국산 DAF 펌프의 기포농도 및 부상 효율에 대한 연구

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

안대명, 이창한, 최윤찬*, 조석호, 안갑환, 김성수

부산가톨릭대학교 산업환경시스템학부, *부산발전연구원

Bubble Concentration and Flotation Efficiency in Domestic DAF Pump

An Dae Myung, Lee Chang Han, *Choi Yoon Chan, Cho Seok Ho, Ahn Kab Hwan, Kim Sung-Soo

School of Env. Sys. Eng. and Industrial Hygiene, Catholic University of Pusan,

*Pusan Development Institute

1. 서론

DAF(dissolved air flotation)공정은 상수처리 system에서 기존의 침전공정을 대체할 수 있는 효과적인 대안으로 부상하고 있다. 특히 저탁도, humic substance, 자연적인 색도 및 조류 등을 함유한 원수의 처리에 유용한 공정으로 알려져 있다[1][2].

기존의 DAF 공정은 고압순환수펌프, 공기압축기, 공기/순환수 접촉탱크(가압수조)로 구성되어 있어 장치가 복잡하고 운전이 어렵다. 이에 비해 DAF pump는 순환수 pump로 기존의 DAF 공정의 모든 기능이 pump 내에서 함께 실현되도록 설계되어 보다 간단한 구조의 DAF 공정을 구성할 수 있다.

DAF process의 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 인자는 생성된 기포의 입경과 입경분포이다. 본 연구는 국내에서 개발중인 DAF 펌프를 이용하여 DAF process를 구성할 경우, DAF process의 재기능을 발휘할 수 있도록 국산 DAF 펌프의 방출량 및 공기용해효율, 기포의 평균입경 및 분포를 측정하여, 국산 DAF pump 성능 향상을 위한 기초자료로 삼고자한다.

2. 실험

2-1. 장치

1) 가압수조

본 실험에서 사용된 가압수조는 직경 10cm, 높이 35cm의 원통형으로 수조압력 3∼5 kgf/□의 운전범위에서 실험을 행하였다.

2) 국산 DAF pump 및 실험수조

실험에 사용된 국산 DAF pump는 DAF40((주)신신기계)를 사용하였으며, pump의 운전을 위해 pilot 규모(1750x900x1190mm)의 수조를 제작사용하였다. Table 1은 사용된 DAF40의 일반사양을 나타내었다.

Table 1. Specification of domestic DAF pump (DAF40)

Capacity	0.07□/min	Back Vane Size	□270mm
Motor Power	5 HP	Impeller Size	□140mm

2-2. 기포의 평균입경 및 분포

평균 입경의 기포 부상셀 및 현미경을 통한 화상분석을 이용하였다. 부상셀의 크기는 100x300x3mm로 부상셀 하부로부터 가압수를 대기압으로 방출하여 셀 하부에서 상부로 부상되고 있는 기포의 거동을 현미경 및 CCD 카메라로 실시간 입력받아 Image Analyzer를 통하여 기포의 크기를 실측하였다.

화상분석에 의한 기포측정은 조작이 불편하며 입도분포 측정이 곤란하고 데이터의 대표성에 대한 의문점이 문제점으로 지적되어 왔다. 최근에 이러한 화상분석에 대한 문제점을 보완하기 위하여 particle counter에 의한 기포측정기술이 문헌에서 소개되고 있다[3].

본 연구에서도 국산 DAF pump의 효과적인 성능시험을 위하여 입도분석기(Model 780 AccuSizer, Particle Sizing Systems, Inc., USA)를 사용하여 기포입자의 분포를 측정하였다.

동일 조건하에서 화상분석을 통한 평균입경과 입도분석기에서 측정된 결과를 비교하여 입도분석기에 의한 기포측정의 타당성을 확인하였다. Table 2는 두 방법에 의한 측정결과를 나타내고 있으며, 모든 항목에 대해 비슷한 결과를 보여주고 있다.

Table 2. Size characteristics of bubbles

	Size Range(□)	Averrage Size(□)	d70*
Image Analyzer	20∼100	40	99.7 %
Particle Size Analyzer	10∼100	43	97.8 %

* probability of bubble size smaller then 70□

Fig. 1은 5 kgf/□에서 운전되고 있는 가압수조형 DAF 공정과 국산 DAF pump에서 생성된 기포의 입경을 비교한 결과이다. 두 경우의 평균입경은 비슷하나 입경분포는 가압수조형이 좁은 범위에 분포하는 것과는 달리 DAF pump에서는 비교적 넓은 입경분포를 나타내고 있다. 이것은 DAF pump에서는 물/공기 접촉시간이 가압수조형에서 보다 짧아 넓은 기포입경분포를 가지는 것으로 생각된다.

Fig. 1을 통하여 측정된 DAF pump의 기포의 크기는 5 kgf/□의 운전조건에서 43□로 일반적인 DAF 공정에서의 과포화된 공기의 평균기포경은 Rich[4]에 의하면 70∼90□로서 Zabel[1]은 10∼120□ 범위의 미세기포이며 평균직경이 30∼40□으로 보고하였다. 본 연구결과는 Zabel 등의 연구 결과와 잘 일치한다.

Fig. 1 The bubble size distribution of 5kgf/cm2

saturator and DAF pump

Fig. 2 The suction air volumn conc. for flow rates

by DAF pump

2-3. 공기 방출량 및 용해율

공기의 가압용해는 Henry의 법칙을 따르지만 용해장치의 형식, 용해시간, 액의 성상에 따라 포화용해량이 변화한다. 따라서 국산 DAF pump를 사용하는 시스템에 대해서도 용해 공기량을 측정할 필요가 있다.

