황의조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 빅데이터 및 예측 모델기반 유해 화학물질 대체제 발굴

과제 팀명

AlChem

지도교수

박승부 교수님

개발기간

2023년 3월 ~ 2023년 6월 (총 3개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20198900** 김현우(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 나기문

서울시립대학교 환경공학부 20188900** 정용민

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 Safe-by-Design (SbD) 프레임워크는 빅데이터와 인공지능을 기반한 GenRA 와 EPA TEST 를 활용하여 비슷한 구조를 가진 화학물질들의 독성을 예측함. 현재 쥐 실험 기법과 같은 전통적인 실험의 한계로 높은 비용 및 소요 시간, 충분하지 못한 독성 데이터가 존재하는데 , 본 설계 프레임 워크를 사용시 대량의 화학물질을 빠르고 비용 효율적으로 물질의 유해성 평가를 수행 가능하며 독성 정보가 없는 기존 물질 및 신규 물질의 평가에 있어서 유용하게 활용 가능함.

개발 과제의 배경 및 효과

◇ 개발 과제의 배경

 환경부와 한국환경산업기술원은 상·하수도 분야의 기술혁신을 위해 환경기술개발사업에 2019년부터 2025년까지 7년간 총 1,882억원(국고 1,357억원, 민간 525억원)을 투자할 방침입니다. 두 기관은 환경기술개발사업 추진을 통해 기후변화, 산업활동, 생활환경 변화 등으로 발생하는 물관리 쟁점에 대해 체계적으로 대응함으로써 국민 물복지 증진에 기여하고자 하고 있습니다. 위 사업의 핵심적인 분야는 세 가지입니다. 첫째 상·하수도 분야에서 글로벌 수준의 기술경쟁력을 확보하여 신종 및 미량오염물질 최적관리 기술 개발을 통해 먹는물 안전성을 강화시킬 예정입니다. 둘째 상·하수도 지능형 관리 기술을 개발하여 상·하수도 운영 효율을 향상시킬 전망입니다. 마지막으로 에너지 소비량이 많은 폭기장치, 에너지 절감형 하수찌꺼기(슬러지) 처리 시스템 등 핵심 기자재의 저에너지·고효율 국산제품을 개발해 에너지 절감 및 온실가스를 감축하려는 목적입니다.
 저희는 특히 저에너지·고효율 설비 개발부분에 집중했습니다. 두 기관은 설비 개발을 통해 핵심기자재를 모두 국산화 하고 에너지 소비량 또한 20% 절감할 목표입니다. 이에 현 수처리 프로세스 중 급속 혼화지의 혼화장치에 사용되는 동력을 저감할 수 있을 것으로 보입니다. 이를 통해 수질의 안정성은 유지시키되 에너지를 줄여 고효율화 급속 혼화지를 개발하기 위해 노력할 것입니다.

◇ 개발 과제의 효과

 현재 국내에서 보편화된 기계식 급속 혼화장치는 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실, 동력장치 사용 등으로 인한 에너지 소비 및 소음문제와 진동문제 등의 이유로서 유지관리 차원에서 문제가 있습니다. 또한 설계과정에서 발생할 수두 손실에 대한 계산을 정량화하기 또한 어렵기 때문에 합리적인 교반강도를 정하기 어렵다는 단점이 존재합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저희는 무동력 급속 혼화조를 설계할 것입니다.
 응집제의 반응 동력학을 이용한 순간 혼화방식으로 혼화효과를 보장하는 것은 혼화·응집 공정의 육안 관찰이 어려운 문제와 혼화강도의 정량화 문제를 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 이뤄질 수 있습니다. 무동력 급속혼화조를 성공적으로 설계한다면 급속 혼화에 쓰이는 에너지 및 유지보수비 절감 차원에서 기존 기계식 급속 혼화장치의 단점을 개선할 수 있을 것입니다. 즉 궁극적으로 급속혼화지의 기자재에 국산제품을 사용할 수 있고 에너지 소비량을 감축할 수 있을 것입니다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제의 목표

 정수처리장은 국민에게 깨끗한 물을 공급해야하는 장소이니만큼 양호한 수질을 유지하는 것을 기본으로 할 것이고 동시에 저희는 무동력 급속 혼화지를 설계하여 정수처리장의 저에너지·고효율화에 기여하고자 합니다. 

