유동해석을 통한 가압부상조의 최적화와 정수처리에의 응용 = Optimization and application of water treatment of dissolved air flotation using the computational fluid dynamics

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 오염물질의 일차적인 고액분리 공정이라고 할 수 있는 기존정수처리공정인 응집침전이 처리대상물질의 한계를 지니고 있으며 처리시간과 유효면적면에서 경제적이지 못한 점을 감안하여 이를 대체할 수 있는 가압부상법(DAF: dissolved air flotation)을 대상으로 하였다.
DAF를 운전하는데 있어서 많은 중요한 인자들이 있다(Haarhoff and van Vuuren, 1993). 제거효율에 큰 영향을 미치는 중요한 인자중의 하나가 부상조내에서의 수리동역학(fluid dynamics)이다. 전산유체역학(CFD)의 장점은 경제성, 시간절감, 완전한 정보의 제공, 실제조건에 대한 해석, 이상조건에 대한 해석 등 기존의 실험으로 인한 유동해석보다 많은 장점을 가지고 있다.
따라서 본 연구에서는 부상조 내에서의 설계인자와 운전인자의 변화에 따라 수리학적 거동 변화를 수치적으로 해석하여 부상조를 최적화시키며 수치모델에 대한 검증은 ADV를 이용한 실측을 통해 이뤄졌다.
ADV를 이용하여 부상조의 평균속도 벡터의 실측하고 모형과 같은 형태를 Fluent 수치해석 프로그램으로 모델링하여 실측치와 비교 검증하여 수리 모델을 확립한다. 그리고 이 모델을 바탕으로 표면부하율과 가압수량의 운전인자와 설계인자인 length ratio, depth ratio, width ratio, Baffle angle, Outlet type 등의 조건을 변화시켜 가면서 반응조 내의 contact zone과 separation zone의 난류강도나 속도벡터, pathline, 체류시간 등을 분석한다. 수치해석에서 부상조의 형태는 장방형 부상조를 주 모델로 하며 원형 반응조는 pilot 규모의 모형을 모델링하여 표면부하율과 기포주입량 변화 등의 운전인자에 대한 내용을 고려하였다. 또한 모델에서의 입자제거는 부상되는 기포의 trap된 양을 계산하여 예측하며 pilot 실험을 통한 실측치와 비교를 통해 입자제거효율 예측 방법을 도출하였다.
반응조 내의 유동해석을 통해서 도출된 최적화 결과를 이용하여 5,000㎥/day 규모의 장방형 침전시설이 있는 실제 정수장의 개선을 위해서 같은 규모의 장방형 부상조를 침전지 후단부에 설치하였다. 장치의 성능 평가를 위해서 오염물질 제거율 평가는 고형입자의 지표가 되는 탁도와 입자수 뿐 아니라 TOC, UV_(254), KMnO_(4)소비량 등의 유기물 지표와 보건학적으로 중요한 의미를 지니는 소독부산물의 전구물질이 되는 THMFP, HAAFP, HANFP, Cp, CH, DCP, 1,1,1-TCP 등도 검토하였다. 그리고 우기시 고탁도 유입에 대한 DAF의 대처능력과 정수장에 설치된 반응조내의 탁도 분포를 측정하여 수치해석의 velocity profile 결과와 비교하여 모델의 타당성을 검토하였다.
원형부상조는 3㎥/hy의 pilot plant에서 250㎥/hy 용량의 실증플랜트로 scale-up하였으며 두 장치의 차이점은 실증플랜트에는 조 하단부에 모래여과조가 충진되어 있다는 것이고 동일한 원수를 사용하여 실험하였다. pilot 실험에서는 표면부하율 5, 7.5, 9m/hr로의 변화에 대해 UV_(254)와 탁도, KMnO_(4)소비량의 제거율을 평가하여 최적값을 얻어냈으며 수치해석에서 결과치와 비교 고찰하였고 또한, 표면부하율 변화에 따라서 ADT(Air Dissolving Tube) 토출압력 330, 440, 550kPa에 대한 탁도 제거율을 조사하여 적정값을 도출하였다. 그리고 pilot와 실증플랜트에서 탁도, UV_(254), chlorophyll-a, TOC, Fe, Mn등의 제거율을 비교하여, 실증 플랜트로의 scale-up 성공 여부를 판단하였으며 기존 침전공정과도 비교하여 DAF 공정의 효능을 검증하였다.
이와같이 유동해석을 통한 반응조의 최적화된 결과를 토대로 실제 정수장에 적용하여 효율을 평가함으로써 실용화의 가능성을 판단하였으며 기존 침전지와 비교하여 DAF의 우수성을 입증하였다.
수치해석에 대한 연구 결과 우선 장방형 부상조를 보면 운전인자 Rr 15%이고 surface loading이 15m/h 일 때 air trap rate가 최대가 되며, Rr 15%나 S_(L)이 15m/hr보다 높으면 트랩되는 효율이 떨어진다. Rr의 비에 따라 효율은 최대 40%정도 차이가 나며, surface loading에 따라서는 최대 60%정도의 차이를 보이므로 Rr와 surface loading은 효율에 절대적 영향을 미친다.
