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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.27 No.4 pp.469-477
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2013.27.4.469

CFD를 이용한 병열 배열형 상향류식 침전지 수리해석에 관한 연구(Ⅰ) - 침전지 내 유입유량 불균등 영향 조사 -

박노석1, 김성수2, 최종웅2, 성열붕3, 강문선4
1경상대학교
2한국수자원공사 K-water 연구원
3포항산업과학연구원
4코오롱글로벌

Evaluation of Hydraulic Behavior within Parallel arranged Upflow Sedimentation Basin Using CFD Simulation (Ⅰ) - The influence of feed water inequity-

No-Suk Park1, Seong-Su Kim2, Jong-Woong Choi2, Youl-Boong Sung3, Moon-Sun Kang4
1Gyeongsang National University
2K-water
3Research Institute of Industrial Science & Technology
4Kolon Global
?Received 28 February 2013, revised 12 August 2013, accepted 14 August 2013.

Abstract

In order to investigate the influence of feed water inequity on the settling performance for parallel arranged upflow sedimentation basin in domestic G_WTP(Water Treatment Plant), CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation were employed and ADV(Acoustic Doppler Velocimeter) measurements were carried out. From the results of both CFD simulations and ADV measurements, the differences among inlet flow rates to each inlet structure make turbulent energy dissipation uneven overall sedimentation basin. Especially local velocities in the near of both side wall were observed over the design overflow rate(74.4 mm/min). Also, it was confirmed that this inequity of inlet flow would exert an serious influence on the turbidity of settled water which is out from 8 troughs. Even though experimental velocities in full scale basin about 20% higher than the simulated, the results of ADV measurement were in good accordance with those of CFD simulations.

 

0006-01-0027-0004-6.pdf1.89MB

1. 서 론

 침전은 수처리 공정 중 가장 기본적이면서 널리 사용되는 공정중의 하나이다. 그러나 이러한 침전의 중요성에도 불구하고 급격한 유량의 변동, 부적합한 수리구조, 국부적인 에너지의 소산, 단락류 및 밀도류의 생성 등의 문제점으로 인해 수처리 효율이 만족스럽지 못한 경우가 자주 발생하고 있다(Kawamura, 1991; Prabhata and Aditya, 1996).

 수처리에 이용되고 있는 침전지는 유입부와 유출부 사이의 주된 흐름(main flow) 거동을 고려하여 수평류 장방형 침전지(Horizontal Rectangular type), 상향류식 침전지(upflow type), 또는 경사판이 설치된 침전지(inclined plate or tube settler) 등으로 구분된다(Salem 등, 2011). 통상 국내의 정수처리에는 장방형 침전지가 많이 사용되고, 하수처리 2차 침전 공정으로는 상향류식 침전지가 많이 사용되어 왔다. 그러나 최근 정수처리 공정에서 침전지가 차지하는 면적이 과다해지고, 그 확장성이 한계에 달하면서 상향류식 침전지의 적용을 고려하는 곳이 생겨나고 있다.

 상향류식 침전지는 바닥으로부터 유입된 유입수가 수면방향으로 수직흐름을 생성하며, 흐름의 균등성 및 plug flow의 비율(fraction)이 장방형 침전지에 비해 우수하다 (Rainmund 등, 2012). 일반적으로 상향 유속(upward velocity)은 유입유량(Q)을 상부 표면적(A)로 나누어 구하고, 이는 월류부하(overflow rate, surface overflow rate, surface loading rate; v*)가 된다. 제거대상 입자(particle)의 수직 속도(vertical velocity)는 침전지내 상향유속과 입자 침강속도(settling velocity)의 차이이다. 따라서 침강속도 잠재함수(settling velocity potential function; F(v))은 Heaviside 함수로 나타낼 수 있으며(식. 1 참조), 이상적인 상향류식 침전지의 침강속도 잠재함수는 Fig. 1과 같이 표현된다(Lawler 등, 1980).

Fig. 1. Settling velocity potential function for an ideal upflow settling basin

 

 여기서, F(υ)는 수리구조 형상에 따른 침강속도 잠재함수를 나타내며, υ는 제거대상 입자의 수직속도, υ*는 월류부하를 나타낸다.

