Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 5 pp. 251-259, 2016 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2016.17.5.251 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 임지영 1, 김현식 1, 박대석 1, 조영근 1, 송승준 1, 박수영 1, 김진한 1* 1 인천대학교건설환경공학과 Characteristic of Mixing and Concentration Distribution in Aeration Tank by Microbubble Supply Ji-young Lim 1, Hyun-Sik Kim 1, Dae-Seok Park 1, Young-Gun Cho 1, Seung-Jun Song 1, Soo-Young Park 1, Jin-Han Kim 1* 1 Dept. of Civil & Environmental Engineering, Incheon National University 요약본연구는가압식마이크로버블발생장치를이용하여공기를마이크로화시켜공급하면서 pilot-scale 규모의폭기조내 농도및 ORP 변화를살펴보았다. 마이크로버블에의한폭기조내교반및산소전달능력을확인한결과, 폭기조횡 ( 橫 ) 방향으로마이크로버블공급위치에따라폭기조내액의순환으로인하여단일반응조내에서측정위치별 농도가다르게나타남을확인할수있었다. 또한, 마이크로버블공급위치에따른교반현상을파악하고마이크로버블공급위치의적정성을확인하고자유체유동해석을한결과, 마이크로버블공급위치가폭기조횡 ( 橫 ) 방향으로 1/2 지점일경우, 좌측면에서공급될때보다폭기조내부의교반이잘이루어져사영역이적게발생되는것을확인되었다. 실험및유체유동해석결과를바탕으로마이크로버블공급위치에따라단일반응조에서 농도를변화시켜격벽이없는영역분리가가능하므로혐기, 무산소, 호기를한공간에서운영할수있는가능성을확인할수있었다. 마이크로버블을공급했을경우, 산기관을사용할때와는다르게 MLSS 가부상농축되는고액분리현상이발생하였는데마이크로버블이생물학적처리를위하여부상의목적이아닌, MLSS 의혼합과적절한 농도유지를목적으로사용되기위해서는폐수종류에따른적절한크기의버블선택이중요함을확인할수있었다. Abstract This study examined the concentration distribution and ORP distribution using microbubbles on pilot-scale aeration tanks. As a result of MLSS mixing and oxygen transfer phenomenon using microbubbles, different concentrations were observed depending on the circulation of the liquid with the microbubble supply location on the lateral of an aeration tank. The simulation results of CFD (computational fluid dynamics) program showed that MLSS mixed with a microbubble supply in the middle the reactor is much better than on the left side of the reactor. A single reactor containing an anaerobic, anoxic, and aerobic zone, was evaluated without partition according to the location of the microbubble supply based on the experiments and CFD analysis. MLSS was separated into solid-liquid by the microbubble supply in the aeration tank. Consequently, selecting the appropriate microbubble size is important for MLSS mixing and was maintained at the proper concentration for biological treatment. Keywords : Aerator, Dissolved oxygen(), Microbubble, Sewage treatment, Single reactor 이논문은인천대학교 2014년도자체연구비지원에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Jin-han Kim(Incheon National University) Tel: +82-32-835-8745 email: jinhan@inu.ac.kr Received March 8, 2016 Accepted May 12, 2016 1. 서론 국내가동중인대부분의하수처리장은표준활성슬러지공법이나그변법들로이루어져있고, 이러한공법 들의유기물및부유물질제거율은약 90% 정도인반면, 질소제거효율은미흡한실정이다 [1]. 질산화및탈질과정은각각호기성상태와무산소상태에서이루어지기때문에완전한질소제거를위해서는호기성반응조와무 Revised (1st April 21, 2016, 2nd May 4, 2016) Published May 31, 2016 251
