는 것으로 판단되며, 향후 수심에 따른 공기압 변화에 대한 연구를 진행할 예정이다.
- 3. 동일 수심에서 공기량 변화에 따른 산기관 내 기액 경계 변화의 상관성을 살펴본 결과 공기량과 기액 경계 변화는 선형적이며 신뢰도가 높음을 알 수 있었다. 실험으로 도출된 이 관계식을 통하여 소요 공기량에 따른 배출구의 기액 경계 높이를 산출하여 폐색 저감형 산기관의 배출구 높이를 결정할 수 있다.
- 4. MLSS 농도 10, 000~12, 000 mg/L로 운전되는 MBR 공정에서 기존 산기관은 실험 경과 31일 이후부터 공기량이 감소하였으나, 폐색 저감형 산기관은 초기의 설정 공기량이 실험 종료인 50일 동안이나 그대로 유지됨을 확인하였고, 산기관 하단부의 개방으로 산기관의 막힘 현상을 방지 할 수 있음을 증명하였다.
- 결과로부터, 개선된 폐색 저감형 산기관은 산기관 내 슬러지 유입으로 인한 산기관의 막힘 현상을 자연스럽게 해결할 수 있어 공기세정을 위한 공기량을 항상 원활하게 제공할 수 있다. 따라서 산기관 막힘으로 인한 공기량 감소로 추가적인 공기 주입이 필요하지 않으며, 막힌 산기관의 세척을 위한 별도의 작업이 필요 없게 되어 MBR공정의 운전 및 유지관리 비용의 상승을 막을 수 있다.
- 그래프이다. 기존 산기관과 개선 산기관이 적용된 조 내의 MLSS 농도는 10, 000~12, 000mg/L로 안정적으로 MBR 공정이 운영되고 있음을 간접적으로 판단할 수 있었다.
- 배출구 5cm인 산기관을 적용한 적정 배출구 높이 산정실험에서 공기량의 변화에 따른 산기관 내의 기액 경계 변화를 확인할 수가 있었다. 초기 공기량 20L/min 주입 시 배출구 상부 1.
- 산기관 비교 실험에서 기존 산기관은 50L/min의 초기 공기량이 30일 가량 지속하다가 31일 이후부터 꾸준히 감소하여 실험 종료 시에는 40 L/min까지 감소하는 것을 확인할 수가 있었다. 이는 MBR 공정에서 공기를 공급하는 산 기관의 산기구멍 내부로 유입된 슬러지가 산기관 외부로 빠져나가지 못하고 시간이 경과함에 따라 내부에 슬러지가 축적하게 되고 블로우의 건조된 공기에 의해 슬러지는 건조되며, 이 건조된 슬러지가 산기관 내에서 산기 구멍을 막아 원활한 공기 공급이 이루어지지 않아서이다.
- 수심의 변화와 관계없이 배출되는 공기량 및 기액 경계가 일정하다는 것은 수심 변화에 따른 수압에 비례하여 동일한 양의 공기를 공급하기 위한블로우의 공기압이 증가하였기 때문인 것으로 사료된다. 실험 결과로부터 수심 변화에 따른 산기관 내의 기액 경계 변화는 일정함을 확인할 수 있었으며, 공기량 변화에 따른 기액 경계 변화만이 발생함을 알 수 있었다.
- 6cm 높이 지점에 기체와 액체의 경계(Fig 4)면이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 공기량이 증가할수록 기액 경계면은 점점 하강하였으며, 공기량이 50L/min 일 때 기액 경계는 5cm인 배출구 바닥보다 낮아져 공기가 배출구의 옆으로 새어 나가는 것을 확인할 수가 있었다(Fig. 5). 공기 세정을 통한 막오염 제어를 주로 행하는 MBR 공정에서는 공기 세정에 소요되는 에너지가 전체공정의 에너지 소요에 70% 이상의 많은 부분을 차지한다 (Bart et al.
