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중소기업 기술학신개발사업

최종보고서

입자거동과 수리동역학을 이용한

원형 침전지의 고도처리

침전기술 개발

년2002 월10 일31

주 관 기 업 : 중앙종합기계주식회사

위탁연구기관 : 인 하 대 학 교

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제 출 문

중소기업청장 귀하

본 보고서를 입자거동과 수리동역학을 이용한 원현 침전지의 고도처리 침전기술“

개발 개발기간 과제의 최종보고서로 제출합니다” ( : 2001.06. ~ 2002.08.) .

년 월 일2002 10 31

주관기업 중앙종합기계주식회사:

과제책 임자 김 병 희:

위탁연구기관 인하대학교:

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요 약 서 초 록( )

과 제 명입자거동과 수리동역학을 이용한

원형 침전지의 고도처리 침전기술 개발

주관 기업 중앙종합기계주식회사 총괄책임자 김 병 희

개발 기간 월2001. 06. ~ 2002. 08. (14 )

총 개 발

사 업 비

정부출연금 천원72,000총 개 발

사 업 비

천원96,000( )

기업부담금현금 천원14,470

현물 천원9,530

위탁연구

기 관인하대학교

주요기술

용 어

침전이론 원형 침전조 수리동역학, , center feed well,

회전 분배판 고형물 부하량 물질 흐름도 입자거동, , ,

기술개발목표1.

입자거동 및 수리동역학을 고려한 고도처리 침전기술의 설계인자 및 운용 기-

술개발

정수장의 침전조 및 농축조의 침전효율을 극대화한 침전지 개발-

하수처리장 및 오 폐수처리장의 차 침전조 및 농축조의 개발- 1,2ㆍ

기타 산업체의 침전조 개발-

기술개발의 목적 및 중요성2.

침전공정은 침전지 내부에서 물의 흐름과 입자의 응집 침전으로 입자의 거동,ㆍ

과 수리동력학적인 사항을 동시에 고려해야 하며 정수장과 하수 및 오 페수처, ㆍ

리장에서 주요 공정을 차지하고 전체 공정의 효율에 큰 영향을 미치고 있는 것

과는 달리 상 하수도시설기준에 의한 고정된 설계방식이 제시되기 때문에 연, ㆍ

구의 동기부여가 이루어지지 않는 기술개발의 사각지대라고 볼 수 있다.

따라서 전체 수처리 공정의 이해 및 연구에 관한 병목 부분으로서 이 분야의 기,

술개발은 다른 분야보다 우선되어야 한다고 사료되므로 본 연구는 침전지에 대,

한 입자거동 및 수리동역학적인 측면을 동시에 고려한 이론적 실험적인 기술개,

발로 침전지의 효율을 향상시키고 경제적인 설계 및 운전방안을 제시함으로써

수처리 공정에 커다란 기여를 하고자 하는 것이다.

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기술개발의 내용 몇 범위3.

본 기술개발은 입자거동과 수리동역학적인 연구를 이용하여 침전지내의 고도처

리 침전기술을 개발하고자 하는 것으로서 수공학적인면인 침전지내에서 일어나,

는 복잡한 동수역학적인 입자거동에 대한 세부적인 실험연구를 수행하여 유체의

흐름이 침전거동에 미치는 영향을 규명하고 침전효율을 극대화시킬 수 있는 구,

조적 수리학적인 방안을 제시하는 것이다 이를 위하여 침전지 내에서의 입자와, .

물의 흐름에 대한 전산유체역학 해석과CFD(Computational Fluid Dynamics : )

해석에 의해 설계인자를 도출하여 실증 설계 및 제작에 반영하여 실증CFD plant

실험을 실시하여 저농도의 부유물질의 침전현상을 나타내는 정수장의 침Plant ,

전지와 고농도의 부유물질의 침전현상을 나타내는 하 오수처리장의 침전지를ㆍ

대상으로 고효율 침전기술을 개발하기로 한다.

기술개발 결과4.

실용신안등록 제 호0226326

고안의 명칭 고효율 침전조:

기대효과5.

기술적 측면￭고도처리 침전기술이 성공적으로 개발이 되면 신설 정수장이나 하 폐수처리장ㆍ

건설에 있어서 침전조 및 농축조의 효율증대로 인한 소요부지 면적이 감소되며,

또한 원수 수질악화에 따른 과부하로 인하여 처리수질 악화 문제도 해결할 수

있으므로 기존 정수장이나 하 폐수처리장의 원수 용량증가로 인한 증설이나, ㆍ

개 보수공사의 설계변경이 용이하게 이루어 질 것이다.ㆍ

경제 산업적 측면ㆍ￭현재 우리 나라의 상하수도 추진계획을 살펴보면 환경백서 신설되는 상( , 2000),

하수도 처리장이 개소 노후로 인한 개보수 상 하수도 처리장이 여362 , 150ㆍ ㆍ

개소로 개소당 약 개씩의 침전조를 설치한다면 총 개에 달한다 또한 여1 2 1014 .

기에서 언급하지 않은 각 기업체의 오 폐수처리장을 합치면 지당 만원정6,000ㆍ

도의 기계적인 시설비만 잡아도 국내소요 시장은 약 억원을 훨씬 넘는 시장600

이 된다.

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<CONTENTS>

제 장 서 론1

제 절 연구개발의 배경1

제 절 연구개발의 목적2

제 절 연구개발의 내용3

제 장 침전기술 개발에 대한 이론적 배경2

제 절 침전기술1

침전의 개요1.

침전조의 종류 및 특징2.

상수처리장에서의 침전3.

폐수처리장에서의 침전4.

경사침전장치5.

유입구와 유출구에서의 수리학6.

침전지의 설계인자7.

침전지8.

제 장 원형침전지 고도처리 침전기술의 해석3 CFD

제 절 서 론1

제 절 전산유체역학 개요2

전산유체역학의 장점1.

전산유체역학 소프트웨어의 구성2.

제 절 유동해석3

유동해석방법1.

지배방정식2.

난류모델3.

수치해석방법4.

경계조건5.

제 절 결과 및 고찰4

기하학적 형상1.

속도분포2.

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난류에너지 분포3.

유선분포4.

체적점유율 분포5.

침전효율비교6.

제 절 결 론5

제 장 실증 설계 및 실험4 Plant

제 절 실증 설계1 Plant

실증 설계를 위한 유동해석1. Plant

실증 설계 및 설치2. Plant

제 절 실증 실험2 Plant

실증 실험 계획1. Plant

실증 실험 방법2. Plant

제 절 실증 실험 결과 및 고찰3 Plant

분배판과 정류벽 단면축소의 존재 여부에 따른 침전효율 실험1.

분배판의 경사각에 따른 침전효율2.

정류벽의 단면축소율에 따른 침전효율3.

정류벽과 분배판의 간격 및 체류시간에 따른 처리효율4.

제 장 결 론5

참 고 문 헌

부 록 실증 사진PlantⅠ

부 록 실증 설계도면PlantⅡ

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<TABLE CONTENTS>

차 침전조의 월류율과 깊이Table 2.1 1

차 침전조의 월류율 고형물 부하 및 깊이Table 2.2 2 ,

차 침전조의 월류율 고형물 부하 및 깊이Table 2.3 2 ,

활성슬러지 공정에서 적절한 최종 침전조의 깊이Table 2.4

각종 응집제에 따른 최대 월류율Table 2.5

Table 3.1 Dimensions of angle of distributor and blockage ratio.

Table 3.7 Effects of blockage ratio and distributor on sedimentation

efficiency

Table 3.8 Comparison of sedimentation efficiencies for various blockage

ratios and angle of distributor

각 실험 의 세부 조건Table 4.1 (Exp. , , )Ⅰ Ⅱ Ⅲ

실험 의 세부 조건Table 4.2 (Exp. )Ⅳ

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.3 C1, C2 SS

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.4 C1, C3 SS

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.5 C1, C4 SS

과 의 처리효율 비교Table 4.6 C1 C2, C3, C4

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.7 A1, A2, A3

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.8 D1, D2, D3

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.9 H1, H2, H3, H4

대비 처리효율 증가율Table 4.10 H0 H1, H2, H3, H4

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<FIGURE CONTENTS>

값에 따른 항력계수 변화Fig. 2.1 NRe

수온 에서의 구형 입자의 형 침전Fig. 2.2 10 C I˚

이상적인 직사각형 침전조Fig. 2.3

직사각형 침전조Fig. 2.18

원형 침전조의 유입 및 유출 설명도 중앙주입식Fig. 2.19 ( )

원형 침전조 벽에서부터 파이프에 의한 중앙주입식Fig. 2.20 ( )

원형 침전조 침전조 바닥으로 파이프에 의한 중앙주입식Fig. 2.21 ( )

원형 침전조의 유입 유출구 상세도 원주주입식Fig. 2.22 , ( )

도시폐수처리시 차 침전조의 제거율 과Fig. 2.23 1 BOD5 (%)

도시폐수처리시 차 침전조의 제거율 과 부유Fig. 2.24 1 BOD5 (%)

활성슬러지 공정의 최종 침전조Fig. 2.25

경사관 침전장치Fig. 2.26

원형 침전조의 경사관 침전장치Fig. 2.27

직사각형 침전조의 경사관 침전장치Fig. 2.28

직사각형 침전조의 유입 및 유출구 상세도Fig. 2.29

오리피스 수로와 유출수로의 단면도Fig. 2.30

Fig. 3.31 Control volume

Fig. 3.32 Geometric shape of sedimentation bed

Fig. 3.33 Computational shapes

Fig. 4.34 Computational shapes for various blockage ratios and angle of

Fig. 3.5 Velocity profiles for G0, G1, G2, and G3

Fig. 3.6 Velocity profiles for T1, T2, T3, T4, T5

Fig. 3.7 Kinetic energy contours

Fig. 3.8 Streamlines

Fig. 3.9 Volume fraction for G0

Fig. 3.10 Volume fraction for G0

Fig. 3.11 Comparison of sedimentation efficiencies

Fig. 3.12 Effects of angle of distributor (blockage ratio = 0.55)

Fig. 3.13 Effects of blockage ratio(angle of distributor = 45 )˚

개선된 침전장치의 내부 구조Fig. 4.1

기존 침전장치의 내부 구조Fig. 4.2

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에서의 침전조 내부 형상 구조Fig. 4.3 Exp. I

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.4 C1, C2 SS

과 의 처리 효율 비교Fig. 4.5 C1 C2

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.6 C1, C3 SS

과 의 처리 효율 비교Fig. 4.7 C1 C3

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.8 C1, C4 SS

과 의 처리 효율 비교Fig. 4.9 C1 C4

과 의 처리효율 비교Fig. 4.10 C1 C2, C3, C4

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Fig. 4.12 A1, A2, A3

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Fig. 4.13 D1, D2, D3

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.14 H0 H1, H2

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.15 H0 H3, H4

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.16 H0 H1, H3

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.17 H0 H2, H4

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제 장 서 론1

제 절 연구개발의 배경1

침전공정은 중력의 힘을 이용하여 고체와 액체를 분리하는 가장 오래되고 간단한

수처리 방법이다 물보다 무거운 입자는 정체된 물 또는 극히 흐름이 느린 물에서.

중력에 의해 침강하여 물과 분리된다 이 원리를 이용하여 원수가 천천히 흐르도록.

넓은 지에 유입시켜 입자 현탁물 를 분리하는 것이 침전지이다 정수장의 경우 침사( ) .

지 침전지 그리고 농축 공정이 채택되고 있다 하수처리장에서는 침사지나, , .

그리고 차 침전지 차 침전지 농축조 그리고 경우에 따라서Grit-Chammber, 1 , 2 , ,

화학적 침전이 사용되기도 한다.

보통 정수장이나 하수처리장에서는 침전지가 부지면적의 상당한 부분을 차지하고

있으며 전체적인 고액분리공정에서 다른 공정과 공동으로 고형물의 부하를 줄여주

는 것이므로 침전지의 효율은 전체 공정의 효율에도 직접적인 영향을 주는 중요한

공정이다 또한 침전지는 수처리 플랜트 공정에 소요되는 비용의 약 정도를. 30%

차지하기 때문에 그 공정 개선에 따른 효율 향상이나 비용 절감의 효과는 매우 크

다고 볼 수 있다.

침전지에는 복잡한 기계나 움직이는 장치가 별로 없어 단지 넓고 크기만 한 구조,

물로만 보이고 교과서나 설계기준 등에도 침전이론이 매우 간단히 소개되어 있어,

별로 중요한 것이 없다고 오해할 수 있다 그러나 이는 실제로 침전지에서 발생하.

는 문제점을 과소 평가한 것이며 침전현상에 대한 이해가 부족하고 이론이 정립되

지 않았기 때문이다 침전지에서 일어나는 현상은 매우 복잡하다. (Hazen, 1904,

즉 침전공정에는 물이 흐르면서 입자들끼리 응집과 침전이 일어남에Camp, 1945).

따라 입자의 크기 분포가 시간에 따라 변화하는 복잡한 현상이 발생하고 있다 이.

때 응집현상에 영향을 미치는 인자들은 용액의 이온화세기 입자의 크기 크기pH, , ,

분포 입자표면의 제타전위 등이다, .

수리학적인 사항으로는 온도나 밀도차이에 의한 밀도류의 형성에 따라 단락류나 사

수부가 존재하게 되며 유입부의 형상에 따라 국부적인 난류가 발생하여 유출부의

형상에 따라 전체 흐름이 좌우되는 것으로 알려져 있다 또는 외부요인으로서 바람.

의 영향이나 그림자에 의한 온도차이가 미치는 영향 등 지극히 사소하다고 보이는

문제들도 전체 효율에 커다란 영향을 주는 것으로 알려져 있다 한무영 최상일( , ,

1994, Kawamura, 1996).

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따라서 침전지 내의 현상을 정확히 예측하고 침전지의 효율적인 설계와 운전을 위, ,

해서는 입자의 거동과 수리동역학적인 거동을 함께 고려한 연구가 필요하며 이를,

이용하여 효율이 향상된 새로운 응집 및 침전방법의 개발이 이루어져야 한다 또한. ,

보통 정수처리장이나 하 오수처리장에서의 침전공정은 부지면적에서나 체류시간ㆍ

에서도 상당한 부분을 차지하고 있으며 전체적인 고액 분리공정에서 다른 공정과

공동으로 고형물 부하를 줄여주는 것이므로 침전지의 효율은 전체 공정의 효율에

직접적인 영향을 주는 중요한 공정이며 침전지의 효율개선이 전체 공정의 효율 개,

선이라고 할 수 있을 것이다.

제 절 연구개발의 목적2

침전지에 관한 연구는 혼화지나 응집지에 관한 연구에 비하여 연구의 폭이나 진보

가 비교적 느린 경향이 있으며 국내의 경우 몇몇 연구자들을 제외하고는 거의 연,

구가 진행되지 않고 있다 이와 같이 연구가 미진한 사유는 침전지가 단독적으로.

정수처리 공정에 사용되기보다는 전처리 공정인 혼화 응집공정의 영향을 크게 받,

고 있으며 침전지는 전처리 공정에서 생성된 플럭이 단순히 침전되는 과정으로만

인식하는데서 비롯되고 있다 물론 이와 같이 침전지 내에서의 침전효율이 전처리.

공정인 혼화 응집 결과에 크게 영향을 받는 것은 사실이지만 똑같은 혼화 응집공, ,

정을 거쳤다 할지라도 침전지 내에서의 물리적 현상이나 기하학적인 특성에 따라

침전효율이 바뀌게 된다.

최근 들어서 프랑스를 위시한 선진국에서는 침전지의 화에 대한 요구가 커compact

지면서 침전지 내에서의 각종 현상에 대한 원인 규명이나 효율향상을 위한 정류

벽 경사판 침강장치 등 지내 구조물의 설치나 유입 및 유출부 구조변경 또는 침전, ,

지의 형태변경 등에 대한 효과 분석에 관한 관심이 점차 증가되고 있다.

침전지 내에서의 물의 흐름은 단순히 절대적으로 적은 유속 때문에 층류의 흐름으

로 간주되기 쉬우나 속도에 비하여 상대적으로 깊은 수심으로 인하여 층류가 아닌

경우가 많으며 온도변화에 따른 물 흐름의 변화가 많기 때문에 이와 같은 경우 난,

류효과나 물의 상향유속으로 인하여 침전효율이 감소된다 또한 단순히 단락류 편. , ,

류 등의 흐름이 침전지 내에서 발생하는 것으로 알려지고 있으나 이에 대한 규명이

나 크기 결정에 대한 실험이나 노력은 거의 이루어지지 않고 있지만 최근 물 속의,

미세 입자의 입도 분포나 하전 상태 그리고 흐름내의 유속을 연속적으로 측정할,

수 있는 기기들이 개발되고 컴퓨터 연산수행능력의 발달로 인하여 침전지 내의 입,

자의 거동과 흐름을 파악할 수 있게 됨에 따라 침전지의 상태를 더 자세하게 분석

하고 예측할 수 있게 되었다 이에 따라 침전지 내에서의 입자의 거동과 유체의 거.

동을 동시에 고려하는 연구가 가능해졌다.

