전산유체역학을 이용한 내부 단락류 평가를 통한 정수지 최적 설계

Abstract

소독은 미생물을 제거하는데 기본적이고 가장 효율적인 방법으로 지금까지 널리 사용되고 있다 이러한 소독의 정도를 나타내는 소독능으로 일반적으로 CT 방법이 널리 사용되고 있다. CT 값에서 C는 유출수에서 잔류 소독제의 농도를 나타내며 T는 접촉시간을 나타낸다. 또한 CT 방법은 너무 보수적으로 소독능을 산정하는 문제가 있어, Integrated Disinfection Design Frame(IDDF)가 개발되기도 하였다. 그러나 CT 방법과 IDDF 방법 모두 소독능의 수리학적 거동을 평가할 때 체류시간분포 곡선만을 고려한다. 체류시간분포 곡선은 해당 조내에서 수리학적 거동을 나타낼 때 매우 유용한 정보이지만, 부분적인 수리학적 효율을 제시하지 못하는 문제가 있다. 이에 따라 현재 진보된 전산유체역학(CFD) 모델을 적용하여 소독능을 평가하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재의 소독능에 관한 연구는 소독능을 정확하게 파악하는데 주 관심이 있으며, 해당 소독능에서 소독능을 어떻게 증가시킬 수 있는지 방법에 대한 연구는 부족하다. 소독능에 영향을 미치는 여라 가지 요소들 중 수리학적 특성이 일반적으로 가장 중요하며, 설계를 통해 가장 변화를 주기 쉬운 요소 중에 하나이다. 이러한 수리학적 효율을 평가하는 기존의 방법들은 블랙박스 분석 방법으로 중간의 결과를 보여주지 않고 최종적이고 종합적인 수리학적 효율을 제시하고 있어, 소독능 관점에서 수리학적 효율을 어떻게 하면 최적화 할 수 있는지에 대한 근거 자료로 이용되기 어렵다. 본 연구에서는 이와 같은 문제를 해결하기위해 CFD를 적용한 내부단락류평가방법(ISEM)을 개발하였다. 개발된 방법을 적용하여 장폭비가 증가함에 따라 소독능이 증가되는 원인과 형태에 따라 동일 장폭비에서 소독능이 다른 이유를 규명하였다. 그리고 개발된 방법의 적용 가능성을 평가하기 위해 현장 3곳의 정수지들에 적용하여 해당 정수지들의 소독능 향상 방안을 제시하였다. 장폭비가 증가함에 따라 수리학적 효율에 부정적인 영향을 미치는 내부 단락류의 발생의 양을 정량화한 내부단락류 지수가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 장폭폭비가 증가함에 따라 도류벽 사이 간격이 줄어들어 유입부와 유출부에서 혼화가 잘 일어나고, 채널지역에서 와류 및 사류지역이 감소하여 T10/T값이 증가하였다. 이에 따라 T10/T 값이 최대값으로 수렴하면서 ISI 커브는 관계는 “V`` 형태에서 ”U`` 형태로 변하여서, 장폭비가 증가하면서 유입부, 유출부 및 정수지 후단부분의 단락류 발생이 감소하는 것으로 분석되었다. 또한 한계 장폭비 이후에 ISI 커브는 ”U`` 형태를 지속적으로 유지하였으며, ISI의 감소는 더 이상 없었다. 이에 따라 T10/T 값은 한계 장폭비 이후에 일정한 값으로 수렴하였다. 또한 형태에 따라 같은 장폭비에서 T10/T 값의 차이가 발생하는 이유는 세로/가로 비가 감소할수록 채널지역이 줄어들고 굴곡부 부분이 증가하여 boundary separation이 더 많이 발생하기 때문인 것으로 분석되었으며, 이러한 형태에 따른 단락류 발생의 차이는 정수지 중단 및 후단 부분의 채널지역에 대부분 발생함을 알 수 있었다. 마지막으로 ISEM을 적용한 실제 정수지의 소독능 향상을 기대할 수 있어 ISEM의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.