2007-08002-0066-0 최종보고서 ( 완결본 ) 폐기물자원화기술 Resource recycle technology of wastes 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과 병합처리에의한자원화가능성연구 The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment 국민대학교산학협력단 환경부
2. 제출문 제출문 환경부장관귀하 본보고서를 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의 한자원화가능성연구 의보고서로제출합니다. 2008 년 4 월 28 일 주관연구기관명 : 국민대학교산학협력단 연구책임자연구원 : 김동하 : 최지은 : 장희규 : 정창호 ( 세부 ) 위탁연구기관명 :( 주 ) 엔지에스티 ( 세부 ) 위탁연구책임자 : 이수영 - 1 -
과제번호 2007-08002 -0066-0 보고서초록 해당단계연구기간 연구사업명 차세대핵심환경기술개발사업 대분야명 환경친화적폐기물자원순환 중분야명 폐기물자원화기술 연구개발과제명 국문명 영문명 연구책임자김동하 2007.4.1 ~ 2008.3.31 구분 ( 해당단계 ) / ( 총단계 ) 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한자원화가능성연구 The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment 해당단계참여연구원수총연구기간참여연구원수 총 : 9명 내부 : 4명 외부 : 5명 총 : 9명 내부 : 4명 외부 : 5명 해당단계연구개발비 총연구개발비 정부 : 기업 : 계 : 정부 : 기업 : 계 : 90,000천원천원 90,000천원 90,000천원천원 90,000천원 연구기관명및국민대학교참여기업명소속부서명국제공동연구상대국명 : 상대국연구기관명 : 위탁연구연구기관명 :( 주 ) 엔지에스티연구책임자 : 이수영보고서요약 ( 연구개발결과를중심으로개조식 500자이내 ) 면수 연구목표 - 연구개발의최종목표는공정의최적화실험과 CFD시뮬레이션을통하여 Cavitation 과오존을이용한유기성가용화장치를개발하고경제성평가를실시하며, 일정 규모 (100L/hr) 의파일럿장치를제작및운전하여하수고도처리공정개선및혐기성소 화공정개선을위한최적공정을도출. 연구결과 1) 가용화장치용반응기 + 고사양펌프를사용하였을때 SCOD 는단순원통반응기 + 저사 양펌프보다 3 배증가. 2) ph 9.5 로실험을수행했을때 ph 7 보다 SCOD 는 2 배이상증가. 3) 오존실험에서는 3 시간가용화처리한것보다단순히 25 분간오존처리할경우 SCOD 가약 1.7 배더증가함. 3 시간가용화한후 25 분간오존을접촉시킨 SCID 값은 단순히 3 시간가용화하였을때보다 2.1 배더증가. 25 분간오존만접촉시킨실험보다 3 시간가용화한후 25 분간오존을접촉시킨실험의 SCOD 값은약 1.2 배증가. 4) 회분식탈질실험에서가용화액을외부탄소원으로이용하였을때 NO3-N 의제거가더 잘이루어짐. 2 시간운전후탈질율은메탄올 58%, 가용화액 78%.. 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글물리ㆍ화학적처리, 전처리, 가용화, 오존, 공동화 영어 physico ㆍ chemical treatment, pre-treatment, solubilization, ozone, methane, cavitation - 2 -
요약문 Ⅰ. 제목 유체회전에의한유기성고형물의가용화장치개발과병합처리에의한자원화가능성연구 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 1. 연구개발목적연구개발의최종목표는공정의최적화실험과 CFD시뮬레이션을통하여 Cavitation 과오존을이용한유기성가용화장치를개발하고경제성평가를실시하며, 일정규모 (100L/hr) 의파일럿장치를제작및운전하여하수고도처리공정개선및혐기성소화공정개선을위한최적공정을도출하는데에있다. 2. 연구개발필요성하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이며, 선진외국에서도이를위한연구 / 개발이활발히진행되고있으나국내의연구 / 개발실적은미진한실정이다. 이에본기술을이용하여슬러지를처리할경우슬러지감량과가용화가일어나하수처리장소화조의소화율증가, 슬러지탈수율증가로인해슬러지처리비용이감소하고음식물쓰레기와함께처리하여하수처리장외부탄소원으로공급이가능해하수처리장의비용감소효과와바이오가스등에너지원으로활용할수가있어경제적이라고할수가있으며에너지산업에도새로운에너지원으로공급이가능하다. - 3 -
Ⅲ. 연구개발의내용본연구에서는고안된전처리반응조는유입되는하수슬러지와폐기물을펌프와압축공기에의해유체를회전시키면서원심력, 속도차에따른전단력, 강렬한혼합, 생물학적산화그리고내통의적은개구공을지날때의공동화현상 (cavitation) 에의해분쇄된음식쓰레기의가용화, 생물학적산화그리고공동화에의해생물슬러지의파괴와가용화를한층증가시키는것으로예측된다. 이렇게반응이복합적으로발생할때다양한반응기작 (Mechanism) 을분석하기위해전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 FLUENT를이용해서물리적처리장치내에서 Cavitation 발생정도를예측하고전단력, 원심력의최대화를위한모델링 (Modeling) 을실시한다. 모델링을통해얻은자료를바탕으로최적의물리적처리장치를 Lab scale로설계및제작한다. 본연구에서는 1) 슬러지가용화정도를파악하기위해 CODcr, SCODcr, SS, TN, TP ( 혹은인산-인 ), VSS를측정하고, 2) CST (Capillary Suction Test) 를통해탈수성이얼마나향상되었는지를살피며, 3) 입자분석을통해유기성폐기물이얼마나파괴되었는지를알아보고, 4)ozone주입실험을통해최적의오존량선정, 5) 외부탄소원으로공급가능성을파악하기위한탈질실험, 6) 본개발장치의후속혐기성공정을고려하여가용화슬러지를이용한혐기성분해실험을실시하여 VSS 또는메탄발생량을측정한다. Ⅳ. 연구개발결과 1) 가용화장치용반응기 + 고사양펌프를사용하였을때 SCOD는단순원통반응기 + 저사양펌프보다 3배증가. 2) ph 9.5로실험을수행했을때 ph 7보다 SCOD는 2배이상증가. 3) 오존실험에서는 3시간가용화처리한것보다단순히 25분간오존처리할경우 SCOD 가약 1.7배더증가함. 3시간가용화한후 25분간오존을접촉시킨 SCID값은단순히 3시간가용화하였을때보다 2.1배더증가. 25분간오존만접촉시킨실험보다 3시간가용화한후 25분간오존을접촉시킨실험의 SCOD값은약 1.2배증가. 4) 회분식탈질실험에서가용화액을외부탄소원으로이용하였을때 NO3-N의제거가더잘이루어짐. 2시간운전후탈질율은메탄올 58%, 가용화액 78%.. Ⅴ. 연구개발결과의활용계획본산학공동기술개발과제를통해얻은결과활용을위한향후계획은첫째, 여러형태슬러지를본장치를통해경제적인전처리및가용화달성하였고, 이를토대로하수슬러지의효율적전처리를위한지표를제시하여할계획이다. 둘째, 수소및바이오가스생성연구및전처리효율검증을위하여기존수소발생연구의조사, 문제점파악및발전방안제시하고, 유기성슬러지감량화율파악하며, 전처리유무에따른수소생성능력비교하는것이다. - 4 -
5. 영문요약서 S U M M A R Y I. Title The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment II. Background and Objectives 1. research objectives The purpose of this study is to determine the optimal method and operational conditions in pretreatment of sludge waste by using of the cavitation process with ozonation. We also have tried some biological tests of methane fermentation and denitrification by using of the solubilized sludge as a substrate. For the optimal reactor design, some CFD program simulation were executed. 2. ressearch background For the sludge solubilization, we have tried to develop a pretreatment process consisted of a reactor and pumps, which use the cavitation phenomena. Cavitation is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in a liquid. Cavitation is usually divided into two classes of behavior: inertial (or transient) cavitation and non-inertial cavitation. Inertial cavitation is the process where a void or bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave. Such cavitation often occurs in pumps, propellers, impellers, and in the vascular tissues of plants. Non-inertial cavitation is the process where a bubble in a fluid is forced to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an acoustic field. Such cavitation is often employed in ultrasonic cleaning baths and can also be observed in pumps, propellers etc. Major places where cavitation occurs are in pumps, on propellers, or at restrictions in a flowing liquid. As an impeller's (in a pump), or propeller's (as in the case of a ship or submarine) blades move through a fluid, low pressure areas are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. The faster the blades move, the lower the pressure around it can become. As it reaches vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. This is cavitation. When the bubbles collapse later, they typically cause very strong local shockwaves in the fluid, which may be audible and may even damage the blades. - 5 -
