항류 공기 구동식, 고속 폭기식 및 벤튜리식 포말분리기에 의한 양어장 수의 단백질 및 부유 고형물의 제거 특성

김병진·이정훈·서근학

부경대학교 화학공학과

Characteristics of Proteins and Total Suspended Solids Removal by Counter Current Air Driven Type, High Speed Aeration Type and Venturi Type Foam Separator in Aquacultural Water

Byong-Jin Kim, Jung-Hoon Lee and Kuen-Hack Suh

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Pusan, Korea

서  론

양어장에서 미섭취 사료 및 어류의 배설물에 의해 주로 발생하는 단백질 성분과 유기성 고형물은 어류에 피해를 줄 수 있다. 분산된 공기 기포에 의해 고형물을 제거하는 포말분리법은 에너지 소비가 낮고 제거 효율이 높고 타공정에 비해 운전 및 유지비가 저렴하여 양어장 및 활어수조에 적용하기에 적합한 공정으로 사료된다. 포말분리에 의해 제거되는 고체는 주로 직경이 30 □이하인 미세 입자와 용존 고형물로서 포말 분리법은 미세 입자들을 제거하는데 매우 효과적이며, 적은 비용으로 효율적인 운전을 할 수 있고 연속 운전이 가능하며 역세척이 필요 없다는 장점을 지니고 있다[1].

현재 사용되고 있는 포말분리장치는 공기의 공급방식과 유체과 공기의 접촉방향에 따라 항류 공기구동식(counter current air driven type, CCAD), 고속 폭기식(high speed aeration type, HSA), 벤튜리식(venturi type) 등이 있으나 현재까지 우리나라에서 연구되어 오고있는 포말분리 장치는 공기구동 방식이 전부이다.

공기구동식 포말분리기는 액체는 상부에서 하부로 유입시키고 공기는 공기분산기를 통해 액체 속으로 하부에서 상부로 공급하여 접촉시키는 방식으로 가장 많이 연구되고 광범위하게 사용되고 있는 형태이다.

고속 폭기식 포말분리기는 순환수를 ejector에 유입시켜 공기를 흡입, 삽입관을 통해 포말분리기의 하부로 분사시켜 생성되는 기포를 이용하는 방식으로 별도의 공기 펌프가 필요 없으며 순환수의 유량이 많은 경우 더 많은 기포가 생성되어 높은 단백질 제거 효율과 용존산소 공급 효율을 기대할 수 있다.

벤튜리식 포말분리기는 액체 유입구에 모세관 노즐이 설치된 venturi를 설치하여 순환수 유입시 발생하는 제트기류에 의해 공기를 흡입, 포말분리관 내에 기포를 생성시켜 단백질을 제거하는 방식으로 별도의 공기 펌프를 필요로 하지 않으면서도 높은 단백질 제거효율과 용존산소 폭기 효율을 기대할 수 있다.

본 연구에서는 고속 폭기식 및 벤튜리식 포말분리 장치를 제작하여 기존에 연구되어온 CCAD 방식의 포말분리기와의 비교 운전을 통하여 양어장수에 함유된 단백질과 부유 고형물을 제거하는데 있어 운전 특성을 알아보고자 하였다.

재료 및 방법

1. Separation Column	2. Foam Riser Tube
3. Collection Cup	4. Water Outlet
5. Air Distributor	6. Air Inlet
7. Foam Outlet	8. Water Inlet

Fig. . Schematic diagram of counter current type foam separator.

항류 공기 구동식 포말분리기

본 연구에서 사용한 항류 공기 구동식 포말분리 장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같은 형태로 separation column과 foam riser tube는 일체형으로 내경 10 cm 높이 50 cm의 acrylic pipe를 사용하여 제작하였으며 collection cup은 내경 10 cm, 높이 10 cm의 acryl pipe에 내경 2 cm의 삽입관을 통해 포말이 유입되도록 제작하였다. 액본체의 용적은 3 L였으며 유입관과 유출관은 1 inch PVC pipe를 사용하였다. 기포를 발생시키는 공기분산기는 직경이 3 cm인 air stone을 사용하였으며 공기는 air pump를 이용하여 5 L/min의 유량으로 주입하였다.

고속 폭기식 포말분리기

본 연구에서 사용한 고속 폭기식 포말분리기는 Fig. 2와 같은 형태로 제작하여 사용하였다. 그림에서 보는 바와 같이 외형은 공기구동식 포말분리기와 동일하게 제작하였으며 포말분리기 상부에 ejector를 설치하여 공기를 흡입할 수 있도록 하였으며 흡입된 공기와 양어장수가 포말 분리기 하부까지 내려 갈 수 있도록 내경 2 cm의 삽입관을 설치하였다. 포말분리기 하부에는 삽입관에서 분출된 기포가 장치 외부로 유출되지 않도록 하기 위하여 방해판을 설치하였다.