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고도처리 침전기술 개발은 정형화된 침전조의 내부구조를 변화시켜 편류 및 단락

류 밀도류 등의 문제를 해결하여 정수처리장 폐수처리장 분뇨처리장 하수처리, , , , ,

장 오수처리장 등 각종 수처리와 원료의 농축 및 침전에 필요한 산업체 분야에 널,

리 활용할 수 있으며 또한 효율증대로 인한 신설 정수장 및 하 폐수처리장에서의, ㆍ

소요부지감소 효과와 처리용량 확장에 있어서도 막대한 시설부지 확충과 시설비의

투자를 절감하여 기존의 침전지의 보수 및 보안으로 대처할 수 있어 늘어가는 수처

리 비용을 절약할 수 있는 기술 집약형 고도처리 기술이다.

따라서 본 연구에서는 환경공학 분야와 수리공학분야에서 개발된 최신 연구 내용,

과 입자거동 및 수리동역학을 이용하여 침전지 내에서의 입자와 물의 흐름을 파악

하고 고도처리 침전기술의 설계인자 및 운용 기술과 센터 피드웰 및 내부 구조가,

개선된 침전 장치를 개발하여 실증 플랜트를 통한 검증을 거쳐 침전효율을 배가하,

고 침전지의 소요 부지면적을 최소화하며 고부하를 견딜 수 있어 후단의 처리 공, ,

정에 영향을 미치지 않도록 하여 수질변화를 초래하지 않는 침전지의 고도처리 침

전기술을 개발하고자 하는데 목적이 있다.

제 절 연구개발의 내용3

본 연구는 입자거동과 수리동역학을 이용하여 침전지의 고도처리 침전기술 개발을

위하여 침전지 내에서의 입자와 물의 흐름의 CFD(Computational Fluid Dynamics

: 전산유체역학 해석과 해석에 의해 설계인자를 도출하여 실증 를 설계) CFD plant

및 제작하고 실증 실험을 실시하여 저농도의 부유물질의 침전 현상을 나타내Plant ,

는 정수장의 침전지와 고농도의 부유물질의 침전현상을 나타내는 하 오수처리장의ㆍ

침전지를 대상으로 고효율 침전기술을 개발하기로 한다.

이와 같이 분류한 이유는 정수장 침전지의 유입수의 성상과 농도는 화학적 으floc

로서 그 농도는 낮고 탁도는 정도의 유출수 수질을 목표로 하므로 대개 저농5NTU

도의 부유물을 대상으로 한다 반면에 하 오수처리장 침전지의 경우는 유입수는. ㆍ

의 농도를 가진 생물학적 이 침전된 후 유출수 부유물 농3,000~5,000mg/ flocℓ

도 를 목표로 하여 침전지가 운전이 되므로 하 오수처리장 침전지는 고20mg/ ℓ ㆍ

농도의 부유물을 대상으로 한다.

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저농도와 고농도 부유물에서의 침전 현상과 침전지의 설계방식은 입자의 농도를 고

려하지 않은 많은 물을 대상으로 한 수리학적인 측면에서는 거의 같다고 볼 수 있

으나 입자 거동의 관점에서 본다면 전혀 다르다고 할 수 있다 따라서 입자의 영향, .

을 고려한 기술 개발로서 설계기준을 확립할 수 있도록 보정하여야 한다 수공학적.

인 측면에서의 침전지내에서 일어나는 복잡한 동수역학적인 거동에 대한 세부적인

실험연구를 수행하여 흐름이 침전거동에 미치는 영향을 규명하고 침전 효율을 극,

대화시킬 수 있는 구조적 수리학적인 방안을 제시하는 것이다 이를 위하여 유속, .

측정과 를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 한다CFD .

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제 장 침전기술 개발에 대한 이론적 배경2

제 절 침전기술1

침전의 개요1.

침전 은 수처리 공정에 있어서 에 의한 현탁액으로부터 부유 고(sedimentation) floc

형물질을 분리하는 방법으로 이러한 부유고형물질은 입자에 작용하고 있는 관성력,

및 점성력에 비하여 중력이 클 때 침강하게 된다.

침강분리는 침사지 차 침전조 차 침전조 및 농축조 등에 적용되는데 기본적으, 1 , 2

로 가지 형태로 분류된다 즉 독립침강 응집침강 및 계면침강으로서 이는 고형3 . , ,

입자의 농도 크기 점도 밀도 등의 특성에 따라 각각 다른 양상의 침전상태를 나, , ,

타낸다.

처리수 중에 킬레이트화한 중금속을 수산화물로서 침강분리하여도 처리수 중에 킬

레이트화한 중금속이 남아 잔존할 때 배출허용기준농도 규정치를 초과한 금속이온

을 검출할 수 있다 조화제를 함유하는 주된 처리약품으로서는 탈지를 위한 암모니.

아함유도금용 무전해도금용 시안용 피로시안용 등이 있다, , , .

조화제를 함유한 수처리법으로는 산화시켜 조화제를 분리하는 방법 시안폐수의 처(

리 전해산화법 등 황산나트륨 또는 유기화물을 첨가하여 불용성의 금속황산물을, ),

생성시켜 분해하는 방법 킬레이트수지법 활성탄흡착법 무기응집제 첨가에 의한, , ,

응집침전법 등 여러 가지 방법이 있다.

침전 은 중력식으로 수중의 부유물질을 가라앉혀 고액 분리시키는(sedimentation)

단위조작으로 용수처리 폐수처리 그리고 고차 폐수처리에 일반적으로 사용된다, , , .

용수처리 분야에 침전이 주로 적용되는 것은,

급속 모래여과장치에서 처리하기 전의 지표수의 일반 침전1.

급속 모래여과 전에 응집 및 응결물의 침전2.

석회 소다 법에 의한 연수화 시설에서 응집 및 응결물의 침전3. ㆍ

철 또는 망간 제거공정에서 처리수의 침전 등이며4. ,

폐수처리 분야에 침전이 주로 사용되는 것은,

사석이나 모래 그리고 침니 의 제거1. , , (slit)

차 침전지에서 부유 고형물의 제거2. 1

활성슬러지 공법의 최종 침전지에서 생물학적 플록 제거3. (floc)

살수여상 최종 침전지에서의 부식토 제거4.

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폐수의 고차 처리와 차 처리에 있어서 침전의 주된 목적은 여과 전에 화학적으로3 ,

응집된 플록 을 제거하는 것이다 침전은 용수처리나 폐수처리를 하기 위해 사(floc) .

용된 가장 오래된 단위공정 중의 하나이다 용수처리나 폐수처리에 사용되는 원리.

는 서로 같으며 장치와 운영 방법도 비슷하다, .

가 침전이론 형태.

와 는 여러 형태의 침전이 생긴다고 제시하였고 이러한 형태Coe Clevenger(1916) ,

는 및 에 의해 재확인되었다 침전형태는 입자 농도와 입Camp(1946) Fitch(1956) .

자의 상호작용 능력에 따라 일반적으로 네 가지 형태로 나뉜다 여러 형태에 대한.

침전에 대한 내용을 아래에 제시하였다.

형 침전 독립침전(1) ( : discrete settling)Ⅰ

형 침전 또는 독립침전 은 부유물의 농도가 낮은 상태에서 응, (discrete settling)Ⅰ

결하지 않은 독립 입자의 침전이다 입자는 각각 따로 침전하며 입자간의 응결이나.

상호작용이 전혀 없다 형 침전의 예로는 지표수의 보통 침전과 침사지에서의 모. Ⅰ

래 입자의 침전 등이 있다.

제거된 고형물입자는 비록 무기물 성분이 다수이나 상당량의 유기물을 함유하고 있

다 이들의 침전속도는 표면적에 관계되며 월류율 또는 표면부하율은 으로 나. Q/A

타낸다.

침사지의 입자의 제거효율은 주어진 월류율에서 총 제거가능한 입자의 양으로 환산

되어진다 총 제거효율은 독립입자의 침전속도 누적곡선에서 그림 해석에 의해 적. ㆍ

분하여 구해진다.

중력식 침사지에서 수리학적 요소는 아주 중요하다 실제적으로 침사지의 침사물.

제거효율은 수리적 특성에 의하여 큰 영향을 받는다.

따라서 침사지 설계시 유량의 적절한 산정이 매우 중요하며 침사지 전단면을 통과

할 때 표면부하율 즉 유속을 조절하면 비중과 입자가 큰 고형물 입자는 독립 침전,

되어서 분리효율이 높다.

형 침전에 있어서 한 독립 입자는 입자의 침강력(impelling force),Ⅰ FI가 액체의

항력(drag force), FD와 같게 될 때까지 가속도를 받게 되며 이 두 값이 같았을 때,

침전속도 Vs는 일정하게 된다 침강력. FI는

- 16 -

여기서, FI 입자의 침강력=

ρs 입자의 밀도=

ρ 액체의 밀도=

V 입자의 부피=

g 중력가속도=

항력은 법칙에 의해Newton

여기서, FD 항력=

CD 수= Reynolds (NRe 의 함수인 항력 계수)

AC 속도 방향의 단면적=

ρ 액체의 밀도=

Vs 입자의 부피=

상기의 과 두 식을 결합하면(2.1) (2.2) ,

또는,

직경 d인 원형 입자의 부피, V는

단면적 AC는

위의 두 식에서 원형 입자에 대해 다음 식을 구할 수 있다.

- 17 -

이 식을 식 V/AC에 대입하면 다음 식과 같다.

또는,

여기서, Ss 입자의 비중=

항력계수 값은 입자 주변의 흐름이 층류 또는 난류인지에 따라 다르다 에. Fig. 2.4

서는 NRe의 함수로서 입자의 모양에 따라 변화하는 항력계수를 나타내고 있다.

여기서, ν 동점도계수=

μ 점성계수=

ρ 밀도= , ρ = /γ gc

에서는 뚜렷한 세 가지 영역이 있다 즉 층류 전이류Fig. 2.4 . , : , : (transitionⅠ Ⅱ

난류 영역이다 영역의 층류는flow), : .Ⅲ Ⅰ NRe가 보다 작고 점성력이 관성력보다1

더 중요한 역할을 한다 원형 입자에 있어서 항력계수의 관계식은.

- 18 -

Fig. 2.1 NRe 값에 따른 항력계수 변화

영역의 전이류는Ⅱ NRe가 내지1 104이고 점성력과 관성력이 다같이 중요시된다, .

원형 입자에 대해서 항력계수 관계는 (Fair et aI., 1968)

영역의Ⅲ NRe가 104보다 크며 관성력이 가장 중요하다 원형 입자에 대한 항력 계, .

수 관계는,

영역의 층류에서 식 를 식 에 대입하여(2.5) (2.6)Ⅰ NRe를 소거하면,

위 식에서 CD를 식 에 대입하면 다음과 같은 식이 된다(2.4b) .

- 19 -

식 의 양변을 제곱하여 다시 정리하면 의 법칙이 된다(2.9) Stokes .

또는, v= /μ ρ 이므로 식 에 대입하면(2.10)

이것은 또 다른 형태의 법칙이다 용수 및 폐수처리에서 농도가 낮은 부유Stokes .

물질의 침전은 대부분 법칙을 따른다Stokes .

전이류 영역 에 대한 침전속도의 결정은 식 또는 식 그리고 식( ) (2.4a), (2.4b) (2.7)Ⅱ

을 이용하여 시행착오법으로 구한다.

난류흐름 영역 에 대해서는 식 을 식 에 대입하면( ) (2.8) (2.4b) ,Ⅲ

침사지에서 모래의 침전속도는 식 를 이용하여 구할 수 있다(2.12) .

영역 에 있어서 침전속도의 결정은 그림 을 이용하여 구할 수 있다, , , 9.5Ⅰ Ⅱ Ⅲ

이 그래프에서는 입자의 직경 비중 그리고 온도만 알 수 있다면(Camp, 1952). , ,

바로 침전속도 를 구할 수 있다Vs .

에 의한 이상적인 조이론은 다음과 같은 가정하에 이루어진 것이다Camp(1946) .

침전은 형 침전 즉 독립입자의 침전이다1. , .Ⅰ

유입수는 충분히 분배되어 조로 들어간다2. .

유출수는 충분히 분배되어 조로부터 나온다3. .

조에는 세지역이 있다 유입부 유출부 슬러지부4. . (1) , (2) , (3)

유입부의 전체 깊이를 통해 입자는 골고루 분포한다5. .

슬러지부에 들어간 입자는 그곳에 남게 되며 유출부로 들어간 입자는 유출 되6. ,

어 제거된다.

- 20 -

수온 에서의 구형 입자의 형 침전Fig. 2.2 10 C I˚

에는 길이 폭 깊이 인 이상적인 직사각형 침전조를 나타내었다Fig. 2.3 L, W, H . V0

는 가장 크기가 작은 입자가 제거되는 침전속도이다 침전조 수표면 지점에100% . 1

이 입자가 들어오면 입자는 그림에서와 같이 궤도를 그리며 슬러지부의 끝부분인,

지점이 제거된다 체류시간 는 깊이 를 침전속도2 . t H V0로 나눈 값과 같다.

즉,

- 21 -

또 체류시간 는 길이 을 수평속도 로 나눈 값과 같다 즉, t L V . ,

수평속도 는 유량 를 단면적 로 나눈 값과 같다 즉, V , Q , HW . ,

식 와 식 를 결합하여 를 제거하면(2.14) (2.15) V

이상적인 직사각형 침전조Fig. 2.3

- 22 -

는 조의 부피와 같으므로 체류시간 는 조의 부피를 유량 로 나눈 값과 같LHW , t Q

다.

식 과 을 등식으로 하면(2.16) (2.13)

다시 정리하면,

또는,

여기서, AP 조의 표면적 식 에서 월류율은 제거되는 최소 입자의 침= , (2.20) 100%

전속도와 같다.

앞의 원리는 에서 보인 이상적인 원형 침전조에도 적용할 수 있다 수평 방Fig 2.4 .

향의 속도 는V ,

- 23 -

평면도(a)

반 단면도(b) A-A

이상적인 원형 침전조Fig. 2.4

- 24 -

로부터Fig. 2.4

식 을 식 에 대입하면(2.21) (2.22) ,

식 을 다시 정리하고 정적분하면(2.23) ,

적분하면,

또는,

여기서, AP 조의 표면적이다 식 에서 항을 제거하고 정리하면= . (2.26) H ,

식 은 직사각형조의 식 과 동일하다(2.27) (2.20) .

- 25 -

이상적인 직사각형조나 원형조의 깊이는

이상적인 직사각형 침전조의 측면도Fig. 2.5

여기서, V0는 속도로 표시되는 월류율 또는 표면부하율이다. 100m3/d-m

2의 월류율

또는 표면부하율은 100m3/d-m

2은 의 침전속도와 같다 또한 의4.67m/h . . 1cm/sec

침전속도는 864m3/d-m

2의 월류부하율 또는 침전속도와 같다 이러한 변환값을 이.

용하여 어떤 월류율에서의 침전속도를 비례적으로 구할 수 있다.

과 를 보면Fig. 2.5(Camp, 1946) Fig. 2.6 V0보다 빠른 V1의 침전속도를 갖는 모든

입자는 제거되며 그 궤도는 슬러지부에서 교차한다100% , . V0보다 느린 침전속도,

V2를 갖는 입자의 제거분율 R2는 H2 또는/H, V2/V0이다 따라서. ,

- 26 -

이상적인 원형 침전조의 반단면도Fig. 2.6

부유상태에 있는 입자들의 크기는 매우 다양하여 각각 침전속도가 다르다 따라서.

주어진 설계침전속도 또는 월류율에 대해서 총 제거율을 결정하기 위해서는 전체

침전속도 범위를 계산해야 한다 이 방법은 실험적인 분석을 요하는데 대개 침전관. ,

을 사용한다 회분식 침전관에서 시간 깊이의 변화에 따라 시수를 채취하여 고형물. ,

의 농도를 측정해야 한다 그리하여 적당한 순서에 의해 자료를 분석하면. , Fig. 2.7

과 같은 침전 속도 곡선을 얻을 수 있다 설계속도( ) . V0에서 제거되는 총 입자분율은

(Camp, 1946)

여기서,

1 - F0 속도 가= V V0보다 큰 입자의 제거분율

속도 가= V V0보다 큰 입자의 제거분율

형 침전 곡선Fig. 2.7 I

- 27 -

이상적인 침전조 이론을 요약해 보면 부유물질의 제거는 월류율 또는 설계침전,

V0 체류시간 그리고 깊이 의 함수이다 비록 이상적인 침전조의 분석은 이론, t, H .

적이지만 이 분석은 침전조 설계에 아주 합리적인 방법이다 이론적인 인자를 사, .

용하여 상당량의 운전 및 연구자료를 평가해 보면 대부분의 경우 용수와 도시폐수

처리에 대해서 만족한 것으로 판단되고 있는 월류율과 체류시간의 범위를 알 수 있

을 것이다.

형 침전 응결 응집 침전(2) [ ( ) : flocculent settling]Ⅱ

형 침전 은 농도가 낮은 응결 입자들의 침전이다 이 경우 입자(type settling) .Ⅱ Ⅱ

는 침전하면서 응결하게 되고 따라서 더 큰 입자가 되어 침전속도가 더 빨라지게

된다 형 침전의 예는 폐수의 차 침전과 화학적으로 응집된 용수 또는 폐수의. 1Ⅱ

침전이다.

응결 부유물의 침전 특성을 평가하기 위해서는 회분식 침전 시험을 해야 한다 회.