한국산학기술학회논문지제 17 권제 5 호, 2016 산소반응조를분리하여설치하는공간분할공법 (A 2O, Bardenpho공법등 ) 이나시간에따라반응조내의조건을호기성조건과무산소조건으로변환시켜운영하는시간분할공법 (SBR, 간헐폭기공법등 ) 이적용 [2] 되었으나소요부지면적이크고하수처리장전체운영비용중전력비가약 40% 를차지할정도로전력비용중송풍기에의한전력비용이적지않은부분을차지 [3] 하는실정을고려해볼때, 반응조내에서질산화와탈질을동시에유도하며, 송풍기사용에따른전력비를절감할수있는컴팩트한시스템개발이필요하다. 단일반응조구현을위해개발된 KNCL(kist nutrient compact reactor)[4] 은수직형태의반응조로반응조중간에서공기를공급하고상부는호기조, 하부는혐기조와무산소조, 침전조로구성되어있다. Park 등 [5] 은 MBR반응조내송풍기를이용하여단계적으로용존산소농도를변화하였고, Kim[6] 은반응조중간에생물막을형성시키고하수를간헐유입시키면서상부포기에의해용존산소가반응조하부로확산되는것을차단하여반응조하부를무산소영역, 상부는호기 혐기조를이루어질산화와탈질을동시에유도하였다. 기존기술들은대부분송풍기를이용한공기공급방식으로마이크로버블을이용한공급방식에대한연구를찾아보기는어려운상태이다. 생물학적처리공정에있어반응조내질산화와탈질을동시에유도하기위하여적절한용존산소농도유지가필수적인데, 농도가 1.0 mg/l 이하로충분히낮으면탈질은물론질산화및 BOD 산화와같은호기성반응도동시에일어날수있다 [7]. Münch 등 [8] 은활성슬러지반응조내용존산소농도 3.0 mg/l 이상의호기조건에서 25% 정도의탈질을보였으며, Chen 등 [9] 은용존산소농도 1.2 mg/l에서유기물및총질소가각각 96% 및 90% 제거된것으로보고하였다. 질산화와탈질을동시에수행하기위해서는 농도를질산화와탈질에영향을미치지않는적절한농도로유지하는것이가장중요하며, Pochana와 Keller[10] 은질산화와탈질반응이동시에일어나기위해서최적의용존산소농도는 0.5 mg/l라고하였다. 질소제거에미치는영향인자는질산화와탈질에미치는인자를구분하여분석함으로써평가할수있다 [11]. (dissolved oxygen) 농도는질소제거의중요한인자로서평가되고있다. 즉, 질산화과정에서의 농도는전자수용체로서충분한질산화를위해서는폭기조의 농도가약 2.0 mg/l 이상을유지해야되며, 반면에탈질단계에서는 농도가 0.3 mg/l 이상이면탈질반응이저해되는것으로알려져있다 [12]. 한편, ORP(oxidation reduction potential) 는 meter 측정한계이하의상태를평가하는데보조적인기능으로쓰이며호기, 무산소, 혐기의슬러지상태를표현하는데유용한방법으로생물학적처리공정의운전및모니터링인자로활용이가능하다 [13-15]. 보통 mv 단위로측정되는 ORP는양 (+) 의값을나타내면유기물이미생물에의하여 CO 2 와 H 2O로분해되는산화반응상태를나타내며, 낮은음 (-) 의값을나타내면 NO - 2, NO - 3 등이전자수용체로작용하는환원반응에있다는것을의미한다 [16]. 마이크로버블을수처리에적용할경우가장큰특징은일반버블의크기가 1 ~ 3 mm 정도인것에비하여마이크로버블은크기가수백μm [17] 또는 1 ~ 100 μm [18], 100 μm이하 [19, 20] 로크기가작아부력에대한저항효과가커지기때문에부상속도가느리며대전작용으로인한 floc 부착효과가크므로높은수면적부하를가지고있는것으로보고되어있다 [21]. 본연구에서는폭기조내에공기를마이크로화시켜공급하면서폭기조내 농도및 ORP 변화를살펴봄으로써마이크로버블에의한폭기조내교반및산소전달능력을확인하고혐기, 무산소, 호기의구현이분리된반응조대신격벽이없는단일반응조에서의영역분리가능성을확인해보고자하였다. 또한, 마이크로버블공급위치에따른교반현상을파악하기위하여유체유동해석을실시하였다. 2. 본론 2.1 실험장치본실험에사용된폭기조는인천시 G사업소하수처리시설내설치되어동사업소의 1차침전지유출수를대상으로운전하였다. 폭기조는 pilot-scale 규모로유효면적은 3.4 m3 (W 1.97 m H 2.15 m D 0.8 m) 이었으며실험은회분식으로진행하였다. 2.2 실험방법폭기조내의 농도및 ORP를측정하여폭기조내의영역분리현상을관찰하였다. MLSS 농도를조정하 252
