2.1. 실험장치

본 연구에서 DCF 실험을 실시하기 위하여 실험실 규 모로 회분식 DCF pilot plant를 제작하였다. 또한 전형적 인 DAF와 DCF의 실험을 병행하여 비교 실험을 하였다. Saturator의 부피는 약 7.4ℓ이며, 일정한 압력을 견뎌낼 수 있도록 스테인리스로 제작하였다. 반응조의 크기는 직경 7 cm의 원형 아크릴로 회분식 반응기를 제작하여 실험을 실시하였다. 또한 DCF와 DAF pilot plant에는 응집제 투입 및 교반장치를 설치하여 적절한 약품 혼합 및 완속 교반을 실시한 후 형성된 플록과 미세 기포가 원활히 결합할 수 있도록 하였다. 가압탱크의 정확한 압력을 가하기 위하여 saturator 상부에 압력계를 설치하였고, Air bomb와 CO₂ bomb를 사용하여 본 실험을 실시하였다. 또한, 특정 장치 에 의한 부상특성의 변동을 줄이기 위하여 본 연구에서는 별도의 diffuser나 노즐을 사용하지 않았으며, 본 연구에서 사용한 DCF와 DAF pilot plant의 모식도는 Fig. 1에 나타 냈다. Table 1.

Fig. 1. Schematic diagram of lab-scale device for flotation experiments.

2.2. 실험 및 운전 방법

본 실험에서 사용된 시료는 수돗물에 Kaolin을 섞은 표 준인공시료(탁도 50 ~ 60 NTU)를 제작하여 사용하였으며, 실험에 사용된 약품은 통상 응집 및 부상처리에서 사용되 는 PAC (poly aluminum chloride)를 선정하고, 응집제에 요 구되는 알칼리도의 보충을 위하여 소석회(Ca(OH)₂)를 사용 하였다. 응집제의 주입은 Jar-test를 실시한 후 확정된 최적 의 응집제 주입율(ppm)로 운전하였다.

공기압축기(compressor)를 이용하여 대기 중 공기를 saturator에 가압하였고, CO₂는 CO₂ bomb을 통하여 saturator에 가압하였다. Saturator에서 공기와 CO₂를 용해시킨 가압수 (milky water)는 column내 하단부에 연결된 산기관을 통해 주입한 후 대기압에서 미세기포를 발생시켰다.

DCF pilot plant에서의 부상 시간은 10분으로 하였으며, 부상이 끝난 후 부상컬럼 하단 20 % 지점에서 시료를 채취 하여 분석하였다. DAF 공정과 DCF 공정은 동일하게 응집 제를 주입하였으며 부상 시간 및 채취지점도 동일 시 하였 다. ^{Kwak and Kim (2013)}의 연구에 따르면 DCF saturator 는 1.0 ~ 3.0 atm으로 운전 되었으며, 비교 대상인 DAF의 가압탱크는 3.0 ~ 6.0 atm으로 운전되었다(^{Zabel, 1985}). 본 실험에서는 DCF 공정은 1.1 ~ 2.5 atm, DAF 공정은 3.0 ~ 6.0 atm으로 운전하였다. Saturator의 압력은 유입 측을 기 준으로 변화시켰으며 각 압력조건 변화에 대한 입자분리효 율을 평가하였다.

한편, 본 연구에서 DAF 및 DCF의 충돌과 관련된 제반 효율의 예측과 모의(simulation)를 위하여 일반적으로 사용 되는 S/W인 MATLAB (R2018a)을 활용하여 그 결과를 비 교 평가하였다. 모델에 적용된 인자들은 Table 2로 제시하 였다.