분식 침전관의 모형도는 과 같다 침전관의 측벽의 영향을 최소화하기 위해Fig. 2.8 .

서는 직경이 적어도 정도이어야 하며 높이는 최소한 침전지의 깊이와 같10-20cm

아야 한다 시료 재취구는 깊이에 따라 일정한 간격으로 설치해야 한다. .

칼럼의 전체 높이에 따라 입자가 균등하게 분포되도록 하기 위해서는 부유물을 완

전하게 혼합하여 칼럼속에 빨리 부어 넣어야 한다 대표적인 실험이 되기 위해 측.

정은 정지상태에서 실시되어야 하며 물의 대류를 피하기 위해서는 칼럼 전체 높이,

를 통해 온도차가 미만이어야 한다 시료는 채취구를 통해 일정한 시간 간격으1 C .˚

로 채취하여 부유물의 농도를 측정한다 제거율은 각각 시료의 처음 고형물의 농도.

와 시료의 농도를 이용하여 계산한다 제거율은 시간과 시료 채취높이에 따라 그래.

프상에 수치로 기입한다 기입된 점들간에 보간법으로 동일 제거율. RA, RB등의 곡

선을 와 같이 그린다Fig. 2.9 .

- 28 -

형 침전 실험장치Fig. 2.8 Ⅱ

월류율 V0는 곡선이R x 와 만나는 침전시간의 변화 ta, tb로부터 구할 수 있다.

곡선을 예로 들면 월류율은Rc ,

형 침전의 침전효율 곡선Fig. 2.9 Ⅱ

여기서 는 칼럼의 높이이며, H , tC는 곡선과Rc x축과의 교차점이다 시간. ta, tb 등에

서 제거된 고형물 분율 를 구할 수 있다 예를 들면 시간Rr . , tC에 대한 제거분율 Rr

는

- 29 -

형 침전 측면도Fig. 2.10 Ⅱ

여기서, H2는 (RD-RC 크기의 입자) tC 동안 침전되는 높이이다 이것은. Fig. 2.10

에서와 같이 조의 슬러지부에서 제거된다 시간변화. , ta, tb등과 월류율, V0의 변화,

제거율 의 변화를 이용하여 제거된 분율에 대한 월류율 그래프를 그릴 수 있다, Rr .

또한 체류시간에 대한 제거분율의 그래프도 그릴 수 있다 이 곡선의 조의 설계에, .

이용하고자 할 때 침전관의 측면 벽의 영향을 보정하기 위해서 확대계수는 월류율

에 대해 체류시간에 대해 를 적용한다0.65, 1.75 (Eckenfelder, 1980).

형 및 형 침전 지역 및 압축침전(3) ( : zone & compression settling)Ⅲ Ⅳ

형 침전 즉 지역침전 또는 방해침전은 입자의 농도가 중간 정도인 경우의 침전,Ⅲ

으로서 입자들이 너무 가까이 있어서 입자간의 힘이 이웃 입자의 침전을 방해하게

된다 입자는 상호간에 상대적으로 고정된 위치에 존재하며 모든 입자가 동일한 속.

도로 침전하게 된다 결국 입자들을 한 덩어리로 정화된 액체간에 뚜렷한 고 액. , -

경계면이 생기게 된다 형 침전의 예는 활성슬러지 공법의 최종 침전의 중간 정. Ⅲ

도 깊이에서 일어나는 침전이다 형 침전 또는 압축침전 은. (compression settling)Ⅳ

고농도 입자들의 침전으로 입자들이 서로 접촉하며 침전은 단지 밀집된 덩어리의,

압축에 의해서만 일어난다 형 침전의 예는 활성슬러지 공법의 최종 침전지의 낮. Ⅳ

은 깊이에서 일어나는 압축침전이다 독립 입자의 응결 입자도 지역침전 또는 압축.

침전에 의해서 침전되기도 하나 보통은 응결 입자의 침전에서 일어난다, .

- 30 -

눈금이 새겨진 실린더에 담은 활성슬러지 응결 부유물의 침전은 에 나Fig. 2.11(a)

타나 있다 먼저 시간 일때 입자는 지역침전 을 한다 입자들은 상혼간에 동. , t=0 (ZS) .

일한 상대적 위치를 갖는다 입자의 농도가 커지면 입자들은 상호간에 속도면에서.

방해를 일으키므로 고형물 농도의 함수가 된다 시간. t=t1일 때 슬러지는 덩어리로

침전하여 슬러지층 상부에 맑은 액층이 생긴다 지역침전 또는 방해침전 지역의 아.

래부분에서 입자의 농도는 아주 높아져서 많은 입자들은 상호간에 물리적인 접촉을

하게 된다 이를 지역침전에서 압축침전 으로 옮아가는 전이침전. (CS) (TS : transition

이라 한다 전이지역 아래는 압축침전 지역으로서 모든 입자들은 상호간에settling) .

접촉이 일어나며 압축이 시작된다. t=t2일 때 지역침전지역은 사라지고 모든 입자,

들은 전이침전 또는 압축침전을 하게 된다 시간. t=t3일 때 전이지역은 사라지고,

모든 입자들을 압축침전상태에 놓이게 된다 시간. t=t4일 때 압축침전이 거의 완결,

된 상태이다 는 회분식 침전 시험에서 슬러지와 물의 경계면에서의 침. Fig. 2.11(b)

전곡선을 나타낸 것이다.

농축 부유 물질의 침전Fig. 2.11

- 31 -

는 활성슬러지 공법의 원형 최종 침전지의 단면으로서 침전이 일어나는Fig. 2.12(a)

형태를 분류 도시하였다 상징수 층의 깊이는 보통 이고 지역 또는 방해. 1.5-1.8m , ,

전이 압축침전이 일어나는 지역의 총 깊이는 통상 이다, 1.5-2.1m .

이전에 언급한 회분식 침전실험은 활성슬러지 공정의 최종 침전지의 설계를 위한

자료를 얻는데 이용될 수 있다 최종 침전조에서 유출수의 정화와 고형물의 농축이.

함께 일어나야 한다 최종 침전지 설계에 있어서 유량 는 일반적으로 하루 평균. Q

유량을 사용한다 그러나 하루 중 첨두유량시간 동안 유량은 도시폐수. (peak hours)

의 경우는 평균유량의 배까지 되는 경우도 있다 이러한 현상으로 하루 중 최대5 .

유량이 계속되는 유출웨어를 통해 상당량의 고형물이 빠져나가게 된다 따라서 하.

루 중 최대 유량시간에 대한 농축 및 침전조 면적을 알아야 하며 많은 경우 활성,

슬러지 공정의 최종 침전지 설계에 있어서 최대 유량조건에 따라 설계면적을 조정

해 주어야 한다.

활성슬러지 공법의 원형 최종 침전조에서의 침전Fig. 2.12

- 32 -

활성슬러지 공법의 최종 침전지나 슬러지 농축조 설계에 고형물 플럭스 개념을 이

용하는 또 다른 방법이 있다 고형물 플럭스란 단위면적당 농축되는(Dick, 1970).

슬러지량 즉, kg/m2이다 침전지나 농축조에서 고형물이 침전되면 최초 농도-h . Co

로부터 침전지 바닥에서의 인출슬러지 농도 까지 농축된다 고형물이 아래쪽으로Cu .

이동하므로 탱크의 어떤 높이에서 한계 고형물 플럭스인 GL이 일어난다 이 플럭스.

는 너무 커서는 안되며 고형물은 침전조에 축척되었다가 유출되어 탱크로부터 빠져

나간다 고형물이 아래쪽으로 이동하는 것은 방해침전에 의해서 일어나며 또한 인. ,

출류에 기인하여 유체가 아래로 흘러가면서 일어난다 플럭스 설계에 필요한 자료.

는 회분식 침전시험으로부터 얻어진다 여러 농도의 슬러지를 침전시켜서 방해침전.

속도를 구한다 방해침전 또는 지역침전 속도. V0는 천천히 교반되는 교반기가 부착

된 눈금 있는 실린더를 이용하여 측정할 수 있다 고형물의 농도 에 대한 방해 침. C

전속도의 그림은 와 같다 여러 농도에서 고형물의 플럭스는 속도에 고형Fig. 2.12 .

물의 농도를 곱하여 구할 수 있다 농도에 대한 플럭스의 곡선은 과 같다. Fig. 2.13 .

활성슬러지 공법의 원형 최종 침전조에서의 침전Fig. 2.13

- 33 -

고형물 농도와 플럭스와의 관계Fig. 2.14

침전조의 어떤 높이에서 중력침전에 의한 고형물의 유동은 다음과 같이 표현된다.

여기서, GS 중력에 의한 고형물 플럭스=

Ct 고형물의 농도=

Vt 방해침전속도=

- 34 -

슬러지 인출에 기인된 유체유동에 의한 고형물의 유동은

여기서, Gb 유체유동에 따른 고형물 플럭스=

Vb 인출류의 유속= (underflow velocity)

따라서 중력침전과 유체의 유동에 대한 총 고형물 플럭스는,

여기서, Gt 총 플럭스=

인출류의 유속은

여기서, Qu 인출류의 유량=

조의 단면적A=

고형물의 침전율 즉 단위시간당 침전 고형물의 무게는 다음과 같다, .

여기서, Mt 고형물 침전율=

Q0 탱크로 들어오는 유입수의 유량=

C0 유입수의 고형물 농도=

요구되는 한계 단면적 는A

여기서, GL 한계 플럭스= (limiting flux)

- 35 -

식 을 정리하면(2.37) , Qu= Mt/ Cu 가 되며 이 식을 식 과 식 과 결합하, (2.36) (2.38)

면

이들 관계는 에 나타나 있다 인출류의 슬러지 농도를 구하고 플럭스 곡Fig. 9.21 . ,

선에 그으면 축 절편이 한계 플럭스 값y , GL이고 접선의 기울기가 인출류의 유속,

(VL 이 된다 중력 플럭스값은) . GS이고 유체유동에 의한 플럭스값은, GL-GS이다.

고형물 플럭스와 고형물 농도Fig. 2.15

- 36 -

침전조의 종류 및 특징2.

실제 침전조는 평면이 직사각형 정사각형 또는 원형이다 단일 직사각형조는 같은, , .

크기의 원형조보다 시공경비가 더 많이 든다 그러나 여러 개의 탱크가 필요하면.

직사각형조는 벽을 공유하여 시공할 수 있으므로 훨씬 경제적이다.

응결조에 연결되어 있는 직사각형의 침전조 유입구 모식도를 에 나타내었Fig. 2.16

다 이러한 연결 방식은 용수 또는 폐수의 화학적 응집 후 침전을 위해서 종종 쓰. ,

여지는 형태이다 응결조는 침전조와 폭은 같으나 깊이는 같지 않다 이 두 조는 간. .

격을 둔 나무판자 벽이나 여러 개의 구멍 뚫려 있는 콘크리트 벽으로 분리되며 유, ,

입수는 조를 따라서 균일하게 유입된다 이러한 유입장치는 이상적인 직사각형조에.

아주 근접하지만 단지 다른 점은 유입지역이 침전조와 충분한 깊이까지 연장되어

있지 않고 응결조 깊이까지만 연장되어 있다는 것이다 만약 과 같이 직사. Fig. 2.17

각형조가 응집조에 접해 있지 않다면 유입수는 탱크로 들어오는 홈통의 구멍을 통

해 조를 가로질러 균일하게 분배되며 유입지역은 이상적인 조에 대해 서술한 것과,

같이 조의 충분한 깊이까지 확장되지 않는다 그러나 홈통 뒷부분에 정류관을 설치.

하면 물은 아래쪽으로 흘러 유입지역이 더 깊어지게 된다 는 직사각형조. Fig. 2.17

에 있어서 유출구의 형태도 보여주고 있다 위어는 유출수가 유출구로 들어가도록.

조의 전체 폭에 걸쳐서 사용된다.

평면도(a)

측면도(b)

응결조에 연결되어 있는 오리피스형 유출구가 설치된Fig. 2.16

직사각형 침전조의 유입 및 유출구 모식도

- 37 -

평면도(a)

측면도(b)

오리피스형 수로 유입구와 위어형 수로 유출구가 설치된Fig. 2.17

직사각형 침전조의 유입 및 유출구 설명도

평면도(a)

횡단면도(b)

직사각형 침전조Fig. 2.18

- 38 -

만약 화학적으로 응집된 물이라면 위어 위어 를 설치해서는 안되는데 왜냐하면 난, ( ) ,

류로 인해 미세 플록을 깨뜨려 불량한 여과 효과를 유발하기 때문이다 화학적으로.

처리된 처리수는 에서 보인것과 같이 조의 폭을 가로질러 설치한 오리피Fig. 2.16

스형 수로를 사용하는 것이 가장 좋다 오리피스형 수로는 심한 난류를 유발 하지.

않으므로 미세 플록을 깨뜨리지 않는다 이런 형태의 유출구 배열 중 어느 것이든.

흐름영역은 유출영역이 이상적인 탱크에서와 같이 전체 깊이에 걸쳐 확장 되지 않

으므로 안전하다 에는 폐수처리에 사용되는 직사각형 침전조의 형태를 세. Fig. 2.18

부적으로 나타내었다 이 침전조는 하부의 슬러지와 표면 스컴을 걷어내는데 기계.

식 방법을 사용한다 용수처리시는 표면 스컴 제거기가 필요없다 용량이. .

7500m3이상되는 용수처리 시설에 사용되는 큰 직사각형조는 길이 대폭의 비가/d

보통 정도가 된다 이러한 직사각형조에서는 장방형조에 사용하는 두개의 회전2:1 .

식 스크레이퍼를 사용한다.

평면도(a)

단면도(b) . D 9.14 - 10.7 m＜

단면도(c) . D 9.14 - 10.7 m＞

원형 침전조의 유입 및 유출 설명도 중앙주입식Fig. 2.19 ( )

- 39 -

평면도(a)

단면도(b)

원형 침전조 벽에서부터 파이프에 의한 중앙주입식Fig. 2.20 ( )

원형조에서 유입수는 조의 중앙이나 조의 원주 위에서 유입된다 는 중앙. Fig. 2.19

유입조의 입구를 나타낸 그림이다 만약 조의 직경이 이하라면. , 9.14m Fig. 2.19(b)

에서 보는 바와 같이 유입수는 벽을 통해 설치된 도수관을 따라 중앙의 유입정에서

유출시켜 아래쪽으로 흐르게 한다 조의 직경이 보다 크면 에서. 9.14m , Fig. 2.19(c)

와 같이 유입수 관은 침전조의 밑으로 들어가 유입정의 중앙부에서 수직으로 유입

수를 유출한다 이 두 침전조의 유출구는 균등한 유량이 흘러 나가도록 원주 주위.

에 위어가 설치되어 있다 과 에는 폐수처리에 사용되는 중앙 유입식. Fig. 2.20 2.21

원형 침전조의 세부도가 나타나 있다 이들 모두는 슬러지 제거와 표면 스컴 제거.

를 기계적으로 하고 있다 에는 유입수 관이 침전조의 벽 속을 통해 유입. Fig. 2.20

정까지 연장되어 있는 반면 에는 유입수 관이 침전조 하부를 통해 조의, Fig. 2.21

중앙으로 올라기 유입장 속에 유출하고 있다 용수처리에 사용되는 원형 침전조는.

표면 스컴 제거기를 제외하고는 폐수처리에서 사용하는 장치와 비슷하다.

- 40 -

평면도(a)

단면도(b)

원형 침전조 침전조 바닥으로 파이프에 의한 중앙주입식Fig. 2.21 ( )

원형 침전조와 바닥은 중앙으로 경사져 있는데 기울기는 통상 정도이다 이것1:12 .

의 모양은 편평한 원추를 거꾸로 세운 모양이다 이 원추의 부피는 조의 설계부피.

에 포함되지 않으며 설계부피는 조의 옆에서의 물의 깊이에 면적을 곱함으로써 구

할 수 있다 슬러지는 조의 중앙부에 있는 호퍼에 포집된다. .

- 41 -

평면도(a)

단면도(b) 변형된 둘레유입 방법(b)

원형 침전조의 유입 유출구 상세도 원주주입식Fig. 2.22 , ( )

은 둘레식 유입 침전조에 대한 유입구를 나타낸 것이다 둘레 유입식 침전Fig. 2.22 .

조 의 경우에는 에 나타나 있는 것과 같이 수로가(periphery-feed tank) Fig. 2.22(a)

경사져 있어 유입수가 들어오면 오리피스 수로 의 원주 주위로 흐(orifice channel)

르게 된다 그리고 유입수는 수로로부터 오리피스를 통해 침전조로 들어가며 모식.

도는 와 같다 에서 보인 것과 같이 오리피스 수로 대신에Fig. 2.22(b) . Fig. 2.22(c)

조의 내부 주위에 정류판 벽을 설치하여 유체를 정류판 벽 아래로 흐르게도 한다.

유출구는 침전조의 중앙부에 위치하는 위어 수로로 이루어져 있다 그러므로 유출. ,

구 지역은 조의 충분한 깊이까지 연장해서는 안된다.

- 42 -

상수처리장에서의 침전3.

상수처리에 있어서 침전은 미처리 상수와 화학적 응집수에 이용된다 만약 상수가.

