저에너지 순간 가압 방식을 활용한 최적가용기법(BAT) 수처리 효율 비교 연구
Comparison Study on Water Treatment Efficiency Applied Low-Energy Instant Pressurization Method as BAT
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Abstract
본 연구의 목적은 고압 포화수조를 사용하지 않고 저압 조건에서 안정적이고 균질한 미세기포를 대량으로 발생시킬 수 있는 순간 가압 부상법(Flash Pressurized Flotation, FPF)을 적용하여, 기존 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)과의 처리 효율 및 에너지 절감 효과를 비교·평가하고, 이를 최적가용기법(Best Available Technology, BAT) 관점에서 검토하는 데 있다. FPF 공정의 기포 발생 특성을 정량적으로 분석하고, 주요 운전 변수(오리피스 수, 플레이트 수, 노즐 형상, 유속, 압력)에 따른 영향을 평가하였다. 인공 호소수를 대상으로 실험을 수행하였으며, 기포 크기는 Particle Counter Method(PCM)로, 발생량은 Water Substitution Method로 산정하였다. 실험 결과, 오리피스 수 증가(5→15개)에 따라 평균 기포 크기는 4.3 ㎛에서 4.1 ㎛로 감소하였고, 발생량은 1.1 ㎖/L에서 1.5 ㎖/L로 증가하였다. 유속 2.04 L/min, 압력 2atm 조건에서 평균 기포 크기 26 ㎛, 발생량 60 ㎖/L로 상대적으로 우수한 기포 발생 특성을 보였다. 또한, 노즐 형상에 따른 비교 결과, 노즐 형상은 FPF형(2중 플레이트 구조)이 평균 기포 크기 31.5 ㎛, 발생량 51 ㎖/L로 가장 우수한 성능을 나타냈다. FPF와 DAF 공정 비교 결과, FPF 공정은 2 atm 조건에서 인 94.1%, 탁도 89.9%의 제거율을 보여, 동일 압력의 DAF 공정(인 30.1%, 탁도 33.1%) 대비 높은 처리 효율을 나타냈다. 에너지 소비량은 FPF가 0.0024 kWh/m³로 산정되어 DAF 대비 약 98% 절감되었다. 이러한 결과는 FPF 공정이 저에너지 운전에서도 미세하고 균질한 기포를 형성할 수 있음을 입증하며, 중·소규모 정수장 적용에 적합한 저에너지형 부상 공정이자 최적가용기법으로서의 가능성을 시사한다.
Trans Abstract
This study applies the Flash Pressurized Flotation (FPF) process, which generates stable and uniform microbubbles under low-pressure conditions without a high-pressure saturator, and comparatively evaluates its treatment efficiency and energy-saving performance against the conventional Dissolved Air Flotation (DAF) process from a Best Available Technology (BAT) perspective. The bubble generation characteristics of the FPF process were quantitatively analyzed by evaluating the effects of major operational parameters, including the number of orifices, number of plates, nozzle configuration, flow rate, and pressure. Experiments were conducted using synthetic lake water, where bubble size was measured by the Particle Counter Method (PCM) and bubble volume was determined by the Water Substitution Method. Increasing the number of orifices from 5 to 15 reduced the average bubble size from 4.3 μm to 4.1 μm and increased the bubble volume from 1.1 mL/L to 1.5 mL/L. Under a flow rate of 2.04 L/min and a pressure of 2 atm, the FPF process showed relatively superior bubble generation characteristics with an average bubble size of 26 μm and a bubble volume of 60 mL/L, while the FPF-type dual-plate nozzle exhibited the best performance, producing an average bubble size of 31.5 μm and a bubble volume of 51 mL/L. Compared with the DAF process at the same pressure, the FPF process achieved higher removal efficiencies for phosphorus (94.1%) and turbidity (89.9%), whereas the DAF process showed removal efficiencies of 30.1% and 33.1%, respectively. The specific energy consumption of the FPF process was 0.0024 kWh/m³, representing an approximately 98% reduction compared to that of the DAF process, demonstrating the potential of FPF as a low-energy flotation process suitable for small- and medium-sized water treatment plants and as a BAT.
