부상농축

왜 배우는가: 부상농축(DAF)은 하수처리장에서 잉여 활성슬러지와 화학슬러지를 농축할 때 가장 널리 쓰이는 방법이며, 농축조 설계와 슬러지 처리 계통을 묻는 기술사 문제의 출발점이 된다. 1교시 용어 문제와 4교시 설계인자 문제가 함께 출제되어 정의와 원리를 정확히 알아야 한다.

출제 이력: 제127회 1교시 12번, 제89회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부상농축은 물에 가압하여 공기를 용해시킨 뒤 대기압에서 방출하여 생기는 미세 기포를 고형물에 부착시켜 비중을 낮추고, 표면에 떠오른 슬러지를 스키머로 걷어내 고농도로 농축하는 공정이다.

핵심 키워드

• 부상농축(Dissolved Air Flotation, DAF)
• 가압수(Pressurized Recycle Water)
• 용존공기(溶存空氣)
• 공기고형물비(A/S비)
• 미세기포(微細氣泡)
• 표면 스키머(Skimmer)
• 고형물 플럭스(Solids Flux)
• 포화도(Air Saturation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 물속의 가벼운 슬러지를 공기풍선에 붙여 물 위로 띄우는 것이다. 중력으로 가라앉히는 중력농축과 반대로 떠오르게 하는 방식이어서 비중이 1에 가까운 활성슬러지나 가벼운 입자도 잘 농축된다.

정식 정의는 다음과 같다. 부상농축은 처리수 일부를 가압(공정 조건에 맞는 압력)하여 공기를 포화 상태까지 용해시킨 뒤, 이를 부상조 내 대기압 조건에서 감압 방출하여 과포화 공기가 미세 기포로 석출되게 하고, 이 기포가 고형물 표면에 부착되어 겉보기 비중을 낮추는 분리 공정이다.

원리를 단계로 보면 다음과 같다. 공기는 압력이 높을수록 물에 더 많이 녹는다(헨리 법칙). 가압수를 대기압으로 낮추면 용해도가 줄어 과잉 공기가 기포로 나온다. 기포 크기가 매우 작아 상승 속도가 느리고, 고형물과 충돌·부착하기 쉽다. 그 결과 슬러지 덩어리가 물 표면으로 떠올라 농축된다.

핵심 용어는 다음과 같다. 가압수는 공기가 과포화된 재순환수를 말한다. 공기고형물비(A/S비)는 부상조에 공급되는 공기량과 고형물량의 질량비로, 공정 조건에 따른 범위에서 운전된다. 고형물 플럭스는 단위 면적당 시간당 처리되는 고형물량으로, 부상조 면적 산정의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리에서 잉여 활성슬러지는 함수율이 99% 안팎으로 매우 묽어 그대로 소화하거나 탈수하기 어렵다. 부피를 줄이려면 먼저 농축해야 하며, 이때 농축 방식의 선택이 설비 크기와 운전비를 좌우한다.

중력농축은 설비가 단순하고 운전비가 낮지만, 활성슬러지처럼 비중이 작고 침강성이 나쁜 슬러지에는 효율이 떨어진다. 부상농축은 기포가 입자를 끌어올리므로 이런 슬러지에 적합하다. 화학응집으로 생긴 화학슬러지 역시 플록이 가벼워 부상농축이 유리하다.

또한 기름·그리스·섬유질처럼 물보다 가벼운 부유물을 분리하는 목적으로도 쓰인다. 산업폐수에서 정유·석유화학 공정의 배출수 처리에 널리 쓰이는 이유이기도 하다. 따라서 부상농축은 하수처리장의 슬러지 농축과 산업폐수의 부유물 제거라는 두 영역에서 필요한 공정이다.

