2.1. 무동력 와류 혼화장치

무동력 와류 혼화장치는 별도의 동력 장치를 사용하지 않고, 원수의 흐름 방향에 수직으로 플레이트와 프레임을 설치하고 이러한 구조물로 강력한 와류를 형성하여 응집제와 원수를 혼합하는 방식이다. 응집제의 부분적 혼화로 인한 효율 저하를 방지하기 위해 플레이트 및 프레임의 각 날개는 수평면을 기준으로 30°이며 다수의 통공을 뚫어서 원수에 대한 저항을 최대화하였다.

Fig. 1에 무동력 와류 혼화장치를 나타내었다. 장치는 유입구, 내부순환부, 배출구로 3부분이며 내부순환부는 1단, 2단, 3단으로 구성되었다. 장치 하부의 원수 유입부는 직경이 800 mm, 장치 상부의 혼화수 배출구는 1,107 × 1,107 mm이다. 내부 순환부에 1단과 3단 플레이트는 바깥이 낮게 제작된 판상 형태로 본체의 내벽과 간격을 두고 설치하여 본체 내벽 사이에 유로를 형성하였다. 1단의 플레이트는 직경이 100 mm인 40개의 통공 주변에서 와류가 형성되고, 본체 내벽 부근에서 와류를 만들 수 있도록 날개는 수평면을 기준으로 30° 경사를 두었다. 2단 프레임 중앙에는 중공부가 형성되어 원수가 절곡 부분을 부딪쳐 빠져나오면서 저항이 커져 와류를 형성하게 되고 이 부분에서 유속이 증가하여 응집제와 원수의 혼화가 잘 이루어진다. 2단을 통과한 원수는 1단 플레이트와 동일한 형상으로 제작된 3단을 통과하여 최종 혼화수가 중앙에 모여 배출되는 형태이다. 또한 내부에 설치된 구조물 때문에 발생하는 압력손실을 최소화하기 위해 출구 면적을 입구면적 대비 130% 크게 하였다.

Fig. 1.

Schematic diagram of non-powered vortex mixer.

2.2. CFD 모사 방법론

2.2.2. 모델링 및 격자생성

혼합장치의 원수 유입구 중심에 원점을 두고 x,y,z 세 축으로 구성된 직교 좌표계 상에서 구성되도록 하였다. z축 방향으로 원수와 응집제가 유입되어 장치 내부에서 구조물에 의한 와류 형성 및 혼합 배출된다. 격자는 단별로 분리하여 각각 생성하였으며, 경계를 이어 3차원 격자를 완성하였다. Fig. 2는 무동력 와류 장치에 대한 기하학적인 형상을 나타내었다. 격자 형상은 ‘Tetragonal’의 삼각형 격자를 주었으며, 격자의 수는 총 971,050개로 원수 유입부와 혼화장치 내부의 통공 주변에는 더욱 세밀한 격자를 밀집시켜 해석의 정확도를 높였다. 혼화장치의 원수 입구속도는 0.2m/sec ~ 0.7 m/sec로 설정하였으며, 압력항과 속도항의 보정은 SIMPLEC 알고리즘을 이용하였으며, 혼화장치 내부 벽면, 플레이트, 프레임의 표면은 No-Slip Condition을 적용하여 해석하였다.

Fig. 2.

Mesh structure of non-powered vortex mixer.

2.3. 정수장의 시설 현황 및 처리공정도

정수장은 D-호수를 상수원으로 하는 A-정수장과 B-정수장으로 현재 무동력 와류 혼화장치가 도입되어 운전 중인 A-정수장과 급속 혼화장치를 사용하는 B-정수장의 처리용량을 Table 1에 나타내었다. 원수의 유입속도는 0.38 m/s, 시설용량 600,000 m³/d 규모의 A-정수장에 기존에 설치되어 있던 12개의 급속 혼화장치를 전부 무동력 와류 혼화장치로 대체하여 2014 ~ 2106년까지 운전하였다. 이에 따른 A-정수장과 B-정수장의 수질분석 결과를 비교하여 무동력 와류 혼화장치의 적용 가능성을 평가하였다. A-정수장과 B-정수장의 처리공정도를 Fig. 3에 나타내었으며 전체적인 처리 공정은 동일하다.

