[논문]열전달 모델을 이용한 폐수처리공정의 온도 예측

노승백

doi:10.5762/kais.2014.15.3.1795

[국내논문] 열전달 모델을 이용한 폐수처리공정의 온도 예측
Temperature Prediction for the Wastewater Treatment Process using Heat Transfer Model 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.3, 2014년, pp.1795 - 1800

초록
AI-Helper

본 논문은 생물학적 활성오니 폐수처리공정의 열전달 모델식을 제시하여 공정의 온도를 예측하였다. 열전달 모델은 폐수처리공정에 들어오고 나가는 모든 열을 고려하였다. 공정에 들어오는 열은 태양 복사열과 포기조 impeller의 기계적 에너지의 변환열, 포기조 내의 생화학 반응열이다. 공정에서 나가는 열은 폐수 자체의 복사열, 포기작용에 의한 증발열과 포기조 표면으로 나가는 전도열, 바람에 의한 대류열, 포기조와 지표면과의 전도열을 고려하였다. 들어오고 나가는 모든 열은 기존의 열전달 경험식을 적용하였다. 적용된 경험식으로 폐수처리장 공정의 열전달 모델식을 제시하였다. 모델식으로 실제 폐수처리공정의 온도를 예측하였으며, 모델식 예측치와 실제값이 $1.0^{\circ}C$ 이내로 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The temperature change in the biologically activated sludge wastewater treatment process was predicted using the heat transfer model. All incoming and outgoing heats in wastewater treatment processes were considered. Incoming heats included the solar radiation heat, the heat from impeller mechanical energy, and the biochemical heat in the aeration process. Outgoing heats comprised the radiation heat from the waste itself, the heat of vaporization and surface aeration, the wind convection heat and the conduction heat between the surface and aerator. All heats were used as an input to the existing empirical heat transfer model. The heat transfer model of wastewater treatment processes is presented also. To test the validity of the heat transfer model, the operating conditions of the actual wastewater treatment plant were used. The temperatures were compared with the model temperatures. Model predictions were consistent within the $1.0^{\circ}C$.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서 제시한 폐수처리공정의 열전달 모델은 광범위한 기후 조건과 조업 조건에서 포기조 온도를 정확하게 추정하기 위한 방안이 될 수 있다.

가설 설정

표면 포기에 있어서 기계적 에너지(H_M)는 직접 폐수에 전달된다고 가정한다. 따라서, 포기조의 실제 축일을 기계적 에너지로 사용하며, 표면 포기에 들어간 에너지는 모두 물에 흡수되어 모두 열로 변환된다고 가정할 수 있다.
)는 직접 폐수에 전달된다고 가정한다. 따라서, 포기조의 실제 축일을 기계적 에너지로 사용하며, 표면 포기에 들어간 에너지는 모두 물에 흡수되어 모두 열로 변환된다고 가정할 수 있다.
이 열손실의 추정은 표면 증발과 전도식을 사용하였다. 이 방법에서 공기는 수증기로 포화되어 있고, 분사된 물방울과 접촉한 후 물과 열평형에 도달한다고 가정했다. 산소공급(포기)에 의한 열손실 가정으로 얻은 식은 다음과 같다[5].
)은 포기조의 건축자재 종류, 두께, 그리고 내부와 외부표면 사이의 온도 차이에 의해 영향을 받는다. 포기조 내부의 온도는 폐수의 유출온도(T_w)로, 외부의 온도는 대기온도(T_a)로 가정하였다. 전도열은 유효벽면 및 바닥 넓이와 총괄 전열계수와 포기조 내부와 외부의 온도차이로 계산할 수있다.
몇몇 연구자들의 연구에 의하면 부유식 영양소 제거공정과 부착식 영양소제거공정 그리고 부유식과 부착 식을 결합한 영양소제거공정의 온도 영향에 대한 결과를 발표하였다[10]. 본 연구에서는 질산화와 탈질 반응에 대한 온도 영향을 고려하지 못하였고, 운전은 부유식 영양소 제거공정만을 가정하여 유출수 온도를 예측하였다.
반면, 제거율이 느린 시스템(긴 슬러지 수명)에서는 적은 VSS가 발생하며, 결과적으로 더 많은 사용 가능한 에너지를 열로 바꾼다. 가정된 자유에너지값에서 실제 에너지 방출량은 370 cal/gCOD 에서 3300 cal/gCOD이다.
5 m² 이다. 포기조 벽면의 열전달 계수는 2.0X10 4 cal / m² day ℃ 로 가정하였다. 기상조건과 운전조건, 생화학분해반응 조건, 포기조와 포기기 자료를 입력하여 월간 폐수처리공정의 유출수 온도를 계산하였다.
본 연구에서는 질산화와 탈질 반응에 대한 온도 영향을 고려하지 못하였고, 운전은 부유식 영양소 제거공정, 즉 표면 포기조의 생화학적 반응열만을 가정하여 유출수 온도를 예측하였다. 앞으로의 연구에서 질산화와 탈질 반응에 대한 온도 영향과 고도처리를 위한 호기조, 혐기조, 무산소조, 탈기조에서의 반응열을 고려하여 열전달 모델에 적용하면 고도처리 폐수처리장의 포기조 온도를 예측할 수 있을 것이다.

