噴霧乾燥의 動特性(III)

차민환 延世大學校 大學院 1974 국내석사

噴露乾燥의 動持性

차민환 연세대학교 1974 국내석사

원심력장에서 고체입자층의 액체함량

차민환 연세대학교 1984 국내박사

Transient CFD 모사를 이용한 소독조 효율 개선 방안

차민환 한양대학교 대학원 2013 국내박사

초 록 최근 대한민국 정부는 국민의 건강증진 및 쾌적한 삶을 영위할 수 있는 기반을 마련하기 위하여 깨끗한 ‘먹는 물’ 생산에 각고의 노력을 기울이고 있다. 그러나 현재 수처리 기반 시설의 현황을 보면, 대부분 수처리 시설이 콘크리트 구조물로 형성되어 있고, 이러한 수처리 콘크리트 시설물은 소독을 위해 사용하는 염소에 취약한 특성을 가지고 있다. 또한, 염소접촉조는 소독의 효율성을 확보하기 위해 적정 T10/T을 갖추게 되어있으나 검증 없는 설계로 인해 실제 적정 T10/T에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이에 소독의 효율을 높이기 위하여 과량의 소독제를 사용하는 경우도 있으나 이로 인하여 소독부산물(Disinfection By-products)의 생성이 증가되는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 일반적으로 소독접촉조의 접촉효율을 증가시키고 소독접촉조 내에서 단락류를 최소화시키기 위해 플러그 흐름(Plug flow)을 유도하는 설계 및 개량이 검토되고 있다. 지금까지 많은 연구자들은 정수지의 소독능에 영향을 미치는 인자들을 조사 연구하였으며, 그 중 정류벽 및 내부 도류벽의 설치로 T10/T값이 증가하는 경향이 있고 또한 도류벽을 추가로 설치하여 장폭비를 증가 시키는 것은 수리학적 효율을 향상시키는데 도움이 된다는 연구결과가 있다. 따라서 본 연구에서는 염소접촉조의 효율을 개선하고 최적설계 방안을 마련하기 위하여 아래와 같은 실험을 수행하고 그 결과를 도출하였다. 첫째, T10/T값이 낮은 국내 Y정수장 정수지를 대상으로 현장 추적자 실험을 통해 T10/T을 실측하고, transient CFD 모사기법을 이용하여 이를 비교 검토 하였다. 또한 대상 정수장의 정수지 내 T10/T을 제고시키는 여러 가지 안들을 대상으로 transient CFD모사를 통하여 가상의 추적자 실험을 수행한 결과를 바탕으로 최적 수리구조 안을 선정 제시하였다. Y정수장의 정수지를 대상으로 추적자 실험을 한 결과, T10은 150분으로 산출되었으며, T10/T은 0.24로 계산되어 기준을 만족하지 못하여 개선이 필요할 것으로 판단할 수 있었다. 또한 Morill index(T90/T10)는 4.73, Modal index는 0.27로 도출되어 지내의 흐름이 plug flow보다는 완전혼화흐름이 지내 유황을 지배하는 것으로 나타났다. 이에 흐름을 plug flow로 만들기 위해 장폭비를 32:1로 증가시키고 유입부 부근에 정류벽을 설치하는 안을 제시하였으며, CFD 모사 결과 염소접촉조 내 사류가 확연히 저감되는 효과를 보이고 T10/T도 약 30% 증가 하였다. 둘째, 염소접촉조 내 도류벽과 측면 벽이 만나는 구석공간에 유공벽을 설치하여 정체되는 사류지역을 저감시키면서도 염소 접촉 시간의 감소를 초래하지 않는 방안을 제안하고 현장 추적자 실험과 CFD 모사를 통해 이를 검증하고자 하였다. 또한 동일한 수리구조를 가지는 염소접촉조를 대상으로 사류지역 저감을 목적으로 하는 유공벽의 유무에 따라 T10/T값을 비교함으로써 향후 수리구조 변경 안의 적용 타당성을 조사하였다. 유공벽을 부분적으로 설치함으로써 유효용량 감소가 상대적으로 작아 염소접촉조 효율을 증가시키는 것으로 나타났다. 특히, 동일한 염소접촉조 내 유공벽을 설치한 경우가 설치하지 않은 경우에 비하여 추적자 실험 및 CFD 모사를 수행한 결과로부터 T10/T값이 증가하고 사류 지역이 감소하여 plug flow에 가까운 흐름이 되어 염소 접촉 효율의 제고를 기대할 수 있었다. 셋째, 본 연구에서는 대상 염소접촉조를 선정하고, transient CFD 기법을 이용하여 콘크리트 벽면인 경우와 PE 수지로 라이닝 한 경우를 대상으로 조도계수를 변화시키며 접촉조 흐름을 모사하고, 실제 PE 수지로 라이닝 한 염소접촉조를 대상으로 추적자 실험을 수행하여 CFD 모사 결과와 비교 검토 하였다. CFD 모사 결과 및 추적자 실험 결과를 대상으로 염소접촉조에 있어서 벽면 및 바닥의 조도계수가 접촉조 내 수리거동에 미치는 영향을 조사하였다. 염소접촉조 내 유체가 흐르면서 접촉하는 윤변을 구성하는 측벽 및 바닥면의 절대 조도 계수는 접촉조 내 흐름 특성에 영향을 주며, 조도 계수가 낮은 경우 내부 흐름은 plug flow에 가깝다는 사실을 확인 하였다. 본 연구에서 적용한 콘크리트 벽면과 PE 라이닝을 한 경우 각각의 조도계수는 0.001과 0.000001로 적용하여 Morill index로 검토 하였을 때 접촉조 내의 조도계수가 낮은 경우 사류지역이 저감되고 유효용량 감소가 상대적으로 작아져서 염소접촉조 효율을 증가시키는 것으로 나타났다. 따라서, 정수지 최적설계를 위해 초기 설계시 Transient CFD 모사기법을 이용하고 도류벽과 측면벽이 만나는 구석공간의 사류가 발생하는 부분에는 유공벽을 부분적으로 설치하는 것이 염소접촉조 효율을 개선 할 수 있을 것으로 기대된다. 물과의 접촉면 재질은 콘크리트보다 Polyethylene Sheet을 사용할 것을 제안하고자 한다. 나아가 Polyethylene 이외의 친환경 소재 및 공법이 개발, 검증되어 정수지 설계에 있어 활용이 활성화되어야 할 것으로 사료 된다.