서론
최근 기후변화와 수질 악화로 조류 발생 빈도가 증가하고, 이에 따라 수처리 기술의 효율성과 경제성을 동시에 고려하는 최적가용기법(Best Available Technology, BAT)이 주목받고 있다. BAT는 환경 영향을 최소화하면서 경제적 효율성을 제공하며, 특히 소규모 정수장에서 효과적으로 적용될 수 있다 (Maeng, 2024; Sharing and Technologies Incorporated, 2013). BAT를 통해 에너지 효율성과 운영비 절감을 동시에 실현할 수 있다. 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF) 공정은 고탁도 및 조류 발생 시 우수한 처리 성능을 보인다. 그러나 DAF 공정의 고압 포화수조는 에너지 소비가 크고 소규모 정수장에는 적용에 한계가 있다(Maeng et al., 2020). 이를 해결하기 위해 저에너지형 microbubble 발생 기술이 주목받고 있으며, 작은 기포는 미세 입자와의 접촉을 통해 효과적인 제거가 가능하다(Edzwald, 1995).
기존 DAF 공정에서 고압 포화수조 대신 저압에서 안정적인 미세기포를 생성할 수 있는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 순간 가압챔버(Flash Pressurized Flotation, FPF)를 적용하여 저압 상태에서도 미세기포를 안정적으로 생성할 수 있는 시스템을 제안한다. FPF 공정은 간단한 구조로 짧은 시간 동안 가압과 기계적 분사 효과를 통해 미세기포를 발생시키며, 기존 고압 포화수조보다 에너지 효율이 높고 설비비 절감이 가능하다(Nakatake et al., 2013; Han et al., 2007). 본 연구의 목적은 고압 포화수조 없이도 미세하고 균질한 기포를 생성할 수 있는 순간 가압 부상(Flash Pressurized Flotation, FPF) 시스템을 구축하고, 주요 설계·운전 변수(오리피스 수, 플레이트 수, 노즐 형상, 유속, 압력)가 기포 특성(기포 크기, 발생량)과 수처리 효율(탁도 및 인 제거)에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 데 있다. 또한 동일 조건에서 기존 용존공기부상(DAF) 공정과의 처리 성능 및 에너지 소비량을 비교하여, FPF 공정이 저에너지 기반의 최적가용 기법(BAT)으로 적용 가능한지를 검증하는 것을 최종 목표로 한다. 본 연구는 부상공정의 에너지 문제를 해결하면서 처리 효율을 유지하거나 향상시킬 수 있는 대체 기술을 제시한다는 점에서 중요한 학술적 및 실용적 의의를 갖는다. 또한, 본 연구에서 도출된 기포 생성 특성에 대한 정량적 분석 결과는 향후 micro-bubble 기반 수처리 공정의 설계 및 운영 조건을 검토하는 데 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
1. 실험 재료
1.1 원수 특성
본 연구에 사용된 원수는 국내 호소수 기반으로 조제하였다. 원수의 주요 성분은 Bacto-Yeast Extract (Difco, Michigan, USA), Kaolinite (DAEJUNG Chemicals, Korea) 등을 사용하여 조정하였으며, pH는 CH3COONa·3H2O(DAEJUNG Chemicals, Korea)로 버퍼링하였다. 또한, 인과 질소의 농도는 각각 K2HPO4 (DAEJUNG Chemicals, Korea) 와 NH4Cl (DAEJUNG Chemicals, Korea)로 조정하였다. 실험은 pH 7 ± 0.5 및 수온 22 ± 2℃에서 진행되었다. 원수의 주요 성분은 Figure 1에 나타낸 바와 같다.
Concentration of the prepared artificial lake water
2. 실험 장치
본 연구에 사용된 FPF 시스템은 펌프, FPF chamber, 및 nozzle로 구성되어 있다. FPF chamber는 스테인리스 재질로 제작되었으며, 내부에는 5개의 plate가 탈부착 가능하도록 설치되어 orifice를 통해 압력 강하 시 micro-bubble이 생성되도록 하였다. Nozzle은 동일한 재질의 고정형 구조로 2개의 plate와 다공성 orifice를 포함하며, 가압수를 분사하여 기포의 크기를 제어한다. 펌프는 양정 7 m, 토출량 44 L/min의 사양을 사용하였으며, 벤츄리형 공기흡입밸브를 통해 자연 흡입된 공기와 물이 혼합되어 FPF chamber를 통과하면서 미세기포가 형성된다. 시스템은 유입 공기량 500 mL/L, 회수율 35%의 조건으로 운전하였다. FPF의 처리 효율 비교를 위해 Jar-tester로 응집제를 주입하고, DAF 공정의 saturator(Fentium ISO9002, China)를 이용해 2,3,4 atm 조건에서 대조 실험을 수행하였다.
