Transcript AOP(UV+H202)를 이용한 고도산화기술

정수처리 고도산화와
Bench Tests 이용한 CFD Modeling
AOP 반응기 Scale up
제 6회 유체기계핵심기술 강습회
2012. 07. 03
발표자 : 정현욱, ㈜ 네오텍
E - mail
: [email protected]
연 락 처 : 010 – 7400 - 1049
UV 소독 이론적 배경
Wavelength (m) - 자외선의 적용파장
10-13
10-12
10-11
X Rays
UVV
100nm
10-9
Ultraviolet
UVC
200nm
10-7
254nm
10-6
Visible
g Rays
10-10
<저압 자외선 램프의 파장대>
10-3
Infrared
UVB
280nm 315nm
10
Radio
Frequencies
UVA
400 nm
254 nm
수은 저압램프 파장
파장별 세포불활성화 곡선
미생물 불활성화 적용파장
DNA의 파장별 흡수 곡선
단백질의 파장별 흡수 곡선
자외선은 파장이 약 100∼400nm 인 전자기파의 총칭
UV 파장 중 254nm는 미생물의 DNA의 연결구조 변형 → 미생물 불활성
화.
250
300
350
UV 소독 이론적 배경
미생물 DNA 구조
지표미생물(Escherichia coli; E. coli)
대장균 검출 → 병원성 세균에 의한 오염가능성 시사
대장균은 대부분 병원성 세균에 비해 → 저항력이 커서 오래 생존
미생물 DNA 변화
자외선에 조사
(정상 DNA 구조)
증식억제
DNA 단위변화
(변형된 DNA 구조)
AOP 이론적 배경
A O P( Advanced Oxidation Process) 란 ?
오존, UV, H2O2, 초음파, E-beam 및 감마선 조사 등을 통해 생성된
OH 라디칼을 이용하여 각종 유기물질을 산화처리하는 공정
처리가 어려운 미량오염물질
산업발전에
따른 수질오염
AOP 공정 적용시
제거 가능
미량 유기물, 이취미물질
농약성분, 환경호르몬,
의약물질 외 독성물질
AOP 이론적 배경
AOP분류
AOP적용
1
1
과산화수소 / UV AOP
정수 처리시 미세오염물질 제거
2
2
오존 / UV AOP
소독부산물 및 전구물질 제거
3
3
지하수 내 저농도의 독성물질
4
4
오존 / 과산화수소
저용량 고농도 폐수 독성 제거
5
오존 / High pH AOP
5
VOC 처리 등
광촉매를 이용한 AOP
UV AOP 이론적 배경
U V + H 2O
2
분해
1. OH 라디칼 형성 분해
1. 직접 광분해
UV 직접 조사로 인한 유기물 분해
H2O2 + UV(254nm 파장) → OH 라
디칼
H2O2 + hv → ·OH + ·OH
H2O2 고농도 존재시
Scavenger 역할
○ 전체적 반응 저해
적정량의 H2O2 농도 선택 중요
·OH + H2O2 → ·HO2 + H2O
·HO2 + H2O2 → ·OH + H2O + O2
·HO2 + ·HO2 → H2O2 + O2
K Water 시흥 Design Test
•
Batch Reactor
– 30 L water for the test
– collimated beam보다 더 정확
• 1 kW 중압램프 사용
– Full Scale 반응조와 동일 스펙트럼
출력
– 중압램프 스펙트럼 출력에 대한
scale up 오류 최소화
• Used 14 cm Path Length
– Collimated Beam보다 더 정확한
Shutter
Quartz
Sleeve
Vessel
35cm Di
a.
