1. 서 론
1)수처리 및 환경관련공정에서 교반기는 모든 공정에 서 사용되며, 처리 공정과 혼합되는 물질의 특성에 따 라, 다양한 형태의 교반기와 임펠러가 사용된다. 그 중 에서도 교반성능에 영향을 미치는 임펠러는 기계동력 을 교반에너지로 바꾸어 직접 유체에 영향을 미치는 부 분이다. 우수한 성능의 교반기를 설계하기 위해서는 임
Received 1 February 2016, revised 30 March 2016, accepted 31 March 2016
*
Corresponding author: Seunghwan Lee (E-mail: [email protected])
펠러의 효율적인 설계가 필요하다(Bae et al., 2015; Kim et al., 2006). 그러나 임펠러의 형상과 크기, 설치 위치 및 설치 수량 등 설계 변수들이 다양하게 존재하기 때문 에 최적으로 임펠러를 설계, 운전하는 것은 현실적으로 간단한 문제가 아니다 (Bridgwater. J., 2012; Ottiono et al., 2000). 그러나 국내 대다수의 교반기는 교반기의 소요 동 력 , 구조, 임펠러 형태 및 유체흐름과 전단력 등을 다양하 게 분석하여 설계하는 외국의 교반기에 비해 부족한 운 영기술과 설계기준으로 인하여 낮은 교반효율과 높은 에 너지 소비를 나타내고 있다. 특히 하수처리장 내 생물반
하수처리 공법별 네오하이드로포일 교반기의 적용 특성 및 효과
Characteristic Features and Effect of Neo-Hydrofoil Impeller Applied in Sewage Treatment Plants
주윤식1･손건태2･배영준1･이승환2*
Yoon-Sik Joo
1･Guntae Son
2･Youngjun Bae
1･Seunghwan Lee
2*1
주식회사 우진 기술연구소,
2금오공과대학교 환경공학과
1
Technology R&D Center, Woojin Co., Ltd.
2
Department of Environmental Engineering, Kumoh National Institute of Techonology.
ABSTRACT
In this study, a newly developed agitator with hydrofoil impeller applied to actual biological process in advanced wastewater treatment plant was evaluated. Several series of experiments were conducted in two different wastewater treatment plants where actual problems have been occurred such as the production of scums and sludge settling. For more effective evaluation, computational fluid dynamics (CFD) and measurements of MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids) and DO (Dissolved Oxygen) were used with other measuring equipments. After the installation of one unit of vertical hydrofoil agitator in plant A, scum and sludge settling problems were solved and more than seventy percent of operational energy was saved. In case of plant B, there were three cells of each anoxic and anaerobic tanks, and each cell had one unit of submersible horizontal agitator. After the integration of three cells to one cell in each tank, and installation of one vertical hydrofoil agitator per tank, all the problems caused by improper mixing were solved and more than eighty percent of operational energy was found to be saved. Simple change of agitator applied to biological process in wastewater treatment plant was proved to be essential to eliminate scum and sludge settling problems and to save input energy.
Key words: CFD, DO, Energy Input, Hydrofoil Impeller, MLSS
주제어: 전산유체역학, 용존산소, 에너지 소비량, 하이드로포일 임펠러, 활성슬러지 부유물질
ISSN(Print): 1225-7672 / ISSN(Online): 2287-822X
DOI http://dx.doi.org/10.11001/jksww.2016.30.2.187
응조에 적절한 교반이 이루어지지 않은 경우, 균일 MLSS 유지 불가, 침전발생, 운전동력의 손실, 미생물의 사멸과 스컴 발생 등의 각종 문제점이 발생하여 처리수의 수질 저하 및 처리장의 운영에 큰 영향을 미치게 된다.
국내 정수장 및 하수처리장에 적용되는 교반기용 임 펠러의 종류는 크게 방사류 흐름 임펠러(True Radial Flow), 축류 흐름 임펠러(Axial Flow Turbine) 및 방사축 류 흐름 임펠러(True Axial Flow)로 분류할 수 있다. 방 사축류 흐름 임펠러는 3가지 임펠러 종류 중 교반효율 이 높은 종류의 임펠러를 통칭한다. 이러한 임펠러는 낮은 전단력이 요구되고, 축류 흐름이 중요하게 적용되 어지는 특징에 맞추어 개발되어졌다. True Axial Flow 중 Hydrofoil(하이드로포일) 임펠러는 높은 교반효율을 위하여 캠버와 둥근 앞전을 가지며 경사지고 트위스터 된 형태의 3개에서 4개의 블레이드를 가진다. 이러한 형상으로 인하여 교반조 전체 면적에 고른 유속을 유지 하는 특성이 있다(Park. J.H., 2003).
