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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.27 No.2 pp.261-272
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2013.27.2.261

전산유체해석기법을 이용한 용존공기부상공정의 유동해석

박병성*, 우성우, 박성원, 민진희, 이우녕, 유수남, 전갑진
(주)두산중공업 Water)Water PLM

Simulation study of DAF flotation basin using CFD

byungsung Park*, Woo sungwoo, Park sungwon, Min jinhee, Lee woonyoung, You sunam, Jun gabjin

Received 29 January 2013, revised 12 April 2013, accepted 15 April 2013

Abstract

Algae boom (Red tide) in south coastal area of Korea has been appeared several times during a decade. If algae boom appears in the desalination plant, media filter and UF filter are clogged quickly, and the plant should be shutdown. In general, Algae can be removed from water by flotation better than by sedimentation, because of the low density of algal cell.
The purpose of this study conducts the CFD simulation of DAF flotation basin to apply the design of the dissolved air flotation with ball filter in the Test Bed for SWRO desalination plant.
In this study, Eulerian-Eulerian multiphase model was applied to simulate the behavior of air bubbles and seawater. Density difference model and gravity were used. But de-sludge process and mass transfer between air bubbles and seawater were ignored. Main parameter is hydraulic loading rate which is varied from 20 m/hr to 27.5 m/hr. Geometry of flotation basin were changed to improve the DAF performance.
According to the result of this study, the increase of hydraulic loading rate causes that the flow in the separation basin is widely affected and the concentration of air is increased.
The flow pattern in the contact zone of flotation basin is greatly affected by the location of nozzle header. When the nozzle header was installed not the bottom of the contact zone but the above, the opportunity of contact between influent and recycle flow was increased.

27-2-12-박병성.pdf2.51MB

1. 서 론

 기포를 발생시키는 방법 및 원리에 따라 다양한 부상공정이 있으나, 일반적인 수처리 분야에서는 높은 압력으로 순환수를 과포화 시킨 후 압력을 급격히 강하시킴으로서 미세기포를 발생시키는 용존공기부상공정(DAF)이 사용되고 있다.

 DAF 공정은 1920년경 폐수처리 분야에 최초로 사용되기 시작하여, 1960년경에는 남아프리카 공화국 등에서 먹는물 처리에 사용되기 시작하였다. 상수처리에는 1980년을 넘어 본격적으로 도입되기 시작하였으며, 최근에는 역삼투압 해수담수화(SWRO: Seawater Reverse Osmosis desalination) 플랜트의 전처리 공정까지 적용사례가 늘어가고 있는 추세이다.

 역삼투압 해수담수화공정에서 적조발생 시 후속공정인 다층여과설비(Dual Media Filter, DMF) 및 한외여과설비(Ultra Filtration, UF)의 운전에 심각한 장애를 유발할 수 있으며, 총부유물질(Total Suspended Solids, TSS)과 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC)는 막오염 유발을 야기하여 운전비용을 상승시키는 원인이 되곤 한다. 용존공기부상공정은 부유물질, 조류(Algae), 유분 및 그리스 등의 제거를 통해 후속공정인 다층여과설비, 한외여과설비 및 역삼투압설비(Reverse Osmosis, RO)의 운전효율과 운전시간을 증대할 수 있으며(Edzwald & Haarhoff, 2012), 기존 침전공정에 비해 차지하는 부분이 작고 고효율이며, 간헐적 사용이 용이하다는 장점이 있다(AWWA, 1999).

 이러한 많은 장점 때문에 순환수 주입설비와 동력비, 다소 복잡한 운전조건 등에도 불구하고 용존공기부상공정은 역삼투압 해수담수화플랜트의 전처리공정까지 점차 확대되어 활용되고 있다(Seawater Pretreatment, 2010).