3.1. 기포와 입자의 충돌효율

부상공정에서는 입자와 기포의 부착을 위하여 응집을 통 한 입자의 표면전위뿐만 아니라 크기의 상승을 꾀한다. 본 연구에서는 입자 크기의 관점에서 기포와 입자의 충돌효율 을 살펴보았다. 먼저 DAF 공정의 일반적 조건 즉, 기포의 평균직경 60 μm (^{Haarhoff and Edzwald, 2004}; ^{Leppinen and Dalziel, 2004}), 플록의 비중 1,003 kg/m³ (^{Lagvankar and Gemmel, 1968}), 평균수온 20 °C 등의 수처리 조건에 있어서 기포와 입자의 충돌효율을 모의하였다. 충돌 효율은 상기 식 (1)에 제시된 바와 같이 SCCE에 관련된 4가지의 주요 인자에 따라 모의하고 이 합을 다음의 Fig. 2에 나타 내었다.

Fig. 2. Single-collector collision efficiency depending on floc size.

기포와 입자의 충돌효율 모의결과에 의하면, 다음의 Fig. 2와 같이 총 충돌효율(η_T)은 플록의 직경이 1 μm 이하의 범위에서는 브라운확산 효율(η_D)이 주 영향 인자이고 1 μm 이상의 범위에는 포착 효율(η_I)이 주요한 영향을 미치며 침전 효율(η_G)와 관성 효율(η_IN)의 영향은 상대적으로 미소한 것으 로 나타났다. 수처리에서 플록 크기는 5 μm 이상이며 이 범 위에서 총 충돌효율은 포착 기작(interception mechanism)에 의하여 주로 조절되어 진다. Fig. 2에서 기포직경 60 μm에 있어서 floc의 직경크기가 약 30 μm를 초과하면 총 충돌효 율(η_T)이 최소 한번 이상 접촉하게 되고 플록의 크기가 커 질수록 접촉기회는 증가하게 된다. 그러나 기포가 갖고 있 는 부력보다 플록의 크기가 커지게 되면 아무리 플록에 많 은 기포들이 접촉하더라도 플록의 크기에 비해 기포의 부 력이 작아서 부상 하다가 침전하게 된다.

가압식 기포발생장치는 DAF 공정에서 saturator를 활용하 여 전통적으로 사용되어져 왔으나 최근 ejector 형식의 다 양한 기포 발생장치가 개발되어 현장에 활용되어지고 있으 며 이에 따라 부상공정에서 운전되는 기포 크기의 범위 또 한 넓어지고 있다. 다음은 부상공정에서 주입되는 기포의 평균크기를 10 ~ 100 μm로 확대하여 기포의 크기에 따라 나타나는 충돌효율을 입자의 크기 관점에서 모의하였다.

모의한 결과는 다음의 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평균기 포 입경의 크기가 작아질수록 충돌효율이 증가할 수 록 요 구되는 입자의 크기 또한 작아짐을 볼 수 있다. 이는 작은 기포를 활용하여 부상분리를 수행할 경우 입자분리의 효율 을 높일 수 있을 뿐 아니라 응집시간의 단축 등을 도모할 수 있다는 것을 의미한다.

Fig. 3. Variation of SCC efficiency in terms of floc size for bubble size range 10 ~ 100 μm.

3.2. DAF와 DCF의 충돌효율의 비교 평가

전통적인 DAF 공정에서 4.0 atm으로 운전되었을 때 측정 된 기포 평균 직경 40 μm (^{Dokko et al., 2003}; ^{Han et al., 2009})와 1.8 atm에서 운전된 DCF의 기포 평균 직경인 95 μm (^{Kwak et al., 2011})를 각각 적용하여 충돌효율을 모의 하였다. 각 공정의 최적 조건으로 모의한 단일포집자 충돌 효율은 다음의 Fig. 4와 같이 나타났다. 본 모의결과 Fig. 4 에 나타난 결과로 볼 때, 기포의 크기가 충돌효율에서의 중요한 인자로 나타났다. 앞 4.1에서 모의한 바와 같이, 기 포의 입경에 따라 기포-입자간 충돌효율이 달라지므로 기 포의 평균입경이 작은 DAF 공정이 DCF 공정보다 충돌효 율이 더 높게 나타났다. 이는 당연한 결과로 볼 수 있으며, DCF는 매우 적은 동력비가 요구되는 장점에도 불구하고 DCF공정에서 발생되는 기포의 평균입경을 감소하는데 한 계가 있는 이상 DCF의 충돌효율은 DAF의 충돌효율보다 높을 수는 없을 것으로 보여 진다.