벤튜리식 포말분리기

본 연구에서 사용한 벤튜리식 포말분리기는 Fig. 3과 같은 형태로 외형은 공기구동식 포말분리기와 동일하게 제작하였으며 포말분리기 측면에 공기 유입 노즐이 설치된 벤튜리를 2개 설치하여 양어장수가 유입됨과 동시에 공기를 흡입할 수 있도록 하였다. 벤튜리는 직경 2.5 cm, 길이 10 cm의 acryl 봉을 이용하여 제작하여 사용하였다. 상·하부 벤튜리를 통과하는 양어장수의 유량은 동일하게 조절하였다.

실험방법

양어장수의 공급은 원심펌프를 이용하였으며 동일한 유량으로 공급하기 위하여 공급 탱크의 수두를 일정하게 조절하였다. 수력학적 체류시간(hydraulic residence time)의 조절은 밸브를 이용하였으며 유량의 측정은 rotameter를 이용하였다.

실험에 사용한 양어장 순환수는 부경대학교 부속 양어장의 순환수를 이용하였으며 초기 단백질 농도는 양어장에서 발생한 포말 농축물을 양어장 순환수에 첨가하여 35 g/m3으로 조절하여 사용하였다. 단백질의 농도 분석은 Lowry법[2]에 의해 수행하였으며 총 부유 고형물의 농도는 standard method[3]에 의해 수행하였다. 탁도는 탁도계(Model 2100N, HACH Co. LTD)를 이용하여 측정하였다.

1. Separation Column	2. Foam Riser Tube
3. Collection Cup	4. Ejector
5. Water Inlet	6. Air Inlet
7. Draft Tube	8. Baffle
9. Water Outlet	10. Foam Outlet

Fig. . Schematic diagram of high speed aeration type foam separator.

1. Separation Column	2. Foam Riser Tube
3. Collection Cup	4. Water Outlet
5. Foam Outlet	6. Water Inlet
7. Venturi	8. Air Inlet

Fig. . Schematic diagram of venturi type foam separator.

결과 및 고찰

공기 구동식, 고속 폭기식 및 벤튜리식 포말분리 장치를 제작하여 양어장 순환수 중의 단백질, 총 부유 고형물 및 탁도를 제거하는데 있어 각 포말 분리장치의 운전 특성을 알아보고자 하였다.

Table 1에 나타낸 바와 같이 공기구동식 포말분리기의 유량감소가 거의 없었으나 벤튜리식 포말분리기는 66.1 %정도의 유량감소가 발생하였으며 고속 폭기식 포말분리기는 77.2 %의 유량감소가 발생하였다.

단백질 제거속도는 Fig. 4에서 보는바와 같이 수력학적 체류시간이 증가함에 따라 지수적으로 감소하였으며 0.32 min 이하의 수력학적 체류시간에서는 고속 폭기식 포말분리기가 공기 구동식보다 더 높은 제거 속도를 보였으며 벤튜리식 포말분리기는 0.21 min이하의 수력학적 체류시간에서 공기구동식보다 높은 제거속도를 나타내었으며 벤튜리식 포말 분리기는 고속 폭기식 포말분리기보다 더 높은 제거속도를 나타내지는 못하였다.

단백질 제거율은 공기 구동식 포말분리기는 수력학적 체류시간의 증가에 따라 증가하였으나 고속 폭기식 포말분리기와 벤튜리식 포말분리기는 감소하였다.

수력학적 체류시간의 변화에 따른 총 부유 고형물과 탁도의 제거속도와 제거율의 변화는 단백질 제거속도 및 제거율의 변화와 거의 비슷하였으며 벤튜리식 포말분리기는 짧은 수력학적 체류시간에서는 총 부유고형물의 제거 효율이 다른 두 포말분리기에 비해 떨어지는 것으로 나타났다. 탁도의 제거는 공기 구동식 포말 분리기가 가장 우수한 것으로 나타났다.

Table 1. Comparison of three types of foam separator

Separator type	Counter current air driven type	High speed aeration type	Venturi type
Liquid pump	needed (low pressure)	needed (high pressure)	needed (high pressure)
Air pump	needed	no needed	no needed
Pressure drop	-	77 %	66 %
Operating HRT	any flowrate available	> 0.38 min (9.17 L/min)	> 0.23 min (15.2 L/min)

Fig. . Flowrate by three types of foam separator.

Fig. . Changes of protein removal rate on hydraulic residence time.

Fig. . Changes of TSS removal rate on hydraulic residence time.

Fig. . Changes of turbidity removal rate on hydraulic residence time.

참고문헌

[1] Clarke, A.N. and D.J. Wilson:□Foam Flotation Theory and Applications□. Marcel Dekker, New York, 418(1983).

[2] Lowry, O.H., N.J. Rosebrough, A.L. Farr and R.J. Randall: J. Biotech., 193, 265(1951).

[3] APHA, AWWA and WEF:□Standard methods for the examination of water and wastewater□, 18th ed., EPS Group, pp. 4-122(1992)