본 연구는 가압식 마이크로버블 발생장치를 이용하여 공기를 마이크로화 시켜 공급하면서 pilot-scale 규모의 폭기조내 DO 농도 및 ORP 변화를 살펴보았다. 마이크로버블에 의한 폭기조 내 교반 및 산소전달 능력을 확인한 결과, 폭기조 횡(橫)방향으로 마이크로버블 공급위치에 따라 폭기조 내액의 순환으로 인하여 단일반응조 내에서 측정위치별 DO 농도가 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 마이크로버블 공급위치에 따른 교반현상을 파악하고 마이크로버블 공급위치의 적정성을 확인하고자 유체유동해석을 한 결과, 마이크로버블 공급위치가 폭기조 횡(橫)방향으로 1/2지점일 경우, 좌측면에서 공급될 때보다 폭기조 내부의 교반이 잘 이루어져 사영역이 적게 발생되는 것을 확인되었다. 실험 및 유체유동해석 결과를 바탕으로 마이크로버블 공급위치에 따라 단일반응조에서 DO 농도를 변화시켜 격벽이 없는 영역분리가 가능하므로 혐기, 무산소, 호기를 한 공간에서 운영할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 마이크로버블을 공급했을 경우, 산기관을 사용할 때와는 다르게 MLSS가 부상농축되는 고액분리 현상이 발생하였는데 마이크로버블이 생물학적 처리를 위하여 부상의 목적이 아닌, MLSS의 혼합과 적절한 DO 농도 유지를 목적으로 사용되기 위해서는 폐수 종류에 따른 적절한 크기의 버블선택이 중요함을 확인할 수 있었다.
본 연구는 가압식 마이크로버블 발생장치를 이용하여 공기를 마이크로화 시켜 공급하면서 pilot-scale 규모의 폭기조내 DO 농도 및 ORP 변화를 살펴보았다. 마이크로버블에 의한 폭기조 내 교반 및 산소전달 능력을 확인한 결과, 폭기조 횡(橫)방향으로 마이크로버블 공급위치에 따라 폭기조 내액의 순환으로 인하여 단일반응조 내에서 측정위치별 DO 농도가 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 마이크로버블 공급위치에 따른 교반현상을 파악하고 마이크로버블 공급위치의 적정성을 확인하고자 유체유동해석을 한 결과, 마이크로버블 공급위치가 폭기조 횡(橫)방향으로 1/2지점일 경우, 좌측면에서 공급될 때보다 폭기조 내부의 교반이 잘 이루어져 사영역이 적게 발생되는 것을 확인되었다. 실험 및 유체유동해석 결과를 바탕으로 마이크로버블 공급위치에 따라 단일반응조에서 DO 농도를 변화시켜 격벽이 없는 영역분리가 가능하므로 혐기, 무산소, 호기를 한 공간에서 운영할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 마이크로버블을 공급했을 경우, 산기관을 사용할 때와는 다르게 MLSS가 부상농축되는 고액분리 현상이 발생하였는데 마이크로버블이 생물학적 처리를 위하여 부상의 목적이 아닌, MLSS의 혼합과 적절한 DO 농도 유지를 목적으로 사용되기 위해서는 폐수 종류에 따른 적절한 크기의 버블선택이 중요함을 확인할 수 있었다.
This study examined the DO concentration distribution and ORP distribution using microbubbles on pilot-scale aeration tanks. As a result of MLSS mixing and oxygen transfer phenomenon using microbubbles, different DO concentrations were observed depending on the circulation of the liquid with the mic...
This study examined the DO concentration distribution and ORP distribution using microbubbles on pilot-scale aeration tanks. As a result of MLSS mixing and oxygen transfer phenomenon using microbubbles, different DO concentrations were observed depending on the circulation of the liquid with the microbubble supply location on the lateral of an aeration tank. The simulation results of CFD (computational fluid dynamics) program showed that MLSS mixed with a microbubble supply in the middle the reactor is much better than on the left side of the reactor. A single reactor containing an anaerobic, anoxic, and aerobic zone, was evaluated without partition according to the location of the microbubble supply based on the experiments and CFD analysis. MLSS was separated into solid-liquid by the microbubble supply in the aeration tank. Consequently, selecting the appropriate microbubble size is important for MLSS mixing and was maintained at the proper DO concentration for biological treatment.
