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1 大韓環境工學會誌論文 - Original Paper 772~ 미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 Oxygen Transfer and Hydraulic Characteristics in Bubble Column Bioreactor Applied Fine Bubble Air Diffusing System 이승진 고경한 고명한 * 양재경 ** 김용국 ***, Seung-Jin Lee Kyeong-Han Ko Myeong-Han Ko* Jae-kyeong Yang** Yong-Guk Kim***, ( 주 )ANT21 * 국제문화대학원대학교국제관계학계열 ** 청양대학환경보건과 *** 유성구청 Technical Research Center, ANT21 *International Relations, Korea International Culture University of Graduate **Department of Environment Health Science, Cheong yang College ***Yuseong District Office (2010 년 11 월 18 일접수, 2012 년 11 월 28 일채택 ) Abstract : For improving performance of conical air diffuser generating fine bubble, both experimental and numerical simulation method were used. After adapting diffusers inner real scale bubble column, suitable for various diffuser submergence, the effect of diffuser submergence on oxygen transfer performance such as Oxygen Transfer Coefficient (K La 20) and Standard Oxygen Transfer Efficiency (SOTE) was investigated empirically. As flow patterns for various diffuser number and submergence were revealed throughout hydrodynamic simulation for 2-phase fluid flow of air-water, the cause of the change for oxygen transfer performance was cleared up. As results of experimental performance, K La 20 was increased slightly by 7% and SOTE was increased drastically by 39~72%, 5.6% per meter. As results of numerical analysis, air volume fraction, air and water velocity in bioreactor were increased with analogous flow tendency by increasing diffuser number. As diffuser submergence increased, air volume fraction, air and water velocity were decreased slightly. Because circulative co-flow is determinant factor for bubble diffusion and rising velocity, excessive circulation intensity can result to worsen oxygen transfer by shortening bubble retention time and amount. Key Words : Bubble Column, Circulative Co-Flow, Conical Air Diffuser, Diffuser Submergence, 2-phase Fluid Flow 요약 : 본연구에서는원뿔형으로개발된미세기포형산기관의성능향상을위하여운용적측면에서실험과전산모사적방법을이용하였다. 산기관잠김깊이의변화에대해성능실험이용이한실증규모의타워형생물반응기에산기관을장착하여, 잠김깊이가표준산소전달계수 (K La 20) 및표준산소전달효율 (SOTE) 등산소전달성능에미치는영향을실험적으로연구하였다. 