실트에 의한 높은 탁도를 가진다면 이러한 탁도를 제거하기 위하여 단순한 침전이

이용될 수 있다 단순한 침전은 탁도 이상을 가지는 상수처리에 이용된. 1000mg/ ℓ

다 미시시피와 같은 몇몇 강들은 탁도가 정도로 높아 단순 처리로는. 40,000mg/ ℓ

부적당하다 단순한 침전이 이용될 경우 체류시간은 약 분이며 부피가 대단히 큰. 30

경우 침전조는 보통 지면하에 두거나 독을 이용하여 만들기도 한다 대부분의 경우.

에 침전된 물은 급속 모래여과장치나 석회 소다 연수화장치에서 화학약품을 첨가함-

으로써 응집된 것이다 입자나 침전물의 침전형태는 물의 특성 이용된 응집체 및. ,

응결정도데 의존한다.

침전속도 요구되는 월류율 및 체류시간을 정확하게 측정하기 위한 유일한 방법은,

침전실험을 수행하는 것이다 일반적으로 급속 모래여과장치에서 명반 또는 철염으.

로 응집된 물에 대하여 20.4-40.8m3/d-m

2의 월류율과 시간 대부분의 경우2-8 (

시간 의 체류시간이 이용되며 위어 또는 오리피스 수로 부하는 보통4-6 )

149-273m3/d-m

2이다 명반은 가벼운 입자를 형성하기 때문에 월류율은 통상.

20.4-32.6m3/d-m

2이고 위어 또는 오리피스 수로 부하는 보통, 149-224m

3/d-m

2

이다 철염은 밀도가 높은 입자를 형성하기 때문에 월류율은 통상.

28.6-40.8m3/d-m

2이고 위어 또는 오리피스 수로 부하는 보통 199-273m

3/d-m

2이

다 월류율 체류시간 및 위어 또는 오리피스 수로 부하는 평균 일 유량에 근거한. , -

다 석회 소다 연수화공정에서 월류율은 통상. - 28.6-61.2m3/d-m

2이고 체류시간은

시간이며 위어 또는 오리피스 수로 부하는 보통4-8 , 273-323m3/d-m

2이다.

폐수처리장에서의 침전4.

재래식 폐수처리장에서 차 침전 은 원폐수로부터 침전 가1 (primary sedimentation)

능한 고형물을 제거시키는데 사용된다 활성슬러지 시설에서의 차 침전은 를. 2 MLSS

제거하는데 이용되고 살수여과상에서의 차 침전은 여과상으로부터 탈리되어 나온2

미생물을 제거하는데 이용된다 결과적으로 차 침전지의 효율이 좋으면 차 유출. 2 2

수의 부유 고형물의 농도가 낮게 된다 고차 또는 차 폐수처리장에서의 침전은 응. 3

집수로부터 응집된 부유물 또는 화학적 침전물을 제거하기 위해 사용된다.

- 43 -

차 침전(1) 1

도시폐수를 처리하는 차 침전지에 대한 기준들이 에 나열되어 있다1 Table 2.1 .

일 평균유량을 기준으로한 체류시간은 보통 분에서 시간이고 깊이와 표면 부1 45 2

하율은 과 같다 다단조는 유량이 를 초과할 경우에 사용한다 용Table 2.1 . 3.8MLD .

량이 보다 작은 처리장에 대해서는 최고 위어 월류율 부하가3.8MLD 248m3/d-m

2

를 초과해서는 안되며 용량이 보다 큰 처리장에 대해서는 최고 위어 월류, 3.8MLD

율 부하가 373m3/d-m

2를 초과해서는 안된다 표면 스컴 제거기와 정류판은 차. 1

침전지에서 수표면으로부터 스컴을 제거하기 위해 필요하다 각 침전지의 성능은.

다르지만, BOD5와 부유물질 제거율은 과 와 같은 일 평균유량을 기Fig. 2.23 2.24 1

초로 하여 체류시간과 표면부하를 구할 수 있다.

차 침전조의 월류율과 깊이Table 2.4 1

- 44 -

도시폐수처리시 차 침전조의Fig. 2.23 1 BOD5 제거율 과 월류율 과의 관계(%)

도시폐수처리시 차 침전조의Fig. 2.24 1 BOD5 제거율 과 부유 고형물과(%)

체류시간과의 관계

- 45 -

차 침전(2) 2

도시폐수를 처리하는 차 침전조에 대한 설계기준을 와 같다2 Table 2.2 . Table 2.3

는 활성슬러지 공정에서 최종 침전지에 요구되는 깊이를 나타낸 것이다. Fig. 2.25

는 활성슬러지 공정에서 최종 침전지의 상세도를 나타낸 것이다.

차 침전조의 월류율 고형물 부하 및 깊이Table 2.5 2 ,

일 평균유량을 기초로 한 체류시간은 에서 이고 깊이 월류율 부하 그리1 1.0 2.5h , ,

고 고형물 부하율은 에 표시한 바와 같다 다단조는 처리장 용량이Table 2.2 .

를 초과할 때 사용하며 최대 위어 월류율 부하는 차 침전지에서 사용하는3.8MLD 1

것과 비슷하다 최종 침전지에서도 스키머와 정류판을 설치하여 수표면의 부유물.

질을 제거한다.

활성슬러지 공정에서 자주 사용되는 최종 침전조는 침전 슬러지의 제거 목적이다.

이 장치에서 스크레이퍼 날개는 쌍으로 이루어지며 모양의 형태를 가진다 슬러V .

지 랙이 움직임으로써 슬러지가 자 모양에 모여지고 흡입 파이프에 의해 제거된V

다 이들 슬러지는 흡입 파이프를 통하여 장치의 중앙에 있는 슬러지 저장실에 모.

여진다 이들 슬러지는 중력식으로 반송슬러지 파이프에 의해 슬러지 저장고로부터.

제거된다 슬러지 저장실에서 슬러지의 수표면은 점차적으로 침전지의 수표면보다.

낮아지고 이 차이가 슬러지 제거를 위해 요구된다 흡입 형태의 슬러지 제거장치를.

가진 침전조는 보다 낮은 슬러지 블랭킷을 가지며 침전조에서 슬러지 체류시0.6m

간은 최소가 된다.

- 46 -

차 침전조의 월류율 고형물 부하 및 깊이Table 2.6 2 ,

활성슬러지 공정의 최종 침전조Fig. 2.25

- 47 -

활성슬러지 공정에서 적절한 최종 침전조의 깊이Table 2.7

Adapted from Wastewater Treatment Plan Design, American Society of CivilEngineers, Manuals and Reports on Engineering Practice No.36. Copyright ©1977 by the American Society of Civil Engineers, Reprinted by permission

화학 침전(3)

차 처리에서 응집처리수 혹은 원 도시폐수와 차 침전지 유출수의 응집처리수에3 2

사용되는 침전을 위한 최대 월류율은 사용하는 응집제에 따라 다르다 응집제에 따.

른 최대 월류율은 와 같다Table 2.4 .

일 평균유량을 근거로 하여 체류시간은 적어도 시간이상으로 해야한다 명반 또1 2 .

는 철염으로 응집된 폐수는 일 평균유량을 근거로 하여 위어 월류부하가1

124-186m3/d-m

2이상이어서는 안되며 석회로 응집된 폐수는 평균 위어 월류 부하,

가 248-372m3/d-m

2이상이어서는 안된다 화학적 응집으로 예상되는 폐수처리 정.

도는 연구로부터 가장 잘 결정할 수 있다 화학응집으로부터 생산되는pilot plant .

화학슬러지는 처리장 용량이 에서 정도이며 사용된 화학약품 및 침전조의0.5 1.0%

효율에 따라 고형물 농도는 까지 변한다1-15% .

석회주입 관 또는 석회 슬러지 제거 관으로는 관에 붙은 물질을 쉽게 청소하기 위-

해서 유리관이나 관을 사용한다 침전조 바닥의 슬러지는 급속 혼합조로 순환PVC .

시킴으로써 응집을 증진시킨다 석회처리 침전조의 기계적 슬러지 제거장치는.

를 사용해야 하며 제거되는 슬러지의 밀도가 높기 때문에bottom scraper type

는 사용할 수 없다suction pick-up type .

- 48 -

각종 응집제에 따른 최대 월류율Table 2.8

경사침전장치5.

경사침전장치는 경사관 침전장치와 분리장치를 포함하며 이 두 장치는 월Lamella

류율이 재래식 침전장치보다 훨씬 크다.

경사관 침전장치(1)

에는 경사관 침전장치를 나타내었다 물은 경사관을 통해 위로 올라가면서Fig. 2.26 .

정화되고 침전된 고형물은 에서와 같이 관의 바닥에 포집된다 이 관은Fig. 2.28(a) .

각도로 경사져 있는데 이것은 침전된 슬러지가 관을 따라 미끄러져 내45 ~ 60 ,˚ ˚

려가게 하는데 충분한 경사이다 슬러지는 관으로부터 침전조와 바닥으로 떨어져.

슬러지 제거기에 의해 제거된다 관의 단면은 많은 기하학적 형상을 가지나 대부분.

의 경우 직사각형의 단면을 가진다 그러나 정사각 또는 사각 단면은 가장 흔한 형.

태이다 경사관 침전조는 많은 경사관으로 만들어진다 은 원형 침전조에. . Fig. 2.27

설치된 형태를 보여주고 있으며 반면 은 사각 침전조에 설치된 것을 나타, Fig. 2.28

내 준다.

- 49 -

경사관 침전장치Fig. 2.26

단면도(a) 평면도(b)

원형 침전조의 경사관 침전장치Fig. 2.27

재래식 침전조보다 경사관 침전장치가 유리한 점은 이상적인 침전이론과 이론적인

문제로 비교설명 할 수 있다는 점이다 만약 재래식 직사각형 침전조의 유량이.

3785m3

체류시간 시간 월류율이/d, 2 , 40.75m3/d-m

2길이와 폭이 비가 이라면, 4:1

탱크의 용적은 길이 폭 깊이는 로서19.28m, 4.82m, 3.40m 40.75m3/d-m

2의 월류

율에 상당하는 침전속도는 이다 이상적인 침전조 이론에 따르면 침전 입1.70m/h .

자가 제거되기 위해서는 이 입자가 침전조의 유출구 끝에 도달하기 전에 슬러지부

에서 제거되어야 한다 침전속도 깊이 수명속도 그리고 조의 길이가. VS, H, V1, L

이라면 침전 입자의 임계궤도 는 다음과 같은 관계를 따를 것이(critical trajectory)

다.

- 50 -

또는

식 를 앞서 가정한 문제에 적용하면(2.45)

직사각형 침전조의 경사관 침전장치Fig. 2.28

따라서 수평유속은 이다 경사관 침전장치에서는 에서 보인, 9.64m/h . Fig. 2.26(b)

바와 같이 입자는 거리 을 통과하면서 반드시 침전되어야 한다 경사관에 대한H' .

식 는(2.44)

경사관 침전장치가 직사각형조에 설치되어 있다고 가정하고 형상은 높이 0.914m,

관의 깊이 경사각도가 라면 값은 다음과 같이 주어진다0.0508m, 45 H' .˚

- 51 -

또는

값은L ,

또는

관을 통하는 속도를 구하기 위해 식 을 적용하면(2.46)

따라서 경사관 침전장치를 통과하는 속도는 이므로 수평침전조와 고형물, 30.6m/h

제거율은 같으나 재래식 침전조보다 또는 배의 유량을 구할 수 있, 30.6/9.64 3.2

다 따라서 경사관 침전장치가 경제적이라는 것은 아주 명백하다. , .

경사관 침전장치의 월류율은 재랙식 침전조의 월류율보다 배 정도 크다 난류는3-6 .

침전된 고형물을 재부상시켜 유출시키므로 침전효율을 높이기 위해서는 층류로 유

지해야 한다 층류상태는 동수반경이 작은 관을 사용함으로써 유지할 수 있다. .

과 은 새로 설치했거나 기존의 원형 또는 직사각형 침전조에 설치Fig. 2.27 2.28 ,

된 경사관 침전장치의 형상을 나타내고 있다 어떤 형태의 침전조이든지. 67-80%

의 넓은 평면적을 경사관이 차지하고 있다 경사관 침전장치를 이용한 새로운 침.

전조는 재래식 침전조보다 더 적은 면적이 요구된다 경사관의 사용목적 중 하나.

는 기존 침전조의 처리 용량을 증가시키는데 있다.

- 52 -

물의 온도가 이상인 곳의 원수처리에 있어서 만약 미처리된 물의 탁도가50 F˚

이하라면 월류율에 따라 다르지만 유출수의 탁도는 범위이고 물1000JTU 1-7JTU

의 온도가 이하일때 처리하지 않은 물의 탁도가 이하라면 예상되는40°F 1000JTU

유출수의 탁도는 정도인 것으로 보고되고 있다 침1-10JTU (Culp & Culp, 1974).

전속도는 물의 온도에 따라 다르므로 더운물에서는 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.

월류율은 관 모듈에 의해 덮혀 있는 면적을 기준으로 할 때 통상

147-245m3/d-m

2이다 경사관 침전장치는 기존 침전장치의 처리용량을 증대시키는.

데 이상적이다.

폐수처리에 있어서 경사관 침전장치는 활성슬러지의 차 침전 그리고 살수여과상2 ,

유출수 및 응집된 폐수의 침전에 사용하면 효과적이다 그러나 경사관 침전장치는.

차 침전지에는 적당하지 못한데 이는 경사관내에 미생물이 성장하기 때문이다1 , .

경사관 침전장치는 기존 최종 침전지의 용량을 증가시키는데 유용하다 최종 침전.

지에 사용되었을 때 활성슬러지 혼합물 또는 살수여과상의 유출수는 경사관 아래쪽

으로 유입되므로 약간의 슬러지와 최종 유출수는 관 침전기를 통해 위쪽으로 통과

하면서 분리된다 침전관 위에 침전된 슬러지는 모듈로부터 침전조 바닥으로 떨어.

져 다른 슬러지와 함께 제거된다 월류율은. 163m3/d-m

2정도로 사용되며 이는 재,

래식 침전조 월류율의 약 배 정도이다 간혹 경사관 안쪽 면에 미생물이 부착하여5 .

성장하기도 하는데 이렇게 미생물이 성장할 때는 경사관 바로 밑에 공기 주입관을

설치하여 공기를 사용하여 주기적으로 성장된 미생물을 제거함으로써 그 영향을 최

소화할 수 있다.

분리기(2) Lamella

분리기는 경사판이 침전하는 조의 형태로 이용되는 것을 제외하곤 경사관Lamella

침전조와 유사하며 슬러지와 물의 흐름은 역류 대신에 함께 흐른다 제조자들은 오.

직 응집된 용수나 폐수에 이용하도록 권유하고 있다.

- 53 -

유입구와 유출구에서의 수리학6.

단회조와 조의 불안정을 방지하기 위해 유입수는 균일하게 침전조로 들어와 균일하

게 유출되어야 한다 에는 유입 오리피스 수로와 유출 위어 수로가 부. Fig. 2.31(a)

착된 전형적인 직사각형조의 평면도를 나타내었다 에는 유입수로의 단. Fig. 2.31(b)

면도를 나타내었고 에는 유출수로의 단면도를 나타내었으며, Fig. 2.31(c) Fig.

에는 유입수로의 단면도를 나타내었고 에는 유출수로의 단면도2.32(a) , Fig. 2.32(b)

를 나타내었다 이 그림에서 단면도는 원형 오리피스를 가진 유입수로를 나타내고.

있지만 정사각형 오리피스를 사용하기도 한다 유출 위어는 수로의 일부분인, . Fig.

에서 보는 바와 같이 월류 위어나 일련의 자형 위어가 사용된다 만2.32(b) 90° V- .

약 자형 위어를 사용할 경우 자면의 간격은 대략 이다 에서V- V- 20cm . Fig. 2.32(b)

나타낸 바와 같이 유출조내의 수표면의 높이는 다음 처리 시스템의 수표면에 의해

고정되고 총 손실수두는 이 두 수표면의 수두 차이가 된다.

그리고 에서 보인 바와 같이 오리피스 수로의 설계Fig. 2.29(a), (b), Fig. 2.30(a)

를 잘하려면 유입관으로부터 가장 먼 오리피스에서 방출되는 유량은 가장 가까운

오리피스로부터 방출되는 유량의 최소한 이상이어야 한다 수로에 있어서 마찰90% .

손실과 형상손실 은 오리피스를 통하는 손실수두에 비하면 매우 작다 오(from loss) .

리피스로부터의 유출량은 이며 여기서 유량, Q= (m3

오리/s), A=

피스 면적 손실수두 중력가속도이다 유입관과 수로에서 유속은 수중(m), h= (m), g= .

의 고형물의 부유할 수 있도록 충분히 유지할 필요성이 있으나 불필요한 수두 손실

을 피하기 위해서는 이상 유지할 필요는 없다 만약 유입수가 응집처0.9-1.37m/s . ,

리를 한 물이라면 플록이 깨어지는 것을 막기 위해 낮은 속도를 유지해야 한다 유.

입 오리피스에서 손실수두 결정에 대한 상세화된 질차에 대해서는 Water

에 언급되어 있다Treatment Plant Design J. M. Montgomery Inc.(1985) .

