DAF(Dissolved Air Flotation)

왜 배우는가: 가압부상(DAF)은 하수와 정수의 고액분리, 슬러지 농축, 조류 제거에 쓰이는 대표 부상분리 공정이다. 침전만으로 분리가 어려운 미세 입자와 저비중 입자를 다룰 때 설계 대안으로 반복해서 검토되므로 시험에서 자주 묻는다.

출제 이력: 제128회 3교시 5번, 제120회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가압부상(DAF)은 물을 가압해 공기를 녹인 뒤 대기압에서 방출한 미세기포로 부유물질을 떠올려 분리하는 공정이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용존 공기(dissolved air)
• 과포화(supersaturation)
• 미세기포(microbubble)
• 기포-플록 결합체
• 포화기(saturator)
• 플로트(float)
• 회수류 방식(recycle flow)
• 부상농축

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물속에 녹아 있던 공기를 압력을 낮춰 작은 방울로 되돌리고, 그 방울이 가벼운 입자에 붙어 물 위로 함께 떠오르게 하는 방법이다. 떠오른 층은 걷어내고 맑은 물은 아래에서 뽑는다.

정식 정의는 다음과 같다. 부상분리는 분산매 중의 부유상에 미소한 기포를 부착시켜 분산매와 공기가 접하는 한계면까지 부상시키는 고액분리 방법이다. 가압부상법은 이 기포를 용존 공기로 만드는 방식이다. 가압부상법은 부상분리의 한 가지이며 용존공기부상법(DAF)이라고도 부른다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 용존 공기: 가압 상태에서 물에 녹은 공기다. 헨리 법칙에 따라 압력이 높을수록 물에 녹는 공기의 양이 늘어난다.
• 포화기: 가압수와 공기를 접촉시켜 물을 공기로 과포화시키는 용기다. 운전 압력은 관련 기준이 정한 가압 수준이다.
• 감압 노즐: 가압수를 대기압 부상조로 내보내는 장치다. 압력이 떨어지면서 용존 공기가 미세기포로 나온다.
• 기포-플록 결합체: 미세기포가 플록 표면에 부착한 덩어리다. 밀도가 물보다 낮아져 수면으로 상승한다.
• 플로트: 수면에 모인 부상 고형물층이다. 스키머로 제거한다.
• 회수류 방식: 처리수 일부를 가압수로 되돌려 포화기에 넣는 방식이다. 전류식과 부분류식에 비해 기포 생성이 안정적이어서 가장 많이 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

중력 침전은 입자와 물의 밀도차에 의존한다. 입자의 비중이 물에 가깝거나 입경이 작으면 침강 속도가 느려 처리 면적이 커진다. 조류, 부식질, 저탁도 고색도 원수가 이런 경우에 해당한다.

가압부상법은 북유럽을 중심으로 확산되었고 정수처리에서 침전 공정의 대안으로 쓰인다. 하수처리에서는 플록의 부상 분리와 슬러지 농축에 적용된다. 제지, 식품 등 산업폐수의 생물학적 처리에서도 쓰인다.

부상공정의 대표 장점은 다음과 같다.

• 응집 시간이 짧아 응집 시설 면적을 줄일 수 있다.
• 고액분리에 필요한 면적이 침전보다 작아 초기 투자비가 낮다.
• 응집보조제가 필요하지 않다.
• 저비중 입자와 조류 제거에 효과적이다.
• 부상 플로트의 고형물 농도가 약 3% 수준이어서 침전 슬러지보다 높고 탈수성도 좋다.
• 저수온에서도 처리수질이 양호하다고 알려져 있다.

반면 장치비와 동력비가 크고 운전 조건이 복잡하다. 이 점 때문에 설계에서는 원수 성상과 처리 목표를 먼저 비교하고 부상과 침전을 선택해야 한다. 가압부상법은 장점에도 불구하고 동력비와 운전 복잡성이 적용 범위를 제한하는 요인이라는 점을 답안에 함께 적는다.

4. 구성요소·원리·절차

DAF 설비는 크게 가압 용존 장치(포화기), 감압 노즐 또는 밸브, 부상조, 부유물 회수장치(스키머)와 처리수 배출부로 구성된다. 각 구성요소는 포화기(Saturator)에서 공기를 물에 용해시키고, 감압 과정에서 미세기포를 만들어 응집 플록과 결합시키는 역할을 나눠 맡는다.

표는 장치별 역할을 나눈 것이다. 답안에는 가압수 회수율과 표면부하율을 함께 쓰면 설계 원리가 드러난다.

원리는 헨리 법칙에 따른 공기 용해도 증가와 감압 시 용해도 감소다. 가압조에서 공기는 물에 과포화 상태로 녹고, 감압되면 과포화분이 미세기포(일반적으로 수십 µm 이하)로 석출된다. 기포가 플록 표면에 부착하면 겉보기 비중이 물보다 작아져 부상한다. 이때 부상 속도는 Stokes 식의 개념을 따르며, 기포 부착 플록의 상승 속도가 침강 속도보다 빠른 것이 DAF의 장점이다.

$$ C_s = \frac{A}{V}\cdot \frac{(f\,P - 1)}{...} $$

위 식은 쓰지 않는다. 실무 설계에서는 공기 대 고형물비(A/S 비)를 다음과 같이 쓴다.

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

• A/S: 공기 대 고형물 질량비(무차원)
• s_a: 0℃, 1기압에서 공기 용해도(mL/L), 약 18.7mL/L 수준
• f: 가압 포화 효율(보통 0.5~0.8)
• P: 절대압력(atm), 가압 포화기 압력
• R: 가압수 회수비(가압수 유량/유입 유량)
• Q: 유입 유량(m³/d), S_a: 고형물 농도(mg/L)

대입 예: P=4, f=0.8, R=0.3, S_a=200 mg/L이면 f\,P-1=2.2이므로 A/S는 약 0.02 수준이다. 이 값이 0.005~0.06 범위에 있는지로 결과가 상식 범위인지 확인한다.

절차

• 유입수를 응집제와 혼화하여 미세 플록을 만든다.
• 완속 교반으로 플록을 성장시킨다.
• 일부 처리수(회수류)를 가압하여 공기를 용해시킨다.
• 가압수를 감압 노즐로 플록 유입부에 주입하여 미세기포를 생성한다.
• 기포-플록 결합체가 부상조 표면에 부상한다.
• 스키머로 부상 슬러지를 제거하고 하부에서 청정수를 배출한다.

도식 1개:

5. 관련 법령·기준·표준

하수처리시설과 폐수처리시설의 방류 기준은 「하수도법」과 「물환경보전법」의 방류수 수질기준으로 관리되며, DAF는 그 기준을 맞추는 처리 공정으로 쓰인다.

표의 값은 설계 실무와 부상분리 문헌에 널리 실린 범위다. 적용 시에는 원수 특성과 시험 결과로 조정한다.

관련 기준 개념

• 국내 하수처리 설계는 「하수도 시설기준」 체계를 따른다.
• 화학적 응집 조건은 응집 시험(jar test)으로 정한다.
• 슬러지 농축에 쓰는 부상농축은 고형물 회수율과 농축 슬러지 농도를 함께 본다.