토양정화미생물을 이용한 토양정화용 생물반응기 공정에 관한 연구

차민환 한양대학교 공학대학원 2007 국내석사

This paper is intended to develop and verify a complex treatment process to purify and restore soils an underwater that contaminated with oils, hydrocarbon-series of contaminants, heavy metal and nutrients, etc through experiments for the series of treatment process such as Bioreactor, Rolled Pipe Type of Contact Oxidation System, chemical processing system and optical catalysis oxidation system, based on the biological ex-situ soils purification process. Contaminated soils are treated through biological process in a soil purification tank, and leachate and underwater occurred in this course are treated through bioreactor, Rolled Pipe Type of Contact Oxidation System, chemical processing system and optical catalysis oxidation system, etc and are then discharged. Of them, the bioreactor is configured to continuingly supply microbes to the soil purification tank while cultivating microbes that grow with organic contaminants and nutrients included in leachate and underwater, etc as well as removing them. 5 microbial strains were separated and selected through experiment, whose soil purification efficiency was excellent, an it was noted that anion- and nonion-series of complex agent was most excellent as a surfactant for effectively separating oils from soils. Method to mix and apply selected microbes after treating the surfactant in the contaminant surfactant was most effective. In the soil purfication tank, non-volatile contamination source such as TPH was dissolved within the more rapid period than the existing biological soil purification process. The more contamination concentration increases, the longer treatment period becomes due to increase of the adaptation period of microbes, and it was noted that water content rate and temperature, etc were main effect factor. In addition, direct relationship was shown between increase of microbe germs and increase of treatment efficiency. On the other hand, microbe treatment effect was relatively shown fewer due to volatile feature for volatile contamination source, and it was noted that volatile contamination source was rapidly volatile for the first time and remaining was decomposed by microbes. The water content rate of soil had more important effect than initial contamination concentration on the volatile contamination source. The more the water content rate increased, the more the volatile quantity reduced. The water content rate appropriate for biological soil purification was shown as 20±5%. Leachate, etc could be treated below the water quality standard for the high level of treatment through Bioreactor, Rolled Pipe Type of Contact Oxidation System, chemical processing system and optical catalysis oxidation system for treating leachate and contaminated underwater that were discharged from the soul purification process. After initially removing organic substances by the bioreactor, nutrients such as nitrogen, phosphorous, etc were removed through the Rolled Pipe Type of Contact Oxidation System, and then remaining