또한, 2 상유동에관한유체역학적전산모사를이용하여산기관수와잠김깊이에대한유동현상을파악함으로써산소전달성능변화에대한원인을규명하였다. 산소전달성능실험결과, 산기관의잠김깊이를 6 m 에서 12 m 로증가시킴에따라표준산소전달계수는 7% 증가하였으나표준산소전달효율은 39~72% (5.6 %/m) 로대폭상승하였다. 유동해석결과, 산기관의수가증가함에따라공기체적분율및공기와시험수의유속모두증가하였으며, 공기와시험수의유속경향은유사하게나타났다. 잠김깊이가증가함에따라서공기체적분율, 공기및시험수의유속은조금씩감소하는경향을나타냈다. 선회병류유동은기포류의확산과상승속도를결정하는주요인자로서선회강도가과도하게큰경우에는기포체류시간과체류량이감소되므로산소전달성능을저하를예측할수있었다. 주제어 : 타워형생물반응기, 선회병류, 원뿔형산기관, 산기관잠김깊이, 2 상유동 1. 서론 2개이상의물질들이다수의상을이루고유동하는경우는자연계및공학응용분야에서다양하게나타난다. 산업공정에서많이응용되는기-액체 2상유동은흔히각종보일러, 열파이프등단위기기로부터석유화학및환경분야등에이르기까지응용범위가광범위하다. 1~3) 기포확산에의한운동량만으로연속상의유동이가능하므로액상의유동이없거나매우느린생물학적공정과폐수처리등의환경공학, 생화학, 그리고발효공학등미생물응용산업에있어서도유용한분야로서많은연구가행해지고있다. 4~6) 또한, 용존산소의제어를위한방법으로는물방울이나기포의확산상을연속상에분사하는기-액체접촉시스템이많이사용되고있다. 이는시스템의온도나압력및농도등다양한 분위기에서이루어져제현상을규명하는데어려움이있다. 따라서, 이러한시스템의정확한현상규명을위해서는모델에대한명확한실험및모사해석이필요하다. 호기성미생물에의한수처리시산기관를이용하여용존산소를공급할때, 일정수심에서형성된기포는처리수와 2상병류유동을형성하고상간물질전달을하며상승작용을하게된다. 산기관의산소전달특성에영향을미치는주요인으로는공기공급유량, 잠김깊이, 배열, 처리수온및하폐수조건등이있다. 이중수온과하폐수의조건은시스템마다주어진고유조건이므로변경이불가능하다. 공기공급유량을늘리는방법은소요동력이과대해지므로, 되도록미세기포를형성시켜상간의접촉면적과기포체류시간을증가시켜야한다. 7) 또한, 산기관의잠김깊이가깊을수록산소전달성능이우수하기때문에 8) 종래처리장수심은 5~6 m이나최근에는 10~ Corresponding author kim-ykook@hanmail.net Tel: Fax:

大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 773 12 m까지깊게만드는경우도많이생겨나고있다. 타워형생물반응기 (bubble columns) 는높이가지름에비해훨씬높고하단부에기체를공급하여액체로의가스흡수등을행하는장치로서산소전달성능에대한수심의영향을연구하는데유용하다.

2 大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 m까지깊게만드는경우도많이생겨나고있다. 타워형생물반응기 (bubble columns) 는높이가지름에비해훨씬높고하단부에기체를공급하여액체로의가스흡수등을행하는장치로서산소전달성능에대한수심의영향을연구하는데유용하다. 따라서, 본연구에서는개발된원뿔형미세기포형산기관을타워형생물반응기에적용하였다. 산기관의잠김깊이가표준산소전달계수 (K La 20) 및표준산소전달효율 (SOTE) 등산소전달성능에미치는영향을실험적으로연구하였다. 또한, 2상유동에관한유체역학적전산모사를이용하여산기관수와잠김깊이에대한생물반응기내부유동현상을파악함으로써산소전달성능변화에대한원인을규명하고자하였다. 향후연구로서, 처리장규모의실증생물반응기에대하여산기관배열및산기관당공급유량에따른산소전달성능실험과유동전산해석을통하여수처리용산기관의효율적배치및운전조건을도출할예정이다. 2. 실험및전산모사 2.1. 산소전달성능실험 일반하폐수처리장에서미세기포식산기관의적용시단위산기관당공기공급유량범위가 4.8~7.2 m 3 /hr, 잠김깊이가 6 m 정도이며산소전달효율향상을위하여 12 m 정도의고수위로증가시키는추세이며, 본연구에서는단위산기관당공기공급유량이 6.0 m 3 /hr인산기관개발에관한연구에주안점을두었다. 이를감안하여, 본실험에서는산기관의잠김깊이인수위변화에따른산소전달성능을파악하기위하여산기관수량 (D) 5개, 단위산기관당공기공급유량 (Q) 은 6.0 m 3 /hr으로일정한상태에서수위 (H) 가 6, 9, 12 m인경우에대하여실험하였다. 단, 수위가 3 m인경우에대해서산소전달성능을측정하고자하였으나, 액체용적이작고유동의변동이심하여신뢰성확보가곤란하므로유동해석만실시하였다. Fig. 1에는산기관의잠김깊이에따른산소전달성능실험을위한타워형생물반응기의외관및실험장치의개략도를나타내었다. 내경약 2 m이고높이 13 m의원통형의철재로제작되었으며, 생물반응기의내부장치인배관류, 밸브류, 온도센서, 유량계, 압력계, 전력계등은 KS M 9244에의거하여구성하였다. 