Table 1.

Facility capacity of the water treatment plant

Fig. 3.

Treatment process of water purification plant.

3.1. 원수 유입속도 변화에 따른 혼화장치 내부 유동

혼화장치는 수중에 존재하는 입자상 물질을 응집제를 첨가하여 와류에 의해 응집 효율을 증가시키기 위한 장치이며 장치 내부에서 난류가 잘 형성되는 것이 중요하다. Fig. 4에 혼화장치의 유입 속도(0.2 m/sec ~ 0.5 m/sec) 변화에 따른 속도 크기 분포를 나타내었다. 원수의 흐름 형태는 유입 유속이 증가하여도 큰 변화가 없으나 혼화장치의 통공부분과 출구에서 속도가 증가하였다. 또한 원수와 응집제가 혼합되어 유입되는 하단에서 큰 속도 분포와 더불어 강한 와류가 형성됨을 알 수 있다. Table 2에 혼화장치의 원수 유입속도에 따른 각 단의 속도변화와 속도차를 나타내었다. 1단에서 3단 플레이트로 흘러가는 원수의 속도 증가에 따라 강력한 와류가 형성되면서 발생하는 이차유동으로 원수와 응집제가 충분히 혼합될 수 있다. 본 연구의 혼합장치는 원수와 응집제의 혼합이 양호하게 일어날 수 있는 구조임을 확인할 수 있었다.

Fig. 4.

Results of CFD simulation in non-powered vortex mixer (velocity distribution).

Table 2.

The Results of velocity between inlet and outlet

3.2. 원수 유입속도 변화에 따른 혼화장치 내부 압력변화

국내 정수처리시설에 무동력 와류 혼화장치를 도입할 경우 원수 유입속도 증가에 따른 장치내부의 압력변화로 입구와 출구의 손실수두를 계산할 필요가 있다. 응집제의 혼화 효율을 높이기 위해 설치한 구조물로 인한 손실수두를 확인하여 비교하였다. Fig. 5에 혼화장치에서 원수 유입 유속이 0.2 m/sec ~ 0.5 m/sec일 때 전체 단면의 압력분포를 각각 나타내었다. 유입속도가 0.2 m/sec일 때 입구의 압력은 58.15 Pa이였으며 출구에서의 압력은 5.56 Pa로 혼화장치 내부의 압력 손실은 52.59 Pa이었다. 유입속도가 0.3 m/sec일 때 입구의 압력은 134.25 Pa이었으며 출구에서의 압력은 12.02 Pa, 유입속도가 0.4 m/sec일 때 입구의 압력은 238.46 Pa이었으며 출구에서의 압력은 21.40 Pa, 유입속도가 0.5 m/sec일 때 입구의 압력은 372.48 Pa이었으며 출구에서의 압력은 33.45 Pa로 나타났다. 유속이 증가할수록 입구와 1단 플레이트 사이의 압력이 커지며, 2단 프레임과 3단 플레이트 사이에서 대부분의 압력손실이 발생함을 알 수 있다.

Fig. 5.

Results of CFD simulation in non-powered vortex mixer (total pressure).

본 연구에서는 무동력 내부 구조물로 인한 압력손실을 최소화하기 위하여 혼화장치의 출구면적을 입구면적 대비 130% 크게 하였다. 입구유속을 증가시켰을 때 혼화장치에서 발생하는 압력 손실과 수두손실률 결과를 Table 3에 나타내었다. 혼화장치로 유입되는 침사지의 수위가 30 cm 높음에 따라 3,000 Pa의 수두가 발생하며 혼화장치 입구와 출구의 압력차를 계산하고 식 (3)을 적용하여 수두손실률을 계산하였다.

Table 3.

The Results of CFD simulation (pressure loss and head loss rate)

입구유속이 0.5 m/sec일 때 11.30%, 0.6 m/sec일 때 16.27%, 0.7 m/sec일 때 21.44%로 수두 손실이 급격하게 증가하기 때문에 혼화장치 설계 시 최대 적정 유속은 0.5 m/sec이다.