contamination sources such as inorganic substances, color level and heavy metal were removed. Finally harmful germs such as E. coli through the optical catalysis oxidation system were sterilized in order to discharge the contamination source after additionally removing the remaining organic sources. The biological reactor had also cultivation function of microbes other than water purification function and discomposed contamination sources that were included in leachate flown from the soil purification tank and underwater flown from the underground, and maintained grown microbes at the high concentration (5,000 ppm or more). In addition it played a role of supplying new microbes to the soil purification tank by circulating them again by recirculation. The minimum staying time of the bioreactor was more than 12 hours, and it was more effective to adopt the Hybrid method to maintain floating microbes and adhesive microbes at the same time in order to simultaneously perform decomposition of organic microbes and supply of microbes at the same time. The soil purification process derived through this paper is a complex process to treat underwater, etc at the same time, an it is expected that the oil purification process will have the large industrial utilization level, as an environment-friendly process with excellent economic efficiency due to less investment expenses and short treatment period. 본 연구를 통해 생물학적 지상처리(ex-situ) 토양정화공정을 기본으로 생물반응기(Bioreactor), 롤형 접촉산화장치(Rolled Pipe System), 화학처리장치, 광촉매 산화장치 등 일련의 처리과정에 대한 실험을 통하여 유류(油類), 탄화수소계 오염물질, 중금속, 영양염류 등으로 오염된 토양 및 지하수를 동시에 정화·복원할 수 있는 복합처리공정을 개발·검증하고자 하였다. 오염된 토양은 토양정화조에서 생물학적 과정을 통해 처리되고 이 과정에서 발생하는 침출수와 지하수는 생물반응기, 롤형 접촉산화장치, 화학처리장치, 광촉매장치 등을 통해 처리된 후 배출된다. 이 중 생물반응기는 침출수, 지하수 등에 포함되어 있는 유기오염원과 영양염류 등을 제거함과 동시에 이를 기질로 활용하여 생장하는 미생물을 배양하면서 토양정화조에 지속적으로 미생물을 공급하는 역할을 하도록 구성하였다. 실험을 통해 토양정화효율이 우수한 5종의 미생물을 분리·선발하였고, 토양으로부터 유류를 효과적으로 분리하기 위한 계면활성제로는 Anion과 Nonion계 복합제가 가장 우수한 것으로 확인되었는데, 오염된 토양에 계면활성제를 처리한 후 선발된 미생물을 혼합해 적용하는 것이 가장 효율적인 것으로 나타났다. 토양정화조에서 TPH 등 비휘발성 오염원은 기존 생물학적 토양정화공정에 비해 빠른 기간 내에 분해되었는데, 오염농도가 증가할수록 미생물 적응기간의 증가로 인해 처리기간이 길어지는 것을 알 수 있었고, 함수율, 온도 등이 주요 영향인자로 확인되었다. 또한, 미생물 균수의 증가와 처리효율 상승은 직접적 상관관계를 나타냈다. 한편, BTEX 등 휘발성 오염원은 휘발 특성으로 인해 미생물 처리효과가 상대적으로 적게 나타났고, 초기에 빠르게 휘발되며 감소하고 잔여물이 미생물에 의해 분해되는 것을 확인할 수 있었다. 휘발성 오염원은 초기 오염농도보다는 토양의 함수율이 중요한 영향을 미쳤는데, 함수율이 증가할수록 휘발되는 양은 감소하는 경향을 뚜렷이 나타냈다. 생물학적 토양정화에 적절한 함수율은 20±5%로 나타났다. 토양정화공정에서 배출되는 침출수와 오염된 지하수를 처리하기 위한 생물반응기, 롤형 접촉산화장치, 화학처리장치, 광촉매 산화장치 등을 통해 침출수 등을 고도처리 수질기준 이하로 처리할 수 있었는데, 생물반응기를 통해 1차적으로 유기물을 제거한 후 롤형 접촉산화장치를 통해 질소, 인 등 영양염류를 제거하며 화학처리장치를 통해 무기물, 색도, 중금속 등 잔여 오염원을 제거할 수 있었다. 최종적으로 광촉매 산화장치를 통해 대장균 등 유해세균을 살균하고 잔류 유기오염원을 추가 제거한 후 배출할 수 있었다. 생물반응기는 수질정화기능 이외에 미생물 배양기능을 동시에 갖고 있어 토양정화조로부터 유입된 침출수와 지하로부터 유입된 지하수 내에 포함된 오염원을 분해하며 생장한 미생물을 고농도(5,000 ppm 이상)로 유지한 후 이를 토양정화조로 다시 순환시켜 토양정화조에 새로운 미생물을 공급하는 역할을 수행하였다. 생물반응기 최소 체류시간은 12시간 이상이고 유기물 분해와 미생물 공급을 동시에 수행하기 위해 부유상 미생물과 부착상 미생물을 동시에 유지하는 Hybrid 방식을 채택하는 것이 가장 효율적이었다. 본 연구를 통해 도출된 토양정화공정은 지하수 등을 동시에 처리할 수 있는 복합공정으로서 투자비용이 적고 처리기간이 짧아 경제성이 우수한 친환경 공정으로서 산업적 활용성이 클 것으로 기대된다.