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문제 정의
- 따라서 본 논문은 PI 개념에 근거한 인라인 혼화 및 응집 시스템의 성능특성에 대한 연구를 통해 에너지 이용효율 향상 및 환경 친화적인 수처리 장치의 개발에 일조할 수 있는 자료제공을 목적으로 한다.
제안 방법
- 응집제 및 응집보조제는 정량펌프를 이용한 제어 시스템에 의해 5리터 용량의 저장조로부터 주입되도록 설계하였다. 200리터 용량의 침전조는 응집 침전 과정을 가시화하기 위해 가시화 창을 부착하였으며, 실험 후 배수가 용이하게 이루어질 수 있는 구조로 제작하였다. 컨트롤 판넬은 제2수조에 설치된 수위 센서와 연동하여 원수펌프, pH 시스템, 정량펌프 등을 제어될 수 있는 구조로 설계하였다.
- 제2수조에는 자동 수위조절 센서를 부착하여 일정 수위가 유지되며, 밸브의 개도에 따라 유량을 조절할 수 있고 필요시에는 제2수조를 거치지 않고 혼화부와 펌프를 직결할 수 있도록 설계하였다. 3단으로 구성된 혼화 및 응집부는 각각 내경 100mm, 길이 1,200mm의 투명 아크릴 관으로 제작하여 혼화 과정을 가시화 할 수 있도록 하였으며, 각 단의 상류 플랜지부로부터 180mm 하류지점에 응집제 및 응집보조제 주입노즐들이 위치하고, 210mm 하류 지점에 인라인 믹서 엘리먼트의 선단이 위치하는 구조로 제작하였다. 본 연구에서 이용한 인라인 믹서 엘리먼트는 Sulzer사의 SMX형에 비해 제작공정을 개선하여 압력손실을 최소화 할 수 있도록 고안한 모델이다[21].
- Figure 2는 Re=32,650의 조건에서 가정용 상수에 붉은색 추적색소가 혼화되는 현상을 정성적으로 가시화한 사진이다. 가시화 실험에는 아크릴 관내에 4개의 단위 엘리먼트를 구비한 별도의 혼화장치를 이용하였으며, 추적색소는 직경 1mm관을 통해서 엘리먼트 선단 중심부에서 주입되도록 설계하였다. 1초경과 후에 추적색소는 첫 번째와 두 번째 엘리먼트의 반경방향 전 영역과 두 번째 엘리먼트의 후단까지 확산되며, 2초경과 후에는 네 번째 엘리먼트의 하류 전 영역으로 추적 색소가 혼화되는 것을 알 수 있다.
- Table 2는 응집제와 응집보조제의 물성치를 나타낸다. 각각의 실험 조건에서 응집 침전조로부터 1분 간격으로 샘플링한 처리수를 일정 시간 동안 침전시킨 후 탁도를 측정하였다. 탁도 측정에는 HACH사의 탁도계를이용하였으며, 탁도는 NTU(Nephelometric Turbidity Unit) 단위로 나타내었다.
- 본 연구의 수처리 특성 실험에서는 국도 17호선 우회도로의 터널공사 현장의 폐수 슬러지를 수거하여 1000리터 용량의 제1수조에 평균적으로 pH 8.5, 탁도 약 1000NTU 정도의 폐수 원수를 만들어서 실험을 수행하였다. 특성실험은 제1수조의 처리 원수를 일정 수위를 유지할 수 있도록 설계된 200리터 용량의 제2수조에 펌핑하고, 제2수조 하단과 3단의 인라인 혼화 및 응집장치 하류의 밸브를 조절하며 수행하였다.
- 특성실험은 제1수조의 처리 원수를 일정 수위를 유지할 수 있도록 설계된 200리터 용량의 제2수조에 펌핑하고, 제2수조 하단과 3단의 인라인 혼화 및 응집장치 하류의 밸브를 조절하며 수행하였다. 실험 변수는 응집제인 PAC(poly aluminium chloride)의 주입량, 1:200의 비로 희석한 응집보조제인 폴리머의 주입량과 처리 원수의 유량변화로 설정하였다. Table 2는 응집제와 응집보조제의 물성치를 나타낸다.
