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문제 정의
- 본 연구는 실제 운영중인 2개소의 하수처리장 생물반응조에 적용된 교반기술의 적정성을 판단하고, 발생된 문제점에 대해 생물반응조 공정에 적정한 교반 기술을 검토, 적용하여 발생된 문제점을 개선하였으며, 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 본 연구에서는 처리방식이 상이한 두 개의 하수처리장을 대상으로 처리공법별 개선된 교반기의 성능 향상 및 처리방식에 따른 운전양상을 분석하였다. A광역시 A하수처리장은 1994년 준공하여 214,000 톤/일의 하수와 음식물 침출수 60 톤/일 이상을 법정기준치 이하로 처리하여 방류하고 있다.
제안 방법
- B 하수 처리장 내 생물반응조 교반기에 의한 내부유동 상태를 CFD해석을 통해 가시화 및 비교해 보았다. 해석에 사용된 유입 및 내, 외부 반송은 28,000m3/day이며 아래 Fig.
- 본 연구에서는 처리방식이 서로 다른 2개의 하수처리장에 하이드로포일 교반기를 설치하여 하이드로포일 교반기에 의한 처리특성 변화와 유동특성을 비교하였으며, 교반기 개선에 따른 하수처리장 처리수의 수질변화를 평가하였다. 이를 위해 하수처리장에서 운영되고 있는 생물반응조의 교반상태에 대한 CFD(Computational Fluid Dynamics), MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids) 및 DO(Dissolved Oxygen) 측정을 통해 현장 운영상태에 대한 분석 및 교반기의 적정성 평가를 하였으며, 기존 교반기와 하이드로포일 교반기의 동력 소모를 산정하여 교반기 개선에 따른 경제성 평가를 진행하였다.
- 생물반응조 교반기에 의한 내부 유동 상태를 CFD 해석을 통해 가시화 및 비교해 보았다. 해석에 사용된 유입 및 내, 외부 반송은 225,000 m3/day로 나타났으며, Fig.
- 생물반응조에서 교반성능을 측정하기 위해 수심에 따른 MLSS와 DO를 측정하였으며, 위치별로 MLSS와 DO를 동시에 측정할 수 있는 중추가 매달린 로프에 측정부를 묶고 수면에서부터 1m 간격으로 내리면서 측정을 실시하였다. 실험에 사용된 MLSS 측정 장비는 0∼20,000 mg/L의 측정범위를 가지며, 근적외 펄스변조 방식을 이용하는 SS-5Z (K.
- 생물반응조의 교반을 위해 사용되고 있는 교반기의 회전수 및 소요동력을 비교하여 보았다. 기존 교반기 및 개선 교반기의 소요동력은 전류, 전압을 측정하였고, 식 1과 같이 계산하였다.
- 본 연구에서는 처리방식이 서로 다른 2개의 하수처리장에 하이드로포일 교반기를 설치하여 하이드로포일 교반기에 의한 처리특성 변화와 유동특성을 비교하였으며, 교반기 개선에 따른 하수처리장 처리수의 수질변화를 평가하였다. 이를 위해 하수처리장에서 운영되고 있는 생물반응조의 교반상태에 대한 CFD(Computational Fluid Dynamics), MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids) 및 DO(Dissolved Oxygen) 측정을 통해 현장 운영상태에 대한 분석 및 교반기의 적정성 평가를 하였으며, 기존 교반기와 하이드로포일 교반기의 동력 소모를 산정하여 교반기 개선에 따른 경제성 평가를 진행하였다.
- 9에 나타내었다. 최적 교반을 위해 작게 나누어져 있던 혐기조와 무산소조의 격막을 제거하고 수직 하이드로 포일형 교반기를 설치하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 MLSS 측정 장비는 0∼20,000 mg/L의 측정범위를 가지며, 근적외 펄스변조 방식을 이용하는 SS-5Z (K.R.K, 일본)이며 DO측정 장비는 polarographic 방식의 0∼20 mg/L 측정범위를 가지는 YSI-550A(YSI, 미국)을 사용하였다.
데이터처리
- 3(a)에 무산소조 2계열 6지의 MLSS 분포를 나타내었다. 2계열 6지의 측정된 MLSS 값은 시간에 따라 유동이 변화하기 때문에 최소값과 최대값을 기록하여 나타내었고, 교반기의 유동에 대한 평가는 평균값으로 정리하여 나타내었다. 2계열 6지 무산소조의 MLSS 값은 수심 1 m에서 최소 8500 mg/L 에서부터 점차로 농도가 높아져 수심 4 m 이상의 범위에서는 계측기의 한계 범위인 30000 mg/L를 초과하여 침전된 것을 알 수 있다.
이론/모형
- 난류모델로는 k-ε모델을 사용하였으며, 이때의 난류 운동에너지 ε와 난류운동에너지 소멸율 k에 대한 전달방정식을 식 3과 식 4에 나타내었다.