하단부에설치된산기관의배치는중앙에산기관 1개, 방사형으로 4개를설치하였다. 고수두의정수압을고려하여공기압축기를사용하였고, 제어장치에의해표준상태로환산된여과공기가 Vortex식공기유량계를통하여생물반응기하단부에설치된산기관에공급되었다. 시험수는상수도를사용하였으며, 온도센서를설치하여수온변화를모니터링하였다. 용존산소농도측정을위해서 KS I 3223 기준에맞는 DO센서를사용하였으며, DO 센서의배치는 KS M 9244, ASCE/EWRI2-06에의하였다. 각수위별실험시수위를기준으로하여바닥면으로부터 (a) External view (b) Schematic diagram Fig. 1. Experimental apparatus for measuring DO concentration for various water level. 1/4, 2/4, 3/4되는수직거리에벽면으로부터 0.5 m되는반경거리에각각 3개를설치하였다. 산기관의산소전달효율계산시필요한송풍기전력소모량은 3상 4선식으로옴니시스템사의펄스타입계량기를이용하였으며, 2초당 1회의결과값을 A/D 컨버터를통해저장장치에저장하였다. 본연구와같이실증의대규모실험장치의비용을고려하여시험수용존산소제거를위해산소제거제를사용하였다. KS M 9244에따라염화코발트촉매하에서아황산나트륨을용해시킨후시험수에주입하여용존산소를제거하였고, 믹서모터는 AC전원 1/4마력인감속기를사용하여약품을용해시켰다. 본실험에사용된 DO센서, 공기유량계, 공기압축기, 압력계, 온도센서, 전력계의주요제원을 Table 1~5에각각정리하여나타내었다. Table 1. DO sensor specification Model DO Insite ig 3100 Principle Measuring range Resolution/Accuracy Reproducibility Galvanic cell DO 0.01~99.99%, 0.1~999 ppm 0.01%/ ± 0.2% Reading ± 0.2% FS Table 2. Air compressor specification Model Output Operation press./ Rot.rate KMQ-15HK2L 4P 11 kw 6 kg/cm 2 / 1,760 rpm Input voltage/current 380V / 23.0A Table 3. Air flow meter specification Model (Flotronic.) Measuring type KV025W C10-12CU VORTEX Measuring range [m 3 /h] 30~120 Accuracy [%]/ MAX press. ±1/ 5 MPa Output type/ Temp. range pulse/ -30~300 대한환경공학회지제 34 권제 11 호 2012 년 11 월

3 774 大韓環境工學會誌論文이승진 고경한 고명한 양재경 김용국 Table 4. Specification of pressure and temperature sensors Sensor Pressure Temperature Model Killer PR-23R/ Pt wire type Output range/ Accuracy 0~1 kg/cm 2 / V, ±1% Table 5. Electric power gauge specification Model Omni system Omni-344 Output type pulse type Power distribution 3-phase, 4-wire system 실험의정확성및효율성을확보하기위하여전자제어시스템을구성하였다. 산소농도를포화농도의 5% 이하로낮추기위하여아황산나트륨의투입량을결정하였다. 9) 용존산소량, ph, MLSS, 물온도, 주위온도등을측정하고공기압축기의가동상태와전체적인시스템의운영상태를모니터링하였다. 용존산소농도의정확한측정을위해서 DO 센서를보정하고세척할수있는제어창을구성하였다. 또한, 송풍기를 on-off 제어하고용존산소측정데이터를이용하여산소전달계수및산소전달효율이계산되도록설계하였다. 상기와같은실험장치및방법을통하여생물반응기내의용존산소농도를표준절차에의거하여측정하였다. 9) 실험중각시간에대한용존산소량, 공기공급유량, 전력소모량, 온도및압력값등을결과파일로저장시켰다. 시간에대한용존산소농도측정결과를이용하여식 (1) 의비선형분석에의하여 K La를구하고식 (2) 의온도보정과식 (3) 을거처 K La 20 와 SOTE를구하였다. (1) (2) where, 산기관의잠김깊이에따른산소전달성능시험의측정값들은다음과같다. 실험전용존산소농도는 15 ppm이며산기관의잠김깊이가 6, 9, 12 m일때수온은각각 16.7, 16. 