가압부상 공기/부유물비

왜 배우는가: 공기/부유물비(A/S비)는 가압부상 설계와 운전의 핵심 지표로, 부상 분리 효율을 수치로 설명하는 기준이다. 침전으로 처리하기 어려운 부유물을 다루는 공정이라 실무 설계와 운전 조건 변경 때 반복해서 판단하게 되며, 기술사 시험에서는 식 유도와 운전 인자 변화에 따른 제거율 해석 문항으로 자주 출제된다.

출제 이력: 제128회 1교시 12번, 제101회 1교시 6번, 제95회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기/부유물비(A/S비)는 가압부상에서 공급되는 공기량을 유입 부유물량으로 나눈 값이다.

핵심 키워드

• 용존공기부상(Dissolved Air Flotation, DAF)
• 공기/부유물비(A/S비)
• 포화농도(Cs)
• 반송비(R, 반송 유량/유입 유량)
• 용해비(f)
• 기포 부착
• 부유물 제거율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 물에 공기를 높은 압력으로 녹인 뒤 압력을 낮추면 미세 기포가 생긴다. 이 기포가 부유물에 붙어 함께 떠오르고, 수면에서 걷어 낸다. 이 원리를 이용해 가라앉기 어려운 부유물을 분리하는 방식이 가압부상법이다.

정식 정의는 다음과 같다. 가압부상법은 처리수 일부(반송수)를 포화기에서 가압 공기와 접촉시켜 공기를 용해한다. 이 반송수를 원수와 섞은 뒤 부상조 입구에서 대기압으로 감압하면 미세 기포가 석출된다. 석출된 기포가 부유물에 부착되어 겉보기 비중이 물보다 작아지고, 그 결과 부상층을 이룬다.

A/S비는 다음 순서로 유도한다.

• 압력 P(atm)에서 반송수 중 용존 공기 농도는 f\,C_s\,P (mg/L)이다. 여기서 Cs는 1기압 공기 포화농도[(mg/L)/(1 atm)], f는 청정수 대비 포화 처리수의 실제 용해비다.
• 대기압으로 감압되면 1기압에서 녹을 수 있는 양 Cs를 넘는 부분만 기포로 나온다. 석출 가능 공기 농도는 C_s(fP-1) (mg/L)이다. 따라서 fP가 1보다 커야 기포가 생긴다.
• 반송 유량 Q_r에 실린 석출 공기량은 C_s(fP-1)Q_r (mg/일 또는 mg/min)이다.
• 유입 부유물량은 SS \cdot Q (mg/L 와 유량의 곱)이다.
• 두 값의 비를 취하면 다음과 같다.

$A/S = \frac{C_s\,(fP-1)\,Q_r}{SS\cdot Q} = \frac{C_s\,(fP-1)}{SS}\,R, \quad R = \frac{Q_r}{Q}$

이 식에서 A/S비의 단위는 mg 공기/mg 부유물이다. 부피 기준으로 나타내려면 공기 밀도(약 1.225 mg/mL)로 나누면 된다. 식에서 보듯 A/S비는 공기 포화농도, 압력, 용해비, 반송비에 비례하고 유입 부유물 농도에 반비례한다. 기출 해석에서는 이 관계를 그대로 제거율 변화로 옮긴다.

A/S비가 커지면 기포 공급이 부유물을 띄우기에 충분해져 제거율이 높아진다.

3. 등장 배경과 필요성

침전은 입자가 물보다 무거워야 가라앉는다. 그런데 조류, 미세 유기물, 기름·그리스처럼 비중이 물에 가깝거나 작은 입자는 침전만으로 분리가 잘 되지 않는다. 저탁도·고색도 원수나 조류가 번성하는 시기의 원수에서 이런 문제가 자주 생긴다.

가압부상이 쓰이는 대표 사례는 다음과 같다.