제안 방법

포기조 온도예측에 대한 기존 연구들을 살펴보면, 포기조의 평형온도 예측은 포기조를 냉각 연못(cooling pond)으로 가정한 정상상태 모델을 기초로 하여 연구를 시작하였다[3,4]. 그 후, 냉각 연못에 기계적 에너지와 생화학적 반응열을 포함하여 계산하는 연구를 하였으며[5], 폐수처리장의 위치에 따른 정보를 입력하여 계산하는 모델도 개발하였다[6]. 또한 폐수처리장의 온도에 영향 현상을 크게 8가지로 나누어 하루 동안 변화하는 온도 범위를 주고 그것으로 예측하는 연구도 있다[7].
본 연구에서는 포기조 전체에 출입하는 모든 열을 고려하여 열전달 모델을 제시하였으며, 이를 대표적인 활성 슬러지 시스템인 표면 포기조 온도 예측에 적용하였다. 개발된 열전달 모델을 실제 대구 지방의 기상데이터와 대구에 위치한 폐수처리공정의 운전조건을 열전달 모델에 적용하여 예측된 온도와 측정한 온도를 확인하였다.
본 연구에서는 포기조 전체에 출입하는 모든 열을 고려하여 열전달 모델을 제시하였으며, 이를 대표적인 활성 슬러지 시스템인 표면 포기조 온도 예측에 적용하였다. 개발된 열전달 모델을 실제 대구 지방의 기상데이터와 대구에 위치한 폐수처리공정의 운전조건을 열전달 모델에 적용하여 예측된 온도와 측정한 온도를 확인하였다.
인제거반응은 질산화와 탈질의 경우와는 다르게 온도에 대한 영향이 직접적인 영향이 아니라 간접적인 영향을 받는다는 연구결과가 있다[9]. 따라서 본 연구에서는 인제거반응에 의한 온도변화를 최소화하였다.
열전달 모델을 적용하기 위하여 기상청의 기상연보를 활용하였다[11]. 기상연보의 월간요약자료(Monthly Meteorological Summary)중에서 기온, 상대습도, 평균운량, 평균풍속을 이용하였다. Table 1은 대구지역의 2006년 기상연보의 월간요약자료이다.
제시된 열전달 모델의 적합성을 확인하기 위해서, 폐수처리공정의 유출수 온도와 열전달 모델로 예측한 온도를 비교하였다. 폐수처리장의 유입폐수는 수중 포기기가 설치된 유량조정조(Equalization Basin)을 거쳐 연속 2계열로 이루어진 최초침전지(Primary Sedimentation Basin) 에서 생슬러지가 제거되며, 원수는 표면 포기기 (Aeration Basin)가 설치된 활성슬러지조(Activated Sludge Basin)에서 BOD, COD 성분을 제거하는 생화학적 분해반응이 일어나고, 반응된 원수는 2차 침전지로 이송되어 반송 및 잉여 슬러지로 분리된다.
0X10 4 cal / m² day ℃ 로 가정하였다. 기상조건과 운전조건, 생화학분해반응 조건, 포기조와 포기기 자료를 입력하여 월간 폐수처리공정의 유출수 온도를 계산하였다. 계산 결과는 Fig.

대상 데이터

열전달 모델을 적용하기 위하여 기상청의 기상연보를 활용하였다[11]. 기상연보의 월간요약자료(Monthly Meteorological Summary)중에서 기온, 상대습도, 평균운량, 평균풍속을 이용하였다.
기상연보의 월간요약자료(Monthly Meteorological Summary)중에서 기온, 상대습도, 평균운량, 평균풍속을 이용하였다. Table 1은 대구지역의 2006년 기상연보의 월간요약자료이다.

이론/모형

물 표면으로부터 증발열(H_e)은 Novotny와 Krenkel(1973)식을 이용하였다. 이 식을 사용하고 증기 전달계수를 표현식으로 대치하면, 증발에 의한 열손실 식은 다음과 같다[5].
)은 산소공급 분사기의 물방울로부터의 증발과 전도에 기인한다. 이 열손실의 추정은 표면 증발과 전도식을 사용하였다. 이 방법에서 공기는 수증기로 포화되어 있고, 분사된 물방울과 접촉한 후 물과 열평형에 도달한다고 가정했다.

