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문제 정의
- 본 연구의 반(companion) 논문에서 제기되었던 G정수장의 병렬 배열형 상향류식 침전지의 문제점이 각각의 침전공간으로 유입되는 유량의 불균등으로 각 트라프에서 유출되는 수질이 상이함을 지적하였다. 이에 상향류식 침전지 자체의 운전 및 수리구조의 개선보다는 침전지로의 유입유량 균등성을 제고함으로써 침전효율을 증가시키고자 하였다.
- 본 연구의 반(companion) 논문에서 제기되었던 G정수장의 병렬 배열형 상향류식 침전지의 문제점이 각각의 침전공간으로 유입되는 유량의 불균등으로 각 트라프에서 유출되는 수질이 상이함을 지적하였다. 이에 상향류식 침전지 자체의 운전 및 수리구조의 개선보다는 침전지로의 유입유량 균등성을 제고함으로써 침전효율을 증가시키고자 하였다. 침전지 전단에 있는 분배수로의 수리구조 개선을 위하여 도출된 설계안을 CFD를 이용하여 최적화하여 시공한 후 일정기간 동안 5개의 트라프를 통해 유출되는 수질을 측정하여 그 효율을 검증하고자 하였다.
제안 방법
- 4(a)는 유출 유량 균등성의 모사를 위한 개선안 첫 번째 수리 구조로서 입구에서 출구까지 균일한 수두 손실을 발생하기 위하여 수리 구조 내부에 80 mm 두께의 격벽을 설치한 후 격벽을 통하여 유체가 입구에서 출구로 유출되도록 직경 450 mm이 홀을 생성하였다. 그리고 출구 5영역의 격벽 끝단에는 벽면과의 500 mm의 거리를 두어 가장 크게 작용하는 수두손실을 줄일 목적으로 간격을 두었다. Fig.
- 85 m3/일로 약 30 %정도의 유량 균등성의 향상을 예측할 수 있었다. 따라서, 본 G_정수장에서는 2012년 6월 4일부터 5일 이틀 동안 개선안 Ⅱ대로 기존 분배수로 개선 공사를 수행하였으며, 약 한 달 정도 안정화 기간을 보내고 동일한 조건에서 트라프 1-5에서 유출되는 침전수의 탁도를 측정하였다.
- 1을 사용하였으며, 입구에는 하루 운전 유량 18,000 m3/day에 해당하는 질량 유량 유입조건, 출구에는 압력 조건을 적용하였다. 벽면 조건으로는 no-slip wall condition을 적용하였으며, 자유표면에 해당하는 수리 구조 형상의 상부에는 free slip wall condition을 적용하였다. 작동유체로서 20 ℃에 해당하는 밀도와 점성을 가지는 물을 사용하였다.
- 본 연구에서는 분배수로 수리구조 개선안 두가지를 대상으로 CFD를 이용하여 유출 유량의 균등성을 모사하였다. 그 형상을 Fig.
- 본 연구의 반(companion) 논문에서 제기되었던 G정수장의 병렬 배열형 상향류식 침전지의 문제점이 각각의 침전공간으로 유입되는 유량의 불균등으로 각 트라프에서 유출되는 수질이 상이함을 지적하였다. 이에 상향류식 침전지 자체의 운전 및 수리구조의 개선보다는 침전지로의 유입유량 균등성을 제고함으로써 침전효율을 증가시키고자 하였다.
- 해석을 위한 격자정보를 Table 1에 나타내었으며, ANSYS Meshing Tool를 사용하여 각각의 형상에 대하여 격자를 생성하였다. 수리 구조의 격벽에 설치된 홀의 해상을 위하여 상대적으로 조밀한 격자를 홀 주위에서 생성하였다. 기존 형상, 개선형상 Ⅰ, 개선 형상 Ⅱ의 사용된 격자 수는 각각 230,000, 280,000, 620,000 노드이다.
- 격자의 형태는 벽면에서 난류로 인한 유동장 형성의 해상을 위하여 prism 격자를 사용하였으며, 공간 상에서는 tetra 격자를 사용하였다. 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.1을 사용하였으며, 입구에는 하루 운전 유량 18,000 m3/day에 해당하는 질량 유량 유입조건, 출구에는 압력 조건을 적용하였다. 벽면 조건으로는 no-slip wall condition을 적용하였으며, 자유표면에 해당하는 수리 구조 형상의 상부에는 free slip wall condition을 적용하였다.
