†To whom correspondence should be addressed. E-mail: 서론
세계적으로 도시화와 산업화, 인구증가에 따른 지구온난화 현상은 기후변화로 이어져 지속가능한 삶을 위협하고 있다. 이러한 기후위기 대응 방안에 동참하기 위해 기존 오염물질의 배출을 최소화하며 경제성도 갖춘 기술인 최적가용 기법을 이용해야 하는 가운데, 에너지 이용량 부분에서도 저에너지 기술이 최적가용기법으로 택해져야 한다. 특히, 수처리 시설은 많은 에너지를 소비하는 대표적인 공공인프라이다(Kim, 2021). 수처리 시설의 에너지 배출을 최소화할 수 있도록 설계하면 연료나 전력 접근성이 낮은 지역에서도 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 적정기술로도 사용될 수 있다. 최근 환경플랜트 분야에서는 에너지 소비량이 낮은 공정 개발이 주목받고 있으며, 이를 바탕으로 적정기술 기반 탄소저감형 시스템 연구가 진행되고 있다(Jung, 2023). 수처리 분야의 탄소배출량 중 가장 큰 비중을 차지하는 것은 펌핑과 송풍 등에 소요되는 전기소비량이다(Yoon et al., 2022). 용존공기부상(Dissolved Air Flotation)은 대기압보다 높은 압력으로 공기를 과포화시킨 가압수를 노즐을 통해 대기압에 방출시켜 압력이 낮아진 공기가 액상에서 나와 버블을 형성하며 표면으로 떠오르는 공정이다. 이때 생성되는 마이크로버블은 일반적으로 지름이 10~120 mm(평균 입경 40 mm)을 갖는다(Kim et al., 2001). 이 크기는 계면흡착 현상을 통해 수중의 많은 오염물질(SS, Colloid, T-S, T-N)을 분리하는 데 유용하게 작용한다(Lee, 2021). 기포가 입자에 충돌-결합하는 작용은 1) 플록입자에 기포의 부착, 2) 형성 된 플록에 의한 상승기포의 포집, 3) 플록 형성시 플록구조 내부에 기포의 흡착(adsorption) 등 3가지 단계적 반응으로 정의할 수 있다(Hyde et al., 1977; Vrablick, 1959; Jung et al., 2021). 기포의 크기가 작을수록 부착효율이 상승하며 고액 분리부상 속도가 빨라질 뿐만 아니라 미세기포의 수중 체류 시간을 유지시킬 수 있다. 그러나 용존공기부상(DAF)는 가압수를 발생시키기 위해 포화기(가압탱크)를 사용하여 물과 공기를 450~600 kPa로 가압시켜 운영하기 때문에 DAF 전체 운전 비용의 50 %를 차지하며 약 0.3 kWh/m3에 이르는 높은 에너지가 소비된다(Palaniandy et al., 2010). 저에너지형 미세기포 발생장치는 기존 DAF와 달리 포화기 없이 미세기포 발생의 3가지 요소기술을 통합한 부상장치이다. 저에너지형 미세기포 발생장치는 공기주입장치(Multi Inner Injector)를 통해 공기가 쪼개지며 주입되며 주입된 공기가 챔버(Chamber)내에서 물과 균일하게 혼화되며 미세기포를 생산하는 노즐(Nozzle)을 통해 마이크로버블을 생산한다. 이는 기존 DAF에 비해 55%의 에너지를 절감한다는 연구결과가 있다(Shahi et al., 2022). 이에 따라 본 연구에서는 최적 가용기법 내 수중 부유 물질 처리 기술 중 하나인 용존공기 부상법(DAF)을 대신하여 저에너지형으로 미세기포를 발생시키는 미세기포 발생장치와 기존 용존공기부상법(DAF) 및 응집-침전공정의 처리 효율을 비교하고자 하였다.
연구 재료 및 방법
1. 저에너지형 미세기포 발생장치
본 연구의 저에너지형 미세기포 발생장치는 펌프, 공기주입장치, 챔버, 노즐로 구성되었다. 펌프는 wilo사의 자흡식 급수용 WJ-203M을 사용하여 운전하였으며 수동식 인버트를 장착하여 운전하였다.