III. Research Scope and Contents Cavitation is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in a liquid. As an impeller's (in a pump), blades move through a fluid, low pressure areas are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. As it reaches vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. A unique approach can be to use a combination of hydrodynamic cavitation with other advanced oxidation processes with O 3 has been applied to real wastewater sludges. For the optimal reactor design, some CFD(computational fluid dynamics) program simulation were executed, and a lab. sclae of 50L, cavitational apparatus consisted of a reactor and two pumps was made and tested. 1) COD and SCOD solubilization and TS reduction were measured for the extent of sludge solubilizaton, 2) ozonation and ph control were tested for the optimal operation conditions, 3) denitrification test with the solubilized sludge were accomplished, 4) for the energy recovery, some methane fermentation tests with the solubilized sludge were tested. IV. Results and discussion 1) With the cavitationaly designed vactor both COD solubilization and TS reduction increase 3 Times nigher than that with the simple reactor as the ph of sludge increase. 2) According to the experimental results, the SCOD yield was around 200% at ph 9.5 with 3 hours of cavitational mixing. 3) Combination of cavitation and ozonization has a major positive effect on the solubilization of VSS and thus increases the SCOD yields. SCOD yeild was around 500% for 15min ozonization and 3 hour cavitation. 4) NO3-N removal ratio was influenced by the using of the solubilized sludge as a external carbon source. The T-N removal ratio was 78% with the solubilized sludge after 2hour denitrification, but only 58% with the methanol addition. V. Future Utilization Plan Further investigations will be undertaken to elucidate the optimum desigen parameters and operation conditions of the cavitational pretreatment system. We will try to develop a innovated advanced wastewater treatment systems with the cavitational pretreatment process. We would like to develop a improved anaerobic - 6 -
fermentation process by using of the results obtaimed from this research and intend to have some related experiments for the anaerobic process improvement and higher bio-energy recovery. - 7 -
6. 영문목차 C O N T E N T S Chapter 1. Introduction 1. Objectives 2. Contents and Expectation 2.1. Contents 2.2. Expectation 3. Importance and Necessity 3.1. Survey of Sludge Treatment Technology 3.2. Development of the Cavitation process Chapter 2. Development Status of the Sludge Solubilization Processes 1. Status of the Foreign 2. Status of the Domestic 2.1. Sludge Reduction by Ultrasonic Waves 2.2. Sludge Reduction by Ozonization 3. Economic Estimation Chapter 3. Apply of the research Chapter 4. Research Results 1. experimental method 2. Results and Discussion 2.1. Results of CFD simulation 2.2. Sludge Solubilization by the Cavitation 2.3. Sludge Solubilization of Ozonization 2.4. Denitrification with the Solubilized Sludge 2.5. Methane Fermentation with the Solubilized Sludge 2.6. Dehydration and Phosphor Recovery - 8 -
Chapter 5. the attainment of the goal Chapter 6. the planned goal Chapter 7. information technology of the abroad Chapter 8. References (A supplement) - 9 -
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7. 목차 목 차 제 1 장연구개발과제의개요 -------------------------------- 15 1. 연구개발의목적 ---------------------------------------- 15 2. 연구내용및기대성과 ----------------------------------- 16 2.1. 연구내용 2.2. 기대성과 3. 연구개발의중요성및필요성 ------------------------------ 18 3.1. 연구개발대상기술의중요성 3.1.1. 하수슬러지의처리현황및문제점 3.1.2. 기술의경제적 산업적중요성 3.2. 연구개발의필요성 3.2.1. 슬러지감량및가용화기술 3.2.2. 연구개발의필요성 제 2 장국내 외관련기술의현황 ----------------------------- 31 1. 국외기술현황 ----------------------------------------- 31 2. 국내기술현황 ----------------------------------------- 33 2.1. 초음파를이용한슬러지발생저감화기술 2.2. 오존을이용한슬러지발생저감화기술 3. 국내 외시장규모 --------------------------------------- 36 제 3 장연구개발수행원리 --------------------------------- 37 1. 연구개발의원리 --------------------------------------- 37 1.1. 케비테이션이론 1.1.1. 캐비테이션 (Cavitation) 1.1.2. 캐비테이션의종류 1.1.3. 캐비테이션의특징 1.1.4. 캐비테이션의침식 1.1.5. 기포의붕괴 1.1.6. 기포붕괴압크기와분포 1.1.7. 캐비테이션침식에영향을주는인자 - 11 -
1.2. 사고사례 1.2.1. 캐비테이션에의한부식 1.2.2. 캐비테이션부식에의한누수 1.2.3. 진동으로인한밸브전동기고장 1.2.4. 진동으로인한디스크지지가이드이탈 2. 캐비테이션이발생되는운전조건 ---------------------------- 41 2.1. 캐비테이션수 ( ) 2.2. 캐비테이션발생적정범위 2.3. 유속의적정범위 2.4. 압력의적정범위 2.5. 수온과증기압관계 제 4 장연구개발수행내용및결과 -------------------------- 45 1. 연구개발수행내용 ( 실험장치및방법 ) --------------------- 45 1.1. 컴퓨터시뮬레이션 (CFD) 1.1.1. 컴퓨터시뮬레이션개요 1.1.2. 컴퓨터시뮬레이션기법 1.1.3. 지배방정식 1.1.4. 계산조건과경계조건 1.1.5. 계산격자 1.2. 실험장치 1.2.1. 가용화장치 1.2.2. 오존발생장치 1.2.3. 탈질미생물반응조 1.2.4. 메탄미생물배양조 1.3. 실험재료 1.4. 실험방법 1.4.1. Cavitation에의한가용화실험 1.4.2. 오존처리에의한가용화 1.4.3. 가용화액을이용한탈질처리 1.4.4. 가용화슬러지를이용한메탄발효실험 1.4.5. 탈수성능및인회수실험 1.5. 실험분석방법 - 12 -
1.5.1. Cavitation 에의한가용화실험 1.5.2. 가용화슬러지에의한가용화액을이용한탈질처리 1.5.3. 가용화된슬러지를이용한메탄발효 2. 연구개발수행결과 -------------------------------------- 68 2.1. CFD 시뮬레이션결과 2.1.1. 유속장 2.1.2. 압력장 2.1.3. VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 측면보기 2.1.4. VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 단면보기 2.1.5. Isosurface of cavitation( 측면 ) 2.1.6. Isosurface of cavitation( 정면 ) 2.1.7. 단면압력변화 ( 수직축 ) 2.1.8. 단면압력변화 ( 수평축 ) 2.1.9. 단면유속변화 ( 수직축 ) 2.1.10. 단면유속변화 ( 수평축 ) 2.1.11. 펌프형상고려 2.2. Cavitation에의한가용화실험 2.2.1. Run1의결과 2.2.2. Run2의결과 2.2.3. Run3의결과 2.2.4. 가용화에미치는 ph의영향 2.3. 오존처리에의한가용화 2.3.1. 오존처리시간의영향 2.3.2. Cavitation 처리후오존주입에의한가용화 2.3.3. 오존주입후 Cavitation을이용한가용화 2.4. 가용화액을이용한탈질처리 2.4.1. 온도영향 2.4.2. 가용화된슬러지의영향 2.5. 가용화액을이용한메탄생성 2.6. 탈수성능및인회수 제 5 장목표달성도및관련분야에의기여도 --------------------- 109 1. 연구개발목표달성도 ------------------------------------- 109 1.1. 슬러지가용화목표달성평가 - 13 -
1.1.1. 장치의간단성및경제성 1.1.2. 슬러지가용화 1.1.3. 탈질, 메탄발생 1.1.4. 탈수성능및인회수 1.2. 슬러지가용화장치의운영인자 1.2.1. 슬러지가용화운영인자도출 2. 경제적성과및기술발전기여도 ---------------------------- 112 2.1. 경제적성과 2.2. 기타성과 제 6장연구개발결과활용계획 ------------------------------- 115 1. 1차년도의연구개발내용 --------------------------------- 115 2. 2차년도의연구개발내용 -------------------------------- 115 3. 연구개발결과의활용방안및기대성과 ---------------------- 116 3.1. 연구개발결과의활용방안 3.2. 기대성과 제 7장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 ---------------- 119 1. 기존전처리기술의외국사례 ------------------------------ 119 1.1 기계적처리 1.2 화학적처리 2. 슬러지전처리기술의국가별특허동향 ---------------------- 121 2.1 기술별특허동향의외국사례 ( 한국, 미국, 일본 ) 2.1.1 한국의기술분야별특허동향 2.1.2 미국의기술분야별특허동향 2.1.3 일본의기술분야별특허동향 2.2 슬러지전처리기술의전체적경향 제 8 장참고문헌 ------------------------------------------ 125 부록 --------------------------------------------------- 131 1. 실험결과 data 2. 연구성과물 3. 공개세미나 ( 자료첨부 ) - 14 -