Table 2. Operation condition Items Condition Initial concentration(mg/l) 3 Initial ORP(mV) 212 MLSS(mg/L) 1,000, 2,400, 4,400 Location of microbubble generator Bottom of reactor (left, middle) Temperature( ) 26±2 Pressure(bar) 3.5 Fig. 1. Aeration tank and measurement location Table 1. List of measurement & measurement equipment 1 2 3 4 5 Microbubble generator Circulation flow rate( m3 /h) Air flow rate (LPM) Bubble size D 50( μm ) 2.7 5 49.40 ~ 54.98 Items Measurement equipment ORP ORP HQ40d, Hach, USA * measurement range : 0.01 to 20 mg/l * ORP measurement range : -1,500 to 1,500 mv 기위하여 G사업소하수처리시설 2차침전지의잉여슬러지를주입하였다. 농도및 ORP는 Fig. 1에나타낸바와같이수면에서 10 cm 아래 3개지점 (1, 2, 3) 과수면에서 1 m 아래 ( 폭기조유효깊이의중간지점 ) 2개지점 (4, 5) 에서측정하였다. Table 1에지점별측정항목및측정장비에대해요약하였다. (a) Fig. 2. Photograph of experimental equipment (a) Aeration tank (b) Microbubble generator (b) 본실험에사용된폭기조및가압식마이크로버블발생장치를 Fig. 2에나타내었다. 마이크로버블의안정적인생성을위하여충돌판노즐을사용하였으며, Table 2 에실험조건을정리하였다. 마이크로버블공급전폭기조바닥에병렬로연결되어있는 4개의멤브레인산기장치 (SH 550, 삼환기공 ) 를이용하여폭기조내의 MLSS를완전혼합하고 농도를 3.0 mg/l로유지시킨후실험을수행하였다. 간헐포기방식은질산화및탈질과정에서질소처리효율의극대화를유도하고, 포기시간의단축으로인하여에너지를크게절감시킬수있다고알려져있다 [22, 23]. 따라서, 본실험에서는마이크로버블공급 6분, 휴지시간 6분을두어폭기조내의현상을관찰하였다. 본실험에사용된반응조는 steel로제작된 pilot-scale 이므로아크릴반응조와는달리반응조내부를관찰할수없었다. 따라서, 유체유동해석을통하여마이크로버블공급위치에따른교반현상을파악하고마이크로버블공급위치의적정성을확인하고자하였다. 반응조내에서발생하는수리학적현상에대한모델링을효과적으로수행하기위해서계산격자구성이용이하고수행시간이비교적짧은 workstation용프로그램인 fluent v6.3.26을선정하였다. 수치기법은유한체적법이며, 비구조적격자망을사용하였다. Table 3에유체유동해석을위한적용모델에대해제시하였으며, Table 4에적용조건을정리하여나타내었다. 253
한국산학기술학회논문지제 17 권제 5 호, 2016 Table 3. Application model Items Condition Turbulent Model K-ε model Steady State Application Model Material property Multiphase Phase: 2(Water, air), Continuous water inflow into reactor Air supply at the bottom of reactor Suppose no chemical reaction between two phase Density : 998 kg/ m3 Water Viscosity : 0.01006 kg/m s (Except TS) Cp : 4,182 J/kg k Thermal Conductivity : 0.6 w/m k Operating Condition Gravity : 9.81 m/s 2 Temperature : 300 K Standard atmospheric pressure Table 4. Application condition of model Items Case Inlet (Water) Velocity-Inlet : 0.425 m3 /hr Second Phase VF : 0 Temperature : 300 K Boundary condition Velocity-Inlet : 0.425 m3 /hr Inlet Second Phase VF : 0 (Circulation) Temperature : 300 K Wall No Slip Shear Condition Surface of water : Free Slip Condition Outlet Outlet : Pressure Outlet Surface : Air Trap Mode Energy Convection Subject : NA Heat insulation material : NA Wall Thickness : NA Thermal Conductivity : NA Heat Source Chamber Temperature : 300 K 3. 