15 cm P
ath Leng
th
Lamp
MP 1 kW
30L W
ater
Stirrer
scale up
• 동일 시료로 여러 번 노출
– 주입량 및 표본오차 감소
7
시흥 수질 분석
Analysis Parameter
TSS (Total Suspended Solids)
TDS (Total Dissolved Solids)
Conductivity
pH
COD (Chemical Oxygen Demand)
TOC (Total Organic Carbon)
Iron (Fe Total)
Mg (Magnesium Hardness)
Ca (Calcium Hardness)
Hardness (Total)
Alkalinity (Methyl )
Common Anions (IC)
Fluoride (F-)
Chloride (Cl-)
Bromide (Br-)
Nitrate (NO3-)
Phosphate (PO4-)
Sulfate (SO4-)
단위
결과
ppm
<2
120
176.6
6.84
4
1.13
<0.04
22.5
58.8
81.3
55
ppm
uS/cm
No Units
ppm
ppm
ppm
ppm (as CaCO3)
ppm (as CaCO3)
ppm (as CaCO3)
ppm (as CaCO3)
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
ppm
<0.1
10.6
<0.2
10.7
<0.5
13.1
시흥 수질의 UV 투과도
파장
흡광도
투과도
200
210
220
230
240
250
254
260
270
280
290
300
1.607
1.321
0.656
0.154
0.033
0.016
0.015
0.012
0.01
0.009
0.008
0.007
2.5
4.8
22.1
70.1
92.7
96.4
96.6
97.3
97.7
97.9
98.2
98.4
Design Test Results
Sample
ID
UV Dose
1-0
pH
H2O2
(ppm)
MIB
(ppt)
0.00
6.79
9.7
190
1-1
0.13
6.77
9.5
52
1-2
0.25
6.78
9.4
19
1-3
0.37
6.82
9.1
9.9
1-4
0.48
6.82
8.9
4.6
(kWh/m3)
Design Test Results, 9.7 ppm H2O2
1000
[MIB] ng/L
100
10
1
0
0.1
0.2
0.3
UV Dose, kWh/m3
0.4
0.5
Scale-up:
Slope (EE/O) from graph is adjusted for:
•
UV Transmittance
– 96%~92.7% 투과도 설계 – 기울기 감소
•
TOC
– 높은 농도의 TOC - 기울기 감소
•
과산화수소 농도
– 높은 농도의 과산화수소 - 기울기 증가
•
경로 길이
– 자외선 흡수를 위해 긴 경로 길이는 full scale 반응기의
자외선을 효율적으로 사용– 기울기 증가
모든 것은 CFD 또는 스프레드시트를 사용하여 할 수 있음
12
UV Transmittance vs TOC
100
대체적으로 흡광도, TOC
Actual Design Test Data
98
반비례
Extrapolated from Design Test
Data from Request for Quotation
UVT 최고치 100% T 가정
UV Transmittance
96
95.7%와 97.3%에서의
94
측정 시료는 상당 일치
92
92.7% T에서 TOC 농도
90
1.85ppm은 너무 낮음
88
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0 2.5 3.0
TOC (ppm)
3.5
4.0
시스템 data가 너무 적음
13
EED required vs. UVT for different
TOC curves (10ppm H2O2)
•
0.80
0.70
EED (kWh/m3)
결과는 다른 EED
50 to 15 ppt MIB - Calculated TOC
0.60
다른 설계 TOC
값을 초래
50 to 15 ppt MIB - Specified TOC
0.50
0.40
•
TOC = 2.55
0.30
Design test의 TOC
Data를 사용할 경우
0.20
TOC = 1.85
약 50% 높은 EED
0.10
시스템이 요구됨
0.00
89
90
91
92
93
94 95
UVT (%)
96
97
98
99
Design Options
• 투과도 92.7%T에서 지정된 TOC농도 1.85 ppm
 EED = 0.21kWh/m3
• 각각 18 x 20 kW lamp의 반응기 4대 필요
 760 mm system에서 각각 16 x 12 kW lamp의
반응기 8대 상응
• 각각 2개 반응기로 2 trains 배열시 공간 절약
• 직경 760mm 파이프 4 train일 때보다 전체 압력손실 적음
Pressure drop of Sentinel 18 x 20 kW Reactor
Sentinel Chevron 1200mm 18x20 kW Reactor
120
Headloss (mm w.c.)