공기주입장치는 Fig. 2 (a)와 같이 Venturi tube 부분에 빠른 유속에 의해 공기가 깎여 나갈 수 있도록 바늘을 깊숙이 넣어 큰 기포가 작은 기포로 생산될 수 있도록 유도하였다. 또한 4개의 inlet에 에어 펌프를 사용하여 일정 공기를 주입하였다. 챔버는 공기와 물의 안정적 흐름 제어를 위해 다이아몬드 기둥 타입으로 제작하였으며 수류 안정판을 이용해 최적화하였다. 노즐은 Fig. 2(c)와 같이 미세기포 발생량 증가를 위해 원뿔형으로 제작하였다. 운전조건은 Table 2와 같다.
3. 원수
본 실험의 원수는 오염물질인 수처리 분야에서 제거 대상인 녹조를 부상물질로 하여 제거하고자 하였으며 실제 안동시 저수지의 녹조를 사용하여 실험을 진행하였다. 원수의 특성은 Table 3와 같다.
결과 및 고찰
1. 공기 주입율
Fig. 4와 같이 적정 공기 주입율 선정을 위한 실험에서 DAF에 의해 생산된 마이크로 버블의 D50은 33.95 mm이며 저에너지형 미세기포 발생장치에 5 ml/min의 공기를 주입할 경우 D50은 38.35 mm이다. 이후 저에너지형 미세기포 발생 장치에 공기 10, 15, 20 ml/min이 주입되는 동안 D50의 값은 큰 변화가 없었다. 그러나, 공기 주입이 30 ml/min이 된 경우 D50이 23.45 mm로 감소하였으며 가장 낮은 마이크로버블의 생성을 보여주었다. 누적 버블량은 5 ml/min에서 최대로 버블이 생성되었다. 저에너지적인 측면과 누적 버블량을 고려할 때 최적 공기 주입량은 5 ml/min으로 결정하였다.
2. 응집제 주입율
적정 응집제 주입율 선정을 위한 실험에서 탁도의 제거효율은 Fig. 5 (a)와 같다. 탁도의 처리 효율은 모든 농도에서 저에너지형 미세기포 발생장치가 응집-침전 공정에 비해 처리 효율이 높게 나타났다. 응집제 주입농도 2 mg/L에서는 저에너지형 미세기포 발생장치의 탁도 제거율이 82%에 달했으며 16 mg/L에서는 100%에 달하는 제거율을 보여준다.
UV254와 DOC의 제거효율은 Fig. 5 (b), (c)와 같다. 실험 결과 저에너지형 미세기포 발생장치와 응집-침전 공정은 유사한 결과를 나타내었다. 이는 두 실험이 0.45 mm의 필터를 통해 용존된 시료로 분석되었기 때문에 유사한 값이 도출된 것으로 사료된다. 세 물질의 제거 효율은 저에너지형 미세기포 발생장치와 응집-침전 공정 모두 응집제의 주입농도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 그러나, Song(2016)이 언급한 것과 같이 응집제의 과다 주입은 응집 효과에 악영향을 미칠 수 있으며 인체에 유해할 수 있다. 그러므로 적정량에 따라 저에너지형 미세기포 발생장치의 응집제 최적 주입 농도는 4 mg/L로 결정되었다.
결론
1) 본 연구의 공기 주입율 실험에서, 공기 주입율이 증가할수록 크기가 작은 마이크로버블의 발생이 나타났으며 이는 기포의 크기가 작을수록 부착효율이 상승하는 효과를 나타낼 수 있다. 그러나 에너지측 관점으로 수처리장에서 발생하는 탄소배출 중 송풍에 사용되는 전기에너지 사용이 상당하며 저에너지형 미세기포 발생장치에 5 ml/min의 공기를 주입할 경우 DAF와 유사한 크기의 마이크로버블을 생성할 수 있기 때문에 5 ml/min의 공기 주입이 결정되었다.
2) 본 연구의 응집제 주입율 실험에서, 응집제 주입농도 8 mg/L 이하에서 저에너지형 미세기포 발생장치는 응집-침전 공정에 비해 탁도 제거율이 1.3~2.5배 높은 결과를 나타냈다. 이는 수중 부유 물질 제거에 있어 저에너지형 미세기포 발생장치는 응집-침전 공정에 비해 낮은 응집제 주입농도로 큰 탁도 제거가 가능함을 나타낸다.
3) 본 연구는 최적가용기법인 저에너지형 미세기포 발생장치를 DAF, 응집-침전 공정과 비교하며 탄소배출이 적게 발생하며 성능 또한 우수한 저에너지형 미세기포 발생장치의 결과를 보여줌으로써 산업현장이 수중 내 부유물질을 제거할 때 해당 기술이 유용하게 사용됨을 시사했다.
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