저에너지 순간 가압 방식을 활용한 최적가용기법(BAT) 수처리 효율 비교 연구

Comparison Study on Water Treatment Efficiency Applied Low-Energy Instant Pressurization Method as BAT

본 연구의 목적은 고압 포화수조를 사용하지 않고 저압 조건에서 안정적이고 균질한 미세기포를 대량으로 발생시킬 수 있는 순간 가압 부상법(Flash Pressurized Flotation, FPF)을 적용하여, 기존 용존공기부상법(Dissolved Air Flotation, DAF)과의 처리 효율 및 에너지 절감 효과를 비교·평가하고, 이를 최적가용기법(Best Available Technology, BAT) 관점에서 검토하는 데 있다. FPF 공정의 기포 발생 특성을 정량적으로 분석하고, 주요 운전 변수(오리피스 수, 플레이트 수, 노즐 형상, 유속, 압력)에 따른 영향을 평가하였다. 인공 호소수를 대상으로 실험을 수행하였으며, 기포 크기는 Particle Counter Method(PCM)로, 발생량은 Water Substitution Method로 산정하였다. 실험 결과, 오리피스 수 증가(5→15개)에 따라 평균 기포 크기는 4.3 ㎛에서 4.1 ㎛로 감소하였고, 발생량은 1.1 ㎖/L에서 1.5 ㎖/L로 증가하였다. 유속 2.04 L/min, 압력 2 atm 조건에서 평균 기포 크기 26 ㎛, 발생량 60 ㎖/L로 상대적으로 우수한 기포 발생 특성을 보였다. 또한, 노즐 형상에 따른 비교 결과, 노즐 형상은 FPF형(2중 플레이트 구조)이 평균 기포 크기 31.5 ㎛, 발생량 51 ㎖/L로 가장 우수한 성능을 나타냈다. FPF와 DAF 공정 비교 결과, FPF 공정은 2 atm 조건에서 인 94.1%, 탁도 89.9%의 제거율을 보여, 동일 압력의 DAF 공정(인 30.1%, 탁도 33.1%) 대비 높은 처리 효율을 나타냈다. 에너지 소비량은 FPF가 0.0024 kWh/m³로 산정되어 DAF 대비 약 98% 절감되었다. 이러한 결과는 FPF 공정이 저에너지 운전에서도 미세하고 균질한 기포를 형성할 수 있음을 입증하며, 중·소규모 정수장 적용에 적합한 저에너지형 부상 공정이자 최적가용기법으로서의 가능성을 시사한다.

This study applies the Flash Pressurized Flotation (FPF) process, which generates stable and uniform microbubbles under low-pressure conditions without a high-pressure saturator, and comparatively evaluates its treatment efficiency and energy-saving performance against the conventional Dissolved Air Flotation (DAF) process from a Best Available Technology (BAT) perspective. The bubble generation characteristics of the FPF process were quantitatively analyzed by evaluating the effects of major operational parameters, including the number of orifices, number of plates, nozzle configuration, flow rate, and pressure. Experiments were conducted using synthetic lake water, where bubble size was measured by the Particle Counter Method (PCM) and bubble volume was determined by the Water Substitution Method. Increasing the number of orifices from 5 to 15 reduced the average bubble size from 4.3 μm to 4.1 μm and increased the bubble volume from 1.1 mL/L to 1.5 mL/L. Under a flow rate of 2.04 L/min and a pressure of 2 atm, the FPF process showed relatively superior bubble generation characteristics with an average bubble size of 26 μm and a bubble volume of 60 mL/L, while the FPF-type dual-plate nozzle exhibited the best performance, producing an average bubble size of 31.5 μm and a bubble volume of 51 mL/L. Compared with the DAF process at the same pressure, the FPF processachieved higher removal efficiencies for phosphorus (94.1%) and turbidity (89.9%), whereas the DAF process showed removal efficiencies of 30.1% and 33.1%, respectively. The specific energy consumption of the FPF process was 0.0024kWh/m³, representing an approximately 98% reduction compared to that of the DAF process, demonstrating the potential of FPF as a low-energy flotation process suitable for small- and medium-sized water treatment plants and as a BAT.