Experimental Investigation of novel Hydrodynamic Cavitation Reactor: Cavitation Intensity and Waste Activated Sludge Treatment

Abstract

산업의 급속한 발전에 비해, 수처리 기술은 여전히 고전적이고 전통적인 방식을 이용하고 있습니다. 하지만 산업이 발전함에 따라 수질오염은 나날이 심화되고 있으며, 기존 방식들로는 이를 해결할 수 없습니다. 결과적으로 혁신적인 수처리 기술의 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. 여러가지 혁신적인 방식의 수처리 기술들이 개발되고 있으며 공동현상을 이용한 수처리 기술은 그 중 하나입니다. 공동현상이란 액체 내에서 국부적인 압력 강하로 인해 기포가 발생하고, 성장하며 붕괴하는 일련의 과정을 의미합니다. 공동현상에 의해 생성된 기포가 붕괴할 때 거대한 에너지가 주변 액체로 발산되며 이 에너지를 이용하여 수처리를 진행할 수 있습니다. 공동현상은 압력 강하의 방식에 따라 분류될 수 있으며 novel HCR은 물체의 회전을 이용해 공동현상을 발생시키는 장치입니다. 표면이 불균일한 물체가 서로 마주보는 상태에서 회전할 때, 이 두 물체 사이를 유로로 구성하게 되면 단면적이 주기적으로 변화하면서 공동현상이 발생합니다. 이 연구에서 사용 된 HCR은 하나의 로터와 이를 둘러싼 케이스로 구성되어 있으며 마주보는 각 표면에 원주방향으로 딤플이 삽입되어 있습니다. 본 연구에서는 HCR을 수처리에 적용하기 위한 실험적인 연구가 수행되었습니다. 첫 번째로, HCR에서 공동현상 강도에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위해 입구 압력, 유속 및 회전 속도가 공동현상 강도에 미치는 영향을 유동 가시화 및 열 발생률을 사용하여 평가했습니다. 유동 가시화는 16000 fps의 초고속 카메라를 사용하여 수행하였으며, 앞면 덮개의 상단에 있는 딤플에 초점을 맞췄습니다. 열 발생률은 HCR의 전단과 후단의 온도차이를 이용하여 계산하였습니다. 실험 결과 입구 압력이 공동현상 강도에 지배적인 영향을 미쳤으며, 유속의 영향이 가장 작았습니다. 또한, 입구 압력이 매우 낮을 경우 choked cavitation이 발생하였으며, 유속은 공동현상 강도에는 영향을 거의 미치지 않았지만, 기포 붕괴 영역의 넓이에는 상당한 영향을 미쳤습니다. 두 번째로, HCR의 수처리 장치로의 적용 가능성을 검증하기 위해 세 가지 평가 지표를 사용하여 초음파 욕조와 수처리 성능을 비교했습니다. 세 가지 평가 지표로써, 입자 크기 분포 및 SVI를 이용한 입자 분해 성능, 용해성 COD를 이용한 가용화 성능, 총 COD 및 VSS 감소율을 이용한 산화 성능을 분석 하였다. 산화 및 입자 붕괴 성능에 대해서는 HCR이 초음파 욕조보다 압도적인 성능을 보였습니다. HCR에서 5 회 처리 된 슬러지의 tCOD 및 VSS는 각각 약 52.9 및 66.0 % 감소하였고, HGR에서 10 회 처리 된 슬러지의 평균 입자 크기는 약 92.7 % 감소했습니다. 반면에, 동일한 에너지 소모량에서 초음파 욕조에 의해 처리된 슬러지는 각각 약 0, 26.4 및 67.6 % 감소했습니다. 하지만, 입자 분해와 산화의 상반된 상호 작용으로 인해 가용화 성능에서는 비슷한 결과를 보였으며 HCR과 초음파 욕조에서 각각 42.3과 41.4 % 가용화 되었습니다. 마지막으로, HCR의 WAS 처리 성능을 종합적으로 평가했습니다. 액체 내부에서 회전하는 로터는 공동현상뿐만 아니라 전단 응력을 발생시키기 때문에 공동현상에 의한 WAS처리성능만을 평가하기 위해 딤플의 여부에 따른 HCR의 WAS 처리 성능을 분석했습니다. 또한 다른 공동현상 발생장치와는 달리 HCR은 상당한 크기의 열 에너지를 생성하기 때문에 이 열에너지가 WAS 처리에 대한 영향을 분석하기 위해 온도 제어에 따른 HCR의 WAS처리성능에 대해 연구하였습니다. 마지막으로 작동 조건에 따른 HCR의 WAS처리성능을 평가하기 위해 12 개의 실험 case를 선정하여 처리 성능을 평가했습니다. 입자 분해 성능과 가용화 성능에 대해 딤플의 여부와 온도 제어에 따른 성능 차이가 극명했습니다. 작동 조건에 따른 성능평가에서는 회전 속도가 증가할수록 처리 성능이 증가하였으며, 입구 압력이 증가할수록 처리 성능이 감소하였습니다.; Compared to the sophistication of industrial structure, water purification technology is still classic and conventional, hence innovative water treatment technology is needed. Cavitation is environmentally friendly, effective and efficient water treatment technology. The cavitation refers to bubble generation, growth and collapse, and the released energy when bubble collapse can be used to water treatment. The cavitation occurs due to the local pressure decrease in liquid and can be classified according to the way the pressure decrease. A novel HCR decreases local liquid pressure using a variation of the cross-sectional area by a rotating object. The HCR used in this study consists of a rotor and covers inserted dimples along the circumstantial direction at each facing surface. The conventional water treatment technique using cavitation has several drawbacks, and the HCR can complement the disadvantages. In the present study, in order to apply the HCR to water