본 연구에서는 처리방식이 서로 다른 2개의 하수처 리장에 하이드로포일 교반기를 설치하여 하이드로포 일 교반기에 의한 처리특성 변화와 유동특성을 비교 하였으며, 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 통 해 현장 운영상태에 대한 분석 및 교반기의 적정성 평가를 하였으며, 기존 교반기와 하이드로포일 교반 기의 동력 소모를 산정하여 교반기 개선에 따른 경제 성 평가를 진행하였다.
2. 실험 방법 및 재료
2.1 대상 하수처리장과 교반조
본 연구에서는 처리방식이 상이한 두 개의 하수처 리장을 대상으로 처리공법별 개선된 교반기의 성능 향상 및 처리방식에 따른 운전양상을 분석하였다. A 광역시 A하수처리장은 1994년 준공하여 214,000 톤/
일의 하수와 음식물 침출수 60 톤/일 이상을 법정기준 치 이하로 처리하여 방류하고 있다. 유입하수의 처리 방식은 2008년부터 2차처리에서 얻어지는 처리수질 이상의 수질을 얻기 위해 MLE(순환식 질산화 탈질법)
와 약품응집 공법을 도입하여 운영하고 있다. MLE 공 법의 여러 설계인자(HRT, SRT, MLSS, 슬러지 반송율, 내부반송율) 중 교반기술과 관련된 설계인자는 MLSS 이며 3,000∼4,000 mg/L를 설계값으로 하고 있다. A 하수처리장에서의 교반조건 및 교반기의 사양을 Fig.
1(a)에 나타내었다. 생물반응조 무산소조에는 2.2 kW 수중횡형 교반기를 사용하여 교반하고 있다.
B 하수처리장은 생활하수, 농공단지폐수, 도축장폐 수, 쓰레기 매립장 침출수를 차집하여 적정처리하고 있 으며 , 하수종말처리장내의 분뇨전처리시설에서 전처리된
(a)
(b)
(c)
Fig. 1. Schematic diagram of bioreactor.
분뇨를 연계처리하고 있다. B 하수처리장은 1999년에 30,000 톤/일의 규모로 준공·가동하였고, 2003년부터 고 도처리시설을 운영하고 있다. 하수처리공법은 표준활 성슬러지법으로 운영하였고, 고도처리공법 도입으로 표준활성슬러지법을 A
2O계열로 변경하여 운전하고 있 다. Fig. 1(b)에 하수처리장 내 교반조건 및 교반기의 사 양을 나타내었다. 생물반응조의 혐기조와 무산소조는 3개의 셀(Cell)로 나누어 2.2 kW와 3.7 kW 동력의 수중 횡형 교반기를 사용하여 교반하고 있다. Fig. 1(c)는 MLSS와 DO를 측정한 위치를 나타내고 있다.
2.2 전산유체역학(CFD)를 이용한 수치해석
평가 대상인 하수처리장에 설치되어 있는 교반기에 대한 수치해석을 통해 교반효율, 유동 조건 등을 확인 하기 위해 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 이용하였다. 이것은 실험적 접근방법을 이용하는 경우에 시간과 공간, 비용상의 제약을 보완 하기 위한 방안으로 수치해석적 접근 방법을 선행적 으로 수행하였다. 본 연구는 교반기의 교반 성능을 확 인하기 위해 상용코드인 FLUENT 프로그램을 이용하 여 연구를 수행하였으며, 아래의 지배방정식을 이용 하여 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).
2.2.1 지배방정식
지배 방정식으로는 질량보존법칙이 적용된 연속방 정식과 운동량의 보존법칙을 적용한 Navier-Stokes 방 정식을 사용하였으며 식 1과 식 2에서 보여주고 있는 바와 같다(Kim and Kim 2007).
연속 방정식
(1)
Navier-Stokes 방정식
(2)
난류모델로는 모델을 사용하였으며, 이때의 난류 운동에너지 와 난류운동에너지 소멸율 에 대 한 전달방정식을 식 3과 식 4에 나타내었다.
(3)
(4)
2.3 생물반응조 MLSS 및 DO 농도 측정
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 장비 는 0∼20,000 mg/L의 측정범위를 가지며, 근적외 펄스 변조 방식을 이용하는 SS-5Z (K.R.K, 일본)이며 DO 측정 장비는 polarographic 방식의 0∼20 mg/L 측정범 위를 가지는 YSI-550A(YSI, 미국)을 사용하였다.