설계인자를 살펴보면 부상조의 높이와 길이는 트랩되는 기포량에 크게 영향을 주지 않는다. 또한 부상조의 폭이 줄어들면 30%이상 효율이 감소하지만, 부상조의 폭이 증가하면 5% 내외 정도 효율이 상승한다. Baffle이 기울어지면 효율은 감소하며, 각도가 75도 일 때는 기본 모델에 비해 5%정도 효율이 감소한다. 배출구 모양은 pipe type이나 weir type 모두 트랩 효율에 있어서 2% 내외로 큰 차이를 보이지 않는다. contact zone에서의 난류강도는 부상조의 모양에 따라 효율을 높여주기도 하지만, 너무 강하면 오히려 방해요소로써 작용한다. 그러므로 난류강도는 평균 0.13정도 일 때 부상조는 최적의 효율을 나타낸다. 장방형 부상조의 separation zone에서 stratified flow thickness는 효율에 영향을 미치며 contact zone의 난류강도와 동시에 고려해야 하며, 그 두께가 증가하거나 변화가 심할 경우 효율을 저하시키는 원인으로 파악되었다.
원형부상조의 유동해석 결과는 운전인자의 경우 표면부하율 7m/hr와 Rr 20%에서 최적의 air trap 효율을 보였다. 원형부상조의 air trap 효율은 장방형에 비하여 운전인자 변화에 더 민감하였다. 원형의 contact zone에서의 적정한 난류강도 값은 평균 0.158로 나타났으며 이보다 높거나 낮을 경우 효율에 영향을 미쳤다. 또한 contact zone에서 난류강도는 장방형의 경우인 0.13보다 다소 높은 값을 유지해 주어야 한다.
부상조의 형태에 따른 최적 운전조건의 차이점은 장방형의 경우 표면부하율 15m/hr, Rr 15%이며 원형은 7m/hr에 Rr 20%로서 장방형의 처리속도가 더 높음을 알 수 있었으며, 원형이 장방형에 비하여 많은 기포량이 요구되는 것은 상대적으로 부상하는 직선거리가 짧기 때문이다.
정수처리에의 응용 연구결과는 침전지 말단에 설치된 장방형 부상조는 TOC, UV_(254)의 경우 침전지 말단 보다 제거율이 각각 평균 7%와 10%정도 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 소독 부산물 전구물질로써 THMs, HAAs, HANs, Cp, CH, DCP, 111-TCP 등도 부상조가 침전지 말단보다 각각 12%, 7%, 15%, 13%, 7%, 24%, 23%의 효율 향상을 보였다. 여름철 고탁도 유입시에도 여과조의 부하가 경감되며, Chlorophyll-a는 침전지 말단 보다 평균 20%이상 좋은 효율을 보였다.
원형부상조의 경우도 장방형과 마찬가지로 기존 침전공정과 비교했을 때 탁도, TOC, UV_(254), Chlorophyll-a, Fe, Mn 등 오염물질 제거에 더 좋은 효율을 나타낸다. Chlorophyll-a의 경우는 실증플랜트가 효율이 약간 낮게 나타났는데 이는 파일럿과 실증플랜트의 차이에 의한 것으로 실 모형의 하단부에 충진된 모래여과층의 운영상의 문제인 것으로 판단된다.
장방형 부상조내의 탁도분포를 조사한 결과 유체해석 모사 흐름 결과와 유사한 특성을 나타낸다. 이는 부상조내 유동이 처리효율에 영향을 미치며 물과 기포를 이상(two-phase)으로 고려하여 해석한 모델이 실제 정수장에서도 적용될 수 있음을 나타낸다. 그리고 실제 장방형조의 수리흐름을 측정하였는데 후단부의 탁도 분포가 밑방향으로 내려가는 것과 three-dimensional flow가 보이는 현상이 발견되었는데 모사 결과에서는 예측하지 못한 결과로서, 후단부의 스컴 제거장치에 의한 유동의 흐트러짐과 유입, 유출부의 불균형한 흐름 때문인 것으로 판단되었다. 이러한 현상은 시뮬레이션할 때 입자에 대한 고려 없이 two-phase로 가정하였기 때문이며 후단부의 스크러버 장치나 좌우대칭 구조로 가정했기 때문이다.
정수장 운영을 통한 운전조건은 장방형에서는 S_(LR) 10m/hr로 시뮬레이션 결과와는 차이가 있었으며 Rr은 15%로 모사 결과와 동일하였다. 그리고 원형의 경우는 실제 운전값은 7.5m/hr로서 모사결과와 일치하였으며 Rr의 경우는 30%로 20%인 수치해석 결과와는 차이가 있었다.
