Dual Impeller를 이용한 표면 폭기조에서의 산소전달 속도와 Mixing 효과에 대한 연구

강전한, 이창하, 함승주, 문흥만*

연세대학교 화학공학과, 대성산소*

Studies on the Overall Oxygen Transfer Rate and Mixing Effect in a Oxygen Activated Sludge System Equipped with Dual Impellers Using Surface Aerator

Jun-Han Kang, Chang-Ha Lee, Seungjoo Haam, Heung-Man Moon*

Fluid Mixing Tech. Laboratory

Dept. of Chemical Engineering, Yonsei University, Daesung Oxygen Co.*

서론

표면 폭기 방식을 사용하는 활성슬러지법은 상대적으로 적은 폭기조의 규모를 필요로 하여 장점을 가지고 있으나, 산소의 용존 효율 및 mixing을 극대화하는 것이 과제로 남아 있다.  많은 변수들이 mixing 및 산소전달에 영향을 미칠지라도 가장 중요한 변수는 impeller의 모양과 교반속도이다. 다른 모양의 impeller는 서로 다른 flow pattern을 발생시키고 이것은 bubble의 거동 및 mixing에 지대한 영향을 미친다. 결국 산소전달과 mixing time은 impeller의 형상과 조합을 변화시킴에 의해 향상될 수 있다. 본 연구에서는 산소의 이용효율을 극대화하고 슬러지의 효과적인 mixing을 위해 dual impeller시스템의 조합을 변화키면서 총괄 산소전달계수와 mixing time을 고찰되었다.

이론

물과 산소의 계면에서 발생하는 전달현상은 two-film theory에 의한 다음의 비정상상태 물질수지식에 의해 표현된다.

(1)

여기서, C   = 용존 산소 농도 (mg/L)

C*  = 용존 산소 포화 농도 (mg/L)

KLa  = 산소전달계수 (min-1)

t    = 시간 (min)

총괄 산소전달계수는 식(1)을 비선형 회귀법으로 curve fitting함에 의해  계산되고 식 (2)에 의해 .20℃의 값으로 보정된다.

(2)

여기서,  KLa(T)  = 실험에서 측정된 산소전달계수 (min-1)

KLa(20)  =  20C에서의 산소전달계수 (min-1)

□    =  온도 보정 계수 (1.024)

실험

실험은 0.66m(내경) 너비의 정방형 사각조에서 수행되었고 실험장치 개략은 그림 1.에서 보여진다. Rushton (RT), pitched blade upflow turbine (PBUT),pitched blade downflow turbine (PBDT) 등 3가지 모양(D=0.22m)의 impeller가 사용되었고 각각 상위, 하위로 위치를 변화시키면서 조합되었다. (RT-PBUT, RT-PBDT, PBDT-PBDT, PBUT-PBDT: 상위-하위) 초기에 질소로 purging하여 초기 DO를 0까지 떨어뜨린 후 headspace에 산소를 연속적으로 공급하여 DO의 변화를 probe로 관찰하였다. DO값은 공간적 농도 편차를 측정하기 위해 그림 1.에서처럼 두 곳에서 측정되었다,

Mixing time은 starch iodine 용액이 sodium thiosulphate에 의해 탈색되는 반응을 CCD 카메라로 촬영 후 균질화 되는 과정을 image processing에 의해 가시화 함에 의해 측정되었다.

그림1. 실험장치 개략도

결과 및 토론

1. 산소전달

Impeller의 회전은 물 표면에서 산소 bubble을 발생시키고 발생한 bubble을 tank 전체로 분산시키는 원동력으로 물질전달 특성에 심오한 영향을 미친다. 그림2. 총괄 산소전달계수가 impeller의 조합에 크게 영향을 받는다는 것을 명확히 보여준다. 상위 impeller가 RT인 경우에 하위 impeller가 PBDT라면 산소전달 효율은 RT가 상위에서 홀로 조작되고 있을 때보다  오히려 떨어지는 것을 볼 수 있다. 반면, 하위 impeller가 PBUT인 경우는 RT, RT-PBDT의 조합보다 산소전달 효율이 향상됨을 알 수 있다. 이것은 명확히 각 조합에 의해 변형되어진 물의 flow pattern이  bubble의 체류시간을 늘리고 단면적을 늘리는 방향으로, 또는 그 반대로 bubble의 거동에 변화를 주어 산소전달에 영향을 미치기 때문이다. 또한 이러한 flow pattern은 critical aeration speed(bubble이 물 속으로 포집되어 균일하게 분산되는 속도)와 동력소비에도 직접적으로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그림에서 보여지듯이 DT-PBUT의 조합이 가장 좋은 산소전달효율을 보임을 알 수 있다.

2. Mixing time

Mixing time측정의 결과는 위에서 설명한 산소전달과 반대이다. RT-PBDT조합은 bulk mixing 에 용이한 flow pattern을 제공한다. 표 1.은 이 조합이 RT-PBUT 조합보다 mixing time이 15%정도 향상됨을 보여준다. PBUT-PBDT조합은 RT-PBDT조합과 유사한 flow pattern을 보일 것으로 예상되며 표 1.에서 보듯이 mixing time에 있어서도 차이를 보이지 않았다.

결론

산소전달에 있어서는 RT-PBUT가 가장 좋은 효율을 보였으나 mixing time에 있어서는  RT-PBDT가 RT-PBUT보다 나은 성능을 보였다. 표면폭기조에서의 산소전달과 mixing은 impeller의 형상과 조합에 영향을 받는 물과 bubble의 flow pattern에 직접적으로 영향을 받기 때문이다. 따라서 상위 impeller가 RT일 때에는 공정, 조업조건에 따라 하위 impeller를 선정해야 하며 두 impeller사이의 거리도 고찰되어야 한다.

참고문헌

1. Metcalf & Eddy "Wastewater Engineering  treatment  disposal  reuse", The Third Edition, (1991), McGraw-Hill

2. W.Wesley Eckenfelder, Jr., "Industrial water pollution control", second

edition. Mcgraw-Hill

3. Linfield C. Brown and C. Robert Baillod, M.,  "Modeling and interpreting

oxygen transfer data" , ASCE, August, 1982, pp.607-628.