- 이것은 실험적 접근방법을 이용하는 경우에 시간과 공간, 비용상의 제약을 보완하기 위한 방안으로 수치해석적 접근방법을 선행적으로 수행하였다. 본 연구는 교반기의 교반 성능을 확인하기 위해 상용코드인 FLUENT 프로그램을 이용하여 연구를 수행하였으며, 아래의 지배방정식을 이용하여 수치해를 얻었다(Edward L. P., 2004; Kim et al., 2006; Ihejirika et al., 2007; Kelly et al., 2003; Kelly et al., 1998; Kumaresan et al., 2006; Zalc et al., 2002).
- 지배 방정식으로는 질량보존법칙이 적용된 연속방정식과 운동량의 보존법칙을 적용한 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 식 1과 식 2에서 보여주고 있는 바와 같다(Kim and Kim 2007).
- 평가 대상인 하수처리장에 설치되어 있는 교반기에 대한 수치해석을 통해 교반효율, 유동 조건 등을 확인하기 위해 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 이용하였다. 이것은 실험적 접근방법을 이용하는 경우에 시간과 공간, 비용상의 제약을 보완하기 위한 방안으로 수치해석적 접근방법을 선행적으로 수행하였다.
성능/효과
- - 기존 교반기에 비해 개선한 교반기의 설치 운영시 생물반응조 1지당 약 70% 정도의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- - 기존 교반기에 비해 개선한 교반기의 설치 운영시 생물반응조 1지당 약 80% 이상의 에너지를 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.
- - 무산소조에 적정한 교반기술을 설계 검토한 결과 무산소조 1대의 수직 Hydrofoil 형 교반기를 적용하였고, 교반기 설치 후 수치해석, MLSS 및 DO 농도분포를 측정한 결과 조 내 균일한 교반을 통해 기존에 발생한 문제를 해결할 수 있었다.
- - 생물반응조에 적정한 교반기술을 설계 검토한 결과 혐기조와 무산소조를 각각 나누고 있는 cell을 제거하고 생물반응조를 3개로 나누어 1단 수직 Hydrofoil 형 교반기를 적용 설치 후 수치해석, MLSS 및 DO 농도분포를 측정한 결과 균일한 교반에 의해 기존 발생한 문제를 해결할 수 있었다.
- 무산소조의 경우 최소 6940 mg/L에서 최대 7600 mg/L으로 분포하고 있으며, 기존의 생물반응조에서 침전이 발생하였던 수심 5 m 이상의 수심에서도 침전이 발생하지 않고 조 내 균일한 교반이 가능함을 확인할 수 있었다. 개선 전 생물반응조의 평균 DO가 기준치 0.2 mg/L보다 높은 0.45 mg/L 이상으로 분포되고 슬러지 침전이 발생하였지만, 개선 후 생물반응조의 DO분포는 기준치 이하로 무산소 상태를 잘 유지시키고 있다고 판단된다.
- 6에 개선 후 무산소조의 MLSS와 DO 분포를 나타내었다. 무산소조 A 에서 MLSS 평균은 6841mg/L (최소 5700 mg/L ～ 최대 7420 mg/L)로 최대 6% 정도의 편차를 나타내어 기존 수중 교반기의 교반력 부족으로 발생한 조 내 MLSS 불균질화 및 침전 현상없이 조 내 상, 하부 균일한 교반이 이루어짐을 알 수 있다(Fig. 6(a)).
- 혐기조의 MLSS 값은 최소 7100 mg/L에서 최대 7620 mg/L으로 분포하고 있다. 무산소조의 경우 최소 6940 mg/L에서 최대 7600 mg/L으로 분포하고 있으며, 기존의 생물반응조에서 침전이 발생하였던 수심 5 m 이상의 수심에서도 침전이 발생하지 않고 조 내 균일한 교반이 가능함을 확인할 수 있었다. 개선 전 생물반응조의 평균 DO가 기준치 0.
- 76 kW로 125% 정도 과부하로 계산되었다. 반면 개선 교반기의 경우 1.1 kW의 모터를 사용하여 구동하고 있으며, 임펠러의 직경은 3.4 m로 회전수는 8.3 rpm으로 실제 구동 시 소요동력은 0.73 kW로 계산되어 생물반응조 1지당 74% 정도의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다. B하수처리장의 경우 기존 설치되어있는 수중 교반기의 경우 2.
- 55 kW로 계산되었다. 생물반응조 1지에 대한 기존 교반기의 소요동력은 11.04 kW가 소요되는 반면 개선 교반기의 소요동력은 1.53 kW로 생물반응조 1지당 86%정도의 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- O공법 생물반응조에 적용된 교반기술은 혐기조, 무산소조를 각각 3개 cell로 나누어 각 cell에 수중횡형 교반기를 사용하여 조 내부를 교반하고 있었다. 적용된 교반기술에 대해 수치해석, MLSS 및 DO 농도 분포를 측정한 결과 상부에 발생한 스컴 및 슬러지 침전 등 교반에 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
- - 하수처리장 MLE 공법의 무산소조에 적용된 교반기술은 수중횡형 교반기 1대로 무산소조 내부를 교반하고 있다. 적용된 교반기술에 대해 수치해석, MLSS 및 DO 농도 분포를 측정한 결과 상부에 발생한 스컴, 불균일한 MLSS 및 슬러지 침전 등 교반에 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
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