2.4 교반기의 개선
기존의 교반기는 0.75 kW 출력의 1단 입축 hydrofoil 교반기를 사용하고 있었으며 이를 1.1 kW의 2단 하이 드로포일 타입의 임펠러 형태로 교체하였다. 하이드 로포일형 임펠러는 국부적인 전단율을 최소화시켜 교 반조 전체에 토출되는 유체전단율을 일정하게 만드는 흐름을 발생시키며, 소요동력이 낮고 펌핑력이 좋아 교반조내의 넓은 부분에 교반흐름의 영향이 미치며 교반강도가 작아서 저속교반용에 적합한 형태이다.
또한 하이드로포일 임펠러는 낮은 유체전단력이 요구 되고, 축류 흐름이 중요하게 적용되어지는 특징에 맞 추어 개발되어졌다. 이들은 각 거리에서의 캠버와 둥 근 앞전을 가지며 테이퍼지고 트위스터 된 형태의 3 개 혹은 4개의 블레이드를 가진다. 전체 면적에 고른 유속을 유지하는 특성이 있다(Zienkiewicz. O.C 1977;
American Water Works Association 1991; Noh. H.U
2007).
2.5 소요동력
생물반응조의 교반을 위해 사용되고 있는 교반기의 회전수 및 소요동력을 비교하여 보았다. 기존 교반기 및 개선 교반기의 소요동력은 전류, 전압을 측정하였 고, 식 1과 같이 계산하였다.
소요동력
× × × ×
(5)
여기서
3. 실험결과
3.1 A 하수처리장
3.1.1 개선 전 운전평가
생물반응조 교반기에 의한 내부 유동 상태를 CFD 해석을 통해 가시화 및 비교해 보았다. 해석에 사용 된 유입 및 내, 외부 반송은 225,000 m
3/day로 나타났 으며, Fig. 2에 CFD 해석결과를 나타내었다. 수중교반 기에 의한 무산소조 유동의 형태는 교반기에 의한 횡 방향으로 강한 흐름을 생성하고 있는 반면 교반기의 측면과 후면의 유속이 0.05 m/s
2보다 낮아 슬러지의 침전이 발생 된 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 수중 교반기에서 생성된 유동이 벽면에 이르러 조 측면부 및 상부까지 원활하게 교반되지 못하기 때문으로 판단 된다.
Fig. 2. Flow velocity distribution by CFD in anoxic tank of A Sewage treatment plant before new agitator implementation.
Fig. 3(a)에 무산소조 2계열 6지의 MLSS 분포를 나 타내었다. 2계열 6지의 측정된 MLSS 값은 시간에 따 라 유동이 변화하기 때문에 최소값과 최대값을 기록 하여 나타내었고, 교반기의 유동에 대한 평가는 평균 값으로 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. Fig. 3(b)에 3계열 8지 무산소조의 MLSS 분포를 나타내었다. 3계열 8지 무산소조의 MLSS 값 또한 수심 1 m에서 최소 3350 mg/L 에서부터
(a) Line 2, 6th
(b) Line 3, 8th
Fig. 3. MLSS distribution in anoxic tank of A sewage treatment
plant A before new agitator implementation.
점차로 농도가 높아져 수심 4m 이상의 범위에서는 슬 러지 침전이 발생함을 알 수 있다. 이는 1대의 수중 교반기로는 조 전체에 균일하게 교반하지 못하여 슬 러지의 침강 및 침전이 발생한 것으로 판단된다.
교반기가 설치되어있는 생물반응조의 용존산소(DO) 분포를 위 Table 1에 나타내었다. 2계열 6지의 경우 수심에 따른 DO 농도 분포가 0.2 mg/L 이하로 외부에 서 산소의 유입 없이 생물반응조의 혐기 및 무산소 상태를 잘 유지시키고 있음을 알 수 있다. 반면 3계열 8지의 경우 슬러지의 침전이 있고 DO의 농도도 최대 2.8 mg/L까지 상승하여 3계열 8지의 운영에 문제가 있으며 수중 교반기 1대의 교반으로는 DO의 전달이 원활하게 이루어지지 못함을 알 수 있다. 그 결과로 교반이 균일하게 이루어지지 못하여 상층부에 스컴이 발생하게 되었다.
