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NowBatu Inc. (주)나우바투 | |
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태양광이용 부유식 호수순환기 Solar Powered Water Circulator |
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1. 설계 개념(Design Concept) 1-1 기본 개념(Origin)
“물은 고여 있으면 썩게 되고, 순환운동을 하면 건강한 물이 된다.” 이 자연의 원리가 기본개념이다. 부유식 물 순환기(FWC: Floating Water Circulator) 는 태양광에너지 또는 일반 전력을 이용하여 호수/저수지의 물을 수직과 수평 방향으로 부드럽게 연속 순환을 시키도록 설계되었다. 기존의 기술이 당면했던 여러 가지 문제 요인을 극복하려면 오염된 물을 효율적으로 연속 순환을 시켜야 한다. 설계는 이 목적을 향하여 초점을 맞추었다.
1-2 작동원리(Principle Function)
부유식 물 순환기는 호수 하부의 물을 표면으로 끌어 올리도록 특별히 설계되었다. 끌어 올린 물은 표면에 얇은 막층(layer)을 형성하면서 원형 파문을 이루며 이동 확산한다. 물의 표면막층(surface layer)은 수 표면에서 매우 부드럽고 천천히 층류(laminar flow)를 형성하여 움직이므로 거의 그 밑의 물(水體)과 마찰현상을 일으키지 않는다. 중요한 점은 물이 교란이나 난류를 일으키지 않도록 조심스럽게 설계를 하였다는 사실이다. 기술적인 관점에서는, 물의 표면에서 격렬한 폭기나 난류(turbulence)를 일으키지 않으면, 이 순환장치에 필요한 에너지는 단지 물을 조금 끌어올리는 힘만 요구된다. 즉, 물을 끌어 올려 표면 위에 살짝 풀어놓으면 물은 스스로 얇은 표면막층을 이루며 그 밑의 수체(水體)와 마찰(friction) 없이 퍼져 이동된다. 이런 방법으로 물의 표면층(surface layer)을 계속 형성시켜 사방으로 수평이동(laminar flow) 하게 만들기 때문에 표면수의 교환(surface renewal)이 연속된다.
부유식 물 순환기는 “표면수 교환(surface renewal)”을 통하여 천천히 흐르는 큰 강과 같은 자연적 조건을 만든다. Imhoff 와 Fair 라는 학자에 의하면 천천히 움직이는 강물은 고여 있는 호수의 물 보다 4~7배나 더 크게 공기혼합(re-aeration)을 한다. 왜 그런가 하면 천천히 흐르는 강물은 ”표면수 교환(surface renewal)"을 일으켜서 대기의 공기를 자연스럽게 흡수하기 때문이다. 물 순환기의 작동원리는 산소가 결핍된 호수 밑의 물(* 일반적으로 용존산소 농도 9.2 mg/l 이하)을 물 표면으로 올린다. 올라온 물은 천천히 흐르는 강물처럼 대기에 노출하는 표면수가 되어서 산소를 공급받고 멀리 수평 이동했다가 다시 밑으로 내려간다.
“표면수 교환(surface renewal)”이 진행함에 따라 산소는 물에 혼합되고 물의 이동을 따라 함께 확산을 하기 때문에 미생물의 호기성 활동 영역을 넓힌다. 따라서 물 밑 깊은 곳 까지 부유물질(suspended solids)과 용해물질(dissolved solids)을 감소시킨다. 햇빛은 더 깊이 침투하면서 열의 전달(heat transfer)도 증가한다. 또한 다른 여러 가지 가스(gases)도 물 표면에서 대기와 교환을 하여 방출된다.
"층류(laminar flow)"는 당연히 “표면수 교환(surface renewal)"을 일어나게 하는 주요한 요인이다. 또 하나 중요한 점은 호수 하부의 물을 어느 깊이(level)에서 뽑아 올리는가 하는 것이다. 즉, 물의 어느 깊이(level)까지 산소를 혼합해야 하는지 결정해야 한다. 밑에 있는 물을 수직상향(down to top)과 수평 방향(laminar flow)으로 철저히 순환시키면 산소, 영양분, 열(온도), 생물학적 다양성 등이 더 골고루 퍼져서 자연의 정화능력을 크게 높인다.