◇ 개발 과제의 내용

 기존 급속혼화지와 동일한 수질을 유지하면서 운영 가능한 무동력 급속혼화지를 설계한다.
 설계한 무동력 급속혼화지를 통해 감축된 에너지를 정량적으로 계산하여 과제를 평가한다.
 

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ 혼화 메카니즘에 따른 혼화 방식의 분류

혼화 메카니즘에 따른 방식으로는 크게 교반강도는 강하게 하고 체류시간을 짧게 하여 흡착-비안정화를 유도하는 방식과 교반강도는 비교적 약하나 체류시간을 다소 연장시키는 sweep방식이 있으며 원수의 pH를 조정하여 용존유기물질 제거율을 향상시키는 enhanced coagulation방식이 있습니다. 일반적인 원수의 경우 흡착-비안정화를 유도하는 방식이 유리하나 우리나라의 경우 대부분 sweep방식에 의존하고 있습니다. 이러한 이유는 여러 가지가 있겠으나 상수도시설기준에서 교반강도에 대한 언급이 없고 혼화시간은 1~5분간을 제시하고 있는 이유가 첫 번째이며, 두 번째는 교반강도나 체류시간에 대한 그간의 연구가 있었으나 시설기준을 변경하고 실 정수장에 도입 가능한 정도의 연구는 없었기 때문입니다.

◇ 교반 방식에 따른 교반기별 특징

혼화지는 혼화지내에 교반기를 설치하여 응집제를 혼화시키는 방법인 Agitated Tank, 별도의 혼화지 없이 유입관 내에 응집제를 투입하여 혼화하는 관내 혼합방식, 낙차 또눈 도수에 의한 Hydraulic mixing방식, 공기혼합방식 등이 있습니다. 우리나라의 경우는 대부분 획일적으로 Agitated Tank 방식을 적용하고 있으나 Agitated Tank 방식은 단회로 발생 가능성이 높고 혼화효율이 낮은 단점을 갖고 있습니다. 최근에 선호되고 있는 방식은 관내혼합방식으로서 혼화효율이 높고 유지관리비가 적게 드는 장점을 갖고 있습니다.

• 특허조사

◇ 무동력 관내 혼화기 (Non-powered in-line mixer)

개요 : 본 발명(특허)은 원수가 유입되는 원수유입구, 약품이 투입되는 약품투입관, 상기 약품투입관을 통해 투입된 약품을 분사하는 약품분사관을 포함하는 액체유입관, 상기 액체유입관과 연통되게 일체로 형성되며, 액체유입관에서 유입된 원수와 약품을 혼합하는 혼합실이 복수개로 형성되고, 혼합액을 유입하는 혼합액유입구와 상기 혼합액을 배출하는 혼합액배출구를 포함하는 혼합관, 상기 혼합관과 연통 되게 일체로 형성되며, 상기 혼합된 원수와 약품을 배출하는 배출구를 포함하는 액체배출관을 포함합니다.

◇ 무동력 와류 장치 (Non-powered device for vortex)

개요 : 이를 위한, 위한 본 발명의 무동력 와류 혼화장치는, 원수를 응집제와 혼화시켜 응집조로 공급하는 혼화 장치에 있어서, 본체의 하단에 원수와 응집제가 유입되는 원수 유입부가 형성되고, 상단에 혼화수 배출부가 형성되고, 본체의 내벽과 이격되어 본체 내벽과의 사이에 유로를 형성하도록 원수 유입부 상부에 수평 설치되며, 적어도 일단부에 외측으로 하향 절곡된 절곡부가 형성된 플레이트가 적어도 2개 이상 상하 이격되도록 설치되며, 본체 내벽에 단부가 밀착되도록 수평 설치되고, 중앙에 중공부가 형성되며 중공부 둘레의 적어도 일측이 내측으로 하향 절곡된 프레임이 플레이트 간에 수평 설치됩니다.

◇ 회전류를 이용한 무동력 혼화장치 (Mixing apparatus using a rotary flux) - 한국수자원공사 (2008.10.08.)

개요 : 본 발명은 정수 장치나 폐수처리 장치 등의 수처리 장치에서 원수와 약품을 혼화시키는 경우 원수의 유입력에 의하여 혼화될 수 있는 회전류를 이용한 무동력 혼화장치에 관한 것으로, 상부에 원수 공급구 및 응집제 주입구가 형성된 원통형상부통과, 이 상부통에 연이어 형성되고, 경사면을 가지고 형성되어 있는 하부통과, 그리고 이 하부통의 중심에서 연이어 형성된 출구가 형성된 혼화장치에 있어서, 상기 혼화장치의 상부통에 형성된 원수 공급구 및 응집제 주입구는 콜리올리 효과를 얻도록 원수나 응집제가 투여되는 방향이 오른쪽으로 편향되게 구성되어 있는 것을 특징으로 하며, 또한 상기한 회전류를 이용한 무동력 혼화장치 내부에 방사형으로 형성된 배플이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있습니다.