 이처럼 DAF 공정이 수처리 기술로 이용되면서 Edzwald(1995)와 한(2001) 등 많은 연구자들이 미세기포와 입자의 상호작용에 관한 다양한 실험적 연구 및 모델링에 관한 연구를 수행하였다. 한편 1990년대 말 이후 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 기술을 활용한 다양한 공정해석이 이루어짐으로서 수리학 측면에 있어서 많은 성과가 있었다(Fawcett 1997, Crossley et al. 1999. Ta et al. 2001, Hague et al. 2001). 또한 권(2006) 등은 2상(기포와 물) CFD 모델과 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)기법을 이용하여 장폭비의 변화가 DAF조 내 수리흐름 및 미세기포의 부상조내 분포에 미치는 영향을 분석함으로써 최적 장폭비 선정과 공정의 효율을 예측한바 있다.

 본 연구에서는 두산중공업(주)에서 부산시 기장군에 건설 중인 대용량 역삼투압 해수담수화플랜트(Test bed)의 전처리 공정에 적용한 실규모의 DAF 조를 참고하여 해석 영역을 선정하였고, 미세공기방울(air bubble)과 해수의 2상 유동 해석을 통하여 공정을 모사하고 분석함으로써 DAF 조 내 유동을 예측하고 이를 이용하여 기포의 거동 및 입자제거 가능성을 확인하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 시스템 구성

 Fig. 1은 본 연구에 사용된 실제규모의 DAF조 단면도를 나타낸 것이다. 본 해석에 사용된 DAF는 하나의 조가 일일 용량 51,360 ㎥/day를 처리할 수 있다.

Table 1. Examples of SWRO Plants with DAF Pretreatment

Fig. 1. Sectional drawing of full-scale DAF basin

 각각의 조는 플록형성지(flocculation basin)와 부상조(flotation basin)로 구성되어 있으며, 유출수조(effluent channel)와 순환수 주입설비(saturation system)는 공동으로 구성되어 있다. 부상조는 크게 접촉조(contact zone)와 분리조(separation zone)로 구성되며, 접촉조에는 가압수(pressurized water)가 유입되어 기포를 발생시키는 주입노즐(injection nozzle)과 순환수 헤더(dispersion header)가 설치되어 있다. 분리조는 기포와 결합된 플록(floc)을 제거하는 수집 및 이송장치(scraper)가 설치되어 있다.

 순환수 주입설비는 순환수 펌프(recycle pump), 공기압축기(air compressor), 포화기(saturator)로 구성되어 있으며, 순환수는 유입수의 10 %로 운전 예정이다.

2.2 해석영역(Domain)

 전체적인 DAF 부상조에 대한 해석이 필요하므로 해석영역은 원수유입부(link zone), 접촉조, 분리조 그리고 유출수조까지 해석을 수행하였다(Fig. 2 참조).

Fig. 2. Simulation domain of DAF basin

 해석에 소요되는 시스템 및 시간을 고려하여 폭 0.5 m에 대한 CFD 모사를 실시하였으며, 노즐은 5개 3열로 구성하여 총 15개에서 순환수를 방출하도록 구성하였다. 순환수 헤더는 동일한 크기로 구성하여 동일한 유량이 분출되도록 하였다.

2.3. 격자생성(Grid generation)

 Fig. 3은 CFD 모사를 위한 격자의 생성을 나타내고 있다. 격자 생성은 조 형상 및 노즐형상 등을 고려하여 Tetra with prism mesh를 구성하였고, 노드(node)의 개수는 총 1,085,482개로 구성되었다.

Fig. 3. Grid generation of the model for nozzle and flotation basin

2.4. 해석조건(Operating conditions)

 DAF 조의 수리학적 부하율(Hydraulic loading rate)를 20, 22.5, 27.5 ㎥/㎡·hr 로 변화시키면서 해석을 수행하였고, 순환수 비율은 10 %로 고정하였다. DAF 운전 시 수행하는 슬러지 제거(Desludge)공정은 간헐적인 운전 조건이기 때문에 본 해석에서는 고려하지 않았다.