5, 16.3 이고포화농도 (C S) 는각각 9.723, 9.765, g/m 3 였다. 실험소요시간은평균 6~6.5분정도이며실제단위산기관당공급유량은평균 6.1 m 3 /hr이다. 실험의재현성을확보하기위해서파라미터에대하여 3회씩실험한후실험결과를산술평균하여데이터처리하였다. (3) (a) Grid generation (b) Boundary condition Fig. 2. Grid generation and boundary conditions for various water level 유동특성전산모사 타워형생물반응기내부에대한 2상유체유동현상을파악하기위하여다음과같이전산해석을수행하였다. 계산격자는수렴성과정확성을고려하여육면체형격자 (Hexa grid) 이며, 유동모델로서생물반응기의상황모사가적합한 2상혼합모델 (2-phase mixture model) 을사용하였다. 실제생물반응기유동해석에있어서 2상유동, 정수압효과, 자유표면해석및유체역학적변수를용이하게구현할수있기때문이다. 공기와물은표준상태물성값이며, 난류모델은표준 k - ε 모델로서각상에대하여계산되고, 기포상승과반대방향으로중력가속도를작용시켰다. 발생기포에의한완전발달된유동상태를해근하고자정상상태 (steady state) 로설정하였다. 해석격자수는약 4,000,000개정도이고, 산기관윗면으로부터공기가공급되며생물반응기내부를상승한기포는자유수면으로배출되며벽면은 no-slip wall로적용하였다. Solver는 KISTI 슈퍼컴퓨팅센터슈퍼컴 4호기 IBM 시스템의 Fluent 을사용하였다. Fig. 2와같이타워형생물반응기에대한모델을생성하였으며, 산기관에비해생물반응기가매우크므로생물반응기자체에소요되는격자수가매우많다. 산기관을세부적으로모델링할경우산기관에소요되는격자수가너무많아지기때문에실증생물반응기의해석에필요한격자수를충분히확보할수없다. 따라서, 본해석에서는산기관을 φ0.327 h0.2 m의원통형으로간략화하여기포군이발생되도록설정하였다. Fig. 3에는각산기관잠김깊이에대해서산기관수에따른해석을위한바닥면에서의산기관배치형상을나타내었다. 산기관의공기유입을 on-off 조절하여단위산기관을해석할때는나머지산기관은공기가공급되지않도록설정하였다. 해석영역은기포상승방향의중심면을기준으로하여대칭구조이므로절반영역만해석하였다. 본해석의목적은산기관의개수및수위에따른유동특성 Journal of KSEE Vol.34, No.11 November, 2012

4 大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 775 Diffuser number 1 ea 3 ea 5 ea Diffuser layout Air supply : yes( ), no( ) Fig. 3. Air diffuser layouts for controlling air supply in column bioreactor. 을파악하고자하였으므로산기관의개수는 1, 3, 5개로변경하면서해석하였다. 산기관잠김깊이는실험시의변수값에 3 m를추가하여 3,6, 9, 12 m로하였다. 단위산기관당공기공급유량을처리장운전범위이내인 6.0 m 3 /hr로고정시켜해석을수행하였다. 유동해석결과에대한변수값들을효과적으로분석하기위하여유체역학적변수 () 에대하여체적가중평균 ( ) 과면적가중평균 ( ) 을식 (4), 식 (5) 로정의하여결과처리하였다. Fig. 4. DO concentration for aeration time lapse for various water level. (4) (5) 생물반응기내의유동에대한전산해석결과로수많은유체역학적기본및파생변수들의결과값이얻어지나, 본연구에서는공기체적분율 ( ), 공기속도 ( ), 시험수속도 ( ) 만을결과처리용으로사용하였다. 산기관에의해공급된공기로부터물로의산소전달성능을향상시키기위해서는기포체류시간및접촉면적이충분히확보되어야한다. 물속의기포체적에상당하는부력류는시험수에운동량을전달하고, 운동량전달에의해생성된선회병류유동은기포상승속도와기포의확산을결정하게된다. 따라서, 시스템의물리적현상에대한변동양상을파악하기위해상기 3 가지변수만을결과처리하였다. 변수에대한체적가중평균은시험수영역이대상이며, 면적가중평균은바닥으로부터각수심거리까지이며 3 m마다평균값을계산하였다. 단, 수면에대해서는수면에서의면적가중평균값이아니라 0.5 m 아래쪽평면을계산하여자유표면에서대기의영향을배제하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 산소전달성능 본장에서는생물반응기내의산기관잠김깊이인수위변 Fig. 5. K La 20 and SOTE for various water level. 화가산소전달성능지표에미치는영향성을확인하기위하여 Fig. 4에용존산소를측정결과를나타내었다. 