[논문]CFD를 이용한 정수처리 공정 내 유량변동시 수리흐름 해석에 관한 연구

김성수; 최종웅; 박노석; 왕창근

doi:10.11001/jksww.2013.27.2.215

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The fluctuation of inlet flow to a water treatment plant makes a serious problem that it can change the outlet flowrate from each process abruptly. Since it takes very short time for the surface wave occurred from the fluctuation of inlet flow to reach the latter processes, it is impossible for oper...

The fluctuation of inlet flow to a water treatment plant makes a serious problem that it can change the outlet flowrate from each process abruptly. Since it takes very short time for the surface wave occurred from the fluctuation of inlet flow to reach the latter processes, it is impossible for operators to cope with that stably. In order to investigate the characteristics of hydraulic behavior for rectangular sedimentation basin in water treatment plant, CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation were employed. From the results of both CFD simulations, it was confirmed that time taken for the follow-up processes by the fluctuation in intake well can be estimated by the propagation velocity of surface waves. Also, it takes very short time for the surface wave occurred from the fluctuation of inlet flow to reach the latter processes. In the case of inlet flowerate being increased sharply, local velocity within sedimentation basin appeared as wave pattern and increased due to convection current. Also, it could be observed that vortex made local velocity in the vicinity of bottom rise.

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문제 정의

본 연구에서는 유량변동이 후속 공정에 전파되는 속도를 실험 및 실측에 의해 제시했던 박노석(2008) 등의 논문에서 이용된 동일한 정수처리 플랜트 시설(1,000 m³/일 규모, Fig. 3 참조)을 대상으로 전산유체해석 기법을 이용하여 유량변동 발생조건을 모사하고, 유량변동 발생시 후속 공정에 나타나는 수리적 특성을 살펴보고자 연구를 수행하였다.

가설 설정

착수정 내 유량 변동이 발생하는 경우 후속 공정에 영향이 전파되는 것을 전산유체해석 프로그램으로 모사하고, 이 때 각 공정별 수리흐름 특성 변화를 알아보기 위해 앞 절에서 언급한 바와 같이 계산영역을 결정하였으며, 수치해석을 위한 형상은 3차원의 유동이 발생하지 않는 다는 가정으로 2차원으로 구성하였다.

제안 방법

본 연구는 유량변동이 후속 공정에 전파되는 속도를 실험, 실측에 의해 제시했던 선행 박노석(2008) 등의 논문에서 이용된 동일한 정수처리 플랜트 시설(1,000 m³/일 규모)을 대상으로 전산유체해석 기법을 이용하여 유량변동 발생시 동일 조건을 설정하여 모사 및 검증하고, 이를 바탕으로 급격한 유량변동 발생시 후속 공정에 영향이 미치는 시간과 침전지내 수리적 특성변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구 대상시설은 1,000m³/일 규모의 실 규모 정수처리 플랜트 설비로서 구성 공정은 Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 착수정-전오존-혼화응집-침전-급속여과-후오존-활성탄 공정으로 구성되어 있다.
대상시설은 1,000 m³/일의 시설용량 대비 전 오존 공정의 경우 10.8분의 수리적 체류시간으로 설계되어 있으며, 급속혼화 공정 10.9분, 응집공정 40분, 침전공정은 3시간의 체류시간을 확보토록 설계되어 상수도 시설기준에서 제시하고 있는 각 공정별 설계기준을 모두 만족하는 시설이다.

