1. 유수분리 이론
1.1 유수분리
유수분리장치에서는 유리 유분을 표면으로 부상시켜서 걷어내는 방법을 사용한다. 입자 침강과 비교할 때 물보다 가벼운 유적(기름방울)이 액중에서 부상하는 것만 다르므로 입자 침강의 원리를 그대로 적용할 수 있다. 즉, 폐수의 현탁 부유물이 비중이 1보다 낮은 기름류가 중력장에서 표면으로 저절로 떠오르므로 분리 처리하는 단순 부상처리를 말한다. 폐수에 친유 성분의 coalescing판을 세우면 아래 그림과 같이 기체 액체 계면에서의 접촉각이 형성된다.
그림1. 기체 액체 계면에서의 접촉각
접촉각은 고체가 그 액체에 젖을 것이냐 아니냐를 알아내는 척도가 될 수 있다. 만일 접촉각이 크면 그 고체는 액체에 잘 젖기 힘들다고 말하며, 접촉각이 작으면 고체는 액체에 젖기 쉽다고 할 수 있다. 폐수의 현탁 부유물 입자와 같이 다공질이거나 표면이 거친 입자들이 액체에 젖느냐의 여부도 접촉각으로 설명할 수 있다. 비중이 1 보다 큰 작은 기름류와 이 들의 유화물이 많은 폐수는 유수분리기에서 1.5 cm/sec의 느린 속도로 폐수가 흘러가는 동안 기름류는 0.12 cm/sec 의 느린 속도로 폐수의 표면을 향해 떠오르게 된다. 기름 방울의 지름은 클수록 잘 떠오르고 부상속도 또한 크다. 폐수중에서의 기름 방울의 부상속도는 현탁성 미소입자의 자연 중력장에서의 침강속도를 정하는데 응용한 Stoke의 법칙이 그대로 적용된다. 단순한 수조에 기름 방울이 함유된 폐수를 서서히 흘러 들이면 그림2의 B점에 위치한 기름방울은 수면 위의 D점까지 서서히 떠오르게 된다. 만일 기름 방울의 지름이 0.15mm 이고 기름 방울의 크기가 모두 균일하다고 가정하면 부상속도는 1.2 cm/sec가 되고 수조의 깊이가 2.4 m 라면 떠오르는데 소요되는 시간은 약33.3분이다.
그림2. 수조에서의 유적 부상
이 경우 수조의 소요길이 L은 약 30m가 필요하다는 계산이 나오게 된다. 이 값은 폐수가 수조에 흘러 들어온 뒤에 층류로 흐를 때의 계산 결과이고 실제로는 구조물의 밑바닥에 퇴적물이 쌓이고, 바람이 분다든가, 햇볕 때문에 생긴 온도차로 말미암은 대류 현상들로 인하여 난류가 되므로 부상 분리 효과가 나빠져 L의 길이는 더 길어지게 마련이다. API 방법에 의하면 설계할 때의 계수F(design)는 다음 식과 같이 보정하도록 권하고 있다.
F(Design) = F(t) X F(s)
여기서F(t)는 turbulence factor(1.07~1.45)이고, F(s)는 short circulating factor이다. 따라서필요한 수조의 길이 L' 는 계산된 수조의 길이 L에 다음 식과 같이 보정하여 준다.
L’ = L X F(Design)
폐수 중에 현탁되어 있는 기름 방울의 지름이 고르게 분포되어 있는 경우는 드물고 0.2~0.05mm의 기름 방울이 골고루 섞여 있다고 생각된다. 작은 기름방울까지 모두 띄어 올리는데 필요한 장치의 길이 L는 매우 길어야 하며 약 0.15mm 정도의 기름방울을 주대상으로 설계하는 것이 보통이다. 기름방울이 표면까지 떠오르는데 소요되는 시간 t(sec)는 다음 식과 같다.
t = d / Vr
여기서 Vr는 부상속도(cm/sec)이고, d는 폐수의 깊이(cm)이다. 또한 폐수의 수평속도(cm/sec)를VH 라고 하면 필요한 수조의 길이 L는 다음 식과 같이 나타내어 진다.