Fig. 4. Variation of SCC efficiency in terms of floc size for DAF, DCF and DCFS.

한편, 기포의 평균입경은 계면활성제 등을 활용하면 크기 를 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며(^{Grieves et al., 1970}; ^{Kwak and Kim, 2015}), 다음 Fig. 4에는 음이온 계면 활성제(sodium dodecyl sulfate: SDS)를 투입한 경우인 DCFS (dissolved carbon dioxide flotation added surfactant) 의 기포 평균입경 30 μm (^{Yoo, 2011})를 적용하여 기포-입 자의 충돌효율을 모의한 결과를 나타낸다.

이와 같이 음이온 계면활성제를 주입한 경우 입자의 충 돌효율이 상승한 이유는 계면활성제가 계면장력의 저하를 유발하여 기포의 발생을 용이하게 하고 발생된 기포의 크 기도 가능한 한 작게 형성되게 하는 것(^{Yoo, 2011})이 근본 적인 원인으로 여겨진다.

3.3. 접촉시간에 따른 입자 분리효율

접촉영역내의 입자분리효율(X)은 식 (10)에 나타낸 바와 같이 접촉영역 내에서 운전되는 기포의 평균입경에 따른 기포-입자간 충돌효율(η_T)을 기초로, 초기 부착효율(initial attachment efficiency, α_pb), 기포의 체적농도(Φ_b), 체류시간 (τ) 등의 운전인자와 점성계수(μ)와 같은 수처리 조건에 의 하여 복합적인 요소가 관여되어 결정된다. 여기서 초기 부 착효율은 부상분리공정에서 입자의 특성에 따라 결정되는 변수로서, 입자가 미세 기포에 부착되는 성질(affinity)에 따 라 실험을 통해 결정된다. 보통 본 실험에서 적용된 카올 린(kaolin)입자와 같은 무기입자의 경우 DAF 공정에서 0.3 ~ 0.4 (^{Kwak et al., 2005})가 적용된다. 본 연구에서는 DAF 와 DCF 공정의 초기 부착효율 계수 0.3과 DCFS 공정의 초기 부착효율 계수 0.6 (^{Yoo, 2011})을 이용하여 모의실험 결과를 토대로 pilot plant의 실험결과를 비교하였다.

다음은 앞에서 모의한 운전압력의 변화에 따라 달라지는 입자의 분리 효율의 모의결과를 검증하기 위하여 실제 실 험값과 비교 실험을 실시하였다. Fig. 5의 경우 DAF, DCF, DCFS 공정의 입자 분리효율의 모의결과 및 실험결과를 체 류시간에 따라 나타내었다. Fig. 5(a)에 나타낸 모의결과에 의하면, DAF에서는 입자 분리효율이 체류시간 300 sec를 초 과 할 때 3 ~ 6 atm의 압력범위에서 모의값(predicted values) 의 분리효율이 100 %에 도달하였다. 이에 비하여 DCF에서 는 입자 분리효율이 체류시간 180 sec를 초과 할 때 1.5 ~ 2.5 atm의 압력범위에서 예측된 분리효율이 100 %에 도달 하였고, DCFS의 경우에서는 입자 분리효율이 체류시간 120 sec를 초과 할 때 1.5 ~ 2.5 atm의 압력범위에서 분리효율이 100 %에 도달하는 것으로 나타났다.

Fig. 5. Particle separation efficiency (X) in terms of contact time.

