[논문]CFD에 의한 수직형 정수처리 실증시설 내 압력식 오존접촉조 성능개선에 관한 연구

최종웅; 김성수; 김정현; 김관엽

doi:10.11001/jksww.2014.28.4.431

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The ozonation process has been widely used for drinking water disinfection around the world. Recently, the pressurized ozone contactor, in which the side stream typed ozone injection method is installed, has been applied to water treatment system. In this study, numerical calculations were conducted...

The ozonation process has been widely used for drinking water disinfection around the world. Recently, the pressurized ozone contactor, in which the side stream typed ozone injection method is installed, has been applied to water treatment system. In this study, numerical calculations were conducted to compare prototype and screw-type ozone contactors based on hydraulic effectiveness in more details. The prototype ozone contactor was already installed and operated in domestic water treatment plant, and the screw-type is the suggested one for improving ozone contact efficiency installing the screw plate to the prototype. Screw turn numbers of screw plate were changed as 3, 5, 7 and 9, respectively for numerical simulation. The CT(concentration of disinfectant in mg/L times time in minutes) value was considered as one of the options for evaluating disinfection ability. From the results, it could be concluded that the performance of the screw-type is higher than that of the protype contactor by controlling the variable T as the tracer time. Also, Morill index of the screw-type(turn numbers = 5 ) appeared to be lower than the other.

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문제 정의

정수처리 시설에서 오존의 접촉시간은 원수 수질조건에 따라 다소 차이를 나타내지만, 일반적으로 10 ~ 15분 이내의 수리적 접촉시간으로 설계하고 있다. 본 연구에서는 전산유체해석(CFD) 상용 프로그램을 이용하여 압력식 구조의 오존 접촉조에 대한 구조적 형상에 대한 수리흐름 특성과 접촉조 내 추적자 시험을 모사하여 수직형 정수처리 시스템 오존 접촉조의 최적 오존 접촉효율 향상을 위한 구조적인 형상 최적화에 대한 연구를 수행하였다.
오존 접촉조의 성능을 비교하기 위한 방법으로 본 연구에서는 접촉조 내부의 미생물의 불활성화 율을 결정할 때 사용되어 지는 추적자 시험을 통한 유효 접촉시간 산정 기법을 적용하여 평가하였다. 수직형 정수처리 실증시설의 오존 접촉조 prototype과 개선된 형상 screwtype에 대한 접촉조의 추적자 시간을 비교하였다.

가설 설정

수직형 정수처리 실증시설의 오존 접촉조 prototype과 개선된 형상 screwtype에 대한 접촉조의 추적자 시간을 비교하였다. 추적자 시간을 예측하기 위하여 입구에서, 물과 동일한 물성치로 유입되는 물질로 정의하여 접촉조에 유입되는 것으로 가정하였으며, 비정상 상태 계산을 수행하였다. Fig.

제안 방법

일반적으로 고도정수처리 공정으로서 오존공정이 도입되는 이유는 오존의 산화력을 이용한 맛냄새 물질 및 미량오염물질 등의 제거대상 물질을 산화 처리하기 위해 도입되어 진다. 본 연구에서는 도입된 오존접촉조의 수리적 설계 인자에 대한 평가를 위하여 일반적으로 정수지 등에서 수행되어 지는 추적자 시험 기법을 적용하여 연구를 수행하였다. 즉, 오존 접촉조의 미생물에 대한 불활성화 효율을 높이기 위해서는 적절한 오존의 주입 후 제거대상 미생물과의 반응에 있어서 수리적으로 사류구역을 최소화하여 유효 접촉 효율을 높여야 한다.
본 연구를 위한 압력식 오존 접촉조는 2개로 구성되어 있다. 전체 오존 접촉조는 설계용량 1,000 m³/day를 처리하도록 설계되었으며, 한 개의 오존 접촉조는 500 m³/day를 처리한다. 오존 접촉조의 접촉시간은 15분으로 설계되었으며, 오존은 오존 접촉조 입구부 파이프에 설치된 인젝터를 통하여 side stream 방식으로 유입된다.
5는 본 해석에 사용된 격자 분포를 나타내고 있으며, ANSYS AMP 격자 생성툴을 사용하였다. 격자 형태는 tetra, prsim, prymid의 형태의 혼합 격자로 구성하였으며, 벽면근처에는 충분한 해상을 위하여 조밀한 격자분포를 사용하였다. 그리고 Table 2에 격자에 대한 정보를 나타냈었다.
그리고 Table 2에 격자에 대한 정보를 나타냈었다. 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.1(ANSYS, 2009)를 사용하였으며, 경계조건으로는 입구에는 유량조건, 출구에는 압력조건을 적용하였다. 벽면조건으로는 no-slip condition을 적용하였으며, 난류 모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε난류 모델을 적용하여 정상상태와 추적자 해석을 위한 비정상상태 해석을 수행하였다.
오존 접촉조의 성능을 비교하기 위한 방법으로 본 연구에서는 접촉조 내부의 미생물의 불활성화 율을 결정할 때 사용되어 지는 추적자 시험을 통한 유효 접촉시간 산정 기법을 적용하여 평가하였다. 수직형 정수처리 실증시설의 오존 접촉조 prototype과 개선된 형상 screwtype에 대한 접촉조의 추적자 시간을 비교하였다. 추적자 시간을 예측하기 위하여 입구에서, 물과 동일한 물성치로 유입되는 물질로 정의하여 접촉조에 유입되는 것으로 가정하였으며, 비정상 상태 계산을 수행하였다.
본 연구에서는 정수처리시스템의 압력식 오존 접촉조의 성능개선을 위한 screw 형태의 screw turn numbers(3, 5, 7, 9)에 따른 형상에 대하여 수치해석 기법을 사용하여 실증설비 오존 접촉 조와 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

