용존공기부상(Dissolved Air Floation, DAF) 공정

용존공기부상(Dissolved Air Floation, DAF) 공정

부상분리(flotation)는 수중에 함유된 부유물질에 미세한 기포를 부착시켜 물과 공기가 접하고 있는 한계면까지 부상시켜 고액분리를 유도하는 것을 말한다.

이는 부유물질, 유분, 그리스, 섬유소 등과 같이 물보다 밀도가 작은 입자들을 물로부터 분리하여 슬러지를 분리, 농축하는데 이용된다.
용존공기부상법(DAF)는 1924년 제지공업에서 섬유질을 재생하는데 처음으로 사용되어진 것으로 알려져 있다. 높은 압력으로 수중에 공기를 과포화상태로 용해시켜 이를 처리하고자 하는 원수에 주입시키면, 수중에서 다시 감압되면 과포화 되었던 만큼의 공기가 미세한 기포를 형성시킨다.

이 기포를 플록과 결합시키고 부력에 의하여 플록을 수표면으로 빠르게 상승시켜 수중으로부터 분리하는 정수처리기술이다.

용존공기부상 공정은 유럽을 중심으로 표준정수처리공정에서 여과의 전처리 공정으로 기존의 침전공정을 대체할 수 있는 효과적인 대안으로서 적용되고 있다.

특히, 저탁도, 부식질(humic substance) 또는 자연 색도나 조류 등을 함유한 원수의 처리에 유용한 공정이다. 또한, 크립토스포리디움 및 지아디아, THM 전구물질, 청․녹조류 등의 제거를 위한 용존공기부상 공정도 관심의 대상이 되고 있다.
용존공기부상 공정은 다음의 그림과 같이 응집제 주입과 플록이 형성되는 전처리 공정, 플록이 가압수로부터 용출된 미세 기포와 만나 접촉하는 반응지역(reac-tion zone), 기포와 플록이 결합하여 형성된 플로트(float) 입자가 수면위로 부상하는 부상지역(flotation zone), 그리고 처리수의 일부를 순환시켜 공기와 함께가압시키는 공기주입 지역(air dosing zone) 등으로 구성된다.

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​용존공기부상 공정은 일정한 압력하에서 공기로 포화된 물을 분산시킬 때 발생된 기포와 플록들을 충돌시킴으로써 부력에 의해 입자들을 부상, 분리하는 공정이다. 용존공기부상 공정은 부상방법에 따라 용존공기부상법, 분산공기부상법, 진공부상법 및 전해부상법 등으로 분류할 수 있으며, 그 특징들은 다음과 같다.

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◦ 용존공기 부상법(dissolved air flotation) : 과포화 상태로 있는 기체와 액체의 혼합액을 대기 중에서 압력을 감소시켜서 기포를 발생하도록 하는 방법.
◦ 분산공기 부상법(dispersed air or cavitational air flotation) : 대기압하에서 프로펠러의 힘이나 다공판을 통해 공기를 불어넣어 기포를 발생시키는 방법.
◦ 진공 부상법(vacuum flotation) : 대기압에서 공기를 포화시켜서 감압된 밀폐조에서 공기의 용해도를 감소시켜 기포를 발생시키는 방법.
◦ 전해 부상법(electro flotation) : 물을 전기분해하여 생기는 미세한 수소나 산소 방울로 이루어진 기포를 이용하여 부상시키는 방법.

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(a) 부상분리 기작
용존공기부상(DAF) 공정은 공기방울과 침전하는 플록 사이의 상호 작용 즉, 공기방울에 의한 플록의 충돌과 포집 등의 원리로 설명할 수 있다.

공기방울 입자는 약 10～120 ㎛ 범위로 생성되며, 이는 자체의 부력에 의하여 상승하게 되는데, 공기방울이 플록입자에 결합하는 즉, 기포-플록 입자(float)를 형성하는 물리적 작용은 다음의 3 가지 현상으로 볼 수 있다.