3. 실험 방법
3.1 응집 조건 및 수질 분석 방법
본 실험에서는 FPF 공정의 기포 크기 및 발생량 측정, 주요 운전 조건에 따른 처리 성능 비교, DAF 공정과의 효율 비교 실험을 수행하였다. 응집 보조제로는 Cation polymer (A-101P)를 사용하였다. 응집은 급속 교반(130 rpm, 5분) 후 완속 교반(50 rpm, 15분)을 거쳐 30분간 침전시킨 후 상등액을 샘플링하였다. 인 농도는 분광광도계(HACH DR5000TM, USA)와 분석 키트(Humas, Korea)를 이용해 측정하였으며, 탁도는 TURBI200ND(HACH, USA)로 측정하였다.
3.2 기포 크기 및 발생량 측정 방법
기포 크기와 발생량 측정은 Digital online particle counter (Chemtrac Model PC 2400 D, USA)를 사용하였다. PCM은 기포 크기 측정에 널리 활용되는 장비로, 미세기포의 수·크기를 실시간으로 계측할 수 있는 장점이 있다(Han et al., 2009). 2-80 μm범위에서 10 μm 단위로 측정하였고, 측정 유량은 100 mL/min으로 설정하였다. 또한 Water substitution method를 이용해 기포 발생량을 측정하였으며, FPF 공정을 통과한 처리수는 2L 플라스틱 반응조에 채워 발생한 기포의 부피를 매스 실린더로 측정하여 기포의 부피를 주입된 물의 부피에 대한 비율로 나타냈다.
3.3 FPF 공정의 운전 조건 설정
FPF chamber의 orifice 수는 기포의 크기와 발생량에 직접적인 영향을 미치며, 이는 오염물질 제거 효율에 중요한 역할을 한다. 일반적으로 DAF 공정에서 기포의 크기는 부상 분리존에서 50~150 ㎛ 범위로 알려져 있으며, 기포 발생량은 회수율 10%에서 5900 ppm 수준으로 나타난다(Edzwald, 2010). FPF 공정의 운전 조건은 오리피스 수(5, 10, 15, 20, 25개), 플레이트 수(1~5개), 노즐 형상(Table 1), 유속(1.08, 1.44, 1.68, 2.04, 2.16 L/min), 압력(1, 1.3, 1.5, 1.8, 2 atm)을 조절하여 기포 크기, 발생량, 처리 성능에 미치는 영향을 실험하였다.
Characteristics of nozzles
3.4 에너지 소비량 산정 방법
FPF 공정의 에너지 소비량을 평가하기 위해 시스템에 전력 측정기(Power Manager B200-U, Dawon D&S, Korea)를 설치하여 운전하는 동안의 전력 사용량(Wh)을 계측하였다. 계측된 총 소비 전력은 동일 조건에서 처리된 수량(m³)으로 나누어 단위 수량당 소비 에너지(kWh/m³)로 환산하였으며, 이렇게 산정된 값은 기존 문헌에서 보고된 DAF 포화조(3-6 atm) 및 ballasted DAF 공정의 에너지 사용량과 비교하여 FPF의 상대적 에너지 효율을 평가하였다.
결과 및 고찰
1. 기포 특성 분석 결과
FPF 시스템에서 생성되는 기포의 특성을 분석하기 위하여 챔버 구조 및 운전 조건별로 미세기포의 평균 크기와 발생량을 측정하였다. 챔버 내부 오리피스 개수를 5, 10, 15, 20개로 변화시킨 실험에서, 오리피스 개수가 증가할수록 기포 직경은 감소하고 단위 부피당 기포 발생량은 증가하는 경향을 보였다(Figure 2).
Average bubble size and generation rate by orifice variation in the FPF chamber
특히 오리피스 15개일 때 평균 기포 크기는 약 4.1 ㎛로 가장 작았고, 기포 발생량은 약 1.5 ㎖/L로 최대치를 나타냈다. 오리피스를 20개로 늘린 경우에는 기포 크기가 약 4.3 ㎛로 다시 커지고 발생량도 감소하여, 약 15개 부근에서 미세기포 생성의 최적 조건이 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 다공성 오리피스를 연속적으로 통과할 때 국부 유속이 증가하면서 압력이 순간 강하되고 그에 따라 기포가 미세화되는 현상으로 설명될 수 있다(Sander et al., 1994). 그러나 일정 수준 이상으로 오리피스 수를 증가시키면 유체의 에너지 손실이 커져 추가적인 기포 미세화 효과가 감소하는 것으로 판단된다.