- 54 -

평면도(a)

유입수로의 단면도(b) 유출수로의 단면도(b)

직사각형 침전조의 유입 및 유출구 상세도Fig. 2.29

와 에서 보인 바와 같이 위어 수로의 설계에 있어서Fig. 2.29(a), (c) Fig. 2.30(b)

유량은 월류 위어와 자형 위어가 수평을 유지하고 있으므로 수로를 따라 균일V-

하게 유입한다 월류 위어를 월류하는 유량은.

- 55 -

여기서.

유량Q = , m3/s

C = 1.84

위어길이L = , m

수두H= , m

만약 자형 위어를 사용하다면 각 자형을 통과하는 유량은, 90° V- V-

여기서,

유량Q = , m3/s

C = 1.40

H=m

조의 오리피스 수로 단면도(a) A-A

유입수로와 유출수조의 단면도(b) B-B

오리피스 수로와 유출수로의 단면도Fig. 2.30

- 56 -

대개 이러한 자형 위어는 폐수처리에 사용되어지는 침전조에 주로 사용한다 유V- .

출수로에서 물의 깊이는 수평수로 에 대한 측면 여수로(level channel) (lateral

공식으로부터 구할 수 있다spillway) (Camp, T. R., 1948).

여기서.

H0 상류수 깊이= , m

하류수 깊이d = , m

총 유출량Q = , m3/s

중력 가속도g = , m/s2

수로 폭b = , m

마찰계수 콘크리트n = Darcy , ; 0.029-0.032

C = 1.0

수로 길이L = , m

평균 등수변경r = , m

평균 깊이d = , m

식 을 사용함으로써 마찰손실을 무시할 때 마찰력이 없는 경우의(2.51) H0값을 결정

할 수 있다 다음 식 는 평균 깊이 를 얻는데 사용되며 식 은 평균 수. (2.52) , d (2.53)

리학적 변경 을 얻는데 사용될 수 있고 식 을, r , (2.53) H0를 얻는데 사용된다.

일반적으로 최대 수표면의 높이 H0에서 위어 마루 까지의 낙차고(weir crest) (free

는 보통 정도를 둔다 하류 깊이 의 값은 유출조 에fall) 76-102mm . d (effluent box)

서의 수표면에 의해 결정된다 의 최소값은 한계깊이. d yc로써 유출조에서 수표면이,

d=yc로서 충분히 낮을 때 일어난다.

- 57 -

직사각형 수로에서 한계깊이는 y c= ( q2/g)1/3이며 여기서, yc 한계높이 수= (m), q=

로의 폭당 유출량(q=Q/b, m3

중력가속도이다 만약 유출조에서 수표면/s-m), g = . ,

이 낙차고 수표면이 유출수로 보다 낮을때 를 유발할 만큼 충분히 낮아진다면 이( ) ,

값은 yc이다 그리하여 한계깊이는 낙차고 직전에서 일어난다 만약 위어 부하로. . ,

인해 요구되는 위어 길이가 탱크 폭보다 더 크게 된다면 수로는 조의 옆면을 따라,

조의 길이 되는 지점까지 연장한다 이에 대해서는 에 수로 로서1/3 . Fig. 2.31(a) (a)

나타내었다 만약 더 긴 수로가 필요하다면 에 수로 와 같은 자체 지. , Fig. 2.31(a) (b)

지수로를 만들어야 할 것이다 만약 수로가 조를 가로질러 설치되면 수로와 수로. ,

사이의 간격이 정도는 유지되어야 한다3.0-4.6m . 0.5V2

의 수두손실은 수로에/2g

서 로 굽어진 곳에서 발생한다 만약 유출수로가 오리피스 수로라면 식90 . (2.51)˚

을 이용하여 설계할 수 있고 마지막 오리피스로부터 유출은 최초 오리피스 유출의,

이상이어야 한다90% .

오리피스 유입수를 사용한 둘레 유입형 원형 침전조의 수로는 전술(peripheral-feed)

한 직사각형조의 경우와 동일한 방법으로 설계할 수 있으며 유출수로는 식 (2.51)

을 이용하여 설계할 수 있다 중앙 유입식 원형 침전조에 있어서 유입. (center-feed)

손실은 속도 수두와 같으며 유출수로는 식 을 이용하여 설계할 수 있다 이, (2.51) .

경우 총 유량의 이 각각 양쪽의 유출조로 들어가게 한다1/2 .

용수나 폐수처리장치의 수리학적 설계에 있어서 여러 공정 사이의 총 수두손실은,

예상 최대 유량을 기준으로 결정할 수 있고 또 이 총 수두손실은 여러 장치에 있,

어서 수표면 높이를 고정하는데 사용된다 예로서 전 처리시설과 차 침전지 사. , 1

이에 펌프장을 가지고 있고 방류할 수 있는 수역인 강을 끼고 있는 활성슬러지 장

치를 들어보자 총 수두손실은 차 침전지의 수표면과 포기조 포기조와 최종 침전. 1 ,

지 최종 침전지와 염소 접촉조와 강 사이에 결정되어진다 그리고 나서 강 수표면, .

의 최대 높이가 결정된다 염소 접촉조의 최소 허용 수표면 높이를 결정하기 위해.

서는 탱크와 강 사이의 수두손실을 강 수표면의 높이에 더해야 한다 최종 침전지, .

의 최소 허용 수표면 높이를 결정하기 위해서는 염소 접촉조와 최종 침전지의 수두

손실을 염소 접촉조 수표면 높이를 더하면 된다 같은 방법으로 폭기조와 차 침전. 1

지 사이의 최소 허용 수표면 높이를 결정할 수 있다 여러 공정에 있어서 수표면의.

높이는 강으로부터의 역류를 방지하는 최소 허용 높이 이상이지만 장치 사이의 높

이는 예상되는 최대 유량을 충분히 만족할 따름이다.

침전지의 설계인자7.

가 침천시설의 구조물설계.

체류시간은 시간 최초 약품침전조 시간 생물침전조 이다- 2~4 ( ), 3~5 ( ) .ㆍ

유효수심은 이다- 2.5~4m .

폭 길이 로 한다- : = 1~2.25 : 1 .

- 58 -

유입부에는 정류판을 유출부에는 를 설치한다- , weir .

수면의 여유고는 로 한다- 0.4~0.6m .

원류 부하는- weir 250m3

종침 로 한다/d m( ) .ㆍ

면적 부하는- Table 20~40m3/d mㆍ

2원수( ) 36~42m

3/d mㆍ

2약품침전( ),

20~30m3/d mㆍ

2활성오니법과 살수여상법( ), 10~15m

3/d mㆍ

2장기포기법과( RBC

법 이다) .

주변속도는 직사각 구형 원형 이다- scraper 0.6m/min( ), 1.5~2m/min( ) .

부대시설은 Drive Unit, Center Well, Scraper Shaft, sludge pump, sludge

등이다handrail, sludge pipe .

제거율은 와 이다- BOD COD 30~50%, SS 80~90% .

나 폐수처리시설의 설계인자.

원수초침전조일 경우(1)

면적부하는- Table 25~40m3/d mㆍ

2체류시간은 시간이다, 2~4 .

약품침전조일 경우(2)

철염이나 사용시는- alum 40m3/d mㆍ

2이하 체류시간은 시간이다, 2~4 .

사용시는- Ca(OH)2 36.4~41.6m3/d mㆍ

2범위 체류시간은 시간이다, 2~4 .

최종침전조일 경우(3)

활성오니법과 살수여상법은- 20~30m3/d mㆍ

2이며 체류시간은 시간이다3~5 .

장기폭기법 법은 주로 이하- , RBC 5.2~10.5( 15 )m3/d mㆍ

2이며 체류시간은, 3~5

시간이다.

의 주변속도는 직사각형 원형 정도이다drive unit 0.6m/min, 105~201m/min .※

다 하수처리시설의 설계인자.

차 침전시절(1) 1

침전시간은 시간이다- 0.9~11.7(2.5~3.9) .

생슬러지 발생량은 고형물 농도로 이다- 0.4~11.4(2.4~5.3)% .

제거율은 이다- BOD 5~56(30~54)%, SS 11~77(30~54)% .

수면적 부하는- 5~78(23~33)m3/d mㆍ

2이다

생오니의 비는 이다- VS/TS 31~83(50~62)% .

생오니인발량은 하수- 1000m3평균 77.1~134.8m

3이다/d .

최종침전시설(2)

침전시간은 시간이다- 2.2~10.1(3.7~5.5) .

수면적 부하는- 8.8~39.1(18~23.9)m3/d mㆍ

2이다.

고형물 부하는- 5~101(34~60)kg-SS/d mㆍ2이다.

- 59 -

잉여오니인발량은 하수- 1000m2당 0.4~6056(0.7)m

2이다.

잉여오니의 농도는 비는 이다- SS 0.2~2.9(0.6~1)%, VS/TS 51~82(51~70)% .

제거율은 이다- BOD 61~94(75~87)%, SS 50~96(79~90)% .

라 침전지 설계 위한. check list

평균 및 최대 유량-

상 차 침전지로 의 유입 여부- flow sheet 1 side-stream

기계설비시 제작자의 사양-

증설시킬 경우 기존 처리시설의 사양-

토지 및 지형-

침전지의 형태 구형 원형 등- ( , )

유입수량의 수리학적 자료 유입수 파이프의 지름 수두 등- ( , )

마 각종 설계인자.

침전조의 월류부하 는 무기성 폐수일 경우- (Q/L) 0.73m3

이고 수면적부하/h mㆍ

는(Q/A) 0.45m3/h mㆍ

2정도이다 유기성 폐수일 경우 면적부하를 대개 차 침전조. 1

는 17.3m3/h mㆍ

2차 침전조는, 2 12.5m

3/h mㆍ

2로 하고 농축조는 13.7m

3/h mㆍ

2부

상조는 0.8m3/h mㆍ

2로 설계한다.

침전조의 와 의 높이비는 정도로 유지해 설계하고 용적계산- body hopper 4.5 : 1 ,

은 다음 식을 산출한다.

여기서, D1 D2 침전지 각각 지름: body, hopper (m)

h1, h2 침전지 높이: body, hopper (m)

대형 하수 정수 공동폐수처리장처럼 대규모시설에서 흔히 볼 수 있는 구형침- ㆍ ㆍ

전지일 경우 차 침전지는 폭 과 깊이 의 비는 바닥경사 는1 (W) (H) 1.4 : 1, (slope)

즉 로 유지 하고 차 침전지는 바닥경사는1/10, 5.7 , 2 W : H = 1.67 : 1, 1/10,˚

즉 를 유지한다 옹벽구조물은 주로 로 하고 두계 는5.7 . R.C (t : thickness)˚

로 방수 모르타르미장 마감하여야 한다 그리고 내통은 에200~300mm . SS-41

는 또는 으로 설비한다epoxy 2ply, weir SS-41 3.2t sus-316 3.2t .

농축조는 로 설비하고 바닥경사는 로 유지한다- W : H = 1.1 : 1 1 : 18.4 .

는 으로 를 사용한다- sludge drain pump volten type centrifugal pump .

차 침전지의 유효용적- 1 = (1+1/3x1.4)(0.785D2)

차 침전지의 유효용적- 2 = (2+1/3x1)(0.785D2)

- 60 -

밑바닥기울기 는 장방형 침전지는 정방형 및 원형은- (slope) 1/50~1/100,

이다1/10~1/20 .

침전조에서 인발된 의 함수율은 대개 정도이나 농축- sludge : sludge 99.2~99%

후에는 정도로 감량되며 부피도 정도로 감용되며 농축조의 체류시98.8~98% , 50% ,

간은 고형물 부하는6~24h, 40~80kg/d mㆍ2이며 바닥경사는 의 구배로, 1 : 4

가 잘 이동되도록 설계하고 는 원형으로 하고 길이는 로 하여야sludge hopper , 2m

한다.

침전지8.

침전은 응집공정에서 크고 무겁게 성장한 을 침강시켜서 현탁물질의 대부분을floc

제거하는 시설로서 다음 공정이 차침전지일 경우는 활성오니공정 여과공정이나 주1

수처리 부하를 경감시키기 위한 공정이다 침전지는 침전 완충과 슬러지배출의. , 3

가지 기능을 갖고 있으며 하수 정수처리장 등은 침전효과 증대를 위해서는 유입, ㆍ

수가 침전지의 전체 단면에 균등하게 흐르도록 하여야 한다 최근 지내에 정류벽을.

설치해 균등화를 증대시키기도 한다 그리고 하부에 침강된 인 는 대차. slurry sludge

로프 견인식 오니제거기를 설치해 제거를 기계식으로 배출시키기로 하고sludge ,

인 를 설치해 로 배출시킨다 또한 유출부에는sludge collector scraper volute pump .

충분한 유출 를 설치해 유출에 의한 와류발생이나 침전물의 부상을 방지하도록weir

해야 한다.

폐수처리장은 응집조에서 형성된 함유 폐수가 이 깨지지 않도록 기계식 아floc floc

닌 자연유하 에 의해 침전조의 중앙에 설치된 등으로 유입된(gravity) center well

다 이 설치목적은 유입시 난류 를 층류. center well (turbulent flow) (laminar flow)

로 전환시켜 입자의 침강을 용이하게 하기 위한 설비이다 침전조의 설계시, floc .

중요한 인자는 입자의 침강속도 보다 월류부하원 을 크게 하(overflow load source)

여서는 안 된다 침전조에서 일정한 체류시간 동안 침전된 오염물질은 하부에 설치.

된 침전조의 에 의해서 중앙으로 포집된 후 조작에 의해서 저hopper valve sludge

류 로 이송된다 침전조는 로 이루어진 층이 있는데 이 층은box . slurry sludge , sludge

침전조의 기능에 중요한 역할을 하며 슬러지들이 이 슬러지층을 통과하면서 층을,

형성하고 있는 입자와 충돌해서 층을 통과하지 못하고 운동에 의해 입자의brown

밀도가 크게 되면 침전이 이루어진다 슬러지층이 파괴되면 가 처리수와 함. sludge

께 외부로 유출되어져 부상으로 처리수질이 크게 나빠지므로 슬러지를 인발sludge

할 때 충분히 유의하여 슬러지 배출량을 잘 조절해 운전하여야 한다.

- 61 -

제 장 원형침전지 고도처리 침전기술의 해석3 CFD

제 절 서 론1

침전공정은 중력의 힘을 이용하여 고체와 액체를 분리하는 가장 원천적이고 간단한

수처리 방법이다 현재 국내에서 이상 사용되고 있는 침전조는 자연침강 및 밀. 99%

도차를 이용한 방법으로써 날로 늘어나는 공장 및 생활 오 폐수를 처리하기 위해ㆍ

서는 처리량의 증가에 비례해 침전조의 설치면적을 증가시켜야 한다 하수 및 오수.

처리장의 경우 차 및 차 침전조와 농축조 그리고 경우에 따라서는 화학적 침전, 1 2

조가 사용되기도 한다 침전조의 형태는 장방형과 원형으로 구분하는데 본 연구에. ,

서는 원형을 대상으로 하였다.

침전조는 복잡한 기계장치를 포함하지 않아 단순한 구조물로만 여겨지고 상수도와

하수도 시설 기준서에도 설계기준이 체류시간 및 고형부하율 등으로만 설정 되어

있는 등 그 기술적 중요성이 과소평가되고 있다 이는 침전현상에 대한 이해 부족, .

에서 비롯되며 실제로 침전조에서 발생하는 물리적 현상은 매우 복잡하고 중요하,

다 침전조 내에서는 입자들끼리의 응집과 침전이 지속적으로 발생되어 입자의 크.

기가 시간에 따라 변화하는 복잡한 현상이 발생하고 있다 그러므로 침전조 내의. ,

현상을 정확히 예측하고 침전조를 효율적으로 설계하고 운전하기 위해서는 침전조

내의 유동현상에 따른 입자의 거동에 대한 연구가 필요하며 이를 바탕으로 보다,

효율적인 응집 및 침전방법의 개발이 이루어져야 한다.

- 62 -

침전조 내에서의 유체거동에 대한 실험적 수치적인 연구는 활발하게 수행되어 왔,

다 초기에는 과 등이 복잡한 흐름을 단순화하여 침전지를 설계하였. Hazen Camp

고 과 은 복잡한 침전조 내부의 밀도류에 의한 순환현상과 침전물, Anderson Larsen

의 재부유 현상을 연구하였으며 과 등에 의해 단락류 현상이 밝혀, Heinke , Lakehal

지면서 침전조 내의 복잡한 유동특성에 대한 많은 실험적인 연구가 수행되었다.

은 침전조 폭 대 수섬비가 약 정도인 실험실 모형에서 레이저 유속계로Iman 1.0

유속을 측정하여 침전조 내부의 유동현상을 규명하였고 와 는 보다, Stamou Adams

현장조건에 부합하는 유출부 형상에 대해 농도분포 및 유속분포를 색소추적방법,

흐름가시화 그리고 레이저 유속계를 사용하여 측정하였다 또한 레이놀즈 수와 침, .

전조 폭 대 수심비 그리고 침전조 장폭비 등의 변화에 따른 영향을 규명하였다.