깊은 물은 상부와 하부에 온도차가 있다. 이 온도차에 따라서 물 분자들 간의 밀도(density)가 달라지고 물의 성층현상(stratification)이 생긴다. 이러한 성층현상이 물의 수평-수직 순환운동에 의하여 파괴되고 또 방지된다. 물 순환기가 발명, 개발된 이후, 물리적 생물학적 화학적 효율을 알기 위하여 많은 실증 테스트가 이루어졌다. 생물학자와 화학자들에 의하여 150만개 이상의 데이터 포인트(data points)가 현장에서 수집되었다. 현장 테스트는 작은 배(boat)를 이용하여 다양한 수심과 위치에서 시행했다.
2. 작동 설명(PERFORMANCE CONSIDERATIONS)
2-1 물리적 작동(Physics)
햇빛의 각도와 기상조건은 순환기의 성능을 좌우한다. 그러나 호수의 물을 움직이는데 필요한 에너지는 사실상 전체적인 요구조건에서 보면 단지 매우 적은 부분일 뿐이다. 그 이유는 순환기에서 쓰는 펌프(임펠러)가 “층류(laminar flow)"를 가능하게 하는 특이한 설계로 만들어져 있기 때문이다. 태양광의 직사광선이나 산란광선(diffused radiation)은 전류로 전환되고 이 전류는 전자 조절기(electronic controller)를 통하여 볼트/엠프(volts/amps)를 자동 조절하여 전기모터(24V DC)의 작동을 극대화한다. 모터는 물을 끌어올리는 임펠러(impeller)를 돌린다. 이때 물은 표면에 올라와서 수표면 보다 조금 올라선 형상의 작은 돔(dome)을 만든다. 이러한 돔(dome)을 이룬 물은 얇은 층(layer)이 되어 저절로 원형 파문으로 사방에 흘러나간다. 그 흐르는 힘이 끝나는 지점이 층류(laminar flow) 영향권의 끝이다.
2-1-1 순환(Circulation)
순환기와 기존의 공기혼합기를 비교할 때 가장 크게 다른 점은 순환기는 난류(turbulence)와 격류를 일으키지 않는다는 사실이다. 이 특이한 설계는 박테리아, 산소, 영양소를 오랜 시간동안 서로 접촉하도록 해서 최대한으로 과잉 영양분을 분해시킨다. 물을 천천히 부드럽게 순환시키기 때문에 호기성 박테리아가 크게 번식하여 호기성 활성대가 넓어진다. 기존의 격렬한 폭기 방법은 이에 반하여 박테리아의 증식을 오히려 제한하고 파괴적이 될 수 있다. ● 층류(Laminar Flow)/수평흐름
미국 수질협회(Water Quality Association)는 층류(Laminar flow)를 이렇게 정의했다: “액체가 난류(turbulence)를 일으키지 않으면서, 어떤 방향으로 부드럽고 지속적으로 서로 섞이지 않으면서 흐르는 평행한 물의 층(layers)이다.” 층류(laminar flow)는 천천히 이동하므로 다른 층(level)과 거의 마찰하지 않는다. 순환기는 물 표면에서만 층류(laminar flow)를 형성할 뿐 아니라, 물을 취수하는 깊이의 수평면(level)에서도 층류(laminar flow)를 만든다.
a. 상부 수평면(Upper Level) : 물 분자가 움직일 때는 앞에 있는 물 분자의 운동 양상을 따른다. 물 분자가 순환기의 방출구(distribution dish)에서 흘러나와 수평으로 흐르면, 난류(turbulence)를 만들지 않기 때문에 다른 물리적 저항을 만날 때까지, 수평적이고 직선적인 움직임을 유지한다. 물 분자들이 방출구에서 물의 표면으로 나올 때는 서로 밀착하고 나란히 움직이지만, 크게 원형 파문을 그리면서 사방에 직선상으로 흘러 나가면 분자들과 분자들의 사이는 더 벌어진다. 그 벌어진 틈 사이에는 공백이 생긴다. 이 때 밑에 있는 물 분자가 올라와 그 공백을 메운다. 이렇게 하여 원래의 물 분자들은 계속 직선으로 이동하면서 동시에 밑에 있던 새로운 물 분자가 표면의 틈 사이를 채운다. 수평흐름으로 원형이 커질수록 이런 현상이 계속되고 속도는 느려진다. 이런 현상은 뉴튼과 베르누이 법칙 (Newton's & Bernoulli's laws)을 따르는 것인데, 버너드 맛씨(Bernard Massey)는 "Mechanics of Fluids"라는 저서에서 이 현상을 수학적으로 자세히 설명하였다. 여하튼 이것은 호수의 표면에서 “표면수 교환(surface renewal)"이라는 대단히 중요한 현상을 가능하게 하는 바탕이다.
