Development of Bubble Removal System in Water Treatment using High Pressure Air

Research
SeungMin Woo1Uyeh Daniel Dooyum1YeongSu Kim1JunHee Kim1YunSu Kim1SeokHo Kang1YuShin Ha1*

Abstract

There are problems associated with air bubble formation in water treatment tanks. The formation of bubbles hinders particle agglomeration and can trigger flocs during conventional coagulation-flocculation-sedimentation, leading to congestion of filters. Bubbles formed inside filters also impede performance by generating unwanted headloss commonly known as air binding. Consequently, a device to remove bubble from water during treatment is needed. High-pressure air device is usually divided into water-conditioned microbial release tank, rotor motor attenuator, compressor, and compressed air piping. This regulates the amount of compressed air in the air injection device, and the temperature of the external tank through the heater. In this study, the air injection unit is assembled and placed against the inclined direction of the support rod of the first diameter section. It consisted of a structure that allows high-pressure air injected through the nozzle which forms a slope at a constant angle from the air supply tube to be sprayed. The nozzle is adjustable perpendicularly to the surface according to the size or amount of bubbles. The bubble removal experiment conducted showed an optimum of 19 G in the needle standard of compressed air, 30 rpm in the number of rotations of the dispensing equipment, 5 kg/cm2 pressure of compressed air, approximately 13 seconds in bubble removal time, and 454 L/min in bubble removal performance. A bubble removal system in water treatment using high pressure air was developed.

Keyword



Introduction

일반적으로 미생물발효 폭기조, 양어장 폭기조, 폐수처리장 폭기조, 정수장 폭기조등의 각종 시설에는 미생물 증식 및 물을 정화하도록 탱크 내부에서 수처리 과정을 거친 후 사용하고 있다(Cho and Oh, 2014). 현재 미생물발효, 생활폐수 및 일반 오폐수 등을 정화하기 위해서는 정화처리시설로서 폭기를 위한 탱크를 구비하고, 탱크 내부에는 오염물을 분해하기 위해 미생물을 생존시키고 상기 미생물의 활성화를 촉진하기 위해 탱크바닥에 공기(산소)를 불어넣게 되는데 이때 공기가 바닥으로부터 상승하면서 수처리 되는 과정에서의 수면상에는 다량의 거품 층이 형성되어 발생하게 된다(Choi, 2005). 또한 용기나 관로를 통과하는 모든 유체는 유속의 변화에 따라 거품이 발생한다(Jung, 2010). 수면상에 발생하는 다량의 거품 층은 수처리시에 정화기능의 효율을 떨어드리고 이를 방치할 경우 탱크 밖으로 거품이 유출되거나 증발하면서 악취를 발생시켜 주변환경에 좋지 못한 악영향을 발생시키게 되며, 2차 오염의 원인이 된다(Jeong et al., 1999). 따라서 거품발생을 최소화하기 위하여 소포수나 소포제를 탱크에 직접 분사하여 방지하도록 하였으나, 화학약품인 소포제를 사용할 경우 오히려 처리비용이 많이 소요되며, 미생물 생육을 저하시키는 단점이 있으며(Kim and Kang, 2007), 소포수의 분사는 탱크의 외부에서 별도의 용수가 유입되는 것이어서 수처리의 양이 늘어나게 되며 이로 인해 불필요한 처리시간이 증가하게 됨과 동시에 계획유량에 오류가 발생하는 단점을 갖는다(Kang et al., 2010). 이외에도 탱크에 발생하는 거품을 강제로 흡입하여 처리하는 거품제거장치도 있으며 이는 탱크 내에 흡입펌프와 연결된 흡입관을 수면에 설치하여 거품을 빨아 당겨 회수된 거품을 액체로 만들어 탱크에 다시 유입하도록 하고 있다(German et al., 2010). 하지만 수면상에 폭넓게 분포되어 발생하는 거품을 강제로 흡입관 내로 유입해 주기가 어려워 작업시간이 오래 걸리고, 흡입관을 통해 거품과 액체가 함께 빨려들어가 작업효율이 떨어지는 문제점이 있다(Lee et al., 2017). 따라서 본 연구에서는 소포제 및 흡인펌프를 사용하지 않고 각종 수처리 시설의 폭기탱크 내부에 발생하는 거품을 고압과 고속으로 공기를 분사하여 신속하면서 효과적으로 파괴시켜 제거하는 거품제거기 개발을 위한 요인들을 분석하는 실험을 통하여 공기 분사 거품제거 장치를 개발하고자 한다.