8. 본문 제 1 장연구개발과제의개요 1. 연구개발의목적하수슬러지 (sludge) 및음식물쓰레기 (food waste) 등의유기성폐기물 (organic waste) 처리에대한연구및개발은국내외적인주요관심사중의하나이다. 그러나지금까지개발된초음파 (ultrasound), 오존 (ozone) 처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정에서의문제발생, 낮은처리효율, 처리효율대비비경제성등의단점을가지고있다. 그럼에도불구하고유기성폐기물에대한 1) 처리능력의극대화, 2) 유기성폐기물저감, 3) 유용한바이오가스생성, 4) 처리에따른경제성분석하나하나가중요한의미를지닌다고할수있다. 이에본연구의목표는유체회전기능을이용한유기성고형물 ( 하수슬러지 ) 의가용화장치 ( 이하 개발장치 ) 를개발하여가용화정도를파악하고오존이나알칼리를투입하여더욱빠른시간내에가용화를달성하여 SS의감량은물론생물학적고도처리를위한외부탄소원공급이나유용한바이오가스 ( 메탄이나수고 ) 의대량생산및공급이가능한다양한전처리로활용하고자한다. 본개발장치는 3중혹은 2중원통형구조와일부내통에소구경의홈이있어 cavitation 발생이가능한구조로되어져있다. 고형물을포함한유체는회전력과전단력이극대화될수있는위치에펌프에의해투입되면고속회전하면서유체와그속에포함된고형물은극렬혼합물론회전력, 마찰력, 전단력및 cavitation을격게된다. 이러한물리적작용으로거대입자는미립자화되고미립자된고형물의일부는가용화를겪게된다. 즉이러한회전력, 마찰력, 전단력및 cavitation, 유체충격등의반응기작을과학적으로밝혀내기위해 3차원적인난류회전을잘나타낼수있는 κ-ε모델 ( 난류모델 ) 을이용하여전산유체시뮬fp이션 (CFD) 을수행하여그결과를바탕으로과학적설계, 제작및보완을한다. 오존은하수슬러지감량화에많이사용되고있는추세이나기존의오존분해는많은양의오존을필요로하고설비비가많이들며 ( 오존발생장치, 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용, 배오존파괴설비가필요 ) 운전비용이많이들고고도의운전기술이필요하며배오존에의한 2차대기오염의가능성이있는등단점등이있으나본개발장치를이용하면밀폐된공간에서물질간극렬혼합에의해오존사용량이극대화되므로오존투입량은적어지고기존에부작용으로발생하던거품은거의문제가되지않게된다. 즉, 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행되는등의장점이있어물리적전처리장치와함께사용할경우적은양의오 - 15 -
존으로도처리효율을극대화할수있을것으로기대되며소량의오존을사용함으로서오존처리의단점을극복할것으로기대된다. 또한본개발장치에하수슬러지를일정시간가동시키면인이자연적으로방출되고이때알칼리 (Lime) 을투입하여 ph를상승시키게되면알칼리와의반응에의한슬러지파괴와가용화가촉진되고인방출량도최대로되어 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (hydroxylapatite) 로인의침전은물론양질의외부탄소원생성도가능해질것으로판단된다. 즉, 시스템이적절히운전되면가용화가용이하게이루어지고하수처리장의외부탄소원공급이가능하며메탄가스생산시스템에서반응시간도많이줄어들것으로기대되며경제성을검토하고자한다. 2. 연구내용및기대성과 2.1 연구내용유기성폐기물이나슬러지의감량화와자원화기술확보는국내외적으로중요한의미를지닌다. 본연구에서는미생물슬러지를포함한이러한유기성폐기물을감량및가용화하여하수처리장외부탄소원공급또는메탄등유용한바이오가스를생성할수있는일석이조의효과를얻는다. 최근들어유기성폐기물과하수슬러지처리및감량화등의기술이국내에도많이개발되고있고도입되고있으며일부연구에서는전처리후유용한바이오가스생성까지기술이개발되고있다. 그러나유용한바이오가스를얻기위해지금까지개발된전처리기술-초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학처리, 열분해-들은처리시설의복잡성, 처리시발생되는문제, 고가의유지관리비, 유지관리의난이성등의문제들로결국비경제적인기술들이되고말았다. 그러나최근환경적측면에서에너지전환기술개발과보유가주요현안이되면서전처리에대한개발이더욱중요하게부각되고있다. 그러나기존의단순한물리 / 화학적반응원리로는특성이다른미생물슬러지와음식쓰레기같은유기성폐기물을적절하게처리할수없다. 그러므로본연구에서는미생물슬러지와음식쓰레기의특성을감안하여기계적으로는단순하고반응은여러기작 (Multi-mechanisms) 을가지는물리적전처리를고안하였다. 고안된가용화반응기는유입되는하수슬러지와폐기물을펌프와압축공기에의해유체를회전시키면서원심력, 속도차에따른전단력, 강렬한혼합, 생물학적산화그리고내통의적은입구를지날때의공동화현상 (cavitation) 에의해분쇄된음식쓰레기의가용화, 생물학적산화그리고공동화에의해생물슬러지의파괴와가용화를한층증가시키는것으로예측된다. 이렇게반응이복합적으로발생할때다양한반응기작 (Mechanism) 을분석하기위해전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램인 FLUENT를이용해서물리적처리장치내에서 Cavitation 발생정도를예 - 16 -
측하고전단력, 원심력의최대화를위한모델링을실시한다. 모델링을통해얻은자료를바탕으로최적의물리적처리장치를 Lab scale 로설계및제작한다. 오존은하수슬러지분해에많이사용되고있는데기존의오존분해는많은양의오존을필요로하고설비비가많이들며 ( 오존발생장치, 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용, 배오존파괴설비가필요 ) 운전비용이많이들고고도의운전기술이필요하며배오존에의한 2차대기오염의가능성이있는등, 단점들이있으나슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행되는등의장점이있어물리적전처리장치와함께사용할경우적은양의오존으로도처리효율을극대화할수있을것으로기대되며소량의오존을사용함으로서오존처리의단점을극복할것으로기대된다. 본연구에서는 1) 슬러지가용화정도를파악하기위해 CODcr, SCODcr, SS, TN, TP( 혹은인산-인 ), VSS를측정하고, 2) CST분석을통한 50% 범위의탈수성향상을파악하며, 3) 입자분석을통한 30% 이상의효율적유기성폐기물파괴및처리를기대하며, 4) ozone 주입실험을통해 1g O3/hr이하의최적의오존주입량산정, 5) 외부탄소원으로공급가능성을파악하기위한기초적실험을수행하며, 6) 본개발장치의후속혐기성공정을고려하여본개발장치처리유무에따른간단한혐기성분해를실시하여 VSS측정이나메탄발생량을측정하여감량화율을파악한다. 본시스템이적절히운전되면감량화와가용화가용이하게이루어지고하수처리장의외부탄소원공급이가능하고하수처리장에별도의시설을증축하지않고적은공간에본장치를설치하여소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화하고부생가스발생량을극대화하며탈수효율을향상을기대한다. 후단의메탄가스생산시스템에서반응시간도많이줄어들것으로기대되며경제성을검토하고자한다. 2.2. 기대성과 (1) 기존하수슬러지와음식쓰레기를간단한원리의기계적장치와소량의오존으로처리하므로초기투자비용이적고유지관리가간편할것으로기대한다. (2) 전처리가용화정도의조절이다른시스템보다용이함으로경제성정도에따라가용화가가능하게된다. (3) 전치리된하수슬러지와음식쓰레기를혐기성생물처리에의해슬러지의감량화와메탄등유용한바이오가스획득이가능하다. (4) 적절한전처리는유기성슬러지의메탄등바이오가스생산장치에서선택적으로메탄발생량을늘릴수있으며처리속도를빠르게할수있다. (5) 전처리조구조의경우단순한반응조이나여러가지처리기작을보유하므로여러 - 17 -
분야에적용잠재력이있다. (6) 바이오가스생산장치에대한국내기술축적이가능하다. (7) 하수처리장에서외부탄소원공급원의역할을할수있다. (8) 소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화한다. (9) 부생가스발생량을극대화한다 (10) 탈수효율을향상한다. 3. 연구개발의중요성및필요성 3.1. 연구개발대상기술의중요성 3.1.1. 하수슬러지의처리현황및문제점현재전국에가동중인하수처리장은 2003 년도말을기준으로 242 개소이며처리시설용량은 20,844,745 m3 / 일이고이들하수처리장대부분은활성슬러지법또는그변법을이용하고있으므로하수처리과정에서잉여슬러지가발생되고있으며, 발생되는슬러지의양은전체적으로연간 227 만톤이발생되었고, 원단위는평균 0.348kg/ m3이다. 각종유기성폐기물중에음식물쓰레기와슬러지류에대하여직매립을금지하는내용을폐기물관리법시행규칙에명시하였으며, 음식물쓰레기는 2005 년 1월부터각종슬러지류는 2003 년 7월부터직매립이금지되었다. 직매립금지조항이설정된초기인 2000 년도부터해양투기량이급격하게증가되어최근에는 70% 이상이해양투기에의존하고있다. 육상에서의처리처분, 자원화를유도하기위하여직매립금지조치가시행되었으나, 실제소각및재활용비율은그다지증가하지않은채, 해양투기로집중되었다. 하수슬러지의해양투기는런던덤핑협약과관련된 96의정서가발효되면해양투기가금지될가능성이크며, 머지않아발효될것으로예상되므로이에대비하여육상에서처리하는근본적인대책마련이필요하다. 한편 00하수처리장의경우최근 3년 ( 02~ 04 년 ) 간운영현황을살펴보면소화조투입슬러지의유기물함량은약 61.2% 로타처리장에비해다소높은특성을나타내고있으나하절기의경우합병식하수관거의특성상유기물함량이낮은토사의유입등으로인하여소화효율이저하되는것으로조사되었다. 일반적으로국내하수슬러지처리시다음과같은문제점을내포하고있는것으로나타났다. - 18 -
문제점 슬러지농축조의농축효율저하 ( 일반적으로 2~3%, 설계시 5% 로설계 ) 소화조의소화효율저하 ( 설계시 80% 정도로설계되나, 실제는 40~50% 임, 특히겨울철에소화율이낮음 ) 슬러지개량시고분자응집제에의존 ( 다양한응집제의혼용, 특히무기응집제의혼용이필요하나검토가이루어지지않음 ) 탈수기의벨트프레스로의일원화 ( 대부분의처리장에서벨트프레스로운영중이나상대적으로탈수효율이낮음 ) 일반적으로하수처리시설에서발생하는잉여슬러지는유기물을이용하여성장한미 생물의세포로구성되어있으며, 세포의특성상쉽게분해되지않고소화조에서의감 량화율또한낮아처리에많은문제점을가지고있다. 또한소화효율저하시세포액 으로구성된내부수 ( 표 1.1 참조 ) 로인하여탈수효율저하를일으키고탈수에소요되 는약품량의증가를초래하는원인이되기도한다. 따라서소화조효율을향상시켜슬러지발생량을최소화하고부생가스발생량을극 대화하며탈수효율을향상시키기위한슬러지전처리기술의도입은반드시필요한것 으로판단된다. 표 1.1 수분의분포형태및특성 구분분포상태및특성 제거방법 모관결합수 간극모관결합수 쐐기상의모관결합수 표면부착수 슬러지입자의갈라진틈을가득채우는수분형태 물이집합밀도가높은슬러지고형물의미세한부분에둘러싸이면모세관현상에의해각각의입자들에부착 슬러지입자에둘러싸인공간을채우고있는모관수 고형질의미세편에둘러쌓여갈라진틈새에존재 금속결합결정수등 모관압에의해슬러지입자와슬러지입자를쐐기상으로결합시키고있는모관수 슬러지입자표면에부착되어있는물 미세오니와생물학적처리로발생하는콜로이드상입상결합수로각입자에화학적결합 기계적탈수 기계적탈수 기계적탈수 응집 (or floc 형성 ) 내부수 슬러지입자를형성하고있는세포의세포액으로존재 세포파괴 - 소화 ( 혐기, 호기 ) - 가열및파쇄 - 오존및약품처리등 결합강도 내부수 > 표면부착수 > 쐐기상모관결합수 > 간극모관결합수 > 모관결합수 - 19 -
3.1.2. 기술의경제적 산업적중요성하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision 을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이며, 선진외국에서도이를위한연구 / 개발이활발히진행되고있으나국내의연구 / 개발실적은미진한실정이다. 이에본기술을이용하여슬러지를처리할경우슬러지감량과가용화가일어나하수처리장소화조의소화율증가, 슬러지탈수율증가로인해슬러지처리비용이감소하고음식물쓰레기와함께처리하여하수처리장외부탄소원으로공급이가능해하수처리장의비용감소효과와바이오가스등에너지원으로활용할수가있어경제적이라고할수가있으며에너지산업에도새로운에너지원으로공급이가능하다. 3.2. 연구개발의필요성 3.2.1. 슬러지감량및가용화기술하수처리장에서발생하는슬러지의대부분은육상매립과해양투기에의존하고있으므로현재육상매립과해양투기에의존하고있는하수슬러지의처리에대한한계와자원순환형사회를위한 zero emmision 을달성하기위하여하수슬러지의발생을최대한줄이고, 자원을재활용할수있는기술의개발및도입은시급한실정이다. 하수슬러지의감량화에이용되는방법은표 1.2 와같이분류할수있다. 표 1.2 슬러지감량화기술의분류 처리기술생물화학적처리방법화학적처리방법물리적처리방법복합처리방법 처리방법고온호기성세균을이용한방법소화균을이용하는방법오존을이용한처리방법전기분해를이용한처리방법알칼리약품처리법, 펜톤처리법초음파를이용한처리방법 Cavitation, Mill 파쇄법초임계수를이용한방법알칼리처리 + 기계적파쇄감압파쇄 + 가열 + 초음파 - 20 -
(1) 오존을이용한슬러지감량화기술오존을이용한처리방법은 2차침전지로부터인출되어진잉여슬러지를오존처리설비 ( 오존접촉반응조 ) 에서산화력이강한오존과접촉반응시켜시킨후, 포기조로순환반송하여미생물에의하여계속적으로처리하게함으로써슬러지를궁극적으로감량화시키는간단한원리이다. 잉여슬러지는오존의강력한산화작용에의하여미생물세포벽이파괴되어미생물이먹기쉬운형태로가용화되어생물학적분해가가능한유기물 ( 저분자유기물 ) 로변화한다. 이시스템의특징은다음과같다. 1 장외반출슬러지의처분지확보가불필요해진다. 2 슬러지탈수처리가불필요해져, 그때문의설비및운전관리원이불필요 3 오존슬러지처리설비는, 물리적처리설비의일환으로서취급이가능. 4 슬러지처분비용를포함한유지관리비는큰폭으로삭감할수있다. 5 슬러지처리에수반하는고농도악취의발생이없어져, 악취대책이용이하게된다. 일차 침전지 포기조 이차 침전지 반송 슬러지 오존 반응조 오존 가스 오존 발생장치 그림 1.1 오존에의한슬러지감량화시스템 다. 오존을이용한하수슬러지의감량화기술이갖고있는장 단점은다음표 1.3 과같 - 21 -