- 한편 각단에는 상·하류 간의 압력손실을 측정할 수 있는 차압계를 설치하였다. 응집제 및 응집보조제는 정량펌프를 이용한 제어 시스템에 의해 5리터 용량의 저장조로부터 주입되도록 설계하였다. 200리터 용량의 침전조는 응집 침전 과정을 가시화하기 위해 가시화 창을 부착하였으며, 실험 후 배수가 용이하게 이루어질 수 있는 구조로 제작하였다.
- 4kW)를 설치하였으며, 처리 원수의 pH 농도를 측정할 수 있는 pH 센서를 장착하였다. 제2수조에는 자동 수위조절 센서를 부착하여 일정 수위가 유지되며, 밸브의 개도에 따라 유량을 조절할 수 있고 필요시에는 제2수조를 거치지 않고 혼화부와 펌프를 직결할 수 있도록 설계하였다. 3단으로 구성된 혼화 및 응집부는 각각 내경 100mm, 길이 1,200mm의 투명 아크릴 관으로 제작하여 혼화 과정을 가시화 할 수 있도록 하였으며, 각 단의 상류 플랜지부로부터 180mm 하류지점에 응집제 및 응집보조제 주입노즐들이 위치하고, 210mm 하류 지점에 인라인 믹서 엘리먼트의 선단이 위치하는 구조로 제작하였다.
- 200리터 용량의 침전조는 응집 침전 과정을 가시화하기 위해 가시화 창을 부착하였으며, 실험 후 배수가 용이하게 이루어질 수 있는 구조로 제작하였다. 컨트롤 판넬은 제2수조에 설치된 수위 센서와 연동하여 원수펌프, pH 시스템, 정량펌프 등을 제어될 수 있는 구조로 설계하였다. Table 1은 3단 인라인 혼화 및 응집 시스템 구성요소들의 사양을 나타낸다.
- 5, 탁도 약 1000NTU 정도의 폐수 원수를 만들어서 실험을 수행하였다. 특성실험은 제1수조의 처리 원수를 일정 수위를 유지할 수 있도록 설계된 200리터 용량의 제2수조에 펌핑하고, 제2수조 하단과 3단의 인라인 혼화 및 응집장치 하류의 밸브를 조절하며 수행하였다. 실험 변수는 응집제인 PAC(poly aluminium chloride)의 주입량, 1:200의 비로 희석한 응집보조제인 폴리머의 주입량과 처리 원수의 유량변화로 설정하였다.
- Table 3은 처리 원수의 유량 및 물성치를 이용하여 계산한 레이놀즈 수 조건에서 응집제 및 응집보조제의 주입량을 나타낸다. 한편 인라인 혼화 및 응집 시스템 성능실험의 비교검증을 위해 3단 기계식 혼화장치의 실험결과를 이용하였다[22].
대상 데이터
- 36mL/L로 변화시켰을 때의 응집율을 나타낸다. 응집 보조제인 폴리머는 물과 1:200의 비율로 희석하고, 응집제인 PAC는 원액을 사용하였다. 시스템 출구의 처리수를 1000㎖의 메스실린더에 샘플링하여 5분경과 후의 응집율을 비교한 결과 응집제를 0.
- 시스템의 구성 요소들을 세부적으로 기술하면 다음과 같다. 저장조는 처리원수를 저장하는 1000리터 용량의 제1수조와 일정 수위를 유지할 수 있도록 설계된 200리터 용량의 제2수조로 구성하였다. 제1수조 내에는 처리원수를 제2수조로 펌핑할 수있는 펌프(170L/min×0.
- 각각의 실험 조건에서 응집 침전조로부터 1분 간격으로 샘플링한 처리수를 일정 시간 동안 침전시킨 후 탁도를 측정하였다. 탁도 측정에는 HACH사의 탁도계를이용하였으며, 탁도는 NTU(Nephelometric Turbidity Unit) 단위로 나타내었다.