 상향류식 침전지의 침강속도 잠재함수의 그림에서 나타나듯이, 입자의 제거효율은 월류부하(v*)에 의해 결정된다. 즉, 상향류식 침전지는 전적으로 지내 수리거동에 의해 제거율이 결정된다. 그러나 실제 상향류식 침전지의 운전은 앞서 언급한 바와 같이 유입 유량의 시간적 변동, 부적합한 수리구조, 국부적인 에너지의 소산, 단락류 및 밀도류의 생성 등으로 지내의 유속이 균일하지 않다. 특히 이러한 상향류식 침전지가 병렬로 배열된 경우에는 각 침전지내로의 유입유량이 상이하고, 지내 에너지 소산 및 속도 구배가 균등하지 않아 지점별 유속분포가 월류 부하와 많은 차이가 난다. 이는 각 침전지 유출부에서 유출되는 수질도 상이하게 되는데, 유량이 많이 유입되는 침전지는 체류시간이 짧아서 상향유속이 증가하여 입자의 침강속도를 줄이게 되고, 유입유량이 작은 침전지는 체류시간이 설계 값보다 커져서 가라앉은 슬러지의 과다한 축적이 오히려 유출수 수질에 악영향을 미칠 수 있다(Kawamura, 1991).

 CFD(Computational Fluid Dynamics ; 전산유체역학)를 이용하여 침전지내 수리거동을 해석한 연구들은 다수 소개된 바 있다. Salem 등은 경사판 침전장치의 체류시간 분포를 CFD로 해석하였으며(Salem 등, 2011), Lainé 등은 상용프로그램 FLUENT를 이용하여 응집과 침전 일체형 반응조를 해석하는 방법론을 제시하였다(Lainé 등, 1999). Fatemeh 등은 하수처리장 1차침전지 유입부의 구조 설계의 최적화를 상용프로그램 FLOW-3D를 이용하여 구하였고(Fatemeh 등, 2011), Al-Sammarraee 등은 장방형 수평류식 침전지의 수리해석에 기존의 k-ε모델보다 LES(Large-eddy simulations)모델을 이용하여 입자의 침강 모의에 정확도를 높인 결과를 제시하기도 하였다(Al-Sammarraee 등, 2009). 또한, Athanasia 등은 FLUENT를 이용하여 장방형 침전지 내 유입수 에너지를 소산할 수 있는 격벽의 설계를 수행하기도 하였다(Athanasia 등, 2008). 그러나 이러한 연구들은 대부분 지내의 수리구조 개선이나 지내 입자의 거동분석, 또는 지내 지점별 속도 분포와 입자의 침강속도를 연계한 모델 수립에 초점을 두고 있다. 실제 한 정수장에는 침전지가 다수 있으며, 대부분 병렬로 연계되어 있어 정확한 유량 배분 및 균등 분배가 되지 않으면 지별로 유입유량이 상이하게 되고 이로 인하여 발생되는 여러 문제점이 간과되고 있는 실정이다.

 이에 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질 차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류생성의 분포도 조사하였다.

2. 대상 침전지

 본 연구의 대상인 G_정수장 내 운전 중인 병렬 배열 상향류식 침전지의 구조 및 치수를 Fig. 2와 Fig. 3에 정리하였다. Fig. 2는 침전지의 유입구와 유출구의 형상을 나타내고 있다. 유입부는 총 5개로 구성되며, 원형 파이프 바닥면 방향으로 직경 110 mm크기의 홀(hole)을 통하여 유입된다. 이 홀은 입구영역(Inlet) 1과 5에서는 9개, 입구영역(Inlet) 2, 3과 4에서는 18개의 입구 홀을 가지고 있으며, 등간격으로 설치되어 있다. 출구 영역(Outlet)은 총 16개의 오리피스가 설치된 면으로 구성되어 있다(Outlet1 ~ 16). 가로방향은 28 m, 세로방향은 6 m, 수면까지의 높이는 5.5 m이다. ADV를 이용한 지내 유속 실측 시 유입유량은 18,000 m3/일이었으며, 이 유입 유량을 초기 조건으로 CFD모사에 사용하였다. 침전된 슬러지의 배출구는 총 4개로 구성되어 있으며, 위치는 Fig. 3에서 나타난 바와 같이 양쪽 벽면으로부터 2.6 m 떨어진 곳에 2개, 7 m 간격으로 설치되어 있다.