과 는 차원 레이저 유속계를 사용하여 침전조 유입부에서의 흐름 및Lyn Rodi[9] 2

난류특성을 세부적으로 측정하여 유입부에서의 흐름의 거동은 매우 복잡한 차원적3

인 특성을 보이며 난류강도 또한 매우 높은 것으로 보고하고 있다 등은 밀. Krebs

도류에 의한 비균등 흐름 현상을 개선하기 위해 입구부의 새로운 형태를 제안하고

이에 대한 모형실험 및 수치적 연구를 수행하였다 그들은 입구 에너지속. (energy

을 최소화하기 위해서는 입구가 바닥에 가까이 위치해야 하며 두 개의 각진flux) ,

막대 를 설치함으로써 입구에서 난류에너지의 소산을 유발하고 속도변동(angle bar) ,

을 감소시킴으로써 침전효율이 증가함을 보였다.

측정기기의 발달에 힘입어 실험에서는 차원 유속을 정밀하게 측정할 수 있는3 ADV

나 가 사용되고(Acoustic Doppler Velocimeter) LDV (Laser Doppler Velocimeter)

있으나 대부분의 모형실험에서는 순수한 물을 작동유체로 사용하기 때문에 부유물,

질이 존재하는 침전조의 유동구조를 정확하게 모사할 수 없다는 문제가 있다.

본 연구에서는 유동해석 상용소프트웨어인 를 이용해 물과 부유물의 이상CFX-4.4

유동해석을 수행하였다 먼저 기존의 침전조 구조와 개선된 구조들 즉(two-phase) . ,

정류벽에 단면축소부가 있는 경우와 분배판이 설치된 경우에 대한 유동해석을 수행

하여 각각의 형상에 대한 침전효율을 비교하여 단면축소부와 분배판이 침전효율에

미치는 영향을 파악하였다 이를 바탕으로 새로운 침전조 형상에 대해 단면축소율.

과 분배판의 각도변화에 따른 침전효율을 비교하여 최적의 단면축소율과 분배판의

각도를 제시하였다.

- 63 -

제 절 전산유체역학 개요2

전산유체역학 은 넓은 의미에서는 컴퓨터를(CFD : Computational Fluid Dynamics)

사용해 유체역학적 문제들을 해석하는 모든 분야를 포함할 수 있겠지만 일반적으,

로는 유체유동을 지배하는 미분방정식들을 컴퓨터를 통해 수치해석하는 학문분야로

그 범위를 좁히고 있으며 특히 최근에는 단순한 형태의 유동장에 대해 물리적 모,

델이나 수치기법 등을 시험하는 기초연구분야 보다는 실제적인 기계장치 내의 복잡

한 유동장을 해석하여 기계장치의 설계에 기여하는 응용성이 강한 분야를 지칭하고

있다.

전산유체역학은 일반적으로 순수 유체역학적 현상뿐 아니라 열전단 연소 화학 반, ,

응 등의 현상까지도 포함하는 것이 일반적인 추세이다 이론적인 측면에서는 유체.

유동을 바탕으로 하는 이러한 현상들이 지배방정식의 첨가를 통해 유체유동과 동일

한 방식으로 해석될 수 있다.

전산유체역학의 장점1.

유동해석수단으로서 전산유체역학은 실험에 비해 다음과 같은 장점을 갖고 있다.

가 경제성. 특정한 문제의 해석을 실험에 의존할 경우 실험장치의 제작과 측정: ,

에 많은 경비가 필요하지만 전산 유체역학의 경우에는 소프트웨어가 구비된 경우

경계조건 등 입력조건의 변경만으로 컴퓨터를 통해 해석이 가능하므로 경비를 줄일

수 있다.

나 시간절감. 실험에서 소요되는 시간에 비해 전산유체역학에 의한 계산시간은 비:

교 할 수 없을 정도로 빨라서 다양한 해석이 가능하다, .

다 완전한 정보의 제공. 수치계산에 의해 제공되는 유동장에 관한 정보는 구체적:

이고 완전하다 즉 한번의 계산으로 전 유동장내의 속도 압력 온도 밀도 등의 분. , , ,

포를 알 수 있다 반면에 실험에서는 제한된 유동변수들만을 측정할 수 있고 유동. , ,

장내 측정이 곤란한 영역이 존재할 수 있다.

라 실제 조건에 대한 해석. 매우 빠른 속도 매우 높은 온도 유독한 환경등 실험: , ,

이 곤란한 조건하의 유동에 대해서도 아무런 제한 없이 해석이 가능하다.

마 이상적 조건에 대한 해석. 실험으로는 실현시키기 곤란한 차원 유동 단열 벽: 2 ,

면 균일한 밀도 등의 이상적 조건들을 완벽하게 해석할 수 있다, .

- 64 -

전산유체역학 소프트웨어의 구성2.

전산유체역학 컴퓨터 소프트웨어는 일반적으로 다음과 같은 세 가지 독립된 코드로

구성된다.

가 격자생성코드. (Pre- Processor)

미분방정식의 수치해석을 위해서는 우선 해석하고자 하는 유동영역을 유한한 개수

의 격자들로 구성하여야 한다 항공기 주위의 유동이나 터보기계내의 유동처럼 기.

하학적 경계가 복잡한 유동장에 대해 적절한 격자계 를 구성하는 일은(grid system)

단순한 작업이 아니다.

격자생성코드는 계산영역의 경계격자들을 입력하였을 때 내부 격자들을 자동적으로

생성하는 기능을 수행한다.

나 유동해석코드. (Solver)

유동의 수치해석을 수행하는 코드로서 유한체적법 유한차분법 또는 유(FVM), (FDM)

한요소법 등으로 미분방정식을 이산화한 다음 이산화된 선형대수 방정식들을(FEM) ,

수치계산하는 기능을 담고 있다.

다 결과처리 코드. (Post- Processor)

계산된 결과를 처리하고 가시화하는 기능을 수행하는 코드이다 속도 압력 온도분. , ,

포 등의 해석 결과를 이해하기 쉽게 를 이용해 가시화하는Computational Graphics

것은 특히 차원 유동의 해석에서는 중요하다 경우에 따라서는 동적 가시화를 위,3 .

해 기능의 추가도 필요하다Animation .

제 절 유동해석3

유동해석방법1.

본 연구에서 사용된 유동해석코드인 는 영국 사에서 개CFX-4.4 AEA Technology

발되어 전세계적으로 널리 사용되고 있는 신뢰성이 있는 유동해석 전문 소프트웨어

로써 격자생성을 위한 유동해석을 위한 와 유동가시화를CFX-Build, Flow Solver

위한 로 구성되어 있으며 광범위한 열 유동해석이 가능하다CFX-Visualise .ㆍ

본 연구에서는 물과 부유물의 혼합유동을 해석대상으로 하였으며 계산에 사용된,

부유물의 체적점유율은 비중은 이며 입자직경은 점도는0.4%, 1.01 , 15.61 ,㎛

이다0.7Mpa s .ㆍ

- 65 -

지배방정식2.

본 연구에서는 침전조의 형상과 시간에 따른 침전량의 변화를 고려하기 위해 삼차

원 비압축성 비정상 시간평균 방정식을 이용, , , Reynolds Averaged Navier-Stokes

하였으며 사용된 지배방정식은 다음과 같다, .

연속방정식

운동량방정식

여기서 σ 는 응력텐서로써 다음과 같이 정의된다.

앞서 언급된 바와 같이 본 연구의 해석 대상은 물과 부유물의 이상유동,

이므로 위의 지배방정식은 각각의 상 에 대해 적용되며 물과(two-phase flow) ( ) ,相

부유물 사이의 운동량 교환을 고려하여 운동량 방정식의 생성항에 물과 부유물 사

이의 항력과 상대속도의 곱으로 정의되는 운동량 교환항을 사용하였다.

난류모델3.

본 연구에서는 난류유동의 해석을 위해 일반적으로 널리 사용되고 있는 표준 k -

모델을 사용하였다 난류유동계산의 경우 지배방정식의 점성계수.ε μ는 유효 점성

계수, μeff = μ+μt로 대체되며 난류점성계수 μt는 다음과 같이 정의된다.

- 66 -

여기서, k 와 은 각각 다음과 같은 방정식들로부터 계산된다.ε

여기서,

계산에 사용된 상수값들은 다음과 같다.

Cμ = 0.09,

C1 = 1.44,

C2 = 1.92,

σk = 1.0,

σε = 1.0,

수치해석방법4.

본 연구에서는 미소검사체적을 적분하여 대수방정식을 얻는 유한체적법(finite

을 이용하여 지배방정식을 차분화하였다 속도 압력 보정에는 운volume method) . -

동량방정식에서 속도를 구하고 연속방정식으로부터 압력을 구하는 알고리SIMPLE

즘이 사용되었다 계산에 사용된 지배방정식은 연속방정식을 제외하고 아래와 같이.

확산항과 대류항을 갖는 일반적인 형태를 갖는다.

위 식을 제어체적에 대해 적분하면 다음과 같은 식이 된다.

- 67 -

여기서 대류항은 다음과 같은 하이브리드 도식을 이용하여 차분화하였다.

각 항의 첨자는 에 나타낸 바와 같이 제어체적의 각 면을 나타낸다Fig. 3.1 .

이산화된 방정식들은 를 이용한 반복해법으로 계산되었으며 반복수치계산은TDMA ,

질량보존방정식의 잉여값 이(Residual) 10-6이하가 될 때까지 수행하였다 수렴해를.

얻기까지 약 회의 반복계산이 이루어졌으며 계산시간은 약 시간 정도 소요5000 , 48

되었다.

경계조건5.

입구경계조건 균일유속: 0.567ms.•

출구경계조건 일정압력조건: .•

벽면경계 정류벽 및 회전판부분 점착조건, : (no slip).•

측면경계 대칭조건: (symmetry).•

유체와 대기가 접한 자유표면은 계산의 편리를 위하여 조건으로 대체하였다slip .•

- 68 -

제 절 결과 및 고찰4

침전현상은 중력에 의한 자연침강과 부유물 사이의 화학적 반응에 의한 고형물

의 형성에 의해 이루어진다 본 연구에서는 침전의 주요 구동력을 중력으로(floc) .

간주하여 부유물 사이의 화학적 반응은 고려하지 않았다 계산에 사용된 격자수는.

개로 총 개가 사용되었으며 펜티엄 를 사용하여60×90×20 108,000 , 1GHZ CPUⅢ

한번의 계산에 약 시간이 소요되었다48 .

기하학적 형상1.

는 정류벽에 단면축소부를 설치하고 그 하단에 분배판을 설치한 침전조의Fig. 3.2

단면구조를 나타내고 있다 물과 부유물이 혼합된 유동은 중앙의 상부로부터 유입.

되어 침전조 내부순환을 거쳐 우측의 침전조 벽을 넘어 밖으로 유출된다 기존의.

침전조는 와 같이 정류벽이 수직으로 설치되어 유동이 직접 침전조 바닥Fig. 3.3(a)

을 향해 유입됨으로써 침전물의 재부유현상이 유발되므로 새로 설계된 형상에서는,

이를 방지하기 위해 와 같이 정류벽에 단면축소부와 분배판을 설치Fig. 3.3 (b)-(d)

하여 유동이 바닥으로 직접 유입되지 않도록 함으로써 침전효율의 향상을 도모하였

다 분배판과 단면축소부가 침전효율에 미치는 영향을 파악하기 위해 와. Fig. 3.3(b)

같이 분배판만을 갖는 구조와 와 같이 분배판과 단면축소부를 설치한 경Fig. 3.3(c)

우 그리고 와 같이 분배판이 회전하는 경우를 각각 계산하였다, Fig. 3.3(d) .

는 단면축소율 과 분배판의 각도Fig. 3.4 (D/d) (α 변화에 따른 침전효율을 비교하기)

위해 사용된 다섯 가지의 형상을 나타내고 있으며 각각의 단연축소율과 분배판의,

각도는 에 나타내었다 형상의 대칭성을 고려하여 전체의 부분을 해석Table 3.1 . 1/4

하였으며 효율적인 격자생성을 위해 회전판과 원통의 두께를 무시하였다.

Table 3.1 Dimensions of angle of distributor and blockage ratio.

- 69 -

속도분포2.

는 기존의 형상과 분배판 단면축소율을 갖는 경우의 속도분포를 나타내고Fig. 3.5 ,

있다 기존의 형상인 는 정류벽 이 수직으로 설치되어. Fig. 3.5(a) (central feed wall)

유동이 침전조의 바닥으로 유입되어 침전조 바닥에서 속도가 증가함을 볼 수 있다.

이러한 유동형태는 침전물을 재부유시킴으로써 침전효율을 감소시키는 원인이 된

다 반면 분배판이 설치된 는 이러한 현상이 없어지고 유동을 상부와. , Fig. 3.5(b) ,

하부로 나누는 단락류가 형성됨을 알 수 있다 이러한 단락류는 중력에 의한 자연.

침전면적을 증가시켜 침전효율을 증가시키는 요인이 된다 는 정류벽에. Fig. 3.5(c)

단면축소부를 설치하여 유입된 유동이 침전조 벽쪽으로 넓게 퍼짐으로써 자연침전

면적이 증가하고 있음을 보여주고 있다 는 분배판을 회전시킨 경우의. Fig. 3.5(d)

속도분포를 보여주고 있는데 와 거의 유사한 경향을 보이고 있다 이로Fig. 3.5(c) .

미루어 볼 때 분배판의 회전은 유동구조의 변화와 침전효율에 큰 영향을 주지 않,

는 것으로 판단된다.

은 분배판의 각도와 단면축소율에 따른 속도분포를 보여주고 있다 속도 벡Fig. 3.6 .

터는 분배판의 각도 변화에 민감하게 변화하고 있지만 단면축소율에 따른 변화는,

크게 나타나고 있지 않음을 알 수 있으며 이로 판단해 볼 때 분배판의 각도변화가, ,

침전효율에 미치는 영향이 더 큼을 알 수 있다.

난류에너지 분포3.

는 단면축소율이 인 경우 분배판의 각도변화에 따른 난류운동Fig. 3.7 (a)-(c) 0.55 ,

에너지의 분포를 나타낸다 세 경우 모두 단면축소부를 지난 유동에서 유로의 급격.

한 확대와 분배판과의 충돌로 인해 난류운동에너지가 급격히 증가하는 경향을 보이

고 있다 분배판의 각도가 인 경우 침전조 벽에서 난류운동에너지의 구배가. 22.3˚

상당히 커짐을 알 수 있으며 분배판의 각도를 증가시킬수록 유동이 벽과 직접 충,

돌하는 현상을 완화시킴으로써 난류생성이 억제되고 있음을 볼 수 있다 또한 분배.

판의 각도가 인 경우 넓은 범위에 걸쳐 난류에너지가 생성되고 있음을 알 수45˚

있다 와 는 분배판의 각도가 인 경우에 대해 단면축소율을 변. Fig. 3.7 (d) (e) 45˚

화시킨 경우의 난류에너지 분포를 나타내고 있는데 단면축소율이 인 경, 0.5, 0.67

우 인 경우보다 넓은 범위에 걸쳐 난류에너지가 생성되고 있음을 알 수 있으, 0.55

며 이러한 경향은 침전효율을 저하시키는 원인으로 작용하는 것으로 사료된다, .

이 결과는 침전효율이 난류운동에너지의 분포에 상당한 영향을 받는다고 보고한

등과 와 의 결과와 잘 일치하고 있다 이러한 결과로 볼 때 난류Krebs Adams Rodi . ,

생성의 제어를 통해 질량혼합을 억제시킴으로써 침전성능의 향상을 도모할 수 있는

것으로 사료된다.

- 70 -

유선분포4.

은 분배판의 각도가 다른 세 가지 경우에 대한 유선분포를 나타내고 있다Fig. 3.8 .

세 경우 모두 등이 제시한 바와 같이 분배판을 기준으로 상부와 하부의Lakehal ,

유동으로 나뉘는 단락류의 발생을 볼 수 있으며 자연침강면적으로 정의되는 상부,

와 하부의 유동 경계면은 분배판의 각도가 인 경우 최대이지만 그림에서 볼 수45˚

있듯이 이 경우 침전조 바닥근처의 유선이 조밀하게 분포함으로써 유속이 증가하

고 유속의 증가는 침전효율을 저하시키는 요인이 된다, .

체적점유율 분포5.

는 형상에 대해 침전조 바닥으로부터의 각 위치에 따라 부유물의 체적Fig. 3.9 G0

점유율을 나타내고 있다 유동이 유입되는 침전조의 중심부에 부유물의 체적점유율.

이 침전조 벽보다 크게 나타나는 것을 알 수 있다 이는 유동이 충분히 침전조 벽.

쪽으로 유입되지 않기 때문으로 사료된다 또한 바닥으로부터 높이가 이상의. 27 cm

구역에서는 체적점유율의 변화가 거의 없음을 알 수 있다.

은 형상에 대해 침전조 바닥으로부터의 각 위치에 부유물의 체적점유Fig. 3.10 G2

율을 나타내고 있다 형상의 체적점유율 분포와 반대로 침전조 벽쪽으로 부 유. G0

물의 체적점유율이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다 이는 분배판과 단면축소부의.

설치로 인해 유동이 벽쪽으로 많이 유입됨으로써 침전조 벽근처에서 침전량이 증가

함을 의미한다 형상에 대해서도 침전조 바닥으로부터 이내의 구역에서. G2 27 cm

침전이 주로 일어나는 경향을 보이고 있으며 이상의 구역에서 체적점유율, 27 cm

의 차이가 약간은 있으나 그리 크지 않게 나타나고 있음을 볼 수 있다.