3.1.2 개선 후 운전평가
본 실험에 적용된 기존 교반기 및 개선 교반기의 형 태를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4와 같이 기존 (횡축) 교
반기를 입축의 하이드로포일 교반기로 교체하였다.
상기 유입 조건에서 조 내부 유속 분포를 아래 Fig.
5에 나타내었다. 무산소조의 전체적인 유동은 임펠러 하부 → 조바닥 → 조벽 → 조벽면상부 → 조중심으로 유도되어지는 Single Flow 형태의 유동 흐름이 형성되 어 조 내 균일한 교반이 이루어질 것으로 예측된다. 또 한 무산소조의 모서리 및 바닥부분에서 슬러지 침전속 도가 0.05m/s 이상으로 유지되어 슬러지 침전으로 인한 Dead Zone은 발생하지 않을 것으로 예측된다.
Fig. 6에 개선 후 무산소조의 MLSS와 DO 분포를 나타내었다. 무산소조 A 에서 MLSS 평균은 6841 mg/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 현상 없이 조 내 상, 하부 균일한 교반이 이루어짐을 알 수 있다(Fig. 6(a)). 조 내의 전체적인 DO 농도 분포가 0.2 mg/L 이하로 무산소 조건을 잘 유지시키고 있다고 판 단된다. 개선 전 불충분한 교반으로 인하여 생성된 스 컴이 개선 후에 생성되지 않았다(Fig. 6(b))..
Table 1. DO distribution in anoxic tank of A sewage treatment plant before new agitator implementation (unit : mg/L)
Depth(m) Line 2, 6th Line 3, 8th
A B C D A B C D
1 0.07 0.08 0.07 0.07 0.23 0.1 0.18 0.69
2 0.07 0.08 0.07 0.07 0.34 0.1 0.14 0.38
3 0.08 0.08 0.08 0.07 0.29 0.11 2.3 0.21
4 0.09 0.09 0.08 0.08 0.18 0.11 2.8 0.34
4.5 0.09 0.09 0.08 0.09 Sedimentation Sedimentation Sedimentation 0.77
(a) Before
(b) After
Fig. 4. Comparison of agitator type before and after implementation in A wastewater treatment plant.
3.2 B 하수 처리장
3.2.1 개선 전 운전평가
B 하수 처리장 내 생물반응조 교반기에 의한 내부 유동 상태를 CFD해석을 통해 가시화 및 비교해 보았 다. 해석에 사용된 유입 및 내, 외부 반송은 28,000 m3/day이며 아래 Fig. 7에 나타내었다
수중교반기에 의한 생물반응조의 유동 형태는 교반 기에 의한 횡방향으로 강한 흐름을 생성하고 있는 반 면 교반기의 측면과 후면의 유속이 0.05 m/s
2보다 낮 아 슬러지의 침전이 발생 될 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 수중교반기에서 생성된 유동이 벽면에 이르 러 조 측면부 및 상부까지 원활하게 전달되지 못하기 때문이다. 혐기조의 MLSS 값은 최소 7590 mg/L 에서
Fig. 7. Flow velocity distribution by CFD in bioreactor of B sewage treatment plant before new agitator implementation.
Fig. 5. Flow velocity distribution by CFD in anoxic tank of A sewage treatment plant after new agitator implementation.
(a) MLSS
(b) DO
Fig. 6. MLSS and DO distribution in anoxic tank of A sewage treatment plant after new agitator implementation.
최대 7870 mg/L 으로 분포하고 있다(Fig. 8(a)). 무산소 조의 경우 최소 7270 mg/L 에서 최대 7500 mg/L 으로 분포하고 있으며, 수심 5 m 이상은 하부에 침전이 발 생하여 조 내 균일한 교반이 불가능함을 확인할 수 있다. 생물반응조의 DO 분포를 Fig. 8b에 나타내었다.
혐기조 및 무산소조 모두 수심에 따른 DO 농도 분포 가 0.2 mg/L 이상으로 생물반응조의 혐기 및 무산소 상태를 유지시키지 못하고 생물반응조 운영상에 문제 가 있는 것으로 판단된다.
4.2.2 개선 후 운전평가
본 실험에 적용된 기존 교반기 및 개선 교반기의
형태를 Fig. 9에 나타내었다. 최적 교반을 위해 작게 나누어져 있던 혐기조와 무산소조의 격막을 제거하고 수직 하이드로 포일형 교반기를 설치하였다.