Fig. 2. Parallel arranged upflow sedimentation basin in G_WTP

Fig. 3. The geometry of the parallel arranged upflow sedimentation basin

3. CFD 모사방법 및 ADV 실험

3.1 CFD 모사 방법

 본 연구의 상항류식 침전지에 대한 수치계산을 위한 격자생성은 ANSYS meshing tool을 사용하였다. Fig. 4는 수치해석에 사용된 격자 분포를 나타내고 있으며, 벽면에 의해 발달하는 유동을 보다 정확하게 해상하기 위하여 벽면 근처에서는 prism 격자를 사용하였다. 총 사용된 격자수는 1,850,000 노드(7,000,000 elements)이다.

Fig. 4. The mesh of the parallel arranged upflow sedimentation basin

 수치계산은 압력기반 유한체적을 fully implicit로 이산화하여 얻어지는 방정식을 algebric multigrid coupled solver를 이용하여 해석하는 상용프로그램 ANSYS CFX 12.1을 사용하였으며, 입구에서는 유량조건, 출구는 압력조건, 자유표면에서는 free slip wall 조건을 적용하였다. 작동유체로는 20 ℃의 물을 사용하였으며, 난류모델은 상업적으로 널리 사용하는 standard k-ε 난류모델을 적용하였다. 침전지의 입구 유량 조건은 응집지에서 유출된 물이 침전지의 각 입구부에 유입되므로 사전에 응집지에 대한 유출 유량을 수치 계산하여 본 연구에 적용하였으며, 그 값을 Table 1에 표시하였다.

Table 1. Inlet mass flow boundary condition for the sedimentation basin

3.2 ADV 실험

 상기 언급한 모사 방법으로 CFD를 이용하여 구한 수치해석 값을 검증하기 위해 G_정수장 침전지를 대상으로 지점별 유속을 ADV (Sonteck 10MHz)를 사용하여 측정하였다(Fig. 5 참조).

Fig. 5. ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)

 ADV는 침전지 내에서 한 지점의 x, y, 및 z 방향의 순간 유속을 측정하는 기기로 probe로부터 일정 거리(약 7 cm)에 위치한 sampling volume의 유속에 대하여 음파를 사용하여 측정한다. Fig. 3에서 보이는 바와 같이 G_정수장 침전지의 경우 양측 벽면에서 70 cm 떨어진 지점에서 4개의 지점 (Point A, B, C, D)에서 각 지점별 깊이 방향으로 0.5 m 지점에서의 속도를 각각 측정하였다. 실측된 유속과 실측당시 운영유량(18,000 m3/일)조건과 동일한 CFD 모사 조건에서의 모사결과를 비교하여 결과를 검증하였다.

3.3 탁도 측정

 대상 침전지내 수리적 거동이 수질에 미치는 영향을 알아보기 위해 18,000 m3/일 유량조건에서 왼쪽 벽면으로부터 outlet1 ~ outlet8까지 샘플링하여 탁도를 측정하였다. 탁도 측정은 탁도계(DR-2000, HACH, US)를 사용하였으며, 5분 간격으로 10번 샘플링하여 측정하였다.

4. 결과 및 토의

4.1 CFD 모사 결과

 Fig. 6은 대상 침전지내 유동을 streamline으로 표현한 결과이다. 유입 유량배분에 있어서 홀의 수가 9개로 작은 유입영역에 유량이 과다하게 몰리면서 상향유속이 상대적으로 빠르게 나타나는 것을 볼 수 있다. 홀의 수가 18개인 유입영역(중앙부분)에서는 속도가 낮을 뿐만 아니라 지내로 유입되는 유입수의 모멘텀이 지내에 체류하고 있는 수체를 밀어내지 못하여 와류가 생성되는 것도 관측되었다. 운전유량 18,000 m3/일인 경우 월류부하는 74.4 mm/min(0.00124 m/s)로 계산되며, 이는 일반적인 상향류식 침전지의 권장 값인 40 ~ 60 mm/min을 상회하고 있다.

Fig. 6. Streamline on the central plane (sideview)

 본 연구에서는 상기 Fig.6이 모사결과를 자세히 관측하기 위해 기준이 되는 reference upward velocity를 0.1 m/s로 설정 후 velocity ratio분석을 통해 위치별 유속 분포를 알아보았다. 참고로 velocity ratio는 지점유속과 기준이 되는 유속(0.1 m/s)의 비를 백분율로 표현한 것이다.