2.5. CFD 모델(Model equations)

 DAF 시스템은 공기와 물의 2상 유동으로 이를 해석하기 위해서 Eulerian-Eulerian 모델을 적용하였다. 물은 연속상(Continuous phase)으로 공기는 분산상(Discrete phase)로 해석하였으며, 물은 RNG k-ε 모델을 사용하였고 공기는 Zero-Equation 모델인 난류모델을 사용하였다. 중력과 밀도차에 의한 부력을 고려하였으며, 물과 공기간의 질량전달은 무시하였다.

Table 2. Operating condition for CFD simulation

2.6. 경계조건(Boundary conditions)

 Table 3은 본 연구에서 사용된 경계조건을 나타내고 있다.

Table 3. Boundary conditions for CFD simulation

3. 결과 및 고찰

3.1 수리학적 부하율에 따른 부상조내의 유동변화

 Fig. 4는 부상조의 수리학적 부하율을 20 m/h에서 27.5 m/h까지 변경하였을 경우, 접촉조와 분리조 내부의 유동변화를 나타내고 있다. 유입수와 순환수가 혼합되어 경사배플을 따라 상승하며, 경사배플 끝단을 나온 수류(stream)는 둘로 나뉘어 주요 수류(main stream)는 분리조 하류 방향으로 유동하고, 나머지 부차 수류(minor stream)는 접촉조 상류 방향으로 유동한다.

Fig. 4. Velocity distributions of flotation basin with variation of loading rate

 주요 수류는 분리조의 수면을 따라 하류 방향으로 분리조 끝부분까지 다다르며, 깊이 방향으로 지그재그 형태의 흐름으로 분리조 내에서 유동하다가 하류의 바닥 부분을 통하여 유출수조로 흘러간다. 부차 수류는 접촉조 상류 방향으로 유동하여 접촉조와 플록형성지 분할벽에 다다르며, 깊이 방향으로 순환 유동을 나타낸다. 경사배플을 따라 흐르는 유동에서 900 m/h 이상 고속 유동이 나타나며, 분리조 하류방향의 주요 수류에서도 고속유동이 나타난다.

 유입수가 경사배플을 따라 고속으로 유동함에 따라 순환수에 의해 생성된 미세기포와 유입수 내의 플록간에 접촉할 수 있는 시간이 매우 짧을 것으로 예상된다. 주요 수류는 국부 속도가 매우 빠른 고속유동 구간이 나타나지만 수평방향 속도성분이 빠른 것으로 수직방향 속도성분은 비교적 낮기 때문에 슬러지가 부상하는 데 큰 영향은 없을 것으로 예상되며, 또한, 지그재그 형태의 유동을 보이기 때문에 슬러지의 이동 거리가 길어지면서 부상할 수 있는 시간이 길게 나타난다. 부차 수류는 접촉조에서 순환 유동으로 인하여 슬러지가 접촉조에 갇힐 경우, 제거가 어려울 것으로 판단된다.

 경사배플을 따라 유동하던 흐름이 수리학적 부하율 20 m/h에서는 경사배플과 동일한 각도로 분리조 표면을 향해 유동하지만 부하율이 증가함에 따라 유동과 표면이 이루는 각도가 작아진다. 이는 경사배플과 수면사이의 유동면적이 일정한 상태에서 부하율이 증가하기 때문에 분리조의 하류방향 유동속도가 빨라지기 때문이다. 이로 인하여 부하율 27.5 m/h의 경우, 부차 수류의 순환 유동이 접촉조 상류방향으로 침투하지 못하고, 경사배플 상부에서 생성되어 접촉조 내의 유동속도가 매우 작게 나타난다. 또한 분리조 하류방향 속도증가로 인하여 지그재그 형태의 유동 폭이 증가하게 되어 분리조의 깊은 영역까지 유동이 활발해짐을 알 수 있다.