b. 하부 수평면(Lower Level) : 물 표면에서 일어나는 현상은 하부에서 물을 취수(intake)하는 수평면(level)에서도 쌍둥이처럼 나타난다. 즉, 취수(intake)하는 수위(level)에서도 층류(laminar flow)가 일어난다. 그러나 이것은 당연히 표면의 층류와는 반대 방향으로 움직인다. 물 분자들은 물 표면의 경우와 달리, 이번에는 취수구를 향하여 원형을 이루면서 이동해 와서 서로 좁게 밀착(compact)하여 들어간다. 그 수평면(level)에 있는 물 분자들은 취수구를 통하여 빨려 들어가서 상부 물 표면으로 올라간다. 물론, 취수구를 통하여 들어간 물은 방출구(distribution dish)에서 나온 물의 양과 같다. 그러나, 이 때 매우 중요한 사실은, 물이 취수구를 통하여 빨려 들어가 상부에서 방류되는 그 움직임 자체는 그것으로 끝나지 않고 그 옆에 근접한 물까지도 함께 끌어서 올려 보내는 결과를 만든다는 점이다. 이 현상을 유도동반흐름(Induced Flow)이라고 한다.
이것은 방출구(distribution dish)를 통하여 방류되는 물의 흐름을 말한다. 이 흐름의 속도를 재는 데는 3가지의 방법, 즉 wier test, bladder test, dye test가 있다. bladder test가 가장 정확하다고 알려져 있으나, 야외에서 가시적인 효과로는 dye test가 가장 좋다. 이 방법은 dye(색소물질)을 취수구에 투입하고 이것이 물 표면에 올라와 이동하는 속도와 시간을 측정한다. 사우드 다코다에서 날씨에 따른 태양광선의 기상조건을 감안하여 측정한 표면수교환(surface renewal)의 평균치는 약 1 acre 당 1,200 톤/일에 달했다. 이러한 수치는 지리적 위치와 계절에 따라 변함은 물론이다. 기본흐름(Primary Flow)의 양은 여름에는 크고 겨울에는 작아짐은 물론이다. ● 유도동반 흐름(Induced Flow)
기본흐름(Primary flow)은 근접한 물(水體)을 유도(induce)하여 이끌고 함께 이동한다. 이러한 유도동반흐름(Induced Flow)은 기본흐름(primary flow) 보다 그 양이 훨씬 더 많다. 앞에서 말했듯이, 물 표면에서 물의 층류(laminar flow) 현상이 일어나면 이것은 원형을 이루며 파문 형상으로 널리 퍼져 나간다. 이때 물의 이동 직선 사이에 간격이 벌어지므로 밑의 물이 그 간격을 채워준다. 그러나 물 밑에서는 똑 같은 현상이 반대 방향으로 일어난다. 취수구(intake tube)에 물이 몰려 들어가면 취수 수평면(level)에 있는 물의 층(water layer) 물 분자들이 서로 사이를 좁히고 밀착하여 취수구로 들어간다. 이때 물 분자들은 좁혀지는 압력에 저항을 하여 인근 물 분자에 밀착하여 끌어들이는 현상을 일으킨다. 유도동반흐름(Induced flow)을 테스트하기 위하여 물 밑 10 feet 깊이(level)의 취수구로부터 약 1 ~ 3 feet 떨어진 위치에 물감을 풀어 놓고 이것이 방출구를 통하여 물의 표면에 올라오는 시간을 측정했다. 취수구에서 방출구까지 올라오는 속도와 시간은 바로 기본흐름(Primary flow)의 양을 말한다. 그리고, 취수구를 중심으로 하여 반경 6 feet(약 2 m) 이상의 범위 내에 있는 물의 수직이동을 관찰했다. 그 결과 밑의 수평면(level)에 있는 물이 위로 올라 갈 때는 그 양이 취수구로부터의 거리에 반비례한다는 점을 볼 수 있었다. 즉, 취수구로부터 거리가 멀수록 당연히 올라가는 양이 적어진다. 수직으로 올라가는 유도동반흐름(Induced flow)에 의한 유량은 기본흐름(Primary flow)에 비하여 최소 4~10배가 되는 것으로 계산되었다. 약 30 acre (37,800 평) 크기의 저수지에서 종합 테스트를 한 결과, 물의 순환은 방출구를 기점으로 하여 저수지 둑 까지 도달하였다. 이때 취수구의 깊이는 물밑 18 feet(6 m) 였다.