표 1.3 오존을이용한하수슬러지의감량화기술의장 단점 장점단점 기존의처리시설에설치가능 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소 난분해성물질의처리가능 살균이동시에진행 설비비용이많이듦 - 오존발생장치 - 오존에의한배관부식방지를위한내식성재질사용 - 배오존파괴설비가필요 운전비용이많이듦 고도의운전기술이필요 배오존에의한 2차대기오염의가능성 표 1.4 오존산화를이용한감량화기술 구분내용비고 개 요 오존의산화력을이용하여세포벽을산화시켜슬러지를가용화시 킨후생물반응조로유입시켜최종적으로이산화탄소로분해되고일 부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 오존반응조 오존가스 오존발생장치 주요설비 오존반응조 ( 가용화조 ), 오존발생기, ph 조정설비, 폐오존처리장치등 감량화율 분류식 : 95~98% 장점 반응이빠르고시설이콤팩트 오존발생기유지관리복잡 장단점 가용화액의반류부하큼. 단점 생물반응조의발포현상우려 침강성이약간악화 처리수질악화 (COD:10~40% 상승, T-P:50~90% 상승 ) 적용실적 하수 ( 산화구법등 ), 공장폐수등에적용 일본 - 22 -
(2) 자기발열고온호기성처리에의한감량화자기발열고온호기성시스템은산소를최소한으로억제한상태에서호기성미생물에의하여유기물을분해하게하고, 유기물분해와동시에발생되는산화열을이용하여외부가온없이반응조의온도를 55 이상올려유기물의분해를촉진하는원리이다. 이러한자기발열고온호기성시스템은 1960 년대부터연구되어 1970 년대중반상용화가독일을중심으로진행되어왔으나, 장치의최적화및범용화에많은문제점이제기되었으나, 1990 년대에산소공급방법등의개선으로본격적인상용화가시작되었다. 고농도액상슬러지 + O 2 CO 2 + H 2O + 안정화물 ( 부식질 ) + 산화열 ( 55 이상유지 ) 호기성미생물 표 1.5 자가발열고온호기성소화 (ATAD) 를이용한감량화기술구분내용비고 ATAD는외부의열유입없이자체적으로 45~60 까지가온이되는 2단계호기성소화공정으로, 고온에서짧은시간 ( 약 6 개요일 ) 내에소화가진행되어작은용량의소화조에서도많은슬러지를처리할수있는공정 공정도 외부가온이없고특정미생물균주가불필요함. 컴팩트한원형탱크구조물로가능특징 증설이용이하고낮은운영비 운전기간 (6~10일이내 ) 이짧아많은슬러지처리가능감량효율 VSS기준약 65~75% 분뇨및축산폐수전처리용도 고농도유기폐수전처리 하 폐수 Sludge 소화처리 - 23 -
(3) 가압파쇄원리에의한하수슬러지의감량화본시스템은잉여슬러지에포함되는미분화한유기물을인출하여압력을가하여파쇄 ( 가용화 ) 하고, 이것을원래의처리조에반송하여재차분해처리하는것으로서종래의처리방법에서는분해할수없었던잉여슬러지까지도분해할수있는시스템이다. 처리시설의특성에따라약간씩차이는있으나, 슬러지발생량을미설치된것과비교하였을때본시스템으로 70% 이상감량화할수가있다. 종래의처리방법으로필요했던특수한미생물이나약제, 오존발생기등은불필요하고, 시스템은컴팩트하여설치현장에서한계는없다. 그림 1.2 가압파쇄시스템의구성도 (4) 수열반응에의한슬러지감량화시스템슬러지는유기고형물이나미생물세포로구성되어있다. 세포내물질은생물학적으로분해가가능한물질이지만세포벽은난분해성의고분자물질로구성되어있어통상의생물학적인방법으로는분해가곤란하다. 수열 생물법의원리는수열반응과생물기능을편성해슬러지를처리 소멸하는것이다. 수열공정으로슬러지중의유기고형분이나세포벽등의난분해성성분을수열반응에의해저분자화하여생물분해성의물질로개질하고, 이것을생물학적인처리시스템으로보내어미생물에의하여대사 소멸시키는방법이다. 수열반응의경우에는세포를구성하는고분자물질을그기본단위물질, 예를들면, 단당이나아미노산등으로분해할필요는없으며미생물에의해섭취 대사분해 - 24 -
가능한분자크기까지분해할수있으면분해반응이가능하다. 수열 생물법에서는슬러지를처리하여생물분해가능한물질로변환하는것을슬러지의기질화라고하며에너지절약을위해서도낮은온도영역에서수열반응을유도하는것이장치나운전의비용을삭감할수있다. 표 1.6 임계처리를이용한감량화기술 구분내용 임계처리란압력과온도의변화에따른물의상태변화원리를이용하여슬러지를감량화하거나슬러지내부착수를제거하여탈수가용이하도록처리하는공정 슬러지감량화를위한일반적인공정의원리는온도와압력이높아지개요면기체와액체의경계가소실되는임계점에도달하게되고열수분자에의한가수분해반응 ( 수열반응 ) 이발생 이러한수열반응을이용해슬러지중의유기고형분이나세포벽등의난분해성성분을저분자및생물분해성물질로전환하여미생물에의해대사 소멸시키는공정 비 고 기본원리 특징 용도 하수슬러지를고율로저분자화, 용해화하고생물공정의적용성이높음 화학약품첨가없이물만을이용하여처리하므로친환경적 슬러지용해화시무기성분의제거가가능하고, 생물공정에서의무기물축적방지 음식물쓰레기등의연계처리가능 슬러지처리액중의인을거의완전하게회수가능 하수처리시설에서슬러지절감 슬러지로부터인의회수 탈수및건조공정을위한전처리로이용 - 25 -
(5) 가용화미생물을사용한슬러지의감량화최근에슬러지처리가문제가등장하면서슬러지를가용화할수있는미생물에대한관심이증가하고있으며, 이들을분리하기위하여많은노력을하고있다. 그실제는확인되고있지않으나일부의연구자들이호열균혹은용균성의미생물을분리하여실제응용화를하고있다. 그중에서호열균을이용한사례에대해소개하고자한다. 최종침전지에서인출되어진잉여슬러지를호열균으로활성화되어있는반응조로보내어서처리한한후에다시생물학적처리반응조로순환반송하여유기물을분해시킨후에슬러지의탈수등으로확인할시에슬러지감량화를확인하는것이가능하다. 어떤종류의호열균은체외로효소를분비하여이효소가잉여슬러지중의세포를가용화하는것이가능하며, 가용화된세포는미생물이먹기쉬운형태, 이른바생물분해가능한유기물에변화되어반응조에반송된다. 호열균처리된잉여슬러지는폐수처리반응조에서미생물에의해탄산가스 물로분해되고소멸화되어용적이축소된다. 표 1.7 미생물제재를이용한감량화기술 구분내용 개요 기대효과 단백질과지질을분해하는미생물을이용하여최종슬러지발생량 을감소시키고, 가스발생량을증가시켜에너지자원으로활용 소화조내사각지대의제거효과및 2 단소화조의침전성향상 소화조상등수의 COD 및 SS 의농도감소에따른수질개선효과 유기물감소로인한탈수성증가및고분자응집제사용량절감효 과와슬러지감량화 가스발생량증가로에너지자원으로활용가능 적용실적 부산수영하수처리장에적용국내 비 고 (6) 초음파에의한슬러지감량화초음파를이용한하수슬러지처리방법은상기한초음파의공동화현상을이용하는기술로써공동화에의한순간적인고열과높은압력에의하여발생되는고압의 jet stream 에의한물리적인세포의파괴에의하여일어난다. BOD나 COD를포함한폐수처리에있어서다량의박테리아, 이른바잉여슬러지가발생되게된다. 잉여슬러지의발생량은폐수량의 1~10% 정도로, 일반적으로는응집제첨가에의해슬러지를개량한후에탈수되고탈수케이크로서매립처분이나소각처분되고있다. 슬러지의발생량 - 26 -
을제로에가까운레벨까지감량화할수가있다. 슬러지감량의원리는, 세포막을파괴해용해시키며파괴에필요한에너지를초음파에서얻을수있으므로, 다른동류기술과비교처리성능 건설비 유지관리비가현저하게좋다는장점을가지고있다. 초음파를이용하여슬러지를파괴시켜재이용하는기술은슬러지의발생량을기존의기술과비교했을때 20% 정도로줄일수있으며, 무산소탈질조의탄소원으로사용할수있을뿐아니라용출된유기물이하수처리공정으로유입되기때문에빈영양상태인하수처리장의경우 F/M 조절에도도움이될수있는기술로판단된다. 표 1.8 초음파처리를이용한감량화기술구분내용비고 액체매질에초음파를조사할경우공동화 (Cavitation) 현상이발생하게되고이때발생된공동화기포들의충격파에의한높은온도와에너지로슬러지일부를파괴 파괴된슬러지는미생물이쉽게이용할수있는탄소원으로전환되개요고, 소화조에주입시미생물소화를도와가수분해를향상시킴으로써소화효율향상 생물반응조의탄소원공급및소화조효율개선을위한전처리로많이사용 기본공 정 특징 용도 초음파로파괴된잉여슬러지일부를탄소원으로이용 잉여슬러지를재활용하여 20~35% 정도의슬러지감량화 고농도및난분해성유기물을함유한하 폐수에매우효과적 슬러지침전시발생하는섬유상미생물과가스방울에의한슬러지부상방지 고농도및난분해성유기폐수전처리 하수처리장고도처리공정 하 폐수 Sludge 소화전처리 - 27 -
(7) 기타처리법 표 1.9 고열호기성세균을이용한감량화기술 구분내용비고 개요 가용화처리시설에서약 55~65 로활성슬러지를가열하면활성슬러지를보호하는점성물질이해체되고, 고열호기성세균이활성화되어효소를분비함으로써세포벽을파괴하여원형질용출 용출된원형질은 BOD성분으로고열호기성세균에의해일부분해되고나머지는생물반응조로유입되어최종적으로이산화탄소로분해되고일부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 열교환기 가용화처리장치 주요설비감량화율장장단점점단점적용실적 고열호기성세균, 배양조 ( 가용화조 ), 열교환기, 송풍기, 가온설비등 분류식 : 90~95% 합류식 : 85~90% 운전비가저렴하고 2차오염이적음. 일부무기화되어반류부하감소 설치면적이크고가용화조에서취기발생 처리수질악화 (COD:10~50% 상승, T-P:30~80% 상승 ) 하수 ( 산화구법, 표준활성슬러지법등 ) 공장폐수등에적용 일본 - 28 -
표 1.10 전기분해를이용한감량화기술 구분내용비고 개요 전기분해를이용한하수의전처리기술은오 폐수처리, 슬러지탈수성향상, 소화효율증가등다양한목적에이용 슬러지탈수성향상은전류에의해전기이중층계면에서물을이동시켜탈수가이루어지는전기침투식탈수방식과슬러지의성질을개량하여부착수 (bound water) 를분리시키는전처리기법으로이용 또한고전압펄스를이용한잉여슬러지를전처리할경우, 입자성유기물질의가용화및슬러지의세포벽파괴로인한소화효율을증대시키는공정도개발 공정도 JWP Proces s 특징 용도 탈수전처리공정으로이용시탈수시간감소및탈수효율증대 슬러지감량화및병원균사멸등으로양질의소화슬러지생산 산화분해와응집증진효과가동시에이루어짐으로서고분자응집제사용량감소 현재는에너지투입량이증대되는역효과가커실용성에많은어려움이있는실정 고농도및난분해성오 폐수의고도처리 하 폐수슬러지탈수공정 탈수및소화공정전처리 - 29 -
표 1.11 금속밀의마찰력및마찰열을이용한감량화기술 구분내용비고 개요 잉여슬러지를농축후금속밀파쇄기에유입시키고금속밀을상호유동시켜볼과볼사이의마찰력과마찰열에의해활성슬러지의세포벽을강제적으로파쇄하여가용화시킨후생물반응조로유입 유입된슬러지는최종적으로이산화탄소로분해되고일부는생체합성에사용되어잉여슬러지감량화 일차침전지 포기조 이차침전지 기본공정 반송슬러지 금속밀파쇄기 농축기 주요설비 밀파쇄장치, 농축기등 감량화율 합류식 : 85~88% 장점 시설이콤팩트 장단점 단점 가용화액의반류부하큼. 금속볼의교체비용고가 침강성이악화되고전기소비량이많음. 처리수질악화 (COD:10~60% 상승, T-P:50~90% 상승 ) 적용실적 공장폐수등에적용 일본 3.2.2. 연구개발의필요성하수슬러지 (sludge) 및음식물쓰레기 (food waste) 등의유기성폐기물 (organic waste) 처리에대한연구및개발은국내외적인주요관심사중의하나이다. 그러나지금까지개발된초음파 (ultrasound), 오존 (ozone) 처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학적처리등의전처리공정들은복잡성과처리과정에서의문제발생, 낮은처리효율, 처리효율대비비경제성등의단점을가지고있다. 이에본연구과제에서 ozone 과 cavitation 을이용하여단순하고간단한유기성폐기물 ( 하수슬러지 + 음식물쓰레기 ) 가용화전처리시스템을개발 하여기존기술대비효율이우수하고경제적인하수처리장의외부탄소원공급및메탄등유용한바이오가스생산의전처리로활용하고자한다. - 30 -
제 2 장국내 외관련기술의현황 1. 국외기술현황하수슬러지및음식쓰레기의처리대안으로건조-소각 ( 탄화 ) 또는퇴비화재활용등이제시되고있으나, 슬러지내함수율에의해이들공정의경제성이좌우되며, 시설및처리비용이고가이고부가적인대기오염방지시설이필요하므로합리적이며저비용의슬러지처리대안이시급히요구되고있는실정이다. 일본. 독일등을중심으로실용화기술을소개하면고온호기성균을이용한슬러지저감화기술 (S-TE공법)/ 고온 (250), 고압 (55bar) 순산소및구리촉매산화시스템 / 초음파기술 + 혐기성소화 ( 메탄발전 )/ 기계적전처리 ( 고에너지회전력 )+ 탈수성향상 / 열적전처리 / 화학적처리등으로감량화및에너지보급을수행하고있다. 일본일본의경우소각기술의발달로발생되는슬러지의대부분을소각으로처리하고있다. 동경의갈서하수처리장의경우자체처리시설에서발생하는슬러지와주변의다른하수처리장으로부터관을통하여이송된농축슬러지를탈수하여소각처리하고있으며, 일부는다른방법으로처리를위한소규모연구설비에활용하고있다. 이처리장에는하루 900 톤을처리할수있는 4기의유동층소각로를보유하고있으며, 소각열을이용하여건조시킨후소각처리하고있다. 동경하수도국주도로동경시내의하수처리장에서발생하는슬러지를이용하여 오데이 란제품명을가진비료를생산한바있으나시판의어려움으로가동이중단된상태이다. 그러나공공녹지에사용할경우상업화가능성이있다. 농축슬러지의양이많기때문에탈수슬러지를 1차처리한수생성된유동성슬러지액을이용하여메탄발효를하거나수소를생산하는연구를수행하고있다. 1974 년부터연구를시작하여현재하루 3톤규모의경량골재생산시설이가동되고있으며, Sludgelight 라는이름으로생산되고있다. 이공정은슬러지회분을알코올발효폐수 (binder) 와혼합하고, 축축한상태에서입자화기에넣고 0.6~3.5mm 직경의펠렛으로만든후고온으로소성하여제조한다. 이때생성된펠렛은규격별로분류되어출하되는경량골재와거의비슷하여많은용도로의사용이가능하며, 특히하수처리장의여과재료로사용하고있다. 일본군마 ( 君馬 ) 縣에소재한시마하수처리장에서가동하고있는오존을이용한슬러지감량화기술은산화구공법으로가동중인처리장을 2계열로나누어제1계열은일반적인산화구법에의하여처리하고제2계열 (800m3/day) 에오존발생장치를설치하여발생하는슬러지를오존단독, 황산 + 오존처리하여잔존오존은탈기시키는공정을 - 31 -