 Fig. 7에서 음영이 채색된 부분은 각각 0.03, 0.02, 0.01 그리고 0.005 m/s보다 큰 유속이 분포하는 영역이다. 대상 침전지의 경우 아래 부분 유입 유속이 균등하지 않아 양쪽 벽면에 가까운 부분에서 상대적으로 높은 상향 유속이 발생하는 것을 알 수 있다. 특히, Fig. 7(c)에서 다른 outlet (outlet 3 ~ 14)부근에서는 0.01 m/s 이상의 유속분포가 나타나지 않은 반면, outlet 1, 2 그리고 15, 16에서는 0.01 m/s이상의 유속분포가 전장에 걸쳐 관측되고 있다. 예상하건대 outlet 1과 2 그리고 15와 16에서의 탁도가 다른 outlet에서 채취된 샘플의 탁도 보다 높게 나타날 것을 예측할 수 있으며, 이는 추후 탁도 측정 결과에서 언급하도록 하겠다.

Fig. 7. Distribution of velocity ratio

 와류의 분포를 자세히 관찰하기 위해 x-방향으로 각각의 단면을 잘라서 지점 유속을 vector로 표현하였다(Fig. 8). 실제 대상 침전지의 모양에서 특이한 점은 z-축을 중심으로 좌우 대칭이 아니고, 좌측이 높다라는 점이다. 좌우가 틀리면서 상향의 주된 흐름이 오른쪽으로 편향되어 있으며, 그 흐름을 중심으로 발생되는 좌측과 우측의 와류의 크기가 다르다. 이와 같은 현상은 같은 위치의 유출 트라프에서도 y방향으로 유출되는 유출수의 수질이 상이할 수 있다는 가능성을 내재하고 있다. 또한 앞서 언급한대로 plane 1과 plane 5에서 다른 plane에 비해 상대적으로 높은 상향 유속이 관측됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 8. Velocity contour and vector on each plane

4.2 ADV 실험결과

 Fig. 9은 CFD 모사결과의 검증을 위해 ADV를 이용하여 운전유량이 18,000 m3/일 때 상향유속을 실측한 것과 비교한 그래프이다. 실측 지점은 point A의 경우 왼쪽 벽면에서 0.65 m 지점, point B의 경우 3.5 m 지점, point C의 경우 7 m 지점, 마지막으로 point D의 경우 10.5 m 지점으로 선정하였다. 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD 모사치가 ADV 실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다. 침전지와 같은 낮은 유속(0.01 m/s 이하)이 존재하는 유동장에서 CFD 모사치와 ADV 실측치의 정확도를 10 % 이하로 가져가기는 무리가 있음을 고려할 때 본 연구에서는 지점별 상향 유속의 차이 발생의 양상을 잘 모사한 것으로 판단된다. 실제 CFD 모사 시 난류모델의 선정이 정확도를 좌우할 수 있는데, 통상 수처리 공정에 적용되는 난류모델은 선행 연구자들이 적용한 standard k-ε 난류모델을 사용하였다(Raimund 등, 2012; Lainé 등, 1999; Fatemeh 등, 2011, Athanasia 등, 2008).

Fig. 9. Comparison results of z-direction(upward) velocities from ADV measurement and CFD simulation

4.3 탁도 측정결과

 Table 2는 2012년 5월 17일 하루 동안 각 트라프(outlet1-16)에서 5분 간격으로 10회 측정한 탁도 데이터를 제시한 것이다. 대상 침전지의 대칭성을 고려하여 왼쪽 벽면으로부터 트라프 1(outlet1-2), 트라프 2(outlet 3-4), 트라프 3(outlet 5-6), 트라프 4(outlet 7-8) 그리고 트라프 5(outlet 9-10)을 선정하였다. 측정 결과, 트라프 1에서 채취한 샘플의 탁도가 상대적으로 다른 트라프의 샘플 탁도보다 약 1 NTU이상 높은 것으로 측정되었다. 이와 같은 결과는 트라프 하단의 상향유속을 포함한 전장 수리거동이 수질에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Table 2. Turbidity measurements

5. 결 론

 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질 차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류의 분포도 조사하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

 1) 연구 대상으로 선정한 병열 배열된 상향류식 침전지의 내부 수리거동을 해석하기 위해 CFD 모사 및 ADV를 이용한 지내 지점별 유속을 측정한 결과 지내로 유입되는 유입유량의 편차에 의해 지점별 유속이 상이한 것으로 나타났다. 특히, 양 벽면에 가까운 쪽의 상승유속은 설계 월류부하 74.4 mm/min(0.00124 m/s)을 훨씬 상회하고 있어서 이러한 현상이 수질에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