수심 (H) 이 6, 9, 12 m로변함에따라시간경과에따른 DO 농도의변화를고찰하면, 초기에는 DO 농도가빠르게상승하다가포화농도 (C S) 선에가까워질수록 DO 농도변화가느리게진행하는일반적인경향을보였다. 또한, Fig. 5에나타난바와같이 K La 20 와 SOTE는수심이증가함에따라증가하는일반적인경향을보였다. K La 20 는수심이 6 m에서 12 m로증가함에따라 21.3 hr -1 에서 23.5 hr -1 로약 7% 소폭증가하였으나 SOTE는 39~72% 로대폭상승하였다. 이는산기관의잠김깊이가클수록기포체류시간이길어졌기때문이며잠김깊이가 1 m의증가함에따라 SOTE가평균 5.6% 상승한결과이다. 수심 12 m인경우가 K La 20 와 SOTE가가장우수하게나타난점을고려해볼때, 생물반응기설계시산기관의잠김깊이를되도록크게하는것은산소전달성능측면에서바람직한것으로나타났다. Peter and Fairlamb 12) 의미세기포산기관연구결과에서는본연구와동일한단위산기관당공기공급유량인경우산기관잠김깊이당 SOTE가 5.6~6.2 (%/m) 로나타나본연구결과와유사한결과를나타냈다. 또한, 상기연구에서단위산기관당공기공급유량이일정한경우에 K La 20 증가는산기관밀도증가에비례하지는않으나산기관밀도가증가함에따라 K La 20 가현저하게증가하는결과를나타내었다. 또한, 대한환경공학회지제 34 권제 11 호 2012 년 11 월

5 776 大韓環境工學會誌論文이승진 고경한 고명한 양재경 김용국 John and McKinney 13) 는유사한연구에서 SOTE가 5.4~6.1 (%/m) 로나타났으며, 단위산기관당공기공급유량이증가할수록 SOTE (%/m) 감소율이줄어드는 flatter 경향을예측하였다. 상기결과들을종합하면, K La 20 를현저히증가시키면서 SOTE (%/m) 의감소율이최소가되는산기관의공기공급유량및밀도에대한연구가향후지속적으로수행예정이다 유동특성본절에서는수위변화에따른생물반응기내의유동해석결과를나타내었다. Fig. 6에는수심이 3, 6, 9, 12 m인경우에공기체적분율 ( ), 공기유속 ( ) 및시험수유속 ( ) 에대한각체적가중평균인,, 를나타내었다. 산기관의개수가증가함에따라세변수모두증가하였으며, 동일한조건하에서공기와시험수의결과값경향이유사하게나타났다. 이는기포상승속도와처리수유속은병류의형태로서기포상승속도가병류유속에지배적인영향을받으며연동함을알수있다. 즉, 잠김깊이가일정할때산기관수가증가함에따라공기공급량이증가하여공기체적분율이증가하였고, 이에따른기포부력류의증가에 의하여병류유속이증가되었기때문이다. 따라서 Fig. 6 이외에는물의유속에관한그래프를별도로표시하지않았다. 산기관수가동일할때, 잠김깊이가증가함에따라서공기체적분율과공기와물의유속은조금씩감소하는경향을보였다. 이는 Fig. 7과 8에나타난바와같이, 수면부에근접할수록병류유속이느려져기포량이많아지며수심이증가할수록수면부는어느정도일정하나하단부물의체적이상대적으로증가하기때문에공기체적분율이조금씩감소하였다. 또한, 기포에의한운동량공급이일정한상태에서수심이증가하면물의체적증가로인하여병류유속이감소하므로공기유속이감소하였다. Fig. 7에는산기관수와수심에대하여바닥으로부터의거리 (z) 변화에따른공기체적분율과공기유속에대한면적가중평균인 과 를각각나타내었다. 단일산기관인경우에는모든수위에대하여바닥으로부터거리가증가하더라도 과 는거의변화가없는것으로나타났다. 이러한원인은후술할 Fig. 9의 과 그래프로확인할수있다. 단일산기관인경우에는수심에관계없이기포류에의해유발되는선회병류가강도가미약하여기포의유속변화와반경방향확산현상이거의없기때문으로사료된다. Fig. 7(a) 와 8(a) 는산 (a) Air volume fraction ( ) (b) Air velocity ( ) (c) Water velocity ( ) Fig. 6. Volume-weighted variables for various water level (Q : 6.0 m 3 /hr-ea). (a) Air volume fraction ( ) (b) Air velocity ) Fig. 7. Area-weighted variables for distance from bottom (Q : 6.0 m 3 /hr-ea). Journal of KSEE Vol.34, No.11 November, 2012

$大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 777 (a) Air volume fraction ( ) (b) Air velocity ( ) Fig. 8.$ 또한, Fig. 7(b) 와 8(b) 는산기관이 5개인경우에산기관부근에서 가최대이며수면부로가까워질수록감소한다.