본 시스템에서 발생되는 기포의 체적 농도는 flotation column의 상부를 밀폐하여 공기가 누출되지 않는 상태에서 국산 DAF pump의 압력과 유량을 실험조건에 따라 변화시키면서 측정하였다. 공기의 방출속도는 column의 상단에 설치된 bubble soap meter를 이용하여 측정하였다. Fig. 2는 국산 DAF pump의 유량에 따른 공기의 유입량 변화를 나타내었다. Pump 내 공기의 유입량은 pump에 설치된 공기유입구를 완전개방한 상태에서 측정하였으며, pump 유량이 증가할수록 유입 Air도 증가하였다.

Fig. 3은 유입 및 유출수가 모두 공기에 완전 포화되어 운전되어진다고 가정하고, 유입 공기농도에 대해 방출되는 공기의 농도를 표시한 것이다. Fig. 3에서 유입되는 공기농도에 비해 방출되는 공기의 량이 현저히 적게 나타나는 것은 유입되는 공기가 pump및 수송관 내부에서 일부만 용해되고, 잔류 공기는 유출수와 함께 방출됨을 의미한다. Fig. 4는 Fig 3의 결과를 가압수조형 DAF process와 비교하여 도시하였다. 일반적인 가압수조형 DAF process에서 공기용해효율이 70%인 것에 비하여 국산 DAF pump를 사용한 경우 사용가능한 효율은 유입량에 대하여 약 40%를 차지하고 있다. DAF pump의 운전 효율을 높이기 위해서는 수송관 내부에서의 접촉시간을 높일 필요가 있음을 나타내고 있다.

Fig. 4. The comparison of emission ratio between

saturator and domestic DAF pump

2-5. 처리효율실험

Fig. 3. The emission air volumn conc. by DAF pump

국산 DAF pump를 이용한 탁도제거효율은 50과 100□/□의 카올린(Junsei Chemical) 부유액을 Jar tester에서 응집시켜 10%의 순환비로 가압수를 주입하여 부상시킨 후 원수와 처리수의 탁도차로서 측정하였다. 탁도는 탁도측정계(2100N IS Turbidimeter, HACH)로서 측정하였다. 응집제는 황산알루미늄(Al2(SO4)3·13∼14H2O)을 0.5∼3.0□ Al2O3/□의 농도로 조절하여 사용하였다. 응집조건은 완속교반과 급속교반을 각각 150rpm에서 1분과 20rpm에서 20분으로 하였다. 가압수조형 실험은 상·하부에 시료채취구가 부착된 1 □용량의 원형 실린더에서 실험하였다.

가압부상을 위한 전처리 조건으로서 응집제 첨가량에 따른 탁도변화를 Fig. 5에 나타내었다. 50과 100□/□의 카올린 농도에서는 1.5 □ Al2O3/□를 주입하였을 때, 2.26∼2.74 NTU로서 95.54∼96.94%의 비교적 양호한 탁도 제거효율을 보였다. 처리성능의 비교실험에서는 1.5 □ Al2O3/□로서 응집제 주입량을 고정하였으며, DAF pump type과 saturator type의 처리성능은 Fig. 6에 나타내었다. 상기 두 system의 탁도 처리효율은 50∼100□/□의 카올린 농도에서 각각 95.54∼96.94%와 70.57∼68.28%로서 saturator type에 비해 DAF pump type은 25%정도 처리효율이 낮게 나타났다. 이는 saturator type에 비해 DAF pump type의 공기방출량이 40%정도 낮았기 때문에 처리효율이 감소한 것으로 생각된다.

Fig. 6. Removal efficiency comparison of DAF pump

versus saturator type.

Fig. 5. Relationship between coagulant dose and

kaolin concentration.

3. 결론

본 연구는 개발 중인 국산 DAF pump를 이용하여 DAF process의 운전에 중요한 영향을 미치는 기포 입자의 평균반경 및 분포, 공기 방출효률 및 수처리 효율에 대하여 실험하고 saturator type과 비교하였다.

발생되는 기포의 평균입경은 43□, 기포의 크기 분포도 Saturator type과 거의 유사한 형태를 보여 국산 DAF pump의 사용가능성을 확인하였다. 국산 DAF pump의 기포 방출량은 이론량의 40%로 기존 saturator type에 비해서는 다소 떨어지나 system의 구조 변경 등을 통하여 saturator type에 근접할 수 있으리라 생각된다. 또 탁도 처리효율은 70%정도 였다.

4. 참고문헌

1) Zabel T., J. AWWA, Annual conference, p109 (1985)

2) Malley, J.P. and Edzwald, J.K., J. AWWA, Vol. 83., No. 9, pp56-61(1991)

3) 한무영, 박용호, 이준, 2001년 대한상수도학회 한국환경학회 공동추계학술발표회 논문집, p297-300(2001)

4) Rich, L.G, Flotation Processes: Environ- mental Systems Engineering, McGraw-Hill, International Studenet ed., pp346-351(1973)

5) Johannes H. and Sandra S., J. AWWA, Vol. 89, pp71-82 (1997)

사사

본 연구는 환경부 2001 차세대 핵심환경기술 개발사업(과제번호: 2001-11202-27-1) 지원으로 수행되었으며, 관련기관과 (주)신신기계의 지원에 감사드립니다.