이후, 활성탄 흡착 설비를 거친 물은 정수지로 저장된다. 본 연구를 위한 압력식 오존 접촉조는 2개로 구성되어 있다. 전체 오존 접촉조는 설계용량 1,000 m³/day를 처리하도록 설계되었으며, 한 개의 오존 접촉조는 500 m³/day를 처리한다.

이론/모형

벽면조건으로는 no-slip condition을 적용하였으며, 난류 모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standard k-ε난류 모델을 적용하여 정상상태와 추적자 해석을 위한 비정상상태 해석을 수행하였다.
일반적으로 오존 접촉조의 효율 지표로 식 (3) 과 같은 Morrill 지수를 사용하여 평가한다(van der Walt, 2002). Morril 지수는 반응조 내의 교반정도를 나타내는 상수로서 지수값 1인 경우 이상적인 plug flow를 나타내며, 이 값이 크면 클수록 완전혼합상태를 나타낸다.

성능/효과

0456 m/s로 나타났다. 설계유량에서, screwtype의 평균유속이 약 3배 높게 발생하는 것을 알 수 있으며, 유량 변화에 따라 screwtype 접촉조의 내부 유속이 상대적으로 2배 이상 빠르게 발생하는 것을 정량적으로 알 수 있다.
9는 각각의 유량에 따른 시간 변화에 대한 접촉조 출구에서의 무차원 농도를 나타내고 있다. 유량이 증가할수록 접촉 조의 유동 속도는 증가하여 입구에서 출구까지의 유체의 흐름 시간이 감소하는 것을 알 수 있다. Prototype의 경우 출구에서 최대 농도 도달 시간은 설계유량 대비 80%, 100%, 120%인 경우 각각 13.
10은 출구에서 유동이 유출되는 추적자 누적 비율(%)를 나타낸 것이다. prototype의 경우 100% 도달 시까지 시간변화에 대한 불안정한 유동 특성이 나타났으며, screwtype의 오존 접촉조는 상대적으로 안정된 유동특성이 나타났다. 그리고 prototype의 각각의 유량에 따른 동일 추적자 누적 비율(%)에 대한 시간 간격이 누적 비율이 커질수록 증가하였으나 screwtype의 접촉조는 거의 일정한 간격을 가지고 있다.
그리고 추적자 누적 비율 80%에도달하기 전까지는 screwtype이 상대적으로 추적자 시간이 높게 나타났다. 추적자 누적 비율 10%인 T₁₀의 설계유량에서는 추적자 시간이 8.6 min, 11.4 min으로 prototype과 screwtype 접촉조에 각각 나타났으며, 최대 농도에 도달시간은 설계유량을 기준으로 각각 10.4 min, 12.8 min으로 나타났다. 이러한 정량적인 추적자 모사를 통하여 접촉조 내에 설치된 screw 형태는 유체가 입구에서 출구사이에서 발생하는 와류의 저감과 적절한 유체 유동을 위한 역할을 하는 것으로 판단된다.
Fig. 12(a)의 turn numbers 에 상관없이 최대 농도까지는 급격한 경사도를 가지고 상승한 이후 감소하는 유사한 경향이 나타났으며, turn numbers가 3인 경우 최대 농도 이후 고저의 값이 나타나는 특성을 가지고 있다. 이것은 시간변화에 따른 접촉조 내부에서 발생하는 와류에 의한 추적자의 이송 지연으로 사료된다.
1) 오존 접촉조 prototype이 screwtype 보다 많은 와류 영역을 가지며, 설계유량 100%에서 접촉조의 평균 속도는 screwtype이 0.0456 m/s로 prototype의 0.0145 m/s 보다 약 3배 빠른 유속이 발생하였다. 그러나 추적자 시간은 T10을 기준으로 할 때, 8.
2) Prototype과 screwtype의 압력에 의한 손실차이는 screwtype 설계 유량비(80% ~ 120%)에 따라 1.2 mm ~ 2.4 mm로 나타났으며, screwtype의 screw turn numbers에 따른 turn numbers 3과 5의 압력 손실 차이는 6.6 mm로 미미한 값이 나타났다.
3) Morill 지수는 screw turn numbers가 5인 screwtype에서 1.632값으로 1에 가장 근접한 값으로서 상대적인 plugflow 유동 특성을 갖는다.
4) 상기의 결과로부터 본 연구에서 가장 적절한 설계 적용 형태는 screwtype의 screw turn numbers가 5인 오존 접촉조로 사료된다.