성능/효과
- 2가지 유량조건에서 각각 응집제와 응집보조제의 주입량을 동일하게 변화시켰지만 응집제의 증가에 따른 탁도 제거율은 약 6.5∼8% 정도 증가한 반면에, 응집보조제의 증가에 따른 탁도 제거율은 약 20∼21.5% 정도로 응집제의 증가에 따른 탁도 제거율에 비해 약 3배정도 증가하는 것을 알 수 있다.
- 18m3을 고려하여 환산한 주입량을 나타낸다. 교반시간 3초의 동일한 조건에서 혼화 및 응집 시간이 약 4배 정도 증가하는 것을 알 수 있다.
- 처리수의 샘플링 후 경과시간에 따른 탁도 변화는 샘플링 후 1분경과 시 원수 탁도의 약 10% 정도로 감소하며, 5분경과 후에는 약 5% 정도까지 감소하였다. 동일한 혼화 및 응집시간 조건에서 인라인 방식이 기계식에 비해서 평균적으로 약 4.6배 정도 탁도 제거율이 높게 나타났다.
- 36mL/L 주입한 경우 처리수의 샘플링 후 경과시간에 따른 탁도 변화를 나타낸다. 샘플링 후 1분경과 후 처리수의 탁도는 평균적으로 처리원수 탁도의 약 10% 정도로 감소하며, 약 5분경과 후에는 처리원수 탁도의 약 5%정도까지 감소하는 것을 알수 있다.
- 터널공사 현장의 폐수를 이용하여 응집보조제인 폴리머의 주입량을 일정하게 유지하고 응집제의 주입량을 변화시킬 때, 응집제 주입량에 따라 6∼4% 정도의 응집율을 나타내었다. 응집제와 응집보조제의 주입량을 동일하게 변화시킨 조건에서 응집제의 증가에 따른 탁도 제거율에 비해 응집보조제의 증가에 따른 탁도 제거율이 약 3배 정도 높게 나타났다. 처리수의 샘플링 후 경과시간에 따른 탁도 변화는 샘플링 후 1분경과 시 원수 탁도의 약 10% 정도로 감소하며, 5분경과 후에는 약 5% 정도까지 감소하였다.
- 응집제와 응집보조제의 주입량을 동일하게 변화시킨 조건에서 응집제의 증가에 따른 탁도 제거율에 비해 응집보조제의 증가에 따른 탁도 제거율이 약 3배 정도 높게 나타났다. 처리수의 샘플링 후 경과시간에 따른 탁도 변화는 샘플링 후 1분경과 시 원수 탁도의 약 10% 정도로 감소하며, 5분경과 후에는 약 5% 정도까지 감소하였다. 동일한 혼화 및 응집시간 조건에서 인라인 방식이 기계식에 비해서 평균적으로 약 4.
- 터널공사 현장의 폐수를 이용하여 응집보조제인 폴리머의 주입량을 일정하게 유지하고 응집제의 주입량을 변화시킬 때, 응집제 주입량에 따라 6∼4% 정도의 응집율을 나타내었다.
- 40mL/L 로 변화시킬 때, 샘플링 한 처리수의 5분경과 후의 탁도를 나타낸다. 폐수 원수의 탁도가 평균적으로 1000NTU 정도인 점을 고려할 때, 모든 실험 조건에서 100NTU 이하 결과를 나타낸 본 연구의 탁도 제거율(응집율)이 우수한 것으로 판단되는데, 이는 1000NTU로 고 탁도인 처리 원수에 플록형성 (floculation)에 필요한 충분한 탁질(미세 플록, micro floc)이 존재하여 순간혼화에 의한 전기적 중화 반응[22]이 탁도 제거율에 결정적인 요인으로 작용했기 때문인 것으로 사료된다. 2가지 유량조건에서 각각 응집제와 응집보조제의 주입량을 동일하게 변화시켰지만 응집제의 증가에 따른 탁도 제거율은 약 6.
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