3.2 수리학적 부하율에 따른 부상조내의 공기체적분율(air volume fraction) 변화

 Fig. 5는 부상조의 수리학적 부하율을 20 m/h에서 27.5 m/h까지 변경하였을 경우, 부상조 내부의 공기체적분율 변화를 나타내고 있다. 주요 수류 유동을 따라 공기체적분율이 높게 분포되며, 분리조에서는 원통형으로 공기체적분율이 높게 나타난다. 특히 실제 설비에서는 슬러지를 제거하는 웨어(weir)가 설치되는 분리조 하류방향의 슬러지 제거 웨어 부분의 공기체적분율이 가장 높게 나타났다. 이는 스크레이퍼에 의한 슬러지 제거를 고려할 경우, 효과적으로 슬러지를 제거할 수 있음을 보여준다. 스크레이퍼에 의해 슬러지를 제거할 경우, 분리조 전체의 공기체적분율은 낮아질 것이며, 일부 유출수조에서 발견되는 공기체적분율 또한 낮아지거나 제거할 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 5. Air volume fractions of flotation basin with variation of loading rate

 수리학적 부하율이 증가함에 따라 분리조의 평균 유속이 증가하게 되고, 미세기포가 분리조의 깊은 부분까지 유동하게 된다. 미세기포는 기포 체적에 의해 상승 속도가 결정되며, 미세기포 주변의 수류 속도에 의한 항력과 기포 체적에 의한 부력간 차이에 의해 분리조 내에서 거동하게 된다. 그러므로 미세기포의 직경이 작을수록 작은 유속에도 쉽게 유동하며, 10 ㎛ 미만의 미세기포들은 생산수조로 넘어가기도 한다.

 수리학적 부하율의 증가는 유입수의 유량이 증가하는 것을 의미하며, 앞의 2.6절 경계조건에서 순환수비(recirculation ratio)를 10 %로 고정하였기 때문에 순환수의 유량 증가를 의미한다. 순환수의 유량이 증가되지 않으면 분리조에서 공기층의 밀도가 낮아지게 되고, 이는 처리수질의 악화를 초래할 수 있다.

 순환수 유량의 증가뿐만 아니라 분리조 내에서 유동 또한 처리수질에 큰 영향을 미친다. 분리조에서 공기층의 흐름이 적절하게 순환하도록 하여 미세기포가 생산수조로 방출되는 양을 최소화하는 방안으로 설계가 이루어져야 슬러지 처리효율을 높일 수 있으며, DAF 후속 공정에 대한 악영향을 최소화할 수 있다.

 부하율이 20 m/h의 경우, 접촉조 상류의 벽면 근처에서 공기체적분율이 높게 나타난다. 이는 만약 슬러지가 접촉조에 상류방향으로 유입되면 제거가 어려울 수 있음을 내포하는 것이다. 또한 접촉조에서의 공기체적분율은 분리조에서의 공기체적분율에 비해 비교적 낮고, 부차 수류의 순환류에 의해 수표면 부근에서만 영향을 미친다. 이는 접촉조에서의 유동 속도가 너무 빨라서 공기와 플록이 충돌할 가능성이 적을 뿐만 아니라 접촉조를 충분히 활용하지 못하는 것으로 판단된다.

3.3 구조물 형상(Geometry) 변화

 최초 설계에서 접촉조에서 미세기포가 포함된 수류가 너무 빨리 분리조로 흘러 나가는 것을 방지하기 위해 Fig. 6 (b)와 같이 구조물의 형상을 변화시키는 1차 수정을 실시하였다.

Fig. 6. Air volume fractions of flotation basin with variation of loading rate

 먼저 플록형성지와 접촉조를 연결하는 수중 유로의 높이를 증가(A)시켜서 유입수의 수평방향 속도를 줄이고자 하였다. 또한 접촉조 전체면에서 미세기포와 플록의 접촉 기회를 촉진하기 위해서 경사배플을 플록형성지 방향으로 이동(B)시켜서 유동 면적을 축소하였고, 반면에 경사배플의 수직 부분을 확장(C)하였다. 이때, 경사배플의 각도는 유지하였다. 또한 경사배플에서 분리조 하류방향으로의 수평속도를 줄이기 위해 경사배플의 높이를 줄여서(D) 유동 면적을 넓게 하였다.