성능/효과

열전달 모델은 폐수처리공정 주변에서 발생하는 모든 열전달, 즉 전도, 대류, 복사에 의한 열전달을 고려하고 포기기에서 발생하는 기계적인 열과 포기기 내의 활성슬러지에 의한 생화학 반응열을 고려하여 열전달 모델을 만들었으므로 기후 조건과 운전 조건으로도 예측된 값은 월별 실측값과 1.0℃ 이내의 온도 범위에서 잘 일치하였다. 따라서 열전달 모델에 사용되는 매개 변수들은 모델을 범용적으로 이용하기에 적절한 값을 갖고 있다.

후속연구

본 연구에서는 질산화와 탈질 반응에 대한 온도 영향을 고려하지 못하였고, 운전은 부유식 영양소 제거공정, 즉 표면 포기조의 생화학적 반응열만을 가정하여 유출수 온도를 예측하였다. 앞으로의 연구에서 질산화와 탈질 반응에 대한 온도 영향과 고도처리를 위한 호기조, 혐기조, 무산소조, 탈기조에서의 반응열을 고려하여 열전달 모델에 적용하면 고도처리 폐수처리장의 포기조 온도를 예측할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐수처리공정에서 가장 일반적인 방법은 무엇입니까?	폐수처리공정 중에서 포기조(Aeration Basin)를 이용한 생물학적 처리는 가장 일반적인 방법이다. 이 방법은 여러 종류의 오폐수를 처리할 수 있고, 효율이 우수하며, 처리비용이 낮기 때문이다.
	생물학적 처리공정은 무엇에 영향을 받습니까?	이 방법은 여러 종류의 오폐수를 처리할 수 있고, 효율이 우수하며, 처리비용이 낮기 때문이다. 그러나, 생물학적 처리공정은 폐수에 있는 유기물과 무기오염물질을 산화시키는 미생물에 강하게 의존하며, 미생물은 폐수의 온도에 따른 영향을 받고, 미생물의 활성도가 온도에 따라 달라지기 때문에 공정의 효율은 포기조의 온도에 따라 달라진다. 따라서 포기조의 온도예측은 생물학적 폐수처리공정의 설계와 운전에 중요한 역할을 한다[1,2].
	포기조(Aeration Basin)를 이용한 생물학적 처리가 널리 이용되는 이유는 무엇입니까?	폐수처리공정 중에서 포기조(Aeration Basin)를 이용한 생물학적 처리는 가장 일반적인 방법이다. 이 방법은 여러 종류의 오폐수를 처리할 수 있고, 효율이 우수하며, 처리비용이 낮기 때문이다. 그러나, 생물학적 처리공정은 폐수에 있는 유기물과 무기오염물질을 산화시키는 미생물에 강하게 의존하며, 미생물은 폐수의 온도에 따른 영향을 받고, 미생물의 활성도가 온도에 따라 달라지기 때문에 공정의 효율은 포기조의 온도에 따라 달라진다.

참고문헌 (11)

Argaman, Y.; Adams Jr., CE., "Comprehensive Temperature Model for Aerated Biological Systems", Prog. Water TechnoL, 9, 397-409, 1977.
Wells, S. A., "Effect of Winter Heat Loss on Treatment Plant Efficiency", J. Water Pollut. Cont. Fed., 62(1), 34-39, 1990.
Raphael, J. W. "Prediction of temperature in rivers and reservoirs", J. Power Div., ASCE 88, 157-166, 1962.
Thackston, E. L. and Parker, F. L., "Geographical Influence upon Cooling Pond", J. Water Pollution Cont. Fed., 44, 7-12, 1972.
Novotny, V. and Krenkel, P. A., "Evaporation and Heat Balance in Aerated Basins", AIChE Symposium Series, 70(136), 150-159, 1973.
Talati, S. N. and Stenstrom, M. K, "Aeration Basin Heat Loss", J. Environ. Eng. ASCE, 116 (1), 70-86, 1990. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1990)116:1(70)

상세보기
la Cour Jansen, J., Kristensen, G. H. and Laursen, K. D., "Activated Sludge Nitrification in Temperature Climate", Water Sei. Technol, 25(4-5), 177-184, 1992.
Durrenmatt, D. J. and Wanner, O., "A mathematical model to predict the effect of heat recovery on the wastewater temperature in sewers", Water Research, 48(1), 548-558, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2013.10.017

상세보기
Choi, Y. S. and Yoo, D. W., "Temperature Effects on Nutrient Removal Process", Korean Soc. of Water Quality, 1997(1), B-1, 1997
Kang, Y. H., "Temperature effect on the perforamnce of biological nutrients removal systen combining attached at suspended growth", MS Thesis, Korea Univ., 2004.
The Korea Meteorological Administration, South Korea, Monthly Meteorological Summary, http://www.kma.go.kr/weather/climate/data_monthly.jsp, (accessed Dec., 10, 2013)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증