2-1-2 태양광 에너지(Solar Energy)
태양광선은 지구의 대기층에서 약 1,000 watts/yd2 (1,000 W/0.91 m2)의 전력을 만든다. 이 광선이 대기층을 통과하면서 약해져서 지구표면에 도달하면 800 watts/yd2 (800 w/0.91 m2)가 된다. 1 acre는 약 4,840 yd2 이며 1 hp 는 746 watt 이다. 800 watts x 4,840 yd2 = 3,872,000 watts 이다. 이것을 마력(hp)으로 환산하면 3872,000 watts/746 watts = 5,190 hp/acre 그러므로 1 acre (4,047 m2, 또는 1,200평) 넓이의 땅이나 물이 받아들이는 태양광에너지를 동력으로 전환하면 5,000 마력(hp) 정도가 된다. 날씨에 따라 태양광을 얻을 수 있는 시간이 다양하겠으나 일반적으로 날이 좋으면 겨울에는 최소 3 시간, 여름에는 7 시간동안 태양에너지를 받아들일 수 있다. 순환기의 임펠러(impeller)는 하부의 물을 끌어 올려서 수면 위 0.2 inch 높이로 방류한다. 즉, 0.2 inch 높이의 수두차(hydraulic head difference)를 갖는 작은 돔(dome) 형상으로 방류시키면 이것은 별도의 동력을 필요하지 않고 자연히 파문의 형태로 360° 방향으로 퍼져 나간다. 그러므로 순환기가 요구하는 동력은 극소화된다. 순환기의 모터는 DC Brushless motor 로서 이러한 작동에 필요한 전력은 단지 최대 93 와트watts (적정 소비전력 약 60watts) 정도에 불과하다. (이 숫자는 Universal Pump Horsepower Formula 에 준하여 펌프의 효율을 40%로 상정하고 전력의 손실과 비효율을 감안하여 나온 것이다.) 순환기에는 쏠라펜널(solar panel)은 3개가 있으며, 각각은 123 watts(실제 사용가능한 output)의 전력을 만들므로 총 369 watts를 생산한다. 기상조건을 감안하여 태양광을 받을 수 있는 율은 약 60%로 본다. 고로 평균 약 221 watts를 생산한다고 볼 수 있고, 여기에서 펌프 동력에 필요한 93 watts를 제외한 나머지 128 watts 전력은 충분히 밧테리에 저장하여 야간이나 햇빛이 없는 날에 사용이 가능하다.
2-1-3 체류시간(Retention Time)
2-1-4 온도(Temperature)와 증발(Evaporation)
2-2 생물학적 반응(Biological Reaction)
자연은 미생물을 이용하여 오염된 수질을 깨끗하게 만든다. 미생물들은 복잡한 구조의 유기물을 먹이로 분해하여 더 단순하고 안정된 합성물로 바꾼다. 오폐수에 있는 유기물 찌꺼기들은 호수에 있는 미생물에게는 좋은 먹이감이다. 식물성, 동물성 미생물의 생명주기는 오염된 호수를 자연 정화하는데 공헌한다. 박테리아와 수생식물들은 영양소, 산소, 열, 태양광선과 다른 필요한 요소들이 있을 때 번식하고 오염물질을 없앤다. 이러한 미생물들은 자연 상태에서는 항상 어디에나 존재하다가 주위의 환경조건이 맞으면 즉시 번식한다. 호수에서는 미생물이 활동하는 환경 조건을, 산소가 존재해야 박테리아가 활성되는 호기성 활동대(aerobic zone), 산소가 존재하거나 없든 간에 박테리아가 활동할 수 있는 통성혐기성 활동대(facultative zone), 산소가 없어야 박테리아 활동할 수 있는 혐기성 활동대(anaerobic zone)로 구분한다. 수질의 정화는 호기성 활성대와 통성혐기성 활성대(facultative)에서 빠르게 일어난다. 순환기를 사용하면, 이러한 호기성 활성대와 통성혐기성 활성대(facultative)가 넓어져서 자연의 정화능력을 키우게 된다.