This study examined the DO concentration distribution and ORP distribution using microbubbles on pilot-scale aeration tanks. As a result of MLSS mixing and oxygen transfer phenomenon using microbubbles, different DO concentrations were observed depending on the circulation of the liquid with the microbubble supply location on the lateral of an aeration tank. The simulation results of CFD (computational fluid dynamics) program showed that MLSS mixed with a microbubble supply in the middle the reactor is much better than on the left side of the reactor. A single reactor containing an anaerobic, anoxic, and aerobic zone, was evaluated without partition according to the location of the microbubble supply based on the experiments and CFD analysis. MLSS was separated into solid-liquid by the microbubble supply in the aeration tank. Consequently, selecting the appropriate microbubble size is important for MLSS mixing and was maintained at the proper DO concentration for biological treatment.
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문제 정의
본 실험에 사용된 반응조는 steel로 제작된 pilot-scale이므로 아크릴 반응조와는 달리 반응조 내부를 관찰 할 수 없었다. 따라서, 유체유동해석을 통하여 마이크로버블 공급위치에 따른 교반현상을 파악하고 마이크로버블 공급위치의 적정성을 확인하고자 하였다. 반응조 내에서 발생하는 수리학적 현상에 대한 모델링을 효과적으로 수행하기 위해서 계산격자 구성이 용이하고 수행시간이 비교적 짧은 workstation용 프로그램인 fluent v6.
본 연구는 생물학적 처리에 있어 마이크로버블을 이용하여 단일반응조 내에서의 DO 농도 및 ORP 변화를 살펴보고, 질산화 및 탈질이 가능한 단일반응조 설계 가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 폭기조 내에 공기를 마이크로화 시켜 공급하면서 폭기조 내 DO 농도 및 ORP 변화를 살펴봄으로써 마이크로버블에 의한 폭기조 내 교반 및 산소전달 능력을 확인하고 혐기, 무산소, 호기의 구현이 분리된 반응조 대신 격벽이 없는 단일반응조에서의 영역분리 가능성을 확인해 보고자 하였다. 또한, 마이크로버블 공급 위치에 따른 교반현상을 파악하기 위하여 유체유동해석을 실시하였다.
제안 방법
DO 농도 및 ORP는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 수면에서 10 cm 아래 3개 지점(①, ②, ③)과 수면에서 1 m 아래(폭기조 유효깊이의 중간지점) 2개 지점(④, ⑤)에서 측정하였다. Table 1에 지점별 측정항목 및 측정장비에 대해 요약하였다.
폭기조 내의 DO 농도 및 ORP를 측정하여 폭기조 내의 영역분리 현상을 관찰하였다. MLSS 농도를 조정하기 위하여 G사업소 하수처리시설 2차침전지의 잉여슬러 지를 주입하였다.
Pilot-scale의 실험 및 유체역학적 전산해석을 병행하여 다음의 결론을 얻었다.
간헐포기 방식은 질산화 및 탈질과정에서 질소 처리효율의 극대화를 유도하고, 포기시간의 단축으로 인하여 에너지를 크게 절감시킬 수 있다고 알려져 있다[22, 23]. 따라서, 본 실험에서는 마이크로버블 공급 6분, 휴지시간 6분을 두어 폭기조 내의 현상을 관찰하였다.
본 연구에서는 폭기조 내에 공기를 마이크로화 시켜 공급하면서 폭기조 내 DO 농도 및 ORP 변화를 살펴봄으로써 마이크로버블에 의한 폭기조 내 교반 및 산소전달 능력을 확인하고 혐기, 무산소, 호기의 구현이 분리된 반응조 대신 격벽이 없는 단일반응조에서의 영역분리 가능성을 확인해 보고자 하였다. 또한, 마이크로버블 공급 위치에 따른 교반현상을 파악하기 위하여 유체유동해석을 실시하였다.
마이크로버블 공급 전 폭기조 바닥에 병렬로 연결되어 있는 4개의 멤브레인 산기장치(SH 550, 삼환기공)를 이용하여 폭기조 내의 MLSS를 완전 혼합하고 DO 농도를 3.0 mg/L로 유지시킨 후 실험을 수행하였다. 간헐포기 방식은 질산화 및 탈질과정에서 질소 처리효율의 극대화를 유도하고, 포기시간의 단축으로 인하여 에너지를 크게 절감시킬 수 있다고 알려져 있다[22, 23].