FPF 챔버의 유입 유속을 변화시켜 기포 특성을 비교한 결과도 유사한 경향을 보였다(Figure 3). 앞서 결정된 최적 오리피스 수 15개를 유지하고 유입 유속을 1.08 L/min에서 2.16 L/min까지 높인 실험에서, 유속 증가에 따라 평균 기포 크기는 소폭 감소하고 기포 발생량은 증가하였다. 유입 유속 2.04 L/min에서 기포 발생량이 약 1.5 ㎖/L로 최고점을 보였고, 이를 초과하여 2.16 L/min까지 증가시켜도 발생량 증가가 거의 없었으며 평균 기포 크기도 0.02 ㎛ 정도만 더 작아지는 데 그쳤다. 따라서 에너지 효율을 고려할 때 최적 유입 유속은 약 2.0 L/min 수준으로 판단되며, 지나치게 높은 유속은 체류시간 감소와 난류에 의한 손실 증가로 오히려 기포 발생 효율이 저하될 수 있으므로 적정 범위 내에서 운전하는 것이 바람직하다.
Average bubble size and generation rate by flow rate variation in the FPF chamber
FPF 노즐 내부 형상 변화에 따른 미세기포 발생 특성을 분석한 결과, 노즐 유형에 따라 생성되는 기포의 크기와 양에 뚜렷한 차이가 나타났다(Table 2). 미세공 오리피스가 가장 촘촘한 A 형 노즐의 경우 평균 기포 직경이 약 48 ㎛로 가장 크고 기포 발생량은 약 28.8 ㎖/L로 가장 적었다. 반면 오리피스 수를 줄여 유입 공기 통로를 확대한 B 형 노즐에서는 더 작은 기포 직경 약 30 ㎛가 형성되고 발생량이 약 43 ㎖/L 수준으로 늘어났다. D 형 노즐은 B 형과 유사한 기포 특성을 나타냈으며, C 형은 상대적으로 기포 형성이 부족하고 탁도 제거율도 낮은 편이었다. 그중에서도 최적 구조를 적용한 FPF 노즐에서는 평균 약 31.5 ㎛의 가장 미세한 기포가 형성되었고, 기포 발생량도 약 51 ㎖/L로 타 설계에 비해 현저히 많았다. 이는 A 형 노즐 대비 기포 크기가 약 16.5 ㎛ 작아지고 단위 부피당 기포수가 2배 이상 증가한 것으로, 노즐 내부 구조가 미세기포 생성 효율에 매우 큰 영향을 미침을 보여준다.
Bubble characteristics according to nozzle configuration in the FPF process
챔버 내부에 다공성 plate를 설치하여 미세기포 분산 효과를 높인 경우에도 기포 특성의 뚜렷한 변화를 확인하였다(Figure 4). 노즐을 결합한 상태에서 plate 수를 1개부터 5개까지 변화시킨 결과, plate 2개 조건에서 평균 기포 크기가 약 25.9 ㎛로 가장 작았고 기포 발생량은 약 59.6 ㎖/L로 최대치를 기록하였다. 그러나 plate 수를 3개 이상으로 늘리면 오히려 기포가 굵어지고 발생량이 급격히 감소하여, plate 수가 많아질수록 기포 생성 성능이 저하되는 경향을 보였다. 예를 들어 plate 5개일 경우 평균 기포 크기는 ~28 ㎛ 수준으로 증가하고, 기포 발생량은 약 42 ㎖/L에 그쳐 2개 사용 시 보다 크게 감소하였다. 이는 plate 추가로 인해 챔버 내부 흐름의 전단력과 마찰 손실이 증가하고 실효 압력이 저하됨에 따라 기포 생성 효율이 떨어지기 때문으로 판단된다(Sato and Saito, 2002).
Average bubble size and generation rate by plate variation in the FPF chamber
이러한 기포 성능 변화는 FPF 챔버 내부의 유동 구조와 밀접하게 연관되어 있으며, 해당 구조는 Figure 5에 제시된 다단 챔버 구성에서 확인할 수 있다.