4. 구성요소·원리·절차

부상식 농축조(Dissolved Air Flotation, DAF)는 가압부상의 원리로 슬러지를 농축하는 장치다. 가압된 수(가압수)에 공기를 용해시켜 두고, 이를 상압의 부상조에 방출하면 미세 기포가 고형물에 부착하여 비중을 낮추고 표면으로 떠오른다. 표면에 모인 농축 슬러지는 스키머로 걷어내고, 바닥 쪽 맑은 액은 처리수로 빠져나간다.

핵심 원리는 헨리 법칙에 따른 공기의 용해도다. 가압 상태에서는 공기가 수중에 많이 녹고, 대기압으로 감압되면 과포화된 공기가 미세 기포(통상 수십 μm 이하)로 석출된다. 기포 크기가 작을수록 상승 속도가 느리고 고형물과의 접촉 면적이 커서 고형물 포집 효율이 높다. 따라서 기포의 크기와 양이 부상 성능을 좌우한다.

가압수에 공기를 용해시킨 뒤 감압하여 생긴 미세 기포가 고형물을 부상시킨다

구성요소는 다음과 같다.

표 아래 설명: 가압펌프와 가압탱크는 공기를 수중에 녹이는 장치이고, 감압밸브와 부상조는 기포를 생성·부착시키는 장치다. 스키머와 인출장치는 분리된 두 상(농축 슬러지와 처리수)을 나눠 빼내는 장치다.

설계상 중요한 인자는 다음과 같다.

• 고형물부하율(SLR, 고형물 부하): 단위 면적당 투입 고형물량이며 부상조 면적 결정에 쓴다.
• 표면부하율(수면적부하): 부상조 단위 면적당 유량으로, 부상 속도와 연계된다.
• 공기/고형물비(A/S비): 투입 고형물 1kg당 용해공기량이며 부상 효율을 결정한다.
• 가압수 재순환율: 처리수 중 가압하여 되돌리는 비율이며, 공기 용해량과 직결된다.
• 가압 압력: 가압탱크 압력으로 용해 공기량을 결정한다.

절차는 다음과 같다.

• 원수 또는 처리수 일부를 가압펌프로 가압하고 공기를 주입하여 공기를 용해시킨다.
• 가압수를 감압밸브를 통해 부상조 유입 슬러지와 혼합한다.
• 압력 해제에 따라 미세 기포가 생성되어 고형물에 부착한다.
• 고형물과 기포 결합체가 수면으로 부상하여 농축층을 형성한다.
• 스키머로 농축 슬러지를 걷어내고, 하부에서 처리수를 인출한다.
• 처리수 일부를 재순환하여 가압수로 다시 사용한다.

부상 원리를 보여주는 흐름도는 다음과 같다.

공기/고형물비는 다음 식으로 구한다.

$\frac{A}{S}=\frac{1.3\,s_a\,(fP-1)}{S_a\,Q}$

여기서 A/S는 공기/고형물비(무차원), s_a는 대기압 조건에서 공기의 용해도(mL/L, 수온과 압력에 따른 값), f는 가압탱크 용해 효율(설비 조건에 따른 값), P는 가압 절대압력(atm), S_a는 투입 고형물 농도(mg/L), Q는 가압수 유량(m³/d)이다. 본 식에서 공기 용해량은 가압 압력에 비례하고, 투입 고형물량에 반비례한다.

계산 예는 다음과 같다. 입력값은 가압 절대압력 P, 가압탱크 용해 효율 f, 공기 용해도 s_a, 투입 고형물 농도 S_a, 가압수 유량 Q를 설계 조건에서 정해 대입한다. 분자는 1.3\,s_a\,(fP-1)로 구하고, 분모는 단위를 맞춘 S_a Q로 구한다. 두 값의 비가 공기/고형물비이며, 결과가 설계 범위 안에 드는지 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

부상식 농축조는 하수도 시설기준과 설계 기준서에서 권장 설계값으로 다룬다. 수치는 설계 기준서와 실험·운전 사례의 일반적 범위이며, 법정 강제 기준은 아니다. 가압 압력과 A/S비는 공정 조건에 따라 달라진다.