순환기를 사용하여 일어나는 정화과정을 간단히 살펴보면 다음과 같다.
한편, 수표면에서 물은 순환기가 일으키는 순환운동에 의하여 40 ~ 300 lbs. O2/acre/day 의 산소를 흡수한다.
2-2-1 BOD 감소(BOD Reduction)
호기성 활성대의 범위가 넓게 호수의 더 깊은 곳 까지 확장되면 박테리아가 BOD를 먹이로 분해하는 효율이 커진다. 산소와 영양분들도 역시 밑으로 내려가서 facultative zone 까지 분포한다. 여기에서 박테리아가 산성을 만드는 능력이 증가된다. facultative 박테리아가 만드는 산성(acids)은 혐기성 분해(anaerobic digestion)를 촉진하여 복잡한 유기물을 더 잘 소화하게 된다.
2-2-2 조류억제(Algae Control)
조류(algae)는 수면을 덮는 두터운 생물 막에서 산다. 조류를 제거하려면 조류가 번식하기 힘든 환경 조건을 만들어 주면 된다. 순환기를 사용하여 호기성박테리아의 활동을 증진시키면 박테리아는 그 수가 증가되어 영양분을 더 많이 먹어 치운다. 조류는 주로 물의 표면에 있는 영양소에 의존하기 때문에 호기성박테리아가 영양분을 먹어 없애면 조류가 번성할 수 없게 된다. 층류(Laminar Flow)의 순환작용을 일으키면 조류(algae)는 물 표면에서 밀려 나갔다가 물 아래로 내려간다. 조류가 살려면 물이 표면에서 정체되어야 하는데 그런 환경을 파괴하는 것이다. 따라서 조류는 사멸하고 물의 생태환경은 호전된다. 밑에서 위로 올라오는 수직적 물의 순환작동(bottom-to-top circulation)으로 인하여 물 표면의 온도는 수체(水體)의 온도 보다 더 높지 못하게 된다. 따라서 조류가 번식(algae bloom)할 수 있는 기간(period)을 줄여준다. 조류도 TSS 농도에 포함되는데, TSS 농도는 호기성박테리아의 활성화가 나타난 뒤에 크게 줄어든다.
2-2-3 악취 제어(Odor Control)
악취는 혐기성 박테리아가 유기물질을 분해하여 발생시킨 여러 가지 가스(gases)가 물 밖의 대기로 방출하여 나타나는 현상이다. 순환기를 가동하면 호수 물 속의 용존산소가 높아지고, 따라서 이러한 가스(gases)는 방출하기 전에 물 속에서 산화된다. 잔류 용존산소가 매우 적거나 거의 없다고 해도 호수의 물이 순환운동만 잘 하면 냄새가 나지 않을 수 있지만, 똑같은 잔류 용존산소 수준에서도 물이 정체되어 있으면 심한 악취가 난다. 이 사실은 단순하게 보이는 물의 순환운동과 물의 균일한 수질은 악취를 통제하는데 필요불가결한 요인이라는 점을 말하는 것이다.
2-2-4 슬럿지 분해처리(Sludge Digestion)
2005년도 여름에 순환기를 설치한 다양한 장소 15 곳에서 조사를 해 본 결과 슬럿지(sludge)가 감소되었다는 보고가 나왔다. 물 속의 산소가 증가함에 따라 facultative bacteria가 산성(酸性)을 발생하여 혐기성 분해가 더 활발하게 이루어졌기 때문이다. 슬럿지 감소를 너무 빠르게 진행하면 어느 일정기간 동안(7~10일)은 악취가 계속 발생할 때가 있다. 이런 경우에는 슬럿지 감소의 속도를 늦출 필요가 있다. 그 방법은 취수구(intake tube)를 호수 바닥에 있는 슬럿지 층 상단에 위치하지 말고 좀 더 올려서 거리를 조절(바닥으로부터 18~24인치 정도)하면 된다. 다시 말하면 취수구에 슬럿지를 얼마나 많이 흡입시키느냐 하는 점이 악취와 슬럿지 감소 속도를 결정하는 요인이다. 슬럿지를 빨리 감소하려면 악취는 계속 발생할 것이고, 천천히 감소시키면 악취는 제거되지만 슬럿지 감소에 시일이 더 걸린다는 점이다.