도입하여운전중에있다. 제 2 계열에서오존처리를한경우발생되는슬러지의양은 대조군에비하여 1/3.4 로감량되는것으로보고되었다. 독일슬러지자체의발열량부족을도시쓰레기와혼합하여소각함으로써해결하고있다. Krefeld 지역의경우에는하수처리장에슬러지및도시쓰레기소각시스템을갖추고있어소각열을이용하여발전과스팀의생산을병행하고있다. 이소각시스템은다단스토카방식을채택하고있으며, 연간 210,000 톤의쓰레기와 12,000 톤의건조슬러지를연소하여 12MW 의전기를생산하며, 이와동시에시간당 40톤의스팀을생산한다. 생산된스팀과전기는절반정도는시스템의에너지로사용되고나머지는주변지역에판매하고있다. Aahen 지역의하수처리장에는발생한슬러지를퇴비화하는소규모의시험설비가설치되어가동되고있으며, 주변의농지에적용하고있다. 자기발열고온호기성시스템은 1960 년대부터연구되어 1970 년대중반에상용화가독일을중심으로진행되어왔으나, 장치의최적화및범용화에많은문제점이제기되었으나, 1990 년대에산소공급방법등의개선으로본격적인상용화가시작되었다. 대부분의상용화는유럽을중심으로이루어지고있으며, 최근에미국및캐나다에서기술을인정하여연구가활발하게이루어지고있는상태이다. 유럽유럽 17개국을대상으로하수슬러지발생량및처리현황은약 36.4% 가농경지등에재이용되고있으며, 41.6% 가육상매립, 소각 10.9%, 해양투기 5.2% 로나타났다. 슬러지재이용율이높은국가들로는덴마크, 프랑스, 영국, 노르웨이, 스페인, 스웨덴, 스위스등이며이들국가의재이용율은매년증가하는것으로조사되었다. 육상매립에대한기준은많은유럽국가에서 2000 년이후부터강화되는추세로매립비율은점차감소할것으로전망된다. 영국의경우, 하수슬러지는연간약 3,500 만톤 ( 건조중량 110 만톤 / 년 ) 이발생되며이중약 50% 가농경지및토양에서재활용되고있고 30% 는해양투기되었으나, 98년이후에는해양배출을실시하지않고있다. 또한소량의슬러지가토양의개량제로이용되기도하였다. 또한 1998 년에해양투기가금지되었기때문에슬러지를효율적으로재이용할수있는방안에대한대책을마련하고있는실정이다. 특히런던시의경우소각로가준공된 1998 년이후부터는전량소각에의해하수슬러지를최종처리, 처분하고있다. - 32 -
미국미국의경우톱밥이나덤불조각등과혼합하여처리하는슬러지퇴비화시설이 200 개가넘으며, 일반가정의정원용및공공시설용비료로공급되고있다. 최근에 Geneyst Int., Inc. 에서는미국의 Colorado 에 Deep Well Oxidation process" 의시범플랜트를설치하였다. 이공정은농축슬러지를습식산화의방법으로처리하는기술로서, 기존의습식산화와는달리지하 1,500m 까지의수직의관을통하여농축슬러지와공기또는산소와공급하면지열과중력에의해자연적으로초임계상태에서산화반응을일으켜 COD의감소효과가 80% 이상, 휘발성고형분의 90% 이상을처리할수있는것으로보고하고있다. 미국 Wisconsin 주의 A Wisconsin Energy Corporation 에서는하수슬러지, 제지슬러지등의유기성고형폐기물을유리질화공정에서무기물은용융시켜유리질골재를얻고, 유기물은자체의열운으로활용하여, 폐열을이용하여스팀과전기를생산할수있는시스템을상업화하였으며, 현재연간 35만톤의슬러지를처리하는 Fox Valley Glass Aggregate Plant를설치중에있다. 유리질골재는기존의제품성능을능가하여, 모래대용품, 아스팔트충진제, 로반재등으로활용이기대되고있다. 2. 국내기술현황 대표적인슬러지감량화기술은아래표 2.1 과같고초음파와오존처리에관해설 명한다. 표 2.1 대표적인슬러지감량화기술 구분종류 생물학적처리 화학적처리 물리적처리 복합처리 오존처리 초음파처리 고온호기성세균전해처리캐비테이션파쇄알칼리처리 + 기계파쇄고온호기성소화균알칼리처리열처리감압파쇄 + 가열 + 초음파처리원생동물의포식작용과산화수소수임계처리 + 철촉매처리 압밀파쇄 2.1. 초음파를이용한슬러지발생저감화기술수중에강한초음파를조사하면격렬한가압, 감압이반복되어 20KHz의경우, 초당 2,000회의진공부 (Cavitation) 현상이발생한다. 이러한진공부현상이액체상태에서이루어지게되면, 급격히감압된액체는국소적으로기화되어미세한기포 (Cavity) - 33 -
가발생하며감압중에는기포가성장하지만가압분포가이동하여감압에서가압상태로전환하면기포가압축된다. 압축된기포는액화되어파괴되며기포가파괴될때에는국소적으로매우강한충격력과단열압축에의한온도상승이발생하여일부수천도까지상승하는경우도있다. 이러한기포파괴시국소적인고온, 고압은초임계상태를출현시키기도하고라디칼 (Radical) 반응을촉진시키기도하여특수한화학반응을일으킬가능성도지적되고있다. 이러한반응을이용해서미생물의세포를파괴하여슬러지내원형질을용출시켜생물반응조에서최종적으로분해하는이른바초음파를이용한슬러지저감화기술이상용화되고있다. 단점으로는대용량으로설치시비용이많이든다. 2.2. 오존을이용한슬러지발생저감화기술슬러지가오존과접촉시, 오존의산화력은슬러지를구성하고있는세균의세포벽을구성하는점성물질을해체하고세포벽을구성하고있는다당성분을분해하거나저분자화하여결과적으로는세포벽을파괴하게된다. 이러한세포벽의파괴에따라세포내원형질 ( 단당류및유기산등 ) 이용출되며이물질은일부오존산화력에의해분해되나일부분은이분해성유기물질 (Readily Biodegradable COD) 로변환된다. 오존주입율이 0.05g O3/g SS까지는슬러지의가용화와이분해성유기물질의증가가거의비례관계로증가되나, 그이후슬러지의가용화는미미해지나이분해성유기물질의증가는계속증가되는추세를나타내고있다. 이는가용화이후고형물상태에서도오존과계속접촉하게되면이분해성유기물질이증가됨을알수있다. 이렇게이분해성으로전환된유기물질은생물반응조로반송되면기존의활성슬러지에의해산화분해되어무기화되며일부는또생체를합성하는데사용된다. 한편, 이러한오존에의한세포벽의파괴는오존처리후의세균이삼투압에의해팽창되는것과, 세포벽을구성하는다당류의절단단면이증가하는현상으로부터도확인할수있다. 장점으로는기존의처리시설에설치가능, 슬러지의감량화와동시에 BOD 감소, 난분해성물질의처리가능, 살균이동시에진행된다는것이고단점으로는설비비가많이들고오존에의한배관부식방지를위한내식성재질을사용해야하며배오존파괴설비가필요하고운전비용이많이든다는점이다. - 34 -
표 2.2 슬러지량조정기구에관한기술일람 방식 / 공동연구기업밀파쇄방식유니티카 ( 주 ) 고온미생물방식 ( 주 ) 신코환경솔루션 ( 주 ) 히타치플랜트테크놀로지초음파 (M) 방식마츠시타환경공조엔지니어링 ( 주 ) 전해방식수도기공 ( 주 ) 고압분류방식얌마 ( 주 ) 산화제방식신니혼제철 ( 주 ) 환경엔지니어링 ( 주 ) 마에자와공업 ( 주 ) 오존방식구리다공업 ( 주 ) 초음파 (T) 방식 ( 주 ) 도리시마제작소 원리습식비즈밀파쇄기의 Mill실에오니를연속적으로 투입하고, 교반디스크를고속회전시켜비즈사이에서 발생하는전단력등으로오니를강제적으로파쇄한다. 60~70 의호기조건하에서활발하게증식하는 Bacillus stearothermophilus 에속하는고온미생물이 분비하는프로테아제등의오니가용화효소에의해 오니를가용화한다. 초음파를조사하여캐비테이션에의한국소적인고 온고압의반사장을형성시키고여기에오니를작용시 킴으로써미세화 사멸시킨다. 오니에 NaCl 을첨가하고전압을가해전해함으로써 발생하는차아염소산및감전작용에의해오니를일 부손상시켜사멸시킨다. 고압펌프에의해압력이상승한오니를노즐이있 는반응조안으로투입하고노즐앞뒤에서발생하는 급격한압력변화에의해캐비테이션을발생시켜오니 를파괴 세분화한다. 무기계산화제, 반응보조물질등을오니에첨가시켜 발생한 OH 라디칼의산화력을이용하여오니중의세 균을살균처리하고세포벽의산화분해, 세포질의저분 자화를실시한다. 오니를오존반응탑에공급하여오존과접촉시켜 오존의강력한산화력에의해오니의세포벽을파괴 해서사멸시킴으로써생물분해가가능한유기물로변 화시킨다. 초음파를조사하여캐비테이션을연속발생시키고 전단류와고온고압장을국소적으로발생시킨초음파 리액터안에오니를통과시켜오니를재기질화한다. - 35 -
3. 국내 외시장규모산업자원부는 2004 년 1월 16일 ' 환경산업포럼 ' 에서세계환경시장을 2000 년 5180 억달러규모에서 2005 년 7097 억달러, 2010 년에는 8635 억달러로예상, 연평균 5% 이상급성장할것으로전망했다. 환경부의발표에따르면국내환경시장도 2004 년도국내환경산업의매출액이 21조 4000 억원으로 2000 년대비약 90% 가증가하였음을알수있다. 이는 2003 년 12월국회환경노동위원회에서예측한 2005 년국내환경시장규모인 19조원을 2004 년에이미넘어선상황이다. 이위원회의 2010 년예상치인 32조원도 2010 년이전에넘어설것으로예상되고있다. 표 2.3 국내 외시장규모구분현재의시장규모예상되는시장규모세계시장규모 6,940,000억원 (2010년) 8,850,000억원한국시장규모 5,700억원 (2010년) 10,000억원 * 산출근거 : 한국기술거래소시장동향 한편일본의노무라종합연구소는 2005 년에현재성장산업중평균성장률이가장높은분야로정보통신, 환경, 신유통물류등3개분야를선정했다. 특히환경분야는환경친화형제품의개발, 폐기물처리, 폐기물리사이클등의분야에서 2010 년까지 6% 이상의평균성장률을예상하고있다. 일본의미쓰비시종합연구소와미국의스탠퍼드연구소도 21세기유망기술로에너지기술과폐기물분야및환경엔지니어링분야를선정하는등 21세기환경시장을매우관심있게보고있어환경시장의이러한확대가일시적인현상이아님을뒷받침하고있다. - 36 -
제 3 장연구개발수행원리 1. 연구개발의원리 1.1. 캐비테이션이론 1.1.1 캐비테이션 (Cavitation) 유동하는액체속에서유속의증가나압력의감소로유체의정압이부분적으로증기압이하로저하했을때액체가증발하여기포가발생한다. 이와같이액상 (liquid phase) 이기상 (gas phase) 으로상변화 (phase change) 를하고, 액상과기상이공존하는이상유동 (two-phase) 현상을캐비테이션이라한다. 캐비테이션은 19세기말영국의구축함 HMS Dearing 호가예상보다속도가떨어지는원인을연구하던중발견되고, 1895년 R. E. Froude에의해명명되었다. 캐비테이션이펌프나밸브와같은유첵기계에발생하면성능의저하, 소음, 진동의발생, 구성부재의침식 (erosion) 이나손상 (damage) 등을가져오는원인이된다. 이때문에캐비테이션을동반하는유동의해명과예측기술의향상은고속유체기계설계및개발에있어서중요한과제가되고있다. 1.1.2. 캐비테이션의종류 캐비테이션의종류와모양은유동조건에따라다르고, 또그종류에따라영향도 다르다. 캐비테이션은보통발생형태에따라다음과같이분류된다. (1) 버블캐비테이션 : 주로저압부에서발생하고하류쪽으로유출하면서성장및붕과하는구 (sphere) 형에가까운기포를말하며, 캐비테이션의거동으로보아진동캐비테이션이라고한다. 기포가크며반구형상이된다. (2) 시트캐비테이션 : 부재표면에부착하여발생하는기포로보통전연 (leading edge) 부근에선단을갖고기포후단은유동과함께형상이변화한다. 거동상고정된캐비테이션이라고도한다. (3) 보텍스캐비테이션 : 와류중심의저압부에발생하는기포로, 다수의기포열이나집합체로구성된면사형상의캐비테이션을말한다. (4) 기포군캐비테이션 : 다수의기포의집합체로시트캐비테이션등의후단에서유동중에방출되는기포군을의미한다. 침식이나높은소음을유발할위험성이크다. 또한발생장소에따라부압면캐비테이션 (cavitation on suction side), 압력면캐비 테이션 (cavitation pressure side), 누수캐비테이션 (Leakage cavitation), 팁보텍스캐 - 37 -
비테이션 (Tip vortex cavitation) 으로분류하기도하며, 유동형태에따라캐비테이팅유동 (cavitating flow), Cavitation surge, 역류보텍스캐비테이션 (vortex cavitation in revise flow), 선회캐비테이션 (rotating cavitation), 분류캐비테이션 (cavitation liquid jet) 등으로분류하기도한다. 1.1.3 캐비테이션의특징캐비테이션을동반하는유동을캐비테이팅유동이라하며, 다음과같은특징을갖는다. (1) A phase change phenomena (2) Mixed incompressible/compressible nature (3) Large range of sound speed (4) Large variations of the local mach number (5) Wide range of void fraction (6) Complicated unsteady flow 본연구에서적용된밸브유동장은 (1) 과 (5) 에해당되는매우복잡한유동장이다. 1.1.4 캐비테이션의침식캐비테이션기포가압력이회복하는곳에서기포가붕과, 소멸할때충격압이나마이크로제트가발생하여유체기기의부재표면을손상시킨다. 이를캐비테이션침식이라한다. 캐비테이션손상은유체역학과재료강도학의경계영역의현상이다. 주요요인인캐비테이션붕괴는통계및확률적이고도고속미시적인복잡현상으로이론적인해명이곤란하다. 따라서오늘날까지도손상을이론적으로정확히예측하는것은불가능하다. 캐비테이션손상면을살펴보면, 처음에침식면에요철이증가하여까칠까칠한정도이지만이것이이윽고작은점침식 (pit) 가연결된해면상의침식면이형성된다. 눈으로도관측될정도의뚜렷한침식이일어나기까지는많은시간이경과되므로손상면에는기포붕괴압이다수반복작용됨음을알수있다. 캐비테이션침식은진동 소음과는달리캐비테이션이발생하자마자곧인식되는것은아니지만손상이심한경우운전불능상태에이르게된다. 이런캐비테이션침식은 super-cavitation( 유체기계에서의도적으로발생되는캐비테이션 ) 이되기이전의상태에서현저하게나타나므로밸브의운전상특히주의가필요하다. 캐비테이션침식이심한경우에는설계를변경하거나운전을제한하거나침식한부위를일종의소모품으로생각하고교환하거나, 내침식성이뛰어난재료를사용하는 - 38 -