 2) CFD 모사 결과로부터 와류의 분포를 관측한 결과, 실제 대상 침전지의 모양이 z-축을 중심으로 좌우 대칭이 아니어서 유입부에서 유출된 상향의 주된 흐름이 오른쪽으로 편향되게 나타났으며, 좌측과 우측에서 발생하는 와류의 크기 또한 상이하게 관측되었다. 이와 같은 현상은 같은 위치의 유출 트라프에서도 y방향으로 유출되는 유출수의 수질이 상이할 수 있다는 가능성을 내재하고 있다.

 3) 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD모사치가 ADV실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다. 침전지와 같은 낮은 유속(0.01 m/s 이하)이 존재하는 유동장에서 CFD 모사치와 ADV 실측치의 정확도를 10 %이하로 가져가기는 무리가 있었다. 이는 추후 난류 모델의 선정 및 벽면 상대 조도 등을 고려하여 정확도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다.

 4) 트라프 하단의 수리거동이 수질에 미치는 영향을 조사하기위해 수행된 탁도 측정 결과, 트라프 1에서 채취한 샘플의 탁도가 상대적으로 다른 트라프의 샘플 탁도보다 약 1NTU이상 높은 것으로 측정되었다. 이와 같은 결과는 트라프 하단의 상향유속을 포한한 전장 수리거동이 수질에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.

 5) 본 연구에서 얻은 연구결과 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지의 경우 다지점으로 침전지로 유입되는 유량의 시간적인 편차가 지 전체의 수리흐름의 안정을 깨트리고 있으며, 이는 여러 개의 트라프로 유출되는 침전수의 수질에도 악영향을 미치는 것으로 판단하였다. 이에 추후 반(Companion) 논문에서는 침전지 유입 유량을 균등하게 할 수 있는 수리구조 개선 방안에 대해 논하고자 한다.

사 사

 본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비 지원(과제번호 : 10기술혁신 C01)에 의해 수행되었습니다.

Reference

1.S. Kaw amura, (1991), Integrated Design of Water Treatment Facilities, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc.
2.Prabha ta K. Swamee and Aditya Tyagi (1996) "Design of Class-I Sedimention Tanks." ASCE, Journal of Environmental Engineering, Vol. 122, No1, pp.71-73.
3.Salem A.I, Okoth G, Thöming J. (2011) "An approach to improve the separation of solid-liquid suspensions in inclined plate settler: CFD simulation and experimental validation" Water Research, Vol.45, No.11, pp.3541-3549.
4.Raimu nd Bürger, Stefan Diehl, Sebastian Farås, Ingmar Nopens (2012), "On reliable and unreliable numerical methods for the simulation of secondary settling tanks in wastewater treatment" Computers and Chemical Engineering, Vol 41, pp.93-105
5.Lawler, D.F., O'Melia, C.R., and Tobiason, J.E.,(1980) "Integral Water Treatment Plant Design: From Particle Size to Plant Performance," Chapter 16 in Particulates in Water, Kavanaugh and Leckie, editors, Advances in Chemistry Series, #189, American Chemical Society, pp. 353-388.
6.Lainé, S., Phan, L., Pellarin, P., Robert, P., (1999) "Operating diagnosis on a floccurator-settling tank using FLUENT CFD software" Water Science & Technology, Vol.39, No.4, pp.155-162.
7.Fateme h Rostami, Mahdi Shahokhi, Md Azlin Md Said, Rozi Abdulla, Syafalni, (2011) "Numerical Modeling on inlet aperture effects on flow pattern in primary settling tank" Applied Mathematical Modeling, Vol. 35, pp.3012 -3020.
8.M. Al- Sammarraee, A. Chan, S.M. Salim, U.S. Mahabaleswar, (2009) "Large-eddy simulations of particle sedimentation in a longitudinal sedimentation basin of a water treatment plant. Part 1: Particle settling performance" Chemical Engineering Journal, Vol.152, pp.307-314.
9.Athana sia M. Goula, Margaritis Kostoglou, Thodoris D. Karapantsios, Anastasios I. Zouboulis, (2008) "A CFD methodology for the design of sedimentation tanks in potable water treatment, Case study: The influence of a feed flow control baffle" Chemical Engineering Journal, Vol.140, pp.110- 121.