2-2-5 성층파괴(De-stratification)
호수에서 목표한 깊이로 표면수를 순환시키면 성층현상을 일으키게 하는 서로 다른 온도대(溫度帶)가 깨지고 뒤섞이게 된다. 깊은 수평면(level)에 있는 물은 상부 표면의 기상조건에 별 영향을 받지 않으므로 온도는 사계절을 통하여 거의 일정하다. 그러나 상부 쪽으로 올라가면 수표면의 기상조건에 영향을 받으므로 여름에는 더워지고 겨울에는 차가워진다. 찬 물은 물분자의 밀도가 크고, 따뜻한 물은 밀도가 낮으므로 서로 섞이지 않는 물의 성층현상(Stratification)이 일어난다. 순환기는 하부와 상부의 물을 혼합시키므로 온도는 균일해지며 따라서 성층현상을 방지한다.
2-2-6 대장균(Fecal Coliform)
순환기의 표면수 교환(surface renewal)은 물 밑에 있는 수많은 박테리아를 물의 표면으로 내보내어 자외선과 산소에 접촉하도록 한다. 해로운 박테리아는 자연히 사멸한다. 순환기가 설치된 곳에서는 대장균이 상당히 감소된다.
2-3 화학반응(Chemistry)
자연계는 주어진 자연환경에서 가장 안정한 균형 상태에 도달하고자 계속적으로 생물학적 물리화학적 반응을 하고 있다. 폐수처리의 기술도 결국 이러한 원리를 이용한 것이다. 화학적 반응은 복잡하여 현미경 하에서 간단히 볼 수 있는 성질이 아니다. 많은 요인들이 반응에 영향을 끼치고 또는 어떤 것은 반응단계를 거치지 않고 지나치기도 한다.
2-2-1 산소전달(Oxygen Transfer)
산소의 전달은 공기와 물 표면에서 순식간에 일어난다. 그러나 물의 깊은 곳으로 내려가면 전달은 점점 힘들어진다. 용존산소의 잔류와 포화농도 값(saturation value) 사이의 차이에 따라 크게 달라진다. 그 차이가 클수록 산소의 이동 전달이 빠르고 커진다. 미국 수질오염통제연합회(Water Pollution Control Federation)와 미국토목엔지니어학회(American Society of Civil Engineers)에 의하면, 산소의 이동 전달은 다음과 같은 3 가지 양상으로 이루어진다.
a. Phase I - “산소(酸素)는 대기에서 물의 얇은 표면막(surface film)으로 전달되어 표면막(表面膜)의 급격한 포화현상(飽和現象)을 일으킨다.”고 하였다. 순환기는 이 원리를 응용한 것이다. 즉, 호수의 밑에서 올라오는 산소가 결핍된 물은 수표면에서 산소를 전달 받는다. 이것이 표면수교환(surface renewal)이다.
b. Phase II - "산소의 전달(transfer)은 물 분자가 표면막(surface film)의 형태로 확산하는 것을 말한다. 고여 있거나 혼합 상태가 매우 낮은 물에서는 분자의 확산이 매우 느리다.” 물 순환기는 산소가 결핍된 물을 표면에서 교환하므로 산소분자의 확산이 매우 빠르다.
c. Phase III - “산소혼합은 확산과 대류현상에 의하여 일어난다.” 혼합기의 순환작동은 용존산소를 물 전체에 균일하게 분포시킨다.
“그러므로, 산소를 호수의 물 속에 가장 효과적으로 전달, 혼합하는 방법은 “표면수교환(surface renewal)”을 얼마나 잘 하느냐에 달렸다.” 많은 사람들이 생각하는 바와는 달리, 산소는 물 속에 강제로 밀어 넣을 수 없다(Oxygen cannot be forced or pounded into water). 따라서 과도한 전력이나 높은 마력의 모터를 사용하여 공기를 물에 혼합시키려 해도 효율은 높아지는 것이 아니다. 문제는 표면수를 교환하는 것으로 해결된다. 여기에는 2 가지 잇점이 있다:
첫째, 산소가 결핍된 하부의 물을 표면으로 끌어올리기만 하면 표면에서 저절로 층류(Laminar Flow)의 형태로 수평 이동을 한다. 이때 수평 이동을 하기 위하여 별도로 동력을 사용할 필요가 없다. 둘째, 산소가 결핍된 물이 천천히 수평이동을 하면 이동에 걸리는 시간만큼 대기에 노출하여 자외선, 오존, 산소에 접촉하여 정화작용이 일어난다.