100
80
60
40
20
0
0
20000
40000
60000
Flowrate (m^3/day)
80000
100000
Pressure drop – 2, 3 and 4 trains
Trains
Pipe Diameter mm
Length of pipe m
Total Flow, m3/d
Flow/Train, m3/d
Reactors per train
Flow m3/s
Pipe velocity m/s
Velocity Head Pipe, mm
Entrance/Exit Loss, mm
Valves, mm wc
Friction, mm
Reactors, mm
Total Pressure Drop, mm wc
Sentinel
Sentinel
Sentinel
1200 mm 1200 mm 1200 mm
Reactor
Reactor
Reactor
2
3
4
1200
1200
1200
5
5
5
129,000
129,000
129,000
64,500
43,000
32,250
2
1.5
1
0.747
0.498
0.373
0.66
0.44
0.33
22
10
6
26
11
6
13
6
3
0.8
0.4
0.2
82
31
13
122
49
23
16 Lamp
760mm
Reactor
4
760
5
129,000
32,250
2
0.373
0.82
34
39
20
2.6
151
213
Life Cycle Cost
 램프와 전원의 운영은 설계된 UVT가 아닌
평균 운영 UVT에 기초해야 함.
o 그렇지 않으면 값비싼 시스템을 선택해야 할 수 있음
 안정기 비용 포함
- 설치된 안정기 수 사용(운영 중 안정기 아님)
o 안정기 수명보장은 운영시간에 기반 하지 않음
 석영관, 와이퍼 비용 포함
 이러한 품목이 모두 포함되어 있지 않으면
실비용 및 UV 시스템의 비교 부정확
중요 설계 요소
 기본설계요소
설계 유량: 램프 수 결정, 크기, 소모전력
오염대상물질: 반응속도와 OH radicals 및 직접 광분해에 영향
유입 및 유출농도: 제거효율이 높음에 따라 더 많은 램프 및 부지 소요
UV 투과도: 낮은 투과도로 인한 광분해 저감으로 인해 UV/과산화수소 필요
 보조인자
COD: OH radicals 소모
Alkalinity/pH: 수중 발생하는 탄산염 중탄산염이 OH radicals을 소모
Iron: 부착 가능성이 증가하여 수중 UV 투과도에 영향.
질산염: 250nm의 자외선을 흡수하여 과산화수소 광분해 영향
Variable Reactor Path Length
Reactor wall
Flow
Lamp/Quartz
BENCH TESTS 결과를 이용한
CFD 모델링
UV AOP 반응기 규모 확대
Background on Scale up
Electrical Energy per Order (EEO)
• EEO는 전반적으로 다양한 AOP 기술 성능을 비교하는데 이용된다
• EEO에 영향을 미치는 대부분의 매개변수 (램프 출력, 램프 효률, 경
로 길이)는 큰 어려움 없이 실험실 수준에서 Full-scale 규모까지 확
대될 수 있다.
• EEO는 반응기를 통과하는 유체의 유압 혹은 혼합 효률을 예측하기
위해서는 사용될 수 없다
Dose per log inactivation
• 특정 오염 물질(DL)의 로그 파괴를 위해 요구되는 UV 조사량을 결정하
기 위해 bench scale testing을 사용하는 새로운 측정 기준이 제시되
었다.
• 조사량은 전기에너지로는 측정되지 않지만, 과산화수소 가중 플루언스
를 소독 반응기에 계산하는 것과 같은 방법으로 조사량을 측정한다.
(가중 살균제)
• DL 은 반응기를 통과하는 유체에 대한 유압이나 혼합 효률을 예측하기
위해 계산 유체 동적 모델링 (CFD)에서 사용된다.
Dose per log (DL)
• 살균 반응기에서와 EEO와는 달리 DL 는 독립적이다:
– 램프 타입 (MP 혹은 LP), 램프 능률 혹은 스펙트럼 출력
– UV 투과율
– 반응기에서 UV가 가로지르는 경로 길이
• 소독 반응기와는 달리 AOP 반응기에서 DL은 다음에 종속적이다:
– 과산화수소 농도
– 물의 포집 가능성
• 그러므로 DL은 수질에는 종속적이지만 물의 특성을 명시하기 위해
사용될 수 있는 반응기와는 독립 변수이다.
