고형물 플럭스

왜 배우는가: 고형물 플럭스는 중력식 농축조와 침전지의 면적과 고형물 부하를 결정하는 기본 개념이다. 실무에서 농축조 용량을 정할 때 가장 먼저 쓰는 설계 도구이며, 2·3·4교시와 1교시 용어 문제에 반복해서 나오므로 정의, 계산, 방법 비교를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제112회 2교시 4번, 제101회 3교시 5번, 제91회 4교시 4번, 제89회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고형물 플럭스는 단위면적당 단위시간에 침전·농축 과정을 통해 아래로 이동하는 고형물량이며, 중력에 의한 플럭스와 인출류에 의한 플럭스의 합이다.

• 고형물 플럭스(solids flux)
• 중력 플럭스(gravity flux)
• 인출 플럭스(underflow flux)
• 한계 고형물 플럭스(limiting solids flux)
• 침강곡선(settling curve)
• 농축조 소요 면적
• 고형물 부하량

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 농축조 바닥으로 한 시간에 얼마나 많은 고형물이 내려가는지를 면적 1㎡ 기준으로 나타낸 값이다. 농축조에서 고형물은 맨 위 최초 농도에서 바닥 인출슬러지 농도까지 점점 진해지며 내려간다. 이 이동량이 너무 크면 고형물이 바닥에 쌓이고 상층으로 넘쳐 나가므로 적정 범위를 지켜야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 고형물 플럭스 G는 단위면적당 단위시간에 농축조 단면을 통과하는 고형물 질량이다. 단위는 kg/m²·h를 쓴다. 침전 중인 고형물의 이동은 방해침전에 의해 일어나고, 바닥으로 빠져나가는 인출류에 의해서도 일어난다. 따라서 총고형물 플럭스는 유체 유동에 따른 플럭스와 중력에 의한 플럭스의 합으로 본다.

• 유체 유동 플럭스(bulk flux): 인출류가 고형물을 아래로 끌고 가는 성분이다.
• 중력 플럭스(settling flux): 슬러지 농도에 따라 침강 속도가 달라지며 생기는 성분이다.
• 한계 고형물 플럭스(limiting solids flux): 농축조가 처리할 수 있는 최대 플럭스로, 침강곡선에서 구한다.

핵심은 세 가지 관계다. 첫째, 플럭스는 농도에 따라 바뀌므로 농도별로 계산한다. 둘째, 농도가 높아지면 침강 속도가 떨어져 플럭스가 최대가 되는 지점이 생긴다. 셋째, 이 최대 지점이 농축조 면적을 정하는 기준이 된다. 이 세 가지를 답안 첫머리에 두면 채점에 유리하다.

3. 등장 배경과 필요성

슬러지를 농축하지 않고 탈수나 소화로 보내면 처리 용량과 비용이 커진다. 농축조는 슬러지 부피를 줄이는 첫 단계이며, 그 크기를 정하지 않으면 과대 설계나 과소 설계가 된다. 과소 설계된 농축조에서는 고형물이 상층으로 넘어가 월류수 수질을 떨어뜨린다. 과대 설계는 건설비와 부지 낭비로 이어진다.

1950년대 이후 Talmadge와 Fitch 등이 침강곡선으로 고형물 플럭스를 계산하는 방법을 정리하면서, 농축 능력을 면적으로 환산하는 설계법이 자리 잡았다. 이 방법은 실험실 침강시험 결과만으로 면적을 정할 수 있어 실무에서 널리 쓰인다. 이전에는 경험 계수에 의존했기 때문에 설계 결과가 시설마다 크게 달랐다.