- 상기 CFD모사 방법에서 기술된 설계안 중에서 5개의 유출유량에 있어서 더 낮은 편차가 예측된 설계안(CFD모사 결과에서 언급하겠지만 다공성 플레이트로 선정)을 실제 G_정수장 병열 배열된 상향류식 침전지 유입부에 2012년 6월 20일 시공 완료하였다. 이에 개선된 유입부의 수리구조가 수질에 미치는 영향을 알아보기 위해 18,000 m3/일 유량조건에서 왼쪽 벽면으로부터 outlet1 ~ outlet8까지 샘플링하여 탁도를 측정하였다. 탁도 측정은 동일한 개선 전과 개선 후 동일한 시간대에 측정하였으며, 측정간격은 일중 변화를 평가하기 위하여 30분 간격으로 19번 측정하였다.
- 분배수로 유입 위어가 outlet 1과 가까워 outlet 1으로부터 유출되는 유량이 가장 클 것으로 유추되었다. 추후 이를 확인하고 정량화하기 위하여 CFD 모사를 수행하였다.
- 이에 상향류식 침전지 자체의 운전 및 수리구조의 개선보다는 침전지로의 유입유량 균등성을 제고함으로써 침전효율을 증가시키고자 하였다. 침전지 전단에 있는 분배수로의 수리구조 개선을 위하여 도출된 설계안을 CFD를 이용하여 최적화하여 시공한 후 일정기간 동안 5개의 트라프를 통해 유출되는 수질을 측정하여 그 효율을 검증하고자 하였다.
- 이에 개선된 유입부의 수리구조가 수질에 미치는 영향을 알아보기 위해 18,000 m3/일 유량조건에서 왼쪽 벽면으로부터 outlet1 ~ outlet8까지 샘플링하여 탁도를 측정하였다. 탁도 측정은 동일한 개선 전과 개선 후 동일한 시간대에 측정하였으며, 측정간격은 일중 변화를 평가하기 위하여 30분 간격으로 19번 측정하였다.
대상 데이터
- 기존 형상, 개선형상 Ⅰ, 개선 형상 Ⅱ의 사용된 격자 수는 각각 230,000, 280,000, 620,000 노드이다. 격자의 형태는 벽면에서 난류로 인한 유동장 형성의 해상을 위하여 prism 격자를 사용하였으며, 공간 상에서는 tetra 격자를 사용하였다. 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.
- 7은 기존분배수로에 다공성 도류벽 (직경 250 mm 오리피스 116개)를 설치한 후 약한 달 정도의 안정화 기간을 보낸 후 2012년 7월 16일 하루 동안 5개 트라프(outlet1-10)에서 30분 간격으로 19회 측정한 탁도 데이터를 제시한 것이다. 대상 침전지의 대칭성을 고려하여 왼쪽 벽면으로부터 트라프 1(outlet1-2), 트라프 2(outlet 3-4), 트라프 3(outlet 5-6), 트라프 4(outlet 7-8) 그리고 트라프 5(outlet 9-10)을 선정하였다.
- 본 수로는 침전지의 좌측에 설치되어 있으며, 왼쪽 끝 위어(파란색 사각형; inlet)를 통해 들어온 유입수가 5개의 출구(outlet) 유출되는 형상이다. 수로의 폭은 1 m이고, 전장은 28 m이며, 깊이는 2 m이다. 각 유출구의 직경은 0.
- 벽면 조건으로는 no-slip wall condition을 적용하였으며, 자유표면에 해당하는 수리 구조 형상의 상부에는 free slip wall condition을 적용하였다. 작동유체로서 20 ℃에 해당하는 밀도와 점성을 가지는 물을 사용하였다. 난류모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
이론/모형
- 난류모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 연구 대상인 G_정수장에서 운전 중인 병열 배열된 상향류식 침전지의 유입부 분배 수로 개선안을 CFD모사로 최적 설계한 결과 다공성 도류벽의 설치가 5개의 유출부로 유출되는 유량을 균등화하는데 효과적임을 밝혔다. CFD모사 결과로부터 좀 더 자세하게 언급하자면 기존 분배수로의 경우 최대 유출유량과 최소유출유량의 차가 3.
- 2) 다공성 도류벽의 시공하고 한 달 정도의 안정화 기간을 거친 후, 개선 전과 후의 각 트라프로 유출되는 유출수의 탁도를 측정한 결과 통합 탁도로 개선 전 2.7 NTU이었던 것이 개선 후 1.8 NTU로 측정되어 약 30%정도의 탁도 개선 효과를 가져왔다. 이와 같은 결과는 개선 전 탁도가 가장 높았던 트라프 1 유출수가 유출 유량 또한 가장 많아 통합 탁도에 지배적인 영향을 미쳤으나, 유량 균등화 도모를 위해 시공한 다공성 도류벽으로 유출 유량의 안전화를 개선함으로써 수질이 개선된 것으로 파악된다.