따라서, 유체유동해석을 통하여 마이크로버블 공급위치에 따른 교반현상을 파악하고 마이크로버블 공급위치의 적정성을 확인하고자 하였다. 반응조 내에서 발생하는 수리학적 현상에 대한 모델링을 효과적으로 수행하기 위해서 계산격자 구성이 용이하고 수행시간이 비교적 짧은 workstation용 프로그램인 fluent v6.3.26을 선정하였다. 수치기법은 유한체적법이며, 비구조적 격자망을 사용하였다.
본 실험에서 ORP 측정은 ①, ③지점에서만 이루어졌으므로 두 지점을 대상으로 비교하였다. 실험결과 마이크로버블을 폭기조 좌측에서 공급했을 경우, 호기성 영역이라고 판단된 ①지점의 ORP는 MLSS 1,000 mg/L, 2,400 mg/L, 4,400 mg/L의 조건에서 각각 166 ～ 169 mV, 198 ～ 205 mV, 213 ～ 220 mV이였다.
폭기조 내의 DO 농도 및 ORP를 측정하여 폭기조 내의 영역분리 현상을 관찰하였다. MLSS 농도를 조정하기 위하여 G사업소 하수처리시설 2차침전지의 잉여슬러 지를 주입하였다.
폭기조는 pilot-scale 규모로 유효면적은 3.4 ㎥(W 1.97 m × H 2.15 m × D 0.8 m)이었으며 실험은 회분식으로 진행하였다.
대상 데이터
2에 나타내었다. 마이크로버블의 안정적인 생성을 위하여 충돌판 노즐을 사용하였으며, Table 2에 실험조건을 정리하였다.
본 실험에 사용된 폭기조는 인천시 G사업소 하수처리시설내 설치되어 동 사업소의 1차 침전지 유출수를 대상으로 운전하였다. 폭기조는 pilot-scale 규모로 유효면적은 3.
이론/모형
26을 선정하였다. 수치기법은 유한체적법이며, 비구조적 격자망을 사용하였다. Table 3에 유체유동해석을 위한 적용 모델에 대해 제시하였으며, Table 4에 적용조건을 정리하여 나타내었다.
성능/효과
1. 마이크로버블 발생장치를 작동시킨 후 폭기조 내의 DO 농도 측정결과 측정위치별로 DO 농도가 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 폭기조 좌측 지점에서 마이크로버블을 공급할 경우 마이크로버블 공급 전단부에서는 호기성 상태인 DO 농도 2.
폭기조 좌측에서 마이크로버블을 공급하였을 경우 유입수에 의한 선회류 및 난류 발생이 없으며 내부 순환수 및 마이크로버블 교반현상이 주를 이루고 있는 것을 확인할 수 있었다. 1/2지점에서 마이크로 버블을 공급하였을 경우 좌측에서 공급할 때에 비하여 폭기조 내부의 사영역 감소를 확인하였고 내부 순환수 및 마이크로버블에 의한 교반현상이 좌측에 비해 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
3. 유체유동해석 결과 마이크로버블 공급위치가 폭기조 횡(橫)방향으로 1/2지점일 경우, 좌측면에서 공급될 때보다 폭기조 내부의 교반이 잘 이루어져 사영역이 적게 발생되는 것이 확인되었다. 반면, 마이크로버블을 발생시켜 공급위치에 따른 폭기조 내 산소전달 능력을 확인한 결과, 좌측면에서 공급할 때 혐기, 무산소, 호기의 영역이 확실히 분리되었다.
Fig. 4에 나타낸 바와 같이 마이크로버블을 폭기조 1/2지점에서 공급하였을 경우, MLSS 1,000 mg/L의 조건에서는 ②지점을 제외한 ①, ③, ④, ⑤지점에서 지속적인 DO 농도 감소현상을 보였는데, DO 농도 측정결과 ②지점은 호기, ①, ③, ④, ⑤지점은 무산소상태를 거쳐 혐기상태로 변화되는 것을 확인 할 수 있었다. MLSS 2,400 mg/L의 조건에서는 ④지점을 제외한 모든 지점에서 DO 농도의 감소가 나타났고, MLSS 4,400 mg/L의 조건에서는 마이크로버블 공급시간이 지속될수록 모든 지점에서 DO 농도 감소현상이 나타났다.