• 특허전략

◇ 현재 특허 출원된 무동력 혼화장치를 살펴보면, 무동력을 달성하기 위한 원리와 목적은 대체로 비슷하나, 특허 별로 무동력 혼화장치의 설계도가 각기 다른 형태를 띠고 있습니다. 혼화장치별로 설계가 다른 만큼 물의 흐름 방향(벡터)와 유속이 다름을 확인했으며, 이런 설계별 유속 및 흐름 분포의 차이에 중점을 둠으로서 설계도면 제작 시 가장 효율이 높은 새로운 도면을 기획할 예정입니다.

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

◇ 수직축 임펠러를 이용한 기계식 혼화지
응집제의 순간혼화가 불가능해 30 ~ 40% 정도의 응집제를 과잉투입합니다. 임펠러의 회전속도에 따라 응집제의 손실과 동력 장치 사용으로 인한 진동 및 소음 문제, 전력소모 등의 유지관리 문제가 있고 또한 설계과정에서 발생할 손실 수두를 정량화할 수 있는 방법이 없어 정수장의 혼화효율을 정확하게 얻을 수 없는 단점이 있습니다. 안전한 수생산과 생산비용 측면에서 부족한 점이 있습니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 1
응집제의 부분적 혼화로 인한 효율 저하를 방지하기 위해 플레이트와 프레임의 각 날개는 수평면을 기준으로 30°로하고 다수의 통공을 뚫어서 원수에 대한 저항을 최대화해 순간혼화를 가능하게 합니다. 유입구, 내부순환부, 배출구로 3부분이며 내부순환부는 총 3단으로 구성되었습니다. 1단에서는 통공 주변에서 와류가 형성되고 2단에서는 절곡부분을 부딪쳐 빠져나오면서 저항이 커져 와류가 형성되면서 유속이 증가하여 혼화가 잘 이루어집니다. 2단을 통과한 원수는 1단과 동일한 형상으로 제작된 3단을 통과하여 최종 혼화수가 중앙에 모여 배출되는 형태이고, 내부 구조물 때문에 발생하는 압력손실을 최소화하기 위해 출구 면적을 입구면적 대비 130% 크게 하는 구조입니다.

◇ 무동력혼화지의 구조 2
두개의 입구와 하나의 출구를 통하여서 다른 입구를 통해 들어온 두 유체가 관 내부에서 혼합되어 출구로 나가는 모습입니다. 관 안에 오리피스 3개가 들어 있는 구조로, 첫 번째 오리피스와 세 번째 오리피스는 같은 구조이며 가운데 오리피스만 가운데 구멍이 뚫린 구조로 되어 있습니다. 오리피스의 구멍을 통과하면서 흐름이 형성되어 혼화가 잘 이루어지게 됩니다.