3.3. 원수 유입속도와 혼화강도

혼화공정은 혼화기의 교반강도와 응집제의 주입량, 주입지점에 따라 혼화효율이 결정된다. 기존의 기계식 혼화장치의 혼화강도에 대한 기준으로 속도구배(G값)이 사용되며, 속도구배는 교반을 위해 투입되는 입력에너지와 혼화지내 유체의 점도, 혼화지 부피로 계산할 수 있다. 속도구배(G값)의 계산식은 아래와 같다. 혼화지 내에서의 G값 적정범위는 700 sec^-1 ~ 1000 sec^-1이다.

여기서, P: 수중에 전달된 교반력(W), μ: 물의 점도, V: 혼화지의 부피(m³)이다. 그러나 무동력 와류 혼화장치의 경우 기존 기계식 혼화장치와 같은 식으로 G값을 산정하기는 어렵다[24,25]. 이는 무동력 와류 혼화장치의 속도구배(G값)는 입력에너지(P)의 값이 0이 되어 교반강도에 따른 혼화효율을 계산할 수 없기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 혼화강도를 평가하기 위하여 원수 유입속도 증가에 따른 난류강도를 계산하였다. 난류강도의 크기는 3단계로 분류하는데 5% ~ 20%, 1% ~ 5%, 1%이하를 각각 high, medium, low로 구분한다. 난류는 난류강도 변화와 혼화장치 내부의 구조물에 의한 난류 흐름을 Fig. 6, Fig. 7에 각각 나타내었다. 유입속도가 0.2 m/sec일 때 입구의 난류강도는 0.98%이며 출구에서의 난류강도는 3.03%, 유입속도가 0.5 m/sec일 때 입구의 난류강도는 2.37%이며 출구에서의 난류강도는 7.83%로 증가하였다. 유속이 증가할수록 1단 플레이트와 2단 프레임 사이에서 강한 난류가 발생함을 알 수 있으며 난류가 강할수록 혼화강도 또한 커진다.(Table 4)

Fig. 6.

Results of CFD simulation in non-powered vortex mixer (turbulent Intensity).

Fig. 7.

Pathlines of turbulent Intensity in non-powered vortex mixer (Inflow velocity : 0.5 m/sec).

Table 4.

The Results of CFD simulation (turbulent Intensity)

3.4. 정수장 현장적용 결과

유입원수인 D-호수의 수질변화를 알아보기 위해 환경부의 ‘실시간 수질정보 시스템’을 활용하였다. Table 5에 나타낸 바와 같이 2016년에 SS농도는 대폭 증가하였고, BOD, COD농도는 소폭 증가하였다. 또한 16년도에는 비점오염원의 원인으로 08년 대비 가장 높은 녹조현상이 나타났으며 그결과 SS, T-N, T-P 등의 증가로 이어졌다. 운전 기간 동안 조사된 유입 원수의 pH는 계절변동 요인에 의해 7.5 ~ 9.8이다.

Table 5.

Water quality of inflow raw water

Table 6에 무동력 와류 혼화장치를 사용한 A-정수장과 급속혼화장치를 사용한 B-정수장의 2014 ~ 2016년까지의 배출수의 수질분석 결과를 비교하여 나타내었다. 암모니아성질소, 총대장균군, 불소는 3년 동안 불검출 되었으며 일반 세균도 0으로 분석되었다. 그 외의 항목도 A, B 2개 정수장의 수질 차이가 거의 없음을 알 수 있으며, 두 개의 정수장 모두 수질검사는 적합으로 판정받았다.

Table 6.

Comparison of water quality A and B-water treatment plant

기존 급속혼화장치를 무동력 와류 혼화장치로 대체하여도 배출수의 수질 변화는 없으며, 동력을 소비하지 않으므로 기존 급속혼화장치를 1대(호기) 운전하기 위한 동력소비량 64,143 ~ 65,306 kWh/년(175.7 ~ 178.9 kWh/일)의 에너지를 절감할 수 있다.