교반기 개선 후 CFD해석 결과를 아래 Fig. 10에 나 타내었다. 기존의 생물반응조에서 격벽을 제거한 뒤 전체적인 유동은 임펠러하부 → 조바닥 → 조벽 → 조벽면상부 → 조중심으로 유도되어지는 Single Flow 형태의 유동 흐름이 형성되어 조 내 균일한 교반이 이루어질 것으로 예측된다. 그리고 기존 교반기 주위 의 낮은 유속으로 문제시 되었던 특정부분의 유속도 0.05 m/s 이상으로 유지되어 슬러지 침전으로 인한 Dead Zone은 발생하지 않을 것으로 예측된다.
(a) MLSS
(b) DO
Fig. 8. MLSS and DO distribution in bioreactor of B sewage treatment plant before new agitator implementation.
(a) Before
(b) After
Fig. 9. Comparison of agitator type before and after implementation in bioreactor of B sewage treatment plant.
Fig. 10. Flow velocity distribution by CFD in bioreactor of B wastewater treatment plant after new agitator implementation.
Fig. 11은 혐기조와 무산소조의 MLSS와 DO의 측정 결과를 나타내고 있다. 혐기조의 MLSS 값은 최소 7100 mg/L에서 최대 7620 mg/L으로 분포하고 있다.
무산소조의 경우 최소 6940 mg/L에서 최대 7600 mg/L 으로 분포하고 있으며, 기존의 생물반응조에서 침전 이 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 슬러 지 침전이 발생하였지만, 개선 후 생물반응조의 DO 분포는 기준치 이하로 무산소 상태를 잘 유지시키고 있다고 판단된다.
4.3 소요동력 비교
Table 2와 3은 A 하수처리장과 B 하수처리장의 교반기 의 소요동력을 각각 비교하였다. A 하수처리장의 기존 설치되어있는 수중 교반기의 경우 2.2 kW의 모터를 사용 하여 구동을 하고 있다 . 임펠러의 직경은 0.9 m이며 회전 수는 191 rpm으로 실제 구동 시 소요동력은 2.76 kW로 125% 정도 과부하로 계산되었다. 반면 개선 교반기의 경우 1.1 kW의 모터를 사용하여 구동하고 있으며, 임펠러 의 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. B 하수처리장의 경우 기존 설치되어있는 수중 교반기의 경우 2.2 kW의 모터를 사용하여 구동을 하고 있다. 수중 교반기의 회전수는 250 rpm으로 실제 구동 시 소요동력 은 1.50~2.55 kW를 사용하고 있으며, 무산소조 수중 교반 기의 경우 116% 정도 과부하로 계산되었다. 개선 혐기조 교반기의 경우 0.75 kW의 모터를 사용하여 구동하고 있으며, 임펠러의 직경은 2.5 m, 회전수는 14 rpm로 실제 구동 시 소용동력은 0.55 kW로 계산되었다. 무산소조 교반기의 경우 0.55 kW와 0.75 kW의 모터를 사용하여 구동하고 있으며 , 임펠러의 직경은 1.8 m와 2.4 m, 회전수 는 16 rpm과 14 rpm으로 실제 구동 시 소요동력은 0.33 kW, 0.55 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.
(a) MLSS
(b) DO
Fig. 11. MLSS and DO distribution in B wastewater treatment plant after new agitator implementation.
5. 결 론
본 연구는 실제 운영중인 2개소의 하수처리장 생물 반응조에 적용된 교반기술의 적정성을 판단하고, 발 생된 문제점에 대해 생물반응조 공정에 적정한 교반 기술을 검토, 적용하여 발생된 문제점을 개선하였으 며, 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
5.1 A 하수처리장
- 하수처리장 MLE 공법의 무산소조에 적용된 교반기술 은 수중횡형 교반기 1대로 무산소조 내부를 교반하고 있다.
적용된 교반기술에 대해 수치해석 , MLSS 및 DO 농도 분포 를 측정한 결과 상부에 발생한 스컴, 불균일한 MLSS 및 슬러지 침전 등 교반에 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
- 무산소조에 적정한 교반기술을 설계 검토한 결과 무산소조 1대의 수직 Hydrofoil 형 교반기를 적용하였 고, 교반기 설치 후 수치해석, MLSS 및 DO 농도분포 를 측정한 결과 조 내 균일한 교반을 통해 기존에 발 생한 문제를 해결할 수 있었다.
- 기존 교반기에 비해 개선한 교반기의 설치 운영 시 생물반응조 1지당 약 70% 정도의 에너지를 절감 할 수 있을 것으로 판단된다.
5.2 B 하수처리장