이론/모형

4는 표면상의 계산 격자 분포를 나타내고 있으며, ANSYS Meshing Tool 소프트웨어를 사용하여 격자를 생성하였으며, 벽면과 자유표면의 높은 해상을 위하여 조밀한 격자를 사용하였다. 수치 계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.1(ANSYS, 2009)을 사용하였으며, 경계조건으로 입구에는 설계 용량에 해당하는 속도조건, 출구에는 대기압 조건을 적용하였으며, 25 ℃ 조건의 물과 공기 영역에서 중력의 영향을 고려한 Buoyancy model 과 Free surface model을 적용하여 수치해석을 진행하였으며, 벽면 조건으로는 no-slip condition을 적용하였다. 난류모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
1(ANSYS, 2009)을 사용하였으며, 경계조건으로 입구에는 설계 용량에 해당하는 속도조건, 출구에는 대기압 조건을 적용하였으며, 25 ℃ 조건의 물과 공기 영역에서 중력의 영향을 고려한 Buoyancy model 과 Free surface model을 적용하여 수치해석을 진행하였으며, 벽면 조건으로는 no-slip condition을 적용하였다. 난류모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
정상상태(steady state) 조건에서는 유입유량을 11 m³/hr의 박노석(2008) 등의 논문조건과 동일한 조건을 적용하여 계산을 수행하였으며, 비정상상태(unsteady state) 계산시 유입유량 조건을 상기 논문의 동일한 실험조건인 22 m³/hr으로 변경시켜 후단 공정에서 이의 변화 특성을 전오존 공정 후단, 혼화공정 후단, 침전지 유출부(Fig. 5 (a)) 등 각 공정별 유속이 증가되기 시작하는 시간 경과 특성과 침전지 내 Fig.

성능/효과

1) 착수정에서 급격한 유량증가 발생시 후속 공정에 전파되는 시간이 각 공정별 체류시간의 합이 아닌 표면파 전파속도로 상당히 빠른 시간 내 전파되는 것을 제시한 선행연구결과와 마찬가지로 전산유체해석 기법을 적용하여 동일 조건으로 모사한 결과에서도 매우 빠른 시간 내 후속 공정에 전파됨을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 급격한 유량 증가시 후속 공정의 유량 증가속도는 유입유량의 증가속도보다는 상대적으로 완만하게 증가하는 것으로 나타났다.
1) 착수정에서 급격한 유량증가 발생시 후속 공정에 전파되는 시간이 각 공정별 체류시간의 합이 아닌 표면파 전파속도로 상당히 빠른 시간 내 전파되는 것을 제시한 선행연구결과와 마찬가지로 전산유체해석 기법을 적용하여 동일 조건으로 모사한 결과에서도 매우 빠른 시간 내 후속 공정에 전파됨을 확인할 수 있었다. 또한, 이러한 급격한 유량 증가시 후속 공정의 유량 증가속도는 유입유량의 증가속도보다는 상대적으로 완만하게 증가하는 것으로 나타났다.
2) 급격한 유량 증가시 침전지 내 각 지점별 유속 증가 경향은 파(wave)형을 나타내면서 입구의 증가된 유량의 대류 전달로 인하여 속도가 증가하였다. 또한, 표층부에서 상당히 빠른 속도로 전파되는 것을 확인할 수 있었으며, 침전지 저면부에서도 와류의 영향으로 인해 국부적인 유속 증가 특성을 나타내어 침강된 슬러지의 재부상 등이 발생할 수 있을 것으로 예측되었다.
2) 급격한 유량 증가시 침전지 내 각 지점별 유속 증가 경향은 파(wave)형을 나타내면서 입구의 증가된 유량의 대류 전달로 인하여 속도가 증가하였다. 또한, 표층부에서 상당히 빠른 속도로 전파되는 것을 확인할 수 있었으며, 침전지 저면부에서도 와류의 영향으로 인해 국부적인 유속 증가 특성을 나타내어 침강된 슬러지의 재부상 등이 발생할 수 있을 것으로 예측되었다.
3) 정수처리장 내 착수정의 급격한 유량변동은 윤변의 길이에 따라 각 정수장 별로 차이는 나타나겠지만 수초에서 수분 범위의 빠른 속도로 후속 공정에 전파되어 유량 또는 유속 조건의 변화에 따른 후속 공정의 대처가 현실적으로 매우 어려워질 것으로 예측된다. 따라서, 가급적 정수처리장 내 급격한 처리유량의 변동을 억제하는 정수처리 운영이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