후속연구

이외에 오존 및 입상활성탄의 고도정수처리 공정과 고도산화 공정(AOP), UV산화 공정, 막여과 공정 등 다양한 단위공정을 중심으로 수직 배열에 대한 새로운 개념의 설계기술 개발이 필요하다. 이에 새로운 설계기술 개발을 위하여 모델공정으로서 막여과 공정과 오존산화, 활성탄 흡착, UV 공정 등으로 구성된 정수처리시스템의 수직배열 기술에 대한 연구가 진행 중이다.
본 연구에서는 오존공정의 수리적 효율을 개선하기 위해 접촉시간 변수만을 고려하였으며, 향후 실증설비의 실험을 통한 오존의 농도와 감쇠비를 고려한 수리적 인자에 대한 추가적 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오존 접촉조의 미생물에 대한 불활성화 효율을 높이기 위해서는 무엇이 필요한가?	본 연구에서는 도입된 오존접촉조의 수리적 설계 인자에 대한 평가를 위하여 일반적으로 정수지 등에서 수행되어 지는 추적자 시험 기법을 적용하여 연구를 수행하였다. 즉, 오존 접촉조의 미생물에 대한 불활성화 효율을 높이기 위해서는 적절한 오존의 주입 후 제거대상 미생물과의 반응에 있어서 수리적으로 사류구역을 최소화하여 유효 접촉 효율을 높여야 한다. 미생물의 불활성화 율은 원수의 온도, pH 등 다양한 인자에 영향을 받으며(Slawomir et al.
	본 연구를 위한 압력식 오존 접촉조는 무엇을 처리하도록 설계되었는가?	본 연구를 위한 압력식 오존 접촉조는 2개로 구성되어 있다. 전체 오존 접촉조는 설계용량 1,000 m3/day를 처리하도록 설계되었으며, 한 개의 오존 접촉조는 500 m3/day를 처리한다. 오존 접촉조의 접촉시간은 15분으로 설계되었으며, 오존은 오존 접촉조 입구부 파이프에 설치된 인젝터를 통하여 side stream 방식으로 유입된다.
	고도정수처리 공정으로서 오존공정이 도입되는 이유는 무엇인가?	기존 평면형 정수장에서 오존 접촉조는 접촉시간 확보를 위한 대형 콘크리트 구조물을 설치하여 운영 중에 있으나, 빌딩/수직형 구조의 소규모 분산화 정수장의 경우에는 건물 형태의 처리시설 배치를 위해 내오존성 금속성 재질의 압력식 오존접촉조를 적용하여 막 여과 공급펌프의 공급 압력을 활용한 압력식 처리시스템을 도입하였다. 일반적으로 고도정수처리 공정으로서 오존공정이 도입되는 이유는 오존의 산화력을 이용한 맛냄새 물질 및 미량오염물질 등의 제거대상 물질을 산화 처리하기 위해 도입되어 진다. 본 연구에서는 도입된 오존접촉조의 수리적 설계 인자에 대한 평가를 위하여 일반적으로 정수지 등에서 수행되어 지는 추적자 시험 기법을 적용하여 연구를 수행하였다.

참고문헌 (9)

ANSYS , (2009), "ANSYS CFX 12 Mannual", United King-Dom
Pauline T., Laure M., Samuel T., Eric C. and Beno H. (2012) "Ozone inactivation of resistant microorganisms: Laboratory analysis and evaluation of the efficiency of plants" Water Research vol.46, pp.5893-5903.

상세보기
Robert M., Mano S., Eugene W. and Jimmy C. (2002) "Development of a Ct equation for the inactivation of Cryptosporidium oocysts with ozone", Water Research vol.36, pp.3141-.3149

상세보기
Robert M., Mano S., Eugene W. and Jimmy C. (2003) "Development of a Ct equation for the inactivation of Cryptosporidium oocysts with chlorine dioxide", Water Research vol.37, pp.2773-.2783

상세보기
Slawomir W., William D.and Leo C. (1999) "Variabilty of ozone reaction kinetics in batch and continuous flow reactors", Water Research Vol.33, No.9, pp.2130-2138.

상세보기
Talvy S., Debaste F., Martinelli L., Chauveheid E. and Haut B. (2011) "Development of a tool, using CFD, for the assessment of the disinfection process by ozonation in industrial scale drinking water treatment plants", Chemical Engineering Science vol.66, pp.3185-3194.

상세보기
USEPA. (1999) "Disinfection profiling and benchmarking guidance manual", EPA 815-R-99-013.
vander Walt, J. J. (2002). The modelling of water treatment process tanks. PhD thesis, Rand Afrikaans University.
Wools, B. A. (2012) "Computational Fluid Dynamics in Drinking-Water Treatment", Delft University of Technology, KWR Watercycle Research Institute Series.

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