Schematic diagram of the FPF chamber
실제로 주입 압력 2 atm 조건에서 plate를 4개 이상 사용할 경우 챔버 내부 압력이 입구에서 출구까지 약 1 atm 수준으로 급강하하여 설정 압력을 유지하지 못하는 것으로 관찰되었는데, 이러한 내부 압력 변화 결과는 Figure 6에 요약되어 있다.
Internal pressure variation by plate configuration in FPF chamber
주입 압력 자체의 변화에 따른 미세기포 특성을 평가한 결과, 압력이 높아질수록 더 작은 기포가 다량 발생하는 경향이 분명하게 나타났다(Figure 7). 1 atm의 저압 주입 시 평균 기포 직경은 약 32 ㎛, 기포 발생량은 약 40 ㎖/L 정도였으나 압력을 2 atm으로 높이면 평균 직경이 약 26 ㎛로 줄고 발생량은 약 60 ㎖/L 수준으로 크게 증가하였다. 즉 1 atm 대비 2 atm 조건에서 기포 크기는 약 19% 작아지고 발생량은 약 50% 증가한 것으로 나타났다. 이러한 압력 상승에 따른 미세기포화 증대 현상은 선행 연구 결과와도 일치하며(Kim et al., 2015), 이는 높은 압력에서 물에 더 많은 공기가 용해되었다가 압력 해제 시 다량의 미세 기포 핵이 일시에 생성되는 효과에 기인하는 것으로 설명될 수 있다.
Average bubble size and generation rate by pressure variation in the FPF process
2. FPF 공정의 수처리 성능 평가
탁도와 인(총인) 제거율을 지표로 FPF 공정의 수처리 성능을 평가한 결과는 다음과 같다. 먼저 노즐 내부 형상 변화에 따른 처리 효율을 살펴보면, 노즐 구조에 따라 인과 탁도 제거율에 큰 차이가 나타났다(Table 3).
Phosphorus and turbidity removal by nozzle configuration in the FPF process
미세공 오리피스가 촘촘한 A 형 노즐의 경우 인 제거율이 약 44.5%, 탁도 제거율이 43.5%로 가장 낮았다. 반면 오리피스 수를 줄여 유입 공기 통로를 확대한 B 형 노즐에서는 인과 탁도 제거율이 각각 약 71.1%, 69.0%로 크게 향상되었고, C 형은 약 52%, D 형 노즐의 경우 탁도 제거율이 약 72%까지 증가하는 등 전반적으로 개선된 성능을 보였다. FPF에서는 인 약 94.1%, 탁도 89.9%의 높은 제거율을 기록하였는데, 이는 노즐 내부 구조가 미세기포 공급 특성에 영향을 미쳐 FPF 공정의 처리 효율을 좌우함을 보여주는 결과이며, 이러한 경향은 기포 크기 감소 및 기포 농도 증가가 부상 효율을 크게 향상시킨다는 선행 연구 결과(Li & Tsuge, 2006)와도 일치한다. 다음으로 FPF 챔버 내 plate 수에 따른 처리 성능을 평가하였다(Table 4).
Phosphorus and turbidity removal by plate number in the FPF process
주입 압력 2 atm 및 재순환율 35% 조건에서 plate 개수를 1~5개로 변화시킨 결과, plate 2개 사용 시 인 제거율 94.1%, 탁도 제거율 89.9%로 가장 우수한 성능을 나타냈다. 그러나 plate 수가 증가할수록 처리 효율은 점차 저하되어, plate 5개일 경우 인과 탁도 제거율이 각각 약 66%와 63% 수준으로 떨어졌다. 이는 2개 사용 시에 비해 5개 사용 시 제거율이 약 28%p씩 감소한 것으로 나타난 것이며, 과도한 plate의 설치는 내부 유동을 교란하여 미세기포의 균일한 분산을 방해하고, 그 결과 bubble-particle 접촉 효율이 저하되어 전체 처리 성능을 악화시키는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 유동 여건과 기포-입자 상호작용이 부상 효율의 핵심 요소로 작용한다는(Patnaik et al., 2020)의 연구와도 연결되며, 본 연구에서도 plate 2개 조건에서 가장 안정적인 수처리 효율이 확인되었다.