Spectral Effects
• MP 램프는 200에서 300 nm 사이의 영역대 UV를 발산한다
(과산화수소 흡수 지점)
• 그러므로 MP 램프를 사용할 때 물에 대한 완전한 배경의 스펙트럼
흡광도가 포함되어야 한다.
Lamp Output and UV Transmittance
1.2
MP Lamp Output
UVT
Relative Value
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
UV Fluence (Dose)
1.2
MP Lamp Output
1.0
UVT
Relative Value
Fluence mJ/cm2/nm
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
Germicidal Action Spectra
1.2
MP Lamp Output
Fluence mJ/cm2/nm
1.0
Relative Value
DNA Absorption
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
Germicidal Dose (Fluence)
1.2
MP Lamp Output
Fluence mJ/cm2/nm
1.0
DNA Absorption
Relative Value
Germicidal Fluence
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
Peroxide Relative Absorbance
10.0
9.0
8.0
Peroxide Rel Abs
Relative Value
7.0
DNA Absorption
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
254
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
Peroxide Weighted Dose (Fluence)
1.2
MP Lamp Output
UVT
1.0
Fluence mJ/cm2/nm
Relative Value
Peroxide Rel Abs
Peroxide Weighted Fluence
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200
220
240
260
Wavelength, nm
280
300
31
Peroxide weighted UV fluence rate
Full Scale and Bench Testing at
Portland UV Validation Site
Portland UV Validation Site
UVT
96.8 – 98.6
%
TOC
0 – 1.4
mg/L
Hardness
38 – 144
mg/L
Alkalinity
34 – 169
pH
5.8 – 8.8
Temp
11 – 18
̊C
̊
Chlorine
0
mg/L
mg/L

좋은 수질의 지하수 공급

Columbia Slough로 배수

자외선 흡수제 (LSA,
Superhume), 미생물 (MS2,
T1, T7), 화학첨가제 (MIB,
geosmin)를 포함 할 수 있음
Portland UV Validation facility
48” Calgon Sentinel Chevron
18x20 kW UV lamps
Annular Batch Test Reactor
Measurement of DL
•
Batch Reactor
• 30 L water for the test
• collimated beam보다 더 정확
• 1 kW 중압램프 사용
• Full Scale 반응조와 동일 스펙트럼 출
력
• 중압램프 스펙트럼 출력에 대한
scale up 오류 최소화
• Used 14 cm Path Length
• Collimated Beam보다 더 정확한
scale up
Shutter
Quart
z
Sleeve
Vessel
14” Dia.
15 cm P
ath Leng
th
Lamp
MP 1 kW
30L W
ater
Stirrer
log concentration
Bioassay Dose-Response (MS2)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
50
100
Germicidal UV Dose (mJ/cm2)
150
Taste and Odor (MIB) Dose Response
1000
[MIB], ng/L
100
10
1
0
500
1000
Peroxide Weighted UV Dose, mJ/cm2
1500
2000
Full-scale AOP를 예측하기 위한 bench 결과와 CFD 사용
•
UVT 를 조정하고 full-scale reactor의
H2O2, MIB 및 Geosmin, 원재료를
주입한다
•
반응기에 유입수를 주입하고. 유입수
배출수를 샘플링한다
•
반응기 내에서 시간에 맞춰 노출하여
목표 화합물에 대한 과산화화수소
주입량-반응 곡선이 만들어 진다.
•
주입량-반응 결과와 CFD가 종합하여
완전한 성능을 예측하고 측정된 결과와
비교할 수 있게 된다.
Test Plan and Scale-Up Methodology
Test ID
AOP3 AOP4 AOP5 AOP6 AOP7 AOP8 AOP9
UV Transmittance
94.9 95.4 89.6 95.4 90.6 90.1 84.6
(%)
H2O2 Concentration
4.53 4.22 9.35 4.56 9.82 4.02 15.22
(mg/L)
• 7가지 시험 조건, 상이한 UVT, [H2O2], 램프 수량 (9 개 @ AOP6)
• 바이오 에세이 검정법과는 달리, bench-scale 용량반응곡선을 통해
각 시험 조건에 적용할 ‘log destruction (DL) 당 투여량’이 결정되어야
한다.