- 1) 연구 대상인 G_정수장에서 운전 중인 병열 배열된 상향류식 침전지의 유입부 분배 수로 개선안을 CFD모사로 최적 설계한 결과 다공성 도류벽의 설치가 5개의 유출부로 유출되는 유량을 균등화하는데 효과적임을 밝혔다. CFD모사 결과로부터 좀 더 자세하게 언급하자면 기존 분배수로의 경우 최대 유출유량과 최소유출유량의 차가 3.727 %, 직경 450 mm 오리피스가 5개 천공된 도류벽의 경우 4.492 %, 그리고 직경 250 mm 오리피스가 116개 천공된 다공성 도류벽의 경우 1.45 %인 것으로 모사되었다.
- 5는 기존 분배수로와 상기 “CFD 모사 방법”에서 언급한 두 가지 개선안을 대상으로 수행한 CFD모사 결과를 streamline으로 도시한 것이다. 각 streamline의 거동을 관측할 때에 (a) 기존 분배수로의 경우 유입부(왼쪽)에서 멀어질수록 유속이 느려지며, 5개의 유출부로 나가는 streamline의 수도 현저히 감소하는 것으로 관측되었다. Fig.
- 16 NTU로 측정되었다. 각 트라프에서 유출되는 유출수의 탁도 향상정도가 크지 않지만 유량 균등화를 통한 각 트라프 유출수의 수질 균등화 정도는 최대 60 %이상 개선되었으며, 이로 인한 통합 탁도의 경우 개선 전 2.69 NTU이 었던 것이 개선 후 1.83 NTU로 측정되어 약 32%정도의 탁도 개선 효과를 가져왔다. 이와 같은 결과는 개선 전 탁도가 가장 높았던 트라프1 유출수가 유출 유량 또한 가장 많아 통합 탁도에 지배적인 영향을 미쳤으나, 유량 균등화 도모를 위해 시공한 다공성 도류벽으로 유출 유량의 안전화를 개선함으로써 수질이 개선된 것으로 파악된다.
- 7에서 나타난 바와 같이, 개선 전의 데이터는 분배수로의 개선하기 전 5월 17일 측정 데이터이며, 개선 후는 분배수로를 개선안Ⅱ대로 시공한 약 한달 정도 운전 후 7월 16일에 측정 한 데이터이다. 각 트라프에서 채취한 샘플의 탁도가 상당이 안정화 되었을 알수 있는데, 개선 전 탁도 데이터 중 최대 값을 기준으로 평균은 2.51 NTU, 표준편차 0.58 NTU임에 반해 분배수로 개선 후 최대 탁도의 평균은 2.16 NTU, 표준편차 0.11NTU로 측정되었다. 또한 최소값을 기준으로 개선 전에는 평균값 1.
- 각 유출구에서 유출되는 유량은 침전지 바닥에 설치된 유입구를 통해 유입된다. 분배수로 유입 위어가 outlet 1과 가까워 outlet 1으로부터 유출되는 유량이 가장 클 것으로 유추되었다. 추후 이를 확인하고 정량화하기 위하여 CFD 모사를 수행하였다.
- 83 NTU로 측정되어 약 32%정도의 탁도 개선 효과를 가져왔다. 이와 같은 결과는 개선 전 탁도가 가장 높았던 트라프1 유출수가 유출 유량 또한 가장 많아 통합 탁도에 지배적인 영향을 미쳤으나, 유량 균등화 도모를 위해 시공한 다공성 도류벽으로 유출 유량의 안전화를 개선함으로써 수질이 개선된 것으로 파악된다.
- 83 NTU로 측정되어 약 32%정도의 탁도 개선 효과를 가져왔다. 이와 같은 결과는 개선 전 탁도가 가장 높았던 트라프1 유출수가 유출 유량 또한 가장 많아 통합 탁도에 지배적인 영향을 미쳤으나, 유량 균등화 도모를 위해 시공한 다공성 도류벽으로 유출 유량의 안전화를 개선함으로써 수질이 개선된 것으로 파악된다.
후속연구
- 이와 같은 결과는 본 논문의 반(companion) 논문에서 제시한 상향류식 침전지의 상단 5개의 트라프에서 측정한 탁도 데이터(Table 2)의 양상을 설명하는 데 유용하리라 판단된다. 각 분배수로의 유출부는 침전지의 유입구와 연계되어 있고 분배수로 유출부 간의 유출유량의 불균등은 병열 배열된 상향류식 침전지 내로의 유입유량의 불균등으로 이어지고 이는 각 트라프 마다 유출되는 유출수의 수질에 영향을 미치는 것으로 귀결할 수 있다.
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