- 확인할 수가 있었다. 초기 공기량 20L/min 주입 시 배출구 상부 1.6cm 높이 지점에 기체와 액체의 경계(Fig 4)면이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이후 공기량이 증가할수록 기액 경계면은 점점 하강하였으며, 공기량이 50L/min 일 때 기액 경계는 5cm인 배출구 바닥보다 낮아져 공기가 배출구의 옆으로 새어 나가는 것을 확인할 수가 있었다(Fig.
후속연구
- 99 이상의 신뢰도를 가지고 있으며, 선형적 임을 알 수 있었다. 따라서 본 관계식을 통하여 소요 공기량에 따른 적정 배출구의 높이를 산출하는데 적용이 가능할 것으로 판단된다. 여기서, 배출구 5cm 산 기관과 배출구 10cm 산기관의 상관관계식이 차이가 나는 이유는 Table 2, 3에서 알 수 있듯이 두 산기관의 기액 경계 높이가 공기량 별로 1mm의 미세한 차이에 의한 영향으로, 소요 공기량에 따른 산기관 배출구의 높이를 결정할 때 관계식에 따른 영향은 미비할 것으로 사료된다.
- 실험으로 얻어진 결과로 부터 소요 공기량으로 도출된 산 기관 배출구의 기액 경계 높이에 MBR 공정의 조 내 미생물 농도에 따른 안전치를 고려한다면 적정한 산기관 배출구의 높이를 결정할 수 있을 것이다. 향후 본 산기관을 실제 MBR 공정에 적용한다면 산기관의 막힘 현상으로 인한 문제들은 자연적으로 사라질 것이다.
- 산기관 배출구 내의 기액 경계 변화는 수심에 위한 영향은 받지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 일정 공기량을 공급하기 위해서는 수심에 따른 수압에 비례하여 주입되는 공기압이 증가하는 것으로 판단되며, 향후 수심에 따른 공기압 변화에 대한 연구를 진행할 예정이다.
- 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 침지형 모듈의 산 기관구조를 슬러지가 유입되었을 때 슬러지가 다시 배출될 수 있는 구조로 개선하여, 미생물에 의하여 산기관이 막히는 현상을 방지하여야 공기의 공급을 항상 원활하게 이룰 수 있어 기존에 별도로 진행되던 산기관 세척 작업을 배제하여 비용을 절감시킬 수 있을 것이다.
- 개선하였다. 이렇게 개선된 산기관은 미생물 슬러지가 에어분출구를 통하여 산기관 내로 유입되더라도, 개방된 하단부로 배출되기 때문에 산기관의 내부에 슬러지가 축적되는 것을 원천적으로 차단할 수 있고, 결국 기존의 산기관의 막힘 현상 방지 가용 이할 것이다. 따라서 기존에 별도 진행되던 산기관의 세척 작업이 배제되어 비용 또한 절감시킬 수 있게 된다.
- 여기서, 배출구 5cm 산 기관과 배출구 10cm 산기관의 상관관계식이 차이가 나는 이유는 Table 2, 3에서 알 수 있듯이 두 산기관의 기액 경계 높이가 공기량 별로 1mm의 미세한 차이에 의한 영향으로, 소요 공기량에 따른 산기관 배출구의 높이를 결정할 때 관계식에 따른 영향은 미비할 것으로 사료된다. 향후 MBR 공정에 본 산기관을 적용한다면 도출된 관계식으로 소요 공기량에 따른 배출구 높이를 산정할 수 있어 산기관 제작에 많은 도움을 줄 것으로 생각되며, MBR조 내에는 고농도(6, 000~15, 000mg/L)의 미생물이 존재함으로 이를감안하여 배출구의 높이에 여유를 두어 설계를 하여야 할 것이다.
- 결정할 수 있을 것이다. 향후 본 산기관을 실제 MBR 공정에 적용한다면 산기관의 막힘 현상으로 인한 문제들은 자연적으로 사라질 것이다.
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