L = (Vh / Vr) x d = Vh x t
단순한 수조의 경우에는 0.15mm 이하의 기름방울까지 띄어 올리도록 장비를 설계하면 수조의 길이가 매우 길어져서 효과적이지 못하지만 이 경우 평행 판을 설치하면 작은 기름방울을 쉽게 부상시킬 수 있다. 이는 유적이 하층의 평행판에서 근접해 있는 상층의 평행판까지만 떠오르면 되기 때문이다. 평행판은 폐수가 교반되는 것을 억제하고 같은 유속이라도 난류 현상을 억제하고 층류를 유지하기가 쉽기 때문이다. 유수분리기의 수직 단면적 Ac는 다음과 같이 구해진다.
Ac = Pm / Vh
Ac = d B N
여기서 Pm 은 폐수의 유량(m3/min)을 나타내고 VH 는 폐수의 수평유속(m/min)을 나타내며, B는 수조의 폭(m), N 은 채널의 수, d 는 폐수의 깊이를 나타낸다. API(American Petroleum Institute) 규격의 중력분리기는 1m 보다 큰 유리 유적의 제거를 목표로 하고 있다. 이 경우0.05mm 까지의 기름방울까지 부상처리가 가능하나 장치의 크기가 커지는 단점이 있다. API 유수분리장치의 일반적인 설계지표는 유속이 2ft/min 이하이고, 길이 폭비가 5 이상이어야 사역이 생기지 않으며, 최소 깊이는 t이다. 판형분리장치에서는 평행판 분리장치(PPS: Parallel Plate Separator)와 주름판 분리장치(CPS : Corrugated Plate Separator)가 있으며, 0.06mm 이상의 유적을 분리한다. 경험에 따르면 유리 유분이 10mg/L 이하인 비에멀젼화 처리수를 얻을 수 있지만 대개는 유입수 유분농도가 1% 미만이어야지만 이 수준을 얻을 수 있다. CPS의 경우 유분 부하가 크면 유적의 전단(shear)과 재동반배출(reentrainment)에 의해 제거율이 감소되는 문제점이 있다. 즉 분리된 유분을 흐름 방향의 역방향이 아니라 흐름 방향에 가로 질러서 상승하도록 하는 것이다. 판 기울기는 45도, 간격은 10mm로 한다. 수량 부하는 온도와 유적 비중에 따라 달라지므로 공칭유량은 섭씨 20도에서 비중 0.9인 유분을 기준으로 규정한다. 수량부하가 0.5m3 판면적이면 대개 0.06 mm의 유적을 분리할 수 있지만, 실제 설계에서는 50% 정도의 안전인자를 감안하여 설계한다. 정유 석유화학 폐수에서 유리 유분이나 에멀젼화 유분을 제거하는 데는 여러가지 여과기도 효율적으로 사용할 수 있다. 여과매체는 모래에서 친유성 특수 매체에 이르기까지 다양하다. 한 예로서 상향흐름 여과기의 여과 및 합체영역에서 크기가 다른 실리카 매체를 사용하면 미세한 입자와 유적까지 분리되어 매체 중에 체류된다. 유적은 비중차와 흐름으로 인해 상승하는데 매체중에서 합체된 유적도 물상을 통과하여 표면으로 상승하므로 이를 분리하여 수집한다. 여과층을 재생할 때는 유속이 빠른 세척수로 씻고 진공장치로 잔존 유분을 흡입한다. 고분자 수지 매체를 사용하면 여과 및 합체과장의 효과가 향상된다. 이러한 장치는 고체가 들어있지 않은 공장내 흐름의 유수분리나 상분리 후의 밸러스트수의 처리에 응용할 수 있다.