2-3-2 맑은 물로 전환되는 비율(Clean Water Transfer Rate)
오염된 물이 얼마나 효율적으로 빨리 깨끗해지는가 하는 문제는 수많은 자연환경적 변수와 요인이 있으므로 한마디로 결정된 공식은 없다. 그러나 대기 중의 산소가 얼마나 물의 표면에 잘 전달되는가 하는 문제에 대하여는 연구자들에 따라서 다양한 결과를 제시하고 있다. 훼어와 임호프(Fair & Imhoff)의 공식에 의하면 표면수 막층(layer)은 하루에 43 lbs.O2/acre를 흡수한다. 순환기 1대가 하루에 물 1 MGD/unit(약 3,800톤)을 표면수교환(surface renewal) 하는 경우, 이 물의 양을 호수 표면에 펼쳐 놓으면 1 inch 두께로 넓이는 36 acre가 된다. 1 acre 의 표면수가 산소 43 lbs.를 흡수한다고 했으므로, 36 acre에 대해서는 1,548 lbs. O2/day가 된다. 즉 산소 702 kg/일 이다. 그러나, 미국에서 순환기를 실제로 사용한 경험에 의하면 호수의 면적 1 acre 가 산소 300 lbs. 이상을 흡수한다는 보고가 있다. 그렇다면 1 MGD/unit(3,800톤)은 하루에 산소 10,800 lbs.(4,898 kg O2)을 물에 혼합한다는 뜻이다. 순환기의 크기는 다양하다. 그 크기에 따라 대기에서 산소를 흡수하는 율이 달라질 것이며, 또한 햇빛으로 인한 호소의 수생생물이 만드는 용존산소와 합하여 정화하는 능력이 결정될 것이다.
2-3-3 질소감소(Nitrogen Reduction)
Facultative 호소에서 질산성 질소의 제거는 다음과 같은 방법으로 이루어진다. a. 암모니아 가스가 대기에 방출 b. 조류군에 ammonium assimilation c. 수생식물과 조류에 의하여 질소를 흡수 d. 생물학적 질산화작용과 탈질산화작용
순환기는 격렬하지 않은 수동적 순환운동을 통하여 질소 제거의 능률을 높인다. 알칼리 pH 가 균형상태를 넘어 암모니아 가스를 발생하게 되면 가스 방출이 일어난다. 이것은 산소혼합과 물질이동계수(mass transfer coefficient)의 크기에 따라서 영향을 받는다.
2-3-4 산도조절(pH Control)
조류가 억제되지 않고 과잉 번식을 하면 물의 pH가 높아진다. 순환기는 TSS(algae)를 20~40%를 감소시키므로 pH 가 상당히 낮아진다.
3. 설계의 고려 대상(DESIGN CONSIDERATIONS)
a. Non-Aerated Ponds 일반 폐수저류지의 오염부하율(loading rate)에 비하여 3~6배를 더 부하(loading) 할 수 있게 설계의 기준을 잡는다. 예를 들어, 저류지의 오염부하율이 34 lbs. of BOD/acre/day 로 설계되어 있었다면 순환기를 사용하면 처리할 수 있는 오염부하율을 108~204 lbs BOD/acre/day 로 증가시키도록 한 것이다.
b. Facultative ponds 순환기는 능률이 나쁘거나 과부하된 통성혐기성 호소(facultative pond)의 성능을 증가시키도록 설계한다. 순환능력은 별도의 다른 도움 없이 자연의 정화력을 최대화하도록 만들었다.
c. Partial-Mix aerated ponds 순환기는 전력이나 풍력을 이용한 기존의 공기혼합기를 대체하거나, 기존의 장치를 보조/보완하여 함께 사용할 수 있도록 만들었다.
d. Limitations 순환기를 사용하기 위해서 많은 요인을 고려해야 한다. 즉 폐수의 양, 처리목표의 수질, 저수지 표면의 넓이와 깊이, 호수의 수리조건, 슬럿지의 깊이와 부피, 체류 시간 등을 파악하여 결정해야 한다. |
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