FPF 공정의 운전 압력을 달리했을 때 인 및 탁도 제거 효율은 저압에서 낮게 시작하여 압력이 높아질수록 급격히 향상되는 경향을 보였다(Table 5). 주입 압력 1 atm에서 총인 약 66.0%, 탁도 61.5% 제거되던 것이 1.5 atm에서는 각각 78.5%, 74.0%로 증가했고 2 atm에서는 94.1%, 89.9%까지 상승하였다. 다시 말해 1 atm 대비 2 atm 조건에서 인과 탁도 제거율이 약 28~32%p 향상된 것으로 나타났다. 이는 압력 증가에 따라 단위 수량당 발생하는 미세기포 개수가 늘어나고 기포 직경이 작아지면서 입자-기포 충돌 및 부착 확률이 높아진 결과로 해석되며, 이러한 메커니즘은 압력 상승 시 기포 크기가 감소하고 bubble volume concentration이 증가해 부상 효율이 향상된다고 보고한 연구(Han, Kim & Kim, 2007)와도 부합한다.
Phosphorus and turbidity removal by pressure in the FPF process
아울러 동일한 조건에서 기존 포화식 부상공정(DAF)과 FPF 공정의 처리 효율을 비교하였다(Figure 8). DAF 공정의 포화조 압력을 2, 3, 4, 5 atm으로 변화시키고 FPF 공정에도 동일한 주입 압력을 적용하여 실험한 결과, 낮은 압력 구간에서는 FPF 공정의 제거 효율이 월등히 높은 것으로 나타났다. 예를 들어 2 atm 조건에서 FPF 공정은 인 94.1%, 탁도 89.9%의 제거율을 보인 반면 DAF 공정은 인 30.1%, 탁도 33.1% 제거에 그쳐 두 공정 간 인 제거 기준 약 64%p, 탁도 기준 약 56.8%p의 성능 차이를 보였다. 압력을 증가시킬수록 DAF의 처리율이 개선되어 4 atm 이상의 고압 영역에서는 DAF와 FPF 모두 90% 이상의 유사한 제거 효율을 달성하였다. 실제 5 atm 조건에서는 DAF 공정이 인 99.4%, 탁도 97.5%의 매우 높은 제거율을 보여 FPF 공정(인 95.0%, 탁도 91.7%)과 거의 동등한 수준을 보였다. 그러나 이러한 높은 처리 효율을 얻기 위해 DAF 공정은 일반적으로 약 3-6 atm 수준의 포화조 압력이 요구되는 것으로 알려져 있으며 압력이 낮을 경우 용해공기량 및 미세기포 발생량이 크게 저하되는 것으로 알려져 있다(Edzwald, 1995; Han et al., 2007; Viitasaari et al., 1995). 이에 반해 FPF 공정은 순간적인 압력 강하와 전단력에 의해 물리적으로 미세기포를 생성하는 방식이므로 용해압력 의존도가 낮아, 낮은 압력 조건에서도 높은 기포수·충돌빈도·부상효율을 유지할 수 있음이 선행연구에서 보고되었다(Shahi et al., 2020; Niaghi et al., 2015). 따라서 저압 영역에서 FPF 공정의 제거 효율이 DAF 대비 크게 높게 나타난 본 연구 결과는 기존 문헌에서 제시된 공정 특성과 일치하는 것으로 판단된다. 실제 본 연구에서도 4-5 atm 구간에서야 90% 이상의 제거 효율이 확인되었다. 반면 FPF 공정은 2 atm의 상대적으로 낮은 압력 조건에서 인 94.1%, 탁도 89.9%의 높은 제거율을 달성하여, 기존 연구에서 보고된 유사한 수준의 제거 효율을 더 낮은 압력에서 구현했다는 점에서 에너지 소비 및 운영 측면에서 뚜렷한 이점을 갖는 것으로 판단된다.