결과및고찰 3.1 마이크로버블공급위치및 MLSS 농도에따른 농도변화 3.1.1 마이크로버블공급위치-폭기조좌측마이크로버블을폭기조좌측에서공급하는경우, Fig. 3에제시한바와같이 1지점을제외한 2, 3, 4, 5번지점에서지속적인 농도감소현상을보였다. Fig. 3. Variation of dissolved oxygen concentration (Microbubble supply on the left side of the reactor) 생물반응조를운영함에있어호기조건의 농도를 2.0 ~ 3.0 mg/l, 무산소조건의 농도를 0.5 mg/l 이하로보았을때, 1지점은호기, 2, 3, 4, 5지점은무산소및혐기상태로변화되는것을확인할수있었다. 이러한현상은 MLSS 농도가높아질수록뚜렷한차이를나타내었다. 254
3.1.2 마이크로버블공급위치 - 폭기조중앙 서 농도의감소가나타났고, MLSS 4,400 mg/l의조건에서는마이크로버블공급시간이지속될수록모든지점에서 농도감소현상이나타났다. MLSS의농도가높아짐에따라마이크로버블이공급되는위치의주변지역에국한되어 농도가증가되었는데, 높은 MLSS 농도에의한 floc의무게와항력, 중력에의한방해작용으로인해마이크로버블의산소전달능력이감소된것으로사료된다. Fig. 4. Variation of dissolved oxygen concentration (Microbubble supply in the middle the reactor) Fig. 4 에나타낸바와같이마이크로버블을폭기조 1/2지점에서공급하였을경우, MLSS 1,000 mg/l의조건에서는 2지점을제외한 1, 3, 4, 5지점에서지속적인 농도감소현상을보였는데, 농도측정결과 2지점은호기, 1, 3, 4, 5지점은무산소상태를거쳐혐기상태로변화되는것을확인할수있었다. MLSS 2,400 mg/l의조건에서는 4지점을제외한모든지점에 3.2 마이크로버블공급위치및 MLSS 농도에따른 ORP 변화기존연구결과에제시된바와같이질산화및탈질이안정적으로이루어지기위한 ORP 조건은혐기조 150 ~ -350 mv, 무산소조 50 ~ -150 mv, 호기조 100 ~ 300 mv로알려져있다. 본실험에서 ORP 측정은 1, 3지점에서만이루어졌으므로두지점을대상으로비교하였다. 실험결과마이크로버블을폭기조좌측에서공급했을경우, 호기성영역이라고판단된 1지점의 ORP는 MLSS 1,000 mg/l, 2,400 mg/l, 4,400 mg/l의조건에서각각 166 ~ 169 mv, 198 ~ 205 mv, 213 ~ 220 mv이였다. 반면, 무산소범위의 농도값이측정된 3지점의 ORP 측정결과 MLSS 1,000 mg/l에서 128 ~ 136 mv, MLSS 2,400 mg/l에서 192 ~ 202 mv, MLSS 4,400 mg/l에서 197 ~ 215 mv로확인되었다. 비록, 3지점에서원활한산소공급이이루어지지않아급격한 농도감소를보였지만, 내액속에잔존해있는마이크로버블이분산되어유체의흐름에따라느린속도로 3지점으로이동됨에따라유기물의분해가서서히진행되었기때문에 ORP의감소역시느린속도로나타난것으로사료된다. 마이크로버블을폭기조 1/2지점에서공급했을경우, MLSS 1,000 mg/l의조건에서 1지점및 3지점의 ORP는각각 135 ~ 155 mv, 82 ~ 91 mv이었고, MLSS 2,400 mg/l의조건에서 1지점및 3지점의 ORP는각각 134 ~180 mv, 184 ~ 188 mv이었다. MLSS 4,400 mg/l의조건에서 1지점및 3지점의 ORP는각각 212 ~ 220 mv, 197 ~ 215 mv이었다. 명확한분석은어렵지만내액속에존재하고있던마이크로버블이소멸되지않고분산되면서용해되게되고용해된산소를이용하여미생물이유기물을산화시키게되므로 ORP의값이양의값으로측정된것으로생각된다. 255
한국산학기술학회논문지제 17 권제 5 호, 2016 3.3 마이크로버블공급위치에따른내부교반현상비교-유체유동해석 Fig. 5에폭기조좌측및 1/2지점에서마이크로버블을공급하였을경우내부교반현상에대하여유체유동해석으로나타내었다. 폭기조좌측에서마이크로버블을공급하였을경우유입수에의한선회류및난류발생이없으며내부순환수및마이크로버블교반현상이주를이루고있는것을확인할수있었다. 1/2지점에서마이크로버블을공급하였을경우좌측에서공급할때에비하여폭기조내부의사영역감소를확인하였고내부순환수및마이크로버블에의한교반현상이좌측에비해잘이루어지는것을확인할수있었다. (a) (b) 3.4 마이크로버블에의한슬러지부상 Fig. 6에산기관을사용했을경우와마이크로버블을사용했을경우의수면층을비교하였다. 산기관을사용할경우 MLSS의혼합이잘이루어지지만, 마이크로버블을이용하였을경우 Fig. 7에나타난바와같이 floc이마이크로버블과함께부상되어 MLSS가부상농축되는것을확인할수있었다. 