침전효율비교6.

은 에 나타난 네 가지 경우 즉 기존의 형상 단면축소부와 분배Fig. 3.11 Fig. 3.2 , ,

판을 갖는 형상 및 분배판이 의 속도로 회전하는 경우에 대해 깊이에 따0.44 rad/s

른 부유물의 체적점유율을 비교한 결과이다 그림에서 는 침전조 바닥으로부터의. h

높이를 나타낸다 기존의 형상에 비해 분배판과 단면축소부를 설치한 세 가지 형상.

의 체적점유율이 침전조 바닥으로부터 이내의 구역에서 현저히 증가함을 보20 cm

이고 있으며 분배판의 회전은 침전에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다 또한, .

침전조의 바닥으로부터 이상의 구역에서는 체적점유율의 변화가 무시할 수27 cm

있을 정도로 작아 침전이 일어나지 않음을 알 수 있다.

- 71 -

에 각 형상에서의 침전효율을 기존형상을 기준으로 한 상대효율로 나타내Table 3.2

었다 여기서 침전효율은 입구로 들어오는 부유물의 총량에 대한 침전된 부유물의.

비로 정의하였으며 침전된 부유물의 양은 앞서 살펴본 바와 같이 침전조 바닥으로, ,

부터 이내의 체적점유율과 밀도의 곱으로 계산하였다27 cm .

단면축소부와 분배판이 설치된 경우 기존형상에 비해 최대 의 침전효율증가가260%

보이는데 이는 등 이 보고한 바와 같이 분배판의 설치로 인해 큰 와, Kreb [10] (eddy)

가 작은 와로 급속히 쪼개짐으로써 에너지 소산 을(dissipation of kinetic energy)

촉진하여 속도변동 을 감소시키고 이 결과 침전조 내부의 유동(velocity fluctuation) ,

이 안정되어 침전효율이 증가한 것으로 사료된다.

는 정류벽의 단면축소율을 로 고정시키고 분배판의 각도를 변화시켜Fig. 3.12 0.55 ,

가며 계산한 침전조 바닥으로부터의 부유물의 체적점유율을 나타내고 있다 단면축.

소율이 일정할 때 분배판의 각도가 와 인 경우가 인 경우에 비 해, 33 45 22.3˚ ˚ ˚

침전효과가 두드러지게 크게 나타났으며 두 경우는 매우 유사하나 인 경우 가, 33°

약간 더 높은 체적점유율을 보이고 있다 이는 분배판 각도가 증가됨에 따라 분 배.

판을 지난 유동에서 난류의 생성이 억제되어 중력에 의한 침전효과가 증가하기 때

문으로 사료된다.

은 분배판의 각도를 로 고정시킨 경우 단면축소율의 변화가 침전 능Fig. 3.13 45°

력에 미치는 영향을 보여주고 있다 단면축소율이 인 경우의 침전효율이 가장. 0.55

크게 나타남을 알 수 있으며 이는 단면축소율이 인 경우 가속된 유동이 분배판, 0.5 ,

과 충돌함으로써 난류생성이 증가하여 침전효율의 저하를 유발하며 단면축소율이,

인 경우는 유속의 감소로 인해 유동이 충분히 확산되지 못하므로 중력에 의한0.67

침전이 일어날 수 있는 영역이 감소하기 때문으로 판단된다.

에 단면축소율과 분배판의 각도변화에 따른 상대침전효율을 비교하였다Table 3.3 .

앞서 언급된 바와 같이 단면축소율이 분배판의 각도가 인 경우 최대의, 0.55, 33˚

침전효율을 나타내고 있다 단락류에 의한 자연침강면적은 분배판의 각도가 인. 45˚

경우에 최대임을 고려해 볼 때 침전효율은 단락류에 의한 자연침강면적뿐 아니라, ,

난류운동에너지의 분포에도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.

- 72 -

Table 3.10 Effects of blockage ratio and distributor on sedimentation efficiency

Table 3.11 Comparison of sedimentation efficiencies for various blockage ratios

and angle of distributer

- 73 -

Fig. 3.31 Control volume

Fig. 3.32 Geometric shape of sedimentation bed

- 74 -

(a)G0 (b)G1 (c)G2 (d)G3

(a) original

(b) with distributor

(c) with distributor and contraction

(d) with rotation of distributor

Fig. 3.33 Computational shapes

(a)T1 (b)T2 (c)T3 (d)T4 (e)T5

Fig. 4.34 Computational shapes for various blockage ratios and angles of

distributor

- 75 -

(a) G0

(b) G1

- 76 -

(c) G2

(d) G3

Fig. 3.5 Velocity profiles for G0, G1, G2, and G3

- 77 -

(a) T1

(b) T2

- 78 -

(c) T3

(d) T4

- 79 -

(e) T5

Fig. 3.6 Velocity profiles for T1, T2, T3, T4, T5

- 80 -

(a) T1 (b) T2

- 81 -

(c) T3 (d) T4

- 82 -

(e) T5

Fig. 3.7 Kinetic energy contours

- 83 -

(a) T1 (b) T2 (c) T3

Fig. 3.8 Streamlines

- 84 -

h = 0 cm h = 7 cm

h = 12 cm h = 20 cm

- 85 -

h = 27 cm h = 33 cm

h = 45 cm h = 65 cm

Fig. 3.9 Volume fractions for G0

- 86 -

h = 0 cm h = 7 cm

h = 12 cm h = 20 cm

- 87 -

h = 27 cm h = 33 cm

h = 45 cm h = 65 cm

Fig. 3.10 Volume fractions for G0

- 88 -

Fig. 3.11 Comparison of sedimentation efficiencies

- 89 -

Fig. 3.12 Effects of angle of distributor (blockage ratio = 0.55)

- 90 -

Fig. 3.13 Effects of blockage ratio(angle of distributor = 45° )

- 91 -

제 절 결 론5

기존의 침전조 형상과 단면축소부와 분배판을 갖는 새로운 형상에 대해 물과 부유

물의 이상유동 현상을 해석하여 침전조의 침전효율을 비교하였다 기존 형상에 비.

해 분배판과 정류벽에 단면축소부를 갖는 형상은 침전효율이 최대 증가하였260%

으며 분배판의 회전효과는 침전효율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다 이, .

를 바탕으로 다섯 가지 조합의 단면축소율과 분배판의 각도에 대한 침전 효율 비교

를 통해 최적의 단면축소율과 분배판의 각도를 제시하였다 계산결과 단면축소율이. ,

분배판의 각도가 인 경우의 효율이 가장 크게 나타났다 단면축소부와0.55, 33° .

분배판은 단락류의 형성과 유속 등 유동구조와 난류에너지의 생성에 민감한 영향을

미침을 제시하였다 이러한 유동구조의 변화는 자연침전면적의 크기를 변화시키고.

난류에너지의 생성은 침전효율의 감소를 유발하는 것으로 나타났다.

- 92 -

기호설명

x, y, z : Coordinates, respectively

k : Turbulent kinetic energy

ε : Dissipation rate of k

P : Production rate of k

μ : Viscosity

ρ : Fluid density

C ,μ Cε1, Cε2 : Model constants

,χ σk, σε : Model constants

η : Sedimentation efficiency

V : Volume fraction of sludge

- 93 -

제 장 실증 설계 및 실험4 Plant

제 절 실증 설계1 Plant

실증 설계를 위한 유동해석1. Plant

침전조는 복잡한 기계장치를 포함하지 않아 단순한 구조물로만 여겨지고 상수도와

하수도 시설 기준에서도 설계기준이 체류시간 및 고형부하율 등으로만 설정 되어

있는 등 그 기술적 중요성이 과소 평가되고 있다 이는 침전현상에 대한 이해부족.

에서 비롯되며 실제로 침전조에서 발생하는 물리적 현상은 매우 복잡하고 중요하,

다 침전조 내에서는 입자들끼리의 응집과 침전이 지속적으로 발생되어 입자의 크.

기가 시간에 따라 변화하는 복잡한 현상이 발생하고 있다 그러므로 침전조 내의. ,

현상을 정확히 예측하고 침전조를 효율적으로 설계하고 운전하기 위해서는 침전조

내의 유동현상에 따른 입자의 거동에 대한 연구가 필요하며 이를 바탕으로 보다,

효율적인 응집 및 침전방법의 개발이 이루어져야 한다.

따라서 본 연구에서는 원형 침전조를 대상으로 침전조 내의 유동현상에 따른 입자,

의 거동에 대해 연구하여 내부 구조가 개선된 침전장치를 개발하고 침전조 내의,

유동 해석과 실증 실험에 의한 검증을 통하여 현실 적용이 가능한 조건CFD Plant

을 찾고자 하였다 이에 유동 해석 상용소프트웨어인 를 이용해 물과 부유. CFX-4.4

물의 이상 유동해석을 이용하여 기존의 침전조 구조와 개선된 구조들(two-phase) , ,

즉 정류벽에 단면축소부가 있는 경우와 분배판이 설치된 경우에 대한 유동해석을

수행하여 각각의 형상에 대한 침전효율을 비교하여 단면축소부와 분배판이 침전효

율에 미치는 영향을 파악하였으며 동일한 조건을 실증 에 적용시켜 검증을 하, Plant

였다.

실증 설계 및 설치2. Plant

본 연구에서 개발한 내부 구조가 개선된 침전조는 에 나타난 것과 같이 침Fig. 4.1

전조 내부의 정류벽에 단면축소부를 설치하고 그 하단에 분배판을 설치하였으며, ,

정류벽의 단면축소율과 분배판의 경사각은 해석 결과를 토대로 설정하였다CFD .

물과 부유물이 혼합된 유동은 중앙의 상부로부터 유입되어 침전조 내부순환을 거쳐

우측의 침전조 벽을 넘어 밖으로 유출된다 기존의 침전조는 와 같이 정류. Fig. 4.2

벽이 수직으로 설치되어 유동이 직접 침전조 바닥을 향해 유입됨으로써 침전물의

재부유현상이 유발되므로 새로 설계된 현상에서는 이를 방지하기 위해 정류벽에,

단면축소부와 분배판을 설치하여 유동이 바닥으로 직접 유입되지 않도록 함으로써

침전효율의 향상을 도모하였다.

- 94 -

개선된 침전장치의 내부 구조Fig. 4.1

기존 침전장치의 내부 구조Fig. 4.2

- 95 -

원수 저장조는 용량 5m3규모의 원형탱크로 재질로 제작되어 원수를 유입하PVC ,

는 펌프와 연결되어 유입 펌프에 의해 유입된 원수의 농도를 일정하게 유지하기 위

해 설치하였으며 원수의 완전 혼합을 위해 공급장치를 설치하였다 또한 원수, air . ,

저장조에 유입되는 원수량의 자동 조절을 위해 수위에 따른 유입 펌프 자동 조절장

치가 설치되어 있다 원수 저장조의 원수는 펌프에 의해 지의 침전조로 공급되어. 2

지는데 침전조 체류시간에 따른 원수의 유량을 조절하기 위하여 펌프의 회전수를,

조절할 수 있는 센서가 장착되어져 있다 또한 지의 침전조에 유입되는 각각의. , 2

원수량을 동일하게 하기 위해 침전조 각각에 펌프를 설치하여 원수 저장조의 유량,

차에서 오는 원수 유입량 오차를 없애고자 하였다.

침전조는 내부 구조가 기존의 형상으로 설계되어진 것과 개선된 구조로 설계되어진

고효율 침전조로 지가 설치되어 있으며 용량은2 , 8m3로 기타의 외형은 동일한 원

형 침전조로 설계되었다 각각의 침전조 상단에는 유입되는 원수의 원활한 조내 공.

급을 위해 혼화조 및 분배조가 설치되어 있으며 조내 원수의 혼합을 위한 스크래,

퍼와 감속기가 설치되어 있다 침전조에서 발생되어 배출되는 침전 슬러지는 배출.

되어 슬러지 저류에 저장되며 침전조 하단에는 전동 밸브가 설치되어 있어서 작동,

자에 의해 실험조건에 따라 배출량을 조절할 수 있게 설계되어졌다.

실증 의 설치는 최초 수원의 정수장에 설치하기로 하였으나 정수장 내부의Plant P- ,

사정과 실증 작동자와 거리 등 여러 조건을 고려하여 인천의 정수장에 설Plant S-

치하기로 하였다 정수장은 지난 년 월부터 년 개월 동안에 걸친 사업. S- 1996 12 5 4

이며 년 월 일에 통수식을 한 정수장으로 수돗물 정수능력이 약 만 천, 2002 3 7 62 3

톤으로 인천시에서 가장 큰 규모이나 현재는 정수능력의 약 정도인 만톤 만, 25% 15

을 생산하고 있다 실증 는 정수장의 탈수기동에 설치하였는데 탈수기동 주변. Plant ,

에는 차 조정조 및 농축조가 인접해 있기 때문에 실증 에 공급하는 원수의1,2 Plant

수급이 용이하며 침전조에서 배출되는 슬러지의 처리에도 용이하여 실증 를, , Plant

가동하기에 최적의 조건을 갖추었다.

제 절 실증 실험2 Plant

실증 실험 계획1. Plant

실증 실험은 침전조 내부 흐름의 유동 해석에서 얻어진 결과를 검증하Plant CFD

는 방식으로 각 실험의 조건은 유동 해석 결과를 기준으로 실시하였다, CFD .

- 96 -

유동 해석에서 실시한 분배판과 정류벽 단면축소의 존재 여부에 따른 침전효CFD

율 실험 분배판의 경사각에 따른 침전효율 실험 정류벽 단면축소율 변화에 따른, ,

침전효율 실험을 실증 에서 실시하여 유동 해석에 의한 침전효율 실험에Plant CFD

서 얻어진 결과와 비교 검증하여 침전효율을 증가시키는 침전조 내부 형상의 최,ㆍ

적 조건을 찾고자 하였으며 유동 해석에서 배제한 정류벽과 분배판의 간격, CFD

및 체류시간에 따른 침전효율도 평가해 보았다.

실증 실험 방법2. Plant

실증 실험은 유동 해석의 검증 실험으로 으Plant CFD Exp. , Exp. , Exp.Ⅰ Ⅱ Ⅲ

로 나누어 실험하였는데 실험에 사용할 원수는 정수장 침전지의 슬러지가 조정, S-

조로 유입되는 조정조 분배조의 것으로 수중펌프를 이용하여 원수탱크로 유입 저ㆍ

장시켰다 각 침전조에 유입되는 유량. (1m3

과 체류시간 은 동일하게 하였으/hr) (8hr)

며 슬러지 배출량도 각 실험에 같은 조건으로 적용하였다, .

은 분배판과 정류벽 단면축소의 존재 여부에 따른 침전효율 실험Exp. , Exp.Ⅰ Ⅱ

는 분배판의 경사각에 따른 침전효율 실험 은 정류벽 단면축소율 변화에, Exp. Ⅲ

따른 침전효율 실험을 하였다 는 에서 얻어진 결과에 좀 더 세부적. Exp. Exp.Ⅱ Ⅰ

인 조건을 부여한 것이며 는 에서 얻어진 결과에 세부적인 조건을, Exp. Exp.Ⅲ Ⅱ

부여한 것으로 상기의 세 가지 실험을 통하여 최적의 조건을 찾고자 하였다 또한, .

유동 해석에서 배제되었던 분배판과 정류벽과의 간격 및 체류시간에 따른 침CFD

전효율 실험 을 실증 를 이용하여 실시함으로서 침전조 내부 형상의(Exp. ) Plant ,Ⅳ

최적 구조와 운전 조건을 제시하고자 하였다 각각의 세부 실험 방법은. Table 4.1

에 나타냈으며 각각의 실험 조건의 변화에 따른 침전효율을 유입수와 처리수의 부,

유물질 농도 비교를 통해 평가하고자 하였다 실험 기간은 실증(SS, mg/ ) . Plantℓ

운영 기간을 고려하여 각각 주일로 정하였다1 .

각 실험 의 세부 조건Table 4.1 (Exp. , , )Ⅰ Ⅱ Ⅲ

- 97 -

실험 의 세부 조건Table 4.2 (Exp. )Ⅳ

제 절 실증 실험 결과 및 고찰3 Plant

분배판과 정류벽 단면축소의 존재 여부에 따른 침전효율 실험1.

은 침전조 내부 형상을 와 같이 가지 로 나누어 실Exp. Fig. 4 (C1, C2, C3, C4)Ⅰ

험하였다 은 기존의 형상을 하고 있고 는 에 분배판만을 설치하고 는. C1 , C2 C1 , C3

분배판을 설치하고 정류벽을 단면축소시킨 형상이며 는 의 조건에 분배판을, C4 C3

회전시키는 조건으로 실험하였다.

(C1) (C2)

(C3) (C4)

에서의 침전조 내부 형상 구조Fig. 4.3 Exp. Ⅰ

- 98 -

의 실험에서 각각의 결과를 보면 과 의 비교에서 유입수의 평균Exp. . C1 C2 SSⅠ

농도가 일 때 과 의 처리수 평균 농도는 각각 로502mg/ , C1 C2 SS 30, 20mg/ℓ ℓ

나타났고 의 처리효율이 로 의 처리효율 보다 정도 높게 나, C2 96.4% C1 94.0% 2.6%

타났다 과(Table 4.3 Fig. 4.3-4).