한편, 여기서 주목할 만한 것은 예측값과 실제 실험에 의 한 관찰값(observed values)의 차이가 크게 나타나고 있는 바, DAF에서는 접촉시간 300 sec를 기준으로 모의값과 실 험값의 차이가 5 ~ 15 %를 보인 반면, DCF 공정에서는 접 촉시간 180 sec를 기준으로 50 ~ 65 %의 매우 큰 차이를 보 였고, DCFS에서도 접촉시간 120 sec를 기준으로 약 60 % 의 분리효율 차이를 보였다. 이와 같이 DCF 공정과 DCFS 공정에서 모의값에 비하여 실험값의 차이가 크게 발생한 이유는 기포주입과정에서 형성된 거대기포(macro-bubbles) 가 기포-플록 응집체(bubble-floc agglomerates)를 파괴하거 나 기포-플록간 결합을 방해한 영향이었으며, 이는 현장 실험에서의 육안으로 쉽게 관찰되었다. 이에 따라 실제 실 험장치나 수처리 현장에서 발생되는 거대기포 발생을 차단 하거나 최소화할 수 있는 대책이 요구된다. 또한 본 SCC 모델은 접촉영역을 중요하게 다루는 반면, 수리적 부하율 (hydraulic loading rate) 등에 의하여 나타나는 분리영역 (separation zone)에서의 입자 분리효율(Y)을 충분히 반영하 는 데에는 한계가 있고, 기포 입경이 상대적으로 큰 DCF 에서는 수리동력학적 영향에 따라 실험결과와의 차이가 발 생할 수 있다.

또한 DAF, DCF, DCFS 공정의 모든 실험결과에서, 모의 결과뿐만 아니라 실험결과에서도 접촉시간의 증가에 따라 입자 제거효율도 분리효율(X)과 같이 상승하는 것을 볼 수 있으며, 이는 부상분리 실험시작과 함께 주입되는 거대기포 의 영향이 다소 줄어든 결과로 관찰되었다. 그러나 본 연 구의 실험은 회분식으로 실시되었으므로 실제 수처리 현장 에 연속식으로 적용될 경우 거대기포에 의한 입자 제거효 율의 저하현상은 본 연구결과에 비하여 적어질 수 있을 것 이다. 특히, DCFS 공정에서 접촉시간을 약 600 sec정도로 운전할 경우, 거대기포의 영향이 적은 DAF의 효율과 거의 유사한 입자 제거효율 거둘 수 있었다.

3.4. 압력에 따른 입자 분리효율

앞에서 살펴본 접촉시간에 따른 입자의 분리효율을 토대 로 기포와 플록이 충분히 접촉될 수 있는 시간을 확보할 수 있는 600 sec의 조건에서 포화장치의 압력변화에 따른 입자분리효율을 살펴보았다. 모의에서는 ^{Yoo (2011)}의 연 구에서 얻은 기포체적농도 경험식(DCF: y = 7.83x - 7.95, y = -3.97x + 11.04, DCFS: y = -11.67x - 11.33, y = -2.4x + 10.88) 을 이용하여 각 공정의 예측된 입자 분리효율(X) 값 및 실 제 실험에서 얻어진 입자 제거효율을 비교하여 나타내었다. 거대기포의 영향이 다소 낮아진 접촉시간 600 sec에서 다음 의 Fig. 6과 같이 입자분리효율(X) 예측값과 실제의 입자 제거효율을 나타내는 실험값과의 보다 가까워진 것을 볼 수 있으며, 이 값의 차이는 분리영역(separation zone) 운전 에 의하여 변동되는 입자의 최종 부상효율(Y)에 의한 것으 로 판단된다. 또한 포화장치의 압력에 의한 입자 제거효율 에서, Fig. 6(a)의 DAF공정의 압력 6.0 atm 실험값과 Fig. 6(b)의 압력 2.5 atm에서 나타난 실제 실험의 입자 제거효 율의 감소는 포화장치(saturator) 압력이 일정 수준을 초과 하면 거대 기포가 형성되기 때문에 기포-플록 응집체가 표 면으로 부상 중 거대 기포가 터지면서 입자 제거효율의 감 소를 유발하는 현상을 나타내고 있다.

Fig. 6. Comparison of particle separation efficiency between predicted values and observed values under the contact time, 600 sec.