가압펌프 단독형 미세기포 발생장치의 기초 운전특성 = Operational characteristics of microbubble generator with a single pressure pump

국문 초록 (Abstract)

여러 환경분야에서 부상분리공정(Dissolved Air Flotation,DAF)의 활용이 확대되고 있다. DAF 공정의 핵심설비라고 할 수 있는 기존 미세기포 발생장치는 장치의 구성이 복잡하여 운전 및 유지관리가 쉽지 않고, 고가여서 소규모 사업자가 사용하기에 많은 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 이를 대체할 수 있는 고효율·저비용의 미세기포 발생장치를 개발하고자 하였다. 이 미세기포 발생장치는 ① 공기 자흡식 구조를 갖고 있어 별도의 콤프레서 설비가 필요치 않고, ② 공기가압탱크(AST; Air Saturation Tank) 내 압력 및 수위조절 기구가 없으며, ③ 물과 공기가 AST의 하부로부터 상부로 수류방향 (co-current flow)으로 흐르면서 포화농도까지 용해되는 특징이 있기 때문에, 구조가 매우 단순하고, 유지관리가 용이하며, 제조 및 운전비용이 저렴한 것이 장점이다. 가압펌프는 SPCO(社) VMC 5-9 모델(3상, 3.75 kW, 380 V, 60 Hz)을 사용하였으며, AST는 120 mmW × 360 mmL × 750 mmH(내부용적: 32.4 L)의 규격으로 제작하였다. 본 연구에서는 유입유량, 공기주입량, 공기물비(BVC; Bubble Volume Concentration), 운전압력, 미세기포 입경분포 및 소비전력 등 새로 개발한 미세기포 발생장치의 기초적 운전특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 미세기포가 안정적이고 에너지 효율적으로 생성되는 최적 운전조건(유입유량, 공기주입량 및 운전압력)을 결정하였다. 운전압력을 3 kgf/cm²에서 7 kgf/cm²까지 증가시킴과 동시에 공기주입량을 2 L/min에서 최대주입량까지 변화시키면서 해당 조건별 적정 공기주입량을 산정하였다. 운전압력이 증가함에 따라 유입유량은 3 - 6 kgf/cm²의 조건에서 약 74 - 57 L/min의 범위를 유지하였으며, 7 kgf/cm²의 조건에서 42 - 39 L/min으로 급감하였다. 설정된 압력에서의 최대주입량은 10분간 미세기포 발생장치를 가동시켰을 때 지름 1 cm 이상의 거대기포가 발생하지 않는 최대의 공기량으로 정의하였다. 실험 결과, 3 kgf/cm²의 조건에서는 공급된 공기의 용해율이 낮을 뿐만 아니라 대기압 조건에서 미세기포의 발생이 원활치 않았고, 4 - 5 kgf/cm²의 운전압력 조건에서는 평균 7%의 공기가 용존가능하였으며, 그 비율을 9% 이상으로 올리기 위해서는 6 kgf/cm² 이상의 압력이 필요하였다. 운전압력 6 kgf/cm²에서 최대주입량은 5.0 L/min(유입유량: 57.6 L/min), 7 kgf/cm²에서 4.0 L/min (유입유량: 40.4 L/min)로 분석되었으며(BVC는 각각 8.7%, 9.9%), 주입된 공기 전량이 용해된 후 후단의 대기압 조건에서 안정적으로 미세기포로 전환되었다. 따라서, 유입유량과 BVC를 동시에 고려했을 때, 미세기포 발생효율을 제고하기 위한 가압펌프 단독형 미세기포 발생장치의 적정 유입유량은 약 57 - 68 L/min, 공기주입량은 약 4.0 - 4.5 L/min, 운전압력은 4 - 6 kgf/cm²의 범위인 것으로 판단된다.