• 마케팅 전략 제시

 ◇ 정부의 개발목표에 포커스를 맞춘 설계인 만큼 정부기관에 적극적으로 접촉을 하고, 불발될 경우 하도급업체에 아이디어를 넘기는 식으로 마케팅을 할 수 있습니다.
◇ 기존 기계식혼화지 대비 응집제 저감 정도와 에너지 저감 정도를 중점으로 홍보합니다.
◇ 3C분석 : 고객, 자사, 경쟁사를 통해 분석, 즉 Customer(시장동향, 표적시장, 고객의 요구 등),  Competition (상대적 경쟁력, 경쟁사, 강점과 약점), Company(자사의 현황, 자사의 강약점, 목표) 3가지로 분석하는 것 입니다.
Customer : ⦁현재 물 시장은 세계적으로 7,139억불(16년 기준)이며 연평균 3%정도의 성장세가 예상됩니다.
           ⦁한국의 경우 스마트 물관리 육성전략의 일환으로서 물 관련 부품에 대한 기술경쟁력 상승을 목표로 하고 있으며 정부 차원에서의 지원이 들어가고 있습니다. 실제로 우리 정부는 2018년부터 2024년까지 상수도 시스템 효율화 및 경쟁력 강화 차원에서 7년간 1,552억을 투자한다는 것을 알렸습니다.
          ⦁우리의 제품이 시장에 나왔을 때 주 고객은 기존의 혼화공정을 사용하고 있는 혹은 새롭게 상 하수 처리장을 운영하려는 사람으로서 국가 정책 및 기준에 따라서 맞는 수질의 물을 생산 및 방류하고 가격을 최소화 하는 것이 목표로 하고 있습니다.
Competition : ⦁경쟁 목표는 기존에 적용중인 혼화조 기술로 생각하고 있습니다.
⦁기존의 제품들은 방류수에 대하여 확실한 수질을 보장하게 해주는 장점이 있습니다.
⦁모터를 사용함으로서 소요되는 에너지 비용은 가격경쟁력 부분에 영향을 주며, 상하수도 요금 현실화율을 낮게 만드는 원인중 하나입니다.
Company : ⦁우리가 목표로 하고 있는 것은 기존 혼화지의 개선을 통해 저에너지 고효율을 보장하는 것을 목표로 하고 있습니다.
⦁기존 제품들의 도입을 보았을 때 자사가 가장 우선시하여야 하는 것은 혼화조에서의 확실한 교반을 통한 방류수의 안정적인 수질 공급이라고 볼 수 있습니다.
⦁고로 방류수 및 에너지 절감에 대한 정량적인 자료를 제시함이 분명하여야 하고 이것이 기존의 혼화조를 대체하는 데 드는 비용 및 기타사항을 고려하였을 때 충분한 가치가 있다는 것을 제시하여야 한다고 생각합니다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 기존의 급속혼화공정과 비교 시 동일한 수준의 수질을 보장하면서 에너지를 절감할 수 있습니다.

위 표는 동일한 호수를 취수원으로 사용하는 A정수장과 B정수장에 대한 수질 비교표입니다. 앞선 조사는 2014~1016년 동안 시행되었습니다. A정수장은 기존의 혼화장치를 전부 다 무동력 와류 혼화장치로 대체하여 운행을 실시하였고 B정수장은 급속혼화장치를 사용하고 있습니다. 위의 표에 나타나듯이 A, B 두 정수장의 배출수에 대해서 수질차이는 크게 존재하지 않으며, 방류수 수질 기준에 잘 들어맞고 있습니다. 또한 A는 동력을 소비하지 않는 과정으로 기존 급속혼화장치를 사용하기 위한 동력소비량 64,143~65,306 kWh/년 의 에너지(B정수장의 사용량)를 절감할 수 있다고 판단할 수 있습니다.

◇ 에너지 절감 및 이로 인한 예산 절감 효과

2011년 대전 월평 정수장은 하루 35만톤 정도의 물을 생산하는데 혼화지의 급속혼화기를 사용하지 않고 무동력 와류 혼화장치를 설치하여 연간 에너지 사용량 525.6MWh를 줄여 전력비로는 연간 4천 204만 8천원을 줄일 수 있었다는 조사결과도 있습니다. 또 여기에 급속혼화기를 유지관리 하는 비용도 연간 5천만 원 정도 줄일 수 있고 G값 상승효과에 따른 약품비 또한 절감되어 실제 저감되는 예산의 양은 연간 1억 원을 상회할 것 이라는 예측이 가능합니다. 이 외에도 소음발생을 저감시켜 근무환경이 개선되고 기후변화 협약, 고유가 등 에너지 환경 문제에도 적극 대응할 수 있을 것입니다. 이러한 혼화장치를 전국으로 확대시킨다면 실제 저감할 수 있는 에너지나 예산은 무궁무진할 것입니다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 정부의 개발목표에 부합하는 설계물로, 실효성이 입증된다면 정수장이나 폐수처리장에서의 무동력 혼화지 사용을 권장함으로서 국가적인 규모로 쓰일 가능성이 있으며, 사회적 파급효과가 클 것으로 예상됩니다.
◇ 응집제 투입량을 3~40% 줄이고 에너지 소비량을 기존의 20%가량 절감하게 되면 경제적으로 큰 경쟁력을 가지게 될 것입니다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

아이디어 개념설계를 할 때 중점을 둔 것은 ◇ 기존의 수직축 임펠러를 제거해 무동력을 달성한다. ◇ 30~40% 과다 투입되는 응집제의 양을 줄이며, 적당량의 응집제만으로 교반이 이루어져야 한다. ◇ 아이디어를 통해 교반의 효율을 높인다. 였으며, 위 내용을 바탕으로 팀원과 함께 해당 설계에 적용할만한 아이디어를 제시한 결과, 다음과 같은 안을 제시했습니다.