 1차 수정 후 시뮬레이션 결과를 검토하여 2차 수정을 실시하였다. Fig. 6 (c)와 같이 1차 수정된 구조물에서 노즐의 위치만 수면방향으로 이동(E)하여 설치하는 방안이다. 플록형성지와 접촉조 사이의 격벽 부근으로 순환수를 방출함으로써 접촉조 내의 유동을 변화시키고, 이를 통하여 접촉조 상류 부분에서 슬러지가 정체할 수 있는 문제점을 해결할 수 있을 것으로 예상된다.

 1차와 2차 수정에서 접촉조내의 체류시간이 단축되는 문제점을 해결하고, 2차 수정을 통하여 접촉조내의 유동 변화의 효과를 확인하였기 때문에 이를 반영하여 3차 수정을 실시하였다. 3차 수정의 경우, 최초 설계에서 노즐의 위치만 수면방향으로 이동(F)하여 설치하는 방안이다. 노즐의 설치 위치 변화를 통하여 접촉조 내의 전체 유동을 변화시킬 수 있었고, 이를 통하여 접촉조의 활용도를 향상시켰다.

3.4 구조물 형상 변화에 따른 부상조내의 유동변화

 Fig. 7은 형상변화에 따른 부상조내의 유동변화를 나타내고 있다. Fig. 7 (b)의 1차 수정 결과, 경사배플을 따라 접촉조를 통과한 유입수와 순환수의 혼합수류는 수표면으로 부상하지 않고 분리조의 대각선 아래방향으로 유동한다. 이 유동 중 일부는 곧바로 유출수조로 유출되고, 나머지는 두 갈래로 나뉘어 한 갈래는 분리조와 유출수조 사이 격벽을 따라 부상하고, 한 갈래는 바닥 방향으로 유동한다. 혼합수류의 일부가 빠르게 분리조의 대각선 방향으로 통과하여 배출되기 때문에 처리수의 수질에 악영향을 미칠 가능성이 있을 것으로 예상된다. 분리조와 유출수조 사이의 격벽을 따라 부상한 수류는 수표면을 따라 분리조 상류방향으로 유동한다. 이러한 수표면에서 유동 방향은 기계식 스크래퍼 운전을 통한 슬러지 제거방향과 반대로 작용하기 때문에 슬러지 제거가 불량해질 수 있다. 바닥 방향으로 유동한 수류의 일부는 경사배플 방향으로 순환하고, 대부분은 유출수조 방향으로 유동한다.

Fig. 7. Comparison of velocity distributions of flotation basin with variation of geometry. [Hydraulic loading rate = 27.5 m/hr]

 Fig. 7 (c)의 2차 수정 결과를 살펴보면 접촉조 내의 유동이 최초 설계안과 1차 수정 결과와는 전혀 다른 형태의 유동변화를 나타내고 있다. 유입수와 순환수의 혼합수류는 플록형성지와 접촉조 격벽을 따라 수표면으로 부상하고, 분리조 하류방향으로 전체가 유동한다. 이 유동은 두 갈래로 나뉘어 한 갈래는 수표면을 따라 분리조 하류방향으로 유동을 유지하고, 나머지 한 갈래는 접촉조 방향으로 순환류를 형성한다. 순환류는 접촉조와 분리조 사이의 경사배플에 의해 다시 두 갈래로 유동이 나뉘고, 한 갈래는 혼합수류에 유입되면서 순환류를 지속하고, 나머지 한 갈래는 경사배플을 따라 바닥방향으로 유동한 후 분리조 하류방향으로 유동한다.

 Fig. 7 (d)의 3차 수정 결과는 2차 수정 결과와 유사한 형태의 유동변화를 나타낸다. 2차 수정 결과와 비교해 볼 때, 접촉조의 길이가 늘어나면서 유동 영역이 다소 감소한 것으로 나타난다.