과 의 비교에서는 유입수의 평균 농도가 일 때 과 의 처C1 C3 SS 458mg/ . C1 C2ℓ

리수 평균 농도는 각각 로 나타났고 의 처리 효율이SS 28, 12.2mg/ , C3 97.3%ℓ

로 의 처리효율 보다 정도 높게 나타났다 와C1 93.9% 3.4% (Table 4.4 Fig. 4.5-6).

과 의 비교에서는 유입수의 평균 농도가 일 때 과 의 처C1 C4 SS 450mg/ , C1 C4ℓ

리수 평균 농도는 각각 로 나타났고 의 처리 효율이 로SS 28, 12mg/ , C4 97.2%ℓ

의 처리 효율 보다 정도 높게 나타났다 와C1 93.8% 3.4% (Table 4.5 Fig. 4.7-8).

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.3 C1, C2 SS

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.4 C1, C2 SS

- 99 -

과 의 처리효율 비교Fig. 4.5 C1 C2

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.4 C1, C3 SS

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.6 C1, C3 SS

- 100 -

과 의 처리효율 비교Fig. 4.7 C1 C3

유입수에 따른 처리수 농도 비교Table 4.5 C1, C4 SS

유입수에 따른 처리수 농도 비교Fig. 4.8 C1, C4 SS

- 101 -

과 의 처리효율 비교Fig. 4.9 C1 C4

과 에는 과 의 각각의 처리효율을 비교하여 나타Table 4.6 Fig. 4.9 C1 C2, C3, C4

냈으며 에서는 의 처리효율에 대비하여 각각의 처리효율, Fig. 4.10 C1 C2, C3, C4

의 증가를 나타냈다.

과 의 처리효율 비교Table 4.6 C1 C2, C3, C4

과 의 처리효율 비교Fig. 4.10 C1 C2, C3, C4

- 102 -

대비 의 처리효율 증가율Fig. 4.11 C1 C2, C3, C4

의 실험의 결과를 종합적으로 정리해보면 유동 해석의 결과와 마찬가Exp. , CFDⅠ

지로 분배판을 설치한 침전조가 기존의 형상을 가진 침전조보다 침전효율이 높게

나왔으며 분배판을 설치한 구조에 정류벽을 단면축소 시켰을 경우 분배판만 설치,

한 침전조보다 높은 효율이 나타났다 정류벽의 단면축소와 분배판을 설치하여 분.

배판을 회전시킨 의 경우에는 분배판을 회전시키지 않은 의 침전효율과 비슷C4 C3

한 결과가 나타나 분배판의 회전은 침전효율에 별다른 영향을 미치지 않는 것으로,

사료되었다 이러한 모든 결과는 유동 해석의 결과와 거의 일치하게 나타났. CFD

다.

이러한 결과를 종합하여 의 실험에서는 실험의 결과에서 나타난 효, Exp. Exp.Ⅱ Ⅰ

율이 가장 좋은 의 조건을 선택하여 유동 해석에 적용시킨 조건처럼 정류C3 CFD

벽을 단면축소시킨 구조로 변화시키고 분배판 설치한 후에 단면축소율은 로, 0.55

고정하고 분배판의 경사각을 변화시키면서 침전효율의 변화를 측정하였다.

분배판의 경사각에 따른 침전효율2.

는 침전조 내부 형상에 분배판을 설치하여 분배판의 경사각을 세 가지 조건Exp. Ⅱ

으로 설정하여 실험하였다 은 분배판 경사각이(22.3° , 33° , 45° ) . A1 22.3 , A2˚

는 분배판 경사각이 는 분배판 경사각이 이며 의 정류벽33° , A3 45° , A1, A2, A3

단면축소율은 로 모두 동일한 조건에서 실험하였다0.55 .

- 103 -

은 유입수 농도에 따른 의 처리효율을 비교한 것으로 은Table 4.7 A1, A2, A3 , A1

유입수의 농도가 일 때 처리수의 농도는 로 의 처SS 444mg/ SS 13mg/ 97.1%ℓ ℓ

리효율을 나타냈으며 는 유입수와 처리수의 농도가 각각 로, A2 SS 440, 10mg/ℓ

의 효율이며 은 유입수와 처리수의 농도가 각각 로97.8% , A3 SS 456, 9mg/ℓ

의 효율을 나타냈다 처리효율이 분배판 각도에 따라 큰 차이를 보이지는98.0% .

않았지만 일 때가 비교적 높을 처리 효율을 보였다 은 이러한 결과, 45 . Fig. 4.11˚

를 그래프로 나타낸 것이다.

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.7 A1, A2, A3

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Fig. 4.12 A1, A2, A3

는 정류벽의 단면축소율을 로 고정시켰을 때 분배판 각도의 변화에 따Exp. 0.55Ⅱ

라 침전효율을 실험한 것으로 분배판의 각도 에서 비록 근소한 값이지만, 45° (A3)

분배판의 각도 보다 높은 처리효율을 보였다22.3° (A1), 33° (A2) .

의 결과 역시 유동 해석의 결과와 같은 성향을 보였다 이러한 결과를Exp. CFD .Ⅱ

바탕으로 에서는 분배판 각도를 고정하고 정류벽의 단면축소율을 변화시켰Exp. ,Ⅲ

을 때 침전효율을 측정하였다.

- 104 -

정류벽의 단면축소율에 따른 침전효율3.

는 에서 얻은 결과를 바탕으로 분배판의 각도를 로 고정하고Exp. Exp. 45 ,Ⅲ Ⅱ ˚

정류벽의 단면축소율을 세 단계 로 변화시키면서 침전효율을 측정하고(D1, D2, D3)

자 하였다 의 단면축소율은 와 의 단면축소율은 각각 이. D1 0.5, D2 D3 0.55, 0.67

며 이러한 조건은 유동 해석의 조건을 따른 것이다, CFD .

의 결과는 유입수의 농도에 따른 각 조건의 처리효율을 비교한 것으로Exp. Ⅲ

과 에 나타냈다 의 경우 유입수 농도가 일 때Table 4.8 Fig. 4.12 . D1 SS 444mg/ ,ℓ

처리수 농도가 로 의 처리효율을 보였고 는 유입수와 처리수SS 17mg/ 96.3% , D2ℓ

농도가 각각 로 의 처리효율을 보였으며 는 유입수와SS 440, 10mg/ 97.9% , D3ℓ

처리수 농도가 각각 로 의 처리효율을 보임으로서SS 456, 19mg/ 95.9% , Exp.ℓ

에서 적용시켰던 분배판의 각도 일 때가 가장 높은 처리효율을 보인 것으로45Ⅲ ˚

나타났다 의 결과도 유동 해석에서 나타난 결과와 동일한 결과를 나. Exp. CFDⅢ

타냈다.

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.8 D1, D2, D3

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Fig. 4.13 D1, D2, D3

- 105 -

정류벽과 분배판의 간격 및 체류시간에 따른 처리효율4.

에서는 유동 해석에서 배제되었던 정류벽과 분배판의 간격에 따른 침Exp. CFDⅣ

전효율을 측정하고자 하였으며 아울러 체류시간도 변화시켜보았다 유동 해, . CFD

석에서는 정류벽과 분배판의 간격이 로 설정되었으며 에서는50mm , Exp. CFDⅣ

유동 해석에 의한 침전효율을 고려하여 정류벽과 분배판의 간격 조건을 인위적으로

변화시켜 실험하였다(H1, H2, H3, H4).

과 는 정류벽과 분배판의 간격을 로 정하고 체류시간을 각각H1 H2 200mm , 8, 16hr

으로 설정하였으며 과 는 정류벽과 분배판의 간격을 로 정하고 체류, H3 H4 300mm ,

시간을 각각 으로 설정하여 실험하였다 각 조건은 기존의 내부 구조를 가8, 16hr .

진 침전조 에 유입수를 동일하게 유입시켰을 때의 처리효율과 비교하였다(H0) .

의 결과는 와 같이 유입수 농도에 따른 각 조건에서의 처리효율을Exp. Table 4.9Ⅳ

비교하였으며 에 대한 각 조건별 처리효율 증가율을 비교하였다, H0 (Table 4.10).

은 유입수와 처리수 농도가 각각 로 의 처리효율을 보였H1 SS 560, 17mg/ 97.0%ℓ

고 는 유입수와 처리수 농도가 각각 로 의 처리효율, H2 SS 553, 9mg/ 98.4% , H3ℓ

은 유입수와 처리수 농도가 각각 로 의 처리효율 는 유SS 553, 28mg/ 94.8% , H4ℓ

입수와 처리수 농도가 각각 로 의 처리효율을 보였다SS 527, 19mg/ 96.4% .ℓ

유입수 농도에 따른 처리효율 비교Table 4.9 H1, H2, H3, H4

대비 처리효율 증가율Table 4.10 H0 H1, H2, H3, H4

은 정류벽과 분배판의 간격이 일 때 체류시간 에 따른 처Fig. 4.13 200mm , (8, 16hr)

리효율을 에 대한 처리효율 증가율로 비교하였고 는 정류벽과 분배판H0 , Fig. 4.14

의 간격이 일 때 체류시간 에 따른 처리효율을 에 대한 처리효300mm , (8, 16hr) H0

율 증가율로 비교하였다 과 에서는 통일한 체류시간 에서 정. Fig. 4.15 4.16 (8, 16hr)

류벽과 분배판의 간격이 일 때의 처리효율을 에 대한 처리효율 증200, 300mm H0

가율로 비교하였다.

- 106 -

의 결과에 의하면 정류벽과 분배판의 간격이 일 때는 체류시간Exp. 200mm 8,Ⅳ

모두 분배판 설치에 따른 높은 침전효율을 얻을 수 있었으나 에16hr(H1, H2) , H4

서는 정류벽과 분배판의 간격이 체류시간 의 처리효율과 비슷하였H1( 200mm, 8hr)

으며 에서는 처리효율 증가율이 으로 분배판을 설치하지 않았을 때의 침전, H3 0.6

효율과 비슷하였다.

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.14 H0 H1, H2

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.15 H0 H3, H4

- 107 -

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.16 H0 H1, H3

에 대한 의 처리효율 증가율Fig. 4.17 H0 H2, H4

- 108 -

제 장 결 론5

본 연구에서는 원형 침전조를 대상으로 침전조 내의 유동현상에 따른 입자의 거동

에 대해 연구하여 내부 구조가 개선된 침전장치를 개발하고 침전조 내의 유, , CFD

동 해석과 실증 실험에 의한 검증을 통하여 현실 적용이 가능한 조건을 찾고Plant

자 하였으며 유동 해석에 적용되었던 조건을 실증 실험에 적용시켜, CFD Plant

유동 해석 결과와 비교 평가하였다CFD .ㆍ

실증 실험은 로 나누어 실시하였으며 실Plant Exp. , Exp. , Exp. , Exp. ,Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

험 결과는 다음과 같다.

분배판과 정류벽 단면축소의 존재 여부에 따른 침전효율 실험인 에서는Exp.◦ Ⅰ

기존의 형상을 가진 침전조 의 침전효율과 비교했을 때 분배판만을 설치한 침(C1) ,

전조 분배판을 설치하고 정류벽을 단면축소시킨 형상을 가진 침전조(C2) 2.4%,

에서 분배판을 회전시킨 침전조 로 분배판을 설치하고 정(C3) 3.4%, C3 (C4) 3.4%

류벽을 단면축소시킨 침전조가 가장 높은 침전 효율을 보였으며 분배판의 회전은,

침전조의 침전효율에 별다른 영향을 미치지 못하는 것으로 사료된다.

정류벽 단면축소율을 로 고정한 분배판의 경사각에 따른 침전효율 실험에서0.55◦

는 분배판의 경사각이 인 은 유입수의 농도가 일 때 처리 수22.3 A1 SS 444mg/˚ ℓ

의 농도는 로 의 처리효율을 나타냈으며 분배판의 경사각이SS 13mg/ 97.1% , 35ℓ ˚

인 는 유입수와 처리수의 농도가 각각 로 의 효율 이며A2 SS 440, 10mg/ 97.8% ,ℓ

분배판의 경사각이 인 는 유입수와 처리수의 농도가 각각45 A3 SS 456, 9mg/˚ ℓ

로 의 효율을 보여 처리효율이 분배판 각도에 따라 큰 차이를 보이지는 않98.0% ,

았지만 일 때가 다른 조건보다 비교적 높을 침전 효율을 보였다, 45 .˚

분배판 경사각을 로 고정하고 정류벽의 단면축소율을 변화시킨 실험에서는45◦ ˚

단면축소율 인 은 유입수 농도가 일 때 처리수 농도가0.5 D1 SS 444mg/ , SSℓ

로 의 처리효율을 보였고 단면축소율 인 는 유입수와 처리수17mg/ 96.3% , 0.55 D2ℓ

농도가 각각 로 의 처리효율을 보였으며 단면축소율SS 440, 10mg/ 97.9% , 0.67ℓ

인 는 유입수와 처리수 농도가 각각 로 의 처리효율을 보D3 SS 456,19mg/ 95.9%ℓ

임으로서 단면축소율이 일 때 가장 높은 침전 효율을 보였다, 0.67 .

- 109 -

정류벽과 분배판의 간격 체류시간에 따른 침전 효율 실험에서는 정류벽과 분배,◦

판의 간격이 일 때가 일 때보다 높은 효율을 보였으며 체류시간이200mm 300mm ,

길수록 높은 침전 효율을 보였다 그러나 정류벽과 분배판의 간격이 일 때. , 300mm

는 분배판이 설치되지 않은 기존 형상의 침전조와 비슷한 침전 효율을 보임으로서,

고효율의 침전 효율을 얻기 위해서는 정류벽과 분배판이 일정한 간격을 유지해야

하는 것으로 사료되었다.

실증 실험의 결과는 유동 해석의 결과와 거의 동일하게 나타났으며Plant CFD ,

유동 해석에서 배제되었던 정류벽과 분배판의 간격에 따른 침전 효율은 실증CFD

실험에서 두 가지 조건만을 평가하였는데 보다 높은 침전 효율Plant 200, 300mm ,

을 얻기 위해서는 좀더 세부적인 조건을 가지고 평가해야할 것으로 사료된다.

또한 체류시간은 침전조가 처리해야 할 처리용량에 따라서 변화되므로 전체 공정,

과 관련하여 침전조에서 최적의 효율을 얻을 수 있는 설계가 병행되어야 할 것으로

사료된다.

본 연구에서는 침전지 내의 유동 해석을 통해서 침전 공정을 더욱 정확하게 이해하

여 예측하고 침전지에 영향을 미치는 여러 가지 세부 구조물들 주위에서의 물의,

흐름 특성과 지내 부유물질 입자의 거동을 연구함으로서 고효율의 침전조 설계 인

자를 찾고자 한 것이다 본 연구에서 개발되어진 고효율 침전조는 유동 해석. CFD

과 실증 실험 결과에서 나타났듯이 기존의 침전조보다 비교적 높은 침전효율Plant

을 보였다 이러한 결과를 바탕으로 실제 정수장이나 하 폐수처리장의 침전지에. , ㆍ

적용함으로서 보다 경제적이고 안정적인 침전지를 설계할 수 있을 것이다.

- 110 -

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- 115 -

부록 Ⅰ

실증 사진 자료Plant

- 116 -

실증 사진 자료Plant

침전장치 외형

원수유입펌프

- 117 -

원수저장탱크

에어공급장치

- 118 -

침전장치 내부구조 일반( Feed-well)

고효율 침전장치 내부구조 과 분배판(Feed-well )

- 119 -

원수분배용펌프

침전장치 용 감속기Scraper

- 120 -

침전장치 전동밸브

원수 혼화 및 분배조

- 121 -

원수 농축조 분배조( )

원수 조정조 분배조( )

- 122 -

실증 판넬Plant

슬러지 함수율 측정기

- 123 -

부록 Ⅱ

실증 설계 도면Plant

- 124 -

설 계 도 면

사 업 명 :■ 중소기업 기술혁신 개발사업

과 제 명 :■ 입자거동과 수리동역학을 이용한

원형침전지의 고도처리 침전기술

사업기간 :■ 년 월 년 월2001 6 ~ 2002 8

중 앙 종 합 기 계 주( )

- 125 -

DRAWING LIST

NO. DRAWING NO. TITLE

1 INO-PILOT-001 침전장치 P&ID

2 INO-PILOT-002 침전조 ASS'Y DWG

3 INO-PILOT-003 분배조 DWG

4 INO-PILOT-004 침전조 BODY DETAIL DWG

5 INO-PILOT-005 침전조 DRIVING SHAFT DWG

6 INO-PILOT-006 침전조 CAGE DETAIL DWG

7 INO-PILOT-007 침전조 SCRAPPER DETAIL DWG

8 INO-PILOT-008 침전조 SIGHT GLASS DETAIL DWG

9 INO-PILOT-009 침전조용 감속기 상세 DWG

10 INO-PILOT-010 침전조 CENTER FEEDWALL DWG

11 INO-PILOT-010-1 침전조 중간 링CENTER FEEDWALL

12 INO-PILOT-010-2 침전조 일반 CENTER FEEDWALL

13 INO-PILOT-011 슬러지 저류조 DWG

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