[논문]남조류 제거를 위한 선회식 가압부상장치 현장 적용에 관한 연구

오홍석; 강선홍; 남숙현; 김은주; 구재욱; 황태문

doi:10.13087/kosert.2018.21.5.17

남조류 제거를 위한 선회식 가압부상장치 현장 적용에 관한 연구
A Study on Pilot Scale Cyclonic-DAF Reactor for Cyanobacteria Removal 원문보기

環境復元綠化 = Journal of the Korean Society of Environmental Restoration Technology, v.21 no.5, 2018년, pp.17 - 28

오홍석 (광운대학교 환경공학과) , 강선홍 (광운대학교 환경공학과) , 남숙현 (한국건설기술연구원) , 김은주 (한국건설기술연구원) , 구재욱 (한국건설기술연구원) , 황태문 (한국건설기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Cyclonic-dissolved air flotation(Cyclonic-DAF), an advanced form of pressure flotation, applies a structure that enables the forming of twirling flows. This in turn allows for suspended matter to adhere to microbubbles and float to the surface of a treatment tank during the process of intake water flowing through a float separation tank. This study conducted a lab-scale test and pursued geometrical modeling using computational fluid dynamics(CFD) to establish a pilot scale design. Based on the design parameters found through the above process, a pilot cyclonic-DAF system($10m^3/hr$) for removing algae was created. Upon developing the pilot-scale cyclonic-DAF system, a type of algae coagulant(R-119) was applied as the coagulant to the system for field testing through which the removal rates of chlorophyll-a and cyanobacteria were evaluated. The chlorophyll-a and harmful cyanobacteria of the raw water at region B, the field-test site, were found to be $177.9mg/m^3$ and 652,500cells/mL respectively. Treated waters applied with 60mg/L and 100mg/L of algae coagulant presented removal efficiencies of approximately 95% and 97%, respectively. The cyanobacteria cell number of the treated waters applied with 60mg/L and 100mg/L of algae coagulant both that were equal to or less than 1,000cells/mL and were below attention level criteria for the issuance of algae boundary.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Schematics of cyclonic-DAF
그림 Figure 2. Test of lab-scale cyclonic-DAF
표 Table 1. Material mixture ratio for R-119 synthesis
표 Table 2. The results of lab-test
그림 Figure 3. Shape of Cyclonic-DAF for CFD
그림 Figure 4. A schematic presentation of the distribution of water flow velocities in Cyclonic-DAF reaction tanks
그림 Figure 5. A schematic presentation of local velocity region from Shape 1
그림 Figure 6. A schematic presentation of local velocity region from Shape 2
그림 Figure 7. A schematic presentation of water retention time from cyclonic-DAF tank
그림 Figure 8. Cyclonic-DAF pilot system
표 Table 3. Criteria for the issuance of algae boundary
표 Table 4. The results of cyanobacteria removal

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 녹조 대발생시 취수원 또는 수변인접지역에 긴급하게 녹조를 제거하기 위한 방안을 마련하기 위하여 랩 스케일 선회식가압부상조 실험을 실시한 결과이다. 실험 과정에서 전산유체해석 모사를 통해 이동이 가능한 10㎥/hr용 파일럿 선회식가압부상장치를 제작하여 남조류가 발생된 현장에서 선회식가압부상장치를 직접 운영하였으며, 그 결과 클로로필-a에 대해 90%이상의 처리효율을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 개발된 선회식가압부상장치의 수리학적 특성을 조사하기 위해 전산유체역학모사를 수행했다. 전산유체해석을 위한 선회식 가압부상장치 반응조는 Figure 3과 같이 구성하였다.
본 연구에서는 부유성 탁질을 제거하기 위한 선회식가압부상반응조를 대상으로 최적 설계및 운전방안 도출을 위하여 전산유체해석 모사를 통해 선회식가압부상조를 모사하였다.