결론적으로 말하면, 본 연구는 수치해석을 통해서 부상조의 유동현상을 이해하고 최적화하여 정수처리에 적용함으로써 CFD를 이용하여 최적화하는데 있어 그 타당성을 입증하였다. 그리고 CFD를 이용한 부상조의 최적화는 수리학적인 면을 고려한 것으로 실제 정수처리에 응용했을 때는 원수의 특성이나 응집조건 등의 다양한 변수가 있으며, 수치해석으로 설명되지 못한 부분과 오차가 있는 부분도 있었다. 이는 앞으로 입자와 기포의 거동을 수치모델에 충분히 반영할 수 있는 좀 더 정교한 scheme에 대한 연구가 추가되어야 할 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dissolved Air Flotation(DAF) is currently being received much attention as an effective process for solid-liquid separation in water technology.
In this thesis, the computational fluid dynamics(CFD) is used to simulate DAF process for understanding flow patterns and characteristics of flotation. The CFD has been applied successfully to the simulation of various environmental systems.
This study verified mean velocity value of numerical model by the experiments with ADV. Through the study flow dynamics possibly occurring in DAF tank could be understood and optimized by use of commercial flow analysis program, called Fluent. Also, it was applied to water plant systems practically to find out its capability of application.
According to research results about numerical analysis on rectangular flotation tank, if operating factors, Rr, is 15%, air trap rate gets into maximum. However, when surface loading and Rr is too high, the efficiency drops. In the designed factors of DAF tank, quantity of trapped air bobbles and height seems to be inverse proportion. Therefore, if it increases height of reactors by 2 times, trapping efficiency decreases. And length of reactor does not influence greatly on the amount of air bubbles to be trapped. The maximal efficiency of rectangular flotation tank appears when turbulent intensity is about average 0.13.
Stratified flow thickness influenced on the efficacy in the separation zone of rectangular DAF tank, and it should be simultaneously considered with turbulent intensity of contact zone. However, When the thickness increases or fluctuates a lot, it could be a fact of reducing the efficacy. In the case of circular flotation tank, the maximal optimized efficiency was observed when surface load factor was 7m/hr and Rr was 20%. The efficiency of air trap of circular tank is more sensitive to operational variability than that of rectangular tank.
The difference of most suitable operating condition between those two forms of chamber is Rr and surface load factor; surface load factor 15m/hr, Rr 15% in the rectangular form, surface loading factor 7m/hr, Rr 20% in the circular flotation tank.
Turbulent intensity of circular tank's contact zone is 0.158 at average which should be relatively higher than 0.13 of rectangular tank. The fact that circular tank required more air is due to the relatively short flotation distance compared to the rectangular tank.
In the case of rectangular type for the water treatment plant operation, S_(LR) was 10m/hr showing different from simulation result and Rr was equal with the simulation result by 15%. Actual operating value of circular flotation tank was consented with the simulation result as 7.5m/hr but Rr was 30%, which is different from the numerical analysis result, 20%.
Those results show that the validation of optimization of DAF tank because there are no big differences between numerical analysis result and actually operating value.
As results of the study, optimized CFD was verified by understanding of fluid characteristics of DAF tank and by applying to the water treatment.
The optimization of DAF tank by CFD, one of numerical analysis, has various factors such as raw water quality, coagulation condition, etc., when applied to the practical water treatment. However, it may have some unexplainable parts and errors. This fact suggests that further study should be conducted for the scheme in detail including particle, behavior of air.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• List of Figures = iii
• List of Tables = ix
• NOMENCLATURE = x
• 국문요약 = xii
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구목적 및 내용 = 6
• 1.3 연구의 틀 = 11
• 제2장 이론적 배경 = 13
• 2.1 DAF의 원리 = 13
• 2.1.1 공정구성 = 13
• 2.1.2 부상분리법의 종류 = 14
• 2.1.3 정수처리의 응용 = 15
• 2.1.4 DAF의 운전, 설계인자 = 20
• 2.2 수치해석이론 = 21
• 2.2.1 기본 지배 방정식 = 23
• 2.2.2 난류의 정의 및 특성 = 27
• 2.2.3 난류강도 = 28
• 제3장 연구방법 = 30
• 3.1 실험적 연구 = 30
• 3.1.1 실험조건 = 31
• 3.1.2 실험장치 = 32
• 3.1.3 유속측정장비 = 33
• 3.2 수치적 연구 = 35
• 3.3 정수처리에의 적용 = 42
• 3.3.1 장방형부상조의 적용 = 42
• 3.1.2 원형부상조의 scale-up = 50
• 제4장 결과 및 고찰 = 54
• 4.1 수치해석의 검증 = 54
• 4.1.1 장방형 부상조의 기본흐름 분석 = 54
• 4.1.2 기포량 변화에 따른 수치해석과 실험 결과의 비교 = 56
• 4.1.3 표면부하율 변화에 따른 수치해석과 실험의 결과 비교 = 65
• 4.2 수치해석 결과 = 71
• 4.2.1 장방형 부상조의 수치해석 = 71
• 4.2.2 원형 부상조의 수치해석 = 93
• 4.3 장방형부상조의 적용 = 101
• 4.4 원형부상조의 scaling-up = 116
• 제5장 결론 = 124
• 참고문헌 = 127
• 부록 = 134
• ABSTRACT = 148