Materials and Methods

공기분사 거품제거 장치의 구성

본 연구에서 개발하고자 하는 공기분사 거품제거 장치는 크게 수조형태인 미생물발효탱크와 이에 부착된 회전자 모터감속기, 공기분사 장치 및 콤프레셔와 압축공기 배관으로 구분되며 공기분사 장치에서의 압축공기의 양과 회전자의 모터감속기의 속도를 조절하는 거품제거기 콘트롤러와, 히터를 통한 미생물발효탱크의 외벽에 설치된 워터자켓 온도를 조절하며 탱크 하단에 산소를 주입하여 미생물 발효정도를 조절하는 미생물 발효기 콘트롤러로 구성되며 Fig.1 과 같은 구조로 이루어져 있다. 또한 거품제거장치의 압축공기 배관은 5마력 공기압축기를 통한 압축공기 공급라인 배관 내 수분의 함량과 이물질의 유입을 콤프레셔 출구에 에어필터를 부착하여 방지하였으며 거품 전체에 걸쳐 고압 또는 고속의 공기압을 분사하기 위하여 기타의 다른 장치를 거치치 않고 수조 내부 상부측에 바로 연결되도록 하여 공기 압축기와 연결된 회전체로 공기압이 공급되도록 설계하였고 에어필터 후단에 가변형 압력조절장치를 설치하여 압력조절을 통한 거품의 제거현상을 요인실험을 통하여 분석하였다. 거품제거 장치는 압축공기를 미세하게 분사하는 방법으로 산업용 공기건조기 및 표면 물기제거에 많이 쓰이는 공업용 노즐을 적용하여 사용하며 기본적인 구조는 지름형 1조의 지지봉에 경사방향으로 어긋나게 조립배치하는 것으로 에어공급관으로부터 소정각도로서 경사지게 형성하는 노즐을 통해 분사되는 고압공기가 거품에 최대한 많은 면적으로 분사되도록 하며 거품의 크기나 발생량에 따라서 노즐을 수면과 수직으로 조정할 수 있는 Fig.2 와 같은 구조로 설계 제작하였다. 또한 에어분사노즐은 에어공급관의 외측으로 갈수록 간격이 좁게 설치되어 있으며 이는 회전체에 의해 에어공급관이 회전시에 외측의 에어분사구의 노즐이 더 빠르게 회전함으로 내측 에어분사구 노즐과의 균형을 맟추어 분사되는 공기량이 동일한 면적에 분사되게 하고 내측에서 밀려나오는 거품을 차단하면서 신속하게 제거하기 위함이다. 거품을 제거하는 노즐은 공업용 노즐을 활용하였으며 이는 주사바늘로 된 긴 튜브이면서 마이크로 직경으로 형성되어 거품에 고압 또는 고속으로 공기압을 분사하여 거품을 파괴시켜 제거하도록 형성되어있고 분사공기를 활용한 공업용 건조나 표면 물기제거에 흔히 사용되고 있는 19 G, 20 G, 30 G 세 수준의(Koh et al., 2012) Table 1 과 같은 규격으로 요인실험을 통하여 거품의 제거 및 거품이 날리는 현상을 관찰 분석하여 규격을 결정하였다.

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Fig. 1. Experiment device for bubble removal using high pressure air

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Fig. 2. Diagram of high-pressure air injection apparatus

Table 1. Industrial nozzle specificationhttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-019_image/Table_PASTJ_19-019_T1.png

최적설계를 위한 요인실험

거품제거장치의 최적의 거품제거조건을 구명하기 위한 요인실험을 실시하였다. 실험은 세제를 활용한 일반거품에서의 제거실험과 돈분처리용 액비저장탱크 및 기타 농축산용 거품제거 작업의 활용을 위한 종균배양 거품제거의 두가지 실험방식으로 실시하였다. 세제를 활용한 일반거품에서의 제거실험 방법은 탱크에 물 100 L를 채우고 주방세제 500 g을 넣은 후 탱크 하단에 설치된 에어노즐을 통하여 거품을 100 L 발생시켜 실시 하였다, 또한 미생물 환경에 활용하기 위한 요인실험은 종균을 배양하여 실험하였으며 그 방법은 수조에 100 L 물을 채우고, Fig.3 에서와 같이 고초균배지에 DS.BS 종균을 접종하여 35℃의 수온을 유지하며, 48시간동안 배양하였으며 이후 수조 하단에 설치된 에어노즐을 통하여 100 ℓ의 거품을 발생시켜 거품제거 실험을 실시하였다. 실험의 설계는 노즐의크기(3수준), 회전장치의 RPM(4수준), 분사공기압(5수준)의 변화에 따른 거품제거 시간을 각기 3반복씩 총 180회 측정 하였으며, 내시경카메라를(DCT410, Dewalt, USA) 활용하여 동영상으로 연속 촬영 후 발생된 거품이 90%이상 제거되어 노즐을 통하여 분사되는 압축공기가 용매에 닿아 물결을 일으키는 순간을 거품제거가 완료되는 것으로 기준을 명확히 정하여 분석하였다.