제안 방법

1. 랩 스케일 선회식가압부상조의 높이/직경변화 비율을 1:1.1, 1.35:1, 1.6:1 및 1.85:1로 선정하여 실험한 결과 모든 조건에서 클로로필 -a의 90% 이상의 비슷한 제거율을 얻어 파일럿용으로는 높이제한이나 저항을 받지 않는 이동이 가능한 형태로 구성하기 위해 높이/직경변화 비율을 1:1.1로 선정하였다.
3. 랩 스케일 및 전산유체해석 모사를 통해 파일럿 선회식가압부상장치를 제작하고 효율을 검증하기 위해 실제 현장에서 하천에 살포할 수 있도록 등록된 응집제인 조류제거제(R-119)를 사용하여 운전하였다.
반응조의 벽면은 ‘No-slip condition’을 적용하였다. 공기 관점에서 물질 수지를 이룰 수 있도록 Degassing boundary로 설정하였다. 난류 모델로 k-ε모델을 적용하였다.
그 결과 녹조 대발생시 취수원 또는 수변인접지역에 긴급하게 녹조를 제거하기 위하여 활용가능한데, 본 연구에서는 파일럿 규모인 10㎥/hr의 선회식가압부상장치(Cyclonic-DAF)를 개발하여 실제 현장 적용하였으며, 클로로필-a 및 남조류 제거율을 평가하였다.
높이/직경변화 비율 모든 결과에서 클로로필-a는 약 90%의 처리 효율을 보였으며, 높이에 따라 탁도 및 클로로필-a 처리효율에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 파일럿 선회식가압부상장치는 높이제한이나 저항을 최소화한 이동이 가능한 형태로 제작하기 위하여 높이/직경변화 비율을 1:1.1로 선정하였다.
비중 높은 입자는 원심력 작용으로 벽체 쪽으로 이동하여 침전되고 농축수관으로 배출된다. 랩 스케일 선회식가압부상장치를 0.03㎥/hr로 제작하였으며, 이동성을 고려하여 차량에 탑재하기 위한 최적의 형태를 결정하기 위하여 선회식가압부상조의 높이/직경변화 비율을 1:1.1, 1.35:1, 1.6:1 및 1.85:1로 선정하여 실험하였으며, Figure 2와 같다. 선회식가압부상장치 가동시간은 1시간으로 하였으며, 미세기포는 2L/min으로 주입하였다.
랩 스케일 선회식가압부상조의 높이/직경변화 비율을 1:1.1, 1.35:1, 1.6:1 및 1.85:1로 선정하여 실험하였다. 응집제는 Polyacrylamide 고분자응집제 0.
본 연구에서 개발된 선회식가압부상장치 반응조의 특징은 유입원수가 중심축에서 왼쪽으로 편향되게 유입된다. 유입 속도 에너지가 반응조내부의 물을 시계 반대방향으로 선회를 유도한다.
부상된 부유물질은 중심부에 구비된 배출관을 통하여 외부로 배출시키는 보다 향상된 가압부상 장치이다. 본 연구에서는 랩 스케일의 실험과 전산유체역학(Computational fluid dynamics; CFD)에 의한 형상을 모델링하여 파일럿 스케일의 설계에 반영하였다. 이를 이용하여 조류 제거를 위한 파일럿용 이동식 선회식가압부상장치를 제작하였다.
사용된 조류제거제는 하천에 발생하는 녹조제거를 대상으로 하는 응집제로 R- 119라는 명칭을 부여하였으며, 응집제 조성성분은 Table 1과 같다. 선회식 가압부상장치는 미세기포처리수, 조류제거제(R-119) 60 ㎎/L 및 100㎎/L를 주입하여 현장에서 운전하였으며, 결과는 처리수의 클로로필-a 및 남조류 세포수로 비교 평가하였다.
유동 현상의 변화가 심한 영역에서는 더욱 세밀한 격자를 성층으로 만들어 삽입하는 기법을 주었다. 선회식가압부상장치 반응조를 전산유체역학으로 모사하기 위해서 1개의 유입 조건과 3개의 유출 조건을 부여하였다. 반응조의 벽면은 ‘No-slip condition’을 적용하였다.
선회식가압부상장치의 랩 스케일 실험 및 전산유체역학 모사를 통한 설계 검증 결과를 토대로 10㎥/hr로 처리할 수 있는 파일럿 스케일로 이동이 가능한 구조로 Figure 8과 같이 제작하였다. 실험은 남조류가 발생된 B 지역을 대상으로 하였으며, 처리효율은 남조류 개체수를 분석하여 평가하였다. 현장에서 사용된 응집제는 환경부예규 제625호 ‘조류제거시설 설치, 운영 및 살포용 조류제거물질 사용지침’에 의해 허가 받은 제품만 가능하기 때문에 천연응집제인 조류제거제(R-119)를 선택하여 실험하였다.
본 연구에서는 랩 스케일의 실험과 전산유체역학(Computational fluid dynamics; CFD)에 의한 형상을 모델링하여 파일럿 스케일의 설계에 반영하였다. 이를 이용하여 조류 제거를 위한 파일럿용 이동식 선회식가압부상장치를 제작하였다. 전산유체역학(CFD)은 여러 가지 프로세스 해석을 수행하여 유체 역학에 관한 많은 결과를 이끌어 낼 수 있다(Lundh et al.
전산유체역학 모사를 통하여 형상 1과 형상 2의 평균유속, 사류지역, 기포체류시간 등을 분석한 결과 유사한 결과값이 나와 차량 탑재 용이성 등 이동성을 고려하여 형상 1의 모양으로 파일럿용 선회식가압부상장치를 선정하였다.
파일럿 선회식 가압부상장치의 반응조 규모는 랩 스케일 및 전산유체역학 결과를 토대로는 10㎥/hr로 처리할 수 있는 용량으로 제작하였다. 장치의 전체 크기는 1,120㎜(D) × 1,350㎜(H), Scum 회수관은 58㎜(D) × 1,200㎜(H)이며, 총 유효용량은 1,100L이다.
장치의 전체 크기는 1,120㎜(D) × 1,350㎜(H), Scum 회수관은 58㎜(D) × 1,200㎜(H)이며, 총 유효용량은 1,100L이다. 파일럿용 선회식가압부상장치는 B 지역 원수를 대상으로 현장에서 테스트하였으며, 남조류 개체수를 분석하여 처리효율을 평가하였다. 미세기포의 공급은 용해관 내부 압력 4.
파일럿용 선회식가압부상장치의 운전은 미세기포 운전, 조류제거제 60㎎/L 및 100㎎/L 주입조건으로 현장에서 운전하였다. 조류제거제 주입 조건은 Oh et al.
본 연구에서는 부유성 탁질을 제거하기 위한 선회식가압부상반응조를 대상으로 최적 설계및 운전방안 도출을 위하여 전산유체해석 모사를 통해 선회식가압부상조를 모사하였다. 해석대상을 작은 체적의 메쉬(Mesh) 또는 그리드(Grid)로 분할한 다음 유한체적법(Finite volume method; FVM)을 이용하여 초기조건 및 경계조건을 만족하는 유체거동 방정식(연속, 모멘텀과 에너지 방정식 등)의 해를 컴퓨터를 이용하여 반복적으로 구하는 작업을 통해 모사를 수행하였다. 선회식가압부상조는 2개의 형상으로 나누어 수행하였으며, 전산유체해석 형상 모델링 조건은 다음과 같다.
1b 식물성플랑크톤-현미경계수법으로 분석하였으며 개체수 분석은 식(1)과 같이 격자 이용 계수법을 이용하였다. 현미경은 OLYMPUS(Japan)를 이용하여 200배 범위로 10스트립 이상 반복 계수하였다.