treatment, the fundamental and applicate researches were carried out. First, to define the factors which influence on the cavitation intensity in the HCR, the effects of the inlet pressure, the flow rate, and the rotational speed on the cavitation intensity were evaluated by using flow visualization and heat generation rate. The flow visualization carried out by using a high-speed camera with 16000 fps focusing on the top of the front cover dimples. The total heat generation rate is calculated by using the upstream and downstream liquid temperature of the cavitation generator. Among the variables, the effect of inlet pressure is dominant, and the effect of the flow rate is marginal. The chocked cavitation occurs at low inlet pressure, and the flow rate was related to bubble collapse. Second, to verify the applicability to water treatment, the water treatment performance of the HCR was compared with an ultrasonic bath for four experimental cases which are established by the specific energy input using three assessment factors. Particle disintegration performance using particle size distribution and SVI, solubilization performance using soluble COD, and oxidation performance using total COD and VSS reduction rates were analyzed as the assessment factors. For oxidation and particle disintegration performance, the HCR showed overwhelming performance and was superior to the ultrasonic bath at low specific energy input. The tCOD and VSS of the sludge treated five times in the HCR were reduced about 52.9 and 66.0 %, respectively, and the median particle size of the sludge treated 10 times in the HGR was reduced about 92.7 %. Otherwise, at equal specific energy inputs, those of the sludge treated by the ultrasonic bath were reduced about 0, 26.4, and 67.6 %, respectively. However, due to the contradictory interactions of the particle disintegration and oxidation, the two devices showed similar performance in terms of solubilization performance and reached up to 42.3 and 41.4 % in the HCR and the ultrasonic bath, respectively. Finally, the effect of cavitation on WAS treatment in the HCR was analyzed experimentally. Since, a rotor which is in liquid generates not only cavitation but also shear stress, to determine the effect of cavitation on WAS treatment, the performance of the HCR in the presence and absence of dimples was analyzed. Also, because the HCR produces significant thermal energy (unlike other methods of generating cavitation), determining the effect of thermal energy on WAS treatment required a study of the HCR performance according to temperature control. Finally, to determine the effects of inlet pressure and rotational speed, both of which affect the cavitation intensity of the HCR, WAS treatment performance was evaluated in 12 experimental cases using a full factorial design of inlet pressure and rotational speed. For both evaluation factors which are particle decomposition and solubilization, differences in performance according to the presence of dimples and temperature control were evident. WAS treatment performance increased as rotational speed increased and was minimized at the highest inlet pressure.