3.5 구조물 형상 변화에 따른 부상조내의 공기체적분율(air volume fraction) 변화

 Fig. 8은 경사배플 및 노즐위치변화 등에 따른 부상조내의 공기체적분율 변화를 나타내고 있다. Fig. 8 (b)의 1차 수정 결과를 보면, 분리조 내 대각선 유동으로 인하여 공기체적분율이 낮은 수류가 분리조 중심까지 침투하였고, 공기체적분율이 높은 영역이 유출수조를 통하여 배출되는 것으로 나타난다.

Fig. 8. Comparison of air volume fractions of flotation basin with variation of geometry. [Hydraulic loading rate = 27.5 m/hr]

 Fig. 8 (c)의 2차 수정 결과는 접촉조의 공기체적분율이 다른 경우에 비해 가장 높게 나타난다. 이는 접촉조의 유동 면적이 원래 설계보다 작으며, 유입수와 순환수의 혼합 수류가 플록형성지와 접촉조 격벽면을 따라 유동하기 때문이다. 또한 공기체적분율이 높은 혼합수류 중 일부가 경사배플 상부에서 생성되는 순환류로 인하여 접촉조에 지속적으로 유입되기 때문인 것으로 판단된다.

 Fig. 8 (d)의 3차 수정 결과는 전체적으로 2차 수정 결과와 유사하나 접촉조의 유동 면적이 2차 수정보다 넓기 때문에 공기체적분율이 낮은 부분이 많이 존재하고, 경사배플 위에서 발생하는 순환류가 접촉조 내로 깊이 침투하지 못하는 것으로 판단된다. 접촉조의 유동 면적을 넓힐수록 평균 체류시간은 증가하나 접촉기회는 감소할 수 있다.

 유출수조내의 공기체적분율을 살펴보면 최초 설계안의 경우가 공기체적분율이 가장 낮아 bubble carry-over, solid carry-over 현상과 같은 문제점이 가장 적을 것으로 판단되지만 최초 설계안과 1차 수정의 경우, 접촉조에서 미세기포와 플록의 충돌 가능성이 2차 수정이나 3차 수정보다 낮을 것으로 예상된다. 따라서 실제 처리 효율은 접촉조의 공기체적분율이 가장 높고 분리조에서의 공기분포가 조 전체에 걸쳐 골고루 분포되어 있으며, 유출수조내의 공기체적분율이 3차 수정 보다 낮은 2차 수정이 가장 좋을 것으로 판단된다.

4. 결론

 본 연구에서는 부산시 기장군에 건설 중인 대용량해수담수화플랜트에 적용되는 DAF 조의 성능 향상을 위하여 수리학적 부하율에 따른 부상조내 수리흐름 및 미세기포의 공기체적분포를 CFD 시뮬레이션을 통하여 검토하였으며, 동시에 경사배플 및 노즐설치 위치 등 기하학적 형상을 변경하면서 본 DAF 시스템의 입자제거 가능성을 확인하였다. 그 결과는 다음과 같다.

 1) 실규모의 DAF 조를 대상으로 기포와 물의 2상 CFD 해석을 실시한 결과 수리학적 부하율이 증가함에 따라 분리조 내의 유동이 촉진되고, 공기체적분율이 높게 나타났다.

 2) 순환수가 유입되는 노즐의 위치에 따라 접촉조 내에서 유입수와 순환수의 거동이 상이하게 변하며, 노즐 위치를 바닥에 설치하지 않고 수면방향으로 이동시켜 높게 설치함으로써 접촉기회가 증대 되었다.

 본 수치해석 결과를 바탕으로 부산시 기장군 해수담수화 플랜트에 설치되는 DAF조의 설계를 수정 및 최적화 하였다.

감사의 글

 본 연구는 건설교통부 플랜트기술고도화사업의 연구비지원(과제번호 07해수담수B03-01)에 의해 수행되었습니다.

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