대상 데이터

, 2016). 사용된 조류제거제는 하천에 발생하는 녹조제거를 대상으로 하는 응집제로 R- 119라는 명칭을 부여하였으며, 응집제 조성성분은 Table 1과 같다. 선회식 가압부상장치는 미세기포처리수, 조류제거제(R-119) 60 ㎎/L 및 100㎎/L를 주입하여 현장에서 운전하였으며, 결과는 처리수의 클로로필-a 및 남조류 세포수로 비교 평가하였다.
5kgf/㎠의 운전 조건하에서 공기 공급량을 10L/min으로 하여 공기용해 가압수를 30L/min으로 공급하였다. 응집제는 조류제거제(R-119)(MCKorea, Co., Korea)를 사용하였다. 조류제거제는 M사에서 개발한 제품으로식물추출액과 광물추출액을 혼합하여 만든 제품이며, 응집된 플럭이 침전되었다가 부상되는 특징을 가지고 있다(Nam et al.
현장에서 사용된 응집제는 환경부예규 제625호 ‘조류제거시설 설치, 운영 및 살포용 조류제거물질 사용지침’에 의해 허가 받은 제품만 가능하기 때문에 천연응집제인 조류제거제(R-119)를 선택하여 실험하였다.

데이터처리

선회식가압부상장치 가동시간은 1시간으로 하였으며, 미세기포는 2L/min으로 주입하였다. 원수는 N 수계 하천수를 사용하였으며 클로로필-a의 제거율로 처리효율을 평가하였다. 응집제는 Polyacrylamide 고분자응집제0.
9㎎/㎥이었으며, 적정 주입량은 약 89㎎/L로 나타났다. 현장에서 운영된 파일럿선회식가압부상장치의 처리수의 결과는 클로로필-a 및 남조류 세포수로 비교 평가하였다. Table 4는 원수 및 처리수 결과를 나타낸 것이다.