그리고 이러한 작은 차이 발생은 본 모의가 컴퓨터 성능 문제로 2-D 조건에서 모사되어 각 공정별 폭 방향에 대한 영향이 고려되지 못한 점에 기인된 영향으로 판단할 수 있다. 결과적으로 상기 논문에서 제시된 유입유량이 변동되는 경우 매우 빠른 속도로그 영향이 전파되는 결과를 본 연구의 전산유체 해석 프로그램을 활용한 모사에서도 유사한 결과가 도출되어 이 프로그램을 활용한 공정 내 수리흐름 특성 변화 또한 신뢰성 있는 결과를 제시할 수 있을 것으로 판단된다.
3) 정수처리장 내 착수정의 급격한 유량변동은 윤변의 길이에 따라 각 정수장 별로 차이는 나타나겠지만 수초에서 수분 범위의 빠른 속도로 후속 공정에 전파되어 유량 또는 유속 조건의 변화에 따른 후속 공정의 대처가 현실적으로 매우 어려워질 것으로 예측된다. 따라서, 가급적 정수처리장 내 급격한 처리유량의 변동을 억제하는 정수처리 운영이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전산유체해석이란?	전산유체해석(CFD, Computaional Fluid Dynamics)은 현재 컴퓨터의 발달로 인하여 많은 분야에서 이용되어지는 기술로서 현재 정수처리 시스템 내에서도 이러한 기법을 이용하여 실험적으로 규명하기 어려운 부분에 대해 많은 연구가 진행 중에 있으며, 매우 높은 신뢰성을 가진 결과를 제공하고 있다.(Goula et al.
	정수처리 시설의 처리용량이 설계 조건과 운영 조건이 다른 경우 발생하는 문제는?	정수처리 시설의 처리용량에 있어서 설계 조건과 운영 조건이 다른 경우 정수처리 효율 저하 가능성이 존재하게 되며, 정수처리 생산원가의 상승 또한 발생할 수 있다. 따라서, 정수처리 공정의 설계 조건과 시공된 정수처리 각 공정의 구조 및 설비들의 운영조건 차이 발생은 새로운 운영 유량조건에서의 정수처리 공정별 운영최적화 과정을 요구하게 된다.
	정수처리 공정내 유량의 변동은 적절한 최적화가 이뤄지지 않을 경우 발생하는 문제는?	정수처리 공정내 유량의 변동은 설계조건과 상이한 운영조건의 발생에 따라 적절한 최적화가 이루어지지 않는 한 정수처리시 수질 및 운영 측면에 여러 가지 영향을 미칠 수 있다. 수질적으로 공정내 효율 차이를 유발할 수 있으며, 운영측면에서는 운영로직 상 문제점 발생과 설비 이용률의 증가에 따른 운영비 상승의 문제점을 유발 할 수 있다.

참고문헌 (7)

Ministry of Environment(2011),"2010 Statistics of Waterworks"
Athanasia M. Goula, Margaritis Kostoglou, Thodoris D. Karapantsios, Anastasios I. Zouboulis(2008), "A CFD methodology for the design of sedimentation tanks in potable water treatment: Case study: The influence of a feed flow control baffle", Chemical Engineering Journal, Vol. 140, Issues 1-3, pp. 110-121.

상세보기
William B. Rauen, Binliang Lin, Roger A. Falconer, Edmilson C. Teixeira(2008), "CFD and experimental model studies for water disinfection tanks with low Reynolds number flows", Chemical Engineering Journal, Vol. 137, Issues 3, pp. 550-560.

상세보기
Afshin Pak, Toraj Mohammadi, S.M. Hosseinalipour, Vida Allahdini(2008), "CFD modeling of porous membranes", Desalination, Volume 222, Issues 1-3, pp. 482-488.

상세보기
D.R. K aushal, T. Thinglas, Yuji Tomita, Shigeru Kuchii, Hiroshi Tsukamoto(2012), "CFD modeling for pipeline flow of fine particles at high concentration", International Journal of Multiphase Flow, Volume 43, pp. 85-100.

상세보기
Jong-Woong Choi, Seong-Su Kim, No-Suk Park, Young-Joo Lee, Seon-Ha Chae(2012),"UV predictions for ultra violet flowing water purification of axial reactor type based on the location of the exit by CFD", Journal of Korean Society of Water and Wastewater, Vol.26, No.4, pp.521-533

원문보기 상세보기
No-Suk Park, Seong-Eun Lim, Seong-Su Kim, Jun-Sik Hwang, Nahm-Chung Jung(2008), "Analysis of relationship between daily inflow rate fluctuation and surface wave transfer velocity in water treatment processes", Journal of Korean Society of Water and Wastewater, Vol.22, No.2, pp.239-243

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