Phosphorus and turbidity removal with increasing pressure in the DAF and FPF processes
3. FPF 공정과 기존 공정 간 에너지 소비량 비교
에너지 소비량은 전력 측정기를 이용해 운전 중 실시간 전력 사용량을 계측한 뒤, 처리된 수량으로 나누어 산정하였다. 그 결과 FPF 공정의 에너지 소비량은 0.0024 kWh/m³ 로 나타났으며, 이는 매우 낮은 수준의 에너지 요구 특성을 보여준다. 일반적인 DAF 포화조의 에너지 소비량은 0.1-0.3 kWh/m³ 범위로 보고되어 있으며, 이는 정수장 운영비의 상당 부분(약 50%)을 차지하는 것으로 알려져 있다(Sato and Saito, 2002). 또한 DAF 기반 미세조류 회수 공정에서도 0.2-1.0 kWh/m³ 수준의 높은 에너지 요구량이 보고되었는데, 이러한 부하는 포화조 압력 유지와 공기 용해장치 구동에 기인하는 것으로 설명된다. 특히 기존 연구에서도 DAF는 약 390 kPa 수준의 고압 공기압축 과정 때문에 구조적으로 높은 에너지 소비가 발생하는 것으로 보고된 바 있다(Wiley et al., 2009). 또한 압력을 증가시킬수록 부상 성능은 향상되지만 운영비와 에너지 소비가 함께 증가하는 경향도 관찰되었다(Niaghi et al., 2015). 이와 비교하면 FPF 공정은 동일 처리 기준에서 DAF 대비 약 40-125배 낮은 에너지를 사용한 것으로 나타나며, 절감률로 환산하면 약 97.6-99.2% 수준의 매우 높은 에너지 절감 효과에 해당한다. 한편, benchscale 조건에서는 체류시간 및 계통 손실이 매우 짧아 초저에너지 값이 나타나는 반면, 파일럿 규모 연구에서는 구조적 손실로 인해 절감률이 상대적으로 낮게 보고된다는 점에서 두 결과는 상호 보완적으로 해석될 수 있다. 이러한 저에너지 특성은 파일럿 규모에서 수행된 선행연구에서도 확인된 바 있으며, 실제 DAF(550 kPa)의 에너지 소비량은 0.125 kWh/m³, FPF(300 kPa)는 0.056 kWh/m³로 보고되어 약 55% 의 에너지 절감 효과가 나타났다(Shahi et al., 2020). 또한 미세 모래를 활용한 고도 부상공정(ballasted DAF)의 경우 포화조 에너지를 기존 DAF의 약 50% 수준까지 낮출 수 있으나(Viitasaari et al., 1995), 여전히 FPF 공정에 비해 약 4-5배 이상의 에너지를 요구하는 것으로 나타났다. 따라서 FPF 공정은 기존 DAF 및 ballasted DAF 공정 대비 에너지 효율성이 현저하게 우수하며, 낮은 압력 조건에서도 높은 처리 성능을 유지할 수 있어 경제적·환경적으로 매우 유리한 수처리 기술임이 확인되었다.
결론
본 연구에서는 미세기포를 활용한 FPF 공정의 수처리 성능을 다양한 운전 조건에서 정량적으로 분석하고, 이를 포화식 부상공정(DAF)과 비교함으로써 기술적 타당성을 검토하였다. 주요 실험 결과, 노즐 형상, plate 수, 주입 압력 등의 조건에 따라 인 및 탁도 제거율이 뚜렷하게 차이를 보였으며, 특히 2 atm 저압 조건에서도 최적 노즐을 적용할 경우, 인 94.1%, 탁도 89.9%의 높은 제거율을 확인하였다. 같은 조건에서 DAF는 인 30.1%, 탁도 33.1% 제거에 불과해, FPF 공정의 상대적 우위가 명확하게 입증되었다. 또한, FPF 공정은 에너지 소비량이 0.0024 kWh/m³로, 문헌 기준 DAF 공정(0.1-0.3 kWh/m³) 대비 최대 98% 가까이 낮아 에너지 측면에서 매우 효율적이었다. FPF 공정은 압축기 및 포화조 등 대규모 기계설비 없이도 기포 유도 노즐과 단순한 챔버 구조만으로 운전이 가능하므로, 초기 구축 비용이 낮고 유지관리 또한 용이하다. 이러한 기술적·경제적 장점은 인력과 예산이 제한적인 중소규모 정수장 및 정수처리소의 현실적 여건에 부합하며, 운영 부담을 줄이면서도 충분한 정수 성능을 확보할 수 있다는 점에서, FPF 공정은 최적가용기법 관점에서 실용적인 적용 가능성을 갖춘 수처리 기술로 평가될 수 있다.
Acknowledgements
본 연구는 환경부의 통합환경관리특성화대학원 사업의 지원을 받았습니다.