Batch Test Results
1000
AOP 3
AOP 4
AOP 5
AOP 6
AOP 7
AOP 8
AOP 9
[MIB], ng/L
100
10
1
0
500
1000
1500
UV Dose, mJ/cm2
2000
2500
CFD Modeling cont….
1000
AOP 3
AOP 4
AOP 5
AOP 6
AOP 7
AOP 8
AOP 9
[MIB], ng/L
100
10
1
0
500
1000
1500
2000
2500
UV Dose, kWh/1000 gal
• 인텐시티 모델링 (Intensity modeling)  각 메시 (meshed) CFD cell 내에서의
peroxide-weighted Fluence (과산화수소 가중 Fluence)
• DL 과 결합  각 CFD cell 내에서의 MIB/Geosmin 파괴
• 그런 다음, 전체 반응기 성능을 알기 위한 유체역학
Results: MIB destruction
Test Condition 4
90% UVT, 10 ppm H2O2: 1.02 log MIB
Results: Geosmin destruction
Test Condition 6
90% UVT, 10 ppm H2O2: 1.61 log Geosmin
Predicted vs. Measured MIB and Geosmin Destruction

Full-scale UV/H2O2 AOP 시스템의 성능은, 물과 대용 혼합 시험재
(예: MIB, geosmin)를 이용한 bench scale 시험을 통해 비교적 정확히
예측될 수 있다.

DL는 kOH 에 반비례

UV/H2O2 (예: 상이한 kOH)과 함께, 다양한 처리가능성을 가진 여타 혼합물도
이 방식으로 정확히 모델링 할 수 있다.
Indirect Potable Reuse Scottsdale Arizona
NDMA에 기술 적용 - Scottsdale
• NDMA는 물 재이용법에 특별한 관심이 있는 항목이다.
• 간접적인 이동식 재이용(IPR)을 위해 하수처리
유출수에 대해 MF/RO 처리를 함
• NDMA는 UV AOP 처리과정 중 주로 직접 광분해로
이루어진다.
Relative Absorption Coefficient
10.0
Relative Absorption Coefficient
9.0
8.0
7.0
6.0
NDMA
5.0
Peroxide
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
200
220
240
260
Wanelength, nm
280
300
Dose per Log (DL) of 714 mJ/cm2/log
- typical for NDMA
[NDMA, ng/L
100
10
DL = 714 mJ/cm2 per log
1
0
200
400
600
800
1000
NDMA Weighted Fluence (mJ/cm2)
CFD for Scottsdale NDMA Destruction
NDMA Weighted Fluence
>>
NDMA Log Destruction
NDMA DL
• 과산화수소와는 달리 NDMA에 대한 DL은 과산화수소 농도와 물
UVT와는 독립적이다.
– 직접 광분해에 의해 파괴가 일어나므로 얻어진 값
714 mJ/cm2/log 는 어떤 물에서도 NDMA의 전형적인 값이다.
• 이는 선량반응이 있는 소독 반응기에서 동일하며, 유기물 DL은
수질과 UV 흡광도와는 독립적이다.
• 그러므로 UV/AOP 반응기에서 NDMA 모델링을 하는 것은 작용
(흡광)스펙트럼이 낮은 파장일 때를 제외하고 소독 반응기에 훨씬
더 유사하다.
결론
• log (DL) 에 대한 과산화수소 가중 주입은 bench scale testing에서
의 실험 성능 자료로부터 완전한 UV AOP 시스템 성능을 정확하게
예측하는 CFD 모델링에 사용될 수 있다.
• 모델화하기 위해서는 동시적 화학 반응이 필요하지만 실험적 방법으
로 AOP 반응기의 CFD 모델링을 단순화할 수 있다. 이는 실험적 근
거가 있어서 신뢰도가 더 높다.
• DL은 기기 형태와는 독립적이지만 수질에는 종속적이어서 UP AOP
시스템 성능 요구사항을 명시하는데 사용되며 설치된 시스템의 성능
시험으로 확인될 수 있다.
San Francisco, CA
(12) Chevron Reactors 320 MGD
Questions?