또한, Fig. 7(b) 와 8(b) 는산기관이 5개인경우에산기관부근에서 가최대이며수면부로가까워질수록감소한다.

병류유속의감소이유는산기관부근에서다량의기포발생에의하여지속적으로운동량을받게되나수면부근에서는측면방향으로병류가선회하는도중에기포가이탈되고부력만으로계속상승하게되어선회유동을방해하기때문이다. 기포류에의한병류의선회강도가커지므로산기관수가증가할수록이러한결과는두드러지게나타난다. Fig.

$9. Air volume fraction and air velocity distribution contour. 본절에서는실증규모의타워형생물반응기내에서수위변화에따른산소전달성능과내부유동특성과의관계를분석하였다.$

6 大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 777 (a) Air volume fraction ( ) (b) Air velocity ( ) Fig. 8. Area-weighted variables for distance from bottom (Q : 6.0 m 3 /hr-ea, H : 12 m). 기관이 5개인경우에바닥으로부터일정거리까지 는완만하게증가하다가수면인근부에서갑자기큰폭으로상승하였는데수심이낮을수록이러한현상은두드러진다. 또한, Fig. 7(b) 와 8(b) 는산기관이 5개인경우에산기관부근에서 가최대이며수면부로가까워질수록감소한다. 이는앞서언급한바와같이, 산기관수가증가할수록산기관 Variable [%] [ 10 m/s] Diffuser 1 ea 3 ea 5 ea 1 ea 3 ea 5 ea Contour (H=6 m) 인근부에서병류가최대유속으로발달한후수면으로진행하면서병류유속이감소하기때문이다. 병류유속의감소이유는산기관부근에서다량의기포발생에의하여지속적으로운동량을받게되나수면부근에서는측면방향으로병류가선회하는도중에기포가이탈되고부력만으로계속상승하게되어선회유동을방해하기때문이다. 기포류에의한병류의선회강도가커지므로산기관수가증가할수록이러한결과는두드러지게나타난다. Fig. 9는수심에대한생물반응기축방향중심면에서의 와 를각각나타낸그래프로서, 잠김깊이가 6, 12 m인경우만대표적으로나타내었으며상기의내용들을가시적으로확인할수있다. 특히산기관이 1, 3개인경우에는산기관축방향으로공기속도가높은부분이뚜렷하게나타났으며 5개인경우는훨씬흐리게나타났다. 산기관이 1, 3개인경우는기포가거의수직상향함으로써기포확산효과가적기때문에기포와물의접촉면적의확보가어렵다. 반면에, 산기관 5개의경우는선회류에의하여기포류가회절되고동시에유동이활발하며선회류에의한기포의확산효과가크게나타남을확인할수있다 실험과해석결과비교 Contour (H=12 m) Fig. 9. Air volume fraction and air velocity distribution contour. 본절에서는실증규모의타워형생물반응기내에서수위변화에따른산소전달성능과내부유동특성과의관계를분석하였다. 실험으로부터구한 K La 20 과 SOTE를전산해석으로부터구한,, 와비교하여실험과전산해석간의연관성을정리하였다. 단, 산기관의수는 5개, 수심은 6, 9, 12 m일때의결과를비교하였다. Fig. 10은수심이변함에따라 와 SOTE 및 K La 20 와의관계를나타낸것으로서, 수심이증가함에따라 는감소 대한환경공학회지제 34 권제 11 호 2012 년 11 월

7 778 大韓環境工學會誌論文이승진 고경한 고명한 양재경 김용국 Fig. 10. Relationship between and SOTE, K La 20 for various water level. Fig. 11. Relationship between, and SOTE, K La 20 for various water level. 하나 SOTE와 K La 20 는모두증가하였다. 이러한이유는전절에서고찰한바와같이, 수심이증가함에따라수면부에비하여기포체류량이상대적으로낮은체적비율이증가하기때문에단위체적당기포체류량은감소하였다. 그러나수심이증가함에따라기포체류량과체류시간이늘어나서산소전달의기회가많아졌기때문에 K La 20 와 SOTE가증가하였다. Fig. 11은수심변화에따른, 와 SOTE, K La 20 과의관계를나타낸것이다. 수심이증가함에따라 와 는감소하는경향을보이며, 수심이 6~9 m인구간에서는큰폭으로감소하나수심이 9~12 m인구간에서는소폭으로감소한다. 이로서기포류에의해발달된병류의선회강도로서시스템의상황을아래와같이추정할수있다. 수심 6 m인경우, 기포상승경로가상대적으로짧을뿐만아니라기포류가병류의선회강도를과도하게발달시킴으로써기포상승속도가커져기포체류시간을단축되어산소전달성능이낮게나타났다. 수심 12 m인경우, 기포상승경로가상대적으로길기때문에기포체류량및체류시간이수심 6 m에비해충분하다. 