따라서, 마이크로버블이생물학적처리를위하여부상의목적이아닌, MLSS의혼합과적절한 농도유지를목적으로사용되기위해서는폐수종류에따른적절한크기의버블선택이중요할것으로판단된다. Fig. 6. Comparison of surface in aeration tank(sludge flotation) (a) Air diffuser (b) Microbubble generator Fig. 7. Solid/liquid separation in aeration tank by flotation with microbubble (a) (b) (m/s) (m/s) Fig. 5. Fluid flow by microbubble-inlet position (a) left of reactor (b) middle of reactor 4. 결론본연구는생물학적처리에있어마이크로버블을이용하여단일반응조내에서의 농도및 ORP 변화를살펴보고, 질산화및탈질이가능한단일반응조설계가능성을검토하였다. Pilot-scale의실험및유체역학적전산해석을병행하여다음의결론을얻었다. 1. 마이크로버블발생장치를작동시킨후폭기조내의 농도측정결과측정위치별로 농도가다르게나타남을확인할수있었다. 즉, 폭기조좌측지점에서 256
마이크로버블을공급할경우마이크로버블공급전단부에서는호기성상태인 농도 2.0 ~ 3.0 mg/l 를유지할수있지만후단부에서는마이크로버블공급에의한교반력이떨어져 MLSS 혼합이균일하게일어나지않아정체구역이발생하였으며, 정체구역안에서미생물에의해 가소모되어자연스럽게 농도 0.5 mg/l 이하의무산소및혐기성상태가유지되었다. 폭기조는 floc 자체의중력과마이크로버블의공급위치에따라수직, 수평적으로혐기, 무산소, 호기상태가형성되며슬러지는부상하여고액분리층을형성하게되었다. 따라서폭기조내액의순환으로단일반응조내에서 농도의조절가능성을확인할수있었고, 농도를변화시켜격벽이없는영역분리가가능하므로혐기, 무산소, 호기를한공간에서운영할수있는격벽이없는새로운형태의질소제거시스템을개발할수있을것으로판단된다. 2. 마이크로버블이생물학적처리를위하여부상의목적이아닌, MLSS의혼합과적절한 농도유지를목적으로사용되기위해서는폐수종류에따른적절한크기의버블선택이중요하다. 3. 유체유동해석결과마이크로버블공급위치가폭기조횡 ( 橫 ) 방향으로 1/2지점일경우, 좌측면에서공급될때보다폭기조내부의교반이잘이루어져사영역이적게발생되는것이확인되었다. 반면, 마이크로버블을발생시켜공급위치에따른폭기조내산소전달능력을확인한결과, 좌측면에서공급할때혐기, 무산소, 호기의영역이확실히분리되었다. 따라서, 수처리목적에따라폭기조내의균질한 MLSS 혼합및 농도의안정적분포를위해서는마이크로버블발생장치의위치선정및배열방식이고려되어야할것으로사료된다. References [1] J. I. Park, T. J. Lee, A study of the simultaneous nitrification and denitrification on a single bioreactor, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, Vol.29, No.2, pp.220-228, 2007. [2] M. S. Choi, T. J. Lee, "Nitrogen Removals according to Aeration/Non-aeration Periods in the Intermittent Aeration Reactor and Analysis of Microbial Community", Envionmental Engineers Research, Vol.36, No.1, pp.42-48, 2014. I: http://dx.doi.org/10.4491/ksee.2014.36.1.42 [3] M. H. Kim, S. H. Ji, J. H. Jang, A Study on Energy Saving Effect from Automatic Control of Air Flowrate and Estimation of Optimal Concentration in Oxic Reactor of Wastewater Treatment Plant, Journal of Energy Engineering, Vol.23, No.2, pp.49-56, 2014. I: http://dx.doi.org/10.5855/energy.2014.23.2.049 [4] Y. D. Lee, Y. S. Choi, E. B. Shin, J. U. Lee, A New Approach to Biological Process for Nitrogen Removal, Journal of Korean Society of Environmental Engineers, Vol.17, No.4, pp.387-397, 1995. [5] N. B. Park, W. Y. Choi, A. H. Y, H. B. Jun, Effects of concentration on Simultaneous Nitrification and