이론/모형

유동장에 기포가 추가됨으로써 흐름은 더이상 단일상 흐름이 아니지만 두 단계로 구성된다. 기포와 물의 이상 유동을 모사하기 위하여, 수치해석 근간의 다상(Multi-phase) 이론을 적용하였으며, 각각의 상에 대한 운동방정식을 따로 계산하여 커플링하는 Eulerian-Eulerian 방법을 사용하였다. 선행연구에 따르면 k-ε 난류 모델(Turbulence model)을 적용할 경우의 전산해석결과가 유동을 층류로 가정한 전산해석 결과보다 실험값에 더 유사하다는 것을 밝힌 바 있다(Hague et al.
난류 모델로 k-ε모델을 적용하였다.
반응조형상 1의 경우 유동 영역에서는 노드수를 약223,000개, 요소수는 약 857,000개로 구성하였으며, 형상 2의 경우에는 노드수를 266,000개, 요소수를 1,035,000개로 구성하였다. 본 연구에서는 전산유체해석에 ANSYS CFX를 사용하였다. 유동장에 기포가 추가됨으로써 흐름은 더이상 단일상 흐름이 아니지만 두 단계로 구성된다.
수치해석에서의 난류모델의 적용부분에서는 상업적 코드에서 널리 사용되고 있는 k-ε 난류 모델을 적용하였다(Davidson, 1997).
1a법으로 분석하였다. 조류 시료는 포르말린용액 8%로 플랑크톤을 고정시키고 수질오염공정시험기준 ES 04705.1b 식물성플랑크톤-현미경계수법으로 분석하였으며 개체수 분석은 식(1)과 같이 격자 이용 계수법을 이용하였다. 현미경은 OLYMPUS(Japan)를 이용하여 200배 범위로 10스트립 이상 반복 계수하였다.
클로로필-a 농도는 수질오염공정시험기준 ES 04312.1a법으로 분석하였다. 조류 시료는 포르말린용액 8%로 플랑크톤을 고정시키고 수질오염공정시험기준 ES 04705.