뿐만아니라, 기포를수면으로상향이송시키는선회류의발달이과도하지않고기포확산이원활하여기포와의접촉면적과기포체류시간이동시에증가하여산소전 달성능이높게나타났다. 상기결과를종합하면, 타워형생물반응기에서산소전달성능을향상시키기위해서는처리수와공기의혼합작용을잘유발시킬수있는적절한선회강도를가진병류의형성이중요하다. 산기관배치에의해적절히생성된선회강도는처리수내에기포확산을원활히함으로써기포와물의접촉면적과병류에의한기포의상향이송속도를느리게하여기포체류시간을충분히확보할수있기때문이다. 또한, 본연구결과와같이기포체류시간과체류량의확보측면에서산기관잠김깊이는커야한다. 뿐만아니라, 기포상승속도측면에서미세기포의경우자체부력에의한기포상승속도가적고속도변화가거의일정한점을 11) 고려하면미세기포상태의공기공급은필수적이다. 4. 결론 본연구는수처리분야에서산소전달성능을높이기위하여개발한원뿔형산기관을실증타워형생물반응기에적용하여산소전달성능실험및유체역학적전산해석을병행하여다음의결론을얻었다. Journal of KSEE Vol.34, No.11 November, 2012

8 大韓環境工學會誌論文미세기포산기장치를적용한타워형생물반응기의산소전달및수력학적특성 779 1) 타워형생물반응기내에서수위에따른산소전달성능실험결과, 산기관의잠김깊이를 6 m에서 12 m로증가시킴에따라산소전달계수는 7% 증가하였으나표준산소전달효율은 39~72% 로대폭상승하였다. 이는 1 m의잠김깊이가증가함에따라표준산소전달효율이평균 5.6% 상승한결과이다. 2) 타워형생물반응기의유동해석결과, 산기관의수가증가함에따라공기체적분율및공기와시험수의유속모두증가하였으며, 공기와시험수의유속경향이유사하게나타났다. 수위가증가함에따라서공기체적분율, 공기및시험수의유속은처리수량의증가로인하여조금씩감소하는경향을나타냈다. 3) 산소전달성능실험과유동전산해석을병행고찰한결과, 잠김깊이가증가함에따라체적분율, 공기및시험수속도가감소하였고산소전달계수와표준산소전달효율이증가하였다. 선회하는병류의양상이생물반응기내의병류의유동현상및산소전달성능과연관됨을확인했다. 4) 선회병류유동은기포류의확산과상승속도를결정하는주요인자로서선회강도가과도하게큰경우에는기포상승속도증가로인한체류시간과체류량이감소됨에따라산소전달성능저하를예측할수있다. 사사 본연구는환경부한국환경산업기술원의국제공동연구사업에의해지원을받았으며본기관에감사를드립니다. 기호설명 C S C t C S20 : Dissolved Oxygen concentration at saturation : Dissolved Oxygen concentration at time : Dissolved Oxygen concentration for standard state F O2 : Weight fraction of O 2 in air (=0.232) : Water level in bioreactor (m) : DO sensor index or calculation cell index K La : Empirical Oxygen transfer coefficient (hr -1 ) K La 20 : K La for standard state (hr -1 ) n : Number of DO sensor Q S : Air supply amount for standard state (m 3 /hr) SOTE : Oxygen transfer efficiency for standard state (%) SOTR : Oxygen Transfer Rate for standard state (kg/hr) A, V : Control area, volume in calculation domain : Air velocity in bioreactor ( 10 m/s) : Volume weighted average of v air ( 10 m/s) : Area weighted average of v air ( 10 m/s) : Water velocity in bioreactor ( 10 m/s) : Volume weighted average of v water ( 10 m/s) : Area weighted average of ( 10 m/s) W O2 z : Air supply amount for standard state (kg/hr) : Distance from bioreactor's bottom plane (m) : Air holdup rate in mixture (%) : Volume weighted average of ε g (%) : Area weighted average of ε g (%) θ : Empirical temperature correction factor (=1.024) ρ air : Air density at standard state (kg/m 3 ) 참고문헌 : Fluid dynamics variable : Volume weighted average of : Area weighted average of 1. R. P. Chhabra and D. Ee Kees, Transport Processes in Bubbles, Drops, and Particles, Hemisphere Publishing Corp., ISBN (1992). 