Results and Discussion

일반 거품제거 실험

일반거품 제거 실험을 통한 결과값은 Table 2 와 같이 거품제거에 있어 압축공기 분사바늘의 규격이 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 규격이 30 G 일때 는 제거가 원활하기 않았으며, 20 G 는 제거가 양호하였지만 19 G 일 때 가장 원활히 제거 되었다. 또한 압축공기는 압력이 높을수록 빠른 제거시간을 나타내었으나 3 kg/㎠ 이상의 구간에서는 모두 원활히 제거되었다. 또한 회전장치의 회전수는 거품제거에 밀접한 관계가 없었으나 30 rpm에서 가장 큰 제거효과를 보이는 것을 알 수 있었다. 실시된 요인 실험에서 거품제거장치의 가동후 40초 이내에 거품제거의 유무가 결정되었으며, 제거전후는 Fig.4와 같이 구분되며, 대부분 1~5초 사이에 전량제거 되었다. 따라서 압축공기의 바늘 규격이 19 G, 분사장치의 회전수는 30 rpm, 압축공기의 압력이 3 kg/㎠ 이상일 때 가장 거품제거 효과가 좋은 것으로 나타났다.

Table 2. General bubble removal test results                  (Unit:sec)http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-019_image/Table_PASTJ_19-019_T2.png

종균배양 거품제거 실험

미생물 환경에 적용 활용하기 위한 종균배양 거품제거 실험결과는 Table 3 과 같이 나타으며, 일반거품 제거실험 결과와 유사하게 압축공기 분사바늘의 규격에 가장 큰 영향을 받았으며, 30 G일때는 제거가 원활하지 않았고, 20 G는 제거가 양호하였지만 19 G 일 때 가장 원활히 제거 되었다. 또한 압축공기는 압력이 높을수록 빠른 제거시간을 나타내었으며 1~3 kg/㎠의 구간에서는 제거가 원활하지 않았으나, 5 kg/㎠ 이상의 구간에서는 원활히 제거되었다. 또한 회전장치의 회전수는 거품제거에 밀접한 관계가 없었으나 30 rpm 에서 가장 큰 제거효과를 보이는 것으로 나타났다. 따라서, 압축공기의 바늘 규격이 19 G, 분사장치의 회전수는 30 rpm, 압축공기의 압력이 5 kg/㎠ 이상일 때 가장 거품제거 효과가 좋은 것으로 나타났으며, 압력이 5 kg/㎠ 일때 거품 제거시간은 약 13초로 나타났다.

Table 3. Results of removing foam from the fungus culture                  (Unit:sec)http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-019_image/Table_PASTJ_19-019_T3.png

Conclusion

본 연구를 통하여 고압공기를 이용한 수처리 단계에서 발생하는 거품제거 요인 실험을 실시한 결과 일반거품제거 실험과 미생물 환경에 적용하기 위한 종균배양 거품제거 실험 모두에서 분사 바늘의 규격이 가장 중요한 것으로 분석되었으며, 그 다음으로 고압공기의 압력과 회전속도 순으로 유의성이 있는 것으로 분석되었다. 이는 분사 바늘을 통하여 고압공기가 거품표면에 분사되어 제거 되는 방식에 의한 것으로 분석되며, 일반거품뿐만 아니라 종균배양을 통한 미생물 환경의 거품제거 모두에서 동일하게 나타나 거품을 제거하는데 있어 분사바늘의 규격설정과 고압공기만으로 충분한 것으로 판단된다.실험을 통하여 구명된 최적의 조건은 분사바늘 규격 19 G 분사장치의 회전수 30 rpm 압축공기의 압력이 5 kg/㎠ 이상일 때 거품제거 성능이 가장 좋은 것으로 나타났으며, 그때의 소포처리능력은 Table 4 에서와 같이 최소 454 L/min으로 나타났다. 하지만 이는 요인실험을 위하여 제작된 300 L규모의 탱크에서 실험한 결과 값이며 추후 현장 적용을 위하여 거품이 발생된 수면과 분사바늘의 거리를 일정하게 설정하여야 될 것으로 판단된다.

Table 4. Industrial nozzle specificationhttp://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_19-019_image/Table_PASTJ_19-019_T4.png

Acknowledgements

본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산식품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터지원사업의 지원을 받아 연구되었음(716001-07-4-SB160)

References

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