성능/효과

2. 전산유체해석 모사 결과 선회식가압부상 반응조의 장점 중에 하나는 사류지역을 저감시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 원통형 형상과 콘형 형상로 나누어 모사한 결과 유속분포, 체류시간이 유사한 것으로 나타났으며 이동 용이성을 고려하여 파일럿 선회식가압부상장치는 원통형 형태로 결정하였다.
4. 현장에서 선회식가압부상장치의 운영결과 미세기포 처리만으로는 유해남조류 세포수가 조류경보제 기준으로 관심수준 이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하지 못하는 것으로 나타났으나, 조류제거제 60㎎/L 및 100㎎ /L 처리수에서 유해남조류 세포수는 모두 관심수준 이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
5. 클로로필-a 제거율과 유해남조류 세포수 제거 결과를 토대로 조류제거제 적정 주입량은 이론적으로 약 89㎎/L로 나타났으나, 실제 현장 적용시 효율적인 제거율을 만족하는 주입량은 60㎎/L로 이론적인 결과보다 현장에서 적게 주입해도 되는 것으로 나타났다.
261m/s였다. 각 %별 국부적 속도 분포는 형상 1과 크게 다르지 않으며, 10%및 20% 미만의 사류 영역의 분포도 미미한 것으로 나타났다. 따라서, 선회식가압부상 반응조의 장점 중에 하나는 사류지역을 저감시킬 수 있는 것이다.
Figure 7은 유입구로 유입된 물 분자가 평균적으로 조 내에서 머무르는 시간을 분석한 결과이다. 그 결과 형상 1의 경우는 평균 480초, 형상 2의 경우에는 548초로 나타났다. 형상 2의 경우가 68초 더 소요되는데 이는 하부 콘(Cone)부분의 용적이 추가됨에 따라 평균 체류시간이 증가한 것으로 판단된다.
85:1로 선정하여 실험한 수질 결과는 Table 2와 같다. 높이/직경변화 비율 모든 결과에서 클로로필-a는 약 90%의 처리 효율을 보였으며, 높이에 따라 탁도 및 클로로필-a 처리효율에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 파일럿 선회식가압부상장치는 높이제한이나 저항을 최소화한 이동이 가능한 형태로 제작하기 위하여 높이/직경변화 비율을 1:1.
조류제거제를 주입한 경우 60㎎/L 및 100㎎/L 처리수에서 모두 관심수준 이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 선회식 가압부상장치에 조류제거제를 응집제로 사용한 경우 남조류 세포수 및 클로로필-a 농도 제거에 효율적인 것으로 나타났으며, 현장에서 계산된 적정 조류제거제 농도보다도 적게 주입해도 되는 것으로 나타났다.
처리수 결과 클로로필-a는 선회식가압부상장치에 응집제로 조류제거제를 사용하였을 경우 그 처리효율이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 남조류 세포수는 미세기포만으로도 약 92%의 제거율을 나타내었으나, 조류경보제 기준으로 관심수준이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다. 조류제거제를 주입한 경우 60㎎/L 및 100㎎/L 처리수에서 모두 관심수준 이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
Table 4는 원수 및 처리수 결과를 나타낸 것이다. 미세기포 처리수에서 클로로필-a는 약 77% 제거되었으며, 조류제거제 60㎎/L 및 100㎎/L 처리수의 제거효율은 약 95% 및 97%로 나타났다. 원수의 남조류 세포수는 893,500cells/mL으로 나타났으며, 유해남조류는 652,500cells/mL로 나타났다.
본 연구는 녹조 대발생시 취수원 또는 수변인접지역에 긴급하게 녹조를 제거하기 위한 방안을 마련하기 위하여 랩 스케일 선회식가압부상조 실험을 실시한 결과이다. 실험 과정에서 전산유체해석 모사를 통해 이동이 가능한 10㎥/hr용 파일럿 선회식가압부상장치를 제작하여 남조류가 발생된 현장에서 선회식가압부상장치를 직접 운영하였으며, 그 결과 클로로필-a에 대해 90%이상의 처리효율을 얻을 수 있었다.
랩 스케일 및 전산유체해석 모사를 통해 파일럿 선회식가압부상장치를 제작하고 효율을 검증하기 위해 실제 현장에서 하천에 살포할 수 있도록 등록된 응집제인 조류제거제(R-119)를 사용하여 운전하였다. 운전 결과 클로로필-a는 조류제거제 60㎎/L 및 100㎎/L처리수에서 제거율이 약 95% 및 97%로 나타났다.
또한, 남조류 세포수는 미세기포만으로도 약 92%의 제거율을 나타내었으나, 조류경보제 기준으로 관심수준이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다. 조류제거제를 주입한 경우 60㎎/L 및 100㎎/L 처리수에서 모두 관심수준 이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 선회식 가압부상장치에 조류제거제를 응집제로 사용한 경우 남조류 세포수 및 클로로필-a 농도 제거에 효율적인 것으로 나타났으며, 현장에서 계산된 적정 조류제거제 농도보다도 적게 주입해도 되는 것으로 나타났다.
유해남조류는 미세기포처리수에서 573cells/mL 및 366cells/mL로 나타났다. 처리수 결과 클로로필-a는 선회식가압부상장치에 응집제로 조류제거제를 사용하였을 경우 그 처리효율이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 남조류 세포수는 미세기포만으로도 약 92%의 제거율을 나타내었으나, 조류경보제 기준으로 관심수준이하인 1,000cells/mL 이하를 만족하지는 못하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가압부상법은?	따라서 이러한 문제점으로 조류 제거에 사용되는 다양한 기술 중 하나로 대표적인 물리화학적 처리기술인 가압부상법(Dissolved air flotat-ion; DAF)이 있다. DAF 기술이 수처리 기술에 사용되기 시작하면서, 몇몇 연구자들은 미세 기포와 입자 사이에서 발생하는 충돌효율에 관한 연구를 수행했다(Baeyens et al.
	우리나라 녹조의 원인은?	최근 우리나라는 기후변화에 의한 하천의 물리적 환경변화, 비점오염원에 의한 영양염류의 유입증가 등으로 인해 하천 및 호소 등에 녹조현상이 빈번하게 발생하고 있으며, 녹조의 발생시기와 농도가 증가하고 있는 추세이다(Han et al., 2001; Figueiredo, et al.
	조류 대발생의 주요 원인으로서 남조류가 수자원에 미치는 영향은?	2006). 남조류 중 일부 종은 맛, 냄새물질(Geosmin, 2-MIB)을 배출하여 물의 심미적 가치와 안전성을 떨어뜨린다(MOE, 2015; Ikawa, et al., 2001). 또한, 남조류 중 일부는 동물에 대해 간독, 신경독, 사람에 대해 피부독, 미생물에 대해 세포독으로 작용하는 여러종류의 독소를 단독 또는 복수 함유하고 있으며, 외국 여러 나라에서는 예전부터 남조류로 인한 가축이나 야생동물의 폐사가 보고되었다(Dawson, 1998; Carmichael et al., 2001).

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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