2. George Martin Brown, Heat or Mass Transfer in a Fluid in Laminar Flow in a Circular or Flat Conduit, AIChE, 6, 2 (1960). 3. W. G. Burns, Suppression by Dissolved Hydrogen of Radiolysis of Water by Mixed Radition Fields, AERE-M2702 (1975). 4. P. Legile, G. Menard, C. Laurent, D. Thomas, and A. Bernis, Contribution to the Study of an Inverse Three-phase Fluidized Bed Operating Countercurrently, Int. Chem. Eng., pp. 32~41(1992). 5. D. Garcia-Calderon, P. Buffiere, R. Moletta, and S. Elmaleh, Anaerobic Digestion of Wine Distillery Wastewater in Down- Flow Fluidized Bed, Water Res., 32, 3593(1998). 6. D. G. Karamanev and L. N. Nikolov, Bed Expansion of Liquid-Solid Inverse Fluidization, AIChE. J., 38, 1916(1992). 7. Boon, A. G. and Houck, D. H., Survey and Evaluation of Fine Bubble Dome Diffuser Aeration Equipment, EPA-600/ S , U. S. EPA(1981). 8. Akita, K. and F. Yoshida, Bubble Size, Interfacial Area, and Liquid Phase Mass Transfer Coefficient in Bubble Columns, Ind. Enc. Chem., Proc. Des. Devel., 13(1), 84~91(1974) 9. Measurement of Oxygen Transfer in Clean Water, ANSI/ ASCE 2-92, 2nd Ed, American Society of Civil Engineers (1992). 10. Ippen, A. T. and Carver, C. E., Jr., Basic Factors of Oxygen Transfer in Aeration Systems, Sewage Works J., 26, 813~ 827(1954). 11. Garner, F. H. and D. Hammerton, Circulation inside Gas Bubbles, Chem. Eng. Sci., 3(1), 1~11(1954). 12. Dold, P. and Fairlamb, M., Estimating Oxygen Transfer KLa, SOTE and Air Flow Requirements in Fine Bubble Diffused Air Systems, WEFTEC 2001: Session 31~40, pp. 780~791(2001). 13. Johnson, T. L. and McKinney, R. E., Modeling Full-scale Diffused Aeration System, Proc. ASCE Environ. Eng. Conference(1994). 대한환경공학회지제 34 권제 11 호 2012 년 11 월

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Coriolis.hwp MCM Series 주요특징 MaxiFlo TM (맥시플로) 코리올리스 (Coriolis) 질량유량계 MCM 시리즈는 최고의 정밀도를 자랑하며 슬러리를 포함한 액체, 혼합 액체등의 질량 유량, 밀도, 온도, 보정된 부피 유량을 측정할 수 있는 질량 유량계 이다. 단일 액체 또는 2가지 혼합액체를 측정할 수 있으며, 강한 노이즈 에도 견디는 면역성, 높은 정밀도,