등의대책이필요하다. 그러나무엇보다도중요한것은장시간운전후에있을침식량 을과거의실적이나실험데이터등을통하여미리예측하는일이다. 1.1.5 기포의붕괴기포의붕괴는복잡한물리현상으로기포내외의정압차이로인하여성장, 수축, 재팽창, 재수축을거듭하면서붕괴해간다. 기포가수축했다가재팽창하는것은수축하는과정에서기포가순간과수축될때, 기포중에포함되어있는공기등의가스정압이더높아지기때문이며, 이때강한충격파를동반하다. 구형기포가벽면근방에서붕괴하는경우는반드시구형인상태로붕괴한다고는볼수없다. 보통벽면근처보다반대편이더빨리찌그러들고기포가도넛형이되면서벽면을향해액체제트즉마이크로제트를발생한다. 이것이벽면부재에 pit를형성시키는주원인이다. 이와같은기포붕괴에는벽면과의상대위치가중요한인자가된다. 보통고체표면에전달되는압력은충격파마이크로젯, 울트라젯의세가지의이론이있다. 1.1.6 기포붕괴압크기와분포기포의붕괴시간은고작 2ms정도이지만최대붕괴압은 1GPa이상에달한다. 이값은파괴응력 1GPa 이상인공구강이나 stellite 등고강도재료의표면을충격적으로파괴시키는데충분한값으로이들재료가캐비테이션에의해충격적으로 pit를형성하고있음을납득할수있는일이다. Knapp의실험보고와같이보통캐비테이션유동에서는다수의기포가기포군 (cloud) 형태로붕괴하여기포하나가갖는조건에따라다양한크기의붕괴압으로침식을유발한다. 1.1.7 캐비테이션침식에영향을주는인자캐비테이션침식에영향을주는인자는표 3.1 과같이액체유동에관계하는것과액체의물리적특성에관계하는것, 재료의기계적, 물리 화학적특성에관계하는것들이있다. - 39 -
표 3.1 캐비테이션침식에영향을주는인자 항목 인자 유동인자캐비테이션계수, 속도, 압력, 진폭, 진동수, 기기의형상과치수 액체인자 재료인자 온도, 중기압, 음향임피던스, 표면장력, 점도, 압축성, 부식성 (ph), 공기함유도, 캐비테이션핵의분포 기계적성질 ( 탄성계수, 경도, 비틀림에너지, 항복점, 피로강도 ) 금속학적성질 ( 조직, 결정입자, 결정구조, 가공경화성, 잔류응력 ) 표면상태 ( 표면처리, 표면거칠기 ) 1.2 사고사례 1.2.1 캐비테이션에의한부식일례로밸브설치후운전을시작해서얼마지나지않아, 특히 30m 이상의수두의밸브에니들정점, 후부라이너, 밸브바로아래의방류관에일률적인손상이발견되었다. 대부분그손상정도는매우심하고방류작업을계속하는것은위험할정도로생각되었다. 이파괴현상은절대압력의저하 ( 고도의진공 ) 와관련있을것으로인식되었다. 이손상을없애기위해여러가지시험이행해졌지만효과가없었다. 최초에는손상개소에 퍼티 를붙여수리했다. 콘크리트면은파서오목한부분에는콘크리트모르타르를투입하고금속표면의구멍에는 스무스온 이라고하는철분, 염화암모늄, 유황의혼합물로충진시켰다. 그러나이충진물도불완전하였기때문에용접에의해구멍을메우는시도가이루어졌다. 대부분예외없이충진물은모재보다도빨리부식해버렸다. 이부식의원인이압력저하에기인한것이라는것을안후에는압력저하현상을없애기위한시도가행해졌다. 여러종류의크기의콘크리트라이너를밸브하류의방류관중간에설치하고하류의확산을막고압력을높이는시도가행해졌다. 라이너의두께가충분하고방류관의끝단에서는밸브를전개로운전하는경우에는손상이발생하지않았다. 그러나반개의경우에는효과가없었다. 또한압력저하를막기위해공기도입을시도해보았다. 공기관을여러개설치해보았지만, 그위치가적당하지않아서대부분성공하지못했다. 여러가지시험에실패한결과방류는가능한한좁은범위에서행하게되었다. 저수지의용도가다목적으로됨에따라밸브를교축하여운전하게되는것은곤란하게되었다. 1.2.2 캐비테이션부식에의한누수 일부댐의사용되는비상방류밸브중사용되는 1,500mm 의버터플라이밸브에대한 - 40 -
현장진동측정결과밸브의개도 30~70% 사이에서 2.5mm/s 의진동이수평과수직에서일어나고있었다. 이러한원인은밸브시트의개폐에의한캐비테이션결과로판단된다. 본문에서언급되었지만, 방류용형태로설치된버터플라이밸브의캐비테이션은관벽면을통하여전파되고있음을알수있다. 그림 3.1 오리피스교축부와난류발생 1.2.3 진동으로인한밸브전동기고장영천댐의경우비상방류밸브로는 1,200mm 의버터플라이밸브를사용하고있는데현장진동측정결과밸브의개도 30~70% 사이에서상당히심하게일어나고있음을알수있었다. 이러한원인은밸브시트의개폐에의한캐비테이션결과로판단된다. 1.2.4 진동으로인한디스크지지가이드이탈하류취수탑에연결되는하천유지수밸브 (1,200mm) 의노후는소음과진동의발생원인이되고심할경우디스크지지가이드가밸브에서이탈될경우소수력설비가소손되는대형사고및하천유지수공급불가등의사태가발생할수있다. 2. 캐비테이션이발생되는운전조건 2.1 캐비테이션수 ( ) 노즐의경우상류측, 그리고목부위, 하류측간의압력차가크면 p1> > p2> > pw 가되 - 41 -
기때문에아래와같은식이가능하다. 여기서, p1 은노즐상류측압력, p2 는노즐하류측압력, pw 는유체의포화수증기 압을나타낸다. 즉, 캐비테이션수 ( ) 는노즐의경우상류측압력에대한하류측압력비율로서 가 크다는것은캐비테이션이일어나기어려운상태라는말한다. 2.2 캐비테이션발생적정범위 는 0.001~0.5 가가능하나 0.01~0.1 이바람직하다고함. 0.001 미만인경우캐비테이션붕괴시주위와의압력차가낮기때문에효과가적고, 0.5 보다큼경우는압력차가낮아캐비테이션이발생하기어렵다. 2.3 유속의적정범위 분사액의유속은 1~200m/s 이가능하나 1m/s 인경우압력저하가낮고 200m/s 보다 큰경우고압을필요로하여특수장치가요구되므로비용적으로불리하다. 2.4 압력의적정범위노즐또는오리피스관을통해분사액을분사하여캐비테이션발생시킬때에는분사액 ( 상류측압력 ) 은 0.01~30Mpa 이가능하나 2~10Mpa 가바람직하다. 0.01Mpa 미만의경우압력차를발생하기가어렵고 30Mpa 이상인경우특수용기나특수압력펌프등이요구되며소비에너지가커지기에비경제적이다. 2.5 수온과증기압관계캐비테이션은주어진온도에서포화수증기압이하가될때발생하며수온이높을수록발생가능성이높다. 그림처럼수온이 50( ) 이후로급격히포화수증기압이증가하여캐비테이션이발생하기가쉬워진다. 표 3.2 온도와증기압의관계 온도 ( ) 증기압 (mh 2 O) 0 10 20 30 40 50 60 80 100 120 0.062 0.125 0.238 0.433 0.752 1.258 2.032 4.830 10.332 20.245-42 -
증기압 (mh2o) 35 30 25 20 15 10 5 0 y = 0.0906e 0.048x R 2 = 0.9854 0 20 40 60 80 100 120 수온 ( ) 그림 3.2 수온과증기압의관계 - 43 -
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제 4 장연구개발수행내용및결과 1. 연구개발수행내용 ( 실험장치및방법 ) 1.1. 컴퓨터시뮬레이션 (CFD) 1.1.1 컴퓨터시뮬레이션개요컴퓨터시뮬레이션은유체와열전달과관련된제반물리적현상을수학적접근을통해컴퓨터를이용하여해석하는분야로서기계, 항공, 및물리그리고최근에는건축설비에이르기까지방대한적용영역을가지고있다. 컴퓨터시뮬레이션은유체, 열그리고물질전달을지배하는편미분방정식들의해 (solutions) 를구함으로써다양한물리값 ( 기류, 온도및기타오염물질분포, 연소등 ) 들의특성을파악한다. 최근컴퓨터의급속한발전으로불과 10년전에불가능한직접모사법 (DNS) 및대와동모사법 (LES) 등이가능하게되었고유체와관련된대부분의영역 ( 자동차, 항공, 전자 ( 반도체 ), 전기, 바이오, MEMS, 환경및건축등 ) 에서폭넓게활용되고있다. 기존기계및항공에국한된해석영역이다양한영역으로확장되면서열분해용융시설과관련된제반시설들에대한적용이활발해지고있다. 본연구에적용된밸브내유동장문제는난류, 캐비테이션, 카르만보텍스등과같은복합된복잡한물리적특성을가지고있기때문에비용이많이들어가는특성상실험이용이하지않으므로컴퓨터시뮬레이션으로정성적자료도출및데이터베이스확보가매우중요하며비상방류용밸브로버터플라이밸브의사용에따른문제파악에있어경제적인이득과더불어물리적특성을얻을수있다. 따라서, 본연구용역에서는소규모댐의비상방류및유지보수용밸브적용에있어고양정대유량에적합한할로우제트밸브, 콘밸브와부속설비에대하여밸브의종류, 관경, 댐규모, 유속등의특성을고려하여밸브내외부제현상 ( 캐비테이션, 디스크채터링, 진동등 ) 파악을위한컴퓨터시뮬레이션을통하여고유속에따른몸체안정성검토, 버터플라이밸브의적용시문제점등을종합적으로검토 분석하고자하였다. 1.1.2 컴퓨터시뮬레이션기법컴퓨터시뮬레이션해석에사용된 Solver 는 CFX-10 이며, 유체기계해석에최적화된상용코드인 CFX-TASCflow 의기술과다상유동해석, 화학반응해석, 연소해석등의목적으로최적화된 CFX-4를결합한형태의 Fully implicit pressurebased AMG coupled solver 이다. 이에따른구조는그림 4.1과같다. - 45 -
Geometry Modelling and Grid Generation Solver CFX-Launcher Pre-processing Cad Import Cad solutions export solutions Ansys Ansys CFX- CFX- Solver Solver ICEM- ICEM- CFD CFD CFX- CFX- Pre Pre CFX- CFX- Post Post AVS AVS Hexa, Tetre mesh Solid-fluid coupled problem analysis 그림 4.1 CFX10 의구조 DEF Libraries/ output files 본연구에적용된 CFX 의구조은그림 4.2 에서보는바와같이전처리과정, 주처리 과정및후처리과정으로나누어지게된다. - 전처리과정격자생성 (Hexahedral mesh, Tetra mesh) Structure/Unstructured Grids 경계조건부여모델링부여 - 주처리과정지배방정식의해 ( 그림 4.2 참조 ) - 후처리과정 XY Plotting, Animating Graphics, Visualization CFD결과를표시하기위한그래픽툴 그림 4.1 에서나타낸그림은컴퓨터시뮬레이션의주처리과정프로세스를의미하는데생성된격자와운동량방정식과같이문제를해결해나가는방법을나타내고있다. 반복적으로해를풀어가면서어느정도해가정확한답으로접근해나가는것을수렴 (convergence) 이라고하고, 그반대의경우를발산 (divergence) 라고한다. 만약의경우발산이일어날경우는해를정확히얻지못하기때문에처음부터다시시작하여야만 - 46 -
한다. 그림 4.2 일반적인 CFD 의구조 그림 4.3 주처리과정의프로세스 - 47 -
1.1.3 지배방정식유기성고형물가용화장치내에서의유동특성을해석하기위하여적용된지배방정식은식 (5.1) 과식 (5.2) 과같다. 식 (5..1) 은연속방정식이며, 식 (5..2) 는운동량방정식으로 F=ma를의미한다. u j x j = 0 (5.1) ρu j u i x j = - p x i + x j [ μ e( u i + u j ) x j x i ] (5.2) 여기서, u i 는속도벡터이고, ρ 는밀도 (density), μ e 는유효점성계수 (effective viscosity) 이며, p 는각각정압을나타낸다. 유기성고형물가용화장치에서유동장문제에대한지배방정식을해석하기위하여유한체적법을이용하여비엇물림격자계 (non-staggered grid system) 에대한이산화방정식을구하였다. 지배방정식의대류항은 high-resolution 방법을이용하였다. 또한, 운동량방정식의압력항처리는압력수정방법을이용하는 SIMPLE-C방법을적용하여압력수정에관한근사이산화방정식을압력과속도의상관관계를고려한연속방정식의이산화방정식으로부터구하였다. 난류모델인경우정확한수치결과의확보를위해서는일반적으로점성저층 (viscous sublayer) 영역을안정적으로처리할수있는최적화된난류모델의적용이필요하다. 따라서본연구에적용한난류모델은박리 (separation) 에의한 2차유동 (secondary flow) 의정확한모사와저레이놀즈영역인벽면경계층에의한영향을정확히모사하기위해 1994 년 Menter 에의해제안된 k-ε 모델모델을적용하였다. 본연구에서적용된경우에사용된방정식들을정리하면다음과같다. 일반적인유동장문제 연속방정식 ( 식 5.1), 운동량방정식 ( 식 5.2) 캐비테이션문제 Two-phase 유동문제 (Water, Vapor) - VOF(Volume of Fraction) 캐비테이션모델 (5.3) 본연구에서는유기성고형물가용화장치내에서발생하는유동해석을위해 CFX-10-48 -