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◦ 플록입자와 공기방울의 충돌(collision)
◦ 플록에 의한 상승기포의 포집(interception)
◦ 플록 내부에서 공기방울의 흡수(absorption) 및 흡착(adsorption)
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이들 중 용존공기부상 공정에서 공기방울과 플록 사이의 결합은 주로 충돌과 포집에 의해 발생되는데, 이 과정은 공기방울의 핵형성(nucleation)과 공기방울로의입자침전(precipitation) 과정을 포함한다.
이러한 원리는 플록형성지에서 충돌에 의한 플록의 성장이나, 여과지에서 입자가 여재 표면에 포집되는 것과 유사하게, 물질전달에 의한 충돌이론으로 설명될 수있다. 즉, 입자 또는 플록과 공기방울 사이의 접근과 충돌을 촉진하는 구동력(driving force)은 브라운 확산(Brownian diffusion), 차단 또는 포착(interception),중력침강(gravity settling) 및 입자의 관성력(drag force) 등이다.
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단일 포집자 충돌이론
용존공기부상 공정의 접촉 반응지역(reacting zone)에서 연속적으로 상승하는 기포는 구름같이 생긴 층을 이루며, 이것은 개념적으로 여과층과 유사하다.
이에 Malley와 Edzwald(1991)은 상승하는 기포층과 입자들의 충돌을, 입자들이 공기방울 표면에 전달되는 것으로 간주하고, 다음과 같은 단일 포집자(single-collector) 충돌모델을 제시하였다. 이때 공기방울들은 접촉 반응지역에서 순간적으로 생성되는 것으로 가정하였는데, 이는 기압차가 크게 발생하는 용존공기부상 공정에서 타당한 것이다.
단일 포집자 충돌모델은 공기방울과 입자(플록)간의 충돌효율을 정의한 것으로, 공기방울 개체가 하나의 포집자(collector) 기능을 한다.
이는 간단히 입자와 공기방울의 접근속도에 대한 충돌속도로 나타낼 수 있으며, 총 충돌효율은 다음과 같은 요소들의 합으로 표현될 수 있다.

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총 충돌효율(ηT)을 나타내는 각 요소들 중, 브라운 확산효율(ηD)은 입자들의 불규칙한 분자운동(Brownian motion)에 의하여 공기방울과 충돌하여 부착하는 것을말한다. 포착효율(ηI)은 입자가 유체의 흐름에 따라 기포에 충분히 가까운 거리에서 충돌하여 부착 되는 것을 나타내고, 중력침강효율(ηG)은 중력에 의해 하강하고있는 입자나 플록이 기포와 충돌하여 부착되는 것을 말한다.

관성효율(ηD)은 유체의 흐름에 관계없이 입자 자신의 관성력에 의해 충돌하여 부착되는 것을 말하며, 용존공기부상 공정에서 생성되는 기포의 크기가 매우 작기때문에, 이는 거의 무시할 수 있다.

총 충돌효율(ηT)에 미치는 영향인자는 플록입자의 크기 및 비중, 기포의 직경, 수온, 물의 비중 및 동점성, 입자의 밀도 등이다.
입자나 플록의 직경이 1 ㎛ 이하의 범위에서는 확산효율(ηB)이 주된 영향인자가 된다. 그러나 그 이상 크기의 입자들은 포착효율(ηI)에 주로 영향을 받게 되며,침강효율과 관성효율의 영향은 상대적으로 미세하다.

원수 중의 불순물은 적절한 혼화/응집 공정을 통하여 일반적으로 100～1,000 ㎛ 정도의 플록으로 성장하기 때문에, 실제 용존공기부상 공정에서는 포집기작에의해 충돌이 조절됨을 알 수 있다. 또한, 밀도가 큰 플록일수록 중력의 영향이 커지지만, 부상공정의 효과는 포집이나 브라운 확산에 의하여 더욱 직접적인 영향을받는다.

한편, Kithener과 Gouchin(1981)은 부상할 수 있는 기포-플록의 결합체(float)의 형성기작을 1) 공기방울이 플록입자를 감싸는 과정, 2) 플록내부의 핵이 기포로성장하는 과정, 3) 기포와 플록이 충돌하여 부착되는 과정으로 설명하였다.

또한, 세 가지 기작이 모두 발생하지만, 용존공기부상을 이용한 고도정수처리공정에서는 충돌과 부착이 가장 주된 기작이라고 하였다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