4에 나타낸 바와 같이 마이크로버블을 폭기조 1/2지점에서 공급하였을 경우, MLSS 1,000 mg/L의 조건에서는 ②지점을 제외한 ①, ③, ④, ⑤지점에서 지속적인 DO 농도 감소현상을 보였는데, DO 농도 측정결과 ②지점은 호기, ①, ③, ④, ⑤지점은 무산소상태를 거쳐 혐기상태로 변화되는 것을 확인 할 수 있었다. MLSS 2,400 mg/L의 조건에서는 ④지점을 제외한 모든 지점에서 DO 농도의 감소가 나타났고, MLSS 4,400 mg/L의 조건에서는 마이크로버블 공급시간이 지속될수록 모든 지점에서 DO 농도 감소현상이 나타났다.
MLSS의 농도가 높아짐에 따라 마이크로버블이 공급되는 위치의 주변지역에 국한되어 DO 농도가 증가되었는데, 높은 MLSS 농도에 의한 floc의 무게와 항력, 중력에 의한 방해작용으로 인해 마이크로버블의 산소 전달 능력이 감소된 것으로 사료된다.
유체유동해석 결과 마이크로버블 공급위치가 폭기조 횡(橫)방향으로 1/2지점일 경우, 좌측면에서 공급될 때보다 폭기조 내부의 교반이 잘 이루어져 사영역이 적게 발생되는 것이 확인되었다. 반면, 마이크로버블을 발생시켜 공급위치에 따른 폭기조 내 산소전달 능력을 확인한 결과, 좌측면에서 공급할 때 혐기, 무산소, 호기의 영역이 확실히 분리되었다. 따라서, 수처리 목적에 따라 폭기조 내의 균질한 MLSS 혼합 및 DO 농도의 안정적 분포를 위해서는 마이크로버블 발생장치의 위치선정 및 배열방식이 고려되어야 할 것으로 사료된다.
실험결과 마이크로버블을 폭기조 좌측에서 공급했을 경우, 호기성 영역이라고 판단된 ①지점의 ORP는 MLSS 1,000 mg/L, 2,400 mg/L, 4,400 mg/L의 조건에서 각각 166 ～ 169 mV, 198 ～ 205 mV, 213 ～ 220 mV이였다. 반면, 무산소 범위의 DO 농도 값이 측정된 ③지점의 ORP 측정 결과 MLSS 1,000 mg/L에서 128 ～ 136 mV, MLSS 2,400 mg/L에서 192 ～ 202 mV, MLSS 4,400 mg/L에서 197 ～ 215 mV로 확인되었다. 비록, ③지점에서 원활한 산소공급이 이루어지지 않아 급격한 DO 농도 감소를 보였지만, 내액 속에 잔존해있는 마이크로버블이 분산되어 유체의 흐름에 따라 느린속도로 ③지점으로 이동됨에 따라 유기물의 분해가 서서히 진행되었기 때문에 ORP의 감소 역시 느린속도로 나타난 것으로 사료된다.
6에 산기관을 사용했을 경우와 마이크로버블을 사용했을 경우의 수면층을 비교하였다. 산기관을 사용할 경우 MLSS의 혼합이 잘 이루어지지만, 마이크로버블을 이용하였을 경우 Fig. 7에 나타난 바와 같이 floc이 마이크로버블과 함께 부상되어 MLSS가 부상농축 되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 마이크로버블이 생물학적 처리를 위하여 부상의 목적이 아닌, MLSS의 혼합과 적절한 DO 농도 유지를 목적으로 사용되기 위해서는 폐수 종류에 따른 적절한 크기의 버블선택이 중요할 것으로 판단된다.
생물반응조를 운영함에 있어 호기조건의 DO 농도를 2.0 ~ 3.0 mg/L, 무산소 조건의 DO 농도를 0.5 mg/L 이하로 보았을 때, ①지점은 호기, ②, ③, ④, ⑤지점은 무산소 및 혐기상태로 변화되는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 현상은 MLSS 농도가 높아질수록 뚜렷한 차이를 나타내었다.
본 실험에서 ORP 측정은 ①, ③지점에서만 이루어졌으므로 두 지점을 대상으로 비교하였다. 실험결과 마이크로버블을 폭기조 좌측에서 공급했을 경우, 호기성 영역이라고 판단된 ①지점의 ORP는 MLSS 1,000 mg/L, 2,400 mg/L, 4,400 mg/L의 조건에서 각각 166 ～ 169 mV, 198 ～ 205 mV, 213 ～ 220 mV이였다. 반면, 무산소 범위의 DO 농도 값이 측정된 ③지점의 ORP 측정 결과 MLSS 1,000 mg/L에서 128 ～ 136 mV, MLSS 2,400 mg/L에서 192 ～ 202 mV, MLSS 4,400 mg/L에서 197 ～ 215 mV로 확인되었다.