에서제공하는식 (5.3) 과같이 Cavitation 모델 (Rayleigh Plesset 모델 ) 을적용하였으 며, Water 20 C 의 saturation pressure 를 2,339Pa 로설정하였다. 1.1.4 계산조건과경계조건 본연구에서는컴퓨터시뮬레이션을위하여표 4.1 과같이운전조건에따라유동해 석을수행하였다. 표 4.1 계산조건 유입펌프 (lpm) 흡입순환 펌프 (lpm) 조건 case1 case2 case3 case4 case5 case6 case7 유입 600 600 200 600 l 600 1000 1000 유출대기압대기압대기압대기압대기압대기압대기압 유입 200 200 600 200 400 200 400 유출 200 200 600 200 200 200 200 수온 ( ) 20 50 50 20 50 50 50 캐비테이션조건이용이용이용이용이용이용이용 특수조건 내부구조없을때 경계조건설정 o case 1 : 장치고안시고려했던펌프유량과수온조건 o case 2 : case1 보다수온이높을때 o case 3 : case1의유입펌프유량과흡입펌프의유량을바꿨을때 o case 4 : case1에서내부구조물이없을때 o case 5 : case1 과비교하여흡입순환펌프의유량이늘어나고, 가압등으로유출되는량이줄어들고, 수온이높은상태 o case 6 : case1과비교하여최대의펌프운전범위조건인유입유량이 1000 lpm이며수온이높은상태 o case 7 : case6과비교하여가압등으로유출되는유량이줄어든상태. 운전조건에따른연구를수행하기위하여경계조건은표 4.1 과같이설정하였다. 그림 4.4 의경우는대부분의캐비테이션을고려한것이므로 VOF( 체적비 ) 의값을표 4.2 와같이설정하여야한다. 중요한것은유동장내에서는 VOF의값은항상 1이되어야한다. - 49 -
그림 4.4 유기성고형물가용화장치경계조건 표 4.2 다상유동문제의 VOF 설정값 유체입구영역물 1.0 증기 0.0 합 1.0 그림 4.4 에서수중펌프는공급하는 유입펌프 를의미하고순환펌프는 흡입순환 되는펌프를나타낸다. 현재실험실규모장치를모사하여규모를크게하여시뮬레이션을한결과주요크기는다음과같다 o 직경외통 : 450mm, 내통 : 275mm o 높이외통 : 450 mm, 내통 : 850mm o 펌프유입펌프 ( 수중펌프 ) 유량변화 : 200, 400, 1000 lpm 흡입순환펌프유량변화 : 200, 400 lpm case4 는그림 4.5 처럼내부장치가있을경우와없을경우를구분한것으로캐비테이 - 50 -
션발생조건이구조물과펌프등의영향을구분하였다. 그림 4.5 반응기내부구조물유무에따른형상비교 1.1.5 계산격자현재까지잘알려진대로 CFD 해석에있어계산격자의중요성은해석결과의신뢰성및해의수렴성에직접적인영향을미치고있다. 그렇다고해서조밀한격자의보장은계산시간과처리시간의증가로경제성이떨어진다. 본연구에서는우수한계산격자의확보를위해격자전용생성툴인 ICEM-CFD 10을사용하여격자생성을수행하였다. 유기성고형물가용화장치내의복잡한형상을정확히반영하는우수한품질의계산격자를효율적으로생성하기위해그림 4.6 과같이 Tetra 타입의격자요소를사용하였으며, 전체격자노드수는각각의경우약 120 만노드로하였다. CFD 해석에적용될난류모델로써밸브시트를통과하는작동유체의복잡한 3차원유동현상을정확히해석하기위해 k-ε 모델을적용하였고이를위해경계층영역에대한해석격자의공간해상도를높게확보할필요가있으며, 통상 y+ 값을기준으로 10 이하의공간해상도를확보하였다. - 51 -
그림 4.6 계산격자 (tetra-prism) 1.2 실험장치 1.2.1. 가용화장치폐기되거나버려지는유기성폐기물을그림 4.7 과같은기계적장치를구성하여처리하게되면폐기물폐기비용절감은물론슬러지와유기성폐기물양을줄이고향후고부가바이오가스 ( 수소등 ) 생성이용이하게된다. Cavitation 현상을이용한가용화장치는그림 4.7 과같이크게유입조, 반응조, 유입펌프, 흡입순환펌프로구성되어있다. 물리적 Cavitation 을유도하기위해장치의구성은노즐장치, 선회류유도, 가용화촉진장치로구성되었다. 상세한사양은표 4.3 과같다. 그림 4.7 전체가용화장치공정도 - 52 -
표 4.3 전체 system 장치의사양 NO. 구분 사양 1 유입조 전체용량 :40L 2 수중펌프 저사양 : 145L/min, 250W 고사양 : 170L/min, 400W 3 유입구 1 32A 12A 4 가용화반응기 ( 처리조 ) 25 L 5 유입조반송 32A 6 흡입순환펌프 저사양 : 25L/min, 350W 고사양 : 50L/min, 2.2KW 7 유입구 2 32A 12A 같다. Cavitation 에의한가용화를일으키기위해개발되어진본실험장치는그림 4.8 과. 그림 4.8 가용화장치 원수조에 40L 의원수슬러지를채운후수중펌프를작동하여반응기내부로슬러 지가들어가도록한다. 반응기 ( 총 25L) 에채워진슬러지는가압펌프의작용으로가용 - 53 -
화장치전체의교반과순환이일어나게한다. 그림 4.9 는본장치내에서가용화가일어나는과정을알기쉽게표현한것이다. 그림 4.9 물리적가용화장치개념도 1.2.2. 오존발생장치 오존을이용한슬러지가용화실험장치는아래그림에나타난바와같이크게오 존발생장치 ( 그림 4.10) 와반응조, 배오존장치 ( 그림 4.11) 로나눌수있다. 그림 4.10 오존발생장치 그림 4.11 배오존장치 - 54 -
본실험에사용한오존은산소발생기로부터발생된산소의아크방전을통해생성되었으며오존접촉조하부에위치한산기석을통하여슬러지와접촉하도록하였다. 산소주입량을 3L/min으로하여오존이 10g/hr 로발생하도록하였다. 오존발생장치에대한자세한사양은표 4.4 에나타내었다. 표 4.4 오존발생장치사양 1.2.3. 탈질미생물반응조 탈질미생물의증식시키기위한반응조는그림 4.12 와같이먹이유입조, 반응조, 침전조로구성되어있다. 그림 4.12 탈질미생물배양조 - 55 -
유입수는표 4.4 과같은조성으로인공폐수를제조하여사용하였다. 탄소원은 Glucose 를사용하였으며, CODcr 이 255mg/L, 질소는 22mg/L, 인은 5.1mg/L 로 C/N 비 율이 11 이되도록운영하고기타미생물성장에필요한무기염류등을첨가하였다. 표 4.5 인공폐수의조성 표 4.6 인공폐수의유입농도 (20L기준) 성분 중량 (g) Item 농도 (mg/l) C 6 H 12 O 6 5.10 BOD 5 140 Starch soluble 0.18 CODcr 255 KNO3 3.00 T-N 22 KH 2 PO 4 0.450 T-P 5.1 NaHCO 3 6.00 SS 114 탈질반응조는표 4.7 과같은조건으로운전되었다. 반응조가정상적으로잘운영되고있는지판단하기위하여주 2회유입수및유출수의질산성질소를측정하여처리효율을측정하였다. 또한 DO, PH, MLSS, ORP를주기적으로측정하였다. 약 2개월동안의미생물적응기간이경과한이후에정상상태에도달한반응조의운전결과는다음과같다. SCOD는제거효율 95% 이상이었으며, 15 mg/l이하로처리되었다. 침전조에서는 sludge wash-out 현상이발생하지않았으며유출수의 SS는 5 mg/l이하를유지하였다. 반응조의 SCOD의제거는탈질박테리아에의하여 NOx-N을전자수용체로하는무산소호흡이진행되면서탄소원으로사용된결과이다. NO3-N 의경우유입농도가 23 mg/l일때유출수의농도는 3~4mg/L 을보여 84% 의안정적인제거효율을보였다. - 56 -
표 4.7 탈질반응조의운전조건및운전결과 MLSS BOD COD SS 항목 Conc. Unit 항목 Conc. Unit ph 6.5~7.5 처리용량 20.0 L/day Temp 20~2 5 폭기조용량 8.6 L 폭기조 2000 mg/l 유입유량 13.89 ml/min 반송농도 8000 mg/l 유출유량 13.89 ml/min 폐기농도 8000 mg/l Influent 150 mg/l Effluent 8.0 mg/l Removal(%) 95% 간헐폭기 / 비폭기시 ORP 간 30 분후 슬러지부피 Influent 225 mg/l SVI 비폭 기 40min/20min -100~450 mv 250 ml/l 유지 80~150 ( 120) Effluent 12.0 mg/l SDI 0.7 이상 0.8 Removal(%) 95% HRT 8.26 hr Influent 100 mg/l F/M 비 0.17 Effluent 5.0 mg/l BOD 용적부하 0.35 125 Kg BOD/Kg MLSS day Kg BOD/ m3 day Removal(%) 95% 반송률 0.50 Q Influent 23 mg/l 반송유량 6.94 ml/min T-N Effluent 3.5 mg/l SRT 13 day Removal(%) 84% 0.00017 m3 /day T-P Influent 5.0 mg/l 슬러지폐기량 0.0072 L/hr Effluent 2.5 mg/l 7.17 ml/hr Removal(%) 50% 0.12 ml/min - 57 -
1.2.4. 메탄미생물배양조메탄미생물배양조는원형으로유효용적은 6L( 총용적 6.8L) 이고아크릴로제작되었으며반응조내의교반을위해모터를이용하여 40rpm 에서운전하였다. 반응기가설치된항온조는공기가열식히터로온도를유지하였고, 연구기간동안 35±1 로일정하게온도가유지되도록하였다. 발생된가스는 counter weight가부착된부상식원통형에포집하여가스량을측정하였고, 가스포집시가스의용해를막기위하여황산을가한포화식염수 (ph 2) 를채웠다. 반응기상부에 rubber septa 를설치하여생성가스의성상분석을할수있도록하였다. 그림 4.13 메탄생성반응조 - 58 -
1.3. 실험재료가용화 (Cavitation) 실험에사용된슬러지는남양주시 H하수처리장의 2차침전슬러지를사용하였다. 슬러지의원수를분석한후그성상의변화가일어나지않도록 4 의냉장고에보관해두었다. 가용화실험에사용된슬러지의수질특성은표 4.8 과같다. 표 4.8 슬러지의수질적특성 항 목 폐활성슬러지 Total suspended solid (mg/l) 3800 ± 500 Volatile suspended solid (mg/l) 3100 ± 200 Total COD (mg/l) 3800 ± 70 Soluble COD (mg/l) 70 ± 30 탈질미생물반응조에사용된슬러지는남양주시 H하수처리장의최종침전지에서반송되어지는슬러지를채취하여사용하였다. 반응조의원활한운전을위하여 SS가 2000mg/L 가되도록희석하였다. 메탄미생물생성을위해사용된식종균은경기도의정부소재의하수 분뇨처리장의혐기성소화조에서채취한미생물을중력침강에의해농축시킨후사용하였다. MLSS농도는초기 VSS 농도가 4000mgVSS/L 가되도록조절하여주입하였다. - 59 -
1.4. 실험방법 1.4.1. Cavitation 에의한가용화실험가용화장치에대한효과를알기위해실험조건에변화를주어성능에대한비교분석을하였다. 그실험조건은표 4.9 와같다. 표 4.9 가용화실험의실험조건 Run number 실험조건 ph Run1 Run2 Run3 단순원통반응기 ( 반응기1) + 저사양펌프 ( 펌프1, 145L/min, 250W) 단순원통반응기 ( 반응기1) + 저사양펌프 ( 펌프1, 145L/min, 250W) 공동화장치용반응기 ( 반응기2) + 고사양펌프 ( 펌프2, 170L/min, 400W) 7 7 7 Run4, 5 슬러지의 ph 조절 (8.5, 9.5) 후가용화 8.5, 9.5 여기서단순원통반응기란반응기내부에특별한구조물이들어있지않은것을말한다. 공동화 (Cavitation) 장치용반응기는반응기내부에공동화현상을위하여복잡한구조물이부착된것을말하며이는반응기내부의공동화를적극적으로유도하게된다. 가용화실험을통하여다음의조건들에대한비교결과를구하게된다. 1 반응기형태및펌프사양에따른가용화 : 펌프의힘에따른캐비테이션효과파악및연구 2 SS 농도에따른가용화 : 생물슬러지의농도에대한파괴및분해 3 ph 에따른가용화 : ph 변화 ( 7. 8.5, 9.5) 에의한파괴및분해 가용화실험시간은최대 180 분으로하였으며반응기가일정하게이루어지게하기위하여유량계를이용하여조절해주었다. 채취즉시시료의 MLSS, PH, 온도를측정하였으며, SCOD, TSCOD, 상등수COD를중심으로분석하였다. 분석항목에따른시료의채취및전처리방법은표 4.10 과같다. - 60 -
표 4.10 분석의전처리방법 실험재료 2차슬러지 운전시간 (min) 0~180min 총반응시료량 원수조 40L + 반응기 25L TCOD 혼합슬러지의 COD 측정 SCOD 1µm 으로여과된슬러지의 COD 측정 상등수 COD 1시간동안슬러지를침전시킨후상등수의 COD 측정 1.4.2. 오존처리에의한가용화 오존발생기의산소발생량은 3L/min, 오존주입량은 10g/hr 로고정하였다. 고형물에대한오존주입비율은밑의실험식을이용하여계산하였다. 오존주입비율 접촉시간 min 송기량 min 오존주입농도 흡수율 슬러지부피 min min 계산결과본실험에사용된오존주입비율은 0.074 go3/gss이다. 오존처리에의한가용화장치는그림 4.14 에나타낸바와같이직경30cm 의원통형아크릴재질로제작되었으며총용량은 14L 이며반응유효부피는 6.8L 이다. 반응조를통과하여나가는오존은배오존장치를통하여배출되게하였다. 그림 4.14 오존주입에의한가용화장치 - 61 -