◇ 세탁에 사용되는 세탁 볼을 응용하여 혼화지 유입구 부분에 Mixing Ball을 설치하여 응집제 mixing 을 도움

- 평면도에서 볼 수 있는 것과 같이 많은 부분에 와류를 일으키는 물체를 위치시켜 여러 곳에서의 와 류를 도모합니다. - 물체를 매다는 끈의 길이를 다양하게 하여 물의 진행방향 중 여러 곳에서 교반이 일어나게 합니다. - 매단 물체에도 구멍을 여러 방향으로 뚫어 물이 물체를 통과하는 와중에도 와류가 생길 수 있도록 합니다.

상세설계 내용

내용

◇ 위 조립도는 ➁Mixing Ball을 이용한 무동력 혼화지의 정면도와 평면도이며 ➂줄과 Mixing Ball을 약품이 유입되기 시작하는 부분의 ➀아크릴 수조 내벽(너비 300mm × 길이 400mm × 높이 300mm)에 설치합니다. ➁Mixing Ball을 설치시에는 줄의 길이가 물의 흐름이 고루 섞일 수 있도록 다양한 길이(30mm ~ 150mm)로 설치합니다.
※ ➀아크릴 수조에 ➂줄을 먼저 설치한 후 줄과 ➁Mixing Ball(10mm or 20mm)을 연결함으로서 약품이 유입되었을 때 물의 흐름에 의한 ➁Mixing Ball의 교반이 일어나고 이로 인해 약품의 혼합이 이뤄집니다.

◇ 그 후 ➀아크릴 수조에 글루건을 이용해 ➃아크릴 판으로 지붕(너비 300mm × 길이 350mm)을 설치합니다. 이 지붕은 물이 ➀아크릴 수조 밖으로 범람하지 않고 유입된 물이 배출경로로 나갈 수 있도록 하기 위해서입니다.  

◇ ➀아크릴 수조에 부착된 ➃천장 정가운데(350mm 천장에서 양쪽으로 175mm 위치)에 글루건을 이용하여 ➄아크릴 판을 설치해 유입되는 물의 흐름이 아래로 내려갔다가 다시 올라오며 반대쪽 유입구로 나오는 구조를 만듭니다.

◇ 유입구에서 물의 유속이 일정하게 유입되게 하며, 물의 흐름이 모든 면에서 균일하게 흐르게 하기 위해 ➅쓰레받기를 아크릴 수조의 유입구 부분에 경사가 30°가 되도록 글루건(혹은 끈)을 이용해 설치합니다. 유입 유량의 경우 유량 조절, 파이프의 수압 조절을 통해 조절할 수 있습니다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

가. 프로토타입 사진

◇ 프로토타입은 초기의 조립도와 달리 양 옆에 설치된 것을 제거하였습니다.
   (실험 조건을 만족하기 위해 부득이하게 제거)
◇ 물의 균등한 분배를 위해 위에서 수도 등의 방법을 이용하여 물을 균등하게 넣기 위한 노력을 했습니다.
◇ 완성된 프로토타입 사진은 다음과 같습니다.

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

※개발과제 총평 : 현실적인 제한조건 때문에 정확한 실험과 측정을 할 수 없었지만 새로운 아이디어의 가능성을 확인할 수 있는 적절한 모의 실험을 고안했고, 유의미한 값을 얻었으므로 아이디어를 지속적으로 개발시킨다면 효과적인 결과물을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

향후계획

내용

 모의실험을 수행한 결과, 실험의 최우선 목표인 시료의 교반 정도에서는 실질적인 차이로 보여 교반에 도움이 될 수 있음을 확인했습니다. 다만 고려할 사항으로

◇ 줄이 엉키는 부분에 대해서는 해결방안을 강구할 필요가 있었다.
◇ 교반에 대하여 공학적인 계산을 위한 프로그램 설계 및 유체의 흐름을 파악하기 위한 기술 연구의 필요성이 존재한다.
◇ 최적의 Mixing Ball의 크기와 형태에 대한 연구가 필요하다.

위의 개선사항들을 수정한다면 아이디어는 충분히 시장에서 사용 가능할 것으로 사료됩니다.