Denitrification(SND) in a Membrane Bioreactor(MBR), Korean Journal of Environmental Agriculture, Vol.28, No.4, pp.371-377, 2009. I: http://dx.doi.org/10.5338/kjea.2009.28.4.371 [6] H. H. Kim, A Study on Sewage Treatment Efficiency of each Operating Condition by APB-SBR, Master Thesis, Chonnam National University, 2015. [7] B. E. Rittman, P. L. McCarty, Environmental Biotechnology : Principal and Applications, McGraw-Hill, 2001. [8] E. V. Münch, P. Lant, J. Keller, Simultaneous nitrification and denitrification in bench-scale sequencing batch reactors, Water Research, Vol.30, No.2, pp.277-284, 1996. I: http://dx.doi.org/10.1016/0043-1354(95)00174-3 [9] Z. Chen, D. Hu, N. Ren, Z. P. Zhang, Simultaneous removal of organic substances and nitrogen in pilot-scale submerged membrane bioreactors treating digested traditional Chinese medicine wastewater, International Biodeterioration & Biodegradation, Vol.62, No.3, pp.250-256, 2008. I: http://dx.doi.org/10.1016/j.ibiod.2008.01.010 [10] K. Pochana, J. Keller, Study of factors affecting simultaneous nitrification and denitrification(snd), Water Science and Technology, Vol.39, No.6, pp.61-68, 1999. I: http://dx.doi.org/10.1016/s0273-1223(99)00123-7 [11] Y. D. Lee, Y. S. Choi, H. S. Yoon, S. W. Hong, B. H. Joo, Factors affecting the performance of nitrogen removal in a single sludge reactor : Pilot-scale experience, Journal of Korean Society on Water Environment, Vol.16, No.3, pp.1229-4144, 2000. [12] C. R. Burdick, D. R. Refling, H. D. Stensel, Advanced biological treatment to achieve nutrient removal, Journal of Water Pollution Control Federation, Vol. 54, No.7, pp.1078-1086, 1982. [13] P. Tanwar, T. Nandy, P. Ukey, P. Manekar, Correlating on-line monitoring parameters, ph, and ORP with nutrient removal in an intermittent cyclic process bioreactor system, Bioresource Technology, Vol.99, pp.7630-7635, 2008. I: http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2008.02.004 [14] F. A. Koch, W. K. Oldham, Oxidation-reduction potential-a tool for monitoring, control and optimization for biological nutrient removal system, Water Science & Technology, Vol.17, pp.259-281, 1985. [15] J. Charpentier, H. Godart, G. Martin, Y. Mogno, Oxidation-reduction potential(orp) regulation as a way to optimize aeration and C, N and P removal: 257
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