오존주입에의한가용화정도를알아보기위하여표 4.11 과같은실험조건으로실험 을수행하였다. 표 4.11 오존주입에의한가용화의실험조건 항목 오존처리시반응시간의효과 가용화 + 오존처리 실험조건 슬러지에오존주입후 25 분동안반응 3 시간가용화시킨후 25 분동안오존처리 1.4.3. 가용화액을이용한탈질처리 본가용화장치에의해얻어진슬러지가외부탄소원으로서의장점을가질수있는 지를알아보기위해그림 4.15 와같은회분식탈질실험장치를사용하였다. 그림 4.15 회분식탈질장치 메탄올과의비교실험을통해 NO3-N의측정을통해탈질율및탈질화속도를분석하여외부탄소원으로서의활용가치를평가하고자한다. N원으로 KNO3를사용하여, 가용화된슬러지의 SCOD는 300mg/L, NO3-N는 60mg/L 로 C/N비가 5가되도록조정하였다. 메탄올또한 C/N 비가 5로하였으며온도에대한영향을알아보기위해 2 0, 25 로하여온도변화를주었다. - 62 -
회분식장치는탈질미생물반응조에서키워진탈질균 500ml, 기질 500ml 를주입하여총용량 1000ml 로하였다. 반응장치의교반속도는 80rpm 으로하여최대한낮은속도로완전혼합이일어나도록해주었다. 실험에사용되어진반응기질 ( 외부탄소원 ) 와운전조건은표 4.12 와같다. 표 4.12 회분식탈질실험운전조건 항목 메탄올주입 1 2 가용화슬러지주입 MLSS (mg/l) 2000 2000 2000 C / N 비율 5 5 5 SCOD (mg/l) 200 200 150 NO3-N 38 38 28 온도 ( ) 20 25 25 PH 7.2 7.2 7.2 ORP(mV) -150 이하 -100 이하 -150 이하 온도, PH, DO, ORP meter 를통해반응장치의상태를계속측정함으로써운전 조건이잘이루어져활발한탈질반응이일어날수있도록하였다. 반응시간은최대 6 시간 (300 분 ) 까지하였다. 1.4.4. 가용화슬러지를이용한메탄발효실험 그림 4.16 회분식장치 - 63 -
가용화슬러지의메탄생성효율을알기위하여중온 (35±1 ) 에서회분식장치 ( 그림 4.16) 를사용하여수행하였다. 실험에사용된회분식반응기에는식종균 100ml, 기질 ( 가용화슬러지 ) 400ml 를주입하여실험하였으며, 혐기성조건을유지하기위하여그림 4.17 과같이 Ar gas로 10분동안탈기시키고밀봉한후실험을실시하였다. 그림 4.17 Ar gas를이용한회분식반응기의탈기회분식반응기는항온진탕기를이용하여중온 (35±1 ) 으로 60rpm 으로교반하였다. 실험기간은최대 15일로하여메탄발생량과메탄함량을측정하도록한다. 실험에사용되어진기질의조건은다음과같다. 표 4.13 회분식메탄실험의실험조건 유입수 구분 실험시 ph SCOD(mg/L) 가용화하지않은슬러지액 원수 7 200 가용화시킨슬러지액 (ph 7) 저농도 7 450 가용화시킨슬러지액 (ph 9.5) 고농도 7 870 원수는가용화되지않은슬러지로 SCOD 값은 200mg/L 의값을가진다. 본가용화장치에의해가용화되어진슬러지는저농도, 고농도로나누어저농도의경우 180 분동안가용화한 SCOD 459mg/L, 고농도는 ph 9.5 로가용화되어진슬러지를사용하여 SCOD의값이 870mg/L 가되게하였다. 회분식메탄실험시작시 ph 7로모두조절하여초기조건을같게하였다. - 64 -
1.4.5 탈수성능및인회수실험본연구에서원슬러지와가용화후의슬러지의탈수성능을비교하기위하여 CST 를이용한탈수성능실험도수행하였다. 우리나라의하수처리장에는보통원슬러지의경우인의농도가 3~4mg/L 가된다. 슬러지가파괴되거나붕괴되면서슬러지내에있던인의성분이유출되는사실을바탕으로가용화후의인농도를측정하여증가된인을응집제를이용하여침전시키고회수하여비료의성분으로재상품화시키는실험도수행한다. - 65 -
1.5. 실험분석방법 1.5.1 Cavitation 에의한가용화실험 Cavitation 에의한가용화실험에사용되어진분석항목과장치는표 4.14 와같다. 표 4.14 분석항목및장치 Items ph Temp TS SS SVI CODcr Methods Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH Standard Method (Dry oven, 105, 2hr) Whatman, England, GF/C, Dry oven, 105, 2hr Standard Method 18th edition Manganese Method (HACH DR-4000) T-N HACH DR-4000 CAT.NO : 27141-00 T-P HACH DR-4000 CAT.NO : 27672-45 1.5.2 가용화슬러지에의한가용화액을이용한탈질처리회분식탈질실험은시료를 5분 ~ 1시간의간격을두어 15ml 씩채취하여분석하였으며, 분석항목은온도, SCOD, NO3-N 을측정하였다. NO3-N의측정은시료채취즉시 Whatman membrane filter 1µm(5c) 여과후 1시간내로분석값을측정하였다. 회분식탈질실험의분석에사용되어진분석방법과기기는표 4.14 와같다. 표 4.15 시료분석방법및기기 항목방법및분석기기 Item Methods 온도 Hidrix T-P DR4000 ph Orion DO Orion MLSS 공정시험법 SS method ORP HORIBA D-52 Reactor Digestion Method Cadmium Reduction Method CODcr UV VIS Spectrophotometer NO3-N UV VIS Spectrophotometer DR4000, HACH DR4000, HACH - 66 -
1.5.3 가용화된슬러지를이용한메탄발효 회분식메탄실험에서메탄발생량은 100ml 용량의 galss syringe 를통하여실험기 간동안매일생산가스의양을측정하였으며, 그측정모습은그림 4.18 과같다. 그림 4.18 메탄가스발생량측정 가스의조성은 head space 내의가스를 gas tight syringe로 100 μl를취하여 conductivity detecter 를장착한 gas chromatography(agilent 6850 A) 를이용하여측정하였다. GC에사용된 column 은수소와메탄, 이산화탄소의농도분석을위해 6ftx1/8inch steel column with Porapak Q(80/100) 를이용하였으며, carrier gas로는 Ar를사용하였다. 수소분석의조건은 column 온도 60, injector 온도 120, detecter 온도 200 이었으며, flow rate는 20ml/min 으로유지하였다. 그림 4.19 GC 장치 - 67 -
2. 연구개발수행결과 2.1 CFD 시뮬레이션결과시뮬레이션은각각의조건에대해최신컴퓨터사양에서 8시간이상구동하여충분한수렴 (convergence) 발생하였을때결과를얻은것으로발산 (divergence) 의경우다시시작하여결과조건을도출하였다. 2.1.1 유속장 case1 유속장 ( 측면 ) case2 유속장 ( 측면 ) case1 유속장 ( 정면 ) case2 유속장 ( 측면 ) - 68 -
case3 유속장 ( 측면 ) case4 유속장 ( 측면 ) case3 유속장 ( 정면 ) case4 유속장 ( 측면 ) - 69 -
case5 유속장 ( 측면 ) case6 유속장 ( 측면 ) case5 유속장 ( 정면 ) case6 유속장 ( 측면 ) - 70 -
case7 유속장 ( 측면 ) case7 유속장 ( 정면 ) 유속장은유체의흐름과유속상태를볼수있다. 유속측면은하단왼쪽에서중간원통접선면으로유입되고내원통바닥에흡입순환펌프가있어우측으로순환라인이연결되어져있다. 중간높이이상의유출관을통해처리수가유출되며이유출수는저류조에서다시원수펌프에의해유입됨으로유입순환된다. 유속정면은유속측면을반시계방향으로 90도회전시켜놓은것으로유입관은정면에서들어가고내통바닥아래의흡입관은정면으로나온다. 그리고순환관은중간통하단왼쪽에서유입펌프에의해유입관을통해원수가유입된다. 중간높이이상에설치된유출관들은정면에서나오는모양이다. case1 은외통중간통, 내통에유체가골고루분포하고하고있으나 case 2 의경우수온만차이가나는데유체흐름이상이하다. 수온의경우 case 1과 case 4만 20도이고나머지는 50도로해석을하였는데 case4 의경우내부구조물이없는관계로가운데물의소용돌이정도가있는형태이다. 그러므로 case 4를제외한다면유체의순환은 case1 이좋고그이후의조건에서는캐비테이션발생가능성이높은편이다. - 71 -
2.1.2 압력장 case1 case2 case3 case4-72 -
case5 case6 case7 압력은파스칼기준으로나타내었으며대기압을약 100,000Pa로본다면그이하로진행되고있고 2300pa 정도되면포화수증기압조건이되어캐비테이션발생가능성이높아진다. - 73 -
case5 case6 case7 VOF는부피비율로서액체당기체가차지하는비율이다. 즉, 파란색은유체만빨간색은기체만존재하는부분으로 case 1만제외하고기체부분이존재하므로캐비테이션발생가능성이높다. - 74 -
2.1.3 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 측면보기 case1 case2 case3 case4-75 -
2.1.4 VOF( 기액비율 ) - 25 상태, 단면보기 case5 case6 case7 VOF 해석에서외통하단과중간통하단에기체공간이많이형성되어있었으며그중외통단면의 VOF를본것이다. case1과 4를제외하고수주가분리되어중간통단면부분은유체가없는것으로나타나있으므로캐비테이션발생가능성이높다. - 76 -
case1 case2 case3 case4-77 -
2.1.5 Isosurface of cavitation( 측면 ) case1 case2 case3 case4-78 -
case5 case6 case7 캐비테이션발생면을나타낸것으로서본그림은 VOF 16% 즉기체가 16% 로차지하는부분의동일면 (Isosurface) 를나타낸것으로이전 VOF를참조하면경향을알수가있다. Case1 VOF 16% 를나태내는등표면을보이지않고있으나나머지는조건에서는각각의조건에따라형상이나타내고있다. - 79 -
2.1.6 Isosurface of cavitation( 정면 ) case1 case2 case3 case4-80 -
case5 case6 case7 case5-1: case5 의 VOF 0.72 조건 현재 Isosurface of cavitation 해석은 VOF 16% 이나 case5-1 은 case5 에서 VOF 가 72% 일때를나타낸것이다. case 5 이상에서는대두분의결과가유사하게나타나고 있다. - 81 -
2.1.7 단면압력변화 ( 수직축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.20 단면압력변화 ( 수직축 ) - 82 -
2.1.8 단면압력변화 ( 수평축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.21 단면압력변화 ( 수평축 ) - 83 -
2.1.9 단면유속변화 ( 수직축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.22 단면유속변화 ( 수직축 ) - 84 -
2.1.10 단면유속변화 ( 수평축 ) case1 case2 case3 case4 case5 case6 그림 4.23 단면유속변화 ( 수평축 ) - 85 -
그림 4.20 ~ 4.23 은한수직축, 수평축에서압력변화와유속변화를나타낸것으로아래그림처럼수직축 ( 노란선 ) 은내통중앙가장긴선이고수평축 ( 노란선 ) 은중간통하단가운데를나타내고있다. 그림 4.20 ~ 4.23 해석에서수직축에대한내용은 x축좌가수직축아래를우가수직축위를나타내고, 수평축에대한내용은 x축좌가수평축좌를, 우가수평축우를나타낸다. 수직축 수평축 case 1을제외하면압력선해석에서하단부분에압력저하가가장크나유속은중간부분이가장빠른것으로나타나고있다. 수직축압력의경우각통의경계를잘보여주고있다. case 5이상은거의같은형상을하고있어조건변화의극한치를보여주고있다. 결론적으로유입조건 600lpm 과흡입순환조건 200lmp 를중심으로혼합과캐비테이션조건을볼수있었으며유입 600lpm, 흡입순환 200lmp, 수온 50 조건 (case 2) 이나유입 200lpm, 흡입순환 600lmp, 수온 50 조건 (case 3) 에서캐비테이션이발생하는것으로나타났으며 case 4를제외한 case5,6,7 은비경제적은것으로나타났다. 그러므로경제적인운전을위해서는유입과순환유량의합이 800 lpm을넘지않는것이중요하다. 본시뮬레이션에서전체적인해석은압력저하가높고유속이빠르며, 수온이높은조건에서캐비테이션이발생하기좋으며같은수온에서도압력저하와유속이빠른곳이캐비테이션이발생하기좋다. - 86 -
2.1.11 펌프형상고려앞서소개된내용은유량, 수온중심의변화였으나실제로펌프의사양 ( 펌프압이나임펠라형상등 ) 에따라서도처리효율이달라질수있다. 시뮬레이션에서고려된펌프는유입을위해수중펌프가이용되고흡입순환을위해볼텍스펌프가사용되어진다. (a) 유입 ( 수중펌프 ), (b) 흡입순환 ( 볼텍스 ) 펌프 그림 4.24 유기성고형물가용화장치에이용될수있는펌프 실제로는펌프형상 ( 케이스, 임펠라등 ) 등세부조건에따라결과가상이하게나올수있으나그림 4.24 처럼유입펌프는유량을많이보낼수있잇는수중펌프를흡입순환펌프는슬러지이송과압력전달에강한볼텍스를선정하여그림 4.25 와그림 4.26 처럼나타내었다. 본연구결과압력캐비테이션의발생, 성장및붕괴를적절히조절하기위해서는수온, 유속, 그리고압력에따라등의영향을많이미치므로향후에는압력변화를주어서이를활용할수있는부가장치를고안하고본연구의유기성가용화장치와결합한후실험과시뮬레이션을통해보다정확한설계인자를용이하게도출할수있을것이다. - 87 -