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2018년 12월 16일 (일) 17:59 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 혼화지에서의 설계 개선을 통한 저에너지 고효율 시스템 추구

영문 : Pursuit of Energy Efficiency and Financial Burden by Improving the Design of the Mixing Tank

과제 팀명

황의조

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 홍**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 정수장에서 혼화공정은 정수처리의 기본이 되는 중요한 공정중의 하나로 원수의 오염물질과 응집제럴 서로 혼합시켜 침전성이 양호한 플럭을 생성하는 것이 목적인 공정입니다. 이러한 혼화공정에서 중요한 것은 응집제의 빠른 확산으로 널리 사용되는 혼화방식으로는 10^-4 ~ 1초 내외의 짧은 순간에 강한 교반을 해주는 것입니다. 이러한 교반에 필요한 에너지를 절감하기 위해 착수정 낙차를 이용, In-line Blender 등  여러 혼화방법을 이용하여 무동력 급속혼화지를 설계함으로서 정수처리의 저에너지·고효율화에 기여할 것입니다.

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 및 특허 전략 분석

◇ 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 포 함하는 혼합관, 상기 혼합관과 연통 되게 일체로 형성되며, 상기 혼합된 원수와 약품을 배출하는 배출구를 포함하는 액체배출관을 포함합니다.

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

기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

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.

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

※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.

특허 출원 내용

내용

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 ===완료작품의 평가===
 내용
+※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===