마이크로버블 발생장치를 작동시킨 후 폭기조 내의 DO 농도 측정결과 측정위치별로 DO 농도가 다르게 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 폭기조 좌측 지점에서 마이크로버블을 공급할 경우 마이크로버블 공급 전단부에서는 호기성 상태인 DO 농도 2.0 ～ 3.0 mg/L를 유지할 수 있지만 후단부에서는 마이크로버블 공급에 의한 교반력이 떨어져 MLSS 혼합이 균일하게 일어나지 않아 정체구역이 발생하였으며, 정체구역 안에서 미생물에 의해 DO가 소모되어 자연스럽게 DO 농도 0.5 mg/L 이하의 무산소 및 혐기성 상태가 유지되었다.
5에 폭기조 좌측 및 1/2지점에서 마이크로버블을 공급하였을 경우 내부 교반 현상에 대하여 유체유동해석으로 나타내었다. 폭기조 좌측에서 마이크로버블을 공급하였을 경우 유입수에 의한 선회류 및 난류 발생이 없으며 내부 순환수 및 마이크로버블 교반현상이 주를 이루고 있는 것을 확인할 수 있었다. 1/2지점에서 마이크로 버블을 공급하였을 경우 좌측에서 공급할 때에 비하여 폭기조 내부의 사영역 감소를 확인하였고 내부 순환수 및 마이크로버블에 의한 교반현상이 좌측에 비해 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
폭기조는 floc 자체의 중력과 마이크로버블의 공급위치에 따라 수직, 수평적으로 혐기, 무산소, 호기 상태가 형성되며 슬러지는 부상하여 고액분리층을 형성하게 되었다. 따라서 폭기조 내액의 순환으로 단일반응조 내에서 DO 농도의 조절 가능성을 확인할 수 있었고, DO 농도를 변화시켜 격벽이 없는 영역분리가 가능하므로 혐기, 무산소, 호기를 한 공간에서 운영할 수 있는 격벽이 없는 새로운 형태의 질소제거 시스템을 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
반면, 마이크로버블을 발생시켜 공급위치에 따른 폭기조 내 산소전달 능력을 확인한 결과, 좌측면에서 공급할 때 혐기, 무산소, 호기의 영역이 확실히 분리되었다. 따라서, 수처리 목적에 따라 폭기조 내의 균질한 MLSS 혼합 및 DO 농도의 안정적 분포를 위해서는 마이크로버블 발생장치의 위치선정 및 배열방식이 고려되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DO(dissolved oxygen) 농도는 질소제거의 중요한 인자인데 그 이유는?
DO(dissolved oxygen) 농도는 질소제거의 중요한 인자로서 평가되고 있다. 즉, 질산화 과정에서의 DO 농도는 전자수용체로서 충분한 질산화를 위해서는 폭기조의 DO 농도가 약 2.0 mg/L 이상을 유지해야 되며, 반면에 탈질 단계에서는 DO 농도가 0.3 mg/L 이상이면 탈질 반응이 저해되는 것으로 알려져 있다[12].
ORP란?
한편, ORP(oxidation reduction potential)는 DO meter 측정한계 이하의 상태를 평가하는 데 보조적인 기능으로 쓰이며 호기, 무산소, 혐기의 슬러지 상태를 표현하는데 유용한 방법으로 생물학적 처리공정의 운전 및 모니터링 인자로 활용이 가능하다[13-15]. 보통 mV 단위로 측정 되는 ORP는 양(+)의 값을 나타내면 유기물이 미생물에 의하여 CO2와 H2O로 분해되는 산화반응상태를 나타내며, 낮은 음(-)의 값을 나타내면 NO2 - ,NO3 -등이 전자수용체로 작용하는 환원반응에 있다는 것을 의미한다[16].
마이크로버블을 수처리에 적용할 경우 가장 큰 특징은 무엇인가?
마이크로버블을 수처리에 적용할 경우 가장 큰 특징은 일반버블의 크기가 1 ~ 3 mm 정도인 것에 비하여 마이크로버블은 크기가 수백 ㎛[17] 또는 1 ~ 100 ㎛[18], 100 ㎛ 이하[19, 20]로 크기가 작아 부력에 대한 저항효과가 커지기 때문에 부상속도가 느리며 대전작용으로 인한 floc 부착효과가 크므로 높은 수면적 부하를 가지고 있는 것으로 보고되어 있다[21].
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